Nghiên cứu bộ chuyển đổi điện xoay chiều từ một pha sang 3 pha phù hợp điều kiện đồng bằng sông cửu long

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ 1.Tên luận văn: “Nghiên cứu bộ chuyển đổi điện xoay chiều từ một pha sang 3 pha phù hợp điều kiện đồng bằng Sông Cửu Long” 2.Nhiêm vụ của luận văn: -Khảo sát,

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN TIẾN

NGHIÊN CỨU BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN XOAY CHIỀU

TỪ 1 PHA SANG 3 PHA PHÙ HỢP ĐIỀU KIỆN

ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

S K C0 0 4 6 1 5

PGS.TS TRƯƠNG VIỆT ANH

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN TIẾN

NGHIÊN CỨU BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN XOAY CHIỀU

TỪ 1 PHA SANG 3 PHA PHÙ HỢP ĐIỀU KIỆN

ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

Hướng dẫn khoa học:

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: NGUYỄN VĂN TIẾN Giới tính: nam

Ngày, tháng, năm sinh: 10/11/1967 Nơi sinh: Bến Tre Quê quán: xã Lương Hòa, huyện Giồng Trôm, tỉnh Bến Tre Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Nguyễn Văn Tiến, trường Cao đẳng Bến Tre

(Nhà riêng 165D3 ấp An Thuận A, Xã Mỹ Thạnh An, TP Bến Tre, tỉnh Bến Tre)

Điện thoại cơ quan: 075 38 22294 Điện thoại nhà riêng: 0916 272 096 Fax: E-mail: tiencdt@yahoo.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: chính qui Thời gian đào tạo từ: tháng 07/1984 đến 07/1986 Nơi học (trường, thành phố): Trung học Kỹ thuật Công nghiệp Bến Tre

Ngành học: Điện Công nghiệp & Dân dụng

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Không chính qui Thời gian đào tạo từ năm 2000 đến năm 2005 Nơi học (trường, thành phố): trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ – Điện tử

Tên luận án tốt nghiệp: Thiết kế bộ điều khiển Đèn tín hiệu giao thông

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 07 năm 2005, tại trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn: Ts Nguyễn Văn Giáp

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

Từ 2005…

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 08 năm 2015

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Văn Tiến

LỜI CẢM TẠ

Chân thành cảm tạ Thầy PGS.TS Trương Việt Anh đã dành nhiều thời

gian để hướng dẫn, chỉnh sửa, tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Xin cảm ơn Ban Giám Hiệu, Quí Thầy – Cô, đặc biệt là thầy Cô Khoa Điện-Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã trang

bị cho em kiến thức trong những năm học tập tại trường

Xin cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp, đặc biệt là ThS Bùi Thanh Hiếu

đã giúp đỡ, hổ trợ hết mình trong việc chia sẽ tài liệu, tư vấn, góp ý kiến trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận văn tốt nghiệp

Học viên Nguyễn Văn Tiến

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.Tên luận văn:

“Nghiên cứu bộ chuyển đổi điện xoay chiều từ một pha sang 3 pha phù hợp điều kiện đồng bằng Sông Cửu Long”

2.Nhiêm vụ của luận văn:

-Khảo sát, tìm hiểu đặc điểm chung của lưới điện đồng bằng Sông Cữu Long

-Tính toán, thiết kế bộ biến đổi năng lượng điện xoay chiều từ 1 pha sang 3 pha dùng chỉnh lưu boost PFC và điều khiển bằng vi xử lý

-Xây dựng chương trình mô phỏng và mô phỏng bằng phần mềm Matlab -Thu thập dữ liệu, ghi nhận kết quả mô phỏng và kết luận

3.Thời gian và địa điểm nghiên cứu:

3.1.Từ 23 tháng 02 năm 2015 đến 23 tháng 08 năm 2015:

-Nhận Quyết định giao đề tài (trên cơ sở triển khai nội dung nghiên cứu từ Chuyên đề II) Gặp giáo viên hướng dẫn để nhận nhiệm vụ, yêu cầu của luận văn tốt nghiệp Xin ý kiến chỉ đạo của Thầy về hướng đi, phương pháp tiếp cận thông tin và thu thập dữ liệu liên quan Định hướng nghiên cứu, xác định các nội dung cơ bản của toàn bộ luận văn

suất Tính toán, thiết kế bộ biến đổi năng lượng điện xoay chiều từ 1 pha sang 3 pha dùng chỉnh lưu boost PFC và điều khiển bằng vi xử lý

+Xây dựng chương trình mô phỏng Mô phỏng bằng phần mềm Matlab, điều chỉnh các thông số cho phù hợp, thu thập dữ liệu, ghi nhận kết quả

+Trình giáo viên hướng dẫn, xin ý kiến nhận xét, kết luận về kết quả của quá trình nghiên cứu

4.Nội dung luận văn:

Chương 1: TỔNG QUAN

-Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong, ngoài nước -Tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học của đề tài,

-Mục đích, khách thể và đối tượng nghiên cứu

-Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

-Phương pháp nghiên cứu

-Kế hoạch thực hiện

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

-Giới thiệu linh kiện

-Các mạch điện cơ bản liên quan

Chương 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG BỘ CHUYỂN ĐỔI 1 PHA

AC SANG 3 PHA AC

-Thiết kế mạch Boost BFC

-Mô hình mô phỏng mạch Boost PFC

-Mô phỏng bộ chuyển đổi nguồn 1 pha AC sang 3 pha AC

-Thực nghiệm mô phỏng bộ nguồn với các dạng tải khác nhau

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN

5.Kết luận:

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành được nhiệm vụ và mục tiêu ban đầu đã đề

ra với các kết quả như sau:

-Luận văn đã nghiên cứu, thiết kế mô phỏng thành công bộ biến đổi điện xoay chiều từ một pha sang 3 pha

-Luận văn đã ứng dụng được công nghệ hiện đại vào khối điều khiển nhằm tăng độ tin cậy của thiết bị và đơn giản hơn trong lắp đặt, kiểm tra sửa chữa

-Đã tiến hành mô phỏng, khảo sát với tải 3 pha không đối xứng, tải động cơ điện 3 pha nhằm bảo đảm khả năng ứng dụng vào lưới điện Đồng bằng Sông Cửu Long

MASTER THESIS SUMMARY

1.Name of the thesis:

An investigation into Single-Phase–to-Three-Phase Converters in accordance with current conditions in Mekong Delta

+Designed simulating program; Simulated with Matlab; fine-tuned configuration(s), collected data and recorded results

+Presented research findings to Supervisor and appealed for comments on the findings

4 Thesis overview:

Chapter 1: INTRODUCTION

-An overview of Area of Study, and Domestic and international research findings

-Significance of the Study

-Aims and Research Samples

-Objectives and Scope of the Study

-Research methodology

-Research Procedure

Chapter 2: LITERATURE REVIEW

-Introduction to Components

-Basic related electric boards

Chapter 3: CALCULATIONS, DESIGNS AND SIMULATIONS OF PHASE-TO-THREE PHASE AC CONVERTERS

ONE Designs of Boost BFC Board

-Simulated Models of Boost BFC Board

-Simulations of One-Phase–to-Three-Phase AC Converters

-Simulation Experiments on One-Phase–to-Three-Phase AC Converters

Chapter 4: Conclusions

5.Conclusions:

This thesis completed the predetermined tasks and aims as follows:

-The thesis was successful in researching and designing Three-Phase Converters

Single-Phase–to The thesis successfully applied new technology that uses incorporates Microcontroler Processor into the control panel in orger to increase device reliability and simplicity in installation, testing and repair

-The thesis conducted simulation and investigation with three-phase asymmetrical electric circuits and load of three-phase engines in order to ensure the application in Mekong Delta power networks

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Xác nhận hoàn thành luận văn

Lý lịch cá nhân ……… i

Lời cam đoan ……… ii

Cảm tạ ……… iii

Tóm tắt ……… Iv Master thesis summary ………vii

Mục lục ……… x

Chương 1: TỔNG QUAN ……… ……… 1

1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, kết quả nghiên cứu ……… 1

1.1.1.Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu……… 1

1.1.2.Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước……….7

1.1.3 Tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học của đề tài……… 8

1.2.Mục đích, khách thể và đối tượng nghiên cứu ……….9

1.2.1 Mục đích nghiên cứu ………9

1.2.2 Khách thể và đối tượng nghiên cứu ……….9

1.3.Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài ………10

1.4.Phương pháp nghiên cứu ……… 10

1.5.Kế hoạch thực hiện……… 11

Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT ……….12

2.1 Giới thiệu linh kiện ……… 12

2.1.1 Diode ……… 12

2.1.2 MOSFET ……… 15

.1.3 IGBT ……… 19

2.1.4 Card DSP TMS320F28335 ………22

2.2 Các mạch điện cơ bản liên quan ……… 22

2.2.1 Mạch Boost PFC 1 nhánh ……… 22

2.2.2 Mô hình mạch Boost PFC n nhánh ……….28

2.2.3 Bộ nghịch lưu áp ………29

Chương 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG BỘ CHUYỂN ĐỔI 1 PHA AC SANG 3 PHA AC ………… 36

3.1.Thiết kế mạch Boost BFC ……….36

3.2 Mô hình mô phỏng mạch Boost PFC ……….37

3.2.1 Các tham số mô phỏng ………37

3.2.2 Giải thuật Boost PFC ………37

3.2.3 Mô hình hóa mô phỏng Boost PFC ………38

3.3 Mô phỏng bộ chuyển đổi nguồn 1 pha AC sang 3 pha AC ……… 46

3.3.1 Các tham số mô phỏng ……… 46

3.3.2 Mô hình bộ chuyển đổi .47

3.3.3 Các kết quả mô phỏng đạt được: ………50

3.4 Thực nghiệm mô phỏng bộ nguồn với các dạng tải khác nhau ……….54

3.4.1 Mô phỏng với tải 3 pha không cân bằng ……….54

3.4.2 Mô phỏng với tải động cơ không đồng bộ 3 pha ………57

Chương 4: KẾT LUẬN ……… 61

4.1 Về nhiệm vụ của đề tài ……… 61

4.2 Về vấn đề còn tồn tại ………62

4.3 Về hướng phát triển của đề tài……… 62

Tài Liệu Tham Khảo ………63

PHỤ LỤC ……… ……… 64

Chương 1

TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1.Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Điện là một loại năng lượng mạnh và thông dụng nhất hiện nay Năng lượng điện có được từ quá trình chuyển đổi các dạng năng lượng khác như: năng lượng nhiệt từ dầu hỏa, năng lượng nước từ các nhà máy thủy điện, năng lượng địa nhiệt hay gần đây là năng lượng mặt trời, năng lượng sóng biển, năng lượng hạt nhân … Nhu cầu về năng lượng điện cho cuộc sống rất đa dạng, trang thiết bị dùng điện liên tục phát triển, đòi hỏi nguồn điện cung cấp cũng phải phong phú và biến đổi không ngừng

Bước phát triển quan trọng nhất của kỹ thuật cung cấp điện là từ 1975 đến

1990 và có tính cách mạng được đánh dấu bởi sự xuất hiện của các transistors cao

áp BJT (Bipolar Junction Transistor ) và thyristor điều khiển hoàn toàn GTO (Gate Turn Off Thyristor), tiếp đến là IGBT được phát minh bởi Hans W Beck và Carl F Wheatley vào năm 1982 IGBT là sản phẩm được hình thành bởi sự kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ Từ đây người ta dễ dàng chuyển đổi qua lại các dạng năng lượng điện phục vụ nhu cầu đa dạng của cuộc sống nhờ các linh kiện Điện tử công suất này có tần số đóng cắt lớn, làm việc ổn định ở vùng điện áp cao, khả năng chịu quá dòng, quá nhiệt lớn, dễ dàng kết nối điều khiển với các bộ Vi xử lý, máy

tính hay mạng truyền thông internet

Kỹ thuật biến đổi năng lượng điện đã gặt hái được khá nhiều thành tựu đáng kể trong những năm vừa qua Nhiều sản phẩm ứng dụng đã từng bước khẳng định được vai trò hữu ích của của nó trong việc phục vụ cuộc sống Tuy nhiên phải

thừa nhận rằng nó vẫn là còn là một ngành công nghiệp non trẻ, cần phải mất nhiều thời gian để tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện Hiện nay trên thế giới phổ biến một số dạng biến đổi năng lượng điện như sau:

- Bộ biến đổi AC/DC (Rectifiers):

Tức là biến đổi điện áp và dòng điện xoay chiều thành điện áp và dòng điện một chiều Phương pháp này đơn giản, có thể chỉ cần dùng một bộ diode chỉnh lưu điện xoay chiều, sau đó dùng các bộ lọc để có được điện áp và dòng điện một chiều theo yêu cầu

- Bộ biến đổi AC-AC Convertor:

Biến đổi điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng không đổi thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng thay đổi được

-Biến đổi điện áp một chiều – Chopper DC-DC:

Biến đổi điện áp một chiều có giá trị trung bình không thay đổi thành điện

áp một chiều có giá trị trung bình thay đổi được

- Bộ nghịch lưu - DC/AC converters:

Biến đổi năng lượng điện từ nguồn điện một chiều không biến thiên sang dạng năng lượng xoay chiều biến thiên theo thời gian Bộ biến đổi này hiện nay rất thông dụng bởi việc phát triển các dạng năng lương sạch như năng lượng mặt trời, năng lượng gió…

- Bộ biến tần trực tiếp - AC-AC Converter (Cycloconverter or Frequency

Changer):

Biến đổi điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng và tần số không đổi thành điện

áp xoay chiều với trị hiệu dụng và tần số thay đổi được

-Bộ biến tần gián tiếp AC-DC-AC:

Nguồn điện xoay chiều ban đầu được chỉnh lưu thành một chiều Sau đó chuyển đổi điện áp một chiều đó thành điện áp xoay chiều có trị hiệu dụng điện áp

và tần số có thể thay đổi được Thông thường khi muốn biến đổi điện áp Ac từ cấp điện áp này sang cấp điện áp khác người ta thường sử dụng kiểu biến đổi này nhằm

dễ dàng điều chỉnh các thông số biến đổi theo mong muốn

-AC Switches: Matrix Converter (biến tần ma trận)

Nhìn chung cấu trúc mạch điện của bộ biến đổi thường không quá phức tạp nhưng vấn đề đặt ra luôn nằm ở các giải thuật điều khiển bởi vì để đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo độ ổn định trong mọi tình huống luôn là trở ngại lớn cho việc đạt mục tiêu của các công trình nghiên cứu Ngoài ra do mô hình của

bộ biến đổi có tính phi tuyến nên vi ệc điều khiển nó tương đối phức tạp

Về nguyên lý cơ bản, khi muốn chuyển đổi qua lại các dạng năng lượng điện từ AC/DC; AC/AC; hay từ DC/DC ta có thể chuyển đổi theo cách dùng linh kiện điện tử công suất kết hợp với biến áp có hai cuộn dây độc lập cách ly về điện giữa hai ngõ vào và ra hoặc dùng các linh kiện điện tử công suất để chuyển đổi trực tiếp thông qua cuộn cảm - tụ điện (không cách ly) Kết hợp biến áp xung là cách truyền thống nhưng quá cồng kềnh do lõi sắt từ của biến áp quá lớn, khi cần biến đổi một công suất lớn sẽ rất tốn kém, hiệu quả kinh tế không cao Vì vậy người ta chỉ sử dụng nó khi cần nguồn biến đổi công suất không lớn lắm, chất lượng nguồn cách ly thật tốt (chống giật, chống dòng rò) còn hầu hết nguồn công suất lớn, sử dụng trong công nghiệp, điều khiển… đều dùng kiểu biến đổi trực tiếp sẽ có kích thước nhỏ gọn, công suất lớn, hiệu quả kinh tế cao

Với những đặc tính ưu việt như các phân tích vừa nêu, cho nên đề tài này chỉ khảo sát, nghiên cứu, phân tích các kiểu mạch biến đổi nguồn trực tiếp bằng linh

Vi xử lý điều khiển để tạo các mức điện áp và dòng điện theo yêu cầu (Hình 1.1) và (hình 1.2) lần lượt là hai mạch cơ bản dùng minh họa chế độ Boost tăng áp và Buck

b) c)

Hình 1.2b; 1.2c Mạch hoạt động ở chế độ Buck hạ áp Trong cả hai mạch cơ bản nêu trên ta đều có thể chuyển đổi năng lượng điện một cách dễ dàng Tuy nhiên, các van bán dẫn và cuộn cảm kháng sẽ luôn phải làm việc ở trạng thái kém an toàn bởi dòng qua chúng gần như đạt mức cực đại Toàn bộ năng lượng trao đổi đều được truyền qua cuộn kháng, các van bán dẫn sẽ phải dẫn toàn bộ dòng và điện áp cao của mạch

Do bản thân các van công suất có sự giới hạn về khả năng dẫn dòng, chịu

áp nên ta rất khó đạt được công suất cao ở các cấu hình cơ bản này Ngoài ra, chính

vì dòng điện đập mạch lớn nên ta phải dùng các tụ có dung lượng, kích thước lớn khiến cho bộ biến đổi năng lượng điện trở nên cồng kềnh, kém hiệu quả kinh tế

Để khắc phục các nhược điểm trên, cấu hình bộ boost có pha xếp chồng (Interleaved Boost PFC AC/DC converter) đã được đề xuất đưa vào nghiên cứu (Hình 1.3) ở trên là mạch boost có 2 pha xếp chồng

Một cách đơn giản, có thể xem đây là sự xếp chồng của các cấu hình cơ bản Trong đó công suất của cả hệ thống sẽ được chia đều cho các pha Tuy nhiên cần phải ứng dụng kỹ thuật chuyển mạch mềm mới có thể đạt được kết quả như mong muốn, đặc biệt là đối với những bộ chuyển đổi năng lượng điện có công suất lớn

Nghiên cứu, chế tạo các bộ nghịch lưu không còn là vấn đề gì mới mẻ Tuy nhiên, do tính hữu dụng gần như không thể thiếu trong sự tồn tại và phát triển của tất cả các ngành công nghiệp nên việc tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện, cải tiến là một việc làm tất yếu

1.1.2.Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước

Trên thế giới đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu và các thành quả to lớn được công nhận bản quyền sở hữu trí tuệ Trong đó có Đề tài khảo sát và ứng dụng bộ chuyển đổi tăng áp xen kẽ của Chuanyun wang ngày 21 tháng 7 năm 2009 (Investigation on Interleaved Boost Converters and Applications, Chuanyun Wang, July 21st, 2009, Blacksburg, Virginia)…

Nhiều công trình nghiên cứu và thực nghiệm trên thế giới đã mang lại kết quả rất khả quan trong lĩnh vực này Nhờ sự ra đời của các bộ vi xử lý, các linh kiện tích hợp với tần số tác động cao, công suất lớn, đã làm cho các thiết bị biến đổi ngày nay có kích thước nhỏ gọn nhưng tính năng đa dạng và chất lượng nguồn đạt chuẩn quốc tế

Các thành quả nghiên cứu đã được thương mại hóa bằng rất nhiều sản phẩm biến đổi có độ tin cậy cao trên thị trường hiện nay như các thương hiệu Inverter: ABB; Siemens; Omron; Rockwell; Schneider; Toshiba; Fuji; Yaskawa … Mặc dù thế, việc nghiên cứu để hoàn thiện hơn nữa các bộ biến đổi vẫn luôn là công việc không ngừng nghỉ của các nhà khoa học trên thế giới