Bài giảng Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất - Mô hình hóa bộ biến đổi điện tử công suất

11/2015 1 HỌC PHẦN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT (EE4336) MÔ HÌNH HÓA BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TS. Trần Trọng Minh, TS.Vũ Hoàng Phương BM. Tự động hóa CN – Viện Điện Trường đại học Bách khoa Hà Nội NỘI DUNG 11/2015 2 Phương pháp không gian trạng thái trung bình (state space average) Mạng phần tử đóng cắt (switching network averaging) PHƯƠNG PHÁP KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI TRUNG BÌNH 11/2015 3 Bộ biến đổi DC/DC được điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM) Giả thiết bộ biến đổi DC/DC làm việc trong chế độ dòng điện liên tục (Continuous current mode - CCM) Van bán dẫn coi khóa đóng cắt lý tưởng PHƯƠNG PHÁP KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI TRUNG BÌNH 11/2015 4 Nội dung phương pháp trung bình không gian trạng thái được thực hiện tổng quát theo các bước dưới đây. Bước 1: Sử dụng các định luật Kirhoff viết phương trình mạch điện bộ biến đổi DC/DC trong trạng thái 1 dưới dạng chuẩn hóa Bước 2: Sử dụng các định luật Kirhoff viết phương trình mạch điện bộ biến đổi DC/DC trong trạng thái 2 dưới dạng chuẩn hóa 1 1 1 1 d = + d = + u t y u x A x B C x D     2 2 2 2 x = x+ = x+ d u dt y u A B C D     A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1, D2: Là ma trận tham số hằng phụ thuộc L, C. PHƯƠNG PHÁP KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI TRUNG BÌNH 11/2015 5 Bước 3: Mô hình trung bình mô tả một bộ biến đổi DC/DC với sự tham gia của hệ số điều chế d được viết như sau: MÔ HÌNH PHI TUYẾN CẤU TRÚC! Hoặc viết ở dạng tổng quát: A, B, C, D: Là ma trận tham số hàm         1 2 1 2 1 2 1 2 x = + 1 x+ + 1 = + 1 x+ + 1 d d d d d u dt y d d d d u A A B B C C D D                     d u dt y u x =Ax+B =Cx D              1 2 1 2 1 2 1 2 + 1 B= + 1 = + 1 + 1 d d d d d d d d A A A B B C C C D D D                       PHƯƠNG PHÁP KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI TRUNG BÌNH 11/2015 6 Bước 4: Điểm cân bằng của mô hình được xác định bằng cách cho đạo hàm bằng không Bước 5: Mô hình tín hiệu nhỏ của bộ biến đổi DC/DC xác định bằng cách tuyến tính hóa quanh điểm làm việc mô hình () và được viết lại như sau 0 ss ss ss ss U Y U =A X+B =C X D            1 2 1 2 1 2 1 2 xˆ ˆˆ ˆ= x+ ˆˆ ˆ ˆ= x ss ss ss ss d u d dt y u d A B A A X B B U C D C C X D D U                          1 2 1 2 1 2 1 2 + 1 B = + 1 = + 1 + 1 ss ss ss ss D D D D D D D D A A A B B C C C D D D                       THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI PHƯƠNG PHÁP KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI TRUNG BÌNH 11/2015 7 Mối quan hệ giữa giá trị trung bình, giá trị xác lập và tín hiệu nhỏ được chỉ ra: ˆ ˆ ˆ ˆ u U u y Y y d D d x X x           ˆ ˆ ˆ ˆ U u Y y D d X x           Hàm truyền đạt giữa đầu ra và hệ số điều chế khi cho (Control to output transfer function).                 1 1 2 1 2 1 2 1 2 ˆ 0 ˆ ˆ ss ss u s y s s U U d s C I A A A X B B C C X D D                  THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG CHẾ ĐỘ VOLTAGE MODE PHƯƠNG PHÁP KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI TRUNG BÌNH 11/2015 8 Hàm truyền đạt giữa đầu ra và đầu vào         1 ˆ 0 ˆ ˆ ss ss ss ss d s y s s u s C I A B D      Hàm truyền đạt giữa biến trạng thái và hệ số đều chế             1 1 2 1 2 ˆ 0 ˆ ˆ ss u s s s U d s x I A A A X B B          ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG CHẾ ĐỘ CURRENT MODE PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH MẠNG PHẦN TỬ ĐÓNG CẮT 11/2015 9 1U 1I 2I 2U 1: D 1u 1i 2i 2u  1: d t 1 tu 1 ti 2 ti 2 tu Hình 3.1 Mô tả bộ biến đổi DC/DC, a) mạch lực bộ biến đổi DC/DC, b) Mô hình bộ biến đổi DC/DC tại điểm xác lập, c) Mô hình trung bình bộ biến đổi DC/DC 2 1 1 2 U DU I DI                2 1 1 2 u t d t u t i t d t i t     PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH MẠNG PHẦN TỬ ĐÓNG CẮT 11/2015 10 Mô hình bộ biến đổi DC/DC cần phải được tuyến tính hóa tại điểm làm việc cân bằng.                     1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ d t D d t u t U u t i t I i t u t U u t i t I i t                      2 2 1 1 1 1 2 2 ˆˆ ˆ ˆˆ ˆ U u D d U u I i D d I i             2 1 1 1 ˆ ˆˆ ˆ ˆu U d Du du   1 2 2 2 ˆ ˆˆ ˆ ˆi Di I d di         2I d t   1U d t  1ˆu t  1ˆi t  2ˆi t  2uˆ t 1u t  1i t  2i t  2u t  1: d t Hình 3.2 Mạng điện hai cửa, a) tín hiệu trung bình, b) Mạch điện điện tương đương được tuyến tính tại điểm làm việc cân bằng PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH MẠNG PHẦN TỬ ĐÓNG CẮT 11/2015 11 Mô hình trung bình bộ biến đổi DC/DC Buck và Boost 1i Li +  1: d t + a) - D 1 ti t Liuin t ou C R L RCuin ou t Li uin t ou C R L Li RCuin ou  1 :1d t   b) Hình 3.3 Mô hình trung bình bộ biến đổi DC/DC, a)Bộ biến đổi Buck, b)Bộ biến đổi Boost VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BUCK 11/2015 12 Hình 3.5 Mạch điện mô tả bộ biến đổi Buck với tín hiệu nhỏ.  2I d  1U d 1ˆu 1i 2i 2uˆ 0uˆ 1ˆu  2 1 1 ˆ ˆu Du U d        1 2 1 0ˆ ˆ u s u s U d s      2 ˆ ˆ o RC RC L u s Z u s Z Z                     1 2 2 20ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ o o in vd u s u s u s u s RU G s u s R Ls RLCsd s d s                        0 0 2 2 1 2 1ˆ 0 ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ vg d s u s u s u s DR G s u s u s u s R Ls RLCs        2 1 1 1 2 2 ˆˆ ˆ ˆˆ ˆ u U d Du i Di I d       VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BOOST 11/2015 13 Hình 3.7 Mạch điện mô tả bộ biến đổi Boost với tín hiệu nhỏ ˆ inu 1i  1I d  oU d 1ˆu 0uˆ 2uˆ 2i     1 2 2 2 1 1 ˆ1ˆ ˆ ˆˆ ˆ1 u D u U d i D i I d               11 2 11 ˆ 1 ˆ 1o RC I d i D i u I d D i Z          1 1 RC R Z R sC sRC     1 ˆˆˆ ˆ1in o ou sLi U d D u                 1ˆ ˆ1 1 1 o in o RC IsL D u s u s U d s sL D Z D                          20 ˆ 1 ˆ 1 1 o vg d s in u s D R G s u s sRC sL D R                       1 0ˆ 2 1 ˆ 1 1 1in o o vd u s I D R U sL u s D G s d s sRC sL D R           