Thiết kế bộ điều khiển hệ thống UPS với lọc LC đầu ra

LỜI MỞ ĐẦU3Chương 1: TÌM HIỂU VỀ UPS VÀ ỨNG DỤNG41.1.Giới thiệu chung về UPS41.2 Phân loại UPS :51.3.Ứng dụng của UPS trong thực tế :9Chương 2: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN THÔNG SỐ MẠCH LỌC ĐẦU RA102.1.Các loại bộ lọc thông thấp102.2.Thiết kế bộ lọc đầu ra của bộ nghịch lưu11Chương 3: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG UPS133.1.Mô hình hóa hệ thống với tụ lọc hình sao133.2.Chuyển hệ tọa độ14Chương 4 : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN174.1.Xác định hàm truyền của hệ thống174.2.Lựa chọn bộ điều khiển PID174.3.Sử dụng Matlab tìm tham số bộ điều khiển22TÀI LIỆU THAM KHẢO28

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

ĐỒ ÁN II

Đề tài:

Thiết kế bộ điều khiển hệ thống UPS với lọc LC đầu ra

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

HÀ NỘI,

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Sự ra đời, phát triển nhanh và ngày càng hoàn thiện của các linh kiện điện tử,đặc biệt là vi xử lý đã tạo ra sự thay đổi sâu sắc và phát triển mạnh mẽ trong cácthiết bị, hệ thống thiết bị điện - điện tử Nhằm đảm bảo tính liên tục và chất lượngcung cấp điện cho những tải nhạy cảm mà không phụ thuộc trạng thái hệ thốngcung cấp, phương pháp duy nhất là sử dụng bộ nguồn dự trữ làm việc tin cậy

Hơn nữa, hiện nay năng lượng ngày càng cạn kiệt, nên nhiều nguồn nănglượng mới đã và đang được chú ý, sử dụng nhiều hơn như: năng lượng mặt trời,năng lượng gió, Các nguồn năng lượng có thể nói là vô tận này sẽ giúp tạo ranguồn điện năng lớn nếu được sử dụng tốt, giảm đáng kể gánh nặng cho thủy điện

và nhiệt điện hiện nay đang phải gánh vác

Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên em đã quyết định chọn đề tài nghiêncứu là:“Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thong UPS có lọc LC đầu ra”

Em đã cố gắng nghiên cứu và thiết kế dưới sự hướng dẫn tận tình của cô

Vũ Thị Thúy Nga Tuy nhiên, do sự hạn chế về nhiều mặt nên có thể đồ án này cònnhiều thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô để đề tài nàyhoàn thiện hơn!

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1: TÌM HIỂU VỀ UPS VÀ ỨNG DỤNG

1.1 Giới thiệu chung về UPS

UPS được viết tắt của cụm từ tiếng Anh: Uninterruptible Power Supplier

được hiểu như là hệ thống nguồn cung cấp liên tục hay đơn giản hơn là bộ lưu trữ

điện dự phòng nhằm làm tăng độ tin cậy cung cấp điện cho hệ thống.

Điều cần chú ý trước hết của những sự cố và hậu quả của nó về phương diện:

• An toàn cho người

• An toàn cho thiết bị nhà xưởng

• Mục tiêu vận hành kinh tế

Ta cần phải tìm cách loại bỏ tất cả các sự cố Có nhiều giải pháp kỹ thuật khácnhau cho vấn đề này, những giải pháp này được so sánh trên cơ sở của hai tiêuchuẩn sau để đánh giá:

• Cung cấp điện liên tục

• Chất lượng điện cung cấp

Hoạt động như một giao diện giữa hệ thống cung cấp điện và những tải nhạycảm, UPS cung cấp cho tải một năng lượng điện liên tục, chất lượng cao, khôngphụ thuộc mọi tình trạng của hệ thống cung cấp

UPS tạo ra một điện áp cung cấp tin cậy:

• Không bị ảnh hưởng của những sự cố của hệ thống cung cấp, đặc biệt khi hệthống cung cấp ngừng hoạt động

• Phạm vi sai số cho phép tuỳ theo yêu cầu của những thiết bị điện nhạy cảm

• UPS có thể cung cấp điện áp tin cậy, độc lập và liên tục thông qua các khâutrung gian: Acquy và chuyển mạch tĩnh

•

1.2 Phân loại UPS :

1.2.1 Phân biệt theo chế độ làm việc

a UPS offline :

Hình 1.1 Cấu trúc bộ UPS offline

• Nghịch lưu nối song song với hệ thống cung cấp là nguồn dự trữ phòng tìnhtrạng khẩn cấp

• Trong quá trình vận hành, nguồn lưới được cung cấp trực tiếp đến tải mà khôngqua nghịch lưu

• Nếu sự cố hệ thống cung cấp điện hoặc điện áp hệ thống cung cấp điện khôngnằm trong sai số cho phép thì tải chuyển từ hệ thống cung cấp điện qua nghịch lưutrong thời gian ngắn <10 ms Khi điện áp hệ thống cung cấp được phục hồi,tải sẽ

tự động chuyển về hệ thống cung cấp

• Dùng với tải P <2 KVA

• Thời gian chuyển mạch phù hợp với tải nhạy cảm

• UPS offline không có công dụng ổn áp khi chúng sử dụng điện lưới bình thường

- bởi đơn giản khi không có sự cố về lưới điện thì các thiết bị phía sau UPS đơnthuần được nối trực tiếp với lưới điện thông qua rơ le

b UPS online

Hình 1.2: Cấu trúc UPS online

• Được chèn vào giữa hệ thống cung cấp và tải Toàn bộ điện năng cung cấp chotải đều phải qua nghịch lưu do vậy việc cung cấp điện được liên tục trong phạm visai số cho phép của f, U

• Không phụ thuộc vào trạng thái của hệ thống cung cấp điện

• Áp dụng cho tải có công suất trung bình P 40 KVA

1.2.2 Phân loại UPS dựa theo bộ chuyển đổi

Hình 1.3: Cấu trúc UPS tĩnh

• Giới hạn dòng trong vận hành cho phép Icp=2.33Iđm

• Cách li về điện

• Bảo dưỡng và vận hành đơn giản, làm việc tin cậy cậy chắc chắn

• Khả năng phản ứng tức thời trước những dao động biên độ của hệ thống cungcấp, sử dụng thiết bị điều khiển vi xử lí dựa trên kĩ thật số

• Biên độ điện áp điều chỉnh trong phạm vi sai số 0.5% 1%, thời gian điều chỉnhnhanh, kích thước và trọng lượng của hệ nhỏ

Hình 1.4: Cấu trúc UPS quay

Trong đó: M: Động cơ

G: Máy phát FL: Flywheel (Bánh đà)

Sử dụng máy điện quay để thực hiện biến đổi năng lựợng

Một bộ UPS quay hoạt động nhờ vào quán tính cao của bánh đà khối lượng lớn(Flywheel energy storage) để cung cấp năng lượng trong trường hợp có sự cố điệnngắn hạn Bánh đà hoạt động như 1 bộ đệm chống lại sự tăng hay giảm đột ngộtcủa nguồn cung cấp vì những sự cố ngắn hạn đó không thể ảnh hưởng đáng kể đếntốc độ quay của bánh đà khối lượng lớn Đây là 1 trong những dạng thiết kế cổđiển nhất trong lịch sử ngành điện

Có thể coi UPS quay là một bộ UPS online vì nó hoạt động cả trong điều kiệnbình thường Tuy nhiên, nó chỉ bảo vệ hệ thống tải trong khoảng thời gian từ 10đến 20 giây trước khi bánh đà quay chậm xuống dưới mức cho phép và đầu ra bịngắt

Một hệ thống UPS quay tiêu biểu bao gồm các thành phần sau:

• 1 động cơ kéo 1 máy phát điện đồng bộ (Máy phát và động cơ được lien kết vềmặt cơ khí nhờ hệ thống li hợp, đai truyền v.v.)

• Trục quay máy phát được gắn với 1 bánh đà khối lượng lớn

• Khi hệ thống xảy ra sự cố ngắn hạn, động cơ bị ngắt điện Bánh đà tiếp tục quay(do quán tính lớn), do đó tiếp tục kéo máy phát và cung cấp điện cho đầu ra

1.2.3 Sơ đồ nguyên lí chung của UPS :

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lí chung của UPS

CL: Cung cấp nguồn một chiều cho nghịch lưu và nạp thường trực cho acquy

AQ: Tạo năng lượng dự trữ cung cấp cho nghịch lưu khi xảy ra:

ĐK: Bao gồm cả hệ thống phản hồi ,điều khiển hoạt động của CL, NL và quá

trình phóng nạp AQ, ổn định cung cấp điện theo yêu cầu

1.3.Ứng dụng của UPS trong thực tế :

Hiện nay nhu cầu ứng dụng UPS trong các lĩnh vực tin học, viễn thông, ngân hàng, y tế, hàng không là rất lớn Số lượng UPS được sử dụng gần bằng 1/3 số lượng máy tính đang được sử dụng Có thể lấy một vài ví dụ về các thiết bị sử dụng

UPS, đó là những máy tính, việc truyền dữ liệu và toàn bộ thiết bị ở một trạng thái nào đều là rất quan trọng và không cho phép được mất điện UPS được sử dụng trong ngành hàng không để đảm bảo sự thắp sáng liên tục của đường băng sân bay

1 Hệ thống máy tính nói chung - Máy tính, mạng máy tính

- Máy in, hệ thống vẽ đồ thị và các thiết bị đầu cuối

2 Hệ thống máy tính công nghiệp Bộ điều khiển lập trình, hệ thống điều

khiển số, điều khiển giám sát, máy tự động

dữ liệu, hệ thống rađa

4 Y tế, công nghiệp Dụng cụ y tế, thang máy, thiết bị đo

nhiệt độ, thiết bị điều khiển chính xác

công cộng

6 Các ứng dụng khác Máy quét hình, cung cấp năng lượng

cho máy bay

Nói tóm lại UPS là một nguồn điện dự phòng, nó có mặt ở mọi chỗ mọi nơi, những nơi đòi hỏi cao về yêu cầu cấp điện liên tục

Chương 2: THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN THÔNG SỐ MẠCH LỌC ĐẦU RA

2.1 Các loại bộ lọc thông thấp

Trong sơ đồ bộ lọc ba pha ta có hai loại bộ lọc là bộ lọc RC và bộ lọc

LC Trong cả hai loại bộ lọc đều có tụ điện, tụ điện có thể mắc hình tam giác hoặc hình sao, mỗi kiểu mắc đều có những ưu nhược điểm riêng Khi mắc tụ điện hình tam giác có ưu điểm là tiết kiệm dung lượng tụ xong không loại trừ hết được sónghài điện áp dây Bộ tụ đấu hình sao dung lượng tụ tăng lên ba lần nhưng đổi lại ta loại được sóng hài cả điện áp pha và điện áp dây, và đặc biệt khi tụ đấu hình sao cótrung tính thì có thể loại luôn cả điện áp thứ tự không sinh ra khi chuyển mạch vanbán dẫn

• Bộ lọc LC

Kết cấu của bộ lọc LC bao gồm các linh kiện như hình vẽ (hình 2.2)

Hình 2.2 : Mạch lọc LC ba pha

Mạch lọc LC là mạch lọc có khả năng lọc tốt nhất, có khả năng lọc được nhiều tần số theo ý muốn Nhược điểm lớn nhất của mạch lọc là giá thành và sự vận hành của mạch, sự vận hành của mạch kém tin cậy hơn mạch lọc RC do trong mạch có cuộn cảm và đặc biệt là loại mạch lọc này gây nhiễu cho các thiết bị thông tin do có sự phát sinh sóng điện từ của cuộn cảm Chỉ khi nào chỉ số lọc cao

ta mới sử dụng loại mạch lọc này

Lựa chọn bộ lọc:

Yêu cầu chính của bộ lọc đầu ra của bộ nghịch lưu là khả năng lọc thành phần hài bậc cao tốt, tổn hao nhỏ và khả năng đáp ứng dải tần số cao Vì vậy ta chọn bộ lọc LC cho đầu ra của nghịch lưu

2.2 Thiết kế bộ lọc đầu ra của bộ nghịch lưu

Trong quá trình thiết kế ta lấy sóng hài bậc 37 làm chỉ tiêu thiết kế, các sóng hài còn lại được kiểm nghiệm qua các giá trị của bộ lọc

Chỉ tiêu của bộ lọc là dòng điện thành phần sóng hài chiếm dưới 1% thành phần cơ bản

Giả sử trường hợp bộ nghịch lưu cung cấp điện cho tải điện trở, trường hợp tảimang tính cảm thì ta có thêm bộ lọc thứ cấp sau bộ lọc sóng hài, khi đó ta có tỷ số:

trong phương trình trên:

- Iout : giá trị dòng điện sóng hài đi vào tải

- Iin : dòngđiện sóng hài đi vào bộ lọc

- Uo : điện áp sóng hài qua bộ lọc

- Ui : điện áp định mức của sóng cơ bản

Để đơn giản ta qui đổi tính toán ba pha về tính toán một pha Sau khi qui đổi ta có mạch điện của bộ lọc trên một pha dùng để tính toán bộ lọc như hình vẽ (hình 2.3).

Hình 2.3 : Sơ đồ thay thế bộ lọc trên một pha

Hàm đặc tính vào ra của bộ lọc:

o

2 i

- Uhf: điện áp pha của sóng hài đầu ra

- Uihf : điện áp pha của sóng hài đầu vào

Tần số góc của sóng hài bậc 37: = 2 π 37.50 = 11623,89 rad/s

Giá trị của tụ điện được chế tạo thông thường phần lẻ là 0,25 nên ta chọn tụ điệnC=50µF Khi đó điện cảm cuộn dây có giá trị:

6

LC 0,7475.10 = −

Vậy giá trị của các linh kiện trong bộ lọc là: C = 50 µF, L = 14.95 mH

Chương 3: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG UPS

3.1 Mô hình hóa hệ thống với tụ lọc hình sao

Thế lên (1-1) và ( 1-2 ) ta thu được hệ :

3.2 Chuyển hệ tọa độ

Hình 3.2: Đồ thị mô tả cách chuyển hệ tọa độ

3.2.1 Chuyển hệ tọa độ từ abc sang αβ

Ta có:

3.2.2 Chuyển từ hệ tọa độ dq sang αβ

với : ϑ=ωt

Suy ra:

Chuyển hệ tọa độ từ αβ sang dq:

Suy ra:

3.2.3 Chuyển mô hình hệ thống từ abc sang αβ

Nhân cả 2 vế của hệ với ma trận T :

Ta được mô hình hệ thống trong hệ tọa độ αβ :

3.2.4 Chuyển mô hình hệ thống sang hệ tọa độ dq

Ta được mô hình hệ thống rong hệ tọa độ dq :

Xác định biến cần điều khiển, biến điều khiển, nhiễu :

- Biến cần điều khiển : là điện áp trên tải

- Biến điều khiển : là điện áp ra của inverter (nghịch lưu )

Chương 4 : THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

4.2. Lựa chọn bộ điều khiển PID

4.2.1. Tổng quan bộ điều khiển PID

Hình 4.1 : Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID-Proportional IntegralDerivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được

sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PIDđược sử dụng phổ biến nhất trong số các bộ điều khiển phản hồi Một bộ điềukhiển PID tính toán một giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biếnđổi và giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằngcách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp không có kiến thức

cơ bản về quá trình, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển tốt nhất Tuy nhiên, để đạtđược kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điềuchỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, cácthông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôikhi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm,viết tắt là P, I, và D Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tíchphânxác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tácđộng của tốc độ biến đổi sai số Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnhquá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộnguồn của phần tử gia nhiệt Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ vềquan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai

số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điềukhiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt Đáp ứng của bộ điềukhiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộđiều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống Lưu ý là công dụngcủa giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệthống

Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống.Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về

0 Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắngmặt các tác động bị khuyết Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phânkhá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thểkhiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn

4.2.2. Các phương pháp chọn tham số bộ điều khiển PID

Điều chỉnh một vòng điều khiển là điều chỉnh các thông số điều khiển của nó(độ lợi/dải tỉ lệ, độ lợi tích phân/reset, độ lợi vi phân/tốc độ) tới giá trị đáp ứngđiều khiển tối ưu Độ ổn định (dao động biên) là một yêu cầu căn bản, nhưngngoài ra, các hệ thống khác nhau, có những hành vi khác nhau, những ứng dụngkhác nhau có những yêu cầu khác nhau, và vài yêu cầu lại mâu thuẫn với nhau.Hơn nữa, vài quá trình có một mức độ phi tuyến nào đấy khiến các thông số làmviệc tốt ở điều kiện đầy tải sẽ không làm việc khi quá trình khởi động từ không tải;điều này có thể khắc phục bằng chương trình độ lợi (sử dụng các thông số khácnhau cho những khu vực hoạt động khác nhau) Các bộ điều khiển PID thườngcung cấp các điều khiển có thể chấp nhận được thậm chí không cần điều chỉnh,nhưng kết quả nói chung có thể được cải thiện bằng cách điều chỉnh kỹ lưỡng, vàkết quả có thể không chấp nhận được nếu điều chỉnh kém

Điều chỉnh PID là một bài toán khó, ngay cả khi chỉ có 3 thông số và về nguyêntắc là dễ miêu tả, bởi vì nó phải thỏa mãn các tiêu chuẩn phức tạp nằm trongnhững hạn chế của điều khiển PID Vì vậy có nhiều phương pháp khác nhau đểđiều chỉnh vòng lặp, và các kỹ thuật phức tạp hơn là đề tài cho nhiều phát minhsáng chế

• Độ ổn định :Nếu các thông số của bộ điều khiển PID (độ lợi của khâu tỉ lệ, tíchphân và vi phân) được chọn sai, đầu vào quá trình điều khiển có thể mất ổn định,

vì các khác biệt đầu ra của nó, có hoặc không có dao động, và được giới hạn chỉbởi sự bảo hòa hoặc đứt gãy cơ khí Sự không ổn định được gây ra bởi sự dư thừa

độ lợi, nhất là khi xuất hiện độ trễ lớn

Nói chung, độ ổn định của đáp ứng (ngược với độ bất định) phải thỏa mãn vàquá trình phải không được dao động vì bất kỳ sự kết hợp nào giữa các điều khiệnquá trình và điểm đặt, mặc dù đôi khi ổn định biên có thể được chấp nhận hoặcyêu cầu

• Tối ưu hóa hành vi: Tối ưu hóa hành vi trong thay đổi quá trình hoặc thay đổiđiểm đặt khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng Hai yêu cầu cơ bản là ổn định (triệttiêu nhiễu-ổn định tại một điểm đặt cho trước) và tự hiệu chỉnh lệnh (thực hiện cácthay đổi điểm đặt)-hai yêu cầu đó tùy thuộc vào việc các biến điều khiển theo dõigiá trị mong muốn có tốt hay không Các tiêu chuẩn đặc biệt về tự hiệu chỉnh lệnhbào gồm thời gian khởi động và thời gian xác lập Một vài quá trình phải ngăn