Mô hình hóa và thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi Điện tử công suất (Trần Trọng Minh & Vũ Hoàng Phương)

Các bộ biến đổi bán dẫn đóng vai trò là một khâu biến đổi với hiệu suất cao nguồn điện phía đầu vào tới đầu ra với các thông số thay đổi như mong muốn. Yêu cầu đầu tiên đối với quá trình biến đổi là hiệu suất cao nhất có thể. Để đạt hiệu suất cao các bộ biến đổi sử dụng các phần tử bán dẫn công suất như các khoá điện tử, dùng để nối tải vào nguồn theo những quy luật nhất định, trong những khoảng thời gian nhất định, nhờ đó mà biến đổi được các thông số của nguồn điện, đáp ứng các yêu cầu khác nhau của phụ tải cũng như các yêu cầu về điều chỉnh khác nhau. Các quy luật đóng cắt van bán dẫn được thực hiện bởi các khâu điều chế độ rộng xung (PWM). Các phần tử công suất đóng cắt các dòng điện, có thể rất lớn, hàng trăm đến hàng nghìn A, dưới điện áp có thể rất cao, từ vài chục đến vài trăm V, tuy nhiên lại được điều khiển bởi những dòng điện, điện áp rất nhỏ, tạo ra bởi những mạch điện tử công suất nhỏ thông thường, gọi là các mạch phát xung.

NỘI DUNG:

TABLE OF CONTENTS

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... 6

1 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂNEquation Chapter 1 Section 1 ................................................................... 14

1.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất ......................................... 14

1.2 Mạch phát xung điều khiển đóng mở van bán dẫn ................................................... 15

1.2.1 Điều khiển mở cho Tiristor .................................................................................. 15

1.2.2 Điều khiển đóng cắt cho MOSFET ...................................................................... 17

1.2.3 Điều khiển đóng cắt cho IGBT ............................................................................ 19

1.2.4 Mạch driver cho MOSFET và IGBT ................................................................... 21

1.3 Mục tiêu đặt ra trong thiết kế điều khiển các bộ biến đổi ......................................... 23

1.4 Các loại hệ thống điều khiển ..................................................................................... 25

2 các phương pháp ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM Equation Chapter 2 Section 2 .. 27

2.1 Các dạng sơ đồ điều chế ............................................................................................ 27

2.2 Phân tích sóng hài dạng sóng điều chế PWM ........................................................... 29

2.3 Mô hình tín hiệu nhỏ AC cho PWM với tần số sóng mang không đổi ..................... 32

2.4 Mô hình tín hiệu nhỏ AC cho PWM với tần số sóng mang thay đổi ........................ 35

2.5 Điều chế PWM cho các bộ nghịch lưu ...................................................................... 36

2.5.1 Điều chế PWM cho nghịch lưu một pha nửa cầu ................................................ 36

2.5.2 Điều chế PWM cho nghịch lưu cầu một pha ....................................................... 38

2.5.2.1 Điều chế hai cực tính .......................................................................... 38

2.5.2.2 Điều chế một cực tính (Phase shift modulation) .................................. 39

2.5.3 Thời gian chết trong chu kỳ điều chế ................................................................... 40

2.5.4 Phương pháp biến điệu độ rộng xung ứng dụng điều khiển số: PWM trích mẫu đều

41

2.6 Điều chế PWM cho nghịch lưu nguồn áp ba pha ...................................................... 44

2.6.1 Phương pháp sinPWM ......................................................................................... 44

2.6.2 Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) ................................................ 47

2.6.2.1 Thuật toán điều chế vector không gian ................................................ 47

2.6.2.2 Mô phỏng phương pháp sinPWM và SVM ......................................... 56

3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN CHO CHỈNH LƯU TIRISTOR

Equation Chapter 3 Section 3 ............................................................................................................... 59

3.1 Mạch tạo xung điều khiển các bộ biến đổi Tiristor ................................................... 59

3.1.1 Nguyên lý tạo xung điều khiển cho bộ biến đổi Tiristor ..................................... 59

3.1.2 Mạch tạo xung điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha .................................................. 61

2

3.2 Mô hình hóa và tổng hợp mạch vòng dòng điện cho chỉnh lưu Tiristor ................... 64

4 MÔ HÌNH HÓA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI Equation Chapter 4 Section 4 ............................. 72

4.1 Các phương pháp mô hình hóa bộ biến đổi bán dẫn công suất ................................. 72

4.2 Mô hình đóng cắt ...................................................................................................... 73

4.2.1 Mô hình toán học ................................................................................................. 73

4.2.2 Mô hình đóng cắt cho các bộ biến đổi DC-DC .................................................... 74

4.3 Mô hình trung bình cổ điển ....................................................................................... 77

4.3.1 Cơ sở toán học của mô hình trung bình ............................................................... 77

4.3.2 Tuyến tính hóa và mô hình trung bình tín hiệu nhỏ ............................................. 79

4.3.3 Mô hình trung bình cho các bộ biến đổi DC-DC có tính tới tổn hao ................... 82

4.3.3.1 Mô hình trạng thái trung bình cho Bộ biến đổi kiểu boost ................... 83

4.3.3.2 Mô hình trung bình cho Bộ biến đổi kiểu buck ................................... 85

4.3.3.3 Mô hình trung bình cho Bộ biến đổi kiểu Buck- boost ........................ 87

4.4 Mô phỏng kiểm chứng các mô hình .......................................................................... 88

4.4.1 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi kiểu buck ........................................................... 88

4.4.2 Mô hình mô phỏng boost converter ..................................................................... 90

5 PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH PHẦN TỬ VÀ MẠNG ĐÓNG CẮT

Equation Section (Next) ........................................................................................................................ 93

5.1 Phương pháp trung bình phần tử đóng cắt ................................................................ 93

5.1.1 Sơ đồ tương đương bất biến của phần tử đóng cắt ............................................... 93

5.1.2 Mô hình trung bình phần tử đóng cắt cho Bộ biến đổi kiểu buck ........................ 97

5.2 Phương pháp trung bình hóa mạng đóng cắt ............................................................. 99

5.2.1 Trung bình hóa mạng đóng cắt cho sơ đồ Bộ biến đổi kiểu boost ....................... 99

5.2.2 Trung bình hóa mạch đóng cắt cho Buck, Buck-boost ...................................... 102

5.2.3 Hàm truyền cho bộ biến đổi có tính tới điện trở cuộn cảm rL và điện trở rESR của tụ

103

5.2.4 Hàm truyền có tính tới tổn hao trên van bán dẫn và điôt ................................... 106

5.2.5 Mô hình trung bình tính tới tổn hao do quá trình đóng cắt ................................ 108

6 MÔ HÌNH TRUNG BÌNH TỔNG QUÁT Equation Section (Next) ............................ 110

6.1 Mô hình trạng thái trung bình tổng quát và vectơ động .......................................... 110

6.1.1 Khái niệm về phazor động ................................................................................. 110

6.1.2 Phương trình với các biến động tín hiệu nhỏ ..................................................... 112

6.1.3 Liên hệ giữa phazor động và dạng sóng thực .................................................... 113

6.2 Mô hình trung bình tổng quát ................................................................................. 114

6.3 Mô hình trung bình tổng quát cho nghịch lưu nguồn áp một pha ........................... 115

6.3.1 Mô hình nghịch lưu nguồn áp cầu một pha xung chữ nhật ................................ 115

6.3.2 Mô hình nghịch lưu nguồn áp cầu một pha điều chế PWM............................... 118

3

6.4 Mô hình trung bình tổng quát cho nghịch lưu ba pha ............................................. 120

6.4.1 Sơ đồ chỉnh lưu kiểu Boost ba pha .................................................................... 120

6.4.2 Sơ đồ nghịch lưu ba pha nguồn áp ..................................................................... 124

7 MÔ HÌNH TRUNG BÌNH HẠ BẬC Equation Section (Next) ..................................... 128

7.1 Phương pháp giảm bậc phương trình trạng thái ...................................................... 128

7.2 Mô hình giảm bậc cho Bộ biến đổi kiểu boost trong chế độ DCM ......................... 129

7.3 Mô hình trung bình giảm bậc của bộ biến đổi DC-AC nối lưới ............................. 131

8 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI Equation Section (Next)

DC/DC 135

8.1 Nhắc lại một số kiến thức về lý thuyết điều khiển tự động ..................................... 135

8.2 Điều khiển trực tiếp đầu ra ...................................................................................... 139

8.2.1 Cơ sở thiết kế cấu trúc điều khiển trực tiếp đầu ra ............................................ 139

8.2.2 Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck ............................................. 141

8.2.3 Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost............................................. 145

8.3 Điều khiển gián tiếp đầu ra – cấu trúc hai mạch vòng ............................................ 153

8.3.1 Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck ............................................. 158

8.3.2 Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost............................................. 164

8.4 Điều khiển bằng phương pháp phản hồi trạng thái áp đặt điểm cực ....................... 173

8.4.1 Các bước tiến hành thiết kế ................................................................................ 173

8.4.2 Mô phỏng kiểm chứng thiết kế .......................................................................... 179

8.5 Triển khai cấu trúc điều khiển DC/DC trong thực tế .............................................. 180

8.5.1 Kỹ thuật điều khiển tương tự ............................................................................. 181

8.5.2 Kỹ thuật điều khiển số ....................................................................................... 181

9 ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC VÀ AC-DC

Equation Section (Next) ...................................................................................................................... 186

9.1 Đặc điểm và yêu cầu điều khiển cho các bộ biến đổi có khâu xoay chiều tần số thấp

186

9.2 Thiết kế điều khiển trên hệ tọa độ quay 0dq ........................................................... 188

9.2.1 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực .............................................................. 188

9.2.2 Xác định thông số các bộ điều chỉnh PI ............................................................. 191

9.2.3 Kết quả mô phỏng .............................................................................................. 193

9.2.4 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu 3 pha làm việc độc lập ..................................... 199

9.3 Các bộ điều chỉnh cộng hưởng ................................................................................ 206

9.3.1 Khái niệm về các bộ điều chỉnh cộng hưởng ..................................................... 206

9.3.2 Phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh PR ............................................................. 210

9.3.2.1 Phương pháp thiết kế trên miền tần số .............................................. 210

4

9.3.2.2 Phương pháp đa thức Naslin ............................................................. 213

9.3.2.3 Số hóa bộ điều chỉnh PR ................................................................... 215

9.3.3 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực 1 pha..................................................... 217

9.3.4 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp độc lập 1 pha .................................... 223

9.4 Thuật toán vòng khóa pha ....................................................................................... 228

9.4.1 Thuật toán vòng khóa pha 3 pha ........................................................................ 228

9.4.2 Thuật toán vòng khóa pha 1 pha ........................................................................ 231

9.5 Triển khai hệ thống điều khiển bộ biến đổi DC/AC trong thực tế .......................... 234

10 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ĐIỆN TỬ CÔNG

SUẤT Equation Section (Next) .......................................................................................................... 244

10.1 Một số cơ sở toán học ......................................................................................... 244

10.2 Bậc tương đối và động học không ...................................................................... 246

10.3 Tổng quan về các phương pháp điều khiển phi tuyến áp dụng cho Điện tử công suất

248

11 TUYẾN TÍNH HÓA BẰNG PHẢN HỒI CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG

SUẤT Equation Section (Next) ......................................................................................................... 250

11.1 Khái niệm về tuyến tính hóa nhờ phản hồi ......................................................... 250

11.2 Khả năng vận dụng phương pháp thiết kế tuyến tính hóa chính xác cho bộ biến đổi

DC/DC 253

11.2.1 Xét ví dụ cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck .................................................. 253

11.2.2 Xét ví dụ bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost ........................................................ 256

11.3 Khả năng vận dụng phương pháp thiết kế tuyến tính hóa chính xác cho bộ biến đổi

AC/DC. 261

12 ĐIỀU KHIỂN TỰA PHẲNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT .......... 262

12.1 Hệ phẳng và điều khiển tựa khiển phẳng ............................................................ 262

12.2 Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển tựa phẳng ......................................... 264

12.3 Áp dụng điều khiển tựa phẳng cho bộ biến đổi DC/DC ..................................... 266

12.3.1 Ví dụ cho bộ biến đổi Buck ............................................................................. 266

12.3.2 Ví dụ cho bộ biến đổi Boost ............................................................................ 269

12.4 Áp dụng điều khiển tựa phẳng cho nghịch lưu nguồn áp ba pha nối lưới ........... 273

12.4.1 Xác định mô hình tựa phẳng ............................................................................ 273

12.4.2 Thiết kế trực tiếp .............................................................................................. 275

12.4.3

Điều khiển nối cấp

........................................................................................... 275

12.4.4 Mô phỏng ......................................................................................................... 277

13 ĐIỀU KHIỂN TỰA THỤ ĐỘNG CHO ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Equation Section (Next) ...................................................................................................................... 278

13.1 Định nghĩa hệ thụ động ....................................................................................... 278

5

13.2 Biểu diễn Euler-Lagrange cho hệ động học ........................................................ 279

13.3 Mô hình tổng quát dạng thụ động cho các bộ biến đổi bán dẫn công suất.......... 280

13.4 Ví dụ biểu diễn dạng Euler-Lagrange của các bộ biến đổi ................................. 282

13.5 Điều khiển ổn định cho các bộ biến đổi bán dẫn công suất ................................ 290

13.5.1 Cơ sở lý thuyết trong điều khiển ổn định ......................................................... 290

13.5.2 Tính toán biến điều khiển cho vấn đề ổn định hệ thống .................................. 292

13.5.3 Hệ điều khiển thụ động thích nghi ước lượng tham số .................................... 293

13.6 Ví dụ thiết kế điều khiển tựa thụ động cho Bộ biến đổi kiểu boost .................... 294

13.6.1 Tính toán tín hiệu điều khiển ........................................................................... 294

13.6.2 Tính chọn các hệ số cho ma trận cản dịu ......................................................... 296

13.6.3 Phân tích tính ổn định của hệ kín ..................................................................... 297

13.6.4 Thích nghi ước lượng tham số ......................................................................... 298

13.6.5 Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển tựa thụ động thích nghi ước lượng tham

số cho Bộ biến đổi kiểu boost ..................................................................................................... 299

14 ĐIỀU KHIỂN HỆ CÓ CẤU TRÚC THAY ĐỔI Equation Section (Next) ............... 300

14.1 Hệ thống điều khiển kiểu rơ-le ............................................................................ 300

14.2 Chế độ trượt trong VSS ....................................................................................... 302

14.2.1 Ví dụ một hệ VSS đơn giản ............................................................................. 302

14.2.2 Chế độ trượt trong VSS ................................................................................... 304

14.2.3 Tính ổn định của chế độ trượt .......................................................................... 305

14.2.4 Điều khiển trượt cho Bộ biến đổi kiểu buck .................................................... 306

14.2.5 Mô phỏng hệ điều khiển trượt cho Bộ biến đổi kiểu buck ............................... 308

14.3 Điều kiện tồn tại chế độ trượt .............................................................................. 310

14.4 Điều khiển tương đương ..................................................................................... 311

14.4.1 Điều khiển tương đương đối với hệ tuyến tính điều khiển vô hướng .............. 312

14.4.2 Điều khiển tương đương đối với hệ tuyến tính điều khiển vector ................... 313

14.4.3 Điều khiển tương đương đối với hệ phi tuyến tính dạng affin ......................... 314

14.5 Phương pháp thiết kế điều khiển theo mode trượt .............................................. 315

14.5.1 Thiết kế điều khiển trượt cho bộ biến đổi kiểu buck ....................................... 315

14.5.2 Thiết kế điều khiển trượt cho bộ biến đổi kiểu boost ...................................... 320

14.5.3 Thiết kế điều khiển trượt cho các BBĐ DC-DC .............................................. 327

14.6 Thiết kế điều khiển trượt cho BBĐ DC-AC ........................................................ 330

15 Tài liệu tham khảo..

LINK DOWNLOAD

NỘI DUNG: