Đồ án Khảo sát và thiết kế bộ biến tần đa mức tại Công ty Xi măng Hoàng Thạch (+ mô phỏng)

MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH VẼ ........................................................................................................... i MỤC LỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................... iv LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN. ..... 3 1.1.Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ ............................................................. 3 1.2.Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ .................................... 4 1.2.1. Điều khiển vô hƣớng hệ biến tần động cơ ĐKB 3 pha: ..................................... 5 1.2.2. Điều khiển vector: ............................................................................................ 10 1.2.3. Nhận xét : .......................................................................................................... 14 CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ BIẾN TẦN ..................................................................... 15 2.1. Giới thiệu chung về biến tần ................................................................................... 15 2.1.1. Biến tần trực tiếp ............................................................................................... 15 2.1.2. Bộ biến tần gián tiếp ......................................................................................... 16 2.2. Bộ nghịch lƣu 2 mức ............................................................................................... 16 2.2.1. Bộ nghịch lƣu áp một pha ................................................................................. 17 2.2.2. Nghịch lƣu áp ba pha ........................................................................................ 18 2.3. Bộ nghịch lƣu áp đa mức ........................................................................................ 20 CHƢƠNG 3: CÁC BỘ NGHỊCH LƢU ÁP ĐA MỨC ..................................................... 21 3.1 Bộ nghịch lƣu điốt kẹp – NPC ................................................................................. 21 3.1.1. Cấu trúc ............................................................................................................. 21 3.1.2. Trạng thái của các khóa chuyển mạch .............................................................. 22 3.1.3. Quá trình chuyển mạch ..................................................................................... 24 3.1.4. Nhận xét ............................................................................................................ 25 3.2. Bộ nghịch lƣu dạng tụ kèm ..................................................................................... 26 3.2.1. Cấu trúc ............................................................................................................. 26 3.2.2. Trạng thái của các khóa chuyển mạch .............................................................. 27 3.2.3. Quá trình chuyển mạch ..................................................................................... 29 3.2.4. Nhận xét ........................................................................................................... 31 3.3. Bộ nghịch lƣu đa mức kiểu cầu H nối tầng (cascade H-bridge multilevel inverter) ........................................................................................................................................ 31 3.3.1. Cấu trúc ............................................................................................................. 31 3.3.2. Trạng thái của các khóa chuyển mạch ............................................................. 33 3.3.3. Quá trình chuyển mạch ..................................................................................... 35 3.3.4. Nhận xét ............................................................................................................ 38 3.4. Kết luận ................................................................................................................... 38 CHƢƠNG 4: CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƢU ÁP ĐA MỨC 41 4.1. Một số chỉ tiểu đánh giá kỹ thuật PWM ............................................................ 41 4.1.1. Phạm vi điều chế tuyến tính ......................................................................... 41 4.1.2. Độ méo dạng dòng điện ngõ ra ..................................................................... 42 4.1.3. Ảnh hƣởng của deadtime và sụt áp trên linh kiện ...................................... 42 4.1.4. Ảnh hƣởng do mất cân bằng áp tụ .............................................................. 43 4.1.5. Vấn đề Common Mode ................................................................................. 43 4.1.6. Tần số đóng ngắt và công suất tổn hao do đóng ngắt: .............................. 44 4.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung dùng sóng mang (CBPWM) ........................ 44 4.2.1. Nguyên lý thực hiện ...................................................................................... 44 4.2.2. Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật CBPWM ................................ 45 4.2.3. Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung SIN .................................................. 46 4.2.4. Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung cải biến (Modified PWM hoặc switching frequence optimal PWM method-SFO-PWM) ................................... 50 4.2.5. So sánh điện áp ngõ ra của SHPWM và SFO-PWM ................................. 52 4.2.6. Thời gian dẫn của linh kiện trong một chu kỳ sóng mang: ...................... 52 4.3 Kỹ thuật điều chế vector không gian (SVPWM) .............................................. 53 4.3.1. Khái niệm vector không gian ....................................................................... 53 4.3.2. Vector không gian của bộ nghịch lƣu áp đa mức: .................................... 54 CHƢƠNG 5: THIẾT KẾ, TÍNH CHỌN MẠCH LỰC – MÔ PHỎNG MATLAP - SIMULINK ........................................................................................................................ 60 5.1. Giới thiệu quạt gió hồi lƣu ...................................................................................... 60 5.2. Tính toán mạch lực .................................................................................................. 62 5.1.1. Tính chọn van ................................................................................................... 62 5.2.2. Tính toán bảo vệ quá nhiệt cho các van ............................................................ 64 5.3. Mô phỏng hệ thống nghịch lƣu 3 mức NPC ........................................................... 66 5.3.1. Các khâu trong mô hình .................................................................................... 68 5.3.2. Mô phỏng với tải R-L ....................................................................................... 70 5.3.3. Mô phỏng với động cơ điều khiển tốc độ trực tiếp .......................................... 71 5.3.4. Mô phỏng với động cơ khởi động theo luật U-f ............................................... 74 5.3.3. Nhận xét ............................................................................................................ 77 KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 79 Mục lục hình vẽ i MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Đồ thị xác định khả năng quá tải về momen ....................................................... 6 Hình 1.2. Cấu trúc điện áp – tần số từ thông động cơ không đổi ........................................ 7 Hình 1.3. Dạng đặc tính cơ khi điều khiển điện áp tần số giữ từ thông động cơ không đổi ............................................................................................................................................. 7 Hình 1.4. Quan hệ giữa dòng điện và tốc độ ....................................................................... 9 Hình 1.5. Cấu trúc điều khiển tần số - dòng điện giữ từ thông máy điện không đổi .......... 9 Hình 1.6. Đồ thị vector cho phƣơng pháp điều khiển vector tựa từ thông roto ............... 10 Hình 1.7. Điều khiển tựa từ thông roto trực tiếp ............................................................... 11 Hình 1.8. Mô tả hàm đóng cắt mạch lực biến tần. ............................................................. 12 Hình 1.9. Thay đổi vị trí vector .................................................................................. 13 Hình 1.10. Quỹ đạo vecto từ thông stato ........................................................................... 13 Hình 1.11. Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ .............. 14 Hình 2.1. Sơ đồ khối biến tần trực tiếp (xoay chiều - xoay chiều) ................................... 15 Hình 2.2. Sơ đồ khối biến tần gián tiếp ............................................................................. 16 Hình 2.3. Sơ đồ nghịch lƣu áp 1 pha ................................................................................. 17 Hình 2.4. Giản đồ kích đóng các công tắc và đồ thị áp tải ................................................ 18 Hình 2.5. Sơ đồ nghịch lƣu áp ba pha ............................................................................... 18 Hình 3.1. Bộ nghịch lƣu điốt kẹp 3 mức ........................................................................... 21 Hình 3.2. Chế độ dẫn của nghịch lƣu đa mức điốt kẹp ..................................................... 23 Hình 3.3. Trạng thái chuyển mạch và điện áp pha, điện áp dây của bộ nghịch lƣu 3L-NPC ........................................................................................................................................... 23 Hình 3.4. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O (a) sang trạng thái P (b) với dòng điện tải iA > 0 ............................................................................................................................ 24 Hình 3.5. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O (a) sang trạng thái P (b) với dòng điện tải iA < 0 ............................................................................................................................ 24 Hình 3.6. Bộ nghịch lƣu dạng tụ kèm 3 mức .................................................................... 27 Hình 3.7. Chế độ dẫn của nghịch lƣu đa mức tụ kèm ....................................................... 28 Hình 3.8. Trạng thái chuyển mạch và điện áp pha, điện áp dây của bộ nghịch lƣu 3L-FLC ........................................................................................................................................... 29 Hình 3.9. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O (a) sang trạng thái P (b) với dòng điện tải iA > 0 ............................................................................................................................ 30 Hình 3.10. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O (a) sang trạng thái P (b) với dòng điện tải iA < 0 ............................................................................................................................ 30 Hình 3.11. Cấu trúc bộ nghịch lƣu 5 mức kiểu H nối tầng ............................................... 32 Hình 3.12. Cấu trúc của 1 cell cầu ..................................................................................... 32 Hình 3.13. Đơn giản hóa pha A của bộ nghịch lƣu cầu H ................................................ 33 Mục lục hình vẽ ii Hình 3.14. Điện áp trên mỗi cel cầu, điện áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lƣu cầu H ........................................................................................................................................... 35 Hình 3.15. Quá trình chuyển mạch giữa các trạng thái ..................................................... 36 Hình 3.16. Quá trình chuyển mạch từ trạng thái với dòng iA>0 (đƣờng nét liền) và iA<0 (đƣờng nét đứt) .......................................................................... 38 Hình 4.1. Ảnh hƣởng của deadtime ............................................................................... 42 Hình 4.2. Điện áp Common Mode ................................................................................... 44 Hình 4.3. Sóng mang PD .................................................................................................. 45 Hình 4.4. Sóng mang APOD ............................................................................................. 45 Hình 4.5. Sóng mang POD ............................................................................................... 46 Hình 4.6. Phạm vi điều khiển tuyển tính của phƣơng pháp SHPWM ........................... 47 Hình 4.7. Pha A của bộ nghịch lƣu 5 mức NPC .............................................................. 48 Hình 4.8. Tƣơng quan giữa sóng mang - sóng đìều khiển và xung kích của các khóa tƣơng ứng. ......................................................................................................................... 48 Hình 4.9. Dòng điện trên pha A ....................................................................................... 49 Hình 4.10. Điện áp trên pha A VA và điện áp dây VAB ................................................ 49 Hình 4.11. Phƣơng pháp độ rộng xung cải biên ............................................................... 50 Hình 4.12. Tín hiệu điều chế cải biến ............................................................................... 51 Hình 4.13. Dòng điện trên pha A ..................................................................................... 51 Hình 4.14. Phạm vi điều khiển tuyến tính của phƣơng pháp SFO-PWM ......................... 52 Hình 4.15. Tính thời gian dẫn của linh kiện trong một chu kỳ sóng mang ............... 53 Hình 4.16. Bộ nghịch lƣu NPC ba mức và các tổ hợp đóng cắt trên một pha ................. 54 Hình 4.17. vector khôn gian của bộ nghịch lƣu NPC 3 mức ............................................ 56 Hình 4.18. Các tam giác tạo bởi các vector cơ bản .......................................................... 58 Hình 4.19. Vector không gian của bộ nghịch lƣu NPC 5 mức .......................................... 59 Hình 5.1. Sơ đồ hệ thống lò quay nung Clinker ................................................................ 61 Hình 5.2. Mạch lực ............................................................................................................ 62 Hình 5.3. Mô hình mô phỏng ............................................................................................ 66 Hình 5.3. Mô hình mô phỏng hệ thống NPC 3 mức sử dụng Matlap ............................... 67 Hình 5.4. Bộ chỉnh lƣu ...................................................................................................... 68 Hình 5.5. Khâu tính toán ................................................................................................... 68 Hình 5.6. Răng cƣa 1 ......................................................................................................... 69 Hình 5.7. Răng cƣa 2 ......................................................................................................... 69 Hình 5.8. Đồ thị sóng răng cƣa .......................................................................................... 69 Hình 5.9. Điện áp pha mô phỏng với tải R-L .................................................................... 70 Hình 5.10. Điện áp dây mô phỏng vói tải R-L .................................................................. 70 Hình 5.11: Điện áp sau chỉnh lƣu ...................................................................................... 70 Hình 5.12. Khâu tạo xung khi khởi động trực tiếp ............................................................ 71 Hình 5.13. Đồ thị sóng Uabc ............................................................................................. 71 Mục lục hình vẽ iii Hình 5.14. Điện áp ra sau chỉnh lƣu .................................................................................. 72 Hình 5.16. Đồ thị tốc độ và momen động cơ khi khởi động trực tiếp ............................... 72 Hình 5.17. Đồ thị điện áp pha ............................................................................................ 73 Hình 5.18: Đồ thị điện áp dây ........................................................................................... 73 Hình 5.19: Khâu tạo xung điều khiển theo luật U-f .......................................................... 74 Hình 5.20. Bộ tạo sóng điều khiển Ua............................................................................... 74 Hình 5.22. Đồ thị dòng điện động cơ khởi động theo luật U-f ......................................... 75 Hình 5.23: Đồ thị điện áp và Momen động cơ khởi động theo luật U-f ........................... 76 Hình 5.24. Dạng điện áp pha khi khởi động theo luật U-f ................................................ 76 Hình 5.25. Đồ thị dòng điện dây khi khởi động bằng luật U-f.......................................... 77 Mục lục bảng biểu iv MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của bộ nghịch lƣu 3L-NPC .................. 22 Bảng 3.2: Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lƣu 3L -NPC .... 25 Bảng 3.3: Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của 3L-FLC.......................................... 28 Bảng 3.4: Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lƣu 3L-FLC ...... 31 Bảng 3.5: Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của 5L-CHB ......................................... 34 Bảng 3.6: Bảng so sánh cấu hình các loại biến tần đa mức .............................................. 39 Bảng 3.7: So sánh số lƣợng nguồn DC cần dùng giữa các cấu hình khi thay các tụ điện trong cấu hình diode kẹp và tụ kẹp bằng nguồn DC độc lập............................................. 40 Bảng 4.1 Các trạng thái đóng cắt của NPC 5 mức ........................................................... 47 Bảng 4.2. So sánh SHPWM và SFO-PWM .................................................................. 52 Bảng 4.3: Các vector và trạng thái đóng cắt tƣơng ứng (NPC 3 mức) ............................ 55 Lời nói đầu 1 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, các thiết bị điện tử công suất rất đƣợc quan tâm và sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ hệ thống truyền tải, hệ thống phân phối điện năng, dùng trong công nghiệp… Và một trong những ứng dụng của nó là dùng trong các ứng dụng công suất cao. Do đó, điện áp và dòng điện phải đƣợc nâng lên tƣơng ứng. Vì vậy mà công suất định mức của linh kiện bán dẫn sẽ là một trở ngại. Ngoài ra, chúng ta khó có thể sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất trực tiếp với lƣới trung áp hay cao áp mà cần có giải pháp tốt hơn. Vì vậy trong những năm gần đây, bộ biến tần đa mức đã đƣợc nghiên cứu và xem nhƣ là sự lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng truyền động trung áp. Ƣu điểm chính của bộ biến tần đa mức là điện áp đặt lên các linh kiện giảm xuống nên công suất của bộ nghịch lƣu tăng lên, đồng thời công suất tổn hao do quá trình đóng cắt linh kiện cũng giảm theo. Với cùng tần số đóng cắt, các thành phần sóng hài bậc cao của điện áp ra nhỏ hơn so với trƣờng hợp biến tần hai mức nên chất lƣợng điện áp ra tốt hơn. Sau thời gian học tập và nghiên cứu. Em đã nhận đề tài tốt nghiệp: “Khảo sát và thiết kế bộ biến tần đa mức tại Công ty Xi măng Hoàng Thạch”. Trong nghiên cứu của đồ án này, em đi sâu vào nghiên cứu phần nghịch lƣu đa mức trong bộ biến tần