CHỈNH LƯU BA PHA BỐN DÂY
ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG VOC
HỒ MẠNH TIẾN
Bộ môn Kỹ thuật điện
Khoa Điện - Điện tử
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Chỉnh lưu ba pha bốn dây được phát triển trên cơ sở chỉnh lưu ba pha ba dây
để khắc phục những nhược điểm của hệ thống này khi làm việc với nguồn không cân bằng.
Chỉnh lưu ba pha bốn dây có thêm dây trung tính, nhờ vậy nó có khả năng điều khiển dòng
trung tính. Bộ chỉnh lưu ba pha bốn dây cho chất lượng tốt: giảm được sóng điều hòa bậc cao,
nâng cao được hệ số công suất, có khả năng trao đổi năng lượng giữa nguồn và tải, hệ thống
có khả năng làm việc trong trường hợp guồn không cân.
Summary: The four legged PWM rectifier has been improved upon the three legged
PWM rectifier to sort out the errors when this system works with imbalanced source. The four
legged PWM rectifier has the neutral wire so this system can control the neutral current. The
four legged PWM rectifier has good characteristics: reducing high harmonic waves,
improving cosφ, capable of exchanging energy between the source and the load, able to work
in imbalanced source condition.
Chữ viết tắt: BBĐ: Bộ biến đổi; BP3D: Ba pha ba dây; BP4D: Ba pha bốn dây;
CL: Chỉnh lưu; HTĐ: Hệ tọa độ; PWM: Pulse Width Modulation;
VOC: Voltage Oriented Control; BĐK: Bộ điều khiển
ĐT
I. PHẦN MỞ ĐẦU
Các BBĐ CL ngày nay đã được áp dụng rộng rãi trong các nghành công nghiệp và các lĩnh
vực sản xuất khác, mang lại những kết quả tích cực, tuy nhiên còn có những nhược điểm sau:
- Với các bộ CL dùng diot, thyristor còn tồn tại một số nhược điểm như: sóng điều hòa bậc
cao gây méo điện áp lưới, hệ số công suất thấp.
- Với BBĐ CL PWM BP3D với nguyên lý điều chế độ rộng xung dựa trên việc tổng hợp
vector chuẩn trong hệ tọa độ không gian hai chiều với giả thiết dòng điện trung tính bằng không
cho ta chất lượng điều khiển tốt trong trường hợp nguồn cân bằng tuy nhiên trong trường hợp
nguồn tải không cân hệ thống này cho ta chất lượng điều khiển không tốt có thể gây sự cố hệ
thống.
Để khắc phục nhược điểm này, BBĐ CL PWM BP4D đã được nghiên cứu và phát triển.
Các phương pháp điều khiển CL. So với CL PWM BP3D về phần lực, CL PWM BP4D có thêm
một cặp van để điều khiển dòng trung tính. Nhờ vậy, chúng có khả năng làm việc tốt trong điều
kiện nguồn không cân bằng.
II. CẤU TRÚC MẠCH LỰC
Nguồn cấp cho BBĐ CL PWM BP4D là nguồn xoay chiều ba pha VA, VB, VBC. BBĐ gồm
bốn cặp van để điều khiển ba dòng điện pha và dòng trung tính. Nguyên lý hoạt động của chúng
là dựa vào các yêu cầu đầu vào, đầu ra để điều khiển đóng mở bốn cặp van trong sơ đồ chuyển
mạch bốn dây. Bộ lọc LC để đảm bảo chất lượng điện áp một chiều đầu ra và đảm bảo dòng
điện xoay chiều đầu vào có dạng hình sin.
I
a
b
I
I
n
c
I
Läc
S¬ ®å chuyÓn m¹ch bèn d©y
~
~
~
C
dc
T¶i
L
L
L
L
Chïm xung kÝch
A
V
V
B
C
V
G
V
V
a
b
V
f
V
c
V
V
Läc
®Õn tõ vi ®iÒu khiÓn
ĐT
Hình 1. Sơ đồ chỉnh lưu ba pha bốn dây
III. MÔ HÌNH CỦA CHỈNH LƯU BA PHA BỐN DÂY
Để phục vụ cho việc thiết kế bộ điều khiển, ta phải mô hình hóa các phần tử trong hệ thống
CL BP4D.
Từ hình 1 ở trên, ta có mô hình CL BP4D trong hệ tọa độ abc:
C
I
-
+
V
G
-
+
V
C
-
+
V
B
A
V
+
-
I
n
c
I
I
b
a
I
L
V
dc
L
L
L
af
V
-
++
-
V
bf
cf
-
+
V
I
p
C
T¶i
p
n
S¬ ®å chuyÓn m¹ch bèn d©y
Hình 2. Mô hình tín hiệu trung bình lớn của CL BP4D
Từ mô hình trên hình 2 ta có các công thức như sau :
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
cf
bf
af
dc
cf
bf
af
d
d
d
.V
V
V
V
(1)
Ia + Ib + Ic + In = 0 (2)
Ip = [daf dbf dcf]. [Ia Ib Ic]T (3)
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
+
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
CG
BG
AG
cf
bf
af
dc
n
n
n
n
c
b
a
V
V
V
L
1
d
d
d
L
V
I
I
I
dt
d
.
L
L
I
I
I
dt
d (4)
[][
()
L
T
cbacfbfaf
dc IIII.ddd
C
1
dt
dV −=
]
(5)
Tổng số có bốn biến trạng thái bao gồm ba dòng cuộn cảm Ia, Ib, và Ic, và điện áp Vdc. Ba
đầu vào là những thành phần tỷ lệ trung tính (daf, dbf, và dcf). Đầu ra là điện áp Vdc.
Mối tương quan trong không gian giữa HTĐ abc và HTĐ dq0 thể hiện như hình vẽ sau:
α
0
−β −q
d
ĐT
Hình 3. Quan hệ giữa HTĐ αβγ và HTĐ dq0
Ta có các công thức chuyển đổi từ HTĐ abc sang HTĐ dq0:
[Xd Xq X0]T = T4 . [Xa Xb Xc]T (6)
Trong đó ma trận biến đổi tọa độ như sau :
T4=
()
()
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛π+ω−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛π−ω−ω−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛π+ω
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛π−ωω
2
1
2
1
2
1
3
2
tsin
3
2
tsintsin
3
2
tcos
3
2
tcostcos
.
3
2 (7)
-
d
IL
+
dc
VI
L
ω
q
LI
+
C
d
V
+
-
-
+
+
-
-
+
V
q
+
LI
d
ω
L
I
q
-
o
I
0
V
+
-
-
+
n
L + 3L
p
I
2
3
__
3
200qqdd
2
3
_
p
I = d I + d I + d I
V
S0
Sq
V
V
Sd
dcd
d V
d V
qdc
dc0
d V
Hình 3. Mô hình tín hiệu trung bình lớn của CL BP4D trong HTĐ dq0
IV. ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU BA PHA BỐN DÂY THEO PHƯƠNG PHÁP VOC
Mô hình điều khiển CL BP4D theo phương pháp VOC được xây dựng trên cơ sở mô hình
tín hiệu trung bình lớn như ở trên.
Vd = L. d
t
dId + VSd – ω.L.Iq (8a)
Vq = L. dt
dIq + VSq + ω.L.Id (8b)
V0 = 4L. d
t
dI0 + VS0 (8c)
Đặt tất cả các thành phần dòng trục q và trục 0 bằng 0 (Iq = 0 và I0 = 0), ta được hệ phương trình: ĐT
Vd = L. dt
dIq + VSd (9a)
Vq = VSq + ω.L.Id (9b)
V0 = VS0 (9c)
Ta xây dựng vòng điều khiển dòng điện ở trong và vòng điều khiển điện áp ở ngoài. Để
điều khiển ba dòng điện Id, Iq và I0, ta sử dụng ba bộ điều khiển PI. Vòng điều khiển điện áp
cũng sử dụng bộ điều khiển PI.
Ta có:
VSd = ωL.Iq + Vd + ΔVd (10a)
VSq = –ωL. Id + Vq + ΔVq (10b)
VS0 = V0 + ΔV0 (10c)
Trong đó Δ là tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển dòng điện
ΔVd = kp(Id* – Id) + ki
(
)
∫−dtII d
*
d (11a)
ΔVq = kq(Iq* – Iq) + ki
(
)
∫−dtII q
*
q (11b)
ΔV0 = k0.(I0* – I0) + ki
(
)
∫−dtII 0
*
0 (11c)
Đầu ra VSd, VSq và VS0 qua khâu biến đổi hệ tọa độ dq0/αβγ sẽ được dùng làm đầu vào của
khâu điều chế vectơ không gian ba chiều. Như vậy, ta đã tách biệt được ba kênh d, q và 0 trở
thành ba chỉnh lưu một pha làm việc độc lập :
V
d
(+)
dc
V
Current controler
Current controler
d
I
Iq
0
I(-)
V
S0
q_ref
I = 0 V
Sq
Sd
V
q
V
Δ
(-)
(+) Current controler
Δ
V
d
Voltage controler
PI
(-)
L
ω
−ω
L
(+)
(-)
V
dc_ref
I = 0
d_ref
Id_ref PI
PI
PI
(+) (+)
(+)
(+)
Hình 4. Điều khiển ba kênh dòng điện trong CL BP4D
VOC là cấu trúc điều khiển mà trước hết cần đo trực tiếp điện áp lưới, sau đó tựa theo điện
áp đã được đo về để tiến hành điều khiển dòng điện tựa theo. Do đó trong cấu trúc này có khối
PLL (Phase Locked Loop) để tính góc pha γL của lưới để đưa vào các khối biến đổi HTĐ và sử
dụng mạch vòng điều khiển dòng điện.
Đặc điểm của phương pháp này là sử dụng những ưu điểm của phương pháp điều chế vectơ
không gian, tần số chuyển mạch không thay đổi (do đó dễ dàng cho việc thiết kế các bộ lọc) và
bộ biến đổi tương tự/số rẻ. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp VOC là thuật toán điều
khiển phức tạp hơn và trong sơ đồ phải sử dụng khâu biến đổi HTĐ.
ĐT
V. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB – SIMULINK
– PLECS
Với mục đích làm rõ những ưu điểm của CL BP4D trong điều kiện hệ thống làm việc với
nguồn không cân, ta tiến hành mô phỏng hệ thống điều khiển CL BP4D theo phương pháp
VOC. Toàn bộ hệ thống được xây dựng trên nền Matlab – Simulink – Plecs. Các tham số dùng
trong mô phỏng được liệt kê ở bảng 1.
Bảng 1. Các tham số của mạch lực dùng trong mô phỏng
STT Tham số Giá trị
1 Điện áp pha đầu vào V = 220V
2 Tần số điện áp lưới f = 50Hz
3 Tần số điều chế xung f0 = 5kHz
4 Điện cảm của dây của ba pha và dây trung tính L = 0,01H
5 Tụ lọc một chiều C = 1000μF
6 Điện áp đầu một chiều Vdc_ref =700V
7 BĐK dòng điện thành phần d
8 BĐK dòng điện thành phần q
9 BĐK dòng điện thành phần 0
10 BĐK điện áp