Đề tài Điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng nghịch lưu nguồn dòng

đặt véc tơ điện áp tương ứng thì sẽ sinh ra các véc tơ điện từ không gian còn lại tương tự như chúng được sinh ra bởi các đại lượng ba pha trong thời gian , mô hình máy điện như vậy được gọi là mô hình máy điện trong tọa độ cực. Có thể lập được sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ ba pha khi quy đổi các đại lượng từ roto vê stato như hình 1-8: a, Sơ đồ dây quấn b,Một số đại lượng véc tơ Hình 1-8: Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ cực Trong sơ đồ thay thế trên đây , ngoài các đại lượng véc tơ được ký hiệu có dấu gạch ngang (-) trên đầu , các đại lượng còn lại là các ma trận thông số, ví dụ: ; ; ; Các phương trình điện áp trong không gian tọa độ cực : Các phương trình của từ thông : Và mô men điện từ b , Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ tọa độ trực giao : Mô hình trong hệ tọa độ cực của động cơ không đồng bộ không thuận tiện cho các tính toán điều khiển , mặt khác ta thấy rằng tất cả các đại lượng véc tơ đều quay trong mặt phẳng cắt ngang của động cơ , do đó có thể quy đổi sang hệ tọa độ đề các , gọi hệ tọa độ này là , trong đó trục được chọn trùng với trục dây quấn pha a stato : Hình1-9: Mô tả hệ tọa độ . Thiết lập được mối quan hệ giữa các đại lượng trong hai không gian khác nhau : Sơ đồ thay thế 1-10: Hình 1-10 : Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ trong hệ trục tọa độ c, Mô hình động cơ không đồng bộ trong hệ trục d, q: Phương pháp điều khiển cả biên độ và vị trí pha của véc tơ dòng điện ( điện áp) giúp tạo được hệ thống điều chỉnh từ thông hoàn hảo mà không cần sử dụng cảm biến từ thông động cơ . Trong chế độ xác lập véc tơ từ thông roto quay đồng bộ với từ trường quay stato , nếu ta chọn véc tơ này trùng với trục ox của hệ thống tọa độ quay đồng bộ thì ta có hình 1-9: Hình 1-11: Đồ thị véc tơ cho phương pháp điều khiển véc tơ tựa từ thông roto. Trong đồ thị trên , ở chế độ xác lập vì tất cả các véc tơ đều quay đồng bộ với hệ trục tọa độ nên góc là hằng số và do đó các thành phần của dòng điện chiếu lên hệ trục cũng sẽ là một chiều ( biến thiên rất chậm). Đây là một lợi thế rất lớn của phương pháp có thể dễ dang tổng hợp các bộ điều chỉnh kiểu vô hướng , theo từng chiều (thành phần ) của véc tơ dòng điện Sơ đồ cấu trúc hình 1-12: Hình 1-12: Sơ đồ cấu trúc chuyển từ trục sang trục Sơ đồ thay thế hình 1-13: Hình 1-13: Sơ đồ thay thế quy đổi trong hệ tọa độ d,q Với: ; : vị trí góc tuyệt đối của dây quấn roto . Chương 2: NGHỊCH LƯU NGUỒN DÒNG 2.1. Giới thiệu chung về đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn công suất: Các phần từ bán dẫn công suất được sử dụng trong sơ đồ các bộ biến đổi như các khóa điện tử, gọi là các van bán dẫn. Khi mở dẫn dòng thì nối tải vào nguồn, khi khóa thì ngắt tải ra khỏi nguồn , không cho dòng điện chạy qua . Khác với các phần tử có tiếp điểm , khi các van dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện không gây nên tia lửa điện, không bị mài mòn theo thời gian. Tuy có thể đóng cắt các dòng điện lớn nhưng các van bán dẫn lại được điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ , tạo bởi mạch điện tử công suất nhỏ . Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ bộ biến đổi và phụ thuộc cách thức điều khiển các van trong bộ biến đổi . Như vậy hiệu suất của các bộ biến đổi phụ thuộc trước hết vào tổn thất trên các van bán dẫn , trong quá trình làm việc tổn thất này bằng tích của dòng điện chạy qua van với điện áp rơi trên van. Công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn ngày nay đã đạt được những bước tiến bộ vượt bậc , với việc cho ra đời những phần từ kích thước ngày càng nhỏ gọn và khả năng đóng cắt dòng điện và chịu điện áp ngày càng lớn với tổn hao công suất đáng kể , ngày càng đáp ứng những yêu cầu phức tạp của các quy luật biến đổi năng lượng trong các bộ biến đổi . Sự phát triển của các phần tử bán dẫn có vai trò quyết đinh tới sự phát triển của điện từ công suất , góp phần tạo ra nhiều chủng loại bộ biến đổi với những ứng dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp và trong cuộc sống. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các đặc tính cơ bản của các phần tử bán dẫn là điều vô cùng quan trong để có thể sử dụng đúng và phát huy hết hiệu quả của các phần tử bán dẫn trong các ứng dụng cụ thể . Sau đây là một số tính năng kỹ thuật cơ bản của một số phần tử bán dẫn: 2.1.1.ĐIỐT: a,Giới thiệu: Điốt là phần tử được cấu tao bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p-n . Điốt có hai cực , anot A là cực nối với lớp bán dẫn kiểu p, catốt K là cực nối với lớp bán dẫn kiểu n . Dòng điện chỉ chạy qua điốt theo chiều từ A đến K khi điện áp dương . Khi , dòng điện qua điốt gần như bằng không . Cấu tạo như sau: Hình 2-1 cấu tạo của điot b,Đặc tính volt ampe của điot: Một số tính chất của điốt trong quá trình làm việc có thể được giải thích thông qua việc xem xét đặc tính volt-ampe của điot trong các góc phần tư thư I tương ứng với việc xem xét đặc tính volt-ampe của điot trên hình 2.2: Hình 2-2 : đặc tính thực tế điốt Theo đường đặc tính thuận , nếu điện áp của anot cato tăng dần từ 0 đến khi vượt qua ngưỡng điện áp , cỡ 0,6-0,7V, dòng có thể chảy qua điốt dòng điện có thể thay đổi rất lớn nhưng điện áp rơi trên điốt hầu như ít thay đổi . Như vậy đặc tính thuận của điốt là đặc trưng bởi tính chất có điện trở tương đương nhỏ. Theo đường đặc tính ngược , nếu điện áp tăng dần đến điện áp ngược lớn nhất thì dòng qua điốt có giá trị rất nhỏ gọi là dòng rò , nghĩa là điốt cản trở dòng chạy theo chiều ngược . Cho đến khi đạt đến giá trị thì xảy ra hiện tượng dòng qua điot tăng đột ngột , tính chất cản trở dòng điện ngược của điốt bị phá với. Quá trình này không có tính đảo ngược , nghĩa là nếu ta lại giảm điện áp trên anot –catot thì dòng điện vẫn không giảm . Ta nói điốt đã bị đánh thủng. C,Đặc tính đóng cắt của điốt: Khác với đặc tính volt-ampe là đặc tính tĩnh , đặc tính cho thấy dạng của điện áp và dòng điện trên điốt theo thời gian , gọi là đặc tính động , hay đặc tính đóng cắt của điốt . Đặc tính đóng cắt tiêu biểu của điốt được thể hiện ở hình 2-3: Hình 2-3.Đặc tính đóng cắt của điốt Theo đặc tính ở các trạng thái khóa Trong các khoảng thời gian (1) (6) với điện áp phân cực ngược và dòngđiện bằng 0 . Ở khoảng (2) điot bắt đầu dẫn dòng. Dòng điện ban đầu nạp tích điện cho tụ điện dương được của tiếp giáp p-n trước đó bị phân cực ngược , làm điện áp dương trên điốt tăng lên đến vài von vì điện trở vùng nghèo điện tích còn lớn. Khi lượng điện tích đã đủ lớn , độ dẫn điện của tiếp giáp tăng lên , điện trở giảm và điện áp trên điot trở về ổn định ở mức sụt áp cỡ 1-1,5V . Trong khoảng (3) điot hoàn toàn ở trạng thái dẫn . Quá trình khóa điốt bắt đầu ở khoảng (4) điốt phân cực thuận cho đến khi điện tích ở lớp tiếp giáp p-n được di chuyển ra hết bên ngoài . Thời gian di chuyển phụ thuộc tốc độ tăng của dòng ngược và lượng điện tích tích lũy , phụ thuộc giá trị dòng điện mà điốt dẫn trước đó. Ở cuối giai đoạn (4) tiếp giáp p-n trở nên phân cực ngược và điốt có khả năng ngăn cản dòng điện. Trong giai đoạn (5) tụ điện tương đương của tiếp giáp p-n được nạp tiếp tục cho đến khi phân cực ngược . Điện tích gạch chéo trên đường dòng điện i(t) tương ứng bằng với lượng điện tích phải di chuyển ra bên ngoài . Điện tích là điện tích phục hồi thời gian giữa đầu giai đoạn (4) đến cuối giai đoạn (5) gọi là thời gian phục hồi mà là một trong những thông số quan trọng để lựa chọn điốt cho một ứng dụng thực tế. 2.1.2.TIRISTO: Tiristo là phần từ bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n và tạo ra ba lớp tiếp giáp p-n . Tiristo có 3 cực : Anốt A , catốt K và cực điều khiển G như được biểu diễn ở hình 2-4 sau: Hình 2-4 Ký hiệu tiristo a,Đặc tính von-ampe của tiristo: Đặc tính vôn-ampe của một tiristo gồm 2 phần . Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ nhất là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp >0 và phần thứ hai nằm trong góc phần tư thư III gọi là đặc tính ngược tương ứng với trường hợp . *Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không() : Khi dòng vào cực điều khiển của tirito bằng không hay khi hở mạch cực điều khiển của tiristo sẽ cản trở dòng điện phần ứng với cả 2 trường hợp phân cực điện áp giữa anot và catot . Khi điện áp theo cấu tạo bán đẫn của tirito hai tiếp giáp đều phân cực ngược , lớp phân cực thuận như vậy tirito giống như 2 điot mắc nối tiếp bị phân cực ngược . Qua tiristo sẽ chi có một dòng điện rất nhỏ chạy qua gọi là dòng rò . Khi tăng đến một giá trị điện áp lớn nhất thì tiristo sẽ xảy ra hiện tượng đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược được. Nghĩa là nếu có giảm điện áp xuống dưới mức thì dòng điện cũng không giảm được đến mức dòng rò . Tiristo đã bị hỏng . Hình 2-5 Đặc tính von-ampe Khi tăng điện áp anot , catot theo chiều thuận , , lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua , gọi là dòng rò . Điện trở tương đương mạch anot catot có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp là phân cực thuận còn là phân cực ngược . Cho đến khi tăng đến một giá trị thuận lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch anot- catot đột ngột giảm, dòng điện chạy qua tiristo sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài . Nếu khi đó dòng qua tiristo sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận , giống như đường đặc tính thuận ở điốt . Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dòng có thể có giá trị lớn nhất, . Điều này được mô tả trên hình trên . Nói chung dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra nhỏ hơn. Quá trình xảy ra trên trên đường đặc tính ngược sẽ không khác gì so với trường hợp dòng điều khiển bằng không. B,Mở, khóa tiristo: *Mở : Khi điện áp phân cực thuận , tiristo có thể mở bằng 2 cách . Thứ nhất , có thể tăng điện áp anot cato cho đến khi đạt đến giá trị điện áp anot-catot cho đến khi điện áp thuận lớn nhất điện trở tương đương trong mạch anot sẽ giảm đột ngột và dòng qua tiristo sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định . Phương pháp này trong thực tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng có thể tăng được điện áp đến khi giá trị .Vả lại như vậy sẽ xảy ra trường hợp tiristo tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước. Phương pháp thứ 2 , phương pháp được ứng dụng thực tế là đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catot . Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của tiristo từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anot-catot nhỏ. Khi đó dòng qua anot-catot lớn hơn một giá trị gọi là dòng duy trì thì tiristo sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển . Điều này có nghĩa để điều khiển mở tiristo bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định , do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất là nhỏ, so với công suất của mạch lực mà tiristo là một phần tử đóng cắt , khống chế dòng điện. *Khóa: Một tiristo đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa ( điện trở tương đương mọc anot –catot tăng cao ) nếu dòng điện giảm xuống , nhỏ hơn giá trị dòng điện duy trì . Tuy nhiên tuy tiristo vẫn ở trạng thái khóa , với trở kháng cao , khi điện tích anot , catot lại dương () , cần phải có một khoảng thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình . c,Các thông số cơ bản của tiristo: 1, Giá trị trung bình cho phép chạy qua tiristo Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua tiristo với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của tiristo không vượt quá một giá trị cho phép . Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua tiristo còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường . Tiristo có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm mát tự nhiên . Ngoài ra tiristo có thể phải được là mát cưỡng bức nhở quạt gió hoặc dùng nước để tản nhiệt lượng tản ra nhanh hơn . Vấn đề làm mát van bán dẫn sẽ được đề cập đến ở phần sau , tuy nhiên có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát theo kinh nghiệm như sau : Làm mát tự nhiên : dòng sử dụng cho phép bằng một phần ba dòng . Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió : dòng sử dụng bằng hai phần 3 dòng . Làm mát cưỡng bức bằng nước : có thể sử dụng 100% dòng . 2, Điện áp ngược cho phép lớn nhất : Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên tiristo . Trong đó các ứng dụng phải đảm bảo rằng , tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anot –catot luôn nhỏ hơn hoặc bằng . Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp , nghĩa là phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ đó . 3, Thời gian phục hồi tính chất khóa của tiristo , . Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anot –catot của tiristo sau khi dòng anot-catot đã về không trước khi lại có thể có điện áp dương mà tiristo vẫn khóa . Thời gian phục hồi làm một thông số quan trọng của tiristo nhất là bộ nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập , trong đó phải luôn đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 đến 2 lần . 4, Tốc độ tăng điện áp cho phép . Tiristor được sử dụng như một phần từ có điều khiển , nghĩa là mặc dù được phân cực thuận ( ) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng điện chạy qua . Khi tiristo được phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt tiristo tần số thấp với các tiristor tần số cao . Ở tiristor tần số thấp vào khoảng 50 đến 200 . 5, Tốc độ tăng dòng cho phép, . Khi tiristo bắt đầu mở không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nó đều dẫn đồng đều . Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm , gần với cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện . Nếu tốc độ tăng dòng quá lớn có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm bán dẫn ban đầu quá lớn , sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể dẫn đến hỏng cục bộ , từ đó dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn. Tốc độ tăng dòng cũng phân biệt tiristo tần số thấp, có cỡ 50-100với các tiristo tần số cao với cỡ 500-2000 .Trong các ứng dụng phải luôn đảm bảo tốc độ tăng dòng đến dưới mức cho phép . Điều này đạt được nhờ mắc nối tiếp các van bán dẫn với các cuộn kháng trị số nhỏ . Cuộn kháng có thể lõi không khí hoặc lõi ferit . Có thể dung những xuyến ferit lồng lên thanh dẫn để tạo các điện kháng có tính chất của cuộn kháng bão hòa . Khi dòng qua thanh dẫn nhỏ , điện kháng sẽ có giá trị lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng . Khi dòng điện lớn , cuộn kháng bị bão hòa , điện cảm giảm gần như bằng không. Như vậy cuộn kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức qua thanh dẫn. 2.1.3 TIRISTO khóa được bằng cực điều khiển GTO( Gate turn-off-Thyristor): Tiristo thường , được sử dụng rộng rãi trong các sơ đồ chỉnh lưu từ công suất nhỏ vài KW đến công suất cực lớn đến vài trăm MW . Đó là vì trong các sơ đồ chỉnh lưu , tiristo có thể khóa lại một cách tự nhiên dưới tác dụng của điện áp điện lưới , điện áp chỉnh lưu có thể điều chỉnh bằng cách chủ động thay đổi thời điểm mở của các tiristo . Tuy nhiên với các ứng dụng trong các bộ biến đổi xung áp một chiều hoặc các bộ nghịch lưu , trong đó các van bán dẫn luôn bị đặt dưới điện áp một chiều thì điều kiện để khóa tự nhiên sẽ không còn nữa . Khi đó việc dùng tiristo thường sẽ cần đến các mạch chuyển mạch cưỡng bức rất phức tạp , gây tổn hao công suất , giảm hiệu suất của bộ biến đổi . Cách đây không lâu , vào những năm 80 của thế kỷ trước , chuyển mạch của tiristo là vấn đề được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm giải quyết . Tuy nhiên ngày nay các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn với công nghệ hoàn chỉnh được sản xuất hàng loạt làm nhiệm vụ của các nhà nghiên cứu nhẹ đi rất nhiều . Các GTO , như tên gọi của nó , nghĩa là khóa lại được bằng cực điều khiển , có những khả năng về đóng cắt các dòng điện lớn , chịu được điện áp cao giống như tiristo , là một van điều khiển . Việc ứng dụng các GTO đã phát huy ưu điểm cơ bản của các phần từ bán dẫn , đó là khả năng đóng cắt dòng điện lớn nhưng lại được điều khiển bởi các tín hiệu công suất nhỏ . Cấu trúc bán dẫn của GTO phức tạp hơn so với tiristo như hình 2-6 . Ký hiệu GTO cũng chỉ ra tính chất điều khiển hoàn toàn của nó . Đó là dòng điện đi vào cực điều khiển để mở GTO , còn dòng đi ra khỏi cực điều khiển dùng để di chuyển các điện tích ra khỏi cấu trúc bán dẫn của nó , nghĩa là khóa GTO lại . Trong cấu trúc bán dẫn của GTO lớp p , anot được bổ sung các lớp . Dấu + ở bên cạnh chỉ ra rằng mật độ các diện tích tương ứng mật độ các diện tích tương ứng , các lỗ hoặc điện từ , được làm giàu thêm với mục đích làm giảm điện trở khi dẫn của các vùng này . Cực điều khiển vẫn được nối vào lớp p nhưng được chia nhỏ ra và phân bố đều so với lớp của catot. Khi chưa có dòng điều khiển , nếu anot có điện áp dương hơn so với catot thì toàn bộ điện áp sẽ rơi trên tiếp giáp ở giữa , giống như trong cấu trúc của tiristo tuy nhiên catot có điện áp dương hơn so với anot thì tiếp giáp ở sát anot sẽ bị đánh thủng ngay ở điện áp rất thấp , nghĩa là GTO không thể chịu được điện áp ngược . Hình 2-6.Cấu trúc bán dẫn và kí hiệu GTO được điều khiển mở bằng cách cho dòng vào cực điều khiển , giống như ở tiristo thường , sau khi GTO đã dẫn thì dòng điều khiển không còn tác dụng. Như vậy có thể mở GTO bằng các xung ngắn với công suất không đáng kể . Để khóa GTO một dòng phải được lấy ra từ cực điều khiển . Khi van đang dẫn dòng , tiếp giáp chứa một số lượng lớn các điện tích sinh ra do tác dụng của hiệu ứng bắn phá “ vũ bão” tạo nên vùng dẫn điện , cho phép các điện tử di chuyển từ catot , vùng , đến vùng anot , vùng , tạo nên dòng anot. Bằng cách lấy đi một số lượng lớn các điện tích qua cực điều khiển , vùng bị dẫn điện sẽ bị co hẹp và bị ép về phía vùng của anot và vùng của catot . Kết quả là dòng anot sẽ bị giảm cho về đến 0 . Dòng điều khiển duy trì một thời gian ngắn để GTO phục hồi tính chất khóa. Hình 2-7. Nguyên lý điều khiển GTO: a)Yêu cầu xung điều khiển b)Nguyên lý thực hiện Yêu cầu về xung điều khiển và nguyên tắc thực hiện được thể hiện trên hình (2-7) thể hiện xung dòng khóa GTO có biên độ rất lớn , vào khoảng 20-25% biên độ dòng điện anot và catot . Một yêu cầu quan trọng nữa là xung dòng điều khiển phải có độ dốc sườn xung rất lớn , sau khoảng 0,5 đến 1 . Điều này giải thích tại sao nguyên lý thực hiện tao xung dòng khóa là nối mạch cực điều khiển vào một nguồn áp. Về nguyên tắc , nguồn áp có nội trở bằng không và có thể cung cấp một dòng điện vô cùng lớn . Sơ đồ đơn giản trên hình (2-8) mô tả việc thực hiện nguyên lý điều khiển mạch trên. Mạch điện dùng 2 khóa tranzito T1, T2 và các tín hiệu điều khiển là 15V , Tiristo mở , dòng chạy từ nguồn 15 V qua điện trở hạn chế nạp điện cho tụ tạo nên dòng chạy vào cực điều khiển của GTO . Khi tụ được nạp đầy đến điện áp điot ổn áp , dòng điều khiển kết thúc. Khi tín hiệu điều khiển rơi xuống mức 0V thì T1 bị khóa T2 sẽ mở do có điện áp dòng đi ra khỏi cực điều khiển ,khóa GTO lại . Điot ngăn không cho nạp ngược lại. Ở đây vai trò của nguồn áp chính là tụ , do đó tụ phải chọn là loại tụ chất lượng cao . Tranzito T2 phải chọn là loại chịu được xung dòng có biên độ lớn chạy qua Hình 2-8. Mạch điều khiển GTO 2.2 Nghịch lưu nguồn dòng : 2.2.1 Một số phương pháp chuyển mạch cưỡng bức nghịch lưu: A,Nghịch lưu dòng 3 pha sử dụng tiristo: Trong thực tế nghịch lưu dòng 3 pha được sử dụng phổ biến vì công suất của nó lớn và đáp ứng được các ứng dụng trong công nghiệp . Nghịch lưu dòng 3 pha sử dụng tiristo như sau: Hình 2-9.Nghịch lưu dòng ba pha sử dụng tiristo(a) và biểu đồ xung (b) Do đó để khóa được các tiristo cần phải tụ chuyển mạch (). Vì là nghịch lưu dòng nên nguồn đầu vao phải là nguồn điện 3 pha đối xứng thì các luật dẫn điện của các tiristor phải tuân theo đồ thị hình 2-9 .Qua đồ thị ta thấy mỗi van động lực chỉ dẫn trong khoảng thời gian . Quá trình chuyển mạch bao giờ cũng diễn ra đối với các van trong cùng 1 nhóm . Xét trong khoảng thời gian : Lúc này dẫn . Dòng điện sẽ qua và . Đồng thời sẽ có dòng nạp cho tụ qua . Khi tụ được nạp đầy thì với dấu điện áp ( Như hình vẽ ) để chuẩn bị cho quá trình chuyển mạch khóa . Tại thời điểm , khi mở . Điện áp ngược của tụ đặt lên làm cho bị khóa lại. Tương tự như vậy khi và dẫn () thì tụ được nạp với dấu điện áp để chuẩn bị khóa . Đối với nhóm catot chung và , quá trình chuyển mạch cũng diễn ra như vậy. Ví dụ tụ được nạp trong khoảng ( Khi và dẫn ) với dấu đảm bảo để khóa khi mở tại thời điểm . Để tính toán nghịch lưu nguồn dòng người ta cũng sử dụng phương pháp tính véc tơ . Đưa vào và ta dựng véc tơ và . Cần xác định dải điều chỉnh để xác định . Sau đó từ điểm đầu của véc tơ kẻ đường AD vuông góc với . Đoạn chính AD chính là véc tơ . Véc tơ gồm 2 đoạn : Đoạn AC tương ứng dùng để bù công suất phản kháng của tải : . Đoạn CD dùng để tạo góc tương ứng với : Dòng trung bình qua tiristo có thể suy ra từ đồ thị: Điện áp nguồn lớn nhất được giới hạn bởi góc : Hình 2-10 Đồ thị véc tơ nghịch lưu nguồn dòng 3 pha sử dụng tiristo B, Phương pháp nghịch lưu dòng 3 pha có điot ngăn cách (ASCI): Hình 2-11 chỉ ra 3 pha cầu nghịch lưu với một dãy điot ngăn cách cung cấp năng lượng tới một động cơ không đồng bộ . Động cơ không đồng bộ là gần xấp xỉ bởi một pha mạch tương tự bao gồm một CEMF(sức phản điện động ) hình sin với tác động của điện cảm rò L . Tại chế độ giảm tốc của máy , CEMF bằng zero ,và động cơ trở thành lý tưởng là một phụ tải cảm ứng: Hình 2-11.Nghịch lưu dòng 3 pha có điot ngăn cách (ASCI) Thyristor là thiết bị chuyển mạch chính của nghịch lưu , mỗi cái dẫn theo trình tự, góc lý tưởng là , thiết lập thông thường 6 bước sóng nghịch lưu dòng điện trong máy. Mỗi dãy điot và tụ delta kết nối (tất cả có giá trị bằng nhau ). Cái được kết nối cho mỗi nhóm trên và dưới của thyristor , cấu tạo chuyển mạch cưỡng bức . Dự trữ năng lượng tại tụ điện với sự chuẩn xác phân cực làm chuyển mạch . Trong hoạt động nghịch lưu bình thường , nhóm trên và nhóm dưới thiết bị hoạt động độc lập và 6 lần chuyển mạch trong 1 chu kì của tần số cơ bản . Hình (2-12 ) nghĩa là chuyển mạch từ thyristor và chỉ ra đồng vị mạch tương tự . Tất cả chuyển mạch khác nhau là gần giống nhau. Dạng hoạt động của động cơ . Trình bày chuyển mạch là hợp lý trong suốt dạng tái sinh . Khi mở và đóng với nạp ngược qua tụ được chỉ trong hình. Giả định tụ được nạp ngược qua tụ là đúng chiều cặp cực . Thyristor tắt gần như ngay lập tức với điện áp ngược . Dòng điện một chiều chảy từ tới trong nhóm trên , pha b , pha c của máy , , tụ delta, và được cấp năng lượng âm. Tụ điện sau đó được nạp tuyến tính với dòng điện . Trong suốt quá trình dòng điện không đổi nạp cho tụ cái mà không giảm trong cảm kháng L và điode tồn tại phân cực ngược bởi phương trình bội CEMF trên điện áp . Thời kì điện áp tuyến tính kết thúc khi tụ có điện áp bằng điện áp tuyến tính và diode bắt đầu dẫn dòng sau đó truyền cộng hưởng tới hoàn tất và chấm dứt quá trình chuyển mạch. Hình 2-12.Mạch tương tự ASCI trong suốt quá trình chuyển mạch từ đến Trong suốt quá trình truyền dòng điện, điện áp đỉnh () được cảm ứng qua L và sẽ cộng với CEMF. Điện áp đỉnh của máy là một chuỗi vấn đề cái có thể bị chặn bởi cầu điode tại máy đầu cuối với phụ tải điot zener . Máy móc có thể được thiết kế vơi điện cảm rò thấp để giảm điện áp ASCI truyền động nghịch lưu động cơ động cơ không đồng bộ có tụ vừa và lớn được dùng nhiều trong công nghiệp . Nhưng gần đây chúng đã lỗi thời trong cạnh tranh với nghịch lưu sử dụng bởi GTO được trình bày ở phần sau. C,Truyền động sử dụng GTO sáu bậc nghịch lưu: Chúng ta nhận thấy rằng tốc độ của một động cơ cảm ứng thay thế điều khiển bởi sáu bậc thyristor nghịch lưu. Nghịch lưu đòi hỏi phải có chuyển mạch cưỡng bức . Chúng ta xét 6 bậc , bộ cấp dòng điện nghịch lưu sử dụng kiểm soát đối xứng khóa thiết bị giống như GTO trong hình 2-13. GTO có thể đóng mở bởi cổng xung dòng điện , nghịch lưu có thể dễ dàng điều khiển 6 bậc sóng dòng điện. Động cơ không đồng bộ Hình 2-13.Sáu bậc GTO bộ cấp dòng điện nghịch lưu với động cơ không đồng bộ Chú ý rằng tụ nhỏ delta thì chưa được nối tại đầu cuối máy , nhưng nó đặc trưng là hoàn toàn khác và có thể được định nghĩa như sau: Ban đầu nó cho phép chuyển mạch đầu ra GTO tới đầu vào GTO . Nó hoạt động giống như phụ tải lọc cho sóng hài cao hơn . Giảm sóng hài trong dòng điện máy giảm tổn hao đồng và biên độ mô men và làm nhiễu âm . Tại đó có thể là vấn đề cộng hưởng tới phụ tải . Xem xét một mẫu , chuyển mạch từ tới hình 2-14 chỉ ra rằng mạch tương tự trong suốt quá trình chuyển mạch . Ban đầu , ở nhóm trên , ở nhóm dưới là dẫn , và dòng chảy ra , pha a , pha b, pha c, và được chỉ ra . Điện dung giữa pha b và a và các cặp cực của điện áp tuyến tính qua tụ được chỉ ra trong hình 2-14: Hình 2-14.Mạch tương tự trong suốt quá trình chuyển mạch từ tới Mở GTO tại thời điểm tức thời A , cái được chỉ trong hình . Phân cực điện áp chỉ cho sẽ không tự động mở bởi phân cực điện áp đo cũng như chuyển mạch phụ tải nghịch lưu . Tắt dòng điện truyền nhanh tới , dòng bây giờ chảy qua tụ tương tự . Tụ điện được nạp nhanh và cuối cùng sự phản điện động giữa pha a, và pha b , dẫn dòng điện truyền động tới pha b. Chuyển mạch hoàn thành khi dòng điện là dãy truyền tới pha b. Toàn bộ thời gian chuyển mach được chỉ ra trong hình. Một quá trình chuyển mạch hoàn thành khi dòng điện quay trở lại thiết bị . Nếu đòi hỏi , quay trở lại và thúc đẩy chuyển mạch có thể tạo một sóng dòng điện PWM trong pha với rãnh và biện độ rộng . Từ khi chuyển mạch làm cho thời gian trong khoảng hữu hạn , độ rộng và biên độ xung sẽ không giảm xuống sẽ không giảm xuống một giá trị tối thiểu . Lưu ý rằng tụ điện không đòi hỏi đưa pha bù của phụ tải nhiễu . Hình 2-15 chỉ ra rằng biểu đồ pha đặc biệt tại đầu cuối máy, giả định hằng số hoạt động và phản hoạt động dòng điện là công suất tiêu thụ phụ tải. Với thông lượng tỷ lệ điện áp đầu cuối và tần số tăng tương ứng với tốc độ . Tại vận tốc mạch nhỏ , hệ số nhiễu năng lượng nghịch lưu giảm . Tốc độ máy tăng thì hệ số năng lượng tăng , hệ số năng lượng là phần tử duy nhất và nghịch lưu phụ tải là nhỏ . Với một hệ số năng lượng dẫn tất nhiên GTO nghịch lưu có thể hoạt động với chuyển mạch phụ tải. Hình 2-15.Biểu đồ pha tại nghịch lưu đầu ra đầu cuối khi tăng tốc độ máy 2.2.2 Những vấn đề chung: Nghịch lưu nguồn dòng thường sử dùng 2 bộ biến đổi có chúng với điện kháng san bằng có giá trị lớn . Bộ biến đổi là bộ chỉnh lưu điều khiển CL , chuyển mạch bởi nguồn điện lưới 3 pha và đóng vai trò nguồn dòng điện ,dòng điện đầu ra của nó điều khiển được và không phụ thuộc vào tổng trở của tải . Nguồn dòng này có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu hoặc nghịch lưu phụ thuộc. Bộ biến đổi phía động cơ là một nghịch lưu dòng điện NL có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu độc lập hoặc chỉnh lưu điều khiển . Các phần tử mạch lực của bộ biến đổi này có thể là Thyristor và mạch khóa cưỡng bức , hoặc thyristor khóa được bằng cổng tích hợp sẵn (SIGCT) , các phần từ này chịu được điện áp phân cực ngược . ĐK Hình 2-16. Biến tần nguồn dòng Bởi vì dòng điện không đổi chiều nên điện áp chỉnh lưu và điện áp nghịch lưu phải cùng dấu và chế độ làm việc của động cơ ĐK phụ thuộc vào vai trò của các bộ biến đổi. Khi đều dương , ĐK làm việc ở chế độ động cơ: Khi đều âm , ĐK làm việc ở chế độ máy phát không đồng bộ. Nếu chuyển mạch nghịch lưu là 6 bước thì dòng điện động cơ là các xung chữ nhật với góc dẫn của các van mạch lực là và tại một thời điểm bất kì nào cũng chỉ có 2 van dẫn . Khi đó ta có khai triển Fourie của dòng điện một pha stato và của các thành phần dọc trục và ngang trục của véc tơ dòng điện stato trong hệ tọa độ quay như sau : Chuyển mạch 6 bước của nghịch lưu này gây ra dập mạch mômen 6 lần trong một chu kì dòng điện và tổn thất do các thành phần sóng hài dòng điện gây ra là rất lớn . Hình 2-17 : a, Đập mạch mô men. b, Sóng hài dòng điện và mô men. Để hạn chế dập mạch mô men và tổn thất do sóng hài thường sử dụng thuật toán điều chế PWM cho dòng điện đầu ra của nghịch lưu . Ta nghiên cứu phần PWM như sau: 2.2.3 PWM nghịch lưu: Nhược điểm của 6 bậc sóng dòng điện như dập mạch sóng hài , biên độ mô men và nhiễu loạn có thể được giảm bởi dạng sóng PWM của sóng nghịch lưu nguồn dòng . Dòng PWM làm giảm hàm lượng sóng hài được lọc bởi tụ chuyển mạch làm cho dòng điện qua máy gần sin. Công nghệ PWM của nghịch lưu nguồn dòng khác so với nghịch lưu nguồn áp . Có hai dạng PWM như sau: a,Điều chế PWM hình thang : Công nghệ điều chế PWM hình thang là tương tự với công nghệ điều chế PWM hình sin của nghịch lưu nguồn áp và nó được đề nghị hình dạng sớm nhất. Định nghĩa của dạng PWM được giải thích như sau: Hình 2-18.Luật PWM hình thang Điều biến sóng hình thang của biên độ cực đại B và tại tần số sóng động cơ của mô tor được so sánh 3 góc sóng mang biên độ cực đại A và vị trí điện giao nhau sinh ra dạng sóng PWM như hình vẽ 2-18. một phần tư chu kì giống như đối xứng nửa chu kì . Đoạn không có bất kì biến đổi . Điều cần thiết của hai biến sinh ra thành phần PWM : một là biến điệu tại đoạn coi là hệ số của biến điệu của sóng biện độ tới mang biên độ và khác là xung số M trong một nửa chu kì của hoạt động nghịch lưu. Sóng hài trong dạng PWM có thể đa dạng bởi thay đổi biến số. Hình 2-19 chỉ ra rằng hệ thức giữa chỉ số biến điệu và sóng hài thấp hơn trong dạng PWM có M=21 : Hình 2-19.Các sóng hài trong sóng dòng điện PWM với giá trị khác nhau giá trị biến điệu và M=21(xung trên một nửa chu kì) Biện độ sóng hài giảm với các chỉ số biến điệu cao hơn và giá trị 0,82 được xét đến là giá trị tối ưu ở sóng hài thứ 5 là zero và thứ 7, 11, 13 các sóng hài được đưa bởi 4%, 1% , 2% tương ứng. Thành phần cơ sở của sóng được chỉ ra trong hình với tối ưu hóa sóng hài PWM trong 1 pha nên là bổ sung với các pha khác . Trong nghịch lưu nguồn áp dạng PWM cho 3 pha là độc lập từ pha điện áp được độc lập điều khiển với 3 pha dẫn ( một pha dẫn) trong hình 2-20: Hình 2-20 Dạng sóng của 3 pha sóng dòng điện PWM Giữa góc không có bất kì biến điệu nào . Tuy nhiên bộ phận góc tại sườn sau và góc dẫn của một nửa chu kì biến điệu với một vùng kế cận cả thiết bị trong một nhóm giống nhau lên hoặc xuống. Chú ý rằng trong một mẫu bắt đầu góc trong hình 2-20 . Nơi GTO mang dòng điện pha âm mà không biến điệu . Nơi pha dương và dòng pha dương là biến điện bởi và. Tại đó có thể chuyển tiếp điện áp nâng cao trên tụ chuyển mạch phía sau và phía trước của bộ chuyển đổi của thiết bị đi cùng bởi sự tác động của sóng hài cộng hưởng. Điều khó khăn được giải quyết bởi điều khiển xuyên qua các thiết bị. Nó là cần thiết để điều khiển thiết bị chuyển đổi tần số( giới hạn chuyển đổi giảm ) tới gần hằng số, không kể của tần số cơ sở của dòng điện . Nó có thể thực hiện trong tham số M trong bộ phận của tần số cơ bản , được chỉ ra trong hình 2-21: GTO chuyển tần số(Hz) Hình 2-21 : Mối liên hệ giữa tần số nghịch lưu ra và chuyển tần số GTO Tần số nghịch lưu ra(Hz) Tần số chuyển đổi gần 1kHz. Tìm bộ PWM tối ưu cho khác giá trị M có thể dự trữ trong một máy vi tính cho hệ thống xử lý lưu ý rằng một đa GTO nghịch lưu chuyển đổi tần số khó khăn một vài trăm Hz . Nó có thể chỉ ra rằng biên độ biến điệu hình thang làm thành phần sóng hài giảm xuống vì thế tác động điều khiển giảm được sóng hài . Nó được sản xuất một cặp sóng hài n=3(M-1) với biên độ lớn với lý do đó , biến điệu hình thang phổ biến là M<9. B,Khử các sóng hài chọn trước PWM (SHE-PWM) Khử các sóng hài chọn trước PWM ( SHE-PWM) có lợi ích như sau : nó không những nâng cao hàm lượng sóng hài đầu ra của dòng điện mà có thể khử được sóng hài đặc biệt cái mà dẫn dến các vấn đề cộng hưởng . Tuy nhiên trong nghịch lưu nguồn dòng là hạn chế một số . Xét rằng 3 pha PWM sóng dòng điện với SHE-PWM trong hình 2-22 với 5 xung trên một nửa chu kì (M=5) . Hình 2-22.Khử sóng hài chọn trước sóng dòng điện PWM chỉ năm xung trên một nửa chu kì M=5 Trong một phần tư chu kì và ½ chu kì đối xứng , đầu tiên góc sau đó khoảng của mỗi nửa vòng của góc chuyển của mỗi vòng của sóng bắt đầu một phần của sóng được chỉ ra trong hình . Chú ý rằng trong khoảng điện đương được chuyển giữa và được chỉ ra trong hình . là âm không biến điệu dòng điện là biến số và tất cả các góc dẫn là liên quan chúng với 2 biến ẩn , 2 tín hiệu sóng hài có thể bị khử ví dụ thứ 5 và thứ 7 từ sóng dòng điện . Dòng điện cơ sở được điều khiển bởi dòng điện một chiều nói đến quan hệ dung giữa số sóng hài bị khử (K) và M là : M là số xung trên một nửa chu kì . K và M có giá trị số lẻ . Hình 2-23 chỉ ra sóng dòng điện tương ứng với M=3 và 7 . Hình 2-23 Khử sóng hài chọn trước bằng sóng dòng điện PWM chỉ 3 và 7 xung trên một chu kì (a) M=3 ,(b) M=7 Với M=3 là một sóng hài quan trọng (5,7,11 có thể bị khử). Giá trị M có thể tăng tại tần số thấp tới khử sóng hài bậc cao . Hình 2-24 Góc bị khử ,của một số sóng hài quan trọng . Đối nghịch ảnh hưởng đến vấn đề mất sóng hài . Lưu ý rằng trong việc thực hiện SHE-PWM , xung nhỏ nhất , độ rộng của khung được duy trì thỏa đáng , chuyển mạch của thiết bị . Khử các vấn đề cộng hưởng trong tần số cơ bản lân cận. Xa hơn một chút xét tối ưu sóng hài , sửa đồ thị sóng PWM với một biên độ tần số dòng điện biến thiên bởi biến điệu của dòng một chiều đó là : Các sóng hài quan trọng bị khử Xung / Nửa chu kì (M) Hình 2-24. chuyển góc khử của một số sóng hài quan trọng Góc chuyển () Có thể , trong mẫu có công nghệ chung cho dạng PWM các cung cấp sóng hài khử chọn trước . Biến đổi biên độ dòng điện nghịch lưu cũng như biến đổi biến điệu dòng điện tương tự như một bộ cấp nguồn điện áp nghịch lưu , trong đề án này , dòng điện một chiều luôn tồn tại và kết hợp chặt chẽ và xung mạch ngắn định vị theo cách thức sóng hài bị khử chọn trước . Trong biên độ biến điệu dòng điện tại một tần số chuyển đổi mong muốn , phương pháp này có lợi thế là đáp ứng nhanh . Chương 3: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG TỪ SỐ LIỆU CỤ THỂ 3.1. Sơ đồ mạch lực và thông số động cơ: a,Sơ đồ mạch lực: Hình 3-1: sơ đồ mạch lực b,Thông số động cơ: 3.2: Tính toán bộ nghịch lưu: Dòng chảy qua các van chính bằng dòng chảy qua các pha của stato động cơ Điện áp mở ngược của van phải chịu là : Chọn hệ số dự trữ dòng và áp là K=2: Ta chọn được van GTO ngịch lưu loại Y65KPH do Trung Quốc sản xuất với các thông số kĩ thuật sau: STT Thông số Giá trị 1 Dòng trung bình qua van 400 A 2 Điện áp ngược lớn nhất 1200 V 3 Điện áp tổn hao trên van 1,1 V 4 Dòng rò cho phép 100 mA 5 Tốc độ tăng trưởng dòng 200 6 Tốc độ tăng trưởng áp 300 7 Dòng điều khiển 40 – 300mA 8 Điện áp điều khiển 0,8 – 3 V Cuộn kháng san bằng L: Với : 3.3: Tính toán bộ chỉnh lưu: Cấu trúc mach chỉnh lưu hình 3-2: Hình 3-2: Cấu trúc mạch chỉnh lưu Dòng điện trung bình qua van : Điện áp ngược đặt lên mỗi van : Chọn: Khi chọn van ta phải chú ý đến điều kiện làm mát cho van vì khi hoạt động van toả nhiệt rất lớn nên điều kiện làm mát cho van sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả cũng như tuổi thọ của van. Thyristor có thể gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm mát tự nhiên, ngoài ra thyristor còn có thể làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để nhiệt lượng toả ra nhanh hơn. Nếu van hoạt động trong điều kiện làm mát bằng không khí nhờ cánh tản nhiệt thì van có thể làm việc tốt với 25% dòng định mức. Nếu van làm việc trong điều kiện làm mát bằng quạt gió cưỡng bức thì van có thể chịu được đến 30%60% dòng định mức. Nếu làm mát cưỡng bức bằng nước thì van có thể chịu được đến 80% 100% dòng định mức. Do trong quá trình làm việc dòng qua van là rất lớn nên van rất nóng nên ta chọn cách làm mát cho van bằng nước và giả sử van có thể chịu được 80% dòng định mức. Chọn van Thyristor Trung quốc Y50KPH như sau: STT Thông số Giá trị 1 Dòng trung bình qua van 300A 2 Điện áp ngược lớn nhất 1200 V 3 Điện áp tổn hao trên van 1,11 V 4 Dòng rò cho phép 80 mA 5 Tốc độ tăng trưởng dòng 150 6 Tốc độ tăng trưởng áp 500 7 Dòng điều khiển 40 – 300 mA 8 Điện áp điều khiển 0,8 – 3 V 3.4 Các phương pháp bảo vệ van : Trong quá trình hoạt động thì van phải được làm mát để van không bị hỏng vì nhiệt. Tuy nhiên, van cũng có thể bị hỏng khi phải chịu tốc độ tăng dòng, tăng áp quá lớn. Để tránh hiện tượng quá dòng, quá áp trên van ta phải có những biện pháp thích hợp để bảo vệ van. 3.4.1 Hạn chế tốc độ tăng dòng cho van. Đặc điểm của thyristor khi bắt đầu dẫn dòng là không cho phép dòng qua nó tăng đột biến qua giới hạn cho phép nếu không van sẽ bị đánh thủng. Để bảo vệ van thì phải hạn chế tốc độ tăng dòng, muốn vậy ta mắc nối với van một cuộn kháng. Nó có tính chất là khi dòng qua nó nhỏ thì điện áp hai đầu cuộn kháng cân bằng hầu như bằng không và nó dẫn dòng như một dây dẫn bình thường, khi dòng qua nó lớn thì nó thể hiện tính chất cảm làm hạn chế tốc độ tăng dòng. Giá trị điện cảm: Trong đó là điện áp thuận lớn nhất đặt lên van trong mạch ngay trước khi van dẫn, thường lấy bằng biên độ điện áp xoay chiều khi điện áp lưới dao động ở mức cao nhất. Vậy: Ta chọn cuộn kháng không khí có L= 2,5. 3.4.2 Bảo vệ quá điện áp a, Các nguyên nhân gây quá áp Quá áp gây hỏng van cũng có hai dạng: quá áp về biên độ vượt quá trị số cho phép của van và quá tốc độ tăng áp thuận đặt lên van. Nguyên nhân sinh ra gồm: - Quá áp từ lưới điện đưa tới có thể do sét đánh vào đường dây lưới điện, do đóng cắt các phụ tải chung nguồn với bộ chỉnh lưu. Thực tế cho thấy lưới điện 220 ÷ 380 (V) có thể xuất hiện quá áp gấp 4 – 5 lần điện áp hoạt động của chỉnh lưu. - Quá áp do đóng ngắt các khối chức năng của bản thân bộ chỉnh lưu như: + Đóng biến áp lực chỉnh lưu có thể gây quá áp 30% đến 40% điện áp lưới. + Đóng mạch chỉnh lưu sau khi đóng điện biến áp lực gây ra tốc độ tăng áp du/dt tới 1000V/μs . + Ngắt biến áp nguồn khi không tải gây quá áp đến 5 lần điện áp bình thường . + Ngắt tải khỏi mạch chỉnh lưu sẽ sinh quá áp do ảnh hưởng của các điện cảm có trong mạch điện. - Quá áp do hiện tượng chuyển mạch giữa các van khi làm việc. Loại này mang tính chất chu kỳ thường xuyên gắn liền với sự hoạt động của mạch chỉnh lưu. + Khi van chuyển từ dẫn sang khóa, do hiện tượng di tản điện tích khỏi van rất nhanh, dòng qua van giảm với tốc độ lớn nên gây các đột biến khi trong mạch có điện cảm. + Khi van chuyển từ khóa sang dẫn sẽ có hiện tượng áp trên van đột ngột giảm từ trị số xác định xuống còn xấp xỉ không đột biến áp này sẽ truyền tới van khác dưới dạng xung áp rất nhanh. b, Lựa chọn mạch bảo vệ RC. Để bảo vệ quá áp ta dùng mạch RC ghép song song với van. Khi có chuyển mạch so có phóng điện từ van ra ngoài tạo nên cung áp trên bề mặt tiếp giáp van. Mạch RC mắc song song với van tạo lên mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch. Khi có chuển mạch do có phóng điện từ van ra ngoài tạo nên xung áp trên bề mặt tiếp giáp van. Mạch RC mắc song song van tạo nên mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch. Tính toán mạch bảo vệ RC: - Xác định hệ số quá điện áp theo công thức: Trong đó: : giá trị cực đại cho phép của điện áp ngược đặt lên van ở chế độ phi chu kì (do tính ngẫu nhiên của việc đóng ngắt biến áp), giá trị này tra trong sổ tay, tuy nhiên thông thường nó cao hơn giá trị cho phép ở chế độ chu kì cỡ 10%. b: hệ số dự trữ an toàn về điện áp, b = 1 hoặc 2. : điện áp thực tế lớn nhất trên van khi làm việc, có tính cả dao động điện áp của lưới điện. - Xác định các thông số trung gian: , , bằng cách tra trong sổ tay tra cứu. - Tính max khi chuyển mạch. - Xác định điện lượng tích tụ , sử dụng các đường cong cho trong sổ tay tra cứu. - Tính các thông số trung gian: Tuy nhiên trong thực tế, khi tính toán thiết kế bảo vệ van thì rất khó có thể có đầy đủ tất cả các đường cong cần thiết nên người ta thường chọn giá trị R, C theo kinh nghiệm. R = 20 ÷ 100 () C = 0,4 ÷ 1 (F) Với dòng qua van nhỏ, ta chọn giá trị R lớn, C nhỏ. Với dòng qua van lớn, ta chọn giá trị R nhỏ, C lớn. Theo tính toán ở trên, giá trị dòng qua van rất lớn nên ta chọn R= 20(), C= 0,68 (F). 3.5.Tính toán, thiết kế cuộn kháng: 3.5.1 Đặc điểm của cuộn kháng: - Dòng qua cuộn kháng có hai thành phần: một chiều và xoay chiều. Thường thành phần một chiều có giá trị lớn hơn nên điểm làm việc của lõi thép bị đẩy lên gần vùng bão hoà. Còn thành phần xoay chiều có giỏ trị nhỏ hơn nhiều do đó cường độ điện trường nhỏ nên tổn thất trong thép không lớn. - Để giữ trị số L ổn định khi dòng tải thay đổi, cần tránh lõi thép bị bão hoà vì vậy lõi thép cần có khe hở không khí (miếng đệm không nhiễm từ làm bằng gỗ). - Tần số thành phần xoay chiều (bậc cơ bản) của dòng điện tải thường không phải là 50 Hz mà là bội số của tần số lưới (100, 150, 300). - Loại thép kĩ thuật điện thích hợp cho chế tạo cuộn kháng là loại cán nguội. Kết cấu thường có dạng chữ E hoặc O trong đó E thông dụng hơn. Để giảm độ đập mạch của dòng , làm dòng tải trơn và hạn chế sự gián đoạn ta dùng cuộn kháng lọc một chiều. 3.5.2 Tính kích thước lõi thép: Ta có: , L = 0,012 (H), , , , Kích thước cơ sở: Ta chọn: a = 20 (cm) b = 1,5a = 1,5.20 = 30 (cm) c = 0,8a = 0,8.20 = 16 (cm) h = 3a = 3.20 = 60 (cm) - Tiết diện lõi thép: - Diện tích cửa sổ: - Độ dài trung bình đường sức: - Độ dài trung bình dây quấn: - Thể tích lõi thép: - Tính điện trở của dây quấn ở đảm bảo độ sụt áp cho phép: -Số vòng dây của cuộn cảm: (vòng) Vậy chọn W= 261 (vòng). - Tính mật độ từ trường: - Tính cường độ từ cảm: Chỉnh lưu cầu ba pha có sáu lần đập mạch trong một chu kì điện áp nên ta có tần số đập mạch : - Tính hệ số từ thẩm: Vì B < 0,005T nên: - Trị số điện cảm nhận được: - Tiết diện dây quấn: Ta chọn loại dây tròn rỗng bên trong để làm mát bằng nước có đường kính d= 6 (mm). - Xác định khe hở tối ưu: Vì trên đường đi mạch từ có hai đoạn có khe hở nên miếng đệm sẽ có độ dày bằng một nửa trị số khe hở tối ưu. Vậy miếng đệm sẽ có độ dày: - Tính kích thước cuộn dây: Giả sử độ dày của lõi cốt để quấn cuộn dây =5mm thì độ cao sử dụng để quấn dây là: Số vòng dây trong một lớp: (vòng); như vậy mỗi lớp quấn được 11 vòng. Số lớp dây: ; vậy cần quấn 3 lớp. Nếu lấy khoảng cách giữa hai lớp dây quấn (giành cho lớp cách điện) là 3mm thì độ dày của cả cuộn dây là: - Kiểm tra chênh lệch nhiệt độ : Tổn thất đồng trong dây quấn: Tổng diện tích bề mặt của cuộn dây: Hệ số phát nhiệt: Độ chênh lệch nhiệt độ: Độ chênh lệch này quá mức cho phép, ta cần khắc phục bằng cách làm mát cưỡng bức bằng nước để giảm nhiệt độ cuộn dây. Theo tính toán thì chiều cao của cuộn kháng lọc một chiều quá cao gây khó khăn cho việc thiết kế tủ điều khiển, nên thực tế ta phải cắt cuộn kháng ra làm hai phần mắc nối tiếp với nhau. 3.6. Tính toán các tham số cần thiết: Hình 3-3.Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ trong trục tọa độ d,q Dòng kích từ danh định: Dòng danh định tạo mô men quay: Hằng số thời gian roto ở chế độ danh định: 3.7: Luật điều khiển : Chế độ định mức là chế độ làm việc tối ưu về độ bền của động cơ không đồng bộ .Trong chế độ này , từ thông là định mức và mạch từ có công suất tối đa . Từ các quan hệ tính mô men có thể kết luận nếu giữ từ thông máy hoặc từ thông stato không đổi thì mô men sẽ phụ thuộc vào tần số và mômen tới hạn sẽ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh . Nếu coi thì : Tuy ở vùng tần số làm việc thấp khi mà sụt áp trên điện trở stato có thể so sánh được sụt áp trên điện cảm mạch stato khi đồng thời từ thông cũng giảm đi và do đó mômen có thể thiết lập được chiến lược điều chỉnh giữ biên độ từ thông roto không đổi ở phần mô tả động cơ không đồng bộ hoặc dựa vào sơ đồ thay thế ta có thể tính được từ thông roto và phương trình cân bằng mạch roto ở dạng các thành phần véc tơ trên các trục tọa đô ox và oy: Nếu giữ biên độ từ thông thì và . Ta có phương trình cân bằng mạch rô to: Trong đó : Tách các số hạng dòng điện sang 1 vế , sau đó bình phương 2 vế từng phương trình và cộng 2 phương trình với nhau , đồng thời để ý rằng : Ta có thể rút ra : Vậy khi giữ biên độ từ thông roto không đổi thì véc tơ từ thông roto luôn vuông pha so với véc tơ dòng điện roto do đó momen điện từ của động cơ hoàn toàn tỷ lệ với biên độ dòng điện roto . Suy ra nếu giữ thì và do đó : Mạch vòng tốc độ có thể tính toán được nếu ta tuân theo các giả thuyết nhất định . Giả thuyết rằng ta đã có mạch vòng điều chỉnh dòng điện nên dòng điện stato bám chặt với giá trị đặt từ máy phát hàm FG với quán tính chưa được bù (có giá trị rất nhỏ) . Ta có Và mô men tới hạn : Quan hệ biên độ dòng điện stato với tần số trượt để từ thông roto là hằng số : Hình 3-4.Quan hệ biên độ dòng điện stato với tần số trượt để từ thông roto là hằng số Ta thấy rằng : nếu trong mọi trường hợp động cơ ta luôn giữ cho tốc độ trượt ( là tần số dòng điện rôto ) luôn bằng độ trượt tới hạn thì mômen của động cơ luôn đạt giá trị cực đại (là mô men tới hạn) . Hệ thống lúc này đã đạt được cực đại của tỷ số “ mômen/dòng điện stato”. Hình 3-5 Mối liên hệ giữa tốc độ trượt với mômen: Ta có thể thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ và dòng điện như sau: Hình 3-6.Điều khiển dòng điện và tốc độ stato Và : Cấu trúc mạch vòng dòng điện hình 3-7: hình 3-7.Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện: 3.8 Tính toán các tham số trong quá trình tổng hợp : -Hệ số máy biến dòng điện : Thời gian sensor dòng điện : -Máy phát tốc : Hằng số thời gian lọc : Bộ biến đổi có hàm truyền gần đúng như sau: Trong đó : Với : là hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu. là điện áp ra bộ chỉnh lưu.(v) là điện áp điều khiển(V) Thời gian của mạch điều khiển chỉnh lưu(s) Hằng số dập mạch. Là tần số (Hz) Vì vậy ta có: -Mạch lọc và mạch stato được mô tả bởi hàm truyền: Trong đó : Giải thích: Điện trở tổng mạch lọc và mạch stato Điện cảm tổng mạch lọc và mạch stato Điện trở của cuộn kháng lọc Điện cảm của cuộn kháng lọc Điện trở mạch stato Điện kháng phần stato Ta có : Tính : Với : Giả thuyết rằng do đã có mạch vòng điều chỉnh dòng điện nên dòng điện stato bám chặt giá trị đặt từ máy phát hàm FG , với quán tính chưa được bù . Khi đó xuất phát từ 2 phương trình : 3.9. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh: 3.9.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện Hình 3-9.Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Viết gọn lại sơ đồ khối mạch vòng dòng điện như hình 3-10: Hình 3-10 Sơ đồ khối mạch dòng điện Theo Đặt: Hàm truyền mạch lọc: Hàm truyền của bộ biến đổi: Hàm truyền của sensor dòng điện: Hàm truyền đạt của đối tượng điều chỉnh: Trong đó: Áp dụng cho tiêu chuẩn tối ưu mô đun với hàm truyền: Hàm truyền đạt bộ điều chỉnh kiểu PI : Như vậy hàm truyền mạch kín sẽ là : Để thì Vì vậy ta có thể tìm được bộ điều chỉnh dòng điện động cơ là : Hàm truyền mạch vòng dòng điện : 3.9.2 : Tổng hợp mạch vòng tốc độ: Hình 3-11.Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ Ta có thể tính được như sau : Tại lúc không tải: Hàm truyền hở có dạng: Do là là hệ số chuyển đổi từ mômen sang là hệ số chuyển đổi thứ nguyên từ J: là mômen quán tính () là hệ số của máy phát tốc() Hình 3-12.Mối quan hệ giữa mômen và tốc độ trượt Từ đồ thị hình 3-12 ta suy ra: Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng hàm chuẩn có dạng: Lựa chọn là bộ điều chỉnh PI có dạng : Khi đó hàm sẽ là : Để ta suy ra: Giải hệ phương trình: Vì thế bộ biến đổi điều chỉnh tốc độ là; Thay: Mô men quán tính: Hệ số : Mômen định mức : Hàm truyền của hệ sẽ là : Chương 4: MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB SIMULINK 4.1.Mạch vòng dòng điện: 4.1.1 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện: Hình 4-1.Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 4.1.2 Kết quả mô phỏng: Hình 4-2. Kết quả mô phỏng mạch vòng dòng điện 4.2.Mạch vòng tốc độ 4.2.1 Mô phỏng mạch vòng tốc độ khi chưa hạn chế gia tốc và không tải : Hình 4-3.Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ khi chưa có hạn chế gia tốc và không tải Kết quả mô phỏng: Hình 4-4.Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ khi không tải và chưa có hạn chế gia tốc 4.2.2 Cấu trúc mạch vòng tốc độ khi có hạn chế gia tốc và có tải vào khoảng thời gian 0,7s với mô men cản : Hình 4-5.Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ khi có tải và hạn chế gia tốc b,Kết quả mô phỏng : Hình 4-6.Kết quả mô phỏng mạch vòng tốc độ khi có tải và có hạn chế tốc độ Nhận xét chung: Mạch vòng dòng điện sau khi thiết kết theo phương pháp tối ưu modun , khi cho tín hiệu đặt thì tín hiệu đầu ra dòng điện vào stato tăng lên đến giá trị dòng điện đặt với độ quá điều chỉnh không quá 5%. Mạch vòng tốc độ được thiết kế theo phương pháp tối ưu đối xứng . Trong trường hợp thứ nhất khi chưa có tải và hạn chế tốc độ thì khi đưa đầu vào hệ thống là thì tốc độ góc của động cơ tiến rất nhanh ( trong khoảng 0,15s) tới tốc độ định mức là với độ quá điều chỉnh lên tới 30%. Trong trường hợp thứ hai khi động cơ được ăn tải với mô men cản và có hạn chế tốc độ thì tốc độ không có độ quá điều chỉnh, tốc độ tăng rất nhanh trong khoảng 0,2(s) là đạt tốc độ định mức, khi có tải vào thời điểm 0,7s thì nhìn từ hình 4-6 ta nhận thấy rằng tốc độ máy trong khoảng thời gian rất ngắn để trở về tốc độ định mức chứng tỏ tính toán là hoàn toàn đúng. KẾT LUẬN Sau thời gian thực tập tốt nghiệp với nhiệm vụ “ Điều khiển động cơ không đồng bộ sử dụng nghịch lưu nguồn dòng”, em đã tổng hợp được khá nhiều lượng kiến thức đã học trên giảng đường trong 5 năm học vừa qua. Em xin chân thành cảm ơn sự chỉ bảo nhiệt tình của thầy giáo PGS.TS.Nguyễn Văn Liễn, các thầy cô giáo trong bộ môn Tự động hoá XNCN và sự giúp đỡ của các bạn đã giúp em hoàn thành bản đồ án này. Em đã thu được những kết quả cụ thể như sau: Đã thực hiện: - Giới thiệu đặc tính và mô hình động cơ không đồng bộ - Giới thiệu nghịch lưu nguồn dòng - Tính toán thiết kế -Mô phỏng bằng simulink Do thời gian và năng lực bản thân còn hạn chế nên kết quả của em chắc chắn còn nhiều thiếu sót, em rất mong được sự chỉ dạy và đóng góp ý kiến của thầy cô và cá Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 27 tháng 5 năm2010 Sinh viên thực hiện Lê Thành Chung TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bùi Quốc Khánh –Nguyễn Văn Liễn Cơ sở truyền động điện– NXB Khoa Học và Kỹ Thuật – 2009. 2.Bùi Quốc Khánh , Phạm Quốc Hải , Nguyễn Văn Liễn , Dương Văn Nghi. Điều chỉnh tự động truyền động điện – NXB Khoa Học và Kỹ Thuật – 1999. 3.Võ Minh Chính-Phạm Quốc Hải-Trần Trọng Minh Điện tử công suất – NXB Khoa Học và Kỹ Thuật-năm 2008. 4.BIMAL K.BOSE Modern power electronics and AC Drives. www.phptr.com