Nghiên ứu, thiết kế bộ điều khiển thiết bị nguồn điện dự phòng sử dụng năng lượng mặt trời 2kw

Nguyên lý hoạt động b biộ ến đổi Full-bridge .... Phương pháp điều xung .... Phương pháp biến đổi DC-AC .... Sơ đồ nguyên lý b biộ ến đổi Full-Bridge .... Giản đồ xung m ở các van theo p

LUẬN VĂN THẠC SĨ Ĩ THUẬ K T

NGHIÊN C U, THI Ứ Ế T K B Ế Ộ ĐIỀ U KHI N THI Ể Ế T B Ị

M T TR I 2KW Ặ Ờ

NGÀNH : ĐIỀ U KHI N VÀ T Ể Ự ĐỘ NG HÓA

BÙI HOÀNG GIANG

NGƯỜI HƯỚ NG D N KHOA H C : Ẫ Ọ

TS LƯU HỒ NG VI Ệ T

Hà N i – 2011 ộ

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205300451000000

i

Tôi xin cam đoan luận án th c sạ ĩ với đề tài: “Nghiên c u, thi t k b u ứ ế ế ộ điề

khi n thi t b ngu ể ế ị ồn điệ n d phòng s d ự ử ụng năng lượ ng m t tr i 2kW ặ ờ ” do tôi t ự

th c hiự ện dướ ự hưới s ng d n c a thẫ ủ ầy giáo TS Lưu Hồng Vi t Các s li u và k t ệ ố ệ ế

qu hoàn toàn trung th c ả ự

Ngoài các tài li u tham khệ ảo đã d n ra cu i luẫ ở ố ận án, tôi đảm b o r ng ả ằkhông sao chép các công trình ho c k t qu cặ ế ả ủa người khác N u phát hiế ện có s sai ự

ph m vạ ới điều cam đoan trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhi m ệ

H c viên ọ

Bùi Hoàng Giang

ii

LỜI CAM ĐOAN i

M C L C iiỤ Ụ DANH M C HÌNH VỤ Ẽ iv

L I M Ờ Ở ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ Ộ B THI T B D PHÒNG 3Ế Ị Ự 1.1 T ng quan v b thi t b d phòng 3 ổ ề ộ ế ị ự 1.2 B bi ộ ến đổ i DC - DC 5

1.2.1 B biộ ến đổi DC-DC có cách ly 5

1.2.2 Nguyên lý hoạt động b biộ ến đổi Full-bridge 6

1.2.3 Phương pháp điều xung 7

1.3 B bi ộ ến đổ i DC – AC 9

1.3.1 Nguyên lý hoạt động 9

1.3.2 Phương pháp điều xung 10

CHƯƠNG II:THI T K B Ế Ế Ộ ĐIỀU KHI N CHO B THI T B D PHÒNG.13Ể Ộ Ế Ị Ự 2.1 Xây d ng mô hình b bi ự ộ ến đổ i DC-DC 13

2.1.1 Xây d ng mô hình toán h c c a b biự ọ ủ ộ ến đổi DC-DC 13

2.1.2 Xây d ng mô hình mô ph ng b biự ỏ ộ ến đổi DC – DC 18

2.2 Xây d ng b ự ộ điề u khi n cho b ể ộ ến đổ bi i DC-DC 20

2.2.1 B ộ điều khiển PID 20

2.2.2 Nâng cao chất lượng h th ng b ng cách s d ng b u khi n m .22ệ ố ằ ử ụ ộ điề ể ờ 2.2.3 Ki m ch ng kể ứ ết qu b ng mô ph ng Matlab & Simulink 26ả ằ ỏ 2.3 Xây d ng mô hình b bi ự ộ ến đổ i DC-AC 36

2.4 Xây d ng b ự ộ điề u khi n cho b ể ộ ến đổ bi i DC-AC 38

2.4.1 L a chự ọn cấu trúc điều khi n 38ể 2.4.2 L a chự ọn tham s ố điều khiển theo phương pháp gán điểm c c 41ự 2.4.3 Ki m ch ng kể ứ ết qu b ng mô ph ng Matlab & Simulink 44ả ằ ỏ

2.5 K t lu n 46 ế ậ

iii

3.1 B bi i DC - DC 47

3.1.1 Gi i pháp ph n c ng 48ả ầ ứ3.1.2 Gi i pháp ph n m m 58ả ầ ề3.1.3 Hình nh th c t .62ả ự ế

3.2 B bi ộ ến đổ i DC – AC 66

3.2.1 Gi i pháp ph n c ng 66ả ầ ứ3.2.2 Gi i pháp ph n m m 78ả ầ ề3.2.3 Hình nh th c t .86ả ự ế

Nh ận xét và đánh giá kế t qu : 88 ả

CHƯƠNG IV: KẾT LU N 89Ậ

4.1 Nh ng k t qu ã ữ ế ả đ đạt đượ c 89 4.2 Hướ ng phát tri n 90 ể

TÀI LI U THAM KH O 91Ệ Ả

iv

Hình 1.1 ng d ng c a b biỨ ụ ủ ộ ến đổi DC – AC trong h thệ ống năng lượng tái t o 3ạ

Hình 1.2 Phương pháp biến đổi DC-AC 4

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý b biộ ến đổi Full-Bridge 6

Hình 1.4 Giản đồ xung m các van ki u bù 7ở ể Hình 1.5 Giản đồ xung m ở các van theo phương pháp dịch pha 8

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý b biộ ến đổi DC-AC 10

Hình 1.7 Điều chế PWM theo phương pháp Unipolar 11

Hình 1.8 Điều chế PWM theo phương pháp Bipolar 12

Hình 2.1 Bộ điề u khiển cho b thi t b d phòng 13ộ ế ị ự Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý c a b biủ ộ ến đổi DC-DC d ng full-bridge 14ạ Hình 2.3 Giản đồ ời gian xung điề th u khi n các van d ng phase-ể ạ shifted và điện áp bên sơ cấp bi n áp 14ế Hình 2.4 Sơ đồ rút g n khi ọ 0 t  15

Hình 2.5 Sơ đồ rút g n khi ọ  t T PWM / 2 16

Hình 2.6 Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu 16

Hình 2.7 Sơ đồ ạ m ch c u H 18ầ Hình 2.8 Sơ đồ mô ph ng ph n bi n áp, chỏ ầ ế ỉnh lưu và lọc 19

Hình 2.9 Sơ đồ ạch điề m u khi n 19ể Hình 2.10 B phát xung PWM 20ộ Hình 2.11 B u khiộ điề ển PID 21

Hình 2.12 Đáp ứng đầu ra c a b biủ ộ ến đổi DC – DC 21

Hình 2.13 Đáp ứng c a hủ ệ ố th ng trên mi n th i gian 22ề ờ Hình 2.14 B u khiộ điề ển PID m 23ờ Hình 2.15 Mô ph ng b u khi n PID m 26ỏ ộ điề ể ờ Hình 2.16 Hàm liên thuộc đầu vào th nh t E 27ứ ấ Hình 2.17 Hàm liên thuộc đầu vào th hai DE 27ứ Hình 2.18 Hàm liên thuộc đầu ra KP 28

Hình 2.19 Lu t chậ ỉnh định KPtrong không gian 28

Hình 2.20 Hàm liên thuộc đầu ra KI 29

Hình 2.21 Lu t chậ ỉnh định KI trong không gian 29

Hình 2.22 Hàm liên thuộc đầu ra KD 30

v

Hình 2.25 D ng sóng cạ ủa các nhánh van và điện áp bên sơ cấp 32

Hình 2.26 Đáp ứng c a b biủ ộ ến đổi DC - DC 33

Hình 2.27 Điện áp đầu ra khi tải thay đổ ừi t 100 Ohm-150 Ohm 33

Hình 2.28 Điện áp ra đầu ra khi thay đổ ả ừi t i t 100 Ohm-200 Ohm 34

Hình 2.29 Đáp ứng c a b biủ ộ ến đổi DC - DC khi thay đổi giá tr t (350V) 34ị đặ Hình 2.30 Đáp ứng c a b biủ ộ ến đổi DC - DC khi thay đổi giá tr t (450V) 35ị đặ Hình 2.31 Mô hình đối tượng điều khi n DC-AC 36ể Hình 2.32 Mô hình đối tượng điều khi n dể ạng sơ đồ khối 36

Hình 2.33 Cấu trúc điều khiển theo biên độ 39

Hình 2.34 M ch lạ ọc thông th p LC và t i R 39ấ ả Hình 2.35 Điều khiển ổn định giá tr t c th i cị ứ ờ ủa điện áp xoay chiều 40

Hình 2.36 Đặc tính quá độ ủa đối tượ c ng 42

Hình 2.37 Vùng ưu tiên chọn điểm c c trên mi n z 43ự ề Hình 2.38 Sơ đồ simulink mô phỏng h th ng 45ệ ố Hình 2.39 K t quế ả mô ph ng - ỏ Điện áp đầu ra khi không có nhiễu 45

Hình 2.40 K t quế ả mô ph ng – ỏ Điện áp đầu ra khi có nhiễu đầu ra 46

Hình 3.1 Sơ đồ kh i c a m ch chuyố ủ ạ ển đổi DC-DC d ng Full-Bridge 47ạ Hình 3.2 Sơ đồ ấ c u trúc khối điều khi n 49ể Hình 3.3 Sơ đồ ấu trúc đối tượng điề c u khi n 49ể Hình 3.4 M ch driver 50ạ Hình 3.5 M ch Fet v i snubber bạ ớ ảo vệ 53

Hình 3.6 B l c m t chiộ ọ ộ ều 55

Hình 3.7 Mạch đo áp 56

Hình 3.8 M ch b o v s d ng LAH 25-NP 58ạ ả ệ ử ụ Hình 3.9 Lưu đồ ủa chương tr c ình chính 59

Hình 3.10 Lưu đồ thu t toán cho ngậ ắt ADC 60

Hình 3.11 Lưu đồ thu t toán cho ngậ ắt Timer 61

Hình 3.12 Mạch điều khiển 62

Hình 3.13 Mạch điều khiển, m ch l c và bi n áp xung 62ạ ự ế Hình 3.14 B biộ ến đổi DC -DC 63

Hình 3.15 D ng ạ sóng đo vào chân van 63

Hình 3.16 D ng ạ sóng đo vào sơ cấp biến áp 64

vi

Hình 3.19 Dạng điện áp ra sau chỉnh lưu 65Hình 3.20 M ch lạ ọc LC 66Hình 3.21 Thiết kế ối đo điệ kh n áp xoay chi u 70ềHình 3.22 Thi t kế ế kh i m ch OPTO 70ố ạHình 3.23 Mạch test đáp ứng thời gian c a OPTO 71ủHình 3.24 Thiết kế ố ả kh i b o vệ ụ s t áp cho IPM 72Hình 3.25 Tính toán m ch khạ ởi động IPM 74Hình 3.26 Tính toán khối đo dòng b o vả ệ IPM 76Hình 3.27 Lưu đồ thu t toán hàm main 1 vòng u khi n 79ậ điề ểHình 3.28 Lưu đồ thu t toán ng t ADC 80ậ ắHình 3.29 Phân chia thời gian đo ADC trong 1 chu kỳ PWM 81Hình 3.30 Lưu đồ thu t toán cho ngậ ắt PWM 81Hình 3.31 Giản đồ xung mô t thu t toán PWM 82ả ậHình 3.32 Cấu trúc hai vòng u khiđiề ển 83Hình 3.33 Lưu đồ thu t toán th c hiậ ự ện hàm main - 2 vòng điều khi n 84ểHình 3.34 Lưu đồ thu t toán cho module PWM- 2 vòng u khi n 85ậ điề ểHình 3.35 B biộ ến đổi DC – AC 86Hình 3.36 B chuyộ ển đổi DC – AC đã thi t k ế ế được đóng hộp 87Hình 3 37 D ng sóng sin sau b chuyạ ộ ển đổi DC - AC 87

1

Trong vài chục năm t ở ại đây, cùng vớ ựr l i s phát tri n củể a các ngành kĩ thuật điệ ửn t , công ngh thông tin, ngành kệ ĩ thuật điều khi n và tể ự động hóa đã và đang đạt được nhi u ti n b m i T ng hóa quá trình s n xuề ế ộ ớ ự độ ả ất đang được ph bi n ổ ế

r ng rãi trong các h th ng công nghi p trên th gi i nói chung và Vi t Nam nói ộ ệ ố ệ ế ớ ở ệriêng

Tuy nhiên, đi liền v i s phát tri n là các yêu c u m i, ngày càng kh t khe ớ ự ể ầ ớ ắhơn, phứ ạp hơn Mộc t t trong s các yêu cầu đó là yêu cầ ử ụng đượố u s d c nh ng ữnguồn năng lượng s ch t tự nhiên như năng lượạ ừ ng gió, m t tr i, th y tri u … ặ ờ ủ ề để

kh c ph c tình tr ng thi u hắ ụ ạ ế ụt điện nghiêm tr ng Vi t Nam hi n nay Nguọ ở ệ ệ ồn năng lượng s ch t t ạ ừ ự nhiên là vô cùng phong phú nhưng chúng ta mớ ử ụi s d ng m t ph n ộ ầ

r t nhấ ỏ, chưa khai thác triệt để ềm năng sẵ ti n có c a nó ủ

Ngu n n ồ điệ thu đượ ừ năng lược t ng gió, m t tr i, th y tri u … là ngu n m t ặ ờ ủ ề ồ ộchi u nên có kh ề ả năng lưu trữ điện năng lâu dài trong các thiết b ị lưu trữ như ắc quy, pin Do v y, nguậ ồn điện đó thường có biên độ ố định, không được điề c u khi n nên g p r t nhi u khể ặ ấ ề ó khăn trong việc cung c p nguấ ồn điện cho các ng ứ

d ng trong nhi u lụ ề ĩnh vực như sản xu t công nghi p, truyấ ệ ền thông…

Vì nh ng lí do trên mà b chuyữ ộ ể đổn i ngu n DC - AC ồ đang được s d ng ử ụngày càng r ng rãi B chuyộ ộ ể đổn i ngu n DC - AC là m t thi t b công su t, bi n ồ ộ ế ị ấ ếđổi điện áp m t chiộ ều đầu vào không được điều khiển thành điện áp xoay chiều đầu

ra v i các mớ ức điện áp mong mu n nh m cung cố ằ ấp điện cho các thi t b s d ng ế ị ử ụnguồn điện xoay chi u ề

Chính vì th , tôi ã ch n lu n án “ế đ ọ ậ Nghiên c u, thi t k b u khi n thi t ứ ế ế ộ điề ể ế

b ngu ị ồn điệ n d phòng s d ự ử ụng năng lượ ng m t tr i 2kW ặ ờ “ do thầy giáo TS.Lưu

H ng Viồ ệt hướng dẫn

Luận án được trình bày trong 4 chương chính:

trình bày v nguyên lý ho t Chương I: Tổng quan v b thiêt b d phòng ề ộ ị ự ề ạ

động c a b thi t b ngu n n d phòng Qua ủ ộ ế ị ồ điệ ự đó, tập trung gi i quyả ết các vấn đề

v b chuyề ộ ển đổi ngu n DC-ồ AC Chương I cũng nói rõ c u trúc c a b chuyển đổi ấ ủ ộ

2

Chương II: Thiết k b u khi n cho b thi t b d phòng đưa ra mô ế ộ điề ể ộ ế ị ựhình toán h c c a các b biọ ủ ộ ến đổi T ừ đó, thiết k b u khi n cho t ng b bi n ế ộ điề ể ừ ộ ếđổi Chương II tập trung vào vi c nâng cao chệ ất lượng b u khi n c a b bi n i ộ điề ể ủ ộ ế đổDC-DC

Chương III: Thi t k h th ng th c t trình bày v vi c thi t k và tính ế ế ệ ố ự ế ề ệ ế ếtoán m ch th c t c a b biạ ự ế ủ ộ ến đổi DC – AC Chương III cũng trình bày v gi i pháp ề ả

ph n m m cho mầ ề ạch đã thi t kế ế, đồng thời đưa ra mộ ốt s hình nh th c t v m ch ả ự ế ề ạ

cũng như các d ng sóng m t sạ ở ộ ố ị trí để v so sánh v i lý thuyết ớ

Chương IV: Kết lu n nêu ra nh ng k t qu ã ậ ữ ế ả đ đạt được trong th i gian tìm ờ

hi u, nghiên c u luể ứ ận án đồng thời đưa ra hướng phát tri n m i cho lu n án ể ớ ậ

Do trình kiđộ ến th c có h n, s h n ch vứ ạ ự ạ ế ề th i gian cờ ũng như ề v kinh nghi m th c t nên lu n án không th tránh kh i nh ng thi u sót, kính mong các ệ ự ế ậ ể ỏ ữ ế

th y cô giáo ch bầ ỉ ảo để ận án đượ lu c hoàn thiện hơn

Tôi xin bày t lòng biỏ ết ơn sâu sắ ớc t i toàn thể các th y cô giáo b môn ầ ộ Điều Khi n T ng và b môn T ng Hóaể ự Độ ộ ự Độ , đặc bi t là s hu ng d n ch b o t n tình ệ ự ớ ẫ ỉ ả ậ

c a th y giáo TS ủ ầ Lưu Hồng Vi t ã t o mệ đ ạ ọi điều ki n thu n l i nh t có th cho tôi ệ ậ ợ ấ ể

th c hiự ện đồ án Xin cám ơn các bạn cùng phòng nghiên c u v s h p tác nhi t ứ ề ự ợ ệtình và hiệu qu ả

M t l n n a tôi xin chân thành cộ ầ ữ ảm ơn!

H c viên ọ

Bùi Hoàng Giang

xu ng quá thố ấp hay tăng quá cao …

Hình 1.1 ng d ng c a b bi Ứ ụ ủ ộ ến đổ i DC – AC trong h th ệ ống năng lượ ng tái t ạ o

B c x m t tr i ứ ạ ặ ờ

Pin m t tr i ặ ờ

B u ộ điềkhi n s c ể ạ

B ộ lưu trữ năng lượng

B nghộ ịch lưu

Thi t b ế ị

m t chi u (DC) ộ ềThi t b ế ị

xoay chi u (AC) ề

4

Pin m t tr i có nhiặ ờ ệm v h p thụ ấ ụ quang năng từ ánh sáng m t trặ ời để ến đổ bi i thành điện năng, tạo ra dòng n m t chi u Dòng điệ ộ ề điện này được d n t i b u ẫ ớ ộ điềkhi n là m t thi t b ể ộ ế ị điện t có chử ức năng điều hòa t ng các quá trình nự độ ạp điện vào b ộ lưu trữ năng lượng m t chiộ ều và phóng điện t b ừ ộ lưu trữ năng lượng này ( cquy) ra các thi t b n m t chi u (DC) Ngoài ra, b thi t b d phòng còn có ắ ế ị điệ ộ ề ộ ế ị ự

kh ả năng cung cấp cho các t i xoay chiả ều (đèn, quạt, radio, TV, máy tính…) thông qua b nghộ ịch lưu

Các b nghộ ịch lưu có rất nhi u ng d ng nhề ứ ụ ở ững nơi không có điện lưới

ho c khi x y ra s c v ặ ả ự ố ề điện lướ , nó đượi c s dử ụng để biến đổi các ngu n m t ồ ộchiều điện áp thấp như ắc-qui, pin m t tr i ho c pin nhiên li u thành i n xoay ặ ờ ặ ệ đ ệchi u 220VAC/50Hz ph c v các thi t b dân d ng ề ụ ụ ế ị ụ

Quá trình biến đổi điện áp t m t chiừ ộ ều ắc quy thành điện xoay chi u ề220VAC/50Hz thường thông qua 2 giai đoạn chính:

Các b biộ ến đổi DC-DC không cách ly cho công su t hấ ạn ch , ch phù h p ế ỉ ợ

v i các bài toán công su t nh và chớ ấ ỏ ất lượng không cao Vì v y, b biậ ộ ến đổi

DC-DC có cách ly là b biộ ến đổi được ch n ọ

1.2.1 B bi ộ ến đổ i DC-DC có cách ly

B biộ ến đổi DC-DC có cách ly có các c u trúc chính cấ ũng như các chỉ tiêu chất lượng như trong bảng 1.1

B ng 1.1 So sánh ch tiêu ch ả ỉ ất lượ ng các c u trúc c a b bi ấ ủ ộ ến đổ i DC-DC [9]

ch n c u trúc c a b bi i DC-DC c vào các ch tiêu chính

sau:

- Bài toán có yêu c u bi n áp các ly giầ ế ữa đầu vào và đầu ra hay không?

- Dòng cực đại đặt lên van là bao nhiêu?

- Dải điện áp l n nh t mà van có th chớ ấ ể ịu được là bao nhiêu?

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý b bi ộ ến đổ i Full-Bridge

Hình 1.3 là sơ đồ nguyên lý c a b biủ ộ ến đổi Full-bridge Trong đó:

in

V : Là điện áp vào cần tăng áp

Q1, Q2, Q3, Q4 là các van công suất được điều khiển để đóng mở ạo ra điệ t n

áp xung đặt lên cuộn sơ cấp bi n áp xung ế

Bi n áp xung: Nâng áp v i tế ớ ỷ l cuệ ộn sơ cấp trên th cứ ấp là N N1: 2 và đểcách ly điện áp giữa đầu vào và đầu ra c a h th ng ủ ệ ố

Diot cao tần D1 và D2 chđể ỉnh lưu điện áp phía th c p biứ ấ ến áp xung, điện

áp qua nhánh này s là ẽ V oi

L, C: là b lộ ọc để ọ l c thành ph n cao tầ ần, điện áp sau b l c s ộ ọ ẽ là điện áp m t ộchi u Về 0

Nh kh ờ ả năng điều khiển đóng mở các van Q1, Q2, Q3, Q4 s tẽ ạo ra được điện

áp xung V1 v i t n s ớ ầ ố cao (thường vài chục kHz đến trăm kHz) đặt lên cuộn sơ cấp

c a bi n áp ủ ế

7

Điện áp V1 t i c a ra c a c u H có th b ng 0, -Vạ ử ủ ầ ể ằ in, +Vin ph thu c và cách ụ ộđiều khiển đóng mở các van công su t trên Các c p van (Qấ ặ 1, Q3), (Q2, Q4) được điều khi n theo ch bù (trể ế độ ạng thái ngược nhau) có tính t i th i gian tr chuy n ớ ờ ễ ể

1.2.3 Phương pháp điề u xung

Có 2 phương pháp phổ biến để điều xung đóng mở van đối v i m ch full-ớ ạbridge là cách điều xung kiểu bù và cách điều xung ki u d ch pha ể ị

Phương pháp 1: Điều xung ki u bù ể

Hình 1.4 Giản đồ xung m các van ki u bù ở ể

Phương pháp điều xung ki u bù u khi n m các c p van v i t n s f theo ể điề ể ở ặ ớ ầ ố

ki u bù vể ới độ ộng xung là như nhau Khi van r Q1 và Q4 m thì ở điện áp đặt lên

cuộn sơ cấp của bi n áp xung là Vế 1 = +Vd Khi van Q2 và Q3 m thì ở điện áp đặt lên

cuộn sơ cấp V1 = -Vd Khi các van đều khóa thì n áp Vđiệ 1 = 0 Điện áp sau kh i ố

chỉnh lưu V0là điện áp xung có t n s bầ ố ằng 2f, độ ộ r ng gấp đôi độ ộng xung điề r u khi n m van ể ở

Điện áp đầu ra được tính theo công th c sau: ứ 0 2

Phương pháp điều xung ki u d ch pha i u khi n t ng c p van theo ki u bù ể ị đ ề ể ừ ặ ể

với độ ộ g xung là như nhau (thườ r n ng duty = 50%) Khi van Q1 và Q4 m thì n ở điệ

8

áp đặt lên cuộn sơ cấp c a biủ ến áp xung là V1 = +Vin Khi van Q3 và Q2 m thì n ở điệ

áp đặt lên cuộn sơ cấp c a bi n áp xung là Vủ ế 1 = -Vin Và khi V1 = 0 có ngh à Qĩa l 1

Hình 1.5 Gi ản đồ xung m ở các van theo phương pháp dị ch pha

Quan sát giản đồ ờ th i gian trên hình 1.5, nh n th y giá tr lậ ấ ị độ ớn điện áp trung bình được đặt lên cuộn sơ cấp c a bi n áp xung trong m t n a chu kì là ủ ế ộ ử

2 Vin

T



9

Khi qua ph n iot chầ đ ỉnh lưu hai n a chu kử ỳ thì phần điện áp âm s ẽ đượ ậc l t lên thành điện áp dương Gi s b qua t n hao thì n áp trung bình u ra ả ử ỏ ổ điệ ở đầ V0 s ẽlà:

2 0

Cách điều khi n xung bù này s có thể ẽ ời điểm c ả 4 van cùng đóng Như vậy,

n u thi t k không tế ế ế ốt, năng lượng trong cuộn dây sơ cấ ủp c a bi n áp xung có thể ếđánh ngược tr lở ại van gây hư hỏng cho van, ho c t o các sóng hài gây nhi u cho ặ ạ ễquá trình u khi n điề ể

Ngượ ạc l i, với cách điều xung ki u d ch pha, t i b t kì thể ị ạ ấ ời điểm nào, s có ít ẽ

nh t 1 van mấ ở, như vậy năng lượng trong cuộn dây sơ cấp của bi n áp xung s ẽếkhông đánh ngược tr l i van mà tr v ngu n Vở ạ ả ề ồ ới cách điều khi n này s h n chể ẽ ạ ếđược tối đa các sóng hài không mong muốn, giúp cho việc điều khiển d ễ dàng hơn

Vớ ệc phân tích như trên, phương pháp điềi vi u xung ki u dể ịch pha là phương pháp đượ ực l a ch n ọ

1.3 B bi n i DC – AC ộ ế đổ

1.3.1 Nguyên lý ho ạt độ ng

Hình 1.6 là sơ đồ nguyên lý c a b biủ ộ ến đổi DC – AC Trong đó:

- Vi là điện áp vào cần tăng áp

- Q1, Q2, Q3, Q4 là các van công su t c a b nghấ ủ ộ ịch lưu

- L, C là b lộ ọc thông th pấ Điện áp sau b l c s ộ ọ ẽ là điện áp xoay chi u thu n ề ầsin

Cầu H được chia thành hai nhánh Q1-Q2 và Q3-Q4 Tùy thu c vào s ộ ự đóng

c t c a các van Qắ ủ 1, Q2 , Q3 và Q4 mà điện áp ra c a củ ầu Vab có giá tr là +Vị i hay –Vi

hay là b ng 0 ằ

- Khi các van đề ịu b khóa thì n áp ra c a c u Vđiệ ủ ầ ab = 0

- Hiện tượng trùng d n : là hiẫ ện tượng hai van trên cùng m t nhánh cùng ộthông, dẫn đến hiện tượng ng n m ch Vì v y, c n ph i tính toán th i gian ắ ạ ậ ầ ả ờphát xung cho các van để đảm b o không x y ra hiả ả ện tượng trùng d n này ẫ

1.3.2 Phương pháp điề u xung

Việc đóng cắt các van được th c hi n bự ệ ằng phương pháp điều ch r ng ế độ ộxung PWM (Pulse Width Modulation) Có hai phương pháp phổ biến để điề u ch ếPWM: Bipolar và Unipolar

11

Phương pháp 1: Phương pháp Unipolar – hình 1.7

- N u u(k) > 0 thì s u ch hai van Qế ẽ điề ế 1 và Q4: Q4luôn thông, điều ch Qế 1

- N u u(k) < 0 thì s u ch hai van Qế ẽ điề ế 2 và Q3: Q2luôn thông, điều ch Qế 3

Ở phương pháp này, c p Qặ 1-Q2, Q3-Q4 hoạt động ch bù ở ế độ

Điện áp ra Vab = VA –VB s có 3 tr ng thái +Vẽ ạ i, -Vi và 0

Hình 1.7 Điề u ch ế PWM theo phương pháp Unipolar

Phương pháp 2: Phương pháp Bipolar – hình 1.8

Ở phương pháp này, với m t tín hi u u(k) thì cả 4 van đều tham gia điềộ ệ u ch , ế

4 van được chia thành hai nhóm Q1 – Q4 và Q2 – Q3, hai nhóm van này s phát xung ẽ

ở ch ế độ bù nhau Điện áp ra sẽ có hai trạng thái –Vi ho c +Vặ i

13

THI T B D PHÒNG Ế Ị Ự

Module control DC- DC

Hình 2.1 B u khi n cho b thi t b ộ điề ể ộ ế ị d phòng ự

B thi t b d phòng g m hai b biộ ế ị ự ồ ộ ến đổi chính: b DC-ộ DC tăng áp và bộchuyển đổi DC-AC Để thu n ti n cho vi c tìm hi u và nghiên cứu, coi hai b bi n ậ ệ ệ ể ộ ế

đổi hoạt động độ ậc l p v i nhau, m i b ớ ỗ ộ được điều khi n b i m t module riêng bi t ể ở ộ ệnhư hình 2.1

2.1 Xây d ng mô hình b biự ộ ến đổi DC-DC

2.1.1 Xây d ng mô hình toán h c c a b bi ự ọ ủ ộ ến đổ i DC-DC

Các thành ph n c a b biầ ủ ộ ến đổi:

 Ngu n m t chi u Vi ồ ộ ề

 Kh i van công su t gố ấ ồm 4 van mắc theo sơ đồ hình c u H ầ

 Bi n áp xung: có tác dế ụng nâng điện áp đầu vào theo tỷ l c a h s biệ ủ ệ ố ến áp

 Kh i chố ỉnh lưu: Gồm các diot

 Kh i l c m t chiố ọ ộ ều LC: L để ch n thành ph n xoay chiặ ầ ều, C để thoát thành

ph n xoay chi u xuầ ề ống đất

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý c a b bi ủ ộ ến đổ i DC-DC d ng full-bridge ạ

Hình 2.3 là giản đồ ờ th i gian c a các van Qủ 1, Q3, Q2, Q4, điện áp bên sơ cấp

15

Tín hiệu điều khiển đố ới sơ đồ này là độ ịi v d ch pha , v i ớ 0  T/ 2, v i ớ

T là chu kì u chđiề ế xung PWM

Xét trong một n a chu kì u khi n có: ử điề ể

Khi 0 t , các transistor Q1 và Q4 đóng, sơ đồ ạch tương đương ẽ m s có

d ng ạ như hình 2.4

50 RL 1:n

Bien ap xung

2mH

Lo Cuon cam

16

Khi   t T2 , các transistor Q1và Q2 cùng đóng, sơ đồ mạch tương đương

có dạng như hình 2.5

50 RL

2mH

Lo Cuon cam

1000uFCoD1

Hình 2.6 Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu

Điện áp đầu ra thu được sau khi cho điện áp sau chỉnh lưu qua ộ ọ b l c, v y t ậ ừdạng điện áp đầu ra sau chỉnh lưu có thể th y: khi ấ tăng dần trong kho ng ả0,

  thì điện áp tăng dần đến Vi, ngượ ạc l i khi 0 điện áp đầu ra cũng

gi m d n v 0ả ầ ề Do đó điện áp và dòng điện đầu ra s là giá tr trung bình cẽ ị ủa quá trình tăng giảm này T l p lu n này, mô hình c a hừ ậ ậ ủ ệ th ng có th vi t l i ố ể ế ạ như sau:

-6 2 480 -5

( )2.10 s + 2.10 s + 1

18

V y chu kì dao ng c a h th ng là: ậ độ ủ ệ ố

2 2 2 0,281

Điều này đảm b o r ng tín hiả ằ ệu điều khi n ra s ể ẽ được th c thi ự

2.1.2 Xây d ng mô hình mô ph ng b bi ự ỏ ộ ến đổ i DC – DC

2.1.2.1 Sơ đồ mạch lực

M ch l c bao g m: M ch c u H, bi n áp xung, chạ ự ồ ạ ầ ế ỉnh lưu và phần l c Ngoài ọ

ra còn có tải đầu ra có th ể thay đổi

Hình 2.7 Sơ đồ ạ m ch c u H ầ

19

Hình 2.8 Sơ đồ mô ph ng ph n bi n áp, ch ỏ ầ ế ỉnh lưu và lọ c

2.1.2.2 Sơ đồ mạch điều khiển

Hình 2.9 Sơ đồ ạch điề m u khi n ể

Do b biộ ến đổi DC – DC có tải thay đổi liên tục nên ch có th ỉ ể ổn định điện

áp đầu ra Vì v y tín hi u ph n h i ch ậ ệ ả ồ ỉ có điện áp đầu ra

B u khiộ điề ển ở đây có vai trò tính toán ra giá tr u khiị điề ển u để đưa vào bộphát xung PWM B u khi n s ộ điề ể ẽ được nói rõ hơn ở các ph n sau ầ

B phát xung PWM có vai trò chuyộ ển đổ ừi t tín hi u u sang góc alpha Sau ệ

đó, tạo xung PWM đưa vào cực G của 4 van Q1, Q2, Q3, Q4 m ch l c ở ạ ự

20

Hình 2.10 B phát xung PWM ộ

2.2 Xây d ng b u khi n cho b biự ộ điề ể ộ ến đổi DC-DC

2.2.1 B u khi n PID ộ điề ể

2.2.1.1 Luật PID

Lu t PID trên mi n th i gian liên lậ ề ờ ục được mô t b i công th c 2.10: ả ở ứ

0

( )( ) ( ) ( )

( )

t

I PID P D

de t

u t K e t K e x dx K

dt K

động củ ổa t ng các sai s quá kh , và giá tr vi phân ố ứ ị xác định tác động c a tủ ốc độ

biến đổi sai s T ng ch p cố ổ ậ ủa ba tác động này dùng để điề u ch nh quá trình thông ỉqua m t ph n t u khiộ ầ ử điề ển (van điều khi n) Nh v y, nh ng giá tr này có th làm ể ờ ậ ữ ị ểsáng t v quan h th i gian: P ph thu c vào sai sỏ ề ệ ờ ụ ộ ố ệ hi n t i, I ph thu c vào tích ạ ụ ộlũy các sai số quá kh , và D d ứ ự đoán các sai số tương lai, d a vào tự ốc độ ay đổ th i

hi n t i ệ ạ

21

2.2.1.2 Đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển PID

Hình 2.11 B u khi n PID ộ điề ể

Sau khi tính toán các tham s ố Ziegler-Nichols và hi u ch nh b tham s PID, ệ ỉ ộ ốđược b tham s Kộ ố P = 2; KI = 0.02; KD = 0.0005 v i ớ đáp ứng c a h thủ ệ ống như hình 2.12

Hình 2.12 Đáp ứng đầ u ra c a b bi ủ ộ ến đổ i DC – DC

B u khiộ điề ển PID cho đáp ứng khá t t v i tố ớ ải không đổi Chất lượng củ ệa h

th ng ph thu c vào các h s Kố ụ ộ ệ ố P, TI, TD c a b u khiủ ộ điề ển PID và được thi t k ế ếcho một điểm làm việc đặc trưng Vì v y, khi tậ ải thay đổi thì b u khi n PID t ộ điề ể ỏ

ra không thích hợp để ổn định h thệ ống Do đó, cần chỉnh định l i b tham s PID ạ ộ ốĐiều này có th ể được th c hiự ện nh m t b chờ ộ ộ ỉnh định thông s PID riêng d a vào ố ựcác đáp ứng c a h th ng ủ ệ ố

2.2.2 Nâng cao ch ất lượ ng h th ệ ố ng b ng cách s d ng b u khi n m ằ ử ụ ộ điề ể ờ

23

Hình 2.14 B u khi n PID m ộ điề ể ờ

Chính vì v y, các tham s Kậ ố P, KI, KD cần được chỉnh định phù h p v i t ng ợ ớ ừlân c n Có nhiậ ều phương pháp để chỉnh định các tham s này M t trong nh ng ố ộ ữphương pháp hay được s d ng nhử ụ ất đó chính là phương pháp mờ hóa các tham s ốPID d a trên sai lự ệch e(t) và đạo hàm de(t)

2.2.2.2 Các bước thực hiện thiết kế bộ điều khiển mờ

a) Xác định biến ngôn ngữ:

- Đầu vào: 2 biến

o Sai l ch ệ ET = Đo Đặt đượ- c ch n trong mi n giá tr [-2;+2] ọ ề ị

o o hàm sai lĐạ ệch DET được ch n trong mi n giá tr [-500;+500] ọ ề ị

Giá tr càng l n kéo theo sai s ị ớ ố ổn định b kh ị ử càng nhanh Đổ ại là độ ọi l v t

l càng l n: b t kố ớ ấ ỳ sai s ố âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ ph i ảđược tri t tiêu tích phân b ng sai số dương trướệ ằ c khi ti n t i tr ng thái ế ớ ạ ổn định

25

Lu t chậ ỉnh định K D

Giá tr àng lị c ớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và

có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số

+ Ch n lu t h p thành theo quy t c Max-Min ọ ậ ợ ắ

+ Gi i m ả ờ theo phương pháp ọtr ng tâm

d) T ối ưu hệ thống

Sau khi xây d ng mô hình mô ph ng bao g m b u khi n PID m ự ỏ ồ ộ điề ể ờ và đối tượng, ti n hành quá trình th nghi m v i các giá tr ế ử ệ ớ ị đặt khác nhau, thay đổi tham

s h th ng và nhiố ệ ố ễu để phát hi n các “l h ng” nệ ỗ ổ ếu có thì u ch nh b bù m điề ỉ ộ ờ

b ng cách chằ ỉnh lại độ che ph lên nhau c a các giá tr ngôn ngủ ủ ị ữ, điều ch nh l i các ỉ ạ

luật điều khi n ể

Để chỉnh định b u khi n theo các ch tiêu này, c n ph i hi u ch nh hàm ộ điề ể ỉ ầ ả ệ ỉliên thu c, thi t l p các nguyên tộ ế ậ ắc điều khi n ph ể ụ và thay đổi m t s nguyên t c ộ ố ắđiều khi n và cuể ối cùng được b u khi n m ộ điề ể ờ như ở ụ m c 2.2.3

26

2.2.3 Ki m ch ng k t qu b ng mô ph ng Matlab & Simulink ể ứ ế ả ằ ỏ

2.2.3.1 Mô hình hệ thống với bộ điều khiển PID mờ

B u khi n PID m ộ điề ể ờ được xây d ng t các tham s Kự ừ ố P, KI, KD – u ra c a đầ ủcác b m v i công thộ ờ ớ ức 2.10 đã nêu m c 2.2.1.1: ở ụ

0

( ) ( ) P ( ) I t ( ). D de t

Hình 2.15 Mô ph ng b u khi n PID m ỏ ộ điề ể ờ

Hình 2.16 và hình 2.17 là hàm liên thu c vào c a b u khi n m ộ ủ ộ điề ể ờ

Hình 2.18 n hình 2.23 lđế ần lượt là các hàm liên thu c ra cộ ũng như bề m t ặtrong không gian c a các h s u ra Kủ ệ ố đầ P, KI, KD sau khi đ đượã c ch nh lỉ ại độ che

ph lên nhau củ ủa các giá tr ngôn ngị ữ, điều ch nh l i các luỉ ạ ật điều khi n ể

Hình 2.24 là sơ đồ Simulink c a b biủ ộ ến đổi DC – DC bao gồm đầy đủ ạ m ch điều khi n, m ch l c cể ạ ự ũng như mạch l c ọ

27

Hình 2.16 Hàm liên thuộc đầ u vào th nhất E ứ

Hình 2.17 Hàm liên thuộc đầu vào th hai DE ứ

28

Hình 2.18 Hàm liên thuộc đầu ra K P

Hình 2.19 Lu t ch ậ ỉnh đị nh K P trong không gian

29

Hình 2.20 Hàm liên thu ộc đầ u ra K I

Hình 2.21 Lu t ch ậ ỉnh đị nh K I trong không gian

30

Hình 2.22 Hàm liên thuộc đầu ra K D

Hình 2.23 Lu t ch ậ ỉnh đị nh K D trong không gian

31

Hình 2.24 Sơ đồ Simulink c a b bi ủ ộ ến đổ i DC - DC

32

2.2.3.2 Đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển PID mờ

Hình 2.25 D ng sóng c ạ ủa các nhánh van và điện áp bên sơ cấ p

Hình 2.25 cho th y d ng sóng cấ ạ ủa điện áp m ở van và điện áp bên sơ cấp

giống như lý thuyế đt ã ch ra ph n trên (hình 1.5) ỉ ở ầ

Ngh à khi van Qĩa l 1 và Q4 m thì ở điện áp đặt lên cuộn sơ cấp c a biủ ến áp xung là V1 = +Vin Khi van Q3 và Q2 m thì ở điện áp đặt lên cuộn sơ cấp c a bi n áp ủ ếxung là V1 = -Vin Và khi V1 = 0 có ngh à Qĩa l 1 và Q2 ho c Qặ 3 và Q4 cùng m ở

Hình 2.26, 2.27, 2.28 cho thấy đáp ứng c a h thủ ệ ống khi thay đổ ả ới t i v i giá

tr khác nhau vị ới điện áp đặt 400V

Hình 2.29 và 2.30 cho thấy đáp ứng c a h thủ ệ ống khi thay đổi giá tr n áp ị điệ

đặ ần lượt l t là 350V và 450V

33

Hình 2.26 Đáp ứ ng c a b bi ủ ộ ến đổ i DC - DC

Hình 2.27 Điện áp đầ u ra khi t ải thay đổ ừ i t 100 Ohm-150 Ohm