Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện xoay chiều trung thế sử dụng nghịch lưu đa mức

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: ” Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện xoay chiều trung sử dụng nghịch lưu đa mức” em tự thiết kế hướng dẫn giảng viên T.S Đỗ Mạnh Cường.Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án này,em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác.Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội,ngày 19 tháng năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Thành Trung MỤC LỤC Danh mục hình ảnh Danh mục bảng số liệu Danh mục từ viết tắt Danh mục hình ảnh DANH MỤC HÌNH ẢNH Sơ đồ tổng quát hệ truyền động trung Hình 2.2 Cấu trúc biến tần gián tiếp với điện trở hãm dập động Hình 2.3 Biến tần gián tiếp với cầu Thyristor hãm tái sinh Hình 2.4 Biến tần 4Q sử dụng chỉnh lưu tích cực đầu vào Hình 2.5 Sơ đồ thay đơn giản chỉnh lưu pha PWM Hình 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu PWM mức NPC Hình 2.7 Dạng điện áp sau chỉnh lưu tích cực mơ matlab Hình 2.8 Hoạt động mạch chỉnh lưu diot IGBT Hình 2.9 Sơ đồ thay điện nhánh Hình 2.10.Giản đồ vecto pha Hình 2.11 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM Hình 2.12 Sơ đồ vectơ VOC Hình 2.13 Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM Hình 2.14.Sơ đồ nghịch lưu cầu H pha Hình 2.15 Cấu trúc nghịch lưu Cascade mức kiểu H Hình 2.16 Bộ nghịch lưu dạng tụ kèm mức Hình 2.17 Mạch nghịch lưu kiểu diode kẹp n bậc Hình 2.18 Sơ đồ pha nghịch lưu NPC mức Hình 2.19 Ngun lí điều chế độ rộng xung PWM Hình 2.20 Các cách bố trí sóng mang Hình 2.21 Mơ nghịch lưu mức điều chế sinPWM Hình 3.1.Động khơng đồng roto lồng sóc Hình 3.2 Các hệ trục tọa độ Danh mục hình ảnh Hình 3.3 Mơ hình động hệ tọa độ dq Hình 3.4 Cấu trúc điều khiển tựa theo từ thơng roto cho động IM Hình 3.5 Khối chuyển hệ tọa độ abcαβ Hình 3.6 Khối chuyển hệ tọa độ αβdq Hình 3.7.Khối chuyển hệ tọa độ dqabc Hình 3.8 Khối mơ hình từ thơng Hình 3.9.Cấu trúc điều khiển PI Hình 3.10 Khối điều khiển dịng Ri Hình 3.11 Cấu trúc mạch lực nghịch lưu NPC mức Hình 3.12 Cấu trúc mạch lực chỉnh lưu tích cực mức Hình 3.13 Khối tạo sóng mang Hình 3.14 Cấu trúc khâu điều chế độ rộng xung Hình 4.1.Sơ đồ điều khiển mạch vịng dịng điện isd Hình 4.2 Mạch vịng tốc độ ĐCKĐB xoay chiều pha Hình 4.3 Mạch vịng tốc độ ĐCKĐB xoay chiều pha Hình 4.4 Sơ đồ thay điện nhánh Hình 4.5 Sơ đồ cấu trúc điều khiển mạch vịng dịng điện Hình 4.6 Cấu trúc điều khiển mạch vịng điện áp Hình 5.1 Mơ chỉnh lưu tích cực với tải RL Hình 5.2 Điện áp DC đầu với giá trị đặt 7000V Hình 5.3 Dịng điện lưới (Pha A) đầu vào chỉnh lưu Hình 5.4.Phân tích phổ dịng điện đầu vào IL Hình 5.5 Điện áp lưới dịng điện lưới (Pha A) đầu vào chỉnh lưu Hình 5.6.Mơ nghịch lưu mức diode kẹp Hình 5.7 So sánh tạo xung điều khiển Hình 5.8 Xung điều khiển IGBT pha Danh mục hình ảnh Hình 5.9 Điện áp ba pha đầu chưa có lọc Hình 5.10 Điện áp ba pha đầu sau lọc Hình 5.11 Dịng điện ba pha đầu Hình 5.12 Sơ đồ mô hệ điều khiển động xoay chiều pha sử dụng nghịch lưu đa mức Hình 5.13 Đáp ứng tốc độ quay động Hình 5.14 Momen tải đặt vào động Hình 5.15 Đáp ứng momen đầu trục động Hình 5.16 Đáp ứng dịng điện isq Hình 5.17 Đáp ứng dịng điện isd Hình 5.18 Đáp ứng từ thơng Roto Hình 5.19 Điện áp pha A Hình 5.20 Dịng điện Ia Hình 5.21 Dòng điện 3pha a,b,c Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Danh mục từ viết tắt MV Hệ trung VSI Nghịch lưu nguồn áp CSI Nghịch lưu nguồn dòng NLĐM Nghịch lưu đa mức NPC Neutural Point Mutilevel Inverter Nghịch lưu dạng diode kẹp FC Flying Capacitor Cấu trúc tụ điện thay đổi BBĐ Bộ biến đổi PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung DC Direct Current Dòng điện chiều ĐCKĐB Động không đồng IGBT Insulated Gate Bipolar Transistors Van bán dẫn THD Total Harmonic Distorion Tổng độ méo sóng hài FOC Field Oriented Control Điều khiển tựa từ thơng Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Các động công suất lớn đặc biệt động không đồng ngày ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp Trong hầu hết sử dụng động trung áp với dải điện áp 3,3÷6,6 kV cơng suất 1÷4 MW Với nghịch lưu hai mức trước có nhiều phát triển phù hợp với truyền động công suất nhỏ Hơn dạng sóng điện áp đầu nghịch lưu hai mức có thành phần hài bậc cao lớn Vì năm gần đây, nghịch lưu đa mức nhiều ý xem lựa chọn tốt cho ứng dụng truyền động trung áp Nghịch lưu đa mức (NLĐM) có ưu điểm quan trọng ứng dụng địi hỏi cơng suất lớn điện áp cao NLĐM phân nhỏ bước nhảy điện áp phía xoay chiều, giảm tốc độ tăng điện áp du/dt tải, van bán dẫn phải đóng cắt mức điện áp thấp, tần số đóng cắt đơn vị mạch lực thấp đảm bảo tần số điện áp trình điều chế cao Với ưu điểm trội trên, việc kết hợp sử dụng Nghịch lưu đa mức hệ truyền động điện trung dự đoán cho kết tốt Từ mục đích mà nhóm em giao đề tài: ”Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện xoay chiều trung sử dụng nghịch lưu đa mức” Bố cục đồ án gồm chương sau: Chương 1:KHÁI QUÁT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUNG ÁP:Giới thiệu khái quát chung cấu trúc yêu cầu kĩ thuật tầm quan trọng hệ truyền động trung công nghiệp Chương :CẤU TRÚC CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUNG THẾ :Chương nêu cấu trúc chung hệ truyền động điện trung Sau ta phân tích cấu trúc thành phần hệ, từ thấy ưu nhược điểm loại cấu trúc giúp ta lựa chọn cấu trúc phù hợp với yêu cầu Chương 3:THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO TRUYỀN ĐỘNG XOAY CHIỀU BA PHA:Mơ hình hóa đối tượng điều khiển động khơng đồng Roto lồng sóc,từ ta thiết kế cấu trúc điều khiển động theo phương pháp tựa theo từ thông Đồ án tốt nghiệp Trang Lời nói đầu Roto (FOC) Chương 4:TÍNH TỐN THƠNG SỐ CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG:Dựa vào cấu trúc thông số đối tượng điều khiển ta tính tốn thơng số cho điều khiển thông số phần mạch lực cấu trúc Chương 5:MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG TRÊN MATLAB Mô cấu trúc điều khiển vector truyền động xoay chiều pha sử dụng nghịch lưu đa mức Phân tích đặc tính: điện áp đặt vào stator, dòng điện stator, momen tốc độ động trường hợp tải máy bơm với tốc độ làm việc khác Dưới hướng dẫn tận tình giảng viên T.S Đỗ Mạnh Cường em hoàn thành đồ án tiến độ Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo T.S Đỗ Mạnh Cường Tuy nhiên, kinh nghiệm thân nhiều hạn chế thời gian có hạn nên đồ án khơng thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến góp ý quý báu thầy để đồ án hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày 19 tháng năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Thành Trung Đồ án tốt nghiệp Trang Chương 1:Khái quát hệ truyền động điện trung áp Chương KHÁI QUÁT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRUNG ÁP 1.1 Cấu trúc chung Sự phát triển biến đổi cao áp hệ truyền động trung áp (MV) thập niên 1980 cổng đóng cắt thyristor (GTO) 4500-V bắt đầu thương mại hóa Bộ GTO tiêu chuẩn cho hệ thống truyền động điện trung áp IGBT GCT xuất vào cuối thập niên 1990 Những chuyển đổi có phát triển nhanh chóng vào ngành điện cơng suất cao nhờ đặc tính riêng cao cấp, giảm bớt tổn hao điện năng, dễ dàng điều khiển đóng cắt hoạt động ổn định Các hệ truyền động trung có dải công suất từ 0,4MW đến 40MW dải điện áp từ 2,3kV đến 13,8kV Dải cơng suất mở rộng đến 100MW, dải công suất mà động đồng với tải biến tần thường xuyên sử dụng Mặc dù vậy, phần lớn việc cài đặt hệ truyền động trung áp dải từ 1đến 4MW với điện áp mức từ 3,3kV đến 6,6kV hình 1.1 Hình 1.1 Dải cơng suất điện áp hệ truyền động trung (nguồn: Rockwell Automation) Hệ truyền động MV có ứng dụng rộng rãi công nghiệp Chúng sử dụng ngành công nghiệp bơm dầu, hệ thống quạt ngành công nghiệp xi măng, máy bơm trạm bơm nước, ứng dụng kéo ngành vận tải, ứng dụng ngành công nghiệp gia công kim loại, ứng dụng công nghiệp khác Đồ án tốt nghiệp Trang 10 Chương 5:Mơ kiểm chứng Matlab Hình 5.17.Đáp ứng dịng điện isd Hình 5.18.Đáp ứng từ thơng Roto Ta nhận thấy điều khiển hoạt động xác, đầu bám giá trị đặt thời điểm xác lập, điêu chỉnh dòng điện cho đáp ứng nhanh xác mong muốn, dịng Isq có dạng giống với momen đầu động (đúng với lý thuyết dòng Isq điểu khiển momen) Tiếp theo số kết dạng điện áp dịng điện phía động cơ: Đồ án tốt nghiệp Trang 76 Chương 5:Mô kiểm chứng Matlab Hình 5.19.Điện áp pha A Đồ án tốt nghiệp Trang 77 Chương 5:Mô kiểm chứng Matlab Hình 5.20.Dịng điện Ia Đồ án tốt nghiệp Trang 78 Chương 5:Mơ kiểm chứng Matlab Hình 5.21.Dòng điện 3pha a,b,c Đồ án tốt nghiệp Trang 79 Chương 5:Mô kiểm chứng Matlab Nhận xét: Với hệ thống tải máy bơm ta nhận thấy điều khiển tốc độ từ thông cho đầu bám với giá trị đặt, sai lệch tĩnh bị triệt tiêu - Điện áp pha nghịch lưu có dạng mức với biên độ 3300V tốc độ định mức mong muốn - Dịng điện có dạng hình sin giá trị gần với tính toán thiết kế.Trên sở này, ta kiểm chứng lý thuyết kết luận thiết kế hệ thống thực chạy yêu cầu Đồ án tốt nghiệp Trang 80 Kết luận KẾT LUẬN Sau thời gian thực đồ án tốt nghệp với nhiệm vụ “Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện xoay chiều trung sử dụng nghịch lưu đa mức”, em tổng hợp nhiều lượng kiến thức học giảng đường năm học vừa qua Trong thời gian nghiên cứu làm đồ án, chúng em hướng dẫn giúp đỡ tận tình thầy giáo TS Đỗ Mạnh Cường, thầy giáo mơn Tự động hố XNCN giúp đỡ bạn giúp em hoàn thành đồ án Qua đồ án này, em có kiến thức tốt hệ điều khiển ĐCKĐB với xu hướng phát triển công nghệ Nội dung đồ án đạt được: • Khái quát hệ truyền động trung áp, mơ hình ĐCKĐB hệ tọa độ • Thiết kế chỉnh lưu tích cực PWM nghịch lưu đa mức NPC diode kẹp tính tốn thơng số lọc sóng hài • Thiết kế tạo xung điều khiển PWM cho nghịch lưu chỉnh lưu • Giới thiệu phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor FOC, tổng hợp mạch vịng điều khiển động • Chạy thực nghiệm Matlab & Simualink Do thời gian lực thân hạn chế nên kết em chắn cịn nhiều thiếu sót, em mong dạy đóng góp ý kiến thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 19 tháng năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Thành Trung Đồ án tốt nghiệp Trang 81 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Trọng Minh, Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, “Điện tử công suất”, NXB Khoa học kỹ thuật, 2010 [2] Nguyễn Phùng Quang, “Điều khiển vector truyền động điện xoay chiều ba pha”, NXB Bách Khoa Hà Nội, 2016 [3] Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn, “Cơ sở truyền động điện”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, năm 2009 [4] Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương, “Thiết kế điều khiển cho biến đổi điện tử công suất”, Hà Nội năm 2013 [5] Sylvain Lechat Sanjuan, “Voltage Oriented Control of Three‐Phase Boost PWM Converters”, Göteborg, Sweden, 2010 [6] D.G Holmes, T.A.Lipo,“Modern PWM Techniques for Power Converter”, IEEE Press, 2003 [7] Bin Wu, “High power converter and AC drivers”, John Willey- IEEE Press, Canada, March 17,2006 [8] Nguyễn Doãn Phước, “ Lý thuyết điều khiển tuyến tính”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật – 2002 [9] Nguyễn Phùng Quang, “Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật – 2002 Đồ án tốt nghiệp Trang 82 Phụ lục PHỤ LỤC Bảng số liệu dùng mô phỏng: Bảng P.1 Thông số động C ô n g 919 (kW) s u ấ t đ ị n h m ứ c Đ i ệ n 4160 (V) p d â y đ ị n h m ứ Đồ án tốt nghiệp Trang 83 Phụ lục c T ầ n 50 (Hz) s ố đ ị n h m ứ c S ố đ ô i c ự c T ố c 1189 (vòng/p hút) đ ộ đ ị n h m ứ c H Đồ án tốt nghiệp cos Trang 84 0,87 Phụ lục ệ s ố c ô n g s u ấ t D ò n g 150 (A) S t a t o r đ ị n h m ứ c Đ i ệ n 0,21 Ω t r s t Đồ án tốt nghiệp Trang 85 Phụ lục a t o Đ i ệ n 0,14 6Ω t r r o t o r Đ i ệ n , 5,2m H c ả m r ò s t a t o , r o t o r Đ i ệ Đồ án tốt nghiệp 155 mH Trang 86 Phụ lục n c ả m t h ó a Q u n 22 (kg) t í n h Thông số m-file: % thông số động Un=4160; %Điện áp định mức (pha-pha)(V) H=0.95; %Hiệu suất động Pn=919000; %Công suất định mức (W) Đồ án tốt nghiệp Trang 87 Phụ lục cosphi=0.87; %Hệ số công suất định mức Sn=Pn/cosphi; %Cơng suất tồn phần (VA) J=2; %Momen qn tính zp=2; %Số đơi cực fn=50; %Tần số định mức n=1189; %Tốc độ định mức Mdm=9.55*Pn*H/n; %Momen định mức Rs=0.21; %Điện trở stator Rr=0.146; %Điện trở roto Los=0.0052; %Điện cảm tản phía stator Lor=0.0052; %Điện cảm tản phía roto Lm=0.155; %Hỗ cảm Lr=0.1602; %Điện cảm phía roto Ls=0.1602; ; %Điện cảm phía stator In=sqrt (2) *Pn/ (Un*cosphi*sqrt (3)); %Dòng định mức (A) Isd=In*sqrt(1-cosphi); %Dòng Isd định mức Isq=sqrt (In^2 - Isd^2); %Dòng Isq định mức o=1-(Lm*Lm)/(Ls*Lr); Ts=Ls/Rs; %Hằng số thời gian Stator Tr=Lr/Rr; %Hằng số thời gian roto % bo dieu khien dong dien %toi uu modun T1=o*Ts; T2=0.5*(1/fn); %T1>>T2 Đồ án tốt nghiệp Trang 88 Phụ lục k=1/Rs; Kpi=T1/(2*k*T2); %Hệ số Kp điều khiển dòng Ri Tii=T1; Kii=Kpi/Tii; %Hệ số Ki điều khiển dòng Ri % bo dieu khien tu thong K1=Lm; Ti=0.025; %Hằng số thời gian điều khiển dòng điện Tiphi=Tr; Kpphi=Tr/(4*Lm*Ti); %Hệ số Kp điều khiển từ thông Rφ Kiphi=1/(4*Lm*Ti); %Hệ số Ki điều khiển từ thông Rφ % bo dieu khien toc epxilon=1/sqrt (2); %Hệ số tắt dần wn=5.714; %Tần số dao động riêng Kpw=2*wn*epxilon*J/pc; %Hệ số Kp điều khiển tốc độ Rw Tiw=2*epxilon/wn; Kiw=wn*wn*J/zp; %Hệ số Ki điều khiển tốc độ Rw Khối chuyển hệ tọa độ dq/abc: function [ ua, ub, uc] = fcn (usd, usq, teta) ua=usd*cos(teta)-usq*sin(teta); ub=usd*cos(teta-2*pi/3)-usq*sin(teta-2*pi/3); uc=usd*cos(teta-4*pi/3)-usq*sin(teta-4*pi/3); Khối chuyển hệ tọa độ abc/dq: Đồ án tốt nghiệp Trang 89 Phụ lục function [Isd, Isq] = fcn (teta, Ia, Ib, Ic) Isd=2/3*(Ia*cos(teta)+Ib*cos(teta-2*pi/3) +Ic*cos(teta-4*pi/3)); Isq=-2/3*(Ia*sin(teta)+Ib*sin(teta-2*pi/3) +Ic*sin(teta-4*pi/3)); Đồ án tốt nghiệp Trang 90 ... kết tốt Từ mục đích mà nhóm em giao đề tài: ? ?Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện xoay chiều trung sử dụng nghịch lưu đa mức? ?? Bố cục đồ án gồm chương sau: Chương 1:KHÁI QUÁT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG... hệ truyền động trung Chương CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG TRUNG THẾ 2.1.Cấu hình biến đổi 2.1.1.Cấu trúc chung Hình 2.1 sơ đồ tổng quát truyền động điện trung Phụ thuộc vào yêu cầu hệ truyền động trung. .. thiệu nghịch lưu đa mức nguồn áp Bộ nghịch lưu nguồn áp đa mức cung cấp điều khiển điện áp xoay chiều ngõ Nguồn điện áp chiều dạng đơn giản acquy, pin dạng phức tạp điện áp xoay chiều chỉnh lưu