nghiên cứu ứng dụng điều khiển trượt điều khiển bộ lộc tích cực cho việc giảm sóng hài

Trong đề tài này tôi nghiên cứu điều khiển trượt để điều khiển bộ lọc tích cực cho việc giảm sóng hài.. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đồi tượng nghiên cứu các bộ điều khiển PID, điề

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS PHAN VĂN HIỀN

Phản biện 1: GS.TS NGUYỄN DOÃN PHƯỚC

Phản biện 2: TS NGUYỄN HOÀNG MAI

Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp Thạc

sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 7 tháng 12 năm

2013

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

Việc sử dụng các thiết bị để lọc bỏ thành phần sóng hài, đã và đang được quan tâm trong những năm gần đây Một trong các phương pháp lọc sóng hài là sử dụng bộ lọc tích cực Điều khiển dòng điện phát ra từ bộ lọc để triệt tiêu dòng điện hài có nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện Trong đề tài này tôi nghiên cứu điều khiển trượt để điều khiển bộ lọc tích cực cho việc giảm

sóng hài Với hướng nghiên cứu này, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng điều khiển trƣợt điều khiển bộ lọc tích cực cho việc giảm sóng hài” để làm luận văn tốt nghiệp

2 Mục tiêu nghiên cứu

Điều khiển trượt đang giữ vai trò quan trọng trong các hệ thống điều khiển hiện đại, vì nó đảm bảo tính khả thi của hệ thống, đồng thời lại thực hiện tốt các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ như độ chính xác, độ tác động nhanh, tính bền vững và ổn định tốt, dễ thiết kế và thay đổi… Ưu điểm nổi bật của bộ điều khiển trượt là tính ổn định bền vững ngay cả khi hệ thống có nhiễu hoặc khi thông số của đối

tượng thay đổi theo thời gian Với các ưu điểm trên mục tiêu nghiên

cứu của đề tài là tạo ra được bộ điều khiển trượt điều khiển giảm lượng hài cho tải phi tuyến

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đồi tượng nghiên cứu các bộ điều khiển PID, điều khiển trượt điều khiển bộ lọc tích cực cho việc giảm sóng hài cho các tải phi tuyến

- Nghiên cứu tạo bộ điều khiển trượt điều khiển bộ lọc tích cực cho việc giảm sóng hài gây ra bởi tải là biến tần và động cơ điện ba pha

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết

Kết hợp khảo sát các tải phi tuyến, mô phỏng đối tượng trên matlab/simulink

5 Cấu trúc của luận văn

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về sóng hài và các phương pháp lọc sóng hài

Chương 2 Nguyên lý điều khiển trượt

Chương 3 Nghiên cứu điều khiển bộ lọc tích cực cho việc

giảm sóng hài tải phi tuyến Chương 4 Mô phỏng và kết quả

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC

SÓNG HÀI 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.2 TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI

1.2.1 Sóng hài

Sóng hài là các sóng sinh ra có tần số khác tần số cơ bản, có thể xem đây là trường hợp riêng của sóng điều hòa, sóng điều hoà có thể coi là tổng của các dạng sóng sin mà tần số của nó là bội số của tần số cơ bản

Để đánh giá sự méo dạng sóng điều hòa do dòng điện hài gây

ra ta sử dụng thông số quan trọng đó là hệ số méo dạng THD (Total Harmonic Distortion) được xác định bằng biểu thức sau:

1 2 2

1.2.2 Các nguồn tạo sóng hài

Các nguồn sinh sóng điều hòa trong công nghiệp được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến Các phần tử phi tuyến điển hình là lõi thép của MBA, động cơ (đặc tính bão hòa của vật liệu sắt từ), các dụng cụ bán dẫn công suất như thyristor, diode của các bộ biến đổi (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều…), các đèn điện tử, nguồn hàn, các hệ truyền động điện, lò hồ quang điện, lò nấu thép cảm ứng, lò tôi cao tần

a.1 Chỉnh lưu cầu một pha (tải có tính cảm)

a.2 Chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển (tải có tính cảm) a.3 Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển (tải có tính cảm)

b Ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi các phụ tải tại nhà máy đường Đăk Nông

b.1 Giới thiệu sơ lược về hệ thống điện và các phụ tải của nhà máy đường Đăk Nông

b.2 Hệ thống phụ tải khâu ép mía

Được bố trí lần lượt qua 5 máy ép, Các động cơ điện kéo máy ép được sử dụng có 4 động cơ công suất 220KW, điều khiển tốc độ qua các biến tần và một động cơ điện công suất 440KW ở cuối khâu ép

b.3 Phân tích các ảnh hưởng của các sóng hài gây ra cho hệ thống điện từ hệ biến tần cung cấp cho động cơ điện máy ép mía

- Động cơ sử dụng trong khâu ép động cơ ba pha, công suất 220KW, điện áp 380V; dòng 394A Các thông số R, L được xác định

Rđc = 0.2( ); Lđc =3.10-3(H) Tốc độ định mức 736 (vòng/phút)

- Sơ đồ mô phỏng hệ thống cấp điện động cơ ép mía.(hình 1.29)

Hình 1.29 Sơ đồ mô phỏng hệ thống cấp điện động cơ ép mía

- Dạng sóng hài và hệ số méo dạng THD

+ Dạng sóng dòng điện 01 pha của hệ thống tải

Hình 1.30 Dạng sóng dòng điện của một pha của hệ thống tải

+ Dạng phổ dòng điện và độ méo dạng từ trường ở trường hợp cơ bản khi R=0.2 , L=3.10-3

1.2.4 Ảnh hưởng của sóng điều hòa bậc cao

Sự tồn tại sóng điều hòa bậc cao gây ảnh hưởng tới tất cả các thiết bị và đường dây truyền tải điện Chúng gây ra quá áp, méo điện

áp lưới làm giảm chất lượng điện năng

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI

1.3.1 Khái quát

Để triệt tiêu sóng hài hay sóng điều hoà bậc cao ta thực hiện bằng cách sử dụng các thiết bị có khả năng tạo ra các dạng sóng đối

ngược sóng hài để bơm vào hệ thống, với mục đích làm mất các sóng hài Bộ lọc sóng điều hoà có thể là:

a Bộ lọc RC

Bộ lọc RC có thành phần chủ yếu là điện trở R và tụ điện C Kết cấu của bộ lọc RC như hình 1.34

b Bộ lọc LC

Bộ lọc LC có thành phần chủ yếu là điện cảm L và tụ điện

C Kết cấu của bộ lọc LC như hình 1.35:

1.3.3 Bộ lọc tích cực

Phương pháp sử dụng bộ lọc tích cực là phương pháp hiện đại ngày càng chiếm ưu thế, rất mềm dẻo trong cấu hình phần cứng lẫn phần mềm để xử lý phù hợp với những loại tải và các điều kiện điện

áp nguồn cung cấp khác nhau

a Vai trò của bộ lọc tích cực

- Bù công suất:

- Bù sóng điều hòa điện áp:

- Bù sóng điều hòa dòng điện:

b Phân loại bộ lọc tích cực

Có nhiều cách phân loại dựa theo các tiêu chí khác nhau chẳng hạn như dựa vào bộ biến đổi công suất được sử dụng, dựa theo sơ đồ kết nối bộ lọc, dựa theo nguồn cấp…

- Phân loại theo bộ biến đổi công suất

- Phân loại theo sơ đồ

- Phân loại theo nguồn cấp

c Bộ lọc tích cực (AF)

Để thực hiện chức năng này bộ lọc AF hoạt động như một bộ nguồn ba pha tạo ra dòng điện thích hợp bơm lên đường dây Dòng điện này sẽ triệt tiêu các sóng điều hòa bậc cao sinh ra bởi tải phi tuyến là thành phần ngược pha với tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao Hình 1.36 Thể hiện cấu trúc của bộ lọc tích cực song song:

Hình 1.36 Bộ lọc bộ lọc tích cực song song:

Tải phi tuyến

~

AF

iF

1.3.4 Bộ lọc hỗn hợp

Thực chất là sự kết hợp của bộ lọc thụ động và bộ lọc tích cực

Sơ đồ cấu trúc bộ lọc hỗn hợp như hình 1.37

Ngoài ra khi kết hợp AF và AFs ta được bộ UPQC (Unified Power Quality Conditioner) kết hợp được cả tính năng của AF và AFs.Trong UPQC, AFs có chức năng cách ly sóng điều hòa giữa tải

và nguồn, điều chỉnh điện áp, giảm dao động, giữ điện áp cân bằng

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

2.1 KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

2.2 TÌM HIỂU VỀ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT

Nguyên tắc chung của điều khiển trượt là điều khiển sao cho sai lệch e(t) giữa tín hiệu chủ đạo w(t) ở đầu vào và tín hiệu đầu ra y(t) của hệ thống tiến về 0 Để làm được điều này ta phải tạo được các hàm trượt các mặt trượt và các điều kiện trượt ta lần lượt nghiên cứu các vấn đề sau:

~

Lọc thụ động LC

AF

Theo thuộc tính của chuyển mạch đơn, hệ thống n chiều, mặt trượt

ký hiệu là S, được biểu diễn bởi tập các véctơ trạng thái trong không gian véctơ Rn, trong đó ràng buộc đại số h(x) = 0 được thỏa mãn

Với h: Rn R là một hàm đầu ra vô hướng trơn của hệ Ta định nghĩa:

Tập S biểu diễn một mặt trượt n- 1chiều trên Rn

tiêu điều khiển xác định trong hệ

S khi

S

S khi S

at

s

1

1 )

và làm nhẵn tín hiệu điều khiển không liên tục trong một lớp biên mỏng B(t):

) t X ( S : x )

Lớp này bao quanh mặt trượt S = 0 với bề dày và độ rộng

= /

Nếu luật điều khiển bảo đảm cho điều kiện trượt được thỏa mãn ở bên trong lớp biên B(t) thì sau một thời gian hữu hạn, sai số điều khiển sẽ bé hơn , nghĩa là:

/ )

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ LỌC TÍCH CỰC CHO VIỆC

GIẢM SÓNG HÀI TẢI PHI TUYẾN

3.1 NGUYÊN LÝ XÂY DỰNG BỘ LỌC TÍCH CỰC

Một trong các giải pháp để khử hiện tượng sóng hài là sử dụng các bộ lọc công suất tích cực mắc song song với tải Chức năng của các bộ lọc tích cực này là phát ra một dòng điện gọi là dòng bù hài bơm lên hệ thống để khử các thành phần hài gây ra do tải Ta có cấu trúc của hệ thống khi mắc thêm bộ lọc tích cực như sau:

Hình 3.1 Nguyên lý xây dựng bộ lọc

Trong khuôn khổ luận văn này ta nghiên cứu điều khiển giảm hài trên lưới do tải có sơ nguyên lý như sau:

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống nghiên cứu

3.2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC BỘ LỌC AF

3.2.1 Mô hình toán học

3.2.2 Cấu trúc điều khiển AF

Để điều khiển AF phát ra dòng điện hài bám theo dòng điện hài trên tải ta thực hiện theo cấu trúc như sau:

Hình 3.3 Cấu trúc điều khiển bộ lọc AF

PWM

Điều khiển nghịch lưu

LPF LPF

- +

v

s

vf

3.2.3 Xác định dòng điện bù hài (iref)

Trong luận văn sử dụng giải pháp tách dòng điện hài bằng bộ lọc thông dải tương tự (Band pass filter) như hình 3.4

Hình 3.4 Giải pháp tách dòng điện hài

Theo tài liệu [6] hàm truyền đạt của band pass filter là:

2 2

.

)

(

c

s B s

s B K s

3.2.4 LPF (Low pass filter)

Để hạn chế những dòng điện hài có tần số quá cao nhưng biên

độ không ảnh hưởng đáng kể, ta dùng bộ xử lý LPF là bộ lọc thông thấp (Low pass filter) Sơ đồ mạch điện như hình 3.6

Hàm truyền của bộ lọc là:

110.3,5

11

)

s s

K s

giác có tần số rất cao tạo thành chuỗi xung có chu kì bằng Ttam giác

nhưng độ rộng xung thay đổi phụ thuộc vào tín hiệu u Chuỗi xung này qua khâu relay tạo thành tín hiệu điều khiển các van của nghịch lưu Phương pháp điều chế PWM được thực hiện như hình 3.9

Hình 3.9 Phương pháp điều chế PWM

3.3 TÍNH CÁC THÔNG SỐ CỦA BỘ LỌC AF

3.3.1 Chọn nguồn điện một chiều cho bộ nghịch lưu:

Theo tài liệu [6], qua phân tích sơ đồ mạch nghiên cứu ta chọn

E = 1.2*2,45*220 660(V)

3.3.2 Tính chọn giá trị điện cảm L

Áp dụng theo tài liệu [9] ta có:

Giá trị điện cảm L được xác định bằng biểu thức sau:

t s

t

s f

f

V E f

V V L

4

Như vậy ta có giá trị điện cảm L là:

)(10.1.110000.10.4

220

H L

M

Trong đó : S là công suất biểu kiến của bộ lọc; E là giá trị sức điện động một chiều cấp cho mạch nghịch lưu; ΔU độ biến thiên điện áp trên tụ (lấy khoảng 5%E)

Ta có: U 5 % E 5 % 660 33 ( V )

Ta có:

1 2 2

% 06 27

* 7 197 1

61

2

2

A I

THD I

n

Công suất biểu kiến của bộ lọc là:

) ( 35310 5

53 220 3

Vậy giá trị điện dung C là:

) ( 10 58 2 50 2 2

1 33 660

35310 2

1

3 1

F U

E

S C

3.3.4 Xác định và lựa chọn thông số van điều khiển

Với tản nhiệt có tiết diện đủ lớn và điều kiện làm mát bằng quạt ta có thể chọn van với dòng định mức qua van là:

Iđm = 2Imax=2 2.53,5=151,3 (A)

Như vậy sơ bộ ta có thể chọn các van IGBT với dòng 200 (A)

3.4 XÂY DỰNG CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN

3.4.1 Bộ điều khiển PID

Từ cấu trúc của hệ thống: Sử dụng hình 3.3 cấu trúc bộ điều khiển AF

Ta có sơ đồ sơ khối các hàm truyền

Hình 3.12 Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển bộ AF Trong đó:

R(s) là bộ điều khiển

GNL(s) là hàm truyền của bộ nghịch lưu trong AF có hàm truyền

110.67.1

661

)

s s

T

K s

G

NL

NL NL

H(s) là hàm truyền của bộ lọc LPF:

110.3,5

11

)

s s

s

10 1 , 1

1 1

)

Biến đổi hàm trên ta được hàm tuyền tương đương như sau:

)110.723

s

Hình 3.13 Sơ đồ khối hàm truyền của hệ thống

600003

s s

I ref (s)

I f (s) +

-

Với đối tượng điều khiển là tích phân như trên ta có thể sử dụng phương pháp tối ưu đối xứng để tính toán bộ điều khiển Với phương pháp này và với hàm truyền đối tượng ta chọn bộ điều khiển tương ứng là bộ PI

Với hàm truyền của bộ điều khiển PI là:

)

1 1 ( ) (

s T K s R

I P

Trong đó :

- Xác định 4 > a >1 từ độ quá điều chỉnh σmax cần có của hệ kín, hoặc chọn a > 1 từ yêu cầu chất lượng đề ra a càng lớn, độ quá điều chỉnh càng nhỏ a ≥4: hệ không có dao động a ≤1: hệ kín không ổn định

Chọn vùng làm việc ở tần số trung bình và cao a=3,6

Vậy ta có :

3 3

10 2028 , 6 72310 1 6 , 3

1

a KT

T

KP

822 0 10 2028 , 6

10 1 , 5

3 3

I

P I

1 1

( 10 1 , 5 )

1 1 ( )

s s

T K

s

R

I P

3.4.2 Điều điều khiển trƣợt

a Cơ sở thiết kế bộ điều khiển trượt

Nguyên lý chung của điều khiển trượt theo sơ đồ:

Hình 3.15 Sơ đồ khối nguyên lý chung điều khiển trượt

b Thiết kế bộ điều khiển theo mô hình của đề tài

s

Sử dụng hình 3.13 Sơ đồ khối hàm truyền của hệ thống

b.2 Xây dựng phương trình trạng thái:

Ta xây dựng mô hình trạng thái của hệ thống như sau:

34823

1 0

)(

)(2

1

t x

t x

10.34823

Thế các thông tin trên vào ta có hệ phương trình trạng thái:

u t

x t

x x

t

x

x

34823 )

( 3 580 ) ( 10 34823

)

(

2 1

3 2

trượt ĐK trượt

Đối tượng ĐK

-

R(s)

)110.723.1(

600003

s s

I ref (s)

If(s) +

-

Để xét tính ổn định của hệ thống ta áp dụng tiêu chuẩn Lyapunov Hệ thống ổn định tiệm cận Lyapunov tại 0 với miền ổn

định O

d Xây dựng bộ điều khiển trượt

Trên cơ sở phân tích trên, áp dụng thực tế cho đề tài

Sai lệch tín hiệu: e1 = iref – if

Xác định mặt trượt

dt

de ke e ke

1 2 1

Điều kiện trượt:

0)sgn(

]),([

1

S i

i A i e B

Tuy nhiên với công thức như trên, cấu trúc như trên bộ điều khiển phức tạp Để đơn giản ta có thể áp dụng theo tài liệu [3] Khi đó ta có bộ điều khiển phản hồi tín hiệu như sau:

)

sgn(

)(

2

dt

de ke dt

w d dt

de k

Áp dụng điều này cho bài toán trong đề tài ta đề xuất bộ điều khiển:

u B ~ 1[( e  i ref) sgn( S )]

CHƯƠNG 4

MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 4.1 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG

4.1.1 Mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển PID

4.1.2 Mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển trượt

4.1.3 Các thông số mô phỏng trên matlab/simulink

Nguồn es, fs, Rs, Ls 220V; 50Hz; 0,2 ; 0,5.10-3H Tải Rđc; Lđc 0,2 ; 3.10-3H

Khi chưa có điều khiển dạng sóng dòng điện bị biến dạng mạnh và độ méo dạng cao THD = 27,06%

4.2.2 Khi sử dụng Bộ điều khiển PID

4.2.3 Khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt

- Dạng sóng dòng điện :

Hình 4.9 Dạng sóng dòng điện khi dùng điều khiển trượt

- Phổ dòng điện và độ méo dạng THD

Hình 4.10 Phổ dòng điện và độ méo dạng THD khi dùng điều khiển

trượt Như vậy ta thấy khi sử dụng bộ điều khiển trượt điều khiển bộ lọc thì độ méo dạng THD giảm xuống chỉ còn 4.56% so với khi chưa

sử dụng bộ lọc(27.06%)

4.2.4 Mô phỏng một số trường hợp khi tải thay đổi

Khi hoạt động các thông số điện trở và hệ số tự cảm L của tải

bị biến thiên thay đổi có ảnh hưởng đến chất lượng lọc, khi đó bộ điều khiển có khả năng điều khiển sao cho lọc được lượng hài tốt nhất

4.2.5 Nhận xét

Qua các mô phỏng trên ta đi đến một số nhận xét như sau:

- Trường hợp đầu tiên cùng giá trị tính toán, qua mô phỏng ta thấy khi chưa gắng bộ lọc độ méo dạng THD = 27,06% , khi gắng bộ lọc tích cực với bộ PID thì độ méo dạng THD còn 4,61%, khi gắng

bộ lọc tích cực với bộ điều khiển là bộ điều khiển trượt thì độ méo dạng THD còn 4.56%

- Khi các thông số của tải thay đổi có ảnh hưởng đến chất lượng bộ lọc, tuy nhiên bộ đã thể hiện được vai trò loạc hài của mình luôn hạn chế được lượng hài cho hệ thống điện, qua các mô phỏng trên ta thấy khi hệ số tự cảm thay đổi ảnh hưởng mạnh đến lượng hài