Nghiên cứu xây dựng chỉnh lưu PWM tại phòng thí nghiệm

MỤC LỤC Trang PhầnI. Phân tích các vấn đề tồn tại của CL dùng diode và thyristor .... 1 I. giới thiệu chung về CL diot thyrist......................................................... 2 II. Những tham số để đánh giá đối với lưói ........................................... 3 III. Các biện pháp khắc phục .................................................................... 4 IV. Vấn đề trao đổi năng lượng giưa lưới và tải ....................................... 5 PhầnII. Phân tích nguyên lý chỉnh lưu PWM I. Cấu trúc mạch lực của chỉnh lưu PWM .............................................. 6 II. Vấn đề về giảm sóng điều hoà bậc cao ............................................... 7 III. Các cấu trúc điều khiển CL PWM ............................................ 8 IV. Mô phỏng bằng MATLAB ............................................................. 9 NHIỆM VỤ THỰC TẬP: Nghiên cứu xây dựng chỉnh lưu PWM tại phòng thí nghiệm ĐỊA ĐIỂM THỰC TẬP: Phòng thí nghiệm trọng điểm TĐH Trung tâm Công nghệ cao NỘI DUNG THỰC HIỆN: - Phân tích các vấn đề tồn tại của chỉnh lưu dùng Diode và Thyristor. - Phân tích nguyên lý chỉnh lưu PWM. - Mô phỏng. PHẦNI: PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ TỒN TẠI CỦA CHỈNH LƯU ĐIOT VÀ THYRISTOR I.GIỚI THỆU CHUNG Ngày nay các bộ biến đổi dùng Diot và Thyristor đóng một vai trò quan trọng nhất trong lĩnh vưc ky thuật điện tử công suất nói riêng và hệ thống điện nói chung. Một bộ chỉnh lưu Diot Thyristor có khả năng biến dòng xoay chiều 50/60Hz thành dòng 1 chiều,dể biến dòng 1 chiều thành xoay chiều ta phải sư dụng 1 bộ chỉnh lưu đặc biệt khác gọi là bộ nghịch lưu. Hiệu suất của các bộ chỉnh lưu này rất cao lên đến 98% do tổn thất trên các thiết bị nhỏ,tổn thất chuyển mạch không đáng kể. Ứng dụng của các bộ chỉnh lưu này rất rộng: Sử dụng trong các bộ nguồn cỡ nhỏ như các bộ nguồn trong TV máy tính, UPS... Hay các bộ nguồn cỡ lớn trong các phương tiện giao thông như tàu điện, xe điện. Sử dụng trong quá trình điện hoá như mạ, tạo điện cực trong điện phân,bộ nạp ắc quy. Dùng trong các hệ truyền động 1 chiều Cấp điện cho các bộ nghịch lưu để điều khiển cho động cơ 1 XC. Làm giao diện cho các hệ thống sử dụng điện khác… II.CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ CỦA CL ĐỐI VỚI LƯỚI Hình 1.1 1 Hệ số méo DF (1.1) Đối vớ sóng vuông: (1.2) 2 Hệ số công suất thay thế DPF Hình 1.2 3 Hệ số công suất PF Từ chuỗi furier của sóng dòng điện trên tải ta có thể xác đeịnh những chỉ số RF,DPF ,PF như là các hàm của Id được mô tả trong hình 1.1 Đối vơi những tải công suất lớn thì RF sẽ tăng còn PF giảm nghĩa là chất lượng điện năng sẽ xấu đi 4.hệ số méo RF: Bộ biến đổi Vùng công suất ρmax [MW] Độ méo cho phép σv[p.j] Tác dụng lên lưới m Sóngđiềuhoà bậc cao được khảo sát Pmin vmax max Điện áp lưới U1[KV] Uk= 0,05 Uk=0,1 Uk=0,15 Rất nhỏ 0,01 đến 0,25 0,04 6 5 13 40 35 30 0,38, 0,5, 0,66 12 11 13 25 20 15 Nhỏ 0,25 đến 1 0,03 6 5 13 55 50 40 6; 10; 22 12 11 13 35 25 15 Trung bình 1 đến 10 0,02 6 5 25 90 70 60 6; 10; 22; 110 12 11 25 50 35 25 Lớn Trên 10 0,01 6 5 25 180 140 120 110 12 11 25 105 70 50 Bảng1: chỉ tiêu độ méo điện áp lưới III. CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC Để giải quyết vấn đề sóng điều hoà bậc cao, người ta sử dụng bộ lọc. Bộ lọc được thiết lập thành nhóm mạch LC cộng hưởng nối tiếp, nó sẽ ngắn mạch dòng điều hoà bậc cao.(Hình 1.8.a) Bộ lọc cũng có thể bố trí một bộ lọc giải rộng.(Hình 1.8.b) a) b) Hình 1.3 Để khắc phục hệ số cosφ thấp ta dùng các bộ bù cosφ IV.VẤN ĐỀ TRAO ĐỔI CÔNG SUẤT VỚI LƯỚI VÀ TẢI Chỉnh lưu dùng diode, thyristor chỉ cho phép năng lượng đi theo 1 chiều duy nhất. Trong truyền động dùng biến tần cho động cơ xoay chiều. khi năng lượng của động cơ dư thừa( trong quá trình hãm động năng, đảo chiều quay, hay non tải…) năng lương bị dồn ngược lại phía XC,nhưng năng lượng không thể trả về lưới do CL điot chỉ cho phép năng lượng chảy theo 1 chiều duy nhất. Vì vậy ta phải dập năng lượng bằng điện trở mắc ở mạch một chiều. Khi công suất động cơ tăng lên thì điện trở cúng tăng lên điều này gây hao phí năng lượng và không áp dụng cho những ĐC có ccông suất rất lớn được.Cách khác là ta phải mắc thêm một bộ nghịch lưu để trả năng lượng lại lưới.Cách khắc phục này làm tăng gấp đôi số van và bộ điều khiển sẽ rất phức tạp.Mặt khác khi bộ CL thyristor hoạt động ở chế độ NL góc mở van sẽ lớn hơn π/2 làm cho hệ số cosφ tụt thấp. a) Lưói b) Hình 1.4. Các biện pháp xử lý khi năng lượng động cơ dư thừa a. Dập năng lượng bằng điện trở ở mạch một chiều b. Mắc thêm một bộ nghịch lưu để trả năng lượng về lưới Trong trường hợp mắc điện trở, nếu công suất cao thì đòi hỏi điện trở lớn nên sẽ khó khăn trong việc chế tạo và hoạt động. Trong trường hợp mắc thêm một bộ nghịch lưu để trả năng lượng về lưới sẽ gây tốn kém. Từ đó ta thấy cần phải tìm ra một loại chỉnh lưu mới có thể đáp ứng được các yêu cầu: Chứa ít sóng điều hoà bậc cao trong lưới. Hệ số công suất cao. Có thể trao đổi năng lượng giữa tải và lưới. PHẦN II: CHỈNH LƯU PWM Bộ chỉnh lưu PWM có những ưu điểm so với chỉnh lưu dùng diode và thyristor: Tạo ra ít sóng điều hoà bậc cao nên dòng điện có dạng hình sin hơn. Hệ số công suất cos =1. Có thể trao đổi năng lượng giữa tải và lưới. I. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CL PWM Hình 2.1 Biểu diễn đơn giản của chỉnh lưu 3 pha PWM cho công suất chảy 2 chiều L-filter là bộ lọc thông thường nhất được sủ dụng.ta còn có thể dùng bộ lọc LCL có nhiều ưu điểm hơn do tần số cộng hưởng giảm loại bỏ được điện áp nhiễu trong mạch.Tác dụng của L-filter là tích trữ điện năng Chỉnh lưu cầu có cấu tạo như 1 bộ nghịch lưu thông thường gồm 6 Tranzito mắc song song ngược vơi 6 diot. Ở điện áp thấp ta thường dùng tranzito IGBT với tần số đóng mở từ vài KHz đến vài chục KHz. Ở điện áp cao ta sử dụng tranzito GTO hoặc IGCT tấn ssố đóng cắt vài trăm HZ DC-link gồm tụ lọc C 1 chiều.Bao gồm điện áp và dòng điện 1 chiều có tác dụng tách riêng tải vói bộ chỉnh lưu và có tác dụng lọc điện áp 1 chiều trước khi được đưa đến tải tiêu thụ. Các van tranzito được điều khiển thích hợp để tạo ra điện áp pha U1a,U1b,U1c các điện áp này bao gồm điện áp cơ bản và điện áp điều hoà bặc cao.Thành phần điều hoà của Ufa bị ảnh hưởng rất lớn bởi kĩ thuật điều biến để điều khiển tranzito.Quan hệ giữa biên độ và pha của điện áp pha cơ bản trên lưới U2a, U2b, U2c với dòng điện cơ bản trên L i1a, i1b, i1c không đáng kể.Vẫn tồn tại dòng điều hoà được tạo ra bởi điện áp điều hoà tương ứng của bộ CL PWM nhưng về cơ bản độ lớn của sóng điều hoà đã bị giảm đi rất nhiều do trở kháng Lcủa bộ lọc L-filter.Trở kháng này tăng lên khi tần số sóng điều hoà tăng Điều kiện để chỉnh lưu PWM hoạt động: Vdcmin>VCL tự nhiên (chỉnh lưu diode hay chỉnh lưu thyristor với góc mở α=0) Cuộn cảm phải được lựa chọn kỹ bởi cảm kháng thấp sẽ làm cho dòng điện nhấp nhô lớn và làm cho việc thiết kế phụ thuộc nhiều vào trở kháng đường dây. Cảm kháng có giá trị lớn làm giảm độ nhấp nhô dòng điện, nhưng đồng thời cũng làm giảm giới hạn làm việc của chỉnh lưu. Điện áp rơi trên cuộn cảm có ảnh hưởng tới dòng điện nguồn. Điện áp rơi này được điều chỉnh bởi điện áp đầu vào chỉnh lưu PWM nhưng giá trị lớn nhất được giới hạn bởi điện áp 1 chiều. Do đó, một dòng điện lớn (năng lượng lớn) qua cảm kháng cũng cần điện áp một chiều lớn hay cảm kháng nhỏ. Ta có độ tự cảm lớn nhất được xác định bởi công thức: L< (2.1) Từ sơ đồ nghuyên lý ta có giản đồ thay thế như sau: L và R là điện cảm của lưới, UL là điện áp lưới và US là điện áp bộ chuyển đổi có thể điều khiển được từ phía 1 chiều. Biên độ Us phụ thuộc vào chỉ số điều chế và cấp điện áp 1 chiều Phân tích giản đồ vector Hình 2.2 Giản đồ pha cho chỉnh lưu PWM a) Giản đồ pha thông thường b) Chỉnh lưu tại hệ số cống suất bằng 1 c) Hãm tái sinh tại hệ số công suất = 1 Giải thích: Từ giản đồ vector ta thấy, bình thường khi chưa điều khiển góc ε, IL và UL sẽ lệch nhau một góc φ nào đó. Ở chế độ chỉnh lưu, ta điều khiển góc ε để có được IL và UL trùng pha nên thu được cosφ = 1. Ở chế độ hãm tái sinh, ta có thể điều khiển góc ε để cos được IL và UL ngược pha nên thu được cosφ =1, đồng thời IL và UL là ngược chiều nhau nên dòng chảy ngược về lưới.Ta điều khiển được UL bằng cách cho thêm điện cảm L của L-fillter vào mạch.các cuộn cảm này tạo ra điện áp rơi (jwLIL).Còn khi điện áp trên tụ lớn IL sẽ đổi dấu vì thế năng lượng có thể trả được về lưới nhưng IL và UL vẫn ngược pha thoả mãn đk cosφ = 1 II.VẤN ĐỀ GIẢM SÓNG ĐIỀU HOÀ BẬC CAO Khi sử dụng bộ chỉnh lưu PWM, điện áp phía xoay chiều của chỉnh lưu PWM có thể điều khiển được cả biên độ và pha để thu được dòng điện lưới hình sin với hệ số công suất bằng 1. Thêm vào đó, chỉnh lưu PWM cung cấp điện áp 1 chiều ổn định và hoạt động như 1 bộ điều hoà tích cực lưới điện dùng để bù sóng điều hoà và công suất phản kháng tại các điểm chồng chéo nhau trong mạng phân bố.Các bộ lọc L-fillter có tác dụng lọc các sóng điều hoà bậc cao trước khi trả điện năng về lưới, khi sóng điều hoà bậc càng cao thì tần số của chúng càng lớn vậy trở kháng đối với chúng cũng tăng lên. Cấu trúc hình 2.3 a giới thiệu giới thiệu giải pháp đơn giản về bộ chuyển đổi tăng thế với khả năng tăng điện áp đầu ra 1 chiều. Đặc trưng quan trọng của bộ biến đổi dùng cho điều chỉnh tốc độ truyền động là đưa ra điện áp động cơ lớn nhất. Hạn chế chính của giải pháp này là quá tải trong các bộ phận, méo dòng đầu vào tần số thấp. Cấu trúc tiếp theo (b), (c) sử dụng chỉnh lưu PWM với tốc độ tăng dòng rất thấp (20-25% giá trị hiệu dụng của dòng so với cấu trúc (e)). Do đó, chúng có giá thành thấp, chỉ có thể thực hiện chế độ hãm tái sinh(b) và làm bộ lọc tích cực(c). Hình (d) giới thiệu bộ biến đổi 3 cấp gọi là bộ chỉnh lưu Vienna. Ưu điểm chính là điện áp chuyển mạch thấp nhưng không phải là các loại mạch điển hình. Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của chỉnh lưu 3 pha a)Bộ biến đổi tăng thế b)Chỉnh lưu diode với chỉnh lưu hãm tái sinh PWM c)Chỉnh lưu diode với bộ lọc tích cực PWM d)Chỉnh lưu Vienna(3 cấp) e)Chỉnh lưu có khả năng đảo ngược (2 cấp) Hình (e) giới thiệu cấu trúc thông dụng nhất sử dụng trong ASD (Adjustable Speed Drives), UPS (Uninterruptable Power Supply), và gần đây được sử dụng như một bộ chỉnh lưu PWM. Cấu trúc phổ biến này có các ưu điểm là sử dụng các module 3 pha giá thành thấp với năng lượng có khả năng chảy 2 chiều. Các nhược điểm của nó là tỉ lệ tăng dòng cao, tổn thất chuyển mạch lớn. Nét đặc trưng của toàn bộ các cấu trúc được so sánh trong bảng 2.1. Điều chỉnh điện áp DC đầu ra Méo sóng hài bậc thấp dòng nguồn Dạng dòng điện gần hình sin Chỉnh hệ số công suất Dòng năng lượng 2 chiều Ghi chú Chỉnh lưu diode - - - - - Hình a + - - + - Hình b - - - - + Hình c - + + + - UPF Hình d + + + + - UPF Hình e + + + + + UPF Bảng 2.1: Đặc trưng của các bộ chỉnh lưu 3 pha Cấu trúc (e) là có nhiều ưu điểm nhất nên đang được phát triển.Trong hệ thống phân bố năng lượng một chiều hay biến đổi xoay chiều/ một chiều/ xoay chiều, năng lượng xoay chiều đầu tiên được biến đổi sang một chiều nhờ vào chỉnh lưu ba pha PWM. Nó cho hệ số công suất bằng 1 và dòng điện chứa ít thành phần sóng hài. Các bộ biến đổi này nối với đường truyền một chiều sẽ mang lại cho tải những chuyển đổi mong muốn như thay đổi tốc độ truyền động động cơ cảm ứng và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, bộ biến đổi từ một chiều sang một chiều, hoạt động đa truyền động, v.v... Bộ biến đổi xoay chiều/một chiều/xoay chiều Hệ thống phân phối điện năng 1 chiều Điện áp bộ biến đổi cầu có thể được đặc trưng bởi 8 trạng thái chuyển mạch có thế (6 trạng thái tích cực và 2 trạng thái 0) được mô tả bởi phương trình: với k =0.....5 (2.2) Hình 2.4 Trạng thái chuyển mạch của bộ chuyển đổi cầu PWM II.MÔ TẢ TOÁN HỌC Mối quan hệ cơ bản giữa các vector chỉnh lưu PWM thể hiện trong hình Hình 2.5: Mối quan hệ giữa các vector trong chỉnh lưu PWM a. Mô tả dòng điện và điện áp nguồn Dòng điện và điện áp nguồn 3 pha: (2.3 a) (2.3 b) (2.3 c) (2.4 a) (2.4 b) (2.4 c) Trong đó: Em(Im) và w là biên độ điện áp(dòng điện) pha và tần số góc tương ứng, với giả thiết: ia+ib+ic=0 (2.5) Chúng ta có thể chuyển phương trình 2.3 sang hệ α-β. Khi đó điện áp đầu vào trong hệ toạ độ α-β được biểu diễn bởi: (2.6) (2.7) Và điện áp đầu vào trong hệ toạ độ đồng bộ d-q (hình 2.5) được biểu diễn: (2.8) b. Mô tả điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM Điến áp dây đầu vào chỉnh lưu PWM có thể mô tả với sự trợ giúp của hình 2.4 như sau: (2.9 a) (2.9 b) (2.9 c) và điện áp pha được tính như sau: (2.10 a) (2.10 b) (2.10 c) Trong đó: (2.11 a) (2.11 b) (2.11 c) fa, fb, fc nhận các giá trị : 0; 1/3; 2/3 c. Mô tả chỉnh lưu PWM Phương trình điện áp hình 2.2.b được viết như sau: (2.12) (2.13) (2.14) Ngoài ra dòng điện (2.15) Kết hợp các phương trình 2.10, 2.11, 2.14, 2.15 ta thu được sơ đồ khối 3 pha như hình 2.6. Hình 2.6: Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu PWM nguồn dòng trong hệ toạ độ tự nhiên d. Mô hình chỉnh lưu PWM trong khung toạ độ tĩnh α-β. Phương trình điện áp trong khung toạ độ tĩnh α-β tìm được bằng cách áp dụng phương trình: (2.16) Vào các phương trình (2.14), (2.15) (2.17) và (2.18) Trong đó: (2.19) Sơ đồ khối của mô hình α-β. Hình 2.7: Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM nguồn áp trong khung toạ độ α-β. e. Mô hình chỉnh lưu PWM trong khung tọa độ d-q Các phương trình trong hệ toạ độ d-q có được bằng cách biến đổi phương trình : (2.20) Ta được (2.21 a) (2.21 b) (2.22) Với: Sơ đồ khối trong hệ toạ độ d-q: Hình 2.8: Sơ đồ khối chỉnh lưu PWM nguồn áp trong hệ tọa độ d-q Trong thực tế, có thể bỏ qua điện trở R, bởi vì điện áp rơi trên R nhỏ hơn nhiều so với điện áp rơi trên cuộn dây. Các phương trình (2.15), (2.17), (2.20) có thể viết đơn giản: (2.23) (2.24) (2.25) (2.26) (2.27) Công suất tác dụng và công suất phản kháng từ nguồn xác định bởi: (2.28) (2.29) Trong hệ toạ độ d-q: (2.30) (2.31) Nếu giả sử hệ số công suất bằng 1 ta có: Hình 2.9: Dòng công suất trong bộ biến đổi AC/DC hai chiều phụ thuộc vào hướng iL III.CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN PWM Đã có nhiều cấu trúc điều khiển được đưa ra cho chỉnh lưu PWM. Mặc dù, các cấu trúc điều khiển này đều nhằm mục đích đạt được hệ số công suất cao và dạng dòng điện gần hình sin nhưng nguyên tắc của chúng là khác nhau. Trên thực tế, cấu trúc điều khiển VOC (Voltage Oriented Control) có sử dụng mạch vòng điều khiển dòng điện là cấu trúc đã được phát triển và rất phổ biến. Bên cạnh đó, có một cấu trúc điều khiển khác là DPC (Direct Power Control) dựa trên các mạch vòng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng tức thời. Trong cấu trúc DPC, không có mạch vòng điều khiển dòng điện và không có khối điều chế PWM vì các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi được chọn bởi bảng chuyển mạch dựa trên sự sai lệch giữa giá trị ước lượng và giá trị điều khiển của công suất tác dụng và công suất phản kháng. Do đó, một điểm quan trọng khi thực hiện cấu trúc DPC là phải ước lượng nhanh và chính xác công suất tác dụng và công suất phản kháng. Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM Điều khiển Điều khiển dựa trên điện áp dựa trên từ thông ảo Hình 2.10. Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM Hình 2.11. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển DPC IV. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB Mô hình hệ thống điều khiển trên môi trường Simulink: Cấu trúc các khối trong sơ đồ Chỉnh lưu PWM Mục đích: Tạo dòng điện 1 chiều khi hoạt động ở chế độ chỉnh lưu và tạo điện áp xoay chiều 3 pha khi hoạt động ở chế độ nghịch lưu tuỳ theo chế độ hoạt động của tải Khối ước lượng công suất và góc \ Mục đích: Tính công suất tác dụng và công suất phản kháng và góc lệch từ đó ta tính được sector và các Sa,Sb,Sc Cấu trúc chi tiết: Tính từ thông từ các giá trị Ua và Ub: Khâu tính 12 sector: Thuật toán để lập khối chọn sector: Bảng chọn (Switching Table): Thuật toán để lập bảng chọn: Kết quả mô phỏng MATLAB Hình 1: Điện áp và dòng điện lưới (Từ trên xuống : ia , ua). Hình 2: Điện áp sau khi chỉnh lưu Udc. Hình 3: Dòng điện sau khi chỉnh lưu Idc. Hình 4: Công suất tác dụng ước lượng p. Hình 5: Công suất phản kháng ước lượng q. Hình 6: Công suất ước lượng (từ trên xuống: công suất tác dụng p, công suất phản kháng q).