Thiết kế hệ thống điều khiển bộ biến đổi PFC kiểu Boost

Thiết kế hệ thống điều khiển
bộ biến đổi PFC kiểu Boost

Nhóm 34
Trần T hàn h Đạt

20173731

Nguyễn Việt Đức

20173759

G V H D : T S . V ũ H o à n g P h ươ n g


YÊU CẦU THIẾT KẾ
- Thiết kế hệ thống điều khiển bộ biến đổi PFC kiểu Boost

 

- Nội dung thiết kế: Mơ hình hóa, Cấu trúc điều khiển và cách thức tính tốn bộ đi ều chỉnh dịng
điện và điện áp sử dụng bộ bù loại II
- Tham số thiết kế: Điện áp ra 400VDC, Công suất 1kW, Điện áp l ưới 220V ±10%/50Hz±1%
(C =400 µF; =1.5 mὩ; L =1mH; R =160Ὡ)
- Mô phỏng cấu trúc điều khiển:
+ Tải đầu ra thay đổi
+ Lưới điện thay đổi
+ Nhận xét kết quả mô phỏng


TRÌNH TỰ THIẾT KẾ

S1

S2

S3

Mơ hình hóa

Thiết kế

Mơ phỏng

hệ thống

bộ điều khiển


Mơ hình hóa hệ thống
I. Bộ biến đổi PFC
Khái niệm
Điều chỉnh hệ số cơng suất
với mục đích đảm bảo tồn
bộ hệ thống có thể hoạt động
với hiệu suất tối đa

Cấu trúc
Một cầu chỉnh lưu không
điều khiển diode và
bộ biến đổi DC-DC kiểu Boost

Bộ biến đổi PFC
(Power Factor Correction)


Mơ hình hóa hệ thống
II. Mơ hình hóa bộ biến đổi

PFC

- Mơ hình bộ biến đổi PFC tương tự mơ hình bộ biến đ ổi Boost khi x ấp x ỉ thành ph ần đ ầu vào
- Tiến hành mô hình hóa bộ biến đ ổi DC-DC Boost

DC-DC BOOST


Mơ hình hóa hệ thống

Phương pháp
Trung bình mạng phần tử đóng cắt
Nội dung
Thay thế một phần của mạch điện
bằng một mạng hai cửa với các biến
là điện áp, dòng điện ở cửa vào và
cửa ra

Mơ hình bộ biến đổi cần phải được
tuyến tính tại điểm làm việc cân bằng:

Mơ hình trung bình bộ biến đổi Boost

Mơ hình hóa hệ thống

Ta thu được mơ hình tín hiệu nhỏ c ủa phần t ử đóng c ắt trong s ơ đ ồ m ạch l ực b ộ bi ến đ ổi Boost

Hệ thống có hai đầu vào, điện áp và điều khiển,
vậy điện áp đầu ra được biểu diễn bởi xếp chồng
tác động của chúng:
 
Phương trình cho mạch vịng dịng điện qua
Mạch điện mơ tả bộ biến đổi Boost với tín hiệu nhỏ

cuộn cảm và nút điện áp trên tụ:
 


Mơ hình hóa hệ thống

Hàm truyền đạt
Qua các phép biến đổi từ hai phương trình trên, ta thu đ ược các hàm truy ền đ ạt nh ư sau:

(*)

(**)

 

=

(***)


Thiết kế bộ điều khiển
I. Cấu trúc bộ điều khiển
Sơ đồ

- Điều khiển theo ngun lý dịng điện trung bình
- Các bộ điều khiển sử dụng bộ bù loại II


Thiết kế bộ điều khiển
II. Thiết kế mạch vòng dòng điện

 

Bộ bù

Từ cơng thức (1), ta có thể xấp xỉ gần đúng mối quan hệ giữa hệ số điều chế và dịng điện trung bình qua cuộn c ảm nh ư sau:

 
- Lựa chọn bộ bù loại II cho mạch vòng điều chỉnh dòng đi ện, đ ể hệ h ở có PM = , t ần s ố cắt = 20kHz.


Thiết kế bộ điều khiển
II. Thiết kế mạch vòng dòng điện
 

Tính tốn các giá trị , ,

- Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(Gid,2*pi*20e+3) ta có biên đ ộ và pha c ủa đ ối t ượng t ại t ần s ố 20kHz.
- Do sử dụng bộ bù loại II có thêm thành phân tích phân vào nên góc pha b ộ bù ch ỉ xét thành ph ần PD (Lead) đ ược xác đ ịnh:

- Tần số điểm không và điểm cực được xác định theo công th ức:


Thiết kế bộ điều khiển
II.  Thiết kế mạch vòng dòng điện

- Hệ số được xác định:

Trong đó hàm truy ền Gc1(s) có d ạng nh ư sau:


Thiết kế bộ điều khiển
II. Thiết kế mạch vòng điện áp
Hàm truyền đạt
- Hàm truyền đạt giữa dòng điện đ ặt (thực ch ất là dòng qua cu ộn c ảm) và đi ện áp đ ầu ra nh ư sau:

- Từ biểu thức (**), (***) kết hợp với điều kiện điểm làm việc cân bằng c ủa b ộ bi ến đ ổi Boost:


Thiết kế bộ điều khiển
II.  Thiết kế mạch vòng điện áp

Ta thu được hàm truyền như sau:

- Mặt khác, tại tần số thấp có thể coi cuộn cảm bị ngắn mạch, hàm truyền (s) đ ược viết lại:

Thiết kế bộ điều khiển
II. Thiết kế mạch vòng điện áp

 

Bộ bù
- Lựa chọn bộ bù cho mạch vòng điều chỉnh điện áp, đ ể hệ hở có độ d ự trữ pha là , tần số cắt của mạch vịng điện áp 15Hz.

- Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(Gvi,2*pi*15) ta có biên đ ộ và pha c ủa đ ối t ượng t ại t ần s ố 15Hz.
- Góc pha bộ bù chỉ xét thành phần PD (Lead) được xác đ ịnh nh ư sau:

- Tính tốn , , tương tự như cho mạch vòng dòng điện.


Urms = 220; % Dien ap dau vao xoay chieu
f=50 ;
Uo=400; % Dien ap dau ra
C = 400e-6; %tu dien
rC=1.5e-3 ; %tro tu dien
L = 1e-3; %cuon cam
R = 160; %Tai thuan tro
s=tf('s');
%% %Ham truyen giua dong dien cuon cam /he so dieu che
num=[Uo];
den=[L 0];
Gid=tf(num,den);
%Do thi bode khi chua co bo dhieu chinh dong dien
bode(Gid)
hold on;

Mô phỏng

grid on;
%% Thiet ke bo dieu khien dong dien
% tim bo bu loai II de PM=60* tai tan so cat 20kHz
[mag,phase]=bode(Gid, 2*pi*20e+3)%bien do, goc pha Gid tai 20kHz

Thiết kế mạch vòng dòng điện

fc=20000;

%tan so cat 20kHz

PM1=60

%du tru pha he kin la 60 degree

theta=PM1-phase-90

%du tru pha can co cua bo bu bo qua thanh
%phan tich phan 1/s luon co pha -90 degree

%tim fz,fp
fz=fc*sqrt((1-sin(theta*pi/180))/(1+sin(theta*pi/180)))
fp=fc*sqrt((1+sin(theta*pi/180))/(1-sin(theta*pi/180)))
%tim Kc
numc=[1/(2*pi*fz) 1];
denc=[1/(2*pi*fp) 1];
Gc1=tf(numc,denc)/s;
[mag2,phase2]=bode(Gc1, 2*pi*20e+3);

kc=1/(mag*mag2)
%bo bu dong dien
Gc=kc*Gc1
%% Ket qua
%Ham truyen he ho sau khi co bo bu
T=Gc*Gid;
bode(T);


Mơ phỏng
Thiết kế mạch vịng điện áp

Urms = 220; % Dien ap dau vao xoay chieu
f=50 ;
Uo=400; % Dien ap dau ra
C = 400e-6; %tu dien
rC=1.5e-3 ; %tro tu dien
L = 1e-3; %cuon cam
R = 160; %Tai thuan tro
s=tf('s');
%% Dong dien giua dien ap dau ra/ dong dien cuon cam
Us=110*sqrt(2);
Gvi=(Us*R)/(2*Uo)/(1+R*C*s/2);
%Do thi bode khi chua co bo dhieu chinh dong dien
bode(Gvi);
hold on;
grid on;
%% Thiet ke bo dieu khien dien ap
% tim bo bu loai II de PM=45* tai tan so cat 15Hz
[mag,phase]=bode(Gvi, 2*pi*15)%bien do, goc pha Gid tai 15Hz

fc=15;
%tan so cat 15Hz
PM1=45
;
%du tru pha he kin la 45 degree
theta=PM1-phase-90

%du tru pha can co cua bo bu bo qua thanh
%phan tich phan 1/s luon co pha -90 degree

%tim fz,fp
fz=fc*sqrt((1-sin(theta*pi/180))/(1+sin(theta*pi/180)))
fp=fc*sqrt((1+sin(theta*pi/180))/(1-sin(theta*pi/180)))
%tim Kc
numc=[1/(2*pi*fz) 1];
denc=[1/(2*pi*fp) 1];
Gc1=tf(numc,denc)/s;
[mag2,phase2]=bode(Gc1, 2*pi*15);
kc=1/(mag*mag2);
%bo bu dien ap
Gc=kc*Gc1
%% Ket qua
%Ham truyen he ho sau khi co bo bu
T=Gc*Gvi;
bode(T);


Mô phỏng

Kết quả

Mô phỏng
Sử dụng MATLAB, ta thiết kế hệ thống điều khiển như sau:


Mô phỏng
Mô phỏng bộ biến đổi PFC:


Mô phỏng
Kết quả mô phỏng:
Kết quả


Mô phỏng
Khi điện áp vào thay đổi:
Kết quả


Kết luận

- Kết quả chứng minh rằng bộ biến đổi đã đáp ứng t ốt điều kiện thay đ ổi t ải và đi ện áp vào.


THANKS FOR LISTENING!