Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu ứng dụng biến tần 4Q cho hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:111

Thêm vào BST

Báo xấu

43
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, lựa chọn một loại bộ biến đổi điển tử công suất điển hình kiểu biến tần 4Q để áp dụng cho hệ nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo máy phát điện sức gió và pin Mặt trời. Xây dựng mô hình hệ nguồn điện sức gió và pin Mặt trời.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu ứng dụng biến tần 4Q cho hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Trương Nhật Tiên NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN 4Q CHO HỆ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN 2014
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Trương Nhật Tiên NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BIẾN TẦN 4Q CHO HỆ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA PHÒNG ĐÀO TẠO NGƯỜI HƯỚNG DẪN TS. Ngô Đức Minh TRƯỞNG KHOA ĐIỆN THÁI NGUYÊN – 2014
i LỜI CAM ĐOAN Tôi là Trương Nhật Tiên, học viên lớp cao học Tự động hoá niên khoá 2011-2013, sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là Thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi, Thầy giáo TS. Ngô Đức Minh. Tôi đã hoàn thành chương trình học tập và đề tài tốt nghiệp là “Nghiên cứu ứng dụng biến tần 4Q cho hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo”. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo TS. Ngô Đức Minh và chỉ sử dụng các tài liệu đã được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày tháng 10 năm 2014 Học viên Trương Nhật Tiên
ii LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình hình năng lượng đang thay đổi - có một số lượng lớn các nguồn cung cấp năng lượng không phải là dạng truyền thống đang được thúc đẩy phát triển mạch mẽ không những riêng ở nước ta, mà trên phạm vi toàn cầu. Đó là các dạng nguồn phát điện theo công nghệ sạch. Ví dụ như: phong điện, điện mặt trời, V.V... Chúng có thể được khai thác dưới các loại hình mạng điện khác nhau: có thể là mạng điện cục bộ, mạng phân tán có kết nối với lưới quốc gia, mạng điện thông minh...Trước đây, những loại hình mạng điện này chưa được quan tâm khai thác và phát triển, lý do chính là đặc tính của các dạng nguồn này có tính chất mềm (siêu mềm), không ổn định. Tính kinh tế của hệ thống còn thấp, chất lượng điện năng cung cấp chưa đảm bảo. Ngày nay, đứng trước sự phát triển về mọi mặt của xã hội, các hoạt động sản xuất ngày càng phong phú, đời sống văn hóa tinh thần của con người ngày một nâng cao dẫn đến đòi hỏi các lưới điện vận hành phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng quy định (mang lại lợi ích cho phía người tiêu dùng), giảm nhỏ tối thiểu các tổn thất năng lượng trong mạng và nâng cao hiệu quả khai thác hệ thống (mạng lại lợi ích cho phía sản xuất và phân phối điện năng). Đặc biệt, trong bối cảnh thế giới đang khuyến khích phát triển các nguồn năng lượng sạch, các hệ nguồn phân tán, công suất nhỏ… luôn cần thiết sự kết hợp với các bộ biến đổi và kỹ thuật điều khiển hiện đại nhằm phát huy hết công năng của hệ nguồn. Xuất phát từ những phân tích trên tác giả mong muốn đóng góp một phần nghiên cứu của mình nhằm đảm bảo chất lượng hệ nguồn đồng thời nâng hiệu quả khai thác trong điều kiện làm việc thực tế có nhiều thay đổi. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích, lựa chọn một loại bộ biến đổi điển tử công suất điển hình kiểu biến tần 4 Q để áp dụng cho hệ nguồn
iii điện sử dụng năng lượng tái tạo máy phát điện sức gió và pin Mặt trời. Xây dựng mô hình hệ nguồn điện sưc gió và pin Mặt trời. Nội dung nghiên cứu được bố cục thành 3 chương: Chương 1: Tổng quan về biến tần 4Q Chương 2: Nghiên sử dụng năng lượng tái tạo: - Năng lượng gió - Năng lượng Mặt trời Chương 3: Mô hình hóa mô phỏng hệ thống Trong quá trình nghiên cứu để thực hiện luận văn, mặc dù gặp rất nhiều khó khăn về vấn đề chuyên môn. Nhờ sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Ngô Đức Minh đã giúp tôi hoàn hoàn thành luận văn với kết quả mong muốn đạt được. Tuy nhiên bản luận văn này cũng không thể tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót, tác giả kính mong nhận được sự góp ý và nhận xét của các thầy cô giáo và các bạn để được hoàn thiện hơn. Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới thầy hướng dẫn TS. Ngô Đức Minh cùng tập thể các thầy cô giáo Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này. Thái Nguyên, ngày tháng 10 năm 2014 Học viên Trương Nhật Tiên
MỤC LỤC Chương 1 ...................................................................................................... 1 TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ ...................................... 1 1.1. Giới thiệu chung ................................................................................ 1 1.2. Biến tần 4 góc phần tư ....................................................................... 6 1.2.1. Chỉnh lưu PWM............................................................................ 6 1.2.1.1. Cấu trúc mạch lực của chỉnh lưu PWM: ................................. 6 1.2.1.2. Nguyên lý hoạt động của chỉnh lưu PWM: ............................ 8 1.2.2. Các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi PWM ..................... 11 1.3. Giới thiệu những phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM ........ 12 1.4. Mô tả toán học và điều khiển chỉnh lưu PWM ............................. 14 1.4.1. Mô tả dòng điện và điện áp nguồn .............................................. 14 1.4.2. Mô tả điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM ........................................ 15 1.4.3. Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tự nhiên abc . 16 1.4.4. Mô toán học bộ chỉnh lưu PWM hệ toạ độ tĩnh α-β .................... 17 1.4.5. Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q ...... 18 1.4.6. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp DPC ............................... 21 1.4.7. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp VOC............................... 24 1.3. Kết luận chương 1............................................................................ 27 Chương 2 .................................................................................................... 28 NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO............................................... 28 2.1. Tổng quan về năng lượng và tái tạo ............................................... 28 2.2. Máy phát điện sức gió...................................................................... 29 2.2.1. Lịch sử phát triển của năng lượng gió ......................................... 29 2.2.2. Các loại turbine gió ..................................................................... 32 2.2.3. Tính toán công suất của gió ........................................................ 35 2.2.4. Máy phát điện turbine gió ........................................................... 39 2.2.4.1. Các máy phát đồng bộ .......................................................... 39 2.2.4.2. Máy phát không đồng bộ cảm ứng ....................................... 40
2.2.5. Công suất trung bình của gió ...................................................... 47 2.2.5.1. Biểu đồ gió gián đoạn .......................................................... 48 2.2.6. Các dự đoán đơn giản của năng lượng gió .................................. 52 2.2.6.1. Năng lượng hàng năng sử dụng hiệu suất turbine gió trung bình .................................................................................................. 53 2.2.6.2. Các cánh đồng gió ................................................................ 54 2.2.7. Một số cấu trúc điển hình hệ thống Wind Turbine ...................... 58 2.3. Pin lượng Mặt trời ........................................................................... 61 2.3.1. Năng lương Mặt trời ................................................................... 61 2.3.2. Mô hình nguồn điện pin Mặt trời ................................................ 63 2.3.2.1. Bộ biến đổi DC/DC .............................................................. 64 2.3.3. Vấn đề tích trữ năng lượng ......................................................... 72 2.3.4. Hoạt động của pin Mặt trời ......................................................... 75 2.3.5. Tìm điểm làm việc cực đại theo thuật toán P&O ......................... 80 2.4. Kết luận chương 2............................................................................ 86 Chương 3 ................................................................................................. 87 MÔ HÌNH HÓA MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ........................................ 87 3.1. Xây dựng cấu trúc hệ thống ............................................................ 87 3.2. Mô hình hóa mô phỏng hệ thống máy phát điện dị bộ nguồn kép [6Q].......................................................................................................... 89 3.2.1. Giới thiệu chung ......................................................................... 89 3.2.2. Mô hình hóa mô phỏng hệ DFIG ................................................ 91 3.3. Kết luận chương 3............................................................................ 98 KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................. 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................ 100
HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1. 1. Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng ............................ 1 Hình 1. 2. Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng ........................... 2 Hình 1. 3. Chế độ hoạt động của biến tần ở 4 góc phần tư .............................. 6 Hình 1. 4. Cấu trúc mạch chỉnh lưu PWM ...................................................... 7 Hình 1. 5. Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều. ............................... 8 Hình 1. 6. Đồ thị véc tơ các trạng thái làm việc của chỉnh lưu tích cực PWM 9 Hình 1. 7. Trạng thái chuyển mạch của bộ chỉnh lưu PWM.......................... 11 Hình 1. 8. Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM. ............................. 13 Hình 1. 9. Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lưu PWM. .................... 14 Hình 1. 10. Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tự nhiên ............ 17 Hình 1. 11. Mô hình bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ tĩnh α-β ................. 18 Hình 1. 12. Mô hình chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q. ................... 19 Hình 1.13. Đồ thị véctơ mô tả dòng công suất trong bộ biến đổi AC/DC hai chiều phụ thuộc vào hướng iL ............................................................... 20 Hình 1. 14. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển DPC. ........................... 21 Hình 1. 15. Biểu diễn các sector cho phương pháp điều khiển DPC ............. 22 Hình 1. 16. Sơ đồ khối ước lượng từ thông ảo với bộ lọc đầu vào ................ 23 Hình 1. 17. Sơ đồ khối ước lượng công suất tức thời dựa trên từ thông ảo ... 24 Hình 1. 18. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển VOC. .......................... 24 Hình 1. 19. Sơ đồ véc tơ VOC. Biến đổi dòng, áp lưới và điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu từ hệ trục toạ độ - sang hệ trục toạ độ d-q ......................... 25 Hình 2. 1. Biểu đồ phát triển điện gió đã lắp đặt tăng 25% mỗi năm 31 Hình 2. 2. Tổng dung lượng đã lắp đặt ở các quốc gia năm 2002 ................. 31 Hình 2. 3. Tổng dung lượng gió đã lắp đặt ở Mỹ năm 1999 và 2002 ............ 32 Hình 2. 4. Một số Turbine gió điển hình ....................................................... 33 Hình 2. 5. Công suất gió trên mỗi m2 diện tích mặt cắt ở 150 và 1 atm ......... 37
Hình 2. 6. Xấp xỉ diện tích của rotor Darrieus .............................................. 38 Hình 2. 7. Máy phát đồng bộ 3 pha............................................................... 40 Hình 2. 8. Cách đặt tên cho stator của máy phát điện cảm ............................ 41 Hình 2. 9. Mô hình máy phát điện cảm ứng .................................................. 42 Hình 2. 10. Rotor lồng sóc bao gồm các thanh dẫn dày nối các đầu với nhau được bao quanh nó một điện trường quay ............................................. 43 Hình 2. 11. Mô tả nguyên lý máy phát.......................................................... 44 Hình 2. 12. Đường cong mooomen-độ trượt cho motor cảm kháng .............. 45 Hình 2. 13. Máy phát cảm kháng từ kích từ. Các tục ngoài cộng hưởng với điện cảm stator tạo nên dao động ở 1 tần số riêng ................................. 47 Hình 2. 14. Một ví dụ về dữ liệu hiện trường và lịch sử dữ liệu gió theo giờ 50 Hình 2. 15. Tác động của khoảng cách tháp và kích thước ô của turbine gió 55 Hình 2. 16. Khoảng cách tối ưu của các tháp ................................................ 56 Hình 2. 17. Cấu trúc cơ bản của hệ thống turbine gió ................................... 58 Hình 2. 18. Hệ thống dùng máy phát cảm ứng (IG) không có điện tử công suất. ...................................................................................................... 59 Hình 2. 19. Hệ thống DFIG cùng với modul điện tử công suất ..................... 60 Hình 2. 20. Cấu hình đồng bộ điện tử công suất ........................................... 61 Hình 2. 21. Sự phát triển của năng lượng điện Mặt trời ................................ 62 Hình 2. 22. Mô hình khai thác năng lượng từ nguồn PV ............................... 63 Hình 2. 23. Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck.............................................. 65 Hình 2. 24. Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck ....................... 66 Hình 2. 25. Sơ đồ nguyên lý mạch Boost...................................................... 68 Hình 2. 26. Dạng sóng dòng điện của mạch Boost ....................................... 69 Hình 2. 27. Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost ......................................... 69 Hình 2. 28. Bộ biến đổi DC/AC 1 pha .......................................................... 71 Hình 2. 29. Mô hình một nửa biến tần 4Q dùng cho nguồn PV .................... 72
Hình 2. 30. Tổ hợp nguồn pin Mặt trời ......................................................... 75 Hình 2. 31. Hình vẽ và sơ đồ mạch điện thay thế một PV cell ...................... 76 Hình 2. 32. Đặc tính V-I của một PV cell ..................................................... 76 Hình 2. 33. Ghép nối tiếp PV cell ................................................................. 77 Hình 2. 34. Ghép song song PV cell ............................................................. 77 Hình 2. 35. Một Array pin Mặt trời .............................................................. 77 Hình 2. 36. Mô hình mạch điện nguồn PV Array ......................................... 78 Hình 2. 37. Đặc tính V-I và P-V với điểm MPP ........................................... 78 Hình 2. 38. Đặc tính V-I thay đổi theo mức chiếu xạ .................................... 79 Hình 2. 39. Đặc tính thực tế của PV Array ................................................... 79 Hình 2. 40. Đường đặc tính I-V khi thay đổi cường độ bức xạ và nhiệt độ ... 80 Hình 2. 41. Đặc tính P-V khi cường độ bức xạ và nhiệt độ thay đổi ............. 80 Hình 2. 42. Phương pháp tìm điểm làm việc cực đại P&O ........................... 83 Hình 2. 43. Lưu đồ thuật toán Phương pháp P&O ........................................ 84 Hình 3. 1. Sơ đồ máy phát điện xoay chiều 3 pha 87 Hình 3. 2. Mô hình DFIG với Biến tần 4 Q .................................................. 87 Hình 3. 3 Cấu trúc hệ thống nguồn điện pin Mặt trời và máy điện sức gió một chiều ..................................................................................................... 88 Hình 3. 4 Cấu trúc hệ thống nguồn pin Mặt trời ........................................... 88 Hình 3. 5. Phạm vi hoạt động của DFIG và dòng chảy năng lượng ở chế độ MP........................................................................................................ 90 Hình 3. 6. Cấu trúc mô phỏng hệ DFIG-4Q .................................................. 92 Hình 3. 7. Tốc độ rotor ................................................................................. 93 Hình 3. 8. Công suất phát ra từ DFIG ........................................................... 94 Hình 3. 9. Điện áp trên Stator (điện áp lưới) ................................................. 95 Hình 3. 10. Dòng điện Stator phát vào lưới .................................................. 95
Hình 3. 11. Điều khiển tần số dòng điện rotor thay đổi khi tốc độ rotor thay đổi ........................................................................................................ 96 Hình 3. 12. Dòng điện 3 pha giữa lưới và bộ biến đổi B1 ............................. 97 Hình 3. 13. Tách riêng một pha dòng điện giữa lưới và bộ biến đổi B1 ........ 97 Bảng 1. 1. Bảng chuyển mạch cho 12 sector dùng cho phương pháp điều khiển DPC. ........................................................................................... 22 Bảng 2. 1. Tốc độ gió trung bình 51 Bảng 2. 2. Bảng tổng kết đặc điểm của thuật toán P&O ............................... 85
1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƯ 1.1. Giới thiệu chung Kể từ khi lý thuyết điều khiển/điều chỉnh phát triển và khẳng định thế mạnh được các thế mạnh của nó một cách vững chắc, thì các bộ biến đổi cũng đồng thời cũng được phát triển cùng nhịp độ để đáp ứng nhu cầu thực tế. Hơn nữa kỹ thuật vi điện tử/vi xử lý được phát triển như vũ bão, công nghệ chế tạo các thiết bị điện tử công suất đạt được trị số ngày càng cao cả về dòng và áp với giá thành ngày càng hạ. Việc ứng dụng các bộ biến đổi để điều chỉnh dòng năng lượng theo hai chiều thuận nghịch không những chỉ được ứng dụng trong truyền động điện mà còn phát triển mạnh mẽ làm phần tử ghép nối giữa các nguồn điện với lưới, hình 1.1 và hình 1.2. Để làm được điều này bộ biến đổi tích cực đã khẳng định có nhiều phẩm chất tiến bộ hơn hẳn những bộ biến đổi truyền thống, thời kỳ đầu. Đối tượng ta đang nói tới, đó là bộ biến đổi PWM. [1],[2] PWMCON. 1 PWMCON. 2 U1 , f1 U2 , f2 Udc Cd U1 , f1 CL MC NL chÕ ®é ®éng c¬ U1 , f1 NL MC CL chÕ ®é h·m t¸i sinh Hình 1. 1. Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng
2 Công suất của các Bộ biến đổi PWM có thể đạt từ vài trăm W đến hàng MW được ứng dụng điều khiển cho các động cơ không đồng bộ 3 pha hay động cơ đồng bộ 3 pha. Trong truyền động điện, xuất hiện chế độ hãm tái sinh, năng lượng đổi chiều qua bộ biến đổi trả về lưới, quá trình này được ứng dụng rộng rãi trong một số hệ truyền động có chế độ đảo chiều thường xuyên như: thang máy nhà cao tầng, dây chuyền đóng gói tự động, cầu trục... hay các truyền động trong giao thông vận tải. ở chế độ hãm tái sinh, năng lượng thừa sẽ được phát trả về lưới, nếu lớn thì điện áp có thể dâng rất cao. Để không gây hỏng thiết bị hay báo lỗi quá trình thì bộ biến đổi phải luôn kịp thời chuyển năng lượng dư thừa về lưới một cách hoàn hảo. PWMCON. 1 PWMCON. 2 U1 , f1 U2 , f2 Udc Cd U1 , f1 U2 , f2 NL MC CL Hình 1. 2. Hệ thống điều khiển năng lượng theo hai hướng Nghiên cứu các quá trình đổi chiều dòng công suất qua bộ biến đổi để có thể thu hồi năng lượng từ đối tượng điều khiển (động cơ) trả về nguồn ở chế độ hãm, tương tự như vậy ta có thể đề xuất hướng nghiên cứu quá trình trao đổi công suất giữa hai nguồn công suất cục bộ và xác định các chiến lược điều khiển. Trong hệ thống điện hiện nay, việc phát triển các nhà máy điện công suất
3 lớn có tính chất truyền thống đang làm cho các nguồn năng lượng sơ cấp ngày một cạn kiệt và gây nhiều tác hại đến môi trường, môi sinh dưới nhiều hình thức ảnh hưởng khác nhau. Để khắc phục điều này, nhiều tổ chức quốc tế đang đang khuyến khích sản xuất năng lượng điện theo công nghệ sạch, quy mô vừa và nhỏ, không gây tác động làm thay đổi các điều kiện tự nhiên như các thủy điện nhỏ, phong điện, điện Mặt trời...vv. Như vậy vấn đề huy động công suất từ các nguồn phát nhỏ, cục bộ cho lưới điện chung là bài toán được đề cập tới của hướng nghiên cứu. Điều ta vừa nói tới là bộ biến đổi có thể truyền đạt năng lượng xoay chiều theo hai hướng được ứng dụng trong hai lĩnh vực khác nhau: 1. Trong lĩnh vực thứ nhất - truyền động điện, quá trình hoàn trả năng lượng về lưới chỉ xảy ra khi hãm tái sinh, quá trình này là không liên tục, có chu kỳ hoặc ngẫu nhiên, có quá trình quá độ, năng lượng trung bình của một lần hãm không lớn. Tuy nhiên dòng công suất trả về lưới cũng đòi hỏi chất lượng càng cao càng tốt để nâng cao hiệu quả cho việc thu hồi năng lượng, hình 1.1. 2. Trong lĩnh vực thứ hai - trao đổi công suất giữa các nguồn cục bộ hay với lưới, quá trình xảy ra với thời gian kéo dài, liên tục, hình 1.2. Dòng năng lượng qua bộ biến đổi có công suất có thể rất lớn và phải đạt được các chỉ tiêu mong muốn đặt trước. Hệ thống này thể hiện một số ưu điểm như sau:  Khả năng hãm tái sinh: Như ta đã biết, một động cơ có thể hoạt động ở cả chế độ động cơ và máy phát. Khi máy điện chuyển sang chế độ hãm tái sinh, tức là hoạt động như một máy phát, năng lượng thừa sẽ được phát trả về làm dâng cao điện áp trên tụ điện một chiều. Trong một số trường hợp, năng lượng này là nhỏ và có thể được tự tiêu tán trong mạch điện một chiều. Trong quá trình hãm này, nếu không tiêu tán kịp thời, năng lượng này có thể gây quá áp trong mạch một chiều khiến cho biến tần báo lỗi và có thể gây phá huỷ các
4 tụ điện một chiều. Nhất là với các ứng dụng yêu cầu đảo chiều, tăng tốc và giảm tốc thường xuyên thì khả năng hãm là rất cần thiết, ví dụ như các thang máy, các máy điện công suất lớn, các dây chuyền đóng gói,... Thông thường, khi năng lượng hãm lớn (khoảng 10% năng lượng làm việc định mức của hệ thống) thì cần phải tính đến các việc bổ sung các mạch hãm cho hệ thống. Năng lượng hãm này có thể phát trả về lưới hoặc được tiêu tán bằng các phương pháp khác nhau: điện trở hãm,... Một trong các biện pháp hiệu quả nhất ứng dụng bộ biến đổi PWM phía lưới để hệ thống có thể làm việc trong cả 4 góc phần tư và cho phép phát trả năng lượng về lưới.  Đặc tính động học tốt hơn: Khả năng hoạt động ở cả 4 góc phần tư cho phép hệ thống có được đặc tính động học rất tốt so với các hệ thống cũ trước đây. Khả năng phát trả năng lượng hãm tái sinh về lưới đã cho phép hệ thống có khả năng tăng tốc và giảm tốc nhanh hơn so với các hệ thống cũ, cho phép tốc độ thay đổi với gia tốc lớn hơn.  Khả năng điều khiển điện áp một chiều tốt hơn: Trong hoạt động của biến tần, điện áp của mạch một chiều phải lớn hơn hoặc tối thiểu phải bằng biên độ đỉnh giữa pha-pha của điện áp cung cấp cho động cơ. Điều này đảm bảo cho biến tần hoạt động bình thường và cho đáp ứng mô men đủ nhanh. Ngoài ra nó còn cho phép khai thác động cơ ở điện áp định mức lớn nhất có thể. Bằng việc điều khiển bộ biến đổi PWM phía lưới, ta có thể điều khiển được điện áp của mạch một chiều đáp ứng các yêu cầu trên (Udc>Uo). Lúc này bộ PWM phía lưới sẽ hoạt động như một bộ biến đổi có khả năng tăng áp cho điện áp một chiều (đó là ưu điểm nổi trội của bộ chỉnh lưu tích cực). Khả năng này khiến cho hệ thống sẽ ít bị ảnh hưởng bởi tải của động cơ cũng như các trường hợp sụt giảm của điện áp lưới. Nếu điều khiển tốt điện áp một chiều có thể cho phép giảm dung lượng của các tụ điện mà vẫn đảm bảo chất
5 lượng điện áp ra bằng phẳng so với các hệ thống cũ (phương pháp chỉnh lưu PWM).  Khả năng điều chỉnh hệ số công suất ở phía lưới: Bộ PWM phía lưới cho phép ta điêu chỉnh được hệ số công suất phía lưới, như vậy nó có thể hoạt động như một bộ bù công suất phản kháng. Thông thường, người ta mong muốn đạt được hệ số công suất xấp xỉ bằng 1. Trong các hệ thống cũ dùng mạch nắn 6 điốt và một bộ nghịch lưu PWM, người ta cũng có thể đạt được hệ số công suất bằng 1, tuy nhiên do có nhiều sóng hài bậc thấp nên giá trị hiệu dụng dòng điện của hệ thống này lớn hơn so với hệ thống dùng hai bộ biến đổi PWM.  Giảm sóng hài bậc cao của dòng điện phía lưới: Ta đã biết là không thể có một bộ nghịch lưu nào cung cấp cho ta một dòng điện hoàn toàn hình sin, vì vậy dòng điện lưới sẽ luôn bị méo dạng nhất định. Dòng điện lưới sẽ chỉ gần giống hình sin và chứa rất nhiều thành phần sóng hài bậc cao là bội số của tần số chuyển mạch. Ngoài ra, nếu sử dụng bộ chỉnh lưu điốt còn tạo ra các sóng hài lẻ bậc thấp. Các sóng hài lẻ bậc thấp này có thể gây ra các hiện tượng như : làm phát nóng các biến áp, lỗi cho động cơ, hỏng tụ điện... Như vậy hệ thống sử dụng hai bộ biến đổi PWM cho chất lượng điện áp cao hơn, các sóng hài bậc cao do nó sinh ra có thể lọc dễ dàng hơn so với các sóng hài bậc thấp bằng các bộ lọc L hoặc LCL cỡ nhỏ. Nhờ có những ưu điểm nổi bật đã kể trên, biến tần 4Q đã được ứng dụng rất phổ biến cho những hệ truyền động điện hiện đại. Đặc biệt những năm gần đây biến tần 4Q là đang trở thành đề tài nghiên cứu ứng dụng cho phân phối công suất giữa các nguồn điện cục bộ.
6 1.2. Biến tần 4 góc phần tư Để thực hiện quá trình điều tiết năng lượng giữa lưới và phụ tải ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau. Ví dụ, khi sử dụng 2 bộ PWM tựa lưng vào nhau thì việc điều chỉnh dòng công suất có thể được thực hiện bằng cách thay đổi tần số hoặc thay đổi điện áp. Tuỳ thuộc vào quá trình điều chỉnh cũng như vai trò cụ thể của các bộ PWM ở sự biến đổi năng lượng đó mà ta có các phương pháp điều khiển khác nhau . Quá trình năng lượng có thể được mô tả khi tải là động cơ như hình 1.3 Bộ PWM phía -M +M Bộ PWM phía lưới LV ở chế độ lưới LV ở chế độ nghịch lưu chỉnh lưu Máy điện Máy điện LV ở chế LV ở chế độ máy độ động cơ phát Bộ PWM phía Bộ PWM phía động cơ LV ở chế +n +n động cơ LV ở chế độ chỉnh lưu độ nghịch lưu Góc II Góc I Góc III Góc IV Bộ PWM phía -M +M Bộ PWM phía lưới LV ở chế độ lưới LV ở chế độ chỉnh lưu nghịch lưu Máy điện Máy điện LV ở chế LV ở chế độ động cơ độ máy Bộ PWM phía phát Bộ PWM phía động cơ LV ở chế -n -n động cơ LV ở chế độ nghịch lưu độ chỉnh lưu Hình 1. 3. Chế độ hoạt động của biến tần ở 4 góc phần tư 1.2.1. Chỉnh lưu PWM 1.2.1.1. Cấu trúc mạch lực của chỉnh lưu PWM: Cấu trúc cơ bản chỉnh lưu PWM được mô tả trên hình 1.4
7 UA IA UB IB C Tải UC IC Hình 1. 4. Cấu trúc mạch chỉnh lưu PWM Cấu trúc phổ biến này có các ưu điểm là sử dụng các module ba pha số lượng van nhỏ nên có thể giảm giá thành, năng lượng có khả năng chảy hai chiều. Cấu trúc này có triển vọng nên đang được phát triển. Trong hệ thống phân bố năng lượng một chiều hay biến đổi AC/DC/AC, năng lượng xoay chiều đầu tiên được biến đổi sang một chiều nhờ vào chỉnh lưu ba pha PWM. Nó cho hệ số công suất bằng cos =1 và dòng điện chứa ít thành phần sóng hài bậc cao. Các bộ biến đổi này nối với đường truyền một chiều sẽ mang lại cho tải những chuyển đổi mong muốn như thay đổi tốc độ truyền động động cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, bộ biến đổi từ một chiều sang một chiều, hoạt động đa truyền động, v.v.... Hơn nữa, biến đổi AC/DC/AC mang lại một số điểm sau: - Động cơ có thể hoạt động ở tốc độ cao hơn mà không cần giảm từ trường (bởi sự duy trì điện áp đường truyền một chiều trên điện áp đỉnh của nguồn cấp). - Về lý thuyết, giảm được 1/3 điện áp so sánh với cấu hình quy ước do điều khiển đồng thời chỉnh lưu và nghịch lưu. - Phản ứng của bộ điều khiển điện áp có thể được cải tiến bởi tín hiệu đưa đến từ tải dẫn đến giảm đến mức tối thiểu điện dung 1 chiều,
8 trong khi việc duy trì được điện áp một chiều dưới giới hạn cho phép thay đổi tải. UA IA UB IB C M UC IC Hình 1. 5. Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều. 1.2.1.2. Nguyên lý hoạt động của chỉnh lưu PWM: Trên sơ đồ hình 1.4, bộ chỉnh lưu PWM được cấu tạo là một cầu chỉnh lưu 3 pha chuyển mạch hoàn toàn dùng các thiết bị bán dẫn công suất như IGBT hay GTO,... các diode mắc song song ngược với van chuyển mạch, tụ một chiều C, đầu vào chỉnh lưu (trong mạch nguồn cung cấp xoay chiều) có lắp thêm cuộn cảm L. Giá trị cuộn cảm L được tính chọn thích hợp kết hợp với tụ C và phương thức điều chế PWM đóng ngắt các van để dâng cao thế năng phần một chiều lớn hơn thế năng phần xoay chiều, nhờ đó có được điện áp một chiều lớn hơn so với chỉnh lưu tự nhiên. Để có chế độ làm việc bốn góc phần tư đảm bảo công suất trao đổi hai chiều giữa lưới và tải, vì dấu của điện áp một chiều là cố định nên dòng điện chỉnh lưu Id phải thay đổi được dấu. Ta gọi Id có dấu (+) khi nó có chiều hướng về tải và ngược lại có dấu (-) khi chiều của nó hướng về lưới, khi đó công suất có thể thay đổi hai chiều từ lưới về tải P d = Ud.Id > 0 và từ tải về lưới Pd = Ud.Id < 0. Để thực hiện được nguyên lý làm việc như trên, bộ chỉnh lưu cần có điều kiện: - Bắt buộc phải có điện cảm đầu vào.
9 - Do khóa đóng cắt hai chiều IGBT và diode ngược kết hợp mạch vòng dao động L-C tạo nên điện áp một chiều Udc > Ud0. Nguyên lý làm việc chỉnh lưu PWM được giới thiệu dựa trên sơ đồ thay thế một pha và đồ thị véc tơ như trên hình 1.6.a,b,c,d L.iL R.iL UL L   US iL iL jL.iL UL US R.iL a) b) R.iL iL UL US >0 jL.i j L jL.iL US iL  0; Hình 1.6d: khi véc tơ dòng điện I L ngược với véctơ U L thì cos = -1 và công suất Pd < 0 (ứng với chế độ hãm tái sinh). Như vậy, sử dụng chỉnh lưu PWM trong bộ biến tần gián tiếp cho phép