BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
HOÀNG TRỌNG ĐỨC
ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ÁP
SƠ ĐỒ CẦU H NỐI TẦNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng – Năm 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
HOÀNG TRỌNG ĐỨC
ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ÁP
SƠ ĐỒ CẦU H NỐI TẦNG ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR LỒNG SÓC
Chuyên ngành : Tự động hóa
Mã số : 60.52.60
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN ANH DUY
Đà Nẵng – Năm 2013
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn khoa học của TS. Nguyễn Anh Duy.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn
Hoàng Trọng Đức
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................. 01
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................. 01
2. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................... 01
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................. 02
4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................... 02
5. Bố cục đề tài .................................................................................. 02
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu ....................................................... 03
CHƯƠNG 1. BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC ................................... 04
1.1. GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGHỊCH LƯU ÁP .......................................... 04
1.1.1. Khái niệm ................................................................................ 04
1.1.2. Phân loại .................................................................................. 04
1.1.3. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp ....................... 05
1.2. CÁC CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA BỘ NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC 05
1.2.1. Bộ nghịch lưu áp đa mức sơ đồ cầu H nối tầng ....................... 05
1.2.2. Bộ nghịch lưu điôt kẹp ............................................................ 11
1.2.3. Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor ........................................ 17
1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................... 21
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGHỊCH LƯU
ÁP .............................................................................................................. 23
2.1. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN ................. 23
2.1.1. Khái niệm ................................................................................ 23
2.1.2. Nguyên lý điều chế .................................................................. 23
2.1.3. Cách tính và thực hiện thời gian đóng cắt van ......................... 33
2.2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG ............................. 36
2.2.1. Nguyên lý điều chế .................................................................. 36
2.2.2. Một số chỉ tiêu kỹ thuật của phương pháp PWM ..................... 39
2.2.3. Các dạng sóng mang dùng trong phương pháp PWM ............. 41
2.2.4. Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến .......................... 52
2.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG NGHỊCH LƯU ÁP VỚI TẢI RL ............... 56
2.3.1. Nghịch lưu áp hai mức ............................................................. 56
3.1.2. Nghịch lưu áp 5L-CHB ........................................................... 59
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ................................................................... 66
CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
ROTOR LỒNG SÓC SỬ DỤNG NGHỊCH LƯU ÁP ĐA MỨC ........ 67
3.1. ĐỘNG CƠ NỐI TRỰC TIẾP VỚI BỘ NGHỊCH LƯU ÁP .............. 67
3.1.1. Động cơ nối trực tiếp với bộ nghịch lưu áp hai mức ............... 67
3.1.2. Động cơ nối trực tiếp với bộ nghịch lưu áp 5L-CHB .............. 70
3.2. ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỰA THEO TỪ THÔNG
ROTOR ...................................................................................................... 75
3.2.1. Nguyên lý của phương pháp .................................................... 75
3.2.2. Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ theo phương pháp tựa theo
từ thông rotor ............................................................................................. 82
3.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ................................................................... 91
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................. 92
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU:
E, UDC: Điện áp nguồn một chiều (V)
7
: Vector điện áp chuẩn UAZ, UAN : Điện áp pha tải, điện áp ra của bộ nghịch lưu (V) u ...u 0
Ikt, Iu : Dòng điện kích từ, dòng điện phần ứng (A)
Ar, Acr: Biên độ đỉnh của tín hiệu điều chế, sóng mang (V)
fr, fcr : Tần số của tín hiệu điều chế, sóng mang (Hz)
m : Chỉ số điều chế
: Chỉ số điều chế biên độ ma
: Chỉ số điều chế tần số mf
M : Từ thông động cơ (T)
dr : phần tử d của vector từ thông rotor (cũng chính là modul của vector)
: Dòng điện stator (A) is
ids, iqs: Phần tử d và q của vector dòng stator (A)
Te
: Mômen quay của động cơ (Nm) : Mômen quán tính (Kgm2) J
: Điện trở phía stator () Rs
: Điện trở phía rotor đã quy đổi về phía stator () Rr
Ls, Lr, Lm : Điện cảm stator, điện cảm rotor, hỗ cảm giữa stator và rotor (H)
Lls, Llr: Điện cảm tản phía stator, điện cảm tản phía rotor (H)
: số đôi cực của động cơ Zp
: Hằng số thời gian của rotor r
: Toán tử Laplace p
CÁC CHỮ VIẾT TẮT:
APOD : Alternative Phaseopposite Disposition
COPWM : Carrier Overlapping PWM methods
ĐCKĐB-RLS: Động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc
IPD : In-Phase Disposition
POD : Phase Opposite Disposition:
PWM : Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation)
SFO-PWM: Điều chế độ rộng xung cải biến (Switching Frequence
Optimal PWM Method)
SH-PWM : Điều chế độ rộng xung thông thường (Subharmonic PWM)
THD : Tổng độ méo sóng hài (Total Harmonics Distortion)
3L-FLC : Bộ nghịch lưu 3 mức dạng flying capacitor
3L-NPC : Bộ nghịch lưu áp điôt kẹp 3 mức (three level neutral point
clamped)
5L-CHB : Bộ nghịch lưu áp sơ đồ cầu H nối tầng 5 mức (Five level
cascaded H-bridge multilevel inverter)
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu Tên bảng Trang bảng
1.1. Trạng thái các khóa chuyển mạch (pha A) của 5L-CHB 08
10 1.2. Dòng điện iA chạy qua các phần tử trong 5L-CHB
1.3. Trạng thái chuyển mạch (pha A) của bộ nghịch lưu 3L-NPC 13
1.4. Quá trình dẫn dòng của các khóa (pha A) của 3L-NPC 17
1.5. Trạng thái chuyển mạch trong pha A của 3L-FLC 19
1.6. Quá trình dẫn dòng của các khóa (pha A) của 3L- FLC 21
24 2.1. Các khả năng nối pha động cơ với UDC
27 2.2. Trình tự chuyển mạch trong sector S1
28 2.3. Trình tự chuyển mạch trong sector S2
29 2.4. Trình tự chuyển mạch trong sector S3
30 2.5. Trình tự chuyển mạch trong sector S4
31 2.6. Trình tự chuyển mạch trong sector S5
32 2.7. Trình tự chuyển mạch trong sector S6
pu
tu
su
2.8. Modul của các vector biên và theo vị trí của vector 35
2.9. Chỉ số THD của điện áp dây với tải LR 65
2.10. Chỉ số THD của dòng điện pha với tải LR 66
DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu Tên hình Trang hình
1.1. Bộ nghịch lưu đa mức sơ đồ cầu H nối tầng 07
1.2. Quá trình chuyển mạch giữa các trạng thái của 5L-CHB 09
16
14
4
7
10 1.3. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1
với dòng điện tải iA > 0 của 5L-CHB
16
14
4
7
11 1.4. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1
với dòng điện tải iA < 0 của 5L-CHB
1.5. Bộ nghịch lưu điôt kẹp 3 mức 12
14 1.6. Trạng thái các khóa, tín hiệu điều khiển và điện áp ra UAZ
1.7. Dạng sóng của điện áp pha và điện áp dây 14
15 1.8. Quá trình chuyển mạch với dòng điện tải iA > 0 của 3L-NPC
16 1.9. Quá trình chuyển mạch với dòng điện tải iA < 0 của 3L-NPC
1.10. Bộ nghịch lưu đa mức dạng flying capacitor 18
20 1.11. Quá trình chuyển mạch với dòng điện tải iA > 0 của 3L-FLC
20 1.12. Quá trình chuyển mạch với dòng điện tải iA < 0 của 3L-FLC
2.1. Sơ đồ nguyên lý của ĐCXCBP nuôi bởi biến tần nguồn áp 24
2.2. Sơ đồ nối dây ba cuộn dây pha theo khả năng thứ 2 25
u ...u 0
7
2.3. Vector điện áp chuẩn tạo bởi ba cặp van bán dẫn 25
su
2.4. Thực hiện vector bất kỳ bằng 2 vector điện áp chuẩn 26
28 2.5. Giản đồ xung điều khiển van thuộc S1
29 2.6. Vector điện áp và giản đồ xung điều khiển van thuộc S2
30 2.7. Vector điện áp và giản đồ xung điều khiển van thuộc S3
31 2.8. Vector điện áp và giản đồ xung điều khiển van thuộc S4
32 2.9. Vector điện áp và giản đồ xung điều khiển van thuộc S5
33 2.10. Vector điện áp và giản đồ xung điều khiển van thuộc S6
su
34 2.11. Biểu diễn vector trong hệ tọa độ dq và
2.12. Sơ đồ bộ nghịch lưu hai mức 37
2.13. Sơ đồ mô phỏng mạch tạo xung kích cho bộ nghịch lưu hai 38
mức
2.14. Nguyên lý điều chế độ rộng xung dùng sóng mang 38
2.15. Sơ đồ nghịch lưu áp 5L-CHB, điều chế dịch pha 42
2.16. Sơ đồ mô phỏng mạch tạo xung kích cho bộ nghịch lưu 5L- 42
CHB, điều chế dịch pha
2.17. Xung kích cho bộ nghịch lưu 5L-CHB, điều chế dịch pha 43
2.18. Điện áp ra của bộ nghịch lưu 5L-CHB, điều chế dịch pha 44
2.19. Sơ đồ nghịch lưu áp 5L-CHB, điều chế dịch mức 45
2.20. Sơ đồ mô phỏng mạch tạo xung kích cho bộ nghịch lưu 5L- 46
CHB, điều chế dịch mức
2.21. Các sóng mang IPD 46
2.22. Các sóng mang APOD 47
2.23. Các sóng mang POD 47
2.24. Điện áp ra của bộ nghịch lưu 5L-CHB, sóng mang IPD 48
2.25. Sơ đồ mô phỏng mạch tạo xung kích cho bộ nghịch lưu 5L- 50
CHB, COPWM-A
2.26. COPWM-A cho bộ nghịch lưu 5L-CHB 50
2.27. Sơ đồ mô phỏng mạch tạo xung kích cho bộ nghịch lưu 5L- 51
CHB, COPWM-B
2.28. COPWM-B cho bộ nghịch lưu 5L-CHB 51
2.29. Sơ đồ mô phỏng mạch tạo xung kích cho bộ nghịch lưu 5L- 52
CHB, COPWM-C
2.30. COPWM-C cho bộ nghịch lưu 5L-CHB 52
2.31. Sơ đồ mô phỏng mạch tạo điện áp điều khiển cải biến và 54
xung kích các khóa bán dẫn
2.32. Điện áp điều khiển cải biến theo SFO-PWM 54
2.33. Điện áp ra của bộ nghịch lưu 5L-CHB, phương pháp SFO- 55
PWM, sóng mang IPD
2.34. Điện áp điều khiển cải biến 56
2.35. Điện áp điều khiển cải biến và sóng mang 56
57 2.36. Dòng điện ba pha ứng với ma = 1,0; tải LR; 2 mức
57 2.37. Dòng điện ba pha ứng với ma = 0,9; tải LR; 2 mức
57 2.38. Dòng điện ba pha ứng với ma = 0,8; tải LR; 2 mức
58 2.39. Điện áp dây ứng với ma = 1,0; tải LR; 2 mức
58 2.40. Điện áp dây ứng với ma = 0,9; tải LR; 2 mức
58 2.41. Điện áp dây ứng với ma = 0,8; tải LR; 2 mức
59 2.42. Dòng điện ba pha ứng với ma=1,0; SHPWM; tải LR; 5 mức
59 2.43. Dòng điện ba pha ứng với ma=0,9; SHPWM; tải LR; 5 mức
60 2.44. Dòng điện ba pha ứng với ma=0,8; SHPWM; tải LR; 5 mức
60 2.45. Điện áp dây ứng với ma=1,0; SHPWM; tải LR; 5 mức
60 2.46. Điện áp dây ứng với ma=0,9; SHPWM; tải LR; 5 mức
61 2.47. Điện áp dây ứng với ma=0,8; SHPWM; tải LR; 5 mức
5mức
2.48. Dòng điện 3 pha ứng với ma=1,0; SFO-PWM kiểu 1; tải LR; 61
62 2.49. Dòng điện 3 pha ứng với ma=0,9; SFO-PWM kiểu 1; tải LR;
5mức
62 2.50. Dòng điện 3 pha ứng với ma=0,8; SFO-PWM kiểu 1; tải LR;
5mức
62 2.51. Điện áp dây ứng với ma=1,0; SFO-PWM kiểu 1; tải LR; 5
mức
63 2.52. Điện áp dây ứng với ma=0,9; SFO-PWM kiểu 1; tải LR; 5
mức
63 2.53. Điện áp dây ứng với ma=0,8; SFO-PWM kiểu 1; tải LR; 5
mức
63 2.54. Dòng điện 3 pha ứng với ma=1,0; SFO-PWM kiểu 2; tải LR;
5mức
64 2.55. Dòng điện 3 pha ứng với ma=0,9; SFO-PWM kiểu 2; tải LR;
5mức
64 2.56. Dòng điện 3 pha ứng với ma=0,8; SFO-PWM kiểu 2; tải LR;
5mức
64 2.57. Điện áp dây ứng với ma=1,0; SFO-PWM kiểu 2; tải LR; 5
mức
65 2.58. Điện áp dây ứng với ma=0,9; SFO-PWM kiểu 2; tải LR; 5
mức
65 2.59. Điện áp dây ứng với ma=0,8; SFO-PWM kiểu 2; tải LR; 5
mức
3.1. Sơ đồ mô phỏng nghịch lưu áp hai mức với tải động cơ 67
3.2. Dòng điện stator; không điều khiển; 2 mức 68
3.3. Điện áp dây; không điều khiển; 2 mức 68
3.4. Mômen động cơ; không điều khiển; 2 mức 69
3.5. Tốc độ động cơ; không điều khiển; 2 mức 69
3.6. Dòng điện stator; không điều khiển; SH-PWM; 5 mức 70
3.7. Điện áp dây; không điều khiển; SH-PWM; 5 mức 70
3.8. Mômen động cơ; không điều khiển; SH-PWM; 5 mức 71
3.9. Tốc độ động cơ; không điều khiển; SH-PWM; 5 mức 71
3.10. Sơ đồ mô phỏng mạch tạo điện áp điều khiển cải biến 72
3.11. Dòng điện stator; không điều khiển; SFO-PWM; 5 mức 73
3.12. Điện áp dây; không điều khiển; SFO-PWM; 5 mức 73
3.13. Mômen động cơ; không điều khiển; SFO-PWM; 5 mức 74
3.14. Tốc độ động cơ; SFO-PWM; 5 mức 75
3.15. Hệ tọa độ từ thông rotor 78
3.16. Cấu trúc hệ thống điều khiển ĐCKĐB-RLS theo IFOC 79
3.17. Cấu trúc động cơ trên hệ trục dq 80
3.18. Sơ đồ mô phỏng cấu trúc điều khiển IFOC 82
3.19. Dòng điện stator; có điều khiển; SH-PWM; 5 mức 83
3.20. Điện áp pha; có điều khiển; SH-PWM; 5 mức 83
3.21. Mômen động cơ; có điều khiển; SH-PWM; 5 mức 84
3.22. Tốc độ động cơ; có điều khiển; SH-PWM; 5 mức 85
3.23. Dòng điện stator; có điều khiển; SFO-PWM; 5 mức 85
3.24. Điện áp pha; có điều khiển; SFO-PWM; 5 mức 86
3.25. Mômen động cơ; có điều khiển; SFO-PWM; 5 mức 87
3.26. Tốc độ động cơ; có điều khiển; SFO-PWM; 5 mức 87
3.27. Điện áp điều khiển; SH-PWM; 1651 vg/ph 88
3.28. Dòng điện stator; có điều khiển; SH-PWM; 1651 vg/ph 88
3.29. Mômen động cơ; có điều khiển; SH-PWM; 1651 vg/ph 89
3.30. Tốc độ động cơ; có điều khiển; SH-PWM; 1651 vg/ph 89
3.31. Điện áp điều khiển; SFO-PWM; 1651 vg/ph 90
3.32. Dòng điện stator; có điều khiển; SFO-PWM; 1651 vg/ph 90
3.33. Mômen động cơ; có điều khiển; SFO-PWM; 1651 vg/ph 90
3.34. Tốc độ động cơ; có điều khiển; SFO-PWM; 1651 vg/ph 91
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Bộ nghịch lưu đa mức và thiết bị điều khiển trung áp ứng dụng vào công
nghiệp đã được nghiên cứu từ giữa những năm 1980, với truyền động trung
áp có dải công suất từ 0,4MW đến 40MW ở mức điện áp từ 2,3kV đến
13,8kV. Khoảng 85% động cơ trong công nghiệp là động cơ rotor lồng sóc và
trong đó 80% nối với nguồn cung cấp qua bộ nghịch lưu làm cho nó khởi
động êm dịu hoặc có thể điều khiển được tốc độ động cơ [7].
Gần đây, các bộ nghịch lưu nguồn áp đa mức đã được ứng dụng nhiều
trong công nghiệp như hệ thống truyền động động cơ, hệ thống phân phối
điện năng và các ứng dụng trong việc nâng cao chất lượng điện năng. Ưu
điểm chính của bộ nghịch lưu đa mức: điện áp đặt lên các linh kiện giảm
xuống nên công suất của bộ nghịch lưu tăng lên, đồng thời công suất tổn hao
do quá trình đóng cắt linh kiện cũng giảm theo, với cùng tần số đóng cắt các
thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn so với trường hợp bộ
nghịch lưu hai mức nên chất lượng điện áp ra tốt hơn.
Chính vì vậy, tôi chọn đề tài “Ứng dụng nghịch lưu áp sơ đồ cầu H nối
tầng để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc”
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của đề tài là phân tích quá trình chuyển mạch của
các khóa trong bộ nghịch lưu áp sơ đồ cầu H nối tầng; phân tích và xây dựng
thuật toán các phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu áp; điều khiển động
cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc (ĐCKĐB-RLS) sử dụng bộ nghịch
lưu áp đa mức.
2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu cấu trúc nghịch lưu áp 5 mức cầu H nối tầng (five level
cascaded H-brigde inverter) và phương pháp điều khiển tựa theo từ thông
rotor (rotor flux oriented vector control) để điều khiển động cơ không đồng bộ
ba pha rotor lồng sóc.
4. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện đề tài này, cần kết hợp 2 phương pháp sau:
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu quá trình chuyển mạch
của các khóa trong các cấu trúc nghịch lưu áp đa bậc như: nghịch lưu dạng
nối tầng (cascaded inverter), nghịch lưu dạng điôt kẹp (diode clamped
inverter), nghịch lưu dạng flying capacitor; phương pháp điều chế cho bộ
nghịch lưu áp và điều khiển động cơ theo phương pháp điều khiển tựa theo từ
thông rotor.
- Phương pháp mô phỏng: mô phỏng thuật toán quá trình điều chế bộ
nghịch lưu áp 5 mức sơ đồ cầu H nối tầng; mô phỏng cấu trúc điều khiển
động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc theo phương pháp điều khiển
tựa theo từ thông rotor sử dụng bộ nghịch lưu đa mức bằng phần mềm PSIM.
5. Bố cục đề tài
Đề tài được trình bày theo bố cục như sau:
Mở đầu
Chương 1. Bộ nghịch lưu áp đa mức
- Tổng quan về bộ nghịch lưu áp đa mức
- Trạng thái và quá trình chuyển mạch của các khóa bán dẫn trong bộ
nghịch lưu đa mức.
Chương 2. Phương pháp điều khiển cho bộ nghịch lưu áp
- Tìm hiểu phương pháp điều chế vector không gian và phương pháp
điều chế độ rộng xung
3
- Thực hiện mô phỏng bằng PSIM cho cấu trúc nghịch lưu áp hai bậc,
năm bậc với tải LR sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung.
Chương 3. Điều khiển động cơ không đồng bộ rotor ba pha lồng sóc
sử dụng nghịch lưu áp đa mức
- Thực hiện mô phỏng bằng PSIM cho cấu trúc nghịch lưu áp hai bậc,
năm bậc với tải động cơ sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung
- Giới thiệu phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor
- Cấu trúc điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc theo
phương pháp điều khiển tựa theo từ thông rotor sử dụng bộ nghịch lưu đa
mức.
Kết luận và kiến nghị
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu
Tài liệu nghiên cứu của luận văn tập trung vào lĩnh vực điều khiển động
cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, bao gồm:
- Các tài liệu về nghịch lưu áp hai bậc và đa bậc
- Các tài liệu về phương pháp điều khiển cho nghịch lưu áp như: phương
pháp điều chế vector không gian và phương pháp điều chế độ rộng xung
- Các tài liệu về điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc
như: cấu trúc điều khiển tựa theo từ thông rotor.
