BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC

BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội 1.1 Ví dụ thiết kế điều khiển cho biến đổi DC-DC Các thủ tục thiết kế trình bày mục minh họa qua ví dụ thiết kế cụ thể biến đổi DC-DC tiêu biểu 1.1.1 Thiết kế điều khiển cho biến đổi kiểu Buck Yêu cầu thiết kế: Thiết kế điều khiển cho biến đổi kiểu Buck có thơng số sau: điện áp nguồn 28V, điện áp 15V cho dịng tải 5A (R = 3Ω), L =50µH, C= 500µF, tần số phát xung 100kHz 1.1.1.1 Điều khiển trực tiếp biến đổi buck qua dòng điện Từ Error! Reference source not found hàm truyền điện áp đầu hệ số điều chế viết lại dạng sau: Gvd  s   vo  s   Gvdo d  s   s  1   Q00  0  s (0.1) Và hàm truyền điện áp điện áp đầu vào viết lại dạng sau: Gvg  vo  s   Gvgo vg  s   s  1   Q00  0  s (0.2) Trong đó: Gvdo  Vin  28V Gvgo  D  f0  Vg Vo (0.3) 0   1kHz 2 2 LC Q0  R C  9,  (19,5dB) L Hình 10.1 cấu trúc điều khiển trực tiếp cho biến đổi kiểu buck vg vo*  Gc  s  d Gvg  s  Gvd  s  vo BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội Hình 10.1 Cấu trúc điều khiển trực tiếp biến đổi kiểu buck Bode Diagram 60 System: Gvd Frequency (Hz): 101 Magnitude (dB): 29 Magnitude (dB) 40 System: Gvd Peak gain (dB): 48.5 At frequency (Hz): 1e+003 20 System: Gvd Frequency (Hz): 5.44e+003 Magnitude (dB): -0.0481 -20 Phase (deg) -45 System: Gvd Phase Margin (deg): 1.16 Delay Margin (sec): 5.95e-007 At frequency (Hz): 5.42e+003 Closed Loop Stable? Yes -90 -135 -180 10 10 10 Frequency (Hz) Hình 10.2 Đồ thị Bode hàm truyền đạt (0.1) Khi khơng có bù, theo đồ thị Bode Hình 10.2 có tần số cắt xấp xỉ 5,5kHz độ dự trữ pha PM = 1,160 Ta thiết kế bù có cấu trúc theo Error! Reference source not found để có tần số cắt đạt f c = 10kHz (bằng 1/10 tần số phát xung) có độ dự trữ pha mong muốn 550 Biên độ tần số 10kHz hàm truyền đạt (0.1) tính là:  f  Gvdo    0.28  -11.0568dB  fc  (0.4) Hoặc ta dùng lệnh Matlab [mag,phase]=bode(Gvd,2*pi*10e+3) để xác định biên độ tần số 10kHz hàm truyền đạt (0.1) sau:  Gvd  j   0, 28   2 10 e       2 103  arcGvd  j   2 10 e3  -179.3859 (0.5) Từ Error! Reference source not found (0.5) pha điều chỉnh tần số cắt   54.380 Do đó, theo Error! Reference source not found tần số điểm không điểm cực bù tính sau: BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội   f z  fc      f p  fc   sin  53,84   sin  53,84   3, 26kHz (0.6)  sin  53,84   sin  53,84   30, 63kHz Thành phần K c có giá trị để thỏa mãn biên độ hệ thống có giá trị tần số cắt f c (đảm bảo tần số cắt hệ f c ), nghĩa : Kc fp  f  Gvdo    fz  fc  (0.7)  Gco  1,13 Hoặc ta dùng câu lệnh Matlab (0.5) để xác định K c trước xác định tần số điểm không ( f p ), điểm cực ( f c ) Bode Diagram Magnitude (dB) 50 -50 -100 45 Phase (deg) System: untitled1 Phase Margin (deg): 55 Delay Margin (sec): 1.53e-05 At frequency (kHz): 10 Closed loop stable? Yes -45 -90 -135 -180 -1 10 10 10 10 10 Frequency (kHz) Hình 10.3 Đồ thị Bode hàm truyền đạt (0.1) bù Error! Reference source not found BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội //Tính tốn tham số Lead (PD) clear all clc C = 500e-6; %tu dien L = 50e-6; %cuon cam R = 3; %Tai thuan tro D = 15/28; %He so dieu che Uc=15; %gia tri xac lap dien ap tren tu IL=Uc/R;%gia tri xac lap dong qua cuon cam Uin=28; %gia tri xac lap dien ap dau vao %Ham truyen giua dien ap dau ra/he so dieu che Gvd=tf(R*Uin,[R*L*C L R]); %Ham truyen giua dien ap dau ra/dien ap dau vao Gvg=tf(R*D,[R*L*C L R]); fc=10000; %tan so cat 10kHz PM=55;%du tru pha la 55 degree [mag1,phase1]=bode(Gvd,2*pi*10e+3); %bien va goc pha cua ham truyen Gvd tai 10kHz theta=PM-(phase1+180);%tinh pha bo bu fz=fc*sqrt((1-sin(theta*pi/180))/(1+sin(theta*pi/180))); fp=fc*sqrt((1+sin(theta*pi/180))/(1-sin(theta*pi/180))); fl=fc/20; %tinh toan bo bu Lead (PD) numc=[1/(2*pi*fz) 1]; denc=[1/(2*pi*fp) 1]; Gc1=tf(numc,denc); [mag2,phase2]=bode(Gc1,2*pi*fc); kc=1/(mag1*mag2); Gc=kc*Gc1; Sử dụng cấu trúc điều khiển PID có dạng:  s   L  1     z   s   GPID  s   K c  s  1    p  (0.8) Các điểm cực điểm không giữ nguyên theo (0.6), L lựa chọn 1/10 tần số cắt c (sự lựa chọn gợi ý, thực tế ta thay đổi ví dụ tần số L chọn 1/20 tần số cắt c ) để hạn chế thay đổi dự trữ pha mong muốn 550 Thành phần Gco _ PID phải có giá trị để thỏa mãn biên độ hệ thống có giá trị tần số cắt f c (đảm bảo tần số cắt hệ f c ), nghĩa : BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội Kc  f  1  L   fc  fp  f  Gvdo    fz  fc  (0.9)  Gco  1,12 Hoặc ta dùng câu lệnh Matlab (0.5) để xác định Gco trước xác định tần số điểm không ( f p ), điểm cực ( f c ) điểm khơng ( f L ) //Tính tốn tham số Lead-Lead (PID) clear all clc C = 500e-6; %tu dien L = 50e-6; %cuon cam R = 3; %Tai thuan tro D = 15/28; %He so dieu che Uc=15; %gia tri xac lap dien ap tren tu IL=Uc/R;%gia tri xac lap dong qua cuon cam Uin=28; %gia tri xac lap dien ap dau vao %Ham truyen giua dien ap dau ra/he so dieu che Gvd=tf(R*Uin,[R*L*C L R]); %Ham truyen giua dien ap dau ra/dien ap dau vao Gvg=tf(R*D,[R*L*C L R]); fc=10000; %tan so cat 10kHz PM=55;%du tru pha la 55 degree [mag1,phase1]=bode(Gvd,2*pi*10e+3); %bien va goc pha cua ham truyen Gvd tai 10kHz theta=PM-(phase1+180);%tinh pha bo bu fz=fc*sqrt((1-sin(theta*pi/180))/(1+sin(theta*pi/180))); fp=fc*sqrt((1+sin(theta*pi/180))/(1-sin(theta*pi/180))); fl=fc/20; %tinh toan bo bu Lead (PD) numc=[1/(2*pi*fz) 1]; denc=[1/(2*pi*fp) 1]; Gc1=tf(numc,denc)*tf([1 2*pi*fl],[1 0]); [mag2,phase2]=bode(Gc1,2*pi*fc); kc=1/(mag1*mag2); Gc=kc*Gc1; BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội Bode Diagram 100 Magnitude (dB) 50 -50 -100 System: untitled1 Phase Margin (deg): 52.1 Delay Margin (sec): 1.45e-05 At frequency (kHz): 10 Closed loop stable? Yes Phase (deg) -45 -90 -135 -180 -2 -1 10 10 10 10 10 10 Frequency (kHz) Hình 10.4 Đồ thị Bode hàm truyền đạt (0.1) bù (0.8) Xét ảnh hưởng điện áp nguồn tác động điện áp biến đổi kiểu Buck uˆin uˆo*  Hình 10.5 Gvg  s  ˆ Gc  s  d uˆo Gvd  s  Cấu trúc để đánh giá ảnh hưởng điện áp đầu vào đầu biên đổi kiểu Buck Hàm truyền điện áp đầu điện áp đầu vào có điều chỉnh Gc  s  tham gia uˆo*  T s  vo  s  vg  s   v0*  s  0 Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(T,2*pi*100) ta có: Gvg  s   Gc  s  Gvd  s  (0.10) BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội  T  j   0, 0033   2 100      2 100  arcT  j   2 100  76, 77 (0.11) Do đó, điện áp đầu vào có dao động với biên độ 1V tần số 100Hz, ảnh hưởng điện áp đầu vào tác động điện áp đầu cịn 0,0033V Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(Gvg,2*pi*100) ta có:  Gvg  j   0,54   2 100      2 100  arcGvg  j  2 100  0, 61 (0.12) Như khơng có bù, điện áp đầu vào có dao động với biên độ 1V tần số 100Hz, ảnh hưởng điện áp đầu vào tác động điện áp đầu 0,54V Duty cylce 0.5 -0.5 iL (A) 10 v0 (V) 30 20 10 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 time (s) Hình 10.6 Kết mơ Buck converter sử dụng bù 0.09 0.1 BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội duty cycle 0.5 -0.5 iL (A) 10 v0 (V) 30 20 10 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 time (s) Hình 10.7 Kết mô Buck converter sử dụng bù (0.8) điện áp nguồn có đập mạch với biên độ 1V, tần số 100Hz 1.1.1.2 Điều khiển gián tiếp biến đổi buck qua dòng điện Gvc  s   vo  s  ic  s  vg   R  R  sC  RCs   (0.13) Do (0.13) mang đặc điểm khâu quán tính bậc nên cấu trúc điều khiển sử dụng điều chỉnh PI (0.14) cho mạch vòng điện áp s     K  GPI  s   Kc 1  L   c L 1   s  s  L   (0.14) Để khử số thời gian (0.13), điểm zero điều chỉnh (0.14) chọn điểm cực hàm truyền đạt đối tượng (0.13) nghĩa là: L  RC (0.15) Do đó, hầm truyền kín mạch vịng điều chỉnh điện áp xác định: Gk  s   vo  s  vo*  s  vg 0  Gvc  s  GPI  s   Gvc  s  GPI  s       s 1  KcL R  (0.16) BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội Lựa chọn thời gian độ mong muốn Tqd , hệ số K c xác định: Kc  C Tqd (0.17) vO(V) 25 20 15 10 iL-ref(A) 10 iL(A) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.09 0.1 t(s) Hình 10.8 Kết mơ Buck converter sử dụng bù vO(V) 25 20 15 10 iL-ref(A) 10 iL(A) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 t(s) Hình 10.9 Kết mô Buck converter sử dụng bù (0.8) điện áp nguồn có đập mạch với biên độ 1V, tần số 100Hz BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội 1.1.2 Thiết kế điều khiển cho cho biến đổi Boost Yêu cầu thiết kế: Thiết kế bù cho biến đổi kiểu Boost có thơng số sau: điện áp nguồn 5V, điện áp 18V, tải R = 6Ω (dịng tải 3A), L =20µH, C= 480µF, rC =8e-3Ω tần số phát xung 200kHz 1.1.2.1 Điều khiển trực tiếp điện áp đầu cho biến đổi kiểu boost Từ Error! Reference source not found., Error! Reference source not found hàm truyền điện áp đầu hệ số điều chế viết lại dạng sau:  s  s  1 1     v  s  esr   RHP  Gvd  s   o  Gvdo  d  s   s  s 1   Q00  0  (0.18) Trong đó: D  1 Gvdo  f esr  Vg Vo  0.7222 Vg 1  D   64.8 esr   4.1447kHz 2 2 rcC 1  D   451.2134Hz  f0   2 2 LC f RHP R 1  D    RHP   3.6841kHz 2 2 L Q  1  D  R C  8.1650 L (0.19) BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội  'e   rL  vCe   L  L   L  A ; B      'e     iLe  CR   C  C  (0.40) Tiếp theo xác định điểm cực lấn át hệ (0.40) điểm làm việc cân bằng cách tìm nghiệm phương trình đặc tính: det  sI2  A  (0.41) Với I2 ma trận đơn vị x Điểm làm việc cân xác định từ (0.38) cách cho đạo hàm bên vế phải Nghiệm phương trình đặc tính tìm nhờ hàm eig MATLAB Sau có điểm cực lấn át hệ hở tìm cách gán điểm cực để có đặc tính mong muốn, ví dụ mở rộng băng thơng tăng độ tắt dần đến giá trị phù hợp (cỡ 0,7) Đáp ứng hệ bên muốn thay đổi để mở rộng băng thông tới n = 6000 rad/s độ tắt dần n = 0,7 Nghiệm áp đặt có dạng: pn    nn  jn   n2    nn  jn   n2  ,  A 0i  A  B  K (0.42) (0.43) Hàm truyền đạt hệ tính là: 1 H i  s   C  sI  A i  B (0.44) Tiếp tục xét đến vịng điều chỉnh điện áp ngồi Để đảm bảo khơng có sai lệch tĩnh bám thay đổi chậm lượng đặt, điều chỉnh có dạng khâu tích phân Vậy hàm truyền hệ hở mạch vịng ngồi có dạng: H co  s   K i H 0i  s  s (0.45) Trong hệ số Ki điều chỉnh thơng số cịn cần xác định Sử dụng cơng cụ rltool MATLAB ta có minh họa hình 6.12 Vì mạch vịng ngồi hệ bậc ba nên ngồi hai điểm cực phức cịn có điểm cực thực Lựa chọn hệ số khuếch đại Ki cho điểm cực thực lấn át, nghĩa tần số dao động riêng cặp nghiệm phức không giảm xuống tần số nghiệm thực hệ số tắt dần hệ kín phạm vi phù hợp (cỡ 0,7 trở lên) Điều xu hướng di chuyển điểm cực thực, hình 6.9, ln sang bên trái đến tần số cao hơn, tồn hệ số Ki phù hợp Sau lựa chọn áp đặt cặp điểm cực cho hệ phản hồi trạng thái xác định tham số cho điều chỉnh mạch vịng ngồi cần tiến hành mơ để kiểm chứng tính đắn thiết kế Hơn mô cho phép kiểm tra hoạt động sơ đồ điều kiện khác điểm làm việc cân khác nhau, điều kiện giới hạn cho phép BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội dòng điện qua cuộn cảm, điện áp đầu vào thay đổi, … Mơ hình mơ xây dựng dùng MATLAB Simulink Nếu kết kiểm chứng chưa đáp ứng yêu cầu tiến hành lại thủ tục thiết kế cách chọn điểm cực khác theo hướng mở rộng băng thông (tần số dao động riêng hệ bên trong), tăng giảm Ki để có băng thơng độ tắt dần hệ kín phù hợp Cuối mơ hình mơ mơ hình vật lý kiểm tra bắt buộc để chứng minh khả áp dụng sơ đồ Xét ví dụ cho biến đổi Boost có tham mục 1.1.2 clear all clc % Tham so bo bien doi boost rC=0; %esr rL=0; C = 480e-6; %tu dien L = 20e-6; %cuon cam R = 6; %Tai thuan tro Vo=18; %gia tri xac lap dien ap tren tu Vg=5; %gia tri xac lap dien ap dau vao D = 1-Vg/Vo; %He so dieu che IL=Vo/((1-D)*R);%gia tri xac lap dong qua cuon cam %ma tran trang thai A=[0 -(1-D)/L;(1-D)/C -1/(R*C)]; B=[Vo/L;-IL/C]; pole=eig(A); %diem cuc moi wn=6000; %rad/s-tan so dao dong rieng damping=0.7;%he so tat dan p1=-damping*wn+j*wn*sqrt(1-damping*damping); p2=-damping*wn-j*wn*sqrt(1-damping*damping); K =acker(A,B,[p1 p2]); A_n=A-B*K; C_n=[0 1]; %ham truyen dat [num,den]=ss2tf(A_n,B,C_n,0); sys=tf(num,den); fc=300; %1kHz [mag,phase]=bode(sys,2*pi*fc); [mag1,phase1]=bode(tf(1,[1 0]),2*pi*fc); Kc=1/(mag*mag1); bode(sys*tf(Kc,[1 0])) BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội Root Locus x 10 2.5 0.35 3.5e+03 Imaginary Axis (seconds-1) 1.5 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 3e+03 2.5e+03 System: sys 2e+03 Gain: Pole: -174 + 2.83e+03i 0.58 1.5e+03 Damping: 0.0612 1e+03 Overshoot (%): 82.5 0.76 0.86500 Frequency (Hz): 451 0.92 0.96 0.984 0.996 0.996 0.984 0.96 0.92500 0.86 System: sys 0.76 1e+03 Gain: 1.5e+03 Pole: -174 - 2.83e+03i 0.58 Damping: 0.0612 2e+03 Overshoot (%): 82.5 2.5e+03 Frequency (Hz): 451 3e+03 3.5e+03 0.35 -2.5 -1 -1 Real Axis (seconds ) Hình 8.6 Qũy đạo điểm cực đối tượng ban đầu x 10 BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội Root Locus x 10 0.35 0.58 4e+03 Imaginary Axis (seconds-1) 0.76 3e+03System: sys Gain: Pole: -4.2e+03 + 4.28e+03i 2e+03 Damping: 0.7 Overshoot (%): 4.6 1e+03Frequency (Hz): 955 0.86 0.92 0.96 0.984 0.996 0.996 0.984 0.96 0.92 1e+03System: sys -1 0.86 Gain: Pole: -4.2e+03 - 4.28e+03i 2e+03 Damping: 0.7 0.76 Overshoot (%): 4.6 -2 3e+03Frequency (Hz): 955 0.58 4e+03 0.35 -3 -2 -1 Real Axis (seconds ) 10 x 10 Hình 8.7 Qũy đạo điểm cực sau gán điểm cực theo phương pháp Ackerman BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội Bode Diagram 50 Magnitude (dB) System: untitled1 Gain Margin (dB): 10.3 At frequency (Hz): 818 Closed loop stable? Yes -50 -100 Phase (deg) -150 -90 System: untitled1 Phase Margin (deg): 59.3 Delay Margin (sec): 0.000549 At frequency (Hz): 300 Closed loop stable? Yes -180 -270 -360 10 10 10 10 10 Frequency (Hz) Hình 8.8 Đồ thị bode hàm truyền hệ hở (đã thêm khâu tích phân) duty cycle 0.8 0.6 0.4 0.2 iL(A) 15 10 -5 vO(V) 20 15 10 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 t(s) 1.3 Xét ví dụ điều khiển biến đổi PFC kiểu boost 1.3.1 Sự cần thiết biến đổi PFC 0.08 0.09 0.1 BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội Khảo sát mạch điện có tính trở cảm cấp điện nguồn điện áp hình sin lý tưởng, chế xác lập cơng suất trung bình xác định: (0.46) P  Vs I s cos  Trong đó: Vs - giá trị hiệu dụng điện áp nguồn I s - dịng điện hiệu dụng Hệ số cơng suất (Power factor – PF) xác định tỷ số công suất trung bình giá trị hiệu dụng điện áp, dịng điện, trường hợp giá trị cos  : PF  P  cos  Vs I s (0.47) Tuy nhiên, trường hợp tải phi tuyến dịng điện có nhiều thành phần sóng hài bậc cao PF  cos  ,và giá trị hiệu dụng dịng điện tính sau: I s  I s21  I distortion (0.48) Trong dịng điện hiệu dụng sóng hài tính theo: I s1  is1  t  dt T1 T1 (0.49) Và thành dòng điện hiệu dụng sóng hài bậc cao tính theo: I distortion  idistortion  t  dt T1 T1 (0.50) Các thành phần sóng hài đánh giá hệ số méo dạng sóng hài tổng (Total Harmonic Distortion – THD): THD  %   100%  I distortion I s1 (0.51) Cơng suất trung bình P tính theo trường hợp dịng điện có chứa thành phần sóng hài: P  Vs I s1 cos 1 (0.52) Mặt khác hệ số cơng suất tính theo (0.47) nên ta có mối quan hệ hệ số công suất (PF) cos 1 sau: I  PF   s1  cos 1  Is  Từ (0.48), (0.51) (0.53) ta có: (0.53) BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội PF   THD  %   1    100%  cos 1 (0.54) Nhận xét:… Sơ đồ mạch lực biến đổi PFC sử dụng cầu chỉnh lưu không điều khiển diode biến đổi DC/DC kiểu Boost id iL us is iL uin  us us is iL id us uin  us iL uo t d t  1  d  t   :1 t Hình 8.9 Bộ biến đổi PFC, a) Sơ đồ mạch lực, b) Mơ hình trung bình, c,d) Đặc tính dịng điện, điện áp sơ đồ mạch lực Sử dụng mơ hình trung bình biến đổi Boost, bỏ qua sụt áp cuộn cảm, giả thiết điện áp đầu có thành phần DC Ud  us  d  d  1 U s sin t  Ud (0.55) Theo sơ đồ Hình 8.9 dịng điện id  t  tính sau: BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội id  1  d  iL  Us Us Us I L sin t   IL  I L cos  2t  Ud Ud Ud (0.56)  id  I d  id Trong đó: us  U s sin t  , iL  I L sin t  Từ (0.56) nhận thấy thành phần dòng điện id  t  gồm hai thành phần: thành phần DC ( I d ) thành phần sóng hài bậc hai id  t  Trong biến đổi PFC, giá trị tụ điện đầu lớn nên có thành phần sóng hài bậc hai dịng điện ( id  t  ) chảy vào tụ, thành phần DC I d chảy qua điện trở tải tương đương Do đó, đập mạch điện áp đầu tụ tính: ud  t   id d t  C  (0.57) Từ (0.56), (0.57) đập mạch điện áp tụ ud  t  viết lại: ud  t   UsIL Us IL cos  2t  d t    sin  2t   Vd sin  2t   C U d 4CU d (0.58) 1.3.2 Ví dụ thiết kế cấu trúc điều khiển biến đổi PFC sin  t  iL iL* uo* uo uin uin in 1/ u Hình 8.10 Cấu trúc điều khiển biến đổi PFC Điện áp đầu vào xoay chiều (peak) Us,rms = 220V Tần số lưới điện f= 50Hz Điện áp đầu PFC 400V Công suất thiết kế 250W Tần số switching fs= 100 kHz BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội Tụ điện đầu C = 220 µF Giá trị điện cảm L = 1mH a Thiết kế mạch vòng dòng điện Từ mạch điện mơ tả biến đổi Boost với tín hiệu nhỏ Error! Reference source not found tần số cao (khi tụ điện đầu bị ngắn mạch, trở kháng xấp xỉ khơng), ta xấp xỉ gần mối quan hệ hệ số điều chế dịng điện trung bình qua cuộn cảm sau (coi cuộn cảm, tụ điện phần tử lý tưởng): Gid  s   iL  s  d  s   uˆin  s   Uo sL (0.59) Lựa chọn bù cho mạch vòng điều chỉnh dịng điện, để hệ hở có độ dự trữ pha 600,, tần số cắt mạch vòng điện áp fci = 20kHz, có điểm cực gốc tọa độ để triệt tiêu sai lệch tĩnh  s  1   z  Gc  s   Gco  s s  1    p  (0.60) Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(Gid,2*pi*20e+3) ta có biên độ pha đối tượng Gid  s  tần số cắt 20kHz là:  Gid  j   3,1831  c      c  arcGid  j  c  90 (0.61) Do sử dụng bù (0.60) có thêm thành phân tích phân vào nên góc pha bù xét thành phần PD (Lead) xác định:    1800   PM  arcGid  j    c  j     PD  arc  c       PD  900  600  900  600 Theo tần số điểm không điểm cực xác định: (0.62) BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội   f z  fc     f p  fc   sin 600  5,36kHz  sin 600 (0.63)  sin 600  74,64kHz  sin 600 Thành phần K c có giá trị để thỏa mãn biên độ hệ thống có giá trị tần số cắt fc , nghĩa là: Kc  j  fp  c fz Gid  j  1 (0.64)  c  K c  10577, 753 Bode Diagram 40 Magnitude (dB) 30 20 10 -10 -89 Phase (deg) -89.5 System: G_id Phase Margin (deg): 90 Delay Margin (sec): 3.93e-06 At frequency (kHz): 63.7 Closed loop stable? Yes -90 -90.5 -91 10 10 Frequency (kHz) Hình 4.1 Đồ thị Bode hàm truyền (0.59) 10 BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội Bode Diagram Magnitude (dB) 100 50 -50 Phase (deg) -100 -120 System: G_ho1 Phase Margin (deg): 60 Delay Margin (sec): 8.33e-06 At frequency (kHz): 20 Closed loop stable? Yes -150 -180 -1 10 10 10 10 10 10 Frequency (kHz) Hình 4.2 Đồ thị Bode hàm truyền (0.59) bù (0.60) b Thiết kề mạch vịng điện áp Từ mạch điện mơ tả biến đổi Boost với tín hiệu nhỏ làm việc theo ngun lý điều khiển dịng điện, ta có hàm truyền đạt dòng điện đặt (thực chất dòng qua cuộn cảm) điện áp đầu sau: v  s  Gvi  s   o ic  s  vin  s    v  s   i  s   o      i2  s    ic  s    vin  s    vin  s     (0.65) Theo mạch điện Error! Reference source not found ta có:  v  s    o    R   R    i2  s  v s 0   sC    RCs  in     (0.66)  i  s        (1- D) - sL   ic  s  v s    (1- D) R  in     Mặt khác, tần số thấp coi cuộn cảm bị ngắn mạch, quan hệ (0.66) trở thành : i2  s  ic  s   1 D vin  s   Từ (0.65), (0.66) (0.67) ta có: (0.67) BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội Gvi  s   vo  s  ic  s   vin  s  0 Us   R  U o   Rs  (0.68) Lựa chọn bù cho mạch vòng điều chỉnh điện áp, để hệ hở có độ dự trữ pha 450, tần số cắt mạch vòng điện áp fcv = 15Hz  s  1   z  Gc  s   K c  s s  1    p  (0.69) Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(Gui,2*pi*15) ta có biên độ pha đối tượng Gui  s  tần số cắt 20kHz là:  Gui  j   26, 44  c      c  arcGui  j  c  85,57 (0.70) Do sử dụng bù (0.69) có thêm thành phân tích phân vào nên góc pha bù xét thành phần PD (Lead) xác định:    1800   PM  arcGid  j    c  j     PD  arc  c    (0.71)    PD  900  450  85,570  40,570 Theo tần số điểm không điểm cực xác định:   f z  fc     f p  fc   sin 40,570  6,9 Hz  sin 40,570 (0.72)  sin 40,57  32,59 Hz  sin 40,570 Thành phần K c có giá trị để thỏa mãn biên độ hệ thống có giá trị tần số cắt fc , nghĩa là: Kc  j  fp  c  K c  1, 64 fz Gui  j  1  c (0.73) BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội Bode Diagram 60 Magnitude (dB) 40 20 Phase (deg) -20 System: G_ui Phase Margin (deg): 90.2 Delay Margin (sec): 0.000629 At frequency (kHz): 0.398 Closed loop stable? Yes -45 -90 -5 -4 10 10 -3 -2 10 10 -1 10 10 Frequency (kHz) Hình 8.11 Đồ thị Bode hàm truyền (0.68) Bode Diagram Magnitude (dB) 100 50 -50 Phase (deg) -100 -90 System: G_ho2 Phase Margin (deg): 46.7 Delay Margin (sec): 0.00807 At frequency (Hz): 16.1 Closed loop stable? Yes -135 -180 -2 10 10 -1 10 10 10 10 Frequency (Hz) Hình 8.12 Đồ thị Bode hàm truyền (0.68) bù (0.69) BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội duty cycle 0.5 vO(V) 500 -500 iL(A) 15 10 -5 iS(A) 20 10 -10 uS (V) 400 200 -200 -400 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 t(s) Hình 8.13 Kết mơ biến đổi PFC 0.3 0.35 BÀI GIẢNG THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT - VÍ DỤ THIẾT KÊ BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội duty cycle 0.5 vO(V) 420 400 380 iL(A) iS(A) -5 uS (V) 400 200 -200 -400 0.15 0.155 0.16 0.165 0.17 0.175 0.18 0.185 t(s) Hình 8.14 Kết mô biến đổi PFC chu kỳ điện áp lưới 0.19 ... Bước 3: T? ??n số điểm cực đ? ?t trùng với t? ??n số điểm không thành phần ESR t? ??n số điểm không thành phần RHP gây ra, t? ?y thuộc vào t? ??n số thấp BÀI GIẢNG THI? ?T K? ?? ĐIỆN T? ?? CÔNG SU? ?T - VÍ DỤ THI? ?T K? ? BỘ... để kiểm chứng t? ?nh đắn thi? ?t k? ?? Hơn mô cho phép kiểm tra ho? ?t động sơ đồ điều kiện khác điểm làm vi? ??c cân khác nhau, điều kiện giới hạn cho phép BÀI GIẢNG THI? ?T K? ?? ĐIỆN T? ?? CƠNG SU? ?T - VÍ DỤ THI? ?T. .. su? ?t thi? ?t k? ?? 250W T? ??n số switching fs= 100 kHz BÀI GIẢNG THI? ?T K? ?? ĐIỆN T? ?? CÔNG SU? ?T - VÍ DỤ THI? ?T K? ? BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TS Vũ Hoàng Phương – Đại học Bách Khoa Hà Nội T? ?? điện đầu C = 220 µF Giá trị