Nghiên cứu các ứng dụng của bộ biến đổi tái sử dụng năng lượng

Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất không những được áp dụng trong ngành công nghiệp điện mà nó còn có thể sử dụng với người dùng cá nhân khi muốn làm giảm tổn hao trên đường truyền và ổ

i

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu các ứng dụng của bộ

biến đổi tái sử dụng năng lượng từ trường” do em tự thực hiện dưới sự hướng dẫn

của thầy TS Phạm Việt Phương Các kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành luận văn này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong

danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất ký tài liệu nào

khác Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Học viên thực hiện

Hoàng Văn Quân

ii

MỤC LỤC

DANH SÁCH HÌNH VẼ iii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU iv

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

LỜI NÓI ĐẦU viii

CHƯƠNG 1 CÁC VẤN ĐỀ KHI SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.1.1 Vấn đề về dòng điện khởi động Ikđ 1

1.1.2 Vấn đề về hệ số công suất 2

1.2 Các biện pháp khắc phục đã được thực hiện 2

1.2.1 Phương pháp đổi nối sao – tam giác ( Y - ∆ ) 2

1.2.2 Phương pháp khởi động mềm dùng Thyristor 4

1.2.3 Phương pháp khởi động bằng biến tần 5

1.2.4 Phương pháp bù công suất phản kháng 7

1.2.4.1 Phương pháp bù công suất phản kháng dùng tụ bù tĩnh điện 7

1.2.4.2 Phương pháp bù ngang có điều khiển ( SVC ) 10

1.3 Nội dung đồ án 12

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MERS 13

2.1 Cấu tạo 13

2.2 Nguyên lý hoạt động 14

2.3 Các chế độ hoạt động chính 16

2.3.1 Chế độ gián đoạn 17

2.3.2 Chế độ liên tục 18

2.3.3 Chế độ cân bằng 19

2.4 Khả năng điều chỉnh điện áp và cải thiện hệ số công suất của MERS 20

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 24

3.1 Mô hình hóa hệ thống 24

3.2 Tính toán mạch lực 32

iii

3.2.1 Tính toán chọn tụ điện 34

3.2.2 Tính toán chọn van 34

CHƯƠNG 4 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG 36

4.1 Tính toán các mạch vòng điều khiển 36

4.1.1 Mạch vòng điều khiển điện áp 37

4.1.2 Mạch vòng điều khiển công suất phản kháng 43

4.2 Mô phỏng và đánh giá kết quả thu được 45

4.2.1 Mô hình mạch với một mạch vòng điện áp 47

4.2.1.1 Các khối chức năng trong phần mô phỏng mạch vòng điện áp 47

4.2.1.2 Các kết quả mô phỏng 50

4.2.2 Mô hình mạch kết hợp mạch vòng điều khiển công suất phản kháng 54

4.2.2.1 Các khối chức năng trong trong sơ đồ điều khiển 55

4.2.2.2 Các kết quả mô phỏng 57

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC 62

iv

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mạch điện thay thế động cơ KĐB 1

Hình 1.2 Phương pháp đổi nối sao – tam giác 3

Hình 1.3 a) Đặc tính cơ; b) Đặc tính cơ điện 4

Hình 1.4 Bộ khởi động mềm dùng Thyristor 4

Hình 1.5 a) Đặc tính cơ ; b) đặc tính cơ điện 5

Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản của biến tần 6

Hình 1.7 Sơ đồ mắc tụ bù tĩnh điện 8

Hình 1.8 Sơ đồ mạch điện tương đương của động cơ khi chưa được lắp tụ bù 9

Hình 1.9 Đồ thị véc tơ công suất của động cơ KĐB 9

Hình 1.10 Cấu trúc và lắp đặt của tụ bù tĩnh điện SVC 11

Hình 2.1 Cấu tạo bộ MERS 14

Hình 2.2 Các trạng thái làm việc của MERS 14

Hình 2.3 Kết quả của quá trình đóng – mở van 15

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống dùng MERS và biểu đồ pha 16

Hình 2.5.Các trạng thái làm việc của MERS trong chế độ gián đoạn 17

Hình 2.6 Giản đồ điện áp, dòng điện trong chế độ gián đoạn 18

Hình 2.7 Các trạng thái làm việc của MERS trong chế độ liên tục 18

Hình 2.8 Giản đồ điện áp, dòng điện trong chế độ liên tục 19

Hình 2.9 Đồ thị dòng điện và điện áp trong chế độ cân bằng 20

Hình 2.10 Đồ thị vecto quan hệ dòng điện và điện áp theo góc pha của điện áp MERS [7] a) Khi không có MERS; b) Chế độ chậm sau; c) Chế độ cân bằng; d) chế độ vượt trước 20

Hình 2.11 Quan hệ điện áp tải, hệ số công suất với góc α 22

Hình 2.12 Điện kháng của MERS theo góc pha 23

Hình 3.1 Sơ đồ điện áp tải RL 24

Hình 3.2 Sơ đồ đấu nối Mers trong hệ thống 24

Hình 3.3 Sơ đồ thay thế và đồ thị vector điện áp 28

Hình 3.4 Mạch vòng điều khiển MERS trong chế độ liên tục 31

v

Hình 3.5 Cấu trúc mạch điện nguồn – Mers – động cơ 32

Hình 3.6 Mô hình đơn giản hóa của động cơ 33

Hình 3.7 Sơ đồ vector điện áp 33

Hình 3.8 Hình thực tế của van IGBT HGTP20N60B3 35

Hình 4.1 Hai mạch vòng điều khiển MERS 36

Hình 4.2 Mạch vòng điều khiển điện áp 37

Hình 4.3 Cấu trúc điều khiển Mers giản lược 37

Hình 4.4 Sơ đồ khối đo lường điện áp 38

Hình 4.5 Hệ tọa độ α-β 38

Hình 4.6 Nguyên lí hoạt động của khổi PLL 40

Hình 4.7 Sơ đồ khối điều khiển PLL 41

Hình 4.8 Cấu trúc dịch pha 42

Hình 4 9 Đồ thị biểu diễn dịch pha và xung điểu khiển IGBT 43

Hình 4.10 Sơ đồ điều khiển Mers có thêm mạch vòng điều khiển công suất phản kháng 44

Hình 4.11 Sơ đồ cấu trúc mô phỏng mạch vòng điện áp – Matlab Simulink 46

Hình 4.12 Đồ thị điện áp đặt cho mạch vòng điện áp 47

Hình 4.13 Sơ đồ khối động cơ – tải 48

Hình 4.14 Sơ đồ khối khâu đo lường điện áp 48

Hình 4.15 Sơ đồ phát xung cho các van IGBT – Simulink 48

Hình 4.16 Sơ đồ khối đồ thị kết quả - Simulink 49

Hình 4.17 Đồ thị điện áp 3 pha nguồn 50

Hình 4.18 Đồ thị điện áp trên tụ 51

Hình 4.19 Đồ thị điện áp tải với mạch vòng điện áp 52

Hình 4.20 Đồ thị dòng điện khởi động với mạch vòng điện áp 52

Hình 4.21 Đồ thị công suất phản kháng với mạch vòng điện áp 52

Hình 4.22 Đồ thị hệ số công suất với mạch vòng điện áp 53

Hình 4.23 Sơ đồ cấu trúc mô phỏng kết hợp mạch vòng công suất phản kháng 56

vi

Hình 4.24 Đồ thị công suất phản kháng khi kết hợp cả mạch vòng công suất phản kháng 57 Hình 4.25 Đồ thị hệ số công suất khi kết hợp cả mạch vòng công suất phản kháng 57 Hình 4.26 Đồ thị vận tốc trên trục động cơ 58

vii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Bảng tham số nguồn cung cấp và động cơ 31 Bảng 3.2 Bảng tham số van IGBT HGP20N60B3 34 Bảng 4.1 Bảng số liệu các dữ liệu khi mô phỏng 43

TCR Thyristor Controlled Reactor Cuộn kháng được điều khiển

viii

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay các dây chuyền sản xuất ngày càng được tự động hóa cao, cho năng suất và chất lượng cao hơn Trong việc tự động hóa các dây chuyền sản xuất, điều chỉnh tự động truyền động giữ vai trò hết sức quan trọng Trong đó hệ truyền động điện biến tần - động cơ ngày càng được sử dụng phổ biến hơn.Tuy nhiên đối với những hệ truyền động không yêu cầu chất lượng điều khiển cao thì biến tần sử dụng không thật sự cần thiết Những năm gần đây với sự phát triển của các linh kiện bán dẫn công suất Bộ biến đổi MERS ( được nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của giáo sư Shimada thuộc viện công nghệ Tokyo ) đã ra đời thể hiện được rất nhiều ưu biệt như: cải thiện hiệu suất làm việc, tiết kiệm năng lượng … trong hệ thống

truyền động

Sau khi tìm hiểu và nghiên cứu em đã chọn đề tài: “Nghiên cứu các ứng

dụng của bộ biến đổi tái sử dụng năng lượng từ trường (MERS) ” Nội dung luận văn bao gồm các phần chính sau:

Chương 1 Các vấn đề khi sử dụng động cơ không đồng bộ

Chương 2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của MERS

Chương 3 Mô hình hóa và tính toán mạch lực

Chương 4 Cấu trúc điều khiển và mô phỏng

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Phạm Việt Phương em đã

hoàn thành bản luận văn này Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy

giáo TS Phạm Việt Phương cùng các thầy cô trong bộ môn Tự Động Hóa Xí

Nghiệp Công Nghiệp Tuy nhiên, do trình độ bản thân còn hạn chế và thời gian có hạn nên bản luận văn không tránh khỏi nhiều thiếu sót Em kính mong được sự hướng dẫn và góp ý của các thầy cô để luận văn được hoàn thiện hơn

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

1

CHƯƠNG 1 CÁC VẤN ĐỀ KHI SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1 Đặt vấn đề

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều thành tựu mới đã được áp dụng vào trong sản xuất Các dây truyền ngày càng được tự động hóa đã cho năng xuất

và chất lượng cao hơn Trong việc tự động hóa các dây truyền sản xuất, các động

cơ không đồng bộ (KĐB) được sử dụng rất rộng rãi bởi có những ưu điểm nổi bật như sau: Cấu tạo đơn giản, làm việc có độ tin cậy cao, giá thành hạ, sửa chữa và bảo dưỡng dễ dàng, có kích thước nhỏ gọn Trong thực tế, không phải hệ thống truyền động nào cũng đòi hỏi việc điều chỉnh tốc độ (ví dụ như máy bơm, quạt gió, máy nén khí, hệ thống băng tải,… ) do đó động cơ thường được nối trực tiếp với lưới điện Trong hệ thống truyền động này vấn đề quan tâm nhất ở đây là ở quá trình khởi động Trong quá trình khởi động chúng ta quan tâm tới hai vấn đề lớn như sau:

1.1.1 Vấn đề về dòng điện khởi động I kđ

Việc cấp một điện áp định mức cho stator sẽ khiến cho dòng điện khởi động rất lớn gấp 5-7 lần dòng định mức vì lúc này động cơ làm việc ở chế độ như ngắn mạch Dòng điện lớn nhưng momen khởi động lại nhỏ do từ thông giảm

Hình 1.1 Mạch điện thay thế động cơ KĐB

Từ hình 1.1 dòng điện stator tính theo công thức (1.1):

2

2 ' 2 1 2 ' 2 1

1

)(

)

s

R R

(1.2)

trong đó:

U1: Điện áp nguồn đặt vào cuộn dây stator

R1, X1: Là điện trở, cảm khảng của stator

2 2 1 1

1 1

nm

X s

R R X

R U I





3

khe hở Khi động cơ làm việc sẽ làm cho hệ số công suất cos thấp ảnh hưởng đến

chất lượng của nguồn điện

1.2 Các biện pháp khắc phục đã được thực hiện

Thực tế hiện nay có rất nhiều phương pháp được dùng để khắc phục các vấn

đề đã nêu ở trên Có thể kể đến các phương pháp như:

1.2.1 Phương pháp đổi nối sao – tam giác ( Y - ∆ )

Phương pháp này chỉ sử dụng được cho các động cơ bình thường hoạt động

đấu ∆ Khi mà công nghệ điện tử bán dẫn chưa phát triển, việc khởi động động cơ

đã nêu ra yêu cầu phải đảm bảo dòng điện khởi động nhỏ nhưng momen đủ lớn đủ động cơ có thể khởi động được Chính vì vậy, bộ khởi động bằng phương pháp nối

sao- tam giác (Y-∆) như hình 1.2 được xem như là một trong những bộ khởi động

động cơ không đồng bộ đơn giản

Hình 1.2 Phương pháp đổi nối sao – tam giác

Đồ thị đặc tính cơ và đặc tính cơ điện được thể hiện dưới hình 1.3 Đồ thị là những nét liền, trên đó còn biểu thị đặc tính tải Mc, momen cản tỷ lệ với bình phương tốc độ Trên đường đặc tính cơ điện cho thấy khi chuyển tốc độ từ sao sang tam giác vẫn có đỉnh dòng điện tương đối lớn, vượt ra ngoài đặc tính khi khởi động

Hình 1.3 a) Đặc tính cơ; b) Đặc tính cơ điện

Phương pháp đổi nối sao-tam giác có mục đích làm giảm điện áp đặt lên động

cơ do đó giảm momen giật và dòng lúc khởi động Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm là dùng những phần tử đóng cắt có tiếp điểm, quá trình khởi động vẫn nhảy cấp, vẫn phát sinh các xung lực gây giật cơ cấu và xung dòng khởi động lớn

1.2.2 Phương pháp khởi động mềm dùng Thyristor

Bộ khởi động mềm dùng Thyristor có cấu trúc như sau:

Hình 1.4 Bộ khởi động mềm dùng Thyristor

5

Cấu trúc này dựa trên băm xung xoay chiều với các thyristor mắc song song từng cặp một trên từng pha Bằng phương pháp điều khiển góc mở α cho các van bán dẫn điện áp đặt lên cuộn dây stator động cơ có thể tăng từ từ đảm bảo hạn chế dòng điện và sinh ra momen đủ lớn cho động cơ trong quá trình khởi động

Ưu điểm của phương pháp này là nhà sản xuất đã tích hợp sẵn trong tủ nên

có sẵn các Rơle bảo vệ, PLC điều khiển theo công nghệ Tích hợp khả năng dừng mềm và khởi động Dòng khởi động thấp phương pháp này đã được áp dụng nhiều

cơ cấu truyền động, dải công suất rộng

Hình 1.5 a) Đặc tính cơ ; b) đặc tính cơ điện

Hình 1.5 a, b mô tả đặc tính cơ và đặc tính cơ điện khi sử dụng bộ khởi động mềm dùng Thyristor Từ hai đường đặc tính này có thể thấy momen khởi động và dòng điện đều có thể làm việc tốt, không gây xung giật

1.2.3 Phương pháp khởi động bằng biến tần

Trong thực tế ngày này, để đáp ứng nhiều mục đích như vừa giảm được dòng khởi động, nâng cao hệ số công suất và điều khiển được tốc độ Biến tần được ra đời, nó đã và đang được sử dụng rất phổ biến để điều khiển động cơ nói chung cũng như động cơ KĐB nói riêng, đặc biệt trong những hệ truyền động đòi hỏi chất lượng cao

6

Hình 1.6 Cấu trúc cơ bản của biến tần

Sơ đồ chức năng tổng quát được thể hiện trên hình 1.6 Biến tần nói một cách đơn giản chỉ gồm hai thành phần chính là bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu Nguyên lý làm việc như sau: tín hiệu cung cấp vào là nguồn xoay chiều, ở đây thông thường lấy nguồn điện xoay chiều một pha Chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều cung cấp cho nghịch lưu cũng như cung cấp cho mạch điều khiển và hiển thị Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng dòng điện một chiều sau chỉnh lưu, tùy theo yêu cầu chất lượng điện áp cũng như công suất của động cơ mà

bộ lọc có thể là lọc C hoặc LC hoặc là sự kết hợp CLC Nhiệm vụ của bộ nghịch lưu

là chuyển đổi từ nguồn một chiều sang điện áp xoay chiều ba pha cung cấp cho động cơ Đặc điểm của điện áp ra biến tần cấp cho động cơ phụ thuộc vào bộ điều khiển được cài đặt thông qua màn hình nhận lệnh, cho phép động cơ chạy ở chế độ mong muốn (quay thuận, quay nghịch, với tốc độ bao nhiêu…) Thêm vào đó, các biến tần còn có mạch thu thập dữ liệu như tốc độ, vị trí để đưa về bộ điều khiển phục vụ cho thuật toán điều khiển

Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng sử dụng biến tần khắc phục được nhược điểm của các phương pháp đã nêu như: dòng khởi động thấp, vô cấp, nâng cao hiệu suất của động cơ Cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều, với kết cấu đơn giản,

7

làm việc được trong nhiều môi trường khác nhau, khả năng mở máy và điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng, đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau kể cả các hệ truyền động cần thay đổi tốc độ cho nhiều động cơ cùng một lúc (dệt, băng tải ) hay các thiết bị đơn lẻ có yêu cầu tốc độ làm việc cao (máy li tâm, máy mài ) Tuy nhiên, bên cạnh nhiều ưu điểm biến tần lại có chi phí khá cao, nếu ta cần điều khiển cho nhiều động cơ riêng lẻ hoặc chỉ khởi động cho những động cơ không cần điều khiển tốc độ như máy bơm, quạt gió… sẽ rất lãng phí khi mà không sử dụng hết các chức năng của nó Vì thế Biến tần thường được sử dụng trong các hệ truyền động đòi hỏi chất lượng cao

1.2.4 Phương pháp bù công suât phản kháng

Điều chỉnh hệ số công suất áp dụng cho các thiết bị tiêu thụ trực tiếp điện áp lưới Việc điều chỉnh có thể đạt được bằng việc thêm vào hay bớt ra các cuộn dây hay tụ điện cho thiết bị Như động cơ mang tính cảm kháng có thể điều chỉnh hệ số công suất bằng việc đấu thêm một tụ song song với cuộn dây vận hành nhằm giúp triệt tiêu công suất phản kháng, làm giảm công suất biểu kiến và tăng hệ số công suất Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất không những được áp dụng trong ngành công nghiệp điện mà nó còn có thể sử dụng với người dùng cá nhân khi muốn làm giảm tổn hao trên đường truyền và ổn định điện áp cho tải

Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất thực chất là một thiết bị cung cấp một công suất phản kháng tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng được tạo ra của thiết bị Thêm tụ điện hay cuộn dây vào quá trình để huỷ bỏ đi hiệu ứng cảm ứng hay điện dung tương ứng được tạo ra Động cơ có tính cảm ứng có thể được bù bằng các tụ lọc, lò hồ quang điện có tính điện dung có thể bù bằng các cuộn dây Ngày nay với các tiến bộ trong ngành điện tử công suất thì để có thêm nhiều phương pháp để cải thiện được hệ số công suất nguồn như:

1.2.4.1 Phương pháp bù công suất phản kháng dùng tụ bù tĩnh điện

Bên cạnh vấn đề giảm dòng điện khởi động bằng các biện pháp thường sử

dụng đã nêu trên thì nâng cao hệ số công suất (cos) cũng được đặc biệt quan tâm

Như ta đã biết phần lớn thiết bị điện đều tiêu thụ công suất tác dụng (P) và công

8

suất phản kháng (Q) Trong các phụ tải của lưới điện thì động cơ KĐB mang tính

cảm được sử dụng nhiều nhất, tiêu thụ khoảng (60-65)% tổng công suất phản kháng của mạng điện Trong khi công suất phản kháng của nguồn phát ra có giới hạn, việc cải thiện hệ số công suất đồng nghĩa với giảm được tổn thất điện áp, tổn thất công suất, và tăng khả năng truyền tải của lưới điện Ngày nay, để nâng cao hệ số công suất được thực hiện bằng nhiều biện pháp khác nhau Trong đó phương pháp sử dụng tụ bù tĩnh điện là phương pháp đơn giản nhất, sơ đồ mắc tụ bù được thể hiện trên hình 1.7:

Hình 1.7 Sơ đồ mắc tụ bù tĩnh điện

Để thực hiện bù lượng công suất phản kháng mà động cơ tiêu thụ, các tụ bù được mắc song song với từng động cơ hoặc theo nhóm động cơ trong các nhà máy

xí nghiệp Tụ điện là loại thiết bị tĩnh điện, làm việc với dòng điện vượt trước điện

áp do đó có thể sinh ra công suất phản kháng (Q) cung cấp cho mạng điện Tuỳ

thuộc lượng công suất phản kháng của tải tiêu thụ mà người ta sử dụng tụ có trị số cần thiết để đạt được công suất phản kháng cần bù Công suất phản kháng của tụ được tính theo công thức sau (1.3):

9

Hình 1.8 Sơ đồ mạch điện tương đương của động cơ

Trong đó: U - là điện áp cấp cho động cơ

R - là điện trở của động cơ

L - là điện kháng của động cơ

10

mắc thêm tụ bù tĩnh điện hệ số công suất của động cơ được tăng lên Trên thực tế căn cứ và lượng công suất phản kháng của động cơ tiêu thụ mà người ta chọn giá trị của tụ sao cho khi đó hệ số công suất

Lượng công suất phản kháng truyền tải từ nguồn đến động cơ là Q thì tổn thất

công suất của động cơ trước khi bù ( ) được tính bởi công thức (1.6) và sau khi

bù ( ) được tính theo công thức (1.7):

(1.6)

(1.7)

Từ công thức (1.6) và (1.7) ta thấy Chính vì vây tổn hao công

suất giảm Điện năng tiết kiệm của động cơ sau khi bù trong thời gian hoạt động (T)

của động cơ được tính theo công thức (1.8):

Phương pháp sử dụng tụ bù cũng có thể được coi là phương pháp đơn giản nhất để thực hiện nâng cao hệ cố công suất, thường được dùng tại các nhà máy xí nghiệp Thế nhưng ta mắc tụ bù cho động cơ có trị số không thay đổi trong khi phụ tải luôn luôn biến động dẫn đến hiện tượng thường xuyên thừa – thiếu công suất phản kháng Nếu công suất phản kháng từ nguồn thừa sẽ làm cho điện áp lưới điện tăng lên, ngược lại nếu thiếu sẽ làm sụt áp lưới điện Để khắc phục vấn đề này hiện nay người ta thực hiện bằng các phương pháp bù có điều khiển như SCV, GCSC, TCSC…

1.2.4.2 Phương pháp bù ngang có điều khiển (SVC)

Bộ SVC là thiết bị tự động điều chỉnh điện kháng, được chế tạo để điều chỉnh điện áp tại các nút đặt SVC và điều chỉnh công suất phản kháng Nếu hệ thừa công suất phản kháng, SVC đóng vai trò là các kháng bù ngang Khi đó, SVC sẽ tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống Ngược lại, nếu hệ thống thiếu công suất phản kháng, SVC sẽ tự động đóng vào Do đó, công suất phản kháng được bơm thêm vào

hệ thống

11

Hình 1.10 Cấu trúc và lắp đặt của tụ bù tĩnh điện SVC

SVC được kết nối với cuộn dây điện cảm TCR hoặc tụ điện TSC được điều chỉnh bằng các van bán dẫn Thyristor Nhờ việc thay đổi góc dẫn của Thyristor mà điện kháng SVC có thể thay đổi liên tục được Tùy thuộc vào tính chất của tải mà ta

có thể mắc TCR hay TSC hoặc có thể mắc cả hai như trên sơ đồ Thiết bị này bao gồm nhiều tụ điện được đóng hay ngắt ra khỏi thiết bị được bù công suất phản kháng bằng các công tắt Các công tắt này lại được điều khiển bằng một thiết bị điều khiển trung tâm có khả năng đo hệ số công suất bằng việc đo dòng tải và điện

áp của thiết bị qua các cảm biến dòng được gắn trên đường truyền dẫn điện năng, trước khi vào thiết bị Tuỳ thuộc vào tải và hệ số công suất của thiết bị, bộ điều khiển sẽ đấu nối tuần tự các tụ bù vào mạch sao cho giá trị hệ số công suất luôn ở trên giá trị được chọn

Tóm lại: Trong thực tế trong các hệ truyền động điện, động cơ KĐB được sử dụng nhiều nhất do tính ưu việt của nó, là phụ tải chính của lưới điện lại mang tính cảm Đối với những hệ truyền động không đòi hỏi chất lượng cao thì động cơ KĐB thường được nối trực tiếp với lưới Khi khởi động dòng khi khởi động lớn, hệ số công suất thấp gây ảnh hưởng đến chất lượng của lưới điện cũng như các thiết bị điện khác Mặc dù nhiều biện pháp kể trên đã thực hiện để khắc phục nhưng đều chưa triệt để Cụ thể: giảm được dòng khởi động thì không cải thiện được hệ số công suất (như các phương pháp đổi đấu nối Y- , dùng cuộn kháng, bộ biến đổi Thyristor), hoặc cải thiện được hệ số công suất lại không giảm được dòng khởi động (như bù tĩnh điện) Ngày nay, với sự phát triển của các linh kiện điện tử công

12

suất, các thiết bị biến đổi đã được ra đời, trong đó Biến tần được sử dụng phổ biến

và có những ưu điểm vượt trội Đối với những tải không cần điều chỉnh tốc độ hay

hệ thống truyền động không đòi hỏi chất lượng cao thì việc sử dụng biến tần lại không hợp lý vì chi phí quá đắt không cần thiết

1.3 Nội dung đồ án

Đồ án này được chia làm 4 chương:

Chương 1: Đây là phần mở đầu của đồ án, đưa ra hai vấn đề khi đấu nối động cơ không đồng bộ ba pha với lưới điện đó là giảm dòng điện khởi động và nâng cao hệ số công suất Trình bày nhưng ưu điểm và hạn chế của các phương pháp đã được sử dụng từ đó đưa ra lý do lựa chọn MERS để nghiên cứu

Chương 2: Giới thiệu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi MERS, các trạng thái hoạt động của MERS và khả năng điều chỉnh điện áp, cải thiện hệ số công suất của MERS đối với động cơ KĐB

Chương 3: Mô hình hóa bộ biến đổi MERS nhằm đưa ra hàm truyền đạt, thiết kế tính toán các thông số mạch lực và lựa trọn các tham số cho bộ điều khiển

Chương 4: Đưa ra nguyên tắc điều khiển từ đó đi xây dựng cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp, mạch vòng công suất phản kháng của bộ biến đổi MERS với tải là động cơ KĐB, để giải quyết hai vấn đề chính giảm dòng điện khởi động

và nâng cao hệ số công suất, sau đó kiểm nghiệm lại các tính toán trên thông qua

mô phỏng trên Matlab-Simulink để so sánh tính ưu biệt của bộ biến đổi MERS với các phương pháp khác

13

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MERS

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các bộ biến đổi điện

tử công suất ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong lĩnh vực tiết kiệm năng lượng, nâng cao công suất hoạt động của các thiết bị tiêu thụ năng lượng

MERS (Magnetic Energy Recovery Switch) bộ biến đổi tái năng lượng từ trường đã được phòng thí nghiệm của giáo sư Shimada Ryuichi tại Viện công nghệ Tokyo phát minh và đăng ký bản quyền sở hữu trí tuệ vào năm 2005 Đây được xem như

bộ biến đổi tiềm năng với nhiều tính năng nổi trội như cấu trúc điều khiển đơn giản,

có thể điều khiển dòng điện theo hai chiều , hứa hẹn là một thiết bị có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như tiết kiệm năng lượng, truyền tải điện linh hoạt ( FACTs) Luận văn này chỉ nghiên cứu về ứng dụng cụ thể của bộ biến đổi MERS trong lĩnh vực tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ không đồng

bộ ba pha xoay chiều

cơ bản như sau: Thứ nhất MERS được mắc nối tiếp với tải do MERS đặt giữa tải

và nguồn nên nó có thể điều chỉnh được dòng điện qua tải Thứ hai Điện áp của tụ điện một chiều của MERS được thay đổi và thậm chí có thể về không

Ưu điểm:

+ Cấu hình đơn giản, dễ dàng điều khiển

+ Dung lượng tụ một chiều nhỏ

+ Tổn hao dẫn và tổn hao đóng cắt thấp

Hình 2.2 Các trạng thái làm việc của MERS

Bộ biến đổi MERS có 3 trạng thái làm việc cơ bản trong mỗi nửa chu kỳ của điện áp nguồn Ta xét một nửa chu kỳ của nguồn điện áp ( ), Trong thời gian này chỉ có cặp (S1- S3) hoạt động, còn cặp (S2-S4) được giữ đóng:

- Khi cặp van (S1-S3) mở:

Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình hình 2.2.c Trong trạng thái này dòng điện được chạy trên 2 nhánh song song: nhánh thứ nhất đi qua Diode (nối song song với S2) sau đó đi qua van S1, đồng thời nhánh thứ hai cũng được đi qua van S3 sau

- Khi cặp van (S1-S3) mở:

Năng lượng tích lũy trên tụ được phóng ra tải Dòng phóng đi từ: +Uc qua van S1 đi qua Tải về Nguồn rồi qua S3 về -Uc sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 2.2.b

Đến bán chu kỳ tiếp theo - điện áp nguồn đổi cực, (S2- S4) hoạt động, còn (S1-S3) được giữ đóng bộ biến đổi MERS làm việc tương tự Dòng điện tăng khi khóa mở tương đương với dòng điện truyền đi trước khi khóa đóng

Hình 2.3 Kết quả của quá trình đóng – mở van

Từ sự phân tích nguyên lý làm việc của bộ biến đổi như trên ta có thể khái quát sơ đồ nguyên lý làm việc cũng như biểu đồ véc tơ điện áp của hệ thống dùng MERS trên hình 2.4

16

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thống dùng MERS và biểu đồ pha

Từ sơ đồ hệ thống và biểu đồ pha của hệ thống dùng MERS ta có một số nhận xét như sau:

Thứ nhất: Tụ điện của MERS và cảm kháng của tải tạo nên một mạch cộng hưởng Năng lượng cảm ứng trên tải không những không bị tiêu tán vô ích hoặc làm ảnh hưởng đến chất lượng của nguồn điện mà nó được tái sử dụng - đây là một ưu điểm vượt trội của MERS so với các bộ biến đổi ra đời trước đó;

Thứ hai là: Bằng việc điều chỉnh góc mở () của van, giá trị  này được so sánh với điểm 0 của điện áp nguồn Ta thay đổi được thời điểm đóng (mở) các cặp van làm cho giá trị điện áp nạp trên tụ MERS được thay đổi và điện áp trên tải cũng thay đổi theo Từ đó ta có thể điều chỉnh giảm được dòng khởi động cũng như tốc

độ của động cơ như mong muốn;

Thứ ba là: tụ điện (C) trong MERS có chức năng giống như một tụ bù được mắc nối tiếp với tải và có thể thay đổi được giá trị Do đó có thể thay đổi được hệ số công suất

Đây chính là những cơ sở ban đầu cho việc nghiên cứu các chế độ hoạt động của MERS để đi đến quyết định sử dụng bộ biến đổi MERS cho tải là động cơ KĐB

2.3 Các chế độ hoạt động chính

Như trên ta đã phân tích thấy rằng nguyên lý hoạt động của MERS chính là

sự giao động được tạo bởi dung kháng của MERS và cảm kháng của tải Phụ thuộc vào thông số của mạch, góc mở các van () cũng như tần số của nguồn điện [3] Tần

số đáp ứng quyết định và tạo nên ba chế độ hoạt động chính của MERS như sau:

17

2.3.1 Chế độ gián đoạn

Chế độ này xảy ra khi tần số giao động của mạch lớn hơn tần số của nguồn điện Bộ biến đổi MERS trải qua cả 3 trạng thái làm việc trong mỗi nửa chu kỳ đóng cắt Sơ đồ biểu diễn các trạng thái làm việc trong chế độ gián đoạn của MERS thể hiện trên hình 2.5

Hình 2.5 Các trạng thái làm việc của MERS trong chế độ gián đoạn

Trong một chu kỳ của điện áp nguồn MERS có các trạng thái làm việc như sau: Ban đầu tụ được nạp bởi điện điện áp nguồn: Dòng nạp đi qua các Diode đấu song song với cặp van S1-S3 (hình 2.5.f) cho đến khi điện áp trên tụ đạt giá trị đỉnh thì dòng điện đổi chiều Toàn bộ năng lượng tích lũy trên tụ được phóng theo chiều ngược lại thông qua hai van S1-S3 dẫn (hình 2.5.a) Quá trình nạp - phóng của tụ được lặp lại ở nửa chu kỳ đóng cắt của van (hình 2.5.c và 2.5.d) Tuy nhiên do tụ xả hết trong mỗi nửa chu kỳ nên giữa hai lần đóng cắt có tồn tại thêm trạng thái tụ làm việc ngắn mạch (Vc = 0) Trong khoảng thời gian này, dòng điện không đi qua tụ nữa mà đi thẳng theo hai nhánh van song song thông qua Diode và van dẫn trên mỗi nhánh (hình 2.5.b và 2.5.e) Giản đồ điện áp và dòng điện trong chế độ này được biểu diễn trên hành 2.6

a Tụ phóng điện b Tụ nạp điện c Tụ phóng điện d Tụ nạp điện

Hình 2.7 Các trạng thái làm việc của MERS trong chế độ liên tục

19

Hình 2.8 Giản đồ điện áp, dòng điện trong chế độ liên tục

2.3.3 Chế độ cân bằng

Đây là trường hợp đặc biệt trong sự làm việc của MERS, khi góc điều khiển 

= 90, X MERS = X C. Bằng việc tính toán lựa chọn X C tùy thuộc vào công suất tải (X L

của tải tương ứng) sao cho tần số cộng hưởng của mạch bằng tần số của nguồn điện lưới Tức là khi điện áp trên tụ vừa được xả hết thì quá trình nạp điện cho tụ bắt đầu Khi hoạt động ở chế độ này, cũng như chế độ liên tục, MERS tồn tại hai trạng thái hoạt động là quá trình tụ nạp điện và quá trình xả điện Điện áp đầu ra của

MERS (V MERS ) và điện áp trên tải (V tải) có dạng hình sin và không bị biến dạng Sơ

đồ điện áp dòng điện được biểu diễn trên hình 2.9

20

Hình 2.9 Đồ thị dòng điện và điện áp trong chế độ cân bằng

Qua sự phân tích nguyên lý làm việc cũng như các chế độ làm việc của bộ MERS Ta hoàn toàn có thể khẳng định rằng Bộ MERS khi sử dụng để điều khiển

động cơ KĐB sẽ đem lại nhiều lợi ích và được nêu ra ở nội dung tiếp theo

2.4 Khả năng điều chỉnh điện áp và cải thiện hệ số công suất của MERS

Với những ứng dụng điều chỉnh điện áp và bù công suất, nguyên tắc điều khiển chỉnh là điều khiển biên độ điện áp trên tải bằng việc thay đổi điện áp trên tụ,

từ đó hệ số công suất cũng thay đổi theo Đồ thị vecto trên hình 2.10 thể hiện quan

hệ giữa điện áp trên MERS ( VMERS), điện áp vào (Vin) và điện áp tải ( Vterm):

Hình 2.10 Đồ thị vecto quan hệ dòng điện và điện áp theo góc pha của điện áp MERS [7] a) Khi không có MERS; b) Chế độ chậm sau; c) Chế độ cân bằng; d) chế độ vượt trước

Với góc α là góc giữa điện áp đầu vào Vin và điện áp trên bộ MERS VMERS

Φ là góc lệch pha giữa điện áp tải và dòng điện Bằng việc thay đổi góc α thì điện

Hình 2.10(a): Khi không sử dụng MERS, hoặc là khi điện áp trên tụ bằng 0,

| ̇ | | ̇ | Hình 2.10(b): Trường hợp hệ số công suất là chậm sau (lag power factor)

Khi α = 90 0 – ϕ, điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào | ̇ | | ̇ | nhưng lúc

này hệ số công suất là chậm sau

Hình 2.10(c): Trường hợp khi α = 90 0, hệ số công suất đạt bằng 1 và điện áp

ra tải là lớn nhất: | ̇ | ̇

Hình 2.10(d): Hệ số công suất là vượt trước Khi α = 90 0 + ϕ, điện áp đầu

ra thay đổi tùy thuộc vào giá trị góc α mà Vterm có thể lớn hơn, nhỏ hơn hoặc bằng

Vin , lúc này hệ số công suất là vượt trước

Có một lưu ý đó là trong chế độ liên tục thì α chính là góc mở van δ, nhưng trong chế độ liên tục thì α không bằng δ nữa mà phụ thuộc vào các thành phần của mạch điện

Từ hai phương trình (2.1) và (2.2) ta có quan hệ giữa điện áp tải và góc α như hình 2.11:

22

Hình 2.11 Quan hệ điện áp tải, hệ số công suất với góc α

Theo tài liệu [7], để giảm các thành phần sóng hài bậc thấp trong điện áp và dòng điện tải, MERS cần được tối ưu để hoạt động ở chế độ cân bằng Điện áp trên cuộn cảm được cho bởi công thức:

Với L là điện cảm của tải và X L = ωL Điều kiện để đạt được chế độ cân

bằng là khi XMERS = XC, với điện kháng trên tụ điện của MERS là XC Hình 2.12 cho thấy giá trị XMERS biến thiên khi MERS hoạt động trong các chế độ liên tục và không liên tục Điều này có nghĩa là MERS có thể hoạt động như một tụ điện có khả năng thay đổi dung kháng

23

Hình 2.12 Điện kháng của MERS theo góc pha

Vậy bằng cách điều khiển thời điểm đóng cắt tụ vào mạch sẽ làm thay đổi hệ

số công suất và điện áp ra trên tải MERS hoàn toàn có thể điều khiển được điện áp

ra trên tải và ứng dụng như một bộ bù công suất phản kháng Tuy nhiên đồi với việc

bù công suất phản kháng, khi điều chỉnh hệ số công suất bằng một thì điện áp tải tăng vượt giá trị điện áp nguồn, hệ số vượt phụ thuộc vào hệ số công suất của tải

Để đảm bảo bù hoàn toàn công suất phản kháng các góc phát xung trong từng chế độ khác nhau Với chế độ không liên tục, góc phát xung được tính như sau:

Với chế độ liên tục góc được cố định bằng f hay chính bằng π/2

Tóm lại: trong chương 2 ta đã nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý làm việc và các chế độ hoạt động của MERS Từ việc phân tích ta thấy khi sử MERS cho động cơ KĐB có nhiều tác dụng và ưu điểm nổi trội Tuy nhiên để sử dụng cho tải là động

cơ KĐB, cần thiết phải hiểu rõ tính chất động học của MERS, lựa chọn và tính toán tìm ra các tham số cho bộ điều khiển Vấn đề này được giải quyết trong chương 3:

mô hình hoá MERS và tính chọn các thông số cho bộ điều khiển cũng như thiết kế

mạch lực

Hình 3.1 Sơ đồ điện áp tải RL

Do đó ta cần điều khiển để dòng điện sớm pha hơn so với điện áp, khi đó góc lệch pha giữa dòng và áp sẽ được giảm và do đó tăng hệ số công suất

Xét hoạt động của bộ Mers với 1 pha điện áp cấp:

Hình 3.2 Sơ đồ đấu nối Mers trong hệ thống

Mục tiêu của mô hình hóa bộ biến đổi là để tìm ra hàm truyền đạt thể hiện mối liên hệ giữa đầu vào là góc mở van δ với đầu ra là điện áp trên tải

Theo định luật Kirchhoff 2 ta có phương trình điện áp:

Vin(t) + VMers(t) = Vtern(t) (3.1)

Với R: điện trở tương đương 1pha của động cơ

L: điện cảm tương đương 1pha của động cơ

Từ (3.2) ta có:

 term

Ta có:

( )R.i t L di t V t

26

 term

Tại thời điểm t=0, ta có i(t) = Imcos(ω.0) = Im (3.12)

Do đó tại t = 0, thay (3.12) vào (3.11) ta được:

Ri t

e R

R R Ri t

e R

Rt L

R i t

e R