Bài giảng môn học: Thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi điện tử công suất

Chia sẻ: Vũ Duy Hùng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:142

Thêm vào BST

Báo xấu

174
lượt xem 40
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bộ biến đổi điện tử công suất còn được gọi là bộ biến đổi tĩnh (static converter) để phân biệt với các máy điện truyền thống (electric machine) biến đổi điện dựa trên nguyên tắc biến đổi điện từ trường. Để tìm hiểu sâu hơn về vấn đề này mời các bạn cùng tìm hiểu "Bài giảng môn học: Thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi điện tử công suất".

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng môn học: Thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi điện tử công suất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN – BM. TỰ ĐỘNG HÓA XNCN Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH Hà Nội – Năm 2014
1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất 1 MỤC LỤC MỤC LỤC ........................................................................................................................ 1 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................................ 4 DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................ 5 DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................... 6 MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 11 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 12 1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất ........................... 12 1.2 Một số vấn đề về đóng/ngắt cho Tiristor ........................................................... 13 1.2.1 Quá trình mở Tiristor ................................................................................. 14 1.2.2 Quá trình khóa tiristor ................................................................................ 15 1.2.3 Các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển tiristor ......................................... 15 1.2.4 Mạch khuếch đại xung mở Tiristor ............................................................ 16 1.3 Một số vấn đề về điều khiển cho MOSFET, IGBT ........................................... 17 1.3.1 Phân tích quá trình mở/ khóa đối với MOSFET ........................................ 17 1.3.2 Phân tích quá trình mở/ khóa đối với IGBT............................................... 19 1.3.3 Mạch driver cho MOSFET và IGBT ......................................................... 20 2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ THUỘCEquation Chapter (Next) Section 1 ............................................................... 24 2.1 Driver cho hệ thống điều khiển các bộ biến đổi phụ thuộc ............................... 24 2.1.1 Khối đồng pha và tạo điện áp tựa .............................................................. 25 2.1.2 Khâu so sánh .............................................................................................. 27 2.1.3 Khâu tạo xung ............................................................................................ 28 2.1.3.1 Khâu tạo xung kép ............................................................................... 28 2.1.3.2 Khâu tạo xung chùm ............................................................................ 29 2.1.4 Khâu khuếch đại xung................................................................................ 30 2.1.5 Ví dụ về mạch driver cho hệ thống điều khiển nhiều kênh........................ 30 2.1.6 Sử dụng IC chuyên dụng làm driver cho chỉnh lưu phụ thuộc .................. 32 2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển vòng kín cho chỉnh lưu tiristor............................ 35 2.2.1 Mô hình hóa khối điều chế độ rộng xung .................................................. 35 2.3 Kết quả mô phỏng ............................................................................................. 38 2.3.1 Chỉnh lưu cầu một pha ............................................................................... 38 2.3.2 Chỉnh lưu cầu ba pha ................................................................................. 39 2.3.2.1 Điều khiển vòng hở .............................................................................. 39 2.3.2.2 Điều khiển vòng kín ............................................................................. 40 2.4 Bài tập ................................................................................................................ 41 3Equation Chapter 1 Section 1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC . 44 3.1 Phương pháp mô hình hóa bộ biến đổi kiểu DC/DC ......................................... 44 3.1.1 Phương pháp trung bình không gian trạng thái .......................................... 44 3.1.2 Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt .............................................. 46 3.2 Mô hình toán học bộ biến đổi kiểu buck ........................................................... 49 3.2.1 Phương pháp trung bình không gian trạng thái .......................................... 49 3.2.2 Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt .............................................. 52 3.3 Mô hình toán học bộ biến đổi kiểu boost .......................................................... 53
2 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 3.3.1 Phương pháp trung bình không gian trạng thái .......................................... 53 3.3.2 Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt .............................................. 55 3.4 Mô hình toán học bộ biến đổi kiểu buck – boost............................................... 57 3.4.1 Phương pháp trung bình không gian trạng thái .......................................... 57 3.4.2 Phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt .............................................. 59 3.5 Mô hình bộ biến đổi DC/DC làm việc trong chế độ dòng điện gián đoạn (DCM) 59 3.5.1 Mô hình trung bình .................................................................................... 59 3.6 Phương pháp điều khiển tuyến tính cho bộ biến đổi DC/DC ............................ 63 3.6.1 Nguyên lý điều khiển điện áp (Voltage mode) .......................................... 63 3.6.2 Nguyên lý điều khiển dòng điện (Current mode) ...................................... 63 3.6.2.1 Mô hình bộ biến đổi DC/DC điều khiển theo nguyên lý dòng điện .... 64 3.6.3 Nhắc lại một số kiến thức về lý thuyết điều khiển tự động........................ 66 3.6.4 Một số bộ bù sử dụng trong cấu trúc điều khiển DC/DC converter .......... 68 3.6.5 Tuyến tính hóa khâu điều chế độ rộng xung .............................................. 73 3.7 Cấu trúc điều khiển tuyến tính cho bộ biến đổi kiểu buck ................................ 74 3.7.1 Điều khiển trực tiếp .................................................................................... 74 3.7.2 Điều khiển gián tiếp ................................................................................... 80 3.7.2.1 Điều khiển theo nguyên lý dòng điện trung bình ................................. 80 3.7.2.2 Điều khiển theo nguyên lý dòng điện đỉnh .......................................... 83 3.8 Bộ biến đổi kiểu boost ....................................................................................... 83 3.8.1 Điều khiển trực tiếp .................................................................................... 83 3.8.2 Điều khiển gián tiếp ................................................................................... 86 3.9 Bài tập ................................................................................................................ 89 3.10 Bộ biến đổi PFC ................................................................................................ 90 3.10.1 Sơ đồ mạch lực........................................................................................... 90 3.10.2 Cấu trúc điều khiển bộ biến đổi PFC ......................................................... 91 3.10.2.1 Thiết kế mạch vòng dòng điện ........................................................... 91 3.10.2.2 Thiết kề mạch vòng điện áp ............................................................... 92 3.10.3 Bài tập ........................................................................................................ 92 4Equation Chapter (Next) Section 1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU ĐỘC LẬP 94 4.1 Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi nghịch lưu độc lập ................................................ 94 4.2 Mô tả toán học nghịch lưu áp ............................................................................ 94 4.2.1 Mô tả toán học nghịch lưu nguồn áp một pha............................................ 94 4.2.2 Mô tả toán học nghịch lưu nguồn áp ba pha .............................................. 96 4.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu một pha .......................... 98 4.3.1 Phương pháp điều chế hai cực ................................................................... 98 4.3.2 Phương pháp điều chế đơn cực .................................................................. 99 4.3.3 Kết quả mô phỏng phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu một pha ............................................................................................................ 102 4.4 Phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha........................... 104 4.4.1 Phương pháp Sin PWM ........................................................................... 104 4.4.2 Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) .................................... 105 4.4.2.1 Khái niệm vector không gian ............................................................. 105 4.4.2.2 Phương pháp điều chế vector không gian .......................................... 106 4.4.3 Kết quả mô phỏng phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha ............................................................................................................ 114 4.5 Bù thơi gian chết deadtime trong nghịch lưu nguồn áp................................... 116 4.6 Xây dựng mạch vòng dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp một pha ............... 116
1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất 3 4.6.1 Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp một pha ...... 116 4.6.2 Ví dụ về thiết kế mạch vòng dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp một pha .................................................................................................................. 118 4.7 Xây dựng mạch vòng dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp ba pha.................. 118 4.7.1 Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện cho nghịch lưu nguồn áp ba pha ........ 118 4.7.1.1 Thiết kề bộ điều chỉnh dòng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ .................... 119 4.7.1.2 Thiết kề bộ điều chỉnh dòng điện trên hệ tọa độ quay dq .................. 119 4.8 Bài tập .............................................................................................................. 121 5 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SỐ CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤTEquation Chapter (Next) Section 1 ................................................................ 123 5.1 Nhắc lại kiến thức về điều khiển số ................................................................. 123 5.1.1 Mô hình đối tượng trên miền gián đoạn z ................................................ 123 5.2 Hệ thống điều khiển số cho bộ biến đổi điện tử công suất .............................. 125 5.3 Yêu cầu về độ phân giải của A/D và khâu điều chế độ rộng xung .................. 126 5.3.1 Độ phân giải của A/D............................................................................... 126 5.3.2 Yêu cầu độ phân giải DPWM .................................................................. 127 5.3.3 Đồng bộ giữa thời điểm trích mẫu ADC và khung thời gian điều chế độ rộng xung ................................................................................................. 128 5.4 Mô hình hóa khâu điều chế độ rộng xung ....................................................... 129 5.5 Thiết kế mạch vòng điều chỉnh số ................................................................... 130 5.5.1 Phương pháp thiết kế gián tiếp................................................................. 130 5.5.1.1 Bộ biến đổi kiểu Buck ........................................................................ 131 5.5.1.2 Nghịch lưu nguồn áp một pha ............................................................ 132 5.5.2 Phương pháp thiết kế trực tiếp ................................................................. 133 5.5.2.1 Bộ biến đổi kiểu Buck ........................................................................ 133 5.5.2.2 Mạch vòng điều chỉnh dòng điện nghịch lưu nguồn áp một pha ....... 135 5.5.2.3 Bộ điều chỉnh dòng điện nghịch lưu nguồn áp một pha kiểu deadbeat 136 5.6 Chuẩn hóa bộ điều chỉnh ................................................................................. 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 140 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 141
4 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các chữ viết tắt Chữ viết tắt Ý nghĩa PWM ĐCX Điều chế xung cho chỉnh lưu Tisitor Các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa uo, Uo V Điện áp trung bình và xác lập đầu ra bộ biến đổi DC/DC uo * V Lượng đặt điện áp đầu ra bộ biến đổi DC/DC uin, Uin V Điện áp trung bình và xác lập đầu vào bộ biến đổi DC/DC uC, UC V Điện áp trung bình và xác lập trên tụ C iL, IL V Dòng điện trung bình và xác lập chảy qua cuộn cảm L iL* A Lượng đặt dòng điện qua cuộn cảm bộ biến đổi DC/DC d, D Hệ số điều chế và giá trị xác lập của nó iˆ A Biến thiên tín hiệu nhỏ dòng điện quanh điểm làm việc xác lập uˆ V Biến thiên tín hiệu nhỏ điện áp quanh điểm làm việc xác lập d ˆ A Biến thiên tín hiệu nhỏ hệ số điều chế quanh điểm làm việc xác lập Tx s Chu kỳ điều chế T s Chu kỳ điện áp lưới s Toán tử Laplace p Hệ số đập mạch điện áp ra của bộ chỉnh lưu α Rad Góc mở Tiristor L H Giá trị cuộn cảm C F Giá trị tụ điện ud V Giá trị trung bình điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu Tiristor udk V Điện áp điều khiển bộ chỉnh lưu Tiristor
1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất 5 DANH MỤC BẢNG B ng 5.1 Các phương pháp gián đoạn............................................................ 131
6 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống điều khiển điện tử công suất tiêu biểu .............................................. 12 Hình 1.2 So sánh tương đối về các phần tử van bán dẫn ................................................. 13 Hình 1.3 Đặc tính von-ampe của tiristor ......................................................................... 13 Hình 1.4 Dạng điện áp và dòng điện của Tiristor trong quá trình đóng cắt .................... 15 Hình 1.5 Sơ đồ mạch nguyên lý tiêu biểu mở Tiristor, (a) dùng biến áp xung, (b) Dùng IC cách ly 16 Hình 1.6 Mạch điều khiển mở MOSFET ........................................................................ 17 Hình 1.7 Đồ thị dạng xung dòng điện, điện áp trên MOSFET (a) Quá trình điều khiển mở, (b) Quá trình điều khiển khóa ...................................................................................... 18 Hình 1.8 Sơ đồ thử nghiệm đặc tính đóng/mở IGBT ...................................................... 19 Hình 2.1 Cấu trúc của hệ thống driver cho các bộ biến đổi phụ thuộc............................ 24 Hình 2.2 Giới hạn góc điều khiển α. ............................................................................... 24 Hình 2.3 Điện áp tựa dạng răng cưa sườn xuống ............................................................ 26 Hình 2.4 Điện áp tựa dạng răng cưa sườn lên ................................................................. 26 Hình 2.5 Điện áp tựa dạng cosin ..................................................................................... 27 Hình 3.1 Mô tả bộ biến đổi DC/DC, a) mạch lực bộ biến đổi DC/DC, b) Mô hình bộ biến đổi DC/DC tại điểm xác lập, c) Mô hình trung bình bộ biến đổi DC/DC ................... 47 Hình 3.2 Mạng điện hai cửa, a) tín hiệu trung bình, b) Mạch điện điện tương đương được tuyến tính tại điểm làm việc cân bằng ........................................................................ 48 Hình 3.3 Mô hình trung bình bộ biến đổi DC/DC, a)Bộ biến đổi Buck, b)Bộ biến đổi Boost 49 Hình 3.4 Sơ đồ mạch điện bộ biến đổi kiểu buck (a), Sơ đồ mạch điện bộ biến đổi kiểu buck trong thái 1(b), Sơ đồ mạch điện bộ biến đổi kiểu buck trong thái 2 (c).................... 49 Hình 3.5 Mạch điện mô tả bộ biến đổi Buck với tín hiệu nhỏ......................................... 52 Hình 3.6 Sơ đồ mạch điện bộ biến đổi kiểu boost (a), Sơ đồ mạch điện bộ biến đổi kiểu boost trong thái 1(b), Sơ đồ mạch điện bộ biến đổi kiểu boost trong thái 2 (c) .................. 53 Hình 3.7 Mạch điện mô tả bộ biến đổi Boost với tín hiệu nhỏ........................................ 56 Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện bộ biến đổi kiểu buck - boost (a), Sơ đồ mạch điện bộ biến đổi kiểu buck - boost trong thái 1(b), Sơ đồ mạch điện bộ biến đổi kiểu buck - boost trong thái 2 (c) 57 Hình 3.9 Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi Buck ..................................................................... 60 Hình 3.10 Dạng điện áp và dòng điện bộ biến đổi Buck trong chế độ DCM .................... 60 Hình 3.11 Mạch điện tương đương bộ biến đổi Buck (DCM) với tín hiệu trung bình ..... 62
1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất 7 Hình 3.12 Mạch điện tương đương bộ biến đổi Buck (DCM) ở trạng thái xác lập........... 62 Hình 3.13 Cấu trúc điều khiển tuyến tính cho bộ biến đổi DC/DC, a) điều khiển trực tiếp (direct mode), b) điều khiển gián tiếp (indirect mode). ...................................................... 64 Hình 3.14 Minh họa đồ thị Bode của G ( jω ) [6].............................................................. 67 Hình 3.15 Đồ thị bode của bộ bù Lead có cấu trúc (3.94)................................................. 69 Hình 3.16 Đồ thị bode của bộ bù có cấu trúc (3.105) ........................................................ 71 Hình 3.17 Đồ thị bode của hàm bộ bù (3.108) .................................................................. 72 Hình 3.18 Cấu trúc điều khiển trực tiếp bộ biến đổi kiểu buck ......................................... 74 Hình 3.19 Đồ thị Bode của hàm truyền đạt (3.118)........................................................... 75 Hình 3.20 Đồ thị Bode của hàm truyền đạt (3.118) và bộ bù (3.94) ................................. 76 Hình 3.21 Đồ thị Bode của hàm truyền đạt (3.118) và bộ bù (3.124) ............................... 77 Hình 3.22 Cấu trúc để đánh giá ảnh hưởng điện áp đầu vào và đầu ra bộ biên đổi kiểu Buck 77 Hình 3.23 Kết quả mô phỏng Buck converter sử dụng bộ bù (3.94) ................................. 78 Hình 3.24 Kết quả mô phỏng Buck converter sử dụng bộ bù (3.124) khi điện áp nguồn có đập mạch với biên độ 1V, tần số 100Hz.............................................................................. 78 Hình 3.25 Kết quả mô phỏng Buck converter sử dụng bộ bù (3.124) ............................... 79 Hình 3.26 Kết quả mô phỏng Buck converter sử dụng bộ bù (3.124) khi điện áp nguồn có đập mạch với biên độ 1V, tần số 100Hz.............................................................................. 79 Hình 3.27 Cấu trúc điều khiển gián tiếp theo nguyên lý dòng điện trung bình bộ biến đổi kiểu buck 80 Hình 3.28 Đồ thị Bode của hàm truyền đạt (3.129).......................................................... 81 Hình 3.29 Đồ thị Bode của hàm truyền đạt (3.131).......................................................... 82 Hình 3.30 Kết quả mô phỏng Buck converter theo nguyên lý điều khiển dòng điện trung bình 82 Hình 3.31 Cấu trúc điều khiển gián tiếp theo nguyên lý dòng điện đỉnh bộ biến đổi kiểu buck 83 Hình 3.32 Kết quả mô phỏng Buck converter theo nguyên lý điều khiển dòng điện đỉnh` 83 Hình 3.33 Đồ thị Bode của hàm truyền đạt (3.138)........................................................... 84 Hình 3.34 Đồ thị Bode của hàm truyền đạt vòng hở (Gvd.Gc) ......................................... 85 Hình 3.35 Kết quả mô phỏng bộ Boost theo nguyên lý điều khiển điện áp ...................... 86 Hình 3.36 Cấu trúc điều khiển gián tiếp theo nguyên lý dòng điện đỉnh bộ biến đổi kiểu Boost 86 Hình 3.37 Đồ thị bode của hàm truyền đạt Gui ( s ) biến đổi kiểu Boost ........................... 87 Hình 3.38 Đồ thị bode của hàm truyền đạt Gui ( s ) và bộ bù (3.103) biến đổi kiểu Boost 88
8 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hình 3.39 Kết quả mô phỏng bộ biến đổi Boost theo nguyên lý điều khiển dòng điện đỉnh` 88 Hình 4.1 Sơ đồ mạch lực nghịch lưu độc lập kiểu nguồn áp, a) Một pha, b) Ba pha 94 Hình 4.2 Mô hình nghịch lưu nguồn áp một pha được mô tả bởi khóa chuyển mạch 95 Hình 4.3 Mô hình nghịch lưu nguồn áp ba pha được mô tả bởi khóa chuyển mạch 96 Hình 4.4 Giải pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu một pha, a) Điều chế lưỡng cực, b) Điều chế đơn cực ......................................................................... 98 Hình 4.5 Dạng sóng điện áp theo phương pháp điều chế hai cực, a) Sóng mang và tín hiệu điều khiển, b) Điện áp đầu ra mạch nghịch lưu ...................................... 99 Hình 4.6 Trạng thái mạch nghịch lưu theo phương pháp điều chế hai cưc ..... 99 Hình 4.7 Dạng sóng điện áp theo phương pháp điều chế đơn cực, a) Sóng mang và tín hiệu điều khiển, b) Điện áp đầu ra mạch nghịch lưu .......................... 100 Hình 4.8 Trạng thái mạch nghịch lưu trong phương pháp điều chế đơn cực 100 Hình 4.9 Biểu đồ vector của kỹ thuật điều chế vector đơn cực ..................... 101 Hình 4.10 Mẫu xung chuẩn đưa ra nghịch lưu một pha, a) nửa chu kỳ dương, b) nưa chu kỳ âm......................................................................................................... 102 Hình 4.11 Kết quả mô phỏng với phương pháp điều chế lưỡng cực ............... 103 Hình 4.12 Kết quả mô phỏng với phương pháp điều chế đơn cực .................. 104 Hình 4.13 Giải pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha ............... 104 Hình 4.14 Quỹ đạo vector không gian trên mặt phẳng αβ ............................... 106 Hình 4.15 Trạng thái mạch nghịch lưu nguồn áp tương ứng vector chuẩn ..... 108
1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất 9 Hình 4.16 Vị trí vector chuẩn trên hệ tọa độ tĩnh αβ ....................................... 109 Hình 4.17 Mối quan hệ giữa các sector và điện áp tức thời usa, usb, usc ........... 109 Hình 4.18 Thuật toán xác định vector điện áp đặt trong mỗi sector ................ 110 Hình 4.19 Vector điện áp được điều chế trong Sector 1 .................................. 110 Hình 4.20 Trạng thái logic của vector chuẩn trong Sector 1 ........................... 111 Hình 4.21 Mẫu xung chuẩn trong Sector 1 ...................................................... 112 Hình 4.22 Các mẫu xung chuẩn đưa ra trong mỗi sector ................................ 113 Hình 4.23 Quĩ đạo vector điện áp theo phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu ba pha nguồn áp.................................................................................... 114 Hình 4.24 Kết quả mô phỏng với phương pháp điều chế sinPWM ................. 115 Hình 4.25 Kết quả mô phỏng với phương pháp điều chế vector không gian .. 115 Hình Hình 4.26 Sơ đồ mạch điện thay thế mạch vòng dòng điện nghịch lưu nguồn áp một pha 116 Hình 4.27 Mô tả toán học mạch vòng điều khiển dòng điện ........................... 116 Hình 4.28 Sơ đồ mạch điện thay thế mạch vòng dòng điện nghịch lưu nguồn áp ba pha 118 Hình 4.29 Biểu điện vector điện áp và dòng điện trên các hệ trục tọa độ ....... 119 Hình 4.30 Cấu trúc điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ tĩnh αβ ..................... 119 Hình 4.31 Cấu trúc điều khiển dòng điện trên hệ tọa độ quay dq ................... 121 Hình 5.1 Hê thống điều khiển số ................................................................... 126 Hình 5.2 Biểu diễn dữ liệu vào ADC ............................................................. 126
10 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất 11 MỞ ĐẦU
12 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Như đã biết, các bộ biến đổi bán dẫn sử dụng các phần tử bán dẫn công suất như các khoá điện tử, dùng để nối tải vào nguồn theo những quy luật nhất định, trong những khoảng thời gian nhất định, nhờ đó mà biến đổi được các thông số của nguồn điện, đáp ứng các yêu cầu khác nhau của phụ tải cũng như các yêu cầu về điều chỉnh khác nhau. Các phần tử công suất đóng cắt các dòng điện, có thể rất lớn, hàng trăm đến hàng nghìn A, dưới điện áp có thể rất cao, từ vài chục đến vài trăm V, tuy nhiên lại được điều khiển bởi những dòng điện, điện áp rất nhỏ, tạo ra bởi những mạch điện tử công suất nhỏ thông thường. Ngoài ra quy luật đóng cắt của các phần tử công suất trong bộ biến đổi cũng hoàn toàn do các mạch điện tử xử lý tín hiệu tạo ra. Gọi là xử lý tín hiệu vì ở đây công suất hoàn toàn không có ý nghĩa gì, chỉ có giá trị, mức tín hiệu và hình dạng là cần thiết mà thôi. Vì vậy, hệ thống điều khiển đóng vai trò hết sức quan trọng trong đảm bảo sự hoạt động của 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 ứng dụng trong các lĩnh vực: bộ biến đổi nối lưới, bộ biến đổi làm việc với tải độc lập... được chỉ ra trên Hình 1.1 bao gồm: + Mạch phát xung mở van bán dẫn (driver). + Thực hiện chức năng điều chế, phân phối xung. + Thực hiện các bộ điều chỉnh trong mạch vòng kín. + Mạch đo lường và bảo vệ. + Hệ thống điều khiển cấp trên: Giám sát, đưa ra lượng đặt điều khiển. Hình 1.1 Hệ thống điều khiển điện tử công suất tiêu biểu
1.2 Một số vấn đề về đóng/ngắt cho Tiristor 13 Các van bán đẫn được sử dụng chia thành 2 loại chính: + Van bán dẫn chỉ điều khiển được quá trình đóng mà không điều khiển được quá trình ngắt (Tiristor). + Van bán dẫn điều khiển được cả quá trình đóng và quá trình ngắt: MOSFET, IGBT... Phạm vi ứng dụng của các van bán dẫn này cũng rất khác nhau phụ thuộc vào khả năng chịu điện áp và dòng điên. Hình 1.2 So sánh tương đối về các phần tử van bán dẫn 1.2 Một số vấn đề về đóng/ngắt cho Tiristor Tiristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp p-n J1, J2, J3. Tiristor có ba cực : anôt A, catôt K, cực điều khiển G. Đặc tính vôn-ămpe của một tiristor gồm hai phần Hình 1.3. Phần thứ nhất nằm trong góc phần thứ tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp UAK>0, phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp UAK
14 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Khi dòng vào cực điều khiển của tiristor bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển tiristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anôt-catôt. Khi điện áp UAK0, lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch anôt-catôt vẫn có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược. Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth,max, sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch anôt-catôt đột ngột giảm, dòng điện chạy qua tiristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài. Nếu khi đó dòng qua tiristor có giá trị lớn hơn một mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt, thì khi đó tiristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở điôt. Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dòng có thể có giá trị lớn nhưng điện áp rơi trên anôt-catôt thì nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện. Trường hợp có dòng điện vào cực điều khiển (IG>0) Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catôt quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uth.max. Điều này được mô tả trên Hình 1.3 bằng những đường nét đứt, ứng với các giá trị dòng điều khiển khác nhau, IG1, IG2, IG3,... Nói chung nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn. Tình hình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ không có gì khác so với trường hợp dòng điều khiển bằng 0. Tiristor có đặc tính giống như điôt, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạy qua theo một chiều, từ anôt đến catôt và cản trở dòng chạy theo chiều ngược lại. Tuy nhiên khác với điôt, để tiristor có thể dẫn dòng ngoài điều kiện phải có điện áp UAK>0 còn cần thêm một số điều kiện khác. Do đó tiristor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt với điôt là phần tử không điều khiển được. 1.2.1 Quá trình mở Tiristor Khi được phân cực thuận, UAK>0, tiristor có thể mở bằng hai cách. Thứ nhất, có thể tăng điện áp anôt-catôt cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất , Uth,max. Khi đó điện trở tương đương trong mạch anôt-catôt sẽ giảm đột ngột và dòng qua tiristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phương pháp này trong thực tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị Uth,max. Vả lại như vậy sẽ xảy ra trường hợp tiristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước. Phương pháp thứ hai, phương pháp được áp dụng thực tế, là đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catôt. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của tiristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anôt-catôt nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anôt-catôt lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì (Idt) thì tiristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển nữa. Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các tiristor bằng các xung
1.2 Một số vấn đề về đóng/ngắt cho Tiristor 15 dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà tiristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện. 1.2.2 Quá trình khóa tiristor Một tiristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa (điện trở tương đương mạch anôt- catôt tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị dòng duy trì, Idt. Tuy nhiên để tiristor vẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi điện áp anôt-catôt lại dương (UAK > 0) cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình. Khi tiristor dẫn dòng theo chiều thuận, UAK > 0, hai lớp tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân cực ngược. Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J1, J2, J3. Để khóa tiristor lại cần giảm dòng anôt-catôt về dưới mức dòng duy trì (Idt) bằng cách hoặc là đổi chiều dòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa anôt và catôt của tiristor. Sau khi dòng về bằng không phải đặt một điện áp ngược lên anôt-catôt (UAK < 0) trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian phục hồi (trr), chỉ sau đó tiristor mới có thể cản trở dòng điện theo cả hai chiều. Trong thời gian phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa catôt và anôt. Dòng điện ngược này di tản các điện tích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạp điện cho tụ điện tương đương của hai tiếp giáp J1, J3 được phục hồi. Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích cần được di tản ra ngoài cấu trúc bán dẫn của tiristor và nạp điện cho tiếp giáp J1, J3 đến điện áp ngược tại thời điểm đó. Hình 1.4 Dạng điện áp và dòng điện của Tiristor trong quá trình đóng cắt 1.2.3 Các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển tiristor Quan hệ giữa điện áp trên cực điều khiển và catôt (UGK) với dòng điện đi vào cực điều khiển (IG) xác định các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển tiristor. Với cùng một loại tiristor nhà sản xuất sẽ cung cấp một họ đặc tính điều khiển, ví dụ như ở trên Error! Reference source not found., trên đó có thể thấy được các đặc tính giới hạn về điện áp và dòng điện nhỏ nhất, ứng với một nhiệt độ môi trường nhất định mà tín hiệu điều khiển phải đảm bảo để mở được chắc chắn một tiristor. Dòng điều khiển đi qua tiếp giáp p-n giữa cực
16 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT điều khiển và catôt cũng làm phát nóng tiếp giáp này. Vì vậy tín hiệu điều khiển cũng phải bị hạn chế về công suất. Công suất giới hạn của tín hiệu điều khiển phụ thuộc độ rộng của xung điều khiển. Nếu tín hiệu điều khiển là một xung có độ rộng càng ngắn thì công suất cho phép có thể càng lớn. Yêu cầu về tín hiệu điều khiển tiristor [2]: + Đủ công suất thể hiện biên độ điện áp (UGK), dòng điện (IGK). + Độ rộng xung là một yêu cầu quan trọng để đảm bảo dòng IV vượt qua giá trị dòng duy trì Ih, để khi ngắt xung van vẫn giữ được trạng thái dẫn. Thực tế, độ rộng xung điều khiển chỉ cần cỡ 500µs là đảm bảo mở van với các dạng tải. + Có sườn xung dốc đứng để mở van chính xác vào thời điểm qui định, thường tốc độ tăng điện áp điều khiển phải đạt 10V/µs, tốc độ tăng dòng điều khiển 0,1A/µs. 1.2.4 Mạch khuếch đại xung mở Tiristor Hình 1.5 Sơ đồ mạch nguyên lý tiêu biểu mở Tiristor, (a) dùng biến áp xung, (b) Dùng IC cách ly Sơ đồ tiêu biểu của một mạch khuếch đại xung điều khiển tiristor được cho trên Hình 1.5. Sơ đồ Hình 1.5a được giải thích như sau: Khóa transistor T được điều khiển bởi một xung có độ rộng nhất định, đóng cắt điện áp phía sơ cấp biến áp xung. Xung điều khiển đưa đến cực điều khiển của tiristor ở phía bên cuộn thứ cấp. Như vậy mạch lực được cách ly hoàn toàn với mạch điều khiển bởi biến áp xung. Điện trở R hạn chế dòng qua transistor và xác định nội trở của nguồn tín hiệu điều khiển. Điôt D1 ngắn mạch cuộn sơ cấp biến áp xung khi transistor T khóa lại để chống quá áp trên T. Điôt D2 ngăn xung âm vào cực điều khiển. Điôt D3 mắc song song với cực điều khiển và có thể song song với tụ C có tác dụng giảm quá áp trên tiếp giáp G-K khi tiristor bị phân cực ngược. D1 ULN2803 G1 +E T1 1 6 FR107 D2 R3 R1 FR107 1k C1 D3 1k 102_2kV R2 10 5 K1 120R_2W EI_20 Rb Vb Q1
1.3 Một số vấn đề về điều khiển cho MOSFET, IGBT 17 Hình 1.6 Ví dụ một mạch khuếch đại xung thực tế mở Tiristor Bài tập: Tính chọn phần tử mạch KĐX Hình 1.5a cho một Tiristor với yêu cầu: 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 Giả sử ta xét quá trình mở MOSFET, làm việc với tải trở cảm, có điôt không. Đây là chế độ làm việc tiêu biểu của các khóa bán dẫn. Sơ đồ và đồ thị dạng dòng điện, điện áp của quá trình mở MOSFET được thể hiện trên Hình 1.7. Tải cảm trong sơ đồ thể hiện bằng nguồn dòng nối song song ngược với điôt dưới điện áp một chiều VDD. MOSFET được điều khiển bởi đầu ra của vi mạch DRIVER dưới nguồn nuôi VCC, nối tiếp qua điện trở RGext. Cực điều khiển có điện trở nội RGin. Khi có xung dương ở đầu vào của DRIVER ở đầu ra của nó sẽ có xung với biên độ VP đưa đến trở RGext. Hình 1.7 Mạch điều khiển mở MOSFET Như vậy UGS sẽ tăng với hằng số thời gian xác định bởi T1 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS + CGDl), trong đó tụ CGD đang ở mức thấp CGDl do điện áp UDS đang ở mức cao. Theo đồ thị, trong khoảng thời gian từ 0 đến t1, tụ (CGS + CDSl) được nạp theo quy luật hàm mũ tới giá trị ngưỡng UGS(th). Trong khoảng này cả điện áp UDS lẫn dòng ID đều chưa thay đổi. td(on) = t1 gọi là thời gian trễ khi mở. Bắt đầu từ thời điểm t1 khi UGS đã vượt qua giá trị ngưỡng, dòng cực máng ID bắt đầu tăng, tuy nhiên điện áp UDS vẫn giữ nguyên ở giá trị điện áp nguồn VDD. Trong khoảng t1 đến t2 dòng ID tăng tuyến tính rất nhanh, đạt đến giá trị dòng tải. Từ t2 trở đi, khi UGS đạt đến mức, gọi là mức Miller, điện áp UDS bắt đầu giảm rất nhanh. Trong khoảng từ t2 đến t4 điện áp UGS bị găm ở mức Miller, do đó dòng IG cũng có giá trị không đổi. Khoảng này gọi là khoảng Miller. Trong khoảng thời gian này dòng điều khiển là dòng phóng cho tụ CGD để giảm nhanh điện áp giữa cực máng và cực gốc UDS. Sau thời điểm t4 VGS lại tăng tiếp tục với hằng số thời gian T2 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS + CGDh) vì lúc này tụ CGD đã tăng đến giá trị cao CGDh. VGS sẽ tăng đến giá trị cuối cùng, xác định giá trị thấp nhất của điện áp giữa cực gốc và cực máng, VDS = IDS.RDS(on).
18 1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Trên đồ thị Hình 1.8a, A1 đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ (CGS + CGD) trong khoảng t1 đến t2, A2 đặc trưng cho điện tích nạp cho tụ CGD trong khoảng t2 đến t4. Nếu coi điôt không D không phải là lý tưởng thì quá trình phục hồi của điôt sẽ ảnh hưởng đến dạng sóng của sơ đồ như được chỉ ra trong Hình 1.8a, theo đó dòng ID có đỉnh nhô cao ở thời điểm t2 tương ứng với dòng ngược của quá trình phục hồi điôt D. Dạng sóng của quá trình khóa thể hiện trên Hình 1.8b. Khi đầu ra của vi mạch điều khiển DRIVER xuống đến mức không VGS bắt đầu giảm theo hàm mũ với hằng số thời gian T2 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS + CGDh) từ 0 đến t1, tuy nhiên sau thời điểm t3 thì hằng số thời gian lại là T1 = (Rdr + RGext + RGin).(CGS + CGDl). Từ 0 đến t1 là thời gian trễ khi khóa td(off), dòng điều khiển phóng điện cho tụ CGS và tụ CGD. Sau thời điểm t1 điện áp VSD bắt đầu tăng từ ID.RDS(on) đến giá trị cuối cùng tại t3, trong khi đó dòng ID vẫn giữ nguyên mức cũ. Khoảng thời gian từ t2 đến t3 tương ứng với mức Miller, dòng điều khiển và điện áp trên cực điều khiển giữ nguyên giá trị không đổi. Sau thời điểm t3 dòng ID bắt đầu giảm về đến không ở thời điểm t4. Từ t4 MOSFET bị khóa hẳn. Hình 1.8 Đồ thị dạng xung dòng điện, điện áp trên MOSFET (a) Quá trình điều khiển mở, (b) Quá trình điều khiển khóa Khi dẫn MOSFET thể hiện bởi tham số RDS(on) (điện trở DS khi dẫn).
1.3 Một số vấn đề về điều khiển cho MOSFET, IGBT 19 1.3.2 Phân tích quá trình mở/ khóa đối với IGBT Ta sẽ khảo sát quá trình mở và khóa một IGBT theo sơ đồ thử nghiệm cho trên hình 1.30. Trên sơ đồ IGBT đóng cắt một tải cảm có điôt không D0 mắc song song. IGBT được điều khiển bởi nguồn tín hiệu với biên độ VG, nối với cực điều khiển G qua điện trở RG. Trên sơ đồ Cgc, Cge thể hiện các tụ ký sinh giũa cực điều khiển và collector, emitter. Hình 1.9 Sơ đồ thử nghiệm đặc tính đóng/mở IGBT Quá trình mở IGBT diến ra rất giống với quá trình này ở MOSFET khi điện áp điều khiển đầu vào tăng từ không đến giá trị VG. Trong thời gian trễ khi mở td(on) tín hiều điều khiển nạp điện cho tụ Cge làm điện áp giữa cực điều khiển và emitter tăng theo quy luật hàm mũ, từ không đến giá trị ngưỡng VGE(th) (khoảng 3 – 5V), chỉ bắt đầu từ đó MOSFET trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở ra. Dòng điện giữa collector-emitter tăng theo quy luật tuyến tính từ không đến dòng tải I0 trong thời gian tr. Trong thời gian tr điện áp gữa cực điều khiển và emitter tăng đến giá trị VGE,Io, xác định giá trị dòng I0 qua collector. Do điôt D0 còn đang dẫn dòng tải I0 nên điện áp VCE vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn một chiều Vdc. Tiếp theo quá trình mở diễn ra theo hai giai đoạn, tfv1 và tfv2. Trong suốt hai giai đoạn này điện áp giữa cực điều khiển giữ nguyên ở mức VGE,Io (mức Miller), để duy trì dòng I0, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng của tụ Cgc. IGBT vẫn làm việc trong chế độ tuyến tính. Trong giai đoạn đầu diễn ra quá trình khóa và phục hồi của điôt D0. Dòng phục hồi của điôt D0 tạo nên xung dòng trên mức dòng I0 của IGBT. Điện áp VCE bắt đầu giảm. IGBT chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang vùng bão hòa. Giai đoạn hai tiếp diễn quá trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của collector, dẫn đến điện trở giữa collector-emitter về đến giá trị Ron khi khóa bão hòa hoàn toàn, VCE,on = I0Ron. Sau thời gian mở ton, khi tụ Cgc đã phóng điện xong điện áp giữa cực điều khiển và emitter tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ, với hằng số thời gian bằng CgeRG, đến giá trị cuối cùng VG. Tổn hao năng lượng khi mở được tính gần đúng bằng V I Qon = dc 0 ton (3.1) 2 Nếu tính thêm ảnh hưởng của quá trình phục hồi của điôt D0 thì tổn hao năng lượng sẽ lớn hơn do xung dòng trên dòng collector. Dạng điện áp, dòng điện của quá trình khóa thể hiện trên hình 1.32. Quá trình khóa bắt đầu khi điện áp điều khiển giảm từ VG xuống –VG. Trong thời gian thời gian trễ khi khóa td(off), chỉ có tụ đầu vào Cge phóng điện qua dòng điều khiển đầu vào với hằng số thời gian