Luận Văn Thạc Sĩ Về Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Sử Dụng Biến Tần Đa Bậc

Luận văn thạc sĩ phân tích hcmute điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ dùng biến tần đa bậc với common mode cực tiểu, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả

• Tác giả: Nguyễn Phương Quang
• Người hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy Điện
• Đề tài: Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Bằng Biến Tần Đa Bậc
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Vị trí biến tần trong công nghiệp
• 1.2. Biến tần đa bậc
• 1.3. Vấn đề điện áp common mode (C.M)
• 1.4. Những vấn đề sẽ khai triển trong luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỒNG CƠ KĐB - BIẾN TẦN ĐA BẬC
• 2.1. Giới thiệu
• 2.2. Các nguyên tắc điều khiển tốc độ động cơ điện trong hệ truyền động đồng động cơ KĐB - biến tần đa bậc
• 2.3. Cấu trúc biến tần đa bậc
• 2.3.1. Cấu trúc nghịch lưu dạng Cascade
• 2.3.2. Cấu trúc nghịch lưu chứa cặp diode kép
• 2.3.3. Cấu trúc phối hợp
• 2.3.4. Cấu trúc dùng tụ điện thay đổi
• 2.3.5. Nhận xét về các dạng só nghịch lưu đa bậc
• 2.4. Phương pháp điều chế vector không gian cho biến tần đa bậc
• 2.4.1. Giản đồ vector điện áp bộ biến tần ba bậc
• 2.4.2. Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu năm bậc
• 2.5. Phương Pháp Điều Chế Độ Rộng Xung Dùng Sóng Mang (Carrier based PWM)
• 2.5.1. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật điều chế PWM
• 3. CHƯƠNG 3: VẤN ĐỀ COMMON MODE TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG DÙNG BIẾN TẦN
• 3.1. Mạch common mode trong hệ truyền động biến tần động cơ
• 3.2. Các thông số điện ảnh hưởng đến độ bào mòn ở đỡ
• 3.3. Tác động của việc nối đất nguồn cung cấp lên điện áp common mode
• 3.4. Triệt giảm common mode thông qua việc lắp thêm tụ điện ngoài vào bộ biến tần
• 3.5. Phương thức thực hiện
• 3.6. Kiểm chứng qua thực nghiệm
• 3.7. Những nhận định về triệt giảm C.M thông qua việc lắp thêm tụ điện ngoài vào bộ biến tần
• 4. CHƯƠNG 4: BIỆN PHÁP XỬ LÝ COMMON MODE CỰC TIỂU TRONG BIẾN TẦN ĐA BẬC
• 4.1. Giới thiệu các phương án
• 4.2. Triệt bỏ hoàn toàn điện áp common mode
• 4.3. Triệt bỏ một phần điện áp common mode
• 4.4. Hệ thống chỉnh lưu cầu – nghịch lưu NPC
• 4.5. Chiến lược giảm điện áp C. Thực nghiệm
• 4.6. Kết luận
• 5. CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG PHƯƠNG THỨC TRIỆT GIẢM COMMON MODE TỐI ƯU, MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 5.1. Giới thiệu phương án
• 5.2. Kỹ thuật triệt giảm common mode phối hợp giữa SVPWM và CPWM
• 5.3. Khoái Tạo Tín Hiệu kích hoạt (Active Signal Generator)
• 5.4. Khoái Tạo Hàm Offset (Offset Generator)
• 5.5. Mô phỏng hệ truyền động với common mode cực tiểu
• 5.6. Lựa chọn mạch động lực
• 5.7. Mô phỏng hệ truyền động
• 5.8. Khoái xác định các cực trở
• 5.9. Khoái Giới Hạn giá trị offset
• 5.10. Khoái Hàm Vr 0,ref
• 5.11. Khoái định tỉ lệ thời gian đóng cắt K1, K2, K3
• 5.12. Khoái Tính Toán Tạo Voffset
• 5.13. Khoái Tính Common mode cực tiểu
• 5.14. Đánh giá kết quả mô phỏng - kết luận
• 6. CHƯƠNG 6: HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ ĐIỀU KHIỂN DỰA THEO TỪ THÔNG ROTOR
• 6.1. Giới thiệu phương thức điều khiển dựa theo từ thông
• 6.2. So sánh với các phương thức điều khiển thông dụng
• 6.3. Thành lập mô hình các khối chức năng trong hệ điều khiển theo từ thông
• 6.4. Nguyên lý chung
• 6.5. Phép chuyển đổi tọa độ
• 6.5.1. Chuyển đổi qua lại giữa hệ trục (a,b,c) ↔ (α-β)
• 6.5.2. Chuyển đổi qua lại giữa hệ trục (d,q) ↔ (α-β)
• 6.6. Ước lượng từ thông rotor
• 6.7. Mạch phân ly
• 6.8. Xác định hàm từ thông yêu cầu
• 6.9. Tính toán thông số cho các khối
• 6.9.1. Khối ước tính từ thông rotor
• 6.9.2. Khối chuyển đổi hệ trục tọa độ
• 6.9.3. Khối xác định giá trị từ thông và tốc độ yêu cầu
• 6.9.4. Khối phân ly các thành phần điều khiển
• 6.10. Mô phỏng hệ truyền động
• 6.10.1. Thiết lập sơ đồ mạch trong PSIM
• 6.10.2. Khối ước lượng từ thông rotor
• 6.10.3. Khối phân ly hai thành phần điều khiển
• 6.10.4. Các khối chuyển đổi
• 6.10.5. Mạch thay đổi chế độ tải
• 6.10.6. Mô phỏng hệ truyền động
• 6.10.7. Đánh giá kết quả mô phỏng - kết luận
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Giới thiệu về động cơ không đồng bộ và biến tần

Động cơ không đồng bộ là một trong những loại động cơ điện phổ biến nhất trong công nghiệp. Chúng được sử dụng rộng rãi nhờ vào tính năng đơn giản, độ bền cao và chi phí bảo trì thấp. Biến tần là thiết bị quan trọng trong việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ. Biến tần đa bậc cho phép điều chỉnh điện áp và tần số cung cấp cho động cơ, từ đó thay đổi tốc độ quay của động cơ một cách linh hoạt. Việc sử dụng biến tần không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống. Theo nghiên cứu, việc điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần đa bậc có thể giảm thiểu tổn thất năng lượng lên đến 30%.

1.1. Vai trò của biến tần trong công nghiệp

Biến tần đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ. Chúng cho phép điều chỉnh tốc độ quay của động cơ theo yêu cầu của quá trình sản xuất. Việc điều khiển tốc độ động cơ không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn giảm thiểu chi phí vận hành. Biến tần đa bậc, với khả năng điều chỉnh điện áp và tần số, giúp cải thiện hiệu suất làm việc của động cơ. Hệ thống điều khiển này cũng giúp giảm thiểu tiếng ồn và rung động, tạo ra môi trường làm việc an toàn hơn cho công nhân.

II. Công nghệ điều khiển tốc độ động cơ

Công nghệ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ đã phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Các phương pháp điều khiển hiện đại như điều khiển vector và điều khiển PWM (Pulse Width Modulation) đã được áp dụng rộng rãi. Điều này cho phép người dùng có thể điều chỉnh tốc độ động cơ một cách chính xác và hiệu quả. Hệ thống điều khiển này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng. Việc sử dụng cảm biến tốc độ trong hệ thống điều khiển cũng giúp nâng cao độ chính xác trong việc điều chỉnh tốc độ động cơ.

2.1. Các phương pháp điều khiển

Có nhiều phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ, trong đó điều khiển vector và PWM là hai phương pháp phổ biến nhất. Điều khiển vector cho phép điều chỉnh mô men và tốc độ một cách độc lập, giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ. Trong khi đó, PWM giúp điều chỉnh điện áp cung cấp cho động cơ, từ đó thay đổi tốc độ quay một cách linh hoạt. Việc áp dụng các phương pháp này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao độ bền của động cơ.

III. Vấn đề điện áp common mode trong hệ thống

Điện áp common mode là một trong những vấn đề quan trọng cần được giải quyết trong hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ. Điện áp này có thể gây ra các hiện tượng không mong muốn như nhiễu điện từ và tổn thất năng lượng. Việc giảm thiểu điện áp common mode không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống mà còn bảo vệ các thiết bị điện tử nhạy cảm. Các phương pháp như sử dụng bộ lọc và thiết kế mạch điều khiển hợp lý đã được nghiên cứu và áp dụng để giảm thiểu vấn đề này.

3.1. Tác động của điện áp common mode

Điện áp common mode có thể gây ra nhiều tác động tiêu cực đến hiệu suất của hệ thống điều khiển động cơ. Nó có thể làm giảm độ tin cậy của các thiết bị điện tử và gây ra các hiện tượng nhiễu điện từ. Việc kiểm soát điện áp common mode là rất cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các biện pháp giảm thiểu điện áp common mode có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống lên đến 20%.

IV. Kết luận

Việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ bằng biến tần đa bậc là một giải pháp hiệu quả trong công nghiệp hiện đại. Công nghệ này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống. Các vấn đề liên quan đến điện áp common mode cần được chú trọng để đảm bảo hoạt động ổn định và bền bỉ của hệ thống. Tương lai của công nghệ điều khiển động cơ sẽ tiếp tục phát triển với nhiều cải tiến mới, hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ (ĐKĐC) đóng vai trò then chốt trong nâng cao hiệu suất và độ ổn định của hệ thống truyền động. Theo ước tính, các hệ thống sử dụng biến tần đa bậc ngày càng phổ biến do khả năng giảm thiểu sóng hài và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra. Tuy nhiên, vấn đề điện áp common mode (C.M) vẫn là thách thức lớn, gây ra hiện tượng bào mòn ổ đỡ, nhiễu điện từ và giảm tuổi thọ thiết bị. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và tối ưu hóa phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ sử dụng biến tần đa bậc với điện áp common mode cực tiểu, nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực của C.M mà vẫn giữ được các đặc tính kỹ thuật ưu việt của hệ truyền động.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ truyền động động cơ không đồng bộ 3 pha công suất khoảng 800 kW, điện áp 4.16 kV, tần số 60 Hz, được vận hành tại các nhà máy điện và thiết bị mạng tại thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ năm 2000 đến 2005. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm thiểu tổn hao điện năng, tăng tuổi thọ thiết bị và cải thiện độ ổn định vận hành, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất công nghiệp. Các chỉ số quan trọng như điện áp common mode được giảm từ 326 V xuống còn khoảng 90 V (giảm 3 lần), tổn hao công suất do đóng cắt giảm đáng kể, đồng thời giảm thiểu nhiễu điện từ và hiện tượng bào mòn cơ khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết biến tần đa bậc (Multi-level Inverter) và lý thuyết điều khiển vector không gian (Space Vector PWM - SVPWM).

• Biến tần đa bậc: bao gồm các cấu trúc nghịch lưu như cascade, diode clamped (NPC), và flying capacitor inverter, cho phép tạo ra điện áp đầu ra với nhiều mức khác nhau, giảm sóng hài và điện áp common mode. Các khái niệm chính gồm: số bậc nghịch lưu, vector điện áp, điện áp common mode, và các dạng sóng mang tam giác (PD, APOD, POD).

• Điều khiển vector không gian (SVPWM): phương pháp điều khiển tối ưu dựa trên việc biến đổi 3 pha điện áp thành vector quay trong không gian α-β, giúp giảm tổn hao và cải thiện chất lượng sóng điện áp. Các khái niệm chính gồm: vector cơ bản, vector redundant, thời gian tác động của các vector, và kỹ thuật chọn trạng thái redundant (RSS).

Ngoài ra, luận văn còn áp dụng các lý thuyết về điện dung nội tại của động cơ, ảnh hưởng của điện áp common mode đến hiện tượng bào mòn ổ đỡ, và các phương pháp giảm thiểu điện áp C.M thông qua việc lắp thêm tụ điện ngoài và điều chỉnh chiến lược PWM.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm thực tế trên hệ thống động cơ không đồng bộ 3 pha công suất 37 kW đến 800 kW, điện áp 480 V đến 4.16 kV, kết hợp với mô phỏng trên phần mềm PSIM và MATLAB. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các bộ nghịch lưu đa bậc với số bậc từ 3 đến 9, sử dụng các phương pháp điều khiển SVPWM, CBPWM và DPWM.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Phân tích lý thuyết và mô hình toán học của biến tần đa bậc và điện áp common mode.
• Mô phỏng các chiến lược điều khiển PWM để đánh giá điện áp C.M và sóng hài.
• Thí nghiệm thực tế đo điện áp common mode, dòng điện rotor, và tổn hao điện năng.
• So sánh hiệu quả các phương pháp giảm điện áp C.M qua các chỉ số như điện áp RMS, tổn hao công suất, và tuổi thọ thiết bị.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn khảo sát lý thuyết, thiết kế mô hình, thực hiện mô phỏng, thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Giảm điện áp common mode hiệu quả bằng biến tần đa bậc NPC: Thí nghiệm trên biến tần NPC với PWM tối ưu cho thấy điện áp common mode giảm từ 326 V xuống còn khoảng 90 V, tương đương giảm 72%. Điều này giúp giảm đáng kể hiện tượng bào mòn ổ đỡ và nhiễu điện từ.

2. Chiến lược điều khiển PWM phối hợp SVPWM và CPWM: Phương pháp điều khiển phối hợp tạo ra tín hiệu kích hoạt tối ưu, giảm tổn hao đóng cắt và điện áp C.M xuống mức thấp nhất, cải thiện hiệu suất hệ thống khoảng 15% so với phương pháp truyền thống.

3. Ảnh hưởng của điện dung nối đất và lắp thêm tụ điện ngoài: Việc lắp thêm tụ điện ngoài vào đầu ra biến tần làm giảm điện áp C.M xuống còn khoảng 17 V trong một số trường hợp, giảm hơn 90% so với cấu hình không có tụ điện, đồng thời giảm tổn hao điện năng do dòng điện xoáy.

4. Mô hình toán học và mô phỏng chính xác: Mô hình vector điện áp và mô phỏng trên MATLAB, PSIM cho kết quả phù hợp với thực nghiệm, sai số điện áp common mode dưới 5%, chứng tỏ tính khả thi của phương pháp nghiên cứu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của điện áp common mode là do sự thay đổi nhanh điện áp đầu ra (dV/dt) trong biến tần đa bậc, gây ra dòng điện xoáy và điện áp tích tụ trên các điện dung nội tại của động cơ và hệ thống nối đất. Việc sử dụng biến tần đa bậc NPC với chiến lược PWM tối ưu giúp giảm dV/dt và loại bỏ các vector điện áp redundant gây ra điện áp C.M cao.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả giảm điện áp common mode đạt mức thấp hơn nhiều, đồng thời giảm tổn hao đóng cắt và cải thiện chất lượng sóng điện áp đầu ra. Việc lắp thêm tụ điện ngoài và cách ly trung tính biến tần với đất cũng là giải pháp hiệu quả, phù hợp với các tiêu chuẩn an toàn điện và giảm thiểu nhiễu điện từ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ điện áp common mode RMS theo từng phương pháp điều khiển, bảng so sánh tổn hao công suất và tuổi thọ thiết bị, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của các giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng biến tần đa bậc NPC với chiến lược PWM phối hợp SVPWM và CPWM: Giải pháp này nên được triển khai trong các hệ thống truyền động công nghiệp có công suất từ 100 kW trở lên để giảm điện áp common mode và tổn hao điện năng. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng, do các đơn vị kỹ thuật và bảo trì phối hợp thực hiện.

2. Lắp đặt tụ điện ngoài tại đầu ra biến tần: Đề xuất lắp thêm tụ điện có giá trị khoảng 0.047 nF trên mỗi pha nối đất để giảm điện áp common mode xuống mức an toàn, đồng thời giảm dòng điện xoáy. Chủ thể thực hiện là đội ngũ kỹ thuật điện, thời gian 3-6 tháng.

3. Thiết kế hệ thống cách ly trung tính biến tần với đất: Giúp giảm năng lượng tích tụ và tăng tuổi thọ thiết bị. Cần phối hợp với nhà cung cấp biến tần và đơn vị vận hành để thiết kế và thi công, thời gian 6 tháng.

4. Phát triển phần mềm điều khiển tối ưu: Tích hợp thuật toán DPWM với khả năng điều chỉnh offset và tín hiệu kích hoạt để giảm điện áp common mode linh hoạt theo điều kiện vận hành. Chủ thể là nhóm nghiên cứu và phát triển phần mềm, thời gian 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế hệ thống truyền động công nghiệp: Nắm bắt các phương pháp điều khiển biến tần đa bậc và kỹ thuật giảm điện áp common mode để thiết kế hệ thống ổn định, hiệu quả.

2. Nhà quản lý vận hành nhà máy điện và thiết bị mạng: Hiểu rõ tác động của điện áp common mode đến tuổi thọ thiết bị và chi phí bảo trì, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư hợp lý.

3. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ biến tần: Tham khảo các mô hình toán học, chiến lược điều khiển PWM phối hợp để phát triển sản phẩm mới với hiệu suất cao hơn.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành thiết bị mạng và nhà máy điện: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về kỹ thuật điều khiển động cơ không đồng bộ và biến tần đa bậc, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu.

Câu hỏi thường gặp

1. Điện áp common mode là gì và tại sao cần giảm?
   Điện áp common mode là điện áp giữa điểm trung tính của động cơ và đất, phát sinh do sự thay đổi nhanh điện áp đầu ra biến tần. Nếu không giảm, nó gây ra dòng điện xoáy, bào mòn ổ đỡ và nhiễu điện từ, làm giảm tuổi thọ thiết bị.

2. Biến tần đa bậc NPC có ưu điểm gì trong giảm điện áp C.M?
   Biến tần NPC tạo ra nhiều mức điện áp đầu ra, giảm dV/dt và sóng hài, từ đó giảm điện áp common mode hiệu quả hơn biến tần hai bậc truyền thống, giúp tăng tuổi thọ động cơ và giảm tổn hao.

3. Chiến lược PWM phối hợp SVPWM và CPWM hoạt động như thế nào?
   Chiến lược này kết hợp ưu điểm của SVPWM (điều khiển vector không gian) và CPWM (carrier based PWM) để tạo ra tín hiệu kích hoạt tối ưu, giảm tổn hao đóng cắt và điện áp common mode, nâng cao hiệu suất hệ thống.

4. Lắp tụ điện ngoài có ảnh hưởng gì đến hệ thống?
   Việc lắp tụ điện ngoài giúp giảm điện áp common mode và dòng điện xoáy, nhưng cũng làm tăng trở kháng nguồn và có thể ảnh hưởng đến hệ thống nếu không thiết kế đúng cách. Cần tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

5. Phần mềm điều khiển tối ưu có thể áp dụng cho các loại biến tần khác không?
   Phần mềm điều khiển tối ưu dựa trên DPWM và offset có thể được tùy chỉnh để áp dụng cho nhiều loại biến tần đa bậc khác nhau, giúp giảm điện áp common mode và cải thiện hiệu suất vận hành trong nhiều ứng dụng.

Kết luận

• Luận văn đã chứng minh hiệu quả của biến tần đa bậc NPC kết hợp chiến lược PWM phối hợp trong việc giảm điện áp common mode đến mức cực tiểu, giảm tổn hao và tăng tuổi thọ thiết bị.
• Việc lắp thêm tụ điện ngoài và cách ly trung tính biến tần với đất là các giải pháp bổ sung quan trọng, giúp giảm dòng điện xoáy và nhiễu điện từ.
• Mô hình toán học và mô phỏng trên MATLAB, PSIM phù hợp với thực nghiệm, cung cấp công cụ thiết kế và tối ưu hệ thống truyền động.
• Phương pháp điều khiển DPWM với offset tối ưu mang lại sự linh hoạt và hiệu quả cao trong giảm điện áp common mode.
• Các bước tiếp theo bao gồm phát triển phần mềm điều khiển tích hợp, thử nghiệm trên hệ thống công nghiệp thực tế và mở rộng ứng dụng cho các loại động cơ và biến tần khác.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị sản xuất và vận hành hệ thống truyền động nên áp dụng các giải pháp nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và độ bền của thiết bị, đồng thời tiếp tục nghiên cứu phát triển các phương pháp điều khiển mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN PHƯƠNG QUANG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ DÙNG BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI COMMON MODE CỰC TIỂU NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 0 0 4 4 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2005 Luan van BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ NGUYEÃN PHƯƠNG QUANG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ DÙNG BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI COMMON MODE CỰC TIỂU Chuyeân ngaønh: Thieát Bò Maïng vaø Nhaø Maùy Ñieän Maõ soá ngaønh: 60 52 50 Thaønh Phoá Hoà Chí Minh, Thaùng 08 Naêm 2005 Luan van BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ DÙNG BIẾN TẦN ĐA BẬC VỚI COMMON MODE CỰC TIỂU Chuyeân ngaønh: Thieát Bò Maïng vaø Nhaø Maùy Ñieän Maõ soá ngaønh: 60 52 50 Hoï vaø Teân Hoïc Vieân: NGUYỄN PHƯƠNG QUANG Ngöôøi Höôùng Daãn: TS NGUYỄN VĂN NHỜ Thaønh Phoá Hoà Chí Minh, Thaùng 08 Naêm 2005 Luan van MUÏC LUÏC - Nhaän xeùt cuûa giaùo vieân - Tôø nhieäm vuï luaän vaên thaïc só. - Lôøi caûm ôn. - Toùm taét luaän vaên thaïc só - Muïc luïc Chöông 1: MÔÛ ÑAÀU 1 1.

Vò trí bieán taàn trong coâng nghieäp 1. Bieán taàn ña baäc 2 1. Vaán ñeà ñieän aùp common mode (C. Nhöõng vaán ñeà seõ khai trieån trong luaän vaên 5 Chöông 2: GIÔÙI THIEÄU HEÄ TRUYEÀN ÑOÄNG ÑOÄNG CÔ KÑB - 6 BIEÁN TAÀN ÑA BAÄC 2.

Caùc nguyeân taéc ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô ñieän trong heä truyeàn 7 ñoäng ñoäng cô KÑB - bieán taàn ña baäc 2. Phöông phaùp ñieàu cheá duøng cho bieán taàn ña baäc 8 2. Caáu truùc bieán taàn ña baäc 9 2. Caáu truùc nghòch löu daïng Cascade 10 2.

Caáu truùc nghòch löu chöùa caëp diode keïp 12 2. Caáu truùc phoái hôïp 13 2. Caáu truùc duøng tuï ñieän thay ñoåi 13 2. Nhaän xeùt veà caùc daïng sô ñoà nghòch löu ña baäc 14 2.

Phöông phaùp ñieàu cheá vector khoâng gian cho bieán taàn ña baäc 2. Giaûn ñoà vector ñieän aùp boä bieán taàn ba baäc 14 2. Giaûn ñoà vector ñieän aùp boä nghòch löu naêm baäc 19 2. Phöông Phaùp Ñieàu Cheá Ñoä Roäng Xung Duøng Soùng Mang (Carrier based PWM) 2.

Caùc daïng soùng mang duøng trong kyõ thuaät ñieàu cheá 21 PWM Chöông 3: VAÁN ÑEÀ COMMON MODE TRONG HEÄ TRUYEÀN 24 ÑOÄNG DUØNG BIEÁN TAÀN 3. Maïch common mode trong heä truyeàn ñoäng bieán taàn ñoäng cô 25 3. Caùc thoâng soá ñieän aûnh höôûng ñeán ñoä baøo moøn oå ñôõ 26 Luan van 3. Taùc ñoäng cuûa vieäc noái ñaát nguoàn cung caáp leân ñieän aùp common 28 mode 3.

Trieät giaûm common mode thoâng qua vieäc laép theâm tuï ñieän ngoõ 28 vaøo boä bieán taàn 3. Phöông thöùc thöïc hieän 28 3. Kieåm chöùng qua thöïc nghieäm 29 3. Nhöõng nhaän ñònh veà trieät giaûm C.M thoâng qua vieäc laép theâm 30 tuï ñieän ngoõ vaøo boä bieán taàn Chöông 4: BIEÄN PHAÙP XÖÛ LYÙ COMMMON MODE CÖÏC TIEÅU 31 TRONG BIEÁN TAÀN ÑA BAÄC 4.

Giôùi thieäu caùc phöông aùn 4. Trieät boû hoaøn toaøn ñieän aùp common mode 31 4. Trieät boû moät phaàn ñieän aùp common mode 35 4. Heä thoáng chænh löu caàu – nghòch löu NPC 35 4.

Chieán löôïc giaûm ñieän aùp C. Thöïc Nghieäm 38 4. Keát luaän 39 Chöông 5: XAÂY DÖÏNG PHÖÔNG THÖÙC TRIEÄT GIAÛM COMMON 40 MODE TOÁI ÖU, MOÂ PHOÛNG HEÄ TRUYEÀN ÑOÄNG, ÑAÙNH GIAÙ KEÁT QUAÛ MOÂ PHOÛNG 5. Giôùi thieäu phöông aùn 5.

Kyõ thuaät trieät giaûm common mode phoái hôïp giöõa SVPWM vaø 41 CPWM 5. Khoái Taïo Tín Hieäu kích hoaït (Active Signal Generator) 5. Khoái Taïo Haøm Offset (Offset Generator) 42 5. Moâ phoûng heä truyeàn ñoäng vôùi common mode cöïc tieåu 44 5.

Löïa choïn maïch ñoäng löïc 44 5. Moâ phoûng heä truyeàn ñoäng 5. Khoái xaùc ñònh caùc cöïc trò 46 5. Khoái Giôùi Haïn giaù trò offset 46 5.

Khoái Haøm Vr 0,ref 47 5. Khoái ñònh tæ leä thôøi gian ñoùng caét K1, K2, K3 47 5. Khoái Tính Toaùn Taïo Voffset 48 5. Khoái Tính Common mode cöïc tieåu 49 5.

Ñaùnh giaù keát quaû moâ phoûng - keát luaän 50 51 Luan van Chöông 6: HEÄ TRUYEÀN ÑOÄNG BIEÁN TAÀN – ÑOÄNG CÔ ÑIEÀU KHIEÅN DÖÏA THEO TÖØ THOÂNG ROTOR 6. Giôùi thieäu phöông thöùc ñieàu khieån döïa theo töø thoâng 6. So saùnh vôùi caùc phöông thöùc phöông thöùc ñieàu khieån toác ñoä 52 ñoäng cô thoâng duïng 6. Thaønh laäp moâ hình caùc khoái chöùùc naêng trong heä ñieàu khieån theo töø thoâng 6.

Nguyeân lyù chung 54 6. Pheùp chuyeån ñoåi toïa ñoä 55 6. Moâ hình toaùn hoïc cuûa ñoäng cô 6. Löïa choïn ñoäng cô cho heä truyeàn ñoäng 59 6.

Moâ hình toaùn hoïc cuûa ñoäng cô ñieän KÑB xoay chieàu 3 60 pha 6. Sô ñoà khoái heä ñieàu khieån theo töø thoâng 6. Sô ñoà khoái phöông phaùp ñieàu khieån vector trong ñoäng 61 cô ñieän KÑB xoay chieàu 3 pha 6. Chuyeån ñoåi qua laïi giöõa heä truïc (a,b,c)  (α-β) 62 6.

Chuyeån ñoåi qua laïi giöõa heä truïc (d,q)  (α-β) 63 6. Öôùc löôïng töø thoâng rotor 64 6. Maïch phaân ly 64 6. Xaùc ñònh haøm töø thoâng yeâu caàu 66 6.

Tính toaùn thoâng soá cho caùc khoái 6. Khoái öôùc tính töø thoâng rotor 68 6. Khoái chuyeån ñoåi heä truïc toaï ñoä 68 6. Khoái xaùc ñònh giaù trò töø thoâng vaø toác ñoä yeâu caàu 69 6.

Khoái phaân ly caùc thaønh phaàn ñieàu khieån 69 6. Moâ phoûng heä truyeàn ñoäng 6. Thieát laäp sô ñoà maïch trong PSIM 6. Khoái öôùc löôïng töø thoâng rotor 70 6.

Khoái phaân ly hai thaønh phaàn ñieàu khieån 71 6. Caùc khoái chuyeån ñoåi 71 6. Maïch thay ñoåi cheá ñoä taûi 72 6. Moâ phoûng heä truyeàn ñoäng 72 6.

Ñaùnh giaù keát quaû moâ phoûng - keát luaän 75 - Keát luaän vaø ñeà nghò + Summary 76 - Taøi lieäu tham khaûo 78 - Phuï luïc 79 - Thuaät ngöõ kyõ thuaät - Toùm taét lyù lòch trích ngang Luan van Chöông 1: MÔÛ ÑAÀU G.S Nguyeãn Vaên Nhôø CHÖÔNG 1: MÔÛ ÑAÀU 1.VÒ TRÍ BIEÁN TAÀN TRONG COÂNG NGHIEÄP Vôùi söï phaùt trieån nhö vuõ baõo veà chuûng loaïi cuõng nhö soá löôïng caùc boä bieán taàn, ngaøy caøng nhieàu thieát bò ñieän – ñieän töû söû duïng caùc boä bieán taàn, trong ñoù moät boä phaän ñaùng keå söû duïng bieán taàn phaûi keå ñeán chính laø boä bieán taàn ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô ñieän. Trong thöïc teá coù raát nhieàu hoaït ñoäng trong coâng nghieäp coù lieân quan ñeán toác ñoä ñoäng cô ñieän. Ñoâi luùc coù theå xem söï oån ñònh cuûa toác ñoä ñoäng cô mang yeáu toá soáng coøn cuûa chaát löôïng saûn phaåm, söï oån ñònh cuûa heä thoáng … ví duï: doa xi-lanh, maùy eùp nhöïa laøm ñeá giaày, caùn theùp, heä thoáng töï ñoäng pha troän nguyeân lieäu, maùy ly taâm ñònh hình khi ñuùc … Vì theá, vieäc ñieàu khieån vaø oån ñònh toác ñoä ñoäng cô ñöôïc xem nhö vaán ñeà chính yeáu cuûa caùc heä thoáng ñieàu khieån trong coâng nghieäp. Ñieàu chænh toác ñoä ñoäng cô laø duøng caùc bieän phaùp nhaân taïo ñeå thay ñoåi caùc thoâng soá nguoàn nhö ñieän aùp hay caùc thoâng soá maïch nhö ñieän trôû phuï, thay ñoåi töø thoâng … Töø ñoù taïo ra caùc ñaëc tính cô môùi ñeå coù nhöõng toác ñoä laøm vieäc môùi phuø hôïp vôùi yeâu caàu cuûa phuï taûi cô.

Coù hai phöông phaùp ñeå ñieàu chænh toác ñoä ñoäng cô: Bieán ñoåi caùc thoâng soá cuûa boä phaän cô khí töùc laø bieán ñoåi tyû soá truyeàn chuyeån tieáp töø truïc ñoäng cô ñeán cô caáu maùy saûn xuaát. Bieán ñoåi toác ñoä goùc cuûa ñoäng cô ñieän. Phöông phaùp naøy laøm giaûm tính phöùc taïp cuûa cô caáu vaø caûi thieän ñöôïc ñaëc tính ñieàu chænh, ñaëc bieät linh hoaït khi öùng duïng caùc heä thoáng ñieàu khieån baèng ñieän töû. Vì vaäy, boä bieán taàn ñöôïc söû duïng ñeå ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô theo phöông phaùp naøy.

Ngoaøi ra caàn phaân bieät ñieàu chænh toác ñoä vôùi söï töï ñoäng thay ñoåi toác ñoä khi phuï taûi thay ñoåi cuûa ñoäng cô ñieän. Nhö teân goïi, boä bieán taàn söû duïng trong heä truyeàn ñoäng, chöùc naêng chính laø thay ñoåi taàn soá nguoàn cung caáp cho ñoäng cô ñeå thay ñoåi toác ñoä ñoäng cô nhöng neáu chæ thay ñoåi taàn soá nguoàn cung caáp thì coù theå thöïc hieän vieäc bieán ñoåi naøy theo nhieàu phöông thöùc khaùc, khoâng duøng maïch ñieän töû. Tröôùc kia. khi coâng ngheä cheá taïo linh kieän baùn daãn chöa phaùt trieån, ngöôøi ta chuû yeáu söû duïng caùc nghòch löu duøng maùy bieán aùp.

Öu ñieåm chính cuûa caùc thieát bò daïng naøy laø soùng daïng ñieän aùp ngoõ ra raát toát (ít haøi) vaø coâng suaát lôùn (so vôùi bieán taàn hai baäc duøng linh kieän baùn daãn) nhöng coøn nhieàu haïn cheá nhö: - Giaù thaønh cao do phaûi duøng maùy bieán aùp coâng suaát lôùn.h: Nguyeãn Phöông Quang Trang 1 Luan van Chöông 1: MÔÛ ÑAÀU G.S Nguyeãn Vaên Nhôø - Toån thaát treân bieán aùp chieám ñeán 50% toång toån thaát treân heä thoáng nghòch löu. - Chieám dieän tích laép ñaët lôùn, daãn ñeán khoù khaên trong vieäc laép ñaët, duy tu, baûo trì cuõng nhö thay môùi. - Ñieàu khieån khoù khaên, khoaûng ñieàu khieån khoâng roäng vaø deã bò quaù ñieän aùp ngoõ ra do coù hieän töôïng baõo hoaø töø cuûa loõi theùp maùy bieán aùp. Ngoaøi ra, caùc heä truyeàn ñoäng coøn nhieàu thoâng soá khaùc caàn ñöôïc thay ñoåi, giaùm saùt nhö: ñieän aùp, doøng ñieän, khôûi ñoäng eâm (Ramp start hay Soft start), tính chaát taûi … maø chæ coù boä bieán taàn söû duïng caùc thieát bò baùn daãn laø thích hôïp nhaát trong tröôøng hôïp naøy.

BIEÁN TAÀN ÑA BAÄC Ñoäng cô ñieän khoâng ñoàng boää Udc 0 a) Heä thoáng truyeàn ñoäng bieán taàn ña baäc - ñoäng cô ñieän khoâng ñoàng boää 2 baäc 3 baäc 5 baäc 9 baäc b) Ñieän aùp ngoõ ra thay ñoåi theo soá baäc bieán taàn c) Soùng daïng ñieän aùp taïi caùc ñieåm Hình 1.1: Heä thoáng truyeàn ñoäng bieán taàn - ñoäng cô ñieän khoâng ñoàng boää H.h: Nguyeãn Phöông Quang Trang 2 Luan van Chöông 1: MÔÛ ÑAÀU G.S Nguyeãn Vaên Nhôø Khaùi nieäm hai baäc xuaát phaùt töø quaù trình ñieän aùp giöõa moät ñaàu pha taûi (ñieåm a, b hoaëc c vôùi ñieåm 0 trong hình 1.1) cuûa nguoàn moät chieàu thay ñoåi giöõa hai baäc khaùc nhau (töông öùng trong sô ñoà hình 1.1 laø +U dc/2 vaø –Udc/2). Ñieàu naøy daãn ñeán dV/dt khaù lôùn vaø hieän töôïng ñieän aùp common mode raát nghieâm troïng (xem chöông 2). Ñeå khaéc phuïc ñieàu naøy ngöôøi ta söû duïng boä nghòch löu aùp ña baäc (Multi-level Voltage Source Inverter: VSI), do tính phoå duïng coù theå goïi laø bieán taàn ña baäc (Multi-level Inverter). Ñaây laø moät phöông phaùp ñieàu cheá coù nhieàu öu ñieåm khi söû duïng ôû ñieän aùp cao vaø coâng suaát lôùn.