Thiết kế điều khiển chỉnh lưu tích cực 3 pha trên hệ tọa độ anphabeta

Nhóm 7: Thiết kế hệ thống điều khiển chỉnh
lưu tích cực 3 pha trên hệ tọa độ tĩnh αβ

Lưu Tạ Trường Linh 20202434
Lê Trung Nghĩa 20200434

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS. Vũ Hoàng Phương

2

Nội dung
I. Yêu cầu thiết kế
II. Cấu trúc điều khiển
III. Mơ hình hóa
IV. Phương pháp điều chế vector khơng gian (SVM)
V. Thiết kế các mạch vịng điều khiển
VI. Mơ phỏng kiểm chứng
VII. Kết luận

3

I. Yêu cầu thiết kế
 Thiết kế hệ thống điều khiển chỉnh lưu tích cực 3 pha trên hệ tọa độ

tĩnh αβ
 Nội dung thiết kế: Mơ hình hóa, cấu trúc điều khiển.
 Tham số thiết kế: Hòa lưới 380V ±10%/50Hz±1%, công suất thiết kế

5kVA, L = 2,5mH (nội trở 0,1Ω), Cdc = 1000uF.
 Mô phỏng cấu trúc điều khiển.

4

I. Yêu cầu thiết kế Tham số Giá trị
Điện áp lưới V = 380V; f = 50Hz
 Sơ đồ mạch lực và tham số thiết kế
(RMS) L = 2.5mH; rL =
Chỉnh lưu tích cực 3 pha Điện cảm 0.1Ω

Tụ điện Cdc = 1000μF
Công suất S = 5kVA
Điện áp tụ điện Vdc= 700V

Tần số phát xung fsw = 10kHz

Tham số thiết kế

5

II. Cấu trúc điều khiển

1000 F

PI : KP  KIs
700V

Tải thuần trở: sin* 0;sin 0

 sin*  sin 0  * 0

isq

Vd (rms) 380V ,50Hz

Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực 3 pha trên hệ tọa độ tĩnh αβ có điều chỉnh cơng suất

6

II. Cấu trúc điều khiển 1000 F

700V
PI : KP  KIs

Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực 3 pha trên hệ tọa độ tĩnh αβ Vd (rms) 380V ,50Hz

7

III. Mơ hình hóa

 Phương trình cân bằng điện áp trong hệ thống 3 pha và trong hệ tọa độ tĩnh αβ

 ua   ea   ia   ia 
      d    u   e   i  d  i 
 ub    eb  rL  ib   L  ib        rL    L  
 uc   ec   ic  dt  ic   u   e   i  dt  i 

 Laplace 2 vế phương trình cân bằng điện áp ta được:
iˆ(s)
uˆ(s)  eˆ(s) i (s)(rL  Ls)  Gi (s) ˆ 1
uˆ(s) eˆ(s)0 rL  Ls

 Phương trình cân bằng cơng suất (bỏ qua tổn hao bộ biến đổi chỉnh lưu tích cực):

3 dvdc 3 1 dvdc 2
2 edisd  eqisq  vdcCdc dt  Pload (*)  2 ed isd 2 Cdc dt  Pload (isq 0)

(*) Modeling and Stability Analysis of Three-Phase PWM Rectifier; Author: Shiming 8
He-Jian Xiong-Dayi Dai; DOI: 10.1109/PEAC.2018.8590508; Page: 1,2

III. Mơ hình hóa

 Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc: vdc Vdc  vˆdc

ed Ed  eˆd

isd I sd  iˆsd ˆ 1 d (Vdc  vˆdc )2
3
 Thay vào phương trình cân bằng cơng suất: (Ed  eˆd )(Isd  isd )  Cdc  Pload
dvˆdc 2 2 dt
3 ˆˆ
2 (Ed Isd  Ed isd  eˆdisd  Isd eˆd ) CdcVdc dt  Pload
 Tại điểm làm việc cân bằng: Pload 3 Ed Isd (**)
2
 Loại bỏ các tín hiệu nhỏ bậc 2 và laplace 2 vế ta được:

Gv (s) vˆdc (s)  1.5Ed
iˆsd (s) eˆd (s)0 CdcVdc s

(**) Cơ sở truyền động điện trang 198 Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn 9

IV. Phương pháp điều chế vector không gian (SVM)

 Vector điện áp duy nhất biểu diễn 3 đại lượng điện áp tức thời trong hệ thống 3 pha:

us 23 (ua  aub  a2uc ); a e j 23  1  j 3
22

 Trong mặt phẳng phức αβ:

us u  ju

 Bằng phép chuyển tọa độ Clarke, ta đưa hệ thống ba pha từ hệ tọa độ (abc) sang hệ
tọa độ αβ:

 u  2 1 1
1     ua 
2 2
     ub 
u  3  3 3 
0    uc 
 2 2

10

IV. Phương pháp điều chế vector khơng gian (SVM)

• Với hệ 3 pha cân bằng và đối xứng – các pha điện áp có biên độ bằng nhau và góc

lệnh tương ứng 2 / 3


ua Um cos(t)

 2
ub Um cos(t  )  us Um(t)
 3

 2
uc Um cos(t  )
 3

Biểu diễn vector không gian trong hệ tọa độ αβ

11

IV. Phương pháp điều chế vector không gian (SVM)

 Bước 1: Xác định trạng thái (vector chuẩn) của mạch nghịch lưu

• Có 8 trạng thái: 2 trạng thái khơng (u0 ,u7 ) và 6 trạng thái tích cực (u1,u6 )

Trạng thái mạch nghịch lưu nguồn áp tương ứng vector chuẩn

12

IV. Phương pháp điều chế vector khơng gian (SVM)

• Xác định giá trị điện áp các vector chuẩn và vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh αβ

Bảng giá trị điện áp các vector chuẩn

Vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh αβ

13

IV. Phương pháp điều chế vector không gian (SVM)

 Bước 2: Xác định vị trí vector điện áp đặt us

Mối liên hệ giữa các sector và điện áp Thuật toán xác định vector điện áp đặt trong
tức thời mỗi sector

14

IV. Phương pháp điều chế vector không gian (SVM)

 Bước 3: Tính tốn thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hiện 2 vector chuẩn trong mỗi
chu kì điều chế Ts
us T1 ux  T2 uy  T0 u0 d1ux  d2uy  d0u0
Ts Ts Ts
• Do u0  u7 0 nên us T1 T ux  T2 uy d1ux  d2uy (*) s Ts

• Viết lại (*) theo thành phần trên hệ tọa độ αβ

 uS   ux   uy   ux uy   d1 
  d1    d2     
 uS   ux   uy   ux uy   d2 

 d1   ux uy   1  uS   uS 
u7 T1 .ux ux         Anm  

Ts  d2   ux uy   uS   uS 

Nguyên tắc điều chế vector điện áp • Hệ số điều chế cho vector không:

d0 1  d1  d2

15

IV. Phương pháp điều chế vector khơng gian (SVM)

• Bảng tổng hợp ma trận Anm trong mỗi sector

16

IV. Phương pháp điều chế vector không gian (SVM)

 Bước 4: Tính tốn thời gian (hoặc hệ số điều chế) thực hiện nhánh van mạch nghịch

lưu trong mỗi chu kì Ts

• Sử dụng mẫu xung đối xứng và thời gian sử
dụng vector không là bằng nhau

T0 T7 12 (Ts  T1  T2 )

Ví dụ trong sector 1:

Trình tự chuyển mạch: Mẫu xung chuẩn Sector 1

u0  u1  u2  u7 & u7  u2  u1  u0 17

IV. Phương pháp điều chế vector không gian (SVM)

 Mô phỏng SVM bằng Matlab Function
 
sin     1 Vref sin    (us ,un )  (us ,0 )
1 Vref  3 
T1 T Vdc sin    ;T2 T Vdc sin   
 
 3  3

T0 T  T1  T2

2Vref  us  us 2

 us  Xác định Xác định  Vdc 700V ; fs 10kHz Chuẩn hóa biên
 arctan   độ cho xung
sector từ điều chế SVM
 us  góc  từ n và góc
18

V. Thiết kế các mạch vòng điều khiển

1. Mạch vòng dòng điện 1
 Đối tượng của mạch vòng dòng điện: Gi (s) 

rL  Ls
 Lượng đặt dòng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ có dạng hình sin với tần số bằng s (tần

số cơ bản dịng điện hình sin), ta sử dụng cấu trúc điều chỉnh PR có tần số cộng

hưởng 0 s 2 *50 100 (rad / s)
Gc (s) K pr  2 2 Kir s

s  0
K pr , Kir : Tham số bộ điều chỉnh PR
0 s 2 *50 100 (rad / s)

Đồ thị Bode của bộ điều chỉnh PR (Kpr = 1, Kir = 100, 1000, 10000)

19

V. Thiết kế các mạch vòng điều khiển

1. Mạch vòng dòng điện GPR (s) K pr  2 2 Kir j
0  
 Thay s  j vào bộ điều chỉnh PR:

22
2 Kir
GPR ( j)  K pr  2 2 2
(0   )

GPR ( j) arctan   Kir 
 2 2 )
 K pr (0   

 Từ hàm truyền của hệ hở có biên độ bằng 1 tại tần số cắt, ta có:

22

Gi ( jc ) GPR ( jc )  1 2 Kirc
K pr  2 2 2 1
2 22 (0  c )

rL  L c
 Từ độ dự trữ pha mong muốn, ta có:

PM arctan  Kir   L 
 2 2   arctan   180)
 K pr (0     rL 

20