Luận văn Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần 4 góc phần tư – động cơ đồng bộ

ất của bộ chỉnh lƣu), có thể phải bố trí thêm các thiết bị bù công suất phản kháng. Về mặt nguyên tắc, công suất dƣ thừa trong động cơ (thƣờng là động năng hệ truyền động) có thể đƣợc tiêu tán trên điện trở trong mạch một chiều nhờ khóa đóng cắt có điều υ = 5υ= 5 ÷ 13 7 11 13 >17 Hình 1.8: Các bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao ( là chỉ số sóng hài) a) b) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 Chỉnh lƣu Nghịch lƣu Hình 1.9: Dập năng lượng bằng điện trở Rh trong mạch một chiều ĐK Cl A B C Tr Rh khiển hoặc có 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 không thể trả về lƣới mà chỉ có thể bị tiêu hao trên các điện trở (Rh) đƣợc điều khiển bởi các ngắt điện (Tr) nối phía mạch một chiều (hình 1.9). Trong trƣờng hợp công suất lớn thì đòi hỏi điện trở phải chịu đƣợc dòng điện lớn, khó 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. Khi sử dụng chỉnh lƣu thyristor, có 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 1.10). 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 A C B ĐK Chỉnh lƣu Nghịch lƣu để hãm tái sinh + _ - + Nghịch lƣu Hình 1.10: Sử dụng thêm bộ nghịch lưu mắc song song ngược với bộ chỉnh lưu để trả năng lượng về lưới điện xoay chiều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 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. 1.3.2. Biến tần bốn góc phần tƣ (biến tần 4Q) Các phƣơng pháp sử dụng bộ lọc để giảm sóng hài bậc cao trong dòng điện nguồn, sử dụng thiết bị bù để tăng hệ số công suất, dùng điện trở hãm hoặc bộ nghịch để giải phóng năng lƣợng dƣ của động cơ còn tồn tại những vấn đề nhƣ: hệ thống cồng kềnh, đầu tƣ lớn, lọc sóng hài bậc cao khó, khi công suất hệ lớn thì điều chỉnh khó khăn. Với chỉnh lƣu diode chỉ cho phép năng lƣợng chảy theo một chiều và không 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 đòi hỏi điện áp không đổi hay dòng điện không đổi, điều khiển là việc cần thiết để bù nguồn cấp và sự thay đổi của tải. Chỉnh lƣu thyristor có thể điều khiển đƣợc dòng năng lƣợng bằng cách thay đổi góc điều khiển (góc mở) của thyristor. Bộ biến đổi này còn có thêm khả năng biến đổi năng lƣợng từ một chiều sang xoay chiều hay làm việc ở chế độ nghịch lƣu. Khi góc điều khiển nằm giữa 0 và /2 bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lƣu, còn khi góc điều khiển nằm giữa /2 và  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, ngoài nhƣợc điểm là thiết bị phần lực rất cồng kềnh, còn có thêm nhƣợc điểm là dòng điện qua lƣới chứa nhiều sóng điều hoà bậc cao làm ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng điện năng và làm giảm hệ số công suất. Mặt khác nhiều hệ thống truyền động điện có yêu cầu cao về chất lƣợng động, ví dụ nhƣ độ tác động nhanh cao, khi đó 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 đó yêu cầu động cơ trong hệ thống phải làm việc đƣợc ở cả bốn góc phần tƣ, tức là ngoài 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 có thể làm việc cả bốn góc phần tƣ thì thì yêu cầu bộ biến tần phải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 có khả năng thực hiện trao đổi đƣợc năng lƣợng hai chiều. Các bộ biến tần nhƣ vậy đƣợc gọi là biến tần bốn góc 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 góc 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 có thể thực hiện trao đổi công suất hai chiều: từ phía một chiều sang động cơ và ngƣợc lại. Nhƣ vậy, để bộ biến tần có thể thực hiện trao đổi công suất hai chiều thì vấn đề còn lại là khối chỉnh lƣu cũng phải có khả năng trao đổi công suất hai chiều. Nhƣ đã nêu ở trên, để thực hiện yêu cầu này có 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, còn 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 chỉnh lƣu chuyển sang) thành năng lƣợng điện xoay chiều trả lại lƣợng điện xoay chiều. Tuy nhiên, cấu trúc biến tần này có phần chỉnh lƣu rất cồng kềnh, dòng điện qua lƣới điện có nhiều sóng hài bậc cao với biên độ khá lớn, hệ số công 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 có các ƣu điểm: - Giảm đƣợc biên độ các sóng điều hoà bậc cao dòng điện lƣới. - Hệ số cos cao. - Có khả năng trao đổi công suất theo hai chiều. Bộ chỉnh tích cực PWM ra đời đã đáp ứng đƣợc các yêu trên. Luận văn sẽ tiến hành nghiên cứu bộ biến tần bốn góc phần tƣ dùng chỉnh lƣu tích cực PWM. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 Chƣơng 2 NGUYÊN CỨU VỀ CHỈNH LƢU PWM 2.1. KHÁI QUÁT VỀ CHỈNH LƢU PWM Chỉnh lƣu là quá trình biến đổi năng lƣợng dòng điện xoay chiều thành năng lƣợng dòng điện một chiều. Quá trình nghiên cứu các hệ truyền động điện sử dụng động cơ điện một chiều đã đề cập đến yêu cầu tạo ra một điện áp một chiều ổn định và chất lƣợng cao. Nó đƣợc tạo ra trong các mạch điện tử công suất bằng các bộ chỉnh lƣu thƣờng sử dụng điốt và thyristor. Chỉnh lƣu đƣợc phân loại theo nhiều cách: theo số pha nguồn cung cấp cho mạch van (ba pha, sáu pha); theo loại van bán dẫn (chỉnh lƣu không điều khiển, chỉnh lƣu điều khiển; chỉnh lƣu bán điều khiển) và phân loại theo sơ đồ mắc van (hình tia, hình cầu). Bộ chỉnh lƣu điốt và thyristor đã có lịch sử gần 50 năm và chúng đƣợc định nghĩa nhƣ một thiết bị điện tử công suất cổ điển đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Tuy nhiên, khi dùng chỉnh lƣu truyền thống thì hệ số méo điện áp lƣới là lớn (do đó gây ra sóng điều hoà lớn trong lƣới điện xoay chiều; sóng điều hòa bậc cao gây ra tổn thất phụ, gây nhiễu cho lƣới điện ảnh hƣởng đến hoạt động của máy bíên áp, van điện ..) Đồng thời hệ số méo làm ảnh hƣởng đến hệ số công suất, làm cho hệ số công suất khi dùng các bộ chỉnh lƣu này là thấp. Mặt khác, trong truyền động xoay chiều dùng biến tần, khi năng lƣợng động cơ dƣ thừa đòi hỏi phải có sự trao đổi năng lƣợng để tiết kiệm, tránh hao phí năng lƣợng. Nhƣng các bộ chỉnh lƣu dùng đi ốt và thyristor chỉ dẫn năng lƣợng theo một chiều dẫn đến khó trao đổi năng lƣợng giữa động cơ và lƣới. Chính vì vậy đòi hỏi phải tìm ra một bộ chỉnh lƣu mới thoả mãn các điều kiện: + Chứa ít sóng điều hoà bậc cao. + Hệ số cos cao. + Năng lƣợng chảy đƣợc theo hai chiều. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 Nhƣ vậy vấn đề đặt ra ở đây là phải tìm ra một loại chỉnh lƣu tự nó thoả mãn những yêu cầu đã nêu trên. Chỉnh lƣu PWM ra đời thoả mãn các điều kiện đó. Tóm lại: Các biến tần nguồn áp dùng chỉnh lƣu điốt và thyristor có ba nhƣợc điểm: không thực hiện trao đổi công suất giữa tải và lƣới( tức là chỉ làm việc đƣợc ở hai góc phần tƣ), dòng điện đầu vào chứa nhiều sóng hài bậc cao ảnh hƣởng xấu đến lƣới điện xoay chiều và hệ số cos thấp khi sử dụng chỉnh lƣu điều khiển. Biến tần dùng chỉnh lƣu PWM đã khắc phục cả 3 vấn đề tồn tại trên. Nó có thể làm việc ở cả bốn góc phần tƣ, có khả năng trao đổi công suất giữa tải và lƣới theo hai chiều; dòng điện đầu vào có dạng rất gần hình sin và có thể điều chỉnh hệ số công suất cos =1. Bộ biến tần gián tiếp có khâu trung một chiều gồm hai khâu cơ bản là chỉnh lƣu và nghịch lƣu. Phần nghịch lƣu đã có nhiều kết quả nghiên cứu đƣợc áp dụng rất tốt trong thực tế, trong nội dung luận văn không đi vào việc phân tích phần nghịch lƣu mà thực hiện lựa chọn loại nghịch đƣợc áp dụng phổ biến trong truyền động động cơ xoay chiều hiện nay là nghịch lƣu điều khiển vector, khối nghịch này cho phép trao đổi công suất hai chiều giữa động cơ và phần cung cấp một chiều. Nhƣ vậy, khả năng làm việc ở cả bốn góc phần tƣ của động cơ trong hệ truyền động điện chỉ còn phụ thuộc vào đặc tính làm việc của chỉnh lƣu, vì thế, nội dung cơ bản của chƣơng này là nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý họat động và khả năng ứng dụng của chỉnh lƣu PWM vào hệ truyền động điện biến tần - động cơ xoay chiều làm việc ở bốn góc phần tƣ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 2.2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BIẾN TẦN NGUỒN ÁP BỐN GÓC PHẦN TƢ DÙNG CHỈNH LƢU PWM Sơ đồ nguyên lý phần lực của biến tần dùng chỉnh lƣu PWM đƣợc trình bày trên hình 2.1 Sơ đồ trên bao gồm hai khối chỉnh lƣu (CLPWM) và nghịch lƣu (NL) có cấu tạo nhƣ nhau và có chung mạch một chiều, vì vậy thƣờng gọi là sơ đồ “dựa lƣng vào nhau” (back to back). Ngoài ra, đầu vào biến tần (trong mạch nguồn cung cấp xoay chiều) có lắp thêm cuộn cảm L. Để có chế độ làm việc bốn góc phần tƣ đảm bảo công suất trao đổi hai chiều giữa lƣới và tải, dòng điện chỉnh lƣu Id phải thay đổi đƣợc dấu. Ta gọi Id có dấu “+” khi nó có chiều hƣớng về tải và ngƣợc lại có dấu “-” khi chiều của nó hƣớng về lƣới. Vì dấu điện áp một chiều là cố định nên công suất có thể thay đổi hai chiều từ lƣới về tải Pd = Ud.Id > 0 và từ tải về lƣới Pd = Ud.Id < 0 Để thực hiện đƣợc nguyên lý làm việc trên biến tần cần có điều kiện: - Bắt buộc phải có điện cảm đầu vào để tạo kho từ trao đổi năng lƣợng với lƣới. - Giá trị điện áp một chiều Udc không đổi và phải lớn hơn giá trị điện áp chỉnh lƣu tự nhiên từ lƣới ( thƣờng ít nhất là 20%). - Điều khiển chỉnh lƣu theo lụât điều khiển PWM H×nh 2.1: S¬ ®å biÕn tÇn bèn gãc phÇn t• dïng chØnh l•u PWM uL §B Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37  jLI UL IRUs IL  jLI IL UL IR H×nh 2.2: S¬ ®å thay thÕ mét pha vµ ®å thÞ vector a. S¬ ®å thay thÕ mét pha bé chØnh l•u tÝch cùc PWM b. §å thÞ vector tæng qu¸t cña bé chØnh l•u c. §å thÞ vector bé chØnh l•u PWM víi hÖ sè c«ng suÊt b»ng 1 d. §å thÞ vector bé chØnh l•u PWM víi hÖ sè c«ng suÊt b»ng -1 (nghÞch l•u) IL L R UsUL   jLI IL Us IR UL a b c d RIL >0 <0 L R iL UL US US UL jLIL IL UL IL jLIL RIL US jLIL RIL UL IL US - Do khóa đóng cắt hai chiều Tranzitor và điôt ngƣợc kết hợp với tụ điện C và các điện cảm nguồn L hình thành mạch vòng dao động cộng hƣởng LC tạo nên điện áp một chiều Udc > Ud0. Để giải thích nguyên lý làm việc chỉnh lƣu PWM ta dùng sơ đồ thay thế một pha và đồ thị vector nhƣ trên hình 2.2. Hình 2.2a là sơ đồ thay thế, trong đó, UL là điện áp một pha nguồn xoay chiều, Us là điện áp tải (mạch một chiều - nghịch lƣu - động cơ xoay chiều ) đƣợc quy đổi về nguồn xoay chiều (điểm a). Giản đồ vector tổng quát biểu diễn trên hình 2.2b. Nếu điều khiển chỉnh lƣu PWM để vector dòng điện LI  trùng pha với vector điện áp lƣới LU  thì cos =1 và công suất Pd > 0. Khi vector dòng điện LI  ngƣợc pha với vector LU  thì cos =-1 và công suất Pd < 0 (ứng với chế độ hãm tái sinh). Nhƣ vậy, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 H×nh 2.3a: §å thÞ 6 vector ®iÖn ¸p c¬ b¶n khi ®iÒu khiÓn sù chuyÓn m¹ch c¸c kho¸ b¸n dÉn Sa, Sb, Sc U 3(010) U 2(110) U 1(100) U 4(011) U 5(001) U 6(101) Re Im sử dụng chỉnh lƣu PWM trong bộ biến tần gián tiếp cho phép thực hiện trao đổi công suất tác dụng giữa tải và nguồn theo hai chiều và có thể điều chỉnh đƣợc giá trị hệ số công suất cos bằng 1. Để thực hiện dòng điện đầu vào có dạng hình sin ngƣời ta dùng phƣơng pháp biến điệu vector không gian theo nhƣ nghịch lƣu (SVPWM). Khi xem ba cặp IGBT (hình 2.1) nhƣ là ba khóa bán dẫn cho ba pha Sa Sb Sc. Mỗi khóa có hai trạng thái đóng “1” và cắt “0” tạo ra sáu vector điện áp tác dụng là U1, U 2, U3, U4, U5, U6 (hình 2.3a) và hai trạng thái không là U0 (000) và U7 (111). Các trạng thái đóng cắt trình bày trên hình 2.3b. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 2.3. MÔ TẢ TOÁN HỌC CHỈNH LƢU PWM Đồ thị vector hình 2.2 của sơ đồ thay thế chỉnh lƣu PWM có thể biểu diễn trên tọa độ cố định -  và tọa độ quay d - q bằng phƣơng pháp biến đổi tuyến tính không gian vector [3], [11], [12]. Giả thiết điện áp nguồn ba pha đối xứng với tần số công nghiệp không đổi 1 = 2f1, khi đó: ia + ib + ic = 0 (2.1) Đồ thị vector điện áp, dòng điện của chỉnh lƣu PWM trên các hệ tọa độ cố định - và hệ toạ độ quay d-q đƣợc biểu diễn trên hình 2.4 H×nh 2.3b: C¸c tr¹ng th¸i chuyÓn m¹ch cña chØnh l•u PWM A U1 k=0 Udc S a= 1 + - + - + - - B C + - - + C B A - + C B A - + C B A C B A C B A C B A C B A S b = 0 S c= 0 Udc S a = 0 S b = 1 S c= 0 Udc S a = 0 S b = 0 S c= 1 Udc S a = 0 S b = 0 S c= 0 Udc S a= 1 S b = 1 S c= 1 Udc S a= 1 S b = 0 S c= 1 Udc S a= 0 S b = 1 S c= 1 c S a= 1 S b = 1 S c= 0 U2 k=1 U3 k=2 U4 k=3 U5 k=4 U6 k=5 U0 U7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 2.3.1. Mô tả điện áp đầu vào chỉnh lƣu PWM Điện áp dây tại đầu vào chỉnh lƣu (a , b , c) Usab=(Sa- Sb)Udc Usbc=(Sb- Sc)Udc (2.2) Usca=(Sc- Sa)Udc Điện áp pha sa a dc sb b dc sc c dc U f U U f U U f U        (2.3) H×nh 2.4: §å thÞ vector ®iÖn ¸p, dßng ®iÖn chØnh l•u PWM trong hÖ to¹ ®é - vµ d-q    Lt a d b q u1=LiL us uL  c id iL iq  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 Trong đó: a b c a 2S (S S ) f 3    b a c b 2S (S S ) f 3    c a b c 2S (S S ) f 3    Với fa , fb , fc lấy giá trị 0 , 1/3 và 2/3 2.3.2. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ 3 pha 1 R+pL + - u sa i a - + f a u a S a f b + - i b u sb - + R+pL 1 1 R+pL + - u sc i a - + f c + + + + + 1 pC + + S b S c u b u c 1 3 i dc u dc - H×nh 2.5: CÊu tróc m« h×nh to¸n häc chØnh l•u PWM trªn hÖ to¹ ®é ba pha Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 Ta có phƣơng trình điện áp: L L L s dI U R.I L. U dt    (2.4) Viết dạng 3 pha: a a a sa b b b sb c c c sc U i i U d U R i L i U dt U i i U    (2.5) Phƣơng trình dòng điện: c a a b b c c dU C S i S i S i dt    (2.6) Cấu trúc mô hình đƣợc trình bày trên hình 2.5 2.3.3. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ cố định  -  Phƣơng trình điện áp CLPWM trong tọa độ cố định  - : L L L s L L L s U i i Ud R L U i i Udt            (2.7) Phƣơng trình dòng điện: c L L dc dU C (i S i S ) i dt       (2.8) Trong đó: a b c b c 1 1 S (2S S S ); S (S S ) 2        Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 Mô hình toán học chỉnh lƣu PWM trong hệ tọa độ  -  đƣợc trình bày trên hình 2.6. 2.3.4. Mô tả toán học chỉnh lƣu PWM trên hệ tọa độ quay d - q Ta có phƣơng trình điện áp: Ld Ld Ld Lq sd Lq Lq Lq Ld sq di U Ri L Li U dt di U Ri L Li U dt             (2.9) Phƣơng trình dòng điện: c Ld d Lq q dc dU C (i S i S ) i dt    (2.10) Trong đó: dS S cos t S sin t     qS S cos t S sin t     H×nh 2.6: M« h×nh to¸n häc chØnh l•u PWM trªn hÖ to¹ ®é - - u dc i dc 1 + u s  - + R+pL 1 pC 1 R+pL + u L  + S  u s  i L  - S  u L  i L  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 Mô hình toán học chỉnh lƣu PWM đƣợc trình bày trên hình 2.7. 2.3.5. Tính toán công suất chỉnh lƣu PWM Công suất tác dụng và công suất phản kháng của chỉnh lƣu PWM đƣợc tính trên tọa độ a , b , c và  -      * e a a b b c c * m bc a ca b ab c p R u.i u i u i u i u i u i 1 q I u.i (u i u i u i ) u i u i 3                         (2.11) Trên tọa độ d - q Lq Lq Ld Ld m m Lq Lq Ld Ld 3 p (U i U i ) U I 2 q (U i U i )          (2.12) uLd Sd iLq usq Sq + uLq - R+pL 1 pC 1 R+pL + - iLd + 1 udc - usd  L + + + H×nh 2.7: M« h×nh to¸n häc chØnh l•u PWM trªn hÖ to¹ ®é d-q  L idc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 Nếu ta chọn trục d trùng với trục điện áp UL và điều khiển IL trùng với UL thì ta có: Lq Lq Ld m Ld m 3 3 i 0, U 0, U U , i I , q 0 2 2      Đồ thị vector điện áp đƣợc vẽ trên hình 2.8 2.4. PHẠM VI VÀ GIỚI HẠN THAM SỐ CỦA CHỈNH LƢU PWM 2.4.1. Giới hạn cực tiểu của điện áp một chiều Udcmin > Ud0 = 2,34Ufa (2.13) Thông thƣờng chọn điện áp một chiều ở giá trị Udc = (1,12  1,3 )Ud0 2.4.2. Giới hạn giá trị điện áp trên điện cảm Nếu ta biểu diễn điện áp chỉnh lƣu PWM trên tọa độ d-q ta có phƣơng trình cân bằng điện áp: Ldq Ldq Ldq sdq dI L U j LI U dt     (2.14) H×nh 2.8: §å thÞ vector ®iÖn ¸p chØnh l•u PWM q p(-) p(+) q(-) q(+) LU  sU LI d  Lj LI Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46 Từ phƣơng trình (2.14) ta thấy điện áp trên điện cảm sẽ thay đổi khi vector dòng điện LI biến động. Ta có 8 vector điện áp U0, U1, U2, U3, U4, U5, U6, U7. Định nghĩa điện áp tự cảm di L dt tƣơng ứng là Up0, Up1, Up2, Up3, Up4, Up5, Up6, Up7. Biểu diễn giới hạn làm việc của điện áp trên điện cảm bằng đồ thị vector hình 2.9a, b. Nếu bộ điều chỉnh dòng điện giữ đƣợc biến động của LI xung quanh dòng điện đặt LI đặt. Gọi góc  là góc biến động lớn nhất của hai vector Up1 và Up2 ta có  <  Trên đồ thị hình 2.9 chỉ ra nếu  =  thì LdqLdq sdq 3 U j Li U 2    (2.15) iL q d u 1  u 6 u 5 uL u 3 u 4 u 2 H×nh 2.9a: Giíi h¹n lµm viÖc ®iÖn ¸p cña chØnh l•u PWM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 Giả thiết: sdq dc Ldq m Ldq Ld 2 U U , U U ; i i 3    Điều kiện điện áp một chiều cực tiểu sẽ là 2 2 dc m LdU 3 U ( Li )     (2.16) Phƣơng trình 2.16 chỉ ra quan hệ giữa điện áp nguồn, điện áp một chiều, dòng tải và giá trị điện cảm. Từ đó xác định đƣợc giá trị điện cảm cực đại 2 2 dc m Ld U U 3L i   (2.17) 2.5. ƢỚC LƢỢNG CÁC ĐẠI LƢỢNG VECTOR CƠ BẢN Cấu trúc và phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM dựa trên phép biến đổi vector. Chỉnh lƣu PWM sử dụng hai đại lƣợng vector cơ bản là vector điện áp và vector từ thông ảo. Từ các đại lƣợng đo đƣợc nhƣ dòng điện đầu vào, điện áp một chiều và trạng thái đóng cắt các van, ta đi ƣớc lƣợng hai đại lƣợng vector cơ bản trên. H×nh 2.9b: Giíi h¹n lµm viÖc ®iÖn ¸p cña chØnh l•u PWM q up1 iL  up6 * LI IL up2 up3 up4 up0,7 up5 d Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48 2.5.1. Ƣớc lƣợng vector điện áp đầu vào Có thể đo trực tiếp vector điện áp đầu vào, tuy vậy phép đo này bị ảnh hƣởng rất lớn bởi sự không đối xứng các pha của điện áp lƣới điện, nhiễu lƣới v.v… Do vậy ngƣời ta thƣờng ƣớc lƣợng vector điện áp thông qua các thông số dòng điện và thông số trung gian. Một trong các phép ƣớc lƣợng đó là tính điện áp thông qua dòng điện và công suất. Có thể thấy rằng khi sử dụng biến điệu vector không gian có hai trạng thái thông của các khóa Sa Sb Sc là (111) và (000), khi đó công suất tác dụng bằng 0 chỉ tồn tại công suất phản kháng, cụ thể: a b c a b c a c c a di di di p(t) L i i i 0 dt dt dt 3L di di q(t) i i 0 dt dt3                      (2.18) Từ 2.18 điện áp đƣợc tính L LL 2 2 L L L L L i iU 01 U qi i i i                 (2.19) Giá trị góc tọa độ ,  của điện áp là L L L U 2 2 L L L U 2 2 L L U sin U U U cos U U                  (2.20) 2.5.2. Ƣớc lƣợng vector từ thông ảo Nếu giả thiết chỉnh lƣu PWM có đầu vào là Udc , đầu ra là máy điện không đồng bộ ảo, trong đó sức điện động động cơ là điện áp lƣới, điện trở, điện cảm là thông số cuộn dây stator của động cơ ảo . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 49 Ta có thể định nghĩa vector từ thông móc vòng qua khe hở không khí của động cơ ảo L vector này có thể biểu diễn trên tọa độ  -  và d - q. Nếu bỏ qua điện trở R vector L sẽ vuông góc với LU . Mô hình động cơ ảo và đồ thị vector đƣợc mô tả trên hình 2.10a, b. H×nh 2.10: M« h×nh ®éng c¬ ¶o vµ ®å thÞ vÐc t¬ tõ th«ng ¶o víi chØnh l•u PWM  d  L=t q L id iq u1 us uL b) a) t¶i Udc C Ua Ub Uc R R R L L L A B C PWM ChØnh luu PhÝa mét chiÒu M PhÝa xoay chiÒu §éng c¬ ¶o Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 50 L s i   Từ đại lƣợng vector từ thông ảo có thể biểu diễn nó trên hệ d - q, khi vector LI trùng LU và trục q, biểu đồ vector và sơ đồ mô tả dòng công suất của chỉnh lƣu PWM đƣợc biểu diễn trên hình 2.11a,b Từ thông ảo đƣợc xác định qua vector đầu vào chỉnh lƣu PWM, SU L L s L L s di U L dt dt di U L dt dt                             (2.21) PhÝa mét chiÒu C B A Udc a) b) M PhÝa xoay chiÒu C B A Udc PhÝa mét chiÒu PhÝa xoay chiÒu q ui us uL iL d L L= 0 0 i s q ui us uL iL d L L= 180 0 i s H×nh 2.11: Quan hÖ gi÷a ®iÖn ¸p vµ tõ th«ng ¶o víi dßng c«ng suÊt cña chØnh l•u PWM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 51 Trong đó:  s dc a b c s dc b c 2 1 U U S S S 3 2 1 U U (S S ) 2                (2.22) Sơ đồ cấu trúc nhận dạng vector từ thông ảo đƣợc biểu diễn trên hình 2.12 - + + - 1 T TN 1 T 1 1 - - L iL iL uL uL H×nh 2.12: S¬ ®å cÊu tróc nhËn d¹ng vector tõ th«ng ¶o L L Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 52 2.6. PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƢU PWM Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM về cơ bản thì có cùng một mục đích chung nhƣng lại dựa trên các nguyên tắc khác nhau. Chúng đƣợc phân loại dựa trên hai nguyên tắc: Điều khiển dựa trên điện áp và điều khiển dựa trên từ thông ảo. Điều khiển dựa trên điện áp là ƣớc lƣợng điện áp lƣới và sẽ điều khiển bằng dòng điện hay công suất. Điện áp lƣới nếu điều khiển bằng dòng điện thì gọi là phƣơng pháp VOC (Voltage Oriented Control), còn theo công suất thì gọi là DPC (Direct Power Control). Điều khiển dựa trên từ thông ảo là phƣơng pháp điều khiển cần phải ƣớc lƣợng từ thông ảo của lƣới điện và áp dụng phƣơng pháp điều khiển từ thông stator của động cơ không đồng bộ cho lƣới điện. Nếu điều khiển bằng mạch vòng dòng điện thì gọi là phƣơng pháp VFOC (Voltage Flux Oriented Control), còn khi điều khiển dựa theo công suất thì gọi là phƣơng pháp VF-DPC Các cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM dƣợc minh họa trên hình 2.13. C¸c ph•¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn chØnh l•u PWM §iÒu khiÓn theo vector ®iÖn ¸p §iÒu khiÓn theo vector tõ th«ng ¶o VOC DPC VFOC VF-DPC H×nh 2.13: C¸c ph•¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn chØnh l•u PWM Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 53 Hệ điều khiển biến tần dùng chỉnh lƣu PWM với động xoay chiều có các phƣơng án đƣợc trình bày trên hình 2.14. 2.7. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƢU PWM ĐỊNH HƢỚNG THEO VECTOR ĐIỆN ÁP 2.7.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp dựa vào dòng điện (VOC) Đặc điểm của phƣơng pháp điều khiển dựa vào dòng điện là xử lý tín hiệu trên hai hệ toạ độ là hệ toạ