Nghiên cứu điều khiển bộ chỉnh lưu điều rộng xung và ứng dụng (pwm rectifier)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LÊ MẠNH DZUYỆT NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU ĐIỀU RỘNG XUNG VÀ ỨNG DỤNG (PWM RECTIFIER) CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN Mà SỐ NGÀNH: 2.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2003 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TIẾN SĨ NGUYỄN VĂN NHỜ Cán chấm nhận xét 1: TIẾN SĨ DƯƠNG HOÀI NGHĨA Cán chấm nhận xét 2: TIẾN SĨ PHAN QUỐC DŨNG Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH, ngày tháng năm 200 Có thể tham khảo luận văn Thư Viện Trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ MẠNH DZUYỆT Phái: Nam Ngày tháng năm sinh: 18 – 06 – 1954 Nơi sinh: Thái Bình Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Khóa: 12 (2001 – 2003) I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU ĐIỀU RỘNG XUNG VÀ ỨNG DỤNG (PWM RECTIFIER) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ™ Giới thiệu tổng quan ™ Các chỉnh lưu PWM ™ Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM ™ Ứng dụng chỉnh lưu PWM ™ Sử dụng phần mềm PSIM để mô chỉnh lưu PWM III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10 –02-2003 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10 – 10 - 2003 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN VĂN NHỜ VI HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1: TS DƯƠNG HOÀI NGHĨA VII HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2: TS PHAN QUỐC DŨNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ NHẬN XÉT1 CÁN BỘ NHẬN XÉT TS Nguyễn Văn Nhờ TS Dương Hoài Nghóa TS Phan Quốc Dũng Nội dung đề cương Luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua ngày tháng 12 năm 2003 TRƯỞNG PHÒNG QLKH – SĐH CHỦ NHIỆM NGÀNH Nguyễn Hữu Phúc CHÂN THÀNH CÁM ƠN Quý thầy cô Khoa Điện – Điện Tư’ truyền đạt cho kiến thức quý báu trình theo học trường Và đặc biệt chân thành cảm ơn Tiến só Nguyễn Văn Nhờ , người trực tiếp hướng dẫn, động viên giúp đỡ thực luận văn Chân thành cảm ơn : ƒ Các thầy cô toàn thể cán công nhân viên trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh ƒ Các cán - nhân viên Phòng Đào Tạo Sau Đại Học tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ thời gian theo học trường Chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu toàn thể bạn đồng nghiệp trường Kỹ Thuật Cao Thắng động viên, hỗ trợ tạo điều kiện cho học hoàn thành luận văn Tác giả Lê mạnh Dzuyệt MỤC LỤC Trang Mở đầu Chương : Bộ chỉnh PWM nguồn áp 1.1 Bộ chỉnh lưu PWM 1pha 1.1.1 Bộ chỉnh lưu nửa cầu pha 1.1.2 Bộ chỉnh lưu nối cầu pha 1.2 Bộ chỉnh lưu PWM ba pha 1.2.1 Cấu hình đặc tính 9 1.2.1.1 Bộ chỉnh lưu nửa cầu pha 1.2.1.2 Bộ chỉnh lưu cầu pha 10 1.2.2 Hoạt động chỉnh lưu nguồn áp 12 1.2.3 Điện áp PWM pha chỉnh lưu nguồn áp 17 1.2.4 Điều khiển điện áp liên kết DC 18 1.2.4.1 Bộ chỉnh lưu nguồn áp điều khiển dòng 18 1.2.4.2 Bộ chỉnh lưu nguồn áp điều khiển áp 25 1.2.4.3 Bộ chỉnh lưu nguồn áp điều khiển tải 29 Chương 2: Bộ chỉnh lưu nguồn dòng 32 2.1 Bộ chỉnh lưu nguồn dòng pwm pha 33 2.2 Bộ chỉnh lưu nguồn dòng pwm pha 33 Chương : Phương pháp điều khiểnbộ chinh lưu PWM 35 3.1 Phương pháp điều khiển chỉnh lưu nguồn áp 35 3.1.1 PP điều khiển theo dòng điện dùng mạch kích trễ 35 3.1.2Phương pháp điều khiển dùng SPWM 35 3.1.3 Phương pháp điều chế bước 36 3.1.4 Phương pháp điều chế vector không gian 42 3.2 Phương pháp điều khiển chỉnh lưu nguồn dòng 45 3.2.1 Phương pháp điều chế bước 3.2.2 Phương pháp điểu chế vector không gian Chương :.Ứng dụng chỉnh lưu PWM 46 49 52 4.1Bộ biến đổi điều rộng xung nối tầng 52 4.2Ứng dụng chỉnh lưu bán cầu pha 53 4.3Ứng dụng chỉnh lưu nối cầu pha 54 4.4Ứng dụng chỉnh lưu ba pha 54 4.4.1Bộ lọc tích cực 55 4.4.2Các hệ thống liên kết tần số 56 4.4.3Các cấu hình cho ứng dụng công suất lớn 58 4.4.4Ứng dụng truyền động điện 60 4.4.5Máy phát điện có tốc độ thay đổi 61 Chương 5.: Mô chỉnh lưu phần mềm PSIM 63 5.1 Bộ chỉnh lưu ba pha 64 5.2 Bộ chỉnh lưu pha 67 Kết luận Phụ Lục Tài Liệu Tham Khảo 69 Luận văn Thạc Só PWM Rectifier MỞ ĐẦU : Thông thường để đạt dòng điện DC, người ta thường sử dụng chỉnh lưu điều khiển pha với trình chuyển mạch nhờ điện áp lưới Bộ chỉnh lưu loại sử dụng nhiều công nghiệp để cung cấp lượng điện chiều Nhược điểm quan trọng loại biến đổi công suất tạo số sóng hài dòng điện vào lưới nguồn qua tải DC Ngoài hệ số công suất tải tiêu thụ qua biến đổi đạt giá trị không cao, đòi hỏi phải thực bù hệ số công suất Trong năm gần sử dụng phổ biến biến đổi công suất pha làm gia tăng vấn đề chất lượng điện hệ thống điện Trong thực tế, cao ốc thương mại đại thường có từ 50% chí lên đến 90% tải phi tuyến mà hầu hết chúng cung cấp nguồn từ chỉnh lưu Nhữõng vấn đề xuất phát từ chất sóng hài gây chỉnh lưu chuyển mạch cổ điển dẫn đến việc thu hẹp phạm vi sử dụng biến đổi loại Khuyết điểm chỉnh lưu chuyển mạch cổ điển là: Gây dịch pha trễ ảnh hưởng đến điện áp hệ thống phân phối điện Tạo lượng sóng hài lớn Những khía cạnh có ảnh hưởng xấu đến hệ số công suất chất lượng điện Ngày nay, tiêu chuẩn thiết lập cho lưới điện đặc biệt vấn đề sóng hài trở nên chặt chẽ nhược điểm gây phận chỉnh lưu điều khiển pha phải khắc phục Để thỏa mãn tiêu chuẩn trên, chỉnh lưu diều khiển pha phải dùng lọc thụ động lớn điều làm tăng kích thước trọng lượng giá thành chỉnh lưu Luận văn Thạc Só PWM Rectifier Tiêu chuẩn thúc đẩy phát triển phương pháp tích cực để nâng cao chất lượng điện hệ số công suất Một biện pháp sử dụng kỹ thuật PWM chỉnh lưu PWM Các chỉnh lưu PWM có khả hoạt động với dạng sóng dòng điện qua nguồn AC gần Sin đạt hệ số công suất đơn vị đạt trạng thái vượt trước pha điện áp Bộ chỉnh lưu PWM xây dựng với linh kiện bán dẫn có khả tắt cổng Khả tắt cổng cho phép điều khiển hoàn toàn chuyển đổi van đóng mở lúc theo nhu cầu sử dụng Và van chuyển mạch hàng trăm lần chu kỳ điều thực chỉnh lưu chuyển mạch cổ điển (trong chuyển mạch cổ điển thryristor đóng mở lần chu kì ) Đặc tính đem lại lợi điểm sau: _ Dòng điện điện áp điều chế ( điều chế độ rộng xung PWM ), tạo nhiễu đa hài _ Hệ số công suất điều khiển dễ dàng , điều khiển sớm pha _ Các chỉnh lưu thiết kế theo kiểu nguồn dòng nguồn áp _ Có thể đảo ngược công suất chỉnh lưu dùng thryristor cách đảo ngược điện áp liên kết dc Bộ chỉnh lưu chuyển mạch cưỡng thực điều cách đảo dòng áp Có hai cách để thực điền chỉnh lưu ba pha chuyển mạch cưỡng : a) Đối với chỉnh lưu nguồn dòng, việc đảo ngược công suất thực cách đảo điện áp liên kết DC Luận văn Thạc Só 63 PWM Rectifier CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG BỘ CHỈNH LƯU PWM BẰNG PHẦN MỀM PSIM Phần mềm PSIM thiết kế chuyên dùng để giải toán liên quan đến điều khiển điện tử công suất ứng dụng điều khiển truyền động điện ( điều khiển tương tự điều khiển số ) điều khiển nâng cao chất lượng điện Trong luận văn sử dụng phần mềm PSIM với phiện PSIM 6.0 để mô chỉnh lưu PWM, có giới thiệu sơ đồ chỉnh luu PWM nhóm tác giả Power Sim Tech xây dựng, đồng thời trình bày sơ đồ chỉnh lưu tự xây dựng Luận văn Thạc Só 64 5.1 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha Sơ đồ mach chỉnh lưu PWM ba pha Psim xây dựng PWM Rectifier Luận văn Thạc Só 65 Sơ đồ mach chỉnh lưu PWM ba pha tự xây dựng PWM Rectifier Luận văn Thạc Só 66 Đồ thị Hình : Điện áp xoay chiều Hình : Điện áp chiều PWM Rectifier Luận văn Thạc Só 5.2Bộ chỉnh lưu pha 5.2.1Bộ chỉnh lưu nửa cầu 67 PWM Rectifier Luận văn Thạc Só 5.2.2Bộ chỉnh lưu nối hình cầu 68 PWM Rectifier Luận Văn Thạc Só 69 PWM Rectifier KẾT LUẬN : 1.So sánh phương pháp điều khiển: -Phương pháp điều khiển dùng mạch kích trễ thực tương đối đơn giản, hệ số công suất đạt giá trị cao -Phương pháp điều khiển dòng điện sử dụng cho mạch chỉnh lưu pha ba pha, mạch diều khiển có cấu tạo phức tạp hơn, nhiên hệ số công suất đạt cao, có tần số đóng cắt linh kiện cố định, điện áp ngõ đạt giá trị lớn hai lần biên độ áp pha nguồn U0 > 2U m -Phương pháp sáu bước đạt hệ số công suất cao, có hai mạch hiệu chỉnh dùng đến nên số lần chuyển mạch linh kiện giảm phần ba (1/3) làm giảm công suất tổn hao đóng ngắt linh kiện Nếu điều khiển hệ toạ độ quay đạt hệ số công suất lớn, độ nhấp nhô dòng điện nguồn bé nên việc thiết lập mạch lọc tương đối đơn giản, gọn nhẹ Điện áp làm việc phía tải chiều lớn biên độ điện áp dây 2.Về kết mô : Các kết qủa mô luận văn bước đầu để tìm hiểu chất phương pháp điều khiển PWM , ứng dụng vào vấn đề quan tâm lọc tích cực , truyền động điện, làm đầu vào cho biến tần … Các sơ đồ mô tả luận văn có nhiều hướng nghiên cứu để phát triển thêm kết hợp với khâu P, PI , FUZZY phương pháp điều khiển đại khác Tuy nhiên luận văn mô phương pháp mà chưa thực mô với tất phương pháp lại PHỤ LỤC Tiêu chuẩn IEEE –519 sóng đa hài Giới hạn điện áp sóng đa hài so với sóng Voltage Level 2.3 – 6.9 kV 69 – 138 kV >138kV 3.0 1.5 1.0 5.0 2.5 1.5 Maximum for individual harmonic Total Harmonic Distortion THD Giới hạn dòng điện sóng đa hài so với sóng Short circuit current [ pu ] < 20 20 - 50 50 - 100 100 - 1000 >1000 h