Nghiên cứu ứng dụng biến tần đa mức trong hệ thống máy phát điện sức gió nam châm vĩnh cửu

Hiện nay việc sử dụng nguồn năng lượng sạch đang được đầu tư phát triển và nghiên cứu sử dụng hợp lý để đạt được lợi ích kinh tế tốt nhất Bên cạnh đó bộ biến tần đa mức với nhiều ưu điểm hơn so với biến tần hai mức đã được nghiên cứu và xem như là sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng truyền động trung áp Do đó việc kết hợp biến tần đa mức với máy phát điện gió là một nghiên cứu mang nhiều ý nghĩa thực tiễn và đáp ứng nhucầu năng lượng sạch kết hợp với năng suất và lợi ích kinh tế cao Luận văn khái quát nguyên lý hoạt động của tuabin gió kết hợp nam châm vĩnh cửu và được điều khiển bởi biến tần đa mức dùng phương pháp điều chế vector không gian Tác giả đã đưa ra kết quả đạt được trong quá trình nghiên cứu và đưa ra hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài

LƯƠNG TRỌNG KHẢI

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG

HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

NAM CHÂM VĨNH CỬU

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng – Năm 2017

LƯƠNG TRỌNG KHẢI

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG

HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

NAM CHÂM VĨNH CỬU

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

Đà Nẵng – Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

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

Đà Nẵng, ngày 25 tháng 12 năm 2017

Tác giả luận án

LƯƠNG TRỌNG KHẢI

TÓM TẮT LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG BIẾN TẦN ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG

MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU

Học viên: Lương Trọng Khải Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 60520216 Khóa:33.TĐH(PFIEV) Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt – Hiện nay việc sử dụng nguồn năng lượng sạch đang được đầu tư phát triển và

nghiên cứu sử dụng hợp lý để đạt được lợi ích kinh tế tốt nhất Bên cạnh đó bộ biến tần đa mức với nhiều ưu điểm hơn so với biến tần hai mức đã được nghiên cứu và xem như là sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng truyền động trung áp Do đó việc kết hợp biến tần đa mức với máy phát điện gió là một nghiên cứu mang nhiều ý nghĩa thực tiễn và đáp ứng nhu cầu năng lượng sạch kết hợp với năng suất và lợi ích kinh tế cao Luận văn khái quát nguyên lý hoạt động của tuabin gió kết hợp nam châm vĩnh cửu và được điều khiển bởi biến tần đa mức dùng phương pháp điều chế vector không gian Tác giả đã đưa ra kết quả đạt được trong quá trình nghiên cứu và đưa ra hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài

Từ khóa – biến tần đa mức, máy phát điện nam châm vĩnh cửu, PMSM, SVPWM, turbin

gió

RESEARCH AND APPLICATION OF MULTI-LEVEL INVERTER IN WIND GENERATOR SYSTEM COMBINED PERMANENT MAGNET

Abstract – Currently the use of clean energy sources are being developed and research use

rationality to achieve best economic interests Besides the multi-level inverter with more advantages than two inverters have been studied and seen as the best choice for high-voltage transmission applications So the multi-level inverter combined with the wind generator is a study carried many meanings and practices of clean energy needs combined with productivity and economic benefits The essay the essential principle of operation of wind turbines combined permanent magnet and is controlled by a multi level inverter using space vector modulation method The author has given the results achieved in the process

of researching and giving direction to the next study of the subject

Key words – multi-level inverter, generators permanent magnet, PMSM, SVPWM, wind

generator

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN I TÓM TẮT LUẬN VĂN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC BẢNG VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VII

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

6 Tổng quan các nghiên cứu về máy phát điện gió 4

7 Cấu trúc luận văn 5

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TURBIN GIÓ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU 6

1.1 Năng lượng và sự chuyển đổi năng lượng gió trong turbin gió 6

1.2 Máy phát điện xoay chiều ba pha nam châm vĩnh cửu 9

1.4 Mô phỏng máy điện nam châm vĩnh cửu làm việc với turnbin gió 19

CHƯƠNG 2 – CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC DÙNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 23

1.3 Cấu trúc bộ biến tần đa mức 23

1.4 Phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu áp đa mức 38

CHƯƠNG 3 – HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN ĐA MỨC 62

1.5 Tổng quan về hệ thống 62

1.6 Mô hình hệ thống 63

1.7 Kết quả mô phỏng 64

CHƯƠNG 4 – ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ĐẦU RA HỆ THỐNG MÁY

PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ BIẾN TẦN ĐA MỨC 66

1.8 Mô hình hệ thống 66

1.9 Kết quả mô phỏng của hệ thống qua điều khiển 69

1.10 Hệ thống làm việc với tải 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

1 Kết luận 73

2 Hướng phát triển của đề tài 74

DANH MỤC TÀI KIỆU THAM KHẢO 75

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN 76

PHỤ LỤC 77

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PMSM Permanent Magnet Synchronous Machine

(Máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu) PID Proportional Integral Derivative

(Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ) BJT Bipolar junction transistor

(Tranzito lưỡng cực nối) IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

(Transistor có cực điều khiển cách ly) CBPWM Carrier Based Pulse Width Modulation

(Phương pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang) SVPWM Space Vector Pulse Width Modulation

(Phương pháp điều chế vectơ không gian) NPC Neutral Point Clamped

CHB Cascade H-Bridge

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1 Giá trị điển hình Z0 và theo từng loại địa hình 7Bảng 2-1 Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của bộ nghịch lưu 3L-NPC 26Bảng 2-2 Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-NPC

28Bảng 2-3 Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của 3L-FLC 30Bảng 2-4 Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-NPC

32Bảng 2-5 Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của 5L-CHB 34Bảng 2-6 Các vectơ tương ứng với các trạng thái của khóa bán dẫn 41Bảng 2-7 Vị trí các tam giác tương ứng với tổ hợp các vectơ cơ bản 42Bảng 2-8 Thời gian tác dụng đối với vectơ trong vùng I 43Bảng 2-9 Trình tự và thời gian tác động đối với thuộc tam giác I-3a 49Bảng 2-10 Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng I 50Bảng 2-11 Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng II 50Bảng 2-12 Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng III 51Bảng 2-13 Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng IV 51Bảng 2-14 Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng V 52Bảng 2-15 Trình tự chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong vùng VI 52Bảng 2-16 Bảng tính toán thời gian tác động 57Bảng 2-17 Bảng trạng thái đóng-ngắt của các van bán dẫn 59Bảng 4-1 Bảng thông số PID theo phương pháp Ziegler – Nichols 67

Hình 1-7 Sơ đồ khối máy phát điện nam châm vĩnh cửu 20Hình 1-8 Các thông số của máy phát điện nam châm vĩnh cửu 20Hình 1-9 Điện áp dây máy phát điện với vận tốc gió v =10 m/s 21Hình 1-10 Điện áp dây máy phát điện với vận tốc gió v =5 m/s 21Hình 1-11 Điện áp đâu ra với vận tốc gió biến thiên từ 5m/s đến 10m/s 22

Hình 2-2 Trạng thái, điện áp điều khiển các chuyển mạch và điện áp ra 26Hình 2-3 Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor 3 mức 29Hình 2-4 Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang trạng thái P với dòng điện tải

Hình 2-8 Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1→4→7→14→16 với dòng điện tải

Hình 2-10 Vectơ không gian điện áp của bộ nghịch lưu 3 mức NPC 41Hình 2-11 Vectơ điện áp ở vùng I (sector I) 42Hình 2-12 Ảnh hưởng đến Vz tương ứng với trạng thái vectơ [PPP] 44Hình 2-13 Ảnh hưởng của Vz tương ứng với trạng thái vectơ 45Hình 2-14 Ảnh hưởng của Vz tương ứng với trạng thái vectơ 45Hình 2-15 Ảnh hưởng của Vz tương ứng với trạng thái vectơ 46Hình 2-16 Trường hợp thuộc tam giác thứ tư của vùng I (I-4) 47Hình 2-17 Mẫu xung của vectơ điện áp trung bình thuộc vùng I-4 48Hình 2-18 Trường hợp thuộc tam giác thứ 3a của vùng I (I-3a) 49Hình 2-19 Khối thuật toán Space Vector Modulation 53

Hình 2-22 Tính toán các thời điểm chuyên mạch 57

Hình 3-1 Tổng quan mô hình hệ thống chưa qua điều khiển 63Hình 3-2 Điện áp sau bộ chỉnh lưu khi vận tốc gió biến thiên từ 5m/s đến 10m/s

Hình 3-3 Điện áp pha khi chưa có bộ điều khiển 65Hình 4-1 Mô hình tổng quan hệ thống đã qua điều khiển 66

Hình 4-4 Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu sau khi được điều khiển 69Hình 4-5 Điện áp pha đầu ra của bộ nghịch lưu 69Hình 4-6 Điện áp dây đầu ra của bộ nghịch lưu 70Hình 4-7 Mô hình hệ thống làm việc với tải RL 71Hình 4-8 Dòng điện làm việc với tải R = 500Ω; L = 0,001H 71Hình 4-9 Dòng điện làm việc với tải R = 1000Ω; L = 0,001H 72Hình 4-10 Dòng điện làm việc với tải R = 1000Ω; L = 1H 72

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

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 nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời đang được đầu tư nhiên cứu 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

Gần đây, bộ biến tần đa mức đã được nghiên cứu và xem như là sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng truyền động trung áp Ưu điểm chính của bộ biến tần đa mức là điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất của bộ nghịch lưu tăng lên, đồng thời công suất tổn hao do quá trình đóng cắt linh kiện cũng giảm theo Với cùng tần số đóng cắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn

so với trường hợp biến tần hai mức nên chất lượng điện áp ra tốt hơn

Do đó việc kết hợp biến tần đa mức với máy phát điện gió là một nghiên cứu mang nhiều ý nghĩa thực tiễn và đáp ứng nhu cầu năng lượng sạch kết hợp với năng suất và lợi ích kinh tế cao

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu bộ biến tần đa mức dùng để ổn định tần số đầu ra của máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu Từ đó tạo ra một nguồn cung cấp năng lượng sạch, dồi dào có tính ổn định và hiệu quả kinh tế cao

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu, khảo sát:

- Turbin gió

- Máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu

- Biến tần đa mức sử dụng bộ nghịch lưu áp đa mức diode kẹp

- Sử dụng kết hợp biến tần đa mức với máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu

• Phạm vi nghiên cứu:

- Do hạn chế về mặt thời gian nên trong luận văn chỉ tập trung vào việc nghiên cứu ổn định tần số của đầu ra máy phát điện gió khi gắn trực tiếp biến tần đa mức

- Đồng thời tập trung vào phân tích bộ nghịch lưu áp đa mức, quá trình chuyển mạnh cũng như phương pháp điều chế

4 Phương pháp nghiên cứu

• Khảo sát, phân tích tổng hợp

• Mô phỏng trên máy tính

• Đánh giá kết quả dưa trên mô phỏng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

• Thông qua việc dùng biến tần đa mức kết hợp với máy phát điện gió sẽ tạo

ổn định được tần số của điện áp đầu ra cho máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu

6 Tổng quan các nghiên cứu về máy phát điện gió

Trước đây đã có nhiều nghiên cứu về máy phát điện gió và biến tần đa mức nhưng

là các nghiên cứu độc lập với nhau Chưa có nghiên cứu về sự kết hợp giữ máy phát điện gió và biến tần đa mức Các nghiên cứu đó điển hình như:

 Năm 2002, T Nakamura, S Morimoto, M Sanada, Y Takeda [2.6], đã giới thiệu một chiến lược điều khiển tối ưu cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nội trong hệ thống phát điện gió

 Năm 2003, S Morimoto, H Nakayama, M Sanada and Y Takeda [2.7], đã đề xuất để sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nội cho hệ thống phát điện gió tốc độ biến đổi

 Năm 2006, S Morimoto, H Kato, M Sanada and Y Takeda [2.7], tiếp tục đề xuất một chiến lược điều khiển cực đại công suất phát của một hệ thống phát điện gió với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nội

 Năm 2007, I Kawabe, S Morimoto and M Sanada [2.9], đã nghiên cứu máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong với chiến lược điều khiển cực đại công suất phát của hệ thống phát điện gió

 Năm 2007, W Qiao, L Qu và R G Harley [2.10], đã thực hiện các nghiên cứu cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong để cực đại công suất phát và cực tiểu các tổn thất

Ngoài ra còn khá nhiều các nghiên cứu về biến tần đa mức và phương pháp điều chế biến tần đa mức được giới thiệu trong phần tài liệu tham khảo

7 Cấu trúc luận văn

 Mở đầu

 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TURBIN GIÓ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU

Giới thiệu tổng quan về turbin gió và máy phát điện nam châm vĩnh cửu

 Chương 2: CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC DÙNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐA MỨC

Giới thiệu cấu trúc bộ biến tần đa mức và phương pháp điều chế Vector không gian

 Chương 3: HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NAM CHÂM VĨNH CỬU LÀM VIỆC VỚI BIẾN TẦN ĐA MỨC

Kết nối mát phát điện gió nam châm vĩnh cửu và biến tần đa mức để điều khiển tần số của điện áp đầu ra

 Chương 4: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ĐẦU RA HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU VÀ BIẾN TẦN ĐA MỨC

Điều khiển ổn định biên độ điện áp đầu ra của hệ thống thông qua việc dùng

bộ PID để điều khiển biên độ điện áp một chiều sau bộ chỉnh lưu

 Kết luận và kiến nghị

 Tài liệu tham khảo

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TURBIN GIÓ

VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN NAM CHÂM VĨNH CỬU

1.1 Năng lượng và sự chuyển đổi năng lượng gió trong turbin

gió

1.1.1 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:

Trong đó k và C là hệ số hình dạng và hệ số tỷ lệ tương ứng Hệ số này được điều chỉnh để phù hợp với dữ liệu gió tại vị trí thích hợp

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:

( )

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 1-1 Một công thức thực nghiệm khác mô tả ảnh hưởng của tốc độ gió đến địa hình và tuân thủ theo hàm mũ như sau:

( ) = ( ) (0.3) Trong đó, thông số Z0 phụ thuộc vào bề mặt địa hình và giá trị tương ứng các loại đại hình khác nhau thể hiện cột cuối trong bảng 1-1

Loại bề mặt Z0 (mm)

Vùng cỏ thấp 1 đến 10 0.13 Vùng cỏ cao 40 đến 100 0.19 Vùng ngoại ô 1000 đến 2000 0.32

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 (1.1) ta được hàm

mật độ xác suất gọi là Rayleigh:

( ) = exp (0.4) Thể hiện mật độ xác suất tốc độ gió của phân bố Rayleigh, tương ứng tốc độ gió trung bình là 5,4m/s và 8,2m/s

1.1.2 Năng lượng gió

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

Năng lượng gió được tính trong khoảng thời gian Tp thường là một năm: = rA ∫ dt (0.6)

1.1.3 Sự chuyển đổi năng lượng gió

Năng lượng thực tế (hay công suất cơ) lấy được từ gió Pr bởi cánh quạt tuabin chính bằng sự khác nhau giữa động năng tích trữ trong gió ở phía trước cánh quạt có vận tốc  và động năng của gió đằng sau cánh quạt có vận tốc d

= rA [ ] (0.7) 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:

Hệ số công suất cực đại Cp max = 16/27 = 59,3%

Giá trị lý thuyết Crmax chỉ ra rằng tuabin không thể lấy nhiều hơn 59,3% năng lượng từ gió

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 Momen turbin gió được tính theo công thức sau:

= = rA (N/m) (0.11)

1.2 Máy phát điện xoay chiều ba pha nam châm vĩnh cửu

1.2.1 Cấu tạo

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

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

1.2.2 Mô hình máy điện nam châm vĩnh cửu

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

Hình 0-2 Mô hình đơn giản của máy điện đồng bộ ba pha rotor cực ẩn

 Xét máy điện đồng bộ có dây quấn đệm

Hình 0-3 Mô hình máy điện đồng bộ có dây quấn đệm

Trong đó:

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

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

: dòng chạy trong cuộn dây kích từ

: dòng chạy trong cuộn dây ngang trục

: dòng chạy trong cuộn dây ngang trục

Phương trình điện áp trong hệ toạ độ pha:

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

, , : lần lượt là dòng diện của các cuộn dây pha a, b, c

, , : lần lượt là từ thông của các cuộn dây pha a, b, c

: từ thông móc vòng của cuộn dây kích từ

Phương trình từ thông:

= + + + (0.17)

Với:

, , lần lượt là từ cảm của các cuộn dây pha a, b, c

là từ cảm của cuộn dây kích từ

, , , , , lần lượt là hỗ cảm giữa các pha

, , lần lượt là hỗ cảm của các cuộn dây pha a,b,c qua cuộn dây kích

là điện kháng từ hoá ngang trục q

Từ trường của dây quấn kích từ:

= + , + [ cos + cos( 120 ) + cos( + 120 )

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

Đặc tính động của động cơ đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu được mô tả bởi

hệ phương trình:

Với: ( ), ( ), ( ) là điện áp trên 3 dây pha stator

( ), ( ), ( ) là dòng điện trên 3 dây pha stator ( ), ( ), ( ) là từ thông móc vòng 3 cuộn dây stator

là điện trở dây quấn stator Nếu dùng cách biểu diễn vectơ thì:

( ) = ( ) + ( ) + ( ) là vector 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 trở thành:

Số “f” ở trên chỉ hệ quy chiếu rotor

Vectơ từ thông stator 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 cảm ứng sang

Vectơ từ thông rotor chỉ có thành phần thực do trục thực d đi qua trục của chính vectơ :

1.2.2.3 Mô hình trạng thái của động cơ trên hệ tọa độ từ thông rotor (d-q)

Từ thông stator viết thành 2 thành phần theo trục d và q có dạng:

là thành phần trục d của dòng điện stator

là thành phần trục d của dòng điện stator

Phương trình (1.38) chuyển sang các thành phần của vectơ trên 2 trục tọa độ:

= + + (0.57) Hay:

1.2.3 Xây dựng bộ biến đổi hệ trục tọa độ

Hình 0-4 Hệ toạ độ đồng bộ dq và đứng yên

a) Phương trình chuyển độ hệ toạ độ abc →

= [cos(0 ) + sin(0 )] + [cos(120 ) + sin(120 )]

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

Trong đó = (góc giữa pha a và trục d)

a) Phương trình chuyển độ hệ toạ độ → dq

1.4 Mô phỏng máy điện nam châm vĩnh cửu làm việc với

turnbin gió

1.2.1 Khối turbin gió

Khối turbin gió được lấy từ thư viện có sẵn trong matlab:

Hình 0-5 Sơ đồ khối turbin gió

Các thông số được khai báo như hình 1-8:

Hình 0-6 Các thông số của khối turbin gió

1.2.2 Khối máy phát điện

Hình 0-7 Sơ đồ khối máy phát điện nam châm vĩnh cửu

Thông số của máy phát điện được khai báo như hình 1-10:

Hình 0-8 Các thông số của máy phát điện nam châm vĩnh cửu

1.2.3 Kết quả mô phỏng

Dưới đây là kết quả mô phỏng mát phát điện nam châm vĩnh cửu làm việc với turbin gió với đầu ra không tải:

Hình 0-9 Điện áp dây máy phát điện với vận tốc gió v =10 m/s

Hình 0-10 Điện áp dây máy phát điện với vận tốc gió v =5 m/s

Trên thực tế vận tốc gió là luôn luôn biến thiên theo thời gian Để mô phỏng điều đó, ta dùng bộ phát nguồn random trong matlab và cho giá trị biến thiên của

vận tốc gió từ 5m/s đến 10m/s và thu được kết quả là biên độ và tầng số của điện áp đầu ra luôn luôn biến thiên, không ổn định như hình 1-13:

Hình 0-11 Điện áp đâu ra với vận tốc gió biến thiên từ 5m/s đến 10m/s

1.2.4 Nhận xét kết quả thu được

Kết quả thu được cho ta thấy:

 Với vận tốc gió là 10m/s thì điện áp thu được có biên độ và tần số lớn hơn so với vận tốc gió là 5m/s

 Trên thực tế vận tốc gió là đại lượng dễ biến thiên dẫn đến sự bất ổn định của tần số của điện áp đầu ra Đó cũng chính là mục tiêu điều khiển trong luận văn này

Chương 2 – CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN ĐA MỨC

DÙNG TRONG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1.3 Cấu trúc bộ biến tần đa mức

1.3.1 Khái niệm

Biến tần là thiết bị dung để chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện xoay chiều ở đầu vào từ một tần số này thành điện áp hoặc dòng điện có một tần số khác ở đầu ra

Một biến tần cơ bản gồm những khâu sau:

 Mạch chỉnh lưu: chuyển đổi AC thành DC Sử dụng bộ phận bán dẫn được biết đến với tên gọi đi ốt

 Tụ điện nắn phẳng: Hoạt động đẻ nắn phẳng điện áp DC đã được chuyển đổi qua mạch chỉnh lưu

 Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều Bộ nghịch lưu áp là một bộ nghịch lưu có nguồn một chiều cung cấp là nguồn áp và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là điện áp Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có vai trò như một khóa dùng để đóng, ngắt dòng điện qua nó Trong các ứng dụng với công suất vừa

và nhỏ, có thể sử dụng transitor BJT, MOSFET, IGBT làm khóa

Biến tần đa mức là bộ biến tần sử dụng bộ nghịch lưu đa mức

1.3.2 Phân loại bộ nghịch lưu áp đa mức

Bộ nghịch lưu áp dựa theo các tiêu chí khác nhau có thể phân loại như sau:

- Theo số pha điện áp đầu ra: một pha, ba pha

- Theo số bậc điện áp giữa một đầu pha tải và một điểm điện thế chuẩn trên mạch (phase to pole voltage): hai mức (two level), đa mức (multilevel)

- Theo cấu trúc của bộ nghịch lưu: dạng nối tầng (cascade inverter), dạng điôt kẹp (diode clamped inverter), dạng flying capacitor …

- Theo phương pháp điều chế:

+ Phương pháp điều rộng

+ Phương pháp điều biên

+ Phương pháp điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CBPWM) + Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (SFO-PWM)

+ Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVPWM)

1.3.3 Cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa mức

1.3.3.1 Bộ nghịch lưu đi-ốt kẹp (diode clamped multilevel inverter)

a) Cấu trúc

Bộ nghịch lưu đi-ôt kẹp sử dụng các đi-ôt kẹp và các tụ điện một chiều mắc nối tầng để tạo ra điện áp có nhiều mức Bộ nghịch lưu này có thể có cấu trúc: 3, 4 hay 5 mức, nhưng thường sử dụng nhiều nhất trong các truyền động công suất lớn, điện áp trung bình (medium voltage drives) là bộ nghịch lưu 3 mức (three level neutral point clamped: 3L-NPC)

Hình 0-1 Bộ nghịch lưu điôt kẹp 3 mức

Cấu trúc của một bộ nghịch lưu điôt kẹp 3 mức như hình 2.1 Pha A của bộ nghịch lưu gồm có 4 khóa bán dẫn S1 đến S4 và 4 điôt mắc song song ngược D1 đến D4 Điện áp vào một chiều của bộ nghịch lưu thường được chia bởi 2 tụ điện nối tầng Cd1 và Cd2, để tạo ra điểm trung tính ảo (neutral point) Z Điện áp đặt lên mỗi tụ điện bằng E, thường bằng một nửa điện áp nguồn một chiều đưa vào Vd Các điôt Dz1, Dz2 nối với điểm trung tính ảo Z gọi là các điôt chốt điểm trung tính Khi các khóa S2 và S3 đều đóng, đầu ra pha A của bộ nghịch lưu được nối với điểm trung tính ảo thông qua một trong hai điôt chốt

b) Trạng thái của các khóa chuyển mạch

Trạng thái của các chuyển mạch trong bộ nghịch lưu điôt kẹp 3 mức được cho dưới dạng bảng 2-1 Trạng thái P (positive) tương ứng với hai khóa chuyển mạch S1, S2 đều đóng và lúc đó điện áp ra UAZ có giá trị bằng E Ngược lại trạng

thái N (negative) tương ứng với hai khóa chuyển mạch S3, S4 đều đóng và điện áp ra

UAZ có giá trị bằng -E Trạng thái O (zero) tương ứng với hai khóa chuyển mạch S2,

S3 đều đóng và lúc này điện áp UAZ sẽ có giá trị bằng 0 do các điôt chốt Phụ thuộc theo chiều của dòng điện tải mà một trong hai điôt chốt sẽ dẫn dòng Ví dụ, với dòng điện tải dương (iA > 0) làm DZ1 đóng, đầu ra pha A được nối với điểm trung tính Z thông qua sự dẫn dòng của DZ1 và S2

Trạng thái Trạng thái các khóa chuyển mạch Điện áp

Bảng 0-1 Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của bộ nghịch lưu 3L-NPC

Các khóa chuyển mạch S1, S3 và S2, S4 hoạt động theo nguyên tắc đối nghịch,

có nghĩa là khi một khóa đóng thì khóa còn lại sẽ ngắt Hình 2.2 biểu diễn một ví dụ

về trạng thái khóa chuyển mạch, tín hiệu điều khiển các chuyển mạch và điện áp ra UAZ có 3 mức E, 0 và -E

Tương tự ta cũng có điện áp pha UBZ, UCZ có dạng giống UAZ nhưng có sự dịch chuyển pha đi 2π/3 Điện áp dây UAB = UAZ - UBZ sẽ có 5 mức điện áp: 2E, E,

0, -E và -2E

 Trường hợp 1: dòng điện tải iA > 0

Bộ nghịch lưu đang ở trạng thái O tương ứng với các khóa chuyển mạch S1,

S4 đều ngắt, còn S2 và S3 đang đóng Điôt chốt DZ1 đang dẫn dòng điện iA > 0 Điện

áp đặt trên hai khóa chuyển mạch S2, S3: US2 = US3 = 0, còn điện áp đặt lên hai khóa

S1, S4: US1 = US4 = E Sau khi S3 ngắt hoàn toàn, S1 đóng lại (trạng thái P) tương ứng với điện áp rơi US1 = 0, điôt chốt DZ1 bị phân cực ngược nên khóa lại, dòng điện chuyển từ DZ1 sang S1 Do cả hai khóa chuyển mạch S3 và S4 đều đã ngắt nên điện áp rơi trên chúng: US3 = US4 = E

 Trường hợp 2: dòng điện tải iA < 0

Bộ nghịch lưu đang ở trạng thái O, S2 và S3 đang đóng, điôt chốt DZ2 đang dẫn dòng điện chạy qua (iA < 0) Điện áp đặt trên hai khóa chuyển mạch S1, S4: US1

= US4 = E Do tải có tính cảm nên dòng điện không đổi chiều ngay lập tức mà làm điôt D1 và D2 mở, dẫn đến US1 = US2 = 0 Lúc này dòng điện tải iA chuyển mạch từ

S3 qua D1, D2 (trạng thái P)

Tương tự ta có thể khảo sát quá trình chuyển mạch từ trạng thái P sang trạng thái O, từ trạng thái O sang trạng thái N hay ngược lại dưới dạng bảng 2-2:

1.3.3.2 Bộ nghịch lưu dạng flying capactor

a) Cấu trúc

Cấu trúc bộ nghịch lưu dạng flying capacitor tương tự như bộ nghịch lưu điôt kẹp chỉ khác không có điôt kẹp mà thay bằng tụ điện Ở đây ta khảo sát cấu trúc bộ nghịch lưu dạng flying capacitor 3 mức (3L-FLC inverter) gồm có 12 khóa chuyển mạch, điôt ngược mắc song song và 3 tụ điện thay đổi Trong quá trình hoạt động tụ điện thay đổi được nạp đến 1/2 điện áp cung cấp từ nguồn một chiều

Hình 0-3 Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor 3 mức

b) Trạng thái các kháo chuyển mạch

Để tạo ra 3 mức điện áp, các khóa chuyển mạch được điều khiển sao cho tại mọi thời điểm chỉ có hai trong bốn khóa ở mỗi pha được đóng Trạng thái của các chuyển mạch trong bộ nghịch lưu 3L-FLC được cho dưới dạng bảng 2-3 Nó chỉ khác so với bộ nghịch lưu 3L-NPC là có hai trạng thái O tương ứng với S1 đóng, S2ngắt và S1 ngắt, S2 đóng Tùy theo chiều dòng điện qua tụ thay đổi mà nạp hay xả tụ điện