LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu ra trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 9 năm 2013 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Phan Tấn Phƣớc ii LỜI CẢM TẠ Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tập thể Trường Trung cấp Kinh tế - Kỹ thuật Cà Mau, UBND tỉnh Cà Mau đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi đi học. Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể quí thầy cô Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện, môi trường học tập tốt cho tôi.
Xin cảm ơn các anh em học viên lớp KĐT2011A ngành Kỹ thuật điện tử cùng các anh chị học viên cùng nghiên cứu trong phòng thí nghiệm B107 trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã chia sẽ, hỗ trợ, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập. Đặc biệt xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài này thực hiện kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều khiển bộ nguồn AC/DC 1 pha dạng cascade 5 bậc.
Kỹ thuật điều chế PWM sử dụng được hỗ trợ bởi phần mềm MATLAB nhằm kiểm tra các trạng thái hoạt động, được thực hiện đối với tải R. Với cấu trúc cascade 5 bậc này sẽ làm cho hệ số công suất gần bằng một, chất lượng dòng điện nguồn được cải thiện, điện áp trên mỗi linh kiện giảm, tăng công suất cho mạch. Việc điều khiển chuyển đổi năng lượng AC/DC và cân bằng điện áp trên 2 tụ DC khi tải không cân được đưa vào nghiên cứu trong đề tài. Giải thuật điều khiển được thực nghiệm bằng việc sử dụng vi xử lý điều khiển tín hiệu số DSP TMS320F28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ phần mềm MATLAB kết hợp chương trình CCS 3.0 biên dịch và nạp cho vi xử lý.
ABSTRACT This thesis presents PWM method to control single phase AC/DC Power supply (5 level cascade structure). PWM method used in this thesis is supported by MATLAB software to check the operating states, was tested with resistance load. Using 5 level cascade makes the Power factor reach the unit, the output current quality is improved, element voltages is lower and the power of system is larger. The controlling of AC/DC inverting and balance the voltages of DC capacitors when the loads unbalance was mentioned in this thesis.
The control algorithm was implemented using DSP TMS320F28335 microprocessor with embedded code generator technique from MATLAB, compile to C language by CCS 3.0 and download to microprocessor. iv MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học. i Lời cam đoan .ii Lời cảm tạ. iii Tóm tắt luận văn.
iv Mục lục. v Danh sách các chữ viết tắt. viii Danh sách các hình. ix Danh sách các bảng.
xiii Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu .2 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước .2 Mục đích của đề tài nghiên cứu .3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài .4 Phƣơng pháp nghiên cứu. 5 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ CHỈNH LƢU 1 PHA 2.1 Tổng quan về bộ chỉnh lƣu .3 Các cấu trúc của bộ chỉnh lưu 1 pha .4 Các phương pháp điều khiển .1 Kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu (còn gọi là dòng điện đặt) .2 Kỹ thuật điều chế Delta-Sigma .3 Kỹ thuật điều chế sóng mang .2 Bộ chỉnh lƣu dạng cầu H (full-bridge) .1 Phân tích trạng thái làm việc của cấu trúc .2 Nguyên lý làm việc .3 Chiến lược điều khiển ở chế độ hai bậc .4 Chiến lược điều khiển ở chế độ ba bậc .3 Bộ chỉnh lƣu dạng cascade 5 bậc .1 Phân tích trạng thái làm việc của cấu trúc .2 Nguyên lý làm việc .3 Mô hình toán của bộ chỉnh lưu .4 Các tính toán cho bộ chỉnh lƣu .1 Tìm dòng điện nguồn .2 Giới hạn giá trị cuộn kháng lọc ngõ vào .5 Thiết kế bộ điều khiển cho bộ chỉnh lƣu .1 Phương pháp 1: Chiến lược điều khiển theo kỹ thuật điều chế dòng điện đặt 28 2.2 Phương pháp 2: Chiến lược điều khiển theo kỹ thuật điều chế sóng mang. 34 Chƣơng 3: MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1 Bộ chỉnh lƣu 1 pha dạng cầu H .1 Mô hình mô phỏng của bộ chỉnh lưu .2 Bộ điều khiển được thực hiện theo chế độ 2 bậc .3 Phân tích thành phần hài .4 Kết quả mô phỏng của bộ chỉnh lưu 2 bậc .5 Bộ điều khiển được thực hiện theo chế độ 3 bậc .2 Bộ chỉnh lƣu 1 pha dạng cascade 5 bậc .1 Mô hình mô phỏng của bộ chỉnh lưu .2 Điều khiển theo phương pháp 1 (kỹ thuật điều chế theo dòng điện đặt) .3 Điều khiển theo phương pháp 2 (kỹ thuật điều chế sóng mang). 60 Chƣơng 4: THI CÔNG PHẦN CỨNG, THỰC NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống chỉnh lƣu .1 Sơ đồ tổng quan mạch công suất .2 Sơ đồ triển khai mạch bảo vệ IGBT.3 Sơ đồ triển khai mạch kích xung.2 Sơ đồ nguyên lý và thi công mạch kích xung .4 Sơ đồ triển khai mạch cảm biến điện áp .2 Sơ đồ nguyên lý và thi công mạch cảm biến điện áp .5 Sơ đồ triển khai mạch cảm biến dòng điện .2 Sơ đồ nguyên lý và thi công mạch cảm biến dòng .6 Sơ đồ triển khai mạch đệm bảo vệ DSP .2 Mô hình nhúng của bộ chỉnh lƣu hoạt động ở chế độ 2 bậc .1 Mô hình nhúng và thiết lập thông số .2 Kết quả thực nghiệm .3 Mô hình nhúng của bộ chỉnh lƣu hoạt động ở chế độ 3 bậc .1 Mô hình nhúng và thiết lập thông số .2 Kết quả thực nghiệm .4 Bộ chỉnh lƣu 1 pha dạng cascade 5 bậc .1 Điều khiển theo phương pháp 1 (kỹ thuật điều chế theo dòng điện đặt) .1 Mô hình và thiết lập thông số .2 Kết quả thực nghiệm .2 Điều khiển theo phương pháp 2 (kỹ thuật điều chế sóng mang) .1 Mô hình và thiết lập thông số .2 Kết quả thực nghiệm.
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.2 Hướng phát triển. 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO BÀI BÁO vii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC Alternating Current DC Direct Current ADC Analog-to-Digital Converter DSP Digital Signal Processor I/O Input/Output IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistor GTO Gate-Turn-Off thyristor IGCT Integrated Gate Controlled Thyristor KCL Kirchhoff's Current Law KVL Kirchhoff's Voltage Law NPC Neutral Point Clamped PI Proportional-Integral PWM Pulse Width Modulation SPWM Sine Wave Pulse Width Modulation THD Total Harmonic Distortion PFC Power-Factor Correction AFE Active Front End NPC Neutral Point Clamped CPWM Carrier Based Pulse Width Modulation DM Delta Modulation PLL Phase-Locked Loop IEC International Electrotechnical Commission PD Phase Dispostion APOD Alternative Phase Opposition Dispostion POD Phase Opposition Dispostion viii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH Trang Hình 2.1 Phân loại tổng quan của bộ chỉnh lưu .2 Cấu trúc H-Bridge sử dụng điốt .3 Cấu trúc H-Bridge sử dụng IGBT .4 Cấu trúc chỉnh lưu 3 bậc .5 Cấu trúc chỉnh lưu dạng NPC 3 bậc .6 Cấu trúc chỉnh lưu dạng cascade 3 bậc .7 Đồ thị điều chế xung kích .8 Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế dòng điện yêu cầu .9 Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế dòng điện yêu cầu .10 Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế Delta-sigma .11 Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế Delta-sigma .12 Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế CPWM .13 Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế CPWM .14 Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế SPWM .15 Sóng mang dạng PD .16 Sóng mang dạng APOD .17 Sóng mang dạng POD .18 Cấu trúc bộ chỉnh lưu dạng cầu H .19 Tổ hợp các trạng thái hoạt động của bộ chỉnh lưu dạng cầu H .20 Biểu đồ pha của bộ chỉnh lưu dạng cầu H .21 Sơ đồ điều khiển của bộ chỉnh lưu dạng cầu H ở chế độ 2 bậc .22 Sơ đồ điều khiển của bộ chỉnh lưu dạng cầu H ở chế độ 3 bậc .23 Cấu trúc của bộ chỉnh lưu dạng Cascade 5 bậc.24 Đơn giản hóa cấu trúc của bộ chỉnh lưu dạng Cascade 5 bậc .25 Mẫu điện áp 5 bậc ở ngõ vào phần công suất .26 Các chế độ hoạt động của bộ chỉnh lưu dạng Cascade 5 bậc. 23 Phƣơng pháp 1: Chiến lƣợc điều khiển theo kỹ thuật điều chế dòng điện đặt Hình 2.27 Sơ đồ khối của bộ điều khiển .28 Chiến lược của bộ chỉnh lưu .29 Lưu đồ giải thuật điều khiển theo kỹ thuật điều chế dòng điện yêu cầu 33 ix Phƣơng pháp 2: Chiến lƣợc điều khiển theo kỹ thuật điều chế sóng mang Hình 2.30 Sơ đồ khối vòng lặp dòng điện .31 Sơ đồ khối vòng lặp điện áp .32 Sơ đồ khối của bộ điều khiển .33 Lưu đồ giải thuật điều khiển theo kỹ thuật điều chế sóng mang .1 Sơ đồ khối tổng quan của bộ chỉnh lưu một pha .2 Mạch nguồn và cửa sổ thông số .3 Cửa sổ thông số cho cuộn cảm L ở phía Ac của bộ chỉnh lưu .4 Mạch công suất và cửa sổ thông số của tụ C .5 Mạch tải và thông số cho tải .6 Bộ điều khiển ở chế độ 2 bậc .8 Sơ đồ khối PLL và cửa sổ thông số .9 Giao diện của tiện ích Powergui .10 Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài dạng biểu đồ .11 Powergui cho phép quan sát các thành phần sóng hài dạng dữ liệu .12 Dạng sóng điện áp trên tụ DC, điện áp nguồn vs và dòng điện nguồn is 44 Hình 3.13 Dạng sóng điện áp nguồn vs, điện áp dạng bậc vab và dạng sóng hệ số công suất (đóng tải tại thời điểm 0.14 Phân tích FFT dòng điện nguồn is .15 Dạng sóng điện áp trên tụ DC trong thời gian quá độ .16 Dạng sóng dòng điện qua tải và dạng sóng điện áp DC ngõ ra trong quá trình hoạt động đóng tải của bộ chỉnh lưu .17 Dạng sóng điện áp nguồn vs và dòng điện nguồn is khi có tải .18 Độ nhấp nhô của dòng điện qua tải R và độ nhấp nhô của điện áp trên tụ C ở trạng thái xác lập .19 Bộ điều khiển ở chế độ 3 bậc .20 Cửa sổ thông số cho khối tạo sóng mang .21 Dạng sóng điện áp nguồn vs, dòng điện nguồn is, điện áp dạng bậc vab 48 Hình 3.22 Phân tích FFT dòng điện nguồn is, dạng sóng hệ số công suất khi đóng tải tại thời điểm 0.23 Mô hình mô phỏng bộ chỉnh lưu dạng Cascade 5 bậc .24 Sơ đồ bộ điều khiển ở chế độ mô phỏng .