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

Tuy nhiên, các bộ biến đổi dùng thyristor truyền thống này bộ băm áp, bộ chỉnh lưu hình tia ba pha, chỉnh lưu hình cầu 3 pha có những nhược điểm như: Làm biến dạng dòng điện xoay chiều đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

BÙI VĂN VŨ

NGHIÊN CỨU CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA

HỆ THỐNG CHỈNH LƯU PWM - ĐỘNG CƠ ĐIỆN

MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

BÙI VĂN VŨ

NGHIÊN CỨU CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA

HỆ THỐNG CHỈNH LƯU PWM - ĐỘNG CƠ ĐIỆN

MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số : 62.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

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

Đà Nẵng – Năm 2017

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng 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

Luận văn được thực hiện dưới sự giúp đỡ của Thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Đoàn Quang Vinh cùng sự giảng dạy nhiệt tình của Thầy, Cô giáo trong Bộ môn Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa của Khoa Điện, Trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Đà Nẵng

Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

Bùi Văn Vũ

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU THYRISTOR – ĐC ĐIỆN MỘT CHIỀU 4

1.2 CÁC MẠCH CHỈNH LƯU THƯỜNG DÙNG TRONG HỆ T – Đ 4

1.2.1 Chỉnh lưu hình tia 3 pha 4

1.2.1.1 Chế độ dòng liên tục 5

1.2.1.2 Hiện tượng chuyển mạch 7

1.2.1.3 Chế độ dòng điện gián đoạn 9

1.2.1.4 Chế độ nghịch lưu phụ thuộc 13

1.2.2 Chỉnh lưu hình cầu 3 pha 14

1.2.2.1 Chế độ dòng điện liên tục: 14

1.2.2.2 Hiện tượng chuyển mạch 16

1.2.2.3 Chế độ dòng điện gián đoạn 17

1.2.2.4 Chế độ nghịch lưu phụ thuộc 18

1.3 KẾT LUẬN 18

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG CHỈNH LƯU PWM 20

2.1 GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP CHỈNH LƯU PWM SIN – TAM GIÁC 20

2.2 HỆ THỐNG CHỈNH LƯU PWM 21

2.2.1 Xây dựng sơ đồ điều khiển 21

2.2.1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 21

2.2.1.2 Sự mất cân bằng điện áp trên thanh dẫn một chiều 25

2.2.1.3 Hệ số cos của bộ chỉnh lưu 27

2.2.1.4 Thiết kế bộ điều khiển điện áp cho bộ chỉnh lưu 29

2.2.1.5 Phương pháp điều chế độ rộng xung với ba sóng mang lệch pha 120o 32

2.2.2 Kết quả mô phỏng bộ chỉnh lưu PWM 34

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) 34

chế độ rộng xung với 3 một sóng mang (SPWM) 38

2.3 KẾT LUẬN 41

CHƯƠNG 3 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐC ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP TRONG HỆ T – Đ VÀ HỆ THỐNG CLPWM – Đ 43

3.1 QUÁ TRÌNH KHỞI ĐỘNG ĐC 43

3.1.1 Phương pháp khởi động ĐC điện một chiều qua điện trở phụ 43

3.1.2 Phương pháp khởi động ĐC điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng 46

3.1.2.1 Ý tưởng của phương pháp 46

3.1.2.2 Xác định điện áp khởi động 47

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 49

3.1.2.4 Ứng dụng phương pháp khởi động ĐC điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng trong hệ thống CLPWM – Đ 53

3.2 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐC 55

3.2.1 Hệ truyền động Chỉnh lưu thyristor - ĐC điện 1 chiều (T - Đ) 55

3.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ T - Đ 56

3.2.1.2 Sơ đồ thay thế của hệ T – Đ không đảo chiều 57

3.2.1.3 Đặc tính cơ của ĐC trong hệ T – Đ 59

3.2.1.4 Kết luận 66

3.2.2 Hệ thống chỉnh lưu PWM – ĐC điện một chiều (CLPWM – Đ) 67

3.2.2.1 Sơ đồ thay thế của hệ thống chỉnh lưu PWM – ĐC điện một chiều không đảo chiều 67

3.2.2.2 Đặc tính cơ của ĐC trong hệ thống CLPWM - Đ 68

3.2.3 Kết luận 78

3.3 QUÁ TRÌNH ĐẢO CHIỀU 79

3.3.1 Quá trình đảo chiều ở hệ T - Đ 79

3.3.1.1 Đảo chiều bằng phương pháp điều khiển riêng 79

3.3.1.2 Đảo chiều bằng phương pháp điều khiển chung 84

3.3.2 Quá trình đảo chiều ở hệ thống CLPWM – Đ 87

3.4 PHÂN TÍCH SÓNG HÀI BẬC CAO VÀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP ĐẦU RA CỦA BỘ BIẾN ĐỔI 90

3.4.1 Phân tích sóng hài 90

3.4.1.1 Sóng hài bậc cao và ảnh hưởng của chúng 90

3.4.1.2 Phân tích sóng hài bậc cao trong hệ T – Đ 92

3.4.2 Chất lƣợng điện áp một chiều cấp cho ĐC trong hệ T – Đ và hệ thống CLPWM – Đ 95 3.5 KẾT LUẬN 97

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

NGHIÊN CỨU CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG CHỈNH LƯU PWM - ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Học viên: Bùi Văn Vũ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 62 52 02 16 Khóa: 31 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – 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, ĐC điện một chiều (DCM) vẫn còn 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

Kể từ khi công nghệ bán dẫn phát triển mạnh, việc điều khiển DCM được thực hiện thông qua các

bộ biến đổi điện áp dùng thyristor, chỉnh lưu thyristor Tuy nhiên, các bộ biến đổi dùng thyristor truyền thống này (bộ băm áp, bộ chỉnh lưu hình tia ba pha, chỉnh lưu hình cầu 3 pha) có những nhược điểm như: Làm biến dạng dòng điện xoay chiều đầu vào; Dòng đầu vào chứa nhiều sóng hài điều hòa bậc cao; Sự nhấp nhô đỉnh – đỉnh của điện áp đầu ra cao; Chỉ cho năng lượng đi theo một chiều dẫn đến khó khăn trong việc trả năng lượng dư thừa của DCM về phía xoay chiều; Tồn tại trạng thái dòng điện gián đoạn trên đặc tính cơ của DCM Tuy nhiên, bộ 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 dùng thyristor nói trên Bên cạnh đó, vấn đề giữ giá trị dòng điện trung tính trong bộ chỉnh lưu PWM ở mức thấp cũng được xem xét Tác giả cũng đi phân tích và dẫn giải chi tiết phương pháp khởi động DCM bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, cái mà có thể khắc phục được những nhược điểm của phương pháp khởi động DCM thông qua điện trở

Từ khóa - Động cơ điện một chiều (DCM); Chỉnh lưu thyristor; Chỉnh lưu PWM; Sóng hài bậc

cao; Sự nhấp nhô điện áp đầu ra; Dòng điện trung tính; Phương pháp khởi động

RESEARCHING WORKING MODES OF PWM RECTIFIER SYSTEM –

SEPARATELY EXCITED DIRECT CURRENT MOTOR

Abstract - Because direct current motors’s adjustment range is wider and smoother than

alternating current motors’s is, direct current motors (DCM) are still used in places where high speed precision and smooth speed control are required such as weaving machines, printers, robots Since semiconductor technology developed, DCM control has been performed through voltage converters, rectifiers that use thyristors However, these traditional thyristor converters have following major disadvantages such as input alternating current is deformed; A lot of high order harmonics are generated in grid; Power factor is low; Peak-to-peak ripple in output direct voltage is high; Energy only flows in one direction; DCM’s mechanical characteristic exists area where motor’s current is not continous However, PWM rectifier is presented can overcome the disadvantages of conventional thyristor rectifiers or thyristor converters that were above mentioned In addition, the issue of keeping the neutral currents in the PWM rectifier low is also considered In this thesis, the author also presents, analyzes and explains the DCM start-up method

by varying the armature voltage, which can overcome the disadvantages of the DCM start-up method through resistances

Key words - Direct current motor (DCM); Thyristor rectifier; PWM rectifier; High order harmonic; Peak-to-peak ripple in output voltage; Neutral current; Start-up method.

CÁC KÝ HIỆU:

a Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng ĐC

Co Điện dung của tụ phân áp trên thanh dẫn một chiều (F)

Dj Hệ số thời gian mở van của van 1 trong một chu kỳ sóng

mang (%)

Ed Suất điện động đầu ra của bộ chỉnh lưu thyristor (V)

E’d Suất điện động đầu ra của bộ chỉnh lưu PWM (V)

Eu Suất điện động phần ứng của ĐC (V)

f Tần số của lưới điện (Hz)

icb Dòng điện cân bằng chạy trong mạch chỉnh lưu (A)

Id Dòng điện tải của bộ chỉnh lưu (A)

Idc Dòng điện trên thanh dẫn một chiều bộ chỉnh lưu PWM (A)

iN Dòng điện trong dây trung tính của bộ chỉnh lưu PWM (A)

In Biên độ thành phần sóng hài bậc n của dòng điện (A)

Io Dòng điện tải một chiều tại đầu ra bộ chỉnh lưu PWM (A)

Io1(ss) Dòng điện sai lệch xác lập (A)

Ioff Dòng sai lệch do sai số của cảm biến dòng gây ra (A).

iu Giá trị tức thời của dòng điện phần ứng ĐC (A)

Iu Giá trị hiệu dụng của dòng điện phần ứng ĐC (A)

Iudm Dòng điện phần ứng định mức của ĐC (A)

I1 Biên độ thành phần sóng hài cơ bản của dòng điện (A)

Ij Dòng điện đầu vào của pha j (j  R, Y, B là các pha) (A)

R Y B

i , i , i Thành phần dòng điện nhấp nhô do việc đóng cắt các van trên

các pha R, Y, B gây ra (A)

Kh Hệ số dòng điện hãm của ĐC

Kkd Hệ số dòng điện khởi động của ĐC

LC Giá trị điện cảm của cuộn cảm ở mạch chỉnh lưu PWM (H)

Lk Điện cảm tản của dây quấn thứ cấp máy biến áp (H)

Lu Điện cảm cuộn dây phần ứng của ĐC (H)

LBA Điện cảm của máy biến áp nguồn (H)

L1 Điện cảm của cuộn dây sơ cấp máy biến áp nguồn (H)

L2 Điện cảm của cuộn dây thứ cấp máy biến áp nguồn (H)

m Số xung đập mạch tính trong một chu kỳ điện áp lưới

M Mô men điện từ của ĐC (Nm)

Mc Mô men cản của ĐC (Nm)

mj Giá trị điện áp điều chế của pha j (V)

N Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng của ĐC

p Số đôi cực từ chính của ĐC

P Công suất tác dụng (W)

PF Hệ số công suất

R Điện trở mạch một chiều ( ).

RBA Điện trở của máy biến áp nguồn ( ).

RC Giá trị điện trở tương đương của các tụ Co ( ).

Re Giá trị điện trở tương đương của bộ chỉnh lưu ( ).

Rf Giá trị điện trở phụ lúc khởi động ĐC ( ).

RL Điện trở của cuộn cảm L ở bộ chỉnh lưu PWM ( ).

Ru Điện trở cuộn dây phần ứng của ĐC ( ).

Rut Điện trở tổng trong mạch điện phần ứng của ĐC ở hệ truyền

động Chỉnh lưu thyristor – ĐC điện một chiều ( ).

R’ut Điện trở tổng trong mạch điện phần ứng của ĐC ở hệ thống

chỉnh lưu PWM – ĐC điện một chiều ( ).

Ro Điện trở tải của bộ chỉnh lưu PWM ( ).

R1 Điện trở của cuộn dây sơ cấp máy biến áp nguồn ( ).

R2 Điện trở của cuộn dây thứ cấp máy biến áp nguồn ( ).

S Công suất biểu kiến (VA)

THD Hệ số méo dạng sóng hài (%)

Ud Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu dùng thyristor (V)

uu Giá trị tức thời của điện áp cấp cho phần ứng ĐC (V)

Uu Giá trị hiệu dụng của điện áp cấp cho phần ứng ĐC (V)

Uudm Điện áp phần ứng định mức của ĐC (V)

Udo Điện áp chỉnh lưu lớn nhất ứng với trường hợp o

0

  (V)

U2 Giá trị điện áp pha hiệu dụng (V)

u2a, u2b, u2c Các điện áp pha thứ cấp của máy biến áp nguồn (V)

U2m Giá trị cực đại của điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn (V)

Vcj Điện áp sóng mang của pha j (j  R, Y, B là các pha) (V)

Vd Điện áp sai lệch trên hai nửa của thanh dẫn 1 chiều (V).

Vd* Điện áp đặt của bộ điều khiển cân bằng điện áp (V).

Vd(dc) Giá trị trung bình của điện áp sai lệch vd (V)

m

V Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển điện áp chính

VPj Điện áp cực trung bình của pha j trong 1 chu kỳ chuyển

mạch TS (V) R

V Giá trị trung bình của điện áp pha R của lưới điện (V)

Vo1, Vo2 Lần lượt là điện áp đầu ra trên hai nửa của thanh dẫn một

chiều (V).

vj Giá trị điện áp tức thời của pha j (V).

Vj Giá trị trung bình của điện áp pha j (v ) (V) j

m

V

 Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển cân bằng điện áp.

L

X Điện kháng của cuộn dây L trong bộ chỉnh lưu PWM ( ).

W1 Số vòng dây của cuộn dây sơ cấp máy biến áp nguồn (Vòng)

W2 Số vòng dây của cuộn dây thứ cấp máy biến áp nguồn (Vòng)

J Mô men quán tính quy đổi về trục ĐC (Kg.m2)

 Từ thông kích từ dưới một cực từ của ĐC (Wb)

 Tần số góc của điện áp lưới (Rad/s)

 Góc mở van tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên (Rad)

o

 Góc điều khiển tính từ thời điểm suất điện động xoay chiều

bắt đầu dương (Rad)

CLPWM – Đ Chỉnh lưu PWM – Động cơ điện một chiều

CSPWM Điều chế độ rộng xung với 1 sóng mang

1.6 Quan hệ giữa góc chuyển mạch µ và góc điều khiển α ứng với

1.7 Kết quả mô phỏng hiện tượng chuyển mạch giữa các van của

mạch chỉnh lưu hình tia trên Matlab 9

1.8 Kết quả mô phỏng chế độ dòng điện gián của bộ chỉnh lưu

1.9 Đặc tính tốc độ của ĐC ở hệ đơn vị tương đối khi được cấp

nguồn bởi: (a) Chỉnh lưu tia ba pha, (b) Chỉnh lưu cầu 3 pha 12

1.10 Mô phỏng chế độ nghịch lưu phụ thuộc của bộ chỉnh lưu hình

1.11 Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha với tải là ĐC điện một chiều: (a) Sơ

1.12 Sơ đồ mô phỏng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha trên Matlab 15 1.13 Đặc tính điện áp và dòng điện của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha ở

1.14 Kết quả mô phỏng hiện tượng chuyển mạch của các van

(Nhóm van lẻ ) trong mạch chỉnh lưu hình cầu 3 pha 17

1.15 Kết quả mô phỏng chế độ dòng điện gián đoạn trong mạch

1.16 Mô phỏng chế độ nghịch lưu phụ thuộc ở bộ chỉnh lưu cầu 3

2.5 Sơ đồ biến đổi tương đương bên phía một chiều trong pha R

2.6 Kết quả mô phỏng sự mất cân bằng điện áp trên thanh dẫn một

2.7 Sơ đồ thay thế tương đương của bộ chỉnh lưu PWM và đồ thị

pha của các đại lượng trong bộ chỉnh lưu 27

2.8 Sơ đồ điều khiển điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu trong miền

(a) Sơ đồ điều chế động rộng xung Sin – Tam giác truyền

thống và (b) Sơ đồ điều chế độ rộng xung Sin – Tam giác

2.23 Dòng điện xoay chiều ba pha tại đầu vào của bộ chỉnh lưu

2.24 Hệ số biến dạng sóng hài của dòng điện xoay chiều tại đầu vào

của bộ chỉnh lưu PWM khi sử dụng phương pháp SPWM 40

2.25 Dòng điện chạy trong dây trung tính của bộ chỉnh lưu PWM

2.26 Giá trị trung bình của dòng điện trong dây trung tính của bộ

chỉnh lưu PWM khi sử dụng phương pháp SPWM 40

3.1 Hình vẽ dạng điện áp, dòng điện và tốc độ của ĐC khi khởi

3.2 Đặc tính dòng điện và tốc độ của ĐC trong trường hợp mở

3.3 Đặc tính cơ của ĐC trong trường hợp mở máy qua điện trở 45 3.4 Hình vẽ dạng điện áp, dòng điện và tốc độ của ĐC khi khởi

động theo phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 47 3.5 Hình vẽ dạng đặc tính cơ của ĐC trong trường hợp khởi động

theo phương pháp thay đổi điện áp phần ứng 47 3.6 Sơ đồ mô phỏng các chế độ làm việc của ĐC trong hệ T – Đ 51 3.7

Đặc tính điều chỉnh góc mở các van bán dẫn khi khởi động

bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng trong hệ

T – Đ

51

3.8

Đặc tính điện áp trung bình, dòng điện và tốc độ của ĐC khi

khởi động ĐC bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

trong hệ T - Đ

52

3.9 Đặc tính cơ của ĐC khi khởi động ĐC bằng phương pháp thay

đổi điện áp phần ứng trong hệ T - Đ 52 3.10 Sơ đồ mô phỏng các chế độ làm việc của ĐC điện một chiều

3.11

Đặc tính điện áp, dòng điện và tốc độ của ĐC khi khởi động

bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng trong hệ thống

CLPWM – Đ

54

3.12 Đặc tính cơ của ĐC khi khởi động bằng phương pháp thay đổi

điện áp phần ứng trong hệ thống CLPWM – Đ 55 3.13 (a) Sơ đồ nguyên lý, (b) các đồ thị điện áp, (c, e) dòng điện và

(d) xung mở van của hệ T – Đ không đảo chiều 56 3.14 Sơ đồ thay thế của hệ T – Đ không đảo chiều 57

3.15 Đặc tính dòng điện và tốc độ của ĐC khi nó làm việc ở trạng

3.19 Đặc tính dòng điện và vận tốc của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng

3.20 Đặc tính cơ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm động

3.21 Đặc tính dòng điện và tốc độ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng

3.22 Đặc tính cơ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm tái sinh

3.23 Đặc tính cơ của ĐC trong hệ T – Đ không đảo chiều 66 3.24 Sơ đồ thay thế của hệ thống CLPWM - Đ không đảo chiều 67 3.25 Đặc tính điện áp, dòng điện và tốc độ của ĐC khi nó làm việc

ở trạng thái ĐC trong hệ thống CLPWM – Đ 69 3.26 Đặc tính cơ của ĐC khi nó làm việc ở trạng thái ĐC trong hệ

3.27 Đặc tính điện áp và dòng điện của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng

thái hãm tái sinh trong hệ thống CLPWM – Đ 70

3.28

Đặc tính điện áp, dòng điện và tốc độ của ĐC khi ĐC làm việc

ở trạng thái hãm tái sinh trong hệ thống CLPWM – Đ trong

3.32

Đặc tính điện áp, dòng điện và tốc độ của ĐC khi ĐC làm

việc ở trạng thái hãm động năng trong hệ thống CLPWM –

Đ

78

3.33 Đặc tính cơ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm động

3.34 Sơ đồ hệ T - Đ đảo chiều sử dụng phương pháp điều khiển

3.35 Mô hình khâu logic trong hệ T - Đ đảo chiều điều khiển riêng 81

3.36 Diễn biến quá trình đảo chiều trong hệ T - Đ đảo chiều điều

3.37 Sơ đồ mô phỏng quá trình đảo chiều ĐC khi đảo chiều bằng

3.38 Đặc tính điện áp chỉnh lưu khi đảo chiều ĐC bằng phương

3.39 Đặc tính điện áp chỉnh lưu ở thời điểm đảo chiều khi đảo

chiều ĐC bằng phương pháp điều khiển riêng 84

3.40 Đặc tính tốc độ của ĐC ở thời điểm đảo chiều khi đảo chiều

ĐC bằng phương pháp điều khiển riêng 84 3.41 Sơ đồ nguyên lý của hệ T – Đ đảo chiều điều khiển chung 85 3.42 Đặc tính điều khiển của hệ T – Đ đảo chiều điều khiển chung 85 3.43 Sơ đồ mô phỏng quá trình đảo chiều ĐC bằng phương pháp

3.44 Đặc tính điện áp chỉnh lưu khi đảo chiều ĐC bằng phương

3.45 Đặc tính điện áp chỉnh lưu ở thời điểm đảo chiều khi đảo

chiều ĐC bằng phương pháp điều khiển chung 87

3.46 Đặc tính tốc độ của ĐC ở thời điểm đảo chiều khi đảo chiều

ĐC bằng phương pháp điều khiển chung 87 3.47 Sơ đồ nguyên lý quá trình đảo chiều trong hệ CLPWM - Đ 88 3.48 Sơ đồ mô phỏng quá trình đảo chiều ĐC trong hệ thống

3.52 Dạng dòng điện và hệ số biến dạng sóng hài THD của dòng

điện trong hệ T – Đ ứng với góc mở van α = 0o 93

Số hiệu

3.53 Dạng dòng điện và hệ số biến dạng sóng hài THD của dòng

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

3.54 Dạng dòng điện và hệ số biến dạng sóng hài THD của dòng

điện trong hệ T – Đ ứng với góc mở van α = 90o 94 3.55 Dạng dòng điện và hệ số biến dạng sóng hài THD của dòng

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 96

3.57 Chất lượng điện áp một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu 3

pha ứng với góc mở van α = 80o trong hệ T – Đ 96

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

PWM trong hệ thống CLPWM – Đ (Khi được phóng lớn) 96

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 vòng kín, 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 vòng 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 còn 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

Trong quá trình điều khiển ĐC điện một chiều thì có nhiều phương pháp khác nhau Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm nhưng mục đích chung là phương pháp phải đơn giản, ổn định,… và có hiệu quả cao 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 dòng điện xoay chiều đầu vào; Dòng 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 khó khăn trong việc trả được năng lượng dư thừa của ĐC điện một chiều về phía xoay chiều khi năng lượng bên phía một chiều dư thừa; Sự nhấp nhô đỉnh – đỉnh của điện áp đầu ra cao; Tồn tại trạng thái dòng 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 dòng 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 dòng 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

Luận văn sẽ chứng minh hệ thống chỉnh lưu PWM có thể khắc phục được những nhược điểm của các bộ chỉnh lưu hoặc biến đổi truyền thống còn tồn tại như: Lượng sóng hài điều hòa bậc cao trả về lưới thấp; Không làm biến dạng dòng điện xoay chiều đầu vào; Có thể trao đổi năng lượng giữa tải và lưới theo 2 chiều; Chất lượng điện áp một chiều ở đầu ra cao; Không tồn tại trạng thái dòng điện gián đoạn Hay nói cách khác, luận văn sẽ xây dựng một hệ thống CLPWM - Đ có nhiều ưu điểm hơn so với hệ

T - Đ truyền thống nhằm nâng cao chất lượng điều khiển ĐC điện một chiều Điều này

sẽ được kiểm chứng thông qua việc phân tích các kết quả mô phỏng các chế độ làm việc của ĐC trong hệ T – Đ và hệ thống CLPWM – Đ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: ĐC điện một chiều kích từ độc lập và hệ thống chỉnh lưu

4 Phương pháp nghiên cứu

Để phục vụ cho việc nghiên cứu đề tài, tác giả sử dụng một phương pháp nghiên cứu hiệu quả được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước sử dụng đó là phương pháp mô hình hóa hệ thống Đây là phương pháp nghiên cứu các đối tượng bằng cách xây dựng mô hình gần giống với đối tượng, tái hiện lại đối tượng theo các cơ cấu, chức năng của đối tượng

Trong luận văn sẽ sử dụng công cụ Matlab – Simulink để mô hình hóa đối tượng

và bộ điều khiển Đây là công cụ khá đắc lực phục vụ cho nghiên cứu khoa học và kỹ thuật, có khả năng ứng dụng được cho việc mô hình hóa, mô phỏng hệ thống truyền động điện

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài nghiên cứu thành công sẽ góp phần kiểm chứng và phát triển phương pháp chỉnh lưu PWM cung cấp nguồn cho các tải một chiều nói chung và ĐC điện một chiều kích từ độc lập nói riêng Đây là một phương pháp chỉnh lưu có thể khắc phục được những nhược điểm mà các bộ chỉnh lưu, bộ biến đổi dùng thyristor truyền thống chưa làm được

Đây sẽ là cơ sở để xây dựng các hệ thống nguồn một chiều cấp cho ĐC điện một chiều có chất lượng cao, thõa mãn các tiêu chí về tính chính xác, giảm đáng kể các sóng hài điều hòa bậc cao trên lưới, chất lượng điện áp một chiều ở đầu ra của bộ chỉnh lưu cao, có thể trả được năng lượng dư thừa về lưới một cách dễ dàng và hiệu quả, không tồn tại vùng dòng điện gián đoạn trong đặc tính cơ của ĐC

6 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dung của đề tài được tổ chức thành 3 chương Bố cục nội dung chính của luận văn như sau:

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

Chương này trình bày tổng quan về hệ thống truyền động sử dụng ĐC điện một chiều được cấp nguồn từ các bộ chỉnh lưu dùng thyristor (Chỉnh lưu hình tia ba pha và Chỉnh lưu cầu ba pha) Trong đó, tác giả đi vào phân tích và mô phỏng các chế độ làm việc khác nhau của các bộ chỉnh lưu dùng thyristor này với tải là ĐC điện một chiều được thay thế bằng 3 phần tử R – L – E trên Matlab để có thể thấy được những nhược điểm của hệ truyền động Chỉnh lưu thyristor – ĐC điện một chiều Từ đó, làm cơ sở để tiến tới chọn một loại chỉnh lưu khác có ưu điểm hơn

Chương 2 - Hệ thống chỉnh lưu PWM

Chương này tác giả giới thiệu, phân tích, xây dựng sơ đồ điều khiển cho hệ thống chỉnh lưu PWM Sau khi xây dựng được hệ thống chỉnh lưu PWM, tác giả tiến hành khảo sát hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink Các kết quả sẽ cho thấy rằng, hệ thống chỉnh lưu PWM có chất lượng điện áp một chiều ở đầu ra rất bằng phẳng; Lượng sóng hài trả về lưới ít; Không làm biến dạng dòng điện xoay chiều trước bộ chỉnh lưu Bên cạnh đó, tác giả cũng phân tích và ứng dụng phương pháp điều chế độ rộng xung với 3 sóng mang lệch pha nhau 120o vào hệ thống chỉnh lưu PWM nhằm giảm đáng kể độ lớn của dòng điện trong dây trung tính của bộ chỉnh lưu

Chương 3 - Các chế độ làm việc của ĐC điện một chiều kích từ độc lập trong

hệ T – Đ và hệ thống CLPWM – Đ

Đây là chương trọng tâm của luận văn Trong chương này tác giả sẽ phân tích, dẫn giải, so sánh 2 hệ truyền động: Hệ truyền động Chỉnh lưu thyristor – ĐC điện một chiều (T - Đ) và hệ thống Chỉnh lưu PWM – ĐC điện một chiều (CLPWM - Đ) ở các chế độ hoạt động khác nhau của ĐC Dựa trên kết quả mô phỏng của cả 2 hệ truyền động trên Matlab – Simulink, tác giả sẽ chứng minh hệ thống CLPWM – Đ có thể khắc phục được các nhược điểm của hệ T – Đ truyền thống như: Không làm biến dạng dòng điện xoay chiều đầu vào; Lượng sóng hài trả về lưới thấp; Có thể trao đổi năng lượng giữa tải và lưới theo 2 chiều; Chất lượng điện áp một chiều ở đầu ra cao Thêm vào đó, các kết quả mô phỏng cũng cho thấy đặc tính cơ của ĐC ở các chế độ làm việc khác nhau trong hệ thống CLPWM – Đ không có vùng dòng điện gián đoạn như trong

hệ T – 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

Ngày nay, với ưu điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐC một chiều bằng cách thay đổi giá trị điện áp đặt vào phần ứng của ĐC, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bán dẫn, hệ truyền động T – Đ ngày càng được sử dụng rộng rãi

- Dựa vào số pha: 1 pha, 2 pha, 3 pha

- Dựa vào sơ đồ đấu nối: Hình tia, hình cầu, đối xứng…

- Dựa vào số nhịp: Số xung áp đập mạch trong khoảng thời gian một chu kỳ điện

áp nguồn

- Dựa vào chế độ năng lượng: Chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc

Chế độ làm việc của bộ chỉnh lưu sẽ phụ thuộc vào phương thức điều khiển và vào tính chất của tải Trong truyền động điện, tải của bộ chỉnh lưu có thể là là mạch kích từ hoặc là mạch phần ứng của của ĐC Ở đây, ta dùng bộ chỉnh lưu để cấp nguồn cho mạch phần ứng của ĐC Trong truyền động công nghiệp có sử dụng ĐC điện một chiều, người ta thường dùng chỉnh lưu 3 pha mắc theo sơ đồ hình tia hoặc hình cầu để cấp nguồn cho ĐC điện một chiều

1.1.1 Chỉnh lưu hình tia 3 pha

Hình 1.2 là sơ đồ chỉnh lưu 3 pha mắc theo sơ đồ hình tia cấp nguồn cho tải là

ĐC điện một chiều, cái mà được thay thế bằng 3 phần tử R – L – E Trong đó, E là suất điện động của ĐC; u2a, u2b, u2c là điện áp thứ cấp của máy biến áp nguồn; Lu, Lk là điện cảm mạch một chiều và điện cảm tản của dây quấn thứ cấp máy biến áp

Điện trở mạch một chiều R được xác định:

R = RBA + Ru

Trong đó, RBA = R2 + R1(W2/W1)2

Điện cảm mạch một chiều L được xác định: L = Lu + Lk + LBA

Trong đó, LBA = L2 + L1(W2/W1)2

Với LBA là điện cảm của máy biến áp nguồn, L2 là điện cảm của cuộn dây thứ cấp máy biến áp, L1 điện cảm của cuộn dây sơ cấp máy biến áp, W2 là số vòng dây của cuộn dây thứ cấp máy biến áp nguồn W1 là số vòng dây của cuộn dây sơ cấp máy biến

áp, RBA là điện trở của máy biến áp, R2 điện trở của cuộn dây thứ cấp máy biến áp, R1

là điện trở của cuộn dây sơ cấp máy biến áp nguồn

Đ BA

1.1.1.1 Chế độ dòng liên tục

Khi dòng điện chỉnh lưu id là liên tục thì có thể dựng được đồ thị dòng điện và điện áp của hệ như Hình 1.3 Suất điện động chỉnh lưu là những đoạn hình sin nối tiếp nhau, giá trị trung bình của suất điện động chỉnh lưu được tính như công thức (1.1) [3]:

 - Tần số góc của điện áp lưới;

 - Góc mở van tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên;

o

 - Góc điều khiển tính từ thời điểm suất điện động xoay chiều bắt đầu dương;

m – Số xung đập mạch tính trong một chu kỳ điện áp lưới (tia 3 pha m = 3) Phương trình vi phân mô tả mạch thay thế trên Hình 1.2 [3]

Với sơ kiện khi   o thì id = io có nghiệm sau:

u

i 2

Nếu gọi góc dẫn của van là  thì có thể tính được thành phần một chiều của dòng điện chỉnh lưu, chính là thành phần tạo ra mô men quay của ĐC [3]:

Hình 1.4 Sơ đồ mô phỏng mạch chỉnh lưu hình tia ở chế độ dòng liên tục trên Matlab

Hình 1.5 Đặc tính điện áp và dòng điện của mạch chỉnh lưu tia 3 pha ở chế độ dòng

liên tục

1.1.1.2 Hiện tượng chuyển mạch

Trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha, khi phát xung để mở một van T thì điện áp anốt của pha đó phải dương hơn điện áp của pha đang dẫn dòng Do đó, dòng điện của pha có van đang dẫn sẽ giảm dần về 0, còn dòng điện của van dẫn kế tiếp sẽ tăng dần lên Do có điện cảm trong mạch nguồn, dòng điện không tăng đột ngột mà hiện tượng này diễn ra từ từ, cũng tại một thời điểm có cả 2 van đều dẫn dòng và chuyển dòng cho nhau Đó chính là quá trình chuyển mạch giữa các van

Trong quá trình chuyển mạch, do cả 2 pha đều dẫn nên suất điện động chỉnh lưu

sẽ bằng trung bình cộng điện áp 2 pha Phương trình cân bằng điện áp cho các pha lúc chuyển mạch là phương trình (1.5) và phương trình (1.6) [3]

Iarccos(cos )

/ 18

I  , do

đó có thể nói rằng trong chỉnh lưu hình tia 3 pha, góc chuyển mạch cực đại là / 6

Do có chuyển mạch nên suất điện động chỉnh lưu bị sụt đi Giá trị trung bình của sụt

Tiến hành mô phỏng hiện tượng chuyển mạch giữa các van trong mạch chỉnh lưu hình tia có tải là ĐC điện một chiều được thay thế bằng 3 phần tử R – L – E với các thông số: U2 = 220V,  30o, E = 10V, R = 2.5, L = 0.01H và điện cảm dây quấn thứ cấp của MBA nguồn là 0.001H, ta được kết quả như Hình 1.7

Hình 1.7 Kết quả mô phỏng hiện tượng chuyển mạch giữa các van của mạch chỉnh

lưu hình tia trên Matlab:

(a) Dòng điện, điện áp chỉnh lưu khi có hiện tượng chuyển mạch,

(b) Hiện tượng chuyển dòng giữa các van với nhau

1.1.1.3 Chế độ dòng điện gián đoạn

Hiện tượng gián đoạn dòng điện chỉnh lưu xảy ra do năng lượng điện từ tích lũy trong mạch khi dòng điện tăng không đủ duy trì tính chất liên tục của dòng điện khi nó giảm Lúc này, góc dẫn của van trở nên nhỏ hơn 2 / m , dòng điện qua van trở về không trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn Trong khoảng thời gian dẫn của van thì suất điện động chỉnh lưu bằng suất điện động nguồn:

Có thể viết được biểu thức tính dòng điện chỉnh lưu nếu trong công thức (1.2), ta đặt Io = 0 [3]:

Tiến hành mô phỏng chế độ dòng điện gián đoạn trong mạch chỉnh lưu hình tia

có tải là ĐC điện một chiều được thay thế bằng 3 phần tử R – L – E với các thông số:

U2 = 220V,  65o, E = 100V, R = 2.5, L = 0.1mH và điện cảm của nguồn là Ln = 0.06mH, ta được kết quả như Hình 1.8

 thì có viết được biểu thức tính dòng điện

chỉnh lưu ở hệ đợn vị tương đối với dạng gọn hơn [3]:

*

i (cos cos )     ( ) (1.10)Đặt     o và id* 0, thế vào công thức (1.10) ta sẽ tìm được góc dẫn  ở dạng hàm ẩn:

Giá trị trung bình của dòng điện ở chế độ gián đoạn viết trong hệ đơn vị tương đối được tính như sau [3]:

o o

Để tìm đường biên giới giữa vùng dòng điện liên tục và vùng dòng điện gián đoạn ta tính cos từ (1.13) và tính sinα từ (1.15) và vì 2 2

cos  sin  1 nên:

Biểu thức (1.17) là phương trình toán học của đường elip với các trục là trục tọa

độ của các đặc tính cơ Elip này tạo thành biên liên tục của vùng dòng điện gián đoạn như sau: Phía trong vùng elip là vùng dòng điện gián đoạn còn phía ngoài elip là vùng dòng điện liên tục Tập hợp các điểm trạng thái biên [ωblt , Iblt] khi thay đổi góc điều khiển α = 0  π gần đúng là đường elip có các trục chính là các trục tọa độ và biên elip

là đường cong n t đứt như được thể hiện trong Hình 1.9 Trong đó, Hình 1.9b là các đặc tính cơ của ĐC tương đương nhưng chỉnh lưu là hình cầu ba pha (m = 6) và điện cảm L lớn gấp 5 lần Từ đó ta thấy rõ tác dụng thu hẹp vùng dòng điện gián đoạn của việc tăng các thông số m, L của mạch phần ứng Tuy nhiên việc tăng số xung m kéo theo tăng độ phức tạp của mạch lực và mạch điều khiển chỉnh lưu, còn khi tăng điện cảm L kéo theo là xấu quá trình quá độ và làm tăng trọng lượng kích thước của hệ thống

Hình 1.9 là đặc tính điều chỉnh của hệ chỉnh lưu hình tia 3 pha và cầu 3 pha trong

đó  E / U2m, Im = U2m/R Gần đúng có thể coi đây là họ đặc tính tốc độ của ĐC Các đặc tính trong hình được dựng cho ĐC có các thông số sau: Pdm = 14.5 kW, Udm = 220V, Idm = 79A,  = 112s-1, R = 0,37, L = 4.9mH,  0.833

I I

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 -1.0

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0





m

II

dm



d m m

I I

Hình 1.9 Đặc tính tốc độ của ĐC ở hệ đơn vị tương đối khi được cấp nguồn bởi:

(a) Chỉnh lưu tia ba pha, (b) Chỉnh lưu cầu 3 pha [3]

1.1.1.4 Chế độ nghịch lưu phụ thuộc

Trong sơ đồ Hình 1.2, nếu ta tăng góc mở của các van đến giá trị gần bằng  và đảo chiều suất điện động E bằng cách dùng ngoại lực bắt rôto ĐC quay ngược hay đảo chiều dòng điện kích từ của ĐC thì dòng điện chỉnh lưu vẫn theo chiều cũ nhưng suất điện động chỉnh lưu đã đảo dấu do các van dẫn dòng trong thời gian điện áp anôt âm Công suất điện từ của ĐC và của chỉnh lưu là:

Tiến hành mô phỏng chế độ nghịch lưu phụ thuộc trong mạch chỉnh lưu hình tia

có tải là ĐC điện một chiều được thay thế bằng 3 phần tử R – L – E với các thông số:

1.1.2 Chỉnh lưu hình cầu 3 pha

Bộ chỉnh lưu hình cầu 3 pha được tạo thành bởi việc đấu nối 2 bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha lại với nhau như được thể hiện trong Hình 1.11 Do đó, các chế độ làm việc

bộ chỉnh lưu này hoàn toàn giống với bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha Chính vì vậy, tác giả không đi vào phân tích lại mà chỉ tiến hành mô phỏng bộ chỉnh lưu hình cầu 3 pha ở các chế độ làm việc tương ứng

Trong bộ chỉnh lưu cầu 3 pha, các van thyristor được chia làm 2 nhóm: Nhóm van lẻ là nhóm có Katôt chung (T1, T3, T5) có điện thế dương và nhóm van chẵn là nhóm có anôt chung (T2, T4,T6) có điện thế âm hơn

đi vào mô phỏng

Giá trị trung bình của suất điện động chỉnh lưu cầu 3 pha được tính như công thức (1.18) [3]:

 - Tần số góc của điện áp lưới;

 - Góc mở van tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên;

o

 - Góc điều khiển tính từ thời điểm suất điện động xoay chiều bắt đầu dương;

m – Số xung đập mạch tính trong một chu kỳ điện áp lưới ( Chỉnh lưu cầu 3 pha

m = 6)

Tiến hành mô phỏng chế độ dòng điện liên tục trong mạch chỉnh lưu hình cầu 3 pha có tải là ĐC điện một chiều được thay thế bằng 3 phần tử R – L – E với các thông số: u2 = 220V,  30o, E = 100V, R = 2.5, L = 0.001H, ta được kết quả như Hình 1.13

Hình 1.12 Sơ đồ mô phỏng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha trên Matlab

Đối với mạch chỉnh lưu cầu 3 pha, số xung đập mạch tính trong một chu kỳ điện

áp lưới m = 6 và trị số đỉnh của điện áp chỉnh lưu là điện áp dây như được thể hiện ở Hình 1.13 Do đó, điện áp ra trung bình cấp cho tải là gấp 2 lần điện áp ra trung bình của mạch chỉnh lưu hình tia:

2 m

1.1.2.2 Hiện tượng chuyển mạch

Đối với chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển cấp nguồn cho ĐC điện một chiều, hiện tượng chuyển mạch chỉ xảy ra giữa các thyristor trong cùng một nhóm (Chẵn/lẻ) Xét ở nhóm van lẻ, khi bộ chỉnh lưu đang hoạt động cấp nguồn cho ĐC, giả sử van T1 đang dẫn, tại một thời điểm O bất kỳ, ta kích xung để T3 dẫn Lúc này sẽ xảy ra hiện tượng chuyển dòng từ van T1 sang van T3 Tại thời điểm này, T1 và T3 mở đồng thời, dòng điện qua T3 sẽ tăng dần từ 0 – Id, còn dòng điện qua van T1 sẽ giảm dần từ

Id về 0 và không dẫn dòng nữa Các giá trị dòng điện được tính theo biểu thức:

Trong đó, Xtd là điện kháng tương đương của hệ thống

Mối tương quan giữa góc chuyển mạch với các đại lượng trong hệ thống được thể hiện:

k d 2

2X

6U

Trong đó, Xk là điện kháng tản của dây quấn thứ cấp máy biến áp

Giá trị trung bình của sụt áp do hiện tượng chuyển mạch gây nên được tính như sau:

là Ln = 0.02mH, ta được kết quả như Hình 1.14

Hình 1.14 Kết quả mô phỏng hiện tượng chuyển mạch của các van (Nhóm van lẻ )

trong mạch chỉnh lưu hình cầu 3 pha

1.1.2.3 Chế độ dòng điện gián đoạn

Hiện tượng gián đoạn dòng điện chỉnh lưu xảy ra do năng lượng điện từ tích lũy trong mạch khi dòng điện tăng không đủ duy trì tính chất liên tục của dòng điện khi nó giảm Lúc này, góc dẫn của van trở nên nhỏ hơn 2/m, dòng điện qua van trở về không trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn Bởi vì, chế độ dòng điện gián đoạn đã được trình bày chi tiết ở mạch chỉnh lưu tia 3 pha nên tác giả không nhắc lại mà chỉ tiến hành mô phỏng dạng điện áp và dạng dòng điện gián đoạn ở mạch chỉnh lưu cầu 3 pha

Tiến hành mô phỏng chế độ dòng điện gián đoạn trong mạch chỉnh lưu hình cầu

có tải là ĐC điện một chiều được thay thế bằng 3 phần tử R – L – E với các thông số:

U2 = 220V,  65o, E = 100V, R = 2.5, L = 0.001H và điện cảm của nguồn là Ln = 0.06mH, ta được kết quả như Hình 1.15

I d

1.1.2.4 Chế độ nghịch lưu phụ thuộc

Đối với mạch chỉnh lưu hình cầu 3 pha, nếu ta tăng góc mở của các van đến giá trị gần bằng  và đảo chiều suất điện động E bằng cách dùng ngoại lực bắt roto ĐC quay ngược hay đảo chiều dòng điện kích từ của ĐC thì dòng điện chỉnh lưu vẫn theo chiều cũ nhưng suất điện động chỉnh lưu đã đảo dấu do các van dẫn dòng trong thời gian điện áp anôt âm

Chỉnh lưu trở thành thiết bị nhận điện năng do ĐC phát ra và biến điện năng một chiều thành điện năng xoay chiều trả về lưới điện

Tiến hành mô phỏng chế độ nghịch lưu phụ thuộc trong mạch chỉnh lưu hình tia

có tải là ĐC điện một chiều được thay thế bằng 3 phần tử R – L – E với các thông số:

U2 = 220V,  150o, E = 600V, R = 2.5, L = 0.1mH, ta được kết quả như Hình 1.16

- Cả hai bộ chỉnh lưu (hình tia và hình cầu) đều tồn tại trạng thái dòng điện gián đoạn, trạng thái mà dòng điện ĐC sẽ không duy trì được trạng thái liên tục mà sẽ có dạng xung đập mạch rời rạc vì dòng 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 không cho dòng điện chạy theo chiều ngược lại Điều này dẫn đến khó khăn 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 dòng 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 dòng 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 không 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 dòng 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

Để các hệ truyền động sử dụng ĐC điện một chiều hoạt động tốt thì phải có một nguồn điện một chiều ổn định và chất lượng tốt Việc dùng chỉnh lưu điốt hoặc thyrisor để cấp nguồn cho ĐC điện một chiều có nhược điểm là hệ số méo dạng sóng hài THD của dòng điện xoay chiều trước bộ chỉnh lưu là lớn và tạo ra nhiều sóng điều hoà bậc cao trả về lưới điện Điều này sẽ gây ra những ảnh hưởng xấu đến lưới điện và làm cho hệ số công suất của các bộ chỉnh lưu này là thấp Bên cạnh đó, các bộ chỉnh lưu dùng điốt và thyristor chỉ cho năng lượng đi theo một chiều, dẫn đến khó khăn trong việc trao đổi năng lượng giữa ĐC và lưới Cuối cùng, điện áp một chiều ở đầu ra của bộ chỉnh lưu dùng điốt hoặc thyristor có độ nhấp nhô rất lớn

Chương này sẽ đi vào phân tích, thiết kế và điều khiển bộ chỉnh lưu PWM 3 pha (xem Hình 2.1) Bộ chỉnh lưu này có ưu điểm là có thể khắc phục được những nhược điểm của các bộ chỉnh lưu dùng điốt hoặc thyristor truyền thống như: Lượng sóng hài điều hoà bậc cao trả về lưới ít; Không làm biến dạng dòng điện tại đầu vào của bộ chỉnh lưu; Hệ số công suất cao; Năng lượng có thể đi được theo hai chiều; Điện áp một chiều ở đầu ra của bộ chỉnh lưu là bằng phẳng, có chất lượng cao

Có nhiều kỹ thuật điều khiển PWM khác nhau [7], [8], [11] Hầu hết trong số chúng yêu cầu sự biến đổi phức tạp và phải sử dụng một số lượng lớn các cảm biến dòng điện và điện áp So với các kỹ thuật điều khiển PWM trên, kỹ thuật điều khiển bộ chỉnh lưu PWM mà tác giả sử dụng trong luận văn này không sử dụng bất kỳ cảm biến/thiết bị ước lượng điện áp đầu vào nào Bên cạnh đó, kỹ thuật này cũng không yêu cầu sự biến đổi phức tạp như kỹ thuật điều chế v c tơ không gian [6] hay bộ điều khiển PLL [14] nên bộ điều khiển không quá phức tạp Điều đó sẽ giúp cho quá trình thực hiện và sản xuất bộ điều khiển trở nên đơn giản và có tính kinh tế hơn Thêm vào

đó, bộ chỉnh lưu PWM 3 pha, 4 dây này có thêm dây trung tính Đầu ra của dây trung tính này sẽ được nối với dây trung tính nguồn để dễ dàng thực hiện bảo vệ chạm đất cho tải

Chương này cũng cho ta thấy dựa trên cơ sở một sóng mang, phương pháp điều chế độ rộng xung Sin – Tam giác truyền thống (CSPWM) làm cho độ lớn và sự nhấp nhô đỉnh - đỉnh của dòng điện trog dây trung tính là lớn Điều này làm dây trung tính phát nóng và gây ra các tổn thất trên bộ chỉnh lưu Do đó, tác giả đã ứng dụng phương pháp điều chế độ rộng xung Sin – Tam giác dựa trên 3 sóng mang lệch pha nhau 120o

(SPWM) vào bộ chỉnh lưu PWM Phương pháp này được chứng minh là làm giảm đáng kể độ lớn và sự nhấp nhô đỉnh – đỉnh của dòng điện trong dây trung tính của bộ chỉnh lưu

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

+ -

v o1

v o2

R o v dc

i dc i 0

Hình 2.1 Sơ đồ mạch lực của bộ chỉnh lưu PWM

Bộ chỉnh lưu PWM 3 pha, 4 dây với mô hình tụ phân áp được thể hiện trong Hình 2.1 Phương pháp điều khiển được sử dụng để điều khiển bộ chỉnh lưu trên là phương pháp điều chế độ rộng xung Sin – Tam giác sử dụng 1 sóng mang (CSPWM)

để tạo ra xung kích cho các van IGBT của bộ biến đổi

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

bộ chỉnh lưu nửa cầu một pha độc lập nhau, cùng dùng chung một thanh dẫn một chiều Hình 2.2(a) thể hiện bộ chỉnh lưu nửa cầu 1 pha

Bộ chỉnh lưu trên sẽ được điều khiển theo cách: dòng điện đầu vào trung bình Ijcủa pha j thì tỉ lệ thuận với điện áp đầu vào vj Điều này được thể hiện trong công thức (2.1), trong đó j  R, Y, B là các pha của nguồn 3 pha

+ -

Do đó, bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra các dòng điện hình sin điều hòa ở nguồn khi điện áp đầu vào là hình sin điều hòa

j

j

e (

Điện áp cực trung bình trong một chu kỳ chuyển mạch VPj (The switching - cycle averaged pole voltage) khi không x t đến điện áp rơi trên cuộn cảm L được thể hiện trong công thức (2.4)

V V (2D 1) / 2 V / 2 v (2.4)Trong đó, Vdc là điện áp một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lưu, vj là điện áp pha của pha j,Vd điện áp sai lệch trên hai nửa của thanh dẫn một chiều và được tính bằng công thức (2.5)

V V V (2.5)Trong đó Vo1, Vo2 lần lượt là điện áp trên hai nửa của thanh dẫn một chiều (xem Hình 2.2(a))

Từ các phương trình (2.1) và (2.4) ta suy ra được phương trình (2.6):

Trong đó, RS là hệ số khuếch đại cảm biến dòng

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) Sơ

đồ nguyên lý của hai bộ điều khiển trên được thể hiện ở Hình 2.3

 

m

I R V V

 

Main Voltage Controller

Voltage Balancing Controller

m

I R V V

 

m V

Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển của bộ chỉnh lưu PWM

Giá trị đầu ra của bộ điều khiển điện áp chính được xác định trong phương trình (2.7) [9], [13]

Từ các phương trình (2.6), (2.7), (2.8), ta có được công thức tính hệ số thời gian

mở van 1 trong một chu kỳ của sóng mang Dj:

Trong đó, I là dòng điện đầu vào trung bình của pha thứ j j

Từ công thức (2.3) và (2.9), ta xác định được giá trị điện áp điều chế pha thứ j: