Tóm tắt Luận văn Nghiên cứu hệ thống truyền động điện động cơ đồng bộ 4 góc phần tư sử dụng chỉnh lưu PWM và nghịch lưu đa mức với C.M cực tiểu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CAO TIẾN NAM

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG

ĐIỆN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 4 GÓC PHẦN TƢ

SỬ DỤNG CHỈNH LƢU PWM VÀ

NGHỊCH LƢU ĐA MỨC VỚI C.M CỰC TIỂU

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số: 60.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017

Công trình đã được nghiên cứu tại

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. ĐOÀN QUANG VINH

Phản biện 1: TS. NGUYỄN QUỐC ĐỊNH

Phản biện 2: PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp

thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 06 tháng 05

năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm cuối của thế kỷ XX, sự phát triển của điện

tử công suất đã dẫn tới sự phát triển mạnh mẽ của các hệ truyền động

điện xoay chiều và nó dần thay thế một phần lớn hệ thống truyền

động điện một chiều. Vì hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động

cơ xoay chiều bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp cho

mạch stator có nhiều ưu điểm so với hệ truyền động điện dùng động

cơ 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 do

vậy không có khả năng trả năng lượng về lưới, thành phần dòng điều

hòa bậc cao nhiều, Cos thấp, bên cạnh đó việc xữ lý điện áp

common mode trong biến tần còn hạn chế nên vẫn còn tồn tại các hư

hỏng trong động cơ khi sử dụng biến tần như: hư hỏng ổ đỡ, gây

đóng cắt sai trên các relay bảo vệ nối đất tác động nhanh.

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 và đưa điện áp

common mode về cực tiểu mà vẫn dữ được các đặc tính tốt trong

biến tần.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Trong thực tế có nhiều loại tải mang tính thuận nghịch như tải

thế năng, một số hệ truyền động có đảo chiều, thiết bị bù... 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 có đảo chiều tốc độ quay ra thì

phải có khả năng thực hiện trao đổi được năng lượng hai chiều. Yêu

cầu của bộ biến tần này là biến đổi năng lượng từ một chiều sang

2

xoay chiều hay làm việc ở chế độ nghịch lưu. Trong trường hợp sử

dụng chỉnh lưu PWM, khi góc điều khiển nằm giữa 0 và /2 bộ chỉnh

lưu PWM làm việc ở chế độ chỉnh lưu, còn khi góc điều khiển nằm

giữa /2 đến thì bộ chỉnh lưu PWM làm việc ở chế độ nghịch lưu

và năng lượng từ phía tải được chuyển về lưới xoay chiều. Các bộ

biến tần như vậy được gọi là biến tần bốn góc phần tư.

Được sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS. Đoàn Quang

Vinh – PGĐ Đại học Đà Nẵng, Tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài

luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu hệ thống truyền động điện động

cơ đồng bộ 4 góc phần tƣ sử dụng chỉnh lƣu PWM và nghịch lƣu

đa mức với C.M cực tiểu”.

2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

+ Đối tượng nghiên cứu:

- Hệ thống truyền động điện động cơ đồng bộ 4 góc phần tư sử

dụng chỉnh lưu PWM và nghịch lưu đa mức với C.M cực tiểu.

+ Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu về hệ truyền động động cơ điện đồng bộ 3 pha

và phương thức điều chế PWM.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu

- Xây dựng hệ thống biến tần 4 góc phần tư sử dụng Chỉnh lưu

PWM và nghịch lưu đa bậc với C.M cực tiểu – Động cơ đồng bộ.

- Nghiên cứu lý thuyết về bộ chỉnh lưu đa mức, nghịch lưu đa

mức và động cơ đồng bộ 3 pha.

- Xây dựng mô hình toán học của hệ thống.

- Dựa trên mô hình toán học đưa ra phương pháp điều chế.

- Mô phỏng trên phần mềm matlab Simulink, plecs, psim để

kiểm nghiệm.

3

5. Bố cục đề tài

Với đề tài “Nghiên cứu hệ thống truyền động điện động

cơ đồng bộ 4 góc phần tƣ sử dụng chỉnh lƣu PWM và nghịch lƣu

đa mức với C.M cực tiểu”.

Nội dung: được trình bày trong 4 chương:

- Chương 1:Tổng quan về hệ truyền động điện xoay chiều -

biến tần đa mức

- Chương 2: Nghiên cứu chỉnh lưu PWM

- Chương 3: Xây dựng cấu trúc điều khiển nghịch lưu đa mức

- Chương 4: Xây dựng cấu trúc điều khiển nghịch lưu và cấu

trúc hệ truyền động biến tần 4Q - động cơ đồng bộ.

- Để có thể hoàn thành luận văn này, Em đã đã nghiên cứu

dưới sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của Thầy giáo PGS.TS Đoàn

Quang Vinh và sự giúp đỡ của gia đình, đồng nghiệp, Thầy cô giáo

trong bộ môn Tự động hóa Trường đại học Bách khoa Đà Nẵng

- Em xin chân Thành cảm ơn Thầy giáo Đoàn Quang Vinh và

các thầy cô giáo trong bộ môn Tự động hóa Đại học bách khoa

Đà Nẵng.

4

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN XOAY CHIỀU

1.1. CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG

CƠ XOAY CHIỀU

1.1.1. Giới thiệu chung

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

(1.1)

1.1.3. Hệ thống điều tốc biến tần – động cơ xoay chiều

1.2. SƠ LƢỢC VỀ CÁC BỘ BIẾN TẦN DÙNG DỤNG CỤ BÁN

DẪN CÔNG SUẤT

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

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

1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp

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

Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi

xung điện áp

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

lưu PWM

- 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;

1.3. BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƢ

1.3.1. Các tồn tại của bộ biến tần thông thƣờng

1.3.2 Biến tần bốn góc phần tƣ

5

CHƢƠNG 2

NGHIÊN CỨU CHỈNH LƢU PWM

2.1. KHÁI QUÁT VỀ CHỈNH LƢU PWM

2.2. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BIẾN TẦN

NGUỒN ÁP BỐN GÓC PHẦN TƢ DÙNG CHỈNH LƢU PWM

NL

CLPWM

L

ĐB

Hình 2.1. Sơ đồ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM

2.3. MÔ TẢ TOÁN HỌC CHỈNH LƢU PWM

i_a+ i_b+ i_c= 0

(2.1)

2.3.1. Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM

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

2.3.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ cố

-

định

2.3.4. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trên hệ tọa độ quay

d - q

2.3.5. Tính toán công suất chỉnh lƣu PWM

2.4. PHẠM VI VÀ GIỚI HẠN THAM SỐ CỦA CHỈNH LƢU

PWM

2.4.1. Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều

U_dcmin> U_d0= 2,34U_fa

(2.13)

2.4.2. Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm

Điều kiện điện áp một chiều cực tiểu sẽ là

6

[

(

) ]

√

(2.16)

(2.17)

√

2.5. ƢỚC LƢỢNG CÁC ĐẠI LƢỢNG VECTOR CƠ BẢN

2.5.1. Ƣớc lƣợng vector điện áp đầu vào

] | |

|

[

(2.19)

(2.20)

Giá trị góc tọa độ , của điện áp là

√

}

√

2.5.2. Ƣớc lƣợng vector từ thông ảo

(

)

∫

}

(2.21)

(2.22)

(

)

∫

Trong đó:

(

)

√ ( )

}

( )

√

7

2.6. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƢU PWM

ình 2.14. Hệ truyền động động cơ xoay chiều - biến tần dùng chỉnh

lưu PWM với các phương pháp điều khiển

2.7. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƢU PWM ĐỊNH

HƢỚNG THEO VECTOR ĐIỆN ÁP

2.7.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng

theo vector điện áp dựa vào dòng điện (VOC)

T

Đo đòng

điện

Hình 2.15. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC

8

̅

Khi chọn trục d trùng với vector điện áp lưới , khi đó

U_Ld= U_L, còn U_Lq= 0. Phương trình 2.9 được rút gọn (với giả

thiết R 0):

}

(2.23)

2.7.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC

√

(2.24)

}

√

Giá trị

và

được tính theo 2.21.

L

2.8. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƢU PWM THEO

PHƢƠNG PHÁP TRỰC TIẾP CÔNG SUẤT DPC

2.8.1. Ƣớc lƣợng công suất theo vector điện áp

(

)

*

+

(2.26)

[

(

)

(

)

, * +

√

(

)]

-

(2.27)

Giá trị điện áp U_Lđược tính theo (2.19)

|

[

] | |

(2.28)

2.8.2. Ƣớc lƣợng công suất theo vector từ thông ảo

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

DPC cho chỉnh lƣu PWM

DPC cũng có đặc điểm riêng, không thể áp dụng một cách

máy móc điều khiển DTC cho DPC. Cụ thể: Tần số điện áp nguồn là

không đổi khác với DTC biến thiên dải rộng. Giá trị tức thời công

9

suất tác dụng và phản kháng bị ảnh hưởng nhiều vào vị trí vector

điện áp và sự thay đổi của dòng điện cả về pha lẫn biên độ.

2.8.4. Bộ điều khiển công suất

Bộ điều khiển công suất có đặc tính trễ có ảnh hưởng lớn đến

chất lượng của hệ: sóng hài bậc cao dòng điện, tần số đóng cắt, dao

động đập mạch công suất và tổn thất công suất.

2.8.5. Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt

Bảng 2.1. Bảng đóng cắt cho DPC với bộ điều khiển hai mức,

12 vùng vector

d d Sect Sect Sect Sect Sect Sect Sect Sect Sect Sect Sect Sect

or 1 or 1 or 1 or 1 or 1 or 1 or 1 or 1 or 1 or 1 or 1 or 1

p

q

0 101 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001

1

1 110 111 010 000 011 111 001 000 101 111 100 000

0 101 100 100 110 110 010 010 011 011 0101 001 101

0

1 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 101 100

Có thể mô tả bằng biểu thức toán học cho phân vùng vector:

(

)

(

)

}

(

)

(

)

(2.31)

2.8.6. Tổ hợp vector điện áp

Bảng 2.2. Sự tăng giảm p và q theo U

U0

U7

Uk-2

Uk-1

Uk

Uk+1

Uk+2

Uk+3

q

p

10

Trên bảng .2.2, ký hiệu ( ) tăng, ( ) giảm, ( ) tăng lớn và

) giảm lớn.

(

Ta thấy sự tăng và giảm lớn đối với q và p chỉ xảy ra ở 2

vector.

Kết luận: Chỉnh lưu PWM đáp ứng được yêu cầu trao đổi

công suất hai chiều giữa lưới điện xoay chiều và phía một chiều đầu

ra bộ chỉnh lưu. Ngoài ra sử dụng chỉnh lưu PWM cho phép giảm

đáng kể sóng hài bậc cao trong dòng điện lưới, tăng hiệu suất, có khả

năng điều chỉnh được hệ số công suất.

2.9. MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA CHỈNH LƢU

PWM

2.9.1. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng chỉnh lƣu PWM

Hình 2.25. Sơ đồ mô phỏng khối điều khiển chỉnh lưu PWM tải điện

trở điều khiển theo VOC

11

Hình 2.28. Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình 2.25

2.9.2. Các kết quả mô phỏng chỉnh lƣu PWM

U_dc(V)

u (V), i (A)

t(

Hình 2.30. Điện áp và dòng

điện pha A của chỉnh lưu PWM

điều khiển theo VOC

Hình 2.29. Điện áp một chiều sau

chỉnh lưu PWM điều khiển theo

VOC

CHƢƠNG 3

XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU

ĐA MỨC

3.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC BỘ NGHỊCH LƢU

Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn

điện một chiều không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để

cung cấp cho tải xoay chiều.

12

3.2. CẤU HÌNH CỦA BỘ NGHỊCH LƢU ÁP HAI BẬC

U_an+ U_bn+ U_cn= 0

(3.1)

(3.3)

Vì vậy, điện áp pha tải và điện áp dây được tính:

;

(3.4)

U_ab= U_a0– U_b0; U_bc= U_b0– U_c0; U_ca= U_c0– U_a0

(3.5)

(3.6)

3.3. CẤU HÌNH CỦA BỘ NGHỊCH LƢU ÁP ĐA BẬC.

3.3.1. Cấu hình nghịch lƣu dạng Cascade (cascaded

inverter)

Pha trên mỗi nhánh sẽ tạo thành bộ nghịch lưu (2N +1) bậc

3.3.2. Cấu trúc nghịch lƣu chứa cặp diode kẹp (Neutral

Point Clamped Multilevel Inverter: NPC)

3.3.3. Cấu trúc phối hợp (Cascaded Diode-Clamped/H-

bridge Inverter: DCH Inverter)

3.3.4. Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor

Inverter)

3.3.5. Nhận xét về các dạng sơ đồ nghịch lƣu đa bậc

Trong các dạng sơ đồ vừa nêu tuy mỗi sơ đồ đều có một ưu

nhược riêng nhưng thông dụng nhất vẫn là hai dạng: NPC và

Cascade. Vì nếu như nhược điểm của sơ đồ phối hợp giữa NPC và

Cascade phức tạp trong phương thức điều khiển thì sơ đồ dạng dùng

tụ thay đổi lại khó thực hiện bởi vì mỗi nhóm tụ trong mạch được

nạp với các mức điện áp khác nhau khi mạch làm việc với số

bậc lớn.

13

3.4. CÁC TRẠNG THÁI ĐÓNG NGẮT

3.4.1. Tổng quan

uao

u

bo

uco

u_{N 0}



(3.8)

3

3.4.2. Trạng thái đóng ngắt bộ nghịch lƣu áp ba bậc

Xét pha A của bộ nghịch lưu áp ba bậc dạng diode kẹp.

Với x = a, b, c :

Hình 3.10. Pha A của bộ nghịch lưu ba bậc

Bảng 3.2. Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu NPC 3 bậc

V_out= V_xo

U_dc/2

0

S_x1

1

S_x2

1

S’_x1

0

S’_x2

0

1

0

-U_dc/2

0

1

3.4.3 Trạng thái đóng ngắt cho bộ nghịch lƣu áp năm bậc

Ta thấy có năm mức điện áp ra tương ứng với các trạng thái

đóng ngắt cho mỗi pha. Vậy có năm trang thái đóng ngắt đóng ngắt

14

linh kiện cho mõi pha, như vậy có 5³= 125 trạng thái đóng ngắt cho

ba pha.

3.4.4. Nhận xét

Bộ nghịch lưu ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh

vực công suất cao.

3.5. BIỆN PHÁP XỮ LÝ ĐIỆN ÁP C.M CỰC TIỂU TRONG

NGHỊCH LƢU ĐA MỨC

3.5.1. Giới thiệu các phƣơng án

3.5.2. Triệt bỏ hoàn toàn điện áp common mode

“Có thể triệt bỏ hoàn toàn điện áp C.M, nhưng đó không phải

là phương thức triệt giảm C.M tối ưu”.

Điều này dẫn đến điện áp C.M:

[(

)

(

)

(

)]

(

)

(3.12)

3.5.3. Triệt bỏ một phần điện áp common mode

3.5.4. Hệ thống chỉnh lƣu cầu – nghịch lƣu NPC

Động cơ

Hình 3.16. Hệ thống chỉnh lưu cầu – nghịch lưu NPC

(

)

*

+

(3.13)

(3.14)

(

)

+

15

3.5.5. Chiến lƣợc giảm điện áp C.M

3.5.6. Thực Nghiệm

90V

250V

Hình 3.21. Kết quả mô phỏng với phương thức triệt giảm C.M

3.6. XÂY DỰNG PHƢƠNG THỨC TRIỆT GIẢM C.M TỐI ƢU

3.6.1. Giới thiệu phƣơng án

3.6.2. Kỹ thuật triệt giảm common mode phối hợp giữa

SVPWM và CPWM

(3.14)^(*)

3.6.3. Khối tạo tín hiệu kích hoạt(Active Signal Generator)

( )

3.6.4. Khối Tạo Hàm Offset (Offset Generator)

3.7. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

16

3.7.1. Lựa chọn mạch động lực

3.7.2. Mô phỏng hệ truyền động

3.7.3. Mô phỏng

3.7.4. Kết quả mô phỏng

Hình 3.27. Điện áp sin điều khiển ba pha V

rx12

Hình 3.28. Dòng tải 3 pha xác lập

Hình 3.29. Điện áp pha A – Tâm nguồn DC

17

Hình 3.30. Sóng offset và sóng điều chế pha A

Hình 3.31. Giá trị Common Mode chỉ còn 80V đỉnh với tần suất

thấp hơn

3.7.5. Kết luận

Điện áp C.M đã giảm từ 90 volt (Vmax) xuống còn 80 volt

(Vmax) với mật độ xuất hiện xung áp cũng ít hơn và phương thức

tính toán cũng đơn giản hơn:

18

CHƢƠNG 4

XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU VÀ

CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN 4Q - ĐỘNG CƠ

ĐỒNG BỘ

4.1. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

4.1.1. Mô hình toán học động cơ đồng bộ kích từ dây quấn

Mômen trên trục d, q của động cơ đồng bộ và phương trình

chuyển động của nó là:

( )

(4.7)

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

Ta có phương trình điện áp:

́

̂

(4.8)

(4.9)

́

̂

Phương trình mô men

* + ( )

(4.10)

4.2. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN

ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ

4.2.1. Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu

a. Giới thiệu các loại cấu trúc

- Biến tần tự điều khiển sử dụng nghịch lưu dòng chuyển mạch

tự nhiên.

- Biến tần với nghịch lưu điều chế độ rộng xung hình sin, điều

khiển u/f=const.

4.2.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ truyền động