Bài giảng thiết kế bộ điều khiển tuyến tính cho bộ biến đổi nghịch lưu nguồn ba pha Thiết kế hệ thông điều khiển điện tử công suất

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

11/2015

1


NỘI DUNG TRÌNH BÀY
 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.

11/2015

2


SƠ ĐỒ MẠCH LỰC NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP

MỘT PHA
Nghịch lưu nguồn áp một pha là bộ biến đổi gồm 4 van bán dẫn điều khiển hoàn
toàn: MOSFET, IGBT…nối kiểu cầu H, ghép nối giữa nguồn xoay chiều và nguồn
điện một chiều
power
+

LƯỚI ĐIỆN BA PHA
TẢI BA PHA: ĐỘNG CƠ XC BA
PHA….

BUS DC

Van bán dẫn: MOSFET hoặc IGBT

Hình 11.5 Sơ đồ mạch lực nghịch lưu nguồn áp ba pha
11/2015

3


MÔ TẢ NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP 3 PHA BẰNG
CÁC HÀM CHUYỂN MẠCH
Điện áp trên tải được viết lại dựa

U dc 2

trên hàm chuyển mạch như sau:



2 S a  Sb  Sc  U dc

uan 
3
2

2 Sb  S a  S c  U dc


ubn 
3
2


 2Sc  Sb  Sa  U dc
u

 cn
3
2


U dc 2

VAN BÁN DẪN ĐƯỢC COI LÀ CÁC KHĨA ĐĨNG/CẮT LÝ TƯỞNG

Hình 11.5 Mơ hình nghịch lưu nguồn áp ba pha được
mơ tả bởi khóa chuyển mạch

Điện áp giữa điểm trung tính sơ đồ mạch nghịch lưu và điểm trung tính của tải

uan  uaN  unN
 unN  uaN
11/2015

U dc
 uan 
 S a  Sb  S c 
6
4


MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN
iS

is*

Gc  s 

us*

GPWM  s 

us

uL

is

uL: + Điện áp lưới

– chế độ nối lưới
+ Điện áp trên
tụ lọc đầu ra mạch
nghịch lưu – chế
độ độc lập

Sơ đồ mạch điện thay thế mạch vòng dòng điện nghịch lưu
nguồn áp ba pha (xét với thành phần sóng hài bậc 1)

Phương trình cân bằng điện áp mạch điện tương đương

diSa

usa  rL isa  L dt  u La

disb

u

r
i

L
 u Lb
 sb L sb
dt

disc

usc  rL isc  L dt  u Lc


11/2015

CLAKE

dis

u

r
i

L
 uL
 s L s
dt

u  r i  L dis  u
L s
L
 s
dt

disd

u

r
i


L
 s Lisq  uLd
 sd L sd
dt

u  r i  L disq   Li  u
s
sd
Lq
 sq L sq
dt

PARK
5


MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN
Sai lệch điều khiển được xác định:

PHÉP BIẾN ĐỔI CLARKE

i  iu

1

i

 iu  2iv 

3


PHÉP BIẾN ĐỔI PARK

Biểu điện vector điện áp và dòng điện trên các
hệ trục tọa độ

11/2015

id  i cos  s  i sin s

iq  i sin s  i cos  s

6


MẠCH VỊNG ĐIỀU CHỈNH DỊNG ĐIỆN
Cấu trúc điều khiển dịng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ
us*

is*



Gc  s   K p  

K ik s

2
k 1 s   k0 

is

2

is
is*

us*

Cấu trúc điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ
tĩnh αβ

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
dịng điện tương ứng với từng thành phần dòng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ).

11/2015

7


MẠCH VỊNG ĐIỀU CHỈNH DỊNG ĐIỆN
Cấu trúc điều khiển dịng điện trên hệ tọa độ quay dq

usd  ud  u Ld  Lisq

usq  uq  uLq  Lisd

Nếu đặt ∆ud, ∆uq là điện áp rơi trên cuộn
cảm

Thành phần điện áp ∆ud, ∆uq sẽ được bù bởi
bộ điều chỉnh dịng điện kiểu PI: uLd
isd*

usd*

ud

isd

isq

isq*

usq*

uq

uLq

Hình 6.12 Cấu trúc điều khiển dòng điện trên hệ tọa
độ quay dq
11/2015

ud  Kp (isd* - isd )  Ki  (isd* - isd )dt

*
*


u

K
(
i
i
)

K
(
i
 q
p sq
Sq
i  sq - isq )dt
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 dịng điện tương
ứng với từng thành phần dòng điện
trên hệ tọa độ tĩnh αβ).
8


CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN
ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP
U dc

*

usd

u

*
sq

isd*
isq*

usd
usq

us

dq


u s


isd

isq

dq
abc


usd

usq

dq
abc


Hình 5.15 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp một pha trong
chế độ làm việc độc lập (phương án A)

11/2015

9


CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN
ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP
A. Thiết kế theo cấu trúc điều khiển A
vs*

K
Kp  i
s
C s

vs

is*

is

1
Cs
G s

Hàm truyền vịng kín của mạch vịng điện áp:

T

PR

s 

K sK
v s
K Cs  K C


v  s  Cs  K s  K s   K C  s   K C 
p

t

*

t

p

i

2

i

2

p

i

p

i

Giả thiết dẫn dắt điện áp theo hàm truyền khâu dao động bậc 2:

2n s  n2
W2 nd  s   2
s  2n s  n2
Tham số bộ điều chỉnh được xác định như sau:
 K P  2nC

2
 K I  n C
11/2015

– hệ số tắt dần.
- tần số dao động riêng
10

CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN
ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP
B. Thiết kế theo cấu trúc điều khiển B
vs*

is*

Ks
Kp  2 i 2
s  0
vs

is

1
Cs

C s

G s

Hàm truyền vịng kín của mạch vòng điện áp:

K s KsK 
v s
T s 

v  s  Cs  K s   K   C  s  K 
2

PR

*

Thay s = jω ta có:

3

PR

 j  

i

p

2

t

i

o

K   K   
2

i

 K  C   
2

i

o

2

p

2

T

2

p

t

2

2

p

o

2

p

2



2

  K    

2

o

2

2

p

o

2

2
o

ωib: băng thông ban đầu
ωfb: băng thơng kết thúc

(do ảnh hưởng bởi thành
phần tích phân thêm vào).

2

Thực hiện thiết kế tương tự cho bộ điều chỉnh PR ở mạch vịng dịng điện ta có:

K 
p

11/2015

K

i

2

 C.   C .





ib

2
fb





fb

2
0





ib

K  2.  C.
2

p

fb



2

 2.K  C.
2

p

fb



11


CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN
ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP
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

Kp

Ki

Kp
Ki
11/2015

3,5
1000
Tham số điều khiển điện áp
0,2
250

12


CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN
ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP
400
300
200

uT (abc)

100
0
-100
-200
-300
-400

0

11/2015

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1
t(s)

0.12

0.14

0.16

a. Điện áp ra tải (cấu trúc B).

0.18

0.2

13


CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN
ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP
40
30
20

iS (A)

10
0
-10
-20
-30
-40

0

0.02

11/2015

0.04

0.06

0.08

0.1
t (s)

0.12

0.14

0.16

b. Dòng điện đầu ra mạch nghịch lưu.

0.18

0.2

14


CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN
ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP
1
0.9
0.8
0.7

da,db,dc

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1
t(s)

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

b. Hệ số điều chế cho mỗi nhánh van mạch nghịch lưu (SVM)
11/2015

15


CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN
ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP

11/2015

d. Phân tích phổ điện áp tải

16


CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN
ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC
it
Cdc

us

S3

usq

dq

S6

isq*

sin  *

usd

S1

S4

isd*

*
udc

udc


u s

isd

dq
abc
Lf

isq

S5

S2

sin 

LCL filter

Cf
Rf



Lt

end
en

enq

Hình 5.15 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha trong
chế độ làm việc nối lưới (chỉnh lưu tích cực).
11/2015

17

CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN
ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC
Cấu trúc vịng khóa pha

 dt

*

CLAKE
PARK
Hình 6.1 Cấu trúc vịng khóa pha cho lưới điện ba pha (PLL-3)

Để tuyến tính hóa vịng 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:


E cos(   )  E
e  

e   


   E sin(   )  E (   )  E  
nd

nq

11/2015

n

n

n

n

n

e

18


CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN
ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC
Cấu trúc vịng khóa pha











En sin   

1
s



K
Kp  i
s

1
s

*

*

Hình 5.12 Mạch vịng điều chỉnh thuật tốn
vịng khóa pha

Hình 5.13. Sơ đồ tuyến tính hóa mạch vịng
khóa pha.

Hàm truyền kín của mạch vịng điều chỉnh góc pha:

K sK
G (s) 
s K sK

p



 K  2. .

K  
p

n

2

i

n

2

p

2  .s  
G (s) 
s  2  .s  
2

i

2

i

Trong đó :

n

2

n

2
n

Hệ số dao động tắt dần damping
Tần số dao động riêng

0   1

n

11/2015

19


CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN
ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC
Bỏ qua tổn thất bộ biến đổi nghịch lưu nguồn áp
và tải mắc ở phía mạch DC, ta có biểu thức sau:

Tuyến tính quanh điểm làm việc

1
C
2

d Vc  vc 
dt

1 dvC2
3
 Pload  vd id
C
2 dt
2

vc  Vc  vc

id  I d  id Ta có:
v  V  v
d
d
 d

2

 Pload 

3
I d  id Vd  vd 

2





Bỏ qua các tín hiệu nhỏ bậc 2, ta có mối quan hệ:

dvc
dvc
3

 C vc
 Pload  I dVd  idVd  vd I d  vd id
CVc
2
dt
dt



vc

id

11/2015

vd 0



1,5Vd

CVc s
20


CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN
ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC
vc*

id

K
Kp  i
s

vc

1,5Vd

CVc s

Hình 5.13. Mạch vịng điện áp trên tụ (giả thiết hàm truyền kín
mạch vịng dịng điện là khâu tỷ lệ 1:1)
Hàm truyền kín của mạch vòng điều chỉnh điện áp trên tụ:

vc
vc*

vg 0

K V
KV 
1,5  p d s  i d 
CVc
CVc 


K V
KV 
s 2  1,5  p d s  i d 
CVc 
 CVc
 2 V C 

K



1,5V


 K   V C

1,5V
11/2015
n

2  .s  

G ( s) 
s  2  .s  
2

n

2

n

2

n

2
n

c

p

Hệ số dao động tắt dần damping

d

2

i

c

Tần số dao động riêng

n

d

21


CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN
ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC
Tham số mạch lực
Tải là nguồn dịng
Tụ một chiều
Điện cảm L
Tần số phát xung
Lượng đặt điện áp một chiều

-20A ÷ 20A
3300μF
3mH
10kHz
700VDC

Tham số vịng 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

Ki
Ki

11/2015

Tham số điều khiển điện áp
0,25
5

22


CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN
ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC
800

750

Vdc (V)

700

650

600

550

0

0.1

0.2

0.3

0.4
t(s)

0.5

0.6

0.7

0.8

a. Điện áp một chiều Vdc.
11/2015

23

CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN
ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC
400
300

vSa (V) & iSa (A)

200
100
0
-100
-200
-300
-400
0.2

0.22

11/2015

0.24

0.26

0.28

0.3
t(s)

0.32

a. Dịng điện đi vào lưới

0.34

0.36

0.38

0.4

24


CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN
ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC

11/2015

d. Phân tích phổ dịng điện đầu vào chỉnh lưu tích cực.

25