Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều chỉnh động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu làm việc ở bốn góc phần tư
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.42 MB, 174 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH
ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU
LÀM VIỆC Ở BỐN GÓC PHẦN TƯ
NGÀNH : TỰ ĐỘNG HOÁ XNCN
MÃ SỐ :
HOẢ THÁI THANH
Người hướng dẫn khoa học : PGS - TS NGUYỄN VĂN LIỄN
HÀ NỘI - 2005
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu, thiết kế hệ điều chỉnh động cơ động bộ kích từ nam châm
vĩnh cửu làm việc ở bốn góc phần tư để đạt được các chỉ tiêu kinh tế và kỹ
thuật tối ưu là một bài tốn có ý nghĩa thực tiễn cao. Đây là đề tài cịn khá
mới mẻ ở Việt nam, lại có tính phức tạp nên địi hỏi khá nhiều cơng sức
nghiên cứu.
Với sự hướng dẫn tận tình, sự giúp đỡ vơ tư của các thầy cơ giáo trong bộ
mơn Tự động hố XNCN, trường ĐHBK Hà Nội và đặc biệt là sự chỉ bảo tận
tình của thầy giáo hướng dẫn là PGS-TS Nguyễn Văn Liễn, tơi đã hồn thành
bản luận văn đúng thời hạn, đạt được các mục tiêu đề ra.
Vì vậy, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cơ giáo trong bộ mơn Tự động
hố XNCN trường ĐHBK Hà Nội. Xin chân thành cảm ơn PGS- TS Nguyễn
Văn Liễn đã dành nhiều thời gian và công sức để hướng dẫn, giúp đỡ tơi trong
q trình thu thập tài liệu, số liệu, nghiên cứu thiết kế để tơi có thể hồn thành
được đề tài này.
Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình tơi, bạn bè, đồng nghiệp và người thân
đã hết lòng động viên, ủng hộ , giúp đỡ về cả tinh thần và vật chất, kinh
nghiệm để tơi có thể chuyên tâm nghiên cứu.
Do thời gian có hạn, có nhiều khó khăn về tài liệu thiết bị thực nghiệm và
trình độ bản thân còn hạn chế nên bản luận văn này vẫn cịn có nhiều thiếu
sót. Tơi rất mong nhận được ý kiến góp ý quý báu của các thầy cơ giáo, đồng
nghiệp để bản luận văn này được hồn thiện thêm.
Hà Nội, tháng 11 năm 2005
Tác giả
Hoả Thái Thanh
I
MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
I
II
2.1
MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề
1
Nội dung cơ bản của luận văn
1
Nội dung tóm tắt của các chương trong luận văn
2
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH ĐỘNG CƠ XOAY
CHIỀU ĐỒNG BỘ BA PHA LÀM VIỆC Ở BỐN GÓC PHẦN TƯ
Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh xoay chiều ba pha làm
việc ở bốn góc phần tư
3
2.1.1
Khả năng hãm tái sinh
4
2.12
Đặc tính động học tốt hơn
4
2.1.3
Khả năng điều khiển điện áp một chiều tốt hơn
5
2.1.4
Khả năng điều chỉnh hệ số công suất ở phía lưới
5
2.1.5
Giảm sóng hài bậc cao của dịng điện phía lưới
5
2.2
Yêu cầu đặt ra cho hệ thống điều chỉnh xoay chiều ba pha
làm việc ở bốn góc phần tư.
6
2.3
Nội dung nghiên cứu chính của luận văn về hệ điều chỉnh
động cơ xoay chiều đồng bộ ba pha làm việc ở bốn góc phần
tư.
8
2.4
Lựa chọn cấu hình của các bộ biến đổi trong hệ thống
8
III
3.1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ :
Khái quát và phân loại động cơ đồng bộ.
13
II
3.1.1
Khái quát về động cơ đồng bộ.
13
3.1.2
Phân loại động cơ đồng bộ.
13
3.2
Cấu tạo của động cơ đồng bộ.
14
3.2.1
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi.
15
3.2.2
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn.
16
3.3
Sơ đồ thay thế của động cơ đồng bộ
17
3.4
Các đặc tính của động cơ đồng bộ
18
3.5
Điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ
20
3.5.1
Nguyên lí điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ.
20
3.5.2
Phân loại hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ.
21
3.6
Các phương pháp khởi động động cơ đồng bộ
21
3.6.1
Khởi động theo phương pháp không đồng bộ.
21
3.6.2
Khởi động theo phương pháp đồng bộ.
21
3.7
Chế độ hãm tái sinh của động cơ đồng bộ và các yêu cầu khi
phát trả năng lượng hãm về lưới điện
22
3.7.1
Chế độ hóm tỏi sinh của động cơ đồng bộ .
22
3.7.2
Các yêu cầu khi phát trả năng lượng hãm về lưới điện
23
IV
4.1
MÔ TẢ CÁC ĐẠI LƯỢNG XOAY CHIỀU BA PHA CỦA CÁC PHẦN
TỬ TRONG HỆ THỐNG BẰNG CÁC VÉC TƠ KHÔNG GIAN
Véc tơ không gian và các hệ toạ độ.
24
4.1.1
Vector không gian .
24
4.1.2
Chuyển hệ toạ độ cho vector không gian.
26
4.1.3
Mô tả các đại lượng trên hệ toạ độ tựa theo từ thơng
roto.
27
4.2
Chuẩn hố các đại lượng về đơn vị tương đối.
28
4.3
Các mơ hình tốn học của động cơ đồng bộ ba pha có kích
thích nam châm vĩnh cửu
29
III
4.3.1
Hệ phương trình cơ bản của động cơ đồng bộ ba pha có
kích thích nam châm vĩnh cửu
30
4.3.2
Mơ hình trạng thái của động cơ trên hệ toạ độ từ thông
rotor.
31
4.4
Các mơ hình cho bộ biến đổi phía lưới
34
4.4.1
Mơ hình động học của bộ lọc.
34
4.4.2
Mơ hình của mạch cầu nghịch lưu PWM.
35
4.4.3
Mơ hình của mạch một chiều trung gian.
38
V
5.1
ĐIỀU KHIỂN VÉC TƠ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH
CỬU
Phân tích và lựa chọn phương pháp điều khiển cho động cơ
đồng bộ ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu
39
39
5.1.1
Các phương pháp điều khiển véc tơ.
39
5.1.2
Các phương pháp điều khiển trực tiếp .
40
5.1.3
So sánh và lựa chọn phương pháp điều khiển cho
ĐCĐBNCVC
42
Phương pháp điều khiển ĐCĐBNCVC tựa theo véc tơ từ
thông roto.
43
5.2
VI
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PHÍA LƯỚI
6.1
Các sơ đồ đấu nối và chế độ làm việc của bộ biến đổi phía
lưới .
46
6.2
Tổng quan về các phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía
lưới.
49
6.2.1
Phương pháp điều khiển biên độ - góc pha .
49
6.2.2
Các phương pháp điều khiển tựa theo véc tơ điện áp lưới
( VOC ) và véc tơ từ thông ảo ( VFOC ).
52
6.2.3
Phương pháp điều khiển công suất trực tiếp dựa theo
véc tơ điện áp ( DPC ) và dựa theo véc tơ từ thông ảo
55
IV
VF-DPC.
Cắt giảm các cảm biến đo dùng xác định các đại lượng
điện.
61
Phương pháp điều khiển bộ biến đổi phía lưới tựa theo véc
tơ từ thông ảo của bộ biến đổi phía lưới (Converter Flux
Orientation - CFO).
65
Phương pháp ước lượng các thành phần cơng suất tức
thời từ mơ hình véc tơ từ thơng ảo của bộ biến đổi phía
lưới.
65
6.3.1
6.3.2
Cấu trúc hệ thống điều khiển tựa theo véc tơ từ thông
ảo của bộ biến đổi phía lưới.
70
6.3.3
Bảng đóng ngắt ( Switching table ).
71
6.2.4
6.3
Phương pháp xác định từ thông ảo của bộ nghịch lưu nối với
lưới.
76
6.4.1
Phương pháp ước lượng véc tơ từ thông ảo của bộ biến
đổi phía lưới.
76
6.4.2
Phương pháp ước lượng giá trị khởi tạo cho véc tơ từ
thông ảo của bộ biến đổi phía lưới.
78
6.4
6.5
Mạch vịng điều chỉnh dịng điện
79
6.5.1
Cấu trúc của mạch vịng điều khiển dịng điện.
79
6.5.2
Cách tính các giá trị chủ đạo cho khâu điều chế xung.
84
VII
TỔNG HỢP VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
7.1
Thơng số của động cơ đồng bộ
87
7.2
Tổng hợp hệ thống điều khiển cho động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu .
88
7.3
Thông số của bộ biến đổi phía lưới
99
7.4
Tổng hợp hệ thống điều khiển cho bộ biến đổi phía lưới
99
7.5
Mơ phỏng tồn bộ hệ thống ở chế độ hãm tái sinh
113
VIII
KẾT LUẬN
116
V
ĐỀ XUẤT
CÁC PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO
PL 1
Tài liệu tham khảo
117
VI
BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Các ký hiệu :
a. Dùng cho phía động cơ :
Viết bên dưới, bên phải : các đại lượng của mạch phía rơto
xr
động cơ.
Viết bên dưới, bên phải : các đại lượng của mạch phía stato
xs
động cơ.
Véc tơ từ thơng stato và roto của động cơ.
Ys, Yr
p
từ thông cực của động cơ.
w
Tốc độ quay của động cơ
q
Góc quay của động cơ
Lsd, Lsq
Điện cảm stator theo trục d và q
Rs
Điện trở cuộn dây stator
Tsd, Tsq
Hằng số thời gian của động cơ
mM
Mô men điện từ của động cơ
mT
Mô men tải đặt nên động cơ
Pđm
Công suất định mức
Uđm
Điện áp pha định mức
J
Mơ men qn tính
n
Tốc độ động cơ
pC
Số đơi cực từ
b. Dùng cho phía lưới điện :
a
toán tử quay, a = ej2p/3.
Cdc
tụ điện của bộ lọc LCL phía lưới.
L, L1, L2
các cuộn kháng của bộ lọc L hoặc LCL phía lưới.
R1
Điện trở của các cuộn kháng trong bộ lọc L hoặc LCL phía
lưới.
Sw
Hàm đóng ngắt của các van bán dẫn.
SwA, SwB,
Là các hàm đóng ngắt của từng pha
SwC
wL , w
Tần số góc quay của VTTTA lưới điện và của bộ biến đổi
phía lưới
Độ lệch tốc độ góc quay giữa các véc tơ từ thơng
VII
kF, kF0
hệ số hiệu chỉnh và giá trị cơ sở của nó
kT
Udc,idc
Sđm
Uđm
Iđm
Udc
Hệ số thích nghi, 0 kT 1
Điện áp và dòng điện của mạch một chiều trong Biến tần.
Cơng suất biểu kiến định mức
Điện áp định mức
Dịng điện định mức
Điện áp định mức trên tụ một chiều
2. Cách đánh chỉ số :
xf
Viết trên cao, bên phải : đại lượng biểu diễn trên hệ toạ độ
dq
s
Viết trên cao, bên phải : đại lượng biểu diễn trên hệ toạ độ
x
tt
x
Viết trên cao, bên phải : đại lượng tính tốn, ước lượng được
x*
Viết trên cao, bên phải : Giá trị đặt, giá trị chủ đạo hay giá trị
mong muốn.
x^
Viết trên cao, bên phải : Véc tơ nghịch đảo của véc tơ x.
x0
Viết dưới thấp, bên phải : Giá trị khởi tạo hoặc thành phần
bậc 0.
xG
Viết dưới thấp, bên phải : Đại lượng thuộc về phía lưới điện.
xC
Viết dưới thấp, bên phải : Đại lượng thuộc về phía bộ biến
đổi phía lưới điện.
xs
Viết dưới thấp, bên phải : Đại lượng thuộc về phía stator của
động cơ.
xr
Viết dưới thấp, bên phải : Đại lượng thuộc về phía rotor của
động cơ.
xa, xb
Viết dưới thấp, bên phải : Đại lượng thuộc quy về trục a và b
của hệ toạ độ tĩnh.
Viết dưới thấp, bên phải : Đại lượng thuộc quy về trục d và q
xd, xq
của hệ toạ độ quay.
x
Gạch chân phía dưới thấp : véc tơ trạng thái.
xLPF
Viết dưới thấp, bên phải : Giá trị của chính tín hiệu x sau khi
đi qua bộ lọc thông thấp LPF.
3. Các chữ viết tắt :
BĐPĐC
Bộ biến đổi phía động cơ
VIII
BĐPL
VTTTA
CFO
LFO
CFM
CFC
DPC
VF-DPC
VOC
VFOC
FOC, T4R
DTC
PWM
PLL
THD
PMSM, PM,
ĐCNCVC
IGBT
SVM,
ĐCVTKG
IMC
LPF
DSP
Bộ biến đổi phía lưới điện
véc tơ từ thông ảo
Converter Flux Orientation – Phương pháp điều khiển tựa
theo từ thông ảo của bộ BĐPL
Line Flux Orientation – Phương pháp điều khiển tựa theo từ
thông ảo của bộ BĐPĐC
Converter Flux-based Modulator - Khâu điều chế dựa trên
véc tơ từ thơng ảo của bộ biến đổi phía lưới
Converter Flux-based Control- Phương pháp điều khiển dựa
trên véc tơ từ thông ảo của bộ biến đổi phía lưới
Direct Power Control - Phương pháp điều khiển công suất
trực tiếp
Virtual Flux based Direct Power Control - Phương pháp điều
khiển kiểu DPC tựa trên véc tơ từ thông ảo
Voltage Oriented Control - Phương pháp điều khiển tựa theo
véc tơ điện áp lưới
Virtual Flux Oriented Control- Phương pháp điều khiển tựa
theo véc tơ từ thông ảo
Flux Oriented Control - Tựa theo véc tơ từ thông rôto
Direct Torque Control - Điều khiển mô men trực tiếp
Pulde Width Modulation – Điều chế độ rộng xung
Phase Locked Loop - Khâu vịng khố pha
Total Harmonic Distortion - Độ suy giảm tổng sóng hài
Permanent Magnet Synchronous Machine - Động cơ đồng bộ
xoay chiều ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu
Insulated Gate Bipolar Transistor - Transistor trường cực cửa
cách ly
Space Vector Modulation - Điều chế véc tơ không gian
Internal Model Control - Mơ hình nội
Low Pass Filter - Bộ lọc thơng thấp
Digital Signal Processor - Vi xử lý tín hiệu
Chương I :
MỞ ĐẦU
Nội dung :
Đặt vấn đề
Nội dung nghiên cứu
1
Hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ ba pha ngày nay được
sử dụng rộng rãi với dải công suất từ vài trăm W đến hàng MW . Nó chiếm
một vị trí quan trọng trong các hệ thống truyền động tự động. Với dải công
suất lớn và cực lớn thì nó hồn tồn chiếm ưu thế. Ưu điểm chính của động cơ
đồng bộ là có hiệu suất cao, mang tính ưu việt của cả động cơ một chiều và
động cơ khơng đồng bộ.
Nhờ có sự phát triển của các ngành điện tử bán dẫn, vi xử lý,.. thì các hệ
thống điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ xoay chiều có yêu cầu cao về dải
điều chỉnh và tính chất động cơ ngày nay ln được thực hiện với các bộ biến
tần. Xu hướng điều khiển hệ thống truyền động điện xoay chiều bằng phương
pháp điều chỉnh tựa theo từ thông rotor sẽ là phương pháp chủ chốt trong
nhiều năm tới.
Cùng với xu hướng này, do yêu cầu công nghệ ngày càng cao mà vấn đề
nghiên cứu thiết kế một hệ thống điều chỉnh cho động cơ đồng bộ làm việc
được trong cả bốn góc phần tư đang là một nhu cầu thực tế . Một hệ thống
như vậy có thể thực hiện hãm tái sinh trả năng lượng về lưới, có đặc tính động
học tốt, hiệu suất biến đổi năng lượng cao, cải thiện đáng kể hình dáng của
dịng điện lưới. các ứng dụng điển hình của hệ thống loại này là : các thang
máy cao tốc, các máy nâng hạ, máy cán thép,.....
NỘI DUNG CƠ BẢN CỦA LUẬN VĂN :
Một hệ thống làm việc ở bốn góc phần tư là một hệ thống rất phức tạp, đòi
hòi phải được thiết kế chu đáo và với lượng kiến thức rất nhiều và rộng. Tuy
nhiên do thời gian thực hiện đồ án có hạn, trình độ bản thân còn hạn chế nên
trong luận văn này chỉ tập trung vào giải quyết các chủ đề chính sau đây :
1. Nghiên cứu, phân tích các chế độ làm việc của máy điện đồng bộ. Lập
các mơ hình tốn học cho máy điện đồng bộ trong các chế độ làm việc.
2. Lập các mơ hình tốn học cho bộ BĐPL, mụ phng hot ng ca nú.
Ch-ơng 1 : Mở đầu
2
3. Nghiên cứu và phân tích, lựa chọn phương pháp điều khiển cho bộ
PWM phía động cơ để điều khiển động cơ đồng bộ. Tổng hợp và mơ phỏng
thuật tốn điều khiển đã chọn.
4. Nghiên cứu và phân tích, lựa chọn phương pháp điều khiển cho bộ
PWM phía lưới để phát trả năng lượng hãm tái sinh về lưới xoay chiều. Tổng
hợp và mơ phỏng thuật tốn điều khiển đã chọn.
NỘI DUNG TÓM TẮT CÁC CHƯƠNG TRONG LUẬN VĂN :
Chương 2 :
Nêu đặc điểm và yêu cầu tổng quát đối với một hệ điều chỉnh động cơ xoay
chiều làm việc ở bốn góc phần tư.
Chương 3 :
Giới thiệu về động cơ đồng bộ và nêu lên các đặc tính, chế độ làm việc .
Nghiên cứu chế độ hãm tái sinh của động cơ đồng bộ.
Chương 4 :
Nghiên cứu về véc tơ khơng gian , thành lập các mơ hình trạng thái của
ĐCĐBNCVC và bộ BĐPL trên không gian trạng thái.
Chương 5 :
Nghiên cứu, phân tích, lựa chọn phương pháp điều khiển tựa theo véc tơ từ
thông rôto cho hệ thống điều chỉnh bộ biến đổi phía động cơ.
Chương 6 :
Nghiên cứu, phân tích, lựa chọn phương pháp điều khiển tựa theo véc tơ từ
thông của bộ BĐPL cho hệ thống điều chỉnh bộ chỉnh lưu PWM. Nghiên cứu,
khai triển các thuật tốn phục vụ cho việc ước lượng VTTTA, cơng suất tức
thời, mạch vòng điều chỉnh dòng điện cho hệ điều khiển bộ BĐPL.
Chương 7 :
Tổng hợp, thiết kế các mạch vịng điều chỉnh trong hệ thống, mơ phỏng các
hệ thống điều chỉnh nói trên trong các chế độ làm vic bng phn mm
Ch-ơng 1 : Mở đầu
3
Simulink.
Chương 8 :
Đưa ra kết luận, kiến nghị về các vấn đề cần nâng cao của đề tài này.
Ch-¬ng 1 : Mở đầu
Chương II :
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH
ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU ĐỒNG BỘ BA PHA
LÀM VIỆC Ở BỐN GÓC PHẦN TƯ
Nội dung :
2.1.
Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh xoay chiều ba pha làm việc ở
bốn góc phần tư
2.1.1 Khả năng hãm tái sinh
2.1.2 Đặc tính động học tốt hơn
2.1.3 - Khả năng điều khiển điện áp một chiều tốt hơn
2.1.4 - Khả năng điều chỉnh hệ số công suất ở phía lưới
2.1.5 Giảm sóng hài bậc cao của dịng điện phía lưới
2.2. u cầu đặt ra cho hệ thống điều chỉnh xoay chiều ba pha làm việc
ở bốn góc phần tư.
2.3.
Nội dung nghiên cứu chính của luận văn về hệ điều chỉnh động cơ
xoay chiều đồng bộ ba pha làm việc ở bốn góc phần tư.
2.4.
Lựa chọn cấu hình của các bộ biến đổi trong hệ thống
3
2.1 - ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH XOAY CHIỀU BA
PHA LÀM VIỆC Ở BỐN GÓC PHẦN TƯ
Hệ thống điều chỉnh xoay chiều ba pha làm việc ở bốn góc phần tư được
đặc trưng bởi có hai bộ biến đổi PWM nên thường được gọi bằng một số tên
là : Double-Sided PWM converter, Back-to-Back converter.... Để tiện cho
việc gọi tên, ta quy ước gọi bộ biến đổi PWM nằm gần và nối với động cơ là
bộ biến đổi phía động cơ ( viết tắt : BĐPĐC ), còn bộ biến đổi nằm gần và
nối với lưới điện cung cấp là bộ biến đổi phía lưới ( viết tắt : BĐPL ).
Các chế độ làm việc của Hệ thống này được mơ tả trên hình vẽ 2.2 sau :
Lưới điện
xoay chiều
Bộ biến đổi phía
lưới
Bộ biến đổi phía động cơ
Động cơ
xoay chiều
Hình 2.1 : Quy ước tên gọi của các bộ PWM
Bộ PWM phía
lưới ở chế độ
nghịch lưu
Bộ PWM phía
động cơ ở chế
độ chỉnh lưu
Bộ PWM phía
lưới ở chế độ
chỉnh lưu
Bộ PWM phía
động cơ ở chế
độ nghịch lưu
+M
-M
+n
Máy điện
làm việc
ở chế độ
máy phát
Góc
III
Góc II
Máy điện
làm việc
ở chế độ
động cơ
-n
+n
Bộ PWM phía
động cơ ở chế
độ nghịch lưu
+M
Bộ PWM phía
lưới ở chế độ
nghịch lưu
Góc I
Góc IV
-M
Máy điện
làm việc
ở chế độ
động cơ
Bộ PWM phía
lưới ở chế độ
chỉnh lưu
Máy điện
làm việc
ở chế độ
máy phát
-n
Bộ PWM phía
động cơ ở chế
độ chỉnh lưu
Hình vẽ 2.2 : Bốn chế độ hoạt động ở các góc phần
tư
Ch-¬ng 2 : Tổng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ xoay chiều
đồng bộ ba pha làm việc ở bốn góc phần t-
4
Trên hình vẽ cho thấy hệ thống làm việc ở chế độ điều khiển động cơ
thơng thường trong các góc phần tư số I và III, cịn trong các góc phần tư số II
và IV hệ thống phải có khả năng phát trả năng lượng về lưới. Điều quan trọng
là ta cần điều khiển được hồn tồn dịng điện phía lưới để có thể đẩm bảo
chất lượng điện năng và kiểm soất để hệ số cơng suất phía lưới là xấp xỉ bằng
1. Hệ thống phải đảm bảo để dòng điện phía lưới và phiá động cơ đều có dạng
sin trong cả bốn chế độ hoạt động.
2.1.1 Khả năng hãm tái sinh :
Như ta đã biết , một động cơ có thể hoạt động ở cả chế độ động cơ và máy
phát. Khi máy điện chuyển sang chế độ hãm tái sinh, tức là hoạt động như
một máy phát, năng lượng thừa sẽ được phát trả về làm dâng cao điện áp trên
tụ điện một chiều. Trong một số trường hợp, năng lượng này là nhỏ và có thể
được tự tiêu tán trong mạch điện một chiều.Trong quá trình hãm này, nếu
khơng tiêu tán kịp thời, năng lượng này có thể gây quá áp trong mạch một
chiều khiến cho biến tần báo lỗi và có thể gây phá huỷ các tụ điện một chiều.
Nhất là với các ứng dụng yêu cầu đảo chiều, tăng tốc và giảm tốc thường
xuyên thì khả năng hãm là rất cần thiết, ví dụ như các thang máy, các máy
điện công suất lớn, các dây chuyền đóng gói,... Thơng thường, khi năng lượng
hãm lớn hơn hoặc bằng 10% của năng lượng làm việc định mức của hệ thống
thì cần phải tính đến các việc bổ xung các mạch hãm cho hệ thống. Năng
lượng hãm này có thể phát trả về lưới hoặc được tiêu tán bằng các phương
pháp khác nhau : điện trở hãm,...
Một trong các biện pháp hiệu quả nhất chính là bổ xung thêm một bộ biến
đổi PWM phía lưới để hệ thống có thể làm việc trong cả 4 góc phần tư và cho
phép phát trả năng lượng về lưới.
2.1.2 Đặc tính động học tốt hơn
Khả năng hoạt động ở cả 4 góc phần tư cho phép hệ thống có được đặc tính
động học rất tốt so với các hệ thống cũ trước đây. Khả năng phát trả năng
lượng hãm tái sinh về lưới đã cho phép hệ thống có khả năng tăng tốc và giảm
Ch-¬ng 2 : Tỉng quan vỊ hƯ thống điều chỉnh động cơ xoay chiều
đồng bộ ba pha làm việc ở bốn góc phần t-
5
tốc nhanh hơn so với các hệ thống cũ, cho phép tốc độ thay đổi với gia tốc lớn
hơn.
2.1.3 - Khả năng điều khiển điện áp một chiều tốt hơn
Trong hoạt động của biến tần, điện áp của mạch một chiều phải lớn hơn
hoặc tối thiểu phải bằng biên độ đỉnh giữa pha-pha của điện áp cung cấp cho
động cơ. Điều này đảm bảo cho biến tần hoạt động bình thường và cho đáp
ứng mơ men đủ nhanh. Ngồi ra nó cịn cho phép khai thác động cơ ở điện áp
định mức lớn nhất có thể.
Bằng việc điều khiển bộ biến đổi PWM phía lưới, ta có thể điều khiển được
điện áp của mạch một chiều đáp ứng các yêu cầu trên. Lúc này bộ PWM phía
lưới sẽ hoạt động như một bộ biến đổi có khả năng tăng áp cho điện áp một
chiều. Khả năng này khiến cho hệ thống sẽ ít bị ảnh hưởng bởi tải của động
cơ cũng như các trường hợp sụt giảm của điện áp lưới. Nếu điều khiển tốt
điện áp một chiều có thể cho phép giảm dung lượng của các tụ điện mà vẫn
đảm bảo chất lượng điện áp ra bằng phẳng so với các hệ thống cũ.
2.1.4 - Khả năng điều chỉnh hệ số cơng suất ở phía lưới
Bộ PWM phía lưới cho phép ta điêu chỉnh được hệ số công suất phía lưới,
như vậy nó có thể hoạt động như một một bộ bù công suất phản kháng. Thông
thường, người ta mong muốn đạt được hệ số công suất xấp xỉ bằng 1. Trong
các hệ thống cũ dùng mạch nắn 6 điốt và một bộ nghịch lưu PWM, người ta
cũng có thể đạt được hệ số công suất bằng 1, tuy nhiên do có nhiều sóng hài
bậc thấp nên giá trị hiệu dụng dòng điện của hệ thống này lớn hơn so với hệ
thống dùng hai bộ biến đổi PWM.
2.1.5 Giảm sóng hài bậc cao của dịng điện phía lưới
Ta đã biết là khơng thể có một bộ nghịch lưu nào cung cấp cho ta một dịng
điện hồn tồn hình sin, vì vậy dịng điện lưới sẽ ln bị méo dạng nhất định.
Dịng điện lưới sẽ chỉ gần giống hình sin và chứa rất nhiều thành phần sóng
hài bậc cao là bội số của tần số chuyển mạch. Ngoài ra, nếu sử dụng bộ chỉnh
lưu điốt cịn tạo ra các sóng hài lẻ bậc thấp . Các sóng hài lẻ bậc thấp này có
thể gây ra các hiện tượng như : làm phát nóng các biến áp, lỗi cho động cơ,
Ch-¬ng 2 : Tỉng quan vỊ hƯ thèng ®iỊu chØnh ®éng cơ xoay chiều
đồng bộ ba pha làm việc ở bốn gãc phÇn t-
6
hỏng tụ điện,.... Như vậy hệ thống sử dụng hai bộ biến đổi PWM cho chất
lượng điện áp cao hơn. Các sóng hài bậc cao do nó sinh ra có thể lọc dễ dàng
hơn so với các sóng hài bậc thấp bằng các bộ lọc L hoặc LCL cỡ nhỏ.
2.2 - YÊU CẦU ĐẶT RA CHO HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH XOAY
CHIỀU BA PHA LÀM VIỆC Ở BỐN GÓC PHẦN TƯ
Một hệ thống điều chỉnh xoay chiều ba pha làm việc ở bốn góc phần tư là
một hệ thống rất phức tạp, có rất nhiều yêu cầu đặt ra đối với hệ thống này.
Các yêu cầu chính mà các bộ biến đổi này cần đạt được là :
Phần điều khiển chung :
▪ Có khả năng trao đổi cơng suất theo hai chiều, hệ thống điều khiển máy
điện làm việc trong cả bốn góc phần tư.
▪ Đảm bảo chuyển chế độ điều khiển phù hợp trong các trường hợp : dừng
động cơ, giảm tốc độ động cơ,...
▪ Phát hiện và kiểm soát khi xảy ra các trường hợp phát sinh lỗi : mất nguồn
lưới, chập pha, ngắn mạch phía lưới, sụt nguồn lưới, ...
▪ Kiểm sốt và có chiến lược điều chỉnh được dòng năng lượng truyền tải
một cách tối ưu từ lưới điện sang mạch một chiều và ngược lại, từ mạch
một chiều sang động cơ và ngược lại.
▪ Thực hiện phần giao diện HMI ( người - máy ), các kết nối cấp cao theo
các chuẩn công nghiệp : CAN, Fieldbus,.. hay truyền động nhiều trục.
▪ Thực hiện các vòng điều chỉnh vịng ngồi ; tốc độ, vị trí,...
Trong góc số I và II :
▪ Điều khiển máy điện làm việc ở chế độ động cơ.
▪ Điều khiển bộ PWM phía động cơ ở chế độ nghịch lưu cung cấp nguồn
xoay chiều ba pha cho động cơ theo phương pháp FOC ( tựa theo từ
thơng Rotor ).
▪ Có khả năng điều khiển động cơ hoạt động ở chế độ giảm từ thông để
đạt được tốc độ lớn hơn tốc độ định mức của động cơ.
▪ Có khả năng ước lượng các đại lượng tốc độ của động cơ, góc quay của
rotor mà khơng cần cảm biến đo.
▪ có khả năng phát hiện và xử lý các trường hợp lỗi : q tải, sụt áp vào,
mất nguồn,...
Ch-¬ng 2 : Tỉng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ xoay chiều
đồng bộ ba pha làm việc ở bốn góc phần t-
7
▪ Có khả năng hạn chế đập mạch mơmen sinh ra của động cơ.
Trong góc số III và IV :
▪ Điều khiển máy điện làm việc ở chế độ máy phát
▪ Điều khiển bộ biến đổi phía lưới ở chế độ nghịch lưu phát trả năng
lượng về lưới theo phương pháp VF-DPC tựa theo véc tơ từ thông ảo
của bộ biến đổi phía lưới, đảm bảo chế độ hãm tái sinh có chất lượng
động tốt.
▪ Dịng điện phía lưới phải càng gần với dạng sin càng tốt, giảm thiểu dao
động của dòng điện lưới.
▪ Khả năng điều chỉnh được hệ số công suất ở đầu vào phải gần đạt bằng
1
▪ Tổn thất do các hài bậc cao đối với dòng điện phía lưới phải thấp.
▪ Khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp của phần điện áp một chiều tốt.
▪ Giảm thiểu kích thước của tụ điện ( hoặc cuộn cảm ) dùng để tạo dịng
điện liên tục.
▪ Ngồi ra, với các hệ thống cao cấp có thể yêu cầu khả năng làm việc ổn
Lưới điện ( Động cơ ảo )
Bộ PWM phía
lưới
Bộ điều khiển phía lưới
Bộ PWM phía
Đcơ
Udc
Máy điện đồng bộ
Bộ điều khiển phía
động cơ
VF-DPC
FOC
tựa theo véc tơ từ thông ảo
FC của bộ BĐPL
( điều chỉnh trực tiếp p, q
)
FL, P,...
Mtải, n
tựa theo véc tơ từ thông
roto FĐ của động cơ
( điều chỉnh M, FĐ )
n, M, FĐ, P,...
Bộ điều khiển chung
Ch-¬ng 2 : Tỉng quan vỊ hƯ( thống
chỉnh
Master điều
controller
) động cơ xoay chiều
đồng bộ ba pha làm viƯc ë bèn gãc phÇn tHình vẽ 2.3 : Sơ đồ khối của hệ thống điều chỉnh
xoay chiều ba pha làm việc ở bốn góc phần tư
8
định trong các chế độ nguồn điệp áp lưới bị sụt giảm, dao động hoặc tần
số bị dao động,...
Một hệ thống có thể đáp ứng được tất cả các yêu cầu trên sẽ đòi hỏi phải
được thiết kế bao gồm nhiều môđul điều khiển khác nhau, nhưng vẫn được
ghép nối và hoạt động tương tác với nhau. Sơ đồ khối của hệ thống có dạng
như hình 2-3.
2.3- NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHÍNH CỦA LUẬN VĂN VỀ HỆ ĐIỀU
CHỈNH ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU ĐỒNG BỘ BA PHA LÀM VIỆC Ở
BỐN GÓC PHẦN TƯ. :
Như trên đã cho thấy, một hệ thống làm việc ở bốn góc phần tư là một hệ
thống rất phức tạp, đòi hòi phải được thiết kế chu đáo và với lượng kiến thức
rất nhiều và rộng. Tuy nhiên do thời gian thực hiện đồ án có hạn, trình độ bản
thân cịn hạn chế nên trong luận văn này chỉ tập trung vào giải quyết các chủ
đề chính sau đây :
Nghiên cứu, phân tích các chế độ làm việc của máy điện đồng bộ. Lập
1.
các mơ hình tốn học thay thế cho máy điện đồng bộ trong các chế độ làm
việc.
2.
Nghiên cứu và phân tích, lựa chọn phương pháp điều khiển cho bộ
PWM phía động cơ để điều khiển động cơ đồng bộ. tổng hợp và mô phỏng
thuật tốn điều khiển đã chọn.
3.
Nghiên cứu, phân tích các chế độ làm việc của bộ BĐPL. Lập các mơ
hình tốn học thay thế cho BBĐPL trong các chế độ làm việc.
4.
Nghiên cứu và phân tích, lựa chọn phương pháp điều khiển cho bộ
PWM phía lưới để phát trả năng lượng hãm tái sinh về lưới xoay chiều. Tổng
hợp và mô phỏng thuật toán điều khiển đã chọn.
2.4 - LỰA CHỌN CẤU HÌNH CỦA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRONG HỆ
THỐNG:
Ch-¬ng 2 : Tổng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ xoay chiều
đồng bộ ba pha làm việc ở bốn góc phÇn t-
9
Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật - kinh tế mà ta có thể xác định được cấu trúc cơ
bản của bộ biến đổi phía động cơ, theo đó có thể chia ra các loại biến đổi sau:
Biến tần trực tiếp.
Biến tần trực tiếp có hiệu suất cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng và
cho phép thực hiện hãm tái sinh năng lượng mà khơng cần có mạch điện phụ.
Cũng có thể dẽ dàng thực hiện điều chỉnh điện áp và tần số đầu ra của biến
tần trực tiếp với dạng sóng điện áp gần hình sin. Tuy vậy biến tần trực tiếp
cũng có các nhược điểm dễ thấy như: hệ số công suất thấp, số lượng các van
bán dẫn ở mạch lực khá nhiều và tần số điều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số
nguồn cung cấp và điều kiện chuyển mạch tự nhiên của các van bán dẫn này.
Biến tần trực tiếp hay được dùng cho truyền động công suất lớn, tốc độ làm
việc thấp... cho nên để đáp ứng yêu cầu hoạt động theo kiểu cắt xung với tần
số cắt cao thì ta khơng dùng biến tần loại này.
Biến tần gián tiếp.
Sơ đồ cấu trúc được trình bày ở hình sau :
U~
U=
Chỉnh lưu
U~
U=
Lọc
NLĐL
f1
f2
Hình 2-4 : Cấu trúc biến tần gián tiếp.
Trong biến tần loại này điện áp xoay chiều đầu tiên được chuyển thành một
chiều nhờ mạch chỉnh lưu, sau đó qua một bộ lọc rồi mới biến trở lại điện áp
xoay chiều với tần số f2. Việc phải biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệu
suất của biến tần. Xong bù lại biến tần này cho phép thay đổi dễ dàng tần số f2
không phụ thuộc vào tần số f1 trong một dải rộng cả trên và dưới f1 và tần số
ra chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển. Hơn nữa với sự ứng dụng hệ điều
khiển số nhờ kỹ thuật vi xử lý và dùng van lực là các tranzitor đã cho phép
phát huy tối đa các ưu điểm của biến tần loại này. Vì vậy đa số các biến tần
hiện nay là biến tần có khâu trung gian một chiều. Trong luận văn này ta chỉ
đi nghiên cứu loại biến tần này mà thôi.
Các sơ đồ nghịch lưu điện áp phần lớn có dạng tương tự như ở mạch chỉnh
Ch-¬ng 2 : Tỉng quan vỊ hƯ thèng ®iỊu chØnh ®éng cơ xoay chiều
đồng bộ ba pha làm việc ở bốn gãc phÇn t-
10
lưu, nghịch lưu điện áp ba pha cũng thường sử dụng sơ đồ cầu. Sơ đồ nghịch
lưu điện áp ba pha được dùng phổ biến hiện nay được trình bày như ở Hình
2–5, đây là loại được sử dụng trong luận văn này.
T1
Đ1
Đ3
T3
T5
Đ5
C
Udc
Đ4
Đ6
iB
iA
ZA
T2
T6
T4
Đ2
iC
ZC
ZB
Hình 2-5 : Sơ đồ nghịch lưu điện áp ba pha.
Một biến tần gián tiếp thông thường sử dụng phổ biến bộ biến đổi phía
lưới là một cầu chỉnh lưu cầu điốt khơng điều khiển. Cấu hình này rất đơn
giản, chắc chắn và giá thành rẻ. Tuy nhiên chúng lại hoạt động với hiệu suất
thấp và tạo ra nhiều nhiếu hài lẻ bậc thấp , ví dụ : biên độ của hài bậc 5 là
20% , biên độ của hài bậc 7 là 14,3% ,... Ngoài ra bộ biến đổi này khơng có
khả năng phát trả năng lượng hãm về lưới. Vì vậy đã có nhiều bộ biến i vi
(a)
(b)
(c)
(d)
Ch-ơng 2 : Tổng quan về hệ thống điều chỉnh động cơ xoay chiều
Hỡnh 2-6 : Cỏc kiu cu hình cho Bộ biến đổi phía lưới.
®ång bé ba pha làm việc ở bốn góc phần t-
11
cấu hình khác nhau đã được phát triển như hình 2 -6 dưới đây :
Mỗi kiểu cấu hình có nhưng ưu, nhược điểm riêng và được so sánh trong
bảng sau :
Chỉnh lưu
điốt
Bộ biến
đổi kiểu (a)
Bộ biến đổi
kiểu (b)
Bộ biến đổi
kiểu (c)
Bộ biến đổi
kiểu (d)
Điều
chỉnh
được
Udc
Giảm
méo dạng
dịng điện
do sóng
hài
Dịng
điện có
dạng gần
sin.
Hiệu
chỉnh được
hệ số công
suất
Truyền
công suất
theo hai
chiều
Khả
năng làm
việc với
cosj bằng
1
-
-
-
-
-
-
+
-
-
+
-
-
-
-
-
-
+
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
Dấu + : đạt
Dấu - : khơng đạt
Qua so sánh cho thấy cấu hình kiểu (c) cho ta nhiều ưu điểm vượt trội so
với các kiểu khác, ngồi ra có thể sử dụng chính các mơđul IGBT sẵn có
giống như của bộ biến đổi phía động cơ . Trong thực tế đây cũng là kiểu cấu
hình được sử dụng rộng rãi trong các bộ biến tần của các hãng lớn : hãng
SIEMENS với dòng Simovert Masterdriver, hãng ABB với dòng
ACS611/ACS617, hãng Control Techniques với Uni Regen Driver, hãng
RockWell Automation với 1336R Line Regenation Package,...Vì vậy ta sẽ
chọn cấu hình này cho hệ biến tần trình bày trong luận văn.
Ưu, nhược điểm của việc sử dụng mạch biến đổi IGBT có khả năng phát
trả năng lượng về lưới như sau :
Ưu điểm :
• Tiết kiệm năng lượng bằng cách đồng bộ với lưới để phát trả năng lượng
hãm.
Ch-¬ng 2 : Tỉng quan vỊ hƯ thèng điều chỉnh động cơ xoay chiều
đồng bộ ba pha làm viƯc ë bèn gãc phÇn t-
12
• Có khả năng điều chỉnh hệ số cơng suất đến xấp xỉ bằng 1 để đạt hiệu suất
cao.
• Giảm giá trị dịng điện u cầu từ nguồn.
• Giảm tổng lượng sóng hài của dịng điện lưới.
• Giảm các sóng hài của dòng điện cung cấp cho biến tần trong cả chế độ
Điều khiển động cơ và Phát trả năng lượng.
• Có tính động học cao khi có thay đổi nhanh của dịng năng lượng phía
động cơ tải.
• Giữ cho điện áp của Bus một chiều ổn định, không phụ thuộc vào chiều
truyền của dịng năng lượng.
• Có khả năng nâng điện áp của Bus một chiều cao hơn cả so với điện áp
định mức của nguồn xoay chiều đầu vào. Điều này rất cần thiết để bù cho
các lưới điện yếu có điện áp thấp , tăng khả năng mang tải tối đa của động
cơ trong chế độ làm nhụt từ thơng ( field weakening ).
• Có khả năng điều chỉnh cơng suất phản kháng nên có thể hoạt động ở chế
độ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng để tăng hệ số công suất
của nguồn lưới khi cần.
• Có khả năng điều khiển cân bằng dịng truyền công suất giữa lưới điện và
động cơ nhằm khống chế điện áp mạch một chiều và cực tiểu hoá tụ điện.
Nhược điểm :
• Vốn đầu tư cao hơn so với cầu chỉnh lưu điốt.
• Khơng có khả năng hãm khi nguồn điện bị ngắt.
• Có các hài ở tần số cao do tần số chuyển mạch của van. Các tần số cao
vài kHz này có thể gây ra hỏng các tụ điện.
• Với các ưu nhược điểm như trên thì việc sử dụng bộ biến đổi có khả
năng phát trả năng lượng về lưới sẽ rất hiệu quả trong các ứng dụng sau
:
• Các ứng dụng địi hỏi việc hãm động cơ xảy ra liên tục và lặp lại thường
xuyên như : thang máy cao tốc, máy nâng hạ,...
• Cơng suất hãm động cơ cao.
• Cần giảm diện tích lắp đặt vì hệ thống kiểu này có kích thước lắp đặt
gọn nhẹ hơn so với các hệ thống tương đương dùng biến trở hãm.
Ch-¬ng 2 : Tỉng quan vỊ hệ thống điều chỉnh động cơ xoay chiều
đồng bộ ba pha làm việc ở bốn góc phần t-
