thiết kế bộ biến tần gián tiếp

Sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoaychiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập quá trình thay đổi f2 khôngphụ thuộc vào f1.Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần.Tuynhiê

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHÊ

1.1 Sơ lược về hệ thống biến tần

1.1.1 Khái niệm.

Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử thực hiện chức năng

biến đổi tần số và điện áp một chiều hay xoay chiều nhất định thành dòngđiện xoay chiều có tần số điều khiển được nhờ khoá điện tử

bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter) Như vậy điện áp xoay chiều

U1(f1) chỉ cần qua một van là chuyển ngay ra tải với U2(f2)

Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp chỉ

sử dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp Vìviệc thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc và f1

Ví dụ:

H1.1: Sơ đồ biến tần trực tiếp

Chỉnh lưu Lọc Nghịch lưu

2.Biến tần gián tiếp:

Còn gọi là biến tần độc lập Trong biến tần này đầu tiên điện áp đượcchỉnh lưu thành dòng một chiều Sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoaychiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay đổi f2 khôngphụ thuộc vào f1).Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần.Tuynhiên việc ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kĩ thuật vi xử lí nên ta phát huytối đa các ưu điểm của biến tần loại này và thường sử dụng nó hơn

Ví dụ :

H1.2: Sơ đồ biến tần gián tiếp

H1.3: Sơ đồ khối

* Phân loại biến tần gián tiếp

Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm hailoại sử dụng nghịch lưu dòng và nghịch lưu áp

a) Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng:

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng,dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào dạng dòng điện của nguồn, còndạng áp trên tải tuỳ thuộc vào các thông số của tải quy định.

b) Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp:

Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp(nghĩa là điện trở nguồn bằng 0) Dạng của điện áp trên tải tuỳ thuộc vàodạng của điện áp nguồn, còn dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vàothông số của mạch tải quy định

Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện ápsin hơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn

Bộ biến tần nguồn áp có hai bộ phận riêng biệt, đó là bộ phận độnglực và bộ phận điều khiển

* Phần điều khiển:

Là bộ phận không thể thiếu được, nó quyết định sự làm việc củamạch động lực, để đảm bảo các yêu cầu tần số, điện áp ra của bộ biến tầnđều do mạch điều khiển quyết định

1.2 Sơ lược về động cơ không đồng bộ ba pha.

1.2.1 Nguyên lý hoạt động.

Như đã biết trong vật lí, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau 120trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn day tạo ra trong là một từ trường quay Nếu trong từ trường quay có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện

và làm xuất hiện xuất hiện xuất điện động cảm ứng trong các thanh dẫn

Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc bàn tay phải Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc bàn tay trái và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay.

Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường qua Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường

sẽ quét qua các dây quấn phần cảm ứng nữa nên suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường.

Hình 1.2.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ 3 pha

Nếu gọi tốc độ tốc độ từ trường quay là ( rad/s ) hay n ( vòng/phút ) thì tốc độ quay của roto là ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ; n < n ) Sai lệch tương đối giữa tốc độ gọi là độ trượt :

tần số điện áp đặt lên cuộn dây stato.

Tốc độ là tốc độ lớn nhất mà roto có thể đạt được nếu không có lực cản nào Tốc độ này gọi là tốc độ không tải lý tưởng hay tốc độ đồng bộ.

Ở chế độ động cơ , độ trượt có giá trị 01.

Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối vơi

trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện ấp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ 1.2.a

1.2.a: Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ

Trong đó

-Trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V)

-Dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã quy đổi về stato (A)

- Điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đã quy đổi về stato (Ω)

Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa momen quay và tốc độ của động cơ có dạng:

Với những giá trị khác nhau của s (, phương trình cho những giá trị của trên trục tọa độ sOM như hình vẽ 1.2.b, đó là đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.

Hình 1.2.b: Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K Tại điểm đó:

cong với độ dốc dương Trên đoạn này động cơ làm việc không ổnđịnh.

Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ ω = 0( s = 1 ) và momen mở máy:

(11)

Điểm A ứng với momen cản bằng 0 (và tốc độ đồng bộ:

(12)

1.2.3 Ảnh hưởng của tần số nguồn đến đặc tính cơ:

Khi thay đổi thì theo (5) tốc độ đồng bộ thay đổi, đồng thời cũng thayđổi ( vì X = 2fL ),

Kéo theo sự thay đổi của cả độ trượt tới hạn và momen tới hạn

Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số sth = f(f1) và momen tới hạn theo tần

số Mth= f(f1) là phức tạp nhưng vì ωo và X1 phụ thuộc tỷ lệ với tần số f1

nên có thể từ các biểu thức của sth và Mth rút ra:

(14)

Như vậy Mth sẽ giữ không đổi ở vùng f1 < f1dm Ở vùng f1 > f1dm thìkhông thể tăng điện áp nguồn mà giữ U1 = U1dm nên ở vùng này Mth sẽgiảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số, đồng thời phải điều chỉnh

điện áp theo quy luật = const để giữ cho động cơ không bị quá tải vềcông suất.

Hình 1.2.a : Họ đặc tính cơ khi thay đổi tần số nguồn

Hình 1.2.b : Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi thay đổi tần số nguồn kết

hợp với thay đổi điện áp

1.2.4 Ứng dụng của động cơ không đồng bộ

Ngày nay các hệ thống truyền động điện được sử dụng rất rộngrãi trong các thiết bị hoặc dây truyền sản xuất công nghiệp, trong giaothông vận tải và trong các thiết bị điện dân dụng… Ước tính có khoảng50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi các hệ thống truyền độngđiện.Hệ thống điện có thể hoạt động với tốc độ không đổi hoặc tốc độ thayđổi được Hiện nay có khoảng 75 – 80% các hệ truyền động là loại

hoạt động với tốc độ đổi Với các hệ thống này, tốc độ của động cơ hầunhư không cần điều khiển trừ các quá tŕnh khởi động và hàm Phần còn lại

là các hệ thống có thể điều chỉnh được tốc độ để phối hợp đặc tính động

cơ với đặc tính tải theo yêu cầu Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuậtbán dẫn công suất lớn và kỹ thuật vi xử lý, các hệ thống điều tốc sửdụng kỹ thuật điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi và công

cụ không thể thiếu trong quá tŕnh tự động hóa

Động cơ không đồng bộ có nhiều ưu điểm như sau: kết cấu đơn giản,làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ, có khả năng làm việctrong môi trường độc hại hoặc nơi có khả năng cháy nổ cao Vì những ưuđiểm này nên động cơ không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong cácngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW.Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường dùng làm nguồn độnglực cho các máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở các nhàmáy công nghiệp nhẹ… Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm haymáy gia công nông sản phẩm Trong đời sống hàng ngày, động cơ khôngđồng bộ ngày càng chiếm một vị trí quan trọng với nhiều ứng dụng như:quạt gió, động cơ trong tủ lạnh, trong máy điều hòa… Tóm lại cùng với sựphát triển của nền sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụngcủa động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi

Bên cạnh đó thì nhược điểm của động cơ không đồng bộ là so vớimáy điện một chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều gặp nhiều khókhăn bởi vì các thông số của máy điện xoay chiều là các thông số biến đổitheo thời gian cũng như bản chất phức tạp về mặt cấu trúc của động cơđiện xoay chiều

Để có thể điều khiển độc lập từ thông và momen của động cơ điệnxoay chiều đòi hỏi một hệ thống tính toán cực nhanh và chính xác trongviệc quy đổi các giá trị xoay chiều về các biến đơn giản Vì vậy cho đếngần đây, phần lớn động cơ xoay chiều làm việc với các ứng dụng cótốc độ không đổi do các phương pháp điều khiển trước đây dùng cho

máy điện thường đắt và có hiệu suất kém

1.2.5 Khả năng dùng động cơ xoay chiều thay thế động cơ điện một chiều

Những khó khăn trong việc ứng dụng động cơ điện xoay chiều chính

là làm thế nào để có thể dễ dàng điều khiển được tốc độ của nó như việcđiều khiển động cơ một chiều Vì vậy một tư tưởng về việc biến đổi mộtmáy điện xoay chiều thành một máy điện một chiều trên phương diện điềukhiển đã ra đời Đây chính là điều khiển vector Điều khiển vector sẽ chophép điều khiển từ thông và momen hoàn toàn độc lập với nhau thông quađiều khiển giá trị tức thời của dòng ( động cơ tiếp dòng ) hoặc giá trị tứcthời của áp ( động cơ tiếp áp )

Điều khiển vecto cho phép tạo ra những phản ứng nhanh và chính xáccủa cả từ thông và momen trong cả quá trình quá độ cũng như quá trìnhxác lập của máy điện xoay chiều giống như máy điện một chiều Cùng với

sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn và những bộ vi xử lư có tốc độ nhanh vàgiá thành hạ, việc ứng dụng của điều khiển vector ngày càng được sử dụngrộng rãi trong nhiều hệ truyền động và đã trở thành một tiêu chuẩn côngnghiệp

Với sự phát triển nhanh chóng, ngành công nghiệp tự động luôn đòihỏi sự cải tiến thường xuyên của các loại hệ truyền động khác nhau.Những yêu cầu cải tiến cốt yếu là tăng độ tin cậy, giảm khả năng tiêu thụđiện năng, giảm thiểu chi phí bảo dưỡng, tăng độ chính xác và tăng khảnăng điều khiển phức tạp Vì vậy, những hệ truyền động với động cơ điệnmột chiều đang dần bị thay thế bởi những hệ truyền động với động cơxoay chiều sử dụng điều khiển vector Lý do chính để sử dụng rộngrãi động cơ một chiều trước kia là khả năng điều khiển độc lập từthông và momen cũng như cấu trúc hệ truyền động khá đơn giản Tuynhiên chi phí mua và bảo trì động cơ cao, đặc biệt là khi số lượng máyđiện phải dùng lớn Trong khi đó, các ứng dụng thực tế của lư thuyếtđiều khiển vector đã được thực hiện từ những năm 70 với các mạch điều

khiển liên tục Nhưng các mạch liên tục không thể đáp ứng được sự đòihỏi phải chuyển đổi tức thời của hệ quy chiều quay do điều này đ đi hỏi mộtkhối lượng tính toán trong một thời gian ngắn Sự phát triển của nhữngmạch vi xử lư đã làm thay đổi việc ứng dụng của lý thuyết điềukhiển vector Khả năng tối ưu trong điều khiển quá độ của điều khiểnvector là nền móng cho sự phát triển rộng rãi của các hệ truyền động xoaychiều vì ( giá thành của động cơ xoay chiều rẻ hơn so với động cơ mộtchiều ).

Ngoài những phát triển trong điều khiển vector, một sự pháttriển đáng chú ý khác chính là phát triển mạng neural ( neural network )

và logic mờ ( fuzzy logic ) vào điều khiển vector đang là những đề tàinghiên cứu mới trong nghiên cứu truyền động Hai kỹ thuật điều khiểnmới này sẽ tạo nên những cải tiến vượt bậc cho hệ truyền động xoay chiềutrong một tương lai gần Triển vọng ứng dụng rộng răi của hai kỹ thuậtnày phụ thuộc vào sự phát triển của bộ vi xử lý bán dẫn(Semiconductor Microprocessor )

Với sự phát triển mạnh mẽ của các bộ biến đổi điện tử công suất, một

lý thuyết điều khiển máy điện xoay chiều khác hẳn với điều khiển vector

đã ra đời Đó là lý thuyết điều khiển trực tiếp momen lực ( Direct TorqueContro ) hay viết tắt là DTC do giáo sư Noguchi Takahashi đưa ra vào

năm 80 Tuy nhiên kỹ thuật DTC vẫn chưa hoàn hảo và cần được cuốinghiên cứu thêm

1.3 Các phương pháp điều khiển biến tần

1.3.1 Phương pháp điều chế cổ điển (điều khiển 6 nấc)

Nghịch lưu áp ba pha được ghép từ 3 sơ đồ nghịch lưu một pha cóđiểm trung tính Để đơn giản hoá nghiên cứu ta giả thiết:

-Van lý tưởng đóng mở tức thì

-Nguồn có nội trở nhỏ vô cùng và dẫn điện theo hai chiều

-Van động lực cơ bản (T1, T2, T3, T4, T5, T6) làm việc với chế độ dẫn

-Như vậy T1,T4 lệch nhau 180 để tạo ra pha A

-Như vậy T3,T6 lệch nhau 180 để tạo ra pha B

-Như vậy T5,T2 lệch nhau 180 để tạo ra pha C

Các pha lệch nhau 120

Giá trị hiệu dụng của điện áp pha là :

2 2 0

Suy ra:

1.3.2 Phương pháp điều chế PWM trong nghịch lưu áp 3 pha

Các bộ nghịch lưu áp thường điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế

độ rộng xung PWM và qui tắc kích đóng đối nghịch Qui tắc kích đóngđối nghịch đảm bảo dạng điện áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ

13

kích đóng công tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn chếtối đa các ảnh hưởng bất lợi của các sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải.Phụ thuộc vào phương pháp thiết lập giản đồ kích đóng các công tác trong

bộ nghịch lưu áp ta có thể phân biệt các dạng điều chế độ rộng xung khácnhau

Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu.

+ Chỉ số điều chế m : là tỉ số giữa biên độ thành phần hài cơ bản tạo nênbởi phương pháp điều khiển và biên độ thành phần hài cơ bản đạt đượctrong phương pháp điều kiển 6 bước

d

m step

s m

m

V

u u

u m

π

2

1 1

Để đánh giá chất lượng PWM không phụ thuộc vào tải,ta có thể sử

dụng đại lượng độ méo dạng dòng điện:

1

1

n n

I I I

Giả sử tải xoay chiều gồm sức điện độngcảm ứng và cảm kháng tảnmắc nối tiếp, độ méo dạng dòng điện có thể viết lại dưới dạng:

2

2 1 1

1 2

2 1

1

1

.

1

n

n n

n n

n

hRMS

n

U U

L n

U U

L I

I I

I

σ

σ

ω ω

Kết quả đạt được không phụ thuộc vào tham số của tải

Khi sử dụng phương pháp điều khiển 6 bước , độ méo dạng dòng điện

có thể xác định bằng giá trị sau:

14

0464 , 0

Để sử dụng phương pháp PWM , có thể sử dụng độ méo dạng chuẩn

hóa theo phương pháp 6 bước, lúc đó hệ số méo dạng dòng điện qui chuẩn

Để đánh giá ảnh hưởng từng sóng hài trong phương pháp PWM , ta

có thể sử dụng tham số phổ từng sóng hài dòng điện Nếu sử dụng phương

pháp điều chế đồng bộ với tần số kích đóng linh kiện fs bằng số nguyênlần(N) tần số sóng hài cơ bản:

hRMS

I

kf I

kf h

Hệ số sóng hài không phụ thuộc vào tham số tải

Hệ số méo dạng biểu diễn qua các hệ số sóng hài như sau:

∑

≠

=

1 1

2 ( )

k

kf h d

15

Nếu sử dụng kỹ thuật PWM không đồng bộ,ta có thể phân tích Fourierphổ dòng điện theo các biến tần số rời rạc khi mà sóng hài dòng điện xuấthiện theo biến tần số liên tục.Trường hợp này ta có thể sử dụng khái niệm

2 ( ).

f f

h d

Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt:

Công suất tổn hao xuất hiện trên linh kiện bao gồm hai thành phần:tổn hao công suất khi linh kiện ở trạng thái dẫn điện Pon và tổn hao côngsuất động Pdyn Tổn hao công suất động tăng lên khi tần số đóng ngắt củalinh kiện tăng lên

Tần số đóng ngắt của linh kiện khôn thể tăng lên tùy ý vì những lý dosau:

- Công suất tổn hao linh kiện tăng lên tỉ lệ với tần số đóng ngắt

- Linh kiện công suât lớn tổn hao đóng ngắt lớn hơn

* Điều chế độ rộng xung ba pha:

Đối với nghịch lưu áp ba pha luật điều chế sẽ như sau:

Pha A: (∆t 1A – ∆t 2A )/T s =µ sinωt

Pha B: (∆t 1B – ∆t 2B )/T s =µ sin(ωt-2π/3)

Pha C: (∆t 1C – ∆t 2C )/T s =µ sin(ωt+2π/3)

∆t 1 tương ứng với thời gian dẫn điện của nhóm van anot chung(T1,T3,T5 )

∆t 2 là thời gian dẫn điện của nhóm van catot chung(T2,T4,T6)

Đối với PWM luật điều khiển sẽ như sau: Các van trong cùng mộtnhóm sẽ được mở cùng một lúc ở thời điểm ban đầu của chu kỳ Ts Nhưngcác van sẽ cùng được đóng lại ở những thời điểm khác nhau tương ứngvới luật điều biến (tương ứng với độ rộng ∆t1 và ∆t2) Điều này đảm bảotrong mỗi chu kỳ tần số chuyển mạch luôn có những đoạn mà điện áp rabằng không Do đó dạng điện áp ra sẽ không phụ thuộc vào đặc tính củatải và các sóng điều hòa bậc cao là bội số của tần số chuyển mạch sẽkhông tồn tại trong điện áp ra của nghịch lưu

1.3.3.Phương pháp điều biến độ rộng vector ( PWM 2, hay còn gọi là SVM : Space Vector Modules)

* Khái niệm về véc tơ không gian

16

Vector không gian của áp ba pha : là cơ sở của kĩ thuật điều chếvector không gian, mô tả hoạt động hệ thống ba pha dưới dạng véctor Ta

Kỹ thuật điều chế rộng xung hình sin (đã nêu ở trên)với tần số sóngmang là Fc= N* Fo, hệ thống gồm N véctơ trạng thái nằm trên đường tròn

có bán kính thay đổi theo điện áp ra mong muốn

Kĩ thuật điều chế rộng xung vecto không gian là mô tả các vectortrạng thái này theo các véctơ của nghịch lưu sáu nấc thang Để có đượcbiên độ áp ra mong muốn, ta bổ sung thêm hai trạng thái tương ứng với bavan S1,S3,S5 cùng đóng và cùng ngắt, tương ứng với hai véctơ V0 và V7(có độ lớn bằng 0) Kết quả là chúng ta tạo được véctơ chuyển mạch V*(hay Vs)

17

Ví dụ như trên hình sau, véc tơ điện áp Vuuur*

3 3

Tần số điện áp ngõ ra định mức của bộ nghịch lưu: Fout

Tần số đóng cắt của bộ nghịch lưu tại tần số ngõ ra định mức Fpwm

Trong mỗi một chu kì của điện áp ra cứ mỗi 60% ta có một sector

19

Số lần lấy mẫu trong mỗi một sector được gọi là x

Ta có

1

*

6T out = x T s

Để cho số lần chuyển mạch là ít nhất ta chọn x chia hết cho 2:

Trường hợp x = 2 Ta có Giản đồ trong Sector1

Trường hợp x = 4 Giản đồ trong Sector1

Biểu đồ hiển thị sự đóng ngắt các van trong một chu kì

20

Chỉ số điều chế

Điều kiện để các tính toán có ý nghĩa thì Tc > Ta +Tb, tương ứng ứngvéctơ V* nằm trong hình lục giác đều cạnh là V Suy ra biên độ áp điềukhiển cực đại V* là :

V*=2/3 Vdc cos(PI/6) =0.577Vdc

Suy ra chỉ số điều chế : m = 0.90

Giảng viên hướng dẫn Sinh viên.