Luận văn thạc sĩ về điều khiển bộ chỉnh lưu điều rộng xung tại HCMUTE

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute điều khiển bộ chỉnh lưu điều rộng xung bằng phương pháp điều khiển công suất trực tiếp, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải

• Tác giả: Trần Quang Linh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Điều Khiển Bộ Chỉnh Lưu Điều Rộng Xung Bằng Phương Pháp Điều Khiển Công Suất Trực Tiếp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2. Mục đích của đề tài nghiên cứu
• 1.3. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BỘ CHỈNH LƯU 3 PHA
• 2.1. Tổng quan mạch chỉnh lưu ba pha
• 2.2. Nguyên lý làm việc
• 2.3. Phạm vi và giới hạn tham số của chỉnh lưu PWM
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU ĐIỀU RỘNG XUNG PWM BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRỰC TIẾP CÔNG SUẤT (DPC)
• 3.1. Các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM
• 3.1.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM định hướng theo vector điện áp dựa vào dòng điện (VOC)
• 3.1.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo VFOC
• 3.2. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM theo phương pháp trực tiếp công suất (DPC)
• 3.2.1. Bộ chỉnh lưu điều rộng xung PWM bằng phương pháp trực tiếp công suất DPC
• 3.2.2. Mô hình toán học điều khiển trực tiếp công suất DPC cho chỉnh lưu PWM
• 3.2.2.1. Khối công suất
• 3.2.2.2. Chiến lược điều khiển
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG BỘ NGUỒN AC/DC 3 PHA
• 4.1. Bộ chỉnh lưu ba pha 6 IGBT
• 4.1.1. Khối mạch động lực
• 4.1.2. Bộ điều khiển
• 4.1.3. Kết quả mô phỏng chỉnh lưu ba pha 6 IGBT
• 4.2. Bộ chỉnh lưu ba pha 12 IGBT (NPC 3 bậc)
• 4.2.1. Khối mạch động lực
• 4.2.2. Khối điều khiển
• 4.2.3. Kết quả mô phỏng chỉnh lưu ba pha 12 IGBT
• 4.3. Phân tích thành phần hài
• 4.4. Bảng so sánh của chỉnh lưu 3 pha NPC – 2 bậc và 3 bậc
• 5. CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM BỘ CHỈNH LƯU BA PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRỰC TIẾP
• 5.1. Sơ đồ tổng thể mô hình thực nghiệm
• 5.2. Mô tả chi tiết mô hình thực nghiệm
• 5.2.1. Sơ đồ tổng quan mạch công suất
• 5.2.2. Mạch điều khiển
• 5.2.2.1. Sơ đồ triển khai mạch kích xung
• 5.2.2.2. Sơ đồ triển khai mạch cảm biến điện áp
• 5.2.2.3. Sơ đồ triển khai mạch cảm biến dòng điện
• 5.2.2.4. Sơ đồ triển khai mạch đệm bảo vệ DSP
• 5.2.2.5. Kit DSP TMS320F28335
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRỰC TIẾP BỘ CHỈNH LƯU BA PHA BẰNG KỸ THUẬT LẬP TRÌNH NHÚNG
• 6.1. Giới thiệu thư viện lập trình nhúng của Matlab/Simulink
• 6.2. Mô hình lập trình nhúng trên Matlab/simulink
• 6.3. Kết quả thực nghiệm của bộ chỉnh lưu ba pha
• 6.5. Một số hình ảnh thực nghiệm tại phòng thí nghiệm
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN
• 7.2. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về bộ chỉnh lưu điều rộng xung

Bộ chỉnh lưu điều rộng xung (PWM) là một trong những công nghệ quan trọng trong lĩnh vực công nghệ chỉnh lưu. Kỹ thuật này cho phép điều khiển điện áp một chiều DC từ nguồn điện xoay chiều AC. Việc áp dụng điều khiển bộ chỉnh lưu giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điện. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển và tối ưu hóa các phương pháp điều khiển PWM nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của bộ chỉnh lưu. Theo các nghiên cứu trước đây, bộ chỉnh lưu PWM có khả năng giảm thiểu sóng hài và cải thiện hệ số công suất, từ đó nâng cao chất lượng điện năng.

1.1. Lịch sử phát triển và ứng dụng

Trong những thập kỷ qua, công nghệ chỉnh lưu đã có những bước tiến vượt bậc. Từ những năm 80, kỹ thuật điện tử đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện công nghiệp. Đến những năm 90, các bộ chỉnh lưu PWM đã trở thành lựa chọn phổ biến nhờ vào khả năng điều khiển chính xác và hiệu suất cao. Các ứng dụng của bộ chỉnh lưu PWM không chỉ giới hạn trong việc điều khiển động cơ mà còn mở rộng ra các lĩnh vực như tự động hóa công nghiệp và truyền tải điện. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển mới cho bộ chỉnh lưu PWM là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng điện năng.

II. Cơ sở lý thuyết của bộ chỉnh lưu ba pha

Bộ chỉnh lưu ba pha là một trong những cấu trúc phổ biến trong công nghệ chỉnh lưu. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên việc sử dụng ba pha điện xoay chiều để tạo ra điện áp một chiều ổn định. Các nghiên cứu cho thấy rằng bộ chỉnh lưu ba pha có khả năng cung cấp dòng điện đầu ra ổn định hơn so với các bộ chỉnh lưu một pha. Hệ thống này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu sóng hài, từ đó nâng cao chất lượng điện năng. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại như PWM giúp tối ưu hóa hoạt động của bộ chỉnh lưu ba pha, mang lại hiệu quả cao hơn trong việc điều khiển điện áp và dòng điện.

2.1. Nguyên lý làm việc

Nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu ba pha dựa trên việc sử dụng ba nguồn điện xoay chiều. Khi ba pha này được kết hợp, chúng tạo ra một điện áp một chiều ổn định. Các van chuyển mạch như IGBT được sử dụng để điều khiển dòng điện, giúp giảm thiểu sóng hài và cải thiện hệ số công suất. Việc áp dụng kỹ thuật điều khiển điện hiện đại cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra một cách linh hoạt, đáp ứng nhu cầu sử dụng điện năng trong các ứng dụng công nghiệp. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa cấu trúc điều khiển có thể nâng cao đáng kể hiệu suất của bộ chỉnh lưu ba pha.

III. Phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu PWM

Phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu PWM là một trong những kỹ thuật tiên tiến nhất trong lĩnh vực điều khiển điện. Kỹ thuật này cho phép điều chỉnh độ rộng xung của tín hiệu đầu ra, từ đó kiểm soát điện áp một cách chính xác. Việc áp dụng điều khiển công suất trực tiếp giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp này không chỉ giảm thiểu sóng hài mà còn nâng cao hệ số công suất, từ đó cải thiện chất lượng điện năng. Việc sử dụng phần mềm MATLAB trong mô phỏng và kiểm tra các trạng thái hoạt động của bộ chỉnh lưu PWM đã chứng minh được tính hiệu quả và khả năng ứng dụng cao của phương pháp này.

3.1. Các phương pháp điều khiển hiện tại

Hiện nay, có nhiều phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu PWM được áp dụng, bao gồm điều khiển theo vector điện áp và điều khiển theo phương pháp trực tiếp công suất. Các phương pháp này giúp tối ưu hóa hoạt động của bộ chỉnh lưu, nâng cao hiệu suất và giảm thiểu sóng hài. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển mới là cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng điện năng trong các ứng dụng công nghiệp. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của bộ chỉnh lưu PWM.

IV. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng bộ chỉnh lưu PWM với phương pháp điều khiển công suất trực tiếp có hiệu suất cao hơn so với các phương pháp truyền thống. Việc sử dụng IGBT và vi xử lý DSP trong mô hình thực nghiệm đã chứng minh được tính khả thi và hiệu quả của hệ thống. Các kết quả thu được từ mô phỏng và thực nghiệm cho thấy rằng bộ chỉnh lưu PWM có khả năng cung cấp điện áp một chiều ổn định, đồng thời giảm thiểu sóng hài và cải thiện hệ số công suất. Điều này không chỉ có ý nghĩa trong việc nâng cao chất lượng điện năng mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp và tự động hóa.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp

Bộ chỉnh lưu PWM đã được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống điện công nghiệp, từ việc điều khiển động cơ đến cung cấp điện cho các thiết bị công suất lớn. Việc cải thiện hiệu suất và chất lượng điện năng từ bộ chỉnh lưu PWM giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống. Các ứng dụng này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường thông qua việc giảm thiểu khí thải và tiêu thụ năng lượng. Nghiên cứu và phát triển bộ chỉnh lưu PWM sẽ tiếp tục là một lĩnh vực quan trọng trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử công nghiệp từ những năm 1980 đến nay, việc ứng dụng các bộ biến đổi công suất ngày càng trở nên phổ biến và quan trọng trong nhiều lĩnh vực như tự động hóa công nghiệp, lưu trữ năng lượng và truyền tải điện. Theo ước tính, các bộ chỉnh lưu truyền thống sử dụng diode cầu thường gặp phải các hạn chế như hệ số công suất thấp, sóng hài cao và điện áp DC đầu ra không ổn định. Để khắc phục những nhược điểm này, kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) bằng phương pháp điều khiển công suất trực tiếp (Direct Power Control - DPC) đã được nghiên cứu và ứng dụng nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng điện năng.

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu và phát triển bộ chỉnh lưu AC/DC ba pha điều rộng xung bằng phương pháp điều khiển công suất trực tiếp, xây dựng chương trình mô phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK và lập trình điều khiển thực nghiệm trên vi xử lý DSP TMS320F28335. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào bộ chỉnh lưu ba pha với tải thuần trở R, thực hiện trong khoảng thời gian từ 2011 đến 2013 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện hệ số công suất lên gần bằng 1, giảm sóng hài bậc cao, và ổn định điện áp DC đầu ra, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống điện công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Điều khiển công suất trực tiếp (DPC): Phương pháp điều khiển dựa trên việc ước lượng công suất tác dụng và công suất phản kháng tức thời từ điện áp và dòng điện ba pha, từ đó điều khiển trực tiếp các trạng thái đóng cắt của IGBT để đạt được công suất mong muốn với hệ số công suất bằng 1.

• Điều chế độ rộng xung (PWM): Kỹ thuật điều khiển tín hiệu đóng cắt của các linh kiện bán dẫn nhằm tạo ra điện áp DC ổn định và dòng điện đầu vào dạng sóng sin, giảm sóng hài.

• Mô hình toán học bộ chỉnh lưu ba pha: Bao gồm phương trình điện áp ba pha nguồn, mô hình trở kháng nguồn (cuộn cảm L và điện trở R), và chuyển đổi hệ tọa độ a-b-c sang α-β để phân tích và điều khiển dòng điện.

• Khái niệm về vector điện áp không gian: Sử dụng 6 hoặc 12 phân vùng sector để xác định trạng thái đóng cắt phù hợp của các IGBT, từ đó điều khiển công suất tức thời.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất tác dụng (P), công suất phản kháng (Q), hệ số công suất (cosφ), sóng hài tổng (THD), và đặc tính trễ trong bộ điều khiển công suất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, cùng với việc sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK để mô phỏng và kiểm tra các trạng thái hoạt động của bộ chỉnh lưu. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Mô phỏng trên MATLAB/SIMULINK: Xây dựng mô hình bộ chỉnh lưu ba pha 6 IGBT với các tham số đầu vào như điện áp 75V, tần số 50Hz, điện áp đầu ra đặt 220V, trở kháng nguồn 0.2Ω và 5mH, cùng bộ điều khiển PI với Kp=0.6 và Ki=0.1.

• Lập trình nhúng trên DSP TMS320F28335: Sử dụng kỹ thuật lập trình nhúng từ mô hình Simulink, tự động biên dịch sang ngôn ngữ C và nạp vào vi xử lý, không cần lập trình lại thủ công.

• Thi công mô hình thực nghiệm: Sử dụng linh kiện IGBT STGW40N120K, thiết kế mạch công suất, mạch điều khiển, mạch cảm biến điện áp và dòng điện, cùng hệ thống bảo vệ DSP.

• Phân tích kết quả: Đánh giá hiệu suất qua các chỉ số như dạng sóng dòng điện đầu vào, hệ số công suất, điện áp DC đầu ra, và sóng hài tổng THD.

Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng 2 năm, từ tháng 8/2011 đến tháng 4/2014, với cỡ mẫu là mô hình thực nghiệm và mô phỏng, lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên mô phỏng số và thực nghiệm thực tế nhằm đảm bảo tính khả thi và độ chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất bộ chỉnh lưu cải thiện rõ rệt: So với bộ chỉnh lưu diode cầu truyền thống, bộ chỉnh lưu ba pha 6 IGBT điều khiển bằng phương pháp DPC cho thấy dòng điện đầu vào có dạng sóng sin gần như hoàn hảo, hệ số công suất đạt gần 1, và điện áp DC đầu ra ổn định ở mức 220V ± 5%. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm đều thống nhất với sai số nhỏ.

2. Giảm sóng hài tổng (THD): Phân tích FFT cho thấy sóng hài bậc cao của dòng điện đầu vào giảm xuống dưới 5%, thấp hơn đáng kể so với bộ chỉnh lưu truyền thống có THD thường trên 15%. Điều này góp phần nâng cao chất lượng điện năng và giảm tổn thất trong hệ thống.

3. Độ nhấp nhô điện áp và dòng điện thấp: Nhờ sử dụng kỹ thuật điều khiển công suất trực tiếp kết hợp với bộ điều khiển PI có đặc tính trễ, dao động đập mạch công suất được hạn chế, tần số đóng cắt ổn định, giúp giảm nhiễu điện từ và tăng tuổi thọ linh kiện.

4. Khả năng lập trình nhúng hiệu quả: Việc sử dụng DSP TMS320F28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ MATLAB/SIMULINK giúp rút ngắn thời gian phát triển, giảm sai sót lập trình và dễ dàng điều chỉnh thuật toán điều khiển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất là do phương pháp điều khiển công suất trực tiếp (DPC) cho phép điều chỉnh chính xác công suất tác dụng và phản kháng tức thời, từ đó điều khiển trạng thái đóng cắt của IGBT phù hợp với từng phân vùng vector điện áp. So với các phương pháp điều khiển truyền thống như VOC hay VFOC, DPC đơn giản hơn về cấu trúc nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả cao.

Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quốc tế về bộ chỉnh lưu PWM đa bậc và điều khiển công suất trực tiếp, đồng thời khắc phục được nhược điểm của bộ chỉnh lưu diode cầu truyền thống như hệ số công suất thấp và sóng hài cao. Việc giảm sóng hài và nâng cao hệ số công suất có ý nghĩa lớn trong việc giảm tổn thất năng lượng và cải thiện chất lượng điện năng trong các hệ thống công nghiệp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng dòng điện và điện áp, biểu đồ FFT thể hiện sóng hài, cùng bảng so sánh các chỉ số hiệu suất giữa bộ chỉnh lưu truyền thống và bộ chỉnh lưu điều khiển DPC.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng rộng rãi bộ chỉnh lưu DPC trong công nghiệp: Khuyến nghị các nhà máy điện, hệ thống tự động hóa sử dụng bộ chỉnh lưu điều khiển công suất trực tiếp để nâng cao hiệu quả năng lượng và giảm thiểu sóng hài, với mục tiêu giảm THD xuống dưới 5% trong vòng 1-2 năm.

2. Phát triển thêm các bộ chỉnh lưu đa bậc NPC 3 bậc: Nghiên cứu mở rộng sang bộ chỉnh lưu đa bậc nhằm giảm tổn thất công suất và độ nhấp nhô điện áp, tăng độ bền thiết bị, thực hiện trong 3 năm tới bởi các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ điện.

3. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ lập trình nhúng DSP: Đào tạo kỹ sư và kỹ thuật viên về kỹ thuật lập trình nhúng trên DSP TMS320F28335 và MATLAB/SIMULINK để nâng cao năng lực phát triển hệ thống điều khiển công suất, triển khai trong các trường đại học và viện nghiên cứu.

4. Xây dựng hệ thống giám sát và bảo vệ thông minh cho bộ chỉnh lưu: Phát triển các giải pháp giám sát tự động, bảo vệ quá dòng, quá áp và nhiễu điện từ nhằm đảm bảo an toàn và độ tin cậy cho hệ thống, áp dụng trong vòng 1 năm tại các nhà máy điện và trung tâm dữ liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về điều khiển bộ chỉnh lưu PWM bằng phương pháp DPC, giúp nâng cao hiệu quả thiết kế và vận hành hệ thống điện công nghiệp.

2. Sinh viên cao học ngành kỹ thuật điện và tự động hóa: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan đến biến đổi công suất và điều khiển điện tử công suất.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất: Hướng dẫn kỹ thuật lập trình nhúng và thiết kế mạch điều khiển giúp cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng và tính cạnh tranh trên thị trường.

4. Các trung tâm đào tạo và viện nghiên cứu công nghệ: Tài liệu tham khảo để xây dựng chương trình đào tạo, nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ mới trong lĩnh vực biến đổi công suất và điều khiển điện tử.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp điều khiển công suất trực tiếp (DPC) là gì?
   DPC là kỹ thuật điều khiển trực tiếp công suất tác dụng và phản kháng tức thời dựa trên đo đạc điện áp và dòng điện, từ đó điều khiển trạng thái đóng cắt của các linh kiện bán dẫn để đạt hiệu suất cao và hệ số công suất gần bằng 1.

2. Ưu điểm của bộ chỉnh lưu điều khiển PWM so với bộ chỉnh lưu diode cầu truyền thống?
   Bộ chỉnh lưu PWM với DPC giảm sóng hài bậc cao, nâng cao hệ số công suất lên gần 1, ổn định điện áp DC đầu ra và giảm tổn thất năng lượng, trong khi bộ chỉnh lưu diode cầu thường có hệ số công suất thấp và sóng hài lớn.

3. Tại sao sử dụng DSP TMS320F28335 trong điều khiển bộ chỉnh lưu?
   DSP TMS320F28335 có hiệu suất cao, khả năng lập trình nhúng tốt, tương thích với MATLAB/SIMULINK, giúp tự động biên dịch và nạp chương trình, giảm thời gian phát triển và tăng độ chính xác trong điều khiển.

4. Làm thế nào để giảm sóng hài trong hệ thống điện sử dụng bộ chỉnh lưu?
   Sử dụng kỹ thuật điều chế PWM kết hợp với điều khiển công suất trực tiếp giúp dòng điện đầu vào có dạng sóng sin, giảm sóng hài bậc cao, đồng thời có thể kết hợp bộ lọc thụ động hoặc tích cực để cải thiện chất lượng điện năng.

5. Phạm vi ứng dụng của bộ chỉnh lưu điều khiển công suất trực tiếp?
   Bộ chỉnh lưu này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống nguồn công suất lớn, truyền tải điện, điều khiển động cơ điện, lưu trữ năng lượng và các thiết bị điện tử công suất trong công nghiệp và dân dụng.

Kết luận

• Bộ chỉnh lưu ba pha điều rộng xung bằng phương pháp điều khiển công suất trực tiếp (DPC) nâng cao hiệu suất hệ thống với hệ số công suất gần bằng 1 và sóng hài thấp dưới 5%.
• Mô hình mô phỏng trên MATLAB/SIMULINK và thực nghiệm trên DSP TMS320F28335 cho kết quả đồng nhất, chứng minh tính khả thi của giải pháp.
• Kỹ thuật lập trình nhúng giúp rút ngắn thời gian phát triển và tăng độ chính xác trong điều khiển bộ chỉnh lưu.
• Giải pháp này có thể ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, góp phần cải thiện chất lượng điện năng và tiết kiệm năng lượng.
• Đề xuất phát triển thêm bộ chỉnh lưu đa bậc và hệ thống giám sát bảo vệ thông minh để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong tương lai.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển tiếp các giải pháp điều khiển công suất trực tiếp trong các hệ thống điện công nghiệp nhằm nâng cao hiệu quả và bền vững năng lượng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUANG LINH ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU ĐIỀU RỘNG XUNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRỰC TIẾP NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250 S KC 0 0 4 1 9 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU ĐIỀU RỘNG XUNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRỰC TIẾP GVHD : PGS.TS NGUYỂN VĂN NHỜ HVTH : TRẦN QUANG LINH NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ : 605250 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUANG LINH ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU ĐIỀU RỘNG XUNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRỰC TIẾP NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN MÃ SỐ: 605250 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014 Luan van Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC (Dùng cho nghiên cứu sinh & học viên cao học) Hình 3x4 I.

LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ và tên: Trần Quang Linh Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 11/08/1985 Nơi sinh: Tiền Giang Quê quán: Tiền Giang Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trƣớc khi học tập, nghiên cứu: Nhân viên bảo trì điện Viên Tim TP Hồ Chí Minh Địa chỉ liên lạc: 19C Phạm Vấn phƣờng Phú Thọ Hòa quận Tân Phú TP.Hồ Chí Minh. Điện thoại cơ quan: 0838651586 Di động: [phone] Fax: Email:tranquanglinh0885@gmail. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ: 9/2003 đến 6/2008 Nơi học: Trƣờng Đại Học Công Nghiệp TP.Hồ Chí Minh.

Ngành học: Công nghệ điện. Tên môn thi tốt nghiệp: Lý thuyết cơ sở, lý thuyết chuyên ngành, tƣ tƣởng Hồ Chí Minh & triết học Mac-Le. Ngày và nơi thi tốt nghiệp: 6/2008 tại Trƣờng Đại Học Công Nghiệp TP. Hồ Chí Minh.Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ: 8/2011 đến 8/2013 Nơi học: Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh.

Ngành học: Kỹ thuật điện Tên luận văn: ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƢU ĐIỀU RỘNG XUNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRỰC TIẾP Ngày và nơi bảo vệ luận văn: Ngƣời hƣớng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ. Trình độ ngoại ngữ: Anh văn trình độ B. i Luan van III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 9/2009 Viện Tim TP.Hồ Chí Minh Nhân viên bảo trì điện đến nay IV.

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ. ii Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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. 12 vi Luan van 3.3 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 .