Thiết kế cấu trúc điều khiển cho nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha có công suất 5KV làm việc chế độ chỉnh lưu tích cực

Thiết kế cấu trúc điều khiển cho nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha có công suất 5KV làm việc chế độ chỉnh lưu tích cực

Bài tập 9: Thiết kế cấu trúc điều khiển cho nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha có

công suất

5kVA làm việc chế độ chỉnh lưu tích cực

Tham số sơ đồ mạch lực nghịch lưu nguồn áp ba pha

Lượng đặt điện áp một chiều trên tụ Udc = 700V

Tham số điện cảm phía lưới Ls = 2mH

Tần số phát xung mạch nghịch lưu 5kHz

380V / 50Hz

Sơ đồ mạch lực nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha làm việc chế độ chỉnh lưu tích cực

Yêu cầu:

1 Tính chọn mạch lực

2 Thiết kế khâu điều chế độ rộng xung theo nguyên lý điều chế vector không gian

3 Thiết kế mạch vòng điều khiển dòng điện theo nguyên lý điều khiển vector

dòng điện is (lựa chọn điều khiển theo cấu trúc PR trên hệ tọa độ tĩnh αβ hoặc PI

trên hệ tọa độ quay dq)

4 Tổng hợp mạch vòng điện áp Udc

5 Mô phỏng bằng phần mềm Matlab để kiểm chứng kết quả thiết kế

ĐỀ TÀI: Thiết kế cấu trúc điều khiển cho nghịch lưu độc lập nguồn áp ba

pha có công suất 5KV làm việc chế độ chỉnh lưu tích cực

I Tính chọn mạch lực

1 Tính toán chọn van IGBT

a) Điện áp lớn nhất đặt lên van U Vmax

Xét tại thời điểm van V1 mở,van V4 dẫn:

Cực C của V1 nối với cực dương của nguồn Vg

Van V4 thông nối cực E của V1 với cực âm của nguồn Vg

UVmax = Vg = √2 3

2 q Udm = √2.3

2.0,75 380 = 1074,8 V Trong đó q là hệ số biến điệu ( 0 < q < 0,866)

b) Dòng điện trung bình qua van

Với S = 3U.I => I = U S = 3.3805000 = 4,386 (A)

Trong chế độ định mức có:

Zdm = U I dm

dm

= 380 4,386 = 86,64 Ω

XL = L =314 0,002 = 0,628 Ω⍵L =314 0,002 = 0,628 Ω

𝛗 = arcsin 0,62886,64 = 0°24

 Rtdm = z.cos𝛗 = 86,64 0,9999 = 86,63 Ω

Biểu thức dòng điện trung bình qua van động lực trong một chu kỳ điện áp ra:

IV = 1

2 π∫

0

π

I m sin (Ɵ+φ) d Ɵ

Rút gọn ta được :

IV = I m

2 π (1 + cosφ) Dòng trung bình qua van là :

IV = I m

2 π (1 + cosφ) = 4,3862 π (1 + cos0 ° 24) = 1,4 A

 Dòng điện và điện áp định mức của van cần chọn là :

UVdm = ku UVmax =1,4 1074,8 = 1504,72 (V) ≈ 1505 V

IVdm = kI IVmax = 5 1,4 = 7A

Từ 2 thông số trên ta chọn IGBT loại đơn BSM200GA170DLC với các thông số chính sau:

Ucemax = 1700 V

IC = 200 A

2 Tính chọn điot

a) Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van U Dngmax

Xét thời điểm van V1 , D4 khóa và V4 , D1 thông:

Cực anode của D4 được nối với cực âm của Vg Cực Kathode của D4 do van D1 thông nên nối với cực dương của Vg Như vậy điện áp ngược lớn nhất đặt lên van UDngmax = Vg

b) Dòng điện trung bình đi qua Diode I D

Biểu thức dòng điện trung bình đi qua diode trong một chu kỳ điện áp ra là:

ID = 2 π1 ∫

0

π

−I msin(Ɵ−φ¿dƟ Dòng trung bình qua van là :

ID = I m

2 π (1 - cosφ) = ID = 4,3862 π (1 - cos0 ° 24) = 0,00007 A Dòng điện và điện áp định mức của Diode cần chọn là:

UDdm = ku UDngmax = 1,1 1074,8 = 1182,28 V

IDdm = kI IDngmax = 5 0,00007= 0,00035 A

Từ hai thông số trên ta chọn Diode BYX38 có các thông số cơ bản sau:

I = 6 A

Cmax = 1,3 L t

R t2 = 1,3 0,002

69,3122 = 0,54.10-6 F= 0,54 µF Chọn tụ C = 0,6 µF

II Thiết kế khâu điều chế độ rộng xung theo nguyên lý điều chế vecto không gian

Sau đây là sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần sử dụng 6 khóa transitor công suất :

Hình 2.1 Sơ nguyên lý đồ bộ nghịch lưu 3 pha Đối với phương pháp điều rộng xung vector không gian, bộ nghịch lưu được xem như là một khối duy nhất với 8 trạng thái đóng ngắt riêng biệt từ 0 đến

Hình 2.2 Trạng thái đóng ngắt các khóa bộn nghịch lưu

Bảng tóm tắt :

Vector

điện

áp

Trạng thái của khóa Điện áp pha Điện áp dây

Ghi chú: độ lớn điện áp phải nhân với VDC

Đối với nguồn áp ba pha cân bằng, ta luôn có phương trình sau:

ua (t ) + ub (t ) + uc

Và bất kỳ ba hàm số nào thỏa mãn phương trình trên đều có thể chuyển sang hệ tọa độ 2 chiều vuông góc Ta có thể biểu diễn phương trình trên dưới dạng 3 vector gồm: [ua 0 0]T trùng với trục x, vector [0 ub 0]T lệch một góc 120o và vector [0

0 uc]T lệch một góc 240o so với trục x như hình sau đây

Hình 2.3 Biểu diễn vector không gian trong hệ tọa độ x-y

Từ đó ta xây dựng được phương trình của vector không gian trong hệ tọa độ phức như sau

( )

+

Ta xét trường hợp bộ nghịch lưu ở trạng thái đầu U1 :

Xét trên hệ tọa độ α − β : trong đó Us = U1 = K * (Ua + Ub + Uc) ; K=2/3 là

hệ số

biên hình

Hình 2.4 Vector điện áp U1 trên tọa độ α − β

+ Tương tự như vậy với các vector U2-> U6 , ta có giản đồ sau:

Hình 2.5 Vector điện áp V1(U1)->V6(U6) trên giản đồ α − β + Ngoài ra , chúng ta còn 2 trường hợp đặc biệt là vector U0 =U7= 0

　　　　　　 Hình 2.6 U7 & U0

Ý tưởng của việc điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển

liên tục của vector không gian tương đương của vector điện áp bộ nghịch lưu

trên quỹ đạo đường tròn, tương tự như trường hợp của vector không gian của đại lượng 3 pha hình sin tạo được Với sự dịch chuyển của đều đặn của vector không gian trên quỹ đạo tròn các sóng hài bậc cao được loại bỏ và biên độ

áp ra trở nên tuyến tính Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu áp

Hình 2.7 Vector Vs trên hệ trục α − β Hình 2.8 Điện áp 3 pha ngõ ra trong miền thời gian tương ứng Hình 2.11

Hình 2.9 Vs ở sector 1

Xét góc 1 phần 6 của hình lục giác được xác định bằng đỉnh của 3 vector U1.U2,U0-7 Giả sử trong thời gian Ts, ta cho tác dụng vecto U1 trong khoảng thời gian TA, vecto U2 trong khoảng thời gian TB, U0-7 trong khoảng thời gian T-TA-TB

Vector tương đương được tính bằng vector trung bình của chuỗi tác động liên tiếp

Trong đó điện áp pha Vs=Us điên áp pha ngõ ra của Ua, Ub, Uc

Chiếu phương trình vecto Vs và dùng công thức Ts, tỉ số m:

Như vậy vector trung bình ( Us) được điều khiển theo quỹ đạo đường tròn Chiều quay có thể thuận hay nghịch theo chiều kim đông hồ Đường tròn nội tiếp hình lục giác là quỹ đạo của vector ko gian lớn nhất mà phương pháp điều chế vector không gian của bộ nghịch lưu áp hai bậc có thể đạt được trong phạm vi điều khiển tuyến tính Bán kính đường tròn này chính bằng biên

độ thành phần cơ bản điện áp (pha) tải, với Udc=700V

　　　　　　　　

III.Thiết kế mạch vòng điều khiển dòng điện theo nguyên lý điều khiển vecto dòng điện i s

　Thiết kề bộđiều chỉnh dòng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ

Do lượng đặt dòng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ có dạng hình sin với tần số bằng ωs (tần

số cơ bản dòng điện hình sin), ta sẽ sử dụng cấu trúc điều chỉnh kiểu cộng hưởng (PR) có tần số cộng hưởng ω0 =ωs để giải quyết vấn đề này

Gc(s) = Kp + K i s

s2

+w02 Phương thức thiết kế bộđiều chỉnh này được thiết kế trên miền tần số, trên cơ sở lựa chọn băng thông (bandwidth) cho hàm truyền hệ thống kín Thông thường, băng thông được lựa chọn trong khoảng 10 lần tần số cơ bản và 1/10 tần số phát xung vào mạch nghịch lưu đểđảm bảo hệ thống có đáp ứng động học đủ nhanh và ổn định

Hàm truyền kín mạch vòng dòng điện

GPR(s) = i(s )

i¿

(s) = K p s2+K i s +K p w02

L s3+(K p+R)s2+(K i+w20L)s+ K p w02+w02R

|G PR(j w)|= √(K¿¿i w)2

+K P2

(w02

−w2

)2

√[K i+L(w02−w2)]2w2+(K p+R)2(w02−w2)2

¿

∟GPR (jw) = arctan [ K i w

K i(w02

−w2

)] - arctan [ [L(w0

2

−w2)+Ki] (K p+R)(w02−w2)]

Cho Ki = 0,ta có:

|G PR(j w)|= K p

√[( Lw )]2+(K p+R)2

* s

u ⍺

PR

s

i

*

u

*

s

i ⍺

s

i ⍺

s

i β

Để có hệ số suy giảm biên độ là -3dB ( hay |G PR(j w bw)|= √12 ), với băng thông w bw= 5000,ta có:

Kp = R + √ (L w bw)2+2 R2

　　　　　　 = 86,63 + √(0,002.2 π 500 0 )2+2.86,632

= 224,3

Đưa thành phần tích phân vào biểu thức biên độ

Ki = w bw

2

−w02

w bw [√(R+K p)2+2.(L w bw)2−2 K2p - Lw bw] =

(314002−3142

)

31400 ¿ – 0,002.5000]

= 328,27

Thay vào ta có:

Gc(s) =224,3 + 328,27 s

s2+3142

IV Tổng hợp mạch vòng điện áp

1 Tính toán Tụ C-rc

Tụ lọc C phải đủ lớn để đảm bảo độ đập mạch điệp áp đầu ra và sự sụt áp khi đóng tải trong phạm vi cho chép.Độ đập mạch gồm 2 thành phần : do điện trở nối tiếp tụ C gây ra, và do tụ lọc các xung điện áp từ đầu ra bộ biến đổi

Độ đập mạch :

C

   

(Error! No

text of specified style in document

1)

Hình Độ đập mạch điện áp ra

Thành phần đập mạch do tụ C :

1 1

C

V

      

(Error! No

text of specified style in document

2)

Suy ra giá trị tụ C đáp ứng được yêu cầu :

8

L S C

I T C

V







(Error! No

text of specified style in document

3)

Đối với các mạch nguồn DC-DC, độ đập mạch không nên vượt quá 1% Vo

2 Mạch vòng điều chỉnh điện áp

Hình Cấu trúc điều khiển mạch vòng điện áp bộ biến đổi Buck

Hàm truyền điện áp giữa điện áp đầu ra và hệ số điều chế dưới dạng :





(Error! No

text of specified

 =2π*500 Q0=R√C L= 1,5

D=U0/UIn= 380/700=0.54

GVD(s) = (1+ 0,6µs)/(1+s/(1,5*2π*5000)+(s/1,5)2)