Thiết kế, thi công và thử nghiệm bộ biến đổi 1 pha-3 pha dùng chỉnh lưu double boost PFC

Nội dung text: Thiết kế, thi công và thử nghiệm bộ biến đổi 1 pha-3 pha dùng chỉnh lưu double boost PFC

1. THIẾT KẾ, THI CÔNG VÀ THỬ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI 1 PHA - 3 PHA DÙNG CHỈNH LƯU DOUBLE BOOST PFC DESIGN, CONSTRUCTION AND TESTING A CONVERT MODEL FROM ONE PHASE TO THREE PHASE AC WHICH USED DOUBLE BOOST PFC RECTIFIERS (1)Trần Ngọc Hùng, (2)Nguyễn Văn Nhờ (1)Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh, (2)Trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí minh TÓM TẮT Bài báo này thực hiện kỹ thuật điều chế độ rộng xung để điều khiển bộ chuyển đổi một pha AC sang ba pha AC. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sóng mang để điều chế bộ nghịch lưu hai bậc để cung cấp nguồn cho phụ tải ba pha. Phương pháp điều chế PWM đề xuất được hỗ trợ bởi phần mềm MATLAB nhằm kiểm tra các trạng thái xác lập cũng như trạng thái quá độ, được áp dụng đối với tải R, L cân bằng. Cấu trúc nghịch lưu 3 pha 2 bậc này sẽ làm cho mạch công suất đơn giản, ít linh kiện công suất giúp tiết kiệm chi phí và không gian thiết kế mạch. Việc điều khiển boost nguồn điện DC được thực hiện theo phương pháp tính toán điện áp trung bình kết hợp với kỹ thuật điều rộng xung Hysteresis. Giải thuật điều khiển được thực nghiệm bằng việc sử dụng kit DSP TMS320F28335 với kỹ thuật lập trình nhúng từ phần mềm MATLAB kết hợp chương trình Code Composer Studio V3.3 biên dịch ra ngôn ngữ C và nạp cho vi xử lý. Từ khóa: Điều khiển số, kỹ thuật nhúng, bộ nghịch lưu, hệ số công suất bằng một. ABSTRACT This article presents PWM method to control convert model from one phase AC to three phase AC. The pulse width modulation use to modulate the inverter from two level for providing three phases loads.The indicated PWM adjustment method is supported by MATLAB software to check the setting states as well as transitional states, applied to equilibrium R, L load. This two level inverter structure will simplify electric output capacity, lessen components that helps reduce cost and circuit space design. The DC power source boost control is carried out by the combination of medium voltage method and Hysteresis potential pulse adjustment method. The indicated algorithm controls are experimented by using DSP TMS320F28335 digital processing unit and programing technique from MATLAB sofware combined with Code Composer Studio V3.3 program, translated into C language and installed on processing unit. Keywords: DSP control, embeded system, inverter, unit power factor. I. GIỚI THIỆU điện dùng để đóng ngắt cung cấp nguồn cho Vào đầu thế kỷ XIX, năng lượng điện những phụ tải một, ba pha, làm các bộ nguồn được đưa vào sử dụng trong nhiều lĩnh vực công suất lớn trong công nghiệp Với ưu kỹ thuật, đến những thập niên 70-80 của thế điểm là kích thước nhỏ gọn, dễ điều khiển và kỷ XX, kỹ thuật điện tử chỉ được ứng dụng thuận tiện, đáp ứng tần số được mở rộng, khả trong những mạch điều khiển, đo lường, năng về công suất, điện áp, dòng điện và độ tin khống chế, bảo vệ hệ thống điện công cậy ngày càng được cải tiến dần. nghiệp gọi là điện tử công nghiệp. Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành Đến thập niên 90 của thế kỷ XX, kỹ công nghiệp, các yêu cầu về tiết kiệm năng thuật điện tử đã ứng dụng khá rộng rãi và lượng và nâng cao chất lượng hệ thống dây thành công trong việc thay thế các khí cụ chuyền sản xuất ngày một cao hơn, bên cạnh
2. đó là giải pháp các nguồn năng lượng xanh 푖 vượt quá giá trị yêu cầu thì bộ điều khiển xuất để giải quyết các vấn đề môi trường và xung kích để các IGBT công suất đóng vào cũng là nguồn năng lượng trong tương lai nguồn âm làm giảm dòng điện hồi tiếp 푖 đang phát triển mạnh mẽ. xuống. Như vậy ngõ ra sẽ được giữ dao động ∗ Trong bài báo này xây dựng mô hình quanh giá trị yêu cầu 푖 với sai số định trước. Thiết kế, thi công và thử nghiệm bộ biến đổi một pha sang ba pha dùng chỉnh lưu double boost PFC nhằm đáp ứng các yêu cầu về ổn định điện áp đầu ra cho tải mà vẫn đảm bảo hệ số công suất xấp sỉ bằng một. Ngoài ra kết quả của nghiên cứu này có thể áp dụng như là một phần cho các bộ lưu điện, các hệ thống năng lượng gió, năng lượng mặt trời hòa lưới và không hòa lưới, Nguyên lý giải thuật điều rộng xung được Hình 2. Sơ đồ khối của kỹ thuật điều chế tham khảo trong [6], [8], [9]. Tác giả thực theo dòng điện yêu cầu hiện điều khiển bằng card DSP TMS320F28335của hãng Texas Instruments [10] kết hợp phần mềm MATLAB và Simulink; toàn bộ giải thuật được xây dựng và thực hiện bằng kỹ thuật nhúng trong MATLAB để điều khiển bộ biến đổi đạt hệ số công suất bằng một. Hình 3. Nguyên lý xuất xung kích của kỹ thuật L1 D1 điều chế theo dòng điện yêu cầu L2 D2 S1a S1b S1c 2. Ứng dụng kỹ thuật điều chế xây dựng mô R L hình mô phỏng và thuật toán điều khiển sử S1 S2 C1 dụng phần mềm Matlab cho bộ nghịch lưu một pha gồm một nhánh NPC ba bậc. Xây dựng mô hình mô phỏng S2a S2b S2c Hình 1. Cấu trúc bộ biến đổi 1 pha - 3 pha II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Kỹ thuật điều chế theo dòng điện yêu cầu hay còn gọi là dòng điện đặt (Hysteresis current control). Nguyên lý điều khiển: Theo hình 2 ta đã xác ∗ định được dòng điện yêu cầu 푖 , dòng điện ∗ yêu cầu 푖 được so sánh với tín hiệu dòng điện hồi tiếp 푖 , khi dòng điện hồi tiếp 푖 ∗ nhỏ hơn dòng điện yêu cầu 푖 thì bộ điều Hình 4. Mô hình mô phỏng của bộ biến đổi 1 khiển xuất xung kích để các IGBT công suất pha ra 3 pha trên matlab. đóng vào nguồn dương nhằm làm tăng dòng điện hồi tiếp 푖 , khi dòng điện hồi tiếp
3. 3. Thực nghiệm lập trình nhúng vi xử lý III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC DSP F28335, thiết kế mô hình và đo đạt kết NGHIỆM quả, so sánh với kết quả mô phỏng. Từ mô hình mô phỏng trên simulink của phầm mềm matlab, để nhúng được chương trình này xuống DSP TMS320F28335, ta phải loại tất cả các thành phần vật lý có trong mô hình mô phỏng, rời rạc các thành phần còn lại của mô hình. Các tín hiệu đo được từ ngõ ra của các cảm biến trước khi đưa vào DSP TMS320F28335 thì phải số hóa bởi bộ chuyển đổi ADC. DSP TMS320F28335 nhận các tín hiệu, xử lý và xuất tín hiệu xung ra mạch lái điều khiển các IGBT. Hình 5. Sơ đồ tổng thể mô hình hệ thống Bảng 1: Thông số mô phỏng và thực nghiệm bộ boost PFC Mô phỏng Thực nghiệm Các Điện Điện Điện Điện thông áp Vs áp V0 áp Vs áp V0 số ngõ ngõ ra ngõ ngõ ra vào vào 40V 80 V 40V 85.6V 50V 100 V 50V 105V 60V 120 V 60V 119V Hình 6. Mô hình thực nghiệm với kỹ thuật nhúng từ Matlab/ Simulink Kp 0.1985 0.01 Ki 2.75 0.01 Tải 80 80 Bảng 2: FFT dòng điện ngõ vào Is tương ứng với sự thay đổi Vs Hình 7. Khối giao tiếp DSP và thông số cài đặt FFT dòng Is mô FFT dòng Is thực phỏng Vs=40V nghiệm Vs=40V Hình 1. Cửa sổ PWM của F28335
4. FFT dòng Is mô FFT dòng Is thực Bảng 4: Dạng sóng kết quả thực nghiệm phỏng Vs=50V nghiệm Vs=50V Dạng sóng Vs, Is, V0 đo ở ngõ ra của các cảm biến FFT dòng Is mô FFT dòng Is thực phỏng Vs=60V nghiệm Vs=60V FFT dòng - Kết quả thực nghiệm cho thấy điện áp DC điện nguồn Is ngõ ra Vo của mạch Boost tăng tuyến tính theo điện áp đặt Vref. Sai số điều khiển giảm khi điện áp ngõ vào tăng, điện áp DC ngõ ra của mạch Boost càng bám sát với điện áp đặt. Độ dao động của điện áp ngõ ra DC V dưới 5%. Điện áp ngõ - Hài dòng điện Is giảm khi điện áp ngõ vào ra V0 tăng, các bậc hài chẵn dần bị triệt tiêu. - Dạng sóng dòng điện Is hình sin được điều khiển bám theo điện áp Vs. - Kết quả mô phỏng cho thấy Độ méo dạng hài dòng điện THD ngõ vào tỷ lệ nghịch với điện áp ngõ vào Vs, tổng hài vẫn giữ trong Dòng tải 3 mức cho phép theo tiêu chuẩn IEEE-519 pha thấp hơn 5% chất lượng dòng điện tốt có THD thấp. Bảng 3: Kết quả thực nghiệm bộ biến đổi 1 pha – 3 pha AC dùng chỉnh lưu double boost PFC FFT của dòng điện tải Tham số Số liệu Điện áp ngõ vào Vs (V) 60V Điện áp ngõ ra V0 (V) 120V Kết quả thực nghiệm cho thấy: Kp 0.01 Ki 0.01 - Dòng điện ngõ vào Is có biên dạng sin giống như điện áp ngõ vào Vs, độ lệch pha giữa Is và Cuộn kháng 5mH Vs nhỏ. Tải R =40Ω, L =90mH - Dòng điện ba pha có dạng hình sin, độ hài dòng điện tải thấp hơn 5% đạt tiêu chuẩn theo tiêu chuẩn IEEE-519.
5. - Hệ thống vận hành ổn định, điện áp DC ngõ ra của hệ thống Boost điện áp 123Vdc luôn giữ gần với giá trị đặt 120Vdc, sai số điện áp điều khiển đạt 2,5%. Tất cả các kết quả được thực hiện trên mô hình phần cứng ở hình 9 Hình 9. Mô hình thực nghiệm
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Giáo trình Điện Tử Công Suất, NXB Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội, 2007. [2] Nguyễn Văn Nhờ, Giáo trình Điện tử công suất 1, Nhà xuất bản ĐHQG, 2002, 289 trang. [3] Lê Minh Phương, Phan Quốc Dũng, Mô phỏng Điện tử công suất trong Matlab – Simulink, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. [4] Nguyễn Phùng Quang, Matalb và Simulink (dành cho kỹ sư điều khiển tự động), NXB Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội. Tiếng nước ngoài [5] Burak Akın, “Comparison of Conventional and Interleaved PFC Boost Converters for Fast and Efficient Charge of Li-ion Batteries Used in Electrical Cars” 2012 International Conference on Power and Energy Systems Lecture Notes in Information Technology, Vol.13. [6] Roberto Martinez, Member, IEEE, and Prasad N.Enjeti, senior Member, IEEE “A High-performace Single-Phase Rectifier With Input power Factor Correction”,IEEE transactions on power electronics, vol 11 No 2 March 1996. [7] Tao Qi, Lei Xing and Jian Sun, Senior Member, IEEE “Dual –Boost single-phase PFC Input current Control based on output current sensing”, IEEE transactions on power electronics, vol 24, NO .1. November 2009. [8] Fariborz Musavi Department of Research, Engineering Delta-q Technologies Corp “Burnaby, BC, CanadaA Phase Shifted Semi-Bridgeless Boost Power Factor Corrected Converter for Plug in Hybrid Electric Vehicle Battery Chargers”. [9] Bor-Ren Lin, Hsin-Hung Lu, Shuh-Chuan Tsay, “Control Technique for High Power Factor Multilevel Rectifier”, IEEE Transactions on aerospace and electronic systems, Vol. 37, No. 1 January 2001, pp.226-241. [10] Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Trần Ngọc Hùng Đơn vị: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Điện thoại: 0907568525 Email: namehungnt@gmail.com
7. 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.