Nghiên cứu đánh giá các phương pháp điều khiển hiện đại cho các bộ nguồn đóng cắt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Cao Thành Trung Nghiên cứu đánh giá phương pháp điều khiển đại cho nguồn đóng cắt LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : T.S Nguyễn Thế Công HÀ NỘI – 2010 LỜI NÓI ĐẦU Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả làm việc thiết bị điện tử cơng suất nói chung phương pháp điều khiển chọn cho biến đổi Từ trước đến này, thuật tốn điều khiển thiết bị điện tử công suất chủ yếu dựa kỹ thuật điều khiển tuyến tính Khi khả làm việc thiết bị điện tử công suất “thỏa hiệp” hai yếu tố sau: 1) tính đơn giản việc giả thiết mơ hình thiết bị tuyến tính 2) phạm vi có hiệu lực thuật tốn điều khiển chọn cho mơ hình Để tránh nhược điểm nêu trên, sử dụng hai phương pháp sau Phương pháp thứ sử dụng mơ hình xác thiết bị điện tử cơng suất sau áp dụng thuật tốn điều khiển phù hợp với mơ hình Tuy nhiên, phương pháp tốn nhiều thời gian phức tạp thiết bị điện tử cơng suất có tính phi tuyến cao thông số thiết bị không xác định Phương pháp thứ hai sử dụng kỹ thuật “suy luận khám phá” (heuristic reasoning) dựa kinh nghiệm chuyên gia (expert experience) các thiết bị Điều có nghĩa phương pháp điều khiển thiết bị công suất dựa kinh nghiệm người vận hành Kinh nghiệm thường tập hợp mệnh đề quy tắc dạng ngơn ngữ , nhờ mà khâu mơ hình hóa bỏ qua quy trình thiết kế điều khiển “chuyển đổi” tập quy tắc ngôn ngữ thành thuật toán điều khiển tự động Ở đây, logic mờ (fuzzy logic) đóng vai trị quan trọng việc đưa cấu thiết yếu cho việc thực quy trình chuyển đổi Trong nhiều năm qua, biến đổi DC/DC sử dụng rộng rãi ứng dụng công nghiệp, thương mại dân Vì luận văn biến đổi DC/DC đối tượng để triển khai thuật tốn điều khiển lĩnh vực điện tử cơng suất Do đó, luận văn tổng hợp quy trình phát triển hệ điều khiển logic mờ điều khiển PI cho biến đổi DC/DC với bước thiết kế, phân tích, mơ đồng thời so sánh khả làm việc điều khiển Bố cục luận văn sau: Chương 1: Tổng quan biến đổi DC/DC có biến áp Chương 2: Bộ biến đổi Flyback Chương 3: Tổng quan điều khiển mờ Chương 4: Mô biến đổi Flyback sử dụng MALAB Simulink Plecs Trong trình làm đồ án em nhận hướng dẫn giúp đỡ bảo tận tình thầy giáo TS Nguyễn Thế Công Em xin chân thành cảm ơn thầy tồn thể thầy giáo môn Thiết bị Điện-Điện tử giúp đỡ em trình học tập trường MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .1 MỤC LỤC .3 Chương 1: Tổng quan biến đổi DC/DC có biến áp 1.1.Khái quát biến đổi DC/DC 1.2 Các biến đổi có biến áp 1.2.1.Bộ biến đổi thuận 1.2.2.Bộ biến đổi kiểu đẩy - kéo 1.2.3.Bộ biến đổi hồi tiếp 1.2.4.Bộ biến đổi cầu bán phần 1.2.5Bộ biến đổi cầu toàn phần Chương 2:Bộ biến đổi Flyback 2.1 Nguyên lý hoạt động 2.1.1.Chế độ liên tục 10 2.1.2.Chế độ gián đoạn 12 2.2 Tính tốn thiết kế biến đổi Flyback chế độ liên tục .14 2.2.1 Yêu cầu thiết kế 14 2.2.2 Xem xét thiết kế sơ 14 2.2.3 Thiết kế máy biến áp .15 2.2.4 Lựa chọn van bán dẫn .17 Chương 3:Tổng quan điều khiển mờ 19 3.1 Khái niệm tập mờ: 19 3.1.1 Định nghĩa: 19 3.1.2 Độ cao, miền xác định miền tin cậy tập mờ: 20 3.2 Các phép toán tập mờ: 21 3.2.1 Phép hợp: .21 3.2.2 Phép giao: 23 3.2.3 Phép bù: 24 3.3 Luật hợp thành mờ: .25 3.3.1 Mệnh đề hợp thành: .25 3.3.2 Mô tả mệnh đề hợp thành: .25 3.3.3 Luật hợp thành mờ: 27 3.4 Giải mờ: 30 3.4.1 Phương pháp cực đại: 30 3.4.2 Phương pháp điểm trọng tâm: 32 3.5 Bộ điều khiển mờ: .34 3.5.1 Bộ điều khiển mờ bản: 34 3.5.2 Tổng hợp điều khiển mờ: 35 3.6 Điều khiển mờ áp dụng biến đổi DC/DC .37 Chương 4: Sử dụng Matlab Simulink Plecs mô mạch Flyback 39 4.1 Phần mềm mô điện tử công suất Plecs 39 4.2 Mô .40 4.2.1 Sử dụng điều khiển PI 41 4.2.1.1 Mơ hình mơ biến đổi Flyback sử dụng điều khiển PI chế độ bình thường .41 4.2.1.2 Mơ hình mơ biến đổi Flyback sử dụng điều khiển PI với tải biến thiên 44 4.2.1.3 Mơ hình mơ biến đổi Flyback sử dụng điều khiển PI với điện áp đầu vào biến thiên .47 4.2.2 Sử dụng điều khiển mờ 50 4.2.2.1Mơ hình mơ biến đổi Flyback sử dụng điều khiển Fuzzy: 50 4.2.2.2 Mơ hình mơ biến đổi Flyback sử dụng điều khiển Fuzzy với tải biến thiên .53 4.2.2.3 Mơ hình mơ biến đổi Flyback sử dụng điều khiển Fuzzy với điện áp đầu vào biến thiên 56 4.3 So sánh: 59 4.3.1 Trạng thái hoạt động bình thường: 59 4.3.2 Khi tải biến thiên 59 4.3.3 Khi điện áp đầu vào biến thiên .60 4.4 Nhận xét đánh giá 60 KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Chương 1: Tổng quan biến đổi DC/DC có biến áp 1.1.Khái quát biến đổi DC/DC Bộ biến đổi DC/DC định nghĩa điều khiển dòng điện điện áp chiều nguồn cấp điện áp chiều Có thể chia biến đổi DC/DC thành hai loại: biến đổi DC/DC có biến áp biến đổi DC/DC không biến áp Các biến đổi DC/DC không biến áp : biến đổi giảm áp (Buck converter), biến đổi tăng áp (Boost converter), biến đổi tăng giảm áp (Buck-boost converter) biến đổi hỗn hợp (Cúk converter) có ưu điểm đơn giản kết cấu điều khiển Tuy nhiên chúng có nhược điểm như: có cấp điện áp ra, đầu vào đầu không cách ly điện nên gây hư hỏng ngồi ý muốn tải có điện áp thấp mà nguồn cấp lại có điện áp cao Nhằm khắc phục nhược điểm biến đổi không biến áp người ta sử dụng có biến đổi có biến áp Các biến đổi cho phép: • Có nhiều đầu lúc • Đầu điện áp dương âm • Giá trị điện áp khơng phụ thuộc điện áp vào • Đầu vào cách điện với đầu Bộ biến đổi kiểu biến áp có dạng chính: • Bộ biến đổi thuận ( Forward converter ) • Bộ biến đổi kiểu đẩy kéo ( Push Pull converter ) • Bộ biến đổi hồi tiếp ( Fly back converter ) • Bộ biến đổi cầu bán phần ( Half bridge converter ) • Bộ biến đổi cầu ( Bridge converter ) 1.2 Các biến đổi có biến áp 1.2.1.Bộ biến đổi thuận Bộ biến đổi thuận có sơ đồ hình 1.1 Chuyển mạch S điốte D1 hoạt động đóng / mở cách đồng điốte D2 luân phiên đóng / mở Mạch hoạt động chế độ khơng liên tục, khố S nối tiếp với cuộn sơ cấp đầu vào nên dịng đầu vào khơng liên tục D1 + L + Vi D2 - + 1: N C V0 R - S Hình 1: Sơ đồ mạch biến đổi thuận Bộ biến đổi thuận thực chất biến đổi Buck có thêm tỷ số N biến áp, cịn gọi biến đổi Buck kiểu biến áp, điện áp đầu tính theo cơng thức: VO = D.N.Vi (1.1) Mạch sử dụng rộng rãi công suất đầu từ 150 đến 200W với điện áp DC đầu vào biến đổi phạm vi từ 60 đến 250V 1.2.2.Bộ biến đổi kiểu đẩy - kéo Đây biến đổi Boost làm việc trạng thái đẩy - kéo, điều hạn chế cách hữu hiệu tượng bão hoà lõi thép biến áp Sơ đồ mạch cho hình 1.2 D1 + Vi L + + 1: N S1 C R V0 - S2 D2 Hình 2: Sơ đồ mạch biến đổi đẩy - kéo Trong mạch có khố S làm việc ln phiên, điện áp đầu nhân đôi theo công thức: VO = 2.D.N.Vi (1.2) Với N tỉ số vòng dây biến áp, D hệ số dẫn D = Ton / T 1.2.3.Bộ biến đổi hồi tiếp Bộ biến đổi có sơ đồ mạch cho hình 2.12 Cuộn dây sơ cấp thứ cấp biến áp mắc ngược cực Điốte D chuyển mạch S ln phiên đóng / mở Dịng đầu vào bị ngắt quãng theo đóng mở chuyển mạch S 1: N + + + D C Vi R V0 - S Hình 1.3: Sơ đồ mạch biến đổi hồi tiếp Bộ biến đổi hồi tiếp cho điện áp đầu Vo tính theo cơng thức: VO = D N.Vi 1− D (1.3) Mạch biến đổi hồi tiếp có ưu điểm đặc biệt khơng sử dụng cuộn cảm đầu bên thứ cấp mạch khác, tiết kiệm chi phí cách đáng kể Mạch sử dụng ứng dụng có điện áp đầu lớn (≤ 5000V nhờ điều chỉnh k tỉ số biến áp N) công suất thấp (≤ 15W) Hoặc đạt cơng suất đầu đến 150W đầu vào DC đủ lớn ( ≥ 160V) 1.2.4.Bộ biến đổi cầu bán phần Bộ biến đổi có cuộn dây thứ cấp giảm thiểu, sơ đồ mạch cho hình 1.4: + S1 L + 1: N + C1 + D1 C3 R V0 - Vi - D1 + C2 S2 Hình 1.4: Sơ đồ mạch biến đổi bán phần Điện áp đầu tính theo cơng thức: V0 = D.N.Vi (1.4) 1.2.5Bộ biến đổi cầu toàn phần Bộ biến đổi cầu toàn phần sử dụng nhiều chuyển mạch điện áp đầu tăng gấp đôi Sơ đồ mạch hình 1.5: + S2 S1 D1 L + + 1: N C Vi C1 R V0 - S3 D1 S4 - Hình 5: Sơ đồ mạch biến đổi cầu tồn phần Cơng thức tính điện áp đầu là: VO = 2.D.N.Vi (1.5) Phần đại biến đổi DC/DC có biến áp Tuy nhiên, khn khổ có hạn luận văn, tài liệu trình bày chi tiết biến đổi Flyback chương Chương 2:Bộ biến đổi Flyback 2.1 Nguyên lý hoạt động Bộ biến đổi Flyback thực với sơ đồ có biến áp Nó biến đổi có biến áp đơn giản có phận Bộ biến đổi Flyback có phần tử chính: tranzitor công suất, điốt, máy biến áp tụ lọc Tranzitor công suất dùng để điều khiển lượng mạch Biến áp phần tử tích lúy lượng, thực chức biến đổi điện áp điều chỉnh Điốt tụ lọc cung cấp lượng điện chiều cho tải Hoạt động biến đổi Flyback giải thích cách chia chu kỳ làm việc thành hai phần: thời gian tranzitor dẫn thời gian tranzitor khóa Trong khoảng thời gian tranzitor dẫn tồn điện áp đầu vào đặt vào sơ cấp máy biến áp Kết dòng điện sơ cấp biến áp tăng tuyến tính Dịng điện tiếp tục tăng tranzitor khóa Từ điểm này, điện áp qua tranzitor quét ngược về, cân với tổng điện áp đầu vào cộng với tích số hệ số máy biến áp điện áp đầu (cộng với điện áp rơi điốt) Ví dụ máy biến áp có hệ số máy biến áp với điện áp đầu 5V điện áp quét ngược lớn điện áp vào khoảng 6V (5V+ 1V điện áp rơi điốt) Trong trình quét ngược (thời gian tranzitor khóa) điốt dẫn, truyền lượng dự trữ lên tụ tải Quá trình quét ngược tiếp tục lõi thép xả hết lượng hay đến tranzitor dẫn trở lại Dòng điện cuộn dây thứ cấp thời gian quét ngược tín hiệu cưa tuyến tính giảm dần Mọi người thấy điện áp vào điện áp nhau, số vòng dây cuộn sơ cấp thứ cấp máy biến áp không nhau, khoảng thời gian tranzitor dẫn khoảng thời gian qt ngược khơng Khi đó, tích số điện áp thời gian khoảng thời gian tranzitor dẫn khoảng thời gian quét ngược nhau( diện tích phần gạch chéo hình 2.1) Sơ đồ hoạt động hai chế độ riêng biệt: liên tục gián đoạn Tuy nhiên hai chế độ có mạch giống Căn vào dịng từ hố xác định chế độ hoạt động biến đổi 4.2.2 Sử dụng điều khiển mờ 4.2.2.1Mơ hình mơ biến đổi Flyback sử dụng điều khiển Fuzzy: f=10000Hz Hình 4.13: Mơ hình mơ điều khiển mờ cho biến đổi Flyback Matlab 50 Dạng sóng điện áp, dòng điện tải 2, dòng điện qua MOSFET: Hình 4.14: Dạng sóng điện áp, dịng điện tải 2, dòng điện qua MOSFET với điều khiển mờ chế độ bình thường 51 Hình 4.15: Dạng sóng điện áp tải với điều khiển mờ chế độ bình thường Nhận xét: Thời gian xác lập điều khiển mờ 0,00157s khơng có độ q điều chỉnh Sai số điện áp 0,7% 52 4.2.2.2 Mơ hình mô biến đổi Flyback sử dụng điều khiển Fuzzy với tải biến thiên Sơ đồ mô phỏng: Hình 4.16: Mơ hình mơ điều khiển mờ cho biến đổi Flyback Matlab tải biến thiên 53 Dạng sóng điện áp, dịng điện tải 2, dịng điện qua MOSFET: Hình 4.17: Dạng sóng điện áp, dòng điện tải 2, dòng điện qua MOSFET với điều khiển mờ tải biến thiên 54 Hình 4.18: Dạng sóng điện áp tải với điều khiển mờ tải biến thiên Nhận xét: Tại t=0,005 s R giảm từ Ω xuống 0,8 Ω đến 0,01s điện áp tải trạng thái ổn định dao động từ 4,915 V đến 5,025 V Sai số điện áp 1,7% 55 4.2.2.3 Mơ hình mô biến đổi Flyback sử dụng điều khiển Fuzzy với điện áp đầu vào biến thiên Hình 4.19: Mơ hình mơ điều khiển mờ cho biến đổi Flyback Matlab điện áp đầu vào biến thiên 56 Dạng sóng điện áp, dịng điện tải 2, dòng điện qua MOSFET, điện áp đầu vào Flyback : Hình 4.20: Dạng sóng điện áp, dòng điện tải 2, dòng điện qua MOSFET, điện áp đầu vào với điều khiển mờ điện áp đầu vào biến thiên 57 Hình 4.21: Dạng sóng điện áp tải với điều khiển mờ điện áp đầu vào biến thiên Nhận xét: Tại t=0,004 s U đầu vào Flyback thay đổi từ 120V lên 170V đến 0,02s điện áp tải trạng thái ổn định dao động từ 4,97 V đến 5,03 V Sai số điện áp 0,6% 58 4.3 So sánh: 4.3.1 Trạng thái hoạt động bình thường: Bộ điều khiển mờ Bộ điều khiển PI Hình 4.22: Dạng sóng điện áp tải với điều khiển mờ điều khiển PI chế độ bình thường Bộ điều khiển mờ khơng có độ q điều chỉnh cịn điều khiển PI có độ q điều chỉnh 16,88% Bộ điều khiển mờ có thời gian xác lập 0,00157s ngắn nhiều so với điều khiển PI có thời gian xác lập 0,022 s Bộ điều khiển mờ có sai số điện áp 0,7% lớn so với điều khiển PI có sai số điện áp 0,26% 4.3.2 Khi tải biến thiên Bộ điều khiển mờ Bộ điều khiển PI Hình 4.23:Dạng sóng điện áp tải với điều khiển mờ điều khiển PI tải biến thiên 59 Khi tải biến thiên từ Ω xuống 0,8 Ω sai số điện áp điều khiển mờ 1,7% nhỏ so với điều khiển PI 3,2% Điện áp đỉnh điều khiển mờ (sau tải biến thiên) 5,303 V điện áp đỉnh điều khiển PI 5,306 V 4.3.3 Khi điện áp đầu vào biến thiên Bộ điều khiển mờ Bộ điều khiển PI Hình 4.24: Dạng sóng điện áp tải với điều khiển mờ điều khiển PI điện áp đầu vào biến thiên Khi điện áp đầu vào biến thiên từ 120V lên đến 170 V sai số điện áp điều khiển mờ 0,6% lớn so với điều khiển PI 0,3% Điện áp đỉnh điều khiển mờ (sau điện áp đầu vào biến thiên) 5,312 V điện áp đỉnh điều khiển PI 5,466 V 4.4 Nhận xét đánh giá Ta có nhận xét điều khiển mờ sau: * Ưu điểm: - Đảm bảo tính ổn định hệ thống mà khơng cần khối lượng tính tốn lớn phức tạp khâu thiết kế loại điều khiển cổ điển PID, điều chỉnh sớm trễ pha 60 - Có thể tổng hợp điều khiển với hàm truyền đạt phi tuyến - Giải toán điều khiển phức tạp, toán mà trước chưa giải như: hệ điều khiển thiếu thơng tin, thơng tin khơng xác hay thơng tin mà xác nhận thấy quan hệ chúng với mơ tả ngơn ngữ Như điều khiển mờ chụp phương thức xử lý thơng tin người ta tận dụng tri thức, kinh nghiệm người vào trình điều khiển * Khuyết điểm: - Cho đến nay, lý thuyết nghiên cứu điều khiển mờ cịn chưa hồn thiện Vì việc tổng hợp điều khiển mờ hoạt động cách hồn thiện khơng đơn giản - Chính tính phi tuyến hệ mờ mà ta áp dụng thành tựu lý thuyết hệ tuyến tính cho hệ mờ Và kết luận tổng quát cho hệ mờ khó đạt 61 KẾT LUẬN Luận văn tổng hợp quy trình thiết kế, mơ thực hiên điều khiển mờ cho biến đổi Flyback Với sơ đồ tác giả lựa chọn thiết kế, luận văn chứng minh điều khiển mờ có nhiều ưu điểm vượt trội so với phương pháp điều khiển PI như: • Ở chế độ hoạt động bình thường: điều khiển mờ khơng có độ q điều chỉnh, thời gian xác lập 0,00157 s, sai số điện áp đầu 0,7% Bộ điều khiển PI có độ điều chỉnh 16,88%, thời gian xác lập 0,022 s chậm nhiều so với điều khiển mờ; sai số điện áp đầu 0,26% • Ở chế độ tải biến thiên từ Ω xuống 0,8 Ω : điều khiển mờ có điện áp thay đổi từ 4,915 V đến 5,025 V, sai số điện áp 1,7%.Bộ điều khiển PI có điện áp thay đổi từ 4,84 V đến 5,13 V; sai số điện áp 3,2% Điện áp đỉnh điều khiển mờ (sau tải biến thiên) 5,303 V điện áp đỉnh điều khiển PI 5,306 V • Ở chế độ điện áp đầu vào biến thiên từ 120 V lên 170 V: điều khiển mờ có điện áp thay đổi từ 4,97 V đến 5,03 V, sai số điện áp 0,6 %.Bộ điều khiển PI có điện áp thay đổi từ 4,995 V đến 5,015 V sai số điện áp 0,3%.Điện áp đỉnh điều khiển mờ (sau điện áp đầu vào biến thiên) 5,312 V điện áp đỉnh điều khiển PI 5,466 V Như điều khiển mờ hoạt động tốt điều khiển PI chế độ hoạt động bình thường chế độ tải biến thiên Điều khiển mờ hoạt động tốt cho tải cần thời gian xác lập ngắn, khơng mong muốn có độ q điều chỉnh Chúng ta cải thiện điều khiển mờ cách tăng số lượng luật điều khiển mờ cách tăng số hàm liên thuộc đầu đầu vào Tuy nhiên cần so sánh đánh giá hiệu kỹ thuật, kinh tế (giá thành) phương pháp điều khiển mờ cho biến đổi điện tử công suất ứng dụng cụ thể Từ ưu khuyết điểm điều khiển mờ ta rút kết luận: 62 • Việc sử dụng điều khiển mờ cho hệ thống cần độ an tồn cao, tham số thay đổi cịn bị hạn chế yêu cầu chất lượng mục đích hệ thống xác định đạt qua thực nghiệm • Bộ điều khiển mờ phải phát triển qua thực nghiệm • Do có khả điều chỉnh tính ổn định bền vững lượng thơng tin thu thập khơng xác nên cảm biến chọn loại rẻ tiền khơng cần độ xác cao Hướng phát triển đề tài: • Thiết kế hai điều khiển tương ứng với hai chế độ hoạt động liên tục gián đoạn biến đổi Flyback Nghiên cứu trình chuyển chế độ điều khiển từ chế độ dòng liên tục sang gián đoạn ngược lại tải biến thiên dải rộng • Nghiên cứu, thiết kế biến đổi Flyback với điều khiển mờ có hiệu suất cao, tải có cơng suất vừa lớn • Nghiên cứu, ứng dụng điều khiển mờ biến đổi điện tử cơng suất có ứng dụng khác Ví dụ inverter công nghiệp, UPS 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh (2005), Điện tử công suất, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006), Lý thuyết điều khiển mờ, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Trần Văn Thịnh (2009), Tính tốn thiết kế thiết bị điều khiển, Nhà xuất giáo dục Việt Nam E.Acha, V.G Agelidis (2004), Power Electronic Control in Electrical Systems, Newnes Marian K.Kazimierczuk (2008), Pulse-width Modulated DC-DC Power Converter, John Wiley & Sons, Ltd Marty Brown (1990), Practical Switching Power Supply Design, Academic Press, Inc Randall Shaffer (2007), Fundamentals of Power Electronics with Matlab, Charles River Media 64 ... 30 3.4.1 Phương pháp cực đại: 30 3.4.2 Phương pháp điểm trọng tâm: 32 3.5 Bộ điều khiển mờ: .34 3.5.1 Bộ điều khiển mờ bản: 34 3.5.2 Tổng hợp điều khiển mờ:... µB’(y) giá trị mờ B’ (tập mờ) Có hai phương pháp giải mờ chủ yếu phương pháp cực đại phương pháp điểm trọng tâm, sở tập mờ B’ ký hiệu thống Y 3.4.1 Phương pháp cực đại: Giải mờ theo phương pháp. .. tín hiệu Với khâu động bổ sung này, điều khiển gọi điều khiển mờ động ∫ dt x(t) Hình 3.14 :Bộ điều khiển mờ động Bộ điều khiển mờ y’(t) d dt 3.5.2 Tổng hợp điều khiển mờ: * Định nghĩa biến vào ra: