thiết kế điều khiển bộ biến đổi dc-dc giảm áp sử dụng phương pháp cận tuyến tính nhờ phản hồi trạng thái

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP CẬN TUYẾN TÍNH NHỜ PHẢN HỒI TRẠNG THÁI Học viên: PHẠM THỊ THUỲ LINH Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TSKH. NGUYỄN PHÙNG QUANG THÁI NGUYÊN 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Phạm Thị Thuỳ Linh Ngày tháng năm sinh: Ngày 15 tháng 07 năm 1984 Nơi sinh: Thành phố Thái Nguyên - Tỉnh Thái Nguyên Nơi công tác: Trƣờng Cao đẳng nghề Cơ điện & Xây dựng Bắc Ninh. Cơ sở đào tạo: Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Chuyên ngành: Hệ thống điện Khoá học: K11 - TBM&NMĐ TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ DIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HOÁ XẤP XỈ NHỜ PHẢN HỒI TRẠNG THÁI Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN GS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang HỌC VIÊN Phạm Thị Thuỳ Linh DUYỆT BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của tôi, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 06 tháng 8 năm 2010 Tác giả luận văn Phạm Thị Thuỳ Linh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 6 Chƣơng 1: MÔ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP 8 1.1 Các bộ biến đổi 8 1.1.1 Phân loại sơ đồ biến đổi 8 1.1.1.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly 8 1.1.1.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly 9 1.1.2 Các sơ đồ bộ biến đổi DC-DC không cách ly 10 1.1.2.1 Sơ đồ biến đổi Buck 10 1.1.2.2 Sơ đồ biến đổi Boost 11 1.1.2.3 Sơ đồ biến đổi Buck-Boost 12 1.2 Mô hình bộ biến đổi giảm áp (the Buck converter) 13 1.2.1 Mô hình bộ biến đổi 14 1.2.2 Mô hình dạng chuẩn 16 1.2.3 Điểm cân bằng và hàm truyền tĩnh 16 1.2.4 Mô hình mẫu bộ biến đổi DC-DC giảm áp 19 Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP CẬN TUYẾN TÍNH PHẢN HỒI TRẠNG THÁI 20 2.1 Tuyến tính hoá trong lân cận điểm làm việc 21 2.1.1 Tuyến tính hoá mô hình trạng thái 21 2.1.2 Phân tích hệ thống 23 Phân tích tính ổn định nhờ mô hình tuyến tính tƣơng đƣơng Phân tích tính ổn định nhờ đa tạp trung tâm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 2.2 Thiết kế bộ điều khiển 36 2.3 Thiết kế bộ điều khiển tĩnh, phản hồi trạng thái gán điểm cực 38 Chƣơng 3: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP 42 3.1 Đặt vấn đề 42 3.2 Phƣơng pháp điều khiển 44 3.2.1 Điều khiển trực tiếp 44 3.2.2 Điều khiển gián tiếp 44 3.3 Tạo xung điều khiển bằng modul S-D 45 3.3.1 Modul S-D 45 3.3.2 Phản hồi và modul S-D 46 3.3.3 M ạch c ủa modul S-D 47 Ch ƣơng 4: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG TRÊN NỀN MATLAB & SIMULINK 48 4.1 Bộ biến đổi 49 4.2 Xây dựng bộ điều khiển 50 4.2.1 Bộ điều khiển cận tuyến tính phản hồi trạng thái 50 4.2.2 Bộ tạo xung điều khiển 51 4.2.3 Bộ điều chỉnh dòng điện 55 4.2.4 Bộ điều chỉnh điện áp 63 4.3 Thử nghiệm các thong số hệ thống 65 4.4 Thử nghiệm thính điều chỉnh đƣợc của hệ thống 70 KẾT LUẬN 73 S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 M U Hin nay vn nng lng v mụi trng l vn rt quan trng trong i sng sn xut v phỏt trin kinh t xó hi trờn ton cu. Vi s phỏt trin ca khoa hc cụng ngh, con ngi ó s dng c nhng ngun nng lng sch t t nhiờn nh nng lng giú, mt tri, thu chiu Vit Nam hin nay cng ó bt u s dng nhng ngun nng lng ny trong vic gii quyt bi toỏn nng lng quc gia. Nhng ngun nng lng trờn ó cung cp mt lng nng lng ln ỏp ng nhu cu ca con ngi. Nhng chỳng ta mi s dng mt phn rt nh, cha khai thỏc trit tim nng sn cú ca nú. Ngun in to ra l ngun nờn nú cú kh nng lu tr in ú thng cú biờn c dnh, khụng c iu khin. Vỡ th gp rt nhiu khú khn trong vic cung cp ngun in cho cỏc ng dng trong nhiu lnh vc nh sn xut cụng nghip, truyn thụng. Mt khỏc, hin nay, do nhu cu v nng lng in ca con ngi ngy cng tng, vic u t cho h thng li in li ũi hi rt nhiu kinh phớ dn ti tỡnh trng quỏ ti, thiu ht in nng v cht lng in nng suy gim. iu ny nh hng trc tip ti cỏc thit b dựng in, c bit nh hng ln ti tui th cỏc thit b in t nhy cm nh h thng thụng tin, iu khin trong cụng nghip. Ngoi ra, nu xy ra tỡnh trng mt in lm cho cỏc thit b ngng hot ng, khụng nhng gõy tn tht khụng nh v mt kinh t cho cỏc doanh nghip v nh nc m cũn nh hng n tớnh mng ca con ngi khi s dng cỏc mỏy múc hin i iu tr trong y hc. Trong kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển đổi nguồn có chất l-ợng điện áp cao, kích th-ớc nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng điện là hết sức cần thiết. Vỡ nhng lý do ú m b bin i ngun DC-DC ang c s dng ngy cng rng rói. B bin i ngun DC-DC l mt thit b cụng sut, bin in ỏp mt chiu thnh in ỏp mt chiu vi cỏc mc in ỏp mong mun S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 nhm cung cp in cho cỏc thit b s dng ngun mt chiu. B bin i ngun DC-DC cũn l mt phn quan trng ca b lu in UPS. Bộ biến đổi DC - DC giảm áp hay đ-ợc sử dụng ở mạch một chiều trung gian của thiết bị biến đổi điện nâng công suất vừa v nh, đặc biệt là các hệ thống phát điện sử dụng năng l-ợng tái tạo (sức gió, mặt trời). Cấu trúc của mạch vốn không phức tạp nh-ng vấn đề điều khiển nhằm đạt đ-ợc hiệu suất biến đổi cao và bảo đảm ổn định luôn là mục tiêu của các công trinh nghiên cứu. Bản chất mạch giảm áp có các phần tử phi tuyến do vậy lựa chọn ph-ơng pháp tuyến tính hóa nhờ phản hồi trạng thái sẽ phù hợp cho việc điều khiển bộ biến đổi trên. Trong phm vi bn lun vn ny, vi ti Thit k iu khin b bin i Dc-DC gim ỏp s dng phng phỏp cn tuyn tớnh nh phn hi trng thỏi . Ni dung ca ti c trỡnh by trong cỏc chng sau õy: Chng 1: Mụ hỡnh b bin i DC-DC gim ỏp Chng 2: Phng phỏp cn tuyn tớnh phn hi trng thỏi Chng 3: Cu trỳc iu khin b bin i DC-DC gim ỏp Chng 4: Mụ phng kim chng trờn nn MATLAB & Simulink Em xin chõn thnh cm n thy giỏo hng dn GS.TSKH.Nguyn Phựng Quang dó tn tỡnh ch bo, giỳp v to iu kin em cú th hon thnh tt lun vn thc s k thut. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 CHƢƠNG 1 MÔ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP 1.1 Các bộ biến đổi DC-DC Trong kỹ thuật điện có nhiều trƣờng hợp phải thực hiện quá trình biến đổi một điện áp một chiều không đổi thành một chiều khác có giá trị điều chỉnh trong phạm vi rộng. Để thực hiện quá trình biến đổi này ngƣời ta dã sử dụng nhiều phƣơng pháp khác nhau. Phƣơng pháp biến đổi cho hiệu suất cao, dung đƣợc trong giải công suất từ nhỏ đến lớn và thực hiện điều chỉnh điện áp ra một cách thuận tiện nhất là sử dụng các bộ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều, thƣờng gọi tắt là bộ biến đổi DC-DC và cũng đƣợc gọi là xung điện áp hoặc băm điện áp. Bộ biến đổi DC-DC là thiết bị biến đổi điện năng ứng dụng các linh kiện bán dẫn có điều khiển. Hiện nay có rất nhiều phƣơng pháp để thực hiện bộ biến đổi DC-DC, vì vậy để có một cái nhìn tổng quan nhất, tôi sẽ trình bày sơ lƣợc về phân loại các bộ biến đổi DC-DC cùng với đó là đƣa ra một số nguyên lý biến đổi DC- DC phổ biến. 1.1.1Phân loại sơ đồ biến đổi DC-DC Về nguyên lý, sơ đồ biến đổi DC-DC có thể đƣợc chia thành 2 nhóm: 1.1.1.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không có cách ly Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều đƣợc tạo ra nhờ việc phóng nạp tụ điện từ dòng điện qua cuộn cảm L đƣợc cung cấp bởi nguồn cấp. Điện áp một chiều đầu ra thay đổi nhờ có việc phóng nạp đƣợc thay đổi bởi van công suất đƣợc mắc hợp lý tuỳ thuộc vào từng sơ đồ. Các sơ đồ phổ biến theo nguyên lý này gồm có: - Sơ đồ biến đổi Buck - Sơ đồ biến đổi Boost Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 - Sơ đồ biến đổi Buck-Boost Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly có ƣu điểm là mạch đơn giản, và giá thành thấp, thƣờng đƣợc ứng dụng trong các bộ DC-DC công suất nhỏ, không cần chất lƣợng cao. Hình 1.1: Các bộ biến đổi DC-DC không có cách ly 1.1.1.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly Với nhóm sƣ đồ này, điện áp một chiều đầu vào đƣợc biến đổi thành điện áp xoay chiều cao tần và biên độ điện áp xoay chiều đƣợc nâng lên qua biến áp xung, sau khi qua một hệ thống lọc LC sẽ cho ta điện áp một chiều với biên độ mong muốn. Các sơ đồ phổ biến theo nguyên lý này gồm có: - Sơ đồ biến đổi FlyBlack - Sơ đồ biến đổi Push-Pull - Sơ đồ biến đổi Half-Bridge - Sơ đồ biến đổi Full-Bridge Do nguồn và và nguồn đầu ra có cách ly nhờ sử dụng biến áp xung nên có ƣu điểm là hạn chế đƣợc nhiễu tải tác động ngƣợc lại nguồn đầu vào và các thiết bị trong mạch, có thể tăng/giảm mức điện áp đầu ra một cách dễ dàng, công suất lớn. Tuy nhiên nó cũng có một số nhƣợc điểm là làm tăng kích thƣớc mạch, tăng giá thành, vấn đề trở lên khó khăn hơn. Sơ đồ biến đổi DC- DC có cách ly đƣợc sử dụng cho các ứng dụng công suất lớn, chất lƣợng cao, yêu cầu phải có cách ly. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 1.1.2. Các sơ đồ bộ biến đổi DC-DC không cách ly 1.1.2.1. Sơ đồ biến đổi Buck Bộ biến đổi Buck là loại mạch biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều thấp hơn, thƣờng ứng dụng trong các bộ ổn định điện áp thay cho các mạch analog truyền thống sử dụng biến áp lõi tôn sillic a) Sơ đồ nguyên lý: Q D C L R E + - + - i Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Buck b) Nguyên lý hoạt động Van Q đƣợc điều khiển bởi một xung có độ rộng thay đổi đƣợc(PWM). Độ rộng của xung điều khiển (duty cycke) là tỷ số giữa thời gian t 1 van Q mở trong một chu kỳ T. Cuộn cảm L và tụ C ở đầu ra đóng vai trò nhƣ bộ lọc thông thấp. Trong thời giam van Q mở thì điện áp đặt lên diode D đúng bằng điện áp V d , cuộn L tích điện. Dòng điện qua cuộn cảm tăng tuyến tính theo luật Faraday. Khi Q đóng thì điện áp đặt lên diode D gần nhƣ bằng 0 (thực tế khoảng 0.7V). Lúc đó điện áp đặt lên cuộn cảm đảo ngƣợc lại bằng –V 0 do đó dòng điện i L qua cuộn cảm giảm xuống. Điện áp ra đƣợc tính theo công thức sau: V 0 =D.V d [...]... do, bộ biến đổi Buck còn đƣợc gọi là bộ băm điện áp, hoặc bộ biến đổi giảm áp Đặc tuyến của hàm truyền tĩnh của bộ biến đổi giảm áp đựợc minh họa nhƣ trên hình 1.8 (u) 1 0,5 0,5 u 1 Hình 1.8: Đặc tuyến của hàm truyền tĩnh của bộ biến đổi giảm áp 1.2.4Mô hình mẫu bộ biến đổi DC-DC giảm áp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 http://www.lrc-tnu.edu.vn Ta có sơ đồ mạch điện của bộ biến. .. đó của mô hình tuyến tính cũng nhƣ với mong muốn sử dụng đƣợc các thành tựu của lý thuyết điều khiển tuyến tính, nên trong khá nhiều trƣờng hợp, khi điều kiện cho phép, ngƣời ta thƣờng tìm cách chuyển thể mô hình phi tuyến sang dạng có thể áp dụng đƣợc các phƣơng pháp phân tích và thiết kế bộ điều khiển của lý thuyết điều khiển tuyến tính Đó cũng là nội dung của điều khiển cận tuyến tính Số hóa bởi... chúng ta sẽ đi tìm hiểu mô hình của bộ biến đổi DC – DC giảm áp Bộ biến đổi Buck là loại mạch biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều có biên độ thấp hơn biên độ điện áp vào Vấn đề điều khiển bộ biến đổi giảm áp là một vấn đề phức tạp vì nó có tính phi tuyến và dễ bị ảnh hƣởng của các tác động bên ngoài Sơ đồ mạch điện của mô hình bộ biến đổi DC- DC giảm áp (the buck converter) nhƣ sau: Số... http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP CẬN TUYẾN TÍNH PHẢN HỒI TRẠNG THÁI Do thoả mãn nguyên lý xếp chồng nên việc khảo sát, phân tích hệ tuyến tính nói chung rất tiện lợi, chẳng hạn chỉ cần dựa vào tính chất hàm trọng lƣợng, hàm quá độ … là ta đã xác định đƣợc đặc tính động học của toàn bộ hệ thống Sử dụng mô hình tuyến tính để mô tả, phân tích cũng nhƣ tổng hợp và điều khiển có rất nhiều ƣu điểm nhƣ:... converter) nhƣ sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 http://www.lrc-tnu.edu.vn Q i L + E + D - - C R Hình 1.5: Mạch điện mô tả bộ biến đổi DC-DC giảm áp Giả sử mạch bộ biến đổi DC-DC giảm áp có các thành phần lý tƣởng, nghĩa là transistor Q phản ứng nhanh khi diode D có giá trị ngƣỡng bằng 0 Điều này cho phép trạng thái dẫn và trạng thái khóa đƣợc kích hoạt tức thời không mất thời gian.,... liệu – Đại học Thái Nguyên 15 http://www.lrc-tnu.edu.vn phi tuyến, vì một lý do là thông thƣờng ngƣời ta hay quan tâm tới tính chất động học của hệ trong lân cận các điểm trạng thái này Một trong các mục tiêu điều khiển mà ta mong muốn đạt đƣợc khi sử dụng hoặc thiết kế bộ biến đổi công suất một chiều sang một chiều, là điều chỉnh điện áp ra ổn định tới một giá trị hằng hoặc để tiếp cận tới 1 tín hiệu... tả bộ biến đổi giẳm áp, đạt đƣợc bằng cách định nghĩa lại các biến trạng thái và biến thời gian nhƣ dƣới đây Lấy trung bình các tham số của bộ biến đổi DC-DC giảm áp ta đƣợc: dx1 = - x2 + uav d (1.2) x dx2 = x1 - 2 d Q Trong đó tham số Q là nghịch đảo của hệ số chất lƣợng mạch, tính theo công thức Q= R C / L Biến x1 là dòng điện cảm chuẩn hóa, còn x2 là điện áp ra chuẩn hóa, và uav là giá trị điều. .. đồ biến đổi Buck-Boost Bộ biến đổi Buck-Boost là loại mạch biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều có biên độ cao hơn hoặc thấp hơn biên độ điện áp vào, tuỳ thuộc vào độ rộng xung, đƣợc sử dụng trong các bộ ổn áp công suất nhỏ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 http://www.lrc-tnu.edu.vn a) Sơ đồ nguyên lý D Q + E L - + - C R i Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Buck-Boost... rộng xung điều khiển mở van 1.1.2.2 Sơ đồ biến đổi Boost Bộ biến đổi Boost là loại mạch biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều có biên độ cao hơn, nó còn gọi là mạch step-up converter Nguyên lý này đƣợc ứng dụng cho việc cung cấp các điện áp yêu cầu lớn hơn điện áp nguồn nuôi, với công suất nhỏ, ví dụ trong các mobile, notebook… a) Sơ đồ nguyên lý Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Boost... đƣợc trạng thái cân bằng của hệ thống là: x1 = 1 U , Q x2  U (1.5) Các trạng thái cân bằng (1.7) cũng là tham số thích hợp trong điều kiện của giá trị cân bằng yêu cầu của điện áp ra Giả sử điện áp yêu cầu là Vd Chúng ta có x 2  Vd và, x1  Vd , Q x 2  Vd , (1.6) Chúng ta đi thiết lập hàm truyền tĩnh chuẩn hoá cho bộ biến đổi là trạng thái ỏn định chuẩn hoá của điện áp đầu ra chuẩn hoá x2 với điều . MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP CẬN TUYẾN TÍNH NHỜ PHẢN HỒI TRẠNG THÁI Học viên: PHẠM THỊ THUỲ LINH. 4.1 Bộ biến đổi 49 4.2 Xây dựng bộ điều khiển 50 4.2.1 Bộ điều khiển cận tuyến tính phản hồi trạng thái 50 4.2.2 Bộ tạo xung điều khiển 51 4.2.3 Bộ điều chỉnh dòng điện 55 4.2.4 Bộ. học: K11 - TBM&NMĐ TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ DIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HOÁ XẤP XỈ NHỜ PHẢN HỒI TRẠNG THÁI Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TSKH