Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần đa bậc với common mode cực tiểu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN PHƯƠNG QUANG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ DÙNG BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI COMMO

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN PHƯƠNG QUANG

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

DÙNG BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI COMMON MODE CỰC TIỂU

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2005

S KC 0 0 0 4 4 7

Trang 2

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN PHƯƠNG QUANG

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ DÙNG BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI COMMON MODE CỰC TIỂU

Chuyên ngành: Thiết Bị Mạng và Nhà Máy Điện

Mã số ngành: 60 52 50

Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 08 Năm 2005

Trang 3

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ DÙNG BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI COMMON MODE CỰC TIỂU

Chuyên ngành: Thiết Bị Mạng và Nhà Máy Điện

Mã số ngành: 60 52 50

Người Hướng Dẫn: TS NGUYỄN VĂN NHỜ

Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 08 Năm 2005

Trang 4

MỤC LỤC

- Nhận xét của giáo viên

- Tờ nhiệm vụ luận văn thạc sĩ

- Lời cảm ơn

- Tóm tắt luận văn thạc sĩ

- Mục lục

Chương 1: MỞ ĐẦU

1.1 Vị trí biến tần trong công nghiệp

1.2 Biến tần đa bậc

1.3 Vấn đề điện áp common mode (C.M)

1.4 Những vấn đề sẽ khai triển trong luận văn

Chương 2: GIỚI THIỆU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KĐB -

BIẾN TẦN ĐA BẬC

2.1 Giới thiệu

2.2 Các nguyên tắc điều khiển tốc độ động cơ điện trong hệ truyền

động động cơ KĐB - biến tần đa bậc

2.3 Phương pháp điều chế dùng cho biến tần đa bậc

2.3.1 Cấu trúc biến tần đa bậc

2.3.1.1 Cấu trúc nghịch lưu dạng Cascade

2.3.1.2 Cấu trúc nghịch lưu chứa cặp diode kẹp

2.3.1.3 Cấu trúc phối hợp

2.3.1.4 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi

2.3.1.5 Nhận xét về các dạng sơ đồ nghịch lưu đa bậc

2.3.2 Phương pháp điều chế vector không gian cho biến tần đa bậc

2.3.2.1 Giản đồ vector điện áp bộ biến tần ba bậc

2.3.2.2 Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu năm bậc

Chương 3: VẤN ĐỀ COMMON MODE TRONG HỆ TRUYỀN

ĐỘNG DÙNG BIẾN TẦN

3.1 Dẫn nhập

3.2 Mạch common mode trong hệ truyền động biến tần động cơ

3.3 Các thông số điện ảnh hưởng đến độ bào mòn ổ đỡ

Trang 5

3.4 Tác động của việc nối đất nguồn cung cấp lên điện áp common

mode

3.5 Triệt giảm common mode thông qua việc lắp thêm tụ điện ngõ

vào bộ biến tần

3.5.1 Phương thức thực hiện

3.5.2 Kiểm chứng qua thực nghiệm

3.5.3 Những nhận định về triệt giảm C.M thông qua việc lắp thêm tụ điện ngõ vào bộ biến tần

Chương 4: BIỆN PHÁP XỬ LÝ COMMMON MODE CỰC TIỂU

TRONG BIẾN TẦN ĐA BẬC

4.1 Giới thiệu các phương án

4.2 Triệt bỏ hoàn toàn điện áp common mode

4.3 Triệt bỏ một phần điện áp common mode

4.3.1 Hệ thống chỉnh lưu cầu – nghịch lưu NPC

4.3.2 Chiến lược giảm điện áp C.M

4.3.3 Thực Nghiệm

4.4 Kết luận

Chương 5: XÂY DỰNG PHƯƠNG THỨC TRIỆT GIẢM COMMON

MODE TỐI ƯU, MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG, ĐÁNH GIÁ

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

5.1 Giới thiệu phương án

5.2 Kỹ thuật triệt giảm common mode phối hợp giữa SVPWM và

CPWM

5.2.1 Giới Thiệu

5.2.2 Khối Tạo Tín Hiệu kích hoạt (Active Signal Generator)

5.2.3 Khối Tạo Hàm Offset (Offset Generator)

5.3 Mô phỏng hệ truyền động với common mode cực tiểu

5.3.1 Lựa chọn mạch động lực

5.3.2 Mô phỏng hệ truyền động

5.3.2.1 Khối xác định các cực trị

5.3.2.2 Khối Giới Hạn giá trị offset

5.3.2.3 Khối Hàm V r 0,ref

5.3.2.4 Khối định tỉ lệ thời gian đóng cắt K1, K2, K3

5.3.2.5 Khối Tính Toán Tạo Voffset

5.3.2.6 Khối Tính Common mode cực tiểu

Trang 6

Chương 6: HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ ĐIỀU

KHIỂN DỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR

6.1 Giới thiệu phương thức điều khiển dựa theo từ thông

6.1.1 Giới thiệu

6.1.2 So sánh với các phương thức phương thức điều khiển tốc độ

động cơ thông dụng

6.2 Thành lập mô hình các khối chứùc năng trong hệ điều khiển theo

từ thông

6.2.1 Nguyên lý chung

6.2.2 Phép chuyển đổi tọa độ

6.2.3 Mô hình toán học của động cơ

6.2.3.1 Lựa chọn động cơ cho hệ truyền động

6.2.3.2 Mô hình toán học của động cơ điện KĐB xoay chiều 3

pha

6.2.4 Sơ đồ khối hệ điều khiển theo từ thông

6.2.4.1 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển vector trong động

cơ điện KĐB xoay chiều 3 pha

6.2.4.2 Chuyển đổi qua lại giữa hệ trục (a,b,c)  (α-β)

6.2.4.3 Chuyển đổi qua lại giữa hệ trục (d,q)  (α-β)

6.2.4.4 Ước lượng từ thông rotor

6.2.4.5 Mạch phân ly

6.2.4.6 Xác định hàm từ thông yêu cầu

6.3 Tính toán thông số cho các khối

6.3.1 Khối ước tính từ thông rotor

6.3.2 Khối chuyển đổi hệ trục toạ độ

6.3.3 Khối xác định giá trị từ thông và tốc độ yêu cầu

6.3.4 Khối phân ly các thành phần điều khiển

6.4 Mô phỏng hệ truyền động

6.4.1 Thiết lập sơ đồ mạch trong PSIM

6.4.2.1 Khối ước lượng từ thông rotor

6.4.2.2 Khối phân ly hai thành phần điều khiển

6.4.2.3 Các khối chuyển đổi

6.4.2.4 Mạch thay đổi chế độ tải

6.4.2 Mô phỏng hệ truyền động

6.5 Đánh giá kết quả mô phỏng - kết luận

- Kết luận và đề nghị + Summary

- Tài liệu tham khảo

- Phụ lục

- Thuật ngữ kỹ thuật

- Tóm tắt lý lịch trích ngang

Trang 7

Chương 1: MỞ ĐẦU G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

H.v.t.h: Nguyễn Phương Quang Trang 1

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 VỊ TRÍ BIẾN TẦN TRONG CÔNG NGHIỆP

Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại cũng như số lượng các bộ biến tần, ngày càng nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện

Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động cơ điện Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống …

ví dụ: doa xi-lanh, máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc … Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp

Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông … Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ:

Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất

Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khi phụ tải thay đổi của động cơ điện

Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động

cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử Trước kia khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp Ưu điểm chính của các thiết

bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như:

- Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn

Trang 8

- Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu

- Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo trì cũng như thay mới

- Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp

Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp này

1.2 BIẾN TẦN ĐA BẬC

Hình 1.1: Hệ thống truyền động biến tần - động cơ điện không đồng bộä

Động cơ điện không đồng bộä

a) Hệ thống truyền động biến tần đa bậc - động cơ điện không đồng bộä

Trang 9

Khái niệm hai bậc xuất phát từ quá trình điện áp giữa một đầu pha tải (điểm a, b hoặc c với điểm 0 trong hình 1.1) của nguồn một chiều thay đổi giữa hai bậc khác nhau (tương ứng trong sơ đồ hình 1.1 là +Udc/2 và –Udc/2) Điều này dẫn đến dV/dt khá lớn và hiện tượng điện áp common mode rất nghiêm trọng (xem chương 2) Để khắc phục điều này người ta sử dụng bộ nghịch lưu áp đa bậc (Multi-level Voltage Source Inverter: VSI), do tính phổ dụng có thể gọi là biến tần đa bậc (Multi-level Inverter) Đây là một phương pháp điều chế có nhiều ưu điểm khi sử dụng ở điện áp cao và công suất lớn Các nhược điểm vừa nêu trong biến tần hai bậc có thể được khắc phục khi sử dụng bộ biến tần đa bậc Cụ thể khi xét một hệ thống truyền động biến tần - động cơ điện không đồng bộä với thông số động cơ P = 800 kW; 4.16 kV; 60 Hz; cosφ = 0,8 có sơ đồ khối như hình 1-1 và Udc = 6 kV, sau khi thực hiện việc đo đạt các thông số thực tế, khi thay đổi số bậc của biến tần dùng trong hệ truyền động, ta có kết quả như sau:

Hình 1.2: Các đặc tính của bộ biến tần đo đạt trên một trên hệ truyền động

thực tế

Số bậc của biến tần

Hình 1.2 a: Tổng độ méo dạng do hài

Hình 1.2 b: Giá trị điện kháng dùng trong bộ lọc

Hình 1.2 c: Công suất truyền qua bộ nghịch lưu (Pcond) trên công suất tổn hao do đóng cắt (Psw)

Trang 10

- Sóng dạng điện áp ngõ ra sẽ gần sin hơn (minh hoạ qua hình 1.1 b), hay tổng lượng hài sẽ giảm nhanh theo số bậc (hình 1.2 b)

- Trị số điện cảm Lf trên mạch lọc nhỏ hơn (với cùng một bộ lọc), dẫn tới tổn hao cũng như đặc tính điện áp ngõ ra sẽ được cải thiện hơn (hình 1.2 a)

- Tổn hao do đóng cắt giảm (Psw giảm) trong khi công suất truyền tải qua hệ lại tăng (Pcond tăng), minh hoạ qua hình 1.2 c

Với những ưu điểm vượt trội như trên, biến tần đa bậc được sử dụng ngày một rộng rãi trong công nghiệp Để tăng tính thuyết phục, luận án sẽ chọn biến tần đa bậc để thiết kế hệ truyền động động cơ không đồng bộ dùng bộ biến tần

1.3 VẤN ĐỀ ĐIỆN ÁP COMMON MODE (C.M)

Khi thiết kế và thi công bộ biến tần dùng trong hệ điều khiển tốc độ động cơ điện có rất nhiều các vấn đề cần phải quan tâm, cụ thể như:

Trị hiệu dụng của các thành phần hài của điện áp ngõ ra bộ biến tần Tổn hao trong cuộn dây stator, rotor do thành phần hài tăng lên cụ thể là tác dụng của sóng hài bậc cao làm tăng dòng điện từ hoá lõi thép

Tổn hao do dòng xoáy và từ trễ

Từ trường đập mạch, từ trường nghịch

Công suất bộ biến tần : với công suất lớn không thể sử dụng các bộ biến tần hai bậc

Giao thoa điện từ (EMI) do các biến thiên

dt

dV

C và

dt

dI

L lớn Độ giảm phẩm chất cách điện theo thời gian nhanh hơn do

dt

dV

C lớn v.v…

Hình 1.3: Common-Mode trong bộ biến tần – động cơ

IcmDòng common mode

Trang 11

Ngoài các yếu tố kể trên, từ năm 2000 đến nay đã có rất nhiều các đề tài, bài viết của nhiều tác giả có uy tín được đăng tải trên các tạp chí lớn như IEEE … bàn về vấn đề điện áp C.M Hình 1.3 trình bày hệ thống chỉnh lưu cầu – nghịch lưu dạng diode kẹp (NPC) Trong cấu trúc này, điện áp

C.M được xác định là điện thế giữa trung tính bộ dây stator “s” và nối đất của hệ thống “g” (trên hình 1.4) gọi là vsg Điện áp này được cấu thành bởi

vsn và vng Điện áp vng, điểm giữa của nguồn Udc, có thể thay đổi tuỳ theo cách nối đất của biến áp nguồn, trình bày trên hình 1.3 Điện thế điểm giữa của nguồn một chiều của bộ biến tần với điểm trung tính của bộ dây stator động cơ vsn có thể được diễn tả theo hàm đóng cắt của các linh kiện trong bộ nghịch lưu NPC (sa, sb, sc) theo điều kiện phụ tải cân bằng

Theo [2], tác giả đã tìm ra được mối quan hệ giữa độ bào mòn ổ đỡ với điện áp C.M Cụ thể là thể tích của lượng kim loại bị bào mòn ổ đỡ tỷ lệ với năng lượng do điện áp C.M đặt trên ổ đỡ Điện áp này xuất hiện chủ yếu do các biến thiên dV/dt trên bộ biến tần sử dụng các khoá điện tử

Ngoài việc bào mòn các ổ đở trong động cơ, dòng rò C.M (Icm) còn có khả năng gây đóng cắt sai trên các relay bảo vệ dòng tác động nhanh

1.4 NHỮNG VẦN ĐỀ SẼ KHAI TRIỂN TRONG LUẬN VĂN

Việc bào mòn ổ đỡ do điện áp C.M đã quá rõ ràng, như vậy cần thiết phải triệt bỏ nó Ứng với mỗi phương thức điều khiển trong bộ biến tần, sẽ có cách triệt giảm tương ứng, do đó cần thiết phải lựa chọn một phương thức điều khiển cho phù hợp mới có thể đạt hiệu quả cao trong việc triệt giảm C.M cho hệ thống biến tần - động cơ Trong thực tế cũng có rất nhiều phương thức điều chế sử dụng trong nghịch lưu áp 3 pha, như SVPWM, CBPWM, DPWM, PWM kinh điển… mỗi phương án đều có những ưu nhược riêng, không có phương án nào là tối ưu trên mọi phương diện Chính vì vậy, nên đề tài sẽ đưa ra một phương pháp kết hợp nhằm thiết kế bộ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần đa bậc với C.M cực tiểu nhưng vẫn giữ được các đặc tính ưu việt vốn có của hệ truyền động

out

Trang 12

Chương 2: Hệ truyền động động cơ KĐB - biến tần đa bậc G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

vì nguồn xoay chiều thì ở đâu cũng có và cấu tạo động cơ một chiều thì phức tạp do đó giá thành cao, chi phí cho vận hành và bảo dưỡng sửa chữa lớn … Vì vậy, hiện nay những nhà thiết kế hệ thống điều khiển tự động đều chuyển sang sử dụng động cơ xoay chiều rotor lồng sóc trong các hệ thống điều tốc có khả năng thay đổi một cách linh hoạt theo yêu cầu thực tiễn của thiết bị

Hình 2.1: Hệ thống truyền động biến tần – động cơ sử dụng khoá bán dẫn

Với những hệ thống công suất nhỏ, các nhà thiết kế hiện nay cũng còn một loại động cơ khác đáng để lựa chọn: đó là động cơ bước Ưu điểm nổi bật của động cơ bước là có tốc độ rất chuẩn và dễ điều khiển theo một chương trình định trước Tuy nhiên hiện nay vấn đề công suất chính là trở ngại lớn khi muốn thiết kế hệ thống tự động điều khiển sử dụng động cơ bước, vì vậy hiện nay trong công nghiệp chủ yếu người ta sử dụng hệ thống biến tần – động cơ không đồng bộ Hình 2.1 trình bày một hệ truyền động động cơ không đồng bộ - biến tần điển hình Trong hệ này, một bộ nghịch lưu gồm 6 transistor chuyển nguồn một chiều sức điện động E sang điện áp

3 pha cung cấp cho động cơ điện xoay chiều không đồng bộ Để kích dẫn các khoá transistor, hiện nay với các bộ biến tần đa bậc người ta thường sử

Mạch điều khiển

Encoder

Giải mã

Động cơ khơng đồng bộ 3 pha

E Nguồn

DC

cung

cấp

Trang 13

Chương 2: Hệ truyền động động cơ KĐB - biến tần đa bậc G.V.H.D: T.S Nguyễn Văn Nhờ

dụng kỹ thuật xử lý số tín hiệu (Digital Signal Proccesing - DSP) Trên hệ này, người ta sử dụng các vi mạch chuyên dụng trong DSP cũng như trong điều chế để điều khiển chế độ đóng cắt của các khoá bán dẫn nhằm thay

đổi tốc độ động cơ thông qua việc thay đổi tần số nguồn cung cấp f 1

2.2 CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ KĐB - BIẾN TẦN ĐA BẬC

Khi đưa vào bộ dây quấn của động cơ điện không đồng bộ (KĐB) xoay chiều 3 pha một sức điện động hình sin xoay chiều 3 pha thì nó sẽ tạo

ra từ trường quay với tốc độ đồng bộ:

* f 1 là tần số nguồn 3 pha cung cấp cho động cơ không đồng bộ

* p là số đôi cực từ của bộ dây quấn stator

Từ công thức tính tốc độ động cơ đã trình bày ở phần trên, có thể thay đổi tốc độ động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha theo các phương pháp sau:

 Thay đổi tần số nguồn cung cấp f1 :

Với sự phát triển như vũ bão của công nghệ chế tạo vi mạch số khả lập trình và linh kiện công suất lớn, các bộ biến tần tạo sóng sin ngày càng một hoàn thiện với giá thành ngày một thấp … đã tạo nên chỗ đứng vững chắc cho động cơ điện xoay chiều không đồng bộ 3 pha trong hệ thống cần có sự điều chỉnh và ổn định tốc độ Sử dụng các bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ cho phép thay đổi tốc độ động cơ trong một khoảng rộng và trơn, có bảo vệ quá tải, khởi động “êm” (ramp start) … Bên cạnh việc thay đổi tần số của nguồn điện cung cấp, phương pháp này cần phải thay đổi cả điện áp

U, vì ngoài quan hệ (2.1), trong động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha

còn có quan hệ giữa M t , U 1 và f 1

 Thay đổi số đôi cực từ p:

Thông thường người ta sử dụng các bộ chuyển mạch cơ khí để đổi nối giữa các cuộn dây trong bộ dây quấn stator hay thay đổi giữa hai bộ dây quấn trên cùng lõi thép kỹ thuật điện ở stator nhưng có cấu trúc khác nhau về số đôi cực từ nhằm thay đổi số đôi cực từ p để thay đổi tốc độ từ trường quay Khi thay đổi số đôi cực ta chú ý rằng số đôi cực ở stator và rotor là như nhau Nghĩa là khi thay đổi số đôi cực ở stator thì ở rotor cũng phải thay đổi theo Do đó rất khó thực hiện cho động cơ rotor dây quấn, nên phương pháp này chủ yếu dùng cho động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc và loại

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	6,31 MB