Thiết kế biến tần điều khiển động cơ 3 pha theo phương pháp Vector không gian

Luận văn thiết kế biến tần điều khiển động cơ 3 pha bằng phương pháp vector không gian. Phân tích nguyên lý, tính toán và lựa chọn thiết bị thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Trần Hòa
• Người hướng dẫn: Ts. Võ Minh Chính
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Biến Tần Điều Khiển Tốc Độ Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha Theo Phương Pháp Vector Không Gian
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Động cơ Không Đồng Bộ Ba Pha và Phương pháp Điều khiển

Động cơ không đồng bộ ba pha (ĐCKĐB) là một trong những thiết bị quan trọng nhất trong các hệ thống truyền động công nghiệp hiện đại. ĐCKĐB sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội như cấu trúc đơn giản, độ tin cậy cao, hiệu suất năng lượng tốt và chi phí sản xuất thấp. Các ứng dụng của ĐCKĐB rất đa dạng, từ các máy cán thép, dây chuyền sản xuất tự động đến các thiết bị điện dân dụng. Việc điều khiển tốc độ động cơ hiệu quả là yêu cầu quan trọng để tối ưu hóa năng suất và tiết kiệm năng lượng. Phương pháp vector không gian đã chứng minh là giải pháp hiệu quả nhất để đạt được điều khiển tốc độ vô cấp với đặc tính cơ cứng cao và momen tác động nhỏ.

1.1. Cấu trúc và Nguyên lý Hoạt động ĐCKĐB

Cấu trúc ĐCKĐB bao gồm stator với các cuộn dây ba pha và rotor kiểu lồng sóc. Các cuộn dây stator được cấp điện xoay chiều ba pha để tạo từ trường quay. Rotor là các que dẫn điện được nối tắt thành hình lồng sóc, sinh ra dòng điện cảm ứng tương tác với từ trường stator để tạo momen quay. Nguyên lý hoạt động dựa trên định luật cảm ứng điện từ Faraday, khi từ trường quay tác động lên rotor, nó sinh ra dòng điện cảm ứng tạo ra momen cơ để quay trục động cơ.

1.2. Các Phương pháp Điều khiển Tốc độ Truyền thống

Các phương pháp truyền thống bao gồm thay đổi điện áp cấp cho stator, thay đổi điện trở mạch rotor, và nối tầng điện trở. Phương pháp thay đổi điện áp đơn giản nhưng điều khiển tốc độ có giới hạn. Phương pháp thay đổi điện trở rotor cho kết quả tốt hơn nhưng mất nhiều năng lượng dưới dạng nhiệt. Những hạn chế của các phương pháp này đã dẫn đến sự phát triển của phương pháp vector không gian - công nghệ hiện đại cho phép điều khiển momen và từ thông một cách độc lập.

II. Biến tần Điều khiển và Công nghệ Vector Không gian

Biến tần là thiết bị điện tử công suất dùng để biến đổi điện áp và tần số cung cấp cho động cơ. Công nghệ biến tần vector không gian đại diện cho thế hệ mới nhất của các bộ biến tần, cho phép điều khiển chính xác cả momen và từ thông của động cơ. Bộ biến tần hoạt động thông qua việc chuyển đổi điện xoay chiều sang điện một chiều bằng chỉnh lưu, sau đó chuyển đổi lại thành điện xoay chiều với tần số và điện áp cần thiết thông qua nghịch lưu điều chế PWM. Hệ thống này cho phép điều chỉnh tốc độ tuỳ ý, đạt được đặc tính cơ cứng cao và tiết kiệm năng lượng đáng kể.

2.1. Cấu trúc Biến tần Trực tiếp và Gián tiếp

Biến tần trực tiếp chuyển đổi điện xoay chiều sang xoay chiều mà không cần điện một chiều trung gian, cấu trúc phức tạp hơn. Biến tần gián tiếp sử dụng chỉnh lưu để chuyển đổi sang điện một chiều, sau đó dùng nghịch lưu PWM để tạo ra điện xoay chiều với tần số bất kỳ. Phương pháp gián tiếp được ưa chuộng trong công nghiệp vì cấu trúc đơn giản hơn, linh hoạt trong điều khiển, và dễ dàng bảo dưỡng bảo trì.

2.2. Nguyên lý Điều khiển Vector Không gian

Phương pháp vector không gian sử dụng biểu diễn véc tơ của các đại lượng điện áp và dòng điện trong hệ tọa độ không gian. Phương pháp này cho phép tính toán và điều khiển các véc tơ từ thông rotor một cách độc lập với véc tơ momen động cơ. Điều này giúp đạt được điều khiển động cơ nhanh chóng và chính xác, với momen đáp ứng tức thì giống như động cơ chiều. Hệ thống điều khiển sử dụng các cảm biến phản hồi để đo tốc độ và điều chỉnh tần số, điện áp cấp cho động cơ tối ưu.

III. Phương pháp Điều chế Độ Rộng Xung PWM và Vector Không gian

Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) là kỹ thuật điều khiển các linh kiện bán dẫn công suất trong nghịch lưu. Phương pháp này thay đổi độ rộng xung điều khiển để điều chỉnh giá trị trung bình của điện áp đầu ra. Phương pháp điều chế vector không gian là dạng nâng cao của PWM, sử dụng 8 véc tơ điện áp được tạo bởi các trạng thái đóng-ngắt khác nhau của các khóa bán dẫn trong nghịch lưu ba pha. Phương pháp này cho phép tối ưu hóa sử dụng điện áp DC, giảm độ méo sóng điều hòa, và tăng hiệu suất hoạt động của hệ thống so với PWM truyền thống.

3.1. Nguyên lý và Quy trình Điều chế PWM

Điều chế PWM hoạt động bằng cách so sánh tín hiệu tham chiếu với sóng tam giác cao tần. Khi tín hiệu tham chiếu lớn hơn sóng tam giác, khóa bán dẫn được bật, và ngược lại. Tần số tam giác (khoảng 1-20 kHz) được gọi là tần số điều chế. Bằng cách thay đổi tín hiệu tham chiếu, ta có thể điều khiển giá trị điện áp và tần số đầu ra. Phương pháp này dễ thực hiện bằng vi điều khiển, cho phép phản ứng nhanh chóng với các thay đổi tải và điều kiện làm việc.

3.2. Cấu trúc Hệ thống Điều khiển Vector Không gian

Hệ thống điều khiển bao gồm bộ xử lý trung tâm (vi điều khiển hoặc DSP) để tính toán các tín hiệu điều khiển, mạch lực với các khóa bán dẫn (IGBT hoặc MOSFET), và các cảm biến phản hồi để đo tốc độ, dòng điện, điện áp. Bộ vi điều khiển thực hiện các phép tính tọa độ, chuyển đổi giữa các hệ tọa độ abc và dq để điều khiển các thành phần momen và từ thông độc lập. Điều này cho phép điều khiển nhanh chóng, chính xác và phản hồi momen tức thì như động cơ chiều DC.

IV. Thiết kế Tính toán và Chế tạo Biến tần Vector Không gian

Thiết kế biến tần điều khiển tốc độ ĐCKĐB theo phương pháp vector không gian đòi hỏi lựa chọn linh kiện công suất phù hợp, thiết kế mạch điều khiển, và mạch lực an toàn. Các tham số thiết kế bao gồm công suất động cơ, tần số định mức, điện áp cấp, và yêu cầu động lực học. Linh kiện chính bao gồm các khóa IGBT/MOSFET để chuyển đổi công suất, tụ điện lọc để ổn định điện áp DC, cuộn cảm để lọc dòng điện, và vi điều khiển/DSP để thực hiện thuật toán điều khiển. Quá trình thiết kế và chế tạo cần tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật, thử nghiệm kỹ lưỡng để đảm bảo an toàn, độ tin cậy và hiệu suất cao trước khi đưa vào ứng dụng thực tế.

4.1. Lựa chọn Linh kiện và Tính toán Công suất

Lựa chọn khóa bán dẫn dựa vào công suất, tần số chuyển đổi, và nhiệt độ làm việc. IGBT phù hợp cho công suất lớn (>1kW), MOSFET thích hợp cho công suất vừa và tần số cao. Các tụ điện lọc phải chịu được điện áp DC cao nhất với dung lượng đủ để ổn định điện áp. Cuộn cảm đầu vào giúp giảm độ méo dòng điện, trong khi cuộn cảm đầu ra giúp lọc dòng động cơ. Tính toán nhiệt lượng tỏa của khóa để chọn tản nhiệt phù hợp là yêu cầu thiết yếu nhằm đảm bảo thời gian sử dụng lâu dài.

4.2. Thiết kế Mạch Điều khiển và Bảo vệ An toàn

Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển hoặc DSP để thực hiện thuật toán vector không gian (SVPWM). Mạch phải có các tín hiệu phản hồi từ cảm biến dòng điện, điện áp, tốc độ để điều khiển kín vòng. Hệ thống bảo vệ bao gồm bảo vệ quá dòng, bảo vệ quá áp, bảo vệ nhiệt độ, bảo vệ hãm điện động. Các mạch điều khiển khóa phải có cách ly galvanic để bảo vệ an toàn. Thiết kế mạch in phải tuân thủ các tiêu chuẩn EMC để giảm nhiễu điện từ và tương thích với các thiết bị khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1U: Tỉnh toán lựa chọn thiết bị Kết luận và hướng phát triển. ~ViÌ~ BIEN TAN DIEU KHIEN THEO PHYONG PHAP VECTOR KHONG GIAN Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý của nghịch lint 3 pha dòng cỏ điểt ngăn cách 59 Hinh 4.2: So dé nguyén ly của nghịch lin áp 3 pha có điốt ngăn cách 59 Hình 4.3: Sơ đồ cầu trúc mạch chỉnh luu 63 BIEN TAN DIEU KHIEN THEO PHUONG PHAP VECTOR KHONG GIAN Muc luc Lời mở đâu. vi Chuong I: DONG CO KHONG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁPP ĐIÊU KHIEN TOC DO. 11 Động cơ không đồng b.

Mô hình toán học nhiều biển của ĐCKĐB ba = .12 Phuong trình điện áp.3 Phương trình từ thông 3 1.4 Phương trình chuyển động 4 1.5 Phương trình mômen sọc 4 1.16 Mô hình toán học ĐCKĐB ba pha.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB 6 1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách điêu chỉnh điện áp cấp cho động cơ.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đôi điện trở mạch rotor. Diều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi công suất trượt. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tân số nguôn cấp cho ĐCKĐB 11 1.5 Điều khiển trực tiếp mômen ÐĐCKĐB (DTC).6 Điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC) 19 1.7 Đánh giá lựa chọn phương áp.

Chương II: GIỚI THIỆU VỀ BIÊN T, 2.1 Biến tần trục tiếp (xoay chiều - xoay chiều). Biến tấn trực tiếp điều khiển riêng = ¿uHgnh ga 27 2.2 Biến tấn trực tiếp điều khiển chung. Điều khiển biến tấn trực tiếp.2 Bộ biến tần gián tiếp.1 Thiết bị biển tần gián tiếp dàng chỉnh lưu điều khiển 31 2.2 Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm biến đổi xung điện áp. Biến tấn dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu PIVM.32 Biến tân điều khiễn theo phương pháp vector không gian.33 BIEN TAN DIEU KHIEN THEO PHUONG PHAP VECTOR KHÔNG GIAN BANG DANH MUC HINH Tên hình Trang Hình 1 1: Cẩu tạo ĐCKĐB 1 Hình 1.2 Mô hình vật lỷ của động cơ KĐB 2 Hình 1.3: Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp thay đồi điện áp 8 Hình 1.4: Đặc tinh cơ khi thay đối điện áp cấp cho stato 8 Hình 1.5 : Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp thay đổi điện trở mach rotor 10 Hinh 1.6: So đồ điều khiển động cơ theo phương pháp nỗi ting 11 Hình 17: Phép quay từ thông 18 Hình 1S: Sơ đồ mô phỏng đóng cắt mạch lực 17 Hình 1.9: Sơ đồ của vertor không gian từ thông của động cơ 18 Hình 1.10: Sơ đồ cắu trúc điền khiêu trực tiếp mômen KĐB 19 Hình 11: Đồ thị vector cho phương pháp điều khién te tir théng rotor 20 Hình 1.12: Sơ đồ điều khiển tự từ thông rotor 21 Hình 1.13: Mô hình hỏa từ thông từ dòng điên 2 Hình 1 14: Họ đặc tính cơ của động cơ điều khiển theo FOC 22 Hình 2.1: Sơ đồ khối biển tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiéu) 25 Hinh 2.2: So dé bién tin trực tiếp 26 Hình 2 3: Biểu điễn điện áp đầu ra với các je khde nhau 2r Hình 2.4: Sơ đồ dòng điện trong biển tần trực tiếp 28 Hình 2.5: Sơ đồ biển tẩn ba pha trực tiếp 28 Hình 2.6: Thiết bj biển tần giản tiếp 30 Hình 2.7: Bién tân dùng chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor 31 Hinh 2.8: Bién tin ding chinh lin khéng diéu khién cé thém bé bién déi xing điện áp 31 Hình 2.9: Biển tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế PWM 32 Hình 2.10; B6 bién tan dung diéu khién vector khéng gian 33 Hình 2 11: Sơ đồ biển tần làm việc ở 4 góc phần tư đừng nghịch lưu hãm 35 Hình 2.12: Dập năng lượng bằng điện tré Rh trong mạch một chiều 37 Hình 3.1: Biểu đỗ quan hệ moment và điện áp 42 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp đều chê độ rồng xung 43 Hình 3.3: Sơ đồ điện áp trên các pha 43 Hình 3-4: Quả trình hoạt động của bô điều khiển 45 Hình 3.5: Sơ đồ kết nổi các khỏa trong bộ nghịch lưu 45 Hình 3.6: Cấu trúc hệ thông điều khiển 47 Hình 3.7 Vector khéng gian dién dp stoto trong hé a-B 48 Hinh 3.8: Giản đồ vector không gian 49 Hình 3.9: Trạng thải đỏng-ngắt của các khỏa 50 Hình 3.10: Giản đồ đóng cắt linh kiện 53 Hinh 3.11 :biéu dé vector dién dp thude géc phan séu thir nhdt S1 53 -iv- BIEN TAN DIEU KHIEN THEO PHUONG PHAP VECTOR KHÔNG GIAN BANG DANH MUC HINH Tên hình Trang Hình 1 1: Cẩu tạo ĐCKĐB 1 Hình 1.2 Mô hình vật lỷ của động cơ KĐB 2 Hình 1.3: Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp thay đồi điện áp 8 Hình 1.4: Đặc tinh cơ khi thay đối điện áp cấp cho stato 8 Hình 1.5 : Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp thay đổi điện trở mach rotor 10 Hinh 1.6: So đồ điều khiển động cơ theo phương pháp nỗi ting 11 Hình 17: Phép quay từ thông 18 Hình 1S: Sơ đồ mô phỏng đóng cắt mạch lực 17 Hình 1.9: Sơ đồ của vertor không gian từ thông của động cơ 18 Hình 1.10: Sơ đồ cắu trúc điền khiêu trực tiếp mômen KĐB 19 Hình 11: Đồ thị vector cho phương pháp điều khién te tir théng rotor 20 Hình 1.12: Sơ đồ điều khiển tự từ thông rotor 21 Hình 1.13: Mô hình hỏa từ thông từ dòng điên 2 Hình 1 14: Họ đặc tính cơ của động cơ điều khiển theo FOC 22 Hình 2.1: Sơ đồ khối biển tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiéu) 25 Hinh 2.2: So dé bién tin trực tiếp 26 Hình 2 3: Biểu điễn điện áp đầu ra với các je khde nhau 2r Hình 2.4: Sơ đồ dòng điện trong biển tần trực tiếp 28 Hình 2.5: Sơ đồ biển tẩn ba pha trực tiếp 28 Hình 2.6: Thiết bj biển tần giản tiếp 30 Hình 2.7: Bién tân dùng chỉnh lưu điều khiển bằng tiristor 31 Hinh 2.8: Bién tin ding chinh lin khéng diéu khién cé thém bé bién déi xing điện áp 31 Hình 2.9: Biển tần dùng chỉnh lưu không điều khiển với nghịch lưu điều chế PWM 32 Hình 2.10; B6 bién tan dung diéu khién vector khéng gian 33 Hình 2 11: Sơ đồ biển tần làm việc ở 4 góc phần tư đừng nghịch lưu hãm 35 Hình 2.12: Dập năng lượng bằng điện tré Rh trong mạch một chiều 37 Hình 3.1: Biểu đỗ quan hệ moment và điện áp 42 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp đều chê độ rồng xung 43 Hình 3.3: Sơ đồ điện áp trên các pha 43 Hình 3-4: Quả trình hoạt động của bô điều khiển 45 Hình 3.5: Sơ đồ kết nổi các khỏa trong bộ nghịch lưu 45 Hình 3.6: Cấu trúc hệ thông điều khiển 47 Hình 3.7 Vector khéng gian dién dp stoto trong hé a-B 48 Hinh 3.8: Giản đồ vector không gian 49 Hình 3.9: Trạng thải đỏng-ngắt của các khỏa 50 Hình 3.10: Giản đồ đóng cắt linh kiện 53 Hinh 3.11 :biéu dé vector dién dp thude géc phan séu thir nhdt S1 53 -iv- BIEN TAN DIEU KHIEN THEO PHUONG PHAP VECTOR KHONG GIAN Muc luc Lời mở đâu.

vi Chuong I: DONG CO KHONG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁPP ĐIÊU KHIEN TOC DO. 11 Động cơ không đồng b. Mô hình toán học nhiều biển của ĐCKĐB ba = .12 Phuong trình điện áp.3 Phương trình từ thông 3 1.4 Phương trình chuyển động 4 1.5 Phương trình mômen sọc 4 1.16 Mô hình toán học ĐCKĐB ba pha.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB 6 1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách điêu chỉnh điện áp cấp cho động cơ.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đôi điện trở mạch rotor.

Diều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi công suất trượt. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tân số nguôn cấp cho ĐCKĐB 11 1.5 Điều khiển trực tiếp mômen ÐĐCKĐB (DTC).6 Điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC) 19 1.7 Đánh giá lựa chọn phương áp. Chương II: GIỚI THIỆU VỀ BIÊN T, 2.1 Biến tần trục tiếp (xoay chiều - xoay chiều). Biến tấn trực tiếp điều khiển riêng = ¿uHgnh ga 27 2.2 Biến tấn trực tiếp điều khiển chung.

Điều khiển biến tấn trực tiếp.2 Bộ biến tần gián tiếp.1 Thiết bị biển tần gián tiếp dàng chỉnh lưu điều khiển 31 2.2 Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm biến đổi xung điện áp. Biến tấn dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu PIVM.32 Biến tân điều khiễn theo phương pháp vector không gian.33 BIEN TAN DIEU KHIEN THEO PHUONG PHAP VECTOR KHONG GIAN Muc luc Lời mở đâu. vi Chuong I: DONG CO KHONG ĐỒNG BỘ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁPP ĐIÊU KHIEN TOC DO. 11 Động cơ không đồng b.

Mô hình toán học nhiều biển của ĐCKĐB ba = .12 Phuong trình điện áp.3 Phương trình từ thông 3 1.4 Phương trình chuyển động 4 1.5 Phương trình mômen sọc 4 1.16 Mô hình toán học ĐCKĐB ba pha.2 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB 6 1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách điêu chỉnh điện áp cấp cho động cơ.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đôi điện trở mạch rotor. Diều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi công suất trượt. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tân số nguôn cấp cho ĐCKĐB 11 1.5 Điều khiển trực tiếp mômen ÐĐCKĐB (DTC).6 Điều khiển vector tựa từ thông rotor (FOC) 19 1.7 Đánh giá lựa chọn phương áp.

Chương II: GIỚI THIỆU VỀ BIÊN T, 2.1 Biến tần trục tiếp (xoay chiều - xoay chiều). Biến tấn trực tiếp điều khiển riêng = ¿uHgnh ga 27 2.2 Biến tấn trực tiếp điều khiển chung. Điều khiển biến tấn trực tiếp.2 Bộ biến tần gián tiếp.1 Thiết bị biển tần gián tiếp dàng chỉnh lưu điều khiển 31 2.2 Biến tần dùng chỉnh lưu không điều khiển có thêm biến đổi xung điện áp. Biến tấn dùng bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ nghịch lưu PIVM.32 Biến tân điều khiễn theo phương pháp vector không gian.33 BIEN TAN DIEU KHIEN THEO PHUONG PHAP VECTOR KHÔNG GIAN BANG DANH MUC HINH Tên hình Trang Hình 1 1: Cẩu tạo ĐCKĐB 1 Hình 1.2 Mô hình vật lỷ của động cơ KĐB 2 Hình 1.3: Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp thay đồi điện áp 8 Hình 1.4: Đặc tinh cơ khi thay đối điện áp cấp cho stato 8 Hình 1.5 : Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp thay đổi điện trở mach rotor 10 Hinh 1.6: So đồ điều khiển động cơ theo phương pháp nỗi ting 11 Hình 17: Phép quay từ thông 18 Hình 1S: Sơ đồ mô phỏng đóng cắt mạch lực 17 Hình 1.9: Sơ đồ của vertor không gian từ thông của động cơ 18 Hình 1.10: Sơ đồ cắu trúc điền khiêu trực tiếp mômen KĐB 19 Hình 11: Đồ thị vector cho phương pháp điều khién te tir théng rotor 20 Hình 1.