Điều khiển trượt bộ biến đổi dc dc tăng áp

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC TĂNG ÁP Học viên: ĐỖ THỊ LOAN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG THÁI NGUYÊN 2009 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: Đỗ Thị Loan Lớp: CHTBM&NMĐ-K10 Chuyên ngành: Thiết bị, mạng Nhà máy điện Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Ngày giao đề tài: 15/02/2009 Ngày hoàn thành: 30/07/2009 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS.TSKH: Nguyễn Phùng Quang Đỗ Thị Loan Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực cơng trình nghiên cứu tơi, chưa cơng bố cơng trình khác Thái Nguyên, ngày tháng năm 2009 Tác giả luận văn Đỗ Thị Loan Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -1- MỤC LỤC 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 1.3.3 Bộ biến đổi tăng áp (boost converter) 12 1.3.3.1 Mô hình biến đổi 14 1.3.3.2 Mơ 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn -2- 3.3 Điều khiển gián tiếp 39 Chương 4: Mô kiểm chứng Matlab& Simulink .42 4.1 Mạch lực biến đổi .43 4.2 Xây dựng điều khiển 45 4.2.1 Bộ điều chỉnh dòng điện .45 4.2.2 Bộ điều chỉnh điện áp 54 4.2.2.1 Thử nghiệm thông số hệ thống 58 4.2.2.2 Thử nghiệm tính điều chỉnh hệ thống 64 Kết luận 69 Tài liệu tham khảo 70 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -3- MỞ ĐẦU 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 cơng trình nghiên cứu Thêm vào đó, biến đổi đối tượng điều khiển tương đối phức tạp mơ 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: Mơ hình biến đổi DC-DC tăng áp Chương thành lập phương trình tốn học mơ 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 -4- Áp dụng nguyên lý điều khiển trượt để xây dựng điều khiển trượt cho biến đổi, khảo sát tính ổn định thơng qua mơ hình tốn 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 mơ Tơi xin trân trọng bày tỏ lịng cảm ơn Thầy PGS.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 tơi q trình làm luận văn Do hạn chế trình độ ngoại ngữ, tham khảo tài liệu… với thời gian chưa nhiều nên luận văn cịn có nhiều khiếm khuyết, sai sót Tơi mong nhận nhiều ý kiến đóng góp lời khun hữu ích từ thầy, 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 2009 Học viên Đỗ Thị Loan Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -5- CHƯƠNG MƠ 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, cịn gọi van bán dẫn, mở dẫn dịng nối tải vào nguồn, khóa khơng cho dịng điện chạy qua Khác với phần tử có tiếp điểm, van bán dẫn thực đóng cắt dịng điện mà không gây nên tia lửa điện, không bị mài mịn theo thời gian.Tuy đóng ngắt dịng điện lớn phần tử bán dẫn cơng 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, khơng đáng kể so với cơng suất điện cần biến đổi Không đạt hiệu suất cao mà biến đổi cịn có khả cung cấp cho phụ tải nguồn lượng với đặc tính theo u cầu, đáp ứng q 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 khơng thể có Các mạch điện tử cơng 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 hịa) ngắt Chế độ tuyến tính cho phép mạch điều chỉnh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -6- 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 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 cơng suất linh kiện tích cực, đặc biệt linh kiện cơng suất, ưa thích mạch cơng 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 khơng tiêu thụ dịng 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 tốn - 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 -7- 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: zerovoltage-switching) và/hoặc dòng điện (ZCS: zero-current-switching) Nhưng cần nâng cao tần số làm việc 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 cơng suất, có lẽ cách thơng dụng dựa vào tính chất dòng điện ngõ vào ngõ Về nguyên tắc, có dịng điện chiều (DC) hay xoay chiều (AC), có tổ hợp khác đơi dịng điện ngõ vào ngõ (theo quy ước thông thường, viết ngõ vào trước, sau đến ngõ ra): DC-DC, DC-AC, AC-DC, ACAC 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) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 4.14: Tổng hợp biến đổi Simulink - 57 - Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 58 - Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 59 - Hình 4.15: Bộ điều chỉnh PID cửa sổ nhập liệu Bộ điều khiển PID (Proportional–Integral–Derivative controller điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân) phải có thông số lựa chọn thỏa mãn yêu cầu động: - Lượng điều chỉnh nhỏ - Thời gian độ nhỏ - Số lần dao động nhỏ Bộ thơng số: hệ số tỷ lệ, hệ số tích phân, hệ số vi phân chọn thông số tối ưu làm cho đặc tính hệ thống thỏa mãn yêu cầu động Với điều chỉnh PID, thông số điều chinh chọn theo phương pháp thực nghiệm thông qua việc thử nghiệm mơ hình mơ điều chỉnh theo đánh giá tính chất đặc tính hệ thống 4.2.2.1 Thử nghiệm thông số hệ thống Để đánh giá chi tiết tác dụng điều chỉnh chất lượng động hệ thống, q trình mơ ta cho hệ thống làm việc với biến động tải: Thời gian (s) Tải R (ohm) - 0.15 0.15 - 0.25 0.25 - 0.4 90%P P 110%P 57 52 47 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 60 - Các kết mơ phỏng: Trên hình 4.16 đáp ứng dịng điện i* mơ với thay đổi tải Trong đoạn 0-0.15s, hệ thống làm việc non tải, dòng điện i* khởi động đạt đến trạng thái xác lập Tại t=0.15s bắt đầu tăng tải cho mạch làm việc với chế độ tải định mức, dòng điện tăng lên xác lập sau khoảng thời gian độ nhỏ Khi t=0.25s, hệ thống làm việc tải dap ung dong i* 1.4 1.2 A 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.05 0.1 0.15 0.2 time(s) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 0.25 0.3 0.35 0.4 http://www.lrc-tnu.edu.vn - 61 - Hình 4.16: Đáp ứng dịng điện i* hệ thống Hình 4.17: Dịng qua cuộn cảm L có điều chỉnh PID Do tác dụng điều khiển dòng điện (bộ điều khiển trượt), dòng điện qua cuộn cảm i bám sát dòng i*, kết dòng i chạt theo i* với tượng chattering đặc trưng điều khiển trượt thể hình 4.17, 4.18 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 62 - Hình 4.18: “Chattering” dịng qua cuộn cảm L có điều chỉnh PID Với khoảng thời gian nhỏ ta quan sát tín hiệu điều khiển u mối liên hệ i, i* u Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 63 - Hình 4.19: Mối liên hệ i*, i tín hiệu điều khiển u có điều chỉnh PID Hình 4.20: Tín hiệu điều khiển u có điều chỉnh PID Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 64 - Hình 4.21: Điện áp có điều chỉnh PID Mục tiêu biến đổi có điện áp mong muốn đạt yêu cầu, Quan sát hình 4.21 ta thấy đặc tính điện áp biến đổi với trình khởi động từ 0V lên điện áp yêu cầu 24V khoảng thời gian xấp xỉ 0.06s, lượng điều chỉnh bé Khi tải biến động, kéo theo thay đổi thơng số hệ thống điện áp Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 65 - giữ ổn định, thời gian độ bé (xấp xỉ 0.05s) độ sụt áp tức thời nhỏ Hệ thống đạt tiêu chất lượng động tĩnh, điện áp thỏa mãn yêu cầu 4.2.2.2 Thử nghiệm tính điều chỉnh hệ thống Ở phần trên, biến đổi thử nghiệm điều khiển điện áp theo điện áp đặt u=24V theo thiết kế ban đầu Tuy nhiên, trình làm việc với tải có u cầu điện áp khác hệ thống cần phải điều chỉnh bám theo giá trị điện áp yêu cầu cách thay đổi điện áp mẫu Sau ta tiến hành thử nghiệm mô với số giá trị điện áp mẫu khác nhằm đánh giá khả điều chỉnh hệ thống dải điều chỉnh cho phép Thay đổi U* đặt giá trị khối step, sau mô nhiều lần mơ hình Simulink với giá trị điện áp mẫu, ta thấy dải điều chỉnh biến đổi tăng áp với thông số mạch lực cho ban đầu có dải điều chỉnh 20-24V cho ta điện áp đạt yêu cầu chất lượng Kết mơ trình bày hình 4.22, 4.23, 4.24, 4.25 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 66 - Hình 4.22: Điện áp biến đổi đặt U*=18V Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 67 - Hình 4.23: Điện áp biến đổi đặt U*=20V Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 68 - Hình 4.24: Điện áp biến đổi đặt U*=22V Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 69 - Hình 4.25: Điện áp biến đổi đặt U*=24V Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 69 - KẾT LUẬN Sau lập mơ hình mơ cho biến đổi, tính tốn điều khiển dùng phần mềm Matlab& Simulink khảo sát kết ta nhận thấy dùng điều khiển trượt nâng cao hiệu suất biến đổi ổn định điện áp cho biến đổi, điều khiển có khả áp dụng vào thực tế Trên sở nghiên cứu thiết kế điều khiển trượt cho biến đổi cụ thể áp dụng cho biến đổi DC-DC tăng áp, luận văn đưa thuật tốn xây dựng điều khiển mơ đạt kết sau đây: - Đưa mơ hình tốn học cho biến đổi DC-DC tăng áp - Thiết kế điều khiển cho biến đổi tăng áp sở áp dụng nguyên lý điều khiển trượt, khảo sát tính ổn định - Đưa cấu trúc điều khiển Như vậy, với kết thu khẳng định sử dụng điều khiển trượt cho biến đổi hoàn toàn nâng cao hiệu suất biến đổi ổn định điện áp Để hoàn thiện lý thuyết mơ hình hóa đầy đủ hệ thống điều khiển biến đổi cần có hướng nghiên cứu tiếp theo, cụ thể mơ hình hóa vịng để từ tìm hàm truyền đạt, đối tượng cho điều khiển PID Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 70 - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hebertt Sira-Ramírez, Ramón Silva-Ortigora: Control Design Techniques in power Electronics Devices, spinger 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 xung, 2006 [3] Nguyễn Phùng Quang: MATLAB – Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động NXB KH&KT Hà Nội, 2006 [4] Lê văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh: Điện tử cơng suất NXB KH&KT Hà Nội, 2004 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... 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. .. cho biến đổi khơng khác so với trường hợp 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 đầu so với điện áp nguồn Vấn đề điều khiển. .. biến đổi) 1.3 Các biến đổi DC- DC 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