Bài giảng Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất - Trần Trọng Minh

11/2015 1 HỌC PHẦN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT (EE4336) ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU TIRISTOR TS. Trần Trọng Minh, TS.Vũ Hoàng Phương BM. Tự động hóa CN – Viện Điện Trường đại học Bách khoa Hà Nội 11/2015 2 1. Phương pháp điều chế độ rộng xung và giải pháp thực hiện trong thực tế. 2. Mô hình hóa và thiết kế mạch vòng dòng điện 3. Ví dụ cho chỉnh lưu cầu 3 pha NỘI DUNG 11/2015 3 Phương pháp điều chế độ rộng xung Cấu trúc của hệ thống điều khiển các bộ biến đổi phụ thuộc. Lưới điện vđk So sánh Khuyếch đại xung Đồng pha Tạo răng cưa Tạo xung A K G K G 11/2015 4 Phương pháp điều chế độ rộng xung Sơ đồ lấy tín hiệu đồng bộ bằng máy biến áp đồng pha cho chỉnh lưu ba pha (a) Đấu Δ/Y, (b) Đấu Y/Y. A B C udpA udpB udpC A B C udpA udpB udpC ud uA 0  uB uC udpA uAC 0  ud uA 0  uB uC udpA uA 0  (a) (b) 11/2015 5 Phương pháp điều chế độ rộng xung  2a  a  Điện áp tựa dạng răng cưa sườn xuống.   , , , 1 c m dk c m dk c m U u t U u U   a             2a  a  Điện áp tựa dạng răng cưa sườn lên.   , , c m dk dk c m U u t u U   a     Các dạng điện áp tựa phổ biến cho điều khiển bộ biến đổi chuyển mạch phụ thuộc 11/2015 6 Phương pháp điều chế độ rộng xung Vấn đề về tạo xung cho mạch chỉnh lưu cầu 3 pha       UGK,V1 UGK,V2 UGK,V3 UGK,V4 UGK,V5 UGK,V6 a Xung lặp lại 600 Biểu đồ phát xung kép cho chỉnh lưu cầu ba pha. Biểu đồ phát xung chùm cho chỉnh lưu cầu ba pha. fx = 8 ÷ 12 kHztx < 100µs 11/2015 7 Phương pháp điều chế độ rộng xung 1. GND chân nối đất, 2. Q2 đầu ra 2 đảo, 3. QU đầu ra U, 4. Q1 đầu ra 1 đảo 5. VSYNC đầu vào đồng bộ, 6. Inhibit đầu vào cấm, 7. QZ đầu ra Z, 8. VSTOP =VREF điện áp chuẩn, xác định biên độ của răng cưa. 9. R9 điện trở mạch tạo răng cưa, 10. C10 tụ điện mạch tạo răng cưa, 11. V11 điện áp điều khiển, 12. C12 tụ tạo độ rộng xung, 13. Tín hiệu tạo điều khiển bằng xung rộng, 14. Q1 đầu ra 1, 15. Q2 đầu ra 2, VS nguồn cung cấp Sơ đồ cấu trúc của TCA785. 11/2015 8 Phương pháp điều chế độ rộng xung Đồ thị dạng xung của TCA785. a 180  Q1 Q2 XUNG KÉP? XUNG CHÙM? 11/2015 9 Phương pháp điều chế độ rộng xung Sử dụng IC TCA785 mở van Triac 11/2015 10 Phương pháp điều chế độ rộng xung Sử dụng IC TCA785 mở sơ đồ cầu 1 pha không đối xứng 11/2015 11 Mô hình hóa mạch vòng dòng điện     2 sin cos cosm d do p v V V p a  a a                    cos cos cos sin sin d d do d d do v V V v V V a a a a a a a                cos 1,sina a a     cosd doV Va    sin d do v V a    Khi điện áp tựa có dạng sườn răng cưa đi lên mối quan hệ giữa góc mở với điện áp điều khiển tuân theo , dk c m u U a    Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra chỉnh lưu ud và điện áp điều khiển udk là:   , sin d do dk r dk c m v U u K u U a             Điện áp trung bình đầu ra chỉnh lưu Tiristor loại p xung: Tuyến tính hóa Giả thiết Và 11/2015 12 Mô hình hóa mạch vòng dòng điện Mối quan hệ hàm truyền đạt giữa tín hiệu điều khiển và điện áp ra (xét cả biên độ và góc pha) được thể hiện       2 1 2 T s pd r r r dk v s K G s K e u s T s p a                   * di  PIG s dku Modulator di a Load * di  PIG s dku di + - dR dL E d r dku K ua  (a) (b) Hệ thống điều khiển vòng kín cho chỉnh lưu Tiristor (a) Sơ đồ khối, (b) mạch điện tương đương. d L d d di L r i v e dt            0 1 1 d vi d e s L L i s G s v s L r s r a             11/2015 13 Mô hình hóa mạch vòng dòng điện           * 2 0 1 1 2 pc rd k d ice s ic L L i L pc r pc r K Ki s G s i s TT T rr s Tr s K K s p K K                      * di 1 1pc ic K T s       dku , 1 2 r mK T s p          1 1L Lr s L r   di e dv * di 1 1pc ic K T s       dku   1 1L Lr s L r   di e dv1 Chọn hằng số thời gian bộ điều chỉnh PI là Tic = L/rL T: Chu kỳ điện áp lưới. p: Hệ số đập mạch đặc trưng cho các sơ đồ chỉnh lưu Mạch vòng điều khiển dòng điện của hệ chỉnh lưu Tiristor thể hiện dưới dạng tín hiệu nhỏ. pc r oc L K K T  11/2015 14 Ví dụ thiết kế cho sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha Tham số mô phỏng: Điện áp nguồn 380V/50Hz; Tải sức phản điện động R=0,5Ω, L=20mH, E= 100V; Điều khiển theo phương pháp xung kép với độ rộng xung 20e-5s và sử dụng điện áp tựa răng cưa có dạng sườn lên (giống nguyên lý làm việc của IC TCA785); Lượng đặt dòng điện thay đổi từ 50÷100(A) tại thời điểm 0,1s. 1. Giả thiết dòng điện liên tục, khi đó điện áp đầu ra chỉnh lưu cầu 3 pha (p=6) ở chế độ làm việc xác lập được tính như sau:     2 2 , 6 sin 513,18(V) 6 150(V) acos 1.27(rad) 2380(V) sin 154,1796 m do d L d do m r do c m V V V Ir E V V V K U U a a                                    2. Tham số bộ điều chỉnh PI (Toc = 1ms)   0,04 0,1297 ic L pc r oc L T r K L K T         11/2015 15 Ví dụ thiết kế cho sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha 0 20 40 60 80 100 120 140 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 Time (s) e (A) = ire f - id ire f (A), id(A) id(A) ire f (A) Đáp ứng lượng đặt và lượng thực dòng điện mạch DC sơ đồ chỉnh lưu hình cầu. 11/2015 16 Ví dụ thiết kế cho sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha -150 -100 -50 0 50 100 150 -500 0 500 1000 0 20 40 60 80 100 120 140 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Time (s) ia (A), ib (A) Vdα (V) id (A) Đáp ứng dòng điện phía xoay chiều, điện áp chỉnh lưu và dòng điện phía mạch DC sơ đồ chỉnh lưu hình cầu. 11/2015 17 Ví dụ thiết kế cho sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha Đáp ứng tín hiệu điều khiển, điện áp răng cưa và xung điều khiển. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Time (s) 11/2015 18 Ví dụ thiết kế cho sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha V3 V2V6 V5V1 V4 Khuếch đại & cách ly DAC Vi điều khiển ADC Ref Mạch tạo xung ~ Lưới điện Biến áp đồng pha V3 V2V6 V5V1 V4 P W MVi điều khiển ADC Ref Khuếch đại xung ~ ADC Hình 3.14 Sơ đồ khối các phần tử thực hiện cấu trúc điều khiển bộ chỉnh lưu. Hình 3.15 Giải pháp điều khiển số cho sơ đồ khối điều khiển bộ chỉnh lưu.