Báo cáo bài tập lớn điều khiển điện tử công suất
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.95 MB, 33 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP
BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
GV hướng dẫn:
Vũ Hoàng Phương
Sinh viên:
Nguyễn Văn Tiềm
SHSV:
2010 2302
Lớp:
ĐK&TĐH 6 – K55
Học kỳ: 2/2013-2014
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
MỤC LỤC
ĐỀ BÀI 3
Phần 1. HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 5
1.1. Tính chọn mạch lực 5
1.1.1. Chỉ tiêu về dòng điện 5
1.1.2. Chỉ tiêu về điện áp 6
1.1.3. Chọn van 6
1.2. Điều khiển vòng hở 6
1.2.1. Cấu trúc điều khiển vòng hở 6
1.2.2. Nguyên tắc điều khiển dọc 8
1.2.3. Khâu tạo điện áp tựa 9
1.2.4. Khâu tạo xung kép 9
1.2.5. Khâu tạo xung chùm 10
1.2.6. Kết quả mô phỏng 11
1.3. Điều khiển phản hồi vòng kín 13
1.3.1. Vòng dòng điện 13
1.3.2. Vòng điện áp 15
Phần 2. BỘ BIẾN ĐỔI BUCK 18
2.1. Mô hình tín hiệu trung bình 18
2.1.1. Phương pháp trung bình không gian trạng thái 18
2.1.2. Nhận xét đặc điểm mô hình 20
2.2. Điểm làm việc xác lập của mô hình 20
2.3. Mô hình tín hiệu nhỏ 21
2.4. Cấu trúc điều khiển 22
2.4.1. Điều khiển trực tiếp (điện áp) 22
2.4.2. Điều khiển gián tiếp (dòng điện trung bình) 25
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
TÀI LIỆU THAM KHẢO 32
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
ĐỀ BÀI
Bài tập 1. Thiết kế hệ truyền động động cơ một chiều có tham số chỉ ra trong
Bảng 1, sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn sử dụng Tiristor.
Tính chọn mạch lực
Điều khiển vòng hở, sử dung hai phương pháp phát xung sau đây để điều khiển
mạch lực cầu ba pha Tiristor
- Điều khiển theo phương pháp xung kép (độ rộng xung là 20e-5s)
- Điều khiển theo phương pháp xung chum (Tần số xung chùm fx = 10kHz)
- Yêu cầu: Thu thập dữ liệu về điện áp phần ứng, dòng điện phần ứng và tốc
độ quay động cơ bằng phần mềm Matlab
Tổng hợp mạch vòng dòng điện, tốc độ đảm bảo tốc độ bám theo tốc độ đặt
Lượng đặt tốc độ cho hệ truyền động một chiều
- Yêu cầu: Thu thập dữ liệu về điện áp phần ứng, dòng điện phần ứng và dòng
điện phần ứng đặt (đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ), tốc độ quay của động cơ và
tốc độ đặt phần mềm Matlab
BẢNG 1: Tham số động cơ một chiều kích từ độc lập
PHẦN TỬ
THÔNG SỐ
Điện trở phần ứng,
Điện cảm phần ứng.
Điện trở phần kích từ,
Điện cảm phần kích từ,
Điện cảm hỗ trợ,
Momment quán tính,
Điện áp kích từ,
Tốc độ định mức,
Điện cảm nối tiếp mạch phần ứng động cơ,
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Bài tập 2. Bộ biến đổi Buck có tham số cho như Bảng 2 làm việc trong chế độ
dòng điện liên tục (CCM) và được điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng
xung PWM, và khóa bán dẫn là lý tưởng
Xây dựng mô hình tín hiệu trung bình của các bộ biến đổi trên theo phương
pháp không gian trạng thái, nhận xét đặc điểm mô hình.
Tính điểm làm việc xác lập của mô hình.
Xây dựng mô hình tín hiệu nhỏ dựa trên phương pháp mô hình mạng đóng
cắt và không gian trạng thái (SSA).
Thiết kế cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi trên theo chế độ:
- Điều khiển điện áp.
- Điều khiển dòng điện.
Kiểm chứng kết quả mô hình hóa và thiết kế bằng phần mềm Matlab.
BẢNG 2.1: Tham số bộ biến đổi Buck
PHẦN TỬ
THÔNG SỐ
Điện áp vào,
Điện áp ra,
Điện cảm,
Điện cảm tụ,
Điện trở tụ,
Tần số phát xung,
Điện trở tải,
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Phần 1. HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
1.1. Tính chọn mạch lực
Phương pháp được dùng là chọn van theo chỉ tiêu về dòng điện và chỉ tiêu về
điện áp [1].
Hình 1.1. Sơ đồ lắp mạch thyristor cầu ba pha.
Từ bảng thông số động cơ ta tính được công suất động cơ quy đổi:
Sau khi tính toán và thực hiện mô phỏng kiểm tra (cho động cơ chạy với tốc độ
định mức) ta thu được giá trị định mức về dòng và áp của động cơ là:
1.1.1. Chỉ tiêu về dòng điện
Từ tham số của mạch chỉnh lưu 3 pha hình cầu và dòng điện định mức tải, ta
xác định được giá trị trung bình dòng điện thực tế qua từng van:
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Với các tải dòng điện lớn, do sự phát nhiệt trên van mạnh, thường phải giảm
dòng qua nó nên cần tăng hệ số dự trữ lên
, ta chọn
. Do
đó dòng trung bình qua van cho phép:
1.1.2. Chỉ tiêu về điện áp
Với chỉ tiêu này ta tính toán điện áp ngược tối đa đặt lên van trong quá trình
làm việc. Từ bảng tham số và điện áp định mức tải ta có:
Hệ số dự trữ về điện áp cho van thường lấy trong khoảng , ta chọn
. Do đó điện áp trung bình qua van cho phép:
1.1.3. Chọn van
Từ các thông số U
v
, I
v
đã tính toán ở trên, tra bảng phụ lục thyristor ta chọn
được 6 thyristor do Tây Âu chế tạo: T218N có các thông số như sau :
Dòng điện trung bình cho phép
Dải điện áp của van
Điện áp ngưỡng
Điện áp xung điều khiển
Sụt áp thuận trên van
Tốc độ tăng điện áp thuận trên van
Dòng điện xung điều khiển
Tốc độ tăng dòng cưc đại cho phép qua van
Thời gian phục hồi tính chất khóa cho van
Nhiệt độ làm việc cực đại
1.2. Điều khiển vòng hở
1.2.1. Cấu trúc điều khiển vòng hở
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Hình 1.2. Cấu trúc điều khiển vòng hở.
Một cách truyền thống, cấu trúc truyền động động cơ một chiều điều khiển
vòng hở có thể chia thành các khối: khối nguồn, khối driver, khối thyristor và động
cơ một chiều.
Tín hiệu điều khiển U
dk
đưa vào driver, driver xử lý tín hiệu này và đưa ra các
tín hiệu đóng mở các van thyristor, đầu ra của khối thyristor là điện áp cấp cho
động cơ, khối nguồn có nhiệm vụ cấp các mức điện áp phù hợp chp driver và
tryristor.
Hình 1.3. Cấu trúc khâu nguồn (a), Sơ đồ lắp động cơ (b)
Trong phạm vi của báo cáo này em xin chỉ trình bày chi tiết khối driver để đáp
ứng yêu cầu điều khiển bằng xung kép và xung chùm. Driver sẽ được trình bầy
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
qua 4 phần nhỏ là: nguyên tắc điều khiển dọc, khâu tạo điện áp tựa, khâu tạo xung
khép và khâu tạo xung chùm.
1.2.2. Nguyên tắc điều khiển dọc
Hình 1.4. Cấu trúc Driver nguyên tắc điều khiển dọc
Mạch điều khiển chỉnh lưu có các nhiệm vụ xoay quanh vấn đề phát xung điều
khiển cho van lực của mạch. Cơ bản có hai hệ điều khiển là hệ đồng bộ và không
đồng bộ, tuy nhiên để đáp ứg về yêu cầu ổn định cũng như chất lượng của điều
khiển mà trong thực tế đại đa số các mạch điều khiển chỉnh lưu thực hiện theo hệ
đồng bộ. Trong hệ đồng bộ lại có hai nguyên tắc điều khiển là: điều khiển ngang
và điều khiển dọc.
Trong nguyên tắc điều khiển dọc khâu U
tựa
tạo ra điện áp có dạng cố định theo
chu kì do nhịp đồng bộ của U
đp
. Khâu so sánh xác định điểm cân bằng của 2 điện
áp U
tựa
và U
đk
để phát động khâu tạo xung tạo xung. Như vậy thời điểm phát xung
mở van (góc điều khiển ) thay đổi do sự thay đổi trị số của U
đk
, trên đồ thị là sự di
chuyển theo chiều dọc của trục biên độ. Sự phụ thuộc vào U
đk
này là tuyến tính
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
nên việc điều khiển sẽ thuận lợi hơn, vì vậy ta cũng chọn nguyên tắc điều khiển
dọc cho mạch điều khiển.
1.2.3. Khâu tạo điện áp tựa
Hình 1. 5. Sơ đồ điều chế và dạng của xung tựa dạng răng cưa sường xuống
Như ta đã biết, điện áp đầu ra chỉnh lưu nhận được có quan hệ tỉ lệ nghịch với
góc điều khiển theo công thức:
Nên trong bài này em sử dụng điện áp tựa dạng răng cưa sườn xuống, như vậy
điện áp răng cưa U
c,m
sẽ tỉ lệ nghịch với góc điều khiển α , nghĩa là điện áp điều
khiển U
đk
sẽ tỉ lệ thuận với điện áp ra U
d
sau chỉnh lưu.
1.2.4. Khâu tạo xung kép
Hình 1.6. Sơ đồ tạo xung kép trong khâu tạo xung và kết quả mô phỏng
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Tín hiệu so sánh thực chất là một xung rộng có độ rộng (tính theo
độ), sau khi nó được đưa qua bộ hạn chế xung, xung chỉ còn độ rộng lúc
này nó được gọi là một xung đơn.
Để có một xung kép ta dùng bộ hoặc (OR), cách làm là một xung đơn điều
khiển thyristor sẽ được OR với một xung đơn ngay sau đó:
1 OR 3
2 OR 4
4 OR 6
Mạch cầu 3 pha có 6 van mở lần lượt trong một chù kỳ tức là góc vì
vậy các van mở cách nhau . Như vậy xung kép mở một van sẽ gồm một xung
đơn và một xung đơn được nhắc lại sau .
1.2.5. Khâu tạo xung chùm
Hình 1.7. Sơ đồ tạo xung chùm trong khâu tạo xung và kết quả mô phỏng
U
SS
được AND với một tín hiệu dao động có chu kì
. Như vậy
đầu ra là một xung chùm có độ động là độ rộng của xung so sánh , và
chu kỳ xung là chu kỳ xung của xung dao động (hình 1.7)
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Hình 1.8. Sơ đồ tạo xung chùm hạn chế và kết quả mô phỏng
Ngoài ra, trước khi thực hiện AND với xung dao động nếu ta đưa U
SS
này qua
bộ hạn chế xung, thì đầu ra ta sẽ được xung chùm hạn chế với độ rộng xung do
khâu hạn chế xung quyết định còn chu kỳ xung vẫn là chu kỳ xung của xung dao
động (hình 1.8)
1.2.6. Kết quả mô phỏng
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Hình 1.9. Kết quả mô phỏng điều khiển vòng hở
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
1.3. Điều khiển phản hồi vòng kín
1.3.1. Vòng dòng điện
Hình 1.10. Cấu trúc điều khiển phản hồi vòng kín dòng điện
Tính toán tham số bộ điều khiển dòng điện
Tham khảo tài liệu [2] em xin được sử dụng công thức để tính toán bộ điều
khiển như sau:
Bộ điều khiển PI có cấu trúc:
Xác định các tham số
Với chu kì điện áp lưới và hệ số đập mạch của chỉnh lưu cầu ba
pha là p = 6 ta xác định được:
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Vậy bộ điều khiển dòng điện:
Kết quả mô phỏng:
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Hình 1.11. Phản hồi dòng điện phần ứng với giá trị đặt 200 A và 280 A,
Điện áp phần ứng và Điện áp điều khiển
1.3.2. Vòng điện áp
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Hình 1.12. Cấu trúc điều khiển phản hồi vòng kín dòng điện
Bộ diều khiển dòng điện bên trong có thành phần tích phân, giúp hạ bậc đối
tượng, theo lý thyết điều khiển truyền động điện, bộ điều chỉnh tốc độ được tổng
hợp theo tiêu chuẩn tối ưu môdun, có thể xác định được hàm truyền của bộ điều
chỉnh tốc độ là khâu tỷ lệ [4]:
Sau khi tính toán và mô phỏng, em chọn được
.
Kết quả mô phỏng:
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Hình 1.13. Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ hai vòng phản hồi kín
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Phần 2. BỘ BIẾN ĐỔI BUCK
2.1. Mô hình tín hiệu trung bình
2.1.1. Phương pháp trung bình không gian trạng thái
Hình 2.1. Mô hình trung bình bộ biến đổi buck
(a) tổng quát, (b) trạng thái 1, (c) trạng thái 2
Sử dụng định luật KV ta có hệ phương trình mô tả sơ đồ mạch điện của bộ bu
biến đổi ck trong trạng thái 1.
Hệ phương trình (1) được viết lại theo dạng không gian trạng thái với dạng ma
trận:
Trong đó:
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Sử dụng định luật KV ta có hệ phương trình mô tả sơ đồ mạch điện của bộ buck
trong trạng thái 2:
Hệ phương trình (4) được viết lại theo dạng không gian trạng thái với dạng ma
trận:
Trong đó:
Như vậy, bộ biến đổi kiểu Buck được mô tả trên không gian trạng thái theo
dạng chuẩn như sau:
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Trong đó:
Thay số ta được mô hình tín hiệu trung bình cụ thể cho mạch buck converter
theo đề bài:
2.1.2. Nhận xét đặc điểm mô hình
2.2. Điểm làm việc xác lập của mô hình
Điểm làm việc xác lập được mô tả theo xác định bằng cách từ hệ phương tình
mô hình (7) , cho các đạo hàm bằng không, các đại lượng ở trạng thái xác lập nên:
Kết hợp với các phương trình (9) ta có điểm làm việc xác lập của mô hình được
biểu diễn ở hệ phương trình:
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
2.3. Mô hình tín hiệu nhỏ
Trong báo cáo này em sử dụng phương pháp tring bình hóa mạng đóng cắt để
tìm mô hình tín hiệu nhỏ của mạch buck converter. Phương pháp được trình bày
như sau.
Từ mô hình mạch điện tương đương thay thể phần tử đóng cắt lắp vào sơ đồ
mạch lực bộ biến đổi Buck, ta có mạch điện mô tả bộ biến đổi Buck với tín hiệu
nhỏ.
Hình 2.2. Mạch điện mô tả bộ biến đổi buck với tín hiệu nhỏ
Từ sơ đồ hình 2.2 ta có:
Do đó hàm truyền từ hệ số điều chế đến điện áp đầu ra viết dưới miền ảnh
Laplace:
Mặt khác từ sơ đồ hình 2.2 ta cũng có:
Trong đó:
là trở kháng song song giữa mạch tụ lọc và tải .
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
là trở kháng mạch điện cảm L.
Như vậy hàm truyền giữa hệ số điều chế với đầu điện áp ra là:
Nếu xét hàm truyền từ đầu vào đến điện áp đầu ra thì
Do đó:
2.4. Cấu trúc điều khiển
2.4.1. Điều khiển trực tiếp (điện áp)
Hình 2.3. Cấu trúc điều khiển trực tiếp bộ buck converter
Đối tượng điều khiển
Từ hàm truyền điện áp đầu ra và hệ số điều chế ta viết lại dưới dạng sau:
Vẽ đồ thị bode của hàm truyền đạt của đối tượng
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Sử dụng lệnh plot(Gvd.time,Gvd.signals.values), ta vẽ được đồ
thị bode của đối tượng:
Hình 2.4. Đồ thị bode của G
vd
(s)
Từ đồ thị bode ta có được độ dữ trữ pha: PM=73.5
Bộ điều khiển bù PID
Chọn bộ điều khiển là một bộ bù PID có hàm truyền tổng quát là:
Chọn:
ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Chọn G
c0
sao cho:
Mà:
Sử dụng lệnh[mag,phase]=bode(Gvd,2*pi*10e3)
Kết quả mô phỏng
