Thiết kế mạch vòng điều khiển dòng điện nghịch lưu độc lập nguồn áp 1 pha

Đề bài:
Thiết kế bộ điều chỉnh cho mạch vòng dòng điện của nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha có các tham
số Bảng 4.4, sử dụng phương pháp điều chế lưỡng cực. Cấu trúc điều khiển đảm bảo biên độ lượng đặt
dòng điện thay đổi từ 20÷30A

1. Sử dụng cấu trúc bộ điều chỉnh kiểu PI.
2. Mô phỏng cấu trúc điều khiển và nhận xét.


Nội dung

Phần A:

• I: Giới thiệu chung về bộ biến đổi nghịch lưu độc lập nguồn áp 1 pha
• II: Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi nghịch lưu độc lập nguồn áp 1 pha
• III: Phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu độc lập 1 pha
• IV: Xây dựng mạch vòng dòng điện cho nghịch lưu độc lập 1 pha
• V: Tính toán mạch lọc LC
Phần B: Mô phỏng và kết quả


I/ Giới thiệu chung nghịch lưu độc lập nguồn áp 1 pha

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 hoặc nối lưới.
Nguồn điện một chiều thông thường là điện áp chỉnh lưu, acquy và các nguồn điện một chiều độc
lập khác.
Nghịch lưu độc lập và biến tần được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cung cấp điện từ các
nguồn độc lập như acquy, các hệ truyền động xoay chiều, giao thông, truyền tải điện năng, luyện
kim…

Người ta thường phân loại nghịch lưu thành 2 loại: nghịch lưu một pha và nghịch lưu ba pha. Người
ta cũng có thể phân loại chúng theo quá trình điện từ xảy ra trong nghịch lưu như: nghịch lưu áp,
nghịch lưu dòng, nghịch lưu cộng hưởng.
Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tùy
ý.. Nguồn áp vẫn là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế. Hơn nữa điện áp ra của nghịch lưu
áp có thể điều chế theo phương pháp khác nhau để có thể giảm được sóng điều hòa bậc cao. Ngày
nay công suất của các van động lực IGBT, GTO, MOSFET càng trở nên lớn và có kích thước gọn nhẹ,
do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hóa trong các bộ biến tần
công nghiệp.


II / S ơ đồ mạ ch lực bộ biến đổ i ng hịc h lưu độc lậ p ng uồ n á p 1 pha

Sơ đồ mạch lực nghịch lưu độc lập kiểu nguồn áp một pha


Nguyên lý làm việc:
chu kỳ đầu tiên (0) cặp van S1, S2 dẫn điện, phụ tải được đấu vào nguồn. Do nguồn là nguồn áp lên điện áp trên tải
•UtỞ = nửa
E, hướng dòng điện là từ trên xuống. Tại thời điểm , T1 và T2 bị khóa, đồng thời T3 và T4 mở ra tải sẽ được đấu vào
nguồn theo chiều ngược lại, tức là dấu điện áp trên tải sẽ đảo chiều và Ut = - E tại thời điểm 2 . Do tải mang tính trở cảm nên
dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ (đường nét đậm) T1, T2 bị khóa nên dòng phải khép mạch qua D3, D4. Suất điện động cảm
ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả năng lượng thông qua D3, D4 về tụ C (đường nét đứt ). Tương tự như vậy đối với chu kỳ
tiếp theo khi khóa cặp T3, T4 dòng tải sẽ khép mạch qua D1 và D2.


Đồ thị điện áp tải Ut , dòng điện tải it , dòng qua điôt iD và dòng qua tiristor iS được biểu diễn dưới:

III/ Phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu một pha

*/ Phương pháp điều chế lượng cực


Hai cặp van S1/S2 và S3/S4 được điều khiển bởi 2 tín hiệu có trạng thái logic phủ định nhau. Cách điều khiển này dẫn
đến: Trong mọi chu kỳ của điện áp cần tạo, phụ tải luôn nhận điện áp ngược dấu Udc hoặc –Udc (do đó có tên hai cực).

Nếu thực hiện bằng kỹ thuật Analog, có thể tạo hai tín hiệu lôgic bằng các so sánh tín hiệu điều
khiển m với chuỗi xung răng cưa Ur (tần số chuỗi xung răng cưa lớn hơn nhiều lần so với tần số tín
hiệu điều khiển) như hình sau:


Dạng sóng điện áp theo phương pháp điều chế hai cực
a) Sóng mang và tín hiệu điều khiển b) Điện áp đầu ra mạch nghịch lưu


Phương pháp điều chế PWM nói trên chủ yếu được thực hiện bằng linh kiện Analog. Để hiểu rõ
hơn bản chất, đồng thời tạo điều kiện thực hiện thuận lợi bằng kỹ thuật Digital (sử dụng cho vi điều
khiển), ta có thể nhận thức vấn đề dưới góc nhìn vector cho phương pháp
điều chế lưỡng cực như sau:

Trạng thái mạch nghịch lưu theo phương pháp điều chế hai cưc


IV: Xây dựng mạch vòng dòng điện cho nghịch lưu

độc lập 1 pha

I/ Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp một pha

Hình 1: Sơ đồ mạch điện thay thế mạch vòng dòng điện nghịch lưu

nguồn áp một pha


Phương trình cân bằng điện áp sơ đồ mạch điện Hình 1
 

Phương trình (1) viết dưới dạng toán tử Laplace:
 

Mô hình toán học khâu điều chế độ rộng xung PWM :
 


• 

Hình 2: Mô tả toán học mạch vòng điều khiển dòng điện
Sử dụng bộ điều chỉnh PI có cấu trúc theo:
 

Điểm không (zezo) của bộ điều chỉnh được lựa chọn bằng điểm cực của đối tượng Gi(s) nghĩa là:

 4 .


Từ hình 2, ta có:
 

(2)

Đây là dạng hàm truyền chuẩn bậc hai có dạng:

 

(3) (4):
Từ (2), (3) hệ số bộ điều chỉnh PI được xác định theo

(4)
Thông thường lựa chọn ζ = 0.71 , từ (2.15) ta có:
 

 

= =4.


•

 Hàm truyền bộ PI:
 
Từ (2) hàm truyền kín mạch vòng dòng điện khi có bộ điều chỉnh tham gia vào:
(4)

Trong hệ thống điều khiển nối cấp (cascade) thì hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện sẽ được
xấp xỉ theo (5) để thuận lợi cho tổng hợp các mạch vòng điều chỉnh phía ngoài cùng.
=

(5)

V/ Tính toán tụ C của mạch lọc LC
Chọn tần số cắt của mạch lọc tần số thấp LC sao cho dải băng thông của mạch lọc nhỏ hơn nhiều tần số đóng cắt, nghĩa là
•phần
 
lớn các sóng hài gần tần số đống cắt sẽ bị loại bỏ:

 

Khi đó, ta chọn tần số đóng cắt của mạch lọc LC :
 = 200 (Hz) 200=400 (rad/s)
Chọn L = 12 (mH)  C =

=

=50 (uF)

 

 


B/ Mô phỏng và kết quả mô phỏng


Tham số bộ PI :


Mô hình điều khiển :

Kết quả mô phỏng :
Với giá trị dòng điện đặt là 20A, điện áp và dòng điện đầu ra có dạng:


Với giá trị dòng điện đặt là 25A, điện áp và dòng điện đầu ra có dạng :


Với giá trị dòng điện đặt là 30A, điện áp và dòng điện đầu ra có dạng :