Mô Hình Hóa và Thiết Kế Điều Khiển Bộ Biến Đổi Điện Tử Công Suất

Tài liệu nghiên cứu Mô hình hóa và thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi điện tử công suất trần trọng minh vũ hoàng, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Trần Trọng Minh
• Trường học: Viện Điện
• Chuyên ngành: Tự Động Hóa Công Nghiệp
• Đề tài: Mô Hình Hóa và Thiết Kế Điều Khiển Bộ Biến Đổi Điện Tử Công Suất
• Loại tài liệu: Lecture Notes
• Năm xuất bản: 2017

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
• 1.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất
• 1.2. Mạch phát xung điều khiển đóng mở van bán dẫn
• 1.2.1. Điều khiển mở cho Tiristor
• 1.2.2. Điều khiển đóng cắt cho MOSFET
• 1.2.3. Điều khiển đóng cắt cho IGBT
• 1.2.4. Mạch driver cho MOSFET và IGBT
• 1.3. Mục tiêu đặt ra trong thiết kế điều khiển các bộ biến đổi
• 1.4. Các loại hệ thống điều khiển
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM
• 2.1. Các dạng sơ đồ điều chế
• 2.2. Phân tích sóng hài dạng sóng điều chế PWM
• 2.3. Mô hình tín hiệu nhỏ AC cho PWM với tần số sóng mang không đổi
• 2.4. Mô hình tín hiệu nhỏ AC cho PWM với tần số sóng mang thay đổi
• 2.5. Điều chế PWM cho các bộ nghịch lưu
• 2.5.1. Điều chế PWM cho nghịch lưu một pha nửa cầu
• 2.5.2. Điều chế PWM cho nghịch lưu cầu một pha
• 2.5.2.1. Điều chế hai cực tính
• 2.5.2.2. Điều chế một cực tính (Phase shift modulation)
• 2.5.3. Thời gian chết trong chu kỳ điều chế
• 2.5.4. Phương pháp biến điệu độ rộng xung ứng dụng điều khiển số: PWM trích mẫu đều
• 2.6. Điều chế PWM cho nghịch lưu nguồn áp ba pha
• 2.6.1. Phương pháp sinPWM
• 2.6.2. Phương pháp điều chế vector không gian (SVM)
• 2.6.2.1. Thuật toán điều chế vector không gian
• 2.6.2.2. Mô phỏng phương pháp sinPWM và SVM
• 3. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN CHO CHỈNH LƯU TIRISTOR
• 3.1. Mạch tạo xung điều khiển các bộ biến đổi Tiristor
• 3.1.1. Nguyên lý tạo xung điều khiển cho bộ biến đổi Tiristor
• 3.1.2. Mạch tạo xung điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha
• 3.2. Mô hình hóa và tổng hợp mạch vòng dòng điện cho chỉnh lưu Tiristor
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI
• 4.1. Các phương pháp mô hình hóa bộ biến đổi bán dẫn công suất
• 4.2. Mô hình đóng cắt
• 4.2.1. Mô hình toán học
• 4.2.2. Mô hình đóng cắt cho các bộ biến đổi DC-DC
• 4.3. Mô hình trung bình cổ điển
• 4.3.1. Cơ sở toán học của mô hình trung bình
• 4.3.2. Tuyến tính hóa và mô hình trung bình tín hiệu nhỏ
• 4.3.3. Mô hình trung bình cho các bộ biến đổi DC-DC có tính tới tổn hao
• 4.3.3.1. Mô hình trạng thái trung bình cho Bộ biến đổi kiểu boost
• 4.3.3.2. Mô hình trung bình cho Bộ biến đổi kiểu buck
• 4.3.3.3. Mô hình trung bình cho Bộ biến đổi kiểu Buck- boost
• 4.3.4. Mô phỏng kiểm chứng các mô hình
• 4.3.4.1. Mô hình mô phỏng bộ biến đổi kiểu buck
• 4.3.4.2. Mô hình mô phỏng boost converter
• 5. CHƯƠNG 5: PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH PHẦN TỬ VÀ MẠNG ĐÓNG CẮT
• 5.1. Phương pháp trung bình phần tử đóng cắt
• 5.1.1. Sơ đồ tương đương bất biến của phần tử đóng cắt
• 5.1.2. Mô hình trung bình phần tử đóng cắt cho Bộ biến đổi kiểu buck
• 5.2. Phương pháp trung bình hóa mạng đóng cắt
• 5.2.1. Trung bình hóa mạng đóng cắt cho sơ đồ Bộ biến đổi kiểu boost
• 5.2.2. Trung bình hóa mạch đóng cắt cho Buck, Buck-boost
• 5.3. Hàm truyền cho bộ biến đổi có tính tới điện trở cuộn cảm rL và điện trở rESR của tụ
• 5.4. Hàm truyền có tính tới tổn hao trên van bán dẫn và điôt
• 5.5. Mô hình trung bình tính tới tổn hao do quá trình đóng cắt
• 6. CHƯƠNG 6: MÔ HÌNH TRUNG BÌNH TỔNG QUÁT
• 6.1. Mô hình trạng thái trung bình tổng quát và vectơ động
• 6.1.1. Khái niệm về phazor động
• 6.1.2. Phương trình với các biến động tín hiệu nhỏ
• 6.1.3. Liên hệ giữa phazor động và dạng sóng thực
• 6.2. Mô hình trung bình tổng quát
• 6.3. Mô hình trung bình tổng quát cho nghịch lưu nguồn áp một pha
• 6.3.1. Mô hình nghịch lưu nguồn áp cầu một pha xung chữ nhật
• 6.3.2. Mô hình nghịch lưu nguồn áp cầu một pha điều chế PWM
• 6.4. Mô hình trung bình tổng quát cho nghịch lưu ba pha
• 6.4.1. Sơ đồ chỉnh lưu kiểu Boost ba pha
• 6.4.2. Sơ đồ nghịch lưu ba pha nguồn áp
• 7. CHƯƠNG 7: MÔ HÌNH TRUNG BÌNH HẠ BẬC
• 7.1. Phương pháp giảm bậc phương trình trạng thái
• 7.2. Mô hình giảm bậc cho Bộ biến đổi kiểu boost trong chế độ DCM
• 7.3. Mô hình trung bình giảm bậc của bộ biến đổi DC-AC nối lưới
• 8. CHƯƠNG 8: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC
• 8.1. Nhắc lại một số kiến thức về lý thuyết điều khiển tự động
• 8.2. Điều khiển trực tiếp đầu ra
• 8.2.1. Cơ sở thiết kế cấu trúc điều khiển trực tiếp đầu ra
• 8.2.2. Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck
• 8.2.3. Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost
• 8.3. Điều khiển gián tiếp đầu ra – cấu trúc hai mạch vòng
• 8.3.1. Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck
• 8.3.2. Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost
• 8.4. Điều khiển bằng phương pháp phản hồi trạng thái áp đặt điểm cực
• 8.4.1. Các bước tiến hành thiết kế
• 8.4.2. Mô phỏng kiểm chứng thiết kế
• 8.5. Triển khai cấu trúc điều khiển DC/DC trong thực tế
• 8.5.1. Kỹ thuật điều khiển tương tự
• 8.5.2. Kỹ thuật điều khiển số
• 9. CHƯƠNG 9: ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC VÀ AC-DC
• 9.1. Đặc điểm và yêu cầu điều khiển cho các bộ biến đổi có khâu xoay chiều tần số thấp
• 9.2. Thiết kế điều khiển trên hệ tọa độ quay 0dq
• 9.2.1. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực
• 9.2.2. Xác định thông số các bộ điều chỉnh PI
• 9.2.3. Kết quả mô phỏng
• 9.2.4. Cấu trúc điều khiển nghịch lưu 3 pha làm việc độc lập
• 9.3. Các bộ điều chỉnh cộng hưởng
• 9.3.1. Khái niệm về các bộ điều chỉnh cộng hưởng
• 9.3.2. Phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh PR
• 9.3.2.1. Phương pháp thiết kế trên miền tần số
• 9.3.2.2. Phương pháp đa thức Naslin
• 9.3.2.3. Số hóa bộ điều chỉnh PR
• 9.3.3. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực 1 pha
• 9.3.4. Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp độc lập 1 pha
• 9.4. Thuật toán vòng khóa pha
• 9.4.1. Thuật toán vòng khóa pha 3 pha
• 9.4.2. Thuật toán vòng khóa pha 1 pha
• 9.5. Triển khai hệ thống điều khiển bộ biến đổi DC/AC trong thực tế
• 10. CHƯƠNG 10: CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
• 10.1. Một số cơ sở toán học
• 10.2. Bậc tương đối và động học không
• 10.3. Tổng quan về các phương pháp điều khiển phi tuyến áp dụng cho Điện tử công suất
• 11. CHƯƠNG 11: TUYẾN TÍNH HÓA BẰNG PHẢN HỒI CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
• 11.1. Khái niệm về tuyến tính hóa nhờ phản hồi
• 11.2. Khả năng vận dụng phương pháp thiết kế tuyến tính hóa chính xác cho bộ biến đổi DC/DC
• 11.2.1. Xét ví dụ cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck
• 11.2.2. Xét ví dụ bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost
• 11.3. Khả năng vận dụng phương pháp thiết kế tuyến tính hóa chính xác cho bộ biến đổi AC/DC
• 12. CHƯƠNG 12: ĐIỀU KHIỂN TỰA PHẲNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
• 12.1. Hệ phẳng và điều khiển tựa khiển phẳng
• 12.2. Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển tựa phẳng
• 12.3. Áp dụng điều khiển tựa phẳng cho bộ biến đổi DC/DC
• 12.3.1. Ví dụ cho bộ biến đổi Buck
• 12.3.2. Ví dụ cho bộ biến đổi Boost
• 12.4. Áp dụng điều khiển tựa phẳng cho nghịch lưu nguồn áp ba pha nối lưới
• 12.4.1. Xác định mô hình tựa phẳng
• 12.4.2. Thiết kế trực tiếp
• 12.4.3. Điều khiển nối cấp
• 13. CHƯƠNG 13: ĐIỀU KHIỂN TỰA THỤ ĐỘNG CHO ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
• 13.1. Định nghĩa hệ thụ động
• 13.2. Biểu diễn Euler-Lagrange cho hệ động học
• 13.3. Mô hình tổng quát dạng thụ động cho các bộ biến đổi bán dẫn công suất
• 13.4. Ví dụ biểu diễn dạng Euler-Lagrange của các bộ biến đổi
• 13.5. Điều khiển ổn định cho các bộ biến đổi bán dẫn công suất
• 13.5.1. Cơ sở lý thuyết trong điều khiển ổn định
• 13.5.2. Tính toán biến điều khiển cho vấn đề ổn định hệ thống
• 13.5.3. Hệ điều khiển thụ động thích nghi ước lượng tham số
• 13.6. Ví dụ thiết kế điều khiển tựa thụ động cho Bộ biến đổi kiểu boost
• 13.6.1. Tính toán tín hiệu điều khiển
• 13.6.2. Tính chọn các hệ số cho ma trận cản dịu
• 13.6.3. Phân tích tính ổn định của hệ kín
• 13.6.4. Thích nghi ước lượng tham số
• 13.6.5. Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển tựa thụ động thích nghi ước lượng tham số cho Bộ biến đổi kiểu boost
• 14. CHƯƠNG 14: ĐIỀU KHIỂN HỆ CÓ CẤU TRÚC THAY ĐỔI
• 14.1. Hệ thống điều khiển kiểu rơ-le
• 14.2. Chế độ trượt trong VSS
• 14.2.1. Ví dụ một hệ VSS đơn giản
• 14.2.2. Chế độ trượt trong VSS
• 14.2.3. Tính ổn định của chế độ trượt
• 14.2.4. Điều khiển trượt cho Bộ biến đổi kiểu buck
• 14.2.5. Mô phỏng hệ điều khiển trượt cho Bộ biến đổi kiểu buck
• 14.3. Điều kiện tồn tại chế độ trượt
• 14.4. Điều khiển tương đương
• 14.4.1. Điều khiển tương đương đối với hệ tuyến tính điều khiển vô hướng
• 14.4.2. Điều khiển tương đương đối với hệ tuyến tính điều khiển vector
• 14.4.3. Điều khiển tương đương đối với hệ phi tuyến tính dạng affin
• 14.5. Phương pháp thiết kế điều khiển theo mode trượt
• 14.5.1. Thiết kế điều khiển trượt cho bộ biến đổi kiểu buck
• 14.5.2. Thiết kế điều khiển trượt cho bộ biến đổi kiểu boost
• 14.5.3. Thiết kế điều khiển trượt cho các BBĐ DC-DC
• 14.6. Thiết kế điều khiển trượt cho BBĐ DC-AC
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Bộ Biến Đổi Điện Tử Công Suất 55 ký tự

Các bộ biến đổi điện tử công suất đóng vai trò then chốt trong việc chuyển đổi năng lượng điện với hiệu suất cao. Chúng biến đổi nguồn điện từ đầu vào sang đầu ra, điều chỉnh các thông số như điện áp và dòng điện theo yêu cầu. Hiệu suất cao là mục tiêu hàng đầu, đạt được nhờ sử dụng các linh kiện bán dẫn công suất như IGBT, MOSFET, Diode hoạt động như các khóa điện tử. Các khóa này kết nối tải với nguồn theo các quy luật và khoảng thời gian được kiểm soát chặt chẽ. Theo tài liệu, yêu cầu đầu tiên đối với quá trình biến đổi là hiệu suất cao nhất có thể. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn linh kiện và tối ưu hóa phương pháp điều khiển để giảm thiểu tổn hao.

1.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử

Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất bao gồm nhiều thành phần phối hợp. Đầu tiên là mạch lực, nơi diễn ra quá trình chuyển đổi năng lượng chính. Tiếp theo là mạch điều khiển, chịu trách nhiệm tạo ra các tín hiệu điều khiển đóng cắt cho van bán dẫn. Mạch cảm biến đo lường các thông số điện áp, dòng điện và tần số. Cuối cùng, bộ xử lý (DSP, Microcontroller) nhận thông tin từ cảm biến, tính toán và đưa ra lệnh điều khiển tối ưu. Cấu trúc này đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của bộ biến đổi.

1.2. Mục tiêu thiết kế điều khiển bộ biến đổi công suất

Mục tiêu thiết kế điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất xoay quanh việc đảm bảo hiệu suất cao, ổn định và đáp ứng nhanh chóng. Cụ thể, cần duy trì điện áp đầu ra ổn định, giảm thiểu sóng hài, và tối ưu hóa hệ số công suất. Đồng thời, hệ thống phải có khả năng chống nhiễu và bảo vệ khỏi các sự cố như quá dòng, quá áp. Thiết kế phải đảm bảo đáp ứng nhanh với sự thay đổi của tải và nguồn, đồng thời đảm bảo hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau.

II. Mô Hình Hóa Bộ Biến Đổi DC DC Phương Pháp Hiệu Quả 58 ký tự

Mô hình hóa bộ biến đổi DC-DC là bước quan trọng để phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển. Các phương pháp phổ biến bao gồm mô hình đóng cắt, mô hình trung bình trạng thái, và mô hình không gian trạng thái. Mô hình đóng cắt mô tả chi tiết hoạt động của các van bán dẫn, phù hợp cho mô phỏng chính xác nhưng phức tạp về mặt tính toán. Mô hình trung bình trạng thái đơn giản hóa bằng cách thay thế các van bằng các nguồn điều khiển, phù hợp cho thiết kế điều khiển vòng kín. Chọn phương pháp thích hợp phụ thuộc vào yêu cầu độ chính xác và tốc độ tính toán. Theo tài liệu, có nhiều phương pháp mô hình hóa bộ biến đổi bán dẫn công suất.

2.1. Mô hình trung bình cổ điển cho bộ biến đổi DC DC

Mô hình trung bình cổ điển là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để mô hình hóa bộ biến đổi DC-DC. Phương pháp này dựa trên việc tính trung bình các biến trạng thái trong một chu kỳ chuyển mạch, bỏ qua các thành phần tần số cao. Điều này giúp giảm độ phức tạp của mô hình và cho phép phân tích hệ thống dễ dàng hơn. Mô hình trung bình đặc biệt hữu ích trong thiết kế các bộ điều khiển vòng kín.

2.2. Tuyến tính hóa và mô hình tín hiệu nhỏ AC

Để thiết kế bộ điều khiển, cần tuyến tính hóa mô hình trung bình xung quanh một điểm làm việc. Mô hình tín hiệu nhỏ AC thu được cho phép phân tích đáp ứng tần số và thiết kế bộ điều khiển dựa trên các tiêu chí như dự trữ pha và dự trữ biên độ. Quá trình tuyến tính hóa bao gồm việc sử dụng khai triển Taylor và bỏ qua các thành phần bậc cao, đơn giản hóa mô hình để thiết kế điều khiển. Mô hình tín hiệu nhỏ AC cung cấp thông tin quan trọng về tính ổn định và hiệu suất của hệ thống điều khiển.

2.3. Mô phỏng kiểm chứng các mô hình bộ biến đổi

Sau khi xây dựng mô hình, cần mô phỏng để kiểm chứng tính chính xác và hiệu quả của mô hình. Các phần mềm như MATLAB Simulink, PLECS, PSIM thường được sử dụng để mô phỏng hoạt động của bộ biến đổi. Kết quả mô phỏng cho phép so sánh với kết quả thực nghiệm, từ đó điều chỉnh và hoàn thiện mô hình. Mô phỏng là bước quan trọng để đảm bảo rằng mô hình phản ánh đúng hành vi của hệ thống thực tế.

III. Thiết Kế Điều Khiển Cho Bộ Biến Đổi DC DC Hướng Dẫn 59 ký tự

Thiết kế điều khiển cho bộ biến đổi DC/DC nhằm mục đích ổn định điện áp đầu ra và đảm bảo đáp ứng nhanh chóng với các thay đổi của tải và nguồn. Các phương pháp điều khiển phổ biến bao gồm điều khiển PID, điều khiển dòng, và điều khiển điện áp. Điều khiển PID đơn giản và dễ triển khai, nhưng có thể không tối ưu cho các hệ thống phi tuyến. Điều khiển dòng và điều khiển điện áp phức tạp hơn, nhưng có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

3.1. Điều khiển trực tiếp đầu ra Cơ sở thiết kế

Điều khiển trực tiếp đầu ra là phương pháp đơn giản, trong đó bộ điều khiển trực tiếp tác động lên điện áp đầu ra. Bộ điều khiển, thường là PID controller, được thiết kế để duy trì điện áp đầu ra ở giá trị mong muốn. Phương pháp này dễ triển khai nhưng có thể không hiệu quả trong các hệ thống có nhiễu hoặc tải thay đổi nhanh. Việc điều chỉnh các tham số của PID controller đóng vai trò quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu.

3.2. Điều khiển gián tiếp Cấu trúc hai mạch vòng

Điều khiển gián tiếp sử dụng cấu trúc hai mạch vòng: một mạch vòng dòng điện bên trong và một mạch vòng điện áp bên ngoài. Mạch vòng dòng điện giúp cải thiện đáp ứng động và ổn định của hệ thống. Mạch vòng điện áp duy trì điện áp đầu ra ở giá trị mong muốn. Cấu trúc này phức tạp hơn nhưng mang lại hiệu suất và độ ổn định cao hơn so với điều khiển trực tiếp đầu ra. Việc thiết kế bộ điều khiển cho cả hai mạch vòng đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng.

3.3. Điều khiển phản hồi trạng thái Áp đặt điểm cực

Điều khiển phản hồi trạng thái sử dụng thông tin về tất cả các biến trạng thái của hệ thống để thiết kế bộ điều khiển. Phương pháp này cho phép áp đặt vị trí của các điểm cực của hệ thống vòng kín, từ đó kiểm soát đáp ứng động và độ ổn định. Điều khiển phản hồi trạng thái đòi hỏi mô hình hệ thống chính xác và phức tạp hơn so với điều khiển PID, nhưng có thể mang lại hiệu suất vượt trội trong các ứng dụng yêu cầu cao.

IV. Điều Khiển Tuyến Tính Cho Bộ Biến Đổi AC DC 57 ký tự

Điều khiển tuyến tính cho bộ biến đổi AC-DC tập trung vào việc duy trì điện áp DC ổn định và đảm bảo hệ số công suất gần bằng 1. Các phương pháp phổ biến bao gồm điều khiển trên hệ tọa độ quay 0dq và sử dụng bộ điều chỉnh cộng hưởng. Điều khiển trên hệ tọa độ quay 0dq chuyển đổi các tín hiệu AC thành DC, cho phép sử dụng các bộ điều khiển DC truyền thống. Bộ điều chỉnh cộng hưởng được sử dụng để loại bỏ các thành phần hài và cải thiện hệ số công suất.

4.1. Thiết kế điều khiển trên hệ tọa độ quay 0dq

Thiết kế điều khiển trên hệ tọa độ quay 0dq bao gồm việc chuyển đổi các tín hiệu điện áp và dòng điện AC sang hệ tọa độ quay đồng bộ với tần số lưới. Điều này cho phép sử dụng các bộ điều khiển DC để điều khiển các thành phần điện áp và dòng điện. Các bộ điều khiển thường được sử dụng là PID controller, được điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu về độ ổn định và đáp ứng nhanh chóng. Cấu trúc này phổ biến trong các ứng dụng chỉnh lưu tích cực.

4.2. Các bộ điều chỉnh cộng hưởng PR Khái niệm

Bộ điều chỉnh cộng hưởng (PR) là một loại bộ điều khiển được thiết kế để loại bỏ các thành phần hài trong hệ thống. Chúng hoạt động bằng cách cung cấp độ lợi lớn tại tần số cộng hưởng, giúp loại bỏ các thành phần không mong muốn. Bộ điều chỉnh PR thường được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển nghịch lưu và chỉnh lưu để cải thiện chất lượng điện năng và giảm sóng hài.

4.3. Thuật toán vòng khóa pha PLL Ứng dụng

Thuật toán vòng khóa pha (PLL) được sử dụng để đồng bộ hóa tần số và pha của bộ biến đổi với lưới điện. PLL đảm bảo rằng bộ biến đổi hoạt động ở tần số và pha chính xác, giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống. Có hai loại PLL phổ biến: PLL ba pha và PLL một pha, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. PLL là thành phần quan trọng trong các hệ thống điều khiển nối lưới.

V. Mô Hình Hóa Phi Tuyến Cho Điện Tử Công Suất Tổng Quan 59 ký tự

Các phương pháp mô hình hóa phi tuyến trở nên cần thiết khi đối mặt với các hệ thống điện tử công suất có tính phi tuyến mạnh. Các phương pháp này bao gồm tuyến tính hóa bằng phản hồi, điều khiển tựa phẳng, và điều khiển tựa thụ động. Tuyến tính hóa bằng phản hồi biến đổi hệ thống phi tuyến thành hệ thống tuyến tính, cho phép sử dụng các phương pháp điều khiển tuyến tính. Điều khiển tựa phẳng và điều khiển tựa thụ động trực tiếp xử lý tính phi tuyến của hệ thống, mang lại hiệu suất và độ ổn định cao hơn.

5.1. Tuyến tính hóa bằng phản hồi Ưu điểm

Tuyến tính hóa bằng phản hồi là một phương pháp biến đổi hệ thống phi tuyến thành hệ thống tuyến tính thông qua phản hồi phi tuyến. Điều này cho phép sử dụng các phương pháp điều khiển tuyến tính, đơn giản hóa quá trình thiết kế. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi mô hình hệ thống chính xác và có thể không hiệu quả trong các hệ thống có nhiễu hoặc tham số thay đổi.

5.2. Điều khiển tựa phẳng Ứng dụng bộ biến đổi

Điều khiển tựa phẳng là một phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên khái niệm phẳng. Hệ thống được coi là phẳng nếu tất cả các biến trạng thái có thể được biểu diễn dưới dạng các hàm của một biến đầu ra và các đạo hàm của nó. Phương pháp này cho phép thiết kế bộ điều khiển một cách trực tiếp, mà không cần tuyến tính hóa hệ thống. Điều khiển tựa phẳng đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng điều khiển robot và điện tử công suất.

5.3. Điều khiển tựa thụ động Ổn định bộ biến đổi

Điều khiển tựa thụ động là một phương pháp điều khiển phi tuyến dựa trên khái niệm thụ động. Hệ thống được coi là thụ động nếu năng lượng đầu vào luôn lớn hơn hoặc bằng năng lượng tiêu thụ. Phương pháp này đảm bảo tính ổn định của hệ thống và cho phép thiết kế các bộ điều khiển mạnh mẽ và chống nhiễu. Điều khiển tựa thụ động thường được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển robot và điện tử công suất, đặc biệt là trong các hệ thống có tính năng lượng tái tạo.

VI. Điều Khiển Hệ Cấu Trúc Thay Đổi Cho Điện Tử Công Suất 60 ký tự

Điều khiển hệ cấu trúc thay đổi (SVC) là một phương pháp điều khiển phi tuyến mạnh mẽ, có khả năng xử lý các hệ thống có tính phi tuyến mạnh và không xác định. SVC bao gồm điều khiển kiểu rơ-le và điều khiển trượt. Điều khiển trượt là một kỹ thuật SVC phổ biến, trong đó hệ thống được điều khiển để trượt trên một bề mặt được xác định trước trong không gian trạng thái. SVC mang lại độ ổn định và hiệu suất cao, nhưng đòi hỏi thiết kế cẩn thận để tránh hiện tượng rung (chattering).

6.1. Hệ thống điều khiển kiểu rơ le Nguyên lý

Hệ thống điều khiển kiểu rơ-le là một loại SVC đơn giản, trong đó bộ điều khiển chỉ có hai trạng thái: bật và tắt. Hệ thống chuyển đổi giữa hai trạng thái này dựa trên một ngưỡng được xác định trước. Điều khiển kiểu rơ-le dễ triển khai, nhưng có thể dẫn đến hiện tượng rung và độ chính xác thấp.

6.2. Chế độ trượt trong VSS Variable Structure System

Chế độ trượt là một trạng thái trong hệ VSS, trong đó quỹ đạo trạng thái của hệ thống bị ràng buộc phải di chuyển trên một bề mặt được gọi là bề mặt trượt. Bề mặt trượt được thiết kế sao cho hệ thống ổn định và đạt được các mục tiêu điều khiển mong muốn. Điều khiển trượt mang lại độ ổn định và hiệu suất cao, nhưng đòi hỏi thiết kế cẩn thận để tránh rung.

6.3. Thiết kế điều khiển trượt cho BBĐ DC DC

Thiết kế điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC bao gồm việc lựa chọn một bề mặt trượt phù hợp và thiết kế luật điều khiển sao cho hệ thống bị ràng buộc phải trượt trên bề mặt này. Bề mặt trượt thường được thiết kế dựa trên các mục tiêu điều khiển như ổn định điện áp đầu ra và đáp ứng nhanh chóng. Thiết kế phải đảm bảo tính ổn định và tránh rung.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Mô hình hóa và thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi Điện tử công suất (tên tiếng Anh: Modeling and Control of Power Electronic Converter) được biên soạn bởi PGS. TS. Trần Trọng Minh và TS. Vũ Hoàng Phương, thuộc Bộ môn Tự động hóa công nghiệp – Viện Điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (ấn hành tháng 7 năm 2017). Tài liệu đóng vai trò là giáo trình chuyên ngành nâng cao, phục vụ cho chương trình đào tạo kỹ sư đại học năm cuối và học viên cao học thuộc khối ngành Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa và Kỹ thuật Điện.

Mục tiêu học thuật của tài liệu tập trung vào việc cung cấp hệ thống phương pháp luận hoàn chỉnh: từ đặc tính vật lý của các phần tử bán dẫn công suất (Tiristor, MOSFET, IGBT), nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM, SVM), kỹ thuật xây dựng mô hình toán học (mô hình đóng cắt, mô hình trung bình tín hiệu lớn và tín hiệu nhỏ, mô hình phazor động, mô hình hạ bậc), cho đến các phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển kín (tuyến tính cổ điển, phản hồi trạng thái, bộ điều khiển cộng hưởng PR, tuyến tính hóa chính xác, điều khiển tựa phẳng, tựa thụ động Euler-Lagrange và điều khiển trượt).

Cấu trúc giáo trình bao gồm 15 chương mục cùng danh mục thuật ngữ và ký hiệu quy chuẩn. Cách tiếp cận của tài liệu kết hợp chặt chẽ giữa phân tích giải tích toán học mạch điện, mô hình hóa hàm truyền đạt, mô phỏng kiểm chứng và phương pháp số hóa để triển khai trên các bộ vi xử lý tín hiệu số (DSP) hoặc FPGA. Điểm đặc thù của giáo trình là tính bao quát từ phần cứng mạch phát xung/driver đến các cấu trúc điều khiển phi tuyến hiện đại, xử lý trực tiếp các hiện tượng phi tuyến thực tế như điểm zero nằm bên phải mặt phẳng phức (RHP-zero), chế độ dòng gián đoạn (DCM) và thời gian chết (deadtime).

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung 15 chương trong giáo trình được tổ chức theo tiến trình logic từ phần cứng công suất, phương pháp điều chế, kỹ thuật mô hình hóa toán học đến thiết kế điều khiển tuyến tính và phi tuyến:

• Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi điện tử công suất và hệ thống điều khiển: Trình bày cấu trúc phân tầng hệ thống (từ tầng phần cứng micro-giây đến tầng điều khiển giám sát), nguyên lý đóng cắt và mạch driver cho Tiristor, MOSFET, IGBT (bao gồm mạch bảo vệ desaturation chống quá tải qua IC chuyên dụng như HCPL-316J, HCPL-310J), cùng các mục tiêu thiết kế và phân loại cấu trúc điều khiển.
• Chương 2: Các phương pháp điều chế độ rộng xung PWM: Khảo sát bộ điều chế tần số không đổi (CF PWM: sườn trước, sườn sau, tam giác), bộ điều chế tần số thay đổi (VF PWM, bộ so sánh trễ trong chỉnh lưu PFC), phân tích sóng hài bằng chuỗi Fourier bội hai; kỹ thuật PWM số và khâu trích mẫu giữ bậc không (ZOH); phương pháp sinPWM và điều chế vector không gian (SVM) 8 vector biên chuẩn ($u_0 \div u_7$) cho nghịch lưu nguồn áp ba pha.
• Chương 3: Hệ thống điều khiển vòng kín cho chỉnh lưu Tiristor: Nguyên lý tạo xung điều khiển đồng bộ và phương pháp tổng hợp mạch vòng dòng điện cho chỉnh lưu cầu Tiristor ba pha.
• Chương 4: Mô hình hóa các bộ biến đổi: Xây dựng mô hình đóng cắt và mô hình trung bình cổ điển cho các cấu trúc DC-DC cơ bản (Buck, Boost, Buck-Boost); tuyến tính hóa quanh điểm làm việc để thiết lập mô hình trung bình tín hiệu nhỏ AC.
• Chương 5: Phương pháp trung bình phần tử và mạng đóng cắt: Thiết lập sơ đồ tương đương bất biến của phần tử đóng cắt; xác định hàm truyền đạt có tính đến các thành phần ký sinh và tổn hao thực tế như điện trở nội cuộn cảm ($r_L$), điện trở tương đương của tụ ($r_{ESR}$), sụt áp tiếp giáp bán dẫn và tổn hao đóng cắt.
• Chương 6: Mô hình trung bình tổng quát: Ứng dụng công cụ phazor động (dynamic phasors) và biến trạng thái tín hiệu nhỏ để xây dựng mô hình cho các bộ biến đổi có chứa thành phần xoay chiều như nghịch lưu nguồn áp một pha và ba pha.
• Chương 7: Mô hình trung bình hạ bậc: Kỹ thuật giảm bậc phương trình trạng thái cho bộ biến đổi Boost trong chế độ dòng gián đoạn (DCM) và bộ biến đổi DC-AC kết nối lưới.
• Chương 8: Thiết kế hệ thống điều khiển cho các bộ biến đổi DC-DC: Thiết kế điều khiển trực tiếp đầu ra (SISO), cấu trúc gián tiếp hai mạch vòng (vòng ngoài điện áp, vòng trong dòng điện), phương pháp phản hồi trạng thái áp đặt điểm cực và giải pháp thực thi trên mạch tương tự hoặc vi xử lý số.
• Chương 9: Điều khiển tuyến tính cho các bộ biến đổi DC-AC và AC-DC: Thiết kế điều khiển trên hệ tọa độ quay đồng bộ $0dq$ (chỉnh lưu tích cực, nghịch lưu độc lập); tổng hợp bộ điều khiển tỷ lệ - cộng hưởng (Proportional Resonant - PR) dựa trên phương pháp đa thức Naslin; cấu trúc vòng khóa pha (PLL) một pha và ba pha.
• Chương 10 - 14: Các phương pháp điều khiển phi tuyến hiện đại:
  • Chương 10: Cơ sở toán học về bậc tương đối và động học không.
  • Chương 11: Tuyến tính hóa bằng phản hồi chính xác (Exact Feedback Linearization) cho Buck, Boost và AC/DC.
  • Chương 12: Điều khiển tựa phẳng (Flatness Control) áp dụng cho DC-DC và nghịch lưu nối lưới.
  • Chương 13: Điều khiển tựa thụ động (Passivity-Based Control) dựa trên biểu diễn Euler-Lagrange và thích nghi ước lượng tham số.
  • Chương 14: Điều khiển hệ có cấu trúc thay đổi (VSS) và điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC) cho các cấu trúc Buck, Boost và DC-AC.
• Chương 15: Tài liệu tham khảo.

Nhóm chủ đề	Nội dung chuyên môn cốt lõi	Đối tượng / Cấu trúc mạch áp dụng
Phần cứng & Điều chế	Mạch phát xung, Driver (HCPL-316J), Deadtime, CF/VF-PWM, SVM, ZOH	Tiristor, MOSFET, IGBT, Cầu 1 pha & 3 pha
Mô hình hóa hệ thống	Mô hình đóng cắt, Trung bình hóa tín hiệu nhỏ, Phazor động, Hạ bậc	Buck, Boost, Buck-Boost, Nghịch lưu nguồn áp
Điều khiển tuyến tính	Cấu trúc 2 mạch vòng, Áp đặt điểm cực, Hệ tọa độ $0dq$, Bộ điều khiển PR, PLL	DC-DC, Chỉnh lưu tích cực (PFC), Nghịch lưu nối lưới
Điều khiển phi tuyến	Tuyến tính hóa phản hồi, Tựa phẳng, Euler-Lagrange thụ động, Điều khiển trượt	Buck, Boost có RHP-zero, Hệ VSS, Nghịch lưu 3 pha

Kiến thức nền tảng được xây dựng

1. Cơ sở vật lý và phân tích mạch điện tử công suất: Đặc tính chuyển mạch của van bán dẫn (thời gian trễ $t_d$, thời gian phục hồi $t_{rr}$, điện tích phục hồi $Q_{rr}$, vùng Miller), ảnh hưởng của điện cảm ký sinh và tốc độ biến thiên $di/dt$, $dv/dt$.
2. Toán học giải tích trong điều chế tín hiệu: Khai triển chuỗi Fourier hai chiều (double Fourier series) với hàm Bessel $J_n(z)$ để định lượng sóng hài biên của sóng mang $m f_c + n f_1$; biến đổi hệ trục tọa độ không gian Clarke ($abc \to \alpha\beta$) và Park ($abc \to 0dq$).
3. Lý thuyết mô hình hóa không gian trạng thái: Thiết lập phương trình trạng thái trung bình trượt $\dot{\bar{x}} = [A_1 d + A_2 (1-d)] \bar{x} + [B_1 d + B_2 (1-d)] e$, kỹ thuật tuyến tính hóa tín hiệu nhỏ xác định ma trận hàm truyền đạt $G_{vd}(s)$, $G_{id}(s)$, $G_{vi}(s)$.
4. Lý thuyết điều khiển phi tuyến và hình học vi phân: Bậc tương đối (relative degree), tính chất ổn định của động học không (zero dynamics), cấu trúc thụ động Euler-Lagrange $M(q)\ddot{q} + C(q,\dot{q})\dot{q} + g(q) = \tau$, và điều kiện trượt Lyapunov $S(x)\dot{S}(x) < 0$.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng phân tích và tính toán kỹ thuật: Xác định tham số mạch lực ($L, C$), tính chọn điện trở cực cổng $R_G$, công suất tổn hao lái $P = U_{GE} \cdot Q_G \cdot f_{sw}$, và tính toán thời gian trễ deadtime $\tau > t_{on} + t_{off}$.
• Kỹ năng mô hình hóa giải tích: Thành lập hàm truyền đạt chính xác cho bộ biến đổi khi có xét đến $r_L, r_{ESR}$, phân tích tác động dịch chuyển của điểm cực và điểm zero thực dương (RHP-zero) trong sơ đồ Boost.
• Kỹ năng thiết kế và tổng hợp thuật toán: Tính toán thông số bộ điều chỉnh PI theo phương pháp chuẩn tối ưu biên độ/đối xứng, tổng hợp bộ điều khiển PR theo đa thức Naslin, xây dựng luật điều khiển trượt tương đương $u_{eq}$.
• Kỹ năng số hóa và mô phỏng: Chuyển đổi bộ điều khiển từ miền liên tục sang miền rời rạc $Z$, thiết lập thuật toán PWM trích mẫu đều (regular sampled PWM), và kiểm chứng mô hình trên các công cụ mô phỏng chuyên ngành.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình triển khai phương pháp tiếp cận sư phạm đi từ bản chất vật lý của linh kiện đến trừu tượng hóa toán học, từ đó quay lại giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật thực tế:

• Kết cấu bài tập và nghiên cứu trường hợp (Case studies): Mỗi chương lý thuyết đều đi kèm các bài toán thiết kế hoàn chỉnh. Ví dụ: thiết kế mạch vòng kép cho bộ biến đổi Buck và Boost; tổng hợp bộ điều khiển dòng điện cho chỉnh lưu tích cực ba pha trên hệ tọa độ $0dq$; thiết kế bộ điều khiển tựa thụ động thích nghi ước lượng tham số tải cho Boost converter.
• Kiểm chứng mô hình hóa: Phương pháp học tập yêu cầu người học luôn so sánh mô hình giải tích tín hiệu nhỏ với mô hình mô phỏng đóng cắt tức thời (switching model) nhằm xác định phạm vi tin cậy của mô hình trung bình (giới hạn ở tần số nhỏ hơn $f_c/2$).
• Hướng dẫn tự học và nghiên cứu: Người học cần nắm vững kỹ thuật phân tích ma trận trạng thái, sau đó sử dụng các phần mềm mô phỏng mạch điện và giải tích toán học để kiểm chứng các đáp ứng tần số (Bode diagram, Nyquist), độ dự trữ biên độ (GM), độ dự trữ pha (PM) trước khi tiến hành viết mã điều khiển số.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

Tài liệu thể hiện nhiều nội dung chuyên sâu so với các giáo trình điện tử công suất truyền thống:

1. Xử lý toàn diện hiện tượng phi tuyến và phi lý tưởng: Giáo trình không đơn giản hóa mạch lực thành các van lý tưởng mà tính toán chi tiết ảnh hưởng của điện trở nội $r_L$, $r_{ESR}$ của tụ, sụt áp thuận trên diode ($V_{D,0}$), dòng phục hồi ngược $I_{rr}$, hiện tượng đuôi dòng của IGBT và thời gian trễ khóa van.
2. Tích hợp sâu kỹ thuật điều khiển số (Digital Control): Phân tích tường minh hiệu ứng của khâu trích mẫu và giữ bậc không (ZOH), kỹ thuật cập nhật hệ số điều chế hai lần trong một chu kỳ ($Ts$) nhằm loại bỏ lệch pha khi đo dòng trung bình, cũng như phương pháp đồng bộ hóa bộ chuyển đổi ADC với xung PWM.
3. Hiện đại hóa cấu trúc điều khiển xoay chiều: Đưa vào kỹ thuật điều khiển vector không gian (SVM) với thuật toán tính toán thời gian phân bổ vector tối ưu giảm số lần chuyển mạch; giới thiệu các bộ điều khiển cộng hưởng tần số (PR) cho phép bám sát tín hiệu hình sin mà không cần chuyển đổi hệ tọa độ phức tạp.
4. Cập nhật hệ thống phương pháp điều khiển phi tuyến ứng dụng: Trình bày chi tiết cách thiết lập mô hình Euler-Lagrange, tính toán hàm tích trữ năng lượng $H$, ma trận cản dịu trong điều khiển tựa thụ động (PBC), và phương pháp điều khiển trượt (SMC) không cần khâu PWM cho các hệ có cấu trúc thay đổi (VSS).

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên đại học (Năm 3, Năm 4): Thuộc các chuyên ngành Tự động hóa, Kỹ thuật Điều khiển, Kỹ thuật Điện tử, Hệ thống Điện. Giáo trình cung cấp cơ sở để thực hiện đồ án môn học Điện tử công suất, Đồ án Tự động hóa và Khóa luận tốt nghiệp kỹ sư.
• Học viên cao học và Nghiên cứu sinh: Sử dụng làm tài liệu nghiên cứu chuyên sâu về mô hình hóa nâng cao (phazor động, mô hình hạ bậc) và các giải thuật điều khiển phi tuyến (Flatness, Passivity-Based, Sliding Mode Control).
• Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm đề cương bài giảng và tài liệu chuẩn hóa phương pháp tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển biến đổi điện năng.
• Kỹ sư R&D tại doanh nghiệp: Tham khảo các sơ đồ nguyên lý mạch driver (HCPL-316J, HCPL-310J), thuật toán khóa pha (PLL), giải thuật bù dòng sóng hài trong bộ lọc tích cực (PAF), và thiết kế nghịch lưu kết nối lưới nguồn năng lượng tái tạo (PV).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?

Tài liệu được biên soạn phục vụ sinh viên kỹ thuật năm cuối, học viên cao học chuyên ngành Tự động hóa, Kỹ thuật Điện - Điện tử, cùng các kỹ sư phát triển phần cứng và thuật toán điều khiển cho bộ biến đổi công suất.

2. Cần trang bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học?

Người học cần có kiến thức cơ sở về:

• Mạch điện và Điện tử công suất cơ bản (nguyên lý các topo Buck, Boost, chỉnh lưu, nghịch lưu).
• Lý thuyết Điều khiển tự động (phương trình trạng thái, hàm truyền đạt, quỹ đạo nghiệm số, biểu đồ Bode).
• Toán học kỹ thuật (giải tích ma trận, biến đổi Laplace, chuỗi Fourier).

3. Điểm khác biệt cốt lõi giữa giáo trình này và các tài liệu Điện tử công suất thông thường là gì?

Các tài liệu thông thường chủ yếu phân tích cấu trúc liên kết mạch lực và dạng sóng ở chế độ xác lập. Giáo trình này tập trung chuyên sâu vào đặc tính động học, mô hình hóa toán học giải tích và tổng hợp thuật toán điều khiển kín (từ tuyến tính cổ điển đến phi tuyến hiện đại).

4. Làm thế nào để tự học và nắm vững nội dung giáo trình hiệu quả?

Người học nên kết hợp tuần tự:

1. Đọc hiểu nguyên lý vật lý và toán học của từng topo trong giáo trình.
2. Tự thiết lập lại các phương trình hàm truyền đạt $G_{vd}(s)$, $G_{id}(s)$ có tính đến thành phần ký sinh.
3. Xây dựng mô hình mô phỏng (Simulink/Plecs) để đối chiếu mô hình trung bình với mạch đóng cắt thực tế.
4. Hiện thực hóa thuật toán điều khiển trên các cấu hình rời rạc/số.

5. Tài liệu đề cập đến những cấu trúc bộ biến đổi thực tế nào?

Giáo trình phân tích chi tiết các bộ biến đổi DC-DC (Buck, Boost, Buck-Boost), chỉnh lưu Tiristor ba pha, chỉnh lưu tích cực nâng áp hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC Boost), bộ lọc tích cực (PAF), nghịch lưu nguồn áp một pha và ba pha (độc lập và kết nối lưới điện).

---

Kết luận

Giáo trình Mô hình hóa và thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi Điện tử công suất của PGS. TS. Trần Trọng Minh và TS. Vũ Hoàng Phương là tài liệu học thuật có tính hệ thống cao, kết nối chặt chẽ giữa lý thuyết mạch bán dẫn công suất và lý thuyết điều khiển hiện đại.

Lộ trình học tập đề xuất từ tài liệu đi qua 4 giai đoạn logic:

1. Nắm vững đặc tính vật lý chuyển mạch và kỹ thuật điều chế (Chương 1 - 3).
2. Làm chủ các phương pháp mô hình hóa trạng thái và hàm truyền (Chương 4 - 7).
3. Thiết kế hệ thống điều khiển tuyến tính kinh điển và xử lý điều khiển số (Chương 8 - 9).
4. Mở rộng nghiên cứu các thuật toán phi tuyến đa biến nâng cao (Chương 10 - 14).

Tài liệu là nguồn tham chiếu chuẩn xác cho công tác đào tạo đại học, sau đại học và hoạt động nghiên cứu phát triển công nghệ biến đổi năng lượng điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA CÔNG NGHIỆP – VIỆN ĐIỆN Mô hình hóa và thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi Điện tử công suất Modeling and Control of Power Electronic Converter Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương 7/25/2017 Lecture notes on modeling and design of control system for power electronic converter 0 TABLE OF CONTENTS DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. 6 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂNEquation Chapter 1 Section 1 .1 Sơ đồ hệ thống điều khiển bộ biến đổi điện tử công suất .2 Mạch phát xung điều khiển đóng mở van bán dẫn .1 Điều khiển mở cho Tiristor .2 Điều khiển đóng cắt cho MOSFET .3 Điều khiển đóng cắt cho IGBT .4 Mạch driver cho MOSFET và IGBT .3 Mục tiêu đặt ra trong thiết kế điều khiển các bộ biến đổi .4 Các loại hệ thống điều khiển. 25 2 các phương pháp ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM Equation Chapter 2 Section 2 .1 Các dạng sơ đồ điều chế.2 Phân tích sóng hài dạng sóng điều chế PWM .3 Mô hình tín hiệu nhỏ AC cho PWM với tần số sóng mang không đổi .4 Mô hình tín hiệu nhỏ AC cho PWM với tần số sóng mang thay đổi .5 Điều chế PWM cho các bộ nghịch lưu.1 Điều chế PWM cho nghịch lưu một pha nửa cầu .2 Điều chế PWM cho nghịch lưu cầu một pha .1 Điều chế hai cực tính .2 Điều chế một cực tính (Phase shift modulation) .3 Thời gian chết trong chu kỳ điều chế .4 Phương pháp biến điệu độ rộng xung ứng dụng điều khiển số: PWM trích mẫu đều 41 2.6 Điều chế PWM cho nghịch lưu nguồn áp ba pha.1 Phương pháp sinPWM .2 Phương pháp điều chế vector không gian (SVM) .1 Thuật toán điều chế vector không gian .2 Mô phỏng phương pháp sinPWM và SVM. 56 3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN CHO CHỈNH LƯU TIRISTOR Equation Chapter 3 Section 3 .1 Mạch tạo xung điều khiển các bộ biến đổi Tiristor .1 Nguyên lý tạo xung điều khiển cho bộ biến đổi Tiristor .2 Mạch tạo xung điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha.2 Mô hình hóa và tổng hợp mạch vòng dòng điện cho chỉnh lưu Tiristor.

64 4 MÔ HÌNH HÓA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI Equation Chapter 4 Section 4 .1 Các phương pháp mô hình hóa bộ biến đổi bán dẫn công suất .2 Mô hình đóng cắt .1 Mô hình toán học .2 Mô hình đóng cắt cho các bộ biến đổi DC-DC .3 Mô hình trung bình cổ điển .1 Cơ sở toán học của mô hình trung bình .2 Tuyến tính hóa và mô hình trung bình tín hiệu nhỏ .3 Mô hình trung bình cho các bộ biến đổi DC-DC có tính tới tổn hao .1 Mô hình trạng thái trung bình cho Bộ biến đổi kiểu boost .2 Mô hình trung bình cho Bộ biến đổi kiểu buck .3 Mô hình trung bình cho Bộ biến đổi kiểu Buck- boost .4 Mô phỏng kiểm chứng các mô hình .1 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi kiểu buck .2 Mô hình mô phỏng boost converter. 90 5 PHƯƠNG PHÁP TRUNG BÌNH PHẦN TỬ VÀ MẠNG ĐÓNG CẮT Equation Section (Next) .1 Phương pháp trung bình phần tử đóng cắt .1 Sơ đồ tương đương bất biến của phần tử đóng cắt.2 Mô hình trung bình phần tử đóng cắt cho Bộ biến đổi kiểu buck .2 Phương pháp trung bình hóa mạng đóng cắt.1 Trung bình hóa mạng đóng cắt cho sơ đồ Bộ biến đổi kiểu boost .2 Trung bình hóa mạch đóng cắt cho Buck, Buck-boost .3 Hàm truyền cho bộ biến đổi có tính tới điện trở cuộn cảm rL và điện trở rESR của tụ 103 5.4 Hàm truyền có tính tới tổn hao trên van bán dẫn và điôt .5 Mô hình trung bình tính tới tổn hao do quá trình đóng cắt. 108 6 MÔ HÌNH TRUNG BÌNH TỔNG QUÁT Equation Section (Next) .1 Mô hình trạng thái trung bình tổng quát và vectơ động .1 Khái niệm về phazor động .2 Phương trình với các biến động tín hiệu nhỏ .3 Liên hệ giữa phazor động và dạng sóng thực .2 Mô hình trung bình tổng quát .3 Mô hình trung bình tổng quát cho nghịch lưu nguồn áp một pha .1 Mô hình nghịch lưu nguồn áp cầu một pha xung chữ nhật .2 Mô hình nghịch lưu nguồn áp cầu một pha điều chế PWM.4 Mô hình trung bình tổng quát cho nghịch lưu ba pha .1 Sơ đồ chỉnh lưu kiểu Boost ba pha .2 Sơ đồ nghịch lưu ba pha nguồn áp. 124 7 MÔ HÌNH TRUNG BÌNH HẠ BẬC Equation Section (Next) .1 Phương pháp giảm bậc phương trình trạng thái .2 Mô hình giảm bậc cho Bộ biến đổi kiểu boost trong chế độ DCM.3 Mô hình trung bình giảm bậc của bộ biến đổi DC-AC nối lưới.

131 8 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI Equation Section (Next) DC/DC 135 8.1 Nhắc lại một số kiến thức về lý thuyết điều khiển tự động .2 Điều khiển trực tiếp đầu ra .1 Cơ sở thiết kế cấu trúc điều khiển trực tiếp đầu ra .2 Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck .3 Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost.3 Điều khiển gián tiếp đầu ra – cấu trúc hai mạch vòng .1 Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck .2 Ví dụ thiết kế cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost.4 Điều khiển bằng phương pháp phản hồi trạng thái áp đặt điểm cực .1 Các bước tiến hành thiết kế.2 Mô phỏng kiểm chứng thiết kế .5 Triển khai cấu trúc điều khiển DC/DC trong thực tế .1 Kỹ thuật điều khiển tương tự .2 Kỹ thuật điều khiển số. 181 9 ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC VÀ AC-DC Equation Section (Next) .1 Đặc điểm và yêu cầu điều khiển cho các bộ biến đổi có khâu xoay chiều tần số thấp 186 9.2 Thiết kế điều khiển trên hệ tọa độ quay 0dq .1 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực .2 Xác định thông số các bộ điều chỉnh PI .3 Kết quả mô phỏng .4 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu 3 pha làm việc độc lập .3 Các bộ điều chỉnh cộng hưởng .1 Khái niệm về các bộ điều chỉnh cộng hưởng .2 Phương pháp thiết kế bộ điều chỉnh PR .1 Phương pháp thiết kế trên miền tần số .2 Phương pháp đa thức Naslin .3 Số hóa bộ điều chỉnh PR .3 Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu tích cực 1 pha.4 Cấu trúc điều khiển nghịch lưu nguồn áp độc lập 1 pha .4 Thuật toán vòng khóa pha .1 Thuật toán vòng khóa pha 3 pha .2 Thuật toán vòng khóa pha 1 pha .5 Triển khai hệ thống điều khiển bộ biến đổi DC/AC trong thực tế. 234 10 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN CHO ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Equation Section (Next) .1 Một số cơ sở toán học .2 Bậc tương đối và động học không .3 Tổng quan về các phương pháp điều khiển phi tuyến áp dụng cho Điện tử công suất 248 11 TUYẾN TÍNH HÓA BẰNG PHẢN HỒI CHO CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Equation Section (Next) .1 Khái niệm về tuyến tính hóa nhờ phản hồi .2 Khả năng vận dụng phương pháp thiết kế tuyến tính hóa chính xác cho bộ biến đổi DC/DC 253 11.1 Xét ví dụ cho bộ biến đổi DC/DC kiểu Buck .2 Xét ví dụ bộ biến đổi DC/DC kiểu Boost .3 Khả năng vận dụng phương pháp thiết kế tuyến tính hóa chính xác cho bộ biến đổi AC/DC. 261 12 ĐIỀU KHIỂN TỰA PHẲNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT .1 Hệ phẳng và điều khiển tựa khiển phẳng .2 Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển tựa phẳng .3 Áp dụng điều khiển tựa phẳng cho bộ biến đổi DC/DC .1 Ví dụ cho bộ biến đổi Buck .2 Ví dụ cho bộ biến đổi Boost .4 Áp dụng điều khiển tựa phẳng cho nghịch lưu nguồn áp ba pha nối lưới.1 Xác định mô hình tựa phẳng .2 Thiết kế trực tiếp .3 Điều khiển nối cấp 12.

277 13 ĐIỀU KHIỂN TỰA THỤ ĐỘNG CHO ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Equation Section (Next) .1 Định nghĩa hệ thụ động .2 Biểu diễn Euler-Lagrange cho hệ động học .3 Mô hình tổng quát dạng thụ động cho các bộ biến đổi bán dẫn công suất.4 Ví dụ biểu diễn dạng Euler-Lagrange của các bộ biến đổi .5 Điều khiển ổn định cho các bộ biến đổi bán dẫn công suất .1 Cơ sở lý thuyết trong điều khiển ổn định .2 Tính toán biến điều khiển cho vấn đề ổn định hệ thống .3 Hệ điều khiển thụ động thích nghi ước lượng tham số .6 Ví dụ thiết kế điều khiển tựa thụ động cho Bộ biến đổi kiểu boost .1 Tính toán tín hiệu điều khiển .2 Tính chọn các hệ số cho ma trận cản dịu .3 Phân tích tính ổn định của hệ kín .4 Thích nghi ước lượng tham số .5 Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển tựa thụ động thích nghi ước lượng tham số cho Bộ biến đổi kiểu boost. 299 14 ĐIỀU KHIỂN HỆ CÓ CẤU TRÚC THAY ĐỔI Equation Section (Next) .1 Hệ thống điều khiển kiểu rơ-le .2 Chế độ trượt trong VSS .1 Ví dụ một hệ VSS đơn giản .2 Chế độ trượt trong VSS .3 Tính ổn định của chế độ trượt .4 Điều khiển trượt cho Bộ biến đổi kiểu buck .5 Mô phỏng hệ điều khiển trượt cho Bộ biến đổi kiểu buck .3 Điều kiện tồn tại chế độ trượt.4 Điều khiển tương đương .1 Điều khiển tương đương đối với hệ tuyến tính điều khiển vô hướng .2 Điều khiển tương đương đối với hệ tuyến tính điều khiển vector .3 Điều khiển tương đương đối với hệ phi tuyến tính dạng affin .5 Phương pháp thiết kế điều khiển theo mode trượt .1 Thiết kế điều khiển trượt cho bộ biến đổi kiểu buck .2 Thiết kế điều khiển trượt cho bộ biến đổi kiểu boost .3 Thiết kế điều khiển trượt cho các BBĐ DC-DC .6 Thiết kế điều khiển trượt cho BBĐ DC-AC. 330 15 Tài liệu tham khảo.