Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần tư động cơ không đồng bộ

Lq Thành phần trục q của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d-q cos Hệ số công suất cơ bản ĐB Động cơ đồng bộ ba pha DPC Điều khiển trực tiếp công suất viết tắt của Direct Power Co

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Mạnh Cường

Ngày tháng năm sinh: Ngày 14 tháng 04 năm 1983

Nơi sinh: Gang Thép - Thái Nguyên

Nơi công tác: Trường Cao đẳng Cơ Khí Luyện Kim

Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Thái Nguyên

Chuyên ngành: Tự động hóa

Khóa học: K12-TĐH

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4

GÓC PHẦN TƯ - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Xuân Minh

Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS.Trần Xuân Minh và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt kê Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dưới bất kỳ hình thức nào

Tác giả luận văn

MỤC LỤC Trang

Trang bìa phụ ……… ……… …

Lời cam đoan ……… ……… ……

Mục lục ……… ……… …

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ……… ……… ………

Danh mục các bảng ……… ………

Danh mục các hình vẽ, đồ thị ……… … ………

Mở đầu……… … … ……… 1

Chương 1- TỔNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 1.1 Các hệ thống truyền động điện dùng động cơ xoay chiều …… …… 3

1.1.1 Giới thiệu chung ……… … 3

1.1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ … 3

1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ …… … … 5

1.1.4 Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều …… ……… 6

1.2 Sơ lược về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất … ……… 7

1.2.1 Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ……… ………… 7

1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp ……… ……… 10

1.3 Biến tần bốn góc phần tư ……… ……… 16

1.3.1 Các tồn tại của các bộ biến tần thông thường …… ……… 16

1.3.2 Biến tần bốn góc phần tư (biến tần 4Q) ………… ………… 19

Chương 2 - NGHIÊN CỨU CHỈNH LƯU PWM 21 2.1.Khái quát về chỉnh lưu PWM 21

2.3 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM ……… ……….……… 25

2.3.1 Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM ……… ……… ……… 26

2.3.2 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ 3 pha … …… 27

2.3.3 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ cố định  -  28

2.3.4 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM trên hệ tọa độ quay d – q … … 29

2.3.5 Tính toán công suất chỉnh lưu PWM ……… ……… 30

2.4 Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lưu PWM …… … …… 31

2.4.1 Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều ……… ……… 31

2.4.2 Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm ……… ……… 31

2.5 Ước lượng các đại lượng vector cơ bản ……… … ……… 33

2.5.1 Ước lượng vector điện áp đầu vào ……… ………… ………… 34

2.5.2 Ước lượng vector từ thông ảo ……… ……… ……… 34

2.6 Phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM ………… ……… 37

2.7 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM định hướng theo vector điện áp 39 2.7.1 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM định hướng theo vector điện áp dựa vào dòng điện (VOC) ……… ……… 39

2.7.2 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC ………… … 40

2.8 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp trực tiếp công suất DPC ……… ……… ……… 41

2.8.1 Ước lượng công suất theo vector điện áp ……… ……… 43

2.8.2 Ước lượng công suất theo vector từ thông ảo … ……… 44

2.8.3 Đặc điểm cơ bản của điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh lưu PWM ……… ……… … 45

2.8.4 Bộ điều khiển công suất ……… ……… 46

2.9 Mô phỏng đặc tính làm việc của chỉnh lưu tích cực PWM 50 2.9.1 Xây dựng chương trình mô phỏng chỉnh lưu PWM 50

Chương 3 - XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU VÀ

CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4Q -

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

53

3.2.1 Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha 54 3.2.2 Mô tả toán học động cơ không đồng bộ 56 3.2.3 Phép chuyển đổi tọa độ và ma trận chuyển đổi 56

3.2.4 Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ theo định hướng từ

3.3.1 Mô hình động cơ một chiều tương đương của động cơ không đồng bộ 62 3.3.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển vector 63 3.3.3 Phương trình điều khiển vector 64

3.4 Hê thống truyền động biến tần 4Q-ĐK 65

3.4.1 Sơ đồ khối của hệ thống truyền động biến tần 4Q-ĐK 65 3.4.2 Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực của hệ biến tần 4Q-ĐK 66 3.4.3 Chọn phương pháp điều khiển chỉnh lưu cho hệ truyền động 66 3.4.4 Chọn cấu trúc điểu khiển nghịc lưu 68

4.1 Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ truyền động trong phần mềm Matlab 70

4.2.1Mô phỏng quá trình khởi động và chế độ hãm tái sinh của động cơ 72

4.2.3 Mô phỏng quá trình khởi động có tải và điều chỉnh tải nhảy cấp để

4.3 Kết luận 75 Kết luận và kiến nghị 76 Tài liệu tham khảo 78

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

 Góc pha của vector chuẩn

 Góc pha điều khiển phần chỉnh lưu PWM

 Góc pha của vector áp nguồn phần chỉnh lưu PWM

 Góc pha giữa dòng điện và áp

A Từ thông stator pha A

B Từ thông stator pha B

C Từ thông stator pha C

x* Giá trị đặt

L

 Vector từ thông ảo

L Thành phần trục  của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ -

L Thành phần trục  của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ -

Lq Thành phần trục q của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d-q

cos Hệ số công suất cơ bản

ĐB Động cơ đồng bộ ba pha

DPC Điều khiển trực tiếp công suất (viết tắt của Direct Power Control)

FOC Điều khiển tựa từ trường (viết tắt của Field Oriented Control)

i(t), i Giá trị dòng điện tức thời

iA, iB, iC Dòng ba pha A, B, C cuộn dây stator

ia, ib, ic Dòng ba pha a, b, c cuộn dây rotor

idc Giá trị dòng điện một chiều

L

I Vector dòng điện lưới

iLa,b,c Dòng ba pha A, B, C của lưới điện xoay chiều phần chỉnh lưu PWM

iL Thành phần trục  của vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ -

iL Thành phần trục  của vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ -

iLd Thành phần trục d của vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d-q

iLq Thành phần trục d của vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d-q

id Thành phần trục d của vector dòng stator động cơ

iq Thành phần trục q của vector dòng stator động cơ

I Giá trị hiệu dụng của dòng điện một pha động cơ

L Giá trị điện cảm

Mđt Mô men điện từ động cơ

Mđm Mô men định mức

Mmax Mô men cực đại

np Số đôi cực từ của động cơ

P Công suất tác dụng

p(t), p Công suất tác dụng tức thời

PWM Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse Width Modulation)

q(t), q Công suất phản kháng tức thời

Q Công suất phản kháng

s Toán tử Laplace

S Công suất biểu kiến

Sa,Sb,Sc Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi

t Giá trị thời gian tức thời

L

U Vector điện áp lưới

uL Thành phần trục  của vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ  - 

uL Thành phần trục  của vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ  - 

uLd Thành phần trục d của vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q

uLq Thành phần trục q của vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q

s

U Vector điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM

us Thành phần trục  của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục

us  Thành phần trục  của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục

Va, b, c Điện nguồn ba pha cấp cho động cơ

VFOC Điều khiển định hướng từ thông ảo (viết tắt của Virtual Flux Oriented

Control)

VOC Điều khiển tựa theo điện áp lưới (viết tắt của Voltage Oriented Control)

W, Wđt Năng lượng, năng lượng điện từ

4Q Bốn góc phần tư (viết tắt của Four (4) Quater)

Danh mục các bảng

Bảng B.2.1: Bảng đóng cắt cho DPC với bộ điều khiển hai mức, 12 vùng vector 48

Bảng B.2.2: Sự tăng giảm p, q theo U……….……… …… 49

Danh mục các hình vẽ và Đồ thị

Hình 1.1 Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) …… 7

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp ……… … 8

Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều hình sin….……… ……… ……… 9

Hình 1.4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của các khâu trong biến tần trực tiếp……… 10

Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp……… 11

Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao ( là chỉ số sóng hài) 17

Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở R h trong mạch một chiều … 18

Hình 1.10: Sử dụng thêm bộ nghịch lưu mắc song song ngược với bộ chỉnh lưu để trả năng lượng về lưới điện xoay chiều……… …… 18

Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM…… … 22

Hình 2.2a Sơ đồ thay thế một pha bộ chỉnh lưu tích cực PWM…… …… 23

Hình 2.2 b Đồ thị vector tổng quát của bộ chỉnh lưu………… ……… 24

Hình 2.2 c Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng 1 24

Hình 2.2 d Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng - 1 (nghịch lưu)……… ……… 24

Hình 2.3a: Đồ thị 6 vector điện áp cơ bản khi điều khiển sự chuyển mạch các khoá bán dẫn S a , S b , S c ……… 24

Hình 2.3b: Các trạng thái chuyển mạch của chỉnh lưu PWM … … 25

Hình 2.4: Đồ thị vector điện áp, dòng điện chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ  - và d-q ……… ……… 26

Hình 2.5: Cấu trúc mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ ba pha 27

Hình 2.6: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ -……… … 29

Hình 2.7: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ d-q……… … 30

Hình 2.8: Đồ thị vector điện áp chỉnh lưu PWM ……… …… 31

Hình 2.9a: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM………… … 32

Hình 2.9b: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM……… 33

Hình 2.10: Mô hình động cơ ảo và đồ thị véc tơ từ thông ảo với chỉnh lưu PWM……… … ……… 35

Hình 2.11: Quan hệ giữa điện áp và từ thông ảo với dòng công suất của

Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc nhận dạng véc tơ từ thông ảo……… ……… 37

Hình 2.13: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM……… … 38

Hình 2.14: Hệ truyền động động cơ xoay chiều - biến tần dùng chỉnh lưu PWM với các phương pháp điều khiển ……… …… 38

Hình 2.15: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC ………… …… 39

Hình 2.16: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC…… ……… 40

Hình 2.17: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC 40

Hình 2.18: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo DPC……… ……… 42

Hình 2.19: Khâu ước lượng công suất và điện áp ……… …… 43

Hình 2.20: Khâu ước lượng p, q theo vector  L ……… ………… 44

Hình 2.21: Sự biến thiên giá trị công suất tức thời ……… ……… 46

Hình 2.22: Bộ điều khiển công suất ……… ……… 47

Hình 2.23: Phân vùng vector cho phương pháp điều khiển DPC…… …… 48

Hình 2.24: Biến đổi vector điện áp……… ……… 50 Hình 2.25: Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo DPC 51

Hình 2.26: Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình hình 2.25 51

Hình 2.27: Điện áp một chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo DPC 52 Hình 2.28: Điện áp và dòng điện pha a của lưới tương tứng với tải điện trở và

điện cảm Tại thời điểm (t=0.6) thay đổi tải 52 Hình 2.28: Điện áp và dòng điện pha a của lưới tương tứng với tải điện trở.Tại

Hình 3.2: Mô hình vật lý động cơ điện một chiều hai cực 57

Hình 3.5Cấu trúc hệ thống điều khiển vector dùng chỉnh lưu PWM 63

Hình 3.6 Sơ đồ khối hệ thống truyền động điện biến tần 4Q – ĐK 65

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý phần lực hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư

H×nh 3.8: C¸c ph-¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn chØnh l-u PWM 66

H×nh 3.9: CÊu tróc ®iÒu khiÓn chØnh l-u PWM theo DPC

67

Hình 3.10: Cấu trúc nghịch lưu điều khiển vector định hướng từ thông rotor 68

Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động điện biến tần 4Q-động cơ không đồng 70

Hình 4.5 Khai triển chi tiết khối PMW trong SubSystem 72

Hình 4.6: Sự điều chỉnh mô men tải của động cơ khi khởi động và khi chuyển động cơ sang trạng thái hãm tái sinh ở chế độ tốc độ ổn định (tại t=1s) 72

Hình 4.7: Điện áp và dòng điện lưới pha A cấp cho chỉnh lưu PWM trước và sau thời điểm điều chỉnh mô men tải (tại t=1s) để chuyểnchế độ làm việc của động cơ từ trạng thái động cơ sang hãm tái sinh

73

Hình 4.8:Dòng điện và điện áp đầu vào khi động cơ khi khởi động và điều chỉnh giảm tốc từ 100 rad/s xuống 60 rad/s trong thời gian 1(s) sau đó tăng nên 80 rad/s sau thời gian 1.1(s)

MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật đã góp phần thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống truyền động điện xoay chiều và nó

đã dần từng bước thay thế một phần lớn hệ thống truyền động điện một chiều

Tuy nhiên, các bộ biến tần gián tiếp thông dụng trong các hệ truyền động điện xoay chiều thường sử dụng bộ chỉnh lưu điốt và do vậy không có khả năng trả năng lượng về lưới Vấn đề hãm trong các hệ truyền động như vậy được thực hiện bởi việc sử dụng điện trở tiêu tán năng lượng Vì vậy, trong các hệ thống truyền động điện mà động cơ thường làm việc ở chế độ hãm thì việc tiêu tán năng lượng trên điện trở sẽ gây ra lãng phí rất lớn Để tiết kiệm năng lượng, tăng chất lượng điều chỉnh cần phải thiết kế bộ biến tần đảm bảo cho phép động cơ làm việc được ở các trạng thái hãm khác nhau mà đặc biệt là hãm tái sinh Biến tần như vậy được gọi

là biến tần 4 góc phần tư (biến tần 4Q)

Được sự hướng dẫn của thầy giáo TS.Trần Xuân Minh - Trưởng Khoa Điện Trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên, tôi đã tiến hành nghiên cứu đề

tài luận văn tốt nghiệp là “Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần

tư - Động cơ không đồng bộ”

Kết cấu của luận văn gồm:

Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều

Chương 2: Nghiên cứu về chỉnh lưu PWM

Chương 3: Xây dựng cấu trúc điều khiển nghịch lưu và cấu trúc hệ truyền

động biến tần 4Q - động cơ không đồng bộ

Chương 4: Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm matlab

quan tâm động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tuy nhiên các vấn đề được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011

Tác giả

Nguyễn Mạnh Cường

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN -

ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

1.1 CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

1.1.1 Giới thiệu chung

Trong thực tế, để truyền động cho những cơ cấu sản xuất người ta sử dụng các động cơ làm cơ cấu chấp hành và thường dùng là động cơ điện một chiều Nhưng loại động cơ này có nhiều nhược điểm so với động cơ điện xoay chiều, nên phương

án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhưng còn tồn tại nhiều hạn chế Hiện nay, với khả năng thiết kế các bộ điều khiển hiện đại, trên cơ sở ứng dụng các thành quả của công cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đã tạo ra những bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn, động cơ dòng xoay chiều

đã trở thành một đối tượng điều khiển có ưu thế và vì vậy, các hệ thống truyền động điện đã sử dụng động cơ xoay chiều như một đối tượng thân thiện có nhiều ưu điểm vượt trội

Động cơ điện xoay chiều bao gồm: động cơ xoay chiều không đồng bộ và động cơ xoay chiều đồng bộ Trong động cơ xoay chiều không đồng bộ có động cơ rotor lòng xóc và động cơ rotor dây quấn Trong động cơ xoay chiều đồng bộ có động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (thường là loại cực ẩn) và động cơ kích từ bằng nam châm điện (cực lồi) Mỗi loại động cơ đều có những ưu điểm và nhược điểm nhất định và các phương pháp điều chỉnh tốc độ cũng không hoàn toàn giống nhau

1.1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Để điều chỉnh tốc độ (điều tốc) động cơ không đồng bộ có rất nhiều phương pháp như : (1) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp giảm điện áp đặt vào cuộn dây stator động cơ (2) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp dùng bộ ly hợp trượt điện từ

(3) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp dùng điện trở phụ nối tiếp với cuộn dây rotor đối với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn

(4) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây quấn

(5) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực

(6) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi tần số nhờ bộ biến đổi tần số

(phương pháp biến tần); v.v

1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ xuất phát từ biểu thức:

n = (1-s)n1 = (1-s).60f1/p (1-1)

Trong đó:

f1- tần số nguồn cung cấp xoay chiều cho mạch Stato (mạch phần ứng)

p- Số đôi cực

Hệ thống điều tốc biến tần của động cơ không đồng bộ được phân thành hai

nhóm lớn là biến tần điều khiển ngoài và biến tần tự điều khiển Thiết bị biến tần

độc lập tạo cho động cơ không đồng bộ một nguồn điện biến áp biến tần gọi là hệ

thống điều tốc biến tần điều khiển ngoài, thiết bị dùng bộ đo kiểm vị trí roto trên

trục động cơ để điều khiển phát xung gọi là hệ thống điều tốc biến tần tự điều khiển

1.1.4 Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều

1.2 SƠ LƯỢC VỀ CÁC BỘ BIẾN TẦN DÙNG DỤNG CỤ BÁN DẪN CÔNG SUẤT

1.2.1 Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)

Cấu trúc của thiết bị biến tần trực tiếp như trên hình 1.1 Bộ biến đổi này chỉ

dùng một khâu biến đổi là có

thể biến đổi nguồn điện xoay

chiều có điện áp và tần số

không đổi thành điện áp

xoay chiều có điện áp và tần

1

Biến tần xoay chiều - xoay chiều

2

Hình 1.1: Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)

trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp, còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter)

1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp

Bộ biến tần trực tiếp có ưu điểm là công suất khá lớn ở đầu ra và hiệu suất cao, tuy nhiên có một số nhược điểm sau:

+ Tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp lưới + Khó điều khiển ở tần số cận không do tổn hao sóng hài trong động cơ khá lớn + Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao

+ Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin

Sơ đồ chỉnh lưu thuận

U

 3

Sơ đồ chỉnh lưu ngược

Chính vì những đặc điểm trên mà một loại biến tần khác được đưa ra để nâng cao chất lượng hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều, đó là biến tần gián tiếp Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục những nhược điểm của bộ biến tần trực tiếp ở trên

Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều

a) Biến tần dùng chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor

b) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp c) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế PWM

3

f1, U1

Chỉnh lưu không điều khiển

 3

f2, U2

Lọc

Nghịch lưu PWM

Chỉnh lưu điều khiển

Nghịch lưu

c

a

B Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp

C Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu PWM

Như trên đã trình bày, trong hệ thống điều tốc biến tần áp dụng phương pháp điều chỉnh tỷ số điện áp-tần số không đổi, khi sử dụng biến tần gián tiếp dùng tiristor thì việc điều chỉnh điện áp và tần số được thực hiện riêng ở hai khâu: điều chỉnh tần số ở khâu nghịch lưu, còn điều chỉnh điện áp thực hiện ở khâu chỉnh lưu, điều này đã kéo theo một loạt vấn đề Các vấn đề đó là:

(1) Mạch điện chính có 2 khâu công suất điều khiển được, nghĩa là khá phức tạp (2) Do khâu một chiều trung gian có bộ lọc bằng tụ lọc hoặc điện kháng với quán tính lớn, làm cho tính thích nghi trạng thái động của hệ thống thường bị chậm trễ (3) Do bộ chỉnh lưu có điều khiển làm cho hệ số công suất của nguồn điện cung cấp giảm nhỏ khi công suất đầu ra giảm xuống theo sự thay đổi chế độ làm việc của hệ điều tốc, đồng thời làm tăng sóng hài bậc cao trong dòng điện nguồn (4) Đầu ra của bộ nghịch lưu là điện áp (dòng điện) có dạng khác xa hình sin, tạo ra nhiều sóng hài bậc cao trong dòng điện động cơ, dẫn tới mô men biến động khá lớn ảnh hưởng tới tính ổn định làm việc của động cơ, đặc biệt khi ở tốc độ thấp

Đặc điểm chủ yếu của mạch điện trên hình 1.6c là :

(1) Mạch điện chính chỉ có một khâu công suất điều khiển được, đơn giản hoá cấu trúc, hệ số công suất của mạng điện không liên quan tới biên độ của điện áp đầu

ra bộ nghịch lưu và tiến gần đến 1

(2) Bộ nghịch lưu thực hiện đồng thời điều tần và điều áp, không liên quan đến tham số của linh kiện khâu trung gian một chiều, đã làm tăng độ tác động nhanh trạng thái động của hệ thống

(3) Có thể nhận được đồ thị điện áp đầu ra tốt, có thể hạn chế hoặc loại bỏ được sóng hài bậc thấp, làm cho động cơ có thể việc với điện áp biến thiên gần như hình sin, biến động của mô men khá nhỏ, mở rộng rất lớn phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động

Chỉnh lưu

D Biến tần điều khiển vector

Dựa trên kết quả nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hướng từ trường

động cơ không đồng bộ” do F Blaschke của hãng Siemens Cộng hoà Liên bang

Đức đưa ra vào năm 1971, và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cơ

cảm ứng” do P.C Custman và A A Clark ở Mỹ công bố trong sáng chế phát minh

của họ, qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành được hệ thống điều tốc biến tần

điều khiển vector mà ngày nay được ứng dụng rất phổ biến

1.3 BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƯ

1.3.1 Các tồn tại của các bộ biến tần thông thường

Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector

 3

f1, U1

Chỉnh lưu điều khiển

 3

f2, U2Lọc Nghịch lưu điều khiển

vector

Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao ( là chỉ số sóng hài)

a )

b )

1.3.2 Biến tần bốn góc phần tư (biến tần 4Q)

Các phương pháp sử dụng bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao trong dòng điện nguồn, sử dụng thiết bị bù để tăng hệ số công suất, dùng điện trở hãm hoặc bộ nghịch để giải phóng năng lượng dư của động cơ còn tồn tại những vấn đề như: hệ thống cồng kềnh, đầu tư lớn, lọc sóng hài bậc cao khó, khi công suất hệ lớn thì điều chỉnh khó khăn Với chỉnh lưu diode chỉ cho phép năng lượng chảy theo một chiều

và không điều khiển được Sự thay đổi của năng lượng sẽ xuất hiện một cách tự nhiên với sự thay đổi của điện áp nguồn cấp và tải Trong nhiều ứng dụng năng lượng cần được điều khiển Thậm chí đối với tải đòi hỏi điện áp không đổi hay dòng điện không đổi, điều khiển là việc cần thiết để bù nguồn cấp và sự thay đổi của tải Chỉnh lưu thyristor có thể điều khiển được dòng năng lượng bằng cách thay đổi góc điều khiển (góc mở) của thyristor Bộ biến đổi này còn có thêm khả năng biến đổi năng lượng từ một chiều sang xoay chiều hay làm việc ở chế độ nghịch lưu Khi góc điều khiển nằm giữa 0 và /2 bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu, còn khi góc điều khiển nằm giữa /2 và  thì bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu và năng lượng từ phía một chiều được chuyển về lưới xoay chiều Tuy nhiên, khi sử dụng thêm một nghịch chỉnh lưu bằng thyristor mắc song ngược với bộ chỉnh lưu, ngoài nhược điểm là thiết bị phần lực rất cồng kềnh, còn có thêm nhược điểm là dòng điện qua lưới chứa nhiều sóng điều hoà bậc cao làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện năng và làm giảm hệ số công suất Mặt khác nhiều hệ thống truyền động điện có yêu cầu cao về chất lượng động, ví dụ như độ tác động nhanh cao, khi đó yêu cầu động cơ phải thay đổi chế độ làm việc một cách linh hoạt Với một số hệ thống truyền động, tải mang tính chất thế năng, khi đó yêu cầu động cơ trong hệ thống phải làm việc được ở cả bốn góc phần tư, tức là ngoài chế độ động cơ ra thì phải làm việc được ở các chế độ hãm, đặc biệt là phải làm việc được ở chế độ hãm tái sinh Để động cơ có thể làm việc cả bốn góc phần tư thì thì yêu cầu bộ biến tần phải

có khả năng thực hiện trao đổi được năng lượng hai chiều Các bộ biến tần như vậy được gọi là biến tần bốn góc phần tư Nhiều chuyên gia và nhiều hãng khác nhau đã thực hiện khá nhiều nghiên cứu để tìm cách xây dựng các bộ biến tần bốn góc phần

tư Khối nghịch lưu của biến tần, kể cả biến tần điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) hoặc biến tần điều khiển vector, … đều có thể thực hiện trao đổi công suất hai chiều: từ phía một chiều sang động cơ và ngược lại Như vậy, để bộ biến tần có thể thực hiện trao đổi công suất hai chiều thì vấn đề còn lại là khối chỉnh lưu cũng phải có khả năng trao đổi công suất hai chiều Như đã nêu ở trên, để thực hiện yêu cầu này có thể sử dụng hai sơ đồ chỉnh lưu điều khiển bằng thyristo cùng loại mặc song ngược, một sơ đồ được dùng để chỉnh lưu khi cần thực hiện biến đổi năng lượng điện xoay chiều từ phía lưới thành năng lượng điện một chiều cấp cho khối nghịch lưu, còn sơ đồ kia sẽ được điều khiển làm việc ở chế độ nghịch lưu khi cần biến đổi năng lượng điện từ phía một chiều (năng lượng từ động cơ được khối nghịch lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu chuyển sang) thành năng lượng điện xoay chiều trả lại lượng điện xoay chiều Tuy nhiên, cấu trúc biến tần này có phần chỉnh lưu rất cồng kềnh, dòng điện qua lưới điện có nhiều sóng hài bậc cao với biên độ khá lớn, hệ số công suất thấp khi điều chỉnh sâu Như vậy, nhiệm vụ cơ bản đặt ra là phải nghiên cứu tìm ra được một khối chỉnh lưu có các ưu điểm:

- Giảm được biên độ các sóng điều hoà bậc cao dòng điện lưới

- Hệ số cos cao

- Có khả năng trao đổi công suất theo hai chiều

Bộ chỉnh tích cực PWM ra đời đã đáp ứng được các yêu trên Luận văn sẽ tiến hành nghiên cứu bộ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu tích cực PWM

MỞ ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật đã góp phần thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống truyền động điện xoay chiều và nó đã dần từng bước thay thế một phần lớn hệ thống truyền động điện một chiều

Tuy nhiên, các bộ biến tần gián tiếp thông dụng trong các hệ truyền động điện xoay chiều thường sử dụng bộ chỉnh lưu điốt và do vậy không có khả năng trả năng lượng về lưới Vấn đề hãm trong các hệ truyền động như vậy được thực hiện bởi việc sử dụng điện trở tiêu tán năng lượng Vì vậy, trong các hệ thống truyền động điện mà động cơ thường làm việc ở chế độ hãm thì việc tiêu tán năng lượng trên điện trở sẽ gây ra lãng phí rất lớn Để tiết kiệm năng lượng, tăng chất lượng điều chỉnh cần phải thiết kế bộ biến tần đảm bảo cho phép động cơ làm việc được ở các trạng thái hãm khác nhau mà đặc biệt là hãm tái sinh Biến tần như vậy được gọi là biến tần 4 góc phần tư (biến tần 4Q)

Được sự hướng dẫn của thầy giáo TS.Trần Xuân Minh - Trưởng Khoa Điện Trường ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên, tôi đã tiến hành

nghiên cứu đề tài luận văn tốt nghiệp là “Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần tư - Động cơ không đồng bộ”

Kết cấu của luận văn gồm:

Chương 1: Tổng quan về hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều Chương 2: Nghiên cứu về chỉnh lưu PWM

Chương 3: Xây dựng cấu trúc điều khiển nghịch lưu và cấu trúc hệ

truyền động biến tần 4Q - động cơ không đồng bộ

Chương 4: Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm matlab

Kết luận và kiến nghị

Đề tài đã được hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ bảo, giúp đỡ động viên của các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp

Tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo TS.Trần Xuân Minh,

người đã luôn quan tâm động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tuy nhiên các vấn đề được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011

Tác giả

Nguyễn Mạnh Cường

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN -

ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

1.1 CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU

1.1.1 Giới thiệu chung

Trong thực tế, để truyền động cho những cơ cấu sản xuất người ta sử dụng các động cơ làm cơ cấu chấp hành và thường dùng là động cơ điện một chiều Nhưng loại động cơ này có nhiều nhược điểm so với động cơ điện xoay chiều, nên phương án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhưng còn tồn tại nhiều hạn chế Hiện nay, với khả năng thiết kế các bộ điều khiển hiện đại, trên cơ sở ứng dụng các thành quả của công cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đã tạo ra những bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn, động cơ dòng xoay chiều đã trở thành một đối tượng điều khiển có ưu thế và vì vậy, các hệ thống truyền động điện đã sử dụng động cơ xoay chiều như một đối tượng thân thiện có nhiều ưu điểm vượt trội

Động cơ điện xoay chiều bao gồm: động cơ xoay chiều không đồng bộ

và động cơ xoay chiều đồng bộ Trong động cơ xoay chiều không đồng bộ có động cơ rotor lòng xóc và động cơ rotor dây quấn Trong động cơ xoay chiều đồng bộ có động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (thường là loại cực ẩn)

và động cơ kích từ bằng nam châm điện (cực lồi) Mỗi loại động cơ đều có những ưu điểm và nhược điểm nhất định và các phương pháp điều chỉnh tốc

độ cũng không hoàn toàn giống nhau

1.1.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Để điều chỉnh tốc độ (điều tốc) động cơ không đồng bộ có rất nhiều phương pháp như :

(1) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp giảm điện áp đặt vào cuộn dây stator động cơ

(2) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp dùng bộ ly hợp trượt điện từ

(3) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp dùng điện trở phụ nối tiếp với cuộn dây rotor đối với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn

(4) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây quấn

(5) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực

(6) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi tần số nhờ bộ biến đổi tần

số (phương pháp biến tần); v.v

1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ xuất phát từ biểu thức:

1.1.4 Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều

1.2 SƠ LƯỢC VỀ CÁC BỘ BIẾN TẦN DÙNG DỤNG CỤ BÁN DẪN CÔNG SUẤT

1.2.1 Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)

Cấu trúc của thiết bị

biến tần trực tiếp như trên

hình 1.1 Bộ biến đổi này

chỉ dùng một khâu biến

đổi là có thể biến đổi

nguồn điện xoay chiều có

điện áp và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được Do quá trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp, còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter)

Sơ đồ chỉnh lưu thuận

U

 3

Sơ đồ chỉnh lưu ngược

~ 3

U2, f2

Hình 1.1: Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)

1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp

Bộ biến tần trực tiếp có ưu điểm là công suất khá lớn ở đầu ra và hiệu suất cao, tuy nhiên có một số nhược điểm sau:

+ Tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp lưới

+ Khó điều khiển ở tần số cận không do tổn hao sóng hài trong động cơ khá lớn

+ Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao

+ Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin

Chính vì những đặc điểm trên mà một loại biến tần khác được đưa ra để nâng cao chất lượng hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều, đó là biến tần gián tiếp Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục những nhược điểm của bộ biến tần trực tiếp ở trên

A Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển

B Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp

C Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu PWM

Như trên đã trình bày, trong hệ thống điều tốc biến tần áp dụng phương pháp điều chỉnh tỷ số điện áp-tần số không đổi, khi sử dụng biến tần gián tiếp dùng tiristor thì việc điều chỉnh điện áp và tần số được thực hiện riêng ở hai

Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều

a) Biến tần dùng chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor

b) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp c) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế PWM

3

f1, U1

Chỉnh lưu không điều khiển

 3

f2, U2

Lọc

Nghịch lưu PWM

Chỉ nh lưu đ iề u khiể n

 3

f2, U2Lọc 1

b

Lọc 2

Bộ biến đổi xung điện áp

Nghịch lưu

c

a

khâu: điều chỉnh tần số ở khâu nghịch lưu, còn điều chỉnh điện áp thực hiện ở khâu chỉnh lưu, điều này đã kéo theo một loạt vấn đề Các vấn đề đó là:

(1) Mạch điện chính có 2 khâu công suất điều khiển được, nghĩa là khá phức tạp

(2) Do khâu một chiều trung gian có bộ lọc bằng tụ lọc hoặc điện kháng với quán tính lớn, làm cho tính thích nghi trạng thái động của hệ thống thường bị chậm trễ

(3) Do bộ chỉnh lưu có điều khiển làm cho hệ số công suất của nguồn điện cung cấp giảm nhỏ khi công suất đầu ra giảm xuống theo sự thay đổi chế

độ làm việc của hệ điều tốc, đồng thời làm tăng sóng hài bậc cao trong dòng điện nguồn

(4) Đầu ra của bộ nghịch lưu là điện áp (dòng điện) có dạng khác xa hình sin, tạo ra nhiều sóng hài bậc cao trong dòng điện động cơ, dẫn tới mô men biến động khá lớn ảnh hưởng tới tính ổn định làm việc của động cơ, đặc biệt khi ở tốc độ thấp

Đặc điểm chủ yếu của mạch điện trên hình 1.6c là :

(1) Mạch điện chính chỉ có một khâu công suất điều khiển được, đơn giản hoá cấu trúc, hệ số công suất của mạng điện không liên quan tới biên độ của điện áp đầu ra bộ nghịch lưu và tiến gần đến 1

(2) Bộ nghịch lưu thực hiện đồng thời điều tần và điều áp, không liên quan đến tham số của linh kiện khâu trung gian một chiều, đã làm tăng độ tác động nhanh trạng thái động của hệ thống

(3) Có thể nhận được đồ thị điện áp đầu ra tốt, có thể hạn chế hoặc loại

bỏ được sóng hài bậc thấp, làm cho động cơ có thể việc với điện áp biến thiên gần như hình sin, biến động của mô men khá nhỏ, mở rộng rất lớn phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động

D Biến tần điều khiển vector

Dựa trên kết quả nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hướng từ trường động cơ không đồng bộ” do F Blaschke của hãng Siemens Cộng hoà Liên bang Đức đưa ra vào năm 1971, và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cơ cảm ứng” do P.C Custman và A A Clark ở Mỹ công bố trong sáng chế phát minh của họ, qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành được hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay được ứng dụng rất phổ biến

và không điều khiển được Sự thay đổi của năng lượng sẽ xuất hiện một cách tự nhiên với sự thay đổi của điện áp nguồn cấp và tải Trong nhiều ứng dụng năng lượng cần được điều khiển Thậm chí đối với tải đòi hỏi điện áp không đổi hay dòng điện không đổi, điều khiển là việc cần thiết để bù nguồn cấp và sự thay đổi của tải Chỉnh lưu thyristor có thể điều khiển được dòng năng lượng bằng cách thay đổi góc điều khiển (góc mở) của thyristor Bộ biến đổi này còn có thêm khả năng biến đổi năng lượng từ một chiều sang xoay chiều hay làm việc ở chế độ nghịch lưu Khi góc điều khiển nằm giữa 0 và /2 bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu, còn khi góc điều khiển nằm giữa /2 và  thì bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu và năng lượng từ phía một chiều được chuyển về lưới xoay chiều Tuy nhiên, khi sử dụng thêm một nghịch chỉnh lưu bằng thyristor mắc song ngược với bộ chỉnh lưu, ngoài

nhược điểm là thiết bị phần lực rất cồng kềnh, còn có thêm nhược điểm là dòng điện qua lưới chứa nhiều sóng điều hoà bậc cao làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện năng và làm giảm hệ số công suất Mặt khác nhiều hệ thống truyền động điện có yêu cầu cao về chất lượng động, ví dụ như độ tác động nhanh cao, khi đó yêu cầu động cơ phải thay đổi chế độ làm việc một cách linh hoạt Với một số hệ thống truyền động, tải mang tính chất thế năng, khi đó yêu cầu động cơ trong hệ thống phải làm việc được ở cả bốn góc phần tư, tức là ngoài chế độ động cơ ra thì phải làm việc được ở các chế độ hãm, đặc biệt là phải làm việc được ở chế độ hãm tái sinh Để động cơ có thể làm việc cả bốn góc phần tư thì thì yêu cầu bộ biến tần phải

có khả năng thực hiện trao đổi được năng lượng hai chiều Các bộ biến tần như vậy được gọi là biến tần bốn góc phần tư Nhiều chuyên gia và nhiều hãng khác nhau đã thực hiện khá nhiều nghiên cứu để tìm cách xây dựng các bộ biến tần bốn góc phần

tư Khối nghịch lưu của biến tần, kể cả biến tần điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) hoặc biến tần điều khiển vector, … đều có thể thực hiện trao đổi công suất hai chiều: từ phía một chiều sang động cơ và ngược lại Như vậy, để bộ biến tần có thể thực hiện trao đổi công suất hai chiều thì vấn đề còn lại là khối chỉnh lưu cũng phải có khả năng trao đổi công suất hai chiều Như đã nêu ở trên, để thực hiện yêu cầu này có thể sử dụng hai sơ đồ chỉnh lưu điều khiển bằng thyristo cùng loại mặc song ngược, một sơ đồ được dùng để chỉnh lưu khi cần thực hiện biến đổi năng lượng điện xoay chiều từ phía lưới thành năng lượng điện một chiều cấp cho khối nghịch lưu, còn sơ đồ kia sẽ được điều khiển làm việc ở chế độ nghịch lưu khi cần biến đổi năng lượng điện từ phía một chiều (năng lượng từ động cơ được khối nghịch lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu chuyển sang) thành năng lượng điện xoay chiều trả lại lượng điện xoay chiều Tuy nhiên, cấu trúc biến tần này có phần chỉnh lưu rất cồng kềnh, dòng điện qua lưới điện có nhiều sóng hài bậc cao với biên độ khá lớn, hệ số công suất thấp khi điều chỉnh sâu Như vậy, nhiệm vụ cơ bản đặt ra là phải nghiên cứu tìm ra được một khối chỉnh lưu có các ưu điểm:

- Giảm được biên độ các sóng điều hoà bậc cao dòng điện lưới

- Hệ số cos cao

- Có khả năng trao đổi công suất theo hai chiều

Bộ chỉnh tích cực PWM ra đời đã đáp ứng được các yêu trên Luận văn

sẽ tiến hành nghiên cứu bộ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu tích cực PWM

Hình 2.2: Sơ đồ thay thế một pha và đồ thị vector

a Sơ đồ thay thế một pha bộ chỉnh l-u tích cực PWM

b Đồ thị vector tổng quát của bộ chỉnh l-u

c Đồ thị vector bộ chỉnh l-u PWM với hệ số công suất bằng 1

d Đồ thị vector bộ chỉnh l-u PWM với hệ số công suất bằng -1 (nghịch l-u)

NGUYấN CỨU VỀ CHỈNH LƯU PWM

2.1 KHÁI QUÁT VỀ CHỈNH LƯU PWM

2.2 CẤU TẠO VÀ NGUYấN Lí LÀM VIỆC CỦA BIẾN TẦN NGUỒN ÁP BỐN GểC PHẦN TƯ DÙNG CHỈNH LƯU PWM

Sơ đồ nguyờn lý phần mạch lực của biến tần dựng chỉnh lưu PWM

Sơ đồ trờn bao gồm hai khối chỉnh lưu (CLPWM) và nghịch lưu (NL) cú cấu

Để thực hiện được nguyờn lý làm việc trờn biến tần cần cú điều kiện:

H×nh 2.3a: §å thÞ 6 vector ®iÖn ¸p c¬ b¶n khi ®iÒu khiÓn

2.3 MÔ TẢ TOÁN HỌC CHỈNH LƯU PWM

Đồ thị vector hình 2.2 của sơ đồ thay thế chỉnh lưu PWM có thể biểu diễn trên

tọa độ cố định -  và tọa độ quay d - q bằng phương pháp biến đổi tuyến tính

không gian vector [3], [11], [12] Giả thiết điện áp nguồn ba pha đối xứng với tần số

công nghiệp không đổi 1 = 2f1, khi đó:

ia + ib + ic = 0 (2.1)

Đồ thị vector điện áp, dòng điện của chỉnh lưu PWM trên các hệ tọa độ cố

định - và hệ toạ độ quay d-q được biểu diễn trên hình 2.4

2.3.1 Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM

Điện áp dây tại đầu vào chỉnh lưu (a , b , c)

Usab=(Sa- Sb)Udc

Usbc=(Sb- Sc)Udc (2.2)

Usca=(Sc- Sa)Udc

Điện áp pha

+

+ +

1

pC

+ +