Thạc Sĩ NGhiên cứu hệ truyền động điện biến tầng - động cơ xoay chiều sử dụng biến tâng 4 góc phần tư

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Trong công nghiệp rất nhiều máy sản xuất yêu cầu phải điều chỉnh tốc độ động cơ truyền động với phạm vi rộng và chất lượng điều chỉnh tốt. Với sự ra đời và phát triển của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp cho mạch stator nhờ các bộ biến tần đã giải quyết được rất nhiều vấn đề mà thực tế sản xuất yêu cầu. Tuy nhiên các bộ biến tần hiện nay còn tồn tại một số nhược điểm là ảnh hưởng khá nhiều đến lưới điện công nghiệp, đặc biệt khi công suất hệ truyền động lớn, phần lớn các hệ truyền động bộ biến tần-động cơ xoay chiều chưa cho phép động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh. Việc xây dựng một bộ biến tần khắc phục được các tồn tại đã nêu là một yêu cầu kỹ thuật cấp bách.

2. Mục đích nghiên cứu

Đề tài có mục tiêu nghiên cứu: xây dựng hệ truyền động điện biến tần- động cơ xoay chiều cho phép động cơ có thể làm việc được ở cả bốn góc phần tư và cải thiện chất lượng dòng điện qua lưới

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Xây dựng cấu trúc phần chỉnh lưu và nghịch lưu của bộ biến tần gián tiếp. Xây dựng cấu trúc tổng thể một hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư (4Q)-động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha. Thực hiện các mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả phân tích, tính toán lý thuyết.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đây là đề tài nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực truyền động điện tự động. Đề tài xây dựng hệ thống truyền động điện động cơ xoay chiều có chất lượng cao hơn các hệ thống hiện có.

5. Kết cấu của luận văn


Luận án bao gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền động điện biến tần-động cơ xoay

chiều.

Chương 2: Nghiên cứu chỉnh lưu tích cực PWM phục vụ cho biến tần bốn góc

phần tư.

Chương 3: Nghịch lưu điều khiển vector và cấu trúc hệ truyền động điện biến tần 4Q - động cơ không đồng bộ ba pha.

Chương 4: Mô phỏng hệ truyền động điện biến tần 4Q-động cơ không đồng bộ ba pha.

Kết luận và kiến nghị






MỤC LỤC

Trang bìa phụ .



Trang

Lời cam đoan . . 2
Mục lục . 3
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 5
Danh mục các bảng 7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị . 7
MỞ ĐẦU . 11
CHưƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU . 13
1.1. Các hệ thống truyền động điện dùng động cơ xoay chiều . 13
1.1.1. Giới thiệu chung . 13
1.1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 14
1.1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ . 15
1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều 15
1.2. Sơ lược về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất . 16
1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) 16
1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp 19
1.3. Biến tần bốn góc phần tư 25
1.3.1. Các tồn tại của các bộ biến tần thông thường 25
1.3.2. Biến tần bốn góc phần tư (biến tần 4Q) .
CHưƠNG 2 - NGHIÊN CỨU CHỈNH LưU TÍCH CỰC PWM PHỤC VỤ CHO BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN Tư . 27

29
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 . . 29

2.3. Mô tả toán học chỉnh lưu PWM . 33
2.3.1. Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM 34
2.3.2. Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ 3 pha 35
2.3.3. Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ cố định  -  . . 36
2.3.4. Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trên hệ tọa độ quay d – q 37
2.3.5. Tính toán công suất chỉnh lưu PWM . 38
2.4. Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lưu PWM . 39
2.4.1. Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều . . 39
2.4.2. Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm . . 39
2.5. ước lượng các đại lượng vector cơ bản 41
2.5.1. ước lượng vector điện áp đầu vào . 41
2.5.2. ước lượng vector từ thông ảo 42
2.6. Phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM . .
2.7. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM định hướng theo vector điện
áp . . 46
2.7.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM định hướng theo vector điện áp

dựa vào dòng điện (VOC) . 47
2.7.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC . . 49
2.8. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp trực tiếp công
suất DPC 50
2.8.1. ước lượng công suất theo vector điện áp . 52
2.8.2. ước lượng công suất theo vector từ thông ảo 53
2.8.3. Đặc điểm cơ bản của điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh
lưu PWM . . 54
2.8.4. Bộ điều khiển công suất . 55
2.8.5. Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt 57
2.8.6. Tổ hợp vector điện áp . 58
CHưƠNG 3 - NGHỊCH LưU ĐIỀU KHIỂN VECTOR VÀ CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4 Q - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA . 60
3.1. Mô hình toán học trạng thái động của động cơ không đồng bộ ba 60 pha
3.1.1. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha 60
3.1.2. Phép biến đổi tọa độ và ma trận chuyển đổi 69
3.1.3. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay 2 pha
bất kỳ . 81
3.1.4. Mô hình toán học động cơ điện không đồng bộ trên hệ tọa độ cố định 2 pha 82
3.1.5. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha 83
3.1.6. Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ theo định hướng từ trường trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha (hệ tọa độ MT) .
83
3.2. Biến tần gián tiếp với nghịch lưu điều khiển vector . .
3.2.1. Mô hình động cơ một chiều tương đương của động cơ không đồng bộ . 85

3.2.2. Ý tưởng về cấu trúc hệ thống điều khiển vector 87
3.2.3. Phương trình cơ bản điều khiển vector 88
3.2.4. Mô hình quan sát từ thông rotor 89
3.3. Mô Hệ truyền động biến tần 4Q - ĐK . . 91
3.3.1. Sơ đồ khối của hệ truyền động biến tần 4Q – ĐK 91
3.3.2. Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực của hệ biến tần 4Q - ĐK . 91
3.3.3. Khối điều khiển chỉnh lưu PWM 92
3.3.4. Khối điều khiển nghịch lưu áp dụng nguyên lý điều khiển vector . 94
CHưƠNG 4 - MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4Q -
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA . .
4.1. Mô phỏng đặc tính làm việc của chỉnh lưu PWM 97
4.1.1. Xây dựng chương trình mô phỏng chỉnh lưu PWM . 97
4.1.2. Các kết quả mô phỏng chỉnh lưu PWM . 99
4.2. Mô phỏng hệ truyền động Biến tần 4Q-động cơ không đồng bộ ba pha 100
4.2.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ truyền động trong phần mềm Matlab 100
4.2.2. Kết quả mô phỏng . . 103

Kết luận và kiến nghị . 107
Tài liệu tham khảo . . 108


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) . 17
Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp . 17
Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều
hình sin . 18
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 . 18
Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp . . 20
Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều . 21
Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector . 24
Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao ( là chỉ số sóng hài) . 25
Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều
Hình 1.10: Sử dụng thêm bộ nghịch lưu mắc song song ngược với bộ chỉnh 26
lưu để trả năng lượng về lưới điện xoay chiều . 26
Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM . 30
Hình 2.2a. Sơ đồ thay thế một pha bộ chỉnh lưu tích cực PWM . 31
Hình 2.2 b. Đồ thị vector tổng quát của bộ chỉnh lưu 31
Hình 2.2 c. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng 1 31
Hình 2.2 d. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng -1
(nghịch lưu) . 31
Hình 2.3a: Đồ thị 6 vector điện áp cơ bản khi điều khiển sự chuyển mạch các
khoá bán dẫn Sa, Sb, Sc . 32
Hình 2.3b: Các trạng thái chuyển mạch của chỉnh lưu PWM . . 33



Hình 2.4: Đồ thị vector điện áp, dòng điện chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ -
 và d-q . 34
Hình 2.5: Cấu trúc mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ ba
pha 35
Hình 2.6: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ - . 37
Hình 2.7: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ d-q . . 38
Hình 2.8: Đồ thị vector điện áp chỉnh lưu PWM 39
Hình 2.9a: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM 40
Hình 2.9b: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM . . 41
Hình 2.10: Mô hình động cơ ảo và đồ thị véc tơ từ thông ảo với chỉnh lưu
PWM 43
Hình 2.11: Quan hệ giữa điện áp và từ thông ảo với dòng công suất của
chỉnh lưu PWM 44
Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc nhận dạng véc tơ từ thông ảo 45
Hình 2.13: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM . 46
Hình 2.14: Hệ truyền động động cơ xoay chiều - biến tần dùng chỉnh lưu 47
PWM với các phương pháp điều khiển .
Hình 2.15: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC . 48
Hình 2.16: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo
VOC 49
Hình 2.17: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo
VFOC 50
Hình 2.18: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo DPC 51
Hình 2.19: Khâu ước lượng công suất và điện áp 52
Hình 2.20: Khâu ước lượng p, q theo vector  L . . 53
Hình 2.21: Sự biến thiên giá trị công suất tức thời 55
Hình 2.22: Bộ điều khiển công suất . . 56
Hình 2.23: Phân vùng vector cho phương pháp điều khiển DPC . 57
Hình 2.24: Biến đổi vector điện áp . 59
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển nhiều biến của động cơ không đồng bộ 61
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điều tốc biến tần của động cơ
không đồng bộ nhiều biến 61
Hình 3.3: Mô hình vật lý động cơ không đồng bộ 3 pha . 62
Hình 3.4: Mô hình vật lý động cơ điện một chiều hai cực: F- cuộn dây kích
từ, A - cuộn dây rotor, C- cuộn dây bù . 69
Hình 3.5: Mô hình vật lý các cuộn dây động cơ điện xoay chiều, mô hình
tương đương và mô hình động cơ điện một chiều . 71
Hình 3.6: Vị trí vector không gian của hệ toạ độ 3 pha và 2 pha cùng với sức
từ động cuộn dây . . 74
Hình 3.7: Hệ toạ độ cố định và hệ toạ độ quay 2 pha và vector không gian
sức từ động . 78
Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc biến đổi tọa độ động cơ không đồng bộ: 3/2) Biến



đổi 3 pha/2 pha; VR) Biến đổi quay đồng bộ; ) Góc giữa trục M và
trục  (trục A) 86
Hình 3.9: Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vector . 87
Hình 3.10: Mô hình quan sát từ thông trên hệ toạ độ quay hai pha theo định
hướng từ trường . 90
Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - ĐK 91
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý phần lực hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư
dùng chỉnh lưu PWM - động cơ không đồng bộ ba pha . 92
Hình 3.13: Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC 93
Hình 3.14: Cấu trúc nghịch lưu điều khiển vector định hướng từ thông rotor 96
Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC 98
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 . . 98
Hình 4.3: Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình hình 4.1 . . 99
Hình 4.4: Điện áp một chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC . 99
Hình 4.5: Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo
VOC . 99
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 . . 100
Hình 4.7: Dòng một chiều sau chỉnh lưu của PWM điều khiển theo VOC
trong thời gian 1/6 chu kỳ nguồn 100
Hình 4.8: Cấu trúc điều khiển vector trong vùng tần số f = fđm . 101
Hình 4.9: Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động điện biến tần 4Q-động cơ không
đồng bộ ba pha . . 102
Hình 4.10: Sơ đồ mô phỏng chi tiết phần điều khiển nghịch lưu theo FOC
(khối “INVERTER” trên mô hình hình 4.9 . 102
Hình 4.11: Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình hình 4.9 . . 103
Hình 4.12: Tốc độ góc động cơ khi khởi động và điều chỉnh tải để chuyển chế
độ làm việc, với giá trị đặt tốc độ là 100 rad/s . 104
Hình 4.13: Sự điều chỉnh mô men tải của động cơ khi khởi động và khi chuyển động cơ sang trạng thái hãm tái sinh ở chế độ tốc độ ổn định (tại
t=1s) . 104
Hình 4.14: Điện áp và dòng điện lưới pha A cấp cho chỉnh lưu PWM trước và sau thời điểm điều chỉnh mô men tải (tại t=1s) để chuyển chế độ làm
việc của động cơ từ trạng thái động cơ sang hãm tái
sinh . 105

Hình 4.15: Tốc độ góc động cơ khi khởi động và điều chỉnh giảm tốc từ 100
rad/s xuống 80 rad/s
Hình 4.16: Điện áp và dòng điện lưới pha A cấp cho chỉnh lưu PWM trước và

105

sau thời điểm điều chỉnh giảm tốc từ 100 rad/s xuống 80 rad/s (tại t=1s) 106