ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐỐI VỚI BỘ BIẾN ĐỔI DCDC THEO KIỂU CÚK

Trong lĩnh vực kỹ thuật điện ngày nay, điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại. Với những bước tiến nhảy vọt trong kỹ thuật chế tạo linh kiện bán dẫn, các linh kiện điện tử công suất: điôt công suất, Tiristor, GTO, Triac, IGBT, SID, MCT . . . ra đời và hoàn thiện có tính năng dòng điện, điện áp, tốc độ chuyển mạch ngày càng được nâng cao làm cho kỹ thuật điện truyền thống thay đổi một cách sâu sắc. Song song với những tiến bộ đó các chiến lược điều khiển khác nhau cũng được áp dụng để điều khiển các bộ biến đổi theo các cấu trúc khác nhau nhằm tạo ra bộ biến đổi thông minh, linh hoạt và có các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, năng lượng tối ưu. Quá trình xử lý biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DCDC. Cấu trúc mạch của bộ biến đổi vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo tính ổn định luôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu. Thêm vào đó, bộ biến đổi là đối tượng điều khiển tương đối phức tạp do mô hình có tính phi tuyến. Để nâng cao chất lượng điều khiển cho bộ biến đổi, với đề tài “Điều khiển trượt bộ biến đổi DCDC kiểu Cúk” đã ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại tạo ra bộ điều khiển để điều khiển cho bộ biến đổi Cúk, đảm bảo hiệu suất biến đổi cao và ổn định

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011 - 1 - MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực kỹ thuật điện ngày nay, điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại. Với những bước tiến nhảy vọt trong kỹ thuật chế tạo linh kiện bán dẫn, các linh kiện điện tử công suất: điôt công suất, Tiristor, GTO, Triac, IGBT, SID, MCT . . . ra đời và hoàn thiện có tính năng dòng điện, điện áp, tốc độ chuyển mạch ngày càng được nâng cao làm cho kỹ thuật điện truyền thống thay đổi một cách sâu sắc. Song song với những tiến bộ đó các chiến lược điều khiển khác nhau cũng được áp dụng để điều khiển các bộ biến đổi theo các cấu trúc khác nhau nhằm tạo ra bộ biến đổi thông minh, linh hoạt và có các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, năng lượng tối ưu. Quá trình xử lý biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC. Cấu trúc mạch của bộ biến đổi vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo tính ổn định luôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu. Thêm vào đó, bộ biến đổi là đối tượng điều khiển tương đối phức tạp do mô hình có tính phi tuyến. Để nâng cao chất lượng điều khiển cho bộ biến đổi, với đề tài “Điều khiển trượt bộ biến đổi DC-DC kiểu Cúk” đã ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại tạo ra bộ điều khiển để điều khiển cho bộ biến đổi Cúk, đảm bảo hiệu suất biến đổi cao và ổn định. Đồ án bao gồm các chương, nội dung cơ bản như sau: Chƣơng 1: Giới thiệu chung về bộ biến đổi DC-DC Chƣơng 2: Nguyên lý điều khiển trượt Chƣơng 3: Ứng dụng điều khiển trượt đối với bộ biến đổi DC-DC theo kiểu Cúk ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011 - 2 - Chƣơng 4: Mô phỏng kiểm chứng trên nền Matlap& Simulink Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo ThS. Nguyễn Đức Dƣơng giảng viên Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian qua và xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo trong khoa Điện-Điện Tử Trường ĐH Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp cũng như gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp này. Do hạn chế về trình độ ngoại ngữ và tài liệu tham khảo… và với thời gian chưa nhiều nên đồ án còn có nhiều khiếm khuyết, sai sót. Tôi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp cũng như những lời khuyên hữu ích từ các thầy cô cùng các bạn để có thể thấy rõ những điều cần sửa và phải bổ xung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt kết quả tốt hơn. Ngày 17 tháng 06 năm 2011 Sinh viên Bùi Bá Quý ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011 - 3 - CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 1.1. KHÁI QUÁT VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC Bộ biến đổi DC-DC được định nghĩa là bộ điều khiển dòng điện và điện áp một chiều khi nguồn cấp là điện một chiều. Khi làm việc ở chế độ điều áp một chiều, một linh kiện điện tử công suất đang ở trạng thái dẫn sẽ tiếp tục dẫn vì điện áp nguồn không qua vị trí điểm không. Để khóa linh kiện ta phải “cưỡng bức” chuyển mạch bằng cách đặt lên linh kiện một điện áp ngược. Đặc tính chuyển mạch có thể phân làm hai loại: nguồn áp hoặc nguồn dòng. 1. 1.1. Các phƣơng pháp điều áp một chiều. Có một số cách điều khiển như sau:  Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở  Điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải một tranzitor  Điều khiển bằng băm áp(xung áp) 1.1. 2. Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở Sơ đồ: Hình 1.1. Sơ đồ điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở. Trong đó: U 1 điện áp nguồn; R d điện trở tải; U d điện áp tải; I d dòng điện qua tải U 1 I d R d U d ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011 - 4 - Dòng điện và điện áp điều chỉnh được tính như sau: I d = df RR U  1 U d = d df R RR U . 1  ; Nhược điểm của phương pháp là : +Hiệu suất thấp TCf UIP  . +Điều chỉnh không liên tục khi dòng tải lớn. 1.1.3. Điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải một tranzitor Sơ đồ và nguyên lí điều khiển: Hình 1.2a Hình 1.2b Hình 1.2 Hình 1.2a,b,c lần lượt là sơ đồ điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải một transistor Z t T MDK Z t MDK MDK I C =I d T U R d U 1 U d I B I d ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011 - 5 - • I C = . I B • U T = U 1 - I C . R d Nhược điểm của phương pháp: tổn hao trên transistor lớn, phát nhịêt nhiều transistor, dễ hỏng. 1.1.4. Điều khiển bằng băm áp (băm xung) Băm áp một chiều là bộ biến đổi điện áp một chiều thành xung điện áp. Điều chỉnh độ rộng xung điện áp, điều chỉnh được trị số trung bình điện áp tải. Các bộ băm áp một chiều có thể thực hiện theo sơ đồ mạch nối tiếp (phần tử đóng cắt mắc nối tiếp với tải) hoặc theo sơ đồ mạch song song (phần tử đóng cắt được mắc song song với tải). a. Nguồn cấp trong băm áp một chiều. 1. Định nghĩa về nguồn dòng và nguồn áp: • Nguồn áp: là nguồn mà dạng sóng và giá trị điện áp của nó không phụ thuộc dòng điện (kể cả giá trị cũng như tốc độ biến thiên) • Đặc trưng cơ bản của nguồn áp là điện áp không đổi và điện trở trong nhỏ để sụt áp bên trong nguồn nhỏ • Nguồn dòng: là nguồn mà dạng sóng và giá trị dòng điện của nó không phụ thuộc điện áp áp của nó (kể cả giá trị cũng như tốc độ biến thiên) • Đặc trưng cơ bản của nguồn dòng là dòng điện không đổi và điện trở lớn để sụt dòng bên trong nguồn nhỏ b. Tính thuận nghịch của nguồn. • Nguồn có tính thuận nghịch: • Điện áp có thể không đảo chiều (acquy), hay đảo chiều (máy phát một chiều) • Dòng điện thường có thể đổi chiều ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011 - 6 - • Công suất p = u. i có thể đổi chiều khi một trong hai đại lượng u, i đảo chiều. c. Cải thiện đặc tính cuả nguồn. • Nguồn áp thường có R 0 , L 0 , khi có dòng điện có R 0 i, L(di/dt) làm cho điện áp trên cực nguồn thay đổi. Để cải thiện đặc tính của nguồn áp người ta mắc song song với nguồn một tụ • Tương tự, nguồn dòng có Z 0 = . Khi có biến thiên du/dt làm cho dòng điện thay đổi. Để cải thiện đặc tính nguồn dòng người ta mắc nối tiếp với nguồn một điện cảm. • Chuyển đổi nguồn áp thành nguồn dòng và ngược lại: Hình 1.3. Sơ đồ chuyển đổi nguồn áp thành nguồn dòng và ngược lại: d. Quy tắc nối các nguồn. Đối với nguồn áp:  Không nối song song các nguồn có điện áp khác nhau  Không ngắn mạch nguồn áp  Cho phép hở mạch nguồn áp Đối với nguồn dòng:  Không mắc nối tiếp các nguồn dòng có dòng điện khác nhau  Không hở mạch nguồn dòng  Cho phép ngắn mạch nguồn dòng 1.2. MẠCH BĂM XUNG 1.2.1. Khái quát về mạch băm xung ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011 - 7 - a) Khái niệm: Mạch băm xung dùng để biến đổi điện áp một chiều không đổi U thành các xung một chiều có trị số trung bình biến đổi U tb . U tb có thể điều chỉnh được từ bằng 0 đến điện áp nguồn cung cấp cho mạch băm. Mạch băm xung còn được gọi là mạch Chopper. b) Ưu điểm của phương pháp dùng mạch băm xung: So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có điều khiển . thì phương pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể: điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm tái sinh của động cơ. Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ. Mạch băm xung đặc biệt thích hợp với các động cơ một chiều công suất nhỏ. c) Phân loại: Có 3 dạng mạch băm xung: - Mạch băm xung nối tiếp (Chopper lớp A) - Mạch băm xung song song (Chopper lớp B) - Mạch băm xung có đảo chiều (Chopper lớp C, D, E) + Mạch băm xung đảo dòng (Chopper lớp C) + Mạch băm xung đảo áp (Chopper lớp D) + Mạch băm xung hỗn hợp (Chopper lớp E) d) Nguyên tắc hoạt động chung của mạch băm xung ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011 - 8 - (Sơ đồ nguyên lý) Hình 1.4. Sơ đồ khối của bộ băm xung Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lí của bộ băm xung áp một chiều Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc như một công tắc tơ tĩnh (K) đóng mở liên tục cách 1 chu kì. Nhờ vậy mà biến đổi được điện áp một chiều không đổi E sau bộ chỉnh lưu không điều khiển thành các xung điện áp một chiều U tb có trị số có thể điều chỉnh được thông qua điều chỉnh tần số đóng cắt khoá K. Điện áp U tb này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ. Do bộ nguồn có dạng xung nên có thể gây ra dao động điện trên lưới điện nều dòng cấp lớn. Hơn nữa, điện áp cấp cho động cơ một chiều có dạng xung nên sẽ gây ra biến thiên dòng điện cấp cho động cơ, ảnh hưởng xấu đến chất lượng đáp ứng của động cơ. Vì vậy trong sơ đồ có mạch LC là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải thực tế là không đổi, mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lượng điều chỉnh. Chỉnh lưu không điều khiển C C Tải L K D Tải U d U 1 Bộ Băm C L ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011 - 9 - Tần số đóng cắt khoá K càng nhanh thì càng giảm được các gợn dòng, do đó sẽ giảm kích thước của bộ lọc, nhưng nếu lớn quá sẽ gây ra bức xạ nhiễu điện từ, và do các hạn chế của quá trình điều khiển các linh kiện bán dẫn công suất nên tần số băm không thể quá lớn. Thực tế thường dùng tần số băm khoảng 400Hz  600Hz. Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý có thể dùng các linh kiện bán dẫn khác nhau như Tiristor, Transistor, GTO, MOSFET. Dùng Tiristor có ưu điểm là trị số giới hạn cao, làm việc chắc chắn rẻ tiền, tổn hao khi dẫn nhỏ nhưng có nhược điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần số đóng mở thấp (dưới 500Hz). Transistor MOSFET thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz. Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 20 đến 100Khz, có giá thành rẻ hơn, tổn hao ít hơn MOSFET. Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng Tiristor, nhưng Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor. Vì vậy ở những môi trường làm việc nặng nề Transistor ít được sử dụng. e) Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra - Thay đổi độ rộng xung (thay đổi t 1 ). - Thay đổi tần số xung (thay đổi T hoặc f) (dạng điện áp trên tải). U ra t t 1 t 2 T ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011 - 10 - Hình 1.6. Sơ đồ phương pháp điều chỉnh điện áp ra 1.Phương pháp thay đổi độ rộng xung Nội dung của phương pháp này là thay đổi t 1 , giữ nguyên T. Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là: Trong đó đặt: : là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ. Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của U ra là rộng (0 <   1). 2.Phương pháp thay đổi tần số xung Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t 1 = const. Khi đó: Vậy U ra = U s khi 1 1 t f  và U ra = 0 khi f = 0. Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên. Thực tế phương pháp biến đổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị biến tần đi kèm. 1.2.2. Các mạch băm xung. a) Mạch băm xung nối tiếp (Chopper lớp A) Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ (Mạch băm xung nối tiếp – Chopper lớp A) S S ra U T Ut U . . 1   SSra UftU T t U 1 1  T t 1   [...]... giống như của bộ biến đổi buck: (1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min Cách chọn tụ điện ngõ ra cho bộ biến đổi này cũng không khác gì so với trường hợp trên 1.4.3 Bộ biến đổi tăng áp (boost converter) - 30 - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011 Bộ biến đổi tăng áp là thiết bị được ứng dụng để biến đổi làm tăng điện áp đầu ra so với điện áp nguồn Bộ biến đổi boost hoạt động theo nguyên tắc... trường hợp bộ biến đổi buck 1.4.4 Bộ biến đổi Zeta Bộ biến đổi Zeta thực hiện chức năng tăng giảm áp không nghịch lưu Cấu trúc của nó sử dụng hai cuộn cảm, hai bộ chuyển mạch và hai tụ điện để - 32 - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011 cách ly đầu vào và đầu ra Bộ chuyển mạch sử dụng ở đây là một MOSFET kiểu N và một diode shottky Tương tự như bộ biến đổi Cúk và Sepic, bộ biến đổi Zeta... các bộ biến đổi này Với những cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch, và diode khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiện những mục tiêu khác nhau, nhưng nguyên tắc hoạt động thì đều dựa trên hiện tượng duy trì dòng điện đi qua điện cảm Hình 1.19: Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển - 26 - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011 1.4.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck converter) Bộ biến đổi. .. tích lũy năng lượng, C2 để ổn định điện áp ra Việc chuyển đổi lý tưởng dựa trên sự thực hiện của bộ biến đổi được mô tả như hình sau: - 33 - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ C1 L2 - + U=1 i2 KHÓA 2007 - 2011 v1 + + E - v2 U=0 L1 - C2 R i1 Hình 1.21: Bộ biến đổi Zeta với thiết bị chuyển đổi lý tưởng 1.4.4.1 Mô hình của bộ biến đổi Zeta Bộ biến đổi Zeta trình bày 2 trạng thái làm việc khác nhau Trạng... E 0 1  U N  E0  (1.7)  1  I d R0 1.4 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC Bộ biến đổi DC-DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn Có hai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch, và dùng các điện cảm chuyển mạch Giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thế hơn ở các mạch công suất lớn Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck (giảm áp),... 2007 - 2011 Khi ta thay đổi tỉ số đóng α thì có thể điều chỉnh được Utb Có hai cách để thay đổi α: - Giữ cố định chu kì xung T (tần số băm cố định), thay đổi thời gian đóng mạch t1 của bộ băm Phương pháp này gọi là phương pháp điều khiển độ rộng xung - Giữ cố định thời gian đóng mạch t1, thay đổi chu kì T của bộ băm (tần số băm biến thiên) Phương pháp này gọi là phương pháp điều tần Trong hệ thống,... được kích dẫn liên tục, K1 và K4 được điều khiển đóng tăt ngược pha nhau Khi đó ta được bộ chopper diẻu đảo dòng (Chopper lớp C) - Hoạt động ở góc phần tư thứ III và IV : K3 được kích dẫn liên tục, K1 và K4 được điều khiển đóng tắt ngược pha nhau Khi đó ta được bộ chopper kiểu đảo dòng nhưng cực tính điện áp ra đảo ngược Khi đảo chiều quay động cơ, quá trình điều khiển sẽ như sau: - Giảm α đến giá trị... tuyến tính) Chúng ta tóm tắt những đặc tính quan trọng nhất liên quan đến việc chuyển đổi mô hình của bộ biến đổi Zeta như hình sau: Q i2 L 2 C1 + - v1 + + E L1 - D v2 C2 - R i1 Hình 1.20: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi DC-DC Zeta Giải thích sơ đồ: Hai cuộn kháng được sử để chuyển đổi tương ứng điện áp vào và điện áp ra của bộ nguồn Trong một khoảng thời gian ngắn có thể coi chúng như một nguồn dòng giúp... mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = 1 − Vin,max/Vout, và Dmax = 1 − Vin,min/Vout Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép sẽ bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của điện... được chuyển tới trở R C1 - i2 L2 + v1 + + E - v2 L1 i1 (a) Trường hợp vị trí bộ chuyển đổi u=1 - 34 - - C2 R ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011 + E - + - L1 L2 v2 C1 v1 C2 - R + i2 i1 (b) Chức năng chuyển đổi vị trí giá trị u=0 Hình 1.22: Cấu trúc liên kết mạch của bộ biến đổi Zeta Mô hình động học của bộ biến đổi Zeta được tìm thấy là: L1 d i1 dt  (1  u ) v1  uE d v1 C1 dt d i2 L2 . khoa Điện-Điện Tử Trường ĐH Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp cũng như gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp này. Do hạn chế về trình độ ngoại ngữ và. xung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt kết quả tốt hơn. Ngày 17 tháng 06 năm 2011 Sinh viên Bùi Bá Quý ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011 - 3 - . ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011 - 1 - MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực kỹ thuật điện ngày