Thạc Sĩ Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần tư - Động cơ đồng bộ

MỞ ĐẦU

Trong những năm cuối của thế kỷ XX, sự phát triển của điện tử công suất đã dẫn tới sự phát triển mạnh mẽ của các hệ truyền động điện xoay chiều và nó dần thay thế một phần lớn hệ thống truyền động điện một chiều. Vì hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp cho mạch stator có nhiều ưu điểm so với hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều.
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 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 được ở các trạng thái hãm khác nhau mà đặc biệt là hãm tái sinh. Biến tần như vậy được gọi là biến tần 4 góc phần tư (biến tần 4Q).
Được sự hướng dẫn của thầy giáo TS.Trần Xuân Minh - Trưởng Khoa Điện Trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên, tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài luận văn tốt nghiệp là “Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần tư - Động cơ đồng bộ”.

Kết cấu của luận văn gồm:

Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều.

Chương 2: Nghiên cứu về chỉnh lưu PWM.

Chương 3: Xây dựng cấu trúc điều khiển nghịch lưu và cấu trúc hệ truyền động

biến tần 4Q - động cơ đồng bộ.

Chương 4: Mô phỏng hệ thống. Kết luận và kiến nghị.
Đề tài đã được hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ bảo, giúp đỡ động viên của các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo TS.Trần Xuân Minh, người đã luôn quan tâm động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Các vấn đề được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp.




MỤC LỤC Trang

Trang bìa phụ .
Lời cam đoan . .
Mục lục . .
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt . .
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Mở đầu . . 1

Chương 1- TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN -
ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3

1.1. Các hệ thống truyền động điện dùng động cơ xoay chiều . 3

1.1.1. Giới thiệu chung . 3

1.1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 4

1.1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ . 5

1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều . 6

1.2. Sơ lược về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất 8

1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) 8

1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp . 10

1.3. Biến tần bốn góc phần tư . 16

1.3.1. Các tồn tại của các bộ biến tần thông thường . 16

1.3.2. Biến tần bốn góc phần tư (biến tần 4Q) . . 19

Chương 2 - NGHIÊN CỨU CHỈNH LưU PWM 21

2.1.Khái quát về chỉnh lưu PWM 21

2.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến tần nguồn áp bốn góc phần
tư dùng chỉnh lưu PWM . . 23

2.3. Mô tả toán học chỉnh lưu PWM . . 26

2.3.1. Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM .
27

2.3.2. Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ 3 pha
28

2.3.3. Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ cố định  - 
29

2.3.4. Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trên hệ tọa độ quay d – q .
30

2.3.5. Tính toán công suất chỉnh lưu PWM . .
31

2.4. Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lưu PWM . .
32

2.4.1. Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều
32

2.4.2. Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm
32

2.5. ước lượng các đại lượng vector cơ bản .
34

2.5.1. ước lượng vector điện áp đầu vào . .
35

2.5.2. ước lượng vector từ thông ảo .
35

2.6. Phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM .
39

2.7. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM định hướng theo vector điện áp 40

2.7.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM định hướng theo vector điện áp
dựa vào dòng điện (VOC) 40

2.7.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC 42

2.8. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp trực tiếp
công suất DPC . 43

2.8.1. ước lượng công suất theo vector điện áp . 45

2.8.2. ước lượng công suất theo vector từ thông ảo . 46

2.8.3. Đặc điểm cơ bản của điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh
lưu PWM 47

2.8.4. Bộ điều khiển công suất . 48

2.8.5. Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt . 50

2.8.6. Tổ hợp vector điện áp . 51

Chương 3 - XÂY DỰNG CẤU TRÖC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LưU VÀ

CẤU TRÖC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4Q - 53

ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

3.1. Giới thiệu chung động cơ đồng bộ 53

3.1.1. Khái quát chung . 53

3.1.2. Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu . 54

3.2. Mô hình toán học của động cơ đồng bộ . 55

3.2.1. Mô hình toán học của động cơ đồng bộ kích từ dây quấn 55

3.2.2. Mô tả toán học động cơ đồng bộ kích từ NCVC 59

3.3. Cấu trúc điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ . 60

3.3.1. Lựa chọn phương pháp điều khiển nghịch lưu . 60

3.3.1.1. Giới thiệu các loại cấu trúc 60

3.3.1.2. Lựa chọn phương pháp điều khiển nghịch lưu 63

3.3.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ truyền động 64

3.3.2.1. Sơ đồ khối hệ điều khiển . 64

3.3.2.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu . 65

3.3.3. Cấu trúc điều khiển nghịch lưu . 67

Chương 4 - MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 70

4.1. Mô phỏng đặc tính làm việc của chỉnh lưu PWM 70

4.1.1. Xây dựng chương trình mô phỏng chỉnh lưu PWM .
70

4.1.2. Các kết quả mô phỏng chỉnh lưu PWM .
72

4.2. Mô phỏng hệ truyền động biến tần 4Q - Động cơ đồng bộ
73

4.2.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ truyền động trong phần mềm Matlab
73

4.2.2. Kết quả mô phỏng 78

4.3. Kết luận
82

Kết luận và kiến nghị
83

Tài liệu tham khảo
84



Danh mục các hình vẽ và Đồ thị

Hình 1.1. Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) . 8

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp . 8

Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều
hình sin . 9

Hình 1.4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của các
khâu trong biến tần trực tiếp 10

Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp 11

Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều . 12

Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector . . 15


Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao ( là chỉ số sóng hài) . 17

Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều 18

Hình 1.10: Sử dụng thêm bộ nghịch lưu mắc song song ngược với bộ chỉnh

lưu để trả năng lượng về lưới điện xoay chiều . 18

Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM 23

Hình 2.2a. Sơ đồ thay thế một pha bộ chỉnh lưu tích cực PWM 24

Hình 2.2 b. Đồ thị vector tổng quát của bộ chỉnh lưu 24

Hình 2.2 c. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng 1 24

Hình 2.2 d. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng - 1
(nghịch lưu) . . 24

Hình 2.3a: Đồ thị 6 vector điện áp cơ bản khi điều khiển sự chuyển mạch các
khoá bán dẫn Sa, Sb, Sc 25

Hình 2.3b: Các trạng thái chuyển mạch của chỉnh lưu PWM . 26

Hình 2.4: Đồ thị vector điện áp, dòng điện chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ  -
và d-q 27

Hình 2.5: Cấu trúc mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ ba pha . 28

Hình 2.6: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ - 30

Hình 2.7: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ d-q 31

Hình 2.8: Đồ thị vector điện áp chỉnh lưu PWM . 32

Hình 2.9a: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM 33

Hình 2.9b: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM 34

Hình 2.10: Mô hình động cơ ảo và đồ thị véc tơ từ thông ảo với chỉnh lưu
PWM . . 36

Hình 2.11: Quan hệ giữa điện áp và từ thông ảo với dòng công suất của
chỉnh lưu PWM . 37

Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc nhận dạng véc tơ từ thông ảo . 38

Hình 2.13: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM . . 39

Hình 2.14: Hệ truyền động động cơ xoay chiều - biến tần dùng chỉnh lưu
PWM với các phương pháp điều khiển . 40

Hình 2.15: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC . 41

Hình 2.16: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo
VOC 42

Hình 2.17: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC 42

Hình 2.18: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo DPC . . 44

Hình 2.19: Khâu ước lượng công suất và điện áp 45

Hình 2.20: Khâu ước lượng p, q theo vector  L 46

Hình 2.21: Sự biến thiên giá trị công suất tức thời . 48

Hình 2.22: Bộ điều khiển công suất . 49

Hình 2.23: Phân vùng vector cho phương pháp điều khiển DPC 50

Hình 2.24: Biến đổi vector điện áp . 52

Hình 3.1: Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu loại SPM . 54

Hình 3.2: Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu loại IPM . 55

Hình 3.3: Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vector 61

Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc biến đổi toạ độ động cơ đồng bộ 62

Hình 3.5: Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - ĐB 64

Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý phần lực hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư
dùng chỉnh lưu PWM - động cơ đồng bộ ba pha 65

Hình 3.7: Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC 66

Hình 3.8: Cấu trúc nghịch lưu điều khiển vector định hướng từ thông rotor . 69

Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC . 71

Hình 4.2: Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp VOC(khối “Subsytrem”) của mô hình hình 4.1 71

Hình 4.3: Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình hình 4.1 . 72

Hình 4.4: Điện áp một chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC 72

Hình 4.5: Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo
VOC . 72

Hình 4.6: Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo
VOC trong thời gian 5 chu kỳ nguồn 73

Hình 4.7: Dòng một chiều sau chỉnh lưu của PWM điều khiển theo VOC
trong thời gian 1/6 chu kỳ nguồn . 73

Hình 4.8: Cấu trúc điều khiển vector trong vùng tần số f fdm 74

Hình 4.9: Sơ đồ mô phỏng hệ biến tần 4Q - Động cơ đồng bộ ba pha kích từ
vĩnh cửu (PMSM) điều khiển theo VOC - DTC . 75

Hình 4.10: Triển khai chi tiết khối PLECS Circuit 75

Hình 4.11: Triển khai chi tiết INVERTER 76

Hình 4.12: Triển khai chi tiết khối Speed controller trong INVERTER . 76

Hình 4.13: Triển khai chi tiết khối Current controller trong INVERTER 76

Hình 4.14: Triển khai chi tiết khối SubSystem 77

Hình 4.15: Triển khai chi tiết khối Voltage controller trong SubSystem . 77

Hình 4.16: Triển khai chi tiết khối Current controller trong SubSystem 77

Hình 4.17 Triển khai chi tiết khối PWM trong SubSystem . 78

Hình 4.18: Tốc độ động cơ khi khởi động có tải, điều chỉnh giảm tốc với tải
phản kháng bằng hằng số 78

Hình 4.19: Mô men động cơ khi khởi động, làm việc ổn định và điều chỉnh
giảm tốc với tải phản kháng (Mc = 5Nm = const) 79

Hình 4 20: Dạng điện áp dây (uAB) trên động cơ khi giá trị đặt điện áp ra
chỉnh lưu PWM là 650V 79

Hình 4.21: Dòng điện ba pha của động cơ giai đoạn trước và sau khi kết thúc
quá trình khởi động 80

Hình 4.22: Tốc độ động cơ khi khởi động và làm việc ổn định với tải thế năng
(Mc=-5Nm, đặt=312rad/s), giả thiết chiều quay theo chiều tác động của mô
men tải (góc phần tư thứ tư) 81

Hình 4.23: Điện áp và dòng điện đầu vào chỉnh lưu PWM trong giai đoạn
khởi động và khi vào làm ổn định việc với tải thế năng . 81

Hình 4.24: Mô men động cơ khi khởi động và làm việc ổn định với tải thế
năng (Mc=-5Nm, đặt=312rad/s) . 82