Nghiên cứu điều khiển thích nghi tham số biến đổi nguồn xoay chiều ba pha

Như chúng ta đã biết, chất lượng của bộ điều khiển trong bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM sẽ quyết định đến chất lượng của bộ biến đổi đó và việc thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI THAM SỐ

BIẾN ĐỔI NGUỒN XOAY CHIỀU BA PHA

23.04.3898

NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Học viên thực hiện : NGÔ THÁI BẰNG

Người hướng dẫn khoa học : TS LƯU HỒNG VIỆT

Hà Nội – 2009

Tôi xin cam đoan rằng luận văn tốt nghiệp này là do tôi thực hiện dưới

sự hướng dẫn của thầy giáo TS Lưu Hồng Việt, các số liệu và kết quả trong

luận văn là hoàn toàn trung thực, không sao chép các công trình khoa học hay các luận văn của các tác giả khác

Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo

đã được ghi ở phần tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu nào khác mà không được liệt kê ở phần tài liệu tham khảo

Học viên

Ngô Thái Bằng

Mục lục

Danh mục hình vẽ iiiDanh mục bảng biểu ivDanh mục ký hiệu vDanh mục chữ viết tắt viLời nói đầu 1Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 5

1.1 Giới thiệu chung về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 5

1.2 Cấu trúc của bộ biến đổi 7

1.3 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 10Chương 2: Xây dựng mô hình bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 14

2.1 Mô tả toán học của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 14

2.1.1 Mô tả dòng và điện áp pha 15

2.1.2 Mô tả điện áp đầu vào trong bộ biến đổi xoay chiều

2.2 Mô hình của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 16

2.2.1 Mô hình của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM

trong hệ tọa độ tự nhiên 16

2.2.2 Mô hình của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM

trong hệ tọa độ cố định α-β 17

2.2.3 Mô hình của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM

trong hệ tọa độ quay đồng bộ d-q 18

2.3.4 Mô hình trạng thái của bộ biến đổi xoay chiều

2.3.4.1 Mô hình trạng thái trên miền thời gian 21

2.3.4.2 Mô hình trạng thái gián đoạn 25

Chương 3: Xây dựng lý thuyết bộ quan sát trượt thích nghi cho bộ biến đổi

3.1 Lý thuyết về bộ quan sát trượt gián đoạn 27

3.2 Lý thuyết về bộ quan sát trượt thích nghi 32

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 35

4.1 Thiết kế bộ điều khiển kiểu deadbeat 36

4.2 Thiết kế bộ quan sát trượt gián đoạn thích nghi 38

Chương 5: Mô phỏng và kết quả 43

5.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 44

5.1.1 Bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 44

5.2.1 Trường hợp điện cảm L không thay đổi 52

5.2.2 Trường hợp điện cảm L thay đổi 56

5.3 Kết luận 70

Chương 6: Kết luận và phương hướng phát triển đề tài 71

Tài liệu tham khảo 73

iii

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1: Các kỹ thuật giảm sóng hài ba pha phổ biến 6

Hình 1.2: Bộ biến đổi Diot 8

Hình 1.3: Các cấu trúc của bộ biến đổi 9

Hình 1.4: Bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 11

Hình 1.5: Sơ đồ pha của bộ biến đổi PWM 12

Hình 1.6: Các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi ba pha PWM 13

Hình 2.1: Mối quan hệ giữa các vector trong bộ biến đổi xoay chiều ba pha 14

Hình 2.2: Sơ đồ khối của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM trong hệ tọa độ tự nhiên 17

Hình 2.3: Sơ đồ khối của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM trong hệ tọa độ α-β 18

Hình 2.4: Sơ đồ khổi của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM trong hệ tọa độ d-q 19

Hình 2.5: Dòng công suất trong bộ biến đổi xoay chiều ba pha phụ thuộc vào chiều của i L 20

Hình 2.6: Sơ đồ bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 21

Hình 2.7: Mô hình trạng thái gián đoạn 26

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 34

Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 36

Hình 4.2: Cấu trúc của bộ điều khiển dòng deadbeat 37

Hình 5.1: Toolbox Plecs 43

Hình 5.2: Mô hình bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 44

Hình 5.3: Sơ đồ bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 45

Hình 5.4: Mô hình bộ tính góc lệch pha 45

Hình 5.5: Sơ đồ bộ tính góc lệch pha 46

Hình 5.6: Mô hình khâu điều chế vector không gian 46

Hình 5.7: Khâu điều chỉnh dòng 47

Hình 5.8: Sơ đồ khầu điều khiển dòng kiều deadbeat 47

Hình 5.9: Khâu quan sát trượt 48

Hình 5.10: Khâu tính hàm bù v[k] 49

Hình 5.11: Mô hình khâu chỉnh định tham số θ 49

Hình 5.12: Các tham số cần thiết lập cho cơ cấu chỉnh định tham số θ 50

Hình 5.13: Mô hình khâu điều chỉnh điện áp một chiều 50

Hình 5.14: Sơ đồ khâu điều khiển điện áp một chiều PI 50

Hình 5.15: Sơ đồ mô phỏng bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 51

Hình 5.16: Chất lượng của bộ điều khiển deadbeat và bộ điều khiển thích nghi khi điện cảm L và tải không đổi 53

Hình 5.17: Chất lượng của bộ điều khiển deadbeat và bộ điều khiển thích nghi khi điện cảm L không đổi và tải thay đổi 100% 55

Hình 5.18: Chất lượng của bộ điều khiển deadbeat và bộ điều khiển thích nghi khi điện cảm L thay đổi 5% và tải không đổi 57

Hình 5.19: Chất lượng của bộ điều khiển deadbeat và bộ điều khiển thích nghi khi điện cảm L thay đổi 20% và tải không đổi 59

Hình 5.20: Chất lượng của bộ điều khiển thích nghi khi điện cảm L thay đổi 30%

và tải không đổi 62

Hình 5.21: Chất lượng của bộ điều khiển thích nghi khi điện cảm L thay đổi 30% và tải thay đổi 100% 64

Hình 5.22: Chất lượng của bộ điều khiển thích nghi khi điện cảm L thay đổi 30% và giá trị đặt điện áp một chiều thay đổi 10% 66

Hình 5.23: Chất lượng của bộ điều khiển thích nghi khi điện cảm L thay đổi 50%70 Danh mục bảng biểu Bảng 1: Đặc điểm của các cấu trúc bộ biến đổi 10

Bảng 2: Các tham số của hệ thống 44

Danh mục chữ viết tắt

Lời nói đầu 1

Lời nói đầu

- -^ ]- -

xanh, sạch ngày càng được đề cao Và nó cũng đã thâm nhập cả vào lĩnh vực cung cấp và sử dụng năng lượng Những năm gần đây vấn đề hạn chế và loại

bỏ nhiễu cùng những thành phần hài bậc cao trong hệ thống cung cấp điện đang rất được quan tâm và đầu tư nghiên cứu Vấn đề này ngày càng quan tâm hơn khi mà các thiết bị điện tử như máy tính, máy in, tivi …, các tải có tính phi tuyến, ngày càng được sử dụng rộng rãi Những thiết bị này là nguồn gây ra sóng hài bậc cao trong dòng điện và các nhiễu điện từ, làm tăng công suất phản kháng và tổn hao trên đường truyền

nói chung và bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM nói riêng không những là cung cấp tốt năng lượng cho tải cuối cùng mà còn không làm ảnh hưởng đến chất lượng điện áp lưới, cũng như giảm tối đa tổn thất Như chúng ta đã biết, chất lượng của bộ điều khiển trong bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM sẽ quyết định đến chất lượng của bộ biến đổi đó và việc thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM là một trong những đối tượng nghiên cứu quan trọng nhất của điện tử công suất và là một vấn đề mang tính thời sự hiện nay Khi bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM làm việc trong môi trường

mà các tham số thay đổi, muốn bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM có chất lượng tốt thì bộ điều khiển của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM đó phải

có khả năng thích nghi với những tham số này

Xuất phát từ nhận thức trên, tôi nhận thấy việc nâng cao chất lượng của

khiển thích nghi tham số biến đổi nguồn xoay chiều ba pha” để làm luận văn

tốt nghiệp Đối tượng của đề tài này là bộ biến đổi xoay chiều ba pha có sử dụng kĩ thuật PWM Đã có nhiều phương pháp và cách giải quyết vấn đề chất lượng điều khiển cũng như giảm “ô nhiễm” đối với bộ biến đổi này Để có một cái nhìn tổng quan về vấn đề này tôi xin giới thiệu một số phương pháp

và cách giải quyết vấn đề nêu trên Theo đó hai phương pháp điều khiển được thường được sử dụng hiện nay là phương pháp điều khiển công suất trực tiếp (DPC) và phương pháp điều khiển tựa theo điện áp lưới (VOC)

Phương pháp DPC, tương tự phương pháp DTC được sử dụng đối với động cơ cảm ứng Trong DPC, cả công suất hữu công và công suất vô công tức thời sẽ được điều khiển

Phương pháp VOC, tương tự phương pháp điều khiển tựa theo vector

từ thông rotor được sử dụng phổ biến hiện nay trong điều khiển động cơ cảm ứng Trong VOC, 2 thành phần dòng điện lưới được tách kênh và điều khiển độc lập và phương pháp này được sử dụng rộng rãi hơn

vòng điểu khiển dòng điện ở bên trong và vòng điều khiển điện áp một chiều

ở bên ngoài (cấu trúc điều khiển tầng) Đối với vòng điểu khiển trong, đây là vòng điều khiển quyết định trực tiếp đến chất lượng của bộ biến đổi, ta có thể

áp dụng các luật điều khiển: PI, deadbeat, hay mờ

Luận văn này đề cập đến một cách tiếp cận trong việc thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM thoả mãn yêu cầu nêu trên Đó

là áp dụng kỹ thuật điều khiển kiểu deadbeat cho bộ điều khiển dòng của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM, đây là một kỹ thuật có lẽ được ứng dụng rộng rãi nhất hiện này trong kỹ thuật điều khiển dòng Và để nâng cao chất

Lời nói đầu 3

lượng cũng như tính bền vững của bộ điều khiển deadbeat, một bộ quan sát trượt thích nghi được thiết kế để làm việc trong trường hợp điện cảm có giá trị bất định

Mục đích của việc nghiên cứu đề tài này ngoài nhiệm vụ tốt nghiệp mà học viên phải hoàn thành, bản thân tôi còn hy vọng qua đề tài này sẽ củng cố

và hệ thống lại những kiến thức đã học được ở trường; làm quen dần với phương pháp luận khoa học ứng dụng vào thực tiễn

ƒ Nghiên cứu lý thuyết điều khiển thích nghi tham số, lý thuyết về kỹ thuật điều khiển kiểu deadbeat và bộ sát trượt

ƒ Áp dụng các lý thuyết đó vào trong bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM

Với nhiệm vụ trên, nội dung luận văn bao gồm có 6 chương:

ƒ Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM

ƒ Chương 2: Xây dựng mô hình bộ biến đổi xoay chiều ba pha

PWM

ƒ Chương 3: Xây dựng lý thuyết quan sát trượt thích nghi cho bộ

biến đổi xoay chiều ba pha PWM

ƒ Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi xoay chiều ba

pha PWM

ƒ Chương 5: Mô phỏng và kết quả

ƒ Chương 6: Kết luận và phương hướng phát triển đề tài

Luận văn này hoàn thành là nhờ sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo

hướng dẫn TS.Lưu Hồng Việt Tuy nhiên, đây là một lĩnh vực lớn mà trình

độ tiếp thu học tập của bản thân còn nhiều hạn chế, thời gian nghiên cứu có hạn nên luận văn này sẽ không tránh khỏi những thiếu xót Kính mong quý

thầy cô và nhà trường góp ý xây dựng thêm để tôi hoàn thành tốt được nhiệm

vụ học tập, nghiên cứu đã đề ra

Xin chân thành cảm ơn thầy Lưu Hồng Việt, nhà trường đã giúp đỡ tôi thực hiện Luận văn Cao học này

Hà Nội, ngày 26 tháng 10 năm 2009

Học viên thực hiện

Ngô Thái Bằng

Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 5

ba pha PWM

1.1 Giới thiệu chung về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM

bộ biến đổi trước khi được sử dụng ở tải cuối cùng ngày càng tăng Về bản chất, các bộ biến đổi có đặc tính phi tuyến, nên khi hoạt động sẽ tạo ra các dòng điện sóng hài bậc cao trong lưới ba pha Có nhiều phương pháp để giảm, khử nhiễu và sóng hài trong hệ thống điện đã và đang được nghiên cứu rộng rãi Vấn đề này càng được quan tâm khi mà số lượng các thiết bị điện ngày càng được sử dụng nhiều như máy tính, máy in, tivi,… Thiết bị này, tải phi tuyến là nguồn gốc của các sóng hài, làm tăng công suất vô công và gây lên tổn hao trên đường dây truyền tải Sóng hài cũng là nguyên nhân gây lên hiện tượng nhiễu điện từ và đôi khi rất nguy hiểm Hơn nữa các tải phi tuyến và dòng không sin này sẽ tạo ra điện áp không sin rơi trên các trở kháng của mạch Nó tạo lên hiện tượng quá nhiệt trên đường dây, máy biến áp và máy phát do có tổn hao sắt từ Do vậy khi giảm thành phần sóng hài trên đường dây xuống còn một vài phần trăm cho phép tránh được hầu hết các vấn đề đã nêu ở trên Hiện nay đã có nhiều phương pháp để giảm sóng hài và kỹ thuật này dựa trên các phần tử bị động, trộn giữa bộ biến đổi Diot một pha – ba pha

và kỹ thuật điện tử công suất như: bộ biến đổi đa xung, các bộ lọc tích cực và

bộ biến đổi PWM Ta có thể chia làm 2 nhóm chính được thể hiện trong hình 1.1 dưới đây:

Hình 1.1: Các kỹ thuật giảm sóng hài ba pha phổ biến

Phương pháp truyền thống để giảm sóng hài là sử dụng các bộ lọc LC

nối song song với lưới Cấu trúc của bộ lọc thường gồm có tụ điện mắc nối

tiếp với cuộn cảm và số lượng của chúng phụ thuộc vào số sóng hài cần được

lọc (bậc 5, bậc 7, bậc 11, bậc 13) Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản

và chi phí thấp Tuy nhiên nhược điểm dễ nhận thấy đó là sự cồng kềnh và

với mỗi một ứng dụng lại cần sự thiết kế và lắp đặt lại: kích thước và thay thế

các bộ phận của bộ lọc,… Trong trường hợp bô biến đổi Diot thì phương

pháp đơn giản nhất để giảm sóng hài của dòng là bổ xung các cuộn cảm nối

tiếp ở đầu vào hoặc đầu ra của bộ biến đổi

Một phương pháp khác là dựa trên việc kết hợp tải một pha và ba pha,

cơ sở của phương pháp này là dòng hài bậc 5 và bậc 7 của bộ biến đổi Diot

Kỹ thuật giảm sóng hài

BỘ BIẾN ĐỔI TĂNG ÁP

Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 7

một pha thường ngược pha với dòng hài bậc 5 và bậc 7 của bộ biến đổi Diot

ba pha

điện tử công suất Mặc dù ưu điểm là dễ thực thi nhưng nhược điểm của phương pháp này là sự cồng kềnh của máy biến áp, làm tăng điện áp rơi và tăng dòng hài khi tải bất đối xứng

biến đổi PWM Vì vậy trong phần này chúng ta chỉ đề cập đến bộ biến đổi PWM Bộ biến đổi PWM có 2 loại: nguồn dòng đầu ra và nguồn áp đầu ra Loại thứ nhất gọi là bộ biến đổi tăng áp (tăng điện áp) làm việc với cực tính điện áp một chiều cố định và loại thứ hai gọi là bộ biến đổi giảm áp (giảm điện áp) hoạt động với dòng một chiều cố định Những đặc điểm chính của bộ biến đổi PWM đó là:

ƒ Truyền công suất theo hai chiều

ƒ Dòng điện đầu vào gần sin

ƒ Khả năng điều chỉnh hệ số công suất tới một

ƒ Méo sóng hài của dòng đường dây thấp

ƒ Khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp một chiều (DC- Link) hoặc dòng

ƒ Giảm kích cỡ của tụ (hoặc cuộn cảm) do dòng liên tục

1.2 Cấu trúc của bộ biến đổi

Một bộ biến đổi PWM nguồn điện áp với bộ biến đổi Diot ở phía trước

là một trong số các cấu hình chung nhất sử dụng trong các hệ truyền động xoay chiều tốc độ biến đổi hiện đại

Hình 1.2: Bộ biến đổi Diot

vững và chi phí thấp Tuy nhiên nó chỉ cho phép truyền công suất theo một chiều, do đó cần có điện trở để tiêu tán năng lượng trả lại từ động cơ và được điều khiển bởi bộ đổi điện nối với DC- Link Với bộ biến đổi không điều khiển thì hệ số công suất mạch đầu vào Diot thấp hơn và sóng hài dòng đầu vào cao Một hạn chế khác của bộ biến đổi Diot không điều khiển là điện áp lớn nhất đầu ra cung cấp cho động cơ luôn luôn nhỏ hơn điện áp nguồn Phương trình (1.1) và (1.2) được sử dụng để xác định bậc và độ lớn của sóng hài trong bộ biến đổi Diot:

I h

/1

1

Bên cạnh cấu trúc bộ biến đổi Diot ta còn có các cấu trúc sau:

Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 9

Hình 1.3: Các cấu trúc của bộ biến đổi a) Bộ biến đổi loại tăng áp đơn giản

b) Bộ biến đổi Diot kết hợp với khả năng tái sinh PWM c) Bộ biến đổi Diot kết hợp với lọc tích cực PWM d) Bộ biến đổi 3 mức

e) Bộ biến đổi 2 mức Dưới đây là bảng so sánh đặc điểm của các cấu trúc bộ biến đổi xoay chiều ba pha:

Bảng 1: Đặc điểm của các cấu trúc bộ biến đổi

Tính năng

Cấu trúc

Khả năng điều chỉnh điện áp một chiều đầu ra

Méo sóng hài của dòng đường dây thấp

Dạng sóng gần sin

Khả năng chiều chỉnh hệ

số công suất

Truyền công suất theo hai chiều

Qua bảng so sánh trên ta thấy cấu trúc (e) có nhiều ưu điểm nhất và đây cũng

là cấu trúc được sử dụng phổ biến nhất Vì vậy từ đây trở về sau ta chỉ xét cấu trúc bộ biến đổi hai mức (bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM)

1.3 Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM

thuộc vào chỉ số điều chế và mức điện áp một chiều

Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 11

Hình 1.4: Bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM

a) Sơ đồ mạch b) Sơ đồ một pha Cuộn cảm nối giữa đầu vào của bộ biến đổi và đường dây là một phần quan trọng của mạch này Nó đưa đến đặc tính nguồn dòng của mạch đầu vào

và điện áp bộ biến đổi) Điều đó có nghĩa là điện áp rơi trên cuộn cảm bằng

khiển pha và giá trị của dòng đường dây Theo cách này, giá trị trung bình và dấu của dòng một chiều là đối tượng điều khiển, tỷ lệ với công suất hữu công dẫn qua bộ biến đổi Còn công suất vô công có thể được điều khiển một cách

Giản đồ pha trong trường hợp tổng quát, trong trường hợp hệ số công suất bằng một và hệ số công suất bằng trừ một được chỉ ra trong hình 1.5 Từ

độ chỉnh lưu (lên tới 3%) Điều đó có nghĩa là hai chế độ này là bất đối xứng

Hình 1.5: Sơ đồ pha của bộ biến đổi PWM

a) Trường hợp tổng quát b) Hệ số công suất bằng một (Chế độ chỉnh lưu) c) Hệ số công suất bằng trừ một (Chế độ nghịch lưu)

Bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM (Hình 1.4a) bao gồm 3 nhánh van Transistor IGBT hoặc trong trường hợp công suất lớn thì sử dụng Thyristor GTO Điện áp của bộ biến đổi được biểu diễn bằng 8 trạng thái chuyển mạch (Hình 1.6) được mô tả bởi phương trình (1.3):

1

π

jk dc k

e u

Chương 1: Tổng quan về bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 13

Chương 2: Xây dựng mô hình bộ biến đổi xoay

chiều ba pha PWM

2.1 Mô tả toán học của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM

Mối quan hệ giữa các vector của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM được biểu diễn ở hình 2.1 dưới đây:

Chương 2: Xây dựng mô hình bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 15

2.1.1 Mô tả dòng và điện áp pha

Điện áp và dòng pha có dạng:

t E

góc tương ứng với giả sử rằng:

được điện áp đầu vào trong hệ tọa độ này là:

3

β α β

2.1.2 Mô tả điện áp đầu vào trong bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM

Từ hình 1.6 ta xác định được điện áp dây đầu vào của bộ biến đổi xoay chiều

Khi đó f a , f b , f c có thể bằng 0, ± 1/3, ± 2/3

2.2 Mô hình của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM

2.2.1 Mô hình của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM trong hệ tọa độ

Chương 2: Xây dựng mô hình bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 17

c b a

c b a

c

b

a

u u u i

i

i dt

d L i i

i R u

u

u

(2.12)

Kết hợp các phương trình đó lại, ta có sơ đồ khối của bộ biến đổi xoay chiều

ba pha PWM trong hệ tọa độ tự nhiên như trong hình 2.2 dưới đây:

sL

R+1

sL

R+1

sL

R+1

31

sC

1

Hình 2.2: Sơ đồ khối của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM trong hệ tọa độ

tự nhiên 2.2.2 Mô hình của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM trong hệ tọa độ

α β

α β

α

L

L L

L L

L L

L

u

u i

i dt

d L i

i R u

u

1

β α

Khi đó ta có sơ đồ khối của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM trong hệ tọa

Sd Lq

Ld Ld

dt

di L Ri

Sq Ld

Lq Lq

dt

di L Ri

Chương 2: Xây dựng mô hình bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 19

Với S d = Sα cosωt+Sβ sinωt; S q =Sβ cosωt−Sα sinωt

Khi đó ta có sơ đồ khối của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM trong hệ tọa

sC

1

Hình 2.4: Sơ đồ khổi của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM trong hệ tọa độ

d-q

với điện áp rơi trên cuộn cảm, khi đó các phương trình ở trên được viết lại:

c b a

c

b

a

u u u i

i

i dt

d L u

u

u

α β

α

L

L L

L L

L

u

u i

i dt

d L u

u

(2.20)

Sd Lq

Ld

dt

di L

Sq Ld

Lq

dt

di L

Còn trong hệ tọa độ quay d- q ta có:

m m Ld

Ld Lq

u p

3

2

=+

Lq Ld Ld

3

2,

3

2,

0,

α jωLi L

p(-)

Hình 2.5: Dòng công suất trong bộ biến đổi xoay chiều ba pha phụ thuộc vào

chiều của i L

Chương 2: Xây dựng mô hình bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 21

xoay chiều ba pha PWM trên các hệ toạ độ tự nhiên, α-β và d-q Các sơ đồ

khối ở trên phục vụ mục đích mô phỏng Mô hình dành để thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM sẽ được đưa ra ở phần dưới đây

2.3.4 Mô hình trạng thái của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM

2.3.4.1 Mô hình trạng thái trên miền thời gian

Xét sơ đồ bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM:

b

a

S S S f

f

f

211

121

1126

1

Áp dụng luật Kirchoffs cho mạch trên ta viết được:

a a

dc

L f u L

b b

dc

L f u L

c c

dc

L f u L

dc c

c b

b a

a

RC f

i C f i C f i C

Trong đó T(θ) là ma trận chuyển đổi trạng thái, x là vector trạng thái mới:

dc q d

x x x

Chương 2: Xây dựng mô hình bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 23

00

02

/12

/12

/1

03/2sin3

/2sinsin

03/2cos3

/2coscos

3

πθπ

θθ

θ

Từ phương trình (2.36), ta nhận thấy rằng khi điện áp đầu ra không bị ảnh

không thay đổi Để đơn giản mô hình, một phép chuyển đổi biến thiên theo thời gian được sử dụng để các biến trạng thái xác lập điều hòa trở thành hằng

số Bằng cách khai triển đặc tính động của các biến trạng thái được chuyển đổi, cụ thể:

z T z T

Và bỏ qua thành phần trạng thái thứ ba đồng nhất bằng không do (2.29) và (2.36), ta có được:

L

u S u L i

L

u S u L i

dc q

q d

d

RC S

i C S

i C

2

32

d

f f

f S

S

3/33

/30

3/13/13/2cos

sin

sincos

θθ

θθ

d

S

S S

S

θθ

θθ

cossin

sincos

(2.41)

S S

S S

S

2/32

/30

2/12

/113

2

Chú ý rằng (2.40) cũng đúng cho phép chuyển hệ tọa độ từ hệ tọa độ tự nhiên

của dòng pha i a , i b , i c sang i d , i q trong hệ tọa độ d-q Vì vậy ta có thể nói rằng,

cả vector đầu vào và các dòng trong (2.38) có thể đạt được thông qua hai phép biến đổi: phép biến đổi thứ nhất là bất biến theo thời gian, đưa đến cách biểu diễn các biến trong một hệ tọa độ cố định và phép biến đổi thứ hai đạt được thông qua một ma trận quay đồng bộ với tần số của nguồn

Do vậy ta có được mô hình của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM

Ld Sd

Lq

L

u L i

Lq Sq

Ld

L

u L i

Trong đó:

d dc

q dc

S

S Sd

Sd

S

S Sq

Sd Sq

Sd

u u L

L u

u L

L i

i i

i

10

011

0

010

()

()

10

01

Chương 2: Xây dựng mô hình bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM 25

Phương trình (2.46) chính là mô hình trạng thái của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM trên miền thời gian

2.3.4.2 Mô hình trạng thái gián đoạn

Ngày nay, việc dùng vi xử lý trong kỹ thuật điều khiển các bộ biến đổi xoay chiều ba pha trở thành điều hiểu nhiên, không thể bỏ qua Các thuật toán

và mô hình được µP xử lý, có nghĩa là: chúng chỉ được tính toán ở các thời điểm gián đoạn Do vậy ta cần phải đi xây dựng mô hình trạng thái gián đoạn cho bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM

Như đã trình bày ở trên, ta đã có mô hình trạng thái của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM trong miền thời gian đó là:

)()

()

()

10

01

Gián đoạn hóa (2.46) với chu kỳ trích mẫu T ta có được:

][]

[]

[]

b a T

T

T T

ωω

ωω

cossin

sincos

(2.49)

d c T

L

T L

T L

T L

S S

S S

ωω

ωω

ωω

ωω

sin

12

sin2

2sin

2sin

()

()

thành

)()

()

Hình 2.7: Mô hình trạng thái gián đoạn

Trên đây ta đã xây dựng được mô hình trạng thái gián đoạn của bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM, tiếp theo dựa trên mô hình này ta sẽ đi thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi xoay chiều ba pha PWM

Chương 3: Xây dựng lý thuyết bộ quan sát trượt 27

thích nghi cho bộ biến đổi ba pha PWM

3.1 Lý thuyết về bộ quan sát trượt gián đoạn

Như lý thuyết điều khiển trượt liên tục, lý thuyết điều khiển trượt gián đoạn đã và đang được nghiên cứu rộng rãi Đó dường như là điều hiển nhiên trong các ứng dụng thời gian thực để thiết kế bộ điều khiển trong miền gián đoạn khi mà các thuật toán điều khiển được thực hiện thông qua các vi xử lý

µP, có nghĩa là: chúng chỉ được tính toán ở các thời điểm gián đoạn Tuy nhiên, lý do chính cho việc sử dụng điều khiển trượt gián đoạn thông thường liên quan đến các vấn đề xuất hiện khi mà thực hiện các thuật toán điều khiển trượt liên tục với bộ vi xử lý µP Trong thực tế, hiện tượng trượt, “chattering”, luôn là một hiện tượng cố hữu của chế độ trượt liên tục thực hiện trong các bộ

vi xử lý với chu kỳ trích mẫu nhỏ Việc sử dụng điều khiển trượt gián đoạn có thể giúp hạn chế và loại bỏ hiện tượng này Ở chế độ trượt gián đoạn, thành phần điều khiển tương đương được sử dụng để thay thế cho hàm chuyển mạch Chế độ trượt gián đoạn có thể không đảm bảo duy trì hệ thống trên mặt trượt khi hệ không biết chính xác Thay vào đó, trong quá trình trượt, hệ thống luôn được duy trì trong một vùng lân cận của mặt trượt Biên của mặt trượt sẽ phụ thuộc vào độ lớn biên trên sai số của mô hình và các tham số bất định

Như trong trường hợp điều khiển trượt liên tục, thành phần chuyển mạch trong bộ quan sát trượt liên tục được thay thế bởi một hàm liên tục mà được tính thông qua việc sử dụng phương pháp điều khiển tương đương, cũng được sử dụng cho bộ quan sát trượt gián đoạn

u B x A x A t

x

2

2 2 22 1 21 2

1 2 12 1 11 1

=

++

=

++

=

&

&

(3.1)

Ở đây, x = [x 1 , x 2 ] T là vector trạng thái, trong đó x 1 là vector trạng thái không

đã biết cũng như không biết

Gián đoạn hóa (3.1) với chu kỳ trích mẫu T ta có:

x

k u k

x k

x k

x

2 2

22 1

21 2

1 2

12 1

11 1

1

1

Γ+Φ

+Φ

=+

Γ+Φ

+Φ

=+

(3.2)

với:

( )

B B

B A

A A

A A

Bd e

e

T T A AT

ΦΦ

2

1 22

21

12 11

0 2

1 22

21

12 11

u k

x k

x k

x

2 1 2

2 22 1

21 2

2 1 2 1

2 12 1

11 1

~ˆ

ˆˆ

1ˆ

~ˆ

ˆˆ

1ˆ

λ

λλ

−Γ

+Φ

+Φ

=+

−Γ+Φ

+Φ

=+

(3.4)

Chúng ta cũng giả sử rằng, u có thể bao gồm cả thành phần đã biết và chưa

trong trường hợp khi đầu vào là không đo được Từ (3.2) và (3.4) ta xác định được vector sai lệch trạng thái:

x

k x v k

u k

x k

x k

x

2 1 2

2 22 1

21 2

2 1 2 1

2 12 1

11 1

~

~

~

~1

+Φ

+Φ

=+

−Γ

+Φ

+Φ

=+

Chương 3: Xây dựng lý thuyết bộ quan sát trượt 29

Mặt trượt trong trường hợp này được xác định:

hệ tiếp cận được mặt trượt ở thời điểm tiếp theo k + 1 và chuyển động của hệ

thống ở trên mặt trượt ngay từ thời điểm này Từ (3.5), xét các biến trạng thái

tính hàm bù Lý thuyết điều khiển trượt gián đoạn chỉ ra rằng, đối với những

Ta thấy rằng, đối với hệ có dạng (3.1), sử dụng hàm bù (3.11) thì ma trận hệ

lệch ước lượng của biến trạng thái đo được quyết định bởi việc lựa chọn hàm

Để có được kết quả xung quanh vấn đề này, chúng ta sử dụng các phương

21 2 11

muốn cho ước lượng của các biến trạng thái không đo được Tuy nhiên, cũng

rằng hệ ở trên mặt trượt Tuy nhiên, như chúng ta đã chỉ ra đối với các hệ bất định, hệ không được đảm bảo ở trên mặt trượt này Thay vào đó, hệ sẽ ở lân cận của mặt trượt Do đó, động học cho các biến trạng thái không đo được có thể không chính xác như đã chỉ ra trong phương trình (3.15) Điều này có nghĩa là tính bền vững chế độ trượt gián đoạn không bằng trong chế độ trượt liên tục

Chương 3: Xây dựng lý thuyết bộ quan sát trượt 31

Phương trình (3.15) cũng cho thấy rằng, như trong trường hợp của bộ quan sát trượt liên tục, đôi khi hệ này ở trong chế độ trượt, động học của hệ tương đương với bộ quan sát Luenberger giảm bậc Đặc biệt, từ phương trình (3.2), bộ quan sát Luenberger giảm bậc gián đoạn có thể được viết dưới dạng sau:

mô tả sai lệch cho bộ quan sát Luenberger bắt đầu bằng việc ước lượng Do

đó, sự thiếu tính bền vững của bộ quan sát trượt gián đoạn so với bộ quan sát trượt Luenberger giảm bậc có thể làm cho bộ quan sát Luenberger giảm bậc được lựa chọn nhiều hơn trong thiết kế Tuy nhiên, bộ quan sát giảm bậc thường có một dải tần lớn hơn khi so với bộ quan sát bậc đủ do các thành phần được chuyển đổi trực tiếp từ các đại lượng đo thông qua hệ số quan sát tới các trạng thái được ước lượng Do đó, bộ quan sát trượt giảm bậc có thể ít được lựa chọn nếu nhiễu đo là đáng kể

Qua trình bày ở trên ta đã có một cái nhìn tổng quan về bộ quan sát trượt gián đoạn, cũng như tính cần thiết của việc áp dụng bộ quan sát trượt trong thiết kế bộ điều khiển nói chung và thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi ba pha PWM nói riêng Tiếp theo, dựa trên lý thuyết về bộ quan sát trượt

gián đoạn này, ta sẽ đi xây dựng lý thuyết về bộ quan sát trượt gián đoạn thích nghi cho bộ biến đổi ba pha PWM khi mà giá trị điện cảm có sự bất định

3.2 Lý thuyết về bộ quan sát trượt thích nghi

Xét đối tượng có dạng dưới đây:

( )t f( ) (x t g x t) ( )u t

Trong đó: x, u là vector trạng thái và đầu vào tương ứng

f, g là các vector của các hàm theo thời gian

G

t x f t x f f

,ˆˆ,

,ˆˆ,

Từ đó bằng cách lấy (3.20) trừ (3.21) ta có được sai lệch trạng thái: