Nghiên cứu các chế độ làm việc của hệ thống chỉnh lưu PWM động cơ điện một chiều kích từ độc lập

có thể cho ph p điều chỉnh tốc độ ĐC xoay chiều với chất lượng dòng áp khá tốt, phạm vi điều chỉnh được mở rộng, tạo được đặc tính tốc độ gần giống đặc tính tốc độ trong hệ thống điều tố

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÙI VĂN VŨ

NGHIÊN CỨU CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA

HỆ THỐNG CHỈNH LƯU PWM - ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐOÀN QUANG VINH

Phản biện 1: TS Phan Văn Hiền

Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Minh Trí

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Trường Đại học Bách khoa

vào ngày 07 tháng 7 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các quá trình sản xuất phức tạp được thực hiện một cách linh hoạt và chính xác Do đó, chất lượng của các hệ thống truyền động điện cũng cần phải được nâng cao để có thể đáp ứng được các quá trình sản xuất phức tạp đó

Các hệ truyền động hiện nay chủ yếu là sử dụng ĐC xoay chiều kết hợp với thiết bị biến tần với các phương pháp điều khiển như điều khiển v c tơ v ng ín, điều khiển V/F có thể cho ph p điều chỉnh tốc độ ĐC xoay chiều với chất lượng dòng áp khá tốt, phạm vi điều chỉnh được mở rộng, tạo được đặc tính tốc độ gần giống đặc tính tốc

độ trong hệ thống điều tốc hai mạch vòng điều khiển ĐC điện một chiều Tuy nhiên, chất lượng động của hệ thì vẫn không thể bằng được hệ thống điều tốc hai mạch v ng điều khiển tốc độ ĐC điện một chiều

Với ưu điểm vượt trội là có thể điều chỉnh tốc độ trong phạm vi điều chỉnh rộng, trơn mượt hơn so với ĐC điện xoay chiều Do đó,

ĐC điện một chiều vẫn c n được sử dụng nhiều ở những nơi cần được điều chỉnh tốc độ có độ chính xác cao và trơn như máy dệt, máy

in, robot

Trước đây, tùy vào yêu cầu điều chỉnh tốc độ ĐC mà người ta sử dụng các hệ truyền động Máy phát – ĐC hay hệ Khuếch đại máy điện – ĐC, Sau này, khi công nghệ bán dẫn phát triển mạnh, việc điều khiển ĐC điện một chiều được thực hiện thông qua các bộ biến đổi dùng thyristor (bộ băm áp, bộ chỉnh lưu hình tia ba pha, chỉnh lưu hình cầu 3 pha) Tuy nhiên, các bộ biến đổi dùng thyristor truyền thống này có những nhược điểm lớn như: Làm biến dạng d ng điện xoay chiều đầu vào; D ng đầu vào chứa nhiều sóng hài điều hòa bậc cao; Sự nhấp nhô đỉnh – đỉnh của điện áp đầu ra cao; Chỉ cho dòng điện chạy theo một chiều dẫn đến hó hăn trong việc trả được năng

lượng dư thừa của ĐC điện một chiều về phía xoay chiều hi năng lượng bên phía một chiều dư thừa; Sự nhấp nhô đỉnh – đỉnh của điện

áp đầu ra cao; Tồn tại trạng thái d ng điện gián đoạn

Phương pháp chỉnh lưu PWM mà tác giả trình bày có thể khắc phục được những nhược điểm của các bộ chỉnh lưu, bộ biến đổi truyền thống nói trên như: Chứa ít sóng hài điều hòa bậc cao trên lưới tại đầu vào của bộ chỉnh lưu; Không làm biến dạng d ng điện xoay chiều đầu vào của bộ chỉnh lưu; Sự nhấp nhô đỉnh – đỉnh của điện áp đầu ra thấp; Bộ chỉnh lưu PWM có thể trao đổi năng lượng giữa tải

và lưới theo 2 chiều mà không cần bất kỳ bộ biến đổi hỗ trợ nào khác; Không tồn tại trạng thái d ng điện gián đoạn

Vì vậy tác giả đã chọn đề tài : “Nghiên cứu các chế độ làm việc của hệ thống chỉnh lưu PWM – Động cơ điện một chiều kích từ độc lập” để làm đề tài nghiên cứu Trong luận án của mình, tác giả sẽ

trình bày các chế độ hoạt động của hệ truyền động điện Chỉnh lưu thyristor - ĐC điện một chiều (T – Đ) truyền thống và hệ thống sử dụng chỉnh lưu PWM Từ đó sẽ tiến hành so sánh và chỉ ra những ưu điểm của chỉnh lưu PWM so với chỉnh lưu sử dụng thyristor truyền thống

2 Mục tiêu nghiên cứu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

6 Cấu trúc của luận văn

Chương 1 - Khái quát về hệ truyền động Chỉnh lưu thyristor – ĐC điện một chiều

Chương 2 - Hệ thống chỉnh lưu PWM

Chương 3 - Các chế độ làm việc của ĐC điện một chiều kích từ độc lập trong hệ T – Đ và hệ CLPWM – Đ

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH

LƯU THYRISTOR – ĐC ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 CÁC MẠCH CHỈNH LƯU THƯỜNG DÙNG TRONG HỆ

T – Đ

1.1.1 Chỉnh lưu hình tia 3 pha

1.1.1.1 Chế độ dòng liên tục

1.1.1.2 Hiện tượng chuyển mạch

1.1.1.3 Chế độ dòng điện gián đoạn

1.1.1.4 Chế độ nghịch lưu phụ thuộc

1.1.2 Chỉnh lưu hình cầu 3 pha

1.1.2.1 Chế độ dòng điện liên tục

1.1.2.2 Hiện tượng chuyển mạch

1.1.2.3 Chế độ dòng điện gián đoạn

1.1.2.4 Chế độ nghịch lưu phụ thuộc

1.2 KẾT LUẬN

- Mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha có ưu điểm là gọn nhẹ, giá thành rẻ hơn so với mạch chỉnh lưu hình cầu 3 pha vì sử dụng số lượng van ít hơn Tuy nhiên, điện áp một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lưu hình tia nhỏ hơn nhiều so với bộ chỉnh lưu cầu 3 pha nếu cấp cùng giá trị điện áp đầu vào Do đó, công suất đầu ra cực đại của

bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha cũng sẽ b hơn so với công suất đầu ra cực đại của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha nếu cấp cùng giá trị điện áp vào Bên cạnh đó, chất lượng điện áp đầu ra của chỉnh lưu hình cầu cũng tốt hơn so với bộ chỉnh lưu hình tia

- Cả hai bộ chỉnh lưu (hình tia và hình cầu) đều tồn tại trạng thái d ng điện gián đoạn, trạng thái mà d ng điện ĐC sẽ không duy trì được trạng thái liên tục mà sẽ có dạng xung đập mạch rời rạc vì

d ng qua van này đã tắt mà chưa tới thời điểm mở van tiếp theo Lúc này, đặc tính cơ có dạng rất dốc Đây là nhược điểm của hệ truyền động T – Đ

- Các bộ chỉnh lưu dùng thyristor hông cho d ng điện chạy theo chiều ngược lại Điều này dẫn đến hó hăn trong việc trả được năng lượng dư thừa bên phía một chiều về phía xoay chiều khi ta thực hiện quá trình giảm điện áp cấp cho phần ứng của ĐC để thay đổi tốc độ ĐC hay để thực hiện các trạng thái hãm trong quá trình làm việc của ĐC Bên cạnh đó, bởi vì chỉ cho d ng điện chạy theo một chiều nên khi dùng bộ chỉnh lưu thyristor để cấp nguồn cho ĐC một chiều, ĐC chỉ có thể làm việc được ở hai góc một phần tư

- Thêm vào đó, vì điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu dùng thyristor có dạng sóng điện áp chỉnh lưu nhấp nhô Biên độ của điện

áp nhấp nhô này lớn và phụ thuộc vào góc mở van α nên d ng điện,

mô men của ĐC cũng có dạng nhấp nhô do chứa các thành phần xoay chiều tương ứng Điều này sẽ làm cho ĐC hoạt động hông êm Để khắc phục tình trạng này, người ta thường dùng cuộn kháng lọc (KL) mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng của ĐC Tuy nhiên, việc này sẽ làm hệ thống trở nên cồng kềnh, giá thành tăng và làm cho d ng điện, điện áp cấp cho ĐC ở các thời điểm quá độ là lớn

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG CHỈNH LƯU PWM

2.1 GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP CHỈNH LƯU PWM SIN – TAM GIÁC

2.2 HỆ THỐNG CHỈNH LƯU PWM

2.2.1 Xây dựng sơ đồ điều khiển

2.2.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

+ -

+ -

Hình 2.2 (a) Bộ chỉnh lưu nửa cầu 1 pha và (b) Phương pháp PWM

Sin – Tam giác

Để phân tích, bộ chỉnh lưu PWM 3 pha (Hình 2.1) được tách thành 3

bộ chỉnh lưu nửa cầu một pha độc lập như thể hiện trong Hình 2.2(a)

Trong phương pháp chỉnh lưu PWM này, ta sử dụng hai bộ điều khiển Một bộ điều khiển điện áp được sử dụng để điều khiển điện áp

ra Vdc bám theo tín hiệu điện áp đặt, ta gọi nó là bộ điều khiển điện

áp chính (Main voltage controller) và một bộ khác làm nhiệm vụ giữ cho điện áp trên hai nửa của thanh dẫn một chiều (Vo1 và Vo2) cân bằng nhau, ta gọi là bộ điều khiển cân bằng điện áp (Voltage balancing controller)

Voltage Balancing Controller

Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển của bộ chỉnh lưu PWM

2.2.1.2 Sự mất cân bằng điện áp trên thanh dẫn một chiều

0.4 0.41 0.42 0.43 0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.5 175

2.2.1.3 Hệ số cos của bộ chỉnh lưu

2.2.1.4 Thiết kế bộ điều khiển điện áp cho bộ chỉnh lưu

I

I

K1

2.2.2 Kết quả mô phỏng bộ chỉnh lưu PWM

2.2.2.1 Kết quả mô phỏng bộ chỉnh lưu PWM khi sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung với một sóng mang (CSPWM)

DC Voltage with 1 Carrier

Hình 2.14 Điện áp một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lưu PWM hi

sử dụng phương pháp CSPWM

0.2 0.205 0.21 0.215 0.22 0.225 0.23 0.235 -8

Neutral Current With 1 Carrier

Hình 2.18 D ng điện trong dây trung tính khi sử dụng phương pháp

CSPWM

2.2.2.2 Kết quả mô phỏng bộ chỉnh lưu PWM khi sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung với 3 một sóng mang (SPWM)

bộ chỉnh lưu PWM tốt hơn chất lượng điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu điều khiển dùng thyristor

Bên cạnh đó, bộ chỉnh lưu PWM này ít làm biến dạng d ng điện xoay chiều tại đầu của bộ chỉnh lưu nên d ng điện xoay chiều tại đầu vào của bộ chỉnh lưu luôn sin và lượng sóng hài điều hòa bậc cao trả

về lưới thấp Điều này sẽ không gây ảnh hưởng xấu đến lưới điện, nơi có dùng bộ chỉnh lưu Thêm vào đó, do hệ số biến dạng sóng hài THD của d ng điện là bé nên hệ số công suất của bộ biến đổi cao Ngoài ra, tác giả cũng đã ứng dụng thành công phương pháp điều chế độ rộng xung Sin – Tam giác với ba sóng mang lệch pha nhau

120o cho bộ chỉnh lưu PWM và chứng minh được phương pháp này làm giảm đáng ể độ lớn và sự nhấp nhô của d ng điện trong dây trung tính của bộ chỉnh lưu PWM so với phương pháp điều chế độ rộng xung với một sóng mang truyền thống Điều này sẽ làm cho dây trung tính không bị phát nóng và giảm tổn thất trong hệ thống

CHƯƠNG 3 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐC ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP TRONG HỆ

T – Đ VÀ HỆ CLPWM – Đ 3.1 QUÁ TRÌNH KHỞI ĐỘNG ĐC

3.1.1 Phương pháp khởi động ĐC điện một chiều qua điện trở

Hình 3.2 Đặc tính d ng điện và tốc độ của ĐC trong trường hợp mở

máy qua điện trở

3.1.2 Phương pháp khởi động ĐC điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

3.1.2.1 Ý tưởng của phương pháp

3.1.2.3 Ứng dụng phương pháp khởi động ĐC điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng trong hệ T – Đ

3.1.2.4 Ứng dụng phương pháp khởi động ĐC điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng trong hệ CLPWM – Đ

Hình 3.10 Sơ đồ mô phỏng các chế độ làm việc của ĐC điện một

chiều trong hệ CLPWM – Đ

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0

Varying Armarture Voltage - CLPW M

Hình 3.12 Đặc tính cơ của ĐC hi hởi động bằng phương pháp thay

đổi điện áp phần ứng trong hệ CLPWM – Đ

3.2 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐC

3.2.1 Hệ truyền động Chỉnh lưu thyristor - ĐC điện một chiều (T - Đ)

3.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ T - Đ

3.2.1.2 Sơ đồ thay thế của hệ T – Đ không đảo chiều

3.2.1.3 Đặc tính cơ của ĐC trong hệ T – Đ

Hình 3.17 Đặc tính d ng điện và tốc độ của ĐC hi ĐC làm việc ở

trạng thái hãm ngược trong hệ T - Đ

Trang Thai Ham Nguoc - Bridge

Hình 3.18 Đặc tính cơ của ĐC hi ĐC làm việc ở trạng thái hãm

ngược trong hệ T - Đ

Hình 3.19 Đặc tính d ng điện và vận tốc của ĐC hi ĐC làm việc ở

trạng thái hãm động năng trong hệ T - Đ

Hình 3.21 Đặc tính d ng điện và tốc độ của ĐC hi ĐC làm việc ở

trạng thái hãm tái sinh trong hệ T - Đ

0 10 20 30 40 50 60 -100

Hình 3.27 Đặc tính điện áp và d ng điện của ĐC hi ĐC làm việc ở

trạng thái hãm tái sinh trong hệ thống CLPWM – Đ

Vấn đề đặt ra ở đây là giá trị d ng điện hãm tái sinh chảy từ phía một chiều về phía xoay chiều lớn hơn 2.5Idm của ĐC rất nhiều (xem Hình 3.27) Do đó, ta phải tính toán để hạn chế d ng điện hãm:

3.3 QUÁ TRÌNH ĐẢO CHIỀU

3.3.1 Quá trình đảo chiều ở hệ T - Đ

3.3.1.1 Đảo chiều bằng phương pháp điều khiển riêng 3.3.1.2 Đảo chiều bằng phương pháp điều khiển chung

3.3.2 Quá trình đảo chiều ở hệ CLPWM – Đ

3.4 PHÂN TÍCH SÓNG HÀI BẬC CAO VÀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN ÁP ĐẦU RA CỦA BỘ BIẾN ĐỔI

3.4.1 Phân tích sóng hài

3.4.1.1 Sóng hài bậc cao và ảnh hưởng của chúng

3.4.1.2 Phân tích sóng hài bậc cao trong hệ T – Đ

Hình 3.52 Dạng d ng điện và hệ số biến dạng sóng hài THD của

d ng điện trong hệ T – Đ ứng với góc mở van α = 0o

Hình 3.53 Dạng d ng điện và hệ số biến dạng sóng hài THD của

d ng điện trong hệ T – Đ ứng với góc mở van α = 60o

3.4.1.3 Phân tích sóng hài bậc cao trong hệ CLPWM – Đ

Hình 3.56 Chất lượng điện áp một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lưu

cầu 3 pha ứng với góc mở van α = 0o trong hệ T – Đ

1 1.002 1.004 1.006 1.008 1.01 1.012 1.014 1.016 1.018 1.02 -100

Hình 3.58 Chất lượng điện áp một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lưu

PWM trong hệ CLPWM – Đ (Khi được phóng lớn)

động bé Bên cạnh đó, tác giả cũng đã tìm ra được biểu thức xác định tốc độ điều chỉnh điện áp để d ng điện chạy trong ĐC hi ĐC làm việc ở trạng thái hãm tái sinh hông vượt quá giới hạn cho phép Các kết quả mô phỏng cũng cho thấy hệ T - Đ c n tồn tại những nhược điểm lớn như: Làm biến dạng d ng điện xoay chiều đầu vào; Lượng sóng hài điều hòa bậc cao trả về lưới là lớn; Bộ chỉnh lưu chỉ cho d ng điện chạy theo 1 chiều nên dẫn đến hó hăn trong việc trả được năng lượng dư thừa bên phía 1 chiều về phía xoay chiều; Điện

áp đầu ra của bộ chỉnh lưu có độ nhấp nhô lớn Các kết quả mô phỏng cũng thể hiện hệ thống CLPWM – Đ có thể khắc phục được các nhược điểm của hệ T – Đ truyền thống như: Không làm biến dạng d ng điện xoay chiều đầu vào; Không gây ra nhiều sóng hài bậc cao trên lưới; Có thể trao đổi năng lượng giữa tải và lưới theo 2 chiều một cách dễ dàng; Chất lượng điện áp một chiều ở đầu ra cao

Bên cạnh đó, đối với hệ thống T – Đ, trong vùng phụ tải nhỏ M 

0, Iu 0 d ng điện ĐC sẽ hông duy trì được trạng thái liên tục mà

sẽ có dạng xung đập mạch rời rạc Ở trạng thái d ng điện gián đoạn này, đặc tính cơ của ĐC có dạng rất dốc Do đó, ta rất hó điều khiển được tốc độ ĐC trong vùng đặc tính này Đây là nhược điểm của hệ thống T – Đ Hệ thống CLPWM – Đ có thể khắc phục được nhược điểm này của hệ thống T – Đ Hay nói cách hác, trong các đường đặc tính của ĐC ở các chế độ làm việc khác nhau (ĐC, hãm tái sinh, hãm ngược, hãm động năng) trong hệ thống CLPWM – Đ hông tồn tại vùng d ng điện gián đoạn Do đó, các đường đặc tính của ĐC trong hệ thống CLPWM – Đ là những đường thẳng song song và hông có vùng nào trên các đặc tính cơ này có độ dốc lớn

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu các chế độ làm việc của hệ thống chỉnh lưu PWM – Động cơ điện một chiều kích từ độc lập” , tác giả đã đạt được những kết quả sau:

- Phân tích, dẫn giải và xây dựng thành công phương pháp hởi động ĐC điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng Các

ết quả mô phỏng đã cho thấy phương pháp hởi động này có nhiều

ưu điểm hơn phương pháp hởi động ĐC qua điện trở như: Độ tin cậy cao; Hệ thống ít cồng kềnh; Thời gian khởi động b ; ĐC ít rung lắc lúc khởi động; Tổn hao năng lượng lúc khởi động bé Bên cạnh

đó, tác giả cũng đã tìm ra được biểu thức xác định tốc độ điều chỉnh điện áp để d ng điện chạy trong ĐC hi ĐC làm việc ở trạng thái hãm tái sinh hông vượt quá giới hạn cho ph p

- Phân tích, dẫn giải và xây dựng thành công hệ thống chỉnh lưu PWM Trong đó, những vấn đề về điều hiển điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu và độ lớn của d ng điện trong dây trung tính của bộ chỉnh lưu PWM cũng được đưa ra xem x t và giải quyết Trên cơ sở đó, tác giả xây dựng hệ thống CLPWM – Đ

- Tiến hành mô phỏng, phân tích hệ thống CLPWM – Đ và hệ thống T – Đ trên phần mềm Matlab để có thể thấy được ưu điểm hệ thống CLPWM – Đ so với hệ T – Đ như: Không làm biến dạng d ng điện xoay chiều đầu vào; Không gây ra nhiều sóng hài bậc cao trên lưới; Có thể trao đổi năng lượng giữa tải và lưới theo 2 chiều một cách dễ dàng; Chất lượng điện áp một chiều ở đầu ra cao Bên cạnh

đó, các ết quả mô phỏng cũng chứng minh rằng trong hệ T – Đ có tồn tại trạng thái d ng điện gián đoạn Ở trạng thái d ng điện gián đoạn này, đặc tính cơ của ĐC có độ dốc lớn dẫn đến hó điều hiển