CHỈNH LƯU BA PHA BỐN DÂY ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG VOC HỒ MẠNH TIẾN Bộ môn Kỹ thuật điện Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Chỉnh lưu ba pha bốn dây được phát triển trên cơ sở chỉnh lưu ba pha ba dây để khắc phục những nhược điểm của hệ thống này khi làm việc với nguồn không cân bằng. Chỉnh lưu ba pha bốn dây có thêm dây trung tính, nhờ vậy nó có khả năng điều khiển dòng trung tính. Bộ chỉnh lưu ba pha bốn dây cho chất lượng tốt: giảm được sóng điều hòa bậc cao, nâng cao được hệ số công suất, có khả năng trao đổi năng lượng giữa nguồn và tải, hệ thống có khả năng làm việc trong trường hợp guồn không cân. Summary: The four legged PWM rectifier has been improved upon the three legged PWM rectifier to sort out the errors when this system works with imbalanced source. The four legged PWM rectifier has the neutral wire so this system can control the neutral current. The four legged PWM rectifier has good characteristics: reducing high harmonic waves, improving cosφ, capable of exchanging energy between the source and the load, able to work in imbalanced source condition. Chữ viết tắt: BBĐ: Bộ biến đổi; BP3D: Ba pha ba dây; BP4D: Ba pha bốn dây; CL: Chỉnh lưu; HTĐ: Hệ tọa độ; PWM: Pulse Width Modulation; VOC: Voltage Oriented Control; BĐK: Bộ điều khiển ĐT I. PHẦN MỞ ĐẦU Các BBĐ CL ngày nay đã được áp dụng rộng rãi trong các nghành công nghiệp và các lĩnh vực sản xuất khác, mang lại những kết quả tích cực, tuy nhiên còn có những nhược điểm sau: - Với các bộ CL dùng diot, thyristor còn tồn tại một số nhược điểm như: sóng điều hòa bậc cao gây méo điện áp lưới, hệ số công suất thấp. - Với BBĐ CL PWM BP3D với nguyên lý điều chế độ rộng xung dựa trên việc tổng hợp vector chuẩn trong hệ tọa độ không gian hai chiều với giả thiết dòng điện trung tính bằng không cho ta chất lượng điều khiển tốt trong trường hợp nguồn cân bằng tuy nhiên trong trường hợp nguồn tải không cân hệ thống này cho ta chất lượng điều khiển không tốt có thể gây sự cố hệ thống. Để khắc phục nhược điểm này, BBĐ CL PWM BP4D đã được nghiên cứu và phát triển. Các phương pháp điều khiển CL. So với CL PWM BP3D về phần lực, CL PWM BP4D có thêm một cặp van để điều khiển dòng trung tính. Nhờ vậy, chúng có khả năng làm việc tốt trong điều kiện nguồn không cân bằng. II. CẤU TRÚC MẠCH LỰC Nguồn cấp cho BBĐ CL PWM BP4D là nguồn xoay chiều ba pha V A , V B , VB C . BBĐ gồm bốn cặp van để điều khiển ba dòng điện pha và dòng trung tính. Nguyên lý hoạt động của chúng là dựa vào các yêu cầu đầu vào, đầu ra để điều khiển đóng mở bốn cặp van trong sơ đồ chuyển mạch bốn dây. Bộ lọc LC để đảm bảo chất lượng điện áp một chiều đầu ra và đảm bảo dòng điện xoay chiều đầu vào có dạng hình sin. I a b I I n c I Läc S¬ ®å chuyÓn m¹ch bèn d©y ~ ~ ~ C dc T¶i L L L L Chïm xung kÝch A V V B C V G V V a b V f V c V V Läc ®Õn tõ vi ®iÒu khiÓn ĐT Hình 1. Sơ đồ chỉnh lưu ba pha bốn dây III. MÔ HÌNH CỦA CHỈNH LƯU BA PHA BỐN DÂY Để phục vụ cho việc thiết kế bộ điều khiển, ta phải mô hình hóa các phần tử trong hệ thống CL BP4D. Từ hình 1 ở trên, ta có mô hình CL BP4D trong hệ tọa độ abc: C I - + V G - + V C - + V B A V + - I n c I I b a I L V dc L L L af V - + + - V bf cf - + V I p C T¶i p n S¬ ®å chuyÓn m¹ch bèn d©y Hình 2. Mô hình tín hiệu trung bình lớn của CL BP4D Từ mô hình trên hình 2 ta có các công thức như sau : ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ cf bf af dc cf bf af d d d .V V V V (1) I a + I b + I c + I n = 0 (2) I p = [d af d bf d cf ]. [I a I b I c ] T (3) ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ CG BG AG cf bf af dc n n n n c b a V V V L 1 d d d L V I I I dt d . L L I I I dt d (4) [][ () L T cbacfbfaf dc IIII.ddd C 1 dt dV −= ] (5) Tổng số có bốn biến trạng thái bao gồm ba dòng cuộn cảm I a , I b , và I c , và điện áp V dc . Ba đầu vào là những thành phần tỷ lệ trung tính (d af , d bf , và d cf ). Đầu ra là điện áp V dc . Mối tương quan trong không gian giữa HTĐ abc và HTĐ dq0 thể hiện như hình vẽ sau: α 0 −β −q d ĐT Hình 3. Quan hệ giữa HTĐ αβγ và HTĐ dq0 Ta có các công thức chuyển đổi từ HTĐ abc sang HTĐ dq0: [X d X q X 0 ] T = T 4 . [X a X b X c ] T (6) Trong đó ma trận biến đổi tọa độ như sau : T 4 = () () ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ π+ω− ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ π−ω−ω− ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ π+ω ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ π−ωω 2 1 2 1 2 1 3 2 tsin 3 2 tsintsin 3 2 tcos 3 2 tcostcos . 3 2 (7) - d I L + dc V I L ω q LI + C d V + - - + + - - + V q + LI d ω L I q - o I 0 V + - - + n L + 3L p I 2 3 __ 3 2 00qqdd 2 3 _ p I = d I + d I + d I V S0 Sq V V Sd dcd d V d V qdc dc0 d V Hình 3. Mô hình tín hiệu trung bình lớn của CL BP4D trong HTĐ dq0 IV. ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU BA PHA BỐN DÂY THEO PHƯƠNG PHÁP VOC Mô hình điều khiển CL BP4D theo phương pháp VOC được xây dựng trên cơ sở mô hình tín hiệu trung bình lớn như ở trên. V d = L. d t dI d + V Sd – ω.L.I q (8a) V q = L. dt dI q + V Sq + ω.L.I d (8b) V 0 = 4L. d t dI 0 + V S0 (8c) Đặt tất cả các thành phần dòng trục q và trục 0 bằng 0 (I q = 0 và I 0 = 0), ta được hệ phương trình: ĐT V d = L. dt dI q + V Sd (9a) V q = V Sq + ω.L.I d (9b) V 0 = V S0 (9c) Ta xây dựng vòng điều khiển dòng điện ở trong và vòng điều khiển điện áp ở ngoài. Để điều khiển ba dòng điện I d , I q và I 0 , ta sử dụng ba bộ điều khiển PI. Vòng điều khiển điện áp cũng sử dụng bộ điều khiển PI. Ta có: V Sd = ωL.I q + V d + ΔV d (10a) V Sq = –ωL. I d + V q + ΔV q (10b) V S0 = V 0 + ΔV 0 (10c) Trong đó Δ là tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển dòng điện ΔV d = k p (I d * – I d ) + k i ( ) ∫ − dtII d * d (11a) ΔV q = k q (I q * – I q ) + k i ( ) ∫ − dtII q * q (11b) ΔV 0 = k 0 .(I 0 * – I 0 ) + k i ( ) ∫ − dtII 0 * 0 (11c) Đầu ra V Sd , V Sq và V S0 qua khâu biến đổi hệ tọa độ dq0/αβγ sẽ được dùng làm đầu vào của khâu điều chế vectơ không gian ba chiều. Như vậy, ta đã tách biệt được ba kênh d, q và 0 trở thành ba chỉnh lưu một pha làm việc độc lập : V d (+) dc V Current controler Current controler d I I q 0 I (-) V S0 q_ref I = 0 V Sq Sd V q V Δ (-) (+) Current controler Δ V d Voltage controler PI (-) L ω −ω L (+) (-) V dc_ref I = 0 d_ref I d_ref PI PI PI (+) (+) (+) (+) Hình 4. Điều khiển ba kênh dòng điện trong CL BP4D VOC là cấu trúc điều khiển mà trước hết cần đo trực tiếp điện áp lưới, sau đó tựa theo điện áp đã được đo về để tiến hành điều khiển dòng điện tựa theo. Do đó trong cấu trúc này có khối PLL (Phase Locked Loop) để tính góc pha γ L của lưới để đưa vào các khối biến đổi HTĐ và sử dụng mạch vòng điều khiển dòng điện. Đặc điểm của phương pháp này là sử dụng những ưu điểm của phương pháp điều chế vectơ không gian, tần số chuyển mạch không thay đổi (do đó dễ dàng cho việc thiết kế các bộ lọc) và bộ biến đổi tương tự/số rẻ. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp VOC là thuật toán điều khiển phức tạp hơn và trong sơ đồ phải sử dụng khâu biến đổi HTĐ. ĐT V. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB – SIMULINK – PLECS Với mục đích làm rõ những ưu điểm của CL BP4D trong điều kiện hệ thống làm việc với nguồn không cân, ta tiến hành mô phỏng hệ thống điều khiển CL BP4D theo phương pháp VOC. Toàn bộ hệ thống được xây dựng trên nền Matlab – Simulink – Plecs. Các tham số dùng trong mô phỏng được liệt kê ở bảng 1. Bảng 1. Các tham số của mạch lực dùng trong mô phỏng STT Tham số Giá trị 1 Điện áp pha đầu vào V = 220V 2 Tần số điện áp lưới f = 50Hz 3 Tần số điều chế xung f 0 = 5kHz 4 Điện cảm của dây của ba pha và dây trung tính L = 0,01H 5 Tụ lọc một chiều C = 1000 μF 6 Điện áp đầu một chiều V dc_ref =700V 7 BĐK dòng điện thành phần d 8 BĐK dòng điện thành phần q 9 BĐK dòng điện thành phần 0 10 BĐK điện áp Bộ chuyển đổi HT tọa độ Bộ chuyển đổi HT tọa độ Bộ điều chế véc tơ không gian 3 chiều Bộ chuyển đổi HT tọa độ Bộ chỉnh lưu 4 cặp van Hình 5. Mô hình hệ thống điều khiển CL BP4D theo phương pháp VOC ĐT Hình 6. Mô hình hệ thống điều khiển CL BP4D theo phương pháp VOC trên Matlab – Simulink - Plecs - Trường hợp nguồn không cân bằng Để mô phỏng trường hợp nguồn mất cân bằng, ta mô phỏng trường hợp xấu nhất xảy ra trên một pha, đó là mất một pha Hình 7. Điện áp lưới Hình 8. Điện áp lưới trong HTĐ dq0 ĐT Hình 9. Dòng điện tải Hình 10. Các dòng điện I a , I b và I c Hình 11. V dc_ref và V dc VI. KẾT LUẬN Bài báo này đã xây dựng cấu trúc điều khiển CL BP4D theo phương pháp VOC. Nguyên lý họat động của chúng dựa trên phương pháp điều chế vectơ trong không gian ba chiều. Những kết quả mô phỏng thể hiện tính ưu việt của BBĐ PWM BP4D : Hệ thống làm việc tốt trong điều kiện nguồn ba pha không cân bằng. Kết quả mô phỏng cho thấy nguồn ba pha bị lệch(V a = 400V, V b = 400V, V c = 300V) dòng điện ba pha có dạng hình sin đối xứng (hình 10). Hệ thống BP4D có hệ số công suất cao (cos ϕ ≈ 1) do góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện bằng 0. Với kết quả thu được như trên, ta đủ cơ sở để nghiên cứu triển khai BBĐ BP4D áp dụng vào thực tế để nâng cao hiệu quả sản xuất. Tài liệu tham khảo [1]. Zhang, R.: High Performance Power Converter Systems for nonline and unbalanced Load/Source. [2]. Malinowski, M. Sc. Mariusz: Sensorless Control Strategies for Three - Phase PWM Rectifiers. [3]. Quang, Ng.Ph.: Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004♦ ĐT . CHỈNH LƯU BA PHA BỐN DÂY ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG VOC HỒ MẠNH TIẾN Bộ môn Kỹ thuật điện Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Chỉnh lưu ba pha bốn dây. trung bình lớn của CL BP4D trong HTĐ dq0 IV. ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU BA PHA BỐN DÂY THEO PHƯƠNG PHÁP VOC Mô hình điều khiển CL BP4D theo phương pháp VOC được xây dựng trên cơ sở mô hình tín hiệu. sở chỉnh lưu ba pha ba dây để khắc phục những nhược điểm của hệ thống này khi làm việc với nguồn không cân bằng. Chỉnh lưu ba pha bốn dây có thêm dây trung tính, nhờ vậy nó có khả năng điều khiển