Thuật toán dòng điện tiên lượng trong nguồn chỉnh lưu có hiệu chỉnh hệ số công suất

T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 47, 7-2014, tr.56-61 CƠ - ĐIỆN MỎ (trang 56-68) THUẬT TOÁN DÒNG ĐIỆN TIÊN LƯỢNG TRONG NGUỒN CHỈNH LƯU CÓ HIỆU CHỈNH HỆ SỐ CÔNG SUẤT CUNG QUANG KHANG, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Với nguồn chỉnh lưu có hiệu chỉnh hệ số công suất sử dụng kỹ thuật điều khiển số, việc tính toán giá trị đặt thực chu kỳ chuyển mạch Rào cản lớn kỹ thuật tần số chuyển mạch giới hạn làm hạn chế tốc độ xử lý vi điều khiển hay xử lý số (DSP) Bài báo trình bày tóm tắt thuật toán điều khiển theo dòng điện tiên lượng nguồn chỉnh lưu có hiệu chỉnh hệ số công suất Thuật toán nhằm giảm thiểu khối lượng tính toán giá trị dòng đặt, tăng tốc độ xử lý áp dụng điều khiển số Có thể sử dụng vi điều khiển với giá thành thấp để ứng dụng cho thiết kế nguồn chỉnh lưu công suất lớn công nghiệp mỏ luyện kim với hệ số công suất hiệu chỉnh xấp xỉ nhằm nâng cao hiệu sử dụng điện Đặt vấn đề Nguồn chiều chỉnh lưu có hệ số công suất lớn (xấp xỉ gọi tắt PFC- Power Factor Correction) nghiên cứu nhiều giới nhu cầu tiết kiệm lượng Các dạng chỉnh lưu có điều khiển áp dụng công nghệ PFC là: chỉnh lưu giảm áp (buck-converters, chỉnh lưu tăng áp (boost converter), hỗn hợp (buck-boost converter) Các kết nghiên cứu cho thấy chỉnh lưu tăng áp (điện áp chiều DC sau chỉnh lưu cao điện áp nguồn) phù hợp cho việc áp dụng công nghệ nâng cao hệ số công suất Sơ đồ chỉnh lưu PFC pha biểu diễn hình L AC Trong sơ đồ, điện cảm L đóng vai trò tạo sức 𝑑𝑖 điện động tăng áp 𝑉0 = 𝑉 + 𝐿 , transitor hoạt 𝑑𝑡 động khoá đóng ngắt chuyển mạch tần 𝑑𝑖 số cao tạo thành phần 𝐿 𝑑𝑡 Như vậy, điện áp sau điốt lớn điện áp nguồn điều chỉnh xung điều khiển khoá Xung điều khiển khóa thường tạo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Wide Modulation) Có thể xây dựng luật điều khiển đảm bảo dòng điện điện áp trùng pha kết hợp điều chỉnh độ méo sóng hài cho hệ số công suất xấp xỉ D i(t) S C Bộ điều khiển PFC Hình Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu PFC pha 56 V0 Sơ đồ nguyên lý điều khiển với kỹ thuật tương tự nêu hình 2: Khuếch đại áp Tải Điện áp vào 220Vac, 50Hz XungPWM PWM Xung Khuếch đại dòng Khâu nhân Khuếch đại áp Hình Nguyên lý điều khiển tương tự chỉnh lưu PFC pha Có thể phát triển nguyên lý cho chỉnh lưu pha đáp ứng nhu cầu cho tải công suất lớn Điều khiển tương tự áp dụng phổ biến nguồn chỉnh lưu PFC Do phát triển kỹ thuật vi xử lý, xử lý số tín hiệu (DSP – Digital Signal Proccesor) công nghệ FPGA(Field Programmable Gate Array chip có dãy cổng lập trình) dẫn đến việc chọn giải pháp điều khiển số xu hướng tích cực Tuy nhiên, hầu hết phương pháp điều khiển kỹ thuật số thông thường dựa luật kỹ thuật tương tự với định dạng số Trong việc thực kỹ thuật số thông thường phép nhân chia thực phần mềm Do tất tính toán thực thi chu kỳ chuyển mạch, nên đòi hỏi phải có điều khiển kỹ thuật số với tốc độ cao Một số cải tiến áp dụng, nhiên tăng tần số chuyển mạch khối lượng tính toán tăng nhanh rào cản việc áp dụng điều khiển số Thuật toán điều khiển theo giá trị dòng tiên lượng Để tận dụng triệt để tính ưu việt điều khiển kỹ thuật số, phương pháp điều khiển tiên lượng nghiên cứu triển khai thực kỹ thuật chỉnh lưu PFC nghịch lưu Để giảm khối lượng tính toán, giá trị điều khiển độ rộng xung thời điểm d(n+1) tính toán dự đoán sở giá trị trước d(n) cảm biến dòng điện qua điện cảm L, điện áp vào điện áp Để làm rõ thuật toán điều khiển dòng tiên lượng, khảo sát 02 giải thuật thường áp dụng thuật toán điều khiển dòng trung bình thuật toán điều khiển dòng ngưỡng 2.1 Thuật toán giá trị dòng trung bình Trên hình sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu PFC với điều khiển số thuật toán trị trung bình dòng điện Trong thuật toán này, xung điều khiển PWM có độ rộng tính toán dựa giá tri số hoá (A/D) điện áp vào sau chỉnh lưu Vin , điện áp Vo dòng qua điện cảm iL Các nhân, chia, bình phương khâu tích phân tỷ lệ (PI) thực phần mềm Giá trị độ rộng xung PWM điều khiển phải định chu kỳ chuyển mạch Do vậy, điều khiển DSP cần phải có khả tính toán tốc độ cao, dẫn đến giá thành cao Nếu giảm tần số chuyển mạch S gặp vấn đề điện cảm L chất lượng hệ thống giảm 57 Tải Điện áp vào Đệm Tính RMS Nhân Chia Tần số mẫu Hình Chỉnh lưu PFC với điều khiển số thuật toán trị trung bình dòng điện 2.2 Thuật toán điều khiển ngưỡng (đặc tính trễ) Để thực tạo xung PWM, thuật toán giá trị dòng điện quy chiếu tính toán dòng điện qua điện cảm iL đưa vào khâu so sánh trễ dải ngưỡng cao, thấp (hình 4) Độ rộng dải so sánh 2H Khi tăng tần số chuyển mạch độ rộng dải giảm Tuy nhiên, lúc khối lượng tính toán tăng nhanh I rep + I PWM - IL (a) Khâu so sánh ngưỡng I Hight I rep I Low H H (b) Tạo xung PWM Hình Thuật toán điều khiển ngưỡng 2.3 Thuật toán điều khiển giá trị dòng tiên lượng Khảo sát sơ đồ chỉnh lưu PFC hình 5, ta thấy khoá S hoạt động chuyển mạch với tần số 𝑓𝑠 Các điện áp vào Vin, điệp áp Vo coi không thay đổi thời gian chu kỳ chuyển mạch Ts 58 Ta có 02 trạng thái mạch xác lập mô tả sơ đồ tương đương hình iL L D AC S Vin C V0 Bộ điều khiển PFC Hình Chỉnh lưu PFC tăng áp, điện cảm L nối tiếp iL (t ( n )  d ( n )Ts ) iL L iL + V + + t(n) Vin(t) Chế độ t(n)  d (n)Ts C t(n+1) + i L ( t ( n  )) iL (t (n)) Chế độ L Chế độ V0 C Vin(t) - Chế độ Hình Mạch điện tương đương chế độ chuyển mạch Khi khoá S đóng mạch, ta có: 𝑑𝑖 𝑉𝑖𝑛 (𝑡) = 𝐿 𝑑𝑡𝐿 , 𝑣ớ𝑖 𝑡(𝑛) ≤ 𝑡 < 𝑡(𝑛) + 𝑑(𝑛)𝑇𝑠 , (1) Khi khoá S mở, dòng điện qua điện cảm tính toán theo biểu thức sau: 𝑑𝑖𝐿 = 𝑉𝑖𝑛 (𝑡) − 𝑉𝑜 (𝑡), 𝑣ớ𝑖 𝑡(𝑛) + 𝑑(𝑛)𝑇𝑠 ≤ 𝑡 < 𝑡(𝑛 + 1), (2) 𝑑𝑡 đó: Vin(t), Vo(t) tương ứng điện áp vào ra, t(n) t(n+1) thời điểm bắt đầu chu kỳ chuyển mạch đóng thứ n (n+1), d(n) độ rộng xung PWM thời gian khoá S đóng, Ts chu kỳ chuyển mạch Do tần số chuyển mạch lớn nhiều lần tần số lưới nên, phương tình sai phân hoá thành: 𝑖𝐿 (𝑡(𝑛) + 𝑑(𝑛) 𝑇𝑠 ) − 𝑖𝐿 (𝑡(𝑛)) 𝑉𝑖𝑛 (𝑡(𝑛)) = 𝐿 , (3) 𝑑(𝑛) 𝑇𝑠 𝑖𝐿 (𝑡(𝑛 + 1)) − 𝑖𝐿 (𝑡(𝑛) + 𝑑(𝑛) 𝑇𝑠 ) (4) 𝑉𝑖𝑛 (𝑡(𝑛)) − 𝑉𝑜 (𝑡(𝑛)) = 𝐿 , 𝑑(𝑛) 𝑇𝑠 Dòng qua cuộn L khoảng thời gian ngắt khoá S, t(n)+d(n).Ts, tính từ (3): (5) 𝑖𝐿 (𝑡(𝑛) + 𝑑(𝑛) 𝑇𝑠 ) = 𝑖𝐿 (𝑡(𝑛)) + 𝑉𝑖𝑛 (𝑡(𝑛) 𝑑(𝑛) 𝑇𝑠 , 𝐿 Dòng qua cuộn L bắt đầu thời điểm thứ (n+1) chuyển mạch S đóng, t(n+1), tính từ (4): (6) 𝑖𝐿 (𝑡(𝑛 + 1)) = 𝑖𝐿 (𝑡(𝑛) + 𝑑(𝑛) 𝑇𝑠 ) + (𝑉𝑖𝑛 (𝑡(𝑛)) − 𝑉𝑜 (𝑡(𝑛)) (1 − 𝑑(𝑛)) 𝑇𝑠 , 𝐿 Từ (5) (6) ta xác định dòng điện đầu thời điểm (n+1) theo giá trị đo lường đầu thời điểm n trước đó: 1 (7) 𝑖𝐿 (𝑡(𝑛 + 1)) = 𝑖𝐿 (𝑡(𝑛)) + 𝑉𝑖𝑛 (𝑡(𝑛)) 𝑇𝑠 − 𝑉𝑜 (𝑡(𝑛)) (1 − 𝑑(𝑛)) 𝑇𝑠 , 𝐿 𝐿 Do vậy, luật rời rạc hoá biểu thức (7) là: 1 (8) 𝑖𝐿 (𝑡(𝑛 + 1)) = 𝑖𝐿 (𝑡(𝑛)) + 𝑉𝑖𝑛 (𝑛) 𝑇𝑠 − 𝑉𝑜 (𝑛) (1 − 𝑑(𝑛)) 𝑇𝑠 , 𝐿 𝐿 59 Biểu thức cho thấy dự tính dòng điện qua điện cảm chu kỳ sau qua giá trị đầu chu kỳ trước Do vậy, ta xác định độ rộng xung d(n) từ biểu thức (8): 𝐿 𝑖𝐿 (𝑛 + 1) − 𝑖𝐿 (𝑛) 𝑉𝑜 − 𝑉𝑖𝑛 (𝑛) (9) 𝑑(𝑛) = − , 𝑇𝑠 𝑉𝑜 𝑉0 Trong điều khiển chỉnh lưu PFC, dòng điện qua L tính toán i L(n+1) bắt buộc phải có dạng quy chiếu giá trị đặt iref cho dạng dòng điện đồng pha với điện áp vào, điện áp điều chỉnh đạt giá trị đặt Vref, ta có: 𝐿 𝑖𝑟𝑒𝑓 (𝑛 + 1) − 𝑖𝐿 (𝑛) 𝑉𝑟𝑒𝑓 − 𝑉𝑖𝑛 (𝑛) (10) 𝑑(𝑛) = − , 𝑇𝑠 𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑉𝑟𝑒𝑓 Dòng điện quy chiếu xác định theo biểu thức sau: (11) 𝑖𝑟𝑒𝑓 (𝑛 + 1) = 𝐾𝑃𝐼 |sin(𝜔𝑡(𝑛 + 1))|, Trong KPI giá trị đỉnh tính đầu khâu khuếch đại sai lệch điện áp Vo điện áp đặt Vref Tải Đệm Nhân Sai lệch Xác định điểm qua “0” Sóng sin chuẩn DSP Hình Đề xuất áp dụng thuật toán tiên lượng dòng điện cho chỉnh lưu có hiệu chỉnh hệ số công suất thất lượng thấp, giảm giá trị L, C tức Kết luận Việc nghiên cứu, thiết kế nguồn chỉnh lưu kích thước linh kiện nhỏ gọn, dễ tích hợp pha PFC áp dụng phương pháp điều khiển số - Việc thiết lập thông số bảo vệ cực đại thuật toán dòng tiên lượng có ưu điểm vi điều khiển đơn giản, không phụ thuộc sau: vào yếu tố vật lý - Do sử dụng vi điều khiển số hay xử - Sản phẩm ứng dụng cho thiết bị lý số DSP để điều khiển độ rộng xung PWM nên điện sử dụng điện chiều với hiệu suất sơ đồ mạch đơn giản, giảm thiểu số lượng linh nguồn đạt giá trị cao kiện, mạch hoạt động ổn định xác TÀI LIỆU THAM KHẢO - Thuật toán dòng tiên lượng cho phép giảm số lượng tính toán Do có khả tăng tần [1] Compliance Testing to the IEC 1000-3-2 số chuyển mạch làm cho điều khiển dễ dàng, tổn (EN 61000-3-2) and IEC 10000-3-3 Standard 60 [2] WWanfeng Zhang, Guang Feng, Yan Fei, Bin Wu, “New Digital Control Method for Power Factor Correction”, IEEE Transaction on INDUCTRIAL ELECTRONICS, vol.53 [3] FF.J.Azcondo Ade Castro, V.M Lopez, O Garcia, “Power Factor Correction without Current sensor based on Digital Current Rebuilding”, IEEE Transaction on INDUCTRIAL ELECTRONICS, vol.25 SUMMARY PFC rectifier with algorithm preditive current control Cung Quang Khang, Hanoi University of Mining and Geology For digital power factor correction (PFC) control methods, the duty cycle is calculated in every switching period One main implementation barrier is the limited switching frequency, due to the limited processor speed In this paper a predictive digital PFC control method is proposed to solve this problem The proposed control method generates all the duty cycles in advance, based on the reference current and sensed inductor current, input voltage and output voltage It requires only one multiplication and three addition operations for digital implementation, so that the proposed PFC control method can be implemented (by using a low cost DSP or microprocessor to achieve high switching frequency) A power factor correction rectifier, can use in mining industry NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG KỸ THUẬT NGĂN NGỪA HIỆN TƯỢNG… Kết luận Bài báo thông qua việc nghiên cứu điều kiện địa chất yếu tố ảnh hưởng đến tượng lở gương lò chợ khai thác giới hóa đồng Công ty than Khe Chàm nhằm đề xuất giải pháp xử lý ngăn ngừa tượng lở gương cách bơm hóa chất DMT-601A/B Trung Quốc qua lỗ khoan vào khe nứt khối than để gia cố Trong lò chợ khai thác giới hóa đồng mỏ vùng Sơn Đông, Sơn Tây Trung Quốc sử dụng hóa chất để gia cố vỉa than mềm yếu, bở rời cho thấy hiệu tốt, làm cho gương lò chợ ổn định dẫn đến trình (tiếp theo trang 55) khấu than tiến hành liên tục làm tăng hiệu khai thác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Công ty than Khe Chàm-TKV, 2009 Tài liệu điều kiện địa chất lò chợ khai thác giới hóa đồng Công ty than Khe Chàm, trang 1÷25 [2] Đồng Thục Kiến, Tôn Ích Kiến, 2012 Ứng dụng kỹ thuật gia cố gương lò chợ khai thác giới hóa đồng mỏ than Tra Thành-Từ Châu Tạp chí quản lý kỹ thuật tài nguyên - Trung Quốc, trang 62 (bản tiếng Trung) SUMMARY Study on the utilization of the chemicals DMT-601 A/B for preventing landslides in the fully mechanized longwall at Khe Cham coal company Vu Trung Tien, Do Anh Son; Nguyen Van Quang Hanoi University of Mining and Geology During the coal exploitation process at the longwall faces, due to soft and loose coal, there have been the face failures, causing many difficulties in coal mining activities, moving support and leading to the interrupted technological links, not only affecting on the labor productivity, mining production and working plan but also making unsafe for people working in mine The study and application of alternatives for solving the problems of face failures is essential to maintain normal operations for the mine and ensure the safe working conditions for workers 61 ... Đề xuất áp dụng thuật toán tiên lượng dòng điện cho chỉnh lưu có hiệu chỉnh hệ số công suất thất lượng thấp, giảm giá trị L, C tức Kết luận Việc nghiên cứu, thiết kế nguồn chỉnh lưu kích thước... cảm biến dòng điện qua điện cảm L, điện áp vào điện áp Để làm rõ thuật toán điều khiển dòng tiên lượng, khảo sát 02 giải thuật thường áp dụng thuật toán điều khiển dòng trung bình thuật toán điều... Chỉnh lưu PFC với điều khiển số thuật toán trị trung bình dòng điện 2.2 Thuật toán điều khiển ngưỡng (đặc tính trễ) Để thực tạo xung PWM, thuật toán giá trị dòng điện quy chiếu tính toán dòng điện