C gI I I: Nghiờn cứu hệ truyền động biến tần 4Q Động cơ khụng đồng
3.1.1 Lĩnh vực sử dụng chỉnh lưu
Chỉnh lưu là quỏ trỡnh biến đổi năng lượng dũng điện xoay chiều thành năng lượng dũng điện một chiều.
Quỏ trỡnh nghiờn cứu cỏc hệ truyền động điện sử dụng động cơ điện một chiều, đó đề cập đến yờu cầu tạo ra một điện ỏp một chiều ổn định và chất lượng cao. Nú được tạo ra trong cỏc mạch điện tử cụng suất bằng cỏc bộ chỉnh lưu thường sử dụng diode và thyristor. Chỉnh lưu được phõn loại theo nhiều cỏch: theo số pha nguồn cấp cho mạch van (3 pha, 6 pha), theo loại van bỏn dẫn (chỉnh lưu khụng điều khiển, chỉnh lưu điều khiển, chỉnh lưu bỏn điều khiển) và phõn loại theo sơ đồ mắc van (hỡnh tia, hỡnh cầu),…
Bộ chỉnh lưu diode và thyristor đó cú lịch sử gần năm mươi năm và chỳng được định nghĩa như một thiết bị điện tử cụng suất cổ điển, được ứng dụng rộng rói nhất trong thực tế. Cỏc ứng dụng của chỉnh lưu :
- Quỏ trỡnh điện hoỏ học như mạ điện, điện phõn kim loại, bộ nạp và trong ngành sản xuất gas hoỏ học ( hydrogen, oxygen, chlorine,...). Cho cỏc bộ nguồn từ nhỏ (cỏc bộ nguồn tivi, mỏy tớnh..) đến cỏc bộ nguồn cụng suất lớn ( trong giao thụng, tàu điện, mạ,…).
- Truyền động cú thể điều chỉnh tốc độ dũng dũng một chiều. - Hệ thống 1 chiều điện ỏp cao.
ν
I + ∑ I
- Cung cấp cụng suất dũng 1 chiều và xoay chiều, bao gồm cỏc hệ thống cung cấp năng lượng liờn tục.
- Đảo ngược năng lượng 1 chiều sang xoay chiều từ năng lượng mặt trời, năng lượng chất đối với hệ thống thiết thực.
3.1.2. Một số tham số để đỏnh giỏ chỉnh lưu đối với lưới
a. Hệ số mộo điện ỏp lưới δν%:
Bộ chỉnh lưu trong thực tế là cỏc phần tử phi tuyến, do đú nú gõy ra súng điều hoà trong lưới điện xoay chiều. Súng điều hoà bậc cao gõy ra tổn thất phụ, gõy nhiễu cho lưới điện. Nú cũng làm ảnh hưởng đến hoạt động của mỏy biến ỏp và van điện nếu cụng suất phụ tải đủ lớn. Vỡ vậy hiệp hội kỹ thuật điện chõu Âu và quốc tế đưa ra chỉ tiờu độ mộo cho phộp trỡnh bày trờn bảng 3.1.
Trong đú:
δν%= Σu 2 u1
Với: uν là súng điều hoà bậc ν
u1 là súng điều hoà bậc 1
b. Hệ số mộo dũng điện lưới RF
Độ mộo của dũng điện lưới cú thể xỏc định bởi hệ số mộo (RF). Nú được định nghĩa như sau:
cấp.
RF = Giỏ trị hiệu dụng của dũng cơ bản/Giỏ trị hiệu dụng dũng điện
RF = Is1 ∞ 2 2 s1 sn (3.1) n =1, 2,3...
Bảng 3.1: Chỉ tiờu độ mộo điện ỏp lưới. Bộ biến đổi Vựng cụng suất Pmax [MW] Độ mộo cho phộp σv[p.e] Tỏc dụng lờn lưới m Súng điều hoà bậc cao được khảo sỏt Sk / P max Điện ỏp lưới U1[KV] νmin νmax Uk= 0,05 Uk=0,1 Uk=0,15 Rất nhỏ 0,01 tới 0,25 0,04 6 5 13 40 35 30 0,38; 0,5; 0,66 12 11 13 25 20 15 Nhỏ 0,25 tới 1 0,03 6 5 13 55 50 40 6; 10; 22 12 11 13 35 25 15 Trung bỡnh 1 tới 10 0,02 6 5 25 90 70 60 6; 10; 22; 110 12 11 25 50 35 25 Lớn trờn 10 0,01 6 5 25 180 140 120 110 12 11 25 105 70 50 Cho dũng dạng súng vuụng: RF = 4 / π(1/ I d 2 )I d = 2 2 π = 0,9 (3.2) c. Hệ số cụng suất dịch chuyển DPF
Dũng cơ bản lưới trong bộ chuyển đổi điều khiển 3 pha thường trễ so với điện ỏp cơ bản 1 gúc dịch chuyển ứ. hệ số cụng suất dịch chuyển được định nghĩa:
DPF=giỏ trị cụng suất trung bỡnh/điện ỏp cơ bản x dũng điện cơ bản
P V I cosφ
DPF = 1 = s s1 = cosφ (3.3)
Vs Is1 Vs Is1
I n
2 2 2 2
+ ∑ I
Dũng điện cơ bản
Hỡnh 3.1: Hỡnh dạng của dũng điện và điện ỏp lưới. d. Hệ số cụng suất PF
Hệ số cụng suất PF được định nghĩa
PF= giỏ trị cụng suất trung bỡnh/ điện ỏp cấp x dũng điện cấp
PF = Vs P1 ∞ 2 2 s1 n =1, 2,3... (3.4) Từ cụng thức 1.1, 1.3, 1.4 PF = V1Is1 cosφ ∞ = cosφ Is1 2 = DPF ì DF (3.5) Vs Isl + ∑ I n = Is1 + ∑ I n = n 1, 2,3.. n 1...
T ong đú DPF à viế ắ của Displacement Power Factor PF à viế ắ của Power Factor
RF à viế ắ của Ripple Factor l t t t l t t t l t t t Từ cụng thức ta cú đồ thị sau về cỏc hệ số: Hệ số cụng suất dịch chuyển (DPF) Hệ số cụng suất (PF)
Điện ỏp một chiều VC (pu)
Hệ số mộo (RF) r
Hỡnh 3.2: Đồ thị cỏc giỏ trị điện ỏp một chiều, hệ số mộo, hệ số cụng suất dịch chuyển và hệ số cụng suất của chỉnh lưu
cầu 3 pha diode
Nhỡn vào đồ thị ta thấy hệ số mộo khi dựng chỉnh lưu truyền thống là lớn và khi so sỏnh với chỉ tiờu về độ mộo cho điện ỏp lưới thỡ nú khụng đạt yờu cầu. Đồng thời hệ số mộo làm ảnh hưởng đến hệ số cụng suất làm cho hệ số cụng suất khi dựng cỏc bộ chỉnh lưu này là thấp.
Trong truyền động xoay chiều dựng biến tần, khi năng lượng động cơ dư thừa đũi hỏi phải cú sự trao đổi năng lượng để tiết kiệm, trỏnh hao phớ
năng lượng. Nhưng cỏc bộ chỉnh lưu dựng diode và thyristor chỉ dẫn năng lượng theo một chiều dẫn đến khú trao đổi năng lượng giữa động cơ và lưới.
Chỉnh lưu diode và thyristor tuy cú cỏc ưu điểm như: đơn giản, bền và giỏ thành thấp nhưng mạch đầu vào dựng diode cú hệ số cụng suất (khoảng 0,4) và tồn tại nhiều súng điều hoà bậc cao trong dũng điện đầu vào (khoả ng 28%).
3.1.3. Biện phỏp khắc phục
Để giảm ảnh hưởng súng điều hoà bậc cao cú ba biện phỏp: a. Chọn bộ biến đổi cú nhiều xung ra ( m = 6, 12, 18,...).
Đối với lưới cú nhiều bộ biến đổi (n bộ biến đổi) cú cựng số xung đầu ra m ta sử dụng cỏc biến ỏp cấp cho cỏc bộ biến đổi cú gúc lệch điện ỏp ra
quan hệ với nhau một gúc δ = 360 . Như vậy, súng điều hoà bậc cao sẽ giảm.
m.n
b. Sử dụng bộ lọc: Nếu cụng suất của bộ biến đổi lớn đối với lưới thỡ ta bố trớ mạch lọc đầu vào bộ biến đổi. Trong trường hợp tổng quỏt, trong lưới điện cú nhiều bộ biến đổi sẽ phỏt ra ớt súng điều hoà hơn so với lưới cú một bộ biến đổi cú cụng suất tương đương.
Bộ lọc được thiết lập thành nhúm mạch LC cộng hưởng nối tiếp (lọc thụ động), nú sẽ dập tắt cỏc dũng điện điều hoà bậc cao ( hỡnh 3.3a).
ữ 13 υ = 5 7 11 13 >17
a) b)
υ = 5
Hỡnh 3.3: Cỏc bộ lọc để giảm súng hài bậc cao
c. Trao đổi cụng suất giữa lưới và tải đối với truyền động biến tần động cơ xoay chiều.
Chỉnh lưu diode chỉ cho phộp năng lượng đi theo một chiều duy nhất. Vỡ vậy năng lượng khụng thể được trả về lưới từ động cơ mà bị tiờu hao trờn cỏc điện trở được điều khiển bởi cỏc ngắt điện nối dọc theo mạch một chiều. Phương phỏp cải tiến vấn đề này là dựng hóm dập năng lượng mạch một chiều hoặc dựng bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu trả về lưới. Tuy nhiờn, trong trường hợp mắc điện trở, nếu cụng suất cao thỡ đũi hỏi điện trở lớn khú khăn trong việc chế tạo và trường hợp mắc bộ ngược cũng gõy tốn kộm.
ĐC Bộ chỉnh lưu Bộ nghịch lưu a) Bộ chỉnh lưu ĐC Bộ nghịch lưu phục vụ hóm tỏi sinh b) Bộ nghịch lưu
Hỡnh 3.4: Cỏc biện phỏp xử lý khi năng lượng động cơ dư thừa a. Dập năng lượng bằng điện trở ở mạch một chiều
b. Mắc thờm một bộ nghịch lưu để trả năng lượng về lưới
Túm lại, khi ta:
- Xột về cỏc tiờu chuẩn: gồm súng điều hoà bậc cao, hệ số tiờu thụ cụng suất phản khỏng đối với chỉnh lưu dựng diode, thyristor cho cỏc hệ truyền động xoay chiều và một chiều cần sử dụng phương phỏp lọc và bự.
- Đối với hệ truyền động cần trao đổi cụng suất với lưới phải dựng bộ biến đổi thứ 2 ( bộ nghịch lưu) trả cụng suất từ tải về lưới.
- Đối với hệ khụng thực hiện trả năng lượng dựng hóm điện trở. Những hệ cú cụng suất từ vài trăm KW trở lờn dựng hóm điện trở khú khăn.
Những phương phỏp vừa nờu trờn cũn tồn tại những vấn đề như: hệ thống cồng kềnh, đầu tư lớn, lọc súng hài bậc cao khú, khi cụng suất hệ lớn thỡ điều chỉnh khú khăn. Trong chỉnh lưu diode chỉ cho phộp năng lượng chảy theo một chiều và khụng điều khiển được. Sự thay đổi của năng lượng sẽ xuất hiện một cỏch tự nhiờn với sự thay đổi của điện ỏp nguồn cấp và tải. Trong nhiều ứng dụng năng lượng cần được điều khiển. Thậm chớ đối với tải đũi hỏi điện ỏp khụng đổi hay dũng điện khụng đổi, điều khiển là việc cần thiết để bự nguồn cấp và sự thay đổi của tải. Chỉnh lưu thyristor cú thể điều khiển được năng lượng bởi nguyờn lý điều khiển pha bằng cỏch thay đổi gúc mở của thyristor. Bộ biến đổi này cũn cú thờm khả năng biến đổi năng lượng từ một chiều sang xoay chiều hay hoạt động ở chế độ nghịch lưu. Khi gúc α nằm giữa 0 và Π/2 nú hoạt động ở chế độ chỉnh lưu, gúc α nằm giữa Π/2 và Π thỡ nú hoạt động ở chế độ nghịch lưu và năng lượng từ nguồn một chiều chảy về lưới xoay chiều.
Tuy nhiờn, nú cú nhược điểm là dũng điện chứa nhiều súng điều hoà bậc cao làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Bờn cạnh đú, cũn gõy ra hệ số cụng suất thấp.
Kết luận: Do cỏc nhược điểm của bộ chỉnh lưu cũ đũi hỏi phải tỡm ra 1 bộ chỉnh lưu mới thoả món cỏc điều kiện:
- Chứa ớt súng điều hoà bậc cao. - Hệ số cos φ cao.
- Năng lượng chảy được theo theo hai chiều.
Như vậy vấn đề đặt ra ở đõy là phải tỡm ra một loại chỉnh lưu tự nú thoả món những yờu cầu đó nờu trờn. Chỉnh lưu PWM ra đời thoả món cỏc điều kiện trờn, bộ chỉnh lưu PWM sẽ thay thế chỉnh lưu cũ.
3.2. Chỉnh lƣu PWM
3.2.1. Nhiệm vụ
Chỉnh lưu PWM phải đạt được 3 yờu cầu là:
- Trao đổi được năng lượng giữa động cơ và lưới.
- Tăng hệ số cụng suất, cú thể điều khiển hệ số cụng suất cos φ = 1. - Giảm súng điều hoà bậc cao đi vào lưới để cải thiện chất lượng
điện năng, tạo ra súng điều hoà nhỏ nhất ( dạng sin dũng vào). Cấu trỳc cơ bản chỉnh lưu PWM
UA IA
UB IB
UC IC
C
Tải
Hỡnh 3.5: Cấu trỳc mạch chỉnh lưu PWM thường gặp.
Cấu trỳc phổ biến này cú cỏc ưu điểm là sử dụng cỏc module ba pha, số lượng van nhỏ nờn cú thể giảm giỏ thành, năng lượng cú khả năng chảy hai chiều.
Cấu trỳc này cú triển vọng nờn đang được phỏt triển. Trong hệ thống phõn bố năng lượng một chiều hay biến đổi xoay chiều/ một chiều/ xoay chiều, năng lượng xoay chiều đầu tiờn được biến đổi sang một chiều nhờ vào chỉnh lưu ba pha PWM. Nú cho hệ số cụng suất bằng một và dũng điện chứa ớt thành phần súng hài bậc cao. Cỏc bộ biến đổi này nối với đường truyền một
chiều sẽ mang lại cho tải những chuyển đổi mong muốn như thay đổi tốc độ truyền động động cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ nam chõm vĩnh cửu, bộ biến đổi từ một chiều sang một chiều, hoạt động đa truyền động,…
Hơn nữa, biến đổi xoay chiều/ một chiều/ xoay chiều sẽ mang lại một số điểm sau:
- Động cơ cú thể hoạt động ở tốc độ cao hơn mà khụng cần giảm từ trường ( bởi sự duy trỡ điện ỏp đường truyền một chiều trờn điện ỏp đỉnh của nguồn cấp).
- Về lý thuyết, giảm được 1/3 điện ỏp so sỏnh với cấu hỡnh quy ước do điều khiển đồng thời chỉnh lưu và nghịch lưu.
- Phản ứng của bộ điều khiển điện ỏp cú thể được cải tiến bởi tớn hiệu đưa đến từ tải dẫn đến giảm đến mức tối thiểu điện dung 1 chiều, trong khi việc duy trỡ được điện ỏp một chiều dưới giới hạn cho phộp thay đổi tải.
UA IA
UB IB C
M
UC IC
Hỡnh 3.7: Hệ thống phõn phối điện năng một chiều.
Hỡnh 3.7: Hệ thống phõn phối điện năng một chiều.
3.2.3. Cấu trỳc mạch lực và hoạt động của chỉnh lưu PWM a. Cấu trỳc mạch lực của chỉnh lưu PWM
Phớa xoay chiều Bộ biến đổi cầu Phớa một chiều
Tải
a)
Hỡnh 3.8a: Sơ đồ thay thế đơn giản của chỉnh lưu 3 pha PWM cho cụng suất chảy theo cả hai chiều
2 2
b)
Hỡnh 3.8b: Sơ đồ thay thế điện của một nhỏnh
Hỡnh 3.8 (b) biểu diễn một pha của mạch chỉnh lưu giới thiệu ở hỡnh
3.8 (a). L và R là điện cảm của lưới, UL là điện ỏp lưới và US là điện ỏp bộ
chuyển đổi cú thể điều khiển được từ phớa một chiều. b. Điều kiện để chỉnh lưu PWM hoạt động:
- Điều kiện hoạt động của chỉnh lưu PWM: Vdcmin>VCL tự nhiờn
(thường ớt nhất là 20%).
- Cú cuộn cảm đầu vào để tạo kho từ trao đổi năng lượng với lưới. - Điều khiển chỉnh lưu theo luật điều khiển PWM
Quỏ trỡnh làm việc của chỉnh lưu PWM yờu cầu một giỏ trị điện ỏp một chiều nhỏ nhất. Thụng thường, cú thể xỏc định bằng điện ỏp dõy lớn nhất:
Vdcmin>VLN(rms)* 3 * 2 = 2,45* VLN(rms) (3.6)
Ta cú biểu thức điện ỏp
udc> (E m + (ωLi Ld ) ) (3.7)
Biểu thức trờn chỉ ra mối quan hệ giữa điện ỏp nguồn và điện ỏp một chiều đầu ra, dũng điện (tải) và cảm khỏng.
Cuộn cảm phải được lựa chọn kỹ bởi cảm khỏng thấp sẽ làm cho dũng điện nhấp nhụ lớn và làm cho việc thiết kế phụ thuộc nhiều vào trở khỏng đường dõy. Cảm khỏng cú giỏ trị lớn làm giảm độ nhấp nhụ dũng điện, nhưng
u − Em
LD
đồng thời cũng làm giảm giới hạn làm việc của chỉnh lưu. Điện ỏp rơi trờn cuộn cảm cú ảnh hưởng tới dũng điện nguồn. Điện ỏp rơi này được điều chỉnh bởi điện ỏp đầu vào chỉnh lưu PWM nhưng giỏ trị lớn nhất được giới hạn bởi điện ỏp 1 chiều. Kết quả là, dũng điện lớn(cụng suất lớn) qua cảm khỏng cũng cần điện ỏp một chiều lớn hay cảm khỏng nhỏ. Vỡ vậy, sau khi biến đổi phương trỡnh (1.6) độ tự cảm lớn nhất xỏc định:
2 2
dc
L< ω.i . (3.8)
c. Giản đồ vectơ
Cuộn cảm được nối giữa đầu vào chỉnh lưu và lưới đúng vai trũ là bộ tớch phõn trong mạch. Nú mang đặc tớnh nguồn dũng của mạch đầu vào và
cung cấp đặc trưng tăng thế của bộ biến đổi. Dũng điện lưới iL được điều
khiển bởi điện ỏp rơi trờn điện cảm L nối giữa 2 nguồn ỏp (lưới và bộ biến
đổi). Nú cú nghĩa rằng điện ỏp của cuộn cảm uL tương đương với độ chờnh
lệch giữa điện ỏp lưới và điện ỏp bộ biến đổi. Khi điều khiển gúc pha ε và biờn độ của điện ỏp bộ biến đổi, tức là đó điều khiển giỏn tiếp pha và biờn độ của dũng điện lưới. Theo cỏch này, giỏ trị trung bỡnh và dấu của dũng điện 1 chiều là đối tượng để điều khiển tỷ lệ với cụng suất tỏc dụng qua bộ biến đổi. Cụng suất phản khỏng cú thể được điều khiển một cỏch độc lập với sự thay
đổi của thành phần dũng điều hoà cơ bản IL đối với điện ỏp UL.
Hỡnh 3.9 giới thiệu đồ thị vộctơ với cỏc trường hợp bộ chỉnh lưu thụng thường và bộ chỉnh lưu PWM ở hai chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu. Như vậy bộ chỉnh lưu PWM cho phộp năng lượng chảy theo 2 chiều và cú hệ số cụng
suất = ±1. Hỡnh vẽ cho thấy vector điện ỏp us trong quỏ trỡnh tỏi sinh cao hơn
(lờn đến 3%) so với chế độ chỉnh lưu. Nú cú nghĩa là 2 chế độ này là khụng