(Luận văn thạc sĩ) điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO PID
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.57 MB, 119 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
DƯƠNG TRẦN ĐÌNH THẢO
ĐIỀU KHIỂN MẠCH CHỈNH LƯU BA PHA
PWM BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PSO - PID
S
K
C
0
0
3
9
5
9
NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250
S KC 0 0 3 9 6 8
Tp. Hồ Chí Minh, 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
DƯƠNG TRẦN ĐÌNH THẢO
ĐIỀU KHIỂN MẠCH CHỈNH LƯU BA PHA
PWM BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PSO - PID
NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250
Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN MINH TÂM
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2013
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: DƢƠNG TRẦN ĐÌNH THẢO Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 15/06/1974
Nơi sinh: Kiên Giang
Quê quán: Giồng Riềng – Kiên Giang
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 8/9/1 Lê Hồng Phong, P. An Hòa, Tp. Rạch Giá,
T. Kiên Giang.
Điện thoại cơ quan: 0773.863530
Điện thoại nhà riêng: 0918.873.496
Fax: 0773.863421
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Cơng nhân kỹ thuật:
Hệ đào tạo: chính quy
Thời gian đào tạo từ: 09/1991 đến 02/1996.
Nơi học: Trƣờng Sƣ phạm kỹ thuật IV Vĩnh Long.
Ngành học: Cao đẳng
Giáo viên dạy nghề điện.
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Tại chức
Thời gian đào tạo từ 09/1997 đến 09/ 1999.
Nơi học: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
Ngành học: Điện khí hóa – Cung cấp điện.
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp.
3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: chính quy
Thời gian đào tạo từ 08/2011 đến 10/2013
Nơi học: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
Ngành học: Thiết bị, mạng và nhà máy điện.
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
i
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
Tên luận văn: Điều khiển mạch chỉnh lƣu ba pha PWM bằng bộ điều khiển
PSO-PID.
Ngày & nơi bảo vệ luận văn: tháng 04 năm 2013, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ
thuật Tp. Hồ Chí Minh.
Ngƣời hƣớng dẫn: TS. Nguyễn Minh Tâm.
4. Trình độ ngoại ngữ: tiếng Anh - mức độ: B1- Châu Âu.
5. Học vị, học hàm, chức vụ kỹ thuật đƣợc chính thức cấp; số bằng, ngày & nơi
cấp:
Bằng Kỹ Sƣ Điện, cấp tại Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian
Nơi công tác
Từ 02/1996
Trung tâm hƣớng nghiệp dạy nghề
đến 08/2003
huyện Giồng Riềng – T. Kiên Giang.
Từ 08/2003
Trƣờng Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật
đến nay
Công việc đảm nhiệm
Giáo viên
Giảng viên
Kiên Giang
IV. CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ:
-
Chứng nhận làm đồ dùng dạy học mơ hình đếm sản phẩm kết nối PLC
S7-200 tham gia hội chợ tại cần thơ tháng 12 năm 2000.
-
Chứng nhận làm đồ dùng dạy học mơ hình lựa sản phẩm kết nối PLC S7-200
tham gia hội chợ tại An Giang tháng 12 năm 2001.
XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC
(Ký tên, đóng dấu)
Ngày 23 tháng 03 năm 2013
Ngƣời khai ký tên
Dƣơng Trần Đình Thảo
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
ii
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
MỤC LỤC
Trang
LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................... I
LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................III
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... IV
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN THẠC SĨ ....................................................... V
MỤC LỤC ............................................................................................................... VII
DANH SÁCH CÁC HÌNH ........................................................................................ X
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................2
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu ...........................................................2
1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã nghiên cứu. .............................3
1.3 Mục đích của đề tài. ............................................................................................5
1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài..........................................................................5
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu.....................................................................................5
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHỈNH LƢU BA PHA PWM ..........................8
2.1 Tổng quan mạch chỉnh lƣu ba pha có điều khiển PWM .......................................8
2.2. Nguyên lý làm việc của mạch ..............................................................................9
2.3 Mơ hình tốn học chỉnh lƣu PWM ......................................................................10
CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PID_PSO ........................................................18
3.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID ..............................................................................18
3.2 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID. .....................................................................19
3.3 Hiệu chỉnh bộ PID bằng phƣơng pháp Ziegler-Nichols .....................................20
3.4 Phƣơng pháp Ziegler-Nichols thứ nhất ...............................................................20
3.5. Phƣơng pháp Ziegler-Nichols thứ hai ................................................................21
3.6 Tổng quan giải thuật PSO ...................................................................................23
3.7 Lịch sử phát triển của giải thuật PSO..................................................................23
3.8 Các khái niệm cơ bản trong giải thuật bầy đàn ...................................................26
3.9 Mô tả thuật tốn PSO ..........................................................................................27
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
vii
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
3.10 Những vấn đề cần quan tâm khi xây dựng giải thuật PSO ...............................31
3.10.1 Mã hóa cá thể .............................................................................................31
3.10.2 Mã hóa nhị phân .........................................................................................31
3.10.3 Mã hóa hốn vị. ..........................................................................................32
3.10.4 Mã hóa theo giá trị .....................................................................................32
3.10.5 Mã hóa theo cấu trúc cây ...........................................................................32
3.10.6 Khởi tạo quần thể ban đầu..........................................................................33
3.10.7 Hàm thích nghi (hàm mục tiêu): ................................................................34
3.10.8 Hàm vận tốc v: ...........................................................................................34
3.10.9 Cập nhật vị trí tốt nhất cho cả quần thể......................................................35
3.11 Đặc điểm và ứng dụng của giải thuật PSO. ......................................................37
3.11.1 Đặc điểm ....................................................................................................37
3.11.2 Ứng dụng ....................................................................................................38
3.12 Hiệu chỉnh bộ điều khiển PID bằng thuật giải bầy đàn ....................................38
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MATLAB ...................................................40
4.1 Sơ đồ khối mơ hình tổng thể chỉnh lƣu ba pha PWM .........................................40
4.2 Thông số của mạch chỉnh lƣu ba pha khi chạy mô phỏng bằng Matlab .............41
4.2.1 Dạng hở: .......................................................................................................41
4.2.2 Dạng kín có hồi tiếp PID. .............................................................................43
4.3 Điều khiển mạch chỉnh lƣu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID ...........50
4.3.1 Sơ đồ tổng quan lƣu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID ...............50
4.3.2 Sơ đồ khối mạch chỉnh lƣu ba pha PWM điều khiển bằng PSO-PID .........51
4.3.3 Sơ đồ tổng quan mô phỏng trên maltab .......................................................52
4.4 Kết quả mô phỏng PID-PSO. ..............................................................................65
4.4.1 Kết quả mô phỏng PID-PSO (Trƣờng hợp 1) ..............................................65
4.4.2 Kết quả mô phỏng PID-PSO (Trƣờng hợp 2) ..............................................66
4.4.3 Kết quả mô phỏng PID-PSO (Trƣờng hợp 3) ..............................................67
4.4.4 Kết quả mô phỏng PID-PSO (Trƣờng hợp 4) ..............................................71
CHƢƠNG 5: MƠ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM .......................................................79
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
viii
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
5.1 Quá trình thực nghiệm tại phịng thí nghiệm .......................................................79
5.2 Sơ đồ ngun lý mơ phỏng maltab dùng lệnh dSPACE1104 .............................80
5.3 Các khối điều khiển trong dSPACE104. .............................................................80
5.3.1 Khối sensor điện áp khiển trong dSPACE104. ............................................80
5.3.2 Khối sensor dòng điện khiển trong dSPACE104. ........................................81
5.3.3 Khối sensor điện áp DC khiển trong dSPACE104. .....................................81
5.3.4 Khối SVPWM khiển trong dSPACE104. ....................................................82
5.4 Màn hình nhúng chƣơng trình xuống dSPACE104 ............................................83
5.5 Màn hình controldesk điều khiển card dSPACE104 ..........................................84
5.6 Mơ hình chƣa hoạt động card dSPACE104. .......................................................85
5.7 Màn hình controldesk đang hoạt động điều khiển card dSPACE104. ................86
5.8 Mô hình hoạt động tải thứ hai card dSPACE104................................................88
5.9 Số liệu kết quả thực nghiệm .................................................................................89
5.10 Kết luận: ............................................................................................................90
CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN ........................................................................................91
6.1 Kết luận ...............................................................................................................91
6.2 Hạn chế ................................................................................................................91
6.3 Hƣớng phát triển của đề tài .................................................................................91
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................92
PHỤ LỤC ..................................................................................................................94
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
ix
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
Phần A: DẪN NHẬP
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
1
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu chỉnh lƣu có điều khiển PWM
Những thập niên 80 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử chỉ đƣợc ứng dụng trong
những mạch điều khiển, đo lƣờng, khống chế, bảo vệ… hệ thống điện công nghiệp
gọi là điện tử công nghiệp.
Đến thập niên 90 của thế kỷ XX, kỹ thuật điện tử đã ứng dụng khá rộng rãi và
thành công trong việc thay thế các khí cụ điện dùng để đóng ngắt nguồn điện cho
những phụ tải một pha và ba pha, làm các bộ nguồn công suất lớn trong công
nghiệp… Với ƣu điểm là kích thƣớc nhỏ gọn, dễ điều khiển và thuận tiện, đáp ứng
tần số đƣợc mở rộng, khả năng về cơng suất, điện áp, dịng điện và độ tin cậy ngày
càng đƣợc cải tiến.
Ngày nay, tốc độ phát triển công nghiệp rất nhanh, kèm theo là các yêu cầu
cao trong khâu truyền động ổn định điện áp và có điều chỉnh điện áp, không thể
thiếu đƣợc trong các dây chuyền cơng nghiệp. Việc điều khiển chính xác để tạo nên
các chuyển động phức tạp là nhiệm vụ của hệ thống truyền động. Phát triển công
nghệ bán dẫn đã chế tạo các bộ điều khiển điện tử công suất đáp ứng yêu cầu truyền
động ngày càng phức tạp trên. Một trong những thiết bị góp phần quan trọng trong
lĩnh vực điều khiển truyền động điện là bộ chỉnh lƣu DC hay còn gọi là bộ nguồn
DC.
Bộ chỉnh lƣu DC đƣợc sử dụng rộng rãi trong một số ứng dụng nhƣ: chỉnh lƣu
mạ điện 12V-24V/300A, nguồn switching 15V/1000A, nguồn biến tần, máy nạp ắc
quy 12V-24V/1000A, máy nạp phóng ắc quy, máy phục hồi ắc quy, máy hàn một
chiều, máy giả tải… Hiện nay chúng đƣợc ứng dụng trên khắp thế giới.
Việc nghiên cứu điều khiển chỉnh lƣu đã có từ lâu. Đối tƣợng chính trong các
nghiên cứu này là nghiên cứu chỉnh lƣu theo phƣơng pháp điều chế độ rộng sóng
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
2
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
mang (CPWM).Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các phƣơng pháp điều
khiển chỉnh lƣu PWM đã và đang đƣợc thực hiện ngày một nhiều hơn, thành quả
nhất là nghiên cứu theo phƣơng pháp vector khơng gian (SVPWM).
Các cơng trình nghiên cứu về chỉnh lƣu PWM xuất phát từ các phịng thí
nghiệm của các nƣớc Mỹ, Úc, Hàn Quốc, Trung Quốc… cũng chỉ theo hai hƣớng
trên.
Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và công nghệ
trên thế giới, Việt Nam đang từng ngày hội nhập và tiếp nhận những thành tựu mới
nhất của khoa học và công nghệ. Đặc biệt trong ngành công nghiệp điện tử, các
thiết bị điện tử công suất đƣợc sản xuất ngày càng nhiều, đƣợc ứng dụng trong
công nghiệp và đời sống hằng ngày phát triển hết sức mạnh mẽ.
Hiện nay, việc bộ nguồn điện một chiều thƣờng sử dụng bằng diode, S C R ,
Transistor… với nhiều nhƣợc điểm: dịng đầu vào chứa nhiều sóng hài bậc cao,
quá trình chuyển mạch diễn ra chậm. Để khắc phục những nhƣợc điểm trên, nghiên
cứu các phƣơng pháp mới, một trong những phƣơng án đó là phƣơng pháp chỉnh
lƣu PWM.
Đề tài luận văn tốt nghiệp đƣợc chọn: “Điều khiển mạch chỉnh lƣu ba pha
PWM, bằng bộ điều khiển PSO-PID”, để mơ phỏng và thi cơng mơ hình.
1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã nghiên cứu.
Qua dữ liệu trên internet, tạp chí khoa học, cho thấy một số tài liệu có liên
quan đến đề tài.
a/ Tạp chí Control Strategy for Three Phase Voltage Source PWM Rectifier
Based on the Space Vector Modulation, Kada HARTANI, Yahia MILOUD Moulay
Tahar University of Saida University of Saida. BP-138 En-nasr Saida – Algeria
kada_hartani tháng 3/2010.
b/ Điều khiển VSC-HVDC - Ứng dụng trong truyền tải điện một chiều Hội An
- Đảo Cù Lao Chàm. ( Control of VSC-HVDC Aplication of HVDC transmission
Hoi An - Cu Lao Cham island).
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
3
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
c/ A PSO-Based Optimum Design of PID Controller for, a Linear Brushless
DC Motor, Mehdi Nasri, Hossein Nezamabadi-pour, and Malihe Maghfoori,
ineering and Technology 26-2007.
d/ Lê Hùng Lân, Lê Thị Tuyết Nhung, Tổng hợp bộ điều khiển PID bền vững
cho đối tƣợng tham số mờ đảm bảo độ dự trữ mờ về biên độ và pha., Tuyển tập báo
cáo KH HNKHKT Đo lƣờng IV, 2005.
e/ Cơng trình nghiên cứu của Phạm Văn Lực, Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ
Thuật TPHCM “Ứng dụng phương pháp điều khiển PID mờ kết hợp với phương
pháp định hướng trường để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha”. Kết
quả mô phỏng cho thấy phƣơng pháp PID-mờ tốt hơn so với phƣơng pháp PID
thơng thƣờng nhƣ dịng điện khởi động nhỏ, tốc độ động cơ bám sát tốc độ đặt với
sai số nhỏ.
f/ Cơng trình nghiên cứu của Huỳnh Đức Chấn, trình bày về phƣơng pháp điều
khiển định hƣớng từ thông (Field Orientated Control - FOC) cho động cơ không
đồng bộ ba pha và giải thuật bầy đàn (Particle swarm optimization- PSO) để xác
định thông số bộ điều khiển PID. Phƣơng pháp FOC và giải thuật xác định thông số
bộ điều khiển PID bằng phƣơng pháp cổ điển Ziegler - Nichols và bằng giải thuật
tối ƣu bầy đàn PSO đƣợc trình bày chi tiết trong bài báo này. Để kiểm tra tính đúng
đắn của giải thuật, cơng trình này sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab/Simulink để
mơ phỏng điều khiển FOC động cơ không đồng bộ ba pha bằng phƣơng pháp
Ziegler - Nichols và giải thuật bầy đàn. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển
PID với thông số đƣợc xác định bằng giải thuật PSO hoạt động tốt.
g/ Cơng trình nghiên cứu của nhóm tác giả Radha Thangaraj; Thanga Raj
Chelliah; Millie Pant; Ajith Abraham and Crina Grosan, Indian Institute of
Technology Roorkee; Scientific Network for Innovation and Research Excellence
Washington, USA and Department of Computer Science, Babes-Bolyai University
Cluj-Napoca, Romania “Optimal gain tuning of PI speed controller in induction
motor drives using particle swarm optimization”, trong cơng trình này nhóm tác giả
đã sử dụng bốn phƣơng pháp để điều chỉnh bộ PID trong điều khiển tốc độ của
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
4
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc đó là: PID cổ điển, PID- PSO, PID
mờ và PID mờ lai. Kết quả mô phỏng cho thấy, phƣơng pháp PID mờ lai thì thời
gian đáp ứng tốc độ nhanh, độ vọt lố và độ sụt dốc của động cơ khi thay đổi tải tốt
hơn so với các phƣơng pháp trên. Bên cạnh đó kết quả mô phỏng cũng cho thấy với
phƣơng pháp tối ƣu bộ PID bằng thuật giải bầy đàn (PSO) thì độ vọt lố và độ sụt
dốc của động cơ khi thay đổi tải đều nhỏ hơn so với phƣơng pháp PID cổ điển
1.3 Mục đích của đề tài.
Điều khiển bộ chỉnh lƣu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID.
1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
Đề tài “Điều khiển mạch chỉnh lƣu ba pha PWM, bằng bộ điều khiển
PSO-PID” đƣa ra kết quả mơ phỏng hệ thống. Từ đó thiết kế, thi cơng mơ hình bộ
nguồn chỉnh lƣu ba pha có điều khiển, đồng thời làm cơ sở áp dụng vào thực tiễn.
Nhiệm vụ trọng tâm và giới hạn đề tài chỉ tập trung nghiên cứu:
-
Tìm hiểu mạch chỉnh lƣu ba pha PWM.
-
Xây dựng mơ hình tốn học bộ chỉnh lƣu ba pha PWM.
-
Điều khiển bộ chỉnh lƣu ba pha PWM bằng phƣơng pháp PID.
-
Tìm hiểu giải thuật PSO và áp dụng để xác định thông số tối ƣu cho bộ điều
khiển PID.
-
Điều khiển bộ chỉnh lƣu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID. `
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu.
Để đáp ứng đƣợc các mục tiêu đã đề ra, tiến hành nghiên cứu và giải quyết các vấn
đề nhƣ sau:
-
Thu thập và nghiên cứu các tài liệu liên quan về các mạch chỉnh lƣu ba pha
có điều khiển, các giải thuật mạch chỉnh lƣu ba pha trong và ngoài nƣớc.
-
Nghiên cứu và phân tích các phƣơng trình tốn học của bộ chỉnh lƣu ba pha
PWM.
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
5
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
-
Nghiên cứu và phân tích các giải thuật PSO.
-
Phân tích thuật tốn
-
Nhận xét ƣu khuyết điểm của từng giải thuật
-
Chọn phƣơng pháp tối ƣu và có khả năng thực hiện đề tài.
-
Viết chƣơng trình mơ phỏng bằng công cụ phần mền Matlab.
-
Dựa vào giải thuật đã chọn và để điều khiển IGBT.
-
Dùng các khối để kết nối và mơ phỏng số liệu có liên quan.
-
Nhận xét kết quả mơ phỏng.
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
6
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
Phần B: NỘI DUNG
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
7
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
Chƣơng 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHỈNH LƢU BA PHA PWM
2.1 Tổng quan mạch chỉnh lƣu ba pha có điều khiển PWM
Mạch chỉnh lƣu ba pha sử dụng nguồn ba pha có điểm trung tính với sơ đồ
nguyên lý (Hình 2.1) nhƣ sau:
Hình 2.1: Mạch chỉnh lưu ba pha
-
Mạch gồm sáu khóa K đƣợc điều khiển độc lập. Mỗi khóa K gồm IGBT và
diode mắc song song để dẫn điện hai chiều.
-
Tụ C đƣợc dùng để lọc phẳng điện áp ra.
-
Cuộn dây L và điện trở R là hai thành phần của cuộn cảm tăng cƣờng lọc
nguồn.
Mạch có ƣu điểm và nhƣợc điểm của mạch chính sau:
Ƣu điểm:
- Điều chỉnh đƣợc giá trị điện áp DC ngõ ra (dựa vào luật đóng ngắt các khóa K)
- Giảm dòng điện hài ở ngõ vào (dùng phƣơng pháp điều chế độ rộng xung).
Nhƣợc điểm:
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
8
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
- Phụ thuộc vào phụ tải lớn, nhỏ (ảnh hƣởng số lần đóng khóa của IGBT).
2.2 Nguyên lý làm việc của mạch
- Điều khiển đóng ngắt các khóa K sao cho điện áp một chiều ngõ ra đạt giá trị đặt
mong muốn.
- Qui luật điều khiển: khơng đóng hai khóa trên cùng một pha để tránh ngắn mạch
ngõ ra.
- Qui luật điều khiển khóa K theo bảng sau. (1: đóng khóa, -1: ngắt khóa)
(Trạng thái các khóa
,
khơng đồng thời với trạng thái khóa Ka, Kb, Kc)
-.Phân tích bộ chỉnh lƣu ba pha PWM.
Tại giá trị (Ka, Kb, Kc) = (-1 -1 -1) và
,
=(1 1 1) thì các khóa ngắt.
-.Sơ đồ vector khơng gian điện áp cho chỉnh lƣu PWM:
Các thời điểm kích dẫn IGBT: V0, V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7
Các sector trong không gian: I, II, III, IV, V, VI
Hình 2.2: Vector khơng gian điện áp.
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
9
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
Bảng 2.1: Bảng trạng thái kích dẫn IGBT theo vector khơng gian
Trạng
V1
V2
V3
V4
V5
V6
V7
Vị trí
V(1,-1,-1)
V(1,1,-1)
V(-1,1,-1)
V(-1,1,1)
V(-1,-1,1)
V(1,-1,1)
V(1,1,1)
Ka
1
1
-1
-1
-1
1
1
-1
Kb
-1
1
1
1
-1
-1
1
-1
Kc
-1
-1
-1
1
1
1
1
-1
thái
V0
V(-1,-1,-1)
Góc pha giữa điện áp nguồn (ea, eb, ec) và dòng điện (ia, ib, ic) có giá trị tùy
chức năng của mạch:
= 0o: chỉnh lưu ( chọn)
= 180o: nghịch lưu
= 45o: phát cơng suất kháng về lƣới
2.3 Mơ hình toán chỉnh lƣu PWM
Ta đặt
es ea
T
e
b
ec ;
u s u an
T
u
bn
ucn ;
is ia
T
i
b
ic ;
k s k a
k
b
k c
T
Phƣơng trình điện áp ba pha nguồn ta có:
ea E m sin(t )
2
eb = Em sin(t - )
3
4
= Em sin(t - )
e
c
3
(2.1)
Áp dụng định luật Kirchhoff 2 ta có:
L di s Ri s es u s
dt
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
(2.2)
10
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
Triển khai công thức (2.2) ta có điện áp ea, eb, ec
dia Ri u
ea L
a
an
dt
dib
eb L
dt Ri b ubn
dic
ec L
dt Ri c ucn
(2.3)
Khi khóa K ở trạng thái sector 1: Ka= 1 ; Kb= -1 ; Kc= -1 áp dụng định luật
Kirchhoff 2 ta có phƣơng trình
di
e a L di a Ria
udc R ib L dtb eb 0
dt
dib
di
Rib Ri L c ec 0
eb L
c
dt
dt
i a ib i c 0
(2.4)
Khi K ở trạng thái sector 1: Ka= 1 ; Kb= -1 ; Kc= -1
2
u an 3 vdc
1
ubn vdc
3
1
u cn 3 vdc
(2.5)
Trạng thái khóa k từ sector 2 đến 6 cũng cho kết quả tƣơng tự
2
u
an
3 v dc
1
u bn v dc
3
1
u cn 3 v dc
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
11
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
Viết lại dƣới dạng ma trận
2 1 1
u an
K a
1
1 2 1 K
u
u
bn
dc
6
b
u
1 1 2 K c
cn
(2.6)
Chuyển khai ma trận (2.6) ta có
1
u an 6 2 K a K b K c vdc
1
u bn 2 K b K a K c vdc
6
1
u 2 K c K a K b v
cn
dc
6
(2.7)
Phƣơng trình dịng điện qua tụ C
i i i
c dc L
dv
dc =
c
K a i a K b ib K c i c - iL
dt
idc = Ka i a K b ib Kc ic
(2.8)
Thay (2.7) vào (2.3) ta có
di a
ea Ri a K b K c 2 K a vdc
L
dt
6
dib
eb Ri b K a K c 2 K b vdc
L
dt
6
L dic
ec Ric K a K6b 2K c vdc
dt
C dvdc
K a i a K b ib K c i c i L
dt
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
(2.9)
12
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
Định nghĩa Vector không gian
2
2
j
j
2
3
3
u e
U s uan ubne
cn
3
2
2
j
j
3
Is 2 i i e 3 i e
b
c
3 a
2
2
j
j
2
3
K K K e 3 K e
b
c
3 a
2
2
j
j
2
3 e e
3
e
e
e
E
b
c
s 3 a
Thay công thức (2.3) và (2.7) vào U s và
1
U s 2 K u dc
d
1
L
R
is 2 K
dt is
E s
u
(2.10)
E
s
từ (2.10) ta có
(2.11)
dc
Biểu diễn hệ thống ba pha bằng hệ trục tọa độ α – β.
Hình 2.3: Vector khơng gian điện áp
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
13
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
Sự chuyển đổi từ hệ trục tọa độ a-b-c sang hệ trục tọa độ α – β ta có:
2
3
0
a
b
c
1
3
1
3
a
b
3 c
1
3
1
(2.12)
0
3
2
3
2
1
1
2
1
2
Sau khi áp dụng chuyển đổi này ta có phƣơng trình điện áp sau đây:
u
i
d i u s
R L
dt
u
i
i u s
3
C du dc
dt
2
K i K i i
(2.13)
L
Biểu diễn hệ thống ba pha bằng hệ trục tọa độ d – q
U
dq
u s e j
(2.14)
Vậy Us là điện áp vector không gian
u Ri
s
s
u u j u
s
L di s es
dt
(2.15)
Ta quy đổi qua hệ tọa độ d – q
u
dq
Ridq L
u e
dq
j
di
dq
dt
j
ji dq u
Ridq e L e
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
j
sdq
(2.16)
j idq didq ) e j usdq
dt
14
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
Phƣơng trình chỉnh lƣu ba pha trên tọa độ d-q
di d
u d Ri d L
Li q u rd
dt
di q
u q Ri q L
Li d u rq
dt
dv dc 2
C
K d id K q iq i L
dt
3
u rd K d vdc
Trong đó:
u rq K q vdc
(2.17)
Các thông số trong hệ trục tọa độ d - q tƣơng ứng:
urd,urq là điện áp đầu vào của bộ chỉnh lưu;
Kd, Kq là hàm của khóa K;
ud ,uq điện áp
id ,iq dịng điện; ω tần số gốc
Phƣơng trình điện áp chỉnh lƣu PWM tọa độ d-q
/
u rd
u
rd
/
u rq
u rq
Li u
q
d
(2.18)
Li u
d
q
Thay (2.17) vào (2.18 )ta có
di d
/
Ri d u rd
L
dt
/
L di q
Ri q u rq
dt
-
(2.19)
Ta thấy rằng hai dòng điện trên trục là hoàn toàn tách rời.urd ' và urq’ chỉ liên
quan với id ,iq tƣơng ứng.
-
Trong hệ quy chiếu này, các thành phần id đại diện với công suất tác dụng
tƣơng ứng các thành phần iq đại diện cho cơng suất phản kháng. Từ id và iq có
thể đƣợc điều khiển độc lập, công suất phản kháng và tác dụng cũng có thể
đƣợc điều khiển độc lập. Vì vậy, để có đƣợc một dịng điện hình sin với hệ
số công suất =1, tham chiếu iq* = 0.
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
15
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
Hình 2.4: Khối điều khiển điện áp urd - urq cho chỉnh lƣu PWM
Bảng 2.2: Bảng tính tốn 8 trạng thái của điện áp dựa vào công thức (2.7)
Trạng
thái
Ka
Kb
Kc
Uan
1
1
-1
-1
2
3 v dc
2
1
1
-1
1
3 vdc
3
-1
1
-1
4
-1
1
1
-1
-1
1
6
1
-1
1
1
3 vdc
7
1
1
1
0
0
-1
-1
-1
0
5
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
Ucn
Vị trí kích
góc
1
3 vdc
V1(1,-1,-1)
2
3 v dc
2
3 vdc
V2(1,1,-1)
1
3 vdc
2
3 v dc
1
3 vdc
V3(-1,-1,-1)
2
3 vdc
1
3 vdc
1
3 vdc
16
Ubn
1
3 vdc
1
3 vdc
V1(1,-1,-1)
1
3 vdc
2
3 v dc
V1(1,-1,-1)
2
3 vdc
1
3 vdc
V1(1,-1,-1)
0
0
V7(1,1,1)
0
0
V0(-1,-1,-1)
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
Dùng kỹ thuật điều chế đối xứng, trong một chu kỳ xung PWM có 2 chu kỳ điều
chế Vs. Kỹ thuật điều chế dựa trên so sánh sóng mang tam giác và điện áp DC điều
khiển.
-
Xét tại sector 1:
Hình 2.5: Trạng thái đóng mở mạch sector 1
-
Xét tại sector 2:
Hình 2.6: Trạng thái đóng mở mạch sector 2
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
17
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
Luận văn thạc sĩ
Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM bằng bộ điều khiển PSO-PID
Chƣơng 3
CƠ SỞ LÝ THUYẾT PID_PSO
3.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID
Hình 3.1: Khâu điều khiển vịng kín
Điều khiển PID là một kiểu điều khiển có hồi tiếp, ngõ ra thay đổi tƣơng
ứng với sự thay đổi của giá trị đo. Chỉ có thể áp dụng đƣớc điều khiển P, PI, hay
PID.
Cơng thức tốn của bộ điều khiển PID trên miền Laplace:
C (s) K p
Ki
1
K d s K p (1 Td s)
s
Ti s
(3.1)
Trong đó:
-
Kp : độ lợi tỉ lệ.
-
Ki : độ lợi tích phân.
-
Kd : độ lợi vi phân.
-
Ti=Kp/Ki : thời gian khâu vi phân.
-
Td : thời gian khâu tích phân.
Điều chỉnh tỉ lệ (P) là phƣơng pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh
tỉ lệ với sai lệch đầu vào.
HVTH: Dương Trần Đình Thảo
18
GVHD: TS. Nguyễn Minh Tâm
