Nghiên cứu các chế độ làm việc của hệ thống chỉnh lưu PWM – Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Lý do chọn đề tài
Hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các quá trình sản xuất phức tạp được thực hiện một cách linh hoạt và chính xác. Do đó, chất lượng của các hệ thống truyền động điện cũng cần phải được nâng cao để có thể đáp ứng được các quá trình sản xuất phức tạp đó.
Các hệ truyền động hiện nay chủ yếu là sử dụng ĐC xoay chiều kết hợp với thiết bị biến tần với các phương pháp điều khiển như điều khiển véc tơ vòng kín, điều khiển V/F… có thể cho phép điều chỉnh tốc độ ĐC xoay chiều với chất lượng dòng áp khá tốt, phạm vi điều chỉnh được mở rộng, tạo được đặc tính tốc độ gần giống đặc tính tốc độ trong hệ thống điều tốc hai mạch vòng điều khiển ĐC điện một chiều. Tuy nhiên, chất lượng động của hệ thì vẫn không thể bằng được hệ thống điều tốc hai mạch vòng điều khiển tốc độ ĐC điện một chiều.
Với ưu điểm vượt trội là có thể điều chỉnh tốc độ trong phạm vi điều chỉnh rộng, trơn mượt hơn so với ĐC điện xoay chiều. Do đó, ĐC điện một chiều vẫn còn được sử dụng nhiều ở những nơi cần được điều chỉnh tốc độ có độ chính xác cao và trơn như máy dệt, máy in, robot…
Trước đây, tùy vào yêu cầu điều chỉnh tốc độ ĐC mà người ta sử dụng các hệ truyền động Máy phát – ĐC hay hệ Khuếch đại máy điện – ĐC,… Sau này, khi công nghệ bán dẫn phát triển mạnh, việc điều khiển ĐC điện một chiều được thực hiện thông qua các bộ biến đổi dùng thyristor (bộ băm áp, bộ chỉnh lưu hình tia ba pha, chỉnh lưu hình cầu 3 pha). Tuy nhiên, các bộ biến đổi dùng thyristor truyền thống này có những nhược điểm lớn như: Làm biến dạng dòng điện xoay chiều đầu vào; Dòng đầu vào chứa nhiều sóng hài điều hòa bậc cao; Sự nhấp nhô đỉnh – đỉnh của điện áp đầu ra cao; Chỉ cho dòng điện chạy theo một chiều dẫn đến khó khăn trong việc trả được năng lượng dư thừa của ĐC điện một chiều về phía xoay chiều khi năng lượng bên phía một chiều dư thừa; Sự nhấp nhô đỉnh – đỉnh của điện áp đầu ra cao; Tồn tại trạng thái dòng điện gián đoạn.
Phương pháp chỉnh lưu PWM mà tác giả trình bày có thể khắc phục được những nhược điểm của các bộ chỉnh lưu, bộ biến đổi truyền thống nói trên như: Chứa ít sóng hài điều hòa bậc cao trên lưới tại đầu vào của bộ chỉnh lưu; Không làm biến dạng dòng điện xoay chiều đầu vào của bộ chỉnh lưu; Sự nhấp nhô đỉnh – đỉnh của điện áp đầu ra thấp; Bộ chỉnh lưu PWM có thể trao đổi năng lượng giữa tải và lưới theo 2 chiều mà không cần bất kỳ bộ biến đổi hỗ trợ nào khác; Không tồn tại trạng thái dòng điện gián đoạn.
Vì vậy tác giả đã chọn đề tài : “Nghiên cứu các chế độ làm việc của hệ thống chỉnh lưu PWM – Động cơ điện một chiều kích từ độc lập” để làm đề tài nghiên cứu. Trong luận án của mình, tác giả sẽ trình bày các chế độ hoạt động của hệ truyền động điện Chỉnh lưu thyristor – ĐC điện một chiều (T – Đ) truyền thống và hệ thống sử dụng chỉnh lưu PWM. Từ đó sẽ tiến hành so sánh và chỉ ra những ưu điểm của chỉnh lưu PWM so với chỉnh lưu sử dụng thyristor truyền thống.
Mục tiêu nghiên cứu
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Cấu trúc của luận văn
Chương 1 – Khái quát về hệ truyền động Chỉnh lưu thyristor – ĐC điện một chiều.
Chương 2 – Hệ thống chỉnh lưu PWM.
Chương 3 – Các chế độ làm việc của ĐC điện một chiều kích từ độc lập trong hệ T – Đ và hệ CLPWM – Đ.
. KHÁI QUÁT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU THYRISTOR – ĐC ĐIỆN MỘT CHIỀU
CÁC MẠCH CHỈNH LƯU THƯỜNG DÙNG TRONG HỆ T – Đ
- Mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha có ưu điểm là gọn nhẹ, giá thành rẻ hơn so với mạch chỉnh lưu hình cầu 3 pha vì sử dụng số lượng van ít hơn. Tuy nhiên, điện áp một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lưu hình tia nhỏ hơn nhiều so với bộ chỉnh lưu cầu 3 pha nếu cấp cùng giá trị điện áp đầu vào. Do đó, công suất đầu ra cực đại của bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha cũng sẽ bé hơn so với công suất đầu ra cực đại của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha nếu cấp cùng giá trị điện áp vào. Bên cạnh đó, chất lượng điện áp đầu ra của chỉnh lưu hình cầu cũng tốt hơn so với bộ chỉnh lưu hình tia.
- Cả hai bộ chỉnh lưu (hình tia và hình cầu) đều tồn tại trạng thái dòng điện gián đoạn, trạng thái mà dòng điện ĐC sẽ không duy trì được trạng thái liên tục mà sẽ có dạng xung đập mạch rời rạc vì dòng qua van này đã tắt mà chưa tới thời điểm mở van tiếp theo. Lúc này, đặc tính cơ có dạng rất dốc. Đây là nhược điểm của hệ truyền động T – Đ.
- Các bộ chỉnh lưu dùng thyristor không cho dòng điện chạy theo chiều ngược lại. Điều này dẫn đến khó khăn trong việc trả được năng lượng dư thừa bên phía một chiều về phía xoay chiều khi ta thực hiện quá trình giảm điện áp cấp cho phần ứng của ĐC để thay đổi tốc độ ĐC hay để thực hiện các trạng thái hãm trong quá trình làm việc của ĐC. Bên cạnh đó, bởi vì chỉ cho dòng điện chạy theo một chiều nên khi dùng bộ chỉnh lưu thyristor để cấp nguồn cho ĐC một chiều, ĐC chỉ có thể làm việc được ở hai góc một phần tư.
- Thêm vào đó, vì điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu dùng thyristor có dạng sóng điện áp chỉnh lưu nhấp nhô. Biên độ của điện áp nhấp nhô này lớn và phụ thuộc vào góc mở van α nên dòng điện, mô men của ĐC cũng có dạng nhấp nhô do chứa các thành phần xoay chiều tương ứng. Điều này sẽ làm cho ĐC hoạt động không êm. Để khắc phục tình trạng này, người ta thường dùng cuộn kháng lọc (KL) mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng của ĐC. Tuy nhiên, việc này sẽ làm hệ thống trở nên cồng kềnh, giá thành tăng và làm cho dòng điện, điện áp cấp cho ĐC ở các thời điểm quá độ là lớn.
. HỆ THỐNG CHỈNH LƯU PWM
GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP CHỈNH LƯU PWM SIN – TAM GIÁC
Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
Hình 2.1. Sơ đồ mạch lực của bộ chỉnh lưu PWM.
Hình 2.2. (a) Bộ chỉnh lưu nửa cầu 1 pha và (b) Phương pháp PWM Sin – Tam giác.
Để phân tích, bộ chỉnh lưu PWM 3 pha (Hình 2.1) được tách thành 3 bộ chỉnh lưu nửa cầu một pha độc lập như thể hiện trong Hình 2.2(a).
Trong phương pháp chỉnh lưu PWM này, ta sử dụng hai bộ điều khiển. Một bộ điều khiển điện áp được sử dụng để điều khiển điện áp ra Vdc bám theo tín hiệu điện áp đặt, ta gọi nó là bộ điều khiển điện áp chính (Main voltage controller) và một bộ khác làm nhiệm vụ giữ cho điện áp trên hai nửa của thanh dẫn một chiều (Vo1 và Vo2) cân bằng nhau, ta gọi là bộ điều khiển cân bằng điện áp (Voltage balancing controller).
Hình 2.3. Sơ đồ điều khiển của bộ chỉnh lưu PWM.
Sự mất cân bằng điện áp trên thanh dẫn một chiều
Hình 2.3. Kết quả mô phỏng sự mất cân bằng điện áp trên thanh dẫn một chiều.
Thiết kế bộ điều khiển điện áp cho bộ chỉnh lưu
Phương pháp điều chế độ rộng xung với ba sóng mang lệch pha 120o
Hình 2.11. (a) Sơ đồ điều chế động rộng xung Sin – Tam giác truyền thống và (b) Sơ đồ điều chế độ rộng xung Sin – Tam giác được đề xuất.
Kết quả mô phỏng bộ chỉnh lưu PWM
Kết quả mô phỏng bộ chỉnh lưu PWM khi sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung với một sóng mang (CSPWM)
Hình 2.14. Điện áp một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lưu PWM khi sử dụng phương pháp CSPWM.
Hình 2.16. Dòng điện xoay chiều ba pha tại đầu vào của bộ chỉnh lưu PWM khi sử dụng phương pháp CSPWM.
Hình 2.18. Dòng điện trong dây trung tính khi sử dụng phương pháp CSPWM.
Kết quả mô phỏng bộ chỉnh lưu PWM khi sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung với 3 một sóng mang (SPWM)
Hình 2.25. Dòng điện chạy trong dây trung tính của bộ chỉnh lưu PWM khi sử dụng phương pháp SPWM.
Điện áp một chiều ở đầu ra của bộ chỉnh lưu PWM rất bằng phẳng chứ không bị nhấp nhô như các bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng thyristor. Nên có thể nói, chất lượng điện áp một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lưu PWM tốt hơn chất lượng điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu điều khiển dùng thyristor.
Bên cạnh đó, bộ chỉnh lưu PWM này ít làm biến dạng dòng điện xoay chiều tại đầu của bộ chỉnh lưu nên dòng điện xoay chiều tại đầu vào của bộ chỉnh lưu luôn sin và lượng sóng hài điều hòa bậc cao trả về lưới thấp. Điều này sẽ không gây ảnh hưởng xấu đến lưới điện, nơi có dùng bộ chỉnh lưu. Thêm vào đó, do hệ số biến dạng sóng hài THD của dòng điện là bé nên hệ số công suất của bộ biến đổi cao.
Ngoài ra, tác giả cũng đã ứng dụng thành công phương pháp điều chế độ rộng xung Sin – Tam giác với ba sóng mang lệch pha nhau 120o cho bộ chỉnh lưu PWM và chứng minh được phương pháp này làm giảm đáng kể độ lớn và sự nhấp nhô của dòng điện trong dây trung tính của bộ chỉnh lưu PWM so với phương pháp điều chế độ rộng xung với một sóng mang truyền thống. Điều này sẽ làm cho dây trung tính không bị phát nóng và giảm tổn thất trong hệ thống.
. CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐC ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP TRONG HỆ
T – Đ VÀ HỆ CLPWM – Đ
Phương pháp khởi động ĐC điện một chiều qua điện trở
Hình 3.2. Đặc tính dòng điện và tốc độ của ĐC trong trường hợp mở máy qua điện trở.
Hình 3.3. Đặc tính cơ của ĐC trong trường hợp mở máy qua điện trở.
Phương pháp khởi động ĐC điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
Ý tưởng của phương pháp
Công thức (3.12) biểu diễn dạng điện áp cần cấp cho ĐC lúc khởi động để giữ cho dòng điện khởi động của ĐC ít biến thiên và nằm trong giới hạn cho phép trong quá trình khởi động.
Ứng dụng phương pháp khởi động ĐC điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng trong hệ T – Đ
Ứng dụng phương pháp khởi động ĐC điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng trong hệ CLPWM – Đ
Hình 3.10. Sơ đồ mô phỏng các chế độ làm việc của ĐC điện một chiều trong hệ CLPWM – Đ.
Hình 3.11. Đặc tính điện áp, dòng điện và tốc độ của ĐC khi khởi động bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng trong hệ
CLPWM – Đ.
Hình 3.12. Đặc tính cơ của ĐC khi khởi động bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng trong hệ CLPWM – Đ.
Hệ truyền động Chỉnh lưu thyristor – ĐC điện một chiều (T – Đ)
Sơ đồ thay thế của hệ T – Đ không đảo chiều
Đặc tính cơ của ĐC trong hệ T – Đ
Trạng thái ĐC:
Trạng thái hãm ngược (HN):
Hình 3.17. Đặc tính dòng điện và tốc độ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm ngược trong hệ T – Đ.
Hình 3.18. Đặc tính cơ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm ngược trong hệ T – Đ.
Trạng thái hãm động năng (HĐN):
Hình 3.19. Đặc tính dòng điện và vận tốc của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm động năng trong hệ T – Đ.
Hình 3.20. Đặc tính cơ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm động năng trong hệ T – Đ.
Hãm tái sinh (HTS):
Hình 3.21. Đặc tính dòng điện và tốc độ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm tái sinh trong hệ T – Đ.
Hình 3.22. Đặc tính cơ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm tái sinh trong hệ T – Đ.
Hệ thống chỉnh lưu PWM – ĐC điện một chiều (CLPWM – Đ)
Sơ đồ thay thế của hệ thống chỉnh lưu PWM – ĐC điện một chiều không đảo chiều.
Đặc tính cơ của ĐC trong hệ thống CLPWM – Đ
Trạng thái ĐC:
Hãm tái sinh:
Hình 3.27. Đặc tính điện áp và dòng điện của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm tái sinh trong hệ thống CLPWM – Đ.
Vấn đề đặt ra ở đây là giá trị dòng điện hãm tái sinh chảy từ phía một chiều về phía xoay chiều lớn hơn 2.5Idm của ĐC rất nhiều (xem Hình 3.27). Do đó, ta phải tính toán để hạn chế dòng điện hãm:
Hình 3.28. Đặc tính điện áp, dòng điện và tốc độ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm tái sinh trong hệ thống CLPWM – Đ trong trường hợp có tính toán hạn chế dòng hãm.
Hình 3.29. Đặc tính cơ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm tái sinh trong hệ thống CLPWM – Đ.
Trạng thái hãm ngược:
Hình 3.30. Đặc tính điện áp, dòng điện và tốc độ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm ngược trong hệ thống CLPWM – Đ.
Hình 3.31. Đặc tính cơ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm ngược trong hệ thống CLPWM – Đ.
Trạng thái hãm động năng:
Hình 3.32. Đặc tính điện áp, dòng điện và tốc độ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm động năng trong hệ thống CLPWM – Đ.
Hình 3.33. Đặc tính cơ của ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm động năng trong hệ thống CLPWM – Đ.
Kết luận
Quá trình đảo chiều ở hệ T – Đ
Đảo chiều bằng phương pháp điều khiển riêng
Đảo chiều bằng phương pháp điều khiển chung
Quá trình đảo chiều ở hệ CLPWM – Đ
PHÂN TÍCH SÓNG HÀI BẬC CAO VÀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP ĐẦU RA CỦA BỘ BIẾN ĐỔI
Sóng hài bậc cao và ảnh hưởng của chúng
Phân tích sóng hài bậc cao trong hệ T – Đ
Hình 3.52. Dạng dòng điện và hệ số biến dạng sóng hài THD của dòng điện trong hệ T – Đ ứng với góc mở van α = 0o.
Hình 3.53. Dạng dòng điện và hệ số biến dạng sóng hài THD của dòng điện trong hệ T – Đ ứng với góc mở van α = 60o.
Phân tích sóng hài bậc cao trong hệ CLPWM – Đ
Hình 3.55. Dạng dòng điện và hệ số biến dạng sóng hài THD của dòng điện trong hệ CLPWM – Đ.
Chất lượng điện áp một chiều cấp cho ĐC trong hệ T – Đ và hệ CLPWM – Đ
Hình 3.56. Chất lượng điện áp một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha ứng với góc mở van α = 0o trong hệ T – Đ.
Hình 3.57. Chất lượng điện áp một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu 3 pha ứng với góc mở van α = 80o trong hệ T – Đ.
Hình 3.58. Chất lượng điện áp một chiều tại đầu ra của bộ chỉnh lưu PWM trong hệ CLPWM – Đ (Khi được phóng lớn).
KẾT LUẬN
Trong chương 3, tác giả đã đi dẫn giải và phân tích chi tiết phương pháp khởi động ĐC điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. Các kết quả mô đã thể hiện phương pháp khởi động này hiệu quả và có nhiều ưu điểm hơn phương pháp khởi động ĐC qua điện trở như: Độ tin cậy cao; Hệ thống ít cồng kềnh; Thời gian khởi động bé; ĐC ít rung lắc lúc khởi động; Tổn hao năng lượng lúc khởi động bé. Bên cạnh đó, tác giả cũng đã tìm ra được biểu thức xác định tốc độ điều chỉnh điện áp để dòng điện chạy trong ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm tái sinh không vượt quá giới hạn cho phép.
Các kết quả mô phỏng cũng cho thấy hệ T – Đ còn tồn tại những nhược điểm lớn như: Làm biến dạng dòng điện xoay chiều đầu vào; Lượng sóng hài điều hòa bậc cao trả về lưới là lớn; Bộ chỉnh lưu chỉ cho dòng điện chạy theo 1 chiều nên dẫn đến khó khăn trong việc trả được năng lượng dư thừa bên phía 1 chiều về phía xoay chiều; Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu có độ nhấp nhô lớn. Các kết quả mô phỏng cũng thể hiện hệ thống CLPWM – Đ có thể khắc phục được các nhược điểm của hệ T – Đ truyền thống như: Không làm biến dạng dòng điện xoay chiều đầu vào; Không gây ra nhiều sóng hài bậc cao trên lưới; Có thể trao đổi năng lượng giữa tải và lưới theo 2 chiều một cách dễ dàng; Chất lượng điện áp một chiều ở đầu ra cao.
Bên cạnh đó, đối với hệ thống T – Đ, trong vùng phụ tải nhỏ M → 0, Iu → 0 dòng điện ĐC sẽ không duy trì được trạng thái liên tục mà sẽ có dạng xung đập mạch rời rạc. Ở trạng thái dòng điện gián đoạn này, đặc tính cơ của ĐC có dạng rất dốc. Do đó, ta rất khó điều khiển được tốc độ ĐC trong vùng đặc tính này. Đây là nhược điểm của hệ thống T – Đ. Hệ thống CLPWM – Đ có thể khắc phục được nhược điểm này của hệ thống T – Đ. Hay nói cách khác, trong các đường đặc tính của ĐC ở các chế độ làm việc khác nhau (ĐC, hãm tái sinh, hãm ngược, hãm động năng) trong hệ thống CLPWM – Đ không tồn tại vùng dòng điện gián đoạn. Do đó, các đường đặc tính của ĐC trong hệ thống CLPWM – Đ là những đường thẳng song song và không có vùng nào trên các đặc tính cơ này có độ dốc lớn.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu các chế độ làm việc của hệ thống chỉnh lưu PWM – Động cơ điện một chiều kích từ độc lập” , tác giả đã đạt được những kết quả sau:
- Phân tích, dẫn giải và xây dựng thành công phương pháp khởi động ĐC điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng. Các kết quả mô phỏng đã cho thấy phương pháp khởi động này có nhiều ưu điểm hơn phương pháp khởi động ĐC qua điện trở như: Độ tin cậy cao; Hệ thống ít cồng kềnh; Thời gian khởi động bé; ĐC ít rung lắc lúc khởi động; Tổn hao năng lượng lúc khởi động bé. Bên cạnh đó, tác giả cũng đã tìm ra được biểu thức xác định tốc độ điều chỉnh điện áp để dòng điện chạy trong ĐC khi ĐC làm việc ở trạng thái hãm tái sinh không vượt quá giới hạn cho phép.
- Phân tích, dẫn giải và xây dựng thành công hệ thống chỉnh lưu PWM. Trong đó, những vấn đề về điều khiển điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu và độ lớn của dòng điện trong dây trung tính của bộ chỉnh lưu PWM cũng được đưa ra xem xét và giải quyết. Trên cơ sở đó, tác giả xây dựng hệ thống CLPWM – Đ.
- Tiến hành mô phỏng, phân tích hệ thống CLPWM – Đ và hệ thống T – Đ trên phần mềm Matlab để có thể thấy được ưu điểm hệ thống CLPWM – Đ so với hệ T – Đ như: Không làm biến dạng dòng điện xoay chiều đầu vào; Không gây ra nhiều sóng hài bậc cao trên lưới; Có thể trao đổi năng lượng giữa tải và lưới theo 2 chiều một cách dễ dàng; Chất lượng điện áp một chiều ở đầu ra cao. Bên cạnh đó, các kết quả mô phỏng cũng chứng minh rằng trong hệ T – Đ có tồn tại trạng thái dòng điện gián đoạn. Ở trạng thái dòng điện gián đoạn này, đặc tính cơ của ĐC có độ dốc lớn dẫn đến khó điều khiển được tốc độ ĐC trong vùng này. Hệ thống CLPWM – Đ cũng có thể khắc phục được nhược điểm này của hệ T – Đ. Cụ thể, hệ thống CLPWM – Đ không tồn tại trạng thái dòng điện gián đoạn trong tất cả các chế độ làm việc của ĐC. Do đó, đặc tính cơ của ĐC trong hệ thống CLPWM – Đ là những đường thẳng song song nhau và không có vùng nào có độ dốc lớn. Điều này giúp cho việc điều khiển ĐC được dễ dàng hơn.
- Điều hạn chế của luận văn đó là tác giả chưa thể xây dựng được hệ thống chỉnh lưu PWM cũng như là hệ thống CLPWM – Đ thực tế để có thể thấy được những ưu và nhược điểm của hệ thống khi được đưa vào ứng dụng thực tế. Đây cũng chính là hướng phát triển của đề tài.
E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\TU DONG HOA\BUI VAN VU\SAU BAO VE\TOM TAT
