TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN – BM. TỰ ĐỘNG HÓA XNCN
Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương
THI
ẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH
Hà Nội – Năm 2014
1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất 1
MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................................ 1
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................................ 4
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................ 5
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................... 6
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 11
1
GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 12
1.1
Giới thiệu hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất ........................... 12
1.2
Một số vấn đề về đóng/ngắt cho Tiristor ........................................................... 13
1.2.1
Quá trình mở Tiristor ................................................................................. 14
1.2.2
Quá trình khóa tiristor ................................................................................ 15
1.2.3
Các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển tiristor ......................................... 15
1.2.4
Mạch khuếch đại xung mở Tiristor ............................................................ 16
1.3
Một số vấn đề về điều khiển cho MOSFET, IGBT ........................................... 17
1.3.1
Phân tích quá trình mở/ khóa đối với MOSFET ........................................ 17
1.3.2
Phân tích quá trình mở/ khóa đối với IGBT............................................... 19
1.3.3
Mạch driver cho MOSFET và IGBT ......................................................... 20
2
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ
THUỘCEquation Chapter (Next) Section 1 ............................................................... 24
2.1
Driver cho hệ thống điều khiển các bộ biến đổi phụ thuộc ............................... 24
2.1.1
Khối đồng pha và tạo điện áp tựa .............................................................. 25
2.1.2
Khâu so sánh .............................................................................................. 27
2.1.3
Khâu tạo xung ............................................................................................ 28
2.1.3.1
Khâu tạo xung kép ............................................................................... 28
2.1.3.2
Khâu tạo xung chùm ............................................................................ 29
2.1.4
Khâu khuếch đại xung................................................................................ 30
2.1.5
Ví dụ về mạch driver cho hệ thống điều khiển nhiều kênh ........................ 30
2.1.6
Sử dụng IC chuyên dụng làm driver cho chỉnh lưu phụ thuộc .................. 32
2.2
Thiết kế hệ thống điều khiển vòng kín cho chỉnh lưu tiristor ............................ 35
2.2.1
Mô hình hóa khối điều chế độ rộng xung .................................................. 35
2.3
Kết quả mô phỏng ............................................................................................. 38
2.3.1
Chỉnh lưu cầu một pha ............................................................................... 38
2.3.2
Chỉnh lưu cầu ba pha ................................................................................. 39
2.3.2.1
Điều khiển vòng hở .............................................................................. 39
2.3.2.2
Điều khiển vòng kín ............................................................................. 40
2.4
Bài tập ................................................................................................................ 41
3Equation Chapter 1 Section 1
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC . 44
3.1
Phương pháp mô hình hóa bộ biến đổi kiểu DC/DC ......................................... 44
3.1.1
Phương pháp trung bình không gian trạng thái .......................................... 44
3.1.2
Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt .............................................. 46
3.2
Mô hình toán học bộ biến đổi kiểu buck ........................................................... 49
3.2.1
Phương pháp trung bình không gian trạng thái .......................................... 49
3.2.2
Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt .............................................. 52
3.3
Mô hình toán học bộ biến đổi kiểu boost .......................................................... 53
1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 2
3.3.1
Phương pháp trung bình không gian trạng thái .......................................... 53
3.3.2
Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt .............................................. 55
3.4
Mô hình toán học bộ biến đổi kiểu buck – boost............................................... 57
3.4.1
Phương pháp trung bình không gian trạng thái .......................................... 57
3.4.2
Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt .............................................. 59
3.5
Mô hình bộ biến đổi DC/DC làm việc trong chế độ dòng điện gián đoạn (DCM)
59
3.5.1
Mô hình trung bình .................................................................................... 59
3.6
Phương pháp điều khiển tuyến tính cho bộ biến đổi DC/DC ............................ 63
3.6.1
Nguyên lý điều khiển điện áp (Voltage mode) .......................................... 63
3.6.2
Nguyên lý điều khiển dòng điện (Current mode) ...................................... 63
3.6.2.1
Mô hình bộ biến đổi DC/DC điều khiển theo nguyên lý dòng điện .... 64
3.6.3
Nhắc lại một số kiến thức về lý thuyết điều khiển tự động........................ 66
3.6.4
Một số bộ bù sử dụng trong cấu trúc điều khiển DC/DC converter .......... 68
3.6.5
Tuyến tính hóa khâu điều chế độ rộng xung .............................................. 73
3.7
Cấu trúc điều khiển tuyến tính cho bộ biến đổi kiểu buck ................................ 74
3.7.1
Điều khiển trực tiếp .................................................................................... 74
3.7.2
Điều khiển gián tiếp ................................................................................... 80
3.7.2.1
Điều khiển theo nguyên lý dòng điện trung bình ................................. 80
3.7.2.2
Điều khiển theo nguyên lý dòng điện đỉnh .......................................... 83
3.8
Bộ biến đổi kiểu boost ....................................................................................... 83
3.8.1
Điều khiển trực tiếp .................................................................................... 83
3.8.2
Điều khiển gián tiếp ................................................................................... 86
3.9
Bài tập ................................................................................................................ 89
3.10
Bộ biến đổi PFC ................................................................................................ 90
3.10.1
Sơ đồ mạch lực ........................................................................................... 90
3.10.2
Cấu trúc điều khiển bộ biến đổi PFC ......................................................... 91
3.10.2.1
Thiết kế mạch vòng dòng điện ........................................................... 91
3.10.2.2
Thiết kề mạch vòng điện áp ............................................................... 92
3.10.3
Bài tập ........................................................................................................ 92
4Equation Chapter (Next) Section 1
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU ĐỘC
LẬP 94
4.1
Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi nghịch lưu độc lập ................................................ 94
4.2
Mô tả toán học nghịch lưu áp ............................................................................ 94
4.2.1
Mô tả toán học nghịch lưu nguồn áp một pha ............................................ 94
4.2.2
Mô tả toán học nghịch lưu nguồn áp ba pha .............................................. 96
4.3
Phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu một pha .......................... 98
4.3.1
Phương pháp điều chế hai cực ................................................................... 98
4.3.2
Phương pháp điều chế đơn cực .................................................................. 99
4.3.3
Kết quả mô phỏng phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu một
pha ............................................................................................................ 102
4.4
Phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha ........................... 104
4.4.1
Phương pháp Sin PWM ........................................................................... 104
4.4.2
Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) .................................... 105
4.4.2.1
Khái niệm vector không gian ............................................................. 105
4.4.2.2
Phương pháp điều chế vector không gian .......................................... 106
4.4.3
Kết quả mô phỏng phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba
pha ............................................................................................................ 114
4.5
Bù thơi gian chết deadtime trong nghịch lưu nguồn áp ................................... 116
4.6
Xây dựng mạch vòng dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp một pha ............... 116
1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất 3
4.6.1
Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp một pha ...... 116
4.6.2
Ví dụ về thiết kế mạch vòng dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp một pha
.................................................................................................................. 118
4.7
Xây dựng mạch vòng dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp ba pha.................. 118
4.7.1
Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp ba pha ........ 118
4.7.1.1
Thiết kề bộ điều chỉnh dòng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ .................... 119
4.7.1.2
Thiết kề bộ điều chỉnh dòng điện trên hệ tọa độ quay dq .................. 119
4.8
Bài tập .............................................................................................................. 121
5
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG
SUẤTEquation Chapter (Next) Section 1 ................................................................ 123
5.1
Nhắc lại kiến thức về điều khiển số ................................................................. 123
5.1.1
Mô hình đối tượng trên miền gián đoạn z ................................................ 123
5.2
Hệ thống điều khiển số cho bộ biến đổi điện tử công suất .............................. 125
5.3
Yêu cầu về độ phân giải của A/D và khâu điều chế độ rộng xung .................. 126
5.3.1
Độ phân giải của A/D............................................................................... 126
5.3.2
Yêu cầu độ phân giải DPWM .................................................................. 127
5.3.3
Đồng bộ giữa thời điểm trích mẫu ADC và khung thời gian điều chế độ
rộng xung ................................................................................................. 128
5.4
Mô hình hóa khâu điều chế độ rộng xung ....................................................... 129
5.5
Thiết kế mạch vòng điều chỉnh số ................................................................... 130
5.5.1
Phương pháp thiết kế gián tiếp ................................................................. 130
5.5.1.1
Bộ biến đổi kiểu Buck ........................................................................ 131
5.5.1.2
Nghịch lưu nguồn áp một pha ............................................................ 132
5.5.2
Phương pháp thiết kế trực tiếp ................................................................. 133
5.5.2.1
Bộ biến đổi kiểu Buck ........................................................................ 133
5.5.2.2
Mạch vòng điều chỉnh dòng điện nghịch lưu nguồn áp một pha ....... 135
5.5.2.3
Bộ điều chỉnh dòng điện nghịch lưu nguồn áp một pha kiểu deadbeat
136
5.6
Chuẩn hóa bộ điều chỉnh ................................................................................. 137
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 140
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 141
1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 4
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các chữ viết tắt
Chữ viết tắt Ý nghĩa
PWM
ĐCX Điều chế xung cho chỉnh lưu Tisitor
Các ký hiệu
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
u
o
, U
o
V Điện áp trung bình và xác lập đầu ra bộ biến đổi DC/DC
*
o
u
V Lượng đặt điện áp đầu ra bộ biến đổi DC/DC
u
in
, U
V Điện áp trung bình và xác lập đầu vào bộ biến đổi DC/DC
u
C
, U
C
V Điện áp trung bình và xác lập trên tụ C
i
L
, I
L
V Dòng điện trung bình và xác lập chảy qua cuộn cảm L
*
L
i
A Lượng đặt dòng điện qua cuộn cảm bộ biến đổi DC/DC
d, D Hệ số điều chế và giá trị xác lập của nó
ˆ
i
A Biến thiên tín hiệu nhỏ dòng điện quanh điểm làm việc xác lập
ˆ
u
V Biế
n thiên tín hi
ệ
u nh
ỏ
đ
i
ệ
n áp quanh
đ
i
ể
m làm vi
ệ
c xác l
ậ
p
ˆ
d
A Bi
ế
n thiên tín hi
ệ
u nh
ỏ
h
ệ
s
ố
đ
i
ề
u ch
ế
quanh
đ
i
ể
m làm vi
ệ
c xác l
ậ
p
T
x
s Chu k
ỳ
đ
i
ề
u ch
ế
T s Chu k
ỳ
đ
i
ệ
n áp l
ướ
i
s Toán t
ử
Laplace
p H
ệ
s
ố
đậ
p m
ạ
ch
đ
i
ệ
n áp ra c
ủ
a b
ộ
ch
ỉ
nh l
ư
u
α
Rad Góc m
ở
Tiristor
L H Giá tr
ị
cu
ộ
n c
ả
m
C F Giá tr
ị
t
ụ
đ
i
ệ
n
u
d
V Giá tr
ị
trung bình
đ
i
ệ
n áp
đầ
u ra c
ủ
a b
ộ
ch
ỉ
nh l
ư
u Tiristor
u
dk
V
Đ
i
ệ
n áp
đ
i
ề
u khi
ể
n b
ộ
ch
ỉ
nh l
ư
u Tiristor