Điều khiển trượt cho bộ biến đổi giảm áp buck converter

Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: “ Điều khiển trượt cho biến đổi giảm áp Buck converter” em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Tùng Lâm số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu gi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác, phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội 29 tháng năm 2014 Sinh viên thực tập Lê Thị Hiền Mục lục MỤC LỤC Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Trong lĩnh vực kĩ thuật đại ngày nay, việc chế tạo biến đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho thiết bị sử dụng điện cần thiết.Qúa trình biến đổi điện áp chiều thành điện áp chiều khác gọi trình biến đổi DC-DC Cấu trúc mạch biến đổi DC-DC vốn không phức tạp vấn đề điều khiển nhằm đạt hiệu suất cao đảm bảo ổn định mục tiêu công trình nghiên cứu Trong học phần đồ án này, chúng em thực đề tài: “Điều khiển trượt cho biến đổi giảm áp buck converter” Chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Tùng Lâm quan tâm hướng dẫn nhiệt tình nhóm chúng em hoàn thành môn học Hà Nội , ngày 29 tháng năm 2014 Sinh viên thực Lê Thị Hiền Chương Tổng quan mạch Buck Converter CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠCH BUCK CONVERTER 1.1 Bộ biến đổi buck Mục đích biến đổi DC-DC tạo điện áp chiều điều chỉnh để cung cấp cho phụ tải biến đổi Bộ biến đổi DC-DC thường sủ dụng yêu cầu điều chỉnh công suất nguồn chiều Hình 1.1 Bộ biến đổi buck Bộ biến đổi Buck hoạt động theo nguyên tắc sao: khóa (van) đóng, điện áp chênh lệch ngõ vào ngõ đặt lên điện cảm, làm dòng điện điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt , điện cảm có khuynh hướng trì dòng điện qua tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Điện áp đặt vào điện cảm lúc ngược dấu với khóa (van) đóng, có độ lớn điện áp ngõ cộng với điện áp rơi diode, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ có giá trị đủ lớn để dao động điện áp ngõ nằm giới hạn cho phép Ở trạng thái xác lập, dòng điện qua điện cảm thay đổi tuần hoàn, với giá trị dòng điện cuối chu kỳ trước với giá trị dòng điện đầu chu kỳ sau Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện cảm liên tục Vì điện cảm không tiêu thụ lượng (điện cảm lý tưởng), hay công suất trung bình điện cảm 0, dòng điện trung bình điện cảm khác 0, điện áp rơi trung bình điện cảm phải Chương Tổng quan mạch Buck Converter Gọi T chu kỳ chuyển mạch T1 thời gian đóng khóa (van), T2 thời gian ngắt khóa (van) Như vậy, T= T1+ T2 Giả sử điện áp rơi diode dao động điện áp ngõ nhỏ so với giá trị điện áp ngõ vào ngõ Khi đó, điện áp rơi trung bình điện cảm đóng khóa (van) (T1/T)(Vin–Vout), điện áp rơi trung bình điện cảm ngắt khóa (van) là.-(T2/T)Vout Điều kiện điện áp rơi trung bình điện cảm biểu diễn là: Hay: Giá trị D= T1/T thường gọi chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) Như vậy, Vout = Vin × D D thay đổi từ đến (không gồm giá trị 1), 0〈Vout 〈Vin Với biến đổi Buck, vấn đề đặt sau: cho biết phạm vi thay đổi điện áp ngõ vàoVin, giá trị điện áp ngõ raVout, độ dao động điện áp ngõ cho phép, dòng điện tải tối thiểuIout,min , xác định giá trị điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch phạm vi thay đổi chu kỳ nhiệm vụ để đảm bảo ổn định điện áp ngõ Phạm vi thay đổi điện áp ngõ vào giá trị điện áp ngõ xác định phạm vi thay đổi chu kỳ nhiệm vụ D: Thông thường biến đổi Buck nên làm việc chế độ dòng điện liên tục qua điện cảm Tại biên chế độ dòng điện liên tục gián đoạn, độ thay đổi dòng điện hai lần dòng điện tải tối thiểu Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thay đổi dòng điện giá trị điều kiện xấu nhất, tức khiD = Dmin (vì thời gian giảm dòng điện T2, với điện áp rơi không thay đổi Vout) Một cách cụ thể ta có đẳng thức sau Chương Tổng quan mạch Buck Converter Hai thông số cần lựa chọn Lmin T, chọn tần số chuyển mạch nhỏ, tức T lớn, Lmin cần phải lớn Thành phần xoay chiều dòng điện qua điện cảm qua tụ điện ngõ Với dòng điện qua điện cảm có dạng tamgiác, điện áp tụ điện ngõ đoạn đa thức bậc hai nối với (xét chu kỳ chuyển mạch) Lượng điện tích nạp vào tụ điện dòng qua điện cảm lớn dòng điện trung bình Nếu biểu diễn theo điện dung điện áp tụ điện lượng điện tích Trong đó, ∆I biên độ thành phần xoay chiều dòng điện qua điện cảm, ∆V độ thay đổi điện áp tụ nạp (cũng xả, xét trạng thái xác lập) Như vậy, xác định giá trị tụ điện dựa vào đẳng thức sau: ∆I xác định lần dòng điện tải tối thiểu, T chọn bước trước Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ cho phép ∆V mà chọn giá trị C cho thích hợp 1.2 Phân loại biến đổi bán dẫn Có nhiều cách phân loại biến đổi chuyển mạch điện tử công suất, có lẽ cách thông dụng dựa vào tính chất dòng điện ngõ vào ngõ Về nguyên tắc, có dòng điện chiều (DC) hay xoay chiều (AC), có tổ hợp khác đôi dòng điện ngõ vào ngõ (theo quy ước thông thường, viết ngõ vào trước, sau đến ngõ ra): DC-DC, DC-AC, AC-DC, AC- AC Bộ biến đổi AC-DC chỉnh lưu (rectifier) mà quen thuộc, biến đổi DC-AC gọi nghịch lưu (inverter) Hai loại lại gọi chung biến đổi (converter) Chương Tổng quan mạch Buck Converter Bộ biến đổi AC-AC thường thực cách dùng biến đổi AC-DC tạo nguồn cung cấp cho biến đổi DC-AC Thời gian gần có số biến đổi AC-AC thực việc biến đổi nguồn AC cách trực tiếp, tầng liên kết DC (DC-link), chúng gọi biến đổi ma trận (matrix converter) hay biến đổi trực tiếp (direct converter) Tên gọi biến đổi ma trận xuất phát từ thực tế biến đổi sử dụng ma trận khóa (van) chiều để kết nối trực tiếp pha ngõ với pha ngõ vào (tất nhiên theo quy luật để đảm bảo yêu cầu đặt biến đổi) 1.3 Các biến đổi DC-DC Bộ biến đổi DC-DC biến đổi công suất bán dẫn, có hai cách để thực biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng tụ điện chuyển mạch, dùng điện cảm chuyển mạch Giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu mạch công suất lớn Các biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck (giảm áp), boost (tăng áp), buck-boost (đảo dấu điện áp) Hình 1.1 thể sơ đồ nguyên lý biến đổi Với cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch, diode khác nhau, biến đổi thực mục tiêu khác nhau, nguyên tắc hoạt động dựa tượng trì dòng điện qua điện cảm Các biến đổi DC-DC : -Bộ biến đổi boost converter -Bộ biến đổi tăng – giảm áp buck - boost converter -Bộ biến đổi hạ áp buck converter 1.4 Ứng dụng mạch DC-DC Chương Tổng quan mạch Buck Converter Mục địch biến đổi DC-DC tạo điện áp chiều điều chỉnh để cung cấp cho phụ tải biến đổi Bộ biến đổi DC-DC thường sử dụng yêu cầu điều chỉnh công suất nguồn chiều Bộ buck tạo điện áp DC đầu nhỏ điện áp đầu vào Việc điều khiển khóa chuyển mạch cách đóng mở khóa theo chu kỳ, kết tạo điện áp DC đầu nhỏ đầu vào Bộ biến đổi buck thông thường để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp chất lượng cao mạch nguồn máy tính thiết bị đo lường, sử dụng để điều chỉnh tốc độ động chiều cách thay đổi điện áp phần ứng Chương Mô hình hóa mạch Buck Converter CHƯƠNG MÔ HÌNH HÓA MẠCH BUCK CONVERTER 2.1 Hoạt động mạch buck converter Khi khóa (van ) đóng , điện áp chênh lệch ngõ vào ngõ đặt lên điện cảm , làm dòng điện điện cảm tăng dần theo thời gian khóa (van) ngắt điện cảm có khuynh hướng trì dòng điện qua tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Hình 2.1: Bộ biến đổi giảm áp (buck converter) Hình 2.2: Mạch giảm áp lý tưởng Hai sơ đồ ghép nối biến đổi kết hợp thành sơ đồ mạch đơn cách sử dụng ý tưởng chuyển mạch lý tưởng (a) Chuyển mạch vị trí u=1 (b) chuyển mạch vị trí u=0 Hình 2.3: Sơ đồ thay biến đổi Chương Mô hình hóa mạch Buck Converter 2.2 Mô hình biến đổi Để xác định mô hình động học biến đổi, ta áp dụng định luật Kirchoff cho sơ đồ mạch hệ vị trí chuyển mạch Sơ đồ mạch nhận chuyển mạch lấy giá trị u=1, sơ đồ chuyển mạch thứ Nhận chuyển mạch lấy giá trị u =0, sơ đồ biểu diễn hình 2.3 Khi vị trí chuyện mạch đặt u=1, Ta áp dụng Kirchoff điện áp Kirchoff dòng điện thu hệ phương trình động lực học • Khi u=1 ta có : • Khi u =0 ta có Dạng động học biến đổi giảm áp mô tả hệ phương trình vi phân (2.1) , (2.2) , (2.3) (2.4) với dạng tổng quát 2.3 Mô hình dạng chuẩn Đặt x1 theo i dòng vào cuộn cảm x2 theo u nguồn điện áp ta có : Chương Mô kiểm chứng Matlab - Simulink = 24V, =12V , =100kHz Hình 4.3: Sơ đồ khối điều khiền PID giảm áp Matlb-Simulink Ghép với mô hình mạch lực biến đổi ta có sơ đồ mô Hình 4.4: Điều khiển PID cho biến đổi giảm áp 4.2.2 Xây dựng điều khiển trượt Sử dụng điều khiển trượt ( = , ta xác định luật điều khiển sau: ) ) 20 Chương Mô kiểm chứng Matlab - Simulink ) Trong sai lệch điện áp đầu ra, đạo hàm , số tích phân lấy dương Hình 4.5: Điều khiển trượt cho biến đổi DC-DC giảm áp Giá trị > , chọn cho giảm độ trình điều chỉnh thấp với điều kiện Nếu ta chọn =1