Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất

Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
Mục lục
LƯU ĐỨC NGỌC - 20101941 1
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
LỜI MỞ ĐẦU
Nghịch lưu độc lập một pha là bộ biến đổi điện áp DC/AC có nhiệm vụ biến
dòng một chiều thành xoay chiều cung cấp cho tải hoặc lưới xoay chiều với hệ số
điều chế m được tính theo công thức m= U
AC
/U
DC
. Với điện áp xoay chiều đầu ra
luôn bé hơn điện áp đầu vào một chiều, do đó giá trị m luôn nằm trong khoảng
-1≤m≤1.
Dựa vào hệ số điều chế m này và nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu
độc lập cho ta có thể thiết kế bộ điều khiển mạch nghịch lưu nguồn áp một pha với
công suất yêu cầu mong muốn cho trước. Dưới đây theo yêu cầu của bài tập lớn
chúng ta sẽ đi thiết kế bộ điều khiển cho bộ “Nghịch lưu nguồn áp một pha với
công suất 2KW trong chế độ chỉnh lưu tích cực theo phương pháp đơn cực”.
Điều đó có nghĩa là ta sẽ phải điều khiển dòng điện xoay chiều đầu có biên độ cỡ
khoảng 6A và áp một chiều trên tụ cỡ khoảng 400VDC. Để làm được điều này
chúng ta sẽ thực hiện các bước của bài toán với nội dung như sau:
1. Tính chọn mạch lực
2. Thiết kế khâu điều chế độ rộng xung theo phương pháp đơn cực.
3. Tổng hợp mạch vòng dòng điện
4. Tổng hợp mạch vòng điện áp
5. Mô phỏng kiểm chứng
Do hạn chế của việc thực hiện bài tập lớn trong thời gian ngắn cùng với hiểu
biết hạn chế nên bài tập lớn chưa thể hoàn thành tốt nhất. Kính mong thầy giáo có
ý kiến để bài tập được hoàn thiện hơn.
Sinh viên

Lưu Đức Ngọc
LƯU ĐỨC NGỌC - 20101941 2
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
I. NHIỆM VỤ THIẾT KẾ
Thiết kế cấu trúc điều khiển của nghịch lưu độc lập nguồn áp 1 pha có công
suất 2KVA làm việc chế độ chỉnh lưu tích cực.
Tham số thiết kế và yêu cầu thiết kế.
• Lượng điện áp đặt vào tụ 400 VAC
• Công suất 2KW, U
l
= 220V/50 Hz. C=470µF, L= 2mH, R = 0,1 Ω
LƯU ĐỨC NGỌC - 20101941 3
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
II.
THIẾT KẾ
1. Tính chọn mạch lực
Ta có, để bộ nghịch lưu độc có thể phát ra một công suất nhất định khi nối lưới
ta phải chọn bộ thyristor có khả năng chịu dòng trung bình ứng với công suất
tối đa có thể sản xuất ra được với hệ số an toàn cho phép. Do vậy với bất cư bộ
nghịch lưu nào ta cũng cần phải tính chọn loại van phù hợp thông qua dòng
điện và điện áp tối đa có thể rơi trên van bán dẫn.
Bô nghịch lưu có công suất 2KW, giả sử hiệu suất của bộ nghịch lưu
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
cos φ = 0.8, vậy giá trị dòng điện của nguồn DC là.
Un=Udc=400V
2000
6.25( )
0,8.400
p
S

I A
U
= = =
Khi đó, giá trị dòng trung bình qua van bán dẫn,
max
3,125( )
2
p
v
I
I A= =
Chọn hệ số an toàn cho dòng là k=1,4.
I
Tmax
= I
vmax
x1,4=4,4
Chọn hệ số an toàn điện áp cho van
Giá trị điện áp max qua van:
Từ các thông số trên ta sử dung để chon van như sau:
Transistor: Với chế độ hoạt động van phải chịu đòn xấu xỉ 4,4 A và điện áp
480V nên chọn transistor với chế độ làm việc xung. Ta chọn van IGBT
FS10R06VL có các thông số theo bảng sau:
Tên U
cc
(V)
I
C
(A)
U

CE
(bão hòa)
P
(W)
R
(k/W)
FB10R06VL
4
600 10 1.95 55 2.5
2. Thiết kế khâu điều chế độ rộng xung theo phương pháp đơn cực.
Bản chất phương pháp đơn cực là sử dụng hai tín hiệu ngược dấu m và –m chỉ
để ĐK cặp van phía trên S1/S3. Còn hai van phía dưới được điều khiển hoàn toàn
phụ thộc hai van đó : S4 phủ định của S1, S2 phủ định của S3. Do đó trong phạm
vi nữa chu kỳ của điện áp cần tạo, phụ tải chỉ nhận một điện áp một dấu( đơn cực).
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
a) b)
Hình 1. Giải pháp điều chế và dạng sóng đầu ra của phương pháp đơn cực.
Như vậy điện áp đầu ra sẽ có dạng như hình 1b. Đây chính là giải pháp điều chế
đơn cực.
Với Matlab Simulink thì việc thiết kế bộ phát xung ta lần lượt tạo các thành
phần như sau:
- Khâu tạo hệ số điều chế (tạo song sin chuẩn).
Để tạo sóng sin ta sử dụng tín hiệu Sin wave với các tham số:
Frequency = 50Hz
Phase = 0
Amplitude = 1 Tương đương biên độ sóng sin =1
Tiếp tục, ta tạo thêm một tín hiệu – sin tương ứng với giá trị -m. Khi đó các giá
trị được chọn như sau:
Frequency = 50Hz
Phase = pi

Amplitude = 1 Tương đương biên độ sóng sin =1
- Khâu phát xung răng cưa đối xứng.
Để tạo khâu này ta sử dụng khối Triagel với các giá trị được thiết lập như sau:
Time value = [0 1/Fs/4 3/Fs/4 1/Fs] trong đó là tần số xung răng cưa. như yêu cầu
đề bài ta chọn Fs= 5000.
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
Ouput value = [0 -1 1 0]. Tương đương biên độ chọn =1
- Khâu so sánh giá trị để tạo xung PWM.
Để lấy khâu so sánh đơn giản ta sử dụng một mạch Relational Operator trong
Math để thực hiện so sánh biên độ xung răng cưa và sóng sin.
Sau đó việc tạo khâu phát xung được mô phỏng trên Simulink như sau:
Hình 2: Mô phỏng khâu phát xung theo phương pháp đơn cực
Trong đó bộ Not có vai trò đảo ngược giá trị xung PWM trước khi đưa vào bộ
cộng để đưa ra giá trị Uab. Thực tế khi đưa vào van ta không cần sử dụng bộ này.
Đáp ứng đầu ra Scope có dạng như sau:
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10
-3
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Thoi gian (s)

Bien do song mang va song sin chuan
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
Hình 3: So sánh tín hiệu sóng sin và sóng mang
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10
-3
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Thoi gian
Dien ap Ua0
Hình 4: Điện áp đầu ra U
a0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10
-3
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5

0.6
0.7
0.8
0.9
1
Thoi gain (s)
Dien ap Ub0
Hình 5: Điện áp đầu ra U
b0
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10
-3
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Thoi gian (s)
Uab
Hình 6: Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu
3. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện cho bộ nghịch lưu độc lập.
Hình 7: Mô hình hóa mạch vòng dòng điện
Trên đây là mô hình thay thế mạch vòng dòng điện của bộ nghịch lưu áp một

pha. Viết phương trình Kichoff cho mạch vòng trên ta thu được phương trình vi
phân như sau:
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7

s
s s L
di
u Ri L u
dt
= + +
Laplace hóa phương trình vi phân trên ta thu được:
(s)
1
(s)
(s) ( ) (1 . )
s
i
s L
i
G
u u s R T s
= =
- +
với
3
2.10
0,02.
0,1
L
T

R
-
= = =
Và mô hình toán học khâu điều chế độ rộng xung được viết như sau:
2
W
*
(s)
1
(s)
(s)
1
2
Ts
s
PM
s
s
u
G e
T
u
s
-
= = »
+
Trong đó T
s
= 1/F
s

( F
s
tần số điều chế), được chọn trong khoảng 10 lần tần số
cơ bản và 1/10 tần số phát xung vào mạch nghịch lưu để đáp ứng động học đủ
nhanh và ổn định. Do vậy ta chọn F
s
=500Hz. Hay T
s
= 1/500.
Bộ điều khiển PI
Kết quả, sau khi tổng hợp lại ta thu được mô hình toán học của hệ kín mạch
vòng dòng điện như sau:
Hình 8: Mô hình hàm truyền mạch vòng dòng điện
Hàm truyền đối tượng được viết như sau:
1/ 10
(1 0,02 )(1 0,001 )
(1 . )(1 s)
2
dt
s
R
G
T
s s
T s
= =
+ +
+ +
Ở đây ta muốn đáp ứng của hệ thống với băng thông lớn nhất, và G
h

là khâu tích
phân quán tính bậc 2. Do vậy ta thiết kế bộ điều khiển là khâu PI có hàm truyền
như sau:
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
1
i
I
R p
R
K
T s
G K
s T s
+
= + =
Trong đó
1
,T
P
I R
I I
K
T
K K
= =
Chọn T
I
= T= 0,02 để bù hằng số thời gian lớn. Với cách chọn này hàm truyền
hệ hở trở thành:
1/ 10

.
(1 0,001 )
(1 )
2
h dt R
s
R
R
R
G G G
T
T s s
T s s
= = =
+
+
.
Theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta tiếp tục chọn được T
R
= 2.10.0,001=0.02.
Hay K
p
=10 , K
i
=500.
Và
i
R p
K
G K

s
= +
= là bộ điều khiển PI cần tìm.
Mô phỏng trên Simulink với lượng đặt dòng điện là 6sin100пt.
Hình 9: Mô hình Simulink bộ điều khiển PI
Ta thu được kết quả đáp ứng đầu ra như sau:
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
Hình 9: Đáp ứng dòng điện đầu ra bộ điều khiển PI
Ta nhận thấy dòng điện đầu ra bám theo giá trị đặt, tuy nhiên bộ PI là không khả
thi trong thực tế vì đối với dạng đầu vào điều hòa dễ gây các phản ứng do khâu I
nên tạo ra sự sai lệch do vậy bộ điều khiển PR được đưa ra nhằm cải thiện vấn đề
này.
Bộ điều khiển cộng hưởng PR
Bộ điều khiển PI có nhược điểm là đối với dòng điện đặt i
s
*
luôn thay đổi thì
luôn tồn tại sai lệch tĩnh. Trong điều kiện này bộ điều khiển PR có thể giải quyết
được vấn đề này.
Cấu trúc bộ G
c
cho thấy bộ điều khiển này được thiết kế trên miền tần số, trên
cơ sở lựa chọn băng thông cho hàm truyền hệ kín. Thông thường chọn bằng 10 lần
tần số cơ bản và 1/10 tần số phát xung,
Hàm truyền hệ kín được viết lại như sau:
2 2
0
* 3 2 2 2
0 0
(s)

(s)
(s) (K R)s (K L)s (K )
P i p
PR
P i P
K s K s K
i
G
i Ls R
w
w w
+ +
= =
+ + + + + +
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
Chuyển sang miền tần số ta thu được:
2 2 2 2
0
*
2
2 2 2 2 2 2 2
0 0
( ) ( )
(s)
(j )
(s)
( ) (K R) ( )
i p
PR
i P

K K
i
G
i
K L
w w w
w
w w w w w
+ -
= =
é ù
+ - + + -
ë û
Hay :
2 2
0
2 2 2 2
0 0
( )
(j ) arctan arctan
( ) (K R)( )
i
i
PR
p P
L K
K
G
K
w w w

w
w
w w w w
é ù
é ù
é ù
- +
ë û
ê ú
ê úÐ = -
- + -
ê ú
ë û
ë û
Để tính giá trị K
P
, K
i
ta thực hiện theo các bước sau đây:
- Cho K
i
= 0, phương trình được viết lại:
2 2
(j )
(L ) (K R)
P
PR
P
K
G w

w
=
+ +
Với băng thông được xác định là 50Hz., thì việc xác định hệ số K
I
để có hệ số
biến đổi suy giảm là -3dB
Hay
(j ) 1/ 2
PR
G w =
Là :
- Tiếp theo ta đưa thành phần tích phân vào biểu thức biên độ:
2 2
2 2 2
w 0
w w
w
( )
(R K ) 2.( ) 2
b
I P b P b
b
K L K L
w w
w w
w
-
é ù
= + + - -

ë û
Thay số , ,
3
2.10L
-
=
, R= 0,1. Ta thu được K
I
= 14.85.
Như vậy bộ điều khiển PR cần tìm có dạng:
Mô phỏng trong Simulink
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
Hình 10: Mô hình Simulink bộ điều khiển PR
Kết quả
Hình 11: Đáp ứng đầu ra dòng điện bộ điều khiển PR
4. Thiết kế mạch vòng điều khiển điện áp.
Mục tiêu của mạch vòng điều khiển điện áp trong chế độ chỉnh lưu tích cực là
tạo điện áp ổn định trên tụ điện phía một chiều tới một hằng số xác định thỏa mãn
hệ số điều chế trong khoảng -1≤m≤1. Ở đây ta chọn điện áp đặt lên tụ với giá trị
400VDC. Do vậy yêu cầu của mạch vòng điều khiển điện áp là tạo điện áp trên tụ
sao cho thõa mãn U
c
= 400 VDC được cung cấp từ lưới điện xoay chiều.
Sau khi thiết kế mạch vòng điều khiển dòng điện, mạch vòng điện áp được tổng
hợp lại có dạng như hình vẽ:
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
Hình 12: Mô hình toán học mạch vòng với bộ điều khiển điện áp
Hàm truyền hệ kín của dòng đi /ện được viết thành G
dd
với G

dd
có dạng:
trong đó T
s
là hằng số thời gian nhỏ và bằng
Khi đó hàm truyền đối tượng có dạng trong đó các tham số như sau:
và
Bộ điều khiển PI được tính theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng:
Với
Chọn a=2. Suy ra: và
Vậy bộ điều khiển PI điều khiển điện áp theo phương pháp tối ưu đối
xứng:
Mô phỏng với Matlab- Simulink ta thu được kết quả sau đây:
Hình 13: Mô hình Simulink mạch vòng điều khiển dòng điện
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
Hình 14: Giá trị đặt và đáp ứng đầu ra điện áp trên tụ C.
Ta thấy kết quả thu được điện áp đặt 400 V thì giá trị đầu ra bám theo giá
trị đặt, tuy nhiên độ quá điều chỉnh lớn.
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7