Khái Niệm Cơ Bản Về Các Hệ Thống Điều Khiển Điện Tử Công Suất

Khám phá các khái niệm cơ bản về điều khiển điện tử công suất trong bài viết này, giúp hiểu rõ hơn về ứng dụng và nguyên lý hoạt động.

Trường đại học

National Institute of Technology

Chuyên ngành

Power Electronics

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Thesis

2019

390
2
0

Phí lưu trữ

75 Point

Mục lục chi tiết

Preface

Author

List of Symbols

1. CHƯƠNG 1: Components of Power Electronic Drive

1.2. Motor Load System

1.3. Load-Gear System

1.4. Closed-Loop Control

1.5. Advantages of Electric Drives

1.6. Four-Quadrant Operation of Drives

1.8. Steady-State Stability of Electric Drives

2. CHƯƠNG 2: Analysis of Power Electronic Circuits

2.3. Silicon-Controlled Rectifier (SCR)

2.6. Insulated Gate Bipolar Transistor

2.7. Analysis of Switched Circuits

3. CHƯƠNG 3: ac/dc Converters

3.2. Single-Phase Semi-Converter

3.3. Single-Phase Full Converter

3.4. Comparison of a Single-Phase Semi-Converter and a Full Converter

3.5. Three-Phase Semi-Converter

3.6. Three-Phase Full-Converter

4. CHƯƠNG 4: Direct Current Motor Modeling and Control Aspects

4.4. State-Space Model

4.5. Transfer Function Model

4.6. Closed-Loop Control Design

4.7. The dc Series Motor

4.8. Determination of ra and La

4.9. Determination of Kb

4.10. Determination of the Moment of Inertia of a Drive System

5. CHƯƠNG 5: ac/dc Converter-Fed dc Motor Drives

5.2. Single-Phase Converter Circuits

5.3. Analysis and Operation of a Single-Phase Bridge-Type Semi-Converter-Fed dc Motor Drive

5.4. Analysis of a Single-Phase, Bridge-Type Full Converter-Fed dc Motor Drive

5.5. Performance of a Converter-Fed dc Motor Drive System

5.6. Investigations on Line Current Harmonics in Single-Phase Full Converter-Fed Drives

5.7. Power Factor Improvement of Bridge-Type, Single-Phase Converters

5.8. Three-Phase Semi-Converter

5.9. Three-Phase Full-Converter

5.10. Four-Quadrant Operation of Single-Phase Full Converter-Fed dc Motor Drive

6. CHƯƠNG 6: dc/dc Converters

6.2. Principle of Operation

6.3. Steady-State Analysis of First-Quadrant Chopper-Fed dc-Motor Drive

6.4. Commutation Process in SCR-Based dc/dc Converters

6.5. Design of Commutation Elements

6.6. dc/dc Converters as Switching Mode Regulators

7. CHƯƠNG 7: dc Motor Speed Control Employing dc/dc Converters

7.2. Classification of dc/dc Converters

7.6. Dual Input dc/dc Converter

8. CHƯƠNG 8: ac/ac Converters

8.2. ac Voltage Regulators

8.4. On–Off Control

9. CHƯƠNG 9: Induction Motor Fundamentals

9.2. Derivation of a Two-Axis Model of an Induction Motor

9.3. Derivation on an Arbitrary Reference Frame

9.4. Stator Reference Frame Model

9.5. Derivation of a Per-Phase Equivalent Circuit of a Three-Phase Induction Motor

9.6. Expression for Electromagnetic Torque

9.7. Derivation of Harmonic Equivalent Circuit

10. CHƯƠNG 10: Stator Voltage Control of Induction Motors

10.2. Stator Voltage Control: Theoretical Investigations

10.3. Efficiency of Voltage-Controlled Induction Motor Drives

10.4. Power Converters for Stator Voltage Control

10.5. Energy-Efficient Operation of an ac Voltage Controller-Fed Induction Motor Drive

10.6. ac Voltage Controller for Starting Induction Motor Drives

10.7. Starting an Induction Motor Using a Thyristorized Star-Delta Switch

10.8. Speed Control of a Wound-Type Induction Motor through the Rotor Side

10.9. Slip Power Recovery Scheme

11. CHƯƠNG 11: dc/ac Converters

11.2. Basic Concept of Inverter Circuit-Voltage Source Inverters

11.4. Three-Phase Inverter Circuits

11.5. Voltage Control in Inverters

11.7. McMurray Half-Bridge Inverter

11.8. Current-Source Inverter

11.9. Single-Phase Current-Source Inverter

11.10. Capacitor-Commutated SCR-Based Single-Phase CSI

12. CHƯƠNG 12: Speed Control of Induction Motors and Synchronous Motors

12.2. Inverter-Fed Induction Motor Drives

12.3. Scalar Control of Induction Motor Using Voltage-Source Inverters (VSI)

12.4. Scalar Control of Induction Motor Using Current-Source Inverter

12.5. Three-Phase CSI Feeding a Three-Phase Induction Motor Load

12.6. Thyristorized CSI and the Commutation Process

12.7. Vector Control of an Induction Motor

12.8. Speed Control of Synchronous Motor Drives

12.9. Equivalent Circuit of Synchronous Motor and Basic Equations

12.10. Scalar Control of Synchronous Motor

12.11. Load-Commutated CSI-Fed Synchronous Motor Drive

12.12. Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) Drive

References

Index

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Khái Niệm Hệ Thống Điều Khiển Điện Tử Công Suất

Hệ thống điều khiển điện tử công suất là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật điện, liên quan đến việc chuyển đổi và điều khiển năng lượng điện. Các hệ thống này được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như động cơ điện, nguồn điện và các thiết bị điện tử khác. Việc hiểu rõ về các khái niệm cơ bản sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

1.1. Định Nghĩa Hệ Thống Điều Khiển Điện Tử Công Suất

Hệ thống điều khiển điện tử công suất là tập hợp các thiết bị và công nghệ dùng để điều khiển và chuyển đổi năng lượng điện. Chúng bao gồm các thành phần như bộ chuyển đổi, mạch điều khiển và cảm biến.

1.2. Lịch Sử Phát Triển Hệ Thống Điều Khiển Điện Tử

Lịch sử phát triển của hệ thống điều khiển điện tử bắt đầu từ những năm 1960 với sự ra đời của các thiết bị bán dẫn. Sự phát triển này đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc điều khiển và tối ưu hóa năng lượng điện.

II. Các Vấn Đề Thách Thức Trong Hệ Thống Điều Khiển Điện Tử Công Suất

Mặc dù hệ thống điều khiển điện tử công suất mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng đối mặt với nhiều thách thức. Các vấn đề như hiệu suất, độ tin cậy và chi phí là những yếu tố quan trọng cần xem xét.

2.1. Hiệu Suất Năng Lượng Trong Hệ Thống

Hiệu suất năng lượng là một trong những thách thức lớn nhất trong hệ thống điều khiển điện tử. Việc tối ưu hóa hiệu suất không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu chi phí vận hành.

2.2. Độ Tin Cậy Của Hệ Thống

Độ tin cậy của hệ thống điều khiển điện tử là yếu tố quyết định đến sự thành công của các ứng dụng công nghiệp. Các sự cố có thể xảy ra do lỗi phần cứng hoặc phần mềm, ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.

III. Phương Pháp Giải Quyết Các Vấn Đề Trong Hệ Thống Điều Khiển Điện Tử

Để giải quyết các vấn đề trong hệ thống điều khiển điện tử công suất, nhiều phương pháp và công nghệ đã được phát triển. Các giải pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn tăng cường độ tin cậy.

3.1. Sử Dụng Cảm Biến Để Tối Ưu Hóa Hiệu Suất

Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu và điều chỉnh hoạt động của hệ thống. Việc sử dụng cảm biến thông minh giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu lãng phí năng lượng.

3.2. Công Nghệ Điều Khiển Tự Động

Công nghệ điều khiển tự động giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người và tăng cường độ chính xác trong việc điều khiển hệ thống. Các thuật toán điều khiển hiện đại như PID và Fuzzy Logic được áp dụng rộng rãi.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Thống Điều Khiển Điện Tử Công Suất

Hệ thống điều khiển điện tử công suất được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp sản xuất đến giao thông vận tải. Những ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp

Trong ngành công nghiệp, hệ thống điều khiển điện tử được sử dụng để điều khiển động cơ, máy móc và các thiết bị sản xuất. Điều này giúp tăng cường hiệu suất và giảm thiểu chi phí sản xuất.

4.2. Ứng Dụng Trong Giao Thông Vận Tải

Hệ thống điều khiển điện tử cũng được áp dụng trong giao thông vận tải, giúp điều khiển các phương tiện và tối ưu hóa lộ trình. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu tai nạn giao thông.

V. Kết Luận Về Tương Lai Của Hệ Thống Điều Khiển Điện Tử Công Suất

Tương lai của hệ thống điều khiển điện tử công suất hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ với sự phát triển của công nghệ. Các xu hướng như Internet of Things (IoT) và trí tuệ nhân tạo (AI) sẽ mở ra nhiều cơ hội mới.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ

Công nghệ điều khiển điện tử sẽ tiếp tục phát triển với sự tích hợp của các công nghệ mới. Việc áp dụng IoT sẽ giúp cải thiện khả năng giám sát và điều khiển từ xa.

5.2. Tác Động Đến Ngành Công Nghiệp

Sự phát triển của hệ thống điều khiển điện tử sẽ có tác động lớn đến ngành công nghiệp, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm.

10/07/2025
Elementary concepts of power electronic drives compress

Trích đoạn nội dung tài liệu

indd 1 24/01/19 2:55 PM Elementary Concepts of Power Electronic Drives Elementary Concepts of Power Electronic Drives K Sundareswaran, PhD CRC Press Taylor & Francis Group 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300 Boca Raton, FL 33487-2742 © 2019 by Taylor & Francis Group, LLC CRC Press is an imprint of Taylor & Francis Group, an Informa business No claim to original U. Government works Printed on acid-free paper International Standard Book Number-13 978-1-138-39049-2 (Hardback) This book contains information obtained from authentic and highly regarded sources. Reasonable efforts have been made to publish reliable data and information, but the author and publisher cannot assume responsibility for the validity of all materials or the consequences of their use. The authors and publishers have attempted to trace the copyright holders of all material reproduced in this publication and apologize to copyright holders if permission to publish in this form has not been obtained.

If any copyright material has not been acknowledged, please write and let us know so we may rectify in any future reprint. Except as permitted under U. Copyright Law, no part of this book may be reprinted, reproduced, transmitted, or utilized in any form by any electronic, mechanical, or other means, now known or hereafter invented, including photocopying, microfilming, and recording, or in any information storage or retrieval system, without written permission from the publishers. For permission to photocopy or use material electronically from this work, please access www.com (http://www.com/) or contact the Copyright Clearance Center, Inc.

(CCC), 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, 978-750-8400. CCC is a not-for-profit organization that provides licenses and registration for a variety of users. For organizations that have been granted a photocopy license by the CCC, a separate system of payment has been arranged. Trademark Notice: Product or corporate names may be trademarks or registered trademarks, and are used only for identification and explanation without intent to infringe.

Library of Congress Cataloging‑in‑Publication Data Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Names: Sundareswaran, K. Title: Elementary concepts of power electronic drives / authored by Sundareswaran K. Description: Boca Raton : Taylor & Francis, 2019. Identifiers: LCCN 2018045336| ISBN 9781138390492 (hardback : alk.

paper) | ISBN 9780429423284 (e-book) Subjects: LCSH: Power electronics. | Electric current converters. | Switching power supplies. Classification: LCC TK7881.31/042—dc23 LC record available at https://lccn.gov/2018045336 Visit the Taylor & Francis Web site at http://www.com and the CRC Press Web site at http://www.com eResource material is available for this title at https://www.

This book is submitted to the lotus feet of Uchi Pillayar, Rockfort Temple, Tiruchirappalli. Contents Preface����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������xi Author������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� xiii List of Symbols������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������xv 1. Components of Power Electronic Drive�����������������������������������������������������������������������������1 1.2 Motor Load System�������������������������������������������������������������������������������������������������������3 1.3 Load-Gear System��������������������������������������������������������������������������������������������������������� 9 1.4 Closed-Loop Control�������������������������������������������������������������������������������������������������� 13 1.5 Advantages of Electric Drives����������������������������������������������������������������������������������� 14 1.6 Four-Quadrant Operation of Drives������������������������������������������������������������������������ 15 1.8 Steady-State Stability of Electric Drives������������������������������������������������������������������� 17 2. Analysis of Power Electronic Circuits������������������������������������������������������������������������������ 23 2.3 Silicon-Controlled Rectifier (SCR)���������������������������������������������������������������������������� 24 2.6 Insulated Gate Bipolar Transistor����������������������������������������������������������������������������� 32 2.7 Analysis of Switched Circuits����������������������������������������������������������������������������������� 33 3.

ac/dc Converters�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 71 3.2 Single-Phase Semi-Converter������������������������������������������������������������������������������������ 71 3.3 Single-Phase Full Converter�������������������������������������������������������������������������������������� 85 3.4 Comparison of a Single-Phase Semi-Converter and a Full Converter���������������� 96 3.5 Three-Phase Semi-Converter������������������������������������������������������������������������������������ 99 3.6 Three-Phase Full-Converter������������������������������������������������������������������������������������ 108 4. Direct Current Motor Modeling and Control Aspects����������������������������������������������� 127 4.4 State-Space Model����������������������������������������������������������������������������������������������������� 133 4.5 Transfer Function Model������������������������������������������������������������������������������������������ 136 4.6 Closed-Loop Control Design����������������������������������������������������������������������������������� 137 4.7 The dc Series Motor�������������������������������������������������������������������������������������������������� 139 4.8 Determination of ra and La��������������������������������������������������������������������������������������� 141 4.9 Determination of Kb�������������������������������������������������������������������������������������������������� 141 4.10 Determination of the Moment of Inertia of a Drive System������������������������������� 141 vii viii Contents 5. ac/dc Converter-Fed dc Motor Drives����������������������������������������������������������������������������� 145 5.2 Single-Phase Converter Circuits����������������������������������������������������������������������������� 145 5.3 Analysis and Operation of a Single-Phase Bridge-Type Semi-Converter- Fed dc Motor Drive��������������������������������������������������������������������������������������������������� 149 5.4 Analysis of a Single-Phase, Bridge-Type Full Converter-Fed dc Motor Drive������������������������������������������������������������������������������������������������������ 153 5.5 Performance of a Converter-Fed dc Motor Drive System����������������������������������� 159 5.6 Investigations on Line Current Harmonics in Single-Phase Full Converter-Fed Drives����������������������������������������������������������������������������������������������� 160 5.7 Power Factor Improvement of Bridge-Type, Single-Phase Converters�������������� 168 5.8 Three-Phase Semi-Converter���������������������������������������������������������������������������������� 172 5.9 Three-Phase Full-Converter������������������������������������������������������������������������������������ 173 5.10 Four-Quadrant Operation of Single-Phase Full Converter-Fed dc Motor Drive���������������������������������������������������������������������������������������������������������� 179 5. dc/dc Converters������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 193 6.2 Principle of Operation���������������������������������������������������������������������������������������������� 193 6.3 Steady-State Analysis of First-Quadrant Chopper-Fed dc-Motor Drive����������� 195 6.4 Commutation Process in SCR-Based dc/dc Converters�������������������������������������� 203 6.5 Design of Commutation Elements�������������������������������������������������������������������������� 213 6.6 dc/dc Converters as Switching Mode Regulators������������������������������������������������ 217 7.

dc Motor Speed Control Employing dc/dc Converters����������������������������������������������� 227 7.2 Classification of dc/dc Converters�������������������������������������������������������������������������� 227 7.6 Dual Input dc/dc Converter������������������������������������������������������������������������������������ 244 8. ac/ac Converters������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 247 8.2 ac Voltage Regulators����������������������������������������������������������������������������������������������� 247 8.4 On–Off Control��������������������������������������������������������������������������������������������������������� 258 9. Induction Motor Fundamentals��������������������������������������������������������������������������������������� 263 9.2 Derivation of a Two-Axis Model of an Induction Motor������������������������������������� 263 9.3 Derivation on an Arbitrary Reference Frame������������������������������������������������������� 264 9.4 Stator Reference Frame Model�������������������������������������������������������������������������������� 265 9.5 Derivation of a Per-Phase Equivalent Circuit of a Three-Phase Induction Motor�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 265 9.6 Expression for Electromagnetic Torque����������������������������������������������������������������� 267 9.7 Derivation of Harmonic Equivalent Circuit���������������������������������������������������������� 273 Contents ix 10. Stator Voltage Control of Induction Motors����������������������������������������������������������������� 277 10.2 Stator Voltage Control: Theoretical Investigations����������������������������������������������� 277 10.3 Efficiency of Voltage-Controlled Induction Motor Drives����������������������������������284 10.4 Power Converters for Stator Voltage Control�������������������������������������������������������� 285 10.5 Energy-Efficient Operation of an ac Voltage Controller-Fed Induction Motor Drive��������������������������������������������������������������������������������������������� 287 10.6 ac Voltage Controller for Starting Induction Motor Drives�������������������������������� 287 10.7 Starting an Induction Motor Using a Thyristorized Star-Delta Switch������������ 288 10.8 Speed Control of a Wound-Type Induction Motor through the Rotor Side����� 289 10.9 Slip Power Recovery Scheme����������������������������������������������������������������������������������� 294 11.

dc/ac Converters������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 301 11.2 Basic Concept of Inverter Circuit-Voltage Source Inverters�������������������������������� 301 11.4 Three-Phase Inverter Circuits���������������������������������������������������������������������������������305 11.5 Voltage Control in Inverters������������������������������������������������������������������������������������ 311 11.7 McMurray Half-Bridge Inverter������������������������������������������������������������������������������ 320 11.8 Current-Source Inverter������������������������������������������������������������������������������������������� 324 11.9 Single-Phase Current-Source Inverter������������������������������������������������������������������� 325 11.10 Capacitor-Commutated SCR-Based Single-Phase CSI����������������������������������������� 325 12. Speed Control of Induction Motors and Synchronous Motors�������������������������������� 331 12.2 Inverter-Fed Induction Motor Drives��������������������������������������������������������������������� 331 12.3 Scalar Control of Induction Motor Using Voltage-Source Inverters (VSI)�������� 332 12.4 Scalar Control of Induction Motor Using Current-Source Inverter������������������� 337 12.5 Three-Phase CSI Feeding a Three-Phase Induction Motor Load���������������������� 339 12.6 Thyristorized CSI and the Commutation Process������������������������������������������������ 341 12.7 Vector Control of an Induction Motor��������������������������������������������������������������������344 12.8 Speed Control of Synchronous Motor Drives������������������������������������������������������� 347 12.9 Equivalent Circuit of Synchronous Motor and Basic Equations������������������������348 12.10 Scalar Control of Synchronous Motor�������������������������������������������������������������������� 351 12.11 Load-Commutated CSI-Fed Synchronous Motor Drive�������������������������������������� 354 12.12 Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) Drive�������������������������������������354 References����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 357 Index��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 363 Preface Power electronics is a specialized area in electrical power engineering that focuses on conversion and control of electrical power. Various applications of power electronics include induction heating, illumination control, regulated power supplies, flexible ac trans- mission (FACT) systems, variable speed drives, electrochemical process, electric-welding, and many more. This book is concerned with variable speed dc and ac motors using power electronic circuits.

This subject matter of this book is a core subject in all universities with different names, such as power electronic drives, solid state drives, industrial drives, etc. The contents of this book are suitably tailored to provide first-hand information on relevant power electronic circuits and operation and their application to respective motor drives. This will enable the student community to learn the variable-speed concept hassle-free. Several numerical examples—both illustrated and unsolved—are provided for better understanding of the content.

This book will serve both undergraduate and graduate students studying the field of power electronic drives. The author expresses sincere thanks to Dr. Palani, former Professor and Head of Instrumentation and Control Engineering, Regional Engineering College (now known as the National Institute of Technology), Tiruchirappalli, Tamil Nadu, India, for constant encouragement, useful discussion, and constructive criticism during the preparation of this book. xi Author K Sundareswaran, PhD, w  as born in Pallassana, Kerala, India, in 1966.

He earned a BTech (Hons.) in electrical and electronics engi- neering and MTech (Hons.) in power electronics at the University of Calicut, Calicut, Kerala, India, in 1988 and 1991, respectively. He earned a PhD in electrical engineering at Bharathidasan University, Tiruchirappalli, Tamil Nadu, India, in 2001. From 2005 to 2006, he was a Professor with the Department of Electrical Engineering, National Institute of Technology, Calicut, Kerala, India. He is cur- rently a Professor with the Department of Electrical and Electronics Engineering, National Institute of Technology, Tiruchirappalli, Tamil Nadu, India.

His research interests include power electronics, renewable energy systems, and biologically inspired optimization techniques.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu "Khái Niệm Cơ Bản Về Các Hệ Thống Điều Khiển Điện Tử Công Suất" cung cấp cái nhìn tổng quan về các hệ thống điều khiển điện tử trong lĩnh vực công suất, giúp người đọc hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động, cấu trúc và ứng dụng của chúng. Bài viết nhấn mạnh tầm quan trọng của các hệ thống này trong việc tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng, đồng thời mở ra cơ hội cho việc áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp và giao thông.

Để mở rộng kiến thức của bạn về chủ đề này, bạn có thể tham khảo thêm tài liệu Đồ án tốt nghiệp xây dựng và điều khiển động cơ bldc xe đạp điện, nơi bạn sẽ tìm thấy thông tin chi tiết về việc điều khiển động cơ bldc trong xe đạp điện. Ngoài ra, tài liệu Nghiên cứu thiết kế module điều khiển động cơ pmsm áp dụng phương pháp điều khiển tauwj hướng từ thông rotorfoc sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về các phương pháp điều khiển hiện đại trong động cơ điện. Cuối cùng, tài liệu Giáo trình điện tử công nghiệp cung cấp kiến thức nền tảng về điện tử công suất, rất hữu ích cho những ai muốn tìm hiểu sâu hơn về lĩnh vực này.

Mỗi liên kết trên đều là cơ hội để bạn khám phá thêm và nâng cao hiểu biết của mình về các hệ thống điều khiển điện tử công suất.