Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần bốn góc phần tư - động cơ không 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

BỐN GÓC PHẦN TƢ – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Ngành: TỰ ĐỘNG HOÁ

Mã số:

Học viên: CHÂU TÂN ĐỨC

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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

*****

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

--------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN

BỐN GÓC PHẦN TƢ – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

Học viên : CHÂU TÂN ĐỨC

Lớp : Cao học K11-TĐH

Cán bộ HDKH: TS. TRẦN XUÂN MINH

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Trần Xuân Minh

HỌC VIÊN

Châu Tân Đức

BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC

2

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Châu Tân Đức, học viên lớp cao học Tự Động Hoá niên khoá

2008-2010 sau hai năm học tập và nghiên cứu, đƣợc sự giúp đỡ của các thầy

cô giáo và đặc biệt là TS Trần Xuân Minh, thầy giáo hƣớng dẫn tốt nghiệp

của tôi, tôi đã đi đến cuối chặng đƣờng để kết thúc khoá học thạc sỹ.

Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: "Nghiên cứu hệ truyền

động điện biến tần bốn góc phần tƣ – động cơ không đồng bộ ".

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

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

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

nào. Nếu có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Ngƣời cam đoan

Châu Tân Đức

3

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

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 2

MỤC LỤC......................................................................................................... 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT....................................... 5

DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... 7

MỞ ĐẦU......................................................................................................... 10

Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN –

ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ.................................................................... 13

1.1 Các hệ thống truyền động điện dùng động cơ xoay chiều ................ 13

1.1.1 Giới thiệu chung ......................................................................... 13

1.1.2 Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ.... 14

1.1.3 Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ ............... 16

1.1.4 Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều....................... 16

1.2 Sơ lƣợc về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất............ 18

1.2.1 Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) .............................. 18

1.2.2 Bộ biến tần gián tiếp................................................................... 21

1.3 Biến tần bốn góc phần tƣ................................................................... 28

1.3.1 Các tồn tại của các bộ biến tần thông thƣờng ............................ 28

1.3.2 Biến tần bốn góc phần tƣ (biến tần 4Q) ..................................... 31

Chƣơng 2: TÌM HIỂU VỀ CHỈNH LƢU TÍCH CỰC PWM......................... 34

2.1 Đặt vấn đề.......................................................................................... 34

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

dùng chỉnh lƣu PWM.................................................................................. 35

2.3 Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM ........................................................ 39

2.3.1 Mô tả điện áp và dòng điện nguồn lƣới...................................... 39

2.3.2 Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM...................................... 40

2.3.3 Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ ba pha ............ 41

2.3.4 Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ cố định (α-β).. 42

2.3.5 Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ quay (d-q)...... 43

2.4 Phạm vi và giới hạn các tham số của chỉnh lƣu PWM ..................... 46

2.5 Ƣớc lƣợng các đại lƣợng vector cơ bản ............................................ 49

2.5.1 Ƣớc lƣợng vector điện áp đầu vào ............................................. 49

2.5.2 Ƣớc lƣợng vector từ thông ảo .................................................... 50

2.6 Phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM......................................... 52

2.6.1 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp VOC .. 55

2.6.2 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp VFOC 59

2.6.3 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp DPC... 60

4

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

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

CẤU TRÖC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4Q - ĐỘNG CƠ

KHÔNG ĐỒNG BỘ ....................................................................................... 72

3.1 Cấu trúc điều khiển nghịch lƣu ......................................................... 72

3.1.1 Các vấn đề điều khiển nghịch lƣu .............................................. 72

3.1.2 Điều khiển DTC cho nghịch lƣu nguồn áp động cơ không đồng

bộ 74

3.2 Cấu trúc hệ truyền động điện biến tần 4Q - động cơ không đồng bộ92

3.2.1 Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - động cơ không

đồng bộ.................................................................................................... 92

3.2.2 Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực của hệ biến tần 4Q – động cơ

không đồng bộ......................................................................................... 93

3.2.3 Khối điều khiển chỉnh lƣu .......................................................... 93

3.2.4 Khối điều khiển nghịch lƣu ........................................................ 95

3.3 Mô phỏng hệ truyền động điện biến tần 4Q - động cơ không đồng bộ

97

3.3.1 Xây dựng sơ đồ mô phỏng ......................................................... 97

3.3.2 Các kết quả mô phỏng đạt đƣợc ................................................. 99

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................. 106

5

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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

x(t), x Giá trị tức thời

X

*

, x

* Giá trị đặt

 Góc pha của vector chuẩn

 Hệ số công suất

 Góc pha dòng điện

 Vận tốc góc

 Góc pha

 Góc pha điều khiển

cos  Hệ số công suất cơ bản

f Tần số

i(t), i Giá trị dòng điện tức thời

j Đơn vị ảo

X, x Sai lệch

kP, kI Hệ số khuyếch đại, hệ số tích phân

p(t), p Công suất tác dụng tức thời

q(t), q Công suất phản kháng tức thời

t Giá trị thời gian tức thời

v(t), v Giá trị điện áp tức thời

L Vector từ thông ảo

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

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

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

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

uL Vector điện áp lƣới

6

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

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

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

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

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

iL Vector dòng điện lƣới

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

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

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

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

uS, uconv Vector điện áp vào bộ chỉnh lƣu

uS Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục toạ độ  - 

uS Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục toạ độ  - 

uSd Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục toạ độ d - q

uSq Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục toạ độ d - q

udc Giá trị điện áp một chiều

idc Giá trị dòng điện một chiều

Sa

,Sb,Sc

, Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi

C Giá trị điện dung tụ điện

I Giá trị hiệu dụng của dòng điện

L Giá trị điện cảm

R Giá trị điện trở

S Công suất biểu kiến

T Chu kỳ

P Công suất tác dụng

Q Công suất phản kháng

Z Tổng trở kháng

7

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

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

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

DTC Điều khiển trực tiếp mômen (viết tắt của Direct Toque Control)

DPF Hệ số công suất dịch chuyển (viết tắt của Displacement Power Factor)

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

IM Động cơ cảm ứng (viết tắt của Induction Motor)

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

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

Te Mômen điện từ

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

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng đóng cắt cho DPC với bộ điều khiển 2 mức, 12 vùng vector70

Bảng 2.2: Sự tăng giảm p và q theo vector điện áp đƣợc chọn ...................... 71

Bảng 3.1: Bảng chọn vector chuyển điện áp tối ƣu ........................................ 85

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Bộ biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều).............................. 18

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp ............................................. 18

Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của bộ biến tần trực tiếp hình sin ................. 19

Hình 1.4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của các

khâu trong biến tần.......................................................................................... 21

Hình 1.5: Bộ biến tần gián tiếp ....................................................................... 22

Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều ....................... 23

Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector ......................................................... 27

Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao ( là chỉ số sóng hài)........... 29

Hình 1.9: Dập năng lƣợng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều ............... 30

Hình 1.10: Sử dụng thêm bộ nghịch lƣu mắc song song ngƣợc với bộ chỉnh

lƣu để trả năng lƣợng về lƣới điện xoay chiều................................................ 30

Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần tƣ dùng chỉnh lƣu PWM................... 35

Hình 2.2: Sơ đồ thay thế một pha và đồ thị vector ......................................... 36

8

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

Hình 2.3a: Đồ thị 6 vector điện áp cơ bản khi điều khiển sự chuyển mạch các

khoá bán dẫn Sa

, Sb, Sc

.................................................................................... 37

Hình 2.3b: Các trạng thái chuyển mạch của chỉnh lƣu PWM ........................ 38

Hình 2.4: Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lƣu PWM....................... 39

Hình 2.5: Mô hình toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ toạ độ ba pha tự nhiên.

......................................................................................................................... 42

Hình 2.6: Mô hình toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ toạ độ tĩnh α-β. ......... 43

Hình 2.7: Mô hình toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ quay d-q......... 44

Hình 2.8: Dòng công suất trong bộ biến đổi AC/DC hai chiều phụ thuộc vào

hƣớng iL........................................................................................................... 46

Hình 2.9: Vị trí tức thời của các vector........................................................... 47

Hình 2.10: Giới hạn làm việc của chỉnh lƣu PWM......................................... 47

Hình 2.11: Mô hình động cơ ảo và đồ thị vector từ thông ảo với chỉnh lƣu

PWM ............................................................................................................... 50

Hình 2.12: Quan hệ giữa điện áp và từ thông với chiều dòng công suất của

chỉnh lƣu PWM ............................................................................................... 51

Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc nhận dạng vector từ thông ảo................................ 52

Hình 2.14: Phân loại các phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM .............. 54

Hình 2.15: Mối quan hệ giữa điều khiển chỉnh lƣu PWM phía lƣới và nghịch

lƣu PWM phía cấp cho động cơ...................................................................... 54

Hình 2.16: Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VOC........................... 55

Hình 2.17: Đồ thị vector của VOC. Sự biến đổi tọa độ của dòng, điện áp lƣới

và điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu từ hệ trục toạ độ - sang hệ trục toạ độ d-q

......................................................................................................................... 57

Hình 2.18: Điền khiển tách dòng điện đầu vào bộ chỉnh lƣu PWM............... 59

Hình 2.19: Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC......................... 60

Hình 2.20: Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo DPC............................ 61

Hình 2.21: Khâu ƣớc lƣợng công suất và điện áp........................................... 63

Hình 2.22: Khâu ƣớc lƣợng p, q theo vector từ thông ảo ............................... 66

Hình 2.23: Sự biến thiên giá trị công suất tức thời ......................................... 67

Hình 2.24: Bộ điều khiển công suất................................................................ 68

Hình 2.25: Phân vùng vector cho phƣơng pháp điều khiển DPC................... 69

Hình 2.26: Sự biến đổi của vector không gian điện áp bộ biến đổi................ 70

Hình 3.1: Vector không gian từ thông móc vòng stator và dòng điện stator.. 75

Hình 3.2: Vector không gian từ thông móc vòng stator, từ thông móc vòng

rotor, và dòng điện stator. ............................................................................... 77

Hình 3.3: Trạng thái thay đổi vector từ thông stator khi áp đặt vector điện áp

......................................................................................................................... 78

Hình 3.4: Vector không gian điện áp chuyển ................................................. 80

9

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

Hình 3.5: Điều khiển vector không gian từ thông stator: quỹ tích vector không

gian từ thông stator [mức thay đổi từ thông stator

   s

], và các vector

chuyển bộ nghịch lƣu ...................................................................................... 81

Hình 3.6: Các vị trí khác nhau của vector không gian từ thông stator, và sự

lựa chọn tối ƣu vector điện áp chuyển. FI: từ thông tăng; FD: từ thông giảm;

TI: mô men tăng; TD: mô men giảm. ............................................................. 84

Hình 3.7: Cấu trúc điều khiển DTC dựa trên từ thông stator hệ truyền động

động cơ không đồng bộ với nghịch lƣu nguồn áp .......................................... 89

Hình 3.8: Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q–động cơ không đồng

bộ..................................................................................................................... 92

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực hệ truyền động điện biến tần bốn

góc phần tƣ dùng chỉnh lƣu PWM - động cơ không đồng bộ......................... 93

Hình 3.10: Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VOC........................... 94

Hình 3.11: Cấu trúc điều khiển nghịch lƣu PWM theo DTC ......................... 96

Hình 3.12: Mô hình mô phỏng hệ truyền động điện biến tần 4Q – động cơ

không đồng bộ ba pha ..................................................................................... 97

Hình 3.13: Mô hình mạch lực (khối PLECS Circuit)..................................... 98

Hình 3.14: Mô hình mạch điều khiển chỉnh lƣu theo VOC............................ 98

Hình 3.15: Mô hình mạch điều khiển nghịch lƣu theo DTC .......................... 99

Hình 3.16: Quỹ đạo từ thông........................................................................... 99

Hình 3.17: Tốc độ động cơ trong quá trình khởi động và giảm tốc.............. 100

Hình 3.18: Mô men động cơ trong quá trình khởi động và giảm tốc ........... 100

Hình 3.19: Dòng điện và điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM khi ổn định ...... 101

Hình 3.20: Dòng điện và điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM khi giảm tốc..... 101

Hình 3.21: Mô men động cơ trong quá trình mô men tải đổi dấu ................ 102

Hình 3.22: Dòng điện và điện áp đầu vào chỉnh lƣu khi mô men tải đổi dấu

....................................................................................................................... 102

Hình 3.23: Tốc độ động cơ trong quá trình mô men tải đổi dấu................... 103

Hình 3.24: Điện áp một chiều khi mô men tải đổi dấu ................................. 103

Hình 3.25: Dòng điện stator khi mô men tải đổi dấu.................................... 104