Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Nghiên cứu hệ thống truyền động điện động cơ đồng bộ 4 góc phần tư sử dụng chỉnh...

Tài liệu Nghiên cứu hệ thống truyền động điện động cơ đồng bộ 4 góc phần tư sử dụng chỉnh lưu pwm và nghịch lưu đa mức với c.m cực tiểu

.PDF
26
310
114

Mô tả:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CAO TIẾN NAM NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 4 GÓC PHẦN TƢ SỬ DỤNG CHỈNH LƢU PWM VÀ NGHỊCH LƢU ĐA MỨC VỚI C.M CỰC TIỂU Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 Công trình đã được nghiên cứu tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH Phản biện 1: TS. NGUYỄN QUỐC ĐỊNH Phản biện 2: PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 06 tháng 05 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài 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 do vậy không có khả năng trả năng lượng về lưới, thành phần dòng điều hòa bậc cao nhiều, Cos thấp, bên cạnh đó việc xữ lý điện áp common mode trong biến tần còn hạn chế nên vẫn còn tồn tại các hư hỏng trong động cơ khi sử dụng biến tần như: hư hỏng ổ đỡ, gây đóng cắt sai trên các relay bảo vệ nối đất tác động nhanh. 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 và đưa điện áp common mode về cực tiểu mà vẫn dữ được các đặc tính tốt trong biến tần. 2. Mục tiêu nghiên cứu Trong thực tế có nhiều loại tải mang tính thuận nghịch như tải thế năng, một số hệ truyền động có đảo chiều, thiết bị bù... khi đó yêu cầu động cơ trong hệ thống phải làm việc được ở cả bốn góc phần tư, tức là ngoài chế độ động cơ có đảo chiều tốc độ quay ra thì phải có khả năng thực hiện trao đổi được năng lượng hai chiều. Yêu cầu của bộ biến tần này là biến đổi năng lượng từ một chiều sang 2 xoay chiều hay làm việc ở chế độ nghịch lưu. Trong trường hợp sử dụng chỉnh lưu PWM, khi góc điều khiển nằm giữa 0 và /2 bộ chỉnh lưu PWM làm việc ở chế độ chỉnh lưu, còn khi góc điều khiển nằm giữa /2 đến thì bộ chỉnh lưu PWM làm việc ở chế độ nghịch lưu và năng lượng từ phía tải được chuyển về lưới xoay chiều. Các bộ biến tần như vậy được gọi là biến tần bốn góc phần tư. Được sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS. Đoàn Quang Vinh – PGĐ Đại học Đà Nẵng, Tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu hệ thống truyền động điện động cơ đồng bộ 4 góc phần tƣ sử dụng chỉnh lƣu PWM và nghịch lƣu đa mức với C.M cực tiểu”. 2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu: - Hệ thống truyền động điện động cơ đồng bộ 4 góc phần tư sử dụng chỉnh lưu PWM và nghịch lưu đa mức với C.M cực tiểu. + Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu về hệ truyền động động cơ điện đồng bộ 3 pha và phương thức điều chế PWM. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Xây dựng hệ thống biến tần 4 góc phần tư sử dụng Chỉnh lưu PWM và nghịch lưu đa bậc với C.M cực tiểu – Động cơ đồng bộ. - Nghiên cứu lý thuyết về bộ chỉnh lưu đa mức, nghịch lưu đa mức và động cơ đồng bộ 3 pha. - Xây dựng mô hình toán học của hệ thống. - Dựa trên mô hình toán học đưa ra phương pháp điều chế. - Mô phỏng trên phần mềm matlab Simulink, plecs, psim để kiểm nghiệm. 3 5. Bố cục đề tài Với đề tài “Nghiên cứu hệ thống truyền động điện động cơ đồng bộ 4 góc phần tƣ sử dụng chỉnh lƣu PWM và nghịch lƣu đa mức với C.M cực tiểu”. Nội dung: được trình bày trong 4 chương: - Chương 1:Tổng quan về hệ truyền động điện xoay chiều biến tần đa mức - Chương 2: Nghiên cứu chỉnh lưu PWM - Chương 3: Xây dựng cấu trúc điều khiển nghịch lưu đa mức - Chương 4: Xây dựng cấu trúc điều khiển nghịch lưu và cấu trúc hệ truyền động biến tần 4Q - động cơ đồng bộ. - Để có thể hoàn thành luận văn này, Em đã đã nghiên cứu dưới sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của Thầy giáo PGS.TS Đoàn Quang Vinh và sự giúp đỡ của gia đình, đồng nghiệp, Thầy cô giáo trong bộ môn Tự động hóa Trường đại học Bách khoa Đà Nẵng - Em xin chân Thành cảm ơn Thầy giáo Đoàn Quang Vinh và các thầy cô giáo trong bộ môn Tự động hóa Đại học bách khoa Đà Nẵng. 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU 1.1. CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 1.1.1. Giới thiệu chung 1.1.2. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ (1.1) 1.1.3. Hệ thống điều tốc biến tần – động cơ xoay chiều 1.2. SƠ LƢỢC VỀ CÁC BỘ BIẾN TẦN DÙNG DỤNG CỤ BÁN DẪN CÔNG SUẤT 1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được. Do quá trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp 1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển. Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu PWM - Bộ nghịch lưu thực hiện đồng thời điều tần và điều áp, không liên quan đến tham số của linh kiện khâu trung gian một chiều, đã làm tăng độ tác động nhanh trạng thái động của hệ thống; 1.3. BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƢ 1.3.1. Các tồn tại của bộ biến tần thông thƣờng 1.3.2 Biến tần bốn góc phần tƣ 5 CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU CHỈNH LƢU PWM 2.1. KHÁI QUÁT VỀ CHỈNH LƢU PWM 2.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BIẾN TẦN NGUỒN ÁP BỐN GÓC PHẦN TƢ DÙNG CHỈNH LƢU PWM CLPWM NL L ĐB Hình 2.1. Sơ đồ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM 2.3. MÔ TẢ TOÁN HỌC CHỈNH LƢU PWM ia + ib + ic = 0 (2.1) 2.3.1. Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM 2.3.2. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ 3 pha 2.3.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ cố định 2.3.4. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trên hệ tọa độ quay d-q 2.3.5. Tính toán công suất chỉnh lƣu PWM 2.4. PHẠM VI VÀ GIỚI HẠN THAM SỐ CỦA CHỈNH LƢU PWM 2.4.1. Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều Udcmin > Ud0 = 2,34Ufa (2.13) 2.4.2. Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm Điều kiện điện áp một chiều cực tiểu sẽ là 6 √ [ ( ) ] (2.16) √ (2.17) 2.5. ƢỚC LƢỢNG CÁC ĐẠI LƢỢNG VECTOR CƠ BẢN 2.5.1. Ƣớc lƣợng vector điện áp đầu vào | | [ Giá trị góc tọa độ , ]| | (2.19) của điện áp là √ (2.20) √ } 2.5.2. Ƣớc lƣợng vector từ thông ảo ∫( ) ∫( ) } (2.21) Trong đó: √ √ ( ( ( ) )) } (2.22) 7 2.6. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƢU PWM ình 2.14. Hệ truyền động động cơ xoay chiều - biến tần dùng chỉnh lưu PWM với các phương pháp điều khiển 2.7. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƢU PWM ĐỊNH HƢỚNG THEO VECTOR ĐIỆN ÁP 2.7.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp dựa vào dòng điện (VOC) T Đo đòng điện Hình 2.15. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC 8 Khi chọn trục d trùng với vector điện áp lưới ̅ , khi đó ULd = UL, còn ULq = 0. Phương trình 2.9 được rút gọn (với giả thiết R 0): } (2.23) 2.7.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC √ (2.24) √ Giá trị L và L } được tính theo 2.21. 2.8. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƢU PWM THEO PHƢƠNG PHÁP TRỰC TIẾP CÔNG SUẤT DPC 2.8.1. Ƣớc lƣợng công suất theo vector điện áp * √ ( ( + , * ) [ ( + ) ( )]- (2.26) ) (2.27) Giá trị điện áp UL được tính theo (2.19) | | [ ]| | (2.28) 2.8.2. Ƣớc lƣợng công suất theo vector từ thông ảo 2.8.3. Đặc điểm cơ bản của điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh lƣu PWM DPC cũng có đặc điểm riêng, không thể áp dụng một cách máy móc điều khiển DTC cho DPC. Cụ thể: Tần số điện áp nguồn là không đổi khác với DTC biến thiên dải rộng. Giá trị tức thời công 9 suất tác dụng và phản kháng bị ảnh hưởng nhiều vào vị trí vector điện áp và sự thay đổi của dòng điện cả về pha lẫn biên độ. 2.8.4. Bộ điều khiển công suất Bộ điều khiển công suất có đặc tính trễ có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của hệ: sóng hài bậc cao dòng điện, tần số đóng cắt, dao động đập mạch công suất và tổn thất công suất. 2.8.5. Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt Bảng 2.1. Bảng đóng cắt cho DPC với bộ điều khiển hai mức, 12 vùng vector d d Sect Sect Sect Sect Sect Sect Sect Sect Sect Sect Sect Sect p q or 1 or 1 or 1 or 1 or 1 or 1 or 1 or 1 or 1 or 1 or 1 or 1 0 101 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001 1 1 110 111 010 000 011 111 001 000 101 111 100 000 0 101 100 100 110 110 010 010 011 011 0101 001 101 0 1 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 101 100 Có thể mô tả bằng biểu thức toán học cho phân vùng vector: ( ) ( ( ) ( ) } ) (2.31) 2.8.6. Tổ hợp vector điện áp Bảng 2.2. Sự tăng giảm p và q theo U Uk-2 q p Uk-1 Uk Uk+1 Uk+2 Uk+3 U0 U7 10 Trên bảng .2.2, ký hiệu ( ) tăng, ( ) giảm, ( ( ) tăng lớn và ) giảm lớn. Ta thấy sự tăng và giảm lớn đối với q và p chỉ xảy ra ở 2 vector. Kết luận: Chỉnh lưu PWM đáp ứng được yêu cầu trao đổi công suất hai chiều giữa lưới điện xoay chiều và phía một chiều đầu ra bộ chỉnh lưu. Ngoài ra sử dụng chỉnh lưu PWM cho phép giảm đáng kể sóng hài bậc cao trong dòng điện lưới, tăng hiệu suất, có khả năng điều chỉnh được hệ số công suất. 2.9. MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA CHỈNH LƢU PWM 2.9.1. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng chỉnh lƣu PWM Hình 2.25. Sơ đồ mô phỏng khối điều khiển chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC 11 Hình 2.28. Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình 2.25 2.9.2. Các kết quả mô phỏng chỉnh lƣu PWM Udc(V) t(s) Hình 2.29. Điện áp một chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC ua(V), ia(A) t( Hình 2.30. Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC CHƢƠNG 3 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU ĐA MỨC 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC BỘ NGHỊCH LƢU Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều. 12 3.2. CẤU HÌNH CỦA BỘ NGHỊCH LƢU ÁP HAI BẬC Uan + Ubn + Ucn = 0 (3.1) (3.3) Vì vậy, điện áp pha tải và điện áp dây được tính: ; ; (3.4) Uab = Ua0 – Ub0 ; Ubc = Ub0 – Uc0 ; Uca = Uc0 – Ua0 (3.5) (3.6) 3.3. CẤU HÌNH CỦA BỘ NGHỊCH LƢU ÁP ĐA BẬC. 3.3.1. Cấu hình nghịch lƣu dạng Cascade (cascaded inverter) Pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghịch lưu (2N +1) bậc 3.3.2. Cấu trúc nghịch lƣu chứa cặp diode kẹp (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter: NPC) 3.3.3. Cấu trúc phối hợp (Cascaded Diode-Clamped/Hbridge Inverter: DCH Inverter) 3.3.4. Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Inverter) 3.3.5. Nhận xét về các dạng sơ đồ nghịch lƣu đa bậc Trong các dạng sơ đồ vừa nêu tuy mỗi sơ đồ đều có một ưu nhược riêng nhưng thông dụng nhất vẫn là hai dạng: NPC và Cascade. Vì nếu như nhược điểm của sơ đồ phối hợp giữa NPC và Cascade phức tạp trong phương thức điều khiển thì sơ đồ dạng dùng tụ thay đổi lại khó thực hiện bởi vì mỗi nhóm tụ trong mạch được nạp với các mức điện áp khác nhau khi mạch làm việc với số bậc lớn. 13 3.4. CÁC TRẠNG THÁI ĐÓNG NGẮT 3.4.1. Tổng quan  uN0 uao ubo 3 uco (3.8) 3.4.2. Trạng thái đóng ngắt bộ nghịch lƣu áp ba bậc Xét pha A của bộ nghịch lưu áp ba bậc dạng diode kẹp. Với x = a, b, c : Hình 3.10. Pha A của bộ nghịch lưu ba bậc Bảng 3.2. Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu NPC 3 bậc Vout = Vxo Sx1 Sx2 S’x1 S’x2 Udc/2 1 1 0 0 0 0 1 1 0 -Udc/2 0 0 1 1 3.4.3 Trạng thái đóng ngắt cho bộ nghịch lƣu áp năm bậc Ta thấy có năm mức điện áp ra tương ứng với các trạng thái đóng ngắt cho mỗi pha. Vậy có năm trang thái đóng ngắt đóng ngắt 14 linh kiện cho mõi pha, như vậy có 53 = 125 trạng thái đóng ngắt cho ba pha. 3.4.4. Nhận xét Bộ nghịch lưu ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công suất cao. 3.5. BIỆN PHÁP XỮ LÝ ĐIỆN ÁP C.M CỰC TIỂU TRONG NGHỊCH LƢU ĐA MỨC 3.5.1. Giới thiệu các phƣơng án 3.5.2. Triệt bỏ hoàn toàn điện áp common mode “Có thể triệt bỏ hoàn toàn điện áp C.M, nhưng đó không phải là phương thức triệt giảm C.M tối ưu”. Điều này dẫn đến điện áp C.M: ( ) [( ) ( ) ( )] (3.12) 3.5.3. Triệt bỏ một phần điện áp common mode 3.5.4. Hệ thống chỉnh lƣu cầu – nghịch lƣu NPC Động cơ Hình 3.16. Hệ thống chỉnh lưu cầu – nghịch lưu NPC * * ( ) ( ) + (3.13) + (3.14) 15 3.5.5. Chiến lƣợc giảm điện áp C.M 3.5.6. Thực Nghiệm 90V 250V Hình 3.21. Kết quả mô phỏng với phương thức triệt giảm C.M 3.6. XÂY DỰNG PHƢƠNG THỨC TRIỆT GIẢM C.M TỐI ƢU 3.6.1. Giới thiệu phƣơng án 3.6.2. Kỹ thuật triệt giảm common mode phối hợp giữa SVPWM và CPWM (3.14)(*) 3.6.3. Khối tạo tín hiệu kích hoạt(Active Signal Generator) ( ) 3.6.4. Khối Tạo Hàm Offset (Offset Generator) 3.7. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 16 3.7.1. Lựa chọn mạch động lực 3.7.2. Mô phỏng hệ truyền động 3.7.3. Mô phỏng 3.7.4. Kết quả mô phỏng Hình 3.27. Điện áp sin điều khiển ba pha V rx12 Hình 3.28. Dòng tải 3 pha xác lập Hình 3.29. Điện áp pha A – Tâm nguồn DC 17 Hình 3.30. Sóng offset và sóng điều chế pha A Hình 3.31. Giá trị Common Mode chỉ còn 80V đỉnh với tần suất thấp hơn 3.7.5. Kết luận Điện áp C.M đã giảm từ 90 volt (Vmax) xuống còn 80 volt (Vmax) với mật độ xuất hiện xung áp cũng ít hơn và phương thức tính toán cũng đơn giản hơn: 18 CHƢƠNG 4 XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU VÀ CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN 4Q - ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 4.1. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 4.1.1. Mô hình toán học động cơ đồng bộ kích từ dây quấn Mômen trên trục d, q của động cơ đồng bộ và phương trình chuyển động của nó là: ( ) (4.7) 4.1.2. Mô tả toán học động cơ đồng bộ kích từ NCVC Ta có phương trình điện áp: ́ ̂ (4.8) ́ ̂ (4.9) ) (4.10) Phương trình mô men * +( 4.2. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 4.2.1. Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu a. Giới thiệu các loại cấu trúc - Biến tần tự điều khiển sử dụng nghịch lưu dòng chuyển mạch tự nhiên. - Biến tần với nghịch lưu điều chế độ rộng xung hình sin, điều khiển u/f=const. 4.2.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ truyền động
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan