BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CAO TIẾN NAM NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ GÓC PHẦN TƢ SỬ DỤNG CHỈNH LƢU PWM VÀ NGHỊCH LƢU ĐA MỨC VỚI C.M CỰC TIỂU Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2017 Công trình nghiên cứu 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 bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp 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 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong năm cuối kỷ XX, phát triển điện tử công suất dẫn tới phát triển mạnh mẽ hệ truyền động điện xoay chiều dần thay phần lớn hệ thống truyền động điện chiều Vì hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động xoay chiều phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp cho mạch stator có nhiều ưu điểm so với hệ truyền động điện dùng động chiều Tuy nhiên, biến tần gián tiếp thông dụng hệ truyền động điện xoay chiều thường sử dụng chỉnh lưu điốt khả trả lượng lưới, thành phần dòng điều hòa bậc cao nhiều, Cos thấp, bên cạnh việc xữ lý điện áp common mode biến tần hạn chế nên tồn hư hỏng động sử dụng biến tần như: hư hỏng ổ đỡ, gây đóng cắt sai relay bảo vệ nối đất tác động nhanh Để tiết kiệm lượng, tăng chất lượng điều chỉnh cần phải thiết kế biến tần đảm bảo cho phép động làm việc trạng thái hãm khác mà đặc biệt hãm tái sinh đưa điện áp common mode cực tiểu mà đặc tính tốt biến tần Mục tiêu nghiên cứu Trong thực tế có nhiều loại tải mang tính thuận nghịch tải năng, số hệ truyền động có đảo chiều, thiết bị bù yêu cầu động hệ thống phải làm việc bốn góc phần tư, tức chế độ động có đảo chiều tốc độ quay phải có khả thực trao đổi lượng hai chiều Yêu cầu biến tần biến đổi lượng từ chiều sang xoay chiều hay làm việc chế độ nghịch lưu Trong trường hợp sử dụng chỉnh lưu PWM, góc điều khiển nằm /2 chỉnh lưu PWM làm việc chế độ chỉnh lưu, góc điều khiển nằm /2 đến chỉnh lưu PWM làm việc chế độ nghịch lưu lượng từ phía tải chuyển lưới xoay chiều Các biến tần gọi biến tần bốn góc phần tư Được hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Đoàn Quang Vinh – PGĐ Đại học Đà Nẵng, Tôi tiến hành nghiên cứu đề tài luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu hệ thống truyền động điện động đồng góc phần tƣ sử dụng chỉnh lƣu PWM nghịch lƣu đa mức với C.M cực tiểu” Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu: - Hệ thống truyền động điện động đồng góc phần tư sử dụng chỉnh lưu PWM nghịch lưu đa mức với C.M cực tiểu + Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu hệ truyền động động điện đồng pha phương thức điều chế PWM Phƣơng pháp nghiên cứu - Xây dựng hệ thống biến tần góc phần tư sử dụng Chỉnh lưu PWM nghịch lưu đa bậc với C.M cực tiểu – Động đồng - Nghiên cứu lý thuyết chỉnh lưu đa mức, nghịch lưu đa mức động đồng pha - Xây dựng mô hình toán học hệ thống - Dựa mô hình toán học đưa phương pháp điều chế - Mô phần mềm matlab Simulink, plecs, psim để kiểm nghiệm Bố cục đề tài Với đề tài “Nghiên cứu hệ thống truyền động điện động đồng góc phần tƣ sử dụng chỉnh lƣu PWM nghịch lƣu đa mức với C.M cực tiểu” Nội dung: trình bày chương: - Chương 1:Tổng quan 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 cấu trúc hệ truyền động biến tần 4Q - động đồng - Để hoàn thành luận văn này, Em đã nghiên cứu hướng dẫn bảo tận tình Thầy giáo PGS.TS Đoàn Quang Vinh giúp đỡ gia đình, đồng nghiệp, Thầy cô giáo môn Tự động hóa Trường đại học Bách khoa Đà Nẵng - Em xin chân Thành cảm ơn Thầy giáo Đoàn Quang Vinh thầy cô giáo môn Tự động hóa Đại học bách khoa Đà Nẵng CHƢƠNG 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 đồng (1.1) 1.1.3 Hệ thống điều tốc biến tần – động 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 dùng khâu biến đổi biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp tần số điều chỉnh Do trình biến đổi qua khâu trung gian nên gọi 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 biến đổi xung điện áp Bộ biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu PWM - Bộ nghịch lưu thực đồng thời điều tần điều áp, không liên quan đến tham số linh kiện khâu trung gian chiều, làm tăng độ tác động nhanh trạng thái động hệ thống; 1.3 BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƢ 1.3.1 Các tồn biến tần thông thƣờng 1.3.2 Biến tần bốn góc phần tƣ CHƢƠNG 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 CLPWM NL 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 ia + ib + ic = (2.1) 2.3.1 Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM 2.3.2 Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM hệ tọa độ pha 2.3.3 Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM hệ tọa độ cố định 2.3.4 Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM 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 điện áp chiều Udcmin > Ud0 = 2,34Ufa (2.13) 2.4.2 Giới hạn giá trị điện áp điện cảm Điều kiện điện áp chiều cực tiểu √ [ ( ) ] (2.16) √ (2.17) 2.5 ƢỚC LƢỢNG CÁC ĐẠI LƢỢNG VECTOR CƠ BẢN 2.5.1 Ƣớc lƣợng vector điện áp đầu vào | | [ Giá trị góc tọa độ , ]| | (2.19) điện áp √ (2.20) √ } 2.5.2 Ƣớc lƣợng vector từ thông ảo ∫( ) ∫( ) } (2.21) Trong đó: √ √ ( ( ( ) )) } (2.22) 2.6 PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƢU PWM ình 2.14 Hệ truyền động động xoay chiều - biến tần dùng chỉnh lưu PWM với 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 Khi chọn trục d trùng với vector điện áp lưới ̅ , ULd = UL, ULq = Phương trình 2.9 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 L L } tính theo 2.21 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 UL tính theo (2.19) | | [ ]| | (2.28) 2.8.2 Ƣớc lƣợng công suất theo vector từ thông ảo 2.8.3 Đặc điểm điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh lƣu PWM DPC có đặc điểm riêng, áp dụng cách máy móc điều khiển DTC cho DPC Cụ thể: Tần số điện áp nguồn không đổi khác với DTC biến thiên dải rộng Giá trị tức thời công 10 Trên bảng 2.2, ký hiệu ( ) tăng, ( ) giảm, ( ( ) tăng lớn ) giảm lớn Ta thấy tăng giảm lớn q p xảy vector Kết luận: Chỉnh lưu PWM đáp ứng yêu cầu trao đổi công suất hai chiều lưới điện xoay chiều phía chiều đầu chỉnh lưu Ngoài sử dụng chỉnh lưu PWM cho phép giảm đáng kể sóng hài bậc cao dòng điện lưới, tăng hiệu suất, có khả điều chỉnh hệ số công suất 2.9 MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA CHỈNH LƢU PWM 2.9.1 Xây dựng chƣơng trình mô chỉnh lƣu PWM Hình 2.25 Sơ đồ mô khối điều khiển chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC 11 Hình 2.28 Chi tiết khối “PLECS circuit” mô hình 2.25 2.9.2 Các kết mô chỉnh lƣu PWM Udc(V) t(s) Hình 2.29 Điện áp chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC ua(V), ia(A) t( Hình 2.30 Điện áp dòng điện pha A chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC CHƢƠNG 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 lượng từ nguồn điện chiều không đổi sang dạng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều 12 3.2 CẤU HÌNH CỦA BỘ NGHỊCH LƢU ÁP HAI BẬC Uan + Ubn + Ucn = (3.1) (3.3) Vì vậy, điện áp pha tải điện áp dây tính: ; ; (3.4) Uab = Ua0 – Ub0 ; Ubc = Ub0 – Uc0 ; Uca = Uc0 – Ua0 (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 nhánh tạo thành 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/Hbridge Inverter: DCH Inverter) 3.3.4 Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi (Flying Capacitor Inverter) 3.3.5 Nhận xét dạng sơ đồ nghịch lƣu đa bậc Trong dạng sơ đồ vừa nêu sơ đồ có ưu nhược riêng thông dụng hai dạng: NPC Cascade Vì nhược điểm sơ đồ phối hợp NPC Cascade phức tạp phương thức điều khiển sơ đồ dạng dùng tụ thay đổi lại khó thực nhóm tụ mạch nạp với mức điện áp khác mạch làm việc với số bậc lớn 13 3.4 CÁC TRẠNG THÁI ĐÓNG NGẮT 3.4.1 Tổng quan  uN0 uao ubo uco (3.8) 3.4.2 Trạng thái đóng ngắt nghịch lƣu áp ba bậc Xét pha A nghịch lưu áp ba bậc dạng diode kẹp Với x = a, b, c : Hình 3.10 Pha A nghịch lưu ba bậc Bảng 3.2 Trạng thái đóng ngắt nghịch lưu NPC bậc Vout = Vxo Sx1 Sx2 S’x1 S’x2 Udc/2 1 0 0 1 -Udc/2 0 1 3.4.3 Trạng thái đóng ngắt cho nghịch lƣu áp năm bậc Ta thấy có năm mức điện áp tương ứng với trạng thái đóng ngắt cho pha Vậy có năm trang thái đóng ngắt đóng ngắt 14 linh kiện cho mõi pha, có 53 = 125 trạng thái đóng ngắt cho ba pha 3.4.4 Nhận xét Bộ nghịch lưu ngày sử dụng rộng rãi 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 phƣơng án 3.5.2 Triệt bỏ hoàn toàn điện áp common mode “Có thể triệt bỏ hoàn toàn điện áp C.M, phương thức triệt giảm C.M tối ưu” Điều dẫn đến điện áp C.M: ( ) [( ) ( ) ( )] (3.12) 3.5.3 Triệt bỏ phần điện áp common mode 3.5.4 Hệ thống chỉnh lƣu cầu – nghịch lƣu NPC Động 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 mô 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 SVPWM 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 hệ truyền động 3.7.3 Mô 3.7.4 Kết mô Hình 3.27 Điện áp sin điều khiển ba pha V rx12 Hình 3.28 Dòng tải pha xác lập Hình 3.29 Điện áp pha A – Tâm nguồn DC 17 Hình 3.30 Sóng offset sóng điều chế pha A Hình 3.31 Giá trị Common Mode 80V đỉnh với tần suất thấp 3.7.5 Kết luận Điện áp C.M giảm từ 90 volt (Vmax) xuống 80 volt (Vmax) với mật độ xuất xung áp phương thức tính toán đơn giản hơn: 18 CHƢƠNG 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 đồng kích từ dây quấn Mômen trục d, q động đồng phương trình chuyển động là: ( ) (4.7) 4.1.2 Mô tả toán học động đồng kích từ NCVC Ta có phương trình điện áp: ́ ̂ (4.8) ́ ̂ (4.9) ) (4.10) Phương trình mô men * +( 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 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 19 CLPWM N ~ 𝑃ℎ𝑎 L ĐB C U SCLa,b,c Điều khiển chỉnh lưu PWM ĐKCL SNLa,b,c Điều khiển nghịch lưu ĐKNL Hình 4.5 Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - ĐB 4.2.3 Cấu trúc điều khiển nghịch lƣu 4.3 MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN 4Q – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ PHA 4.3.1 Xây dựng sơ đồ mô hệ truyền động phần mềm Matlab Hình 4.9 Sơ đồ mô hệ biến tần 4Q - Động đồng ba pha kích từ nam châm vĩnh cửu (PMSM) điều khiển theo VOC – DTC 20 Hình 4.13 Khai triển chi tiết khối PLECS circuit mô hình Mô hình 4.9, hình 4.10 4.3.2 Kết mô hệ thống a Trường hợp động làm việc với mô men tải phản kháng 𝜔(𝑟𝑎𝑑 𝑠) 𝑡(𝑠) Hình 4.20 Tốc độ động khởi động có tải, điều chỉnh giảm tốc độ với tải phản kháng số 21 𝑀 Mc(Nm ) 𝑡(𝑠) Hình 4.21 Mô men động khởi động, làm việc ổn định điều chỉnh giảm tốc với tải phản kháng Mc = 5Nm = const 𝜔(𝑟𝑎𝑑 𝑠) 𝑡(𝑠) Hình 4.24 Tốc độ động động làm việc ổn định với tải 22 b.Trường hợp động làm việc với mô men tải uA(V) t(s) Hình 4.25 Điện áp dòng điện đầu vào chỉnh lưu PWM giai đoạn khởi động vào làm việc ổn định với tải M(Nm) t(s) Hình 4.26 Mô men động khởi động, làm việc ổn định điều chỉnh giảm tốc với tải phản kháng Mc = 5Nm = const 4.4 KẾT LUẬN 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Việc sử dụng chỉnh lưu tích cực PWM làm khối chỉnh lưu biến tần cho phép biến tần hệ truyền động động xoay chiều ứng dụng loại biến tần đạt nhiều tính ưu việt mà biến tần thông thường khác không có: - Giảm đến mức thấp sóng hài bậc cao dòng điện lưới - Có khả tạo hệ số công suất lưới điện theo yêu cầu - Có khả điều chỉnh ổn định tốt điện áp phần chiều, giảm bớt ảnh hưởng dao động điện áp lưới điện đến biến tần - Động làm việc chế độ, đặc biệt chế độ hãm tái sinh kể chế độ ổn định độ, cho phép áp dụng hệ truyền động biến tần 4Q - động xoay chiều với nhiều loại tải khác nhau, tiết kiệm lượng nhiều trường hợp KIẾN NGHỊ - Tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện để áp dụng vào thực tế - Nghiên cứu tìm thêm ứng dụng khác chỉnh lưu PWM - Tiếp tục nghiên cứu biến tần 4Q với chỉnh lưu bậc nghịch lưu bậc có xử lý điện áp C.M cực tiểu ... tần g c phần tư sử dụng Chỉnh lưu PWM nghịch lưu đa b c với C. M c c tiểu – Động đồng - Nghiên c u lý thuyết chỉnh lưu đa m c, nghịch lưu đa m c động đồng pha - Xây dựng m hình toán h c hệ thống. .. động điện động đồng g c phần tƣ sử dụng chỉnh lƣu PWM nghịch lƣu đa m c với C. M c c tiểu Đối tƣợng ph m vi nghiên c u + Đối tư ng nghiên c u: - Hệ thống truyền động điện động đồng g c phần tư. .. tư sử dụng chỉnh lưu PWM nghịch lưu đa m c với C. M c c tiểu + Ph m vi nghiên c u: - Nghiên c u hệ truyền động động điện đồng pha phương th c điều chế PWM Phƣơng pháp nghiên c u - Xây dựng hệ thống