Thiết kế bộ điều khiển DC-DC tăng áp bằng phương pháp tuyến tính hoá phản hồi trạng thái.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HOÁ NHỜ PHẢN HỒI TRẠNG THÁI Học viên: LƯU THỊ HUẾ Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG THÁI NGUYÊN 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc - ***** THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Học viên: Lưu Thị Huế Lớp: CHTĐH-K11 Chuyên ngành: Tự động hoá Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Ngày giao đề tài: 7/12/2009 Ngày hoàn thành: 30/07/2010 BAN GIÁM HIỆU KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN GS.TSKH: Nguyễn Phùng Quang Lưu Thị Huế Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN 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 02 tháng năm 2010 Tác giả luận văn Lưu Thị Huế Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ STT Ký hiệu Diễn giải tên hình vẽ Hình 1.1 Minh họa cách phân loại biến đổi Hình 1.2 Các biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển Hình 1.3 Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt thiết bị bán dẫn Hình 1.4 Sơ đồ thay biến đổi tăng áp Hình 1.5 Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp Hình 1.6 Đặc tuyến hàm truyền biến đổi tăng áp Hình 2.1 Bộ biến đổi Boost chiều – chiều Hình 2.2 Bộ biến đổi Boost chiều – chiều với chuyển mạch lý tưởng Hình 2.3 Hàm mở rộng mặt tiếp tuyến với đa tạp trạng thái M 10 Hình 3.1 Bộ biến đổi tăng áp 11 Hình 3.2 Bộ điều khiển trực tiếp 12 Hình 3.3 Bộ điều khiển gián tiếp 13 Hình3 Bộ điều khiển phương pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái 14 Hình 3.5 Modul    15 Hình 3.6 Điều khiển tín hiệu đầu phản hồi qua modul    16 Hình 3.7 Mô hình tạo xung modul    17 Hình 4.1 Sơ đồ bộ biến đổi tăng áp 18 Hình 4.2 Mô hình biến đổi khối subsystem 19 Hình 4.3 Bộ biến đổi tăng áp mô hình hóa simpowerSystems 20 Hình 4.4 Luật điều khiển phản hồi trạng thái xây dựng MatlabSimmulink Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 21 Hình 4.5 Mô hình tạo xung    modul 22 Hình 4.6 Mô hình tạo xung khối Subsystem 23 Hình 4.7 Bộ tạo xung mô hình hóa SimpowerSystems 24 Hình 4.8 Điều khiển phản hồi trạng thái cho biến đổi tăng áp 25 Hình 4.9 Sơ đồ khối điều khiển dòng 26 Hình 4.10 Bộ điều khiển dòng Simulink 27 Hình 4.11 Bộ điều chỉnh PI cửa sổ nhập số liệu 28 Hình 4.12 Dòng điện qua cuộn cảm L 29 Hình 4.13 Sự dao động dòng điện qua L 30 Hình 4.14 Mối quan hệ dòng phản hồi tuyến tính tín hiệu điều khiển u 31 Hình 4.15 Tín hiệu điều khiển u cho biến đổi 32 Hình 4.16 Điện áp tụ điện C 33 Hình 4.17 Sơ đồ khối hệ thống 34 Hình 4.18 Tổng hợp biến đổi simulink 35 Hình 4.19 Bộ điều chỉnh điện áp PI cửa sổ nhập số liệu 36 Hình 4.20 Đáp ứng dòng điện i* hệ thống 37 Hình 4.21 Dòng qua cuộn cảm L có điều chỉnh điện áp PI 38 Hình 4.22 Sự bám sát dòng qua cuộn cảm L có điều chỉnh điện Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn áp PI 39 Hình 4.23 Mối quan hệ i*, i tín hiệu điều khiển u có điều chỉnh áp PI 40 Hình 4.24 Tín hiệu điều khiển u có điều chỉnh điện áp PI 41 Hình 4.25 Điện áp có điều chỉnh điện áp PI 42 Hình 4.26 Điện áp biến đổi đặt U*=18V 43 Hình 4.27 Điện áp biến đổi đặt U*=20V 44 Hình 4.28 Điện áp biến đổi đặt U*=22V 45 Hình 4.29 Điện áp biến đổi đặt U*=24V Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Lời nói đầu Một mục tiêu quan trọng hàng đầu mà Đảng Nhà nước đặt tiến trình công nghệ hoá, đại hoá đất nước Để tiến hành công nghệ hoá, đại hoá doanh nghiệp cần phải tiến hành xây dựng lại nhà máy, sở sản xuất, trang thiết bị máy móc đưa công nghệ đại hoá vào sản xuất Hơn nữa, để vận hành tốt nhà máy cần phải có đội ngũ tri thức có kỹ thuật có trình độ chuyên môn cao Là học viên tốt nghiệp Cao học ngành Tự động hoá trường Đại học công nghiệp Thái Nguyên, em hiểu tự động hoá công nghiệp đóng vai trò quan trọng phát triển ngành công nghiệp Việt Nam nói riêng phát triển đất nước Việt Nam nói chung Trong tất loại nguồn điện cung cấp cho ngành công nghiệp, nguồn chiều đóng vai trò quan trọng Trong thời đại ngày vấn đề lượng trở nên cấp thiết, sử dụng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời) ưa chuộng Bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter, viết tắt BC) hệ thống phát điện sử dụng lượng tái tạo Cấu trúc mạch BC vốn không phức tạp, vấn đề điều khiển BC nhằm đạt hiệu suất biến đổi cao bảo đảm ổn định mục tiêu công trình nghiên cứu Luận văn em có nhiệm vụ thiết kế điều khiển DC-DC tăng áp phương pháp tuyến tính hoá phản hồi trạng thái Để hoàn thành tốt luận văn, em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình thầy giáo GS.TS Nguyễn Phùng Quang Sau sáu tháng làm luận văn em hiểu, thiết kế điều khiển khiểm chứng điều khiển Matlab & Simmulik cho biến đổi DC-DC tăng áp Mặc dù cố gắng luận văn em không tránh khỏi số thiếu sót, em mong nhận bảo thầy để luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tài liệu tham khảo [1] Hebertt Sira-Ramírez, Ramón Silva-Ortigoza: Control Degign Tschniques in Power Electronics Devices Spring London, 2006 [2] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung: Lý thuyết điều khiển phi tuyến NXB KH&KT Hà Nội, tái lần có bổ sung, 2006 [3] Nguyễn Phùng Quang: Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động NXB KH&KT Hà Nội, 2006 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Phần mở đầu PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Trong kỹ thuật đại ngày nay, việc chế tạo chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho thiết bị sử dụng điện cần thiết Bộ biến đổi DC - DC tăng áp (Boost converter, viết tắt: BC) hay sử dụng mạch chiều trung gian thiết bị biến đổi điện công suất vừa, đặc biệt hệ thống phát điện sử dụng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời) Cấu trúc mạch BC vốn không phức tạp, vấn đề điều khiển BC nhằm đạt đượ hiệu suất biến đổi cao bảo đảm ổn định mục tiêu công trình nghiên cứu Bản chất mạch tăng áp có phần tử phi tuyến lựa chọn phương pháp tuyến tính hóa nhờ phản hồi trạng thái phù hợp cho việc điều khiển biến đổi Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài a Ý nghĩa khoa học: Bộ biến đổi DC – DC tăng áp biến đổi sử dụng nhiều thường điều khiển cấu trúc khinh điển không thỏa mãn đòi hỏi chất lượng cao Việc áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến cho đối tượng quen biết có ý nghĩa khoa học b.Ý nghĩa thực tiễn DC – DC tăng áp sử dụng nhiều công nghiệp, điều làm nên ý nghĩa thực tiễn luận văn Mục đích đề tài Ứng dụng phương pháp tuyến tính hóa nhờ phản hồi trạng thái để điều khiển nhằm đạt hiệu suất biến đổi cao, bảo đảm ổn định cấu trúc mạch biến đổi DC – DC tăng áp không phức tạp Tạo sở khoa học để cán kỹ thuật nắm rõ làm chủ công nghệ trình giám sát, vận hành Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -5- 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 bán dẫn, gọi van bán dẫn, mở dẫn dòng nối tải vào nguồn, khóa không cho dòng điện chạy qua Khác với phần tử có tiếp điểm, van bán dẫn thực đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điện,không bị mài mòn theo thời gian.Tuy đóng ngắt dòng điện lớn phần tử bán dẫn công suất lại điều khiển tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo mạch điện tử công suất nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ biến đổi phụ thuộc vào cách thức điều khiển van biến đổi Như trình biến đổi lượng thực với hiệu suất cao tổn thất biến đổi tổn thất 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 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) 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 cách liên tục nhằm đáp ứng yêu cầu điều khiển Tuy nhiên, chế độ tuyến tính thường sinh tổn thất công suất tương đối cao so với công suất toàn mạch dẫn đến hiệu suất mạch không cao Hiệu suất không cao Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... đổi tăng áp 11 Hình 3.2 Bộ điều khiển trực tiếp 12 Hình 3.3 Bộ điều khiển gián tiếp 13 Hình3 Bộ điều khiển phương pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái 14 Hình 3.5 Modul    15 Hình 3.6 Điều. .. đề điều khiển BC nhằm đạt hiệu suất biến đổi cao bảo đảm ổn định mục tiêu công trình nghiên cứu Luận văn em có nhiệm vụ thiết kế điều khiển DC-DC tăng áp phương pháp tuyến tính hoá phản hồi trạng. .. mạch tăng áp có phần tử phi tuyến lựa chọn phương pháp tuyến tính hóa nhờ phản hồi trạng thái phù hợp cho việc điều khiển biến đổi Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài a Ý nghĩa khoa học: Bộ biến