Luận văn Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần tư – động cơ đồng bộ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƢ – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ Ngành : TỰ ĐỘNG HOÁ Mã số:23.04.3898 Học viên: NGUYỄN THỊ THU NGA Ngƣời HD Khoa học : TS. TRẦN XUÂN MINH THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƢ – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NGUYỄN THỊ THU NGA THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP CỘNG HÕA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Nguyễn Thị Thu Nga Ngày tháng năm sinh: Ngày 11 tháng 11năm 1981 Nơi sinh: Lƣơng Sơn - Thái Nguyên Nơi công tác: Trƣờng Cao đẳng Cơ Khí Luyện Kim Cơ sở đào tạo: Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Thái Nguyên Chuyên ngành: Tự động hóa Khóa học: K11- TĐH TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4 GÓC PHẦN TƢ – ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Xuân Minh Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN TS. Trần Xuân Minh HỌC VIÊN Nguyễn Thị Thu Nga DUYỆT BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự hƣớng dẫn của Thầy giáo TS.Trần Xuân Minh và chỉ tham khảo các tài liệu đã đƣợc liệt kê. Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dƣới bất kỳ hình thức nào. Tác giả luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 MỤC LỤC Trang Trang bìa phụ …………………………………….......…………………...…. Lời cam đoan ……………………………………........………………...……. Mục lục …………………………………………….......……………...…...... Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt …………….......……………...……… Danh mục các bảng ……………………………………………..........……… Danh mục các hình vẽ, đồ thị ………………………………......…....……… Mở đầu…………………………………………………....….......…...……… 1 Chƣơng 1- TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 1.1. Các hệ thống truyền động điện dùng động cơ xoay chiều …….....…….. 3 1.1.1. Giới thiệu chung ………………………………………….............… 3 1.1.2. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ …............ 4 1.1.3. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ …….....…....….. 5 1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều ……..............………. 6 1.2. Sơ lƣợc về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất …......…………….. 8 1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ………........………….. 8 1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp …………………………….........…………….. 10 1.3. Biến tần bốn góc phần tƣ …………………......………………………. 16 1.3.1. Các tồn tại của các bộ biến tần thông thƣờng …….........…………… 16 1.3.2. Biến tần bốn góc phần tƣ (biến tần 4Q) ………….............…………. 19 Chƣơng 2 - NGHIÊN CỨU CHỈNH LƢU PWM 21 2.1.Khái quát về chỉnh lƣu PWM .............................................................. 21 2.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến tần nguồn áp bốn góc phần tƣ dùng chỉnh lƣu PWM ………………………......…….........…………. 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 2.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM …………………......……….………. 26 2.3.1. Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM ………...………......……… 27 2.3.2. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ 3 pha …..........…… 28 2.3.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ cố định  -  .......... 29 2.3.4. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trên hệ tọa độ quay d – q ….........… 30 2.3.5. Tính toán công suất chỉnh lƣu PWM ………………….........………. 31 2.4. Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lƣu PWM ……...….....…….. 32 2.4.1. Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều ………………........……… 32 2.4.2. Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm …………………........……… 32 2.5. Ƣớc lƣợng các đại lƣợng vector cơ bản ………………...…..……….. 34 2.5.1. Ƣớc lƣợng vector điện áp đầu vào ………...…………......…………. 35 2.5.2. Ƣớc lƣợng vector từ thông ảo …………………....……….....……… 35 2.6. Phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM …………..............………. 39 2.7. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp 40 2.7.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp dựa vào dòng điện (VOC) ……………..........................................…………… 40 2.7.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC …………........….. 42 2.8. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp trực tiếp công suất DPC ……………….........………..........…………………………… 43 2.8.1. Ƣớc lƣợng công suất theo vector điện áp ……….........…………….. 45 2.8.2. Ƣớc lƣợng công suất theo vector từ thông ảo ….........……………… 46 2.8.3. Đặc điểm cơ bản của điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh lƣu PWM ………………..............................………………………….........…. 47 2.8.4. Bộ điều khiển công suất ………………………........………………. 48 2.8.5. Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt..................................... 50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 2.8.6. Tổ hợp vector điện áp …………………….........…………………… 51 Chƣơng 3 - XÂY DỰNG CẤU TRÖC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU VÀ CẤU TRÖC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN 4Q - ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 53 3.1. Giới thiệu chung động cơ đồng bộ ........................................................ 53 3.1.1. Khái quát chung................................................................................... 53 3.1.2. Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu..................................... 54 3.2. Mô hình toán học của động cơ đồng bộ................................................. 55 3.2.1. Mô hình toán học của động cơ đồng bộ kích từ dây quấn.................. 55 3.2.2. Mô tả toán học động cơ đồng bộ kích từ NCVC.............................. 59 3.3. Cấu trúc điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ đồng bộ ......... 60 3.3.1. Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu ................................. 60 3.3.1.1. Giới thiệu các loại cấu trúc................................................ 60 3.3.1.2. Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu.................... 63 3.3.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ truyền động .................................... 64 3.3.2.1. Sơ đồ khối hệ điều khiển......................................................... 64 3.3.2.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu................................................... 65 3.3.3. Cấu trúc điều khiển nghịch lƣu........................................................... 67 Chƣơng 4 - MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 70 4.1. Mô phỏng đặc tính làm việc của chỉnh lƣu PWM .................................. 70 4.1.1. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng chỉnh lƣu PWM........................... 70 4.1.2. Các kết quả mô phỏng chỉnh lƣu PWM............................................. 72 4.2. Mô phỏng hệ truyền động biến tần 4Q - Động cơ đồng bộ.................... 73 4.2.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ truyền động trong phần mềm Matlab 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 4.2.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................ 78 4.3. Kết luận ...................................................................................................... 82 Kết luận và kiến nghị ........................................................................................ 83 Tài liệu tham khảo ............................................................................................ 84 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT  Góc pha của vector chuẩn  Góc pha điều khiển phần chỉnh lƣu PWM  Góc pha của vector áp nguồn phần chỉnh lƣu PWM  Góc pha giữa dòng điện và áp  Vận tốc góc A Từ thông stator pha A B Từ thông stator pha B C Từ thông stator pha C x * Giá trị đặt L Vector từ thông ảo L Thành phần trục  của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ - L Thành phần trục  của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ - Ld Thành phần trục d của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d-q Lq Thành phần trục q của vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d-q cos Hệ số công suất cơ bản C Tụ điện ĐB Động cơ đồng bộ ba pha Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 DPC Điều khiển trực tiếp công suất (viết tắt của Direct Power Control) f Tần số FOC Điều khiển tựa từ trƣờng (viết tắt của Field Oriented Control) i(t), i Giá trị dòng điện tức thời iA, iB, iC Dòng ba pha A, B, C cuộn dây stator ia, ib, ic Dòng ba pha a, b, c cuộn dây rotor idc Giá trị dòng điện một chiều LI Vector dòng điện lƣới iLa,b,c Dòng ba pha A, B, C của lƣới điện xoay chiều phần chỉnh lƣu PWM iL Thành phần trục  của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ - iL Thành phần trục  của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ - iLd Thành phần trục d của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ d-q iLq Thành phần trục d của vector dòng điện lƣới trên hệ trục toạ độ d-q id Thành phần trục d của vector dòng stator động cơ iq Thành phần trục q của vector dòng stator động cơ I Giá trị hiệu dụng của dòng điện một pha động cơ j Đơn vị ảo J Mô men quán tính L Giá trị điện cảm M Mô men, mô men động cơ Mc Mô men cản tác động lên trục động cơ (mô men tải) Mđt Mô men điện từ động cơ Mđm Mô men định mức Mmax Mô men cực đại Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 np Số đôi cực từ của động cơ P Công suất tác dụng p(t), p Công suất tác dụng tức thời PWM Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse Width Modulation) q(t), q Công suất phản kháng tức thời Q Công suất phản kháng R Điện trở s Toán tử Laplace S Công suất biểu kiến Sa,Sb,Sc Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi t Giá trị thời gian tức thời T Chu kỳ LU Vector điện áp lƣới uL Thành phần trục  của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ  -  uL Thành phần trục  của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ  -  uLd Thành phần trục d của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ d - q uLq Thành phần trục q của vector điện áp lƣới trên hệ trục toạ độ d - q sU Vector điện áp vào bộ chỉnh lƣu PWM us Thành phần trục  của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục toạ độ  -  us Thành phần trục  của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục toạ độ  -  usd Thành phần trục d của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục toạ độ d - q usq Thành phần trục q của vector điện áp đầu vào bộ chỉnh lƣu trên hệ trục Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 toạ độ d - q Udc Điện áp một chiều Va, b, c Điện nguồn ba pha cấp cho động cơ VFOC Điều khiển định hƣớng từ thông ảo (viết tắt của Virtual Flux Oriented Control) VOC Điều khiển tựa theo điện áp lƣới (viết tắt của Voltage Oriented Control) W, Wđt Năng lƣợng, năng lƣợng điện từ 4Q Bốn góc phần tƣ (viết tắt của Four (4) Quater) Danh mục các bảng Bảng B.2.1: Bảng đóng cắt cho DPC với bộ điều khiển hai mức, 12 vùng vector 50 Bảng B.2.2: Sự tăng giảm p, q theo U………………….……………...........…….. 51 Danh mục các hình vẽ và Đồ thị Hình 1.1. Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ...........……...... 8 Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp …………………….....….......... 8 Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều hình sin….……………………………..………………......................…………….. 9 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…………………………………................................ 10 Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp………………………………………….......... 11 Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều…………............. 12 Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector……………………….........…………. 15 Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao ( là chỉ số sóng hài)............. 17 Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều ….............. 18 Hình 1.10: Sử dụng thêm bộ nghịch lưu mắc song song ngược với bộ chỉnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 lưu để trả năng lượng về lưới điện xoay chiều………..............................……... 18 Hình 2.1: Sơ đồ biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM……............… 23 Hình 2.2a. Sơ đồ thay thế một pha bộ chỉnh lưu tích cực PWM……........…….. 24 Hình 2.2 b. Đồ thị vector tổng quát của bộ chỉnh lưu…………............……….. 24 Hình 2.2 c. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng 1.......... 24 Hình 2.2 d. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số công suất bằng - 1 (nghịch lưu)……………………………………...............…………………………... 24 Hình 2.3a: Đồ thị 6 vector điện áp cơ bản khi điều khiển sự chuyển mạch các khoá bán dẫn Sa, Sb, Sc ……………………………………….................................. 25 Hình 2.3b: Các trạng thái chuyển mạch của chỉnh lưu PWM .....….............…. 26 Hình 2.4: Đồ thị vector điện áp, dòng điện chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ  - và d-q ………………………………………………......................…………….......... 27 Hình 2.5: Cấu trúc mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ ba pha ... 28 Hình 2.6: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ -……….......…. 30 Hình 2.7: Mô hình toán học chỉnh lưu PWM trên hệ toạ độ d-q……….........…. 31 Hình 2.8: Đồ thị vector điện áp chỉnh lưu PWM ……………………........……... 32 Hình 2.9a: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM…………........….... 33 Hình 2.9b: Giới hạn làm việc điện áp của chỉnh lưu PWM……………….......... 34 Hình 2.10: Mô hình động cơ ảo và đồ thị véc tơ từ thông ảo với chỉnh lưu PWM…………………………………….................….........………………………… 36 Hình 2.11: Quan hệ giữa điện áp và từ thông ảo với dòng công suất của chỉnh lưu PWM …………………………………………….................…………… 37 Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc nhận dạng véc tơ từ thông ảo………........………..... 38 Hình 2.13: Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM………………...…..... 39 Hình 2.14: Hệ truyền động động cơ xoay chiều - biến tần dùng chỉnh lưu PWM với các phương pháp điều khiển ………………........................……......... 40 Hình 2.15: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC …………....……..... 41 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 Hình 2.16: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC……....................………………………………………………………………… 42 Hình 2.17: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC.... 42 Hình 2.18: Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo DPC……….....………..... 44 Hình 2.19: Khâu ước lượng công suất và điện áp ………………..........……...... 45 Hình 2.20: Khâu ước lượng p, q theo vector L …………………..…………...... 46 Hình 2.21: Sự biến thiên giá trị công suất tức thời ……………........………....... 48 Hình 2.22: Bộ điều khiển công suất …………………………………..………....... 49 Hình 2.23: Phân vùng vector cho phương pháp điều khiển DPC……....…….... 50 Hình 2.24: Biến đổi vector điện áp…………………...........……………………… 52 Hình 3.1: Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu loại SPM ................... 54 Hình 3.2: Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu loại IPM..................... 55 Hình 3.3: Ý tưởng cấu trúc hệ thống điều khiển vector …………………............ 61 Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc biến đổi toạ độ động cơ đồng bộ................................ 62 Hình 3.5: Sơ đồ khối hệ truyền động điện biến tần 4Q - ĐB.............................. 64 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý phần lực hệ truyền động biến tần bốn góc phần tư dùng chỉnh lưu PWM - động cơ đồng bộ ba pha................................................ 65 Hình 3.7: Cấu trúc khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo VOC.......................... 66 Hình 3.8: Cấu trúc nghịch lưu điều khiển vector định hướng từ thông rotor..... 69 Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu PWM tải điện trở điều khiển theo VOC... 71 Hình 4.2: Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp VOC(khối “Subsytrem”) của mô hình hình 4.1............................ 71 Hình 4.3: Chi tiết khối “PLECS circuit” của mô hình hình 4.1......................... 72 Hình 4.4: Điện áp một chiều sau chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC............ 72 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 Hình 4.5: Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC..................................................................................................................... 72 Hình 4.6: Điện áp và dòng điện pha A của chỉnh lưu PWM điều khiển theo VOC trong thời gian 5 chu kỳ nguồn.................................................................. 73 Hình 4.7: Dòng một chiều sau chỉnh lưu của PWM điều khiển theo VOC trong thời gian 1/6 chu kỳ nguồn....................................................................... 73 Hình 4.8: Cấu trúc điều khiển vector trong vùng tần số f fdm...................................... 74 Hình 4.9: Sơ đồ mô phỏng hệ biến tần 4Q - Động cơ đồng bộ ba pha kích từ vĩnh cửu (PMSM) điều khiển theo VOC - DTC................................................. 75 Hình 4.10: Triển khai chi tiết khối PLECS Circuit............................................ 75 Hình 4.11: Triển khai chi tiết INVERTER.......................................................... 76 Hình 4.12: Triển khai chi tiết khối Speed controller trong INVERTER............. 76 Hình 4.13: Triển khai chi tiết khối Current controller trong INVERTER.......... 76 Hình 4.14: Triển khai chi tiết khối SubSystem .................................................. 77 Hình 4.15: Triển khai chi tiết khối Voltage controller trong SubSystem........... 77 Hình 4.16: Triển khai chi tiết khối Current controller trong SubSystem .......... 77 Hình 4.17 Triển khai chi tiết khối PWM trong SubSystem ................................. 78 Hình 4.18: Tốc độ động cơ khi khởi động có tải, điều chỉnh giảm tốc với tải phản kháng bằng hằng số.................................................................................. 78 Hình 4.19: Mô men động cơ khi khởi động, làm việc ổn định và điều chỉnh giảm tốc với tải phản kháng (Mc = 5Nm = const).............................................. 79 Hình 4..20: Dạng điện áp dây (uAB) trên động cơ khi giá trị đặt điện áp ra chỉnh lưu PWM là 650V...................................................................................... 79 Hình 4.21: Dòng điện ba pha của động cơ giai đoạn trước và sau khi kết thúc quá trình khởi động............................................................................................ 80 Hình 4.22: Tốc độ động cơ khi khởi động và làm việc ổn định với tải thế năng (Mc=-5Nm, đặt=312rad/s), giả thiết chiều quay theo chiều tác động của mô men tải (góc phần tư thứ tư).............................................................................. 81 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 Hình 4.23: Điện áp và dòng điện đầu vào chỉnh lưu PWM trong giai đoạn khởi động và khi vào làm ổn định việc với tải thế năng ................................... 81 Hình 4.24: Mô men động cơ khi khởi động và làm việc ổn định với tải thế năng (Mc=-5Nm, đặt=312rad/s) ....................................................................... 82 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 MỞ ĐẦU Trong những năm cuối của thế kỷ XX, sự phát triển của điện tử công suất đã dẫn tới sự phát triển mạnh mẽ của các hệ truyền động điện xoay chiều và nó dần thay thế một phần lớn hệ thống truyền động điện một chiều. Vì hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều bằng phƣơng pháp thay đổi tần số nguồn cấp cho mạch stator có nhiều ƣu điểm so với hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều. Tuy nhiên, các bộ biến tần gián tiếp thông dụng trong các hệ truyền động điện xoay chiều thƣờng sử dụng bộ chỉnh lƣu điốt và do vậy không có khả năng trả năng lƣợng về lƣới. Vấn đề hãm trong các hệ truyền động nhƣ vậy đƣợc thực hiện bởi việc sử dụng điện trở tiêu tán năng lƣợng. Vì vậy, trong các hệ thống truyền động điện mà động cơ thƣờng làm việc ở chế độ hãm thì việc tiêu tán năng lƣợng trên điện trở sẽ gây ra lãng phí rất lớn. Để tiết kiệm năng lƣợng, tăng chất lƣợng điều chỉnh cần phải thiết kế bộ biến tần đảm bảo cho phép động cơ làm việc đƣợc ở các trạng thái hãm khác nhau mà đặc biệt là hãm tái sinh. Biến tần nhƣ vậy đƣợc gọi là biến tần 4 góc phần tƣ (biến tần 4Q). Đƣợc sự hƣớng dẫn của thầy giáo TS.Trần Xuân Minh - Trƣởng Khoa Điện Trƣờng ĐH Kỹ Thuật Công Nghiệp - Thái Nguyên, tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài luận văn tốt nghiệp là “Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần tƣ - Động cơ đồng bộ”. Kết cấu của luận văn gồm: Chƣơng 1: Tổng quan về hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều. Chƣơng 2: Nghiên cứu về chỉnh lƣu PWM. Chƣơng 3: Xây dựng cấu trúc điều khiển nghịch lƣu và cấu trúc hệ truyền động biến tần 4Q - động cơ đồng bộ. Chƣơng 4: Mô phỏng hệ thống. Kết luận và kiến nghị. Đề tài đã đƣợc hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ bảo, giúp đỡ động viên của các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo TS.Trần Xuân Minh, ngƣời đã luôn quan tâm động viên, khích lệ và tận tình hƣớng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Các vấn đề đƣợc đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày tháng 8 năm 2010 Tác giả Nguyễn Thị Thu Nga Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ 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 Trong thực tế, để truyền động cho những cơ cấu sản xuất ngƣời ta sử dụng các động cơ làm cơ cấu chấp hành. Trƣớc đây, các hệ thống truyền động điện có yêu cầu cao về chất lƣợng điều chỉnh tốc độ, thƣờng dùng động cơ điện một chiều. Tuy nhiên loại động cơ này có nhiều nhƣợc điểm so với động cơ điện xoay chiều, nên phƣơng án điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều đã đƣợc nghiên cứu và đƣa vào ứng dụng nhƣng còn hạn chế. Đến thập kỷ 70 của thế kỷ XX, khi thế giới bị cuốn hút vào nguy cơ khan hiếm dầu mỏ, các nƣớc công nghiệp tiên tiến mới tập trung vào việc nghiên cứu con đƣờng tiết kiệm nguồn năng lƣợng. Qua hơn 10 năm cố gắng nỗ lực, đến thập kỷ 80 hƣớng nghiên cứu ấy đã đạt đƣợc thành tựu lớn, và đã đƣợc coi là bƣớc đột phá thần kỳ trong truyền động điện xoay chiều, và từ đó tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ngày một tăng lên. Trong các ngành công nghiệp đã có trào lƣu thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều. Hiện nay, với khả năng thiết kế các bộ điều khiển hiện đại, nhờ cải tiến, ứng dụng không ngừng các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn, động cơ dòng xoay chiều đã trở thành một đối tƣợng điều khiển có ƣu thế và vì vậy, các hệ thống truyền động điện đã sử dụng động cơ xoay chiều nhƣ một đối tƣợng thân thiện có nhiều ƣu điểm vƣợt trội. Động cơ điện xoay chiều có thể phân làm hai nhóm: động cơ xoay chiều không đồng bộ và động cơ xoay chiều đồng bộ. Trong động cơ xoay chiều không đồng bộ có động cơ rotor lòng xóc và động cơ rotor dây quấn. Trong động cơ xoay chiều đồng bộ có động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (thƣờng là loại cực ẩn) và động cơ kích từ bằng nam châm điện (cực lồi). Mỗi loại động cơ đều có những ƣu điểm và nhƣợc điểm nhất định và các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ cũng không hoàn toàn giống nhau. 1.1.2. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 Để điều chỉnh tốc độ (điều tốc) động cơ không đồng bộ có rất nhiều phƣơng pháp, chẳng hạn nhƣ : (1) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp giảm điện áp đặt vào cuộn dây stator động cơ; (2) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp dùng bộ ly hợp trƣợt điện từ; (3) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp dùng điện trở phụ nối tiếp với cuộn dây rotor đối với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn; (4) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp nối cấp động cơ không đồng bộ rotor dây quấn; (5) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp thay đổi số đôi cực; (6) điều chỉnh tốc độ bằng phƣơng pháp thay đổi tần số nhờ bộ biến đổi tần số (phƣơng pháp biến tần); v.v... Dựa vào nguyên lý cơ bản của động cơ điện không đồng bộ, công suất điện từ Pm từ stato truyền cho rôto đƣợc chia thành hai bộ phận: bộ phận thứ nhất P2=(1-s)Pm là công suất hữu ích dẫn động phụ tải, còn bộ phận thứ hai là công suất trƣợt Ps=sPm tỷ lệ thuận với hệ số trƣợt. Từ góc độ chuyển đổi năng lƣợng mà xét, công suất trƣợt là tăng lên hay giảm xuống là phản ánh năng lƣợng bị tiêu hao đi hay là thu hồi lại đƣợc, và trở thành một chỉ tiêu đánh giá mức độ cao thấp về hiệu suất của hệ thống. Xuất phát từ điểm này, có thể chia hệ thống điều tốc động cơ không đồng bộ thành ba loại lớn : 1) Hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trƣợt - toàn bộ công suất trƣợt chuyển thành nhiệt năng tiêu hao mất. Ba phƣơng pháp điều tốc (1), (2), (3) kể trên đều thuộc về loại này. Hiệu suất hệ thống điều tốc của các loại này là thấp nhất và chấp nhận tổn thất công suất để đổi lấy việc giảm tốc độ quay (lúc mômen phụ tải không đổi), tốc độ càng xuống thấp thì hiệu suất càng giảm, nhƣng cấu trúc của hệ thống này là đơn giản nhất, vì thế nó vẫn đƣợc dùng trong một số trƣờng hợp, ví dụ trong các hệ thống cầu trục. 2) Hệ thống điều tốc kiểu tái sinh - một bộ phận của công suất trƣợt bị tiêu hao đi, phần lớn còn lại nhờ có thiết bị chỉnh lƣu - nghịch lƣu đƣợc trả về lƣới điện xoay chiều hoặc chuyển hoá thành dạng cơ năng để dùng vào việc có ích khác, khi tốc độ quay càng thấp công suất thu hồi cũng càng nhiều, phƣơng pháp điều tốc thứ (4) đã kể trên là thuộc loại này. Hiệu suất của hệ thống điều tốc loại này rõ ràng là cao hơn loại hệ thống điều tốc tiêu hao công suất trƣợt nhƣng phải thêm thiết bị chỉnh lƣu - nghịch lƣu nên lại phải tiêu hao một phần công suất. 3) Hệ thống điều tốc công suất trƣợt không thay đổi - trong hệ thống này không tránh khỏi tiêu hao công suất trên dây dẫn rotor, nhƣng sự tiêu hao công suất trƣợt hầu nhƣ không phụ thuộc vào tốc độ cao hay thấp, vì thế hiệu suất khá cao. Phƣơng pháp điều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 tốc thay đổi số đôi cực và phƣơng pháp điều tốc biến tần thuộc loại này. Phƣơng pháp điều tốc thay đổi số đôi cực là phƣơng pháp điều chỉnh có cấp, phạm vi điều chỉnh hẹp, ít dùng. Phƣơng pháp điều tốc biến tần đƣợc ứng dụng rộng rãi nhất vì nó cho phép điều chỉnh trơn với phạm vi rộng, có khả năng xây dựng đƣợc các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có chất lƣợng cao, có thể thay thế hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều và do đó có tiền đồ phát triển hơn cả. Hệ thống điều tốc biến tần động cơ không đồng bộ có phạm vi ứng dụng rộng cả về lĩnh vực và công suất, từ công suất cực nhỏ đến công suất rất lớn (hàng MW). 1.1.3. Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ ba pha ngày nay đƣợc sử dụng rộng rãi với dải công suất từ vài trăm W đến hàng MW( ví dụ : Động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu thƣờng có công suất nhỏ, đƣợc sử dụng trong các hệ thống chính xác nhƣ điều khiển các chuyển động của Rôbốt. Động cơ đồng bộ kích từ băng nam châm điện thƣờng đƣợc sản xuất với công suất lớn, đƣợc sử dụng trong các hệ thống truyền động nhƣ : máy bơm, quạt gió, máy nén khí, truyền động cho lò trong sản xuất xi măng..) .ở giải công suất cực lớn thì nó hoàn toàn chiếm ƣu thế. Bởi vì động cơ đồng bộ vừa có những ƣu điểm của động cơ một chiều vừa có những ƣu điểm của động cơ không đồng bộ. Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ xuất phát từ biểu thức: p f s S   2  (1-1) Trong đó: fs- tần số nguồn cung cấp xoay chiều cho mạch Stato ( mạch phần ứng) p- Số đôi cực. s- tần số đồng bộ, cũng là tần số quay của rôto. Vì vậy phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ là thay đổi tần số nguồn.Đối với động cơ điện đồng bộ chủ yếu dùng kiểu điều tốc biến tần. Thiết bị biến tần phối hợp điều tốc động cơ đồng bộ có thể là bộ biến tần nguồn áp, bộ biến tần nguồn dòng, bộ chuyển đổi chu kỳ sóng( bộ biến tần xoay chiều-xoay chiều) hoặc bộ biến tần SPWM. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 Hệ thống điều tốc biến tần của động cơ đồng bộ đƣợc phân thành hai nhóm lớn là biến tần điều khiển ngoài và biến tần tự điều khiển. Thiết bị biến tần độc lập tạo cho động cơ đồng bộ một nguồn điện biến áp biến tần gọi là hệ thống điều tốc biến tần điều khiển ngoài, thiết bị dùng bộ đo kiểm vị trí roto trên trục động cơ để điều khiển phát xung gọi là hệ thống điều tốc biến tần tự điều khiển. 1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều Trong các hệ thống điều tốc biến tần cho động cơ xoay chiều cái cần để điều khiển là điện áp( hoặc dòng điện) và tần số, làm thế nào để thông qua điện áp ( hoặc dòng điện) và tần số để điều khiển đƣợc mô men ? Đó là vấn đề đầu tiên phải giải quyết khi săn đuổi, tìm tòi hệ thống điều tốc biến tần có chất lƣợng cao. Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi công suất truyền động, vào hƣớng điều chỉnh mà có các loại biến tần và phƣơng pháp khống chế biến tần khác nhau. Trong thực tế các bộ biến tần đƣợc chia làm hai nhóm: các bộ biến tần là biến tần trực tiếp và các bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều. Trƣớc đây, các hệ truyền động dùng biến tần trực tiếp do chất lƣợng điện áp đầu ra thấp nên thƣờng dùng ở lĩnh vực công suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất đƣợc đặt lên hàng đầu. Ngày nay, với sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi điều khiển, phƣơng pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lƣợng điện áp ra cao, giảm ảnh hƣởng xấu đến lƣới điện nên phạm vi ứng dụng đang ngày càng đƣợc mở rộng. Đƣợc ứng dụng nhiều nhất hiện nay vẫn là các hệ điều tốc biến tần dùng bộ biến tần gián tiếp, các bộ biến tần loại này có thể khống chế theo các phƣơng pháp khác nhau: điều chế độ rộng xung (PWM); điều khiển vector; điều khiển trực tiếp mô men. Biến tần điều chế độ rộng xung (PWM) với việc điều khiển điện áp và tần số theo qui luật U1/1 = const dễ thực hiện nhất, đƣờng đặc tính cơ biến tần của nó về cơ bản là tịnh tiến lên xuống, độ cứng cũng khá tốt, có thể thoả mãn yêu cầu điều tốc thông thƣờng, nhƣng khi tốc độ giảm thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm tản cuộn dây ảnh hƣởng đáng kể đến mô men cực đại của động cơ, buộc phải tiến hành bù sụt điện áp cho mạch stator. Điều khiển Es/1 = const là mục tiêu thực hiện bù điện áp thông dụng với U1/1 = const, khi ở trạng thái ổn định có thể làm cho từ thông khe hở không khí không đổi (m = const), từ đó cải thiện đƣợc chất lƣợng điều tốc ở trạng thái ổn định. Nhƣng đƣờng đặc tính của nó vẫn là phi tuyến, khả năng quá tải về mômen quay vẫn bị hạn chế. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 Hệ thống truyền động điều khiển Er/1 = const có thể nhận đƣợc đƣờng đặc tính cơ tuyến tính giống nhƣ ở động cơ một chiều kích thích từ độc lập, nhờ đó có thể thực hiện điều tốc với chất lƣợng cao. Dựa vào yêu cầu tổng từ thông của toàn mạch rotor rm= const để tiến hành điều khiển có thể nhận đƣợc Er/1 = const. Trong trạng thái ổn định và trạng thái động đều có thể duy trì Er/1 = const là mục đích của điều tốc biến tần điều khiển vec tơ, đƣơng nhiên hệ thống điều khiển của nó là khá phức tạp. Dựa trên kết quả từ 2 hạng mục nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hƣớng từ trƣờng động cơ không đồng bộ” do F. Blaschke của hãng Siemens Cộng hoà Liên bang Đức đƣa ra vào năm 1971, và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cơ cảm ứng” do P.C. Custman và A.A. Clark ở Mỹ công bố trong sáng chế phát minh của họ, qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành đƣợc hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay đã trở nên rất phổ biến. 1.2. SƠ LƢỢC VỀ CÁC BỘ BIẾN TẦN DÙNG DỤNG CỤ BÁN DẪN CÔNG SUẤT 1.2.1. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) Cấu trúc của thiết bị biến tần trực tiếp nhƣ 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 đƣợc. Do quá trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên đƣợc gọi là bộ biến tần trực tiếp, còn đƣợc gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter). Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều đƣợc tạo bởi mạch điện mắc song song ngƣợc hai sơ đồ chỉnh lƣu tiristor (hình 1.2). Hai sơ đồ chỉnh lƣu thuận ngƣợc lần lƣợt đƣợc điều khiển làm việc theo chu kỳ nhất định. Trên phụ tải AC AC ~ 3 U1, f1 Biến tần xoay chiều - xoay chiều ~ 3 U2, f2 Hình 1.1: Thiết bị biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) Sơ đồ chỉnh lƣu thuận  3 f1, U1 Tải Sơ đồ chỉnh lƣu ngƣợc  3 f1, U1 Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 sẽ nhận đƣợc điện áp ra xoay chiều ut. Biên độ của nó phụ thuộc vào góc điều khiển , còn tần số của nó phụ thuộc vào tần số khống chế quá trình chuyển đổi sự làm việc của hai sơ đồ chỉnh lƣu mắc song song ngƣợc. Nếu góc điều khiển  không thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra có giá trị không đổi trong mỗi nửa chu kỳ điện áp đầu ra. Muốn nhận đƣợc điện áp đầu ra có dạng gần hình sin hơn cần phải liên tục thay đổi góc điều khiển các van của mỗi sơ đồ chỉnh lƣu trong thời gian làm việc của nó (mỗi nửa chu kỳ điện áp ra); chẳng hạn ở nửa chu kỳ làm việc của sơ đồ thuận, thực hiện thay đổi góc điều khiển  từ /2 (ứng với điện áp trung bình bằng không) giảm dần tới 0 (ứng với điện áp trung bình là cực đại), sau đó lại tăng dần  từ 0 lên tới /2 thì điện áp trung bình đầu ra của sơ đồ chỉnh lƣu lại từ giá trị cực đại giảm về 0, tức là làm cho góc  thay đổi trong phạm vi /2  0  /2, để điện áp biến đổi theo quy luật gần hình sin, nhƣ trên hình 1.3. Trong đó, tại điểm A có  = 0, điện áp chỉnh lƣu trung bình cực đại, sau đó tại các điểm B, C, D, E góc  tăng dần lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, cho đến điểm F với  = /2 điện áp trung bình là 0. Điện áp trung bình trong nửa chu kỳ là hình sin trong hình vẽ thể hiện bằng nét đứt. Sự điều khiển sơ đồ ngƣợc trong nửa chu kỳ âm điện áp ra cũng tƣơng tự nhƣ thế. Trên đây đã 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 ngƣợc, điện áp trung bình đầu ra có góc pha lệch nhau 1200. Nhƣ vậy, nếu mỗi một sơ đồ chỉnh lƣu đều dùng loại sơ đồ cầu ba pha thì bộ biến tần ba pha sẽ cần tổng cộng tới 36 tiristor (mỗi nhánh cầu chỉ dùng một tiristor), nếu dùng loại sơ đồ tia ba pha, cũng phải dùng tới 18 tiristor. Vì vậy thiết bị biến tần trực tiếp tuy về mặt cấu trúc chỉ dùng một khâu biến đổi, nhƣng số lƣợng linh kiện lại tăng lên rất nhiều, kích thƣớc tổng tăng lên rất lớn. Do những thiết bị này đều tƣơng tự nhƣ thiết bị của bộ biến đổi có đảo dòng thƣờng dùng trong hệ thống điều tốc một chiều có đảo chiều nên quá trình chuyển mạch chiều dòng điện đƣợc =/2 =0 /2 =/2 Điện áp đầu ra Điện áp trung bình đầu ra Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều hình sin Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 thực hiện giống nhƣ trong sơ đồ chỉnh lƣu có điều khiển (chuyển mạch tự nhiên), đối với các linh kiện không có các yêu cầu gì đặc biệt. Ngoài ra, từ hình 1.3 có thể thấy, khi điện áp đổi chiều đồ thị hình sin của điện áp nguồn cũng có thể biến đổi theo rất nhanh chóng, vì vậy tần số đầu ra lớn nhất cũng không vƣợt quá 1/3  1/2 tần số lƣới điện (tuỳ theo số pha chỉnh lƣu), nếu không, đồ thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hƣởng tới sự làm việc bình thƣờng của hệ thống điều tốc biến tần. Do số lƣợng linh kiện tăng lên nhiều, tần số đầu ra giảm xuống, phạm vi thay đổi tần số đầu ra của bộ biến tần hẹp (vì cũng bị gới hạn cả tần số thấp nhất) nên hệ điều tốc này ít đƣợc dùng, chỉ trong một số lĩnh vực công suất lớn và cần tốc độ làm việc thấp, chẳng hạn nhƣ máy cán thép, máy nghiền bi, lò xi măng, .... những loại máy này khi dùng động cơ tốc độ thấp đƣợc cấp điện bởi biến tần trực tiếp có thể loại bỏ đƣợc hộp giảm tốc rất cồng kềnh và thƣờng dùng tiristor mắc song song mới thoả mãn đƣợc yêu cầu công suất đầu ra. Bộ biến tần trực tiếp tuy có một số nhƣợc điểm là số lƣợng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi tần số không rộng, chất lƣợng điện áp ra thấp, nhƣng có ƣu điểm là hiệu suất cao hơn so với các bộ biến tần gián tiếp, điều này đặc biệt có ý nghĩa khi công suất hệ thống điều tốc cực lớn (các hệ thống dùng động cơ công suất đến 16.000 KW). Trên đồ thị dạng sóng (hình 1.4) ta thấy công suất tức thời của biến tần bao gồm có bốn giai đoạn. Trong hai khoảng ta có tích điện áp và dòng điện của biến tần dƣơng, biến tần lấy công suất từ lƣới cung cấp cho tải. Trong hai khoảng còn lại ta có tích giữa điện áp và dòng điện trong biến tần âm nên biến tần biến đổi cung cấp lại công suất cho lƣới. 1.2.2. Bộ biến tần gián tiếp Bộ biến tần trực tiếp có ƣu điểm là có thể thiết kế với một công suất khá lớn ở đầu ra và hiệu suất cao, nhƣng có một số nhƣợc điểm sau: + Chỉ có tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp lƣới. Sơ đồ chỉnh ngƣợc ở chế độ nghịch lƣu u Sơ đồ chỉnh thuận ở chế độ chỉnh lƣu Sơ đồ chỉnh thuận ở chế độ nghịch lƣu Sơ đồ chỉnh ngƣợc ở chế độ chỉnh lƣu i 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 t u, i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 + 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 đƣợc đƣa ra để nâng cao chất lƣợng hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều, đó là biến tần gián tiếp. Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục những nhƣợc điểm của bộ biến tần trực tiếp ở trên. Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều có thể có các cấu trúc khác nhau, cấu trúc chung đƣợc mô tả nhƣ hình 1.5. Về cơ bản có thể có ba khâu chính: Chỉnh lƣu, lọc và nghịch lƣu. Phụ thuộc vào việc điều chỉnh điện áp đầu ra mà có thể có ba dạng sau: Bộ biến tần dùng chỉnh lƣu có điều khiển, bộ biến tần dùng chỉnh lƣu không điều khiển nhƣng thêm bộ biến đổi xung áp một chiều, bộ biến tần dùng chỉnh lƣu không điều khiển với nghịch lƣu thực hiện điều chế độ rộng xung (PWM). A. Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển. Bộ biến tần này có cấu trúc nhƣ trên hình 1.6a, điện áp xoay chiều lƣới điện đƣợc biến đổi thành điện áp một chiều có điều chỉnh nhờ chỉnh lƣu điều khiển tiristor, khâu lọc có thể là bộ lọc điện dung hoặc điện cảm phụ thuộc vào dạng nghịch lƣu yêu cầu, khối nghịch lƣu có thể sử dụng các tiristor hoặc transistor. Việc điều chỉnh giá trị điện áp ra U2 đƣợc thực hiện bằng việc điều khiển góc điều khiển bộ chỉnh lƣu, việc điều chỉnh tần số tiến hành bởi khâu nghịch lƣu, tuy nhiên quá trình điều khiển đƣợc phối hợp trên cùng một mạch điện điều khiển. Cấu trúc của bộ biến tần loại này đơn giản, dễ điều khiển nhƣng do khâu biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều (đầu vào) sử dụng chỉnh lƣu điều khiển tiristor nên khi điện áp ra thấp thì hệ số công suất giảm thấp; khâu biến đổi điện áp hoặc dòng điện một chiều thành xoay chiều (đầu ra) thƣờng dùng nghịch áp 3 pha bằng tiristor nên sóng hài bậc cao trong điện áp xoay chiều đầu ra thƣờng có biên độ khá lớn. Đây là nhƣợc điểm chủ yếu của loại bộ biến tần này. f1,U1 + =  C0 Ud - =  Chỉnh lƣu Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp Lọc Ngịch lƣu f2,U2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 B. Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp Bộ biến tần xoay chiều gián tiếp dùng bộ chỉnh lƣu không điều khiển kết hợp với bộ biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh điện áp một chiều ở đầu vào khối nghịch lƣu đƣợc biểu diễn trên hình 1.6b. Việc biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều để cấp cho khối nghịch lƣu sử dụng bộ chỉnh lƣu điôt không điều khiển. Khối nghịch lƣu chỉ có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều với tần số điều chỉnh đƣợc mà không có khả năng điều chỉnh điện áp ra của nghịch lƣu nên giữa khối chỉnh lƣu và nghịch lƣu bố trí thêm bộ biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh giá trị điện áp một chiều cấp cho nghịch lƣu nhằm thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều đầu ra nghịch lƣu U2. Mặc dù bộ biến tần này đã phải thêm một khâu (chƣa kể phải thêm khâu lọc) nhƣng hệ số công suất đầu vào khá cao, khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của bộ biến tần thứ nhất trên Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều a) Biến tần dùng chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor b) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm bộ biến đổi xung điện áp c) Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế PWM  3 f1, U1 Chỉnh lƣu điều khiển  3 f2, U2 Lọc Nghịch lƣu a  3 f1, U1 Chỉnh lƣu không điều khiển  3 f2, U2 Lọc 1 b Lọc 2 Bộ biến đổi xung điện áp Nghịch lƣu  3 f1, U1 Chỉnh lƣu không điều khiển  3 f2, U2 Lọc Nghịch lƣu PWM c Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 hình 1.6a. Khối nghịch lƣu đầu ra không thay đổi nên vẫn tồn tại nhƣợc điểm là các sóng hài bậc cao có biên độ khá lớn. C. Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu PWM Nhƣ trên đã trình bày, trong hệ thống điều tốc biến tần áp dụng phƣơng pháp điều chỉnh tỷ số điện áp-tần số không đổi, khi sử dụng biến tần gián tiếp dùng tiristor thì việc điều chỉnh điện áp và tần số đƣợc thực hiện riêng ở hai khâu: điều chỉnh tần số ở khâu nghịch lƣu, còn điều chỉnh điện áp thực hiện ở khâu chỉnh lƣu, điều này đã kéo theo một loạt vấn đề. Các vấn đề đó là: (1) Mạch điện chính có 2 khâu công suất điều khiển đƣợc, nghĩa là khá phức tạp; (2) Do khâu một chiều trung gian có bộ lọc bằng tụ lọc hoặc điện kháng với quán tính lớn, làm cho tính thích nghi trạng thái động của hệ thống thƣờng bị chậm trễ; (3) Do bộ chỉnh lƣu có điều khiển làm cho hệ số công suất của nguồn điện cung cấp giảm nhỏ khi công suất đầu ra giảm xuống theo sự thay đổi chế độ làm việc của hệ điều tốc, đồng thời làm tăng sóng hài bậc cao trong dòng điện nguồn; (4) Đầu ra của bộ nghịch lƣu là điện áp (dòng điện) có dạng khác xa hình sin, tạo ra nhiều sóng hài bậc cao trong dòng điện động cơ, dẫn tới mô men biến động khá lớn ảnh hƣởng tới tính ổn định làm việc của động cơ, đặc biệt khi ở tốc độ thấp. Vì vậy các thiết bị biến tần do các linh kiện điện tử công suất dạng tiristor không thể đáp ứng đƣợc những yêu cầu đối với những hệ thống điều tốc biến tần hiện đại. Sự xuất hiện các linh kiện điện tử công suất điều khiển hoàn toàn (GTO, IGBT, ...) cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử đã tạo ra đƣợc các điều kiện tốt để giải quyết vấn đề này. Năm 1964 A. Schonung và một số đồng nghiệp ngƣời Đức đã đƣa ra ý tƣởng biến tần điều chế độ rộng xung, họ ứng dụng kỹ thuật điều chế trong hệ thống thông tin vào việc điều chế điện áp ra của biến tần. Bộ biến tần PWM ứng dụng kỹ thuật này về cơ bản đã giải quyết đƣợc vấn đề tồn tại trong bộ biến tần thông thƣờng dùng tiristor, tạo điều kiện cho sự phát triển lĩnh vực mới là hệ thống điều tốc dòng điện xoay chiều cận đại. Hình 1.6c giới thiệu cấu trúc bộ biến tần PWM, bộ biến tần này vẫn là bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều, chỉ khác là khâu chỉnh lƣu chỉ cần là chỉnh lƣu không điều khiển, điện áp ra của nó sau khi đi qua bộ lọc C (hoặc L-C) cho điện áp một chiều có giá trị không đổi dùng để cấp cho khâu nghịch lƣu, linh kiện đóng mở công suất trong khâu nghịch lƣu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 là các phần tử điều khiển hoàn toàn và đƣợc điều khiển đóng cắt với tần số khá cao, tạo nên trên đầu ra một loạt xung hình chữ nhật với độ rộng khác nhau, còn phƣơng pháp điều khiển quy luật phân bố thời gian và trình tự thao tác đóng - cắt (mở - khóa) chính là phƣơng pháp điều chế độ rộng xung. ở đây, thông qua việc thay đổi độ rộng của các xung hình chữ nhật có thể điều chế giá trị biên độ điện áp của sóng cơ bản đầu ra nghịch lƣu, đáp ứng yêu cầu phối hợp điều khiển tần số và điện áp của hệ điều tốc biến tần. Đặc điểm chủ yếu của mạch điện trên hình 1.6c là : (1) Mạch điện chính chỉ có một khâu công suất điều khiển đƣợc, đơn giản hoá cấu trúc, hệ số công suất của mạng điện không liên quan tới biên độ của điện áp đầu ra bộ nghịch lƣu và tiến gần đến 1; (2) Bộ nghịch lƣu thực hiện đồng thời điều tần và điều áp, không liên quan đến tham số của linh kiện khâu trung gian một chiều, đã làm tăng độ tác động nhanh trạng thái động của hệ thống; (3) Có thể nhận đƣợc đồ thị điện áp đầu ra tốt, có thể hạn chế hoặc loại bỏ đƣợc sóng hài bậc thấp, làm cho động cơ có thể việc với điện áp biến thiên gần nhƣ hình sin, biến động của mô men khá nhỏ, mở rộng rất lớn phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động. D. Biến tần điều khiển vector Với sự ra đời của các dụng bán dẫn công suất điều khiển hoàn toàn đã dẫn đến việc xuất hiện nghịch lƣu điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) đã cải thiện một bƣớc chất lƣợng điều tốc động cơ xoay chiều. Các biến tần SPWM với phƣơng pháp điều chỉnh U1/fs=hằng số (fs là tần số sóng hài cơ bản điện áp đặt vào mạch stator động cơ, đây cũng chính là tần số f2 trong các sơ đồ hình 1.6 và 1.7) có thể cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều với chất lƣợng dòng áp khá tốt, phạm điều chỉnh đã đƣợc mở rộng nhƣng mô men cực đại bị giới hạn và chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu cao về chất lƣợng tĩnh của phần lớn các hệ điều tốc. Với các hệ điều tốc vòng kín dùng biến tần gián tiếp SPWM, nhƣ là hệ điều tốc điều khiển tần số trƣợt chẳng hạn, đã cải thiện đáng kể chất lƣợng tĩnh của hệ thống điều tốc động cơ xoay chiều, tạo đƣợc đặc tính gần với hệ thống điều tốc hai mạch vòng động cơ một chiều, tuy nhiên chất lƣợng động của hệ thì vẫn còn xa mới đạt đƣợc nhƣ hệ thống điều tốc hai mạch vòng động cơ một chiều. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 Dựa trên kết quả nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hƣớng từ trƣờng động cơ không đồng bộ” do F. Blaschke của hãng Siemens Cộng hoà Liên bang Đức đƣa ra vào năm 1971, và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cơ cảm ứng” do P.C. Custman và A. A. Clark ở Mỹ công bố trong sáng chế phát minh của họ, qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành đƣợc hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay đƣợc ứng dụng rất phổ biến. Cấu trúc phổ biến phần lực của biến tần sử dụng nghịch lƣu điều khiển vector (biến tần vector) đƣợc mô tả nhƣ trên hình 1.7. Về cơ bản các thiết bị phần lực của biến tần này hoàn toàn tƣơng tự nhƣ của biến tần điều chế độ rộng xung hình sin, chỉ khác là việc điều khiển khối nghịch lƣu áp dụng phƣơng pháp điều khiển vector. Trong biến tần điều khiển vector, ngƣời ta áp dụng phép biến đổi tọa độ không gian các vector dòng, áp, từ thông động cơ từ hệ ba pha a-b-c sang hệ hai pha quay d-q, quay đồng bộ với từ trƣờng stator của động cơ và thƣờng chọn trục d trùng với vector từ thông rotor (điều khiển định hƣớng theo từ trƣờng rotor). Thông qua phép biến đổi tọa độ không gian vector, các đại lƣợng dòng áp xoay chiều hình sin của động cơ trở thành đại lƣợng một chiều nên hoàn toàn có thể sử dụng các kết quả nghiên cứu tổng hợp hệ truyền động động cơ một chiều để thiết kế các bộ điều chỉnh. Sau đó, các đại lƣợng một chiều đầu ra các bộ điều chỉnh lại đƣợc biến đổi thành đại lƣợng xoạy chiều ba pha qua phép biến đổi ngƣợc tọa độ để khống chế thiết bị phát xung điều khiển các van nghịch lƣu. Hệ truyền động điện biến tần vector - động cơ xoay chiều đƣợc thực hiện ở dạng hệ vòng kín, với việc điều khiển định hƣớng theo từ trƣờng rotor cho phép có thể duy trì đƣợc từ thông rotor không đổi (ở vùng tần số thấp hơn tần số cơ bản), thực hiện đƣợc quan hệ Er/fs= hằng số, nhờ đó mà đặc tính cơ của động cơ xoay chiều không đồng bộ trong hệ có dạng nhƣ đặc tính động cơ một chiều (với khả năng quá tải mô men rất lớn). 1.3. BIẾN TẦN BỐN GÓC PHẦN TƢ 1.3.1. Các tồn tại của các bộ biến tần thông thƣờng Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector  3 f1, U1 Chỉnh lƣu điều khiển  3 f2, U2 Lọc Nghịch lƣu điều khiển vector Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 Các bộ biến tần có cấu trúc đƣợc mô tả trên các hình 1.6 và 1.7, ngoài các ƣu nhƣợc điểm đã đƣợc giới thiệu trong mục trƣớc còn tồn tại một số nhƣợc điểm cơ bản sau: sóng hài bậc cao trong dòng điện lƣới có biên độ khá lớn làm méo dạng đƣờng cong điện áp lƣới điện; hệ số công suất cos không cao gây nên các tổn thất phụ, đặc biệt là khi hệ thống công suất lớn; phần lớn không thực hiện đƣợc quá trình biến đổi năng lƣợng từ phía tải (động cơ) đƣa trả lại lƣới điện xoay chiều nên ảnh hƣởng đến chất lƣợng của hệ thống truyền động và hiệu suất của hệ thống. Để giảm nhỏ biên độ hoặc loại bỏ một số sóng hài bậc cao trong dòng điện lƣới xoay chiều có thể sử dụng các sơ đồ chỉnh lƣu liên hợp hoặc các khâu lọc nhƣ hình 1.8. Khâu lọc đƣợc thiết lập thành nhóm mạch LC cộng hƣởng nối tiếp (lọc thụ động), nó sẽ dập tắt các dòng điện điều hoà bậc cao (hình 1.8 a); bộ lọc cũng có thể bố trí một bộ lọc dải rộng (hình 1.8 b). Để tăng hệ số công suất, giảm tổn thất trong quá trình truyền tải điện năng, ngoài việc sử dụng bộ lọc để giảm biên độ sóng hài bậc cao (sóng hài bậc cao cũng là một yếu tố làm suy giảm hệ số công suất của bộ chỉnh lƣu), có thể phải bố trí thêm các thiết bị bù công suất phản kháng. Về mặt nguyên tắc, công suất dƣ thừa trong động cơ (thƣờng là động năng hệ truyền động) có thể đƣợc tiêu tán trên điện trở trong mạch một chiều nhờ khóa đóng cắt có điều υ = 5υ= 5 ÷ 13 7 11 13 >17 Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao ( là chỉ số sóng hài) a) b) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 Chỉnh lƣu Nghịch lƣu Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều ĐK Cl A B C Tr Rh khiển hoặc có thể biến đổi thành điện năng xoay chiều và trả lại lƣới điện cung cấp xoay chiều. Chỉnh lƣu đi ốt (diode) chỉ cho phép năng lƣợng đi theo một chiều duy nhất. Vì vậy, năng lƣợng từ động cơ không thể trả về lƣới mà chỉ có thể bị tiêu hao trên các điện trở (Rh) đƣợc điều khiển bởi các ngắt điện (Tr) nối phía mạch một chiều (hình 1.9). Trong trƣờng hợp công suất lớn thì đòi hỏi điện trở phải chịu đƣợc dòng điện lớn, khó khăn trong việc chế tạo, tăng chi phí đầu tƣ. Mặt khác việc sử dụng điện trở hãm để tiêu tán năng lƣợng từ động cơ truyền đến làm giảm hiệu suất của hệ thống. Khi sử dụng chỉnh lƣu thyristor, có thể thực hiện việc biến đổi năng lƣợng để chuyển trả về lƣới điện xoay chiều bằng cách mắc song song ngƣợc với sơ đồ chỉnh lƣu một bộ chỉnh lƣu tƣơng tự và điều khiển làm việc ở chế độ nghịch lƣu (hình 1.10). Quá trình biến đổi năng lƣợng trong hệ thống truyền động điện khi động cơ làm việc ở chế độ hãm diễn ra nhƣ sau: năng lƣợng cơ học từ phía động cơ (ở dạng động năng tích lũy đƣợc của hệ thống truyền động hoặc thế năng của phụ tải) đƣợc biến đổi thàng năng lƣợng điện trong các A C B ĐK Chỉnh lƣu Nghịch lƣu để hãm tái sinh + _ - + Nghịch lƣu Hình 1.10: Sử dụng thêm bộ nghịch lưu mắc song song ngược với bộ chỉnh lưu để trả năng lượng về lưới điện xoay chiều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 cuộn dây động cơ và qua bộ nghịch lƣu của biến tần làm việc ở chế độ chỉnh lƣu đƣợc chuyển thành năng lƣợng điện một chiều, sau khi qua bộ nghịch lƣu thyristor đƣợc biến đổi thành năng lƣợng điện xoay chiều và đƣợc chuyển vào lƣới điện xoay chiều. 1.3.2. Biến tần bốn góc phần tƣ (biến tần 4Q) Các phƣơng pháp sử dụng bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao trong dòng điện nguồn, sử dụng thiết bị bù để tăng hệ số công suất, dùng điện trở hãm hoặc bộ nghịch để giải phóng năng lƣợng dƣ của động cơ còn tồn tại những vấn đề nhƣ: hệ thống cồng kềnh, đầu tƣ lớn, lọc sóng hài bậc cao khó, khi công suất hệ lớn thì điều chỉnh khó khăn. Với chỉnh lƣu diode chỉ cho phép năng lƣợng chảy theo một chiều và không điều khiển đƣợc. Sự thay đổi của năng lƣợng sẽ xuất hiện một cách tự nhiên với sự thay đổi của điện áp nguồn cấp và tải. Trong nhiều ứng dụng năng lƣợng cần đƣợc điều khiển. Thậm chí đối với tải đòi hỏi điện áp không đổi hay dòng điện không đổi, điều khiển là việc cần thiết để bù nguồn cấp và sự thay đổi của tải. Chỉnh lƣu thyristor có thể điều khiển đƣợc dòng năng lƣợng bằng cách thay đổi góc điều khiển (góc mở) của thyristor. Bộ biến đổi này còn có thêm khả năng biến đổi năng lƣợng từ một chiều sang xoay chiều hay làm việc ở chế độ nghịch lƣu. Khi góc điều khiển nằm giữa 0 và /2 bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lƣu, còn khi góc điều khiển nằm giữa /2 và  thì bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lƣu và năng lƣợng từ phía một chiều đƣợc chuyển về lƣới xoay chiều. Tuy nhiên, khi sử dụng thêm một nghịch chỉnh lƣu bằng thyristor mắc song ngƣợc với bộ chỉnh lƣu, ngoài nhƣợc điểm là thiết bị phần lực rất cồng kềnh, còn có thêm nhƣợc điểm là dòng điện qua lƣới chứa nhiều sóng điều hoà bậc cao làm ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng điện năng và làm giảm hệ số công suất. Mặt khác nhiều hệ thống truyền động điện có yêu cầu cao về chất lƣợng động, ví dụ nhƣ độ tác động nhanh cao, khi đó yêu cầu động cơ phải thay đổi chế độ làm việc một cách linh hoạt. Với một số hệ thống truyền động, tải mang tính chất thế năng, khi đó yêu cầu động cơ trong hệ thống phải làm việc đƣợc ở cả bốn góc phần tƣ, tức là ngoài chế độ động cơ ra thì phải làm việc đƣợc ở các chế độ hãm, đặc biệt là phải làm việc đƣợc ở chế độ hãm tái sinh. Để động cơ có thể làm việc cả bốn góc phần tƣ thì thì yêu cầu bộ biến tần phải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 có khả năng thực hiện trao đổi đƣợc năng lƣợng hai chiều. Các bộ biến tần nhƣ vậy đƣợc gọi là biến tần bốn góc phần tƣ. Nhiều chuyên gia và nhiều hãng khác nhau đã thực hiện khá nhiều nghiên cứu để tìm cách xây dựng các bộ biến tần bốn góc phần tƣ. Khối nghịch lƣu của biến tần, kể cả biến tần điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) hoặc biến tần điều khiển vector, … đều có thể thực hiện trao đổi công suất hai chiều: từ phía một chiều sang động cơ và ngƣợc lại. Nhƣ vậy, để bộ biến tần có thể thực hiện trao đổi công suất hai chiều thì vấn đề còn lại là khối chỉnh lƣu cũng phải có khả năng trao đổi công suất hai chiều. Nhƣ đã nêu ở trên, để thực hiện yêu cầu này có thể sử dụng hai sơ đồ chỉnh lƣu điều khiển bằng thyristo cùng loại mặc song ngƣợc, một sơ đồ đƣợc dùng để chỉnh lƣu khi cần thực hiện biến đổi năng lƣợng điện xoay chiều từ phía lƣới thành năng lƣợng điện một chiều cấp cho khối nghịch lƣu, còn sơ đồ kia sẽ đƣợc điều khiển làm việc ở chế độ nghịch lƣu khi cần biến đổi năng lƣợng điện từ phía một chiều (năng lƣợng từ động cơ đƣợc khối nghịch lƣu làm việc ở chế độ chỉnh lƣu chuyển sang) thành năng lƣợng điện xoay chiều trả lại lƣợng điện xoay chiều. Tuy nhiên, cấu trúc biến tần này có phần chỉnh lƣu rất cồng kềnh, dòng điện qua lƣới điện có nhiều sóng hài bậc cao với biên độ khá lớn, hệ số công suất thấp khi điều chỉnh sâu. Nhƣ vậy, nhiệm vụ cơ bản đặt ra là phải nghiên cứu tìm ra đƣợc một khối chỉnh lƣu có các ƣu điểm: - Giảm đƣợc biên độ các sóng điều hoà bậc cao dòng điện lƣới. - Hệ số cos cao. - Có khả năng trao đổi công suất theo hai chiều. Bộ chỉnh tích cực PWM ra đời đã đáp ứng đƣợc các yêu trên. Luận văn sẽ tiến hành nghiên cứu bộ biến tần bốn góc phần tƣ dùng chỉnh lƣu tích cực PWM. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 Chƣơng 2 NGUYÊN CỨU VỀ CHỈNH LƢU PWM 2.1. KHÁI QUÁT VỀ CHỈNH LƢU PWM Chỉnh lƣu là quá trình biến đổi năng lƣợng dòng điện xoay chiều thành năng lƣợng dòng điện một chiều. Quá trình nghiên cứu các hệ truyền động điện sử dụng động cơ điện một chiều đã đề cập đến yêu cầu tạo ra một điện áp một chiều ổn định và chất lƣợng cao. Nó đƣợc tạo ra trong các mạch điện tử công suất bằng các bộ chỉnh lƣu thƣờng sử dụng điốt và thyristor. Chỉnh lƣu đƣợc phân loại theo nhiều cách: theo số pha nguồn cung cấp cho mạch van (ba pha, sáu pha); theo loại van bán dẫn (chỉnh lƣu không điều khiển, chỉnh lƣu điều khiển; chỉnh lƣu bán điều khiển) và phân loại theo sơ đồ mắc van (hình tia, hình cầu). Bộ chỉnh lƣu điốt và thyristor đã có lịch sử gần 50 năm và chúng đƣợc định nghĩa nhƣ một thiết bị điện tử công suất cổ điển đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Tuy nhiên, khi dùng chỉnh lƣu truyền thống thì hệ số méo điện áp lƣới là lớn (do đó gây ra sóng điều hoà lớn trong lƣới điện xoay chiều; sóng điều hòa bậc cao gây ra tổn thất phụ, gây nhiễu cho lƣới điện ảnh hƣởng đến hoạt động của máy bíên áp, van điện ..) Đồng thời hệ số méo làm ảnh hƣởng đến hệ số công suất, làm cho hệ số công suất khi dùng các bộ chỉnh lƣu này là thấp. Mặt khác, trong truyền động xoay chiều dùng biến tần, khi năng lƣợng động cơ dƣ thừa đòi hỏi phải có sự trao đổi năng lƣợng để tiết kiệm, tránh hao phí năng lƣợng. Nhƣng các bộ chỉnh lƣu dùng đi ốt và thyristor chỉ dẫn năng lƣợng theo một chiều dẫn đến khó trao đổi năng lƣợng giữa động cơ và lƣới. Chính vì vậy đòi hỏi phải tìm ra một bộ chỉnh lƣu mới thoả mãn các điều kiện: + Chứa ít sóng điều hoà bậc cao. + Hệ số cos cao. + Năng lƣợng chảy đƣợc theo hai chiều. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 Nhƣ vậy vấn đề đặt ra ở đây là phải tìm ra một loại chỉnh lƣu tự nó thoả mãn những yêu cầu đã nêu trên. Chỉnh lƣu PWM ra đời thoả mãn các điều kiện đó. Tóm lại: Các biến tần nguồn áp dùng chỉnh lƣu điốt và thyristor có ba nhƣợc điểm: không thực hiện trao đổi công suất giữa tải và lƣới( tức là chỉ làm việc đƣợc ở hai góc phần tƣ), dòng điện đầu vào chứa nhiều sóng hài bậc cao ảnh hƣởng xấu đến lƣới điện xoay chiều và hệ số cos thấp khi sử dụng chỉnh lƣu điều khiển. Biến tần dùng chỉnh lƣu PWM đã khắc phục cả 3 vấn đề tồn tại trên. Nó có thể làm việc ở cả bốn góc phần tƣ, có khả năng trao đổi công suất giữa tải và lƣới theo hai chiều; dòng điện đầu vào có dạng rất gần hình sin và có thể điều chỉnh hệ số công suất cos =1. Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung một chiều gồm hai khâu cơ bản là chỉnh lƣu và nghịch lƣu. Phần nghịch lƣu đã có nhiều kết quả nghiên cứu đƣợc áp dụng rất tốt trong thực tế, trong nội dung luận văn không đi vào việc phân tích phần nghịch lƣu mà thực hiện lựa chọn loại nghịch đƣợc áp dụng phổ biến trong truyền động động cơ xoay chiều hiện nay là nghịch lƣu điều khiển vector, khối nghịch này cho phép trao đổi công suất hai chiều giữa động cơ và phần cung cấp một chiều. Nhƣ vậy, khả năng làm việc ở cả bốn góc phần tƣ của động cơ trong hệ truyền động điện chỉ còn phụ thuộc vào đặc tính làm việc của chỉnh lƣu, vì thế, nội dung cơ bản của chƣơng này là nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý họat động và khả năng ứng dụng của chỉnh lƣu PWM vào hệ truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều làm việc ở bốn góc phần tƣ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 2.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BIẾN TẦN NGUỒN ÁP BỐN GÓC PHẦN TƢ DÙNG CHỈNH LƢU PWM Sơ đồ nguyên lý phần lực của biến tần dùng chỉnh lƣu PWM đƣợc trình bày trên hình 2.1 Sơ đồ trên bao gồm hai khối chỉnh lƣu (CLPWM) và nghịch lƣu (NL) có cấu tạo nhƣ nhau và có chung mạch một chiều, vì vậy thƣờng gọi là sơ đồ “dựa lƣng vào nhau” (back to back). Ngoài ra, đầu vào biến tần (trong mạch nguồn cung cấp xoay chiều) có lắp thêm cuộn cảm L. Để có chế độ làm việc bốn góc phần tƣ đảm bảo công suất trao đổi hai chiều giữa lƣới và tải, dòng điện chỉnh lƣu Id phải thay đổi đƣợc dấu. Ta gọi Id có dấu “+” khi nó có chiều hƣớng về tải và ngƣợc lại có dấu “-” khi chiều của nó hƣớng về lƣới. Vì dấu điện áp một chiều là cố định nên công suất có thể thay đổi hai chiều từ lƣới về tải Pd = Ud.Id > 0 và từ tải về lƣới Pd = Ud.Id < 0 Để thực hiện đƣợc nguyên lý làm việc trên biến tần cần có điều kiện: - Bắt buộc phải có điện cảm đầu vào để tạo kho từ trao đổi năng lƣợng với lƣới. - Giá trị điện áp một chiều Udc không đổi và phải lớn hơn giá trị điện áp chỉnh lƣu tự nhiên từ lƣới ( thƣờng ít nhất là 20%). - Điều khiển chỉnh lƣu theo lụât điều khiển PWM H×nh 2.1: S¬ ®å biÕn tÇn bèn gãc phÇn t• dïng chØnh l•u PWM uL §B Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37  jLI UL IRUs IL  jLI IL UL IR H×nh 2.2: S¬ ®å thay thÕ mét pha vµ ®å thÞ vector a. S¬ ®å thay thÕ mét pha bé chØnh l•u tÝch cùc PWM b. §å thÞ vector tæng qu¸t cña bé chØnh l•u c. §å thÞ vector bé chØnh l•u PWM víi hÖ sè c«ng suÊt b»ng 1 d. §å thÞ vector bé chØnh l•u PWM víi hÖ sè c«ng suÊt b»ng -1 (nghÞch l•u) IL L R UsUL   jLI IL Us IR UL a b c d RIL >0 <0 L R iL UL US US UL jLIL IL UL IL jLIL RIL US jLIL RIL UL IL US - Do khóa đóng cắt hai chiều Tranzitor và điôt ngƣợc kết hợp với tụ điện C và các điện cảm nguồn L hình thành mạch vòng dao động cộng hƣởng LC tạo nên điện áp một chiều Udc > Ud0. Để giải thích nguyên lý làm việc chỉnh lƣu PWM ta dùng sơ đồ thay thế một pha và đồ thị vector nhƣ trên hình 2.2. Hình 2.2a là sơ đồ thay thế, trong đó, UL là điện áp một pha nguồn xoay chiều, Us là điện áp tải (mạch một chiều - nghịch lƣu - động cơ xoay chiều ) đƣợc quy đổi về nguồn xoay chiều (điểm a). Giản đồ vector tổng quát biểu diễn trên hình 2.2b. Nếu điều khiển chỉnh lƣu PWM để vector dòng điện LI  trùng pha với vector điện áp lƣới LU  thì cos =1 và công suất Pd > 0. Khi vector dòng điện LI  ngƣợc pha với vector LU  thì cos =-1 và công suất Pd < 0 (ứng với chế độ hãm tái sinh). Nhƣ vậy, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 H×nh 2.3a: §å thÞ 6 vector ®iÖn ¸p c¬ b¶n khi ®iÒu khiÓn sù chuyÓn m¹ch c¸c kho¸ b¸n dÉn Sa, Sb, Sc U 3(010) U 2(110) U 1(100) U 4(011) U 5(001) U 6(101) Re Im sử dụng chỉnh lƣu PWM trong bộ biến tần gián tiếp cho phép thực hiện trao đổi công suất tác dụng giữa tải và nguồn theo hai chiều và có thể điều chỉnh đƣợc giá trị hệ số công suất cos bằng 1. Để thực hiện dòng điện đầu vào có dạng hình sin ngƣời ta dùng phƣơng pháp biến điệu vector không gian theo nhƣ nghịch lƣu (SVPWM). Khi xem ba cặp IGBT (hình 2.1) nhƣ là ba khóa bán dẫn cho ba pha Sa Sb Sc. Mỗi khóa có hai trạng thái đóng “1” và cắt “0” tạo ra sáu vector điện áp tác dụng là U1, U 2, U3, U4, U5, U6 (hình 2.3a) và hai trạng thái không là U0 (000) và U7 (111). Các trạng thái đóng cắt trình bày trên hình 2.3b. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 2.3. MÔ TẢ TOÁN HỌC CHỈNH LƢU PWM Đồ thị vector hình 2.2 của sơ đồ thay thế chỉnh lƣu PWM có thể biểu diễn trên tọa độ cố định -  và tọa độ quay d - q bằng phƣơng pháp biến đổi tuyến tính không gian vector [3], [11], [12]. Giả thiết điện áp nguồn ba pha đối xứng với tần số công nghiệp không đổi 1 = 2f1, khi đó: ia + ib + ic = 0 (2.1) Đồ thị vector điện áp, dòng điện của chỉnh lƣu PWM trên các hệ tọa độ cố định - và hệ toạ độ quay d-q đƣợc biểu diễn trên hình 2.4 H×nh 2.3b: C¸c tr¹ng th¸i chuyÓn m¹ch cña chØnh l•u PWM A U1 k=0 Udc S a= 1 + - + - + - - B C + - - + C B A - + C B A - + C B A C B A C B A C B A C B A S b = 0 S c= 0 Udc S a = 0 S b = 1 S c= 0 Udc S a = 0 S b = 0 S c= 1 Udc S a = 0 S b = 0 S c= 0 Udc S a= 1 S b = 1 S c= 1 Udc S a= 1 S b = 0 S c= 1 Udc S a= 0 S b = 1 S c= 1 c S a= 1 S b = 1 S c= 0 U2 k=1 U3 k=2 U4 k=3 U5 k=4 U6 k=5 U0 U7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 2.3.1. Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM Điện áp dây tại đầu vào chỉnh lƣu (a , b , c) Usab=(Sa- Sb)Udc Usbc=(Sb- Sc)Udc (2.2) Usca=(Sc- Sa)Udc Điện áp pha sa a dc sb b dc sc c dc U f U U f U U f U        (2.3) H×nh 2.4: §å thÞ vector ®iÖn ¸p, dßng ®iÖn chØnh l•u PWM trong hÖ to¹ ®é - vµ d-q    Lt a d b q u1=LiL us uL  c id iL iq  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 Trong đó: a b c a 2S (S S ) f 3    b a c b 2S (S S ) f 3    c a b c 2S (S S ) f 3    Với fa , fb , fc lấy giá trị 0 , 1/3 và 2/3 2.3.2. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ 3 pha 1 R+pL + - u sa i a - + f a u a S a f b + - i b u sb - + R+pL 1 1 R+pL + - u sc i a - + f c + + + + + 1 pC + + S b S c u b u c 1 3 i dc u dc - H×nh 2.5: CÊu tróc m« h×nh to¸n häc chØnh l•u PWM trªn hÖ to¹ ®é ba pha Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 Ta có phƣơng trình điện áp: L L L s dI U R.I L. U dt    (2.4) Viết dạng 3 pha: a a a sa b b b sb c c c sc U i i U d U R i L i U dt U i i U    (2.5) Phƣơng trình dòng điện: c a a b b c c dU C S i S i S i dt    (2.6) Cấu trúc mô hình đƣợc trình bày trên hình 2.5 2.3.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ cố định  -  Phƣơng trình điện áp CLPWM trong tọa độ cố định  - : L L L s L L L s U i i Ud R L U i i Udt            (2.7) Phƣơng trình dòng điện: c L L dc dU C (i S i S ) i dt       (2.8) Trong đó: a b c b c 1 1 S (2S S S ); S (S S ) 2        Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 Mô hình toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ  -  đƣợc trình bày trên hình 2.6. 2.3.4. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trên hệ tọa độ quay d - q Ta có phƣơng trình điện áp: Ld Ld Ld Lq sd Lq Lq Lq Ld sq di U Ri L Li U dt di U Ri L Li U dt             (2.9) Phƣơng trình dòng điện: c Ld d Lq q dc dU C (i S i S ) i dt    (2.10) Trong đó: dS S cos t S sin t     qS S cos t S sin t     H×nh 2.6: M« h×nh to¸n häc chØnh l•u PWM trªn hÖ to¹ ®é - - u dc i dc 1 + u s  - + R+pL 1 pC 1 R+pL + u L  + S  u s  i L  - S  u L  i L  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 Mô hình toán học chỉnh lƣu PWM đƣợc trình bày trên hình 2.7. 2.3.5. Tính toán công suất chỉnh lƣu PWM Công suất tác dụng và công suất phản kháng của chỉnh lƣu PWM đƣợc tính trên tọa độ a , b , c và  -      * e a a b b c c * m bc a ca b ab c p R u.i u i u i u i u i u i 1 q I u.i (u i u i u i ) u i u i 3                         (2.11) Trên tọa độ d - q Lq Lq Ld Ld m m Lq Lq Ld Ld 3 p (U i U i ) U I 2 q (U i U i )          (2.12) uLd Sd iLq usq Sq + uLq - R+pL 1 pC 1 R+pL + - iLd + 1 udc - usd  L + + + H×nh 2.7: M« h×nh to¸n häc chØnh l•u PWM trªn hÖ to¹ ®é d-q  L idc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 Nếu ta chọn trục d trùng với trục điện áp UL và điều khiển IL trùng với UL thì ta có: Lq Lq Ld m Ld m 3 3 i 0, U 0, U U , i I , q 0 2 2      Đồ thị vector điện áp đƣợc vẽ trên hình 2.8 2.4. PHẠM VI VÀ GIỚI HẠN THAM SỐ CỦA CHỈNH LƢU PWM 2.4.1. Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều Udcmin > Ud0 = 2,34Ufa (2.13) Thông thƣờng chọn điện áp một chiều ở giá trị Udc = (1,12  1,3 )Ud0 2.4.2. Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm Nếu ta biểu diễn điện áp chỉnh lƣu PWM trên tọa độ d-q ta có phƣơng trình cân bằng điện áp: Ldq Ldq Ldq sdq dI L U j LI U dt     (2.14) H×nh 2.8: §å thÞ vector ®iÖn ¸p chØnh l•u PWM q p(-) p(+) q(-) q(+) LU  sU LI d  Lj LI Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46 Từ phƣơng trình (2.14) ta thấy điện áp trên điện cảm sẽ thay đổi khi vector dòng điện LI biến động. Ta có 8 vector điện áp U0, U1, U2, U3, U4, U5, U6, U7. Định nghĩa điện áp tự cảm di L dt tƣơng ứng là Up0, Up1, Up2, Up3, Up4, Up5, Up6, Up7. Biểu diễn giới hạn làm việc của điện áp trên điện cảm bằng đồ thị vector hình 2.9a, b. Nếu bộ điều chỉnh dòng điện giữ đƣợc biến động của LI xung quanh dòng điện đặt LI đặt. Gọi góc  là góc biến động lớn nhất của hai vector Up1 và Up2 ta có  <  Trên đồ thị hình 2.9 chỉ ra nếu  =  thì LdqLdq sdq 3 U j Li U 2    (2.15) iL q d u 1  u 6 u 5 uL u 3 u 4 u 2 H×nh 2.9a: Giíi h¹n lµm viÖc ®iÖn ¸p cña chØnh l•u PWM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 Giả thiết: sdq dc Ldq m Ldq Ld 2 U U , U U ; i i 3    Điều kiện điện áp một chiều cực tiểu sẽ là 2 2 dc m LdU 3 U ( Li )     (2.16) Phƣơng trình 2.16 chỉ ra quan hệ giữa điện áp nguồn, điện áp một chiều, dòng tải và giá trị điện cảm. Từ đó xác định đƣợc giá trị điện cảm cực đại 2 2 dc m Ld U U 3L i   (2.17) 2.5. ƢỚC LƢỢNG CÁC ĐẠI LƢỢNG VECTOR CƠ BẢN Cấu trúc và phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM dựa trên phép biến đổi vector. Chỉnh lƣu PWM sử dụng hai đại lƣợng vector cơ bản là vector điện áp và vector từ thông ảo. Từ các đại lƣợng đo đƣợc nhƣ dòng điện đầu vào, điện áp một chiều và trạng thái đóng cắt các van, ta đi ƣớc lƣợng hai đại lƣợng vector cơ bản trên. H×nh 2.9b: Giíi h¹n lµm viÖc ®iÖn ¸p cña chØnh l•u PWM q up1 iL  up6 * LI IL up2 up3 up4 up0,7 up5 d Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48 2.5.1. Ƣớc lƣợng vector điện áp đầu vào Có thể đo trực tiếp vector điện áp đầu vào, tuy vậy phép đo này bị ảnh hƣởng rất lớn bởi sự không đối xứng các pha của điện áp lƣới điện, nhiễu lƣới v.v… Do vậy ngƣời ta thƣờng ƣớc lƣợng vector điện áp thông qua các thông số dòng điện và thông số trung gian. Một trong các phép ƣớc lƣợng đó là tính điện áp thông qua dòng điện và công suất. Có thể thấy rằng khi sử dụng biến điệu vector không gian có hai trạng thái thông của các khóa Sa Sb Sc là (111) và (000), khi đó công suất tác dụng bằng 0 chỉ tồn tại công suất phản kháng, cụ thể: a b c a b c a c c a di di di p(t) L i i i 0 dt dt dt 3L di di q(t) i i 0 dt dt3                      (2.18) Từ 2.18 điện áp đƣợc tính L LL 2 2 L L L L L i iU 01 U qi i i i                 (2.19) Giá trị góc tọa độ ,  của điện áp là L L L U 2 2 L L L U 2 2 L L U sin U U U cos U U                  (2.20) 2.5.2. Ƣớc lƣợng vector từ thông ảo Nếu giả thiết chỉnh lƣu PWM có đầu vào là Udc , đầu ra là máy điện không đồng bộ ảo, trong đó sức điện động động cơ là điện áp lƣới, điện trở, điện cảm là thông số cuộn dây stator của động cơ ảo . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 49 Ta có thể định nghĩa vector từ thông móc vòng qua khe hở không khí của động cơ ảo L vector này có thể biểu diễn trên tọa độ  -  và d - q. Nếu bỏ qua điện trở R vector L sẽ vuông góc với LU . Mô hình động cơ ảo và đồ thị vector đƣợc mô tả trên hình 2.10a, b. H×nh 2.10: M« h×nh ®éng c¬ ¶o vµ ®å thÞ vÐc t¬ tõ th«ng ¶o víi chØnh l•u PWM  d  L=t q L id iq u1 us uL b) a) t¶i Udc C Ua Ub Uc R R R L L L A B C PWM ChØnh luu PhÝa mét chiÒu M PhÝa xoay chiÒu §éng c¬ ¶o Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 50 L s i   Từ đại lƣợng vector từ thông ảo có thể biểu diễn nó trên hệ d - q, khi vector LI trùng LU và trục q, biểu đồ vector và sơ đồ mô tả dòng công suất của chỉnh lƣu PWM đƣợc biểu diễn trên hình 2.11a,b Từ thông ảo đƣợc xác định qua vector đầu vào chỉnh lƣu PWM, SU L L s L L s di U L dt dt di U L dt dt                             (2.21) PhÝa mét chiÒu C B A Udc a) b) M PhÝa xoay chiÒu C B A Udc PhÝa mét chiÒu PhÝa xoay chiÒu q ui us uL iL d L L= 0 0 i s q ui us uL iL d L L= 180 0 i s H×nh 2.11: Quan hÖ gi÷a ®iÖn ¸p vµ tõ th«ng ¶o víi dßng c«ng suÊt cña chØnh l•u PWM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 51 Trong đó:  s dc a b c s dc b c 2 1 U U S S S 3 2 1 U U (S S ) 2                (2.22) Sơ đồ cấu trúc nhận dạng vector từ thông ảo đƣợc biểu diễn trên hình 2.12 - + + - 1 T TN 1 T 1 1 - - L iL iL uL uL H×nh 2.12: S¬ ®å cÊu tróc nhËn d¹ng vector tõ th«ng ¶o L L Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 52 2.6. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƢU PWM Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM về cơ bản thì có cùng một mục đích chung nhƣng lại dựa trên các nguyên tắc khác nhau. Chúng đƣợc phân loại dựa trên hai nguyên tắc: Điều khiển dựa trên điện áp và điều khiển dựa trên từ thông ảo. Điều khiển dựa trên điện áp là ƣớc lƣợng điện áp lƣới và sẽ điều khiển bằng dòng điện hay công suất. Điện áp lƣới nếu điều khiển bằng dòng điện thì gọi là phƣơng pháp VOC (Voltage Oriented Control), còn theo công suất thì gọi là DPC (Direct Power Control). Điều khiển dựa trên từ thông ảo là phƣơng pháp điều khiển cần phải ƣớc lƣợng từ thông ảo của lƣới điện và áp dụng phƣơng pháp điều khiển từ thông stator của động cơ không đồng bộ cho lƣới điện. Nếu điều khiển bằng mạch vòng dòng điện thì gọi là phƣơng pháp VFOC (Voltage Flux Oriented Control), còn khi điều khiển dựa theo công suất thì gọi là phƣơng pháp VF-DPC Các cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM dƣợc minh họa trên hình 2.13. C¸c ph•¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn chØnh l•u PWM §iÒu khiÓn theo vector ®iÖn ¸p §iÒu khiÓn theo vector tõ th«ng ¶o VOC DPC VFOC VF-DPC H×nh 2.13: C¸c ph•¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn chØnh l•u PWM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 53 Hệ điều khiển biến tần dùng chỉnh lƣu PWM với động xoay chiều có các phƣơng án đƣợc trình bày trên hình 2.14. 2.7. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƢU PWM ĐỊNH HƢỚNG THEO VECTOR ĐIỆN ÁP 2.7.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp dựa vào dòng điện (VOC) Đặc điểm của phƣơng pháp điều khiển dựa vào dòng điện là xử lý tín hiệu trên hai hệ toạ độ là hệ toạ độ cố định  -  và hệ toạ độ quay d - q. Các giá trị dòng điện đo đƣợc trong hệ ba pha đƣợc biến đổi sang hệ toạ độ cố định  - , sau đó đƣợc biến đổi sang hệ toạ độ d - q. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VOC đƣợc trình bày trên hình vẽ 2.15. Khi chọn trục d trùng với vector điện áp lƣới LU , khi đó ULd = UL, còn ULq = 0. Phƣơng trình 2.9 đƣợc rút gọn (với giả thiết R  0): Ld Ld sd sq Ld di U L U dt 0 U Li          (2.23) cl nl DPC VOC FOC DTC H×nh 2.14: HÖ truyÒn ®éng ®éng c¬ xoay chiÒu - biÕn tÇn dïng chØnh l•u PWM víi c¸c ph•¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 54 H×nh 2.15: CÊu tróc ®iÒu khiÓn chØnh l•u PWM theo VOC Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lƣu PWM đƣợc trình bày trên hình 2.16, trong đó lƣợng đặt dòng i*q = 0 và đại lƣợng đặt dòng i * d lấy ra từ bộ điều chỉnh điện áp một chiều. Khi điều khiển vector dòng điện LI trùng với trục d thì ILd = IL và ILq = 0. Do dòng điện id và iq đƣợc ƣớc lƣợng từ ia, ib qua khâu biến đổi tọa độ a, b, c =>  -  => d - q. Góc của vector điện áp UL đƣợc xác định từ (2.19) và (2.20). L L L Ua U dc PI d - q i d_ref T¶i  k    Udc_ref iq iq_ref = 0 PI PI d-q - - §o ®ßng ®iÖn vµ ®¸nh gi¸ ®iÖn ¸p l•íi PWM Sa id Sb Sc Ub Uc ia ib ic ia ib us us  Udc cosUL sinUL iLd iLq iL iL usq usd cosUL sinUL - uL uL Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 55 H×nh 2.16: CÊu tróc c¸c m¹ch vßng ®iÒu khiÓn chØnh l•u PWM theo VOC * dcU dcU dcU PI Bé ®iÒu khiÓn ®iÖn ¸p i* + - PI Bé ®iÒu khiÓn ®iÖn dßng + + du + d +  l  l - + * qi 0 + id PI Bé ®iÒu khiÓn ®iÖn dßng iq qu Ldu sdu 2.7.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC L L L Ua U dc PI d - q i d_ref T¶i  k    Udc_ref iq iq_ref = 0 PI PI d - q - - §o ®ßng ®iÖn vµ ®¸nh gi¸ tõ th«ng ¶o PWM Sa id Sb Sc Ub Uc ia ib ic ia ib us us  Udc cosL sinL iLd iLq iL iL usq usd cosL sinL - L L H×nh 2.17: CÊu tróc c¸c m¹ch vßng ®iÒu khiÓn chØnh l•u PWM theo VFOC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 56 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC đƣợc biểu diễn trên hình 2.17. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC có sự khác biệt so với VOC, trục d ở đây đƣợc chọn trùng với vector L do vậy vector điện áp LU sẽ trùng với trục q, vector dòng điện LI trùng với vector LU nên ILd=0 và ILd=IL. Do vậy mạch vòng điều chỉnh theo VFOC sẽ có lƣợng đặt i*ld = 0 và i * lq lấy từ đầu ra bộ điều chỉnh điện áp một chiều. Nếu nhƣ góc cho biến đổi tọa độ ở VOC là uL, còn ở VFOC lấy L và đƣợc xác định: L L 2 2 L L L L 2 2 L L sin cos                          (2.24) Giá trị L và L đƣợc tính theo 2.21. 2.8. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƢU PWM THEO PHƢƠNG PHÁP TRỰC TIẾP CÔNG SUẤT DPC Phƣơng pháp điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh lƣu PWM đƣợc phát triển từ ý tƣởng điều khiển trực tiếp mô men (DTC) của truyền động động cơ không đồng bộ. Trong đó hai đại lƣợng của DTC là mô men và từ thông đƣợc thay bằng công suất p và q (xem hình 2.18). Ở đây, chọn lƣợng đặt công suất phản kháng q* = 0 tức là cos = 1. Lƣợng đặt công suất tác dụng p* đƣợc lấy từ đầu ra bộ điều chỉnh điện áp một chiều (tỉ lệ với idc) nhân với lƣợng đặt điện áp một chiều Udc. Hai bộ điều chỉnh công suất đƣợc thiết kế dạng khâu đóng cắt có đặc tính từ trễ (đặc tính rơle) trong đó: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 57 * q q * q q * p d * p d d 1 khi q<q H d 0 khi q>q H d 1 khi p<p H d 0 khi p>p H              (2.25) Hd và Hq là băng trễ Biến điều khiển dp và dq đƣợc kết hợp với vị trí vector điện áp L uL L U arctg U     , hoặc vị trí vector từ thông ảo L L L arctg       đƣa vào bảng đóng cắt tƣơng tự nhƣ DTC. Việc phân vùng cho vị trí vector điện áp hoặc vector từ thông ảo có thể chọn 6 hoặc 12 vùng. Nếu phân thành 6 vùng ta có :   n2n 3 (2n 1) 6 6        với n = 1 , 2 …6 T¶i ia Ua L L L pref dq  Ud  UL Chän sector - - PWM §o dßng ®iÖn vµ ®¸nh gi¸ c«ng suÊt tøc thêi, ®iÖn ¸p l•íi hoÆc tõ th«ng ¶o H×nh 2.18: CÊu tróc ®iÒu khiÓn chØnh l•u PWM theo DPC B¶ng chuyÓn m¹ch Udc - PI Sa Udcref Sb Sc ib ic Ub Uc ia ib L dp qref = p q Udc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 58 Và đối với 12 vùng:   nn 2 (n 1) 6 6        với n = 1 , 2 …12 2.8.1. Ƣớc lƣợng công suất theo vector điện áp a b c a b c dc a a b b c c di di di p L i i i U (S i S i S i ) dt dt dt            (2.26)  a cc a dc a a c b c a c a b 1 di di q 3L i i U S i i S (i i ) S (i i ) dt dt3                    (2.27) Giá trị điện áp UL đƣợc tính theo (2.19) TÝnh q, p theo 2.26, 2.27 3 abc S  TÝnh ULtheo 2.28 ib Udc ia Sb Sc q UL UL UL iL iL H×nh 2.19: Kh©u •íc l•îng c«ng suÊt vµ ®iÖn ¸p 2 p Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 59 TÝnh p, q theo (2.30) L p  abc 3 2 TÝnh L, L theo (2.21) ia q ib Udc Sa Sb Sc L  H×nh 2.20: Kh©u •íc l•îng p, q theo vector L iL iL L LL 2 2 L L L L L i iU p1 U qi i i i                 (2.28) Vị trí vector điện áp UL đƣợc tính theo (2.20). Cấu trúc khâu ƣớc lƣợng công suất và điện áp đƣợc trình bày trên hình 2.19. ở đây cần đo ia, ib, ic, Udc và thông tin về trạng thái khóa Sa, Sb, Sc. 2.8.2. Ƣớc lƣợng công suất theo vector từ thông ảo Để tính toán công suất có thể sử dụng các công thức sau (xem 2.29):     * Le L * Lm L p R U .i q I U .i      (2.29) Dự vào (2.29) tính đƣợc công suất tác dụng và phản kháng trong hệ tọa độ  - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 60  theo vector từ thông ảo:     L L L L L L L L p i i q i i                    (2.30) Từ giá trị dòng điện iL và iL, theo (2.21) và (2.22) tính đƣợc L và L. Từ giá trị từ thông L và iL, dựa vào (2.30) tính đƣợc p và q. Cấu trúc khâu ƣớc lƣợng p, q theo đại lƣợng vector từ thông ảo đƣợc trình bày trên hình 2.20. 2.8.3. Đặc điểm cơ bản của điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh lƣu PWM Nhƣ phần trên đã nêu điều khiển DPC đƣợc phát triển từ ý tƣởng của điều khiển trực tiếp mô men động cơ KĐB. Do vậy, về nguyên lý cơ bản để xây dựng bộ điều khiển công suất DPC cũng tƣơng tự nhƣ DTC, có nghĩa là phải thiết kế đƣợc bộ điều khiển đóng cắt có đặc tính từ trễ để gia công tín hiệu dq và dp; Lựa chọn số vùng của vector điện áp từ đó kết hợp với vị trí vector điện áp UL để xây dựng bảng đóng cắt tạo nên vector điều khiển điện áp cho chỉnh lƣu PWM. Tuy nhiên DPC cũng có đặc điểm riêng, không thể áp dụng một cách máy móc điều khiển DTC cho DPC. Cụ thể: Tần số điện áp nguồn là không đổi khác với DTC biến thiên dải rộng. Giá trị tức thời công suất tác dụng và phản kháng bị ảnh hƣởng nhiều vào vị trí vector điện áp và sự thay đổi của dòng điện cả về pha lẫn biên độ. Trên hình 2.21 minh họa cho bốn trƣờng hợp thay đổi giá trị tức thời của p và q khi vector dòng điện biến đổi trong giới hạn L LI I  p < p * với hai vị trí trên hình 2.21b, c p > p * với hai vị trí trên hình 2.21a, d q > q * với hai vị trí trên hình 2.21c, d q < q * với hai vị trí trên hình 2.21a, b Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 với công suất đặt tại điểm M 2.8.4. Bộ điều khiển công suất Bộ điều khiển công suất có đặc tính trễ có ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng của hệ: sóng hài bậc cao dòng điện, tần số đóng cắt, dao động đập mạch công suất và tổn thất công suất. Do vậy, việc lựa chọn tham số băng trễ và cấu trúc điều khiển rất quan trọng. Thông thƣờng bộ điều khiển sử dụng so sánh hai mức hoặc ba mức. Có 3 phƣơng án cho bộ điều khiển trình bày trên hình 2.22a, b, c. Bộ điều khiển hai mức có bốn trạng thái, ví dụ bộ điều chỉnh công suất phản kháng: a) b) c) d)  iL M iL    M V1 V2 V3 V4 uS V6 uL qref pref * Li Li pref qref V1 V2 V3 V4 V6 V5 V5 uS Li * Li uL jLiL jLiL     iL uS uL qref pref V1 V2 V3 V4 V5 V6 jLiL Li * Li * Li iL Li uL jLiL pref qref V1 V2 uS V3 V4 V5 V6 M M H×nh 2.21: Sù biÕn thiªn gi¸ trÞ c«ng suÊt tøc thêi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 62 - Nếu q > Hq thì dq = 1, - Nếu -Hq  q Hq và 0  dt q d thì dq = 0, - Nếu -Hq  q Hq và 0  dt q d thì dq = 1, - Nếu q < Hq thì dq = 0. Đối với bộ điều chỉnh ba mức ta có 6 trạng thái: - Nếu q > Hq thì dq = 1, - Nếu 0  q  Hq và 0  dt q d thì dq = 0, - Nếu 0  q  Hq và 0  dt q d thì dq = 1, - Nếu -Hq  q  0 và 0  dt q d thì dq = -1, - Nếu -Hq  q  0 và 0  dt q d thì dq = 0, p dp a) q dq dp dp p q dq dq q b) c) H×nh 2.22: Bé ®iÒu khiÓn c«ng suÊt a) hai møc, b) hai - ba møc, c) ba møc p Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 63 - Nếu q  -Hq thì dq = -1. Chọn bộ điều khiển so sánh ba mức theo đặc tính tốt hơn hai mức. Tần số đóng cắt phụ thuộc độ rộng băng trễ và số phân vùng vector. 2.8.5. Lựa chọn phân vùng vector và bảng đóng cắt Số phân vùng vector có thể là 6 vùng hoặc 12 vùng và đƣợc biểu diễn nhƣ trên hình 2.23. B.2.1: Bảng đóng cắt cho DPC với bộ điều khiển hai mức, 12 vùng vector dp dq Sector 1 Sector 2 Sector 3 Sector 4 Sector 5 Sector 6 Sector 7 Sector 8 Sector 9 Sector 10 Sector 11 Sector 12 1 0 101 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001 1 110 111 010 000 011 111 001 000 101 111 100 000 0 0 101 100 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 1 100 110 110 010 010 011 011 001 001 101 101 100 Có thể mô tả bằng biểu thức toán học cho phân vùng vector:     n n 2n 3 (2n 1) , n=1,2,...,6 6 6 2n 2 (n 1) , n=1,2,...,12 6 6                   (2.31) 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 5   6 4 3 2 1   H×nh 2.23: Ph©n vïng vector cho ph•¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn DPC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 64 Với sự phân vùng là 6 hoặc 12 khi giá trị tức thời giá trị công suất thay đổi sẽ hạn chế số vector sử dụng. Ví dụ trên hình 2.24, chỉ sử dụng đƣợc hai trong số bốn vector cho phép. Điều này gây ra dao động đập mạch công suất, ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng điều khiển. Để cải thiện, có thể thay đổi số mức trong bộ điều khiển đóng cắt hoặc dùng logic mờ. Trên bảng B.2.1 trình bày bảng đóng cắt cho DPC với bộ điều khiển hai mức và 12 phân vùng vector. 2.8.6. Tổ hợp vector điện áp Khi giá trị tức thời công suất biến động ta có sự lựa chọn các vector điện áp. Trên hình 2.24 biểu diễn vector ở vùng thứ k ( k =1 , 2,…6 ) ta có sự lựa chọn ứng với tác động tăng hoặc giảm công suất. Đối với công suất tác dụng tăng khi chọn Uk+2, Uk+3, Uk+1, Uk-2 hoặc U0, U7 giảm khi chọn Uk, Uk-1. Đối với công suất phản kháng khi tăng Uk, Uk+1, Uk+2 giảm Uk-2, Uk-1, Uk+2. Kết quả thống kê trên bảng B.2.2 Bảng B.2.2: Sự tăng giảm p và q theo U Uk-2 Uk-1 Uk Uk+1 Uk+2 Uk+3 U0 U7 q        p        Trên bảng B.2.2, ký hiệu () tăng, () giảm, () tăng lớn và () giảm lớn. Ta thấy sự tăng và giảm lớn đối với q và p chỉ xảy ra ở 2 vector. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 65 Kết luận: Chỉnh lƣu PWM đáp ứng đƣợc yêu cầu trao đổi công suất hai chiều giữa lƣới điện xoay chiều và phía một chiều đầu ra bộ chỉnh lƣu. Ngoài ra sử dụng chỉnh lƣu PWM cho phép giảm đáng kể sóng hài bậc cao trong dòng điện lƣới, tăng hiệu suất, có khả năng điều chỉnh đƣợc hệ số công suất. Nhƣ vậy, việc sử dụng chỉnh lƣu PWM trong bộ biến tần gián tiếp có thể cho phép hệ truyền động điện biến tần-động cơ xoay chiều có thể làm việc ở cả bốn góc phần tƣ của hệ tọa độ đặc tính cơ và nâng cao đáng kể chất lƣợng của hệ truyền động. Vì vậy, mặc dù giá thành của loại biến tần này cao gấp đôi so với biến tần thông thƣờng nhƣng sẽ tiết kiệm đáng kể về điện năng, giảm nhỏ ảnh hƣởng của hệ truyền động đến mạng điện xoay chiều. H×nh 2.24: BiÕn ®æi vector ®iÖn ¸p Uk+1 U pk-2 U pk U pk+1 U pk+2 U pk+3 U p0.7 vector K   Uk+2 Uk+3 Uk Uk-2 Uk-1 Upk-1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 66 Chƣơng 3 XÂY DỰNG CẤU TRÖC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƢU VÀ CẤU TRÖC HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN 4Q - ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3.1.1. Khái quát chung Động cơ đồng bộ là loại động cơ mà tốc độ quay của rotor luôn bằng tốc độ từ trƣờng quay và có giá trị không đổi khi tần số nguồn cung cấp không đổi. Các động cơ đồng bộ đƣợc chế tạo với dải công suất rất rộng, công suất nhỏ nhƣ chiếc đồng hồ quay định giờ, công suất lớn đạt đến hàng chục nghìn KW. Ngoài ra động cơ đồng bộ còn có một ƣu điểm nổi bật là có thể điều chỉnh đƣợc hệ số công suất của nó bằng việc khống chế cuộn kích từ, có thể làm cho hệ số công suất bằng 1 hoặc có thể phát ra công suất phản kháng ( <00, thực hiện chức năng bù công suất phản kháng). Có thể phân loại động cơ đồng bộ ba pha ra làm hai loại chính: - Động cơ đồng bộ ba pha có rôto kích từ bằng điện với dải công suất từ vài trăm đến vài MW. Cuộn kích từ có thể đƣợc cuốn theo cực ẩn hoặc cực lồi. - Động cơ đồng bộ ba pha có rôto kích từ bằng nam châm vĩnh cửu với dải công suất nhỏ. Tốc độ quay của động cơ đồng bộ ba pha đƣợc tính bằng biểu thức: p s s p f  2  (3-1) trong đó: fs là tần số nguồn cung cấp; Pp là số đôi cực của động cơ. Từ (3-1) ta thấy điều chỉnh tần số nguồn cung cấp sẽ điều chỉnh đƣợc tốc độ động cơ. Do vậy, cấu trúc hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ bao giờ cũng có bộ biến đổi tần số. Thiết bị biến tần phối hợp điều tốc động cơ đồng bộ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 67 có thể là bộ biến tần nguồn áp, bộ biến tần nguồn dòng, bộ chuyển đổi chu kỳ sóng (bộ biến tần xoay chiều – xoay chiều) hoặc bộ biến tần điều chỉnh độ rộng xung hình sin SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation). Khi sử dụng điều khiển phối hợp điện áp tần số để điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ thì trở ngại về vấn đề khởi động và mất đồng bộ đã dễ dàng đƣợc khắc phục. Động cơ đồng bộ có một ƣu điểm nổi bật là có thể điều chỉnh đƣợc hệ số công suất cuả nó bằng các phƣơng pháp kích từ, có thể làm cho hệ số công suất cao hơn 1. Động cơ đồng bộ cực ẩn có khe hở không khí đồng đều, còn ở động cơ cực lồi thì khe hở không đồng đều, từ trở của trục cực từ nhỏ, từ trở của trục trực giao với nó lớn, hệ số điện cảm giữa hai trục không giống nhau, vì thế có thể tạo ra thành phần từ trở mômen (mômen phản kháng). 3.1.2. Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu sử dụng loại vật liệu từ có mật độ từ cao, tổn thất từ nhỏ, khả năng tái nạp từ tốt, chịu nhiệt độ cao, giá thành hạ. Nên nó cạnh tranh tốt với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc công suất nhỏ. Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu có thể chia làm hai loại chính: - Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ bố trí mặt ngoài (SPM: Sinusoidal Surface Magnet Machine) (xem hình 3.1) : Hình 3.1: Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu loại SPM Stato Khe hở không khí Nam châm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 68 - Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu có từ thông dạng hình sin, cực từ bố trí chìm bên trong (IPM: Sinusoidal Interior Magnet Machine) (xem hình 3.2). IPM có đặc tính sau: - Độ bền vững về cơ cao, cho phép chạy tốc độ cao, gia tốc lớn. - Khe hở không khí không đồng đều, trục d lớn hơn trục q gây nên Ldm  Lqm tƣơng tự nhƣ động cơ đồng bộ cực lồi. - Tồn tại từ thông phần ứng. Đối với loại SPM có khe hở không khí đồng đều Ldm = Lqm tƣơng tự nhƣ động cơ đồng bộ cực ẩn từ trƣờng phản ứng phần ứng rất nhỏ thƣờng bỏ qua. Tuy vậy khi vận hành với tốc độ cao cần quan tâm độ bền cơ. Ở đây chúng ta chọn động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu loại SPM. 3..2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3.2.1. Mô hình toán học động cơ đồng bộ kích từ dây quấn Phƣơng trình điện áp động của động cơ đồng bộ đƣợc viết thành: Hình 3.2: Động cơ đồng bộ kích từ nam châm vĩnh cửu loại IPM Stato Rôto Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 69                        dt dψ iR0 dt dψ iR0 dt dψ IRU dt dψ iRu dt dψ iRu dt dψ iRu Q QQ D DD f fff C C1C B B1B A A1A (3.2) Trong đó 3 phƣơng trình đầu là phƣơng trình điện áp của các cuộn dây A,B,C của stato, phƣơng trình thứ tƣ là phƣơng trình điện áp một chiều của cuộn dây kích từ, hai phƣơng trình cuối là phƣơng trình điện áp của cuộn dây cản. Cuộn dây cản của động cơ thực tế là cuộn dây nhiều rãnh dẫn nhƣ ở kiểu động cơ lồng sóc, ở đây nó đƣợc đơn giản hoá thành hai cuộn dây tƣơng đƣơng độc lập trên trục d và trục q. Đồng thời quy định chiều dƣơng của điện áp, dòng điện, từ thông phù hợp với thông lệ của động cơ điện và quy tắc bàn tay phải.Trong công thức (3.2): uA, uB, uC, uf, là giá trị tức thời của điện áp pha stator, điện áp cuộn dây kích từ iA, iB, iC, iD, iQ, là giá trị tức thời của dòng điện pha stator và của cuộn dây cản If là dòng điện một chiều của cuộn dây kích từ. A, B, C, f, D, Q là từ thông của các cuộn dây các pha;cuộn dây kích từ, cuộn dây cản. R1 ,Rf,RD,RQ là điện trở cuộn dây một pha stator ,cuộn dây kích từ và cuộn dây cản. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 70 Dựa vào nguyên lý chuyển đổi toạ độ đem hệ toạ độ A,B,C chuyển đổi sang hệ toạ độ quay đồng bộ d, q, 0, đồng thời dùng p để biểu thị toán tử vi phân, thì 3 phƣơng trình điện áp của stato sẽ biến đổi thành phƣơng trình (3.3).         0010 dqq1q qdd1d pψiRu ωψpψiRu ωψpψiRu (3.3) Ba phƣơng trình điện áp của rôto không thay đổi, bởi vì nó vốn đã là phƣơng trình trên trục toạ độ d, q. Có thể dẫn ra 3 phƣơng trình cuối của công thức (3.2):         QQQ DDD ffff pψiR0 pψiR0 pψIRU (3.4) Từ công thức (3.3) có thể thấy, từ hệ toạ độ cố định 3 pha sau khi chuyển đổi sang hệ toạ độ quay hai pha , phƣơng trình điện áp của trục d,q về ý nghĩa vật lý vẫn giống nhƣ ở động cơ không đồng bộ do tạo bởi sụt áp điện trở, sức điện động mạch xung (pd và pq) và sức điện động quay (-d và + q). Phƣơng trình từ thông trên hệ toạ độ quay đồng bộ hai pha là:                  QQrqqmQ DDrfdmddmD Ddmffrddmf ls Qqmqqsq Ddfdmddsd iLiL iLILiL iLILiL iL iLiL iLILiL       00 (3.5) trong đó: Lds = Lls + Ldm - tự cảm trên trục d của cuộn dây stato hai pha tƣơng đƣơng; Lqs = Lls + Lqm - tự cảm trên trục q của cuộn dây stato hai pha tƣơng đƣơng; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 71 Lls - cảm ứng rò của cuộn dây hai pha tƣơng đƣơng; Ldm - hỗ cảm giữa cuộn dây stato và rôto trên trục d; tƣơng với điện cảm phản ứng phần ứng trên trục d trong nguyên lý động cơ đồng bộ Lqm - hỗ cảm giữa cuộn dây tato và rôto trên trục q; tƣơng với điện cảm phản ứng phần ứng trên trục q; Lfr = Llf + Ldm - tự cảm cuộn dây kích từ ; LDr = LlD + Ldm - tự cảm cuộn dây cản trên trục d; LQr = LlQ + Lqm - tự cảm cuộn dây cản trên trục q. Trong phƣơng trình điện áp và chuỗi từ, phƣơng trình của thành phần trên trục 0 là độc lập, không có ảnh hƣởng đối với trục d, q, có thể không cần xem xét, ngoài ra, sau khi thay công thức (3.5) vào công thức (3.3), (3.4) và biến đổi có thể nhận đƣợc phƣơng trình ma trận điện áp của động cơ đồng bộ:                                                       Q D f q d QrQqm DrDdmdm dmfrfdm qmdmdmqsds qmdmdmqsds f q d i i I i i pLRpL pLRpLpL pLpLRpL pLLLpLRL LpLpLLpLR U u u . 000 00 00 0 0 1 1   (3.6) Mômen trên trục d, q của động cơ đồng bộ và phƣơng trình chuyển động của nó là: L p dqqdpe T dt d n J iinT   )( (3.7) Phân tích kỹ hơn về các phƣơng trình nêu trên và sử dụng các phƣơng trình đó vào bộ thuật toán véc tơ tạo mô hình toán học trạng thái động cho động cơ đồng bộ kích từ dây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 72 3.2.2. Mô tả toán học động cơ đồng bộ kích từ NCVC Sơ đồ thay thế và mô tả toán học động cơ đồng bộ kích từ NCVC gần tƣơng tự nhƣ loại động cơ đồng bộ kích từ dây quấn. Lúc đó từ thông cực từ f =LmI ’ f=const và không có cuộn khởi động. Ta có phƣơng trình điện áp: qsfe ' dseqssqs ψ dt d ψωψωiRu   (3.8) sfe ' sesss ψ dt d ψωψωiRu dqdd   (3.9) Trong đó: 'fdmf ILψ   qmδsqs qsqsqs ' dsfds dmσsds dsds ' ds LLL iLψ ψψψ LLL Liψ       Phƣơng trình mô men )iψi(ψ 2 P 2 3 M dsqsqsds p đc          (3.10) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 73 3.3. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3.3.1. Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển nghịch lƣu Nguyên tắc đƣợc sử dụng từ trƣớc đến nay có nhiều cấu trúc điều khiển nghịch lƣu khác nhau ví dụ nhƣ: nghịch dòng chuyển mạch tự nhiên ( nghịch lƣu tự điều khiển), nghịch lƣu điều chế độ rộng xung...vì vậy mà có các loại biến tần và phƣơng pháp khống chế biến tần khác nhau nhƣ: biến tần tự điều khiển, biền tần điều chế độ rộng xumg, biến tần điều khiển vector... 3.3.1.1. Giới thiệu các loại cấu trúc a. Biến tần tự điều khiển sử dụng nghịch lƣu dòng chuyển mạch tự nhiên có ƣu thế đối với hệ thống truyền động công suất cực lớn vì khi đó các van của nghịch lƣu là Thyristor, với việc sử dụng sđđ của cuộn dây stato động cơ làm chuyển mạch của van mà không cần thiết bị phụ trợ làm giảm kích thƣớc và độ phức tạp của hệ thống điều khiển nhƣng có nhƣợc điểm là dòng điện đầu ra khác xa hình sin. b. Biến tần với nghịch lƣu điều chế độ rộng xung hình sin, điều khiển u/f = const là loại biến tần cho phép tạo ra đƣờng cong dòng điện cấp cho động cơ có dạng gần hình sin không bắt buộc sử dụng các khâu phản hồi, biến tần loại này có thể điều khiển tốc độ động cơ một pha, ba pha với việc đảm bảo giữ đƣợc từ thông khe hở không khí gần bằng hằng số nhƣng biến tần loại này có một số nhƣợc điểm sau: + Mô men cực đại sẽ giảm thấp khi tần số giảm nhiều. + Thực tế khi điều chỉnh khó giữ đƣợc từ thông khe hở không khí bằng hằng số mà đặc biệt trong chế độ động khó đạt đƣợc. Chính vì vậy mà chất lƣợng điều khiển thấp. . c. Biến tần điều khiển vector: với việc áp dụng phép chuyển đổi toạ độ khi xây dựng mô hình toán học của động cơ thì có thể thực hiện chuyển đổi mô hình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 74 của động cơ xoay chiều nói chung tƣơng đƣơng với mô hình của động cơ một chiều, từ đó có thể áp dụng các phƣơng pháp điều khiển của động cơ một chiều để tiến hành điều khiển tốc độ và mô men động cơ một cách rất thuận lợi đặc biệt là với phƣơng pháp điều khiển vector định hƣớng theo từ thông rotor. Ý tƣởng về cấu trúc hệ thống điều khiển vector có thể đƣợc mô tả nhƣ sau: Động cơ đồng bộ qua biến đổi tọa độ có thể trở thành động cơ một chiều tƣơng đƣơng, nhƣ vậy phỏng theo phƣơng pháp điều khiển động cơ một chiều, tìm ra lƣợng điều khiển của động cơ một chiều, qua phép biến đổi tọa độ ngƣợc, lại có thể điều khiển đƣợc động cơ đồng bộ. Bởi vì đối tƣợng phả