Đề tài Thiết kế bộ điều khiển nghịch lưu 1 pha độc lập

Thiết kế hệ thống điều khiển điện tử công suất Đề bài: Thiết kế bộ điều khiển nghịch lưu 1 pha độc lập GVHD:Vũ Hoàng Phương SV:Nguyễn Văn Quốc MSSV:20133175 Cấu trúc Slide 1.Yêu cầu thiết kế và tính toán mạch lực 2.Mô hình cấu trúc mạch lực và mô hình hóa 3.Lựa chọn,tính toán và thiết kế bộ điều khiển 4.Mô phỏng kết quả và đánh giá kết quả thu được Nghịch lưu độc lập là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều có tần số ra có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập . Khái niệm Thiết kế cấu trúc điều khiển cho nghịch lưu nguồn áp 1 pha: -Tải công suất 1KW, -Hệ số công suất 0,8 -Thông số của mạch: -Điện áp ra U=220V -Tần số điện áp:50Hz -Udc=380V -Tần số phát xung mạch nghịch lưu:20kHz -Độ gợn của điện áp ra: dU% = 1 %. -Bộ lọc LC với độ gợn sóng của dòng trên cuộn cảm là dI% = 20 % 1.Yêu cầu thiết kế và tính toán mạch lực Tải định mức là tải RL với Rt =31 Ohm, Lt = 74mH Tính toán giá trị Cf và Lf cho bộ lọc Dòng điện định mức của tải là : Idm=1000/(0.8*220)=5.68 A Độ gợn sóng của dòng qua cuộn cảm là: = 20% * 5.68 * sqrt(2)= 1.607 A Độ gợn sóng của điện áp tải là = 1% * 220 * sqrt(2) = 3.11 V Lf được tính theo công thức : Cf được tính theo công thức: Ta thu được Cf = 3.23uF và Lf = 2.956 mH, coi điện trở trong cuộn cảm là Rf = 0.1 Ohm Thông số phần tử của mạch 2.Sơ đồ cấu trúc mạch lực nghịch lưu 1 pha Cấu trúc điều khiển Voltage Controller PWM DC/AC Converter U* U ra Full-Bridge Vdc Vo So sánh ma Sóng Sine Sóng mang Mô hình hóa khâu PWM và mạch cầu Sơ đồ khối mô hình tuyến tính Rf Vcontrol Vload K Vo iL iload iC 2.Thiết kế bộ điều khiển  Các phương trình điện sử dụng định luật kiech hốp Trong đó:Vo: điện áp ra của mạch nghịch lưu V t : điện áp trên tải I L : dòng điện qua cuộn cảm Ic: dòng điện chạy qua tụ I t : dòng điện qua tả i Vo-Vt=Lf. +Rf.iL Vt=uCf iC=Cf. =Cf. iL=iC+it Vt=Rt.it+Lt. Laplace hóa các phương trình trên Vo-Vt=Lf.iL.s+Rf.iL iC=Cf.Vt.s iL=iC+it Suy ra:It= Vt=Rt.it+Lt.it.s Vo-Vt=Lf.( +Rf.( +Cf.Vt.s) = Biến đổi ta được hàm truyền sau Suy ra Mặt khác Vo=ma.Vdc Hàm truyền hệ hở đối tượng Hàm truyền hệ hở đối tượng như sau: Gvd = = =380 . Thay số Gvd= Đồ thị bode của hàm truyền đối tượng Từ độ Bode ta thấy hệ hở ổn định với độ dự trữ pha là 0.000798 ◦ tại tần số 31.8Khz. Do dữ trự pha rất nhỏ,trong nhiều trường có thể làm hệ mất ổn định,do đó cần thiết kế 1 bộ điều chỉnh để đưa độ dự trữ pha tăng lên:Chọn độ dự trữ pha cho hệ hở là 60◦ tại tần số cắt là fc=10Khz Nhận xét Chọn bộ PID để thiết kế điều khiển Gc_PID=Gco_PID. Hàm truyền bộ điều khiển PID có dạng Xét độ dự trữ của đối t ượng tại tần số cắt Sử dụng lệnh[mag,phase]=bode(Gvd,2*pi*10000) ta có: | G doituong(jw ) | w=wc =10.37dB φ (w) | w=wc = -179.997 ◦ Với độ dự trữ pha θ PM=60◦,vì vậy pha của bộ điều khiển tại fc được tính như sau: arcGc(jw) | w=wc = -180◦ + θ PM - arcGvd(jw)| w=wc = -180◦+60◦+179.973◦=59.9◦ Xác định Gc1(s) Do đó tần số điểm không và điểm cực của bộ bù được tính như sau: fz=fc fp=fc =37.32KHz Tần số fL được chọn bằng 1/20 fc suy ra fL=500Hz Khi đó Gc1(s)= Biên độ và pha của hàm truyền Gc1 tại tần số fc Biên độ và pha của hàm truyền Gc1 tại tần số fc | Gc (jw ) | w=wc =3.7377dB φ (w) | w=wc = 57.1419 ◦ Để biên độ hệ thống có giá trị bằng 1 tại tần số cắt thì biên độ của bộ điều khiển được xác định như sau: |Gcontrol|= Hàm truyền của bộ điều khiển sẽ như sau: Gcontrol(s)=|Gcontrol|.Gc1(s)= Hàm truyền đạt hệ hở Khi đó hàm truyền đạt hệ hở như sau: Gh = Đồ thị Bode của hàm truyền đạt vòng hở Từ độ Bode ta thấy hệ hở ổn định với độ dự trữ pha là 57.2 ◦ tại tần số cắt 10.1KHz theo yêu cầu.tuy chưa đạt được độ dữ trữ pha là 60 như yêu cầu nhưng với độ dự trữ pha là 57.2 ◦ thì hệ cũng sẽ đảm bảo được tính ổn định Nhận xét Cấu trúc điều khiển khối trên Matlab Simulink 4.Mô phỏng PWM simulink đơn cực và lưỡng cực PWM đơn cực PWM lưỡng cực Kết quả mô phỏng Điện áp ra ứng với tải định mức (lưỡng cực) Điện áp ra ứng với tải định mức (đơn cực) Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu Lưỡng cực Đơn cực Điện áp ra ứng với tải định mức (đơn cực) Đáp ứng điện áp đầu ra khi thay đổi tải R=30 Ohm tại t=0.0333s Điện áp ra ứng với tải định mức (lưỡng cực) Điện áp ra ứng với tải định mức (đơn cực) Điện áp đầu ra với các giá trị đặt U=220V và U=150V định mức Điện áp ra ứng với tải định mức (lưỡng cực) Điện áp ra ứng với tải định mức (đơn cực) Điện áp đầu ra khi thay đổi điện áp Udc từ 380V xuống 320V Điện áp ra ứng với tải định mức (lưỡng cực) Điện áp ra ứng với tải định mức (đơn cực) Độ gợn sóng ở điện áp đỉnh Độ gợn biên độ điện áp ra ứng với tải định mức (lưỡng cực) Độ gợn biên độ điện áp ra ứng với tải định mức (đơn cực) Pha điện áp ra ứng với tải định mức (lưỡng cực) Pha điện áp ra ứng với tải định mức (đơn cực) Đáp ứng pha điện áp đầu ra -Điện áp thu được khi sử dụng cả 2 phương pháp điều chế có dạng sin với tần số và biên độ như mong muốn -Khi thay đổi tải,ta thấy được đáp ứng nhanh chóng của bộ điều khiển để đưa điện áp về dạng điện áp đặt -Khi thay đổi giá trị Udc hay giá trị đặt thì điện áp cũng đã đáp ứng với giá trị thay đổi,tuy nhiên nhận thấy hình sin có đôi chút gợn sóng -Trong trường hợp sử dụng điều chế theo phương pháp đơn cực cho chất lương điện áp tốt hơn thể hiện qua đáp ứng về pha và biên độ,độ nhấp nhô của hình sine là ít hơn rõ rệt so với điều chế theo phương pháp lưỡng cực như kết quả mô phỏng thu được Nhận xét M-file U=220 %Dien ap ra f=50 %tan so dien ap ra Udc=380 %Dien ap 1 chieu dau vao fs=20000 %Tan so phat xung mach nghich luu %Thiet ke P=1000%Gia tri cong suat dau ra h=0.8 %he so cong suat dU =0.01 %Do gơn song cua dien ap ra dI =0.2 %Do gon song cua dong dien tren cuon cam S=P/h %Cong suat toan phan cua tai I=S/U %Dong dien dinh muc chay qua tai Imax=sqrt(2)*I % Bien do dong tai Rt=U^2/P %Dien tro tai ra pi=3.14 Lt=(sqrt((U/I)^2-Rt^2))/(2*pi*f) %Dien cam tai ra DentaI= dI*I* sqrt(2) %Do gon song cua dong dien tren cuon cam DentaU= dU*U* sqrt(2) %Do gơn song cua dien ap ra Lf=Udc/(4*fs*DentaI)%Dien cam bo loc Cf=DentaI/(8*fs*DentaU)%Dien dung bo loc Rf=0.03 %Dien tro cuon cam s=sym('s') G(s)=Udc*(Rt+Lt*s)/(Lf*Cf*Lt*s^3 +(Lf*Lt*Cf+Lf*Rt*Cf)*s^2+(Lf+Rf*Cf*Rt+Lt)*s+Rf+Rt) %Ham truyen o=sym('o') % Do du tru pha BDK fc=sym('fc')%Tan so cat fz=fc*sqrt((1-sin(o))/(1+sin(o)))%Tan so diem khong fp=fc*sqrt((1+sin(o))/(1-sin(o)))%Tan so diem cuc wz=2*pi*fz wp=2*pi*fp wl=sym('wl') Gc1(s)=(1+s/wz)*(1+wl/s)/(1+s/wp)%Ham truyen bo dieu khien PID Gcontrol=sym('Gcontrol')%He do BDK GPID=Gcontrol*Gc1(s) % Ham truyen BDK cua doi tuong Tài liệu tham khảo 1.Giáo trình điện tử công suất-Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam 2.Bài giảng môn Thiết kế điều khiển điện tử công suất – Thầy Vũ Hoàng Phương 3. Voltage Source Inverter Design Guide – Texas Instrument. 4. Analysis and Simulation of Single Phase Inverter Controlled By Neural Network - Ahmed G. Abdullah