CHỈNH LƯU BA PHA BỐN DÂY ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG VOC HỒ MẠNH TIẾN Bộ môn Kỹ thuật điện Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Chỉnh lưu ba pha bốn dây được phát
Trang 1CHỈNH LƯU BA PHA BỐN DÂY ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG VOC
HỒ MẠNH TIẾN
Bộ môn Kỹ thuật điện Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Chỉnh lưu ba pha bốn dây được phát triển trên cơ sở chỉnh lưu ba pha ba dây
để khắc phục những nhược điểm của hệ thống này khi làm việc với nguồn không cân bằng Chỉnh lưu ba pha bốn dây có thêm dây trung tính, nhờ vậy nó có khả năng điều khiển dòng trung tính Bộ chỉnh lưu ba pha bốn dây cho chất lượng tốt: giảm được sóng điều hòa bậc cao, nâng cao được hệ số công suất, có khả năng trao đổi năng lượng giữa nguồn và tải, hệ thống
có khả năng làm việc trong trường hợp guồn không cân
Summary: The four legged PWM rectifier has been improved upon the three legged
PWM rectifier to sort out the errors when this system works with imbalanced source The four legged PWM rectifier has the neutral wire so this system can control the neutral current The four legged PWM rectifier has good characteristics: reducing high harmonic waves, improving cosφ, capable of exchanging energy between the source and the load, able to work
in imbalanced source condition
Chữ viết tắt: BBĐ: Bộ biến đổi; BP3D: Ba pha ba dây; BP4D: Ba pha bốn dây;
VOC: Voltage Oriented Control; BĐK: Bộ điều khiển
ĐT
I PHẦN MỞ ĐẦU
Các BBĐ CL ngày nay đã được áp dụng rộng rãi trong các nghành công nghiệp và các lĩnh vực sản xuất khác, mang lại những kết quả tích cực, tuy nhiên còn có những nhược điểm sau:
- Với các bộ CL dùng diot, thyristor còn tồn tại một số nhược điểm như: sóng điều hòa bậc cao gây méo điện áp lưới, hệ số công suất thấp
- Với BBĐ CL PWM BP3D với nguyên lý điều chế độ rộng xung dựa trên việc tổng hợp vector chuẩn trong hệ tọa độ không gian hai chiều với giả thiết dòng điện trung tính bằng không cho ta chất lượng điều khiển tốt trong trường hợp nguồn cân bằng tuy nhiên trong trường hợp nguồn tải không cân hệ thống này cho ta chất lượng điều khiển không tốt có thể gây sự cố hệ thống
Để khắc phục nhược điểm này, BBĐ CL PWM BP4D đã được nghiên cứu và phát triển Các phương pháp điều khiển CL So với CL PWM BP3D về phần lực, CL PWM BP4D có thêm
Trang 2một cặp van để điều khiển dũng trung tớnh Nhờ vậy, chỳng cú khả năng làm việc tốt trong điều
kiện nguồn khụng cõn bằng
II CẤU TRÚC MẠCH LỰC
Nguồn cấp cho BBĐ CL PWM BP4D là nguồn xoay chiều ba pha VA, VB, VB C BBĐ gồm
bốn cặp van để điều khiển ba dũng điện pha và dũng trung tớnh Nguyờn lý hoạt động của chỳng
là dựa vào cỏc yờu cầu đầu vào, đầu ra để điều khiển đúng mở bốn cặp van trong sơ đồ chuyển
mạch bốn dõy Bộ lọc LC để đảm bảo chất lượng điện ỏp một chiều đầu ra và đảm bảo dũng
điện xoay chiều đầu vào cú dạng hỡnh sin
Ia b I
In
c I
Lọc
Sơ đồ chuyển mạch bốn dây
~
~
~
C
dc
Tải
L L L L
Chùm xung kích
A
V
V B C
V
G
V
Va b V
f V
c
Lọc
đến từ vi điều khiển
ĐT
Hỡnh 1 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha bốn dõy
III Mễ HèNH CỦA CHỈNH LƯU BA PHA BỐN DÂY
Để phục vụ cho việc thiết kế bộ điều khiển, ta phải mụ hỡnh húa cỏc phần tử trong hệ thống
CL BP4D
Từ hỡnh 1 ở trờn, ta cú mụ hỡnh CL BP4D trong hệ tọa độ abc:
C
I
-+
VG
- +
VC
- +
VB
A
V
+
-In
c
I
Ib
a
I
L
Vdc
L L
-Vbf
cf +
-V
Ip
C
Tải
p
n
Sơ đồ chuyển mạch bốn dây
Hỡnh 2 Mụ hỡnh tớn hiệu trung bỡnh lớn của CL BP4D
Trang 3Từ mô hình trên hình 2 ta có các công thức như sau :
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
cf bf
af dc cf bf af
d d
d V V V
V
Ip = [daf dbf dcf] [Ia Ib Ic]T (3)
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡ +
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
CG BG AG
cf bf
af dc n n
n n
c b a
V V
V L
1 d d
d L
V I I
I dt
d L
L I I
I dt
d
(4)
dc d d d I I I I C
1 dt
dV
−
Tổng số có bốn biến trạng thái bao gồm ba dòng cuộn cảm Ia, Ib, và Ic, và điện áp Vdc Ba đầu vào là những thành phần tỷ lệ trung tính (daf, dbf, và dcf) Đầu ra là điện áp Vdc
Mối tương quan trong không gian giữa HTĐ abc và HTĐ dq0 thể hiện như hình vẽ sau:
α 0
d
ĐT
Hình 3 Quan hệ giữa HTĐ αβγ và HTĐ dq0
Ta có các công thức chuyển đổi từ HTĐ abc sang HTĐ dq0:
[Xd Xq X0]T = T4 [Xa Xb Xc]T (6) Trong đó ma trận biến đổi tọa độ như sau :
T4=
( ) ( )
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
− ω
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
ω
2
1 2
1 2
1
3
2 t sin 3
2 t sin t
sin
3
2 t cos 3
2 t cos t
cos 3 2
Trang 4-d
+
dc
ω LIq
C
d
V +
-+
+
V q
LId ω L
Iq
-o
I
0
V +
-+
n
L + 3L
p
I
2
_ _
3 0
q q d 2
_
p
I = d I + d I + d I
V S0
Sq
V
V Sd
dc d
d V
d Vq dc
dc 0
d V
Hình 3 Mô hình tín hiệu trung bình lớn của CL BP4D trong HTĐ dq0
IV ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU BA PHA BỐN DÂY THEO PHƯƠNG PHÁP VOC
Mô hình điều khiển CL BP4D theo phương pháp VOC được xây dựng trên cơ sở mô hình
tín hiệu trung bình lớn như ở trên
Vd = L
dt
dId
Vq = L
dt
dIq
V0 = 4L
dt
dI0
Đặt tất cả các thành phần dòng trục q và trục 0 bằng 0 (Iq = 0 và I0 = 0), ta được hệ phương trình: ĐT
Vd = L
dt
dIq
Ta xây dựng vòng điều khiển dòng điện ở trong và vòng điều khiển điện áp ở ngoài Để
điều khiển ba dòng điện Id, Iq và I0, ta sử dụng ba bộ điều khiển PI Vòng điều khiển điện áp
cũng sử dụng bộ điều khiển PI
Ta có:
Trong đó Δ là tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển dòng điện
ΔVd = kp(Id* – Id) + ki∫ (I* −Id)dt
ΔVq = kq(Iq* – Iq) + ki∫ (I* −Iq)dt
q (11b)
ΔV0 = k0.(I0* – I0) + ki∫ (I* −I0)dt
Trang 5Đầu ra VSd, VSq và VS0 qua khâu biến đổi hệ tọa độ dq0/αβγ sẽ được dùng làm đầu vào của khâu điều chế vectơ không gian ba chiều Như vậy, ta đã tách biệt được ba kênh d, q và 0 trở
thành ba chỉnh lưu một pha làm việc độc lập :
Vd
(+) dc
V
Current controler Current controler
d
I
I q
0
V S0
q_ref
Sd
V
q
V Δ
(-)
(+) Current controler
ΔV d Voltage controler
PI
(-)
L ω
−ωL
(+) (-)
V dc_ref
I = 0 d_ref
Id_ref PI
PI
PI
(+) (+)
(+)
(+)
Hình 4 Điều khiển ba kênh dòng điện trong CL BP4D
VOC là cấu trúc điều khiển mà trước hết cần đo trực tiếp điện áp lưới, sau đó tựa theo điện
áp đã được đo về để tiến hành điều khiển dòng điện tựa theo Do đó trong cấu trúc này có khối
PLL (Phase Locked Loop) để tính góc pha γL của lưới để đưa vào các khối biến đổi HTĐ và sử
dụng mạch vòng điều khiển dòng điện
Đặc điểm của phương pháp này là sử dụng những ưu điểm của phương pháp điều chế vectơ không gian, tần số chuyển mạch không thay đổi (do đó dễ dàng cho việc thiết kế các bộ lọc) và
bộ biến đổi tương tự/số rẻ Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp VOC là thuật toán điều
khiển phức tạp hơn và trong sơ đồ phải sử dụng khâu biến đổi HTĐ
ĐT
V KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB – SIMULINK
– PLECS
Với mục đích làm rõ những ưu điểm của CL BP4D trong điều kiện hệ thống làm việc với nguồn không cân, ta tiến hành mô phỏng hệ thống điều khiển CL BP4D theo phương pháp
VOC Toàn bộ hệ thống được xây dựng trên nền Matlab – Simulink – Plecs Các tham số dùng
trong mô phỏng được liệt kê ở bảng 1
Bảng 1 Các tham số của mạch lực dùng trong mô phỏng
7 BĐK dòng điện thành phần d
8 BĐK dòng điện thành phần q
9 BĐK dòng điện thành phần 0
10 BĐK điện áp
Trang 6Bộ
chuyển
đổi HT
tọa độ
Bộ chuyển đổi
HT tọa độ véc tơ không Bộ điều chế
gian 3 chiều
Bộ chuyển đổi
HT tọa độ
Bộ chỉnh lưu 4 cặp van
Hình 5 Mô hình hệ thống điều khiển CL BP4D theo phương pháp VOC
ĐT
Hình 6 Mô hình hệ thống điều khiển CL BP4D theo phương pháp VOC
trên Matlab – Simulink - Plecs
Trang 7- Trường hợp nguồn không cân bằng
Để mô phỏng trường hợp nguồn mất cân bằng, ta mô phỏng trường hợp xấu nhất xảy ra trên một pha, đó là mất một pha
Hình 7 Điện áp lưới Hình 8 Điện áp lưới trong HTĐ dq0
ĐT
Hình 9 Dòng điện tải Hình 10 Các dòng điện I a , I b và I c
Hình 11 V dc_ref và V dc
Trang 8VI KẾT LUẬN
Bài báo này đã xây dựng cấu trúc điều khiển CL BP4D theo phương pháp VOC Nguyên lý
họat động của chúng dựa trên phương pháp điều chế vectơ trong không gian ba chiều Những
kết quả mô phỏng thể hiện tính ưu việt của BBĐ PWM BP4D :
Hệ thống làm việc tốt trong điều kiện nguồn ba pha không cân bằng Kết quả mô phỏng
cho thấy nguồn ba pha bị lệch(Va = 400V, Vb = 400V, Vc = 300V) dòng điện ba pha có dạng
hình sin đối xứng (hình 10)
Hệ thống BP4D có hệ số công suất cao (cosϕ ≈ 1) do góc lệch pha giữa điện áp và dòng
điện bằng 0
Với kết quả thu được như trên, ta đủ cơ sở để nghiên cứu triển khai BBĐ BP4D áp dụng
vào thực tế để nâng cao hiệu quả sản xuất
Tài liệu tham khảo
[1] Zhang, R.: High Performance Power Converter Systems for nonline and unbalanced Load/Source
[2] Malinowski, M Sc Mariusz: Sensorless Control Strategies for Three - Phase PWM Rectifiers
[3] Quang, Ng.Ph.: Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động NXB Khoa học và Kỹ thuật,
Hà Nội, 2004♦
ĐT
