Thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện công nghiệp

Các thành phần chính trong hệ thống điện công nghiệp thường bao gồm: Các nguồn điện phân tán trong hệ thống điện công nghiệp có thể ở dạng máy phát đồng bộ với nguồn cơ năng từ động cơ

NHÀ XUẤT BẢN

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN CƠNG NGHIỆP

60

TRẦN QUANG THỌ (Chủ biên)

NGUYỄN VINH QUAN

TS TRẦN QUANG THỌ (Chủ biên),

TS NGUYỄN VINH QUAN

ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ

ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - NĂM 2022

LỜI GIỚI THIỆU

Điều khiển là quá trình thu thập, xử lý thông tin, và tác động lên hệ thống để đạt thông số mong muốn Điều khiển hệ thống điện công nghiệp là quá trình điều khiển kết hợp các thành phần trong hệ thống điện để đạt được mục tiêu theo mức điều khiển tương ứng Một hệ thống điện thông thường bao gồm nguồn phát điện, hệ thống truyền tải – phân phối, và các phụ tải Hệ thống điện có thể có qui mô lớn và quản lý vận hành ở cấp quốc gia hay vùng miền thông qua các cấp điều độ Trong tài liệu này, hệ thống điện công nghiệp được hiểu với qui mô nhỏ hơn ở cấp cơ sở công nghiệp Hệ thống điện công nghiệp này có thể nối với lưới điện quốc gia hoặc chỉ là một hệ thống điện công nghiệp độc lập Khi hoạt động độc lập với lưới điện quốc gia, hệ thống này trở thành một hệ thống điện nhỏ hay còn gọi là Micro-grid Các thành phần chính trong hệ thống điện công nghiệp thường bao gồm:

Các nguồn điện phân tán trong hệ thống điện công nghiệp có thể ở

dạng máy phát đồng bộ với nguồn cơ năng từ động cơ đốt trong sử dụng dầu diesel, nhiệt điện than, khí, tua bin thủy điện nhỏ, v.v Ngoài ra, các nguồn điện này có thể sử dụng năng lượng tái tạo như gió, mặt trời hay pin nhiên liệu ở dạng dự trữ sẵn thông qua các bộ nghịch lưu nối lưới Đối với năng lượng tái tạo, xu hướng sử dụng năng lượng này hiện nay ngày càng nhiều vì có các ưu điểm về môi trường và bền vững Tuy nhiên, sự phổ biến của nguồn năng lượng tái tạo cũng gây ảnh hưởng tiêu cực đáng kể đến hệ thống điện do sự phụ thuộc vào thời tiết

Đường dây truyền tải: cấp điện áp trong hệ thống điện công nghiệp

thông thường ở cấp trung áp và hạ áp với qui mô nhỏ có các thiết bị đóng cắt và thiết bị bù lọc để nâng cao chất lượng điện năng

Phụ tải trong hệ thống điện công nghiệp thông thường bao gồm các

máy sản xuất sử dụng các loại động cơ điện thông qua các bộ biến đổi công suất Đối với động cơ điện một chiều, các bộ biến đổi có thể là các

bộ chỉnh lưu có điều khiển, bộ biến đổi một chiều tăng áp và giảm áp Đối với động cơ điện xoay chiều 3 pha, các bộ biến đổi có thể là các bộ nghịch lưu như biến tần

Để vận hành hiệu quả hệ thống điện công nghiệp, tất cả các thành phần phải được điều khiển theo các qui định, tiêu chuẩn và được ban hành bởi các cơ quan quản lý chuyên ngành Mức độ điều khiển các thành phần này tùy thuộc vào qui mô, cấp độ quản lý cũng như hiệu quả kinh tế và an ninh năng lượng yêu cầu của hệ thống

Sách Điều khiển thiết bị điện công nghiệp này tập trung vào nguyên

lý điều khiển vận hành các thiết bị điện trong hệ thống điện công nghiệp một cách độc lập hoặc kết hợp với các thành phần của hệ thống Nội dung trong tài liệu này sẽ trình bày cơ sở xây dựng mô hình toán các thành phần trên Matlab/Simulink và mô phỏng điều khiển vận hành với các giả định gần với thực tiễn nhất có thể Các file mô phỏng cũng được trình bày trên kênh youtube của tác giả Tran Quang Tho

Nhóm tác giả hy vọng tài liệu này có thể giúp độc giả là sinh viên, học viên cao học cũng như nghiên cứu sinh chuyên ngành liên quan, có các khái niệm cơ bản về các thành phần trong các thiết bị điện công nghiệp cũng như phương pháp điều khiển chúng để vận hành hiệu quả hơn về mặt kinh tế và an ninh năng lượng

Nội dung của tài liệu gồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan điều khiển thiết bị điện công nghiệp

Chương 2: Các bộ biến đổi công suất

Chương 3: Điều khiển động cơ một chiều

Chương 4: Điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha

Chương 5: Điều khiển bộ sạc pin

Tài liệu sử dụng các file hình vẽ và tính toán mô phỏng dựa trên phần mềm Matlab/Simulink (2019b) Một số thuật ngữ hay các ký hiệu chuyên môn trong tài liệu có thể được sử dụng bằng tiếng Anh nhằm mục đích để người đọc có thể thuận tiện tra cứu thêm các thuật ngữ liên quan này trên mạng internet

Nhóm tác giả mong nhận được góp ý của độc giả để lần tái bản sau hoàn thiện hơn Mọi ý kiến đóng góp xin gởi về tác giả:

Tiến sĩ Trần Quang Thọ - Khoa Điện - Điện tử - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh,

Số 1 Võ Văn Ngân, P Linh Chiểu, TP Thủ Đức, TP Hồ Chí Minh

Điện thoại: 09876 34085

Nhóm tác giả

MỤC LỤC

Trang

LỜI GIỚI THIỆU 3

MỤC LỤC 5

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8

CÁC KÝ HIỆU 10

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP 15

1.1 Tính cần thiết của điều khiển tự động thiết bị điện 15

1.2 Các mô hình điều khiển 16

1.3 Mức độ điều khiển 18

1.4 Tiêu chuẩn đánh giá 20

1.5 Phần mềm mô phỏng 22

1.5.1 Giao diện của Matlab/Simulink 23

1.5.2 Sử dụng Matlab/Simulink 25

1.5.3 Sử dụng hình từ trong Matlab/Simulink 29

CHƯƠNG 2 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 35

2.1 Sự phát triển của linh kiện bán dẫn công suất 35

2.2 Các bộ biến đổi dc 36

2.2.1 Mạch giảm áp 36

2.2.2 Mạch tăng áp 39

2.2.3 Mạch tăng/giảm áp 60

2.3 Bộ chỉnh lưu có điều khiển 1 pha 64

2.4 Bộ chỉnh lưu có điều khiển 3 pha 70

2.4.1 Mô hình mô phỏng 70

2.4.2 Khảo sát sóng hài 72

2.5 Bộ nghịch lưu 1 pha 75

2.5.1 Bộ nghịch lưu 1 pha 2 bậc 75

2.5.2 Bộ nghịch lưu 1 pha đa bậc ghép tầng 82

2.6 Bộ nghịch lưu 3 pha 89

2.6.1 Nghịch lưu 2 bậc 89

2.6.2 Nghịch lưu 3 pha đa bậc 95

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 105

3.1 Mô hình động cơ 105

3.1.1 Mô hình liên tục 106

3.1.2 Mô hình rời rạc 109

3.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ 111

3.2.1 Sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 1 pha 111

3.2.2 Sử dụng bộ biến đổi DC-DC giảm áp 113

3.2.3 Sử dụng bộ biến đổi DC-DC tăng áp 115

3.2.4 Sử dụng bộ biến đổi DC-DC tăng/giảm áp 117

3.3 Xác định tham số bộ điều khiển 118

3.3.1 Phương pháp Zigler-nichols 119

3.3.2 Phương pháp giải thuật di truyền GA 125

3.3.3 Phương pháp giải thuật tối ưu bầy đàn PSO 129

3.4 Điều khiển tốc độ động cơ một chiều không chổi than 136

CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ 3 PHA 143

4.1 Động cơ không đồng bộ 3 pha 143

4.2 Mô hình động cơ 147

4.2.1 Sơ đồ thay thế 1 pha 147

4.2.2 Xây dựng mô hình 149

4.3 Điều khiển tốc độ động cơ sử dụng nguyên lý V/f bằng hằng số 152

4.3.1 Cài đặt tham số cho mô hình 153

4.3.2 Kết quả mô phỏng 154

4.3.3 Mô hình động cơ 15kW sử dụng nghịch lưu 156

4.4 Sử dụng bộ điều khiển PI và điều khiển chế độ trượt 163

4.4.1 Mô hình sử dụng bộ điều khiển PI 165

4.4.2 Nguyên lý điều khiển chế độ trượt 168

4.4.3 Cài đặt tham số 175

4.4.4 Kết quả và nhận xét 176

4.5 Điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha sử dụng phương pháp MPC 183

4.5.1 Nguyên lý điều khiển dự báo dựa vào mô hình 183

4.5.2 Xây dựng mô hình MPC 188

4.5.3 Kết quả khảo sát 190

4.6 Động cơ đồng bộ 3 pha 193

CHƯƠNG 5 ĐIỀU KHIỂN BỘ SẠC PIN 199

5.1 Nhu cầu sử dụng pin sạc 199

5.2 Các tiêu chuẩn bộ sạc pin xe điện 200

5.3 Các nghiên cứu liên quan 202

5.4 Nguyên lý hệ thống sạc 203

5.4.1 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha 204

5.4.2 Mạch tăng áp một chiều 205

5.4.3 Bộ biến đổi cầu H tích cực kép DAB 208

5.4.4 Nguyên lý điều khiển 211

5.4.5 Mô hình bộ pin sạc 214

5.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ 216

5.6 Kết quả và nhận xét 218

5.7 Lọc sóng hài 226

TÀI LIỆU THAM KHẢO 230

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Mô tả

AI Trí tuệ nhân tạo (Artificial intelligence)

CMSI Nghịch lưu 1 pha đa bậc ghép tầng (Casdaded multilevel single- phase inverter)

HCC Bộ điều khiển bão hòa dòng điện (Hysteresis current con-troller)IGBT Transistor cực cổng cách ly (Insulated gate bipolar transis-tor)

MCCB Cầu dao tự động (Molded case circuit breaker)

MPPT Dò điểm công suất cực đại (Maximum power point tracking)

P&O Kỹ thuật nhiễu và giám sát (Perturb & Observe)

PID Khâu tỉ lệ-tích phân-vi phân (Proportional integral deriva-tive)

PMSM Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent magnet synchronous motor)

SCR Chỉnh lưu bán dẫn có điều khiển (Semiconductor controlled rectifier)

SPWM Điều rộng xung theo sóng sin (Sinousoidal pulse width modulation)

SVPWM Điều chế vector không gian (Space vector pulse width mod-ulation)

Is-ave Dòng điện trung bình

iT Dòng điện qua transistor

Td Mô men động cơ

Vs Điện áp nguồn xoay chiều

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ

ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

1.1 Tính cần thiết của điều khiển tự động thiết bị điện

Sự phát triển kinh tế xã hội đòi hỏi nâng cao nhu cầu tiện nghi và tự động hóa trong mọi lĩnh vực Trong đó, hệ thống điện công nghiệp là một trong các lĩnh vực quan trọng Hệ thống điện công nghiệp phát triển sẽ hỗ trợ đắc lực cho công cuộc phát triển kinh tế xã hội Các thành phần thiết bị điện trong hệ thống điện công nghiệp hiện diện trong lĩnh vực sản xuất và tiêu dùng và cần được điều khiển vận hành để đảm bảo an ninh năng lượng

và hiệu quả kinh tế

Một hệ thống điện thông thường [1] bao gồm các thành phần như hình 1-1

Hình 1-1 Sơ đồ khối hệ thống điện Trong đó:

Các nguồn điện phân tán trong hệ thống điện công nghiệp có thể

ở dạng máy phát đồng bộ với nguồn cơ năng từ máy phát dầu diesel, nhiệt điện than, khí, tua bin thủy điện nhỏ, v.v Ngoài ra, các nguồn điện này có thể sử dụng năng lượng tái tạo như gió, mặt trời hay pin nhiên liệu ở dạng dự trữ sẵn thông qua các bộ nghịch lưu nối lưới Đối với năng lượng tái tạo, xu hướng sử dụng năng lượng này hiện nay ngày càng nhiều vì có các ưu điểm về môi trường Tuy nhiên, sự phổ biến của nguồn năng lượng tái tạo cũng gây ảnh hưởng tiêu cực đáng kể đến

hệ thống điện

Đường dây truyền tải: cấp điện áp trong hệ thống điện công nghiệp

thông thường ở cấp trung áp và hạ áp với qui mô nhỏ có các thiết bị đóng cắt và thiết bị bù lọc để nâng cao chất lượng điện năng

Phụ tải trong hệ thống điện công nghiệp thông thường bao gồm

các máy sản xuất sử dụng các loại động cơ điện thông qua các bộ biến đổi công suất Đối với động cơ một chiều, các bộ biến đổi có thể là các bộ chỉnh lưu có điều khiển, bộ biến đổi một chiều tăng áp và giảm

áp Đối với động cơ xoay chiều 3 pha, các bộ biến đổi có thể là các bộ nghịch lưu như biến tần

Để vận hành hiệu quả hệ thống điện công nghiệp, tất cả các thành phần phải được điều khiển theo các qui định, tiêu chuẩn và được ban hành bởi các cơ quan quản lý chuyên ngành Mức độ điều khiển các thành phần này tùy thuộc vào qui mô, cấp độ quản lý cũng như hiệu quả kinh tế và an ninh năng lượng yêu cầu của hệ thống

Trong lĩnh vực sản xuất và tiêu dùng, các thành phần thiết bị điện đòi hỏi mức độ hiệu suất và khả năng tự động hóa ngày càng cao Cùng với sự phát triển của IoT, các thiết bị điện có tính năng tiện nghi ngày càng nhiều

Do đó, việc nghiên cứu và điều khiển các thiết bị này sẽ góp phần nâng cao hiệu quả của hệ thống điện công nghiệp

1.2 Các mô hình điều khiển

Về cơ bản, có 2 loại mô hình, đó là mô hình xác lập và mô hình động hay mô hình quá độ Ngoài ra, còn có các khái niệm về mô hình không gian trạng thái Ví dụ, trên hình 1-2 là mô hình xác lập của phần ứng động

cơ một chiều Trong khi mô hình quá độ của phần ứng động cơ một chiều được thể hiện trên hình 1-3 Hình 1-4 là sơ đồ thay thế một pha của động

cơ không đồng bộ 3 pha ở chế độ xác lập

Tuy nhiên, trong thực tế có thể có các loại mô hình khác tùy thuộc vào các quan điểm phân loại khác nhau

(a) Hình ảnh minh họa cấu tạo (b) Mô hình xác lập của phần ứngHình 1-2 Mô hình xác lập của động cơ một chiều kích từ độc lập

Hình 1-3 Mô hình quá độ của động cơ một chiều kích từ độc lập

Hình 1-4 Mô hình xác lập

1.3 Mức độ điều khiển

Thông thường có 3 mức độ điều khiển trong hệ thống điện công nghiệp, đó là điều khiển ở mức sơ cấp cho cấp độ nhà máy, điều khiển ở mức thứ cấp để kiểm soát chất lượng cho khu vực, và điều khiển ở mức độ nâng cao để vận hành kinh tế như hình 1-5

Hình 1-5 Các cấp độ điều khiển trong hệ thống điện công nghiệp

Ở mức độ điều khiển sơ cấp (Primary control), việc điều khiển nhằm mục đích đạt các thông số kỹ thuật của thiết bị trong phạm vi nhà máy Ví dụ: một bộ nghịch lưu nối lưới khi thực hiện điều khiển ở mức

độ sơ cấp, chủ yếu điều khiển để phát công suất tác dụng vào lưới điện

và đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng điện năng Tương tự như vậy, việc điều khiển một máy phát điện đồng bộ sử dụng động cơ diesel ở mức độ nhà máy nhằm điều khiển điện áp và tần số theo nguồn lưới đang kết nối

Ở mức độ điều khiển thứ cấp (Secondary control), việc điều khiển các thiết bị nhằm mục đích đạt các thông số chất lượng kỹ thuật cho một khu vực Ví dụ, việc điều khiển kết hợp các nguồn phát điện và phụ tải trong một khu vực để đảm bảo ổn định chất lượng điện năng và an toàn cho hệ thống điện của khu vực

Trong khi đó, ở mức độ điều khiển nâng cao (Tertiary control), ngoài mục tiêu ổn định hệ thống, công tác điều độ trong quá trình điều khiển sẽ hướng đến vận hành kinh tế Khi đó, việc điều khiển được thực hiện bằng cách điều khiển kết hợp các loại nguồn phát điện với những mức công suất khác nhau ở những vị trí khác nhau vào những thời điểm khác nhau nhằm thỏa mãn cực tiểu chi phí phát điện Trong quá trình này, có thể cắt bớt phụ tải hoặc nguồn phát điện

Do đó, mức độ điều khiển sơ cấp của mọi thiết bị điện là nền tảng cơ bản của điều khiển hệ thống điện công nghiệp

C(t)U(t)

R(t)

Hình 1-6 Nguyên lý điều khiển vòng hở Hơn nữa, trong điều khiển, tùy thuộc vào mức độ điều khiển với các yêu cầu khác nhau, có thể sử dụng nguyên lý điều khiển vòng hở hay điều khiển vòng kín như hình 1-6 và 1-7 Ví dụ, để điều khiển vận hành

di chuyển theo các hướng của một cầu trục, người vận hành sử dụng bộ điều khiển cầm tay để điều khiển trực tiếp cơ cấu di chuyển của cầu trục Khi đó, hệ thống có vẻ như sử dụng nguyên lý điều khiển vòng hở Tuy nhiên, bản chất của điều khiển luôn là vòng kín Bởi vì trong quá trình điều khiển, người vận hành sử dụng các giác quan của mình để nhận biết thông

số trạng thái của hệ thống cầu trục, từ đó tác động vào các nút bấm của bộ điều khiển cầm tay nhằm đạt mục tiêu di chuyển của cầu trục Thêm vào

đó, khi điều khiển vòng hở, việc điều khiển có thể gây mất an toàn và khó

có thể đạt được mục tiêu điều khiển hệ thống

sensor

C(t)U(t)

R(t)

E(t)-+

N(t)

Hình 1-7 Nguyên lý điều khiển vòng kín

Có nhiều phương pháp điều khiển được sử dụng để điều khiển các thành phần của hệ thống điện công nghiệp và thường được phân nhóm như hình 1-8 Phương pháp điều khiển sử dụng trí thông minh nhân tạo

AI (Artificial intelligence) ngày càng được sử dụng nhiều như: logic mờ, mạng nơ ron, mạng nơ ron mờ dựa trên cơ sở dữ liệu và học máy Các

giải thuật di truyền GA (Genetic algorithm), tối ưu bầy đàn PSO (Particle swarm optimization), Cookoo search, Harmony search, v.v, cũng có thể xem là phương pháp AI vì dựa vào thông tin tri thức Phương pháp điều khiển bão hòa (Hysteresis) thường sử dụng điều khiển dòng, điều khiển trực tiếp công suất, v.v Phương pháp điều khiển dự báo MPC (Model predictive control) thường dựa vào mô hình để hiệu chỉnh việc điều khiển Phương pháp chế độ trượt SMC (Sliding mode control) có thể điều khiển một đại lượng bất kỳ thông qua việc điều chỉnh mặt trượt.

Trong đó, các phương pháp điều khiển tuyến tính (Linear) như

sử dụng các bộ điều khiển PID (Proportional integral derivative) hay PR (Prportional resonance) là phổ biến nhất vì tính đơn giản và hiệu quả của chúng

Control methods

Sliding mode

Linear Hysteresis

Artificial intelligence

Prediction

Hình 1-8 Các phương pháp điều khiển thường dùng

Trong từng mức độ và yêu cầu cụ thể, có thể sử dụng một phương pháp hay nhiều phương pháp điều khiển kết hợp nhằm đạt mục tiêu điều khiển

1.4 Tiêu chuẩn đánh giá

Để đánh giá chất lượng của việc điều khiển một hệ thống, thông thường các chỉ tiêu kỹ thuật cũng như kinh tế được xem xét một cách định lượng Các chỉ tiêu kỹ thuật thông thường bao gồm:

Tính ổn định

Sai số xác lập

Đáp ứng động

các cơ quan vận hành hệ thống điện ban hành như: IEEE-929 (2000) [4]; IEEE-1547 (2009) và giới hạn sóng hài IEEE 519-2014 [2], [5], [6] của Mỹ; tiêu chuẩn IEC 62116 (2005) về cô lập DG; IEC 61727 (2007); các tiêu chuẩn EN 50160 ở châu Âu; VDE 0126 (2006) của Đức; thông tư 30 BCT (2019) của Bộ Công thương Việt Nam, v.v, trong đó, các tiêu chuẩn

về tần số khi kết nối lưới, giới hạn sóng hài và tổng trở bộ lọc cũng rất nghiêm ngặt đối với thiết bị nối lưới

Như vậy, để thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật và góp phần nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện công nghiệp, cần phải có các nghiên cứu sâu hơn để điều khiển hệ thống điện công nghiệp hiệu quả hơn

về mặt kinh tế và an ninh năng lượng

1.5 Phần mềm mô phỏng

Hiện nay có nhiều phần mềm được sử dụng để hỗ trợ mô phỏng điều khiển và kết nối phần cứng cho các thiết bị điện từ nhiều hãng khác nhau Trong lĩnh vực điều khiển các thiết bị lập trình như PLC (Programmable logic controller) và màn hình HMI (Human machine interface) sẽ có các phần mềm hỗ trợ lập trình đi kèm như: CX-One của Omron, Tia Portal của Siemens, GX Developer của Mitsubishi, v.v Trong lĩnh vực tự động và điều khiển trang bị điện có phần mềm Automation StudioTM của hãng Famic Technologies Inc Ngoài ra, trong lĩnh vực mô phỏng còn có các phần mềm

Mỗi phần mềm sẽ có các ưu điểm riêng và tùy vào nhu cầu cụ thể để có các ứng dụng phù hợp Thêm vào đó, vấn đề hỗ trợ kỹ thuật cũng như bản quyền cũng cần được cân nhắc khi lựa chọn để sử dụng

Trong tài liệu này, phần mềm Matlab/Simulink được lựa chọn để

hỗ trợ việc mô phỏng điều khiển các bộ biến đổi điện năng Bởi vì, phần mềm này có cộng đồng người sử dụng rất lớn, trong nhiều lĩnh vực khác nhau cũng như hỗ trợ cho giáo dục rất mạnh Hơn nữa, với sự phát triển vượt bậc của máy vi tính về tốc độ xử lý và giá thành máy tính ngày càng

rẻ đã giúp cho phần mềm Matlab được sử dụng dễ dàng trên các máy tính

có cấu hình trung bình Ngoài ra, hãng Mathworks còn cho phép xây dựng

mô hình mô phỏng trực tuyến qua mạng internet Tuy nhiên, tính năng chỉ

ở mức tương đối cơ bản, không đầy đủ như phần mềm cài sẵn, nhưng vẫn

đủ dùng Trong tương lai, với sự phát triển của mạng internet 5G cũng như 6G, tốc độ truyền tải qua internet rất cao có thể tạo ra khả năng làm việc rộng lớn cho phần mềm này

1.5.1 Giao diện của Matlab/Simulink

Tùy thuộc vào sở thích và cách sử dụng của mỗi người dùng sẽ có các cách thức thực hiện khác nhau Tài liệu này trình bày theo cách sử dụng mang tính chủ quan của cá nhân tác giả Quan điểm này có thể không giống với quan điểm sử dụng của độc giả

Phần mềm Matlab/Simulink có dung lượng rất lớn (trên 20 GB) vì ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau Do đó, phần này chỉ giới thiệu thư viện chứa các phần tử cơ bản liên quan đến việc mô phỏng điều khiển các

bộ biến đổi sử dụng linh kiện bán dẫn điện tử công suất Trong mỗi phiên bản phần mềm có những cải tiến bổ sung khác nhau với xu hướng cải tiến ngày càng nhiều Vì vậy, các phiên bản sau thường có dung lượng lớn hơn phiên bản trước

Khi khởi động phần mềm Matlab, giao diện sẽ xuất hiện như hình 1-11 với thư mục mặc định là thư mục gốc (Matlab/bin) Để làm việc, độc giả nên chọn thư mục khác với thư mục gốc Một điều cần lưu ý là tên các file lưu giữ trong Matlab nên bắt đầu bằng chữ và không có khoảng trắng

Hình 1-11 Giao diện khi khởi động Matlab

Để điều chỉnh kích cỡ font chữ cho phù hợp với nhu cầu của mỗi người dùng, độc giả có thể kích vào mục Preferences của menu HOME và chọn mục Fonts àCustom để điều chỉnh như hình 1-12.

Hình 1-12 Tùy chỉnh font chữ trong MatlabMatlab/Simulink có một thư viện khổng lồ được đóng gói theo phần mềm cài đặt cũng như có thể tải về từ trang chủ hay cộng đồng người sử dụng Hơn nữa, thư viện này cũng được phân loại theo từng lĩnh vực Độc giả nên tham khảo các file mô phỏng tạo sẵn này bằng cách gõ Simulink và nhấn Enter trong cửa sổ Command Window hoặc kích vào biểu tượng có chữ simulink

ở menu HOME của giao diện Matlab trên hình 1-11 Sau đó, kích vào tab Examples và chọn View all của mục mà độc giả quan tâm như sau:

Hình 1-13 Tham khảo thư viện mô hình mô phỏng sẵn có

1.5.2 Sử dụng Matlab/Simulink

Để xây dựng mô hình mô phỏng bằng Simulink của Matlab, người

sử dụng có thể tạo một file mới với tên file là VD_so_1 bằng cách kích chuột phải trong cửa sổ Current Folder và đặt tên như sau:

(a)

(b)

(c)Hình 1-14 Khởi tạo file Simulink từ cửa sổ Current Folder

Ngoài ra, độc giả cũng có thể tạo file mô phỏng bằng cách kích vào biểu tượng Simulink trên giao diện Matlab Khi đó, một cửa sổ Simulink Start Page xuất hiện, việc rê chuột vào Blank Model và kích vào Create Model trên hình 1-15(a) cũng giúp tạo ra trang mô hình mô phỏng như hình 1-15(b) Khi đó, file này sẽ có tên mặc định là untitled và độc giả có thể đổi tên khác theo nhu cầu

(a) (b)Hình 1-16 Mở thư viện của Simulink

Để tìm các phần tử trong thư viện, độc giả kích vào mục Library Browser trên menu SIMULATION của trang mô hình VD_so_1 Khi đó, các mục của thư viện sẽ xuất hiện như hình 1-16(a), sau đó kích chọn vào phần tử mong muốn và kéo rê vào trang mô hình rồi thả ra Ngoài ra, đối với người dùng quen thuộc đã biết tên các phần tử trong thư viện Simulink với những phiên bản mới gần đây, người dùng có thể kích đúp vào trang

mô hình và gõ vào tên của phần tử cần tìm bên cạnh biểu tượng kính lúp như hình 1-16(b) Tài liệu này chủ yếu sử dụng các phần tử trong thư viện của mục Simulink và Simscape/Electrical

Có thể thực hiện mô phỏng trong Matlab với các chế độ khác nhau như chế độ liên tục, chế độ rời rạc Trong tài liệu này, chủ yếu thực hiện

mô phỏng cho mô hình Simulink ở chế độ rời rạc Bởi vì, khi mô phỏng ở chế độ rời rạc sẽ cho kết quả khảo sát gần với thực tiễn hơn so với chế độ liên tục khi triển khai nhúng xuống phần cứng để thí nghiệm

Để mô phỏng ở chế độ rời rạc (Discrete), tại tab MODELING, kích vào biểu tượng Model Settings, một hộp thoại sẽ xuất hiện như sau:

Hình 1-17 Cài đặt thời gian lấy mẫu TsKhi đó, chọn Type: Fixed-step và Solver: discrete (no continuous states) trong mục Solver selection Kế tiếp, chọn Fixed-step size (fundamental sample time): Ts Trong đó, Ts là chu kỳ lấy mẫu để tính toán khi mô phỏng.

Trong mô hình mô phỏng nếu có các phần tử của mạch động lực (công suất) như điện trở, nguồn điện, v.v, một khối powergui phải được sử dụng và cài đặt như hình sau:

Hình 1-18 Chọn chế độ mô phỏng khi có phần tử mạch động lực (công suất)

a) b) Hình 1-19 Khai báo thời gian lấy mẫu TsKhối powergui này có thể tìm trong thư viện của Simulink ở mục Simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks Đường dẫn tới khối này có thể hơi khác một chút tùy thuộc vào từng phiên bản của phần mềm.

Có nhiều cách để khai báo thời gian lấy mẫu Ts khi mô phỏng Độc

Ts=2e-5 Giá trị 2e-5 trong Matlab có nghĩa là 2*10-5 và tương ứng với tần

số lấy mẫu fs=1/(2*10-5)=50 kHz Ngoài ra, độc giả cũng có thể cài đặt Tstrong cửa sổ của Workspace với Name là Ts và Value bằng 2e-5 Với hai cách nhập này, file mô phỏng có tên VD_so_1 sẽ không chứa tham số Ts

Do đó, khi sao chép và di chuyển file này đến một máy tính khác để chạy

mô phỏng, tham số Ts cần phải được nhập lại

Để tham số Ts được khai báo đi kèm trong file Simulink, trong tài liệu này chủ yếu thực hiện cài đặt Ts thông qua mục InitFcn của tab Callbacks trong thuộc tính mô hình Model Properties Để mở thuộc tính này, kích chuột phải vào nền trắng của trang file mô phỏng như hình 1-19(a) Khi đó hộp thoại Model Properties sẽ mở ra như hình 1-19(b) để nhập Ts

Ngoài ra, trong tab Callbacks còn có nhiều mục khác có thể được dùng để cài đặt và hỗ trợ cho quá trình mô phỏng

Để cài đặt thời gian mô phỏng, độc giả có thể nhập vào mục Stop Time với đơn vị là giây trong menu SIMULATION Để thực

hiện chạy hoặc dừng mô phỏng, kích vào biểu tượng RUN/STOP để thực thi.

1.5.3 Sử dụng hình từ trong Matlab/Simulink

Hình 1-20 Mô hình mạch chỉnh lưu cầu 1 pha

Giả sử một mô hình mô phỏng mạch chỉnh lưu cầu 1 pha được xây dựng trong Matlab/Simulink có tham số như trên hình 1-20 với tải R=10 W

và L=0.1 H Để trích xuất hình này sang các dạng trình bày khác trong các ứng dụng của Microsoft Office như Word hay Powerpoint, kích vào menu FORMAT, chọn Screenshot và chọn Send Windows Metafile to Clipboard rồi dán (Ctrl+V) vào trang trình bày Word mong muốn Khi đó, ta sẽ được ảnh mong muốn như hình 1-21

Hình 1-21 Sao chép hình trên Simulink sang MS Word

Để khảo sát dạng sóng mô phỏng, các scope được sử dụng để quan sát các tín hiệu mô phỏng Lưu ý: ngõ vào của scope phải ở dạng tín hiệu điều khiển, không thể ở dạng mạch động lực Trên hình 1-21, scope đầu tiên có 2 ngõ vào dùng để khảo sát tín hiệu dòng điện Is và điện áp Vs của nguồn xoay chiều trước khi đưa vào mạch chỉnh lưu Ở chế độ mặc định, trong scope chỉ hiển thị 1 khung hình sau khi thực hiện chạy mô phỏng như hình 1-22(a) Để hiển thị 2 tín hiệu trong 2 khung hình khác nhau, kích vào menu View của scope này và kéo chọn xuống 2 ô màu xanh như trên hình 1-22(a) sẽ được kết quả như hình 1-22(b) Tuy nhiên, hình trên scope này

có nhược điểm là nền màu đen Do đó, khi chuyển hình này sang trình bày trong MS Word sẽ có nền màu đen tương tự Nếu in tài liệu này ra giấy sẽ tốn rất nhiều mực và không tốt cho môi trường

(a) (b)

Hình 1-22 Chọn khung hình cho scope

Vì vậy, để thuận tiện khi chuyển các hình ảnh trong scope sang trình bày có nền trắng, các bước cần thực hiện như sau: kích vào menu View của scope và chọn Style, khi đó, sẽ xuất hiện một hộp thoại và chọn màu ở mục Figure color, Axes colors màu trắng và chọn các mục còn lại như hình 1-23 Ngoài ra, các thuộc tính khác của scope cũng có thể được điều chỉnh bằng cách kích vào View rồi chọn Configuration Properties…

Hình 1-23 Chọn màu nền và màu nét vẽ cho các tín hiệu của scope

Hình 1-24 Khảo sát tín hiệu dòng điện ngõ ra sử dụng Visualize SignalThêm vào đó, để khảo sát nhanh tín hiệu dòng điện ngõ ra trên tải tại tín hiệu ngõ ra của khối đo dòng điện Current Measurement I_Load, kích vào đường tín hiệu này, sau đó kích vào dấu “…” và rê trỏ chuột đến biểu tượng phát sóng để chọn Enable Data Logging Khi đó, nếu kích vào biểu tượng phát sóng này sau khi chạy mô phỏng sẽ thu được kết quả như hình sau:

Hình 1-25 Dạng sóng dòng điện tải khi sử dụng Visualize Signal

Hình 1-26 Scope đo điện áp tảiTương tự, để khảo sát dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu trên tải, kích vào scope thứ 2 trong mô hình này sẽ thu được kết quả như hình 1-26 Kích thước font chữ của các trục trên Scope thường khá nhỏ ở chế độ mặc định nên khó quan sát khi chuyển ảnh này sang dạng trình bày MS Word

Để điều chỉnh kích cỡ này, độc giả nên chuyển ảnh trên Scope sang dạng hình (Figure) bằng cách kích vào menu File của Scope và chọn Print to Figure Khi đó, độc giả dễ dàng điều chỉnh các thuộc tính của hình này bằng cách kích vào menu View của Figure này và chọn Property Editor Sau khi chỉnh sửa các thuộc tính của hình, kích vào menu Edit và chọn Copy Figure rồi dán sang Word sẽ được như hình sau:

Hình 1-27 Hình dạng sóng ngõ ra sau khi tăng cỡ chữ

Hình 1-28 Chọn ghi dữ liệu tín hiệu đo vào workspace

Để khảo sát phổ hài và giá trị THD của dạng sóng dòng điện của nguồn vào Is trên hình 1-23, trước khi chạy mô phỏng, kích vào Scope Is_

Vs và chọn menu View Sau đó kích chọn Configuration Properties… rồi chọn tab Logging và kích chọn mục Lock data to workspace với tên IsVs như hình 1-28 và nhấn OK Chú ý: trong trường hợp sử dụng các phiên bản mới gần đây, phải vào mục Model Settings của menu MODELING và kích vào Data Import/Export, sau đó bỏ tick chọn ở mục Single simulation output của phần Save to workspace or file Bây giờ hãy nhấn chạy mô phỏng lại rồi kích đúp vào khối powergui, sau đó chọn tab Tools và chọn FFT Analysis và nhấn OK như hình sau:

Hình 1-29 Chọn tính năng FFT Analysis để xem phổ hài và THDNhấn Refresh và chọn các thông số như trên hình 1-30 rồi nhấn Display để xem phổ hài và THD của dòng điện

Hình 1-30 Chọn tính năng xem phổ hài và THD của dòng điện Is

CHƯƠNG 2

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT

2.1 Sự phát triển của linh kiện bán dẫn công suất

Trong những năm gần đây, ngành công nghệ bán dẫn đã phát triển vượt bậc và các linh kiện bán dẫn công suất có khả năng chịu được dòng điện và điện áp ngày càng cao Điều này đã giúp cho các thiết bị điện sử dụng linh kiện điện tử công suất có giá thành ngày càng rẻ và được ứng dụng ngày càng nhiều Trong các thiết bị điện công nghiệp trước đây, việc chuyển mạch công suất với dòng điện lớn chủ yếu sử dụng các tiếp điểm

để chuyển mạch Nhưng hiện nay, việc sử dụng linh kiện điện tử công suất

đã giúp cho thiết bị điện chuyển mạch tốt hơn, như: không có hồ quang khi chuyển mạch nên an toàn hơn, tần số chuyển mạch cao hơn, hoạt động bền

bỉ hơn, cải thiện chất lượng và hiệu suất của thiết bị ngày càng tốt hơn Khi

đó, phương pháp chuyển mạch sử dụng linh kiện điện tử bán dẫn công suất được gọi là chuyển mạch không tiếp điểm

Nguyên lý điều khiển bộ biến đổi được thể hiện trên hình 2-1 Để nâng cao chất lượng điều khiển, các phương pháp điều khiển thường sử dụng tín hiệu hồi tiếp ngõ ra (feedback) thông qua các cảm biến hoặc ước lượng để điều chỉnh thông số ngõ ra mong muốn Ngoài ra, cũng có thể sử dụng các phương pháp dựa vào tín hiệu ngõ vào để điều chỉnh gọi là điều khiển nuôi tiến (feedforward)

Switching converter

Driver Control signal

Input power

Output power

Firing signal

Sensor

Controller

Reference signal

Hình 2-1 Nguyên lý điều khiển bộ biến đổi công suất

Tuy nhiên, việc điều khiển bộ biến đổi công suất khá phức tạp và ảnh hưởng nhiều đến năng suất và hoạt động của thiết bị Thêm vào đó, tổn hao

của bộ biến đổi bao gồm tổn hao dẫn và tổn hao chuyển mạch cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị

Do đó, việc phân loại thiết bị để có các phương pháp điều khiển phù hợp sẽ góp phần vào việc cải thiện hiệu suất của thiết bị Một trong các kỹ thuật điều khiển được ứng dụng phổ biến trong các bộ biến đổi là kỹ thuật điều rộng xung PWM (Pulse-width modulation) Ngoài ra, phương pháp điều khiển PID (Proportional integral derivative) cũng là một trong các phương pháp điều khiển tuyến tính thường được sử dụng trong lĩnh vực điện tử công suất

Trong các phần sau của chương này sẽ trình bày nguyên lý điều khiển các loại bộ biến đổi cơ bản thường dùng và được mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink để tăng tính trực quan trong miền khảo sát

2.2 Các bộ biến đổi dc

Các bộ biến đổi DC-DC được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực điện tử công suất Trong trường hợp có sẵn nguồn một chiều với điện áp cố định, trong khi phụ tải một chiều cần điện áp cao hơn hoặc thấp hơn mức điện áp có sẵn, khi đó, các mạch tăng hoặc giảm áp được sử dụng để tạo ra các mức điện áp phù hợp với phụ tải

2.2.1 Mạch giảm áp

Mạch giảm áp được sử dụng khi điện áp vào cao hơn điện áp ngõ

ra mong muốn Ví dụ: mạch điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có điện

áp định mức 240V, trong khi đang có sẵn nguồn một chiều 250VDC Như vậy, để điều chỉnh tốc độ động cơ cần phải có một nguồn điện áp một chiều

có điều chỉnh

Đối với động cơ một chiều, phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng thường được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ Do đó, khi vận hành tốc độ động cơ thường hoạt động với tốc độ từ định mức trở xuống nên điện áp cần thiết cho động cơ cũng từ định mức trở xuống Với nguồn điện áp có sẵn 250VDC, một mạch giảm áp cần được sử dụng Phương pháp giảm áp có thể sử dụng biến áp hoặc mạch giảm áp sử dụng linh kiện điện tử công suất Phương pháp sử dụng biến áp cần sử dụng máy biến áp

để giảm áp Khi đó, nếu cần nhiều mức điện áp ngõ ra cho nhiều mức tốc

độ khác nhau, biến áp phải có nhiều nấc điện áp ngõ ra nên phức tạp và khó điều khiển và độ tinh trong điều chỉnh không cao Thêm vào đó, kích thước

và trọng lượng của thiết bị có thể tăng cao và làm tăng giá thành sản phẩm Trong khi đó, phương pháp sử dụng linh kiện điện tử công suất để điều

chỉnh điện áp ngõ ra tỏ ra có nhiều ưu điểm như: độ tinh điều chỉnh cao, phạm vi điều chỉnh rộng, hiệu suất cao, kích thước gọn nhẹ, đáp ứng nhanh

và vận hành bền bỉ Vì vậy, phần này sẽ trình bày nguyên lý điều khiển mạch giảm áp hay còn gọi là chopper giảm áp (Buck converter) Nguyên lý chủ yếu dựa trên phương pháp PWM Điện áp ngõ ra của bộ biến đổi giảm

áp như hình 2-2 khi bỏ qua sụt áp trên linh kiện được xác định như sau:

Trong đó, D [pu] là độ rộng xung kích dẫn bão hòa cho transistor

ra phụ thuộc vào tụ lọc Co và tần số chuyển mạch cũng như dòng điện tải ngõ ra

Hình 2-2 Mô hình mô phỏng rời rạc (Discrete) điều khiển mạch giảm áp với chu kỳ lấy mẫu Ts=2e-5 và bộ điều khiển có P=20; I=500

Sơ đồ nguyên lý điều khiển được xây dựng trên Simulink thể hiện trên hình 2-2 Trong đó, điện áp ngõ vào Vdc bằng 250 V Điện áp ngõ ra được điều chỉnh thông qua giá trị đặt cho tải điện trở R=20 W Giá trị điện

áp mong muốn ở ngõ ra được cài đặt thay đổi ngẫu nhiên sau mỗi 0.3 s thông qua khối Uniform Random Number

Hình 2-3 Đáp ứng điện áp và dòng điện ngõ ra

(a) Đáp ứng của điện áp

(b) Đáp ứng của dòng điện

Hình 2-4 Xung kích và dòng qua transistor với D=0.5

(a) Dạng sóng xung kích cho IGBT

(b) Dạng sóng dòng điện qua IGBT

Dạng sóng điện áp và dòng điện có độ nhấp nhô phụ thuộc vào mạch lọc ngõ ra và được thể hiện trên hình 2-3 Tụ điện Co và điện cảm Lo có vai trò lọc thông thấp Khi điện cảm và dung lượng tụ càng lớn sẽ giúp cho

độ nhấp nhô ngõ ra càng nhỏ Tuy nhiên, điều này cũng sẽ ảnh hưởng đến đáp ứng động và tính ổn định của mạch

Việc chuyển mạch công suất sẽ sinh ra sóng hài và gây nhiễu điện

từ dòng điện do dòng điện qua transistor bị gián đoạn như hình 2-4 Nhiễu này có thể ảnh hưởng đến các thiết bị khác đang được vận hành gần đó Theo chuỗi Fourier, hài dòng điện có tần số là bội số của tần số chuyển mạch như sau:

w = p và D là độ rộng xung kích cho transistor

Do đó, một bộ lọc cần được thiết kế để giảm nhiễu điện từ Khi đó, tín hiệu nhiễu có thể lọc bằng mạch lọc L-C và có tần số lọc như sau:

filter

f f

1 f

2.2.2 Mạch tăng áp

Trong thực tế có những trường hợp nguồn điện ngõ vào có sẵn điện

áp thấp hơn nhu cầu của phụ tải Khi đó, mạch tăng áp DC cần được sử dụng để đáp ứng nhu cầu của tải

Ví dụ: các hệ thống nghịch lưu nối lưới sử dụng pin mặt trời với nguồn điện áp ngõ ra của các tấm pin mặt trời có điện áp khoảng 30 VDC

Do đó, các tấm pin được nối nối tiếp và kết hợp nối song song để có điện

áp phù hợp cấp cho nghịch lưu Trong khi đó, điện áp phía một chiều cần cấp cho nghịch lưu nối lưới 3 pha 2 bậc với điện áp lưới 3 pha 380V, cần điện áp một chiều lên đến khoảng 700 VDC Nếu ghép nhiều tấm pin mặt trời nối tiếp để có điện áp lên đến 700V thì rủi ro cao Bởi vì, khi có 1 tấm pin bị hỏng và hở mạch làm cho các tấm pin nối tiếp còn lại bị ngắt khỏi nguồn một chiều của hệ thống Do đó, cần ghép các tấm pin sao cho có điện áp khoảng một nửa nhu cầu và dùng mạch tăng áp để tăng lên đến khoảng 700V Trong thực tế, tùy vào nhu cầu và cân bằng giữa các loại tổn hao, khi đó sẽ có giải pháp ghép nối các tấm pin phù hợp

Một ví dụ khác, phụ tải là các động cơ điện một chiều có điện áp định mức khoảng 500V, trong khi điện áp một chiều có sẵn thấp hơn nên sẽ cần