Bài giảng Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất - Thiết kế điều khiển tuyến tính cho bộ biến đổi nghị

11/2015 1 HỌC PHẦN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT (EE4336) THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO BỘ BIẾN ĐỔI NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP BA PHA TS. Trần Trọng Minh, TS.Vũ Hoàng Phương BM. Tự động hóa CN – Viện Điện Trường đại học Bách khoa Hà Nội NỘI DUNG TRÌNH BÀY 11/2015 2  Sơ đồ mạch lực nghịch lưu nguồn áp một pha  Phương pháp điều chế độ rộng xung (xem thêm slide SVM)  Mạch vòng điều chỉnh dòng điện cho bộ biến đổi nghịch lưu nguồn áp ba pha  Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha làm việc độc lập  Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha làm việc ở chế độ nối lưới. SƠ ĐỒ MẠCH LỰC NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP MỘT PHA 11/2015 3 Hình 11.5 Sơ đồ mạch lực nghịch lưu nguồn áp ba pha Van bán dẫn: MOSFET hoặc IGBT LƯỚI ĐIỆN BA PHA TẢI BA PHA: ĐỘNG CƠ XC BA PHA. BUS DC power Nghịch lưu nguồn áp một pha là bộ biến đổi gồm 4 van bán dẫn điều khiển hoàn toàn: MOSFET, IGBTnối kiểu cầu H, ghép nối giữa nguồn xoay chiều và nguồn điện một chiều + - MÔ TẢ NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP 3 PHA BẰNG CÁC HÀM CHUYỂN MẠCH 11/2015 4 Hình 11.5 Mô hình nghịch lưu nguồn áp ba pha được mô tả bởi khóa chuyển mạch VAN BÁN DẪN ĐƯỢC COI LÀ CÁC KHÓA ĐÓNG/CẮT LÝ TƯỞNG 2dcU 2dcU Điện áp trên tải được viết lại dựa trên hàm chuyển mạch như sau:       2 3 2 2 3 2 2 3 2 a b c dc an b a c dc bn c b a dc cn S S S U u S S S U u S S S U u               Điện áp giữa điểm trung tính sơ đồ mạch nghịch lưu và điểm trung tính của tải   6 an aN nN dc nN aN an a b c u u u U u u u S S S         MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN 11/2015 5 su Lu Si * si  cG s si  PWMG s * su Sơ đồ mạch điện thay thế mạch vòng dòng điện nghịch lưu nguồn áp ba pha (xét với thành phần sóng hài bậc 1) uL: + Điện áp lưới – chế độ nối lưới + Điện áp trên tụ lọc đầu ra mạch nghịch lưu – chế độ độc lập Phương trình cân bằng điện áp mạch điện tương đương Sa sa L sa La sb sb L sb Lb sc sc L sc Lc di u r i L u dt di u r i L u dt di u r i L u dt                s s L s L s s L s L di u r i L u dt di u r i L u dt                   sd sd L sd s sq Ld sq sq L sq s sd Lq di u r i L Li u dt di u r i L Li u dt               PARK CLAKE MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN 11/2015 6 Sai lệch điều khiển được xác định: Biểu điện vector điện áp và dòng điện trên các hệ trục tọa độ   1 2 3 u u v i i i i i         PHÉP BIẾN ĐỔI CLARKE d s s q s s i i cos i sin i i sin i cos               PHÉP BIẾN ĐỔI PARK MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN 11/2015 7 Cấu trúc điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ * su  * su  * si  * si  si  si  Cấu trúc điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ     22 1 0 ik c p k K s G s K s k       Phương pháp tổng hợp để tìm tham số Kp, Ki giống như đối với bộ điều chỉnh dòng điện kiểu cộng hưởng PR nghịch lưu nguồn áp một pha (Sẽ có hai kênh điều khiển dòng điện tương ứng với từng thành phần dòng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ). MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN 11/2015 8 Cấu trúc điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ quay dq sd d Ld sq sq q Lq sd u u u L i u u u L i              Nếu đặt ∆ud, ∆uq là điện áp rơi trên cuộn cảm Thành phần điện áp ∆ud, ∆uq sẽ được bù bởi bộ điều chỉnh dòng điện kiểu PI: * * * * ( - ) ( - ) ( - ) ( - ) d p sd sd i sd sd q p sq Sq i sq sq u K i i K i i dt u K i i K i i dt            * sqi sdi sqi * sdu * sdi * squ du qu Ldu Lqu Hình 6.12 Cấu trúc điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ quay dq Phương pháp tổng hợp để tìm tham số Kp, Ki giống như đối với bộ điều chỉnh dòng điện kiểu cộng hưởng PR nghịch lưu nguồn áp một pha (Sẽ có hai kênh điều khiển dòng điện tương ứng với từng thành phần dòng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ). CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP 11/2015 9 Hình 5.15 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp một pha trong chế độ làm việc độc lập (phương án A)  dq abc dq dcU * sdi * sqi sdu squ su  su  * sdu sdi sqi  * squ abc dq squ sdu   CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP 11/2015 10 A. Thiết kế theo cấu trúc điều khiển A Hàm truyền vòng kín của mạch vòng điện áp:              * 2 2 p ip it PR t p i p i K C s K CK s Kv s T s v s Cs K s K s K C s K C         Giả thiết dẫn dắt điện áp theo hàm truyền khâu dao động bậc 2:  C s  G s i p K K s  s i* si 1 Cs * sv sv   2 2 2 2 2 2 n n nd n n s W s s s         Tham số bộ điều chỉnh được xác định như sau: 2 2P n I n K C K C      – hệ số tắt dần. - tần số dao động riêng CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP 11/2015 11 B. Thiết kế theo cấu trúc điều khiển B Hàm truyền vòng kín của mạch vòng điện áp:         2 2 * 3 2 2 2C p i p ot PR t p i o p o K s K s Kv s T s v s Cs K s K s K            Thay s = jω ta có:          2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 i p o PR i o p o K K T j K C K                Thực hiện thiết kế tương tự cho bộ điều chỉnh PR ở mạch vòng dòng điện ta có:   2 C. . p ib ib K C        2 2 2 0 2 22. C. 2. .fb p fb p fb fb i K K CK           ωib: băng thông ban đầu ωfb: băng thông kết thúc (do ảnh hưởng bởi thành phần tích phân thêm vào).  C s  G s 2 2 0 i p K s K s    si * si 1 Cs * sv sv CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP 11/2015 12 Tham số mạch lực Tải 3 pha đối xứng 20Ω ÷ 40Ω Điện áp một chiều 700VDC Mạch lọc LC 40μF 0,7mH Tần số phát xung 5kHz Giá trị hiệu dụng điện áp mỗi pha 220V Tần số sóng hài cơ bản 50Hz Tham số bộ điều khiển dòng điện 3,5 1000 Tham số điều khiển điện áp 0,2 250 pK iK pK iK CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP 11/2015 13a. Điện áp ra tải (cấu trúc B). 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 t(s) uT ( ab c) CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP 11/2015 14 b. Dòng điện đầu ra mạch nghịch lưu. 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 t (s) iS (A ) CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP 11/2015 15 b. Hệ số điều chế cho mỗi nhánh van mạch nghịch lưu (SVM) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 t(s) da ,d b, dc CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP 11/2015 16d. Phân tích phổ điện áp tải CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC 11/2015 17 Hình 5.15 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha trong chế độ làm việc nối lưới (chỉnh lưu tích cực). S 1 S 3 S 5 S 2 S 6 S 4 C dc e n  dq abc dq dcu * sdi * sqi sdu squ su  su  *sin sin * dcu sdi sqi nqe nde  L C L filter L t L f C f R f it CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC 11/2015 18 Cấu trúc vòng khóa pha dt * Hình 6.1 Cấu trúc vòng khóa pha cho lưới điện ba pha (PLL-3) CLAKE PARK    cos( ) sin( ) ( ) nd n n nq n n n e e E E e E E E                        Để tuyến tính hóa vòng khóa pha, hệ thống được giả định rằng nó đang ở trạng thái có sai lệch là nhỏ so với trạng thái thực của lưới điện, nghĩa là có và Dưới điều kiện đó, ta có: = ≈ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC 11/2015 19 Cấu trúc vòng khóa pha  *1 s     sinnE  i p K K s  1 s  * Hình 5.12 Mạch vòng điều chỉnh thuật toán vòng khóa pha Hình 5.13. Sơ đồ tuyến tính hóa mạch vòng khóa pha. Hàm truyền kín của mạch vòng điều chỉnh góc pha: 2 ( ) p i p i K s K G s s K s K      2 2 2 2 2 . ( ) 2 . n n n n s G s s s           2 2. . p n i n K K       Trong đó : Hệ số dao động tắt dần damping Tần số dao động riêng 0 1  CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC 11/2015 20 Bỏ qua tổn thất bộ biến đổi nghịch lưu nguồn áp và tải mắc ở phía mạch DC, ta có biểu thức sau: 21 3 2 2 C load d d dv C dt P v i  Tuyến tính quanh điểm làm việc c c c d d d d d d v V v i I i v V v            Ta có:      2 1 3 2 2 c c load d d d d d C dt V v P I i V v         Bỏ qua các tín hiệu nhỏ bậc 2, ta có mối quan hệ: c c c c dv dv C C dt dt V v    loadP 3 2 d dI V d d d d d di V v I v i      0 1,5 d c d d cv v V i CV s       CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC 11/2015 21 Hình 5.13. Mạch vòng điện áp trên tụ (giả thiết hàm truyền kín mạch vòng dòng điện là khâu tỷ lệ 1:1) Hàm truyền kín của mạch vòng điều chỉnh điện áp trên tụ: * 20 1,5 1,5g c p d i d c c p dc i dv c c v v K V K V s CV CV K V K V s s CV CV                   2 2 2 2 2 . ( ) 2 . n n n n s G s s s              2 2 1,5 1,5 n c p d c i n d V C K V V C K V            Hệ số dao động tắt dần damping Tần số dao động riêng i p K K s  cv * cv 1,5 d c V CV s  di CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC 11/2015 22 Tham số mạch lực Tải là nguồn dòng -20A ÷ 20A Tụ một chiều 3300μF Điện cảm L 3mH Tần số phát xung 10kHz Lượng đặt điện áp một chiều 700VDC Tham số vòng khóa pha ba pha Kp 50 Ki 5000 Tham số bộ điều khiển dòng điện Cấu trúc kiểu PI Kp = , Ki = Cấu trúc kiểu PR Kp = 10 , Ki = 5000 Tham số điều khiển điện áp Ki 0,25 Ki 5 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC 11/2015 23 a. Điện áp một chiều Vdc. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 550 600 650 700 750 800 t(s) V dc (V ) CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC 11/2015 24 a. Dòng điện đi vào lưới 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38 0.4 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 t(s) vS a (V ) & iS a (A ) CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC 11/2015 25 d. Phân tích phổ dòng điện đầu vào chỉnh lưu tích cực.