Đề tài: Nghiên cứu điều khiển biến tần khi các thiết bị nâng hạ làm việc ở chế độ hãm tái sinh

Luận văn dài 124 trang

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Trong những năm gần đây, một phần của việc cung cấp điện được phát triển thông qua các bộ chỉnh lưu trước khi cấp điện cho tải. Ngày nay, do ứng dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử các hệ truyền động phát triển và có thay đổi đáng kể, đặc biệt do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi điện tử công suất ngày càng hoàn thiện không những đáp ứng độ tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần giảm kích thước và giá thành hệ.

Tuy vậy, việc tối ưu năng lượng trong các cơ cấu nâng hạ vẫn chưa thực hiện được do chưa tận dụng được thế năng trong quá trình hạ tải, chuyển hóa thành điện năng phát trả về lưới điện. Vì vậy nội dung luận văn tập trình tìm hiểu, giải quyết vấn đề phản hồi năng lượng về lưới điện với đề tài: "Nghiên cứu điều khiển biến tần khi các thiết bị nâng hạ làm việc ở chế độ hãm tái sinh".

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Lời cam đoan 1

Mục lục 2

Danh mục các ký hiệu 5

Danh mục các bảng 7

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8

MỞ ĐẦU 13

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRONG CÁC CƠ CẤU NÂNG HẠ 15

1.1. Giới thiệu về cơ cấu nâng hạ 15

1.1.1. Cơ cấu nâng hạ 15

1.1.2. Các thành phần chính trong cơ cấu nâng hạ 15

1.1.3. Phân loại 16

1.2. Cơ sở lý thuyết tính toán cho cơ cấu nâng hạ 17

1.2.1. Các thông số cơ bản của cơ cấu nâng hạ 17

1.2.2. Tính toán tham số cơ bản của truyền động cơ cấu nâng hạ 18

1.3. Khái quát về hệ thống điều khiển truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ 19

1.3.1. Một số yêu cầu cho hệ thống điều khiển truyền động cơ cấu nâng hạ 19

1.3.2. Các hệ truyền động cho cơ cấu nâng hạ 22

1.3.3. Các dạng đặc tính cơ của hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ cho cơ cấu nâng hạ 23

Chương 2 - NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BIẾN TẦN - ỨNG DỤNG BIẾN TẦN TRONG CÁC CƠ CẤU NÂNG HẠ 29

2.1. Nguyên lý làm việc của biến tần ba pha 29

2.1.1. Sơ đồ cấu trúc của biến tần ba pha nguồn áp 29

2.1.2. Nguyên lý điều khiển biến tần ba pha nguồn áp bằng phương pháp điều chế độ rộng xung 31

2.1.3. Nguyên lý điều khiển biến tần ba pha nguồn áp bằng phương pháp điều chế vector không gian 32

2.2. Ứng dụng biến tần trong các cơ cấu nâng hạ 40

Chương 3 - TRẢ NĂNG LƯỢNG VỀ NGUỒN Ở CHẾ ĐỘ HÃM TÁI SINH TRONG HỆ THỐNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 41

3.1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ 41

3.1.1. Cấu tạo 41

3.1.2. Nguyên lý hoạt động 42

3.1.3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 42

3.1.4. Động cơ không đồng bộ khi hoạt động ở chế độ hãm tái sinh 43

3.2. Trả năng lượng về nguồn trong hệ thống biến tần – động cơ không đồng bộ 48

3.2.1. Trao đổi công suất giữa lưới và tải đối với truyền động biến tần động cơ xoay chiều 48

3.2.2. Chỉnh lưu PWM 50

3.2.3. Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM 56

3.2.4. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp DPC 66

3.2.5. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp VOC 69

3.3. Hệ thống biến tần dùng chỉnh lưu PWM - động cơ không đồng bộ: 73

3.3.1. Xây dựng thuật toán VF-DPC trên Simulink 77

3.3.2. Xây dựng thuật toán DTC trên Simulink 81

3.4. Các kết quả mô phỏng đạt được với hệ thống biến tần dùng chỉnh lưu PWM - động cơ không đồng bộ 84

3.5. Phân tích chất lượng của dòng năng lượng phản hồi về lưới 91

3.5.1. Một số tham số để đánh giá chỉnh lưu đối với lưới 91

3.5.2. Kết quả phân tích sóng hài của năng lượng phản hồi 94

Chương 4 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 107

4.1. Giới thiệu về card điều khiển 1103 của hãng dSPACE 107

4.2. Quá trình xây dựng mô hình thực nghiệm 111

4.2.1. Xây dựng phần cứng 111

4.2.2. Xây dựng phần mềm 117

4.2.3. Các kết quả đạt được 119

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

x(t), x

Giá trị tức thời

X*, x*

Giá trị đặt

a

Góc pha của vector chuẩn

l

Hệ số công suất

j

Góc pha dòng điện

w

Vận tốc góc

y

Góc pha

e

Góc pha điều khiển

cos j

Hệ số công suất cơ bản

f

Tần số

i(t), i

Giá trị dòng điện tức thời

j

Đơn vị ảo

DX, Dx

Sai lệch

kP, kI

Hệ số khuyếch đại, hệ số tích phân

p(t), p

Công suất tác dụng tức thời

q(t), q

Công suất phản kháng tức thời

t

Giá trị thời gian tức thời

v(t), v

Giá trị điện áp tức thời

yL

Vector từ thông ảo

yLa

Thành phần vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ a - b

yLb

Thành phần vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ a - b

yLd

Thành phần vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d - q

yLq

Thành phần vector từ thông ảo trên hệ trục toạ độ d - q

uL

Vector điện áp lưới

uLa

Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ a - b

uLb

Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ a - b

uLd

Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q

uLq

Thành phần vector điện áp lưới trên hệ trục toạ độ d - q

iL

Vector dòng điện lưới

iLa

Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ a - b

iLb

Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ a - b

iLd

Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d - q

iLq

Thành phần vector dòng điện lưới trên hệ trục toạ độ d - q

uS, uconv

Vector điện áp vào bộ chỉnh lưu

uSa

Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ a - b

uSb

Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ a - b

uSd

Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ d - q

uSq

Thành phần vector điện áp vào bộ chỉnh lưu trên hệ trục toạ độ d - q

udc

Giá trị điện áp một chiều

idc

Giá trị dòng điện một chiều

Sa,Sb,Sc,

Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi

C

Giá trị tụ điện

I

Giá trị hiệu dụng của dòng điện

L

Giá trị điện cảm

R

Giá trị điện trở

S

Công suất biểu kiến

T

Chu kỳ

P

Công suất tác dụng

Q

Công suất phản kháng

Z

Tổng trở kháng

DPC

Điều khiển trực tiếp công suất (viết tắt của Direct Power Control)

DTC

Điều khiển trực tiếp mômen (viết tắt của Direct Toque Control)

DPF

Hệ số công suất dịch chuyển (viết tắt của Displacement Power Factor)

FOC

Điều khiển tựa từ trường (viết tắt của Field Oriented Control)

PF

Hệ số công suất (viết tắt của Power Factor)

PWM

Điều chế độ rộng xung (viết tắt của Pulse Width Modulation)

Te

Mômen điện từ

VOC

Điều khiển tựa theo điện áp lưới (viết tắt của Voltage Oriented Control)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Trạng thái logic của các nhánh van

Bảng 3.1. Bảng chuyển mạch 12 sector dùng cho phương pháp điều khiển

DPC

Bảng 3.2. Chỉ tiêu độ méo điện áp lưới

Bảng 3.3. Giới hạn dòng hài theo IEEE 519-192

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Cấu trúc của hệ truyền động điện dùng cho cơ cấu nâng hạ 22

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ khi sử dụng ĐCMC truyền động cho cơ cấu nâng hạ 24

Hình 1.4.Sơ đồ nguyên lý của động cơ KĐB rôto dây quấn 27

Hình 1.5.Đặc tính cơ của động cơ KĐB rôto dây quấn 28

Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của biến tần ba pha nguồn áp 29

Hình 2.2. Dạng sóng điện áp ở đầu ra nghịch lưu 31

Hình 2.3.Nguyên lý làm việc của bộ điều chế động rộng xung 32

Hình 2.4. Vị trí tương đối giữa các vectơ điện áp trên hệ tọa độ không gian và ba cuộn dây pha ABC 33

Hình 2.5. Thực hiện vectơ US bất kỳ bằng hai vectơ điện áp chuẩn 34

Hình 2.6. Xung điều khiển van transisor theo nguyên lý điều chế vectơ không gian 35

Hình 2.7.Vectơ Us trong hệ tọa độ 37

Hình 3.1.Mô hình động cơ không đồng bộ ba pha 41

Hình 3.2.Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 43

Hình 3.3. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ở chế độ hãm tái sinh 44

Hình 3.4.Mô hình mô phỏng hãm tái sinh trong Simulink 45

Hình 3.5. Hộp thoại khai báo thông số cho động cơ không đồng bộ. 45

Hình 3.6. Quá trình quá độ khi mô phỏng động cơ hãm tái sinh 46

Hình 3.7. Thay đổi tốc độ - mômen trước và sau hãm tái sinh 46

Hình 3.8.Dòng áp và mômen của động cơ trước và sau hãm tái sinh 46

Hình 3.9.Giá trị góc lệch giữa điện áp - dòng điện của động cơ trước và sau hãm tái sinh 47

Hình 3.10.Đồ thị góc lệch giữa điện áp và dòng điện của động cơ 47

Hình 3.11.Các biện pháp xử lý năng lượng trong chế độ hãm tái sinh của động cơ 49

Hình 3.12.Cấu trúc mạch chỉnh lưu PWM 50

Hình 3.13.Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều 51

Hình 3.14.Hệ thống phân phối điện năng một chiều 52

Hình 3.15.Sơ đồ thay thế đơn giản của chỉnh lưu 3 pha PWM cho công suất chảy theo cả hai chiều 52

Hình 3.16. Sơ đồ thay thế điện của một nhánh 53

Hình 3.17.Giản đồ pha cho chỉnh lưu PWM 55

Hình 3.18.Các trạng thái chuyển mạch của bộ chỉnh lưu PWM 56

Hình 3.19.Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM 58

Hình 3.20.Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lưu PWM 59

Hình 3.21.Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ tự nhiên 62

Hình 3.22.Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ toạ độ tĩnh α-β 63

Hình 3.23.Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM trong hệ tọa độ quay d-q 64

Hình 3.24.Dòng công suất trong bộ biến đổi AC/DC hai chiều phụ thuộc vào hướng iL 66

Hình 3.25.Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển DPC 66

Hình 3.26.Chọn sector cho phương pháp điều khiển DPC 67

Hình 3.27. Sơ đồ khối ước lượng từ thông ảo với bộ lọc đầu vào 69

Hình 3.28.Sơ đồ khối ước lượng công suất tức thời dựa trên từ thông ảo 69

Hình 3.29.Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển VOC 70

Hình 3.30. Sơ đồ vectơ VOC. Biến đổi dòng, áp lưới và điện áp đầu vào bộ chỉnh lưu trong các hệ trục toạ độ a-b và d-q 71

Hình 3.31. Điền khiển tách dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu PWM 73

Hình 3.33.Tthuật toán VF-DPC áp dụng cho khối chỉnh lưu và thuật toán DTC áp dụng cho khối nghịch lưu cung cấp nguồn cho động cơ không đồng bộ 76

Hình 3.34.Thuật toán VF-DPC (Virtual Flux – Direct Power Control) áp dụng cho khối chỉnh lưu 76

Hình 3.36.Khối cầu chỉnh lưu PWM 77

Hình 3.37. Khối chuyển đổi hệ tọa độ ba pha sang hệ trục toạ độ tĩnh a-b 77

Hình 3.38.Khối ước lượng từ thông ảo 78

Hình 3.39.Khối ước lượng công suất 78

Hình 3.40.Khâu tính 12 sector 79

Hình 3.41.Cấu trúc chi tiết khối tính sector 79

Hình 3.42.Khối switching table 80

Hình 3.43.Cấu trúc chi tiết khối Switching Table 80

Hình 3.44.Bảng tra trong trường hợp dq=0 81

Hình 3.45.Bảng tra trong trường hợp dq=1 81

Hình 3.46. Thuật toán DTC (Direct Torque Control) áp dụng cho khối nghịch lưu 81

Hình 3.48.Khối điều chỉnh tốc độ 83

Hình 3.49.Khối chuyển đổi điện áp từ hệ tọa độ ba pha sang hệ trục toạ độ tĩnh a-b 83

Hình 3.50. Khối hàm tính usa 83

Hình 3.51.Khối hàm tính usb 84

Hình 3.52.Khối chuyển đổi dòng điện từ hệ tọa độ ba pha sang hệ trục toạ độ tĩnh a-b 84

Hình 3.53.Mô hình mô phỏng ghép nối DPC_DTC 86

Hình 3.54.Dòng điện và điện áp một pha đầu vào lúc khởi động và ổn định 86

Hình 3.55.Mômen và tốc tốc độ trong quá trình mô phỏng 86

Hình 3.56.Điện áp và dòng điện một chiều sau chỉnh lưu 87

Hình 3.57.Công suất tác dụng và công suất phản kháng lúc hãm tái sinh 87

Hình 3.58.Dòng điện - điện áp một pha đầu vào lúc hãm tái sinh do tốc độ và ổn định sau khi hãm tái sinh 87

Hình 3.59.Điện áp một chiều khi tiến hành hãm tái sinh 88

Hình 3.60. Công suất tác dụng - công suất phản kháng khi mô phỏng 88

Hình 3.61.Công suất tác dụng đặt và giá trị thực khi mô phỏng 88

Hình 3.62. Công suất phản kháng lúc khởi động và ổn định 89

Hình 3.63. Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ với q khác không 90

Hình 3.64. Công suất tiêu thụ và công suất hãm tái sinh 90

Hình 3.65.Hình dáng dòng điện trong quá trình khởi động 94

Hình 3.66.Phân tích hệ số méo dòng điện trong quá trình khởi động 94

Hình 3.67.Hình dáng dòng điện trong quá trình hoạt động ổn định 95

Hình 3.68.Phân tích hệ số méo dòng điện trong quá trình hoạt động ổn định 95

Hình 3.69.Hình dáng dòng điện trong quá trình hãm tái sinh do vận tốc 95

Hình 3.70.Phân tích hệ số méo dòng điện trong quá trình hãm tái sinh do vận tốc 96

Hình 3.71.Hình dáng dòng điện trong quá trình hãm tái sinh do mômen 96

Hình 3.72.Phân tích hệ số méo dòng điện trong quá trình hãm tái sinh do mômen 96

Hình 3.73. Chất lượng năng lượng tái sinh ở tốc độ 1000 vòng/phút 98

Hình 3.74. Chất lượng năng lượng tái sinh ở tốc độ 500 vòng/phút 98

Hình 3.75. Chất lượng năng lượng tái sinh ở tốc độ 300 vòng/phút 99

Hình 3.76. Chất lượng năng lượng tái sinh ở tốc độ 200 vòng/phút 99

Hình 3.78. Cấu trúc chi tiết khối tính toán công suất trưc tiếp 102

Hình 3.79. Kết quả đo công suất trực tiếp và công suất ước lượng trong mô hình thuật toán DPC 103

Hình 3.80. Hệ số công suất tại ba điểm khảo sát với hệ số cosj = 1 104

Hình 3.81. Hệ số công suất tại ba điểm khảo sát với hệ số cosj = 0,85 104

Hình 3.82. Hệ số công suất tại ba điểm khảo sát với hệ số cosj = 0,6 104

Hình 3.83. Hệ số công suất tại ba điểm khảo sát với hệ số cosj = 0,4 105

Hình 4.1.Card điều khiển 1103 107

Hình 4.2.Các thành phần liên kết trong mô hình thực nghiệm 108

Hình 4.3.Sơ đồ đóng cắt cho phần lực 112

Hình 4.4.Module IGBT đóng cắt của phần chỉnh lưu và nghịch lưu 113

Hình 4.5.Cuộn cảm và cáp đồng trục dùng cho đầu vào biến tần 116

Hình 4.6. Mô hình thực nghiệm 117

Hình 4.7. Các khối vào/ra kết nối thuật toán trong Simulink với mô hình 117

Hình 4.8.Giao diện theo dõi các tín hiệu và tham số 118

Hình 4.9.Dòng áp đầu vào khi mô phỏng và trong thực tế 119

Hình 4.10.Dòng điện lưới khi mô phỏng và trong thực tế 119

Hình 4.11. Điện áp một chiều sau chỉnh lưu tích cực khi mô phỏng và trong thực tế 119

Hình 4.13.Điện áp một chiều sau chỉnh lưu lúc tăng tốc độ khi mô phỏng và trong thực tế 120

Hình 4.14.Điện áp một chiều sau chỉnh lưu lúc hãm tái sinh do giảm tốc độ khi mô phỏng và trong thực tế 120

Hình 4.15. Dòng điện stator khi mô phỏng và trong thực tế 12