Luận văn thạc sĩ về tự động hóa điều khiển nguồn tần số 400Hz

Đề tài khảo sát tự động hóa điều khiển nguồn tần số 400Hz với dữ liệu thực nghiệm, giải pháp cụ thể cho bài toán thực tế chuyên ngành

• Tác giả: Vũ Duy Nhất
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG Tp. HCM
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Điều Khiển Ôn Định Bộ Nguồn Tần Số 400Hz
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Phạm vi đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC BỘ NGUỒN 400Hz
• 2.1. Cấu trúc bộ nguồn tần số 400Hz
• 2.2. Mạch công suất bộ nguồn tần số 400Hz
• 2.3. Mô hình hóa bộ nguồn tần số 400Hz
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH BỘ NGUỒN TẦN SỐ 400Hz
• 3.1. Dead time và bù dead-time cho mô hình vòng hở
• 3.2. Cân bằng điện áp tụ DC
• 3.3. Bộ điều khiển Resonant
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
• 4.1. Mô hình mô phỏng phần công suất trên Matlab/Simulink
• 4.2. Mạch công suất
• 4.3. Bộ điều khiển
• 4.4. Kết quả mô phỏng
• 4.4.1. Kết quả mô phỏng khi không điều khiển, tải R=40 Ohm, L=20mH
• 4.4.2. Kết quả mô phỏng khi có điều khiển, tải R=40 Ohm, L=20mH
• 4.4.3. Kết quả mô phỏng khi không điều khiển, tải chỉnh lưu 1 pha với R=40 Ohm
• 5. CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM
• 5.1. Mạch công suất
• 5.1.1. Bộ nghịch lưu 5 bậc 1 pha
• 5.1.2. Các mạch phụ trợ (bao gồm cả mạch lọc)
• 5.2. Mạch điều khiển và đo lường
• 5.2.1. Cảm biến dòng áp
• 5.2.2. Mạch xử lý dùng DSP TMS320F28335
• 5.2.3. Mạch xử lý xung và dead-time dùng FPGA
• 5.3. Mô hình thực nghiệm thực tế
• 5.4. Kết quả thực nghiệm
• 5.4.1. Kết quả thực nghiệm cân bằng áp tụ
• 5.4.2. Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Resonant
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• 6.1. Các kết quả đã đạt được
• 6.2. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
• QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
• QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nghiên cứu

Nghiên cứu tự động hóa điều khiển nguồn tần số 400Hz là một lĩnh vực quan trọng trong ngành điện tử và tự động hóa. Đề tài này tập trung vào việc phát triển và tối ưu hóa các hệ thống điều khiển nguồn nhằm cung cấp điện năng cho các thiết bị sử dụng tần số cao, đặc biệt là trong ngành hàng không. Hệ thống nguồn điện 400Hz được sử dụng rộng rãi trong các máy bay, giúp giảm thiểu tiếng ồn và tiết kiệm nhiên liệu. Việc nghiên cứu cấu trúc và phương pháp điều khiển cho bộ nguồn này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn mang lại giá trị thực tiễn cao trong việc cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là tìm hiểu cấu trúc của bộ nguồn tần số 400Hz và phát triển các giải thuật điều khiển nhằm nâng cao chất lượng điện áp ngõ ra. Nghiên cứu sẽ sử dụng bộ nghịch lưu 1 pha 5 bậc và thiết kế bộ lọc công suất để đạt được điện áp ngõ ra dạng True-Sine. Bên cạnh đó, việc xây dựng mô hình mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink sẽ giúp kiểm chứng các lý thuyết và giải thuật đã phát triển.

II. Cấu trúc bộ nguồn tần số 400Hz

Cấu trúc của bộ nguồn tần số 400Hz thường bao gồm các thành phần chính như bộ nghịch lưu, bộ lọc và mạch điều khiển. Bộ nghịch lưu 1 pha 5 bậc được sử dụng để chuyển đổi nguồn điện từ nguồn ngoài thành nguồn điện 115V/400Hz. Việc thiết kế mạch công suất cho bộ nguồn này là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng điện áp ngõ ra. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng bộ lọc thông thấp có thể giúp giảm thiểu các thành phần sóng hài, từ đó cải thiện chất lượng điện áp. Hệ thống điều khiển cũng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định điện áp ngõ ra, đặc biệt là trong các điều kiện tải thay đổi.

2.1. Mạch công suất bộ nguồn

Mạch công suất của bộ nguồn tần số 400Hz thường được thiết kế với nhiều cấu trúc khác nhau, mỗi cấu trúc có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn cấu trúc phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng bộ nghịch lưu đa bậc có thể cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi và giảm thiểu tổn thất năng lượng. Hơn nữa, việc áp dụng các công nghệ tự động hóa trong thiết kế mạch công suất cũng giúp nâng cao khả năng điều khiển và giám sát hệ thống.

III. Phương pháp điều khiển

Phương pháp điều khiển cho bộ nguồn tần số 400Hz được nghiên cứu dựa trên bộ điều khiển Resonant. Phương pháp này cho phép điều chỉnh điện áp ngõ ra một cách linh hoạt và hiệu quả. Việc sử dụng bộ điều khiển Resonant giúp giảm thiểu độ biến thiên của điện áp và cải thiện chất lượng điện năng. Các giải thuật điều khiển được phát triển trong nghiên cứu này sẽ được mô phỏng và thử nghiệm để đánh giá hiệu quả. Kết quả từ các mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng các giải thuật điều khiển tiên tiến có thể nâng cao đáng kể chất lượng điện áp ngõ ra.

3.1. Giới thiệu bộ điều khiển Resonant

Bộ điều khiển Resonant là một trong những phương pháp điều khiển hiệu quả cho các hệ thống điện tử công suất. Phương pháp này hoạt động dựa trên nguyên lý điều chỉnh tần số và biên độ của tín hiệu điều khiển để đạt được điện áp ngõ ra mong muốn. Việc áp dụng bộ điều khiển Resonant trong bộ nguồn tần số 400Hz không chỉ giúp cải thiện chất lượng điện áp mà còn giảm thiểu các thành phần sóng hài, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.

IV. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Kết quả từ các mô phỏng và thực nghiệm cho thấy rằng bộ nguồn tần số 400Hz hoạt động ổn định và hiệu quả khi áp dụng các giải thuật điều khiển đã phát triển. Các mô hình mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink cho thấy điện áp ngõ ra đạt được chất lượng cao, với độ biến thiên thấp và hài bậc 3 trong giới hạn cho phép. Thực nghiệm trên mô hình thực tế cũng cho thấy rằng việc áp dụng bộ điều khiển Resonant giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Những kết quả này khẳng định giá trị thực tiễn của nghiên cứu trong việc phát triển các hệ thống tự động hóa trong ngành điện tử.

4.1. Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng bộ nguồn tần số 400Hz có khả năng duy trì điện áp ngõ ra ổn định trong các điều kiện tải khác nhau. Việc áp dụng các giải thuật điều khiển đã giúp giảm thiểu độ biến thiên của điện áp và cải thiện chất lượng điện năng. Các số liệu thu thập từ thực nghiệm cho thấy rằng hệ thống hoạt động hiệu quả, đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn trong ngành hàng không. Điều này chứng tỏ rằng nghiên cứu có thể được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn.

V. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu tự động hóa điều khiển nguồn tần số 400Hz đã đạt được những kết quả khả quan, mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các hệ thống điện tử công suất. Việc áp dụng bộ điều khiển Resonant và các giải thuật điều khiển tiên tiến đã giúp nâng cao chất lượng điện áp ngõ ra và cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống. Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các cấu trúc mạch công suất và nghiên cứu thêm các phương pháp điều khiển mới nhằm nâng cao hơn nữa hiệu quả và độ tin cậy của bộ nguồn. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong ngành hàng không và các lĩnh vực liên quan.

5.1. Hướng phát triển tiếp theo

Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu có thể bao gồm việc áp dụng các công nghệ mới trong thiết kế và điều khiển bộ nguồn tần số 400Hz. Việc nghiên cứu và phát triển các bộ điều khiển thông minh, có khả năng tự động điều chỉnh theo điều kiện hoạt động thực tế sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Bên cạnh đó, việc mở rộng ứng dụng của bộ nguồn này trong các lĩnh vực khác như công nghiệp và năng lượng tái tạo cũng là một hướng đi tiềm năng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành hàng không, nguồn điện tần số 400Hz đóng vai trò thiết yếu trong hệ thống điện của máy bay, đặc biệt khi máy bay dừng tại sân bay. Thay vì sử dụng động cơ máy bay để tạo nguồn điện, bộ nguồn mặt đất (Ground Power Unit - GPU) được sử dụng để cung cấp điện áp 115V/400Hz tương tự như nguồn điện trên máy bay. Theo báo cáo ngành, công suất của một bộ GPU có thể lên đến khoảng 180kVA, cho phép quá tải 100% trong vòng 1 giây, giúp giảm tiếng ồn, ô nhiễm không khí và tiết kiệm nhiên liệu. Tuy nhiên, việc thiết kế bộ nguồn tần số 400Hz gặp nhiều thách thức do dải tần số giữa thành phần cơ bản và sóng hài do bộ nghịch lưu tạo ra khá hẹp, gây khó khăn trong kiểm soát tổng méo hài (THD) ở mức cho phép. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và điều khiển ổn định bộ nguồn tần số 400Hz sử dụng bộ nghịch lưu đa bậc 1 pha 5 bậc, nhằm nâng cao chất lượng điện áp ngõ ra, giảm tổn hao đóng ngắt và khắc phục các vấn đề về cân bằng điện áp tụ DC. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2013-2014 tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM, với phạm vi tập trung vào mô hình bộ nguồn 1 pha, công suất 300W, điện áp 115V. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các bộ nguồn 400Hz công suất thấp phục vụ ứng dụng hàng không và các lĩnh vực công nghiệp đòi hỏi nguồn điện tần số cao ổn định.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết bộ nghịch lưu đa bậc (Multilevel Inverter) và lý thuyết điều khiển cộng hưởng (Resonant Controller). Bộ nghịch lưu đa bậc NPC (Neutral Point Clamped) 5 bậc được sử dụng để giảm tổn hao đóng ngắt và cải thiện chất lượng điện áp ngõ ra so với bộ nghịch lưu 2 bậc truyền thống. Các khái niệm chính bao gồm:

• Bộ nghịch lưu đa bậc NPC 5 bậc: cấu trúc gồm 8 khóa bán dẫn, tạo ra nhiều mức điện áp ngõ ra, giảm stress trên linh kiện và giảm méo dạng sóng.
• Điều khiển sóng mang (Carrier-based PWM): phương pháp điều chế độ rộng xung sử dụng sóng tam giác để tạo tín hiệu điều khiển cho các khóa bán dẫn.
• Bộ điều khiển cộng hưởng (Resonant Controller): bộ điều khiển có đáp ứng tần số cao tại tần số cơ bản 400Hz, giúp triệt tiêu sóng hài và duy trì điện áp ngõ ra ổn định.
• Cân bằng điện áp tụ DC: kỹ thuật điều khiển nhằm duy trì điện áp đồng đều trên các tụ điện trong bộ nghịch lưu đa bậc, tránh méo dạng điện áp do sự chênh lệch điện áp tụ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp mô phỏng và thực nghiệm. Dữ liệu thu thập từ mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink nhằm kiểm chứng các giải thuật điều khiển và cấu trúc bộ nguồn. Mô hình thực nghiệm được xây dựng với bộ nghịch lưu 1 pha 5 bậc, công suất 300W, điện áp 115V, sử dụng card điều khiển DSP TMS320F28335 và FPGA Spartan 3E để xử lý tín hiệu và tạo xung điều khiển. Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm các phép đo điện áp, dòng điện tải và phân tích phổ FFT để đánh giá chất lượng điện áp ngõ ra. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các trường hợp tải RL và tải chỉnh lưu 1 pha với các giá trị điện trở và cảm kháng khác nhau nhằm đánh giá hiệu quả điều khiển trong các điều kiện tải đa dạng. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 01/2013 đến tháng 06/2014, bao gồm các giai đoạn thiết kế, mô phỏng, xây dựng phần cứng và thử nghiệm thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của bộ nghịch lưu đa bậc 5 bậc: So với bộ nghịch lưu 2 bậc, bộ nghịch lưu 5 bậc giảm tổn hao đóng ngắt khoảng 15-20% nhờ giảm biên độ điện áp chuyển mạch. Điện áp ngõ ra có dạng sóng gần với dạng sine chuẩn hơn, giảm méo dạng sóng hài tổng (THD) xuống dưới 5%, so với mức trên 8% của bộ nghịch lưu 2 bậc.

2. Ảnh hưởng của dead-time và giải thuật bù dead-time: Dead-time gây méo dạng điện áp ngõ ra, đặc biệt là các thành phần sóng hài bậc lẻ. Giải thuật bù dead-time thực hiện trên FPGA giúp giảm méo dạng sóng, cải thiện độ chính xác điện áp ngõ ra lên đến 10%, đồng thời giảm biên độ sóng hài bậc 1 và 3.

3. Cân bằng điện áp tụ DC: Việc áp dụng giải thuật cân bằng điện áp dựa trên trạng thái đóng ngắt phù hợp giúp duy trì điện áp trên các tụ DC ổn định trong phạm vi ±2% so với giá trị danh định, giảm hiện tượng méo dạng điện áp do lệch áp tụ, đặc biệt khi tải thay đổi đột ngột hoặc tải phi tuyến.

4. Hiệu quả của bộ điều khiển Resonant: Bộ điều khiển cộng hưởng giúp triệt tiêu sóng hài bậc 3 và các sóng hài không mong muốn khác, giữ điện áp ngõ ra ổn định ở tần số 400Hz với sai số điều khiển dưới 1%. So với điều khiển P hoặc PI truyền thống, bộ điều khiển Resonant có băng thông rộng hơn, đáp ứng nhanh hơn với các biến đổi tải.

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ nghịch lưu đa bậc 5 bậc kết hợp với bộ điều khiển Resonant và giải thuật bù dead-time mang lại chất lượng điện áp ngõ ra vượt trội so với các cấu trúc và phương pháp điều khiển truyền thống. Việc giảm tổn hao đóng ngắt không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn kéo dài tuổi thọ linh kiện bán dẫn. Kết quả cân bằng điện áp tụ DC là bước tiến quan trọng giúp duy trì sự ổn định của bộ nguồn trong điều kiện tải không cân bằng hoặc tải phi tuyến, điều mà các nghiên cứu trước đây chưa tập trung nhiều. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng bộ nghịch lưu đa bậc trong các bộ nguồn tần số cao, đồng thời khẳng định tính khả thi của giải thuật điều khiển cộng hưởng trong thực tế. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ FFT thể hiện phổ sóng hài trước và sau khi áp dụng giải thuật bù dead-time và điều khiển Resonant, cũng như bảng so sánh các chỉ số THD và tổn hao đóng ngắt giữa các cấu trúc nghịch lưu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai rộng rãi bộ nghịch lưu đa bậc trong thiết kế GPU: Khuyến nghị các nhà sản xuất và phòng thí nghiệm nghiên cứu ứng dụng bộ nghịch lưu 5 bậc hoặc cao hơn để nâng cao hiệu suất và chất lượng điện áp ngõ ra, giảm tổn hao linh kiện. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ điện tử công suất.

2. Phát triển giải thuật bù dead-time tích hợp trên FPGA/DSP: Động tác này nhằm giảm méo dạng sóng và tăng độ chính xác điều khiển, đặc biệt quan trọng với tần số cao như 400Hz. Khuyến nghị áp dụng trong các hệ thống điều khiển hiện đại, thời gian triển khai 6-12 tháng, chủ thể là các nhóm nghiên cứu và kỹ sư phát triển phần cứng.

3. Nâng cao kỹ thuật cân bằng điện áp tụ DC: Đề xuất nghiên cứu sâu hơn về các thuật toán cân bằng điện áp tự động, thích ứng với các điều kiện tải thay đổi liên tục, nhằm duy trì sự ổn định điện áp và giảm sóng hài. Thời gian nghiên cứu 1 năm, chủ thể là các trường đại học và trung tâm nghiên cứu.

4. Ứng dụng bộ điều khiển Resonant trong các bộ nguồn tần số cao khác: Khuyến nghị mở rộng nghiên cứu và ứng dụng bộ điều khiển cộng hưởng cho các hệ thống nguồn tần số cao khác như 800Hz hoặc 1kHz, nhằm nâng cao chất lượng điện áp và khả năng triệt tiêu sóng hài. Thời gian thực hiện 1-2 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Tự động hóa, Điện tử công suất: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế và điều khiển bộ nguồn tần số cao, giúp nâng cao kỹ năng nghiên cứu và ứng dụng thực tế.

2. Kỹ sư thiết kế bộ nguồn và biến tần trong ngành hàng không và công nghiệp: Tham khảo để áp dụng các giải pháp nghịch lưu đa bậc và điều khiển cộng hưởng nhằm cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống nguồn.

3. Các phòng thí nghiệm nghiên cứu công nghệ điện tử công suất: Tài liệu hữu ích cho việc phát triển các mô hình mô phỏng, thiết kế phần cứng và thử nghiệm thực tế bộ nguồn tần số cao.

4. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị nguồn tần số cao: Giúp định hướng phát triển sản phẩm GPU công suất thấp với chất lượng điện áp cao, giảm tổn hao và tăng độ tin cậy.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ nghịch lưu đa bậc có ưu điểm gì so với bộ nghịch lưu 2 bậc?
   Bộ nghịch lưu đa bậc tạo ra nhiều mức điện áp ngõ ra hơn, giảm tổn hao đóng ngắt và stress trên linh kiện, đồng thời cải thiện chất lượng sóng điện áp với THD thấp hơn. Ví dụ, bộ nghịch lưu 5 bậc giảm THD xuống dưới 5% so với trên 8% của bộ 2 bậc.

2. Dead-time ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng điện áp ngõ ra?
   Dead-time tạo ra khoảng thời gian cả hai khóa bán dẫn đều ngắt, gây méo dạng điện áp và tăng sóng hài bậc lẻ. Giải thuật bù dead-time giúp giảm méo dạng này, cải thiện độ chính xác điện áp ngõ ra lên đến 10%.

3. Tại sao cần cân bằng điện áp tụ DC trong bộ nghịch lưu đa bậc?
   Sự chênh lệch điện áp giữa các tụ DC gây méo dạng điện áp ngõ ra và giảm chất lượng nguồn. Cân bằng điện áp giúp duy trì điện áp đồng đều, đảm bảo hoạt động ổn định và giảm sóng hài.

4. Bộ điều khiển Resonant có lợi ích gì trong điều khiển bộ nguồn 400Hz?
   Bộ điều khiển Resonant có băng thông rộng, đáp ứng nhanh, giúp triệt tiêu sóng hài không mong muốn và duy trì điện áp ngõ ra ổn định với sai số dưới 1%, vượt trội hơn các bộ điều khiển P hoặc PI truyền thống.

5. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng bộ nguồn 400Hz?
   Phần mềm Matlab/Simulink của MathWorks được sử dụng để mô phỏng các giải thuật điều khiển và cấu trúc bộ nguồn, giúp kiểm chứng lý thuyết trước khi thực nghiệm.

Kết luận

• Bộ nghịch lưu đa bậc 5 bậc kết hợp với điều khiển cộng hưởng giúp nâng cao chất lượng điện áp ngõ ra, giảm tổn hao và méo dạng sóng.
• Giải thuật bù dead-time trên FPGA hiệu quả trong việc giảm sóng hài và cải thiện độ chính xác điện áp.
• Cân bằng điện áp tụ DC là yếu tố quan trọng để duy trì sự ổn định và chất lượng nguồn trong bộ nghịch lưu đa bậc.
• Mô hình mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự phù hợp và khả thi của các giải pháp đề xuất trong ứng dụng thực tế.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng bộ điều khiển cộng hưởng và bộ nghịch lưu đa bậc cho các hệ thống nguồn tần số cao khác.

Các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên triển khai thử nghiệm mở rộng, tối ưu hóa giải thuật điều khiển và phát triển sản phẩm thực tế dựa trên kết quả nghiên cứu này để đáp ứng nhu cầu công nghiệp và hàng không hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TONG QUAN.1 Đặt vẫn đề ieee cccccscscscsscscssscscssescscsssscstsssscsvsssscsssscsnsssssscscsecsssesscetensecesenees 14 1.2 Mục tiêu để tài.3 Phạm vi dé tài. 17 CHUONG 2 CÂU TRÚC BỘ NGUON 400Hz.1 Cau trúc bộ nguôn tần số 400lHz.2 Mạch công suất bộ nguồn tần số 400IHz.---- (11101101 11113311111111999331 11111111 ng ng và 22 2.3 Mô hình hóa bộ nguồn tan số 400Hz .-- - - +E+E+ESEEEEEEE£E£E+EeEeveEeeeeeree 33 CHUONG 3 DIEU KHIEN ON ĐỊNH BỘ NGUON TAN SỐ 400HZ.1 Dead time va bù dead-time cho mô hình vòng hở. tt HT 11g11 11 TT 35 3.2 Cân băng điện áp tụ DC.3 Bộ điều khiển Resonant .ccccccccccsccsssesesescesescssescscseescscseescscseesescseesescsescscseeseaeaes 44 LV ThS.: Điều khiển ôn định bộ nguồn tan số 400Hz Vũ Duy Nhất 3.1 Giới thiệu bộ điều khiển Resonant controller .2 Single LOOp COTIẨFOÏL.3 Double Loop COTIfTOÌ.-- << < c5 11 11333311333399111 111111111 1111118885255 511 k4 62 CHUONG 4 MÔ PHONG HE THÔNG. - 5 SG S223 1E 3 1511211151111 E111 E1 xe 73 “SN V/00ïi 600).2 Mạch công suất .3 Bộ điều khiỂn.4 Kết quả mô phong.1 Kết qua mô phỏng khi không điều khiến, tải R=40 Ohm, LE=20mH .2 Kết qua mô phỏng khi có điều khiến, tải R=40 Ohm, L=20mH.3 Kết qua mô phỏng khi không điều khién, tải chỉnh lưu 1 pha với R=40 Ohm, 206i.

87 CHUONG 5 THUC NGHIIỆM.1 Mach công Suat.1 Bộ nghịch lưu 5 bậc 1 pha.2 Cac mach phu tro (bao gồm cả mạch ÏỌC).2 Mạch điều khiến và đo lường.1 Cảm biến dòng áp.3 Mach xử ly dùng DSP TMS320F28335.4 Mach xử lý xung va dead-time dùng FPGA.3 Mô hình thực nghiệm thực 94 LV ThS.: Điều khiển ôn định bộ nguồn tan số 400Hz Vũ Duy Nhất 5.4 Kết quả thực nghiỆIm.1 Kết quả thực nghiệm cân bang áp tỤ.2 Kết quả thực nghiệm bộ điều khiển Resonant.- ¿c2 se se £szsesszsza 98 CHUONG 6 KET LUẬN.1 Các kết quả đã đạt đƯỢC. - - - k1 S1 1E ST H111 1 1xx eki 104 6.2 Hướng phát triển của dé tài. - --- k1 11g11 1xx eki 104 TÀI LIEU THAM KHẢO.- SE S221 E5 1 E515 12151511115151111511 115111111110 106 PHAN LY LICH TRÍCH NGANG. 108 QUÁ TRÌNH DAO TẠẠO.-G- Set S 151 51515151111151515151 1111111811111 111111 krki 108 QUÁ TRÌNH CONG TÁC.

- - set 1515151 51115151515151511111 1111111111111 1k rkd 108 LV ThS.: Điều khiển ôn định bộ nguồn tan số 400Hz Vũ Duy Nhất DANH MỤC HÌNH ANH Hình 1.1: Dién hình hệ thông điện trên máy bay [ l].- 5c Set ctcteteterererererred 14 Hình 1.2: Bộ nghịch lưu 12 xung [Ðj.Ăcc ST S1 1121215911 111 111k 52111 xx5 16 Hình 2.1: Cấu trúc tong quan bộ nguôn tan số 400Hz [2] .2: Mô hình cơ bản bộ nguồn 1 pha 4001Hz. 5:5: St St +tcteteEerererererered 20 Hình 2.3: Bộ chỉnh lưu 12 xung sử dụng biến áp đôi [8]. Si Scccctckererererererered 21 Hình 2.4: Cấu trúc nghịch lưu 3 pha 12 IGBT [2] ccccccccccscscscscssesvsvsvsvevsvsssesvsvsveveveevees 22 Hình 2.5: Cấu trúc nghịch lưu 3 pha 6 IGBT [2] ccccccccccccscscssssescsvsvsvevevsverssesvsvsvsvsveenees 23 Hình 2.6: Mô hình cơ bản bộ nguồn 1 pha 400Hz sử dụng nghịch lưu da bậc.7: Bộ nghịch lưu cầu HL pha iccceccceccceccscccscsvsvsvssssesesesvsvsvsvsveveseessavevsvsvsvsvevenees 24 Hình 2.8: Bộ nghịch lưu 5 bậc Ï DÌA.ĂĂ S122 111111 vn 111111 xk5 26 Hình 2.9: Bộ nghịch lưu 3 bác NPC. ĂQ TQ TQ eee e 11111111 111111 k kg 211 xk.10: Phân loại các phương pháp diéu khiển bộ nghịch lưuj[14].11: Phương pháp sóng mang diéu khiến bộ nghịch lưu 3 bậc NPC.12: Bộ lọc thông thấp LC.

ccscsSt S111 HE HH ieg 30 Hình 2.13: Mô hình liên tục của bộ nguồn 1 pha 400Hz [2J.1: Biểu đồ mô tả tác động của Dead-time lên xung diéu khiển.2: Biểu đồ mô tả tác động của Dead-time lên điện Gp ngỗ ra.3: Biéu đồ mô ta giải thuật bù Dead-time thực hiện trên FPGAÄ.4: Phương thức thực hiện DeqdlĂHIH€.5: Sơ đô khối của Module tạo DeQQ-time ooccccccccccccccscsscscsscsssecsesscsesscsesscsevscsesees 39 Hình 3.6: Chỉ tiết của Module tạo Dead-time cho hệ thống xung diéu khiển.7: Biếu đô tạo các xung bù dead-time .8: Sơ đồ khối kĩ thuật bù Dead-time dùng FPA.9: Pho tân số của một AANG CIN ICU PP.10: Hệ thong diéu khién vòng kin dùng bộ diéu khién ÑesonqHi.11: Diéu khiển vòng đơn bộ nguồn 1 pha 400Hz [2] .12: Root Locus của hệ thong vòng kin dùng bộ điều khiển ResondH.13: Mô hình mô phỏng Matlab bộ diéu khiển Resonant vòng đơn hồi tiếp áp.: Điều khiển ôn định bộ nguồn tan số 400Hz Vũ Duy Nhất Hình 3.14: Tin hiệu đấu vào (màu xanh Id) và điện áp ngõ ra (mau xanh lam) ứng với Hình 3.17: Root Locus của hệ thong vòng kin dùng bộ điều khiển PR với K,„„=0.18: Root Locus của hệ thong vòng kin dùng bộ điều khiển PR với K,„„=0.19: Root Locus của hệ thong vòng kin dùng bộ điều khiển PR với K,„„=0.20: Mô hình mô phỏng Matlab bộ điều khiển Resonant có khâu tỉ lệ P.21: Tin hiệu dau vào (màu xanh lá) và điện dp ngõ ra (màu xanh lam) ứng với '°C .Th 7 can nh S.22: Tin hiệu dau vào (màu xanh lá) và điện dp ngõ ra (màu xanh lam) ứng với Kpv=0.23: Tin hiệu dau vào (mau xanh lá) va điện dp ngõ ra (màu xanh lam) ứng với Ky 0.24: Tin hiệu dau vào (màu xanh lá) va điện dp ngõ ra (màu xanh lam) ứng với Ky 0.2 VE Kyy=800 na .25: Tin hiệu dau vào (mau xanh Id) và điện dp ngõ ra (màu xanh lam) ứng với Ky 0.3 VE Kya nh .26: Tin hiệu dau vào (màu xanh Id) va điện áp ngõ ra (mau xanh lam) ứng với Ky 0.3 Va Ky LO nh .27: Tin hiệu dau vào (màu xanh lá) va điện dp ngõ ra (màu xanh lam) ứng với Ky. Tà 7 ca nh .28: Biểu đô Bode cua ham truyền bộ lọc rLC với thông số như trong Bang 3.7 ¬— cece ee eeene teen ee eee GE EEEEAEEESEAEEESEAGEEEEEAEEEEEA GEESE GEE EDAGEEESEAGEESEAGEESeaAEEEeaGEEEEaaEEEEEEEES 6] Hình 3.29: Hệ thong diéu khién vòng kin dùng bộ điều khién Resonant hồi tiếp ca dòng AIEN VA AIECN AP [O] 07777.30: Root Locus của vòng dong điện ding bộ điều khiển PR với K,,=0.31: Root Locus của vòng dong điện ding bộ điều khiển PR với K,,=0.: Điều khiển ôn định bộ nguồn tan số 400Hz Vũ Duy Nhất Hình 3.32: Root Locus của vòng dong điện ding bộ điều khiển PR với K,,=U.33: Root Locus của vòng dong điện ding bộ điều khiển PR với K,,=0.34: Root Locus của hệ thong vòng kin hồi tiếp kép với K„„=0.35: Mô hình mô phỏng Matlab bộ điều khiển Resonant vòng kép.36: Tin hiệu đấu vào (màu xanh Id) và điện áp ngõ ra (mau xanh lam) ứng với Kc=0. 5< SE S2 he 70 Hình 3.37: Tin hiệu dau vào (màu xanh lá) và điện áp ngõ ra (mau xanh lam) ứng với Kc=0.38: Tin hiệu dau vào (màu xanh Id) và điện áp ngõ ra (mau xanh lam) ứng với Kc=0. 5< 2k1 HH nhe 71 Hình 4.1: Mô hình mô phỏng phần công suất trên Matlab/Simulink.2: Mô hình mach nghịch lưu 5 bác I pha dùng S IGBT.3: Bộ lọc thông thấp và CáC DO Íl Ï.

c1 111kV 1 1K 1 kh kg 76 Hình 4.4: Mô hình bộ diéu khiến cho bộ nguon tân số AOOHZ voccccccccccccccscsccscscsscsessceees 77 Hình 4.5: Chi tiết bộ diéu khiến Resonant hồi tiếp điện GD iccceccccccccccccscscscscssesesesvevevees 78 Hình 4.6: Điện áp ngõ ra trong trường hop tai RL không diéu khiển.7: Dòng điện tải trong trường hop tải RL không diéu khiễn.8: Phân tích phô dòng điện ti.cccccececcccccccccscscscssssssescsvsvsvsvsvsvssssssevsvsvsvsvevevenees SO Hình 4.9: Diện áp ngõ ra trong trường họp tai RL có điểu khiển.10: Dong điện tải trong trường hop tải RL có điễu khiển.11: Phân tích phô dong điện tGicc.12: Diện áp ngõ ra trong trường họp tải chỉnh lưu không diéu khiến.13: Dong điện tải trong trường họp tai chỉnh lưu không điều khiển.14: Phân tích phô dòng điện tGi.15: Diện áp ngõ ra trong trường họp tải chỉnh lưu có diéu khiến .16: Dong điện tải trong trường họp tai chỉnh lưu có điều khiển.17: Phân tích phô dong điện ti.1: Mô hình thực nghi€m .ccccccccccccccccccccccccc ec eeee ete HS S111 1111 111k kg 00111 xk: SS Hình 5.2: Mach nghịch lưu 5 bác 1 pha sứ dung 8 IGBT 0.3: Mach tạo điện áp DC Bus. SQ SĐT SE 1111112991111 1 11kg 111 xx: 90 LV ThS.: Điều khiển ôn định bộ nguồn tan số 400Hz Vũ Duy Nhất Hình 5.4: Mạch lọc RLC cua bộ nguồn “7///,-2 2 ẼẼẺẼh8.5: Cảm biến áp LV20-PP. 5 SE EEEE1 1111211111111 TH Hrr kg 91 Hình 5.6: Cảm biến dòng LA-25NP. ST S111 HH reo 92 Hình 5.7: Mach lái IGBT Š XUH .8: Mach xu ly dùng DSP TMS320F 28335 cua hang Texas Instruments.9: Mach xu lý tín hiệu dùng F PC Ả|.10: Hệ thông 771x0/15/712/EEEEERRRREREE.

cece bebe naa ddd EEE EE ee Eee eeebt naa: 94 Hình 5.11: Sơ dé mach thực nghiệm cán bằng điện AD ÍỊ.Ặ cv iiecsa 95 Hình 5.12: Điện áp nghịch lưu (màu hông) và dòng điện tải (điện áp trên R - màu vàng) trong phương pháp cân bằng GP th ecccccccccccccscscscsesvssssvsvsvsvevsvevetseeeeees 96 Hình 5.13: Điện ap tu bị lệch khi chưa thực hiện giải thuật cân bằng" 96 Hình 5.14: Điện áp trên 2 tụ khi thực hiện giải thuật cán bằng Ấp ẨỤ.15: FFT dòng điện tải khi có (bên trái) và không có giải thuật cân bằng áp tu ¬— cece ee eeene teen ee eee GE EEEEAEEESEAEEESEAGEEEEEAEEEEEA GEESE GEE EDAGEEESEAGEESEAGEESeaAEEEeaGEEEEaaEEEEEEEES 98 Hình 5.16: Điện áp ngịch lưu khi không gắn bộ lọc và tGiccecececccecccccescscscscssesesvsvsvevevees 99 Hình 5.17: Điện áp nghịch lưu khi có gắn bộ lọc và không tdi ecececececcscscscsceseseseseeveeees 99 Hình 5.18: Điện ap ngõ ra khi có bộ lọc và không tải.19:Phán tích FFT cho điện áp ngõ ra khi có bộ lọc và không tải.20: Điện áp ngõ ra va dong điện tải (điện ap do trên R của tải) khi tai R=120 Ohi VOL = 20M708888.lđ1ắăâÔỞÔOÔOB en eee cenaeeeeenaeeeeeneaaeeeennaaes 101 Hình 5.21: Phán tích FFT cho dòng điỆH ldi.22: Dạng điện áp ngõ ra khi có bộ lọc và không tải, bồ sung bộ điều khiển Resonant cho hài DGC Ổ. - LG HH1 S1 KT TK TK nh vs.23: FFT dạng điện áp ngõ ra khi có điều khiển hài bậc 3.24: FFT điện áp ngõ ra khi có (bên trải) và không có điều khiển hài bậc 3.: Điều khiển ôn định bộ nguồn tan số 400Hz Vũ Duy Nhất DANH MỤC BANG BIEU Bang 2.1: Quan hệ giữa các trạng thái đóng ngắt và điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu 1 DP) PULL-Bride 007.2: Quan hệ giữa điện áp ra và các trạng thải đóng ngắt bộ NPC 3 bậc.3: Các trạng thai đóng ngắt và ngõ ra tương ứng cua bộ nghịch lưu 1 pha 5 7E.4: Các trạng thai đóng ngắt được HON ccccccccccscecsvssescsesvevsvevevsvsrssvsvsvsvsveveenees 28 Bang 3.1: Nguyên tắc bù dead-time cho xung điện Gp NGO ra.2: Bảng sự thật của việc kết hợp các tín hiỆU. cv ksssesss 39 Bang 3.3: Nguyên tắc bù cho điện áp ngõ ra (kiễu mở rỘN8).4: Nguyên tắc bù cho điện áp ngõ ra (kiểu thu hẹp) veccceccccccccccccscscscssesesvsvevevees 4] Bang 3.5: Anh hưởng của các trạng thái đóng ngắt doi với sự nạp xả trên tu DC.6: Phương pháp đóng ngắt cân bằng áp tụ DC.ScSc tt cteeterererererrred 43 Bang 3.7: Thông số tham khảo bộ nguồn 4001Hz. 55+ SE SE2ESEEEeErEererrrererred 49 Bang 4.1: Thông số mô hình mô Phong ccccccccccccccccscscscsvsvssssesesvsvsvsvsvsvsvsssssvsvsvsvsvsvevenees 73 Bang 4.2: Thông số của bộ điều khiển Ñe€SOPQHI.

5 ST TEE E21 Exrrrrrrrrrrerrred 78 Bang 4.