Luận Văn Khảo sát và thiết kế bộ biến tần đa mức tại Công ty Xi măng Hoàng Thạch (+ mô phỏng)

LỜI NÓI ĐẦU

​ Ngày nay, các thiết bị điện tử công suất rất được quan tâm và sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như hệ thống truyền tải, hệ thống phân phối điện năng, dùng trong công nghiệp Và một trong những ứng dụng của nó là dùng trong các ứng dụng công suất cao. Do đó, điện áp và dòng điện phải được nâng lên tương ứng. Vì vậy mà công suất định mức của linh kiện bán dẫn sẽ là một trở ngại. Ngoài ra, chúng ta khó có thể sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất trực tiếp với lưới trung áp hay cao áp mà cần có giải pháp tốt hơn.
Vì vậy trong những năm gần đây, bộ biến tần đa mức đã được nghiên cứu và xem như là sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng truyền động trung áp. Ưu điểm chính của bộ biến tần đa mức là điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất của bộ nghịch lưu tăng lên, đồng thời công suất tổn hao do quá trình đóng cắt linh kiện cũng giảm theo. Với cùng tần số đóng cắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn so với trường hợp biến tần hai mức nên chất lượng điện áp ra tốt hơn.
Sau thời gian học tập và nghiên cứu. Em đã nhận đề tài tốt nghiệp: “Khảo sát và thiết kế bộ biến tần đa mức tại Công ty Xi măng Hoàng Thạch”.
Trong nghiên cứu của đồ án này, em đi sâu vào nghiên cứu phần nghịch lưu đa mức trong bộ biến tần, phân tích các trạng thái và quá trình chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong các bộ nghịch lưu đa mức; giới thiệu một số phương pháp điều khiển như phương pháp điều chế độ rộng xung SPWM và phương pháp vector không gian. Từ phương pháp điều chế độ rộng xung, xây dựng mô hình mô phỏng cho bộ nghịch lưu 3 mức NPC.
Cấu trúc của bài đồ án gồm 5 chương:
1. Động cơ không đồng bộ và các phương pháp điều khiển
2. Tổng quan về biến tần
3. Các bộ nghịch lưu áp đa mức
4. Các phương pháp điều khiển nghịch lưu áp đa mức
5. Thiết kế, tính chọn mạch lực
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Tự Động Hóa Xí Nghiệp Công Nghiệp, đặc biệt là thầy giáo TS. Dương Văn Nghi đã giúp em hoàn thành bàn đồ án này. Do giới hạn về kiến thức nên nghiên cứu còn nhiều hạn chế và thiếu sót. Em kính mong được sự góp ý và hướng dẫn của các thầy cô để bài đồ án được hoàn thiện hơn.



MỤC LỤC​
MỤC LỤC HÌNH VẼ i
MỤC LỤC BẢNG BIỂU iv
LỜI NÓI ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN. 3
1.1.Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ. 3
1.2.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ. 4
1.2.1. Điều khiển vô hướng hệ biến tần động cơ ĐKB 3 pha: 5
1.2.2. Điều khiển vector: 10
1.2.3. Nhận xét : 14
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN 15
2.1. Giới thiệu chung về biến tần. 15
2.1.1. Biến tần trực tiếp. 15
2.1.2. Bộ biến tần gián tiếp. 16
2.2. Bộ nghịch lưu 2 mức. 16
2.2.1. Bộ nghịch lưu áp một pha. 17
2.2.2. Nghịch lưu áp ba pha. 18
2.3. Bộ nghịch lưu áp đa mức. 20
CHƯƠNG 3: CÁC BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC 21
3.1 Bộ nghịch lưu điốt kẹp – NPC 21
3.1.1. Cấu trúc. 21
3.1.2. Trạng thái của các khóa chuyển mạch. 22
3.1.3. Quá trình chuyển mạch. 24
3.1.4. Nhận xét 25
3.2. Bộ nghịch lưu dạng tụ kèm 26
3.2.1. Cấu trúc. 26
3.2.2. Trạng thái của các khóa chuyển mạch. 27
3.2.3. Quá trình chuyển mạch. 29
3.2.4. Nhận xét 31
3.3. Bộ nghịch lưu đa mức kiểu cầu H nối tầng (cascade H-bridge multilevel inverter). 31
3.3.1. Cấu trúc. 31
3.3.2. Trạng thái của các khóa chuyển mạch. 33
3.3.3. Quá trình chuyển mạch. 35
3.3.4. Nhận xét 38
3.4. Kết luận. 38
CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC 41
4.1. Một số chỉ tiểu đánh giá kỹ thuật PWM . 41
4.1.1. Phạm vi điều chế tuyến tính. 41
4.1.2. Độ méo dạng dòng điện ngõ ra. 42
4.1.3. Ảnh hưởng của deadtime và sụt áp trên linh kiện. 42
4.1.4. Ảnh hưởng do mất cân bằng áp tụ. 43
4.1.5. Vấn đề Common Mode. 43
4.1.6. Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt:. 44
4.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CBPWM). 44
4.2.1. Nguyên lý thực hiện. 44
4.2.2. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật CBPWM . 45
4.2.3. Phương pháp điều chế độ rộng xung SIN 46
4.2.4. Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM hoặc switching frequence optimal PWM method-SFO-PWM). 50
4.2.5. So sánh điện áp ngõ ra của SHPWM và SFO-PWM . 52
4.2.6. Thời gian dẫn của linh kiện trong một chu kỳ sóng mang:. 52
4.3 Kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM). 53
4.3.1. Khái niệm vector không gian. 53
4.3.2. Vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa mức:. 54
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ, TÍNH CHỌN MẠCH LỰC – MÔ PHỎNG MATLAP - SIMULINK 60
5.1. Giới thiệu quạt gió hồi lưu. 60
5.2. Tính toán mạch lực. 62
5.1.1. Tính chọn van. 62
5.2.2. Tính toán bảo vệ quá nhiệt cho các van. 64
5.3. Mô phỏng hệ thống nghịch lưu 3 mức NPC 66
5.3.1. Các khâu trong mô hình. 68
5.3.2. Mô phỏng với tải R-L 70
5.3.3. Mô phỏng với động cơ điều khiển tốc độ trực tiếp. 71
5.3.4. Mô phỏng với động cơ khởi động theo luật U-f. 74
5.3.3. Nhận xét 77
KẾT LUẬN 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO 79