ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT BỘ BIẾN ĐỔI DCDC TĂNG ÁP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc - ***** THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Học viên: Đỗ Thị Loan Lớp: CHTBM&NMĐ-K10 Chuyên ngành: Thiết bị, mạng Nhà máy điện ĐỀ TÀI: Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP Ngày giao đề tài: 15/02/2009 Ngày hoàn thành: 30/07/2009 Học viên: ĐỖ THỊ LOAN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS.TSKH: Nguyễn Phùng Quang Đỗ Thị Loan THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -1- LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực công trình nghiên cứu tôi, chưa công bố công trình khác Thái Nguyên, ngày tháng năm 2009 Tác giả luận văn Mục lục Mở đầu Chương 1: Mô hình biến đổi 1.1 Giới thiệu biến đổi bán dẫn 1.2 Phân loại biến đổi bán dẫn 1.3 Các biến đổi DC-DC 1.3.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck converter) 1.3.2 Bộ biến đổi đảo áp ( buck-boost converter) 11 Đỗ Thị Loan 1.3.3 Bộ biến đổi tăng áp (boost converter) 12 1.3.3.1 Mô hình biến đổi 14 1.3.3.2 Mô hình dạng chuẩn 15 1.3.3.3 Điểm cân hàm truyền tĩnh .16 Chương 2: Nguyên lý điều khiển trượt 20 2.1 Giới thiệu .20 2.2 Các hệ thống cấu trúc biến .20 2.2.1 Điều khiển hệ thống điều chỉnh chuyển mạch đơn 21 2.2.2 Các mặt trượt 24 2.2.3 Ký hiệu 25 2.2.4 Điều khiển tương đương trượt động lý tưởng 26 2.2.5 Tính tiếp cận mặt trượt 29 2.2.6 Các điều kiện bất biến cho nhiễu loạn tìm 34 Chương 3: Điều khiển trượt biến đổi DC-DC tăng áp 36 3.1 Đặt vấn đề 36 3.2 Điều khiển trực tiếp 37 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn http://www.lrc-tnu.edu.vn -2- -3- 3.3 Điều khiển gián tiếp 39 MỞ ĐẦU Chương 4: Mô kiểm chứng Matlab& Simulink .42 4.1 Mạch lực biến đổi .43 4.2 Xây dựng điều khiển 45 Trong lĩnh vực kỹ thuật đại ngày nay, việc chế tạo chuyển đổi 4.2.1 Bộ điều chỉnh dòng điện .45 nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho thiết bị sử dụng điện 4.2.2 Bộ điều chỉnh điện áp 54 cần thiết Quá trình xử lý biến đổi điện áp chiều thành điện áp chiều 4.2.2.1 Thử nghiệm thông số hệ thống 58 khác gọi trình biến đổi DC-DC Một nâng điện áp biến đổi DC- 4.2.2.2 Thử nghiệm tính điều chỉnh hệ thống 64 DC có điện áp đầu lớn điện áp đầu vào Bộ biến đổi DC-DC tăng áp hay Kết luận 69 sử dụng mạch chiều trung gian thiết bị biến đổi điện công suất vừa đặc Tài liệu tham khảo 70 biệt hệ thống phát điện sử dụng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời) Cấu trúc mạch biến đổi vốn không phức tạp vấn đề điều khiển nhằm đạt hiệu suất biến đổi cao đảm bảo ổn định mục tiêu công trình nghiên cứu Thêm vào đó, biến đổi đối tượng điều khiển tương đối phức tạp mô hình có tính phi tuyến Để nâng cao chất lượng điều khiển cho biến đổi, với đề tài ”Điều khiển trượt biến đổi DC-DC tăng áp” ứng dụng lý thuyết điều khiển đại tạo điều khiển để điều khiển cho biến đổi DC-DC tăng áp, đảm bảo hiệu suất biến đổi cao ổn định Luận văn bao gồm chương, nội dung sau: Chương 1: Mô hình biến đổi DC-DC tăng áp Chương thành lập phương trình toán học mô tả biến đổi Chương 2: Nguyên lý điều khiển trượt Trong chương trình bày khái niệm hệ thống cấu trúc biến, điều khiển tương đương, mặt trượt tính tiếp cận mặt trượt, từ đề xuất phương pháp để thiết kế điều khiển trượt Chương 3: Điều khiển trượt biến đổi DC-DC tăng áp Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -4- -5- Áp dụng nguyên lý điều khiển trượt để xây dựng điều khiển trượt cho biến đổi, khảo sát tính ổn định thông qua mô hình toán học biến đổi Chương 4: Mô kiểm chứng Matlab& Simulink Đưa cấu trúc điều khiển Matlab & Simulink Thực mô đáp ứng (dòng điện, điện áp) thiết kế điều khiển cho cấu trúc điều khiển đề xuất chương III Sau đánh giá kết mô CHƯƠNG MÔ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP 1.1 Giới thiệu biến đổi bán dẫn Các biến đổi bán dẫn đối tượng nghiên cứu điện tử công suất Trong biến đổi phần tử bán dẫn công suất sử dụng khóa Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng cảm ơn Thầy PGS.TSKH.Nguyễn Phùng bán dẫn, gọi van bán dẫn, mở dẫn dòng nối tải vào nguồn, khóa Quang tận tình hướng dẫn suốt thời gian qua xin bày tỏ lòng không cho dòng điện chạy qua Khác với phần tử có tiếp điểm, van bán dẫn biết ơn tới anh, chị Trung tâm Công nghệ cao Trường ĐH Bách Khoa HN thực đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện, không bị mài mòn theo gia đình , bạn bè tạo điều kiện giúp đỡ trình làm luận văn thời gian.Tuy đóng ngắt dòng điện lớn phần tử bán dẫn công suất Do hạn chế trình độ ngoại ngữ, tham khảo tài liệu… với thời gian chưa lại điều khiển tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo mạch điện tử công nhiều nên luận văn có nhiều khiếm khuyết, sai sót Tôi mong nhận nhiều ý suất nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ biến đổi phụ kiến đóng góp lời khuyên hữu ích từ thầy, cô đồng thuộc vào cách thức điều khiển van biến đổi Như trình biến đổi nghiệp để thấy rõ điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng lượng thực với hiệu suất cao tổn thất biến đổi tổn thất đề tài đạt đến kết hoàn thiện khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi Không đạt hiệu suất cao mà biến đổi có khả cung cấp cho phụ tải nguồn lượng với đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng trình điều chỉnh, điều khiển Ngày tháng năm 2009 Học viên thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp hệ thống tự động tự động hóa Đây đặc tính mà biến đổi có tiếp điểm kiểu điện từ có Các mạch điện tử công suất nói chung hoạt động hai chế độ sau: tuyến tính (linear) chuyển mạch (switching) Đỗ Thị Loan - Chế độ tuyến tính sử dụng đoạn đặc tính khuếch đại linh kiện tích cực, chế độ xung sử dụng linh kiện tích cực khóa (van) với hai trạng thái đóng (bão hòa) ngắt Chế độ tuyến tính cho phép mạch điều chỉnh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn http://www.lrc-tnu.edu.vn -6- -7- cách liên tục nhằm đáp ứng yêu cầu điều khiển Tuy nhiên, chế độ chuyển mạch lớn lý khiến tần số làm việc mạch tuyến tính thường sinh tổn thất công suất tương đối cao so với công suất toàn bị giới hạn Kỹ thuật chuyển mạch mềm cho phép mở rộng giới hạn tần số mạch dẫn đến hiệu suất mạch không cao Hiệu suất không cao biến đổi chuyển mạch, nhờ việc đóng/ngắt khóa (van) điện áp (ZVS: zero- vấn đề quan tâm mạch công suất nhỏ đặc biệt mạch điều voltage-switching) và/hoặc dòng điện (ZCS: zero-current-switching) Nhưng khiển có yêu cầu chất lượng, đáp ứng đặt lên hàng đầu Nhưng vấn đề hiệu cần nâng cao tần số làm việc biến đổi chuyển mạch? Việc nâng cao suất đặc biệt quan tâm mạch công suất lớn, với lý hiển tần số làm việc giúp giảm kích thước khối lượng linh kiện, tăng mật nhiên Chế độ chuyển mạch cho phép giảm nhiều tổn thất công suất độ công suất linh kiện tích cực, đặc biệt linh kiện công suất, ưa thích 1.2 Phân loại biến đổi bán dẫn mạch công suất lớn Có nhiều cách phân loại biến đổi chuyển mạch điện tử công suất, Ví dụ cụ thể để minh họa Giả sử ta cần thực biến đổi điện áp từ 12 có lẽ cách thông dụng dựa vào tính chất dòng điện ngõ vào ngõ Về VDC sang VDC, dòng tải tối đa A Với giải pháp tuyến tính, dùng vi mạch nguyên tắc, có dòng điện chiều (DC) hay xoay chiều (AC), có ổn áp 7805 Với dòng tải I bất kỳ, hiệu suất mạch cách lý tưởng η = tổ hợp khác đôi dòng điện ngõ vào ngõ (theo quy ước thông Pra/Pvào = (5.I)/(12.I) = 41.7% (ta nói lý tưởng coi thân vi mạch thường, viết ngõ vào trước, sau đến ngõ ra): DC-DC, DC-AC, AC-DC, AC- ổn áp không tiêu thụ dòng điện) Với giải pháp chuyển mạch, ta dùng mạch AC Bộ biến đổi AC-DC chỉnh lưu (rectifier) mà quen giảm áp có tên gọi buck converter để thực việc đạt hiệu suất thuộc, biến đổi DC-AC gọi nghịch lưu (inverter) Hai loại lại 90% với mạch cách dễ dàng Nhưng cần ý chất lượng điện áp gọi chung biến đổi (converter) ngõ giải pháp tuyến tính tốt so với giải pháp chuyển mạch Do đó, điều quan trọng chọn giải pháp thích hợp cho toán - Kỹ thuật chuyển mạch thực tế bao gồm: chuyển mạch cứng (hard-switching) chuyển mạch mềm (soft-switching) Với kỹ thuật chuyển mạch cứng, khóa (van) yêu cầu đóng (hay ngắt) điện áp đặt vào (hay dòng điện chảy qua) linh kiện có giá trị lớn (định mức) Linh kiện phải trải qua giai đoạn chuyển mạch để đến trạng thái đóng (hay ngắt) giai đoạn sinh tổn thất công suất linh kiện tương tự chế độ tuyến tính Tổn thất công suất giai đoạn gọi tổn thất (tổn hao) chuyển mạch Điều có nghĩa tần số làm việc lớn (càng có nhiều lần đóng/ngắt linh kiện đơn vị thời gian) tổn thất Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -8- -9- Hình 1.1: Minh họa cách phân loại biến đổi 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, không Hình 1.2: Các biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển có 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 1.3.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck converter) Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khóa (van) đóng, điện áp luật để đảm bảo yêu cầu đặt biến đổi) chênh lệch ngõ vào ngõ đặt lên điện cảm, làm dòng điện điện cảm tăng 1.3 Các biến đổi DC-DC dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng trì dòng điện 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 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 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/inverting (đảo dấu điện áp) Hình 1.2 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 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 Gọi T chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 thời gian đóng khóa (van), T2 thời gian ngắt khóa (van) Như vậy, T = T + 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) −(T2/T)×Vout Điều kiện điện áp rơi trung bình điện cảm biểu diễn là: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 10 - - 11 - (T1/T)×(Vin − Vout) − (T2/T)×Vout = Thành phần xoay chiều dòng điện qua điện cảm qua tụ điện ngõ Với dòng điện qua điện cảm có dạng tam giác, điện áp tụ điện ngõ hay đoạn đa thức bậc hai nối với (xét chu kỳ chuyển mạch) Lượng điện (T1/T)×Vin − ((T1 + T2)/T)×Vout = 0, (T1/T)×Vin = Vout tích nạp vào tụ điện dòng điện qua điện cảm lớn dòng điện trung bình Giá trị D = T1/T thường gọi chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) Như vậy, ΔI×T/2 Nếu biểu diễn theo điện dung điện áp tụ điện lượng điện tích Vout = Vin×D D thay đổi từ đến (không bao gồm giá trị 1), < V out C×ΔV Trong đó, ΔI biên độ thành phần xoay chiều dòng điện qua < Vin điện cảm, ΔV độ thay đổi điện áp tụ nạp (cũng xả, xét trạng Với biến đổi buck, vấn đề thường đặt sau: cho biết phạm vi thay đổi điện áp ngõ vào V in, giá trị điện áp ngõ V out, độ dao động điện áp ngõ cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,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 thái xác lập) Như vậy, xác định giá trị tụ điện dựa vào đẳng thức sau: ΔI×T/2 = C×ΔV ΔI xác định trên, lần dòng điện tải tối thiểu, T chọn bước trước Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ cho phép ΔV mà Phạm vi thay đổi điện áp ngõ vào giá trị điện áp ngõ xác định phạm vi thay đổi chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = Vout/Vin,max, Dmax = Vout/Vin,min 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 lần dòng điện tải Như vậy, độ thay đổi dòng điện cho phép 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 D = Dmin (vì thời gian giảm dòng điện T2, với điện áp rơi không thay đổi Vout) Một cách cụ thể, có đẳng thức sau: (1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min chọn giá trị C cho thích hợp 1.3.2 Bộ biến đổi đảo áp (buck-boost converter) Bộ biến đổi buck-boost hoạt động dựa nguyên tắc: khóa (van) đóng, điện áp ngõ vào 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 Tùy vào tỷ lệ thời gian đóng khóa (van) ngắt khóa (van) mà giá trị điện áp nhỏ hơn, bằng, hay lớn giá trị điện áp vào Trong trường hợp dấu điện áp ngược với dấu điện áp vào, dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian Hai thông số cần lựa chọn Lmin T Nếu chọn tần số chuyển mạch nhỏ, tức T lớn (T = 1/f, f tần số chuyển mạch), Lmin cần Với giả thiết tương tự trường hợp trên, chế độ dòng điện qua điện cảm liên tục, điện áp rơi trung bình điện cảm phải lớn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 12 - - 13 - Với cách ký hiệu T = T1 + T2 trên, điện áp rơi trung bình điện cảm đóng khóa (van) (T1/T)×Vin, điện áp rơi trung bình điện cảm ngắt khóa (van) − (T2/T)×Vout (1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min Cách chọn tụ điện ngõ cho biến đổi không khác so với trường hợp Điều kiện điện áp rơi trung bình điện cảm biểu diễn: (T1/T)×Vin − (T2/T)×Vout = 1.3.3 Bộ biến đổi tăng áp (boost converter) Bộ biến đổi tăng áp thiết bị ứng dụng để biến đổi làm tăng điện áp Như vậy: đầu so với điện áp nguồn Vấn đề điều khiển biến đổi tăng áp vấn đề phức (T1/T)×Vin = (T2/T)×Vout ⇔D×Vin = (1 − D)×Vout tạp có tính phi tuyến dễ bị ảnh hưởng tác động bên Khi D = 0.5, Vin = Vout Với trường hợp khác, < Vout < Vin < D < Mạch điện biến đổi tăng áp, gọi biến đổi tăng hình 0.5, < Vin < Vout 0.5 < D < (chú ý xét độ lớn, 1.3 Ta giả thiết thiết bị bán dẫn lý tưởng, nghĩa transistor Q phản ứng biết Vin Vout ngược dấu) Như vậy, biến đổi tăng áp hay giảm áp, nhanh diode D có giá trị ngưỡng Điều cho phép trạng thái dẫn trạng lý mà gọi biến đổi buck-boost thái khóa kích hoạt tức thời không thời gian Như biết, ta có: transistor Xét loại toán thường gặp trường hợp trên, tức là: cho biết phạm vi thay đổi điện áp ngõ vào V in, giá trị điện áp ngõ V out, độ dao động điện áp ngõ cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,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 trạng thái mở, diode D bị phân cực ngược Do đó, hở mạch nguồn áp E tải R Ta thấy điều hình 1.4(a) Mặt khác, transistor Q trạng thái khóa, diode D phân cực thuận, tức D dẫn Nó cho phép dòng lượng truyền từ nguồn E tới tải R, hình 1.4(b) 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: Dmin = Vout/(Vin,max + Vout), Dmax = Vout/(Vin,min + Vout) Lý luận tương tự với biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép lần dòng điện tải tối thiểu Trường hợp xấu ứng với độ lớn điện áp trung bình đặt vào điện cảm khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức D = Hình 1.3: Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt thiết bị bán dẫn Dmin Như đẳng thức dùng để chọn chu kỳ (tần số) chuyển mạch điện cảm L giống biến đổi buck: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 14 - - 15 - di E dt dv v C  dt R L Hình 1.4: Sơ đồ thay biến đổi tăng áp Hai sơ đồ mạch ghép nối với biến đổi kết hợp thành sơ đồ mạch đơn cách sử dụng ý tưởng chuyển mạch lý tưởng hình 1.5 (1.1) Khi chuyển mạch đặt u = 0, ta có hệ: di  v  E dt dv v C i dt R L (1.2) Dạng động học biến đổi tăng áp mô tả hệ phương trình vi phân (1.1),(1.2) với dạng tổng quát đây: Hình 1.5: Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp L di  (1  u )v  E dt C dv v  (1  u )i  dt R (1.3) ( 1.4) 1.3.3.2 Mô hình dạng chuẩn 1.3.3.1 Mô hình biến đổi Dạng chuẩn hóa hệ phương trình mô tả biến đổi tăng áp đạt Để xác định mô hình động học biến đổi, ta áp dụng luật Kirchoff cho sơ đồ mạch hệ hai vị trí chuyển mạch Sơ đồ mạch nhận chuyển mạch lấy giá trị u = 1, sơ đồ mạch thứ hai nhận chuyển mạch lấy giá trị u = 0, hai sơ đồ mạch biểu diễn hình 1.5 Khi vị trí chuyển mạch đặt u = 1, ta áp dụng luật Kirchoff điện áp Kirchoff cách định nghĩa lại biến trạng thái biến thời gian đây: 1 L  x1    E C     x2      i    ,  v   E  t LC (1.5) dòng điện, thu hệ phương trình động lực học: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 16 - - 17 - x1  dx L L di i   E C dt E C dt E x2  dx 1 dv v   E dt E dt E d  LC Đặt u=1-uav, ta có: di L LC dt dx1  ux2  d dx2 x  ux1  d Q L dv C C dt dt  dt  LC d LC Từ phương trình (1.3) ta có: E (1.8) Trong tham số Q nghịch đảo hệ số chất lượng mạch, tính theo công di 1 L  (1  u) v E LC dt LC E E LC thức Q= R C / L Biến x1 dòng điện cảm chuẩn hóa, x2 điện áp chuẩn hóa dx1 1  1  u  x2  dt LC LC 1.3.3.3 Điểm cân hàm truyền tĩnh Một mục tiêu điều khiển mà ta mong muốn đạt sử dụng dx1   1  u  x2  d thiết kế biến đổi công suất chiều sang chiều điều chỉnh điện áp ổn Từ phương trình (1.4) ta có: định tới giá trị để tiếp cận tới tín hiệu tham chiếu cho trước Trong E LC L dv C  (1  u ) C dt E LC L i C E LC chế độ trạng thái ổn định, ứng với giá trị cân hằng, tất đạo hàm theo L v C R thời gian biến trạng thái mô tả hệ thống cho Vì vậy, đầu vào điều khiển phải hằng, nghĩa uav=U=constant Điều kiện kéo theo hệ dx2 1 L  1  u  x1  x2 dt LC LC R C phương trình mà nghiệm mô tả điểm cân hệ Từ phương trình(1.6),(1.7) ta có: dx2 x L  1  u  x1  x2  1  u  x1  d R C Q 0  (1  uav ) x2   x2  0  (1  uav ) x1  Q  Ta mô hình chuẩn hóa trung bình biến đổi tăng áp dx1  (1  u av ) x2  d dx2 x  (1  uav ) x1  d Q Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên (1.6) (1.7) http://www.lrc-tnu.edu.vn (1.9) Mô hình trung bình chuẩn hóa biến đổi tăng áp ứng với giá trị đầu vào điều khiển uav=U, đưa hệ phương trình cho trạng thái cân bằng: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 42 - - 43 - tương thích với chương trình lập trình Matlab M-file Điều làm CHƯƠNG cho trình mô thêm linh hoạt MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG TRÊN NỀN 4.1 Mạch lực biến đổi MATLAB & SIMULINK Với phát triển khoa học máy tính, phương pháp mô ngày Thiết kế điều khiển cho biến đổi DC-DC tăng áp với thông số biến đổi L  15.91mH ,C  50 F ,E=12V, R=52 chứng tỏ ưu Trong công tác phục vụ nghiên cứu, phân tích thiết kế hệ thống nhận định kết khoa học, phương pháp mô đóng góp vai trò to lớn, cho phép giảm chi phí, hạn chế rủi ro, tăng cường ưu điểm sản phẩm nghiên cứu để từ đánh giá, rút ngắn thời gian hạ giá nghiệm Phần mềm mô Matlab & Simulink công cụ mô mạnh với giao diện, khả lập trình linh hoạt, với công cụ có sẵn để phục vụ mô Hình 4.1: Sơ đồ biến đổi tăng áp Mô tả toán học biến đổi: cho công việc nghiên cứu cho ngành kỹ thuật : Điện, điện tử, điều khiển L tự động…Trong Simulink công cụ dùng để mô phân tích hệ thống động học tích hợp sẵn chương trình Matlab/ Simulink cho phép mô C di  (1  u )v  E dt dv v  (1  u )i  dt R hệ thống điều khiển miền thời gian liên tục gián đoạn Các thư viện sẵn có Simulink bao gồm khâu ngành kỹ thuật điều khiển tự Mô hình hóa mạch động lực biến đổi Plecs Matlab-Simulink: động đáp ứng đầy đủ yêu cầu mô phỏng, phân tích tính mở cho người sử dụng người sử dụng muốn định nghĩa thêm khâu Ngoài Simulink Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 44 - - 45 - Thu gọn phần tử subsystem: - Đầu vào khối tín hiệu u, nhận giá trị - Đầu tín hiệu dòng điện, điện áp Các thông số thiết lập thông số mạch Plecs 4.2 Xây dựng điều khiển 4.2.1 Bộ điều chỉnh dòng điện _ Sử dụng điều khiển trượt với mặt trượt S  h( x)  i  i , luật điều khiển _  khi i  i  u _ khi i  i  Hình 4.2: Mô hình biến đổi khối Subsystem u  [(1  sign(i  i )] _ Trong i giá trị dòng điện thực cuộn cảm, i giá trị dòng điện cân theo tính toán.Tuy nhiên tiến hành chạy mô ta cần đặt lại ngưỡng tác động cho u _  khi i  i    u _ khi i  i    Trong  giá trị tác động theo ngưỡng nhạy “rơ le”, lý thuyết  Hình 4.3: Bộ biến đổi tăng áp mô hình hóa PLECS Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn nhỏ tốt, tượng chattering giảm tần số đóng mở phải tăng lên, Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 46 - - 47 - mặt khác tần số đóng mở làm ảnh hưởng đến tốc độ tính toán mô tần số bị giới hạn thiết bị chuyển mạch công suất thực tế Do ta lựa chọn  mức hợp lý phần tử Relay1 Ta thực luật điều khiển cho u sau: u  [(1  sign(i  i)] Hình 4.5: Luật điều khiển trượt xây dựng Matlab-Simulink Ghép lại với mạch lực biến đổi ta có sơ đồ mô phỏng: Hình 4.4: Điều chỉnh ngưỡng tác động”Rơ le” Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 48 - - 49 - dong dien qua cuon cam L 1.4 1.2 A 0.8 0.6 Hình 4.6: Điều khiển trượt cho biến đổi tăng áp 0.4 0.2 0 0.005 0.01 0.015 0.02 time(s) 0.025 0.03 0.035 0.04 Theo cách tính toán trình bày chương 2, giá trị điện áp Hình 4.7: Dòng điện qua cuộn cảm L _ v  24V ,mạch đạt tới trạng thái cân giá trị dòng cân cuộn cảm _ i  0.923 A;  ta chạy chương trình cho kết thể giản đồ sau: Dòng điện i nhanh chóng tiến đến giá trị cân đặt i  0.923 A trượt qua giá trị dòng điện cân này, quan sát khoảng thời gian nhỏ để thấy rõ tượng “chattering” i Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 50 - - 51 - dòng điện lượng tích lũy điện cảm gây giảm dần cho 1.4 _ đến nhỏ giá trị cân đặt h( x)  i  i >0 u=1, khóa FET lại mở 1.2 Quá trình lại lặp lại tạo nên trượng trượt dòng điện thực qua giá trị dòng điện cân qua cuộn cảm L A 0.8 Dòng điện i 0.6 Dong thuc Dong can bang 0.4 0.2 0 0.5 1.5 time(s) 2.5 3.5 -3 Tín hiệu điều khiển u x 10 Hình 4.8: Hiện tượng “Chattering” dòng điện qua L Tín hiệu điều khiển u chuỗi xung tạo từ điều khiển trượt có _ mối liên hệ với mặt trượt h( x)  i  i u  [(1  sign(i  i)] , thực tế mô Time(s) mối liên hệ thể rõ giản đồ hình 4.9 Khi bắt đầu, dòng điện i _ không, h( x)  i  i >0 tín hiệu điều khiển u =1, khóa FET mở dẫn dòng qua cuộn cảm L vào biến đổi, dòng điện qua L tăng lên khoảng thời gian ngắn, _ Hình 4.9: Mối liên hệ tượng trượt tín hiệu điều khiển u Khi ta tăng ngưỡng tác động phần tử rơ le điều khiển  làm cho biên độ trượt tăng lên _ đến i  i h( x)  i  i [...]... giới hạn của điện áp ra mong muốn của bộ biến đổi , kí hiệu bởi x 2 V d : x1  1 2 Vd , Q x 2  Vd , U  Vd  1 Vd (1.12) Theo cách này, từ hệ thức (1.10) ta được hàm truyền chuẩn hóa tĩnh của bộ biến đổi tăng áp cho bởi: H(U)= x2  1 (1  U ) (1.13) Rõ ràng là hệ số khuếch đại của mạch bộ biến đổi luôn lớn hơn 1 Vì thế, bộ biến đổi được gọi là bộ biến đổi tăng hay bộ biến đổi tăng áp Đặc tuyến của... biến đổi tăng áp Điều khiển bộ biến đổi tăng áp có thể có nhiều phương pháp Bài luận văn này tác giả trình bày phương pháp dùng bộ điều khiển trượt để điều khiển đối tượng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 20 - - 20 - CHƢƠNG 2 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT 2.1 Giới thiệu Điều khiển trượt. .. - 36 - - 37 - CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP Trong đó tham số Q là nghịch đảo của hệ số chất lượng mạch, tính theo công thức Q= R C / L ,   t LC Biến x1 là dòng điện cảm chuẩn hóa, còn x2 là điện áp ra chuẩn hóa Tại điểm cân bằng của bộ biến đổi, thông số của điện áp ra mong muốn 3.1 Đặt vấn đề x2  V d , và ta tính toán được: Mô hình bộ biến đổi tăng áp đã được làm rõ trong... truyền bộ biến đổi tăng áp truyền tĩnh của bộ biến đổi tăng áp đựợc minh họa như trên hình 1.6 Dễ thấy thông qua sự biến thiên của chu trình hoạt động hay đầu vào điều khiển trung bình U, ta có thể đọc được giá trị của điện áp đầu ra ổn định của giá trị mong muốn v lớn hơn 1 Giá trị dòng điện và điện áp cân bằng của mạch là i 1 v2 , R E v E (1  U ) (1.14) Trên đây là phương trình trạng thái của bộ biến. .. cấu trúc như sau thể kết luận rằng bộ điều khiển trượt đã đạt yêu cầu chất lượng động và tĩnh, khi thay đổi các giá trị dòng đặt i* khác nhau ta đều nhận được dòng i bám sát theo giá trị dòng yêu cầu, đạt được các chỉ tiêu chất lượng hệ thống Tuy nhiên, với bộ biến đổi điện áp nói chung và bộ biến đổi tăng áp nói riêng thì việc điều chỉnh điện áp ra thông qua việc điều chỉnh dòng điện trên các cuộn...  Q  Hình 3.1 Bộ biến đổi tăng áp  x  g  x   2   x1  Đối tượng điều khiển được hướng tới là điện áp ra đạt tới giá trị điện áp ra cân Với bộ biến đổi trên, hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống là: dx1  ux2  1 d dx2 x  ux1  2 d Q bằng trung bình x 2 , đầu tiên chúng ta đưa ra phương pháp điều khiển trực tiếp, trong đó giá trị ra x2 được sử dụng để tổng hợp một mặt trượt tương ứng... 4.1 Mạch lực bộ biến đổi MATLAB & SIMULINK Với sự phát triển của khoa học máy tính, phương pháp mô phỏng ngày càng Thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC tăng áp với các thông số bộ biến đổi L  15.91mH ,C  50 F ,E=12V, R=52 chứng tỏ ưu thế của nó Trong công tác phục vụ nghiên cứu, phân tích và thiết kế hệ thống của các nhận định cũng như các kết quả khoa học, phương pháp mô phỏng đã... 1 trong 2 giá trị 0 và 1 - Đầu ra là các tín hiệu dòng điện, điện áp Các thông số được thiết lập thông số ngay trên mạch Plecs 4.2 Xây dựng bộ điều khiển 4.2.1 Bộ điều chỉnh dòng điện _ Sử dụng bộ điều khiển trượt với mặt trượt S  h( x)  i  i , luật điều khiển _  khi i  i  0 u _ khi i  i  0 Hình 4.2: Mô hình bộ biến đổi trong khối Subsystem 1 u  [(1  sign(i  i )] 2 _ Trong đó...  x1  Q Vd   U  Vd  1  Vd trúc mạch của bộ biến đổi vốn không phức tạp, việc điều khiển khóa chuyển mạch u để đạt được điện áp ra đạt yêu cầu là hết sức khó khăn do tính phi tuyến của các phần tử trong mạch Mặc dù vậy với những gợi mở của lý thuyết điều khiển phi tuyến, cụ thể là (3.2) điều khiển trượt mang lại cho ta hướng điều khiển bộ biến đổi trên Theo các định nghĩa và ký hiệu trình bày... đầu, dòng điện i _ bằng không, do h( x)  i  i >0 và tín hiệu điều khiển u =1, khóa FET mở dẫn dòng qua cuộn cảm L vào bộ biến đổi, dòng điện qua L tăng lên trong khoảng thời gian ngắn, _ Hình 4.9: Mối liên hệ giữa hiện tượng trượt và tín hiệu điều khiển u Khi ta tăng ngưỡng tác động của phần tử rơ le của bộ điều khiển  làm cho biên độ trượt tăng lên _ đến khi i  i thì h( x)  i  i