ĐIỀU KHIỂN SỐ BỘ CHUYỂN ĐỔI XOAY CHIỀU BA PHA ĐIỀU CHẾ

ĐỘ RỘNG XUNG VÀ BỘ LỌC CHỦ ĐỘNG

 

Lưu Hồng Việt

Bộ môn điều khiển tự động, Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Email: vietluu-ac@mail.hut.edu.vn

 

TÓM TẮT

 

            Bài báo cáo này giới thiệu một chiến lược điều khiển cho bộ chuyển đổi xoay chiều ba pha (BCĐXC) được mở rộng thêm chức năng bộ lọc chủ động. Nhờ vào khả năng điều khiển độc lập dòng điện năng hữu dụng p và dòng điện năng phản kháng q trao đổi với lưới điện cung cấp, bộ chuyển đổi xoay chiều 3 pha có thể được điều khiển để hoạt động như một bộ chỉnh lưu 3 pha truyền thống, đồng thời có thêm chức năng của một bộ lọc chủ động. Đề xuất nghiên cứu này đã được thực hiện, kiểm nghiệm trên mô phỏng và thí nghiệm cài đặt trên thiết bị thực.

            Từ khoá: “ chỉnh lưu xoay chiều ba pha”, “điều khiển biến tần”, “lọc tích cực”, “bù công suất phản kháng”, “nhiều hài năng lượng”

 

1. GIỚI THIỆU

 

            Trong những thập kỷ gần đây, vấn đề điều khiển cho các bộ chuyển đổi xoay chiều 3 pha áp dụng phương pháp điều chế độ rộng xung thu hút một sự quan tâm đặc biệt trong các chủ đề về điều khiển các đối tượng điện tử công suất. Sự nỗ lực được tập trung nhằm làm chủ và nâng cao chất lượng cung cấp và chuyển đổi xoay chiều cũng như khả năng tái tạo và lọc chủ động hài năng lượng. Chất lượng năng lượng điện cung cấp là một tiêu chí quan trọng vàđược đặc trưng bởi các thuộc tính của dòng điện, điện áp về sự đồng bộ, dạng sóng biên độ, tần số và độ ổn định. Các thuộc tính này chịu ảnh hưởng nặng nề bởi các tải phi tuyến tiêu thụ trong lưới điện, ví dụ như các bộ chỉnh lưu diode tự nhiên. Ngày nay do yêu cầu ngày càng tăng về chất lượng cung cấp và tiêu thụ điện năng, các bộ chỉnh lưu điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM) đã được áp dụng rộng rãi mặc dù chi phí đầu tư ban đầu tốn kém hơn và kỹ thuật điều khiển phức tạp hơn. Đến nay đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về ván đề điều khiển riêng rẽ chức năng chuyển đổi 3 pha truyền thống [6] - [9] và chức năng bọ lọc tích cực [1] - [5], [9]. Về cơ bản, chúng là các thiết bị khác nhau về chức năng nhưng được thực hiện trên cùng một nền phần cứng thiết bị gần giống nhau, vì vậy có thể được tổ hợp và thực hiện song song. ĐIều này mang lại một ưu thế trong việc giảm chi phí đầu tư trong các hệ cung cấp chuyển đổi xoay chiều. Tuy nhiên việc điều khiển sẽ thêm phần phức tạp. Một thoả hiệp về điều khiển dòng công suất trao đổi sẽ phải được thực hiện nhằm thoả mãn đồng thời cả hai chức năng theo một thứ tự ưu tiên nhất định. Đồng thời phải đảm bảo một phương pháp điều khiển đủ nhanh và chính xác để thoả mãn được khả năng bù nhiễu năng lượng gần như tức thời.

 

2. CẤU HÌNH HỆ THỐNG NGHIÊN CỨU

 

            Sơ đồ mạch của BCĐXC kết nối với lưới điện cugn cấp được nghiên cứu và chỉ ra như trong hình vẽ H.1. BCĐXC cung cấp trực tiếp cho một tải thuần trở tương đương RLoad  kết nối trực tiếp ở phía một chiều. Đấu song song cùng BCĐXC vào lưới là một bộ chỉnh lưu 3 pha Diode tự nhiên, đóng vai trò như một tải phi tuyến và gay ra một dòng tiêu thụ phi tuyến i_tải_phi_tuyến. Nhằm để hạn chế nhiễu dòng và đảm bảo sự hoạt động với cấu hình tối thiểu của BCĐXC và lưới điện. Giá trị của cuộn cảm được lựa chọn tuỳ thuộc vào khả năng chi phí cung cấp để giảm thiểu nhiễu hài bậc cao do hoạt động điều chế độ rộng xung gây ra, đồng thời phải tránh được sự cộng hưởng có thể xảy ra trong hệ thống.

 

 

 

Hình 1: Sơ đồ mạch BCĐXC trong hệ thống nghiên cứu

 

3. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BCĐXC

 

            Đẳng thức điện áp của hệ thống lưới điện ba pha cân bằng không có daâ trung tính có thể được biểu diễn như sau:

                                                   (1)

                                  (2)

                                             (3)

 

Trong đó ug = (ua, ub, uc)T, is = (ia, ib, ic)T   tương ứng là các điện áp và dòng các pha lưới; ui là điện áp rơi trên cuộn cảm biến nối liên thông giữa lưới điện và BCĐXC; us = (usa, usb, usc)T là điện áp pha được điều chế tại đầu ra phia xoay chiều của BCĐXC. Giản đồ mạch tương đương của BCĐXC kết nối với lưới điện được chỉ ra theo hình vẽ H.2

Trong hệ toạ độ tĩnh  đẳng thức điệ áp (3) được viết lại như sau:

                                          (4)

chuyển đổi sang hệ toạ độ quay d – q đồng bộ tựa theo điện áp lưới ta thu được như sau:

                                                      (5)

Hình 2: Giản đồ mạch tương đương của BCĐXC kết nối với lưới điện

 

            Thực chât của việc điều khiên BCĐXC gắn liền với việc điều khiển duy trì điện áp chỉnh lưu phía một chiều thông qua việc điều khiển điện áp điều chế đặt vào phía xoay chiều us để dẫn dòng trao đổi với lưới điện. Biên độ của us có thể được điều khiển tới một giá trị cực đại quyết định bởi phương pháp điều chế độ rộng xung và điện áp duy trì phía một chiểu của BCĐXC. Tuỳ thuộc vào pha và biên độ được điều chế của us, dòng năng lượng trao đổi giữa lưới và BCĐXC được gián tiếp điều khiển. Cuộn cảm liên thông giữa lưới điện và BCĐXC đóng vai trò như thành phần tích phân của hệ và một nguồn dòng để tạo ra đặc tính nâng của BCĐXC. Dòng dẫn xuất tạo ra is bởi cuộn cảm thực chất được điều khiển bởi điện áp rơi trên cuộn cảm ui. Nhờ vào việc điều khiển us dòng trao đổi giữa lưới và BCĐXC cũng được điều khiển theo. Theo nguyên lý này các thành phần dòng điện hữu dụng isd và dòng điện phản kháng isq tương ứng với hai thành phần năng lượng hữu dụng p và năng lượng phản kháng q cũng có thể điều khiển một cách gián tiêp.

 

4. CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN BCĐXC .

 

4.1. Năng lượng tức thời định nghĩa trên hệ tham số chiếu

 

            Akagi và các cộng sự đề xuất một định nghĩa mới về năng lượng tức thời trên hệ thám chiếu tĩnh  và được biết tới với tên gọi lý thuyết p-q [1] [2[. Khái niệm năng lượng này được định nghĩa dựa vào giá trị tức thời của các dạng sóng điện áp và dòng điện bất kỳ bao gồm cả trạng thái quá độ.

            Biểu thức điện áp vàdòng điện 3 pha được chuyển đổi và biểu diễn trên hệ tham số chiếu tính   như sau:

                                                         (6)

                               (7)

Năng lượng tức thời được đĩnh nghĩa bao gồm năng lượng hữu dụng tức thời p và năng lượng phản kháng tức thời q được tính như sau:

                                                        (8)

 

            Với một cặp giá trị năng lượng tức thời p và q, dòng điện trao đổi tương ứng với lưới điện áp cung cấp có thể được tính như sau:

                                                   (9)           

           

4.2. Chiến lược điều khiển dòng năng lượng.

 

            Trong dòng năng lượng trao đổi giữa BCĐXC và lưới điện, các thành phần năng lượng hữu dụng p và năng lượng phản kháng q được điều khiển độc lập thông qua các thành phần dòng hữu dụng và phản kháng tương ứng. Tuỳ thuộc vào chế độ và điều kiện làm việc mà các giá trị đặt của các thành phần năng lượng đó được tính toán và điều khiển. Đó là tổng thể của các giá trị năng lượng đặt để diều khiển duy trì điện áp một chiều Udc và năng lượng để bù/lọc công suất sóng hài năng lượng gây ra bởi tải phi tuyến trong cùng hệ thống.

 

            Hình 3: Sơ đồ cấu trúc điều khiển BCĐXC


Khi làm việc theo chế độ truyền thống, chỉnh lưu ba pha thông thường, BCĐXC sẽ thực hiện tra đổi thuần tuý công suất hữu dụng để bảo đảm hệ số  . Trong trường hợp hoạt động như bộ lọc chủ động, BCĐXC sẽ trao đổi công suất phản kháng và hữu dụng tuỳ thuộc vào năng lượng cần bù cho tải phi tuyến. Với sự trợ giúp của biểu thức tính (9) các thành phần dòng điện điều khiển tương ứng sẽ được xác định.

            Việc điều khiển dòng năng lượng hữu dụng p thực chất là để trao đổi với nguồn năng lượng dự trữ phía một chiều của BCĐXC để điều khiển duy trì điệnáp phía một chiều Udc ổn định tại một giá trị đặt U*dc. Dòng năng lượng hữu dụng sẽ được dẫn từ lưới điện về phía một chiều của BCĐXC nếu điện áp phía một chiều Udc thấp hơn giá trị đặt U*dc và trả năng lượng về lưới trong trường hợp ngược lại.

            Dòng năng lượng phân kháng q được trao đổi với lưới điện chủ yếu để thực hiện nhiệm vụ của bộ lọc chủ động, nhằm bù năng lượng hài gây ra bởi tài phi tuyến trong cùng hệ thống. Giá trị điều khiển đặt của các thành phần năng lượng bù p*, q* được tính theo biểu thức (8). Trong đó có chứa cả thành phần xoay chiều của thành phần năng lượng hữu dụng  cũng được tính đến cho phần năng lượng cần bù. Thành phần này được tách ra nhờ bộ lọc thông thấp (low pass fillter). Tất cả được cộng gộp và quy đổi ra giá trị đặt yêu cầu tương ứng và đưa vào cho bộ điều khiển của BCĐXC.

            Sơ đồ tổng quan về cấu trúc bộ điều khiển cho BCĐXC được mô tả theo hình vẽ H.3. các dòng năng lượng hữu dụng được điều khiển theo các nhánh độc lập để duy trì điện áp phía một chiều và bù năng lượng hài gây ra bởi tải phi tuyến là một bộ chỉnh lưu tự nhiên 3 pha đấu song song với BCĐXC trong cùng hệ thống.

            Điều khiển hệ số thích nghi dòng năng lượng.

           

 

 

Hình 4: Sơ đồ điều khiển hệ số thích nghi dòng năng lượng đặt của BCĐXC

 

Đối với bất kỳ BCĐXC nào cũng có một qui định về công suất làm việc tối đa, được định nghĩa và khuyến cáo bởi nhà sản xuất để đảm bảo sự hoạt động an toàn và bền vững. Điều này bị hạn chế và quyết định bởi công suất của các khoá dẫn IGBT của BCĐXC, chúng chỉ dẫn được một dòng tối đa cho phép. Như được chỉ ra trong biểu thức (8), giá trị dòng đặt được tạo ra bởi bộ điều khiển tỷ lệ với giá trị năng lượng đặt. Do đó thông qua việc điều khiển dòng điện, dòng năng lượng cũng được gián tiếp điều khiển một cách tương ứng. Ngược lại, giá trị đặt điều khiển dòng năng lượng sẽ được khống chế sao cho giá trị dòng được điều khiển trong phạm vi cho phép đảm bảo cho BCĐXC hoạt động an toàn.

Trong chiến lược điều khiển cho BCĐXC được nghiên cứu, dòng năng lượng hữu dụng trao đổi với phía một chiều của BCĐXC sẽ được nhận mức độ ưu tiên cao hơn. Điều này có nghĩa rằng, giá trị đặt sẽ được tính và ưu tiên trước tiên cho quá trình trao đổi năng lượng hữu dụng với phía một chiều, phần năng lượng còn lại sẽ được dự trữ cho việc bù năng lượng hài gây ra bởi tải phi tuyến trong cùng hệ thống.

            Để điều khiển và xử lý trường hợp năng lượng trao đổi yêu cầu vượt quá gía trị cực đại cho phép của BCĐXC, một hệ số giới hạn thích nghi  Kc được cài đặt và sử dụng. Sơ đồ điều khiển hệ số thích nghi được Kc chỉ ra như trong hình vẽ H.4. Các  giá trị năng lượng đặt yêu cầu p*c, q*c cho chức năng lọc chủ động được hiệu chỉnh theo sai lệch giữa dòng điện trao đổi yêu cầu và dòng điện cực đại của BCĐXC  . Nếu hệ số Kc = 0 có nghĩa là năng lượng để lọc chủ động không được đảm bảo, nếu Kc = 1 tức là BCĐXC có đủ khả năng trao đổi năng lượng để bù công suất cho tải phi tuyến trong hệ thống. Vì vậy hệ số thích nghi Kc sẽ được điều chỉnh trong khoảng . Tuỳ thuộc vào hệ số  mà Kc sẽ được điều chỉnh trongmỗi chu kỳ điều khiển của BCĐXC theo Algorithm như lưu đồ chỉ ra trong hình  vẽ H.5.

 

 

Hình 5: Lưu đồ Algorithm điều chỉnh hệ số thích nghi

 

5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

 

Để kiểm chứng tính đúng đắn của chiến lược điều khiển đề xuất, hệ thống nghiên cứu đã được mô phỏng bằng công cụ của MATLAB/SIMULINK/PLECS và thực nghiệm trên hệ phát triển BCĐXC do hãng Bosch Rexroth cung cấp. Hệ thống có cấu hình tham số được chỉ ra trong bảng B.1.

 

Điện áp lưới cung cấp

Vn = 400V (pha-pha)

Cuộn cảm

L = 2mH, R = 0.1

Lọc R-C

Cf = 10, Rf = 1

Tụ điện phía DC

C = 940, Udc = 400V

BCĐXC

fPWM  = 16kHz, Imax = 60A

Chu kỳ trích mẫu điều khiển

62,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

               

Bảng 1: Tham số cấu hình hệ thống nghiên cứu.

 

6. KẾT LUẬN.

 

                Bài báo giới thiệu một chiến lược điều khiển cho BCĐXC điều chế độ rộng xugn cho phép hoạt động như một bộ chỉnh lưu 3 pha truyền thống đồng thời thực hiện thêm chức năng của một bộ lọc chủ động. Nhờ vào chức năng điều khiển gần như độc lập và tách bạch giữa các thành phần công suất hữu dụng p và công suất phản kháng q đồng thời với đáp ứng rất nhanh, cho phép BCĐXC thực hiện thành công chức năng tổ hợp nêu trên. Do công suất hoạt động của BCĐXC có hạn nên một phép thoả hiệp về điều chỉnh thích nghi hạn chế dòng năng lượng đặt được điều khiển. Trong đó đảm bảo ưu tiên dòng trao đổi năng lượng hữu dụng cung cấp cho phía một chiều của BCĐXC phần còn lại sẽ được sử dụng cho chức năng của bộ lọc chủ. Từ kết quả mô phỏng thu được, cho phép khẳng định tính đúng đắn của chiến lược điều khiển này và đã được thủ nghiệm và cài đặt trên thiết bị thực của công nghiệp do tập đoàn Bosch Rexroth cung cấp

 

 

EYETECK.VN

Theo: BCKH - BKHN