LỜI CAM ĐOAN Tôi là TRẦN QUANG LINH, học viên lớp cao học ngành Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện niên khoá 2011-2013 sau hai năm học tập và nghiên cứu, đƣợc sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là PGS.TS NGUYỂN VĂN NHỜ, thầy giáo hƣớng dẫn tốt nghiệp của tôi, tôi đã đi đến cuối chặng đƣờng để kết thúc khoá học thạc sĩ. Tôi đã quyết định chọn đề tài tốt nghiệp là: " ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƢU ĐIỀU RỘNG XUNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRỰC TIẾP". Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Nếu có tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.Hồ Chí Minh, ngày ….tháng 4 năm 2014 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Trần Quang Linh iii LỜI CẢM TẠ Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ đã nhiệt tình hƣớng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tập thể Viện Tim đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi đi học. Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể quí thầy cô trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh đã giảng dạy, hƣớng dẫn và tạo mọi điều kiện, môi trƣờng học tập tốt cho tôi.
Xin cảm ơn các anh em học viên lớp TBM2011B ngành Thiết bị mạng và nhà máy điện cùng các anh chị học viên cùng nghiên cứu trong phòng thí nghiệm B107 trƣờng Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã chia sẽ, hỗ trợ, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập. iv TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài này thực hiện kỹ thuật điều chế độ rộng xung bằng phƣơng pháp điều khiển công suất trực tiếp (PDC) nhằm điều khiển điện áp một chiều DC từ bộ nguồn 3 pha xoay chiều AC. Kỹ thuật điều chế (PWM) này sử dụng bởi phần mềm MATLAB nhằm kiểm tra các trạng thái hoạt động, thực hiện đối với tải R.
So với bộ chỉnh lƣu cầu diode (bộ chỉnh lƣu truyền thống), bộ chỉnh lƣu với kỹ thuật điều chế độ rộng xung bằng phƣơng pháp điều khiển công suất trực tiếp (PDC) có hiệu suất tốt hơn bao gồm dòng điện đầu vào dạng hình sin, hệ số công suất bằng 1 và điện áp DC đầu ra ổn định cao. Do đó hiệu quả của hệ thống đƣợc cải thiện. Luận văn thực nghiệm trên phần cứng với IGBT STGW40N120K. Giải thuật điều khiển đề xuất đƣợc thực hiện trên vi xử lý điều khiển tín hiệu số DSP TMS320F 28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ mô hình mô phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK kết hợp chƣơng trình Code Composer Studio V3.3 tự động biên dịch ra ngôn ngữ C và nạp cho vi xử lý mà không cần phải lập trình lại.
ABSTRACT This thesis analyzes the Pulse With Modulation technique of the Power Direct Control method (PDC) to control the DC voltage supplied by a three phase AC voltage source. PWM method used in this article is supported by MATLAB software to check the operating states, was tested with resistance load.In comparison to the diode brigde rectifier topology, the rectifier converter with PDC based PWM technique control yields better performance including sinusoidal input currents, unity power factor and highly stable DC output voltage. The system’s efficiency is thus improved considerably. A simulated model was builded on Matlab/Simulink software for calculating parameters and ensuring proposed algorithm.
A experimental model, which using STGW40N120K IGBT and TI microprocessor DSP TMS320F28335, was established for validation. Control program was program on Simulink model then generate C-code and import to CCS software , micro processor automatically but not required reprogramming. v MỤC LỤC Trang tựa Trang Xác nhận của cán bộ hƣớng dẫn. Quyết định giao đề tài.
Lý lịch khoa học .i Lời cam đoan. iii Lời cảm tạ. vi Danh sách các chữ viết tắt. ix Danh sách các hình.
xi Danh sách các bảng. xv Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .1Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu .2 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .2 Mục đích của đề tài nghiên cứu .3 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài .4 Phƣơng pháp nghiên cứu. 4 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BỘ CHỈNH LƢU 3 PHA 2.1 Tổng quan mạch chỉnh lƣu ba pha .2 Nguyên lý làm việc .3 Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lƣu PWM. 9 Chƣơng 3 ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƢU ĐIỀU RỘNG XUNG PWM BẰNG PHƢƠNG PHÁP TRỰC TIẾP CÔNG SUẤT(DPC) 3.1 Các phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM .1 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM định hƣớng theo vector điện áp dựa vào dòng điện (VOC) .2 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC .3 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo phƣơng pháp trực tiếp công suất (DPC) .4 Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VF-DPC .2 Bộ chỉnh lƣu điều rộng xung PWM bằng phƣơng pháptrực tiếp công suất DPC .3 Mô hình toán học điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh lƣu PWM .1 Khối công suất .2 Chiến lƣợc điều khiển.
16 Chƣơng 4 MÔ PHỎNG BỘ NGUỒN AC/DC 3 PHA 4.1 Bộ chỉnh lƣu ba pha 6 IGBT .1 Khối mạch động lực .2 Bộ điều khiển .3 Kết quả mô phỏng chỉnh lƣu ba pha 6 IGBT .2 Bộ chỉnh lƣu ba pha 12 IGBT (NPC 3 bậc).1 Khối mạch động lực .2 Khối điều khiển .3 Kết quả mô phỏng chỉnh lƣu ba pha 12 IGBT .3 Phân tích thành phần hài .4 Bảng so sánh của chỉnh lƣu 3 pha NPC – 2 bậc và 3 bậc. 57 Chƣơng 5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM BỘ CHỈNH LƢU BA PHA BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRỰC TIẾP 5.1 Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm .2 Mô tả chi tiết mô hình thực nghiệm .1 Sơ đồ tổng quan mạch công suất .2 Mạch điều khiển.1 Sơ đồ triển khai mạch kích xung.2 Sơ đồ triển khai mạch cảm biến điện áp .3 Sơ đồ triển khai mạch cảm biến dòng điện.4 Sơ đồ triển khai mạch đệm bảo vệ DSP .5 Kit DSP TMS320F28335. 71 vii Chƣơng 6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRỰC TIẾP BỘ CHỈNH LƢU BA PHA BẰNG KỸ THUẬT LẬP TRÌNH NHÚNG.1 Giới thiệu thƣ viện lập trình nhúng của Matlab/Simulink.2 Mô hình lập trình nhúng trên Matlab/simulink .3 Kết quả thực nghiệm của bộ chỉnh lƣu ba pha .5 Một số hình ảnh thực nghiệm tại phòng thí nghiệm. 96 Chƣơng 7 KẾT LUẬN 7.2 Hƣớng phát triển của đề tài.
97 TÀI LIỆU THAM KHẢO viii 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 NPC Neutral Point Clamped PI Proportional-Integral PWM Pulse Width Modulation THD Total Harmonic Distortion PFC Power-Factor Correction CPWM Carrier Based Pulse Width Modulation IEC International Electrotechnical Commission POD Phase Opposition Dispostion VOC Voltage Oriented Control DPC Direct Power Control VFOC Virtual Flux Oriented FOC Field Oriented Control va,vb,vc Điện áp ba pha a,b,c ia, ib, ic Dòng ba pha a, b, c Sa,Sb,Sc Trạng thái đóng cắt của bộ biến đổi C Tụ lọc DC. R Điện trở tải. L Cuộn cảm Uref Điện áp nguồn tham chiếu Ua Điện áp nguồn pha A. Ia Dòng điện nguồn pha A.
i(t), i Giá trị dòng điện tức thời ix p* Công suất tác dụng yêu cầu ptt Công suất tác dụng tức thời q* Công suất phản kháng yêu cầu qtt Công suất phản kháng tức thời S Công suất biểu kiến x DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình Trang Hình 2.1: Mạch chỉnh lƣu ba pha .2: Sáu vector điện áp cơ bản .1: Các phƣơng pháp điều khiển chỉnh lƣu PWM .2: Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VOC .3: Cấu trúc các mạch vòng điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VFOC .4: Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo DPC .5: Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo VF-DPC .6: Cấu trúc điều khiển chỉnh lƣu PWM theo DPC .7: Sơ đồ điều khiển bộ chỉnh lƣu ba pha theo công suất trực tiếp .8: Phân vùng vector cho phƣơng pháp điều khiển DPC .10: Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật điều chế theo công suất yêu cầu P* .12: Sơ đồ khối bộ chỉnh lƣu ba pha 6 IGBT .13: Phân vùng vector hệ trục tọa độ α – β .14: Các vector điện áp làm thay đổi công suất tác dụng tức thời pi .15: Các vector điện áp làm thay đổi công suất phản kháng tức thời qi .16: Sơ đồ khối bộ chỉnh lƣu ba pha 12 IGBT .17: Giản đồ vector điện áp bộ chỉnh lƣu 3 bậc.18: Đơn giản hóa cấu trúc mạch chỉnh lƣu NPC 3 bậc .19: Mô hình hoạt động của chỉnh lƣu chế độ hoạt động 1.20: Mô hình hoạt động của chỉnh lƣu chế độ hoạt động 2.21: Mô hình hoạt động của chỉnh lƣu chế độ hoạt động 3.1: Mô hình mô phỏng của bộ chỉnh lƣu ba pha 6IGBT .2: Mô hình mô phỏng khối nguồn .3: Nguồn ba pha và cửa sổ thông số cho mạch nguồn pha A .4: Cửa sổ thông số của cuộn cảm L .5: Mô hình mô phỏng mạch công suất.6: Tụ lọc C và tải R của bộ chỉnh lƣu .7: Cửa sổ thông số tụ lọc C và tải R .8: Khối hiển thị kết quả .9: Khối nội suy ADC .10: Khối điêu khiển.11: Điện áp xoay chiều ba pha .12: Dạng sóng dòng điện xoay chiều ba pha .13: Dạng sóng dòng điện xoay chiều ba pha với tải RL1=120 .14: Dạng sóng dòng điện xoay chiều ba pha với tải RL2=90 .15: Dạng sóng dòng điện xoay chiều ba pha với tải RL3=50 .16: Dạng sóng dòng điện và điện áp pha A .17: Phân tích FFT của dòng điện pha A tải RL1=120 .18 Phân tích FFT của dòng điện pha A tải RL2=90.19: Phân tích FFT của dòng điện pha A tải RL3=50.20: Dạng sóng cos.21 Dạng sóng công suất tính toán và công suất đặc Ptt,P*.22: Dạng sóng công suất Ptt,Qtt .23: Dạng sóng điện áp vab và điện áp dạng bậc vab .24: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh lƣu Vdc khi quá độ và đóng tải.25: Dạng sóng dòng điện một chiều chỉnh lƣu Idc(A) .26: Mô hình mô phỏng của bộ chỉnh lƣu NPC 3bậc .27:Mạch công suất của bộ chinh lƣu 3 bậc .28: Khối tải và cửa sổ thông số tụ lọc C và tải R .29: Khối điều khiển.30: Dạng sóng điện áp xoay chiều 3 pha .31: Dạng sóng dòng điện xoay chiều 3 pha .32: Dạng sóng dòng điện và điện áp pha A .33: Dạng sóng điện áp dạng bậc vab .34: Dạng sóng công suất Ptt,Qtt .35: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh lƣu Vdc=Vdc1+Vdc2 .36: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh lƣu cân bằng hai tụ Vdc1,Vdc2(V).37: Dạng sóng điện áp một chiều chỉnh lƣu tụ 1 .38: Dạng sóng dòng điện một chiều tải RL1 .