Nghiên cứu và điều khiển bộ chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung
NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU BA PHA ĐIỀU CHẾ ĐỘ
RỘNG XUNG
CONTROL AND RESEARCH ON THREE-PHASE PULSE WIDTH
MODULATION (PWM) RECTIFIER.
Nguyễn Văn Linh1
1Trường Cao Đẳng Nghề Số 8
TÓM TẮT:
Bộ chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung được sử dụng rộng rãi trong hệ thống phân phối cung
cấp điện như trong tuabin nhỏ, điện gió, điện từ khí đốt,...vv. Các bộ chỉnh lưu có điều khiển và
không điều khiển thông thường là phi tuyến tính. Do đó, nó gây ra hàm lượng sóng hài cao trong
dòng điện, giảm hệ số công suất, hiệu suất thấp, méo dạng sóng, v.v ...
Hiện nay, nhiều phương pháp điều khiển cho chỉnh lưu đã được nghiên cứu và ứng dụng điển
hình như phương pháp điều chế độ rộng xung sine (SPWM) và phương pháp điều chế vector
không gian (SVPWM) đã cho một số kết quả nhất định.
Thuật toán tối ưu bày đàn đã và đang được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực kỹ thuật do tính đơn
giản và hiệu quả cao so với các thuật toán khác.
Từ khóa: PWM; SPWM; SVPWM; PSO; THD.
ABSTRACT:
Three phase PWM rectifiers are utilized as a part of distributed power generation applications
such as micro turbines, windmills, fuel cells etc. The controlled and uncontrolled rectifiers are
generally nonlinear in nature. Thus it causes high harmonic content in the line current, reduced
power factor, low efficiency, voltage distortion etc.
To date, a great number of rectify techniques were proposed such as direct current control
or direct power control…These proposed techquies require a modulation method (sine
pulse width modulation-SPWM or space vector pulse width modulation-SVPWM) to
realize the demanded voltage reference via the power electronic inverters.
The search engine is based on particle swarm optimization (PSO) as fast and simple technique
algorithm
Keywords: PWM; SPWM; SVPWM; PSO; THD.
1
I.
GIỚI THIỆU
Bài báo tập trung nghiên cứu nguyên lý cơ
bản của phương pháp điều chế PWM, mục
tiêu là nghiên cứu chỉnh lưu theo phương
pháp điều chế độ rộng xung (PWM) dùng
giải thuật PSO tìm thông số tối ưu cho bộ
điều khiển PID. Việc nghiên cứu các
phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM đã
và đang được thực hiện ngày một nhiều
hơn, thành quả nhất là nghiên cứu theo
phương pháp vector không gian (SVPWM).
Đây là một giải pháp đầy hứa hẹn với những
ưu điểm từ cấu trúc này: Cải thiện các thành
phần hài của dòng điện đối với nhiều tải phi
tuyến; Cải thiện hệ số công suất trong
trường hợp ảnh hưởng bởi ứng dụng nhiều
tải; Cải thiện độ cân chỉnh dòng điện nguồn.
Bộ điều khiển PID đòi hỏi cân chỉnh phức
tạp và bằng nhiều kết quả thực nghiệm. Để
giải quyết vấn đề này giải thuật PSO được
áp dụng nhằm dò tìm thông số Kp, Ki cho
bộ điều khiển PID. Với kết quả đạt được từ
nghiên cứu này cho thấy hệ thống có đáp
ứng nhanh, vọt lố và độ méo hài thấp.
Hình 1: Mạch chỉnh lưu ba pha
-
Mạch gồm sáu khóa K được điều khiển độc
lập. Mỗi khóa K gồm IGBT và diode mắc
song song để dẫn điện hai chiều.
Tụ C được dùng để lọc phẳng điện áp ra.
Cuộn dây L và điện trở R là hai thành phần
của cuộn cảm tăng cường lọc nguồn.
-
-
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: không đóng hai khóa trên
cùng một pha để tránh ngắn mạch ngõ ra,
(Trạng thái các khóa
không
đồng thời với trạng thái khóa Ka, Kb, Kc)
-
Sơ đồ vector không gian điện áp cho chỉnh
lưu PWM:
II. MÔ HÌNH CỦA BỘ CHỈNH LƯU
PWM
Hình 2: Vector không gian điện áp.
Mô hình toán học chỉnh lưu PWM:
Mạch chỉnh lưu ba pha sử dụng nguồn ba
pha có điểm trung tính với sơ đồ nguyên lý
(Hình 1) như sau:
Hình 3: Mạch tương đương của bộ chỉnh lưu ba pha
2
Kb Kc 2Ka
L dia
dt
ea Ria
vdc
vdc
vdc
6
Phương trình điện áp cho bởi ea, eb, ec
Ka Kc 2Kb
( 2.5 )
L dib
dt
eb Rib
6
Ka Kb 2Kc
L dic
dt
L dia
dt
Ria uan
ec Ric
ea
6
C dvdc
vdc
Ka ia Kbib Kc ic
RL
L dib
dt
( 2.1 )
dt
eb
Rib ubn
Phương trình toán học chỉnh lưu ba pha
trên tọa độ d-q
L dic
dt
Ric ucn
ec
L did
dt
ud Rid Liq urd
Phương trình điện áp ba pha cho bởi ea,
( 2.6 )
diq
eb, ec
L
uq Riq Lid urq
dt
sin(
)
-
ea Em
2
C dvdc
vdc
RL
3 Sd id Sq iq
dt
( 2.2 )
2
3
=
sin(
)
)
eb Em
Trong đó:
4
3
urd Sd vdc
=
sin(
-
ec Em
( 2.7 )
Phương trình toán học của điện áp đặt
vào chỉnh lưu ba pha
urq Sq vdc
Phương trình toán học điện áp vào chỉnh lưu
PWM tọa độ d-q
1
6
uan
2Ka Kb Kc vdc
/
urd urd Liq ud
1
6
( 2.8 )
( 2.3 )
2Kb Ka Kc vdc
ubn
/
urq urq Lid uq
1
6
Từ phương trình ( 1.8 ) thay vào phương
2Kc Ka Kb vdc
ucn
trình ( 1.6 ) ta có
/
L did
dt
Phương trình dòng điện qua tụ C
Rid urd
(2.9 )
C dvdc
( 2.4 )
Kaia Kbib Kcic iL
L diq
/
dt
Riq urq
dt
Phương trình dòng điện ba pha cân bằng
Phương trình toán học của chỉnh lưu ba
ia ib ic 0
pha
(2.10)
3
III. HIỆU CHỈNH BỘ ĐIỀU KHIỂN
PID DÙNG GIẢI THUẬT PSO:
IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MATLAB
SIMULINK:
Bộ điều khiển PID sử dụng thuật giải
PSO để hiệu chỉnh tham số trong điều
khiển chỉnh lưu ba pha Hình 4 như sau.
Hình 5: Giao diện điều khiển
Hình 4: Bộ điều khiển PID bằng giải thuật bầy đàn
1. Chỉnh lưu 3 pha SPWM Boost:
Khối dò tìm Kp,Ki trong giải thuật PSO,
gồm Vref , hàm thích nghi PSO tìm các
thông số Kp,Ki, đặt vào khối tạo xung
PWM điều khiển khối công suất cho điện áp
ra bằng điện áp đặt trước.
Hình 6: Sơ đồ Simulink chỉnh lưu 3 pha SPWM Boost
4
Hình 7: Đáp ứng điện áp chỉnh lưu 3 pha SPWM Boost
Hình 8: Đáp ứng dòng điện chỉnh lưu 3 pha PWM PID
Hình 9: So sánh pha giữa điện áp vào pha A và dòng điện vào pha A
-
-
-
Độ méo dạng của dạng sóng THD (%)
nhỏ.
1.1. Nhận xét kết quả mô phỏng chỉnh lưu
3 pha SPWM Boost:
Điện áp đặt: 800v; f=50 Hz
(max=1000HZ),
Các kết quả mô phỏng matlab/Simulink sẽ
cho thấy cấu trúc điều khiển có khả năng
làm việc tốt yêu cầu kỹ thuật sau:
Thông số đặt trước Kp=0,2;
Ki=0,2/0,002; Kd=0, thời gian đóng tải:
0,1s.
-
-
-
Cosφ xấp xỉ 1, dòng điện và điện áp
gần trùng pha nhau
2. Chỉnh lưu 3 pha SVPWM PSO điều
Dòng điện lưới hình sin, sóng điều
hòa bậc cao không đáng kể.
Ổn định điện áp khi mang tải và cắt
tải.
khiển động cơ DC:
5
Hình 10: Mô hình động cơ DC
Hình 11: Đáp ứng điện áp chỉnh lưu 3 pha SVPWM PSO cấp nguồn động cơ DC
Hình 12: Đáp ứng dòng điện chỉnh lưu 3 pha PWM PID
Hình 13: Đáp ứng tốc độ động cơ DC
6
Hình 14: Đáp ứng dòng điện động cơ DC
2.1. Nhận xét kết quả mô phỏng chỉnh lưu
Trong quá trình hoạt động của mạch, ở
những thời điểm thay đổi tải, độ vọt lố
và điện áp ra ổn định không thay đổi
nhiều.
3 pha SVPWM PSO cấp nguồn động
cơ DC:
Các kết quả mô phỏng Matlab/Simulink sẽ
cho thấy cấu trúc điều khiển có khả năng
làm việc tốt yêu cầu kỹ thuật sau:
Điều khiển điện áp ngõ ra chính xác
theo thông số đặt.
-
Thông số đặt: Thời gian [0 2 4 6 8
15] tương ứng tốc độ [45 -45 45 -45
60 80 ]
Dòng điện khi đóng tải là [4.8 -4.8
4.8 -4.8 4.1]
Thời gian đáp ứng tốt và thời gian xác
lập nhanh, độ vọt lố nhỏ.
-
-
-
Điện áp là [800 -700 800 -700 700]
Đáp ứng tốc độ đạt tốc độ đặt với sai
số xác lập nhỏ bằng 0
-
-
-
Dòng điện lưới hình sin, sóng điều
hòa bậc cao không đáng kể.
Ổn định điện áp khi mang tốc độ động
cơ thay đổi.
Độ méo dạng của dạng sóng THD (%)
nhỏ, THD = 0,00%.
3. Kết luận:
Kết quả mô phỏng trên Matlab sẽ cho
thấy bộ điều khiển PSO với các thông số
được xác định bằng giải thuật bầy đàn hoạt
động tốt hơn so với phương pháp PID tự
chỉnh bằng tay:
7
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Văn Nhờ, Bài giảng điện tử công suất, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh,
2010.
2. Nguyễn Phùng Quang, Truyền Động Điện Thông Minh, NXB khoa học và kỹ thuật,
2006.
3. Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất ,Nhà xuất bản
khoa học và kỹ thuật; Hà Nội, 2008.
4. Li Chun, Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển số chỉnh lưu nhiều cấp CPS - SPWM ứng dụng
thiết bị nguồn điện loại sóng nhiễu，Đại học Triết Giang Hàng Châu Trung Quốc ,2006.
5. H. Komurcugil, O. Kukrer, A novel current control method for three phase PWM AC/DC
voltage source converters, IEEE Transactions On Industrial Electronics, VOL. 46, NO.3,
June (1999).
6. Dae-Woong Chung, Minimum-Loss Strategy for Three-Phase PWM Rectifier, IEEE
Transactions On Industrial Electronics, VOL. 48, NO.3, June (2001).
7. Woo-Cheol Lee, Taeck_Kie Lee, Dong-seok Hyun, Comparision of Single-Sensor
Current Control in the DC Link for Three-Phase Voltage-Source PWM Converters, IEEE
Transactions On Industrial Electronics, VOL. 48, NO.3, June (2001).
8. Holmes D. G., Lipo T. A., 2003, “Pulse Width Modulation for Power Converters:
Principles and Practice”, IEEE Press, USA.
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:
Họ tên: Nguyễn Văn Linh
Đơn vị: Trường Cao Đẳng Nghề Số 8
Điện thoại: 0978329608
Email: [email protected]om
8
BÀI BÁO KHOA HỌC
THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ
Bài báo khoa học của học viên
có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn
Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ
Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.
Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý
của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!
Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2019-2020 của Thư viện Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
9 trang
09/01/2024
17900
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu và điều khiển bộ chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_va_dieu_khien_bo_chinh_luu_ba_pha_dieu_che_do_ron.pdf
