Bài viết nghiên cứu khả năng ứng dụng mạch Back – to – Back vào các bộ biến đổi năng lượng trên các phương tiện giao thông vận tải, như tàu điện Metro, máy bay và một số ứng dụng kỹ thuật cao khác.
Trang 1TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN Số 23 (48) - Tháng 12/2016
Nghiên cứu ứng dụng mạch điều khiển back – to – back
giải thuật PI để ổn định nguồn điện trong các
phương tiện giao thơng vận tải
Application of back – to – back circuit with PI algorithm to stabilize power supply
in vehicles
ThS Huỳnh Lê Minh Thiện, Trường Đại học Sài Gịn Huynh Le Minh Thien, M.Sc., Saigon University
TS Hồ Văn Cừu, Trường Đại học Sài Gịn
Ho Van Cuu, Ph.D., Saigon University
ThS Nguyễn Hữu Phúc, Trường Đại học Sài Gịn Nguyen Huu Phuc, M.Sc., Saigon University
TS Trần Thanh Vũ, Trường Đại học Giao thơng Vận tải TP.HCM
Tran Thanh Vu, Ph.D., Ho Chi Minh City University of Transport
TS Đỗ Đăng Trình, Trường Đại học Tây Đơ (Cần Thơ)
Do Dang Trinh, Ph.D., Tay Do University (Cantho)
Tĩm tắt
Bài báo nghiên cứu khả năng ứng dụng mạch Back – to – Back vào các bộ biến đổi năng lượng trên các phương tiện giao thơng vận tải, như tàu điện Metro, máy bay và một số ứng dụng kỹ thuật cao khác Trong bài báo mơ tả cấu hình của bộ Back – to – Back sử dụng chỉnh lưu PWM và nghịch lưu PWM 2 bậc với vi điều khiển DSP F28335, khâu điều khiển PI mà điện áp DC trên tụ được kiểm sốt tốt hơn và
do đĩ kết quả điều khiển năng lượng cũng hiệu quả hơn Kết quả đạt được từ mơ phỏng và thực nghiệm cho thấy bước đầu khẳng định sự thành cơng hứa hẹn ứng dụng mơ hình Back – to – Back vào các phương tiện giao thơng thực tế cũng như ứng dụng vào các thiết bị hiện đại khác cĩ yêu cầu khắc khe về tiết kiệm năng lượng và hiệu quả năng lượng
Từ khĩa: Back – to – Back, AC – DC – AC, nghịch lưu hai bậc, PWM, hội tụ nhanh, chất lượng nguồn
điện dự phịng, điều khiển nguồn
Abstract
This paper proposes to apply the Back-to-back circuit to the energy converter in vehicles such as metro train, airplane and some other types of high-tech transportation This paper describes the Back-to-back configuration that uses two-level PWM rectifier and PWM inverter with DSP F28335 microcontroller and PI control unit on the rectifier side, which helps to control the DC voltage across the capacitor more effectively, bringing better result in energy control Results obtained from simulation and experiment shows promising potential for the application of the Back-to-back circuit to power supply in vehicles as well as in other modern equipment that strictly requires energy saving and energy efficiency
Keywords: Back – to – Back, AC – DC – AC, two level inverter, PWM, fast convergence, the quality of
power backup system, power control
Trang 21 Giới thiệu tổng quan mạch Back –
to – back
1.1 Đặt vấn đề
Một trong những biện pháp nâng cao
hiệu suất nguồn điện trên các tàu điện
ngầm, các hệ thống tàu Metro, hầu hết các
bộ điều khiển năng lượng xanh và một số
ứng dụng nhằm hiệu quả hóa năng lượng là
dùng bộ điều khiển năng lượng hai chiều
Back – to – Back, chúng ta đã và đang
dùng bộ biến đổi này như là một lựa chọn
hiệu quả cho vấn đề điều khiển năng lượng
để tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, với sự
đa dạng và khó tính của các tải phi tuyến
hiện nay, cùng với nhu cầu cần phải sử
dụng tiết kiệm và hiệu quả nguồn năng
lượng điện đòi hỏi hệ thống năng lượng
phải đạt được các chỉ số chất lượng tương
đối khắc khe, nên việc tối ưu các hệ thống
này cần thêm bộ lọc tích cực sử dụng trong
các hệ thống điều khiển/ biến đổi năng
lượng điện Bài báo này đưa ra cấu hình
ứng dụng bộ Back – to – Back điều khiển
hai bậc cho cả phía chỉnh lưu lẫn phía
nghịch lưu dùng Vi Điều Khiển
TMS320F28335 điều khiển chỉnh lưu và
nghịch lưu trong bộ Back – to – Back, nó
cũng đặt ra nhiều bài toán cần phải giải
quyết, mà đầu tiên là phải tối ưu dòng công
suất trả về nguồn khi phương tiện giao
thông hãm tải động cơ Bài báo tiếp theo sẽ
nghiên cứu thêm về dòng bù của bộ lọc
tích cực (APF) trong hệ thống Back – to –
Back để dòng điện này có tác động hiệu
quả nhất trong vai trò bù của nó, làm cho
năng lượng điện của nguồn đạt được các
tiêu chí cho các ứng dụng vận tải cao cấp
hiện nay
1.2 Mô hình tổng quát bộ Back – to –
Back
Mô hình tổng quát của một bộ Back –
to –Back như hình 1
Hình 1 Mô hình Back – to – Back
Cấu hình phần cứng của bộ Back – to – Back theo bảng 1 như sau:
Bảng 1: Thông số cấu hình mạch Back – to
– Back Stt Thiết bị Quy cách Nhãn
hiệu
01 Nguồn 3 pha 380Vac
02 Cảm biến áp Lem
hall lem lv 25-p
03 Kháng vào L1x3
20mH
04 Tụ ngõ vào C1x3
100uF
06 iGBTx12 GT60N323 Toshiba
07 Động cơ 3 pha 0.4kw Hitachi Xét về góc độ truyền tải năng lượng, thì một hệ thống tổng quát gồm dây của pha a, dây của pha b, dây của pha c của nguồn 3 pha, bộ lọc thụ động LC ngoc vào, mạch Back – to – Back, trong đó bao gồm một bên là nguồn – chỉnh lưu và bên kia là tải – nghịch lưu, và tải động cơ hoặc động
cơ, như hình 1
Phía nguồn – chỉnh lưu, hình 2:
Hình 2 Phía nguồn – chỉnh lưu
Trang 3Trích áp từ 3 pha A, B, C đưa qua
ADC của F28335 để lấy va , vb , vc so sánh
với sóng mang carrier tại tần số lấy mẫu
12kHz, như hình 3
Hình 3 So sánh sóng sine của 3 pha với
sóng mang để tạo xung kích
Xung kích lấy ra từ PWM của F28335
như hình 4
Hình 4 Xung kích iGBT
Trong hình 4, up-upd, vp-vpd, wp-wpd
lần lượt là các cặp xung kích cho ba cặp
iGBT của ba pha A,B,C
Điện áp ngõ ra bộ chỉnh lưu cũng là
điện áp vào DC cho bộ nghịch lưu, như
hình 5
Hình 5 Điện áp ngõ ra bộ chỉnh lưu
Phía tải – nghịch lưu, hình 6
Hình 6 Phía Nghịch lưu – tải động cơ
Xung kích các cặp S1-S4, S3-S6, S5-S2 lấy từ ngõ ra PWM2 của F28335, trong
đó tham chiếu sine để so với sóng mang
tam giác carrier được lấy sau ADC chung
với bộ chỉnh lưu Ta được dạng sóng dòng điện không tải ở ngõ ra sau phía nghịch lưu, như hình 7
Hình 7 Dạng sóng 3 pha không tải sau
nghịch lưu
2 Mô hình thực nghiệm Back - to - Back
Dựa trên cơ sở tổng quan phần 1, ta xây dựng mô hình thực nghiệm mạch Back
– to – Back như hình 8
Hình 8 Mô hình chạy thực nghiệm
Back – to – Back
Trang 42.1 Khối cảm biến
Hình 9 mô tả chi tiết khối cảm biến sử
dụng để trích thông số tín hiệu nguồn ba pha
Hình 9 Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp
Cảm biến áp dùng trong mạch là loại
Hall LEM LV 25-P
Cảm biến dòng loại Hall LEM LA
55-P, dòng cực đại 50A
Giá trị điện áp Vout ngõ ra thay đổi
khi ta tác động 1 trong 3 biến trở R2, R5,
R7 theo như trên hình Giá trị này phải
nằm trong một khoảng nhất định phụ thuộc
vào ngõ vào ADC của vi điều khiển, cụ thể
là 0-3V đối với TMS320F2833
Tải phi tuyến thử nghiệm gồm RL nối
tiếp phía ngõ ra bộ chỉnh lưu diode cầu 3
pha Phía đầu vào chỉnh lưu có cuộn kháng
AC Các giá trị Ldc = 20mH, Rdc =
48[Ohm]
2.2 Mạch lái
Mạch lái được mô tả trong sơ đồ khối
như hình 10, là mạch nhận xung từ Vi
điều khiển F28335 để tạo xung kích cho
các iGBT của cả phía chỉnh lưu và phía
nghịch lưu
Hình 10 Sơ đồ khối mạch lái
2.3 Khối điều khiển
Khối điều khiển sử dụng DSP TMS320F2833, hình 11
Hình 11 Sơ đồ khối điều khiển
TMS320F28335
Sơ đồ khối trên hình 11 thể hiện toàn
bộ quá trình tính toán thực hiện bên trong
Vi điều khiển Hệ thống đại lượng điện áp
và dòng tải được quy đổi sang hệ tọa độ
vuông góc, theo đó công suất tức thời p,q
được xác định
2.4 Giải thuật cho DSP
Lưu đồ giải thật điều khiển DSP để tạo
6 xung PWM cho khối chỉnh lưu và 6 xung PWM cho khối nghịch lưu để vận hành mạch Back – to – Back được mô tả theo hình 12
Trang 5Đọc giá trị 3 cảm biến áp nguồn (Va,Vb,Vc) Đọc giá trị 3 cảm biến dòng ngõ ra nghịch lưu (IFa,IFb,IFc) Đọc giá trị 3 cảm biến dòng tải (Ila,Ilb,Ilc) Đọc giá trị áp tụ (Vdc)
Lọc DC áp tụ tần số lấy mẫu 20khz
Chuyển đổi hệ tọa độ abc - > αβ0
Lọc DC cộng suất thực (congsuat_P)
Bù PI cho Vdc
Exit
ma_f >IFa ? (Khóa dưới đóng)K1=2
K1=1 (khóa trên đóng)
mb_f >IFb ? (Khóa dưới đóng)K2=2
K2=1 (khóa trên đóng)
mc_f >IFc ? (Khóa dưới đóng)K3=2
K3=1 (khóa trên đóng)
GPIOdata = K1+K2+K3
NO
YES
NO
YES
YES
NO
Chuyển đổi hệ tọa độ αβ0 -> abc
Hình 12 Lưu đồ giải thuật điều khiển cho DSP
2.5 Mô phỏng hệ thống
Mô hình Back – to – Back được mô
phỏng với điện áp ngõ vào 3 pha 50V, tần
số 50Hz, kháng ngõ vào L1 = 10mH, tụ lọc
ngõ vào C1 = 100 uF
Dạng sóng dòng điện 3 pha, hình 13
Phổ FFT dòng điện 3 pha
Hình 13 Dòng điện trên tải và phổ FFT
Dạng sóng điện áp giữa 2 pha, V_ab, hình 14
Trang 6Phổ FFT của V_ab
Hình 14 Điện áp V_ab trên tải và phổ FFT
Dạng sóng điện áp pha A, V_an, hình 15
Phổ FFT của V_an
Hình 15 Điện áp pha A và phổ FFT, V_an
Dạng sóng điện áp DC sau chỉnh lưu
PWM, hình 16
Phổ của dạng sóng điện áp DC sau
chỉnh lưu PWM
Hình 16 Điện áp DC và phổ FFT sau
chỉnh lưu PWM
Dạng sóng và phổ của dòng điện cũng nhe điện áp từ hình 13 đến hình 16 cho thấy các tiêu chí dòng điện và điện áp của ngõ ra phía chỉnh lưu cũng như phía nghịch lưu của bộ Back – to – Back đáp ứng tốt tiêu chí dòng và áp trên tải
2.6 So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm
Điều kiện tiến hành thực nghiệm:
1 50[ ], 30[ ]
rms
_dc 110[ ]
Động cơ Hitachi 0.4 kW 3 pha Dạng sóng mô phỏng điện áp DC ở mô hình không có khâu PI, hình 17
Hình 17 Sóng điện áp DC trên tụ, mô hình
không có khâu PI
Dạng sóng mô phỏng điện áp DC ở mô hình có sử dụng khâu điều khiển PI, hình
18
Hình 18 Dạng sóng mô phỏng khi có sử
dụng khâu PI
Mô phỏng dạng sóng trên tải áp nguồn, dòng nguồn – dòng tải hệ thống, hình 19
Trang 7Hình 19 Dạng sóng mô phỏng
Dạng sóng đo thực nghiệm, hình 20
Hình 20 Dạng sóng đo thực nghiệm: Áp
nguồn-dòng nguồn-dòng tải hệ thống
Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm
trên các hình từ 17 đến 20 minh chứng cho
sự cải thiện độ méo dạng sóng điện áp DC
trên tụ, cũng như dòng điện và điện áp tải
3 Kết luận
- Mô hình thực nghiệm mạch Back –
to – Back 3 pha ứng dụng trong giao thông
vận tải đã được thi công và thử nghiệm với
chế độ tải động cơ không đồng bộ Nguồn
cung cấp 3 pha 380V 50Hz được giảm áp
qua máy biến áp 3 pha, có khả năng thay
đổi mức điện áp dạng nhảy cấp Hệ thống
tải được thiết kế với bộ chỉnh lưu trực tiếp
PWM 2 bậc 6 xung, mắc vào tụ lọc C_dc
Dòng điện vào có các cuộn kháng AC ngõ
vào mắc nối tiếp với bộ chỉnh lưu Hệ
thống cảm biến áp và dòng điện đo lường
sử dụng loại Hall Card điều khiển DSP
TMS320F28335 được trang bị thuộc loại
phổ biến trong các mô hình nghiên cứu
điều khiển thiết bị điện tử công suất
- Giải thuật điều khiển dựa vào lý thuyết công suất tức thời, thực hiện trong
hệ tọa độ vector vuông góc αβ Điện áp dc phục vụ hoạt động của mạch lọc được duy trì gần như không đổi
- Mô hình có thể sử dụng cho mạch 3f 4 dây với tụ phân chia, tuy nhiên cần giải quyết triệt để bài toán bù chênh lệch áp của 2 tụ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Huỳnh Lê Minh Thiện, Hồ Văn Cừu, Trần
Thanh Vũ, “Xây dựng giải pháp điều khiển thích nghi hội tụ nhanh để thiết kế bộ lọc tích cực 3 pha”, Tạp chí khoa học trường ĐH Sài
Gòn, tháng 09 năm 2015
2 Tan Luong Van, Le Minh Thien Huynh, Thanh Trang Tran and Duc Chi Nguyen,
“Improved Control Strategy of Three-Phase Four-Wire Inverters using Sliding Mode Input-Ouput Feedback Linearization under Unbalanced and Nonlinear Load Conditions”,
AETA, Dec 2015
3 N.V.Nho, M.J Youn, Carrier PWM algorithm with optimized switching loss for three-phase four-leg multilevel inverters, IEE Electronics Letters, UK, Vol.41, pp.43-44, No.1, ISSN 0013-5194, Jan 2005
4 Nguyễn Văn Nhờ, Myung- Bok Kim, Gun-
Woo Moon, Myung- Joong Youn, “ A Novel Carrier Based PWM Method in Three-phase Four-Wire Inverters”, IEEE 2004
5 N.V Nho, N.X Bac and H-H Lee, "An Optimized Discontinuous PWM Method to Minimize Switching Loss for Multilevel Inverters", IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol.58, NO 9, SEPTEMBER
2011
6 Mauricio Aredes and Edson H Watanabe, “
New Control Algorithms For Series And Shunt Three-Phase Foure-Wire Active Power Filters”, IEEE Transactions on Power
Delivery, Vol.10, No.3, July 1995
7 Alessandro Cavini, Fabio Ronchi, Andrea
Tilli, “ Four-Wire Shunt Active Filters: Optimized Design Methodology”, IEEE 2003
8 Nguyễn Phùng Quang, “Matlab và Simulink”,
Trang 8NXB KHKT, Hà Nội, 2004
9 H.Akagi et al,” Instantaneous Power Theory
and Applications to Power Conditioning”,
IEEE Press 2007
10 N.V.Nho, M.J Youn, Carrier PWM algorithm
with optimized switching loss for three-phase
four-leg multilevel inverters, IEE Electronics
Letters, UK, Vol.41, pp.43-44, No.1, ISSN 0013-5194, Jan 2005
11 H Akagi, Y Kanazawa, A Nabae,
“Generalized Theory of the Instantaneous Reactive Power in Three-Phase”, Circuits, IPEC'83 - Int Power Electronics Conf.,
Tokyo, Japan, 1983, pp 1375-1386
Ngày nhận bài: 16/11/2016 Biên tập xong: 15/12/2016 Duyệt đăng: 20/12/2016