bat tap lon tkdtcs

Bài tập lớn Thiết kế hệ thống điện tử công suất

2

Bài tập 9: Thiết kế cấu trúc điều khiển cho nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha có

công suất

5kVA làm việc chế độ chỉnh lưu tích cực

Tham số sơ đồ mạch lực nghịch lưu nguồn áp ba pha

Lượng đặt điện áp một chiều trên tụ Cdc Udc = 700V Tham số điện cảm phía lưới Ls = 2mH Tần số phát xung mạch nghịch lưu 5kHz

380V / 50Hz

Sơ đồ mạch lực nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha làm việc chế độ chỉnh lưu tích

cực

Yêu cầu:

1. Tính chọn mạch lực

2. Thiết kế khâu điều chế độ rộng xung theo nguyên lý điều chế vector không gian.

3. Thiết kế mạch vòng điều khiển dòng điện theo nguyên lý điều khiển vector

dòng điện is (lựa chọn điều khiển theo cấu trúc PR trên hệ tọa độ tĩnh αβ hoặc PI

trên hệ tọa độ quay dq) .

4. Tổng hợp mạch vòng điện áp Udc

5. Mô phỏng bằng phần mềm Matlab để kiểm chứng kết quả thiết kế.


2

ĐỀ TÀI: Thiết kế cấu trúc điều khiển cho nghịch lưu độc lập nguồn áp ba

pha có công suất 5KV làm việc chế độ chỉnh lưu tích cực

I. Tính chọn mạch lực

1. Tính toán chọn van IGBT

a) Điện áp lớn nhất đặt lên van UVmax

Xét tại thời điểm van V1 mở,van V4 dẫn:

Cực C của V1 nối với cực dương của nguồn Vg

Van V4 thông nối cực E của V1 với cực âm của nguồn Vg

UVmax = Vg = √2.3

2.q . Udm =

√2.3

2.0,75 . 380 = 1074,8 V

Trong đó q là hệ số biến điệu ( 0 < q < 0,866)

b) Dòng điện trung bình qua van

Với S = 3U.I => I = S

U =

5000

3.380 = 4,386 (A)

Trong chế độ định mức có:

Zdm = Udm

Idm=

380

4,386 = 86,64 Ω

XL = L =314. 0,002 = 0,628 Ω

𝛗 = arcsin 0,628

86,64 = 0°24

Rtdm = z.cos𝛗 = 86,64 . 0,9999 = 86,63 Ω

Biểu thức dòng điện trung bình qua van động lực trong một chu kỳ điện áp ra:

IV = 1

2.π∫ Im sin(Ɵ + φ) dƟ

π

0

Rút gọn ta được :

IV = Im

2.π (1 + cos φ)

Dòng trung bình qua van là :

IV = Im

2.π (1 + cos φ) =

4,386

2.π (1 + cos 0°24) = 1,4 A

Dòng điện và điện áp định mức của van cần chọn là :

UVdm = ku . UVmax =1,4. 1074,8 = 1504,72 (V) ≈ 1505 V

IVdm = kI . IVmax = 5. 1,4 = 7A


2

Từ 2 thông số trên ta chọn IGBT loại đơn BSM200GA170DLC với các

thông số chính sau:

Ucemax = 1700 V

IC = 200 A

2. Tính chọn điot

a) Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van UDngmax

Xét thời điểm van V1 , D4 khóa và V4 , D1 thông:

Cực anode của D4 được nối với cực âm của Vg .Cực Kathode của D4 do van D1

thông nên nối với cực dương của Vg. Như vậy điện áp ngược lớn nhất đặt lên van

UDngmax = Vg

b) Dòng điện trung bình đi qua Diode ID

Biểu thức dòng điện trung bình đi qua diode trong một chu kỳ điện áp ra là:

ID = 1

2π ∫ − Im

π

0sin(Ɵ − φ)dƟ

Dòng trung bình qua van là :

ID = Im

2.π (1 - cos φ) = ID =

4,386

2.π (1 - cos 0°24) = 0,00007 A

Dòng điện và điện áp định mức của Diode cần chọn là:

UDdm = ku . UDngmax = 1,1. 1074,8 = 1182,28 V

IDdm = kI . IDngmax = 5. 0,00007= 0,00035 A

Từ hai thông số trên ta chọn Diode BYX38 có các thông số cơ bản sau:

I = 6 A

Ungmax = 1200 V

3. Gía trị tụ điện

Cmax = 1,3 . Lt

Rt2 = 1,3 .

0,002

69,3122 = 0,54.10-6 F= 0,54 µF

Chọn tụ C = 0,6 µF


2

II. Thiết kế khâu điều chế độ rộng xung theo nguyên lý điều chế vecto không

gian

Sau đây là sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần sử dụng 6 khóa transitor công suất :

Hình 2.1. Sơ nguyên lý đồ bộ nghịch lưu 3 pha

Đối với phương pháp điều rộng xung vector không gian, bộ nghịch lưu

được xem như là một khối duy nhất với 8 trạng thái đóng ngắt riêng biệt từ 0

đến

Hình 2.2. Trạng thái đóng ngắt các khóa bộn nghịch lưu


2

Bảng tóm tắt :

Vector

điện

áp

Trạng thái của khóa Điện áp pha Điện áp dây

Q1 Q3 Q5 Uan Ubn Ucn Uab Ubc Uca U0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 U1 1 0 0 2/3 -1/3 -1/3 1 0 -1 U2 1 1 0 1/3 1/3 -2/3 0 1 -1 U3 0 1 0 -1/3 2/3 -1/3 -1 1 0 U4 0 1 1 -2/3 1/3 1/3 -1 0 1 U5 0 0 1 -1/3 -1/3 2/3 0 -1 1 U6 1 0 1 1/3 -2/3 1/3 1 -1 0 U7 1 1 1 0 0 0 0 0 0

Ghi chú: độ lớn điện áp phải nhân với VDC

Đối với nguồn áp ba pha cân bằng, ta luôn có phương trình sau:

ua (t ) + ub (t ) + uc

(t ) = 0

(2.12)

Và bất kỳ ba hàm số nào thỏa mãn phương trình trên đều có thể chuyển

sang hệ tọa độ 2 chiều vuông góc. Ta có thể biểu diễn phương trình trên

dưới dạng 3 vector gồm: [ua 0 0]T trùng với trục x, vector [0 ub 0]T lệch một

góc 120o và vector [0

0 uc]T lệch một góc 240o so với trục x như hình sau đây.

Hình 2.3. Biểu diễn vector không gian trong hệ tọa độ x-y


2

Từ đó ta xây dựng được phương trình của vector không gian trong hệ tọa độ phức như sau

( ) +

Ta xét trường hợp bộ nghịch lưu ở trạng thái đầu U1 :

Ta có: Ua= 2/3 Vdc ; Ub=Uc= -1/3 Vdc Xét trên hệ tọa độ α − β : trong đó Us = U1 = K * (Ua + Ub + Uc) ; K=2/3 là hệ số

biên hình

Hình 2.4. Vector điện áp U1 trên tọa độ α − β


2

+ Tương tự như vậy với các vector U2-> U6 , ta có giản đồ sau:

Hình 2.5. Vector điện áp V1(U1)->V6(U6) trên giản đồ α − β

+ Ngoài ra , chúng ta còn 2 trường hợp đặc biệt là vector U0 =U7= 0

Hình 2.6. U7 & U0

Ý tưởng của việc điều chế vector không gian là tạo nên sự dịch chuyển

liên tục của vector không gian tương đương của vector điện áp bộ nghịch lưu

trên quỹ đạo đường tròn, tương tự như trường hợp của vector không gian của

đại lượng 3 pha hình sin tạo được. Với sự dịch chuyển của đều đặn của vector

không gian trên quỹ đạo tròn các sóng hài bậc cao được loại bỏ và biên độ

áp ra trở nên tuyến tính. Vector tương đương ở đây chính là vector trung bình

trong thời gian một chu kỳ lấy mẫu Ts của quá trình điều khiển bộ nghịch lưu

áp


2

Hình 2.7. Vector Vs trên hệ trục α − β

Hình 2.8. Điện áp 3 pha ngõ ra trong miền thời gian tương ứng Hình 2.11

9


Hình 2.9. Vs ở sector 1

Xét góc 1 phần 6 của hình lục giác được xác định bằng đỉnh của 3 vector U1.U2,U0-7

Giả sử trong thời gian Ts, ta cho tác dụng vecto U1 trong khoảng thời gian TA, vecto U2

trong khoảng thời gian TB, U0-7 trong khoảng thời gian T-TA-TB.

Vector tương đương được tính bằng vector trung bình của chuỗi tác động liên tiếp

Trong đó điện áp pha Vs=Us điên áp pha ngõ ra của Ua, Ub, Uc

Chiếu phương trình vecto Vs và dùng công thức Ts, tỉ số m:

10



Page 11

Như vậy vector trung bình ( Us) được điều khiển theo quỹ đạo đường tròn.

Chiều quay có thể thuận hay nghịch theo chiều kim đông hồ. Đường tròn nội

tiếp hình lục giác là quỹ đạo của vector ko gian lớn nhất mà phương pháp

điều chế vector không gian của bộ nghịch lưu áp hai bậc có thể đạt được trong

phạm vi điều khiển tuyến tính. Bán kính đường tròn này chính bằng biên độ

thành phần cơ bản điện áp (pha) tải, với Udc=700V


Page 12

III.Thiết kế mạch vòng điều khiển dòng điện theo nguyên lý điều khiển vecto

dòng điện is

Thiết kề bộđiều chỉnh dòng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ

Do lượng đặt dòng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ có dạng hình sin với tần số bằng ωs (tần

số cơ bản dòng điện hình sin), ta sẽ sử dụng cấu trúc điều chỉnh kiểu cộng hưởng (PR) có

tần số cộng hưởng ω0 =ωs để giải quyết vấn đề này.

Gc(s) = Kp + Kis

s2+ 𝑤02

Phương thức thiết kế bộđiều chỉnh này được thiết kế trên miền tần số, trên cơ sở lựa

chọn băng thông (bandwidth) cho hàm truyền hệ thống kín . Thông thường, băng thông

được lựa chọn trong khoảng 10 lần tần số cơ bản và 1/10 tần số phát xung vào mạch

nghịch lưu đểđảm bảo hệ thống có đáp ứng động học đủ nhanh và ổn định.

Hàm truyền kín mạch vòng dòng điện

GPR(s) = i (s)

i∗(s)

= Kps2+ Kis+ Kp𝑤0

2

Ls3+ (Kp+ R)s2+ (Ki+ 𝑤02 L )s+ Kp𝑤0

2+ 𝑤02R

|GPR(j𝑤)| =

√(Ki𝑤 )2+ KP

2 (𝑤02− 𝑤2)2

√[Ki+L ( 𝑤02−𝑤2)]2 𝑤2 + ( Kp+ R )2 ( 𝑤0

2− 𝑤2)2

∟GPR (jw) = arctan [ Ki𝑤

Ki( 𝑤02− 𝑤2)

] - arctan [ [ L (𝑤0

2− 𝑤2)+ Ki]

( Kp+ R )( 𝑤02− 𝑤2 )

]

Cho Ki = 0,ta có:

|GPR(j𝑤)| = Kp

√[(L 𝑤)]2 + ( Kp+ R )2


Page 13

Để có hệ số suy giảm biên độ là -3dB ( hay |GPR(j𝑤bw)|= √1

2 ), với băng thông 𝑤bw=

5000,ta có:

Kp = R + √(L 𝑤bw)2 + 2R2

= 86,63 + √(0,002 .2π. 5000)2 + 2.86,632

= 224,3

Đưa thành phần tích phân vào biểu thức biên độ

Ki = 𝑤bw

2 − 𝑤02

𝑤bw . [√(R + Kp)2 + 2. (L𝑤bw)2 − 2. Kp

2 - L𝑤bw] =

(314002− 3142)

31400[√( 86,63 + 224,3)2 + 2. (0,002.2π. 5000)2 − 2. 224,32

– 0,002.5000]

= 328,27

Thay vào ta có:

Gc(s) =224,3 + 328,27s

s2+ 3142

* s u

PR

PR SVM NLNA

s i

L u

abc

αβ s i

s i β

s i

* s u β

s u

* s i

* s i β

s i

s i β

ĐC dòng điện


Page 14

IV. Tổng hợp mạch vòng điện áp

1. Tính toán Tụ C-rc

Tụ lọc C phải đủ lớn để đảm bảo độ đập mạch điệp áp đầu ra và sự sụt áp khi đóng

tải trong phạm vi cho chép.Độ đập mạch gồm 2 thành phần : do điện trở nối tiếp tụ C

gây ra, và do tụ lọc các xung điện áp từ đầu ra bộ biến đổi.

Độ đập mạch :

CC rV V V

(Error! No

text of

specified

style in

document..1)

Hình . Độ đập mạch điện áp ra

Thành phần đập mạch do tụ C :


Page 15

1 1

2 2 2

L SC

Q I TV

C C

(Error! No

text of

specified

style in

document..2)

Suy ra giá trị tụ C đáp ứng được yêu cầu :

.

8.

L S

C

I TC

V

(Error! No

text of

specified

style in

document..3)

Đối với các mạch nguồn DC-DC, độ đập mạch không nên vượt quá 1% Vo.

2. Mạch vòng điều chỉnh điện áp

Hình. Cấu trúc điều khiển mạch vòng điện áp bộ biến đổi Buck

Hàm truyền điện áp giữa điện áp đầu ra và hệ số điều chế dưới dạng :

2( ) 0

( ) 1 . .( )

( )1

.

in

o cvd vdo

u s

o o o

u s r C sG s G

d s s s

Q

(Error! No

text of

specified

style in

document..4)

Trong đó : vdoG = Vin = 700V

o =2π*500 Q0=R√C

L = 1,5


Page 16

D=U0/UIn= 380/700=0.54

GVD(s) = (1+ 0,6µs)/(1+s/(1,5*2π*5000)+(s/1,5)2)


Page 17

V. Mô phỏng

Hình 5.1. Điện áp dây đầu ra nghịch lưu ba pha


Page 18

Hình 5.2.Mạch điều chế độ rộng xung theo nguyên lý điều khiển vecto

Hình 5.3. Sóng sin ,β


Page 19

Hình 5.3. Mạch vòng điều khiển dòng điện

Hình 5.4 . Dạng dòng điện


Page 20

Nhận xét : Dòng phản hồi Is bám giá trị đặt

Hình 5.5. Khâu so sánh xung răng cưa

6

PWM6

5

PWM5

4

PWM4

3

PWM3

2

PWM2

1

PWM1

Sign2

Sign1

Sign

Satu5

Satu4

Satu3

Satu2

Satu1

Satu

RC

-1

Gain2

-1

Gain1

-1

Gain

3

dc

2

db

1

da

6

PWM6

5

PWM5

4

PWM4

3

PWM3

2

PWM2

1

PWM1d0

d1

d2

sector

da

db

dc

tinh da,db,dc

anpha

beta

Udc

d0

d1

d2

sector

Tinh d0,d1,d2

sector

Scope

da

db

dc

PWM1

PWM2

PWM3

PWM4

PWM5

PWM6

PWM

3

Udc

2

beta

1

anpha


Page 21

Hình 5.6. Khâu điều chế vecto không gian

Ub

Uc

Ua

4

sector

3

d2

2

d1

1

d0

-K-

cong

Switch2

Switch1

Switch

1

2

3

4

5

6

Multiport

Switch

Matrix

Concatenate2

Matrix

Multiply

Matrix

-0.5

Gain

f(u)

FcnDivide

0

C3

1

C2

2

C1

4

C

3/2 sqrt(3)/2

0 -sqrt(3)

A6

-3/2 -sqrt(3)/2

3/2 -sqrt(3)/2

A5

0 -sqrt(3)

-3/2 sqrt(3)/2

A4

0 sqrt(3)

-3/2 -sqrt(3)/2

A3

-3/2 sqrt(3)/2

3/2 sqrt(3)/2

A2

3/2 -sqrt(3)/2

0 sqrt(3)

A1

1-D T(u)

1-D Lookup

Table

3

Udc

2

beta

1

anpha


Page 22

Hình 5.7. Khối tính các secto

Hình 5.8. Khối tính da, db, dc

3

dc

2

db

1

da

1

2

3

4

5

6

Multiport

Switch

Matrix

Concatenate

Matrix

Multiply

Matrix

[A6]

Goto4

[A5]

Goto3

[A4]

Goto2

[A3]

Goto1

[A2]

Goto

[A6]

F5

[A5]

F4

[A4]

F3

[A2]

F2[A3]

F1

0.5 0 0

0.5 1 1

0.5 1 0

A6

0.5 1 0

0.5 1 1

0.5 0 0

A5

0.5 1 1

0.5 1 0

0.5 0 0

A4

0.5 1 1

0.5 0 0

0.5 1 0

A3

0.5 1 0

0.5 0 0

0.5 1 1

A2

0.5 0 0

0.5 1 0

0.5 1 1

A1

4

sector

3

d2

2

d1

1

d0

Design

bat tap lon tkdtcs