NVTiem_Silide Thuyết Trình VSI

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 1 / 46Điều khiển dòng điện hệ nghịch lưu ba pha

Bài thuyết trình môn học

Nguyễn Văn Tiềm

Đại học Bách Khoa Hà NộiViện Điện

BM Tự Động Hóa XNCNHọc phần Điều Khiển Điện Tử Công Suất

Hà Nội, Ngày 13 tháng 05 năm 2014

Thiết kế bộ điều khiển dòng điện cho hệnghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha

Nguyễn Văn Tiềm (20102302 - ĐKTĐH6)

Ngày 13 tháng 05 năm 2014 2 / 46Điều khiển dòng điện hệ nghịch lưu ba phaNguyễn Văn Tiềm (20102302 - ĐKTĐH6)

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


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



Giản đồ không gian cho phép biến đổi Clarke

Hình 1.2: (a) không gian 3 chiều, (b) không gian 2 chiều



Vector không gian

• Gọi một vector điện áp: 𝒖 = 𝑢𝛼 + 𝑗𝑢𝛽

→ 𝒖 =2

3𝑢𝑎 −

1

2𝑢𝑏 −

1

2𝑢𝑐 +

2

3𝑗

3

2𝑢𝑏 −

3

2𝑢𝑐

=2

3𝑢𝑎 −

1

2𝑢𝑏 +𝑢𝑐 + 𝑗

3

2𝑢𝑏 − 𝑢𝑐

=2

3𝑈𝑚 cos(𝜔𝑡) −

1

2cos 𝜔𝑡 −

2𝜋

3+ cos 𝜔𝑡 +

2𝜋

3



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

3𝑢𝑎 + 𝜆𝑢𝑏 + 𝜆2𝑢𝑐→

𝒖 =2

3𝑢𝑎 + −

1

2+ 𝑗

3

2𝑢𝑏 + −

1

2− 𝑗

3

2𝑢𝑐• Cách viết khác:

𝒖 = 𝑢𝛼 + 𝑗𝑢𝛽

⟹ 𝒖 là một véc tơ không gian



Vector không gian điện áp stator trong hệ trục αβ

Hình 1.3: Điện áp stator trong hệ trục αβ


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 = 𝑈𝑚𝑥𝑞 = −sin 𝜃∙ 𝑈𝑚c𝑜𝑠 𝜃 − cos 𝜃 ∙ 𝑈𝑚si𝑛 𝜃 = 0

Hình 1.4: Dạng điện áp Ud và Uq


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


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 phaCác van nhóm trên: S1, S3, S5

Các van nhóm dưới: S4, S6, S2

Các vector chuyển mạch: a,b,c



8 khả năng kết hợp – 8 vector điện áp

Vectorđiện 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)



Nguyên lý của phương pháp điều chế SVM

• Chuyển đổi từ hệ trục abc sang hệ trục tọa độ αβ, xemđiện áp hình sin như một vectơ có biên độ không đổivà quay với tốc độ (tần số) không đổi

• Kỹ thuật PWM thực hiện xấp xỉ điện áp đặt Vref bằngsự 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)



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



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



Bước 1: Xác định Vα, Vβ, Vref, và góc θ

• Biến đổi Clarke: abc → αβ

• Tính: θ = tan−1Vβ

Vα

• Tính: Vref = Vα2+Vβ

2

Hình 1.9: Vα, Vβ, Vref, và góc θ

Vα Vβ

Vref

θα

β

θ



Bước 2: Xác định các khoảng thời gian T1, T2, T3

Hình 1.10: Vector đặt bằng tổng 2 vector liền kề trong sector

20

6)1 :(sector 61nđó, Trong

,

3

1sin

3

3sin

3

3

1

3sin

3

210

2

1

TTTT

n

V

VTT

n

V

VT

n

V

VTT

s

dc

refs

dc

refs

dc

refs



Bước 2: Xác định các khoảng thời gian T1, T2, T3

Hình 1.11: Mô tả các khoảng thời gian T1, T2, T3



Bước 3: Xác định thời gian chuyển mạch d1, d3, d5

Sector 1 Sector 2 Sector 3

Sector 4 Sector 5 Sector 6Hình 1.12: Mẫu xung chuyển mạch ở mỗi sector




Bảng 1.2: Thời gian chuyển mạch ở mỗi sector




Hình 1.12: Mẫu xung chuyển mạch ở nhóm van tính cựctheo phương pháp SVM

d1 d3 d5



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)



Mô hình điều khiển truyền thẳng trong Matlab

Hình 1.14: Điều khiển truyền thẳng trong Matlab

Hình 1.15: Khối VSI trong MatlabHình 1.16: Dòng điện và điện áp ra


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



Mô hình bộ nghịch lưu ba pha

𝑉𝐷𝐶 = 500 (𝑉)𝑅 = 5 Ω𝐿 = 2 𝑚𝐻

Hình 2.1: Sơ đồ VSI ba pha với tải RLTừ hình 2.1 ta có:

(2.1)



Mô hình bộ nghịch lưu ba pha

Theo phép biến đổi trục:

Thay (2.1) vào (2.2) ta được:

(2.2)

𝑑

𝑑𝑡

𝐼𝛼𝐼𝛽

= −𝑅

𝐿1 00 1

𝐼𝛼𝐼𝛽

+1

𝐿1 00 1

𝑉𝛼𝑉𝛽

Chuyển qua miền Laplace: 𝑠 𝐼 = −𝑅

𝐿 𝐼 +

1

𝐿 𝑉

𝐺 𝑠 =𝑖𝑠(𝑠)

𝑢𝑠∗(𝑠)

Mô hình: 𝐺 𝑠 =1

𝑅 + 𝐿𝑠



Mô hình bộ điều khiển

• Bộ điều khiển cộng hưởng PR

– Thành phần I quay:

𝐺𝑐 𝑠 = 𝐾𝑃 +𝐾𝐼𝑠

𝑠2 + 𝜔02



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 + 𝜔02

1

𝑅 + 𝑠𝐿=

𝐾𝑝𝑠2 + 𝐾𝑖𝑠 + 𝐾𝑝𝜔0

2

𝐿𝑠3 + 𝑅𝑠2 + 𝐿𝜔02𝑠 + 𝑅𝜔0

2

• Hàm truyền vòng kín:

𝐺𝑃𝑅 𝑠 =𝐾𝑝𝑠

2 + 𝐾𝑖𝑠 + 𝐾𝑝𝜔02

𝐿𝑠3 + (𝑅 +𝐾𝑝)𝑠2 +(𝐿𝜔0

2 + 𝐾𝑖)𝑠 + (𝐾𝑝 + 𝑅)𝜔02


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



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 thôngnhư 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



Kiểm tra băng thông của hệ kín với Ki = 1000



Kiểm tra băng thông của hệ kín với Ki = 15000


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 phatrên hệ tọa độ tĩnh αβ

sử dụng bộ điều khiển cộng hưởng PR



Kết quả mô phỏng

Hình 2.4: Đáp ứng dòng Iα và Iβ




Hình 2.5: Đáp ứng dòng - áp tải và tín hiệu điều chế


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



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)



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)



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)



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



De-coupling loại 1

Hình 3.4: Nguyên lý decoupling loại 1



De-coupling loại 2

Hình 3.5: Nguyên lý decoupling loại 2



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


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 + 𝑠𝑇𝑠2

∙

1𝑅

1 + 𝑠𝐿𝑅

• 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

𝑇𝐼𝑠với các tham số 𝑇𝐼 = 𝑇1, 𝑘𝑝 =

𝑇1

2𝑘𝑇2sẽ 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


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 phatrên hệ tọa độ tĩnh dq sử dụng bộ điều khiển PI




Hình 3.7: Đáp ứng dòng Id (25A-15A) và Iq (10A-30A)




Hình 3.8: Đáp ứng dòng - áp tải và tín hiệu điều chế

Documents

NVTiem_Silide Thuyết Trình VSI