Thiết kế điều khiển bộ biến đổi DC - DC tăng áp sử dụng phương pháp tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra

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 HÓA NHỜ PHẢN HỒI VÀO RA Học viên: DƯƠNG VĂN CƯỜNG 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 Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc - ***** THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Học viên: Dương Văn Cường Lớp: CHTĐH-K11 Chuyên ngành: Tự động hoá Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Ngày giao đề tài: 07/12/2009 Ngày hoàn thành: 30/07/2010 NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN GS.TSKH: Nguyễn Phùng Quang Dương Văn Cường BAN GIÁM HIỆU KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nghiên cứu , sai xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Người cam đoan Dương Văn Cường Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Mục lục Mở đầu Chương 1: Mô hình biến đổi DC-DC tăng áp 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) 10 1.3.2 Bộ biến đổi đảo áp ( buck-boost converter)……………………………… 13 1.3.3.Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic (Quadratic buck converter)…………… 14 1.3.3.1.Mô hình biến đổi…………………………………………………… 15 1.3.3.2.Mô hình dạng chuẩn………………………………………………… 16 1.3.3.3.Điểm cân bằng……………………………………………………… 17 1.3.3.4.Hàm truyền tĩnh……………………………………………………… 18 1.3.4 Bộ biến đổi tăng áp (boost converter)…………………………………… 18 1.3.4.1 Mô hình biến đổi………………………………………………20 1.3.4.2 Mô hình dạng chuẩn 20 1.3.4.3 Điểm cân hàm truyền tĩnh 22 Chương 2: Nguyên lý điều khiển tuyến tính nhờ phản hồi đầu vào ra………………………………………………………………… 25 2.1.Cơ s lý thuyết………………………………………………………… 25 2.2.Mô hình cấu trúc hệ thống tuyến tính hoá xác nhờ phản hồi đầu vào ra………………………………………………… 27 2.3.Cấu trúc affine…………………………………………………… 2.3.1.Bất biến với phép biến đổi vi phôi…………………………… Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 29 http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.3.2 Bất biến với cấu trúc song song ,nối tiếp hồi tiếp……… 30 Chương 3: Điều khiển tuyến tính hoá nhờ phản hồi vào cho biến đổi dc-dc tăng áp……………………………………… 33 3.1 Đặt vấn đề………………………………………………………… 33 3.2 Điều khiển trực tiếp……………………………………………… 33 3.3 Điều khiển gián tiếp……………………………………………… 35 3.4.Kết luận……………………………………………………………… 36 Chương 4: Mô kiểm chứng Matlab& Simulink …………… 37 4.1 Mạch lực biến đổi………………………………………………………….38 4.2 Xây dựng điều khiển……………………………………………………… 42 4.2.1 Bộ điều chỉnh dòng điện………………………………………………… 42 4.2.2.Bộ điều biến PWM…………………………………………………… 42 4.2.3.Bộ điều khiển PID cho dòng điện…………………………………… 50 4.2.4.Tổng hợp, mô mạch vòng dòng điện………………………………53 4.2.5 Bộ điều chỉnh điện áp…………………………………………………….59 4.2.5.1 Thử nghiệm thông số hệ thống ………………………………… 63 4.2.5.2 Thử nghiệm tính điều chỉnh hệ thống……………… 66 Kết luận…………………………………………………………………………… 71 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………73 Danh mục hình vẽ………………………………………………………… 74 MỞ ĐẦU Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trong lĩnh vực 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 Quá trình xử lý biến đổi điện áp chiều thành điện áp chiều khác gọi trình biến đổi DC-DC Một nâng điện áp biến đổi DCDC có điện áp đầu lớn điện áp đầu vào Bộ biến đổi DC-DC tăng áp 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 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 ”Thiết kế điều khiển biến đổi DC-DC tăng áp sử dụng phương pháp tuyến tính hoá nhờ phản hồi đầu ”đã 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 2: Nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào (IOL) Chương 3: Điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào cho biến đổi DC – DC tăng áp Chương 4: Mô kiểm chứng Matlab& Simulink Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng cảm ơn Thầy GS.TSKH.Nguyễn Phùng Quang tận tình hướng dẫn suốt thời gian qua xin bày tỏ lòng biết ơn tới anh, chị Trung tâm Công nghệ cao Trường ĐH Bách Khoa HN gia đình , bạn bè tạo điều kiện giúp đỡ trình làm luận văn Do hạn chế trình độ ngoại ngữ, tham khảo tài liệu… với thời gian chưa Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn nhiều nên luận văn có nhiều khiếm khuyết, sai sót Tôi mong nhận nhiều ý kiến đóng góp lời khuyên hữu ích từ thầy, cô đồng nghiệp để thấy rõ điều cần nghiên cứu bổ sung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt đến kết hoàn thiện Ngày tháng năm 2010 Học viên Dương Văn Cường Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG 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 vấn đề quan tâm mạch công suất nhỏ đặc biệt mạch điều khiển có yêu cầu chất lượng, đáp ứng đặt lên hàng đầu Nhưng vấn đề hiệu suất đặc biệt quan tâm mạch công suất lớn, với lý hiển nhiên Chế độ chuyển mạch cho phép giảm nhiều tổn thất công suất linh kiện tích cực, đặc biệt linh kiện công suất, ưa thích mạch công suất lớn Ví dụ cụ thể để minh họa Giả sử ta cần thực biến đổi điện áp từ 12 VDC sang VDC, dòng tải tối đa A Với giải pháp tuyến tính, dùng vi mạch ổn áp 7805 Với dòng tải I bất kỳ, hiệu suất mạch cách lý tưởng η = Pra/Pvào = (5.I)/(12.I) = 41.7% (ta nói lý tưởng coi thân vi mạch ổn áp không tiêu thụ dòng điện) Với giải pháp chuyển mạch, ta dùng mạch giảm áp có tên gọi buck converter để thực việc đạt hiệu suất 90% với mạch cách dễ dàng Nhưng cần ý chất lượng điện áp 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 (hardswitching) 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 chuyển mạch lớn lý khiến tần số làm việc mạch bị giới hạn Kỹ thuật chuyển mạch mềm cho phép mở rộng giới hạn tần số biến đổi chuyển mạch, nhờ việc đóng/ngắt khóa (van) điện áp (ZVS: zero-voltage-switching) và/hoặc dòng điện (ZCS: zero-current-switching) Nhưng cần nâng cao tần số làm việc Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn biến đổi chuyển mạch? Việc nâng cao tần số làm việc giúp giảm kích thước khối lượng linh kiện, tăng mật độ công suất 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) 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, 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) 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 ... 1: Mô hình biến đổi DC- DC tăng áp Chương 2: Nguyên lý điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào (IOL) Chương 3: Điều khiển tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào cho biến đổi DC – DC tăng áp Chương... điện áp chiều thành điện áp chiều khác gọi trình biến đổi DC- DC Một nâng điện áp biến đổi DCDC có điện áp đầu lớn điện áp đầu vào Bộ biến đổi DC- DC tăng áp hay sử dụng mạch chiều trung gian thiết. .. tăng áp sử dụng phương pháp tuyến tính hoá nhờ phản hồi đầu ”đã 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