Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
Mục lục
LƯU ĐỨC NGỌC - 20101941 1
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
LỜI MỞ ĐẦU
Nghịch lưu độc lập một pha là bộ biến đổi điện áp DC/AC có nhiệm vụ biến
dòng một chiều thành xoay chiều cung cấp cho tải hoặc lưới xoay chiều với hệ số
điều chế m được tính theo công thức m= U
AC
/U
DC
. Với điện áp xoay chiều đầu ra
luôn bé hơn điện áp đầu vào một chiều, do đó giá trị m luôn nằm trong khoảng
-1≤m≤1.
Dựa vào hệ số điều chế m này và nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu
độc lập cho ta có thể thiết kế bộ điều khiển mạch nghịch lưu nguồn áp một pha với
công suất yêu cầu mong muốn cho trước. Dưới đây theo yêu cầu của bài tập lớn
chúng ta sẽ đi thiết kế bộ điều khiển cho bộ “Nghịch lưu nguồn áp một pha với
công suất 2KW trong chế độ chỉnh lưu tích cực theo phương pháp đơn cực”.
Điều đó có nghĩa là ta sẽ phải điều khiển dòng điện xoay chiều đầu có biên độ cỡ
khoảng 6A và áp một chiều trên tụ cỡ khoảng 400VDC. Để làm được điều này
chúng ta sẽ thực hiện các bước của bài toán với nội dung như sau:
1. Tính chọn mạch lực
2. Thiết kế khâu điều chế độ rộng xung theo phương pháp đơn cực.
3. Tổng hợp mạch vòng dòng điện
4. Tổng hợp mạch vòng điện áp
5. Mô phỏng kiểm chứng
Do hạn chế của việc thực hiện bài tập lớn trong thời gian ngắn cùng với hiểu
biết hạn chế nên bài tập lớn chưa thể hoàn thành tốt nhất. Kính mong thầy giáo có
ý kiến để bài tập được hoàn thiện hơn.
Sinh viên

I A
U
= = =
Khi đó, giá trị dòng trung bình qua van bán dẫn,
max
3,125( )
2
p
v
I
I A= =
Chọn hệ số an toàn cho dòng là k=1,4.
I
Tmax
= I
vmax
x1,4=4,4
Chọn hệ số an toàn điện áp cho van
Giá trị điện áp max qua van:
Từ các thông số trên ta sử dung để chon van như sau:
Transistor: Với chế độ hoạt động van phải chịu đòn xấu xỉ 4,4 A và điện áp
480V nên chọn transistor với chế độ làm việc xung. Ta chọn van IGBT
FS10R06VL có các thông số theo bảng sau:
Tên U
cc
(V)
I
C
(A)
U

Amplitude = 1 Tương đương biên độ sóng sin =1
- Khâu phát xung răng cưa đối xứng.
Để tạo khâu này ta sử dụng khối Triagel với các giá trị được thiết lập như sau:
Time value = [0 1/Fs/4 3/Fs/4 1/Fs] trong đó là tần số xung răng cưa. như yêu cầu
đề bài ta chọn Fs= 5000.
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
Ouput value = [0 -1 1 0]. Tương đương biên độ chọn =1
- Khâu so sánh giá trị để tạo xung PWM.
Để lấy khâu so sánh đơn giản ta sử dụng một mạch Relational Operator trong
Math để thực hiện so sánh biên độ xung răng cưa và sóng sin.
Sau đó việc tạo khâu phát xung được mô phỏng trên Simulink như sau:
Hình 2: Mô phỏng khâu phát xung theo phương pháp đơn cực
Trong đó bộ Not có vai trò đảo ngược giá trị xung PWM trước khi đưa vào bộ
cộng để đưa ra giá trị Uab. Thực tế khi đưa vào van ta không cần sử dụng bộ này.
Đáp ứng đầu ra Scope có dạng như sau:
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10
-3
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Thoi gian (s)

0.6
0.7
0.8
0.9
1
Thoi gain (s)
Dien ap Ub0
Hình 5: Điện áp đầu ra U
b0
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10
-3
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Thoi gian (s)
Uab
Hình 6: Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu
3. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện cho bộ nghịch lưu độc lập.
Hình 7: Mô hình hóa mạch vòng dòng điện
Trên đây là mô hình thay thế mạch vòng dòng điện của bộ nghịch lưu áp một

R
-
= = =
Và mô hình toán học khâu điều chế độ rộng xung được viết như sau:
2
W
*
(s)
1
(s)
(s)
1
2
Ts
s
PM
s
s
u
G e
T
u
s
-
= = »
+
Trong đó T
s
= 1/F
s

là khâu tích
phân quán tính bậc 2. Do vậy ta thiết kế bộ điều khiển là khâu PI có hàm truyền
như sau:
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
1
i
I
R p
R
K
T s
G K
s T s
+
= + =
Trong đó
1
,T
P
I R
I I
K
T
K K
= =
Chọn T
I
= T= 0,02 để bù hằng số thời gian lớn. Với cách chọn này hàm truyền
hệ hở trở thành:
1/ 10

s
= +
= là bộ điều khiển PI cần tìm.
Mô phỏng trên Simulink với lượng đặt dòng điện là 6sin100пt.
Hình 9: Mô hình Simulink bộ điều khiển PI
Ta thu được kết quả đáp ứng đầu ra như sau:
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
Hình 9: Đáp ứng dòng điện đầu ra bộ điều khiển PI
Ta nhận thấy dòng điện đầu ra bám theo giá trị đặt, tuy nhiên bộ PI là không khả
thi trong thực tế vì đối với dạng đầu vào điều hòa dễ gây các phản ứng do khâu I
nên tạo ra sự sai lệch do vậy bộ điều khiển PR được đưa ra nhằm cải thiện vấn đề
này.
Bộ điều khiển cộng hưởng PR
Bộ điều khiển PI có nhược điểm là đối với dòng điện đặt i
s
*
luôn thay đổi thì
luôn tồn tại sai lệch tĩnh. Trong điều kiện này bộ điều khiển PR có thể giải quyết
được vấn đề này.
Cấu trúc bộ G
c
cho thấy bộ điều khiển này được thiết kế trên miền tần số, trên
cơ sở lựa chọn băng thông cho hàm truyền hệ kín. Thông thường chọn bằng 10 lần
tần số cơ bản và 1/10 tần số phát xung,
Hàm truyền hệ kín được viết lại như sau:
2 2
0
* 3 2 2 2
0 0
(s)

K K
i
G
i
K L
w w w
w
w w w w w
+ -
= =
é ù
+ - + + -
ë û
Hay :
2 2
0
2 2 2 2
0 0
( )
(j ) arctan arctan
( ) (K R)( )
i
i
PR
p P
L K
K
G
K
w w w

w
=
+ +
Với băng thông được xác định là 50Hz., thì việc xác định hệ số K
I
để có hệ số
biến đổi suy giảm là -3dB
Hay
(j ) 1/ 2
PR
G w =
Là :
- Tiếp theo ta đưa thành phần tích phân vào biểu thức biên độ:
2 2
2 2 2
w 0
w w
w
( )
(R K ) 2.( ) 2
b
I P b P b
b
K L K L
w w
w w
w
-
é ù
= + + - -

dd
có dạng:
trong đó T
s
là hằng số thời gian nhỏ và bằng
Khi đó hàm truyền đối tượng có dạng trong đó các tham số như sau:
và
Bộ điều khiển PI được tính theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng:
Với
Chọn a=2. Suy ra: và
Vậy bộ điều khiển PI điều khiển điện áp theo phương pháp tối ưu đối
xứng:
Mô phỏng với Matlab- Simulink ta thu được kết quả sau đây:
Hình 13: Mô hình Simulink mạch vòng điều khiển dòng điện
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7
Hình 14: Giá trị đặt và đáp ứng đầu ra điện áp trên tụ C.
Ta thấy kết quả thu được điện áp đặt 400 V thì giá trị đầu ra bám theo giá
trị đặt, tuy nhiên độ quá điều chỉnh lớn.
Bài tập lớn thiết kế hệ thống điện tử công suất Nhóm 7