›
›

Đồ án Nghiên cứu biến tần 4Q

pdf 69 trang huongle 3280
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Nghiên cứu biến tần 4Q", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdo_an_nghien_cuu_bien_tan_4q.pdf

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu biến tần 4Q

  1. MỤC LỤC MỤC LỤC 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ BIẾN TẦN 4 1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ BIẾN TẦN 4 1.1.1.Biến tần trực tiếp 4 1.1.2. Bộ biến tần gián tiếp. 7 1.2. BIẾN TẦN NGUỒN ÁP 12 1.2.1 Sơ đồ mạch lực: 12 1.2.1 Phƣơng pháp điều khiển : 13 1.3. BIẾN TẦN NGUỒN DỊNG. 14 CHƢƠNG 2 : BIẾN TẦN 4Q 16 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BIẾN TẦN 4Q 16 2.1.1 Các tồn tại của các bộ biến tần thơng thƣờng 16 2.1.2 Biến tần bốn gĩc phần tƣ (biến tần 4Q) 17 2.2. CẤU TẠO MẠCH LỰC BIẾN TẦN 4Q 19 2.2.1. Cấu trúc mạch lực của chỉnh lƣu PWM 20 2.2.2. Điều kiện để chỉnh lƣu PWM hoạt động: 21 2.2.3. Giản đồ vectơ 22 2.2.4. Các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi PWM 23 2.3 CHỈNH LƢU PWM CHO BIẾN TẦN 4Q 24 2.3.1 Tổng quan về chỉnh lƣu PWM. 24 2.3.2. Mơ tả tốn học chỉnh lƣu PWM 25 2.3.3. Phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM 32 2.3.4. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM 32 2.4 ĐIỀU CHẾ VECTOR KHƠNG GIAN CHO BIẾN TẦN 4Q 37 2.4.1.Nguyên lý của phƣơng pháp điều chế vector khơng gian 39 2.4.2.Thời gian đĩng cắt van bán dẫn 43 CHƢƠNG 3 : MƠ PHỎNG BIẾN TẦN 4Q 48 3.1 : MƠ PHỎNG PHÍA CHỈNH LƢU 48 3.2. MƠ PHỎNG NGHỊCH LƢU. 55 3.3.MƠ PHỎNG BIẾN TẦN 4Q ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA62 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 1
  2. LỜI MỞ ĐẦU Điện - Điện tử là một ngành khơng thể thiếu trong cuộc sống hiện đại ngày nay. Nĩ cĩ mặt trong hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống từ sinh hoạt thƣờng ngày đến những nhà máy xi nghiệp, sản xuất và kinh doanh. Điện là yếu tố chủ lực trong các ngành kinh tế mũi nhọn của đất nƣớc. Tuy nhiên diện vẫn là yếu tố “ tĩnh”, yếu tố con ngƣời mới là yếu tố quyết dịnh. Để sử dụng năng lƣợng điện đạt hiệu quả thì cần cĩ các phƣơng pháp hợp lý từ khâu khai thác đến khâu sử dụng. Các phƣơng pháp đƣợc biểu hiện qua các thiết bị sảng xuất và tiêu thụ điện năng. Các thiết bị đƣợc chế tạo nhằm phục vụ lợi ích con ngƣời do vậy các thiết bị này cĩ những ƣu nhƣợc điểm khơng thể tránh khỏi và cũng cĩ quá trình phát triển theo xu hƣớng kế thừa và phủ định cái đi trƣớc. Cuộc sống phát triển nhanh do một phần đĩng gĩp của yếu tố điện năng, Ngƣợc lại các yếu tố phát triển trong cuộc sống nhƣ nhu cầu con ngƣời ngày càng cao, yêu cầu chát lƣợng điện trong cơng nghiệp, trình độ kỹ thuật, sự phát triển của vi xử lý, vv lại là tiền đề co sự phát triển của cơng nghiệp điện năng. Sau quá trình rèn luyện và học tập nghiêm tại trƣờng Đại học Hàng Hải, đƣợc sự dẫn dắt chỉ bảo nhiệt tình cả các thầy cơ trong khoa Điện – Điện tử tàu biển em đã cĩ đƣợ cho mình những kiến thức cơ bản về điện Kỹ thuật là cơ sở cho cơng việc sau này. Kết thúc thời gian học tập tại trƣờng em đƣợc giao đề tài tốt nghiệp: “NGHIÊN CỨU BIẾN TẦN 4Q”. Dƣới sự hƣớng dẫn và chỉ bảo nhiệt tình của giáo viên hƣớng dẫn GS TSKH Thân Ngọc Hồn đồng thời qua tài liệu tham khảo và nền tảng kiến thức về điện kỹ thuật em đã hồn thành nhiệm vụ tốt nghiệp. Nội dung của đồ án đƣợc trình bày qua 3 chƣơng: - Chƣơng 1. Tổng quan về hệ biến tần Chƣơng này giới thiệu tổng quát về biến tần: Các loại biến tần, quá trình phát triển của các họ biến tần, ƣu nhƣợc điểm các loại biến tần ., là cơ sở lý thuyết để thực hiện các chƣơng sau. - Chƣơng 2. Biến tần 4Q Chƣơng này đi sâu nghin cấu về biến tần 4Q về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng nhƣ các phƣơng pháp điều chế vector khơng gian và phƣơng pháp chỉnh 2
  3. lƣu tích cực PWM. So sánh các ƣu nhƣợc điểm. đƣa ra đƣợc phƣơng pháp điều khiển chính xác. Trực quan. - Chƣơng 3. Mơ phỏng biến tần 4Q Ở chƣơng 3 này ta đi tiến hành mơ phỏng biến tần biến 4Q bằng phần mềm Matlab. Sau thời gian dài làm việc miệt mài em đã đƣa ra đƣợc kết quả mơ phỏng nhằm đánh giá khả năng làm việc của biến tần 4Q từ đĩ đƣa ra đƣợc những nhật xét, đúc rút kinh nghiệm khi làm việc với biến tần 4Q. Nội dung của ba chƣơng đồ án tốt nghiệp là sự đúc kết sau quá trình học tập tại trƣơng. Đồ án đã thẻ hiện đƣợc ý thƣởng của em về một vài khía cạnh của vấn đề. Bên cạnh đĩ nội dung đồ án em làm vẫn khơng thể tránh khỏi sai sĩt. Em rất mong nhận đƣợc sự nhật xét quý báu của các thầy cơ. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Nguyễn Thành Tâm 3
  4. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ BIẾN TẦN 1.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ BIẾN TẦN Bộ biến đổi tần số hay cịn gọi là bộ biến tần là thiết bị biến đổi dịng điện xoay chiều ở tần số này sang dịng điện xoay chiều ở tần số khác mà cĩ thể thay đổi đƣợc. Đối với các bộ biến tần dùng trong biến đổi động cơ xoay chiều thì ngồi việc biến đổi tần số thì cịn biến đổi điện áp ra khác với điện áp lƣới cấp vào bộ biến tần Bộ biến tần đƣợc chia làm 2 loại là : - Biến tần máy điện - Biến tần van 1.1.1.Biến tần trực tiếp Cấu trúc của thiết bị biến tần trực tiếp nhƣ trên hình 1.1. Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là cĩ thể biến đổi nguồn điện xoay chiều cĩ điện áp và tần số khơng đổi thành điện áp xoay chiều cĩ điện áp và tần số điều chỉnh đƣợc. Do quá trình biến đổi khơng phải qua khâu trung gian nên đƣợc gọi là bộ biến tần trực tiếp, cịn đƣợc gọi là bộ biến đổi sĩng cố định (Cycloconverter). Hình 1.1: Thiết bị biến tần trực tiếp Mỗi một pha đầu ra của bộ biến tần trực tiếp đều đƣợc tạo bởi mạch điện mắc song song ngƣợc hai sơ đồ chỉnh lƣu tiristor (hình 1.2). Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp 4
  5. Hai sơ đồ chỉnh lƣu thuận ngƣợc lần lƣợt đƣợc điều khiển làm việc theo chu kỳ nhất định. Trên phụ tải sẽ nhận đƣợc điện áp ra xoay chiều ut. Biên độ của nĩ phụ thuộc vào gĩc điều khiển , cịn tần số của nĩ phụ thuộc vào tần số khống chế quá trình chuyển đổi sự làm việc của hai sơ đồ chỉnh lƣu mắc song song ngƣợc. Nếu gĩc điều khiển khơng thay đổi thì điện áp trung bình đầu ra cĩ giá trị khơng đổi trong mỗi nửa chu kỳ điện áp đầu ra. Muốn nhận đƣợc điện áp đầu ra cĩ dạng gần hình sin hơn cần phải liên tục thay đổi gĩc điều khiển các van của mỗi sơ đồ chỉnh lƣu trong thời gian làm việc của nĩ (mỗi nửa chu kỳ điện áp ra); chẳng hạn ở nửa chu kỳ làm việc của sơ đồ thuận, thực hiện thay đổi gĩc điều khiển α từ л/2 (ứng với điện áp trung bình bằng khơng) giảm dần tới 0 (ứng với điện áp trung bình là cực đại), sau đĩ lại tăng dần α từ 0 lên tới л/2 thì điện áp trung bình đầu ra của sơ đồ chỉnh lƣu lại từ giá trị cực đại giảm về 0, tức là làm cho gĩc α thay đổi trong phạm vi л/2 ÷ 0 ÷ л/2, để điện áp biến đổi theo quy luật gần hình sin, nhƣ trên hình 2.3. Trong đĩ, tại điểm A cĩ α = 0, điện áp chỉnh lƣu trung bình cực đại, sau đĩ tại các điểm B, C, D, E gĩc α tăng dần lên, điện áp trung bình giảm xuống dần, cho đến điểm F với α = л/2 điện áp trung bình là 0. Điện áp trung bình trong nửa chu kỳ là hình sin trong hình vẽ thể hiện bằng nét đứt. Sự điều khiển sơ đồ ngƣợc trong nửa chu kỳ âm điện áp ra cũng tƣơng tự nhƣ thế. Trên đây đã phân tích đầu ra một pha biến tần xoay chiều - xoay chiều (trực tiếp), đối với phụ tải ba pha, hai pha khác cũng dùng mạch điện đảo chiều mắc song song Hình 1.3: Đồ thị điện áp đầu ra của thiết bị biến tần xoay chiều-xoay chiều hình sin 5
  6. ngƣợc, điện áp trung bình đầu ra cĩ gĩc pha lệch nhau 1200. Nhƣ vậy, nếu mỗi một sơ đồ chỉnh lƣu đều dùng loại sơ đồ cầu ba pha thì bộ biến tần ba pha sẽ cần tổng cộng tới 36 tiristor (mỗi nhánh cầu chỉ dùng một tiristor), nếu dùng loại sơ đồ tia ba pha, cũng phải dùng tới 18 tiristor. Vì vậy thiết bị biến tần trực tiếp tuy về mặt cấu trúc chỉ dùng một khâu biến đổi, nhƣng số lƣợng linh kiện lại tăng lên rất nhiều, kích thƣớc tổng tăng lên rất lớn. Do những thiết bị này đều tƣơng tự nhƣ thiết bị của bộ biến đổi cĩ đảo dịng thƣờng dùng trong hệ thống điều tốc một chiều cĩ đảo chiều nên quá trình Hình 1.4: Sĩng hài bậc nhất dịng, áp trên tải và các chế độ làm việc của các khâu trong biến tần trực tiếp chuyển mạch chiều dịng điện đƣợc thực hiện giống nhƣ trong sơ đồ chỉnh lƣu cĩ điều khiển (chuyển mạch tự nhiên), đối với các linh kiện khơng cĩ các yêu cầu gì đặc biệt. Ngồi ra, từ hình 1.3 cĩ thể thấy, khi điện áp đổi chiều đồ thị hình sin của điện áp nguồn cũng cĩ thể biến đổi theo rất nhanh chĩng, vì vậy tần số đầu ra lớn nhất cũng khơng vƣợt quá 1/3 ÷ 1/2 tần số lƣới điện (tuỳ theo số pha chỉnh lƣu), nếu khơng, đồ thị đầu ra sẽ thay đổi rất lớn, sẽ ảnh hƣởng tới sự làm việc bình thƣờng của hệ thống điều tốc biến tần. Do số lƣợng linh kiện tăng lên nhiều, tần số đầu ra giảm xuống, phạm vi thay đổi tần số đầu ra của bộ biến tần hẹp (vì cũng bị gới hạn cả tần số thấp nhất) nên hệ điều tốc này ít đƣợc dùng, chỉ trong một số lĩnh vực cơng suất lớn và cần tốc độ làm việc thấp, chẳng hạn nhƣ máy cán thép, máy nghiền bi, lị xi măng, những loại máy này khi dùng 6
  7. động cơ tốc độ thấp đƣợc cấp điện bởi biến tần trực tiếp cĩ thể loại bỏ đƣợc hộp giảm tốc rất cồng kềnh và thƣờng dùng tiristor mắc song song mới thoả mãn đƣợc yêu cầu cơng suất đầu ra. Bộ biến tần trực tiếp tuy cĩ một số nhƣợc điểm là số lƣợng phần tử nhiều, phạm vi thay đổi tần số khơng rộng, chất lƣợng điện áp ra thấp, nhƣng cĩ ƣu điểm là hiệu suất cao hơn so với các bộ biến tần gián tiếp, điều này đặc biệt cĩ ý nghĩa khi cơng suất hệ thống điều tốc cực lớn (các hệ thống dùng động cơ cơng suất đến 16.000 KW). Trên đồ thị dạng sĩng (hình 1.4) ta thấy cơng suất tức thời của biến tần bao gồm cĩ bốn giai đoạn. Trong hai khoảng ta cĩ tích điện áp và dịng điện của biến tần dƣơng, biến tần lấy cơng suất từ lƣới cung cấp cho tải. Trong hai khoảng cịn lại ta cĩ tích giữa điện áp và dịng điện trong biến tần âm nên biến tần biến đổi cung cấp lại cơng suất cho lƣới. 1.1.2. Bộ biến tần gián tiếp. Bộ biến tần trực tiếp cĩ ƣu điểm là cĩ thể thiết kế với một cơng suất khá lớn ở đầu ra và hiệu suất cao, nhƣng cĩ một số nhƣợc điểm sau: + Chỉ cĩ tạo ra điện áp xoay chiều đầu ra với tần số thấp hơn tần số điện áp lƣới. + Khĩ điều khiển ở tần số cận khơng vì khi đĩ tổn hao sĩng hài trong động cơ khá lớn. + Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển khơng cao. + Sĩng điện áp đầu ra khác xa hình sin. Hình 1.5: Thiết bị biến tần gián tiếp Chính vì những đặc điểm trên mà một loại biến tần khác đƣợc đƣa ra để nâng cao chất lƣợng hệ truyền động biến tần - động cơ xoay chiều, đĩ là biến tần gián tiếp. Bộ biến tần gián tiếp cho phép khắc phục những nhƣợc điểm của bộ biến tần trực tiếp ở trên. 7
  8. a. Thiết bị biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển Bộ biến tần này cĩ cấu trúc nhƣ trên hình 1.6a, điện áp xoay chiều lƣới điện đƣợc biến đổi thành điện áp một chiều cĩ điều chỉnh nhờ chỉnh lƣu điều khiển tiristor, khâu lọc cĩ thể là bộ lọc điện dung hoặc điện cảm phụ thuộc vào dạng nghịch lƣu yêu cầu, khối nghịch lƣu cĩ thể sử dụng các tiristor hoặc transistor. Việc điều chỉnh giá trị điện áp ra U2 đƣợc thực hiện bằng việc điều khiển gĩc điều khiển bộ chỉnh lƣu, việc điều chỉnh tần số tiến hành bởi khâu nghịch lƣu, tuy nhiên quá trình điều khiển đƣợc phối hợp trên cùng một mạch điện điều khiển. Cấu trúc của bộ biến tần loại này đơn giản, dễ điều khiển nhƣng do khâu biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều (đầu vào) sử dụng chỉnh lƣu điều khiển tiristor nên khi điện áp ra thấp thì hệ số cơng suất giảm thấp; khâu biến đổi điện áp hoặc dịng điện một chiều thành xoay chiều (đầu ra) thƣờng dùng nghịch áp 3 pha bằng tiristor nên sĩng hài bậc cao trong điện áp xoay chiều đầu ra thƣờng cĩ biên độ khá lớn. Đây là nhƣợc điểm chủ yếu của loại bộ biến tần này. Hình 1.6: Bộ biến tần gián tiếp cĩ khâu trung gian một chiều 8
  9. b. Biến tần dùng chỉnh lưu khơng điều khiển cĩ thêm bộ biến đổi xung điện áp Bộ biến tần xoay gián tiếp dùng bộ chỉnh lƣu khơng điều khiển kết hợp với bộ biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh điện áp một chiều ở đầu vào khối nghịch lƣu đƣợc biểu diễn trên hình 1.6b. Việc biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều để cấp cho khối nghịch lƣu sử dụng bộ chỉnh lƣu điơt khơng điều khiển. Khối nghịch lƣu chỉ cĩ nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều với tần số điều chỉnh đƣợc mà khơng cĩ khả năng điều chỉnh điện áp ra của nghịch lƣu nên giữa khối chỉnh lƣu và nghịch lƣu bố trí thêm bộ biến đổi xung điện áp một chiều để điều chỉnh giá trị điện áp một chiều cấp cho nghịch lƣu nhằm thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều đầu ra nghịch lƣu U2. Mặc dù bộ biến tần này đã phải thêm một khâu (chƣa kể phải thêm khâu lọc) nhƣng hệ số cơng suất đầu vào khá cao, khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của bộ biến tần thứ nhất trên hình 1.6a. Khối nghịch lƣu đầu ra khơng thay đổi nên vẫn tồn tại nhƣợc điểm là các sĩng hài bậc cao cĩ biên độ khá lớn. c. Bộ biến tần dùng bộ chỉnh lưu khơng điều khiển với bộ nghịch lưu PWM Nhƣ trên đã trình bày, trong hệ thống điều tốc biến tần áp dụng phƣơng pháp điều chỉnh tỷ số điện áp-tần số khơng đổi, khi sử dụng biến tần gián tiếp dùng tiristor thì việc điều chỉnh điện áp và tần số đƣợc thực hiện riêng ở hai khâu: điều chỉnh tần số ở khâu nghịch lƣu, cịn điều chỉnh điện áp thực hiện ở khâu chỉnh lƣu, điều này đã kéo theo một loạt vấn đề. Các vấn đề đĩ là: - Mạch điện chính cĩ 2 khâu cơng suất điều khiển đƣợc, nghĩa là khá phức tạp; - Do khâu một chiều trung gian cĩ bộ lọc bằng tụ lọc hoặc điện kháng với quán tính lớn, làm cho tính thích nghi trạng thái động của hệ thống thƣờng bị chậm trễ; -Do bộ chỉnh lƣu cĩ điều khiển làm cho hệ số cơng suất của nguồn điện cung cấp giảm nhỏ khi cơng suất đầu ra giảm xuống theo sự thay đổi chế độ làm việc của hệ điều tốc, đồng thời làm tăng sĩng hài bậc cao trong dịng điện nguồn; 9
  10. - Đầu ra của bộ nghịch lƣu là điện áp (dịng điện) cĩ dạng khác xa hình sin, tạo ra nhiều sĩng hài bậc cao trong dịng điện động cơ, dẫn tới mơ men biến động khá lớn ảnh hƣởng tới tính ổn định làm việc của động cơ, đặc biệt khi ở tốc độ thấp. Vì vậy các thiết bị biến tần do các linh kiện điện tử cơng suất dạng tiristor khơng thể đáp ứng đƣợc những yêu cầu đối với những hệ thống điều tốc biến tần hiện đại. Sự xuất hiện các linh kiện điện tử cơng suất điều khiển hồn tồn (GTO, IGBT, ) cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử đã tạo ra đƣợc các điều kiện tốt để giải quyết vấn đề này. Năm 1964 A. Schưnung và một số đồng nghiệp ngƣời Đức đã đƣa ra ý tƣởng biến tần điều chế độ rộng xung, họ ứng dụng kỹ thuật điều chế trong hệ thống thơng tin vào việc điều chế điện áp ra của biến tần. Bộ biến tần PWM ứng dụng kỹ thuật này về cơ bản đã giải quyết đƣợc vấn đề tồn tại trong bộ biến tần thơng thƣờng dùng tiristor, tạo điều kiện cho sự phát triển lĩnh vực mới là hệ thống điều tốc dịng điện xoay chiều cận đại. Hình 1.6c giới thiệu cấu trúc bộ biến tần PWM, bộ biến tần này vẫn là bộ biến tần gián tiếp cĩ khâu trung gian một chiều, chỉ khác là khâu chỉnh lƣu chỉ cần là chỉnh lƣu khơng điều khiển, điện áp ra của nĩ sau khi đi qua bộ lọc C (hoặc L-C) cho điện áp một chiều cĩ giá trị khơng đổi dùng để cấp cho khâu nghịch lƣu, linh kiện đĩng mở cơng suất trong khâu nghịch lƣu là các phần tử điều khiển hồn tồn và đƣợc điều khiển đĩng cắt với tần số khá cao, tạo nên trên đầu ra một loạt xung hình chữ nhật với độ rộng khác nhau, cịn phƣơng pháp điều khiển quy luật phân bố thời gian và trình tự thao tác đĩng - cắt (mở - khĩa) chính là phƣơng pháp điều chế độ rộng xung. ở đây, thơng qua việc thay đổi độ rộng của các xung hình chữ nhật cĩ thể điều chế giá trị biên độ điện áp của sĩng cơ bản đầu ra nghịch lƣu, đáp ứng yêu cầu phối hợp điều khiển tần số và điện áp của hệ điều tốc biến tần. Đặc điểm chủ yếu của mạch điện trên hình 1.6c là : - Mạch điện chính chỉ cĩ một khâu cơng suất điều khiển đƣợc, đơn giản hố cấu trúc, hệ số cơng suất của mạng điện khơng liên quan tới biên độ của điện áp đầu ra bộ nghịch lƣu và tiến gần đến 1; 10
  11. - Bộ nghịch lƣu thực hiện đồng thời điều tần và điều áp, khơng liên quan đến tham số của linh kiện khâu trung gian một chiều, đã làm tăng độ tác động nhanh trạng thái động của hệ thống; - Cĩ thể nhận đƣợc đồ thị điện áp đầu ra tốt, cĩ thể hạn chế hoặc loại bỏ đƣợc sĩng hài bậc thấp, làm cho động cơ cĩ thể việc với điện áp biến thiên gần nhƣ hình sin, biến động của mơ men khá nhỏ, mở rộng rất lớn phạm vi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động. d. Biến tần điều khiển vector Với sự ra đời của các dụng bán dẫn cơng suất điều khiển hồn tồn đã dẫn đến việc xuất hiện nghịch lƣu điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) đã cải thiện một bƣớc chất lƣợng điều tốc động cơ xoay chiều. Các biến tần SPWM với phƣơng pháp điều chỉnh U1/fs=hằng số (fs là tần số sĩng hài cơ bản điện áp đặt vào mạch stator động cơ, đây cũng chính là tần số f2 trong các sơ đồ hình 1.6 và 1.7) cĩ thể cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều với chất lƣợng dịng áp khá tốt, phạm điều chỉnh đã đƣợc mở rộng nhƣng mơ men cực đại bị giới hạn và chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu cao về chất lƣợng tĩnh của phần lớn các hệ điều tốc. Với các hệ điều tốc vịng kín dùng biến tần gián tiếp SPWM, nhƣ là hệ điều tốc điều khiển tần số trƣợt chẳng hạn, đã cải thiện đáng kể chất lƣợng tĩnh của hệ thống điều tốc động cơ xoay chiều, tạo đƣợc đặc tính gần với hệ thống điều tốc hai mạch vịng động cơ một chiều, tuy nhiên chất lƣợng động của hệ thì vẫn cịn xa mới đạt đƣợc nhƣ hệ thống điều tốc hai mạch vịng động cơ một chiều. Dựa trên kết quả nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hƣớng từ trƣờng động cơ khơng đồng bộ” do F. Blaschke của hãng Siemens Cộng hồ Liên bang Đức đƣa ra vào năm 1971, và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cơ cảm ứng” do P.C. Custman và A. A. Clark ở Mỹ cơng bố trong sáng chế phát minh của họ, qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành đƣợc hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay đƣợc ứng dụng rất phổ biến. 11
  12. Hình 1.7: Bộ biến tần điều khiển vector Cấu trúc phổ biến phần lực của biến tần sử dụng nghịch lƣu điều khiển vector (biến tần vector) đƣợc mơ tả nhƣ trên hình 1.7. Về cơ bản các thiết bị phần lực của biến tần này hồn tồn tƣơng tự nhƣ của biến tần điều chế độ rộng xung hình sin, chỉ khác là việc điều khiển khối nghịch lƣu áp dụng phƣơng pháp điều khiển vector. Trong biến tần điều khiển vector, ngƣời ta áp dụng phép biến đổi tọa độ khơng gian các vector dịng, áp, từ thơng động cơ từ hệ ba a-b-c pha sang hệ hai pha quay d-q, quay đồng bộ với từ trƣờng stator của động cơ và thƣờng chọn trục d trùng với vector từ thơng rotor (điều khiển định hƣớng theo từ trƣờng rotor). Thơng qua phép biến đổi tọa độ khơng gian vector, các đại lƣợng dịng áp xoay chiều hình sin của động cơ trở thành đại lƣợng một chiều nên hồn tồn cĩ thể sử dụng các kết quả nghiên cứu tổng hợp hệ truyền động động cơ một chiều để thiết kế các bộ điều chỉnh. Sau đĩ, các đại lƣợng một chiều đầu ra các bộ điều chỉnh lại đƣợc biến đổi thành đại lƣợng xoạy chiều ba pha qua phép biến đổi ngƣợc tọa độ để khống chế thiết bị phát xung điều khiển các van nghịch lƣu. Hệ truyền động điện biến tần vector - động cơ xoay chiều đƣợc thực hiện ở dạng hệ vịng kín, với việc điều khiển định hƣớng theo từ trƣờng rotor cho phép cĩ thể duy trì đƣợc từ thơng rotor khơng đổi (ở vùng tần số thấp hơn tần số cơ bản), thực hiện đƣợc quan hệ Er/fs= hằng số, nhờ đĩ mà đặc tính cơ của động cơ xoay chiều khơng đồng bộ trong hệ cĩ dạng nhƣ đặc tính động cơ một chiều (với khả năng quá tải mơ men rất lớn). 1.2. BIẾN TẦN NGUỒN ÁP 1.2.1 Sơ đồ mạch lực: Sơ đồ nghịch lƣu ba pha gồm ba nhánh, mỗi nhánh tƣơng tự nhƣ một nhánh của sơ đồ nghịch lƣu một pha đƣợc mơ tả nhƣ hình bên dƣới Các quá trình điện từ trong nghịch lƣu ba pha phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nhƣ : đặc tính tải, cách đấu tải, kiểu đấu biến áp ra, nguồn cung cấp và nguyên tắc điều khiển. Nguồn cấp điện cho bộ biến tần phải là nguồn sức điện động với nội trở nhỏ. Nếu sử dụng chỉnh lƣu làm nguồn cho bộ nghịch lƣu độc lập thì phải mắc thêm 12
  13. một tụ điện C ở đầu vào nghịch lƣu để một mặt đảm bảo điện áp nguồn ít bị thay đổi mặt khác để trao đổi năng lƣợng phản kháng với điện cảm tải. điện áp đƣa ra của bộ nghịch lƣu độc lập khơng cĩ dạng hình sin nhƣ mong muốn mà đa số là dạng sung hình chữ nhật. để đánh giá sĩng hài của điện áp ra ngƣời ta thƣờng dùng hệ số : Uq Kq U1 Trong đĩ U q và U1 là tri hiệu dụng q và bậc một Ta cĩ thể sử dụng các phần tử động lực là tiristor hoặc IGBT. Khi sử dụng tiristor thì phải giải quyết vấn đề khĩa tiristor. T1 D1 T3 D3 T5 D5 Ia Ua AC Ib Ub Uc D6 T4 D4 T6 T2 D2 Ic Hình 1.8: Bộ nghịch lƣu cầu ba pha ( sơ đồ nguyên lý) 1.2.1 Phƣơng pháp điều khiển : Điều khiển cho bộ nghịch lƣu cầu ba pha chúng ta dùng phƣơng pháp ĐCRX Ba sĩng hình sin cùng các xung tam giác tần số cao để xác định thời điểm mở của từng tiristor. Giải thích các sĩng này cũng giống nhƣ đối với các bộ nghịch lƣu một pha. Một phần tử này hoặc một phần tử khác của từng nhánh dẫn điện thƣờng xuyeenm điều đĩ dẫn tới việc nối một cực của đầu ra với cực dƣơng hay cực âm của nguồn một chiều. Ví dụ pha A và các phần tử đánh số 1 và 4 ( Hình 1.8). Nếu ia dƣơng và tiristor T4 dẫn, T1 bị khĩa và dịng điện tải chuyển qua diot D4. Nếu ia âm thì điot D4 dẫn và khi T4 đƣợc mồi thì sẽ dẫn dịng điện tải ngay lập tức, trong trƣờng hợp này khơng cần khĩa tiristor T1 vì nĩ khơng dẫn 13
  14. điện. Để tiristor cĩ thể duy trì dịng điện tải khi phụ tải điện cảm đổi chiều dịng điện, các xung mồi vào cực điều khiển của tiristor khơng gián đoạn Cần chú ý rằng với sơ đồ sử dụng van tiristor ta cĩ thể sử dụng các mạch khĩa van theo pha, theo nhĩm hoặc là chung cho tồn mạch. Tùy thuộc vào số lƣợng van sử dụng trong mạch. 1.3. BIẾN TẦN NGUỒN DỊNG. Sơ đồ mạch lực và phƣơng pháp điều khiển. Biến tần nguồn dịng thƣờng đƣợc sử dụng trong các hệ thống truyền động điện cơng suất lớn. Nguồn cung cấp cho nghịch lƣu là nguồn dịng điện, dịng điện một chiều khơng phụ thuộc vào tổng trở của tải. Để thực hiện điều này thì điện cảm thƣờng cĩ giá trị phải đủ lớn và phải sử dụng các mạch vịng điều chỉnh dịng điện. Dịng điện tải cĩ dạng hình chữ nhật và do trình tự đống cắt của tác va từ V1 đế V6 quyết định Khi nghịch lƣu nguồn dịng làm việc với tải là động cơ điện xoay chiều thì trên đồ thị điện áp tải xuất hiện các xung nhọn tại các thời điểm chuyển mạch dịng điện giữa các pha. Trong thực tế thƣờng sử dụng các van điều khiển khơng hồn tồn vì vậy cần cĩ các mạch khĩa cƣỡng bức các van đang dẫn, đảm bảo chuyển mạch giữa các pha một cách chắc chắn trong phạm vi điều chihr tần số và dịng điện đủ rộng. Khi các tiristor T1 và T2 dân, hai tụ điện đƣợc nạp với điện tích dƣơng ở các bản cực trái. Việc mở các tiristor T3 và T4 làm các tụ điện nối vào các cực của T1 và T2 tƣơng ứng, để khĩa chúng lại. Bây giờ dịng điện đi qua T3 – C1 - D1, tải và D2 – C1 – T4. Điện áp trên các cực của tụ điện sẽ đảo chiều ở một số thời điểm nhất định phụ thuộc vào điện áp tải, các điốt D3 và D4 bắt đầu dẫn. Dịng điện nguồn sau một giai đoạn ngắn sẽ chuyển từ D1 sang D3 và từ D4 sang D2. Cuối cùng các diot D1 và D2 ngừng dẫn, khi dịng điện tải hồn tồn ngƣợc chiề. Điện áp trên các cực tụ điện đổi chiều để chuẩn bị co nửa chu kì sau. Sơ đồ nguyên lý đơn giản nhất của bộ nghịch lƣu nguồn dịng. 14
  15. L T1 T3 D3 D1 E IL Tai D4 D2 T4 T2 Hình 1.9: Bộ nghịch lƣu dịng điện một pha. Dịng điện tải cĩ dạng sĩng hình sin chữ nhật nếu bỏ qua giai đoạn chuyển mạch, điện áp ra cĩ dạng hình sin nhƣng cĩ mang các đỉnh nhọn tại thời điểm chuyển mạch. 15
  16. CHƢƠNG 2 : BIẾN TẦN 4Q 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BIẾN TẦN 4Q 2.1.1 Các tồn tại của các bộ biến tần thơng thƣờng Các bộ biến tần cĩ cấu trúc đƣợc mơ tả, ngồi các ƣu nhƣợc điểm đã đƣợc giới thiệu trong mục trƣớc cịn tồn tại một số nhƣợc điểm cơ bản sau: sĩng hài bậc cao trong dịng điện lƣới cĩ biên độ khá lớn làm méo dạng đƣờng cong điện áp lƣới điện; hệ số cơng suất cosφ khơng cao gây nên các tổn thất phụ, đặc biệt là khi hệ thống cơng suất lớn; phần lớn khơng thực hiện đƣợc quá trình biến đổi năng lƣợng từ phía tải (động cơ) đƣa trả lại lƣới điện xoay chiều nên ảnh hƣởng đến chất lƣợng của hệ thống truyền động và hiệu suất của hệ thống. Để tăng hệ số cơng suất, giảm tổn thất trong quá trình truyền tải điện năng, ngồi việc sử dụng bộ lọc để giảm biên độ sĩng hài bậc cao (sĩng hài bậc cao cũng là một yếu tố làm suy giảm hệ số cơng suất của bộ chỉnh lƣu), cĩ thể phải bố trí thêm các thiết bị bù cơng suất phản kháng. Về mặt nguyên tắc, cơng suất dƣ thừa trong động cơ (thƣờng là động năng hệ truyền động) cĩ thể đƣợc tiêu tán trên điện trở trong mạch một chiều nhờ khĩa đĩng cắt cĩ điềukhiển hoặc cĩ thể biến đổi thành điện năng xoay chiều và trả lại lƣới điện cung cấp xoay chiều. Chỉnh lƣu đi ốt (diode) chỉ cho phép năng lƣợng đi theo một chiều duy nhất. Vì vậy, năng lƣợng từ động cơ khơng thể trả về lƣới mà chỉ cĩ thể bị tiêu hao trên các điện trở (Rh) đƣợc điều khiển bởi các ngắt điện (Tr) nối phía mạch một chiều (hình 2.1). Trong trƣờng hợp cơng suất lớn thì địi hỏi điện trở phải chịu đƣợc dịng điện lớn, khĩ khăn trong việc chế tạo, tăng chi phí đầu tƣ. Mặt khác việc sử dụng điện trở hãm để tiêu tán năng lƣợng từ động cơ truyền đến làm giảm hiệu suất của hệ thống. Hình 2.1: Dập năng lƣợng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều 16
  17. Khi sử dụng chỉnh lƣu thyristor, cĩ thể thực hiện việc biến đổi năng lƣợng để chuyển trả về lƣới điện xoay chiều bằng cách mắc song song ngƣợc với sơ đồ chỉnh lƣu một bộ chỉnh lƣu tƣơng tự và điều khiển làm việc ở chế độ nghịch lƣu (hình 2.2). Quá trình biến đổi năng lƣợng trong hệ thống truyền động điện khi động cơ làm việc ở chế độ hãm diễn ra nhƣ sau: năng lƣợng cơ học từ phía động cơ (ở dạng động năng tích lũy đƣợc của hệ thống truyền động hoặc thế năng của phụ tải) đƣợc biến đổi thàng năng lƣợng điện trong các Hình 2.2: Sử dụng thêm bộ nghịch lƣu mắc song song ngƣợc với bộ chỉnh lƣu để trả năng lƣợng về lƣới điện xoay chiều cuộn dây động cơ và qua bộ nghịch lƣu của biến tần làm việc ở chế độ chỉnh lƣu đƣợc chuyển thành năng lƣợng điện một chiều, sau khi qua bộ nghịch lƣu thyristor đƣợc biến đổi thành năng lƣợng điện xoay chiều và đƣợc chuyển vào lƣới điện xoay chiều 2.1.2 Biến tần bốn gĩc phần tƣ (biến tần 4Q) Các phƣơng pháp sử dụng bộ lọc để giảm sĩng hài bậc cao trong dịng điện nguồn, sử dụng thiết bị bù để tăng hệ số cơng suất, dùng điện trở hãm hoặc bộ nghịch để giải phĩng năng lƣợng dƣ của động cơ cịn tồn tại những vấn đề nhƣ: hệ thống cồng kềnh, đầu tƣ lớn, lọc sĩng hài bậc cao khĩ, khi cơng suất hệ lớn thì điều chỉnh khĩ khăn. Với chỉnh lƣu diode chỉ cho phép năng lƣợng chảy theo một chiều và khơng điều khiển đƣợc. Sự thay đổi của năng lƣợng sẽ xuất hiện một cách tự nhiên với sự thay đổi của điện áp nguồn cấp và tải. Trong nhiều ứng dụng năng lƣợng cần đƣợc điều khiển. Thậm chí đối với tải địi hỏi điện áp khơng đổi hay dịng điện khơng đổi, điều khiển là việc cần thiết để bù nguồn cấp và sự thay đổi của tải. Chỉnh lƣu thyristor cĩ thể điều khiển đƣợc dịng năng 17
  18. lƣợng bằng cách thay đổi gĩc điều khiển (gĩc mở) của thyristor. Bộ biến đổi này cịn cĩ thêm khả năng biến đổi năng lƣợng từ một chiều sang xoay chiều hay làm việc ở chế độ nghịch lƣu. Khi gĩc điều khiển nằm giữa 0 và л/2 bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lƣu, cịn khi gĩc điều khiển nằm giữa л/2 và л thì bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lƣu và năng lƣợng từ phía một chiều đƣợc chuyển về lƣới xoay chiều. Tuy nhiên, khi sử dụng thêm một nghịch chỉnh lƣu bằng thyristor mắc song ngƣợc với bộ chỉnh lƣu, ngồi nhƣợc điểm là thiết bị phần lực rất cồng kềnh, cịn cĩ thêm nhƣợc điểm là dịng điện qua lƣới chứa nhiều sĩng điều hồ bậc cao làm ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng điện năng và làm giảm hệ số cơng suất. Mặt khác nhiều hệ thống truyền động điện cĩ yêu cầu cao về chất lƣợng động, ví dụ nhƣ độ tác động nhanh cao, khi đĩ yêu cầu động cơ phải thay đổi chế độ làm việc một cách linh hoạt. Với một số hệ thống truyền động, tải mang tính chất thế năng, khi đĩ yêu cầu động cơ trong hệ thống phải làm việc đƣợc ở cả bốn gĩc phần tƣ, tức là ngồi chế độ động cơ ra thì phải làm việc đƣợc ở các chế độ hãm, đặc biệt là phải làm việc đƣợc ở chế độ hãm tái sinh. Để động cơ cĩ thể làm việc cả bốn gĩc phần tƣ thì thì yêu cầu bộ biến tần phải cĩ khả năng thực hiện trao đổi đƣợc năng lƣợng hai chiều. Các bộ biến tần nhƣ vậy đƣợc gọi là biến tần bốn gĩc phần tƣ. Nhiều chuyên gia và nhiều hãng khác nhau đã thực hiện khá nhiều nghiên cứu để tìm cách xây dựng các bộ biến tần bốn gĩc phần tƣ. Khối nghịch lƣu của biến tần, kể cả biến tần điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) hoặc biến tần điều khiển vector, , đều cĩ thể thực hiện trao đổi cơng suất hai chiều: từ phía một chiều sang động cơ và ngƣợc lại. Nhƣ vậy, để bộ biến tần cĩ thể thực hiện trao đổi cơng suất hai chiều thì vấn đề cịn lại là khối chỉnh lƣu cũng phải cĩ khả năng trao đổi cơng suất hai chiều. Nhƣ đã nêu ở trên, để thực hiện yêu cầu này cĩ thể sử dụng hai sơ đồ chỉnh lƣu điều khiển bằng thyristo cùng loại mặc song ngƣợc, một sơ đồ đƣợc dùng để chỉnh lƣu khi cần thực hiện biến đổi năng lƣợng điện xoay chiều từ phía lƣới thành năng lƣợng điện một chiều cấp cho khối nghịch lƣu, cịn sơ đồ kia sẽ đƣợc điều khiển làm việc ở chế độ nghịch lƣu khi cần biến đổi năng lƣợng điện từ phía một chiều (năng lƣợng từ động cơ đƣợc khối nghịch lƣu làm việc ở chế độ 18
  19. chỉnh lƣu chuyển sang) thành năng lƣợng điện xoay chiều trả lại lƣợng điện xoay chiều. Tuy nhiên, cấu trúc biến tần này cĩ phần chỉnh lƣu rất cồng kềnh, dịng điện qua lƣới điện cĩ nhiều sĩng hài bậc cao với biên độ khá lớn, hệ số cơng suất thấp khi điều chỉnh sâu. Nhƣ vậy, nhiệm vụ cơ bản đặt ra là phải nghiên cứu tìm ra đƣợc một khối chỉnh lƣu cĩ các ƣu điểm: - Giảm đƣợc biên độ các sĩng điều hồ bậc cao dịng điện lƣới. - Hệ số cosφ cao. - Cĩ khả năng trao đổi cơng suất theo hai chiều. Bộ chỉnh tích cực PWM ra đời đã đáp ứng đƣợc các yêu trên . 2.2. CẤU TẠO MẠCH LỰC BIẾN TẦN 4Q Cấu trúc cơ bản biến tần 4Q Hình 2.3: cấu tạo mạch lực biến tần 4Q Sơ đồ trên bao gồm 2 khối chỉnh lƣu và nghịch lƣu cĩ cấu tạo nhƣ nhau và chung mạch một chiều. Vì vậy thƣờng gọi là sơ đồ dựa lƣng vào nhau. Ngồi ra đầu vào biến tần cĩ lắp thêm cuộn cảm L Cấu trúc phổ biến này cĩ các ƣu điểm là sử dụng các module ba pha số lƣợng van nhỏ nên cĩ thể giảm giá thành, năng lƣợng cĩ khả năng chảy hai chiều Cấu trúc này cĩ triển vọng nên đang đƣợc phát triển. Trong hệ thống phân bố năng lƣợng một chiều hay biến đổi xoay chiều một chiều xoay chiều. Năng lƣợng xoay chiều đầu tiên đƣợc biến đỏi sang một chiều nhờ vào chỉnh lƣu ba pha PWM. Nĩ cĩ hệ số cơng suất bằng một và dịng đện chứa ít thành phần sĩng hài bậc cao. Các bộ biến đổi này nối với đƣờng truyền một chiều sẽ mang lại 19
  20. cho tải những chuyển đổi mong muốn nhƣ thay đổi tốc độ truyền động động cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, bộ biến đổi từ một chiều sang một chiều vv Hơn nữa bộ biến đổi xoay chiều một chiều xoay chiều sẽ mang lại một số điểm nhƣ sau: - Động cơ hoạt động ở tốc độ cao hơn mà khơng phải giảm từ trƣờng (bởi sự duy trì điện áp đƣờng truyền một chiều trên điện áp đỉnh của nguồn cấp) - Về lý thuyết, giảm đƣợc 1/3 điện áp so sánh với cấu hình quy ƣớc do điều khiển đồng thời chỉnh lƣu và nghịch lƣu) - Phản ứng của bộ điều khiển điện áp cĩ thể đƣợc cải tiến bởi tín hiệu đƣa đến từ tải dẫ đến giảm mức tối thiểu điện dung một chiều, trong khi việc duy trì điện áp một chiều dƣới giới hạn cho phép thay đổi tải. 2.2.1. Cấu trúc mạch lực của chỉnh lƣu PWM Hình 2.4a: Sơ đồ thay thế đơn giản của chỉnh lƣu 3 pha PWM cho cơng suất chảy theo cả hai chiều 20
  21. Hình 2.4b: Sơ đồ thay thế điện của một nhánh Hình 2.4b biểu diễn một pha của mạch chỉnh lƣu giới thiệu ở hình 2.4a. L và R là điện cảm của lƣới, UL là điện áp lƣới và US là điện áp bộ chuyển đổi cĩ thể điều khiển đƣợc từ phía một chiều. 2.2.2. Điều kiện để chỉnh lƣu PWM hoạt động: Điều kiện hoạt động của chỉnh lƣu PWM: Vdcmin>VCL tự nhiên (thƣờng ít nhất là 20%). Cĩ cuộn cảm đầu vào để tạo kho từ trao đổi năng lƣợng với lƣới. Điều khiển chỉnh lƣu theo luật điều khiển PWM Quá trình làm việc của chỉnh lƣu PWM yêu cầu một giá trị điện áp một chiều nhỏ nhất. Thơng thƣờng, cĩ thể xác định bằng điện áp dây lớn nhất: Vdcmin>VLN(rms)* 3 * 2 = 2,45* VLN(rms) (1.6) Ta cĩ biểu thức điện áp 22 udc> (())Em  Li Ld (1.7) Biểu thức trên chỉ ra mối quan hệ giữa điện áp nguồn và điện áp một chiều đầu ra, dịng điện (tải) và cảm kháng. Cuộn cảm phải đƣợc lựa chọn kỹ bởi cảm kháng thấp sẽ làm cho dịng điện nhấp nhơ lớn và làm cho việc thiết kế phụ thuộc nhiều vào trở kháng đƣờng dây. Cảm kháng cĩ giá trị lớn làm giảm độ nhấp nhơ dịng điện, nhƣng đồng thời cũng làm giảm giới hạn làm việc của chỉnh lƣu. Điện áp rơi trên cuộn cảm cĩ ảnh hƣởng tới dịng điện nguồn. Điện áp rơi này đƣợc điều chỉnh bởi điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM nhƣng giá trị lớn nhất đƣợc giới hạn bởi điện áp 1 chiều. Kết quả là, dịng điện lớn(cơng suất lớn) qua cảm kháng cũng cần điện áp 21
  22. một chiều lớn hay cảm kháng nhỏ. Vì vậy, sau khi biến đổi phƣơng trình (1.6) độ tự cảm lớn nhất xác định: uE22 L< dc m . (1.8) .iLD 2.2.3. Giản đồ vectơ Cuộn cảm đƣợc nối giữa đầu vào chỉnh lƣu và lƣới đĩng vai trị là bộ tích phân trong mạch. Nĩ mang đặc tính nguồn dịng của mạch đầu vào và cung cấp đặc trƣng tăng thế của bộ biến đổi. Dịng điện lƣới iL đƣợc điều khiển bởi điện áp rơi trên điện cảm L nối giữa 2 nguồn áp (lƣới và bộ biến đổi). Nĩ cĩ nghĩa rằng điện áp của cuộn cảm uL tƣơng đƣơng với độ chênh lệch giữa điện áp lƣới và điện áp bộ biến đổi. Khi điều khiển gĩc pha ε và biên độ của điện áp bộ biến đổi, tức là đã điều khiển gián tiếp pha và biên độ của dịng điện lƣới. Theo cách này, giá trị trung bình và dấu của dịng điện 1 chiều là đối tƣợng để điều khiển tỷ lệ với cơng suất tác dụng qua bộ biến đổi. Cơng suất phản kháng cĩ thể đƣợc điều khiển một cách độc lập với sự thay đổi của thành phần dịng điều hồ cơ bản IL đối với điện áp UL. Hình 2.5: Sơ đồ thay thế một pha và đồ thị vector a. Sơ đồ thay thế một pha bộ chỉnh lưu tích cực PWM b. Đồ thị vector tổng quát của bộ chỉnh lưu c. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số cơng suất bằng 1 22
  23. d. Đồ thị vector bộ chỉnh lưu PWM với hệ số cơng suất bằng -1 (nghịch lưu) Hình 2.5 giới thiệu đồ thị véctơ với các trƣờng hợp bộ chỉnh lƣu thơng thƣờng và bộ chỉnh lƣu PWM ở hai chế độ chỉnh lƣu và nghịch lƣu. Nhƣ vậy bộ chỉnh lƣu PWM cho phép năng lƣợng chảy theo 2 chiều và cĩ hệ số cơng suất = 1. Hình vẽ cho thấy vector điện áp us trong quá trình tái sinh cao hơn (lên đến 3%) so với chế độ chỉnh lƣu. Nĩ cĩ nghĩa là 2 chế độ này là khơng đối xứng. 2.2.4. Các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi PWM Khi sử dụng bộ chỉnh lƣu PWM, điện áp phía xoay chiều của chỉnh lƣu PWM cĩ thể điều khiển đƣợc cả biên độ và pha để thu đƣợc dịng điện lƣới hình sin với hệ số cơng suất bằng 1. Thêm vào đĩ, chỉnh lƣu PWM cung cấp điện áp một chiều ổn định và hoạt động nhƣ một bộ lọc tích cực lƣới điện dùng để bù sĩng điều hồ và cơng suất phản kháng tại các điểm chồng chéo nhau trong mạng phân bố. Điện áp bộ biến đổi cầu cĩ thể đƣợc đặc trƣng bởi 8 trạng thái chuyển mạch cĩ thế (6 trạng thái tích cực và 2 trạng thái 0) đƣợc mơ tả bởi phƣơng trình: jk /3 (2 / 3)uedc uk 1 Với k =0 5 (1.9) 0 Hình 2.6: Trạng thái chuyển mạch của bộ chỉnh lƣu PWM. 23
  24. 2.3 CHỈNH LƢU PWM CHO BIẾN TẦN 4Q 2.3.1 Tổng quan về chỉnh lƣu PWM. Chỉnh lƣu tích cực là các bộ biến đổi bán dẫn cơng suất dùng để biến đổi nguồn điện áp xoay chiều thành nguồn điện áp một chiều, cung cấp cho các phụ tải một chiều. Các sơ đồ chỉnh lƣu truyền thống sử dụng các van khơng điều khiển nhƣ Diot hoặc điều khiển khơng hồn tồn nhƣ Thysistor cĩ nhƣợc điểm là dịng đoầu vào khơng cĩ dạng sin và hệ số cơng suất thấp, ảnh hƣởng tới phụ tải khác trong lƣới điện và làm tăng tổn thất trên lƣới nĩi chung. Ngày nay cùng với sự xuất hiện của các phần tử bán dẫn điều khiển hồn tồn nhƣ IGBT, GTO với khả năng đĩng cắt dịng điện lớn, chịu đƣợc điện áp cao, thì việc xây dựng các bộ chỉnh lƣu với dịng đầu vào hình sin, hệ số cơng suất điều chỉnh đƣợc đến bằng đã hồn tồn cĩ thể thực hiện đƣợc. Đây đƣợc gọi là các bộ chỉnh lƣu tích cực. Chỉnh lƣu tích cực khơng hồn tồn thay thế các chỉnh lƣu thơng thƣờng nhƣng đƣợc áp dụng rộng rãi trong ác hệ thống truyền tải điện xoay chiều thơng minh, trong các bộ nguồn chất lƣợng cao. Hơn nữa chỉnh lƣu tích cực cịn cĩ khả năng trao đổi cơng suất giữa tải và lƣới theo cả hai chiều nên chỉnh lƣu tích cực cũng là đầu vào một chiều cho các bộ biến tần bốn gĩc phần hay cịn gọi là biến tần 4Q. Các chỉnh lƣu tích cực đều áp dụng phƣơng pháp biến điệu bề rộng xung để điều chỉnh điện áp phía một chiều nên cịn đƣợc gọi là chỉnh lƣu PWM. Chỉnh lƣu tích cực cĩ 2 loại : - Chỉnh lƣu cĩ điện áp ra cao hơn biên độ điện áp xoay chiều đầu vào PWM Boost Rectifier - Chỉnh lƣu cĩ điện áp ra nhỏ hơn biên độ điện áp xoay chiều đầu vào PWM Buck Rectifier. 24
  25. 2.3.2. Mơ tả tốn học chỉnh lƣu PWM Mối quan hệ cơ bản giữa các vector chỉnh lƣu PWM thể hiện trong hình Hình 2.7: Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lƣu PWM. 1. Mơ tả dịng điện và điện áp nguồn Dịng điện và điện áp nguồn 3 pha: uam Ecos( t ) (2.1 a) 2 u Ecos( t ) (2.1 b) bm 3 2 u Ecos( t ) (2.1 c) cm 3 iam Icos( t ) (2.2 a) 2 i Icos( t ) (2.2 b) bm 3 2 i Icos( t ) (2.2 c) cm 3 25
  26. Trong đĩ: Em(Im) và  là biên độ điện áp(dịng điện) pha và tần số gĩc tƣơng ứng, với giả thiết: ia+ib+ic=0 (2.3) Chúng ta cĩ thể chuyển phƣơng trình 2.1 sang hệ α-β. Khi đĩ điện áp đầu vào trong hệ toạ độ α-β đƣợc biểu diễn bởi: 3 u Ecos( t ) (2.4) Lm 2 3 u Esin( t ) (2.5) Lm 2 Và điện áp đầu vào trong hệ toạ độ quay d-q (hình 2.2) đƣợc biểu diễn: 3 22 uLd E uu m LL  2 (2.6) uLq 0 0 2. Mơ tả điện áp vào bộ chỉnh lƣu PWM Điện áp dây đầu vào chỉnh lƣu PWM cĩ thể mơ tả nhƣ sau: uSab ( S a S b ). u dc (2.7 a) uSbc ( S b S c ). u dc (2.7 b) uSca ( S c S a ). u dc (2.7 c) và điện áp pha đƣợc tính nhƣ sau: uSa f a. u dc (2.8 a) uSb f b. u dc (2.8 b) uSc f c. u dc (2.8 c) Trong đĩ: 2SSS ( ) f a b c (2.9 a) a 3 2SSS ( ) f b a c (2.9 b) b 3 2SSS ( ) f c a b (2.9 c) c 3 fa, fb, fc nhận các giá trị : 0; 1/3; 2/3 26
  27. 3. Mơ tả tốn học bộ chỉnh lƣu PWM Phƣơng trình điện áp đƣợc viết nhƣ sau: uLIS u u (2.10) di u Ri L L u ( 2.11) LLSdt ua i a i a u Sa d u R i L i u (2.12) b b dt b Sb uc i c i c u Sc Ngồi ra dịng điện: du Cdc S i S i S i i (2.13) dt a a b b c c dc Kết hợp các phƣơng trình 2.8, 2.9, 2.12, 2.13 ta thu đƣợc sơ đồ khối bộ chỉnh lƣu PWM trong hệ toạ độ 3 pha nhƣ hình sau: Hình 2.8: Sơ đồ khối bộ chỉnh lƣu PWM trong hệ toạ độ tự nhiên. 27
  28. a. Mơ tốn học bộ chỉnh lƣu PWM hệ toạ độ tĩnh α-β. Phƣơng trình điện áp trong khung toạ độ tĩnh α-β tìm đƣợc bằng cách áp dụng phƣơng trình: 1 1/ 2 1/ 2 xa x 2 xxb 0 3 / 2 3 / 2  (2.14) 3 x x c 1/ 2 1/ 2 1/ 2 0 Vào các phƣơng trình (2.12), (2.13) uLLLS i d i u RL (2.15) uLLLS i  dt i  u  và du Cdc () i S i S i (2.16) dt L L   dc 11 Trong đĩ: SSSSSSS (2 ); ( ) (2.17) 62a b c b c Sơ đồ khối bộ chỉnh lƣu PWM trong hệ toạ độ tĩnh α-β nhƣ sau. Hình 2.9: Sơ đồ khối bộ chỉnh lƣu PWM trong hệ toạ độ tĩnh α-β. 28
  29. b. Mơ tả tốn học bộ chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ quay d-q Các phƣơng trình trong hệ toạ độ d-q cĩ đƣợc bằng cách biến đổi phƣơng trình: kd cosUL sin UL k (2.18) k k q sinUL cos UL  Ta đƣợc di u Ri LLd  Li u (2.19 a) Ld Lddt Lq Sd di u Ri LLq  Li u (2.19 b) Lq Lqdt Ld Sq du Cdc () i S i S i (2.20) dt Ld d Lq q dc Với: Sd S cos t S sin t Sq S cos t S sin t Sơ đồ khối bộ chỉnh lƣu PWM trong hệ toạ độ d-q: Hình 2.10: Sơ đồ khối bộ chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ quay d-q. 29
  30. Trong thực tế, cĩ thể bỏ qua điện trở R, bởi vì điện áp rơi trên R nhỏ hơn nhiều so với điện áp rơi trên cuộn dây. Các phƣơng trình (2.13), (2.15), (2.18) cĩ thể viết đơn giản: di u L L u (2.21) LSdt ua i a u Sa d u L i u (2.22) b dt b Sb uc i c u Sc uLLS d i u L (2.23) uLLS dt i  u  di u LLd  Li u (2.24) Lddt Lq Sd di u LLq  Li u (2.25) Lqdt Ld Sq Cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng từ nguồn xác định bởi: * p Re ui .  ui ui   uia a uiui b b c c (2.26) * 1 q Im ui . uiui  ( uiuiuibc a ca b ab c ) (2.27) 3 Trong hệ toạ độ d-q: 3 p () u i u i E I (2.28) Lq Lq Ld Ld2 m m q () uLq i Ld u Ld i Lq (2.29) Nếu giả sử hệ số cơng suất bằng 1 ta cĩ: 33 i 0, u 0, u E , i I , q 0 Lq Lq Ld22 m Ld m 30
  31. Hình 2.11: Dịng cơng suất trong bộ biến đổi AC/DC hai chiều phụ thuộc vào hƣớng iL. 4. Tính tốn giá trị giới hạn của điện cảm. Từ chế độ làm việc của dịng tải lớn nhất ta cĩ thể tính tốn giá trị giới hạn cảu điện cảm : Đối với sơ đồ ba pha, điện áp một chiều phải lớn hơn biên ddj điện áp dây: mm Ud kU1,1 k3 U 1 Với k là hệ số, thƣờng chọn k=1.1  1.2 = const Độ dài của vector thỏa mãn phƣơng trình sau: 2 2 2 Ui U1 UL Hay : 2 2 Ud m 2 U11  LI 3 Kết hợp 3 cơng thức trên ta cĩ quan hệ : 2 LI11 U k 1 Biểu thức trên cho ta tính đƣợc giá trị giới hạn của đện cảm ứng với dịng tải lớn nhất của sơ đồ. 31
  32. 2.3.3. Phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM Dựa vào hai đại lƣợng vector cơ bản là điện áp và từ thơng ảo để xây dựng phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu. Hiện nay cĩ hai phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM là phƣơng pháp điều khiển định hƣớng theo vector điện áp VOC và phƣơng pháp điều khiển trực tiếp cơng suất DPC. Kết hợp với hai đại lƣợng vector cơ bản nhƣ vậy ta cĩ bốn cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM Hình 2.12: Các phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM 2.3.4. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM Sau đây là trình bày về hai trong số bốn phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM đĩ là điều khiển định hƣớng theo vector điện áp với hai đại lƣợng cơ bản là Vector điện áp và Vector từ thơng ảo 32
  33. 1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo Vector điện áp sử dụng đại lƣợng Vector điện áp - iq ref = 0 id ref Hình 2.13: Sơ đồ khối của phƣơng pháp điều khiển VOC. Đặc điểm của phƣơng pháp điều khiển dựa vào dịng điện là xử lý tín hiệu trong hai hệ trục toạ độ là hệ trục toạ độ tĩnh - và hệ trục toạ độ quay d-q. Các giá trị đo đƣợc trong hệ trục toạ độ tự nhiên đầu tiên đƣợc biến đổi sang hệ trục toạ độ tĩnh - sau đĩ đƣợc biến đổi sang hệ trục toạ độ quay d-q nhƣ trên sơ đồ khối. Cơng thức biến đổi từ hệ toạ độ - sang hệ toạ độ d-q là k cos sin k UL UL d (2.33) k k  sinUL cos UL q Trong cả hai hệ trục toạ độ véc tơ điện áp UL đƣợc xác định nhƣ sau 2 2 sinUL u L / u L u L  (2.34) 2 2 cosUL u L / u L u L  33
  34. Trong hệ toạ độ quay d-q dịng điện lƣới iL đƣợc chia làm hai thành phần là iLd (thành phần dọc trục) và iLq (thành phần ngang trục) trong đĩ iLd xác định hƣớng dịng của cơng suất tác dụng và iLq xác định cơng suất phản kháng. Nhờ đĩ mà cơng suất tác dụng cũng nhƣ phản kháng cĩ thể điều khiển một cách độc lập. Hệ số cơng suất bằng một khi véc tơ dịng điện lƣới iL trùng pha với véc tơ điện áp lƣới uL. Đặt trục d của hệ trục toạ độ quay trùng với véc tơ điện áp lƣới thì cĩ thể cĩ đƣợc mơ hình động lực học đơn giản. trục  trục q trục d (quay) trục Hình 2.14: Sơ đồ véc tơ VOC. Biến đổi dịng, áp lƣới và điện(cố áp định đầu) vào bộ chỉnh lƣu từ hệ trục toạ độ - sang hệ trục toạ độ d-q Cơng thức tính điện áp lƣới trong hệ trục d-q nhƣ sau: di u R i LLd u  L i (2.35) Ld Lddt Sd Lq di u R i LLq u  L i (2.36) Lq Lqdt Sq Ld Theo hình 2.12 thì dịng điện ngang trục iLq đƣợc đặt bằng 0 để cĩ đƣợc hệ số cơng suất bằng 1 và dịng điện dọc trục iLd đƣợc đặt bởi bộ điều khiển điện áp một chiều và điều khiển dịng cơng suất tác dụng giữa ngƣời cấp và điện áp một chiều trung gian. Giả sử điện trở đầu vào coi nhƣ vơ cùng bé so với điện cảm đầu vào thì cơng thức cĩ thể tối giản thành: di u LLd u  L i (2.37) Lddt Sd Lq di 0 LLq u  . L . i (2.38) dt Sq Ld 34
  35. Nếu dịng điện ngang trục iLq đạt đƣợc giá trị 0 thì cơng thức sau đúng: di u LLd u (2.39) Lddt Sd 0 uSq . L . i Ld (2.40) Bộ điều khiển dịng điện cĩ thể sử dụng bộ PI, tuy nhiên bộ điều khiển PI khơng đáp ứng đƣợc đặc tính động đặc biệt là khi sử dụng cơng thức (2.37) và (2.38) vì vậy để đáp ứng đƣợc đặc tính động học của dịng điện thì cần tách riêng từng dịng điện đầu vào bộ chỉnh lƣu ra để điều khiển. uSd  Li Lq u Sd u d (2.41) uSq  L i Lq u q (2.42) Trong đĩ là tín hiệu ra của bộ điều khiển dịng điện u k( i i ) k ( i i ). dt d p d d i d d (2.43) u k( i i ) k ( i i ). dt q p q q i q q (2.44) Tín hiệu đầu ra bộ PI sau khi đƣợc biến đổi từ dq sang  đƣợc sử dụng làm tín hiệu đĩng cắt cấp cho bộ điều chế véc tơ khơng gian Hình 2.15: Điền khiển tách dịng điện đầu vào bộ chỉnh lƣu PWM 35
  36. 2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo Vector điện áp sử dụng Vector từ thơng ảo (VFOC) Hình 2.16: Sơ đồ khối của phƣơng pháp điều khiển VFOC Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC khác biệt so với VOC thể hiện ở hình trên . Trục d đƣợc chọn trùng với Vector  L do vậy điện áp Ul sẽ trùng với trục q. Vector dịng điện i1 trùng với U1 nên ta cĩ i1d =0 và i1q = i1 do vậy * * mạch vịng điều chỉnh theo VFOC sẽ cĩ lƣợng đặt id 0 và iq lấy từ đầu ra bộ điều chỉnh điện áp một chiều. Cơng thức tính  L và  L là : di  Li U L dt dt di  U L dt Li dt 36
  37. Và gĩc theo cơng thức :  L sin 22 LL   cos L 22 LL  2.4 ĐIỀU CHẾ VECTOR KHƠNG GIAN CHO BIẾN TẦN 4Q Nghịch lƣu sủ dụng pháp điều khiển điều chế vector khơng gian là các bộ nghịch lƣu hoạt động theo kiểu cắt xung với tần số cắt cao.Các van sử dụng ở đây chủ yếu là Tránistor(IGBT ,MOSFET) ta cĩ sơ đồ mạch nguyên lý hình 2.17 Hình 2.17: Mạch Nguyên lý nghịch lƣu sử dụng phƣơng pháp điều chế vector 37
  38. Hình 2.18: Mạch nghịch lƣu Bằng 3 nhánh van ta cĩ thể tạo ra 8 trạng thái logic ứng với 8 vector điện áp chuẩn U0,U1, U7. Trong đĩ hai vector U0 và U7 là các vector cĩ module bằng khơng. Vị trí tƣơng đối của các vector chuẩn so với các trục α,β đƣợc minh họa bằng hình ảnh : B cuon day pha V S2 U3 U2 S3 S1 Q2 Q1 U4 U1 a cuon day Q3 Q4 pha U S4 S6 U5 S5 U6 cuon day pha W S1 Hình 2.19: 8 vector khơng gian điện áp ứng với 8 trạng thái Vector chuẩn chia khơng gian vector thành các gĩc phần sáu S1 S6 (S : sector) và các gĩc phần tƣ Q1 Q4 (Q : quadrant) đƣợc phân chia bởi 2 trục của hệ tọa độ 38
  39. Trạng thái logic của các nhánh van đƣợc tập hợp trong bảng dƣới đây Bảng 2.1: Trạng thái đống mở van pha U0 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 u 0 1 1 0 0 0 1 1 v 0 0 1 1 1 0 0 1 w 0 0 0 0 1 1 1 1 Để thực hiện điều chế khơng gian vector ta thực hiện các bƣớc sau - Xác định us thuộc gĩc phần tƣ ,phần sáu nào - Xác định thời gian,van kích mở 2.4.1.Nguyên lý của phƣơng pháp điều chế vector khơng gian Làm thế nào để thực hiện một vector điện áp? Ta lấy một ví dụ cụ thể: Giải sử thực hiện vector Us bất kì trong đĩ cĩ thể nằm trong gĩc phần sáu bất kì nào đĩ, ta cĩ thể chọn Us nằm ở S1. Us cĩ thể tách thành tổng của hải vector con Up và Ut tựa theo hƣớng của 2 điện áp chuẩn U1 và U2. Từ đĩ ta quy vấn đề thực hiện Us thành việc thực hiện 2 vector chuẩn ( trong ví dụ mà ta đang xét) U1 và U2 trong khoảng thời gian Tp và Tt ứng với : Up Ut Tp T và Tp T Us max Us max Để tính đƣợc Tp và Tt ta phải biết modul của các vector biên phải Up và biên trái Ut. Vậy trong khoảng thời gian T-(Tp+Tt) biến tần làm gì? . Ta tìm đƣợc ngay câu trả lời : trong khoảng thời gian T-(Tp+Tt) biến tần thực hiện 1 trong 2 vector module bằng khơng U0 hoặc U7. Bằng cách đĩ trên thực tế ta đã thực hiện đƣợc phép cộng vector : Tp Tt T-(Tp+Tt) Us = Ut + Up + U0 (U7) = U1+ U2+ U0 TTT 39
  40. Vậy trình tƣ thực hiện 3 vector U1,U2 và U0 hoặc U7 Để làm sáng tỏ vấn đề trên ta tách riêng mẫu xung của bốn vector trên thành một bảng riêng U0 U1 U2 U7 U 0 1 1 1 V 0 0 1 1 W 0 0 0 1 Bảng 2.2 : Mẫu xung của bốn Vector U0,U1,U2,U7 Trình tự cĩ lợi nhất nếu trong một chu kì các cặp van ít phải chuyển mạch nhất. Cụ thể ở đây mỗi cặp van sẽ chỉ phải chuyển mạch một lần - Nếu trạng thái cuối cùng là U0 thì trình tự thực hiện sẽ là U1-U2-U7 - Nếu trạng thái cuối cùng là U7 thì trình tự thực hiện sẽ là U2-U1-U0 Bằng phƣơng pháp thực hiện điện áp nhƣ vậy ta sẽ gây tỏn hao đĩng ngắt các van của biến tần ở mức ít nhất. Nếu ta vẽ ghép tƣợng trƣng hai chu kỳ nối tiếp nhau thuộc gĩc phần sáu thứ nhất S1 40
  41. Hình 2.20: Biểu đồ xung kích thuộc S1 Các gĩc phần sáu cịn lại cách thực hiện giống hệ S1 Hình 2.21: Biểu đồ xung kích thuộc S2 41
  42. Hình 2.22: Biểu đồ xung kích thuộc S3 Hình 2.23: Biểu đồ xung kích thuộc S4 42
  43. Hình 2.25: Biểu đồ xung kích thuộc S6 Hình 2.27: Biểu đồ xung kích thuộc S5 2.4.2.Thời gian đĩng cắt van bán dẫn Vấn đề ở đây là chúng ta tính tốn Ut và Up nhƣ thế nào để tính đƣợc Tp và Tt (vì các đại lƣợng cịn lại đã biết). Ta cĩ 2 phƣơng pháp tính - Phƣơng pháp 1: Trên cơ sở cơng thức: Vu=Vs + arctg( Usq ) ta tính đƣợc Vsu và do đĩ Usd tính đƣợc γ . Module của các vector biên phải biên trái sẽ cĩ giá trị nhƣ sau: 43
  44. 2 Us sin(600  ) Up 3 2 Us sin( ) Ut 3 Trong đĩ Us (Usd)22 (Usq ) - Phƣơng pháp 2 : Các vector biên phải và biên trái đƣợc tính trực tiếp từ Usα và Usβ theo cơng thức: Us Up Us 3 2 Us Ut 3 Phƣơng pháp 1 cĩ hiệu lực trong tồn bộ khơng gian vector nhƣng phƣơng pháp 2 chỉ cĩ hiệu lực trong S1 44
  45. Ta cĩ bảng : Bảng 2.3: modul các vector biên trái , biên phải tính bằng các thành phần điện áp , Up Ut 1 2 S1 Q1 Us  Us Us 3 3 1 1 Q1 Us  Us Us  Us 3 3 S2 1 1 Q2 Us  Us Us  Us 3 3 1 S3 Q2 Us  Us 3 2 S4 Q3 Us 3 1 1 Q3 Us  Us Us  Us 3 3 S5 1 1 Q4 Us  Us Us  Us 3 3 1 S6 Q4 Us  Us 3 45
  46. Việc áp dụng phƣơng pháp 2 tƣởng chừng phức tạp do sử dụng nhiều cơng thức khác nhau tuy vậy quan sát kỹ tất cả cịn chỉ quy về 3 cơng thức: Us Us  2 Us  a Us ; b Us ; c 3 3 3 Trong cả 3 cơng thức đều khơng chứa phép chia cũng nhƣ phép tính lƣợng giác. Vì thế áp dụng chúng cĩ lời hơn nhiều về thời gian tính tốn. Vấn đề cịn tồn tại đĩ là biết đƣợc Us nằm ở gĩc phần tƣ, gĩc phần sáu nào của khơng gian vector để lựa chọn cơng thức cho đúng. Đây là việc đơn giản ta cĩ thể làm theo các bƣớc: - Xét dấu của Usα và Usβ để dễ dàng nhận biết vector Us nằm ở gĩc phần tƣ thứ mấy. Us - Biểu thức b Us sẽ đổi dấu mỗi khi vector Us đi qua ranh giới 3 giữa hai gĩc phần sáu bất kì. Sau khi đã biết gĩc phần tƣ ( bƣớc 1) bằng việc xét dấu b ta sẽ biết đƣợc gĩc phần sáu cụ thể thuộc gĩc phần tƣ đĩ. 46
  47. Ta cĩ lƣu đồ thuật tốn : Nhập số liệu Us và Us Tính a,b,c theo cơng thức : Usb Usb 2 Us a Us ; b Us ; c 3 3 3 Us 0? Sai Đúng Us 0? Us 0? Sai  Q1 Đúng  Q2 Đúng  Q3 Sai  Q4 b 0? b 0? b 0? b 0? Sai Đúng Đúng Sai Sai Đúng Đúng Sai S1 S2/Q1 S2/Q2 S3 S4 S5/Q3 S5/Q4 S6 Tính thời gian đĩng ngắt van theo cơng thức chuẩn bị sẵn phù hợp với phần cứng Xuất số liệu về thời gian đĩng ngắt van Hình 2.28: Biều đồ tính tổng quát của thuật tốn điều chỉnh vector khơng gian 47
  48. CHƢƠNG 3 : MƠ PHỎNG BIẾN TẦN 4Q 3.1 : MƠ PHỎNG PHÍA CHỈNH LƢU Mơ phỏng chỉnh lƣu PWM Trong phƣơng pháp điều biến độ rộng xung PWM cịn chia ra làm hai cách điều chế: - Điều chế đơn cực : Là dạng điều biến mà trong đĩ tại ½ chu kì điện áp mong muốn chỉ cĩ một cặp van đƣợc điều khiển đĩng mở, điện áp trên tải sẽ tồn tại các giá trị 0, E hoặc 0,-E - Điều biến dạng lƣỡng cực: là dạng điều biến mà trong đĩ tại mọi thời điểm luơn cĩ mộ cặp van điều khiển dẫn do vậy gái trị điện áp trên tải chỉ tồn tại hai giá trị E hoặc –E Các bƣớc thực hiện phƣơng pháp điều chế : - Tạo ra một tín hiệu hình sin cĩ biên độ Um tần số bằng tần số cần thiết ở đầu ra của biến tần. - Tạo ra cung tam giác cĩ biên độ Up và tần số cố điện là bộ số của tần số sĩng hình sin. Chính dạng của xung tam giác nên ta cĩ 2 phƣơng pháp là đơn cực và lƣỡng cực - So sánh tín hiệu hình sin với tín hiệu xung tam giác, thời điểm gao nhau của hai tín hiệu là thời điểm đĩng mở van bán dẫn. Ta cĩ tỷ số điều biến U M M , để điều chỉnh giá trị điện áp ra ta thay đổi giá trị của tỉ số điều biến. U P 48
  49. Hình 3.1: Dạng điện áp đầu ra biến tần đƣợc điều khiển theo phƣơng pháp điều chế độ rộng xung PWM Theo nguyên lý này thì các tín hiệu hình sin của ba pha A, B, C đƣợc so sánh với cùng một tín hiệu xung tam giác, các tín hiệu điều khiển trên các pha là hồn tồn riêng biệt nhau. Chỉ phụ thuộc vào giá trị so sánh của hai tín hiệu 49
  50. Sơ đồ mơ phỏng phía chỉnh lƣu biến tần 4Q: Hình 3.2: Sơ đồ mơ phỏng chỉnh lƣu Trƣờng hợp 1 :Tiến hành mơ phỏng với cuộn cảm đầu vào La = Lb= Lc = 1e-3 (h), với L=1e-1(H). R1 = R2 = R3 = 0,5  , R = 5 ,Tụ C = 470e-6 (f) Hình 3.3: Dịng điện sau chỉnh lƣu với cuộn cảm đầu vào La = Lb= Lc = 1e-3 (h), với L=1e-1(H). R1 = R2 = R3 = 0,5  , R = 5  ,Tụ C = 470e-6 (f) 50
  51. Hình 3.4: Điện áp sau chỉnh lƣu với cuộn cảm đầu vào La = Lb= Lc = 1e-3 (h), với L=1e-1(H). R1 = R2 = R3 = 0,5  , R = 5  ,Tụ C = 470e-6 (f) Trƣờng hợp 2 :Tiến hành mơ phỏng với cuộn cảm đầu vào La = Lb= Lc = 1e-3 (h), với L= 1e , R1 = R2 = R3 = 0,5  , R = 5  ,Tụ C = 470e-6 (f) Hình 3.5: Dịng điện sau chỉnh lƣu với cuộn cảm đầu vào La = Lb= Lc = 1e-3 (h), với L= 1e , R1 = R2 = R3 = 0,5  , R = 5  ,Tụ C = 470e-6 (f) 51
  52. Hình 3.6: Điện áp sau chỉnh lƣu với cuộn cảm đầu vào La = Lb= Lc = 1e-3 (h), với L= 1e , R1 = R2 = R3 = 0,5  , R = 5  ,Tụ C = 470e-6 (f) Trƣờng hợp 3 :Tiến hành mơ phỏng với cuộn cảm đầu vào La = Lb= Lc = 1e-2 (h),L = 1e-3h, R1 = R2 = R3 = 0,5  , R = 5  ,Tụ C = 470e-6 (f) Hình 3.7: Dịng điện sau chỉnh lƣu với cuộn cảm đầu vào La = Lb= Lc = 1e-2 (h),L = 1e-3h, R1 = R2 = R3 = 0,5  , R = 5  ,Tụ C = 470e-6 (f) 52
  53. Hình 3.8: Điện áp sau chỉnh lƣu với cuộn cảm đầu vào La = Lb= Lc = 1e-2 (h),L = 1e-3h, R1 = R2 = R3 = 0,5  , R = 5  ,Tụ C = 470e-6 (f) Trƣờng hợp 4 :Tiến hành mơ phỏng với cuộn cảm đầu vào La = Lb= Lc = 1e-3 (h),L=1e-3h, R1 = R2 = R3 = 0,5  , R = 5  ,Tụ C = 470e-6 (f) Hình 3.9: Giá trị dịng điện sau chỉnh lƣu với cuộn cảm đầu vào La = Lb= Lc = 1e-3 (h),L=1e-3h, R1 = R2 = R3 = 0,5  , R = 5  ,Tụ C = 470e-6 (f) 53
  54. Hình 3.10: Giá trị điện áp sau chỉnh lƣu với cuộn cảm đầu vào La = Lb= Lc = 1e-3 (h),L=1e-3h, R1 = R2 = R3 = 0,5  , R = 5  ,Tụ C = 470e-6 (f) Trƣờng hợp 5: Tiến hành mơ phỏng với cuộn cảm đầu vào La = Lb= Lc = 1e-4 (h), L=1e-3h, R1 = R2 = R3 = 0,5  , R = 5  ,Tụ C = 470e-6 (f) Hình 3.11: Dịng điện sau chỉnh lƣu với cuộn cảm đầu vào La = Lb= Lc = 1e-4 (h), L=1e-3h, R1 = R2 = R3 = 0,5  , R = 5  ,Tụ C = 470e-6 (f) 54
  55. Hình 3.12: Điện áp sau chỉnh lƣu với cuộn cảm đầu vào La = Lb= Lc = 1e-4 (h), L=1e-3h, R1 = R2 = R3 = 0,5  , R = 5  ,Tụ C = 470e-6 (f) Nhận xét : Quan sát trên các kết quả mơ phỏng thu đƣợc ta nhận thấy rằng : - Dịng điện và điện áp ra sau chỉnh lƣu PWM một chiều bị méo trong thời gian tƣơng đối nhỏ sau đĩ hệ thống ổn định nhanh chĩng - Dạng của dịng điện và điện áp phụ thuộc vào điện cảm đầu vào đặt ở phía nguồn của khâu chỉnh lƣu PWM - Chất lƣợng dịng đầu ra phụ thuộc vào điện cảm khâu sau chỉnh lƣu. 3.1 MƠ PHỎNG NGHỊCH LƢU. Sơ đồ mơ phỏng nghịch lƣu sử dụng điều chế khơng gian vector. 55
  56. Hình 3.13: Sơ đồ mơ phỏng phía nghịch lƣu Trƣờng hợp 1 : Tiến hành mơ phỏng với tải là thuần trở với RRR1 2 3 = 50 , điện áp một chiều đặt vào là 440v ta thu đƣợc kết quả mơ phỏng: Hình 3.14: điện áp ra sau nghịch lƣu với tải là thuần trở với RRR1 2 3 = 50  , điện áp một chiều đặt vào là 440v 56
  57. Hình 3.15: Dịng điện ra sau nghịch lƣu với tải là thuần trở với RRR1 2 3 = 50 , điện áp một chiều đặt vào là 440v Trƣờng hợp 2: Tiến hành mơ phỏng với tải là thuần trở RRR1 2 3 = 200  , điện áp một chiều đặt vào là 440v ta thu đƣợc kết quả mơ phỏng : Hình 3.16: Điện áp ra sau nghịch lƣu với tải là thuần trở RRR1 2 3 = 200 , điện áp một chiều đặt vào là 440v 57
  58. Hình 3.17: Dịng điện ra sau nghịch lƣu với tải là thuần trở RRR1 2 3 = 200 , điện áp một chiều đặt vào là 440v Trƣờng hợp 3: Tiến hành mơ phỏng với tải là R1= 200  , R2=100  ,R3=50  ,L=1e-3 H điện áp một chiều đặt vào là 440v ta thu đƣợc kết quả mơ phỏng : Hình 3.18: điện áp ra sau nghịch lƣu với tải là thuần trở R1= 200  , R2=100  ,R3=50  ,L=1e-3 H điện áp một chiều đặt vào là 440v 58
  59. Hình 3.19: Dịng điện ra sau nghịch lƣu với tải là thuần trở R1= 200  , R2=100  ,R3=50  ,L=1e-3 H điện áp một chiều đặt vào là 440v Trƣờng hợp 4 : Tiến hành mơ phỏng với tải R-L với RRR1 2 3 = 50 , L=1e-3 H điện áp một chiều đặt vào là 440v ta thu đƣợc kết quả mơ phỏng: Hình 3.20: điện áp ra sau nghịch lƣu với tải R-L với RRR1 2 3 = 50 , L=1e-3 H điện áp một chiều đặt vào là 440v 59
  60. Hình 3.21: Dịng điện ra sau nghịch lƣu với tải R-L với RRR1 2 3 = 50 , L=1e- 3 H điện áp một chiều đặt vào là 440v Trƣờng hợp 5 : Tiến hành mơ phỏng với tải R-L với RRR1 2 3 = 50 , L=1e H điện áp một chiều đặt vào là 440v ta thu đƣợc kết quả mơ phỏng: Hình 3.22: điện áp ra sau nghịch lƣu với tải R-L với RRR1 2 3 = 50 , L=1e H điện áp một chiều đặt vào là 440v 60
  61. Hình 3.23: Dịng điện ra sau nghịch lƣu với tải R-L với RRR1 2 3 = 50 , L=1e H điện áp một chiều đặt vào là 440v Nhận xét : Mơ phỏng phía nghịch lƣu sử dụng điều chế khơng gian vector ta thu đƣợc các kết quả nhƣ trên. Tiến hành quan sát ta rút ra đƣợc một vài nhận xét.: - Hệ thống điện áp và dịng điện đầu ra biến tần cĩ dạng hình sin dối xứng, đảm bảo yêu cầu về tần số và chất lƣợng sĩng cần điều chế. - Dạng dịng điện ba pha bị méo trong thời gian rất ngắn, hệ thống ổn định nhanh - Độ méo của dịng điện phụ thuộc vào tải - Độ méo và dịng điện nằm trong phạm vi cho phép, chứng tỏ chất lƣợng diện áp và dịng điện đầu ra của biến tần đáp ứng tốt yêu cầu điều chế. 61
  62. 3.3.MƠ PHỎNG BIẾN TẦN 4Q Hình 3.22: Sơ đồ mơ phỏng biến tần 4Q Trƣờng hợp 1: Mơ phỏng biến tần 4Q với điện trở đầu vào R4=R5=R6=0.5  , điện cảm đầu vào L=La=Lb=Lc=1e-3h, R=5  , tải là thuần trở R1=R2=R3=200  ta thu đƣợc kết quả: Hình 3.23 : Điện áp ra của biến tần 4Q với điện trở đầu vào R4=R5=R6=0.5  , điện cảm đầu vào L=La=Lb=Lc=1e-3h, R=5  , tải là thuần trở R1=R2=R3=200  62
  63. Hình 3.24 : Dịng điện ra của biến tần 4Q với điện trở đầu vào R4=R5=R6=0.5  , điện cảm đầu vào L=La=Lb=Lc=1e-3h, R=5  , tải là thuần trở R1=R2=R3=200  Trƣờng hợp 2: Mơ phỏng biến tần 4Q với điện trở đầu vào R4=R5=R6=0.5  , điện cảm đầu vào L=La=Lb=Lc=1e-3h, R=5  , tải là thuần trở R1=R2=R3=50  ta thu đƣợc kết quả: Hình 3.25 : Điện áp ra của biến tần 4Q 4Q với điện trở đầu vào R4=R5=R6=0.5  , điện cảm đầu vào L=La=Lb=Lc=1e-3h, R=5  , tải là thuần trở R1=R2=R3=50  63
  64. Hình 3.26 : Dịng điện ra của biến tần 4Q với điện trở đầu vào R4=R5=R6=0.5  , điện cảm đầu vào L=La=Lb=Lc=1e-3h, R=5  , tải là thuần trở R1=R2=R3=50  Trƣờng hợp 3: Mơ phỏng biến tần 4Q với điện trở đầu vào R4=R5=R6=0.5  , điện cảm đầu vào L=La=Lb=Lc=1e-1h, R=5  , tải là thuần trở R1=R2=R3=50  ta thu đƣợc kết quả: Hình 3.27 : Điện áp ra của biến tần 4Q với điện trở đầu vào R4=R5=R6=0.5  , điện cảm đầu vào L=La=Lb=Lc=1e-1h, R=5  , tải là thuần trở R1=R2=R3=50  64
  65. Hình 3.28 : Dịng điện ra của biến tần 4Q với điện trở đầu vào R4=R5=R6=0.5  , điện cảm đầu vào L=La=Lb=Lc=1e-1h, R=5  , tải là thuần trở R1=R2=R3=50  Trƣờng hợp 4: Mơ phỏng biến tần 4Q với điện trở đầu vào R4=R5=R6=0.5  , điện cảm đầu vào L=La=Lb=Lc=1e-3h, R=5  , tải là R-L với R1=R2=R3=50  và L1=L2=L3=1e(h) ta thu đƣợc kết quả: Hình 3.29 : Điện áp ra của biến tần 4Q 4Q với R4=R5=R6=0.5  , L=La=Lb=Lc= 1e-3 h, R=5  , tải là R-L với R1=R2=R3=50  và L1=L2=L3=1e(h) 65
  66. Hình 3.30 : Dịng điện ra của biến tần 4Q với R4=R5=R6=0.5  , L=La=Lb=Lc= 1e-3h, R=5  , tải là R-L với R1=R2=R3=50  và L1=L2=L3=1e(h) Trƣờng hợp 5: Mơ phỏng biến tần 4Q R4=R5=R6=0.5  , L=La=Lb=Lc=1e-3h, R=5  , tải là R-L với R1=200  ,R2=100  ,R3=50 và L1=L2=L3=1e (h) ta thu đƣợc kết quả: Hình 3.31 : Điện áp ra của biến tần 4Q với R4=R5=R6=0.5  , L=La=Lb=Lc=1e-3h, R=5  , tải là R-L với R1=200  ,R2=100  ,R3=50 và L1=L2=L3=1e (h) 66
  67. Hình 3.32 : Dịng điện ra của biến tần 4Q với R4=R5=R6=0.5,L=La=Lb=Lc=1e-3h, R=5  , tải là R-L với R1=200  ,R2=100  ,R3=50  và L1=L2=L3=1e (h) Nhận xét : Quan sát kết quả thu đƣợc ta nhận thấy rằng - Dạng điện áp ra của biến tần cĩ độ méo trong thời gian rất ngắn và nhanh chĩng ổn định - Điện áp ra của biến tần bị ảnh hƣởng bởi điện cảm đầu vào, tải - Dịng điện của biến tần phụ thuộc nhiều vào điện cảm đầu vào, điên cảm khâu trung gian, và trở kháng của tải - Dịng điện ra cĩ độ méo trong thời gian nhỏ và cũng nhanh chĩng ổn định nhƣ dạng điện áp ra Kết luận : kết quả mơ phỏng tuy khơng đƣợc đẹp nhƣng nĩ đã phản ánh đúng bản chất của vấn đề. Nhƣ vậy ta khơng thể dựa chắc chắn vào kết quả này để đánh giá chắc chắn một vấn đề nào đĩ của hệ thống, nhƣng ta cĩ thể chắc chawncs rằng hƣớng giải quyết về đề là đúng đắn và đĩ là cơ sở vững chắc để tiếp tục tìm hieur mơ phỏng hệ thống một cách chi tiết và chính xác hơn. Qua những nội dung lý thuyết và kết quả mơ phỏng đã nêu trên em ong đƣợc các thầy cơ chỉ dẫn những sai sĩt của vấn đề để em cĩ thể cũng cố và hồn thiện vốn kiến thức về hệ thống này 67
  68. KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp, em đã đƣa ra và giải quyết các vấn đề : - Vấn đề đƣợc đƣa ra giải quyết lần lƣợt qua các chƣơng, lý thuyết đƣợc phân bố đều, đủ nêu lên đƣợc nội dung và phƣơng pháp thực hiện vấn đề. - Lý thuyết tổng quan về biến tần đƣợc trình bày rõ ràng ngắn gọn nhƣng khá thứ tự và đầy đủ, là cơ sở lý thuyết cần thiết để thực hiện các chƣơng tiếp theo. - Phân tích khảo sát các vấn đề về biến tần 4Q, tiến hành mơ phỏng chỉnh lƣu, nghịch lƣu và đƣa ra đƣợc những đánh giá cần thiết - Kết quả mơ phỏng phán ánh đúng lý thuyết và cho ta thấy đƣợc ƣu điểm so với những biến tần thơng thƣờng. Tuy nhiên do hạn chế về trình độ cũng nhƣ tài liệu tham khảo nên em đã khơng thể đi sâu nghin cứu điều khiển chỉnh lƣu theo các phƣơng pháp đã nêu trên. Kết quả mơ phỏng đánh giá chƣa đƣợc chính xác một cách tuyệt đối vẫn cịn sơ sài. Đồ án vẫn cịn nhiều thiếu sĩt Với sự nỗ lực hết mình em đã hồn thành đƣợc đề tài tốt nghiệp : “ Nghiên cứu biến tần 4Q” . Em hi vọng sẽ nhận đƣợc những ý kiến đĩng gĩp của các thầy cơ để em cĩ thể hồn thành đƣợc tốt hơn đề tài của mình. Em xin chân thành cảm ơn ! 68
  69. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Phùng Quang (1996) ,Truyền động điện xoay chiều ba pha NXB Giáo dục. 2. Nguyễn Phùng Quang (2006), Mattlab và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động NXB Khoa học và kĩ thuật. 3. Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn (2005), Cơ sở truyền động điện. NXB Khoa học và kĩ thuật. 4. Nguồn Internet. 69