Báo cáo bài tập lớn điều khiển điện tử công suất
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GV hướng dẫn: Vũ Hoàng Phương Sinh viên: Nguyễn Văn Tiềm SHSV: 2010 2302 Lớp: ĐK&TĐH 6 – K55 Học kỳ: 2/2013-2014 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT MỤC LỤC ĐỀ BÀI 3 Phần 1. HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 5 1.1. Tính chọn mạch lực 5 1.1.1. Chỉ tiêu về dòng điện 5 1.1.2. Chỉ tiêu về điện áp 6 1.1.3. Chọn van 6 1.2. Điều khiển vòng hở 6 1.2.1. Cấu trúc điều khiển vòng hở 6 1.2.2. Nguyên tắc điều khiển dọc 8 1.2.3. Khâu tạo điện áp tựa 9 1.2.4. Khâu tạo xung kép 9 1.2.5. Khâu tạo xung chùm 10 1.2.6. Kết quả mô phỏng 11 1.3. Điều khiển phản hồi vòng kín 13 1.3.1. Vòng dòng điện 13 1.3.2. Vòng điện áp 15 Phần 2. BỘ BIẾN ĐỔI BUCK 18 2.1. Mô hình tín hiệu trung bình 18 2.1.1. Phương pháp trung bình không gian trạng thái 18 2.1.2. Nhận xét đặc điểm mô hình 20 2.2. Điểm làm việc xác lập của mô hình 20 2.3. Mô hình tín hiệu nhỏ 21 2.4. Cấu trúc điều khiển 22 2.4.1. Điều khiển trực tiếp (điện áp) 22 2.4.2. Điều khiển gián tiếp (dòng điện trung bình) 25 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ BÀI Bài tập 1. Thiết kế hệ truyền động động cơ một chiều có tham số chỉ ra trong Bảng 1, sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn sử dụng Tiristor. Tính chọn mạch lực Điều khiển vòng hở, sử dung hai phương pháp phát xung sau đây để điều khiển mạch lực cầu ba pha Tiristor - Điều khiển theo phương pháp xung kép (độ rộng xung là 20e-5s) - Điều khiển theo phương pháp xung chum (Tần số xung chùm fx = 10kHz) - Yêu cầu: Thu thập dữ liệu về điện áp phần ứng, dòng điện phần ứng và tốc độ quay động cơ bằng phần mềm Matlab Tổng hợp mạch vòng dòng điện, tốc độ đảm bảo tốc độ bám theo tốc độ đặt Lượng đặt tốc độ cho hệ truyền động một chiều - Yêu cầu: Thu thập dữ liệu về điện áp phần ứng, dòng điện phần ứng và dòng điện phần ứng đặt (đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ), tốc độ quay của động cơ và tốc độ đặt phần mềm Matlab BẢNG 1: Tham số động cơ một chiều kích từ độc lập PHẦN TỬ THÔNG SỐ Điện trở phần ứng, Điện cảm phần ứng. Điện trở phần kích từ, Điện cảm phần kích từ, Điện cảm hỗ trợ, Momment quán tính, Điện áp kích từ, Tốc độ định mức, Điện cảm nối tiếp mạch phần ứng động cơ, ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Bài tập 2. Bộ biến đổi Buck có tham số cho như Bảng 2 làm việc trong chế độ dòng điện liên tục (CCM) và được điều khiển theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM, và khóa bán dẫn là lý tưởng Xây dựng mô hình tín hiệu trung bình của các bộ biến đổi trên theo phương pháp không gian trạng thái, nhận xét đặc điểm mô hình. Tính điểm làm việc xác lập của mô hình. Xây dựng mô hình tín hiệu nhỏ dựa trên phương pháp mô hình mạng đóng cắt và không gian trạng thái (SSA). Thiết kế cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi trên theo chế độ: - Điều khiển điện áp. - Điều khiển dòng điện. Kiểm chứng kết quả mô hình hóa và thiết kế bằng phần mềm Matlab. BẢNG 2.1: Tham số bộ biến đổi Buck PHẦN TỬ THÔNG SỐ Điện áp vào, Điện áp ra, Điện cảm, Điện cảm tụ, Điện trở tụ, Tần số phát xung, Điện trở tải, ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Phần 1. HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 1.1. Tính chọn mạch lực Phương pháp được dùng là chọn van theo chỉ tiêu về dòng điện và chỉ tiêu về điện áp [1]. Hình 1.1. Sơ đồ lắp mạch thyristor cầu ba pha. Từ bảng thông số động cơ ta tính được công suất động cơ quy đổi: Sau khi tính toán và thực hiện mô phỏng kiểm tra (cho động cơ chạy với tốc độ định mức) ta thu được giá trị định mức về dòng và áp của động cơ là: 1.1.1. Chỉ tiêu về dòng điện Từ tham số của mạch chỉnh lưu 3 pha hình cầu và dòng điện định mức tải, ta xác định được giá trị trung bình dòng điện thực tế qua từng van: ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Với các tải dòng điện lớn, do sự phát nhiệt trên van mạnh, thường phải giảm dòng qua nó nên cần tăng hệ số dự trữ lên , ta chọn . Do đó dòng trung bình qua van cho phép: 1.1.2. Chỉ tiêu về điện áp Với chỉ tiêu này ta tính toán điện áp ngược tối đa đặt lên van trong quá trình làm việc. Từ bảng tham số và điện áp định mức tải ta có: Hệ số dự trữ về điện áp cho van thường lấy trong khoảng , ta chọn . Do đó điện áp trung bình qua van cho phép: 1.1.3. Chọn van Từ các thông số U v , I v đã tính toán ở trên, tra bảng phụ lục thyristor ta chọn được 6 thyristor do Tây Âu chế tạo: T218N có các thông số như sau : Dòng điện trung bình cho phép Dải điện áp của van Điện áp ngưỡng Điện áp xung điều khiển Sụt áp thuận trên van Tốc độ tăng điện áp thuận trên van Dòng điện xung điều khiển Tốc độ tăng dòng cưc đại cho phép qua van Thời gian phục hồi tính chất khóa cho van Nhiệt độ làm việc cực đại 1.2. Điều khiển vòng hở 1.2.1. Cấu trúc điều khiển vòng hở ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 1.2. Cấu trúc điều khiển vòng hở. Một cách truyền thống, cấu trúc truyền động động cơ một chiều điều khiển vòng hở có thể chia thành các khối: khối nguồn, khối driver, khối thyristor và động cơ một chiều. Tín hiệu điều khiển U dk đưa vào driver, driver xử lý tín hiệu này và đưa ra các tín hiệu đóng mở các van thyristor, đầu ra của khối thyristor là điện áp cấp cho động cơ, khối nguồn có nhiệm vụ cấp các mức điện áp phù hợp chp driver và tryristor. Hình 1.3. Cấu trúc khâu nguồn (a), Sơ đồ lắp động cơ (b) Trong phạm vi của báo cáo này em xin chỉ trình bày chi tiết khối driver để đáp ứng yêu cầu điều khiển bằng xung kép và xung chùm. Driver sẽ được trình bầy ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT qua 4 phần nhỏ là: nguyên tắc điều khiển dọc, khâu tạo điện áp tựa, khâu tạo xung khép và khâu tạo xung chùm. 1.2.2. Nguyên tắc điều khiển dọc Hình 1.4. Cấu trúc Driver nguyên tắc điều khiển dọc Mạch điều khiển chỉnh lưu có các nhiệm vụ xoay quanh vấn đề phát xung điều khiển cho van lực của mạch. Cơ bản có hai hệ điều khiển là hệ đồng bộ và không đồng bộ, tuy nhiên để đáp ứg về yêu cầu ổn định cũng như chất lượng của điều khiển mà trong thực tế đại đa số các mạch điều khiển chỉnh lưu thực hiện theo hệ đồng bộ. Trong hệ đồng bộ lại có hai nguyên tắc điều khiển là: điều khiển ngang và điều khiển dọc. Trong nguyên tắc điều khiển dọc khâu U tựa tạo ra điện áp có dạng cố định theo chu kì do nhịp đồng bộ của U đp . Khâu so sánh xác định điểm cân bằng của 2 điện áp U tựa và U đk để phát động khâu tạo xung tạo xung. Như vậy thời điểm phát xung mở van (góc điều khiển ) thay đổi do sự thay đổi trị số của U đk , trên đồ thị là sự di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ. Sự phụ thuộc vào U đk này là tuyến tính ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT nên việc điều khiển sẽ thuận lợi hơn, vì vậy ta cũng chọn nguyên tắc điều khiển dọc cho mạch điều khiển. 1.2.3. Khâu tạo điện áp tựa Hình 1. 5. Sơ đồ điều chế và dạng của xung tựa dạng răng cưa sường xuống Như ta đã biết, điện áp đầu ra chỉnh lưu nhận được có quan hệ tỉ lệ nghịch với góc điều khiển theo công thức: Nên trong bài này em sử dụng điện áp tựa dạng răng cưa sườn xuống, như vậy điện áp răng cưa U c,m sẽ tỉ lệ nghịch với góc điều khiển α , nghĩa là điện áp điều khiển U đk sẽ tỉ lệ thuận với điện áp ra U d sau chỉnh lưu. 1.2.4. Khâu tạo xung kép Hình 1.6. Sơ đồ tạo xung kép trong khâu tạo xung và kết quả mô phỏng [...]... + 𝑠 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 2.10 Kết quả mô phỏng điều khiển mạch buck theo phương pháp gián tiếp – dòng điện trung bình ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Quốc Hải, Hướng dẫn và thiết kế điện tử công suất, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2009 [2] Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương, Thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi điện tử công suất, BM.Tự Động Hóa – Viện Điện. .. phỏng ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 2.5 Đáp ứng điện áp đầu ra với điện áp đặt (a), biên độ dao động (b), dạng đáp ứng bước nhảy (c) 2.4.2 Điều khiển gián tiếp (dòng điện trung bình) ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 2.6 Cấu trúc điều khiển gián tiếp bộ buck converter a) Vòng phản hồi trong – vòng dòng 𝑖̂ 𝐿 ∗ ̂ 𝑑 𝐺 𝑐𝑖 (𝑠) 𝑖̂ 𝐿 𝐺di (𝑠) Hình 2.7 Cấu trúc điều khiển vòng trong (dòng điện) Đối tượng điều. .. ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 1.9 Kết quả mô phỏng điều khiển vòng hở ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.3 Điều khiển phản hồi vòng kín 1.3.1 Vòng dòng điện Hình 1.10 Cấu trúc điều khiển phản hồi vòng kín dòng điện Tính toán tham số bộ điều khiển dòng điện Tham khảo tài liệu [2] em xin được sử dụng công thức để tính toán bộ điều khiển như sau: Bộ điều khiển PI có cấu trúc: 𝐺 𝑐𝑖 (𝑠) = 1 + 𝑠𝑇 𝑧 𝑇𝑧 1 = +... A, Điện áp phần ứng và Điện áp điều khiển 1.3.2 Vòng điện áp ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 1.12 Cấu trúc điều khiển phản hồi vòng kín dòng điện Bộ diều khiển dòng điện bên trong có thành phần tích phân, giúp hạ bậc đối tượng, theo lý thyết điều khiển truyền động điện, bộ điều chỉnh tốc độ được tổng hợp theo tiêu chuẩn tối ưu môdun, có thể xác định được hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ là khâu... kì điện áp lưới 𝑇 = 20𝑚𝑠 và hệ số đập mạch của chỉnh lưu cầu ba pha là p = 6 ta xác định được: 𝑇𝑧 𝐿 𝑑 0.0009 + 15 10−3 = = = 0.2663 𝑇𝑝 𝑅𝑑 0.0597 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 𝑇𝑝 = 𝐾 𝑟,𝑚 𝑇 162.22 × 0.02 = =9 𝑝𝑅 𝑑 6 × 0.597 Vậy bộ điều khiển dòng điện: ↪ Kết quả mô phỏng: 𝐺 𝑐𝑖 (𝑠) = 0.2663 + 0.1111 𝑠 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 1.11 Phản hồi dòng điện phần ứng với giá trị đặt 200 A và 280 A, Điện. .. phỏng: ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 1.13 Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ hai vòng phản hồi kín ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Phần 2 BỘ BIẾN ĐỔI BUCK 2.1 Mô hình tín hiệu trung bình 2.1.1 Phương pháp trung bình không gian trạng thái Hình 2.1 Mô hình trung bình bộ biến đổi buck (a) tổng quát, (b) trạng thái 1, (c) trạng thái 2 Sử dụng định luật KV ta có hệ phương trình mô tả sơ đồ mạch điện của... (hình 1.7) ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 1.8 Sơ đồ tạo xung chùm hạn chế và kết quả mô phỏng Ngoài ra, trước khi thực hiện AND với xung dao động nếu ta đưa USS này qua bộ hạn chế xung, thì đầu ra ta sẽ được xung chùm hạn chế với độ rộng xung do khâu hạn chế xung quyết định còn chu kỳ xung vẫn là chu kỳ xung của xung dao động (hình 1.8) 1.2.6 Kết quả mô phỏng ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 1.9... trình: ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 𝑈𝑜 = 𝑈𝐶 𝑈𝑜 = 𝑈𝐶 { 𝑈 𝐶 = 𝑅𝐼 𝐿 ℎ𝑎𝑦 { 𝑈 𝐶 = 3𝐼 𝐿 𝑈 𝑜 = 𝐷𝑈 𝑖𝑛 𝑈 𝑜 = 𝐷𝑈 𝑖𝑛 2.3 Mô hình tín hiệu nhỏ Trong báo cáo này em sử dụng phương pháp tring bình hóa mạng đóng cắt để tìm mô hình tín hiệu nhỏ của mạch buck converter Phương pháp được trình bày như sau Từ mô hình mạch điện tương đương thay thể phần tử đóng cắt lắp vào sơ đồ mạch lực bộ biến đổi Buck, ta có mạch điện. .. 𝑢 𝑢 = ∙ = | ̂1 (𝑠) ̂ (𝑠)=0 ̂ 2 (𝑠) ̂1 (𝑠) 𝑢 𝑢 𝑢 𝑑 𝐷(1 + 𝑠𝑟 𝐶 𝐶) 𝐿𝐶(𝑅 + 𝑟 𝐶 ) 𝐿 1 + 𝑠 (𝐶𝑟 𝐶 + ) + 𝑠 2 𝑅 𝑅 2.4 Cấu trúc điều khiển 2.4.1 Điều khiển trực tiếp (điện áp) Hình 2.3 Cấu trúc điều khiển trực tiếp bộ buck converter Đối tượng điều khiển Từ hàm truyền điện áp đầu ra và hệ số điều chế ta viết lại dưới dạng sau: 𝐺 𝑣𝑑 (𝑠) = ̂ 0 (𝑠) 𝑢 𝑅𝑈 𝑖𝑛 (1 + 𝐶𝑟𝑐 𝑠) = ̂ (𝑠) 𝑅 + (𝐿 + 𝑅𝑟 𝐶 𝐶)𝑠 + 𝐿𝐶(𝑅 + 𝑟 𝐶 )𝑠 2... ∙ 105 (𝐻𝑧) Bộ điều khiển PI Chọn bộ điều khiển là khâu PI có dạng 𝐺 𝑐𝑖 (𝑠) = 𝐺 𝑐𝑖_0 (1 + Chọn: 𝑓 𝐿𝑖 = 𝜔 𝐿𝑖 ) 𝑠 1 𝑓 = 5.6 (𝑘𝐻𝑧) 100 𝑐 Chọn: 𝐺 𝑐𝑖_0 sao cho: |𝐺 𝑐𝑖 (𝑗𝜔)| 𝜔 𝑐 ∙ |𝐺 𝑑𝑖 (𝑗𝜔)| 𝜔 𝑐 = 1 Mà: |𝐺 𝑐𝑖 (𝑗𝜔)| 𝜔 𝑐 = 𝐺 𝑐𝑖_0 √1 + ( 𝜔 𝐿𝑖 2 ) = 1.005𝐺 𝑐0 𝜔𝑐 Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(Gid,2*pi*5.6e5) → |𝐺 𝑑𝑖 (𝑗𝜔)| 𝜔 𝑐 = 0.1592 → 𝐺 𝑐𝑖_0 = 1 = 6.25 1.005 × 0.1592 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Vậy: ↪ 2𝜋5.6 . trúc điều khiển 22 2.4.1. Điều khiển trực tiếp (điện áp) 22 2.4.2. Điều khiển gián tiếp (dòng điện trung bình) 25 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TÀI LIỆU THAM KHẢO 32 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG. quả mô phỏng ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 1.9. Kết quả mô phỏng điều khiển vòng hở ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1.3. Điều khiển phản hồi vòng kín 1.3.1. Vòng dòng điện Hình. Điện áp phần ứng và Điện áp điều khiển 1.3.2. Vòng điện áp ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 1.12. Cấu trúc điều khiển phản hồi vòng kín dòng điện Bộ diều khiển dòng điện bên trong có thành