Nghiên cứu điều khiển thích nghi tham số biến đổi nguồn xoay chiều ba pha
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.83 MB, 84 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THAM SỐ
BIẾN ĐỔI NGUỒN XOAY CHIỀU BA PHA
23.04.3898
NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Học viên thực hiện
: NGÔ THÁI BẰNG
Người hướng dẫn khoa học : TS. LƯU HỒNG VIỆT
Hà Nội – 2009
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan rằng luận văn tốt nghiệp này là do tôi thực hiện dưới
sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Lưu Hồng Việt, các số liệu và kết quả trong
luận văn là hoàn toàn trung thực, không sao chép các công trình khoa học hay
các luận văn của các tác giả khác.
Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo
đã được ghi ở phần tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu nào khác mà
không được liệt kê ở phần tài liệu tham khảo.
Học viên
Ngô Thái Bằng
i
Mục lục
Danh mục hình vẽ
iii
Danh mục bảng biểu
iv
Danh mục ký hiệu
v
Danh mục chữ viết tắt
vi
Lời nói đầu
1
Chương 1:
1.1
1.2
1.3
Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
Giới thiệu chung về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
Cấu trúc của bộ biến đổi
Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
5
5
7
10
Chương 2:
2.1
Xây dựng mô hình bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
Mô tả toán học của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
2.1.1 Mô tả dòng và điện áp pha
2.1.2 Mô tả điện áp đầu vào trong bộ biến đổi xoay chiều
ba pha PWM
Mô hình của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
2.2.1 Mô hình của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
trong hệ tọa độ tự nhiên
2.2.2 Mô hình của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
14
14
15
2.2
trong hệ tọa độ cố định α-β
2.2.3
2.3.4
Mô hình của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
trong hệ tọa độ quay đồng bộ d-q
Mô hình trạng thái của bộ biến đổi xoay chiều
ba pha PWM
2.3.4.1 Mô hình trạng thái trên miền thời gian
2.3.4.2 Mô hình trạng thái gián đoạn
16
16
16
17
18
21
21
25
ii
Chương 3:
3.1
3.2
Xây dựng lý thuyết bộ quan sát trượt thích nghi cho bộ biến đổi
ba pha PWM
Lý thuyết về bộ quan sát trượt gián đoạn
Lý thuyết về bộ quan sát trượt thích nghi
27
27
32
Chương 4:
4.1
4.2
Thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
Thiết kế bộ điều khiển kiểu deadbeat
Thiết kế bộ quan sát trượt gián đoạn thích nghi
35
Chương 5:
5.1
Mô phỏng và kết quả
Xây dựng mô hình mô phỏng
5.1.1 Bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
5.1.2 Khâu tính góc lệch pha
5.1.3 Khâu điều chế vector không gian
5.1.4 Khâu điều chỉnh dòng
5.1.5 Khâu điều chỉnh điện áp một chiều
Kết quả mô phỏng
5.2.1 Trường hợp điện cảm L không thay đổi
5.2.2 Trường hợp điện cảm L thay đổi
Kết luận
43
5.2
5.3
36
38
44
44
45
46
47
50
51
52
56
70
Chương 6: Kết luận và phương hướng phát triển đề tài
71
Tài liệu tham khảo
73
Tóm tắt luận văn
I
iii
Danh mục hình vẽ
Hình 1.1:
Hình 1.2:
Hình 1.3:
Hình 1.4:
Hình 1.5:
Hình 1.6:
Các kỹ thuật giảm sóng hài ba pha phổ biến ............................................6
Bộ biến đổi Diot........................................................................................8
Các cấu trúc của bộ biến đổi .....................................................................9
Bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM .....................................................11
Sơ đồ pha của bộ biến đổi PWM ............................................................12
Các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi ba pha PWM ....................13
Hình 2.1: Mối quan hệ giữa các vector trong bộ biến đổi xoay chiều ba pha ........14
Hình 2.2: Sơ đồ khối của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM trong hệ
tọa độ tự nhiên.........................................................................................17
Hình 2.3: Sơ đồ khối của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM trong hệ
tọa độ α-β................................................................................................18
Hình 2.4: Sơ đồ khổi của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM trong hệ
tọa độ d-q.................................................................................................19
Hình 2.5: Dòng công suất trong bộ biến đổi xoay chiều ba pha phụ thuộc
vào chiều của iL .......................................................................................20
Hình 2.6: Sơ đồ bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM............................................21
Hình 2.7: Mô hình trạng thái gián đoạn ..................................................................26
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển bộ biến đổi xoay chiều
ba pha PWM............................................................................................34
Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM .....36
Hình 4.2: Cấu trúc của bộ điều khiển dòng deadbeat .............................................37
Hình 5.1:
Hình 5.2:
Hình 5.3:
Hình 5.4:
Toolbox Plecs..........................................................................................43
Mô hình bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM .......................................44
Sơ đồ bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM............................................45
Mô hình bộ tính góc lệch pha .................................................................45
iv
Hình 5.5:
Hình 5.6:
Hình 5.7:
Hình 5.8:
Hình 5.9:
Hình 5.10:
Hình 5.11:
Hình 5.12:
Hình 5.13:
Hình 5.14:
Hình 5.15:
Hình 5.16:
Hình 5.17:
Hình 5.18:
Hình 5.19:
Hình 5.20:
Hình 5.21:
Hình 5.22:
Hình 5.23:
Sơ đồ bộ tính góc lệch pha.....................................................................46
Mô hình khâu điều chế vector không gian.............................................46
Khâu điều chỉnh dòng ............................................................................47
Sơ đồ khầu điều khiển dòng kiều deadbeat............................................47
Khâu quan sát trượt................................................................................48
Khâu tính hàm bù v[k] ...........................................................................49
Mô hình khâu chỉnh định tham số θ.......................................................49
Các tham số cần thiết lập cho cơ cấu chỉnh định tham số θ ..................50
Mô hình khâu điều chỉnh điện áp một chiều..........................................50
Sơ đồ khâu điều khiển điện áp một chiều PI .........................................50
Sơ đồ mô phỏng bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM .........................51
Chất lượng của bộ điều khiển deadbeat và bộ điều khiển thích nghi
khi điện cảm L và tải không đổi.............................................................53
Chất lượng của bộ điều khiển deadbeat và bộ điều khiển thích nghi
khi điện cảm L không đổi và tải thay đổi 100% ....................................55
Chất lượng của bộ điều khiển deadbeat và bộ điều khiển thích nghi
khi điện cảm L thay đổi 5% và tải không đổi ........................................57
Chất lượng của bộ điều khiển deadbeat và bộ điều khiển thích nghi
khi điện cảm L thay đổi 20% và tải không đổi ......................................59
Chất lượng của bộ điều khiển thích nghi khi điện cảm L thay đổi 30%
và tải không đổi......................................................................................62
Chất lượng của bộ điều khiển thích nghi khi điện cảm L thay đổi 30%
và tải thay đổi 100%...............................................................................64
Chất lượng của bộ điều khiển thích nghi khi điện cảm L thay đổi 30%
và giá trị đặt điện áp một chiều thay đổi 10%........................................66
Chất lượng của bộ điều khiển thích nghi khi điện cảm L thay đổi 50%70
Danh mục bảng biểu
Bảng 1: Đặc điểm của các cấu trúc bộ biến đổi ........................................................10
Bảng 2: Các tham số của hệ thống ............................................................................44
v
Danh mục ký hiệu
uL
Vector điện áp
u Lα , u Lβ
Thành phần vector điện áp trong hệ tọa độ α-β
u Ld , u Lq
Thành phần vector điện áp trong hệ tọa độ d-q
iL
Vector dòng điện
i Lα , i Lβ
Thành phần vector dòng điện trong hệ tọa độ α-β
i Ld , i Lq
Thành phần vector dòng điện trong hệ tọa độ d-q
uS
Vector điện áp bộ biến đổi
u Sα , u Sβ
Thành phần vector điện áp bộ biến đổi trong hệ tọa độ α-β
u Sd , u Sq
Thành phần vector điện áp bộ biến đổi trong hệ tọa độ d-q
u dc , idc
Điện áp và dòng điện một chiều DC – Link
Sa , Sb , Sc
C
L
R
T
P
Q
Trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi
Điện dung
Điện cảm
Điện trở
Chu kỳ trích mẫu
Công suất hữu công
Công suất vô công
vi
Danh mục chữ viết tắt
ASVM
Adaptive Space Vector Modulation
DLE
DPC
DRE
Discrete Lyapunov Equation
Direct Power Control
Discrete Riccati Equation
DTC
IGBT
Direct Torque Control
Insulated Gate Bipolar Transistor
PI
PLL
PWM
Proportional Integral Controller
Phase Locked Loop
Pulse Width Modulation
SVM
UPF
VOC
Space Vector Modulation
Unity Power Factor
Voltage Oriented Control
1
Lời nói đầu
Lời nói đầu
---^ ]---
Trong thế giới càng ngày càng phát triển hiện đại, vấn đề công nghệ
xanh, sạch ngày càng được đề cao. Và nó cũng đã thâm nhập cả vào lĩnh vực
cung cấp và sử dụng năng lượng. Những năm gần đây vấn đề hạn chế và loại
bỏ nhiễu cùng những thành phần hài bậc cao trong hệ thống cung cấp điện
đang rất được quan tâm và đầu tư nghiên cứu. Vấn đề này ngày càng quan
tâm hơn khi mà các thiết bị điện tử như máy tính, máy in, tivi …, các tải có
tính phi tuyến, ngày càng được sử dụng rộng rãi. Những thiết bị này là nguồn
gây ra sóng hài bậc cao trong dòng điện và các nhiễu điện từ, làm tăng công
suất phản kháng và tổn hao trên đường truyền.
Do thực tế đó yêu cầu đối với những thiết bị biến đổi năng lượng điện
nói chung và bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM nói riêng không những là
cung cấp tốt năng lượng cho tải cuối cùng mà còn không làm ảnh hưởng đến
chất lượng điện áp lưới, cũng như giảm tối đa tổn thất. Như chúng ta đã biết,
chất lượng của bộ điều khiển trong bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM sẽ
quyết định đến chất lượng của bộ biến đổi đó và việc thiết kế bộ điều khiển
cho bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM là một trong những đối tượng nghiên
cứu quan trọng nhất của điện tử công suất và là một vấn đề mang tính thời sự
hiện nay. Khi bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM làm việc trong môi trường
mà các tham số thay đổi, muốn bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM có chất
lượng tốt thì bộ điều khiển của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM đó phải
có khả năng thích nghi với những tham số này.
Lời nói đầu
2
Xuất phát từ nhận thức trên, tôi nhận thấy việc nâng cao chất lượng của
bộ biến đổi là điều hết sức cần thiết. Do vậy tôi chọn đề tài : “Nghiên cứu điều
khiển thích nghi tham số biến đổi nguồn xoay chiều ba pha” để làm luận văn
tốt nghiệp. Đối tượng của đề tài này là bộ biến đổi xoay chiều ba pha có sử
dụng kĩ thuật PWM. Đã có nhiều phương pháp và cách giải quyết vấn đề chất
lượng điều khiển cũng như giảm “ô nhiễm” đối với bộ biến đổi này. Để có
một cái nhìn tổng quan về vấn đề này tôi xin giới thiệu một số phương pháp
và cách giải quyết vấn đề nêu trên. Theo đó hai phương pháp điều khiển được
thường được sử dụng hiện nay là phương pháp điều khiển công suất trực tiếp
(DPC) và phương pháp điều khiển tựa theo điện áp lưới (VOC).
Phương pháp DPC, tương tự phương pháp DTC được sử dụng đối với
động cơ cảm ứng. Trong DPC, cả công suất hữu công và công suất vô công
tức thời sẽ được điều khiển.
Phương pháp VOC, tương tự phương pháp điều khiển tựa theo vector
từ thông rotor được sử dụng phổ biến hiện nay trong điều khiển động cơ cảm
ứng. Trong VOC, 2 thành phần dòng điện lưới được tách kênh và điều khiển
độc lập và phương pháp này được sử dụng rộng rãi hơn.
Phương pháp VOC khác với DPC ở chỗ có hai vòng điều khiển với
vòng điểu khiển dòng điện ở bên trong và vòng điều khiển điện áp một chiều
ở bên ngoài (cấu trúc điều khiển tầng). Đối với vòng điểu khiển trong, đây là
vòng điều khiển quyết định trực tiếp đến chất lượng của bộ biến đổi, ta có thể
áp dụng các luật điều khiển: PI, deadbeat, hay mờ.
Luận văn này đề cập đến một cách tiếp cận trong việc thiết kế bộ điều
khiển cho bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM thoả mãn yêu cầu nêu trên. Đó
là áp dụng kỹ thuật điều khiển kiểu deadbeat cho bộ điều khiển dòng của bộ
biến đổi xoay chiều ba pha PWM, đây là một kỹ thuật có lẽ được ứng dụng
rộng rãi nhất hiện này trong kỹ thuật điều khiển dòng. Và để nâng cao chất
Lời nói đầu
3
lượng cũng như tính bền vững của bộ điều khiển deadbeat, một bộ quan sát
trượt thích nghi được thiết kế để làm việc trong trường hợp điện cảm có giá trị
bất định.
Mục đích của việc nghiên cứu đề tài này ngoài nhiệm vụ tốt nghiệp mà
học viên phải hoàn thành, bản thân tôi còn hy vọng qua đề tài này sẽ củng cố
và hệ thống lại những kiến thức đã học được ở trường; làm quen dần với
phương pháp luận khoa học ứng dụng vào thực tiễn.
Và nhiệm vụ luận văn:
Nghiên cứu lý thuyết điều khiển thích nghi tham số, lý thuyết về kỹ
thuật điều khiển kiểu deadbeat và bộ sát trượt.
Áp dụng các lý thuyết đó vào trong bộ biến đổi xoay chiều ba pha
PWM.
Với nhiệm vụ trên, nội dung luận văn bao gồm có 6 chương:
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM.
Chương 2: Xây dựng mô hình bộ biến đổi xoay chiều ba pha
PWM.
Chương 3: Xây dựng lý thuyết quan sát trượt thích nghi cho bộ
biến đổi xoay chiều ba pha PWM
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi xoay chiều ba
pha PWM.
Chương 5: Mô phỏng và kết quả.
Chương 6: Kết luận và phương hướng phát triển đề tài.
Luận văn này hoàn thành là nhờ sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo
hướng dẫn TS.Lưu Hồng Việt. Tuy nhiên, đây là một lĩnh vực lớn mà trình
độ tiếp thu học tập của bản thân còn nhiều hạn chế, thời gian nghiên cứu có
hạn nên luận văn này sẽ không tránh khỏi những thiếu xót. Kính mong quý
4
Lời nói đầu
thầy cô và nhà trường góp ý xây dựng thêm để tôi hoàn thành tốt được nhiệm
vụ học tập, nghiên cứu đã đề ra.
Xin chân thành cảm ơn thầy Lưu Hồng Việt, nhà trường đã giúp đỡ tôi
thực hiện Luận văn Cao học này.
Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2009
Học viên thực hiện
Ngô Thái Bằng
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
Chương 1:
5
Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều
ba pha PWM
1.1. Giới thiệu chung về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
Trong những năm gần đây, lượng năng lượng điện được biến đổi qua
bộ biến đổi trước khi được sử dụng ở tải cuối cùng ngày càng tăng. Về bản
chất, các bộ biến đổi có đặc tính phi tuyến, nên khi hoạt động sẽ tạo ra các
dòng điện sóng hài bậc cao trong lưới ba pha. Có nhiều phương pháp để giảm,
khử nhiễu và sóng hài trong hệ thống điện đã và đang được nghiên cứu rộng
rãi. Vấn đề này càng được quan tâm khi mà số lượng các thiết bị điện ngày
càng được sử dụng nhiều như máy tính, máy in, tivi,… Thiết bị này, tải phi
tuyến là nguồn gốc của các sóng hài, làm tăng công suất vô công và gây lên
tổn hao trên đường dây truyền tải. Sóng hài cũng là nguyên nhân gây lên hiện
tượng nhiễu điện từ và đôi khi rất nguy hiểm. Hơn nữa các tải phi tuyến và
dòng không sin này sẽ tạo ra điện áp không sin rơi trên các trở kháng của
mạch. Nó tạo lên hiện tượng quá nhiệt trên đường dây, máy biến áp và máy
phát do có tổn hao sắt từ. Do vậy khi giảm thành phần sóng hài trên đường
dây xuống còn một vài phần trăm cho phép tránh được hầu hết các vấn đề đã
nêu ở trên. Hiện nay đã có nhiều phương pháp để giảm sóng hài và kỹ thuật
này dựa trên các phần tử bị động, trộn giữa bộ biến đổi Diot một pha – ba pha
và kỹ thuật điện tử công suất như: bộ biến đổi đa xung, các bộ lọc tích cực và
bộ biến đổi PWM. Ta có thể chia làm 2 nhóm chính được thể hiện trong hình
1.1 dưới đây:
6
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
Kỹ thuật giảm sóng hài
BỘ LỌC
BỘ LỌC
THỤ ĐỘNG
KẾT HỢP
GIỮA BỘ BIẾN
ĐỔI DIOT
1 PHA – 3 PHA
LAI
BỘ BIẾN ĐỔI
PWM
BỘ BIẾN ĐỔI
GIẢM ÁP
BỘ LỌC
TÍCH CỰC
BỘ BIẾN ĐỔI
ĐA XUNG
BỘ BIẾN ĐỔI
TĂNG ÁP
2 MỨC
3 MỨC
Hình 1.1: Các kỹ thuật giảm sóng hài ba pha phổ biến
Phương pháp truyền thống để giảm sóng hài là sử dụng các bộ lọc LC
nối song song với lưới. Cấu trúc của bộ lọc thường gồm có tụ điện mắc nối
tiếp với cuộn cảm và số lượng của chúng phụ thuộc vào số sóng hài cần được
lọc (bậc 5, bậc 7, bậc 11, bậc 13). Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản
và chi phí thấp. Tuy nhiên nhược điểm dễ nhận thấy đó là sự cồng kềnh và
với mỗi một ứng dụng lại cần sự thiết kế và lắp đặt lại: kích thước và thay thế
các bộ phận của bộ lọc,… Trong trường hợp bô biến đổi Diot thì phương
pháp đơn giản nhất để giảm sóng hài của dòng là bổ xung các cuộn cảm nối
tiếp ở đầu vào hoặc đầu ra của bộ biến đổi.
Một phương pháp khác là dựa trên việc kết hợp tải một pha và ba pha,
cơ sở của phương pháp này là dòng hài bậc 5 và bậc 7 của bộ biến đổi Diot
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
7
một pha thường ngược pha với dòng hài bậc 5 và bậc 7 của bộ biến đổi Diot
ba pha.
Bên cạnh đó là phương pháp chỉnh lưu đa xung dựa trên công nghệ
điện tử công suất. Mặc dù ưu điểm là dễ thực thi nhưng nhược điểm của
phương pháp này là sự cồng kềnh của máy biến áp, làm tăng điện áp rơi và
tăng dòng hài khi tải bất đối xứng.
Và hiện nay phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là dùng các bộ
biến đổi PWM. Vì vậy trong phần này chúng ta chỉ đề cập đến bộ biến đổi
PWM. Bộ biến đổi PWM có 2 loại: nguồn dòng đầu ra và nguồn áp đầu ra.
Loại thứ nhất gọi là bộ biến đổi tăng áp (tăng điện áp) làm việc với cực tính
điện áp một chiều cố định và loại thứ hai gọi là bộ biến đổi giảm áp (giảm
điện áp) hoạt động với dòng một chiều cố định. Những đặc điểm chính của bộ
biến đổi PWM đó là:
Truyền công suất theo hai chiều.
Dòng điện đầu vào gần sin.
Khả năng điều chỉnh hệ số công suất tới một.
Méo sóng hài của dòng đường dây thấp.
Khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp một chiều (DC- Link) hoặc
dòng.
Giảm kích cỡ của tụ (hoặc cuộn cảm) do dòng liên tục.
1.2. Cấu trúc của bộ biến đổi
Một bộ biến đổi PWM nguồn điện áp với bộ biến đổi Diot ở phía trước
là một trong số các cấu hình chung nhất sử dụng trong các hệ truyền động
xoay chiều tốc độ biến đổi hiện đại.
8
Tải
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
Hình 1.2: Bộ biến đổi Diot
Trong bộ biến đổi Diot không điều khiển thì ưu điểm là đơn giản, bền
vững và chi phí thấp. Tuy nhiên nó chỉ cho phép truyền công suất theo một
chiều, do đó cần có điện trở để tiêu tán năng lượng trả lại từ động cơ và được
điều khiển bởi bộ đổi điện nối với DC- Link. Với bộ biến đổi không điều
khiển thì hệ số công suất mạch đầu vào Diot thấp hơn và sóng hài dòng đầu
vào cao. Một hạn chế khác của bộ biến đổi Diot không điều khiển là điện áp
lớn nhất đầu ra cung cấp cho động cơ luôn luôn nhỏ hơn điện áp nguồn.
Phương trình (1.1) và (1.2) được sử dụng để xác định bậc và độ lớn của sóng
hài trong bộ biến đổi Diot:
h = 6k ± 1 , k = 1, 2, 3, …
(1.1)
Ih
= 1/ h
I1
(1.2)
Bên cạnh cấu trúc bộ biến đổi Diot ta còn có các cấu trúc sau:
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
9
Hình 1.3: Các cấu trúc của bộ biến đổi
a) Bộ biến đổi loại tăng áp đơn giản
b) Bộ biến đổi Diot kết hợp với khả năng tái sinh PWM
c) Bộ biến đổi Diot kết hợp với lọc tích cực PWM
d) Bộ biến đổi 3 mức
e) Bộ biến đổi 2 mức
Dưới đây là bảng so sánh đặc điểm của các cấu trúc bộ biến đổi xoay chiều ba
pha:
10
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
Bảng 1: Đặc điểm của các cấu trúc bộ biến đổi
Khả năng
Méo sóng
Dạng
Khả năng
Truyền
điều chỉnh
hài của
sóng gần
chiều
công
điện áp
dòng
sin
chỉnh hệ
suất theo
một chiều
đường dây
số công
hai chiều
đầu ra
thấp
suất
Bộ biến đổi Diot
-
-
-
-
-
Cấu trúc (a)
+
-
-
+
-
Cấu trúc (b)
-
-
-
-
+
Cấu trúc (c)
-
+
+
+
-
UPF
Cấu trúc (d)
+
+
+
+
-
UPF
Cấu trúc (e)
+
+
+
+
+
UPF
Tính năng
Cấu trúc
Ghi chú
Qua bảng so sánh trên ta thấy cấu trúc (e) có nhiều ưu điểm nhất và đây cũng
là cấu trúc được sử dụng phổ biến nhất. Vì vậy từ đây trở về sau ta chỉ xét cấu
trúc bộ biến đổi hai mức (bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM).
1.3. Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
Hình 1.4b biểu diễn một pha của mạch bộ biến đổi trong hình 1.4a với
L, R là cảm kháng và trở kháng của đường dây, uL là điện áp dây và uS là điện
áp của bộ biến đổi cầu điều khiển được từ phía một chiều. Giá trị của uS phụ
thuộc vào chỉ số điều chế và mức điện áp một chiều.
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
11
Hình 1.4: Bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
a) Sơ đồ mạch
b) Sơ đồ một pha
Cuộn cảm nối giữa đầu vào của bộ biến đổi và đường dây là một phần
quan trọng của mạch này. Nó đưa đến đặc tính nguồn dòng của mạch đầu vào
và cung cấp đặc tính tăng áp của bộ biến đổi. Dòng trên đường dây iL được
điều khiển bởi điện áp rơi trên cuộn cảm L nối hai nguồn điện áp (điện áp dây
và điện áp bộ biến đổi). Điều đó có nghĩa là điện áp rơi trên cuộn cảm bằng
hiệu giữa điện áp dây uL và điện áp bộ biến đổi uS. Khi chúng ta điều khiển
góc lệch pha ε và giá trị của điện áp bộ biến đổi uS, chúng ta sẽ trực tiếp điều
khiển pha và giá trị của dòng đường dây. Theo cách này, giá trị trung bình và
dấu của dòng một chiều là đối tượng điều khiển, tỷ lệ với công suất hữu công
dẫn qua bộ biến đổi. Còn công suất vô công có thể được điều khiển một cách
độc lập bằng cách dịch chuyển dòng sóng hài cơ bản IL đối với điện áp UL.
Giản đồ pha trong trường hợp tổng quát, trong trường hợp hệ số công
suất bằng một và hệ số công suất bằng trừ một được chỉ ra trong hình 1.5. Từ
giản đồ ta thấy rằng, vector điện áp uS ở chế độ nghịch lưu lớn hơn trong chế
độ chỉnh lưu (lên tới 3%). Điều đó có nghĩa là hai chế độ này là bất đối xứng.
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
12
Hình 1.5: Sơ đồ pha của bộ biến đổi PWM
a) Trường hợp tổng quát
b) Hệ số công suất bằng một (Chế độ chỉnh lưu)
c) Hệ số công suất bằng trừ một (Chế độ nghịch lưu)
Bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM (Hình 1.4a) bao gồm 3 nhánh van
Transistor IGBT hoặc trong trường hợp công suất lớn thì sử dụng Thyristor
GTO. Điện áp của bộ biến đổi được biểu diễn bằng 8 trạng thái chuyển mạch
(Hình 1.6) được mô tả bởi phương trình (1.3):
u k +1
⎧2
jkπ / 3
⎪ u dc e
= ⎨3
với k = 0, 1, …, 5
⎪⎩0
(1.3)
13
Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
k=0
U1
Udc
A
B
A
U3
k=3
A
C
k=4
U5
U4
A
B
U6
Udc
U7
A
B
+
Udc
C
+
+
Udc
C
k=5
B
U0
B
+
Udc
C
B
+
Udc
B
+
Udc
A
U2
C
B
A
k=1
C
k=2
A
+
C
+
Udc
C
Hình 1.6: Các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi ba pha PWM
-
Chương 2: Xây dựng mô hình bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
Chương 2: Xây
14
dựng mô hình bộ biến đổi xoay
chiều ba pha PWM
2.1. Mô tả toán học của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
Mối quan hệ giữa các vector của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
được biểu diễn ở hình 2.1 dưới đây:
γ L = ωt
Hình 2.1: Mối quan hệ giữa các vector trong bộ biến đổi xoay chiều ba pha
15
Chương 2: Xây dựng mô hình bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
2.1.1. Mô tả dòng và điện áp pha
Điện áp và dòng pha có dạng:
u a = E m cos ωt
(2.1a)
2π ⎞
⎛
u b = E m cos⎜ ωt +
⎟
3 ⎠
⎝
(2.1b)
2π ⎞
⎛
u c = E m cos⎜ ωt −
⎟
3 ⎠
⎝
(2.1c)
ia = I m cos(ωt + ϕ )
(2.2a)
2π
⎛
⎞
ib = I m cos⎜ ωt +
+ϕ⎟
3
⎠
⎝
(2.2b)
2π
⎛
⎞
+ϕ⎟
ic = I m cos⎜ ωt −
3
⎠
⎝
(2.2c)
Trong đó Em, Im và ω lần lượt là biên độ của điện áp pha, dòng pha và tần số
góc tương ứng với giả sử rằng:
ia + ib + ic ≡ 0
(2.3)
Ta chuyển các phương trình (2.1) sang hệ tọa độ cố định mới α-β và xác định
được điện áp đầu vào trong hệ tọa độ này là:
u Lα =
2
E m cos(ωt )
3
(2.4)
u Lβ =
2
E m sin (ωt )
3
(2.5)
Và tương tự ta tính được điện áp đầu vào trong hệ tọa độ quay đồng bộ d- q:
⎡ 2 ⎤
⎡u Lα ⎤ ⎢ E m ⎥ ⎡ u L2α + u L2β
⎢u ⎥ = ⎢ 3 ⎥ = ⎢
0
⎣ Lβ ⎦ ⎢ 0 ⎥ ⎢⎣
⎣
⎦
⎤
⎥
⎥⎦
(2.6)
16
Chương 2: Xây dựng mô hình bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
2.1.2. Mô tả điện áp đầu vào trong bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
Từ hình 1.6 ta xác định được điện áp dây đầu vào của bộ biến đổi xoay chiều
ba pha PWM:
uSab = (Sa – Sb). udc
(2.7a)
uSbc = (Sb – Sc). udc
(2.7b)
uSca = (Sc – Sa). udc
(2.7c)
Và điện áp pha:
uSa = fa. udc
(2.8a)
uSb = fb. udc
(2.8b)
uSc = fc. udc
(2.8c)
Với:
fa =
2 S a − (S b + S c )
3
(2.9a)
fb =
2 S b − (S a + S c )
3
(2.9b)
fc =
2S c − (S a + S b )
3
(2.9c)
Khi đó fa, fb, fc có thể bằng 0, ± 1/3, ± 2/3
2.2. Mô hình của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
2.2.1. Mô hình của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM trong hệ tọa độ
tự nhiên
Từ hình 1.5 ta viết được phương trình điện áp cho hệ ba pha cân bằng không
điểm trung tính:
u L = uI + u S
uL = RiL +
diS
L + uS
dt
(2.10)
(2.11)
17
Chương 2: Xây dựng mô hình bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM
⎡ia ⎤ ⎡u Sa ⎤
⎡ia ⎤
⎡u a ⎤
⎢u ⎥ = R ⎢i ⎥ + L d ⎢i ⎥ + ⎢u ⎥
b
Sb
⎢ b⎥
⎢ b⎥
dt ⎢ ⎥ ⎢ ⎥
⎢⎣ic ⎥⎦ ⎢⎣u Sc ⎥⎦
⎢⎣ic ⎥⎦
⎢⎣u c ⎥⎦
(2.12)
Kết hợp các phương trình đó lại, ta có sơ đồ khối của bộ biến đổi xoay chiều
ba pha PWM trong hệ tọa độ tự nhiên như trong hình 2.2 dưới đây:
1
sC
1
R + sL
1
R + sL
1
3
1
R + sL
Hình 2.2: Sơ đồ khối của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM trong hệ tọa độ
tự nhiên
2.2.2. Mô hình của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM trong hệ tọa độ
cố định α-β
Phương trình điện áp trong hệ tọa độ cố định α-β:
⎡iLα ⎤
⎡uLα ⎤
d
⎢u ⎥ = R ⎢i ⎥ + L
dt
⎣ Lβ ⎦
⎣ Lβ ⎦
⎡iLα ⎤ ⎡u Lα ⎤
⎢i ⎥ + ⎢u ⎥
⎣ Lβ ⎦ ⎣ Lβ ⎦
(2.13)
