Thiết Kế và Xây Dựng Hệ Thống Truyền Động Công Suất Lớn Sử Dụng Biến Tần Nguồn Dòng

• Tác giả: Nguyễn Trọng Chiến
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Công Suất Lớn Sử Dụng Biến Tần Nguồn Dòng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU
• 1.1. Các hệ thống truyền động điện dùng động cơ xoay chiều
• 1.1.1. Giới thiệu chung
• 1.1.2. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
• 1.1.3. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ đồng bộ
• 1.1.4. Hệ thống điều tốc biến tần - động cơ xoay chiều
• 1.1.4.1. Sơ lược về các bộ biến tần dùng dụng cụ bán dẫn công suất
• 1.1.4.2. Biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều)
• 1.1.4.3. Bộ biến tần gián tiếp
• 1.1.4.4. Biến tần bốn góc phần tư
• 1.1.4.5. Các tồn tại của các bộ biến tần thông thường
• 1.1.4.6. Biến tần bốn góc phần tư (biến tần 4Q)
• 2. CHƯƠNG 2: BIẾN TẦN NGUỒN DÒNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
• 2.1. Tổng quan chung về biến tần nguồn dòng
• 2.2. Nguyên lý hoạt động chung của biến tần thyristor 6 bước (six-step thyristor inverter)
• 2.3. Các chế độ hoạt động của nghịch lưu
• 2.3.1. Chế độ 1: hoạt động theo kiểu chỉnh lưu chuyển mạch tải (0≤α≤ π/2)
• 2.3.2. Chế độ 2: hoạt động theo kiểu nghịch lưu chuyển mạch tải (π/2≤α≤ π)
• 2.3.3. Chế độ 3: hoạt động theo kiểu nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức (π≤α≤3π/2)
• 2.3.4. Chế độ 4: hoạt động theo kiểu chỉnh lưu chuyển mạch cưỡng bức (3π/2≤α≤2π)
• 2.4. Nghịch lưu chuyển mạch tải
• 2.5. Nghịch lưu cộng hưởng một pha
• 2.6. Phân tích mạch
• 2.7. Nghịch lưu ba pha
• 2.8. Tải cảm kháng
• 2.9. Tải máy điện đồng bộ quá kích thích
• 2.10. Khởi động động cơ đồng bộ
• 2.11. Nghịch lưu chuyển mạch cưỡng bức
• 2.12. Nghịch lưu nguồn dòng tự động tuần tự (ASCI-Auto Sequential Current Fed Inverter)
• 2.13. Tổn thất nhiệt gây ra bởi sóng điều hoà bậc cao và hiện tượng mômen đập mạch
• 2.14. Nghịch lưu sử dụng các van tự chuyển mạch
• 2.15. Vấn đề cộng hưởng điều hoà tải
• 2.16. Điều chế độ rộng xung hình thang
• 2.17. Điều chế độ rộng xung loại trừ sóng điều hòa chọn trước (SHE-PWM)
• 3. CHƯƠNG 3: NGHỊCH LƯU ĐIỀU KHIỂN VECTOR VÀ CẤU TRÚC HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN NGUỒN DÒNG - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
• 3.1. Mô hình toán học trạng thái động của động cơ không đồng bộ ba pha
• 3.2. Mô hình toán học nhiều biến của động cơ không đồng bộ ba pha
• 3.3. Đặc điểm của mô hình toán học trạng thái động của động cơ không đồng bộ
• 3.4. Phép biến đổi tọa độ và ma trận chuyển đổi
• 3.4.1. Khái niệm cơ bản và nguyên tắc của phép biến đổi tọa độ
• 3.4.2. Ma trận chuyển đổi tọa độ trong điều kiện công suất bất biến
• 3.4.3. Phép chuyển đổi 3 pha/2 pha (phép chuyển đổi 3/2)
• 3.4.4. Phép chuyển đổi quay 2 pha / 2 pha
• 3.4.5. Phép chuyển đổi từ hệ tọa độ cố định 3 pha sang hệ tọa độ quay 2 pha (phép chuyển đổi 3s/2r)
• 3.5. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay 2 pha bất kỳ
• 3.6. Mô hình toán học động cơ điện không đồng bộ trên hệ tọa độ cố định 2 pha
• 3.7. Mô hình toán học động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha
• 3.8. Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ theo định hướng từ trường trên hệ tọa độ quay đồng bộ 2 pha (mô hình trên hệ tọa độ MT)
• 3.9. Biến tần gián tiếp với nghịch lưu điều khiển vector
• 3.10. Mô hình động cơ một chiều tương đương của động cơ không đồng bộ
• 3.11. Ý tưởng về cấu trúc hệ thống điều khiển vector
• 3.12. Phương trình cơ bản điều khiển vector
• 3.13. Mô hình quan sát từ thông rotor
• 3.14. Hệ truyền động biến tần nguồn dòng - ĐK
• 3.15. Sơ đồ khối của hệ truyền động biến tần nguồn dòng - ĐK
• 3.16. Sơ đồ nguyên lý phần mạch lực của hệ biến tần nguồn dòng - ĐK
• 3.17. Khối điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha thyristor
• 3.18. Khối điều khiển nghịch lưu áp dụng nguyên lý điều khiển vector
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN NGUỒN DÒNG - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA
• 4.1. Mô phỏng đặc tính làm việc của chỉnh lưu cầu 3 pha thyristor
• 4.2. Xây dựng chương trình mô phỏng chỉnh lưu cầu 3 pha thyristor
• 4.3. Các kết quả mô phỏng chỉnh lưu cầu 3 pha thyristor
• 4.4. Mô phỏng hệ truyền động biến tần nguồn dòng - động cơ không đồng bộ ba pha
• 4.4.1. Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ truyền động trong MATLAB
• 4.4.2. Kết quả mô phỏng trong MATLAB R2009a
• 4.4.3. Mô phỏng quá trình khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ
• 4.4.4. Mô phỏng quá trình khởi động và chế độ hãm tái sinh của động cơ
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• I. Kết luận
• II. Kiến nghị
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU

I. Tổng Quan Thiết Kế Truyền Động Công Suất Lớn Biến Tần Dòng

Trong công nghiệp, nhiều máy sản xuất yêu cầu điều chỉnh tốc độ động cơ truyền động trong phạm vi rộng với chất lượng cao. Sự ra đời và phát triển của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp cho mạch stator thông qua biến tần đã giải quyết nhiều vấn đề thực tế sản xuất đặt ra. Tuy nhiên, các bộ biến tần hiện nay vẫn tồn tại một số nhược điểm, ảnh hưởng đến lưới điện công nghiệp, đặc biệt ở công suất lớn. Phần lớn hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều chưa cho phép động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh. Mục tiêu là xây dựng bộ biến tần khắc phục các tồn tại này.

1.1. Giới Thiệu Chung Về Hệ Thống Truyền Động Điện Biến Tần

Các hệ thống truyền động điện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Thế kỷ 19 chứng kiến sự xuất hiện của truyền động điện động cơ một chiều và xoay chiều. Trong thế kỷ 20, khoảng 80% hệ thống truyền động điện không yêu cầu điều chỉnh tốc độ dùng động cơ xoay chiều, 20% còn lại dùng động cơ một chiều. Việc điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều ban đầu khó sánh được với động cơ một chiều. Đến thập kỷ 70, khi nguồn dầu mỏ khan hiếm, các nước công nghiệp tiên tiến mới tập trung nghiên cứu hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều hiệu suất cao. Nghiên cứu này đạt được bước đột phá lớn vào thập kỷ 80 và tỷ lệ ứng dụng hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều ngày càng tăng.

1.2. Các Loại Động Cơ Điện Sử Dụng Trong Hệ Thống Truyền Động

Động cơ điện xoay chiều được chia thành hai nhóm chính: động cơ xoay chiều không đồng bộ và động cơ xoay chiều đồng bộ. Động cơ xoay chiều không đồng bộ bao gồm rotor lồng sóc và rotor dây quấn. Động cơ xoay chiều đồng bộ có động cơ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (cực ẩn) và động cơ kích từ bằng nam châm điện (cực lồi). Mỗi loại động cơ đều có ưu và nhược điểm riêng, và các phương pháp điều chỉnh tốc độ cũng khác nhau. Lựa chọn loại động cơ phù hợp là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống truyền động hiệu quả.

II. Thách Thức Điều Khiển Truyền Động Công Suất Lớn Với Biến Tần

Các bộ biến tần hiện nay gặp một số vấn đề, đặc biệt khi công suất hệ truyền động lớn. Một trong những vấn đề chính là ảnh hưởng đến chất lượng điện lưới. Sóng hài và các thành phần không mong muốn khác có thể gây nhiễu và làm giảm hiệu suất của lưới điện. Ngoài ra, nhiều hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều chưa cho phép động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh, dẫn đến lãng phí năng lượng. Cần có các giải pháp để giảm thiểu các tác động tiêu cực này và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.

2.1. Các Tồn Tại Của Biến Tần Thông Thường Trong Ứng Dụng

Các bộ biến tần thông thường tạo ra sóng hài trong dòng điện, gây ảnh hưởng đến lưới điện và các thiết bị khác. Hiệu suất của hệ thống có thể bị giảm do tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển đổi. Khả năng hãm tái sinh còn hạn chế, gây lãng phí năng lượng trong quá trình giảm tốc hoặc dừng động cơ. Các vấn đề về EMC (tương thích điện từ) và nhiễu điện từ cũng cần được xem xét để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định. Cần có các biện pháp để giảm thiểu các tác động tiêu cực này.

2.2. Ảnh Hưởng Của Sóng Hài Đến Hiệu Suất Truyền Động Điện

Sóng hài gây ra tổn thất năng lượng trong dây dẫn, máy biến áp và các thiết bị khác. Chúng cũng có thể gây ra hiện tượng cộng hưởng, làm tăng điện áp và dòng điện, gây hư hỏng thiết bị. Việc sử dụng bộ lọc sóng hài là một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu tác động của sóng hài. Tuy nhiên, việc thiết kế và triển khai bộ lọc sóng hài cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo hiệu quả và tránh các tác động tiêu cực khác.

2.3. Vấn Đề Hãm Tái Sinh Năng Lượng Trong Truyền Động Công Suất Lớn

Trong quá trình giảm tốc hoặc dừng động cơ, năng lượng động học có thể được tái sinh trở lại lưới điện. Tuy nhiên, nhiều hệ thống biến tần không có khả năng này, dẫn đến lãng phí năng lượng. Việc sử dụng biến tần bốn góc phần tư (4Q) cho phép động cơ hoạt động ở chế độ hãm tái sinh, giúp tiết kiệm năng lượng và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu dừng hoặc giảm tốc thường xuyên.

III. Giải Pháp Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Biến Tần Nguồn Dòng

Việc thiết kế hệ thống truyền động công suất lớn sử dụng biến tần nguồn dòng đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng về nhiều yếu tố. Quan trọng là lựa chọn loại biến tần phù hợp, thiết kế hệ thống điều khiển truyền động hiệu quả và đảm bảo khả năng bảo vệ hệ thống khỏi các sự cố như quá tải và ngắn mạch. Ngoài ra, cần chú ý đến việc giảm thiểu sóng hài và cải thiện hệ số công suất.

3.1. Lựa Chọn Biến Tần Nguồn Dòng Phù Hợp Với Ứng Dụng

Việc lựa chọn biến tần phù hợp là yếu tố then chốt trong thiết kế hệ thống truyền động. Cần xem xét các yếu tố như công suất, điện áp, tần số, yêu cầu về điều khiển tốc độ và điều khiển momen, cũng như các yêu cầu đặc biệt khác của ứng dụng. Biến tần nguồn dòng có ưu điểm là khả năng chịu quá tải tốt và dòng điện đầu ra ổn định, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp nặng.

3.2. Các Phương Pháp Điều Khiển Vector Trong Biến Tần Nguồn Dòng

Điều khiển vector là một kỹ thuật điều khiển tiên tiến cho phép điều khiển chính xác cả tốc độ và momen của động cơ. Các phương pháp điều khiển vector thường được sử dụng trong biến tần nguồn dòng bao gồm điều khiển trực tiếp momen (DTC) và điều khiển theo định hướng từ trường. Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

3.3. Thiết Kế Hệ Thống Bảo Vệ Cho Biến Tần Và Động Cơ Điện

Hệ thống bảo vệ là một phần không thể thiếu trong thiết kế hệ thống truyền động. Cần có các biện pháp bảo vệ chống lại quá tải, ngắn mạch, quá áp, thấp áp và các sự cố khác có thể gây hư hỏng cho biến tần và động cơ điện. Các thiết bị bảo vệ thường được sử dụng bao gồm cầu chì, aptomat, rơ le bảo vệ và các mạch bảo vệ điện tử.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Của Truyền Động Biến Tần Nguồn Dòng Công Suất Lớn

Hệ thống truyền động biến tần nguồn dòng công suất lớn được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nặng. Các ứng dụng phổ biến bao gồm ứng dụng trong công nghiệp nặng, ứng dụng trong khai thác mỏ, ứng dụng trong ngành thép, ứng dụng trong ngành xi măng và ứng dụng trong ngành dầu khí. Trong các ứng dụng này, hệ thống truyền động biến tần nguồn dòng mang lại hiệu quả cao, độ tin cậy cao và khả năng đáp ứng nhanh chóng.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Thép Cán Kéo Và Xử Lý Vật Liệu

Trong ngành thép, hệ thống truyền động biến tần nguồn dòng được sử dụng cho các ứng dụng như cán thép, kéo thép và xử lý vật liệu. Các hệ thống này yêu cầu độ chính xác cao và khả năng chịu tải lớn, và biến tần nguồn dòng đáp ứng tốt các yêu cầu này. Việc điều khiển tốc độ và điều khiển momen chính xác giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và tăng năng suất.

4.2. Ứng Dụng Trong Ngành Xi Măng Nghiền Vận Chuyển Và Lò Nung

Trong ngành xi măng, hệ thống truyền động biến tần nguồn dòng được sử dụng cho các ứng dụng như nghiền xi măng, vận chuyển vật liệu và lò nung. Các hệ thống này hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và yêu cầu độ tin cậy cao. Biến tần nguồn dòng có khả năng chịu quá tải tốt và hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.

4.3. Ứng Dụng Trong Ngành Dầu Khí Bơm Máy Nén Và Khoan Dầu

Trong ngành dầu khí, hệ thống truyền động biến tần nguồn dòng được sử dụng cho các ứng dụng như bơm dầu, máy nén khí và khoan dầu. Các hệ thống này yêu cầu độ an toàn cao và khả năng hoạt động liên tục trong thời gian dài. Biến tần nguồn dòng có khả năng đáp ứng nhanh chóng và hoạt động ổn định, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các hoạt động khai thác dầu khí.

V. Mô Phỏng và Phân Tích Hiệu Suất Hệ Thống Truyền Động Biến Tần

Mô phỏng và phân tích hiệu suất là bước quan trọng trong thiết kế hệ thống truyền động. Các phần mềm thiết kế hệ thống truyền động như MATLAB/Simulink cho phép mô phỏng hệ thống và đánh giá hiệu suất trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Phân tích kết quả mô phỏng giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.

5.1. Xây Dựng Mô Hình Mô Phỏng Hệ Thống Truyền Động Trong MATLAB

MATLAB/Simulink là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng hệ thống truyền động điện. Việc xây dựng mô hình mô phỏng đòi hỏi kiến thức về các thành phần của hệ thống, bao gồm động cơ điện, biến tần, bộ điều khiển và tải. Mô hình mô phỏng cho phép đánh giá hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện hoạt động khác nhau.

5.2. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng Tốc Độ Momen Dòng Điện

Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin chi tiết về tốc độ, momen, dòng điện và các thông số khác của hệ thống. Phân tích kết quả này giúp đánh giá hiệu suất của hệ thống, xác định các vấn đề tiềm ẩn và tối ưu hóa thiết kế. Các công cụ phân tích dữ liệu trong MATLAB/Simulink giúp đơn giản hóa quá trình này.

5.3. Các Tiêu Chí Đánh Giá Hiệu Suất Hệ Thống Truyền Động

Hiệu suất của hệ thống truyền động được đánh giá dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm hiệu suất năng lượng, độ ổn định, khả năng đáp ứng, độ chính xác và độ tin cậy. Các tiêu chí này cần được xem xét trong quá trình thiết kế và tối ưu hóa hệ thống để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu của ứng dụng.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Truyền Động Biến Tần Nguồn Dòng

Hệ thống truyền động biến tần nguồn dòng công suất lớn mang lại nhiều ưu điểm cho các ứng dụng công nghiệp nặng. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Các hướng nghiên cứu trong tương lai tập trung vào việc phát triển các kỹ thuật điều khiển tiên tiến, giảm thiểu sóng hài và tích hợp các chức năng thông minh.

6.1. Tổng Kết Ưu Điểm và Nhược Điểm Của Hệ Thống

Hệ thống truyền động biến tần nguồn dòng có ưu điểm là khả năng chịu quá tải tốt, dòng điện đầu ra ổn định và độ tin cậy cao. Nhược điểm bao gồm chi phí cao hơn so với các loại biến tần khác và độ phức tạp trong thiết kế và điều khiển. Việc cân nhắc các ưu điểm và nhược điểm này là quan trọng để lựa chọn hệ thống phù hợp với ứng dụng.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Công Nghệ Điều Khiển Truyền Động

Các hướng nghiên cứu phát triển công nghệ điều khiển truyền động tập trung vào việc phát triển các kỹ thuật điều khiển tiên tiến như điều khiển thích nghi, điều khiển dự đoán và điều khiển dựa trên trí tuệ nhân tạo. Các kỹ thuật này hứa hẹn sẽ cải thiện hiệu suất, độ ổn định và khả năng đáp ứng của hệ thống truyền động.

6.3. Tích Hợp IoT và Big Data Trong Hệ Thống Truyền Động Hiện Đại

Việc tích hợp IoT (Internet of Things) và Big Data vào hệ thống truyền động cho phép thu thập và phân tích dữ liệu thời gian thực, giúp cải thiện hiệu suất, độ tin cậy và khả năng bảo trì của hệ thống. Dữ liệu thu thập được có thể được sử dụng để dự đoán các sự cố, tối ưu hóa điều khiển và cải thiện hiệu suất năng lượng.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc điều chỉnh tốc độ động cơ truyền động với phạm vi rộng và chất lượng cao là yêu cầu thiết yếu nhằm nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Theo ước tính, khoảng 80% hệ thống truyền động điện không yêu cầu điều chỉnh tốc độ sử dụng động cơ xoay chiều, trong khi 20% còn lại sử dụng động cơ một chiều. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ biến tần, đặc biệt là biến tần nguồn dòng, việc điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha đã trở nên phổ biến và hiệu quả hơn. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và xây dựng hệ thống truyền động công suất lớn sử dụng biến tần nguồn dòng, nhằm nâng cao chất lượng dòng điện cung cấp cho động cơ, đồng thời khắc phục các nhược điểm của các bộ biến tần hiện hành như ảnh hưởng đến lưới điện công nghiệp và hạn chế trong chế độ hãm tái sinh.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ truyền động biến tần nguồn dòng kết hợp với động cơ không đồng bộ ba pha, với các phân tích lý thuyết, mô hình toán học và mô phỏng trên phần mềm MATLAB trong giai đoạn từ năm 2009 đến 2010 tại Việt Nam. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện hiệu suất truyền động, giảm sóng hài bậc cao trong dòng điện, tăng hệ số công suất và khả năng làm việc ở chế độ bốn góc phần tư, góp phần nâng cao chất lượng và độ tin cậy của hệ thống truyền động điện công nghiệp công suất lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết biến tần nguồn dòng (Current-fed inverter): Biến tần nguồn dòng cung cấp dòng điện một chiều không đổi đầu vào, sử dụng các van thyristor hoặc GTO để điều khiển dòng điện xoay chiều đầu ra, phù hợp với động cơ công suất lớn và có khả năng trao đổi công suất hai chiều.

• Mô hình toán học động cơ không đồng bộ ba pha: Sử dụng mô hình trạng thái động và mô hình nhiều biến, kết hợp với phép biến đổi tọa độ không gian từ hệ ba pha sang hệ hai pha quay d-q, giúp biến đổi các đại lượng xoay chiều thành đại lượng một chiều để dễ dàng điều khiển.

• Phương pháp điều khiển vector: Dựa trên nguyên lý điều khiển định hướng từ trường rotor, cho phép duy trì từ thông rotor không đổi, thực hiện điều khiển Er/ω = hằng số, giúp động cơ có đặc tính cơ tương tự động cơ một chiều với khả năng quá tải mô men lớn.

• Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM): Ứng dụng trong nghịch lưu để điều chỉnh điện áp và tần số đầu ra, giảm sóng hài bậc thấp, nâng cao chất lượng điện áp và dòng điện cung cấp cho động cơ.

Các khái niệm chính bao gồm: biến tần trực tiếp và gián tiếp, nghịch lưu chuyển mạch tải và cưỡng bức, sóng hài bậc cao, hệ số công suất cosΦ, chế độ bốn góc phần tư (4Q), và mô hình điều khiển vector.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, báo cáo kỹ thuật và các kết quả mô phỏng trên phần mềm MATLAB R2009a. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Phân tích lý thuyết: Nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý hoạt động của biến tần nguồn dòng, các chế độ chuyển mạch của nghịch lưu, và mô hình toán học động cơ không đồng bộ.

• Mô hình hóa và mô phỏng: Xây dựng mô hình mô phỏng chỉnh lưu cầu 3 pha thyristor và hệ truyền động biến tần nguồn dòng - động cơ không đồng bộ ba pha trong MATLAB, kiểm nghiệm các đặc tính làm việc, quá trình khởi động, điều chỉnh tốc độ và chế độ hãm tái sinh.

• Phân tích số liệu: Đánh giá các kết quả mô phỏng dựa trên các thông số như dòng điện, điện áp, mô men và tốc độ động cơ, so sánh hiệu quả điều khiển và chất lượng điện năng.

Cỡ mẫu nghiên cứu là các mô hình mô phỏng chi tiết, lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên tính khả thi và độ chính xác trong việc phản ánh thực tế hoạt động của hệ truyền động biến tần nguồn dòng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của biến tần nguồn dòng trong điều khiển động cơ không đồng bộ: Mô phỏng cho thấy biến tần nguồn dòng với nghịch lưu điều khiển vector có khả năng duy trì dòng điện một chiều ổn định, giảm sóng hài bậc cao, nâng cao hệ số công suất cosΦ gần 0.95, so với các biến tần truyền thống chỉ đạt khoảng 0.85.

2. Khả năng làm việc ở chế độ bốn góc phần tư: Hệ thống biến tần thiết kế cho phép động cơ hoạt động hiệu quả trong cả bốn góc phần tư, bao gồm chế độ hãm tái sinh, với mô men hãm đạt khoảng 90% mô men định mức, giúp thu hồi năng lượng và trả lại lưới điện, cải thiện hiệu suất tổng thể.

3. Chất lượng điện áp và dòng điện đầu ra: Kết quả mô phỏng dạng sóng điện áp và dòng điện đầu ra cho thấy sóng hài bậc thấp được giảm đáng kể nhờ kỹ thuật điều chế PWM và điều khiển vector, với biên độ sóng hài bậc cao giảm khoảng 30% so với biến tần gián tiếp truyền thống.

4. Đặc tính động học của hệ truyền động: Quá trình khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ diễn ra mượt mà, tốc độ đạt giá trị đặt ω₀ = 100 rad/s trong khoảng thời gian dưới 2 giây, mô men động cơ ổn định, không có hiện tượng mô men đập mạch gây rung lắc.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả tích cực trên là do việc áp dụng biến tần nguồn dòng kết hợp với điều khiển vector, tận dụng ưu điểm của nguồn dòng không đổi và khả năng điều khiển chính xác các đại lượng điện áp, dòng điện trong hệ thống. So với các nghiên cứu trước đây về biến tần gián tiếp và biến tần trực tiếp, hệ thống này giảm thiểu được các sóng hài bậc cao và cải thiện hệ số công suất, đồng thời cho phép làm việc ở chế độ bốn góc phần tư, điều mà nhiều biến tần truyền thống chưa đáp ứng được.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng điện áp và dòng điện, biểu đồ mô men và tốc độ theo thời gian, cũng như bảng so sánh các chỉ số hiệu suất giữa các loại biến tần. Điều này giúp minh họa rõ ràng sự cải thiện về chất lượng điện năng và hiệu suất truyền động.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng rộng rãi biến tần nguồn dòng trong công nghiệp công suất lớn: Khuyến nghị các nhà máy và cơ sở sản xuất sử dụng biến tần nguồn dòng kết hợp điều khiển vector để nâng cao hiệu suất truyền động, giảm tổn thất năng lượng và cải thiện chất lượng điện năng trong vòng 1-2 năm tới.

2. Phát triển các bộ lọc sóng hài tích cực: Đề xuất nghiên cứu và triển khai các bộ lọc sóng hài tích cực nhằm giảm thiểu sóng hài bậc cao trong dòng điện lưới, nâng cao hệ số công suất và bảo vệ thiết bị điện.

3. Tăng cường đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì: Đào tạo chuyên sâu về công nghệ biến tần nguồn dòng và điều khiển vector cho đội ngũ kỹ thuật viên nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và xử lý sự cố nhanh chóng, trong vòng 6 tháng đến 1 năm.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các loại động cơ khác: Khuyến khích nghiên cứu áp dụng biến tần nguồn dòng cho động cơ đồng bộ và các hệ truyền động phức tạp khác nhằm đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về biến tần nguồn dòng và điều khiển vector, hỗ trợ phát triển các hệ thống truyền động điện công suất lớn.

2. Các nhà quản lý kỹ thuật tại các nhà máy công nghiệp: Giúp hiểu rõ về lợi ích và ứng dụng của biến tần nguồn dòng trong nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý.

3. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành điều khiển tự động: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về lý thuyết, mô hình toán học và phương pháp mô phỏng hệ truyền động biến tần.

4. Nhà sản xuất và cung cấp thiết bị biến tần: Hỗ trợ phát triển sản phẩm mới, cải tiến công nghệ và nâng cao chất lượng sản phẩm dựa trên các kết quả nghiên cứu và mô phỏng thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Biến tần nguồn dòng khác gì so với biến tần nguồn áp?
   Biến tần nguồn dòng cung cấp dòng điện một chiều không đổi đầu vào, trong khi biến tần nguồn áp cung cấp điện áp một chiều không đổi. Biến tần nguồn dòng phù hợp với các ứng dụng công suất lớn và có khả năng trao đổi công suất hai chiều hiệu quả hơn.

2. Tại sao điều khiển vector lại quan trọng trong hệ truyền động biến tần?
   Điều khiển vector giúp biến đổi các đại lượng xoay chiều thành đại lượng một chiều, cho phép điều khiển chính xác mô men và tốc độ động cơ, nâng cao chất lượng điều khiển và khả năng quá tải của hệ thống.

3. Chế độ bốn góc phần tư (4Q) có ý nghĩa gì?
   Chế độ 4Q cho phép động cơ hoạt động trong cả bốn trạng thái: chạy thuận, chạy nghịch, hãm động và hãm tái sinh, giúp thu hồi năng lượng và tăng hiệu suất hệ thống.

4. Sóng hài bậc cao ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống?
   Sóng hài bậc cao gây méo dạng điện áp và dòng điện, làm giảm hệ số công suất, tăng tổn thất và có thể gây hư hỏng thiết bị điện, ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống.

5. Làm thế nào để giảm sóng hài trong hệ truyền động biến tần?
   Có thể sử dụng kỹ thuật điều chế PWM, bộ lọc sóng hài tích cực hoặc thụ động, và thiết kế bộ biến tần với linh kiện bán dẫn hiện đại để giảm thiểu sóng hài và cải thiện chất lượng điện năng.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế và xây dựng thành công hệ truyền động biến tần nguồn dòng công suất lớn, nâng cao chất lượng dòng điện và khả năng điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha.
• Kết quả mô phỏng chứng minh hiệu quả của phương pháp điều khiển vector kết hợp kỹ thuật PWM trong việc giảm sóng hài và cải thiện hệ số công suất.
• Hệ thống cho phép động cơ làm việc ở chế độ bốn góc phần tư, đáp ứng yêu cầu hãm tái sinh và thu hồi năng lượng.
• Đề xuất áp dụng rộng rãi công nghệ biến tần nguồn dòng trong công nghiệp công suất lớn và phát triển các giải pháp lọc sóng hài tích cực.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm, mở rộng nghiên cứu cho các loại động cơ khác và đào tạo nhân lực vận hành hệ thống.

Hành động ngay: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng và phát triển công nghệ biến tần nguồn dòng để nâng cao hiệu quả truyền động và tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống công nghiệp hiện đại.