[123doc.vn] - power electronic control

8/11/2019 [123doc.vn] - Power Electronic Control

http://slidepdf.com/reader/full/123docvn-power-electronic-control 1/142

TRƯỜ NG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN – BM. TỰ ĐỘNG HÓA XNCN

Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phươ ng

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO C C BỘ BIẾN ĐỔIĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH

Hà Nội – Năm 2014



1.1 Giớ i 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 T CÔNG SU!T 12

1.1 Giớ i thiệu hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất ........................... 12

1.2 Một số vấn đề về đóng/ng"t cho Tiristor ........................................................... 13

1.2.1 Quá trình m# Tiristor ................................................................................. 14

1.2.2

Quá trình khóa tiristor ................................................................................ 15

1.2.3 Các yêu c$u đối vớ i tín hiệu điều khiển tiristor ......................................... 15

1.2.4 M%ch khuếch đ%i xung m# Tiristor ............................................................ 16

1.3 Một số vấn đề về điều khiển cho MOSFET, IGBT ........................................... 17

1.3.1 Phân tích quá trình m# / khóa đối vớ i MOSFET ........................................ 17

1.3.2 Phân tích quá trình m# / khóa đối vớ i IGBT............................................... 19

1.3.3 M%ch 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 ph& thuộc ............................... 24

2.1.1

Khối đ'ng pha và t%o điện áp t(a .............................................................. 25

2.1.2 Khâu so sánh .............................................................................................. 27

2.1.3 Khâu t%o xung ............................................................................................ 28

2.1.3.1 Khâu t%o xung kép ............................................................................... 28

2.1.3.2 Khâu t%o xung chùm ............................................................................ 29

2.1.4 Khâu khuếch đ%i xung................................................................................ 30

2.1.5 Ví d& về m%ch driver cho hệ thống điều khiển nhiều kênh........................ 30

2.1.6 Sử d&ng IC chuyên d&ng làm driver cho ch)nh l*u ph& thuộc .................. 32

2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển vòng kín cho ch)nh l*u tiristor ............................ 35

2.2.1 Mô hình hóa khối điều chế độ rộng xung .................................................. 35

2.3 Kết qu+ mô ph,ng ............................................................................................. 38

2.3.1

Ch)nh l*u c$u một pha ............................................................................... 38 2.3.2 Ch)nh l*u c$u ba pha ................................................................................. 39

2.3.2.1 Điều khiển vòng h# .............................................................................. 39

2.3.2.2

Điều khiển vòng kín ............................................................................. 40

2.4 Bài t-p ................................................................................................................ 41

3Equation Chapter 1 Section 1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC . 44

3.1 Ph*. ng pháp mô hình hóa bộ biến đổi kiểu DC/DC ......................................... 44

3.1.1 Ph*. ng pháp trung bình không gian tr%ng thái .......................................... 44

3.1.2 Ph*. ng pháp trung bình hóa m%ch đóng c"t .............................................. 46

3.2 Mô hình toán h/c bộ biến đổi kiểu buck ........................................................... 49


3.2.2

Ph*. ng pháp trung bình hóa m%ch đóng c"t .............................................. 52

3.3 Mô hình toán h/c bộ biến đổi kiểu boost .......................................................... 53






3.4 Mô hình toán h/c bộ biến đổi kiểu buck – boost............................................... 57



3.5

Mô hình bộ biến đổi DC/DC làm việc trong chế độ dòng điện gián đo%n (DCM) 59

3.5.1 Mô hình trung bình .................................................................................... 59

3.6 Ph*. ng 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 Nh"c l%i một số kiến th0c về lý thuyết điều khiển t( động........................ 66

3.6.4 Một số bộ bù sử d&ng 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 tr(c 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 đ)nh .......................................... 83

3.8 Bộ biến đổi kiểu boost ....................................................................................... 83

3.8.1 Điều khiển tr(c tiếp .................................................................................... 83

3.8.2

Điều khiển gián tiếp ................................................................................... 86

3.9 Bài t-p ................................................................................................................ 89

3.10 Bộ biến đổi PFC ................................................................................................ 90

3.10.1 S. đ' m%ch l(c ........................................................................................... 90

3.10.2 Cấu trúc điều khiển bộ biến đổi PFC ......................................................... 91

3.10.2.1

Thiết kế m%ch vòng dòng điện ........................................................... 91

3.10.2.2 Thiết kề m%ch vòng điện áp ............................................................... 92

3.10.3 Bài t-p ........................................................................................................ 92

4Equation Chapter (Next) Section 1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGH1CH L2 U ĐỘCL3P 94

4.1 S. đ' m%ch l(c bộ biến đổi ngh4ch l*u độc l-p ................................................ 94

4.2 Mô t+ toán h/c ngh4ch l*u áp ............................................................................ 94

4.2.1 Mô t+ toán h/c ngh4ch l*u ngu'n áp một pha ............................................ 94

4.2.2 Mô t+ toán h/c ngh4ch l*u ngu'n áp ba pha .............................................. 96

4.3 Ph*. ng pháp điều chế độ rộng xung cho ngh4ch l*u một pha .......................... 98

4.3.1

Ph*. ng pháp điều chế hai c(c ................................................................... 98

4.3.2 Ph*. ng pháp điều chế đ. n c(c .................................................................. 99

4.3.3 Kết qu+ mô ph,ng ph*. ng pháp điều chế độ rộng xung cho ngh4ch l*u mộtpha ............................................................................................................ 102

4.4 Ph*. ng pháp điều chế độ rộng xung cho ngh4ch l*u ba pha ........................... 104

4.4.1 Ph*. ng pháp Sin PWM ........................................................................... 104

4.4.2 Ph*. ng pháp điều chế vector không gian (SVM) .................................... 105

4.4.2.1 Khái niệm vector không gian ............................................................. 105

4.4.2.2 Ph*. ng pháp điều chế vector không gian .......................................... 106

4.4.3 Kết qu+ mô ph,ng ph*. ng pháp điều chế độ rộng xung cho ngh4ch l*u bapha ............................................................................................................ 114

4.5

Bù th. i gian chết deadtime trong ngh4ch l*u ngu'n áp ................................... 116 4.6 Xây d(ng m%ch vòng dòng điện cho ngh4ch l*u ngu'n áp một pha ............... 116




4.6.1 Thiết kế bộ điều ch)nh dòng điện cho ngh4ch l*u ngu'n áp một pha ...... 116

4.6.2 Ví d& về thiết kế m%ch vòng dòng điện cho ngh4ch l*u ngu'n áp một pha.................................................................................................................. 118

4.7 Xây d(ng m%ch vòng dòng điện cho ngh4ch l*u ngu'n áp ba pha.................. 118

4.7.1 Thiết kế bộ điều ch)nh dòng điện cho ngh4ch l*u ngu'n áp ba pha ........ 118

4.7.1.1

Thiết kề bộ điều ch)nh dòng điện trên hệ t/a độ t 5 nh 67 .................... 119 4.7.1.2 Thiết kề bộ điều ch)nh dòng điện trên hệ t/a độ quay dq .................. 119

4.8 Bài t-p .............................................................................................................. 121

5 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN T CÔNGSU!TEquation Chapter (Next) Section 1 ................................................................ 123

5.1 Nh"c l%i kiến th0c về điều khiển số ................................................................. 123

5.1.1 Mô hình đối t*8 ng trên miền gián đo%n z ................................................ 123

5.2 Hệ thống điều khiển số cho bộ biến đổi điện tử công suất .............................. 125

5.3 Yêu c$u về độ phân gi+i c9a A/D và khâu điều chế độ rộng xung .................. 126

5.3.1

Độ phân gi+i c9a A/D............................................................................... 126

5.3.2 Yêu c$u độ phân gi+i DPWM .................................................................. 127

5.3.3

Đ'ng bộ gi:a th; i điểm trích m<u ADC và khung th; i gian điều chế độ rộng xung ................................................................................................. 128

5.4 Mô hình hóa khâu điều chế độ rộng xung ....................................................... 129

5.5 Thiết kế m%ch vòng điều ch)nh số ................................................................... 130

5.5.1 Ph*. ng pháp thiết kế gián tiếp ................................................................. 130

5.5.1.1 Bộ biến đổi kiểu Buck ........................................................................ 131

5.5.1.2 Ngh4ch l*u ngu'n áp một pha ............................................................ 132

5.5.2 Ph*. ng pháp thiết kế tr(c tiếp ................................................................. 133

5.5.2.1 Bộ biến đổi kiểu Buck ........................................................................ 133

5.5.2.2 M%ch vòng điều ch)nh dòng điện ngh4ch l*u ngu'n áp một pha ....... 135

5.5.2.3 Bộ điều ch)nh dòng điện ngh4ch l*u ngu'n áp một pha kiểu deadbeat 136

5.6 Chu=n hóa bộ điều ch)nh ................................................................................. 137

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 140

PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 141




DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Các chữ viết tắtChữ viế t tắ t Ý nghĩ aPWMĐCX Điề u chế xung cho chỉ nh lư u Tisitor

Các ký hiệu Ký hiệu Đơ n v ị Ý nghĩ auo , U o V Điện áp trung bình và xác lậ p đầu ra bộ biế n đổ i DC/DC

*ou V Lượ ng đặt đ iện áp đầu ra bộ biế n đổ i DC/DC

uin , U in V Điện áp trung bình và xác lậ p đầu vào bộ biế n đổ i DC/DCuC , U C V Điện áp trung bình và xác lậ p trên t ụ C

i L , I L V Dòng đ iện trung bình và xác lậ p chả y qua cuộn cảm L*

Li A Lượ ng đặt dòng đ iện qua cuộn cảm bộ biế n đổ i DC/DC

d, D H ệ số đ iề u chế và giá tr ị xác lậ p của nó

i A Biế n thiên tín hiệu nhỏ dòng đ iện quanh đ iể m làm việc xác lậ p

u V Biế n thiên tín hiệu nhỏ đ iện áp quanh đ iể m làm việc xác lậ p

d A Biế n thiên tín hiệu nhỏ hệ số đ iề u chế quanh đ iể m làm việc xác lậ p

T x s Chu k ỳ đ iề u chế T s Chu k ỳ đ iện áp lướ i

s Toán t ử Laplace p H ệ số đậ p mạch đ iện áp ra của bộ chỉ nh lư uα Rad Góc mở Tiristor

L H Giá tr ị cuộn cảm

C F Giá tr ị t ụ đ iện

ud V Giá tr ị trung bình đ iện áp đầu ra của bộ chỉ nh lư u Tiristor

udk V Điện áp đ iề u khiể n bộ chỉ nh lư u Tiristor




DANH MỤC BẢNG

BBBB ng 5.1ng 5.1ng 5.1ng 5.1 Các ph*. ng pháp gián đo%n............................................................ 131




DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hệ thống điều khiển điện tử công suất tiêu biểu .............................................. 12

Hình 1.2 So sánh t*. ng đối về các ph$n tử van bán d<n ................................................. 13

Hình 1.3 Đ>c tính von-ampe c9a tiristor ......................................................................... 13

Hình 1.4 D%ng điện áp và dòng điện c9a Tiristor trong quá trình đóng c"t .................... 15

Hình 1.5 S. đ' m%ch nguyên lý tiêu biểu m# Tiristor, (a) dùng biến áp xung, (b) DùngIC cách ly 16

Hình 1.6 M%ch điều khiển m# MOSFET ........................................................................ 17

Hình 1.7 Đ' th4 d%ng xung dòng điện, điện áp trên MOSFET (a) Quá trình điều khiểnm# , (b) Quá trình điều khiển khóa ...................................................................................... 18

Hình 1.8 S. đ' thử nghiệm đ>c tính đóng/m# IGBT ...................................................... 19

Hình 2.1 Cấu trúc c9a hệ thống driver cho các bộ biến đổi ph& thuộc ............................ 24

Hình 2.2 Giớ i h%n góc điều khiển α. ............................................................................... 24

Hình 2.3 Điện áp t(a d%ng răng c*a s*; n xuống ............................................................ 26

Hình 2.4 Điện áp t(a d%ng răng c*a s*; n lên ................................................................. 26

Hình 2.5 Điện áp t(a d%ng cosin ..................................................................................... 27

Hình 3.1 Mô t+ bộ biến đổi DC/DC, a) m%ch l(c bộ biến đổi DC/DC, b) Mô hình bộ biến đổi DC/DC t%i điểm xác l-p, c) Mô hình trung bình bộ biến đổi DC/DC ................... 47

Hình 3.2 M%ng điện hai cửa, a) tín hiệu trung bình, b) M%ch điện điện t*. ng đ*. ngđ*8 c tuyến tính t%i điểm làm việc cân b?ng ........................................................................ 48

Hình 3.3 Mô hình trung bình bộ biến đổi DC/DC, a)Bộ biến đổi Buck, b)Bộ biến đổiBoost 49

Hình 3.4 S. đ' m%ch điện bộ biến đổi kiểu buck (a), S. đ' m%ch điện bộ biến đổi kiểubuck trong thái 1(b), S. đ' m%ch điện bộ biến đổi kiểu buck trong thái 2 (c) .................... 49

Hình 3.5 M%ch điện mô t+ bộ biến đổi Buck vớ i tín hiệu nh,......................................... 52

Hình 3.6 S. đ' m%ch điện bộ biến đổi kiểu boost (a), S. đ' m%ch điện bộ biến đổi kiểuboost trong thái 1(b), S. đ' m%ch điện bộ biến đổi kiểu boost trong thái 2 (c) .................. 53

Hình 3.7 M%ch điện mô t+ bộ biến đổi Boost vớ i tín hiệu nh,. ....................................... 56

Hình 3.8 S. đ' m%ch điện bộ biến đổi kiểu buck - boost (a), S. đ' m%ch điện bộ biếnđổi kiểu buck - boost trong thái 1(b), S. đ' m%ch điện bộ biến đổi kiểu buck - boost trongthái 2 (c) 57

Hình 3.9 S. đ' m%ch l(c bộ biến đổi Buck ..................................................................... 60

Hình 3.10 D%ng điện áp và dòng điện bộ biến đổi Buck trong chế độ DCM .................... 60

Hình 3.11 M%ch điện t*. ng đ*. ng bộ biến đổi Buck (DCM) vớ i tín hiệu trung bình ..... 62




Hình 3.12 M%ch điện t*. ng đ*. ng bộ biến đổi Buck (DCM) # tr%ng thái xác l-p ........... 62

Hình 3.13 Cấu trúc điều khiển tuyến tính cho bộ biến đổi DC/DC, a) điều khiển tr(c tiếp(direct mode), b) điều khiển gián tiếp (indirect mode). ...................................................... 64

Hình 3.14 Minh h/a đ' th4 Bode c9a ( )G jω [6] .............................................................. 67

Hình 3.15 Đ' th4 bode c9a bộ bù Lead có cấu trúc (3.94) ................................................. 69

Hình 3.16 Đ' th4 bode c9a bộ bù có cấu trúc (3.105) ........................................................ 71

Hình 3.17 Đ' th4 bode c9a hàm bộ bù (3.108) .................................................................. 72

Hình 3.18 Cấu trúc điều khiển tr(c tiếp bộ biến đổi kiểu buck ......................................... 74

Hình 3.19 Đ' th4 Bode c9a hàm truyền đ%t (3.118)........................................................... 75

Hình 3.20 Đ' th4 Bode c9a hàm truyền đ%t (3.118) và bộ bù (3.94) ................................. 76

Hình 3.21 Đ' th4 Bode c9a hàm truyền đ%t (3.118) và bộ bù (3.124) ............................... 77

Hình 3.22 Cấu trúc để đánh giá +nh h*# ng điện áp đ$u vào và đ$u ra bộ biên đổi kiểuBuck 77

Hình 3.23 Kết qu+ mô ph,ng Buck converter sử d&ng bộ bù (3.94) ................................. 78

Hình 3.24 Kết qu+ mô ph,ng Buck converter sử d&ng bộ bù (3.124) khi điện áp ngu'n cóđ-p m%ch vớ i biên độ 1V, t$n số 100Hz .............................................................................. 78

Hình 3.25 Kết qu+ mô ph,ng Buck converter sử d&ng bộ bù (3.124) ............................... 79

Hình 3.26 Kết qu+ mô ph,ng Buck converter sử d&ng bộ bù (3.124) khi điện áp ngu'n cóđ-p m%ch vớ i biên độ 1V, t$n số 100Hz .............................................................................. 79

Hình 3.27 Cấu trúc điều khiển gián tiếp theo nguyên lý dòng điện trung bình bộ biến đổikiểu buck 80

Hình 3.28 Đ' th4 Bode c9a hàm truyền đ%t (3.129).......................................................... 81

Hình 3.29 Đ' th4 Bode c9a hàm truyền đ%t (3.131).......................................................... 82

Hình 3.30 Kết qu+ mô ph,ng Buck converter theo nguyên lý điều khiển dòng điện trungbình 82

Hình 3.31 Cấu trúc điều khiển gián tiếp theo nguyên lý dòng điện đ)nh bộ biến đổi kiểubuck 83

Hình 3.32 Kết qu+ mô ph,ng Buck converter theo nguyên lý điều khiển dòng điện đ)nh`

83Hình 3.33 Đ' th4 Bode c9a hàm truyền đ%t (3.138)........................................................... 84

Hình 3.34 Đ' th4 Bode c9a hàm truyền đ%t vòng h# (Gvd.Gc) ......................................... 85

Hình 3.35 Kết qu+ mô ph,ng bộ Boost theo nguyên lý điều khiển điện áp ...................... 86

Hình 3.36 Cấu trúc điều khiển gián tiếp theo nguyên lý dòng điện đ)nh bộ biến đổi kiểuBoost 86

Hình 3.37 Đ' th4 bode c9a hàm truyền đ%t ( )uiG s biến đổi kiểu Boost ........................... 87

Hình 3.38 Đ' th4 bode c9a hàm truyền đ%t ( )uiG s và bộ bù (3.103) biến đổi kiểu Boost 88




Hình 3.39 Kết qu+ mô ph,ng bộ biến đổi Boost theo nguyên lý điều khiển dòng điệnđ)nh` 88

Hình 4.1Hình 4.1Hình 4.1Hình 4.1 S. đ' m%ch l(c ngh4ch l*u độc l-p kiểu ngu'n áp, a) Một pha, b) Ba

pha 94

Hình 4.2Hình 4.2Hình 4.2Hình 4.2 Mô hình ngh4ch l*u ngu'n áp một pha đ*8 c mô t+ b# i khóa chuyển

m%ch 95

Hình 4.3Hình 4.3Hình 4.3Hình 4.3 Mô hình ngh4ch l*u ngu'n áp ba pha đ*8 c mô t+ b# i khóa chuyển

m%ch 96

Hình 4.4Hình 4.4Hình 4.4Hình 4.4 Gi+i pháp điều chế độ rộng xung cho ngh4ch l*u một pha, a) Điều

chế l*@ ng c(c, b) Điều chế đ. n c(c ......................................................................... 98

Hình 4.5Hình 4.5Hình 4.5Hình 4.5 D%ng sóng điện áp theo ph*. ng pháp điều chế hai c(c, a) Sóng mang

và tín hiệu điều khiển, b) Điện áp đ$u ra m%ch ngh4ch l*u ...................................... 99

Hình 4.6Hình 4.6Hình 4.6Hình 4.6 Tr%ng thái m%ch ngh4ch l*u theo ph*. ng pháp điều chế hai c*c ..... 99

Hình 4.7Hình 4.7Hình 4.7Hình 4.7 D%ng sóng điện áp theo ph*. ng pháp điều chế đ. n c(c, a) Sóng

mang và tín hiệu điều khiển, b) Điện áp đ$u ra m%ch ngh4ch l*u .......................... 100

Hình 4.8Hình 4.8Hình 4.8Hình 4.8 Tr%ng thái m%ch ngh4ch l*u trong ph*. ng pháp điều chế đ. n c(c 100

Hình 4.9Hình 4.9Hình 4.9Hình 4.9 Biểu đ' vector c9a kA thu-t điều chế vector đ. n c(c ..................... 101

Hình 4.10Hình 4.10Hình 4.10Hình 4.10 M<u xung chu=n đ*a ra ngh4ch l*u một pha, a) nửa chu kB d*. ng, b)

n*a chu kB âm ......................................................................................................... 102

Hình 4.11Hình 4.11Hình 4.11Hình 4.11 Kết qu+ mô ph,ng vớ i ph*. ng pháp điều chế l*@ ng c(c ............... 103

Hình 4.12Hình 4.12Hình 4.12Hình 4.12 Kết qu+ mô ph,ng vớ i ph*. ng pháp điều chế đ. n c(c .................. 104

Hình 4.13Hình 4.13Hình 4.13Hình 4.13 Gi+i pháp điều chế độ rộng xung cho ngh4ch l*u ba pha ............... 104

Hình 4.14Hình 4.14Hình 4.14Hình 4.14 QuA đ%o vector không gian trên m>t phCng 67 ............................... 106

Hình 4.15Hình 4.15Hình 4.15Hình 4.15

Tr%ng thái m%ch ngh4ch l*u ngu'n áp t*. ng 0ng vector chu=n ..... 108




Hình 4.16Hình 4.16Hình 4.16Hình 4.16 V4 trí vector chu=n trên hệ t/a độ t 5 nh 67 ....................................... 109

Hình 4.17Hình 4.17Hình 4.17Hình 4.17 Mối quan hệ gi:a các sector và điện áp t0c th; i usa, usb, usc ........... 109

Hình 4.18Hình 4.18Hình 4.18Hình 4.18 Thu-t toán xác đ4nh vector điện áp đ>t trong mDi sector ................ 110

Hình 4.19Hình 4.19Hình 4.19Hình 4.19 Vector điện áp đ*8 c điều chế trong Sector 1 .................................. 110

Hình 4.20Hình 4.20Hình 4.20Hình 4.20 Tr%ng thái logic c9a vector chu=n trong Sector 1 ........................... 111

Hình 4.21Hình 4.21Hình 4.21Hình 4.21 M<u xung chu=n trong Sector 1 ...................................................... 112

Hình 4.22Hình 4.22Hình 4.22Hình 4.22 Các m<u xung chu=n đ*a ra trong mDi sector ................................ 113

Hình 4.23Hình 4.23Hình 4.23Hình 4.23 Qu 5 đ%o vector điện áp theo ph*. ng pháp điều chế độ rộng xung cho

ngh4ch l*u ba pha ngu'n áp .................................................................................... 114

Hình 4.24Hình 4.24Hình 4.24Hình 4.24 Kết qu+ mô ph,ng vớ i ph*. ng pháp điều chế sinPWM ................. 115

Hình 4.25Hình 4.25Hình 4.25Hình 4.25 Kết qu+ mô ph,ng vớ i ph*. ng pháp điều chế vector không gian .. 115

HìnHìnHìnHình 4.26h 4.26h 4.26h 4.26 S. đ' m%ch điện thay thế m%ch vòng dòng điện ngh4ch l*u ngu'n áp

một pha 116

Hình 4.27Hình 4.27Hình 4.27Hình 4.27 Mô t+ toán h/c m%ch vòng điều khiển dòng điện ........................... 116

Hình 4.28Hình 4.28Hình 4.28Hình 4.28 S. đ' m%ch điện thay thế m%ch vòng dòng điện ngh4ch l*u ngu'n áp

ba pha 118


Biểu điện vector điện áp và dòng điện trên các hệ tr&c t/a độ ....... 119

Hình 4.30Hình 4.30Hình 4.30Hình 4.30 Cấu trúc điều khiển dòng điện trên hệ t/a độ t 5 nh 67 ..................... 119

Hình 4.31Hình 4.31Hình 4.31Hình 4.31 Cấu trúc điều khiển dòng điện trên hệ t/a độ quay dq ................... 121

Hình 5.1Hình 5.1Hình 5.1Hình 5.1 Hê thống điều khiển số ................................................................... 126

Hình 5.2Hình 5.2Hình 5.2Hình 5.2 Biểu diEn d: liệu vào ADC ............................................................. 126




MỞ ĐẦU




1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔIĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Nh* đã biết, các bộ biến đổi bán d<n sử d&ng các ph$n tử bán d<n công suất nh* cáckhoá điện tử, dùng để nối t+i vào ngu'n theo nh:ng quy lu-t nhất đ4nh, trong nh:ngkho+ng th; i gian nhất đ4nh, nh; đó mà biến đổi đ*8 c các thông số c9a ngu'n điện, đáp 0ngcác yêu c$u khác nhau c9a ph& t+i cFng nh* các yêu c$u về điều ch)nh khác nhau. Cácph$n tử công suất đóng c"t các dòng điện, có thể rất lớ n, hàng trăm đến hàng nghìn A, d*ớ iđiện áp có thể rất cao, tG vài ch&c đến vài trăm V, tuy nhiên l%i đ*8 c điều khiển b# i nh:ngdòng điện, điện áp rất nh,, t%o ra b# i nh:ng m%ch điện tử công suất nh, thông th*; ng.Ngoài ra quy lu-t đóng c"t c9a các ph$n tử công suất trong bộ biến đổi cFng hoàn toàn do

các m%ch điện tử xử lý tín hiệu t%o ra. G/i là xử lý tín hiệu vì # đây công suất hoàn toànkhông có ý ngh 5 a gì, ch) có giá tr4, m0c tín hiệu và hình d%ng là c$n thiết mà thôi. Vì v-y,hệ thống điều khiển đóng vai trò hết s0c quan tr/ng trong đ+m b+o s( ho%t động c9a các bộ biến đổi.

1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất

Một hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất 0ng d&ng trong các l 5 nh v(c: bộ biến đổi nối l*ớ i, bộ biến đổi làm việc vớ i t+i độc l-p... đ*8 c ch) ra trên Hình 1.1 bao g'm:

+ M%ch phát xung m# van bán d<n (driver).+ Th(c hiện ch0c năng điều chế, phân phối xung.+ Th(c hiện các bộ điều ch)nh trong m%ch vòng kín.+ M%ch đo l*; ng và b+o vệ.+ Hệ thống điều khiển cấp trên: Giám sát, đ*a ra l*8 ng đ>t điều khiển.

Hình 1.1 H ệ thố ng đ iề u khiể n đ iện t ử công suấ t tiêu biể u



1.2 Một số vấn đề về đóng/ng"t cho Tiristor 13

Các van bán đ<n đ*8 c sử d&ng chia thành 2 lo%i chính:+ Van bán d<n ch) điều khiển đ*8 c quá trình đóng mà không điều khiển đ*8 c quá trình

ng"t (Tiristor).+ Van bán d<n điều khiển đ*8 c c+ quá trình đóng và quá trình ng"t: MOSFET, IGBT...Ph%m vi 0ng d&ng c9a các van bán d<n này cFng rất khác nhau ph& thuộc vào kh+ năng

ch4u điện áp và dòng điên.

Hình 1.2

So sánh t ươ ng đố i về các phần t ử van bán d ẫ n

1.2 Một số vấn đề về đóng/ngắt cho Tiristor

Tiristor là ph$n tử bán d<n cấu t%o tG bốn lớ p bán d<n p-n-p-n, t%o ra ba tiếp giáp p-n J 1 ,

J 2 , J 3. Tiristor có ba c(c : anôt A, catôt K, c(c điều khiển G.Đ>c tính vôn-ămpe c9a một tiristor g'm hai ph$n Hình 1.3. Ph$n th0 nhất n?m trong

góc ph$n th0 t* th0 I là đ>c tính thu-n t*. ng 0ng vớ i tr*; ng h8 p điện áp U AK >0, ph$n th0 hai n?m trong góc ph$n t* th0 III, g/i là đ>c tính ng*8 c, t*. ng 0ng vớ i tr*; ng h8 p U AK <0.

Hình 1.3 Đặc tính von-ampe của tiristor

Trườ ng hợ p dòng điện vào cự c điều khiển bằng không (IG=0).




Khi dòng vào c(c điều khiển c9a tiristor b?ng 0 hay khi h# m%ch c(c điều khiển tiristorsH c+n tr# dòng điện 0ng vớ i c+ hai tr*; ng h8 p phân c(c điện áp gi:a anôt-catôt. Khi điệnáp UAK<0 theo cấu t%o bán d<n c9a tiristor hai tiếp giáp J1, J3 đều phân c(c ng*8 c, lớ p J2phân c(c thu-n, nh* v-y tiristor sH giống nh* hai điôt m"c nối tiếp b4 phân c(c ng*8 c. Quatiristor sH ch) có một dòng điện rất nh, ch%y qua, g/i là dòng rò. Khi UAK tăng đ%t đến một

giá tr4 điện áp lớ n nhất Ung,max sH x+y ra hiện t*8 ng tiristor b4 đánh th9ng, dòng điện có thể tăng lên rất lớ n. Giống nh* # đo%n đ>c tính ng*8 c c9a điôt quá trình b4 đánh th9ng là quátrình không thể đ+o ng*8 c đ*8 c, ngh 5 a là nếu có gi+m điện áp UAK xuống d*ớ i m0cUng,max thì dòng điện cFng không gi+m đ*8 c về m0c dòng rò. Tiristor đã b4 h,ng.

Khi tăng điện áp anôt-catôt theo chiều thu-n, UAK>0, lúc đ$u cFng ch) có một dòng điệnrất nh, ch%y qua, g/i là dòng rò. Điện tr# t*. ng đ*. ng m%ch anôt-catôt v<n có giá tr4 rấtlớ n. Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân c(c thu-n, J2 phân c(c ng*8 c. Cho đến khi UAK tăng đ%tđến giá tr4 điện áp thu-n lớ n nhất, Uth,max, sH x+y ra hiện t*8 ng điện tr# t*. ng đ*. ng m%chanôt-catôt đột ngột gi+m, dòng điện ch%y qua tiristor sH ch) b4 giớ i h%n b# i điện tr# m%chngoài. Nếu khi đó dòng qua tiristor có giá tr4 lớ n h. n một m0c dòng tối thiểu, g/i là dòngduy trì Idt, thì khi đó tiristor sH d<n dòng trên đ*; ng đ>c tính thu-n, giống nh* đ*; ng đ>c

tính thu-n # điôt. Đo%n đ>c tính thu-n đ*8 c đ>c tr*ng b# i tính chất dòng có thể có giá tr4 lớ n nh*ng điện áp r. i trên anôt-catôt thì nh, và h$u nh* không ph& thuộc vào giá tr4 c9adòng điện.

Trườ ng hợ p có dòng điện vào cự c điều khiển (IG>0)Nếu có dòng điều khiển đ*a vào gi:a c(c điều khiển và catôt quá trình chuyển điểm làmviệc trên đ*; ng đ>c tính thu-n sH x+y ra sớ m h. n, tr*ớ c khi điện áp thu-n đ%t đến giá tr4 lớ n nhất, Uth.max. Điều này đ*8 c mô t+ trên Hình 1.3 b?ng nh:ng đ*; ng nét đ0t, 0ng vớ icác giá tr4 dòng điều khiển khác nhau, IG1, IG2, IG3,... Nói chung nếu dòng điều khiển lớ nh. n thì điểm chuyển đ>c tính làm việc sH x+y ra vớ i UAK nh, h. n.Tình hình x+y ra trên đ*; ng đ>c tính ng*8 c sH không có gì khác so vớ i tr*; ng h8 p dòngđiều khiển b?ng 0.Tiristor có đ>c tính giống nh* điôt, ngh 5 a là ch) cho phép dòng ch%y qua theo một chiều, tG anôt đến catôt và c+n tr# dòng ch%y theo chiều ng*8 c l%i. Tuy nhiên khác vớ i điôt, để tiristor có thể d<n dòng ngoài điều kiện ph+i có điện áp UAK>0 còn c$n thêm một số điềukiện khác. Do đó tiristor đ*8 c coi là ph$n tử bán d<n có điều khiển để phân biệt vớ i điôt làph$n tử không điều khiển đ*8 c.

1.2.1 Quá trình mở Tiristor

Khi đ*8 c phân c(c thu-n, UAK>0, tiristor có thể m# b?ng hai cách. Th0 nhất, có thể tăng điện áp anôt-catôt cho đến khi đ%t đến giá tr4 điện áp thu-n lớ n nhất , Uth,max. Khi đóđiện tr# t*. ng đ*. ng trong m%ch anôt-catôt sH gi+m đột ngột và dòng qua tiristor sH hoàntoàn do m%ch ngoài xác đ4nh. Ph*. ng pháp này trong th(c tế không đ*8 c áp d&ng donguyên nhân m# không mong muốn và không ph+i lúc nào cFng có thể tăng đ*8 c điện ápđến giá tr4 Uth,max. V+ l%i nh* v-y sH x+y ra tr*; ng h8 p tiristor t( m# ra d*ớ i tác d&ngc9a các xung điện áp t%i một th; i điểm ng<u nhiên, không đ4nh tr*ớ c.

Ph*. ng pháp th0 hai, ph*. ng pháp đ*8 c áp d&ng th(c tế, là đư a một xung dòng đ iện có

giá tr ị nhấ t định vào giữ a cự c đ iề u khiể n và catôt . Xung dòng điện điều khiển sH chuyểntr%ng thái c9a tiristor tG tr# kháng cao sang tr# kháng thấp # m0c điện áp anôt-catôt nh,.Khi đó nếu dòng qua anôt-catôt lớ n h. n một giá tr4 nhất đ4nh, g/i là dòng duy trì (Idt) thìtiristor sH tiếp t&c # trong tr%ng thái m# d<n dòng mà không c$n đến s( t'n t%i c9a xung

dòng điều khiển n:a. Điề u này ngh a là có thể đ iề u khiể n mở các tiristor b! ng các xung



1.2 Một số vấn đề về đóng/ng"t cho Tiristor 15

dòng có độ r ộng xung nhấ t định, do đ ó công suấ t của mạch đ iề u khiể n có thể là r ấ t nhỏ , so

vớ i công suấ t của mạch lự c mà tiristor là một phần t ử đ óng c" t, khố ng chế dòng đ iện.

1.2.2 Quá trình khóa tiristor

Một tiristor đang d<n dòng sH tr# về tr%ng thái khóa (điện tr# t*. ng đ*. ng m%ch anôt-catôt tăng cao) nếu dòng điện gi+m xuống, nh, h. n giá tr4 dòng duy trì, Idt. Tuy nhiên để tiristor v<n # tr%ng thái khóa, vớ i tr# kháng cao, khi điện áp anôt-catôt l%i d*. ng (UAK > 0)c$n ph+i có một th; i gian nhất đ4nh để các lớ p tiếp giáp ph&c h'i hoàn toàn tính chất c+ntr# dòng điện c9a mình.

Khi tiristor d<n dòng theo chiều thu-n, UAK > 0, hai lớ p tiếp giáp J1, J3 phân c(cthu-n, các điện tích đi qua hai lớ p này dE dàng và lấp đ$y tiếp giáp J2 đang b4 phân c(cng*8 c. Vì v-y mà dòng điện có thể ch+y qua ba lớ p tiếp giáp J1, J2, J3. Để khóa tiristor l%ic$n gi+m dòng anôt-catôt về d*ớ i m0c dòng duy trì (Idt) b?ng cách ho>c là đổ i chiề u dòng

đ iện hoặc áp một đ iện áp ngượ c lên giữ a anôt và catôt của tiristor . Sau khi dòng về b?ng

không ph+i đ>t một điện áp ng*8 c lên anôt-catôt (UAK < 0) trong một kho+ng th; i gian tốithiểu, g/i là th; i gian ph&c h'i (trr), ch) sau đó tiristor mớ i có thể c+n tr# dòng điện theo c+ hai chiều. Trong th; i gian ph&c h'i có một dòng điện ng*8 c ch%y gi:a catôt và anôt. Dòngđiện ng*8 c này di t+n các điện tích ra kh,i tiếp giáp J2 và n%p điện cho t& điện t*. ngđ*. ng c9a hai tiếp giáp J1, J3 đ*8 c ph&c h'i. Th; i gian ph&c h'i ph& thuộc vào l*8 ng điệntích c$n đ*8 c di t+n ra ngoài cấu trúc bán d<n c9a tiristor và n%p điện cho tiếp giáp J1, J3 đến điện áp ng*8 c t%i th; i điểm đó.

Hình 1.4

Dạng đ iện áp và dòng đ iện của Tiristor trong quá trình đ óng c" t

1.2.3 Các yêu cu đối với tín hiệu điều khiển tiristor

Quan hệ gi:a điện áp trên c(c điều khiển và catôt (UGK) vớ i dòng điện đi vào c(c điềukhiển (IG) xác đ4nh các yêu c$u đối vớ i tín hiệu điều khiển tiristor. Vớ i cùng một lo%itiristor nhà s+n xuất sH cung cấp một h/ đ>c tính điều khiển, ví d& nh* # trên Error!Reference source not found., trên đó có thể thấy đ*8 c các đ>c tính giớ i h%n về điện áp vàdòng điện nh, nhất, 0ng vớ i một nhiệt độ môi tr*; ng nhất đ4nh mà tín hiệu điều khiển ph+iđ+m b+o để m# đ*8 c ch"c ch"n một tiristor. Dòng điều khiển đi qua tiếp giáp p-n gi:a c(c




điều khiển và catôt cFng làm phát nóng tiếp giáp này. Vì v-y tín hiệu điều khiển cFng ph+ib4 h%n chế về công suất. Công suất giớ i h%n c9a tín hiệu điều khiển ph& thuộc độ rộng c9axung điều khiển. Nếu tín hiệu điều khiển là một xung có độ rộng càng ng"n thì công suấtcho phép có thể càng lớ n.

Yêu c$u về tín hiệu điều khiển tiristor [2]:

+ Đủ công suấ t thể hiện biên độ đ iện áp (U GK ), dòng đ iện (I GK ).+ Độ r ộng xung là một yêu cầu quan tr #ng để đảm bảo dòng I

V vượ t qua giá tr ị dòng

duy trì I h , để khi ng" t xung van vẫ n giữ đượ c tr ạng thái d ẫ n. Thự c t ế , độ r ộng xung đ iề u

khiể n chỉ cần c$ 500µs là đảm bảo mở van vớ i các d ạng t ải.

+ Có sư% n xung d ố c đ& ng để mở van chính xác vào th% i đ iể m qui định, thư% ng t ố c độ

t 'ng đ iện áp đ iề u khiể n phải đạt 10V/µs, t ố c độ t 'ng dòng đ iề u khiể n 0,1A/µs.

1.2.4 M!ch khuếch đ!i xung mở Tiristor

Hình 1.5

S ơ đ( mạch nguyên lý tiêu biể u mở Tiristor, (a) dùng biế n áp xung, (b) Dùng ICcách ly

S. đ' tiêu biểu c9a một m%ch khuếch đ%i xung điều khiển tiristor đ*8 c cho trên Hình1.5. S. đ' Hình 1.5a đ*8 c gi+i thích nh* sau: Khóa transistor T đ*8 c điều khiển b# i mộtxung có độ rộng nhất đ4nh, đóng c"t điện áp phía s. cấp biến áp xung. Xung điều khiểnđ*a đến c(c điều khiển c9a tiristor # phía bên cuộn th0 cấp. Nh* v-y m%ch l(c đ*8 c cáchly hoàn toàn vớ i m%ch điều khiển b# i biến áp xung. Điện tr# R h%n chế dòng qua transistorvà xác đ4nh nội tr# c9a ngu'n tín hiệu điều khiển. Điôt D1 ng"n m%ch cuộn s. cấp biến ápxung khi transistor T khóa l%i để chống quá áp trên T. Điôt D2 ngăn xung âm vào c(c điềukhiển. Điôt D3 m"c song song vớ i c(c điều khiển và có thể song song vớ i t& C có tác d&ng

gi+m quá áp trên tiếp giáp G-K khi tiristor b4 phân c(c ng*8 c.

R2120R_2W

K1

G1

R11k

D2FR107

T1

EI_20

1 6

10 5

R31k

D1

FR107

C1102_2kV

+E

D3

Q1

ULN2803

Rb

Vb



1.3 Một số vấn đề về điều khiển cho MOSFET, IGBT 17

Hình 1.6 Ví d ụ một mạch khuế ch đại xung thự c t ế mở Tiristor

Bài tập: Tính ch/n ph$n tử m%ch KĐX Hình 1.5a cho một Tiristor vớ i yêu c$u: IG =0,2A; UGK = 5V; độ rộng xung là 100µs.

1.3 Một số vấn đề về điều khiển cho MOSFET, IGBT

1.3.1 Phân tích quá trình mở/ khóa đối với MOSFET

Gi+ sử ta xét quá trình m# MOSFET, làm việc vớ i t+i tr# c+m, có điôt không. Đây làchế độ làm việc tiêu biểu c9a các khóa bán d<n. S. đ' và đ' th4 d%ng dòng điện, điện ápc9a quá trình m# MOSFET đ*8 c thể hiện trên Hình 1.7 . T+i c+m trong s. đ' thể hiện b?ng

ngu'n dòng nối song song ng*8 c vớ i điôt d*ớ i điện áp một chiều VDD. MOSFET đ*8 cđiều khiển b# i đ$u ra c9a vi m%ch DRIVER d*ớ i ngu'n nuôi VCC, nối tiếp qua điện tr# RGext. C(c điều khiển có điện tr# nội RGin. Khi có xung d*. ng # đ$u vào c9a DRIVER # đ$u ra c9a nó sH có xung vớ i biên độ VP đ*a đến tr# RGext.

Hình 1.7 M ạch đ iề u khiể n mở MOSFET

Nh* v-y UGS sH tăng vớ i h?ng số th; i gian xác đ4nh b# i T1 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS +CGDl), trong đó t& CGD đang # m0c thấp CGDl do điện áp UDS đang # m0c cao.

Theo đ' th4, trong kho+ng th; i gian tG 0 đến t1, t& (CGS + CDSl) đ*8 c n%p theo quy lu-thàm mF tớ i giá tr4 ng*@ ng UGS(th). Trong kho+ng này c+ điện áp UDS l<n dòng ID đều ch*athay đổi. td(on) = t1 g/i là th; i gian trE khi m# . B"t đ$u tG th; i điểm t1 khi UGS đã v*8 t quagiá tr4 ng*@ ng, dòng c(c máng ID b"t đ$u tăng, tuy nhiên điện áp UDS v<n gi: nguyên # giátr4 điện áp ngu'n VDD.

Trong kho+ng t1 đến t2 dòng ID tăng tuyến tính rất nhanh, đ%t đến giá tr4 dòng t+i. TG t2 tr# đi, khi UGS đ%t đến m0c, g/i là m0c Miller, điện áp UDS b"t đ$u gi+m rất nhanh. Trongkho+ng tG t2 đến t4 điện áp UGS b4 găm # m0c Miller, do đó dòng IG cFng có giá tr4 khôngđổi. Kho+ng này g/i là kho+ng Miller. Trong kho+ng th; i gian này dòng điều khiển làdòng phóng cho t& CGD để gi+m nhanh điện áp gi:a c(c máng và c(c gốc UDS.

Sau th; i điểm t4 VGS l%i tăng tiếp t&c vớ i h?ng số th; i gian T2 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS

+ CGDh) vì lúc này t& CGD đã tăng đến giá tr4 cao CGDh. VGS sH tăng đến giá tr4 cuối cùng,xác đ4nh giá tr4 thấp nhất c9a điện áp gi:a c(c gốc và c(c máng, VDS = IDS.RDS(on).




Trên đ' th4 Hình 1.8a, A1 đ>c tr*ng cho điện tích n%p cho t& (CGS + CGD) trong kho+ngt1 đến t2, A2 đ>c tr*ng cho điện tích n%p cho t& CGD trong kho+ng t2 đến t4.

Nếu coi điôt không D không ph+i là lý t*# ng thì quá trình ph&c h'i c9a điôt sH +nhh*# ng đến d%ng sóng c9a s. đ' nh* đ*8 c ch) ra trong Hình 1.8a, theo đó dòng ID có đ)nhnhô cao # th; i điểm t2 t*. ng 0ng vớ i dòng ng*8 c c9a quá trình ph&c h'i điôt D.

D%ng sóng c9a quá trình khóa thể hiện trên Hình 1.8b. Khi đ$u ra c9a vi m%ch điềukhiển DRIVER xuống đến m0c không VGS b"t đ$u gi+m theo hàm mF vớ i h?ng số th; igian T2 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS + CGDh) tG 0 đến t1, tuy nhiên sau th; i điểm t3 thì h?ngsố th; i gian l%i là T1 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS + CGDl). TG 0 đến t1 là th; i gian trE khikhóa td(off), dòng điều khiển phóng điện cho t& CGS và t& CGD. Sau th; i điểm t1 điện áp VSD b"t đ$u tăng tG ID.RDS(on) đến giá tr4 cuối cùng t%i t3, trong khi đó dòng ID v<n gi: nguyênm0c cF. Kho+ng th; i gian tG t2 đến t3 t*. ng 0ng vớ i m0c Miller, dòng điều khiển và điệnáp trên c(c điều khiển gi: nguyên giá tr4 không đổi. Sau th; i điểm t3 dòng ID b"t đ$u gi+mvề đến không # th; i điểm t4. TG t4 MOSFET b4 khóa hCn.

Hình 1.8 Đ( thị d ạng xung dòng đ iện, đ iện áp trên MOSFET (a) Quá trình đ iề u khiể n mở ,(b) Quá trình đ iề u khiể n khóa

Khi d<n MOSFET thể hiện b# i tham số RDS(on) (điện tr# DS khi d<n).




1.3.2 Phân tích quá trình mở/ khóa đối với IGBT

Ta sH kh+o sát quá trình m# và khóa một IGBT theo s. đ' thử nghiệm cho trên hình1.30. Trên s. đ' IGBT đóng c"t một t+i c+m có điôt không D0 m"c song song. IGBT đ*8 cđiều khiển b# i ngu'n tín hiệu vớ i biên độ VG, nối vớ i c(c điều khiển G qua điện tr# RG.Trên s. đ' Cgc, Cge thể hiện các t& ký sinh giFa c(c điều khiển và collector, emitter.

Hình 1.9 S ơ đ( thử nghiệm đặc tính đ óng/mở IGBT

Quá trình m# IGBT diến ra rất giống vớ i quá trình này # MOSFET khi điện áp điềukhiển đ$u vào tăng tG không đến giá tr4 VG. Trong th; i gian trE khi m# td(on) tín hiều điềukhiển n%p điện cho t& Cge làm điện áp gi:a c(c điều khiển và emitter tăng theo quy lu-thàm mF, tG không đến giá tr4 ng*@ ng VGE(th) (kho+ng 3 – 5V), ch) b"t đ$u tG đó MOSFETtrong cấu trúc c9a IGBT mớ i b"t đ$u m# ra. Dòng điện gi:a collector-emitter tăng theoquy lu-t tuyến tính tG không đến dòng t+i I0 trong th; i gian tr. Trong th; i gian tr điện ápg:a c(c điều khiển và emitter tăng đến giá tr4 VGE,Io, xác đ4nh giá tr4 dòng I0 qua collector.Do điôt D0 còn đang d<n dòng t+i I0 nên điện áp VCE v<n b4 găm lên m0c điện áp ngu'nmột chiều Vdc. Tiếp theo quá trình m# diEn ra theo hai giai đo%n, tfv1 và tfv2. Trong suốt haigiai đo%n này điện áp gi:a c(c điều khiển gi: nguyên # m0c VGE,Io (m0c Miller), để duy trìdòng I0, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng c9a t& Cgc. IGBT v<n làm việc trongchế độ tuyến tính. Trong giai đo%n đ$u diEn ra quá trình khóa và ph&c h'i c9a điôt D0.Dòng ph&c h'i c9a điôt D0 t%o nên xung dòng trên m0c dòng I0 c9a IGBT. Điện áp VCE b"t đ$u gi+m. IGBT chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang vùng bãohòa. Giai đo%n hai tiếp diEn quá trình gi+m điện tr# trong vùng thu$n tr# c9a collector, d<n

đến điện tr# gi:a collector-emitter về đến giá tr4 Ron khi khóa bão hòa hoàn toàn, VCE,on =I0Ron.Sau th; i gian m# ton, khi t& Cgc đã phóng điện xong điện áp gi:a c(c điều khiển và

emitter tiếp t&c tăng theo quy lu-t hàm mF, vớ i h?ng số th; i gian b?ng CgeRG, đến giá tr4 cuối cùng VG.

Tổn hao năng l*8 ng khi m# đ*8 c tính g$n đúng b?ng

0

2dc

on on

V I Q t = (3.1)

Nếu tính thêm +nh h*# ng c9a quá trình ph&c h'i c9a điôt D0 thì tổn hao năng l*8 ng sH lớ n h. n do xung dòng trên dòng collector.

D%ng điện áp, dòng điện c9a quá trình khóa thể hiện trên hình 1.32. Quá trình khóa b"t

đ$u khi điện áp điều khiển gi+m tG VG xuống –VG. Trong th; i gian th; i gian trE khi khóatd(off), ch) có t& đ$u vào Cge phóng điện qua dòng điều khiển đ$u vào vớ i h?ng số th; i gian




b?ng CgeRG, tớ i m0c điện áp Miller. B"t đ$u tG m0c Miller điện áp gi:a c(c điều khiển vàemitter b4 gi: không đổi do điện áp Vce b"t đ$u tăng lên và do đó t& Cgc b"t đ$u đ*8 c n%pđiện. Dòng điều khiển bây gi; sH hoàn toàn là dòng n%p cho t& Cgc nên điện áp VGE đ*8 cgi: không đổi.Điện áp Vce tăng tG giá tr4 bão hòa Vce,on tớ i giá tr4 điện áp ngu'n Vdc sau kho+ng th; i

gian trV. TG cuối kho+ng trV điôt D0 b"t đ$u m# ra cho dòng t+i I0 ng"n m%ch qua, do đódòng collector b"t đ$u gi+m. Quá trình gi+m dòng diEn ra theo hai giai đo%n, tfi1 và tfi2.Trong giai đo%n đ$u, thành ph$n dòng i1 c9a MOSFET trong cấu trúc bán d<n IGBT suygi+m nhanh chóng về không. Điện áp Vge ra kh,i m0c Miller và gi+m về m0c điện áp điềukhiển # đ$u vào –VG vớ i h?ng số th; i gian RG(Cge + Cgc). Ở cuối kho+ng tfi1, Vge đ%t m0c

ng*@ ng khóa c9a MOSFET, VGE(th), t*. ng 0ng vớ i việc MOSFET b4 khóa hoàn toàn.Trong giai đo%n hai, thành ph$n dòng i2 c9a transistor p-n-p b"t đ$u suy gi+m. Quá trìnhgi+m dòng này có thể kéo rất dài vì các điện tích trong lớ p n

- ch) b4 mất đi do quá trình t( trung hòa điện tích t%i chD. Đó là vấn đề đuôi dòng điện đã nói đến # trên.

Tổn hao năng l*8 ng trong quá trình khóa có thể tính g$n đúng b?ng:

off

dc

off t

I V

Q 20

= (3.2)Lớ p n

- trong cấu trúc bán d<n c9a IGBT giúp gi+m điện áp r. i khi d<n vì khi đó số l*8 ng các điện tích thiểu số (các lD) tích t& trong lớ p này làm gi+m điện tr# đáng kể. Tuynhiên các điện tích tích t& này l%i không có cách gì di t+n ra ngoài một cách ch9 độngđ*8 c, làm tăng th; i gian khóa c9a ph$n tử. Ở đây công nghệ chế t%o b"t buộc ph+i th,ahiệp. So vớ i MOSFET, IGBT có th; i gian m# t*. ng đ*. ng nh*ng th; i gian khóa thì dàih. n.

Khi d<n IGBT d<n dùng tham số UCE(sat) t*. ng t( nh* # transitor. CFng có hãng chế t%ođ*a ra điện áp trên IGBT khi d<n bão hòa, bao g'm c+ hai thành ph$n cấu t%o transitor vàMOS trong bóng IGBT là:

( ) ( ) ( )CE sat CE p n CE on cU U R I −= + (3.3)Điện áp ( )CE sat U c9a IGBT th*; ng nh, h. n MOSFET, và đây cFng là *u điểm IGBT so

vớ i MOSFET.Tóm l%i: Đố i vớ i MOSFET, xung đ iề u khiern mở U GS-on = 6÷10V, xung khóa thư% ng chỉ

yêu cầu U GS-off =0V. Đố i vớ i IGBT, xung mở U GE-on=15V, xung khóa phải có giá tr ị âm

U GE-off =-5V.

1.3.3 M!ch driver cho MOSFET và IGBT

IGBT và MOSFET là các ph$n tử bán d<n vớ i các tính năng *u việt nh* kh+ năng đóngc"t nhanh, công suất điều khiển c(c nh,, là nh:ng ph$n tử sH thay thế các tranzito côngsuất thông th*; ng. Điều khiển khoá, m# các ph$n tử này có nh:ng yêu c$u đ>c biệt.Nh:ng khó khăn trong điều khiển IGBT và MOSFET ch9 yếu là t%o đ*8 c các xung điềukhiển vớ i s*; n xung d(ng đ0ng, th; i gian t%o s*; n xung ch) c@ 0,1µS ho>c nh, h. n. Cáct& điện ký sinh gi:a c(c điều khiển G vớ i c(c gốc S (ho>c E # IGBT), gi:a c(c G vớ i c(cmáng D (ho>c collect. C), c+n tr# tốc độ thay đổi c9a tín hiệu điều khiển. Đã có nhiều vim%ch chuyên d&ng, ph&c v& cho khâu t%o xung điều khiển cuối cùng này, g/i là các driver.




Hình 1.10

S ơ đ( mạch nguyên lý sử d ụng driver cho MOSFET, IGBT

Tính ch/n điện tr# # c(c điều khiển RG, thông th*; ng đ*8 c tính theo công th0c sau:

GE GE

G g

GP

V V R R

I

+ −= − (3.4)

Công suất tiêu tán lớ n nhất trên điện tr# RG là:2GP G I R

Trong đó: Rg là nội tr# c9a c(c điều khiển.Về nguyên t"c các driver cho MOSFET và IGBT là giống nhau vì các ph$n tử này có

cấu trúc bán d<n đ*8 c điều khiển giống nhau. Tuy nhiên trong khi MOSFET có thể điềukhiển khóa l%i dE dàng nh; đ*a tín hiệu điều khiển gi:a G và S về m0c 0V thì # IGBT th; igian khóa b4 kéo dài h. n do cấu trúc bán d<n giống nh* tranzito th*; ng. Ngoài ra việckhóa IGBT không thể ch9 động nh* # MOSFET, khi quá t+i IGBT có thể ra kh,i chế độ bão hòa, tổn hao công suất trên ph$n tử có thể tăng v/t, phá h,ng ph$n tử. Chính vì v-ydriver cho IGBT th*; ng là các m%ch lai (hybrid), trong đó kết h8 p một driver giống nh* # MOSFET vớ i các m%ch b+o vệ chống quá t+i khác.

(a)

(b)

Hình 1.11

S ơ đ( mạch nguyên lý sử d ụng driver HCPL 3120, (a) S ử d ụng ngu(n đơ n cự c cấ pcho driver, (b) S ử d ụng ngu(n lư$ ng cự c cấ p cho driver []




Ngoài ra, driver cho IGBT có tích h8 p quá t+i b?ng cách theo dõi điện áp gi:a collect. và emit. trong th; i gian có tín hiệu m# , nếu điện áp này lớ n h. n 5 đến 7V m%ch sH t( độngphát tín hiệu quá t+i và th(c hiện khóa IGBT l%i vớ i th; i gian khóa đ*8 c kéo dài ra gấp 10l$n (tớ i 10µS). Nh* v-y IGBT sH khóa l%i qua vùng tuyến tính, dòng t+i không b4 ng"t độtngột, tránh đ*8 c xung quá điện áp đánh th9ng van. Ch0c năng b+o vệ này g/i là

desaturation, ngh 5 a là khoá qua vùng không bão hoà.

Hình 1.12

S ơ đ( mạch nguyên lý sử d ụng driver HCPL 316J

Khi sử d&ng m%ch driver tích h8 p c$n ph+i gi+i quyết một số vấn đề sau:+ Thiết kế m%ch ngu'n cách ly cho mDi driver.+ M>c dù là ph$n tử điều khiển b?ng điện áp nh*ng các t& ký sinh yêu c$u dòng phóng,

n%p khi thay đổi m0c điện áp, và dòng điện này ph+i do m%ch driver đ+m b+o. Do đó đối

vớ i van IGBT công suất lớ n thì bên c%nh việc sử driver truyền thống c$n ph+i có thêm t$ngkhuếch đ%i dòng điện đ$u ra tr*ớ c khi đ*a vào c(c điều khiển c9a IGBT.

Hình 1.13

S ơ đ( mạch nguyên lý sử d ụng driver HCPL 316J và bộ khuế ch đại dòng đ iện thêm.




Hình 1.14

Ví d ụ sơ đ( sử d ụng driver HCPL316J mở IGBT công suấ t lớ n



2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ THUỘC 24

2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ THUỘC

Các bộ biến đổi ph& thuộc là lớ p các bộ biến đổi trong đó các van chuyển m%ch d*ớ itác d&ng c9a điện áp l*ớ i, bao g'm các bộ ch)nh l*u, các bộ biến đổi xung áp xoay chiềuvà biến t$n tr(c tiếp. Nguyên lý xây d(ng hệ thống điều khiển cho các bộ biến đổi này làgiống nhau.

2.1 Driver cho hệ thống điều khiển các bộ biến đổi ph" thuộc

S. đ' cấu trúc c9a hệ thống driver điều khiển cho các bộ biến đổi ph& thuộc theonguyên t"c điều khiển d/c ch) trên Hình 2.1. Trong các bộ biến đổi ph& thuộc các tiristođ*8 c điều khiển m# b# i các xung t%i các th; i điểm, ch-m pha so vớ i điểm chuyển m%ch t( nhiên một góc α , g/i là góc điều khiển. Điểm chuyển m%ch t( nhiên có thể là các điểmđiện áp ngu'n qua không (ch)nh l*u một pha) ho>c các điểm điện áp ngu'n c"t nhau(chinh l*u ba pha). Vì v-y khâu đ$u tiên trong hệ thống điều khiển là khâu đ'ng pha, khâuđ'ng pha có nhiệm v& t%o ra hệ thống điện áp t(a, đ'ng bộ vớ i điện áp l*ớ i, ngh 5 a là chophép xác đ4nh giá tr4 đ$u c9a góc điều khiển α .


C ấ u trúc của hệ thố ng driver cho các bộ biế n đổ i phụ thuộc

Đối vớ i các ch)nh l*u có điều khiển th*; ng yêu c$u góc điều khiển 6 thay đổi trongtoàn bộ d+i 0÷180º. Tuy v-y do các chế độ làm việc h%n chế s( thay đổi góc điều khiển, s. đ' ph+i có kh+ năng áp đ>t ph%m vi điều ch)nh c9a góc α trong ph%m vi cho phép,6min÷6max , không ph& thuộc s( thay đổi c9a điện áp l*ớ i. Điều này minh ho% trên Hình

2.2.

minα

maxα α 180

θ

Hình 2.2 Hình 2.2 Hình 2.2 Hình 2.2

Giớ i hạn góc đ iề u khiể n α .



2.1 Driver cho hệ thống điều khiển các bộ biến đổi ph& thuộc 25

Khâu t%o xung và khuyếch đ%i xung sH t%o ra xung có đ9 biên độ, độ rộng để đ*a đếncác tiristo trong m%ch l(c. Xung truyền đến c(c điều khiển c9a tiristo qua các m%ch cách lydùng biến áp xung ho>c các ph$n tử photocoupler.

2.1.1 Khối đ#ng pha và t!o điện áp t$a

Khối đ'ng pha có ch0c năng đ+m b+o quan hệ về góc pha cố đ4nh vớ i điện áp c9a m%chl(c nh?m xác đ4nh điểm gốc để tính góc điều khiển α và hình thành điện áp có d%ng phùh8 p làm xung nh4p cho ho%t động c9a khâu t%o điện áp t(a phía sau nó.

Th(c tế khâu này có quan hệ +nh h*# ng qua l%i ch>t chH vớ i khâu t%o điện áp t(a, nêntrong một số tr*; ng h8 p đ. n gi+n, hai ch0c năng trên đ*8 c gộm trong một m%ch duy nhất,mà thông th*; ng m%ch đ'ng pha là luôn ch0c năng đ'ng bộ.Để th(c hiện ch0c năng đ'ng bộ thông th*; ng ng*; i ta sử d&ng máy biến áp (tùy thuộc

vào lo%i ch)nh l*u một pha hay ba pha sH có khâu đ'ng bộ là máy biến áp một pha hay bapha) ho>c các ph$n tử cách ly quang.

Một điều c$n chú ý là khi sử d&ng MBA đ'ng bộ cho ch)nh l*u 3 pha là: cách đấu cáccuộn dây s. cấp +nh h*# ng rõ rệt tớ i pham v4 điều ch)nh góc 6min÷6max, vì van không m# ngay đ*8 c khi điện áp l*ớ i b"t đ$u d*. ng mà ch-m h. n th; i điểm này 300 (th; i điểmchuyển m%ch t( nhiên). Vớ i cách đấu máy biến áp I /Y ta sH có ph%m vi điều ch)nh6=00÷1800

, và điện áp đ'ng bộ udpA lấy theo tJ lệ điện áp dây u AC , do đó điểm qua 0 c9ađiện áp này vào đúng giao điểm c"t nhau c9a hai điện áp pha A và C, mà điểm này t*. ngđ*. ng vớ i góc 6=00 c9a van l(c pha A (ngh 5 a là sử d&ng điện áp dây u AC là điện áp đ'ngpha cho V1, trong s. đ' ch)nh l*u hình tia ho>c hình c$u ba pha).

Khi MBA đấu Y/Y, điện áp đ'ng pha sH là điện áp pha A c9a l*ớ i, do đó điểm qua 0c9a điện áp này sớ m pha h. n 300 so vớ i điểm t*. ng 0ng góc 6=00. Nh* v-y ph%m vi điềuch)nh góc m# 6=00÷1500


Biế n áp đ(ng pha cho chỉ nh lư u ba pha (a) Đấ u ) /Y, (a) Đấ u Y/Y




Điện áp điều khiển đ*8 c biến đổi thành góc điều khiển α t%i khâu so sánh nh; so sánhvớ i điện áp t(a. Có hai d%ng điện áp t(a là d%ng hình cosin và d%ng răng c*a (s*; n xuốngho>c s*; n lên).

a. Điện áp t(a d%ng răng c*a s*; n xuốngĐiện áp t(a răng c*a ( )r

u t sH mô t+ theo (2.1), góc m# α đ*8 c xác đ4nh là giao điểm

gi:a điện áp ( ) ( )dk r u t u t = .

( ) ,,

,

1

c m

r c m

dk

c m

U u t U

u

U

θ π

α π

= −

→ = −

(2.1)

π 2π α π α +

θ

Hình 2.4 Hình 2.4 Hình 2.4 Hình 2.4 Điện áp t ự a d ạng r 'ng cư a sư% n xuố ng

b. Điện áp t(a d%ng răng c*a s*; n lên (2.2).

( ) ,

,

c m

r

dk

c m

U u t

u

U

θ π

α π

=

→ =

(2.2)

π 2π α π α +

θ

Hình 2.5 Hình 2.5 Hình 2.5 Hình 2.5 Điện áp t ự a d ạng r 'ng cư a sư% n lên

Nhận xét: Trong m%ch điều khiển ch)nh l*u dùng d%ng răng c*a đi lên sH cho quan hệ gi:a điện áp răng c*a và góc điều khiển α t) lệ thu-n (ngh 5 a là điện áp điều khiển lớ n thìgóc m# α lớ n). M>t khác ta cFng biết r?ng quan hệ gi:a góc điều khiển α và điện áp đ$ura ch)nh l*u nh-n đ*8 c l%i tuân theo qui lu-t t) lệ ngh4ch ( )cosd doU U α = (ngh 5 a là α tăng

thìd

U gi+m). Nh* v-y t*. ng 0ng vớ i việc tăng điện áp điều khiển sH d<n đến gi+m điện ápch)nh l*u, điều này nhiều khi không thu-n l8 i cho hệ thống điều khiển vòng kín. Để quanhệ này thu-n, ta có thể sử d&ng d%ng răng c*a s*; n xuống.

c. Vớ i điện áp t(a hình côsin nh* trên Hình 2.6 , góc α đ*8 c xác đ4nh b?ng:

,

arccos dk

c m

U U

α =

(2.3)




α π 2π

θ

Hình 2.6 Hình 2.6 Hình 2.6 Hình 2.6 Điện áp t ự a d ạng cosin

Trong s. đ' ch)nh l*u điện áp ph& thuộc góc điều khiển theo quy lu-t( )0 cosd d U U α α = , do đó vớ i điện áp t(a d%ng côsin thì điện áp ch)nh l*u sH ph& thuộc

tuyến tính vàodk

u . Đây là một *u điểm c9a d%ng điện áp t(a này. Tuy nhiên điện áp t(acôsin th*; ng đ*8 c t%o ra tr(c tiếp tG máy biến áp đ'ng pha nên dE b4 +nh h*# ng c9a nhiEuvà s( thay đổi c9a điện áp l*ớ i. Trong th(c tế ng*; i ta dùng ch9 yếu là d%ng điện áp t(arăng c*a.

Chú ý: Trong nhiều m%ch điều khiển ch)nh l*u, điện áp t(a đ*8 c t%o ra trong c+ hai nửachu kB b?ng một m%ch duy nhất. Lúc này khâu so sánh sH xác đ4nh góc điều khiển cho c+ hai van thuộc cùng một pha c9a m%ch l(c (một van n?m # chu kB d*. ng, một van n?m # chu kB âm c9a điện áp xoay chiều m%ch l(c). Do đó, c$n thiết bổ sung thêm một ph$n g/ilà m%ch tách xung để đ+m b+o van c9a m%ch l(c ch) nh-n tín hiệu điều khiển khi điện ápanot-katot là d*. ng (u AK > 0).

2.1.2 Khâu so sánh

Khâu này có ch0c năng so sánh điện áp điều khiển vớ i điện áp t(a (d%ng răng c*a ho>cd%ng cosin) để đ4nh góc m# α . Khâu so sánh có thể th(c hiện b?ng các ph$n tử nh* transitor ho>c khuếch đ%i thu-t toán (hay đ*8 c dùng h. n c+).

Có các IC chuyên d&ng dùng cho việc so sánh các tín hiệu nh*ng nguyên lý làm việcđ*8 c gi+i thích nh; khuyếch đ%i thu-t toán. M%ch so sánh sử d&ng tính chất có hệ số khuyếch đ%i h# m%ch vô cùng lớ n c9a OP.

Hình 2.7 Hình 2.7 Hình 2.7 Hình 2.7 M ạch so sánh. (a) M ột cổ ng; (b) Hai cổ ng.

M%ch so sánh một cổng, s. đ' Hình 2.7a, dùng để so sánh hai tín hiệu khác dấu. Dodòng đ$u vào OP không đáng kể nên ta có:




( )1 2

2 1

1 2 1 2i

R RU U U

R R R R

− = ++ +

(2.4)

Nếu ( ) ( ) 0i iU U V

− +> = , đ$u ra OP về lý t*# ng sH lớ n b?ng âm vô cùng. Tuy nhiên tín

hiệu đ$u ra sH b4 h%n chế b# i điện áp ngu'n nuôi và điện áp r. i trên tranzito khuyếch đ%i

đ$u ra, nên th(c chất điện áp ra có giá tr4 bão hoà, nh, h. n ngu'n nuôi 1,5 ÷2 V. Trongtr*; ng h8 p này đ$u ra bão hoà # m0c +1,5 V - U n.Nếu ( ) ( ) 0i iU U V

− +< = , t*. ng t( nh* v-y đ$u ra bão hoà # m0c -1,5 V+U n

M%ch so sánh hai cổng, s. đ' Hình 2.7b, dùng để so sánh hai tín hiệu cùng dấu. Dodòng đ$u vào OP không đáng kể nên ta có:

Nếu U 1 > U 2 thì U o = +1,5 V - U n.Nếu U 1 < U 2 thì U o = -1,5 V + U n.

Một IC điển hình th(c hiện ch0c năng so sánh là LM339, trong đó có ch0a 4 ph$n tử khuếch đ%i thu-t toán.

2.1.3 Khâu t!o xung

Sau khâu so sánh ta đã nh-n đ*8 c xung có s*; n dốc đ0ng, nh*ng độ rộng xung lớ n vàth*; ng ph& thuộc vào góc điều khiển.

Xung đ. n có thể đ*8 c t%o ra tG một số IC nh*: Timer 555, ho>c một số IC chuyên dungnh* CD4528.

(Bổ sung thêm hình vH)Một điều c$n chú ý trong ch)nh l*u c$u ba pha Hình 2.8, t%i một th; i điểm bất kB, dòng

ph+i ch+y qua ít nhất là hai van, một thuộc nhóm catôt chung, một thuộc nhóm anôt chung. Nếu điều khiển các tiristo b?ng các xung ng"n thì s. đ' sH không kh# i động đ*8 c ho>ckhông làm việc đ*8 c trong chế độ dòng gián đo%n. Trong th(c tế vấn đề ngày đ*8 c gi+iquyết b?ng một trong hai cách sau đây.

Hình 2.8 Hình 2.8 Hình 2.8 Hình 2.8 Chỉ nh lư u cầu ba pha sử d ụng tiristor

2.1.3.1 Khâu t ạo xung kép

Theo cách này mDi tiristo khi nh-n đ*8 c tín hiệu điều khiển m# thì xung điều khiển đócFng đ*8 c l>p l%i # tiristo đã vào làm việc ngay tr*ớ c đó (xung điều khiển c9a van V2 đ*8 csử d&ng là xung ph& cho van V1, để đ+m khép kín đ*8 c dòng điện). Nh* v-y mDi tiristo sH nh-n đ*8 c hai xung điều khiển, mDi xung cách nhau 60°, nh* đ*8 c minh ho% trên đ' th4

Hình 2.9.




UWX YZ[\

M%X]^[_ `\ab

cde fĐN

+ ,,

α . /

/

/

.0α

+1đ

+ 23

+ ,,

+1đ

+ 23

+4ự5

+đ6

Hình 2.12 Hình 2.12 Hình 2.12 Hình 2.12 Khâu t ạo xung chùm có độ r ộng b! ng . -α

C$n chú ý m%ch t%o xung chùm sH không có độ rộng xung cố đ4nh trong toàn d+i α , vìch) c$n đ+m b+o nguyên t"c ng"t xung khi điện áp trên van l(c đổi sang âm, có ngh 5 a là:

+ Nếu ( ) xcπ α θ − > thì độ rộng xung chù b?ng xc

θ .

+ Nếu ( ) xcπ α θ − < thì độ rộng xung chù b?ng ( )π α − .

Một số s. đ' c& thể về hệ thống điều khiển ch)nh l*u tia ba pha và cấu ba pha đ*8 c giớ ithiệu trong trang 163 (tia ba pha), 165 (xung kép cho c$u ba pha) và 170 (xung chùm c$uba pha) c9a tài liệu [2].

2.1.4 Khâu khuếch đ!i xung

(Xem m&c 1.2.4)

2.1.5 Ví d" về m!ch driver cho hệ thống điều khiển nhiều kênh

S. đ' một m%ch điều khiển ch)nh l*u c$u ba pha cho trên Hình 2.13. Hệ thống g'm bakênh, mDi kênh ch4u trách nhiệm điều khiển hai tiristo trên một pha c9a s. đ' c$u. D%ngxung điện áp t%i các điểm trên s. đ' cho trên Hình 2.14.Điện áp đ'ng pha lấy tG th0 cấp máy biến áp đ'ng pha, qua m%ch l/c RC đ*a đến đ$u

vào c9a OP U1A. U1A làm việc nh* một khâu so sánh nên đ$u ra sH cho ra điện áp d%ngxung ch: nh-t đối x0ng.Điện áp d%ng xung ch: nh-t đ*a đến m%ch vi phân g'm C2, R5,t%o nên d%ng xung nh/n vớ i biên độ b?ng hai l$n xung ch: nh-t. Xung vi phân đ*a đếnkhâu t%o xung U1B. Đ$u vào (-) c9a U1B đ>t d*ớ i điện áp âm do phân áp R6, R7 và –Un t%o nên. Khi điện áp t%i điểm C b?ng 0V, các điôt D1, D2 sH thông làm đ$u vào (-) c9aU1B âm h. n đ$u vào (+), do đó đ$u ra U1B sH bão hoà # m0c +Un. Khi xung nh/n # điểm

C có giá tr4 d*. ng, D2 khoá, D1 thông làm đ$u vào (-) d*. ng h. n đ$u vào (+), đ$u ra U1Bl-t xuống m0c bão hoà –Un. Khi điểm C có xung nh/n âm, D1 b4 khoá, D2 thông d<n đếnđ$u vào (+) sH b4 âm h. n so vớ i đ$u vào (-), kết qu+ là đ$u ra cFng b4 l-t xuống m0c bãohoà –Un. Nh* v-y đ$u ra c9a U1B t%i điểm D có d%ng xung ch: nh-t vớ i ph$n âm rất hgp.Đây là điện áp đ'ng bộ cho khâu t%o xung răng c*a xây d(ng tG U1C. M%ch t%o răng c*alàm việc theo nguyên lý đã mô t+ # ph$n 7.2.8. Khâu so sánh trên U1D so sánh điện ápđiều khiển Uđk vớ i điện áp răng c*a, xác đ4nh góc điều khiển α .

Tín hiệu điều khiển tG đ$u ra c9a U1D, đ*8 c c"t b, ph$n âm nh; điện tr# h%n chế vàđiôt D5, tín hiệu t%i điểm F đ*a đến m%ch chia xung dùng JK trig. D2A t%o nên xung có

độ rộng 180º cho mDi nửa chu kB. Đ$u ra Q và Q c9a trig. kết h8 p vớ i tín hiệu t%i F qua

m%ch lôgic AND t%o nên xung điều khiển có độ rộng π α − , qua m%ch AND th0 hai tínhiệu này trộn vớ i xung trùm tG m%ch NAND Smith D3A tr# thành tín hiệu đã đ*8 c băm ra




t$n số cao. Khâu khuếch đ%i xung cuối cùng dùng tranzito và biến áp xung đ*a tín hiệu đếnc(c điều khiển G và catôt K c9a tiristo

eh

J

Q

Q

K

SET

CLR

D1A

U1A U1B

U1C

U1D

D2B

D2A

iPRjkR

fR

D2D

D2C

iPRj

D3A

LO

lO

LP

LQlP LR

LS

LT Lm

Ln

eO

ePeQ

LoLOpLOO

LOP

lQ LOQ

LORLOS

eR

LOT

lR

LOm

LOn

LOo

LPp

LPO

LPP

qr[

ir[c

s

l

e

t

u

k v

rđw

rđw

kO

fO

kQ

fQ

kT

fT

kS

fS

kP

fP

rđw

rđw

r]

r]

r]

c

s

l

Hình 2.13 Hình 2.13 Hình 2.13 Hình 2.13 H ệ thố ng đ iề u khiể n Tiristor nhiề u kênh

S. đ' trên đây là một m%ch điều khiển chất l*8 ng cao. B?ng cách bố trí biến áp đ'ngpha h8 p lý, có thể dùng để điều khiển ch)nh l*u c$u ba pha, bộ biến đổi xung áp ba pha.

M%ch ch)nh l*u c$u một pha sH ch) c$n một kênh c9a s. đ' là đ9 nếu m%ch khuyếch đ%ixung cuối cùng bổ sung thêm hai cuộn th0 cấp cho biến áp xung.




α 180 360

Q

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

Hình 2.14 Hình 2.14 Hình 2.14 Hình 2.14 Dạng tín hiệu t ại các đ iể m trên sơ đ( hệ thố ng đ iề u khiể n

2.1.6 Sử d"ng IC chuyên d"ng làm driver cho ch%nh l&u ph" thuộc

Hệ thống điều khiển các bộ biến đổi ph& thuộc (ch)nh l*u, biến đổi xung áp xoaychiều) có thể đ*8 c xây d(ng rất thu-n tiện nếu sử d&ng vi m%ch chuyên d&ng TCA785 c9a




Simens. S. đ' cấu trúc c9a TCA785 và ký hiệu chân ra đ*8 c cho trên hình 7.25. Có thể thấy r?ng TCA785 tích h8 p các khâu đ'ng bộ, t%o điện áp t(a d%ng răng c*a, khâu so sánhvà c+ việc t%o ra d%ng xung điều khiển vớ i độ rộng thích h8 p, sxn sàng đ*a ra để điềukhiển các thyristor trong m%ch l(c.

Nguyên lý ho%t động c9a TCA785 đ*8 c thể hiện qua đ' th4 d%ng xung trên các chânnh* đ*8 c minh h/a trên hình 7.26.

Điện áp đ'ng bộ đ*8 c đ*a tớ i chân số 5 qua một điện tr# có giá tr4 lớ n đ*a đến khâuxác đ4nh điểm điện áp ngu'n qua không (Zero Detector), đ$u ra c9a nó đ*a tín hiệu đếnthanh ghi đ'ng bộ (Synchron. Register) để xác đ4nh các nửa chu kB c9a điện áp l*ớ i.Thanh ghi đ'ng bộ cFng điều khiển m%ch n%p t& C10 b?ng dòng không đổi, xác đ4nh b# iđiện tr# R9, t%o ra răng c*a # mDi nửa chu kB c9a điện áp đ'ng bộ. Điện áp điều khiển đ*avào # chân 11, V11, so sánh vớ i răng c*a t%i khâu so sánh (Control Comparator), th; i điểmhai giá tr4 này b?ng nhau xác đ4nh góc điều khiển α đ*8 c đ*a đến khâu Logic để sử lý t%o

độ rộng xung. Góc α thay đổi đ*8 c tG 0° đến 180° tùy thuộc giá tr4 c9a V11 so vớ i biên độ c9a răng c*a, về giá tr4 b?ng VS-2V.

Hình 2.15 Hình 2.15 Hình 2.15 Hình 2.15 S ơ đ( cấ u trúc của TCA785.

1. GND chân nố i đấ t,

2. Q2 đầu ra 2 đảo,

3. QU đầu ra U,

4. Q1 đầu ra 1 đảo

5. V SYNC đầu vào đ(ng

bộ ,6. Inhibit đầu vào cấ m,

7. QZ đầu ra Z,

8. V STOP =V REF đ iện áp

chu7 n, xác định biên

độ của r 'ng cư a.

9. R9 đ iện tr ở mạch t ạo

r 'ng cư a,10. C 10 t ụ đ iện mạch t ạo

r 'ng cư a,

11. V 11 đ iện áp đ iề u khiể n,

12. C 12 t ụ t ạo độ r ộng

xung,

13. Tín hiệu t ạo đ iề ukhiể n b! ng xung r ộng,

14. Q1 đầu ra 1,

15. Q2 đầu ra 2,

16. V S ngu(n cung cấ p




α 180

jWydl

jOp

jOOpj

jOS zP

jOR zO

jOS zP {[ế^ \|[ OP[ố} ]^ố[_ kdejOR zO {[ế^ `\|[ OP[ố} ]^ố[_ kde

jP dế^ `\|[ OP[ố} ]^ố[_ kde

Q1

jR {dế^ `\|[ OP[ố} ]^ố[_ kde ~

jQ

jm

Q2

p

p

p

Hình 2.16 Hình 2.16 Hình 2.16 Hình 2.16 thị d ạng xung của TCA785.

Vớ i mDi nửa chu kB, t%i góc điều khiển α, xuất hiện hai xung có độ rộng kho+ng 30µS

t%i hai đ$u ra Q1 và Q2. Độ rộng này có thể làm rộng ra tớ i 180° b?ng t& C12. Nếu chân 12nối đất xung điều khiển sH kéo dài tG α đến 180°. Tín hiệu U # chân 3 có độ rộng α + 180° có thể đ*8 c dùng vào các m&c đích khác. T*. ng t( nh* v-y là tín hiệu Z # chân 7 có giátr4 b?ng NOR gi:a Q1 và Q2. Dùng chân 13 có thể nh-n đ*8 c tín hiều điều khiển kiểu

xung rộng (180°-α). Tín hiệu cấm # chân 6 sH xóa b, tín hiệu ra Q1, Q2 và Q1,Q2 .




ho%t động ổn đ4nh trong toàn d+i điều ch)nh), ta sH sử d&ng giá tr4 lớ n nhất c9ar

K đ*8 c

đ4nh ngh 5 a là ,r mK đ*8 c xác đ4nh nh* sau:

, 2,

sinm

r m

c m

pK U

U p

π =

(2.8)

Đối vớ i điện áp t(a răng c*a có d%ng s*; n lên, ta cFng thu đ*8 c hệ số ,r mK theo (2.8).

Mối quan hệ gi:a điện áp đ$u ra và điện áp điều khiển đ*8 c thể hiện:

( ) ( )

( )2 ,

,

12

T s

p r md

DCX r m

dk

K u sG s K e

u s T s

p

−

= = ≈

+

(2.9)

Trong đó: T là chu kB điện áp l*ớ i.TG m%ch điện t*. ng ta có mối quan hệ gi:a dòng điện và điện áp đ$u ra ch)nh l*u:

( ) ( )

( ) ( ) ( )

1

1d

i

d d d

i sG s

u s E s R T s= =

− + (2.10)

Trong đó: H?ng số th; i gian d d

d

LT

R= .

Sử d&ng bộ điều ch)nh PI có cấu trúc theo:

( )1 1

1i zPI p p

p i

K sT G s K K

sT s sT

+= = + = +

(2.11)

Điểm không (zero) c9a bộ điều ch)nh ( )PI G s đ*8 c l(a ch/n b?ng điểm c(c c9a đối

t*8 ng ( )iG s ngh 5 a là:

d z d

d

LT T R

= = (2.12)

*d i 1 z

p

sT

sT

+ dk u ,

12

r mK

T s

p

+

( )

1

1d d

R sT +

d i

E

d u

Hình 2.18 Hình 2.18 Hình 2.18 Hình 2.18 M ạch vòng đ iề u khiể n dòng đ iện của hệ chỉ nh lư u Tiristor

Hàm truyền kín c9a m%ch vòng dòng điện khi có s( tham gia bộ điều ch)nh PI đ*8 c viếtl%i nh* sau (coi thành ph$n s0c điện động E là nhiEu và sH đ*8 c triệt tiêu nh; vào thành

ph$n tích phân c9a bộ điều ch)nh dòng điên):

( ) ( )

( )

( )

( )

,

*2

,

2 /

22 /

r m d p d d

k

d r m d p d

pK R T T i sG s

pi ss s pK R T T

T

= =

+ +

(2.13)

Đây là d%ng hàm truyền chu=n b-c hai có d%ng:

( )2

2 2 2

2

nc

n n

G s

s s

ω

ζω ω

=

+ +

(2.14)



2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển vòng kín cho ch)nh l*u tiristor 37

TG (2.13), (2.14) hệ số bộ điều ch)nh PI đ*8 c xác đ4nh theo (2.15):

( )2,2 /

n r m d p d

n

pK R T T

p

T

ω

ζω

=

=

(2.15)

Thông th*; ng l(a ch/n1

0,712

ζ = ≈ , tG (2.15) ta có:

,r m

p

d

K T T

pR= (2.16)

TG (2.13) hàm truyền kín m%ch vòng dòng điện khi có bộ điều ch)nh tham gia vào:

( ) ( )

( ) 2*

2

1

2 12

d

k

d

i sG s

i s T T s s

p p

= =

+ +

(2.17)

Trong hệ thống điều khiển nối cấp (cascade) thì hàm truyền kín c9a m%ch vòng dòngđiện sH đ*8 c xấp x) theo (2.18) để thu-n l8 i cho tổng h8 p các m%ch vòng điều ch)nh phíangoài cùng.

( ) ( )

( )*

1

1

d

k

d

i sG s

i s T s

p

= ≈

+

(2.18)

Sau khi xác đ4nh đ*8 c tham số cho bộ điều ch)nh dòng điện, c$n ph+i đánh giá +nhh*# ng nhiEu do ngu'n s0c điện E tác động lên m%ch vòng dòng điện vớ i các tham số bộ điều ch)nh đã đ*8 c xác đ4nh.

1 z

p

sT

sT

+dk u,

12

r mK

T s

p

+

( )1

1d d

R sT +

d i

E

d u

Hình 2.19 Hình 2.19 Hình 2.19 Hình 2.19 Đánh giá tác động ngu(n s& c đ iện động E lên mạch vòng dòng đ iện

TG ta tìm đ*8 c hàm truyền đ%t gi:a ngu'n s0c điện động và dòng điện đ$u ra theo

(2.19).

( ) ( )

( )( ) ( )

* 0

12

1 1 12

d

d

d

i sd d

T s s

pi sG s

E s T R sT s s

p=

+

= = −

+ + +

(2.19)

Lấy giớ i h%n ( )0

lim 0d s

sG s→

= , ngh 5 a là thay đổi c9a ngu'n s0c điện đông E không +nh

h*# ng đến dòng điện đ$u ra, vớ i các tham số , z pT T đ*8 c ch/n theo (2.12) và (2.16).

Chú ý: Hoàn toàn tổng h8 p tham số bộ điều ch)nh PI theo tiêu chu=n tối *u modul, chitiết xem thêm trong trang 300, tài liệu [5].




2.3 Kết qu' mô ph(ng

2.3.1 Ch%nh l&u cu một pha

Tham số mô ph,ng: Điện áp ngu'n 220V/50Hz; T+i tr# c+m R=1008, L=20mH .

220V/50Hz

1-phase Source

v+-

Va1

Va

2

Udk

Th1&Th2

Th3&Th4

a

b

TIRISTOR

1PHA

U_a

U_dk

Th1&Th2

Th3&Th4

DRIVER

a. S ơ đ( mô phỏng

2

b

1

a

i+

-

iB1

v+-

Vd

g a

k

Thyristor4

g a

k

Thyristor3

g a

k

Thyristor1

g a

k

Thyristo2

Scope

i+

-

Id

2

Th3&Th4

1

Th1&Th2

iA & iB

Vd

b. S ơ đ( mạch lự c

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-50

0

50

100

150

200

250

300

350

t(s)

U d ( V )

c. Điện áp đầu ra chỉ nh lư u

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

t(s)

i A ( A )

d. Dòng đ iện pha đầu vào chinh lư u

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

e Dạng sóng đ iề u khiể n Tiristor1&2

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

f. Dạng sóng đ iề u khiể n Tiristor3&4

Hình 2.20 Hình 2.20 Hình 2.20 Hình 2.20 S ơ đ( mô phỏng chỉ nh lư u cầu Tiristor ba pha



2.3 Kết qu+ mô ph,ng 39

2.3.2 Ch%nh l&u cu ba pha

2.3.2.1 Đi ều khi ển vòng h ở

Tham số mô ph,ng: Điện áp ngu'n 380V/50Hz; T+i tr# c+m R=1008, L=20mH ; Điềukhiển theo ph*. ng pháp xung kép vớ i độ rộng xung 20e-5s.

Synchronization Voltages

380V/50Hz

3-phase Source

v+-

Vca

Vc

v+-

Vbc

Vb

v+-

Vab

Va

0.6

Udk

T1

T2

T3

T4

T5

T6

a

b

c

TIRISTOR

3PHA

-1

Gain1

-1

Gain

U_ac

U_bc

U_ba

U_dk

Th1

Th2

Th3

Th4

Th5

Th6

DRIVER

a. S ơ đ( mô phỏng

3

c

2

b

1

a

i+

-

iB12

i+

-

iB1

v+-

Vd

g a

k

Thyristor4

g a

k

Thyristor3

g a

k

Thyristor2

g a

k

Thyristor1

g a

k

Thyristo6

g a

k

Thyristo5

Scope

ux

i+

-

Id

6

T6

5

T5

4

T4

3

T3

2

T2

1

T1

Vd

iA & iB

b. S ơ đ( mạch lự c

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-100

0

100

200

300

400

500

600

t(s)

U d ( V )


0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-6

-4

-2

0

2

4

6

t(s)

i A & i B ( V )


0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

e Dạng sóng đ iề u khiể n Tiristor1

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

f. Dạng sóng đ iề u khiể n Tiristor4

Hình 2.21Hình 2.21Hình 2.21Hình 2.21 S ơ đ( mô phỏng chỉ nh lư u cầu Tiristor ba pha




2.3.2.2 Đi ều khi ển vòng kín

Tham số mô ph,ng: Điện áp ngu'n 380V/50Hz; T+i s0c ph+n điện động R=1008, L=20mH, E= 100V ; Điều khiển theo ph*. ng pháp xung kép vớ i độ rộng xung 20e-5s;

L*8 ng đ>t dòng điện thay đổi tG 2÷5(A) t%i th; i điểm 0,04s.Hệ số

,r m

K đ*8 c xác đ4nh nh* sau:

, 2,

6sin 380 2 sin 161,22

10 6m

r m

c m

pK U

U p

π π = = =

(2.20)

Chu kB điện áp l*ớ i 20T ms= và hệ số đ-p m%ch điện áp c9a ch)nh l*u c$u ba pha6 p = . TG (2.12), (2.16) ta tính tham số bộ điều khiển PI:

,

2 4

0,0054

d z

d

r m

p

d

LT e

R

K T T

pR

= = −

= =

(2.21)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

100

200

300

400

500

600

700

800

900

t(s)

U d ( V )


0 0.01 0. 02 0.03 0. 04 0.05 0.06 0. 07 0.08 0.09 0.1-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

t(s)

i A & i B ( A )


0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.12

3

4

5

6

7

8

9

10

t(s)

U d k ( V )

e Điện áp đ iề u khiể n

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

t(s)

I d & I d * ( A )

Id*

Id

f. Dòng đ iện thự c và dòng đ iện đặt

Hình 2.22 Hình 2.22 Hình 2.22 Hình 2.22 S ơ đ( mô phỏng chỉ nh lư u cầu Tiristor ba pha




Bài tập 2:Thiết kế bộ ngu'n dòng dùng ch)nh l*u Tiristor, là đ$u vào c9a thiết b4 biến đổi cho lò

nấu thép trung t$n Hình 2.24.Mô t+: Lò nấu thép trung t$n đ*8 c sử d&ng rộng rãi t%i Việt Nam, vớ i d+i công suất nh,

tG 100 đến 750kW, công suất lớ n c@ 1 đến 10MW. Bộ biến đổi th*; ng dùng cấu trúc ch)nh

l*u Tiristor c$u 3 pha, cùng vớ i cuộn kháng một chiều, t%o nên ngu'n dòng, ngh4ch l*ucông h*# ng ngu'n dòng song song, t$n số tG 500Hz đến 2400Hz (t$n số thấp 0ng d+i côngsuất cao)

Hình 2.24 Hình 2.24 Hình 2.24 Hình 2.24 S ơ đ( mạch lự c nghịch lư u cộng hưở ng ngu(n dòng

S. đ' thay thế t*. ng đ*. ng bộ ch)nh l*u c$u ba pha t%o ngu'n ch) ra nh* , trong đóngu'n s0c điện động ( )e t thể hiện +nh h*# ng c9a điện áp trên t+i tác động ng*8 c l%i bộ

ch)nh l*u ngu'n dòng. T$n số ngu'n s0c điện động ( )e t bàng 2 l$n t$n số điện áp ra

(ch)nh l*u c$u Tiristor một pha).

*

d i

( )PI G s dk u Modulator

d i

α

*

d i

( )PI G s

dk u

d i

+

-

d L

E d r dk u K u=

;5<

;=<

d L

(e t

380 ,50V Hz

Hình 2.25 Hình 2.25 Hình 2.25 Hình 2.25 S ơ đ( thay thế chỉ nh lư u cầu ba pha t ạo ngu(n dòng

• Yêu c$u:

o Tính ch/n tham số m%ch l(c c9a ch)nh l*u c$u ba pha t%o ngu'n dòng

cho ngh4ch l*u cộng h*# ng, vớ i t+i là cuộn dây lò điện c+m 0ng vớ i các

tham số sau: Công suấ t t ải Pt = 300kW, Điện áp định m& c trên cuộn dây:U t = 800VAC và t ần số làm việc là 1kHz, hệ số công suấ t t ải cos> = 0,4.



2.4 Bài t-p 43

o Tổng h8 p tham số bộ điều khiển dòng điện d(a vào s. đ' thay thế Hình 2.25.

o Mô ph,ng kiểm ch0ng b?ng Ph$n mềm Matlab.• Tài liệu tham kh+o.

o Bài gi+ng điều khiển điện tử công suất.

o Ph%m Quốc H+i, H ướ ng d ẫ n thiế t k ế Điện t ử Công suấ t , Nhà xuất b+nkhoa h/c kA thu-t.o Tr$n Tr/ng Minh, Giáo trình đ iện t ử công suấ t , Ch*. ng 9, Nhà xuất b+n

giáo d&c.



3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC 44

3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC

Bộ biến đổi DC/DC đa d%ng về cấu trúc bộ biến đổi, và đ*8 c phân lo%i theo ch0c năng:bộ biến đổi DC/DC gi+m áp (buck converter), bộ biến đổi DC/DC tăng áp (boostconverter), bộ biến đổi DC/DC tăng-gi+m áp (buck-boost converter).

3.1 Ph&*ng pháp mô hình hóa bộ biến đổi kiểu DC/DC

Quá trình thiết kế một hệ thống điều khiển th*; ng đ*8 c th(c hiện theo các b*ớ c sau:xây d(ng mô hình toán h/c c9a đối t*8 ng điều khiển, phân tích hệ thống và tìm ra bộ điều

khiển thích h8 p, và cuối cùng là mô ph,ng và thử nghiệm. Trong đó, việc mô hình hóa làc$u nối gi:a đối t*8 ng v-t lý (bộ biến đổi DC/DC) và lý thuyết điều khiển (ph*. ng phápthiết kế bộ điều ch)nh). Tính chính xác và đ>c điểm c9a mô hình toán h/c tìm đ*8 c là mộtyếu tố quyết đ4nh đến chất l*8 ng hệ thống, và đ4nh h*ớ ng cho công việc thiết kế các bộ điều ch)nh sau này.

3.1.1 Ph&*ng pháp trung bình không gian tr!ng thái

Gi+ thiết bộ biến đổi DC/DC làm việc trong chế độ dòng điện liên t&c (CCM). Giá tr4 trung bình c9a điện áp và dòng điện trong mDi chu kB phát xung khóa bán d<n S đ*8 c ch) ra theo (3.1).

( ) ( )1 st T

s t

x t x d T

τ τ +

= ∫ (3.1)

Trong đó ( ) x τ là giá tr4 t0c th; i.

Mối quan hệ gi:a điện áp và dòng điện trung bình qua ph$n tử th& động L, C đ*8 c ch) ra nh* sau:

( )( )

( ) ( )

d

d

L

L

C C

i t L u t

dt

u t C i t dt

=

=

(3.2)

Nội dung ph*. ng pháp trung bình không gian tr%ng thái đ*8 c th(c hiện tổng quát theocác b*ớ c d*ớ i đây.

Bướ c 1: Sử d&ng các đ4nh lu-t Kirhoff viết ph*. ng trình m%ch điện bộ biến đổi DC/DCtrong trng thái 1 d*ớ i d%ng chu=n hóa

1 1

1 1

d= +

d= +

ut

y u

xA x B

C x D (3.3)

Bướ c 2: Sử d&ng các đ4nh lu-t Kirhoff viết ph*. ng trình m%ch điện bộ biến đổi DC/DC

trong trng thái 2 d*ớ i d%ng chu=n hóa



3.1 Ph*. ng pháp mô hình hóa bộ biến đổi kiểu DC/DC 45

2 2

2 2

x= x+

= x+

d u

dt

y u

A B

C D (3.4)

Theo [7], Mô hình trung bình mô t+ một bộ biến đổi DC/DC vớ i s( tham gia c9a hệ số

điều chế d đ*8 c viết nh* sau:( ) ( )

( ) ( )

1 2 1 2

1 2 1 2

x= + 1 x+ + 1

= + 1 x+ + 1

d d d d d u

dt

y d d d d u

− −

− −

A A B B

C C D D (3.5)

Hay (3.5) đ*8 c viết l%i d*ớ i d%ng tổng quát:d

udt

y u

x=Ax+B

=Cx D

+

(3.6)

Trong đó:( )

( )

( )

( )

1 2

1 2

1 2

1 2

+ 1

B= + 1

= + 1

+ 1

d d

d d

d d

d d

= −

−

−

= −

A A A

B B

C C C

D D D

(3.7)

Điểm cân b?ng c9a mô hình (3.5) đ*8 c mô t+ theo đ*8 c xác đ4nh b?ng cách cho đ%ohàm b?ng không và các đ%i l*8 ng # tr%ng thái xác l-p ta có:

0ss ss

ss ss

U

Y U

=A X+B

=C X D

+ (3.8)

Do mô hình (3.6) là phi tuyến, thể hiện qua phép nhân gi:a hệ số điều chế d và biếntr%ng thái x , nên muốn thiết kế bộ điều ch)nh theo ph*. ng pháp tuyến tính c$n thiết ph+itìm đ*8 c mô hình khác phù h8 p h. n để mô t+ mô hình bộ biến đổi DC/DC d*ớ i giác độ quan hệ hàm truyền đ%t. Theo [7], mô hình tín hiệu nh, là gi+i pháp để th(c hiện ý t*# ngtrên và ph&c v& cho công việc thiết kế bộ điều khiển tuyến tính sau này. Mô hình tín hiệunh, c9a bộ biến đổi DC/DC đ*8 c viết l%i nh* sau.

( ) ( )

( ) ( )

1 2 1 2

1 2 1 2

x ˆˆ ˆ= x+

ˆˆ ˆ ˆ= x

ss ss

ss ss

d u d

dt

y u d

+ − + −

+ + − + −

A B A A X B B U

C D C C X D D U (3.9)

Trong đó:

( )

( )

( )

( )

1 2

1 2

1 2

1 2

+ 1

B = + 1

= + 1

+ 1

ss

ss

ss

ss

D D

D D

D D

D D

= −

−

−

= −

A A A

B B

C C C

D D D

(3.10)

Mối quan hệ gi:a giá tr4 trung bình, giá tr4 xác l-p và tín hiệu nh, đ*8 c ch) ra:




ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

u U u

y Y y

d D d

= + = + = + = +

x X x

(3.11)

Các giá tr4 trong (3.11) ph+i th,a mãn điều kiện:ˆ

ˆ

ˆ

ˆ

U u

Y y

D d

X x≫

≫

≫

≫

(3.12)

Trong th(c tế, khi thiết kế bộ điều ch)nh ta c$n thiết biết đ*8 c mối quan hệ gi:a hàmtruyền đ%t trên miền toán tử Laplace. Do đó, tG (3.9) tính ra mối quan hệ gi:a hàm truyềnđ%t trên miền toán tử Laplace nh* sau:

+ Hàm truyền đ%t gi:a đ$u ra và hệ số điều chế (khi cho ˆ 0u = ).( )

( )( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )1

1 2 1 2 1 2 1 2

ˆ 0

ˆˆ ss ss

u s

y ss U U

d s

−

=

= − − + − + − + − C I A A A X B B C C X D D

(3.13)

+ Hàm truyền đ%t gi:a đ$u ra và đ$u vào (khi cho ˆ 0d = ).

( )

( )( )

( )1

ˆ 0

ˆ

ˆ ss ss ss ss

d s

y ss

u s

−

=

= − +C I A B D (3.14)

+ Hàm truyền đ%t gi:a biến tr%ng thái và hệ số đều chế (khi cho ˆ 0u = ).( )

( )( )

( ) ( ) ( )1

1 2 1 2

ˆ 0

ˆˆ ss

u s

ss U

d s

−

=

= − − + − x

I A A A X B B (3.15)

+ Hàm truyền đ%t gi:a biến tr%ng thái và đ$u vào (khi cho ˆ 0d = ).

( )

( )( )

( )1

ˆ 0

ˆ

ˆ ss ss

d s

ss

u s

−

=

= −x

I A B (3.16)

3.1.2 Ph&*ng pháp trung bình hóa m!ch đóng cắt

Ph*. ng pháp trung bình không gian tr%ng thái trên đây có *u điểm là có c. s# toán h/crõ ràng. Các b*ớ c tính toán ch) d(a trên các phép biến đổi ma tr-n và có thể t( động hóab?ng một số công c& h:u hiệu nh* Matlab, Mathcad, … Tuy nhiên việc sử d&ng công c& toán h/c thu$n túy làm tách r; i ý ngh 5 a v-t lý, d<n đến nh:ng khó khăn khi gi+i thích cácđ>c tính thu đ*8 c và tiến hành hiệu ch)nh trong quá trình thiết kế.

Ph*. ng pháp trung bình hóa m%ch đóng c"t (switching network averaging) vớ i xuấtphát ban đ$u tG trung bình hóa ph$n tử đóng c"t (switch averaging) là cách làm tG đ$u khimuốn mô hình hóa các m%ch điện tử công suất. Ngày nay ph*. ng pháp này l%i gây đ*8 c s(

quan tâm vì mô hình thu đ*8 c g$n vớ i mô hình v-t lý, có thể mô t+ c+ các ph$n tử gây tổnthất nh* điện tr# khi d<n dòng c9a van, s&t áp trên van, một số m%ch điện ký sinh (ví d&



3.1 Ph*. ng pháp mô hình hóa bộ biến đổi kiểu DC/DC 47

nh* mô hình t& điện # t$n số cao là một m%ch RLC). Ph*. ng pháp cFng có thể đ*8 c dùngcho các s. đ' cộng h*# ng, cho s. đ' một pha, ba pha, các lo%i bộ biến đổi DC-DC, DC-AC, AC-DC. Trung bình hóa ph$n tử hay m%ng đóng c"t đều dùng thay thế một ph$n c9am%ch điện b?ng một m%ng hai cửa vớ i các biến là điện áp, dòng điện # cửa vào và cửa raTùy theo điện áp hay dòng điện có thể coi là biến độc l-p (ví d& điện áp ngu'n vào, đ$u

vào điều khiển, điện áp ra trên t+i), các biến này đ*8 c mô t+ b# i ngu'n áp hay ngu'n dòngđộc l-p. Hai biến còn l%i sH tr# thành các ngu'n dòng hay ngu'n áp ph& thuộc, tùy theoch0c năng ho%t động c9a s. đ'. Nếu ph$n tử đ*8 c thay thế b?ng một m%ng hai cửa thì cóthể đ>t nó vào bất c0 s. đ' nào để phân tích tiếp. Tuy nhiên v4 trí trong s. đ' c9a ph$n tử khác nhau d<n đến mô hình có thể ph0c t%p không c$n thiết. Vì v-y ph*. ng pháp trungbình m%ng đóng c"t t, ra phù h8 p h. n cho m&c đích mô hình hóa.

Ph*. ng pháp trung bình hóa d(a trên c. s# chính là các đ%i l*8 ng c$n quan tâm đ*8 cđiều khiển hay thay đổi vớ i t$n số thấp h. n nhiều (ít nhất là 10 l$n), so vớ i t$n số đóng c"tc9a s. đ'. Khi đó có thể b, qua độ đ-p m%ch c9a điện áp hay dòng điện và ch) c$n quantâm đến giá tr4 trung bình c9a chúng trong một chu kB đóng c"t Ts. Sau khi trung bình hóata sH lo%i b, đ*8 c ph$n tử đóng c"t và thu đ*8 c mô hình phi tuyến cho tín hiệu lớ n DC.

Tiếp theo sH tiến hành tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cân b?ng b?ng cách đ*a vào cácbiến động nh, đối vớ i các biến, cuối cùng sH thu đ*8 c mô hình cho tín hiệu lớ n DC và tínhiệu nh, AC.

M%ch điện Hình 3.1a đ*8 c xem nh* m%ng điện hai cửa, tG phân tích d%ng điện áp vàdòng điện c9a m%ng hai cửa này, trong tr%ng thái xác l-p ta có mối quan hệ gi:a điện áp vàdòng điện nh* sau:

2 1

1 2

U DU

I DI

=

= (3.17)

Hệ ph*. ng trình (3.17) mô t+ một m%ng điện hai cửa là máy biến áp lý t*# ng vớ i hệ số truyền áp là D và đ*8 c biểu diEn d*ớ i d%ng s. đ' m%ch điện nh* Hình 3.1b. TG (3.17)mô

hình trung bình c9a m%ng hai cửa cFng đ*8 c viết l%i theo (3.18), đây cFng đ*8 c coi nh* máy biến áp lý t*# ng vớ i hệ số truyền áp là ( )d t và đ*8 c biểu diEn d*ớ i d%ng s. đ' m%ch

điện nh* Hình 3.1c.

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

2 1

1 2

u t d t u t

i t d t i t

=

= (3.18)

1

U

1 I 2 I

2U

1: D

1

u

1i 2i

2u

( )1: d t

1t u

1t i

2

t i

2

t u

Hình 3.1

Mô t ả bộ biế n đổ i DC/DC, a) mạch lự c bộ biế n đổ i DC/DC, b) Mô hình bộ biế n đổ i DC/DC t ại đ iể m xác lậ p, c) Mô hình trung bình bộ biế n đổ i DC/DC

Để thiết bộ điều ch)nh, mô hình bộ biến đổi DC/DC c$n ph+i đ*8 c tuyến tính hóa t%iđiểm làm việc cân b?ng, khi đó các đ%i l*8 ng điện áp và dòng điện đ*8 c viết theo (3.19).




( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )( ) ( )

1 1 1

1 1 1

2 2 2

2 2 2

ˆ

ˆ

ˆ

ˆˆ

d t D d t

u t U u t

i t I i t

u t U u t i t I i t

= +

= +

= +

= + = +

(3.19)

TG (3.18), (3.19) ta có:

( )( )

( ) ( )

2 2 1 1

1 1 2 2

ˆˆ ˆ

ˆˆ ˆ

U u D d U u

I i D d I i

+ = + +

+ = + +

(3.20)

2 1 1 1ˆ ˆˆ ˆ ˆu U d Du du= + +

1 2 2 2ˆ ˆˆ ˆ ˆi Di I d di= + +

(3.21)

Hệ ph*. ng trình (3.21) đ*8 c viết l%i:

2 1 1

1 2 2

ˆˆ ˆ

ˆˆ ˆ

u U d Du

i Di I d

= +

= + (3.22)

Hệ ph*. ng trình (3.21) đ*8 c biểu diEn d*ớ i d%ng s. đ' m%ch điện nh* Hình 3.2b.

ɵ ( )2 I d t

ɵ ( )1U d t

( )1u t

( )1i t ( )2i t

( )2u t ( )1u t

( )1i t ( )2i t

( )2u t

( )1: d t

Hình 3.2

M ạng đ iện hai cử a, a) tín hiệu trung bình, b) M ạch đ iện đ iện t ươ ng đươ ng đượ c tuyế ntính t ại đ iể m làm việc cân b! ng

TG m%ng điện hai cửa đ*8 c biểu diEn b?ng m%ch điện t*. ng đ*. ng vớ i tin hiệu trung

bình và m%ch điện t*. ng đ*8 c đ*8 c tuyến tính t%i điểm làm việc cân b?ng, 0ng d&ng mô

hình bộ biến đổi Buck, Boost, Buck-Boost.




( )

d

dd 1

d

L L L o in

C L C

C C

o C L C

C

i L r i u u

t

u RC i u

t R r R r

Ru r i u

R r

= − − +

= −+ +

= ++

(3.23)

Hệ ph*. ng trình (3.23) đ*8 c viết l%i theo d%ng không gian tr%ng thái (3.3) vớ i ma tr-nđ*8 c xác đ4nh theo (3.24).

( )

( ) ( )

1 1 1

1 11

; ; ; ;1 1 1 0

C

L

C C C

C C

C C

Rr Rr

L R r L R r Rr R L

R r R r R

C R r C R r

− + −

+ + = = = = + + − + +

A B C D 0

(3.24)Sử d&ng đ4nh lu-t KV ta có hệ ph*. ng trình mô t+ s. đ' m%ch điện c9a bộ biến đổi

buck converter trong tr%ng thái 2.

( )

d

dd 1

d

L L L o

C L C

C C

o C L C

C

i L r i u

t

u RC i u

t R r R r

Ru r i u

R r

= − −

= −+ +

= +

+

(3.25)


( )

( ) ( )

2 2 2 2

0; ; ;

01

C L

C C C

C C

C C

Rr Rr

R r R r Rr R

R r R r R

R r R r

− + −

+ + = = = = + + − + +

A B C D 0 (3.26)

Nh* v-y, bộ biến đổi kiểu Buck converter đ*8 c mô t+ trên không gian tr%ng thái theod%ng chu=n (3.6) nh* sau:

( )

( ) ( )

1 11

1 1 1 0

C L

LC C L

in

C C

C C

LC o

C C C

Rr Rr

i L R r L R r i d u Luu R

C R r C R r

i Rr Ru

u R r R r

− + −

+ + = + − + + =

+ +

ɺɺ

(3.27)

Theo (3.7) ma tr-n hệ thống trong hệ ph*. ng trình (3.27) đ*8 c ch) ra nh* d*ớ i đây:



3.2 Mô hình toán h/c bộ biến đổi kiểu buck 51

( )

( ) ( )

1 11

; ; ;1 1 1 0

C

L

C C C

C C

C C

Rr Rr

L R r L R r d Rr R L

R r R r R

C R r C R r

− + −

+ + = = = = + + − + +

A B C D 0

(3.28)Theo (3.8), điểm làm việc cân b?ng c9a bộ biến đổi Buck đ*8 c tính nh* sau:

o C

C L

o L L in

U U

U RI

U r I DU

=

= = +

(3.29)

Do hệ số điều chế # điểm làm việc xác l-p 0 1 D≤ < , theo (3.29) bộ biến đổi buckconverter mang đ>c điểm bộ gi+m áp.

Sử d&ng Toolbox Symbolic Math trong Matlab (ch*. ng trình chi tiết n?m # ph$n ph& l&c), ta sH tìm đ*8 c các hàm truyền bộ biến đổi Buck d%ng tổng quát theo các công th0c

(3.13), (3.14), (3.15), (3.16).+ Hàm truyền điện áp đ$u ra và hệ số điều chế.

( )

( )( )

( )

( ) ( ) 2

ˆ 0

ˆ 1ˆ

in

o in c

L C L L C C u s

u s RU Cr s

R r L Rr C Rr C r r C s RLC r LC sd s=

+=

+ + + + + + + (3.30)

+ Hàm truyền điện áp đ$u ra và điện áp đ$u vào.

( )

( )( )

( )

( ) ( ) 2ˆ 0

ˆ 1

ˆo c

in L C L L C C d s

u s RD Cr s

u s R r L Rr C Rr C r r C s RLC r LC s=

+=

+ + + + + + + (3.31)

Hàm truyền đ%t gi:a điện áp đ$u ra và hệ số điều chế đ*8 c ch) ra theo có điểm zero n?mbên trái m>t phCng ph0c, và có xác đ4nh nh* sau:

11

c

zeror C

= − (3.32)

Do 0 1 D≤ < , nên điểm zero có giá tr4 âm (ngh 5 a là n?m bên trái tr&c +o). Vì v-y hệ (3.32) đ*8 c mô t+ theo hàm truyền là hệ pha c(c tiểu.

Hàm truyền bộ biến đổi Buck (gi+ thiết 0, 0c L

r r = = ).+ Hàm truyền điện áp đ$u ra và hệ số điều chế.

( )

( )( )

2

ˆ 0

ˆˆ

in

o in

u s

u s RU

R Ls RLCsd s=

=+ +

(3.33)

+ Hàm truyền điện áp đ$u ra và điện áp đ$u vào.( )

( )( )

2ˆ 0

ˆ

ˆo

in d s

u s DR

u s R Ls RLCs=

=+ +

(3.34)

+ Hàm truyền gi:a dòng điện ch+y qua cuộn c+m và hệ số điều chế.

( )

( )( )

( )

ˆ 0

2

ˆ 1ˆ

u sin

L ini s U RCs

R Ls RLCsd s=

+=

+ + (3.35)





TG mô hình m%ch điện t*. ng đ*. ng thay thể ph$n tử đóng c"t l"p Hình 3.2 vào s. đ' m%ch l(c bộ biến đổi Buck, ta có m%ch điện mô t+ bộ biến đổi Buck vớ i tín hiệu nh, nh*

Hình 3.5.

ɵ2

I d

ɵ1U d

1u

1iɵ

2iɵ

2u0u

1u

Hình 3.5

M ạch đ iện mô t ả bộ biế n đổ i Buck vớ i tín hiệu nhỏ.

Hình 3.5 thể hiện s. đ' Buck Converter có tính tớ i các giá tr4 điện tr# thu$n trong m%chcuộn c+m và ESR trong m%ch t&. Khi có nh:ng yếu tố th(c tế này trong m%ch hình d%ngdòng i2 và điện áp trên t& vC sH không còn d%ng tuyến tính nên khi lấy trung bình trong mộtchu kB Ts tính toán sH ph0c t%p h. n. Tuy nhiên nếu l*u ý r?ng r L và r C cố giá tr4 th(c tế rấtnh, thì nh:ng gi+ thiết về d%ng tuyến tính c9a i2 và vC v<n có thể áp d&ng, do đó m%ch điệntrung bình cho m%ng đóng c"t có thể áp d&ng mà không c$n thay đổi gì. TG đó nh:ng yếutố th(c tế này sH ch) thay đổi d%ng c9a hàm truyền tín hiệu, nh* sH ch) ra sau đây.

TG s. đ' Hình 3.5 ta có:ɵ

2 1 1ˆ ˆu Du U d = + (3.36)

Tr*ớ c hết ta xét hàm truyền tG hệ số điều chề đến điện áp đ$u ra, tG (3.36) hàm truyềnviết d*ớ i miền +nh Laplace:

( )ɵ ( )

( )1

21

ˆ 0

ˆ

u s

u sU

d s=

= (3.37)

M>t khác tG s. đ' Hình 3.5 ta tìm đ*8 c hàm truyền:( )

( )2

ˆ

ˆo RC

RC L

u s Z

u s Z Z =

+ (3.38)

Trong đó( )

( )

1

1C

RC

C

R sr C Z

sC R r

+=

+ + là tr# kháng song song gi:a m%ch t& l/c C và t+i R;

L L Z r sL= + là tr# kháng m%ch điện c+m L. Nh* v-y hàm truyền gi:a hệ số điều chế vớ i

đ$u ra điện áp ra sH là:

( )ɵ ( )

( )

( )

( )

( )ɵ ( )

( )

1

21

2 2ˆ 0

ˆ ˆ ˆ 1

ˆ1

o o C

L C Lu sC

L L L

u s u s u s sr C RU

u s R r d s d s R r Rr Ls C r s LC

R r R r R r =

+= ⋅ = ⋅ ⋅

+ ++ + + +

+ + + (3.39)

Nếu xét hàm truyền tG đ$u vào đến điện áp đ$u ra thì( )

( ) ɵ( )

2

1 0

ˆ

ˆd s

u s D

u s=

= , do đó tr# thành:



3.3 Mô hình toán h/c bộ biến đổi kiểu boost 53

( )

( )( )

( )

( )

( )

( )

( )0 0 2

1 2 1ˆ 20

ˆ ˆ ˆ 1

ˆ ˆ ˆ1

C

L C Ld sC

L L L

u s u s u s sr C R D

u s u s u s R r R r Rr Ls C r s LC

R r R r R r =

+= ⋅ = ⋅ ⋅

+ ++ + + +

+ + + (3.40)

TG (3.39), (3.40) cho thấy hàm truyền tG đ$u vào điều khiển đến đ$u ra và tG đ$u vàođến đ$u ra đều xuất hiện điểm zero âm 1/

C r C − , g/i là điểm zero ESR. Hệ số khuếch đ%i

DC cFng thay đổi theo hệ số ( ) / L R R r + .

3.3 Mô hình toán h+c bộ biến đổi kiểu boost

l

€ l?@

?Ae

j +A+?B

€ •

+3

!"

#" $"

l

€ l

?@

?Ae

j +A

? C

+?B

+3

? C

l

€ l

?@

?Ae

j +A

? C

+?B

+3

€ • •€ • •

•

Hình 3.6 S ơ đ( mạch đ iện bộ biế n đổ i kiể u boost ( a), S ơ đ( mạch đ iện bộ biế n đổ i kiể u boost trong

thái 1( b), S ơ đ( mạch đ iện bộ biế n đổ i kiể u boost trong thái 2 ( c)


Sử d&ng đ4nh lu-t KV ta có hệ ph*. ng trình mô t+ s. đ' m%ch điện c9a bộ biến đổi

boost converter trong tr%ng thái 1.d

d

d 1

d

L L L in

C C

C

o C

C

i L r i u

t

uC u

t R r

Ru u

R r

= − +

= − +

=

+

(3.41)





( )

1 1 1 1

10 1

; ; 0 ;1 1

0 0

L

C

C

r L R

L R r

C R r

− = = = = + − +

A B C D 0 (3.42)

Sử d&ng đ4nh lu-t KV ta có hệ ph*. ng trình mô t+ s. đ' m%ch điện c9a bộ biến đổiboost converter trong tr%ng thái 2.

( )

1

C L L L L C in

C C

C L C

C C

o C C L

C

Rr di R L i r i u u

dt R r R r

du RC i u

dt R r R r

Ru u r i

R r

= − − − +

+ +

= − + +

= +

+

(3.43)


( )

( ) ( )

2 2 2 2

1 11

; ; ;1 1 1 0

C L

C C C

C C

C C

Rr Rr

L R r L R r Rr R L

R r R r R

C R r C R r

− + −

+ + = = = = + + − + +

A B C D 0

(3.44)Nh* v-y, bộ biến đổi kiểu Boost converter đ*8 c mô t+ trên không gian tr%ng thái theo

d%ng chu=n (3.6) nh* sau:

( )( )

( )( )

( )( ) ( )

( )

1 11 1 1

1 1 1 01

1

C L

LC C L

in

C C

C C

LC o

C C C

Rr Rr d d i L R r L R r i

u Luu R

d C R r C R r

i Rr Ru d

u R r R r

− + − − −

+ + = + − − + +

= − + +

ɺ

ɺ(3.45)


( )

( )

( )

( )

( )( ) ( )

( )

1 11 1

1 1 11

1; 1 ;

0

C L

C C

C C

C

C C

Rr Rr d d

L R r L R r R

d C R r C R r

Rr Rd L

R r R r

− + − − −

+ + = − −

+ +

= = − = + +

A

B C D 0

(3.46)

Theo (3.8), điểm làm việc cân b?ng c9a bộ biến đổi Boost đ*8 c tính nh* sau:



3.3 Mô hình toán h/c bộ biến đổi kiểu boost 55

( )

( )

( ) ( )

1

1

o C

C L

in L L

C c

C

U U

U D RI

U r I

U R r D R r

=

= −

−

= + − +

(3.47)

Do hệ số điều chế # điểm làm việc xác l-p 0 1 D≤ < , theo (3.47) bộ biến đổi boostconverter mang đ>c điểm bộ tăng áp.

Sử d&ng công th0c (3.13), (3.14), (3.15) ta có hàm truyền c9a bộ biến đổi kiểu boost(gi+ thiết 0, 0

c Lr r = = ).

+ Hàm truyền điện áp đ$u ra và hệ số điều chế.

( )

( )( )

( )

( )2 2

ˆ 0

1ˆˆ 1

in

c Lo

u s

R D U I Lsu s

d s R D Ls RLCs=

− − =− + +

(3.48)

+ Hàm truyền điện áp đ$u ra và điện áp đ$u vào.( )

( )( )

( )

( )2 2

ˆ 0

ˆ 1

ˆ 1o

in d s

u s R D

u s R D Ls RLCs=

−=

− + + (3.49)

+ Hàm truyền gi:a dòng điện ch+y qua cuộn c+m và hệ số điều chế.

( )

( )( )

( )

( )2 2

ˆ 0

ˆ 1ˆ 1

in

L c L c

u s

i s U I R D RCU s

d s R D Ls RLCs=

+ − +=

− + + (3.50)

Hàm truyền đ%t gi:a điện áp đ$u ra và hệ số điều chế đ*8 c ch) ra theo có điểm zero n?mbên ph+i m>t phCng ph0c, và có xác đ4nh nh* sau:

( )1 1 c

L

D U zero LI −= (3.51)

Do 0 1 D≤ < , nên điểm zero có giá tr4 d*. ng (ngh 5 a là n?m bên ph+i tr&c +o). Vì v-y hệ (3.48) đ*8 c mô t+ theo hàm truyền là hệ pha không c(c tiểu, đây là vấn đề quan tr/ng để thiết kế bộ điều ch)nh cho bộ biến đổi boost converter sau này.


TG mô hình Hình 3.3b mô t+ bộ biến đổi Boost vớ i các tín hiệu trung bình. Sử d&ngcông th0c (3.19)để tuyến tính quanh điểm làm việc xác l-p, ta thu đ*8 c mô hình tín hiệunh, c9a ph$n tử đóng c"t trong s. đ' m%ch l(c bộ biến đổi Boost.

( )

( )

1 2 2

2 1 1

ˆˆ ˆ1

ˆˆ ˆ1

u D u U d

i D i I d

= − −

= − −

(3.52)

TG m%ch điện đ*8 c mô t+ theo (3.52) kết h8 p vớ i s. đ' m%ch l(c bộ biến đổi Boost, tacó m%ch điện mô t+ bộ biến đổi Boost vớ i tín hiệu nh, (chú ý r?ng 2 2ˆ ˆ ,o ou u U U = = ).




ˆin

u

1iɵ

ɵ1 I d

ɵo

U d

1u0u2u

2iɵ

Hình 3.7 M ạch đ iện mô t ả bộ biế n đổ i Boost vớ i tín hiệu nhỏ.

Viết ph*. ng trình cho nút dòng điện qua t& C, ch) xét vớ i các thành ph$n xoay chiều:ɵ ( )

ɵ ( )

11 2

11

ˆ 1

ˆ1o

RC

I d i D i

u I d D i

Z

+ = −

→ + = −

ɵ

ɵ (3.53)

Trong đó: ( )( )

111

C RC C

C

R sr C Z r RsC sC R r

+ = + = + +

là tr# kháng m%ch t+i.

Viết ph*. ng trình cho m%ch vòng dòng điện qua cuộn c+m:

( ) ( )1ˆˆˆ ˆ1in L o ou i r sL U d D u= + − + − (3.54)

Thay biểu th0c dòng 1i # (3.53) vào (3.54) và viết d*ớ i d%ng toán tử Laplace:

ɵ ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ɵ ( ) ( ) ( )1

ˆˆ ˆ1

1 1o

L in o o

RC

u s I d s r sL u s U d s D u s

D D Z

+ + = + − −

− − (3.55)

Biểu th0c (3.55) đ*8 c viết l%i:

( ) ( )( )

( ) ( ) ɵ ( )( )

( )1ˆ ˆ1 1 1 L

o in o L

RC

r sL I D u s u s U d s r sL D Z D

+− + = + − +

− − (3.56)

TG đó có thể thấy vớ i ( ) ( )

( ) ɵ( )

( ) ( )ɵ ( )

( )ˆ 00

ˆ ˆ;

ˆ in

o o

vg vd u sd sin

u s u sG s G s

u s d s ==

= = sH xác đ4nh đ*8 c:

( ) ( )

( ) ɵ( )

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )20

ˆ 1 1

ˆ 1 1 1o C

vg d sin C L C

u s D R sr C G s

u s sC R r r sL D R sr C =

− += =

+ + + + − + (3.57)

( ) ( )ɵ

( )

( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

1

ˆ 0 2

1 1ˆ 1

1 1 1in

o L C o

vd u s

C L C

I D R U r sL sr C

u s DG s

d s sC R r r sL D R sr C

=

− − + + − = =

+ + + + − +

(3.58)

Hàm truyền đ%t có hai điểm zero là:

( ) 11

1

2

1

1

o L

c

U D I r zero

I L

zeror C

− −=

= −

(3.59)



3.4 Mô hình toán h/c bộ biến đổi kiểu buck – boost 57

3.4 Mô hình toán h+c bộ biến đổi kiểu buck – boost

Hình 3.8 S ơ đ( mạch đ iện bộ biế n đổ i kiể u buck - boost ( a), S ơ đ( mạch đ iện bộ biế n đổ i kiể u buck

- boost trong thái 1( b), S ơ đ( mạch đ iện bộ biế n đổ i kiể u buck - boost trong thái 2 ( c)


Sử d&ng đ4nh lu-t KV ta có hệ ph*. ng trình mô t+ s. đ' m%ch điện c9a bộ biến đổibuck - boost converter trong tr%ng thái 1.

1

L L L in

C C

C

o C

C

di L r i u

dt

duC u

dt R r

Ru u

R r

= − +

= −+

=

+

(3.60)

Hệ ph*. ng trình (3.60) đ*8 c viết l%i theo d%ng không gian tr%ng thái (3.3) vớ i ma tr-n

đ*8 c xác đ4nh theo (3.61).

( )

1 1 1

10 1

; ; 0 ;1 1

0 0

L

C

C

r L R

L R r

C R r

− = = = = + − +

A B C D 0 (3.61)

Sử d&ng đ4nh lu-t KV ta có hệ ph*. ng trình mô t+ s. đ' m%ch điện c9a bộ biến đổibuck - boost converter trong tr%ng thái 2




( )

1

L L L o

C L C

C C

o C L C

C

di L r i u

dt

du RC i u

dt R r R r

Ru r i u

R r

= − −

= −+ +

= ++

. (3.62)


( )

( ) ( )

2 2 2 2

1 1

0; ; ;

01 1 1

C

L

C C C

C C

C C

Rr Rr

L R r L R r Rr R

R r R r R

C R r C R r

− + −

+ + = = = = + + − + +

A B C D 0

(3.63)Nh* v-y, bộ biến đổi kiểu buck - boost converter đ*8 c mô t+ trên không gian tr%ng thái

theo d%ng chu=n (3.6) nh* sau:

( )( )

( )( )

( )( ) ( )

( )

1 11 1

01 1 11

1

C L

LC C L

in

C C

C C

LC o

C C C

Rr Rr d d

i d L R r L R r iu

uu Rd

C R r C R r

i Rr Ru d

u R r R r

− − − − −

+ + = + − −+ +

= − + +

ɺ

ɺ(3.64)


( )( )

( )( )

( )( ) ( )

( )

1 11 1

1 1 11

; 1 ;0

C L

C C

C C

C

C C

Rr Rr d d

L R r L R r

Rd

C R r C R r

d Rr Rd

R r R r

− − − − −

+ + = − −

+ +

= = − =

+ +

A

B C D 0

(3.65)

Theo (3.8), điểm làm việc cân b?ng c9a bộ biến đổi Boost đ*8 c tính nh* sau:

( )

( )( )

( )

1

1

o C

C L

L L in C

o

C

U U

U D RI

r I DU R r U

D R r

=

= −

− + + = − +

(3.66)

T*. ng t( nh* bộ biến đổi kiểu buck, sử d&ng Toolbox Symbolic Math trong Matlab tacFng tìm đ*8 c các hàm truyền c9a bộ biến đổi kiểu buck-boost.



3.5 Mô hình bộ biến đổi DC/DC làm việc trong chế độ dòng điện gián đo%n (DCM) 59


3.5 Mô hình bộ biến đổi DC/DC làm việc trong chế độ dòng điệngián đo!n (DCM)

Trong ph$n 2.3 đã tiến hành mô hình hóa bộ biến đổi trong chế độ dòng liên t&c(Continuous Current Mode – CCM). Trong chế độ CCM các bộ biến đổi đều có quan hệ vào ra có d%ng M(D), t0c là hệ số truyền điện áp tG đ$u vào đến đ$u ra ch) ph& thuộc vàohệ số điều chế D, là tJ số gi:a th; i gian điều khiển m# van vớ i chu kB đóng c"t Ts, màkhông ph& thuộc vào t+i R. Điều này ngh 5 a là trong mô hình các bộ biến đổi phía đ$u ra coilà ngu'n điện áp. Trong các mô hình trung bình tín hiệu lớ n DC và nh, AC, có thể xácđ4nh hàm truyền đ%t gi:a đ$u vào đến đ$u ra Gvg(s) và gi:a điều khiển vớ i đ$u ra Gvd(s).C+ hai hàm truyền này đều có đ>c tr*ng là có c>p điểm c(c (double pole) # t$n số thấp do

m%ch LC quyết đ4nh. Thông th*; ng t$n số # c>p điểm c(c này ch) c@ 0,01 ÷0,05 f s, trongđó f s là t$n số đóng c"t c9a bộ biến đổi (ngh 5 a là kho+ng 1 kHz đến 5 kHz nếu f s = 100kHz). Khi mô t+ tính tớ i tổn hao trên cuộn c+m (rL) và điện tr# nối tiếp hiệu d&ng trên t& (rC hay ESR – effective series resistant) xuất hiện điểm zero âm, g/i là ESRzero, # t$n số cao, c@ 0,1 f s. Điểm ESRzero làm gi+m độ d( tr: về pha trong m%ch vòng điều ch)nh d<ntớ i hệ mất ổn đ4nh. Đối vớ i hàm truyền tG điều khiển đến điện áp đ$u ra, hai lo%i bộ biếnđổi c. b+n boost converter và buck-boost converter có xuất hiện điểm zero bên ph+i tr&c+o. Điểm zero d*. ng cFng làm gi+m độ d( tr: về pha trong m%ch vòng điều ch)nh và làmcho boost và buck-boost converter tr# nên các hệ pha không c(c tiểu. Vì v-y bộ điều ch)nhcho boost và buck-boost converter ph+i có d%ng ph0c t%p, ít nhất là bao g'm 2 điểm c(c vàhai điểm zero, trong khi đối vớ i buck converter bộ điều ch)nh có thể ch) bao g'm 2 ph$ntử, 1 điểm c(c và 1 điểm zero.

Các bộ biến đổi đều có thể r. i vào chế độ làm việc dòng gián đo%n (DiscontinuosCurrent mode – DCM). Chế độ dòng gián đo%n đ>c tr*ng b# i dòng qua cuộn c+m b"t đ$utG 0 và kết thúc cFng b?ng 0 tr*ớ c khi kết thúc chu kB đóng c"t Ts. Do dòng gián đo%nquan hệ điện áp vào ra sH ph& thuộc vào t+i, M(D,K), trong đó K là một hệ số ph& thuộct+i. Nh* v-y mô hình bộ biến đổi phía đ$u ra sH không thể coi là ngu'n áp đ*8 c n:a.Ph*. ng pháp trung bình ph$n tử đóng c"t v<n đ*8 c dùng để mô hình hóa bộ biến đổi. TG mô hình trung bình thu đ*8 c tiến hành tuyến tính hóa để có đ*8 c mô hình tín hiệu nh, AC.Hàm truyền thu đ*8 c sH cho thấy ch) có một điểm c(c # t$n số thấp và một điểm c(c # t$nsố rất cao, g$n vớ i t$n số đóng c"t f s. Do đó trong chế độ DCM việc thiết kế m%ch vòng

điều ch)nh sH đ. n gi+n h. n, so vớ i CCM.

3.5.1 Mô hình trung bình

Để xây d(ng mô hình trung bình cho bộ biến đổi DC/DC làm việc # chế độ dòng điệngián đo%n, tr*ớ c hết xét ví d& bộ biến đổi Buck. S. đ' m%ch l(c bộ biến đổi Buck đ*8 c ch) ra trên Hình 3.9.




Hình 3.9

S ơ đ( mạch lự c bộ biế n đổ i Buck

Xét s. đ' bộ biến đổi buck cho trên hình 2-23. Ta sH theo ph*. ng pháp nh* # ph$n2.3.2 để xây d(ng m%ch điện trung bình t*. ng đ*. ng cho d%ng sóng dòng điện, điện áp t%ihai cửa c9a m%ng m%ch đóng c"t. D%ng sóng dòng điện, điện áp trong chế độ DCM chotrên hình 3-1. Theo d%ng sóng dòng điện, điện áp, ta c$n xác đ4nh các giá tr4 trung bình c9acác đ$u vào, đ$u ra c9a m%ng đóng c"t ( ) ( ) ( ) ( )1 2 1 2, , ,u t u t i t i t theo các biến tr%ng thái c9a

s. đ' là dòng qua cuộn c+m, điện áp trên t&, biến đ$u vào là điện áp ngu'n vg, và cáckho+ng th; i gian điều khiển 1 2,

s sd T d T .

p

p

‚MY MY

ƒ

ƒ

? D6

E C;4<

?F;4<

EF;4<

?G;4<

EG;4<

ƒ

ƒ

ƒ

ƒ

p

p

p

p

H I

JF

JG

? C;4<

E C;4< H I 0H A

0H A

1 FK , 1 GK , 1 LK ,

H I

H A

M

Hình 3.10

Dạng đ iện áp và dòng đ iện bộ biế n đổ i Buck trong chế độ DCM

Điện áp đ$u vào c9a m%ng ( )1u t đ. n gi+n chính là điện áp ngu'n ( )gu t nên ta có:

( ) ( )1 gu t u t = (3.67)

Điện áp đ$u ra c9a m%ng đóng c"t ( )2u t là điện áp trên điôt, có giá tr4 trung bình b?ng:



3.5 Mô hình bộ biến đổi DC/DC làm việc trong chế độ dòng điện gián đo%n (DCM) 61

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )2 1 2 3 1 30g o g ou t d t u t d t d t u t d t u t d t u t = + ⋅ + = + (3.68)

Dòng điện đ$u vào m%ng ( )1i t có giá tr4 trung bình là diện tích hình tam giác q1 bôi đen

trên hình 3-1.

( ) ( )

( )

( ) ( )( )

21

1 10

1

2

sT

st

g os

d t T

i t i d u t u t T Lτ τ = = −∫ (3.69)

Dòng i2(t) trung bình b?ng:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )( )1 1 2

2 2

0

1

2

sT

st

g o

s

d t d t d t T i t i d u t u t

T Lτ τ

+ = = −∫ (3.70)

Giá tr4 trung bình c9a điện áp trên cuộn c+m ( ) 0 Lv t = , nên ta có:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( )

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( )

1 0 2 3

0

2 1

3 1 2 1

0 0

1 1

L g o

g

o

g

o

v t d t v t v t d t v t d t

v t v t

d t d t v t

v t d t d t d t d t

v t

= − − + ⋅ =

−

→ =

→ = − + = −

(3.71)

TG ta có thể biểu diEn giá tr4 trung bình d%ng sóng dòng điện, điện áp t%i hai cửa c9am%ng đóng c"t d*ớ i d%ng đ. n gi+n nh* sau:

( ) ( )

( ) ( )

( )

( )

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( )

1

2

21

1 1 2

21 1 21

22

2

2

g

o

s

s

v t v t

v t v t

d t T

i t v t v t L

v t v t v t d t T i t

L v t

=

=

= − − = ⋅

(3.72)

Mô hình trung bình cho chế độ DCM có thể xây d(ng (3.72). Dòng đ$u vào ( )1i t trong

(3.72) đ*8 c viết l%i:

( ) ( ) ( )

( )

1 2

11e

v t v t i t

R d

− = (3.73)

Trong đó ( )( )1 21

2e

s

L R d

d t T =

Coi Re(d1) là điện tr# +o t*. ng đ*. ng. Th(c chất không có điện tr# nào trong bộ biếnđổi vì ta đang gi+ thiết các ph$n tử đều là lý t*# ng. Công suất gi+ t*# ng tiêu th& b# i Re đ*8 c chuyển ra ngoài qua cổng ra c9a m%ng. Ph*. ng trình (3.73) cho thấy trong chế độ dòng gián đo%n DCM bộ biến đổi đ*8 c mô t+ b# i mô hình điện tr# không tổn hao (Loss-Free Resistance – LFR).

TG Error! Reference source not found. mô hình trung bình đ*8 c thể hiện b?ng s. đ' trên hình 3-2 b# i điện tr# +o Re(t) và một ngu'n công suất ph& thuộc b?ng:

( ) ( ) ( )

( )

2

1 2

1e

v t v t p t

R d

− = (3.74)




( ) p t

( )1e R d

Hình 3.11

M ạch đ iện t ươ ng đươ ng bộ biế n đổ i Buck (DCM) vớ i tín hiệu trung bình

TG mô hình trung bình cho bộ biến đổi Buck trong chế độ DCM Hình 3.11, ta có thể tiến hành phân tích chế độ xác l-p để có đ*8 c mối quan hệ gi:a điện áp vào ra và điềukhiển. Khi phân tích chế độ xấp l-p, ta ng"n m%ch các cuộn c+m vì # t$n số b?ng 0 tr# kháng điện c+m b?ng 0 và h# m%ch các t& điện vì # DC tr# kháng c9a t& b?ng vô cùng.

P

( )1e R D

Hình 3.12

M ạch đ iện t ươ ng đươ ng bộ biế n đổ i Buck (DCM) ở tr ạng thái xác lậ p

TG Hình 3.12 ta có mối quan hệ gi:a điện áp và dòng điện # chế độ xác l-p nh* sau:

2

2

1 21

o

e

U U I

R RU U

I R

= =

− =

(3.75)

Cho 1 2P P= vì đang xét s. đ' lý t*# ng, không tổn hao, rút ra đ*8 c quan hệ điện áp vàora nh* sau:

1 1 2

2 2g o g o

e e

V I I V

V V V V

R R R

=

→ − = (3.76)

Rút ra đ*8 c quan hệ điện áp vào ra nh* sau:2

1 1 4 / o g

e

U U R R

=+ +

(3.77)

Theo quan hệ vào ra o

g

U M

U = c9a buck converter trong chế độ DCM ph& thuộc vào hệ

số điều chế D (thông qua ( ) 2

2e

s

L R D

D T = ) và thông số c9a t+i R.



3.6 Ph*. ng pháp điều khiển tuyến tính cho bộ biến đổi DC/DC 63

3.6 Ph&*ng pháp điều khiển tuyến tính cho bộ biến đổi DC/DC

Các bộ điều ch)nh đ*8 c thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC theo hai nguyên lý: Điều khiểnđiện áp và điều khiển dòng điện.

3.6.1 Nguyên lý điều khiển điện áp (Voltage mode)

Hình 3.13 minh h/a cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC/DC ch) có một m%ch vòngph+n h'i điện áp ra, đ$u ra bộ điều ch)nh điện áp chính là hệ số điều chế sH đ*8 c đ*a đếnkhối PWM để đ*a ra xung đóng c"t cho bộ biến đổi DC/DC (một số tài liệu còn g/i là cấutrúc điều khiển tr(c tiếp – direct mode).

*ou

Hình 3.13

S ơ đ( khố i đ iề u khiể n tr ự c tiế p (direct mode) cho bộ biế n d ổ i DC/DC

Đối vớ i cấu trúc điều khiển đ*8 c xây d(ng theo nguyên lý này, c$n tìm đ*8 c hàm

truyền đ%t gi:a điện áp đ$u ra và hệ số điều chế ( ) ( )

( )( )ˆ 0

ˆˆ

in

o

vd

u s

u sG s

d s=

= .

Hiện nay, cFng có một số IC chuyên d&ng đ*8 c chế t%o sử d&ng nguyên lý điều khiểnđiện áp: UC38xx...

3.6.2 Nguyên lý điều khiển dòng điện (Current mode)

Nguyên lý này đ*8 c th(c hiện vớ i hai m%ch vòng nối cấp (trong m%ch vòng dòng điệnvà ngoài là m%ch vòng điện áp). Đ$u ra bộ điều ch)nh điện áp chính là l*8 ng đ>t cho bộ điều ch)nh dòng điện, đ$u ra bộ điều ch)nh dòng điện là hệ số điều chế sH đ*8 c đ*a đếnkhối PWM (nguyên lý điều khiển dòng điện trung bình – Average current mode Hình

3.14a ) ho>c nối đến cổng R c9a Flip-Flop kiểu RS (nguyên lý điều khiển dòng điện đ)nh –Peak current mode Hình 3.14b) – một số tài liệu g/i là cấu trúc điều khiển gián tiếp(indirect mode). Nguyên lý điều khiển theo dòng điện đ)nh đ*8 c sử d&ng phổ biến cho cácbộ biến đổi DC/DC và tích h8 p trong một số IC chuyên d&ng nh*: UC38xx, TPS6103...Đối vớ i cấu trúc điều khiển Hình 3.14, nhiệm v& c9a vòng dòng điện là ph+i có th; i

gian đáp 0ng nhanh đ+m b+o dòng điện th(c bám theo dòng điện đ>t và có băng thôngrộng. Do đó, hàm truyền đ%t gi:a điện áp đ$u ra và l*8 ng đ>t dòng điện cho m%ch vòngdòng điện, đ*8 c xấp x) g$n đúng là hàm truyền đ%t gi:a điện áp đ$u ra và dòng điện th(c(dòng điện ch+y qua cuộn c+m), để thiết kế bộ điều ch)nh điện áp vòng ngoài.

( ) ( )

( )( )

( )

( )( )

*

ˆ ˆ0 0

ˆ ˆˆ ˆ

in in

o o

vd

L Lu s u s

u s u sG s

i s i s= =

= ≈ (3.78)




* Li

*ou

* Li

*ou

S

R

Q

Q

Hình 3.14

S ơ đ( khố i đ iề u khiể n gián tiế p (indirect mode) cho bộ biế n đổ i DC/DC, a) đ iề u khiể nnguyên lý dòng đ iện trung bình, b) đ iề u khiể n theo nguyên lý dòng đ iện đỉ nh

3.6.2.1 Mô hình b ộ bi ến đổi DC/DC đ i ều khi ển theo nguyên lý dòng đ i ện

Đối vớ i bộ biến đổi DC/DC điều khiển theo nguyên lý dòng điện đ)nh c$n tìm đ*8 chàm truyền đ%t gi:a điện áp ra và dòng điện th(c theo (3.78). Điều này có thể th(c hiệnb?ng các ph*. ng pháp đ%i số, sử d&ng khi mô hình hóa bộ biến đổi DC/DC theo ph*. ngpháp không gian tr%ng thái trung bình # m&c 3.2.1 nh* sau:

( ) ( )

( )( )

( )

( )( )

( )

( )( )ˆ 0 ˆ ˆ0 0

ˆˆ ˆ.

ˆ ˆ ˆin in in

o o

vd

L Lu s u s u s

u s u s d sG s

i s i sd s= = =

= = (3.79)

Trong đó hàm truyền đ%t( )

( )( )ˆ 0

ˆ

ˆin

Lu s

d s

i s=

đ*8 c xác đ4nh theo (3.15). Tuy nhiên, để có thể

thấy đ*8 c ý ngh 5 a v-t lý c9a nguyên lý điều khiển theo dòng điện, ta sử d&ng ph*. ng pháp

trung bình m%ch đóng c"t.a. Xét ví d% cho b& biến đ'i Buck có sơ đ( mch lự cTheo m%ch điện Hình 3.2a công suất trung bình cân b?ng gi:a đ$u vào và đ$u ra m%ng

điện hai cửa ( ) ( ) ( ) ( )1 1 2 2, , ,u t i t u t i t nên ta có:

( ) ( ) ( ) ( )1 1 2 2u t i t u t i t = (3.80)

Chú ý r?ng đối vớ i bộ biến đổi Buck thì ( ) ( )2 Li t i t = .

Gi+ thiết bộ m%ch vòng điều khiển dòng điện sH đ+m b+o cho dòng th(c bám theo dòngđ>t trong m/i điểm làm việc, ngh 5 a là ( ) ( )c Li t i t = . Ph*. ng trình (3.80) đ*8 c viết lai:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 1 2 2 L cu t i t u t i t u t i t = = (3.81)




Thay công th0c (3.19) vào(3.81), kết h8 p vớ i biểu th0c cân b?ng công suất # chế độ xácl-p ( 1 1 2 2 2,

cU I U I I I = = ) ta có:

( ) ( ) ( ) ( )2 11 2 1

1 1 1

ˆ ˆcc

I U I i t i t u t u t

U U U = + −ɵ ɵ

(3.82)

Ph*. ng trình (3.82) đ*8 c mô t+ trên m%ch điện hình Hình 3.15. TG (3.82) ta có mô hìnhtín hiệu nh, cho buck converter, điều khiển b?ng dòng điện nh* thể hiện trên hình 4-8.

Hình 4-8 cho thấy cổng ra m%ng đóng c"t thể hiện là ngu'n dòng, có giá tr4 ( )ci t ɵ . Dòng

điện # cổng vào đ*8 c phân làm ba thành ph$n. Thành ph$n liên quan đến ( )ci t ɵ thể hiện

b?ng ngu'n dòng độc l-p và liên quan đến ( )ov t ɵ thể hiện b?ng ngu'n dòng ph& thuộc, còn

thành ph$n liên quan đến ( )gv t ɵ thể hiện qua điện tr# +o âm 1

1

U

I − , thể hiện đ>c tính c9a

ngu'n thu công suất đ$u vào.

2

1c

U i

U ˆ

inu

1iɵ

2iɵ

0u1

1

U

I − 2

1

ˆ c I u

U ci 2u1u

Hình 3.15

M ạch đ iện t ươ ng đươ ng bộ biế n đổ i Buck theo nguyên lý đ iề u khiể n dòng đ iện vớ i tínhiệu nhỏ

Theo s. đ' m%ch điện Hình 3.15 ta có:

( ) ( ) ( )

2ˆ ˆc

o

di t u t u t L

dt = +

ɵ

(3.83)

TG m%ch t*. ng đ*. ng Hình 3.15 có thể thấy r?ng đ$u ra m%ng đóng c"t là ngu'n dòng

( )ci sɵ qua cuộn c+m L tớ i t+i. Vì là ngu'n dòng nên cuộn c+m không thể +nh h*# ng tớ i

quan hệ gi:a( )

( )

ˆo

c

u s

i sɵ. Do đó hàm truyền tG điều khiển đến đ$u ra có d%ng đ. n gi+n sau:

( ) ( )

( ) 0

ˆ 1g

o

vc vc

u sG s R

sC i s =

= =

ɵ

ɵ (3.84)

Nh* v-y điều khiển theo dòng điện biến buck converter thành ngu'n dòng. Hình 3.15cFng nói lên r?ng hàm truyền tG điện áp vào đến điện áp ra b?ng 0:

( ) ( )

( ) 0

ˆ0

ˆ c

o

vg iin

u sG s

u s == =ɵ (3.85)

Ph*. ng trình (3.85) nói lên r?ng s( thay đổi điện áp vào vg(t) không +nh h*# ng đến điệnáp ra vì dòng qua cuộn c+m L ch) ph& thuộc vào điều khiển ic(t). Hệ thống điều khiển sH hiệu ch)nh hệ số điều chế d để gi: dòng qua cuộn c+m không đổi, không ph& thuộc vào s( thay đổi c9a điện áp vào.

b. Xét ví d% cho b& biến đ'i Boost có sơ đ( mch lự c ) ...

Theo m%ch điện Hình 3.2a công suất trung bình cân b?ng gi:a đ$u vào và đ$u ra m%ngđiện hai cửa ( ) ( ) ( ) ( )1 1 2 2, , ,u t i t u t i t nên ta có:




( ) ( ) ( ) ( )1 1 2 2u t i t u t i t = (3.86)

Chú ý r?ng đối vớ i bộ biến đổi Boost thì ( ) ( )1 Li t i t = .

Gi+ thiết bộ m%ch vòng điều khiển dòng điện sH đ+m b+o cho dòng th(c bám theo dòngđ>t trong m/i điểm làm việc, ngh 5 a là ( ) ( )c Li t i t = . Ph*. ng trình (3.80) đ*8 c viết lai:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 1 2 1 L cu t i t u t i t u t i t = = (3.87)Thay công th0c (3.19) vào(3.81), kết h8 p vớ i biểu th0c cân b?ng công suất # chế độ xác

l-p ( 1 1 2 2 1,c

U I U I I I = = ) và thành ph$n ( ) ( )1ˆˆcu t i t , ( ) ( )2 2u t i t ta có:

( ) ( ) ( ) ( )1 22 1 2

2 2 2

ˆ ˆcc

I U I i t u t i t u t

U U U = + −ɵ ɵ

(3.88)

Ở chế độ xác l-p c9a bộ biến đổi Boost ta có:

( )

( )

1 2

2 1

2

2

2

1

1

o

U D U

I D I

U U U

R I

= −

= −

= =

(3.89)

Và ta cFng có mối quan hệ sau:

( ) ( ) ( )

1ˆ ˆ c

in

di t u t u t L

dt = + (3.90)

TG (3.88), (3.89), (3.90), ph*. ng trình (3.88) viết d*ớ i d%ng toán tử Laplace sau:

( ) ( )( )

( ) ( )( )

( )2 2

1 1ˆ ˆ1

1 1cin

sLi s u t i t D u t

D R D R R

= + − − −

− −

ɵ ɵ

(3.91)

Ph*. ng trình (3.91) đ*8 c mô t+ d*ớ i d%ng s. đ' m%ch điện nh* sau:

ciˆinu

1iɵ 2iɵ

0u R( )( )

2ˆ 1 1

1c

sLi D

D R

− − − ( )

ˆ

1

inu

D R−1u 2u

Hình 3.16 M ạch đ iện t ươ ng đươ ng bộ biế n đổ i Buck theo nguyên lý đ iề u khiể n dòng đ iện vớ i tín

hiệu nhỏ

3.6.3 Nhắc l!i một số kiến th,c về lý thuyết điều khiển t$ động

Cấu trúc bộ điều khiển tuyến tính cho DC/DC đ*8 c thiết kế trên miền t$n số. Do đó,việc n"m v:ng kiến th0c về đ' th4 Bode (đ>c tính t$n biên-pha) đóng vai trò quan tr/ngtrong việc thiết kế các bộ điều ch)nh.

Xét hệ thống tuyến tính đ*8 c mô t+ b?ng hàm truyền đ%t sau:




( ) ( )

( ) ( )0 1

0 1

m

m

n

n

Y s b b s b sG s m n

U s a a s a s

+ + += = ≤

+ + +

⋯

⋯ (3.92)

Hàm đ>c tính t$n đ*8 c hiểu là:

( ) ( ) s jG j G s ω ω == (3.93)Theo [6], (3.93) ch) đúng khi tất c+ các điểm c(c c9a ( )G s ph+i n?m bên trái tr&c +o.

Đ' th4 bode biểu diEn ( )G jω thành hai thành ph$n.

+ Biên độ là: ( ) ( )20log L G jω ω = . Đơ n vị là dB.

+ Góc pha ( ) ( )arcG jϕ ω ω = .

Theo [6] , ta có thể kiể m tra tính ổ n định của hệ kín khi đ ã biế t đượ c hàm truyề n đạt của

hệ hở ( )G s theo các bướ c sau :

+ N ế u ( ) L ω có đ oạn n! m phía trên tr ục hoành thì ( )0

sup 1G jω

ω ≤ <∞

> .

+ Điể m c" t của ( )G jω vớ i đư% ng tròn đơ n vị là giao đ iể m của ( ) L ω vớ i tr ục hoành.

+ T ần số c" tc

ω là hoành độ giao đ iể m của ( ) L ω vớ i tr ục hoành.

+ Góc ( ) ( )arcc cG jϕ ω ω = là tung độ cả ( )cϕ ω t ại t ần số c" t .

+ H ệ kín sN ổ n định nế u ( )cϕ ω n! m phía bên đư% ng ( )ϕ ω π = .

Hình 3.17 Minh h#a đ( thị Bode của ( )G jω [6]

Khi hệ kín ổn đ4nh và tín hiệu vào là h?ng số thì sau quá trình quá độ, tín hiệu ra cFngsH là h?ng số. Tuy nhiên, tín hiệu ra có b?ng tín hiệu vào (không t'n t%i sai lệch t 5 nh) thìkhông đ*8 c đ+m b+o.

Việc đánh giá sai lệch t 5 nh th*; ng đ*8 c th(c hiện vớ i một d%ng c& thể c9a tín hiệu vào.Ví du, đố i vớ i tín hiệu đầu vào là bướ c nhả y và hàm truyề n đạt hệ hở có ít nhấ t một đ iể mcự c là gố c t #a độ thì sai lệch t nh sN b! ng không; đố i vớ i tín hiệu đầu vào là t 'ng đề u và

hàm truyề n đạt hệ hở có ít nhấ t hai đ iể m cự c là gố c t #a độ thì sai lệch t nh sN b! ng không [6].

Khái niệm về d( tr: pha (PM) và d( tr: biên độ (GM) liên quan đến s( ổn đ4nh c9a hệ thống đ*8 c minh h/a trên Hình 3.18.




a) b)

Hình 3.18

Dự tr ữ pha và d ự tr ữ biên độ của hệ hở a) H ệ không ổ n định b)H ệ ổ n định

3.6.4 Một số bộ bù sử d"ng trong cấu trúc điều khiển DC/DC converter

a. B& bù Lead (PD): Bộ bù này có tác d&ng c+i thiện độ d( tr: pha, m# rộng d+i băngthông c9a m%ch vòng ph+n h'i (feedback loop) và gi+m sống hài b-c cao (có một điểmkhông và một điểm c(c). Thêm vào điểm zero (thành ph$n đ%o hàm – D) vào hàm truyềnc9a hệ số khuếch đ%i vòng h# (loop gain) # t$n số f z đ9 nh, so vớ i t$n số c"t

c f (crossover

frequency). Tuy nhiên khi có thành ph$n D, hệ số khếch đ%i # d+i t$n số cao cFng tăng lên,

do đó ta c$n thêm vào thành ph$n P để v<n đ+m b+o đ*8 c ( ) 1T jω = # d+i t$n số cao. Hàm truyền c9a bộ bù Lead (PD) có d%ng nh* sau:

( )

1

1

z

c co

p

s

G s Gs

ω

ω

+

=

+

(3.94)

Nhiệm v& c9a ng*; i thiết kế bộ bù là ph+i xác đ4nh đ*8 c các t$n số , z p f f và hệ số

coG trong hàm truyền (3.94). Theo [7], pha c9a bộ bù lớ n nhất t%i t$n số axm f ϕ đ*8 c xác

đ4nh theo (3.95).ax .

m z p f f f ϕ = (3.95)

Do đó, để hệ có độ d( tr: pha lớ n nhất t%ic f thì ta ph+i có :

ax .m c z p f f f f ϕ = = (3.96)

M>t khác, góc pha c9a ( )cG jω t%i t$n số lớ n nhấtm f axϕ

đ*8 c xác đ4nh:

ax( ) arctan2

p z

z p

PD m

f f

f f G f ϕ θ

−

= ∠ =

(3.97)




( )

11

1

z

c co

p

s

G s Gs s

ω

ω

+

=

+

(3.103)

Hàm truyền (3.103) còn g/i là bộ bù lo%i II, đ*8 c th(c hiện b?ng các ph$n tử t*. ng t( nh* sau:

Hình 3.20

Bộ bù (3.103) đượ c thự c hiện b! ng các phần t ử t ươ ng t ự

Giá tr4 các ph$n tử điện tr# và t& điện trong Hình 3.20 có thể đ*8 c xác đ4nh nh* sau:

2

1 2

21

1

1

z

p co

p

z

z

C RG

C C

RC

ω

ω

ω

ω

ω

=

= −

=

(3.104)

b. B& điều ch*nh (PI): Tăng hệ số khếch đ%i # d+i t$n số thấp, gi+m nhiEu # t$n số thấpvà gi+m sai lệch t 5 nh. Muốn v-y ng*; i ta đ*a thêm 1 điểm “không” ngh4ch đ+o (invertedzero) vào hệ số khếch đ%i vòng l>p # t$n số

L f .

Để không thay đổi độ d( tr: pha θ mong muốn # t$n số c f (đã t%o ra nh; thành ph$n

PD) thì /10 L c

f f ≤ (vì thành ph$n I làm gi+m độ d( tr: pha). Hàm truyền c9a bộ bù Lead(PD) có d%ng nh* sau:

( ) 1 Lc coG s G

s

ω = +

(3.105)




Hình 3.21 Đ( thị bode của bộ bù có cấ u trúc (3.105)

c. B& điều ch*nh PID: Kết h8 p c+ 2 bộ điều khiển # trên, ta đ*8 c điều khiển ( )cG s có

cấu trúc theo (3.106) đ*8 c thiết kế cho đối t*8 ng ( ) DT G s .

( ) ( )

1 1

1

L

z

c co co PID

p

s

sG s G G G s

s

ω

ω

ω

+ +

= =

+

(3.106)

T$n số z

ω và pω v<n đ*8 c xác đ4nh theo (3.99).

Thành ph$n coG có giá tr4 để th,a mãn biên độ c9a hệ thống có giá tr4 b?ng 1 # t$n số

c"t c f (đ+m b+o t$n số c"t c9a hệ b?ng c f ), t0c là :

( ) ( )

( ) ( )0

| . . | 1

1| |

.

c

c

co PID DT f f

c f f

PID DT

G G j G j

GG j G j

ω ω

ω ω

=

=

=

= (3.107)

d. B& bù có hai điểm không, hai điểm cự c:

( ) 1 2

1 2

1 1

1 1

z z

c co

p p

s s

G s Gs s

ω ω

ω ω

+ + =

+ +

(3.108)




( ) ( )cG j dBω

( )cG jω

Hình 3.22 Đ( thị bode của hàm bộ bù (3.108)

Vớ i m&c đích triệt tiêu sai lệch t 5 nh điều ch)nh, bộ bù (3.108) đ*8 c bổ sung thêm thànhph$n tích phân, lúc này cấu trúc bộ bù tr# thành:

( ) 1 2

1 2

1 11

1 1

z z

c co

p p

s s

G s Gs s s

ω ω

ω ω

+ + =

+ +

(3.109)

Hàm truyền (3.109) còn g/i là bộ bù lo%i III, đ*8 c th(c hiện b?ng các ph$n tử t*. ng t( nh* sau:

Hình 3.23

Bộ bù (3.109) đượ c thự c hiện b! ng các phần t ử t ươ ng t ự

Giá tr4 các ph$n tử điện tr# và t& điện trong Hình 3.23 có thể đ*8 c xác đ4nh nh* sau(gi+ thiết là 1 2 z z z

ω ω ω = = và 1 2 p p pω ω ω = = ).




2

1 2

21

13

33

11

1

1

z

p co

p

z

z

p

z

p

C RG

C C

RC

R R

C R

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

ω

=

= −

=

= −

=

(3.110)

3.6.5 Tuyến tính hóa khâu điều chế độ rộng xung

( ) ( )

,

dk

c m

u t d t

U = (3.111)

Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc xác l-p theo công th0c sau:

( ) ( )

( ) ( )

ˆ

ˆdk dk dk

d t D d t

u t U u t

= +

= + (3.112)

Thay (3.112) vào (3.111) ta có:( )

( )

,

ˆˆ dk dk

c m

U u t D d t

U

++ = (3.113)

M>t khác # chế độ xác l-p ta cFng có:

,

dk

c m

U D

U =

(3.114)

TG (3.113), (3.114)ta có:

( ) ( )

,

ˆˆ dk

c m

u t d t

U =

(3.115)

M>t khác, đ%i l*8 ng điều khiển đ*8 c tính toán # chu kB hiện t%i đến chu kB tiếp theomớ i tác động đến đối t*8 ng điều khiển, nh* v-y gi:a hệ số điều chế và hàm điều khiển đ*a

đến sH b4 trE 1

2chu kB phát xung (

1

2 sT ) [11].

Ph*. ng trình gi:a hệ số đ*8 c viết d*ớ i d%ng hàm truyền đ%t:

( ) ( )

( )2

,

ˆ 1 1ˆ 1

2

sT

PWM sdk c m

d sG s e

T u s U s

−

= ≈ +

(3.116)

Tuy nhiên, t$n số phát xung PWM rất lớ n (s

T rất bé so vớ i t$n số th(c hiện các ph*. ng

pháp mô hình bộ biến đổi DC/DC), vì v-y trong thiết kế bộ điều ch)nh DC/DC ng*; i ta ch) sử d&ng hàm truyền đ%t (3.117) để mô hình hóa khối PWM.




( ) ( )

( ) ,

ˆ 1ˆPWM

dk c m

d sG s

u s U = =

(3.117)

Hàm truyền khối PWM theo (3.117) sử d&ng thiết kế m%ch vòng điều khiển sử d&ng cácIC t*. ng t(: UC38xx...Tuy nhiên, đối bộ điều ch)nh đ*8 c thiết kế và th(c thi trên vi điều

khiển, thông th*; ng ng*; i ta sử d&ng hàm truyền đ%t ( ) 1PWM G s =

3.7 Cấu trúc điều khiển tuyến tính cho bộ biến đổi kiểu buck

Nhiệm v%: Thiết kế bộ bù cho bộ biến đổi kiểu Buck có thông số nh* sau: điện ápngu'n 28V, điện áp ra 15V cho dòng t+i 5A (R = 3•), L =50µH, C= 500µF, t$n số phátxung 100kHz.

3.7.1 Điều khiển tr$c tiếp

TG (3.33) hàm truyền điện áp đ$u ra và hệ số điều chế đ*8 c viết l%i d*ớ i d%ng nh* sau:

( ) ( )

( )2

0 0 0

ˆ 1ˆ

1

o

vd vdo

u sG s G

d s s s

Q ω ω

= =

+ +

(3.118)

Trong đó:

0

0

0

28

11

2 2

9, 5 (19, 5dB)

vdo inG V V

f kHz LC

C Q R

L

ω

π π

= =

= = =

= = →

(3.119)

TG (3.34) hàm truyền điện áp đ$u ra và điện áp đ$u vào.( )

( ) 2

ˆ

ô

vg

in

u s DRG

u s R Ls RLCs= =

+ + (3.120)

Hình 3.24 ch) ra cấu trúc điều khiển tr(c tiếp cho bộ biến đổi kiểu buck.

*ô

u( )c

G s ( )vd G s

( )vgG sˆ

inu

ô

ud

Hình 3.24

C ấ u trúc đ iề u khiể n tr ự c tiế p bộ biế n đổ i kiể u buck




Bode Diagram

Frequency (Hz)

102

103

104

105

106

-180

-135

-90

-45

0

45

System: sys

Phase Margin (deg): 54.5

Delay Margin (sec): 1.52e-005

At f requency (Hz): 9.94e+003

Closed Loop Stable? Yes P h a s e ( d e g )

-100

-50

0

50

System: sys

Frequency (Hz): 9.89e+003Magnitude (dB): 0.0574

M a g n i t u d e ( d B )

Hình 3.26 Đ( thị Bode của hàm truyề n đạt (3.118) và bộ bù (3.94)

Sử d&ng cấu trúc điều khiển PID có d%ng:

( )_ _

1 1

1

L

z

c PID co PID

p

s

sG s G

s

ω

ω

ω

+ +

=

+

(3.124)

Các điểm c(c và điểm không đ*8 c gi: nguyên theo (3.122), và L

ω đ*8 c l(a ch/n b?ng

1/10 t$n số c"tc

ω (s( l(a ch/n này ch) là g8 i ý, trong th(c tế ta có thể thay đổi nh* trong

ví d& trên t$n số L

ω đ*8 c ch/n b?ng 1/20 c9a t$n số c"tc

ω ) để h%n chế s( thay đổi d( tr: pha nh* mong muốn là 550.

Theo (3.107) thành ph$n _co PIDG có giá tr4 để th,a mãn biên độ c9a hệ thống có giá tr4

b?ng 1 # t$n số c"t c f (đ+m b+o t$n số c"t c9a hệ b?ng c f ), ngh 5 a là :

2 2

0_ 1 1

1,12

p Lco PID vdo

c z c

co

f f f G G f f f

G

+ =

→ =

(3.125)



3.7 Cấu trúc điều khiển tuyến tính cho bộ biến đổi kiểu buck 77

Bode Diagram

Frequency (Hz)

101

102

103

104

105

106

-180

-135

-90

-45

0

System: sys



At frequency (Hz): 9.88e+003

Closed Loop Stable? Yes

P

h a s e ( d e g )

-100

-50

0

50

100

M a g n i t u d

e ( d B )

Hình 3.27 Đ( thị Bode của hàm truyề n đạt (3.118) và bộ bù (3.124)

Xét +nh h*# ng điện áp ngu'n tác động điện áp ra bộ biến đổi kiểu Buck

*ˆ 0ou =( )c

G s ( )vd G s

( )vgG sˆ

inu

ˆoud

Hình 3.28

C ấ u trúc để đ ánh giá ảnh hưở ng đ iện áp đầu vào và đầu ra bộ biên đổ i kiể u Buck

Hàm truyền gi:a điện áp đ$u ra và điện áp đ$u vào khi có bộ điều ch)nh ( )cG s tham gia

và *ˆ 0ou = .

( ) ( )

( )( )

( )

( ) ( )*0ˆ 0

ˆ

ˆ 1vgo

g c vd u s

G su sT s

u s G s G s=

= = + (3.126)

Sử d&ng lệnh [mag,phase]=bode(T,2*pi*100) ta có:

( )

( ) ( )

2 100

0

2 100 2 100

0,0033

arc 76,77

T j

T j

ω π

ω π ω π

ω

ϕ ω ω

=

= =

=

= =

(3.127)

Do đó, nếu điện áp đ$u vào có dao động vớ i biên độ 1V t%i t$n số 100Hz, +nh h*# ngđiện áp đ$u vào tác động điện áp đ$u ra ch) còn là 0,0033V.

Sử d&ng lệnh [mag,phase]=bode(Gvg,2*pi*100) ta có:

( )

( ) ( )

2 100

0

2 100 2 100

0,54

arc 0,61

vg

vg

G j

G j

ω π

ω π ω π

ω

ϕ ω ω

=

= =

=

= = − (3.128)




Nh* v-y nếu không có bộ bù, khi điện áp đ$u vào có dao động vớ i biên độ 1V t%i t$n số 100Hz, +nh h*# ng điện áp đ$u vào tác động điện áp đ$u ra sH là 0,54V.

a. Kết qu+ mô ph,ng khi s- d%ng b& bù (3.94)

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01

0

5

10

15

20

25

t(s)

D i e n

a p

r a

( V )

uC(a)

uC(s)

uC(ref)

a. Điện áp ra, uC(s)-mô hình vật lý, uC(a)-mô

hình trung bình

0 0 .001 0 .002 0.003 0.004 0 .005 0 .006 0 .007 0.008 0 .009 0.01

-50

0

50

100

150

t(s)

D o n g

d i e n

q u a

c u o n

c a m

( A )

iL(a)

iL(s)

b. Dòng đ iện chả y qua cuộn cảm l#c, iL(s)-mô

hình vật lý, iL(a)-mô hình trung bình

Hình 3.29

K ế t quả mô phỏng Buck converter sử d ụng bộ bù (3.94)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

5

10

15

20

25

t(s)

D i e n a p r a ( V )

uC(ref)

uC(s) uC(a)


hình trung bình

0.02 0 .022 0.024 0 .026 0 .028 0 .03 0 .032 0.034 0 .036 0.038 0 .0414.5

14.51

14.52

14.53

14.54

14.55

14.56

t(s)

D i e n

a p

r a

( V )

b. Đậ p mạch đ iện áp ra (zoom)

Hình 3.30

K ế t quả mô phỏng Buck converter sử d ụng bộ bù (3.124) khi đ iện áp ngu(n có đậ pmạch vớ i biên độ 1V, t ần số 100Hz

b. Kết qu+ mô ph,ng khi s- d%ng b& bù (3.124)




0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.010

5

10

15

20

25

30

t(s)

D i e n

a p

r a

( V )

uC(s)

uC(a)

uC(ref)


hình trung bình

0 0 .001 0 .002 0 .003 0 .004 0 .005 0 .006 0 .007 0 .008 0 .009 0 .01-50

0

50

100

150

t(s)

D o n g

d i e n

q u a

c u o n

c a m

( A )

iL(a)

iL(s)

b. Dòng đ iện chả y qua cuộn cảm l#c, iL(s)-mô

hình vật lý, iL(a)-mô hình trung bình

Hình 3.31 K ế t quả mô phỏng Buck converter sử d ụng bộ bù (3.124)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

5

10

15

20

25

30

t(s)


uC(s)

uC(a)


hình trung bình

0.02 0 .022 0.024 0 .026 0 .028 0 .03 0 .032 0 .034 0.036 0 .038 0.0414.994

14.996

14.998

15

15.002

15.004

15.006

15.008

t(s)

D i e n

a p

r a

( V )

b. Đậ p mạch đ iện áp ra (zoom)

Hình 3.32

K ế t quả mô phỏng Buck converter sử d ụng bộ bù (3.124) khi đ iện áp ngu(n có đậ pmạch vớ i biên độ 1V, t ần số 100Hz




3.7.2 Điều khiển gián tiếp

3.7.2.1 Đi ều khi ển theo nguyên lý dòng đ i ện trung bình

*ˆ Li

( )ciG s ( )vd G s

( )vgG sînu

ô

ud *ˆ

ou

( )cvG s

( )id G s Li

( )igG s

în

u

Hình 3.33

C ấ u trúc đ iề u khiể n gián tiế p theo nguyên lý dòng đ iện trung bình bộ biế n đổ i kiể ubuck

Theo (3.35) hàm truyền gi:a dòng điện ch+y qua cuộn c+m và hệ số điều chế.

( ) ( )

( )( )

12

ˆ 0

0 0 0

1ˆ

ˆ

1in

L

id ido

u s

s

i sG s G

d s s s

Q

ω

ω ω

=

+

= =

+ +

(3.129)

Trong đó:

00

0

1

28

31

12 2

9, 5 (19, 5dB)

1

666.66

inido

V G

R

f kHz LC

C Q R

L

f Hz RC

ω

π π

= =

= = =

= = →

= =

(3.130)

TG (3.33) và (3.35) hàm truyền gi:a điện áp đ$u ra và dòng điện ch+y qua cuộn c+mđ*8 c viết l%i theo (3.131).

( ) ( )

( )( )ˆ 0

1

ˆˆ

1in

o

ui

L u s

u s RG s

i s s

ω =

= =

+

(3.131)




Bode Diagram

Frequency (Hz)

100

101

102

103

104

105

-90

-45

0

45

90

System: Gid

Phase Margin (deg): 90




P h a s e ( d e g )

-20

0

20

40

60

System: Gid

Frequency (Hz): 8.89e+004

Magnitude (dB): 0.0262 M a g n i t u d e ( d B )

Hình 3.34 Đ( thị Bode của hàm truyề n đạt (3.129)

Căn c0 vào đ' th4 bode Hình 3.34 và yêu c$u muốn triệt tiêu đ*8 c sai lệch t 5 nh, ta l(ach/n sử d&ng cấu trúc điều khiển PI cho bộ điều ch)nh dòng điện.

( ) _ 1 Lici ci oG s G

s

ω = +

(3.132)

Để h%n chế +nh h*# ng s( thay đổi c9a độ d( tr: pha, ta l(a ch/n t$n số Liω b?ng 1/10

t$n số c"tc

ω (xấp x) 89kHz) c9a hàm truyền đ%t (3.129).

Hệ số _ci oG đ*8 c l(a ch/n để ( ) ( ) 1c

ci id G j G jω ω

ω ω =

= .

2 22

0_ _

1

1 1 1 Li cci o id o

c c

f G G

f

ω ω

ω ω

+ + =

(3.133)

Ngoài ra, ta sử d&ng lệnh [mag,phase]=bode(Gid,2*pi*89e+3) ta có:

( )

( ) ( )

2 89 3

02 100 2 89 3

0,54

arc 0,61

id e

id e

G j

G j

ω π

ω π ω π

ω

ϕ ω ω

=

= =

=

= = − (3.134)




-30

-20

-10

0

10

M a g n i t u d

e ( d B )

Bode Diagram

Frequency (Hz)

100

101

102

103

104

-90

-45

0

System: Gui


Delay Margin (sec): 0.00101

At frequency (Hz): 300

Closed Loop Stable? Yes P h a s e ( d e g )


Căn c0 vào đ' th4 bode Hình 3.35 và yêu c$u muốn triệt tiêu đ*8 c sai lệch t 5 nh, ta l(ach/n sử d&ng cấu trúc điều khiển PI cho bộ điều ch)nh điện áp.

( )_

1 Lu

cu cu o

G s Gs

ω = +

(3.135)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

5

10

15

20

25

t(s)


uC

uC*

a. Điện áp ra

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

2

4

6

8

10

12

14

t(s)

D o n g d i e n q u a c u o n c a m ( A )

iL*

iL

b. Dòng đ iện chả y qua cuộn cảm

Hình 3.36 K ế t quả mô phỏng Buck converter theo nguyên lý đ iề u khiể n dòng đ iện trung bình



3.8 Bộ biến đổi kiểu boost 83

3.7.2.2 Đi ều khi ển theo nguyên lý dòng đ i ện đỉ nh

*ˆ Li

( )uiG s

*ˆo

u( )cvG s ( ) 1i

G s ≈ˆ

ouˆ Li

Hình 3.37 C ấ u trúc đ iề u khiể n gián tiế p theo nguyên lý dòng đ iện đỉ nh bộ biế n đổ i kiể u buck

Bộ điều khiển điện áp sử d&ng bộ điều ch)nh điện áp kiểu PI

( ) _ 1 Lucu cu oG s G

s

ω = +

(3.136)

Điểm zero c9a bộ điều ch)nh (3.136) đ*8 c ch/n b?ng điểm c(c c9a hàm truyền đ%t đốit*8 ng ( )uiG s ngh 5 a là:

1

2 Lu RC

π

ω ω = = (3.137)Hệ số _cu oG đ*8 c l(a ch/n thông qua kết qu+ mô ph,ng (th*; ng l(a ch/n b?ng 1 để

h%n chế độ quá điều ch)nh)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

5

10

15

20

25

t(s)


uC

uC*

a. Điện áp ra

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

5

10

15

t(s)

D o n g d i e n q u a c u o n c a m ( A

)

iL*

iL


Hình 3.38

K ế t quả mô phỏng Buck converter theo nguyên lý đ iề u khiể n dòng đ iện đỉ nh`

3.8 Bộ biến đổi kiểu boost

Nhiệm v%: Thiết kế bộ bù cho bộ biến đổi kiểu Boost có thông số nh* sau: điện ápngu'n 10V, điện áp ra 15V, t+i R = 5•, L =62µH, C= 300µF, rC =0,187• (ESR) và t$n số phát xung 100kHz.

3.8.1 Điều khiển tr$c tiếp

TG (3.48) hàm truyền điện áp đ$u ra và hệ số điều chế đ*8 c viết l%i d*ớ i d%ng nh* sau:




( ) ( )

( )2

0 0 0

1 1ˆˆ

1

esr RHPo

vd vdo

s s

u sG s G

d s s s

Q

ω ω

ω ω

+ −

= =

+ +

(3.138)

Trong đó:

( )

( )

( )

( )

00

101 0,6667

15

1522,5

1 0,6667

4,51

12,84

2 21778,02

2 2

15,53

2 2

in

c

cvdo

c L

esr esr

c

c RHP RHP

L C

U D

U

U G

D

U I A

R D

f kHz

r C D

f Hz LC

RU D f kHz

LI R r

ω

π π ω

π π

ω

π π

− = = =

= = =−

= =−

= = =

−= = =

−= = =

+

(3.139)

-10

0

10

20

30

40


Bode Diagram

Frequency (Hz)

101

102

103

104

105

180

225

270

315

360

System: Gvd

Phase Margin (deg): 16.5Delay Margin (sec): 5.04e-006


Closed Loop Stable? Yes P h a s e

( d e g )


Sử d&ng bộ bù có hai điểm c(c và hai điểm zero (3.108) đ*8 c sử d&ng để thiết kế trongchế độ điện áp. Theo [], T$n số c"t

c f đ*8 c ch/n d*ớ i t$n số

RHP f c9a bộ biến đổi

( 5c f kHz= ) và t$n số t%i hai điểm zero c9a bộ bù ( )cG s là 1 2 z z f f = đ*8 c đ>t g$n t$n số




0 f (Trong ví d& này 1 2 700 z z

f f Hz= = ). T$n số điểm c(c th0 nhất c9a bộ điều ch)nh

( )cG s là 1 p f đ*8 c l(a ch/n nh, (trong ví d& này ch/n 1 0,92 p f Hz= ) để đ*a ra hệ số

khuếch đ%i lớ n # vùng t$n số thấp. T$n số điểm c(c th0 hai 2 p f đ*8 c ch/n trong lân c-n

t$n số c9a điểm zero do thành ph$n ESR c9a t& gây ra và l(a ch/n 2 3 p f kHz= .

Sử d&ng lệnh [mag,phase]=bode(Gvd,2*pi*5000) ta có biên độ và pha c9a đối t*8 ng( )vd G s t%i t$n số 155.6Hz là:

( )

( ) ( ) 0

1,42

arc 202,96c

c c

vd G j

G j

ω ω

ω ω ω ω

ω

ϕ ω ω

=

= =

=

= =

(3.140)

Biên độ c9a bộ bù đ*8 c xác đinh:

( )( )

1c

c

c

vd

G jG jω ω

ω ω

ω ω =

=

= (3.141)

Hay:

( )2 1

2 1

1

9,38

c

p p

co vd

z z

co

f f G G j

f f

G

ω ω ω

==

→ =

(3.142)

-40

-20

0

20

40

60

M a g n i t u

d e ( d B )

Bode Diagram

Frequency (rad/sec)

10-1

100

101

102

103

104

105

106

180

225

270

315

360

System: untitled1

Phase Margin (deg): 87.8Delay Margin (sec): 0.000315

At frequency (rad/sec): 4.86e+003


P h a s e ( d e g )

Hình 3.40 Đ( thị Bode của hàm truyề n đạt vòng hở (Gvd.Gc)




0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-5

0

5

10

15

20

25

t(s)


u0*

u0

a. Điện áp ra

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-5

0

5

10

15

20

25

t(s)

D o n g d i e n q u a c

u o n c a m ( V )


Hình 3.41

K ế t quả mô phỏng bộ Boost theo nguyên lý đ iề u khiể n đ iện áp

3.8.2 Điều khiển gián tiếp

*ˆ Li

( )uiG s

*ô

u( )cvG s ( ) 1iG s ≈

ô

uˆ Li

Hình 3.42 C ấ u trúc đ iề u khiể n gián tiế p theo nguyên lý dòng đ iện đỉ nh bộ biế n đổ i kiể u Boost

Sử d&ng ph$n mềm Matlab để tìm hàm truyền đ%t gi:a điện áp đ$u ra và dòng điện qua

cuộn c+m ( ) ( )

( )0ˆ

ûi

L

u sG s

i s= (xem thêm ph$n ph& l&c).




-20

-15

-10

-5

0

5

10

M a g n i t u d

e ( d B )

Bode Diagram

Frequency (Hz)

101

102

103

104

105

-90

-45

0System: Gui


Delay Margin (sec): 0.00141

At frequency (Hz): 256

Closed Loop Stable? No System: Gui




Closed Loop Stable? No

P

h a s e ( d e g )

Hình 3.43 Đ( thị bode của hàm truyề n đạt ( )uiG s biế n đổ i kiể u Boost

Sử d&ng bộ bù (3.103) cho m%ch vòng điều ch)nh điện áp ( )cvG s để cho hệ h# có t$n số

c"t 5c

f kHz= (d*ớ i t$n số 5,53 RHP

f kHz= ) và có d( tr: pha b?ng 045PM θ =

Sử d&ng lệnh [mag,phase]=bode(Gui,2*pi*5000) ta có biên độ và pha c9a đối t*8 ng( )uiG s t%i t$n số 5000Hz là:

( )

( ) ( ) ( )0 0

0,18

arc 290,43 70

c

c c

ui

ui

G j

G j

ω ω

ω ω ω ω

ω

ϕ ω ω

=

= =

=

= = −

(3.143)

Do thành ph$n tích phân có góc pha không đổi -900, nên tG d( tr: pha mong muốn c9ahệ và theo (3.102) ta sH tính d( tr: pha c9a thành ph$n Lead (một điểm zero và một điểmc(c) nh* sau:

( )

( ) ( )

0

0 0 0 0

1arc 180 arc

90 45 70 25

c

c

PD PM ui

PD

G j

j

ω ω

ω ω

θ θ ω

ω θ

=

=

= − − + −

→ = − + − − =

(3.144)

Theo (3.99) t$n số c9a điểm không và điểm c(c c9a bộ bù đ*8 c tính nh* sau:0

0

0

0

1 sin 253,19

1 sin 25

1 sin 257,85

1 sin 25

z c

p c

f f kHz

f f kHz

−= =

+

+= = −

(3.145)

Theo (3.107) thành ph$nco

G có giá tr4 để th,a mãn biên độ c9a hệ thống có giá tr4 b?ng

1 # t$n số c"t c f (đ+m b+o t$n số c"t c9a hệ b?ng c f ), ngh 5 a là :




( ) ( ) 1c c

c uiG j G jω ω ω ω

ω ω = =

= (3.146)

Kết h8 p vớ i (3.143)

( )

10,18 1

1,11 5c

p

co

z

co

f G

j f

G e

ω ω ω =

=

→ = + (3.147)

-20

0

20

40

60

80


Bode Diagram

Frequency (Hz)

101

102

103

104

105

106

-180

-135

-90 System: untitled1





P h a s e ( d e g )

Hình 3.44 Đ( thị bode của hàm truyề n đạt ( )uiG s và bộ bù (3.103) biế n đổ i kiể u Boost

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

5

10

15

20

25

t(s)

D i e

n

a p

r a

( V )

u0*

u0

a. Điện áp ra

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

2

4

6

8

10

12

14

16

18

t(s)

D o n g

q u

a

c u o n

c a m

( A ) iL

iL*


Hình 3.45 K ế t quả mô phỏng bộ biế n đổ i Boost theo nguyên lý đ iề u khiể n dòng đ iện đỉ nh




3.10 Bộ biến đổi PFC

3.10.1 S* đ# m!ch l$c

S. đ' m%ch l(c bộ biến đổi PFC sử d&ng một c$u ch)nh l*u không điều khiển diode vàbộ biến đổi DC/DC kiểu Boost.

i n

s

u

u

=su

d i

su

si

Li

Li

si

ou

( )1 :1d t −

Li

d i

su

Li

( )d t

t

t

i n

s

u

u

=

Hình 3.47

Bộ biế n đổ i PFC, a) S ơ đ( mạch lự c, b) Mô hình trung bình, c,d) Đặc tính dòng đ iện,đ iện áp của sơ đ( mạch lự c

Sử d&ng mô hình trung bình bộ biến đổi Boost, b, qua s&t áp trên cuộn c+m, và gi+ thiếtđiện áp đ$u ra ch) có thành ph$n DC.

( )

1

1

sin1

d

s

s

d

U

u d

U t d

U

ω

=−

→ = −

(3.148)

Theo s. đ' Hình 3.47 dòng điện ( )d i t đ*8 c tính nh* sau:( ) ( ) ( )2

2

1 11 sin cos 2

2 2s s s

d L L L L

d d d

d d d

U U U i d i I t I I t

U U U

i I i

ω ω = − = = −

→ = −

(3.149)

Trong đó: ( ) ( )sin , sins s L Lu U t i I t ω ω = =

TG (3.149) nh-n thấy thành ph$n dòng điện ( )d i t g'm hai thành ph$n: thành ph$n DC

(d

I ) và thành ph$n sóng hài b-c hai ( )2d i t .

Trong bộ biến đổi PFC, giá tr4 t& điện đ$u ra lớ n nên ch) có thành ph$n sóng hài b-c hai

c9a dòng điện ( ( )2d i t ) ch+y vào t&, và thành ph$n DC d I ch+y qua điện tr# t+i t*. ngđ*. ng. Do đó, đ-p m%ch điện áp đ$u ra trên t& đ*8 c tính:



3.10 Bộ biến đổi PFC 91

( ) ( )2 2

1d d

u t i d t C

ω ω

= ∫ (3.150)

TG (3.149), (3.150) đ-p m%ch điện áp trên t& ( )2d u t đ*8 c viết l%i:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )2 2

1cos 2 sin 2 sin 2

2 4

s s L Ld d

d d

U U I I u t t d t t V t

C U CU

ω ω ω ω

ω ω

= = − = −∫ (3.151)

3.10.2 Cấu trúc điều khiển bộ biến đổi PFC

* Li

*ou

Li

ou

( )sin t ω

21/ inuinuinu

Hình 3.48

C ấ u trúc đ iề u khiể n bộ biế n đổ i PFC

Gía tr4 trung bình điện áp đ$u vàoin

u trong mDi chu kB điện áp l*ớ i đ*8 c xác đinh:

1 t T

in in

t

u u dt T

+

= ∫ (3.152)

Gián đo%n (3.152) ta có:

1 1.

/

i

ini i i n

in in s in

i n i n s

u

u u T uT T T N

=

= =

= = =∑

∑ ∑ (3.153)

Trong đó: i

inu - là giá tr4 điện áp vào # th; i điểm lấy m<u th0 i.T - là chu kB điện áp l*ớ i.

sT - là chu kB trích m<u.

N - Số l*8 ng m<u giá tr4 điện áp inu trong một chu kB điện áp l*ớ i.

3.10.2.1 Thi ết k ế m ạch vòng dòng đ i ện

TG m%ch điện mô t+ bộ biến đổi Boost vớ i tín hiệu nh, Hình 3.7 t%i t$n số cao (khi đót& điện đ$u ra b4 ng"n m%ch, do tr# kháng xấp x) b?ng không), ta có thể xấp x) g$n đúngmối quan hệ gi:a hệ số điều chế và dòng điện trung bình qua cuộn c+m nh* sau (coi cuộnc+m, t& điện là ph$n tử lý t*# ng):

( ) ( )

( )( )ˆ 0

ˆ

ˆin

L oid

u s

i s U G s

sLd s=

= ≈ (3.154)

L(a ch/n bộ bù cho m%ch vòng điều ch)nh dòng điện, để hệ h# có độ d( tr: pha là 600,,

t$n số c"t c9a m%ch vòng điện áp f ci = 20kHz, và có điểm c(c t%i gốc t/a độ để triệt tiêu sai

lệch t 5 nh.




( )

11

1

z

c co

p

s

G s Gs s

ω

ω

+

=

+

(3.155)

3.10.2.2 Thi ết k ề m ạch vòng đ i ện áp

TG m%ch điện mô t+ bộ biến đổi Boost vớ i tín hiệu nh, làm việc theo nguyên lý điềukhiển dòng điện, ta có hàm truyền đ%t gi:a dòng điện đ>t (th(c chất là dòng qua cuộn c+m)và điện áp đ$u ra nh* sau:

( ) ( )

( )( )

( )

( )( )

( )

( )( )

2

2ˆ ˆ ˆ0 0 0

ˆˆ ˆˆ ˆ ˆ

in in in

o o

ui

c cu s u s u s

u s u s i sG s

i s i s i s= = =

= =

(3.156)

Theo m%ch điện ta có:

( )

( )( )2 ˆ 0

ˆ 1 1ˆ 2 1

2in

o

u s

u s R R

RC sC i ss=

= =

+

(3.157)

M>t khác, t%i t$n số thấp có thể coi cuộn c+m b4 ng"n m%ch, quan hệ tr# thành :

( )

( )( )

2

ˆ 0

ˆ 1ˆ 1

inc u s

i s

Di s=

=−

(3.158)

TG , ta có:

( ) ( )

( )( )ˆ 0

ˆ 1ˆ 2

12

in

o sui

oc u s

u s U RG s

RC U i ss=

= ≈

+

(3.159)

L(a ch/n bộ bù cho m%ch vòng điều ch)nh điện áp, để hệ h# có độ d( tr: pha là 450, t$nsố c"t c9a m%ch vòng điện áp f cv = 15Hz.

( )

11

1

z

c co

p

s

G s Gs s

ω

ω

+

= +

(3.160)

3.10.3 Bài t)p

Thiết kế cấu trúc điều khiển bộ biến đổi PFC có các tham số sau.1. Thiết kế m%ch vòng dòng điện theo m&c 3.10.2.1.2. Thiết kế m%ch vòng điện áp theo m&c 3.10.2.2.3. Tính toán khâu bù điện áp đ$u vào (Feedforward voltage).

4. Mô ph,ng b?ng ph$n mềm Matlab để kiểm ch0ng kết qu+ thiết kế.



3.10 Bộ biến đổi PFC 93

Bng 3.2 Bng 3.2 Bng 3.2 Bng 3.2 Tham số bộ biế n đổ i kiể u PFC

Điện áp đ$u vào xoay chiều (rms) Us,rms = 120VT$n số l*ớ i điện f= 50HzĐiện áp đ$u ra bộ PFC 250V

Công suất thiết kế 250WT$n số switching f s = 100 kHzT& điện đ$u ra C = 220 µF

rC = 100m• Giá tr4 điện c+m L = 1mHT+i t*. ng đ*. ng R = 250•



4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGH1CH L2 U ĐỘC L3P 94

4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGH-CH L.U ĐỘC L/P

Bộ biến đổi kiểu ngh4ch l*u độc l-p là các kiểu bộ biến đổi sử d&ng phổ biến hiện nay.Ph%m v4 0ng d&ng c9a bộ biến đổi này rộng rãi: hệ thống truyền động xoay chiều ba pha,bộ cấp ngu'n độc l-p ho>c bộ biến đổi nối l*ớ i. Nội dung ph$n này đi sâu vào ph*. ngpháp điều chế độ rộng xung và các bộ điều khiển c. b+n cho ngh4ch l*u độc l-p ngu'n ápkiểu AC/DC ho>c DC/AC 0ng d&ng nh* bộ cấp ngu'n độc l-p ho>c nối l*ớ i.

4.1 S* đ# m!ch l$c bộ biến đổi ngh0ch l&u độc l)p

Hình 4.1Hình 4.1Hình 4.1Hình 4.1 S ơ đ( mạch lự c nghịch lư u độc lậ p kiể u ngu(n áp, a) M ột pha, b) Ba pha

4.2 Mô t' toán h+c ngh0ch l&u áp

4.2.1 Mô t' toán h+c ngh0ch l&u ngu#n áp một pha

S. đ' m%ch ngh4ch l*u ngu'n áp một pha đ*8 c mô t+ b# i các khóa chuyển m%cha

S ,

bS nh* sau:




, ,an bn cn

u u u mong muốn. Ngoài ra, theo (4.18) ta thấy đ*8 c biên độ điện áp ra t+i lớ n nhất

m%ch ngh4ch l*u ngu'n áp đ*8 c điều chế theo ph*. ng pháp sinPWM là2dc

U .

Còn đối vớ i ph*. ng pháp SVM, giá tr4 trung bình điện áp t+i đ$u ra m%ch ngh4ch l*uđ*8 c viết l%i:

( )

( )

( )

2

3 22

3 22

3 2

a b c dcan

b a c dcbn

c b a dccn

d d d U u

d d d U u

d d d U u

− −=

− −

= − −

=

(4.19)

4.3 Ph&*ng pháp điều chế độ rộng xung cho ngh0ch l&u một pha

Để có thể phân tích nguyên lý làm việc c9a ph*. ng pháp điều chế độ rộng xung chongh4ch l*u một pha, ta gi+ thiết các van bán d<n # m%ch ngh4ch l*u là ph$n tử lý t*# ng.Theo [], có 2 ph*. ng pháp điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation: PWM) để t%ođiện áp hình sin (còn g/i là kA thu-t biến đổi DC – AC) cho c$u NL 1 pha.

• Điều chế đ. n c(c (Unipolar Voltage Switching), vớ i nguyên lý th(c hiện đ*8 c ch) ratrong Hình 4.4a.

• Điều chế hai c(c (Bipolar Voltage Switching), vớ i nguyên lý th(c hiện đ*8 c ch) ratrong Hình 4.4b.

Y F Y L

Y S

@ 13

Y G

PWM

PWM „…†

Z

Y F Y L

Y S

@ 13

Y G

PWM

1PWM

„…†Z

0Z

1PWM

2PWM

2PWM

5 =

[ 13 [ 13

5

=

5

=

A A

Hình 4.4 Hình 4.4 Hình 4.4 Hình 4.4 Giải pháp đ iề u chế độ r ộng xung cho nghịch lư u một pha, a) Điề u chế lư$ ng cự c, b)

Điề u chế đơ n cự c

4.3.1 Ph&*ng pháp điều chế hai c$c

Hai c>p van S1 /S2 và S3 /S4 đ*8 c ĐK b# i 2 tín hiệu có tr%ng thái lôgic ph9 đ4nh nhau.Cách ĐK này d<n đến: Trong m/i chu kB c9a điện áp c$n t%o, ph& t+i luôn nh-n điện áp

ng*8 c dấu U dc ho>c –U dc (do đó có tên hai c(c). Nếu th(c hiện b?ng kA thu-t Analog, cóthể t%o hai tín hiệu lôgic b?ng các so sánh tín hiệu điều khiển m vớ i chuDi xung răng c*a ur



4.3 Ph*. ng pháp điều chế độ rộng xung cho ngh4ch l*u một pha 99

(t$n số chuDi xung răng c*a lớ n h. n nhiều l$n so vớ i t$n số tín hiệu điều khiển) nh* Hình 4.5.

Hình 4.5 Hình 4.5 Hình 4.5 Hình 4.5 Dạng sóng đ iện áp theo phươ ng pháp đ iề u chế hai cự c, a) Sóng mang và tín hiệu đ iề ukhiể n, b) Điện áp đầu ra mạch nghịch lư u

Ph*. ng pháp điều chế PWM nói trên ch9 yếu đ*8 c th(c hiện b?ng linh kiện Analog. Để hiểu rõ h. n b+n chất, đ'ng th; i t%o điều kiện th(c hiện thu-n l8 i b?ng kA thu-t Digital (sử d&ng cho vi điều khiển), ta có thể nh-n th0c vấn đề d*ớ i góc nhìn vector cho ph*. ng phápđiều chế l*@ ng c(c nh* sau:

Hình 4.6 Hình 4.6 Hình 4.6 Hình 4.6 Tr ạng thái mạch nghịch lư u theo phươ ng pháp đ iề u chế hai cư c

Nh* v-y, gi+i pháp điều chế hai c(c ta ch) c$n một kênh PWM để điều khiển m%chngh4ch l*u một pha.

4.3.2 Ph&*ng pháp điều chế đ*n c$c

Nếu ph*. ng pháp hai c(c ch) dùng 1 tín hiệu điều khiển m (hình 3) để ĐK hai c>p vanS1 /S4 và S3 /S2, thì ph*. ng pháp đ. n c(c l%i dùng 2 tín hiệu ng*8 c dấu nhau m và – m

( Hình 4.7 ) ch) để ĐK c>p van phía trên S1 /S3. Còn hai van phía d*ớ i đ*8 c ĐK hoàn toànph& thuộc 2 van đó: S4 nh-n tr%ng thái lôgic ph9 đ4nh c9a S1, còn S2 nh-n tr%ng thái lôgicph9 đ4nh c9a S3. DE dàng nh-n thấy: Trong ph%m vi nửa chu kB c9a điện áp c$n t%o, ph&

t+i ch) nh-n điện áp một dấu (do đó có tên đ. n c(c).




[13

[13

0[13

[13

p

M‡[ \}ệ^ đ}ề^ w\}ể[{ZˆqZ~ l\^D} ]^[_ €ă[_ `*‰

YŠ[_ đ}ề^ `\ế +\

+5A

+=A

+5=

Hình 4.7 Hình 4.7 Hình 4.7 Hình 4.7 Dạng sóng đ iện áp theo phươ ng pháp đ iề u chế đơ n cự c, a) Sóng mang và tín hiệu đ iề u

khiể n, b) Điện áp đầu ra mạch nghịch lư u

Ph*. ng pháp điều chế PWM nói trên ch9 yếu đ*8 c th(c hiện b?ng linh kiện Analog. Để hiểu rõ h. n b+n chất, đ'ng th; i t%o điều kiện th(c hiện thu-n l8 i b?ng kA thu-t Digital (sử d&ng cho vi điều khiển), ta có thể nh-n th0c vấn đề d*ớ i góc nhìn vector cho ph*. ng phápđiều chế đ. n c(c nh* sau. Nếu đ4nh ngh 5 a tr%ng thái lôgic c9a hai điểm A, B (hai đ$u c9a

điện tr# t+i) là 1 khi chúng đ*8 c nối vớ i c(c d*. ng, là 0 khi chúng đ*8 c nối vớ i c(c âmc9a m%ch DC. Khi ấy, một ngh4ch l*u đ. n vớ i 2 nhánh van có thể t%o đ*8 c 22 = 4 tr%ngthái lôgic vớ i s. đ' m%ch minh h/a # hình d*ớ i:

Hình 4.8 Hình 4.8 Hình 4.8 Hình 4.8 Tr ạng thái mạch nghịch lư u trong phươ ng pháp đ iề u chế đơ n cự c




Các tr%ng thái lôgic # hình 10 0ng vớ i các vector điện áp chu=n (tr%ng thái 10), 2u

(tr%ng thái 01) và 0,3u (tr%ng thái 00, 11) biểu diEn # hình 11. V4 trí vector này n?m

trên hệ t/a độ t 5 nh 67 nh* Hình 4.9. Biên độ vector chu=n này đ*8 c xác đ4nh nh* sau:

1 2

0 3

0

dcU = == =

u uu u

(4.20)

Hình 4.9 Hình 4.9 Hình 4.9 Hình 4.9 Biể u đ( vector của k : thuật đ iề u chế vector đơ n cự c

Bướ c 1: Xác đ4nh v4 trí c9a vector điện ápab

u , v4 trí góc ϑ cho ta biết đ*8 c thông tin

hiện t%i vector điện ápab

u đang n?m trong góc ph$n t* nào.Bướ c 2: Tính th; i gian th(c hiện các vector chu=n.Trong nửa chu kB d*. ng (v4 trí vector

abu # hai góc ph$n t* Q1 và Q4), tG Hình 4.9

vectorab

u đ*8 c th(c hiện b?ng vector 1u trong kho+ng th; i gian 1T , kho+ng th; i gian còn

l%i ( )1sT T − th(c hiện vector không 0,3u , th; i gian 1T đ*8 c xác đ4nh nh* sau:

11

0 1

cos cosab ab

s s

dc

s

T T T U

T T T

u u

u

ϑ ϑ = =

= −

(4.21)

Trong nửa chu kB âm (v4 trí vectorab

u # hai góc ph$n t* Q2 và Q3), tG Hình 4.9 vector

abu đ*8 c th(c hiện b?ng vector 2u trong kho+ng th; i gian 2T , kho+ng th; i gian còn l%i

( )2sT T − th(c hiện vector không 0,3u , th; i gian 2T đ*8 c xác đ4nh nh* sau:

21

0 2

cos cosab ab

s s

dc

s

T T T U

T T T

u u

u

ϑ ϑ = − = −

= −

(4.22)

T%i 2 góc ph$n t* Q2, Q3, giá tr4 cosϑ mang dấu âm. Do đó trong công th0c (2.2) đãxuất hiện dấu trG.




Bướ c 3: Muốn xác đ4nh đ*8 c th; i gian d<n cho các van ta xây d(ng đ*8 c m<u xungcho tGng góc ph$n t*, t*. ng 0ng nửa chu kB d*. ng (góc ph$n t* Q1&Q4) và nửa chu kB âm (góc ph$n t* Q2&Q3) Hình 4.10.

Hình 4.10 Hình 4.10 Hình 4.10 Hình 4.10 M ẫ u xung chu7 n đư a ra nghịch lư u một pha, a) nử a chu k ỳ d ươ ng, b) nư a chu k ỳ âm

Hệ số điều chế cho van bán d<n # nhánh trên c9a m%ch ngh4ch l*u trong mDi chu kB điều chế đ*8 c tổng h8 p trong Bả ng 4.1

Bng 4.1Bng 4.1Bng 4.1Bng 4.1 Bảng t ổ ng hợ p hệ số đ iề u chế cho m] i nhánh van mạch nghịch lư u

Góc ph$n t* Nhánh van trên

Q1&Q4 dS1 = d0 /4dS3 = d0 /4+d1 /2

Q2&Q3dS1 = d0 /4+d2 /2dS3 = d0 /4

Trong đó : 01 21 2 0, ,

s s s

T T T d d d

T T T = = = .

Nh* v-y, gi+i pháp điều chế đ. n c(c ta ph+i dùng hai kênh PWM để điều khiển m%chngh4ch l*u một pha.

4.3.3 Kết qu' mô ph(ng ph&*ng pháp điều chế độ rộng xung cho ngh0chl&u một pha

Tham số mô ph,ng s. đ' U dc = 300V, t+i c9a m%ch ngh4ch l*u R= 5•, L = 2mH, điệnáp đ)nh là 100V. Theo (4.6), ta tính đ*8 c hàm điều chế khi biết giá tr4 điện áp một chiềuU dc và biên độ điện áp đ)nh đ$u ra m%ch ngh4ch l*u.




0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

t(s)

m

a. H ệ số đ iề u chế

0 .02 0 .022 0 .024 0 .026 0 .028 0 .03 0 .032 0 .034 0 .036 0 .038 0 .04-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

t(s)

U

a b (

V

)

b. Điện áp đầu ra mạch nghịch lư u

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-30

-20

-10

0

10

20

30

t(s)

i S

( A )

c. Dòng đ iện đầu ra mạch nghịch lư u d. Phân tích phổ dòng đ iện

Hình 4.11Hình 4.11Hình 4.11Hình 4.11 K ế t quả mô phỏng vớ i phươ ng pháp đ iề u chế lư$ ng cự c

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

t(s)

m

m+ m-

a. H ệ số đ iề u chế

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

t(s)

U a b ( V )

b. Điện áp đầu ra mạch nghịch lư u




0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

t(s)

i S ( A

)

c. Dòng đ iện đầu ra mạch nghịch lư u d. Phân tích phổ dòng đ iện

Hình 4.12 Hình 4.12 Hình 4.12 Hình 4.12 K ế t quả mô phỏng vớ i phươ ng pháp đ iề u chế đơ n cự c

4.4 Ph&*ng pháp điều chế độ rộng xung cho ngh0ch l&u ba pha

T*. ng t( nh* ngh4ch l*u một pha, để có thể phân tích nguyên lý làm việc c9a ph*. ngpháp điều chế độ rộng xung cho ngh4ch l*u ba pha, ta gi+ thiết các van bán d<n # m%chngh4ch l*u là ph$n tử lý t*# ng.

1PWM

1PWM

2PWM

2PWM

3PWM

3PWM


Giải pháp đ iề u chế độ r ộng xung cho nghịch lư u ba pha

4.4.1 Ph&*ng pháp Sin PWM

Theo (4.17), (4.18) hàm điều chế cho ngh4ch l*u ba pha ngu'n áp đ*8 c xác đ4nh:



4.4 Ph*. ng pháp điều chế độ rộng xung cho ngh4ch l*u ba pha 105

( )sin

2sin

3

2sin3

a

b

c

m M t

m M t

m M t

ω

π ω

π ω

=

= −

= +

(4.23)

Trong đó hệ số điều chế M đ*8 c xác đ4nh d(a trên biên độ điện áp t+i ra m%ch ngh4chl*u và điện áp một chiều đ>t vào m%ch ngh4ch l*u nh* sau:

0,5 0,5 0,5an bn cn

dc dc dc

u u u M

U U U = = = (4.24)

4.4.2 Ph&*ng pháp điều chế vector không gian (SVM)

4.4.2.1 Khái ni ệm vector không gian

Trong hệ thống điện áp 3 pha 3 dây thông th*; ng, các giá tr4 điện áp ( dòng điện) đ*8 cbiểu diEn b# i các giá tr4 t0c th; i ( ), ,a b cu u u . B?ng phép chuyển tr&c t/a độ Clarke đ*a hệ

thống 3 pha tG hệ t/a độ (abc) sang hệ t/a độ 67, ta hoàn toàn có kh+ năng biểu diEn hệ 3pha nh* 1 vector duy nhất vớ i biên độ xác đ4nh và quay gốc t/a độ.

22( )

3 a b cu u uα α = + +u (4.25)

Trong đó:

2

31 3

2 2

j

e j

π

α = = − +

Vector điện áp u đ*8 c biểu điện trên t/a độ t 5 nh 67 thông qua hai thành ph$n t*. ng 0ngtheo (4.26).

u juα β = +u (4.26)

Trong đó:1 1

12 2 23 3 3

02 2

a

b

c

uu

uu

u

α

β

− − = −

(4.27)

Trong hệ t/a độ 67 điện áp 3 pha đ*8 c biểu diEn b?ng 1 vector quay có gốc t%i tâm hệ tr&c t/a độ, độ lớ n xác đ4nh b?ng 2 2( )m

U u uα β = + và quay xung quang gốc t/a độ vớ i v-n

tốc góc ω θ = ɺ (vớ i arctan( )u

u

β

α

θ = ). Cách biểu diEn nh* v-y đ*8 c g/i là 1 vector không

gian.Vớ i hệ 3 pha cân b?ng và đối x0ng – các pha điện áp có biên độ b?ng nhau, và góc lệch

t*. ng 0ng 2‹ /3.




cos( )

2cos( )

3

2cos( )3

a m

b m

c m

u U t

u U t

u U t

ω

π ω

π ω

=

= −

= +

( )m

U t ω = ∠u (4.28)

Khi đó vector không gian u sH có độ lớ n b?ngm

U và quay quanh gốc t/a độ vớ i v-n tốc

góc b?ng ω . Trong tr*; ng h8 p tổng quát vớ i hệ 3 pha đối x0ng (có thể cân b?ng ho>ckhông cân b?ng) vector không gian điện áp 3 pha có thể biểu diEn b# i 2 thành ph$n thu-nvà ngh4ch.

p n= +u u u (4.29)

Trong đóm

p p p

m

n n n

U

U

θ

θ

= ∠

= ∠

u

u

Thành ph$n thu-n pu đ*8 c coi nh* thành ph$n c. b+n c9a hệ, và quay cùng chiều vớ ihệ khi hệ trong tr%ng thái cân b?ng. Thành ph$n ngh4ch n

u là thành ph$n bổ xung vào hệ,có chiều quay ng*8 c chiều vớ i thành ph$n thu-n, là tác nhân gây ra tính chất mất cân b?ngc9a hệ.

Trong hệ thống điện áp 3 pha có d%ng sin và cân b?ng, thì quA đ%o c9a vector khônggian u là một đ*; ng tròn, có bán kính b?ng vớ i biên độ điện áp pha mU =u . Còn nếu

điện áp c9a hệ sin nh*ng mất cân b?ng, thì quA đ%o vector u vH nên sH có d%ng elip, đ*; ng

bán kính dài có độ lớ n b?ng biên độ thành ph$n th0 t( thu-n m

p pU =u , đ*; ng bán kính

ng"n có độ lớ n b?ng hiệu biên độ thành ph$n th0 t( thu-n và ngh4ch m m

p n p nU U − = −u u

p u

p

n

−

u

u

z^5 đ%X đ}ệ[ ZŒ ‰ Œ\‰ Y}[ Ž `|[ ?[_

z^5 đ%X đ}ệ[ ZŒ ‰ Œ\‰Y}[ Ž bấƒ `|[ ?[_

Hình 4.14 Hình 4.14 Hình 4.14 Hình 4.14 Qu : đạo vector không gian trên mặt ph^ ng α_

4.4.2.2 Ph ươ ng pháp đ i ều ch ế vector không gian

Hình 4.13 thể hiện s. đ' c9a 1 bộ ngh4ch l*u ngu'n áp 3 pha vớ i 3 c>p van bán d<nIGBT. ng vớ i 3 c>p van này ta có 8 tr%ng thái đóng ng"t các van, và t*. ng 0ng vớ i mDitr%ng thái đóng ng"t van ta l%i thu đ*8 c 1 vector điện áp cố đ4nh (c+ về h*ớ ng và độ lớ n).




Do đó ta sH thu đ*8 c tổng cộng 8 vector điện áp cố đ4nh – đ*8 c g/i là 8 vector biên chu=n,nh* liệt kê d*ớ i b+ng sau:

Bng 4.2 Bng 4.2 Bng 4.2 Bng 4.2

Bảng giá tr ị đ iện áp các vector chu7 n

Vectorchu=n Van d<n au bu cu abu bcu u

0u 2 4 6, ,S S S 0 0 0 0 0 0

1u 6 1 2, ,S S S 2/3dc

U -1/3dc

U -1/3dc

U dc

U 0 2 / 3 0dc

U ∠

2u 1 2 3, ,S S S 1/3dc

U 1/3dc

U -2/3dc

U 0 dcU 2 / 3 ( / 3)

dcU π ∠

3u 2 3 4, ,S S S -1/3 dcU 2/3 dc

U -1/3 dcU - dc

U dcU 2 / 3 (2 / 3)dc

U π ∠

4u 3 4 5, ,S S S -2/3 dcU 1/3 dc

U 1/3 dcU - dc

U 0 2 / 3 ( )dcU π ∠ −

5u 4 5 6, ,S S S -1/3 dcU -1/3 dc

U 2/3 dcU 0 - dc

U 2 / 3 ( 2 / 3)dcU π ∠ −

6u 5 6 1, ,S S S 1/3dc

U -2/3dc

U 1/3dc

U dc

U -dc

U 2 / 3 ( / 3)dc

U π ∠ −

7u 1 3 5, ,S S S 0 0 0 0 0 0




Hình 4.15 Hình 4.15 Hình 4.15 Hình 4.15 Tr ạng thái mạch nghịch lư u ngu(n áp t ươ ng & ng vector chu7 n

Ta thấy biên độ các vector chu=n ( 1 2 3 4 5 6, , , , ,u u u u u u ) đều có độ lớ n là 2/3 dcU

và các góc pha lệch nhau một góc / 3π , biên độ c9a 2 vector không còn l%i ( )0 7,u u có

độ lớ n b?ng không. TG các c>p vector biên chu=n này, không gian vector chia làm 6 sectorđều nhau, có độ m# là / 3π .




1 2 3 4 5 6

0 7

2 / 3

0

dcU = = = = = =

= =

u u u u u u

u u (4.30)

α

β 3u

4u

2u

6u5u

0u

7u

1u

S u

α

Hình 4.16 Hình 4.16 Hình 4.16 Hình 4.16 V ị trí vector chu7 n trên hệ t #a độ t nh α_

V4 trí vector điện áp S u có thể n?m bất kB trong các sector trên hệ t/a độ t 5 nh 67. Do

đó, bướ c đầu tiên trong th(c hiện ph*. ng pháp điều chế vector không gian là ph+i xácđ4nh đ*8 c v4 trí hiện t%i c9a vector điện áp đang n?m trong sector nào. Có nhiều ph*. ngpháp xác đ4nh v4 trí vector điện áp d(a vào phân tính thành ph$n c9a nó trên hệ tr&c t/a độ t 5 nh 67 [].


M ố i quan hệ giữ a các sector và đ iện áp t & c th% i usa , usb , usc

Tuy nhiên, cFng có ph*. ng pháp khác cho phép ta có đ*8 c thông tín về v4 tr4 vectorđiện áp, ch) b?ng các xét dấu các thành ph$n điện áp dây, theo thu-t toán Hình 4.18.




su α s

u β

( )3

2

3

2

sa s

s s

sb

s s

sc

u u

u uu *

u uu

α

α β

α β

=

− +

= − −

=

Hình 4.18 Hình 4.18 Hình 4.18 Hình 4.18 Thuật toán xác định vector đ iện áp đặt trong m] i sector

Bướ c 2: Vector điện áp S u sH đ*8 c tổng h8 p tG 2 vector chu=n trong mDi sector đó, nênc$n xác đ4nh đ*8 c th; i gian th(c hiện hai vector chu=n này trong mDi chu kB điều chế, th; igian còn l%i m%ch ngh4ch l*u sH # tr%ng thái các vector không.

0u

7u 1u α

β

1 1 2 2. .sd d = +u u u

uα

u β

2u

Hình 4.19 Hình 4.19 Hình 4.19 Hình 4.19 Vector đ iện áp đượ c đ iề u chế trong Sector 1

Sử d&ng ph*. ng pháp đ%i số để xác đ4nh các hệ số điều chế cho vector điện áp tG haivector chu=n g$n nhất trong mDi sector (Hệ số điều chế là tJ số gi:a th; i gian th(c hiệnvector chu=n trong mDi chu kB điều chế).

1 2S n md d = +u u u (4.31)

Trong đó ,n m

u u là hai vector chu=n trong mDi sector.

Biểu diEn (4.31) theo thành ph$n trên hệ t/a độ t 5 nh αβ .

1

2

1 2

S n m n m

n m n mS

u u u u u d

d d u u d u u u

α α α α α

β β β β β + =

=

(4.32)

TG tính đ*8 c hệ số điều chế nh* sau:

1

2

1n m S S

nm

n m S S

u u u ud

ud u uu

α α α α

β β β β

−

=

=

A (4.33)

Hê điều chế 0d - th(c hiện vector không sH đ*8 c xác đ4nh:

0 1 21d d d = − − (4.34)

Ví d& trong tr*; ng h8 p vector điện ápS

u n?m trong sector 1,S

u đ*8 c biểu diEn theo 2

vector chu=n u1, u2. Theo (4.32) vector điện ápS

u đ*8 c viết l%i nh* sau:




1 1

2 2

1 2

1 2

2 1

3 31

03

S

dc

S

u u u d d

u u d d U

u

α α α

β β β

=

=

(4.35)

Theo (4.33) tJ số 1 2,d d đ*8 c xác đ4nh nh* sau:

1

2

12 1

3 31 13 3

2 21

0 0 33

S S S

nm

S S S dc dc

u u ud

u u ud U U

α α α

β β β

− − = = =

A

(4.36)Hoàn toàn tính toán t*. ng t( khi v4 trí vector điện áp n?m trong sector còn l%i. Kết qu+

tính toán ma tr-nnm

A đ*8 c tổng h8 p theo b+ng sau:

Bng 3.3 Bng 3.3 Bng 3.3 Bng 3.3

Bảng t ổ ng hợ p ma tr ận nmA trong m] i sector sử d ụng trong (4.33)

Sector 11

2 13 3

1 13 32 2

10 0 3

3

nm

dc dcU U

− − = =

A

Sector 21

1 1 3 31 13 3 2 2

1 1 3 33 3 2 2

nm

dc dcU U

−

− − = =

A

Sector 31

1 20 3

1 13 3 3 310 2 23

nm

dc dcU U

− − −

= = − −

A

Sector 41

1 20 3

1 13 3 3 310 2 23

nm

dc dcU U

− − − − = = − −

A

Sector 51

1 1 3 31 13 3 2 2

1 1 3 33 3 2 2

nm

dc dcU U

−

− − − = = − − −

A

Sector 61

2 13 3

1 13 32 2

10 0 3

3

nm

dc dcU U

− = = − −

A

Bướ c 3: B*ớ c tiếp theo tG hệ số điều chế th(c hiện các vector chu=n ph+i xác đ4nh hệ số điều chế cho mDi van bán d<n c9a m%ch ngh4ch l*u. Để xác đ4nh hệ số điều chế cho mDivan bán d<n, c$n ph+i xây d(ng m<u xung đ*a ra cho mDi sector. M<u xung này đ*8 c đ*ara để đ+m b+o các van bán d<n trong m%ch ngh4ch l*u ph+i chuyển m%ch nhất.

Xét ví d& trong sector 1, có các vector chu=n u1, u2 và u0, u7.

Hình 4.20 Hình 4.20 Hình 4.20 Hình 4.20 Tr ạng thái logic của vector chu7 n trong Sector 1

u1 u2 u7 u0 Pha a 1 1 1 0Pha b 0 1 1 0Pha c 0 0 1 0




Như vậ y, nế u tr ạng thái cuố i cùng của chu k ỳ tr ướ c t ươ ng & ng vớ i vector chu7 n u0 , thì

trình t ự thự c hiện để đảm bảo các van bán đẫ n trong mạch nghịch lư u ít chuyể n mạch nhấ tsN là: u0 . u1 . u2 . u7. Tr ạng thái cuố i cùng của chu k ỳ tr ướ c t ươ ng & ng vớ i vector

chu7 n u7 , thì trình t ự thự c hiện để đảm bảo các van bán đẫ n trong mạch nghịch lư u ít

chuyể n mạch nhấ t sN là: u7 . u2 . u1 . u0. Ta có m<u xung đ*a ra trong sector 1 đ*8 c

ch) ra trên Hình 4.21. B?ng cách đ*a ra m<u xung Hình 4.21 cho phép ta gi+m các thànhph$n hài b-c cao do chuyển m%ch gi:a các van đ*8 c l>p l%i trong 1 chu kB trích m<u, các

thành ph$n hài sau phép điều chế sH có t$n số là .2h s

f k f = (vớ i1

s

s

f T

= ) – điều chế đối

x0ng.


M ẫ u xung chu7 n trong Sector 1

TG m<u xung chu=n trong sector 1 Hình 4.21 ta tính đ*8 c hệ số điều chế c9a tGng vanbán d<n c9a m%ch ngh4ch l*u trong mDi chu kB điều chế. Đối vớ i ngh4ch l*u ngu'n áp bapha, ta ch) c$n tính đ*8 c hệ số điều chế cho nhóm van bán d<n # nhánh trên (S1, S3, S5) để đ*a vào kênh PWM c9a vi điều khiển. Còn tr%ng thái c9a nhóm nhánh van d*ớ i (S4, S6, S2)đ*8 c xác đ4nh d(a vào tr%ng thái nhóm nhánh van trên (S1, S3, S5).

0

0 1

0 1 2

24

24 2

24 2 2

a

b

c

d d

d d d

d d d d

=

= +

= + +

(4.37)

T*. ng t( th(c hiện theo nguyên t"c trên ta có m<u xung đ*a ra trong các sector còn l%i Hình 4.22 và b+ng tổng h8 p tính toán hệ số điều chế cho nhóm nhánh van trên c9a m%chngh4ch l*u trong mDi chu kB điều chế Bả ng 4.3.





Các mẫ u xung chu7 n đư a ra trong m] i sector

Bng 4.3 Bng 4.3 Bng 4.3 Bng 4.3 H ệ số đ iề u chế cho nhóm nhánh van của mạch nghịch lư u

Sector Thờ i gian đóng/cắt Sector Thờ i gian đóng/cắt

Sector1

d a = d 0 /2d b = d 0 /2 + d 1 d c = d 0 /2 + d 1 + d 2

Sector 4d a = d 0 /2 + d 1 + d 2

d b = d 0 /2 + d 1

d c = d 0 /2

Sector2

d a = d 0 /2 + d 1 d b = d 0 /2d c = d 0 /2 + d 1 + d 2

Sector 5d a = d 0 /2 + d 1

d b = d 0 /2 + d 1 + d 2

d c = d 0 /2

Sector3d a = d 0 /2 + d 1 + d 2 d b = d 0 /2

Sector 6 d a = d 0 /2d b = d 0 /2 + d 1 + d 2




d c = d 0 /2 + d 1 d c = d 0 /2 + d 1

Ngoài ra, trong một số 0ng d&ng ng*; i ta có thể sử dung ph*. ng pháp điều chế đ>cbiệt: Điều chế hai nhánh van, điều chế ng<u nhiên...[].

2 / 3dcU

/ 3dcU

/ 2dcU

Hình 4.23 Hình 4.23 Hình 4.23 Hình 4.23 Qu đạo vector đ iện áp theo phươ ng pháp đ iề u chế độ r ộng xung cho nghịch lư u ba

pha ngu(n áp

4.4.3 Kết qu' mô ph(ng ph&*ng pháp điều chế độ rộng xung cho ngh0chl&u ba pha

Tham số mô ph,ng s. đ' U dc = 500V, t+i c9a mDi pha m%ch ngh4ch l*u R= 5•, L =2mH (t+i đối x0ng, đấu hình sao), và biên độ điện áp đ)nh mDi pha là 200V. Theo (4.18) ta

tính đ*8 c hệ số điều chế cho mDi pha m%ch ngh4ch l*u.

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

t(s)

m

a. Hàm đ iề u chế nghịch lư u ba pha

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-600

-400

-200

0

200

400

600

t(s)

U a b ( V )

a. Điện áp dây đầu ra nghịch lư u ba pha




0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

t(s)

i S ( A )

a. Dòng đ iện đầu ra nghịch lư u ba pha d. Phân tích phổ dòng đ iện

Hình 4.24 Hình 4.24 Hình 4.24 Hình 4.24 K ế t quả mô phỏng vớ i phươ ng pháp đ iề u chế sinPWM

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.10.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

t(s) a. Hàm đ iề u chế nghịch lư u ba pha

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-600

-400

-200

0

200

400

600

t(s)

U a b ( V )

a. Điện áp dây đầu ra nghịch lư u ba pha

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

t(s)

i S a ( A )

a. Dòng đ iện đầu ra nghịch lư u ba pha d. Phân tích phổ dòng đ iện

Hình 4.25 Hình 4.25 Hình 4.25 Hình 4.25 K ế t quả mô phỏng vớ i phươ ng pháp đ iề u chế vector không gian




4.5 Bù th*i gian chết deadtime trong ngh0ch l&u ngu#n áp

4.6 Xây d$ng m!ch vòng dòng điện cho ngh0ch l&u ngu#n ápmột pha

4.6.1 Thiết kế bộ điều ch%nh dòng điện cho ngh0ch l&u ngu#n áp một pha

su L

u

S i

*s

i( )c

G s

si

( )PWM G s*s

u

Hình 4.26 Hình 4.26 Hình 4.26 Hình 4.26 S ơ đ( mạch đ iện thay thế mạch vòng dòng đ iện nghịch lư u ngu(n áp một pha

Ph*. ng trình cân b?ng điện áp s. đ' m%ch điện Hình 4.26

sS s L

diu Ri L u

dt = + + (4.38)

Ph*. ng trình (4.38) viết d*ớ i d%ng toán tử Laplace:

( ) ( )

( ) ( ) ( )

1 1

11

s

i

s L

i sG s

Lu s u s R Ts R s

R

= = =− +

+

(4.39)

Mô hình toán h/c khâu điều chế độ rộng xung PWM :

( ) ( )

( )2

*

1

12

sT s

s

PWM ss

u sG s e

T u ss

−

= = ≈

+ (4.40)

*si i

p

K K

s+

1

12

sT s

+

( )

1

1 R sT +

si

Lu

su*

su

Hình 4.27 Hình 4.27 Hình 4.27 Hình 4.27 Mô t ả toán h#c mạch vòng đ iề u khiể n dòng đ iện



4.6 Xây d(ng m%ch vòng dòng điện cho ngh4ch l*u ngu'n áp một pha 117

Tham số , p iK K c9a bộ điều ch)nh dòng điện có thể đ*8 c tổng h8 p theo ph*. ng pháp #

m%c 2.2. Tuy nhiên, m&c này ta có thể sử d&ng một ph*. ng pháp khác tổng h8 p tham số bộ điều ch)nh dòng điện sử d&ng tiêu chu=n tối *u module.Đối t*8 ng bộ điều khiển dòng điện:

( ) ( )( )( )

( )*

0

1 1/ 11

2 L

sdt

ss u s

i s RG s

T u s Tss=

= =+

+

(4.41)

Tuy nhiên, đối vớ i ngh4ch l*u ngu'n áp một pha l*8 ng đ>t dòng điện *si luôn thay đổi,

nếu sử d&ng cấu trúc điều khiển PI thì luôn t'n t%i sai lệch điều ch)nh. Vì v-y, c$n nghiênc0u một cấu trúc bộ điều ch)nh dòng khác (cấu trúc điều ch)nh kiểu cộng h*# ng PR) để gi+i quyết vấn đề này.

( ) 2 20

ic p

K sG s K

s ω = +

+ (4.42)

Ph*. ng th0c thiết kế bộ điều ch)nh này đ*8 c thiết kế trên miền t$n số, trên c. s# l(a

ch/n băng thông (bandwidth) cho hàm truyền hệ thống kín []. Thông th*; ng, băng thôngđ*8 c l(a ch/n trong kho+ng 10 l$n t$n số c. b+n và 1/10 t$n số phát xung vào m%chngh4ch l*u để đ+m b+o hệ thống có đáp 0ng động h/c đ9 nhanh và ổn đ4nh.

Hàm truyền kín m%ch vòng dòng điện

( )

( )( )

( )

( ) ( )

2 20

* 3 2 2 2 20 0 00

( )

L

p i p

PR

p i pu s

K s K s K i sG s

i s Ls K R s K L s K R

ω

ω ω ω =

+ += =

+ + + + + + (4.43)

( )( ) ( )

( ) ( ) ( )

22 2 2 20

2 222 2 2 2 2

0 0

i p

PR

i p

K K G j

K L K R

ω ω ω ω

ω ω ω ω ω

+ −=

+ − + + −

(4.44)

( )( )

( )

( )( )

2 20

2 2 2 20 0

arctan arctani

iPR

i p

L K K G j

K K R

ω ω ω ω ω

ω ω ω ω

− + ∠ = − − + −

(4.45)

Bướ c 1: Cho K i = 0, ph*. ng trình (4.44) đ*8 c viết l%i:

( )2 2( ) ( )

p

PR

p

K G j

L K Rω

ω =

+ + (4.46)

Nếu băng thôngbw

ω đ*8 c xác đ4nh thì hệ số pK đ*8 c xác đ4nh nh* sau để có hệ số suy

gi+m biên độ là -3dB ( hay ( ) 1 / 2PR bwG jω = ).

( )2 22 p bwK R L Rω = + + (4.47)

Bướ c 2: Đ*a thành ph$n tích phân vào biểu th0c biên độ

( )( ) ( )

2 22 20 2. 2. 2.

bw

p bw p bw

bw

i R K L K LK ω ω

ω ω ω

− = + + − −

(4.48)

Bướ c 3: Kh+o sát m%ch vòng dòng điện trên miền t$n số vớ i bộ điều ch)nh dòng điệnkiểu PR bù sóng hài b-c 1 (sóng c. b+n).




4.6.2 Ví d" về thiết kế m!ch vòng dòng điện cho ngh0ch l&u ngu#n áp mộtpha

4.7 Xây d$ng m!ch vòng dòng điện cho ngh0ch l&u ngu#n áp bapha

4.7.1 Thiết kế bộ điều ch%nh dòng điện cho ngh0ch l&u ngu#n áp ba pha

su L

u

S i

*si

( )cG s

si

( )SVM G s

*s

u

Hình 4.28 Hình 4.28 Hình 4.28 Hình 4.28 S ơ đ( mạch đ iện thay thế mạch vòng dòng đ iện nghịch lư u ngu(n áp ba pha

Ph*. ng trình cân b?ng điện áp m%ch điện t*. ng đ*. ng Hình 4.26

Sasa sa La

sbsb sb Lb

scsc sc Lc

diu Ri L u

dt

diu Ri L u

dt

diu Ri L u

dt

= + +

= + +

= + +

(4.49)

Ph*. ng trình (4.49) đ*8 c viết l%i trên hệ t/a độ t 5 nh 67 thông qua phép chuyển v4 t/aCLAKE.

ss s L

s

s s L

diu Ri L u

dt

di

u Ri L udt

α α α α

β

β β β

= + +

= + +

(4.50)

Ph*. ng trình (4.49) đ*8 c viết l%i trên hệ t/a độ quay dq (tốc độ quay b?ng tốc độ quayc9a vector dòng điện và điện áp), thông qua phép chuyển v4 t/a CLAKE và PARK.

sd sd sd s sq Ld

sq

sq sq s sd Lq

diu Ri L Li u

dt

diu Ri L Li u

dt

ω

ω

= + − +

= + + +

(4.51)



4.7 Xây d(ng m%ch vòng dòng điện cho ngh4ch l*u ngu'n áp ba pha 119

Hình 4.29 Hình 4.29 Hình 4.29 Hình 4.29 Biể u đ iện vector đ iện áp và dòng đ iện trên các hệ tr ục t #a độ

4.7.1.1 Thi ết k ề b ộ đ i ều ch ỉ nh dòng đ i ện trên h ệ t ọa độ t ĩ nh α_

Do l*8 ng đ>t dòng điện trên hệ t/a độ t 5 nh 67 có d%ng hình sin vớ i t$n số b?ngs

ω (t$nsố c. b+n dòng điện hình sin), ta sH sử d&ng cấu trúc điều ch)nh kiểu cộng h*# ng (PR) cót$n số cộng h*# ng 0 sω ω = để gi+i quyết vấn đề này.

( ) 2 20

ic p

K sG s K

s ω = +

+ (4.52)

Ph*. ng pháp tổng h8 p để tìm tham số , p i

K K giống nh* đối vớ i bộ điều ch)nh dòng

điện kiểu cộng h*# ng PR ngh4ch l*u ngu'n áp một pha (SH có hai kênh điều khiển dòng

điện t*.

ng0

ng vớ

i tG

ng thành ph$n dòng

điện trên h

ệ t/ađộ

t 5

nh67

). Cấu trúc b

ộ điều

ch)nh PR cho ngh4ch l*u ngu'n áp ba pha đ*8 c ch) ra trong Hình 4.30.

*su α

PR

PR SVM NLNA

si

Lu

‰`67s

i α

si β

si

*su β

su

*si α

*si β

si α

si β

Đl ‚‘[_ đ}ệ[

Hình 4.30 Hình 4.30 Hình 4.30 Hình 4.30 C ấ u trúc đ iề u khiể n dòng đ iện trên hệ t #a độ t nh α_

4.7.1.2 Thi ết k ề b ộ đ i ều ch ỉ nh dòng đ i ện trên h ệ t ọa độ quay dq

Bộ điều ch)nh PI đ*8 c thiết kế d(a trên mô hình dòng điện trên hệ t/a độ quay dq pt(3).Nếu đ>t ùd , ùq, ù0 là điện áp r. i trên cuộn c+m thì pt (3) đ*8 c viết l%i nh* sau:




sd d Ld sq

sq q Lq sd

u u u L i

u u u L i

ω

ω

= ∆ + −

= ∆ + +

(4.53)

Thành ph$n điện áp `ud , `uq sH đ*8 c bù b# i bộ điều ch)nh dòng điện kiểu PI:* *

* *

( - ) ( - )( - ) ( - )

d p sd sd i sd sd

q p sq Sq i sq sq

u K i i K i i dt

u K i i K i i dt

∆ = +

∆ = +

∫∫

(4.54)

Để tính tham số bộ điều ch)nh dòng ta b, qua tác động xen kênh dq và +nh h*# ngthành ph$n điện áp ,

Ld Lqu u – tác động này sH đ*8 c bù feedforward trong m%ch vòng điều

khiển dòng điện nh* Hình 4.31. Vì v-y, ta có mô hình đối t*8 ng điều ch)nh c9a m%chvòng dòng điện có hàm truyền đ. n gi+n nh* sau (tổng quát cho c+ thành ph$n dòng id , iq):

( ) ( )

( )*

1/

(1 )12

i

L

s

ss

i RG s

sT

s

T u ss

=

+

=

+

(4.55)

Trong đó:

sT Chu kB điều chế

LT H?ng số th; i đối t*8 ng trong m%ch vòng điều ch)nh dòng điện:

Hàm truyền ( )iG s có d%ng khâu quán tính b-c hai, áp d&ng tiêu chu=n tối *u độ l. n ta

tìm đ*8 c tham số cho bộ điều ch)nh dòng có cấu trúc PI (Đ4nh lý 2.40 [6]):

p

s

is

LK

T

R

K T

=

=

(4.56)

Gócs sdt θ ω = ∫ đ*8 c xác đ4nh đ4nh ph& thuộc vào 0ng d&ng c9a ngh4ch l*u ngu'n áp

ba pha. Đối vớ i 0ng d&ng nối l*ớ i, gócs

θ sH đ*8 c xác đ4nh tG thu-t toán vòng khóa pha

PLL. Đối vớ i 0ng d&ng ngh4ch l*u ngu'n áp làm việc độc l-p, gócs sdt θ ω = ∫ vớ i

sω là t$n

số c. b+n c9a điện áp đ$u ra m%ch ngh4ch l*u.



4.8 Bài t-p 121

*sq

i

sd i

sqi

*sd

u

*sd i

*squ

d u∆

qu∆

Ld u

Lqu

si

Lus

u

si α

si β

sisd i

sqi

*

su α

*

su β

Lu

1

s


C ấ u trúc đ iề u khiể n dòng đ iện trên hệ t #a độ quay dq

4.8 Bài t)p

Bài tập 1: Thiết kế bộ điều ch)nh cho m%ch vòng dòng điện c9a ngh4ch l*u độc l-pngu'n áp một pha có các tham số Bả ng 4.4, sử d&ng ph*. ng pháp điều chế đ. n c(c. Cấutrúc điều khiển đ+m b+o biên độ l*8 ng đ>t dòng điện thay đổi tG 20÷30A.

Bng 4.4 Bng 4.4 Bng 4.4 Bng 4.4 Tham số sơ đ( mạch lự c nghịch lư u ngu(n áp một pha

Điện áp một chiều đ>t vào m%ch ngh4ch l*u U dc = 300VT+i m%ch ngh4ch l*u R= 5•

L = 2mHT$n số phát xung m%ch ngh4ch l*u 5kHz

T$n số c. b+n đ$u ra m%ch ngh4ch l*u 50Hz

1. Sử d&ng cấu trúc bộ điều ch)nh kiểu PI.2. Sử d&ng cấu trúc bộ điều ch)nh kiểu cộng h*# ng PR.

3. Nh-n xét đánh giá kết qu+ thu đ*8 cBài tập 2: Thiết kế bộ điều ch)nh cho m%ch vòng dòng điện c9a ngh4ch l*u độc l-pngu'n áp ba pha có các tham số Bả ng 4.5, sử d&ng ph*. ng pháp điều chế vector khônggian. Cấu trúc điều khiển đ+m b+o biên độ l*8 ng đ>t dòng điện thay đổi tG 20÷30A.

Bng 4.5 Bng 4.5 Bng 4.5 Bng 4.5 Tham số sơ đ( mạch lự c nghịch lư u ngu(n áp một pha

Điện áp một chiều đ>t vào m%ch ngh4ch l*u U dc = 500VT+i m%ch mDi pha m%ch ngh4ch l*u (t+i cânb?ng, đấu hình sao)

R= 5• L = 2mH

T$n số phát xung m%ch ngh4ch l*u 5kHz

T$n số c. b+n đ$u ra m%ch ngh4ch l*u 50Hz

1. Sử d&ng cấu trúc bộ điều ch)nh kiểu cộng h*# ng PR trên hệ t/a độ t 5 nh




2. Sử d&ng cấu trúc bộ điều ch)nh kiểu PI trên hệ t/a độ quay dq, vớ i tốc độ quay b?ngt$n góc c. b+n đ$u ra m%ch ngh4ch l*u.

3. Nh-n xét đánh giá kết qu+ thu đ*8 c



5.1 Nh"c l%i kiến th0c về điều khiển số 123

5 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆNTỬ CÔNG SUẤT

Vớ i công nghệ chết t%o các IC bán d<n ngày càng hoàn ch)nh. Các IC analog đ*8 c cáchãng chế t%o sxn giúp ng*; i sử d&ng linh ho%t. Việc thiết kế hệ thống điều khiển analog làcách tốt nhất để ng*; i h/c hiển b+n chất v-t lý c9a các quá trình trong bộ biến đổi. Tuynhiên, công nghệ chế t%o các vi xử lý cFng ngày càng hoàn thiện, m# ra chân tr; i rộng m# cho các 0ng d&ng dung điều khiển số, đ>c biệt là cho các bộ biến đổi DC-DC vì số l*8 nglớ n c9a chúng trong th(c tế. ng d&ng vi xử lý trong điều khiển điện tử công suất mang l%i nh:ng *u thế sau:• Đa số các vi điều khiển dùng trong điều khiển có tích h8 P PWM điều khiển th; i gian

th(c. PWM có nhiều chế độ làm việc mang l%i tính linh ho%t rất cao cho ng*; i sử d&ng.Ng*; i dung có thể thay đổi t$n số PWM, l(a ch/n chế độ đ$u ra tích c(c cao, thấp (H,L),l(a ch/n chế độ trích m<u dòng điện, điện áp.

• Các quá trình tính toán có thể đ*8 c th(c hiện chính xác, không b4 “trôi” ho>c thayđổi theo nhiệt độ nh* trong m%ch analog.

• Tính chống nhiEu rất tốt nếu đ*8 c thiết kế đúng vì vi điều khiển ch) giao tiếp vớ i bênngoài qua m%ch đo đ$u vào và gửi xung điều khiển # đ$u ra.

• Có thể th(c hiện điều ch)nh ho>c thay đổi l*8 ng đ>t theo ch*. ng trình một cách dE dàng.

• Có kh+ năng qu+n lý toàn bộ hệ thống năng l*8 ng một cách hiệu qu+ vì ch*. ng trìnhqu+n lý tích h8 p trong vi điều khiển không c$n sử d&ng nhiều tài nguyên l"m. TG đó có thể

t%o ra hệ thống dE dung, thân thiện vớ i ng*; i sử d&ng.Nh:ng vấn đề khi thiết kế hệ thống điều khiển số:• C$n có kA năng thiết kế hệ thống điều khiển số. Biết cách gián đo%n hóa, biểu diEn

hệ thống qua phép biến đổi Z.• Có hiểu biết về vi xử lý, vi điều khiển. L(a ch/n hệ vi điều khiển phù h8 p và có kA

năng thiết kế trên vi điều khiển.• Có kh+ năng l-p trình. Khác vớ i hệ thống analog m%ch đ*8 c kiểu nghiệm b?ng các

phép đo d%ng sóng v-t lý dùng oxilograph, các hệ thống số c$n đ*8 c thử nghiệm b?ng cáchdebug c=n th-n để tránh nh:ng “lDi” không hiện ran gay.

Nh:ng hệ thống phát triển có tích h8 p trên mô ph,ng nh* MATLAB có thể tr8 giúp quá

trình thiết kế rất hiệu qu+. C$n ph+i n"m đ*8 c cách thiết kế d(a trên mô hình: Model basedesign, Hardware in loop simulation (mô ph,ng bao g'm m%ch ph$n c0ng).

5.1 Nhắc l!i kiến th,c về điều khiển số

5.1.1 Mô hình đối t&1ng trên miền gián đo!n z

Đối t*8 ng điều khiển đ*8 c mô t+ d*ớ i d%ng không gian tr%ng thái nh* sau:



5 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN T CÔNG SU!T 124

d

dt = +

xAx Bu (5.1)

Ph*. ng trình (5.1) đ*8 c viết l%i d*ớ i d%ng:

( )

dd

dd

t

t t

et

e t et

−

− −

− =

↔ =

A

A A

xAx Bu

x Bu (5.2)

Lấy tích phân (5.2) trong kho+ng tG 0 đến t ta có:

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

0

0

0 d

0 d

t

t

t t t

e t x e

t e x e

τ

τ

τ τ

τ τ

− −

−

= +

↔ = +

∫

∫

A A

AA

x Bu

x Bu

(5.3)

( )t x trong (5.3) là nghiệm c9a ph*. ng trình (5.1). Sử d&ng kết qu+ này, ta sH đi tìm

cách xây d(ng ph*. ng trình sai phân tG ph*. ng trình tr%ng thái (5.1) c9a đối t*8 ng điềukhiển. Gi+ thiết ma tr-n ,A B là h?ng số trong ph%m vi một chu kB trích m<u. Ph*. ng trìnhsai phân c9a đối t*8 ng điều khiển mô t+ nh* sau:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )1k T T kT T u kT + = + x G x H (5.4)

Trong đó: T – là chu kB trích m<u.Ta sử d&ng kết qu+ (5.3) để tìm ma tr-n ( )T G và ( )T H . Tr*ớ c hết, ta có tr%ng thái

x t%i th; i điểm ( )1k T + nh* sau:

( ) ( )

( ) ( )

( )( )1

1 1

0

1 0 dk T

k T k T k T e x e e

τ τ τ

+ + + − + = + ∫

A A Ax Bu (5.5)

Và tr%ng thái x t%i th; i điểm ( )kT nh* d*ớ i đây:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )

0

0 dkT

kT kT kT e x e e

τ τ τ −= + ∫A A Ax Bu (5.6)

Gi+ thiết đ%i l*8 ng đ$u vào mô hình ( )τ u đ*8 c đ*a tớ i qua một khâu trích m<u – gi:

ch-m và nh* v-y ( )τ u cFng là h?ng số trong một chu kB trích m<u. TG (5.5) và (5.6) ta có

( ) ( ) ( )

( )( )

( )111 d

k T

k T T

kT

k T e x kT e e τ τ τ

+ + − + = + ∫

AA Ax Bu (5.7)

Hay

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

0

0

1 d

1 d

T

T T t

T

T

k T e x kT e e kT t

k T e x kT e kT λ λ

−+ = +

↔ + = +

∫

∫

A A A

A A

x Bu

x B u

(5.8)

Trong đó: T t λ = − , ma tr-n ( )T G và ( )T H đ*8 c tính nh* sau:

( )

( ) ( )1

0 0d d

T

T T

T

T e

T e e eλ λ λ λ −

=

= = = −

∫ ∫

A

A A A

G

H B B A I B (5.9)



5.2 Hệ thống điều khiển số cho bộ biến đổi điện tử công suất 125

Theo ph*. ng pháp này T e

A đ*8 c khai triển tr(c tiếp thành chuDi lFy thGa.

( ) ( )2

02 !

v

T

v

T T e T

v

∞

=

= + + + = ∑A A AI A …

(5.10)

Vớ i chu kB trích m<u đ9 bé, lo%i b, các thành ph$n b-c cao, đ*8 c lấy xấp x):T

e T ≈ +A

I A (5.11)Đ$u ra ( ) y kT đ*8 c tính nh* sau:

( ) ( ) ( )kT kT u kT = +y Cx D (5.12)

S* d&ng (5.4), (5.12) để thu đ*8 c mô hình tr%ng thái gián đo%n c9a đối t*8 ng điều khiểncó d%ng tổng quát nh* d*ớ i đây:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

1k T k T u k

k k u k

+ = +

= +

x G x H

y Cx D (5.13)

Lấy biến đổi z c9a hệ ph*. ng trình sai phân (5.13).

( ) ( ) ( ) z z z u z= +x AX B

(5.14)

Để tìm hàm truyền coi điều kiện đ$u b?ng không:[ ] ( ) ( )

( ) [ ] ( )1

z z u z

z z u z−

− =

→ = −

I A x B

x I A B (5.15)

Đ$u ra viết l%i trên miền gián đo%n z:( ) ( ) ( ) z z u z= +y Cx D

(5.16)

TG (5.15), (5.16) hàm truyền gi:a đ$u ra ( ) zy và đ$u vào ( )u z

( ) ( )

( ) [ ]

1 zG z z

u z

−= = − +

yC I A B D

(5.17)

Không mất tính tổng quát (5.17) đ*8 c viết d*ớ i d%ng:

( )1 2

0 1 21 2

0 1 2

m

m

n

n

b b z b z b zG z

a a z a z a z

− − −

− − −

+ + + +=

+ + + +

⋯

⋯

(5.18)

5.2 Hệ thống điều khiển số cho bộ biến đổi điện tử công suất

Cấu trúc hệ thống điều khiển số điện tử công suất:





Hê thố ng đ iề u khiể n số cho thiế t bị biế n đổ i đ iện t ử công suấ t

5.3 Yêu cu về độ phân gi'i c2a A/D và khâu điều chế độ rộngxung

5.3.1 Độ phân gi'i c2a A/D

/

max /

2 A D

A D

n

V

max / A DV

/ 2 A Dn

Hình 5.2 Hình 5.2 Hình 5.2 Hình 5.2 Biể u dia n d ữ liệu vào ADC

/

max /

2 A D

A Dqn

U U = ∆ (5.19)

Trong đó: qU ∆ - Độ rộng l*8 ng tử.



5.3 Yêu c$u về độ phân gi+i c9a A/D và khâu điều chế độ rộng xung 127

max / A DU - Điện áp vào lớ n nhất cho phép c9a chuyển đổi ADC.

/ A Dn - Số bit dùng để biểu diEn kênh ADC

Để đ+m b+o:

0qU U ∆ < ∆

(5.20)

Trong đó: 0U ∆ - Độ thay đổi lớ n nhất c9a điện áp đ$u ra.TG (5.19), (5.20)

/

/

max / max / 0

0

22

A D

A D

n A D A D

n

U U U

U < ∆ ⇒ >

∆ (5.21)

Hay có thể viết l%i:

max / / 2

0

log A D A D

U n

U

>

∆ (5.22)

Nh* v-y độ phân gi+i nh, nhất c9a chuyển đổi ADC c$n có là:

( )max /

/ 20min log

A D A D

U

n U

= ∆ (5.23)

Ví d%:

max / 2,0 A D

V V =

0 03,3 2% 0,066 66V V V mV = ± ⇒ ∆ = =

/ 2

2,0log 5

0,066 A Dn

= = ⇒

c$n ADC 5bit

Vớ i 0 03,3 1% 0,033 33V V V mV = ± ⇒ ∆ = =

/ 6 A D

n = ⇒ c$n ADC 6 bit

5.3.2 Yêu cu độ phân gi'i DPWM

Hình 5.3 Hình 5.3 Hình 5.3 Hình 5.3 Ví d ụ dao động hệ số đ iề u chế




5.3.3 Đ#ng bộ gi3a th4i điểm trích m5u ADC và khung th4i gian điều chế độ rộng xung

Th; i điểm trích m<u đ/c ADC đ*8 c th(c hiện # chính gi:a th; i gian t on ho>c t off trongmDi chu kB điều chế.



5.4 Mô hình hóa khâu điều chế độ rộng xung 129

5.4 Mô hình hóa khâu điều chế độ rộng xung


Nguyên t " c thự c hiện ch& c n'ng đ iề u chế độ r ộng xung theo k : thuật số (DPWM)


Single update mode

Đối vớ i lấy Hình 5.5b ta có mô hình toán h/c gi:a đ$u vào và ra c9a khối DPWM :

( ) ( )

( )

ˆ

ˆ

ssDT

MOPWM

pk

u s eG s m s c

−

= =

(5.24)




Đối vớ i lấy Hình 5.5c ta có mô hình toán h/c gi:a đ$u vào và ra c9a khối DPWM :

( ) ( )

( )

( )1ˆ

ˆ

ss D T

MO

PWM

pk

u s eG s

m s c

− −

= =

(5.25)

Đối vớ i lấy Hình 5.5d ta có mô hình toán h/c gi:a đ$u vào và ra c9a khối DPWM :

( ) ( )( )

( ) ( )1 12 2ˆ 1ˆ 2

s sT T

s D s D MO

PWM

pk

u sG s e em s c

− − − + = = +

(5.26)

Hình 5.6 Hình 5.6 Hình 5.6 Hình 5.6 Double update mode

Đối vớ i lấy Hình 5.6 ta có mô hình toán h/c gi:a đ$u vào và ra c9a khối DPWM :

( ) ( )

( )

( )12 2

ˆ 1ˆ 2

s sT T sD s D

MO

PWM

pk

u sG s e e

m s c

− − − = = +

(5.27)

5.5 Thiết kế m!ch vòng điều ch%nh số

Có hai cách tiếp c-n khi thiết kế m%ch vòng điều ch)nh số:• Ph*. ng pháp thiết kế gián tiếp: Tr*ớ c hết ta sH thiết kế bộ điều ch)nh trên miền toán

tử Laplace ho>c tr(c tiếp tG hệ ph*. ng trình vi tích phân mô t+ đối t*8 ng, sử d&ng cácph*. ng pháp thiết kế tuyến (nh* đã có # các m&c tr*ớ c) ho>c ph*. ng pháp thiết phi tuyến.Sau khi có đ*8 c các bộ điều ch)nh, ta sH tìm cách xấp x) các bộ điều ch)nh để thu đ*8 cph*. ng trình sai phân cài đ>t vào vi điều khiển.

• Thiết kế tr(c tiếp: Để thiết kế hệ điều ch)nh số tr*ớ c hết ta c$n số đ*8 c mô hình giánđo%n c9a đối t*8 ng. Ph*. ng pháp đ*a ra mô hình gián đo%n (discrete time model) +nhh*# ng rất lớ n đến tính hiệu qu+ c9a quá trình thiết kế nh* độ ph0c t%p, độ chính xác cFngnh* đáp 0ng mong muốn c9a hệ thống. Ph*. ng pháp thiết kế này có *u điểm đ+m b+ođ*8 c độ d( tr: về pha, bang thông và đáp 0ng biến động tốt h. n so vớ i ph*. ng pháp thiếtkế gián tiếp.

5.5.1 Ph&*ng pháp thiết kế gián tiếp

Sử d&ng các ph*. ng pháp thiết kế trên miền liên t&c ta sH thu đ*8 c các bộ điều ch)nhtrên miền toán tử Laplace, sau đó sử d&ng các ph*. ng pháp xấp x) sau để thu đ*8 c bộ điềuch)nh trên miền z.



5.5 Thiết kế m%ch vòng điều ch)nh số 131

a. Ph*. ng pháp xấp x) tG toán tử Laplace sang miền gián đo%n z

Hình 5.7 Hình 5.7 Hình 5.7 Hình 5.7 Minh h#a các phươ ng pháp xấ p xỉ

Bng 5.1Bng 5.1Bng 5.1Bng 5.1

Các phươ ng pháp gián đ oạn

Ph*. ng pháp Mối quan hệ gi:a s và z Ph%m vi 0ng d&ng

Backward Euler1 z

s zT

−= 20

s

fud

f

f >

Forward Euler1 z

sT

−= 20s

fud

f

f >

Tustin2 1

1 z

sT z

−=

+ 10s

fud

f

f >

b. Ph*. ng pháp xấp x) ZOH: Giá tr4 trích m<u đ*8 c gi: nguyên đến th; i điểm trích m<umớ i (xấp x) hình ch: nh-t).

c. FOH: Nội suy tuyến tính gi:a hai giá tr4 trích m<uViệc xấp x) tG miền liên t&c sang miền gián đo%n sH đ*8 c hD tr8 th(c hiện d(a trên ph$n

mềm Matlab theo cú pháp: c2d(Gc(s),T S ,METHOD) để tìm đ*8 c hàm truyền gián đo%n( )cG z .

5.5.1.1 B ộ bi ến đổi ki ểu Buck

*ˆo

u( )c

G z ( )vd G sˆ

ou

d

Hình 5.8 Hình 5.8 Hình 5.8 Hình 5.8 M ạch vòng dòng đ iện sử d ụng bộ đ iề u chỉ nh số

B, qua +nh h*# ng c9a khâu trích m<u – gi: ch-m, hàm truyền bộ điều ch)nh ( )cG s có

cấu trúc nh* sau:

( )

1 1

1

L

z

c co

p

s

sG s G

s

ω

ω

ω

+ +

=

+

(5.28)

Sử d&ng lệnh c2d(Gc(s),T S ,METHOD) để tìm đ*8 c hàm truyền gián đo%n ( )cG z .




5.5.1.2 Ngh ị ch l ư u ngu ồn áp m ột pha

*ˆs

i( )c

G z1

Ls R+

d 2

dcU

ˆs

us

i

Hình 5.9 Hình 5.9 Hình 5.9 Hình 5.9 M ạch vòng đ iề u chỉ nh dòng đ iện thự c hiện b! ng k : thuật số

Xét ví d& thiết bộ điều ch)nh cho m%ch vòng dòng điện c9a ngh4ch l*u ngu'n áp mộtpha. Chúng ta sH tìm cách xấp x) để tìm đ*8 c hàm truyền đ%t c9a khâu điều chế độ rôngxung và khâu trE do tính toán bộ điều khiển.

Theo [], hàm truyền khâu DPWM đ*8 c mô t+ nh* sau:

( ) 2 1

1 2

sT s

DPWM

s

G s e

T s

−

= ≈

+

(5.29)

Do trE c9a vi điều khiển, nên giá tr4 tính toán # th; i điểm th0 k đến th; i (k +1) mớ i tácđộng đến đối t*8 ng diều khiển (ngh 5 a là trE một chu kB điều chế). Nh* v-y, ta có hàmtruyền mô t+ trE do vi điều khiển gây nên nh* sau:

( )1

1sT s

d

s

G s eT s

−= ≈+

(5.30)

TG ta có hàm truyền mô t+ trE do tính toán và khâu điều chế độ rộng xung nh* sau:

( )3

2 13

1 2

sT s

s

G s eT

s

−

= ≈

+

(5.31)

Kết h8 p mô hình dòng điện đ*8 c xây d(ng d(a trên ph*. ng trình cân b?ng điện áp c9angh4ch l*u ngu'n áp một pha, ta có m%ch vòng điều ch)nh dòng điện đ*8 c mô t+ trên miềntoán tử s nh* d*ớ i đây.

*s

ii

p

K K

s+

13

12

sT s

+

( )

1

1 R sT +

si

Lu

su*

su

Hình 5.10 Hình 5.10 Hình 5.10 Hình 5.10 M ạch vòng đ iề u chỉ nh dòng đ iện đượ c xấ p xỉ trên miề n liên t ục




5.5.2 Ph&*ng pháp thiết kế tr$c tiếp

5.5.2.1 B ộ bi ến đổi ki ểu Buck

*ˆou

( )cG z d sT

e−

( )vd G s

d sT e

−

( )vd G s( )WP M G s

1 z

− ( )vd G s( ) ZOH G s

ˆo

ud

( ) pG z

( ) pG z


M ạch vòng đ iề u chỉ nh cho bộ biế n đổ i Buck theo đ iện áp

Hàm truyền đối t*8 ng điều ch)nh điện áp đ*8 c chuyển sang miền gián đo%n:

( ) ( ) ( )d sT

p PWM vd G z Z e G s G s− = (5.32)

Hàm truyền ( )PWM G s coi nh* khâu trích m<u – gi: ch-m ZOH, nên (5.32) đ*8 c viết l%i:

( ) ( ) ( )1

s

d

sT sT

p vd

eG z Z e G s

s

−− −

=

(5.33)

M>t khác th; i gian trE do th(c hiện thu-t toán điều ch)nh là một chu kB trích m<u (ngh 5 alà tín hiệu điều khiển tính toán đ*8 c # th; i điểm th0 k thì đến th; i điểm th0 (k +1) mớ i tácđộng lên đối t*8 ng điều khiển, và trE do th(c hiện thu-t toán điều khiển

d sT T = ). Nên

(5.33) đ*8 c viết l%i:

( ) ( ) ( )1 11 vd

p

G sG z z z Z

s

− − = −

(5.34)

Tuy nhiên, th(c tế khi thiết kế bộ điều ch)nh thông th*; ng chúng ta sử d&ng ph$n mềmMatlab để tìm ra đ*8 c hàm truyền ( ) pG z theo các b*ớ c sau:

B*ớ c 1: Khai báo hàm truyền ( )d sT

vd e G s− theo cú pháp

sys = tf(num,den,'inputdelay',Td). Trong đó: num – là tử số c9a hàm truyền ( )vd G s ,den- là

m<u số c9a hàm truyền ( )vd G s .

B*ớ c 2: Hàm truyền ( ) pG z đ*8 c tìm theo cú pháp Gpz=c2d(sys,Ts,'zoh').

Ví d& cho bộ biến đổi có tham số # m&c , hàm truyền ( ) pG z tìm đ*8 c theo Script (ph$n

mềm Matlab) nh* sau:%Script tim ham truyen Gp(z)

Uin=28; %28V R=3;%3ohm




L=50e-6;% 50uH C=500e-6;% 500uF Ts=1/(100e+3);%100kHz Td=0; %khong co tre do tinh toan sys = tf(R*Uin,[R*L*C L R],'inputdelay',Td); Gpz=c2d(sys,Ts,'zoh');

Kết qu+ hàm truyền ( ) pG z tim đ*8 c nh* sau:

( ) 2

0.05586 0.051.989 0.9

734

593 p

z

z zG z

+

+

−= (5.35)

Sử d&ng công c& sisotool trong Matlab ta sH thiết kế hệ h# có d( tr: pha PM=400 và t$nsố c"t 10

c f kHz= . B?ng cách bổ sung thêm hai điểm không th(c (real zero), một điểm c(c

th(c (real pole), và một khâu tích phân. Tham số và cấu bộ bù đ*8 c tính nh* sau (do côngc& sisotool tính ra).

( ) ( ) ( )

( ) ( )

5.9861 - 0.9041 - 0.9687

- 0.05082 -1c

z zG z

z z= (5.36)

10-2

10-1

100

101

102

-270

-225

-180

-135

-90

-45

0

P.M.: 40.5 deg

Freq: 10.3 kHz

Frequency (kHz)

P h a s e ( d e g )

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

G.M.: 8.93 dB

Freq: 23.1 kHz

Stable loop

Open-Loop Bode Editor for Open Loop 1(OL1)


Hình 5.12 Hình 5.12 Hình 5.12 Hình 5.12 Đ( thị bode của hàm truyề n đạt ( ) ( )c pG z G z




5.5.2.2 M ạch vòng đ i ều ch ỉ nh dòng đ i ện ngh ị ch l ư u ngu ồn áp m ột pha

*ˆo

u( )cG z d sT

e−

( )G s

d sT e

−

( )G s( )WP M G s

1 z

− ( )G s( ) ZOH G s

ˆo

ud

( ) pG z

( ) pG z

Hình 5.13 Hình 5.13 Hình 5.13 Hình 5.13 M ạch vòng đ iề u chỉ nh dòng đ iện thự c hiện b! ng k : thuật số , a) M ạch vòng dòng đ iện,

b) M ạch đ iện t ươ ng đươ ng, c) M ạch đ iện t ươ ng đươ ng.

Hàm truyền đối t*8 ng điều ch)nh điện áp đ*8 c chuyển sang miền gián đo%n:

( ) ( ) ( )d sT

p PWM G z Z e G s G s− = (5.37)

M>t khác th; i gian trE do th(c hiện thu-t toán điều ch)nh là một chu kB trích m<u (ngh 5 alà tín hiệu điều khiển tính toán đ*8 c # th; i điểm th0 k thì đến th; i điểm th0 (k +1) mớ i tácđộng lên đối t*8 ng điều khiển, và trE do th(c hiện thu-t toán điều khiển

d sT T = ).

( ) ( ) ( )

1

pG z z Z H s G s−

=

(5.38)Trong đó hàm truyền c9a khâu trích m<u –gi: ch-m ZOH có d%ng:

( ) ( )1 ssT

e H s

s

−−= (5.39)

TG (5.38), (5.39) ta có:

( ) ( ) ( )1 11

p

G sG z z z Z

s

− − = −

(5.40)

Theo (4.39) hàm truyền đối t*8 ng c9a m%ch vòng điều ch)nh ngh4ch l*u ngu'n áp một

pha là ( )1 /

1

RG s

L s R

=

+

, thay vào (5.40) ta có:

( ) ( )1 11 11

1 p

G z z z Z L R

s s R

− −

= − +

(5.41)

Tuy nhiên, th(c tế khi thiết kế bộ điều ch)nh thông th*; ng chúng ta sử d&ng ph$n mềmMatlab vớ i đo%n Script d*ớ i đây để tìm ra đ*8 c hàm truyền ( ) pG z .

Kết qu+ hàm truyền ( ) p

G z %Script tim ham truyen Gp(z)

L=2e-3;% 2mH R=0.1;%0,1ohm




( ) 22 1

0.0995 0.09950.99 1 0.99 p

G z z z z z

−

−= =

− −(5.42)

Ts=2e-4;%200us (5kHz) Td=2e-4; sys = tf(1,[L R],'inputdelay',Td); Gpz=c2d(sys,Ts,'zoh');

a. Thiết kế b& điều ch*nh dòng điện cho đ/i tượ ng ( )PG z theo tiêu chu0n t/i ư umodule s/.

Tr*ớ c hết ta sH viết l%i (5.42) theo d%ng tổng quát nh* sau:

( ) ( )1 2 3

1 2 3 21

1

1

1P s

b z b z b zG z V z

a z

− − −

−

−

+ + +=

+ (5.43)

Trong đó:1 2 3

1

0

0.99

0.0995s

b b b

a

V

= = =

= − =

Theo [], l(a ch/n cấu trúc điều khiển dòng điện kiểu PI theo (5.44), ta sH áp d&ng tiêuchu=n tối *u module số ta có bộ tham số nh* sau:

( ) ( ) ( )1

111

1

1 1PI r r

d z z d G z V V

z z

−

−

++= =

− − (5.44)

Trong đó:

( )

1 1

1 2 3

0.99

1 3.3501

3 5 7 9r

s

d a

V V b b b

= = − = = + + +

b. Thiết kế b& điều ch*nh dòng điện cho đ/i tượ ng ( )PG z theo phươ ng pháp gán

điểm cự c

L(a ch/n cấu trúc bộ điều ch)nh kiểu PI theo (5.44), tG (5.42), (5.44) ta có ph*. ng trìnhđ>c tính ( ) N z .

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )21 1 2 30.99 1 0.0995

r N z z z z V z d z z z z z z= − − + + = − − − (5.45)

Trong đó: 1 2 3, , z z z là ba điểm c(c mong muốn (do ng*; i thiết kế l(a ch/n).

Ph*. ng trình (5.45) đ*8 c viết l%i (ta l(a ch/n 1 0.99d = và một điểm c(c 1 0.99 z = ):

( ) ( ) ( ) ( ) ( )22 3 2 30.99 0.0995 0.99r N z z z z V z z z z z z z= − − + = − − + + (5.46)

Ch/n 2,3 0.5 0.2 z j= ± ta sH tính đ*8 c 2.1106r V = .

5.5.2.3 B ộ đ i ều ch ỉ nh dòng đ i ện ngh ị ch l ư u ngu ồn áp m ột pha ki ểu deadbeat



5.6 Chu=n hóa bộ điều ch)nh 137

Hình 5.14 Hình 5.14 Hình 5.14 Hình 5.14 M ạch đ iện thay thế nghịch lư u ngu(n áp một pha

B, qua s&t áp trên điện tr# ( 0S

R ≈ ), ta có ph*. ng cân b?ng điện áp m%ch điện Hình

5.14

s

S L

di

L u udt = − (5.47)Áp d&ng công th0c (5.4), (5.9) ta có ph*. ng trình cân b?ng điện áp m%ch điện Hình

5.14 viết d*ớ i d%ng gián đo%n:

( ) ( ) ( ) ( )1 ss s s L

s

T i k i k u k u k

L+ = + −

(5.48)

Nhiệm v& bộ điều ch)nh dòng điện ph+i áp đ>t đ*8 c ( ) ( )*1s si k i k + = (ngh 5 a là, giá tr4

th(c ph+i bám theo giá tr4 đ>t sau đúng một chu kB trích m<u).

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

2 1 1 1

1 1

ss s s L

s

ss s s L L

s

T i k i k u k u k

LT

i k u k u k u k u k L

+ = + + + − +

= + + + − + − (5.49)

Gi+ thiết r?ng điện áp pha L

u là thành ph$n biến đổi ch-m (đây là tr*; ng h8 p phổ biến),

nên ta coi nh* ( ) ( )1 L Lu k u k + ≈ . Ph*. ng trình (5.49) đ*8 c viết l%i:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 2 2ss s s s L

s

Lu k u k i k i k u k

T + = − + + − +

(5.50)

Ở đây, ( )2s

i k + đ*8 c thay thế b# i ( )*s

i k (giá tr4 đ>t cho bộ điều ch)nh dòng điện).

Ph*. ng trình (5.50) dùng để xác đ4nh điện áp đ$u ra ngh4ch l*u # th; i điểm ( )1 sk T + (d( báo tr*ớ c một chu kB), và đ+m b+o dòng điện th(c sH bám theo dòng điện đ>t sau đúng haichu kB trích m<u.

( ) ( ) ( ) ( ) ( )*1 2ss s s s L

s

Lu k u k i k i k u k

T + = − + − +

(5.51)

Bộ điều ch)nh dòng điện đ*8 c th(c hiện theo (5.51) có tên g/i là bộ điều ch)nh dòngkiểu Deadbeat.

5.6 Chu6n hóa bộ điều ch%nh

Các thu-t toán điều khiển đ*8 c xây d(ng trong (m&c 3), (m&c 4) sH ch*a thể cài đ>t hayviết ch*. ng trình do biến còn ch0a th0 nguyên v-t lý. Để có thể cài đ>t thu-t toán vàoDSP, c$n thiết ph+i chu=n hóa thu-t toán. Nhiệm v& chu=n hóa, chuyển các biến sang d%ngkhông có th0 nguyên mà không làm sai ý ngh 5 a v-t lý ban đ$u c9a chúng, t%o điều kiện chocông tác l-p trình. Ngoài ra, DSP sử d&ng là lo%i dấu ph=y t 5 nh, nên tG tham số thu đ*8 csau khi chu=n hóa sH xác đ4nh đ*8 c c$n thiết ph+i tr*8 t v4 trí dấu ph+y bao nhiêu để đ+mb+o độ chính xác thu-t toán, việc tr*8 t dấu ph+y sH đ*8 c th(c hiện d(a trên th* viện toánh/c Iqmath() [].

Các giá tr4 th(c hiện chu=n hóa là d+i đo lớ n nhất do m%ch đo l*; ng quyết đ4nh (giớ i

h%n m%ch đo l*; ng), ví d& giớ i h%n m%ch đo l*; ng đ*8 c ch) ra trong Bả ng 5.2.




Bng 5.2 Bng 5.2 Bng 5.2 Bng 5.2 Giớ i hạn đại lượ ng chu7 n hóa theo mạch đ o lư% ng

Ký hiệu Giớ i h%n đo Ý ngh 5 aU dc_max 800V Điện áp một chiều lớ n nhất đ>t vào m%ch ngh4ch

l*u ngu'n áp.

I S_max 50A Biên độ dòng điện pha lớ n nhấtU S_max 350V Biên độ điện áp pha lớ n nhất

a). Hệ s/ điều chế ngh1ch lư u ngu(n áp m&t phaHệ số điều chế cho ngh4ch l*u ngu'n áp một pha đ*8 c xác đ4nh:

s

dc

um

U = (5.52)

Chu=n hóa (5.52) vớ i điện áp một chiều lớ n nhất đ>t vào m%ch ngh4ch l*u ngu'n ápU dc_max và điện áp pha lớ n nhất U s_max.

_max

_max

dsps s

dspdc dc

U um

U U

= (5.53)

b). Thuật toán điều chế vector không gian cho ngh1ch lư u ngu(n áp ba phaXét ví d& trong sector 1, tG (4.36) tính đ*8 c hệ số điều chế 1 2,d d cho hai vector chu=n

u1, u2.

1

2

12 1

3 31 13 3

2 21

0 0 33

s s

s sdc dc

u ud

u ud U U

α α

β β

− −

= =

(5.54)

Chu=n hóa (5.54) vớ i Điện áp một chiều lớ n nhất đ>t vào m%ch ngh4ch l*u ngu'n áp

U dc_max và điện áp pha lớ n nhất U s_max.

( )

_max1

_max

_max2

_max

1 3 32 2

13

s dsp dsp

s sdsp

dc dc

s dsp

sdsp

dc dc

U d u u

U u

U d d u

U u

α β

β

= −

−=

(5.55)

c).B& điều ch*nh điện dòng điện cho ngh1ch lư u ngu(n ápBộ điều ch)nh dòng điện cho ngh4ch l*u ngu'n áp một pha ho>c ngh4ch l*u ngu'n áp ba

pha đ*8 c th(c hiện trên hệ t/a độ quay dq (bao g'm 2 kênh điều ch)nh thành ph$n dòngđiện ,

sd sq

i i ) có cấu trúc kiểu PI đ*8 c viết d*ớ i d%ng:

( )*is p s s

K u K i i

s

= + −

(5.56)

Th(c hiện chu=n hóa lu-t điều ch)nh (5.56) vớ i giá tr4 dòng điện pha lớ n nhất I s_max vàđiện áp pha lớ n nhất U s_max



5.6 Chu=n hóa bộ điều ch)nh 139

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

_max *

_max

s_max *

_max

*

1

dsp p sdsp dsp

p s s

s

dspi cdsp dsp dsp

i i s s

s

dsp dsp dsp

sd p i

K U u k i k i k

I

K T U u k u k i k i k

I

i k u k u k

= − = − + −

= +

(5.57)

Trong đó:c

T là chu kB trích m<u th(c hiện thu-t toán (5.56).

d).B& điều ch*nh điện điện áp cho b& biến đ'i DC/DC kiểu Buck điều khiển theođiện áp

Công th0c (5.36) viết l%i d*ớ i d%ng tổng quát nh* sau:1 2

1 1 2 31 2

4 5 6

( )( )

( )c

Y k b b z b zG z

X k b b z b z

− −−

− −

+ += =

+ + (5.58)

TG (5.58) ta có ph*. ng trình sai phân nh* sau:

1 2 3 5 6

4 4 4 4 4

( ) ( ) ( 1) ( 2) ( 1) ( 2)b b b b b y k x k x k x k y k y k

b b b b b= + − + − − − − −

(5.59)

Hay viết g/n l%i :

1 2 3 4 5( ) ( ) ( 1) ( 2) ( 1) ( 2) y k c x k c x k c x k c y k c y k = + − + − − − − − (5.60)

Điện áp đ$u ra u đã đ*8 c chu=n hóa vớ i maxcU . Đ$u ra d không th0 nguyên nên

không c$n chu=n hóa. Vớ i maxcU là giá tr4 điện áp lớ n nhất mà m%ch đo có thể đo đ*8 c.

Ta có:

( ) ( ) ( )

( )( ) ( )

1 max 2 maxmax max

3 max 4 5max

1

21 2

c c

c c

c

c

u k u k d k c U c U

U U

u k c U c d k c d k

U

−= +

−+ − − − − (5.61)

TG ph*. ng trình trên ta thu đ*8 c ph*. ng trình sai phân bộ điều ch)nh sau khi chu=nhóa:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

1 max 2 max

3 max 4 5

. . 1

. 2 1 2

DSP DSP

c c

DSP

c

d k c U u k c U u k

c U u k c d k c d k

= + −

+ − − − − − (5.62)




TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Võ Minh Chính, Ph%m Quốc H+i, Tr$n Tr/ng Minh (2007) Điện t ử công suấ t , NXBKhoa h/c và KA thu-t.

[2] Ph%m Quốc H+i (2009) H ướ ng d ẫ n thiế t k ế Điện t ử công suấ t , NXB Khoa h/c và KA thu-t, 2009.

[3] Tr$n Tr/ng Minh (2009) Giáo trình Điện t ử công suấ t , NXB Giáo d&c.

[4] NguyEn Phùng Quang (2002) Truyề n động đ iện thông minh; Nhà xuất b+n Khoa h/cvà KA thu-t.

[5] NguyEn Phùng Quang (2206) Matlab&Simulink dành cho k : sư đ iề u khiể n t ự động;Nhà xuất b+n Khoa h/c và KA thu-t.

[6] NguyEn Doãn Ph*ớ c, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung (2008); Lý thuyế t đ iề ukhiể n tuyế n tính; In l$n th0 3, Nhà xuất b+n Khoa h/c và KA thu-t.

[7] Robert W. Erickson, Dragan Masksimovíc (2004) Fundamentals of Power

Electronic, Kluwer Academic Publishers.

[8] Ned Mohan (2003) First courses on power electronics and drives, Published byMNPERE.

[9] Remus Teodorescu, Marco Liserre, Pedro Rodríıguez (2011); Grid converters for

photovoltaic and wind power systems; 2011 John Wiley & Sons, Ltd.

[10] Simone Buso, Paolo Mattavelli (2006) Digital Control in Power Electronics,LECTURES ON POWER ELECTRONICS.

[11] J. F. Silva and S. F. Pinto (2011) Advanced Control of Switching Power Converters,pp. 1038-1058.

[12] Robert Sheehan () Understanding and applying current-mode control theory

[13] Các bài báo đăng trên t%p chí và hội th+o về l 5 nh v(c Điện tử công suất.

[123doc.vn] - power electronic control

Documents