Thiết kế, xây dựng hệ thống truyền động công suất lớn sử dụng biến tần nguồn dòng 253859
- 114 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN TRỌNG CHIẾN
THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÔNG
SUẤT LỚN SỬ DỤNG BIẾN TẦN NGUỒN DÒNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN LIỄN
Hà Nội – Năm 2010
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
IM Induction Motor Động cơ không đồng bộ ba pha
4Q Four Quarter Bốn góc phần tư
Super Conducting Magnet
SMES Bộ lưu trữ năng lượng từ siêu dẫn
Energy Storage
Auto Sequential Current
ASCI Nghịch lưu nguồn dòng tự động tuần tự
Fed Inverter
PWM Pulse-width Modulation Điều chế độ rộng xung
ĐK Động cơ không đồng bộ
Selected Harmonic Phương pháp điều chế độ rộng xung
SHE-PWM
Elimination PWM loại trừ sóng điều hòa chọn trước
MỤC LỤC
Nội dung Trang
Trang phụ bìa
Lởi cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các kí hiệu, chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Danh mục các bảng
Lời mở đầu
Chương I: Tổng quan về hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ 1
xoay chiều
1.1. Các hệ thống truyền động điện dùng động cơ xoay chiều 1
1.1.1. Giới thiệu chung 1
1.1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 2
1.1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 3
1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều 3
1.2. Sơ lược về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất 5
1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) 5
1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp 8
1.3. Biến tần bốn góc phần tư 14
1.3.1. Các tồn tại của các bộ biến tần thông thường 14
1.3.2. Biến tần bốn góc phần tư (biến tần 4Q) 16
Chương II: Biến tần nguồn dòng và các vấn đề liên quan 19
2.1. Tổng quan chung về biến tần nguồn dòng 19
2.2. Nguyên lý hoạt động chung của biến tần thyristor 6 bước 20
(six-step thyristor inverter)
2.2.1. Các chế độ hoạt động của nghịch lưu 23
2.2.1.1 Chế độ 1: hoạt động theo kiểu chỉnh lưu chuyển mạch tải 23
(0≤α≤ π/2)
2.2.1.2 Chế độ 2: hoạt động theo kiểu nghịch lưu chuyển mạch tải 25
(π/2≤α≤ π)
2.2.1.3 Chế độ 3: hoạt động theo kiểu nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức 26
(π≤α≤3π/2)
2.2.1.4 Chế độ 4: hoạt động theo kiểu chỉnh lưu chuyển mạch cưỡng bức 26
(3π/2≤α≤2π)
2.3. Nghịch lưu chuyển mạch tải 27
2.3.1. Nghịch lưu cộng hưởng một pha 27
2.3.1.1. Phân tích mạch 28
2.3.2. Nghịch lưu ba pha 31
2.3.2.1. Tải cảm kháng 31
2.3.2.2. Tải máy điện đồng bộ quá kích thích 32
2.3.2.2. Khởi động động cơ đồng bộ 35
2.4. Nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức 36
2.4.1. Nghịch lưu nguồn dòng tự động tuần tự 37
(ASCI-Auto Sequential Current Fed Inverter)
2.5. Tổn thất nhiệt gây ra bởi sóng điều hoà bậc cao và hiện tượng mômen 39
đập mạch
2.6. Nghịch lưu sử dụng các van tự chuyển mạch 41
2.6.1. Nghịch lưu 6 bước 41
2.6.1.1. Vấn đề cộng hưởng điều hoà tải 43
2.6.2. Nghịch lưu PWM 46
2.6.2.1. Điều chế độ rộng xung hình thang 46
2.6.2.2. Điều chế độ rộng xung loại trừ sóng điều hòa chọn trước 49
(SHE-PWM)
Chương III: Nghịch lưu điều khiển vector và cấu trúc hệ truyền động biến 52
tần nguồn dòng - động cơ không đồng bộ ba pha
3.1. Mô hình toán học trạng thái động của động cơ không đồng bộ ba pha 52
3.1.1. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha 52
3.1.1.1. Đặc điểm của mô hình toán học trạng thái động của động cơ 52
không đồng bộ
3.1.1.2. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha 54
3.1.2. Phép biến đổi tọa độ và ma trận chuyển đổi 61
3.1.2.1. Khái niệm cơ bản và nguyên tắc của phép biến đổi tọa độ 61
3.1.2.2. Ma trận chuyển đổi tọa độ trong điều kiện công suất bất biến 64
3.1.2.3. Phép chuyển đổi 3 pha/2 pha (phép chuyển đổi 3/2) 66
3.1.2.4. Phép chuyển đổi quay 2 pha / 2 pha 70
3.1.2.5. Phép chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định 3 pha sang hệ tọa độ quay 2 71
pha (phép chuyển đổi 3s/2r)
3.1.3. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay 2 pha 73
bất kỳ
3.1.4. Mô hình toán học động cơ điện không đồng bộ trên hệ tọa độ cố 74
định 2 pha
3.1.5. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay đồng 75
bộ 2 pha
3.1.6. Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ theo định hướng từ 75
trường trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha (mô hình trên hệ tọa độ MT)
3.2. Biến tần gián tiếp với nghịch lưu điều khiển vector 77
3.2.1. Mô hình động cơ một chiều tương đương của động cơ không đồng 77
bộ
3.2.2. Ý tưởng về cấu trúc hệ thống điều khiển vector 78
3.2.3. Phương trình cơ bản điều khiển vector 79
3.2.4. Mô hình quan sát từ thông rotor 81
3.3. Hệ truyền động biến tần nguồn dòng - ĐK 82
3.3.1. Sơ đồ khối của hệ truyền động biến tần nguồn dòng - ĐK 82
3.3.2. Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực của hệ biến tần nguồn dòng - ĐK 83
3.3.3. Khối điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha thyristor 84
3.3.4. Khối điều khiển nghịch lưu áp dụng nguyên lý điều khiển vector 86
Chương 4: Mô phỏng hệ truyền động điện biến tần nguồn dòng - động cơ 88
không đồng bộ ba pha
4.1. Mô phỏng đặc tính làm việc của chỉnh lưu cầu 3 pha thyristor 88
4.1.1. Xây dựng chương trình mô phỏng chỉnh lưu cầu 3 pha thyristor 88
4.1.2. Các kết quả mô phỏng chỉnh lưu cầu 3 pha thyristor 89
4.2. Mô phỏng hệ truyền động biến tần nguồn dòng - động cơ không đồng 91
bộ ba pha
4.2.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ truyền động trong MATLAB 91
4.2.2. Kết quả mô phỏng trong MATLAB R2009a 94
4.2.2.1. Mô phỏng quá trình khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ 94
4.2.2.2. Mô phỏng quá trình khởi động và chế độ hãm tái sinh của động cơ 97
Kết luận và kiến nghị 100
I. Kết luận 100
II. Kiến nghị 100
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều – xoay chiều) 5
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp 6
Hình 1.3. Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều – xoay 7
chiều hình Sin
Hình 1.4 Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của 8
các khâu trong biến tần trực tiếp
Hình 1.5 Thiết bị biến tần gián tiếp 8
Hình 1.6 Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều 10
Hình 1.7 Bộ biến tần điều khiển vector 13
Hình 1.8 Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao (ν là chỉ số sóng hài) 14
Hình 1.9 Dập năng lượng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều 15
Hình 1.10 Sử dụng thêm bộ nghịch lưu mắc song song ngược với bộ chỉnh 16
lưu để trả năng lượng về lưới điện xoay chiều
Hình 2.1 Mạch lực tổng quát của biến tần nguồn dòng sử dụng van 21
thyristor
Hình 2.2 Dạng điện áp và dòng điện lý tưởng của nghịch lưu sáu bước sử 22
dụng van thyristor
Hình 2.3 Biểu đồ pha điện ứng với các hệ số công suất khác nhau 23
Hình 2.4 Các chế độ hoạt động của nghịch lưu ứng với tải sức phản điện 25
động
Hình 2.5 Tổng kết các chế độ hoạt động của máy điện xoay chiều 26
Hình 2.6 Nghịch lưu cộng hưởng một pha với chuyển mạch tải 27
Hình 2.7 (a) Dòng điện và điện áp tải, (b) Đồ thị pha 28
Hình 2.8 Mạch thay thế tương đương với đồ thị pha 31
Hình 2.9 Nghịch lưu cầu ba pha chuyển mạch tải với tải cảm kháng 32
Hình 2.10 Đồ thị pha của động cơ đồng bộ với chuyển mạch tải 33
Hình 2.11 Dạng điện áp và dòng điện cấp cho động cơ đồng bộ với chuyển 34
mạch tải
Hình 2.12 Các phương pháp phát xung khởi động động cơ đồng bộ 36
Hình 2.13 Nghịch lưu cầu ba pha ASCI với tải động cơ điện cảm 37
Hình 2.14 Mạch thay thế ASCI tương đương trong quá trình chuyển mạch 38
từ Q 2 sang Q 4
Hình 2.15 (a) Momen đập mạch với dòng điện một chiều phẳng, (b) 40
Momen đập mạch phẳng với việc điều chế dòng điện một chiều
Hình 2.16 Nghịch lưu nguồn dòng 6 bước sử dụng van GTO với tải động 42
cơ không đồng bộ
Hình 2.17 Mạch thay thế tương đương trong quá trình chuyển mạch từ Q 1 43
sang Q 3
Hình 2.18 Đồ thị pha điện áp và dòng điện tại cực động cơ khi tăng tốc 43
Hình 2.19 Mạch thay thế tương đương của động cơ không đồng bộ với tụ 44
chuyển mạch
Hình 2.20 Sự thay đổi tần số của nghịch lưu có thể kích thích máy điện 45
cộng hưởng với các thành phần điều hòa
Hình 2.21 Nguyên lý điều chế PWM hình thang 47
Hình 2.22 Các thành phần điều hòa trong dòng điện PWM ứng với các hệ 47
số điều chế và số xung M=21 (xung trong một nửa chu kỳ)
Hình 2.23 Dạng sóng dòng điện PWM ba pha 48
Hình 2.24 Quan hệ giữa tần số bộ nghịch lưu và tần số chuyển mạch van 49
của GTO
Hình 2.25 Phương pháp loại bỏ sóng điều hòa chọn trước với số xung trên 50
một nửa chu kỳ M=5
Hình 2.26 Phương pháp loại bỏ sóng điều hòa chọn trước với số xung trên 51
một nửa chu kỳ (a) M=5 và (b) M=7
Hình 3.1 và 3.2 Mô hình điều khiển nhiều biến của động cơ không đồng bộ 53
và sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điều tốc
Hình 3.3 Mô hình vật lý động cơ không đồng bộ 3 pha 54
Hình 3.4 Mô hình vật lý động cơ điện một chiều hai cực: F- cuộn dây kích 61
từ, A - cuộn dây rotor C- cuộn dây bù
Hình 3.5 Mô hình vật lý các cuộn dây động cơ điện xoay chiều, mô hình 63
tương đương và mô hình động cơ điện một chiều
Hình 3.6 Vị trí vector không gian của hệ toạ độ 3 pha và 2 pha cùng với 66
sức từ động cuộn dây
Hình 3.7 Hệ toạ độ cố định và hệ toạ độ quay 2 pha và vector không gian 70
sức từ động
Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc biến đổi tọa độ động cơ không đồng bộ 78
Hình 3.9 Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vector 79
Hình 3.10 Mô hình quan sát từ thông trên hệ toạ độ quay hai pha theo định 82
hướng từ trường
Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - ĐK 82
Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý phần lực hệ truyền động biến tần nguồn dòng - 83
động cơ không đồng bộ ba pha
Hình 3.13 Dòng điện và điện áp trong hệ truyền động biến tần nguồn dòng 84
với chỉnh lưu thyristor (tại 50% tải và tần số 60Hz).
Hình 3.14 Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha 85
Hình 3.15 Cấu trúc nghịch lưu điều khiển vector định hướng từ thông roto 87
Hình 4.1 Mô hình mô phỏng chỉnh lưu cầu 3 pha với tải có sức điện động 89
Ed
Hình 4.2 Chi tiết khối phát 6 xung đồng bộ cho chỉnh lưu 89
Hình 4.3 Dòng điện xoay chiều của lưới điện I A và I B 90
Hình 4.4 Điện áp sau chỉnh lưu V d 91
Hình 4.5 Dòng điện sau chỉnh lưu I d và đại lượng đặt dòng điện một chiều 92
I dref
Hình 4.6 Cấu trúc điều khiển vecto trong vùng tần số f ≤ f đm 92
Hình 4.7 Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động biến tần nguồn dòng – động cơ 93
không đồng bộ ba pha
Hình 4.8 Mô hình chi tiết phần điều khiển vector cho nghịch lưu (khối 94
Vector Control trên mô hình 4.7)
Hình 4.9 Tốc độ động cơ khi khởi động và điều chỉnh tốc độ 95
Hình 4.10 Mômen động cơ khi khởi động và điều chỉnh tốc độ 95
Hình 4.11 Dòng điện 3 pha Stator động cơ 96
Hình 4.12 Dòng điện và điện áp pha A của lưới điện cấp cho bộ chỉnh lưu 96
Hình 4.13 Tốc độ động cơ khi khởi động và điều chỉnh tải sang chế độ 97
hãm tái sinh, với giá trị đặt tốc độ là ω 0 =100 rad/s
Hình 4.14 Đồ thị mômen động cơ khi khởi động với giá trị đặt và trong 98
chế độ hãm tái sinh
Hình 4.15 Dòng điện 3 pha Stator động cơ khi khởi động và trong chế độ 98
hãm tái sinh
Hình 4.16 Dòng điện một chiều sau chỉnh lưu và dòng yêu cầu cấp cho 99
mạch nghịch lưu khi khởi động và trong chế độ hãm
Hình 4.17 Đồ thị dòng áp pha A của lưới điện khi khởi động và trong chế 99
độ hãm tái sinh
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Góc chuyển mạch tối ưu để loại trừ sóng điều hòa bậc cao quan 51
trọng
Bảng 5.1 Thông số động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc dùng trong mô 92
phỏng
LỜI MỞ ĐẦU
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 động 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.
Với mục tiêu nghiên cứu xây dựng hệ truyền động điện biến tần- động cơ xoay
chiều công suất lớn sử dụng biến tần nguồn dòng và nâng cao chất lượng dòng điện
cung cấp cho động cơ, tác giả mong muốn đưa người đọc trước hết là cái nhìn tổng
quan về cấu trúc phần chỉnh lưu và nghịch lưu của bộ biến tần gián tiếp. Sau đó đi
xây dựng cấu trúc tổng thể một hệ truyền động biến tần nguồn dòng - động cơ xoay
chiều không đồng bộ ba pha. Cuối cùng thực hiện các mô phỏng để kiểm nghiệm
kết quả phân tích và chứng minh tính đúng đắn của lý thuyết cũng như phương án
đề xuất
Luận văn bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ
xoay chiều.
Chương 2: Biến tần nguồn dòng và các vấn đề liên quan.
Chương 3: Nghịch lưu điều khiển vector và cấu trúc hệ truyền động điện
biến tần nguồn dòng - động cơ không đồng bộ ba pha.
Chương 4: Mô phỏng hệ truyền động điện biến tần nguồn dòng - động cơ
không đồng bộ ba pha.
Luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn.
Cho phép em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới sự giúp đỡ, dạy bảo nhiệt tình
của thầy.
Bên cạnh đó, tôi cũng xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi rất
nhiệt tình để tôi có thể hoàn thành luận văn này.
Chương I. Tổng quan về hệ truyền động biến tần – động cơ xoay chiều
Chương I
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 được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực khác
nhau, chúng được dùng để cung cấp động lực cho phần lớn các cơ cấu sản xuất.
Trong thế kỷ XIX đã lần lượt 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 như đã được thế giới coi như là một quy luật phân bổ
hiển nhiên. Phương án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù đã được phát
minh và đưa vào ứng dụng khá sớm, nhưng chất lượng 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 nước 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 đường tiết kiệm nguồn năng lượng. Qua hơn 10
năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ 80 hướng nghiên cứu ấy đã đạt được thành tựu
lớn, và đã được coi là bước 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 lưu 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 lồng sóc và động cơ rotor dây quấn. Trong động cơ xoay chiều
đồng bộ có động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (thường là loại cực ẩn) và
1
Chương I. Tổng quan về hệ truyền động biến tần – động cơ xoay chiều
động cơ kích từ bằng nam châm điện (cực lồi). Mỗi loại động cơ đều có những ưu
điểm và nhược điểm nhất định và các phương pháp điều chỉnh tốc độ cũng không
hoàn toàn giống nhau.
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 phương pháp, chẳng hạn như (1) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp giảm
điện áp đặt vào cuộn dây stator động cơ; (2) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp
dùng bộ ly hợp trượt điện từ; (3) điều chỉnh tốc độ bằng phương 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 phương pháp nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây
quấn; (5) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực; (6) điều chỉnh
tốc độ bằng phương pháp thay đổi tần số nhờ bộ biến đổi tần số (phương pháp biến
tần); v.v...
Dựa vào cách xử lý công suất trượt trong máy điện, các hệ thống điều chỉnh tốc
độ động cơ không đồng bộ được phân ra 3 loại là hệ thống điều tốc tiêu hao công
suất trượt, hệ thống điều tốc kiểu tái sinh và hệ thống điều tốc công suất trượt không
thay đổi. Hiệu suất của 3 kiểu này được tăng lên theo thứ tự trên.
1) Hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trượt - toàn bộ công suất trượt chuyển
thành nhiệt năng tiêu hao mất. Ba phương 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, nhưng cấu trúc của hệ thống
này là đơn giản nhất, vì thế nó vẫn được dùng trong một số trường hợp, ví dụ trong
các hệ thống cầu trục.
2) Hệ thống điều tốc kiểu tái sinh - một bộ phận của công suất trượt bị tiêu hao
đi, phần lớn còn lại nhờ có thiết bị chỉnh lưu - nghịch lưu được trả về lưới 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, phương pháp điều tốc thứ (4) đã
2
Chương I. Tổng quan về hệ truyền động biến tần – động cơ xoay chiều
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 trượt nhưng phải thêm thiết bị chỉnh lưu -
nghịch lưu nên lại phải tiêu hao một phần công suất.
3) Hệ thống điều tốc công suất trượt không thay đổi - trong hệ thống này không
tránh khỏi tiêu hao công suất trên dây dẫn rotor, nhưng sự tiêu hao công suất trượt
hầu như không phụ thuộc vào tốc độ cao hay thấp, vì thế hiệu suất khá cao. Phương
pháp điều tốc thay đổi số đôi cực và phương pháp điều tốc biến tần thuộc loại này.
Phương pháp điều tốc thay đổi số đôi cực là phương pháp điều chỉnh có cấp, phạm
vi điều chỉnh hẹp, ít dùng. Phương pháp điều tốc biến tần được ứng dụng rộng rãi
nhất vì nó cho phép điều chỉnh trơn với phạm vi rộng, có khả năng xây dựng được
các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có chất lượng 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, như 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 thường có công suất nhỏ, được sử
dụng trong các hệ thống chính xác, ví dụ như điều khiển các chuyển động của rô
bốt. Động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm điện thường được sản xuất với công
suất lớn, công suất có thể đến hàng chục MW, được sử dụng trong các hệ thống
truyền động như 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 lượng của
hệ thống truyền động. Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi công suất
truyền động, vào hướng điều chỉnh mà có các loại biến tần và phương pháp khống
3
Chương I. Tổng quan về hệ truyền động biến tần – động cơ xoay chiều
chế biến tần khác nhau. Trong thực tế các bộ biến tần được 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. Trước đây, các hệ truyền động dùng biến tần trực tiếp do chất lượng điện áp
đầu ra thấp nên thường dùng ở lĩnh vực công suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất được
đặt lên hàng đầu. Ngày nay, với sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi
điều khiển, phương pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lượng điện áp ra
cao, giảm ảnh hưởng xấu đến lưới điện nên phạm vi ứng dụng đang ngày càng được
mở rộng. Được 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 phương
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/ῳ1 = const dễ thực hiện nhất, đường 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 thường, nhưng khi tốc độ giảm thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm
tản cuộn dây ảnh hưởng đáng kể đến mô men cực đại của động cơ, buộc phải tiến
hành bù sụt điện áp cho mạch stator. Điều khiển Es/ῳ1 = const là mục tiêu thực
hiện bù điện áp thông dụng với U1/ῳ1 = const, khi ở trạng thái ổn định có thể làm
cho từ thông khe hở không khí không đổi (Φm = const), từ đó cải thiện được chất
lượng điều tốc ở trạng thái ổn định. Nhưng đường 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/ῳ1 = const có thể nhận được đường đặc tính
cơ tuyến tính giống như ở động cơ một chiều kích thích từ độc lập, nhờ đó có thể
thực hiện điều tốc với chất lượng cao. Dựa vào yêu cầu tổng từ thông của toàn mạch
rotor Φm= const để tiến hành điều khiển có thể nhận được Er/ῳ1 = const. Trong
trạng thái ổn định và trạng thái động đều có thể duy trì Er/ῳ1 = const là mục đích
của điều tốc biến tần điều khiển vec tơ, đương 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 hướng từ trường động cơ không đồng bộ” do F. Blaschke của hãng Siemens
4
Chương I. Tổng quan về hệ truyền động biến tần – động cơ xoay chiều
Cộng hoà Liên bang Đức đưa 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 được hệ thống
điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay đã trở nên rất phổ biến.
1.2. SƠ LƯỢC 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 tần trực tiếp như trên hình 1.1. Bộ biến đổi này chỉ
dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần
số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được. Do quá
trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp,
còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter).
Hình 1.1 Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)
Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều được tạo bởi mạch điện mắc
song song ngược hai sơ đồ chỉnh lưu tiristor (hình 1.2). Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận
ngược lần lượt được điều khiển làm việc theo chu kỳ nhất định. Trên phụ tải sẽ
nhận được điện áp ra xoay chiều U(t). Biên độ của nó phụ thuộc vào góc điều khiển
α, còn tần số của nó phụ thuộc vào tần số khống chế quá trình chuyển đổi sự làm
việc của hai sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược. Nếu góc điều khiển α 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 được 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 lưu 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 α từ π/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 α
5
Chương I. Tổng quan về hệ truyền động biến tần – động cơ xoay chiều
từ 0 lên tới π/2 thì điện áp trung bình đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu lại từ giá trị cực đại
giảm về 0, tức là làm cho góc α thay đổi trong phạm vi π/2 ÷ 0 ÷ π/2, để điện áp
biến đổi theo quy luật gần hình sin, như trên hình 2.3. Trong đó, tại điểm A có α =
0, điện áp chỉnh lưu trung bình cực đại, sau đó tại các điểm B, C, D, E góc α tăng
dần lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, cho đến điểm F với α = π/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 ngược trong nửa chu kỳ âm điện áp ra cũng
tương tự như thế.
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp
Trên đây đã 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 mạch điện đảo chiều mắc song
song ngược, điện áp trung bình đầu ra có góc pha lệch nhau 120 độ. Như vậy, nếu
mỗi một sơ đồ chỉnh lưu 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 vậy thiết bị biến tần trực tiếp tuy về
mặt cấu trúc chỉ dùng một khâu biến đổi, nhưng số lượng linh kiện lại tăng lên rất
nhiều, kích thước tổng tăng lên rất lớn. Do những thiết bị này đều tương tự như thiết
bị của bộ biến đổi có đảo dòng thường dùng trong hệ thống điều tốc một chiều có
đảo chiều nên quá trình chuyển mạch chiều dòng điện được thực hiện giống như
trong sơ đồ chỉnh lưu 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 vượt quá 1/3 ÷ 1/2 tần số lưới điện (tuỳ theo số pha chỉnh lưu), nếu
6
Chương I. Tổng quan về hệ truyền động biến tần – động cơ xoay chiều
không, đồ thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường
của hệ thống điều tốc biến tần.
Hình 1.3 Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều - xoay chiều hình sin
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 vượt quá 1/3 ÷ 1/2 tần số lưới điện (tuỳ theo số pha chỉnh lưu), nếu
không, đồ thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường
của hệ thống điều tốc biến tần. Do số lượng 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 được dùng, chỉ trong một số lĩnh vực
công suất lớn và cần tốc độ làm việc thấp, chẳng hạn như máy cán thép, máy nghiền
bi, lò xi măng... Những loại máy này khi dùng động cơ tốc độ thấp được cấp điện
bởi biến tần trực tiếp có thể loại bỏ được hộp giảm tốc rất cồng kềnh và thường
dùng tiristor mắc song song mới thoả mãn được yêu cầu công suất đầu ra. Bộ biến
tần trực tiếp tuy có một số nhược điểm là số lượng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi
tần số không rộng, chất lượng điện áp ra thấp, nhưng có ưu 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
dương, biến tần lấy công suất từ lưới cung cấp cho tải. Trong hai khoảng còn lại ta
7
Chương I. Tổng quan về hệ truyền động biến tần – động cơ xoay chiều
có tích giữa điện áp và dòng điện trong biến tần âm nên biến tần biến đổi cung cấp
lại công suất cho lưới.
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
1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp
Bộ biến tần trực tiếp có ưu điểm là có thể thiết kế với một công suất khá lớn ở
đầu ra và hiệu suất cao, nhưng có một số nhược điểm sau:
+ Chỉ có tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp
+ 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.
+ Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin.
Chính vì những đặc điểm trên mà một loại biến tần khác được đưa ra để nâng
cao chất lượng 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 nhược điểm của bộ biến tần
trực tiếp ở trên.
Hình 1.5 Thiết bị biến tần gián tiếp
8
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN TRỌNG CHIẾN
THIẾT KẾ, XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CÔNG
SUẤT LỚN SỬ DỤNG BIẾN TẦN NGUỒN DÒNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN LIỄN
Hà Nội – Năm 2010
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
IM Induction Motor Động cơ không đồng bộ ba pha
4Q Four Quarter Bốn góc phần tư
Super Conducting Magnet
SMES Bộ lưu trữ năng lượng từ siêu dẫn
Energy Storage
Auto Sequential Current
ASCI Nghịch lưu nguồn dòng tự động tuần tự
Fed Inverter
PWM Pulse-width Modulation Điều chế độ rộng xung
ĐK Động cơ không đồng bộ
Selected Harmonic Phương pháp điều chế độ rộng xung
SHE-PWM
Elimination PWM loại trừ sóng điều hòa chọn trước
MỤC LỤC
Nội dung Trang
Trang phụ bìa
Lởi cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các kí hiệu, chữ viết tắt
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Danh mục các bảng
Lời mở đầu
Chương I: Tổng quan về hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ 1
xoay chiều
1.1. Các hệ thống truyền động điện dùng động cơ xoay chiều 1
1.1.1. Giới thiệu chung 1
1.1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 2
1.1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ 3
1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều 3
1.2. Sơ lược về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất 5
1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) 5
1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp 8
1.3. Biến tần bốn góc phần tư 14
1.3.1. Các tồn tại của các bộ biến tần thông thường 14
1.3.2. Biến tần bốn góc phần tư (biến tần 4Q) 16
Chương II: Biến tần nguồn dòng và các vấn đề liên quan 19
2.1. Tổng quan chung về biến tần nguồn dòng 19
2.2. Nguyên lý hoạt động chung của biến tần thyristor 6 bước 20
(six-step thyristor inverter)
2.2.1. Các chế độ hoạt động của nghịch lưu 23
2.2.1.1 Chế độ 1: hoạt động theo kiểu chỉnh lưu chuyển mạch tải 23
(0≤α≤ π/2)
2.2.1.2 Chế độ 2: hoạt động theo kiểu nghịch lưu chuyển mạch tải 25
(π/2≤α≤ π)
2.2.1.3 Chế độ 3: hoạt động theo kiểu nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức 26
(π≤α≤3π/2)
2.2.1.4 Chế độ 4: hoạt động theo kiểu chỉnh lưu chuyển mạch cưỡng bức 26
(3π/2≤α≤2π)
2.3. Nghịch lưu chuyển mạch tải 27
2.3.1. Nghịch lưu cộng hưởng một pha 27
2.3.1.1. Phân tích mạch 28
2.3.2. Nghịch lưu ba pha 31
2.3.2.1. Tải cảm kháng 31
2.3.2.2. Tải máy điện đồng bộ quá kích thích 32
2.3.2.2. Khởi động động cơ đồng bộ 35
2.4. Nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức 36
2.4.1. Nghịch lưu nguồn dòng tự động tuần tự 37
(ASCI-Auto Sequential Current Fed Inverter)
2.5. Tổn thất nhiệt gây ra bởi sóng điều hoà bậc cao và hiện tượng mômen 39
đập mạch
2.6. Nghịch lưu sử dụng các van tự chuyển mạch 41
2.6.1. Nghịch lưu 6 bước 41
2.6.1.1. Vấn đề cộng hưởng điều hoà tải 43
2.6.2. Nghịch lưu PWM 46
2.6.2.1. Điều chế độ rộng xung hình thang 46
2.6.2.2. Điều chế độ rộng xung loại trừ sóng điều hòa chọn trước 49
(SHE-PWM)
Chương III: Nghịch lưu điều khiển vector và cấu trúc hệ truyền động biến 52
tần nguồn dòng - động cơ không đồng bộ ba pha
3.1. Mô hình toán học trạng thái động của động cơ không đồng bộ ba pha 52
3.1.1. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha 52
3.1.1.1. Đặc điểm của mô hình toán học trạng thái động của động cơ 52
không đồng bộ
3.1.1.2. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha 54
3.1.2. Phép biến đổi tọa độ và ma trận chuyển đổi 61
3.1.2.1. Khái niệm cơ bản và nguyên tắc của phép biến đổi tọa độ 61
3.1.2.2. Ma trận chuyển đổi tọa độ trong điều kiện công suất bất biến 64
3.1.2.3. Phép chuyển đổi 3 pha/2 pha (phép chuyển đổi 3/2) 66
3.1.2.4. Phép chuyển đổi quay 2 pha / 2 pha 70
3.1.2.5. Phép chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định 3 pha sang hệ tọa độ quay 2 71
pha (phép chuyển đổi 3s/2r)
3.1.3. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay 2 pha 73
bất kỳ
3.1.4. Mô hình toán học động cơ điện không đồng bộ trên hệ tọa độ cố 74
định 2 pha
3.1.5. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay đồng 75
bộ 2 pha
3.1.6. Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ theo định hướng từ 75
trường trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha (mô hình trên hệ tọa độ MT)
3.2. Biến tần gián tiếp với nghịch lưu điều khiển vector 77
3.2.1. Mô hình động cơ một chiều tương đương của động cơ không đồng 77
bộ
3.2.2. Ý tưởng về cấu trúc hệ thống điều khiển vector 78
3.2.3. Phương trình cơ bản điều khiển vector 79
3.2.4. Mô hình quan sát từ thông rotor 81
3.3. Hệ truyền động biến tần nguồn dòng - ĐK 82
3.3.1. Sơ đồ khối của hệ truyền động biến tần nguồn dòng - ĐK 82
3.3.2. Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực của hệ biến tần nguồn dòng - ĐK 83
3.3.3. Khối điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha thyristor 84
3.3.4. Khối điều khiển nghịch lưu áp dụng nguyên lý điều khiển vector 86
Chương 4: Mô phỏng hệ truyền động điện biến tần nguồn dòng - động cơ 88
không đồng bộ ba pha
4.1. Mô phỏng đặc tính làm việc của chỉnh lưu cầu 3 pha thyristor 88
4.1.1. Xây dựng chương trình mô phỏng chỉnh lưu cầu 3 pha thyristor 88
4.1.2. Các kết quả mô phỏng chỉnh lưu cầu 3 pha thyristor 89
4.2. Mô phỏng hệ truyền động biến tần nguồn dòng - động cơ không đồng 91
bộ ba pha
4.2.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ truyền động trong MATLAB 91
4.2.2. Kết quả mô phỏng trong MATLAB R2009a 94
4.2.2.1. Mô phỏng quá trình khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ 94
4.2.2.2. Mô phỏng quá trình khởi động và chế độ hãm tái sinh của động cơ 97
Kết luận và kiến nghị 100
I. Kết luận 100
II. Kiến nghị 100
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều – xoay chiều) 5
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp 6
Hình 1.3. Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều – xoay 7
chiều hình Sin
Hình 1.4 Sóng hài bậc nhất dòng, áp trên tải và các chế độ làm việc của 8
các khâu trong biến tần trực tiếp
Hình 1.5 Thiết bị biến tần gián tiếp 8
Hình 1.6 Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều 10
Hình 1.7 Bộ biến tần điều khiển vector 13
Hình 1.8 Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao (ν là chỉ số sóng hài) 14
Hình 1.9 Dập năng lượng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều 15
Hình 1.10 Sử dụng thêm bộ nghịch lưu mắc song song ngược với bộ chỉnh 16
lưu để trả năng lượng về lưới điện xoay chiều
Hình 2.1 Mạch lực tổng quát của biến tần nguồn dòng sử dụng van 21
thyristor
Hình 2.2 Dạng điện áp và dòng điện lý tưởng của nghịch lưu sáu bước sử 22
dụng van thyristor
Hình 2.3 Biểu đồ pha điện ứng với các hệ số công suất khác nhau 23
Hình 2.4 Các chế độ hoạt động của nghịch lưu ứng với tải sức phản điện 25
động
Hình 2.5 Tổng kết các chế độ hoạt động của máy điện xoay chiều 26
Hình 2.6 Nghịch lưu cộng hưởng một pha với chuyển mạch tải 27
Hình 2.7 (a) Dòng điện và điện áp tải, (b) Đồ thị pha 28
Hình 2.8 Mạch thay thế tương đương với đồ thị pha 31
Hình 2.9 Nghịch lưu cầu ba pha chuyển mạch tải với tải cảm kháng 32
Hình 2.10 Đồ thị pha của động cơ đồng bộ với chuyển mạch tải 33
Hình 2.11 Dạng điện áp và dòng điện cấp cho động cơ đồng bộ với chuyển 34
mạch tải
Hình 2.12 Các phương pháp phát xung khởi động động cơ đồng bộ 36
Hình 2.13 Nghịch lưu cầu ba pha ASCI với tải động cơ điện cảm 37
Hình 2.14 Mạch thay thế ASCI tương đương trong quá trình chuyển mạch 38
từ Q 2 sang Q 4
Hình 2.15 (a) Momen đập mạch với dòng điện một chiều phẳng, (b) 40
Momen đập mạch phẳng với việc điều chế dòng điện một chiều
Hình 2.16 Nghịch lưu nguồn dòng 6 bước sử dụng van GTO với tải động 42
cơ không đồng bộ
Hình 2.17 Mạch thay thế tương đương trong quá trình chuyển mạch từ Q 1 43
sang Q 3
Hình 2.18 Đồ thị pha điện áp và dòng điện tại cực động cơ khi tăng tốc 43
Hình 2.19 Mạch thay thế tương đương của động cơ không đồng bộ với tụ 44
chuyển mạch
Hình 2.20 Sự thay đổi tần số của nghịch lưu có thể kích thích máy điện 45
cộng hưởng với các thành phần điều hòa
Hình 2.21 Nguyên lý điều chế PWM hình thang 47
Hình 2.22 Các thành phần điều hòa trong dòng điện PWM ứng với các hệ 47
số điều chế và số xung M=21 (xung trong một nửa chu kỳ)
Hình 2.23 Dạng sóng dòng điện PWM ba pha 48
Hình 2.24 Quan hệ giữa tần số bộ nghịch lưu và tần số chuyển mạch van 49
của GTO
Hình 2.25 Phương pháp loại bỏ sóng điều hòa chọn trước với số xung trên 50
một nửa chu kỳ M=5
Hình 2.26 Phương pháp loại bỏ sóng điều hòa chọn trước với số xung trên 51
một nửa chu kỳ (a) M=5 và (b) M=7
Hình 3.1 và 3.2 Mô hình điều khiển nhiều biến của động cơ không đồng bộ 53
và sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điều tốc
Hình 3.3 Mô hình vật lý động cơ không đồng bộ 3 pha 54
Hình 3.4 Mô hình vật lý động cơ điện một chiều hai cực: F- cuộn dây kích 61
từ, A - cuộn dây rotor C- cuộn dây bù
Hình 3.5 Mô hình vật lý các cuộn dây động cơ điện xoay chiều, mô hình 63
tương đương và mô hình động cơ điện một chiều
Hình 3.6 Vị trí vector không gian của hệ toạ độ 3 pha và 2 pha cùng với 66
sức từ động cuộn dây
Hình 3.7 Hệ toạ độ cố định và hệ toạ độ quay 2 pha và vector không gian 70
sức từ động
Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc biến đổi tọa độ động cơ không đồng bộ 78
Hình 3.9 Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vector 79
Hình 3.10 Mô hình quan sát từ thông trên hệ toạ độ quay hai pha theo định 82
hướng từ trường
Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - ĐK 82
Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý phần lực hệ truyền động biến tần nguồn dòng - 83
động cơ không đồng bộ ba pha
Hình 3.13 Dòng điện và điện áp trong hệ truyền động biến tần nguồn dòng 84
với chỉnh lưu thyristor (tại 50% tải và tần số 60Hz).
Hình 3.14 Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha 85
Hình 3.15 Cấu trúc nghịch lưu điều khiển vector định hướng từ thông roto 87
Hình 4.1 Mô hình mô phỏng chỉnh lưu cầu 3 pha với tải có sức điện động 89
Ed
Hình 4.2 Chi tiết khối phát 6 xung đồng bộ cho chỉnh lưu 89
Hình 4.3 Dòng điện xoay chiều của lưới điện I A và I B 90
Hình 4.4 Điện áp sau chỉnh lưu V d 91
Hình 4.5 Dòng điện sau chỉnh lưu I d và đại lượng đặt dòng điện một chiều 92
I dref
Hình 4.6 Cấu trúc điều khiển vecto trong vùng tần số f ≤ f đm 92
Hình 4.7 Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động biến tần nguồn dòng – động cơ 93
không đồng bộ ba pha
Hình 4.8 Mô hình chi tiết phần điều khiển vector cho nghịch lưu (khối 94
Vector Control trên mô hình 4.7)
Hình 4.9 Tốc độ động cơ khi khởi động và điều chỉnh tốc độ 95
Hình 4.10 Mômen động cơ khi khởi động và điều chỉnh tốc độ 95
Hình 4.11 Dòng điện 3 pha Stator động cơ 96
Hình 4.12 Dòng điện và điện áp pha A của lưới điện cấp cho bộ chỉnh lưu 96
Hình 4.13 Tốc độ động cơ khi khởi động và điều chỉnh tải sang chế độ 97
hãm tái sinh, với giá trị đặt tốc độ là ω 0 =100 rad/s
Hình 4.14 Đồ thị mômen động cơ khi khởi động với giá trị đặt và trong 98
chế độ hãm tái sinh
Hình 4.15 Dòng điện 3 pha Stator động cơ khi khởi động và trong chế độ 98
hãm tái sinh
Hình 4.16 Dòng điện một chiều sau chỉnh lưu và dòng yêu cầu cấp cho 99
mạch nghịch lưu khi khởi động và trong chế độ hãm
Hình 4.17 Đồ thị dòng áp pha A của lưới điện khi khởi động và trong chế 99
độ hãm tái sinh
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Góc chuyển mạch tối ưu để loại trừ sóng điều hòa bậc cao quan 51
trọng
Bảng 5.1 Thông số động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc dùng trong mô 92
phỏng
LỜI MỞ ĐẦU
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 động 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.
Với mục tiêu nghiên cứu xây dựng hệ truyền động điện biến tần- động cơ xoay
chiều công suất lớn sử dụng biến tần nguồn dòng và nâng cao chất lượng dòng điện
cung cấp cho động cơ, tác giả mong muốn đưa người đọc trước hết là cái nhìn tổng
quan về cấu trúc phần chỉnh lưu và nghịch lưu của bộ biến tần gián tiếp. Sau đó đi
xây dựng cấu trúc tổng thể một hệ truyền động biến tần nguồn dòng - động cơ xoay
chiều không đồng bộ ba pha. Cuối cùng thực hiện các mô phỏng để kiểm nghiệm
kết quả phân tích và chứng minh tính đúng đắn của lý thuyết cũng như phương án
đề xuất
Luận văn bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền động điện biến tần - động cơ
xoay chiều.
Chương 2: Biến tần nguồn dòng và các vấn đề liên quan.
Chương 3: Nghịch lưu điều khiển vector và cấu trúc hệ truyền động điện
biến tần nguồn dòng - động cơ không đồng bộ ba pha.
Chương 4: Mô phỏng hệ truyền động điện biến tần nguồn dòng - động cơ
không đồng bộ ba pha.
Luận văn này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn.
Cho phép em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới sự giúp đỡ, dạy bảo nhiệt tình
của thầy.
Bên cạnh đó, tôi cũng xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi rất
nhiệt tình để tôi có thể hoàn thành luận văn này.
Chương I. Tổng quan về hệ truyền động biến tần – động cơ xoay chiều
Chương I
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 được sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực khác
nhau, chúng được dùng để cung cấp động lực cho phần lớn các cơ cấu sản xuất.
Trong thế kỷ XIX đã lần lượt 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 như đã được thế giới coi như là một quy luật phân bổ
hiển nhiên. Phương án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều mặc dù đã được phát
minh và đưa vào ứng dụng khá sớm, nhưng chất lượng 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 nước 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 đường tiết kiệm nguồn năng lượng. Qua hơn 10
năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ 80 hướng nghiên cứu ấy đã đạt được thành tựu
lớn, và đã được coi là bước 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 lưu 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 lồng sóc và động cơ rotor dây quấn. Trong động cơ xoay chiều
đồng bộ có động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (thường là loại cực ẩn) và
1
Chương I. Tổng quan về hệ truyền động biến tần – động cơ xoay chiều
động cơ kích từ bằng nam châm điện (cực lồi). Mỗi loại động cơ đều có những ưu
điểm và nhược điểm nhất định và các phương pháp điều chỉnh tốc độ cũng không
hoàn toàn giống nhau.
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 phương pháp, chẳng hạn như (1) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp giảm
điện áp đặt vào cuộn dây stator động cơ; (2) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp
dùng bộ ly hợp trượt điện từ; (3) điều chỉnh tốc độ bằng phương 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 phương pháp nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây
quấn; (5) điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi số đôi cực; (6) điều chỉnh
tốc độ bằng phương pháp thay đổi tần số nhờ bộ biến đổi tần số (phương pháp biến
tần); v.v...
Dựa vào cách xử lý công suất trượt trong máy điện, các hệ thống điều chỉnh tốc
độ động cơ không đồng bộ được phân ra 3 loại là hệ thống điều tốc tiêu hao công
suất trượt, hệ thống điều tốc kiểu tái sinh và hệ thống điều tốc công suất trượt không
thay đổi. Hiệu suất của 3 kiểu này được tăng lên theo thứ tự trên.
1) Hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trượt - toàn bộ công suất trượt chuyển
thành nhiệt năng tiêu hao mất. Ba phương 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, nhưng cấu trúc của hệ thống
này là đơn giản nhất, vì thế nó vẫn được dùng trong một số trường hợp, ví dụ trong
các hệ thống cầu trục.
2) Hệ thống điều tốc kiểu tái sinh - một bộ phận của công suất trượt bị tiêu hao
đi, phần lớn còn lại nhờ có thiết bị chỉnh lưu - nghịch lưu được trả về lưới 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, phương pháp điều tốc thứ (4) đã
2
Chương I. Tổng quan về hệ truyền động biến tần – động cơ xoay chiều
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 trượt nhưng phải thêm thiết bị chỉnh lưu -
nghịch lưu nên lại phải tiêu hao một phần công suất.
3) Hệ thống điều tốc công suất trượt không thay đổi - trong hệ thống này không
tránh khỏi tiêu hao công suất trên dây dẫn rotor, nhưng sự tiêu hao công suất trượt
hầu như không phụ thuộc vào tốc độ cao hay thấp, vì thế hiệu suất khá cao. Phương
pháp điều tốc thay đổi số đôi cực và phương pháp điều tốc biến tần thuộc loại này.
Phương pháp điều tốc thay đổi số đôi cực là phương pháp điều chỉnh có cấp, phạm
vi điều chỉnh hẹp, ít dùng. Phương pháp điều tốc biến tần được ứng dụng rộng rãi
nhất vì nó cho phép điều chỉnh trơn với phạm vi rộng, có khả năng xây dựng được
các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có chất lượng 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, như 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 thường có công suất nhỏ, được sử
dụng trong các hệ thống chính xác, ví dụ như điều khiển các chuyển động của rô
bốt. Động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm điện thường được sản xuất với công
suất lớn, công suất có thể đến hàng chục MW, được sử dụng trong các hệ thống
truyền động như 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 lượng của
hệ thống truyền động. Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi công suất
truyền động, vào hướng điều chỉnh mà có các loại biến tần và phương pháp khống
3
Chương I. Tổng quan về hệ truyền động biến tần – động cơ xoay chiều
chế biến tần khác nhau. Trong thực tế các bộ biến tần được 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. Trước đây, các hệ truyền động dùng biến tần trực tiếp do chất lượng điện áp
đầu ra thấp nên thường dùng ở lĩnh vực công suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất được
đặt lên hàng đầu. Ngày nay, với sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi
điều khiển, phương pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lượng điện áp ra
cao, giảm ảnh hưởng xấu đến lưới điện nên phạm vi ứng dụng đang ngày càng được
mở rộng. Được 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 phương
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/ῳ1 = const dễ thực hiện nhất, đường 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 thường, nhưng khi tốc độ giảm thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm
tản cuộn dây ảnh hưởng đáng kể đến mô men cực đại của động cơ, buộc phải tiến
hành bù sụt điện áp cho mạch stator. Điều khiển Es/ῳ1 = const là mục tiêu thực
hiện bù điện áp thông dụng với U1/ῳ1 = const, khi ở trạng thái ổn định có thể làm
cho từ thông khe hở không khí không đổi (Φm = const), từ đó cải thiện được chất
lượng điều tốc ở trạng thái ổn định. Nhưng đường 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/ῳ1 = const có thể nhận được đường đặc tính
cơ tuyến tính giống như ở động cơ một chiều kích thích từ độc lập, nhờ đó có thể
thực hiện điều tốc với chất lượng cao. Dựa vào yêu cầu tổng từ thông của toàn mạch
rotor Φm= const để tiến hành điều khiển có thể nhận được Er/ῳ1 = const. Trong
trạng thái ổn định và trạng thái động đều có thể duy trì Er/ῳ1 = const là mục đích
của điều tốc biến tần điều khiển vec tơ, đương 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 hướng từ trường động cơ không đồng bộ” do F. Blaschke của hãng Siemens
4
Chương I. Tổng quan về hệ truyền động biến tần – động cơ xoay chiều
Cộng hoà Liên bang Đức đưa 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 được hệ thống
điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay đã trở nên rất phổ biến.
1.2. SƠ LƯỢC 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 tần trực tiếp như trên hình 1.1. Bộ biến đổi này chỉ
dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần
số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được. Do quá
trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp,
còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter).
Hình 1.1 Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)
Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều được tạo bởi mạch điện mắc
song song ngược hai sơ đồ chỉnh lưu tiristor (hình 1.2). Hai sơ đồ chỉnh lưu thuận
ngược lần lượt được điều khiển làm việc theo chu kỳ nhất định. Trên phụ tải sẽ
nhận được điện áp ra xoay chiều U(t). Biên độ của nó phụ thuộc vào góc điều khiển
α, còn tần số của nó phụ thuộc vào tần số khống chế quá trình chuyển đổi sự làm
việc của hai sơ đồ chỉnh lưu mắc song song ngược. Nếu góc điều khiển α 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 được 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 lưu 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 α từ π/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 α
5
Chương I. Tổng quan về hệ truyền động biến tần – động cơ xoay chiều
từ 0 lên tới π/2 thì điện áp trung bình đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu lại từ giá trị cực đại
giảm về 0, tức là làm cho góc α thay đổi trong phạm vi π/2 ÷ 0 ÷ π/2, để điện áp
biến đổi theo quy luật gần hình sin, như trên hình 2.3. Trong đó, tại điểm A có α =
0, điện áp chỉnh lưu trung bình cực đại, sau đó tại các điểm B, C, D, E góc α tăng
dần lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, cho đến điểm F với α = π/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 ngược trong nửa chu kỳ âm điện áp ra cũng
tương tự như thế.
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp
Trên đây đã 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 mạch điện đảo chiều mắc song
song ngược, điện áp trung bình đầu ra có góc pha lệch nhau 120 độ. Như vậy, nếu
mỗi một sơ đồ chỉnh lưu 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 vậy thiết bị biến tần trực tiếp tuy về
mặt cấu trúc chỉ dùng một khâu biến đổi, nhưng số lượng linh kiện lại tăng lên rất
nhiều, kích thước tổng tăng lên rất lớn. Do những thiết bị này đều tương tự như thiết
bị của bộ biến đổi có đảo dòng thường dùng trong hệ thống điều tốc một chiều có
đảo chiều nên quá trình chuyển mạch chiều dòng điện được thực hiện giống như
trong sơ đồ chỉnh lưu 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 vượt quá 1/3 ÷ 1/2 tần số lưới điện (tuỳ theo số pha chỉnh lưu), nếu
6
Chương I. Tổng quan về hệ truyền động biến tần – động cơ xoay chiều
không, đồ thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường
của hệ thống điều tốc biến tần.
Hình 1.3 Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều - xoay chiều hình sin
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 vượt quá 1/3 ÷ 1/2 tần số lưới điện (tuỳ theo số pha chỉnh lưu), nếu
không, đồ thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường
của hệ thống điều tốc biến tần. Do số lượng 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 được dùng, chỉ trong một số lĩnh vực
công suất lớn và cần tốc độ làm việc thấp, chẳng hạn như máy cán thép, máy nghiền
bi, lò xi măng... Những loại máy này khi dùng động cơ tốc độ thấp được cấp điện
bởi biến tần trực tiếp có thể loại bỏ được hộp giảm tốc rất cồng kềnh và thường
dùng tiristor mắc song song mới thoả mãn được yêu cầu công suất đầu ra. Bộ biến
tần trực tiếp tuy có một số nhược điểm là số lượng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi
tần số không rộng, chất lượng điện áp ra thấp, nhưng có ưu 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
dương, biến tần lấy công suất từ lưới cung cấp cho tải. Trong hai khoảng còn lại ta
7
Chương I. Tổng quan về hệ truyền động biến tần – động cơ xoay chiều
có tích giữa điện áp và dòng điện trong biến tần âm nên biến tần biến đổi cung cấp
lại công suất cho lưới.
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
1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp
Bộ biến tần trực tiếp có ưu điểm là có thể thiết kế với một công suất khá lớn ở
đầu ra và hiệu suất cao, nhưng có một số nhược điểm sau:
+ Chỉ có tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp
+ 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.
+ Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin.
Chính vì những đặc điểm trên mà một loại biến tần khác được đưa ra để nâng
cao chất lượng 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 nhược điểm của bộ biến tần
trực tiếp ở trên.
Hình 1.5 Thiết bị biến tần gián tiếp
8