Báo cáo bài tập lớn điều khiển điện tử công suất

Báo cáo bài tập lớn điều khiển điện tử công suất

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

Học kỳ: 2/2013-2014

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

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

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

mạch lực cầu ba pha Tiristor

- 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

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 𝟐𝟎𝟎𝑯𝑷 kích từ độc lập

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

pháp không gian trạng thái, nhận xét đặc điểm mô hình

cắt và không gian trạng thái (SSA)

BẢNG 2.1: Tham số bộ biến đổi Buck

Điện áp vào, 𝒖𝒊𝒏 28 (V) Điện áp ra, 𝒖𝟎 15 (V) Điện cảm, 𝑳 50 (μH) Điện cảm tụ, 𝑪 500 (μF) Điện trở tụ, 𝒓𝑪 0.1 (Ω) Tần số phát xung, 𝒇𝒙 100 (kHz)Điện trở tải, 𝑹 3 (Ω)

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:

𝑃 = 200𝐻𝑃 = 200 × 0.746𝑘𝑊 = 149.2 (𝑘𝑊) 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:

𝑈𝑑 ≈ 500 (𝑉) và I𝑑 ≈300 (A) 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:

Itbv = Id

3 =300

3 = 100 (A)

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 𝑘𝐼𝑣 = 1,5 ÷ 2, ta chọn 𝑘𝐼𝑣 = 1,7 Do

đó dòng trung bình qua van cho phép:

Iv > kIv× Itbv = 1.8 × 100 = 180 (A) 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:

Ungmax = 2.45 × U2 = 2.45 ×Udđm

2.34 = 2.45 ×

5002.34 = 523.5 (V)

Hệ số dự trữ về điện áp cho van thường lấy trong khoảng 1.7 ÷ 2.2, ta chọn

𝑘𝑈𝑣 = 2 Do đó điện áp trung bình qua van cho phép:

Uv > kUv ∙ Ungmax = 2 × 523.5 = 1047 (V) 1.1.3 Chọn van

Từ các thông số Uv, Iv 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 𝐼𝑣 = 218 (𝐴) Dải điện áp của van 𝑈𝑣 = 1200 ÷ 1800 (𝑉)

Điện áp xung điều khiển 𝑈đ𝑘 = 2 (𝑉)

Tốc độ tăng điện áp thuận trên van 𝑑𝑢/𝑑𝑡 = 1000 (𝑉/μ𝑠) Dòng điện xung điều khiển 𝐼đ𝑘 = 150 (𝑚𝐴) Tốc độ tăng dòng cưc đại cho phép qua van 𝑑𝑖/𝑑𝑡 = 150 (𝐴/μ𝑠) Thời gian phục hồi tính chất khóa cho van 𝑡𝑝ℎ = 200 (μ𝑠) Nhiệt độ làm việc cực đại 𝑇𝑚𝑎𝑥 = 125 (°𝐶)

1.2 Điều khiển vòng hở

1.2.1 Cấu trúc điều khiển vòng hở

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 Udk 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

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 Utựa tạo ra điện áp có dạng cố định theo chu kì do nhịp đồng bộ của Uđp Khâu so sánh xác định điểm cân bằng của 2 điện

áp Utựa và Uđk 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 Uđk, trên đồ thị là sự di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ Sự phụ thuộc vào Uđk này là tuyến tính

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:

𝑈𝑑 = 𝑈𝑑0∙ cos 𝛼 Nên trong bài này em sử dụng điện áp tựa dạng răng cưa sườn xuống, như vậy điện áp răng cưa Uc,m sẽ tỉ lệ nghịch với góc điều khiển α , nghĩa là điện áp điều khiển Uđk sẽ tỉ lệ thuận với điện áp ra Ud 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

Tín hiệu so sánh thực chất là một xung rộng có độ rộng 180° − 𝛼 (tính theo độ), sau khi nó được đưa qua bộ hạn chế xung, xung chỉ còn độ rộng 0.2𝑚𝑠 lúc này nó được gọi là một xung đơn

Để có một xung kép ta dùng bộ hoặc (OR), cách làm là một xung đơn điều khiển thyristor sẽ được OR với một xung đơn ngay sau đó:

1.2.5 Khâu tạo xung chùm

Hình 1.7 Sơ đồ tạo xung chùm trong khâu tạo xung và kết quả mô phỏng

USS được AND với một tín hiệu dao động có chu kì 𝑇𝑑𝑑 = 0.1𝑚𝑠 Như vậy đầu ra là một xung chùm có độ động là độ rộng của xung so sánh 180° − 𝛼, và chu kỳ xung là chu kỳ xung của xung dao động (hình 1.7)

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

Hình 1.9 Kết quả mô phỏng điều khiển vòng hở

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:

𝑇𝑝 =𝐾𝑟,𝑚 𝑇

𝑝𝑅𝑑 =

162.22 × 0.02

6 × 0.597 = 9 Vậy bộ điều khiển dòng điện:

↪ 𝐺𝑐𝑖(𝑠) = 0.2663 +0.1111

𝑠Kết quả mô phỏng:

Hình 1.11 Phản hồi dòng điện phần ứng với giá trị đặt 200 A và 280 A,

Điện áp phần ứng và Điện áp điều khiển

1.3.2 Vòng điện áp

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 tỷ lệ [4]:

𝐺𝑐𝜔 =𝐾𝑖𝐾Φ𝑇𝑐

𝑅ư𝐾𝜔 ∙

12𝑇𝑠′𝑎𝑠 = 𝐾𝑝Sau khi tính toán và mô phỏng, em chọn được 𝐺𝑐𝜔 = 350

Kết quả mô phỏng:

Hình 1.13 Kết quả mô phỏng điều khiển động cơ hai vòng phản hồi kín

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 bộ bu biến đổi ck trong trạng thái 1

𝑅 + 𝑟𝐶1

𝐶

𝑅

𝑅 + 𝑟𝐶 −

1𝐶

1

𝑅 + 𝑟𝐶]

; 𝑩1 = [

1𝐿0

𝑅 + 𝑟𝐶 −

1𝑅+𝑟𝐶 ]

Như vậy, bộ biến đổi kiểu Buck được mô tả trên không gian trạng thái theo

dạng chuẩn như sau:

{

[𝑢̇𝑖̇𝐿

𝐶] =[

−1𝐿

𝑅𝑟𝐶

𝑅 + 𝑟𝐶 −

1𝐿

𝑅

𝑅 + 𝑟𝐶1

𝐶

𝑅

𝑅 + 𝑟𝐶 −

1𝐶

𝑅𝑟𝐶

𝑅 + 𝑟𝐶 −

1𝐿

𝑅

𝑅 + 𝑟𝐶1

𝐶

𝑅

𝑅 + 𝑟𝐶 −

1𝐶

1

𝑅 + 𝑟𝐶]

𝑩 = [𝑑𝑩1+ (1 − 𝑑)𝑩2] = [𝑑

1𝐿0]

2.2 Điểm làm việc xác lập của mô hình

Điểm làm việc xác lập được mô tả theo xác định bằng cách từ hệ phương tình

mô hình (7) , cho các đạo hàm bằng không, các đại lượng ở trạng thái xác lập nên:

{0 = 𝐀Y = 𝐂𝐬𝐬𝐗 + 𝐁𝐬𝐬U

𝐬𝐬𝐗 + 𝐃𝐬𝐬U Kết hợp với các phương trình (9) ta có điểm làm việc xác lập của mô hình được biểu diễn ở hệ phương trình:

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 mô tả bộ biến đổi Buck với tín hiệu nhỏ

Hình 2.2 Mạch điện mô tả bộ biến đổi buck với tín hiệu nhỏ

1 (𝑠)=0

= 𝑈1

Mặt khác từ sơ đồ hình 2.2 ta cũng có:

𝑢̂0(𝑠)𝑢̂2(𝑠)=

𝑍𝑅𝐶

𝑍𝑅𝐶 + 𝑍𝐿Trong đó:

𝑍𝑅𝐶 = 𝑅(1+𝑠𝑟𝐶𝐶)

1+𝑠𝐶(𝑅+𝑟𝐶) là trở kháng song song giữa mạch tụ lọc 𝐶 và tải 𝑅

𝑢̂2(𝑠)𝑑̂(𝑠) =

𝑈1(1 + 𝑠𝑟𝐶𝐶)

1 + 𝑠 (𝐶𝑟𝐶 +𝑅)𝐿 + 𝑠2𝐿𝐶(𝑅 + 𝑟𝐶)

𝑅Nếu xét hàm truyền từ đầu vào đến điện áp đầu ra thì

𝑢̂2(𝑠)𝑢̂1(𝑠)|𝑑̂(𝑠)=0 = 𝐷

Do đó:

𝑢̂0(𝑠)

𝑢̂1(𝑠)|𝑑̂(𝑠)=0 =

𝑢̂0(𝑠)𝑢̂2(𝑠)∙

𝑢̂2(𝑠)𝑢̂1(𝑠) =

𝐷(1 + 𝑠𝑟𝐶𝐶)

1 + 𝑠 (𝐶𝑟𝐶 +𝑅)𝐿 + 𝑠2𝐿𝐶(𝑅 + 𝑟𝐶)

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:

 Vẽ đồ thị bode của hàm truyền đạt của đối tượng

Sử dụng lệnh plot(Gvd.time,Gvd.signals.values), ta vẽ được đồ thị bode của đối tượng:

Hình 2.4 Đồ thị bode của Gvd(s)

Từ đồ thị bode ta có được độ dữ trữ pha: PM=73.5

 Bộ điều khiển bù PID

Chọn bộ điều khiển là một bộ bù PID có hàm truyền tổng quát là:

𝐺𝑐(𝑠) = 𝐺𝑐0

(1 +𝜔𝑠

𝑧) (1 +𝜔𝑠 )𝐿(1 +𝜔𝑠

𝑝)Chọn:

⋄ 𝑓𝑐 = 1

10𝑓𝑥 = 10 (𝑘𝐻𝑧) ⋄ 𝑓𝐿 = 1

20𝑓𝑐 = 0.5 (𝑘𝐻𝑧) ⋄ 𝑃𝑀mong muốn = 55°

↪ 𝑃𝑀𝑃𝐼𝐷 = 55° − 73.5° = −18.5° = 𝜃

2𝜋7.2 ∙ 103)

↪ 𝐺𝑐(𝑠) = 1.73 ∙ 10

−5𝑠2+ 1.04𝑠 + 4787.792.21 ∙ 10−5𝑠2+ 𝑠

 Kết quả mô phỏng

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)

Hình 2.6 Cấu trúc điều khiển gián tiếp bộ buck converter

a) Vòng phản hồi trong – vòng dòng

Hình 2.7 Cấu trúc điều khiển vòng trong (dòng điện)

 Đối tượng điều khiển

Từ hàm truyền dòng điện đầu ra và hệ số điều chế ta viết lại dưới dạng sau:

𝑖̂𝐿∗ 𝑑̂ 𝑖̂𝐿

Hình 2.8 Đồ thị bode của Gdi(s)

100𝑓𝑐 = 5.6 (𝑘𝐻𝑧) Chọn: 𝐺𝑐𝑖_0 sao cho: |𝐺𝑐𝑖(𝑗𝜔)|𝜔𝑐 ∙ |𝐺𝑑𝑖(𝑗𝜔)|𝜔𝑐 = 1

 Đối tượng điều khiển

Từ hàm truyền điện áp đầu ra và dòng điện trên cuộn cảm ta viết lại dưới dạng sau:

𝐺𝑢𝑖(𝑠) = û0(𝑠)

𝑖̂𝐿(𝑠) =

𝑅(1 + 𝐶𝑟𝐶𝑠)(𝑅 + 𝑟𝐶)𝐶𝑠 + 1 ↪ 𝐺𝑢𝑖(𝑠) = 0.3 ∙ 10

−3𝑠 + 31.55 ∙ 10−3𝑠 + 1

 Vẽ đồ thị bode của hàm truyền đạt của đối tượng

Sử dụng lệnh plot(Gui.time,Gui.signals.values), ta vẽ được đồ thị bode của đối tượng:

𝑢̂𝑜∗ 𝑖̂𝐿∗ 𝑢̂𝑜

Hình 2.9 Đồ thị bode của Gui(s)

10𝑓𝑐 = 0.186 (𝑘𝐻𝑧) Chọn: 𝐺𝑐𝑢_0 sao cho: |𝐺𝑐𝑢(𝑗𝜔)|𝜔𝑐 ∙ |𝐺𝑢𝑖(𝑗𝜔)|𝜔𝑐 = 1

Hình 2.10 Kết quả mô phỏng điều khiển mạch buck theo phương pháp gián tiếp – dòng điện trung bình

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 – ĐH BKHN, 2014

[3] Trần Trọng Minh, Giáo trình điện tử công suất, NXB Giáo dục Việt Nam, Hà

Nội, 2011

[4] Bùi Quốc Khách – Nguyễn Văn Liễn – Phạm Quốc Hải – Dương Văn Nghi,

Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội,

2014

[5] Doãn Hữu Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học và Kỹ thuật,

Hà Nội, 2009