Nghiên cứu điều khiển thích nghi tham số biến đổi nguồn xoay chiều ba pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THAM SỐ BIẾN ĐỔI NGUỒN XOAY CHIỀU BA PHA 23.04.3898 NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG Học viên thực : NGÔ THÁI BẰNG Người hướng dẫn khoa học : TS LƯU HỒNG VIỆT Hà Nội – 2009 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp thực hướng dẫn thầy giáo TS Lưu Hồng Việt, số liệu kết luận văn hồn tồn trung thực, khơng chép cơng trình khoa học hay luận văn tác giả khác Để hoàn thành luận văn này, sử dụng tài liệu tham khảo ghi phần tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu khác mà không liệt kê phần tài liệu tham khảo Học viên Ngơ Thái Bằng i Mục lục Danh mục hình vẽ iii Danh mục bảng biểu iv Danh mục ký hiệu v Danh mục chữ viết tắt vi Lời nói đầu Chương 1: 1.1 1.2 1.3 Tổng quan biến đổi xoay chiều ba pha PWM Giới thiệu chung biến đổi xoay chiều ba pha PWM Cấu trúc biến đổi Nguyên lý hoạt động biến đổi xoay chiều ba pha PWM 5 10 Chương 2: 2.1 Xây dựng mơ hình biến đổi xoay chiều ba pha PWM Mơ tả tốn học biến đổi xoay chiều ba pha PWM 2.1.1 Mơ tả dịng điện áp pha 2.1.2 Mơ tả điện áp đầu vào biến đổi xoay chiều ba pha PWM Mơ hình biến đổi xoay chiều ba pha PWM 2.2.1 Mơ hình biến đổi xoay chiều ba pha PWM hệ tọa độ tự nhiên 2.2.2 Mơ hình biến đổi xoay chiều ba pha PWM 14 14 15 2.2 hệ tọa độ cố định α-β 2.2.3 2.3.4 Mơ hình biến đổi xoay chiều ba pha PWM hệ tọa độ quay đồng d-q Mơ hình trạng thái biến đổi xoay chiều ba pha PWM 2.3.4.1 Mơ hình trạng thái miền thời gian 2.3.4.2 Mơ hình trạng thái gián đoạn 16 16 16 17 18 21 21 25 ii Chương 3: 3.1 3.2 Xây dựng lý thuyết quan sát trượt thích nghi cho biến đổi ba pha PWM Lý thuyết quan sát trượt gián đoạn Lý thuyết quan sát trượt thích nghi 27 27 32 Chương 4: 4.1 4.2 Thiết kế điều khiển cho biến đổi xoay chiều ba pha PWM Thiết kế điều khiển kiểu deadbeat Thiết kế quan sát trượt gián đoạn thích nghi 35 Chương 5: 5.1 Mơ kết Xây dựng mơ hình mơ 5.1.1 Bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 5.1.2 Khâu tính góc lệch pha 5.1.3 Khâu điều chế vector không gian 5.1.4 Khâu điều chỉnh dòng 5.1.5 Khâu điều chỉnh điện áp chiều Kết mô 5.2.1 Trường hợp điện cảm L không thay đổi 5.2.2 Trường hợp điện cảm L thay đổi Kết luận 43 5.2 5.3 36 38 44 44 45 46 47 50 51 52 56 70 Chương 6: Kết luận phương hướng phát triển đề tài 71 Tài liệu tham khảo 73 Tóm tắt luận văn I iii Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Hình 1.2: Hình 1.3: Hình 1.4: Hình 1.5: Hình 1.6: Các kỹ thuật giảm sóng hài ba pha phổ biến Bộ biến đổi Diot Các cấu trúc biến đổi .9 Bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM .11 Sơ đồ pha biến đổi PWM 12 Các trạng thái chuyển mạch biến đổi ba pha PWM 13 Hình 2.1: Mối quan hệ vector biến đổi xoay chiều ba pha 14 Hình 2.2: Sơ đồ khối biến đổi xoay chiều ba pha PWM hệ tọa độ tự nhiên .17 Hình 2.3: Sơ đồ khối biến đổi xoay chiều ba pha PWM hệ tọa độ α-β 18 Hình 2.4: Sơ đồ khổi biến đổi xoay chiều ba pha PWM hệ tọa độ d-q .19 Hình 2.5: Dịng cơng suất biến đổi xoay chiều ba pha phụ thuộc vào chiều iL .20 Hình 2.6: Sơ đồ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 21 Hình 2.7: Mơ hình trạng thái gián đoạn 26 Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển biến đổi xoay chiều ba pha PWM 34 Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho biến đổi xoay chiều ba pha PWM .36 Hình 4.2: Cấu trúc điều khiển dòng deadbeat .37 Hình 5.1: Hình 5.2: Hình 5.3: Hình 5.4: Toolbox Plecs 43 Mơ hình biến đổi xoay chiều ba pha PWM .44 Sơ đồ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 45 Mơ hình tính góc lệch pha 45 iv Hình 5.5: Hình 5.6: Hình 5.7: Hình 5.8: Hình 5.9: Hình 5.10: Hình 5.11: Hình 5.12: Hình 5.13: Hình 5.14: Hình 5.15: Hình 5.16: Hình 5.17: Hình 5.18: Hình 5.19: Hình 5.20: Hình 5.21: Hình 5.22: Hình 5.23: Sơ đồ tính góc lệch pha 46 Mơ hình khâu điều chế vector không gian 46 Khâu điều chỉnh dòng 47 Sơ đồ khầu điều khiển dòng kiều deadbeat 47 Khâu quan sát trượt 48 Khâu tính hàm bù v[k] 49 Mơ hình khâu chỉnh định tham số θ .49 Các tham số cần thiết lập cho cấu chỉnh định tham số θ 50 Mơ hình khâu điều chỉnh điện áp chiều 50 Sơ đồ khâu điều khiển điện áp chiều PI 50 Sơ đồ mô biến đổi xoay chiều ba pha PWM 51 Chất lượng điều khiển deadbeat điều khiển thích nghi điện cảm L tải không đổi 53 Chất lượng điều khiển deadbeat điều khiển thích nghi điện cảm L không đổi tải thay đổi 100% 55 Chất lượng điều khiển deadbeat điều khiển thích nghi điện cảm L thay đổi 5% tải không đổi 57 Chất lượng điều khiển deadbeat điều khiển thích nghi điện cảm L thay đổi 20% tải không đổi 59 Chất lượng điều khiển thích nghi điện cảm L thay đổi 30% tải không đổi 62 Chất lượng điều khiển thích nghi điện cảm L thay đổi 30% tải thay đổi 100% .64 Chất lượng điều khiển thích nghi điện cảm L thay đổi 30% giá trị đặt điện áp chiều thay đổi 10% 66 Chất lượng điều khiển thích nghi điện cảm L thay đổi 50%70 Danh mục bảng biểu Bảng 1: Đặc điểm cấu trúc biến đổi 10 Bảng 2: Các tham số hệ thống 44 v Danh mục ký hiệu uL Vector điện áp u Lα , u Lβ Thành phần vector điện áp hệ tọa độ α-β u Ld , u Lq Thành phần vector điện áp hệ tọa độ d-q iL Vector dòng điện i Lα , i Lβ Thành phần vector dòng điện hệ tọa độ α-β i Ld , i Lq Thành phần vector dòng điện hệ tọa độ d-q uS Vector điện áp biến đổi u Sα , u Sβ Thành phần vector điện áp biến đổi hệ tọa độ α-β u Sd , u Sq Thành phần vector điện áp biến đổi hệ tọa độ d-q u dc , idc Điện áp dòng điện chiều DC – Link Sa , Sb , Sc C L R T P Q Trạng thái chuyển mạch biến đổi Điện dung Điện cảm Điện trở Chu kỳ trích mẫu Công suất hữu công Công suất vô công vi Danh mục chữ viết tắt ASVM Adaptive Space Vector Modulation DLE DPC DRE Discrete Lyapunov Equation Direct Power Control Discrete Riccati Equation DTC IGBT Direct Torque Control Insulated Gate Bipolar Transistor PI PLL PWM Proportional Integral Controller Phase Locked Loop Pulse Width Modulation SVM UPF VOC Space Vector Modulation Unity Power Factor Voltage Oriented Control Lời nói đầu Lời nói đầu -^ ] - Trong giới ngày phát triển đại, vấn đề công nghệ xanh, ngày đề cao Và thâm nhập vào lĩnh vực cung cấp sử dụng lượng Những năm gần vấn đề hạn chế loại bỏ nhiễu thành phần hài bậc cao hệ thống cung cấp điện quan tâm đầu tư nghiên cứu Vấn đề ngày quan tâm mà thiết bị điện tử máy tính, máy in, tivi …, tải có tính phi tuyến, ngày sử dụng rộng rãi Những thiết bị nguồn gây sóng hài bậc cao dịng điện nhiễu điện từ, làm tăng công suất phản kháng tổn hao đường truyền Do thực tế yêu cầu thiết bị biến đổi lượng điện nói chung biến đổi xoay chiều ba pha PWM nói riêng khơng cung cấp tốt lượng cho tải cuối mà cịn khơng làm ảnh hưởng đến chất lượng điện áp lưới, giảm tối đa tổn thất Như biết, chất lượng điều khiển biến đổi xoay chiều ba pha PWM định đến chất lượng biến đổi việc thiết kế điều khiển cho biến đổi xoay chiều ba pha PWM đối tượng nghiên cứu quan trọng điện tử công suất vấn đề mang tính thời Khi biến đổi xoay chiều ba pha PWM làm việc môi trường mà tham số thay đổi, muốn biến đổi xoay chiều ba pha PWM có chất lượng tốt điều khiển biến đổi xoay chiều ba pha PWM phải có khả thích nghi với tham số Lời nói đầu Xuất phát từ nhận thức trên, nhận thấy việc nâng cao chất lượng biến đổi điều cần thiết Do chọn đề tài : “Nghiên cứu điều khiển thích nghi tham số biến đổi nguồn xoay chiều ba pha” để làm luận văn tốt nghiệp Đối tượng đề tài biến đổi xoay chiều ba pha có sử dụng kĩ thuật PWM Đã có nhiều phương pháp cách giải vấn đề chất lượng điều khiển giảm “ô nhiễm” biến đổi Để có nhìn tổng quan vấn đề xin giới thiệu số phương pháp cách giải vấn đề nêu Theo hai phương pháp điều khiển thường sử dụng phương pháp điều khiển công suất trực tiếp (DPC) phương pháp điều khiển tựa theo điện áp lưới (VOC) Phương pháp DPC, tương tự phương pháp DTC sử dụng động cảm ứng Trong DPC, công suất hữu công công suất vô công tức thời điều khiển Phương pháp VOC, tương tự phương pháp điều khiển tựa theo vector từ thông rotor sử dụng phổ biến điều khiển động cảm ứng Trong VOC, thành phần dòng điện lưới tách kênh điều khiển độc lập phương pháp sử dụng rộng rãi Phương pháp VOC khác với DPC chỗ có hai vịng điều khiển với vịng điểu khiển dịng điện bên vòng điều khiển điện áp chiều bên (cấu trúc điều khiển tầng) Đối với vòng điểu khiển trong, vòng điều khiển định trực tiếp đến chất lượng biến đổi, ta áp dụng luật điều khiển: PI, deadbeat, hay mờ Luận văn đề cập đến cách tiếp cận việc thiết kế điều khiển cho biến đổi xoay chiều ba pha PWM thoả mãn yêu cầu nêu Đó áp dụng kỹ thuật điều khiển kiểu deadbeat cho điều khiển dòng biến đổi xoay chiều ba pha PWM, kỹ thuật có lẽ ứng dụng rộng rãi kỹ thuật điều khiển dịng Và để nâng cao chất Chương 5: Mơ kết 62 Hình 5.20: Chất lượng điều khiển thích nghi điện cảm L thay đổi 30% tải không đổi Chương 5: Mô kết 63 Chương 5: Mô kết 64 Hình 5.21: Chất lượng điều khiển thích nghi điện cảm L thay đổi 30% tải thay đổi 100% Chương 5: Mô kết 65 Chương 5: Mô kết 66 Hình 5.22: Chất lượng điều khiển thích nghi điện cảm L thay đổi 30% giá trị đặt điện áp chiều thay đổi 10% Chương 5: Mô kết 67 Qua đây, ta thấy điện cảm L thay đổi 30% chất lượng điều khiển thích nghi tốt Trong trường hợp tải khơng đổi tham số thích nghi θ đạt giá trị xác lập sau 0.016s, điện áp chiều đạt giá trị xác lập sau 0.16s khơng có độ q điều chỉnh, khơng mà dịng pha cịn có dạng sin Khi cho tải thay đổi 100% giá trị dịng pha có dạng sin Udc đạt giá trị xác lập sau 0.255s Còn thay đổi 10% giá trị đặt điện áp chiều Udc – Link đạt giá trị xác lập sau 0.07s dịng pha có dạng sin Không thế, giá trị điện cảm L thay đổi 50% chất lượng điều khiển thích nghi đảm bảo: tham số thích nghi đạt giá trị xác lập sau 0.13s dòng pha sin Điều thể hình 5.23 Chương 5: Mơ kết 68 Chương 5: Mô kết 69 70 Chương 5: Mơ kết Hình 5.23: Chất lượng điều khiển thích nghi điện cảm L thay đổi 50% 5.3 Kết luận Qua kết mô thấy điều khiển thích nghi thiết kế theo cho kết tốt Kết tốt nhiều so với chất lượng điều khiển deadbeat đem lại Điều thể rõ mà điện cảm L thay đổi Qua đây, ta khẳng định lại rằng, điều khiển deadbeat cho ta tính động học tốt lại nhạy với sai số mơ hình Do giải pháp dùng quan sát trượt với cấu chỉnh định tham số để nâng cao tính bền vững chất lượng điều khiển deadbeat hoàn toàn đắn giải pháp áp dụng cho ứng dụng khác biến đổi PWM Chương 6: Kết luận phương hướng phát triển đề tài Chương 6: Kết 71 luận phương hướng phát triển đề tài Trong khuôn khổ thời gian thực đề tài, người thực hoàn thành nội dung sau đây: ƒ Tìm hiểu cấu trúc biến đổi xoay chiều ba pha, từ lựa chọn cấu trúc phù hợp cho hướng nghiên cứu đề tài ƒ Thiết kế hệ thống điều khiển cho biến đổi xoay chiều ba pha PWM Công việc bao gồm: o Xây dựng mơ hình tốn học o Nghiên cứu, tổng hợp thuật tốn điều khiển theo ngun lý thích nghi o Tiến hành mô hệ thống điều khiển sử dụng công cụ Matlab Simulink với Toolbox Plecs Với kết đạt phương hướng phát triển đề tài là: ƒ Tìm hiểu ảnh hưởng phương pháp thực kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM khác đến chất lượng hệ thống dạng điều chế vector không gian đặc biệt: điều chế hai nhánh van, điều chế đồng điều chế thích nghi (ASVM) ƒ Triển khai thiết kế vào thực tế để khẳng định tính đắn thiết kế Do có nhiều phương pháp để điều khiển biến đổi xoay chiều ba pha vấn đề mang tính thời Vì để nghiên cứu hồn thiện chúng cần có đầu tư thời gian, cơng sức tài thích Chương 6: Kết luận phương hướng phát triển đề tài 72 hợp Các hướng phát triển đề tài đề tài cao học cao Tác giả mong nhận đóng góp quý báu thầy cô bạn 73 Tài liệu tham khảo Tài liệu tham khảo [1] M Malinowski, “Sensorless Control Strategies for Three - Phase PWM Rectifiers”, PhD Thesis, University of Warsaw, Poland – 2001 [2] Luu Hong Viet, Peter Buechner, Muller and Phung Ngoc Lan, “Deadbeat Current Controller of Front-End Converter with State Observer-based Predictor”, IEEE Power Electronics and Drives Systems, 2005 PEDS 2005 International Conference on Vol 2, On page(s): 1547-1551 [3] Luu Hong Viet, Peter Buechner, “Adaptive Parameter Digital Control of Active Fron-end Converter with Uncertainty of Inductance”, IEEE Power Electronics and Drives Systems, 2006 [4] W Gao, Y Wang, and A Homaifa, “Discrete-Time Variable Structure Control Systems”, IEEE Transactions on Industrial Bleclronzcs, Vol 42, No 2, Feb 1995, On page(s):117-122 [5] A Jafari Koshkouei and A S I Zinober, “Sliding Mode State Observer for Siso Linear Discrete-time Systems", IEEE Power Electronics and Drives Systems, 1996 [6] S Watechagit, “Modeling and Estimation for Stepped Automatic Transmission with Clutch-to-Clutch Shift Technology”, PhD Thesis, The Ohio State University, 2004 [7] Takao Kawabata, Takehi Miyashita, Yushin Yamamoto, “Deadbeat Control of Three Phase PWM Inverter”, IEEE Trans, Power Electro., Vol 5, No 1, Jan/1990, pp 21 – 28 [8] Kuo, “Digital Control System”, Oxford, 1992 [9] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich, “Truyền đồng điện thông minh”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2004 [10] Nguyễn Phùng Quang, “Bài giảng điều khiển số - Chương trình dành cho Đại học Cao học”, 2007 Tài liệu tham khảo 74 [11] Nguyễn Phùng Quang, “Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [12] Nguyễn Doãn Phước, “Lý thuyết điều khiển nâng cao”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2007 I Tóm tắt luận văn Tóm tắt luận văn Đề tài: “Nghiên cứu điều khiển thích nghi tham số biến đổi nguồn xoay chiều ba pha” Người thực hiện: Ngô Thái Bằng- Cao học ngành Điều khiển tự động Khóa 2007- 2009 Người hướng dẫn: TS Lưu Hồng Việt Luận văn trình bày 74 trang, bao gồm phần sau: Chương 1: Tổng quan biến đổi xoay chiều ba pha PWM Chương 2: Xây dựng mơ hình biến đổi xoay chiều ba pha PWM Chương 3: Xây dựng lý thuyết quan sát trượt thích nghi cho biến đổi xoay chiều ba pha PWM Chương 4: Thiết kế điều khiển cho biến đổi xoay chiều ba pha PWM Chương 5: Mô kết Chương 6: Kết luận phương hướng phát triển đề tài II Thesis abstract Thesis abstract The theme of a thesis: “Study about adaptive parameter control of Three phase PWM converter” Author: Ngo Thai Bang- Master in Automatic Control- Course: 2007- 2009 Thesis supervisor: Dr.-Ing Luu Hong Viet The thesis is presented in 74 pages, includes chapters: Chapter 1: Overview of Three- phase PWM converter Chapter 2: Model construction of Three-phase PWM converter Chapter 3: Theory of adaptive sliding mode observer construction of Three-phase PWM converter Chapter 4: Controller design for Three-phase PWM converter Chapter 5: Simulation and results Chapter 6: Conclusion and orientate thesis development ... Khi biến đổi xoay chiều ba pha PWM làm việc môi trường mà tham số thay đổi, muốn biến đổi xoay chiều ba pha PWM có chất lượng tốt điều khiển biến đổi xoay chiều ba pha PWM phải có khả thích nghi. .. đổi xoay chiều ba pha PWM Mơ tả tốn học biến đổi xoay chiều ba pha PWM 2.1.1 Mơ tả dịng điện áp pha 2.1.2 Mô tả điện áp đầu vào biến đổi xoay chiều ba pha PWM Mơ hình biến đổi xoay chiều ba pha. .. quan biến đổi xoay chiều ba pha PWM Giới thiệu chung biến đổi xoay chiều ba pha PWM Cấu trúc biến đổi Nguyên lý hoạt động biến đổi xoay chiều ba pha PWM 5 10 Chương 2: 2.1 Xây dựng mơ hình biến đổi