Nghiên cứu bộ điều khiển, bộ lọc tích cực xoay chiều ba pha bốn dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN NGỌC HẢI NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ LỌC TÍCH CỰC XOAY CHIỀU BA PHA BỐN DÂY Chuyên Ngành : ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS LƯU HỒNG VIỆT Hà Nội - 2009 Mục lục - Mục Lục Danh mục bảng .i Danh mục hình vẽ ii Lời mở đầu Chương 1: Mạch lọc tích cực .4 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Phân loại lọc tích cực 1.3 Bộ lọc tích cực song song 1.4 Tải phi tuyến 1.4.1 Khái niệm tải phi tuyến 1.4.2 Ảnh hưởng tải phi tuyến 1.5 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều bốn dây 15 1.5.1 Sơ đồ nguyên lý 15 1.5.2 Nguyên lý hoạt động .17 1.6 Kết luận 19 Chương 2: Điều chế vectơ không gian 20 2.1 Điều chế vectơ không gian ba chiều 20 2.1.1 Vectơ không gian ba chiều 20 2.1.2 Tổng hợp vectơ chuẩn hệ tọa độ αβγ .23 2.2 Thuật toán điều chế vectơ không gian cho biến đổi bốn dây 29 2.2.1 Đặt vấn đề .29 2.2.2 Tổng quan phương pháp điều chế vectơ điện áp cho biến đổi bốn dây 31 2.2.3 Thuật toán điều chế vectơ không gian cho biến đổi bốn dây .34 2.3 Kết luận 38 Chương 3: Cấu trúc điều khiển mạch lọc tích cực ba pha bốn dây .40 3.1 Đặt vấn đề 40 3.2 Cơ sở lý thuyết p-q .40 3.2.1 Phép biến đổi Clarke 40 Mục lục 3.2.2 Công suất tức thời hệ tọa độ p-q 41 3.3 Tính toán dòng bù hệ thống ba pha bốn dây .42 3.3.1 Lý thuyết p-q hệ thống ba pha bốn dây 42 3.3.2 xác định dòng bù cho hệ thống bốn dây 44 3.3.3 Sơ đồ khối khối bù dòng điện 45 3.4 Điều khiển tựa theo điện áp (VOC) .46 3.5 Kết luận 50 Chương 4: Mô hệ thống 51 4.1 Xây dựng mô hình chỉnh lưu bốn dây Matlab\Simulink\PLECS 51 4.1.1 Mô hình mạch lực 51 4.1.2 Mô hình khối điều chế vectơ không gian ba chiều 53 4.1.3 Các điều chỉnh điện áp dòng điện 53 4.1.4 Bộ bù công suất .54 4.1.5 Khâu tính góc lệch pha 54 4.1.6 Mô hình khối điều chế vectơ không gian ba chiều 55 4.2 Kết mô với mô hình chỉnh lưu ba pha bốn dây 56 4.2.1 Trường hợp nguồn điện lưới cân 56 4.2.2 Trường hợp nguồn điện lưới không cân 61 4.3 Kết mô với mô hình mạch lọc tích cực ba pha bốn dây 66 4.3.1 Trường hợp nguồn điện lưới cân 66 4.3.2 Trường hợp nguồn điện lưới không cân 73 Tài liệu tham khảo .83 Danh mục bảng i Danh mục bảng Bảng Nội dung Trang 1.1 So sánh tỷ lệ độ lớn thành phần 13 sóng hài bậc cao 2.1 Bảng chuyển mạch điện áp tương ứng 22 2.2 Bảng chuyển mạch điện áp tương ứng hệ tọa 23 độ αβγ 2.3 Vectơ chuyển mạch khác không tương ứng V1, V2 27 V3 2.4 Ma trận cần cho việc tính toán tỉ số điều biến 28 2.5 Bảng vectơ chuẩn điện áp tương ứng hệ tọa 32 độ cố định αβγ 2.6 Sự bố trí tứ diện lăng trụ 33 2.7 Bảng liệt kê ma trận A(3x3) phục vụ việc tính toán 36 tỷ số điều biến d1, d2, d3 Danh mục hình vẽ ii Danh mục hình vẽ Hình vẽ Nội dung Trang 1.1 Các sơ đồ lọc tích cực với PWM-VSL 1.2 Sơ đồ mạch lọc tích cực ba pha ba dây 1.3 Sơ đồ mạch lọc tích cực ba pha ba dây 1.4 Sơ đồ dòng pha A Chỉnh lưu điôt ba pha không 10 có lọc chiều 1.5 Sơ đồ dòng pha A chỉnh lưu điôt ba pha có tụ 11 lọc chiều 1.6 Sơ đồ dòng pha A chỉnh lưu điôt ba pha với 12 lọc L/C chiều 1.7 Ba chỉnh lưu điôt pha có tụ lọc 13 1.8 Dạng sóng ba chỉnh lưu điôt pha có tụ lọc 14 1.9 Sơ đồ nghịch lưu áp bốn dây 16 1.10 Sơ đồ lọc tích cực bốn dây 16 1.11 Sơ đồ chuyển mạch biến đổi bốn dây 17 1.12 Đặc tính chuyển mạch van 17 1.13 Sơ đồ chuyển mạch bốn dây 18 2.1 Mười sáu khả chuyển mạch 22 2.2 Chọn lọc vectơ chuyển mạch kế tiếp,bước một: xác 25 định lăng kính 2.3 Chọn lọc vectơ chuyển mạch kế tiếp, bước hai: 26 xác định tứ diện – ví dụ cho trường hợp vectơ chuẩn lăng kính I 2.4 Sơ đồ biến tần bốn dây 30 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu bốn dây 31 2.6 Vị trí 16 vectơ chuẩn không gian 32 Danh mục hình vẽ iii -2.7 Lưu đồ thuật toán xác định lăng trụ chứa vectơ V 35 2.8 Biểu đồ xung mở van thuộc tứ diện 14 38 2.9 Sơ đồ khâu điều chế vectơ không gian ba chiều 38 3.1 Ý nghĩa vật lý công suất tức thời hệ tọa độ 43 αβ 3.2 Miêu tả khối điều khiển chức cho lọc tích cực 45 ba pha 3.3 sơ đồ cấu trúc VOC điều khiển cho mạch lọc tích cực 47 ba pha bốn dây 3.4 Mô hình mạch tín hiệu trung bình lớn chỉnh 48 lưu bốn dây hệ tọa độ dq0 3.5 Điều khiển ba kênh mạch lọc tích cực bap 49 bốn dây 4.1 Mạch lực mạch lọc tích cực ba pha bốn dây 51 4.2 Mô hình chỉnh mạch lọc tích cực ba pha bốn dây 52 Simulink\Plecs 4.3 Khối điều chế vectơ không gian ba chiều 53 4.4 Bộ điều khiển điện áp 53 4.5 Bộ điều khiển dòng điện 54 4.6 Bộ bù công suất 54 4.7 Sơ đồ tính góc lệch pha 55 4.8 Mô hình toàn hệ thống Simulink\Plecs 55 4.9 Dòng điện is_d, is_q, is_0 56 4.10 Dòng điện isa, isb, isc 57 4.11 Điện áp đầu Vdc 57 4.12 Dòng điện tải đặt iload_ref 58 4.13 Dòng điện is_d, is_q, is_0 59 4.14 Dòng điện isa, isb, isc 59 Danh mục hình vẽ iv -60 4.15 Đáp ứng điều khiển điện áp Vdc 4.16 Điện áp lưới Va, Vb Vc nguồn không cân 61 4.17 Dòng điện is_d, is_q, is_0 62 4.18 Dòng điện isa, isb, isc 62 4.19 Điện áp đầu Vdc 63 4.20 Dòng điện tải đặt iload_ref 64 4.21 Dòng điện is_d, is_q, is_0 64 4.22 Dòng điện isa, isb, isc 65 4.23 Điện áp đầu Vdc 65 4.24 dòng điện is, iL, ic 66 4.25 Điện áp đầu Vdc 67 4.26 dòng điện is, iL, ic 68 4.27 Điện áp đầu Vdc 68 4.28 dòng điện is, iL, ic 69 4.29 Điện áp đầu Vdc 70 4.30 dòng điện tải đặt 71 4.31 dòng điện is, iL, ic 71 4.32 Điện áp đầu Vdc 72 4.33 dòng điện isa, ica, iLa 73 4.34 dòng điện isb, icb, iLb 73 4.35 dòng điện isc, icc, iLc 74 4.36 Điện áp đầu Vdc 74 4.37 dòng điện isa, ica, iLa 75 4.38 dòng điện isb, icb, iLb 76 4.39 dòng điện isc, icc, iLc 76 4.40 Điện áp đầu Vdc 77 4.41 dòng điện isa, ica, iLa 78 4.42 dòng điện isb, icb, iLb 78 Danh mục hình vẽ v -79 4.43 dòng điện isc, icc, iLc 4.44 Điện áp đầu Vdc 79 Hình vẽ Nội dung Trang 1.1 Các sơ đồ lọc tích cực với PWM-VSL 1.2 Bốn khả nối nguồn tải 1.3 Sơ đồ dòng pha A Chỉnh lưu điôt ba pha không 10 có lọc chiều 1.4 Sơ đồ dòng pha A chỉnh lưu điôt ba pha có tụ 11 lọc chiều 1.5 Sơ đồ dòng pha A chỉnh lưu điôt ba pha với 12 lọc L/C chiều 1.6 Ba chỉnh lưu điôt pha có tụ lọc 14 1.7 Dạng sóng ba chỉnh lưu điôt pha có tụ lọc 14 1.8 Dòng trường hợp tải phi tuyến có mô hình giống 16 nguồn dòng điều hòa 1.9 Điện áp trường hợp tải phi tuyến có mô hình 17 giống nguồn áp điều hòa 2.1 Sơ đồ nghịch lưu áp bốn dây 19 2.2 Sơ đồ lọc tích cực bốn dây 19 2.3 Sơ đồ chuyển mạch biến đổi bốn dây 20 2.4 Đặc tính chuyển mạch van 20 2.5 Sơ đồ chuyển mạch bốn dây 22 2.6 Sơ đồ nghịch lưu bốn dây 23 2.7 Sơ đồ chỉnh lưu bốn dây 24 2.8 Mô hình mạch tín hiệu trung bình lớn nghịch 28 lưu bốn dây hệ tọa độ quay dq0 2.9 Mô hình mạch tín hiệu trung bình nhỏ nghịch lưu bốn dây hệ tọa độ quay dq0 29 Danh mục hình vẽ vi -2.10 Mô hình mạch tín hiệu trung bình lớn chỉnh 30 lưu bốn dây hệ tọa độ dq0 2.11 Mô hình mạch tín hiệu trung bình nhỏ chỉnh 30 lưu bốn dây hệ tọa độ quay dq0 3.1 Mười sáu khả chuyển mạch 34 3.2 Chọn lọc vectơ chuyển mạch kế tiếp,bước một: xác 37 định lăng kính 3.3 Chọn lọc vectơ chuyển mạch kế tiếp, bước hai: xác 38 định tứ diện – ví dụ cho trường hợp vectơ chuẩn lăng kính I 3.4 Sơ đồ biến tần bốn dây 42 3.5 Sơ đồ chỉnh lưu bốn dây 43 3.6 Vị trí 16 vectơ chuẩn không gian 44 3.7 Lưu đồ thuật toán xác định lăng trụ chứa vectơ V 47 3.8 Vectơ V nằm tứ diện có vectơ chuẩn V1, V2 48 V3 3.9 Biểu đồ xung mở van thuộc tứ diện 14 53 3.10 Sơ đồ khâu điều chế vectơ không gian ba chiều 53 4.1 Ý nghĩa vật lý công suất tức thời hệ tọa độ 56 4.2 Mối quan hệ dòng chảy công suất hệ tọa độ 58 4.3 miêu tả khối điều khiển chức cho lọc tích cực 60 ba pha 4.4 Khối tính toán dòng bù mạch lọc tích cực ba pha 62 bốn dây 4.5 Bộ lọc tích cực song song sử dụng biến đổi bốn dây 63 4.6 sơ đồ cấu trúc VOC điều khiển cho mạch lọc tích cực 64 ba pha bốn dây Danh mục hình vẽ vii -4.7 Mô hình mạch tín hiệu trung bình lớn chỉnh 65 lưu bốn dây hệ tọa độ dq0 4.8 Điều khiển ba kênh mạch lọc tích cực bap bốn 66 dây 5.1 Mạch lực mạch lọc tích cực ba pha bốn dây 68 5.2 Mô hình chỉnh mạch lọc tích cực ba pha bốn dây 70 Simulink\Plecs 5.3 Khối điều chế vectơ không gian ba chiều 70 5.4 Bộ điều khiển điện áp 71 5.5 Bộ điều khiển dòng điện 71 5.6 Bộ bù công suất 72 5.7 Sơ đồ tính góc lệch pha 72 5.8 Mô hình toàn hệ thống Simulink\Plecs 73 5.9 Dòng điện is_d, is_q, is_0 74 5.10 Dòng điện isa, isb, isc 74 5.11 Điện áp đầu Vdc 75 5.12 Dòng điện tải đặt iload_ref 76 5.13 Dòng điện is_d, is_q, is_0 76 5.14 Dòng điện isa, isb, isc 77 5.15 Đáp ứng điều khiển điện áp Vdc 77 5.16 Điện áp lưới Va, Vb Vc nguồn không cân 79 5.17 Dòng điện is_d, is_q, is_0 79 5.18 Dòng điện isa, isb, isc 80 5.19 Điện áp đầu Vdc 80 5.20 Dòng điện tải đặt iload_ref 81 5.21 Dòng điện is_d, is_q, is_0 82 5.22 Dòng điện isa, isb, isc 82 5.23 Điện áp đầu Vdc 83 Chương 4: Mô hệ thống 70 -c) trường hợp dòng điện tải thay đổi dạng bậc thang is iL ic Hình 4.28 dòng điện is, iL, ic Hình 4.29 Điện áp đầu Vdc Chương 4: Mô hệ thống 71 -* Nhận xét : Ta thấy lọc tích cực bù lại dòng ic để dòng điện lưới is có dạng hình sin Sau bị gây méo tải phi tuyến Trong điều kiện nguồn cân dòng điện tải dạng bậc thang, điện áp đầu giống trường hợp tải không đổi Sai số tĩnh = 701 − 700 700 = 0,14% Chỉ lưu ý thời điểm dòng điện nhảy bậc điện áp đầu bị ảnh hưởng ( đoạn lõm Vdc hình vẽ ) gây sai số d) trường hợp dòng điện tải thay đổi tăng dần Hình 4.30 dòng điện tải đặt Chương 4: Mô hệ thống 72 is iL ic Hình 4.31 dòng điện is, iL, ic Hình 4.32 Điện áp đầu Vdc Chương 4: Mô hệ thống 73 -* Nhận xét : Ta thấy lọc tích cực bù lại dòng ic để dòng điện lưới is có dạng hình sin Sau bị gây méo tải phi tuyến So sánh điện áp đầu giá trị đặt ta có : Sai số tĩnh = 701 − 700 700 = 0,14% 4.3.2 Trường hợp nguồn điện lưới không cân a) trường hợp dòng tải Iload = 10 = const i sa ica iLa Hình 4.33 dòng điện isa, ica, iLa Chương 4: Mô hệ thống 74 i sb i cb iLb Hình 4.34 dòng điện isb, icb, iLb isc i cc i Lc Hình 4.35 dòng điện isc, icc, iLc Chương 4: Mô hệ thống 75 Hình 4.36 Điện áp đầu Vdc * Nhận xét : Ta thấy lọc tích cực bù lại dòng ic để dòng điện lưới is có dạng hình sin Sau bị gây méo tải phi tuyến dòng isa bù lại tải cân So sánh điện áp đầu Vdc điện áp đặt Vdc_ref, ta thấy : Sai số lớn nhất= Sai số tĩnh =   721 − 700 700 708 − 700 700 = 3,0% = 1,14% Chương 4: Mô hệ thống 76   b) trường hợp dòng tải Iload có dạng bậc thang i sa i ca iLa Hình 4.37 dòng điện isa, ica, iLa i sb icb i Lb Hình 4.38 dòng điện isb, icb, iLb Chương 4: Mô hệ thống 77 i sc i cc i Lc Hình 4.39 dòng điện isc, icc, iLc Hình 4.40 Điện áp đầu Vdc Chương 4: Mô hệ thống 78 -* Nhận xét : Ta thấy lọc tích cực bù lại dòng ic để dòng điện lưới is có dạng hình sin Sau bị gây méo tải phi tuyến dòng isa bù tải cân So sánh điện áp Vdc đầu điện áp đặt ta có : Sai số tĩnh = 708 − 700 700 = 1,14% Chỉ lưu ý thời điểm dòng điện nhảy bậc điện áp đầu bị ảnh hưởng ( đoạn lõm Vdc hình vẽ ) gây sai số c) trường hợp dòng tải Iload có dạng tăng dần i sc icc iLc Hình 4.41 dòng điện isa, ica, iLa Chương 4: Mô hệ thống 79 i sb icb iLb Hình 4.42 dòng điện isb, icb, iLb i sc i cc i Lc Hình 4.43 dòng điện isc, icc, iLc Chương 4: Mô hệ thống 80 Hình 4.44 Điện áp đầu Vdc * Nhận xét : Ta thấy lọc tích cực bù lại dòng ic để dòng điện lưới is có dạng hình sin Sau bị gây méo tải phi tuyến dòng isa bù tải cân So sánh điện áp Vdc đầu điện áp đặt ta có : Sai số tĩnh = 708 − 700 700 = 1,14% Kết luận 81 Kết luận Đề tài “Nghiên cứu điều khiển mạch lọc tích cực ba pha bốn dây” xuất phát từ yêu cầu thực tế truyền động điện xoay chiều ngành điều khiển học đại Nó áp dụng cho hệ thống ba pha không cân hệ thống bap có tải phi tuyến, trường hợp phổ biến điển hình thực tế Phạm vi đề tài trình bày số vấn đề sau: Trình bày lọc tích cực tác dụng lọc tích cực việc bù song hài dòng điện bù công suất Phân tích ảnh hưởng tải phi tuyến tới hệ thống Trình bày nguyên lý hoạt động biến đổi áp bốn dây Trình bày phương pháp điều chế vector không gian ba chiều, trường hợp chuyển mạch vector biến đổi bap bốn dây Đề cập tương đối kỹ thuật thuật toán điều chế vector không gian cho biến đôi ba pha bốn dây, làm sở cho thiết kế mô thực nghiệm sau Nhờ khả điều khiển dòng trung tính nên biến đổi ba pha bốn dây hoạt động tốt điều kiện hệ thống có tải/nguồn không cân tải phi tuyến Tính toán dòng bù cho mạch lọc tích cực ba pha bốn dây cấu trúc điều khiển cho mạch lọc tích cực ba pha bốn dây Sử dụng phần mềm mô Matlab/Simulink/Plecs để kiểm nghiệm lý thuyết mạch lọc tích cực ba pha bốn dây Các kết mô để chứng minh tính đắn của lý thuyết điều khiển cho lọc tích cực ba pha bốn dây Về tổng thể, luận văn trình bày nội dung trên, đáp ứng yêu cầu đề tài Hướng phát triển đề tài là: - Xây dựng mô hình thực nghiệm phương pháp điều khiển mạch lọc tích cực ba pha bốn dây để kiểm định lai kết nghiên cứu lý thuyết Kết luận 82 Nghiên cứu hoàn thiện thuật toán điều khiển mạch lọc tích cực ba pha bốn dây để áp dụng thực tế - Xây dựng hệ thống điều khiển thích nghi cho lọc tích cực ba pha bốn dây tham số hệ thống thay đổi Bộ biến đổi ba pha bốn dây gồm nghịch lưu, chỉnh lưu lọc ba pha bốn dây Có nhiều phương pháp để điều khiển chúng Để nghiên cứu ứng dụng hoàn thiện chúng cần có đầu tư thời gian, công sức tài thích hợp Các hướng phát triển đề tài cao học cao Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp quý báu thầy cô bạn đồng nghiệp Tài liệu tham khảo 83 Tài liệu tham khảo Tiếng Việt [1] Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh (2004), “Điện tử công suất”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [2] Nguyễn Doãn Phước (2007), “Lý thuyết điều khiển nâng cao”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [3] Nguyễn Phùng Quang (1998), “Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha”, Nhà xuất Giáo Dục [4] Nguyễn Phùng Quang (2004), “Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [5] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh (2005), “Điện tử công suất”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Tiếng Anh [6] Richard Zhang (1998), “High performance power converter systems for nonlinear and unbalance load-source”, PhD thesis in Electrical and Computer Engineering [7] M Sc Mariusz Malinowski (2001), “Sensorless Control Strategies for Three Phase PWM Rectifiers”, Ph.D Thesis, Warsaw Univesity of Technology, Poland [8] Thomas M Jahns, Rik W A A De Doncker, Arthur V Radun, PaulM Szczesny, and Fred G Turnbull (1993), “System Design Considerations for a High-Power Aerospace Resonant Link Converter”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 8, No 4, Oct [9] J G Pinto, R Pregitzer, Luís F C Monterio, João L Afonso, “ 3Phase 4-Wire Shunt Active Power Filter with Renewable Engergy Interface” [10] Abdelaziz Chaghi, Amor Guettafi, Azzedine Benoudjit, “ Four Legged Active Power Filter Compensation for Utility Distribution System” Tài liệu tham khảo 84 -[11] Sangsun Kim, Prasad N Enjeti, “Control Strategies for Active Power Filter in Three-Phase Four-Wire Systems” [12] Akagi, Watanabe, & Aredes (2007), “Instantaneuos Power Theory and Apllications to Power conditioning”, The Institude of Electrical and Electronics Engineers, Inc [13] Moinuddin K Syed, Dr, Bv Sanker Ram, “Instantenous Power Theory Base Active Power Filter: A Matlab/Simulink Approach” [14] A Kusko and S M Peeran (1990), “Voltage Distortion of Rotary UPS and Standby Engine Generator Sets”, Conference Record ò IEEE-IAS, pp 1757-1760 [15] MIL-STD-704E (1991), “Military Standard-Aircraft Electric Power Characteristics” [16] IEEE-519 (1992), “Recommended Practices and Requirements for Harmonic control in Electrical Power System” ... Hình 1.3 Sơ đồ mạch lọc tích cực ba pha bốn dây Mạch lọc tích cực song song ứng dụng cho hai trường hợp ba pha ba dây ba pha bốn dây • Mạch lọc tích cực song song ba pha ba dây (Hình 1.2) có tác... đồ lọc tích cực với PWM-VSL 1.2 Sơ đồ mạch lọc tích cực ba pha ba dây 1.3 Sơ đồ mạch lọc tích cực ba pha ba dây 1.4 Sơ đồ dòng pha A Chỉnh lưu điôt ba pha không 10 có lọc chiều 1.5 Sơ đồ dòng pha. .. cực bap bốn 66 dây 5.1 Mạch lực mạch lọc tích cực ba pha bốn dây 68 5.2 Mô hình chỉnh mạch lọc tích cực ba pha bốn dây 70 SimulinkPlecs 5.3 Khối điều chế vectơ không gian ba chiều 70 5.4 Bộ điều