Điện tử công suất nâng cao

Bài giảng dành cho các kỹ sư và cử nhân muốn tìm hiểu sâu thêm về điện tử công suất. Bài giảng viết rất chi tiết và cập nhật thường xuyên. Có các bài tập mẫu giúp người đọc tiếp cận dễ dàng hơn. Một số bài tập dành cho người đọc ôn luyện rèn kỹ năng

Ts Trần Trọng Minh

Bộ môn Tự động hóa, Viện Điện, ĐHBK Hà nội

Hà nội, 5 - 2014

 Tại sao gọi là ĐTCS nâng cao?

◦ Sau khi đã có được những khái niệm cơ bản về các BBĐ

bán dẫn công suất, các loại bộ biến đổi bán dẫn (AC-DC,

AC-AC, DC-DC, DC-AC),

◦ Sau khi đã biết về Điều khiển trong ĐTCS, các quy luật điều

chế PWM, SVM, các phương pháp xây dựng các mạch vòng

điều chỉnh,

◦ Ta có thể bắt đầu nghiên cứu các ứng dụng của ĐTCS trong

các hệ thống, các môi trường đặc thù khác nhau.

◦ Mỗi hệ thống, mỗi môi trường đặc thù này đặt ra các vấn đề

khác nhau cần giải quyết Giải quyết được một số vấn đề này

là mục tiêu của ĐTCS nâng cao!

 Mục tiêu:

◦ Giới thiệu những xu hướng phát triển và ứng dụng quan trọng của Điện

tử công suất

◦ Phương pháp phân tích các bộ biến đổi bán dẫn công suất trong các

phạm vi ứng dụng đặc thù, hiểu rõ các đặc tính kỹ thuật yêu cầu

◦ Nắm rõ cấu trúc mạch động lực, hệ thống điều khiển bộ biến đổi bán dẫn

công suất trong các lĩnh vực ứng dụng

 Yêu cầu:

◦ Sử dụng tốt Matlab-Simulink,

◦ Đọc được tài liệu tham khảo tiếng Anh

 Thi, kiểm tra:

◦ Được lựa chọn: 1 Xây dựng được một mô hình mô phỏng, trình bày ở

lớp; 2 Làm bài viết 120 phút, được dùng tất cả các loại tài liệu (Open

◦ II.2 Tuyến tính hóa bằng phương pháp phản hồi trạng thái (Chương 9, TLTK 1)

◦ II.3 Điều khiển tựa thụ động cho Điện tử công suất (Chương 10, TLTK 1)

◦ II.4 Điều khiển hệ có cấu trúc thay đổi – Sliding mode (Chương 11, TLTK 1)

◦ II.5 Điều khiển biến phẳng - Flatness

 1 Mô hình hóa và thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi Điện

tử công suất (Bài giảng Điều khiển Điện tử công suất); Trần

Trọng Minh; 2014.

 2 Power Electronic Converters Modeling and Control; Seddik

Bacha, Iulian Munteanu, Antonera Iuliana Bratcu; Springer

2014.

 3 Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks;

Ryszard Strzelecki, Grzegorz Benysek; Springer 2008.

 4 Digital Control in Power Electronics; Simone Buso and

Paolo Mattavelli; Copyright © 2006 by Morgan & Claypool.

 Một số tài liệu khác …

Phần I

 I.1 Các vấn đề chung

 I.2 Mô hình hóa và mô phỏng mạch ĐTCS

 Sẽ tìm hiểu những vấn đề khi muốn tăng công suất của các bộ

biến đổi theo hướng dòng điện lớn và điện áp cao Phải làm

thế nào?

 Sẽ tìm hiểu lĩnh vực ứng dụng quan trọng của ĐTCS trong

điều khiển hệ thống năng lượng, bù và đảm bảo chất lượng

điện áp Đặc biệt liên quan đến lưới điện phân tán.

◦ Những ứng dụng rộng rãi của ĐTCS trong điều khiển máy điện đã được

đề cập đến trong các môn học về Truyền động điện Không đề cập ở đây

◦ Các bộ biến đổi dùng thyristor trong các bộ chỉnh lưu hay những bộ

nguồn cho các quá trình công nghệ đã đề cập đầy đủ trong chương trình

ĐTCS cơ bản

Xu hướng Ví dụ

 Xu hướng phát triển: dải

công suất trải rộng, từ nhỏ,

 Đặc biệt: tham gia vào điều

khiển trong hệ thống năng

lượng.

 Vài W đến vài trăm W, thành phần chính trong các

hệ thống Power management của các thiết bị nhỏ.

 Vài trăm kW đến vài chục MW.

 FACTS: hệ truyền tải,

 DG – Distributed Generation, Custom Grid, Renewable Energy System,

…

 Sự phát triển của ĐTCS liên

1/24/2015 11

 Các lĩnh vực liên quan đến Điện tử công suất

1/24/2015 13

Các bộ biến đổi Điện tử công suất.

1/24/2015 15

 Sơ đồ các lớp mạch của bộ biến đổi

 Các phần tử trong mạch của bộ

biến đổi

1/24/2015 17

 Tỷ lệ khối lượng và thể tích các phần tử trong bộ

biến đổi bán dẫn

1/24/2015 19

 Chuyển mạch: vấn đề cực kỳ quan trọng đối với công suất lớn

 Ba loại chuyển mạch: Cứng (Hard switching), Snubbered, Soft-switching

 Mạch L1-D1-R1: hỗ trợ khi mở (turn-on),

 Mạch D2-R2-C2: hỗ trợ khi khóa (turn-off).

Zero current switch - ZCS Zero voltage switch - ZVS

 Bài tập 1: Mô phỏng bộ nghịch lưu soft switching.

 Tài liệu: Soft Switching Space Vector PWM Inverter Using a

New Quasi-Paralell Resonant DC link; Yong C Jung, Hyo L

Liu, Guk C Cho, Gyu H Cho; IEEE Trans On Power

Electronics, Vol 11, NO 3, May 1996.

 Mạch điện tương đương và đồ thị dạng dòng điện, điện áp:

 Tài liệu tham khảo:

◦ 1 Modeling and simulation of power electronic converters; Maksimovic

D., Stankocovic A.M., Thottuvelil V.J., Verghese G.C.; Proceedings of

the IEEE, Vol 89, No 6, June 2001

◦ 2 Generalized Averaging methode for power conversion circuits; Sander

S.R., Noworolski J.M., Liu X.Z, Verghese G.C.; IEEE Trans on Power

Electronics, Vol 6, No 2, April 1991

◦ 3 Automatic modelling of Power Electronic Converter, Average model

construction and Modelica model generation ; Loig ALLAIN Asma

MERDASSI, Laurent GERBAUD; Proceedings 7th Modelica

Conference, Como, Italy, Sep 20-22, 2009

◦ 4 Fundamentals of Power Electronics; R W Erickson, Dragan

Maksimovic, Kluwer Academic Publishers, 2004

 Các phương pháp mô hình hóa ĐTCS:

◦ Vì các bộ biến đổi bán dẫn công suất là những hệ thống đóng cắt nên hệ

phương trình mô tả mạch điện có dạng thay đổi ứng với mỗi trạng thái

đóng cắt của van Các quá trình xảy ra trong BBĐ cũng thường có tính

chu kỳ Vì vậy có hai cách tiếp cận khi mô hình hóa BBĐ:

◦ 1 Tiến hành phép trung bình hóa để loại bỏ yếu tố đóng cắt, mục tiêu là

thu được một hệ phương trình trên các đại lượng liên tục, có thể là phi

tuyến Tiếp theo có thể nghiên cứu tiếp hệ phi tuyến này bằng các công

cụ đã biết, ví dụ thông qua tuyến tính hóa để có được hệ tuyến tính hoặc

có thể dùng trực tiếp các công cụ phi tuyến

◦ Theo hướng này phổ biến nhất là: 1 Phương pháp trung bình hóa hệ

phương trình trạng thái; 2 Trung bình hóa mạng đóng cắt

◦ 2 Mô hình hóa bằng hệ trích mẫu, tức là chấp nhận tính gián đoạn của

các đại lượng cần quan tâm Phương pháp này không phổ biến lắm

 Sau đây sẽ xét hướng tiếp cận thứ nhất

 Đưa ra được quan hệ đầu ra – đầu vào trong quá trình xác lập

như điện áp, dòng điện phụ thuộc vào mạch điện và các thông

số của sơ đồ.

 Đưa ra được hình dạng dòng điện, điện áp trên mỗi phần tử

bán dẫn.

 Xác định các đặc tính động của sơ đồ, qua đó xác định được

cấu trúc của các mạch vòng, đảm bảo độ quá điều chỉnh, thời

gian và độ chính xác điều chỉnh.

 Sau khi các phần tử của sơ đồ đã được lựa chọn và có thể đã

xây dựng được mô hình vật lý, cần tiến hành phân tích các chế

độ làm việc bất thường.

 1 Mô hình trạng thái đóng cắt

(Mô hình chính xác – Exact

model)

 2 Mô hình giá trị trung bình

◦ Mô hình trung bình tín hiệu lớn

 Mô hình trạng thái đóng cắt sử dụng trực tiếp hàm đóng cắt

của van bán dẫn q(t) để mô tả hoạt động của sơ đồ

 Các mô hình này gần với trạng thái làm việc thật của bộ biến

đổi

 Tính gần đúng có thể được áp dụng theo mức độ tăng dần độ

phức tạp để thể hiện các đặc tính theo thời gian của các dạng

dòng điện, điện áp cần quan tâm

 Lúc đầu có thể coi các van bán dẫn như những khóa lý tưởng,

nối hoặc cắt hoàn toàn một phần mạch điện

 Sau đó có thể tính tới sụt áp trên van khi dẫn dòng với một

phần điện trở động thể hiện sụt áp theo độ lớn của dòng điện

 Có thể lập phương trạng thái cho

mỗi khoảng làm việc, ứng với

mỗi trạng thái đóng cắt của van:

◦ T: chu kỳ hoạt động

◦ ti: thời điểm chuyển mạch thứ i

◦ N: số trạng thái trong chu kỳ T

◦ x: vector trạng thái (dim[n])

◦ Ai: ma trận trạng thái cho thời điểm

◦ Trong một chu kỳ T có N trạng thái, i

◦ Mô hình chính xác dùng để phân tích các chế độ làm việc của BBĐ

◦ Là cơ sở để chuyển sang các

mô hình trạng thái trung bình

◦ Đa số các BBĐ làm việc với

tần số nào đó

◦ Mô hình trung bình thể hiện

đặc tính của quá trình ở mức độ

chính xác nào đó, phù hợp với

yêu cầu xem xét trong một

khoảng thời gian nhất định

◦ Bỏ qua ảnh hưởng của quá

trình đóng cắt nên dễ dàng hơn

cho việc phân tích mạch

◦ Cơ sở của phép trung bình hóa

là phép lấy trung bình trượt:

◦ Mô hình trung bình tín hiệu lớn

chỉ tính tới giá trị DC trong

phân tích Fourier, nghĩa là lấy

inductor Boost Converters,

hãy xác lập mô hình giá trị

trung bình tín hiệu lớn

(DC).

 Mô hình trung bình tín hiệu lớn

có dạng phi tuyến Chưa thể dùng

vector trạng thái (dim[n]); u vector tín

hiệu vào (dim[p]).

dx/dt = 0.

 Lấy số gia:

 Hệ trở thành:

 Các ma trận có dấu ngã ở mũ tính bằng:

 Bài tập 4:

◦ Từ mô hình giá trị trung bình

tín hiệu lớn (DC), hãy xây

dựng các mô hình tín hiệu nhỏ

(AC) cho Boost, Buck,

Boost-Buck Converters

◦ Có nhận xét gì về các hàm

truyền thu được? Nhận xét

thông qua đặc tính tần số của

các hàm truyền tương ứng,

điểm cực, điểm zero, …, hệ số

khuếch đại Thông qua một ví

dụ cụ thể nào đó

 Mô hình trung bình tổng quát cho

phép phân tích chính xác hơn

những sơ đồ có các biến vừa một

chiều (DC) vừa xoay chiều (AC)

 Giả thiết rằng chu kỳ T gần như

không đổi hoặc thay đổi chậm

 Phương trình trạng thái cho thành

phần sóng hài bậc k của phân tích

Fourier viết dưới dạng:

 Thông thường ta chỉ tính đến thành phần sóng hài bậc nhất, k=1, cho các biến xoay chiều:

 Đối với các thành phần một chiều, k=0:

 Với lưu ý rằng các ma trận A, Bibất biến theo thời gian, phương trình trạng thái của mô hình chính xác sẽ trở thành:

phức (vector), có độ dài thay đổi

theo thời gian

 Biên độ của phazor hạng k được

các sóng hài bậc cao hơn.

vì số phương trình tăng lên theo.

phần mềm để tự động hóa quá trình xây dựng và khảo sát mô hình trung bình tổng quát Ví dụ AMG trên nền Modelica.

 Phương trình trạng thái cho tín

hiệu nhanh x f:

 P/t trạng thái trung bình:

 Cho và coi biến chậm

không đổi X s, tìm giá trị xác lập

của biến nhanh

 Thay vào pttt của biến chậm

và tiến hành lấy trung bình, thu được p/t tín hiệu lớn:

quát, nếu không có phần mềm tự động thì mô hình trung bình tương đương cũng rất khó áp dụng.

 Sau khi có được mô hình

giá trị trung bình, gọi là mô

hình tín hiệu lớn, bước tiếp

theo là xây dựng mô hình

tín hiệu với các biến động

nhỏ (AC).

 Số lượng phương trình tăng

lên tùy theo mức độ chính

xác yêu cầu.

 Do tần số đưa vào như biến

đầu vào nên có thể khảo sát

đặc tính điều khiển khi thay

Phần II

 Xem Chương 8 trong TLTK 1.

 Xem Chương 9 TLTK 1

 Xem Chương 10 TLTK 1

 Xem Chương 11 TLTK 1

Phần III

 Khi công suất BBĐ tăng lên, đến vài MW, các phần tử bán dẫn

phải làm việc với điện áp cao, đóng cắt dòng điện lớn hơn.

 Các vấn đề đặt ra đối với tốc độ tăng điện áp dU/dt, cùng với

nó là độ đập mạch dòng điện ΔI.

 Ở công suất lớn tần số PWM fskhông thể rất cao hơn tần số

cơ bản ra mong muốn được, fscó thể chỉ cỡ 1-2 kHz trở

xuống, thậm chí đến vài trăm Hz.

 Giải pháp là:

◦ Sử dụng biến tần trên cơ sở nghịch lưu đa mức (Multilevel Inverter)

◦ Ghép nối tiếp, song song các BBĐ

◦ Sử dụng các thuật toán tối ưu thành phần sóng hài bằng các quy luật

điều chế cố định, theo chương trình định trước

mềm (Đã nghiên cứu ở trên, phần I.1.6)

 Mục tiêu đặt ra của nghịch lưu đa cấp là:

◦ Giảm tốc độ tăng điện áp của các xung điện áp đầu ra lên tải dU/dt ảnh

hưởng đến khả năng cách điện của cáp dẫn và của cách điện dây cuốn

động cơ dU/dt cũng làm tăng dòng rò cáp dẫn và dây cuốn động cơ

◦ Giảm điện áp đặt lên các van bán dẫn (Voltage stress)

◦ Cải thiện chất lượng sóng hài trên sóng điện áp ra Lưu ý rằng với BBĐ

làm việc với điện áp cao, dòng điện lớn không thể cho các van đóng cắt

với tần số cao được

◦ Cải thiện chất lượng sóng hài không đồng nghĩa với giảm được độ đập

mạch của dòng tải ΔIL Ví dụ với quy luật điều chế theo mẫu xung định

sẵn có thể tối ưu về thành phần sóng hài trong nghịch lưu hai cấp nhưng

trong nghịch lưu hai cấp thì ΔILlớn gấp đôi so với nghịch lưu ba cấp với

cùng giá trị điện áp ra yêu cầu Do bước nhảy điện áp trong nghịch lưu

đa cấp nhỏ hơn nên cải thiện được độ đập mạch dòng điện, từ đó giảm

được tổn thất do sóng hài dòng điện sinh ra

 VSI cơ sở: sơ đồ nửa cầu

◦ Sơ đồ (Half Bridge)

 VSI cầu một pha (Full Bridge)

 VSI cầu 1 pha: phương pháp điều chỉnh dịch pha (Phase shift).

◦ Có hai nhánh cầu nên độ tự do tăng lên

 Nghịch lưu ba cấp PWM cầu một pha.

◦ Sóng hài bậc cao có bậc gấp đôi:

◦ Cần hai sin chuẩn, ngược pha

180 hoặc …

 Nghịch lưu ba cấp PWM

cầu một pha.

◦ Sóng hài bậc cao có bậc gấp đôi:

◦ Cần hai sin chuẩn, ngược pha 180 hoặc

hai sóng răng cưa, lệch pha 180

 Nghịch lưu ba pha.

◦ Dạng điện áp ra gọi là dạng 6

xung Điện áp pha trên tải có

4 cấp: +2/3Ud, +1/3Ud, -1/3Ud,

-2/3Ud Điện áp dây có 3 mức:

◦ Điện áp dây là hiệu của điện

áp ra của hai nhánh nửa cầu

nên trở thành 3 mức Cần ba

sin chuẩn, lệch nhau 120

◦ Vì là nghịch lưu 3 mức, thành

phần sóng hài giống như sơ đồ

cầu một pha PWM, khác về giá

trị điện áp

 Ví dụ nghịch lưu hai cấp và ba cấp:

1/24/2015 61

 Xuất phát từ sơ đồ nửa cầu cơ bản:

1/24/2015 63

 1 Sơ đồ dùng điôt kẹp (diode clamped):

◦ Muốn ra được N+1 mức cần 2N van và ít nhất 2(N-1) điôt kẹp, N tụ

◦ NPC (Neutral-point-clamped), điôt kẹp điểm không, là một trường hợp

riêng Thường ứng dụng cho hệ truyền động công suất lớn hoặc trong

các mạch STATCOM, trong đó điện áp làm việc cao, dạng điện áp ra cần

có chất lượng sóng hài tốt là một yêu cầu thiết yếu

 2 Sơ đồ dùng tụ tự do (Flying capacitor):

◦ Không cần điôt kẹp, cần 2N van và N-1 tụ tự do

◦ Nạp điện cho tụ ban đầu là một vấn đề

◦ Tụ tự do là thừa trong một chu kỳ đóng cắt nên có thể dùng để cân bằng

điện áp trên tụ Do đó chỉ cần dùng một nguồn DC duy nhất

◦ Thường dùng cho đầu kéo (giao thông đường sắt)

 3 Sơ đồ nối tầng cầu chữ H (cascaded H bridge VSI):

◦ Ghép các module cầu H Dùng van rẻ tiền Có thể tạo ra dạng điện áp ra

chất lượng cao Tuy nhiên cần nguồn DC cách ly, MBA phức tạp, nhiều

van Thường dùng cho các hệ truyền động công suất lớn, trung thế

1/24/2015 65

 Ví dụ về sơ đồ NL 4 cấp dùng điôt kẹp (Diode clamped VSI).

1/24/2015 67

1 Xác định trạng thái van state switch:

◦ Không làm ngắn mạch nguồn áp (tụ C);

◦ Không hở mạch nguồn dòng (cuộn cảm L).

2 Với mỗi trạng thái van xác định

vector trạng thái state vector

3 Xây dựng đồ thị vector không gian:

các vector biên và các sector.

4 Cho vector mong muốn dưới dạng hệ

tọa độ cực , , hoặc dạng tọa độ,

5 Tính toán hệ số biến điệu tùy theo vị

trí của vector mong muốn nằm trong

U e

( ,u u )

Ký hiệu

Trạng thái van Điện áp

ra

S1x S2x S3x S4x

Trạng thái van u a u b u c u/E Vectơ

 Quy luật tổng hợp vector đầu ra

mong muốn khi vector nằm trong một

 Vector không gian:

◦ Có 3 loại vector: vector lớn LV, trung bình

V4

V18 V7 V8

V9 V10

 Bài tập 5: Hãy xây dựng mô hình mô phỏng nghịch lưu ba

cấp điều chế vector không gian.

điều chế vector không gian.

 Giả sử vector u nằm trong góc phần 6 thứ I.

 Trong góc I theo m1, m2xác định vector u nằm trong tam giác

nhỏ nào (1, 2, 3, 4) Từ đó xác định được hệ số biến điệu và

vector cần lựa chọn theo bảng sau đây:

1 2

1 1 1

m m

1 1

m m

1 1

m m

1 2

1 1 1

m m

Hệ số biến điệu

1 2

1 1 1

m m

1 1

m m

1 1

m m

m m









 Vấn đề cân bằng điện áp trên tụ một chiều:

 Phương pháp cân bằng: theo dõi chiều dòng điện của các pha,

ia, ib, ic, và điện áp trên tụ Chọn vector nhỏ V1, V2, …, V6

và chiều dòng điện cũng như điện áp trên tụ theo bảng sau:

 Kết quả mô phỏng qua ví dụ thể hiện trên đồ thị điện áp ra và

dòng điện như hình dưới đây.

-400 -200 0 200 400

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -20

0 20

◦ Sơ đồ có tính modun hóa cao Mỗi khâu là một cầu một pha chữ H được

xây dựng từ modun mạch lực chuẩn, dễ thay thế, sửa chữa, giá thành hạ

◦ Cần có các nguồn DC cách ly, dẫn đến mạch chỉnh lưu và biến áp chỉnh

lưu phức tạp

◦ Do phía nghịch lưu là cầu một pha nên công suất trao đổi có dạng đập

mạch với tần số bằng 2 lần tần số sóng cơ bản, dẫn đến tụ DC phải có

giá trị lớn hơn (Minh họa sau đây)