(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu bộ chỉnh lưu 3 pha theo nguyên lý điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM MINH TƯỜNG NGHIÊN CỨU BỘ CHỈNH LUU PHA THEO NGUYÊN LÝ ÐIỀU CHẾ ÐỘ RỘNG XUNG SÓNG MANG (CPWM) NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN – 60520202 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM MINH TƯỜNG NGHIÊN CỨU BỘ CHỈNH LƯU PHA THEO NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SÓNG MANG (CPWM) NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hướng dẫn khoa học: TS QUÁCH THANH HẢI Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2017 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC : Họ tên: Phạm Minh Tường Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 23/06/1971 Nơi sinh: Sài Gòn Quê quán: Vĩnh Long Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: 71/80, Nguyễn Huệ, Phường 2, TP Vĩnh Long, Vĩnh Long Điện thoại quan: 0703820316 Di động: 0913772071 Fax: Email: tuongminh671@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO : Đại học: Hệ đào tạo: Mở rộng Thời gian đào tạo từ : 10/1989 đến 10/1993 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện Tử Tên môn thi tốt nghiệp: - Kỹ thuật Truyền hình - Lý thuyết mạch điện Analog Digital Bảo vệ đồ án tốt nghiệp: Người hướng dẫn: Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ : 05/2015 đến 05/2017 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM Ngành học: Kỹ thuật điện (KDD) Tên luận văn: Nghiên cứu chỉnh lưu pha theo nguyên lý điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM) Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 16/04/2017, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: TS Quách Thanh Hải III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC : i Thời gian Từ 1994-1995 Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Xưởng thực nghiệm – Viện -Nhân viên kỹ thuật điện học ứng dụng-Quận 3- TP HCM Ngành nồi hệ thống lạnh trung tâm Từ 1995-1997 Công ty Hỗ trợ Phát triển -Tổ trưởng tổ Phóng Năng lượng TP HCM trực thuộc tuyến xây lắp Trung, Cơng đồn lượng Việt Nam hạ - Quận Bình Thạnh-TP HCM Từ 1997-2003 Cơng ty liên doanh y cụ Việt -Trưởng phận Bảo trì Nam – Hàn Quốc (ViKimco)- sửa chữa thiết bị Vĩnh Long Từ 2003 đến Công ty Vikimco-Trực thuộc -Tổ trưởng Bảo trì sửa Cơng ty Cổ phần Dược phẩm chữa thiết bị Cửu Long ii LỜI CAM ĐOAN Học viên xin cam đoan công trình nghiên cứu thân hướng dẫn TS Quách Thanh Hải Các kết nghiên cứu kết luận nêu đề tài trung thực không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo yêu cầu Tp Hồ Chí Minh, ngày18 tháng năm 2017 (Ký tên ghi rõ họ tên) Phạm Minh Tường iii LỜI CÁM ƠN Trước tiên, học viên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Quách Thanh Hải Ths Đỗ Đức Trí tận tình hướng dẫn giúp đỡ học viên suốt trình làm đề tài luận văn Học viên xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy chủ nhiệm Ngành, Thầy Cố vấn cao học lớp KDD A2015-2017 Thầy, Cô giảng dạy học viên môn học khác Những kiến thức mà học viên chúng em nhận giảng đường Cao học hành trang giúp chúng em vững bước tương lai Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Gia đình, Bạn bè Ban cán lớp Kỹ thuật điện khóa 2015-2017A, người ln giúp đỡ đồng hành học viên Được hoàn thành thời gian ngắn, đề tài luận văn cịn nhiều thiếu sót Vì vậy, Học viên mong có ý kiến đóng góp chân thành nội dung đề tài từ thầy cô, bạn bè để học viên tiếp tục sâu vào tìm hiểu ứng dụng thực tiễn tốt Xin chân thành cám ơn! TP Hồ Chí Minh, Tháng năm 2017 Phạm Minh Tường iv MỤC LỤC Trang tựa Quyết định giao đề tài LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CÁM ƠN iv TÓM TẮT ĐỀ TÀI LUẬN VĂN v ABSTRACT vi MỤC LỤC vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv Chương TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, nghiên cứu liên quan 1.1.1 Tồng quan chung lĩnh vực nghiên cứu 1.1.2 Các kết nước công bố 1.2 Tính cấp thiết đề tài, đóng góp khoa học thực tiễn đề tài 1.2.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2.2 Đóng góp khoa học đề tài 1.2.3 Ý nghĩa thực tiễn đề tài 1.3 Mục đích đề tài 1.4 Nhiệm vụ giới hạn đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Điểm đề tài 1.7 Nội dung phạm vi nghiên cứu 1.8 Bố cục đề tài Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan kỹ thuật chỉnh lưu 2.2 Cấu trúc mạch chỉnh lưu không điều khiển 2.3 Cấu trúc mạch chỉnh lưu pha có điều khiển 14 2.4 Mạch chỉnh lưu PWM 17 vii 2.4.1 Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM: 18 2.4.2 Chỉnh lưu PWM 19 2.4.3 Phương pháp PWM dựa vào băng trễ chỉnh lưu (HB-PWM) 22 2.4.4 Phương pháp SVPWM chỉnh lưu (SV-PWM) 24 2.4.5 Phương pháp sin PWM hoạt động chỉnh lưu (CB-SPWM) 28 Chương THIẾT KẾ MƠ HÌNH CHỈNH LƯU PWM 34 3.1 Cấu trúc mơ hình chỉnh lưu 34 3.2 Card DSP TMS320F28335: 35 3.3 Mạch đệm: 37 3.4 Mạch công suất 37 3.5 Mạch nguồn cung cấp điện áp cho mạch điều khiển 39 3.6 Module mạch kích (mạch drvier) 40 3.7 Khối cảm biến điện áp AC DC 43 3.8 Khối nguồn động lực mạch R-L 45 3.9 Kết chương 47 Chương GIẢI THUẬT CPWM ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU PWM, KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 48 4.1 Nguyên lý giải thuật 48 4.2 Lưu đồ giải thuật 51 4.3 Mô mạch chỉnh lưu pha CPWM kết mô 52 4.4 Mơ hình thực nghiệm kết thực nghiệm 57 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 70 5.1 Những kết đạt 70 5.2 Kết luận 70 5.3 Hướng phát triển đề tài 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC 73 viii Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Quách Thanh Hải Chương TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, nghiên cứu liên quan 1.1.1 Tồng quan chung lĩnh vực nghiên cứu Từ thập niên 80 kỷ XX, kỹ thuật điện tử ứng dụng mạch điều khiển, đo lường, khống chế, bảo vệ…hệ thống điện công nghiệp gọi điện tử công nghiệp Đến thập niên 90 kỷ XX, kỹ thuật điện tử ứng dụng rộng rãi thành cơng việc thay khí cụ điện từ dùng để đóng ngắt cung cấp nguồn cho phụ tải pha, ba pha, làm nguồn công suất lớn cơng nghiệp…Với ưu điểm kích thước nhỏ gọn, điều khiển dễ dàng, đáp ứng tần số mở rộng, khả công suất, điện áp, dòng điện độ tin cậy ngày cải tiến dần Ngày nay, với tốc độ phát triển công nghiệp nhanh, kèm theo yêu cầu cao khâu truyền động : Máy cán, xe nâng hàng, cần cẩu điện…và điều khiển diện dây chuyền công nghiệp dân dụng Điện áp chiều cần thiết để sử dụng lĩnh vực truyền động có biên tốc vô cấp khả điều khiển tốc độ liên tục Là thành phần thiếu dây chuyền công nghiệp Việc sản xuất điện áp chiều kỹ thuật chỉnh lưu nghiên cứu nhiều tính hiệu Việc phát triển cơng nghệ bán dẫn, giúp chế tạo chỉnh lưu nghiên cứu kỹ thuật chỉnh lưu cho hiệu ngày phát triển Trong đề tài luận văn này, chỉnh lưu pha có điều khiển nguyên lý điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM – Carrier Pulse Width Modulator) xem xét, tính tốn đề xuất Bộ chỉnh lưu với giải thuật phù hợp phải đạt yêu cầu:  Hệ số méo hài tổng THD đảm bảo theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7909 2.2-2008 tiêu chuẩn quốc tế EN 6100 - 2.2 HVTH: Phạm Minh Tường Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS Quách Thanh Hải  Hệ số công suất lớn (xấp xỉ 1)  Hệ số nhấp nhô điện áp chỉnh lưu thấp 1.1.2 Các kết nước cơng bố a Tình hình nghiên cứu nước Trong năm vừa qua, có vài đề tài nghiên cứu nước kỹ thuật chỉnh lưu PWM, chưa nhiều Trong số kể đến nhóm Tác giả: Bùi văn Đại, Vũ Minh Quang ĐH Thủy Lợi Hà Nội với đề tài ” Nghiên cứu chỉnh lưu pha PWM với hệ thống điều chỉnh hai vòng hồi tiếp” [1] sử dụng phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM), đăng tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2014 Bằng kỹ thuật như: Tuyến tính hóa Bộ điều khiển Chỉnh lưu, tính điện áp đạt mạch chỉnh lưu pha Mơ hình tốn học Hệ phương trình tuyến tính theo dịng điện hệ trục tọa độ dq, sau đó, sử dụng kỹ thuật điều khiển vòng hồi tiếp với kết cấu đơn giản phần mềm mô Matlap/Simulink, cho kết : đáp ứng Điện áp Vdc phẳng kháng nhiễu tốt, thời gian độ để ổn định nhanh dễ dàng điều chỉnh thơng số Nhưng chưa thấy có báo cáo rõ rảng số như: méo hài tổng (THD), Hệ số cơng suất (PF) b Tình hình nghiên cứu ngồi nước Có nhiều cơng trình nghiên cứu lĩnh vực điều khiển mạch chỉnh lưu PWM pha pha nước, nhiều kỹ thuật phương pháp khác Trong số đó, kể đến vài cơng trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài luận văn sau: Đầu tiên Tác giả Mahasweta Bhattacharya Đại học Kỹ thuật Tây Bengan với Đề tài nghiên cứu ”Improvement of power quality using PWM rectifiers” [2] Được đăng Tạp chí Quốc tế nghiên cứu khoa học Tập 4, số ; Xuất tháng năm 2014 (ISSN 2250-3153) Thơng qua số phân tích khái quát lợi ích chỉnh lưu PWM so với chỉnh lưu thông thường Tác giả sau áp dụng phương pháp kiểm sốt dịng điện kỹ thuật PWM hình sin cộng HVTH: Phạm Minh Tường LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS QUÁCH THANH HẢI điều khiển gần đỉnh đáy sóng mang đinh đáy Kỹ thuật thực sau Gọi Vrx điện áp điều khiển pha x (x a, b, c) đưa đến PWM, sóng mang xung tam giác có giá trị đỉnh 1v, giá trị đáy -1v Đặt Hàm offset xác định Cuối điện áp đưa đến PWM 4.2 Lưu đồ giải thuật Từ phân tích trên, ta xây dụng lưu đồ giải thuật hình 4.3 HVTH: PHẠM MINH TƯỜNG 22 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS QUÁCH THANH HẢI Hình 4.3 lưu đồ giải thuật điều khiển mạch chỉnh lưu cầu pha 4.3 Mô mạch chỉnh lưu pha CPWM kết mơ Hình 4.4 Sơ đồ mạch khối điều khiển mạch kích HVTH: PHẠM MINH TƯỜNG 23 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS QUÁCH THANH HẢI Hình Sơ đồ mạch khối cơng suất mạch chỉnh lưu Hình 4.6 Cấu trúc tổng thể mơ hình thực nghiệm Hình 4.7 Mơ hình thực nghiệm HVTH: PHẠM MINH TƯỜNG 24 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS QUÁCH THANH HẢI Các kết mô thực nghiệm Để đảm bảo tính an tồn cho mơ đun tải R phịng thực nghiệm ( P=200W) mong muốn bảo vệ mơ hình đến ngày bảo vệ luận văn Ta chọn nguồn điện ngõ vào có giá trị 1/10 giá trị nguồn điện mơ (22/38V) điện áp Vdc có giá trị 15V để thực nghiệm, giá trị khác ta giữ nguyên -Trường hợp Rt=16Ω chưa cộng giá trị hàm offset Hình 4.8 Mơ tả giá trị mô thực nghiệm (Rt= 16Ω) HVTH: PHẠM MINH TƯỜNG 25 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS QUÁCH THANH HẢI -Trường hợp Rt=16Ω có cộng giá trị hàm offset Hình 4.9 Mơ tả giá trị mơ thực nghiệm có cộng offset (Rt= 16Ω) HVTH: PHẠM MINH TƯỜNG 26 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS QUÁCH THANH HẢI -Trường hợp Rt=20Ω chưa cộng giá trị hàm offset Hình 4.10 Mơ tả giá trị mơ thực nghiệm (Rt= 20Ω) HVTH: PHẠM MINH TƯỜNG 27 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS QUÁCH THANH HẢI -Trường hợp Rt=20Ω có cộng giá trị hàm offset Hình 4.11 Mô tả giá trị mô thực nghiệm có cộng offset (Rt= 20Ω) HVTH: PHẠM MINH TƯỜNG 28 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS QUÁCH THANH HẢI -Trường hợp Rt=32Ω chưa cộng giá trị hàm offset Hình 4.12 Mơ tả giá trị mơ thực nghiệm (Rt= 32Ω) HVTH: PHẠM MINH TƯỜNG 29 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS QUÁCH THANH HẢI -Trường hợp Rt=32Ω có cộng giá trị hàm offse Hình 4.11 Mô tả giá trị mô thực nghiệm có cộng offset (Rt= 32Ω) HVTH: PHẠM MINH TƯỜNG 30 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS QUÁCH THANH HẢI Chương 5: Kết luận hướng phát triển đề tài trang 65-66 5.1 Những kết đạt  Phân tích, tính tốn đề xuất giải thuật điều chế độ rộng xung sóng mang (CPWM) cho chỉnh lưu pha có điều khiển giảm số lần chuyển mạch đảm bảo không tăng méo hài tổng (THD) dịng điện ngõ vào, hệ số cơng suất cao (tiến đến 1)  Phương pháp kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang CPWM đề xuất nguyên tắc cộng thêm giá trị offset hài bậc vào điện áp điều khiển với hàm toán học đơn giản cộng, trừ so sánh nên đảm bảo thời gian tính tốn bé  Giải thuật đề xuất giúp giảm số lần? chuyển mạch (Phụ lục 2) khóa cơng suất so với phương pháp chỉnh lưu PWM khác cơng bố góp phần giảm tổn hao chuyển mạch dẫn đến tăng hiệu mạch chỉnh lưu  Với thời gian tính tốn nhỏ triển khai giải thuật với sóng mang với tần số lớn với tụ DC nhỏ (giảm chi phí) đảm bảo giảm nhấp nhô thấp điện áp tải  Các kết mô thực nghiệm cho thấy giải thuật có giá trị méo hài tổng dịng điện nguồn THD nhỏ giá trị qui định tiêu chuẩn Việt Nam ( TCVN – 7909- 2.2-2008) đồng thời HVTH: PHẠM MINH TƯỜNG 31 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS QUÁCH THANH HẢI đáp ứng tiêu chuẩn nhiễu điện từ theo tiêu chuẩn quốc tế EN6100-2-2  Hệ số cơng suất điện áp dịng điện ngõ vào cao, xấp xỉ (PF=0.99) 5.2 Kết luận Từ kết đạt (mục 5.1), kết luận rằng: Luận văn giải u cầu đặt ra.Tác giả xây dựng mơ hình mô phần mềm Psim/simulation chứng minh khả triển khai ứng dụng nguyên lý giải thuật vào lý thuyết, mô thực tế (thể qua kết thực nghiệm) 5.3 Hướng phát triển đề tài  Do thời gian ngắn nên đề tài dừng lại mức độ mô thực nghiệm với tải trở  Phần cứng cịn thơ sơ, sử dụng lại mơ hình [11] có từ trước đây, mức độ thẩm mỹ chưa cao  Điện áp chỉnh lưu Vdc ngõ chưa sử dụng cụ thể cho loại tải  Chưa tính tốn cụ thể lượng tiết kiệm từ số lần giảm chuyển mạch khóa công suất  Nguồn cung cấp cho mạch thực nghiệm cịn thấp so với mơ (1/10) HVTH: PHẠM MINH TƯỜNG 32 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS QUÁCH THANH HẢI Do đó, Hướng phát triển đề tài là: Ngoài việc khắc phục khuyết điểm nêu trên, Tác giả mong muốn:  Mơ hình chỉnh lưu CPWM triển khai áp dụng cụ thể vào thực tế ( Các hệ thống điện tái tạo: điện gió, lượng mặt trời… )  Tính tốn lượng tiết kiệm có từ số lần giảm chuyển mạch để thấy ưu điểm giải thuật HVTH: PHẠM MINH TƯỜNG 33 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS QUÁCH THANH HẢI TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Văn Đại, Vũ Quang Minh, ” Nghiên cứu chỉnh lưu pha PWM với hệ thống điều chỉnh hai vòng hồi tiếp” Đại học Thủy lợi Hà Nội; 2014 [2] Mahasweta Bhattacharya,” improvement of power using quality PWM rectifiers” ECE, Future institute of Engineering and Management, Kolkata, 2013 [3] J.Chelladurai B Vinod,” Performance evaluation of three phase scalar controlled PWM rectifier using diferent carrier and modulating signal” Journal of Engineering Science and Technology, Vol 10, No (2015) 420 – 433 ,© School of Engineering, Taylor’s University [4] Michal Knapczyk, Kryzysztof Pienkowski, “ Analysis of pulse width modulation techniques for AC/DC line-side converters”, Studia i materialy, Nr 26, 2006 [5] Danh Tuấn Lê,” Giải thuật điều chế sóng mang giảm số lần chuyển mạch cho nghịch lưu cầu H-NPC bậc” Luận văn Thạc sĩ, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM, 2015 [6] Sylvain Lechat Sanjuan,”Voltage oriented control of threephase boot PWM converters”, Master of science thesis in electric power engineering, Tecchnology, Sweeden, 2010 HVTH: PHẠM MINH TƯỜNG 34 Chalmers university of LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP [7] GVHD: TS QUÁCH THANH HẢI Nguyễn Văn Nhờ, ”Giáo trình điện tử cơng suất 1”,NXB Đại học Quốc gia TP HCM, 2013 [8] S.Arivarasan,“Analysis and design of controller for PWM rectifiers“, Vol 3, Issue 2, April, 2010 [9] Phạm Trần Hồng,“Tìm hiểu điều khiển số TMS 320 F28335 ứng dụng”, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội, 2015 [10] Bùi Thanh Hiếu, “ Nghiên cứu nguồn pha cầu H gồm mạch NPC ba bậc’’, LVThS, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, 2013 [11] Nguyễn Nhân Bổn, Nguyễn Việt Hùng, Võ Thành Hửu,”Ứng dụng lượng mặt trời hộ gia đình”, Đồ án tốt nghiệp, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, 2015 HVTH: PHẠM MINH TƯỜNG 35 S K L 0 ... ta có chỉnh lưu pha, pha, n pha  Theo cấu hình có chỉnh lưu tia, chỉnh lưu cầu  Theo khả điều khiển có chỉnh lưu khơng điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển bán phần tồn phần, chỉnh lưu điều khiển...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM MINH TƯỜNG NGHIÊN CỨU BỘ CHỈNH LƯU PHA THEO NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SÓNG MANG (CPWM). .. lý thuyết Chỉnh lưu; chương đề cập đến dạng chỉnh lưu không điều khiển, có điều khiển nguyên lý điều chế độ rộng xung, Giới thiệu khái quát mạch chỉnh lưu PWM pha, phương pháp PWM hoạt động chỉnh