Nghiên cứu ứng dụng biến tần đa mức trong truyền động điện.pdf

Nghiên cứu ứng dụng biến tần đa mức trong truyền động điện.pdf

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrctnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN TIẾN LUẬT

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ Khoá học: K10

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrctnu.edu.vn

THÁI NGUYÊN - 2009

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrctnu.edu.vn

Công trình được hoàn thành tại:

KHOA SAU ĐẠI HỌC - ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN LIỄN

Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN Phản biện 2: TS TRẦN TRỌNG MINH

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn họp tại:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Vào hồi 11h ngày 22 tháng 11 năm 2009

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrctnu.edu.vn

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRUNG TÂM HỌC LIỆU - ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1

Chương I

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ

1.1 Mô tả chung về động cơ không đồng bộ

- Ở đây ta chủ yếu nghiên cứu động cơ không đồng bộ ba pha

- Động cơ không đồng bộ ba pha là máy điện quay không đồng bộ ba pha về cấu tạo, động cơ không đồng bộ gồm 2 phần chính là phần tĩnh hay là stato và phần quay là rôto Stato thường gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120° trong không gian

Rôto phân làm 2 loại chính: rôto dây quấn và rôto lồng sóc Rôto dây quấn là kiểu rôto có dây quấn giống ở stato, dây quấn rôto được đặt và các rãnh của lõi sắt rôto Còn rôto lồng sóc thì không dùng dây quấn mà dùng các thanh dẫn bằng đồng hay nhôm, các thanh dẫn này được nối ngắn mạch với nhau ở mỗi đầu bằng vòng ngắn mạch

Hình 1.1 Động cơ không đồng bộ a) Rô to lồng sóc, b) Rôto dây quấn

- Động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong thực tế sản xuất Ưu điểm nổi bật của loại động cơ này là cấu tạo đơn giản đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc; so với động cơ một chiều động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn Ngoài ra động cơ không đồng bộ có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều 3 pha nên không cần bộ biến đổi như động cơ điện 1 chiều

Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điểu chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn; riêng với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc thì các chỉ tiêu khởi động xấu hơn

1.2 Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ:

- Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ:

Để thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ta sử dụng sơ đồ thay thế Trên hình 1.2 là sơ đồ thay thế gần đúng một pha của động cơ không đồng bộ với các giả thiết sau:

+ Ba pha động cơ là đối xứng, khe hở không khí là đồng đều

+ Các thông số của động cơ không đổi, nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, tần số,

+ Dòng điện từ hoá không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt ở stato động cơ

+ Bỏ qua cả tổn thất ma sát, tổi thất trong lõi thép + Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng 3 pha

I1

+Iµ, I1, I2: Các dòng điện từ hoá, stato và rôto đã quy đổi về stato

+Xσ, X1σ, X2σ : Điện kháng mạch từ hoá, điện kháng tản stato và rôto đã quy đổi về stato + s: Độ trượt của động cơ:

 

+ f1: Tần số của điện áp nguồn đặt vào stato

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3

+ω: Tốc độ góc của động cơ +Pp: Số đôi cực từ động cơ Từ sơ đồ thay thế ta có:

tìm được dòng điện rôto quy đổi về stato:

 (1.2) - Phương trình đặc tính cơ của động cơ:

Để tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng công suất trong động cơ

Công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto: P12=Mdt.ω1

Bỏ qua các tổn thất phụ thì : Mdt=Mcơ =M Công suất đó chia làm hai phần:

P12=Pcơ+ΔP2

=>M.ω1=M.+ΔP2

Do đó: ΔP2=M(ω1-ω)=M.ω1.s

Mặt khác: ΔP2=3.I’22.R2’

1'22'2 3

 s

RIM 

Từ đó ta có:

nm

(1.3)

Từ đó suy ra:

+

 (1.4)

+

2 1 1 12 2

 (1.5)

Trong hai biểu thức trên dấu + ứng với trạng thái động cơ Dấu - ứng với trạng thái máy

Ở đây nghiên cứu hệ truyền động với động cơ không đồng bộ nên ta quan tâm nhiều tới trạng thái làm việc động cơ nên đường đặc tính cơ lúc này thường biểu diễn trong khoảng 0<s<sth, gọi là đoạn đặc tính cơ làm việc

Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thể biểu diễn đơn gian hơn bằng các lập tỉ số giữa (1.3) và (1.5) ta có:

RRa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5

Hình 1.3 Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ

Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy các thông số ảnh hưởng tới đặc tính cơ: - Ảnh hưởng điện trở, điện kháng mạch stato

- Ảnh hưởng điện trở mạch rôto

- Ảnh hưởng điện áp lưới cấp cho động cơ

1.3 Mô hình động cơ không đồng bộ

1.3.1 Mô hình động cơ không đồng bộ trong không gian ba pha

- Quy ước: A,B, C chỉ thứ tự pha các cuộn dây rôto và a,b,c chỉ thứ tự các cuộn dây stato Giả thiết:

- Cuộn dây stato, rôto đối xứng 3 pha

- Dây quấn stato được bố trí sao cho từ thông khe hở có phân bố dạng hình sin dọc theo chu vi khe hở không khí

- Tham số không đổi - Mạch từ chưa bão hoà

- Khe hở không khí δ đồng đều

- Nguồn 3 pha cấp hình sin và đối xứng (lệch pha góc 2л/3) Phương trình cân bằng điện áp của mỗi cuôn dây k như sau:

Trong đó: k là thứ tự cuộn dây A, B, C rôto và a,b,c stato

Ukkk k

Ψk là từ thông móc vòng của mỗi cuộn dây thứ k.Ψk=∑Ljkij nếu i=k: ta có điện cảm tự cảm , j≠k: ta có điện cảm hỗ cảm Ví dụ: Ψa=La aia+Labib+Lacic+LaAiA+LaBiB+LaCiC

L là điện cảm chính của dây quấn pha động cơ không đồng bộ Lσ là điện cảm tản

Ns là số vòng dây quấn stato Nr là số vòng dây quấn rôto

i ,

 

 



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7

 

Các hệ phương trình trên là các hệ phương trình vi phân phi tuyến có hệ số biến thiên theo thời gian vì góc quay θ phụ thuộc thời gian:

Kết luận: nếu mô tả toán học như trên thì rất phức tạp nên cần đơn giản giảm bớt đi

Tới năm 1995 Kôvacs(Liên Xô) đề xuất phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ và Park(Mỹ) đưa ra phép biến đổi d,q

1.3.2 Phép biến đổi tuyến tính không gian vectơ:

Trong máy điện ba pha thường dùng cách chuyển các giá trị tức thời của điện áp thành các vectơ không gian Lấy một mặt phẳng cắt động cơ theo hướng vuông góc với trục và biển diễn từ không gian thành mặt phẳng Chọn trục thực của mặt phẳng trùng với trục pha a

Hình 1.4 Tương quan giữa hệ toạ độ αβ và toạ độ pha a,b,c

Ba vectơ dòng điện stato ia, ib, ic tổng hợp lại và đại diện bởi một vectơ quay tròn is Véctơ không gian của dòng điện stato:

Muốn biết is cần biết các hình chiếu của nó lên các trục toạ độ: isα , isβ is=isα + jisβ

+ Nếu ωk=0, θ0=0: đó là phép biến đổi với hệ trục (biến đổi tĩnh)

+ Nếu ωk=ω1, θ0 tự chọn bất kỳ (để đơn giản một phương trình x trùng ψr để ψry=0): phép biến đổi d,q

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9

Chuyển sang hệ toạ độ quay bất kỳ: Các hệ toạ độ được mô tả như sau:

Hình 1.6 Các đại lượng is và r của động cơ trên các hệ toạ độ

- Các phương trình chuyển đổi hệ toạ độ: a, b, c -> αβ

isa ia

is  ia ib

αβ  d,q

Isd=isαcosθ +isβsinθ Isq =isβcosθ +isαsinθ αβ  a,b,c

D,q → αβ

- Hệ phương trình cơ bản của động cơ trong không gian vectơ: Để dễ theo dõi ta ký hiệu:

Chỉ số trên s: Xét trong hệ toạ độ stato(toạ độ α,β)

f: trong toạ độ trường (fied) từ thông rôto(toạ độ dq) r: toạ độ gắn với trục rôto

Chỉ số dưới: s: đại lượng mạch stato r: toạ độ gắn với trục rôto Phương trình mômen:

ipmM  r 

Phương trình chuyển động:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11

mM  c  

Phương trình điện áp cho ba cuộn dây stato:

usc() ssc() sc( )

Tương tự như vectơ dòng điện ta có vectơ điện áp:

(tutute 120 ucteus  sa  sbj 

Sử dụng khái niệm vectơ tổng ta nhận được phương trình vectơ:



- Khi quan sát ở hệ toạ độ α,β:

Đối với mạch rôto ta cũng có được phương trình như trên, chỉ khác là do cấu tạo các lồng

Từ thông stato và rôto được tính như sau:

s iL iL

1.4 Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ:

1.4.1.Các phương pháp điểu khiển tốc độ động cơ không đồng bộ:

Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ:

=~ stato

Rô to

Hình 1.7 Các phương pháp điều khiển

a Điều khiển điện áp stato:

Điều chỉnh

điện áp Stato

Kinh tế

Điều chỉnh tần số nguồn cấp Stato Tổn thất

Điều chỉnh bằng pp xung điện trở rôto

Điều chỉnh công suất trượt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13

Do mômen động cơ không đồng bộ tỉ lệ với bình phương điện áp stato, do đó có thể điều chỉnh được mômen và tốc độ không đồng bộ bằng cách điều chỉnh điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số Đây là phương pháp đơn giản nhất, chỉ sử dụng một bộ biến đổi điện năng(biến áp, tiristor) để điều chỉnh điện áp đặt vào các cuộn stato Phương pháp này kinh tế nhưng họ đặc tính cơ thu được không tốt, thích hợp với phụ tải máy bơm, quạt gió

b Điều khiển điện trở rôto:

Sử dụng trong cơ cấu dịch chuyển cầu trục, quạt gió, bơm nước: bằng việc điểu khiển tiếp điểm hoặc tiristor làm ngắn mạch/hở mạch điện trở phụ của rôto ta điều khiển được tốc độ động cơ, phương pháp này có ưu điểm mạch điện an toàn, giá thành rẻ Nhược điểm: đặc tính điểu chỉnh không tốt, hiệu suất thấp, vùng điều chỉnh không rộng

c Điều chỉnh công suất trượt:

Trong các trường hợp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách làm

tiêu tán trên điện trở mạch rôto, ở các hệ thống truyền động điện công suất lớn, tổn hao này là đáng kể, vì thế để vừa điều chỉnh được tốc độ truyền động, vừa tận dụng được công suất trượt người ta sử dụng các sơ đồ công suất trượt(sơ đồ nối tầng/nối cấp)

P1=Pcơ+Ps=P1(1-s)+sP1=const

Nếu lấy Ps trả lại lưới thì tiết kiệm được năng lượng

ra phát lên lưới)

- Khi điều chỉnh với ω>ω1 (s<0): điều chỉnh công suất trượt trên đồng bộ (nhận năng lượng Ps vào) hay còn gọi là điều chỉnh nối cấp trên đồng bộ hoặc truyền động động cơ hai nguồn cung cấp

không nên điều chỉnh sâu ω xuống Trong thực tế không sử dụng phương pháp này

d Điều khiển tần số nguồn cấp stato:

Nguyên lý chung của điều khiển tần số:

Xuất phát từ công thức:

1 2 ; 1(1s)

f tần số nguồn p số đôi cực s hệ số trượt

Hình 1.8 Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ khi điều chỉnh tần số

thì dẫn đến tốc độ thay đổi và sẽ dẫn đến tốc độ động cơ thay đổi

Khi điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ thường phải điều chỉnh cả điện áp, dòng điện hoặc từ thông trong mạch stato do trở kháng, từ thông, dòng điện…của động cơ bị thay đổi

hóa tăng lên, lúc này lõi thép bị bão hoà làm cho máy nóng làm việc sẽ kém đi, dẫn đến hiệu suất thấp, nóng mạch từ Vì vậy, để đảm bảo một chỉ tiêu mà không làm động cơ bị quá dòng, cần phải điều chỉnh cả điện áp động cơ, cụ thể là giảm điện áp cùng với việc giảm tần số theo quy luật nhất định

động cơ sẽ giảm xuống làm cho momen động cơ giảm, dẫn đến tốc độ động cơ giảm rất nhiều Trường hợp mômen động cơ yếu có thể làm cho động cơ không quay được

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15

Khi tần số tăng (f > fdm )thì mômen tới hạn giảm

fMth 

- Điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ là phương pháp điều chỉnh kinh tế, tuy vậy nó đòi hỏi kỹ thuật cao và phức tạp Điều này xuất phát từ bản chất và nguyên lý làm việc của động cơ là phần cảm và phần ứng không tách biệt có hai hướng tiếp cận là:

từ thông ψs và dòng điện ir

và dòng điện stato is

các giá trị biên độ của đại lượng điện áp và dòng điện stato, ngày nay gọi là điểu khiển vô hướng

- Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi:

Để đảm bảo một số chỉ tiêu điều chỉnh mà không làm động cơ bị quá dòng thì cần phải điều chỉnh cả điện áp Đối với biến tần nguồn áp thường có yêu cầu giữ cho khả năng quá

ssfu  

=const

- Luật điều chỉnh tần số-điện áp giữ từ thông không đổi:

Ở hệ thống điều khiển điện áp/tần số, sức điện động stato động cơ được điều chỉnh tỉ lệ với tần số đảm bảo duy trì từ thông khe hở không đổi Động cơ có khả năng sinh mômen như nhau ở mọi tần số định mức Có thể điều chỉnh tốc độ ở hai vùng:

Vùng dưới tốc độ cơ bản: giữ từ thông không đổi thông qua điều khiển tỷ số sức điện động khe hở/tần số là hằng số

Vùng trên tốc độ cơ bản: giữ công suất động cơ không đổi, điện áp được duy trì không đổi, từ thông động cơ giảm theo tốc độ

- Điều chỉnh từ thông:

Trong chế độ định mức, từ thông là định mức và mạch từ có công suất tối đa Luật điều chỉnh tần số-điện áp là luật giữ gần đúng từ thông không đổi trên toàn dải điều chỉnh Tuy

nhiên từ thông động cơ, trên mỗi đặc tính, còn phụ thuộc vào rất nhiều vào độ trượt s, tức là phụ thuộc mômen tải trên trục động cơ Vì thế trong các hệ điều chỉnh yêu cầu chất lượng cao cần tìm cách bù từ thông

được điều chỉnh theo tốc độ trượt Phương pháp này có nhược điểm là mỗi động cơ phải cài đặt một sensor đo từ thông không thích hợp cho sản xuất đại trà và cơ cấu đo gắn trong đó bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và nhiễu

Nếu điều chỉnh cả biên độ và pha của dòng điện thì có thể điều chỉnh được từ thông rôto mà không cần cảm biến tốc độ

-Điều chỉnh tần số nguồn dòng điện

Phương pháp điều chỉnh này sử dụng biến tân nguồn dòng Biến tần nguồn dòng có ưu điểm là tăng được công suất đơn vị máy, mạch lưc đơn giản mà vẫn thực hiện hãm tái sinh động cơ Nguồn điện một chiều cấp cho nghịch lưu phải là nguồn điện điều khiển Để tạo nguồn điện một chiều thường dùng chỉnh lưu điều khiển hoặc băm xung áp một chiều có bộ điều chỉnh dòng điện có cấu trúc tỷ lệ-tích phân(PI), mạch lọc là điện kháng tuyến tính có trị số điện cảm đủ lớn

1.4.2 Điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ:

Một số hệ thống yêu cầu chất lượng điều chỉnh động cao thì các phương pháp điều khiển kinh điển khó đáp ứng được Hệ thống điều khiển định hướng theo từ trường còn gọi là điều khiển vectơ, có thể đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh trong chế độ tĩnh và động Nguyên lý điều khiển vectơ dựa trên ý tưởng điều khiển vectơ động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều Phương pháp này đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh của hệ thống trong quá trình quá độ cũng như chất lượng điều khiển tối ưu mômen Việc điều khiển vectơ dựa trên định hướng vectơ từ thông rôto có thể cho phép điều khiển tác rời hai thành phần dòng stato, từ đó có thể điều khiển độc lập từ thông và mômen động cơ Kênh điều khiển từ thông thường gồm một mạch vòng điều chỉnh dòng điện sinh từ thông Do đó hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ có thể tạo được các đặc tính tĩnh và động cao, có thể so sánh được với động cơ một chiều

- Nguyên lý điều khiển vectơ:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17

Dựa trên ý tưởng điều khiển động cơ không đồng bộ tương tự như điều khiển động cơ một chiều Động cơ một chiều có thể điều khiển độc lập dòng điện kích từ và dòng phần ứng để đạt được mômen tối ưu theo công thức tính mômen:

Hình 1.9 Sự tương quan giữa điều khiển động cơ một chiều và điều khiển vectơ

Tương tự ở điều khiển động cơ không đồng bộ, nếu ta sử dụng công thức: M=KmψrIqs=KmIdsIqs(khi chọn trục d trùng với chiều vectơ từ thông rôto)

Thì có thể điều khiển M bằng cách điều chỉnh tốc độ đôc lập các thành phần dòng điện trên hai trục vuông góc của hệ toạ độ quay đồng bộ với vectơ từ thông rôto Lúc này vấn đề điều khiển động cơ không đồng bộ tương tự như dòng điều khiển động cơ điện một

Các thành phần có thể tính được nhờ sử dụng khái niệm vectơ không gian Với ý tưởng định nghĩa vectơ không gian dòng điện của động cơ được mô tả ở hệ toạ độ quay với tốc

Mạch điều khiển và mạch nghịch lưu

rdq

Hình 1.10 Điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện: Mômen và kích từ

- Điều khiển trực tiếp mômen:

Ra đời vào những năm cuối thập kỷ 90 của thế kỉ XX, thực hiện được đáp ứng nhanh Vì

đắt tiền, độ tin cậy thấp(hiện nay đã có vi mạch tích hợp cao, độ chính xác cao), việc đo dòng điện qua cảm biến gây chậm trễ, đáp ứng momen của hệ điều khiển vectơ chậm(cở

1.4.3 Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi

Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi hay điều chỉnh điện áp-tần số với từ thông là hàm của mômen tải thuộc phương pháp điều chỉnh vô hướng Phương pháp này sử dụng bộ biến tần-động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc Ta giả thiết điện áp và dòng điện đầu ra của bộ biến tần là hình sin, có biên độ và tần số có thể thay đổi được thì nhìn vào sơ đồ thay thế và các biểu thức tính toán mômen, dòng điện…ta thấy khi điều chỉnh tần số thì trở kháng của động cơ thay đổi, do đó khi điều chỉnh tần số thì ta phải điều chỉnh cả điện áp để đảm bảo động cơ không bị quá dòng và đảm bảo khả năng sinh mômen theo yêu cầu đặc tính tải

Mômen lớn nhất mà động cơ không đồng bộ sinh ra được(với tần số và điện áp nhất

nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato thì biểu thức mômen tới hạn tính như sau: 2

Điều kiện để giữ hệ số quá tải về mômen không đổi là:



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 19

Hình 1,11 Đặc tính cơ điều chỉnh tần số theo luật giữ khả năng quá tải không đổi

Từ hai biểu thức trên ta có thể tính được:

Dạng đặc tính cơ thống kê của các máy sản xuất dạng gần đúng:

có thể xem ω=ω1, từ đó ta có:

Hay ở dạng đơn vị tương đối: **(1 x/2)

fU  

fU 

của mômen tải:

cs  M

1.4.4 Điều khiển điện áp-tần sô giữ từ thông động cơ không đổi



Trong đó C1: hệ số phụ thuộc vào kết cấu máy điện f1đm: tần số định mức, f1

*: tần số đơn vị tương đối

Nếu bỏ qua thành phần sụt áp trên điện trở stato ta có *

  *

tương ứng với quy luật

= hằng số đã nêu ở mục (3-2), bị suy giảm ở vùng tần số thấp khi sụt áp trên điện trở

=hằng số đã nêu ở mục (3-2), bị suy giảm ở vùng tấn số thấp khi sụt áp trên điện trở stato có thể so sánh với điện

ψσ không đổi ta cần bù điện áp rơi trên điện trở stato

Như vậy tại giá trị tần số đầu vào f1 giá trị điện áp sẽ có hai thành phần:

Thành phần thứ nhất U11 lấy từ hàm quan hệ U1(f1), thành phần thứ 2 tỷ lệ với dòng điện tả U12~I1

Dạng đặc tính cơ theo luật điều khiển điện áp tần số giữ từ thông động cơ không đổi được vẽ trên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 21

Hình 1.12 Đặc tính cơ điều khiển điện áp - tần số giữ từ thông động cơ không đổi

Nhận xét: Phương pháp điều khiển U1(f1) giữ từ thông không đổi đơn giản dễ thực hiện Vì vậy, phần lớn biến tần công nghiệp thường sử dụng giải pháp này

Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có vai trò như một khóa dùng để đóng, ngắt dòng điện qua nó Trong các ứng dụng với công suất vừa và nhỏ, có thể sử dụng transitor BJT, MOSFET, IGBT làm khóa và ở phạm vi công suất lớn có thể sử dụng GTO, IGCT …

2.2 Phân loại bộ nghịch lưu áp

Bộ nghịch lưu áp dựa theo các tiêu chí khác nhau có thể phân loại như sau: - Theo số pha điện áp đầu ra: một pha, ba pha

- Theo số bậc điện áp giữa một đầu pha tải và một điểm điện thế chuẩn trên mạch (phase to pole voltage): hai mức (two level), đa mức (multilevel)

- Theo cấu trúc của bộ nghịch lưu: dạng nối tầng (cascade inverter), dạng điôt kẹp (diode clamped inverter), dạng flying capacitor …

- Theo phương pháp điều chế: + Phương pháp điều rộng + Phương pháp điều biên

+ Phương pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CBPWM) + Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (SFO-PWM)

+ Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVPWM)

2.3 Nghịch lưu áp đa mức

Sự tiến bộ gần đây trong việc nâng cao tính năng dòng, áp của các thiết bị chuyển mạch như IGBT, IGCT, GTO đã thúc đẩy việc sử dụng các bộ nghịch lưu nguồn áp trong lĩnh vực công suất lớn Các bộ nghịch lưu với dòng điện lớn và điện áp cao ngày càng ứng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 23

dụng rộng rãi trong truyền động xoay chiều, trong truyền tải điện xoay chiều như bộ bù tĩnh (static var compensator)

Cấu trúc chung của bộ nghịch lưu áp nhiều mức (đa mức) là có nhiều bộ gồm sáu chuyển mạch thông thường trong nghịch lưu ba pha để tổng hợp điện áp hình sin từ một số mức điện áp từ nguồn áp của tụ điện Lý do sử dụng các khóa chuyển mạch này là dòng điện bị phân chia trong các khóa chuyển mạch và cho phép làm việc với công suất định mức lớn hơn công suất từng khóa riêng rẽ

2.4 Các cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa mức

2.4.1 Bộ nghịch lưu điôt kẹp (diode clamped multilevel inverter) 2.4.1.1 Cấu trúc

Bộ nghịch lưu điôt kẹp sử dụng các điôt kẹp và các tụ điện một chiều mắc nối tầng để tạo ra điện áp có nhiều mức Bộ nghịch lưu này có thể có cấu trúc: 3, 4 hay 5 mức, nhưng thường sử dụng nhiều nhất trong các truyền động công suất lớn, điện áp trung bình (medium voltage drives) là bộ nghịch lưu 3 mức (three level neutral point clamped: 3L-NPC)

Hình 2.1: Bộ nghịch lưu điôt kẹp 3 mức

Cấu trúc của một bộ nghịch lưu điôt kẹp 3 mức như hình 2.1 Pha A của bộ nghịch

ra điểm trung tính ảo (neutral point) Z Điện áp đặt lên mỗi tụ điện bằng E, thường bằng

bộ nghịch lưu được nối với điểm trung tính ảo thông qua một trong hai điôt chốt

2.4.1.2 Trạng thái của các khóa chuyển mạch

Trạng thái của các chuyển mạch trong bộ nghịch lưu điôt kẹp 3 mức được cho dưới dạng bảng 2.1 Trạng thái P (positive) tương ứng với hai khóa chuyển mạch S1, S2 đều

sẽ có giá trị bằng 0 do các điôt chốt Phụ thuộc theo chiều của dòng điện tải mà một trong hai điôt chốt sẽ dẫn dòng Ví dụ, với dòng điện tải dương (iA > 0) làm DZ1 đóng, đầu ra pha

Bảng 2.1: Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của bộ nghịch lưu 3L-NPC

Trạng thái

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 25

Hình 2.2: Trạng thái, điện áp điều khiển các chuyển mạch và điện áp ra

Tương tự ta cũng có điện áp pha UBZ, UCZ có dạng giống UAZ nhưng có sự dịch

-2E (hình 2.3)

Hình 2.3: Điện áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lưu 3L-NPC

2.4.1.3 Quá trình chuyển mạch

Để nghiên cứu sự chuyển mạch của các khóa trong bộ nghịch lưu 3L-NPC, coi như

lên mỗi tụ điện giữ giá trị bằng E và các khóa chuyển mạch coi như lý tưởng

- Trường hợp 1: dòng điện tải iA > 0 (hình 1.4a)

ngắt, còn S2 và S3 đang đóng Điôt chốt DZ1 đang dẫn dòng điện iA > 0 Điện áp đặt trên hai khóa chuyển mạch S2, S3:US2US30, còn điện áp đặt lên hai khóa S1, S4:US1US4E Sau khi S3 ngắt hoàn toàn, S1 đóng lại (trạng thái P) tương ứng với điện áp rơi US10, điôt chốt DZ1 bị phân cực ngược nên khóa lại, dòng điện chuyển từ DZ1 sang S1 Do cả hai khóa chuyển mạch S3 và S4 đều đã ngắt nên điện áp rơi trên chúng:

US3 S4

- Trường hợp 2: dòng điện tải iA < 0 (hình 2.4b)

Hình 2.4a: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang

Hình 2.4b: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 27

chạy qua (iA < 0) Điện áp đặt trên hai khóa chuyển mạch S1, S4:U = US1 S4= E Do tải có

UU0 Lúc này dòng điện tải iA chuyển mạch từ S3 qua D1, D2 (trạng thái P)

Tương tự ta có thể khảo sát quá trình chuyển mạch từ trạng thái P sang trạng thái O, từ trạng thái O sang trạng thái N hay ngược lại dưới dạng bảng 2.2

Bảng 2.2: Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-NPC

Hình 2.5: Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor 3 mức

2.4.2.2 Trạng thái của các khóa chuyển mạch

Để tạo ra 3 mức điện áp, các khóa chuyển mạch được điều khiển sao cho tại mọi thời điểm chỉ có hai trong bốn khóa ở mỗi pha được đóng Trạng thái của các chuyển mạch trong bộ nghịch lưu 3L-FLC được cho dưới dạng bảng 2.3 Nó chỉ khác so với bộ

đóng Tùy theo chiều dòng điện qua tụ thay đổi mà nạp hay xả tụ điện Bảng 2.3: Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của 3L-FLC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 29

2.4.2.3 Quá trình chuyển mạch

Để nghiên cứu sự chuyển mạch của các khóa chuyển mạch trong bộ nghịch lưu

S2 với thời gian chết bỏ qua

- Trường hợp 1: dòng điện tải iA > 0 (hình 2.6a)

ngắt Điôt D3 đang dẫn cho dòng điện iA > 0 chạy qua Sau khi S3 ngắt hoàn toàn, S2 đóng lại (trạng thái P) dòng điện chuyển từ D3 qua S2

- Trường hợp 2: dòng điện tải iA < 0 (hình 2.6b)

Hình 2.6a: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O

Hình 2.6 b: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O

Bộ nghịch lưu ở trạng thái O tương ứng với các khóa S1, S3 đang đóng và S2, S4 đang ngắt Điôt D1 đang dẫn dòng iA < 0 chạy qua Sau khi S3 ngắt hoàn toàn, S2 đóng lại (trạng thái P), dòng điện chuyển qua D1 và D2

Tương tự ta có thể khảo sát quá trình chuyển mạch từ trạng thái P sang trạng thái O, từ trạng thái O sang trạng thái N hay ngược lại dưới dạng bảng 2.4

Bảng 2.4: Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-FLC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 31

tạo ra điện áp có 5 mức thì tại mội thời điểm các khóa chuyển mạch được điều khiển sao cho chỉ có 2 trong 4 khóa của mỗi cầu H được đóng

Hình 2.7: Bộ nghịch lưu 5 mức kiểu cầu H nối tầng

2.4.3.2 Trạng thái của các khóa chuyển mạch

Khi các khóa chuyển mạch S11, S21, S12 và S22 dẫn dòng thì điện áp ra của cầu H1 và H2 lần lượt: Uh1Uh2E nên điện áp ra tổng hợp trên pha A của bộ nghịch lưu:

UAN h1 h2 Tương tự với S31, S41, S32 và S42 dẫn thì điện áp ra UAN2E Còn 3 mức điện áp còn lại E, 0, -E tương ứng với các vị trí khác nhau của các khóa sẽ được tổng hợp trong bảng 2.5

Bảng 2.5: Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của 5L-CHB Trạng thái

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 33

Hình 2.8: Quá trình chuyển mạch giữa các trạng thái - Trường hợp 1: dòng điện tải iA > 0 (hình 2.9a)

Trạng thái 1

Trạng thái 4

Trạng thái 7

Trạng thái 14

Trạng thái 16

với dòng điện tải iA > 0

Bộ nghịch lưu ở trạng thái "1" tương ứng với S11, S21, S12 và S22 đang dẫn dòng với

trạng thái "4" với điện áp raUANE Sau khi S21 ngắt hoàn toàn, S31 đóng lại bộ nghịch lưu chuyển sang trạng thái "7" tương ứng với điện áp ra UAN0 Sau đó bộ nghịch lưu chuyển sang trạng thái "14" với S11 ngắt và S41 đóng lại, tương ứng với điện áp ra UANE Sau khi S12 ngắt hoàn toàn, S42 đóng lại bộ nghịch lưu chuyển sang trạng thái "16" tương ứng

đậm trong hình 2.9a

- Trường hợp 2: dòng điện tải iA < 0 (hình 2.9b)

với dòng điện tải iA < 0

chu trình trên nhưng với chiều dòng điện chạy như trong hình 2.9b

2.5 Nhận xét

Bộ nghịch lưu áp đa mức ngày càng được sử dụng nhiều trong các ứng dụng có điện áp cao và hiệu suất cao Ưu điểm chính của nó: công suất của bộ nghịch lưu áp tăng lên, điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất tổn hao do quá trình đóng cắt của linh kiện cũng giảm theo, với cùng tần số đóng cắt các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn so với trường hợp bộ nghịch lưu 2 mức

Trong các cấu trúc của bộ nghịch lưu đa mức, cấu trúc dạng flying capacitor (FLC) khó thực hiện bởi vì mỗi tụ điện được nạp với điện áp khác nhau khi số mức điện áp tăng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 35

lên Bộ nghịch lưu cầu H nối tầng (CHB) có khả năng mođun hóa, vấn đề không cân bằng của điện áp liên lạc một chiều không xảy ra, do đó dễ mở rộng ở nhiều mức, tuy nhiên cần phân tách nguồn một chiều Cấu trúc có điôt kẹp (NPC) khó mở rộng sang nhiều mức bởi vì vấn đề liên lạc một chiều không cân bằng, số điôt chốt tăng lên Vì vậy trong phạm vi luận văn tác giả chỉ tập trung nghiên cứu cho bộ nghịch lưu áp 3 mức (3L-NPC)

B Phương pháp điều chế cho bô nghịch lưu áp đa mức 2.6 Khái niệm

Phương pháp điều chế vectơ không gian (space vector modulation method -SVM) xuất phát từ những ứng dụng của vectơ không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong các hệ thống điện ba pha Phương pháp điều chế vectơ không gian và các dạng cải biến của nó có tính hiện đại, giải thuật chủ yếu dựa vào kỹ thuật số và là các phương pháp được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong lĩnh vực điện tử công suất liên quan đến điều khiển các đại lượng xoay chiều ba pha như truyền động điện xoay chiều, điều khiển các mạch lọc tích cực, điều khiển các thiết bị công suất trên hệ thống truyền tải điện

Phương pháp điều chế vectơ không gian là phương thức thay thế ba vectơ điện áp ba pha thành một vectơ quay trong không gian Như vậy thay vì phải tính toán trên ba pha ta chỉ cần tính toán trên hệ trục hai pha theo độ lớn và góc pha của đại lượng vectơ quay Giả thiết cho đại lượng ba pha cân bằng va, vb, vc thỏa mãn hệ thức: va  vbvc 0 (2.1)

Phép chuyển đổi từ các đại lượng ba pha va, vb, vc sang đại lượng vectơ quay v

v v v e v e   

(2.2)

2.7 Phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu áp ba mức NPC

2.7.1 Vectơ không gian của bộ nghịch lưu áp ba mức NPC

sẽ có ba trạng thái điện áp khác nhau tương ứng với các trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn Do đó có tất cả 27 trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn trên ba pha tạo ra điện áp ba pha ở tải, với mỗi trạng thái được minh họa bởi tổ hợp ka, kb, kc

Hình 2.10: Bộ nghịch lưu áp 3 mức NPC Xét hệ số ka:

S +S =1S +S =1

Dựa vào độ lớn (mođun), người ta chia các vectơ này thành 4 nhóm: - Vectơ không (zero vector) V0

: tương ứng với 3 trạng thái của khóa bán dẫn là

bằng không - Vectơ nhỏ (small vector) V ÷ V1 6

khóa bán dẫn tương ứng với hai loại vectơ P (chứa trạng thái P) và vectơ N (chứa trạng thái N)

- Vectơ trung bình (medium vector) V ÷ V7 12

: có môđun bằng 3V /3dc - Vectơ lớn (large vector) V ÷ V13 18

Bảng 2.6: Các vectơ tương ứng với các trạng thái của khóa bán dẫn

P : khi S1 và S2 đóng ("1"), UAZ = E ka = O : khi S2 và S3 đóng ("1"), UAZ = 0 N : khi S3 và S4 đóng ("1"), UAZ = -E