Điều khiển bộ chỉnh lưu điều rộng xung bằng phương pháp điều khiển công suất trực tiếp

Đến thập niên 90 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đư ứng dụng khá rộng rãi và thành công trong việc thay thế các khí cụ điện dùng để đóng ngắt nguồn điện cho những phụ tải một pha và ba p

Trang t a Trang

Xác nhận của cán bộ h ớng dẫn

Quyết định giao đề tài

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan iii

Lời cảm tạ iv

Tóm tắt v

Mục lục vi

Danh sách các chữ viết tắt ix

Danh sách các hình xi

Danh sách các bảng xv

Ch ng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài n ớc 1

1.1.1Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1

1.1.2 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài n ớc 2

1.2 Mục đích của đề tài nghiên cứu 3

1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 3

1.4 Ph ơng pháp nghiên cứu 4

Ch ng 2 C SỞ LÝ THUYẾT CỦA B CHỈNH L U 3 PHA 2.1 Tổng quan mạch chỉnh l u ba pha 5

2.2 Nguyên lý làm việc 7

2.3 Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh l u PWM 9

Ch ng 3 ĐIỀU KHIỂN B CHỈNH L U ĐIỀU R NG XUNG PWM B ẰNG PH NG PHÁP TR C TIẾP CÔNG SU T(DPC) 3.1 Các ph ơng pháp điều khiển chỉnh l u PWM 10

3.1.1 Cấu trúc điều khiển chỉnh l u PWM định h ớng theo vector điện áp dựa vào dòng điện (VOC) 11

3.1.4 Cấu trúc điều khiển chỉnh l u PWM theo VF-DPC 13

3.2 Bộ chỉnh l u điều rộng xung PWM bằng ph ơng pháptrực tiếp công suất DPC 14

3.3 Mô hình toán học điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh l u PWM 15

3.3.1 Khối công suất 15

3.3.2 Chiến l ợc điều khiển 16

Ch ng 4 MỌ PH NG B NGUỒN AC/DC 3 PHA 4.1 Bộ chỉnh l u ba pha 6 IGBT 31

4.1.1 Khối mạch động lực 32

4.1.2 Bộ điều khiển 35

4.1.3 Kết quả mô phỏng chỉnh l u ba pha 6 IGBT 36

4.2 Bộ chỉnh l u ba pha 12 IGBT (NPC 3 bậc) 35

4.2.1 Khối mạch động lực 46

4.2.2 Khối điều khiển 47

4.2.3 Kết quả mô phỏng chỉnh l u ba pha 12 IGBT 48

4.3 Phân tích thành phần hài 55

4.4 Bảng so sánh của chỉnh l u 3 pha NPC – 2 bậc và 3 bậc 57

Ch ng 5 XÂY D NG MÔ HÌNH TH C NGHIỆM B CHỈNH L U BA PHA B ẰNG PH NG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SU T TR C TIẾP 5.1 Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm 58

5.2 Mô tả chi tiết mô hình thực nghiệm 60

5.2.1 Sơ đồ tổng quan mạch công suất 60

5.2.2 Mạch điều khiển 63

5.2.2.1 Sơ đồ triển khai mạch kích xung 63

5.2.2.2 Sơ đồ triển khai mạch cảm biến điện áp 66

5.2.2.3 Sơ đồ triển khai mạch cảm biến dòng điện 69

5.2.2.4 Sơ đồ triển khai mạch đệm bảo vệ DSP 71

THU ẬT LẬP TRÌNH NHÚNG

6.1 Giới thiệu th viện lập trình nhúng của Matlab/Simulink 76

6.2 Mô hình lập trình nhúng trên Matlab/simulink 79

6.3 Kết quả thực nghiệm của bộ chỉnh l u ba pha 84

6.4 Nhận xét 94

6.5 Một số hình ảnh thực nghiệm tại phòng thí nghiệm 96

Ch ng 7 KẾT LUẬN 7.1 Kết luận 97

7.2 H ớng phát triển của đề tài 97

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

AC Alternating Current

DC Direct Current

ADC Analog-to-Digital Converter

DSP Digital Signal Processor

I/O Input/Output

IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistor

GTO Gate-Turn-Off thyristor

IGCT Integrated Gate Controlled Thyristor

NPC Neutral Point Clamped

PI Proportional-Integral

PWM Pulse Width Modulation

THD Total Harmonic Distortion

PFC Power-Factor Correction

CPWM Carrier Based Pulse Width Modulation

IEC International Electrotechnical Commission POD Phase Opposition Dispostion

VOC Voltage Oriented Control

DPC Direct Power Control

VFOC Virtual Flux Oriented

FOC Field Oriented Control

va,vb,vc Điện áp ba pha a,b,c

Uref Điện áp nguồn tham chiếu

Ua Điện áp nguồn pha A

Ia Dòng điện nguồn pha A

q* Công suất phản kháng yêu cầu

qtt Công suất phản kháng tức thời

S Công suất biểu kiến

Hình Trang

Hình 2.1: Mạch chỉnh l u ba pha 6

Hình 2.2: Sáu vector điện áp cơ bản 7

Hình 3.1: Các ph ơng pháp điều khiển chỉnh l u PWM 10

Hình 3.2: Cấu trúc điều khiển chỉnh l u PWM theo VOC 11

Hình 3.3: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh l u PWM theo VFOC 12

Hình 3.4: Cấu trúc điều khiển chỉnh l u PWM theo DPC 13

Hình 3.5: Cấu trúc điều khiển chỉnh l u PWM theo VF-DPC 13

Hình 3.6: Cấu trúc điều khiển chỉnh l u PWM theo DPC 14

Hình 3.7: Sơ đồ điều khiển bộ chỉnh l u ba pha theo công suất trực tiếp 16

Hình 3.8: Phân vùng vector cho ph ơng pháp điều khiển DPC 17

Hình 3.9: Các sector (n) 18

Hình 3.10: Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế theo công suất yêu cầu P* 19

Hình 3.11: Sơ đồ khối PI 20

Hình 3.12: Sơ đồ khối bộ chỉnh l u ba pha 6 IGBT 20

Hình 3.13: Phân vùng vector hệ trục tọa độ α – β 22

Hình 3.14: Các vector điện áp làm thay đổi công suất tác dụng tức thời p i 24

Hình 3.15: Các vector điện áp làm thay đổi công suất phản kháng tức thời q i 24

Hình 3.16: Sơ đồ khối bộ chỉnh l u ba pha 12 IGBT 25

Hình 3.17: Giản đồ vector điện áp bộ chỉnh l u 3 bậc 27

Hình 3.18: Đơn giản hóa cấu trúc mạch chỉnh l u NPC 3 bậc 27

Hình 3.19: Mô hình hoạt động của chỉnh l u chế độ hoạt động 1 28

Hình 3.20: Mô hình hoạt động của chỉnh l u chế độ hoạt động 2 28

Hình 3.21: Mô hình hoạt động của chỉnh l u chế độ hoạt động 3 29

Hình 4.1: Mô hình mô phỏng của bộ chỉnh l u ba pha 6IGBT 31

Hình 4.2: Mô hình mô phỏng khối nguồn 32

Hình 4.5: Mô hình mô phỏng mạch công suất 33

Hình 4.6: Tụ lọc C và tải R của bộ chỉnh l u 34

Hình 4.7: Cửa sổ thông số tụ lọc C và tải R 34

Hình 4.8: Khối hiển thị kết quả 35

Hình 4.9: Khối nội suy ADC 35

Hình 4.10: Khối điêu khiển 35

Hình 4.11: Điện áp xoay chiều ba pha 36

Hình 4.12: Dạng sóng dòng điện xoay chiều ba pha 36

Hình 4.13: Dạng sóng dòng điện xoay chiều ba pha với tải RL1=120 37

Hình 4.14: Dạng sóng dòng điện xoay chiều ba pha với tải RL2=90 37

Hình 4.15: Dạng sóng dòng điện xoay chiều ba pha với tải RL3=50 38

Hình 4.16: Dạng sóng dòng điện và điện áp pha A 38

Hình 4.17: Phân tích FFT của dòng điện pha A tải RL1=120 39

Hình 4.18 Phân tích FFT của dòng điện pha A tải RL2=90 39

Hình 4.19: Phân tích FFT của dòng điện pha A tải RL3=50 40

Hình 4.20: Dạng sóng cos 40

Hình 4.21 Dạng sóng công suất tính toán và công suất đặc Ptt,P* 41

Hình 4.22: Dạng sóng công suất Ptt,Qtt 41

Hình 4.23: Dạng sóng điện áp vab và điện áp dạng bậc vab 42

Hình 4.24: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh l u Vdc khi quá độ và đóng tải 42

Hình 4.25: Dạng sóng dòng điện một chiều chỉnh l u Idc(A) 44

Hình 4.26: Mô hình mô phỏng của bộ chỉnh l u NPC 3bậc 45

Hình 4.27:Mạch công suất của bộ chinh l u 3 bậc 46

Hình 4.28: Khối tải và cửa sổ thông số tụ lọc C và tải R 47

Hình 4.29: Khối điều khiển 47

Hình 4.30: Dạng sóng điện áp xoay chiều 3 pha 48

Hình 4.31: Dạng sóng dòng điện xoay chiều 3 pha 48

Hình 4.32: Dạng sóng dòng điện và điện áp pha A 49

Hình 4.36: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh l u cân bằng hai tụ

Vdc1,Vdc2(V) 51

Hình 4.37: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh l u tụ 1 52

Hình 4.38: Dạng sóng dòng điện một chiều tải RL1 52

Hình 4.39: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh l u tụ 2 53

Hình 4.40: Dạng sóng dòng điện một chiều chỉnh l u tụ 2 53

Hình 4.41: Dạng sóng cos 54

Hình 4.42: Phân tích FFT của dòng điện pha A 54

Hình 4.43: Giao diện của tiện ích Powergui 56

Hình 4.44: Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài dạng biểu đồ (Bar) 56

Hình 4.45: Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài dạng dữ liệu (List) 56

Hình 5.1: Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm 58

Hình 5.2: Sơ đồ thực nghiệm tổng quan của bộ chỉnh l u 3 pha 59

Hình 5.3: Sơ đồ triển khai mạch công suất 60

Hình 5.4: Sơ đồ thi công mạch công suất 60

Hình 5.5: Sơ đồ nối dây mạch IGBT 61

Hình 5.6: Hình dạng và sơ đồ chân của IGBT STGW40N120KD 61

Hình 5.7: Sơ đồ thực tế mạch IGBT 62

Hình 5.8: Tụ HCGFA 1800F-450VDC 62

Hình 5.9: Sơ đồ thực tế tải R 62

Hình 5.10: Sơ đồ tổng quan khối tạo xung 63

Hình 5.11: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 64

Hình 5.12: Thi công mạch nguồn 64

Hình 5.13: Sơ đồ nguyên lý mạch lái các IGBT 65

Hình 5.14: Thi công mạch lái các IGBT 66

Hình 5.15: Sơ đồ tổng quan mạch cảm biến áp 66

Hình 5.19: Mạch cảm biến dòng sử dụng ACS712 70

Hình 5.20: Nguyên lý hoạt động mạch cảm biến ACS712 70

Hình 5.21: Sơ đồ mạch đệm bảo vệ DSP 71

Hình 5.22: Kit vi xử lý DSP TMS320F28335 72

Hình 5.23: Sơ đồ bố trí 176 chân của F28335 74

Hình 5.24: Sơ đồ khối chức năng của DSP F28335 75

Hình 6.1: Th viện Target Preferences 76

Hình 6.2: Cửa sổ khai báo cấu hình phần cứng 77

Hình 6.3: Th viện Chip Support với các khối chức năng lập trình nhúng 77

Hình 6.4: Cửa sổ lựa chọn ngõ vào/ra digital 78

Hình 6.5: Cửa sổ khai báo ePWM 78

Hình 6.6: Mô hình thực nghiệm với kỹ thuật nhúng từ Matlab/simulink 79

Hình 6.7: Khối giao tiếp Matlab – DSP TMS320F28335 và cửa sổ thông số 80

Hình 6.8: Khối ADC 81

Hình 6.9: Cửa sổ ADC của DSP TMS320F28335 81

Hình 6 10: Khối điều khiển 83

Hình 6.11: Khối xuất xung 83

Hình 6.12: Cửa sổ xuất xung GPIO 84

Hình 6.13: Mô hình thực nghiệm bộ chỉnh l u ba pha 6 IGBT(2 bậc) 96

Hình 6.14: Các thiết bị đo trong quá trình thực nghiệm 96

B ng Trang

Bảng 2.1: Bảng trạng thái kích dẫn IGBT theo vector không gian 3 bậc 8

Bảng 3.1: Lựa chọn phân vùng sector 18

Bảng 3.2: Bảng thay đổi công suất tức thời (sector 1) 25

Bảng 3.3: Bảng chọn vector điện áp trong (sector 1 ) 25

Bảng 3.4: Bảng chuyển mạch bộ chỉnh l u 2 bậc 25

Bảng 4.1: Bảng số liệu mô phỏng bộ chỉnh l u ba pha 6 IGBT 31

Bảng 4.2: Bảng tổng kết điện áp ngõ ra, hệ số Cosφ và độ méo dạng THD (%) của bộ chỉnh l u hai bậc 44

Bảng 4.3: Bảng số liệu mô phỏng bộ chỉnh l u ba pha 12 IGBT 45

Bảng 4.4: Bảng tổng kết điện áp ngõ ra, hệ số Cosφ và độ méo dạng THD (%) của bộ chỉnh l u ba bậc 55

Bảng 4.5: Bảng so sánh của chỉnh l u 3 pha NPC – 2 bậc và 3 bậc điện áp ngõ ra, hệ số Cosφ và độ méo dạng THD (%) 57

Bảng 6.1: Bảng số liệu thực nghiệm của bộ chỉnh l u ba pha 6IGBT 84

Bảng 6.2: Dạng sóng điện áp dòng điện đầu vào đầu ra khi tải 120() 85

Bảng 6.3: Dạng sóng điện áp dòng điện đầu vào đầu ra khi tải 90() 88

Bảng 6.4: Dạng sóng điện áp dòng điện đầu vào đầu ra khi tải 50() 91

Bảng 6.5: Kết quả mô phỏng bộ chỉnh l u ba pha hai bậc 94

Bảng 6.6: Kết quả thực nghiệm bộ chỉnh l u ba pha hai bậc 94

Bảng 6.7: Bảng tổng kết quá trình thực nghiệm 95

Ch ng 1

1.1 T ng quan chung v lĩnh v c nghiên cứu, các k t qu nghiên cứu trong

vƠ ngoƠi n c

1.1.1 T ng quan chung v lĩnh v c nghiên cứu

Những thập niên 80 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử chỉ đ ợc ứng dụng trong

những mạch điều khiển, đo l ờng, khống chế, bảo vệ… hệ thống điện công nghiệp

gọi là điện tử công nghiệp

Đến thập niên 90 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đư ứng dụng khá rộng rãi và thành công trong việc thay thế các khí cụ điện dùng để đóng ngắt nguồn điện cho những phụ tải một pha và ba pha, làm các bộ nguồn công suất lớn trong công nghiệp… Với u điểm là kích th ớc nhỏ gọn, dễ điều khiển và thuận tiện, đáp ứng

tần số đ ợc mở rộng, khả năng về công suất, điện áp, dòng điện và độ tin cậy ngày càng đ ợc cải tiến

Trong đó, nhiều thiết bị biến đổi công suất đư đ ợc ứng dụng để phục vụ

những yêu cầu ngày càng cao của cuộc sống Các thiết bị biến đổi công suất đư giúp nâng cao hiệu quả quá trình biến đổi năng l ợng điện đồng thời luôn đ ợc cải tiến

và hoàn thiện để đáp ứng yêu cầu về chất l ợng điện năng Ngoài các ứng dụng truyền thống nh điều khiển động cơ điện, các bộ nguồn công suất, phạm vi ứng dụng của bộ biến đổi công suất ngày càng đ ợc mở rộng nh trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, l u trữ năng l ợng, và còn đ ợc ứng dụng trong truyền tải điện

Các vấn đề về sự hiệu chỉnh hệ số công suất, méo dạng sóng hài nh đư biết,

có đa dạng giải pháp đ ợc đề xuất bao gồm các bộ bù, các bộ lọc thụ động và tích

cực … nhằm cải tiến chất l ợng điện năng Các nghiên cứu bộ biến đổi tr ớc đây cho thấy bên cạnh các chức năng cơ bản của sự chuyển đổi công suất thì có một số

nh ợc điểm nh hệ số công suất thấp, năng l ợng chỉ chảy theo một chiều và có

nhiều sóng hài bậc cao Do đó các bộ biến đổi AC/DC PWM (pulse width modulation) có thể khắc phục đ ợc các nh ợc điểm trên để bắt kiệp với các yêu

cầu đặt ra trong tình hình mới, nó có nhiều ph ơng pháp điều khiển Các ph ơng pháp điều khiển cũ và mới bao hàm một sự thay đổi nhỏ trong cấu trúc của l ợc đồ điều khiển của các bộ biến đổi các bộ biến đổi năng l ợng điện này các van chuyển mạch nguồn đ ợc điều khiển nh các transistor l ỡng cực có cực cửa cách

ly (IGBT), các thyristor tắt mở bằng cực cửa (GTO), hoặc các thyristor điều khiển

có cực cửa kết hợp (IGCT) đ ợc chứa trong mạch công suất của bộ chỉnh l u để tích cực thay đổi dạng sóng của dòng điện ngõ vào, làm giảm độ méo, giảm sóng hài và do đó chúng cải thiện đ ợc hệ số công suất

Để nghiên cứu bộ chỉnh l u học viên sử dụng phần mềm Matlab và Simulink

của hãng Mathwork, Inc [19], phần mềm này có rất nhiều thuận lợi riêng biệt Matlab cho phép sử dụng ngôn ngữ cấp cao nh là C, C++ Matlab có hàng trăm hàm xây dựng sẵn và có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực: toán học, sự thống kê, việc xử lý và thu nhận ảnh, việc xử lý tín hiệu, sự mô phỏng, Simulink là nền

tảng mà có nhiều hàm giống nhau trong Matlab và có nhiều tập khối chuẩn cho phép ng ời dùng thực hiện các nhiệm vụ nh : vào/ra, các phép tổng, hiển thị,

đ ờng tín hiệu, Còn về phần cứng, khi học viên chọn Matlab là phần mềm phát triển sơ đồ, thì phần cứng có thể chọn để thực hiện mã tạo ra từ trong MATLAB nên học viên đư chọn card DSP F28335 của hãng Texas Instruments [20] vì nó có khả năng lập trình nhúng Card DSP có hiệu suất cao, ít tổn hao công suất, không

phụ hoạt động hệ thống, và rất t ơng thích với MATLAB và Simulink

1.1.2 M t s k t qu nghiên c ứu trong vƠ ngoƠi n c

Trong những năm gần đây, chỉnh l u đa bậc dạng đư đ ợc nghiên cứu và sử

dụng rộng rải trong n ớc nh :

Luận văn thạc sĩ của Bùi Thị Thanh Hiền– Thái nguyên về “ Nghiên cứu hệ truyền động điện biến tần-động cơ xoay chiều sử dụng biến tần 4 góc phần t ” - http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn thạc sĩ của Trần Thị Hoàn – Thái nguyên về “Nghiên cứu bộ biến

đổi AC/DC bốn góc phần t ” - http://www.lrc-tnu.edu.vn

Điều khiển VSC-HVDC - ng dụng trong truyền tải điện một chiều Hội An - Đảo Cù Lao Chàm ( Control of VSC-HVDC Aplication of HVDC transmission Hoi

An - Cu Lao Cham island)

Đối với n ớc ngoài:

Các chiến l ợc PWM đa bậc đư đ ợc đề xuất cho các ứng dụng công suất cao hoặc các ứng dụng điện áp cao cũng nh bù công suất phản kháng Các bộ

chỉnh l u đa bậc đư đ ợc nghiên cứu để đạt đ ợc hệ số công suất ngõ vào cao, giảm sóng hài dòng điện, giảm tổn thất trên chất bán dẫn, và làm cho độ nhấp nhô điện áp trên chất bán dẫn công suất thấp để giải quyết các ứng dụng điện áp cao Qua dữ

liệu trên internet, tạp chí khoa học, cho thấy một số tài liệu có liên quan đến đề tài

Tạp chí Control Strategy for Three Phase Voltage Source PWM Rectifier Based on the Space Vector Modulation, Kada HARTANI, Yahia MILOUD Moulay Tahar University of Saida University of Saida BP-138 En-nasr Saida – Algeria kada_hartani tháng 3/2010

1.2 M c đích c a đ tài nghiên cứu

 Nghiên cứu bộ nguồn chỉnh l u 3 pha điều rộng xung bằng ph ơng pháp điều khiển công suất trực tiếp

 Nghiên cứu, xây dựng ch ơng trình và mô phỏng ch ơng trình cho bộ nguồn chỉnh l u dùng phần mềm mô phỏng matlab

 Lập trình điều khiển bộ chỉnh l u AC/DC 3 pha trên dựa vào Card DSP TMS320F28335

1.3 Nhi m v và gi i h n c a đ tài

Đề tài “Điều khiền bộ chỉnh l u điều rộng xung bằng ph ơng pháp điều khiển công suất trực tiếp.” đ a ra kết quả mô phỏng Từ đó thi công mô hình bộ nguồn AC/DC 3 pha, đồng thời làm cơ sở áp dụng vào thực tiễn

Nhiệm vụ và giới hạn đề tài nghiên cứu

 Tìm hiểu các mô hình toán, các giải thuật đ ợc các nhà nghiên cứu công

bố và đư thực thi để vận dụng vào đề tài

 Nghiên cứu, xây dựng ch ơng trình mô phỏng cho bộ nguồn AC/DC 3 pha dùng phần mềm mô phỏng matlab

 Tìm hiểu trúc phần cứng, tập lệnh của DSP TMS320F28335 để lập trình nhúng

 Lập trình điều khiển bộ chỉnh l u ba pha trên cơ sở DSP TMS320F28335

 Thi công phần cứng bộ chỉnh l u ba pha

1.4 Ph ng pháp nghiên cứu

Để đáp ứng các mục tiêu đư đề ra, tiến hành nghiên cứu và giải quyết các vấn

đề sau:

 Thu thập, nghiên cứu các tài liệu liên quan về các bộ chỉnh l u AC/DC

3 pha điều khiển bằng PWM và các giải thuật chỉnh l u đ ợc công bố

 Nghiên cứu và phân tích các ph ơng trình toán học bộ nguồn AC/DC 3 pha

 Nghiên cứu và phân tích giải thuật đư chọn

 Chọn ph ơng án tốt nhất và có khả năng thực hiện đề tài

 Lập trình mô phỏng bằng công cụ phần mềm matlab

 Lập trình điều khiển bộ chỉnh l u trên dựa vào DSP TMS320F28335

 Nhận xét kết quả - Kết luận

giản nh ng khuyết điểm chính của các bộ chuyển đổi chuyển mạch tự nhiên này là

hệ số công suất thấp, phát ra các sóng hài và công suất phản kháng.Các sóng hài có ảnh h ởng không tốt lên hoạt động của hệ thống điện vì vậy cần phải quan tâm đến việc phát điện và điều khiển chúng

Một ph ơng pháp cơ bản và phổ biến để làm giảm các sóng hài ở dòng điện nguồn vào bộ chuyển đổi (dòng điện l ới) là dùng các kết nối đa xung dựa trên các

biến áp có nhiều cuộn dây, thêm vào đó là dùng các bộ lọc (lọc nguồn) thụ động hay

bộ lọc tích cực nhằm làm giảm sóng hài vào l ới điện

Bên cạnh đó, dựa trên các khái niệm về khử sóng hài đ ợc gọi là điều chỉnh

hệ số công suất (PFC) để làm giảm sóng hài các bộ biến đổi này, điều khiển các chuyển mạch công suất giống nh các IGBT, GTO hoặc IGCT đ ợc chứa trong mạch công suất của mạch chỉnh l u để thay đổi tích cực dạng sóng của dòng điện ngõ vào, làm giảm độ méo dạng của sóng dòng điện nguồn, làm giảm các sóng hài

do đó cải thiện đ ợc hệ số công suất

Tuy nhiên có một số ứng dụng mà ở đó luồng năng l ợng có thể bị đảo

ng ợc trong quá trình hoạt động Trong các ứng dụng này, bộ chuyển đổi năng

l ợng theo một h ớng phải có khả năng nhận năng l ợng hồi về nguồn cấp và đ ợc

biết nh sự khôi phục nguồn

Để điều khiển các chuyển mạch công suất và làm giảm độ méo dạng sóng dòng điện ngõ vào, cải thiện hệ số công suất ta áp dụng ph ơng pháp điều chế độ rộng xung Với ph ơng pháp này có đ ợc những u điểm mà các bộ chỉnh l u truyền thống ch a đạt đ ợc nh :

- Tăng hệ số công suất, hệ số công suất có thể đạt đến bằng một

- Giảm sóng hài bậc cao đi vào l ới điện để cải thiện chất l ợng điện năng

- Dạng sóng dòng điện nguồn có dạng sin

2.1.2 C u trúc b ch nh l u ba pha

Mạch chỉnh l u ba pha sử dụng nguồn ba pha có điểm trung tính với sơ đồ nguyên lý (Hình 2.1) nh sau:

Hình 2.1: Mạch chỉnh l u ba pha Cuộn dây L và điện trở R là hai thành phần của cuộn cảm tăng c ờng lọc nguồn

Mạch gồm sáu khóa K đ ợc điều khiển độc lập Mỗi khóa K gồm IGBT và diode mắc song song để dẫn điện hai chiều

Tụ C đ ợc dùng để lọc phẳng điện áp ra

Tải R đ ợc gắn vào tụ

2.2 Nguyên lý làm vi c:

Đầu vào biến tần (trong mạch nguồn cung cấp xoay chiều) có lắp thêm cuộn

cảm L đảm bảo công suất trao đổi hai chiều giữa l ới và tải, dòng điện chỉnh l u I

phải thay đổi đ ợc dấu Ta gọi I có dấu “+”khi nó có chiều h ớng về tải và ng ợc

lại có dấu “-” khi chiều của nó h ớng về l ới Vì dấu điện áp một chiều là cố định nên công suất có thể thay đổi hai chiều từ l ới về tải P= U.I > 0 và từ tải về l ới P= U.I < 0 Để thực hiện đ ợc nguyên lý làm việc trên biến tần cần có điều kiện:

Bắt buộc phải có điện cảm đầu vào

Giá trị điện áp một chiều Udc không đổi và phải lớn hơn giá trị điện áp chỉnh

Đồ thị 6 vector điện áp cơ bản khi điều khiển sự chuyển mạch các khoá bán

dẫn Sa, Sb, Sc Để thực hiện dòng điện đầu vào có dạng hình sin ng ời ta dùng

ph ơng pháp biến điệu vector không gian theo nh nghịch l u (SVPWM) Khi xem

ba cặp IGBT nh là ba khóa bán dẫn cho ba pha Sa Sb Sc Mỗi khóa có hai trạng thái đóng “1” và cắt “0” tạo ra sáu vector điện áp tác dụng là U1 (100), U2(110), U3(010) , U4 (101), U5 (001), U6 (101) và hai trạng thái không là U0(000) và U7 (111)

Bảng 2.1: Bảng trạng thái kích dẫn IGBT theo vector không gian

Bộ chỉnh l u ba pha dùng ph ơng pháp PWM có đ ợc những u điểm và

nh ợc điểm mà các bộ chỉnh l u truyền thống ch a đạt đ ợc nh :

u điểm:

 Điều chỉnh đ ợc giá trị điện áp DC ngõ ra

 Giảm sóng hài bậc cao (THD %) đi vào l ới điện để cải thiện chất l ợng điện năng

 Tăng hệ số công suất (PF), hệ số công suất có thể đạt đến bằng 1

Nh ợc điểm:

 Điều khiển phức tạp

 Gây nhiễu (EMI) do đóng ngắt tần số lớn

 Đắt tiền

2.3.2 G i i h n giá trị đi n áp trên đi n c m

Giả định rằng các chuyển mạch là lí t ởng, công suất hiệu dụng ở ngõ vào và ngõ ra có thể đ ợc xem bằng nhau trong một chu kỳ khi tổn thất công suất và sóng hài bậc cao đ ợc bỏ qua Vì vậy: P in = P out

Công suất hiệu dụng ở ngõ vào: Pin=3

Với Em :là giá trị đỉnh của điện áp ngõ vào (V)

id :là giá trị đỉnh của dòng điện ngõ vào (A)

Các ph ng pháp đi u khi n ch nh l u PWM

Đi u khi n theo véc t

Đi n áp Đi u khi n theo véc t từ thông o

Hình 3.1: Các ph ơng pháp điều khiển chỉnh l u PWM Điều khiển dựa trên từ thông ảo là ph ơng pháp điều khiển cần phải ớc

l ợng từ thông ảo của l ới điện và áp dụng ph ơng pháp điều khiển từ thông stator

của động cơ không đồng bộ cho l ới điện Nếu điều khiển bằng mạch vòng dòng điện thì gọi là ph ơng pháp VFOC (Voltage Flux Oriented Control), còn khi điều

khiển dựa theo công suất thì gọi là ph ơng pháp VF-DPC.Các cấu trúc điều khiển

chỉnh l u PWM đ ợc minh họa trên hình 3.1

3.1.1 C u trúc đi u khi n ch nh l u PWM định h ng theo vector đi n

áp d a vƠo dòng đi n (VOC)

Đặc điểm của ph ơng pháp điều khiển dựa vào dòng điện là xử lý tín hiệu trên hai hệ toạ độ là hệ toạ độ cố định α -β và hệ toạ độ quay d - q Các giá trị dòng điện đo đ ợc trong hệ ba pha đ ợc biến đổi sang hệ toạ độ cố định α -β sau đó đ ợc

biến đổi sang hệ toạ độ d - q Cấu trúc điều khiển chỉnh l u PWM theo VOC đ ợc trình bày trên hình vẽ 3.2

Hình 3.2: Cấu trúc điều khiển chỉnh l u PWM theo VOC

Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh l u PWM đ ợc trình bày , trong

đó l ợng đặt dòng i*q = 0 và đại l ợng đặt dòng i*d lấy ra từ bộ điều chỉnh điện áp

một chiều Khi điều khiển vector dòng điện IL trùng với trục d thì ILd = IL và ILq = 0

Do dòng điện id và iq đ ợc ớc l ợng từ ia, ib qua khâu biến đổi tọa độ a, b, c => β=> d - q

α-3.1.2 C u trúc đi u khi n ch nh l u PWM theo VFOC

Cấu trúc điều khiển chỉnh l u PWM theo VFOC có sự khác biệt so với VOC,

trục d ở đây đ ợc chọn trùng với vector L do vậy vector điện áp UL sẽ trùng với trục q, vector dòng điện IL trùng với vector UL nên ILd=0 và ILd=IL Do vậy mạch vòng điều chỉnh theo VFOC sẽ có l ợng đặt i*Ld = 0 và i*Lq lấy từ đầu ra bộ điều

chỉnh điện áp một chiều

Hình 3.3: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh l u PWM theo VFOC

3.1.3 C u trúc đi u khi n ch nh l u PWM theo ph ng pháp tr c ti p công su t (DPC)

Ph ơng pháp điều khiển trực tiếp công suất PDC cho chỉnh l u PWM đ ợc phát triển từ ý t ởng điều khiển trực tiếp mô men (DTC) của truyền động động cơ không đồng bộ.Trong đó hai đại l ợng của DTC là mô men và từ thông đ ợc thay

bằng công suất P và Q đây, chọn l ợng đặt công suất phản kháng Qref = 0 tức là cos= 1 L ợng đặt công suất tác dụng Prefđ ợc lấy từ đầu ra bộ điều chỉnh điện áp

một chiều nhân với l ợng đặt điện áp một chiều Udc Hai bộ điều chỉnh công suất

đ ợc thiết kế dạng khâu đóng cắt có đặc tính từ trễ (đặc tính rơle) :

Udc

L L L

R R R

Ea Eb Ec

0

ia ib ic

Pref Iref

Pref Ptt

Qtt Qref

n

Qtt Ptt

Udc

Udc

PWM

Sp Sq

Sa Sb Sc

Chọn sector

Hình 3.4: Cấu trúc điều khiển chỉnh l u PWM theo DPC

3.1.4 C u trúc đi u khi n ch nh l u PWM theo VF-DPC

Ph ơng pháp điều khiển chỉnh l u PWM theo VF-DPC giống nh ph ơng pháp điều khiển trực tiếp công suất PDC cho chỉnh l u PWM chỉ khác khâu chọn sector n ta dựa vào từ thông đ a vào bảng đóng cắt t ơng tự nh DTC

L L

3.2 B ch nh l u đi u r ng xung PWM b ng ph ng pháp đi u khi n công su t tr c ti p DPC.

Khối xung kích

Đo điện áp Ea,Eb,Ec và dòng điện ia,ib,ic đánh

giá công suất tức thời p,q và chọn sector n

n Qtt

Qtt

Ptt

Pd

Hình 3.6: Cấu trúc điều khiển chỉnh l u PWM theo DPC

Kh i ngu n ba pha : Khối nguồn AC cung cấp 3 điện áp cho khối công suất thông qua khối lọc ngõ vào

Kh i tr kháng ngu n : Gồm cuộn kháng, điện trở, khối ngăn không cho ngắn mạch ngõ vào và cũng là khối tăng c ờng

Kh i c l ng công su t: Đánh giá công suất tức thời

Kh i ch n sector n: Lựa chọn phân vùng vector

34 = sin( - )

3.3.2 Chi n l c đi u khi n

Chiến l ợc điều khiển của bộ chỉnh l u đ ợc thực hiện nh hình 3.7

n



tt p

tt q

q*=0

pa S

q S

tt

b S pb S

c S pc S

dc U

Hình 3.7: Sơ đồ điều khiển bộ chỉnh l u ba pha theo công suất trực tiếp

Giá trị đỉnh của dòng điện yêu cầu (I*) có đ ợc bằng cách so sánh giá trị của điện áp yêu cầu (U*dc) với giá trị của điện áp trên tụ lọc C (Udc) để có một giá trị sai

số đ a qua khối hiệu chỉnh áp PI Kế tiếp nhân dòng điện yêu cầu (I*) với điện áp trên tụ lọc C (Udc) ta đ ợc công suất tác dụng yêu cầu (p*).Để có đ ợc hệ số công

suất bằng một ta đặt công suất phản kháng yêu cầu q*=0 Giá trị công suất tác dụng tính toán(ptt), công suất phản kháng tính toán(qtt) và phân vùng sector (n) có đ ợc

từ ba điện áp nguồn và ba dòng điện nguồn thông qua khối ớc l ợng công suất Sau đó đem công suất tác dụng yêu cầu (p*), công suất phản kháng yêu cầu (q*=0)

so sánh với công suất tác dụng tính toán(ptt), công suất phản kháng tính toán(qtt) có

một giá trị sai số đ a vào khối điều khiển đặc tính trễ để xác định trong từng sector (n) cần tăng hay giảm công suất tác dụng, công suất phản kháng.Sau đó, đ a vào

khối xung kích điều khiển khối công suất (IGBT) sao cho công suất tác dụng tính toán (ptt), công suất phản kháng tính toán(qtt) bám theo công suất tác dụng yêu cầu (p*), công suất phản kháng yêu cầu (q*=0)

a Kh i c l ng công su t:

Khối ớc l ợng công suất là một phần quan trọng của hệ thống Mục đích là xác định công suất tính toán để so sánh với công suất đặt để đ a ra điều khiển hợp

lý Công suất tác dụng và công suất phản kháng của chỉnh l u PWM đ ợc tính trên tọa độ a, b, c là:

Hình 3.8: Phân vùng vector cho ph ơng pháp điều khiển DPC

Với sự phân vùng là 6 hoặc 12 khi giá trị tức thời giá trị công suất thay đổi sẽ

hạn chế số vector sử dụng Điều này gây ra dao động đập mạch công suất, ảnh

h ởng xấu đến chất l ợng điều khiển Để cải thiện, có thể thay đổi số mức trong bộ điều khiển đóng cắt Vị trí sector n=arctg(uα/uβ) ta đ ợc hình 3.8

Có thể mô tả bằng biểu thức toán học cho phân vùng vector:

Hình 3.9: Các sector (n)

Bảng 3.1: Lựa chọn phân vùng sector

c Kh i b đi u khi n đặc tính tr

Nguyên lý điều khiển: Theo hình 3.10 ta đư xác định đ ợc công suất yêu cầu P*, công suất yêu cầu P*đ ợc so sánh với tín hiệu công suất tính toán Ptt, khi công suất tính toán P nhỏ hơn công suất yêu cầu P* thì bộ điều khiển xuất xung kích để

các IGBT công suất đóng nhằm làm tăng công suất tính toán Ptt, khi công suất tính toán Ptt v ợt quá giá trị yêu cầu thì bộ điều khiển xuất xung kích để các IGBT công

suất đóng làm giảm công suất tính toán Pttxuống Nh vậy ngõ ra sẽ đ ợc giữ dao động quanh giá trị công suất yêu cầu P*với sai số định tr ớc

Hình 3.10: Nguyên lý xuất xung kích kỹ thuật điều chế theo công suất yêu cầu P*

Bộ điều khiển công suất có đặc tính trễ có ảnh h ởng lớn đến chất l ợng của

hệ: sóng hài bậc cao dòng điện, tần số đóng cắt, dao động đập mạch công suất và

tổn thất công suất Do vậy, việc lựa chọn tham số băng trễ và cấu trúc điều khiển rất quan trọng

- Độ nhấp nhô dòng điện ở trạng thái xác lập lớn

L

R R

N

ia ib ic

Udc

Hình 3.12: Sơ đồ khối bộ chỉnh l u ba pha 6 IGBT

Từ thiết kế đ ợc bộ điều khiển đóng cắt có đặc tính từ trễ đ a ra tín hiệu Sq

và Sp Lựa chọn số vùng của vector điện áp từ đó kết hợp với vị trí vector điện áp để

xây dựng bảng đóng cắt tạo nên vector điều khiển điện áp cho chỉnh l u PWM.Khi xem ba cặp IGBT nh là ba khóa bán dẫn cho ba pha Sa Sb Sc Mỗi khóa có hai trạng thái đóng “1” và cắt “0” tạo ra sáu vector điện áp tác dụng là U1 (100), U2(110),

U3(010), U4 (101), U5 (001), U6 (101) và hai trạng thái không là U0(000) và

dt di

Độ thay đổi công suất tác dụng, công suất phản kháng tức thời kế tiếp tính bằng:

s

e p

Từ (3.23) độ thay đổi công suất tác dụng, công suất phản kháng dựa vào các vector điện áp trong từng sector n đ ợc thể hiện nh hình 3.14, hình 3.15

Hình 3.15: Các vector điện áp làm thay đổi công suất phản kháng tức thời q i

Từ hình 3.15, hình 3.16 ta có lập đ ợc bảng thay đổi công suất tức thời theo các vector điện áp trong sector 1:

Bảng 3.2: Bảng thay đổi công suất tức thời (sector 1)

Từ bảng 3.2 ta chọn vector điện áp trong sector 1

Bảng 3.3 : Bảng chọn vector điện áp trong (sector 1)

T ơng tự ta chọn đ ợc vector điện áp cho 12 sector ta đ ợc bảng 3.4

 B ch nh l u ba pha NPC 3 b c:

C

L R

Ea Eb Ec

Udc1

Udc2

Sa1 Sa2

Sa3 Sa4

Sb1

Sb2

Sb3 Sb4

Sc1

Sc2

Sc3 Sc4

Hình 3.16: Sơ đồ khối bộ chỉnh l u ba pha NPC 3 bậc

 Vector không gian

Vector không gian của bộ chỉnh l u Trong quá trình đóng ngắt các linh kiện tạo ra điện áp một chiều Theo lý thuyết về không gian vector thì điện áp ba pha đó

có thể biểu diễn d ới dạng vector không gian Và nó sẽ thay đổi nhảy cấp trên hình

lục giác đa bậc Vị trí của mỗi vector điện áp trong không gian sẽ đóng ngắt các

trạng thái linh kiện Tiến hành khảo sát cụ thể cho bộ chỉnh l u ba để xác định giản

đồ vector không gian điện áp Giản đồ vector điện áp bộ chỉnh l u nh sau

Nh đư biết, ta có 27 trạng thái khả năng điều khiển kích dẫn linh kiện Ta xét mỗi trạng thái minh họa bởi tổ hợp kx (ka kb kc), với:

trong quá trình kích theo qui luật đối nghịch:

12 vector nằm trên đỉnh và trung điểm của lục giác lớn bao bên ngoài, 6 vector điện

áp nằm trên 6 đỉnh hình lục giác bên trong và vector không tại tâm của hình lục giác Đối với các vector nằm tại đỉnh các hình lục giác bên trong, tồn tại hai trạng thái kích dẫn khác nhau của linh kiện nh ng lại có cùng chung vị trí vector không gian(chú ý đây là vị trí cân bằng hai tụ C1,C2) Tồn tại ba trạng thái kích dẫn khác nhau cho cùng vector không

α

β

000 222 111

L R Ea

1 1

0 0 0

l u đ ợc sử dụng để tạo ra một sóng PWM bậc thang nh nhau ở phía AC của bộ

chỉnh l u, dạng sóng gần với dạng sóng sine với sóng hài dòng điện nhỏ hơn và độ

nhấp nhô du/dt thấp Điện áp Uab có 3 mức, dẫn đến có 3 chế độ hoạt động nh sau

Chế độ hoạt động 1, Sa1 và Sa2 on (Hình 3.19): Trong chế độ hoạt động này, điện áp Ua0 thiết bị đầu cuối ac bằng Udc / 2 (giả định rằng Udc1=Udc2) Điện áp

cuộn cảm tăng c ờng là UL =Ua-Udc/2 <0 (giả sử giảm điện áp trên các điện trở là không đáng kể)

Vì vậy giảm dòng nguồn ia và độ dốc của dòng dia/dt= (Ua-Udc/2)/ L Dòng nguồn ia sẽ nạp hoặc xả trên tụ Udc1 nếu hệ thống điện áp xoay chiều Ua là d ơng hoặc âm t ơng ứng

L R

0

i L

i a

R L Udc1

Udc2

2 1 0

Hình 3.19: Mô hình hoạt động chỉnh l u chế độ hoạt động 1

Chế độ hoạt động 2, Sa1 off và Sa2 on (Hình 3.20): Một thiết bị đầu cuối điện

áp Uao bằng không (giả định rằng Udc1=Udc2) Điện áp cuộn cảm tăng c ờng là

UL= Ua Do đó, dòng nguồn ia tăng hoặc giảm trong suốt chu kỳ d ơng hoặc âm

của điện áp cung cấp đầu vào t ơng ứng Dòng ia sẽ không nạp hoặc xả các tụ điện

DC ở chế độ hoạt động này

L R

Hình 3.20: Mô hình hoạt động của chỉnh l u chế độ hoạt động 2

Chế độ hoạt động 3, Sa1 và Sa2 off (Hình 3.21): Trong chế độ hoạt động này, thiết bị đầu cuối điện áp Uao thì bằng -Udc/2 Điện áp cuộn cảm tăng c ờng là

UL=Ua + Udc/2 > 0

Vì vậy dòng nguồn ia tăng và độ dốc dòng ia là dia /dt= (Ua+ Udc/ 2)/L Dòng nguồn ia sẽ nạp hoặc xả trên tụ điện C2nếu hệ thống điện áp Ua xoay chiều là nửa chu kỳ d ơng hoặc âm của điện áp cung cấp t ơng ứng.

L R

0

i L

i a

R L Udc1

Udc2

2 1 0