THIẾT kế điều KHIỂN CHO các bộ BIẾN đổi điện tử CÔNG SUẤT mô hình hóa và thiết kế các mạch vòng điều chỉnh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN – BM TỰ ĐỘNG HĨA XNCN Trần Trọng Minh, Vũ Hồng Phương THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT MƠ HÌNH HĨA VÀ THIẾT KẾ CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH Hà Nội – Năm 2014 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển biến đổi điện tử công suất MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 11 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 12 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển biến đổi điện tử công suất 12 1.2 Một số vấn đề đóng/ngắt cho Tiristor 13 1.2.1 Quá trình mở Tiristor 14 1.2.2 Q trình khóa tiristor 15 1.2.3 Các yêu cầu tín hiệu điều khiển tiristor 15 1.2.4 Mạch khuếch đại xung mở Tiristor 16 1.3 Một số vấn đề điều khiển cho MOSFET, IGBT 17 1.3.1 Phân tích q trình mở/ khóa MOSFET 17 1.3.2 Phân tích q trình mở/ khóa IGBT 19 1.3.3 Mạch driver cho MOSFET IGBT 20 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ THUỘCEquation Chapter (Next) Section 24 2.1 Driver cho hệ thống điều khiển biến đổi phụ thuộc 24 2.1.1 Khối đồng pha tạo điện áp tựa 25 2.1.2 Khâu so sánh 27 2.1.3 Khâu tạo xung 28 2.1.3.1 Khâu tạo xung kép 28 2.1.3.2 Khâu tạo xung chùm 29 2.1.4 Khâu khuếch đại xung 30 2.1.5 Ví dụ mạch driver cho hệ thống điều khiển nhiều kênh 30 2.1.6 Sử dụng IC chuyên dụng làm driver cho chỉnh lưu phụ thuộc 32 2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển vịng kín cho chỉnh lưu tiristor 35 2.2.1 Mơ hình hóa khối điều chế độ rộng xung 35 2.3 Kết mô 38 2.3.1 Chỉnh lưu cầu pha 38 2.3.2 Chỉnh lưu cầu ba pha 39 2.3.2.1 Điều khiển vòng hở 39 2.3.2.2 Điều khiển vòng kín 40 2.4 Bài tập 41 3Equation Chapter Section HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC 44 3.1 Phương pháp mơ hình hóa biến đổi kiểu DC/DC 44 3.1.1 Phương pháp trung bình khơng gian trạng thái 44 3.1.2 Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt 46 3.2 Mơ hình tốn học biến đổi kiểu buck 49 3.2.1 Phương pháp trung bình khơng gian trạng thái 49 3.2.2 Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt 52 3.3 Mơ hình tốn học biến đổi kiểu boost 53 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 3.3.1 Phương pháp trung bình khơng gian trạng thái 53 3.3.2 Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt 55 3.4 Mô hình tốn học biến đổi kiểu buck – boost 57 3.4.1 Phương pháp trung bình khơng gian trạng thái 57 3.4.2 Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt 59 3.5 Mô hình biến đổi DC/DC làm việc chế độ dịng điện gián đoạn (DCM) 59 3.5.1 Mơ hình trung bình 59 3.6 Phương pháp điều khiển tuyến tính cho biến đổi DC/DC 63 3.6.1 Nguyên lý điều khiển điện áp (Voltage mode) 63 3.6.2 Nguyên lý điều khiển dòng điện (Current mode) 63 3.6.2.1 Mô hình biến đổi DC/DC điều khiển theo nguyên lý dòng điện 64 3.6.3 Nhắc lại số kiến thức lý thuyết điều khiển tự động 66 3.6.4 Một số bù sử dụng cấu trúc điều khiển DC/DC converter 68 3.6.5 Tuyến tính hóa khâu điều chế độ rộng xung 73 3.7 Cấu trúc điều khiển tuyến tính cho biến đổi kiểu buck 74 3.7.1 Điều khiển trực tiếp 74 3.7.2 Điều khiển gián tiếp 80 3.7.2.1 Điều khiển theo nguyên lý dịng điện trung bình 80 3.7.2.2 Điều khiển theo nguyên lý dòng điện đỉnh 83 3.8 Bộ biến đổi kiểu boost 83 3.8.1 Điều khiển trực tiếp 83 3.8.2 Điều khiển gián tiếp 86 3.9 Bài tập 89 3.10 Bộ biến đổi PFC 90 3.10.1 Sơ đồ mạch lực 90 3.10.2 Cấu trúc điều khiển biến đổi PFC 91 3.10.2.1 Thiết kế mạch vòng dòng điện 91 3.10.2.2 Thiết kề mạch vòng điện áp 92 3.10.3 Bài tập 92 4Equation Chapter (Next) Section HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP 94 4.1 Sơ đồ mạch lực biến đổi nghịch lưu độc lập 94 4.2 Mơ tả tốn học nghịch lưu áp 94 4.2.1 Mơ tả tốn học nghịch lưu nguồn áp pha 94 4.2.2 Mơ tả tốn học nghịch lưu nguồn áp ba pha 96 4.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu pha 98 4.3.1 Phương pháp điều chế hai cực 98 4.3.2 Phương pháp điều chế đơn cực 99 4.3.3 Kết mô phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu pha 102 4.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha 104 4.4.1 Phương pháp Sin PWM 104 4.4.2 Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) 105 4.4.2.1 Khái niệm vector không gian 105 4.4.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian 106 4.4.3 Kết mô phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha 114 4.5 Bù thơi gian chết deadtime nghịch lưu nguồn áp 116 4.6 Xây dựng mạch vòng dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp pha 116 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển biến đổi điện tử công suất Thiết kế điều chỉnh dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp pha 116 Ví dụ thiết kế mạch vòng dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp pha 118 4.7 Xây dựng mạch vòng dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp ba pha 118 4.7.1 Thiết kế điều chỉnh dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp ba pha 118 4.7.1.1 Thiết kề điều chỉnh dòng điện hệ tọa độ tĩnh αβ 119 4.7.1.2 Thiết kề điều chỉnh dòng điện hệ tọa độ quay dq 119 4.8 Bài tập 121 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤTEquation Chapter (Next) Section 123 5.1 Nhắc lại kiến thức điều khiển số 123 5.1.1 Mơ hình đối tượng miền gián đoạn z 123 5.2 Hệ thống điều khiển số cho biến đổi điện tử công suất 125 5.3 Yêu cầu độ phân giải A/D khâu điều chế độ rộng xung 126 5.3.1 Độ phân giải A/D 126 5.3.2 Yêu cầu độ phân giải DPWM 127 5.3.3 Đồng thời điểm trích mẫu ADC khung thời gian điều chế độ rộng xung 128 5.4 Mơ hình hóa khâu điều chế độ rộng xung 129 5.5 Thiết kế mạch vòng điều chỉnh số 130 5.5.1 Phương pháp thiết kế gián tiếp 130 5.5.1.1 Bộ biến đổi kiểu Buck 131 5.5.1.2 Nghịch lưu nguồn áp pha 132 5.5.2 Phương pháp thiết kế trực tiếp 133 5.5.2.1 Bộ biến đổi kiểu Buck 133 5.5.2.2 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện nghịch lưu nguồn áp pha 135 5.5.2.3 Bộ điều chỉnh dòng điện nghịch lưu nguồn áp pha kiểu deadbeat 136 5.6 Chuẩn hóa điều chỉnh 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO 140 PHỤ LỤC 141 4.6.1 4.6.2 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các chữ viết tắt Chữ viết tắt PWM ĐCX Các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị V uo, Uo * V uo uin, Uin V uC, UC V iL, IL V * A iL d, D A iˆ V uˆ ˆ A d s Tx T s s p α Rad L H C F ud V udk V Ý nghĩa Điều chế xung cho chỉnh lưu Tisitor Ý nghĩa Điện áp trung bình xác lập đầu biến đổi DC/DC Lượng đặt điện áp đầu biến đổi DC/DC Điện áp trung bình xác lập đầu vào biến đổi DC/DC Điện áp trung bình xác lập tụ C Dịng điện trung bình xác lập chảy qua cuộn cảm L Lượng đặt dòng điện qua cuộn cảm biến đổi DC/DC Hệ số điều chế giá trị xác lập Biến thiên tín hiệu nhỏ dịng điện quanh điểm làm việc xác lập Biến thiên tín hiệu nhỏ điện áp quanh điểm làm việc xác lập Biến thiên tín hiệu nhỏ hệ số điều chế quanh điểm làm việc xác lập Chu kỳ điều chế Chu kỳ điện áp lưới Toán tử Laplace Hệ số đập mạch điện áp chỉnh lưu Góc mở Tiristor Giá trị cuộn cảm Giá trị tụ điện Giá trị trung bình điện áp đầu chỉnh lưu Tiristor Điện áp điều khiển chỉnh lưu Tiristor 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển biến đổi điện tử công suất DANH MỤC BẢNG B ng 5.1 Các phương pháp gián đoạn 131 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống điều khiển điện tử công suất tiêu biểu 12 Hình 1.2 So sánh tương đối phần tử van bán dẫn 13 Hình 1.3 Đặc tính von-ampe tiristor 13 Hình 1.4 Dạng điện áp dịng điện Tiristor q trình đóng cắt 15 Hình 1.5 Sơ đồ mạch nguyên lý tiêu biểu mở Tiristor, (a) dùng biến áp xung, (b) Dùng IC cách ly 16 Hình 1.6 Mạch điều khiển mở MOSFET 17 Hình 1.7 Đồ thị dạng xung dòng điện, điện áp MOSFET (a) Quá trình điều khiển mở, (b) Quá trình điều khiển khóa 18 Hình 1.8 Sơ đồ thử nghiệm đặc tính đóng/mở IGBT 19 Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống driver cho biến đổi phụ thuộc 24 Hình 2.2 Giới hạn góc điều khiển α 24 Hình 2.3 Điện áp tựa dạng cưa sườn xuống 26 Hình 2.4 Điện áp tựa dạng cưa sườn lên 26 Hình 2.5 Điện áp tựa dạng cosin 27 Hình 3.1 Mô tả biến đổi DC/DC, a) mạch lực biến đổi DC/DC, b) Mơ hình biến đổi DC/DC điểm xác lập, c) Mơ hình trung bình biến đổi DC/DC 47 Hình 3.2 Mạng điện hai cửa, a) tín hiệu trung bình, b) Mạch điện điện tương đương tuyến tính điểm làm việc cân 48 Hình 3.3 Boost Mơ hình trung bình biến đổi DC/DC, a)Bộ biến đổi Buck, b)Bộ biến đổi 49 Hình 3.4 Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu buck (a), Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu buck thái 1(b), Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu buck thái (c) 49 Hình 3.5 Mạch điện mơ tả biến đổi Buck với tín hiệu nhỏ 52 Hình 3.6 Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu boost (a), Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu boost thái 1(b), Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu boost thái (c) 53 Hình 3.7 Mạch điện mơ tả biến đổi Boost với tín hiệu nhỏ 56 Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu buck - boost (a), Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu buck - boost thái 1(b), Sơ đồ mạch điện biến đổi kiểu buck - boost thái (c) 57 Hình 3.9 Sơ đồ mạch lực biến đổi Buck 60 Hình 3.10 Dạng điện áp dòng điện biến đổi Buck chế độ DCM 60 Hình 3.11 Mạch điện tương đương biến đổi Buck (DCM) với tín hiệu trung bình 62 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển biến đổi điện tử cơng suất Hình 3.12 Mạch điện tương đương biến đổi Buck (DCM) trạng thái xác lập 62 Hình 3.13 Cấu trúc điều khiển tuyến tính cho biến đổi DC/DC, a) điều khiển trực tiếp (direct mode), b) điều khiển gián tiếp (indirect mode) 64 Hình 3.14 Minh họa đồ thị Bode G ( jω ) [6] 67 Hình 3.15 Đồ thị bode bù Lead có cấu trúc (3.94) 69 Hình 3.16 Đồ thị bode bù có cấu trúc (3.105) 71 Hình 3.17 Đồ thị bode hàm bù (3.108) 72 Hình 3.18 Cấu trúc điều khiển trực tiếp biến đổi kiểu buck 74 Hình 3.19 Đồ thị Bode hàm truyền đạt (3.118) 75 Hình 3.20 Đồ thị Bode hàm truyền đạt (3.118) bù (3.94) 76 Hình 3.21 Đồ thị Bode hàm truyền đạt (3.118) bù (3.124) 77 Hình 3.22 Cấu trúc để đánh giá ảnh hưởng điện áp đầu vào đầu biên đổi kiểu Buck 77 Hình 3.23 Kết mơ Buck converter sử dụng bù (3.94) 78 Hình 3.24 Kết mơ Buck converter sử dụng bù (3.124) điện áp nguồn có đập mạch với biên độ 1V, tần số 100Hz 78 Hình 3.25 Kết mô Buck converter sử dụng bù (3.124) 79 Hình 3.26 Kết mô Buck converter sử dụng bù (3.124) điện áp nguồn có đập mạch với biên độ 1V, tần số 100Hz 79 Hình 3.27 Cấu trúc điều khiển gián ngun lý dịng điện trung bình biến đổi kiểu buck 80 Hình 3.28 Đồ thị Bode hàm truyền đạt (3.129) 81 Hình 3.29 Đồ thị Bode hàm truyền đạt (3.131) 82 Hình 3.30 Kết mơ Buck converter theo ngun lý điều khiển dịng điện trung bình 82 Hình 3.31 Cấu trúc điều khiển gián nguyên lý dòng điện đỉnh biến đổi kiểu buck 83 Hình 3.32 Kết mô Buck converter theo nguyên lý điều khiển dịng điện đỉnh` 83 Hình 3.33 Đồ thị Bode hàm truyền đạt (3.138) 84 Hình 3.34 Đồ thị Bode hàm truyền đạt vòng hở (Gvd.Gc) 85 Hình 3.35 Kết mơ Boost theo nguyên lý điều khiển điện áp 86 Hình 3.36 Cấu trúc điều khiển gián nguyên lý dòng điện đỉnh biến đổi kiểu Boost 86 Hình 3.37 Đồ thị bode hàm truyền đạt Gui ( s ) biến đổi kiểu Boost 87 Hình 3.38 Đồ thị bode hàm truyền đạt Gui ( s ) bù (3.103) biến đổi kiểu Boost 88 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 3.39 Kết mơ biến đổi Boost theo nguyên lý điều khiển dòng điện đỉnh` 88 Hình 4.1 Sơ đồ mạch lực nghịch lưu độc lập kiểu nguồn áp, a) Một pha, b) Ba pha 94 Hình 4.2 Mơ hình nghịch lưu nguồn áp pha mơ tả khóa chuyển mạch 95 Hình 4.3 Mơ hình nghịch lưu nguồn áp ba pha mơ tả khóa chuyển mạch 96 Hình 4.4 Giải pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu pha, a) Điều chế lưỡng cực, b) Điều chế đơn cực 98 Hình 4.5 Dạng sóng điện áp theo phương pháp điều chế hai cực, a) Sóng mang tín hiệu điều khiển, b) Điện áp đầu mạch nghịch lưu 99 Hình 4.6 Trạng thái mạch nghịch lưu theo phương pháp điều chế hai cưc 99 Hình 4.7 Dạng sóng điện áp theo phương pháp điều chế đơn cực, a) Sóng mang tín hiệu điều khiển, b) Điện áp đầu mạch nghịch lưu 100 Hình 4.8 Trạng thái mạch nghịch lưu phương pháp điều chế đơn cực 100 Hình 4.9 Biểu đồ vector kỹ thuật điều chế vector đơn cực 101 Hình 4.10 Mẫu xung chuẩn đưa nghịch lưu pha, a) nửa chu kỳ dương, b) nưa chu kỳ âm 102 Hình 4.11 Kết mơ với phương pháp điều chế lưỡng cực 103 Hình 4.12 Kết mô với phương pháp điều chế đơn cực 104 Hình 4.13 Giải pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha 104 Hình 4.14 Quỹ đạo vector khơng gian mặt phẳng αβ 106 Hình 4.15 Trạng thái mạch nghịch lưu nguồn áp tương ứng vector chuẩn 108 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển biến đổi điện tử cơng suất Hình 4.16 Vị trí vector chuẩn hệ tọa độ tĩnh αβ 109 Hình 4.17 Mối quan hệ sector điện áp tức thời usa, usb, usc 109 Hình 4.18 Thuật tốn xác định vector điện áp đặt sector 110 Hình 4.19 Vector điện áp điều chế Sector 110 Hình 4.20 Trạng thái logic vector chuẩn Sector 111 Hình 4.21 Mẫu xung chuẩn Sector 112 Hình 4.22 Các mẫu xung chuẩn đưa sector 113 Hình 4.23 Quĩ đạo vector điện áp theo phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha nguồn áp 114 Hình 4.24 Kết mô với phương pháp điều chế sinPWM 115 Hình 4.25 Kết mơ với phương pháp điều chế vector khơng gian 115 Hình Hình 4.26 Sơ đồ mạch điện thay mạch vòng dòng điện nghịch lưu nguồn áp pha 116 Hình 4.27 Mơ tả tốn học mạch vịng điều khiển dịng điện 116 Hình 4.28 Sơ đồ mạch điện thay mạch vòng dòng điện nghịch lưu nguồn áp ba pha 118 Hình 4.29 Biểu điện vector điện áp dòng điện hệ trục tọa độ 119 Hình 4.30 Cấu trúc điều khiển dịng điện hệ tọa độ tĩnh αβ 119 Hình 4.31 Cấu trúc điều khiển dịng điện hệ tọa độ quay dq 121 Hình 5.1 Hê thống điều khiển số 126 Hình 5.2 Biểu diễn liệu vào ADC 126 5.3 Yêu cầu độ phân giải A/D khâu điều chế độ rộng xung U max A/ D - Điện áp vào lớn cho phép chuyển đổi ADC n A/ D - Số bit dùng để biểu diễn kênh ADC Để đảm bảo: ∆U q < ∆U Trong đó: ∆U - Độ thay đổi lớn điện áp đầu Từ (5.19), (5.20) U max A/ D U < ∆U ⇒ 2nA/ D > max A/ D n A/ D ∆U Hay viết lại: U  nA/ D > log  max A/ D   ∆U  Như độ phân giải nhỏ chuyển đổi ADC cần có là:  U  ( n A/ D ) = log  max A/ D    ∆U    Ví dụ: Vmax A/ D = 2, 0V V0 = 3,3 ± 2% ⇒ ∆V0 = 0, 066V = 66mV   2,   nA/ D = log    = ⇒ cần ADC 5bit 0, 066     Với V0 = 3, ± 1% ⇒ ∆V0 = 0, 033V = 33mV n A/ D = ⇒ cần ADC bit 5.3.2 Yêu cầu độ phân giải DPWM Hình 5.3 Ví dụ dao động hệ số điều chế 127 (5.20) (5.21) (5.22) (5.23) 128 5.3.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đồng thời điểm trích mẫu ADC khung thời gian điều chế độ rộng xung Thời điểm trích mẫu đọc ADC thực thời gian ton toff chu kỳ điều chế 5.4 Mơ hình hóa khâu điều chế độ rộng xung 129 5.4 Mơ hình hóa khâu điều chế độ rộng xung Hình 5.4 Nguyên tắc thực chức điều chế độ rộng xung theo kỹ thuật số (DPWM) Hình 5.5 Single update mode Đối với lấy Hình 5.5b ta có mơ hình tốn học đầu vào khối DPWM : uˆ ( s ) e − sDTs = (5.24) GPWM ( s ) = MO mˆ ( s ) c pk 130 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đối với lấy Hình 5.5c ta có mơ hình toán học đầu vào khối DPWM : uˆ ( s ) e − s(1− D )Ts GPWM ( s ) = MO (5.25) = mˆ ( s ) c pk Đối với lấy Hình 5.5d ta có mơ hình tốn học đầu vào khối DPWM : T − s (1+ D ) s  uˆ ( s )  − s(1− D ) T2s GPWM ( s ) = MO = e + e (5.26)   mˆ ( s ) 2c pk   Hình 5.6 Double update mode Đối với lấy Hình 5.6 ta có mơ hình tốn học đầu vào khối DPWM : T − s (1− D ) s  uˆ ( s )  − sD T2s GPWM ( s ) = MO e e (5.27) = +   mˆ ( s ) 2c pk   5.5 Thiết kế mạch vịng điều chỉnh số Có hai cách tiếp cận thiết kế mạch vòng điều chỉnh số: • Phương pháp thiết kế gián tiếp: Trước hết ta thiết kế điều chỉnh miền toán tử Laplace trực tiếp từ hệ phương trình vi tích phân mô tả đối tượng, sử dụng phương pháp thiết kế tuyến (như có mục trước) phương pháp thiết phi tuyến Sau có điều chỉnh, ta tìm cách xấp xỉ điều chỉnh để thu phương trình sai phân cài đặt vào vi điều khiển • Thiết kế trực tiếp: Để thiết kế hệ điều chỉnh số trước hết ta cần số mơ hình gián đoạn đối tượng Phương pháp đưa mơ hình gián đoạn (discrete time model) ảnh hưởng lớn đến tính hiệu trình thiết kế độ phức tạp, độ xác đáp ứng mong muốn hệ thống Phương pháp thiết kế có ưu điểm đảm bảo độ dự trữ pha, bang thông đáp ứng biến động tốt so với phương pháp thiết kế gián tiếp 5.5.1 Phương pháp thiết kế gián tiếp Sử dụng phương pháp thiết kế miền liên tục ta thu điều chỉnh miền tốn tử Laplace, sau sử dụng phương pháp xấp xỉ sau để thu điều chỉnh miền z 5.5 Thiết kế mạch vòng điều chỉnh số 131 a Phương pháp xấp xỉ từ tốn tử Laplace sang miền gián đoạn z Hình 5.7 Minh họa phương pháp xấp xỉ B ng 5.1 Phương pháp Backward Euler Các phương pháp gián đoạn Mối quan hệ s z z −1 s= zT s= Forward Euler Phạm vi ứng dụng fs > 20 f fud z −1 T fs f fud > 20 fs z −1 > 10 f fud T z +1 b Phương pháp xấp xỉ ZOH: Giá trị trích mẫu giữ nguyên đến thời điểm trích mẫu (xấp xỉ hình chữ nhật) c FOH: Nội suy tuyến tính hai giá trị trích mẫu Việc xấp xỉ từ miền liên tục sang miền gián đoạn hỗ trợ thực dựa phần mềm Matlab theo cú pháp: c2d(Gc(s),TS,METHOD) để tìm hàm truyền gián đoạn Gc ( z ) s= Tustin 5.5.1.1 Bộ biến đổi kiểu Buck uˆo* Gc ( z ) dˆ Gvd ( s ) uˆo Hình 5.8 Mạch vịng dịng điện sử dụng điều chỉnh số Bỏ qua ảnh hưởng khâu trích mẫu – giữ chậm, hàm truyền điều chỉnh Gc ( s ) có cấu trúc sau:  s   ωL  1 + ω  1 + s   z  (5.28) Gc ( s ) = Gco   s   +   ωp  Sử dụng lệnh c2d(Gc(s),TS,METHOD) để tìm hàm truyền gián đoạn Gc ( z ) 132 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 5.5.1.2 Nghịch lưu nguồn áp pha iˆs* dˆ Gc ( z ) uˆs 2U dc iˆs Ls + R Hình 5.9 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện thực kỹ thuật số Xét ví dụ thiết điều chỉnh cho mạch vòng dòng điện nghịch lưu nguồn áp pha Chúng ta tìm cách xấp xỉ để tìm hàm truyền đạt khâu điều chế độ rơng xung khâu trễ tính tốn điều khiển Theo [], hàm truyền khâu DPWM mô tả sau: T − ss GDPWM ( s ) = e ≈ (5.29) T  1+  s  s 2 Do trễ vi điều khiển, nên giá trị tính tốn thời điểm thứ k đến thời (k+1) tác động đến đối tượng diều khiển (nghĩa trễ chu kỳ điều chế) Như vậy, ta có hàm truyền mơ tả trễ vi điều khiển gây nên sau: Gd ( s ) = e −Ts s ≈ (5.30) + Ts s Từ ta có hàm truyền mơ tả trễ tính toán khâu điều chế độ rộng xung sau:  3T  − s  s   (5.31)  3Ts  1+  s   Kết hợp mơ hình dịng điện xây dựng dựa phương trình cân điện áp nghịch lưu nguồn áp pha, ta có mạch vịng điều chỉnh dịng điện mơ tả miền tốn tử s uL G ( s) = e is* K Kp + i s us*  3T  1+  s  s   ≈ us R (1 + sT ) is Hình 5.10 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện xấp xỉ miền liên tục 5.5 Thiết kế mạch vòng điều chỉnh số 5.5.2 133 Phương pháp thiết kế trực tiếp 5.5.2.1 Bộ biến đổi kiểu Buck uˆo* Gc ( z ) dˆ e − sTd GPWM ( s ) e − sTd uˆo Gvd ( s ) Gvd ( s ) Gp ( z ) GZOH ( s ) z −1 Gvd ( s ) Gp ( z ) Hình 5.11 Mạch vòng điều chỉnh cho biến đổi Buck theo điện áp Hàm truyền đối tượng điều chỉnh điện áp chuyển sang miền gián đoạn: G p ( z ) = Z  e − sTd GPWM ( s ) Gvd ( s )  (5.32) Hàm truyền GPWM ( s ) coi khâu trích mẫu – giữ chậm ZOH, nên (5.32) viết lại:  − sT (1 − e − sTs )  G p ( z ) = Z e d Gvd ( s )  (5.33) s   Mặt khác thời gian trễ thực thuật toán điều chỉnh chu kỳ trích mẫu (nghĩa tín hiệu điều khiển tính tốn thời điểm thứ k đến thời điểm thứ (k+1) tác động lên đối tượng điều khiển, trễ thực thuật toán điều khiển Td = Ts ) Nên (5.33) viết lại: G (s)  G p ( z ) = z −1 (1 − z −1 ) Z  vd (5.34)   s  Tuy nhiên, thực tế thiết kế điều chỉnh thông thường sử dụng phần mềm Matlab để tìm hàm truyền G p ( z ) theo bước sau: Bước 1: Khai báo hàm truyền e − sTd Gvd ( s ) theo cú pháp sys = tf(num,den,'inputdelay',Td) Trong đó: num – tử số hàm truyền Gvd ( s ) ,den- mẫu số hàm truyền Gvd ( s ) Bước 2: Hàm truyền G p ( z ) tìm theo cú pháp Gpz=c2d(sys,Ts,'zoh') Ví dụ cho biến đổi có tham số mục , hàm truyền G p ( z ) tìm theo Script (phần mềm Matlab) sau: %Script tim ham truyen Gp(z) Uin=28; %28V R=3;%3ohm 134 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT L=50e-6;% 50uH C=500e-6;% 500uF Ts=1/(100e+3);%100kHz Td=0; %khong co tre tinh toan sys = tf(R*Uin,[R*L*C L R],'inputdelay',Td); Gpz=c2d(sys,Ts,'zoh'); Kết hàm truyền G p ( z ) tim sau: 0.05586 z + 0.05573 (5.35) z − 1.989 z + 0.9934 Sử dụng công cụ sisotool Matlab ta thiết kế hệ hở có dự trữ pha PM=400 tần số cắt f c = 10kHz Bằng cách bổ sung thêm hai điểm không thực (real zero), điểm cực thực (real pole), khâu tích phân Tham số cấu bù tính sau (do cơng cụ sisotool tính ra) 5.9861 ( z - 0.9041)( z - 0.9687 ) Gc ( z ) = (5.36) ( z - 0.05082 )( z -1) Gp ( z ) = Open-Loop Bode Editor for Open Loop 1(OL1) 60 40 Magnitude (dB) 20 -20 -40 G.M.: 8.93 dB Freq: 23.1 kHz Stable loop -60 -80 Phase (deg) -45 -90 -135 -180 -225 P.M.: 40.5 deg Freq: 10.3 kHz -270 -2 10 -1 10 10 Frequency (kHz) 10 Hình 5.12 Đồ thị bode hàm truyền đạt Gc ( z ) G p ( z ) 10 5.5 Thiết kế mạch vòng điều chỉnh số 5.5.2.2 uˆo* 135 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện nghịch lưu nguồn áp pha Gc ( z ) dˆ e − sTd e − sTd GPWM ( s ) G ( s) uˆo G ( s) Gp ( z ) z −1 GZOH ( s ) G ( s) Gp ( z ) Hình 5.13 Mạch vịng điều chỉnh dòng điện thực kỹ thuật số, a) Mạch vòng dòng điện, b) Mạch điện tương đương, c) Mạch điện tương đương Hàm truyền đối tượng điều chỉnh điện áp chuyển sang miền gián đoạn: G p ( z ) = Z  e − sTd GPWM ( s ) G ( s )  (5.37) Mặt khác thời gian trễ thực thuật toán điều chỉnh chu kỳ trích mẫu (nghĩa tín hiệu điều khiển tính tốn thời điểm thứ k đến thời điểm thứ (k+1) tác động lên đối tượng điều khiển, trễ thực thuật toán điều khiển Td = Ts ) G p ( z ) = z −1Z  H ( s ) G ( s )  Trong hàm truyền khâu trích mẫu –giữ chậm ZOH có dạng: − e − sTs ) ( H (s) = s Từ (5.38), (5.39) ta có: (5.38) (5.39) G (s)  G p ( z ) = z −1 (1 − z −1 ) Z  (5.40)   s  Theo (4.39) hàm truyền đối tượng mạch vòng điều chỉnh nghịch lưu nguồn áp 1/ R , thay vào (5.40) ta có: pha G ( s ) = L   s + 1 R      1 G p ( z ) =   z −1 (1 − z −1 ) Z  (5.41)  R  s  L s + 1     R   Tuy nhiên, thực tế thiết kế điều chỉnh thông thường sử dụng phần mềm Matlab với đoạn Script để tìm hàm truyền G p ( z ) Kết hàm truyền G p ( z ) %Script tim ham truyen Gp(z) L=2e-3;% 2mH R=0.1;%0,1ohm 136 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Gp ( z ) = Ts=2e-4;%200us (5kHz) 0.0995 0.0995 −2 = z (5.42) Td=2e-4; z − 0.99 z − 0.99 z −1 sys = tf(1,[L R],'inputdelay',Td); Gpz=c2d(sys,Ts,'zoh'); a Thiết kế điều chỉnh dòng điện cho đối tượng GP ( z ) theo tiêu chuẩn tối ưu module số Trước hết ta viết lại (5.42) theo dạng tổng quát sau: + b1 z −1 + b2 z −2 + b3 z −3 ) −2 ( GP ( z ) = Vs z (5.43) + a1 z −1 b1 = b2 = b3 =  Trong đó: a1 = −0.99 V = 0.0995  s Theo [], lựa chọn cấu trúc điều khiển dòng điện kiểu PI theo (5.44), ta áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module số ta có tham số sau: + d1 z − ) z + d1 ) ( ( GPI ( z ) = Vr = Vr (5.44) z −1 − z −1 d1 = a1 = −0.99  Trong đó:  V = = 3.3501  r V ( + 5b + 7b + 9b ) s  b Thiết kế điều chỉnh dòng điện cho đối tượng GP ( z ) theo phương pháp gán điểm cực Lựa chọn cấu trúc điều chỉnh kiểu PI theo (5.44), từ (5.42), (5.44) ta có phương trình đặc tính N ( z ) N ( z ) = ( z − 0.99 z ) ( z − 1) + 0.0995Vr ( z + d1 ) = ( z − z1 )( z − z2 )( z − z3 ) (5.45) Trong đó: z1 , z2 , z3 ba điểm cực mong muốn (do người thiết kế lựa chọn) Phương trình (5.45) viết lại (ta lựa chọn d1 = 0.99 điểm cực z1 = 0.99 ): N ( z ) = ( z − 0.99 ) ( z − z + 0.0995Vr ) = ( z − 0.99 )  z − ( z2 + z3 ) z + z2 z3  (5.46) Chọn z2,3 = 0.5 ± j 0.2 ta tính Vr = 2.1106 5.5.2.3 Bộ điều chỉnh dòng điện nghịch lưu nguồn áp pha kiểu deadbeat 5.6 Chuẩn hóa điều chỉnh 137 Hình 5.14 Mạch điện thay nghịch lưu nguồn áp pha Bỏ qua sụt áp điện trở ( RS ≈ ), ta có phương cân điện áp mạch điện Hình 5.14 di L s = uS − u L (5.47) dt Áp dụng cơng thức (5.4), (5.9) ta có phương trình cân điện áp mạch điện Hình 5.14 viết dạng gián đoạn: is ( k + 1) = is ( k ) + Ts us ( k ) − u L ( k )  Ls  (5.48) Nhiệm vụ điều chỉnh dòng điện phải áp đặt is ( k + 1) = is* ( k ) (nghĩa là, giá trị thực phải bám theo giá trị đặt sau chu kỳ trích mẫu) T is ( k + ) = is ( k + 1) + s us ( k + 1) − u L ( k + 1)  Ls (5.49) Ts = is ( k ) + us ( k + 1) + us ( k ) − u L ( k + 1) − u L ( k )  Ls Giả thiết điện áp pha u L thành phần biến đổi chậm (đây trường hợp phổ biến), nên ta coi uL ( k + 1) ≈ uL ( k ) Phương trình (5.49) viết lại: us ( k + 1) = −us ( k ) + Ls is ( k + ) − is ( k )  + 2u L ( k ) Ts  (5.50) Ở đây, is ( k + ) thay is* ( k ) (giá trị đặt cho điều chỉnh dòng điện) Phương trình (5.50) dùng để xác định điện áp đầu nghịch lưu thời điểm ( k + 1) Ts (dự báo trước chu kỳ), đảm bảo dòng điện thực bám theo dòng điện đặt sau hai chu kỳ trích mẫu L us ( k + 1) = −us ( k ) + s is* ( k ) − is ( k )  + 2uL ( k ) (5.51) Ts Bộ điều chỉnh dòng điện thực theo (5.51) có tên gọi điều chỉnh dịng kiểu Deadbeat 5.6 Chuẩn hóa điều chỉnh Các thuật toán điều khiển xây dựng (mục 3), (mục 4) chưa thể cài đặt hay viết chương trình biến cịn chứa thứ ngun vật lý Để cài đặt thuật tốn vào DSP, cần thiết phải chuẩn hóa thuật tốn Nhiệm vụ chuẩn hóa, chuyển biến sang dạng khơng có thứ ngun mà không làm sai ý nghĩa vật lý ban đầu chúng, tạo điều kiện cho cơng tác lập trình Ngoài ra, DSP sử dụng loại dấu phẩy tĩnh, nên từ tham số thu sau chuẩn hóa xác định cần thiết phải trượt vị trí dấu phảy để đảm bảo độ xác thuật toán, việc trượt dấu phảy thực dựa thư viện toán học Iqmath() [] Các giá trị thực chuẩn hóa dải đo lớn mạch đo lường định (giới hạn mạch đo lường), ví dụ giới hạn mạch đo lường Bảng 5.2 138 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT B ng 5.2 Ký hiệu Udc_max Giới hạn đo 800V IS_max US_max 50A 350V Giới hạn đại lượng chuẩn hóa theo mạch đo lường Ý nghĩa Điện áp chiều lớn đặt vào mạch nghịch lưu nguồn áp Biên độ dòng điện pha lớn Biên độ điện áp pha lớn a) Hệ số điều chế nghịch lưu nguồn áp pha Hệ số điều chế cho nghịch lưu nguồn áp pha xác định: u m= s (5.52) U dc Chuẩn hóa (5.52) với điện áp chiều lớn đặt vào mạch nghịch lưu nguồn áp Udc_max điện áp pha lớn Us_max U  u dsp (5.53) m =  s _ max  sdsp U U dc _ max dc   b) Thuật tốn điều chế vector khơng gian cho nghịch lưu nguồn áp ba pha Xét ví dụ sector 1, từ (4.36) tính hệ số điều chế d1 , d cho hai vector chuẩn u1, u2 −1 2  3 3 d −  3  usα    1  usα  = = (5.54)   2   d  U   us β   usβ  U dc   2 dc     3   0 3  Chuẩn hóa (5.54) với Điện áp chiều lớn đặt vào mạch nghịch lưu nguồn áp Udc_max điện áp pha lớn Us_max   U s _ max   dsp dsp  us β  d1 =   dsp  usα −    U dc _ max  udc  (5.55)    U − d ( )  s _ max 3usdsp  dsp β d =  U  dc _ max  udc  c).Bộ điều chỉnh điện dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp Bộ điều chỉnh dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp pha nghịch lưu nguồn áp ba pha thực hệ tọa độ quay dq (bao gồm kênh điều chỉnh thành phần dòng điện isd , isq ) có cấu trúc kiểu PI viết dạng: K   (5.56) us =  K p + i  ( is* − is ) s   Thực chuẩn hóa luật điều chỉnh (5.56) với giá trị dòng điện pha lớn Is_max điện áp pha lớn Us_max 5.6 Chuẩn hóa điều chỉnh 139 K pU s _ max  * dsp  dsp u k is ) ( k ) − isdsp ( k )  = ( ) ( p    I s _ max    dsp K iTcU s_ max  * dsp dsp dsp  (5.57) ui ( k ) = ui ( k − 1) + ( is ) ( k ) − is ( k )  I s _ max  i *dsp ( k ) = u dsp ( k ) + u dsp ( k ) p i  sd  Trong đó: Tc chu kỳ trích mẫu thực thuật tốn (5.56) d).Bộ điều chỉnh điện điện áp cho biến đổi DC/DC kiểu Buck điều khiển theo điện áp Công thức (5.36) viết lại dạng tổng quát sau: Y (k ) b1 + b2 z −1 + b3 z −2 Gc ( z −1 ) = = (5.58) X ( k ) b4 + b5 z −1 + b6 z −2 Từ (5.58) ta có phương trình sai phân sau: b b b b b (5.59) y (k ) = x (k ) + x (k − 1) + x (k − 2) − y (k − 1) − y (k − 2) b4 b4 b4 b4 b4 Hay viết gọn lại : y (k ) = c1 x ( k ) + c2 x ( k − 1) + c3 x (k − 2) − c4 y (k − 1) − c5 y ( k − 2) (5.60) Điện áp đầu u chuẩn hóa với U c max Đầu d khơng thứ ngun nên khơng cần chuẩn hóa Với U c max giá trị điện áp lớn mà mạch đo đo Ta có: u (k ) u ( k − 1) d ( k ) = c1U c max + c2U c max U c max U c max (5.61) u ( k − 2) + c3U c max − c4 d ( k − 1) − c5d ( k − ) U c max Từ phương trình ta thu phương trình sai phân điều chỉnh sau chuẩn hóa: d ( k ) = ( c1.U c max ) u DSP ( k ) + ( c2 U c max ) u DSP ( k − 1) (5.62) + ( c3.U c max ) u DSP ( k − ) − c4 d ( k − 1) − c5d ( k − ) 140 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh (2007) Điện tử công suất, NXB Khoa học Kỹ thuật [2] Phạm Quốc Hải (2009) Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2009 [3] Trần Trọng Minh (2009) Giáo trình Điện tử cơng suất, NXB Giáo dục [4] Nguyễn Phùng Quang (2002) Truyền động điện thông minh; Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [5] Nguyễn Phùng Quang (2206) Matlab&Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động; Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [6] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung (2008); Lý thuyết điều khiển tuyến tính; In lần thứ 3, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [7] Robert W Erickson, Dragan Masksimovíc (2004) Fundamentals of Power Electronic, Kluwer Academic Publishers [8] Ned Mohan (2003) First courses on power electronics and drives, Published by MNPERE [9] Remus Teodorescu, Marco Liserre, Pedro Rodríıguez (2011); Grid converters for photovoltaic and wind power systems; 2011 John Wiley & Sons, Ltd [10] Simone Buso, Paolo Mattavelli (2006) Digital Control in Power Electronics, LECTURES ON POWER ELECTRONICS [11] J F Silva and S F Pinto (2011) Advanced Control of Switching Power Converters, pp 1038-1058 [12] Robert Sheehan () Understanding and applying current-mode control theory [13] Các báo đăng tạp chí hội thảo lĩnh vực Điện tử công suất 5.6 Chuẩn hóa điều chỉnh 141 PHỤ LỤC ... KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Như biết, biến đổi bán dẫn sử dụng phần tử bán dẫn công suất khoá điện tử, dùng để nối tải vào nguồn... THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ THUỘC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ THUỘC Các biến đổi phụ thuộc lớp biến đổi van chuyển mạch tác dụng điện áp lưới, bao gồm chỉnh lưu, biến đổi xung... thống điều khiển biến đổi điện tử công suất Một hệ thống điều khiển biến đổi điện tử công suất ứng dụng lĩnh vực: biến đổi nối lưới, biến đổi làm việc với tải độc lập Hình 1.1 bao gồm: + Mạch phát