Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM, bằng bộ điều khiển PSO-PID

Nội dung text: Điều khiển mạch chỉnh lưu ba pha PWM, bằng bộ điều khiển PSO-PID

1. ĐIỀU KHIỂN MẠCH CHỈNH LƯU BA PHA PWM, BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PSO-PID Dương Trần Đình Thảo1, Nguyễn Minh Tâm2 1Khoa Điện- Điện, Cao Đẳng KTKT-Kiên Giang Email: dtdthao@kiengiangtec.edu.vn 2Khoa Điện- Điện tử, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Email: tamnguyenspkt@gmail.com Tóm tắt: Trong bài báo này, bộ chỉnh lưu ba pha được thiết kế và thi công mô hình vật lý điều khiển bằng phương pháp điều chế độ rộng vectơ không gian (SVPWM), đồng thời được kết nối với giao diện điều khiển và hiển thị của phần mềm Matlab, sự điều khiển ứng động của hệ thống được thực hiện bằng phương pháp điều khiển tỉ lệ - tích phân – vi phân (PID), để xác định các thông số của bộ PID tác giả ứng dụng giải thuật dò tìm tối ưu hóa cá thể bầy đàn (PSO). Với phương pháp này hệ thống có thể ổn định đối với sự ảnh hưởng của nhiều tải phi tuyến. Từ Khóa: Bộ chỉnh lưu ba pha, thuật toán bầy đàn PSO, bộ điều khiển PID - PSO, điều khiển điều chế vector không gian SVPWM. 1. GIỚI THIỆU Việc nghiên cứu điều khiển chỉnh lưu đã có từ lâu. Đối tượng chính trong các nghiên cứu này là nghiên cứu chỉnh lưu theo phương pháp điều chế độ rộng sóng mang (CPWM).Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển chỉnh lưu PWM đã và đang được thực hiện ngày một nhiều hơn, thành quả nhất là nghiên cứu theo phương pháp vector không gian (SVPWM). Đây là một giải pháp đầy hứa hẹn với những ưu điểm từ cấu trúc này: Cải thiện các thành phần hài của dòng điện đối với nhiều tải phi tuyến; Cải thiện hệ số công suất trong trường hợp ảnh hưởng bởi ứng dụng nhiều tải; Cải thiện độ cân chỉnh dòng điện nguồn. Giải thuật điều khiển PID đòi hỏi cân chỉnh phức tạp và bằng nhiều kết quả thực nghiệm. Để giải quyết vấn đề này giải thuật PSO được áp dụng nhằm dò tìm thông số Kp, Ki cho bộ điều khiển PID. Với kết quả đạt được từ nghiên cứu này cho thấy hệ thống có đáp ứng điện áp và độ méo hài thấp. Trong phương pháp này thành phần dòng điện dq được kiểm soát, dẫn đến điều khiển ứng động nhanh và hệ số công suất tốt nhất. 2. Mô hình toán chỉnh lưu PWM Sơ đồ mạch của chỉnh lưu ba pha với nguồn áp được thể hiện trong hình 1. Với điện áp nguồn cân bằng, mạch L-R có đáp ứng tuyến tính, các khóa IGBT chuyển đổi lý tưởng và không có tổn thất. Hình 1. Sơ đồ mạch điện chỉnh lưu ba pha nguồn áp 1
2. Phương trình điện áp ba pha nguồn ta có: sin(t) ea Em 2 (2.1) = sin(t - ) eb Em 3 4 = sin(t - ) ec Em 3 Áp dụng định luật Kirchhoff 2 ta có: L dis Ris es us dt (2.2) Triển khai công thức (2.2) ta có điện áp ea, eb, ec (2.3) Điện áp ngõ vào chỉnh lưu 1 uan 2K a K b K c vdc 6 1 ubn b a c vdc 6 2K K K 1 cn c a b dc u 6 2K K K v (2.4) Phương trình dòng điện qua tụ C ic idc iL dvdc = - (2.5) c Ka ia Kb ib Kc ic iL dt = idc Ka ia Kb ib Kc ic Thay (2.4) vào (2.3) ta có L dia K b K c 2K a ea Ria vdc dt 6 dib K a K c 2K b L (2.6) dt eb Rib 6 vdc L dic K a K b 2K c dt ec Ric 6 vdc C dvdc K a ia K b ib K c ic iL dt Định nghĩa Vector không gian 2
3. 2 2 j j 2 3 3 U u u e u e s 3 an bn cn 2 2 2 j j Is i i e 3 i e 3 3 a b c (2.7) 2 2 2 j j K K K e 3 K e 3 3 a b c 2 2 j j 2 3 3 Es e e e e e 3 a b c Thay công thức (2.3) và (2.7) vào và từ (2.10) ta có U s E s 1 U s 2 K udc (2.8) d 1 L R Es dt is is 2 K udc Phương trình chỉnh lưu ba pha trên tọa độ d-q did L ud Rid Liq urd dt urd K d vdc Trong đó: (2.9) q L di uq Riq Lid urq dt urq K q vdc 2 C dvdc K d id K q iq iL dt 3 Các thông số trong hệ trục tọa độ d - q tương ứng: urd,urq là điện áp đầu vào của bộ chỉnh lưu; Kd, Kq là hàm của khóa K; ud ,uq điện áp ; id ,iq dòng điện; ω tần số gốc Phương trình điện áp chỉnh lưu PWM tọa độ d-q / urd urd Liq ud (2.10) / urq urq Lid uq Thay (2.17) vào (2.18 )ta có / L did dt Rid urd (2.11) L diq / Riq urq dt 3
4. Hình 2. Khối điều khiển điện áp urd - urq cho chỉnh lưu PWM 3. Chỉnh lưu SVPWM Ta có sơ đồ vector không gian điện áp cho chỉnh lưu PWM: Với các thời điểm kích dẫn IGBT (V0, V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7). Các sector trong không gian: I, II, III, IV, V, VI Hình 3. Vectơ không gian điện áp 4. Mô hình 4.1 Sơ đồ tổng quát Hình 4. Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu ba pha SVPWM 4
5. Sơ đồ hệ thống bao gồm khối nguồn AC: gồm máy biến áp điện áp ngõ vào 380V/50Hz, điện áp ngõ ra có thể điều chỉnh được tùy theo yêu cầu điện áp DC. Khối chuyển đo lường: gồm cảm biến dòng điện, cảm biến điện áp AC, cảm biến điện áp DC. Khối lọc nguồn: gồm cuộn kháng, điện trở là khối ngăn không cho ngắn mạch ngõ vào và cũng là khối tăng cường điện áp. Khối công suất : gồm sáu IGBT mắc kiểu cầu ba pha hoặc khối IGBT, tụ điện và cảm biến điện áp DC. Khối điều khiển tín hiệu PWM: gồm mạch nguồn, mạch kích, mạch vi xử lý tạo ra xung kích từ dữ liệu ngõ vào của hệ thống. Tạo các xung điều khiển các khóa đóng cắt IGBT, khâu hoạt động theo nguyên lý điều chế vector không gian. Khối tải: gồm hệ thống tải điện trở, đèn, động cơ DC, 4.1 Mô hình mô phỏng và giao diện điều khiển card dSPACE104 bằng Matlab/Simulink Mô hình mô phỏng Hình 5. Sơ đồ tổng quan các khối Sơ đồ tổng quát mô phỏng bao gồm khối nguồn AC: gồm máy biến áp tự ngẫu điện áp ngõ vào 380V/50Hz, điện áp ngõ ra có thể điều chỉnh được tùy theo yêu cầu điện áp DC. Khối cảm biến: cảm biến dòng điện ba pha, cảm biến điện áp ba pha, cảm biến điện áp ngõ ra DC. Khối lọc nguồn: cuộn kháng. Khối công suất : gồm khối IGBT hoặc gồm sáu con IGBT. Khối điều khiển tín hiệu PWM: gồm mạch nguồn điều khiển, mạch kích, mạch vi xử lý tạo ra xung kích từ dữ liệu ngõ vào của hệ thống. Khối tải: gồm hệ thống tải biến trở công suất, bóng đèn. Khối hiển thị: các đồng hồ hiển thị dòng điện, điện áp vào và điện ra. 5
6. Giao diện điều khiển card dSPACE104 Hình 6. Màn hình giao diện mô phỏng trên boad dsPACE1104 Màn hình giao diện quản lý và hiệu chỉnh kết nối mô hình: 1- điều chỉnh thông số kp,kp1,kp2; 2- điều chỉnh thông số ki,ki1,ki2; 3- nút nhấn chế độ PWM; 4- nút nhấn chế độ bình thường; 5- đồ thị điện áp DC; 6- nút điều chỉnh điện áp DC; 7- đồ thị quản lý gốc kích iq và id; 8- đồ thị điện áp và dòng điện pha b; 9- đồ thị điện áp và dòng điện cùng pha (cosφ); 10- đồ thị điện áp ba pha; 11- đồ thị dòng điện ba pha. 4.2 Mô hình vật lý Hình 7. Mô hình vật lý 6
7. 5. KẾT QUẢ Thông số cho trước theo mô hình: Kp1 = 165.5; Ki1 = 4.8e3 và Kp2 = 165.5; Ki2 = 4.8e3; Vin = 30v; Vref = 100v; Ls = 12mH; Rs = 4.7/2; c = 880mf; Rtải1 = 100 ohm; Rtải2 = 150 ohm; n = 30 ; bird_setp=7; Kp= 0.5; Ki= 5, sys_overshoot= 0.087 5.1 Kết quả mô phỏng matlab - Hoạt động qua 1 tải: Hình 8. Đồ thị điện áp DC và dòng điện DC Tín hiệu điện áp và dòng điện ổn định khi có tải Hình 9. Đồ thị dòng điện pha A Tín hiệu dòng điện pha A sin khi có tải hoạt động Hình 10. Đồ thị điện áp pha A và dòng điện pha A cùng pha 7
8. Tín hiệu điện áp và dòng điện sin cùng pha ổn đinh khi có tải Hình 11. Phân tích FFT điện áp pha C Tín hiệu phân tích FFT của điện áp pha C khi tải thay đổi THD=0% vậy lượng THD nằm trong phạm vi Tiêu chuẩn IEC và tiêu chuẩn 519 của ngành điện cho phép là THD = 6.5% Hình 12. Phân tích FFT dòng điện pha C Tín hiệu phân tích FFT của dòng điện pha C khi tải thay đổi THD=3.77% vậy lượng THD nằm trong phạm vi cho phép theo Tiêu chuẩn IEC và tiêu chuẩn 519 của ngành điện cho phép là THD = 6.5% - Hoạt động qua 2 tải: Hình 13. Đồ thị điện áp DC và dòng điện DC 8
9. Tín hiệu điện áp ổn định và dòng điện ổn định khi có tải thay đổi Hình 14. Đồ thị điện áp và dòng điện ba pha Tín hiệu điện áp và dòng điện ba pha sin khi có tải thay đổi Hình 15. Đồ thị điện áp pha C và dòng điện pha C (dòng và áp cùng pha) Tín hiệu điện áp và dòng điện pha C sin cùng pha khi tải thay đổi Hình 16. phân tích FFT điện áp pha C 9
10. Tín hiệu phân tích FFT của điện áp pha C khi tải thay đổi THD=0% vậy lượng THD nằm trong phạm vi cho phép theo Tiêu chuẩn IEC và tiêu chuẩn 519 của ngành điện cho phép là THD = 6.5% Hình 17. Phân tích FFT dòng điện pha C Tín hiệu phân tích FFT của dòng điện pha C khi tải thay đổi THD=2.54% vậy lượng THD nằm trong phạm vi cho phép theo Tiêu chuẩn IEC và tiêu chuẩn 519 của ngành điện cho phép là THD = 6.5% Hình 18. Tín hiệu sai số và Kp,Ki Hàm sai số biến đổi từ Vref=100v giảm dần về 0V trong suốt thời gian ổn định. Giá trị hàm Kp, Ki thay đổi từ số bầy đàn n từ [0-14] sau đó ổn định từ n=14 trở về sau thông số Kp= 0.5; Ki= 5, sys_overshoot= 0.087 5.2 Kết quả thực nghiệm Màn hình hiển thị số liệu đang chạy mô phỏng qua hai tải ở chế độ có điều chế PWM quan sát dòng điện và điện áp cùng pha cosφ = 0.989 10
11. Hình 19. Mô hình đang hoạt động 2 tải trên boad dsPACE1104 Quan sát mô hình đang chạy qua hai tải ở chế độ có điều chế PWM thấy màn hình hiển thị điện áp và dòng điện cùng pha. KẾT LUẬN Luận văn đã hoàn thành – mô phỏng và thi công mô hình chỉnh lưu có điều khiển PWM theo phương pháp hiệu chỉnh PID và giải thuật bầy đàn PSO. Kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy điều khiển PID với các thông số được xác định bằng giải thuật bầy đàn hoạt động tốt hơn so với phương pháp PID tự chỉnh bằng tay: Thời gian đáp ứng tốt và thời gian xác lập nhanh, độ vọt lố nhỏ. Trong quá trình hoạt động của mạch, ở những thời điểm thay đổi tải, độ vọt lố và điện áp ra ổn định không thay đổi nhiều. Điều khiển điện áp ngõ ra chính xác theo thông số đặt. Dòng điện lưới hình sin, sóng điều hòa bậc cao không đáng kể. Đề tài luận văn đã mô phỏng và xây dựng mô hình bộ chỉnh lưu ba pha PWM điều khiển bằng bộ điều khiển PID và PID-PSO. Đề tài đã so sánh kết quả đạt được từ bộ điều khiển PID và PID-PSO. Tuy nhiên, kết quả đạt được chưa được so sánh với một số bộ điều khiển khác như: điều khiển dùng logic mờ, điều khiển dùng mạng nơ-ron nhân tạo, Kết quả mô phỏng và mô hình thực nghiệm mang so sánh với một số mô phỏng điều khiển dùng logic mờ, điều khiển dùng mạng nơ-ron nhân tạo, Thi công và ứng dụng vào thực tế như: nguồn điện một chiều có điện áp cao phục vụ cho công nghiệp, bộ nguồn biến tần, bộ nguồn DC công suất lớn có thể điều chỉnh được. 11
12. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Phùng Quang, Truyền Động Điện Thông Minh, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2006. 2. Nguyễn Văn Nhờ, Cơ sở lý thuyết điện tử công suất, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. 3. Phan Quốc Dũng, Tô Hữu Phúc, Truyền động điện, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2003. 4. Phạm Văn Lực, Ứng dụng phương pháp điều khiển PID mờ kết hợp với phương pháp định hướng trường để điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, 2011. 5. Huỳnh Đức Chấn, Ứng dụng giải thuật bầy đàn để xác định thông số bộ PID trong điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha.Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, 9/2011. 6. Boumediene Allaoua Brahim GASBAOUI and Brahim MEBARKI, Setting Up PID DC Motor Speed Control Alteration Parameters Using Particle Swarm Optimization Strategy, Bechar University, Departement of Electrical Engineering B.P 417 BECHAR (08000) Algeria, pp. 19-32. 7. C. Thanga Raj, Member, IAENG, S.P. Srivastava, and Pramod Agarwal, Particle Swarm and Fuzzy Logic based optimal energy control of induction motor for a mine hoist load diagram, IAENG International Journal of comuter science, 2009. 8. Chao Ou, Weixing Lin, Comparison between PSO and GA for Parameters Optimization of PID Controller, The Faculty of Information Science and Technology University of NingBo University of NingBo, pp. 2471-2475. 9. Hassan Baghgar Bostan Abad, Ali Yazdian Varjani, Taheri Asghar, Using Fuzzy Controller in Induction Motor Speed Control with Constant Flux, 2005. 10. van&op=De-tai-Nghien-Cuu-Khoa-Hoc/Dieu-khien-bo-chinh-luu-3-pha-PWM-bang-bo-dieu-khien-PSO- PID-Bao-cao-tong-ket-de-tai-Khoa-hoc-va-Cong-nghe-cap-truong-T2011-14 11. N. Pillay, A Particle swarm optimization approach for tuning of SISO PID control loops, 2008. 12. Radha Thangaraj; Thanga Raj Chelliah; Millie Pant; Ajith Abraham and Crina Grosan, Indian Institute of Technology Roorkee; Scientific Network for Innovation and Research Excellence Washington, USA and Department of Computer Science Babes-Bolyai University Cluj-Napoca, Romania “Optimal gain tuning of PI speed controller in induction motor drives using particle swarm optimization”, July 2010. 13. R. J. Wai, Robust Decoupled control of Direct Field-oriented Induction Motor Drive, IEEE Transaction on Industrial, Vol. 52, No. 3, June 2005. 14. Vadugapalayam Ponnuvel Sakthivel, Ramachandran Bhuvaneswari, Srikrishna Srikrishna Subramanian, Economic design of Three-phase induction motor by PSO J.Electromagnetic Analysis & Applications, pp. 301-308, 2010. 15. V. I. Utkin, J.G Guldner, and J.Shi, Sliding Mode Control in Electromechanical Systems. Taylor & Francis, 1999. 16. Quy định hệ thống điện phân phối số 32 /2010/TT-BCT HN- ngày 30 / 7/2010 17. Control Strategy for Three ase Voltage Source PWM Rectifier Based on the Space Vector Modulation 18. Harmonics in electrical power systems Prof. Ing. Mark Halpin, professore di Electrical Power Systems dell’Auburn University - Alabama USA presidente dell’IEEE/IAS, fellow IEEE IEEE 519: Limits on Voltage Harmonics 19. Wael Mansour, Tunning of PID controller using Particle Swarm Optimization, Electrical Enginering Dept, Faculty of Engineering Cairo University, Egypt. 20. Mehdi Nasri, Hossein Nezamabadi-pour, and Malihe Maghfoori, A PSO-Based Optimum Design ofPID Controller for a Linear Brushless DC Motor, World Academy of Science, Engineering and Technology 26 2007 12
13. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.