Nghiên cứu phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha bốn dây

Nghiên cứu phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha bốn dây Nghiên cứu phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha bốn dây Nghiên cứu phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha bốn dây luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU

Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp này là do em tự thiết kế dưới

sự hướng dẫn của thầy giáo Tiến sĩ Lưu Hồng Việt Các số liệu và kết quả trong đồ án là hoàn toàn trung thực

Để hoàn thành cuốn đồ án này, em chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã được ghi trong bảng các tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu nào khác mà không được liệt kê ở phần tài liệu tham khảo

Học viên

Hồ Mạnh Tiến

Mục lục

Trang 1

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ

Lời nói đầu

CHƯƠNG 1 TẢI/NGUỒN KHÔNG CÂN BẰNG VÀ TẢI PHI TUYẾN

1.1 Đặt vấn đề

1.2 Khái niệm về tải/nguồn không cân bằng

1.2.1 Định nghĩa tải/nguồn không cân bằng dựa vào sự chênh lệch công suất

1.2.2 Định nghĩa tải/nguồn không cân bằng dựa vào các thành phần đối xứng

1.3 Ảnh hưởng của tải/nguồn không cân bằng

1.4 Tải phi tuyến

1.4.1 Khái niệm tải phi tuyến

1.4.2 Ảnh hưởng của tải phi tuyến

1.4.3 Biểu diễn tải phi tuyến dưới dạng mạch điện

1.5 Kết luận

CHƯƠNG 2 BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU BA PHA

2.1 Đặt vấn đề

2.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha ba dây

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

2.2.3 Kết luận

2.3 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha bốn dây

2.3.1 Sơ đồ nguyên lý

2.3.2 Nguyên lý hoạt động

2.4 Mô hình bộ biến đổi bốn dây trong hệ tọa độ abc

1

4

4

4

4

6

9

12

12

13

20

22

23

23

23

23

24

27

27

27

29

32 Trang

2.4.1 Mô hình bộ biến tần bốn dây trong hệ tọa độ abc

2.4.2 Mô hình của chỉnh lưu bốn dây trong hệ tọa độ abc

2.5 Mô hình bộ biến đổi bốn dây trong hệ tọa độ dq0

2.5.1 Mô hình bộ biến tần bốn dây trong hệ tọa độ quay dq0

2.5.2 Phân tích trạng thái cân bằng của biến tần bốn dây trong hệ tọa độ quay dq0

2.5.3 Mô hình của chỉnh lưu bốn dây trong hệ tọa độ quay dq0

2.5.4 Phân tích trạng thái cân bằng của chỉnh lưu bốn dây trong hệ tọa độ quay dq0

2.6 Mô hình của tải không cân bằng và tải phi tuyến trong hệ tọa độ dq0

2.6.1 Tải cân bằng trong hệ tọa độ quay dq0

2.6.2 Tải không cân bằng trong hệ tọa độ dq0

2.6.3 Tải phi tuyến trong hệ tọa độ dq0

2.6.4 Tải không cân bằng và tải phi tuyến trong hệ tọa độ dq0

2.7 Kết luận

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTƠ KHÔNG GIAN

3.1 Điều chế vectơ không gian hai chiều

3.1.1 Vectơ không gian hai chiều

3.1.2 Tổng hợp vectơ chuẩn

3.2 Điều chế vectơ không gian ba chiều

3.2.1 Vectơ không gian ba chiều

3.2.2 Tổng hợp vectơ chuẩn trong hệ tọa độ αβγ

3.3 Thuật toán điều chế vectơ không gian cho bộ biến đổi bốn dây

3.3.1 Đặt vấn đề

3.3.2 Tổng quan về phương pháp điều chế vectơ điện áp cho bộ biến đổi bốn dây

3.3.3 Thuật toán điều chế vectơ không gian cho bộ biến đổi bốn dây

3.4 Kết luận

CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU BỐN DÂY

4.1 Các cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM ba pha

4.2 Điều khiển trực tiếp công suất tựa theo điện áp và từ thông ảo

4.2.1 Điều khiển trực tiếp công suất tựa theo điện áp (DPC)

32

34

35

35

38

40

41

42

42

42

44

45

47

49

49

49

52

53

53

57

64

64

65

68

76

77

77

79

79

4.2.2 Điều khiển trực tiếp công suất tựa theo

từ thông ảo (VF–DPC)

4.3 Điều khiển tựa theo điện áp và từ thông ảo

4.3.1 Điều khiển tựa theo điện áp (VOC)

4.3.2 Điều khiển tựa theo từ thông ảo (VFOC)

4.4 Kết luận

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

5.1 Mô hình chỉnh lưu bốn dây trong Matlab\Simulink\PLECS

5.1.1 Mô hình mạch lực

5.1.2 Mô hình khâu điều chế vectơ không gian ba chiều

5.1.3 Các bộ điều chỉnh điện áp và dòng điện

5.1.4 Mô hình khâu điều chế vectơ không gian ba chiều

5.1.5 Mô hình khâu tính góc phi của điện áp lưới

5.2 Kết quả mô phỏng

5.2.1 Trường hợp nguồn điện lưới cân

5.2.2 Trường hợp nguồn điện lưới không cân bằng

5.3 Kết luận

KẾT LUẬN

PHỤ LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO.

82

85

85

89

90

91

91

91

92

93

94

95

95

95

106

116

117

120

125

Danh mục các bảng

1.1 Tải không cân bằng và dòng trung tính 5 1.2 Tải không cân bằng và các hệ số không cân bằng 8 1.3 So sánh của tỷ lệ giữa độ lớn thành phần cơ bản và

2 Tải không cân bằng và tải phi tuyến trong hệ tọa độ dq0 46 3.1 Bảng vectơ chuyển mạch và điện áp tương ứng 56 3.2 Bảng vectơ chuyển mạch và điện áp tương ứng trong hệ

3.3 Vectơ chuyển mạch khác không tương ứng là V1, V2 và

V3

61 3.4 Các ma trận dùng cho việc tính toán những tỉ số điều biến 62 3.5 Bảng vectơ chuẩn và điện áp tương ứng trong hệ tọa độ

3.6 Sự bố trí của các tứ diện trong lăng trụ 67 3.7 Đặc điểm phân loại các sector trong lăng trụ 71 3.8 Bảng liệt kê ma trận A(3x3) phục vụ việc tính toán các tỷ

Danh mục các hình vẽ

Hình

1.1 phần riêng biệt: Thứ tự thuận, thứ tự ngược và thứ tự Phân tích tải/nguồn không cân bằng thành ba thành

không

9 1.2 Bốn khả năng có thể nối giữa nguồn và tải 11

1.3 Sơ đồ và dòng pha A của chỉnh lưu điôt ba pha không

1.4 Sơ đồ và dòng pha A của chỉnh lưu điôt ba pha có tụ

1.5 lọc L/C một chiều Sơ đồ và dòng pha A của chỉnh lưu điôt ba pha với bộ 16

1.7 Dạng dòng điện của ba chỉnh lưu điôt một pha có tụ lọc 18

1.8 Dòng trong trường hợp tải phi tuyến

1.9 Điện áp trong trường hợp tải phi tuyến

2.3 Đặc tính chuyển mạch của van lý tưởng 25 2.4 Sơ đồ khối tổng quát của bộ biến đổi ba dây 26

2.11 dây Mô hình tín hiệu trungbình lớn của nghịch lưu áp bốn 33

2.12 Mô hình tín hiệu trung bình lớn của chỉnh lưu ba pha

2.13 bốn dây trong hệ tọa độ quay dq0 Mô hình mạch tín hiệu trung bình lớn của nghịch lưu 39

2.14 Mô hình mạch tín hiệu trung bình nhỏ của nghịch lưu

2.15 lưu bốn dây trong hệ tọa độ dq0 Mô hình mạch tín hiệu trung bình lớn của một chỉnh 40

2.16 lưu bốn dây trong hệ tọa độ quay dq0 Mô hình mạch tín hiệu trung bình nhỏ của một chỉnh 41

3.1 Các khả năng chuyển mạch trong bộ biến đổi ba pha ba

3.2 Điện áp phía xoay chiều cho bộ biến đổi ba dây 51

3.6 định lăng kính Chọn lọc vectơ chuyển mạch kế tiếp, bước một: xác 59

3.7

Chọn lọc của vectơ chuyển mạch kế tiếp, bước hai: xác

định tứ diện – ví dụ cho trường hợp vectơ chuẩn trong

3.10 Vị trí 16 vectơ chuẩn trong không gian 66

3.11 Lưu đồ thuật toán xác định lăng trụ chứa vectơ V 70

3.12 Vectơ V nằm trong tứ diện có 3 vectơ chuẩn V1, V2 và

3.13 Biểu đồ xung mở van thuộc tứ diện 14 76

4.1 khiển nghịch lưu động cơ không đồng bộ Mối liên hệ giữa điều khiển chỉnh lưu PWM và điều 77

4.2 Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM ba pha 78

4.6 dây Sơ đồ cấu trúc VOC điều khiển chỉnh lưu ba pha bốn 85

4.7 Điều khiển ba kênh dòng điện trong chỉnh lưu bốn dây 88

4.8 dây Sơ đồ cấu trúc VOC điều khiển chỉnh lưu ba pha bốn 89

4.9 Sơ đồ cấu trúc VFOC điều khiển chỉnh lưu ba pha bốn

5.1 Mô hình chỉnh lưu PWM bốn dây trên Simulink\Plecs 92

5.6 Mô hình toàn bộ hệ thống trên Simulink\Plecs 95

5.7 Điện áp lưới VAG, VBG và VCG khi nguồn cân bằng 96

5.8 Các dòng điện IS_a, IS_b và IS_c 96

5.9 Các dòng điện IS_d, IS_q và IS_0 97

5.10 Điện áp điều khiển VS_a, VS_b và VS_c 97

5.11 Xung điều khiển của bốn van SWap, SWbp, SWcp và

5.14 Các dòng điện IS_a, IS_b và IS_c 100

5.15 Các dòng điện IS_d, IS_q và IS_0 100

5.16 Điện áp điều khiển VS_a, VS_b và VS_c 101

5.17 SWXung điều khiển của bốn van SWap, SWbp, SWcp và

5.22 Các điện áp điều khiển VS_a, VS_b và VS_c 104

5.23 SWXung điều khiển của bốn van SWap, SWbp, SWcp và

5.25 Điện áp lưới VAG, VBG và VCG khi nguồn mất pha C 107

5.27 Các điện áp điều khiển VS_a, VS_b và VS_c 108

5.28 SWXung điều khiển của bốn van SWap, SWbp, SWcp và

5.32 Điện áp điều khiển VS_a, VS_b và VS_c 111

5.33 SWXung điều khiển của bốn van SWap, SWbp, SWcp và

5.38 SWXung điều khiển của bốn van SWap, SWbp, SWcp và

Lời mở đầu

Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối của một công nghệ sản xuất Từ trước đến nay, các hệ truyền động luôn luôn được quan tâm nghiên cứu, nâng cao chất lượng, đáp ứng yêu cầu ngày một cao của công nghệ mới Sự ra đời của các thiết bị điện tử công suất mới hoàn thiện hơn, ưu việt hơn đã góp phần cải thiện chất lượng các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện rất nhiều, không những đáp ứng được độ tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn giảm kích thước và giá thành hệ thống

Hiện nay, bộ biến đổi xoay chiều ba pha đã và đang được sử dụng trong các hệ thống công suất từ nhỏ đến lớn, từ vài trăm W đến vài MW với ưu điểm là điều chỉnh động cơ dễ dàng, tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên với truyền động nghịch lưu và chỉnh lưu dùng chỉnh lưu điôt, thyristor còn tồn tại nhiều nhược điểm như: sóng điều hoà bậc cao gây méo điện áp lưới, hệ số công suất thấp, không có sự trao đổi năng lượng giữa lưới và tải

Trong các hệ thống, tải/nguồn không cân bằng và tải phi tuyến là những trường hợp điển hình và phổ biến Chúng có những ảnh hưởng không tốt đến hoạt động bình thường của hệ thống, thậm chí có thể gây sự cố hệ thống Vì vậy, việc điều khiển hệ thống làm việc tốt trong điều kiện tải/nguồn không cân hoặc tải phi tuyến trở thành một vấn đề có ý nghĩa thực tế lớn cần được nghiên cứu

Ngày nay, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi xoay chiều ba pha ba dây, chúng có đặc điểm chung là đều giả sử dòng điện trung tính bằng không Nguyên lý của chúng là điều chế độ rộng xung dựa trên việc tổng hợp vectơ chuẩn trong hệ tọa độ không gian hai chiều Các phương pháp điều khiển ngày càng hoàn thiện, mang lại hiệu quả cao đặc biệt

là trong điều kiện tải/nguồn không cân Do đó, cùng với những bước tiến nhảy vọt của công nghệ sản xuất van bán dẫn điện tử công suất, bộ biến đổi

ba pha ba dây ngày nay đã được áp dụng phổ biến và rộng rãi trong công nghiệp và các nghành sản xuất khác Tuy nhiên trong trường hợp tải/nguồn

không cân hoặc tải phi tuyến, do giả sử ban đầu sai với thực tế nên chất lượng điều khiển của các phương pháp này không tốt Vì vậy yêu cầu thực tế đặt ra

là ta cần nghiên cứu phương pháp điều khiển mới khắc phục những hạn chế như trên để ứng dụng và phổ biến trong thực tế sản xuất

Xuất phát từ vấn đề thực tiễn đặt ra như trên, được sự đồng ý của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Bộ môn Điều khiển Tự động và giáo viên

hướng dẫn TS Lưu Hồng Việt, tác giả đã chọn đề tài: "Nghiên cứu phương

pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha bốn dây"

Mục đích của đề tài: Luận văn sẽ áp dụng lý thuyết điều khiển hiện đại vào hệ thống ba pha không cân bằng hoặc hệ thống có tải phi tuyến để nâng cao chất lượng điều khiển của bộ biến đổi điện áp ba pha Nguyên lý của chúng là điều chế độ rộng xung dựa trên việc tổng hợp vectơ chuẩn trong không gian ba chiều Ngoài điều khiển dòng điện ba pha như trong bộ biến đổi ba pha ba dây, nó còn có thêm khả năng điều khiển dòng trung tính Đây

là một đề tài có ý nghĩa thực tế, nhằm nâng cao chất lượng, hiệu quả của các

bộ chuyển đổi điện áp ba pha

Phương pháp nghiên cứu:

– Nghiên cứu lý thuyết để mô hình hóa và xây dựng thuật toán điều khiển

– Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink/Plecs để mô phỏng và kiểm nghiệm các kết quả nghiên cứu lý thuyết

Luận văn gồm năm chương với nội dung tóm tắt như sau:

Chương thứ nhất trình bày khái niệm về tải/nguồn không cân bằng và tải phi tuyến và phân tích những tác động của chúng đối với những hệ thống

có chứa chúng

Chương thứ hai trình bày nguyên lý và mô hình của bộ biến đổi ba pha

ba dây và ba pha bốn dây, làm cơ sở cho việc điều khiển được trình bày ở các chương sau

Chương thứ ba phân tích các vấn đề liên quan đến điều chế vectơ không gian hai chiều và ba chiều Đồng thời trình bày thuật toán điều chế vectơ không gian ba chiều, từ đó ta có thể thiết kế được khâu này trong mô phỏng cũng như trong thực nghiệm

Chương thứ tư trình bày phương pháp điều khiển bộ biến đổi chỉnh lưu

ba pha bốn dây Nguyên lý chung của các phương pháp này là đều tựa theo điện áp lưới hoặc tựa theo từ thông ảo để điều khiển dòng điện hoặc điều khiển công suất tức thời Trong chương này, các sơ đồ cấu trúc điều khiển chỉnh lưu ba pha bốn dây được trình bày, làm cơ sở cho việc thiết kế hệ thống trong mô phỏng và thực nghiệm

Chương thứ năm mô phỏng cấu trúc điều khiển VOC cho bộ biến đổi chỉnh lưu ba pha bốn dây trong điều kiện nguồn cân bằng và không cân bằng trong trường hợp dòng tải dạng không đổi, dạng bậc thang và dạng tăng dần đều Kết quả mô phỏng thu được cho ta thấy tính đúng đắn của lý thuyết trình bày ở trên

Phần kết luận sẽ khái quát lại những kết quả đã đạt được trong quá trình nghiên cứu, những tồn tại và hướng phát triển của đề tài

Để đạt được kết quả này, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô và đồng nghiệp Tác giả vô cùng biết ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo

tận tình và quý báu của Tiến sĩ Lưu Hồng Việt để tác giả hoàn thành luận văn

này Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Điều khiển Tự động và Trung tâm Sau đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ

và tạo điều kiện cho tác giả trong suốt quá trình học tập tại trường

Do trình độ bản thân có hạn nên luận văn không thể tránh khỏi thiếu sót Tác giả cũng biết ơn và trân trọng mọi ý kiến đánh giá và góp ý quý báu của thầy cô và các đồng nghiệp để bản luận văn này được hoàn thiện hơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2007 Học viên: Hồ Mạnh Tiến

Chương 1 Tải/nguồn không cân bằng

và tải phi tuyến

1.1 Đặt vấn đề

Trong các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp ba pha ba dây, nguyên lý hoạt động của chúng thường được xây dựng dựa trên giả thiết ban đầu là tải/nguồn cân bằng, khi đó dòng điện trung tính bằng không Mặc dù tải/nguồn không cân bằng hoặc tải phi tuyến tưởng như là trường hợp đặc biệt, nhưng trên thực tế chúng lại là những trường hợp điển hình và chủ yếu, nghĩa là dòng trung tính khác không Chính vì vậy ta cần phải nghiên cứu những tính chất và ảnh hưởng của chúng đối với hệ thống để có thể điều khiển hệ thống một cách chính xác hơn, nâng cao chất lượng điện áp hoặc dòng điện đầu ra Những nội dung trên được trình bày trong chương 1, tải/nguồn không cân bằng được phân tích dựa trên các thành phần đối xứng Những phân tích này sẽ được sử dụng làm cơ sở cho những thiết kế điều khiển ở các chương tiếp theo

Phương pháp phân tích dải tần số được dùng để mô tả tải phi tuyến, trong đó mô hình tải phi tuyến được biểu diễn dưới dạng những nguồn dòng hoặc nguồn áp điều hòa Những dòng tải điều hòa còn được khảo sát thêm trong hệ tọa độ cố định αβγ và hệ tọa độ quay dq0 trong hai chương sau

1.2 Khái niệm về tải/nguồn không cân bằng

1.2.1 Định nghĩa tải/nguồn không cân bằng dựa vào sự chênh lệch công

suất

Trong hệ thống ba pha, tải ba pha không cân bằng có thể do sự phân phối không đều về tải giữa ba pha (tức là do tải không cân bằng) hoặc do tải

load

load load

Trong đó:

%UnBal – Tỉ lệ không cân bằng của tải/nguồn

load max , load min – Tải lớn nhất và tải nhỏ nhất trong ba pha

Σload – Tổng của ba tải trên ba pha

Nhược điểm của cách tính %UnBal này có thể thấy trong bảng 1.1 Giả thiết rằng hệ số công suất của tải thay đổi trong khoảng [–0,8;+0,8], cột trái của bảng liệt kê bốn trường hợp khác nhau của tải Kết quả đo dòng trung tính được ghi trong cột phải của bảng [TL15]

Bảng 1.1 Tải không cân bằng và dòng trung tính

4) |ILA|=|ILB|= Im; IC = 0

cosφA = – 0,8; cosφB = 0,8 |In|= 1,84 Im

Trong đó:

I m là biên độ dòng và I n là dòng chạy trong dây trung tính

I LA , I LB , I LC là dòng pha A, dòng pha B và dòng pha C

cosφ A , cosφ B và cosφ C lần lượt là hệ số công suất của tải pha A, tải pha

B và tải pha C

Từ bảng 1.1 ta thấy: Tải trong trường hợp 4 có tỷ lệ không cân bằng thấp hơn trong tải trường hợp 1 Tuy nhiên, xét về mặt dòng trung tính thì trường hợp 4 là trường hợp tải không cân bằng nhất, trong đó dòng trung tính trường hợp này có giá trị lớn nhất: In = 1,84.Im Như vậy, cách tính tải/nguồn không cân bằng dựa vào sự chênh lệch công suất theo công thức (1.1) còn có điểm chưa hợp lý: Sự khác nhau gây ra bởi biên độ hoặc sự thay đổi góc pha ban đầu của dòng tải không thể được phân biệt theo cách định nghĩa này Có một cách tốt hơn, đó là định nghĩa không cân bằng dựa vào các thành phần đối xứng được trình bày ở mục dưới

1.2.2 Định nghĩa tải/nguồn không cân bằng dựa vào các thành phần đối

xứng

Biểu diễn sự mất cân bằng của tải/nguồn không cân bằng dựa trên các thành phần đối xứng được đề xướng đầu tiên bởi C.L.Fortescue năm 1918 và ngày nay nó trở thành là một phương pháp phổ biến để phân tích sự mất cân trong những hệ thống điện Phương pháp định nghĩa này còn ý nghĩa đặc biệt khác, đó là nó cung cấp nguyên tắc để có thể thiết kế bộ biến đổi

LB LB

LA LA

LC

LB

LA

t I

t I

t I

I

I

I

ϕω

ϕω

ϕω

sinsin

sin

(1.2)

hoặc nó có thể được biểu diễn bởi sáu biến |ILA|∠φLA, |ILB|∠φLB, |ILC|∠φLC

Nếu biểu diễn theo các thành phần đối xứng, sáu biến trên lại có thể được phân tích thành ba dòng ba pha cân bằng:

n

p

I I

I a a

a a I

I

I

1111

B

A

I I I a

a

a a I

I

I

11

111

+ +

+ +

o LB n LB p LB

o LA n LA p LA LC

LB

LA

I I

I

I I

I

I I

_

_ _

_

_ _

_

(1.5)

Dựa vào định nghĩa trên, một tải/nguồn ba pha không cân bằng có thể

được mô tả bởi hai thông số là Unbal_N% (tỷ lệ không cân bằng thứ tự

ng-ược) và Unbal_0% (tỷ lệ không cân bằng thứ tự không) Chúng được xác định

theo hai biểu thức (1.6) và (1.7) [TL14]:

Trong đó: TPTT positive , TPTT negative , TPTT zero là các thành phần thứ tự thuận,

thứ tự ngược và thứ tự không của ba pha

Bảng 1.2 cho thấy những kết quả áp dụng hai tỉ lệ không cân bằng này

để mô tả bốn trường hợp không cân bằng của tải liệt kê trong bảng 1.1 Các tỉ

lệ không cân bằng Unbal_N% và Unbal_0% của ba pha có thể thay đổi ứng

với những hệ số công suất khác nhau [TL14]

Bảng 1.2 Tải không cân bằng và các hệ số không cân bằng

Hình 1.1 Phân tích tải/nguồn không cân bằng thành ba thành phần riêng biệt:

Thứ tự thuận, thứ tự ngược và thứ tự không

Tóm lại, một tải/nguồn không cân bằng có thể được phân tích thành ba

thành phần: thứ tự thuận, thứ tự ngược và thứ tự không Kết luận này được

minh họa bằng hình vẽ trên [TL14]

1.3 Ảnh hưởng của tải/nguồn không cân bằng

Cả tải/nguồn ba pha đều có hai cách nối dây: nối dây hình Δ (ba dây)

và nối dây hình Y (bốn dây) Như vậy, ta có 22 = 4 khả năng để nối giữa

nguồn và tải theo một trong bốn sơ đồ: ∆–∆, ∆–Y, Y–∆ và Y–Y

B B

Z

Za

aG V

VcG

bG

V

Hình 1.2 Bốn khả năng có thể nối giữa nguồn và tải

Trong sơ đồ nối Δ–Δ, cả nguồn và tải đều có điểm trung tính trôi Khi tải không cân bằng, các dòng pha sẽ không cân bằng Qua trở kháng của nguồn, các dòng pha không cân bằng sẽ lần lượt làm điện áp đầu ra mất cân Ảnh hưởng của tải không cân bằng trong trường hợp này được biểu diễn bằng một dòng thứ tự ngược từ nguồn đến tải Như vậy, tồn tại một dòng rò sẽ chạy quẩn giữa nguồn và tải với tần số bằng hai lần tần số nguồn [TL6] Khi điểm trung tính được nối đất, điện áp của điểm trung tính sẽ thay đổi theo sự mất cân bằng của tải Đặc điểm này có thể gây ra hiện tượng lệch điện áp trung tính giữa nguồn – tải và điều này gây ra rất nhiều vấn đề phức tạp trong hệ thống

Trong sơ đồ nối Δ–Y, chế độ làm việc tương tự như sơ đồ nối Δ–Δ, ngoại trừ việc có một điểm trung tính tải rõ ràng, hoạt động tải có thể bị sự cố

do sự thay đổi của điện áp điểm trung tính Trường hợp này không có dòng thứ tự không trong tải, tuy nhiên dòng thứ tự không có thể tồn tại trong nguồn

và gây ra một số ảnh hưởng xấu đến hoạt động của hệ thống [TL6]

Trong sơ đồ nối Y–Δ tương tự như sơ đồ nối Δ–Δ, trừ việc không có dòng thứ tự không trong nguồn, tuy nhiên dòng thứ tự không có thể tồn tại trong tải [TL6]

Trong sơ đồ nối Y–Y, điểm trung tính của nguồn và điểm trung tính của tải là bị ràng buộc với nhau Như vậy, không phải là duy nhất dòng thứ tự ngược chạy quẩn giữa nguồn và tải với tần số gấp hai lần tần số nguồn chạy qua các điểm nối A, B và C, mà còn có thêm dòng thứ tự không chạy quẩn giữa nguồn và tải chạy qua điểm nối trung tính G [TL6]

1.4 Tải phi tuyến

1.4.1 Khái niệm tải phi tuyến

Trong hệ thống điện tử công suất, những tải tuyến tính ví dụ như điện trở, cuộn cảm, tụ điện và những tải phi tuyến ví dụ như điôt chỉnh lưu, thyristor, lò hồ quang, Một tải tuyến tính có thể được định nghĩa theo một biểu thức tuyến tính giữa điện áp trên tải và dòng qua tải hoặc đạo hàm của chúng Mặc dù không có một biểu thức toán học rõ ràng mô tả tải phi tuyến, tuy nhiên chúng có thể được mô tả như "một tải mà đặc tính dòng không sin khi nó được cung cấp một nguồn điện áp hình sin" Do đó, cho một nguồn điện áp ba pha như sau [TL16]:

πωω

3

2sin

3

2sin

sin

ln_

t t

t V

V

V

V

pk CG

BG

AG

(1.8)

Trong đó: V ln_pk là biên độ điện áp

Ba dòng của ba pha chạy qua tải phi tuyến có thể được biểu diễn gần

2 1

1

2

_ 2 1

2 1

1

2

_ 2 1

2 1

1

12sin3

2sin

12sin3

2sin

12sinsin

k

C k k

k

B k k

k

A k k

LC

LB

LA

t k I

t I

t k I

t I

t k I

t I

I

I

I

ϕωπ

ϕω

ϕωπ

ϕω

ϕωϕ

ω

(1.9)

Trong trường hợp lý tưởng, biểu thức (1.9) sẽ không chứa thành phần sóng điều hòa bậc chẵn, như thế tải phi tuyến có thể được biểu diễn theo những biên độ của sóng điều hòa bậc lẻ và tổng độ méo điều hòa [TL16]:

1 2

2 1 2

I

I

k k

∑∞

Một cách khác để mô tả đặc tính của tải phi tuyến là sử dụng hệ số đỉnh

Kc Trong đó: Kc là tỉ lệ về độ lớn giữa giá trị cực đại và giá trị hiệu dụng Rõ ràng tải tuyến tính có Kc = 2 Nếu Kc ≠ 2 thì tải là phi tuyến Ví dụ chỉnh lưu điôt có hệ số Kc nằm trong khoảng (1,5÷3), phụ thuộc vào bộ lọc một chiều

1.4.2 Ảnh hưởng của tải phi tuyến

Để xét ảnh hưởng của những tải phi tuyến phổ biến và điển hình, ta sẽ phân tích một số sơ đồ chỉnh lưu điôt như sau: sơ đồ chỉnh lưu điôt ba pha không có lọc một chiều, chỉnh lưu điôt ba pha có tụ lọc một chiều, chỉnh lưu

ba pha có bộ lọc L/C một chiều và sơ đồ ba chỉnh lưu điôt một pha Đây là những sơ đồ đơn giản, rẻ tiền và là những ví dụ điển hình cho bộ biến đổi xoay chiều/một chiều truyền thống và phổ biến hiện nay

Những tải phi tuyến khác, ví dụ như bộ chỉnh lưu thyristor có thể gây ra những dòng cao tần lớn, như thế tải phi tuyến gây ra ảnh hưởng thậm chí còn

xấu hơn Tuy nhiên, chỉnh lưu thyristor là bán điều khiển, dạng sóng của nó

sẽ phụ thuộc vào những yêu cầu điều chỉnh, do đó việc phân tích đòi hỏi sẽ phức tạp hơn Vì vậy, luận văn này không đề cập nhiều đến chỉnh lưu thyristor

Một lý do quan trọng nữa để ta không phân tích bộ chỉnh lưu thyristor (tải phi tuyến phức tạp) là vì những phân tích các sơ đồ chỉnh lưu điôt (tải phi tuyến đơn giản) liệt kê ở trên cũng đủ để chỉ ra những ảnh hưởng điển hình và phổ biến của tải phi tuyến tác động lên hệ thống

Trường hợp 1: Chỉnh lưu điôt ba pha không có bộ lọc một chiều

Xét tải phi tuyến là sơ đồ chỉnh lưu điôt cầu ba pha không có bộ lọc một chiều (hình 1.3) Ta có:

Từ hình 1.3, ta thấy dòng điện pha A bị méo với hai đường lõm ở đỉnh Trong trường hợp này, hệ số đỉnh Kc xấp xỉ bằng 1,28 (nhỏ hơn trong trường hợp tải tuyến tính) và THD bằng 30%

Trường hợp 2: Chỉnh lưu điôt ba pha có tụ lọc một chiều C

Xét tải phi tuyến là bộ chỉnh lưu điôt cầu ba pha có tụ lọc một chiều C (hình 1.4) Trong trường hợp này, THD dòng bằng 69% và hệ số đỉnh Kc = 1,86 (lớn hơn trong trường hợp tải tuyến tính)

Hình 1.4 Sơ đồ và dòng pha A của chỉnh lưu điôt ba pha có tụ lọc một chiều

Trường hợp 3: Chỉnh lưu điôt ba pha với bộ lọc L/C một chiều

Xét tải phi tuyến là sơ đồ chỉnh lưu điôt cầu ba pha có bộ lọc L/C một chiều (hình 1.5)

Vì cuộn cảm là tương đối lớn nên dòng có dạng sóng vuông Dòng điện

có thể được san cho phẳng bằng tụ lọc

Kết quả là khi THD < 29% và hệ số đỉnh Kc <1,22 thì dạng sóng trường hợp 3 tương tự như trong trường hợp 1

Hình 1.5 Sơ đồ và dòng pha A của chỉnh lưu điôt ba pha với bộ lọc L/C một chiều

Trường hợp 4: Ba chỉnh lưu điôt một pha có tụ lọc một chiều C

Xét tải phi tuyến là sơ đồ ba chỉnh lưu điôt một pha (hình 1.6) Dạng

dòng điện của nó như trong hình 1.7a

Dải tần số được thể hiện trong hình 1.7b, có thể thấy hệ số đỉnh Kc

bằng 2,23, lớn hơn nhiều so với trường hợp một tải tuyến tính (Kc = 2)

THD dòng pha bằng 65% Mặc dù ba pha có tải như nhau và dòng qua mỗi

pha có dạng sóng như nhau, nhưng thực tế có rất nhiều sóng hài bậc cao của

ba dòng qua dây trung tính Trong trường hợp này, giá trị hiệu dụng của dòng

trung tính bằng 1,7 lần giá trị hiệu dụng của dòng pha

Giả sử rằng tải phi tuyến trên ba pha giống hệt nhau [TL16] thì:

– Sóng hài bậc 3k là thành phần sóng thứ tự không, trong đó: k =

Sự so sánh của ảnh hưởng của những sóng hài chính đối với thành phần

sóng cơ bản trong bốn trường hợp như bảng 1.3 [TL16]

Bảng 1.3 So sánh của tỷ lệ giữa độ lớn thành phần cơ bản

Bậc 7 (%)

Bậc 9 (%)

Bậc 11 (%)

Bậc 13 (%) THD(%) Kc

Trong những hệ thống có tải phi tuyến, tải phi tuyến sinh ra những sóng hài bậc cao Những sóng hài bậc cao này gây ra những ảnh hưởng không tốt cho nguồn và những tải khác được nối cùng nguồn với nó, bao gồm:

– Méo điện áp nguồn: Sóng hài dòng của tải qua trở kháng đầu ra của nguồn sinh ra sóng hài điện áp Hiệu ứng này có thể được thấy như làm lõm điện áp hoặc làm méo dạng hình sin của điện áp nguồn Méo điện áp nguồn sẽ gây ra méo dòng điện tải

– Làm nóng quá mức cho phép ở máy biến thế: Do hiệu ứng bề mặt, những tổn hao gây ra do dòng hài có thể lớn quá mức cho phép Máy biến thế trước đó được thiết kế cho tải tuyến tính có thể bị nóng quá quá mức cho phép

và bị cháy Để hệ thống hoạt động an toàn, các máy biến áp làm việc hệ thống này phải có hệ số dự trữ lớn

– Dao động hệ thống Những dòng hài xuất hiện trong hệ thống với một dải tần số rộng, chúng có thể kích thích hệ thống dao động ở tần số tự nhiên – Làm động cơ và máy phát bị rung mạnh và gây ra tiếng ồn lớn Những dòng hài sinh từ thông hài trong những máy điện Mômen hài sinh bởi dòng hài gây ra những rung động và tiếng ồn lớn

– Nhiễu EMI lớn Dòng hài sinh ra nhiều nhiễu EMI Qua đường truyền, chúng cũng là nguồn phát EMI Nhiễu EMI lớn gây ra bởi những dòng hài làm giảm chất lượng hoạt động hoặc gây ra sự cố trong những hệ thống truyền thông và thiết bị điện tử

Tóm lại, tải phi tuyến (ví dụ ba chỉnh lưu điôt một pha) có thể gây ra một dòng trung tính lớn mà có thể gây ảnh hưởng đến hệ thống xấu hơn nhiều

so với trường hợp tải không cân bằng Dây dẫn trung tính bị nóng quá mức ường được thấy trong các hệ thống có tải loại này Thực tế trong các hệ thống

Phương pháp 2: Sử dụng bộ lọc tích cực Chúng là những bộ biến đổi dòng/áp So với phương pháp 1, phương pháp này đòi hỏi việc thiết kế phức tạp hơn nhưng nó hạn chế ảnh hưởng của tải phi tuyến tốt hơn Người ta đã chứng minh rằng sử dụng bộ lọc tích cực là một cách hiệu quả để hạn chế ảnh hưởng xấu của tải phi tuyến lên hệ thống điện [TL6]

1.4.3 Biểu diễn tải phi tuyến dưới dạng mạch điện

Tải phi tuyến có thể được biểu diễn dưới dạng một nguồn dòng hoặc nguồn áp điều hòa, phụ thuộc vào trở kháng đầu vào của tải phi tuyến

Nếu có trở kháng đầu vào lớn, tải phi tuyến có thể được biểu diễn như một nguồn dòng điều hòa Tải phi tuyến mô tả trong trường hợp 3 là một ví

dụ như vậy Cuộn cảm lọc đầu vào << trở kháng đầu vào Chế độ khóa dẫn của các điôt được xác định bởi điện áp nguồn và dòng qua cuộn cảm Sơ đồ mạch một pha như hình 1.8a, trong đó ZS là trở kháng đầu ra của nguồn, và ZL

là trở kháng đầu vào của tải Bình thường tải phi tuyến có trở kháng ZL >> trở

A k

b)

LIL

-+S

Z

~

VS

~

Hình 1.8 Dòng trong trường hợp tải phi tuyến

có mô hình giống nguồn dòng điều hòa

LV

-+S

k

A k

Hình 1.9 Điện áp trong trường hợp tải phi tuyến

có mô hình giống nguồn áp điều hòa

1.5 Kết luận

Chương 1 trình bày những phân tích về tải không cân bằng và tải phi tuyến, trong đó phương pháp các thành phần đối xứng được sử dụng để định nghĩa một tải/nguồn không cân bằng Một tải/nguồn ba pha không cân bằng

có thể được mô tả bởi tỷ lệ không cân bằng thứ tự ngược và tỷ lệ không cân bằng thứ tự không Những ảnh hưởng điển hình và phổ biến của chúng tác động lên hệ thống cũng được phân tích Một tải/nguồn không cân bằng có thể sinh ra dòng thứ tự ngược và dòng thứ tự không trong hệ thống phụ thuộc vào

sơ đồ nối nguồn và tải

Biên độ sóng điều hòa bậc lẻ, tổng độ méo điều hòa THD và hệ số đỉnh

Kc là các tham số được sử dụng để mô tả tải phi tuyến Tùy vào trở kháng, tải phi tuyến có thể được mô tả như một nguồn dòng điều hòa hoặc nguồn áp điều hòa Tải phi tuyến có một số ảnh hưởng xấu đối với hệ thống Để hệ thống hoạt động tốt, ta cần sử dụng những bộ lọc thụ động hoặc bộ lọc tích cực để loại trừ sóng hài gây ra những tác động xấu lên hệ thống

Chương 2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha

2.1 Đặt vấn đề

Từ những năm 90 của thế kỷ XX, khi công nghệ chế tạo tranzitor phát triển, các sơ đồ chỉnh lưu đã được nghiên cứu, áp dụng vào thực tế nhằm đạt được những yêu cầu sau:

– Trao đổi được năng lượng giữa động cơ và lưới Khi năng lượng của động cơ lớn, năng lượng dư thừa có thể chảy ngược về nguồn

– Tăng hệ số công suất

– Giảm sóng điều hoà bậc cao dội vào lưới để cải thiện chất lượng điện năng (làm sin dòng điện đầu vào)

Ngày nay, cùng với sự phát triển như vũ bão của ngành công nghiệp điện tử công suất, các bộ biến đổi xoay chiều đã được áp dụng rộng rãi vào các ngành sản xuất, đem lại hiệu quả cao

Chương 2 trình bày những vấn đề tổng quan về bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha và nguyên lý hoạt động của chúng, trong đó tập trung trình bày chủ yếu là bộ biến đổi xoay chiều ba pha ba dây (truyền thống) và ba pha bốn dây

2.2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha ba dây

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý

Bộ biến đổi điện áp ba pha ba dây gồm sơ đồ nghịch lưu áp (VSI) và sơ

đồ chỉnh lưu ba pha ba dây như hình 2.1 Trong nhiều năm trở lại đây, những

bộ biến đổi này đã được áp dụng phổ biến và rộng rãi vào sản xuất và mang lại nhiều kết quả tích cực

ci

Sơ đồ chuyển mạch ba dây

dcV

aii

Hỡnh 2.2 Sơ đồ chuyển mạch ba dõy

Xột đặc tớnh chuyển mạch của van Trong trường hợp lý tưởng, ta cú:

00

0

i khi

i khi V

Hỡnh 2.3 Đặc tớnh chuyển mạch của van lý tưởng

Từ sơ đồ chuyển mạch ba dõy tổng quỏt, ta cú thể xõy dựng sơ đồ nghịch lưu ỏp và sơ đồ chỉnh lưu PWM Để tạo sơ đồ nghịch lưu ỏp ba pha, ta nối một nguồn điện ỏp một chiều lý tưởng với cỏc đầu dõy p, n phớa một chiều

và nối một bộ lọc ba pha cõn bằng L/C được nối với cỏc đầu Va, Vb, Vc phớa xoay chiều Tương tự, để tạo sơ đồ chỉnh lưu PWM ba pha, ta nối tải với cỏc

đầu p,n phía một chiều và nối ba cuộn cảm L với các đầu Va, Vb, Vc phía xoay chiều

Để điều khiển bộ biến đổi điện áp ba pha ba dây, người ta thường giả

sử rằng tải/nguồn là cân bằng Cụ thể là trong trường hợp nghịch lưu áp ba dây, ta giả thiết là tải ba pha cân bằng, khi đó điện thế VG = Vn và dòng trung tính bằng không Tương tự, trong trường hợp chỉnh lưu PWM ba dây, ta cũng giả thiết nguồn xoay chiều ba pha là cân bằng

Hình 2.4 trình bày sơ đồ tổng quát của bộ biến đổi ba pha ba dây bao gồm sơ đồ nghịch lưu và chỉnh lưu Từ sơ đồ ta thấy bộ biến đổi ba pha ba dây được cấu thành từ các khâu điều biến độ rộng xung, các bộ điều khiển, sơ

đồ chuyển mạch ba dây, lọc, nguồn và tải Đối với nghịch lưu ba pha, nguồn

là một chiều và tải là tải ba pha Đối với chỉnh lưu ba pha, nguồn là nguồn ba pha và tải là tải một chiều

Hình 2.4 Sơ đồ khối tổng quát của bộ biến đổi ba dây

Các vòng điều khiển ở đây có thể là vòng điều khiển dòng điện, vòng điều khiển điện áp, vòng điều khiển tốc độ, vòng điều khiển vị trí, Khâu điều biến độ rộng xung làm nhiệm vụ điều khiển hoạt động của các chuyển

mạch bằng cách gửi các tín hiệu ON/OFF để đóng mở ba cặp van (các tín hiệu Sap, Sbp, Scp, San, Sbn vàScn ) Ví dụ nghịch lưu được sử dụng như một nguồn UPS, môđun điều biến gửi tín hiệu điều khiển tới các van sao cho điện

áp đầu ra luôn là điện áp ba pha hình sin bám theo điện áp lưới

2.2.3 Nhận xét

Ngày nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu hoàn thiện lý thuyết điều khiển bộ biến đổi ba pha ba dây Hiện nay, bộ biến đổi ba pha ba dây đã được áp dụng phổ biến trong công nghiệp và sản xuất, mang lại hiệu quả khá cao Với nguồn/tải ba pha cân bằng, bộ biến đổi ba dây hoạt động rất tốt, nhiều phương pháp điều khiển có chất lượng đầu ra (điện áp, dòng điện, ) đáp ứng được những yêu cầu cao Tuy nhiên, thực tế có rất nhiều trường hợp tải/nguồn là không cân bằng hoặc tải phi tuyến, khi đó dòng trung tính sẽ khác không (khác với giả sử ban đầu của lý thuyết điều khiển bộ biến đổi ba dây) Do không điều khiển được dòng trung tính nên bộ biến đổi ba dây cho chất lượng đầu ra không tốt trong điều kiện làm việc với tải/nguồn không cân hoặc tải phi tuyến, thậm chí chúng còn có thể gây ra sự cố hệ thống

Ở mục 2.3, ta sẽ nghiên cứu về bộ biến đổi bốn dây với ba cặp van để điều khiển dòng pha a, pha b, pha c và một cặp van nữa để điều khiển dòng trung tính Do có ưu điểm nổi bật là khai thác triệt để những ưu điểm của phương pháp điều chế vectơ không gian nên ngày nay, chúng đang được nghiên cứu để áp dụng vào thực tế

2.3 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều bốn dây

2.3.1 Sơ đồ nguyên lý

Bộ biến đổi điện áp bốn dây gồm bộ nghịch lưu áp (VSI), chỉnh lưu PWM bốn dây và sơ đồ lọc tích cực bốn dây như trong hình 2.5 Sơ đồ nghịch lưu áp bốn dây áp dụng cho hệ thống ba pha có tải không cân bằng, sơ đồ

chỉnh lưu PWM bốn dây áp dụng cho hệ thống ba pha có nguồn không cân bằng và sơ đồ lọc tích cực bốn dây áp dụng trong trường hợp hệ thống ba pha

có tải phi tuyến

-+A

V

ci

ai

fV

bV

Sơ đồ chuyển mạch bốn dây

n

pi

CL

LL

fpSW

BVCV

Vb

cV

n

+

-pi p

ic

bi

ia

Vdc

Hình 2.8 Sơ đồ chuyển mạch của bộ biến đổi bốn dây

Đặc tính chuyển mạch van lý tưởng cũng giống như trong trường hợp

bộ biến đổi ba pha ba dây:

00

0

i khi

i khi V

Hình 2.9 Đặc tính chuyển mạch của van lý tưởng

Để mô tả hoạt động của bộ biến đổi bốn dây, hàm chuyển mạch có thể được định nghĩa như sau: