Bài giảng Điều khiển số máy điện - Chương 5: Điều khiển số các bộ biến đổi công suất - Nguyễn Thanh Sơn

1Chương 5. Điều khiển số các bộ biến đổi công suất 2 Giới thiệu  Các thiết bị điện tử công suất hay các bộ biến đổi công suất bao gồm 1. Các bộ biến đổi AC/DC, 2. Các bộ biến đổi DC/AC, 3. Các bộ biến đổi DC/DC, 4. Các bộ biến đổi AC/AC và AC/DC/AC. được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, thương mại và dân sự. 1 2 23 Giới thiệu  Từ đầu những năm 1960 đến cuối những năm 1970, các thiết bị điện tử công suất được điều khiển dựa trên lý thuyết điều khiển tương tự (analog control theory) với công nghệ phần cứng tích hợp tương tự.  Từ đầu những năm 1980 trở đi chất lượng điều khiển các thiết bị điện tử công suất được nâng cao đáng kể nhờ có các công nghệ điều khiển số triển khai trên các phần cứng xử lý số (digital processors): MCU, DSP, ARM,... 4 Giới thiệu  Từ đầu những năm 1990 các phương pháp điều khiển số hiện đại bao gồm điều khiển phi tuyến theo mô hình và điều khiển thông minh được ứng dụng phổ biến trong điều khiển thiết bị điện tử công suất.  Phân tích và mô phỏng quá trình làm việc của các thiết bị điện tử công suất cùng các bộ điều khiển đi kèm đóng một vai trò quan trọng trong quy trình thiết kế chính xác các hệ thống điện tử công suất. 3 4 35 Giới thiệu  Nội dung của chương này bắt nguồn từ nhu cầu phát triển và phân tích các thuật toán điều khiển số cho các thiết bị điện tử công suất bao gồm: 1. Điều khiển số tuyến tính một vào-một ra (SISO) 2. Điều khiển số phi tuyến một vào-nhiều ra (SIMO) 6 1. Phạm vi ứng dụng điều khiển số  Điều khiển điện tử công suất và truyền động điện  Điều khiển các hệ thống điện nhiệt, thủy lực, khí nén, máy gia công cắt gọt CNC.  Điều khiển tối ưu (điều khiển thông minh) về tiêu thụ năng lượng (BMS, nhà máy xử lý nước, nhà máy xi măng).  Điều khiển tự động (điều khiển thông minh) các phương tiện giao thông (máy bay, tàu thủy).  ... 5 6 47 2. Cơ sở lý thuyết của điều khiển số  Tín hiệu số và mã hóa  Các thiết bị lấy mẫu và giữ mẫu  Chuyển đổi tương tự sang số  Chuyển đổi số sang tương tự  Chuyển đổi dữ liệu: Giữ bậc không (ZOH)  Chuyển đổi dữ liệu: Giữ bậc nhất (FOH)  Chuyển đổi dữ liệu: Giữ bậc hai (SOH)  Biến đổi Laplace  Biến đổi z 8 2. Cơ sở lý thuyết của điều khiển số  Ánh xạ từ mặt phẳng p vào mặt phẳng z Mặt phẳng p (mặt phẳng s) Mặt phẳng z 7 8 59 2. Cơ sở lý thuyết của điều khiển số  Giữ bậc không (ZOH/Zero-Order Hold) 10 2. Cơ sở lý thuyết của điều khiển số Tham khảo: 1. D. Ibrahim, Microcontroller Based Applied Digital Control: Wiley, 2006. 2. F. L. Luo, H. Ye, and M. Rashid, Digital Power Electronics and Applications, Elsevier Academic Press, 2005. 9 10 611 3. Phân loại các bộ biến đổi AC/DC công suất  Các bộ biến đổi AC/DC nguồn dòng: chỉnh lưu điều khiển tiristo (phase-controlled rectifiers/SCR rectifiers).  Các bộ biến đổi AC/DC nguồn áp: Chỉnh lưu điốt một pha không hoặc có bù công suất phản kháng (Power Factor Correction) và bù méo hài dòng điện, chỉnh lưu cầu MOSFET-D hay IGBT-D có bù công suất phản kháng và bù sóng hài. 12 4. Phân loại tải của các bộ AC/DC công suất  Tải bậc nhất (First-Order Load)  Tải bậc nhất kết hợp với phần tử tích phân (First- Order Load with Integral Element) 11 12 713 4.1 Tải bậc nhất khi điều khiển vòng hở  Tải bậc nhất có dạng hàm truyền trong miền p như sau:      1 1 11 N pKG p p D p    (4.1) Từ phương trình đặc tính D(p) = 0 ta thấy hệ luôn ổn định vì có duy nhất một cực nằm bên trái mặt phẳng p. Cực có giá trị phần thực âm và được tính như sau: 1 1 1p    (4.2) 14 4.1 Tải bậc nhất khi điều khiển vòng hở  Ví dụ: Tải R-L là một tải bậc nhất         1 1 1 1 1/ 1 / 1 N pKRG p R pL p L R p D p        (4.3) Từ phương trình đặc tính D(p) = 0 ta thấy hệ luôn ổn định do có duy nhất một cực nằm bên trái mặt phẳng p (có giá trị phần thực âm). Cực được tính như sau: 1 1 1 Rp L     (4.4) 13 14 815 4.1 Tải bậc nhất khi điều khiển vòng hở  Dạng hàm truyền trong mặt phẳng z của tải bậc nhất: (4.5)    1 2 1 /T N zK zG z z e D z    Từ phương trình đặc tính D(z) = 0 ta thấy hệ có duy nhất một cực và luôn ổn định với mọi T (T>0) hay cực nằm trong vòng tròn đơn vị. Cực được tính như sau: 1/ 0 1 Tz e   (4.6) 16 4.1 Tải bậc nhất khi điều khiển vòng hở  Ví dụ hàm truyền ở dạng rời rạc của tải R-L có dạng như sau: (4.7)        1 2 1 / / / 1/ T T L R L z N zK zG z z e D zz e       Hệ có một cực được xác định như sau:  1 / // 0 1 T L RTz e e    (4.8) 15 16 917 4.2 Phần tử tích phân  Trong các ứng dụng công nghiệp các bộ biến đổi được nối với các tải là tải bậc nhất kết hợp một phần tử tích phân ví dụ như hệ truyền động một chiều. Thành phần tích phân có hàm truyền trong miền p như sau:   mm m KG p p  (4.9) 18 4.2 Phần tử tích phân  Ví dụ đối với động cơ điện một chiều hằng số tích phân là mô men quán tính J của động cơ 2 / 375m J GD   (4.10) 17 18 10 19 4.2 Phần tử tích phân  Hàm truyền trong mặt phẳng z của phần tử tích phân:   / m m m K zG z z T    Thông thường khoảng thời gian lấy mẫu phải nhỏ hơn hằng số thời gian tích phân mT  (4.11) (4.12) 20 5. Quy trình thiết kế bộ điều khiển số cho bộ biến đổi AC/DC công suất 1. Từ yêu cầu của tải (điện áp và dòng điện) chọn phương án cho mạch động lực, 2. Xác định loại tải, 3. Xây dựng mô hình thiết kế, phân tích và mô phỏng theo vòng hở để xác định các thông số cho bộ điều khiển vòng kín, 4. Thiết kế bộ điều khiển vòng kín, 5. Mô phỏng và phân tích hệ thống với các điều kiện làm việc khác nhau. 19 20 11 21 6. Tổng quan về các phần mềm mô phỏng điện tử công suất  Hiện tại có nhiều phần mềm mô phỏng điện tử công suất như PSPICE, CASPOC, SIMPLORER hay PESIM trong đó phần mềm PSPICE được sử dụng nhiều nhất do tính năng thân thiện với người sử dụng để phân tích các mạch điện tử tương tự công suất nhỏ.  Tuy nhiên, khi thiết kế các thuật toán điều khiển vòng kín các phần mềm này thiếu đi các công cụ mô phỏng mạnh cần thiết . 22 6. Tổng quan về các phần mềm mô phỏng điện tử công suất  Phần mềm Matlab/Simulink được sử dụng rộng rãi để mô phỏng động lực học của các hệ thống. Phần mềm này bao gồm nhiều chương trình chuẩn và các hộp công cụ như:  Hộp cung cụ nhận dạng hệ thống (system identification),  Thiết kế điều khiển phi tuyến (non-linear control design),  Logic mờ (fuzzy logic) hay mạng nơ ron (neural networks).  ... 21 22 12 23 6. Tổng quan về các phần mềm mô phỏng điện tử công suất  Các phiên bản mới của Matlab/Simulink còn tích hợp chức năng mô phỏng mạch điện và điện tử công suất qua hộp công cụ “SimPowerSystems”. Tuy nhiên, hộp công cụ này chỉ tốt cho các đồ hình điện tử công suất cơ bản và có tính demo (demonstration).  Đối với các đồ hình điện tử công suất mới, “SimPowerSystems” tạo nên quá nhiều vòng lặp đại số khi mô phỏng quá độ và do đó thời gian mô phỏng quá độ là chậm 24 6. Tổng quan về các phần mềm mô phỏng điện tử công suất  Hộp công cụ PLECS (Piece-wise Linear Electrical Circuit Simulation) là hộp công cụ chuyên cho mô phỏng nhanh các mạch điện và điện tử công suất trong Matlab/Simulink. Đây là một hộp công cụ “add- on” có nghĩa là không có sẵn trong các phiên bản của Matlab/Simulink. Hộp công cụ này được phát triển bởi Plexim, một công ty dịch vụ của Viện kỹ thuật liên bang Thụy Sĩ. 23 24 13 25 6. Tổng quan về các phần mềm mô phỏng điện tử công suất  PLECS có giao diện thân thiện với người sử dụng và có tốc độ mô phỏng nhanh do các mạch điện tử công suất được xây dựng dựa trên mô hình không gian trạng thái đóng cắt (Switched State-Space Models). Hơn thế nữa PLECS còn hỗ trợ tính toán tỏa nhiệt cho các van bán dẫn sử dụng mô hình mạch nhiệt. 26 6. Tổng quan về các phần mềm mô phỏng điện tử công suất Tham khảo: 1. Online, "Cadence PSpice A/D and Advanced Analysis " Cadence Design Systems, Inc 2009. 2. Online, "Caspoc-Power Electronics and Electrical Drives Modeling and Simulation Software," Caspoc Simulation Research 2009. 3. Online, "Simplorer-System Simulation Software for Multi-Domain Design," Ansoft 2009. 4. Online, "Power Electronics Simulation Software (PESIM)," Lab-Volt 2009. 5. Online, "Matlab/Simulink," Mathworks 2009. 6. Online, "PLECS - Simulation of Electric Circuits in MATLAB/Simulink," Plexim: www.plexim.com, 2009. 25 26 14 27 7. Điều khiển số các của bộ biến đổi AC/DC  Trong nhiều năm qua, các mạch điện tử công suất được phân tích và điều khiển với kỹ thuật điều khiển tương tự.  Các kết quả khả quan thu được làm nhiều người hiểu rằng mô hình của các bộ biến đổi công suất phải là mô hình tương tự.  Ngoài ra, nhiều người còn nghĩ rằng điện tử công suất đã trở thành một kiến thức xế chiều (sunset knowledge). 28 7. Điều khiển số các của bộ biến đổi AC/DC  Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu về điều khiển điện tử công suất hiện đại đã ứng dụng thành công lý thuyết điều khiển số vào trong điện tử công suất do đó đã đem đến một bức tranh hoàn toàn mới cho điện tử công suất khác hẳn với điều khiển tương tự truyền thống. 27 28 15 29 7. Điều khiển số các của bộ biến đổi AC/DC 30 7.1 Điều khiển số vòng hở các của bộ biến đổi AC/DC Một bộ biến đổi AC/DC được xem như là một phần tử trễ trong miền p. Thời gian trễ có thể xem như thời gian lấy mẫu T. Ví dụ chỉnh lưu điều khiển một pha nửa chu kỳ có T = 20 ms. Hàm truyền của chỉnh lưu điều khiển nửa chu kỳ là:   TpG p e (7.1)     1TpG z Z G z Z e z         (7.2) 29 30 16 31 7.1 Điều khiển số vòng hở các của bộ biến đổi AC/DC Kể từ những năm đầu của thập niên 1980, các bộ xử lý số (digital processors) được ứng dụng trong các nghiên cứu và công nghiệp mà ở đó các hệ thống cần phải có đáp ứng nhanh hơn (faster response). 32 7. Điều khiển số vòng hở các của bộ biến đổi AC/DC Khi đó mô hình toán học của bộ chỉnh lưu trong các hệ thống điều khiển số có thể xem như là một giữ bậc không (Zero-Order Hold/ZOH): 31 32 17 33 7.1 Điều khiển số vòng hở các của bộ biến đổi AC/DC Mô hình toán học của bộ biến đổi AC/DC trong các hệ thống điều khiển số là một giữ bậc không (Zero-Order Hold/ZOH) trong miền p có dạng như sau:   1G p p  (7.3)     1 1 zG z Z G p Z p z           (7.4) 34 7.1 Điều khiển số vòng hở các của bộ biến đổi AC/DC  Hàm truyền của bộ biến AC/DC với tải bậc nhất trong miền z:   1 2 /1 T K zzG z z z e           Hệ có hai cực: 1) cực thứ nằm trên vòng tròn đơn vị, 2) cực thứ hai nằm trong vòng tròn đơn vị. Kết luận: Hệ ở biên giới ổn định. 33 34 18 35 7. Điều khiển số vòng hở các của bộ biến đổi AC/DC  Hàm truyền của bộ biến đổi với tải bậc nhất với phần tử tích phân trong miền z: Hệ có ba cực: 1) cực thứ nằm trên vòng tròn đơn vị, 2) cực thứ hai nằm trong vòng tròn đơn vị và 3) cực thứ ba sẽ quyết định tính ổn định của hệ.   1 2 /1 / m T m K zK zzG z z z Tz e               36 8. Điều khiển số vòng kín các của bộ biến đổi AC/DC 35 36 19 37 8. Điều khiển số vòng kín các của bộ biến đổi AC/DC   / ee T K z G z z e    Hàm truyền cả hệ kín: 38 9.Điều khiển số các bộ biến đổi AC/DC nguồn dòng 37 38 20 39 9.Điều khiển số các bộ biến đổi AC/DC nguồn dòng 40 9.Điều khiển số các bộ biến đổi AC/DC nguồn dòng  Khối phát xung mở tiristo 39 40 21 41 9.Điều khiển số các bộ biến đổi AC/DC nguồn dòng (vòng hở) Ud (V) Id (A) 42 9.Điều khiển số các bộ biến đổi AC/DC nguồn dòng (vòng kín) 41 42 22 43 9.Điều khiển số các bộ biến đổi AC/DC nguồn dòng (vòng kín)  Bộ điều khiển PI dòng điện 44 9.Điều khiển số các bộ biến đổi AC/DC nguồn dòng (vòng kín) Ud (V) Id (A) 43 44 23 45 9.Điều khiển số các bộ biến đổi AC/DC nguồn dòng (hướng phát triển tiếp theo)  Nâng cao chất lượng điều khiển sử dụng các phương pháp điều khiển số phi tuyến (Fuzzy PID controllers, neural network-based controllers) 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Alpha(degrees) Id (A ) Id(alpha) R = 0,1 Ohm L = 0,05 H R = 0,2 Ohm L = 0,05 H R = 0,3 Ohm L = 0,05 HQuan hệ giữa dòng điện tải với góc mở của các tiristo 46 10 Điều khiển số các bộ biến đổi AC/DC nguồn áp 1. Chỉnh lưu cầu điốt một pha có bù công suất phản kháng và bù hài (Diode Rectifier with Power Factor Correction/PFC). 2. Chỉnh lưu cầu IGBTD hay MOFFETD một pha có bù công suất phản kháng và bù hài (H Bridge Rectifier with Power Factor Correction/PFC). 45 46 24 47 10.1 Điều khiển số bộ biến đổi AC/DC nguồn áp không có bù công suất phản kháng (Step-down AC/DC Converter) 48 10.1 Điều khiển số bộ biến đổi AC/DC nguồn áp không có bù công suất phản kháng (Step-down AC/DC Converter) 47 48 25 49 10.1 Điều khiển số bộ biến đổi AC/DC nguồn áp không có bù công suất phản kháng (Step-down AC/DC Converter) 50 10.2 Điều khiển số bộ biến đổi AC/DC nguồn áp có bù công suất phản kháng (Step-up AC/DC Converter-Diode Bridge) 49 50 26 51 10.2 Điều khiển số bộ biến đổi AC/DC nguồn áp có bù công suất phản kháng (Step-up AC/DC Converter-Diode Bridge) 52 10.2 Điều khiển số bộ biến đổi AC/DC nguồn áp có bù công suất phản kháng (Step-up AC/DC Converter-Diode Bridge) 51 52 27 53 10.3 Điều khiển số bộ biến đổi AC/DC nguồn áp có bù công suất phản kháng (Step-up AC/DC Converter-IGBT/MOSFET bridge) 54 10.3 Điều khiển số bộ biến đổi AC/DC nguồn áp có bù công suất phản kháng (Step-up AC/DC Converter-IGBT/MOSFET bridge) 53 54 28 55 10.3 Điều khiển số bộ biến đổi AC/DC nguồn áp có bù công suất phản kháng (Step-up AC/DC Converter-IGBT/MOSFET bridge) Bộ điều khiển PI số điện áp tải 56 10.3 Điều khiển số bộ biến đổi AC/DC nguồn áp có bù công suất phản kháng (Step-up AC/DC Converter-IGBT/MOSFET bridge) Bộ điều khiển trượt (Sliding Mode Controller) dòng điện xoay chiều đầu vào 55 56 29 57 10.3 Điều khiển số bộ biến đổi AC/DC nguồn áp có bù công suất phản kháng (Step-up AC/DC Converter-IGBT/MOSFET bridge) Điều khiển đóng mở các khóa bán dẫn 58 10.3 Điều khiển số bộ biến đổi AC/DC nguồn áp có bù công suất phản kháng (Step-up AC/DC Converter-IGBT/MOSFET bridge) 57 58 30 59 11 Điều khiển số thông minh Dùng các kỹ thuật của trí tuệ nhân tạo – Demo 1 – Demo 2 – Demo 3 – Demo 4 60 Kết luận  Điều khiển số nâng cao chất lượng các bộ biến đổi AC/DC công suất.  Điều khiển số dễ triển khai trên các bộ xử lý số khác nhau.  Điều khiển số dễ dàng giao tiếp-truyền thông với máy tính.  Điều khiển dùng các bộ xử lý số cho phép thực các thuật toán điều khiển số hiện đại. 59 60 31 61 Hướng phát triển tiếp theo  Điều khiển số phi tuyến các bộ biến đổi AC/DC  Điều khiển số thông minh các bộ biến đổi AC/DC 62 Câu hỏi ? 61 62 32 63 The End 63