Để có thể điều chế được chính xác dòng điện bù, yêu cầu cần phải có một mạch vòng điều khiển dòng điện, tuy nhiên, với đặc điểm lượng đặt – dòng điện tính toán là một đại lượng biến thiên liên tục, với những thời điểm có biên độ rất
Chương 2 : Bộ lọc tích cực ba pha bốn dây
lớn, sự sai lệch giá trị dòng điện bù tích toán và thực tế tại những thời điểm đó sẽ
dẫn đến những xung dòng rất lớn trên dòng nguồn, vì thế đòi hỏi bộ điều khiển dòng điện phải đáp ứng được những yêu cầu hết sức khắt khe. Những yêu cầu đó là:
-Triệt tiêu được sai lệch về pha và biên độ
-Đáp ứng động tốt
-Giới hạn tần sốđóng cắt, đảm bảo sự an toàn cho van bán dẫn.
Hiện nay có rất nhiều các phương pháp điều khiển dòng điện. Trong khuôn khổ của luận văn này sẽ trình bầy ba phương pháp cũng nhưưu nhược điểm của chúng: điều khiển dải trễ ( Hysterisis control), điều khiển tuyến tính ( PI control) và điều khiển deadbeat. 2.2.1. Phương pháp điều khiển dải trễ Hình 2.11. Sơđồ nguyên lý điều khiển dải trễ. e iC Van bán dẫn iC ref Bộ điều khiển dải trễ iC Tín hiệu chuẩn iC ref Tín hiệu mở van lực
Chương 2 : Bộ lọc tích cực ba pha bốn dây
Hình 2.12. Nguyên lý hoạt động của phương pháp điều khiển dải trễ.
Hình 2.11 và 2.12 trình bầy sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển dải trễ. Dòng điện tham chiếu của bộ lọc tích cực iC ref ( được ước lượng nhưở
mục 2.1 ) được so sánh với dòng điện thực mà bộ lọc bơm ra iC, sai số e giữa chúng sẽ đưa vào khâu so sánh dải trễ. Tại đây nếu e lớn hơn (+H/2) thì tín hiệu mở van bán dẫn ở mức thấp ( van bán dẫn khoá ), nếu e nhỏ hơn (-H/2) thì tín hiệu mở van bán dẫn ở mức cao ( van bán dẫn mở), trong trường hợp e nằm trong khoảng (-H/2 , +H/2) thì tín hiệu mở van sẽ giữ nguyên trạng thái. Với nguyên lý điều khiển như
thế dòng điện đầu ra của bộ lọc tích cực iC ( đường nhấp nhô trên hình 2.12 ) sẽ bám theo dòng điện chuẩn ( tham chiếu ) iC ref ( đường nét liền trên hình 2.12 ) với sai số
H đã được định trước do yêu cầu điều khiển.
Ưu điểm của bộđiều khiển dải trễ:
-Đáp ứng động rất tốt, tính bền vững rất cao -Điều khiển đơn giản, tin cậy
Nhược điểm:
-Dòng điện đầu ra luôn nhấp nhô do đặc tính của bộđiều khiển là khâu rơ le có trễ
-Muốn khắc phục nhược điểm trên, nghĩa là giảm độ nhấp nhô của dòng
điện đầu ra, ta có thể tăng tần sốđóng cắt. Tuy nhiên, tần số đóng cắt lại phụ thuộc vào khả năng chịu đựng của van bán dẫn, đồng thời, khi tăng tần sốđóng cắt sẽ làm tăng tổn hao chuyển mạch, hiệu suất bộ biến đổi giảm
-Tần số đóng cắt thay đổi liên tục, phụ thuộc vào sự biến thiên của tín hiệu
vào có thể gây nguy hiểm cho van bán dẫn. Khắc phục bằng cách đặt thêm một
Chương 2 : Bộ lọc tích cực ba pha bốn dây
Để khắc phục các nhược điểm của bộđiều khiển dải trễ, trong các bài báo xuất hiện một phương pháp mới đó là điều khiển dải trễ với tần số điều chế cốđịnh, sai số H thay đổi và đã thu được những kết quả khả quan. Tuy nhiên trong khuôn khổđồ án chưa kiểm chứng được, đây cũng là một hướng để phát triển đề tài.
2.2.2. Phương pháp điều khiển tuyến tính
Hình 2.13. Sơđồ nguyên lý điều khiển tuyến tính.
Hình 2.14. Nguyên lý hoạt động của phương pháp điều khiển tuyến tính. Trên hình 2.13 và 2.14 trình bầy sơ đồ và nguyên lý hoạt động của phương pháp điều khiển tuyến tính. Dòng điện đầu ra iC của bộ lọc tích cực được phản hồi
Van bán dẫn iC iC ref Khâu điều chỉnh tt Khâu so sánh T/h điều khiển Sóng mang T/h điều khiển Sóng mang Tín hiệu mở van lực
Chương 2 : Bộ lọc tích cực ba pha bốn dây
về so sánh với dòng chuẩn iC ref, sai lệch giữa hai đại lượng này được đưa qua khâu
điều chỉnh tuyến tính ( thường chọn là khâu PI), tín hiệu điều khiển ởđầu ra khâu PI sẽđược đưa vào so sánh với sóng mang tam giác trong khâu so sánh để tạo tín hiệu mở van lực. Khi biên độ tín hiệu điều khiển lớn hơn sóng mang thì tín hiệu mở van lực ở mức cao, ngược lại khi tín hiệu điều khiển nhỏ hơn sóng mang thì tín hiệu mở
van lực sẽở mức thấp.
Ưu điểm:
-Tần số chuyển mạch cốđịnh Nhược điểm:
-Băng thông hạn chế, trong khi dòng điện đặt có dải tần lớn -Tồn tại sai lệch tĩnh về pha và biên độ trong trạng thái xác lập
2.2.3. Phương pháp điều khiển deadbeat
Hình 2.15. Sơđồ mạch vòng điều khiển deadbeat.
Tần số trích mẫu hệ thống là T, mô hình cuộn cảm lý tưởng trong miền Z:
( ) . 1 L C T z G z L z = −
Khâu PWM được mô hình như một khâu trễ bậc nhất, cộng thêm một quá trình trễđể tính toán dòng điện mất một chu kì trích mẫu. Hàm truyền đối tượng: ( ) . 1 ( 1) C T G z L z z = − iC iC ref Khâu điều chỉnh deadbeat Khâu PWM Mạch lực
Chương 2 : Bộ lọc tích cực ba pha bốn dây
Đối tượng là 1 hàm bậc 2, theo luật điều khiển deatbeat thì hàm truyền kín tốt nhất của hệ thống chính bằng bậc của đối tượng: W(z) = z -2 Bộđiều khiển deatbeat: W( ) ( ) . ( ).(1 W( )) 1 C L z z R z G z z T z = = − + Ưu điểm:
- Đáp ứng nhanh trong hai chu kì trích mẫu, do đó đáp ứng được những yêu cầu khắt khe của cấu trúc điều khiển
- Tần số chuyển mạch cốđịnh Nhược điểm:
- Các hệ số mô hình không chính xác dễ gây mất ổn định hệ điều khiển. Đặc biệt với đại lượng đặt biến thiên không xác định, tùy theo các loại tải khác nhau dẫn đến nguy cơ không ổn định hệ thống. Do đó cần nghiên cứu kĩ
lưỡng luật điều khiển này kết hợp với những cơ cấu thích nghi tham số. Đây là một hướng phát triển về mặt học thuật của đề tài.
2.2.4. Kết quả mô phỏng các phương pháp điều khiển dòng điện
Điều kiện mô phỏng:
- Nguồn ba pha Sin chuẩn, loại bỏ việc sử dụng khâu PLL
- Phía một chiều dùng nguồn một chiều để loại bỏ vòng điều khiển điện áp, chỉ
Chương 2 : Bộ lọc tích cực ba pha bốn dây
Hình 2.16. Mô hình bộ lọc tích cực ba pha bốn dây để nghiên cứu luật điều khiển dòng điện.
Với mô hình này, dòng điện nguồn ba pha méo và không đối xứng như hình 2.17. 0.1 0.105 0.11 0.115 0.12 0.125 0.13 0.135 0.14 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Hình 2.17. Dòng điện nguồn ba pha. Chỉ số THD dòng điện : pha a: 21,54%, pha b: 26,29%, pha c: 26,3%
Chương 2 : Bộ lọc tích cực ba pha bốn dây
Hình 2.18. Dòng nguồn khi bộ lọc tích cực được điều khiển theo phương pháp dải trễ.
Ta thấy rằng dòng nguồn đã trở nên đối xứng và gần sin hơn, chỉ số THD: 3,96%.
b) Sử dụng phương pháp điều khiển tuyến tính
0.1 0.105 0.11 0.115 0.12 0.125 0.13 0.135 0.14 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
Hình 2.19. Dòng nguồn khi bộ lọc tích cực được điều khiển theo phương pháp tuyến tính.
Với phương pháp điều khiển này chỉ số THD của dòng nguồn là 4,63%.
Chương 2 : Bộ lọc tích cực ba pha bốn dây 0.1 0.105 0.11 0.115 0.12 0.125 0.13 0.135 0.14 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
Hình 2.20. Dòng nguồn khi bộ lọc tích cực được điều khiển theo phương pháp deadbeat.
Với phương pháp điều khiển này chỉ số THD của dòng nguồn là 4,3%.
Từ các kết quả mô phỏng, có thể thấy bộđiều khiển tuyến tính (PI) và bộ điều khiển deadbeat cho kết quả gần tương đương, phương pháp điều khiển dải trễ cho kết quả tốt hơn một chút. Với ưu thế về tính bền vững và điều khiển đơn giản, bộ điều khiển dải trễlà phương án lựa chọn cuối cùng.
2.3. Điều khiển ổn định điện áp trên tụ một chiều
Với cấu hình ba nửa cầu, hai tụ, mạch vòng điều khiển điện áp tụ cần phải thực hiện được hai nhiệm vụ:
-Ổn định điện áp tổng Udc
-Giữ cân bằng điện áp trên hai tụ
Chương 2 : Bộ lọc tích cực ba pha bốn dây
2.3.1. Ổn định điện áp một chiều Udc
a) Nguyên nhân suy giảm điện áp
Từ phân tích các thành phần công suất trong chương một, ta có thể rút ra nhận xét sau:
-Trong trường hợp điện áp nguồn là sin và đối xứng, bỏ qua tiêu hao năng lượng trên các phần tử thụđộng và các van bán dẫn, bộ lọc tích cực không tiêu thụ
công suất tác dụng. Với chiến lược giữ dòng điện nguồn hình sin, nguồn sẽ cung cấp thành phần công suất tác dụng = cho tải, các thành phần công suất còn lại bao gồm và sẽ trao đổi qua lại giữa bộ lọc và tải. Theo các công thức (1.31), (1.32), ta thấy rằng các thành phần này do các thành phần bậc cao của điện áp và dòng điện sinh ra, dao động với tần số lớn, trong đó, thành phần công suất p0 cũng dao động, đáng kể nhất là các thành phần bậc ba của dòng điện. Ta có phương trình cân bằng năng lượng:
(2.10)
Udc cũng dao động. Tuy nhiên, trong trường hợp lý tưởng, = 0, dẫn
đến giá trị trung bình của Udc là hằng số. Vấn đề dao động của điện áp trên tụ dẫn
đến việc phải lựa chọn cẩn thận giá trị của tụ.
-Khi xét đến các tổn hao trên bộ lọc tích cực như tổn hao nhiệt trên điện trở
của cuộn cảm, tổn hao đóng cắt, … phương trình cân bằng năng lượng được viết lại như sau:
Chương 2 : Bộ lọc tích cực ba pha bốn dây
(2.11)
Trong đó: > 0, và = 0 (i đối xứng).
-Trong trường hợp tổng quát, điện áp lưới không sin và mất đối xứng, khi đó sẽ
xuất hiện các thành phần hài bậc cao, các thành phần thứ tự không, các thành phần thứ tự nghịch. Từ các công thức (1.28), (1.30), (1.31), (1.32), ta có công suất tiêu thụ thực của tải:
(2.12) Với chiến lược điều khiển giữ dòng hình sin, nguồn chỉ phát ra thành phần dòng
điện thứ tự thuận bậc một, tức thành phần các thành phần còn lại sẽ do bộ lọc tích cực cung cấp. Nói cách khác, lúc này bộ lọc tích cực đã sử dụng một phần năng lượng phía DC để cung cấp công suất thực cho tải, dẫn đến là giá trịđiện áp Udc trên tụ giảm dần.
b) Điều khiển ổn định điện áp Udc
Từ những phân tích trên, có thể thấy rằng để giữ ổn định điện áp một chiều tổng, ta cần phải “hút” một phần năng lượng từ lưới vềđể cung cấp cho tụ, với điều kiện phần năng lượng này phải có cùng tính chất với thành phần công suất , từ đó ta có cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp như hình (2.22).
Trong đó ta sử dụng một bộ lọc thông thấp 25 Hz nhằm loại bỏ các thành phần dao động tức thời của điện áp tụ. Sai lệch tổng dV sẽ được đưa vào bộ PI ổn định
Chương 2 : Bộ lọc tích cực ba pha bốn dây
Hình 2.22. Mạch vòng điều khiển điện áp tổng.
Đầu ra của khâu PI ổn định điện áp tụ sẽ là đại lượng ploss tương ứng với công suất tổn hao trên tụ. Sau đó, ploss sẽ cộng với thành phần công suất thực không đổi mà tải yêu cầu , mà trong sơđồ là đại lượng pdcđể tạo ra lượng đặt yêu cầu phía nguồn cung cấp.
Tham số của bộđiều khiển PI ổn định điện áp tụ: Sơđồ khối khâu PI ổn định điện áp tụ:
Hình 2.23. Sơđồ khối khâu PI ổn định điện áp tụ.
Ta có thể tính được tham số KP theo phương pháp cân bằng năng lượng, sau đó Ki sẽ chỉnh định theo kinh nghiệm.
Giả sửđiện áp đặt trên tụ Udc ref, khi đó, năng lượng đặt trên tụ sẽ là: udc Udc ref Khâu PI Cảm biến Dòng nạp tụ
Chương 2 : Bộ lọc tích cực ba pha bốn dây
(2.13) Năng lượng tức thời trên tụ:
(2.14) Tổn hao công suất trong một chu kì:
(2.15) Trong một chu kì, điện áp trên tụ biến thiên một lượng nhỏ, xấp xỉ:
(2.16) Khi đó:
(2.17) Năng lượng tổn hao này cần phải được bù lại từ nguồn cấp, giá trị cực đại của dòng nạp tụ khi đó được tính như sau:
(2.18) Từđó ta có:
(2.19)
Chương 2 : Bộ lọc tích cực ba pha bốn dây (2.20) KP = (2.21) Với = .
Lựa chọn Kiđược chỉnh định theo kinh nghiệm với nhận xét sau :
-Hằng số thời gian Ti không nhỏ hơn hằng số thời gian của các bộ lọc thông thấp
-Bởi đầu ra bộ PI là ploss phản ánh tổn hao năng lượng, tương tự như pdc, có nghĩa là phải tương đối ổn định trong nhiều chu kì, do đó hằng số thời gian phải lớn. Tuy nhiên, hằng số thời gian càng lớn thì đáp ứng động càng chậm, từ đó dẫn đến lựa chọn sao cho hằng số thời gian xấp xỉ 10 lần hằng số thời gian mạch vòng dòng
điện.
2.3.2. Cân bằng điện áp trên hai tụ C1 và C2
Một vấn đề cố hữu của cấu hình sáu van, hai tụđó chính là việc dao động và mất cân bằng điện áp trên hai tụ. Nguyên nhân là do dây trung tính nối trực tiếp với
điểm giữa hai tụ, dòng điện trên các pha chảy lần lượt qua hai tụ, đồng thời có sự
khác nhau của diC/dt giữa các pha, giữa hai phần âm, dương của mỗi pha mà xảy ra hiện tượng này. Xét quá trình chuyển mạch trên một pha như hình 2.24 dưới đây.
Chương 2 : Bộ lọc tích cực ba pha bốn dây
Hình 2.24. Quá trình chuyển mạch trên một pha.
Tương ứng với mỗi trạng thái chuyển mạch, ta có sự thay đổi giá trịđiện áp trên tụ
như sau:
Sự sai khác điện áp trên hai tụ sẽ dẫn đến dòng chảy trong dây trung tính tăng lên, vì vậy cần phải có một mạch vòng điều khiển nhằm cân bằng điện áp trên hai tụ.
Như đã phân tích ở trên, sự sai khác của điện áp trên hai tụ là do có sự không
đối xứng âm dương hoàn toàn trên các pha, trong hệ thống ba pha, sự không đối xứng được tính toán như thành phần thứ tự không. Từđó, ý tưởng giảm sự sai khác
điện áp trên hai tụ bằng cách thêm một lượng thành phần thứ tự không vào lượng
đặt dòng điện, tương ứng với một lượng điện áp thứ tự không.
Mô hình điều khiển đề xuất như sơđồ dưới.
iCa >0 iCa <0 diCa >0 Uc2 giảm Uc2 tăng diCa <0 Uc1 tăng Uc1 giảm UC1 UC1 UC2 UC2 iCa iCa iCa iCa T1 T1 T1 T1 T4 T4 T4 T4
Chương 2 : Bộ lọc tích cực ba pha bốn dây
Hình 2.25. Mô hình cân bằng điện áp trên hai tụ.
2.4. Tóm tắt chương 2
Trong chương này, thuật toán ước lượng dòng điện bù đã được mô phỏng kiểm nghiệm cho kết quả tốt. Dùng vòng khoá pha để chống lại sự méo của điện áp lưới cũng được đề cập. So sánh ba phương pháp điều khiển dòng bù cho ta biết phương pháp điều khiển dải trễ cho kết quả tốt nhất và sẽ là phương pháp điều khiển được lựa chọn. Ngoài ra vấn đề ổn định và cân bằng điện áp một chiều trên hai tụđiện của bộ lọc cũng được xem xét.