Nghiên cứu thiết kế biến tần trung thế điều khiển hệ truyền động xoay chiều ba pha

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hà Nội - 2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thiết kế biến tần trung điều khiển hệ truyền động xoay chiều ba pha Trưởng môn : PGS.TS Trần Trọng Minh Giáo viên hương dẫn: TS Đỗ Mạnh Cường Giáo viên duyệt : Sinh viên thực : Võ Văn Chiến Lớp : KTĐK&TĐH 04 K58 MSSV : 20130404 Hà Nội - 2018 Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu thiết kế biến tần trung điều khiển hệ truyền động xoay chiều ba pha” em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Đỗ Mạnh Cường Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án 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 15 tháng năm 2018 Sinh viên thực Võ Văn Chiến Mục lục MỤC LỤC Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BBĐ PWM DC IGBT VSI THD Pulse Width Modulation Direct Current Insulated Gate Bipolar Transistors Voltage Source Inverter Total Harmonic Distorion Bộ biến đổi Điều chế độ rộng xung Dòng điện chiều Van bán dẫn Nghịch lưu nguồn áp Tổng độ méo sóng hài Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Trong năm gần q trình cơng nghiệp hóa đại hóa ngày phát triển mạnh mẽ Do động điện đóng vai trị quan trọng ngành sản xuất đời sống Vì loại động điện phương pháp điều khiển chúng ngày hồn thiện Trong động điện khơng đồng xoay chiều ba pha roto lồng sóc chiếm tỉ lệ lớn đơn giản, giá thành rẻ, kích thước nhỏ gọn, dễ bảo trì… Chính động ứng dụng rộng rãi nên có nhiều phương pháp điều khiển, phương pháp tốt FOC Trong công nghiệp hầu hết sử dụng động trung áp với dải điện áp 3.3÷6.6 kV cơng suất 1÷4 MW Để điều khiển tốt loại động cần thiết phải có biến tần trung sử dụng nghịch lưu đa mức 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 Trong NLĐM cấu trúc diode kẹp đáp ứng tốt các yêu cầu biến tần trung Chính em chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế biến tần trung điều khiển hệ truyền động xoay chiều ba pha” hướng dẫn tận tình thầy TS Đỗ Mạnh Cường Cám ơn thầy giúp em hoàn thành đồ án này! Bố cục đồ án gồm chương sau: Chương TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN TRUNG THẾ Giới thiệu tầm quan trọng biến đổi trung công nghiệp Chương CẤU TRÚC CỦA BỘ BIẾN TẦN TRUNG THẾ Chương giới thiệu cấu trúc NLĐM Qua ta thấy ưu nhược điểm loại cấu trúc Ở phần cuối chương em ưu điểm cấu trúc diode kẹp so với cấu trúc khác Lời nói đầu Chương THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO TRUYỀN ĐỘNG XOAY CHIỀU BA PHA Thiết kế mạch vòng điều chỉnh (dòng điện, tốc độ, từ thông) theo phương pháp điều khiển tựa từ thông roto cho động không đồng roto lồng sóc Chương THIẾT KẾ BIẾN TẦN TRUNG THẾ Dựa nhãn động cơ, em thiết kế biến tần trung để điều khiển theo yêu cầu chất lượng đặt Chương TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG 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 quạt gió với tốc độ làm việc khác Tuy nhiên kinh nghiệm thực tế thân chưa nhiều nên đồ án cịn nhiều thiếu sót, kính mong thầy bạn góp ý cho em để đồ án đầy đủ Qua em gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS Đỗ Mạnh Cường tận tình giúp đỡ em trình làm đồ án Cám ơn thầy cô giáo Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội truyền thụ kiến thức quý báu cho em năm học vừa qua Em xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày 15 tháng năm 2018 Sinh viên thực Võ Văn Chiến Chương Tổng quan biến tần trung Chương TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN TRUNG THẾ 1.1 Giới thiệu biến tần trung Bộ biến đổi tần số hay gọi biến tần thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều tần số sang dòng điện xoay chiều tần số khác mà thay đổi Đối với biến tần dùng biến đổi động xoay chiều ngồi việc biến đổi tần số cịn biến đổi điện áp khác với điện áp lưới cấp vào biến tần Yêu cầu đặt với biến tần hiệu suất biến đổi cao, tần số thay đổi dải rộng, điện áp thay đổi từ đến giá trị định mức Với tính ưu việt dải điều chỉnh rộng, độ xác độ tác động nhanh cao, dải công suất bao gồm từ vài trăm W đến hàng nghìn MW, biến tần sử dụng hầu khắp dây truyền công nghệ tự động, đặc biệt hệ truyền động điện đồng khơng đồng Biến tần có tỷ trọng ngày lớn số lượng công suất sử dụng Các hệ truyền động trung có dải cơng suất từ 0,4MW đến 40MW dải điện áp từ 2,3kV đến 13,8kV Dải công suất mở rộng đến 100MW, dải cơng 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 đến 4MW với điện áp mức từ 3,3kV đến 6,6kV Ưu điểm sử dụng biến tần cơng nghiệp: • Vận hành đơn giản, an toàn dễ dàng cho người sử dụng: Giao diện tiêu chuẩn hóa bus trường, đầu vào/ra, đầu vào dây cáp máy cắt kết hợp với chức dừng trường hợp khẩn cấp giúp thiết bị vận hành đảm bảo dễ dàng Ngoài có danh mục hướng dẫn trợ giúp điều khiển khiến cho việc vận hành sản phẩm hiệu Điều thể thiết bị có tính tương thích cao với người Người sử dụng không cần phải biết tất thông số kỹ thuật hay trợ giúp ngơn ngữ lập trình Sản phẩm u cầu ngơn ngữ mẹ đẻ thói quen vận hành Danh mục cài đặt trợ giúp rõ ràng giúp vận hành biến tần thật dễ dàng Chính điều tiết 10 Chương Tính tốn mơ kiểm chứng Matlab Simulink xác lâp, từ 7000V lên 8000V khoảng 0.1s Như chỉnh lưu tích cực mức diode kẹp đáp ứng yêu cầu điều khiển động Hình Phân tích THD dịng điện sau thời gian xác lập Ta thấy độ méo dạng dòng điện vào sau xác lập nhỏ (3.12%) 5.5 Mô nghịch lưu mức diode kẹp với tải RL Thực mô với điện áp Vdc=7000 V, tải R=1Ω, L= 0.0018H, tần số đóng cắt frc=8 kHz Phương pháp điều chế điều chế độ rộng xung (sin PWM) Hệ số điều chế m=0.9 67 Chương Tính tốn mơ kiểm chứng Matlab Simulink Hình Mơ nghịch lưu mức diode kẹp Hình 5 Điện áp pha đầu trước có lọc Hình Điện áp pha đầu sau lọc 68 Chương Tính tốn mơ kiểm chứng Matlab Simulink Hình Điện áp dây Vab đầu sau lọc Hình Dịng điện đầu phân tích THD Qua mơ ta thấy điện áp đòng điện đầu theo lý thuyết Đó dạng điện áp mức chưa có lọc Sau qua phần lọc điện áp dịng điện có hình sin, đáp ứng u cầu độ méo dạng sóng hài Với hệ số điều chế độ rộng xung m=0.9 ta có biên độ điện áp dây đầu khoảng 5600V Như sử dụng để điều khiển động chọn 69 Chương Tính tốn mơ kiểm chứng Matlab Simulink 5.6 Mô hệ điều khiển xoay chiều pha Với kết mô chỉnh lưu tích cực mức, điện áp chiều DC đáp ứng yêu cầu điều khiển Đó giá trị bám sát giá trị đặt thời gian xác lập nhanh Giả thiết điện áp tụ điện chiều trình hoạt động Vấn đề cân điện áp tụ điện giải tài liệu tham khảo Nên em tiến hành mô hệ truyền động xoay chiều ba pha với điện áp đầu vào nghịch lưu nguồn chiều giá trị 7000V Với tải bơm có đặc tính sau: Mc = M dm ω ωdm (5.1) Sơ đồ mơ xây dựng Hình 5.9 với tốc độ đặt tăng dần đến định mức, từ thông roto Hình Sơ đồ điều khiển hệ truyền động xoay chiều ba pha Tiến hành chạy mô với Matlab Simulink thời gian 6s, từ thông roto đặt dịng từ hóa độ định mức ψ rd = I sd Lm ≈ 9.81 ωdm = 1470 (Wb), tốc độ đặt thay đổi tắng dần từ đến tốc vịng/phút thời gian 1.5s, sau giữ tốc độ không đổi 1s Tại t=2.5s giảm dần tốc độ 1000 vòng/phút, sau 1s đảo chiểu chạy với tốc độ ổn định = 1470 vòng/phút Kết ta thu kết đáp ứng điều khiển tốc độ, từ thơng dịng điện sau: 70 Chương Tính tốn mơ kiểm chứng Matlab Simulink Hình 10 Đáp ứng tốc độ động 71 Chương Tính tốn mơ kiểm chứng Matlab Simulink Hình 11 Đáp ứng từ thơng mơ hình từ thơng Hình 12 Dịng điện Isd Hình 13 Dịng điện Isq 72 Chương Tính tốn mơ kiểm chứng Matlab Simulink Hình 14 Đáp ứng từ thông roto động  Nhận xét: 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 dịng điện phía động cơ: Hình 15 Dịng điện Ia 73 Chương Tính tốn mơ kiểm chứng Matlab Simulink Hình 16 Dịng điện ba pha động Hình 17 Phân tích độ méo dạng dòng điện ba pha chạy ổn định  Kết luận 74 Chương Tính tốn mơ kiểm chứng Matlab Simulink - Bộ điều khiển tốc độ từ thông cho đầu bám với giá trị đặt, sai lệch tĩnh bị triệt tiêu, tốc độ đáp ứng nhanh - Tốc độ bám sát giá trị đặt - Điện áp pha nghịch lưu có dạng mức - Dịng điện có dạng hình sin giá trị gần với tính tốn thiết kế Trên sở này, ta kiểm chứng lý thuyết kết luận thiết kế hệ thống thực chạy yêu cầu 75 Kết luận KẾT LUẬN Sau thời gian làm việc nghiêm túc, với giúp đỡ thầy giáo TS Đỗ Mạnh Cường, em hoàn thành đề tài thời hạn Đồ án giải số vấn đề sau: Chương chương 2, em nêu lên tổng quan biến tần trung Đó vai trị cơng nghiệp, sau em làm rõ cấu trúc thường gặp biến tần trung thế, so sánh để đưa cấu trúc phù hợp với động chọn Trong chương 3, em mơ hình hóa động theo hệ tọa độ dq để sử dụng phương pháp điều khiển tựa từ thông roto (FOC) Đây phương pháp điều khiển tốt, dễ dàng đưa vào thực tế động không đồng roto lồng sóc Từ yêu cầu phương án chọn, em thiết kế biến tần trung chương 4, sử dụng cấu trúc chỉnh lưu tích cực năm mức diode kẹp, nghịch lưu năm mức diode kẹp Trong phần này, em thiết kế cấu trúc biến tần sử dụng điều chế độ rộng xung đưa điều khiển Chương 5, phần tính tốn thơng số mơ matlab Trên sở tính tốn em tiến hành mơ đạt kết đáp ứng yêu cầu chất lượng đề Một lần em xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Mạnh Cường giúp đỡ em nhiều trình làm đồ án Do hạn chế thời gian trình độ thân nên đồ án khơng tránh khỏi sai sót Em mong thầy bạn đóng góp ý kiến để để tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày 15 tháng năm 2018 Sinh viên thực Võ Văn Chiến 76 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, “Truyền động điện thông minh”, Nhà xuất khoa học kĩ thuật, 2006 [3] Nguyễn Phùng Quang, “Điều khiển vector truyền động điện xoay chiều ba pha”, NXB Bách Khoa Hà Nội, 2016 [4] Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương, “Thiết kế điều khiển cho biến đổi điện tử công suất”, Hà Nội năm 2013 [5] Nguyễn Doãn Phước, “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật – 2002 [6] Sylvain Lechat Sanjuan, “Voltage Oriented Control of Three‐Phase Boost PWM Converters”, Göteborg, Sweden, 2010 77 Phụ lục PHỤ LỤC P1 Cơng thức tính tốn tham số từ nhãn động Tính giá trị dịng tạo từ thơng Isd PN =3UI.cosφ ∧2 ∧ I N = 2I N = I ∧2 sdN +I sqN ∧ I sdN ≈ I N − cos ϕ (i.1) Tính giá trị dòng tạo momen Isq ∧2 ∧ I sqN ≈ I N − I sdN (i.2) Tính tần số roto z p nN   WrN = 2π  f N − ÷ 60   (i.3) Tính số thời gian Tr ∧ Tr = I sqN ∧ WrN I sdN (i.4) Tính điện kháng tản Xσ = wsδLs ∧  I sdN X σ =  sin ϕ − cos ∧  I sqN   ÷ UN ÷ 3I N  (i.5) Tính điện kháng Xh Xh = 2U N ∧ I sdN 78 − Xσ (i.6) Phụ lục Tính điện trở stato Rs ∧ W I sdN Rs ≈ Rr ≈ rN ∧ X h 2π f N I sqN (i.7) Tính hệ số tản toàn phần σ σ≈ Xσ Xh (i.8) Tính số thời gian stato Ts Ts = Ls Xh ≈ Rs 2π f N Rs P2 Code m-flie tính tốn tham số điều khiển cho hệ điều khiển vector % Tham so nhãn dong co Un=4160; Pn=919000; cosphi=0.86; H=0.95; Sn=Pn/cosphi; J=1; zp=2; fn=50; n=1470; Mdm=(9.55*Pn*H)/n; % Tham so hoa dong co: fs=8000;%Tan so phat xung In=sqrt(2)*Pn/(Un*H*cosphi*sqrt(3)); Isd=In*sqrt(1-cosphi); Isq=sqrt(In^2 - Isd^2); 79 (i.9) Phụ lục wrn=2*pi*(fn-(zp*n/60)); Tr=Isq/(wrn*Isd); Xo=(sqrt(1-cosphi^2)-cosphi*Isd/Isq)*(Un*sqrt(2)/(sqrt(3)*In)); Xh=sqrt(2/3)*(Un/Isd) - Xo; Rs=(wrn*Isd*Xh)/(2*pi*fn*Isq); Rr=Rs; o=Xo/Xh; Ts=Xh/(2*pi*fn*Rs); Tos=o*Ts; Lr=Tr*Rr; Lor=o*Lr; Ls=Ts*Rs; Los=o*Ls; Lm=sqrt((1-o)*Ls*Lr); % bo dieu khien chinh luu: Kpvc=0.00007; Kivc=0.00015; Kpic=2; Kiic=4; % bo dieu khien dong dien %Toi uu module Tc=1/fs; Kpi=o*Ls/Tc; Kii=Kpi/Tos; % bo dieu khien tu thong Ti=0.02; Kpphi=Tr/(Lm*Ti); Kiphi=1/(Lm*Ti); % bo dieu khien toc epxilon=0.7; 80 Phụ lục wn=200; Kpw=2*wn*epxilon*J/zp; Tiw=2*epxilon/wn; Kiw=Kpw/Tiw; 81 ... hài bậc cao 2.3 Tổng quan nghịch lưu đa mức 2.3.1 Nghịch lưu đa bậc kiểu tụ điện thay đổi FC  Cấu trúc Hình Bộ nghịch lưu đa mức kiểu tụ kèm mức  Trạng thái khóa chuyển mạch 19 Chương Cấu trúc... áp chỉnh lưu tích cực mức diode kẹp, điều khiển theo phương pháp SinPWM 4.1 Thiết kế nghịch lưu đa bậc mức kiểu diode kep 4.1.1 Cấu trúc nghịch lưu mức diode kẹp Sơ đồ pha nghịch lưu mức (hình... bị chuyển mạch hoạt động diode có điện áp định mức điện áp định mức đầu chỉnh lưu tỉ lệ với số lượng thiết bị chuyển mach 46 Chương Thiết kế biến tần trung Hình Cấu trúc pha nghịch lưu mức diode