Thiết kế bộ biến đổi dcdc tăng áp sử dụng bộ điều khiển PIDMục lụcLỜI MỞ ĐẦU4CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI61.1. Mục đích đề tài61.2. Đối tượng nghiên cứu61.3. Phương pháp và kế hoạch nghiên cứu61.4. Ứng dụng của đề tài6CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT82.1. Bộ biến đổi DC – DC tăng áp (Boost Converter)82.1.1. Cấu trúc bộ Boost Converter82.2.2. Không gian trạng thái của bộ boost converter102.2. Cấu trúc bộ điều khiển PID172.3. Vi điều khiển Pic16F877A192.3.1. Khái quát về vi điều khiển Pic16F877A192.3.2. Sơ đồ chân và chức năng của PIC16F877A202.4. Giải thuật sử dụng23CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID243.1. Tính toán mạch lực bộ Boost Converter243.2. Tính toán thông số bộ điều khiển PID25CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG294.1. Mô phỏng hệ thống trên MatlabSimulink294.2. Mô phỏng trên phần mềm Proteus31CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI325.1. Những kết quả đã đạt được325.2. Hướng phát triển của đề tài.34KẾT LUẬN36TÀI LIỆU THAM KHẢO36
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Viện Điện - - BÁO CÁO ĐỒ ÁN I Đề tài: Thiết kế biến đổi DC - DC tăng áp Giảng viên hướng dẫn: Nhóm sinh viên thực hiện: Hà Nội 5-2019 Mục lục LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích đề tài 1.2 Đối tượng nghiên cứu 1.3 Phương pháp kế hoạch nghiên cứu .6 1.4 Ứng dụng đề tài CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Bộ biến đổi DC – DC tăng áp (Boost Converter) 2.1.1 Cấu trúc Boost Converter 2.2.2 Không gian trạng thái boost converter 10 2.2 Cấu trúc điều khiển PID 17 2.3 Vi điều khiển Pic16F877A .19 2.3.1 Khái quát vi điều khiển Pic16F877A 19 2.3.2 Sơ đồ chân chức PIC16F877A 20 2.4 Giải thuật sử dụng 23 CHƯƠNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 24 3.1 Tính tốn mạch lực Boost Converter 24 3.2 Tính tốn thông số điều khiển PID 25 CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 29 4.1 Mô hệ thống Matlab&Simulink 29 4.2 Mô phần mềm Proteus 31 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 32 5.1 Những kết đạt 32 5.2 Hướng phát triển đề tài 34 KẾT LUẬN 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, nguồn lượng truyền thống than đá, dầu khí suy giảm số lượng, chúng gây nhiễm môi trường nghiêm trọng, nhu cầu sử dụng lại ngày tăng Chính vậy, việc phát triển nguồn lượng tái tạo hướng đại, đảm bảo phát triển lâu dài Ở nước ta, nguồn lượng mặt trời dồi lĩnh vực tiềm Trong lĩnh vực kỹ thuật đại, điện lượng mặt trời điện tạo từ việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện cách sử dụng pin lượng mặt trời từ nhà máy lượng mặt trời dựa nguyên lý phản xạ ánh sáng Với đặc trưng nguồn điện lượng mặt trời không ổn định, điện áp đầu chúng liên tục thay đổi có giá trị nhỏ, nên chúng thường liên kết với phụ tải lưới điện nhờ biến đổi cơng suất Vì vậy, việc chế tạo chuyển đổi nguồn có chất lượng điện áp cao, kích thước nhỏ gọn cho hệ thống pin lượng mặt trời 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 DC - DC có điện áp đầu lớn điện áp đầu vào Các biến đổi DC - DC hệ thống lượng lưu trữ giúp cho hệ thống lượng tái tạo, điển hình lượng mặt trời, giúp khắc phục hạn chế Cấu trúc mạch biến đổi vốn không phức tạp vấn đề điều khiển nhằm đạt hiệu suất biến đổi cao đảm bảo ổn định ln mục tiêu cơng trình nghiên cứu Để nâng cao chất lượng điện áp đầu hệ thống pin lượng mặt trời, với đề tài “Thiết kế biến đổi DC - DC tăng áp cho mạch sạc pin lượng mặt trời”, có nhiều phương pháp như: tuyến tính hóa nhờ phản hồi vào ra, sử dụng luật điều khiển PID, điều khiển trượt, điều khiển mờ,… Trong đó, sử dụng điều khiển PID phương pháp sử dụng rộng rãi, dễ thực hiện, đảm bảo hiệu suất biến đổi độ ổn định cao Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn cô giáo TS Vũ Thị Thúy Nga - giảng viên trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình hướng dẫn nhóm chúng em suốt thời gian học kì vừa qua, giúp đỡ chia sẻ cho chúng em nhiều kinh nghiệm quý báu trình từ lý thuyết đến thực tế Trong trình thực đề tài, hạn chế hiểu biết chưa có kinh nghiệm làm việc thực tiễn nên nhóm em có nhiều thiếu sót Nhóm chúng em mong nhận ý kiến đóng góp lời khuyên cô bạn để bổ sung hoàn thiện đề tài Chúng em xin chân thành cảm ơn ! CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích đề tài Điện phát từ nguồn lượng mặt trời cấp trực tiếp cho phụ tải, điện áp biến thiên theo yếu tố khách quan cường độ xạ, nhiệt độ, thời tiết vị trí đặt pin mặt trời đặc trưng nguồn không ổn định điện áp có giá trị nhỏ, nên cần biến đổi DC - DC tăng áp để ổn định đầu theo yêu cầu chất lượng điện áp mong muốn 1.2 Đối tượng nghiên cứu - Thiết kế mạch lực biến đổi DC - DC tăng áp - Thiết kế điều khiển PID cho biến đổi DC - DC tăng áp - Vi điều khiển PIC 16F877A 1.3 Phương pháp kế hoạch nghiên cứu - Sử dụng điều khiển PID để nâng cao chất lượng điện áp - Tìm hiểu cấu trúc biến đổi DC - DC tăng áp biến đổi PID, xây dựng mơ hình mơ phần mềm Matlab&Simulink Proteus - Thiết kế phần cứng 1.4 Ứng dụng đề tài Ứng dụng biến đổi DC - DC tăng áp hệ thống pin lượng mặt trời: Ngày nay, với phát mạnh mẽ giới, nhu cầu sử dụng lượng người ngày tăng Nguồn lượng tái tạo nói chung, nguồn pin mặt trời nói riêng dạng nguồn lượng sạch, khơng gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tiềm trữ lượng nước ta lớn Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn lượng pin mặt trời cho hiệu quả, giảm phát thải chất gây ô nhiễm mơi trường, đặc biệt khí (CO2) mục tiêu nghiên cứu nhiều quốc gia Bộ biến đổi DC - DC tạo điện áp chiều (DC) điều chỉnh để cung cấp cho tải thay đổi Ngoài ra, để giữ ổn định cho mạch chiều đưa điện áp xoay chiều (AC) lưới, người ta sử dụng thêm nghịch lưu DC – AC Các biến đổi công suất có nhiệm vụ sau: Pin mặt trời cho điện áp chiều, tất điện áp chiều qua nghịch lưu để đưa điện áp xoay chiều tới lưới điện Hình 2.8: Sơ đồ điều khiển pin mặt trời Do điện áp đầu pin mặt trời không đủ lớn ổn định để cung cấp cho đầu vào nghịch lưu nên đòi hỏi phải có điều khiển tin cậy để điện áp đầu đạt yêu cầu Chính vậy, điều khiển biến đổi DC - DC tăng áp tốn vơ quan trọng Ứng dụng khác Ngoài ứng dụng hệ thống pin lượng mặt trời nói riêng lượng tái tạo nói chung, biến đổi DC - DC tăng áp sử dụng rộng rãi cơng nghiệp, chúng sử dụng để điều khiển động xe điện, cầu trục, thiết bị khai thác mỏ,… CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Bộ biến đổi DC – DC tăng áp (Boost Converter) 2.1.1 Cấu trúc Boost Converter Mục đích biến đổi DC - DC tạo điện áp chiều điều chỉnh để cung cấp cho phụ tải biến đổi Trong số trường hợp, điện áp chiều tao cách chỉnh lưu từ lưới có điện áp biến thiên liên tục Bộ biến đổi DC - DC thường sử dụng yêu cầu điều chỉnh công suất nguồn chiều, ví dụ máy tính, thiết bị đo lường, thông tin liên lạc, nạp điện cho ắc quy Ngoài biến đổi DC - DC sử dụng để điều khiển động chiều Bộ biến đổi DC - DC biến đổi cơng suất bán dẫn, có hai thực kiểu chuyển mạch: dùng tụ điện chuyển mạch dùng điện cảm chuyển mạch Dùng tụ điện chuyển mạch chúng phải tạo nguồn dòng tiến hiệu vào, dùng điện cảm chuyển mạch đầu vào nguồn áp Dễ dàng nhận thấy, sử dụng điện cảm chuyển mạch đơn giản hơn, tạo nguồn áp dễ tạo nguồn dòng, sử dụng mạch có cơng suất lớn Bộ biến đổi DC - DC tăng áp có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu lớn điện áp đầu vào Điện áp DC đầu vào mắc nối tiếp với cuộn cảm lớn có vai trò nguồn dòng Một khóa chuyển mạch mắc song song với nguồn dòng đóng mở theo chu kỳ Năng lượng cung cấp từ cuộn cảm nguồn làm cho điện áp đầu tawg lên Nó thường dùng để sử dụng điều chỉnh điện áp nguồn cup cấp hãm tái sinh động DC Vấn đề điều khiển biến đổi tăng áp vấn đề phức tạp có tính phi tuyến dễ bị ảnh hưởng tác động bên ngồi Hình 2.5: Bộ biến đổi tăng áp đóng cắt thiết bị bán dẫn Ta giả thiết thiết bị bán dẫn lý tưởng, nghĩa transistor Q phản ứng nhanh diode D có giá trị ngưỡng Điều cho phép trạng thái dẫn trạng thái khóa kích hoạt tức thời khơng thời gian Như biết, ta có: transistor trạng thái mở, diode D bị phân cực ngược Do đó, hở mạch nguồn áp E tải R Ta thấy điều hình 2.6(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 2.6(b) (a) Chuyển mạch vị trí u = (b) Chuyển mạch vị trí u = Hình 2.6: Sơ đồ thay biến đổi 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 2.7: Hình 2.7: Sơ đồ lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp 2.2.2 Khơng gian trạng thái boost converter Hình 2.8: Bộ biến đổi boost khoảng thời gian ton Trong transitor mở điện áp transitor khơng điode khơng dẫn Mạch hình 2.8 sử dụng mơ hình biến đối Boost thời gian ton Ở hình, nguồn dòng thêm vào Từ hình 2.8 ta thu phương trình sau : Biến đổi cơng thức (2.3) ta được: 10 Port D có chân Thanh ghi TRISD điều khiển chức input output port D tương tự Port D cổng xuất liệu chuẩn giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) Port E Port E có chân Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng TRISE Các chân port E có ngõ vào analog Bên cạnh port E chân điều khiển chuẩn giao tiếp PSP Trong nội dung môn học này, ta sử dụng chức ADC để đọc vi xử lý điện áp đầu sau biến đổi chức PWM để điều chế độ rộng xung điều khiển việc đóng mở van MOSFET 2.4 Giải thuật sử dụng Processing data Start PI controller Setup PWM, ADC PWM Get data Control Voltage Hình 2.14 Lưu đồ thuật tốn 23 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 3.1 Tính tốn mạch lực Boost Converter Thông số yêu cầu mạch cần thiết kế: - Điện áp vào phụ thuộc vào cường độ ánh sáng mặt trời, giả sử 5V để tính tốn thơng số mạch lực - Điện áp ra: 24V - Tần số hoạt động mạch: f=20kHz 1 Vin 1 0.8 Vout 24 - Duty Cycle: - Rload 220() , dòng điện qua tải I o 0.1A - Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm khoảng 30% - Độ đập mạch điện áp