Điều khiển Điện tử công suất

1. Điều khiển điện tử công suất
Bài 26
Thiết kế điều khiển hệ thống chỉnh lưu tích
cực 3 pha trên hệ tọa độ tĩnh
GVHD : PGS.TS Nguyễn Kiên Trung
Nhóm 5 : Huỳnh Văn Điệp 20202323
Lê Trung Hiếu 20202378
20/01/2024

2. 2
Nội dung trình bày
I. Yêu cầu thiết kế & Tính chọn mạch lực
II. Phương pháp điều chế SVM
III. Cấu trúc điều khiển và mô hình hóa
IV. Thiết kế điều khiển
V. Kết quả mô phỏng
20/01/2024

3. 3
I. Yêu cầu thiết kế & Tính chọn mạch lực
1.Yêu cầu bài toán
• Điện áp đầu vào : 3x380±10% VAC
• Tần số điện áp đầu vào : 50±1% Hz
• Công suất đầu ra : 5kW
• Thông số đã cho: L = 2,5mH, 𝑟𝐿 = 0,1Ω
𝐶𝑑𝑐 = 1000𝜇F.
• Chọn 𝑓𝑠𝑤 = 20𝑘𝐻𝑧
Chọn 𝑈𝑐𝑟𝑒𝑓 = 700VDC
→ R =
𝑈𝑐
2
𝑃
=
7002
5000
= 98 Ω
→ 𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑 =
𝑈𝑐
𝑅
= 7,14 A
Hình 1. Cấu trúc mạch lực chỉnh lưu tích cực 3 pha
20/01/2024

4. 4
I. Yêu cầu thiết kế & Tính chọn mạch lực
2.Tính chọn mạch lực
Tính chọn tụ lọc 1 chiều
𝐶𝑑𝑐 = 1000 𝜇F
Điện áp trung bình: 700Vdc
Chọn 𝑘𝑈 = 1,5
Tính chọn cuộn cảm
𝐿 = 2,5 𝑚H, 𝑟𝐿 = 0,1Ω
Dòng trung bình khi xác lập:
𝐼𝐿 =
𝑃
3𝑈𝑑
= 7,6A
Chọn 𝑘𝐼 = 3,5
Hình 1. Cấu trúc mạch lực chỉnh lưu tích cực 3 pha
20/01/2024

5. 5
I. Yêu cầu thiết kế & Tính chọn mạch lực
2.Tính chọn mạch lực
Tính chọn van IGBT
Udc = 700V
=> Điện áp tối đa qua van 𝑈𝑚𝑎𝑥 = 700 (V)
Chọn 𝑘𝑢 = 1.5
𝐼𝑣=
𝑃
3𝑉𝑟𝑚𝑠
= 7,57 (A)
𝐼𝑣𝑚𝑎𝑥= 2𝐼𝑣 = 10,71 (A)
Chọn 𝑘𝑖 = 3,5
Hình 1. Cấu trúc mạch lực chỉnh lưu tích cực 3 pha
20/01/2024

6. 6
I. Yêu cầu thiết kế & Tính chọn mạch lực
1. 1x tụ DC 1100V 1000𝜇F 2. 3x cuộn cảm 40A 2,5mH
của HITACHI
3. 6x van IGBT FS35R12YT3 1200V 35A
của EUPEC
Hình 2. Lựa chọn các phần tử tụ điện (1), cuộn cảm (2) và van bán dẫn (3)
20/01/2024
2.Tính chọn mạch lực

7. 7
II. Phương pháp điều chế SVM
Các trạng thái van
S1, S6, S2 dẫn
S4, S3, S5 khóa
𝑈𝑑𝑐
𝑅𝑎
𝑅𝑏 𝑅𝑐
𝑨
𝑩 𝑪
𝑵
2
3
𝑈𝑑𝑐
−
1
3
𝑈𝑑𝑐
−
1
3
𝑈𝑑𝑐
𝑈𝐴𝑁 =
2
3
𝑈𝑑𝑐
𝑈𝐵𝑁 =
−1
3
𝑈𝑑𝑐
𝑈𝐶𝑁 =
−1
3
𝑈𝑑𝑐
Clarke 𝑈𝛼 =
2
3
𝑈𝑑𝑐
𝑈𝛽 = 0
(V1)
20/01/2024

8. 8
II. Phương pháp điều chế SVM
Các trạng thái van
𝒖𝟏 = 100 𝒖𝟐 = 110 𝒖𝟑 = 010 𝒖𝟒 = 011
𝒖𝟓 = 001 𝒖𝟔 = 101 𝒖𝟕 = 111 𝒖𝟖 = 000
20/01/2024

9. 9
II. Phương pháp điều chế SVM
Phép biến đổi tọa độ Clarke (abc↔ 𝛼𝛽):
𝑢𝛼
𝑢𝛽
=
2
3
−
1
3
−
1
3
0
3
3
−
3
3
.
𝑢𝑎
𝑢𝑏
𝑢𝑐
𝑢𝑎
𝑢𝑏
𝑢𝑐
=
1 0
−
1
2
3
2
−
1
2
−
3
2
.
𝑢𝛼
𝑢𝛽
Các vector không gian
Phép biến đổi tọa độ Park (𝛼𝛽 ↔ 𝑑𝑞):
𝑢𝑑
𝑢𝑞
=
cos(𝜃) sin(𝜃)
−sin(𝜃) cos(𝜃)
.
𝑢𝛼
𝑢𝛽
𝑢𝛼
𝑢𝛽
=
cos(𝜃) −sin(𝜃)
sin(𝜃) cos(𝜃)
.
𝑢𝑑
𝑢𝑞
Trong đó 𝜃 là góc pha tham chiếu của hệ
tọa độ quay dq
20/01/2024

10. 10
II. Phương pháp điều chế SVM
Các vector không gian
Bảng 1. Các vector không gian dựa trên các trạng thái van
20/01/2024

11. 11
II. Phương pháp điều chế SVM
Xác định sector điều chế
Hình 3. Hình biểu diễn các VTKG và SECTOR
20/01/2024

12. 12
II. Phương pháp điều chế SVM
Xác định vị trí vector tham chiếu
Hình 4. Vị trí các sector trên hệ tọa độ abc Hình 5. Thuật toán xác định sector
20/01/2024

13. 13
II. Phương pháp điều chế SVM
Tính toán hệ số điều chế nhánh van
Hình 6. Phân tích vector tham chiếu
20/01/2024

14. 14
II. Phương pháp điều chế SVM
Tính toán hệ số điều chế nhánh van
Bảng 2. Các ma trận điều chế của từng Sector
20/01/2024

15. 15
II. Phương pháp điều chế SVM
Tính toán hệ số điều chế nhánh van
Hệ số điều chế cho từng nhánh van trong sector 1 được xác định:
Hình 7. Xung điều chế Sector 1
20/01/2024
4
4 4

16. 16
II. Phương pháp điều chế SVM
Tính toán hệ số điều chế nhánh van
Sector 1 Sector 2 Sector 3
Sector 4 Sector 5 Sector 6
Hình 8. Xung điều chế 6 Sector
20/01/2024

17. 17
II. Phương pháp điều chế SVM
Tính toán hệ số điều chế nhánh van
Bảng 3. Xác định thời gian đóng mở van từng nhánh
20/01/2024

18. 18
III. Cấu trúc điều khiển & Mô hình hóa
Hình 9. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực 3 pha
Cấu trúc điều khiển
20/01/2024

19. 19
III. Cấu trúc điều khiển & Mô hình hóa
Mô hình hóa
𝑢𝑠α = 𝑟𝐿𝑖𝑠α + 𝐿
𝑑𝑖𝑠α
𝑑𝑡
+ 𝑢𝐿α
𝑢𝑠𝛽 = 𝑟𝐿𝑖𝑠𝛽 + 𝐿
𝑑𝑖𝑠𝛽
𝑑𝑡
+ 𝑢𝐿𝛽
𝑢𝑠𝑎 = 𝑟𝐿𝑖𝑠𝑎 + 𝐿
𝑑𝑖𝑆𝑎
𝑑𝑡
+ 𝑢𝐿𝑎
𝑢𝑠𝑏 = 𝑟𝐿𝑖𝑠𝑏 + 𝐿
𝑑𝑖𝑆𝑏
𝑑𝑡
+ 𝑢𝐿𝑏
𝑢𝑠𝑐 = 𝑟𝐿𝑖𝑠𝑐 + 𝐿
𝑑𝑖𝑆𝑐
𝑑𝑡
+ 𝑢𝐿𝑐
Clarke 𝐺𝑖 𝑠 =
𝑖𝑠𝛼
𝑢𝑠𝛼
=
1
𝐿𝑠 + 𝑟𝐿
20/01/2024

20. 20
III. Cấu trúc điều khiển & Mô hình hóa
Mô hình hóa
Bỏ qua tổn thất của bộ biến đổi và tải mắc ở phía mạch DC, ta có biểu thức:
Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc, ta có biểu thức:
Bỏ qua tín hiệu nhỏ bậc 2 và nhiễu nguồn đầu vào, ta có mối quan hệ:
1
2
𝐶
𝑑𝑣𝑐
2
𝑑𝑡
= 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 −
3
2
𝑖𝑑. 𝑣𝑑
1
2
𝐶
𝑑(𝑉
𝑐 + 𝑣𝑐)2
𝑑𝑡
= 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 −
3
2
(𝐼𝑑 + 𝑖𝑑). (𝑉𝑑 + 𝑣𝑑)
𝐺𝑣 𝑠 =
𝑣𝑐
𝑖𝑑
= −
1,5𝑉𝑑
𝐶𝑉
𝑐𝑠
20/01/2024

21. 21
IV. Thiết kế điều khiển
Vòng khóa pha PLL
Hàm truyền kín mạch vòng điều chỉnh góc pha:
=>
𝐾𝑝 = 2𝑤𝑛
𝐾𝑖 = 𝑤𝑛
2
Chọn hệ số tắt dần 0,7 và tần số dao động riêng bằng 10rad/s
𝑉
𝑎
𝑉𝑏
𝑉
𝑐
Hình 9. Mạch vòng khóa pha PLL
20/01/2024
abc

22. 22
IV. Thiết kế điều khiển
Vòng khóa pha PLL
20/01/2024
Hình 10. Mạch vòng khóa pha PLL trong MATLAB

23. 23
IV. Thiết kế điều khiển
Mạch vòng dòng điện
Chọn tần số cắt wc = 1000rad/s, độ dự trữ pha PM = 60°
Sử dụng lệnh Matlab: [mag, phase] = bode(𝐺𝑣, wc)
Độ dự trữ pha cần bù của bộ PI: AC = PM – phase – 180
𝑘𝑝 =
1
𝑚𝑎𝑔. 1 + 𝑡𝑎𝑛(𝐴𝐶)2
𝑘𝑖 = 𝑘𝑝. tan 𝐴𝐶 .
𝑤ℎ
2 − 𝑤𝑐
2
𝑤𝑐
PR = 𝑘𝑝𝑟 +
𝑘𝑖𝑟𝑠
𝑠2+𝑤ℎ
2
Hình 11. Đồ thị bode vòng dòng điện với bộ PR
20/01/2024
PRc
𝟏
𝑳𝒔 + 𝒓𝑳
𝑖𝑠𝛼
𝑢𝑠𝛼
Tính được các tham số theo công thức sau:

24. 24
IV. Thiết kế điều khiển
Mạch vòng dòng điện
PRc
𝟏
𝑳𝒔 + 𝒓𝑳
𝑖𝑠𝛼
𝑢𝑠𝛼
PRc = 𝑘𝑝𝑟 +
2.𝑤𝑃𝑅𝑐.𝑘𝑖𝑟.𝑠
𝑠2+2𝑤𝑃𝑅𝑐𝑠+𝑤ℎ
2
Trong đó chọn 𝑤𝑃𝑅𝑐 = 𝜋 rad/s
Hình 12. Đồ thị bode vòng dòng điện với bộ PRc
20/01/2024

25. 25
IV. Thiết kế điều khiển
Mạch vòng điện áp
Chọn tần số cắt wc = 100rad/s, độ dự trữ pha PM = 45°
Sử dụng lệnh Matlab: [mag, phase] = bode(𝐺𝑣, wc)
Độ dự trữ pha cần bù của bộ PI: AC = PM – phase – 180
Tính được các tham số theo công thức sau:
𝑘𝑝 =
1
𝑚𝑎𝑔. 1 + 𝑡𝑎𝑛(𝐴𝐶)2
𝑘𝑖 = −𝑘𝑝. tan 𝐴𝐶 . 𝑤𝑐 Hình 13. Đồ thị bode vòng điện áp với bộ PI
20/01/2024

26. 26
V. Kết quả mô phỏng
20/01/2024
Mô hình mô phỏng trong MATLAB/Simulink
Hình 14. Mô hình chỉnh lưu tích cực 3 pha

27. 27
V. Kết quả mô phỏng
Tải định mức
Thay đổi điện áp đặt
Đóng cắt tải
Biên độ điện áp lưới thay đổi
Điện áp lưới chứa sóng hài
Tần số điện áp lưới thay đổi
Kịch bản mô phỏng
20/01/2024

28. 28
V. Kết quả mô phỏng
Giai đoạn nạp tụ
Hình 16. Điện áp và dòng điện tải
20/01/2024
Hình 15. Dòng điện nạp tụ
63A
22%
0.06s
5%
0.05s

29. 29
V. Kết quả mô phỏng
Khi chưa có điều khiển
Hình 17. Điện áp và dòng điện lưới Hình 18. Điện áp và dòng điện tải
20/01/2024
20%
0.12s

30. 30
V. Kết quả mô phỏng
Tải định mức
Hình 19. Dòng áp lưới và hệ số điều chế Hình 20. Điện áp và dòng điện tải
0.02s

31. 31
V. Kết quả mô phỏng
Thay đổi điện áp đặt
Hình 21. Dòng áp lưới và hệ số điều chế Hình 22. Điện áp và dòng điện tải
20/01/2024
2%
0.04s

32. 32
V. Kết quả mô phỏng
Đóng cắt tải
Hình 23. Dòng áp lưới và hệ số điều chế Hình 24. Điện áp và dòng điện tải
0.035s 0.035s 0.035s 0.035s
75%
100% 125%
100%

33. 33
V. Kết quả mô phỏng
Biên độ điện áp lưới thay đổi 10%
Hình 25. Dòng áp lưới và hệ số điều chế Hình 26. Điện áp và dòng điện tải
20/01/2024
0.02s 0.02s
3x380VAC 3x380+10%VAC
3x380-10%VAC

34. 34
V. Kết quả mô phỏng
Lưới chứa nhiều sóng hài
Hình 27. Dòng áp lưới và hệ số điều chế Hình 28. Điện áp và dòng điện tải
20/01/2024

35. 35
V. Kết quả mô phỏng
Tần số lưới thay đổi 2%
Hình 29. Dòng áp lưới và hệ số điều chế
0.7%
0.02s

36. 36
V. Kết quả mô phỏng
Tần số lưới thay đổi 2%
Hình 30. Dòng áp lưới và hệ số điều chế Hình 31. Điện áp và dòng điện tải
20/01/2024

37. 37
Mô phỏng trên miền gián đoạn
V. Kết quả mô phỏng
Sử dụng phưởng pháp tustin bằng cách thay s =
2(𝑧−1)
𝑇𝑠(𝑧+1)
vào các phương trình hàm truyền
Hoặc sử dụng lệnh trong MATLAB: sys_d = c2d(sys_c, Ts, 'tustin')

38. 38
V. Kết quả mô phỏng
Tải định mức
Hình 32. Dòng áp lưới và hệ số điều chế Hình 33. Điện áp và dòng điện tải
0.02s

39. 39
V. Kết quả mô phỏng
Hình 34. Dòng áp lưới và hệ số điều chế Hình 35. Điện áp và dòng điện tải
Thay đổi điện áp đặt
0.04s
2.6%

40. 40
THANK YOU !