Luận văn Thạc sĩ Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp: Nghiên cứu bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz sử dụng biến tần kiểu ma trận

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:137

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu đề tài là xác định cấu trúc mạch lực và phương pháp điều khiển hợp lý cho MC ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz; Khả năng ứng dụng của bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp: Nghiên cứu bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz sử dụng biến tần kiểu ma trận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đặng Hồng Hải NGHIÊN CỨU BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ 50/60Hz SỬ DỤNG BIẾN TẦN KIỂU MA TRẬN LUẬN ÁN TIẾN SĨ TỰ ĐỘNG HÓA XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP Hà Nội – Năm 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đặng Hồng Hải NGHIÊN CỨU BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ 50/60Hz SỬ DỤNG BIẾN TẦN KIỂU MA TRẬN Chuyên ngành: Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp Mã số: 62.52.60.20 LUẬN ÁN TIẾN SĨ TỰ ĐỘNG HÓA XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. BÙI QUỐC KHÁNH Hà Nội – Năm 2012
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tác giả luận án Đặng Hồng Hải
LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Bùi Quốc Khánh đã tận tình hướng dẫn và động viên, khích lệ tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang, PGS.TS Lê Tòng, PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, TS Trần Trọng Minh, TS Phạm Quang Đăng – Trường Đại học Bách Khoa Hà nội đã đóng góp nhiều ý kiến quan trọng và sự giúp đỡ nhiệt tình nhất. Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Ngọc Tiệp, PGS.TS Lưu Kim Thành. PGS.TS Hoàng Xuân Bình – Trường Đại học Hàng hải Việt nam đã đóng góp ý kiến và động viên, khích lệ tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu – Trường Đại học Hàng hải Việt nam đã tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các cán bộ Viện đào tạo sau đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà nội đã tạo điều kiện và khích lệ tác giả hoàn thành luận án. Tác giả bày tỏ lời cảm ơn tới các cán bộ Trung tâm Công nghệ cao - Trường Đại học Bách khoa Hà nội, các đồng nghiệp trong Bộ môn Điện tự động công nghiệp - Trường Đại học Hàng hải Việt nam đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất, về thời gian và khích lệ tác giả hoàn thành luận án. Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, những người đã luôn giành những gì tốt nhất cho tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận án.
i MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................. iv DANH MỤC CÁC BẢNG..................................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................. vii MỞ ĐẦU............................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN ....................................................................................... 5 1.1 Khái quát chung .......................................................................................... 5 1.2 Tình hình nghiên cứu về bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma 6 trận ....................................................................................................................... 1.3 Tiêu chuẩn đối với bộ nguồn biến đổi tần số................................................ 9 1.4. Định hướng nghiên cứu .............................................................................. 9 Nhận xét chương 1 ................................................................................................ 10 Chương 2 CẤU TRÚC MẠCH LỰC VÀ CHUYỂN MẠCH ................................ 11 2.1 Cấu trúc mạch lực ....................................................................................... 11 2.1.1. Mạch lực của bộ nguồn trên cơ sở biến tần ma trận ba pha ba nhánh 12 2.1.2 Mạch lực của bộ nguồn trên cơ sở biến tần ma trận ba pha bốn nhánh 14 2.2 Khóa bán dẫn hai chiều BDS ...................................................................... 16 2.3 Chuyển mạch trong biến tần ma trận ........................................................... 18 2.3.1 Chuyển mạch bốn bước ...................................................................... 19 2.3.2 Chuyển mạch hai bước ....................................................................... 20 2.3.3 Chuyển mạch một bước ....................................................................... 21 2.3.4 Chuyển mạch trong quá trình quá độ.................................................... 21 2.4 Thiết kế chuyển mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh.............. 22 2.4.1 Logic chuyển mạch nặng ..................................................................... 23 2.4.2 Logic chuyển mạch mềm ..................................................................... 26 2.4.3 Mô phỏng chuyển mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh. 26 Nhận xét chương 2 ................................................................................................ 29 Chương 3 ĐIỀU BIẾN VECTƠ KHÔNG GIAN CHO BIẾN TẦN MA TRẬN TRỰC TIẾP 3 PHA 4 NHÁNH TRONG BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ.......... 30 3.1 Khái quát chung ......................................................................................... 30 3.2 Xác định vectơ chuẩn trong biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh .......... 32 3.2.1 Các trạng thái van trong biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ........ 32
ii 3.2.2 Vectơ chuẩn trong biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ................. 35 3.2.3 Biểu diễn hình học của các vectơ chuẩn .............................................. 40 3.3 Tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào ...................................... 43 3.3.1 Xác định vị trí vectơ cần tổng hợp trong không gian ........................... 44 3.3.2 Đồng bộ vectơ dòng điện vào với vectơ điện áp lưới đầu vào .............. 45 3.3.3 Xác định vectơ chuẩn để tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào......................................................................................................................... 46 3.4 Xác định tỉ số điều biến cho các vectơ chuẩn .............................................. 48 3.5 Xác định các vectơ thành phần trong tỉ số điều biến .................................... 53 3.6 Trật tự thực hiện các vectơ chuẩn ............................................................... 58 3.7 Mô phỏng điều biến vectơ không gian ........................................................ 60 3.7.1 Trường hợp không sử dụng bộ lọc với tải trên các pha là tuyến tính đối 61 xứng ………………………………………………………………………………. 3.7.2 Trường hợp sử dụng bộ lọc ………………………………………… 62 Nhận xét chương 3 ................................................................................................. 72 Chương 4 THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ ...... 74 4.1 Khái quát chung .......................................................................................... 74 4.1.1 Phương pháp đánh giá mức độ không đối xứng của điện áp ................ 74 4.1.2 Chỉ tiêu chất lượng điện áp khi tải không đối xứng ............................. 76 4.2. Mô hình biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ....................................... 76 4.3. Hệ thống điều khiển một mạch vòng........................................................... 80 4.3.1 Điều khiển thành phần thứ tự thuận, thứ tự ngược, thứ tự không trong 80 hệ dq...................................................................................................................... 4.3.2. Điều khiển lặp ..................................................................................... 81 4.3.3. Điều khiển cộng hưởng........................................................................ 81 4.4 Hệ thống điều khiển hai mạch vòng............................................................. 82 4.4.1. Bộ điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ abc và hệ tọa độ αβγ............... 83 4.4.2. Bộ điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ đồng bộ dq0 ........................... 83 4.5 Thiết kế hệ thống điều khiển điện áp cho bộ nguồn...................................... 84 4.5.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện ......................................................... 85 4.5.2 Thiết kế bộ điều khiển điện áp ............................................................. 87 4.6 Mô phỏng.................................................................................................... 88 Nhận xét chương 4 ................................................................................................ 92
iii Chương 5 XÂY DỰNG BỘ NGUỒN BIẾN ĐỔI TẦN SỐ 50/60Hz ỨNG DỤNG BIẾN TẦN MA TRẬN.......................................................................................... 94 5.1 Khái quát chung ......................................................................................... 94 5.2 Xây dựng mô hình biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ứng dụng trong bộ nguồn ............................................................................................................... 95 5.2.1 Mạch lực và Gate driver ....................................................................... 95 5.2.2 Khối điều khiển logic và chuyển mạch.................................................. 97 5.2.3 Khối tính toán quy luật điều biến .......................................................... 99 5.3 Kết quả thực nghiệm .................................................................................. 100 Nhận xét chương 5 ................................................................................................. 105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 107 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................... 111 PHỤ LỤC .............................................................................................................. 112 Phụ lục 1 Thông số và đặc tính kỹ thuật van bán dẫn hai chiều sử dụng trong 112 mô hình thực nghiệm ………………………………………………………………. Phụ lục 2 Hàm logic đóng cắt của các van bán dẫn hai chiều phục vụ cho lập 117 trình CPLD …………………………………………………………………………. Phụ lục 3 Một số sơ đồ mô phỏng ………………………………………………. 119
iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Bảng 1 Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Tên gọi δi , i  I  VI Tỉ số điều biến ξ Góc pha của dòng đầu vào  V0 Vectơ điện áp  I0 Vectơ dòng điện    V0' , V0'' ,V0''' Vectơ thành phần của điện áp    I i1 ,I i2 , Ii3 Vectơ thành phần của dòng điện i V0 , i  I VI Vectơ chuẩn k p , kp Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển dòng điện và điện áp i u kI , kI Hệ số khuếch đại của bộ cộng hưởng cho mạch vòng dòng điện và điện áp i u
v Bảng 2 Danh mục các chữ viết tắt Ký hiệu Viết tắt cho Nghĩa tiếng Việt BDS Bidirectional switch Khóa bán dẫn hai chiều CPLD Complex programmable logic Thiết bị logic khả trình có độ tích hợp device cao DSP Digital Signal Processor Vi xử lý tín hiệu số FPGA Field programmable gate arrays Mảng logic lập trình được IEEE Institute of Electrical and Viện Các kỹ sư Điện và Điện tử Electronics Engineers IMC 3×3 Indirect three phase – three leg Biến tần ma trận gián tiếp 3 pha 3 matrix converter nhánh IMC 3×4 Indirect three phase – four leg Biến tần ma trận gián tiếp 3 pha 4 matrix converter nhánh MC Matrix converter Biến tần ma trận MC 3×3 Three phase – three leg matrix Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 3 converter nhánh MC 3×4 Three phase – four leg matrix Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 converter nhánh PWM Pulse Width Modulation Điều biến độ rộng xung SVM Space Vector Modulation Điều biến vectơ không gian THD Total harmonic distortion Tổng độ méo sóng hài
vi DANH MỤC CÁC BẢNG Tên các bảng Trang Bảng 1.1 Thông số của bộ nguồn theo tiêu chuẩn IEEE Std 446 – 1995 ……... 9 Bảng 2.1 So sánh số lượng van bán dẫn của các cấu trúc biến tần ma trận …… 16 Bảng 2.2 Các thông số kỹ thuật chính của van bán dẫn hai chiều 18 DIM200WBS12-A000 ………………………………………………………… Bảng 2.3 Logic chuyển mạch từ pha A sang pha B …………………………... 19 Bảng 2.4 Logic chuyển mạch của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh …... 24 Bảng 3.1 Vectơ điện áp ra và dòng điện vào của tổ hợp van của MC 3×4 ….. 35 Bảng 3.2 Vectơ điện áp ra và dòng điện vào của MC 3×4 trong hệ tọa độ  38 Bảng 3.3 Bố trí các vectơ chuẩn trong sectơ dòng điện vào ………………… 41 Bảng 3.4 Bố trí các vectơ chuẩn trong tứ diện của hình lăng trụ ……………… 42 Bảng 3.5 Xác định vị trí các vectơ trong không gian………………………....... 44 Bảng 3.6 Dấu điện áp ra của các tứ diện trong lăng trụ ………………………. 45 Bảng 3.7 Điện áp dây được sử dụng trong điều chế …………………………... 46 Bảng 3.8 Các vectơ chuẩn sử dụng trong tổng hợp dòng điện vào, điện áp ra 47 của MC 3×4 …………………………………………………………………….  Bảng 3.9 Xác định các thành phần của vectơ V 'i, j ,k ………………………….. 54    Bảng 3.10 Các vectơ Vi , V j ,Vk của 24 tứ diện ………………………………... 56 Bảng 3.11 Các ma trận M -1 của 24 tứ diện …………………………………….. 57 Bảng 3.12 Trật tự thực hiện các vectơ chuẩn ………………………………….. 58 Bảng 5.1 Thông số về điện của bộ nguồn ……………………………………... 94 Bảng 5.2 Logic lựa chọn các tổ hợp van ………………………………………. 97 Bảng PL1.1 Các thông số cực đại cho phép của van bán dẫn hai chiều ………. 112 Bảng PL 1.2 Các thông số về nhiệt độ và cơ học của van …………………….. 112 Bảng PL 1.3 Các thông số của van (mặc định trong điều kiện Tcase = 25°C) ... 113 Bảng PL 1.4 Các thông số của van (mặc định trong điều kiện Tcase = 125°C) . 114 Bảng PL2.1 Hàm logic của 12 van bán dẫn hai chiều …………………………. 117
vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Tên hình vẽ, đồ thị Trang Hình 1.1 Bộ biến đổi truyền thống....................................................................... 5 Hình 1.2 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số 60/400Hz trong lĩnh vực hàng không .................................................................................................................. 8 Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát của biến tần ma trận................................................. 11 Hình 2.2 Biến tần ma trận 3 pha 3 nhánh ............................................................. 12 Hình 2.3 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số với máy biến áp mắc tại đầu ra MC.. 13 Hình 2.4 Biến tần ma trận ba pha bốn nhánh ....................................................... 14 Hình 2.5 Cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số với máy biến áp mắc tại đầu vào MC ..................................................................................................................... 15 Hình 2.6 Khóa bán dẫn hai chiều ....................................................................... 16 Hình 2.7 Thông số kỹ thuật van bán dẫn hai chiều (BDS) DIM200WBS12- A000 ................................................................................................................... 17 Hình 2.8 Chuyển mạch giữa hai pha ................................................................... 18 Hình 2.9 Chuyển mạch bốn bước theo chiều dòng điện ...................................... 19 Hình 2.10 Chuyển mạch hai bước từ pha A sang pha B khi IL > 0....................... 20 Hình 2.11 Trạng thái logic của van trong chế độ chuyển mạch hai bước, ............. 20 Hình 2.12 Chuyển mạch một bước với a) IL >0, b) IL
viii Hình 3.5 Nhóm tổ hợp van thứ ba của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ... 34 Hình 3.6 Mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ ............................................................ 37 Hình 3.7 Biểu diễn hình học các vectơ chuẩn trong hệ tọa độ  ...................... 41 Hình 3.8 Vị trí sáu hình lăng trụ trong hệ tọa độ  .......................................... 43 Hình 3.9 Các tứ diện trong lăng trụ I ................................................................... 43 Hình 3.10 a) Hình chiếu của vectơ chuẩn trên mặt phẳng  ;b) Biểu diễn các vectơ chuẩn trong hệ tọa độ abc .......................................................................... 44 Hình 3.11 a) Vectơ không gian điện áp vào và vectơ không gian dòng điện vào; b) Đồng bộ điện áp lưới với các sector dòng đầu vào........................................... 45 Hình 3.12 Vectơ không gian điện áp ra thuộc tứ diện 11 và vectơ không gian dòng điện vào thuộc sectơ I ............................................................................... 46 Hình 3.13 Tổng hợp vectơ điện áp ra và vectơ dòng điện vào ............................. 49 Hình 3.14 Xác định tỉ số điều biến....................................................................... 51 Hình 3.15 Trật tự chuyển mạch .......................................................................... 60 Hình 3.16 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính đối xứng, không sử dụng bộ lọc…………………….......................................................................................... 61 Hình 3.17 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính đối xứng không sử dụng bộ lọc …………………………………………………………………... 61 Hình 3.18 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính đối xứng ……………………… 62 Hình 3.19 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính đối xứng có sử dụng bộ lọc ……………………………………………………………………… 63 Hình 3.20 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính đối xứng …… 63 Hình 3.21 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính không đối xứng ………………. 64 Hình 3.22 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính không đối xứng . 65 Hình 3.23 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính không đối xứng ……………………………………………………………………………... 65 Hình 3.24 Kết quả mô phỏng với tải phi tuyến đối xứng ……………………….. 67 Hình 3.25 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải phi tuyến đối xứng ………. 67 Hình 3.26 Quỹ đạo các vectơ trong trường hợp tải phi tuyến đối xứng ………… 67 Hình 3.27 Kết quả mô phỏng với tải phi tuyến không đối xứng ………………... 68 Hình 3.28 Quỹ đạo các vectơ trong trường hợp tải phi tuyến không đối xứng …. 69 Hình 3.29 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải phi tuyến không đối xứng .. 69 Hình 3.30 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính, phi tuyến, không đối xứng …… 71
ix Hình 3.31 Quỹ đạo các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính, phi tuyến, không đối xứng …………………………………………………………………………. 71 Hình 3.32 Phân tích phổ - FFT trong trường hợp tải tuyến tính, phi tuyến, không đối xứng ………………………………………………………………….. 72 Hình 4.1 Phân tích các thành phần đối xứng ........................................................ 75 Hình 4.2 Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ............................................... 75 Hình 4.3 Điều khiển thành phần PNZ trong hệ dq0............................................. 80 Hình 4.4 Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển lặp ...................................... 81 Hình 4.5 Cấu trúc điều khiển P + RC................................................................... 82 Hình 4.6 Cấu trúc điều khiển sử dụng bộ điều khiển cộng hưởng ........................ 82 Hình 4.7 Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng ....................................................... 83 Hình 4.8 Cấu trúc hệ thống điều khiển điện áp ra của bộ nguồn biến đổi tần số .. 85 Hình 4.9 Cấu trúc điều khiển mạch vòng dòng điện sử dụng bộ điều khiển 85 P+RC ……………………………………………………………………………. Hình 4.10 Cấu trúc điều khiển mạch vòng điện áp trên một pha ……………….. 87 Hình 4.11 Kết quả mô phỏng với tải tuyến tính không đối xứng có bộ điều khiển 88 Hình 4.12 Phân tích phổ - FFT của điện áp ra trường hợp tải tuyến tính không 88 đối xứng có bộ điều khiển ……………………………………………………….. Hình 4.13 Điện áp và sai lệch điện áp trường hợp tải tuyến tính không đối xứng 89 có bộ điều khiển …………………………………………………………………. Hình 4.14 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp tải tuyến tính không đối 90 xứng có bộ điều khiển …………………………………………………………… Hình 4.15 Kết quả mô phỏng với đóng cắt tải ba pha tuyến tính có bộ điều khiển 90 Hình 4.16 Phân tích phổ - FFT của điện áp ra trong trường hợp đóng cắt tải ba 91 pha tuyến tính có bộ điều khiển …………………………………………………. Hình 4.17 Điện áp và sai lệch điện áp trường hợp đóng cắt tải ba pha tuyến tính 91 Hình 4.18 Quỹ đạo của các vectơ trong trường hợp đóng căt tải ba pha tuyến 92 tính ………………………………………………………………………………. Hình 5.1 Sơ đồ cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz.................................. 94 Hình 5.2 Cấu trúc của hệ thống điều khiển biến tần ma trận 3 pha 4 nhánh.......... 95 Hình 5.3 Sơ đồ mạch lực biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh...................... 96 Hình 5.4 Mô hình mạch lực của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ........... 96 Hình 5.5 Mạch Gate driver ................................................................................ 96
x Hình 5.6 Khối điều khiển logic và chuyển mạch.................................................. 97 Hình 5.7 Biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ……………………………... 97 Hình 5.8 Cấu trúc card DS1103 ………………………………………………… 99 Hình 5.9 Sơ đồ cấu trúc cho khâu tính toán trong DSP ....................................... 100 Hình 5.10 Cấu trúc hệ thống thí nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng 100 dụng biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ………………………………….. Hình 5.11 Mô hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng dụng 101 biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ………………………………………... Hình 5.12 Tín hiệu điều khiển chuyển mạch cho van bán dẫn hai chiều (BDS).... 102 Hình 5.13 Điện áp vào và dòng điện vào ............................................................ 103 Hình 5.14 Điện áp ra và dòng tải ........................................................................ 104 Hình 5.15 Kết quả thực nghiệm với tải không đối xứng ..................................... 104 Hình PL1.1 Sơ đồ chân của van bán dẫn hai chiều …………………………….. 112 Hình PL1.2 Tổn thất đóng cắt theo dòng tải ……………………………………. 115 Hình PL1.3 Tổn thất đóng cắt theo điện trở cực G …………….......................... 115 Hình PL1.4 Đặc tính thuận của diot …………………………………………….. 115 Hình PL1.5 Vùng làm việc an toàn của van bán dẫn …………………………... 115 Hình PL1.6 Giá trị dòng định mức theo nhiệt độ vỏ ……………………………. 116 Hình PL1.7 Giá trị dòng điện pha của MC 3×4 theo tần số chuyển mạch ……... 116 Hình PL1.8 Kích thước của van bán dẫn hai chiều DIM200WBS12-A000 …... 116 Hình PL3.1 Sơ đồ mô phỏng MC 3×4 ……………………….………………… 119 Hình PL3.2 Sơ đồ mô phỏng mạch lực MC 3×4 ……………………….……...... 120 Hình PL3.3 Sơ đồ mô phỏng chuyển mạch trong MC 3×4 ……………….…..... 120 Hình PL3.4 Sơ đồ mô phỏng khối điều biến vectơ không gian cho MC 3×4 ...... 121 Hình PL3.5 Sơ đồ mô phỏng khối chuyển hệ tọa độ ………………………… 122 Hình PL3.6 Sơ đồ mô phỏng khối xác định tứ diện ……………………………. 122 Hình PL3.7 Sơ đồ mô phỏng khối xác định sectơ ……………………….……... 122 Hình PL3.8 Sơ đồ mô phỏng khối đồng bộ …….……………………….……... 123 Hình PL3.9 Sơ đồ mô phỏng khối xác định tỉ số điều biến …………………… 123 Hình PL3.10 Sơ đồ mô phỏng khối PWM ……………………….…………….. 123
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trên thế giới hiện nay đang tồn tại hai lưới điện với tần số khác nhau là 50Hz và 60Hz, các nước Bắc Mỹ sử dụng lưới điện có tần số 60Hz, Việt Nam thuộc nhóm các nước sử dụng lưới điện có tần số 50Hz. Ở Việt Nam, thường xuyên có các phụ tải sử dụng điện áp với tần số 60Hz, ví dụ như trong một số ngành công nghiệp, khi các tàu thủy cập bến có nhu cầu sử dụng điện trên bờ. Ngoài ra các thiết bị trên máy bay và trong quân sự, thường sử dụng tần số 400Hz. Từ đó xuất hiện yêu cầu chuyển đổi tần số lưới sang tần số của phụ tải sử dụng. Để giải quyết vấn đề nêu trên, có một số giải pháp đang được thực hiện trong thực tế hiện nay, như: Thứ nhất là sử dụng các bộ biến đổi công suất truyền thống như biến tần gián tiếp, biến tần trực tiếp. Các bộ biến đổi kiểu này tuy có nhiều ưu điểm nhưng cũng có những nhược điểm nhất định rất khó khắc phục triệt để, ví dụ như dòng điện đầu vào không sin, hệ số công suất thấp, thành phần sóng hài của điện áp ra khá lớn... Thứ hai là sử dụng bộ biến đổi kiểu ma trận (Matrix Converter - MC) còn được gọi là biến tần ma trận, đây là giải pháp có nhiều ưu điểm. Biến tần ma trận có nhiều ưu điểm mà các biến tần truyền thống không có được như cùng dải công suất nhưng kết cấu gọn nhẹ, đáp ứng đầu ra - đầu vào nhanh, dòng điện đầu vào, điện áp đầu ra có dạng sin theo tần số cơ bản, năng lượng có thể trao đổi theo hai chiều, hệ số công suất đầu vào có thể điều chỉnh được đạt tới một [1]. Với nhiều ưu điểm như vậy nên biến tần ma trận ngày càng nhận được sự quan tâm và nghiên cứu nhiều hơn trên thế giới. Trên cơ sở các phân tích và đánh giá, luận án đặt vấn đề “Nghiên cứu bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz sử dụng biến tần kiểu ma trận”. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Là những kết quả đạt được trong lĩnh vực nghiên cứu về biến tần ma trận và những ứng dụng của nó. Phát triển và hoàn thiện thêm phương pháp điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận. Đây là nghiên cứu mới về bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận ở Việt nam, đáp ứng được nhu cầu cấp thiết trong thực tế về bộ nguồn biến đổi tần số. Triển khai ứng dụng những tiến bộ mới nhất về chế tạo van bán dẫn hai chiều hiện nay để xây dựng mạch lực biến tần ma trận. Các kết quả thực nghiệm đạt được là cơ sở quan trọng khi triển khai công nghệ chế tạo bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận.
2 3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu * Mục tiêu nghiên cứu - Xác định cấu trúc mạch lực và phương pháp điều khiển hợp lý cho MC ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz; - Khả năng ứng dụng của bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz. * Đối tượng nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu về biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz cho tàu thủy. * Phạm vi nghiên cứu - Về lý thuyết: Nghiên cứu xây dựng cấu trúc mạch lực của biến tần ma trận sử dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số. Ứng dụng phương pháp chuyển mạch phù hợp cho các van bán dẫn hai chiều trong biến tần ma trận sử dụng trong bộ nguồn. Nghiên cứu xây dựng được thuật toán điều chế vectơ không gian. Ứng dụng thuật toán điều khiển để điều khiển điện áp đầu ra của bộ nguồn trong trường hợp tải không đối xứng. - Về thực nghiệm: Xây dựng mô hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận. Triển khai các thuật toán điều khiển cho biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn của mô hình thực nghiệm. 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu nội dung chính và các vấn đề có liên quan trên mô hình lý thuyết; - Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink/Sim Power System/State Flow để đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết; - Xây dựng mô hình thực nghiệm và tiến hành các thí nghiệm có liên quan trên mô hình đã xây dựng được, trên cơ sở đó kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng. 5. Nội dung nghiên cứu - Về lý thuyết: + Nghiên cứu về các cấu trúc mạch lực biến tần ma trận có thể ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số. + Nghiên cứu về các phương pháp điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận trong bộ nguồn biến đổi tần số. + Nghiên cứu về các phương pháp điều khiển điện áp ra của biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn trong trường hợp tải không đối xứng.
3 - Về thực nghiệm: + Xây dựng biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn, trong đó ứng dụng tiến bộ mới nhất về van bán dẫn hai chiều vào xây dựng mạch lực của biến tần. + Xây dựng mô hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số trên cơ sở biến tần ma trận đã xây dựng. Nội dung của luận án bao gồm các chương sau: Mở đầu: Trình bày mục tiêu, nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Chương 1: Tổng quan, trình bày tổng quan về bộ nguồn biến đổi tần số, tiêu chuẩn, tình hình nghiên cứu ứng dụng biến tần ma trận trong bộ nguồn biến đổi tần số ở trong nước và trên thế giới. Các vấn đề cần giải quyết khi nghiên cứu xây dựng bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận. Định hướng nghiên cứu và các vấn đề luận án cần giải quyết. Chương 2: Cấu trúc mạch lực và chuyển mạch, trình bày về cấu trúc bộ nguồn biến đổi tần số, biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số, bao gồm các phương án mạch lực, modul khóa bán dẫn hai chiều thực sự sẽ được sử dụng để xây dựng mạch lực của biến tần ma trận, thiết kế chuyển mạch cho biến tần ma trận ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số. Chương 3: Điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh, trình bày phương pháp điều biến cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh. Đề xuất phương pháp xác định các vectơ thành phần theo các vectơ chuẩn khi tổng hợp điện áp ra và dòng điện vào của biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh, thực hiện mô phỏng với các loại tải khác nhau để đánh giá kết quả. Chương 4: Thiết kế điều khiển cho bộ nguồn biến đổi tần số, trình bày về việc điều khiển điện áp ra cho bộ nguồn trong trường hợp tải không đối xứng. Tổng hợp bộ điều khiển điện áp, đảm bảo tính đáp ứng nhanh và độ ổn định điện áp ra của bộ nguồn trong trường hợp tải không đối xứng. Chương 5: Xây dựng bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng dụng biến tần ma trận, trình bày về việc xây dựng mô hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số 50/60Hz ứng dụng biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh. Thực thi phương pháp điều biến vectơ không gian ba chiều cho biến tần trên DSP. Thực hiện chuyển mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh trên thiết bị phần cứng CPLD. Cuối cùng là phần kết luận của toàn bộ luận án, những tồn tại và hướng phát triển tiếp theo của đề tài.
4 6. Các kết quả nghiên cứu mới của luận án - Thiết kế chuyển mạch cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số. - Thực hiện phương pháp điều biến vectơ không gian và cài đặt được thuật toán điều biến vectơ không gian cho biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số; - Xây dựng mô hình thực nghiệm bộ nguồn biến đổi tần số ứng dụng biến tần ma trận trực tiếp 3 pha 4 nhánh.
5 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Khái quát chung Trên thế giới hiện nay đang tồn tại hai lưới điện với tần số khác nhau là 50Hz và 60Hz, Việt Nam thuộc nhóm các nước sử dụng lưới điện có tần số 50Hz. Trong công nghiệp nhiều khi có các phụ tải sử dụng điện áp có tần số khác với tần số lưới cung cấp (60Hz), trên tàu thủy có chuẩn tần số là 60Hz, khi cập cảng để sửa chữa, các máy phát trên tàu ngừng hoạt động, cần phải nguồn điện trên bờ có tần số 60Hz để cung cấp cho các phụ tải trên tàu. Trong lĩnh vực hàng không và quân sự, để giảm thiểu kích thước của thiết bị, tần số sử dụng chủ yếu là 400Hz. Từ đó xuất hiện nhu cầu chuyển đổi tần số. Một giải pháp tiên tiến hiện nay là sử dụng các bộ đổi tần. Bộ đổi tần là bộ biến đổi tần số nhằm mục đích biến đổi từ giá trị tần số này sang giá trị tần số khác. Các bộ biến đổi sử dụng trong bộ đổi tần là thành phần quan trọng nhất. Giải pháp về bộ biến đổi trong bộ đổi tần đang sử dụng hiện nay là sử dụng bộ biến đổi truyền thống, được chỉ ra trên hình 1.1, Giải pháp thứ nhất được chỉ ra trên hình 1.1a. Cấu trúc bộ biến đổi bao gồm hai phần, phần đầu vào sử dụng chỉnh lưu ba pha, có thể không có điều khiển hoặc có điều khiển, phần đầu ra sử dụng ba bộ nghịch lưu áp một pha, đầu ra sử dụng máy biến áp. Ưu điểm của phương án này là điều khiển đơn giản vì ba pha độc lập với nhau, tuy nhiên kích thước lớn, năng lượng không trao đổi được theo hai chiều. Giải pháp thứ hai được chỉ ra trên hình 1.1b, bộ nguồn ba pha biến đổi tần số sử dụng nghịch lưu 3 pha, 4 dây với chỉnh lưu tích cực đầu vào. Phía đầu vào của bộ biến đổi sử dụng Hình 1.1 Bộ biến đổi truyền thống a) BBĐ ba pha ghép từ ba BBĐ một pha chỉnh lưu tích cực sẽ đảm bảo năng b) BBĐ ba pha với chỉnh lưu tích cực phía đầu vào và nghịch lưu 3 pha 4 nhánh đầu ra.
6 lượng được trao đổi theo cả hai chiều, dòng điện đầu vào có dạng sin, có thể điều chỉnh được hệ số công suất gần tới một. Phía đầu ra của bộ biến đổi sử dụng nghịch lưu 3 pha – 4 nhánh (ba nhánh cho ba pha, một nhánh cho dây trung tính). Do phía đầu ra dùng nghịch lưu nguồn áp nên khâu trung gian một chiều vẫn phải sử dụng tụ lọc. Nhược điểm của sơ đồ này là điểm trung tính của tải không thể nối đất an toàn được. Ngoài ra việc khâu trung gian một chiều sử dụng tụ sẽ làm tăng kích thước của bộ biến đổi và độ tin cậy kém. Một trong các xu hướng chính hiện nay trong lĩnh vực điện tử công suất là nghiên cứu các bộ biến đổi không sử dụng tụ điện hoặc dung lượng tụ cực tiểu. Bộ biến đổi tần số kiểu ma trận còn được gọi là biến tần ma trận, là một dạng biến tần trực tiếp, bao gồm một ma trận khóa bán dẫn hai chiều. Mặc dù là cấu trúc mới, biến tần ma trận đã và đang được quan tâm nghiên cứu do có nhiều ưu điểm nổi bật so với các bộ biến đổi truyền thống. Cấu trúc của biến tần ma trận không sử dụng tụ điện hay cuộn cảm làm phần tử tích trữ năng lượng nên kết cấu gọn nhẹ, hiệu suất cao, đáp ứng đầu ra, đầu vào nhanh, các van bán dẫn trong biến tần ma trận là van bán dẫn hai chiều, cho phép dòng điện chảy được theo hai chiều, năng lượng có thể trao đổi được theo hai chiều. Phương pháp điều khiển cho biến tần ma trận đảm bảo cho điện áp đầu ra và dòng điện đầu vào của biến tần có dạng hình sin theo tần số cơ bản, hệ số công suất đầu vào của biến tần không phụ thuộc vào hệ số công suất của tải và có thể điều chỉnh được, đảm bảo cho điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào trùng pha với nhau. Biến tần ma trận ngày càng được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực, điều khiển động cơ không đồng bộ, động cơ đồng bộ, bộ nguồn trong lĩnh vực quân sự, hàng không, tàu thủy, bộ nguồn di động trong lĩnh vực công nghiệp. 1.2. Tình hình nghiên cứu về biến tần ma trận và ứng dụng trong bộ nguồn biến đổi tần số Hiện nay trên thế giới có nhiều nhóm nghiên cứu về biến tần ma trận, trong đó các nhóm nghiên cứu chủ yếu trên thế giới hiện nay có Nottingham University của Vương quốc Anh, Aalborg University của Đan mạch và một số nhóm khác. Các nhóm nghiên cứu trong nước có Trung tâm Nghiên cứu triển khai công nghệ cao, Đại học Bách khoa Hà nội. Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Những vấn đề nghiên cứu chính hiện nay về biến tần ma trận của các nhóm nghiên cứu trong nước và trên thế giới được thực hiện trên hai lĩnh vực, lý thuyết và triển khai ứng dụng. Các nghiên cứu về lý thuyết đề cập đến các vấn đề như cấu trúc mạch lực, các phương pháp điều khiển, các phương pháp chuyển mạch. Về cấu trúc mạch lực, ngoài cấu trúc cơ bản, một số cấu trúc khác được nghiên cứu, phát triển nhằm mục đích giảm bớt số