Thiệt kế độ chuyển đổi nguồn áp một pha AC sang ba pha AC

Minh họa chế độ hoạt động tăng áp Minh họa chế độ hoạt động hạ áp Mô hình mạch boost PFC có 2 pha xếp chồng Sơ đồ mạch boost PEC Dòng dién va dién 4p vao b6 boost PFC Sơ đồ thay thế kh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

HUTECH

University

é

„

ĐÀO VĂN TÂM

THIET KE BO CHUYEN DOI NGUON AP

MOT PHA AC SANG BA PHA AC

LUAN VAN THAC SI

Chuyén nganh: KY THUAT DIEN

Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:TS HƯỲNH QUANG MINH

HUTECH LIBRARY

CONG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa hoc : TS HUYNH QUANG MINH

5 | TS Pham Dinh Anh Khôi Uy vién, Thu ky

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chú tịch Hội đồng đánh giá LV

TRƯỜNG ĐH CONG NGHE TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH - ĐTSĐH Độc lập — Tự do —- Hạnh phúc

TP HCM, ngày tháng năm 20

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: ĐÀO VĂN TÂM Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 23 /05 / 1982 Nơi sinh: Châu Thành — Tiền Giang

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV: 1341830028 I- Tên đề tài:

Thiết kế bộ chuyên đổi nguồn áp một pha AC sang ba pha AC

H- Nhiệm vụ và nội dung:

- Tính toán thiết kế hệ thống

- Mô phỏng trên phần mềm Matlab

- Xây dựng mô hình thực nghiệm

- Lập trình nhúng DSP F28335 điều khiển hệ thống

- Đo lường phân tích đánh giá kết quả

IIH- Ngày giao nhiệm vụ: 18 / 08 /2014 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/01/2015 V- Cán bộ hướng dẫn: TS HUỲNH QUANG MINH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TS HUỲNH QUANG MINH

LOI CAM DOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng 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

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn

ii

LOI CAM ON

Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến TS Huỳnh Quang Minh đã tận tình hướng dẫn cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này,

Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thê quí thầy cô Trường Đại Học Công

Nghệ TP Hồ Chí Minh đã giảng đạy, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện, môi trường

học tập tốt cho tôi

Xin cảm ơn các anh em học viên lớp 13SMĐII1 ngành Kỹ Thuật Điện cùng

các anh em ở Trường Trung Cấp Nghề Khu Vực Cai Lậy đã chia sẽ, hỗ trợ và giúp

đỡ trong suốt quá trình học tập nghiên cứu

Cảm ơn ba mẹ, anh chị em và bạn bè đã động viên tôi trong suốt thời gian học Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn

Học viên

I

Đào Văn Tâm

iti

TOM TAT

Dé tai này thực hiện kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang để điều chế bộ

nguồn ba pha cầu H hai bậc để cung cấp nguồn cho phụ tải ba pha Phương pháp

điều chế PWM đã được đề xuất được hỗ trợ bởi phần mềm MATLAB nhằm kiểm

tra các trạng thái xác lập cũng như trạng thái quá độ, được thực hiện đối với tái R„L

cân bằng Với cấu trúc cầu H này sẽ làm cho mạch công suất đơn giản, ít linh kiện công suất giúp tiết kiệm chỉ phí và không gian thiết kế mạch

Việc điều khiển boost nguồn điện DC được thực hiện theo phương pháp điện

áp trung bình kết hợp với kỹ thuật điều rộng xung Hysteresis Các giải thuật điều

khiển đề xuất được thực nghiệm bằng việc sử dụng vi xử lý điều khiển tín hiệu số

DSP 28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ phần mềm MATLAB kết hợp chương

trình Code Composer Studio V3.3 biên dịch ra ngôn ngữ C và nạp cho vi xử lý

iv

ABSTRACT

This thesis applies amplitude of carry pulse width moldelation technique to

adjust the three phases of two step H bridge to supply source for the three phases

additional load The indicated PWM adjustment method is supported by MATLAB software to check the setting states as well as transitional states, applied to equilibrium R, L load This H bridge structure will simplify electric output capacity, lessen components that helps reduce cost and circuit space design

The DC power source boost control is carried out by the combination of medium voltage method and Hysteresis potential pulse adjustment method The

indicated algorithm controls are experimented by using DSP 38335 digital

processing unit and programing technique from MATLAB sofware combined with Code Composer Studio V3.3 program, translated into C language and installed on

processing unit

MUC LUC Lời Cam đOan cọ TH TH TT Hy Ki Ti nh kh tin sự i

Churong 1: TONG QUAN scsssssssssssssssssssssssessssssssssscsescssssssssnnsssnsssscsessssessesssssnseasses 1

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và

z3020 na — 1 1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu -.-. 1

1.1.2 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước -‹ -scsss s5: 5 1.2 Mục đích của đề tài nghiên CU .cceceececscceecenesesessseeeceecececaceneeensenes 6 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của để tài ch HH 6

1.4 Phương pháp nghiên cứỨU HH HH ng HS HH ng 7

CHƯƠNG 2: CỞ SỞ LÝ THUYẾT GIẢI QUYÉT HƯỚNG NGHIÊN CỨU §

2.1 Mô hình mạch PEC 1 nhánh .- -c- cQ cọ SH nà 8 2.2 Mô hình mạch PEC n nhánh . 2Q TS S2 kh 12

2.3 B6 nghich hr ap N 14

2.4 Cac phuong phap diéu ché ooo eee cece ceceeeeececeeneeesereneseeeens 15 CHUONG 3: TINH TOAN THIET KE MO PHONG BO BIEN DOI 1 PHA SANG 3 PHA DUNG CHINH LUU BOOST PFC 20

3.1 Tính toán mạch boost PEC LH HH HH nh nh nà cườu 20

3.2 Mô hình mô phỏng .- cc nQ SH HH SH vs xkg 21

3.2.1 Thiét lap thong s6 cho cdc KhOi .ccccccceceseecececcecceseseuneeeeeeseesen es 22 3.2.2 Các kết quả mô phỏng đạt được .-.- cv 26 CHUONG 4: XAY DUNG MO HINH THUC NGHIEM BO BIEN DOI 1

4.1 Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm . eeeseeeesseeenseeeeees 29

vi

4.2 Mô tả chỉ tiết mô hình thực nghigm ooo cccceceeeceeeeessnsasseeece 30

4.2.1 Sơ đồ tổng quan mạch công suất .- << +22< 25s << se 30

4.2.2 Mạch điều khiển .- c2 22100111 vn ve 32 4.2.2.1 Sơ đồ triển khai mạch kích xung - - ¿5c S22 32

4.2.2.2 Sơ đồ triển khai mạch cảm biến điện áp .-. -. cS co: 35

4.2.2.3 So đồ triển khai mạch cảm biến dòng điện 5 38

4.2.2.4 So dé triển khai mạch đệm bảo vệ DSP' ccc c7 << << 5e2 40

4.2.2.5 KitDSP TMS320F28335 TQ SH HH ngư 40 CHUONG 5: KET QUA THUC NGHIEM BO BIEN DOI 1 PHA SANG 3 PHA DUNG CHiNH LUU BOOST PFC BANG KY THUAT LAP TRINH

5.1 Giới thiệu thư viện lập trình nhúng của Matlab/Simulink 45

5.2 Mô hình lập trình nhúng của bộ chỉnh lưu trên Matlab/simulink 48

5.3 Kết quả thực nghiệm _ cSQ 2S QQS S222 2S 2n 2 xxx 52 s 1 ae 62

6.1 KẾt luận LcQ Q0 Q0 TS HH HS TH 111kV ng 111kg ra 63 6.2 Hướng phát triển để tài ccc S22 Sc St 63

: Tần số cơ bản sóng điều khiến

: Phần dư của áp điều khiển sau khi đã trừ phần nguyên

: Điện áp tải tham chiếu

: Dòng điện tải pha A

: Điện áp DC đo trên tụ C1

: Điện áp DC đo trên tụ C2

: Áp điều khiển

: Độ chêch lệch giữa áp tụ C¡ và Cạ

viii DANH MUC CAC BANG

Bang 5.1: Bang số liệu thực nghiệm của bộ biến đổi 1 pha ra 3 pha

Minh họa chế độ hoạt động tăng áp

Minh họa chế độ hoạt động hạ áp

Mô hình mạch boost PFC có 2 pha xếp chồng

Sơ đồ mạch boost PEC

Dòng dién va dién 4p vao b6 boost PFC

Sơ đồ thay thế khi van đóng

Sơ đồ tương đương khi van cắt

Dạng sóng đòng điện trên cuộn đây ở chế độ dòng liên tục

Mạch boost PEC với n — giai đoạn

Tín hiệu PWM khi tăng giai đoạn chuyển đổi bốn nhánh

Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung

Nguyên lý điều chế SPWM một pha

Hình mô phỏng khối giải thuat PFC

Hình 3.10: Hình mô phỏng khối xử lý tạo xung kích mạch nghịch lưu

Hình 3.11: Dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ vào

Hình 3.16: Dạng sóng dòng tải ba pha mạch nghịch lưu 27 Hình 3.17: Phân tích FFT của dòng điện ngõ vào 28

Hình 4.3: Sơ đồ thực nghiệm tông quan của bộ biến đổi 1 pha sang 3 pha dùng

Hình 4.4: Sơ đồ triển khai mạch công suất 31

Hình 4.7: Sơ đồ tổng quan khối tạo xung 32 Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 33

Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý mạch lái các IGBT 34

Hình 4.16: Mạch cám biến dòng sử dụng ACS712 39

Hình 4.17: Nguyên lý hoạt động mạch cảm biến ACS712 39

Hình 4.18: Sơ đồ mạch đệm bao vé DSP 40

Hình 4.21: Sơ đồ khối chức năng của DSP F28335 44

Hình 5.3: Thư viện Chip Support với các khối chức năng lập trình nhúng 46

Hình 5.6: Mô hình thực nghiệm của bộ biến đổi 1 pha ra 3 pha với kỹ thuật

nhúng từ Matlab/simulink 48

Khối xuất xung

Cửa số xuất xung GPIO

Dạng sóng điện áp và dòng điện chưa sử dụng giải thuật PFC

Phân tích hài dòng điện Is khi chưa sử dụng giải thuật PFC

Điện áp DC đo được trên tụ V0=20V

Hình dạng sóng điện áp Vs và dòng dién Is khi str dung PFC

Phân tích phổ hài dòng Is khi sử dụng PFC khi Vs=20V

Điện áp DC đo trên tụ khi Vs=20V

Dạng sóng điện áp nghịch lưu khi Vs=20V

Dạng sóng điện áp dây đo được trên pha AB khi Vs=20V

Dòng tải ba pha khi Vs=20V

Kết quả phân tích hai dòng điện khi Vs=20V

Hình dạng sóng điện áp Vs và dòng dién Is khi st dung PFC khi

Phân tích phổ hài dòng Is khi sử dụng PEC khi Vs=40V

Điện áp DC đo trên tụ khi Vs=40V

Dạng sóng điện áp nghịch lưu khi Vs=40V

Dạng sóng điện áp dây đo được trên pha AB khi Vs=40V

Dòng tải ba pha khi Vs=40V

Kết quả phân tích hài đòng điện ở điện áp Vs=40V

Chuong 1

TONG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong

và ngoài nước

1.1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu

Trong những năm gần đây khoa học kỹ thuật và công nghệ phát triển rất

mạnh mẽ, lĩnh vực Điện - Điện tử cũng không nằm ngoài trào lưu đó Chính khả năng phát triển mạnh mẽ như vậy đã làm nên quá trình chuyển biến sâu sắc cả

về lý thuyết lẫn thực tiễn trong đời sống khoa học kỹ thuật và công nghệ

Điều này trước hết phải kể đến sự ra đời ngày càng hoàn thiện của các bộ

biến đổi công suất Với kích thước nhỏ gọn, tác động nhanh, dễ dàng ghép nối với

các mạch dùng vi điện tử, vi xử lý hoặc máy tính Các hệ truyền động điện tự động

ngày nay thường sử dụng theo nguyên tắc điều khiển mạch vòng nối cấp, các mạch

điều khiển thích nghỉ hay nguyên tắc điều khiển vectơ cho động cơ xoay chiều

Phần lớn các mạch điều khiển này dùng các bộ biến tần với chương trình phần

mềm linh hoạt, đễ dàng thay đôi cấu trúc tham số hoặc luật điều khiển Vì vậy nó làm tăng độ tác động nhanh và độ chính xác cao cho hệ truyền động Chính vì lý

do này mà việc chế tạo chuẩn hóa các hệ thống truyền động hiện đại có nhiều đặc

tính làm việc khác nhau, đễ dàng đáp ứng theo yêu cầu của nhà sản xuất

Trong lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển đôi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là hết sức cần thiết Quá trình xử lý biến đổi điện áp một chiều thành điện

áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC Một bộ nâng điện áp là một

bộ biến đổi DC - DC hoặc AC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào

Bộ biến đổi AC-DC tăng áp hay được sử dụng ở mạch một chiều trung gian của thiết bị biến đổi điện năng công suất vừa, đặc biệt là các hệ thống phát điện sử

dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời) Cấu trúc mạch của bộ biến đổi vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo ổn định luôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu Thêm vào đó, bộ

biến đổi là đối tượng điều khiển tương đối phức tạp do mô hình có tính phi tuyến.

2

Mặt khác, trong các ứng dụng nói trên, việc trao đổi năng lượng theo hai chiều

(phóng và nạp vào nguồn dự trữ) là cần thiết để nâng cao hiệu suất của hệ thống, từ

đó dẫn đến nhu cầu cần các bộ biến đổi DC/DC hai chiều (bidirectional DC/DC converter), bao gồm cả tăng và hạ áp (boost/buck) Vai trò của bộ biến đổi DC/DC

hai chiều như vậy ứng dụng trong hệ thống nguồn năng lượng cho ô tô điện

Bộ biến đỗi DC/DC hoặc AC/DC về cơ bản được chia thành hai loại: cách ly

(isolated) và không cách ly (non-isolated) Loại cách ly sử dụng biến áp xung để

truyền tải năng lượng giữa phía cao áp và phía hạ áp Ở dải công suất lớn, biến áp

xung có kích thước lớn, giá thành cao, ngoài ra tốn hao trên biến áp lớn Loại này

phát huy tác dụng ở những ứng dụng yêu cầu nghiêm ngặt về sự cách ly về điện

giữa phía nguồn và phía tải, chẳng hạn như việc cấp nguồn cho các mạch vì xử lý

hoặc ở những ứng dụng có tỉ số điện áp giữa phía cao áp và phía hạ áp lớn Loại

không cách ly sử dụng cuộn kháng (và tụ điện) để phóng nạp dòng điện, biến đổi

điện áp Với loại không cách ly, năng lượng được truyền tải bằng cả dòng điện và từ

trường nên yêu cầu về kích thước lõi sắt từ được giảm xuống, trong khi với loại

cách ly, toàn bộ năng lượng được truyền qua từ trường nên lõi sắt từ phải có kích

thước lớn hơn nhiều Ngoài ra, tổn hao trên cuộn kháng cũng nhỏ hơn t ổn hao trên

biến áp xung Với những lý do trên, trong phần nghiên cứu này, ta chỉ thảo luận các

Cấu hình truyền thống và các chế độ hoạt động cơ bản của bộ biến đổi DC/DC hai chiều không cách ly được cho trên Hình 1.1 và Hình 1.2 Ta thấy rằng ở

công suất lớn, các van bán dẫn và cuộn kháng sẽ phải làm việc trong những chế độ

rất nặng nề Toàn bộ năng lượng trao đổi giữa phía cao áp và hạ áp được truyền qua

cuộn kháng Bên cạnh đó, van bán dẫn sẽ phải dẫn toàn bộ dòng và chịu toàn bộ

điện áp cao của mạch Với giới hạn về khả năng dẫn dòng, chịu áp của van lực và

khả năng truyền tải công suất của lõi sắt từ, ta rất khó đạt được công suất cao ở cầu hình truyền thống Ngoài ra, đập mạch dòng điện lớn trên tụ làm tăng kích thước và

dung lượng yêu cầu của tụ, góp phần làm tăng kích thước và giá thành của hệ thống

Để khắc phục vấn đề nêu trên, cấu hình bộ biến đổi AC/DC có pha xếp

chồng (interleaved boost PFC AC/DC converter) duge đưa vào nghiên cứu Hình

ảnh là một cầu trúc điển hình của loại này

thuật quan trọng dé nâng cao hiệu suất và tính khả thi của bộ biến đổi AC/DC với

công suất lớn Nếu như với các mạch công suất thấp truyền thống, việc thực hiện tần số chuyên mạch khoảng từ 100kHz trở lên là việc tương đối dễ đàng thì việc

chuyển mạch ở 25kHz voi van IGBT thương mai 1200V, 400A sẽ không thể thực

hiện được nếu không sử dụng kỹ thuật chuyển mạch mềm

Bên cạnh bệ nghịch lưu hiện nay không phải là một khái niệm mới mẻ, nó đã hiện hữu trên tất cả các quốc gia trên thế giới và hiện đang đóng vai trò rất quan

4 trọng trong các nghành công nghiệp và nghành điện Đối với nghành công nghiệp,

khả năng biến đổi năng lượng từ năng lượng điện sang năng lượng cơ, từ nguồn điện có tần số số này đến tần số khác đóng một vai trò hết sức quan trọng và chiếm

ưu thế bởi tính năng đặc trưng vượt trội của nó

Có nhiều phương pháp để chỉnh lưu như chỉnh lưu 2 bậc NPC, 3 Bậc NPC,

chỉnh lưu đa bậc, chỉnh lưu cascade, Các bộ nghịch lưu đa bậc hiện nay có các ưu

điểm là sử đụng bán dẫn có điện áp định mức thấp hơn cho các ứng dụng có điện áp

trung bình và có công suất cao, các sóng hài điện áp có biên độ thấp hơn, kích thước

bộ lọc nhỏ hơn, tổn hao chuyển mạch thấp hơn, nhiễu điện từ thấp hơn, điện áp ngược trên các bán dẫn công suất thấp hơn và ít gây ra tiếng dn

Việc nghiên cứu điều khiển các bộ nghịch lưu đã có từ hơn 30 năm qua,

trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển nghịch lưu

đã và đang được thực hiện ngày càng nhiều Đối tượng chính trong các nghiên cứu

này, ở thời kỳ đầu, thường là nghiên cứu các bộ nghịch lưu theo phương pháp điều

chế độ rộng sóng mang (CPWM) Đầu những năm 1990 trở đi các nghiên cứu mới

có nhiều hướng chuyển đổi mà một trong những hướng mới đã thu được nhiều

thành quả là nghiên cứu chế độ rộng xung theo phương pháp vectơ không gian

(SVPWM)

Do yêu cầu thiết kế, điều khiển 1 pha - 3 pha và mạch chỉnh lưu có điều

chỉnh tăng áp boost PFC AC - DC nên phần chỉnh lưu em chỉ giới thiệu về bộ

nghịch lưu 2 bậc

Để nghiên cứu bộ chỉnh lưu học viên sử dụng phần mém Matlab va Simulink

của hãng Mathwork, Inc [5], phần mềm này Có rất nhiều thuận lợi riêng biệt Matlab

cho phép sử dụng ngôn ngữ cấp cao như 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 phong, Simulink 1a nền tảng mà có

nhiều hàm giống nhau trong Matlab và có nhiều tập khối chuẩn cho phép người

dùng thực hiện các nhiệm vụ như: vào/ra, các phép tổng, hiển thị, đường tín hiệu,

Còn về phần cứng, khi học viên chọn Matlab là phần mềm phát triển sơ đồ, thì phần cứng có thê chọn để thực hiện mã tạo ra từ trong MATLAB nên học viên đã

chọn card DSP F28335 của hãng Texas Instruments [6] vind có khá năng lập trình nhúng Card DSP có hiệu suất cao, ít tổn hao công suất, không phụ hoạt động hệ

thống, và rất tương thích với MATLAB và Simulink

1.1.2 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước

- Các bộ nghịch lưu là thành phần chủ yếu trong bộ biến tần Ứng dụng của

chúng khá quan trọng và tương đối rộng rãi, chủ yếu nhằm vào lĩnh vực truyền động

điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao Trong lĩnh vực tần số cao, bộ nghịch lưu được dùng trong các lò cảm ứng trung tần Bộ nghịch lưu còn được dùng làm nguồn xoay chiều cho các hộ gia đình, làm nguồn điện liên tục UPS, điều khiển

chiếu sáng và còn ứng dụng trong lĩnh vực bù nhuyễn công suất phản kháng

-_ Để tài khảo sát và ứng dụng của bộ chuyển đổi tăng áp xen kẽ (Interleaved boost

converter cua Chuanynn wang, ngay 21 tháng 7 năm 2009 (Investigation on

Interleaved Boost Converters and Applications, Chuanyun Wang, July 21st, 2009, Blacksburg, Virginia)

- Dé tai thiét kế, thuc hién va diéu khién chuyén ddi AC/DC cô lập nguồn cung

cấp với hệ số công suất đầu vào cao và tần số cao cla MEHMET CAN KAYA (Design, implementation, and control of a two-stage AC/DC isolated power supply

with high input power factor and high efficiency)

- Dé tai nghiên cứu bộ nguồn ba pha cầu H gồm hai mạch NPC ba bậc, tác giả Bùi

Thanh Hiếu của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM do thầy PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ hướng dẫn

1.2 Mục đích của đề tài nghiên cứu

* Nghiên cứu, xây dựng và mô phỏng chương trình cho bộ nguồn chỉnh lưu

AC - DC có tăng áp (interleaved PFC AC-DC converter) dùng phần mềm mô phỏng matlab

s* Khảo sát đặc điểm của của bộ biến đổi Ipha - 3pha ứng dụng làm nguồn 3 pha

s* Nghiên cứu phần điều khiển nghịch lưu DC - AC, nghịch lưu 2 bậc

s* Thực hiện điều khiển tích phân PI (repectitive - PI Controller) để hiệu chỉnh

tang ap

s* Nghiên cứu tính toán, thiết kế và xây dựng chương trình mô phỏng cho

nghịch lưu 3 pha 2 bậc dùng phần mềm mô phỏng

“+ Lap trình điều khiển bộ chỉnh lưu AC/DC 1 pha dựa vào Card DSP

TMS320F28335

1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

Đề tài “Thiết kế, thi công và thử nghiệm bộ biến đổi 1 pha sang 3 pha dùng chỉnh lưu double boost PFC” đưa ra kết quả mô phỏng Từ đó thi công mô hình bộ

biến đổi 1 pha sang 3 pha dùng chỉnh lưu double boost PEFC 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 được các nhà nghiên cứu công

bố và đã thực thi để vận đụng vào đề tài

s* Nghiên cứu, xây dựng chương trình mô phỏng cho bộ biến đổi 1 pha - 3

pha dùng chỉnh lưu double boost PEC dùng phần mềm mô phỏng matlab

Tìm hiểu cấu trúc phần cứng, tập lệnh của DSP TMS320F28335 để lập

1.4 Phương pháp nghiên cứu

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

đề sau:

s* Thu thập, nghiên cứu các tài liệu liên quan về các bộ biến đổi 1 pha sang

3 pha dùng chỉnh lưu double boost PFC và các giải thuật được công bố

s Nghiên cứu và phân tích giải thuật đã chọn

s* Chọn phương án tốt nhất và có khả năng thực hiện đề tài

* Lập trình mô phỏng bằng công cụ phần mềm matlab

s* Lập trình điều khiển bộ chỉnh lưu trên dựa vào DSP TMS320F28335

s* Nhận xét kết quả - Kết luận.

Chuong 2

CO SO LY THUYET GIAI QUYET HUONG NGHIEN CỨU

2.1 M6 hinh mach Boost PFC 1 nhanh

Hinh 2.1: So dé mach boost PFC

- Giai thich hoat động mạch:

Khi van đóng: Diode D khóa do bị phân cực ngược bởi tụ C Năng lượng trong

tụ C xã qua tải, dòng điện từ nguồn dương qua cuộn L qua van rồi trở về nguồn âm

Khi van cắt: Diode D phân cực thuận đẫn dòng từ nguồn qua cuộn L nạp cho tụ

C với cực tính như hình vẽ Cuộn L đổi cực tính, điện áp nạp cho tụ C là Vẹ = Vs +

Vị Do vậy điện áp ngõ ra của mach boost cao hon điện áp ngõ vào

ra những phương pháp chọn thiết bị và điều khiển phù hợp nhất với thông số của

mạch theo yêu cầu

2.1.1 Điện áp ra

a Xét khi van bán dẫn đóng : Ta vẽ lại mạch như sau

Hinh 2.3: So dé thay thé khi van đóng

Điện áp đặt trên hai đầu cuộn dây là VL= Vs

Dòng điện qua cuộn dây tăng dân Ta có quan hệ sau:

di,

—==y,( mm (2.1) 2.1

Nếu xét trong thời gian rất ngắn thì có thé coi điện áp vào là ổn định, tốc độ biến thiên dòng điện qua cuộn L sẽ xác lập Khi đó công thức (2.1) có thể biểu diễn đưới dang sai phan như sau:

Bly Fs (2.2)

Gọi: Ton là chu kỳ dẫn của van

T là chu kỳ đóng cắt của van

Với giả thiết VL mang giá trị âm và lượng biến đối dòng điện Ai trên cuộn L

cũng mang giá trị âm ta có

Dang sai phan:

Khi dòng điện qua cuộn dây đã xác lập tổng lượng tăng dòng điện khi van đóng phải bằng tông lượng giảm dòng điện khi van hở do đó ta có:

Từ (2.8) ta thấy Vo > Vs và D càng lớn thì Vo càng lớn Vo= Vs khi D = 0

Thông thường ta lẫy D trong khoảng 0,1 < D < 0,9

2.1.2 Sự biến thiên điện áp đầu ra

Khi van đóng cắt tương ứng sẽ là quá trình nạp và phóng liên tiếp của tụ C

Khi đó điện áp ra sẽ có sự thay đổi phụ thuộc vào giá trị điện dung của tụ và tần số đóng cắt của van Ta có:

Với : f là tần số biến thiên điện áp đầu ra

2.1.3 Sự biến thiên đòng điện trong cuộn dây và chế độ dòng liên tục

Đề đảm báo được chức năng cho bộ PFC ta phải thiết kế dé mach Boost PFC

Hinh 2.5: Dạng sóng dòng điện trên cuộn dây ở chế độ dòng liên tục

(Ta tính toán đối với trường hợp tái thuần trở, khi tải mang tính cảm thì giá trị L trong mạch tăng làm cho dòng điện qua nó càng được mịn hơn)

Khi điện áp và dòng điện qua L đồng pha ta có

Công suat do nguôn cung câp:

Từ đó ta thấy dòng điện qua cuộn L lớn hơn dòng qua tải

Tir dé thị hình 2.5 ta có các biểu thức sau:

Xét trường hop:

Từ (2.8) và (2.11) ta có:

L=—

“(1-ÐY.R Vậy:

=>L>

Với: f là tần số đóng cắt của van

2.2 M6 hinh mach Boost PFC n nhanh

Phương pháp tang 4p 1 nhanh là rất thiết thực nhưng không phải là giải pháp

tối ưu về hiệu suất chuyển đổi, phương pháp song song cũng tương tự như phương

pháp I nhánh có ưu điểm là giảm dòng đầu vào và điện áp đầu ra nhấp nhô

Hình 2.6: Mach boost PFC v6i n — giai đoạn

Hình trên là một cấu trúc với n - giai đoạn tăng xen kẽ chuyển đổi được đưa

ra Nhưng trên thực tế là số nhánh tăng, sẽ kéo theo hệ thống phức tạp và bảo trì trở

nên khó khăn Uu điểm chính của đan xen là giảm dòng đâu vào và giảm điện áp

12

đầu ra nhấp nhô Những bắt lợi của phương pháp đan xen là tăng tín hiệu mạch lái, nhưng tín hiệu đến mạch lái đều được giai đoạn chuyên bởi số lượng quy định tại công thức

PS=kf” (2.15)

n

Trong công thức (2.15), n là số lượng nhánh xen kẽ và k là thứ tự của nhánh xen kẽ

rời rac (k = 1, ,n ) Trong hình (2.7) tín hiệu PWM áp dụng cho bốn giai đoạn tăng xen kẽ chuyên đổi được đưa ra Trong trường hợp này, xung kích mỗi nhánh mạch boost kẽ sẽ có tín hiệu logic lệch nhau 90° Tin hiệu điện áp vào và điện áp

đầu ra sẽ giảm nhấp nhô theo số nhánh n - giai đoạn chuyển đổi xen kẽ được phân tích trong các phần sau

Bộ nghịch lưu áp cung cấp và điều khiển điện áp xoay chiều ở ngõ ra, nguồn

điện áp một chiều có thế là: ắc quy, pin điện, điện áp xoay chiều được chỉnh lưu

và lọc phẳng

Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng, ngắt dòng qua nó

Trong các ứng dụng nhỏ và vừa có thể sử dung transistor BJT, MOSFET,

13

IGBT Ở phạm vi công suất lớn có thể dùng GTO, IGCT hoặc SCR kết hợp với

bộ chuyển mạch Với tải tổng quát, mỗi diode còn trang bị một diode mắc đối

song với nó Các diode mac déi song nay tao thành mạch chỉnh lưu cầu không

điều khiển có chiều dẫn ngược lại với chiều dẫn điện của các công tắc Nhiệm

vụ của bộ chỉnh lưu cầu diode là tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi công suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay chiều, qua đó hạn chế quá điện

áp phát sinh khi kích ngắt các công tắc

e Phân loại

> Theo số pha điện áp ngõ ra : bộ nghịch lưu áp một pha, ba pha

> Theo số cấp giá trị điện áp giữa đầu pha tải đến một điểm điện thế chuẩn

trên mạch có: hai bậc (two-level), đa bậc (Multi_ level — từ 3 bậc trở lên)

> Theo cấu hình của bộ nghịch lưu: dang cascade (cascade inverter), dang

nghịch lưu chứa diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped Multilevel Inverter),

> Theo phuong phap diéu khién :

- Phuong phap diéu réng

- Phuong phap diéu biên

-_ Phương pháp điều chế độ rộng xung (SH - PWM)

-_ Phương pháp điều chế độ rộng xung cái biến (Modifed PWM)

- Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVPWM ~ Carrier Based

PWM)

2.4 Các phương pháp điều chế

- Phương thức điều khiển độ rộng xung (PWM)

Nội dung của phương pháp điều chế độ rộng xung là tạo ra một tín hiệu sin

chuẩn có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện ra nghịch lưu Tín

hiệu này sẽ được so sánh với một tín hiệu răng cưa có tần số lớn hơn rất nhiều tần

số của tín hiệu sin chuẩn Giao điểm của hai tín hiệu này xác định thời điểm đóng

mở van công suất Điện áp ra có đạng xung với độ rộng thay đổi theo từng chu kỳ.

Hình 2.8: Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung (Vvại -

thành phan sin cơ bản, v ¡- điện một chiều vào bộ nghịch lưu, vạ - điện áp ra )

Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực, điều

biến theo độ rộng xung đơn cực và điều biến theo độ rộng xung lưỡng cực Trong

dé tài này em sử dụng phương điều chế độ rộng xung đơn cực

Có hai phương pháp điều chế cơ bản là:

-_ Điều chế theo phương pháp sin PWM (SPWM)

-_ Điều chế vectơ

$ Điều chế theo phương pháp sin PWM (SPWM)

Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụng một tín hiệu xung tam giác vạ; (gọi là sóng mang) đem so sánh với một tín hiệu sin chuẩn

v„ (gọi là tín hiệu điều khiển) Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ nghỉch lưu

một pha, thì ở ngõ ra sẽ thu được dạng xung điện áp mà thành phần điều hòa cơ bản

có tần số bằng tần số tín hiệu điều khiến v„ và biên độ phụ thuộc vào nguồn điện

một chiều cấp cho bộ nghịch lưu và tỷ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên độ sóng mang Tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều tần số tín hiệu điều khiển Hình 2.9 miêu tả nguyên lý của của phương pháp điều chế SPWM một pha:

Ve > Vi, Vso = Val 2 Ve < tri, Vag = -Vacl2

Đối với nghịch lưu áp ba pha có sơ đồ như hình 2.10 Đề tạo ra điện áp sin ba

pha dạng điều rộng xung, ta cần ba tín hiệu sin mẫu

Hinh 2.11: Nguyén ly diéu ché SPWM ba pha

Hệ số điều chế biên độ mạ được định nghĩa là tỷ số giữa biên độ của tín hiệu

điều khiển với biên độ của sóng mang:

Tạ =v— (2.16)

m; - hệ số điều biến

V, - biên độ sóng điều khiển

Vụ - biên độ sóng mang

Trong vùng tuyến tính (0 < mạ < 1), biên độ của thành phần sin cơ bản Vạạ; (điện

áp pha) trong dạng sóng đầu ra tÿ lệ với hệ số điều biến theo công thức:

Yac

VẠo = Trụ 5° (2.17) Đối với điện áp dây là:

Vac

Như vậy trong phương pháp này biên độ điện áp dây đầu ra bộ nghịch lưu chỉ có

thé đạt 86,67% điện áp một chiều đầu vào trong vùng tuyến tính (0 < mạ< 1)

Gia tri cla ms được chọn sao cho nên có giá trị dương và lẻ Nếu my là một giá

trị không nguyên thì trong đạng sóng đầu ra sẽ có các thành phần điều hòa phụ Nếu my không phải là một số lẻ, trong đạng sóng đầu ra sẽ tồn tại thành phần một

chiều và các hài bậc chẵn Giá trị của m¿ nên là bội số của 3 đối nghịch lưu áp ba

pha vì trong điện áp dây đầu ra sẽ triệt tiêu các hài bậc chẵn và hài là bội số của ba

Như vậy, nếu điện áp một chiều đầu vào không đổi, để điều chinh biên độ và tần số của điện áp đầu ra ta chỉ việc điều chỉnh biên độ và tần số của tín hiệu sin

chuan v, Dac trưng cơ bản của phương pháp này là thành phần sóng điều hòa của điện áp ra Muốn giảm các sóng điều hòa bậc cao cần phải tăng tần số sóng mang hay tần số PWM Tuy nhiên càng tăng tần số PWM thì tổn hao chuyển mạch lại

tăng lên

Phương pháp điều chế vecto không gian (Space Vector Modulation)

Phương pháp điều chế vector không gian xuất phát từ các ứng dụng của vector không gian trong máy điện xoay chiều, sau đó được mở rộng triển khai trong các hệ

số điện ba pha Phương pháp điều chế vector không gian và các đạng cải biến cuả

nó có tính hiện đại, giải thuật dựa chủ yếu vào kỹ thuật số và các phương pháp được

sử dụng phô biến nhất hiện nay trong lảnh vực điện tử công suất liên quan đến điều

khiển các đại lượng xoay chiều ba pha như điều khiển truyền động điện xoay chiều,

điều khiển các mạch lọc tích cực, điều khiển các thiết bị công suất trên hệ thống truyền tải điện

Khái niệm vector không gian và phép biến hình vector không gian: cho đại

lượng ba pha vạ, vụ, vạ cân bằng, tức thoả mãn hệ thức:

„†v;+v„=0 (2.20)

Hang sé k có thê chọn với các giá trị khác nhau Với k = 2/3, phép biến hình không

bảo toàn công suất và với k = 42/3 phép biến hình báo toàn công suất.

19

Chuong 3

TINH TOAN, THIET KE, MO PHONG BO BIEN DOI 1 PHA SANG 3

PHA DUNG CHINH LUU BOOST PFC

3.1 Tinh toAn mach Boost PFC

Ta sẽ tính toán cho mạch boost PFC có thông số như sau :

Công suất đầu ra: 1000 W

Điện áp đầu vào: 220 V , 50Hz

Điện áp đầu ra DC: 400 V

Tần số đóng cắt fsw =100kHz

Độ gợn dòng điện cuộn cảm: 10% Ipk

Hiệu suất bộ biến đổi 97%

Tính toán dòng điện đầu vào max:

Tinh toan d6 gon dong dién dau vao: AIL= 0,1 x Tigpkymax = 0,1 x 4,7x1,4 = 0.66 (A)

(lẫy độ dợn dòng điện cuộn cam 10% Ipk)

Al,

I LC pk) max =I i{ pk)max tt =402+ ^^ = 697

Tham sô điều chỉnh giữa điện áp vảo và điện áp ra:

V out 400 =0.22 Lựa chọn cuộn cảm:

Vw 11=12= Al, x f, =A 1, 0.66x 100000

Tinh toán chọn tụ lọc

_2xP,,xAr _ 2x1000x34x107

ro ÿ?_Ƒ? 400°—(220429

Chọn tụ Aluminium capacitors có thông số 1600 „ , 500V

Công thức tính toán theo [ 8 ]

œm XV2xD —- 22042 x0.22 _ ọ

=1100u#

4mH

20

3.2 Mô hình mô phỏng

- Điện áp xoay chiều vào: 220VAC/50Hz

- Hệ số công suất: 1

- Điện áp một chiều ra: 400Vde

- Công suất: IKW

Hình 3.1: Mô hình mô phỏng của bộ biến đổi 1 pha ra 3 pha

Khối nguồn AC cung cấp cho mạch chỉnh lưu một nguồn điện áp 220Vrms-

50Hz

Cuộn cảm L dùng đề boost điện áp ở ngõ ra và có giá trị 5mH

Khối công suất có chức năng đóng ngắt các khóa IGBT để chuyên đổi năng

lượng điện xoay chiều thành một chiều theo sự điều khiển của bộ điều khiển

Khối nghịch lưu biến đổi điện áp 1 chiều thành điện áp 3 pha

Khối tái là gm R,L mac néi tiếp tiêu thụ công suất

Nguyên lý hoạt động của hệ thống này là nhận năng lượng điện xoay chiều

từ khối nguồn AC thông qua cầu chỉnh lưu qua cuộn kháng L với sự tác động của

các xung điều khiển xuất ra từ bộ điều khiển nhằm điều khiên các IGBT trong khối công suất để chuyên đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một

{Gil Block Parameters: AC Voltage Sour

AC Voltage Source (mask) (link) Tdeat sinusoidal AC Voltage source

Porometers Peak amplitude (V):

Hình 3.4: Khối công suất mạch Boost

Khối công suất gồm có 2 Diode và 2 IGBT, một tụ dùng lọc điện áp ngõ ra

Chọn Diode có các thông sô sau:

Diode (mask) (iink})

Implements a diode in paratiel with a series RC snubber circuit

In on-state the Diode mode? has an internal resistance (Ron) and

23 Chọn tụ có các thông s6 sau:

wi Block Parameters: C331

i Series RLC Branch {mask) (link)

*| Implements a series branch of RLC elements

Use the 'Bronch type’ parometer to odd or remove elements from the

Sees RIC Branch Grask) fink)

Imolements 4 series branch of RLC elements

Use the ‘ranch tyne’ parameter to add or remove elements trom the branch