Tìm hiểu về các nguồn năng lượng mới và tái tạo sử dụng máy phát thải đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nghiên cứu cấu trúc và nguyên lý làm việc của các bộ biến đổi điện tử công suất. Lựa chọn cấu trúc và đảm bảo chất lượng điện áp ra. Mô phỏng các bộ biến đổi trên phần mềm Matlab và Simulink.
LÊ VĂN KHƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LÊ VĂN KHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG ÓA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG SẠCH, CÔNG SUẤT NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA KHỐ 2010 Hà Nội – 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ VĂN KHƯƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG SẠCH, CÔNG SUẤT NHỎ Chuyên ngành : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC … NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Văn Liễn Hà Nội – 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình tìm hiểu nghiên cứu riêng tơi dựa hướng dẫn Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Liễn thầy cô môn nguồn tài liệu tham khảo trích dẫn Kết nghiên cứu trung thực Học viên Lê Văn Khương MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài II Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài .7 III Phương pháp thực nghiên cứu IV Nội dung nghiên cứu Chương .9 TÌM HIỂU VỀ CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO .9 1.1.1 Ưu điểm nhược điểm nguồn lượng tái tạo 1.1.2 Các nguồn lượng tái tạo 1.1.3 Tiềm ứng dụng lượng tái tạo Việt Nam .12 1.2 GIỚI THIỆU VỀ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 12 1.2.1 Khái niệm 12 1.2.2 Cấu tạo máy phát đồng nam châm vĩnh cửu 13 1.2.3 Nguyên lý hoạt động 13 1.3 CẤU TRÚC HỆ THỐNG BỘ BIẾN ĐỔI .13 Chương 2: 14 NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 14 2.1 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU (AC – DC) 14 2.1.1 Các chỉnh lưu hình tia 14 2.2 Các chỉnh lưu hình cầu 19 2.2 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU – MỘT CHIỀU (DC – DC) 30 2.2.1 Bộ biến đổi hạ áp ( Buck converter) 30 2.2.2 Bộ biến đổi tăng áp (Boost converter) 35 2.2.3 Bộ biến đổi tăng/ hạ áp (Buck – Boost converter) 40 2.3 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI NGHỊCH LƯU (DC – AC) 45 2.3.1 Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp 45 2.3.2 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện 56 Chương 59 LỰA CHỌN CẤU TRÚC VÀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP RA 59 3.1 LỰA CHỌN CẤU TRÚC .59 3.1.1 Chọn máy phát đồng nam châm vĩnh cửu 59 3.1.2 Tính tốn biến đổi cầu ba pha không điều khiển 59 3.1.3 Tính tốn biến đổi Buck-Boost 60 3.1.4 Tính toán biến đổi nghịch lưu cầu pha 63 3.2 ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP RA 63 3.2.1 Phương pháp điều chế hai cực 64 3.2.2 Phương pháp điều chế đơn cực 65 3.2.3 Bộ điều khiển PID cho nghịch lưu cầu pha .67 3.2.4 Bộ điều khiển PID cho biến đổi Buck – Boost 70 Chương 76 MÔ PHỎNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRÊN PHẦN MỀM MATLAB VÀ SIMULINK 76 4.1 MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI XOAY CHIỀU – MỘT CHIỀU 76 4.2 MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU – MỘT CHIỀU 77 4.2.1 Khi hạ áp từ 300 V xuống 48V nạp cho ắc qui 77 4.3 MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU – XOAY CHIỀU 80 4.3.1 Mô biến đổi DC-AC theo phương pháp điều chế lưỡng cực 80 4.3.2 Mô biến đổi DC-AC theo phương pháp điều chế đơn cực 82 4.3.3 Mô biến đổi DC-AC có điều khiển PID 84 4.3.4 Mô biến đổi DC-AC pha sử dụng nghịch lưu pha ghép lại .86 KẾT LUẬN .88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia pha đấu Anot chung 15 Hình 2.2 Đồ thị mô tả nguyên lý làm việc chỉnh lưu hình tia pha Anot chung với α = 300 16 Hình 2.3 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia pha đấu Katot chung .17 Hình 2.4 Đồ thị mơ tả ngun lý làm việc chỉnh lưu hình tia pha Katot chung với α = 300 18 Hình 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển đối xứng hình cầu pha .20 Hình 2.6 Đồ thị mơ tả ngun lý làm việc chỉnh lưu hình cầu pha với α = 300 21 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu điều khiển cầu pha .22 Hình 2.8 Đồ thị xác định miền dẫn thời điểm phát xung chỉnh lưu hình cầu ba pha với α = 300 24 Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu không điều khiển cầu ba pha 26 Hình 2.10 Đồ thị mô tả nguyên lý làm việc chỉnh lưu không điều khiển cầu ba pha 28 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý Buck converter .30 Hình 2.12 Sơ đồ thay biến đổi buck S trạng thái ON 31 Hình 2.13 Sơ đồ thay biến đổi buck S trạng thái OFF .31 Hình 2.14 Dạng điện áp phần tử biến đổi buck .32 Hình 2.15 Sơ đồ thay biến đổi buck van ON OFF 33 Hình 2.16 Đặc tính truyền đạt tĩnh biến đổi buck .35 Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý biến đổi Boost .35 Hình 2.18 Sơ đồ thay biến đổi Boost S trạng thái ON .36 Hình 2.19 Sơ đồ thay biến đổi Boost S trạng thái OFF 36 Hình 2.20 Dạng đồ thị dịng điện điện áp van công suất biến đổi boost 37 Hình 2.21 Sơ đồ thay biến đổi boost van S ON OFF 38 Hình 2.22 Đặc tính truyền đạt tĩnh biến đổi boost 40 Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý biến đổi Buck-Boost 40 Hình 2.24 Sơ đồ thay biến đổi Buck-Boost S ON, D OFF 41 Hình 2.25 Sơ đồ thay biến đổi Buck-Boost S OFF, D ON 41 Hình 2.26 Dạng đồ thị dịng áp van công suất biến đổi buck-boost .42 Hình 2.27 Sơ đồ thay biến đổi Buck-Boost S OFF ON 43 Hình 2.28 : Đặc tính truyền đạt biến đổi buck-boost 45 Hình 2.29 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu pha 45 Hình 2.30 Sơ đồ điện áp dịng điện qua van nghịch lưu 47 Hình 2.31 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu ba pha 50 Hình 2.32 Biểu đồ trạng thái pha điện áp ba pha tải 51 Hình 2.33 Đồ thị dịng điện điện áp nghịch lưu ba pha 53 Hình 2.34 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu độc lập nguồn dịng cầu pha 56 Hình 2.35 Đồ thị dòng áp van nghịch lưu độc lập nguồn dòng pha 58 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu pha .64 Hình 3.2 Dạng xung chuyển mạch điện áp hai cực 65 Hình 3.3 Dạng xung chuyển mạch điện áp đơn cực .66 Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện .68 Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điện áp 69 Hình 3.6 Sơ đồ biến đổi Buck – Boost có điều khiển .70 Hình 3.7 Mạch vòng điều khiển điện áp Buck - Boost .70 Hình 3.8 Đặc tính tần số logarit Tu Gvd hạ áp 74 Hình 3.9 Đặc tính tần số logarithm Tu tăng áp 75 Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu pha khơng điều khiển .76 Hình 4.2 Điện áp nguồn cấp cho chỉnh lưu cầu pha khơng điều khiển 76 Hình 4.3 Đồ thị điện áp chỉnh lưu cầu pha không điều khiển 77 Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý biến đổi buck – boost .77 Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý khối PWM .78 Hình 4.6 Đồ thị điện áp buck – boost converter .78 Hình 4.7 Độ rộng xung điều khiển cấp cho buck – boost converter hạ áp .78 Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý biến đổi buck – boost tăng áp 79 Hình 4.9 Đồ thị điện áp biến đổi buck – boost tăng áp .79 Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý biến đổi DC – AC theo phương pháp điều chế hai cực .80 Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý khối phát xung cho DC – AC theo phương pháp điều chế hai cực 80 Hình 4.13 Dạng xung phát cho DC – AC theo phương pháp điều chế hai cực 81 Hình 4.14 Dạng điện áp DC – AC theo phương pháp điều chế hai cực 81 Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý biến đổi DC – AC theo phương pháp điều chế đơn cực 82 Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý khối phát xung theo phương pháp điều chế đơn cực 83 Hình 4.17 Dạng điện áp DC – AC theo phương pháp điều chế hai cực 83 Hình 4.18 Sơ đồ nguyên lý biến đổi DC – AC có điều khiển PID 84 Hình 4.19 Điện áp đặt điện áp biến đổi DC – AC có điều khiển PI 85 Hình 4.20 Đồ thị điện áp xoay chiều ba pha sau nghịch lưu ba pha sử dụng ba nghịch lưu pha ghép lại 87 LỜI NÓI ĐẦU Ngày với phát triển mạnh mẽ giới nhu cầu sử dụng lượng điện người cho sản xuất sinh hoạt ngày tăng cao Càng ngày giới phải đối mặt với nhiều khó khăn lượng: khống sản ( than, dầu khí…) ngày cạn kiệt, xây dựng cơng trình thủy điện lớn nhiều thời gian, tốn diện tích đất canh tác, nhà máy nhiệt điện gây ô nhiễm môi trường khí thải, nhà máy điện hạt nhân gây thảm họa kinh hồng cho mơi trường người diện tích rộng Chủ đề lượng hay lương tái tạo lấy lượng từ mặt trời, gió, biogas… sử dụng để thay nguồn lượng truyền thống ngày quan tâm nghiên cứu ứng dụng Vấn đề mấu chốt nâng cao chất lượng điện áp sau biến đổi nguồn đầu vào thay đổi bất thường Trong thời gian học tập nghiên cứu trường ĐHBKHN, giao đề tài luận văn với nội dung: “ Nghiên cứu ứng dụng biến đổi điện tử công suất công nghệ lượng sạch, công suất nhỏ” Với giúp đỡ ủng hộ thầy cô giáo, bạn bè nỗ lực thân tơi hồn thành xong luận văn Tuy nhiên kiến thức hạn chế, trình độ ngoại ngữ có hạn, lĩnh vực nghiên cứu cịn nên luận văn tơi khơng tránh khỏi thiếu sót Tơi mong đóng góp ý kiến q thầy cơ, bạn bè quan tâm đến lĩnh vực để luận văn tơi hồn chỉnh ý nghĩa Cuối xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo, cán thuộc viện đào tạo sau đại học trường ĐHBKHN Đặc biệt tơi xin bày tỏ lịng biết ơn cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, giảng viên trường ĐHBKHN tận tình bảo, trang bị kiến thức, động viên suốt thời gian qua Hà nội, ngày 18 tháng 03 năm 2013 Học viên Lê Văn Khương I Tính cấp thiết đề tài Điện nguồn lượng ảnh hưởng trực tiếp đến phát triển kinh tế xã hội đất nước, đặc biệt lĩnh vực y học, an ninh quốc phịng, hoạt động sản xuất cơng nghiệp dịch vụ Trong năm gần đây, tình trạng thiếu điện cho sản xuất sinh hoạt ngày tăng Vì vậy, hoạt động nghiên cứu ứng dụng lượng tái tạo để thiết kế hệ thống phát điện nhỏ bước quan tâm phát triển Các nguồn lượng tái tạo hướng đến nguồn lượng mặt trời, lượng gió, lượng biogas… Ở vùng nông thôn nước ta, đa số phát triển kinh tế theo mơ hình trang trại: Vườn – Ao – Chuồng – Biogas Gas chủ yếu phục vụ cho đun nấu dư thừa, sử dụng gas để sản xuất điện phục vụ nhà dùng cho số hộ xung quanh góp phần giải vấn đề lượng cho quốc gia giới Bên cạnh đó, nguồn lượng gió lượng mặt trời nguồn lượng vô hạn Tuy nhiên, nguồn lượng khơng ổn định, việc thực đề tài: “ Nghiên cứu ứng dụng biến đổi điên tử công suất công nghệ sạch, cơng suất nhỏ ” nhằm mục đích ổn định điện áp tải lượng cấp vào biến đổi khơng trì liên tục khơng ổn định, vấn đề cần thiết II Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học: Đề tài tổng hợp biến đổi điện tử công suất, ứng dụng công nghệ lượng sạch, công suất nhỏ Đồng thời đưa giải pháp ổn định điện áp sau biến đổi Ý nghĩa thực tiễn: Các kết đưa giúp ổn định điện áp biến đổi công nghệ lượng sạch, công suất nhỏ nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện hộ gia đình, giải vấn đề lượng toàn cầu III Phương pháp thực nghiên cứu Để giải vấn đề đặt ra, tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu sau đây: - Tìm hiểu nguồn lượng tái tạo sử dụng máy phát đồng nam châm vĩnh cửu - Phân tích, lựa chọn tính tốn biến đổi điện tử cơng suất: Bộ chỉnh lưu, biến đổi chiều – chiều, nghịch lưu - Tìm hiểu nguyên lý điều khiển điều khiển - Xây dựng mơ hình hệ thống, lựa chọn biến đổi mô Ta tính được: 𝐺𝐺𝑐𝑐∞ = 𝑓𝑓𝑐𝑐 = 1,15 𝑇𝑇𝑢𝑢0 𝑓𝑓0 𝜔𝜔𝐿𝐿 = 5,02𝑒𝑒 + Tương tự tăng áp từ 48 V lên 220 V ta có thông số sau VI =48V; Vo =220V; Imax =10A; L=300𝜇𝜇𝜇𝜇; C= 400 𝜇𝜇𝜇𝜇; R = 220Ω; D=0,86 Bode Diagram Magnitude (dB) 100 System: Tu Frequency (rad/s): 28.6 Magnitude (dB): 31.4 -50 -100 360 Phase (deg) System: Tu Frequency (rad/s): 2.97e+03 Magnitude (dB): -0.594 50 System: Tu Frequency (rad/s): 462 Phase (deg): 267 270 180 90 10 10 10 10 10 10 Frequency (rad/s) Hình 3.9 Đặc tính tần số logarithm Tu tăng áp Từ đồ thị Tu ta xác định Tu0 =31,4; f0 = 73,5105Hz, lấy fc=2,9e+3 Hz; từ chọn fL =70 Hz Ta tính được: 𝐺𝐺𝑐𝑐∞ = 𝑓𝑓𝑐𝑐 = 1,26 𝑇𝑇𝑢𝑢0 𝑓𝑓0 𝜔𝜔𝐿𝐿 = 440 75 Chương MÔ PHỎNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRÊN PHẦN MỀM MATLAB VÀ SIMULINK 4.1 MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI XOAY CHIỀU – MỘT CHIỀU Mô chỉnh lưu (AC-DC) không điều khiển cầu pha Source voltage + v - + - v powe rgui + - v C ontinuous Ide al Switch A Idc + -i + DC current + L Lfilter + + B + v - R C Udc - C DC voltage phase Bridge Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu pha không điều khiển Vsource 200 150 100 V 50 -50 -100 -150 -200 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 t(s) 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 Hình 4.2 Điện áp nguồn cấp cho chỉnh lưu cầu pha không điều khiển 76 Vdc 300 250 200 V 150 100 50 -50 0.005 0.01 0.02 0.015 0.03 0.025 t(s) 0.04 0.035 0.05 0.045 Hình 4.3 Đồ thị điện áp chỉnh lưu cầu pha không điều khiển Qua đồ thị ta thấy: điện áp xoay chiều ba pha tần số 50Hz, biên độ 127√2V, sau qua chỉnh lưu không điều khiển cầu ba pha (kèm theo lọc) chỉnh lưu thành điện áp chiều có giá trị 300V sau 0,015s 4.2 MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU – MỘT CHIỀU 4.2.1 Khi hạ áp từ 300 V xuống 48V nạp cho ắc qui C ontinuous Ideal Switch powergui g out D PWM current Measurement + i - S Iout Voltage Measurement 300 DC + + Duty cycle Iout Diode Mosfet L C + in + v - R Vout Vout 5/48 H PI(s) PID Controller Vref Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý biến đổi buck – boost 77 >= in out Saw-tooth waveform Scope Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý khối PWM Vout 10 V -10 -20 -30 -40 -50 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t(s) 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình 4.6 Đồ thị điện áp buck – boost converter 0.14 0.13 0.12 0.11 0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình 4.7 Độ rộng xung điều khiển cấp cho buck – boost converter hạ áp 78 Qua đồ thị hình 4.6 ta thấy điện áp sau biến đổi buck – boost 48V sau 0,01s trì giá trị với giá trị điện áp mong muốn Từ đồ thị hình 4.7, ta đo giá trị duty cycle lý thuyết tính tốn 14% 4.2.2 Khi tăng áp từ 48V lên 220V C ontinuous Ideal Switch powergui D PWM + i - S Diode Mosfet Iout + Voltage Measurement L 48 DC Duty cycle Iout current Measurement C + g out + in + v - R Vout 5/220 H Gc PI(s) PI Controller Vref Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý biến đổi buck – boost tăng áp Vout 50 V -50 -100 -150 -200 -250 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t(s) 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 Hình 4.9 Đồ thị điện áp biến đổi buck – boost tăng áp 79 Qua đồ thị hình 4.9 ta thấy điện áp sau biến đổi buck – boost 220V sau 0,04s trì giá trị với giá trị điện áp mong muốn sau biến đổi 4.3 MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU – XOAY CHIỀU E C From3 g [A2] From E powergui [A1] C C ontinuous Ideal Switch g 4.3.1 Mô biến đổi DC-AC theo phương pháp điều chế lưỡng cực Vdc=220V g From1 + v - Measurement Voltage 0.0003s+1 Filter C From2 g Goto [A1] C pulse1 [A2] + R [A1] E Goto1 E [A2] pulse2 Generate pulse Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý biến đổi DC – AC theo phương pháp điều chế hai cực 220 Triangle Gain1 Scope Sine Wave