Bài giảng Điều khiển số máy điện - Chương 5: Điều khiển số các bộ biến đổi công suất - Nguyễn Thanh Sơn
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.
32 trang |
Chia sẻ: Tiểu Khải Minh | Ngày: 20/02/2024 | Lượt xem: 47 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Bài giảng Điều khiển số máy điện - Chương 5: Điều khiển số các bộ biến đổi công suất - Nguyễn Thanh Sơn, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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
Các file đính kèm theo tài liệu này:
bai_giang_dieu_khien_so_may_dien_chuong_5_dieu_khien_so_cac.pdf