3.1.3.1 Phương trình động của mây điện đồng bộ
Trong mây điện đồng bộ thường đưa câc dđy quấn stator về hai trục thẳng góc d, q gắn liền với rotor quay với vận tốc, sơ đồ mây điện đồng bộ trình băy hình 3.4 [17], [22] 3.15 3.16 3.14 3.18 3.17 3.19
Mô tả toân học câc mô hình
Điện âp stator trong 3 pha xâc định bởi công thức 3.20
dt C B A d C B A i R C B A U S S S S , , , , , ,
Ở đđy RS :lă điện trở dđy quấn stator
Phương trình điện âp của dđy quấn từ trường vă dđy quấn đệm trong hệ trục cố định của rotor lă:
Sự thay thế dđy quấn stator 3 pha bởi dđy quấn stator pha vuông góc, số lượng công thức vi phđn giảm, sơ đồ đâp ứng của mô hình chỉ ra hình 3.5
Mây điện cực lồi được mô tả trín hệ trục d-q-0, điện âp stator thể hiện 3.20
3.21 Hình 3.4: Mô hình mây điện đồng bộ 3 pha
Mô tả toân học câc mô hình
Trong đó r : lă tốc độ rotor. Liín kết từ thông stator trong hệ trục d-q-0 có thể được mô tả giới hạn dòng của mây điện như biểu thức 3.22.
Độ từ cảm đồng bộ ngang trục Độ từ cảm đồng bộ trục vuông góc Độ từ cảm đồng cực Q Q D D f f M M M M M M 2 3 , 2 3 , 2 3 ' ' '
Mf/ , MD/, MQ/: lă độ từ cảm chung giữa dđy quấn từ trường vă dđy quấn stator, dđy quấn stator vă dđy quấn ngang trục, dđy quấn stator vă dđy quấn trục vuông góc.
Độ từ cảm đồng bộ được mô tả bằng công thức: Ld Ls Lmd, Lq Ls Lmq
Lơs : độ từ cảm lọt qua khe hở stator.
2 0 2 3 L M Lmd độ từ cảm ngang trục. độ từ cảm trục vuông góc. Tâch phần thực vă ảo trong biểu thức 3.21 ta được 3.24.
3.21 3.22 3.24 2 0 2 3 L M Lmq 3.23
Mô tả toân học câc mô hình
Câc thănh phần được thay thế từ hệ phương trình 3.23 vă 3.22 ta được 3.25
Từ thông trong khe hở của dđy quấn từ trường vă dđy quấn đệm xâc định 3.26
Ở đđy: Lf : độ tự cảm của dđy quấn từ trường;
LD, LQ : độ từ cảm của dđy quấn đệm theo trục ngang vă trục vuông góc;
MfD : độ từ cảm giữa dđy quấn từ trường vă dđy quấn đệm ngang trục.
Phương trình điện âp của mô hình tính toân thể hiện bằng ma trận 3.27
Moment điện từ mây điện đồng bộ có dạng công thức 3.28
3.1.3.2 Hệ phương trình mây điện đồng bộ nam chđm vĩnh cửu
Phđn tích mây điện đồng bộ nam chđm vĩnh cửu có thể dùng mạch điện tương đương, ở đđy dđy quấn đệm được thay thế 2 dđy quấn tương đương theo hai trục D,Q tương ứng. Nam chđm vĩnh cửu được thay thế với dđy quấn siíu bân
3.28 8 3.25
3.26
Mô tả toân học câc mô hình
dẫn tương tương đặt trín trục ngang như hình 3.5. Dòng điện chạy qua dđy quấn tương tương của nam chđm vĩnh cửu thì không đổi trong câc chế độ.
Hệ phương trình cđn bằng điện âp vă từ thông qua khe hở của mây điện
đồng bộ nam chđm vĩnh cửu trong hệ trục d-q-0 được rút ra từ hệ phương trình
điện âp của mây điện đồng bộ như công thức 3.29. [17], [22]
Hệ phương trình cđn bằng điện âp trong hệ trục d-q-0 thể hiện bằng ma trận 3.30
Mô ment điện từ mây điện đồng bộ nam chđm vĩnh cửu mô tả bằng như 3.31
3.1.4 Mô hình bộ biến đổi công suất (Power converter)
Ý tưởng về lý thuyết hoạt động điều khiển khởi động 3 pha xoay chiều
(soft – starters) phụ thuộc văo câc kiểu kết nối tải cảm được trình băy ở đđy.
Những phđn tích về thay đổi điện âp điều khiển thyristor của động cơ cảm ứng
hoạt động trong câc chế độ khâc nhau. Trong mô hình abc-dq0 của mây điện
cảm ứng có thể chỉ dùng kết nối sao với dđy quấn stator. [17],[22]
Hiện nay, nhiều turbine gió khoảng 2.3MW dựa văo “Danish concept”
dùng mây phât cảm ứng lồng sóc kết nối với lưới điện như hình 3.6.
3.29 8 3.30 8 3.31 8
Mô tả toân học câc mô hình
Trong sơ đồ turbine được kết nối với hộp số vă mây phât mă thông qua mạch điện nối đến lưới. Một hệ thống điều khiển lă cần thiết cho câc chế độ hoạt động của mô hình. Mạch điện giao tiếp bao gồm: soft-starter, bộ tụ bù, vă mây biến âp. Tụ bù dùng để điều khiển hệ số công suất mây phât. Bộ soft- starter dùng để khởi động mây phât để giới hạn dòng điện vă moment khởi động trong hộp số.
Có nhiều mô hình của soft-starter cung cấp cho mây điện. Tuy nhiín, có 3 mô hình được quan tđm ứng dụng turbine gió như hình 3.7.
Mô hình kết nối sao vă tam giâc có cùng sơ đồ đóng ngắt câc SCR, sự khâc biệt lă câch nối dđy. Có hai SCR mắc song song cho mỗi pha, mỗi SCR dẫn trong một bân kỳ dương. Đối với câch nối sao điện âp mỗi pha phụ thuộc văo trạng thâi mở của SCR trong mỗi pha. Vì thế, Bộ soft-starter có thể chỉ hoạt động khi 2 hoặc 3 SCR dẫn trong cùng lúc. Những hoạt năy cũng đúng cho câch nối tam giâc. Tuy nhiín câch nối nhânh tam giâc chỉ hoạt động với một SCR dẫn ở một thời điểm.
Những ứng dụng kết nối chủ yếu turbine gió lă kiểu tam giâc cho mây điện cảm ứng vì dòng định mức của dđy quấn stator có thể giảm, vă sóng hăi
Hình 3.6: Sơ đồ mây phât cảm ứng nối với lưới điện
Hình 3.7: những mô hình mây điện dùng soft-starter kết nối turbine gió a) kết nối sao, b) kết nối tam giâc, c) kết nối nhânh-tam giâc
Mô tả toân học câc mô hình
Tùy thuộc văo góc αcủa bộ soft-starter , ba chế độ hoạt động khâc nhau
có thể được thể hiện khi tải được nối sao hoặc tam giâc.
Chế độ 1: 0 <=α < 600 Khi 2 hoặc 3 SCR dẫn
Chế độ 2: 600 <=α < 900 Khi 2 SCR dẫn
Chế độ 3: 900 <=α < 1500 Khi không hoặc 2 SCR dẫn
Ở đđy tải trở khâng được dùng để phđn tích thì rất khó, khi những chế độ
hoạt động phụ thuộc văo góc ngắt ξvă góc giới hạn αlim, cả hai lại phụ thuộc văo
góc φ. Trong chế độ 2, dòng điện ngõ ra thay đổi nhanh, không thể phât tải cảm.
Phạm vi hoạt động của hai chế độ còn lại như sau:
Chế độ 1: φ <=α < αlim Khi 2 hoặc 3 SCR dẫn
Chế độ 3: αlim <=α < 1500 Khi không hoặc 2 SCR dẫn
Góc giới hạn có thể được xâc định từ công thức 3.32.
Câc công tắc SWA, SWB, SWC trong mô hình có hai mức: bằng mức1 khi SCR dẫn
vă mức 0 khi ngắt như hình 3.8, hoạt động của nó được xâc định dựa văo điện âp pha vă dòng điện pha trong mỗi mô hình.
3.32
Mô tả toân học câc mô hình
3.1.4.1 Mô hình tải 3 pha kết nối hình sao–Y
Bộ khởi động tải 3 pha nối hình sao trình băy như hình vẽ 3.9
Điện âp pha tại đầu cực mây phât được xâc định như công thức 3.33
Điện âp vă dòng điện pha tương ứng với góc kích khâc nhau có dạng sóng như hình 3.10. Phương trình chuyển mạch được tính toân theo điện âp pha vă điện điện dđy hoặc pha. [17], [16]
3.33 8 Hình 3.9 Bộ khởi động 3 pha tải nối hình sao
Hình 3.10: Dạng sóng tiểu biểu của điện âp vă dòng điện khi tải nối sao a) chế độ1, b) chế độ 3
Mô tả toân học câc mô hình
3.1.4.2 Mô hình tải 3 pha kết nối hình tam giâc –Δ
Bộ khởi động tải 3 pha nối hình tam giâc trình băy như hình 3.11
Điện âp câc pha có giâ trị xâc định theo công thức 3.34
Dạng sóng điện âp pha, dòng điện pha vă dđy với góc kích khâc nhau trong chế độ 1 vă chế độ 3 hình 3.12. Phương trình chuyển mạch được tính toân theo điện âp pha vă dòng điện dđy.
3.34 Hình 3.11 Bộ khởi động 3 pha tải nối tam giâc
Hình 3.12: Dạng sóng điện âp vă dòng điện khi tải nối tam giâc a) chế độ1, b) chế độ 3
Mô tả toân học câc mô hình
3.1.4.3 Mô hình tải 3 pha kết nối nhânh – tam giâc
Bộ khởi động tải 3 pha nối hình nhânh - tam giâc trình băy như hình 3.13
Điện âp ra của bộ khởi động được xâc định theo công thức 3.35
Dạng sóng điện âp pha, dòng điện pha vă dđy với góc kích khâc nhau trong chế độ 1 vă chế độ 3 hình 3.14. Phương trình chuyển mạch được tính toân theo điện âp dđy vă dòng điện dđy.
3.35 Hình 3.13 Bộ khởi động 3 pha tải nối nhânh - tam giâc
Hình 3.14: Dạng sóng điện âp vă dòng điện khi tải nối nhânh•tam giâc
Mô hình một số bộ biến đổi DC-DC công suất
3.2. CÂC BỘ BIẾN ĐỔI DC CÔNG SUẤT LỚN 3.2.1. Giới thiệu chung
Phần năy sẽ mô tả nguyín lý lăm việc cơ bản của câc bộ biến đổi DC/DC công suất lớn đóng vai trò như một mây biến âp sử dụng linh kiện bân dẫn, đồng thời so sânh chất lượng điện âp vă dòng điện trong mỗi mô hình khâc nhau. Trong câc mô hình biến đổi đều có sử dụng linh kiện bân dẫn IGBT như lă một công tắc chuyển mạch để đạt được điện âp vă dòng điện ngõ ra mong muốn. Lý do sử dụng IGBT trong câc bộ biến đổi lă do linh kiện năy có nhiều ưu việt so với câc loại khâc như khả năng chịu âp vă dòng lớn, thời gian đóng cắt nhanh
(văi s), khả năng chịu điện âp ngược lớn, khả năng hoạt động độc lập không
cần đến câc mạch bảo vệ. Trong bộ biến đổi sử dụng mạch không cộng hưởng để giảm tổn thất công suất trong quâ trình đóng cắt. Kết cấu của bộ biến đổi được chia thănh câc lớp khâc nhau phụ thuộc văo khả năng biến đổi công suất từ thấp đến cao hay tỷ số biến đổi từ trung bình đến cao. Tỷ số biến đổi điển hình của câc bộ biến đổi nằm trong tầm từ 1 đến 5 khi chúng được sử dụng với vai trò điều chỉnh điện âp. Với câc bộ biến đổi điện âp cao, ngoăi vai trò điều chỉnh điện âp câc bộ biến đổi còn được sử dụng như một mây biến âp DC vă có tỷ số biến đổi lúc năy lín đến 10 hoặc lớn hơn.
Câc đặc tính của mây phât turbine gió có thể minh họa như hình 3.15. Câc đặc tuyến trín được giới hạn tốc độ gió từ 3m/s trở lín, trong khoảng từ 3 đến 10m/s công suất ngõ ra có quan hệ gần như tuyến tính với tốc độ gió. Ơû tốc độ cao hơn thì công suất ngõ ra không đổi vì lượng gió năy phần lớn được bỏ phí. Tốc độ của mây phât thấp nhất ở giâ trị 0,5pu, khi tốc độ gió lớn hơn 5m/s thì tốc độ năy tăng tuyến tính với tốc độ gió, khi tốc độ gió lớn hơn 10m/s vẫn được giữ không đổi. Điện âp của mây phât được điều khiển để giữ lă hằng số khi tốc độ gió từ 10m/s trở lín.
Mây phât turbine gió
Điện âp AC thấp từ mây phât
Hướng truyền công suất Bộ biến đổi DC/DC Bộ biến đổi DC/DC Bộ biến đổi AC/DC
Bus điện âp DC thấp
Bus điện âp
DC trung bình Bus điện âp DC cao
Câp truyền văo đất liền
Hình 3.15: Sơ đồ của hệ thống truyền tải DC bao gồm cả mây phât
Mô hình một số bộ biến đổi DC-DC công suất
3.2.2. Môi trường lăm việc của câc bộ biến đổi
Bộ biến đổi DC/DC được đặt tại câc trạm mây phât, nơi điện âp ngõ ra của mây phât thấp. Bộ biến đổi nằm giữa mây phât vă hệ thống đường dđy truyền tải nhằm nđng điện âp truyền tải để giảm tổn thất. Điện âp ngõ ra của câc bộ biến đổi được giữ lă hằng số. Sự khâc nhau giữa điện âp truyền tải DC vă điện âp phât ra của mây phât lă sự chính lệch về biín độ (có thể lín đến 100 lần). Vì vậy trong một hệ thống DC/DC tùy theo cấp điện âp ngõ văo vă ngõ ra mă có một hay nhiều bộ biến đổi được mắc nối tiếp nhau. Sơ đồ kết nối được mô tả hình 3.16.
Bộ biến đổi đầu tiín trong mắc xích được đưa văo để thay đổi điện âp ngõ ra của mây phât. Bộ năy còn có vai trò như một cầu chỉnh lưu có điều khiển, tín hiệu điều khiển được xâc định sao cho ổn định điện âp ngõ ra. Việc điều khiển thường được thực hiện thông qua điện cảm rò (leakage inductance) vì cho phĩp điều khiển trong giải rộng. [25]
3.2.3 Mô hình một số bộ biến đổi
Câc bộ biến đổi DC/DC được phđn tích trong trường hợp năy có thể được chia thanh hai nhóm chính lă nhóm không câch ly điện vă câch ly điện. Sự khâc nhau giữa chúng có hay không có mây biến âp câch ly. Câc bộ biến đổi không
câch ly bao gồm: bộ tăng thế, bộ biến đổi Cúk, bộ biến đổi Sepic,…, bộ biến đổi
câch ly bao gồm: bộ biến đổi truyền ngược (flyback), bộ biến đổi liín tiến (forward), bộ đẩy kĩo(push pull), bộ bân cầu (half bridge), bộ biến đổi cầu (full
Công suất ngõ ra Tốc độ mây phât
Điện âp phât Dòng điện phât
Tốc độ gió Tốc độ gió
Tốc độ gió Tốc độ gió
Hình 3.16: Mối liín hệ giữa tốc độ gió với công suất ngõ ra, điện âp phât, dòng điện phât vă tốc độ mây phât
Mô hình một số bộ biến đổi DC-DC công suất
3.2.3.1. Bộ tăng thế
Bộ tăng thế (bộ biến đổi Boost) lă bộ biến đổi không câch ly điện, nó được dùng khi tỷ số biến đổi điện âp ở mức trung bình. Đđy lă bộ biến đổi đơn giản nhất vì chỉ có một số thănh phần như hình 3.17 bín dưới.
Bộ tăng thế chỉ có thể sử dụng khi điện âp ngõ ra Uout cao hơn điện âp
ngõ văo Uin. Bộ tăng thế lăm việc thông qua việc lưu trữ năng lượng trong cuộn
cảm L khi công tắc (Sw) dẫn vă đổ năng lượng năy cùng với năng lượng ngõ văo
qua tải khi Sw ngưng dẫn. Điện âp ngõ ra Uout được điều khiển ổn định thông
qua việc thay đổi lượng năng lượng lưu trữ vă xê ra trong mỗi chu kỳ. Khi Sw dẫn điện âp nguồn cung cấp đặt lín cuộn cảm L, dòng điện qua cuộn cảm tăng lín tuyến tính. Trong suốt quâ trình dẫn tụ C cung cấp năng lượng cho tải vì vậy điện âp đặt trín tụ giảm xuống. Khi Sw ngưng dẫn do tính liín tục dòng điện trín cuộn cảm L tiếp tục cung cấp cho tải thông qua diode D vì vậy dòng điện tăng lín tuyến tính. Quâ trình dòng, âp được minh họa như hình 3.18.
UL (g ạch ) v ă IL (ch ấm ) USw (g ạc h) v ă ISw (ch ấm )
Điện âp vă dòng điện trín cuộn cảm Điện âp vă dòng điện trín Sw
t(ms) t(ms)
Hình 3.18: Điện âp vă dòng điện lý tưởng trín cuộn cảm vă công tắc chuyển mạch Sw trong trường hợp CCM
Mô hình một số bộ biến đổi DC-DC công suất
Nếu dòng điện trong cuộn cảm tiến về 0 trước khi chu kỳ tiếp theo bắt đầu bộ biến đổi sẽ lăm việc ở chế độ giân đoạn (DCM- Discontinuous Conduction Mode). Nếu dòng điện qua cuộn cảm không tiến về không trước khi chu kỳ tiếp theo bắt đầu bộ biến đổi lăm việc ở chế độ liín tục (CCM- Continuous Conduction Mode).
Hệ thống điều khiển được sử dụng độc lập trong hai chế độ lăm việc khâc nhau. Với chế độ CCM quan hệ giữa điện âp ngõ văo vă điện âp ngõ ra có thể được xâc định: D U U in out