Ứng dụng mạng thần kinh nhân tạo trong hiệu chỉnh hệ số công suất (pfc power factor correction)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.24 MB, 91 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
- - - - -o0o- - - - -
TRẦN HIẾU NGHĨA
ỨNG DỤNG MẠNG THẦN KINH NHÂN TẠO
TRONG HIỆU CHỈNH HỆ SỐ CÔNG SUẤT
(PFC – POWER FACTOR CORRECTION)
CHUYÊN NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ
: 605260
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. PGS.TS NGUYỄN MỘNG HÙNG
2. Th.S QUÁCH THANH HẢI
Thành Phố Hồ Chí Minh - Năm 2010
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
- - - - -o0o- - - - -
TRẦN HIẾU NGHĨA
ỨNG DỤNG MẠNG THẦN KINH NHÂN TẠO
TRONG HIỆU CHỈNH HỆ SỐ CÔNG SUẤT
(PFC – POWER FACTOR CORRECTION)
CHUYÊN NGÀNH : TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ
: 605260
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
1. PGS.TS NGUYỄN MỘNG HÙNG
2. Th.S QUÁCH THANH HẢI
Thành Phố Hồ Chí Minh - Năm 2010
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
-i-
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
LỜI CẢM ƠN
Con xin biết ơn Cha, Mẹ đã nuôi dạy con khôn lớn và tạo điều
kiện cho con học tập đến ngày hôm nay.
Em xin chân thành gởi lời biết ơn sâu sắc đến tất cả quý Thầy
Cô Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh và
lãnh đạo Trường Cao Đẳng Nghề Quy Nhơn đã giúp đỡ em trong suốt
quá trình học và thực hiện luận văn này.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Nguyễn
Mộng Hùng và Thầy Th.S Quách Thanh Hải, những Người đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn bạn bè, các đồng nghiệp, những người
thân trong gia đình, đặc biệt là vợ và hai con tôi, những người luôn ở
bên cạnh và động viên tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập và
thực hiện luận văn.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 11 năm 2010
Trần Hiếu Nghĩa
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
- ii -
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên : Trần Hiếu Nghĩa, học viên lớp Cao học Tự Động
Hóa _ TĐH05 Trường Đại Học Giao Thơng Vận Tải TP.HCM.
Tôi xin cam đoan luận văn trên do chính tự tơi nghiên cứu
dưới sự hướng dẫn của các giáo viên hướng dẫn. Những phần
tham khảo tơi đã trích dẫn từ nguồn nào rất chi tiết, cụ thể.
Tôi xin hứa, nếu có gì vi phạm tơi xin chịu mọi hình thức kỉ
luật theo quy định hiện hành.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 11 năm 2010
Trần Hiếu Nghĩa
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
- iii -
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn----------------------------------------------------------------------------- i
Lời cam đoan ------------------------------------------------------------------------- ii
Mục lục -------------------------------------------------------------------------------iii
Liệt kê các bảng tra ----------------------------------------------------------------- vii
Liệt kê các hình vẽ----------------------------------------------------------------- viii
MỞ ĐẦU ------------------------------------------------------------------------------1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN ------------------------------------------------------4
1.1. Giới thiệu chung -----------------------------------------------------------------4
1.2.Ý nghĩa của hệ số công suất trong hệ thống cung cấp điện
--------------5
1.3. Tác dụng của điều khiển PFC --------------------------------------------------5
1.4. Phân tích, đánh giá --------------------------------------------------------------5
1.5. Nhiệm vụ cụ thể -----------------------------------------------------------------6
1.6. Điểm mới của đề tài -------------------------------------------------------------7
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU
HỆ SỐ CÔNG SUẤT CAO ----------------------------------------8
2.1 Mạch số băm áp có thể sử dụng trong bộ PFC -------------------------------8
2.1.1. Mạch Boost (Boost PFC) ---------------------------------------------8
2.1.2. Mạch Buck (Buck PFC) ----------------------------------------------9
2.1.3. Mạch Buck/Bootst (Buck/Boost PFC) ------------------------------9
2.2. Xác định luật điều khiển ------------------------------------------------------ 10
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
- iv -
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
2.2.1. Mô hình mạch Boost PFC ------------------------------------------ 10
2.2.1.1 Điện áp ra --------------------------------------------------- 10
2.2.1.2. Sự biến thiên điện áp đầu ra ------------------------------ 12
2.2.1.3. Biến thiên dòng điện trong cuộn dây và
chế độ dòng liên tục ------------------------------------------------ 12
2.2.1.4. Hiệu suất của bộ biến đổi --------------------------------- 14
2.2.2. Luật điều khiển ------------------------------------------------------ 17
2.2.2.1. Nhiệm vụ của mạch điều khiển -------------------------- 17
2.2.2.2. Điều chỉnh dạng sóng của dòng điện iL ---------------- 17
2.2.2.3. Ổn định điện áp đầu ra ------------------------------------ 19
2.3. Tính tốn mạch động lưc ----------------------------------------------------- 20
2.3.1. Tính tốn và chọn tụ lọc -------------------------------------------- 20
2.3.2. Tính tốn thiết kế cuộn kháng ------------------------------------- 21
2.3.2.1. Lựa chọn vật liệu lõi cuộn cảm -------------------------- 21
2.3.2.2. Lựa chọn hình dáng lõi ----------------------------------- 21
2.3.2.3. Tính tốn thơng số cuộn cảm ---------------------------- 22
2.3.2. Chọn Diode và van bán dẫn ---------------------------------------- 26
2.3.2.1 Chọn Diode của chỉnh lưu cầu---------------------------- 26
2.3.2.2. Chọn van bán dẫn------------------------------------------ 27
2.4. Tính tốn mạch điều khiển --------------------------------------------------- 28
2.4.1. Tính tốn thơng số điều khiển ------------------------------------- 28
2.4.2. Tính tốn mạch vịng điều khiển dòng điện ---------------------- 29
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Cơng Suất
-v-
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
2.4.2.1. Tính hệ số tỉ lệ của khâu bù dịng điện ----------------- 30
2.4.2.1. Tính hệ số tích phân của khâu bù dịng điện ----------- 30
2.4.3. Bộ bù sai số điện áp ------------------------------------------------- 31
CHƯƠNG 3 MẠNG NEURAL VÀ ỨNG DỤNG ---------------------------- 33
3.1. Tổng quan ---------------------------------------------------------------------- 33
3.2. Khái quát về mạng thần kinh nhân tạo ------------------------------------- 33
3.2.1. Cơ sở sinh học của mạng neural ----------------------------------- 33
3.2.1. Mơ hình mạng nhân tạo--------------------------------------------- 34
3.2.3. Các thành phần cơ bản của mạng neural nhân tạo -------------- 36
3.3. Một số mạng neural cơ bản -------------------------------------------------- 38
3.3.1. Mạng perceptron nhiều lớp ----------------------------------------- 38
3.3.2. Mạng Hopfield ------------------------------------------------------- 41
3.3.3. Mạng RBF (Radial Basic Function Networks) ------------------ 41
3.3.4. Mạng Kohanen ------------------------------------------------------- 42
3.3.5 Mạng ART (Adaptive Resonance Theory) ----------------------- 42
3.4. Những đặc tính của mạng neural -------------------------------------------- 42
3.5. Quy trình thiết kế mạng Neural ứng dụng---------------------------------- 43
3.6. Ứng dụng của mạng trong hệ thống điện ----------------------------------- 44
3.6.1. Đánh giá an toàn hệ thống ------------------------------------------ 45
3.6.2. Dự báo phụ tải ------------------------------------------------------- 46
3.7. Kết luận ------------------------------------------------------------------------- 47
CHƯƠNG 4 MẠNG NEURAL TRONG ĐIỀU KHIỂN PFC --------------- 48
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
- vi -
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
4.1. Cơ chế hiệu chỉnh hệ số công suất dựa vào hệ neural -------------------- 48
4.2. mạng perceptron nhiều lớp --------------------------------------------------- 49
4.3. Tạo mẫu huấn luyện và kiểm tra mạng ------------------------------------- 53
4.4. Thiết lập cấu trúc mạng neural ---------------------------------------------- 54
4.4.1. Số đầu vào ------------------------------------------------------------ 54
4.4.2. Số đầu ra -------------------------------------------------------------- 54
4.4.3. Số lớp ẩn -------------------------------------------------------------- 54
4.4.4. Số neural trong lớp ẩn ---------------------------------------------- 54
4.4.5. Huấn luyện mạng ---------------------------------------------------- 56
CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ------------------------------------ 59
5.1. Kết quả mô phỏng với phương pháp điều khiển PFC kinh điển -------- 59
5.1.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điện ---------------------------------------- 59
5.1.2. Dạng sóng điện áp, dịng điện ngõ vào, điện áp ra -------------- 59
5.2. Kết quả mô phỏng với phương pháp điều khiển PFC dùng trong mạng
thần kinh nhân tạo ------------------------------------------------------------------ 61
5.2.1. Sơ đồ nguyên lý------------------------------------------------------ 61
5.2.1. Dạng sóng điện áp, dịng điện vào, điện áp ra ------------------- 63
5.3 Bàn luận ------------------------------------------------------------------------- 65
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ------------------------------------------------------- 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO --------------------------------------------------------- 68
PHỤ LỤC
------------------------------------------------------------------------- 70
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
- vii -
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
LIỆT KÊ CÁC BẢNG TRA
Bảng 2.1. Bảng tra chọn cuộn dây MPP ----------------------------------------- 23
Bảng 2.2. Bảng tra thông số kỹ thuật cuộn dây 55906 của MPP ------------- 24
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
- viii -
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
LIỆT KÊ CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Dạng sóng dịng điện, điện áp -------------------------------------------4
Hình 2.1. Sơ đồ mạch Boost --------------------------------------------------------8
Hình 2.2. Dạng són điện áp và dịng điện vào bộ Boost PFC -------------------8
Hình 2.3. Sơ đồ mạch Buck ---------------------------------------------------------9
Hình 2.4. Dạng sóng dịng điện, điện áp vào bộ Buck PFC ---------------------9
Hình 2.5. Sơ đồ mạch Buck/Boost -------------------------------------------------9
Hình 2.6. Sơ đồ mạch Boost PFC ------------------------------------------------ 10
Hình 2.7. Sơ đồ thay thế khi van đóng ------------------------------------------- 11
Hình 2.8. Sơ đồ tương đương khi van cắt --------------------------------------- 11
Hình 2.9. Dịng điện trên cuộn dây ở chế độ dịng liên tục ------------------- 13
Hình 2.10. Sơ đồ mạch tương đương -------------------------------------------- 14
Hình 2.11. Đồ thị biểu hiện mối quan hệ giữa hiệu suất của mạch
với các đại lượng liên quan -------------------------------------------------------- 16
Hình 2.12. Sự hoạt động của bộ PWM ------------------------------------------ 18
Hình 2.13. Sơ đồ mạch điều khiển ----------------------------------------------- 20
Hình 2.14. Đường cong độ từ thẩm của MPP ----------------------------------- 25
Hình 2.15. Hình dạng IGBT được chọn ----------------------------------------- 27
Hình 2.16. Hình dạng cánh tản nhiệt cho van ----------------------------------- 28
Hình 2.17. Kết cấu mạch vịng điều khiển dịng điện ------------------------- 29
Hình 2.18. Kết cấu mạch vòng điều khiển dòng điện cần tính tốn----------- 29
Hình 2.19. Kết cấu bộ bù sai số điện áp ---------------------------------------- 31
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Cơng Suất
- ix -
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
Hình 3.1. Cấu tạo neural sinh học ------------------------------------------------ 34
Hình 3.2. Phần tử xử lí với kết nối ngõ ra đơn ---------------------------------- 35
Hình 3.3. Mạng ni tiến ---------------------------------------------------------- 36
Hình 3.4. Mạng ni lùi ----------------------------------------------------------- 37
Hình 3.5. Perceptron --------------------------------------------------------------- 38
Hình 3.6. Mạng perceptron -------------------------------------------------------- 41
Hình 3.7. Mạng Hopfield ---------------------------------------------------------- 41
Hình 3.8. Quy trình thiết kế mạng neural ứng dụng --------------------------- 43
Hình 4.1. Mạng perceptron 1 lớp ẩn --------------------------------------------- 49
Hình 4.2. Lưu đồ giải huật huấn luyện mạng ----------------------------------- 57
Hình 5.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điện -------------------------------------------- 58
Hình 5.2. Dạng sóng điện áp, dịng điện ngõ vào và điện áp ngõ ------------ 58
Hình 5.3. Dạng sóng điện áp, dịng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra cho trường
hợp điện áp ngõ vào 180V--------------------------------------------------------- 59
Hình 5.4. Dạng sóng điện áp, dịng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra cho trường
hợp điện áp ngõ vào 200V--------------------------------------------------------- 59
Hình 5.5. Dạng sóng điện áp, dịng điện ngõ vào và điện áp ngõ ------------ 60
Hình 5.6. Dạng sóng điện áp, dịng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra cho trường
hợp điện áp ngõ vào 240V--------------------------------------------------------- 60
Hình 5.7. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển PFC dùng mạng neural ---- 61
Hình 5.8. Sơ đồ nguyên lý khối PFC (Boost PFC) ----------------------------- 61
Hình 5.9. Sơ đồ cấu trúc mạng neural ------------------------------------------- 61
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Cơng Suất
-x-
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
Hình 5.10. Sơ đồ cấu trúc lớp ẩn ------------------------------------------------- 62
Hình 5.11. Cấu trúc các neural trong lớp ẩn ------------------------------------ 62
Hình 5.12. Sơ đồ cấu trúc lớp xuất ----------------------------------------------- 62
Hình 5.13. Cấu trúc neural trong lớp xuất --------------------------------------- 62
Hình 5.14. Dạng sóng điện áp, dịng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra cho
trường hợp điện áp ngõ vào 100V ------------------------------------------------ 63
Hình 5.15. Dạng sóng điện áp, dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra cho
trường hợp điện áp ngõ vào 180V ------------------------------------------------ 63
Hình 5.16. Dạng sóng điện áp, dịng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra cho
trường hợp điện áp ngõ vào 200V ------------------------------------------------ 64
Hình 5.17. Dạng sóng điện áp, dịng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra cho
trường hợp điện áp ngõ vào 220V ------------------------------------------------ 64
Hình 5.18. Dạng sóng điện áp, dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra cho
trường hợp điện áp ngõ vào 240V ------------------------------------------------ 65
Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
-1-
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
MỞ ĐẦU
Hiện nay, nguồn điện xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi trong
các loại thiết bị, máy móc và dần thay thế chỗ cho các thiết bị sử dụng nguồn
điện một chiều. Nhưng nguồn điện một chiều vẫn ln có chỗ đứng của riêng
mình trong những lĩnh vực mà nguồn điện xoay chiều không thể thay thế
được như nguồn điện cho các linh kiện điện tử, mạ điện, động cơ điện một
chiều … Để tạo ra nguồn điện một chiều có thể dùng nhiều cách như : dùng
máy phát điện một chiều, sử dụng pin, ắc qui, sử dụng bộ chỉnh lưu (chuyển
đổi AC/DC) …Với mạng lưới điện xoay chiều phân bố rộng rãi như hiện nay,
cách mang lại hiệu quả và tiện lợi nhất đó là sử dụng bộ chỉnh lưu để chuyển
đổi nguồn điện xoay chiều AC sang nguồn điện một chiều (AC/DC).
Trong thực tế có nhiề u loa ̣i hình chuyển đổi AC/DC khác nhau, nhưng
hầu hết có hiệu suất khơng cao và thường phát lại lưới những sóng điện có hài
bậc cao làm ảnh hưởng tới chất lượng của nguồn điện. Cụ thể : làm méo hài
dòng điện lưới và làm suy giảm hệ số công suất. Sự méo hài dòng điện lưới
gây ra một số tác hại như làm nóng quá mức của những phần tử hệ phân phối,
sự dao động cơ khí trong các máy phát và động cơ điện, tăng tiếng ồn âm
thanh, làm suy yếu công suất của những hệ thống thông tin liên lạc. Hiện
tượng phổ biến hơn mà không một ai ưa thích đó là những dao động điện áp
nhanh gây ra hiện tượng đu đưa của sự giao thoa ánh sáng và tần số của sóng
vơ tuyến. Việc suy giảm hệ số công suất làm cho giá thành năng lượng điện
và phí truyền tải tăng, tổn hao trong truyền tải lớn, chất lượng điện áp kém…
Hiện tại, ở nước ta vẫn chưa có qui định về tở ng lươ ̣ng sóng hài cho phép,
và hiệu suất của các bộ chuyển đổi AC/DC nhưng với chủ trương phát triển
bền vững điều đó chỉ sớm hay muộn. Việc giảm lượng hài bậc cao và cải
thiện hệ số công suất cho bộ chuyển đổi AC/DC rất quan trọng. Nên tôi chọn
Mở Đầu
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
-2-
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
luận văn tốt nghiệp của mình là “Ứng dụng mạng thần kinh nhân tạo trong
hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC – Power Factor Correction)” để thực hiện.
MỤc đích, đối tượng của luận văn : Ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện
đại (mạng thần kinh nhân tạo – neural network) để thiết kế bộ hiệu chỉnh hệ
số công suất cho hệ nguồn một chiều dùng bộ chuyển đổi AC/DC một pha.
Phạm vi nghiên cứu
Do thời gian có hạn nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu các vấn đề sau :
- Phương pháp hiệu chỉnh hệ số công suất bộ chuyển đổi AC/DC 1pha.
- Tính tốn thiết kế bộ chuyển đổi AC/DC một pha bằng phương pháp
kinh điển có hệ số cơng suất cao (bằng 1).
- Nghiên cứu xây dựng mạng thần kinh nhân tạo trong điều khiển PFC
để thực hiện hiệu chỉnh hệ số công suất bộ chuyển đổi AC/DC một pha.
- Mô phỏng bằng matlab.
- Kết luận.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Như ta đã biết chất lượng một hệ thống cung cấp điện được đánh giá bởi
hai (trong một số) chỉ tiêu là hệ số công suất (Power Factor – PF) và tổng
lượng sóng hài (Total Harmonic Distortion – THD). Hiệu năng của hệ thống
lưới điện phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sóng hài, tổng lượng sóng hài càng
nhỏ hiệu năng lưới điện sẽ càng cao.
Một số ích lợi khi việc cải thiện hệ số công suất :
- Giảm giá thành năng lượng điện và phí truyền tải.
- Giảm thiểu mất mát, tổn hao trong truyền tải.
- Chất lượng điện áp tốt hơn.
- Tăng tính chất điện dung cho lưới điện.
Từ những lý do trên cho thấy việc thiết kế ra một bộ điều chỉnh hệ số
công suất cho bộ chỉnh lưu là một ý tưởng có ý nghĩa thực tiễn cao. Thực tế
Mở Đầu
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Cơng Suất
-3-
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
hiện nay có rất nhiều hãng chế tạo linh kiện, chip điện tử đã cho ra đời nhiều
dòng sản phẩm IC tương tự chuyên để xử lý trong các mạch điều chỉnh hệ số
công suất (Power Factor Correction – PFC). Xong trong luận văn này người
học sẽ phát triển ý tưởng này để tạo ra một bộ PFC với ứng dụng mạng thần
kinh nhân tạo để thực hiện điều khiển.
Mở Đầu
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
-4-
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung
Hiện nay trong hầu hết các thiết bị biến đổi điện năng đều sử dụng đến
chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều (cung cấp từ lưới điện) sang nguồn một chiều.
Nguồn điện một chiều sau chỉnh lưu sẽ đóng vai trò nguồn cấp cho tất cả các
module bên trong của thiết bị (kể cả các module xoay chiều qua hệ thống
mạch nghịch lưu). Thông thường để đảm bảo được chất lượng điện áp như
mong muốn thì phải mắc tụ san phẳng với giá trị điện dung lớn vào ngay sau
chỉnh lưu. Chính điều này dẫn đến một số vấn đề cần phải được quan tâm mà
điển hình là sóng hài. Hiện tượng sóng hài được chỉ rõ trong hình 1.1
U, i
Dng súng in ỏp ra
Sóngkhụng
điện á p sau
khi
cú t C0
chỉ
nh luu
Sóng điệ
n á p khi
có ỏp ra
Dng
súng
in
tụ
san
phẳ
ng
khi cú t san phng C0
Dng
dũng in vo b
Dòng điện vào bộ
chnh
luluuIac
chỉ
nh
t
Hỡnh 1.1. Dng sóng dịng điện, điện áp
Dịng điện vào từ nguồn lưới là dòng gián đoạn và tồn tại trong những
khoảng thời gian ngắn (hài). Sở dĩ có hiện tượng này là do q trình phóng
nạp liên tục của tụ lọc. Thiết bị chỉ nhận năng lượng từ lưới trong thời gian tụ
nạp. Khi các hài này được sinh ra sẽ gây hại đến hệ thống lưới điện. Tác hại
của những hài này sẽ càng lớn khi công suất tải lớn, hoặc khi có đồng thời
nhiều thiết bị gây hài mắc vào cùng một nguồn lưới.
Tổng Quan
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
-5-
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
1.2. Ý nghĩa của hệ số công suất trong hệ thống cung cấp điện
Để hiểu được khái niệm hệ số công suất trước hết cần phải biết khái niệm
công suất trong truyền tải điện bao gồm hai thành phần :
- Thành phần hữu ích, hay thành phần hữu công : Là phần năng
lượng điện chuyển hóa được thành các dạng năng lượng khác như nhiệt
năng, quang năng, cơ năng khi điện được cung cấp đến các thiết bị
dùng điện. Là thành phần đo đếm được qua các thiết bị đo đếm điện
năng của người tiêu dùng. Là phần năng lượng mà người dùng phải trả
tiền. Cơng suất hữu ích được đo bằng W hay kW
- Thành phần vô công : Là thành phần sinh ra trong các thiết bị
điện từ như động cơ điện, máy biến áp hàn, cuộn kháng… khi làm việc
non tải, được đo bằng VAR hay kVAR.
Tổng hai thành phần công suất được gọi là công suất biểu kiến
được đo bằng VA hay kVA
Hệ số công suất là đại lượng phản ánh mức năng lượng tiêu hao
có ích trong tổng lượng công suất mà thiết bị tiêu thụ. Hệ số này mang
ý nghĩa kinh tế quan trọng.
1.3. Tác dụng của bộ điều khiển PFC
Bộ PFC được lắp đặt tại vị trí giữa nguồn cấp (sau chỉnh lưu) và tải một
chiều, có tác dụng theo dõi hệ số công suất của tải và tự động điều chỉnh để
điện áp và dòng điện vào ln đồng pha (cosphi = 1). Đồng thời nó cịn có tác
dụng ổn định điện áp đầu ra, làm tăng tính ổn định của hệ thống, xử lý các
thay đổi diễn ra ở phía nguồn cấp và phía tải một chiều, thông báo và tác động
khi xảy ra sự cố.
1.4. Phân tích, đánh giá
Hiện tại đã có rất nhiều nghiên cứu để thực hiện việc hiệu chỉnh hệ số
công suất cho các bộ chuyển đổi AC/DC một pha đã được thực hiện từ
Tổng Quan
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
-6-
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
phương pháp điều khiển kinh điển như điều khiển tương tự hay phương pháp
điều khiển hiện đại như điều khiển số … trong việc hiệu chỉnh hệ số công suất
(Power Factor Correction - PFC) cho bộ chuyển đổi AC/DC một pha. Tuy
nhiên, các phương pháp điều khiển trên đều có cấu trúc điều khiển phức tạp,
độ tin cậy không cao. Việc tạo ra một hệ nguồn một chiều dùng bộ chuyển đổi
AC/DC một pha làm việc thông minh, tin cậy và kinh tế. Khắc phục những
nhược điểm của các phương pháp điều khiển trên trong hiệu chỉnh hệ số công
suất hệ nguồn một chiều dùng bộ chuyển đổi AC/DC một pha rất cần thiết.
Trong những năm gần đây, với những phần mềm máy tính và các vi xử lí
mạnh cùng với sự phát triển của các mơ hình mạng neural, các phương pháp
điều khiển, giám sát, nhận dạng … theo hướng dùng mạng thần kinh nhân tạo
ngày càng được áp dụng khá rộng rãi trên mọi lĩnh vực. Người học muốn ứng
dụng mạng thần kinh nhân tạo trong hiệu chỉnh hệ số công suất cho hệ nguồn
một chiều dùng bộ chuyển đổi AC/DC một pha. Đây là một phương pháp điều
khiển hiện đại, hiện tại trong và ngoài nước chưa áp dụng để thực hiện việc
hiệu chỉnh hệ số công suất cho hệ nguồn một chiều dùng bộ chuyển đổi
AC/DC một pha. Bên cạnh đó, mạng thần kinh nhân tạo cịn có ưu điểm về sự
đơn giản trong cấu trúc liên hệ giữa các biến đầu vào và kết quả đầu ra. Mối
liên hệ giữa ma trận đầu vào và ma trận kết quả không phải là hằng số mà là
những mối liên kết có cấu trúc, phi tuyến và được điều chỉnh liên tục trong
quá trình học của mạng nên dễ dàng xây dựng một cấu trúc mạng. Ngoài việc
áp dụng mạng thần kinh nhận tạo để điều khiển nâng cao hệ số công suất khi
thiết kế hệ nguồn một chiều dùng bộ chuyển đổi AC/DC một pha, còn giúp hệ
nguồn một chiều ổn định được điện áp đầu ra khi có biến động về nguồn AC.
1.5. Nhiệm vụ cụ thể
- Lựa chọn sơ đồ thiết kế phù hợp và xác định luật điều khiển cho bộ PFC
theo phương pháp kinh điển. Từ đó tính tốn thơng số cho mạch động lực và
Tổng Quan
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
-7-
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
mạch điều khiển cho bộ PFC cụ thể.
- Giới thiệu tổng quát về mạng thần kinh nhân tạo.
- Xây dựng mạng thần kinh nhân tạo trong điều khiển bộ PFC.
- So sánh các phương pháp điều khiển khác.
- Đánh giá kết quả đạt được.
1.6. Điểm mới của đề tài
Ứng dụng mạng Perceptron trong việc phân tích dữ liệu như dịng điện
lưới (Iac), điện áp nguồn vào từ lưới (Vac), điện áp ngõ ra bộ chuyển đổi (Vo)
cùng với điện áp tham chiếu (Vref) trên cơ sở cải tiến việc xắp xếp mẫu, xác
định số neural ẩn và xác định số thế hệ học cần thiết bằng thuật tốn để mạng
có thể học nhanh nhất và điều khiển ngõ ra (uđk) điều khiển chính xác nhất.
Tổng Quan
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
-8-
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU
HỆ SỐ CÔNG SUẤT CAO
2.1. Một số mạch băm áp có thể sử dụng trong bộ PFC
Trong mạch PFC, với điện áp đầu vào một pha, sau khâu chỉnh lưu dùng
các mạch băm áp để điều chỉnh điện áp đầu ra và hệ số công suất của mạch.
2.1.1. Mạch Boost (Boost PFC)
Hình 2.1. Sơ đồ mạch Boost
Khi van đóng : Diode D khóa do phân cực ngược bởi tụ C 0. Năng lượng
trong tụ C0 xả qua tải, dòng điện từ dương nguồn qua cuộn L qua van trở về
âm nguồn.
Khi van cắt : Diode D phân cực thuận dẫn dòng từ nguồn qua cuộn L nạp
cho tụ C0 với cực tính như hình vẽ. Cuộn L đổi cực tính, điện áp nạp cho tụ C0
là : VC0 = VS + VL. Do vậy điện áp ra mạch boost cao hơn điện áp đầu vào.
Hình 2.2. Dạng sóng điện áp và dòng điện vào bộ Boost PFC
Với : TON là chu kì dẫn của van; T là chu kì đóng cắt của van.
Định nghĩa : D
TON
1
T
Thiết Kế Bộ Chỉnh Lưu Hệ Số Công Suất Cao
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
-9-
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
Quan hệ giữa điện áp vào và điện áp ra của bộ boost converter :
VO
VS
VO VS
1 D
2.1.2. Mạch Buck (Buck PFC)
Hình 2.3. Sơ đồ mạch Buck
Khi van đóng : Diode khóa do bị phân cực ngược, dòng điện từ dương
nguồn qua L nạp cho tụ C.
Khi van cắt : Cuôn L đảo cực tính, diode D dẫn, dịng điện qua tải bằng
tổng dòng điện qua L và dòng qua tụ C0: Itải = IL + IC0
Điện áp trên tụ C : UC = VS – VL = Utải
Điện áp ra của bộ Buck luôn nhỏ hơn điện áp nguồn cấp, biểu thức liên
hệ : VO VS .D VO VS
Hình 2.4. Dạng sóng dịng điện, điện áp vào bộ Buck PFC
2.1.3. Mạch Buck/Boost (Buck/Boost PFC)
Hình 2.5. Sơ đồ mạch buck/boost
Thiết Kế Bộ Chỉnh Lưu Hệ Số Công Suất Cao
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
- 10 -
Khi van đóng : điện áp trên cuộn L bằng điện áp nguồn. Diode D khóa
do bị phân cực ngược. Dịng điện qua tải được cung cấp bởi tụ C0
Khi van cắt : điện áp trên L dảo cực tính, diode D dẫn dòng khép mạch
L – C0 – D – L. Tụ C0 được nạp chuẩn bị cho chu kì phóng khi van đóng.
Điện áp ra trong trường hợp này có thể lớn hoặc nhỏ hơn điện áp nguồn
cấp, với biểu thức liên hệ :
VO
VS .D
1 D
2.2. Xác định luật điều khiển
2.2.1. Mô hin
̀ h ma ̣ch Boost PFC
Trong trường hợp tính tốn cho mạch điện có điện áp đầu ra (400V) cao
hơn điện áp đầu vào (100-240V). Như phân tích các sơ đồ mạch băm áp
thường dùng với bộ PFC ở trên, sơ đồ mạch Boost PFC thích hợp nhất trong
trường hợp này để dễ dàng hơn cho việc phân tích tính tốn thiết kế mạch.
Dưới đây, mơ hình mạch động lực bộ Boost PFC cần tính tốn thiết kế :
L
D
S
Vs
C
R
Vo
Hình 2.6. Sơ đồ mạch Boost PFC
Xét các trạng thái đóng mở của van để tìm ra mối quan hệ giữa các giá trị
đầu vào, đầu ra và các thành phần trong mạch để đưa ra những phương pháp
lựa chọn thiết bị, luật điều khiển phù hợp nhất với các thông số của mạch theo
yêu cầu.
2.2.1.1. Điện áp ra
Xét khi van bán dẫn đóng. Có thể vẽ lại mạch như sau :
Thiết Kế Bộ Chỉnh Lưu Hệ Số Công Suất Cao
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Cơng Suất
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
- 11 -
L
S
Vs
R
C
Vo
Hình 2.7. Sơ đồ thay thế khi van đóng
Điện áp đặt trên hai đầu cuộn dây :
VL = VS
Dòng điện qua cuộn dây tăng dần. Có quan hệ sau : L
diL
vs (t )
dt
(2.1)
Nếu xét trong thời gian rất ngắn thì có thể coi điện áp vào là ổn định, tốc
độ biến thiên dòng điện qua cuộn L sẽ xác lập. Khi đó cơng thức (2.1) có thể
biểu diễn dưới dạng sai phân như sau :
iL VS
t
L
(2.2)
Gọi: TON là chu kì dẫn của van, T là chu kì đóng cắt của van.
Định nghĩa : D
Từ (2.2) : I L
TON
. Như vậy thời gian dẫn của van : TON D.T .
T
VS
D.T
L
(2.3)
Xét khi van bán dẫn mở. Vẽ lại được mạch như sau :
L
C
Vs
R
Vo
Hình 2.8. Sơ đồ tương đương khi van cắt
Điện áp đặt trên cuộn dây : VL VS V0
(2.4)
Với giả thiết VL mang giá trị âm và lượng biến đổi dòng điện i trên
cuộn L cũng mang giá trị âm.
Thiết Kế Bộ Chỉnh Lưu Hệ Số Công Suất Cao
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Cơng Suất
Có được :
- 12 -
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
diL VS V0
dt
L
Dạng sai phân : I L
(2.5)
VS V0
1 D T
L
(2.6)
Khi dòng điện qua cuộn dây đã xác lập tổng lượng tăng dịng điện khi
van đóng phải bằng tổng lượng giảm dòng điện khi van hở, do đó có được :
Từ (2.3) và (2.6), suy ra :
VS
V V
D.T S 0 1 D T 0
L
L
V0
VS
1 D
(2.7)
(2.8)
Từ (2.8), thấy V0 > VS , D càng lớn thì V0 càng lớn. VS = V0 khi D = 0.
Thông thường lấy D trong khoảng 0,1 < D < 0,9.
2.2.1.2. Sự biến thiên điện áp đầu ra
Khi van đóng cắt tương ứng sẽ là quá trình nạp và phóng điện liên tiếp
của tụ C0. Khi đó điện áp ra sẽ có sự thay đổi phụ thuộc vào giá trị điện dung
của tụ và tần số đóng cắt của van.
Có được : iC (t ) C
iC C
dv0 (t )
dt
v0
t
(2.9)
(2.10)
Do tần số hoạt đông của van trong mạch boost khá cao, coi : iC iR
Từ (2.10), có được : v0
iC .DT V0 .DT I 0 .D
C
C.R
C. f
V0
R
(2.11)
Với : f là tần số biến thiên điện áp đầu ra.
2.2.1.3. Biến thiên dòng điện trong cuộn dây và chế độ dòng liên tục
Để đảm bảo được chức năng cho bộ PFC, phải thiết kế để mạch Boost
PFC hoạt động ở chế độ dòng liên tục.
Thiết Kế Bộ Chỉnh Lưu Hệ Số Công Suất Cao
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
Ứng Dụng Mạng Thần Kinh Nhân Tạo
Trong Hiệu Chỉnh Hệ Số Cơng Suất
GVHD: PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng
- 13 -
Tính tốn đối với trường hợp tải thuần trở, khi tải mang tính cảm thì giá
trị L trong mạch tăng làm cho dũng in qua nú cng c mn hn.
I
I
L
L
L
t
c
tớnh
thp
Đặ
c tính
thấnht
p nhất
t
DT
(1-D)T
Hỡnh 2.9. Dạng sóng dịng điện trên cuộn dây ở chế độ dòng liên tục
Khi điện áp và dòng điện qua L đồng pha, có được :
Cơng suất do nguồn cung cấp :
Công suất tiêu thụ của tải :
PS VS .I L
P0
V
0
2
R
Bỏ qua tổn hao trên các mạch chuyển đổi, được : PS P0
VS .I L
Có được :
V
0
I0
2
R
IL
V
0
2
(2.12)
VS .R
V0
R
Từ (2.8), (2.11), (2.12). Có được : I L
(2.13)
I0
1 D
Từ đó cho thấy dòng điện qua cuộn L lớn hơn dòng qua tải.
Từ đồ thị hình 2.9. Có các biểu thức sau :
Và :
I L max I L
I L
2
(2.14)
I L min I L
I L
2
(2.15)
Thiết Kế Bộ Chỉnh Lưu Hệ Số Công Suất Cao
HVTH: Trần Hiếu Nghĩa
