Bài giảng Mô hình hóa bộ biến đổi điện tử công suất Thiết kế hệ thông điều khiển điện tử công suất

HỌC PHẦN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀUKHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT (EE4336) MƠ HÌNH HĨA BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT 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 Phương pháp khơng gian trạng thái trung bình (state space average) Mạng phần tử đóng cắt (switching network averaging) 11/2015 PHƯƠNG PHÁP KHƠNG GIAN TRẠNG THÁI TRUNG BÌNH  Bộ biến đổi DC/DC điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation - PWM)  Giả thiết biến đổi DC/DC làm việc chế độ dòng điện liên tục (Continuous current mode - CCM)  Van bán dẫn coi khóa đóng cắt lý tưởng 11/2015 PHƯƠNG PHÁP KHƠNG GIAN TRẠNG THÁI TRUNG BÌNH Nội dung phương pháp trung bình khơng gian trạng thái thực tổng quát theo bước Bước 1: Sử dụng định luật Kirhoff viết phương trình mạch điện biến đổi DC/DC trạng thái dạng chuẩn hóa Bước 2: Sử dụng định luật Kirhoff viết phương trình mạch điện biến đổi DC/DC trạng thái dạng chuẩn hóa 11/2015  dx  =A1x +B1u  dt  y =C1x +D1u  dx  =A x+B 2u  dt  y =C2 x+D2u A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1, D2: Là ma trận tham số phụ thuộc L, C PHƯƠNG PHÁP KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI TRUNG BÌNH Bước 3: Mơ hình trung bình mơ tả biến đổi DC/DC với tham gia hệ số điều chế d viết sau:  dx  dt =  dA1 + 1  d  A  x+  dB1 + 1  d  B  u   y =  dC1 + 1  d  C2  x+  dD1 + 1  d  D2  u      MƠ HÌNH PHI TUYẾN CẤU TRÚC! Hoặc viết dạng tổng quát:  dx  =Ax+Bu  dt  y =Cx  Du A, B, C, D: Là ma trận tham số hàm 11/2015  A   dA1 + 1  d  A    B=  dB1 + 1  d  B   C=  dC1 + 1  d  C2    D   dD1 + 1  d  D2  PHƯƠNG PHÁP KHƠNG GIAN TRẠNG THÁI TRUNG BÌNH Bước 4: Điểm cân mơ hình xác định cách cho đạo hàm khơng Bước 5: Mơ hình tín hiệu nhỏ biến đổi DC/DC xác định cách tuyến tính hóa quanh điểm làm việc mơ hình () viết lại sau A  dxˆ ˆ B ss uˆ   A1  A  X   B1  B  U  dˆ  dt =A ss x+   yˆ =Css xˆ  Dss uˆ   C1  C2  X   D1  D2  U  dˆ    0=A ss X+B ssU  Y =C ss X  D ssU ss   DA1 + 1  D  A    Bss =  DB1 + 1  D  B   C ss =  DC1 + 1  D  C2    D ss   DD1 + 1  D  D2  THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PHẢN HỒI TRẠNG THÁI 11/2015 PHƯƠNG PHÁP KHƠNG GIAN TRẠNG THÁI TRUNG BÌNH Mối quan hệ giá trị trung bình, giá trị xác lập tín hiệu nhỏ ra:  X  xˆ   U  uˆ  Y  yˆ   D  dˆ   x  X  xˆ u  U  uˆ   y  Y  yˆ   d  D  dˆ Hàm truyền đạt đầu hệ số điều chế cho (Control to output transfer function) yˆ  s  dˆ  s  1  Css  sI  Ass   A1  A2  X   B1  B2 U    C1  C2  X   D1  D2 U  uˆ s  0 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG CHẾ ĐỘ VOLTAGE MODE 11/2015 PHƯƠNG PHÁP KHƠNG GIAN TRẠNG THÁI TRUNG BÌNH Hàm truyền đạt đầu đầu vào yˆ  s  uˆ  s  1  Css  sI  A ss  B ss  Dss dˆ  s   ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN Hàm truyền đạt biến trạng thái hệ số chế xˆ  s  dˆ  s  1   sI  Ass   A1  A2  X   B1  B2 U  uˆ s 0 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG CHẾ ĐỘ CURRENT MODE 11/2015 PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH MẠNG PHẦN TỬ ĐÓNG CẮT u2  t   d  t  u1  t   i1  t   d  t  i2  t  U  DU1   I1  DI I1 i1t i2t t u I2 U2 U1 i1 i2 u2 u1 u2t 1: D 1: d  t  Hình 3.1 Mơ tả biến đổi DC/DC, a) mạch lực biến đổi DC/DC, b) Mơ hình biến đổi DC/DC điểm xác lập, c) Mô hình trung bình biến đổi DC/DC 11/2015 PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH MẠNG PHẦN TỬ ĐĨNG CẮT Mơ hình biến đổi DC/DC cần phải tuyến tính hóa điểm làm việc cân U  uˆ   D  dˆ  U  uˆ   d  t   D  dˆ  t  1    u1  t   U1  uˆ1  t  I1  iˆ1   D  dˆ   I  iˆ2     i1  t   I1  iˆ1  t  uˆ  U dˆ  Duˆ  du ˆˆ u t  U  uˆ t 1      2   ˆˆ i2  t   I  iˆ2  t  iˆ1  Diˆ2  I dˆ  di  i1  t  1: d t  u1  t  11/2015 i2  t  u2  t  iˆ1  t  uˆ1  t  I d  t  iˆ2  t  U1 d  t  uˆ2  t  Hình 3.2 Mạng điện hai cửa, a) tín hiệu trung bình, b) Mạch điện điện tương đương tuyến tính điểm làm việc cân 10 PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH MẠNG PHẦN TỬ ĐĨNG CẮT Mơ hình trung bình biến đổi DC/DC Buck Boost i1t iLt uin L uot C D i1 L R uot C R uin iL + iLt iL + uin uo C 1: d  t  a) R uin uo C R 1  d  t   :1 b) Hình 3.3 Mơ hình trung bình biến đổi DC/DC, a)Bộ biến đổi Buck, b)Bộ biến đổi Boost 11/2015 11 VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BUCK i1 uˆ1 uˆ1 I d U1 d i uˆ2 uˆ0 uˆ2  U1dˆ  Duˆ1  iˆ1  Diˆ2  I dˆ Hình 3.5 Mạch điện mơ tả biến đổi Buck với tín hiệu nhỏ uˆ2  Duˆ1  U1 d uˆ2  s  d  s  Gvd  s    U1 uˆo  s  d  s   uˆ1  s   uˆo  s  uˆ2  s  RU in   uˆ2  s  d  s  R  Ls  RLCs uˆ1  s   uˆo  s  Z RC  uˆ2  s  Z RC  Z L 11/2015 Gvg  s   uˆ0  s  uˆ  s  uˆ2  s  DR    uˆ1  s  dˆ  s 0 uˆ2  s  uˆ1  s  R  Ls  RLCs 12 VÍ DỤ CHO BỘ BIẾN ĐỔI BOOST i1 uˆin i U o d I1 d uˆ1 uˆ2 uˆ0 uˆ1  1  D  uˆ2  U dˆ  iˆ2  1  D  iˆ1  I1dˆ Hình 3.7 Mạch điện mơ tả biến đổi Boost với tín hiệu nhỏ I1 d  iˆ2  1  D  i1 Z RC  uˆo   I1 d   1  D  i1 Z RC uˆin  sLiˆ1  U o dˆ  1  D  uˆo R R sC  sRC   sL I1  ˆ ˆ  D  u s  u s  U d s  sL    o   in   o   1  D ZRC  1  D  uˆo  s  Gvg  s   uˆin  s  11/2015 Gvd  s   uˆo  s  d  s  d  s   uˆin  s    1  D  R 1  sRC  sL  1  D  R I1    D R U  sL     o 1 D     sRC sL   D   R   13