THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA TRÊN HỆ TỌA ĐỘ TĨNH.pptx

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 1 / 46
Điều khiển dòng điện hệ nghịch lưu ba pha
Bài thuyết trình môn học
Nguyễn Văn Tiềm
Đại học Bách Khoa Hà Nội
Viện Điện
BM Tự Động Hóa XNCN
Học phần Điều Khiển Điện Tử Công Suất
Hà Nội, Ngày 13 tháng 05 năm 2014
Thiết kế bộ điều khiển dòng điện cho hệ
nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha
Nguyễn Văn Tiềm (20102302 - ĐKTĐH6)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 2 / 46
❶ Nhắc lại kiến thức
• Hệ tọa độ tĩnh αβ
• Hệ tọa độ quay dp
• Điều chế SVM
❷ Thiết kế bộ điều khiển trên hệ tọa độ tĩnh αβ
• Tổng hợp mạch vòng dòng điện
• Tính toán tham số bộ điều khiển
• Kết quả mô phỏng
❸ Thiết kế bộ điều khiển trên hệ tọa độ quay dq
• Tổng hợp mạch vòng dòng điện
• Tính toán tham số bộ điều khiển
• Kết quả mô phỏng
Nội dung

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 3 / 46
Nhắc lại kiến thức Hệ tọa độ tĩnh αβ
Phép biến đổi Clarke
Hình 1.1: Biên độ và góc pha của Uα và Uβ
𝑢𝑎 = 𝑈𝑚 cos(𝜔𝑡)
𝑢𝑏 = 𝑈𝑚 cos 𝜔𝑡 −
2𝜋
3
𝑢𝑐 = 𝑈𝑚 cos 𝜔𝑡 +
2𝜋
3
𝑢𝛼 = 𝑈𝑚 cos(𝜔𝑡)
𝑢𝛽 = 𝑈𝑚 cos 𝜔𝑡 −
𝜋
2

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 4 / 46
Giản đồ không gian cho phép biến đổi Clarke
Hình 1.2: (a) không gian 3 chiều, (b) không gian 2 chiều

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 5 / 46
Vector không gian
• Gọi một vector điện áp: 𝒖 = 𝑢𝛼 + 𝑗𝑢𝛽
→ 𝒖 =
2
3
𝑢𝑎 −
1
2
𝑢𝑏 −
1
2
𝑢𝑐 +
2
3
𝑗
3
2
𝑢𝑏 −
3
2
𝑢𝑐
=
2
3
𝑢𝑎 −
1
2
𝑢𝑏 +𝑢𝑐 + 𝑗
3
2
𝑢𝑏 − 𝑢𝑐
=
2
3
𝑈𝑚 cos(𝜔𝑡) −
1
2
cos 𝜔𝑡 −
2𝜋
3
+ cos 𝜔𝑡 +
2𝜋
3

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 6 / 46
Vector không gian
𝒖 = 𝑈𝑚 cos 𝜔𝑡 + 𝑗sin 𝜔𝑡
•
 Có độ lớn bằng 𝑈𝑚
 Quay quanh gốc tọa độ với vận tốc góc 𝜔
Đặt: λ = −
1
2
+ 𝑗
3
2
→ λ2
= −
1
2
− 𝑗
3
2
𝒖 =
2
3
𝑢𝑎 + 𝜆𝑢𝑏 + 𝜆2
𝑢𝑐
→
𝒖 =
2
3
𝑢𝑎 + −
1
2
+ 𝑗
3
2
𝑢𝑏 + −
1
2
− 𝑗
3
2
𝑢𝑐
• Cách viết khác:
𝒖 = 𝑢𝛼 + 𝑗𝑢𝛽
⟹ 𝒖 là một véc tơ không gian

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 7 / 46
Vector không gian điện áp stator trong hệ trục αβ
Hình 1.3: Điện áp stator trong hệ trục αβ

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 8 / 46
Nhắc lại kiến thức Hệ tọa độ quay dq
Phép biến đổi Park
Trong đó 𝜃 = 𝜔𝑡, thay vì sử dụng ma
trận hàm sin, ta cũng có thể biểu
diễn phép biến đổi Park đơn giản
như sau:
𝑥𝑑 = cos 𝜃 ∙ 𝑈𝑚c𝑜𝑠 𝜃 + sin 𝜃 ∙ 𝑈𝑚sin 𝜃 = 𝑈𝑚
𝑥𝑞 = − sin 𝜃∙ 𝑈𝑚c𝑜𝑠 𝜃 − cos 𝜃 ∙ 𝑈𝑚si𝑛 𝜃 = 0
Hình 1.4: Dạng điện áp Ud và Uq

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 9 / 46
Nhắc lại kiến thức Hệ tọa độ quay dq
Giản đồ không gian cho phép biến đổi Park
Hình 1.5: Giản đồ không gian cho phép biến đổi Park

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 10 / 46
Nhắc lại kiến thức Điều chế SVM
Điện áp ra của bộ nghịch lưu ba pha
• Vector điện áp dây
• Vector điện áp pha
→ Có 8 khả năng kết hợp on-off cho ba transistor ở nhóm trên (S1, S3, S5)
Hình 1.6: Bộ nghịch lưu ba pha
Các van nhóm trên: S1, S3, S5
Các van nhóm dưới: S4, S6, S2
Các vector chuyển mạch: a,b,c

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 11 / 46
8 khả năng kết hợp – 8 vector điện áp
Vector
điện áp
Vector chuyển mạch Điện áp pha Điện áp dây
a b c Van Vbn Vcn Vab Vbc Vca
V0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
V1 1 0 0 2/3 -1/3 -1/3 1 0 -1
V2 1 1 0 1/3 1/3 -2/3 0 1 -1
V3 0 1 0 -1/3 2/3 -1/3 -1 1 0
V4 0 1 1 -2/3 1/3 1/3 -1 0 1
V5 0 0 1 -1/3 -1/3 2/3 0 -1 1
V6 1 0 1 1/3 -2/3 1/3 1 -1 0
V7 1 1 1 0 0 0 0 0 0
Bảng 1.1: Tám khả năng kết hợp, các điện áp pha và điện áp dây
(điện áp ra nhân với Vdc)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 12 / 46
Nguyên lý của phương pháp điều chế SVM
• Chuyển đổi từ hệ trục abc sang hệ trục tọa độ αβ, xem
điện áp hình sin như một vectơ có biên độ không đổi
và quay với tốc độ (tần số) không đổi
• Kỹ thuật PWM thực hiện xấp xỉ điện áp đặt Vref bằng
sự kết hợp của 8 vector chuyển mạch (từ V0 đến V7),
trong đó gồm 2 vector tích cực và 2 vector zero
• Các vector V1 đến V6 chia mặt phẳng thành 6 phần –
sector (mỗi sector – 60ᵒ)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 13 / 46
Các vector chuyển mạch cơ sở và các sector
Hình 1.7: Các vector chuyển mạch
và các sector
• 6 vectơ tích cực (V1,V2, V3, V4, V5, V6)
 Các trục của hình lục giác
 Đưa Vdc đến tải
 Mỗi sector (1→ 6): 60ᵒ
• 2 vectơ không (V0,V7)
 Ở gốc hệ trục tọa độ
 Không có điện áp được đưa
tới tải

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 14 / 46
Các bước thực hiện phương pháp SVM
• Bước 1: Xác định Vα, Vβ, Vref, và góc θ
• Bước 2: Xác định các khoảng thời gian T1, T2, T0
• Bước 3: Xác định thời gian chuyển mạch d1, d3, d5 của nhóm van
tích cực
• Bước 4: Thực hiện PWM tạo tín hiệu điều khiển
Hình 1.8: Các bước thực hiện SVM

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 15 / 46
Bước 1: Xác định Vα, Vβ, Vref, và góc θ
• Biến đổi Clarke: abc → αβ
• Tính: θ = tan−1 Vβ
Vα
• Tính: Vref = Vα
2
+Vβ
2
Hình 1.9: Vα, Vβ, Vref, và góc θ
Vα Vβ
Vref
θ
α
β
θ

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 16 / 46
Bước 2: Xác định các khoảng thời gian T1, T2, T3
Hình 1.10: Vector đặt bằng tổng
2 vector liền kề trong sector






















 




















 















2
0
6)
1
:
(sector
6
1
n
đó,
Trong
,
3
1
sin
3
3
sin
3
3
1
3
sin
3
2
1
0
2
1
T
T
T
T
n
V
V
T
T
n
V
V
T
n
V
V
T
T
s
dc
ref
s
dc
ref
s
dc
ref
s

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 17 / 46
Bước 2: Xác định các khoảng thời gian T1, T2, T3
Hình 1.11: Mô tả các khoảng thời gian T1, T2, T3

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 18 / 46
Bước 3: Xác định thời gian chuyển mạch d1, d3, d5
Sector 1 Sector 2 Sector 3
Sector 4 Sector 5 Sector 6
Hình 1.12: Mẫu xung chuyển mạch ở mỗi sector

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 19 / 46
Bảng 1.2: Thời gian chuyển mạch ở mỗi sector

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 20 / 46
Hình 1.12: Mẫu xung chuyển mạch ở nhóm van tính cực
theo phương pháp SVM
d1 d3 d5

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 21 / 46
Bước 4: Thực hiện PWM tạo tín hiệu điều khiển
Hình 1.13: (a) PWM trong MATLAB, (b) tạo tín hiệu điều khiển g1
(a) (b)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 22 / 46
Mô hình điều khiển truyền thẳng trong Matlab
Hình 1.14: Điều khiển truyền thẳng
trong Matlab
Hình 1.15: Khối VSI trong Matlab
Hình 1.16: Dòng điện và điện áp ra

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 23 / 46
Thiết kế bộ điều khiển trên hệ tọa độ tĩnh αβ Tổng hợp mạch vòng dòng điện
Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng quan
Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ αβ

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 24 / 46
Mô hình bộ nghịch lưu ba pha
𝑉𝐷𝐶 = 500 (𝑉)
𝑅 = 5 Ω
𝐿 = 2 𝑚𝐻
Hình 2.1: Sơ đồ VSI ba pha với tải RL
Từ hình 2.1 ta có:
(2.1)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 25 / 46
Mô hình bộ nghịch lưu ba pha
Theo phép biến đổi trục:
Thay (2.1) vào (2.2) ta được:
(2.2)
𝑑
𝑑𝑡
𝐼𝛼
𝐼𝛽
= −
𝑅
𝐿
1 0
0 1
𝐼𝛼
𝐼𝛽
+
1
𝐿
1 0
0 1
𝑉
𝛼
𝑉𝛽
Chuyển qua miền Laplace: 𝑠𝐼 = −
𝑅
𝐿
𝐼 +
1
𝐿
𝑉
𝐺 𝑠 =
𝑖𝑠(𝑠)
𝑢𝑠
∗
(𝑠)
Mô hình: 𝐺 𝑠 =
1
𝑅 + 𝐿𝑠

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 26 / 46
Mô hình bộ điều khiển
• Bộ điều khiển cộng
hưởng PR
– Thành phần I quay:
𝐺𝑐 𝑠 = 𝐾𝑃 +
𝐾𝐼𝑠
𝑠2 + 𝜔0
2

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 27 / 46
Cấu trúc điều khiển dạng mô hình toán học
Hình 2.2: Tổng hợp mạch vòng dòng điện cho một nhánh
• Hàm truyền vòng hở:
𝐺ℎ 𝑠 = 𝐾𝑝 +
𝐾𝑖𝑠
𝑠2 + 𝜔0
2
1
𝑅 + 𝑠𝐿
=
𝐾𝑝𝑠2 + 𝐾𝑖𝑠 + 𝐾𝑝𝜔0
2
𝐿𝑠3 + 𝑅𝑠2 + 𝐿𝜔0
2
𝑠 + 𝑅𝜔0
2
• Hàm truyền vòng kín:
𝐺𝑃𝑅 𝑠 =
𝐾𝑝𝑠2 + 𝐾𝑖𝑠 + 𝐾𝑝𝜔0
2
𝐿𝑠3 + (𝑅 +𝐾𝑝)𝑠2 +(𝐿𝜔0
2
+ 𝐾𝑖)𝑠 + (𝐾𝑝 + 𝑅)𝜔0
2

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 28 / 46
Thiết kế bộ điều khiển trên hệ tọa độ tĩnh αβ Tính toán tham số bộ điều khiển
Thiết kế bộ điều khiển RP trên miền tần số
• Chuyển hàm truyền kín mạch vòng dòng điện qua miền tần số ta được:
+
+
 Chọn băng thông từ 10ω0 ÷ 0.1𝜔𝑠 ta chọn 𝜔𝑏𝑤 = 3141 (𝐻𝑧)
• Cho 𝐾𝑖 = 0, viết lại phương trình (2.3)
(2.3)
(2.4)
𝐾𝑝 được chọn để có hệ số suy giảm biên độ là −3𝑑𝐵 ↔ 𝐺𝑃𝑅 𝑗𝜔 =
1
2

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 29 / 46
Thiết kế bộ điều khiển trên miền tần số
= 5 + 2 ∙ 10−3 ∙ 3141 2 + 2 ∙ 52
𝐾𝑝 = 14.46
• Thành phần Ki được đưa thêm vào sẽ làm thay đổi băng thông
như mong muốn, hiểu chỉnh Ki để băng thông 𝜔𝑏𝑤 ≥ 3141 (𝐻𝑧).
Qua các lần thử nghiệm cho thấy cần chọn Ki ≥ 15000
→
• Vậy bộ điều khiển cộng hưởng PR
𝐺𝑐 𝑠 = 14.46 +
15000𝑠
𝑠2 + 3142
𝐾𝑖 = 15000

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 30 / 46
Kiểm tra băng thông của hệ kín với Ki = 1000

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 31 / 46
Kiểm tra băng thông của hệ kín với Ki = 15000

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 32 / 46
Thiết kế bộ điều khiển trên hệ tọa độ tĩnh αβ Kết quả mô phỏng
Mô hình mô phỏng trên Matlab
Hình 2.3: Điều khiển dòng điện cho bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha
trên hệ tọa độ tĩnh αβ
sử dụng bộ điều khiển cộng hưởng PR

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 33 / 46
Kết quả mô phỏng
Hình 2.4: Đáp ứng dòng Iα và Iβ

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 34 / 46
Hình 2.5: Đáp ứng dòng - áp tải và tín hiệu điều chế

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 35 / 46
Thiết kế bộ điều khiển trên hệ tọa độ dq Tổng hợp mạch vòng dòng điện
Sơ đồ cấu trúc điều khiển tổng quan
Hình 3.1: Cấu trúc điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ dq

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 36 / 46
Mô hình toán học bộ nghịch lưu trong tọa độ dq
Hình 3.2: Sơ đồ tương đương của bộ nghịch lưu
(3.1)
(3.2)
(3.3)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 37 / 46
Các phương trình dòng điện và điện áp
• Phép chuyển tọa độ Park:
(3.4)
• Dòng điện trong trục dq:
(3.5)
• Tương tự với điện áp:
(3.6)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 38 / 46
Coupling
• Đạo hàm phương trình dòng điện id (3.6)
(3.7)
• Từ (3.2) ta có:
(3.8)
• Từ (3.5), (3.6), (3.8), ta viết lại (3.7):
• Tương tự ta cũng có với dòng q:
(3.9)
(3.10)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 39 / 46
Coupling
• Chuyển (3.9) và (3.10) qua miền Laplace:
Trong đó:
• Hàm truyền bộ nghịch lưu trong tọa độ dq
𝑠𝐿 + 𝑅
𝑠𝐿 + 𝑅
𝜔𝐿
𝜔𝐿
𝐼𝑑
𝐼𝑞
∆𝑈𝑑
∆𝑈𝑞
-
+
+
+
Hình 3.3: Coupling giữa dq

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 40 / 46
De-coupling loại 1
Hình 3.4: Nguyên lý decoupling loại 1

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 41 / 46
De-coupling loại 2
Hình 3.5: Nguyên lý decoupling loại 2

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 42 / 46
Sơ đồ cấu trúc điều khiển với de-coupling loại 2
Hình 3.6: Cấu trúc điều khiển dòng điện với de-coupling loại 2
 Lượng đặt id, iq một chiều:
 Đối tượng điều khiển đơn giản

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 43 / 46
Thiết kế bộ điều khiển trên hệ tọa độ dq Tính toán tham số bộ điều khiển
Thiết kế bộ điều khiển PI theo chuẩn tối ưu Modul
𝐺𝑖 𝑠 =
𝑖𝑠(𝑠)
𝑢𝑠
∗
𝑠
= 𝐺𝑆𝑉𝑀 𝑠 ∙ 𝐺 𝑠 =
1
1 + 𝑠
𝑇𝑠
2
∙
1
𝑅
1 + 𝑠
𝐿
𝑅
• Đối tượng điều khiển:
Định lý 2.39:
Nếu đối tượng là khâu quán tính bậc hai 𝑆(𝑠) =
𝑘
(1+𝑇1𝑠)(1+𝑇2𝑠)
, thì bộ điều khiển
𝑅 𝑠 = 𝑘𝑝 1 +
1
𝑇𝐼𝑠
với các tham số 𝑇𝐼 = 𝑇1, 𝑘𝑝 =
𝑇1
2𝑘𝑇2
sẽ là bộ điều khiển tối ưu độ lớn
• Bộ điều khiển:
+ 𝐾𝑝 =
𝐿
𝑇𝑠
= 𝑓𝑠𝐿 = 5.103 2.10−3 = 10
+ 𝐾𝑖 =
𝑅
𝑇𝑠
= 𝑓𝑠𝑅 = 5.103 5 = 25000
𝐺𝑐 𝑠 = 10 +
25000
𝑠

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 44 / 46
Thiết kế bộ điều khiển trên hệ tọa độ dq Kết quả mô phỏng
Mô hình mô phỏng trên Matlab
Hình 3.7: Điều khiển dòng điện cho bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha
trên hệ tọa độ tĩnh dq sử dụng bộ điều khiển PI

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 45 / 46
Hình 3.7: Đáp ứng dòng Id (25A-15A) và Iq (10A-30A)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 46 / 46
Hình 3.8: Đáp ứng dòng - áp tải và tín hiệu điều chế

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA TRÊN HỆ TỌA ĐỘ TĨNH.pptx

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA TRÊN HỆ TỌA ĐỘ TĨNH.pptx

Similar to THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA TRÊN HỆ TỌA ĐỘ TĨNH.pptx (20)

More from Man_Ebook

More from Man_Ebook (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (10)

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA TRÊN HỆ TỌA ĐỘ TĨNH.pptx