Nghiên cứu và ứng dụng biến tần trong máy phát điện gió

Bộ biến tần có thể đóng vai trò tự động biến tốc cho máy phát điện gió, theo nguyên tắc: tần số đầu vào của biến tần là tần số của máy phát điện gió luôn luôn biến đổi theo tốc độ gió s

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐẶNG VĂN HỒNG

TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN – 605250

Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Giảng Viên

Trường Cao Đẳng Cộng Đồng Vĩnh Long

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc:

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0962962196

Fax: E-mail: Hong10vl@yahoo.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung h ọc chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Cao Đẳng Thời gian đào tạo từ 9/1996 đến 3/ 2000 Nơi học (trường, thành phố): Trường Cao Đẳng SPKT Vĩnh Long

Ngành học: Thiết Bị Mạng & Nhà Máy Điện

Tên luận văn: Nghiên Cứu Và ứng Dụng Biến Tần Trong Máy Phát Điện Gió Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Người hướng dẫn: TS Nguyễn Bách Phúc

Chức vụ: Viện trưởng Viện Điện – Điện Tử - Tin Học TPHCM

4 Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ: Đạt TOEFL PBT 453 điểm

Người khai ký tên

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2011

( Ký tên và ghi rõ họ tên)

ĐẶNG VĂN HỒNG

L ời cảm ơn

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi xin chân thành cảm ơn Quý

thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình

truyền đạt, trang bị những kiến thức khoa học kỹ thuật quý giá cho tôi trong quá

trình học cao học tại trường

Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn đến Thầy TS NGUYỄN BÁCH PHÚC

Viện trường Viện Điện – Điện Tử - Tin Học Thành Phố Hồ Chí Minh Mặc dù

khăn, thầy cũng sẵn sàng sắp xếp thời gian để hai thầy trò gặp nhau giải quyếtvấn

đề Thầy đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kinh nghiệm và giúp đỡ để tôi hoàn

thành tập luận văn này

Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, cơ quan, đồng nghiệp

và bạn bè đã giúp đỡ cho tôi rất nhiều, đã tạo cho tôi niềm tin và nỗ lực cố gắng

để hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn !

Tốc độ quay của máy phát điện gió luôn luôn thay đổi theo tốc độ gió Vì vậy,

nếu không có bộ biến tốc thì tần số của máy phát điện gió sẽ không giữ được ở tần số

cố định Trước đây người ta phải dùng các bộ biến tốc rất kồng kềnh hoặc các thiết bị điều tốc điện tử phức tạp để giữ cố định tần số máy phát điện gió

Bộ biến tần có thể đóng vai trò tự động biến tốc cho máy phát điện gió, theo nguyên tắc: tần số đầu vào của biến tần ( là tần số của máy phát điện gió luôn luôn biến đổi theo tốc độ gió) sẽ được biến tần tự động điều khiển thành tần số đầu ra của biến tần luôn phù hợp với tần số lưới điện (50Hz)

Luận văn này nghiên cứu chế độ làm việc của biến tần với máy phát điện gió Do

hạn chế về mặt thời gian nên trong luận văn chỉ tập trung vào việc nghiên cứu ổn định

điện áp và tần số của đầu ra máy phát điện nam châm vĩnh cửu có công suất nhỏ

ABSTRACT

Inverter is a device capable of variable voltage and frequency power Through

the inverter voltage and frequency of the source was modified at the request of the user

Conventional inverter is used to control the speed of the cage motor Due to the

frequency of the inverter output can be arbitrarily changed the speed of the cage engine

arbitrary changes according to the requirements of the job, without a box number or

other converters

Rotational speed of the wind generators are always changing as the wind speed

So, if you do not have the frequency of the variable speed wind generators will not stay

in fixed frequency Previously we had to use the variable speed kong very cumbersome

equipment or complex electronic speed regulator to keep a fixed frequency of wind

generators

Inverter can play a role for automatic variable-speed wind generators, according

to the principle of variable frequency inverter input (the frequency of wind generators

was constantly changing as the wind speed) will be variable automatic frequency

control the output frequency of the inverter is always in line with the grid frequency

(50Hz)

This thesis research working mode of the inverter with wind generators Due to

time restrictions should be in essay focuses on the study of voltage stability and

frequency of the generator output permanent magnet of small capacity

MỤC LỤC

Trang

PHẦN MỞ ĐẦU 1

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG BIẾN TẦN TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ I Tổng quan 3

1 Đặt vấn đề 3

2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 4

3 Phương pháp nghiên cứu 4

4 Ứng dụng của đề tài 4

5 Điểm mới của luận văn 4

II Mô hình turbin gió 4

1 Mật độ phân bố gió 4

2 Năng lượng gió 6

3 Sự chuyển đổi năng lượng gió 6

III Giới thiệu máy phát điện gió sử dụng biến tần 8

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU I Cấu tạo 11

II Mô hình đơn giản của máy điện đồng bộ ba pha 12

III Các phương trình cơ bản 12

IV Mô hình toán học của máy điện kích thích nam châm vĩnh cửu 17

V Mô hình trạng thái của máy điện trên hệ tọa độ từ thong rotor (d-q) 19

VI Xây dựng bộ biến đổi (BBĐ) 21

6.1.Các phương trình chuyển đổi hệ tọa 21

6.2 Phương trình chuyển đổi hệ tọa độ abc →  và ngược lại 21

6.2.1 Phương trình chuyển hệ tọa độ abc →  21

6.2.2 Phương trình chuyển hệ tọa độ  → abc 22

6.3 Phương trình chuyển đổi hệ tọa độ  → dq và ngược lại 23

6.3.1 Phương trình chuyển đổi hệ tọa độ  → dq 23

6.3.2 Phương trình chuyển đổi hệ tọa độ dq →  23

VII Bộ BTU 7.1 Nguyên lý hiệu chỉnh P, PI, PD, PID 24

7.1.1 Khái niệm 24

7.1.2 Khâu hiệu chỉnh tích phân tỉ lệ PI 25

7.2 Áp dụng phương pháp PID vào điều khiển máy phát đồng bộ 25

Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN I Sơ lược về biến tần 27

1 Định nghĩa 27

2 Phân loại biến tần 27

2.1 Biến tần trực tiếp 27

2.2 Biến tần gián tiếp 27

3 Cấu trúc cơ bản của biến tần 29

II Phương Pháp điều khiển 30

2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) 30

2.1.1 Điều chế theo phương pháp SPWM 30

2.1.2 Điều chế theo phương pháp vector không gian 35

2.1.2.1 Thành lập vector không gian 35

2.1.2.2 Tính toán thời gian đóng cắt 39

2.1.2.3 Kỹ thuật thực hiện vector không gian 41

2.1.2.4 Giản đồ đóng cắt các khóa để tạo ra vector Vs trong từng sector 42 2.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp 43

Chương 4: MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN I Cấu trúc chung của máy phát điện gió làm việc với biến tần 45

II Momen ngõ ra của turbin gió 46

III Máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu 48

3.1 Mô hình máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu làm việc với biến tần 48

3.2 Nguyên lý làm việc của máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu làm việc với biến tần 49

3.3 Điện áp ngõ ra của máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu 49

IV Hoạt động của biến tần với máy phát điện gió 50

4.1 Bộ chỉnh lưu 50

4.1.1 Bộ tụ bù 50

4.1.2 Dòng điện điều khiển điện áp ngõ ra máy phát 51

4.1.3 Dòng điều khiển bộ chỉnh lưu 51

4.2 Bộ nghịch lưu 54

4.2.1 Biên độ áp hài cơ bản cực đại 54

4.2.2 Điện áp pha cực đại ở chế độ quá điều chế 54

4.2.3 Điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu 54

4.2.4 Tần số ngõ ra của bộ nghịch lưu 55

Chương 5: MÔ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN TRONG MATLAB I Xác định momen của turbin 57

II Xác định điện áp và tần số ngõ ra của máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu 58

III Tính toán các thông số biến tần 62

3.1 Xác định điện áp DC trên tụ lọc 62

3.2 Biên độ điện áp hài cơ bản cực đại 62

3.3 Điện áp pha tải cực đại ở chế độ quá điều chế 62

3.4 Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu 63

IV Kết quả mô phỏng của máy phát điện gió làm việc với biến tần trong Matlab 65

4.1 Mô hình tổng quát 65

4.2 Các khối công suất trong máy phát điện gió làm việc với biến tần 66

4.2.1 Khối turbin gió 66

4.2.2 Khối máy phát 66

4.2.3 Khối chỉnh lưu 67

4.2.4 Khối nghịch lưu 67

4.3 Các khối điều khiển 68

4.3.1 Khối điều khiển chỉnh lưu 68

4.3.2 Khối điều khiển nghịch lưu 68

4.4 Kết quả mô phỏng 69

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG CỦA ĐẾ TÀI I Kết luận 72

II Hướng phát triển của đề tài 72

Tài liệu tham khảo 73

PHẦN MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp, năng lượng có thể là yếu

tố quan trọng nhất tác động đến phát triển chung của xã hội Con người đã biết đến dầu mỏ cả ngàn năm, nhưng dầu mỏ chỉ sử dụng nhiều ở thế kỷ XIX Từ đó đến nay chỉ gần 200 năm con người đã dùng phần lớn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ và than đã tích tụ cả chục triệu năm mới có được

Để giảm bớt tình trạng phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch, con người đã tiến hành khai thác thêm nguồn năng lượng mới như: năng lượng hạt nhân và các nguồn năng lượng tái tạo Hiện nay ở các nước phát triển như Châu Âu, Châu Mỹ đang quan tâm nghiên cứu nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời v.v… vì nguồn năng lượng này gần như không gây ô nhiễm đến môi trường và có trữ lượng

vô hạn Đây cũng là vấn đề để giải quyết nguồn năng lượng sắp cạn kiệt trong tương lai

Tuy nhiên nguồn năng lượng tái tạo thường không tập trung, nó phụ thuộc rất nhiều vào kỹ thuật mới Do đó giá thành sản xuất ra được 1KW rất cao Theo xu hướng phát triển của thế giới, các ngành kỹ thuật cao đã phát triển và ứng dụng ngày càng nhiều hơn thì giá thành để sản xuất ra 1KW sẽ giảm đến một lúc nào đó giá thành để sản xuất năng lượng tái tạo sẽ giảm ngang bằng với năng lượng hóa thạch và có xu hướng thấp hơn trong trong tương lai

Ngày nay tính với tính năng kỹ thuật cao kết hợp với công nghệ kỹ thuật hiện đại, con người đã chế tạo ra bộ biến tần Bộ biến tần thực hiện biến đổi tần số, điện

áp đầu vào để ổn định được tần số, điện áp đầu ra đúng với yêu cầu của người sử dụng Với tính năng này, từ trước tới nay bộ biến tần thường được sử dụng nhiều trong điều khiển động cơ, tốc độ động cơ được thay đổi tuyến tính đáp ứng được mọi dây chuyền sản xuất

Ngoài tính năng trên trong luận văn này bộ biến tần sẽ được sử dụng trong Máy phát điện gió.Vì máy phát điện gió phụ thuộc vào vận tốc của gió, mà tốc độ gió luôn luôn thay đổi sẽ làm cho tần số và điện áp biến động thường xuyên theo tốc

độ gió Do hạn chế về mặt thời gian nên trong luận văn chỉ tập trung vào việc

nghiên cứu ổn định điện áp và tần số của đầu ra máy phát điện gió có công suất nhỏ

khi gắn trực tiếp biến tần vào máy phát điện gió

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG BIẾN TẦN

TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

I Tổng quan

1 Đặt vấn đề

Công suất phát điện gió là một trong những nguồn năng lượng mới hấp dẫn nhất, nó không gây ra sự ô nhiễm Nhiều quốc gia có mức độ gió cao, cho nên các quốc gia này sử dụng rộng rãi hệ thống máy phát điện bằng turbin gió Ngày nay có nhiều turbin gió sản xuất trên thế giới với nhiều loại máy phát khác nhau sử dụng bộ biến đổi bằng điện tử công suất Hầu hết các máy phát điện bằng turbin gió có đặc điểm chung là ổn định tốc độ máy phát, Các loại máy phát điện bao gồm máy phát điện cảm ứng roto lồng sóc, máy phát điện cảm ứng cung cấp nguồn đôi (DFIG) và

kỹ thuật điều khiển trực tiếp dùng trong máy phát đồng bộ sử dụng nam châm vĩnh cữu (PMSG) Điều quan trọng nữa là loại bỏ hộp số và sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu đa cực Lợi ích của việc loại bỏ hộp số là tiết kiệm về mặt kinh

tế như không cần dầu bôi trơn hộp số, bảo dưỡng và lắp đặt dễ dàng Thêm vào đó cấu trúc điều khiển trực tiếp có thể vận hành với bất cứ lượng công suất phản kháng nào và chất lượng điện năng của nó hòa vào lưới điện được nâng cao khi các nhà máy phát điện khác nhau Ngày nay với kỹ thuật ứng dụng biến tần trong công nghiệp turbin gió là giảm chi phí lắp đặt và vận hành an toàn Nguyên tắc chung của việc sử dụng biến tần là tăng giá trị công suất phát ra của turbin gió Vì thế, việc thiết kế là nâng cao công suất phát lớn hơn của turbin gió thường dẫn đến nâng cao giá trị của điện áp thanh cái DC Các giá trị này có thể được cung cấp bởi điện áp các tụ điện trên thiết bị công suất, Ngoài ra cấu trúc điều khiển trực tiếp là chuyển đổi công suất hoàn toàn Ngay cả nếu công suất phát ra cao các chất bán dẫn này có thể được sử dụng nạp điện vào bình acquy, Các linh kiện điện tử này có đặc tính là khả năng dẫn điện cao và tổn thất công suất nhỏ Vì vậy với kỹ thuật tích hợp bộ biến tần đa bậc cho turbin gió cũng sẽ làm giảm sóng hài ngõ ra, bảo toàn biên độ

ngỏ ra dv/dt và cải thiện tất cả các đặc tính của điện từ trường

Trong đề tài này ứng dụng biến tần hai bậc để ổn định tần số và điện áp ngõ

ra của máy phát điện gió

2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu bộ nghịch lưu áp 3 pha hai bậc và ứng

dụng vào máy phát phát điện gió sử dụng máy phát điện một chiều

Các nhiệm vụ chính:

- Khảo sát đặc tính công suất turbin gió

- Khảo sát máy phát điện nam châm vĩnh cửu

- Khảo sát dạng nghịch lưu áp 3 pha hai bậc

- Mô phỏng máy phát điện gió sử dụng bộ nghịch lưu áp 3 pha hai bậc

- Mô phỏng trên máy tính

- Đánh giá kết quả dưa trên mô phỏng

4 Ứng dụng của đề tài

- Máy phát điện gió dược ứng dụng trong cung cấp điện cho gia, hệ thống

điện khu vực, lớn hơn nữa là hòa vào lưới điện quốc gia

- Ứng dụng quan trọng nhất của máy phát điện gió điện là cung cấp điện cho

các vùng hải đảo, vùng xa mà lưới điện quốc không thể cung cấp được

5 Điểm mới của luận văn

Sử dụng bộ nghịch lưu áp để ổn định tần số và điện ngõ ra của máy phát điện

gió, thay vì sử dụng hộp số hoặc thay đổi góc pitch để ổn định

Sử dụng phương pháp này có thể nâng cao công suất phát ra that dễ dàng

II Mô hình turbin gió

1 Mật độ phân bố gió

Gió là sự di chuyển của khối không khí trong khí quyển, chủ yếu bắt nguồn

do khác nhau về nhiệt độ giữa các vùng của trái đất

Hàm mật độ xác suất thong thường nhất để mô tả tốc độ gió là hàm phân bố Weibull, được biểu diễn bởi công thức:

k

m C V k m

C

V C

k V

Hàm xác suất phân bố Weibull cho thấy tốc độ gió trung bình hiếm khí xảy

ra ở mức gió thường xuyên hơn Xác suất phân bố lớn nhất xảy ra tương ứng với vận tốc gió 5,5m/s trong khi tốc độ gió trung bình 7m/s

Tốc độ gió trung bình cũng là một hàm theo chiều cao Mô hình toán được đưa ra là một luật Prandtl logagrithmic, được mô tả bởi phương trình:

)/ln(

)/ln(

)()(

0

0

z z z z z

V z V

ref ref m

m  (1.2)

Trong đó z là chiều cao mặt đất và zref là chiều cao tham khảo ( thường là 10m) và z0 là chiều cao do bề mặt địa hình, các giá trị tiêu biểu của thông số này theo địa hình được liêt kê trong bảng 2.1 Môt công thức thực nghiệm khác mô tả ảnh hưởng của tốc độ gió đến địa hình và tuân thủ theo hàm mũ như sau:

z z V z

V ( ) ( ) (1.3)

Trong đó, thông số  phụ thuộc vào bề mặt địa hình và giá trị  tương ứng các loại đại hình khác nhau thể hiện cột cuối trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Giá trị điển hình chiều cao z0 và thành phần  theo từng loại địa hình

Sự tin cậy của công thức Weibull phụ thuộc vào ước lượng chính xác thong

số k và C Để tính toán chính xác k và C, dữ liệu gió phải thu thập tương đối đầy đủ

Trong nhiều trường hợp những thông tin như vậy không có sẵn Dưới tình huống

như vậy, một trường hợp đơn giản hóa mô hình Weibull được đưa ra, xấp xỉ

K bằng 2 và C2V/  với V là vận tốc gió trung bình, thế vào (2.1) ta được hàm

mật độ xác suất gọi là Rayleigh

(

V

V V

V V

m



 (1.4) Thể hiện mật độ xác suất tốc độ gió của phân bố Rayleigh, tương ứng tốc độ

gió trung bình bình là 5,4m/s và 8,2m/s

2 Năng lượng gió

Động năng gió trong một đơn vị thể tích Ek = (1/2)..v2, trong đó  (kg/m3)

là mật độ không khí Công suất gió xuyên qua khu vực diện tích A với tốc độ gió

trung bình V là:

3

2

1

v A

o

dt v A

2

3 Sự chuyển đổi năng lượng gió

Năng lượng thực tế (hay công suất cơ) lấy được từ gió Pr bởi cánh quạt

1 A 3c w

P R   p (1.7) Trong đó

- A: Diện tích cánh quạt gió (m2)

- Cp được gọi là hiệu suất của cánh quạt tuabin (hay còn gọi ngắn gọn hơn là hiệu suất rotor), được tính:

5

)(

),

Một thuận lợi của công thức (2.9) là chỉ ra giới hạn công suất có thể nhận được từ gió Tuy nhiên, công thức này chưa nêu ra được mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với cấu trúc hình học của từng loại tuabin gió cụ thể, cũng như mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với tốc độ quay của máy phát

Hình 1.1 Đường cong hiệu suất rotor

Ta rút ra nhận xét, nếu như rotor quay quá chậm thì gió sẽ dễ dàng đi xuyên

qua mà không tác động nhiều lên cánh quạt Ngược lại, nếu rotor quay quá nhanh

thì cánh quạt sẽ giống như một bức tường chắn và vận tốc gió phía sau cánh quạt

gần như bằng không, hệ quả là hiệu suất gần bằng không Như vậy, với một vận tốc

gió cho trước thì hiệu suất rotor còn phụ thuộc vào tốc độ máy phát

Momen turbin gió được tính theo công thức sau:

p r

Nhược điểm của máy phát điện sử dụng năng lượng gió là khi tốc độ gió thay

đổi thì tốc độ turbin sẽ thay đổi, tần số đầu ra của máy phát cũng thay đổi

Có nhiều cách để ổn định tốc độ quay của turbin như:

Thứ nhất thay đổi bề mặt hứng gió của cánh quạt, phương pháp này là đặt

cho trục turbin gió với một giới hạn tốc độ cho phép, khi tốc độ gió lớn hơn tốc độ

gió qui định, trục turbin gió sẽ quay nhanh hơn, bộ cảm biến sẽ nhận tín hiệu,

chuyển đến bộ phận điều khiển, bộ phận điều khiển sẽ so sánh với tốc độ quay đã

qui định Cơ cấu chấp hành sẽ xoay cánh quạt để thay đổi bề mặt hứng gió Bằng

cách này, tốc độ của turbin sẽ thay đổi kịp thời, để ổn định tần số ra của máy phát

Ưu điểm của phương pháp này là dễ điều khiển chỉ cần sử dụng một động cơ điều khiển cánh quạt khi tốc độ gió thay đổi Nhược điểm của phương pháp này là các cơ cấu khiều khiển sẽ làm việc liện tục, dẫn đến tổn hao năng lượng lớn, thiết bị mau hỏng, …

Thứ hai, khi tốc độ gió thay đổi thì tốc độ turbin thay đổi, nhờ bộ phận hộp

số mà tốc độ Máy phát có thể tăng giảm sao cho gần với tốc độ đồng bộ Nếu chế tạo một bộ hộp số mà đáp ứng hầu hết thay đổi của tốc độ gió thì rất phức tạp, khó

có khả năng thực hiện được, ngược lại nếu hộp số đơn giản thì tốc độ turbin sẽ thay đổi dạng bậc thang, Vì vậy phải kết hợp Hộp số với phương pháp thứ nhất

Ngày nay với tính năng kỹ thuật cao với công nghệ kỹ thuật hiện đại, con người đã chế tạo ra bộ biến tần Bộ biến tần thực hiện biến đổi tần số, điện áp đầu vào để được tần số, điện áp đầu ra đúng với yêu cầu của người sử dụng Với tính năng này, từ trước tới nay bộ biến tần thường được sử dụng nhiều trong điều khiển động cơ, tốc độ động cơ được thay đổi tuyến tính đáp ứng được mọi dây chuyền sản xuất Ngoài tính năng trên bộ biến tần sẽ được sử dụng trong Máy phát điện gió Máy phát điện gắn trực tiếp với động cơ gió sẽ cho tần số và điện áp biến động thường xuyên theo tốc độ gió, Bộ biến tần sẽ cung cấp tại đầu ra một nguồn điện có tần số ổn định đồng bộ và điện áp ổnđịnh ở trị số định mức

Hình 1.2 Sơ đồ kết nối máy phát điện gió với lưới điện

Khi gió thổi vào cánh quạt turbin gió biến động năng thành cơ năng, Cơ năng sẽ

biến đổi thành điện năng do turbin được nối vào máy phát điện Điện áp ngõ ra của

máy phát biến thành điện áp một chiều, sau đó qua bộ nghịch lưu áp để được điện

áp và tần số đạt yêu cầu sử dụng cho hộ gia đình hoặc hòa vào lưới điện khu vực

hay quốc gia Trong đề tài này sử dụng máy phát điện xoay chiều ba pha nam châm

vĩnh cửu

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PHÁT MÁY ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU

Máy điện nam châm vĩnh cửu (PMSM) là một máy điện có một Stator 3 pha

cổ điển giống như một động cơ không đồng bộ, Rotor có các nam châm vĩnh cửu được lắp đặt trên bề mặt, xem hình 1-1

Hình 2.1 Mặt cắt của một động cơ đồng bộ PM

Đặc biệt, PMSM là tương đương với một động cơ không đồng bộ, ở đó có từ trường khe hở không khí được tạo bởi một nam châm vĩnh cửu, vì vậy từ trường Rotor là không đổi Các động cơ đồng bộ PM đưa ra một số thuận lợi trong thiết kế các hệ thống điều khiển chuyển động hiện đại Sử dụng của một nam châm vĩnh cửu

để phát ra đường từ thông khe hở không khí thực chất làm cho nó có khả năng thiết

kế các động cơ PM hiệu quả cao

II Mô hình đơn giản của máy điện đồng bộ ba pha

Máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu:

Hình 2.3 Mô hình đơn giản của máy điện đồng bộ ba pha rotor cực ẩn

III Các phương trình cơ bản:

Hệ phương trình cân bằng áp trong hệ toạ độ pha:

uf: điện áp ngoài đặt vào mạch kích từ

rf: điện trở của dây quấn kích từ

rs: điện trở của dây quấn stator

rs = diag [rs rs rs) (2.3)

Xét máy có dây quấn đệm:

Mô hình máy điện đồng bộ có dây quấn đệm:

Hình 2.4 Mô hình máy điện đồng bộ có dây quấn đệm

Trong đó:

ikd: dòng thanh do từ trước dọc trục d cảm ứng ra

ikd: dòng thanh do từ trường ngang trục q cảm ứng ra

if: dòng chạy trong cuộn dây kích từ

id: dòng chạy trong cuộn dây ngang trục

iq: dòng chạy trong cuộn dây ngang trục

Phương trình điện áp trong hệ toạ độ pha:

( 2.4.1)( 2.4.2)( 2.4.3)( 2.4.4)

ua, ub, uc: lần lượt là điện áp của các cuộn dây pha a, b, c

ia, ib, ic: lần lượt là điện áp của các cuộn dây pha a, b, c

a, b, c: lần lượt là điện áp của các cuộn dây pha a, b, c

f: từ thơng mĩc vịng của cuộn dây kích từ

Phương trình từ thông:

(2.5)(2.6)(2.7)(2.8)

 Laa, Lbb, Lcc; lần lượt là từ cảm của các cuộn dây pha a, b, c

 Lff: từ cảm của cuộn dây kích từ

 Lab, Lac, Lba, Lca, Lcb: lần lượt là hỗ cảm giữa các pha

 Laf, Lbf, Lcf: lần lượt là hỗ cảm của các cuộn dây pha a,b,c qua

0 0

.cos 2( 120 ) (2.10).cos 2( 120 ) (2.11)

(2.12)1/ 2 cos(2 120 ) (2.13)1/ 2 cos(2 120 ) (2.14)1/ 2 cos(2 360

) (2.15)

.cos( 120 ) (2.17).cos( 120 ) (2.18)

 Lmd: điện kháng từ hố ngang trục q

Từ trường của dây quấn kích từ:

, , ,

3

(2.22)2

= Lkq,kqikq + Ls,kq [-ia sin - ibsin ( - 1200) – icsin ( + 1200)]

= Lkq,kqikq – Ls,kq [ iasin+ibsin (-1200) + icsin ( + 1200)] (2.26)

Lkq,a = La,kq = La,kd = Ls,kqcos ( + /2) = -Ls,kqsin (2.27)

Lkq,b = Lb,kq = -Ls,kqsin ( - 1200) (2.28)

Lkq,c = Lc,kq = -Lc,kq (sin  + 1200) ( 2.29)

Nếu trục d là trục cực từ của dây quấn kích từ f và dây quấn kq, trục q là trục

cực từ của dây quấn kq thì ta có từ cảm và hỗ cảm giữa các pha dây quấn là:

32

32

32

s f

s kq

s kq

W W

W W

W W

  là vectơ từ thông stator

Số “s” ở trên chỉ hệ quy chiếu stator

Nếu quan sát trên hệ tọa độ rotor (d-q) – có trục d trùng với trục từ thông

vĩnh cửu thì (3.2.3) trở thành:

(2.4.5)

Số chỉ “ f ” ở trên hệ quy chiếu rotor

Vectơ từ thông stator f

s

 gồm có 2 thành phần : một thành phần do dòng stator tự cảm ứng trong các cuộn dây stator, một thành phần do từ thông rotor

(2.5.5) Hay :

(2.5.6)

(2.5.7)

Trong đĩ : sd

sd s

L T R

 : hằng số thời gian trục d

sq sq

VI XÂY DỰNG BỘ BIẾN ĐỔI (BBĐ)

6 1 Các phương trình chuyển đổi hệ toạ độ

Hình 2.5 Hệ toạ độ đồng bộ dq và đứng yên  

6.2 Phương trình chuyển đổi hệ toạ độ abc ->  và ngược lại

6.2.1 Phương trình chuyển độ hệ toạ độ abc -> 

Viết theo dạng ma trận:

1 11

2 2

3 30

2 2

as s

as

bs s

cs

i i

i i

Do ias + ibs + ics = 0 (dòng cân bằng)

1 11

2 2

3 300

s

cs

i i

s

cs

i i

Usb 2

Usc 1

Gain 2 -K- Gain 1 1/3

Gain 2/3

Add 3

Add 2

Beta 2 anpha 1

6.3 Phương trình chuyển đổi hệ toạ độ  -> dq và ngược lại

Mối quan hệ giữa vectơ điện áp trong hệ toạ độ  và dq:

Trong đó   s t (góc giữa pha a và trục d)

6.3.1 Phương trình chuyển đổi hệ toạ độ  -> dq

s

r r

Mô hình chuyển đổi hệ tọa độ dq → 

VII BỘ MTU

Khâu hiệu chỉnh khuếch đại tỉ lệ (P) được vào hệ thống nhằm làm giảm sai

số xác lập, với đầu vào hàm nấc sẽ gây ra độ vọt lố và trong một số trường hợp là

không chấp nhận được với mạch động lực Sự có mặt của khâu vi phân tỉ lệ (PD)

làm giảm vọt lốt, đáp ứng ra bớt nhấp nhô và hệ thống sẽ đáp ứng nhanh hơn Khâu

tỉ lệ (PI) có mặt trong hệ thống sẽ dẫn đến sai lệch tĩnh triệt tiêu Khâu hiệu chỉnh vi

tích phân (PID) kết hợp những ưu điểm của khâu PI và PD, có khả năng tăng độ dự

trữ pha ở tần số cắt, khử chậm pha

Các bộ hiệu chỉnh PID được ứng dụng nhiều trong công nghiệp dưới dạng

thiết bị điều khiển hay thuật toán phần mềm Hàm truyền của bộ điều khiển PID có

Product 2 Product 1

Product

Integrator 1 Add 1

Add

Usq 3

w 2 Usd

1

Hình 2.7 Mô hình chuyển đổi hệ tọa độ dq → 

Phương trình vi tích phân mô tả mối tương quan giữa tín hiệu ra u (t) với tín hiệu vào e (t) của bộ điều khiển PID là:

(2.7.2) Trong đó e(t) là sai lệch trong hệ thống e(t) = r(t) – c(t) Với r(t) là tín hiệu vào và c(t) đáp ứng ngõ ra của hệ thống

Vấn đề thiết kế là cần xác định giá trị KP, KD, và KI sao cho hệ thoả mãn các yêu cầu về chất lượng của hệ thống

7 1.2 Khâu hiệu chỉnh tích phân tỉ lệ (PI)

Hàm truyền của khâu PI có dạng:



 và nghiệm

s=0 vào hàm truyền vòng hở Sai số xác lập của hệ có khâu PI sẽ bằng 0 với tín hiệu vào là hàm nấc, và bằng hằng số tỉ lệ nghịch với giá trị KP nếu tín hiệu vào là hàm RAMP Khi đó vấn đề đặt ra là chọn KP và KI sao cho hệ thoả mãn yêu cầu thiết kế

ĐỒNG BỘ

Máy điện đồng bộ là một hệ phi tuyến nhiều biến, việc tính toán xác định các

hệ số tỉ lệ KP, KI, KD của bộ điều khiển rất khó khăn Do đó, bằng thực nghiệm trên phần mềm Matlab, sử dụng phương pháp thử – sai để xác định các hệ số KP, KI, KD

cho các bộ điều khiển

Bộ điều khiển PID để điều chỉnh tốc độ được trình bày trên hình 7.3 :

Hình 2.8 Mô hình bộ điều chỉnh PID

Chöông 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BIẾN TẦN

I Sơ lược về biến tần

1 Định nghĩa

Bộ biến tần là thay đổi tần số nguồn cung cấp dùng mạch điện tử

Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều cung cấp cho tải xoay chiều Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện Nếu đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp, bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu

áp, ngược lại là bộ nghịch lưu dòng

2 Phân loại biến tần

Biến tần thường được chia làm hai loại:

2.2 Biến tần gián tiếp

Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau:

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp

Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy

có tên gọi là biến tần gián tiếp Chức năng của các khối như sau:

a) Chỉnh lưu: Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều

thành điện áp một chiều Chỉnh lưu có thể là không điều chỉnh hoặc có điều chỉnh

Ngày nay đa số chỉnh lưu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiều

trong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến

đổi Nói chung chức năng biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưu

thông qua luật điều khiển Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người ta thường

dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ

thống khi quá tải Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà

bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định

b) Lọc: Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp sau chỉnh lưu

c) Nghịch lưu: Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng một chiều thành

dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập

Nghịch lưu có thể là một trong ba loại sau:

- Nghịch lưu nguồn áp: trong dạng này, dạng điện áp ra tải được định dạng trước

(thường có dạng xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thuộc vào tính chất tải

Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ Trong các ứng

dụng điều kiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp

- Nghịch lưu nguồn dòng: Ngược với dạng trên, dạng dòng điện ra tải được định

hình trước, còn dạng điện áp phụ thuộc vào tải Nguồn cung cấp phải là nguồn dòng

để đảm bảo giữ dòng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức điện động thì phải

có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều khiển

ổn định dòng điện

Nghịch lưu cộng hưởng: Loại này dùng nguyên tắc cộng hưởng khi mạch hoạt

động, do đó dạng dòng điện (hoặc điện áp) thường có dạng hình sin Cả điện áp và

dòng điện ra tải phụ thuộc vào tính chất tải

3 Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần

Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần như hình vẽ

Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha Bộ chỉnh lưu có nhiệm biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều

Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu

Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều

có tần số có thể thay đổi được Điện áp một chiều được biến thành điện áp xoay chiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quy luật nhất định

Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật điều khiển nào đó đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu Ngoài ra nó còn có chức năng sau:

- Theo dõi sự cố lúc vận hành

- Xử lý thông tin từ người sử dụng

Hình 3.2 Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần

- Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm

- Xác định đặc tính – momen tốc độ

- Xử lý thông tin từ các mạch thu thập dữ liệu

- Kết nối với máy tính

Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các van công

suất trong mạch nghịch lưu Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly giữa mạch công suất

với mạch điều khiển để bảo vệ mạch điều khiển

Màn hình hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thông tin hệ thống như tần

số, dòng điện, điện áp,… và để người sử dụng có thể đặt lại thông số cho hệ thống

Các mạch thu thập tín hiệu như dòng điện, điện áp nhiệt độ,… biến đổi chúng

thành tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể xử lý được Ngài ra còn có các

mạch làm nhiệm vụ bảo vệ khác như bảo vệ chống quá áp hay thấp áp đầu vào…

Các mạch điều khiển, thu thập tín hiệu đều cần cấp nguồn, các nguồn này

thường là nguồn điện một chiều 5, 12, 15VDC yêu cầu điện áp cấp phải ổn định Bộ

nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện thích hợp đó

Sự ra đời của các bộ vi xử lý có tốc độ tính toán nhanh có thể thực hiện các thuật

toán phức tạp thời gian thực, sự phát triển của các lý thuyết điều khiển, công nghệ

sản xuất IC có mức độ tích hợp ngày càng cao cùng với giá thành của các linh kiện

ngày càng giảm dẫn đến sự ra đời của các bộ biến tần ngày càng thông minh có khả

năng điều khiển chính xác, đáp ứng nhanh và giá thành rẻ

II Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp

2.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

Nội dung của phương pháp điều chế độ rộng xung là tạo ra một tín hiệu sin

chuẩn có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện ra nghịch lưu Tín

hiệu này sẽ được so sánh với một tín hiệu răng cưa có tần số lớn hơn rất nhiều tần

số của tín hiệu sin chuẩn Giao điểm của hai tín hiệu này xác định thời điểm đóng

mở van công suất Điện áp ra có dạng xung với độ rộng thay đổi theo từng chu kỳ

Hình 3.3 Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung

(v o1 là thành phần sin cơ bản, v i là điện một chiều vào bộ nghịch lưu, v o là điện áp ra )

Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực, điều biến theo độ rộng xung đơn cực và điều biến theo độ rộng xung lưỡng cực Trong đề tài này em sử dụng phương điều chế độ rộng xung đơn cực

Có hai phương pháp điều chế cơ bản là:

- Điều chế theo phương pháp sin PWM (SPWM)

- Điều chế vectơ

Điều chế theo phương pháp SPWM

Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụng một tín hiệu

xung tam giác v tri (gọi là sóng mang) đem so sánh với một tín hiệu sin chuẩn v c(gọi

là tín hiệu điều khiển) Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ nghich lưu một pha, thì ở ngõ ra sẽ thu được dạng xung điện áp mà thành phần điều hòa cơ bản có

tần số bằng tần số tín hiệu điều khiển v cvà biên độ phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu và tỷ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên độ sóng mang Tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều tần số tín hiệu điều khiển Hình 3-3 miêu

tả nguyên lý của của phương pháp điều chế SPWM một pha: