7. Kế hoạch thực hiện
3.4. Cấu trúc của bộ lọc tích cực
Cấu trúc chung của bộ lọc sẽ gồm mạch điều khiển và mạch lực:
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch lực sử dụng bộ lọc tích cực
- Mạch điều khiển sẽ có chức năng tính toán dòng bù (Ic) và bù theo lý thuyết p-q.
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý điều khiển của bộ lọc
Tải phi tuyến Nguồn 3 pha Bộ lọc tích cực
- Bộ lọc tích cực được xây dựng có cấu trúc mạch lực gồm có bộ biến đổi nguồn áp và tụ điện.
Hình 3.12: Sơ đồ mạch lực của bộ lọc
Hình 3.13: Sơ đồ thay thế mạch lực của bộ lọc
Trong đó:
L, R là điện cảm, điện trở của đường dây. uS là điện áp nguồn.
ubđ là điện áp của bộ biến đổi. u1 là điện áp trên cuộn cảm.
Điện cảm L nối giữa lưới và chỉnh lưu PWM là một phần không thể thiếu được của bộ lọc. Nó đóng vai trò như thành phần tích phân của hệ và là một nguồn để tạo đặc tính nâng của bộ biến đổi.
Điện áp u1 chính là hiệu giữa điện áp nguồn và điện áp của bộ biến đổi. Vì điện áp nguồn không đổi, nên việc điều khiển điện áp trên cuộn cảm được điều khiển thông qua điện áp trên bộ biến đổi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
us ubđ L R ~ ~ A B C R C L u1
Với tải phi tuyến đã lựa chọn ở trên và nguồn cung cấp 3 pha cho tải có Uf = 200V và f = 50Hz. Ta tiến hành chọn mạch lực có các thông số như sau [1, 5]:
*. Tính chọn điện áp một chiều:
Giá trị cực tiểu của điện áp một chiều:
Udcmin > Ud0 = 2,45Ufa (3.15) Ufa = 220V
Thông thường chọn điện áp một chiều có giá trị:
Udc = (1,2 1,3) Ud0 (3.16) Từ hai công thức trên ta chọn điện áp một chiều:
Udc = 700 V
*. Chọn tụ điện 1 chiều:
Giá trị tụ điện C được tính toán sao cho đảm bảo tạo được điện áp cấp cho mạch nghịch lưu là 700V.
Công thức tính toán C [14]:
hoặc: (3.17)
Trong đó:
là công suất biểu kiến của bộ lọc
Udc là giá trị điện áp một chiều cấp cho mạch nghịch lưu
biến thiên điện áp trên tụ (lấy khoảng 5% nên =35V) Mô phỏng tải trên phần mềm Matlab/Simulink, ta thấy chỉ có các thành phần sóng điều hòa bậc 5, 7, 11, 17, 19 chiếm tỉ lệ chủ yếu, giá trị của các thành phần điều hòa được tính:
C = 15000 μF.
*. Chọn cuộn cảm:
Cuộn cảm có tác dụng như một kho từ, khi có dòng điện chạy qua nó sẽ tích trữ một năng lượng từ trường. Khi trị số điện cảm lớn, năng lượng từ trường này càng lớn và nó sẽ làm cho sự thay đổi dòng điện chậm lại và không bám theo được sự thay đổi của dòng bù. Ngược lại, khi trị số điện cảm của cuộn dây quá nhỏ sẽ làm cho sự biến thiên của dòng điện nhanh, kết quả làm cho tần số chuyển mạch của bộ biến đổi tăng, gây ra tổn thất trên các van tăng. Do đó giá trị điện cảm của cuộn dây được chọn thích hợp sao cho tần số đóng cắt của các van bán dẫn không quá cao để giảm được tổn thất.
Udc
2 −Unguồn max (di
dt) (3.18)
Trong đó: max(di/dt)= A.2. f (3.19) A: là biên độ đỉnh của thành phần sóng hài lớn nhất. Qua phân tích mô phỏng ta xác định thành phần bậc 5 là lớn nhất và suy ra tính được:
max(di/dt) = 368116,12 Thay số vào biểu thức 3.19 ta được:
Lmax = 10-4 H Chọn điện cảm có giá trị L = 0.05 mH.
*. Tính chọn van công suất:
Do van có tần số đóng cắt cao nên ta chọn loại IGBT. Việc lựa chọn van là sự kết hợp của nhiều yếu tố như dòng điện cực đại qua van, điện áp ngược cực đại lên van, tần số đóng cắt, tổn thất do đóng ngắt, điều kiện làm mát…
Việc tính toán lựa chọn van rất phức tạp đòi hỏi kết hợp nhiều yếu tố. Trong khuôn khổ luận văn, ta chọn sơ bộ van theo dòng điện cực đại qua van.
Từ Sn là công suất biểu kiến của bộ lọc, được tính theo công thức (3.17): Sn = 117 KVA mặt khác: Sn= √3∗Udc √2 ∗IFmax √2 (3.20) Nên ta tính được: IFmax IFmax=2∗Sn
Udc =
2∗140052
700 = 192 A Như vậy, sơ bộ ta chọn van IGBT có trị số dòng:
I = 10*IFmax= IFmax = 1920 A Chọn I = 2000 A.
3.4.1. Cấu trúc điều khiển
Các thông số cần đo trong mạch là điện áp nguồn (u sa ,u sb ,u sc ), dòng điện nguồn (isa, isb, isc), dòng điện tải (i La ,i Lb ,i Lc ) và điện áp trên tụ của bộ lọc.
Các giá trị đo được sẽ được chuyển sang hệ tọa độ αβ . Sau đó nó được tính toán theo lý thuyết p-q để tạo ra dòng điện bù. Dòng điện bù ngược với dòng tải để khử các thành phần sóng hài và bù công suất phản kháng trong dòng tải. Việc tính dòng bù theo lý thuyết p-q được thực hiện qua lưu đồ hình 3.13.
Công suất p, q có thể tách thành hai thành phần: + Công suất tác dụng: . + Công suất tác dụng: . Trong đó:
- Thành phần DC p, q tương ứng với thành phần cơ bản của dòng điện tải.
- Thành phần dao động AC ~p , ~q tương ứng với thành phần điều hòa bậc cao.
Mạch lọc tích cực có nhiệm vụ cung cấp thành phần công suất AC ~p
của p và q. Tuy nhiên do điện áp trên tụ là không ổn định do đó để đảm bảo điện áp trên tụ là không đổi thì nguồn cần cung cấp một công suất po để duy trì điện áp trên tụ không đổi.
Hình 3.14: Lưu đồ thuật toán tính dòng bù theo lý thuyết p-q
Từ đó ta có dòng bù cung cấp của mạch lọc sẽ là:
(3.21) Từ dòng bù tính được trong hệ tọa độ ta tính được dòng điện cần bù trong hệ abc.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Đo dòng điện tải, điện áp nguồn, dòng điện nguồn, điện áp tụ
Chuyển đổi trục tạo độ abc
Tính công suất p và q Lọc thành phần p cơ bản
Tính toán dòng bù Chuyển đổi trục tọa độ abc
(3.22) Đây chính là dòng bù cần thiết trong hệ αβ khi kết hợp cả chức năng lọc sóng điều hòa và bù công suất phản kháng.
3.4.2. Khâu tạo xung SVM (Space vector modulation method) [1].
Bộ điều chế không gian vectơ SVM thực hiện các công việc sau: *. Xác định góc lệch pha θ giữa 2 giá trị đầu vào U ¿α
và U ¿β
. *. Xác định biên độ của điện áp chuẩn |U¿
| .
*. Xác định sectơ mà vectơ điện áp chuẩn nằm trong đó. *. Xác định thời gian thực hiên các vectơ biên t t và t p .
Từ giá trị thời gian mở van đem so sánh với xung răng cưa để được tín hiệu đóng mở các van.
Tín hiệu đóng mở sẽ qua bộ phân kênh để cấp vào cực điều khiển của 6 IGBT T1 đến T6 trong mạch lực.
Hình 3.15: Thực hiện véc tơ u bất kỳ bằng 2 vector điện áp chuẩn
Giả sử ta phải thực hiện vector us bất kỳ như trong hình. vector đó có thể nằm trong góc phần sáu bất kỳ nào đó. Giả sử us nằm ở S1, us có thể được tách thành tổng của hai vector con up, us tựa theo hướng của hai vector chuẩn u1, u2. Các ký hiệu nhỏ bên phải được chỉ dẫn như sau:
p: vector bên phải.
t: vector bên trái.
Ta biết rằng điện áp sẽ được tính đổi thành thừi gian đóng ngắt van trong phạm vi một chu kỳ xung nào đó. Giả thiết toàn bộ chu kỳ đó là chu kỳ có ích, được phép dùng để thực hiện vector, khi đó modul tối đa cũng không thể vượt quá 2UMC/3. Do vậy ta có công thức sau:
max 1 6 2 .... 3 s MC u u u U (3.23) Nếu thời gian tối đa (ví dụ chu kỳ trích mẫu) là T, ta có thể rút ra được các nhận xét:
+ us là tổng vector của hai vector biên up,ut : us= up + ut
+ Hai vector biên có thể thực hiện bằng cách thực hiện u1(cho up) và u2 (cho ut) trong hai khoảng thời gian sau:
max . , p p s u T T u , max . t t s u T T u (3.24) Để tính được Tp, Tt ta phải biết modul của các vector biên phải up và biên trái ut.
Trong khoảng thời gian T - (Tp + Tt) còn lại bộ biến đổi thực hiện một trong hai vector có modul bằng không uo hoặc u7. Bằng cách đó trên thực tế ta đã thực hiện phép cộng vector sau đây:
us = up+ ut + u0 (u7) = 1 2 0 7 ( ) . . . ( ) p t p t T T T T T u u u u T T T (3.25) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Nếu trạng thái cuối cùng là u0, trình tự thực hiện sẽ là: u1 u2 u7
Ngược lại nếu trạng thái cuối cùng là u7, trình tự thực hiện sẽ là: u2 u1 u0
Hình 3.16: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S1
Trong tất cả các góc phần sáu còn lại S2…S0, cách thực hiện là giống hệt S1. Khái quát biểu đồ xung của các vector đó:
Hình 3.17: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S2
Hình 3.19: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S4
Hình 3.20: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S5
Hình 3.21: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S6
*. Thuật toán điều chế vector không gian
Khi thực hiện kỹ thuật nguyên lý ĐCVTKG ta phải trả lời hai câu hỏi khi điều khiển các van bán dẫn: các van đó cần phải thực hiện chuyển mạch như thế nào và trạng thái mạch đó tồn tại trong thời gian bao lâu? nếu như modul và góc pha cho trước. Việc chuyển mạch của các van ta đã bàn đến ở
phần trên dựa vào các công thức hoàn toàn phụ thuộc vào thông tin về modul của các vector up,ut.
Phương pháp xác định các vector biên phải, biên trái được tính trực tiếp từ ustheo công thức sau:
, 2. 3 3 s s p s t u u u u u (3.26)
Bảng 3.1: Modul vector biên trái, biên phải bằng các thành phần điện áp us, us p u ut S1 Q1 1 3 s s u u 2 3 us S2 Q1 1 3 s s u u 1 3 s s u u Q2 1 3 s s u u 1 3 s s u u S3 Q3 2 3 us 1 3 s s u u S4 Q4 1 3 s s u u 2 3 us S5 Q3 1 3 s s u u 1 3 s s u u Q4 1 3 s s u u 1 3 s s u u S6 Q4 2 3 us 1 3 s s u u
Như vậy, ta có các công thức tổng quát sau: a = 1 3 s s u u ; b = 1 3 s s u u ; c = 2 3 us (3.27)
Bằng việc xét dấu của us, usta sẽ biết us nằm ở góc phần tư thứ mấy. Biểu thức b sẽ đổi dấu khi us đi qua giữa 2 góc phần 6 bất kỳ.
Thuật toán cho trong bảng 3.2 như sau:
Bảng 3.2: Thuật toán điều chế vector không gian
Nhập số liệu us và us Tính a, b, c theo công thức (2-31) us <0? Sai Đúng us <0 ? us <0? Sai Đúng Đúng Sai Q1 Q2 Q3 Q4 < 0 ? < 0 ? < 0 ? < 0?
Sai Đúng Đúng Sai Sai Đúng Đúng Sai
S1 S2/Q1 S2/Q2 S3 S4 S5/Q3 S5/Q4 S6 Tính thời gian đóng ngắt van
Xuất số liệu về thời gian đóng ngắt van IGBT
Trong đó us,uslà 2 thành phần điện áp đã được chuẩn hoá theo công thức (3.28):
và (3.28)
*. Ưu điểm của phương pháp điều chế vector không gian
- Khả năng điều khiển linh hoạt với sự chọn lựa các trạng thái redundant switching states để đạt được các chỉ tiêu chất lượng như:
+ Giảm độ mất cân bằng áp tụ của bộ biến đổi, + Giảm điện áp Common mode voltage vv...
- Khả năng mở rộng điều khiển tuyến tính tới biên độ áp hài cơ bản. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Các phương pháp sóng mang khó có thể đưa ra một giải pháp toàn diện. Trong khi đó, với phương pháp vector không gian, các trạng thái đóng ngắt có liên quan đến sự nạp xả của tụ,việc lựa chọn các trạng thái đóng ngắt hợp lý sẽ giải quyết được vấn đề này.