Mục đích nghiên cứu của đề tài là phân tích quá trình chuyển mạch của các khóa trong bộ nghịch lưu áp sơ đồ cầu H nối tầng; phân tích và xây dựng thuật toán các phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu áp; điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc (ĐCKĐB-RLS) sử dụng bộ nghịch lưu áp đa mức.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HOÀNG TRỌNG ĐỨC ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ÁP SƠ ĐỒ CẦU H NỐI TẦNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SĨC Demo Version - Select.Pdf SDK LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HOÀNG TRỌNG ĐỨC ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ÁP SƠ ĐỒ CẦU H NỐI TẦNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC Demo Version - Select.Pdf SDK Chuyên ngành : Tự động hóa Mã số : 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN ANH DUY Đà Nẵng – Năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Anh Duy Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Hoàng Trọng Đức Demo Version - Select.Pdf SDK MỤC LỤC MỞ ĐẦU 01 Tính cấp thiết đề tài 01 Mục tiêu nghiên cứu 01 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 02 Phương pháp nghiên cứu 02 Bố cục đề tài 02 Tổng quan tài liệu nghiên cứu 03 CHƯƠNG BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC 04 1.1 GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 04 1.1.1 Khái niệm 04 1.1.2 Phân loại 04 1.1.3 Các phương pháp điều khiển nghịch lưu áp 05 1.2 CÁC CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA BỘ SDK NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC 05 Demo Version - Select.Pdf 1.2.1 Bộ nghịch lưu áp đa mức sơ đồ cầu H nối tầng 05 1.2.2 Bộ nghịch lưu điôt kẹp 11 1.2.3 Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor 17 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 21 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 23 2.1 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN 23 2.1.1 Khái niệm 23 2.1.2 Nguyên lý điều chế 23 2.1.3 Cách tính thực thời gian đóng cắt van 33 2.2 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG 36 2.2.1 Nguyên lý điều chế 36 2.2.2 Một số tiêu kỹ thuật phương pháp PWM 39 2.2.3 Các dạng sóng mang dùng phương pháp PWM 41 2.2.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến 52 2.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG NGHỊCH LƯU ÁP VỚI TẢI RL 56 2.3.1 Nghịch lưu áp hai mức 56 3.1.2 Nghịch lưu áp 5L-CHB 59 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 66 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC SỬ DỤNG NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC 67 3.1 ĐỘNG CƠ NỐI TRỰC TIẾP VỚI BỘ NGHỊCH LƯU ÁP 67 3.1.1 Động nối trực tiếp với nghịch lưu áp hai mức 67 3.1.2 Động nối trực tiếp với nghịch lưu áp 5L-CHB 70 3.2 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR 75 3.2.1 Nguyên lý phương pháp 75 Demo Version - Select.Pdf SDK 3.2.2 Kết mô điều khiển động theo phương pháp tựa theo từ thông rotor 82 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 92 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU: E, UDC: Điện áp nguồn chiều (V) UAZ, UAN : Điện áp pha tải, điện áp nghịch lưu (V) u u : Vector điện áp chuẩn Ikt, Iu : Dịng điện kích từ, dịng điện phần ứng (A) Ar, Acr: Biên độ đỉnh tín hiệu điều chế, sóng mang (V) fr, fcr : Tần số tín hiệu điều chế, sóng mang (Hz) m : Chỉ số điều chế ma : Chỉ số điều chế biên độ mf : Chỉ số điều chế tần số M : Từ thông động (T) dr : phần Demo tử d củaVersion vector từ- thông rotor (cũng Select.Pdf SDKchính modul vector) is : Dịng điện stator (A) ids, iqs: Phần tử d q vector dịng stator (A) Te : Mơmen quay động (Nm) J : Mơmen qn tính (Kgm2) Rs : Điện trở phía stator () Rr : Điện trở phía rotor quy đổi phía stator () Ls, Lr, Lm : Điện cảm stator, điện cảm rotor, hỗ cảm stator rotor (H) Lls, Llr: Điện cảm tản phía stator, điện cảm tản phía rotor (H) Zp : số đôi cực động r : Hằng số thời gian rotor p : Toán tử Laplace CÁC CHỮ VIẾT TẮT: APOD : Alternative Phaseopposite Disposition COPWM : Carrier Overlapping PWM methods ĐCKĐB-RLS: Động không đồng ba pha rotor lồng sóc IPD : In-Phase Disposition POD : Phase Opposite Disposition: PWM : Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) SFO-PWM: Điều chế độ rộng xung cải biến (Switching Frequence Optimal PWM Method) SH-PWM : Điều chế độ rộng xung thông thường (Subharmonic PWM) THD : Tổng độ méo sóng hài (Total Harmonics Distortion) 3L-FLC : Bộ nghịch lưu mức dạng flying capacitor 3L-NPC : Bộ nghịch lưu áp điôt kẹp mức (three level neutral point clamped) Demo Version - Select.Pdf SDK 5L-CHB : Bộ nghịch lưu áp sơ đồ cầu H nối tầng mức (Five level cascaded H-bridge multilevel inverter) DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Trạng thái khóa chuyển mạch (pha A) 5L-CHB 08 1.2 Dòng điện iA chạy qua phần tử 5L-CHB 10 1.3 Trạng thái chuyển mạch (pha A) nghịch lưu 3L-NPC 13 1.4 Q trình dẫn dịng khóa (pha A) 3L-NPC 17 1.5 Trạng thái chuyển mạch pha A 3L-FLC 19 1.6 Quá trình dẫn dịng khóa (pha A) 3L- FLC 21 2.1 Các khả nối pha động với UDC 24 2.2 27 2.3 Trình tự chuyển mạch sector S1 Demo Version - Select.Pdf SDK Trình tự chuyển mạch sector S2 2.4 Trình tự chuyển mạch sector S3 29 2.5 Trình tự chuyển mạch sector S4 30 2.6 Trình tự chuyển mạch sector S5 31 2.7 Trình tự chuyển mạch sector S6 32 2.8 Modul vector biên u p u t theo vị trí vector u s 35 2.9 Chỉ số THD điện áp dây với tải LR 65 2.10 Chỉ số THD dòng điện pha với tải LR 28 66 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Bộ nghịch lưu đa mức sơ đồ cầu H nối tầng 07 1.2 Quá trình chuyển mạch trạng thái 5L-CHB 09 1.3 Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 14 16 10 với dòng điện tải iA > 5L-CHB 1.4 Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 14 16 11 với dòng điện tải iA < 5L-CHB 1.5 Bộ nghịch lưu điôt kẹp mức 12 1.6 Trạng thái khóa, tín hiệu điều khiển điện áp UAZ 14 1.7 Dạng sóngVersion điện- áp pha điệnSDK áp dây Demo Select.Pdf 14 1.8 Quá trình chuyển mạch với dòng điện tải iA > 3L-NPC 15 1.9 Q trình chuyển mạch với dịng điện tải iA < 3L-NPC 16 1.10 Bộ nghịch lưu đa mức dạng flying capacitor 18 1.11 Quá trình chuyển mạch với dòng điện tải iA > 3L-FLC 20 1.12 Q trình chuyển mạch với dịng điện tải iA < 3L-FLC 20 2.1 Sơ đồ nguyên lý ĐCXCBP nuôi biến tần nguồn áp 24 2.2 Sơ đồ nối dây ba cuộn dây pha theo khả thứ 25 2.3 Vector điện áp chuẩn u u tạo ba cặp van bán dẫn 25 2.4 Thực vector u s vector điện áp chuẩn 26 2.5 Giản đồ xung điều khiển van thuộc S1 28 2.6 Vector điện áp giản đồ xung điều khiển van thuộc S2 29 2.7 Vector điện áp giản đồ xung điều khiển van thuộc S3 30 2.8 Vector điện áp giản đồ xung điều khiển van thuộc S4 31 2.9 Vector điện áp giản đồ xung điều khiển van thuộc S5 32 2.10 Vector điện áp giản đồ xung điều khiển van thuộc S6 33 2.11 Biểu diễn vector u s hệ tọa độ dq 34 2.12 Sơ đồ nghịch lưu hai mức 37 2.13 Sơ đồ mô mạch tạo xung kích cho nghịch lưu hai 38 mức 2.14 Nguyên lý điều chế độ rộng xung dùng sóng mang Demo Version - Select.Pdf SDK 2.15 Sơ đồ nghịch lưu áp 5L-CHB, điều chế dịch pha 38 2.16 Sơ đồ mơ mạch tạo xung kích cho nghịch lưu 5L- 42 42 CHB, điều chế dịch pha 2.17 Xung kích cho nghịch lưu 5L-CHB, điều chế dịch pha 43 2.18 Điện áp nghịch lưu 5L-CHB, điều chế dịch pha 44 2.19 Sơ đồ nghịch lưu áp 5L-CHB, điều chế dịch mức 45 2.20 Sơ đồ mơ mạch tạo xung kích cho nghịch lưu 5L- 46 CHB, điều chế dịch mức 2.21 Các sóng mang IPD 46 2.22 Các sóng mang APOD 47 2.23 Các sóng mang POD 47 2.24 Điện áp nghịch lưu 5L-CHB, sóng mang IPD 48 2.25 Sơ đồ mơ mạch tạo xung kích cho nghịch lưu 5L- 50 CHB, COPWM-A 2.26 COPWM-A cho nghịch lưu 5L-CHB 50 2.27 Sơ đồ mô mạch tạo xung kích cho nghịch lưu 5L- 51 CHB, COPWM-B 2.28 COPWM-B cho nghịch lưu 5L-CHB 51 2.29 Sơ đồ mơ mạch tạo xung kích cho nghịch lưu 5L- 52 CHB, COPWM-C 2.30 COPWM-C cho nghịch lưu 5L-CHB 52 2.31 Sơ đồ mô mạch tạo điện áp điều khiển cải biến 54 xung kích khóa bán dẫn Demo Version - Select.Pdf SDK 2.32 Điện áp điều khiển cải biến theo SFO-PWM 54 2.33 Điện áp nghịch lưu 5L-CHB, phương pháp SFO- 55 PWM, sóng mang IPD 2.34 Điện áp điều khiển cải biến 56 2.35 Điện áp điều khiển cải biến sóng mang 56 2.36 Dịng điện ba pha ứng với ma = 1,0; tải LR; mức 57 2.37 Dòng điện ba pha ứng với ma = 0,9; tải LR; mức 57 2.38 Dòng điện ba pha ứng với ma = 0,8; tải LR; mức 57 2.39 Điện áp dây ứng với ma = 1,0; tải LR; mức 58 2.40 Điện áp dây ứng với ma = 0,9; tải LR; mức 58 2.41 Điện áp dây ứng với ma = 0,8; tải LR; mức 58 2.42 Dòng điện ba pha ứng với ma=1,0; SHPWM; tải LR; mức 59 2.43 Dòng điện ba pha ứng với ma=0,9; SHPWM; tải LR; mức 59 2.44 Dòng điện ba pha ứng với ma=0,8; SHPWM; tải LR; mức 60 2.45 Điện áp dây ứng với ma=1,0; SHPWM; tải LR; mức 60 2.46 Điện áp dây ứng với ma=0,9; SHPWM; tải LR; mức 60 2.47 Điện áp dây ứng với ma=0,8; SHPWM; tải LR; mức 61 2.48 Dòng điện pha ứng với ma=1,0; SFO-PWM kiểu 1; tải LR; 61 5mức 2.49 Dòng điện pha ứng với ma=0,9; SFO-PWM kiểu 1; tải LR; 62 5mức 2.50 Dòng điệnVersion pha ứng với ma=0,8; SDK SFO-PWM kiểu 1; tải LR; Demo - Select.Pdf 62 5mức 2.51 Điện áp dây ứng với ma=1,0; SFO-PWM kiểu 1; tải LR; 62 mức 2.52 Điện áp dây ứng với ma=0,9; SFO-PWM kiểu 1; tải LR; 63 mức 2.53 Điện áp dây ứng với ma=0,8; SFO-PWM kiểu 1; tải LR; 63 mức 2.54 Dòng điện pha ứng với ma=1,0; SFO-PWM kiểu 2; tải LR; 63 5mức 2.55 Dòng điện pha ứng với ma=0,9; SFO-PWM kiểu 2; tải LR; 5mức 64 2.56 Dòng điện pha ứng với ma=0,8; SFO-PWM kiểu 2; tải LR; 64 5mức 2.57 Điện áp dây ứng với ma=1,0; SFO-PWM kiểu 2; tải LR; 64 mức 2.58 Điện áp dây ứng với ma=0,9; SFO-PWM kiểu 2; tải LR; 65 mức 2.59 Điện áp dây ứng với ma=0,8; SFO-PWM kiểu 2; tải LR; 65 mức 3.1 Sơ đồ mô nghịch lưu áp hai mức với tải động 67 3.2 Dịng điện stator; khơng điều khiển; mức 68 3.3 Điện áp dây; không điều khiển; mức 68 3.4 69 3.5 Mômen động cơ; không điều khiển; mức Demo Version - Select.Pdf SDK Tốc độ động cơ; khơng điều khiển; mức 3.6 Dịng điện stator; không điều khiển; SH-PWM; mức 70 3.7 Điện áp dây; không điều khiển; SH-PWM; mức 70 3.8 Mômen động cơ; không điều khiển; SH-PWM; mức 71 3.9 Tốc độ động cơ; không điều khiển; SH-PWM; mức 71 3.10 Sơ đồ mô mạch tạo điện áp điều khiển cải biến 72 3.11 Dòng điện stator; không điều khiển; SFO-PWM; mức 73 3.12 Điện áp dây; không điều khiển; SFO-PWM; mức 73 3.13 Mômen động cơ; không điều khiển; SFO-PWM; mức 74 3.14 Tốc độ động cơ; SFO-PWM; mức 75 69 3.15 Hệ tọa độ từ thông rotor 78 3.16 Cấu trúc hệ thống điều khiển ĐCKĐB-RLS theo IFOC 79 3.17 Cấu trúc động hệ trục dq 80 3.18 Sơ đồ mô cấu trúc điều khiển IFOC 82 3.19 Dịng điện stator; có điều khiển; SH-PWM; mức 83 3.20 Điện áp pha; có điều khiển; SH-PWM; mức 83 3.21 Mơmen động cơ; có điều khiển; SH-PWM; mức 84 3.22 Tốc độ động cơ; có điều khiển; SH-PWM; mức 85 3.23 Dịng điện stator; có điều khiển; SFO-PWM; mức 85 3.24 Điện áp pha; có điều khiển; SFO-PWM; mức 86 3.25 Mômen động cơ; có điều khiển; SFO-PWM; mức Demo Version - Select.Pdf SDK 3.26 Tốc độ động cơ; có điều khiển; SFO-PWM; mức 87 3.27 Điện áp điều khiển; SH-PWM; 1651 vg/ph 88 3.28 Dịng điện stator; có điều khiển; SH-PWM; 1651 vg/ph 88 3.29 Mơmen động cơ; có điều khiển; SH-PWM; 1651 vg/ph 89 3.30 Tốc độ động cơ; có điều khiển; SH-PWM; 1651 vg/ph 89 3.31 Điện áp điều khiển; SFO-PWM; 1651 vg/ph 90 3.32 Dịng điện stator; có điều khiển; SFO-PWM; 1651 vg/ph 90 3.33 Mômen động cơ; có điều khiển; SFO-PWM; 1651 vg/ph 90 3.34 Tốc độ động cơ; có điều khiển; SFO-PWM; 1651 vg/ph 91 87 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Bộ nghịch lưu đa mức thiết bị điều khiển trung áp ứng dụng vào công nghiệp nghiên cứu từ năm 1980, với truyền động trung áp có dải cơng suất từ 0,4MW đến 40MW mức điện áp từ 2,3kV đến 13,8kV Khoảng 85% động cơng nghiệp động rotor lồng sóc 80% nối với nguồn cung cấp qua nghịch lưu làm cho khởi động êm dịu điều khiển tốc độ động [7] Gần đây, nghịch lưu nguồn áp đa mức ứng dụng nhiều công nghiệp hệ thống truyền động động cơ, hệ thống phân phối điện ứng dụng việc nâng cao chất lượng điện Ưu điểm nghịch lưu đa mức: điện áp đặt lên linh kiện giảm xuống nên công suất nghịch lưu tăng lên, đồng thời công suất tổn hao Demo Version - Select.Pdf SDK q trình đóng cắt linh kiện giảm theo, với tần số đóng cắt thành phần sóng hài bậc cao điện áp nhỏ so với trường hợp nghịch lưu hai mức nên chất lượng điện áp tốt Chính vậy, chọn đề tài “Ứng dụng nghịch lưu áp sơ đồ cầu H nối tầng để điều khiển động khơng đồng ba pha rotor lồng sóc” Mục tiêu nghiên cứu Mục đích nghiên cứu đề tài phân tích q trình chuyển mạch khóa nghịch lưu áp sơ đồ cầu H nối tầng; phân tích xây dựng thuật tốn phương pháp điều chế cho nghịch lưu áp; điều khiển động không đồng ba pha rotor lồng sóc (ĐCKĐB-RLS) sử dụng nghịch lưu áp đa mức 2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu cấu trúc nghịch lưu áp mức cầu H nối tầng (five level cascaded H-brigde inverter) phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor (rotor flux oriented vector control) để điều khiển động không đồng ba pha rotor lồng sóc Phương pháp nghiên cứu Để thực đề tài này, cần kết hợp phương pháp sau: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu q trình chuyển mạch khóa cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc như: nghịch lưu dạng nối tầng (cascaded inverter), nghịch lưu dạng điôt kẹp (diode clamped inverter), nghịch lưu dạng flying capacitor; phương pháp điều chế cho nghịch lưu áp điều khiển động theo phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor - Phương pháp mô phỏng: mô thuật tốn q trình điều chế Demo Version - Select.Pdf SDK nghịch lưu áp mức sơ đồ cầu H nối tầng; mô cấu trúc điều khiển động khơng đồng ba pha rotor lồng sóc theo phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor sử dụng nghịch lưu đa mức phần mềm PSIM Bố cục đề tài Đề tài trình bày theo bố cục sau: Mở đầu Chương Bộ nghịch lưu áp đa mức - Tổng quan nghịch lưu áp đa mức - Trạng thái trình chuyển mạch khóa bán dẫn nghịch lưu đa mức Chương Phương pháp điều khiển cho nghịch lưu áp - Tìm hiểu phương pháp điều chế vector không gian phương pháp điều chế độ rộng xung - Thực mô PSIM cho cấu trúc nghịch lưu áp hai bậc, năm bậc với tải LR sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung Chương Điều khiển động không đồng rotor ba pha lồng sóc sử dụng nghịch lưu áp đa mức - Thực mô PSIM cho cấu trúc nghịch lưu áp hai bậc, năm bậc với tải động sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung - Giới thiệu phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor - Cấu trúc điều khiển động không đồng ba pha rotor lồng sóc theo phương pháp điều khiển tựa theo từ thơng rotor sử dụng nghịch lưu đa mức Kết luận kiến nghị Tổng quan tài liệu nghiên cứu Tài liệu nghiên cứu luận văn tập trung vào lĩnh vực điều khiển động không đồng ba pha rotor lồng sóc, bao gồm: Demo Version - Select.Pdf SDK - Các tài liệu nghịch lưu áp hai bậc đa bậc - Các tài liệu phương pháp điều khiển cho nghịch lưu áp như: phương pháp điều chế vector không gian phương pháp điều chế độ rộng xung - Các tài liệu điều khiển động khơng đồng ba pha rotor lồng sóc như: cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor ... pháp điều khiển cho nghịch lưu áp như: phương pháp điều chế vector không gian phương pháp điều chế độ rộng xung - Các tài liệu điều khiển động không đồng ba pha rotor lồng sóc như: cấu trúc điều. .. nghịch lưu áp đa mức - Trạng thái trình chuyển mạch khóa bán dẫn nghịch lưu đa mức Chương Phương pháp điều khiển cho nghịch lưu áp - Tìm hiểu phương pháp điều chế vector khơng gian phương pháp... áp 5L-CHB, điều chế dịch pha 38 2.16 Sơ đồ mô mạch tạo xung kích cho nghịch lưu 5L- 42 42 CHB, điều chế dịch pha 2.17 Xung kích cho nghịch lưu 5L-CHB, điều chế dịch pha 43 2.18 Điện áp nghịch