Thạc Sĩ Nghiên cứu điều khiển biến tần khi các thiết bị nâng hạ làm việc ở chế độ hãm tái sinh

Đề tài: Nghiên cứu điều khiển biến tần khi các thiết bị nâng hạ làm việc ở chế độ hãm tái sinh



Luận văn dài 124 trang

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, một phần của việc cung cấp điện được phát triển thông qua các bộ chỉnh lưu trước khi cấp điện cho tải. Ngày nay, do ứng dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử các hệ truyền động phát triển và có thay đổi đáng kể, đặc biệt do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi điện tử công suất ngày càng hoàn thiện không những đáp ứng độ tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần giảm kích thước và giá thành hệ.
Tuy vậy, việc tối ưu năng lượng trong các cơ cấu nâng hạ vẫn chưa thực hiện được do chưa tận dụng được thế năng trong quá trình hạ tải, chuyển hóa thành điện năng phát trả về lưới điện. Vì vậy nội dung luận văn tập trình tìm hiểu, giải quyết vấn đề phản hồi năng lượng về lưới điện với đề tài: "Nghiên cứu điều khiển biến tần khi các thiết bị nâng hạ làm việc ở chế độ hãm tái sinh".
MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan 1
Mục lục 2
Danh mục các ký hiệu 5
Danh mục các bảng 7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8
MỞ ĐẦU 13
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRONG CÁC CƠ CẤU NÂNG HẠ 15
1.1. Giới thiệu về cơ cấu nâng hạ 15
1.1.1. Cơ cấu nâng hạ 15
1.1.2. Các thành phần chính trong cơ cấu nâng hạ 15
1.1.3. Phân loại 16
1.2. Cơ sở lý thuyết tính toán cho cơ cấu nâng hạ 17
1.2.1. Các thông số cơ bản của cơ cấu nâng hạ 17
1.2.2. Tính toán tham số cơ bản của truyền động cơ cấu nâng hạ 18
1.3. Khái quát về hệ thống điều khiển truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ 19
1.3.1. Một số yêu cầu cho hệ thống điều khiển truyền động cơ cấu nâng hạ 19
1.3.2. Các hệ truyền động cho cơ cấu nâng hạ 22
1.3.3. Các dạng đặc tính cơ của hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ cho cơ cấu nâng hạ 23
Chương 2 - NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BIẾN TẦN - ỨNG DỤNG BIẾN TẦN TRONG CÁC CƠ CẤU NÂNG HẠ 29
2.1. Nguyên lý làm việc của biến tần ba pha 29
2.1.1. Sơ đồ cấu trúc của biến tần ba pha nguồn áp 29
2.1.2. Nguyên lý điều khiển biến tần ba pha nguồn áp bằng phương pháp điều chế độ rộng xung 31
2.1.3. Nguyên lý điều khiển biến tần ba pha nguồn áp bằng phương pháp điều chế vector không gian 32
2.2. Ứng dụng biến tần trong các cơ cấu nâng hạ 40
Chương 3 - TRẢ NĂNG LƯỢNG VỀ NGUỒN Ở CHẾ ĐỘ HÃM TÁI SINH TRONG HỆ THỐNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 41
3.1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ 41
3.1.1. Cấu tạo 41
3.1.2. Nguyên lý hoạt động 42
3.1.3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 42
3.1.4. Động cơ không đồng bộ khi hoạt động ở chế độ hãm tái sinh 43
3.2. Trả năng lượng về nguồn trong hệ thống biến tần – động cơ không đồng bộ 48
3.2.1. Trao đổi công suất giữa lưới và tải đối với truyền động biến tần động cơ xoay chiều 48
3.2.2. Chỉnh lưu PWM 50
3.2.3. Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM 56
3.2.4. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp DPC 66
3.2.5. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp VOC 69
3.3. Hệ thống biến tần dùng chỉnh lưu PWM - động cơ không đồng bộ: 73
3.3.1. Xây dựng thuật toán VF-DPC trên Simulink 77
3.3.2. Xây dựng thuật toán DTC trên Simulink 81
3.4. Các kết quả mô phỏng đạt được với hệ thống biến tần dùng chỉnh lưu PWM - động cơ không đồng bộ 84
3.5. Phân tích chất lượng của dòng năng lượng phản hồi về lưới 91
3.5.1. Một số tham số để đánh giá chỉnh lưu đối với lưới 91
3.5.2. Kết quả phân tích sóng hài của năng lượng phản hồi 94
Chương 4 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 107
4.1. Giới thiệu về card điều khiển 1103 của hãng dSPACE 107
4.2. Quá trình xây dựng mô hình thực nghiệm 111
4.2.1. Xây dựng phần cứng 111
4.2.2. Xây dựng phần mềm 117
4.2.3. Các kết quả đạt được 119
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121
TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU



x(t), x
Giá trị tức thời
X*, x*
Giá trị đặt
a
Góc pha của vector chuẩn
l
Hệ số công suất
j
Góc pha dòng điện
w
Vận tốc góc
y
Góc pha
e
Góc pha điều khiển
cos j
Hệ số công suất cơ bản
f
Tần số
i(t), i
Giá trị dòng điện tức thời
j
Đơn vị ảo
DX, Dx
Sai lệch
kP, kI
Hệ số khuyếch đại, hệ số tích phân
p(t), p
Công suất tác dụng tức thời
q(t), q
Công suất phản kháng tức thời
t
Giá trị thời gian tức thời
v(t), v
Giá trị điện áp tức thời
yL
Vector từ thông ảo
yLa
Thành phần vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ a - b
yLb
Thành phần vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ a - b
yLd
Thành phần vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d - q
yLq
Thành phần vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d - q
uL
Vector điện áp lưới
uLa
Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ a - b
uLb
Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ a - b
uLd
Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q
uLq
Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q
iL
Vector dòng điện lưới
iLa
Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ a - b
iLb
Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ a - b
iLd
Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d - q
iLq
Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d - q
uS, uconv
Vector điện áp vào bộ chỉnh lưu
uSa
Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ a - b
uSb
Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ a - b
uSd
Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ d - q
uSq
Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ d - q
udc
Giá trị điện áp một chiều
idc
Giá trị dòng điện một chiều
Sa,Sb,Sc,
Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi
C
Giá trị tụ điện
I
Giá trị hiệu dụng của dòng điện
L
Giá trị điện cảm
R
Giá trị điện trở
S
Công suất biểu kiến
T
Chu kỳ
P
Công suất tác dụng
Q
Công suất phản kháng
Z
Tổng trở kháng
DPC
Điều khiển trực tiếp công suất (viết tắt của Direct Power Control)
DTC
Điều khiển trực tiếp mômen (viết tắt của Direct Toque Control)
DPF
Hệ số công suất dịch chuyển (viết tắt của Displacement Power Factor)
FOC
Điều khiển tựa từ trường (viết tắt của Field Oriented Control)
PF
Hệ số công suất (viết tắt của Power Factor)
PWM
Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse Width Modulation)
Te
Mômen điện từ
VOC
Điều khiển tựa theo điện áp lưới (viết tắt của Voltage Oriented Control)

DANH MỤC CÁC BẢNG


Bảng 2.1. Trạng thái logic của các nhánh van
Bảng 3.1. Bảng chuyển mạch 12 sector dùng cho phương pháp điều khiển
DPC
Bảng 3.2. Chỉ tiêu độ méo điện áp lưới
Bảng 3.3. Giới hạn dòng hài theo IEEE 519-192

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Cấu trúc của hệ truyền động điện dùng cho cơ cấu nâng hạ 22
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi sử dụng ĐCMC truyền động cho cơ cấu nâng hạ 24
Hình 1.4.Sơ đồ nguyên lý của động cơ KĐB rôto dây quấn 27
Hình 1.5.Đặc tính cơ của động cơ KĐB rôto dây quấn 28
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của biến tần ba pha nguồn áp 29
Hình 2.2. Dạng sóng điện áp ở đầu ra nghịch lưu 31
Hình 2.3.Nguyên lý làm việc của bộ điều chế động rộng xung 32
Hình 2.4. Vị trí tương đối giữa các vectơ điện áp trên hệ tọa độ không gian và ba cuộn dây pha ABC 33
Hình 2.5. Thực hiện vectơ US bất kỳ bằng hai vectơ điện áp chuẩn 34
Hình 2.6. Xung điều khiển van transisor theo nguyên lý điều chế vectơ không gian 35
Hình 2.7.Vectơ Us trong hệ tọa độ 37
Hình 3.1.Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha 41
Hình 3.2.Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 43
Hình 3.3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ở chế độ hãm tái sinh 44
Hình 3.4.Mô hình mô phỏng hãm tái sinh trong Simulink 45
Hình 3.5. Hộp thoại khai báo thông số cho động cơ không đồng bộ. 45
Hình 3.6. Quá trình quá độ khi mô phỏng động cơ hãm tái sinh 46
Hình 3.7. Thay đổi tốc độ - mômen trước và sau hãm tái sinh 46
Hình 3.8.Dòng áp và mômen của động cơ trước và sau hãm tái sinh 46
Hình 3.9.Giá trị góc lệch giữa điện áp - dòng điện của động cơ trước và sau hãm tái sinh 47
Hình 3.10.Đồ thị góc lệch giữa điện áp và dòng điện của động cơ 47
Hình 3.11.Các biện pháp xử lý năng lượng trong chế độ hãm tái sinh của động cơ 49
Hình 3.12.Cấu trúc mạch chỉnh lưu PWM 50
Hình 3.13.Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều 51
Hình 3.14.Hệ thống phân phối điện năng một chiều 52
Hình 3.15.Sơ đồ thay thế đơn giản của chỉnh lưu 3 pha PWM cho công suất chảy theo cả hai chiều 52
Hình 3.16. Sơ đồ thay thế điện của một nhánh 53
Hình 3.17.Giản đồ pha cho chỉnh lưu PWM 55
Hình 3.18.Các trạng thái chuyển mạch của bộ chỉnh lưu PWM 56
Hình 3.19.Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM 58
Hình 3.20.Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lưu PWM 59
Hình 3.21.Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ tự nhiên 62
Hình 3.22.Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ tĩnh α-β 63
Hình 3.23.Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q 64
Hình 3.24.Dòng công suất trong bộ biến đổi AC/DC hai chiều phụ thuộc vào hướng iL 66
Hình 3.25.Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển DPC 66
Hình 3.26.Chọn sector cho phương pháp điều khiển DPC 67
Hình 3.27. Sơ đồ khối ước lượng từ thông ảo với bộ lọc đầu vào 69
Hình 3.28.Sơ đồ khối ước lượng công suất tức thời dựa trên từ thông ảo 69
Hình 3.29.Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển VOC 70
Hình 3.30. Sơ đồ vectơ VOC. Biến đổi dòng, áp lưới và điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu trong các hệ trục toạ độ a-b và d-q 71
Hình 3.31. Điền khiển tách dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu PWM 73
Hình 3.33.Tthuật toán VF-DPC áp dụng cho khối chỉnh lưu và thuật toán DTC áp dụng cho khối nghịch lưu cung cấp nguồn cho động cơ không đồng bộ 76
Hình 3.34.Thuật toán VF-DPC (Virtual Flux – Direct Power Control) áp dụng cho khối chỉnh lưu 76
Hình 3.36.Khối cầu chỉnh lưu PWM 77
Hình 3.37. Khối chuyển đổi hệ tọa độ ba pha sang hệ trục toạ độ tĩnh a-b 77
Hình 3.38.Khối ước lượng từ thông ảo 78
Hình 3.39.Khối ước lượng công suất 78
Hình 3.40.Khâu tính 12 sector 79
Hình 3.41.Cấu trúc chi tiết khối tính sector 79
Hình 3.42.Khối switching table 80
Hình 3.43.Cấu trúc chi tiết khối Switching Table 80
Hình 3.44.Bảng tra trong trường hợp dq=0 81
Hình 3.45.Bảng tra trong trường hợp dq=1 81
Hình 3.46. Thuật toán DTC (Direct Torque Control) áp dụng cho khối nghịch lưu 81
Hình 3.48.Khối điều chỉnh tốc độ 83
Hình 3.49.Khối chuyển đổi điện áp từ hệ tọa độ ba pha sang hệ trục toạ độ tĩnh a-b 83
Hình 3.50. Khối hàm tính usa 83
Hình 3.51.Khối hàm tính usb 84
Hình 3.52.Khối chuyển đổi dòng điện từ hệ tọa độ ba pha sang hệ trục toạ độ tĩnh a-b 84
Hình 3.53.Mô hình mô phỏng ghép nối DPC_DTC 86
Hình 3.54.Dòng điện và điện áp một pha đầu vào lúc khởi động và ổn định 86
Hình 3.55.Mômen và tốc tốc độ trong quá trình mô phỏng 86
Hình 3.56.Điện áp và dòng điện một chiều sau chỉnh lưu 87
Hình 3.57.Công suất tác dụng và công suất phản kháng lúc hãm tái sinh 87
Hình 3.58.Dòng điện - điện áp một pha đầu vào lúc hãm tái sinh do tốc độ và ổn định sau khi hãm tái sinh 87
Hình 3.59.Điện áp một chiều khi tiến hành hãm tái sinh 88
Hình 3.60. Công suất tác dụng - công suất phản kháng khi mô phỏng 88
Hình 3.61.Công suất tác dụng đặt và giá trị thực khi mô phỏng 88
Hình 3.62. Công suất phản kháng lúc khởi động và ổn định 89
Hình 3.63. Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ với q khác không 90
Hình 3.64. Công suất tiêu thụ và công suất hãm tái sinh 90
Hình 3.65.Hình dáng dòng điện trong quá trình khởi động 94
Hình 3.66.Phân tích hệ số méo dòng điện trong quá trình khởi động 94
Hình 3.67.Hình dáng dòng điện trong quá trình hoạt động ổn định 95
Hình 3.68.Phân tích hệ số méo dòng điện trong quá trình hoạt động ổn định 95
Hình 3.69.Hình dáng dòng điện trong quá trình hãm tái sinh do vận tốc 95
Hình 3.70.Phân tích hệ số méo dòng điện trong quá trình hãm tái sinh do vận tốc 96
Hình 3.71.Hình dáng dòng điện trong quá trình hãm tái sinh do mômen 96
Hình 3.72.Phân tích hệ số méo dòng điện trong quá trình hãm tái sinh do mômen 96
Hình 3.73. Chất lượng năng lượng tái sinh ở tốc độ 1000 vòng/phút 98
Hình 3.74. Chất lượng năng lượng tái sinh ở tốc độ 500 vòng/phút 98
Hình 3.75. Chất lượng năng lượng tái sinh ở tốc độ 300 vòng/phút 99
Hình 3.76. Chất lượng năng lượng tái sinh ở tốc độ 200 vòng/phút 99
Hình 3.78. Cấu trúc chi tiết khối tính toán công suất trưc tiếp 102
Hình 3.79. Kết quả đo công suất trực tiếp và công suất ước lượng trong mô hình thuật toán DPC 103
Hình 3.80. Hệ số công suất tại ba điểm khảo sát với hệ số cosj = 1 104
Hình 3.81. Hệ số công suất tại ba điểm khảo sát với hệ số cosj = 0,85 104
Hình 3.82. Hệ số công suất tại ba điểm khảo sát với hệ số cosj = 0,6 104
Hình 3.83. Hệ số công suất tại ba điểm khảo sát với hệ số cosj = 0,4 105
Hình 4.1.Card điều khiển 1103 107
Hình 4.2.Các thành phần liên kết trong mô hình thực nghiệm 108
Hình 4.3.Sơ đồ đóng cắt cho phần lực 112
Hình 4.4.Module IGBT đóng cắt của phần chỉnh lưu và nghịch lưu 113
Hình 4.5.Cuộn cảm và cáp đồng trục dùng cho đầu vào biến tần 116
Hình 4.6. Mô hình thực nghiệm 117
Hình 4.7. Các khối vào/ra kết nối thuật toán trong Simulink với mô hình 117
Hình 4.8.Giao diện theo dõi các tín hiệu và tham số 118
Hình 4.9.Dòng áp đầu vào khi mô phỏng và trong thực tế 119
Hình 4.10.Dòng điện lưới khi mô phỏng và trong thực tế 119
Hình 4.11. Điện áp một chiều sau chỉnh lưu tích cực khi mô phỏng và trong thực tế 119
Hình 4.13.Điện áp một chiều sau chỉnh lưu lúc tăng tốc độ khi mô phỏng và trong thực tế 120
Hình 4.14.Điện áp một chiều sau chỉnh lưu lúc hãm tái sinh do giảm tốc độ khi mô phỏng và trong thực tế 120
Hình 4.15. Dòng điện stator khi mô phỏng và trong thực tế 120