Điều khiển bộ chỉnh lưu điều rộng xung bằng phương pháp điều khiển công suất trực tiếp

vi MC LC Trang ta Trang Xác nhận của cán bộ hớng dẫn Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan iii Lời cảm tạ iv Tóm tắt v Mục lục vi Danh sách các chữ viết tắt ix Danh sách các hình xi Danh sách các bảng xv Chng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nớc 1 1.1.1Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1 1.1.2 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nớc 2 1.2 Mục đích của đề tài nghiên cứu 3 1.3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 3 1.4 Phơng pháp nghiên cứu 4 Chng 2 C SỞ LÝ THUYẾT CỦA B CHỈNH LU 3 PHA 2.1 Tổng quan mạch chỉnh lu ba pha 5 2.2 Nguyên lý làm việc 7 2.3 Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lu PWM 9 Chng 3 ĐIỀU KHIỂN B CHỈNH LU ĐIỀU RNG XUNG PWM BẰNG PHNG PHÁP TRC TIẾP CÔNG SUT(DPC) 3.1 Các phơng pháp điều khiển chỉnh lu PWM 10 3.1.1 Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM định hớng theo vector điện áp dựa vào dòng điện (VOC) 11 3.1.2 Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo VFOC 12 vii 3.1.3 Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo phơng pháp trực tiếp công suất (DPC) 12 3.1.4 Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo VF-DPC 13 3.2 Bộ chỉnh lu điều rộng xung PWM bằng phơng pháptrực tiếp công suất DPC 14 3.3 Mô hình toán học điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh lu PWM 15 3.3.1 Khối công suất 15 3.3.2 Chiến lợc điều khiển 16 Chng 4 MỌ PHNG B NGUỒN AC/DC 3 PHA 4.1 Bộ chỉnh lu ba pha 6 IGBT 31 4.1.1 Khối mạch động lực 32 4.1.2 Bộ điều khiển . 35 4.1.3 Kết quả mô phỏng chỉnh lu ba pha 6 IGBT 36 4.2 Bộ chỉnh lu ba pha 12 IGBT (NPC 3 bậc). 35 4.2.1 Khối mạch động lực 46 4.2.2 Khối điều khiển 47 4.2.3 Kết quả mô phỏng chỉnh lu ba pha 12 IGBT 48 4.3 Phân tích thành phần hài 55 4.4 Bảng so sánh của chỉnh lu 3 pha NPC – 2 bậc và 3 bậc 57 Chng 5 XÂY DNG MÔ HÌNH THC NGHIỆM B CHỈNH LU BA PHA BẰNG PHNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUT TRC TIẾP 5.1 Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm 58 5.2 Mô tả chi tiết mô hình thực nghiệm 60 5.2.1 Sơ đồ tổng quan mạch công suất 60 5.2.2 Mạch điều khiển 63 5.2.2.1 Sơ đồ triển khai mạch kích xung 63 5.2.2.2 Sơ đồ triển khai mạch cảm biến điện áp 66 5.2.2.3 Sơ đồ triển khai mạch cảm biến dòng điện 69 5.2.2.4 Sơ đồ triển khai mạch đệm bảo vệ DSP 71 5.2.2.5 Kit DSP TMS320F28335 71 viii Chng 6 KẾT QUẢ THC NGHIỆM PHNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUT TRC TIẾP B CHỈNH LU BA PHA BẰNG KỸ THUẬT LẬP TRÌNH NHÚNG. 6.1 Giới thiệu th viện lập trình nhúng của Matlab/Simulink 76 6.2 Mô hình lập trình nhúng trên Matlab/simulink 79 6.3 Kết quả thực nghiệm của bộ chỉnh lu ba pha 84 6.4 Nhận xét 94 6.5 Một số hình ảnh thực nghiệm tại phòng thí nghiệm 96 Chng 7 KẾT LUẬN 7.1 Kết luận 97 7.2 Hớng phát triển của đề tài 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO ix DANH SÁCH CÁC CH VIẾT TẮT AC Alternating Current DC Direct Current ADC Analog-to-Digital Converter DSP Digital Signal Processor I/O Input/Output IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistor GTO Gate-Turn-Off thyristor IGCT Integrated Gate Controlled Thyristor NPC Neutral Point Clamped PI Proportional-Integral PWM Pulse Width Modulation THD Total Harmonic Distortion PFC Power-Factor Correction CPWM Carrier Based Pulse Width Modulation IEC International Electrotechnical Commission POD Phase Opposition Dispostion VOC Voltage Oriented Control DPC Direct Power Control VFOC Virtual Flux Oriented FOC Field Oriented Control va,vb,vc Điện áp ba pha a,b,c ia, ib, ic Dòng ba pha a, b, c Sa,Sb,Sc Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi C Tụ lọc DC. R Điện trở tải. L Cuộn cảm U ref Điện áp nguồn tham chiếu U a Điện áp nguồn pha A. I a Dòng điện nguồn pha A. i(t), i Giá trị dòng điện tức thời x p* Công suất tác dụng yêu cầu p tt Công suất tác dụng tức thời q* Công suất phản kháng yêu cầu q tt Công suất phản kháng tức thời S Công suất biểu kiến xi DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình Trang Hình 2.1: Mạch chỉnh lu ba pha 6 Hình 2.2: Sáu vector điện áp cơ bản 7 Hình 3.1: Các phơng pháp điều khiển chỉnh lu PWM 10 Hình 3.2: Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo VOC 11 Hình 3.3: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lu PWM theo VFOC 12 Hình 3.4: Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo DPC 13 Hình 3.5: Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo VF-DPC 13 Hình 3.6: Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM theo DPC 14 Hình 3.7: Sơ đồ điều khiển bộ chỉnh lu ba pha theo công suất trực tiếp 16 Hình 3.8: Phân vùng vector cho phơng pháp điều khiển DPC 17 Hình 3.9: Các sector (n) 18 Hình 3.10: Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế theo công suất yêu cầu P* 19 Hình 3.11: Sơ đồ khối PI 20 Hình 3.12: Sơ đồ khối bộ chỉnh lu ba pha 6 IGBT 20 Hình 3.13: Phân vùng vector hệ trục tọa độ α – β 22 Hình 3.14: Các vector điện áp làm thay đổi công suất tác dụng tức thời i p 24 Hình 3.15: Các vector điện áp làm thay đổi công suất phản kháng tức thời i q 24 Hình 3.16: Sơ đồ khối bộ chỉnh lu ba pha 12 IGBT 25 Hình 3.17: Giản đồ vector điện áp bộ chỉnh lu 3 bậc 27 Hình 3.18: Đơn giản hóa cấu trúc mạch chỉnh lu NPC 3 bậc 27 Hình 3.19: Mô hình hoạt động của chỉnh lu chế độ hoạt động 1 28 Hình 3.20: Mô hình hoạt động của chỉnh lu chế độ hoạt động 2 28 Hình 3.21: Mô hình hoạt động của chỉnh lu chế độ hoạt động 3 29 Hình 4.1: Mô hình mô phỏng của bộ chỉnh lu ba pha 6IGBT 31 Hình 4.2: Mô hình mô phỏng khối nguồn 32 xii Hình 4.3: Nguồn ba pha và cửa sổ thông số cho mạch nguồn pha A 32 Hình 4.4: Cửa sổ thông số của cuộn cảm L 33 Hình 4.5: Mô hình mô phỏng mạch công suất 33 Hình 4.6: Tụ lọc C và tải R của bộ chỉnh lu 34 Hình 4.7: Cửa sổ thông số tụ lọc C và tải R 34 Hình 4.8: Khối hiển thị kết quả 35 Hình 4.9: Khối nội suy ADC 35 Hình 4.10: Khối điêu khiển 35 Hình 4.11: Điện áp xoay chiều ba pha 36 Hình 4.12: Dạng sóng dòng điện xoay chiều ba pha 36 Hình 4.13: Dạng sóng dòng điện xoay chiều ba pha với tải R L1 =120 37 Hình 4.14: Dạng sóng dòng điện xoay chiều ba pha với tải R L2 =90 37 Hình 4.15: Dạng sóng dòng điện xoay chiều ba pha với tải R L3 =50 38 Hình 4.16: Dạng sóng dòng điện và điện áp pha A 38 Hình 4.17: Phân tích FFT của dòng điện pha A tải R L1 =120 39 Hình 4.18 Phân tích FFT của dòng điện pha A tải R L2 =90. 39 Hình 4.19: Phân tích FFT của dòng điện pha A tải R L3 =50. 40 Hình 4.20: Dạng sóng cos. 40 Hình 4.21 Dạng sóng công suất tính toán và công suất đặc Ptt,P* 41 Hình 4.22: Dạng sóng công suất Ptt,Qtt 41 Hình 4.23: Dạng sóng điện áp v ab và điện áp dạng bậc v ab 42 Hình 4.24: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh lu Vdc khi quá độ và đóng tải 42 Hình 4.25: Dạng sóng dòng điện một chiều chỉnh lu Idc(A) 44 Hình 4.26: Mô hình mô phỏng của bộ chỉnh lu NPC 3bậc 45 Hình 4.27:Mạch công suất của bộ chinh lu 3 bậc 46 Hình 4.28: Khối tải và cửa sổ thông số tụ lọc C và tải R 47 Hình 4.29: Khối điều khiển 47 Hình 4.30: Dạng sóng điện áp xoay chiều 3 pha 48 Hình 4.31: Dạng sóng dòng điện xoay chiều 3 pha 48 Hình 4.32: Dạng sóng dòng điện và điện áp pha A 49 Hình 4.33: Dạng sóng điện áp dạng bậc v ab 49 xiii Hình 4.34: Dạng sóng công suất Ptt,Qtt 50 Hình 4.35: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh lu Vdc=Vdc1+Vdc2 50 Hình 4.36: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh lu cân bằng hai tụ Vdc1,Vdc2(V). 51 Hình 4.37: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh lu tụ 1 52 Hình 4.38: Dạng sóng dòng điện một chiều tải R L1 52 Hình 4.39: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh lu tụ 2 53 Hình 4.40: Dạng sóng dòng điện một chiều chỉnh lu tụ 2 53 Hình 4.41: Dạng sóng cos. 54 Hình 4.42: Phân tích FFT của dòng điện pha A 54 Hình 4.43: Giao diện của tiện ích Powergui 56 Hình 4.44: Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài dạng biểu đồ (Bar) 56 Hình 4.45: Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài dạng dữ liệu (List) 56 Hình 5.1: Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm 58 Hình 5.2: Sơ đồ thực nghiệm tổng quan của bộ chỉnh lu 3 pha 59 Hình 5.3: Sơ đồ triển khai mạch công suất 60 Hình 5.4: Sơ đồ thi công mạch công suất 60 Hình 5.5: Sơ đồ nối dây mạch IGBT 61 Hình 5.6: Hình dạng và sơ đồ chân của IGBT STGW40N120KD 61 Hình 5.7: Sơ đồ thực tế mạch IGBT 62 Hình 5.8: Tụ HCGFA 1800F-450VDC 62 Hình 5.9: Sơ đồ thực tế tải R 62 Hình 5.10: Sơ đồ tổng quan khối tạo xung 63 Hình 5.11: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 64 Hình 5.12: Thi công mạch nguồn 64 Hình 5.13: Sơ đồ nguyên lý mạch lái các IGBT 65 Hình 5.14: Thi công mạch lái các IGBT 66 Hình 5.15: Sơ đồ tổng quan mạch cảm biến áp 66 Hình 5.16: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp 67 xiv Hình 5.17: Thi công mạch cảm biến áp 68 Hình 5.18: Sơ đồ tổng quan mạch cảm biến dòng 69 Hình 5.19: Mạch cảm biến dòng sử dụng ACS712 70 Hình 5.20: Nguyên lý hoạt động mạch cảm biến ACS712 70 Hình 5.21: Sơ đồ mạch đệm bảo vệ DSP 71 Hình 5.22: Kit vi xử lý DSP TMS320F28335 72 Hình 5.23: Sơ đồ bố trí 176 chân của F28335 74 Hình 5.24: Sơ đồ khối chức năng của DSP F28335 75 Hình 6.1: Th viện Target Preferences 76 Hình 6.2: Cửa sổ khai báo cấu hình phần cứng 77 Hình 6.3: Th viện Chip Support với các khối chức năng lập trình nhúng 77 Hình 6.4: Cửa sổ lựa chọn ngõ vào/ra digital 78 Hình 6.5: Cửa sổ khai báo ePWM 78 Hình 6.6: Mô hình thực nghiệm với kỹ thuật nhúng từ Matlab/simulink 79 Hình 6.7: Khối giao tiếp Matlab – DSP TMS320F28335 và cửa sổ thông số 80 Hình 6.8: Khối ADC 81 Hình 6.9: Cửa sổ ADC của DSP TMS320F28335 81 Hình 6. 10: Khối điều khiển 83 Hình 6.11: Khối xuất xung 83 Hình 6.12: Cửa sổ xuất xung GPIO 84 Hình 6.13: Mô hình thực nghiệm bộ chỉnh lu ba pha 6 IGBT(2 bậc) 96 Hình 6.14: Các thiết bị đo trong quá trình thực nghiệm 96 xv DANH SÁCH CÁC BẢNG Bng Trang Bảng 2.1: Bảng trạng thái kích dẫn IGBT theo vector không gian 3 bậc 8 Bảng 3.1: Lựa chọn phân vùng sector 18 Bảng 3.2: Bảng thay đổi công suất tức thời (sector 1) 25 Bảng 3.3: Bảng chọn vector điện áp trong (sector 1 ) 25 Bảng 3.4: Bảng chuyển mạch bộ chỉnh lu 2 bậc 25 Bảng 4.1: Bảng số liệu mô phỏng bộ chỉnh lu ba pha 6 IGBT 31 Bảng 4.2: Bảng tổng kết điện áp ngõ ra, hệ số Cosφ và độ méo dạng THD (%) của bộ chỉnh lu hai bậc 44 Bảng 4.3: Bảng số liệu mô phỏng bộ chỉnh lu ba pha 12 IGBT 45 Bảng 4.4: Bảng tổng kết điện áp ngõ ra, hệ số Cosφ và độ méo dạng THD (%) của bộ chỉnh lu ba bậc 55 Bảng 4.5: Bảng so sánh của chỉnh lu 3 pha NPC – 2 bậc và 3 bậc điện áp ngõ ra, hệ số Cosφ và độ méo dạng THD (%) 57 Bảng 6.1: Bảng số liệu thực nghiệm của bộ chỉnh lu ba pha 6IGBT 84 Bảng 6.2: Dạng sóng điện áp dòng điện đầu vào đầu ra khi tải 120() 85 Bảng 6.3: Dạng sóng điện áp dòng điện đầu vào đầu ra khi tải 90() 88 Bảng 6.4: Dạng sóng điện áp dòng điện đầu vào đầu ra khi tải 50() 91 Bảng 6.5: Kết quả mô phỏng bộ chỉnh lu ba pha hai bậc 94 Bảng 6.6: Kết quả thực nghiệm bộ chỉnh lu ba pha hai bậc 94 Bảng 6.7: Bảng tổng kết quá trình thực nghiệm 95 [...]... cứu bộ nguồn chỉnh l u 3 pha điều rộng xung bằng ph ơng pháp điều khiển công suất trực tiếp  Nghiên cứu, xây dựng ch ơng trình và mô phỏng ch ơng trình cho bộ nguồn chỉnh l u dùng phần mềm mô phỏng matlab  Lập trình điều khiển bộ chỉnh l u AC/DC 3 pha trên dựa vào Card DSP TMS320F28335 1.3 Nhi m v và gi i h n c a đ tài Đề tài Điều khiền bộ chỉnh l u điều rộng xung bằng ph ơng pháp điều khiển công suất. .. pháp tr c ti p công su t (DPC) Ph ơng pháp điều khiển trực tiếp công suất PDC cho chỉnh l u PWM đ ợc phát triển từ ý t ởng điều khiển trực tiếp mô men (DTC) của truyền động động cơ không đồng bộ. Trong đó hai đại l ợng của DTC là mô men và từ thông đ ợc thay bằng công suất P và Q đây, chọn l ợng đặt công suất phản kháng Qref = 0 tức là cos = 1 L ợng đặt công suất tác dụng Pref đ ợc lấy từ đầu ra bộ. .. vào khối điều khiển đặc tính trễ để xác định trong từng sector (  n ) cần tăng hay giảm công suất tác dụng, công suất phản kháng.Sau đó, đ a vào khối xung kích điều khiển khối công suất (IGBT) sao cho công suất tác dụng tính toán (ptt), công suất phản kháng tính toán(qtt) bám theo công suất tác dụng yêu cầu (p*), công suất phản kháng yêu cầu (q*=0) a Kh i cl ng công su t: Khối ớc l ợng công suất là... tính tr Nguyên lý điều khiển: Theo hình 3.10 ta đư xác định đ ợc công suất yêu cầu P* , công suất yêu cầu P* đ ợc so sánh với tín hiệu công suất tính toán Ptt , khi công suất tính toán Ptt nhỏ hơn công suất yêu cầu P* thì bộ điều khiển xuất xung kích để HVTH: Trần Quang Linh Trang 18 GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ các IGBT công suất đóng nhằm làm tăng công suất tính toán Ptt , khi công suất tính toán Ptt... Nguyễn Văn Nhờ Ch ng 3 ĐIỀU KHIỂN B CHỈNH L U ĐIỀU R NG XUNG PWM BẰNG PH NG PHÁP TR C TIẾP CÔNG SU T(DPC) 3.1 Các ph ng pháp đi u khi n ch nh l u PWM Cấu trúc điều khiển chỉnh l u PWM về cơ bản thì có cùng một mục đích chung nh ng lại dựa trên các nguyên tắc khác nhau Chúng đ ợc phân loại dựa trên hai nguyên tắc: Điều khiển dựa trên điện áp và điều khiển dựa trên từ thông ảo Điều khiển dựa trên điện áp... v ợt quá giá trị yêu cầu thì bộ điều khiển xuất xung kích để các IGBT công suất đóng làm giảm công suất tính toán Ptt xuống Nh vậy ngõ ra sẽ đ ợc giữ dao động quanh giá trị công suất yêu cầu P* với sai số định tr ớc P HP P* Giới hạn trên Ptt HP -H P SP 1 Giới hạn d ới 0 SP Hình 3.10: Nguyên lý xuất xung kích kỹ thuật điều chế theo công suất yêu cầu P* Bộ điều khiển công suất có đặc tính trễ có ảnh h... ơng pháp điều khiển cần phải ớc l ợng từ thông ảo của l ới điện và áp dụng ph ơng pháp điều khiển từ thông stator của động cơ không đồng bộ cho l ới điện Nếu điều khiển bằng mạch vòng dòng điện thì gọi là ph ơng pháp VFOC (Voltage Flux Oriented Control), còn khi điều HVTH: Trần Quang Linh Trang 10 GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ khiển dựa theo công suất thì gọi là ph ơng pháp VF-DPC.Các cấu trúc điều khiển. .. áp l ới và sẽ điều khiển bằng dòng điện hay công suất Điện áp l ới nếu điều khiển bằng dòng điện thì gọi là ph ơng pháp VOC (Voltage Oriented Control), còn theo công suất thì gọi là DPC (Direct Power Control) Các ph ng pháp đi u khi n ch nh l u PWM Đi u khi n theo véc t Đi n áp VOC DPC Đi u khi n theo véc t từ thông o VFOC VF-DPC Hình 3.1: Các ph ơng pháp điều khiển chỉnh l u PWM Điều khiển dựa trên... Ptt Pref Hình 3.4: Cấu trúc điều khiển chỉnh l u PWM theo DPC 3.1.4 C u trúc đi u khi n ch nh l u PWM theo VF-DPC Ph ơng pháp điều khiển chỉnh l u PWM theo VF-DPC giống nh ph ơng pháp điều khiển trực tiếp công suất PDC cho chỉnh l u PWM chỉ khác khâu chọn sector n ta dựa vào từ thông đ a vào bảng đóng cắt t ơng tự nh DTC   L  arctg  L  L Hình 3.5: Cấu trúc điều khiển chỉnh l u PWM theo VF-DPC... ơng pháp điều khiển Các ph ơng pháp điều khiển cũ và mới bao hàm một sự thay đổi nhỏ trong cấu trúc của l ợc đồ điều khiển của các bộ biến đổi các bộ biến đổi năng l ợng điện này các van chuyển mạch nguồn đ ợc điều khiển nh các transistor l ỡng cực có cực cửa cách ly (IGBT), các thyristor tắt mở bằng cực cửa (GTO), hoặc các thyristor điều khiển có cực cửa kết hợp (IGCT) đ ợc chứa trong mạch công suất . 13 3.2 Bộ chỉnh lu điều rộng xung PWM bằng phơng pháptrực tiếp công suất DPC 14 3.3 Mô hình toán học điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh lu PWM 15 3.3.1 Khối công suất 15 3.3.2. PWM 9 Chng 3 ĐIỀU KHIỂN B CHỈNH LU ĐIỀU RNG XUNG PWM BẰNG PHNG PHÁP TRC TIẾP CÔNG SUT(DPC) 3.1 Các phơng pháp điều khiển chỉnh lu PWM 10 3.1.1 Cấu trúc điều khiển chỉnh lu PWM.  Nghiên cứu bộ nguồn chỉnh lu 3 pha điều rộng xung bằng phơng pháp điều khiển công suất trực tiếp.  Nghiên cứu, xây dựng chơng trình và mô phỏng chơng trình cho bộ nguồn chỉnh lu dùng