Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
------------------------
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH
08/2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 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
- 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 3 -
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
i
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 http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 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
12
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 I
dc
> 0
Hình 2.6 Vector không gian dòng xoay chiều đầu khi I
dc
< 0
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 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 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 7 -
Trần Thị Hoàn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 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 [U
d
,I
d
]:
- Chế độ năng lượng: chỉnh lưu, nghịch lưu phụ thuộc:
- Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn.
(W
1
/W
2
)
2
(1-1)
2
2
()
21
1
W
R R R
ba
W
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 9 -
DC
Uđk
CKT
+
-
L
Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động Thyristor – Động cơ một chiều
()
0
2 m
.sin
2
m
EU
do m
m
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
2
m
i
I
p
(v
z
)
i
®
i
o
i
u
i
p
R
E
m
U
2
2
b)
E
d
E
0
thì
0
iI
d
có nghiệm sau:
( )cot
0
os 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
T
3
I
d
U
2a
U
2b
U
2b
§
L
T
1
T
2
T
3
a
b c
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 11 -
~
~
~
U
2a
U
U
2a
U
2b
E
d
m
m
2
m
2
m
2
22 ba
UU
2 m
2
0
i
i
d
(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
d
I
d
RL
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,
1
2
di
U L Ed
ak
dt
2
2
di
U L Ed
bk
dt
Để ý rằng
12
i i i
d
và nếu coi
12
di di
dt dt
thì:
sin
m
m
I
mk
L
ek
Quá trình chuyển mạch kết thúc khi
0,
12
i i i
d
nếu trong (1-7) ta đặt
2 d
ii
tại
thì có thể tính được góc chuyển mạch μ:
arccos( os )
I
d
c
I
mk
9
9
2
3
9
4
9
5
3
2
9
7
9
8
0
®2
/ 0,50
m
II
2
2
I
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
20
eU
d
Khi dòng điện bằng không, sđđ chỉnh lưu bằng sđđ của động cơ điện:
2
,
0
eE
d
p
Có thể viết được biểu thức tính dòng điện chỉnh lưu nếu trong (1-3) đặt
0
0
I
m
UR
m
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 14 -
U
U
2a
U
2b
U
2c
0
E
d
E
t
e
o
E
d
t
e
t
e
i
d
o
b)
E
i
d
i
d
Hình 1.6. Chế độ dòng điện gián đoạn và biên liên tục.
thì
0i
d
nên ta có nghiệm riêng cho từng trường hợp dòng điện
gián đoạn:
2
( os os ) ( )
00
U
E
m
i c c
d
LL
ee
(1-10)
Dòng điện
i
d
bắt đầu xuất hiện tại
0
và tăng đến giá trị cực đại tại điểm
mà ở đó
0
00
i c c
d
(1-11)
Đặt
0
và
*
0i
d
vào (2-8) ta tìm được góc dẫn λ ở dạng hàm ẩn:
os os( )
00
cc
(1-12)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 15 -
Đây là quan hệ hàm ẩn giữa ba biến số
22
m
I i d
dd
m
cc
(1-13)
Trong trường hợp ngược lại khi giữ
onst
0
c
(1-14)
22
*
os os( ) sin( )sin
0 0 0 0
2
m
I c c
blt
m m m
(1-15)
Mặt khác vì
0
2 m
Để tìm đường biên giới giữa vùng dòng điện liên tục và vùng dòng điện gián
đoạn ta tính
osc
từ (2-16) và tính sinα từ (2-17) và vì
22
os sin 1c
nên:
*
22
( ) ( ) 1
sin sin os
I
blt blt
m m m m m
c
mm
(1-18)
1.2. Phân tích sóng hài bậc cao
Để thấy được sóng hài bậc cao của hệ T – Đ ta phân tích mô hình Three -
phase Thyristor Converter với tải tương đương động cơ một chiều trong matlab -
simulink. Ta có mô hình như hình 1.7:
Vb
v
+
-
Vab
Va
g
A
B
C
+
-
Thyristor Converter
alpha_deg
AB
BC
CA
Block
pulses
Synchronized
6-Pulse Generator
Scope
Mux
i
+
-
Id
90
Constant1
0
I
Trong đó :
1
I
: Biên độ thành phần dòng cơ bản
I
n
: Biên độ thành phần dòng điều hòa bậc n
Theo phân tích phổ dòng điện đầu vào i
A
& i
B
ta sẽ tính được hệ số THD
Các kết quả mô phỏng dòng điện nguồn khi thay đổi góc điều khiển
Trường hợp 1: Góc điều khiển = 0
0
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
-100
0
100
Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 2 cycles
Time (s)
0 500 1000 1500 2000
0
-40
-20
0
20
40
Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 2 cycles
Time (s)
0 500 1000 1500 2000
0
5
10
15
20
Frequency (Hz)
Fundamental (50Hz) = 50.32 , THD= 28.82%
Mag (% of Fundamental)
Hình 1.9. Phân tích phổ dòng điện đầu vào i
A
& i
B
( = 60
0
)
Theo phân tích phổ dòng điện trên ta thấy khi góc điều khiển = 60
0
thì hệ
số méo dạng THD = 28.82%
Trường hợp 3: Góc điều khiển = 90
)
Theo phân tích phổ dòng điện trên ta thấy khi góc điều khiển = 90
0
thì hệ
số méo dạng THD = 144.45%
Theo các kết quả trên ta thấy : Sóng hài bậc cao phụ thuộc vào sự thay đổi góc
điều khiển , góc điều khiển càng lớn thì độ méo dạng của dòng điện do sóng hài
bậc cao gây ra càng lớn.
1.3. Dòng điện gián đoạn
Theo phân tích về dòng điện gián đoạn trên ta thấy rằng hiện tượng gián đoạn
xảy ra phụ thuộc vào một trong các yếu tố sau đây
- Hiện tượng gián đoạn dòng điện chỉnh lưu xảy ra do năng lượng điện từ tích
lũy trong mạch khi dòng điện tăng (
2
2
I
L
) không đủ duy trì tích chất liên tục của
dòng điện khi nó giảm dẫn đến hiện tượng dòng điện trở về không trước khi van kế
tiếp bắt đầu dẫn.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 20 -
- Dòng điện gián đoạn xảy ra phụ thuộc vào suất điện động (sđđ):
Theo công thức 1-12 ta có:
( ) ( ) 1
sin sin cos
blt blt
I
mm
m m m
Đây là đường elip với các trục là trục tọa độ của các đặc tính cơ. Elip này tạo
thành biên liên tục của vùng dòng điện gián đoạn như sau: Phía trong vùng elip là
vùng dòng điện gián đoạn còn phía ngoài elip là vùng dòng điện liên tục.
Tập hợp các điểm trạng thái biên [ω
blt
, I
blt
] khi thay đổi góc điều khiển α =
0 π gần đúng là đường elip có các trục chính là các trục tọa độ, là đường cong nét
đứt trên hình 1.21. Trong đó hình 1.21b là đặc tính động cơ tương đương nhưng
chỉnh lưu là hình cầu ba pha (m=6) và điện cảm L lớn gấp 5 lần. Từ đó ta thấy rõ
tác dụng thu hẹp vùng dòng điện gián đoạn của việc tăng các thông số m,L của
mạch phần ứng. Tuy nhiên việc tăng số xung m kéo theo tăng độ phức tạp của mạch
lực và mạch điều khiển chỉnh lưu, còn khi tăng điện cảm L kéo theo là xấu quá trình
quá độ và làm tăng trọng lượng kích thước của hệ thống.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 1.12. Sơ đồ hệ T-Đ đảo chiều dùng hai bộ biến đổi điều khiển riêng
Trong đó mạch lực gồm 6 cặp tiristor đấu song song ngược làm thành hai
bộ biến đổi: một bộ làm việc với chiều quay tthuận của động cơ còn bộ kia làm
việc theo chiều ngược. Mạch điều khiển hai bộ được điều khiển bằng hai khóa
1
K
,
2
K
. Giả sử động cơ làm việc bình thường ở chiều thuận bộ BBĐ_1 làm việc
ở chế độ chỉnh lưu ở góc phần tư thứ nhất, BBĐ_2 khóa hoàn toàn. Ngược lại ở
chế độ ngược thì BBĐ_2 làm việc ở chế độ chỉnh lưu trong góc phần tư thứ 3
trong khi BBĐ_1 khóa hoàn toàn.
Khi truyền động đảo chiều hoặc giảm tốc sẽ thực hiện ở góc phần tư thứ
2 do BBĐ_2 đảm nhận hay ở góc phần tư thứ 4 do BBĐ_1 đảm nhận. Tuy
nhiên việc thực hiện chuyển từ BBĐ_1 và BBĐ_2 cho nhau phải thực hiện qua
điều kiện logic chặt chẽ.
1.4.2. Phân tích đảo chiều
Giả sử hệ đang làm việc ở chiều thuận với BBĐ_1 khi có lệnh đảo chiều
sang chiều ngược. Tín hiệu điều khiển
dk
B
1
B
2
+
-
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- 23 -
chiều tuân theo luật logic điều khiển chặt chẽ nhằm tránh hai bộ cùng làm việc
(sẽ gây ngắn mạch). Chính vì vậy mà hệ T-Đ điều khiển riêng cần có mạch
logic điều khiển.
Logic điều khiển
Ta định nghĩa các đầu vào- ra của khối logic điều khiển:
Các đầu vào:
1
L
: lệnh đảo chiều
+
1
L
=1: chiều thuận.
+
1
L
=0: chiều ngược.
2
Các đầu ra:
1
K
: đóng cắt BBĐ_1
+
1
K
=1: đóng.
+
1
K
=0: cắt.
2
K
: đóng cắt BBĐ_2
+
2
K
=1: đóng.
+
2
K
=0: cắt.
Mạch logic cơ bản gồm 5 khối vào ra để đảm bảo hãm đảo chiều. Tuy vậy
trong thực tế có nhiều đầu vào- ra khác nữa phục vụ cho vận hành cả hệ trong
quá trình làm việc.
K1Hệ chuyển trạng thái làm việc qua ba góc phần tư và xảy ra qua 5 giai đoạn.
+ Giai đoạn 1 (ở góc phần tư thứ nhất): quá trình giảm điện áp chỉnh lưu,
dòng điện giảm về không và khóa BBĐ_1.
+ Giai đoạn 2: thời gian chết
0
T
, động cơ quay tự do. Mục đích của giai
đoạn này là kiểm tra chắc chắn BBĐ_1 đã khóa an toàn. Bởi vì mạch đang làm
việc ở vùng dòng điện gián đoạn cho nên khi logic báo
0
d
I
chưa chắc
BBĐ_1 đã khóa hoàn toàn. Vì vậy
0
T
được tính bằng thời gian dẫn của tiristo
0
20
()T ms
m
, m là số xung chỉnh lưu.
0
0
E
L
1
L
2
L
3
K
1
K
2
t
t
t
t
t
t
Gãc phÇn tø I Gãc phÇn tø II
Gãc phÇn tø III
Copyright: Tài liệu đại học ©