"Nghiên cứu cải tiến bộ biến đổi nhằm giảm hài dõng điện đối với tải là động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu."

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 1 - Chuyên ngành tự động hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

----------------***----------------

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN BỘ BIẾN ĐỔI NHẰM GIẢM HÀI

DÕNG ĐIỆN ĐỐI VỚI TẢI LÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ

NAM CHÂM VĨNH CỬU

Học viên : Phạm Đình Tiệp

Lớp : K12 - TĐH

Chuyên nghành : Tự động hoá

Người hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Duy

Cƣơng

Ngày giao đề tài : tháng 11 năm 2010

Ngày hoàn thành đề tài : tháng 9 năm 2011

BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC CB HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN

TS. Nguyễn Duy Cƣơng Phạm Đình Tiệp

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 2 - Chuyên ngành tự động hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

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. Nguyễn Duy Cương 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

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 3 - Chuyên ngành tự động hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

M ỤC L ỤC

Trang

Trang bìa phụ …………………………………….......…………………...…

Lời cam đoan ……………………………………........………………...…… 1

Mục lục …………………………………………….......……………...…..... 2

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt …………….......……………...……... 4

Danh mục các bảng ……………………………………………..........……... 5

Danh mục các hình vẽ, đồ thị ………………………………......…....……… 6

Mở đầu…………………………………………………....….......…...……... 9

Chương 1- TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN

1.1 Tổng quan………………………………………………………………. 11

1.2. Nhu cầu tăng trƣởng các bộ điều khiển……………………………… 11

1.2.1. Sự phát triển của điện tử bán dẫn…………………………………….. 12

1.2.2. Nhu cầu tiết kiệm năng lượng………………………………………… 12

1.2.2.1. Hiện trạng phát triển kinh tế xã hội………………………………… 12

1.2.2.2. Phương hướng phát triển kinh tế - xã hội đến năm 2020…………... 12

1.2.2.3. Tổng quan về nhu cầu điện đến năm 2020 của Việt Nam…………. 13

1.2.3. Nâng cao hiệu suất các bộ ASD………………………………………. 14

1.3. Nhƣợc điểm của bộ điều khiển………………………………………... 15

1.3.1. Chi phí ban đầu……………………………………………………….. 15

1.3.2. Sóng điều hoà…………………………………………………………. 16

1.4. Kết luận………………………………………………………………… 17

Chương 2- CÁC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ SÓNG ĐIỀU HOÀ

2.1. Tổng quan……………………………………………………………… 18

2.2. Các bộ chỉnh lƣu………………………………………………………. 19

2.2.1. Bộ chỉnh lưu cầu điốt 3 pha ………………………………………….. 20

2.2.2. Bộ chỉnh lưu nguồn áp PWM………………………………………… 21

2.2.3. Các bộ chỉnh lưu khác………………………………………………… 22

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 4 - Chuyên ngành tự động hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.3. Các bộ nghịch lƣu……………………………………………………… 24

2.3.1. Bộ nghịch lưu nguồn áp………………………………………………. 24

2.3.2. Bộ nghịch lưu nguồn dòng……………………………………………. 24

2.4. Sóng hài trên hệ thống điện…………………………………………… 25

2.4.1. Định nghĩa sóng hài…………………………………………………… 25

2.4.2. Các nguồn tạo sóng hài……………………………………………….. 27

2.4.3. Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao……………………………………… 29

2.4.4. Sóng hài ba pha……………………………………………………….. 30

2.4.5. Chuỗi Furie……………………………………………………………. 32

2.4.6. Chỉ số chất lượng điện năng.................................................................. 33

2.4.7. Các tiêu chuẩn về sóng hài.................................................................... 34

2.4.8. Các bộ lọc sóng hài…………………………………………………… 36

2.4.8.1. Bộ lọc thụ động…………………………………………………….. 36

2.4.8.2. Bộ lọc tích cực……………………………………………………… 41

2.4.8.3. Bộ lọc hỗn hợp……………………………………………………… 45

2.4.8.4. Ngăn ngừa sóng hài…………………………………………………. 36

2.5. Kết luận………………………………………………………………… 46

Chương 3- THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN XOAY CHIỀU VỚI TẢI PMSM

3.1. Tổng quan về động cơ đồng bộ……………………………………….. 48

3.1.1. Khái quát chung………………………………………………………. 48

3.1.2. Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu (PMSM)……………… 49

3.2. Mô hình toán học của PMSM…………………………………………. 50

3.2.1. Mô hình toán học của PMSM trong hệ toạ độ Stator…………………. 50

3.2.2. Mô tả toán học của động cơ trong hệ toạ độ qui chiếu (dq).................. 52

3.2.3. Giới thiệu chung về điều khiển Vector……………………………….. 53

3.3. Cấu trúc bộ điều khiển hệ truyền động PMSM……………………… 54

3.3.1. Khái quát chung………………………………………………………. 54

3.3.2. Nguyên lý hoạt động của bộ chỉnh lưu……………………………….. 55

3.3.3. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu……………………………………….... 57

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 5 - Chuyên ngành tự động hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

3.3.4. Cấu trúc điều khiển nghịch lưu……………………………………….. 59

3.4. Kết luận………………………………………………………………… 61

Chương 4- MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

4.1. Tổng quan……………………………………………………………… 62

4.1.1. Mô hình hoá hệ thống………………………………………………… 62

4.1.2. Tổng quan về Simulink………………………………………………. 62

4.2. Mô phỏng bộ chỉnh lƣu……………………………………………….. 62

4.2.1. Mô phỏng bộ chỉnh lưu cầu đi ốt 3 pha………………………………. 63

4.2.2. Xây dựng chương trình mô phỏng bộ chỉnh lưu……………………… 64

4.2.3. Các kết quả mô phỏng bộ chỉnh lưu………………………………….. 67

4.3. Mô phỏng hệ thống với tải PMSM…………………………………… 68

4.3.1. Xây dựng chương trình mô phỏng……………………………………. 69

4.3.2. Các kết quả mô phỏng hệ thống………………………………………. 72

4.4. Kết luận………………………………………………………………… 75

Kết luận và kiến nghị………………………………………………………. 75

Tài liệu tham khảo…………………………………………………………. 77

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

AC Dòng điện xoay chiều (viết tắt của Alternating Current)

ASD Bộ điều khiển tốc độ điều chỉnh được (viết tắt của Adjustable Speed

Drive)

PMSM Động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (viết tắt của Permanent

Magnet Synchronous Machines)

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

THD Độ méo dạng sóng hài tổng (viết tắt của Total Harmonic Distortion)

IEEE Viện kỹ sư điện và điện tử (viết tắt của Institute of Electrical and

Electronics Engineers)

IEC Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (viết tắt của International

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 6 - Chuyên ngành tự động hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

Electrotechnical Commission)

VSI Bộ nghịch lưu nguồn áp (viết tắt của Voltage Source Inverters)

CSI Bộ nghịch lưu nguồn dòng (viết tắt của Current Source Inverters)

UPS Bộ nguồn liên tục (viết tắt của Uninterruptable Power Supplies)

DC Điện một chiều (viết tắt của Direct Current)

TEHD Độ méo sóng hài chẵn tổng (viết tắt của Total Even Harmonic

Distortion)

TOHD Độ méo sóng hài lẻ tổng (viết tắt của Total Odd Harmonic Distortion)

PF Hệ số công suất (viết tắt của Power Factor)

PCC Điểm ghép nối chung (viết tắt của Point of Common Couping)

AHF Bộ lọc sóng hài tích cực (viết tắt của Active Harmonic Filters)

AF Bộ lọc tích cực (viết tắt của Active Filter)

AFS Bộ lọc tích cực nối tiếp (viết tắt của Active Filter Series)

UPQC Bộ xử lý phẩm chất công suất hỗn hợp (viết tắt của Unified Power

Quality Conditioner)

VC Điều khiển véc tơ (viết tắt của Vector Control)

SPWM Bộ biến tần điều chỉnh độ rộng xung hình sin (viết tắt của Sinusoidal

Pulse Width Modulation)

KCL Định luật Kirchoff về dòng điện (viết tắt của Kirchoff‟s Current Law)

HP Mã lực (viết tắt của Horse Power)

IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistors

Danh mục các bảng

Trang

Bảng 1.1. Tốc độ tăng trưởng GDP trong giai đoạn 1998 † 2007 12

Bảng 1.2. Kịch bản phát triẻn kinh tế đến năm 2020. 13

Bảng 1.3. Tổng hợp kết quả dự báo phát triển dân số giai đoạn 2003† 2020 13

Bảng 1.4. Dự báo nhu cầu điện toàn quốc đến 2010 14

Bảng 2.1. Tiêu chuẩn IEEE std 519 34

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 7 - Chuyên ngành tự động hoá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bảng 2.2. Tiêu chuẩn IEEE std 519 cho thiết bị trên 75A ở dòng đầu vào

mỗi pha.

35

Bảng 2.3. IEC 1000-3-4 35

Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật của PMSM 69

Danh mục các hình vẽ và Đồ thị

Hình 1.1. Hệ thống ASD điển hình 11

Hình 1.2. Đồ thị tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm 1997 -2006 13

Hình 1.3. Các đặc điểm tải máy bơm điển hình 15

Hình 1.4. Kết cấu giá của các bộ điều khiển 16

Hình 2.1. Qui trình biến đổi năng lượng 18

Hình 2.2. Phân loại các bộ chỉnh lưu 19

Hình 2.3. Cấu trúc bộ chỉnh lưu hình cầu sử dụng Điốt 20

Hình 2.4. Dòng qua bộ chỉnh lưu hình cầu sử dụng Điốt 20

Hình 2.5. Thành phần sóng hài của cầu Điốt 21

Hình 2.6. Cấu trúc bộ chỉnh lưu nguồn áp PWM 21

Hình 2.7. Dòng điện vào bộ chỉnh lưu PWM 22

Hình 2.8. Thành phần sóng hài của bộ chỉnh lưu PWM 22

Hình 2.9. Cấu trúc bộ chỉnh lưu Vienna 23

Hình 2.10. Bộ chỉnh lưu Minnesota 23

Hình 2.11. Bộ chỉnh lưu Minnesota biến thể 23

Hình 2.12. Bộ nghịch lưu nguồn áp PWM 24

Hình 2.13. Bộ biến đổi nguồn dòng 25

Hình 2.16. Các dạng sóng hài điển hình 27

Hình 2.17. Hệ thống liên kết bốn dây đấu Y 31

Hình 2.18. Hệ thống liên kết ba dây đấu Y 31

Hình 2.19. Hệ thống liên kết ba dây đấu tam giác 31

Hình 2.20. Độ méo dòng điện trên lưới 33

Hình 2.21. Cấu trúc bộ lọc thu động RC 37

Hình 2.22. Cấu trúc bộ lọc thu động LC 37