Luận văn: NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU SỬ DỤNG BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ

Chia sẻ: Orchid_1 Orchid_1 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:109

Thêm vào BST

Báo xấu

335
lượt xem 117
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 phƣơng pháp thay đổi tần số nguồn cấp cho mạch stator có nhiều ƣu điểm so với hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU SỬ DỤNG BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU SỬ DỤNG BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 605260 Học viên: BÙI THỊ THANH HUYỀN Người hướng dẫn khoa học : TS.TRẦN XUÂN MINH DUYỆT BAN GIÁM KHOA ĐT NGƯỜI HƯỚNG HỌC VIÊN HIỆU SAU ĐẠI HỌC DẪN Ts. Trần Xuân Minh Bùi Thị Thanh Huyền THÁI NGUYÊN - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2 LỜI CAM ĐOAN Tôi là Bùi Thị Thanh Huyền, học viên lớp cao học K10 Tự Động Hoá niên khoá 2007-2009 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 sĩ. Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: "Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần  động cơ xoay chiều sử dụng biến tần 4 góc phần tư". Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Tác giả luận văn Bùi Thị Thanh Huyền Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3 MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ ……………………………………………………………. ........ 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, đồ thị …………………………………………… ......... 7 MỞ ĐẦU………………………………………………………………… ......... 11 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU ………………… ....... 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 ……… . .......... 15 1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều ……………….......... 15 1.2. Sơ lƣợc về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất …… . .......... 16 1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ………………….. ........ 16 1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp ………………………………………….. ........ 19 1.3. Biến tần bốn góc phần tƣ ………………………………………….......... 25 1.3.1. Các tồn tại của các bộ biến tần thông thƣờng ………………… ........ 25 1.3.2. Biến tần bốn góc phần tƣ (biến tần 4Q) ………………………. ........ 27 CHƢƠNG 2 - NGHIÊN CỨU CHỈNH LƢU TÍCH CỰC PWM PHỤC VỤ CHO BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƢ……………… ............. 29 2.1. Đặt vấn đề ………………………………………............................ ........ 29 2.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến tần nguồn áp bốn góc phần tƣ dùng chỉnh lƣu PWM ………………………………………. ..................... 30 2.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM …………………………………. .......... 33 2.3.1. Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM ……………………… ........ 34 2.3.2. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ 3 pha ……… .......... 35 2.3.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ cố định  -  . ......... 36 2.3.4. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trên hệ tọa độ quay d – q …… ........ 37 2.3.5. Tính toán công suất chỉnh lƣu PWM …………………………. ........ 38 2.4. Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lƣu PWM ……………….. ......... 39 2.4.1. Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều ……………………. ........... 39 2.4.2. Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm ………………………. ........... 39 2.5. Ƣớc lƣợng các đại lƣợng vector cơ bản ………………………….. ........ 41 2.5.1. Ƣớc lƣợng vector điện áp đầu vào ……………………………. ........ 41 2.5.2. Ƣớc lƣợng vector từ thông ảo ………………………………… ........ 42 2.6. Phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM …………………. ................... 46 2.7. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp..................................................................................................... ............. 47 2.7.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
4 dựa vào dòng điện (VOC) …………………………… ................... 47 2.7.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC ……………. ......... 49 2.8. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp trực tiếp c ông suất DPC …………………………………………………… ................ 50 2.8.1. Ƣớc lƣợng công suất theo vector điện áp …………………….. ......... 52 2.8.2. Ƣớc lƣợng công suất theo vector từ thông ảo ………………… ........ 53 2.8.3. Đặc điểm cơ bản của điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh lƣu PWM ………………………………………………. ................. 54 2.8.4. Bộ điều khiển công suất ………………………………………. ........ 55 2.8.5. Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt .................................... 57 2.8.6. Tổ hợp vector điện áp ………………………………………… ......... 58 CHƢƠNG 3 - NGHỊCH LƢU ĐIỀU KHIỂN VECTOR VÀ CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4 Q - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ………....................................................... 60 3.1. Mô hình toán học trạng thái động của động cơ không đồng bộ ba 60 pha................................................................................................ ...................... 3.1.1. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha ……………………… 60 3.1.2. Phép biến đổi tọa độ và ma trận chuyển đổi ………………….. ........ 69 3.1.3. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay 2 pha bất kỳ ………………………………………………………... .................. 81 3.1.4. Mô hình toán học động cơ điện không đồng bộ trên hệ tọa độ cố định 2 pha …………………… 82 3.1.5. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha …………………… 83 3.1.6. Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ theo định hƣớng từ trƣờng trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha (hệ tọa độ MT) ....................... 83 3.2. Biến tần gián tiếp với nghịch lƣu điều khiển vector ……………. ........... 85 3.2.1. Mô hình động cơ một chiều tƣơng đƣơng của động cơ không đồng bộ............................................................................................................. 86 3.2.2. Ý tƣởng về cấu trúc hệ thống điều khiển vector ……………… ........ 87 3.2.3. Phƣơng trình cơ bản điều khiển vector ……………………….. ........ 88 3.2.4. Mô hình quan sát từ thông rotor ……………………………. ........... 89 3.3. Mô Hệ truyền động biến tần 4Q - ĐK ……………………………. ......... 91 3.3.1. Sơ đồ khối của hệ truyền động biến tần 4Q – ĐK.............................. 91 3.3.2. Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực của hệ biến tần 4Q - ĐK …. ............ 91 3.3.3. Khối điều khiển chỉnh lƣu PWM …………………………….. ........ 92 3.3.4. Khối điều khiển nghịch lƣu áp dụng nguyên lý điều khiển vector ..... 94 CHƢƠNG 4 - MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4Q - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA..................... ............... 97 4.1. Mô phỏng đặc tính làm việc của chỉnh lƣu PWM……………….. .......... 97 4.1.1. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng chỉnh lƣu PWM …………........... 97 4.1.2. Các kết quả mô phỏng chỉnh lƣu PWM ……………………… ......... 99 4.2. Mô phỏng hệ truyền động Biến tần 4Q-động cơ không đồng bộ ba pha .. 100 4.2.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ truyền động trong phần mềm Matlab .. 100 4.2.2. Kết quả mô phỏng ……………………………………………. ......... 103 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
5 Kết luận và kiến nghị ................................................................... ...................... 107 Tài liệu tham khảo ..................................................................................... ......... 108 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT  Góc pha của vector chuẩn  Góc lệch giữa trục cuộn dây rotor và stator pha A  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, góc lệch giữa trục M và trục    Tần số góc của điện áp xoay chiều ba pha cấp cho động cơ l Tần số góc điện áp lƣới điện cấp cho bộ chỉnh lƣu 1 Tốc độ góc của từ thông stator so với stator 2 Tốc độ góc của từ thông rotor so với rotor A Từ thông stator pha A B Từ thông stator pha B C Từ thông stator pha C a Từ thông rotor pha A b Từ thông rotor pha B c Từ thông rotor pha C M2 Thành phần trục M (d) của vector từ thông rotor T2 Thành phần trục T (q) của vector từ thông rotor M1 Thành phần trục M (d) của vector từ thông stator T2 Thành phần trục T (q) của vector từ thông stator 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 Tụ điện C ĐK Động cơ không đồng bộ ba pha Điều khiển trực tiếp công suất (viết tắt của Direct Power Control) DPC Tần số f Điều khiển tựa từ trƣờng (viết tắt của Field Oriented Control) FOC Giá trị dòng điện tức thời i(t), i Dòng ba pha A, B, C cuộn dây stator iA, iB, iC Dòng ba pha a, b, c cuộn dây rotor ia, ib, ic Giá trị dòng điện một chiều idc Vector dòng điện lƣới IL Dòng ba pha A, B, C của lƣới điện xoay chiều phần chỉnh lƣu PWM iLa,b,c Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
6 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 - iL Thành phần trục d của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ d-q iLd Thành phần trục d của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ d-q iLq Thành phần trục M (d) của vector dòng stator động cơ iM1 Thành phần trục q của vector dòng stator động cơ iT1 Giá trị hiệu dụng của dòng điện một pha động cơ I Đơn vị ảo j J Mô men quán tính Giá trị điện cảm; hỗ cảm cực đại cuộn dây stator động cơ Lm1 Điện cảm tản cuộn dây stator và rotor Lt1, Lt2 Mô men, mô men động cơ M Mô men cản tác động lên trục động cơ (mô men tải) Mc Mô men điện từ động cơ Mđt Mô men định mức Mđm Mô men cực đại Mmax Số đôi cực từ của động cơ np Công suất tác dụng P Công suất tác dụng tức thời p(t), p Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse Width Modulation) PWM Công suất phản kháng tức thời q(t), q Công suất phản kháng Q Điện trở R Toán tử Laplace s Công suất biểu kiến S Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi Sa,Sb,Sc Giá trị thời gian tức thời t Chu kỳ T Vector điện áp đặt vào động cơ U Sóng hài bậc nhất điện áp đầu ra khối nghịch lƣu của biến tần U1 Thành phần trục M của vector điện áp đặt vào động cơ trên hệ trục toạ độ uM1 M- T Thành phần trục T của vector điện áp đặt vào động cơ trên hệ trục toạ độ uT1 M- T Vector điện áp lƣới UL Thành phần trục  của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ  -  uL Thành phần trục  của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ  -  uL Thành phần trục d của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ d - q uLd Thành phần trục q của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ d - q uLq Vector điện áp vào bộ chỉnh lƣu PWM Us Thành phần trục  của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục us  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
7 toạ độ  -  Thành phần trục  của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục us toạ độ  -  Thành phần trục d của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục usd toạ độ d - q Thành phần trục q của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục usq toạ độ d - q Điện áp một chiều Udc Điện nguồn ba pha cấp cho động cơ Va, b, c Điều khiển định hƣớng từ thông ảo (viết tắt của Virtual Flux Oriented VFOC Control) Điều khiển tựa theo điện áp lƣới (viết tắt của Voltage Oriented Control) VOC Năng lƣợng, năng lƣợng điện từ W, Wđt Bốn góc phần tƣ (viết tắt của Four (4) Quater) 4Q DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng B.2.1: Bảng đóng cắt cho DPC với bộ điều khiển hai mức, 12 vùng vector ……………………………………………………………………………….. 57 Bảng B.2.2 : Sự tăng giảm p, q theo U………………………………………….... 58 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) …………. .......... 17 Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp ……………………………. ........ 17 Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều hình sin….………………………………………………………….. .................. 18 Hình 1.4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của các khâu trong biến tần trực tiếp………………………………….. ..................... 18 Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp…………………………………………. ......... 20 Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều……………. ........ 21 Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector…………………………………. .............. 24 Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao ( là chỉ số sóng hài)…. ........ 25 Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều……… ........ 26 Hình 1.10: Sử dụng thêm bộ nghịch lưu mắc song song ngược với bộ chỉnh lưu để trả năng lượng về lưới điện xoay chiều………………… ................. 26 Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM………… ......... 30 Hình 2.2a. Sơ đồ thay thế một pha bộ chỉnh lưu tích cực PWM………….. ......... 31 Hình 2.2 b. Đồ thị vector tổng quát của bộ chỉnh lưu…………………….. .......... 31 Hình 2.2 c. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng 1.. ........ 31 Hình 2.2 d. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng -1 (nghịch lưu)……………………………………………………………….. ........ . 31 Hình 2.3a: Đồ thị 6 vector điện áp cơ bản khi điều khiển sự chuyển mạch các khoá bán dẫn Sa, Sb, Sc ………………………………………. ........................ 32 Hình 2.3b: Các trạng thái chuyển mạch của chỉnh lưu PWM……………. ......... 33 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
8 Hình 2.4: Đồ thị vector điện áp, dòng điện chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ -  và d-q……………………………………………………………..................... 34 Hình 2.5: Cấu trúc mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ ba pha………………………………………………………………………….. ........ 35 Hình 2.6: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ - …………. ........ 37 Hình 2.7: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ d-q…………. ......... 38 Hình 2.8: Đồ thị vector điện áp chỉnh lưu PWM …………………………... ......... 39 Hình 2.9a: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM……………….. ........ 40 Hình 2.9b: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM………………. ......... 41 Hình 2.10: Mô hình động cơ ảo và đồ thị véc tơ từ thông ảo với chỉnh lưu PWM…………………………………………………………………… .............. 43 Hình 2.11: Quan hệ giữa điện áp và từ thông ảo với dòng công suất của chỉnh lưu PWM …………………………………………………………… ........ 44 Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc nhận dạng véc tơ từ thông ảo………………….. ........ 45 Hình 2.13: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM…………………. ........ 46 Hình 2.14: Hệ truyền động động cơ xoay chiều - biến tần dùng chỉnh lưu 47 PWM với các phương pháp điều khiển ………………………………… ....... Hình 2.15: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC ………………. 48 Hình 2.16: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC………………………………………………………………………… 49 Hình 2.17: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC………………………………………………………………………. ......... 50 Hình 2.18: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo DPC……………….. ........ 51 Hình 2.19: Khâu ước lượng công suất và điện áp ………………………….. ........ 52 Hình 2.20: Khâu ước lượng p, q theo vector  L ……………………………. ....... 53 Hình 2.21: Sự biến thiên giá trị công suất tức thời ………………………… ........ 55 Hình 2.22: Bộ điều khiển công suất …………………………………………. ......... 56 Hình 2.23: Phân vùng vector cho phương pháp điều khiển DPC………… ....... 57 Hình 2.24: Biến đổi vector điện áp…………………………………………… ......... 59 Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển nhiều biến của động cơ không đồng bộ .... 61 Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điều tốc biến tần của động cơ không đồng bộ nhiều biến …………………………………………… ............ 61 Hình 3.3: Mô hình vật lý động cơ không đồng bộ 3 pha …………………. ......... . 62 Hình 3.4: Mô hình vật lý động cơ điện một chiều hai cực: F- cuộn dây kích từ, A - cuộn dây rotor, C- cuộn dây bù ………………………… ................ . 69 Hình 3.5: Mô hình vật lý các cuộn dây động cơ điện xoay chiều, mô hình tương đương và mô hình động cơ điện một chiều……………………. ....... . 71 Hình 3.6: Vị trí vector không gian của hệ toạ độ 3 pha và 2 pha cùng với sức từ động cuộn dây ………………………………………………. .................... . 74 Hình 3.7: Hệ toạ độ cố định và hệ toạ độ quay 2 pha và vector không gian sức từ động …………………………………………………………. ................ 78 Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc biến đổi tọa độ động cơ không đồng bộ: 3/2) Biến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
9 đổi 3 pha/2 pha; VR) Biến đổi quay đồng bộ; ) Góc giữa trục M và trục  (trục A)………………………………………………… ........................ 86 Hình 3.9: Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vector …………………... ........ 87 Hình 3.10: Mô hình quan sát từ thông trên hệ toạ độ quay hai pha theo định hướng từ trường …………………………………………………….. ............... 90 Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - ĐK…………… .......... 91 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý phần lực hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM - động cơ không đồng bộ ba pha……. .................... 92 Hình 3.13: Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC………….......... 93 Hình 3.14: Cấu trúc nghịch lưu điều khiển vector định hướng từ thông rotor……………………………………………………………………….. .......... 96 Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC ……………………… 98 Hình 4.2: Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp VOC(khối “Subsytrem”) của mô hình hình 4.1 ........... ....... 98 Hình 4.3: Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình hình 4.1 ............... ......... 99 Hình 4.4: Điện áp một chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC .. ......... 99 Hình 4.5: Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC ........................................................................................... ................ 99 Hình 4.6: Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC trong thời gian 5 chu kỳ nguồn ......................................... ............... 100 Hình 4.7: Dòng một chiều sau chỉnh lưu của PWM điều khiển theo VOC trong thời gian 1/6 chu kỳ nguồn ...................................................... ........ 100 Hình 4.8: Cấu trúc điều khiển vector trong vùng tần số f = fđm ................. ........ 101 Hình 4.9: Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động điện biến tần 4Q-động cơ không đồng bộ ba pha ....................................................................... ................... 102 Hình 4.10: Sơ đồ mô phỏng chi tiết phần điều khiển nghịch lưu theo FOC (khối “INVERTER” trên mô hình hình 4.9 .............................. ................. 102 Hình 4.11: Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình hình 4.9 ............. ......... 103 Hình 4.12: Tốc độ góc động cơ khi khởi động và điều chỉnh tải để chuyển chế độ làm việc, với giá trị đặt tốc độ là 100 rad/s…………. .......................... 104 Hình 4.13: Sự điều chỉnh mô men tải của động cơ khi khởi động và khi chuyển động cơ sang trạng thái hãm tái sinh ở chế độ tốc độ ổn định (tại t=1s)…………………………………………………………….. ....................... 104 Hình 4.14: Điện áp và dòng điện lưới pha A cấp cho chỉnh lưu PWM trước và sau thời điểm điều chỉnh mô men tải (tại t=1s) để chuyển chế độ làm việc của động cơ từ trạng thái động cơ sang hãm tái sinh………………………………………………………………………. ............ 105 Hình 4.15: Tốc độ góc động cơ khi khởi động và điều chỉnh giảm tốc từ 100 105 rad/s xuống 80 rad/s ……………………………………..…………................ Hình 4.16: Điện áp và dòng điện lưới pha A cấp cho chỉnh lưu PWM trước và sau thời điểm điều chỉnh giảm tốc từ 100 rad/s xuống 80 rad/s (tại t=1s) 106 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
11 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong công nghiệp rất nhiều máy sản xuất yêu cầu phải điều chỉnh tốc độ động cơ truyền động với phạm vi rộng và chất lượng điều chỉnh tốt. Với sự ra đời và phát triển của hệ truyền độ ng điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp thay đổi tần số nguồn cấp cho mạch stator nhờ các bộ biến tần đã giải quyết được rất nhiều vấn đề mà thực tế sản xuất yêu cầu. Tuy nhiên các bộ biến tần hiện nay còn tồn tại một số nhược điểm là ảnh hưởng khá nhiều đến lưới điện công nghiệp, đặc biệt khi công suất hệ truyền động lớn, phần lớn các hệ truyền động bộ biến tần-động cơ xoay chiều chưa cho phép động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh. Việc xây dựng một bộ biến tần khắc phục được các tồn tại đã nêu là một yêu cầu kỹ thuật cấp bách. 2. Mục đích nghiên cứu Đề tài có mục tiêu nghiên cứu: xây dựng hệ truyền động điện biến tần- động cơ xoay chiều cho phép động cơ có thể làm việc được ở cả bốn góc phần tư và cải thiện chất lượng dòng điện qua lưới 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Xây dựng cấu trúc phần chỉnh lưu và nghịch lưu của bộ biến tần gián tiếp. Xây dựng cấu trúc tổng thể một hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư (4Q)-động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha. Thực hiện các mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả phân tích, tính toán lý thuyết. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đây là đề tài nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực truyền động điện tự động. Đề tài xây dựng hệ thống truyền động điện động cơ xoay chiều có chất lượng cao hơn các hệ thống hiện có. 5. Kết cấu của luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
12 Luận án bao gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền động điện biến tần-động cơ xoay chiều. Chương 2: Nghiên cứu chỉnh lưu tích cực PWM phục vụ cho biến tần bốn góc phần tư. Chương 3: Nghịch lưu điều khiển vector và cấu trúc hệ truyền động điện biến tần 4Q - động cơ không đồng bộ ba pha. Chương 4: Mô phỏng hệ truyền động điện biến tần 4Q-động cơ không đồng bộ ba pha. Kết luận và kiến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
13 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 1.1. CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 1.1.1. Giới thiệu chung Các hệ thống truyền động điện đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, chúng đƣợc dùng để cung cấp động lực cho phần lớn các cơ cấu sản xuất. Trong thế kỷ XIX đã lần lƣợt xuất hiện truyền động điện động cơ một chiều và động cơ xoay chiều. Trong nhiều năm của thế kỷ XX, khoảng 80% các hệ thống truyền động điện không yêu cầu điều chỉnh tốc độ đều dùng động cơ xoay chiều, còn khoảng 20% truyền động điện có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ dùng động cơ một chiều. Điều này hầu nhƣ đã đƣợc thế giới coi nhƣ là một quy luật phân bổ hiển nhiên. Phƣơng án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù đã đƣợc phát minh và đƣa vào ứng dụng khá sớm, nhƣng chất lƣợng của nó lại khó bề sánh kịp với hệ thống truyền động điện một chiều. Mãi tận tới thập kỷ 70 của thế kỷ XX, khi thế giới bị cuốn hút vào nguy cơ khan hiếm dầu mỏ, các nƣớc công nghiệp tiên tiến mới tập trung vào việc nghiên cứu hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều hiệu suất cao, hy vọng coi đó là con đƣờng tiết kiệm nguồn năng lƣợng. Qua hơn 10 năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ 80 hƣớng nghiên cứu ấy đã đạt đƣợc thành tựu lớn, và đã đƣợc coi là bƣớc đột phá thần kỳ trong truyền động điện xoay chiều, và từ đó tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ngày một tăng lên. Trong các ngành công nghiệp đã có trào lƣu thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều. Động cơ điện xoay chiều có thể phân làm hai nhóm: động cơ xoay chiều không đồng bộ và động cơ xoay chiều đồng bộ. Trong động cơ xoay chiều không đồng bộ có động cơ rotor lòng xóc và động cơ rotor dây quấn. Trong động cơ xoay chiều đồng bộ có động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (thƣờng là loại cực ẩn) và động cơ kích từ bằng nam châm điện (cực lồi). Mỗi loại động cơ đều có những ƣu điểm và nhƣợc điể m nhất định và các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ cũng không hoàn toàn giống nhau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
14 1.1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ Động cơ xoay chiều không đồng bộ có kết cấu đơn giản, chắc chắn, làm việc tin cậy và giá thành rẻ nhất. Điều chỉnh tốc độ (điều tốc) động cơ không đồng bộ có rất nhiều phƣơng pháp, chẳng hạn nhƣ (1) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp giảm điện áp đặt vào cuộn dây stator động cơ; (2) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp dùng bộ ly hợp trƣợt điện từ; (3) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp dùng điện trở phụ nối tiếp với cuộn dây rotor đối với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn; (4) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây quấn; (5) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp thay đổi số đôi cực; (6) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp thay đổi tần số nhờ bộ biến đổi tần số (phƣơng pháp biến tần); v.v... Dựa vào cách xử lý công suất trƣợt trong máy điện, các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ đƣợc phân ra 3 loại là hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trƣợt, hệ thống điều tốc kiểu tái sinh và hệ thống điều tốc công suất trƣợt không thay đổi. Hiệu suất của 3 kiểu này đƣợc tăng lên theo thứ tự trên. 1) Hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trƣợt - toàn bộ công suất trƣợt chuyển thành nhiệt năng tiêu hao mất. Ba phƣơng pháp điều tốc (1), (2), (3) kể trên đều thuộc về loại này. Hiệu suất hệ thống điều tốc của các loại này là thấp nhất và chấp nhận tổn thất công suất để đổi lấy việc giảm tốc độ quay (lúc mômen phụ tải không đổi), tốc độ càng xuống thấp thì hiệu suất càng giảm, nhƣng cấu trúc của hệ thống này là đơn giản nhất, vì thế nó vẫn đƣợc dùng trong một số trƣờng hợp, ví dụ trong các hệ thống cầu trục. 2) Hệ thống điều tốc kiểu tái sinh - một bộ phận của công suất trƣợt bị tiêu hao đi, phần lớn còn lại nhờ có thiết bị chỉnh lƣu - nghịch lƣu đƣợc trả về lƣới điện xoay chiều hoặc chuyển hoá thành dạng cơ năng để dùng vào việc có ích khác, khi tốc độ quay càng thấp công suất thu hồi cũng càng nhiều, phƣơng pháp điều tốc thứ (4) đã kể trên là thuộc loại này. Hiệu suất của hệ thống điều tốc loại này rõ ràng là cao hơn loại hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trƣợt nhƣng phải thêm thiết bị chỉnh lƣu - nghịch lƣu nên lại phải tiêu hao một phần công suất. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
15 3) Hệ thống điều tốc công suất trƣợt không thay đổi - trong hệ thống này không tránh khỏi tiêu hao công suất trên dây dẫn rotor, nhƣng sự tiêu hao công suất trƣợt hầu nhƣ không phụ thuộc vào tốc độ cao hay thấp, vì thế hiệu suất khá cao. Phƣơng pháp điều tốc thay đổi số đôi cực và phƣơng pháp điều tốc biến tần thuộc loại này. Phƣơng pháp điều tốc thay đổi số đôi cực là phƣơng pháp điều chỉnh có cấp, phạm vi điều chỉnh hẹp, ít dùng. Phƣơng pháp điều tốc biến tần đƣợc ứng dụng rộng rãi nhất vì nó cho phép điều chỉnh trơn với phạm vi rộng, có khả năng xây dựng đƣợc các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có chất lƣợng cao, có thể thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều và do đó có tiền đồ phát triển hơn cả. Hệ thống điều tốc biến tần động cơ không đồng bộ có phạm vi ứng dụng rộng cả về lĩnh vực và công suất, từ công suất cực nhỏ đến công suất rất lớn (hàng MW). 1.1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ Động cơ đồng bộ, nhƣ đã giới thiệu, chủ yếu có 2 loại là động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu và kích từ bằng nam châm điện. Đối với động cơ điện đồng bộ chủ yếu dùng kiểu điều tốc biến tần. Động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu thƣờng có công suất nhỏ, đƣợc sử dụng trong các hệ thống chính xác, ví dụ nhƣ điều khiển các chuyển động của rô bốt. Động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm điện thƣờng đƣợc sản xuất với công suất lớn, công suất có thể đến hàng chục MW, đƣợc sử dụng trong các hệ thống truyền động nhƣ máy bơm, quạt gió, nén khí, truyền động cho lò trong công nghệ sản xuất xi măng,… 1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều Trong các hệ thống điều tốc biến tần cho cả 2 loại động cơ xoay chiều đồng bộ và không đồng bộ thì bộ biến tần là khâu quan trọng quyết định đến chất lƣợng của hệ thống truyền động. Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi công suất truyền động, vào hƣớng điều chỉnh mà có các loại biến tần và phƣơng pháp khống chế biến tần khác nhau. Trong thực tế các bộ biến tần đƣợc chia làm hai nhóm: các bộ biến tần là biến tần trực tiếp và các bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều. Trƣớc đây, các hệ truyền động dùng biến tần trực tiếp do chất lƣợng điện áp đầu ra thấp nên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
16 thƣờng dùng ở lĩnh vực công suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất đƣợc đặt lên hàng đầu. Ngày nay, với sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi điều khiển, phƣơng pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lƣợng điện áp ra cao, giảm ảnh hƣởng xấu đến lƣới điện nên phạm vi ứng dụng đang ngày càng đƣợc mở rộng. Đƣợc ứng dụng nhiều nhất hiện nay vẫn là các hệ điều tốc biến tần dùng bộ biến tần gián tiếp, các bộ biến tần loại này có thể khống chế theo các phƣơng pháp khác nhau: điều chế độ rộng xung (PWM); điều khiển vector; điều khiển trực tiếp mô men. Biến tần điều chế độ rộng xung (PWM) với việc điều khiển điện áp và tần số theo qui luật U1/1 = const dễ thực hiện nhất, đƣờng đặc tính cơ biến tần của nó về cơ bản là tịnh tiến lên xuống, độ cứng cũng khá tốt, có thể thoả mãn yêu cầu điều tốc thông thƣờng, nhƣng khi tốc độ giảm thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm tản cuộn dây ảnh hƣởng đáng kể đến mô men cực đại của động cơ, buộc phải tiến hành bù sụt điện áp cho mạch stator. Điều khiển Es/ 1 = const là mục tiêu thực hiện bù điện áp thông dụng với U1/ 1 = const, khi ở trạng thái ổn định có thể làm cho từ thông khe hở không khí không đổi ( m = const), từ đó cải thiện đƣợc chất lƣợng điều tốc ở trạng thái ổn định. Nhƣng đƣờng đặc tính của nó vẫn là phi tuyến, khả năng quá tải về mômen quay vẫn bị hạn chế. Hệ thống truyền động điều khiển Er/1 = const có thể nhận đƣợc đƣờng đặc tính cơ tuyến tính giống nhƣ ở động cơ một chiều kích thích từ độc lập, nhờ đó có thể thực hiện điều tốc với chất lƣợng cao. Dựa vào yêu cầu tổng từ thông của toàn mạch rotor rm= const để tiến hành điều khiển có thể nhận đƣợc Er/1 = const. Trong trạng thái ổn định và trạng thái động đều có thể duy trì Er/ 1 = const là mục đích của điều tốc biến tần điều khiển vec tơ, đƣơng nhiên hệ thống điều khiển của nó là khá phức tạp. Dựa trên kết quả từ 2 hạng mục nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hƣớng từ trƣờng động cơ không đồng bộ” do F. Blaschke của hãng Siemens Cộng hoà Liên bang Đức đƣa ra vào năm 1971, và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cơ cảm ứng” do P.C. Custman và A.A. Clark ở Mỹ công bố trong sáng chế phát minh của họ, qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành đƣợc hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay đã trở nên rất phổ biến. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
17 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) Cấu trúc của thiết bị biến AC AC Biến tần tần trực tiếp nhƣ trên hình 1.1. ~3 ~3 xoay chiều - Bộ biến đổi này chỉ dùng một U1, f1 U 2 , f2 xoay chiều khâu biến đổi là có thể biến đổi Hình 1.1: Thiết bị biến tần trực tiếp nguồn điện xoay chiều có điện (xoay chiều - xoay chiều) áp và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh đƣợc. Do quá trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên đƣợc gọi là bộ biến tần trực tiếp, còn đƣợc gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter). Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều đƣợc tạo bởi mạch điện mắc song song ngƣợc hai sơ đồ S ơ đồ Sơ đồ chỉnh chỉnh lƣu tiristor (hình 1.2). lƣu ngƣợc chỉnh lƣu  3 thuËn 3 Hai sơ đồ chỉnh lƣu thuận Tả i ngƣợc lần lƣợt đƣợc điều f1, U1 f 1 , U1 khiển làm việc theo chu kỳ nhất định. Trên phụ tải sẽ Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp nhận đƣợc điện áp ra xoay chiều ut. Biên độ của nó phụ thuộc vào góc điều khiển , còn tần số của nó phụ thuộc vào tần số khống chế quá trình chuyển đổi sự làm việc của hai sơ đồ chỉnh lƣu mắc song song ngƣợc. Nếu góc điều khiển  không thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra có giá trị không đổi trong mỗi nửa chu kỳ điện áp đầu ra. Muốn nhận đƣợc điện áp đầu ra có dạng gần hình sin hơn cần phải liên tục thay đổi góc điều khiển các van của mỗi sơ đồ chỉnh lƣu trong thời gian làm việc của nó (mỗi nửa chu kỳ điện áp ra); chẳng hạn ở nửa chu kỳ làm việc của sơ đồ thuận, thực hiện thay đổi góc điều khiển  từ /2 (ứng với điện áp trung bình bằng không) giảm dần tới 0 (ứng với điện áp trung bình là cực đại), sau đó lại tăng dần  từ 0 lên tới /2 thì điện áp trung bình đầu ra của sơ đồ chỉnh lƣu lại từ giá trị cực đại giảm về 0, tức là làm cho góc  thay đổi trong phạm vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
18 /2  0  /2, để điện áp biến đổi theo quy luật gần hình sin, nhƣ trên hình 2.3. Trong đó, tại điểm A có  = 0, điện áp chỉnh lƣu trung bình cực đại, sau đó tại các điểm B, C, D, E góc  tăng dần lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, cho đến điểm F với  = /2 điện áp trung bình là 0. Điện áp trung bình trong nửa chu kỳ là hình sin trong hình vẽ thể hiện bằng nét đứt. Sự điều khiển sơ đồ ngƣợc trong nửa chu kỳ âm điện áp ra cũng tƣơng tự nhƣ thế. Trên đây đã Điện áp đầu ra Điện áp trung bình đầu ra =0 =/2 =/2 =/2 phân tích đầu ra một pha biến tần xoay chiều - xoay chiều (trực tiếp), đối với phụ tải ba pha, hai pha khác cũng dùng Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay mạch điện đảo chiều chiều-xoay chiều hình sin mắc song song ngƣợc, điện áp trung bình đầu ra có góc pha lệch nhau 1200. Nhƣ vậy, nếu mỗi một sơ đồ chỉnh lƣu đều dùng loại sơ đồ cầu ba pha thì bộ biến tần ba pha sẽ cần tổng cộng tới 36 tiristor (mỗi nhánh cầu chỉ dùng một tiristor), nếu dùng loại sơ đồ tia ba pha, cũng phải dùng tới 18 tiristor. Vì u, i u vậy thiết bị biến tần trực tiếp tuy về mặt cấu trúc chỉ dùng i một khâu biến đổi, nhƣng số t lƣợng linh kiện lại tăng lên rất nhiều, kích thƣớc tổng tăng lên rất lớn. Do những Sơ đồ Sơ đồ chỉnh chỉnh thiết bị này đều tƣơng tự nhƣ ngƣợc ở thuận ở Sơ đồ chỉnh Sơ đồ chỉnh chế độ chế độ thiết bị của bộ biến đổi có thuận ở chế ngƣợc ở chế nghịch nghịch lƣu độ chỉnh lƣu độ chỉnh lƣu l-u đảo dòng thƣờng dùng trong Hình 1.4: Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các hệ thống điều tốc một chiều chế độ làm việc của các khâu trong biến tần trực tiếp có đảo chiều nên quá trình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
19 chuyển mạch chiều dòng điện đƣợc thực hiện giống nhƣ trong sơ đồ chỉnh lƣu có điều khiển (chuyển mạch tự nhiên), đối với các linh kiện không có các yêu cầu gì đặc biệt. Ngoài ra, từ hình 1.3 có thể thấy, khi điện áp đổi chiều đồ thị hình sin của điện áp nguồn cũng có thể biến đổi theo rất nhanh chóng, vì vậy tần số đầu ra lớn nhất cũng không vƣợt quá 1/3  1/2 tần số lƣới điện (tuỳ theo số pha chỉnh lƣu), nếu không, đồ thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hƣởng tới sự làm việc bình thƣờng của hệ thống điều tốc biến tần. Do số lƣợng linh kiện tăng lên nhiều, tần số đầu ra giảm xuống, phạm vi thay đổi tần số đầu ra của bộ biến tần hẹp (vì cũng bị gới hạn cả tần số thấp nhất) nên hệ điều tốc này ít đƣợc dùng, chỉ trong một số lĩnh vực công suất lớn và cần tốc độ làm việc thấp, chẳng hạn nhƣ máy cán thép, máy nghiền bi, lò xi măng, .... những loại máy này khi dùng động cơ tốc độ thấp đƣợc cấp điện bởi biến tần trực tiếp có thể loại bỏ đƣợc hộp giảm tốc rất cồng kềnh và thƣờng dùng tiristor mắc song song mới thoả mãn đƣợc yêu cầu công suất đầu ra. Bộ biến tần trực tiếp tuy có một số nhƣợc điểm là số lƣợng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi tần số không rộng, chất lƣợng điện áp ra thấp, nhƣng có ƣu điểm là hiệu suất cao hơn so với các bộ biến tần gián tiếp, điều này đặc biệt có ý nghĩa khi công suất hệ thống điều tốc cực lớn (các hệ thống dùng động cơ công suất đến 16.000 KW). Trên đồ thị dạng sóng (hình 1.4) ta thấy công suất tức thời của biến tần bao gồm có bốn giai đoạn. Trong hai khoảng ta có tích điện áp và dòng điện của biến tần dƣơng, biến tần lấy công suất từ lƣới cung cấp cho tải. Trong hai khoảng còn lại ta có tích giữa điện áp và dòng điện trong biến tần âm nên biến tần biến đổi cung cấp lại công suất cho lƣới. 1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp Bộ biến tần trực tiếp có ƣu điểm là có thể thiết kế với một công suất khá lớn ở đầu ra và hiệu suất cao, nhƣng có một số nhƣợc điểm sau: + Chỉ có tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp lƣới. + Khó điều khiển ở tần số cận không vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ khá lớn. + Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
20 + Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin. Chính vì những đặc điểm trên mà một loại biến tần khác đƣợc đƣa ra để nâng cao chất lƣợng hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều, đó là biến tần gián tiếp. Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục những nhƣợc điểm của bộ biến tần trực tiếp ở trên. Bộ biến tần gián tiếp có Chỉnh lƣu Lọc Nghịch lƣu khâu trung gian một chiều có thể f1,U1 + f2,U2  = có các cấu trúc khác nhau, cấu  C0 Ud = - trúc chung đƣợc mô tả nhƣ hình Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp 1.5. Về cơ bản có thể có ba khâu chính: Chỉnh lƣu, lọc và nghịch lƣu. Phụ thuộc vào việc điều chỉnh điện áp đầu ra mà có thể có ba dạng sau: Bộ biến tần dùng chỉnh lƣu có điều khiển, bộ biến tần dùng chỉnh lƣu không điều khiển nhƣng thêm bộ biến đổi xung áp một chiều, bộ biến tần dùng chỉnh lƣu không điều khiển với nghịch lƣu thực hiện điều chế độ rộng xung (PWM). A. Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển Bộ biến tần này có cấu trúc nhƣ trên hình 1.6a, điện áp xoay chiều lƣới điện đƣợc biến đổi thành điện áp một chiều có điều chỉnh nhờ chỉnh lƣu điều khiển tiristor, khâu lọc có thể là bộ lọc điện dung hoặc điện cảm phụ thuộc vào dạng nghịch lƣu yêu cầu, khối nghịch lƣu có thể sử dụng các tiristor hoặc transistor. Việc điều chỉnh giá trị điện áp ra U2 đƣợc thực hiện bằng việc điều khiển góc điều khiển bộ chỉnh lƣu, việc điều chỉnh tần số tiến hành bởi khâu nghịch lƣu, tuy nhiên quá trình điều khiển đƣợc phối hợp trên cùng một mạch điện điều khiển. Cấu trúc của bộ biến tần loại này đơn giản, dễ điều khiển nhƣng do khâu biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều (đầu vào) sử dụng chỉnh lƣu điều khiển tiristor nên khi đi ện áp ra thấp thì hệ số công suất giảm thấp; khâu biến đổi điện áp hoặc dòng điện một chiều thành xoay chiều (đầu ra) thƣờng dùng nghịch áp 3 pha bằng tiristor nên sóng hài bậc cao trong điện áp xoay chiều đầu ra thƣờng có biên độ khá lớn. Đây là nhƣợc điểm chủ yếu của loại bộ biến tần này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
21 3 Chỉnh lƣu 3 Lọc Nghịch lƣu điều khiển f1, U1 f2, U2 a Chỉnh lƣu Bộ biến 3 3 Lọc 1 Lọc 2 đổi xung Nghịch lƣu không f1, U1 f2, U2 điều khiển điện áp b Chỉnh lƣu 3 Nghịch lƣu 3 Lọc không f1, U1 PWM f2, U2 điều khiển c Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều a) Biến tần dùng chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor b) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp c) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế PWM B. Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp Bộ biến tần xoay gián tiếp dùng bộ chỉnh lƣu không điều khiển kết hợp với bộ biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh điện áp một chiều ở đầu vào khối nghịch lƣu đƣợc biểu diễn trên hình 1.6b. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn