mô hình điều khiển điện áp ngõ ra sử dụng bộ điều khiển PI được áp dụng trong nghiên cứu, tìm hiểu cách thức hoạt động của bộ DC DC buck thông qua mô hình hóa mô phỏng

MỤC LỤC MỤC LỤC CÁC HÌNH MỤC LỤC CÁC BẢNG CHƯƠNG 1: 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu tiểu luận 1.3 Phương pháp thực CHƯƠNG 2: BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC BUCK 2.1 Bộ chuyển đổi DC-DC Buck 2.2 Công thức chuyển đổi Buck 2.2.1 Tính tốn cho tỉ s 2.2.2 Tính tốn giá trị c 2.2.3 Tính tốn cho tụ đ 2.3 Mục đích thành phần khác b 2.3.1 Khóa bán dẫn 2.3.2 Cuộn cảm 2.3.3 Tụ điện 2.3.4 Diode 2.4 Các chế độ vận hành mạch Buck 2.4.1 Chế độ dẫn không 2.4.2 Chế độ dẫn liên tụ CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP MẠCH DCDC BUCK 3.1 Thông số mạch DC-DC Buck 16 3.2 Tính tốn giá trị linh kiện mạch Buck 16 3.3 Mơ hình hóa mơ mạch DC-DC Buck 17 3.4 Kết mô 18 3.5 Kết luận 21 MỤC LỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Mạch cơng suất chuyển đổi DC-DC Buck Hình 2.2 Các dạng sóng mạch buck cho hoạt động chế độ dẫn liên tục Hình 2.3 Mạch chuyển đổi Buck đóng cơng tắc Hình 2.4 Mạch chuyển đổi Buck công tắc mở .8 Hình 2.5 Dạng sóng dịng điện dẫn cho chế độ dẫn khơng liên tục .14 Hình 2.6 aveform of inductor current for continuous conduction mode [2] .15 Hình 3.1 Mơ hình mơ điều khiển mạch DC-DC Buck 17 Hình 3.2 Dạng sóng điện áp ngõ 18 Hình 3.3 Dạng sóng điện áp ngõ thời điểm độ công suất tải 18 Hình 3.4 Dạng sóng dịng điện qua tải 19 Hình 3.5 Tỉ số thời gian điều khiển 19 Hình 3.6 Tỉ số thời gian điều khiển độ công suất .20 Hình 3.7 Dạng sóng dịng điện cuộn dây 21 MỤC LỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Thông số mạch Buck 16 Bảng 3.2 Thơng số linh kiện mơ hình mô .17 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 111Equation Chapter (Next) Section 1.1 Đặt vấn đề Bộ chuyển đổi DC-DC chế độ chuyển mạch mạch điện tử công suất đơn giản chuyển đổi mức điện áp thành mức khác cách thay thổi trạng thái hoạt động khóa bnn dẫn Những chuyển đổi nhận quan tâm ngày nhiều nhiều lĩnh vực Điều ứng dụng rộng rãi chúng nguồn cung cấp điện cho máy tính cá nhân, thiết bị văn phòng, điều khiển thiết bị, thiết bị viễn thông, truyền động động DC, ô tô, máy bay, v.v Việc phân tích, điều khiển ổn định trạng thái đóng cắt yếu tố cần quan tâm Nhiều phương pháp điều khiển sử dụng để điều khiển chuyển đổi DC-DC với cấu trúc điều khiển đơn giản chi phí thấp yêu cầu cho hầu hết ứng dụng công nghiệp hiệu suất cao Phương pháp điều khiển có số ưu điểm hạn chế Trong thực tế điều khiển PI quan tâm nghiên cứu ứng dụng đơn giản hiệu chúng Tuy nhiều hạn chế điều khiển thích nghi với nhiều điều kiện hoạt động khác đủ để ứng dụng điều khiển không yêu cầu chất lượng cao Trong tiểu luận, mơ hình điều khiển điện áp ngõ sử dụng điều khiển PI áp dụng nghiên cứu, tìm hiểu cách thức hoạt động DC-DC Buck thơng qua mơ hình hóa mơ 1.2 Mục tiêu tiểu luận ‒ Mơ hình hóa phân tích chuyển đổi Buck khơng có điều khiển mô MATLAB / Simulink ‒ Kiểm tra tính hiệu điều khiển PI 1.3 Phương pháp thực Các phương pháp luận sau sử dụng để hoàn thành tiểu luận này: ‒ Nghiên cứu kiến thức có liên quan đến vấn đề cấu tạo, nguyên lý hoạt động điều khiển mạch DC-DC Buck ‒ Mơ hình tốn học chuyển đổi DC-DC Buck ‒ Mơ hình hóa hệ thống phân tích MATLAB / simulink ‒ Hiệu suất kiểm tra cách thay đổi điện trở tải CHƯƠNG 2: BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC BUCK 212Equation Chapter (Next) Section 2.1 Bộ chuyển đổi DC-DC Buck Bộ chuyển đổi Buck sử dụng để chuyển đổi điện áp đầu vào chiều không điều chỉnh thành điện áp đầu chiều có kiểm sốt với mức điện áp mong muốn Nó đơi gọi giảm áp Cấu trúc liên kết có tên từ việc tạo điện áp đầu có độ lớn thấp điện áp đầu vào Sơ đồ mạch chuyển đổi buck thể Hình Hình 2.1 Mạch cơng suất chuyển đổi DC-DC Buck Dạng sóng chuyển đổi DC-DC Buck chế độ dòng điện liên tục thể Hình 2 Hình 2.2 Các dạng sóng mạch buck cho hoạt động chế độ dẫn liên tục 2.2 Công thức chuyển đổi Buck Dựa phân tích chuyển đổi buck cho cơng tắc đóng mở sử dụng định luật điện áp định luật dịng điện Kirchhoff, tính tốn điều sau 2.2.1 Tính tốn cho tỉ số thời gian Để tính tốn tỉ số thời gian, trước hết giả sử chuyển đổi trạng thái ổn định Các thiết bị chuyển mạch coi lý tưởng, tổn hao phần tử cảm ứng điện dung bỏ qua Ngoài ra, điều quan trọng cần phân tích sau khơng bao gồm điện trở ký sinh (tất trường hợp lý tưởng) Phân tích có giả định chuyển đổi hoạt động chế độ dẫn liên tục, tức dòng điện dẫn lớn Để có tỉ số thời gian, cần phải phân tích hai trạng thái chuyển đổi buck 2.2.1.1 Phân tích chuyển đổi Buck cho trạng thái cơng tắc đóng (ON) Mạch tương đương biến đổi buck công tắc đóng Hình bên Hình 2.3 Mạch chuyển đổi Buck đóng cơng tắc Khi cơng tắc đóng (ON) khoảng thời gian Ton, cơng tắc dẫn dòng điện dẫn diode trở thành phân cực ngược Điều dẫn đến điện áp dương cuộn cảm V L in Sắp xếp lại phương trình Error: Reference source not found ta được, L Viết lại phương trình Error: Reference source not found thu phương trình Error: Reference source not found sau: Thời gian đóng khóa điện tính tốn ∆t = DT, phương trình Error: Reference source not found viết lại theo độ chênh lệch dòng điện thể Error: Reference source not found với D tỉ số thời gian i L ( closed ) 2.2.1.2 Phân tích chuyển đổi Buck cho công tắc mở (TẮT) Mạch tương đương chuyển đổi buck hiển thị bên cơng tắc mở Hình 2.4 Mạch chuyển đổi Buck công tắc mở Khi công tắc tắt, tích trữ lượng cảm ứng, dịng điện dẫn tiếp tục chạy Trong thời gian diode phân cực thuận dịng điện chạy qua L di L V dt Phương trình (2.5) viết thành, iL t Since the duration of time when the switch OFF is given as Equation (2.6) is given as, t (1 D )T , t (1 D )T Vì khoảng thời gian cơng tắc TẮT cho , phương trình Error: Reference source not found viết lại theo Error: Reference source not found Vo i L ( open) Đối với hoạt động trạng thái ổn chu kì thời gian định, thay đổi thực dòng điện dẫn phải i i L ( closed ) L ( open) Thay phương trình Error: Reference source not found phương trình Error: Reference source not found vào phương trình Error: Reference source not found đơn giản hóa cho kết quả, D Theo cách khác, dạng sóng hoạt động trạng thái ổn định phải lặp lại từ khoảng thời gian sang khoảng thời gian tiếp theo, tích phân điện áp cuộn cảm VL khoảng thời gian phải không VL dt T T on VL dt T Ton VL dt 12212\* MERGEFORMAT (.) Trong T chu kỳ chuyển đổi (tức T = ton + toff) tích hợp theo thời gian chuyển đổi cho, Vin Vo Ton Vo T Ton (.) Đơn giản hóa phương trình Error: Reference source not found cho, D Vo V in 2.2.2 Tính tốn giá trị cuộn cảm Giả sử khơng có tổn thất cơng suất biến đổi, công suất tải hấp thụ phải công suất nguồn cung cấp P0 PS Phương trình Error: Reference source not found viết dạng, Cơng suất định mức Độ nhấp nhơ điện áp Dịng điện lớn qua cuộn dây Tần số chuyển mạch Độ vọt lố thay đổi tải Thời gian độ 3.2 Tính tốn giá trị linh kiện mạch Buck Tỉ số điều chế thời gian: D V Vs 100 0.5 200 Điện trở tải: V 02 R P Dịng trung bình qua cuộn dây: V0 IL R Dòng cực tiểu qua cuộn dây: I V L_ max Giá trị tụ điện C: C 3.3 Mơ hình hóa mơ mạch DC-DC Buck Mơ đánh giá thay đổi điện áp ngõ có thay đổi tải Trong mô phỏng, thời điểm t=0.2s, công suất ngõ tăng từ 500 lên 1000 W Với điều 16 kiện điện áp ngõ vào không thay đổi, mô đánh giá hiệu điều khiển điều khiển PI ổn áp đầu Để thực đanh giá này, thông số mô hình lựa chọn Bảng Các thông số điều khiển PI chọn k 0.001; k 0.5 P I Hình 3.7 Mơ hình mơ điều khiển mạch DC-DC Buck Bảng 3.2 Thơng số linh kiện mơ hình mơ 3.4 Kết mô Kết điều khiển điện áp ngõ suốt thời gian mô thể Hình Qua kết thấy sau q trình khởi động điện áp ngõ đạt giá trị mong muốn Thời gian độ điện áp khoảng 0.7s Sau thời gian độ điện áp ngõ giữ khơng đổi suốt q trình hoạt động 17 120 Output Voltage 100 Voltage (V) 80 60 40 20 0 0.05 0.2 0.35 0.1 0.25 0.15 0.3 0.4 t i m e ( s ) Hình 3.8 Dạng sóng điện áp ngõ 106 Output Voltage 104 102 100 98 96 94 0.19 0.195 0.215 0.235 0.2 0.205 0.22 0.225 0.24 0.21 0.23 time (s) Hình 3.9 Dạng sóng điện áp ngõ thời điểm độ cơng suất tải Dạng sóng điện áp ngõ có tượng thay đổi cơng suất tải thể Hình Qua kết thu hình khẳng định thay đổi đột ngột công suất tải làm cho điện áp ngõ có thay đổi Thời gian nhấp nhơ điện áp khoảng 0.2s Sau khoảng thời gian độ điện áp ngõ quay lại 18 giá trị tham chiếu định sẳn 100V Sự nhấp nhô điện áp không vượt 5V trình độ cho thấy hiệu ổn định điều khiển PI Load current 12 10 Load current (A) 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 time (s) Hình 3.10 Dạng sóng dịng điện qua tải D factor 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 time (s) Hình 3.11 Tỉ số thời gian điều khiển 19 0.4 0.5 0.5 0.5 time (s) Hình 3.12 Tỉ số thời gian điều khiển độ công suất Với điện áp ngõ thu trên, dòng điện chạy vào tải thể Hình 10 bên Có thể nhận thấy dịng điện tỉ lệ thuận với công suất ngõ điện áp không đổi Giá trị ngõ điều khiển PI tỉ số thời gian D PWM thể Hình 11 Hình 12 Qua kết giá trị tỉ số thời gian tồn thời gian mơ cho thấy ổn định kết ngõ khơng có nhấp nhô lớn tác động sai số ngõ vào điều khiển Kết phóng to tỉ số thời gian q trình q độ cơng suất tải thể Hình 12 cho thấy có thay đổi đột ngột cơng suất tải tỉ số thời gian có biến thiên tương ứng nhằm đưa điện áp ngõ lại giá trị tham chiếu Ứng với mức công suất khác giá trị tỉ số thời gian có khác khơng theo tỉ lệ điện áp điện áp vào lý thuyết ban đầu Dạng sóng dịng điện cuộn dây L thể Hình 13 Qua kết thu thấy dịng điện qua cuộn dây liên tục dương yêu cầu thiết kế chuyển đổi ban đầu Khi xét giá trị cực đại dòng điện qua cuộn dây, giai đoạn ổn đinh, dòng điện qua cuộn dây nhỏ giá trị 15A 20 Điều cho thấy thuật toán điều khiển thỏa mãn yêu cầu dòng điện đề thiết kế Inductor Current 20 18 16 14 Current (A) 12 10 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 time (s) Hình 3.13 Dạng sóng dịng điện cuộn dây 3.5 Kết luận Qua kết thu trình thực tiểu luận, số kết luận rút sau: Tiểu luận tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động mạch chuyển đổi công suất DC-DC Buck Trong lý thuyết tổng quan, kiến thức chi tiết cấu tạo, nguyên lý đóng cắt, phương trình tốn mạch điện trình bày cụ thể Tiểu luận thực mơ hình hóa mơ điều khiển điện áp mạch chuyển đổi công suất DC-DC Buck dựa điều khiển PI Một mơ hình hóa mơ mạch điện điều khiển thực Các kết mô ghi nhận dùng phân tích đánh giá sau Tiểu luận đánh giá hiệu hoạt động điều khiển PI điều khiển điện áp ngõ Qua kết thu cho thấy điều khiển có khả đáp ứng nhanh theo thay đổi điều kiện vận hành Khi vận hành trạng thái ổn định, điện áp ngõ bám sát điện áp mong muốn sai số xác lập không 21 NHIỆM VỤ CÁC NHĨM CÁC nhóm sử dụng bảng thơng số tương ứng để thực tiểu luận Ví dụ nhóm làm mạch mô với thông số (thông số mơ hình highlight màu xanh bên Nhiệm vụ đặt thời điểm t=0.5s công suất thay đổi từ mức P1 sang mức P2 thể bảng thông số Thông số mạch Buck Điện áp vào Điện áp Công suất định mức Độ nhấp nhơ điện áp Dịng điện lớn qua cuộn dây Tần số chuyển mạch Độ vọt lố thay đổi tải Thời gian độ P1 P2 22 ... cao Trong tiểu luận, mơ hình điều khiển điện áp ngõ sử dụng điều khiển PI áp dụng nghiên cứu, tìm hiểu cách thức hoạt động DC- DC Buck thơng qua mơ hình hóa mơ 1.2 Mục tiêu tiểu luận ‒ Mơ hình hóa. .. Một mơ hình hóa mô mạch điện điều khiển thực Các kết mô ghi nhận dùng phân tích đánh giá sau Tiểu luận đánh giá hiệu hoạt động điều khiển PI điều khiển điện áp ngõ Qua kết thu cho thấy điều khiển. .. hiệu điều khiển điều khiển PI ổn áp đầu Để thực đanh giá này, thơng số mơ hình lựa chọn Bảng Các thông số điều khiển PI chọn k 0.001; k 0.5 P I Hình 3.7 Mơ hình mơ điều khiển mạch DC- DC Buck