Nghiên cứu ứng dụng mạch điều khiển back – to – back giải thuật PI để ổn định nguồn điện trong các phương tiện giao thông vận tải

Bài viết nghiên cứu khả năng ứng dụng mạch Back – to – Back vào các bộ biến đổi năng lượng trên các phương tiện giao thông vận tải, như tàu điện Metro, máy bay và một số ứng dụng kỹ thuật cao khác.

TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN Số 23 (48) - Thaùng 12/2016 Nghiên cứu ứng dụng mạch điều khiển back – to – back giải thuật PI để ổn định nguồn điện phương tiện giao thông vận tải Application of back – to – back circuit with PI algorithm to stabilize power supply in vehicles ThS Huỳnh Lê Minh Thiện, Trường Đại học Sài Gòn Huynh Le Minh Thien, M.Sc., Saigon University TS Hồ Văn Cừu, Trường Đại học Sài Gòn Ho Van Cuu, Ph.D., Saigon University ThS Nguyễn Hữu Phúc, Trường Đại học Sài Gòn Nguyen Huu Phuc, M.Sc., Saigon University TS Trần Thanh Vũ, Trường Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM Tran Thanh Vu, Ph.D., Ho Chi Minh City University of Transport TS Đỗ Đăng Trình, Trường Đại học Tây Đơ (Cần Thơ) Do Dang Trinh, Ph.D., Tay Do University (Cantho) Tóm tắt Bài báo nghiên cứu khả ứng dụng mạch Back – to – Back vào biến đổi lượng phương tiện giao thông vận tải, tàu điện Metro, máy bay số ứng dụng kỹ thuật cao khác Trong báo mô tả cấu hình Back – to – Back sử dụng chỉnh lưu PWM nghịch lưu PWM bậc với vi điều khiển DSP F28335, khâu điều khiển PI mà điện áp DC tụ kiểm soát tốt kết điều khiển lượng hiệu Kết đạt từ mô thực nghiệm cho thấy bước đầu khẳng định thành cơng hứa hẹn ứng dụng mơ hình Back – to – Back vào phương tiện giao thông thực tế ứng dụng vào thiết bị đại khác có yêu cầu khắc khe tiết kiệm lượng hiệu lượng Từ khóa: Back – to – Back, AC – DC – AC, nghịch lưu hai bậc, PWM, hội tụ nhanh, chất lượng nguồn điện dự phòng, điều khiển nguồn Abstract This paper proposes to apply the Back-to-back circuit to the energy converter in vehicles such as metro train, airplane and some other types of high-tech transportation This paper describes the Back-to-back configuration that uses two-level PWM rectifier and PWM inverter with DSP F28335 microcontroller and PI control unit on the rectifier side, which helps to control the DC voltage across the capacitor more effectively, bringing better result in energy control Results obtained from simulation and experiment shows promising potential for the application of the Back-to-back circuit to power supply in vehicles as well as in other modern equipment that strictly requires energy saving and energy efficiency Keywords: Back – to – Back, AC – DC – AC, two level inverter, PWM, fast convergence, the quality of power backup system, power control 109 Giới thiệu tổng quan mạch Back – to – back 1.1 Đặt vấn đề Một biện pháp nâng cao hiệu suất nguồn điện tàu điện ngầm, hệ thống tàu Metro, hầu hết điều khiển lượng xanh số ứng dụng nhằm hiệu hóa lượng dùng điều khiển lượng hai chiều Back – to – Back, dùng biến đổi lựa chọn hiệu cho vấn đề điều khiển lượng để tiết kiệm lượng Tuy nhiên, với đa dạng khó tính tải phi tuyến nay, với nhu cầu cần phải sử dụng tiết kiệm hiệu nguồn lượng điện đòi hỏi hệ thống lượng phải đạt số chất lượng tương đối khắc khe, nên việc tối ưu hệ thống cần thêm lọc tích cực sử dụng hệ thống điều khiển/ biến đổi lượng điện Bài báo đưa cấu hình ứng dụng Back – to – Back điều khiển hai bậc cho phía chỉnh lưu lẫn phía nghịch lưu dùng Vi Điều Khiển TMS320F28335 điều khiển chỉnh lưu nghịch lưu Back – to – Back, đặt nhiều tốn cần phải giải quyết, mà phải tối ưu dòng cơng suất trả nguồn phương tiện giao thông hãm tải động Bài báo nghiên cứu thêm dòng bù lọc tích cực (APF) hệ thống Back – to – Back để dòng điện có tác động hiệu vai trò bù nó, làm cho lượng điện nguồn đạt tiêu chí cho ứng dụng vận tải cao cấp 1.2 Mơ hình tổng qt Back – to – Back Mơ hình tổng qt Back – to –Back hình Hình Mơ hình Back – to – Back Cấu hình phần cứng Back – to – Back theo bảng sau: Bảng 1: Thơng số cấu hình mạch Back – to – Back Stt Thiết bị Quy cách Nhãn hiệu 01 Nguồn pha 380Vac 02 Cảm biến áp Lem hall lem lv 25-p 03 Kháng vào L1x3 20mH 04 Tụ ngõ vào C1x3 100uF 05 DSP F28335 06 iGBTx12 TI GT60N323 Toshiba 07 Động pha 0.4kw Hitachi Xét góc độ truyền tải lượng, hệ thống tổng quát gồm dây pha a, dây pha b, dây pha c nguồn pha, lọc thụ động LC ngoc vào, mạch Back – to – Back, bao gồm bên nguồn – chỉnh lưu bên tải – nghịch lưu, tải động động cơ, hình  Phía nguồn – chỉnh lưu, hình 2: Hình Phía nguồn – chỉnh lưu 110 Trích áp từ pha A, B, C đưa qua ADC F28335 để lấy va , vb , vc so sánh với sóng mang carrier tần số lấy mẫu 12kHz, hình Hình Phía Nghịch lưu – tải động Xung kích cặp S1-S4, S3-S6, S5S2 lấy từ ngõ PWM2 F28335, tham chiếu sine để so với sóng mang tam giác carrier lấy sau ADC chung với chỉnh lưu Ta dạng sóng dòng điện khơng tải ngõ sau phía nghịch lưu, hình Hình So sánh sóng sine pha với sóng mang để tạo xung kích Xung kích lấy từ PWM F28335 hình Hình Xung kích iGBT Trong hình 4, up-upd, vp-vpd, wp-wpd cặp xung kích cho ba cặp iGBT ba pha A,B,C Điện áp ngõ chỉnh lưu điện áp vào DC cho nghịch lưu, hình Hình Dạng sóng pha khơng tải sau nghịch lưu Mơ hình thực nghiệm Back - to - Back Dựa sở tổng quan phần 1, ta xây dựng mơ hình thực nghiệm mạch Back – to – Back hình Hình Điện áp ngõ chỉnh lưu  Phía tải – nghịch lưu, hình Hình Mơ hình chạy thực nghiệm Back – to – Back 111 2.1 Khối cảm biến Hình mơ tả chi tiết khối cảm biến sử dụng để trích thơng số tín hiệu nguồn ba pha Hình 10 Sơ đồ khối mạch lái 2.3 Khối điều khiển Khối điều khiển sử dụng DSP TMS320F2833, hình 11 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến áp Cảm biến áp dùng mạch loại Hall LEM LV 25-P Cảm biến dòng loại Hall LEM LA 55P, dòng cực đại 50A Giá trị điện áp Vout ngõ thay đổi ta tác động biến trở R2, R5, R7 theo hình Giá trị phải nằm khoảng định phụ thuộc vào ngõ vào ADC vi điều khiển, cụ thể 0-3V TMS320F2833 Tải phi tuyến thử nghiệm gồm RL nối tiếp phía ngõ chỉnh lưu diode cầu pha Phía đầu vào chỉnh lưu có cuộn kháng AC Các giá trị Ldc = 20mH, Rdc = 48[Ohm] 2.2 Mạch lái Mạch lái mô tả sơ đồ khối hình 10, mạch nhận xung từ Vi điều khiển F28335 để tạo xung kích cho iGBT phía chỉnh lưu phía nghịch lưu Hình 11 Sơ đồ khối điều khiển TMS320F28335 Sơ đồ khối hình 11 thể tồn q trình tính tốn thực bên Vi điều khiển Hệ thống đại lượng điện áp dòng tải quy đổi sang hệ tọa độ vng góc, theo cơng suất tức thời p,q xác định 2.4 Giải thuật cho DSP Lưu đồ giải thật điều khiển DSP để tạo xung PWM cho khối chỉnh lưu xung PWM cho khối nghịch lưu để vận hành mạch Back – to – Back mơ tả theo hình 12 112 adcrun mb_f >IFb ? Đọc giá trị cảm biến áp nguồn (Va,Vb,Vc) Đọc giá trị cảm biến dòng ngõ nghịch lưu (IFa,IFb,IFc) Đọc giá trị cảm biến dòng tải (Ila,Ilb,Ilc) Đọc giá trị áp tụ (Vdc) NO K2=2 (Khóa đóng) NO K3=2 (Khóa đóng) YES K2=1 (khóa đóng) Lọc DC áp tụ tần số lấy mẫu 20khz mc_f >IFc ? YES Chuyển đổi hệ tọa độ abc - > αβ0 K3=1 (khóa đóng) Lọc DC cộng suất thực (congsuat_P) GPIOdata = K1+K2+K3 Bù PI cho Vdc Exit Chuyển đổi hệ tọa độ αβ0 -> abc ma_f >IFa ? NO K1=2 (Khóa đóng) YES K1=1 (khóa đóng) Hình 12 Lưu đồ giải thuật điều khiển cho DSP Phổ FFT dòng điện pha 2.5 Mơ hệ thống Mơ hình Back – to – Back mơ với điện áp ngõ vào pha 50V, tần số 50Hz, kháng ngõ vào L1 = 10mH, tụ lọc ngõ vào C1 = 100 uF Dạng sóng dòng điện pha, hình 13 Hình 13 Dòng điện tải phổ FFT Dạng sóng điện áp pha, V_ab, hình 14 113 Dạng sóng phổ dòng điện nhe điện áp từ hình 13 đến hình 16 cho thấy tiêu chí dòng điện điện áp ngõ phía chỉnh lưu phía nghịch lưu Back – to – Back đáp ứng tốt tiêu chí dòng áp tải 2.6 So sánh kết mô kết thực nghiệm Phổ FFT V_ab Hình 14 Điện áp V_ab tải phổ FFT Dạng sóng điện áp pha A, V_an, hình 15 Điều kiện tiến hành thực nghiệm: Vrms  50[V ], L1  30[mH ] ; V_ dc  110[V ] Động Hitachi 0.4 kW pha Dạng sóng mơ điện áp DC mơ hình khơng có khâu PI, hình 17 Phổ FFT V_an Hình 15 Điện áp pha A phổ FFT, V_an Dạng sóng điện áp DC sau chỉnh lưu PWM, hình 16 Hình 17 Sóng điện áp DC tụ, mơ hình khơng có khâu PI Dạng sóng mơ điện áp DC mơ hình có sử dụng khâu điều khiển PI, hình 18 Phổ dạng sóng điện áp DC sau chỉnh lưu PWM Hình 18 Dạng sóng mơ có sử dụng khâu PI Mơ dạng sóng tải áp nguồn, dòng nguồn – dòng tải hệ thống, hình 19 Hình 16 Điện áp DC phổ FFT sau chỉnh lưu PWM 114 - Giải thuật điều khiển dựa vào lý thuyết công suất tức thời, thực hệ tọa độ vector vng góc αβ Điện áp dc phục vụ hoạt động mạch lọc trì gần khơng đổi - Mơ hình sử dụng cho mạch 3f dây với tụ phân chia, nhiên cần giải triệt để tốn bù chênh lệch áp tụ Hình 19 Dạng sóng mơ Dạng sóng đo thực nghiệm, hình 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO Huỳnh Lê Minh Thiện, Hồ Văn Cừu, Trần Thanh Vũ, “Xây dựng giải pháp điều khiển thích nghi hội tụ nhanh để thiết kế lọc tích cực pha”, Tạp chí khoa học trường ĐH Sài Gòn, tháng 09 năm 2015 Tan Luong Van, Le Minh Thien Huynh, Thanh Trang Tran and Duc Chi Nguyen, “Improved Control Strategy of Three-Phase Four-Wire Inverters using Sliding Mode Input-Ouput Feedback Linearization under Unbalanced and Nonlinear Load Conditions”, AETA, Dec 2015 N.V.Nho, M.J Youn, Carrier PWM algorithm with optimized switching loss for three-phase four-leg multilevel inverters, IEE Electronics Letters, UK, Vol.41, pp.43-44, No.1, ISSN 0013-5194, Jan 2005 Nguyễn Văn Nhờ, Myung- Bok Kim, GunWoo Moon, Myung- Joong Youn, “ A Novel Carrier Based PWM Method in Three-phase Four-Wire Inverters”, IEEE 2004 N.V Nho, N.X Bac and H-H Lee, "An Optimized Discontinuous PWM Method to Minimize Switching Loss for Multilevel Inverters", IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol.58, NO 9, SEPTEMBER 2011 Mauricio Aredes and Edson H Watanabe, “ New Control Algorithms For Series And Shunt Three-Phase Foure-Wire Active Power Filters”, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.10, No.3, July 1995 Alessandro Cavini, Fabio Ronchi, Andrea Tilli, “ Four-Wire Shunt Active Filters: Optimized Design Methodology”, IEEE 2003 Nguyễn Phùng Quang, “Matlab Simulink”, Hình 20 Dạng sóng đo thực nghiệm: Áp nguồn-dòng nguồn-dòng tải hệ thống Các kết mô thực nghiệm hình từ 17 đến 20 minh chứng cho cải thiện độ méo dạng sóng điện áp DC tụ, dòng điện điện áp tải Kết luận - Mơ hình thực nghiệm mạch Back – to – Back pha ứng dụng giao thông vận tải thi công thử nghiệm với chế độ tải động không đồng Nguồn cung cấp pha 380V 50Hz giảm áp qua máy biến áp pha, có khả thay đổi mức điện áp dạng nhảy cấp Hệ thống tải thiết kế với chỉnh lưu trực tiếp PWM bậc xung, mắc vào tụ lọc C_dc Dòng điện vào có cuộn kháng AC ngõ vào mắc nối tiếp với chỉnh lưu Hệ thống cảm biến áp dòng điện đo lường sử dụng loại Hall Card điều khiển DSP TMS320F28335 trang bị thuộc loại phổ biến mơ hình nghiên cứu điều khiển thiết bị điện tử công suất 115 NXB KHKT, Hà Nội, 2004 H.Akagi et al,” Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning”, IEEE Press 2007 10 N.V.Nho, M.J Youn, Carrier PWM algorithm with optimized switching loss for three-phase four-leg multilevel inverters, IEE Electronics Ngày nhận bài: 16/11/2016 Letters, UK, Vol.41, pp.43-44, No.1, ISSN 0013-5194, Jan 2005 11 H Akagi, Y Kanazawa, A Nabae, “Generalized Theory of the Instantaneous Reactive Power in Three-Phase”, Circuits, IPEC'83 - Int Power Electronics Conf., Tokyo, Japan, 1983, pp 1375-1386 Biên tập xong: 15/12/2016 116 Duyệt đăng: 20/12/2016 ... lượng điện nguồn đạt tiêu chí cho ứng dụng vận tải cao cấp 1.2 Mơ hình tổng qt Back – to – Back Mơ hình tổng qt Back – to Back hình Hình Mơ hình Back – to – Back Cấu hình phần cứng Back – to – Back. .. lượng điện Bài báo đưa cấu hình ứng dụng Back – to – Back điều khiển hai bậc cho phía chỉnh lưu lẫn phía nghịch lưu dùng Vi Điều Khiển TMS320F28335 điều khiển chỉnh lưu nghịch lưu Back – to – Back, ... nhiều to n cần phải giải quyết, mà phải tối ưu dòng cơng suất trả nguồn phương tiện giao thông hãm tải động Bài báo nghiên cứu thêm dòng bù lọc tích cực (APF) hệ thống Back – to – Back để dòng điện