Mô hình hóa và thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi Điện tử công suất( Modeling and Control of Power Electronic Converter)

Mô hình hóa và thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi Điện tử công suất( Modeling and Control of Power Electronic Converter) CONTENTS DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................................................7 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂNEquation Chapter 1 Section 1 ...................................................................................................18 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất .............................................18 1.2 Mạch phát xung điều khiển đóng mở van bán dẫn .......................................................19 1.2.1 Điều khiển mở cho Tiristor ...................................................................................19 1.2.2 Điều khiển đóng cắt cho MOSFET.......................................................................21 1.2.3 Điều khiển đóng cắt cho IGBT .............................................................................23 1.2.4 Mạch driver cho MOSFET và IGBT ....................................................................25 1.3 Mục tiêu đặt ra trong thiết kế điều khiển các bộ biến đổi .............................................26 1.4 Các loại hệ thống điều khiển.........................................................................................29 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWMEquation Chapter 2 Section 2 31

BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP – VIỆN ĐIỆN Mơ hình hóa thiết kế điều khiển cho biến đổi Điện tử công suất Modeling and Control of Power Electronic Converter Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương 7/25/2017 CONTENTS DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂNEquation Chapter Section 18 1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển biến đổi điện tử công suất 18 1.2 Mạch phát xung điều khiển đóng mở van bán dẫn 19 1.2.1 Điều khiển mở cho Tiristor 19 1.2.2 Điều khiển đóng cắt cho MOSFET 21 1.2.3 Điều khiển đóng cắt cho IGBT 23 1.2.4 Mạch driver cho MOSFET IGBT 25 1.3 Mục tiêu đặt thiết kế điều khiển biến đổi 26 1.4 Các loại hệ thống điều khiển 29 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWMEquation Chapter Section 31 2.1 Các dạng sơ đồ điều chế 31 2.1.1 Điều chế trích mẫu tự nhiên 31 2.1.2 Phương pháp biến điệu độ rộng xung ứng dụng điều khiển số: PWM trích mẫu 34 2.2 Phân tích sóng hài dạng sóng điều chế PWM 36 2.2.1 Điều chế trích mẫu tự nhiên 36 2.2.2 Điều chế PWM trích mẫu 43 2.3 Mơ hình tín hiệu nhỏ AC cho PWM với tần số sóng mang khơng đổi 45 2.3.1 Mơ hình tín hiệu nhỏ AC cho PWM trích mẫu tự nhiên 45 2.4 Mơ hình tín hiệu nhỏ AC cho PWM với tần số sóng mang thay đổi 48 2.5 Điều chế PWM cho nghịch lưu 50 2.5.1 Điều chế PWM cho nghịch lưu pha nửa cầu 50 2.5.2 Điều chế PWM cho nghịch lưu cầu pha 51 2.5.3 Thời gian chết chu kỳ điều chế 54 2.6 Điều chế PWM cho nghịch lưu nguồn áp ba pha 54 2.6.1 Phương pháp sinPWM 54 2.6.2 PWM) Điều chế PWM cho nghịch lưu ba pha, có thêm vào thành phần thứ tự khơng (ZSS58 Lecture notes on modeling and design of control system for power electronic converter 2.7 Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) 60 2.7.1 Khái niệm vector không gian 60 2.7.2 Trạng thái đóng cắt van vector trạng thái 61 2.7.3 Xác định hệ số điều chế 64 2.7.4 Mẫu xung tối ưu thứ tự thực vector 67 2.7.5 Mẫu xung tối ưu sẵn sàng cho cài đặt vi điều khiển 68 2.7.6 Quá điều chế (Overmodulation) 70 2.7.7 Mô phương pháp SVM 71 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊNG KÍN CHO CHỈNH LƯU TIRISTOR Equation Chapter Section 77 3.1 Mạch tạo xung điều khiển biến đổi Tiristor 77 3.1.1 Nguyên lý tạo xung điều khiển cho biến đổi Tiristor 77 3.1.2 Mạch tạo xung điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha 79 3.2 Mơ hình hóa tổng hợp mạch vòng dòng điện cho chỉnh lưu Tiristor 82 3.2.1 Mơ hình hóa mạch vịng dịng điện sử dụng biến đổi chỉnh lưu tiristor 82 3.2.2 Chỉnh lưu tiristor đóng vai trị biến đổi nguồn dòng 86 MƠ HÌNH HĨA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI Equation Chapter Section 90 4.1 Các phương pháp mơ hình hóa biến đổi bán dẫn công suất 90 4.2 Mô hình đóng cắt 91 4.2.1 Mơ hình toán học 91 4.2.2 Mơ hình đóng cắt cho biến đổi DC-DC 92 4.3 Mơ hình trung bình cổ điển 96 4.3.1 Cơ sở toán học mơ hình trung bình 96 4.3.2 Tuyến tính hóa mơ hình trung bình tín hiệu nhỏ 97 4.4 Mơ hình trung bình cho biến đổi DC-DC lý tưởng 98 4.4.1 Mơ hình trung bình cho Buck converter 98 4.4.2 Mô hình trung bình cho Boost conveter 98 4.5 Mơ hình trung bình cho biến đổi DC-DC có tính tới tổn hao 100 4.5.1 Mơ hình trạng thái trung bình cho Bộ biến đổi kiểu boost có tổn hao 102 4.5.2 Mơ hình trung bình cho Bộ biến đổi kiểu buck có tổn hao 103 4.5.3 Mơ hình trung bình cho Bộ biến đổi kiểu Buck- boost có tổn hao 105 4.6 Mô kiểm chứng mô hình 106 4.6.1 Mơ hình mơ biến đổi kiểu buck 106 4.6.2 Mơ hình mơ boost converter 108 PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH PHẦN TỬ VÀ MẠNG ĐĨNG CẮT Equation Section (Next) 111 5.1 Phương pháp trung bình phần tử đóng cắt 111 5.1.1 Sơ đồ tương đương bất biến phần tử đóng cắt 111 5.1.2 Mơ hình trung bình phần tử đóng cắt cho Bộ biến đổi kiểu buck 115 5.2 Phương pháp trung bình hóa mạng đóng cắt 116 5.2.1 Trung bình hóa mạng đóng cắt cho sơ đồ Bộ biến đổi kiểu boost 116 5.2.2 Trung bình hóa mạch đóng cắt cho Buck, Buck-boost 120 5.2.3 Hàm truyền cho biến đổi có tính tới điện trở cuộn cảm rL điện trở rESR tụ 121 5.2.4 Hàm truyền có tính tới tổn hao van bán dẫn điơt 123 5.2.5 Mơ hình trung bình tính tới tổn hao q trình đóng cắt 125 MƠ HÌNH TRUNG BÌNH TỔNG QUÁT Equation Section (Next) 127 6.1 Mơ hình trạng thái trung bình tổng qt vectơ động 127 6.1.1 Khái niệm phazor động 127 6.1.2 Phương trình với biến động tín hiệu nhỏ 129 6.1.3 Liên hệ phazor động dạng sóng thực 130 6.2 Mơ hình trung bình tổng qt 131 6.3 Mơ hình trung bình tổng qt cho nghịch lưu nguồn áp pha 132 6.3.1 Mơ hình nghịch lưu nguồn áp cầu pha xung chữ nhật 132 6.3.2 Mô hình nghịch lưu nguồn áp cầu pha điều chế PWM 135 6.4 Mơ hình trung bình tổng quát cho nghịch lưu ba pha 137 6.4.1 Sơ đồ chỉnh lưu kiểu Boost ba pha 137 6.4.2 Sơ đồ nghịch lưu ba pha nguồn áp 141 MƠ HÌNH TRUNG BÌNH HẠ BẬC Equation Section (Next) 145 7.1 Phương pháp giảm bậc phương trình trạng thái 145 7.2 Mơ hình giảm bậc cho Bộ biến đổi kiểu boost chế độ DCM 146 7.3 Mơ hình trung bình giảm bậc biến đổi DC-AC nối lưới 148 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI Equation Section (Next) 152 DC/DC 8.1 Thiết kế điều khiển dựa đáp ứng tần số 152 8.1.1 Đáp ứng tần số hệ tuyến tính 152 8.1.2 Đáp ứng thời gian hệ thống điều khiển 153 8.1.3 Các bù tiêu biểu 157 8.2 Điều khiển trực tiếp đầu 160 8.2.1 Cơ sở thiết kế cấu trúc điều khiển trực tiếp đầu 160 8.2.2 Ví dụ thiết kế cho biến đổi DC/DC kiểu Buck 163 8.2.3 Ví dụ thiết kế cho biến đổi DC/DC kiểu Boost 167 8.3 Điều khiển gián tiếp đầu – cấu trúc hai mạch vòng 175 8.3.1 Ví dụ thiết kế cho biến đổi DC/DC kiểu Buck 176 8.3.2 Ví dụ thiết kế cho biến đổi DC/DC kiểu Boost 180 8.3.3 đổi PFC Ứng dụng cấu trúc điều khiển dịng trung bình cho biến đổi Boost biến 184 8.4 Điều khiển theo dịng điện lập trình (Current-programmed Mode – CPM) 187 8.4.1 Sự ổn định D>0,5 189 8.4.2 Mơ hình biến đổi điều khiển theo dịng điện 192 8.4.3 Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh cho biến đổi Buck 194 8.4.4 Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh cho biến đổi Boost 196 8.5 Điều khiển phương pháp phản hồi trạng thái áp đặt điểm cực 198 8.5.1 Khái niệm phản hồi trạng thái áp đặt điểm cực 198 8.5.2 Bộ quan sát trạng thái 202 8.5.3 Thiết kế hệ thống điều khiển theo phương pháp phản hồi trạng thái áp đặt điểm cực cho Boost converter 203 8.6 Áp dụng cấu trúc điều khiển DC/DC thực tế 209 8.6.1 Kỹ thuật điều khiển tương tự 209 8.6.2 Kỹ thuật điều khiển số 210 ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC VÀ AC-DC Equation Section (Next) 214 9.1 Đặc điểm yêu cầu điều khiển cho biến đổi có khâu xoay chiều tần số thấp 214 9.2 Thiết kế điều khiển hệ tọa độ quay 0dq 215 9.2.1 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực ba pha 215 9.2.2 Xác định thông số điều chỉnh PI cho chỉnh lưu tích cực ba pha 219 9.2.3 Mô hệ thống điều khiển chỉnh lưu tích cực ba pha hệ tọa độ 0dq 221 9.2.4 Thiết kế điều khiển chỉnh lưu tích cực pha hệ tọa độ 0dq 224 9.2.5 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu pha làm việc độc lập 225 9.3 Các điều chỉnh cộng hưởng 232 9.3.1 Khái niệm điều chỉnh cộng hưởng 232 9.3.2 Phương pháp thiết kế điều chỉnh PR 237 9.3.3 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực pha với điều chỉnh PR 244 9.3.4 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp độc lập pha với điều chỉnh PR 250 9.4 Thuật tốn vịng khóa pha 255 9.4.1 Thuật tốn vịng khóa pha PLL pha 255 9.4.2 Thuật tốn vịng khóa pha pha 258 Triển khai hệ thống điều khiển biến đổi DC/AC thực tế 261 9.5 10 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Equation Section (Next) 269 10.1 Một số sở toán học 269 10.2 Bậc tương đối động học không 271 10.3 Tổng quan phương pháp điều khiển phi tuyến áp dụng cho Điện tử công suất 273 11 TUYẾN TÍNH HĨA BẰNG PHẢN HỒI CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Equation Section (Next) 274 11.1 Khái niệm tuyến tính hóa nhờ phản hồi 274 11.2 DC/DC Khả vận dụng phương pháp thiết kế tuyến tính hóa xác cho biến đổi 277 11.2.1 Xét ví dụ cho biến đổi DC/DC kiểu Buck 277 11.2.2 Xét ví dụ biến đổi DC/DC kiểu Boost 280 11.3 AC/DC 12 Khả vận dụng phương pháp thiết kế tuyến tính hóa xác cho biến đổi 284 ĐIỀU KHIỂN TỰA PHẲNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 285 12.1 Hệ phẳng điều khiển tựa khiển phẳng 285 12.2 Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển tựa phẳng 287 12.3 Áp dụng điều khiển tựa phẳng cho biến đổi DC/DC 289 12.3.1 Ví dụ cho biến đổi Buck 289 12.3.2 Ví dụ cho biến đổi Boost 292 12.4 Áp dụng điều khiển tựa phẳng cho nghịch lưu nguồn áp ba pha nối lưới 296 12.4.1 Xác định mơ hình tựa phẳng 296 12.4.2 Thiết kế trực tiếp 298 12.4.3 Điều khiển nối cấp 298 12.4.4 Mô 300 13 ĐIỀU KHIỂN TỰA THỤ ĐỘNG CHO ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Equation Section (Next) 301 13.1 Định nghĩa hệ thụ động 301 13.2 Biểu diễn Euler-Lagrange cho hệ động học 302 13.3 Mơ hình tổng qt dạng thụ động cho biến đổi bán dẫn công suất 303 13.4 Ví dụ biểu diễn dạng Euler-Lagrange biến đổi 305 13.5 Điều khiển ổn định cho biến đổi bán dẫn công suất 312 13.5.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển ổn định 312 13.5.2 Tính tốn biến điều khiển cho vấn đề ổn định hệ thống 313 13.5.3 Hệ điều khiển thụ động thích nghi ước lượng tham số 314 13.6 Ví dụ thiết kế điều khiển tựa thụ động cho Bộ biến đổi kiểu boost 315 13.6.1 Tính tốn tín hiệu điều khiển 315 13.6.2 Tính chọn hệ số cho ma trận cản dịu 317 13.6.3 Phân tích tính ổn định hệ kín 318 13.6.4 Thích nghi ước lượng tham số 319 13.6.5 Mơ hình mơ hệ thống điều khiển tựa thụ động thích nghi ước lượng tham số cho Bộ biến đổi kiểu boost 320 14 ĐIỀU KHIỂN HỆ CÓ CẤU TRÚC THAY ĐỔI Equation Section (Next) 321 14.1 Hệ thống điều khiển kiểu rơ-le 321 14.2 Chế độ trượt VSS 322 14.2.1 Ví dụ hệ VSS đơn giản 322 14.2.2 Chế độ trượt VSS 325 14.2.3 Tính ổn định chế độ trượt 325 14.2.4 Điều khiển trượt cho Bộ biến đổi kiểu buck 326 14.2.5 Mô hệ điều khiển trượt cho Bộ biến đổi kiểu buck 328 14.3 Điều kiện tồn chế độ trượt 330 14.4 Điều khiển tương đương 331 14.4.1 Điều khiển tương đương hệ tuyến tính điều khiển vơ hướng 332 14.4.2 Điều khiển tương đương hệ tuyến tính điều khiển vector 333 14.4.3 Điều khiển tương đương hệ phi tuyến tính dạng affin 334 14.5 Phương pháp thiết kế điều khiển theo mode trượt 334 14.5.1 Thiết kế điều khiển trượt cho biến đổi kiểu buck 335 14.5.2 Thiết kế điều khiển trượt cho biến đổi kiểu boost 339 14.5.3 Thiết kế điều khiển trượt cho BBĐ DC-DC 345 14.6 15 Thiết kế điều khiển trượt cho BBĐ DC-AC 347 Tài liệu tham khảo 349 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các chữ viết tắt Chữ viết tắt Ý nghĩa PAF Bộ lọc tích cực (Power Active Filter) CCM Chế độ dịng điện liên tục (Continuous-conduction mode) DCM Chế độ dòng điện gián đoạn (Discontinuous-conduction mode) SISO Một đầu vào – đầu (Single Input Single Output) CF PWM Bộ điều chế với tần số không đổi MIMO Nhiều đầu vào – nhiều đầu (Multiple-Input-Multiple-Output) PWM Điều chế độ rộng xung (Pulse-width modulation) SWM Điều chế vector không gian (Space vector modulation) ZOH Khâu trích mẫu giữ bậc khơng (Zero-Order Hold) PFC Hiệu chỉnh hệ số công suất (Power factor correction) PM Dự trữ pha (Phase Margin) GM Dự trữ biên độ (Gain Margin) ADC Chuyển đổi tương tự sang số (Analog to Digital Converter) DAC Chuyển đổi số sang tương tự (Digital to Analog Converter) PLL Vịng khóa pha (Phase Locked Loop) PI Bộ điều chỉnh tỷ lệ tích phân (Proportional Integral) PR Bộ điều chỉnh cộng hưởng tần số (Proportional Resonant) DSP Xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor) VOC Điều khiển tựa điện áp lưới (Voltage Oriented Control) EMI Nhiễu điện từ (Electromagnetic interference) UPS Thiết bị cấp nguồn liên tục (Uninterruptible power supplier) RHP Điểm zero nằm bên phải mặt phẳng phức (Right half plane) ESR Nội trở nối tiếp tụ điện (Equivalent series resistance) PV Pin mặt trời (Photovoltaics) FPGA Field-programmable gate array MBA Máy biến áp SMC Điều khiển trượt (Sliding mode control) Các ký hiệu Ký hiệu Ý nghĩa Thứ nguyên td s Thời gian trễ iT A Dòng qua tiristor ID A Dòng qua tiristor tăng đến ID vT V Điện áp ca-tôt a-nốt Von V Điện áp ca-tôt a-nốt giảm xuống đến Von tgt s Thời gian mở van Tốc độ giảm dòng qua van khơng diT/dt Irr A Giá trị đỉnh dịng qua van trr s Thời gian dịng có giá trị âm,thời gian phục hồi Qrr C Điện tích phục hồi tq s Thời gian khóa van,lớn thời gian phục hồi khoảng lần dvT/dt V/s Tốc độ tăng điện áp Uco V Điện áp ngắn mạch van bị khóa RGint Ω Điện trở nội cực điều khiển RGext Ω Điện trở mắc nối tiếp cực điều khiển VP V Giá trị đỉnh xung điều khiển đưa từ Driver UGS, VGS V UDS, VDS V CGS F Tụ CGS CDS F Tụ CDS T, T1, T2 s Hằng số thời gian CDSl F Tụ CDS mức thấp UGS(th) V Giá trị ngưỡng UGS tụ (CGS + CDSl) nạp td(on) = t1 s Thời gian trễ mở VDD V Giá trị điện áp nguồn t1,t2, t3, t4 s Các khoảng thời gian đặc trưng A1 Đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ (CGS + CGD) A2 Đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ CGD khoảng t2 đến t4 td(off) s Thời gian trễ khóa RDS(on) Ω Điện trở DS dẫn RG Ω Điện trở với cực điều khiển G Cgc, Cge F Thể tụ ký sinh cực điều khiển collector, emitter VGE(th) V Điện áp cực điều khiển emitter đạt đến giá trị ngưỡng (khoảng – 5V) I0 A Giá trị dòng qua collector tr s Thời gian dòng điện collector-emitter tăng theo quy luật tuyến tính từ khơng đến dịng tải I0 VGE,Io V Điện áp cực điều khiển emitter VCE V Điện áp collector-emitter Vdc V Điện áp nguồn chiều tfv1, tfv2 s Hai giai đoạn trình mở Ron Ω Điện trở collector-emitter khóa bão hịa hồn tồn VCE,on V Khi bão hịa hồn tồn,VCE,on = I0Ron VG V Điện áp cực điều khiển emittertăng đến giá trị cuối tfi1,tfi2 s Hai giai đoạn giảm dòng qua collector i1, i2 A Dòng MOSFET cấu trúc bán dẫn IGBT giai đoạn tfi1 tfi2 UCE(sat) A Điện áp IGBT dẫn dUCE/dt ∆UGE V IG,max A Dòng điện dòng điều khiển đầu cung cấp P W Tổn hao công suất trung bình mạch phát xung QG nC điện tích nạp cho tụ đầu vào fsw Hz tần số đóng cắt IGBT d Hệ số lấp đầy xung (hê số điều chế) r(t) Tín hiệu đặ mong muốn c(t) tín hiệu sóng mang dạng cưa bpwm(t) Tín hiệu logic sign Hàm dấu vcontrol(t) V tín hiệu từ đầu điều chỉnh điện áp vr(t) V tín hiệu đặt dịng điện có dạng sin    dvo    + 1 −   + + LC ( vg u − vo )  RC dt    u =u    dvo     1 − + vg u − − vo ) (    RC   dt  u =u − LC (14.51) Từ (14.51) chọn u + = 0, u − = thỏa mãn điều kiện tồn chế độ trượt   RC Tiếp theo cần kiểm tra điểm mặt phẳng pha quỹ đạo trạng thái tiến đến mặt trượt  = Điều thể đồ thị mặt phẳng pha hình 11.14, đường thẳng trượt chia mặt phẳng thành hai miền điểm làm việc cân hệ ứng với đầu vào điều khiển tương ứng nằm vùng phía bên Có thể thấy rằng: a)  = quỹ đạo trạng thái ổn định với điểm làm việc cân vo = Vo*, hệ quán tính bậc với số thời gian  b) Ranh giới  = mặt trượt u − = 1,    u + = 0,     độ rộng khâu so sánh có ngưỡng Điều kiện thỏa mãn chế độ trượt   RC vg  Vo* (điều cho biến đổi kiểu buck điện áp đầu ln nhỏ điện áp nguồn) Hình 14.14 Mặt phẳng pha mặt trượt  =0 cho biến đổi kiểu buck Từ hình 11.14 hình dung đặc tính độ xảy theo hai giai đoạn Đầu tiên quỹ đạo trạng thái từ điểm phải đạt đến mặt trượt, sau theo mặt trượt điểm cân gốc tọa độ (vo = Vo*) theo kiểu hàm mũ (ứng với hệ qn tính bậc nhất, có số thời gian ) Trong q trình để đảm bảo sơ đồ hoạt động dòng điện qua van bán dẫn phải hạn chế, ví dụ dịng định mức theo thiết kế Hạn chế dịng điện thực cách thay đổi lại mặt trượt cho tung độ d ( vo − Vo* ) , tỷ lệ với dịng qua tụ, khơng vượt q dòng lớn cho phép Imax Điều thể dt đồ thị hình 11.15 Mặt trượt gồm ba đoạn: 336  d ( vo − Vo* )  − I max = dt   d ( vo − Vo* )   * = ( vo − Vo* ) +  = dt   *  d ( vo − Vo ) + I max =  dt  d ( vo − Vo* ) dt  I max d ( vo − Vo* ) dt d ( vo − Vo* ) dt Hình 14.15 Thay đổi mặt trượt  I max (14.52)  − I max * = để hạn chế dòng điện Mặt trượt thỏa mãn điều kiện trượt vì: − vg − vo I max vg + vo I + u −   − max + u − RC LC LC RC LC LC (14.53) (14.53) với u + = 0, u − = I max đủ nhỏ Cấu trúc hệ điều khiển với khâu hạn chế dịng điện khâu so sánh có ngưỡng thể hình 11.16 Mơ hình mơ hình 11.11 có bổ xung thêm mạch hạn chế dịng điện thể hình 11.17 Kết mơ dạng sóng dịng điện, điện áp cho hình 11.18 Các thơng số mạch mơ thấy hình 11.17 Khâu hạn chế dòng qua cuộn cảm L Imax = 6,5 A Dịng tải định mức A, dịng trung bình qua cuộn cảm hạn chế dịng điện thể đồ thị mơ dịng iL hình 11.18, khoảng thời gian từ đến 0,25 ms, mạch bắt đầu khởi động Khâu so sánh có ngưỡng hạn chế dòng đặt ngưỡng +/- 50 mA Có thể thấy dịng điện hạn chế xác 6,5 A Sau qua giai đoạn khởi động mạch lại làm việc theo mode trượt thông thường Giá trị xác lập điện áp đầu tiến tới lượng đặt V theo kiểu hàm mũ, với số thời gian xác định “tau”, mơ hình đặt 0,08 (s) Trên đồ thị điện áp uC thấy giá trị xác lập đạt sau khoảng 0,4 ms (cỡ 3÷4 lần “tau” khâu quán tính Trên đồ thị cho thấy ms thay đổi lượng đặt xuống V để thấy trình độ xảy Thời gian xác lập khoảng 0,4 ms lúc khởi động ban đầu 337 Hình 14.16 Cấu trúc hệ thống điều khiển theo mode trượt có khâu hạn chế dịng điện Hình 14.17 Mơ hình mơ hệ thống điều khiển biến đổi kiểu buck theo mode trượt có khâu hạn chế dịng điện 338 Hình 14.18 dạng sóng dịng điện, điện áp cho mơ hình mơ hình 11.17 14.5.2 Thiết kế điều khiển trượt cho biến đổi kiểu boost Đối với biến đổi kiểu buck mặt trượt chọn sai lệch điện áp đầu đạo hàm nó,  = ( vo − V ) + d ( vo − Vo* ) = , điện áp đầu đạo hàm liên tục Với biến dt đổi kiểu boost biến đổi kiểu buck-boost điều khơng thể dòng qua tụ đầu ra, thể đạo hàm điện áp tụ, chắn gián đoạn Có thể thấy điều lưu ý hai loại biến đổi có giai đoạn cuộn cảm L bị tách rời khỏi mạch tải điơt bị khóa Giải pháp sử dụng điều khiển gián tiếp, áp dụng điều khiển trượt cho mạch vòng dòng điện qua cuộn cảm Khi dịng điện hội tụ điểm đặt mặt trượt (có bậc khơng, cịn điểm) điều khiển bang-bang Bổ xung mạch vòng điện áp đầu với điều khiển PI mà đầu lượng đặt cho mạch vịng dịng điện bên trong, đạt triệt tiêu sai lệch tĩnh với điện áp * o Tuy nhiên có phương án điều khiển trực tiếp điện áp ra, xây dựng mặt trượt tổ hợp tuyến tính biến trạng thái liên tục, chúng có đạo hàm Các biến dịng qua cuộn cảm iL điện áp tụ đầu vC = vo Phương pháp áp dụng cho ba loại biến đổi trước hết trình bày cho BBĐ kiểu boost Mặt trượt 339 Giả sử mặt trượt xây dựng dạng:  = gx = Kv ( Rs iˆ + vˆo ) = (14.54) Trong iˆ, vˆo sai lệch dịng điện qua cuộn cảm điện áp đầu tụ tương ứng  = thể đường thẳng mặt phẳng pha mà trục tọa độ iˆ, vˆo Kv hệ số tọa độ mặt phẳng pha giá trị khơng ảnh hưởng đến động học hệ thống mặt trượt Rs xác định độ nghiêng đường thẳng trượt Trong thực tế Rs điện trở mạch đo dịng điện Tính ổn định quỹ đạo trạng thái mặt trượt Tính ổn định chứng minh ba phương pháp sau đây: - Dùng hàm Lyapunov, - Đặc tính động học moode trượt chứng minh thông qua lượng điều khiển tương đương ueq, - Hoặc tuyến tính hóa điểm làm việc cân Giả sử chế độ trượt tồn tại, cần chứng tỏ quỹ đạo mặt trượt (14.54) ổn định hội tụ điểm làm việc cân Dưới sử dụng phương pháp thứ ba Với BBĐ kiểu boost phương trình trạng thái xác có dạng: di = vg − vo u dt dv v C o = iu − o dt R L (14.55) Từ phương trình thứ (14.55) tín hiệu điều khiển tương đương là: Error! Objects cannot be created from editing field codes Thay vào phương trình thứ hai (14.55) thu được: Error! Objects cannot be created from editing field codes (14.56) Dạng (14.56) có ý nghĩa hệ cân công suất: công suất đầu vào tổng công suất đầu tốc độ thay đổi cơng suất phần tử tích trữ lượng (tụ điện điện cảm) Dạng phương trình tổng quát cho ba loại BBĐ DC-DC Từ (14.56) biến đổi dạng: Error! Objects cannot be created from editing field codes., với điều kiện Error! Objects cannot be created from editing field codes (14.57) Từ (14.57) cho biến i, vo biến động nhỏ: Error! Objects cannot be created from editing field codes (14.58) Thay (14.58) vào (14.57) ta có phương trình cân điểm xác lập: Error! Objects cannot be created from editing field codes (14.59) Và phương trình cho tín hiệu nhỏ: 340 Error! Objects cannot be created from editing field codes (14.60) Thay (14.60) vào (14.54), ta có phương trình mặt trượt dạng: Error! Objects cannot be created from editing field codes (14.61) Phương trình (14.61) coi gồm hai phần, tín hiệu sai lệch lớn Error! Objects cannot be created from editing field codes chiếm ưu thế, sai lệch nhỏ Error! Objects cannot be created from editing field codes hiệu chỉnh xác khơng Với sai lệch lớn đáp ứng tuân theo phương trình: Error! Objects cannot be created from editing field codes (14.62) Khi sai lệch nhỏ đáp ứng tuân theo: Error! Objects cannot be created from editing field codes (14.63) Đáp ứng tín hiệu lớn ổn định bậc với số thời gian RC/2 Đáp ứng tín hiệu nhỏ ổn định bậc với số thời gian phụ thuộc điểm làm việc cân điện trở Rs mạch đo dịng Cả hai đáp ứng có điểm làm việc cân Error! Objects cannot be created from editing field codes., tức Error! Objects cannot be created from editing field codes Điều kiện tồn chế độ trượt Quy luật điều khiển cho chế độ trượt xác định giống cho điều khiển BBĐ DC-DC sau: Error! Objects cannot be created from editing field codes (14.64) Trong Error! Objects cannot be created from editing field codes Mặt phẳng pha đường trượt thể hình 11.19 Trên hình 11.19 đường thẳng trượt chia mặt phẳng thành hai miền, ứng với ( > 0, u = 0) ( < 0, u = 1) Điểm xác lập chế độ trượt (I*, Vo*) giao điểm đường trượt  = đường đặc tính tín hiệu DC theo (14.59), Error! Objects cannot be created from editing field codes Dấu hiệu tồn chế độ trượt xác định suy luận hình học mặt phẳng pha hệ ứng với tín hiệu điều khiển có điểm cân nằm vùng bên kia, nghĩa quỹ đạo pha ứng với tín hiệu điều khiển phải tiến đến cắt qua mặt trượt Có thể thấy điểm cân ứng với u = (vg, vg/R), ứng với u = (vg/R, 0), nằm hai phía khác mặt trượt  = 0, hình 11.19 341 Hình 14.19 Mặt phẳng pha cho chế độ trượt điều khiển BBĐ kiểu boost Trên hình 11.19 vùng cấm BBĐ kiểu boost, ứng với vo < vg, điện áp đầu ln lớn điện áp nguồn Đặc tính trượt kết hợp với đặc tính hạn chế dịng điện Imax, trở thành đường gấp khúc, gồm hai đoạn a b Có thể chứng minh chế độ trượt tồn đoạn b giải tích sau Chung quanh lân cận đoạn thẳng b phương trình trạng thái hệ thống là: Error! Objects cannot be created from editing field codes ; Error! Objects cannot be created from editing field codes Điều kiện để tồn chế độ trượt là: Error! Objects cannot be created from editing field codes Tính tốn theo điều kiện đưa đến: Error! Objects cannot be created from editing field codes (14.65) Error! Objects cannot be created from editing field codes (14.66) Như giá trị điện cảm phải thỏa mãn điều kiện (14.65), (14.66) để có chế độ trượt Ứng dụng thực tế Từ (14.61) thấy hệ thống ổn định Khi hệ thống ổn định quan hệ sai lệch dòng điện sai lệch điện áp tuyến tính Vì biểu diễn quan hệ mặt trượt theo đặc tính tần số Quan hệ tín hiệu nhỏ từ (14.60) (14.63) dạng tốn tử Laplace có dạng: Error! Objects cannot be created from editing field codes (14.67) Error! Objects cannot be created from editing field codes tín hiệu sai lệch dòng điện Để đo sai lệch dòng điện từ dòng i đo cần trừ thành phần dịng trung bình I* Có thể thấy điều biểu diễn miền tần số sau: 342 Error! Objects cannot be created from editing field codes Trong 1 tần số cắt khâu lọc bậc cho dịng trung bình Kết cho thấy dùng khâu điểm cực ngược Error! Objects cannot be created from editing field codes., khâu lọc tần số cao, để lấy tín hiệu sai lệch dòng điện Error! Objects cannot be created from editing field codes từ dòng đo Error! Objects cannot be created from editing field codes Mặt trượt thay đổi để tính tới khâu đo sai lệch dịng điện sau: Error! Objects cannot be created from editing field codes (14.68) Kết hợp (14.67) với (14.68) viết được: Error! Objects cannot be created from editing field codes (14.69) Đặc tính gần (14.69) điện trở mạch đo dòng Rs nhỏ nhiều điện trở tải R, ký hiệu: Error! Objects cannot be created from editing field codes (14.70) Error! Objects cannot be created from editing field codes thể băng thơng lớn đạt đáp ứng sai lệch đầu Error! Objects cannot be created from editing field codes miền thời gian Có thể thấy điều tiếp tục rút gọn gần (14.69) sau: Error! Objects cannot be created from editing field codes (14.71) Điều kiện để (14.71) chấp nhận Error! Objects cannot be created from editing field codes., nghĩa thiết kế để đạt băng thơng lớn tần số cắt mạch lọc 1 phải nhỏ nhiều M băng thông mong muốn Cấu trúc hệ thống điều khiển Cấu trúc hệ thống điều khiển theo bước thiết kế thể hình 11.20 Hình 14.20 Cấu trúc hệ thống điều khiển trượt cho BBĐ kiểu boost Mô điều khiển trượt cho BBĐ kiểu boost Ví dụ mơ điều khiển trượt cho BBĐ kiểu boost với thông số đây: 343 - Điện áp DC đầu vào: Vg = 24 V, Điện áp DC đầu mong muốn: Vo = 48 V, Điện trở tải: R = 10  Hạn chế dòng qua cuộn cảm Imax = 20 A Điện trở mạch đo dòng chọn Rs = 0,1  Tụ chiều đầu chọn giá trị C = 330 F Từ điều kiện hạn chế giá trị điện cảm cho chế độ trượt (14.65), (14.66), tính ra: Error! Objects cannot be created from editing field codes., Error! Objects cannot be created from editing field codes Từ hai giá trị chọn giá trị điện cảm nhỏ hơn, L = 35 H Băng thông lớn bằng: Error! Objects cannot be created from editing field codes Như để chọn tần số cắt cho mạch lọc tần số cao Error! Objects cannot be created from editing field codes.chọn 1 = 1,5.103 (rad/s) Tần số băng thông cỡ fM = 2,4 kHz, ứng với thời gian q độ cỡ 0,4 ms Mơ hình mơ cho hình 11.21 Kết mơ cho hình 11.22 Hình 14.21 Mơ hình mơ điều khiển trượt BBĐ kiểu boost 344 Hình 14.22 Kết mơ cho hình hình 11.21 Mơ thực với điện áp ban đầu tụ đầu Vo cho 30 V để trành chế độ khởi động ban đầu dài Lượng đặt điện áp từ đến 1,5 ms 44 V, từ 1,5 ms đến 2,5 ms 48 V, từ 2,5 ms trở cho 44 V Ở 3,5 ms tạo biến động dòng điện tải nguồn dòng với giá trị 2,5 A Có thể thấy ứng với bước nhảy lượng đặt điện áp lớn 0ms 1,5 ms sơ đồ qua chế độ hạn chế dòng max 20 A (xem đồ thị dịng iL hình 11.22), sơ đồ chạy chế độ nguồn dịng nên điện áp V_C tăng tuyến tính đến lượng đặt (xem đồ thị V_C) Trên đồ thị dịng iL thấy từ giá trị hạn chế 20 A đến giá trị hoạt động khoảng 0,5 ms, băng thông quy định M thiết kế Khi có biến động dịng tải thêm vào 2,5 A (bằng +50 % Io) 3,5 ms dòng iL điện áp V_C đáp ứng tốt Tín hiệu điều khiển cho đồ thị ucontrol, căng theo trục thời gian để thấy rõ hoạt động sơ đồ Ngưỡng hai khâu so sánh đặt +/- 0,025, cho giới hạn tần số khơng q cao Tín hiệu delta đồ thị thứ tư thể mặt trượt theo thời gian (t), ngoại trừ đoạn chế độ hạn chế dòng thể giá trị nhỏ quỹ đạo trạng thái bám quanh mặt trượt 14.5.3 Thiết kế điều khiển trượt cho BBĐ DC-DC Thiết kế điều khiển cho BBĐ kiểu buck Phương pháp thiết kế điều khiển mục 11.5.2 áp dụng cho BBĐ kiểu buck buck-boost, mặt trượt tổ hợp biến sai lệch điện áp đầu dòng cuộn cảm 345 Hình 14.23 Mặt phẳng pha mặt trượt cho BBĐ kiểu buck Trên hình 11.23 thể mặt phẳng pha mặt trượt cho BBĐ buck Điểm xác lập chế độ trượt (I*, Vo*) giao điểm đường trượt  = đường đặc tính tín hiệu DC, có dạng đường thẳng, Error! Objects cannot be created from editing field codes Đường thẳng trượt có phương trình: Error! Objects cannot be created from editing field codes., Khi chuyển đổi sang biến Error! Objects cannot be created from editing field codes có dạng: Error! Objects cannot be created from editing field codes Điều kiện để có chế độ trượt, ngồi điều kiện điện áp nhỏ điện áp vào Error! Objects cannot be created from editing field codes., là: Error! Objects cannot be created from editing field codes Băng thông lớn là: Error! Objects cannot be created from editing field codes Điều kiện Error! Objects cannot be created from editing field codes.phải thỏa mãn Đường thẳng trượt thực thực tế có bao gồm mạch lọc tần số cao để lấy thành phần sai lệch Error! Objects cannot be created from editing field codes có dạng: Error! Objects cannot be created from editing field codes Thiết kế điều khiển cho BBĐ kiểu buck-boost Trên hình 11.24 thể mặt phẳng pha mặt trượt cho BBĐ buck-boost Điểm xác lập chế độ trượt (I*, Vo*) giao điểm đường trượt  = đường đặc tính tín hiệu DC, có dạng: Error! Objects cannot be created from editing field codes Đường thẳng trượt có phương trình: Error! Objects cannot be created from editing field codes., 346 Khi chuyển đổi sang biến Error! Objects cannot be created from editing field codes có dạng: Error! Objects cannot be created from editing field codes., Trong đó: Error! Objects cannot be created from editing field codes Điều kiện để hệ ổn định mặt trượt buck-boost Error! Objects cannot be created from editing field codes Băng thông lớn là: Error! Objects cannot be created from editing field codes Điều kiện tồn chế độ trượt là: Error! Objects cannot be created from editing field codes Đường thẳng trượt thực thực tế có bao gồm mạch lọc tần số cao để lấy thành phần sai lệch Error! Objects cannot be created from editing field codes có dạng: Error! Objects cannot be created from editing field codes Điều kiện Error! Objects cannot be created from editing field codes.phải thỏa mãn Hình 14.24 Mặt phẳng pha mặt trượt cho BBĐ kiểu buck-boost 14.6 Thiết kế điều khiển trượt cho BBĐ DC-AC 347 348 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO Robert W Erickson, Dragan Maksimovic; Fundamentals of Power Electronics; Second Edition, Kluwer Academic Publishers, 2004 Seddik Bacha, Ilulian Munteanu, Antoneta I Bratcu; Power Electronic Converters Modeling and Control; Springer, 2014 Hebertt Sira-Ramirez, Ramon Silva-Ortigoza; Control Design Techniques in Power Electronics Devices; Springer, 2006 Voltage Mode Boost Converter Small Signal Control Loop Analysis Using the TPS61030; Application Report SLVA274A–May 2007–Revised January 2009 Everett Rogers; Understanding Buck Power Stages in switchmode power supplies; Application report, Texas Instruments, March 1999 M Chiaberge, G Botto and M De Giuseppe; DC/DC Step-Up Converters for Automotive Applications: a FPGA Based Approach; New Trends and Developments in Automotive System Engineering, Prof Marcello Chiaberge (Ed.), ISBN: 978-953-307-517-4, 2011, www.intechopen.com Vatché Vorpérian; Fast analytical techniques for electrical and electronic circuits; Cambridge University Press 2004 [1] D G Holmes and T A Lipo, Pulse Width Modulation for Power Converters 2010 [2] J Sun, “Small-signal modeling of variable-frequency pulsewidth modulators,” IEEE Trans Aerosp Electron Syst., vol 38, no 3, pp 1104–1108, 2002 [1] D G Holmes and T A Lipo, Pulse Width Modulation for Power Converters 2010 [2] J Sun, “Small-signal modeling of variable-frequency pulsewidth modulators,” IEEE Trans Aerosp Electron Syst., vol 38, no 3, pp 1104–1108, 2002 [1] D G Holmes and T A Lipo, Pulse Width Modulation for Power Converters 2010 [2] J Sun, “Small-signal modeling of variable-frequency pulsewidth modulators,” IEEE Trans Aerosp Electron Syst., vol 38, no 3, pp 1104–1108, 2002 [3] V D Rajaji, “Control Strategy for Three Phase PWM Rectifier Using SVM Modulation,” vol 3, no 3, pp 506–512, 2014 [1] D G Holmes and T A Lipo, Pulse Width Modulation for Power Converters 2010 [2] J Sun, “Small-signal modeling of variable-frequency pulsewidth modulators,” IEEE Trans Aerosp Electron Syst., vol 38, no 3, pp 1104–1108, 2002 [3] V D Rajaji, “Control Strategy for Three Phase PWM Rectifier Using SVM Modulation,” vol 3, no 3, pp 506–512, 2014 349 350 ... pháp thiết kế tuyến tính hóa xác cho biến đổi 284 ĐIỀU KHIỂN TỰA PHẲNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 285 12.1 Hệ phẳng điều khiển tựa khiển phẳng 285 12.2 Phương pháp thiết kế hệ... 189 8.4.2 Mô hình biến đổi điều khiển theo dịng điện 192 8.4.3 Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh cho biến đổi Buck 194 8.4.4 Cấu trúc điều khiển dòng điện đỉnh cho biến đổi Boost... pháp thiết kế điều khiển theo mode trượt 334 14.5.1 Thiết kế điều khiển trượt cho biến đổi kiểu buck 335 14.5.2 Thiết kế điều khiển trượt cho biến đổi kiểu boost 339 14.5.3 Thiết