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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4

GÓC PHẦN TƢ – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

Ngành : TỰ ĐỘNG HOÁ

Mã số:23.04.3898

Học viên: NGUYỄN THỊ THU NGA

Ngƣời HD Khoa học : TS. TRẦN XUÂN MINH

THÁI NGUYÊN - 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ

NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4

GÓC PHẦN TƢ – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

NGUYỄN THỊ THU NGA

THÁI NGUYÊN - 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

3

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Thị Thu Nga

Ngày tháng năm sinh: Ngày 11 tháng 11năm 1981

Nơi sinh: Lƣơng Sơn - Thái Nguyên

Nơi công tác: Trƣờng Cao đẳng Cơ Khí Luyện Kim

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

Chuyên ngành: Tự động hóa

Khóa học: K11- TĐH

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

TƢ – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Xuân Minh

Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên

GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN

TS. Trần Xuân Minh

HỌC VIÊN

Nguyễn Thị Thu Nga

DUYỆT BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự

hƣớng dẫn của Thầy giáo TS.Trần Xuân Minh và chỉ tham khảo các tài liệu đã đƣợc

liệt kê. Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dƣới bất kỳ hình thức nào.

Tác giả luận văn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

5

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

Chƣơng 1- TỔNG QUAN VỀ HỆ 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 phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ …............ 4

1.1.3. Các phƣơng 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 lƣợc về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất…......…………….. 8

1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ………........………….. 8

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

1.3. Biến tần bốn góc phần tƣ …………………......………………………. 16

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

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

Chƣơng 2 - NGHIÊN CỨU CHỈNH LƢU PWM 21

2.1.Khái quát về chỉnh lƣu PWM .............................................................. 21

2.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến tần nguồn áp bốn góc phần

tƣ dùng chỉnh lƣu PWM ………………………......…….........…………. 23

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

6

2.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM …………………......……….………. 26

2.3.1. Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM ………...………......……… 27

2.3.2. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ 3 pha …..........…… 28

2.3.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ cố định  -  .......... 29

2.3.4. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trên hệ tọa độ quay d – q ….........… 30

2.3.5. Tính toán công suất chỉnh lƣu PWM ………………….........………. 31

2.4. Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lƣu PWM ……...….....…….. 32

2.4.1. Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều ………………........……… 32

2.4.2. Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm …………………........……… 32

2.5. Ƣớc lƣợng các đại lƣợng vector cơ bản ………………...…..……….. 34

2.5.1. Ƣớc lƣợng vector điện áp đầu vào ………...…………......…………. 35

2.5.2. Ƣớc lƣợng vector từ thông ảo …………………....……….....……… 35

2.6. Phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM …………..............………. 39

2.7. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp 40

2.7.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp

dựa vào dòng điện (VOC) ……………..........................................…………… 40

2.7.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC …………........….. 42

2.8. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp trực tiếp

công suất DPC ……………….........………..........…………………………… 43

2.8.1. Ƣớc lƣợng công suất theo vector điện áp ……….........…………….. 45

2.8.2. Ƣớc lƣợng công suất theo vector từ thông ảo ….........……………… 46

2.8.3. Đặc điểm cơ bản của điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh

lƣu PWM ………………..............................………………………….........…. 47

2.8.4. Bộ điều khiển công suất ………………………........………………. 48

2.8.5. Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt..................................... 50

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

7

2.8.6. Tổ hợp vector điện áp …………………….........…………………… 51

Chƣơng 3 - XÂY DỰNG CẤU TRÖC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU VÀ

CẤU TRÖC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4Q -

ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

53

3.1. Giới thiệu chung động cơ đồng bộ ........................................................ 53

3.1.1. Khái quát chung................................................................................... 53

3.1.2. Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu..................................... 54

3.2. Mô hình toán học của động cơ đồng bộ................................................. 55

3.2.1. Mô hình toán học của động cơ đồng bộ kích từ dây quấn.................. 55

3.2.2. Mô tả toán học động cơ đồng bộ kích từ NCVC.............................. 59

3.3. Cấu trúc điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ ......... 60

3.3.1. Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu ................................. 60

3.3.1.1. Giới thiệu các loại cấu trúc................................................ 60

3.3.1.2. Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu.................... 63

3.3.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ truyền động .................................... 64

3.3.2.1. Sơ đồ khối hệ điều khiển......................................................... 64

3.3.2.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu................................................... 65

3.3.3. Cấu trúc điều khiển nghịch lƣu........................................................... 67

Chƣơng 4 - MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 70

4.1. Mô phỏng đặc tính làm việc của chỉnh lƣu PWM .................................. 70

4.1.1. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng chỉnh lƣu PWM........................... 70

4.1.2. Các kết quả mô phỏng chỉnh lƣu PWM............................................. 72

4.2. Mô phỏng hệ truyền động biến tần 4Q - Động cơ đồng bộ.................... 73

4.2.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ truyền động trong phần mềm Matlab 73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

8

4.2.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................ 78

4.3. Kết luận ...................................................................................................... 82

Kết luận và kiến nghị ........................................................................................ 83

Tài liệu tham khảo ............................................................................................ 84

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

 Góc pha của vector chuẩn

 Góc pha điều khiển phần chỉnh lƣu PWM

 Góc pha của vector áp nguồn phần chỉnh lƣu PWM

 Góc pha giữa dòng điện và áp

 Vận tốc góc

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 -

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

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

cos Hệ số công suất cơ bản

C Tụ điện

ĐB Động cơ đồng bộ ba pha

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

9

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

f Tần số

FOC Điều khiển tựa từ trƣờng (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

IL

Vector dòng điện lƣới

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

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

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

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

iLq Thành phần trục d của vector dòng điện lƣới 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

j Đơn vị ảo

J Mô men quán tính

L Giá trị điện cảm

M Mô men, mô men động cơ

Mc Mô men cản tác động lên trục động cơ (mô men tải)

Mđt Mô men điện từ động cơ

Mđm Mô men định mức

Mmax Mô men cực đại