Thiết kế hệ thống điều khiển nghịch lưu một pha độc lập điều khiển theo chế độ điện áp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Đề tài : Thiết kế hệ thống điều khiển nghịch lưu một pha độc
lập điều khiển theo chế độ điện áp

December 18, 2020

1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

1

2

3

4

u cầu thiết kế và tính tốn mạch lực

Mơ hình hóa mạch lực

Tính tốn thiết kế bộ điều khiển

Mơ phỏng và nhận xét

December 18, 2020

2


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

1
u cầu thiết kế và tính tốn mạch lực



Thiết kế hệ thống điều khiển nghịch lưu một pha độc lập , điều khiển theo chế độ điện áp :



Điện áp ra 220V/ 50Hz , công suất 2kVA.



Tần số phát xung 5kHz.

Chọn :



Độ gợn điện áp



Độ gợn của dòng trên cuộn cảm .

December 18, 2020

3


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

1
u cầu thiết kế và tính tốn mạch lực
 Tính



tốn :

Điện áp một chiều
Dự phòng điện áp một chiều thay đổi trong phạm vi 10% cần chọn :
Dự phòng sụt áp trên cuộn cảm lọc 10%:



(V) (1)

(2)

Tính tốn tải

 

(3)

Chọn hệ số công suất là

(4)

 

December 18, 2020

4


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

1

u cầu thiết kế và tính tốn mạch lực


 

Tính tốn mạch lọc LC :
Ta có dịng định mức của tải là
(5)
(6)
Từ (7)

được tính theo cơng thức :

 

được tính theo công thức :

(8)

(9)
 

December 18, 2020

5


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

1

u cầu thiết kế và tính tốn mạch lực
 



Tính toán tụ một chiều :
(10)

Với

(11)

 

December 18, 2020

6


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

2

Mơ hình hóa mạch lực

Cấu trúc điều khiển

Voltage
U*

PWM

Controller

December 18, 2020

DC/AC

U ra

Converter

7


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

2

Mơ hình hóa mạch lực

Hình 2.1. Sơ đồ mạch lực
Hình 2.2. Mơ hình nghịch lưu nguồn áp 1 pha được mơ tả bởi khóa

•

 

()

•

chuyển mạch

Điện áp ra giữa pha a và trung tính N:
(13)

Giá trị trung bình điện áp ra giữa pha a và trung tính N trong mỗi chu kỳ điều chế :
(-1< <1 )

(14)

December 18, 2020

8


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

2

Mơ hình hóa mạch lực

•
 

Điện áp ra giữa pha b và trung tính N :
(15)

•

Điện áp đầu ra nghịch lưu :
(16)

•

Giá trị trung bình điện áp ra nghịch lưu :
(17)

Hình 2.2. Mơ hình nghịch lưu nguồn áp 1 pha được mơ tả bởi
khóa chuyển mạch

December 18, 2020

9


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

2

Mơ hình hóa mạch lực

Các phương trình quan hệ dịng áp

 

Hình 2.3. Sơ đồ mạch lọc LC

 

Laplace

December 18, 2020

10


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

2

Mơ hình hóa mạch lực

 Hàm

truyền đạt giữa và :

Do
Nên hàm truyền đạt giữa và m là :
(19)
Thay số:
=

(20)

December 18, 2020

11


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

2

Mơ hình hóa mạch lực

 Nhận

xét :

- Hệ ổn định nhưng có độ dự trữ ổn định
pha rất nhỏ
0
PM = 0.00291 .

-

Cần thiết kế bộ điều chỉnh để độ dữ trữ
0
ổn định đạt 50 tại tần số cắt

-

Chọn = 10000 Hz

Hình 2.4. Đồ thị bode của đối tượng

December 18, 2020

12

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

3

Tính tốn thiết kế bộ điều khiển

Lựa chọn bộ điều chỉnh cộng hưởng (PR) có hàm truyền đạt dạng :

 

Hình 3.1. Đồ thị Bode của bộ điều chỉnh PR

December 18, 2020

13


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

3

Tính tốn thiết kế bộ điều khiển
 Ta

có :
(21)
(22)

Để hệ hở có tần số cắt tại thì :
=1
Do

(23)

December 18, 2020

14


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

3

Tính tốn thiết kế bộ điều khiển

0
 Để độ dự trữ ổn định pha PM = 60 thì :

Kết hợp với cơng thức (21) ta có

Do nên cần chọn bộ bù cho bộ điều chỉnh cộng hưởng.
Chọn bộ bù Lead (PD): Bộ bù này có tác dụng cải thiện độ dự trữ pha, mở rộng dải băng thông của mạch vịng phản hồi (feedback
loop) và giảm sóng hài bậc cao

December 18, 2020

15


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

3

Tính tốn thiết kế bộ điều khiển
Bộ điều chỉnh cộng hưởng (PR) bù lead (PD) có hàm truyền đạt dạng:

 

)( ) =
Tính
Dựa vào Matlab ta có thể thực hiện các phép toán trên một cách dễ dàng
Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(,2*pi*10000) thì sẽ thu được:

December 18, 2020

16


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

3

Tính tốn thiết kế bộ điều khiển

 Do = 50 Hz nên 0

0
Để độ dữ trữ ổn định pha PM = 60 thì khi đó pha của bộ Lead:
θ = 59.8268

Xác định và :
fz = f c
fp = fc=37.096 kHz
Khi đó được tính:
=

December 18, 2020

17


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

3

Tính tốn thiết kế bộ điều khiển

 Biên độ và pha của hàm truyền tại tần số fc:

[MAG,PHASE]=bode(Glead,2*pi*10000);

Từ (23):
Tính được:

= = = 0.428
= 1.7575*

December 18, 2020

18


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

3

Tính tốn thiết kế bộ điều khiển

 

Bộ điều chỉnh cộng hưởng (PR) bù lead (PD) có hàm truyền đạt dạng:

= ( 0.428 + )( )

December 18, 2020

19


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

3

Tính tốn thiết kế bộ điều khiển

Đồ thị bode của hàm truyền hệ hở Gh :

Nhận xét :
Từ độ Bode ta thấy hệ hở ổn định với độ dự trữ pha là
0
59.8268 tại tần số cắt 10.1KHz theo yêu cầu

Hình 3.2. Đồ thị Bode của hàm truyền Gh

December 18, 2020

20


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

3

Tính tốn thiết kế bộ điều khiển
Thơng số mạch nghịch lưu
%% Nghich Luu1phaDocLap

%% Bo dieu chinh cong huong Gpr

clear all

[MAGdt,PHASEdt]=bode(Gdt,2*pi*10000);

clc
% Thong so ban dau
Vdc=380;C=13.5e-6;
fs=10e3;f=50;Ut_ref=220;

Kp=0.428;
Ki=1.7575e-3;
NUMpr=[Kp Ki Kp*10000*pi*pi];

%Chon he so cong suat la 0.8

DENpr=[1 0 10000*pi*pi];

Lt=46e-3;Rt=19.4;

Gpr=tf(NUMpr,DENpr);

fc=0.095*fs;PM=60;

%% Ham bu lead

w=2*pi*f;wc=2*pi*fc;

Glead = tf([13.7596 233080],[1 233080]);

%% Chon thong so mach loc
Lf=7.39e-3;Cf=20.7e-6;rl=0.1;
%% Ham truyen doi tuong Gvm

A1=Lt;B1=Rt;A2=Cf*Lt*Lf;
B2=Lf*Cf*rl+Rt*Cf*Lf;

%% Ham truyen he ho
Gh=Gpr*Gvm*Glead;
bode(Gh);
grid;

C2=rl*Rt*Cf+Lt+Lf;
D2=rl+Rt;
NUMdt=[Vdc*A1 Vdc*B1];
DENdt=[A2 B2 C2 D2];
Gdt=tf(NUMdt,DENdt);

December 18, 2020

21


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

4

Mô phỏng và nhận xét
Sơ đồ mô phỏng bằng Simulink:

Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống trong Simulink

December 18, 2020

22


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

4

Mô phỏng và nhận xét

Sơ đồ mô phỏng bằng Simulink:

Hình 4.1. Khối điều chỉnh điện áp

December 18, 2020

23


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

4

Mô phỏng và nhận xét
Sơ đồ mô phỏng bằng Simulink:

Hình 4.2. Khối tạo xung PWM

December 18, 2020

24


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

4

Mô phỏng và nhận xét
Sơ đồ mô phỏng bằng Simulink:

Hình 4.3. Sơ đồ mạch lực bộ chuyển đổi DC/AC

December 18, 2020

25