Nghiên cứu xây dựng chỉnh lưu PWM tại phòng thí nghiệm

MỤC LỤC Trang PhầnI. Phân tích các vấn đề tồn tại của CL dùng diode và thyristor .... 1 I. giới thiệu chung về CL diot thyrist........................................... .............. 2 II. Những tham số để đánh gi

MỤC LỤC

Trang

PhầnI Phân tích các vấn đề tồn tại của CL dùng diode và thyristor 1

I giới thiệu chung về CL diot thyrist 2

II Những tham số để đánh giá đối với lưói 3

III Các biện pháp khắc phục 4

IV Vấn đề trao đổi năng lượng giưa lưới và tải 5

PhầnII Phân tích nguyên lý chỉnh lưu PWM I Cấu trúc mạch lực của chỉnh lưu PWM 6

II Vấn đề về giảm sóng điều hoà bậc cao 7

III Các cấu trúc điều khiển CL PWM 8

IV Mô phỏng bằng MATLAB 9

NHIỆM VỤ THỰC TẬP:

Nghiên cứu xây dựng chỉnh lưu PWM tại phòng thí nghiệm

ĐỊA ĐIỂM THỰC TẬP:

Phòng thí nghiệm trọng điểm TĐH Trung tâm Công nghệ cao

NỘI DUNG THỰC HIỆN:

- Phân tích các vấn đề tồn tại của chỉnh lưu dùng Diode và Thyristor

- Phân tích nguyên lý chỉnh lưu PWM

- Mô phỏng

PHẦNI: PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ TỒN TẠI CỦA CHỈNH LƯU ĐIOT

VÀ THYRISTOR

I.GIỚI THỆU CHUNG

Ngày nay các bộ biến đổi dùng Diot và Thyristor đóng một vai trò quantrọng nhất trong lĩnh vưc ky thuật điện tử công suất nói riêng và hệ thốngđiện nói chung

Một bộ chỉnh lưu Diot Thyristor có khả năng biến dòng xoay chiều50/60Hz thành dòng 1 chiều,dể biến dòng 1 chiều thành xoay chiều ta phải

sư dụng 1 bộ chỉnh lưu đặc biệt khác gọi là bộ nghịch lưu Hiệu suất của các

bộ chỉnh lưu này rất cao lên đến 98% do tổn thất trên các thiết bị nhỏ,tổnthất chuyển mạch không đáng kể Ứng dụng của các bộ chỉnh lưu này rấtrộng:

 Sử dụng trong các bộ nguồn cỡ nhỏ như các bộ nguồn trong TV máytính, UPS Hay các bộ nguồn cỡ lớn trong các phương tiện giao thôngnhư tàu điện, xe điện

 Sử dụng trong quá trình điện hoá như mạ, tạo điện cực trong điệnphân,bộ nạp ắc quy

 Dùng trong các hệ truyền động 1 chiều

 Cấp điện cho các bộ nghịch lưu để điều khiển cho động cơ 1 XC Làmgiao diện cho các hệ thống sử dụng điện khác…

II.CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ CỦA CL ĐỐI VỚI LƯỚI

GThd cua dong co ban

GThd cua dong dien tong

4 / (1/ 2) 2 2

0.9

d d

I DF

s1 1,2,3

s1

s1 1,2,3

P1 =

Vs I

I =Cos

I =DPF DF

trung

cung

n n

n n

2 1

2 2

1

2 1 2

s

s

I

I I

σ v [p.j]

Tác dụng lên lưới m

Sóngđiềuhoà bậc cao được khảo sát

P min v max

P /

lưới

U 1 [KV]

U k = 0,05

Để giải quyết vấn đề sóng điều hoà bậc cao, người ta sử dụng bộ lọc

Bộ lọc được thiết lập thành nhóm mạch LC cộng hưởng nối tiếp, nó sẽngắn mạch dòng điều hoà bậc cao.(Hình 1.8.a)

Chỉnh lưu dùng diode, thyristor chỉ cho phép năng lượng đi theo 1 chiềuduy nhất Trong truyền động dùng biến tần cho động cơ xoay chiều khinăng lượng của động cơ dư thừa( trong quá trình hãm động năng, đảo chiềuquay, hay non tải…) năng lương bị dồn ngược lại phía XC,nhưng nănglượng không thể trả về lưới do CL điot chỉ cho phép năng lượng chảy theo 1chiều duy nhất Vì vậy ta phải dập năng lượng bằng điện trở mắc ở mạchmột chiều Khi công suất động cơ tăng lên thì điện trở cúng tăng lên điềunày gây hao phí năng lượng và không áp dụng cho những ĐC có ccông suấtrất lớn được.Cách khác là ta phải mắc thêm một bộ nghịch lưu để trả nănglượng lại lưới.Cách khắc phục này làm tăng gấp đôi số van và bộ điều khiển

sẽ rất phức tạp.Mặt khác khi bộ CL thyristor hoạt động ở chế độ NL góc mởvan sẽ lớn hơn π/2 làm cho hệ số cosφ tụt thấp

a)

Lưói

b)

Hình 1.4 Các biện pháp xử lý khi năng lượng động cơ dư thừa

a Dập năng lượng bằng điện trở ở mạch một chiều

b Mắc thêm một bộ nghịch lưu để trả năng lượng về lướiTrong trường hợp mắc điện trở, nếu công suất cao thì đòi hỏi điện trở lớnnên sẽ khó khăn trong việc chế tạo và hoạt động Trong trường hợp mắcthêm một bộ nghịch lưu để trả năng lượng về lưới sẽ gây tốn kém

Từ đó ta thấy cần phải tìm ra một loại chỉnh lưu mới có thể đáp ứng đượccác yêu cầu:

- Chứa ít sóng điều hoà bậc cao trong lưới

- Hệ số công suất cao

- Có thể trao đổi năng lượng giữa tải và lưới

PHẦN II: CHỈNH LƯU PWM

Bộ chỉnh lưu PWM có những ưu điểm so với chỉnh lưu dùng diode vàthyristor:

- Tạo ra ít sóng điều hoà bậc cao nên dòng điện có dạng hình sin hơn.

- Hệ số công suất cos =1

- Có thể trao đổi năng lượng giữa tải và lưới

I SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CL PWM

Hình 2.1 Biểu diễn đơn giản của chỉnh lưu 3 pha PWM cho công suất chảy 2

chiều

 L-filter là bộ lọc thông thường nhất được sủ dụng.ta còn có thể dùng

bộ lọc LCL có nhiều ưu điểm hơn do tần số cộng hưởng giảm loại bỏđược điện áp nhiễu trong mạch.Tác dụng của L-filter là tích trữ điệnnăng

 Chỉnh lưu cầu có cấu tạo như 1 bộ nghịch lưu thông thường gồm 6Tranzito mắc song song ngược vơi 6 diot Ở điện áp thấp ta thườngdùng tranzito IGBT với tần số đóng mở từ vài KHz đến vài chụcKHz Ở điện áp cao ta sử dụng tranzito GTO hoặc IGCT tấn ssố đóngcắt vài trăm HZ

 DC-link gồm tụ lọc C 1 chiều.Bao gồm điện áp và dòng điện 1 chiều

có tác dụng tách riêng tải vói bộ chỉnh lưu và có tác dụng lọc điện áp

1 chiều trước khi được đưa đến tải tiêu thụ

Các van tranzito được điều khiển thích hợp để tạo ra điện áp pha

U1a,U1b,U1c các điện áp này bao gồm điện áp cơ bản và điện áp điều hoà bặc cao.Thành phần điều hoà của Ufa bị ảnh hưởng rất lớn bởi kĩ thuật điều

biến để điều khiển tranzito.Quan hệ giữa biên độ và pha của điện áp pha cơ bản trên lưới U2a, U2b, U2c với dòng điện cơ bản trên L i1a, i1b, i1c không đáng kể.Vẫn tồn tại dòng điều hoà được tạo ra bởi điện áp điều hoà tương ứng của bộ CL PWM nhưng về cơ bản độ lớn của sóng điều hoà đã bị giảm

đi rất nhiều do trở kháng Lcủa bộ lọc L-filter.Trở kháng này tăng lên khi tần

số sóng điều hoà tăng

Điều kiện để chỉnh lưu PWM hoạt động:

Vdcmin>VCL tự nhiên (chỉnh lưu diode hay chỉnh lưu thyristor với góc mởα=0) Cuộn cảm phải được lựa chọn kỹ bởi cảm kháng thấp sẽ làm cho dòngđiện nhấp nhô lớn và làm cho việc thiết kế phụ thuộc nhiều vào trở khángđường dây Cảm kháng có giá trị lớn làm giảm độ nhấp nhô dòng điện,nhưng đồng thời cũng làm giảm giới hạn làm việc của chỉnh lưu Điện áp rơitrên cuộn cảm có ảnh hưởng tới dòng điện nguồn Điện áp rơi này được điềuchỉnh bởi điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM nhưng giá trị lớn nhất được giớihạn bởi điện áp 1 chiều Do đó, một dòng điện lớn (năng lượng lớn) qua cảmkháng cũng cần điện áp một chiều lớn hay cảm kháng nhỏ Ta có độ tự cảmlớn nhất được xác định bởi công thức:

L<

Ld

m dc

i w

E u

3

2 2



(2.1)

Từ sơ đồ nghuyên lý ta có giản đồ thay thế như sau:

L và R là điện cảm của lưới, UL là điện áp lưới và US là điện áp bộ chuyểnđổi có thể điều khiển được từ phía 1 chiều Biên độ Us phụ thuộc vào chỉ sốđiều chế và cấp điện áp 1 chiều

Phân tích giản đồ vector

Hình 2.2 Giản đồ pha cho chỉnh lưu PWMa) Giản đồ pha thông thường b) Chỉnh lưu tại hệ số cống suất bằng 1

c) Hãm tái sinh tại hệ số công suất = 1

Giải thích:

Từ giản đồ vector ta thấy, bình thường khi chưa điều khiển góc ε, IL và

UL sẽ lệch nhau một góc φ nào đó Ở chế độ chỉnh lưu, ta điều khiển góc ε

để có được IL và UL trùng pha nên thu được cosφ = 1 Ở chế độ hãm tái sinh,

ta có thể điều khiển góc ε để cos được IL và UL ngược pha nên thu được cosφ =1, đồng thời IL và UL là ngược chiều nhau nên dòng chảy ngược về

lưới.Ta điều khiển được UL bằng cách cho thêm điện cảm L của L-fillter vàomạch.các cuộn cảm này tạo ra điện áp rơi (jwLIL).Còn khi điện áp trên tụ lớn

IL sẽ đổi dấu vì thế năng lượng có thể trả được về lưới nhưng IL và UL vẫn ngược pha thoả mãn đk cosφ = 1

II.VẤN ĐỀ GIẢM SÓNG ĐIỀU HOÀ BẬC CAO

Khi sử dụng bộ chỉnh lưu PWM, điện áp phía xoay chiều của chỉnh lưuPWM có thể điều khiển được cả biên độ và pha để thu được dòng điện lướihình sin với hệ số công suất bằng 1 Thêm vào đó, chỉnh lưu PWM cung cấpđiện áp 1 chiều ổn định và hoạt động như 1 bộ điều hoà tích cực lưới điệndùng để bù sóng điều hoà và công suất phản kháng tại các điểm chồng chéonhau trong mạng phân bố.Các bộ lọc L-fillter có tác dụng lọc các sóng điềuhoà bậc cao trước khi trả điện năng về lưới, khi sóng điều hoà bậc càng caothì tần số của chúng càng lớn vậy trở kháng đối với chúng cũng tăng lên.Cấu trúc hình 2.3 a giới thiệu giới thiệu giải pháp đơn giản về bộ chuyểnđổi tăng thế với khả năng tăng điện áp đầu ra 1 chiều Đặc trưng quan trọngcủa bộ biến đổi dùng cho điều chỉnh tốc độ truyền động là đưa ra điện ápđộng cơ lớn nhất Hạn chế chính của giải pháp này là quá tải trong các bộphận, méo dòng đầu vào tần số thấp Cấu trúc tiếp theo (b), (c) sử dụngchỉnh lưu PWM với tốc độ tăng dòng rất thấp (20-25% giá trị hiệu dụng củadòng so với cấu trúc (e)) Do đó, chúng có giá thành thấp, chỉ có thể thựchiện chế độ hãm tái sinh(b) và làm bộ lọc tích cực(c) Hình (d) giới thiệu bộbiến đổi 3 cấp gọi là bộ chỉnh lưu Vienna Ưu điểm chính là điện áp chuyểnmạch thấp nhưng không phải là các loại mạch điển hình

Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của chỉnh lưu 3 phaa)Bộ biến đổi tăng thế b)Chỉnh lưu diode với chỉnh lưu hãm tái sinh PWMc)Chỉnh lưu diode với bộ lọc tích cực PWM d)Chỉnh lưu Vienna(3 cấp)

e)Chỉnh lưu có khả năng đảo ngược (2 cấp)Hình (e) giới thiệu cấu trúc thông dụng nhất sử dụng trong ASD(Adjustable Speed Drives), UPS (Uninterruptable Power Supply), và gầnđây được sử dụng như một bộ chỉnh lưu PWM Cấu trúc phổ biến này có các

ưu điểm là sử dụng các module 3 pha giá thành thấp với năng lượng có khảnăng chảy 2 chiều Các nhược điểm của nó là tỉ lệ tăng dòng cao, tổn thấtchuyển mạch lớn Nét đặc trưng của toàn bộ các cấu trúc được so sánh trongbảng 2.1

Điều chỉnh điện

áp DC đầu ra

Méo sóng hài bậc thấp dòng nguồn

Dạng dòng điện gần hình sin

Chỉnh hệ số công suất

Dòng năng lượng 2 chiều

Hình d + + + + - UPF

Bảng 2.1: Đặc trưng của các bộ chỉnh lưu 3 pha

Cấu trúc (e) là có nhiều ưu điểm nhất nên đang được phát triển.Trong hệthống phân bố năng lượng một chiều hay biến đổi xoay chiều/ một chiều/xoay chiều, năng lượng xoay chiều đầu tiên được biến đổi sang một chiềunhờ vào chỉnh lưu ba pha PWM Nó cho hệ số công suất bằng 1 và dòngđiện chứa ít thành phần sóng hài Các bộ biến đổi này nối với đường truyềnmột chiều sẽ mang lại cho tải những chuyển đổi mong muốn như thay đổitốc độ truyền động động cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ nam châm vĩnhcửu, bộ biến đổi từ một chiều sang một chiều, hoạt động đa truyền động,v.v

Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều

Hệ thống phân phối điện năng 1 chiều

Điện áp bộ biến đổi cầu có thể được đặc trưng bởi 8 trạng thái chuyển mạch

có thế (6 trạng thái tích cực và 2 trạng thái 0) được mô tả bởi phương trình: 





0 ) 3 / 2

1



jk dc k

e u

u với k =0 5(2.2)

Hình 2.4 Trạng thái chuyển mạch của bộ chuyển đổi cầu PWM

II.MÔ TẢ TOÁN HỌC

Mối quan hệ cơ bản giữa các vector chỉnh lưu PWM thể hiện trong hình

Hình 2.5: Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lưu PWM

a Mô tả dòng điện và điện áp nguồn

Dòng điện và điện áp nguồn 3 pha:

wt E

u a  mcos (2.3 a)

) 3

2 cos(  

u b m (2.3 b)

) 3

2 cos(  

u c m (2.3 c)

) cos( 

i a m (2.4 a)

) 3

2 cos(  

i b m (2.4 b)

) 3

2 cos(  

wt I

2

3

wt E

u L  m (2.6)

) sin(

2

3

wt E

b Mô tả điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM

Điến áp dây đầu vào chỉnh lưu PWM có thể mô tả với sự trợ giúp củahình 2.4 như sau:

dc b a

u  (  ). (2.9 a)

dc c b

u  (  ). (2.9 b)

dc a c

u  (  ). (2.9 c)

và điện áp pha được tính như sau:

dc a

Sa f u

u  (2.10 a)

dc b

Sb f u

u  (2.10 b)

dc c

a

S S S

f    (2.11 a)

3

) (

b

S S S

f    (2.11 b)

3

) (

c

S S S

u   (2.12)

S

L L

dt

i d i

c b a

dc c c b b a a

d Mô hình chỉnh lưu PWM trong khung toạ độ tĩnh α-β.

Phương trình điện áp trong khung toạ độ tĩnh α-β tìm được bằng cách ápdụng phương trình:

/

3

0

2 / 1 2

2 ( 6

1

c b c

Hình 2.7: Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM nguồn áp trong khung toạ độ α-β.

e Mô hình chỉnh lưu PWM trong khung tọa độ d-q

Các phương trình trong hệ toạ độ d-q có được bằng cách biến đổi phươngtrình :

Ld Ld

dt

di L Ri

u     (2.21 a)

Sq Ld

Lq Lq

dt

di L Ri

u     (2.21 b)

dc q Lq d Ld

wt S

S d  cos   sin

wt S

wt S

S q  cos   sin

Sơ đồ khối trong hệ toạ độ d-q:

Hình 2.8: Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM nguồn áp trong hệ tọa độ d-q

Trong thực tế, có thể bỏ qua điện trở R, bởi vì điện áp rơi trên R nhỏ hơnnhiều so với điện áp rơi trên cuộn dây Các phương trình (2.15), (2.17),(2.20) có thể viết đơn giản:

Im *

c ab b ca a

bc i u i u i u

i u i u i

u

q          (2.29)

Trong hệ toạ độ d-q:

m m Ld

Ld Lq

 (2.30)

) (u Lq i Ld u Ld i Lq

q  (2.31)

Nếu giả sử hệ số công suất bằng 1 ta có:

0 , 2

3 ,

2

3 ,

0 ,

Hình 2.9: Dòng công suất trong bộ biến đổi AC/DC hai chiều phụ thuộc

vào hướng iL

III.CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN PWM

Đã có nhiều cấu trúc điều khiển được đưa ra cho chỉnh lưu PWM Mặc

dù, các cấu trúc điều khiển này đều nhằm mục đích đạt được hệ số công suấtcao và dạng dòng điện gần hình sin nhưng nguyên tắc của chúng là khácnhau Trên thực tế, cấu trúc điều khiển VOC (Voltage Oriented Control) có

sử dụng mạch vòng điều khiển dòng điện là cấu trúc đã được phát triển vàrất phổ biến Bên cạnh đó, có một cấu trúc điều khiển khác là DPC (DirectPower Control) dựa trên các mạch vòng điều khiển công suất tác dụng vàcông suất phản kháng tức thời Trong cấu trúc DPC, không có mạch vòngđiều khiển dòng điện và không có khối điều chế PWM vì các trạng tháichuyển mạch của bộ biến đổi được chọn bởi bảng chuyển mạch dựa trên sựsai lệch giữa giá trị ước lượng và giá trị điều khiển của công suất tác dụng

và công suất phản kháng Do đó, một điểm quan trọng khi thực hiện cấu trúcDPC là phải ước lượng nhanh và chính xác công suất tác dụng và công suấtphản kháng

Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM

Điều khiển Điều khiển

dựa trên điện áp dựa trên từ thông ảo

Hình 2.10 Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM

Hình 2.11 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển DPC

IV MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB

Mô hình hệ thống điều khiển trên môi trường Simulink:

Cấu trúc các khối trong sơ đồ

Chỉnh lưu PWM

Mục đích:

Tạo dòng điện 1 chiều khi hoạt động ở chế độ chỉnh lưu và tạo điện ápxoay chiều 3 pha khi hoạt động ở chế độ nghịch lưu tuỳ theo chế độ hoạtđộng của tải

5 -

4 +

3 C

2 B

1 A

powersysdomain

UniversalBridge

tp220689 Goto

1 g

Cấu trúc chi tiết:

Tính từ thông từ các giá trị U và U:

2 F_beta

1 F_alpha

T

T.s+1

T T.s+1

angle sector

a_b_vector_sector

1 theta

Ual

Ube

F_alpha

F_beta

Thuật toán để lập khối chọn sector:

1 sector

AND AND

AND AND

10 9 8 7 6 5 4 3

12 11

2 1

Convert Convert Convert Convert Convert Convert Convert Convert

Convert Convert

Convert Convert

Bảng chọn (Switching Table):

1 Gates

(1 0 1 0 1 0) v7

(1 0 0 1 1 0) v6

(0 1 0 1 1 0) v5

(0 1 1 0 1 0) v4

(0 1 1 0 0 1) v3

(1 0 1 0 0 1) v2

(1 0 0 1 0 1) v1

(0 1 0 1 0 1) v0 dq=1

Kết quả mô phỏng MATLAB

Hình 1: Điện áp và dòng điện lưới (Từ trên xuống : i a , u a ).

Hình 2: Điện

áp sau khi chỉnh lưu

U dc

Hình 3: Dòng điện sau khi chỉnh lưu I dc

Hình 4: Công suất tác dụng ước lượng p.

Hình 5: Công suất phản kháng ước lượng q.

Hình 6: Công suất ước lượng (từ trên xuống: công suất tác dụng p, công suất phản kháng q).