Bài giảng thiết kế bộ điều khiển tuyến tính cho bộ biến đổi nghịch lưu nguồn ba pha 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 TUYẾN TÍNH CHO BỘ BIẾN ĐỔI NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP BA PHA TS Trần Trọng Minh, TS.Vũ Hồng Phương BM Tự động hóa CN – Viện Điện Trường đại học Bách khoa Hà Nội 11/2015 NỘI DUNG TRÌNH BÀY  Sơ đồ mạch lực nghịch lưu nguồn áp pha  Phương pháp điều chế độ rộng xung (xem thêm slide SVM)  Mạch vòng điều chỉnh dòng điện cho biến đổi nghịch lưu nguồn áp ba pha  Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha làm việc độc lập  Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha làm việc chế độ nối lưới 11/2015 SƠ ĐỒ MẠCH LỰC NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP MỘT PHA Nghịch lưu nguồn áp pha biến đổi gồm van bán dẫn điều khiển hoàn toàn: MOSFET, IGBT…nối kiểu cầu H, ghép nối nguồn xoay chiều nguồn điện chiều power + LƯỚI ĐIỆN BA PHA TẢI BA PHA: ĐỘNG CƠ XC BA PHA… BUS DC Van bán dẫn: MOSFET IGBT Hình 11.5 Sơ đồ mạch lực nghịch lưu nguồn áp ba pha 11/2015 MÔ TẢ NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP PHA BẰNG CÁC HÀM CHUYỂN MẠCH Điện áp tải viết lại dựa U dc hàm chuyển mạch sau:  S a  Sb  Sc  U dc  uan   Sb  S a  S c  U dc   ubn     2Sc  Sb  Sa  U dc u   cn  U dc VAN BÁN DẪN ĐƯỢC COI LÀ CÁC KHĨA ĐĨNG/CẮT LÝ TƯỞNG Hình 11.5 Mơ hình nghịch lưu nguồn áp ba pha mơ tả khóa chuyển mạch Điện áp điểm trung tính sơ đồ mạch nghịch lưu điểm trung tính tải uan  uaN  unN  unN  uaN 11/2015 U dc  uan   S a  Sb  S c  MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN iS is* Gc  s  us* GPWM  s  us uL is uL: + Điện áp lưới – chế độ nối lưới + Điện áp tụ lọc đầu mạch nghịch lưu – chế độ độc lập Sơ đồ mạch điện thay mạch vòng dòng điện nghịch lưu nguồn áp ba pha (xét với thành phần sóng hài bậc 1) Phương trình cân điện áp mạch điện tương đương diSa  usa  rL isa  L dt  u La  disb  u  r i  L  u Lb  sb L sb dt  disc  usc  rL isc  L dt  u Lc  11/2015 CLAKE dis  u  r i  L  uL  s L s dt  u  r i  L dis  u L s L  s dt disd  u  r i  L  s Lisq  uLd  sd L sd dt  u  r i  L disq   Li  u s sd Lq  sq L sq dt PARK MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN Sai lệch điều khiển xác định: PHÉP BIẾN ĐỔI CLARKE i  iu   i   iu  2iv    PHÉP BIẾN ĐỔI PARK Biểu điện vector điện áp dòng điện hệ trục tọa độ 11/2015 id  i cos  s  i sin s  iq  i sin s  i cos  s MẠCH VỊNG ĐIỀU CHỈNH DỊNG ĐIỆN Cấu trúc điều khiển dịng điện hệ tọa độ tĩnh αβ us* is*  Gc  s   K p   K ik s k 1 s   k0  is is is* us* Cấu trúc điều khiển dòng điện hệ tọa độ tĩnh αβ Phương pháp tổng hợp để tìm tham số Kp, Ki giống điều chỉnh dòng điện kiểu cộng hưởng PR nghịch lưu nguồn áp pha (Sẽ có hai kênh điều khiển dòng điện tương ứng với thành phần dòng điện hệ tọa độ tĩnh αβ) 11/2015 MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN Cấu trúc điều khiển dòng điện hệ tọa độ quay dq usd  ud  u Ld  Lisq  usq  uq  uLq  Lisd Nếu đặt ∆ud, ∆uq điện áp rơi cuộn cảm Thành phần điện áp ∆ud, ∆uq bù điều chỉnh dòng điện kiểu PI: uLd isd* usd* ud isd isq isq* usq* uq uLq Hình 6.12 Cấu trúc điều khiển dịng điện hệ tọa độ quay dq 11/2015 ud  Kp (isd* - isd )  Ki  (isd* - isd )dt  * *  u  K ( i i )  K ( i  q p sq Sq i  sq - isq )dt Phương pháp tổng hợp để tìm tham số Kp, Ki giống điều chỉnh dòng điện kiểu cộng hưởng PR nghịch lưu nguồn áp pha (Sẽ có hai kênh điều khiển dòng điện tương ứng với thành phần dòng điện hệ tọa độ tĩnh αβ) CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP U dc * usd u * sq isd* isq* usd usq us dq  u s  isd isq dq abc  usd usq dq abc  Hình 5.15 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp pha chế độ làm việc độc lập (phương án A) 11/2015 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP A Thiết kế theo cấu trúc điều khiển A vs* K Kp  i s C s vs is* is Cs G s Hàm truyền vịng kín mạch vịng điện áp: T PR s  K sK v s K Cs  K C   v  s  Cs  K s  K s   K C  s   K C  p t * t p i i p i p i Giả thiết dẫn dắt điện áp theo hàm truyền khâu dao động bậc 2: 2n s  n2 W2 nd  s   s  2n s  n2 Tham số điều chỉnh xác định sau:  K P  2nC   K I  n C 11/2015 – hệ số tắt dần - tần số dao động riêng 10 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP B Thiết kế theo cấu trúc điều khiển B vs* is* Ks Kp  i s  0 vs is Cs C s G s Hàm truyền vịng kín mạch vòng điện áp: K s KsK  v s T s   v  s  Cs  K s   K   C  s  K  PR * Thay s = jω ta có: PR  j   i p t i o K   K    i  K  C    i o p T p t 2 p o p    K     o 2 p o 2 o ωib: băng thông ban đầu ωfb: băng thông kết thúc (do ảnh hưởng thành phần tích phân thêm vào) Thực thiết kế tương tự cho điều chỉnh PR mạch vòng dòng điện ta có: K  p 11/2015 K i  C.   C     ib fb   fb   ib K   C. p fb   2.K  C. p fb  11 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP Tham số mạch lực Tải pha đối xứng 20Ω ÷ 40Ω Điện áp chiều 700VDC Mạch lọc LC 40μF 0,7mH Tần số phát xung 5kHz Giá trị hiệu dụng điện áp pha 220V Tần số sóng hài 50Hz Tham số điều khiển dòng điện Kp Ki Kp Ki 11/2015 3,5 1000 Tham số điều khiển điện áp 0,2 250 12 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP 400 300 200 uT (abc) 100 -100 -200 -300 -400 11/2015 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 t(s) 0.12 0.14 0.16 a Điện áp tải (cấu trúc B) 0.18 0.2 13 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP 40 30 20 iS (A) 10 -10 -20 -30 -40 0.02 11/2015 0.04 0.06 0.08 0.1 t (s) 0.12 0.14 0.16 b Dòng điện đầu mạch nghịch lưu 0.18 0.2 14 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP 0.9 0.8 0.7 da,db,dc 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 t(s) 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 b Hệ số điều chế cho nhánh van mạch nghịch lưu (SVM) 11/2015 15 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC ĐỘC LẬP 11/2015 d Phân tích phổ điện áp tải 16 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC it Cdc us S3 usq dq S6 isq* sin  * usd S1 S4 isd* * udc udc  u s isd dq abc Lf isq S5 S2 sin  LCL filter Cf Rf  Lt end en enq Hình 5.15 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp ba pha chế độ làm việc nối lưới (chỉnh lưu tích cực) 11/2015 17 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC Cấu trúc vịng khóa pha  dt * CLAKE PARK Hình 6.1 Cấu trúc vịng khóa pha cho lưới điện ba pha (PLL-3) Để tuyến tính hóa vịng khóa pha, hệ thống giả định trạng thái có sai lệch nhỏ so với trạng thái thực lưới điện, nghĩa có = ≈ Dưới điều kiện đó, ta có:  E cos(   )  E e    e         E sin(   )  E (   )  E   nd nq 11/2015 n n n n n e 18 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC Cấu trúc vịng khóa pha       En sin    s  K Kp  i s s * * Hình 5.12 Mạch vịng điều chỉnh thuật tốn vịng khóa pha Hình 5.13 Sơ đồ tuyến tính hóa mạch vịng khóa pha Hàm truyền kín mạch vịng điều chỉnh góc pha: K sK G (s)  s K sK p   K  2.   K   p n i n p 2  s   G (s)  s  2  s   i i Trong : n n n Hệ số dao động tắt dần damping Tần số dao động riêng   1 n 11/2015 19 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC Bỏ qua tổn thất biến đổi nghịch lưu nguồn áp tải mắc phía mạch DC, ta có biểu thức sau: Tuyến tính quanh điểm làm việc C d Vc  vc  dt dvC2  Pload  vd id C dt vc  Vc  vc  id  I d  id Ta có: v  V  v d d  d  Pload  I d  id Vd  vd    Bỏ qua tín hiệu nhỏ bậc 2, ta có mối quan hệ: dvc dvc   C vc  Pload  I dVd  idVd  vd I d  vd id CVc dt dt  vc id 11/2015 vd 0  1,5Vd  CVc s 20 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC vc* id K Kp  i s vc 1,5Vd  CVc s Hình 5.13 Mạch vòng điện áp tụ (giả thiết hàm truyền kín mạch vịng dịng điện khâu tỷ lệ 1:1) Hàm truyền kín mạch vịng điều chỉnh điện áp tụ: vc vc* vg 0 K V KV  1,5  p d s  i d  CVc CVc    K V KV  s  1,5  p d s  i d  CVc   CVc  2 V C   K    1,5V    K   V C  1,5V 11/2015 n 2  s   G ( s)  s  2  s   n n n n c p Hệ số dao động tắt dần damping d i c Tần số dao động riêng n d 21 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC Tham số mạch lực Tải nguồn dòng Tụ chiều Điện cảm L Tần số phát xung Lượng đặt điện áp chiều -20A ÷ 20A 3300μF 3mH 10kHz 700VDC Tham số vịng khóa pha ba pha Kp 50 Ki 5000 Tham số điều khiển dòng điện Cấu trúc kiểu PI Kp = , Ki = Cấu trúc kiểu PR Kp = 10 , Ki = 5000 Ki Ki 11/2015 Tham số điều khiển điện áp 0,25 22 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC 800 750 Vdc (V) 700 650 600 550 0.1 0.2 0.3 0.4 t(s) 0.5 0.6 0.7 0.8 a Điện áp chiều Vdc 11/2015 23 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC 400 300 vSa (V) & iSa (A) 200 100 -100 -200 -300 -400 0.2 0.22 11/2015 0.24 0.26 0.28 0.3 t(s) 0.32 a Dòng điện vào lưới 0.34 0.36 0.38 0.4 24 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NGUỒN ÁP LÀM VIỆC CHỈNH LƯU TÍCH CỰC 11/2015 d Phân tích phổ dịng điện đầu vào chỉnh lưu tích cực 25