Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần tư - động cơ đồng bộ ba pha trong hệ điều khiển trực tiếp công suất
MỤC LỤC
Mô phỏng hệ thống
CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 1. Giới thiệu chung
Dựa vào nguyên lý cơ bản của động cơ điện không đồng bộ, công suất điện từ Pm từ stato truyền cho rôto đƣợc chia thành hai bộ phận: bộ phận thứ nhất P2=(1-s)Pm là công suất hữu ích dẫn động phụ tải, còn bộ phận thứ hai là công suất trƣợt Ps=sPm tỷ lệ thuận với hệ số trƣợt. Từ góc độ chuyển đổi năng lƣợng mà xét, công suất trƣợt là tăng lên hay giảm xuống là phản ánh năng lƣợng bị tiêu hao đi hay là thu hồi lại đƣợc, và trở thành một chỉ tiêu đánh giá mức độ cao thấp về hiệu suất của hệ thống. Xuất phát từ điểm này, có thể chia hệ thống điều tốc động cơ không đồng bộ thành ba loại lớn :. 1) Hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trƣợt - toàn bộ công suất trƣợt chuyển thành nhiệt năng tiêu hao mất. Hiệu suất hệ thống điều tốc của các loại này là thấp nhất và chấp nhận tổn thất công suất để đổi lấy việc giảm tốc độ quay (lúc mômen phụ tải không đổi), tốc độ càng xuống thấp thì hiệu suất càng giảm, nhƣng cấu trúc của hệ thống này là đơn giản nhất, vì thế nó vẫn được dùng trong một số trường hợp, ví dụ trong các hệ thống cầu trục. 2) Hệ thống điều tốc kiểu tái sinh - một bộ phận của công suất trƣợt bị tiêu hao đi, phần lớn còn lại nhờ có thiết bị chỉnh lưu - nghịch lưu được trả về lưới điện xoay chiều hoặc chuyển hoá thành dạng cơ năng để dùng vào việc có ích khác, khi tốc độ quay càng thấp công suất thu hồi cũng càng nhiều, phương pháp điều tốc thứ (4) đã kể trên là thuộc loại này. Hiệu suất của hệ thống điều tốc loại này rừ ràng là cao hơn loại hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trượt nhưng phải thêm thiết bị chỉnh lưu - nghịch lưu nên lại phải tiêu hao một phần công suất. 3) Hệ thống điều tốc công suất trƣợt không thay đổi - trong hệ thống này không tránh khỏi tiêu hao công suất trên dây dẫn rotor, nhƣng sự tiêu hao công suất trƣợt hầu như không phụ thuộc vào tốc độ cao hay thấp, vì thế hiệu suất khá cao.
SƠ LƢỢC VỀ CÁC BỘ BIẾN TẦN DÙNG DỤNG CỤ BÁN DẪN CÔNG SUẤT 1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)
Các bộ biến tần có cấu trúc đƣợc mô tả trên các hình 1.6 và 1.7, ngoài các ƣu nhược điểm đã được giới thiệu trong mục trước còn tồn tại một số nhược điểm cơ bản sau: sóng hài bậc cao trong dòng điện lưới có biên độ khá lớn làm méo dạng đường cong điện áp lưới điện; hệ số công suất cos không cao gây nên các tổn thất phụ, đặc biệt là khi hệ thống công suất lớn; phần lớn không thực hiện đƣợc quá trình biến đổi năng lượng từ phía tải (động cơ) đưa trả lại lưới điện xoay chiều nên ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống truyền động và hiệu suất của hệ thống. Nhƣ đã nêu ở trên, để thực hiện yêu cầu này có thể sử dụng hai sơ đồ chỉnh lưu điều khiển bằng thyristo cùng loại mặc song ngược, một sơ đồ được dùng để chỉnh lưu khi cần thực hiện biến đổi năng lượng điện xoay chiều từ phía lưới thành năng lượng điện một chiều cấp cho khối nghịch lưu, còn sơ đồ kia sẽ được điều khiển làm việc ở chế độ nghịch lưu khi cần biến đổi năng lƣợng điện từ phía một chiều (năng lƣợng từ động cơ đƣợc khối nghịch lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu chuyển sang) thành năng lượng điện xoay chiều trả lại lƣợng điện xoay chiều.
KHÁI QUÁT VỀ CHỈNH LƯU PWM
Phần nghịch lưu đã có nhiều kết quả nghiên cứu được áp dụng rất tốt trong thực tế, trong nội dung luận văn không đi vào việc phân tích phần nghịch lưu mà thực hiện lựa chọn loại nghịch được áp dụng phổ biến trong truyền động động cơ xoay chiều hiện nay là nghịch lưu điều khiển vector, khối nghịch này cho phép trao đổi công suất hai chiều giữa động cơ và phần cung cấp một chiều. Nhƣ vậy, khả năng làm việc ở cả bốn góc phần tƣ của động cơ trong hệ truyền động điện chỉ còn phụ thuộc vào đặc tính làm việc của chỉnh lưu, vì thế, nội dung cơ bản của chương này là nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý họat động và khả năng ứng dụng của chỉnh lưu PWM vào hệ truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều làm việc ở bốn góc phần tƣ.
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BIẾN TẦN NGUỒN ÁP BỐN GểC PHẦN TƯ DÙNG CHỈNH LƯU PWM
- Do khóa đóng cắt hai chiều Tranzitor và điôt ngƣợc kết hợp với tụ điện C và các điện cảm nguồn L hình thành mạch vòng dao động cộng hưởng LC tạo nên điện áp một chiều Udc > Ud0. Để thực hiện dòng điện đầu vào có dạng hình sin người ta dùng phương pháp biến điệu vector không gian theo như nghịch lưu (SVPWM).
MÔ TẢ TOÁN HỌC CHỈNH LƯU PWM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn.
PHẠM VI VÀ GIỚI HẠN THAM SỐ CỦA CHỈNH LƯU PWM 1. Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều
Từ phương trình (2.14) ta thấy điện áp trên điện cảm sẽ thay đổi khi vector dòng điện ILbiến động. Phương trình 2.16 chỉ ra quan hệ giữa điện áp nguồn, điện áp một chiều, dòng tải và giá trị điện cảm.
ƢỚC LƢỢNG CÁC ĐẠI LƢỢNG VECTOR CƠ BẢN
Có thể đo trực tiếp vector điện áp đầu vào, tuy vậy phép đo này bị ảnh hưởng rất lớn bởi sự không đối xứng các pha của điện áp lưới điện, nhiễu lưới v.v… Do vậy người ta thường ước lượng vector điện áp thông qua các thông số dòng điện và thông số trung gian. Từ đại lƣợng vector từ thông ảo có thể biểu diễn nó trên hệ d - q, khi vector ILtrùng UL và trục q, biểu đồ vector và sơ đồ mô tả dòng công suất của chỉnh lưu PWM đƣợc biểu diễn trên hình 2.11a,b.
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU PWM
Hệ điều khiển biến tần dùng chỉnh lưu PWM với động xoay chiều có các phương án được trình bày trên hình 2.14.
CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU PWM ĐỊNH HƯỚNG THEO VECTOR ĐIỆN ÁP
Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM được trình bày trên hình 2.16, trong đó lƣợng đặt dòng i*q = 0 và đại lƣợng đặt dòng i*d lấy ra từ bộ điều chỉnh điện áp một chiều. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC có sự khác biệt so với VOC, trục d ở đây đƣợc chọn trùng với vector Ldo vậy vector điện áp UL sẽ trùng với trục q, vector dòng điện IL trùng với vector UL nên ILd=0 và ILd=IL.
CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU PWM THEO PHƯƠNG PHÁP TRỰC TIẾP CÔNG SUẤT DPC
Do vậy, về nguyên lý cơ bản để xây dựng bộ điều khiển công suất DPC cũng tương tự như DTC, có nghĩa là phải thiết kế được bộ điều khiển đóng cắt có đặc tính từ trễ để gia công tín hiệu dq và dp; Lựa chọn số vùng của vector điện áp từ đó kết hợp với vị trí vector điện áp UL để xây dựng bảng đóng cắt tạo nên vector điều khiển điện áp cho chỉnh lưu PWM. Nhƣ vậy, việc sử dụng chỉnh lưu PWM trong bộ biến tần gián tiếp có thể cho phép hệ truyền động điện biến tần-động cơ xoay chiều có thể làm việc ở cả bốn góc phần tƣ của hệ tọa độ đặc tính cơ và nâng cao đáng kể chất lƣợng của hệ truyền động.
CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
Khi thiết kế hệ thống điều khiển vector, có thể cho rằng ở bộ chuyển đổi quay ngƣợc VR-1 đƣa vào phía sau bộ điều khiển và khâu chuyển đổi quay VR trong bản thân động cơ triệt tiêu nhau, bộ chuyển đổi 2/3 và bộ chuyển đổi 3/2 phía trong động cơ triệt tiêu nhau, nếu tiếp tục bỏ qua trễ do bộ biến tần sinh ra thì phần trong khung nét đứt trên hình 3.3 có thể bỏ đi hoàn toàn, phần còn lại rất giống với hệ thống điều tốc một chiều. Các phương pháp điều khiển khác nhau có sự khác nhau về đại lượng điều khiển cũng nhƣ cấu trúc cụ thể của hệ thống điều khiển nhƣng đều nhằm đạt mục tiêu chung là điều khiển sự đóng mở các van để giữ ổn định giá trị điện áp một chiều đầu ra theo giá trị đặt, khống chế hệ số công suất theo yêu cầu, đảm bảo dạng dòng điện lưới gần với hình sin và cho phép thực hiện trao đổi công suất hai chiều giữa tải và nguồn.
MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA CHỈNH LƯU PWM
Trên hình 4.4 biểu diễn điện áp một chiều sau chỉnh lưu, từ đồ thị Udc cho thấy, quá trình khởi động của bộ chỉnh lưu diễn ra trong thời gian rất ngắn, sự thay đổi giá trị điện áp ra khi thay đổi giá trị đặt cũng diễn ra rất nhanh, điện áp ra bám sát giá trị đặt với sai lệch không đáng kể, một điểm cần quan tâm là giá trị điện áp một chiều đầu ra cao hơn giá trị điện áp ra của chỉnh lưu đi ốt thông thường, điều này đáp ứng đƣợc yêu cầu điện áp một chiều cao mà không cần phải dùng máy biến áp tăng áp. Các đồ thị cho thấy, dòng điện nguồn có dạng rất gần với hình sin;trong các chế.
MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN 4Q - ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA 1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ truyền động trong phần mềm Matlab
Để kiểm tra khả năng của hệ truyền động khi động cơ làm việc với mô men tải mang tính chất phản kháng hoặc tải thế năng nhƣng chiều quay của rotor động cơ ngƣợc chiều mô men tải, ta thực hiện mô phỏng quá trình khởi động và quá trình điều chỉnh tốc độ động cơ cho trường hợp này. Để kiểm chứng khả năng này, ta thực hiện mô phỏng quá trình khởi động và làm việc ổn định của hệ truyền động khi mô men tải mang tính chất thế năng và động cơ quay theo chiều tác động của mô men tải (động cơ làm việc trong góc phần tƣ thứ tƣ - ở đây để đơn giản ta vẫn. Hình 4.24: Dòng điện ba pha của động cơ giai đoạn trước và sau khi kết thúc quá trình khởi động. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn. cho tốc độ dương, vì vậy mmoo men tải Mc sẽ mang dấu âm).
Kết ulận
Vì vậy, mặc dù giá thành của loại biến tần này cao gấp đôi so với biến tần thông thường nhưng với hệ truyền động này, đặc biệt là khi ứng dụng vào các hệ thống thang máy, máy bơm, quạt gió,… là rất phù hợp. - Động cơ có thể làm việc đƣợc mọi chế độ, đặc biệt là chế độ hãm tái sinh kể cả trong chế độ ổn định và quá độ, cho phép có thể áp dụng hệ truyền động biến tần 4Q - động cơ xoay chiều với nhiều loại tải khác nhau, tiết kiệm năng lƣợng trong nhiều trường hợp.
KIẾN NGHỊ
- Có khả năng điều chỉnh và ổn định tốt điện áp phần một chiều, giảm bớt ảnh hưởng của sự dao động điện áp lưới điện đến bộ biến tần.