(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu và điều khiển bộ chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN LINH NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU BA PHA ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 8520201 SKC006573 Tp Hồ Chí Minh, tháng 05/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN LINH NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU BA PHA ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 8520201 Tp Hồ Chí Minh, tháng 5/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN LINH NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU BA PHA ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 8520201 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM Luận văn thạc sĩ HVTH: Nguyễn Văn Linh Nghiên cứu điều khiển chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ HVTH: Nguyễn Văn Linh Nghiên cứu điều khiển chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ HVTH: Nguyễn Văn Linh Nghiên cứu điều khiển chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ HVTH: Nguyễn Văn Linh Nghiên cứu điều khiển chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu điều khiển chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: NGUYỄN VĂN LINH Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 15/9/1985 Nơi sinh: Nghệ An Quê quán: Nghệ An Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: Tổ 7, KP Tân cang, P.phước tân, Tp Biên Hòa, Đồng Nai Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: 0978329608 Fax: E-mail: nguyenvanlinhcdn81985@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Thời gian đào tạo từ /…… đến ……/ Đại học: Hệ đào tạo: vừa học vừa làm Thời gian đào tạo từ 2012/ đến / 2014 Nơi học (trường, thành phố): Đại học sư phạm kỹ thuật vinh ( liên kết đào tạo trường Trung cấp kinh tế kỹ thuật số 2, Thành phố Biên hịa ) Ngành học: Cơng nghệ kỹ thuật điện Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Người hướng dẫn: HVTH: Nguyễn Văn Linh i GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu điều khiển chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung % Hints: get(hObject,'String') returns contents of edit6 as text % str2double(get(hObject,'String')) returns contents of edit6 as a double % - Executes during object creation, after setting all properties function edit6_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to edit6 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns called % Hint: edit controls usually have a white background on Windows % See ISPC and COMPUTER if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end % - Executes on button press in pushbutton1 % - Executes on button press in pushbutton31 function pushbutton31_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to pushbutton31 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) Three_Phase_SPWM_Boost_Rectifierthesis4 % - Executes on button press in pushbutton32 function pushbutton32_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to pushbutton32 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) SVPWM_PID_Thesis % - Executes on button press in pushbutton33 function pushbutton33_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to pushbutton33 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) Three_Phase_SPWM_BucK_rectifierthesis3 % - Executes on button press in pushbutton34 function pushbutton34_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to pushbutton34 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) Control_DC_Motor_Washing % - Executes on button press in pushbutton35 function pushbutton35_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to pushbutton35 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) HVTH: Nguyễn Văn Linh 82 GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu điều khiển chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung PSO PSOoptimize Tập code chạy PSO vẽ đồ thị Kp -Ki %% Tunning of PID controller using Particle Swarm Optimization %% % Author: NGUYEN VAN LINH (nguyenvanlinh85.cdn8@gmail.com)% % MSc Student, Electrical Engineering Dept, % Faculty of DHSPKT University, Viet Nam% % Initialization clear clc n = 50; % Size of the swarm " no of birds " bird_setp =50; % Maximum number of "birds steps" dim = 2;% Dimension of the problem c2 =1.2;% PSO parameter C1 c1 = 0.12;% PSO parameter C2 w =0.9; % pso momentum or inertia fitness=0*ones(n,bird_setp); % -% % initialize the parameter % % -% R1 = rand(dim, n); R2 = rand(dim, n); current_fitness =0*ones(n,1); % % % Initializing swarm and velocities and position % % % current_position = 10*(rand(dim, n)-.5); velocity = 3*randn(dim, n) ; local_best_position = current_position ; % -% % Evaluate initial population % % -% for i = 1:n current_fitness(i) = PSOoptimize(current_position(:,i)); end local_best_fitness = current_fitness ; [global_best_fitness,g] = min(local_best_fitness) ; for i=1:n globl_best_position(:,i) = local_best_position(:,g) ; end % % VELOCITY UPDATE % HVTH: Nguyễn Văn Linh Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu điều khiển chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung % -% velocity = w *velocity + c1*(R1.*(local_best_position-current_position)) + c2*(R2.*(globl_best_position-current_position)); % % % SWARMUPDATE % % % current_position = current_position + velocity ; % % % evaluate anew swarm % % % %% Main Loop iter = ; % Iterations’counter while ( iter < bird_setp ) iter = iter + 1; for i = 1:n, current_fitness(i) = PSOoptimize(current_position(:,i)) ; end for i = : n if current_fitness(i) < local_best_fitness(i) local_best_fitness(i) = current_fitness(i); local_best_position(:,i) = current_position(:,i) ; end end [current_global_best_fitness,g] = min(local_best_fitness); if current_global_best_fitness < global_best_fitness global_best_fitness = current_global_best_fitness; for i=1:n globl_best_position(:,i) = local_best_position(:,g); end end velocity = w *velocity + c1*(R1.*(local_best_position-current_position)) + c2*(R2.*(globl_best_position-current_position)); current_position = current_position + velocity; sprintf('The value of interation iter %3.0f ', iter ); end % end of while loop its mean the end of all step that the birds move it HVTH: Nguyễn Văn Linh 84 GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu điều khiển chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung xx=fitness(:,50); [Y,I] = min(xx); current_position(:,I) Tập code chạy PSOoptimize để gọi fitness vẽ đồ thị sai số function F = PSOoptimize(pid) % Track the output of optsim to a signal of % Variables a1 and a2 are shared with RUNTRACKLSQ Kp = pid(1); Ki = pid(2); Kd = 0; sprintf('The value of interation Kp= %3.0f, Ki= %3.0f', pid(1),pid(2)); % Compute function value simopt = simset('solver','ode5','SrcWorkspace','Current','DstWorkspace','Current'); % Initialize sim options [tout,xout,yout] = sim('SVPWM_PSO_Thesis',[0 100],simopt); e=yout-400 ; % compute the error sys_overshoot=max(yout)-400; % compute the overshoot alpha=10;beta=10; F=e2*beta+sys_overshoot*alpha; end %xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxx % Ve ham sai so Sai_so=100-yout; subplot(3,1,1) plot(Sai_so); title('Ham sai so','Fontname','VNI-TIMES','fontsize',12) legend Saiso; end HVTH: Nguyễn Văn Linh 85 GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU BA PHA ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG CONTROL AND RESEARCH ON THREE-PHASE PULSE WIDTH MODULATION (PWM) RECTIFIER Nguyễn Văn Linh 1 Trường Cao Đẳng Nghề Số TÓM TẮT: Bộ chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung sử dụng rộng rãi hệ thống phân phối cung cấp điện tuabin nhỏ, điện gió, điện từ khí đốt, vv Các chỉnh lưu có điều khiển khơng điều khiển thơng thường phi tuyến tính Do đó, gây hàm lượng sóng hài cao dịng điện, giảm hệ số cơng suất, hiệu suất thấp, méo dạng sóng, v.v Hiện nay, nhiều phương pháp điều khiển cho chỉnh lưu nghiên cứu ứng dụng điển phương pháp điều chế độ rộng xung sine (SPWM) phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM) cho số kết định Thuật toán tối ưu bày đàn ứng dụng nhiều lĩnh vực kỹ thuật tính đơn giản hiệu cao so với thuật tốn khác Từ khóa: PWM; SPWM; SVPWM; PSO; THD ABSTRACT: Three phase PWM rectifiers are utilized as a part of distributed power generation applications such as micro turbines, windmills, fuel cells etc The controlled and uncontrolled rectifiers are generally nonlinear in nature Thus it causes high harmonic content in the line current, reduced power factor, low efficiency, voltage distortion etc To date, a great number of rectify techniques were proposed such as direct current control or direct power control…These proposed techquies require a modulation method (sine pulse width modulation-SPWM or space vector pulse width modulation-SVPWM) to realize the demanded voltage reference via the power electronic inverters The search engine is based on particle swarm optimization (PSO) as fast and simple technique algorithm Keywords: PWM; SPWM; SVPWM; PSO; THD I GIỚI THIỆU Bài báo tập trung nghiên cứu nguyên lý phương pháp điều chế PWM, mục tiêu nghiên cứu chỉnh lưu theo phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) dùng giải thuật PSO tìm thơng số tối ưu cho điều khiển PID Việc nghiên cứu phương pháp Hình 1: Mạch chỉnh lưu ba pha Mạch gồm sáu khóa K điều khiển độc lập Mỗi khóa K gồm IGBT diode mắc song song để dẫn điện hai chiều thực ngày nhiều hơn, thành - Tụ C dùng để lọc phẳng điện áp nghiên cứu theo phương pháp vector không - Cuộn dây L điện trở R hai thành phần cuộn cảm tăng cường lọc nguồn gian (SVPWM) Đây giải pháp đầy Điều khiển đóng ngắt khóa K cho điện hứa hẹn với ưu điểm từ cấu trúc này: áp chiều ngõ đạt giá trị đặt mong muốn Cải thiện thành phần hài dịng điện Qui luật điều khiển: khơng đóng hai khóa nhiều tải phi tuyến; Cải thiện hệ số pha để tránh ngắn mạch ngõ ra, công suất trường hợp ảnh hưởng không ứng dụng nhiều tải; Cải thiện độ cân chỉnh (Trạng thái khóa điều khiển chỉnh lưu PWM dòng điện nguồn Bộ điều khiển PID đòi hỏi - đồng thời với trạng thái khóa Ka, Kb, Kc) cân chỉnh phức tạp nhiều kết thực nghiệm Để giải vấn đề giải thuật Sơ đồ vector không gian điện áp cho chỉnh lưu PWM: PSO áp dụng nhằm dị tìm thơng số Kp, Ki cho điều khiển PID Với kết đạt từ nghiên cứu cho thấy hệ thống có đáp ứng nhanh, vọt lố độ méo hài thấp lý (Hình 1) II MƠ CỦA HÌNH BỘ CHỈNH LƯU PWM Mơ hình tốn học chỉnh lưu PWM: Mạch chỉnh lưu ba pha sử dụng nguồn ba pha có điểm trung tính với sơ đồ ngun sau: Hình 2: Vector khơng gian điện áp Hình 3: Mạch tươn g đươn g chỉnh lưu ba pha Phương trình điện áp cho ea, eb, ec Phương trình dịng điện qua tụ C  ea       eb     ec     Phương trình điện áp ba pha cho ea, eb, ec  ea         e b  ec   Phương trình tốn học điện áp đặt vào chỉnh lưu ba pha C u  rd   L        urq   L Từ phương trình ( 1.8 ) thay vào phương trình ( 1.6 ) ta có      L  L         dv C  dc =  L   dt   Phương trình tốn học chỉnh lưu ba pha Phương trình tốn học chỉnh lưu ba pha tọa độ d-q  L       L    C    Trong đó:   urd    urq = S q vdc Phương trình tốn học điện áp vào chỉnh lưu PWM tọa độ d-q  III HIỆU CHỈNH BỘ ĐIỀU KHIỂN IV KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MATLAB PID DÙNG GIẢI THUẬT PSO: SIMULINK: Bộ điều khiển PID sử dụng thuật giải PSO để hiệu chỉnh tham số điều khiển chỉnh lưu ba pha Hình sau Hình 5: Giao diện điều khiển Hình 4: Bộ điều khiển PID giải thuật bầy đàn Chỉnh lưu pha SPWM Boost: Khối dị tìm Kp,Ki giải thuật PSO, gồm Vref , hàm thích nghi PSO tìm thơng số Kp,Ki, đặt vào khối tạo xung PWM điều khiển khối công suất cho điện áp điện áp đặt trước Hình 6: Sơ đồ Simulink chỉnh lưu pha SPWM Boost Hình 7: Đáp ứng điện áp chỉnh lưu pha SPWM Boost Hình 8: Đáp ứng dịng điện chỉnh lưu pha PWM PID Hình 9: So sánh pha điện áp vào pha A dòng điện vào pha A 1.1 Nhận xét kết mô chỉnh lưu pha SPWM Boost: Các kết mô matlab/Simulink cho thấy cấu trúc điều khiển có khả làm việc tốt yêu cầu kỹ thuật sau: - Cosφ xấp xỉ 1, dòng điện điện áp gần trùng pha - Độ méo dạng dạng sóng THD (%) nhỏ - Điện áp đặt: 800v; f=50 Hz (max=1000HZ), - Thơng số đặt trước Kp=0,2; Ki=0,2/0,002; Kd=0, thời gian đóng tải: 0,1s Chỉnh lưu pha SVPWM PSO điều Dịng điện lưới hình sin, sóng điều khiển động DC: hịa bậc cao khơng đáng kể - - Ổn định điện áp mang tải cắt tải Hình 10: Mơ hình động DC Hình 11: Đáp ứng điện áp chỉnh lưu pha SVPWM PSO cấp nguồn động DC Hình 12: Đáp ứng dịng điện chỉnh lưu pha PWM PID Hình 13: Đáp ứng tốc độ động DC Hình 14: Đáp ứng dòng điện động DC 2.1 Nhận xét kết mơ chỉnh lưu  Trong q trình hoạt động mạch, pha SVPWM PSO cấp nguồn động thời điểm thay đổi tải, độ vọt lố DC: điện áp ổn định không thay đổi Các kết mô Matlab/Simulink nhiều cho thấy cấu trúc điều khiển có khả  Điều khiển điện áp ngõ xác làm việc tốt yêu cầu kỹ thuật sau: - - - theo thông số đặt Thông số đặt: Thời gian [0 15] tương ứng tốc độ [45 -45 45 -45 6080] Dịng điện đóng tải [4.8 -4.8 4.8 -4.8 4.1] Điện áp [800 -700 800 -700 700] Đáp ứng tốc độ đạt tốc độ đặt với sai  Thời gian đáp ứng tốt thời gian xác lập nhanh, độ vọt lố nhỏ số xác lập nhỏ - Dịng điện lưới hình sin, sóng điều hịa bậc cao khơng đáng kể - Ổn định điện áp mang tốc độ động thay đổi - Độ méo dạng dạng sóng THD (%) nhỏ, THD = 0,00% Kết luận: Kết mô Matlab cho thấy điều khiển PSO với thông số xác định giải thuật bầy đàn hoạt động tốt so với phương pháp PID tự chỉnh tay: TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Văn Nhờ, Bài giảng điện tử công suất, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, 2010 Nguyễn Phùng Quang, Truyền Động Điện Thông Minh, NXB khoa học kỹ thuật, 2006 Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất ,Nhà xuất khoa học kỹ thuật; Hà Nội, 2008 Li Chun, Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển số chỉnh lưu nhiều cấp CPS - SPWM ứng dụng thiết bị nguồn điện loại sóng nhiễu，Đại học Triết Giang Hàng Châu Trung Quốc ,2006 H Komurcugil, O Kukrer, A novel current control method for three phase PWM AC/DC voltage source converters, IEEE Transactions On Industrial Electronics, VOL 46, NO.3, June (1999) Dae-Woong Chung, Minimum-Loss Strategy for Three-Phase PWM Rectifier, IEEE Transactions On Industrial Electronics, VOL 48, NO.3, June (2001) Woo-Cheol Lee, Taeck_Kie Lee, Dong-seok Hyun, Comparision of Single-Sensor Current Control in the DC Link for Three-Phase Voltage-Source PWM Converters, IEEE Transactions On Industrial Electronics, VOL 48, NO.3, June (2001) Holmes D G., Lipo T A., 2003, “Pulse Width Modulation for Power Converters: Principles and Practice”, IEEE Press, USA Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Nguyễn Văn Linh Đơn vị: Trường Cao Đẳng Nghề Số Điện thoại: 0978329608 Email: nguyenvanlinhcdn81985@gmail.com ... Luận văn thạc sĩ HVTH: Nguyễn Văn Linh Nghiên cứu điều khiển chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu điều khiển chỉnh lưu ba pha điều chế độ. .. Nguyễn Văn Linh HVTH: Nguyễn Văn Linh iv GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu điều khiển chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung TÓM TẮT Bộ chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung. .. Nguyễn Văn Linh GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu điều khiển chỉnh lưu ba pha điều chế độ rộng xung Việc nghiên cứu điều khiển chỉnh lưu có từ lâu Đối tượng nghiên cứu nghiên