Bài giảng Thiết kế điều khiển cho bộ biến đổi PFC kiểu boost Thiết kế hệ thông điều khiển điện tử công suất

HỌC PHẦN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT (EE4336) THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI PFC KIỂU BOOST TS Trần Trọng Minh, TS.Vũ Hoàng Phương BM Tự động hóa CN – Viện Điện Trường đại học Bách khoa Hà Nội 11/2015 NỘI DUNG TRÌNH BÀY  Sự cần thiết biến đổi PFC (Power factor correction)  Sơ đồ mạch lực biến đổi PFC kiểu Boost  Cấu trúc điều khiển biến đổi PFC kiểu Boost  Kết mô 11/2015 SƠ ĐỒ MẠCH LỰC BỘ BIẾN ĐỔI PFC id iL Giá trị xác lập hệ số điều chế U s sin t  Us IL ud  t   cos  2t  d t   C U d Us IL sin  2t   Vd sin  2t  4CU d 11/2015 iL uin  us iL id Ud Điện áp đầu biến đổi PFC  is us iL uin  us  D  1 is us Ud  us  D us uo t d t  t 1  d  t   :1 Hình 8.10 Bộ biến đổi PFC, a) Sơ đồ mạch lực, b) Mơ hình trung bình, c,d) Đặc tính dòng điện, điện áp sơ đồ mạch lực CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PFC sin t  u iL * L * o i uo uin uin 1/ uin2 Hình 8.11Cấu trúc điều khiển biến đổi PFC 11/2015 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PFC a Thiết kế mạch vòng dòng điện iL  s  Gid  s   d  s  uˆ Mối quan hệ hệ số điều chế dịng điện trung bình qua cuộn cảm xấp xỉ sau: in Lựa chọn bù loại II cho mạch vòng điều chỉnh dòng điện, để hệ hở có PM = 600,, tần số cắt fci = 20kHz id  s  0 Uo sL  s  1   z  Gc  s   K c  s s      p   Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(Gid,2*pi*20e+3) ta có biên độ pha đối tượng tần số 20kHz  G  j   3,1831      arcG  j    c id  c  c  90 Do sử dụng bù loại II có thêm thành phân tích phân vào nên góc pha bù xét thành phần PD (Lead) xác định:     j    arc  PD 11/2015  180    arcG PM  j   c  c     90   60   90   60 PD id 0 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PFC a Thiết kế mạch vòng dịng điện (tiếp) Theo tần số điểm khơng điểm cực xác định:   sin 60 f  f  5,36kHz    sin 60   f  f  sin 60  74,64kHz   sin 60 z c 0 p Hệ số Kc xác định: c K  c G c1  j  G  c Trong hàm truyền Gc1(s) có dạng sau: id  j   c  s    G s  s s     z c1 p       CÁCH KHÁC: SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PI CHO MẠCH VÒNG DÒNG ĐIỆN? 11/2015 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PFC Bode Diagram 40 Magnitude (dB) 30 20 10 -10 -89 Phase (deg) -89.5 System: G_id Phase Margin (deg): 90 Delay Margin (sec): 3.93e-06 At f requency (kHz): 63.7 Closed loop stable? Yes -90 -90.5 -91 10 10 10 Frequency (kHz) Đồ thi bode đối tượng chưa có điều chỉnh dòng điện 11/2015 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PFC Bode Diagram 100 Magnitude (dB) 50 -50 Phase (deg) -100 -120 System: G_ho1 Phase Margin (deg): 60 Delay Margin (sec): 8.33e-06 At f requency (kHz): 20 Closed loop stable? Yes -150 -180 -1 10 10 10 10 10 10 Frequency (kHz) Đồ thi bode đối tượng sau có điều chỉnh dòng điện 11/2015 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PFC b Thiết kế mạch vòng điện áp vo  s  Gvi  s   ic  s  p  RC  Km 1  D  R vg   RHZ  1 s  RHZ 1 s p 1  D 2 R L Mặt khác, tần số thấp coi cuộn cảm bị ngắn mạch, hàm truyền Gvi(s) viết lại: Gvi  s   vo  s  ic  s  v g 0  Us R  1  D  R   Km  s Uo 1 s 1   p p        Km  11/2015 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PFC b Thiết kế mạch vòng điện áp (tiếp) Lựa chọn bù cho mạch vòng điều chỉnh điện áp, để hệ hở có độ dự trữ pha 450, tần số cắt mạch vòng điện áp 15Hz Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(Gvi,2*pi*15) ta có biên độ pha đối tượng tần số 15Hz  G  j   26, 44      arcG  j  vi  c vi  c  c  85,57 Góc pha bù xét thành phần PD (Lead) xác định:     arc    j   180    arcG PD PM vi  j   c     90   45   85,57   40,57  c 0 PD 11/2015 10 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PFC b Thiết kế mạch vòng điện áp (tiếp) Tần số điểm không điểm cực xác định:   sin 40,57 f  f  6,9 Hz   sin 40,57    f  f  sin 40,57  32,59 Hz   sin 40,57 K  Hệ số Kc xác định: G  j  G  j  z c 0 p c c c1  c Trong hàm truyền Gc1(s) có dạng sau: vi  c  s    G s  s s     z c1 p       CÁCH KHÁC: SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU CHỈNH PI CHO MẠCH VÒNG ĐIỆN AP? 11/2015 11 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PFC b Thiết kế mạch vòng điện áp (tiếp) Bode Diagram 60 Magnitude (dB) 40 20 Phase (deg) -20 System: G_ui Phase Margin (deg): 90.2 Delay Margin (sec): 0.000629 At f requency (kHz): 0.398 Closed loop stable? Yes -45 -90 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 10 Frequency (kHz) Đồ thi bode đối tượng chưa có điều chỉnh điện áp 11/2015 12 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PFC b Thiết kế mạch vòng điện áp (tiếp) Bode Diagram 100 Magnitude (dB) 50 -50 Phase (deg) -100 -90 System: G_ho2 Phase Margin (deg): 46.7 Delay Margin (sec): 0.00807 At f requency (Hz): 16.1 Closed loop stable? Yes -135 -180 -2 10 -1 10 10 10 10 10 Frequency (Hz) Đồ thi bode đối tượng có điều chỉnh điện áp 11/2015 13 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PFC Tham số mô biến đổi PFC Điện áp đầu vào xoay chiều (peak) Us,rms = 220V Tần số lưới điện f= 50Hz Điện áp đầu PFC 400V Công suất thiết kế 250W Tần số switching fs= 100 kHz Tụ điện đầu C = 220 µF Giá trị điện cảm L = 1mH 11/2015 14 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PFC duty cycle 0.5 vO(V) 500 -500 iL(A) 15 10 -5 iS(A) 20 10 -10 uS (V) 400 200 -200 -400 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 t(s) 11/2015 Hình 8.14 Kết mơ biến đổi PFC 15 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PFC duty cycle 0.5 vO(V) 420 400 380 iL(A) iS(A) -5 uS (V) 400 200 -200 -400 0.15 0.155 0.16 0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 0.19 t(s) Hình 8.15 Kết mô biến đổi PFC chu kỳ điện áp lưới 11/2015 16