Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
-1-
Chuyên ngành tự động hoá
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
----------------***----------------
THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN BỘ BIẾN ĐỔI NHẰM GIẢM HÀI
DÕNG ĐIỆN ĐỐI VỚI TẢI LÀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU
Học viên : Phạm Đình Tiệp
Lớp : K12 - TĐH
Chuyên nghành : Tự động hoá
Người hướng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Duy
Cƣơng
Ngày giao đề tài : tháng 11 năm 2010
Ngày hoàn thành đề tài : tháng 9 năm 2011
BAN GIÁM HIỆU
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
-3-
Chuyên ngành tự động hoá
M ỤC L ỤC
Trang
Trang bìa phụ …………………………………….......…………………...…
Lời cam đoan ……………………………………........………………...…… 1
Mục lục …………………………………………….......……………...….....
2
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt …………….......……………...……...
4
Danh mục các bảng ……………………………………………..........……...
5
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ………………………………......…....……… 6
Mở đầu…………………………………………………....….......…...……...
9
1.3. Nhƣợc điểm của bộ điều khiển………………………………………... 15
1.3.1. Chi phí ban đầu………………………………………………………..
15
1.3.2. Sóng điều hoà…………………………………………………………. 16
1.4. Kết luận………………………………………………………………… 17
Chương 2- CÁC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ SÓNG ĐIỀU HOÀ
2.1. Tổng quan………………………………………………………………
18
2.2. Các bộ chỉnh lƣu……………………………………………………….
19
2.2.1. Bộ chỉnh lưu cầu điốt 3 pha …………………………………………..
20
2.2.2. Bộ chỉnh lưu nguồn áp PWM…………………………………………
21
2.2.3. Các bộ chỉnh lưu khác………………………………………………… 22
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
34
2.4.8. Các bộ lọc sóng hài……………………………………………………
36
2.4.8.1. Bộ lọc thụ động……………………………………………………..
36
2.4.8.2. Bộ lọc tích cực………………………………………………………
41
2.4.8.3. Bộ lọc hỗn hợp………………………………………………………
45
2.4.8.4. Ngăn ngừa sóng hài…………………………………………………. 36
2.5. Kết luận………………………………………………………………… 46
Chương 3- THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN XOAY CHIỀU VỚI TẢI PMSM
3.1. Tổng quan về động cơ đồng bộ………………………………………..
48
3.1.1. Khái quát chung……………………………………………………….
48
-5-
Chuyên ngành tự động hoá
3.3.4. Cấu trúc điều khiển nghịch lưu………………………………………..
59
3.4. Kết luận………………………………………………………………… 61
Chương 4- MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
4.1. Tổng quan………………………………………………………………
62
4.1.1. Mô hình hoá hệ thống…………………………………………………
62
4.1.2. Tổng quan về Simulink……………………………………………….
62
4.2. Mô phỏng bộ chỉnh lƣu………………………………………………..
62
4.2.1. Mô phỏng bộ chỉnh lưu cầu đi ốt 3 pha……………………………….
63
Dòng điện xoay chiều (viết tắt của Alternating Current)
ASD
Bộ điều khiển tốc độ điều chỉnh được (viết tắt của Adjustable Speed
Drive)
PMSM
Động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (viết tắt của Permanent
Magnet Synchronous Machines)
PWM
Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse-Width Modulated)
THD
Độ méo dạng sóng hài tổng (viết tắt của Total Harmonic Distortion)
IEEE
Viện kỹ sư điện và điện tử (viết tắt của Institute of Electrical and
Electronics Engineers)
IEC
Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (viết tắt của International
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Distortion)
TOHD
Độ méo sóng hài lẻ tổng (viết tắt của Total Odd Harmonic Distortion)
PF
Hệ số công suất (viết tắt của Power Factor)
PCC
Điểm ghép nối chung (viết tắt của Point of Common Couping)
AHF
Bộ lọc sóng hài tích cực (viết tắt của Active Harmonic Filters)
AF
Bộ lọc tích cực (viết tắt của Active Filter)
AFS
Bộ lọc tích cực nối tiếp (viết tắt của Active Filter Series)
UPQC
Bộ xử lý phẩm chất công suất hỗn hợp (viết tắt của Unified Power
Quality Conditioner)
13
Bảng 1.3. Tổng hợp kết quả dự báo phát triển dân số giai đoạn 2003† 2020 13
Bảng 1.4. Dự báo nhu cầu điện toàn quốc đến 2010
14
Bảng 2.1. Tiêu chuẩn IEEE std 519
34
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
-7-
Chuyên ngành tự động hoá
Bảng 2.2. Tiêu chuẩn IEEE std 519 cho thiết bị trên 75A ở dòng đầu vào
35
mỗi pha.
Bảng 2.3. IEC 1000-3-4
35
Hình 2.3. Cấu trúc bộ chỉnh lưu hình cầu sử dụng Điốt
20
Hình 2.4. Dòng qua bộ chỉnh lưu hình cầu sử dụng Điốt
20
Hình 2.5. Thành phần sóng hài của cầu Điốt
21
Hình 2.6. Cấu trúc bộ chỉnh lưu nguồn áp PWM
21
Hình 2.7. Dòng điện vào bộ chỉnh lưu PWM
22
Hình 2.8. Thành phần sóng hài của bộ chỉnh lưu PWM
22
Hình 2.9. Cấu trúc bộ chỉnh lưu Vienna
23
Hình 2.10. Bộ chỉnh lưu Minnesota
Hình 2.20. Độ méo dòng điện trên lưới
33
Hình 2.21. Cấu trúc bộ lọc thu động RC
37
Hình 2.22. Cấu trúc bộ lọc thu động LC
37
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
-8-
Chuyên ngành tự động hoá
Hình 2.23. Mạch chỉnh lưu AC/DC 12 xung không có bộ lọc
38
Hình 2.24. Dạng dòng và áp của Mạch chỉnh lưu 12 xung không có bộ lọc 39
tại B1 và B2
Hình 2.25. Phổ dòng điện tại B1 khi không có bộ lọc
45
Hình 2.34. Sơ đồ cấu trúc UPQC
46
Hình 3.1. Hình dạng bên ngoài PMSM
50
Hình 3.2. Chuyển đổi hệ toạ độ (abc) sang hệ toạ độ (dq)
52
Hình 3.3. Cấu trúc bộ điều khiển xoay chiều đã đề xuất
54
Hình 3.4. Hoạt động bộ chỉnh lưu khi khóa Q1 đóng
55
Hình 3.5. Hoạt động của bộ chỉnh lưu khi khóa Q1 mở
56
Hình 3.6. Các vùng làm việc của cấu trúc đề xuất
56
65
Hình 4.5. Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối điều khiển chỉnh lưu
66
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
-9-
Chuyên ngành tự động hoá
Hình 4.6. Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối tạo xung PWM
67
Hình 4.7. Sơ đồ mô phỏng chi tiết khối đo lường
67
Hình 4.8. Dạng sóng dòng điện qua bộ chỉnh lưu
68
73
Hình 4.17. Tốc độ động cơ khi khởi động
74
Hình 4.18. Dòng điện Id so với dòng điện mẫu Id* = 0
74
Hình 4.19. Dòng điện Iq với dòng điện mẫu Iq*
75
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
- 10 -
Chuyên ngành tự động hoá
MỞ ĐẦU
Hài dòng điện, điện áp gây ra rất nhiều vấn đề cho hệ thống truyền tải điện.
Nguyên nhân của hài này là do tính chất phi tuyến của phụ tải gây ra. Trên thực tế,
có rất nhiều loại tải gây ra hài, trong đó có các bộ biến đổi điện tử công suất để cung
cấp năng lượng cho động cơ điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
Chuyên ngành tự động hoá
- 11 -
Kết cấu của luận văn gồm:
Chƣơng 1: Tổng quan về các bộ điều khiển.
Chƣơng 2: Các bộ biến đổi và sóng điều hoà.
Chƣơng 3: Thiết kế bộ điều khiển xoay chiều với tải PMSM.
Chƣơng 4: Mô phỏng hệ thống.
Kết luận và kiến nghị.
Đề tài đã được hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ bảo,
giúp đỡ động viên của các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Tôi xin
gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo TS.Nguyễn Duy Cƣơng, người đã luôn
quan tâm 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 rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và
các bạn đồng nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày
tháng 10 năm 2011
Tác giả
Phạm Đình Tiệp
Động
cơ
Tải
Nguồn
Bộ
điều khiển
Cảm biến
Đại l-ợng điều khiển
(tốc độ, vị trí, mômen)
Hỡnh 1.1. H thng ASD in hỡnh
1.2. Nhu cu tng trng cỏc b iu khin
Th trng ton cu cho cỏc b iu khin xoay chiu l 10.7 t ụ la trong
nm 2006 v c k vng l tng ti 16.1 t ụ la trong nm 2011 [5]. Cỏc ASD l
rt hp dn t mt s quan im bao gm cht lng, s dng nng lng v gim
chi phớ thng xuyờn. ASD cú kh nng cung cp lng in nng tiờu th cn thit
mt cỏch chớnh xỏc cho ng c in, v do ú nú l im lm vic tt nht phự hp
S húa bi Trung tõm Hc liu HTN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
5,8
4,8
6,8
6,9
7,04
7,24
7,7
7,7
8,17
8,5
tăng GDB
(% năm)
1.2.2.2 Phƣơng hƣớng phát triển kinh tế - xã hội đến năm 2020:
Triển vọng phát triển kinh tế nước ta từ nay đến năm 2020, dựa vào phân tích
tình hình kinh tế trong nước cũng như nhận định về xu hướng phát triển kinh tế toàn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
9,0 ÷ 9,5
9,0 ÷ 9,5
9,5 ÷ 10,5
Bảng 1.3. Tổng hợp kết quả dự báo phát triển dân số giai đoạn 2003÷ 2020
Hạng mục Đơn vị
Năm 2003
Năm 2005
Năm 2010
Năm 2020
Dân số
80,76
82,931
88,235
99,906
Triệu người
1.2.2.3. Tổng quan về nhu cầu điện đến năm 2020 của Việt Nam:
Vùng
P(max) Miền Bắc
Điện
(GWh) (GWh)
Miền Tr ung
P(max) Điện
Miền Nam
P(max) Điện
TP
TP
TP
(GWh)
(GWh)
(GWh)
P(max)
1995 11.185
11.101 2.246
2005 45.682
53.467
9.512
17.548 3.920
4.583
985
23.551 4.682
2010 93.813
108.83
18.88
36.053 8.105
9.668
2.031
48.093 9.272
yêu cầu luôn luôn tỉ lệ với mô men hoặc luỹ thừa 3 của tốc độ. Do đó, một sự giảm
nhỏ tốc độ có thể dẫn tới một sự suy giảm lớn đáng kể trong điện năng yêu cầu.
Điều này được miêu tả trong Hình 1.3 bên dưới. Bằng thực nghiệm đã chỉ ra rằng
sự suy giảm 50% tốc độ (lưu lượng) tương ứng với suy giảm 87.5% công suất đầu
vào. Ngoài ra, có một vài ứng dụng biểu hiện các tải dao động nhanh. Sử dụng
ASD trong các ứng dụng đó cho phép động cơ phản ứng nhanh với sự thay đổi của
tải.
Hình 1.3. Các đặc điểm tải máy bơm điển hình
1.3. Nhƣợc điểm của bộ điều khiển
Với hầu hết các hệ thống đang được sử dụng hiện nay, vẫn tồn tại những
nhược điểm tương ứng. Từ quan điểm của khách hàng, trở ngại lớn nhất để thực
hiện một hệ thống truyền động điện là chi phí ban đầu. Từ quan điểm của các nhà
cung cấp thì một trong những trở ngại lớn nhất đó là kiểm soát lượng sóng hài sinh
ra và bơm vào hệ thống điện nguồn. Cả hai vấn đề đó đang rất có giá trị và là chủ đề
của nhiều nghiên cứu hiện nay trong lĩnh vực này.
1.3.1. Chi phí ban đầu
Như chỉ ra trong Hình 1.4, Để thực hiện một hệ thống ASD cần một lượng
vốn đầu tư ban đầu lớn từ người sử dụng. Như điều luật chung của quy tắc „ngón
tay cái’, giá thành các ASD cơ sở cũng giống như các động cơ họ điều khiển,
nhưng nó phụ thuộc cao vào tính năng và những yêu cầu ứng dụng. Chi phí cho các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
- 17 -
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
- 18 -
Chuyên ngành tự động hoá
Sóng điều hòa sinh ra do trên lưới điện tồn tại các phần tử phi tuyến, gây ra
các bất lợi như: gây méo tín hiệu sin của lưới điện, làm giảm hệ số công suất, tăng
tổn thất, giảm độ tin cậy cung cấp điện, làm giảm chất lượng điện năng.... Nên việc
đưa ra các tiêu chuẩn để áp đặt những giới hạn cho phép đối với các sóng hài tạo ra
từ các bộ điều khiển điện và các bộ chuyển đổi năng lượng khác là cần thiết.
1.4. Kết luận
Việc sử dụng các bộ điều khiển để điều khiển động cơ điện đang tăng nhanh
và thị trường ASD rất phát triển. Các ASD ngày càng trở lên phức tạp hơn, hiệu quả
hơn và hoạt động tin cậy hơn. Trong nhiều trường hợp, động cơ không làm việc ở
một tốc độ cố định mà yêu cầu thay đổi tốc độ, do đó cần sử dụng ASD. Tuy nhiên,
việc sử dụng các ASD vẫn còn có những hạn chế như phát sinh ra các sóng hài, điều
đó cần phải được khắc phục. Mục đích của luận văn này là nghiên cứu một cấu trúc
ASD có thể giảm bớt độ méo dạng sóng hài sinh ra.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
- 19 -
Chuyên ngành tự động hoá
Kh©u
l-u gi÷
Hình 2.1 Qui trình biến đổi năng lƣợng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
- 20 -
Chuyên ngành tự động hoá
Giai đoạn chỉnh lưu sử dụng các thiết bị bán dẫn để chuyển đổi biên độ cố
định, tần số xoay chiều cố định từ nguồn cung cấp thành dạng sóng một chiều gần
như không đổi, Sau khi chỉnh lưu, năng lượng này được lưu giữ qua một khâu trung
gian, khâu lưu giữ này có thể là tụ điện hoặc cuộn cảm. Giai đoạn cuối lại sử dụng
các thiết bị bán dẫn để chuyển đổi năng lượng được lưu giữ thành một hình dạng
phù hợp với luật điều khiển của động cơ. Mỗi giai đoạn của quá trình chuyển đổi
năng lượng sẽ được đề cập chi tiết hơn trong phần sau. Đã có rất nhiều nghiên cứu
tập trung vào từng giai đoạn và luận văn này tập trung chủ yếu vào giai đoạn chỉnh
lưu.
2.2. Bộ chỉnh lƣu
Bộ biến đổi chỉnh lưu là giai đoạn đầu tiên của quá trình xử lý năng lượng
trong các bộ điều khiển xoay chiều. Mỗi một cấu trúc chỉnh lưu đều có những ưu
điểm và nhược điểm riêng. Việc chọn bộ biến đổi là một phần quan trọng trong hệ
thống điều khiển xoay chiều vì nó là khâu đầu tiên trong bộ điều khiển và được mắc
Chuyên ngành tự động hoá
2.2.1. Bộ chỉnh lƣu cầu điốt 3 pha
Các bộ chỉnh lưu điển hình không có khả năng tái sinh sử dụng bộ chỉnh lưu
điốt 3 pha, hoặc bộ chỉnh lưu “6 xung” để chuyển đổi giá trị điện áp xoay chiều
thành điện áp 1 chiều (như trên Hình 2.3). Việc sử dụng các bộ chuyển đổi để loại
bỏ sự quá điều khiển với điện áp 1 chiều và thường cho kết quả dạng sóng có độ
méo dạng sóng hài tổng (THD) quá cao (chỉ ra trên Hình 2.4 và Hình 2.5). THD có
thể được cải thiện bằng cách tăng lượng điện cảm đầu vào. Tuy nhiên, điều này làm
cho hệ thống phản ứng chậm lại đáng kể. Mặc dù có những hạn chế nhất định, song
nó vẫn được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng mà không đòi hỏi khả năng tái
sinh vì nó có cấu trúc đơn giản, không cần điều khiển và có giá thành thấp.
id
+
D1
Vs
D3
D5
Ls
ia
Cd
D4
D6
D2
Cd
Vd T¶i
-
Hình 2.6. Cấu trúc bộ chỉnh lƣu nguồn áp PWM
Bộ chuyển đổi này có giá thành tương đối cao, song nó có một số ưu điểm hơn so
với bộ chỉnh lưu không có điều khiển. Bộ chỉnh lưu này có thể điều chỉnh được điện
áp và duy trì một hệ số công suất tối ưu cho cả hai chiều phát và nhận. Ngoài ra, các
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
- 23 -
Chuyên ngành tự động hoá
dòng điện 3 pha có thể được định hình để giảm thiểu độ méo sóng hài theo tiêu
chuẩn IEEE-519, được chỉ ra như trên Hình 2.7 và 2.8.
Hình 2.7. Dòng điện vào bộ chỉnh lƣu PWM
Hình 2.8. Thành phần sóng hài của bộ chỉnh lƣu PWM
2.2.3. Các bộ chỉnh lƣu khác
Ngoài các bộ chỉnh lưu có cấu trúc điển hình như trên, còn có một vài sơ đồ
DP
+
iP
D5
Vs
CP
S1
ia
Vd T¶i
S2
injection
Network
D4
D6
D2
CQ
iQ
ih
D4
D6
D2
Cf
Lf
-
ih
Hình 2.11. Bộ chỉnh lƣu Minnesota biến thể
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật
- 25 -
Chuyên ngành tự động hoá
Các bộ chỉnh lưu này dạng sóng đã cải thiện được đáng kể so với bộ chỉnh
lưu sử dụng Điốt. Với các thành phần hoạt động ít hơn và có giá tương đối thấp. Nó
cũng có thể điều khiển được hệ số công suất. Tuy nhiên, vẫn còn một số vàn đề cần
-Vdc
Hình 2.12. Bộ nghịch lƣu nguồn áp PWM
2.3.2. Bộ nghịch lƣu nguồn dòng
Bộ nghịch lưu nguồn dòng thường được sử dụng cho các ứng dụng công suất
lớn. Các bộ nghịch lưu nguồn dòng yêu cầu sử dụng bộ chỉnh lưu có điều khiển để
tạo ra dòng điện 1 chiều (xem Hình 2.13). Dòng điện 1 chiều được sử dụng như
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
Copyright: Tài liệu đại học ©