ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP CHÂU TÂN ĐỨC NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƯ- ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Chuyên ngành : Tự Động Hóa Mã số : 605260 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2010 Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Cán bộ HDKH : TS Trần Xuân Minh Phản biện 1 : TS. Nguyễn Văn Vỵ Phản biện 2 : PGS.TS. Nguyễn Hữu Công Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Vào 10 giờ 30 phút ngày 06 tháng 11 năm 2010. Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. 1 MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung và kỹ thuật bán dẫn, điện tử công suất nói riêng (như chế tạo được các van bán dẫn công suất chịu được dòng điện lớn, điện áp cao, đặc tính chuyển mạch tốt hơn, chế tạo được các bộ xử lý tín hiệu số mạnh, sự cải tiến các phương pháp điều khiển bộ biến đổi…) đã dẫn tới sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống truyền động điện xoay chiều. Hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp cho mạch stator so với hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều có các ưu điểm nổi bật như: kích thước nhỏ gọn, bền bỉ, giá thành lắp đặt và bảo dưỡng thấp. Do đó trong thực tế nó đang dần thay thế một phần lớn hệ truyền động điện một chiều truyền thống. Tuy nhiên, các bộ biến tần gián tiếp thông dụng trong các hệ truyền động điện xoay chiều thường sử dụng bộ chỉnh lưu điốt và do vậy không có khả năng trả năng lượng về lưới. Vấn đề hãm trong các hệ truyền động như vậy được thực hiện bởi việc sử dụng điện trở tiêu tán năng lượng. Vì vậy, trong các hệ thống truyền động điện mà động cơ thường làm việc ở chế độ hãm (như các ứng dụng cần trục, thang máy,…) thì việc tiêu tán năng lượng trên điện trở sẽ gây ra lãng phí rất lớn. Để tiết kiệm năng lượng, tăng chất lượng điều chỉnh cần phải thiết kế bộ biến tần đảm bảo cho phép động cơ làm việc hiệu quả được ở các trạng thái hãm khác nhau mà đặc biệt là hãm tái sinh. Bộ biến tần như vậy được gọi là biến tần 4 góc phần tư (biến tần 4Q). Căn cứ vào những nhận xét, đánh giá trên, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần bốn góc phần tư – động cơ không đồng bộ” để làm đề tài nghiên cứu. Nội dung của luận văn được trình bày trong 3 chương: Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động điện biến tần - động cơ không đồng bộ. Chương 2: Tìm hiểu về chỉnh lưu tích cực PWM. Chương 3: Xây dựng cấu trúc điều khiển nghịch lưu và cấu trúc hệ truyền động điện biến tần 4Q - động cơ không đồng bộ. 2 Kết luận và kiến nghị. Để có thể hoàn thành luận văn này, tôi đã có sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của Thầy giáo TS Trần Xuân Minh, sự giúp đỡ chân thành của các Thầy cô ở Ban Giám Hiệu, Khoa sau Đại học, Khoa Điện Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp, bạn bè và gia đình. Tôi xin chân thành cám ơn thầy giáo TS Trần Xuân Minh, các Thầy cô ở Ban Giám Hiệu, Khoa sau Đại học, Khoa Điện Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp, các bạn bè và đặc biệt là gia đình thân yêu! Tôi xin chân thành cám ơn! Thái Nguyên, ngày 07 tháng 10 năm 2010 Người thực hiện Châu Tân Đức 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1.1 Các hệ thống truyền động điện dùng động cơ xoay chiều 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 1.1.4 Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều 1.2 Sơ lược về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất 1.2.1 Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) 1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp 1.2.2.1 Biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển 1.2.2.2 Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp 1.2.2.3 Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu PWM 1.2.2.4 Biến tần điều khiển vector 1.3 Biến tần bốn góc phần tư 1.3.1 Các tồn tại của các bộ biến tần thông thường 1.3.2 Biến tần bốn góc phần tư (biến tần 4Q) CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU VỀ CHỈNH LƯU TÍCH CỰC PWM 2.1 Đặt vấn đề 2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến tần nguồn áp bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM 4 Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM 2.3 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM 2.3.1 Mô tả điện áp và dòng điện nguồn lưới 2.3.2 Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM 2.3.3 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ ba pha Hình 2.5: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ ba pha tự nhiên 2.3.4 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ cố định (α-β) 5 Hình 2.6: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ tĩnh α-β. 2.3.5 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay (d-q) Hình 2.7: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q 2.4 Phạm vi và giới hạn các tham số của chỉnh lưu PWM 2.5 Ước lượng các đại lượng vector cơ bản 2.5.1 Ước lượng vector điện áp đầu vào 6 Điện áp lưới được ước tính:             − + =       q ii ii ii u u LL LL LL L L 0 1 22 22 22 αβ βα βα β α (2.36) 2.5.2 Ước lượng vector từ thông ảo Hình 2.11: Mô hình động cơ ảo và đồ thị vector từ thông ảo với chỉnh lưu Các thành phần của từ thông ảo được xác định: dt dt di Lu L SL ∫       += α αα ψ (2.38a) dt dt di Lu L SL ∫         += β ββ ψ (2.38b) 2.6 Phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM Các cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM về cơ bản đều có các mục tiêu chung như hệ số công suất cao, dạng sóng dòng điện gần sin nhưng lại dựa trên các 7 nguyên tắc khác nhau. Các cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM được minh họa trên hình 2.14. Hình 2.14: Phân loại các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM 2.6.1 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp VOC Hình 2.16: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC 8 2.6.2 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp VFOC Cấu trúc điều khiển này có sự khác biệt so với cấu trúc theo VOC, trục d ở đây được chọn trùng với vector L ψ do vậy vector điện áp L u sẽ trùng với trục q, vector dòng điện L i trùng với vector L u nên i Ld =0 và I Lq =I L . Hình 2.19: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC 2.6.3 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp DPC Phương pháp điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh lưu PWM tương tự ý tưởng phương pháp điều khiển trực tiếp mô men DTC của truyền động động cơ không đồng bộ. Thay vì mô men và từ thông stator được điều khiển thì công suất tác dụng tức thời (p) và phản kháng tức thời (q) được điều khiển (xem hình 2.20). 9 [...]... một hệ truyền động DTC thông thường: 3.2 Cấu trúc hệ truyền động điện biến tần 4Q - động cơ không đồng bộ 3.2.1 Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - động cơ không đồng bộ 15 Hình 3.8: Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q động cơ không đồng bộ 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực của hệ biến tần 4Q – động cơ không đồng bộ Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực hệ truyền động điện biến tần. .. lưu PWM trong bộ biến tần gián tiếp có thể cho phép hệ truyền động điện biến tần - động cơ không đồng bộ có thể làm việc ở cả bốn góc phần tư của hệ tọa độ đặc tính cơ và nâng cao đáng kể chất lượng của hệ truyền động Vì vậy, mặc dù giá thành của loại biến tần này cao hơn so với biến tần thông thường nhưng sẽ tiết kiệm đáng kể về điện năng, giảm nhỏ ảnh hưởng của hệ truyền động đến lưới điện xoay chiều... Máy điện tập 1, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2 Bùi Quốc Khánh, NguyễnVăn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2002), Tự động điều chỉnh truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 3 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn (2007), Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 4 Trần Thọ, Võ Quang Lạp (biên khảo) (2004), Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện, ... mô phỏng bộ biến tần 4Q và hệ truyền động động cơ không đồng bộ ba pha ứng dụng loại biến tần này ta thấy loại biến tần này đạt được nhiều tính năng nổi bật mà các bộ biến tần thông thường khác không có: - Dòng điện đầu vào phía lưới có dạng gần hình sin, sóng hài bậc cao trong dòng điện lưới là không đáng kể - Có khả năng đạt được hệ số công suất lưới điện theo yêu cầu - Điện áp một chiều sau chỉnh... 3 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU VÀ CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4Q - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3.1 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu 3.1.1 Các vấn đề điều khiển nghịch lưu 3.1.2 Điều khiển DTC cho nghịch lưu nguồn áp động cơ không đồng bộ 3.1.2.1 Các nguyên tắc chung cho việc tạo đáp ứng mô men nhanh 12 Trong một hệ truyền động động cơ cảm ứng điều khiển trực tiếp mô men (DTC) có thể điều... 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 Để nghiên cứu sự làm việc 16 của hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư - động cơ không đồng bộ ta chọn phương pháp điều khiển chỉnh lưu là phương pháp... giảm bớt ảnh hưởng của sự dao động điện áp lưới đến bộ biến tần - Biến tần có khả năng hoàn trả năng lượng về lưới, khi đó điện áp và dòng điện lưới lệch pha nhau 1800, như vậy hệ thống cho phép tiết kiệm năng lượng trong một số trường hợp như điều chỉnh giảm tốc, làm việc với tải thế năng, 2 Kiến nghị - Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện để có thể áp dụng vào thực tế - Nghiên cứu tìm thêm ứng dụng khác... giá trị hệ số công suất bằng 1 (cosϕ = -1); tốc độ động cơ vẫn được duy trì hầu như không đổi bằng 100 rad/s (hình 3.23); giá trị điện áp một chiều tư ng đối ổn định (hình 3.24) 100 Dong dien stator (A) 50 0 -50 -100 1.1 1.2 1.3 1.4 Thoi gian (s) 1.5 1.6 1.7 Hình 3.25: Dòng điện stator khi mô men tải đổi dấu KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1.Kết luận Qua phân tích lý thuyết và các kết quả mô phỏng bộ biến tần 4Q... phải biết vị trí của vector không gian từ thông stator Góc từ thông stator ( ρ s ) có thể được xác định: ρ s = tan −1 (ψ sβ / ψ sα ) (3.16) Góc ρ s sau đó có thể được sử dụng để xác định các góc α(1), α(2), … 3.1.2.3 Sự ước tính từ thông stator Trong hệ truyền động động cơ cảm ứng DTC, các thành phần từ thông stator phải được được ước tính theo phương trình điện áp stator ở hệ tọa độ (α, β): ψ sα = ∫... thông stator hệ truyền động động cơ không đồng bộ với nghịch lưu nguồn áp Trong hình 3.7, sai lệch từ thông và mô men điện từ được hạn chế trong dải trễ của chúng, có độ rộng tư ng ứng là 2∆ψ s và 2∆T e Dải trễ từ thông ảnh hưởng chính đến sự méo dòng stator với các thành phần điều hòa bậc thấp, và dải trễ mô men ảnh hưởng đến tần số chuyển mạch và vì thế gây tổn hao chuyển mạch Mô men điện từ có thể . HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP CHÂU TÂN ĐỨC NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƯ- ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Chuyên ngành : Tự Động Hóa Mã số : 605260 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI. chính của một hệ truyền động DTC thông thường: 3.2 Cấu trúc hệ truyền động điện biến tần 4Q - động cơ không đồng bộ 3.2.1 Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - động cơ không đồng bộ 15 Khâu. lý phần mạch lực của hệ biến tần 4Q – động cơ không đồng bộ Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực hệ truyền động điện biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM - động cơ không đồng bộ 3.2.3