Luận văn Nghiên cứu bộ biến đổi xoay chiều – một chiều bốn góc phần tư

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ------------------------ TRẦN THỊ HOÀN NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI XOAY CHIỀU – MỘT CHIỀU BỐN GÓC PHẦN TƢ CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH 08/2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 1 - MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................................. 1 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................... 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................................. 4 MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 7 CHƢƠNG 1 PHÂN TÍCH NHƢỢC ĐIỂM TRUYỀN ĐỘNG T – Đ ĐẢO CHIỀU ....... 8 1.1. Giới thiệu về hệ truyền động Thiristo – Động cơ một chiều (T-Đ) ................. 8 1.1.1. Chế độ dòng liên tục ............................................................................... 9 1.1.2. Hiện tƣợng chuyển mạch ...................................................................... 11 1.1.3. Chế độ dòng điện gián đoạn ................................................................. 13 1.2. Phân tích sóng hài bậc cao ......................................................................... 16 1.3. Dòng điện gián đoạn ................................................................................... 19 1.4. Quá trình đảo chiều ở hệ T- Đ..................................................................... 21 1.4.1. Mạch lực ............................................................................................. 21 1.4.2. Phân tích đảo chiều .............................................................................. 22 1.5. Kết luận ...................................................................................................... 27 CHƢƠNG 2 PHÂN TÍCH NGUYÊN LÍ LÀM VIỆC CỦA CHỈNH LƢU BIẾN ĐIỆU ĐỘ RỘNG XUNG .................................................................................................................. 28 2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 28 2.2. Cấu trúc mạch lực FQR (Three- phase Four- quadrant PWM rectifier) ...... 28 2.2.1. Bộ lọc đầu vào:..................................................................................... 29 2.2.2. Bộ biến đổi ........................................................................................... 30 2.3. Điều chế vector không gian ......................................................................... 30 2.3.1. Khái niệm vector không gian và vector chuẩn ....................................... 30 2.3.2. Xây dựng phƣơng pháp điều chế vector không gian .............................. 33 2.3.2.1. Xác định vector biên chuẩn ............................................................ 33 2.3.2.2. Xác định vector iref thuộc sector nào .............................................. 34 2.3.2.3. Xác định tỉ số điều biến d1, d2 ........................................................ 36 2.3.2.4. Xác định mẫu xung cho từng sector ................................................ 38 2.4. Kết luận ...................................................................................................... 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 2 - CHƢƠNG 3 ỨNG DỤNG CHỈNH LƢU PWM CHO TRUYỀN ĐỘNG ĐẢO CHIỀU ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU ..................................................................................................... 47 3.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 47 3.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển bốn góc phần tƣ FQR (Four – Quadrant PWM Rectifier) cho động cơ một chiều DC ................................................................. 47 3.3. Thiết kế bộ điều chỉnh ................................................................................. 48 3.3.1. Động cơ một chiều ................................................................................ 48 3.3.2. Tổng hợp mạch vòng dòng điện ............................................................ 49 3.3.3. Số hóa bộ điều chỉnh .................................................................................................. 52 3.4. Điều khiển công suất phản kháng và công suất tác dụng ............................. 53 CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ................. 55 4.1. Mô phỏng bộ chỉnh lƣu ba pha bốn góc phần tƣ .......................................... 55 4.1.1. Mô hình mô phỏng chỉnh lƣu PWM ...................................................... 55 4.1.2. Kết Quả mô phỏng ................................................................................ 58 4.2. Xây dựng mô hình thực nghiệm ................................................................... 68 4.2.1. Cấu trúc thực nghiệm ......................................................................... 68 4.2.1.1. Giới thiệu về card điều khiển 1104 của hãng dSPACE .................. 70 4.2.1.2. Phần mền Control Desk ................................................................. 71 4.2.1.3.Card giao diện và hệ thống đo lƣờng .............................................. 71 4.2.2. Quá trình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm ......................................... 73 4.2.3. Kết quả thực nghiệm ............................................................................. 74 4.3. Kết luận: ..................................................................................................... 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 79 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 3 - DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT idc Giá trị dòng điện một chiều udc Giá trị điện áp một chiều iref Giá trị dòng điện chỉnh lưu i, i Thành phần vector dòng điện trên hệ trục tọa độ  f Tần số RA Điện trở phần ứng LA Điện cảm phần ứng M Động cơ một chiều  Tốc độ quay của động cơ * Giá trị tốc độ đặt isd Thành phần vector dòng điện vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục tọa độ d - q isq Thành phần vector dòng điện vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục tọa độ d - q P Công suất tác dụng Q Công suất phản kháng RI Khâu điều chỉnh dòng điện R Khâu điều chỉnh tốc độ THD Hệ số méo dạng dòng điện BBĐ Bộ biến đổi MBA Máy biến áp PLL Khối đồng pha LC Mạch lọc LC DC Động cơ một chiều ADC Bộ chuyển đổi tương tự số (Analog -to Digital Converter) I/O Cổng vào ra (Input/ Output) PWM Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse Width Modulation) SVM Điều biến vector không gian (viết tắt của Space Vector Modulation) FQR Bộ chỉnh lưu điều biến độ rộng xung ba pha bốn góc phần tư (Three- phase Four- Quadrant PWM Rectifier) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 4 - DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động Thyristor – Động cơ một chiều Hình 1.2 Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của chỉnh lưu tia ba pha. Hình 1.3 Chỉnh lưu hình tia ba pha. a) Đặc tính điều chỉnh b) Đồ thị thời gian. Hình 1.4 Hiện tượng chuyển mạch giữa các van 1 2 T T Hình 1.5 Quan hệ giữa góc chuyển mạch μ và góc điều khiển α ứng với các dòng điện chỉnh lưu khác nhau. Hình 1.6 Chế độ dòng điện gián đoạn và biên liên tục. Hình1.7 Mô hình chỉnh lưu 3 pha dùng Tiristor Hình 1.8 Phân tích phổ dòng điện đầu vào iA & iB ( = 0 0 ) Hình 1.9 Phân tích phổ dòng điện đầu vào iA & iB ( = 60 0 ) Hình 1.10 Phân tích phổ dòng điện đầu vào iA & iB ( = 90 0 ) Hình 1.11 Ảnh hưởng của m,L khi chỉnh lưu a) Ba pha hình tia b) Ba pha hình cầu Hình 1.12 Sơ đồ hệ T-Đ đảo chiều dùng hai bộ biến đổi điều khiển riêng Hình 1.13 Mô hình khâu LOG Hình 1.14 Diễn biến quá trình đảo chiều. Hình 1.15 Mô hình mô phỏng quá trình đảo chiều động cơ Hình 1.16 Đặc tính tốc độ (rad/s) Hình 1.17 Đặc tính điện áp chỉnh lưu Ud Hình 1.18 Đặc tính điện áp chỉnh lưu Ud giai đoạn đảo chiều Hình 2.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu bốn góc phần tư Hình 2.2 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi bốn góc phần Hình 2.3 Đặc tính của van bán dẫn lý tưởng Hình 2.4 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi hai góc phần tư Hình 2.5 Vector không gian dòng xoay chiều đầu vào khi Idc > 0 Hình 2.6 Vector không gian dòng xoay chiều đầu khi Idc < 0 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 5 - Hình 2.7 Lược đồ lựa chọn sectơ Hình 2.8 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 1 Hình 2.9 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 2 Hình 2.10 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 3 Hình 2.11 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 4 Hình 2.12 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 5 Hình 2.13 Vector dòng điện và thời gian đóng cắt mỗi van trong sector 6 Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển FQR Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Hình 3.3 Mô hình động cơ một chiều kích từ độc lập Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện. Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ. Hình 3.6 Khâu điều chỉnh PI số Hình 3.7 Mối liên hệ giữa các thành phần trong tọa độ quay Hình 4.1 Mô hình mô phỏng Hình 4.2 Mô hình mạch lực. Hình 4.3 Khối phát xung PWM Hình 4.4 Khối chuyển vị tọa độ abc dq Hình 4.5 Khối chuyển vị tọa độ dq αβ Hình 4.6 Cấu trúc chi tiết khối tính chọn góc theta Hình 4.7 Đặc tính tốc độ động cơ Hình 4.8 Đặc tính dòng điện đầu vào Hình 4.9 Phân tích phổ dòng điện đầu vào sau lọc LC Hình 4.10 Đặc tính điện áp đầu vào Hình 4.11 Góc chuyển vị cho hệ tọa độ quay Hình 4.12 Đặc tính điện áp một chiều. Hình 4.13 Đặc tính điện áp một chiều lúc đảo chiều Hình 4.14 Đặc tính dòng điện một chiều Hình 4.15 Đặc tính mô men động cơ Hình 4.16 Đặc tính tốc độ động cơ giai đoạn có đảo chiều Hình 4.17 Đặc tính dòng điện đầu vào Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 6 - Hình 4.18 Phân tích phổ dòng điện đầu vào sau lọc LC Hình 4.19 Đặc tính điện áp đầu vào Hình 4.20 Góc chuyển vị cho hệ tọa độ quay Hình 4.21 Đặc tính điện áp một chiều. Hình 4.22 Đặc tính điện áp một chiều lúc ổn định Hình 4.23 Đặc tính dòng điện một chiều Hình 4.24 Đặc tính mô men động cơ Hình 4.25 Cấu trúc thực nghiệm tổng quát Hình 4.26 Mô hình thực nghiệm Hình 4.27 Nguồn cấp cho sơ cấp MBA xung Hình 4.28 Nguyên lí của mạch nguồn cho một driver Hình 4.29 Nguyên lý driver phát xung cho van MOSFET Hình 4.30 Cấu trúc R&D DS1104Mô hình cấu trúc Hình 4.31 Giao diện của card ds1104 với ngoại vi Hình 4.32 Giao diện điển hình dùng DS1104 Hình 4.32 Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển Hình 4.34 Mô hình thực nghiệm chỉnh lưu Hình 4.35 Ba pha mạch chỉnh lưu. Hình 4.36 Một pha của mạch chỉnh lưu Hình 4.37 Giao diện theo dõi các tín hiệu và tham số Hình 4.38 Đặc tính tốc độ Hình 4.39 Góc chuyển vị cho hệ tọa độ quay Hình 4.40 Điện áp đầu vào Hình 4.41 Dạng xung cho 6 van Hình 4.42 Tín hiệu vào và tín hiệu mở van Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 7 - MỞ ĐẦU Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và công nghệ trên thế giới, Việt Nam đang từng ngày hội nhập với nền kinh tế thế giới và tiếp nhận những thành tựu mới nhất của khoa học và công nghệ. Đặc biệt trong ngành công nghiệp điện tử, các thiết bị điện tử công suất được sản xuất ngày càng nhiều. Và các ứng dụng của nó trong công nghiệp và đời sống hằng ngày phát triển hết sức mạnh mẽ. Hiện nay, việc điều khiển động cơ một chiều thường sử dụng bộ biến đổi Tiristor truyền thống: Xung áp một chiều, chỉnh lưu tiristor … với nhiều nhược điểm: Dòng đầu vào chứa nhiều sóng hài bậc cao, quá trình đảo chiều diễn ra chậm, logic đảo chiều phức tạp. Để khắc phục những nhược điểm trên người ta nghiên cứu các phương pháp mới. Một trong những phương án đó là phương pháp chỉnh lưu PWM ba pha bốn góc phần tư. Xuất phát từ thực tế đó tôi đã chọn đề tài nghiên cứu khoa học: “Nghiên cứu bộ biến đổi xoay chiều – một chiều bốn góc phần tƣ”. Luận văn gồm có 4 chương: Chương 1: Phân tích nhược điểm truyền động T – Đ đảo chiều Chương 2: Phân tích nguyên lý làm việc của chỉnh lưu biến điệu độ rộng xung Chương 3: Ứng dụng chỉnh lưu PWM cho truyền động đảo chiều động cơ một chiều Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm Đề tài đã được hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ bảo, giúp đỡ động viên của các thày cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Bùi Quốc Khánh, người đã luôn động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Các vấn đề được đề cập đến trong quyển luận văn này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, tôi mong nhận được lời đóng góp từ các thày cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp. Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 30 tháng 7 năm 2009 Tác giả Trần Thị Hoàn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 8 - CHƢƠNG 1 PHÂN TÍCH NHƯỢC ĐIỂM TRUYỀN ĐỘNG T – Đ ĐẢO CHIỀU 1.1. Giới thiệu về hệ truyền động Thiristo – Động cơ một chiều (T-Đ) Trong hệ thống truyền động thyristor - động cơ một chiều (T- Đ), bộ biến đổi điện là các mạch chỉnh lưu điều khiển có sđđ E d phụ thuộc vào giá trị của pha xung điều khiển (góc điều khiển). Chỉnh lưu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện kích thích động cơ. Tuỳ theo yêu cầu cụ thể của truyền động mà có thể dùng các sơ đồ chỉnh lưu thích hợp, để phân biệt chúng có thể căn cứ vào các dấu hiệu sau đây: - Số pha: 1 pha, 3 pha, 6 pha v.v…. - Sơ đồ nối: hình tia, hình cầu, đối xứng, và không đối xứng - Số nhịp: Số xung áp đập mạch trong thòi gian một chu kỳ điện áp nguồn: - Khoảng điều chỉnh: là vị trí của đặc tính ngoài trên mặt phẳng toạ độ [Ud,Id]: - Chế độ năng lượng: chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc: - Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn. - Chế độ làm việc của chỉnh lưu phụ thuộc vào phương thức điều khiển và vào các tính chất của tải, trong truyền động điện, tải của chỉnh lưu thường là cuộn kích từ (L-R) hoặc là mạch phần ứng động cơ (L-R-E). Để tìm hiểu hoạt đông của hệ T- Đ ta hãy phân tích một sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha mà sơ đồ thay thế được vẽ trên Hình 1.2, trong đó: E- sđđ quay của động cơ , , 21 22 23 u u u – sđđ thứ cấp máy biến áp nguồn, ,L L x - điện cảm mạch một chiều (kể cả điện trở dây quấn thứ cấp máy biến áp R- điện trở mạch một chiều (kể cả điện trở dây quấn thứ cấp máy biến áp đã quy đổi) L L L u k   R R R R ba u k    Lba = L2 + L1(W1/W2) 2 (1-1) 22( ) 2 1 1 W R R R ba W   Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 9 - DC Uđk CKT + - L Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động Thyristor – Động cơ một chiều 1.1.1. Chế độ dòng liên tục Khi dòng điện chỉnh lưu i d là liên tục thì có thể dựng được đồ thị các quá trình dòng điện và điện áp như trên Hình 1.3. Sđđ chỉnh lưu là những đoạn hình sin nối tiếp nhau, giá trị trung bình của sđđ chỉnh lưu được tính như sau: 2 / sin os 22 m mE U d E c d m do        (1-2) Trong đó: t e   ( ) 0 2 m         .sin 2 m E U do mm Trong đó: 0  - tần số góc của điện áp xoay chiều;  - góc mở van (hay góc điều khiển) tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên 0  - góc điều khiển tính từ thời điểm sđđ xoay chiều bắt đầu dương; m - số xung áp đập mạch trong một chu kỳ điện áp xoay chiều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 10 - te 0 U U2a U2b U2c Ed te E 0 vz 2 m   i Ip(vz) i® io iu ip R EmU  2 2 b) Ed Edo 2/  a)  0 Hình 1.2. Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của chỉnh lƣu tia ba pha. Phương trình vi phân mô tả mạch thay thế trên Hình 1.2 là: sin( ) 2 0 di dU E Ri L m d dt      Với sơ kiện khi 0   thì 0 i I d  có nghiệm sau: ( ) cot 0os sin( ) os sin( - ) 0 2 0 2 g i RI E U c e E U c d m m                          (1-3) Trong đó: ar L ectg R    Hình 1.3. Chỉnh lƣu hình tia ba pha. a) Đặc tính điều chỉnh. b) Đồ thị thời gian. ~ ~ ~ Ed E R L T1 T2 T3 Id U2a U2b U2b § L T1 T2 T3 a b c Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 11 - ~ ~ ~ U2a U2b U2c Lk Lk Lk i1 i2 T1 T2 T3 id K L R E N Ud U U2a U2b Ed m  m  2 m  2 m  2 22 ba UU  2 m      2  0 i id i2i1  1i 2i et a) b)Nếu gọi góc dẫn của van là λ thì có thể tính được thành phần một chiều của dòng điện chỉnh lưu, chính là thành phần sinh mômen quay của động cơ: sin sin( )0 2 02 2 2 2 2 m m I i d U E d mR                 (1-4) Còn giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu thì được tính bởi biểu thức đơn giản hơn: os 0 0 E c E dI d R L     0 m e   (1-5) 1.1.2. Hiện tượng chuyển mạch Trong sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha, khi phát xung nhằm để mở một van tiristo thì điện áp anốt của pha đó phải dương hơn điện áp của pha có van đang dẫn dòng, do đó mà dòng điện của van đang dẫn sẽ giảm dần về không, còn dòng điện của van kế tiếp sẽ tăng dần lên. Do có điện cảm trong mạch mà quá trình này xảy ra từ từ, cùng tại một thời điểm cả hai van đều dẫn dòng và chuyển dòng cho nhau, quá trình này gọi là chuyển mạch giữa các van. Hình 1.4. Hiện tƣợng chuyển mạch giữa các van 1 2 T T Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 12 - Trong quá trình chuyển mạch vì cả hai van đều dẫn nên sđđ chỉnh lưu bằng trung bình cộng của điện áp hai pha. Phương trình cân bằng điện áp cho các pha lúc chuyển mạch là: 1 2 di U L Ed a k dt   2 2 di U L Ed b k dt   Để ý rằng 1 2 i i i d   và nếu coi 1 2 di di dt dt   thì: sin 22 22 sin 2 UU Udi mb a m dt L L k k      (1-6) Thời điểm bắt đầu xảy ra chuyển mạch là tại θ = α; ta được biểu thức tính dòng điện qua van: ( os os ) 2 i I c c mk    (1-7) Trong đó sin2U m mI mk L e k    Quá trình chuyển mạch kết thúc khi 0, 1 2 i i i d   nếu trong (1-7) ta đặt 2 di i tại     thì có thể tính được góc chuyển mạch μ: ar ccos( os ) I dc I mk      Hình 1.5. Quan hệ giữa góc chuyển mạch μ và góc điều khiển α ứng với các dòng điện chỉnh lƣu khác nhau. =0,04 =0,03 =0,02 =0,10 =0,0 3/ 18/5 9/2 6/ 9/ 18/ 9  9 2 3  9 4 9 5 3 2 9 7 9 8    0 ® 2/ 0,50mI I   Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - 13 - Trong thực tế vận hành ít khi dòng điện chỉnh lưu vượt quá giá trị 1 I d I mk  do đó có thể nói rằng trong chỉnh lưu tia ba pha, góc chuyển mạch cực đại là π/6. Do có chuyển mạch nên sđđ chỉnh lưu bị sụt đi (vùng gạch chéo lên Hình 1.4b). Giá trị trung bình của sụt áp do chuyển mạch được tính như sau: 2 mL k eU I X I k d k d      1.1.3. Chế độ dòng điện gián đoạn Hiện tượng gián đoạn dòng điện chỉnh lưu xảy ra do năng lượng điện từ tích lũy trong mạch khi dòng điện tăng ( 2 2I L ) không đủ duy trì tích chất liên tục của dòng điện khi nó giảm. Lúc này góc dẫn của van trở nên nhỏ hơn 2π/m, dòng điện qua van trở về không trước khi van kế tiếp bắt đầu dẫn. Trong khoảng dẫn của van thì sđđ chỉnh lưu bằng sđđ nguồn: ,0 2 0 e U d       Khi dòng điện bằng không, sđđ chỉnh lưu bằng sđđ của động cơ điện: 2 , 0 e E d p       Có thể viết được biểu thức tính dòng điện chỉnh lưu nếu trong (1-3) đặt 0 0 I    ( ) cos