Thiết kế hệ thống điều khiển nghịch lưu ba pha độc lập trên hệ tọa độ quay dq theo chế độ điện áp

Thiết Kế Điện Tử Công Suất
Đề tài : Thiết kế hệ thống điều khiển nghịch lưu ba pha độc lập trên hệ tọa độ quay dq
theo chế độ điện áp

Nhóm 31 :


Cấu trúc
1

u cầu thiết kế

2

Mơ Hình Hóa

3

Cấu Trúc Điều Khiển

4

Bộ Điều Chỉnh

5

Tính tốn và mơ phỏng matlab

6

Kết Luận

1. Yêu cầu thiết kế

 Thiết kế hệ thống điều khiển nghịch lưu ba pha độc lập trên hệ tọa độ quay dq theo chế độ điện áp



Tham số thiết kế:



Điện áp ra 380V/50Hz,



Công suất 5kVA ,



Tần số phát xung 5kHz.

Sơ đồ nghịch lưu ba pha nguồn áp:


2.Mơ hình hóa

-

-

Phương trình mơ tả mạch điện có dạng :

Li&
k = − Rik + vk − ek , k = 1, 2, 3
Trong hệ thống ba pha cân bằng tổng

dịng điện và điên áp bằng khơng :

3
- Với

∑e
k =1

k

3

3

= 0, ∑ i = 0, ∑ vk = 0
k =1

và
k

ta có pt dịng điện và điện áp

k =1

uk = { 1, −1} , k = 1, 2,3

v + − v − = v0

1 + uk − 1 − uk v + + v − v0
vk = v
+v
=
+ uk , k = 1, 2,3
2
2
2
2
+

1 + uk 1
i0 = ∑ ik
= (i1u1 + i2u2 + i3u3 )
2
2
k =1
3

Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp 3 pha

PT điện áp ra nghịch lưu:

v
v

vk = 0 uk − 0
2
6

3

∑ u , k = 1, 2,3
k =1

k


2.Mơ hình hóa

-

Phương trình đóng cắt hay gọi là mơ hình chính xác :

3
v
v
0
0
Li&
uk − ∑ uk − ek , k = 1, 2,3
k = − Rik +
- Viết mô hình đóng cắt dưới
dạng
2 ma trận6ta kcó=1:

i 
 1 0 0  i 
 2 −1 −1 u 
 1 0 0  e1 
d 
R
÷  v0 
÷  1 
÷ 
i
=
−
0
1
0
i
+
−
1
2
−
1
u
−
0
1
0
2
2
2

÷  6 L 
÷  L 
÷e2 
dt  
L 
÷
 −1 −1 2 ÷u 
 0 0 1 ÷e 
i3 
 0 0 1  i3 

 3

 3

1 phép biến đổi Park ta biến đổi
1 từ hệ tọa độ tĩnh sang hệ tọa độ quay
1 dq :
- Sử dụng

2π
2π  f

cos(
ω
t
)
cos(
ω
t

−
)
cos(
ω
t
+
)  a
 fd  2 
3
3
 
  fb 
f = 
 q  3  − sin(ωt ) − sin(ωt − 2π ) − sin(ωt + 2π )   f 

3
3   c 


2.Mơ hình hóa

- Phương trình đóng cắt trong hệ tọa độ dq :

v0
R
1
 d &
i
=
ω

i
−
i
+
u
−
ed
q
d
d

 dt d
L
2L
L

 d i& = −ωi − R i + v0 u − 1 e
q
d
q
q
q
- Lấy trung bình từ
L
2L
L
hệdtdq ra ta có :
với

3.Cấu trúc điều khiển

Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp 3 pha độc lập.


4.Tổng hợp bộ điều chỉnh

•4.1  Bộ điều khiển dịng điện
- Từ PT trung bình trong hệ dq.Các thành phần đan kênh và nhiễu điện áp tải sẽ được khử bằng bù chéo kết hợp thành phần tích phân trong bộ điều
chỉnh dòng điện :

- Hàm truyền của mạch vòng điều khiển dòng điện PI :

H 0c (s) =

Tic s + 1
TicTc 2
s + Tic s + 1
K pc

- Tham số bộ điều chỉnh dòng điện :


 K pc = 2ζ c L f / T0 c


Tic = 2ζ cT0 c


4.Tổng hợp bộ điều chỉnh

•4.2  Bộ điều khiển điện áp
- Từ PT Kirchoff trong hệ tọa độ abc :

- Chuyển đổi sang hệ tọa độ dq :


isa = iLa + C f


isb = iLb + C f


isc = iLc + C f


dvLa
dt
dvLb
dt
dvLc
dt

dvLd

i
=
i
+
C

− ωC f vLq
sd
Ld
f


dt

i = i + C dvLq − ωC v
sq
Lq
f
f Ld

dt


- Các thành phần đan kênh , và nhiễu dòng điện tải sẽ được khử bằng bù chéo kết hợp thành phần tích phân trong bộ điều chỉnh điện áp.Suy ra:

1
1
 vLd ( s )
 i* ( s ) ≈ Cs = T s
v
 sd
 v ( s)
1
1
 Lq
≈

=
*

Cs
Tv s
 isq ( s )


4.Tổng hợp bộ điều chỉnh

4.2 Bộ điều khiển điện áp

-

Hàm truyền của mạch vòng điều khiển điện áp PI :

H 0v (s) =

Tiv s + 1
Tiv C f
K pv

s 2 + Tiv s + 1

- Tham số bộ điều chỉnh điện áp :


 K pv = 2ζ c C f / T0 v



Tiv = 2ζ cT0 v


4.Tổng hợp bộ điều chỉnh

4.3 Điều chế SinPWM

•

SPWM

(sinusoidal

PWM)

cầu

ba

pha

được

thực

sơ

đồ

nửa

cầu:

với

cùng

một

hệ

thống

cho

hiện
ba
điện

cho
sin
áp

ba
chuẩn,
răng

cưa.

•

Hệ số điều chế: biên độ sóng sin chuẩn trên biên độ răng cưa.
Trong dải điều chế tuyến tính điện áp ra hình sin, yêu cầu 0 ≤ m ≤ 1.
(tức biên độ sóng răng cưa phải lớn hơn biên độ sóng hình
sin).

Bố trí tín hiệu PWM cho mạch nghịch lưu nguồn áp 3 pha

- Mạch so sánh có ngưỡng có tác dụng tăng khả năng chống nhiễu của sơ đồ
- Đầu ra mạch so sánh và tín hiệu nghịch đảo của nó dùng để điều khiển một nhánh van của mạch nghịch lưu.
- Mỗi pha của sơ đồ có thể được điều khiển độc lập với nhau.


4.Tổng hợp bộ điều chỉnh

4.3 Điều chế SinPWM

•

Mẫu xung điều khiển trong PWM
với răng cưa đối xứng:

•

Mẫu xung cho thấy dạng tối ưu
về chuyển mạch, mỗi lần chỉ có
một pha phải đóng cắt.

•

Trạng thái van cho ra điện áp
bằng 0 phân bố đối xứng ở
hai đầu và giữa chu kỳ Ts.

Dạng tín hiệu điều khiển và dạng điện áp ra trong PWM 3 pha


5.Tính tốn và mơ phỏng Matlab

5.1. Tính tốn tham số mạch lọc LC

5.2. Mô phỏng Matlab Simulink



Tham số thiết kế:



Điện áp ra 380V/50Hz,



Công suất 5kVA ,



Tần số phát xung 5kHz.

5.1 Tính tốn tham số mạch lọc LC

• Tính tốn:
•

Biên độ điện áp dây đầu ra:

U dm = 2U d = 2.380 = 537, 4(V )
•

Dự phịng thay đổi +/-10%,chọn =0,9

U dm 537, 4
U dc =
=
= 597(V )
0,9
0,9
•

Chọn =700(V), khi đó sụt áp trên mỗi cuộn cảm lọc ở mỗi pha cỡ :

1 700
(
− 1).100% ≈ 8, 63%
2 597


5.1 Tính tốn tham số mạch lọc LC

•

Với S=5(kVA) thì dịng chảy qua một pha:

S
5.103
IP =
=
= 7,576( A)
3U p 3.220

•

Biên độ của dịng tải:

•

Độ lớn của tải mỗi pha :

I pm = 2.I p = 2.7,576 = 10, 7( A)

R=

Up
Ip

= 29(Ω)


5.1 Tính tốn tham số mạch lọc LC

•

Sụt áp trên mỗi cuộn cảm lọc ở mỗi pha cỡ 8,63%:

U L = I p . X L = 0,0863.U p

⇒ ωL = X L =

•

Chọn tần số mạch lọc rất nhỏ so với tần số đóng cắt:

•

Chọn:

0,0863.220
= 2,5(Ω)
7,576

⇒ L = 8(mH )

ωLC =

1
= ωS = 2π f s
LC

1

ωLC = 0,1ωs = 3142(rad / s) ⇒ C = 2 = 13(µ F )
L.ωLC


5.2 Mơ phỏng Matlab

•

Chọn hệ tọa độ dq:

•

Góc θ = ωt,


5.Mô phỏng Matlab

Thiết kế bộ nghịch lưu 3 pha độc lập trên hệ tọa độ quay dq theo chế độ điện áp (SPWM)


5.Mơ phỏng Matlab



Khâu điều chỉnh dịng điện

T0 c = 0, 2(ms)

ζ c = 0, 71

5.Tính tốn và mơ phỏng Matlab



Khâu điều chỉnh điện áp

T0 v = 5T0c = 1(ms )

ζ c = 0, 71


5.Tính tốn và mơ phỏng Matlab



Khâu nghịch lưu SinPWM


5.Tính tốn và mơ phỏng Matlab



Khâu lọc LC va tải


5.Tính tốn và mơ phỏng Matlab

Tham số q trình thiết kế

5.Tính tốn và mơ phỏng Matlab



Kết quả mơ phỏng :


5.Tính tốn và mơ phỏng Matlab



Kết quả mơ phỏng :