nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần tư - động cơ không đồng bộ

2 Hệ thống điều tốc kiểu tái sinh - một bộ phận của cơng suất trượt bị tiêu hao đi, phần lớn cịn lại nhờ cĩ thiết bị chỉnh lưu - nghịch lưu được trả về lưới điện xoay chiều hoặc chuyển h

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4 GĨC

Trang 2

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN HỆ BIẾN TẦN- ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ

1.1 CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

1.1.1 Giới thiệu chung

Trong thực tế, để truyền động cho những cơ cấu sản xuất người ta sử dụng các động cơ làm cơ cấu chấp hành Trước đây, các hệ thống truyền động điện cĩ yêu cầu cao

về chất lượng điều chỉnh tốc độ, thường dùng động cơ điện một chiều Tuy nhiên loại động cơ này cĩ nhiều nhược điểm so với động cơ điện xoay chiều, nên phương án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhưng cịn hạn chế Đến thập kỷ 80 hướng nghiên cứu ấy đã đạt được thành tựu lớn, và từ đĩ tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ngày một tăng lên Trong các ngành cơng nghiệp đã thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều Hiện nay, với khả năng thiết kế các bộ điều khiển hiện đại, nhờ cải tiến, ứng dụng khơng ngừng các bộ biến đổi bán dẫn cơng suất lớn, động cơ dịng xoay chiều đã trở thành một đối tượng điều khiển cĩ ưu thế và vì vậy, các hệ thống truyền động điện đã sử dụng động cơ xoay chiều như một đối tượng thân thiện cĩ nhiều ưu điểm vượt trội

Động cơ điện xoay chiều cĩ thể phân làm hai nhĩm: động cơ xoay chiều khơng đồng bộ và động cơ xoay chiều đồng bộ Trong động cơ xoay chiều khơng đồng bộ cĩ động cơ rotor lồng sĩc và động cơ rotor dây quấn Trong động cơ xoay chiều đồng bộ cĩ động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (thường là loại cực ẩn) và động cơ kích từ bằng nam châm điện (cực lồi) Mỗi loại động cơ đều cĩ những ưu điểm và nhược điểm nhất định và các phương pháp điều chỉnh tốc độ khơng hồn tồn giống nhau

1.1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ khơng đồng bộ

Để điều chỉnh tốc độ (điều tốc) động cơ khơng đồng bộ cĩ rất nhiều phương pháp, chẳng

Trang 3

Động cơ khơng đồng bộ làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng, trong đĩ khơng cĩ sự phân

ly giữa phần cảm và phần ứng Từ thơng động cơ và mơ men là các hàm phi tuyến của nhiều biến Chính vì vậy mà trong định hướng xây dựng các hệ truyền động khơng đồng

bộ người ta thường cĩ xu hướng tiếp cận với các đặc tính điều chỉnh của động cơ điện kích từ độc lập Để cĩ thể đưa ra các phương pháp chung trong điều khiển, hãy xét phương trình cân bằng cơng suất của động cơ khơng đồng bộ:

Pđt = Pcơ + ∆Ps Trong đĩ: Pđt là cơng suất điện từ truyền từ stator sang rotor

Pcơ là cơng suất cơ

∆Ps là tổn hao đồng trên điện trở mạch rotor

Như vậy với một mơ men tải xác định, muốn điều chỉnh tốc độ động cơ khơng đồng bộ chủ yếu chỉ cĩ hai hướng hoặc là điều chỉnh tốc độ đồng bộ, hoặc là điều chỉnh cơng suất tổn hao ∆P Dựa vào cách xử lý cơng suất trượt trong máy điện, các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ khơng đồng bộ được phân ra 3 loại là hệ thống điều tốc tiêu hao cơng suất trượt, hệ thống điều tốc kiểu tái sinh và hệ thống điều tốc cơng suất trượt khơng thay đổi Hiệu suất của 3 kiểu này được tăng lên theo thứ tự trên Dựa vào cách xử

lý cơng suất trượt trong máy điện, các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ khơng đồng bộ được phân ra 3 loại là hệ thống điều tốc tiêu hao cơng suất trượt, hệ thống điều tốc kiểu tái sinh và hệ thống điều tốc cơng suất trượt khơng thay đổi Hiệu suất của 3 kiểu này được tăng lên theo thứ tự trên

Trang 4

1) Hệ thống điều tốc tiêu hao cơng suất trượt- tồn bộ cơng suất trượt chuyển thành nhiệt năng tiêu hao mất Ba phương pháp điều tốc (1), (2), (3) kể trên đều thuộc về loại này Hiệu suất hệ thống điều tốc của các loại này là thấp nhất và chấp nhận tổn thất cơng suất

để đổi lấy việc giảm tốc độ quay (lúc mơmen phụ tải khơng đổi), tốc độ càng xuống thấp thì hiệu suất càng giảm, nhưng cấu trúc của hệ thống này là đơn giản nhất, vì thế nĩ vẫn được dùng trong một số trường hợp, ví dụ trong các hệ thống cầu trục

2) Hệ thống điều tốc kiểu tái sinh - một bộ phận của cơng suất trượt bị tiêu hao đi, phần lớn cịn lại nhờ cĩ thiết bị chỉnh lưu - nghịch lưu được trả về lưới điện xoay chiều hoặc chuyển hố thành dạng cơ năng để dùng vào việc cĩ ích khác, khi tốc độ quay càng thấp cơng suất thu hồi cũng càng nhiều, phương pháp điều tốc thứ (4) đã kể trên là thuộc loại này Hiệu suất của hệ thống điều tốc loại này rõ ràng là cao hơn loại hệ thống điều tốc tiêu hao cơng suất trượt nhưng phải thêm thiết bị chỉnh lưu - nghịch lưu nên lại phải tiêu hao một phần cơng suất

3) Hệ thống điều tốc cơng suất trượt khơng thay đổi - trong hệ thống này khơng tránh khỏi tiêu hao cơng suất trên dây dẫn rotor, nhưng sự tiêu hao cơng suất trượt hầu như khơng phụ thuộc vào tốc độ cao hay thấp, vì thế hiệu suất khá cao Phương pháp điều tốc thay đổi số đơi cực và phương pháp điều tốc biến tần thuộc loại này Phương pháp điều tốc thay đổi số đơi cực là phương pháp điều chỉnh cĩ cấp, phạm vi điều chỉnh hẹp, ít dùng

Phương pháp điều tốc biến tần được ứng dụng rộng rãi nhất vì nĩ cho phép điều chỉnh trơn với phạm vi rộng, cĩ khả năng xây dựng được các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều cĩ chất lượng cao, cĩ thể thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều và do đĩ cĩ khả năng phát triển hơn cả Hệ thống điều tốc biến tần động cơ khơng đồng bộ cĩ phạm vi ứng dụng rộng cả về lĩnh vực và cơng suất, từ cơng suất cực nhỏ đến cơng suất rất lớn (hàng MW)

1.1.3 Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều

Trong các hệ thống điều tốc biến tần cho động cơ xoay chiều vấn đề đầu tiên phải giải quyết là thơng qua điện áp (hoặc dịng điện) và tần số để điều khiển được mơ men Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi cơng suất truyền động, vào hướng điều

Trang 5

chỉnh mà cĩ các loại biến tần và phương pháp khống chế biến tần khác nhau Trong thực

tế các bộ biến tần được chia làm hai nhĩm:

Các bộ biến tần là biến tần trực tiếp và các bộ biến tần gián tiếp cĩ khâu trung gian một chiều

Trước đây, các hệ truyền động dùng biến tần trực tiếp do chất lượng điện áp đầu ra thấp nên thường dùng ở lĩnh vực cơng suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất được đặt lên hàng đầu Ngày nay, với sự phát triển của điện tử cơng suất và kỹ thuật vi điều khiển, phương pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lượng điện áp ra cao, giảm ảnh hưởng xấu đến lưới điện nên phạm vi ứng dụng đang ngày càng được mở rộng Được ứng dụng nhiều nhất hiện nay vẫn là các hệ điều tốc biến tần dùng bộ biến tần gián tiếp, các bộ biến tần loại này cĩ thể khống chế theo các phương pháp khác nhau: điều chế độ rộng xung (PWM); điều khiển vector; điều khiển trực tiếp mơ men

Biến tần điều chế độ rộng xung (PWM) với việc điều khiển điện áp và tần số theo qui luật

U1/f1 = const dễ thực hiện nhất, đường đặc tính cơ biến tần của nĩ về cơ bản là tịnh tiến lên xuống, độ cứng cũng khá tốt, cĩ thể thoả mãn yêu cầu điều tốc thơng thường, nhưng khi tốc độ giảm thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm tản cuộn dây ảnh hưởng đáng kể đến mơ men cực đại của động cơ, buộc phải tiến hành bù sụt điện áp cho mạch stator Điều khiển Ef/ω1 = const là mục tiêu để bù điện áp thơng dụng với U1/ω1 = const, khi ở trạng thái ổn định cĩ thể làm cho từ thơng khe hở khơng khí khơng đổi ( m = const), từ

đĩ cải thiện được chất lượng điều tốc ở trạng thái ổn định Nhưng đường đặc tính của nĩ vẫn là phi tuyến, khả năng quá tải về mơmen quay vẫn bị hạn chế

Hệ thống truyền động điều khiển Ef/ω1 = const cĩ thể nhận được đường đặc tính cơ tuyến tính giống như ở động cơ một chiều kích thích từ độc lập, nhờ đĩ cĩ thể thực hiện điều tốc với chất lượng cao Dựa vào yêu cầu tổng từ thơng của tồn mạch rotor rm = const

để tiến hành điều khiển cĩ thể nhận được Ef/ω1 = const Trong trạng thái ổn định và trạng thái động đều cĩ thể duy trì Ef/ω1 = const là mục đích của điều tốc biến tần điều khiển vec

tơ, đương nhiên hệ thống điều khiển của nĩ là khá phức tạp Dựa trên kết quả từ 2 hạng mục nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hướng từ trường động cơ khơng đồng bộ”

Trang 6

do F Blaschke của hãng Siemens Cộng hồ Liên bang Đức đưa ra vào năm 1971, và

“Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cơ cảm ứng” do P.C Custman và A.A Clark ở Mỹ cơng bố trong sáng chế phát minh của họ, qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành được hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay đã trở nên rất phổ biến

1.2 SƠ LƯỢC VỀ CÁC BỘ BIẾN TẦN DÙNG DỤNG CỤ BÁN DẪN CƠNG SUẤT

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

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hệ biến tần trực tiếp

Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều được tạo bởi mạch điện mắc song song ngược hai sơ đồ chỉnh lưu tiristor (hình 1.2) Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận ngược lần

Biến tần xoay chiều – xoay chiều

~ 3 f1, U1

Sơ đồ chỉnh lưu thuận

Sơ đồ chỉnh lưu ngược

Tải

~ 3 f1, U1

Trang 7

lượt được điều khiển làm việc theo chu kỳ nhất định Trên phụ tải sẽ nhận được điện áp ra xoay chiều u(t) Biên độ của nĩ phụ thuộc vào gĩc điều khiển α, cịn tần số của nĩ phụ thuộc vào tần số khống chế quá trình chuyển đổi sự làm việc của hai sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược Nếu gĩc điều khiển khơng thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra cĩ giá trị khơng đổi trong mỗi nửa chu kỳ điện áp đầu ra Muốn nhận được điện áp đầu ra cĩ dạng gần hình sin hơn cần phải liên tục thay đổi gĩc điều khiển các van của mỗi sơ đồ chỉnh lưu trong thời gian làm việc của nĩ (mỗi nửa chu kỳ điện áp ra); chẳng hạn ở nửa chu kỳ làm việc của sơ đồ thuận, thực hiện thay đổi gĩc điều khiển α từ П/2 (ứng với điện

áp trung bình bằng khơng) giảm dần tới 0 (ứng với điện áp trung bình là cực đại), sau đĩ lại tăng dần từ 0 lên tới П/2 thì điện áp trung bình đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu lại từ giá trị cực đại giảm về 0, tức là làm cho gĩc thay đổi trong phạm vi П/2 - 0 - П/2, để điện áp biến đổi theo quy luật gần hình sin, như trên hình 1.3 Trong đĩ, tại điểm A cĩ α = 0, điện

áp chỉnh lưu trung bình cực đại, sau đĩ tại các điểm B, C, D, E gĩc tăng α dần lên, điện

áp trung bình giảm xuống dần, cho đến điểm F với α = П/2 điện áp trung bình là 0 Điện

áp trung bình trong nửa chu kỳ là hình sin trong hình vẽ thể hiện bằng nét đứt

Sự điều khiển sơ đồ ngược trong nửa chu kỳ âm điện áp ra cũng tương tự như thế

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

Trên đây đã phân tích đầu ra một pha biến tần xoay chiều - xoay chiều (trực tiếp), đối với phụ tải ba pha, hai pha khác cũng dùng mạch điện đảo chiều mắc song song ngược, điện áp trung bình đầu ra cĩ gĩc pha lệch nhau 1200 Như vậy, nếu mỗi một sơ đồ chỉnh lưu đều dùng loại sơ đồ cầu ba pha thì bộ biến tần ba pha sẽ cần tổng cộng tới 36 tiristor (mỗi nhánh cầu chỉ dùng một tiristor), nếu dùng loại sơ đồ tia ba pha, cũng phải

Trang 8

dùng tới 18 tiristor Vì vậy thiết bị biến tần trực tiếp tuy về mặt cấu trúc chỉ dùng một khâu biến đổi, nhưng số lượng linh kiện lại tăng lên rất nhiều, kích thước tổng tăng lên rất lớn Do những thiết bị này đều tương tự như thiết bị của bộ biến đổi cĩ đảo dịng thường dùng trong hệ thống điều tốc một chiều cĩ đảo chiều nên quá trình chuyển mạch chiều dịng điện được thực hiện giống như trong sơ đồ chỉnh lưu cĩ điều khiển (chuyển mạch tự nhiên), đối với các linh kiện khơng cĩ các yêu cầu gì đặc biệt Ngồi ra, từ hình 1.3 cĩ thể thấy, khi điện áp đổi chiều đồ thị hình sin của điện áp nguồn cũng cĩ thể biến đổi theo rất nhanh chĩng, vì vậy tần số đầu ra lớn nhất cũng khơng vượt quá 1/3 1/2 tần số lưới điện (tuỳ theo số pha chỉnh lưu), nếu khơng, đồ thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hưởng tới

sự làm việc bình thường của hệ thống điều tốc biến tần Do số lượng linh kiện tăng lên nhiều, tần số đầu ra giảm xuống, phạm vi thay đổi tần số đầu ra của bộ biến tần hẹp (vì cũng bị giới hạn cả tần số thấp nhất) nên hệ điều tốc này ít được dùng, chỉ trong một số lĩnh vực cơng suất lớn và cần

tốc độ làm việc thấp, chẳng

hạn như máy cán thép, máy

nghiền bi, lị xi măng,

những loại máy này khi dùng

động cơ tốc độ thấp được cấp

điện bởi biến tần trực tiếp cĩ

thể loại bỏ được hộp giảm tốc

rất cồng kềnh và thường dùng

tiristor mắc song song mới

thoả mãn được yêu cầu cơng

suất đầu ra Bộ biến tần trực

tiếp tuy cĩ một số nhược điểm là số lượng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi tần số khơng rộng, chất lượng điện áp ra thấp, nhưng cĩ ưu điểm là hiệu suất cao hơn so với các bộ biến tần gián tiếp, điều này đặc biệt cĩ ý nghĩa khi cơng suất hệ thống điều tốc cực lớn (các hệ thống dùng động cơ cơng suất đến 16.000 KW) Trên đồ thị dạng sĩng (hình 1.4)

ta thấy cơng suất tức thời của biến tần bao gồm cĩ bốn giai đoạn Trong hai khoảng ta

Sơ đồ chỉnh lưu ngược ở chế độ nghịch lưu

u

Sơ đồ chỉnh lưu thuận ở chế độ chỉnh lưu

Sơ đồ chỉnh lưu thuận ở chế độ nghịch lưu Sơ đồ chỉnh lưu ngược ở chế độ

Trang 9

cĩ tích điện áp và dịng điện của biến tần dương, biến tần lấy cơng suất từ lưới cung cấp cho tải Trong hai khoảng cịn lại ta cĩ tích giữa điện áp và dịng điện trong biến tần âm nên biến tần biến đổi cung cấp lại cơng suất cho lưới

1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp

Bộ biến tần trực tiếp cĩ ưu điểm là cĩ thể thiết kế với một cơng suất khá lớn ở đầu ra và hiệu suất cao, nhưng cĩ một số nhược điểm sau:

+ Chỉ cĩ tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp lưới

+ Khĩ điều khiển ở tần số cận khơng vì khi đĩ tổn hao sĩng hài trong động cơ khá lớn + Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển khơng cao

+ Sĩng điện áp đầu ra khác xa hình sin

Chính vì những đặc điểm trên mà một loại biến tần khác được đưa ra để nâng cao chất lượng hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều, đĩ là biến tần gián tiếp Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục những nhược điểm của bộ biến tần trực tiếp ở trên

Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp

Bộ biến tần gián tiếp cĩ khâu trung gian một chiều cĩ thể cĩ các cấu trúc khác nhau, cấu trúc chung được mơ tả như hình 1.5 Về cơ bản cĩ thể cĩ ba khâu chính: Chỉnh lưu, lọc và nghịch lưu Phụ thuộc vào việc điều chỉnh điện áp đầu ra mà cĩ thể cĩ ba dạng sau: Bộ biến tần dùng chỉnh lưu cĩ điều khiển, bộ biến tần dùng chỉnh lưu khơng điều khiển nhưng thêm bộ biến đổi xung áp một chiều, bộ biến tần dùng chỉnh lưu khơng điều khiển với nghịch lưu thực hiện điều chế độ rộng xung (PWM)

A Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển

Bộ biến tần này cĩ cấu trúc như trên hình 1.6a, điện áp xoay chiều lưới điện được biến đổi thành điện áp một chiều cĩ điều chỉnh nhờ chỉnh lưu điều khiển tiristor, khâu lọc

-

Ud

Trang 10

cĩ thể là bộ lọc điện dung hoặc điện cảm phụ thuộc vào dạng nghịch lưu yêu cầu, khối nghịch lưu cĩ thể sử dụng các tiristor hoặc transistor Việc điều chỉnh giá trị điện áp ra U2 được thực hiện bằng việc điều khiển gĩc điều khiển bộ chỉnh lưu, việc điều chỉnh tần số tiến hành bởi khâu nghịch lưu, tuy nhiên quá trình điều khiển được phối hợp trên cùng một mạch điện điều khiển Cấu trúc của bộ biến tần loại này đơn giản, dễ điều khiểnnhưng do khâu biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều (đầu vào) sử dụng chỉnh lưu điều khiển tiristor nên khi điện áp ra thấp thì hệ số cơng suất giảm thấp; khâu biến đổi điện áp hoặc dịng điện một chiều thành xoay chiều (đầu ra) thường dùng nghịch áp 3 pha bằng tiristor nên sĩng hài bậc cao trong điện áp xoay chiều đầu ra thường cĩ biên độ khá lớn Đây là nhược điểm chủ yếu của loại bộ biến tần này

B Biến tần dùng chỉnh lưu khơng điều khiển cĩ thêm bộ biến đổi xung điện áp

Bộ biến tần xoay chiều gián tiếp dùng bộ chỉnh lưu khơng điều khiển kết hợp với bộ biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh điện áp một chiều ở đầu vào khối nghịch lưu

điều khiển

Bộ biến đổi xung điện áp

Nghịch lưu PWM

Trang 11

được biểu diễn trên hình 1.6b Việc biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều để cấp cho khối nghịch lưu sử dụng bộ chỉnh lưu điơt khơng điều khiển Khối nghịch lưu chỉ cĩ nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều với tần số điều chỉnh được mà khơng cĩ khả năng điều chỉnh điện áp ra của nghịch lưu nên giữa khối chỉnh lưu và nghịch lưu bố trí thêm bộ biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh giá trị điện ápmột chiều cấp cho nghịch lưu nhằm thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh giá trị hiệu dụng điện

áp xoay chiều đầu ra nghịch lưu U2 Mặc dù bộ biến tần này đã phải thêm một khâu (chưa

kể phải thêm khâu lọc) nhưng hệ số cơng suất đầu vào khá cao, khắc phục được nhược điểm của bộ biến tần thứ nhất trên hình 1.6a Khối nghịch lưu đầu ra khơng thay đổi nên vẫn tồn tại nhược điểm là các sĩng hài bậc cao cĩ biên độ khá lớn

C Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu khơng điều khiển với bộ nghịch lưu PWM

Như trên đã trình bày, trong hệ thống điều tốc biến tần áp dụng phương pháp điều chỉnh tỷ số điện áp - tần số khơng đổi, khi sử dụng biến tần gián tiếp dùng tiristor thì việc điều chỉnh điện áp và tần số được thực hiện riêng ở hai khâu: điều chỉnh tần số ở khâu nghịch lưu, cịn điều chỉnh điện áp thực hiện ở khâu chỉnh lưu, điều này đã kéo theo một loạt vấn đề Các vấn đề đĩ là:

(1) Mạch điện chính cĩ 2 khâu cơng suất điều khiển được, nghĩa là khá phức tạp;

(2) Do khâu một chiều trung gian cĩ bộ lọc bằng tụ lọc hoặc điện kháng với quán tính lớn, làm cho tính thích nghi trạng thái động của hệ thống thường bị chậm trễ;

(3) Do bộ chỉnh lưu cĩ điều khiển làm cho hệ số cơng suất của nguồn điện cung cấp giảm nhỏ khi cơng suất đầu ra giảm xuống theo sự thay đổi chế độ làm việc của hệ điều tốc, đồng thời làm tăng sĩng hài bậc cao trong dịng điện nguồn;

(4) Đầu ra của bộ nghịch lưu là điện áp (dịng điện) cĩ dạng khác xa hình sin, tạo ra nhiều sĩng hài bậc cao trong dịng điện động cơ, dẫn tới mơ men biến động khá lớn ảnh hưởng tới tính ổn định làm việc của động cơ, đặc biệt khi ở tốc độ thấp Vì vậy các thiết bị biến tần do các linh kiện điện tử cơng suất dạng tiristor khơng thể đáp ứng được những yêu cầu đối với những hệ thống điều tốc biến tần hiện đại Sự xuất hiện các linh kiện điện tử cơng suất điều khiển hồn tồn (GTO, IGBT, ) cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử

đã tạo ra được các điều kiện tốt để giải quyết vấn đề này Năm 1964 A Schonung và một

Trang 12

số đồng nghiệp người Đức đã đưa ra ý tưởng biến tần điều chế độ rộng xung, họ ứng dụng

kỹ thuật điều chế trong hệ thống thơng tin vào việc điều chế điện áp ra của biến tần Bộ biến tần PWM ứng dụng kỹ thuật này về cơ bản đã giải quyết được vấn đề tồn tại trong bộ biến tần thơng thường dùng tiristor, tạo điều kiện cho sự phát triển lĩnh vực mới là hệ thống điều tốc dịng điện xoay chiều cận đại Hình 1.6c giới thiệu cấu trúc bộ biến tần PWM, bộ biến tần này vẫn là bộ biến tần gián tiếp cĩ khâu trung gian một chiều, chỉ khác

là khâu chỉnh lưu chỉ cần là chỉnh lưu khơng điều khiển, điện áp ra của nĩ sau khi đi qua

bộ lọc C (hoặc L - C) cho điện áp một chiều cĩ giá trị khơng đổi dùng để cấp cho khâu nghịch lưu, linh kiện đĩng mở cơng suất trong khâu nghịch lưu là các phần tử điều khiển hồn tồn và được điều khiển đĩng cắt với tần số khá cao, tạo nên trên đầu ra một loạt xung hình chữ nhật với độ rộng khác nhau, cịn phương pháp điều khiển quy luật phân bố thời gian và trình tự thao tác đĩng - cắt (mở - khĩa) chính là phương pháp điều chế độ rộng xung Ở đây, thơng qua việc thay đổi độ rộng của các xung hình chữ nhật cĩ thể điều chế giá trị biên độ điện áp của sĩng cơ bản đầu ra nghịch lưu, đáp ứng yêu cầu phối hợp điều khiển tần số và điện áp của hệ điều tốc biến tần

Đặc điểm chủ yếu của mạch điện trên hình 1.6c là :

(1) Mạch điện chính chỉ cĩ một khâu cơng suất điều khiển được, đơn giản hố cấu trúc, hệ

số cơng suất của mạng điện khơng liên quan tới biên độ của điện áp đầu ra bộ nghịch lưu

và tiến gần đến 1;

(2) Bộ nghịch lưu thực hiện đồng thời điều tần và điều áp, khơng 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;

(3) Cĩ thể nhận được đồ thị điện áp đầu ra tốt, cĩ thể hạn chế hoặc loại bỏ được sĩng hài bậc thấp, làm cho động cơ cĩ thể làm việc với điện áp biến thiên gần như hình sin, biến động của mơ men khá nhỏ, mở rộng rất lớn phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động

D Biến tần điều khiển vector

Với sự ra đời của các dụng bán dẫn cơng suất điều khiển hồn tồn đã dẫn đến việc xuất hiện nghịch lưu điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) đã cải thiện một bước chất

Trang 13

lượng điều tốc động cơ xoay chiều Các biến tần SPWM với phương pháp điều chỉnh

U1/fs = hằng số (fs là tần số sĩng hài cơ bản điện áp đặt vào mạch stator động cơ, đây cũng chính là tần số f2 trong các sơ đồ hình 1.6 và 1.7) cĩ thể cho phép điều chỉnh tốc độ động

cơ xoay chiều với chất lượng dịng áp khá tốt, phạm điều chỉnh đã được mở rộng nhưng

mơ men cực đại bị giới hạn và chưa đáp ứng được yêu cầu cao về chất lượng tĩnh của phần lớn các hệ điều tốc Với các hệ điều tốc vịng kín dùng biến tần gián tiếp SPWM, như là hệ điều tốc điều khiển tần số trượt chẳng hạn, đã cải thiện đáng kể chất lượng tĩnh của hệ thống điều tốc động cơ xoay chiều, tạo được đặc tính gần với hệ thống điều tốc hai mạch vịng động cơ một chiều, tuy nhiên chất lượng động của hệ thì vẫn cịn xa mới đạt được như hệ thống điều tốc hai mạch vịng động cơ một chiều

Dựa trên kết quả nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hướng từ trường động cơ khơng đồng bộ” do F Blaschke của hãng Siemens Cộng hồ Liên bang Đức đưa ra vào năm

1971, và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cơ cảm ứng” do P.C Custman

và A A Clark ở Mỹ cơng bố trong sáng chế phát minh của họ, qua nhiều cải tiến liên tục

đã hình thành được hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay được ứng dụng rất phổ biến

Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector

Cấu trúc phổ biến phần lực của biến tần sử dụng nghịch lưu điều khiển vector (biến tần vector) được mơ tả như trên hình 1.7 Về cơ bản các thiết bị phần lực của biến tần này hồn tồn tương tự như của biến tần điều chế độ rộng xung hình sin, chỉ khác là việc điều khiển khối nghịch lưu áp dụng phương pháp điều khiển vector Trong biến tần điều khiển vector, người ta áp dụng phép biến đổi tọa độ khơng gian các vector dịng, áp, từ thơng động cơ từ hệ ba pha a – b – c sang hệ hai pha quay d – q, quay đồng bộ với từ trường stator của động cơ và thường chọn trục d trùng với vector từ thơng rotor (điều khiển định hướng theo từ trường rotor) Thơng qua phép biến đổi tọa độ khơng gian vector, các đại

~ 3

f1, U1

Trang 14

lượng dịng áp xoay chiều hình sin của động cơ trở thành đại lượng một chiều nên hồn tồn cĩ thể sử dụng các kết quả nghiên cứu tổng hợp hệ truyền động động cơ một chiều

để thiết kế các bộ điều chỉnh Sau đĩ, các đại lượng một chiều đầu ra các bộ điều chỉnh lại được biến đổi thành đại lượng xoạy chiều ba pha qua phép biến đổi ngược tọa độ để khống chế thiết bị phát xung điều khiển các van nghịch lưu Hệ truyền động điện biến tần vector - động cơ xoay chiều được thực hiện ở dạng hệ vịng kín, với việc điều khiển định hướng theo từ trường rotor cho phép cĩ thể duy trì được từ thơng rotor khơng đổi (ở vùng tần số thấp hơn tần số cơ bản), thực hiện được quan hệ Er/fs= hằng số, nhờ đĩ mà đặc tính

cơ của động cơ xoay chiều khơng đồng bộ trong hệ cĩ dạng như đặc tính động cơ một chiều (với khả năng quá tải mơ men rất lớn)

1.3 BIẾN TẦN BỐN GĨC PHẦN TƯ

1.3.1 Các tồn tại của các bộ biến tần thơng thường

Các bộ biến tần cĩ cấu trúc được mơ tả trên các hình 1.6 và 1.7, ngồi các ưu nhược điểm đã được giới thiệu trong mục trước cịn tồn tại một số nhược điểm cơ bản sau: sĩng hài bậc cao trong dịng điện lưới cĩ biên độ khá lớn làm méo dạng đường cong điện áp lưới điện; hệ số cơng suất cosφ khơng cao gây nên các tổn thất phụ, đặc biệt là khi

hệ thống cơng suất lớn; phần lớn khơng thực hiện được quá trình biến đổi năng lượng từ phía tải (động cơ) đưa trả lại lưới điện xoay chiều nên ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống truyền động và hiệu suất của hệ thống Để giảm nhỏ biên độ hoặc loại bỏ một số sĩng hài bậc cao trong dịng điện lưới xoay chiều cĩ thể sử dụng các sơ đồ chỉnh lưu liên hợp hoặc các khâu lọc như hình 1.8

Khâu nhĩm mạch lọc được thiết lập thành LC cộng hưởng nối tiếp (lọc thụ động), nĩ sẽ dập tắt các dịng điện điều hồ bậc cao (hình 1.8 a); bộ lọc cũng cĩ thể bố trí một bộ lọc dải rộng (hình 1.8 b)

Trang 15

= 5 13 = 5 7 11 13 > 17

Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sĩng hài bậc cao ( là chỉ số sĩng hài)

Để tăng hệ số cơng suất, giảm tổn thất trong quá trình truyền tải điện năng, ngồi việc sử dụng bộ lọc để giảm biên độ sĩng hài bậc cao (sĩng hài bậc cao cũng là một yếu

tố làm suy giảm hệ số cơng suất của bộ chỉnh lưu), cĩ thể phải bố trí thêm các thiết bị bù cơng suất phản kháng

Về mặt nguyên tắc, cơng suất dư thừa trong động cơ (thường là động năng hệ truyền động) cĩ thể được tiêu tán trên điện trở trong mạch một chiều nhờ khĩa đĩng cắt cĩ điều khiển hoặc cĩ thể biến đổi thành điện năng xoay chiều và trả lại lưới điện cung cấp xoay chiều

Chỉnh lưu đi ốt (diode) chỉ cho phép năng lượng đi theo một chiều duy nhất Vì vậy, năng lượng từ động cơ khơng thể trả về lưới mà chỉ cĩ thể bị tiêu hao trên các điện trở (Rh) được điều khiển bởi các ngắt điện (Tr) nối phía mạch một chiều (hình 1.9) Trong trường hợp cơng suất lớn thì địi hỏi điện trở phải chịu được dịng điện lớn, khĩ khăn trong việc chế tạo, tăng chi phí đầu tư Mặt khác việc sử dụng điện trở hãm để tiêu tán năng lượng từ động cơ truyền đến làm giảm hiệu suất của hệ thống

Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở R h trong mạch một chiều

Trang 16

Khi sử dụng chỉnh lưu thyristor, cĩ thể thực hiện việc biến đổi năng lượng để chuyển trả về lưới điện xoay chiều bằng cách mắc song song ngược với sơ đồ chỉnh lưu một bộ chỉnh lưu tương tự và điều khiển làm việc ở chế độ nghịch lưu (hình 1.10) Quá trình biến đổi năng lượng trong hệ thống truyền động điện khi động cơ làm việc ở chế độ hãm diễn ra như sau: năng lượng cơ học từ phía động cơ (ở dạng động năng tích lũy được của hệ thống truyền động hoặc thế năng của phụ tải) được biến đổi thành năng lượng điện trong các cuộn dây động cơ và qua bộ nghịch lưu của biến tần làm việc ở chế độ chỉnh lưu được chuyển thành năng lượng điện một chiều, sau khi qua bộ nghịch lưu thyristor được biến đổi thành năng lượng điện xoay chiều và được chuyển vào lưới điện xoay chiều

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

1.3.2 Biến tần bốn gĩc phần tư (biến tần 4Q)

Các phương pháp sử dụng bộ lọc để giảm sĩng hài bậc cao trong dịng điện nguồn,

sử dụng thiết bị bù để tăng hệ số cơng suất, dùng điện trở hãm hoặc bộ nghịch để giải phĩng năng lượng dư của động cơ cịn tồn tại những vấn đề như: hệ thống cồng kềnh, đầu

tư lớn, lọc sĩng hài bậc cao khĩ, khi cơng suất hệ lớn thì điều chỉnh khĩ khăn Với chỉnh lưu diode chỉ cho phép năng lượng chảy theo một chiều và khơng điều khiển được Sự thay đổi của năng lượng sẽ xuất hiện một cách tự nhiên với sự thay đổi của điện áp nguồn cấp và tải Trong nhiều ứng dụng năng lượng cần được điều khiển Thậm chí đối với tải

Trang 17

địi hỏi điện áp khơng đổi hay dịng điện khơng đổi, điều khiển là việc cần thiết để bù nguồn cấp và sự thay đổi của tải

Chỉnh lưu thyristor cĩ thể điều khiển được dịng năng lượng bằng cách thay đổi gĩc điều khiển (gĩc mở) của thyristor Bộ biến đổi này cịn cĩ thêm khả năng biến đổi năng lượng từ một chiều sang xoay chiều hay làm việc ở chế độ nghịch lưu Khi gĩc điều khiển nằm giữa 0 và П/2 bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu, cịn khi gĩc điều khiển nằm giữa П/2 và П thì bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu và năng lượng từ phía một chiều được chuyển về lưới xoay chiều Tuy nhiên, khi sử dụng thêm một bộ nghịch lưu bằng thyristor mắc song ngược với bộ chỉnh lưu, ngồi nhược điểm là thiết bị phần lực rất cồng kềnh, cịn cĩ thêm nhược điểm là dịng điện qua lưới chứa nhiều sĩng điều hồ bậc cao làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện năng và làm giảm hệ số cơng suất Mặt khác nhiều hệ thống truyền động điện cĩ yêu cầu cao về chất lượng động, ví dụ như

độ tác động nhanh cao, khi đĩ yêu cầu động cơ phải thay đổi chế độ làm việc một cách linh hoạt Với một số hệ thống truyền động, tải mang tính chất thế năng, khi đĩ yêu cầu động cơ trong hệ thống phải làm việc được ở cả bốn gĩc phần tư, tức là ngồi chế độ động cơ ra thì phải làm việc được ở các chế độ hãm, đặc biệt là phải làm việc được ở chế

độ hãm tái sinh Để động cơ cĩ thể làm việc cả bốn gĩc phần tư thì thì yêu cầu bộ biến tần phải cĩ khả năng thực hiện trao đổi được năng lượng hai chiều Các bộ biến tần như vậy được gọi là biến tần bốn gĩc phần tư Nhiều chuyên gia và nhiều hãng khác nhau đã thực hiện khá nhiều nghiên cứu để tìm cách xây dựng các bộ biến tần bốn gĩc phần tư Khối nghịch lưu của biến tần, kể cả biến tần điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) hoặc biến tần điều khiển vector, … đều cĩ thể thực hiện trao đổi cơng suất hai chiều: từ phía một chiều sang động cơ và ngược lại Như vậy, để bộ biến tần cĩ thể thực hiện trao đổi cơng suất hai chiều thì vấn đề cịn lại là khối chỉnh lưu cũng phải cĩ khả năng trao đổi cơng suất hai chiều Như đã nêu ở trên, để thực hiện yêu cầu này cĩ thể sử dụng hai sơ đồ chỉnh lưu điều khiển bằng thyristo cùng loại mắc song song ngược, một sơ đồ được dùng để chỉnh lưu khi cần thực hiện biến đổi năng lượng điện xoay chiều từ phía lưới thành năng lượng điện một chiều cấp cho khối nghịch lưu, cịn sơ đồ kia sẽ được điều khiển làm việc

ở chế độ nghịch lưu khi cần biến đổi năng lượng điện từ phía một chiều (năng lượng từ

Trang 18

động cơ được khối nghịch lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu chuyển sang) thành năng lượng điện xoay chiều trả lại lượng điện xoay chiều Tuy nhiên, cấu trúc biến tần này cĩ phần chỉnh lưu rất cồng kềnh, dịng điện qua lưới điện cĩ nhiều sĩng hài bậc cao với biên

độ khá lớn, hệ số cơng suất thấp khi điều chỉnh sâu Như vậy, nhiệm vụ cơ bản đặt ra là phải nghiên cứu tìm ra được một khối chỉnh lưu cĩ các ưu điểm:

- Giảm được biên độ các sĩng điều hồ bậc cao dịng điện lưới

- Hệ số cosφ cao

- Cĩ khả năng trao đổi cơng suất theo hai chiều

Bộ chỉnh tích cực PWM ra đời đã đáp ứng được các yêu trên Luận văn sẽ tiến hành nghiên cứu bộ biến tần bốn gĩc phần tư dùng chỉnh lưu tích cực PWM

Trang 19

Chương 2

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BIẾN TẦN BỐN GĨC PHẦN TƯ SỬ DỤNG CHỈNH

LƯU TÍCH CỰC PWM

2.1 KHÁI QUÁT VỀ CHỈNH LƯU PWM

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dịng điện xoay chiều thành năng lượng dịng điện một chiều Quá trình nghiên cứu các hệ truyền động điện sử dụng động cơ điện một chiều đã đề cập đến yêu cầu tạo ra một điện áp một chiều ổn định và chất lượng cao

Nĩ được tạo ra trong các mạch điện tử cơng suất bằng các bộ chỉnh lưu thường sử dụng điốt và thyristor Bộ chỉnh lưu điốt và thyristor được định nghĩa như một thiết bị điện tử cơng suất cổ điển được ứng dụng rộng rãi trong thực tế

Tuy nhiên, khi dùng chỉnh lưu truyền thống thì hệ số méo điện áp lưới là lớn ( do đĩ gây ra sĩng điều hồ lớn trong lưới điện xoay chiều; sĩng điều hịa bậc cao gây ra tổn thất phụ, gây nhiễu cho lưới điện ảnh hưởng đến hoạt động của máy bíên áp, van điện ) Đồng thời hệ số méo làm ảnh hưởng đến hệ số cơng suất, làm cho hệ số cơng suất khi dùng các bộ chỉnh lưu này là thấp

Mặt khác, trong truyền động xoay chiều dùng biến tần, khi năng lượng động cơ dư thừa địi hỏi phải cĩ sự trao đổi năng lượng để tiết kiệm, tránh hao phí năng lượng Nhưng các bộ chỉnh lưu dùng đi ốt và thyristor chỉ dẫn năng lượng theo một chiều dẫn đến khĩ trao đổi năng lượng giữa động cơ và lưới Chính vì vậy địi hỏi phải tìm ra một bộ chỉnh lưu mới thoả mãn các điều kiện:

Trang 20

+ Chứa ít sĩng điều hồ bậc cao

+ Hệ số cos cao

+ Năng lượng chảy được theo hai chiều

Như vậy vấn đề đặt ra ở đây là phải tìm ra một loại chỉnh lưu tự nĩ thoả mãn những yêu cầu đã nêu trên Chỉnh lưu PWM ra đời thoả mãn các điều kiện đĩ

Tĩm lại: Các biến tần nguồn áp dùng chỉnh lưu điốt và thyristor cĩ ba nhược điểm: khơng thực hiện trao đổi cơng suất giữa tải và lưới( tức là chỉ làm việc được ở hai gĩc phần tư), dịng điện đầu vào chứa nhiều sĩng hài bậc cao ảnh hưởng xấu đến lưới điện xoay chiều

và hệ số cos thấp khi sử dụng chỉnh lưu điều khiển

Biến tần bốn gĩc phần tư dùng chỉnh lưu PWM cĩ một số ưu điểm như: cĩ khả năng

ổn định được điện áp một chiều cấp cho khâu nghịch lưu của biến tần; đảm bảo khả năng trao đổi cơng suất hai chiều giữa nguồn và tải; cho phép động cơ làm việc được ở các chế

độ hãm khác nhau, mà đặc biệt là hãm tái sinh, nên động cơ cĩ thể làm việc trên cả bốn gĩc phần tư của hệ tọa độ; dịng qua lưới cĩ dạng rất gần hình sin; cĩ khả năng điều khiển được hệ số cơng suất cos của hệ thống truyền động, như vây cĩ thể điều khiển cho cos

=1 Bộ biến tần gián tiếp cĩ khâu trung một chiều gồm hai khâu cơ bản là chỉnh lưu và nghịch lưu Phần nghịch lưu đã cĩ nhiều kết quả nghiên cứu được áp dụng rất tốt trong thực tế, trong nội dung luận văn khơng đi vào việc phân tích phần nghịch lưu mà thực hiện lựa chọn loại nghịch được áp dụng phổ biến trong truyền động động cơ xoay chiều hiện nay là nghịch lưu điều khiển vector, khối nghịch này cho phép trao đổi cơng suất hai chiều giữa động cơ và phần cung cấp một chiều Như vậy, khả năng làm việc ở cả bốn gĩc phần tư của động cơ trong hệ truyền động điện chỉ cịn phụ thuộc vào đặc tính làm việc của chỉnh lưu, vì thế, nội dung cơ bản của chương này là nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý họat động và khả năng ứng dụng của chỉnh lưu PWM vào hệ truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều làm việc ở bốn gĩc phần tư

2.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BIẾN TẦN NGUỒN ÁP BỐN GĨC PHẦN TƯ DÙNG CHỈNH LƯU PWM

Trang 21

Các biến tần nguồn áp dùng chỉnh lưu điơt hoặc tiristor cĩ ba nhược điểm: khơng thực hiện trao đổi cơng suất giữa tải và lưới (tức là chỉ làm việc được ở hai gĩc phần tư), dịng điện đầu vào chứa nhiều sĩng hài bậc cao ảnh hưởng xấu đến lưới điện xoay chiều và hệ

số cơng suất cos thấp khi sử dụng chỉnh lưu điều khiển Biến tần dùng chỉnh lưu PWM

đã khắc phục cả ba vấn đề tồn tại trên Nĩ cĩ thể làm việc cả ở bốn gĩc phần tư, cĩ khả năng trao đổi cơng suất giữa tải và lưới theo hai chiều Dịng đầu vào cĩ dạng rất gần hình sin và hệ số cơng suất cĩ thể điều chỉnh bằng 1

Sơ đồ nguyên lý phần lực của biến tần dùng chỉnh lưu PWM được trình bày trên hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ biến tần bốn gĩc phần tư sử dụng chỉnh lưu PWM

Sơ đồ bao gồm hai khối chỉnh lưu (CLPWM) và nghịch lưu (NL) cĩ cấu tạo như nhau và

cĩ chung mạch một chiều, vì vậy thường gọi là sơ đồ “dựa lưng vào nhau” (back to back) Ngồi ra, đầu vào biến tần (trong mạch nguồn cung cấp xoay chiều) cĩ lắp thêm cuộn cảm L Để cĩ chế độ làm việc bốn gĩc phần tư đảm bảo cơng suất trao đổi hai chiều giữa lưới và tải, dịng điện chỉnh lưu Id phải thay đổi được dấu Ta gọi Id cĩ dấu “+” khi nĩ cĩ chiều hướng về tải và ngược lại cĩ dấu “-” khi chiều của nĩ hướng về lưới

Vì dấu điện áp một chiều là cố định nên cơng suất cĩ thể thay đổi hai chiều từ lưới về tải

Pd = Ud.Id > 0 và từ tải về lưới Pd = Ud.Id < 0

Để thực hiện được nguyên lý làm việc trên biến tần cần cĩ điều kiện:

- Bắt buộc phải cĩ điện cảm đầu vào

- Giá trị điện áp một chiều Udc khơng đổi và phải lớn hơn giá trị điện áp chỉnh lưu tự

+ +

US

RL

φ ω

U

L U

S

Trang 22

nhiên từ lưới

Hình 2.2 Sơ đồ thay thế một pha và đồ thị véc tơ

a Sơ đồ thay thế một pha chỉnh lưu tích cực PWM

b Đồ thị véc tơ tổng quát bộ chỉnh lưu

c Đồ thị véc tơ của bộ chỉnh lưu PWM với hệ số cơng suất bằng 1

d Đồ thị véc tơ của bộ chỉnh lưu PWM với hệ số cơng suất bằng -1

- Do khĩa đĩng cắt hai chiều Tranzitor và điơt ngược kết hợp với tụ điện C và các điện cảm nguồn L hình thành mạch vịng dao động cộng hưởng LC tạo nên điện áp một chiều

Udc > Ud0 Để giải thích nguyên lý làm việc chỉnh lưu PWM ta dùng sơ đồ thay thế một pha và đồ thị vector như trên hình 2.2

Hình 2.2a là sơ đồ thay thế, trong đĩ, UL là điện áp một pha nguồn xoay chiều, US là điện

áp tải (mạch một chiều - nghịch lưu - động cơ xoay chiều ) được quy đổi về nguồn xoay chiều (điểm a) Giản đồ vector tổng quát biểu diễn trên hình 2.2b

Nếu điều khiển chỉnh lưu PWM để vector dịng điện IL trùng pha với vector điệnáp lưới

UL thì cos =1 và cơng suất Pd > 0 Khi vector dịng điện IL ngược pha với vector UL thì cos = -1 và cơng suất Pd < 0 (ứng với chế độ hãm tái sinh) Như vậy,sử dụng chỉnh lưu PWM trong bộ biến tần gián tiếp cho phép thực hiện trao đổi cơng suất tác dụng giữa tải

và nguồn theo hai chiều và cĩ thể điều chỉnh được giá trị hệ số cơng suất cos bằng 1

Trang 23

Hình 2.3a Đồ thị 6 véc tơ điện áp cơ bản khi điều khiển sự chuyển mạch các

Trang 24

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

2.3 MƠ TẢ TỐN HỌC CHỈNH LƯU PWM

Đồ thị vector hình 2.2 của sơ đồ thay thế chỉnh lưu PWM cĩ thể biểu diễn trên tọa độ cố định - và tọa độ quay d - q bằng phương pháp biến đổi tuyến tính khơng gian vector [3], [11], [12] Giả thiết điện áp nguồn ba pha đối xứng với tần số cơng nghiệp khơng đổi

Trang 25

Hình 2.4 Đồ thị véc tơ điện áp, dịng điện chỉnh PWM trong hệ tọa độ α - β, d – q

2.3.1 Mơ tả điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM

Điện áp dây tại đầu vào chỉnh lưu (a, b, c)

Với fa , fb , fc lấy giá trị 0 , 1/3 và 2/3

2.3.2 Mơ tả tốn học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ 3 pha

Trang 26

dt

dI L I R

Viết dạng 3 pha:

sc sb sa

c b a

U U U

i i

i dt

d L i

i

i R U

U

(2.5) Phương trình dịng điện:

a a b b c c

C

i S i S i S dt

dU

C (2.6)

Cấu trúc mơ hình được trình bày trên hình 2.5

2.3.3 Mơ tả tốn học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ cố định α - β

Phương trình điện áp CLPWM trong tọa độ cố định - :

s

s L

L L

L

U

U i

i dt

d L i

i R U

U

(2.7) Phương trình dịng điện:

Trang 27

Hình 2.6 Mơ hình tốn học hệ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ α – β

2.3.4 Mơ tả tốn học chỉnh lưu PWM trên hệ tọa độ quay d - q

C

dt

dUc

= (iLdSd + iLqSq) – idc (2.10) Trong đĩ

Trang 28

Hình 2.7- Mơ hình tốn học hệ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ d - q

2.3.5 Tính tốn cơng suất chỉnh lưu PWM

Cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng của chỉnh lưu PWM được tính trên tọa độ a ,

b , c và α – β

i u i u i u i u i u i

u I

q

i u i u i u i u i u i u R

p

c ab b ca a bc m

c c b b a a e

)

( 3

1 } {

} {

*

(2.11) Trên tọa độ d – q

) (

2

3 ) (

Ld Ld Lq

Lq

m m Ld

Ld Lq

Lq

i U i

U q

I U i

U i

U p

(2.12) Nếu ta chọn trục d trùng với trục điện áp UL và điều khiển IL trùng với UL thì ta cĩ:

jωLIL

Trang 29

Hình 2.8 Đồ thị véc tơ điện áp chỉnh lưu PWM

2.4 PHẠM VI VÀ GIỚI HẠN THAM SỐ CỦA CHỈNH LƯU PWM

2.4.1 Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều

Udcmin > Ud0 = 2,34Ufa (2.13) Thơng thường chọn điện áp một chiều ở giá trị Udc = (1,12 - 1,3 )Ud0

2.4.2 Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm

Nếu ta biểu diễn điện áp chỉnh lưu PWM trên tọa độ d - q ta cĩ phương trình cân bằng điện áp:

Trang 30

Hình 2.9a Giới hạn làm việc của bộ chỉnh lưu PWM

Nếu bộ điều chỉnh dịng điện giữ đƣợc biến động của iL xung quanh dịng điện đặt L

i đặt Gọi gĩc là gĩc biến động lớn nhất của hai vector Up1 và Up2 ta cĩ <

Trên đồ thị hình 2.9 chỉ ra nếu = thì

sdq Ldq

Điều kiện điện áp một chiều cực tiểu sẽ là

] [

Trang 31

Ld

m dc

i

U U

2 2

(2.17) 2.5 ƯỚC LƯỢNG CÁC ĐẠI LƯỢNG VECTOR CƠ BẢN

Cấu trúc và phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM dựa trên phép biến đổi vector Chỉnh lưu PWM sử dụng hai đại lượng vector cơ bản là vector điện áp và vector từ thơng

ảo Từ các đại lượng đo được như dịng điện đầu vào, điện áp một chiều và trạng thái đĩng cắt các van, ta đi ước lượng hai đại lượng vector cơ bản trên

2.5.1 Ước lượng vector điện áp đầu vào

Cĩ thể đo trực tiếp vector điện áp đầu vào, tuy vậy phép đo này bị ảnh hưởng rất lớn bởi

sự khơng đối xứng các pha của điện áp lưới điện, nhiễu lưới v.v… Do vậy người ta thường ước lượng vector điện áp thơng qua các thơng số dịng điện và thơng số trung gian Một trong các phép ước lượng đĩ là tính điện áp thơng qua dịng điện và cơng suất

Cĩ thể thấy rằng khi sử dụng biến điệu vector khơng gian cĩ hai trạng thái

thơng của các khĩa Sa Sb Sc là (111) và (000), khi đĩ cơng suất tác dụng bằng 0 chỉ

tồn tại cơng suất phản kháng, cụ thể:

0 3

3 ) (

0 )

(

a

c c a

c

c b

b a a

i dt

di i dt

di L t

q

i dt

di i dt

di L t p

(2.18)

Từ phương trình trên ta tính được:

q i

i

i i

i i U

U

L L

L L L

2 2

cos sin

L L

L U

L L

L U

U U

U

U U

Trang 32

Nếu giả thiết chỉnh lưu PWM cĩ đầu vào là Udc, đầu ra là máy điện khơng đồng bộ ảo, trong đĩ sức điện động động cơ là điện áp lưới, điện trở, điện cảm là thơng số cuộn dây stator của động cơ ảo Ta cĩ thể định nghĩa vector từ thơng mĩc vịng qua khe hở khơng khí của động cơ ảo Lvector này cĩ thể biểu diễn trên tọa độ - và d - q Nếu bỏ qua điện trở R vector L sẽ vuơng gĩc với véc tơ UL Mơ hình động cơ ảo và đồ thị vector được mơ tả trên hình 2.10a, b

Hình 2.10a,b.Mơ hình động cơ ảo và đồ thị véc tơ từ thơng ảo với chỉnh lưu PWM

i s L

Từ đại lượng vector từ thơng ảo cĩ thể biểu diễn nĩ trên hệ d - q, khi vector IL trùng UL và trục q, biểu đồ vector và sơ đồ mơ tả dịng cơng suất của chỉnh lưu PWM được biểu diễn trên hình 2.11a,b

PWM Chỉnh lưu Phía một chiều

Trang 33

Hình 2.11.Quan hệ giữa điện áp và từ thơng ảo với dịng cơng suất của chỉnh lưu PWM

Từ thơng ảo được xác định qua véc tơ đầu vào chỉnh lưu PWM và Us

dt dt

di L U

dt dt

di L U

L s

L

L s

L

Trong đĩ:

i s L

c b dc s

c b a

dc s

S S U U

S S S

U U

21

2

13

2

Từ đại lượng vector từ thơng ảo, cĩ thể biểu diễn nĩ trên hệ toạ độ d - q, khi vector ILtrùng véc tơ UL và trục q thì biểu đồ vector và sơ đồ mơ tả dịng cơng suất của chỉnh lưu PWM được biểu diễn trên hình 2.11a,b

1 T

Trang 34

Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc nhận dạng véc tơ từ thơng ảo

Từ thơng ảo được xác định qua vector đầu vào chỉnh lưu PWM , Us

dt dt

di L U

dt dt

di L U

L s

L

L s

c b a

dc s

S S U U

S S S

U U

2 1

2

1 3

2

2.6 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU PWM

Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM về cơ bản thì cĩ cùng một mục đích chung nhưng lại

dựa trên các nguyên tắc khác nhau Chúng được phân loại dựa trên hai nguyên tắc:

Trang 35

Điều khiển dựa trên điện áp và điều khiển dựa trên từ thơng ảo

Điều khiển dựa trên điện áp là ước lượng điện áp lưới và sẽ điều khiển bằng dịng điện hay cơng suất

Điện áp lưới nếu điều khiển bằng dịng điện thì gọi là phương pháp VOC (Voltage Oriented Control), cịn theo cơng suất thì gọi là DPC (Direct Power Control)

Hình 2.13 Phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM

Điều khiển dựa trên từ thơng ảo là phương pháp điều khiển cần phải ước lượng từ thơng

ảo của lưới điện và áp dụng phương pháp điều khiển từ thơng stator của động cơ khơng đồng bộ cho lưới điện Nếu điều khiển bằng mạch vịng dịng điện thì gọi là phương pháp VFOC (Voltage Flux Oriented Control), cịn khi điều khiển dựa theo cơng suất thì gọi là phương pháp VF-DPC

Các cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM được minh họa trên hình 2.13

Hệ điều khiển biến tần dùng chỉnh lưu PWM với động xoay chiều cĩ các phương án được trình bày trên hình 2.14

2.7 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU PWM ĐỊNH HƯỚNG THEO VECTOR ĐIỆN ÁP

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

Đặc điểm của phương pháp điều khiển dựa vào dịng điện là xử lý tín hiệu trên hai hệ toạ

độ là hệ toạ độ cố định α - β và hệ toạ độ quay d - q Các giá trị dịng điện đo được trong

hệ ba pha được biến đổi sang hệ toạ độ cố định α - β, sau đĩ được biến đổi sang hệ toạ độ

Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM

Điều khiển theo véc

tơ điện áp Điều khiển theo véc tơ từ thơng ảo

Trang 36

d - q Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC được trình bày trên hình vẽ 2.15

Hình 2.14 Hệ truyền động động cơ xoay chiều - biến tần dùng chỉnh lưu PWM

với các phương pháp điều khiển

α - β

d - q

Trang 37

Hình 2.15 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC

Khi chọn trục d trùng với vector điện áp lưới UL , khi đĩ ULd = UL, cịn ULq = 0 Phương trình 2.9 được rút gọn (với giả thiết R 0)

Cấu trúc các mạch vịng điều khiển chỉnh lưu PWM được trình bày trên hình 2.16, trong

đĩ lượng đặt dịng i*q = 0 và đại lượng đặt dịng i*d lấy ra từ bộ điều chỉnh điện áp một chiều

Khi điều khiển vector dịng điện IL trùng với trục d thì ILd = IL và ILq = 0 Do dịng điện

id và iq được ước lượng từ ia, ib qua khâu biến đổi tọa độ a, b, c => α - β => d - q Gĩc của vector điện áp γUL được xác định từ (2.19) và (2.20)

Hình 2.16 Cấu trúc các mạch vịng điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC

2.7.2 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC

usq Δuq

PI

Bộ điều khiển điện dịng -ωL

ωL

PI

Bộ điều khiển điện dịng

d

i

q i

Trang 38

Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC được biểu diễn trên hình 2.17 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC cĩ sự khác biệt so với VOC, trục d ở đây được chọn trùng với vector ψL do vậy vector điện áp UL sẽ trùng với trục q, vector dịng điện ILtrùng với vector UL nên ILd= 0 và ILd = IL Do vậy mạch vịng điều chỉnh theo VFOC sẽ cĩ lượng đặt i*ld = 0 và i*lq lấy từ đầu ra bộ điều chỉnh điện áp một chiều Nếu như gĩc cho biến đổi tọa độ ở VOC là γuL, cịn ở VFOC lấy γψL và được xác định:

sinγψL =

2 2

L L

L

cosγψL =

2 2

L L

L

(2.24) Giá trị ψLβ và ψLα được tính theo 2.21

LLL

Trang 39

Hình 2.17 Cấu trúc các mạch vịng điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC

2.8 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU PWM THEO PHƯƠNG PHÁP TRỰC TIẾP CƠNG SUẤT DPC

Phương pháp điều khiển trực tiếp cơng suất PDC cho chỉnh lưu PWM được phát triển từ ý tưởng điều khiển trực tiếp mơ men (DTC) của truyền động động cơ khơng đồng bộ

Trong đĩ hai đại lượng của DTC là mơ men và từ thơng được thay bằng cơng suất p và q (xem hình 2.18), ở đây, chọn lượng đặt cơng suất phản kháng q* = 0 tức là cosφ = 1 Lượng đặt cơng suất tác dụng p* được lấy từ đầu ra bộ điều chỉnh điện áp một chiều (tỉ lệ với idc) nhân với lượng đặt điện áp một chiều Udc Hai bộ điều chỉnh cơng suất được thiết kế dạng khâu đĩng cắt cĩ đặc tính từ trễ (đặc tính rơle) trong đĩ:

giá cơng suất tức thời,

điện áp lưới hoặc từ thơng ảo

PWM

Bảng chuyển mạch

γuL Ud γ L

Định dạng
Số trang	79
Dung lượng	1,31 MB