Phân tích tải, nguồn không cân bằng phi tuyến, l ựa chọn bộ nguồn cấp cho máy bay

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn: Nguyễn Anh Đức LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Viện đào tạo Sau đại học, Bộ môn Tự động hóa XNCN thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho q trình tơi thực luận văn Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Trần Trọng Minh, người định hướng tận tình bảo, hướng dẫn để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Cuối xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho suốt q trình tơi học tập nghiên cứu Hà Nội, ngày 20/03/2010 Nguyễn Anh Đức MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH TẢI, NGUỒN KHƠNG CÂN BẰNG PHI TUYẾN, L ỰA CHỌN BỘ NGUỒN CẤP CHO MÁY BAY 1.1 KHÁI NIỆM VỀ TẢI, NGUỒN KHÔNG CÂN BẰNG .1 1.2 KHÁI NIỆM VỀ TẢI, NGUỒN KHÔNG CÂN BẰNG 1.2.1 Định nghĩa tải, nguồn không cân dựa vào chênh lệch công suất .1 1.2.2 Định nghĩa tải, nguồn không cân dựa vào thành phần đối xứng .3 1.2.3 Ảnh hưởng tải, nguồn không cân 1.2.4 Tải phi tuyến 1.2.4.1 Khái niệm tải phi tuyến .8 1.2.4.2 Ảnh hưởng tải phi tuyến 10 1.2.4.3 Biểu diễn tải phi tuyến dạng mạch điện 18 1.3 YÊU CẦU CÔNG NGHỆ CỦA BỘ NGUỒN CẤP ĐIỆN CHO MÁY BAY 20 1.4 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ NGUỒN CẤP ĐIỆN CHO MÁY BAY CỦA VNAIRLINE 21 1.4.1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC XE ĐIỆN HÃNG LOVAUX .21 1.4.1.1 Khái quát chung .22 1.4.1.2 Nguyên lý hoạt động 22 1.4.1.3 Các thông số .23 1.4.1.4 Ưu nhược điểm xe điện hãng Lovaux 23 1.5 ĐẶT VẤN ĐỀ THAY THẾ BỘ NGUỒN CÔNG NGHỆ CŨ 24 1.5.1 Lựa chọn nguồn 24 1.5.2 Ưu nhược điểm 24 CHƯƠNG 2: BIẾN ĐIỆU VECTOR KHÔNG GIAN CHO BỘ BIẾN TẦN PHA DÂY 26 2.1 PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐIỆU BỀ RỘNG XUNG 26 2.1.1 Biến điệu bề rộng xung cực tính .26 2.1.2 Biến điệu bề rộng xung hai cực tính 28 2.2 PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐIỆU KHÔNG GIAN VECTOR 30 2.2.1 Biến điệu vector không gian hai chiều 30 2.2.1.1 Cấu trúc biến đổi pha nhánh van .30 2.2.2 Biến điệu vector không gian ba chiều 35 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ CẤU TRÚC BỘ BIẾN TẦN PHA DÂY 54 3.1 MƠ HÌNH BỘ BIẾN TẦN PHA DÂY .54 3.1.1 Mơ hình biến tần pha dây tọa độ abc 54 3.1.2 Mơ hình biến tần pha dây hệ tọa độ quay dqo 55 3.1.2.1 Hệ tọa độ quay dqo 55 3.1.2.2 Mơ hình biến tần pha dây hệ tọa độ quay dqo 57 CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG BỘ NGUỒN BA PHA BỐN DÂY 115V/400 Hz 64 4.1 MÔ PHỎNG BỘ NGUỒN BA PHA BỐN DÂY 115V/400 Hz 64 4.1.1 Giới thiệu phần mềm mô Matlab 64 4.1.2 Mô cấu trúc nguồn ba pha bốn dây 115V/400 Hz 64 4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ NGUỒN BA PHA BỐN DÂY 115V/400 HZ 70 4.2.1 KIỂM CHỨNG BỘ ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN .70 4.2.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI CÁC LOẠI TẢI KHÁC NHAU 71 TÓM TẮT LUẬN VĂN 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO .78 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PWM : Pusle width modulation NLĐL : Nghịch lưu độc lập SVM : Space vector modulation AMM : Acraft maintaince manual DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Danh mục bảng Bảng 1.1 Tải không cân dịng trung tính Bảng 1.2 Tải không cân hệ số không cân Bảng 1.3 So sánh tỷ lệ độ lớn thành phần sóng hài bậc cao 14 Bảng 2.1: Giá trị véctơ chuẩn theo hệ thống điện áp pha 33 Bảng 2.2: Gía trị véc tơ điện áp ứng với trạng thái van 39 Bảng 2.3: Chuyển mạch điện áp tương ứng 42 Bảng 2.4: Bố trí tứ diện lăng trụ 44 Bảng 2.5: Giá trị A(3x3) .46 Bảng 2.6 Đặc điểm phân loại sector lăng trụ 49 Bảng 2.7: Bảng liệt kê thời gian đóng cắt sector 51 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Ví dụ phân tích tải, nguồn khơng cân thành ba thành phần riêng biệt: Thứ tự thuận, thứ tự ngược thứ tự khơng Hình 1.2 Bốn khả nối nguồn tải .7 Hình 1.3 Chỉnh lưu điơt ba pha khơng có lọc chiều 11 Hình 1.4 Chỉnh lưu điơt ba pha có tụ lọc chiều .12 Hình 1.5 Chỉnh lưu điơt ba pha với lọc L/C chiều 13 Hình 1.6 Dạng sóng ba chỉnh lưu điơt pha có tụ lọc .16 Hình 1.7 Dịng trường hợp tải phi tuyến có mơ hình giống nguồn dòng điều hòa .18 Hình 1.8 Điện áp trường hợp tải phi tuyếncó mơ hình giống nguồn áp điều hòa .19 Hình 1.9 Các trường hợp sử dụng biến đổi pha dây 20 Hình 1.10 GPU hãng Lovaux .21 Hình 2.1 Phương pháp biến điệu bề rộng xung PWM 27 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển PWM nghịch lưu áp ba pha 28 Hình 2.3 Sơ đồ biến đổi .30 Hình 2.4 Sơ đồ thay biến đổi pha nhánh 31 Hình 2.5 Các khả chuyển mạch biến tần pha dây 33 Hình 2.6 Vị trí vector chuẩn mặt phẳng αβ 34 Hình 2.7 Cấu trúc biến đổi pha dây 35 Hình 2.8 Sơ đồ thay biến tần pha dây 36 Hình 2.9 Các khả chuyển mạch 39 Hình 2.10 Thành phần vector điện áp hệ tọa độ αβγ .40 Hình 2.11 Vị trí vetor chuẩn không gian .41 Hình 2.12 Lăng trụ .42 Hình 2.13 Các tứ diện lăng trụ I 43 Hình 2.14 Tỉ số điều biến 45 Hình 2.15 Lưu đồ thuật tốn xác định lăng trụ chứa V 48 Hình 2.16 Cách xác định V 48 Hình 2.17 Biểu đồ xung mở van thuộc tứ diện 14 50 Hình 3.1 Mơ hình biến tần pha dây 55 Hình 3.2 Mối quan hệ hệ tọa độ αβγ dqo 57 Hình 3.3 Mơ hình mạch lực biến tần ba pha bốn dây 57 Hình 3.4 Mơ hình biến tần ba pha bốn dây miền toán tử Laplace 59 Hình 3.5 Mạch vịng dịng điện biến tần ba pha bốn dây 60 Hình 3.6 Cấu trúc điều chỉnh điện áp biến tần pha dây 63 Hình 3.7 cấu trúc điều khiển biến tần pha dây 63 Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển biến tần pha dây .65 Hình 4.2 Cấu trúc mạch lực biến tần pha dây 66 Hình 4.3 Cấu trúc điều khiển PWM biến tần pha dây 66 Hình 4.4 Chi tiết khối phát xung tam giác 67 Hình 4.5 Khối chuyển vị toạ độ abc→dqo 67 Hình 4.6 Khối chuyển vị toạ độ dqo→αβγ 68 Hình 4.7 Mơ điều khiển dịng điện 68 Hình 4.8 Mơ điều khiển điện áp 69 Hình 4.9 Mơ khối ước lượng dòng tải 69 Hình 4.10 Lượng đặt điều khiển cho biến tần pha dây 70 Hình 4.11 Đáp ứng thành phần dòng is 71 Hình 4.12 Tín hiệu điều chế vector không gian SVM 72 Hình 4.13 Điện áp sau lọc LC .72 Hình 4.14 Dịng điện tải dịng trung tính 73 Hình 4.15 Góc tựa động với chu kỳ T= 2,5ms (tương ứng với 400 Hz) 73 Hình 4.16 Đặc tính ud_ref ud .74 Hình 4.17 Đặc tính uq_ref uq .74 Hình 4.18 Phân tích phổ điện áp sau lọc LC .75 65 CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG BỘ NGUỒN BA PHA BỐN DÂY 115V/400 Hz 4.1 MÔ PHỎNG BỘ NGUỒN BA PHA BỐN DÂY 115V/400 Hz 4.1.1 Giới thiệu phần mềm mô Matlab Matlab phần mềm phục vụ thiết kế mô quen thuộc kĩ sư điều khiển - tự động hoá Phần mềm cung cấp môi trường cần thiết cho mô hệ thống bao gồm tập hợp cơng cụ tính toán, đồ hoạ 2D, 3D Đây phần mềm lập trình được, đặc điểm làm cho môi trường Matlab ngày trở lên phong phú Simulink phần mềm hoạt động môi trường Matlab, chuyên dùng cho việc mơ hình hố, mơ phân tích hệ thống Có thể sử dụng cơng cụ cho việc mơ tuyến tính, phi tuyến… miền liên tục hay gián đoạn Simpower toolbox làm việc tương thích với mơi trường simulink matlab Toolbox cho cung cấp cho người sử dụng thư viện điện tử công suất hệ truyền động phong phú, dễ dàng mơ hình vật lý đối tượng sau áp dụng thuật tốn xây dựng để điều khiển mơ hình Điều cho phép việc mơ hình hố gần với thực tế Bộ biến tần pha dây mô phần mềm Matlab/Simulink/Simpower 4.1.2 Mô cấu trúc nguồn ba pha bốn dây 115V/400 Hz Tham số mô phỏng : Thông số Giá trị Áp chiều 600 V Lọc LC Tần số phát xung 15 kHz Hệ số điều chỉnh điện áp Kd= Kq = Ko =1.8 66 Toàn cấu trúc điều khiển biến tần pha dây mô phần mềm Matlab/Simulink sau: Ut_ref C ontinuous Ut_ref po wergui Ut It Iv _ref Iv _ref Saturation theta_n Iv us Reference Ut(k+1) z dqo xy z G1 G1 G2 G2 G3 G3 G4 G4 G5 G5 G6 G6 G7 G7 G8 G8 It abc xy z theta dqo-xyz uDC dqo theta Ut current controIler Terminator abc dqo theta Udc 300 Udc PWM Iv abc dqo theta Subsystem Ut Ut(k+1) Iv It Ut Scope1 It Terminator1 Iv Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển biến tần pha dây Sau ta khảo sát chi tiết khối mơ hình Tất khối điều khiển mơ hình xây dựng dựa thuật toán xây dựng chương II chương III Cấu trúc mạch lực mô Matlab/Simulink/Simpower biến tần pha dây Các van bán dẫn sử dụng van điều khiển hoàn toàn IGBT Bao gồm van IGBT với cực điều khiển riêng rẽ 67 + v + v - Ut + - v Scope2 g Ut C IGBT/Diode6 Step1 E E IGBT/Diode4 T o Workspace E C C IGBT/Diode2 E IGBT/Diode C G4 g G3 g G2 g G1 Step3 + -i DC Voltage Source c + -i + -i + -i i + - + -i c c IGBT/Diode1 IGBT/Diode3 IGBT/Diode5 c g c Breaker8 Breaker3 c IGBT/Diode7 E E E 2 E 2 Breaker2 C G8 g G7 C G6 g G5 C g C c Breaker7 Breaker1 + -i Breaker Breaker9 Iv c It Breaker10 It T o Workspace1 Scope1 Step4 Hình 4.2 Cấu trúc mạch lực biến tần pha dây Khối biến điệu vector không gian SVM - 3D viết ngôn ngữ C biên dịch file *.dll chạy môi trường simulink Việc viết ngôn ngữ C giúp ta sau thuận lợi triển khai xuống vi điều khiển ctrl pulses phat xung G1 G2 u_xy z xyz dc_pwm udc Udc G3 Scope8 SVM G4 G5 Constant1 G6 G7 G8 Hình 4.3 Cấu trúc điều khiển PWM biến tần pha dây Với đầu vào thành phần điện áp hệ toạ độ αβγ điện áp chiều Udc Tín hiệu khâu SVM đưa vào khối “phát xung” với tần số băm xung 15kHz để đưa điều khiển van cụ thể 68 Sawtooth pulses Scope9 1 ctrl pulses Relay Scope3 Scope1 s -K- Integrator Pulse Generator pulses Scope2 Scope9 Hình 4.4 Chi tiết khối phát xung tam giác Từ công thức () ta xây dựng khối chuyển vị toạ độ từ hệ toạ độ abc sang Scope1 hệ toạ độ dqo Thực chất khối tương tự chuyển hệ abc →dq hệ thông pha nhánh van truyền thống thêm trục o abc theta dqo abc->dq f(u) abc->0 Hình 4.5 Khối chuyển vị toạ độ abc→dqo Từ công thức (3.9) ta xây dựng khối chuyển vị toạ độ từ hệ toạ độ dqo sang hệ toạ độ αβγ Thực chất khối tương tự chuyển hệ dq →αβ hệ thông pha nhánh van truyền thống 69 1 Mdqo RRF->SRF xyz theta Hình 4.6 Khối chuyển vị toạ độ dqo→αβγ Theo thiết kế phần điều khiển dịng có cấu trúc kiểu deadbeat hình 4.7 Ivd_ref -K- z Usd_k1 T/Ld3 z Unit Delay Ivd Usd_k1 -K- -K-K- T/Ld 1-T/Td Ld/T Usq_k1 Ut(k+1) Uso_k1 1 z Unit Delay1 z Unit Delay2 Scope4 Id 314 To Workspace3 T Product omega Product1 z Unit Delay3 dlim q T us qlim T Ivq d -KT/Ld4 Usq_k1 -K- T1 T/Ld1 lim 0lim -K- -K- limit Ld/T1 1-T/Td1 -K1/sqrt(3) Ivq_ref Ivd_ref uDC Scope1 1 z Unit Delay4 z Unit Delay5 -K1 T/Ld5 Ivq_ref Iv_ref Iq To Workspace1 Ivo_ref -K- z T/Ld2 Uso_k1 Ivo Ivd -KT/4Ld -K- z Unit Delay8 -K- 1-T/Td2 4Ld/T Ivq Iv Ivo_ref Scope2 1 z Unit Delay10 z Unit Delay11 Io To Workspace2 -K- Ivo T/4Ld2 -K- z T/4Ld1 Hình 4.7 Mơ điều khiển dịng điện Theo thiết kế phần điều khiển điện áp có cấu trúc P hình 4.8 cho ba kênh riêng biệt Trong kênh dq có lượng bù chéo ωC để khử đan kênh thành phần 70 Usd_ref Usd_ref 1.8 Gain2 Usq_ref Usd It_d Ut_ref Scope3 Usq -K- Uso_ref Gain1 Usq_ref Usd 1.8 Gain3 Usq Iv_ref It_q Usq Ut Usd -KGain Uso Scope1 Uso_ref 1.8 It_d Gain4 Uso It_o It It_q It_o Scope2 Hình 4.8 Mơ điều khiển điện áp Dịng điện tải tính tốn cách đo dòng qua cuộn cảm điện áp tụ theo công thức đưa chương -K- Ut Gain5 -K1 Gain z Unit Delay -KIv Gain2 It -K- Gain1 z Unit Delay1 -K1 Gain3 z Unit Delay2 Hình 4.9 Mơ khối ước lượng dòng tải Ở chế độ xác lập nguồn pha dây chế độ xác lập để điều khiển cần điện áp lượng đặt đầu vào phải là: Ud = Uphase = f = 400 Hz , Uq = 0, Uo = 71 K Ts 2*pi*400 Scope2 f(u) z-1 theta_n Fcn Constant wn 115*sqrt(2) Ud* Constant1 Constant2 Uq* Constant3 U0* Hình 4.10 Lượng đặt điều khiển cho biến tần pha dây 4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BỘ NGUỒN BA PHA BỐN DÂY 115V/400 Hz 4.2.1 Kiểm chứng điều chỉnh dòng điện 350 20 19 18 Usd 300 17 250 Dien ap (V) Dong dien (A) 16 15 Isd* 14 200 Usd(limit) Isd 13 12 150 11 10 0.079 0.0795 0.08 0.0805 0.081 thoi gian (s) Đáp ứng dòng isd & isd* 0.0815 100 0.079 0.0795 0.08 0.0805 0.081 thoi gian (s) Đáp ứng điện áp usd & usd_limit 0.0815 72 12 140 Usq 11 120 Isq* 10 100 Dien ap (V) Dong dien (A) 80 Usq(limit) Isq 60 40 0.079 0.0795 0.08 0.0805 0.081 0.0815 20 0.079 0.0795 0.08 0.0805 0.081 0.0815 thoi gian (s) thoi gian (s) Đáp ứng điện áp usq & usq_limit Đáp ứng dòng isq & isq* 200 12 100 10 -100 Dienap(V) Dong dien (A) -200 Iso* -300 Uso(limit) -400 -500 Iso -600 Uso 0.079 0.0795 0.08 0.0805 0.081 0.0815 -700 0.079 0.0795 Đáp ứng dòng iso & iso* 0.08 0.0805 0.081 0.0815 thoi gian (s) thoi gian (s) Đáp ứng điện áp uso & uso_limit Hình 4.11 Đáp ứng thành phần dịng is Kết luận: Dựa vào đáp ứng động học giá trị dòng điện thực dòng điện đặt cho thấy ưu điểm đáp ứng nhanh điêù khiển chỉnh dịng dead-beat, kết mơ phù hợp với lý thuyết xây dựng 4.2.2 Kết mô với loại tải khác Từ - 0,01s chế độ không tải, từ 0,01s - 0,02s tải đối xứng 73 (Ra,b,c=10Ω, La,b,c=1mH), từ 0,02s - 0,03s tải không cân (Ra=15Ω, Rb=20Ω, Rc=25Ω, La,b,c=1mH), từ 0,03s hở mạch pha a Hình 4.12 Tín hiệu điều chế vector khơng gian SVM Hình 4.13 Điện áp sau lọc LC 74 Hình 4.14 Dịng điện tải dịng trung tính Hình 4.15 Góc tựa động với chu kỳ T= 2,5ms (tương ứng với 400 Hz) 75 Hình 4.16 Đặc tính ud_ref ud Hình 4.17 Đặc tính uq_ref uq 76 Hình 4.18 Phân tích phổ điện áp sau lọc LC Nhận xét: Kết mô cho thấy ưu điểm biến tần pha dây trường hợp : tải không cân pha, pha không tải, … Trong trường hợp điện áp có dạng hình sin có biên độ, tần số tương ứng với giá trị đặt trước (115V_rms, 400Hz) Còn dòng điện phụ thuộc vào tính chất phụ tải TĨM TẮT LUẬN VĂN Đề tài tiến nghiên cứu biến tần pha dây áp dụng cho hệ thống tải không cân bằng, tải phi tuyến, trường hợp phổ biến điển hình thực tế Trong phạm vi luận văn trình bày số vấn đề sau: - Đưa phương pháp đánh giá tính đổi xứng tải/nguồn ảnh hưởng chúng hệ thống - Xây dựng phương pháp biến điệu vector không gian SVM - 3D cho biến đổi pha dây - Đưa mơ hình biến tần pha dây hệ tọa độ quay dqo Xây dựng phương pháp điều khiển cho biến tần pha dây hệ tọa độ quay dqo Khảo sát tính tốn điều chỉnh miền tần số đảm bảo chất lượng điện áp đầu - Mô toàn cấu trúc điều khiển biến tần pha dây phần mềm Matlab/Simulink/Plecs - Mơ hình thực nghiệm biến tần xây dựng phịng thí nghiệm chứng tỏ tính đắn thuật toán đưa SUMARY OF THESIS The thesis has studied the frequency transformer with phases and lines applied in unbalanced load, non-linear load which are quite practically typical The following matters are covered: - A method to evaluate the asymmetry of the load or current source and their impact on the system - A modulation of space vector SVM-3D for the frequency transformer with phases and lines - A model of the frequency transformer with phases and lines on the dqo revolving coordinate A method to control the frequency transformer with phases and lines on the dqo revolving coordinate An investigation and calculation of the control set on the frequency area and a guarantee of the output - Model the frequency transformer with phases and lines with Matlab/Simulink/Plecs software - The model was carried out in the laboratory to prove the authenticity of the given calculation TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] Giáo trình điện tử cơng suất – TS Trần Trọng Minh Vũ Hoàng Phương, Đào Phương Nam: Xây dựng cấu trúc điều khiển nghịch lưu ba pha bốn nhánh van Chuyên san Kỹ thuật Điều khiển Tự động tháng -2007 [3] Nguyễn Phùng Quang: Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha Nhà xuất giáo dục [4] Aircraft maintaince manual [5] GROUND POWER UNIT MODEL 994/140/TRK/S [6] Nguyễn Phùng Quang: MATLAB Simulink dành cho kĩ sư Điều khiển tự động Nhà xuất Khoa học kĩ thuật-2004 ... PHÂN TÍCH TẢI, NGUỒN KHÔNG CÂN BẰNG PHI TUYẾN, L ỰA CHỌN BỘ NGUỒN CẤP CHO MÁY BAY 1.1 KHÁI NIỆM VỀ TẢI, NGUỒN KHÔNG CÂN BẰNG .1 1.2 KHÁI NIỆM VỀ TẢI, NGUỒN KHÔNG CÂN BẰNG 1.2.1 Định nghĩa tải,. .. tải cân không cân bằng Đánh giá phân tích kết quả mơ phỏng CHƯƠNG PHÂN TÍCH TẢI, NGUỒN KHÔNG CÂN BẰNG - PHI TUYẾN, L ỰA CHỌN BỘ NGUỒN CẤP CHO MÁY BAY 1.1 KHÁI NIỆM VỀ TẢI, NGUỒN KHÔNG CÂN... NIỆM VỀ TẢI, NGUỒN KHÔNG CÂN BẰNG 1.2.1 Định nghĩa tải, nguồn không cân dựa vào chênh l? ??ch công suất Trong hệ thống ba pha, tải ba pha khơng cân phân phối không tải ba pha (tức tải không cân bằng)