Thiết kế điều khiển bộ biến đổi dc dc giảm áp sử dụng phương pháp cận tuyến tính nhờ phản hồi trạng thái

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP CẬN TUYẾN TÍNH NHỜ PHẢN HỒI TRẠNG THÁI Học viên: PHẠM THỊ THUỲ LINH Ngƣời hƣớng 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 TRƢỜNG ĐẠI HỌC Độc lập - Tự - Hạnh phúc KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Thị Thuỳ Linh Ngày tháng năm sinh: Ngày 15 tháng 07 năm 1984 Nơi sinh: Thành phố Thái Nguyên - Tỉnh Thái Nguyên Nơi công tác: Trƣờng Cao đẳng nghề Cơ điện & Xây dựng Bắc Ninh Cơ sở đào tạo: Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Chuyên ngành: Hệ thống điện Khoá học: K11 - TBM&NMĐ TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ DIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HỐ XẤP XỈ NHỜ PHẢN HỒI TRẠNG THÁI Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN GS TSKH Nguyễn Phùng Quang Phạm Thị Thuỳ Linh DUYỆT BAN GIÁM HIỆU Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên KHOA SAU ĐẠI HỌC http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công 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 06 tháng năm 2010 Tác giả luận văn Phạm Thị Thuỳ Linh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng 1: MƠ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP 1.1 Các biến đổi 1.1.1 Phân loại sơ đồ biến đổi 1.1.1.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly 1.1.1.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly 1.1.2 Các sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly 10 1.1.2.1 Sơ đồ biến đổi Buck 10 1.1.2.2 Sơ đồ biến đổi Boost 11 1.1.2.3 Sơ đồ biến đổi Buck-Boost 12 1.2 Mơ hình biến đổi giảm áp (the Buck converter) 13 1.2.1 Mơ hình biến đổi 14 1.2.2 Mơ hình dạng chuẩn 16 1.2.3 Điểm cân hàm truyền tĩnh 16 1.2.4 Mơ hình mẫu biến đổi DC-DC giảm áp 19 Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP CẬN TUYẾN TÍNH PHẢN HỒI TRẠNG THÁI 20 2.1 Tuyến tính hố lân cận điểm làm việc 21 2.1.1 Tuyến tính hố mơ hình trạng thái 21 2.1.2 Phân tích hệ thống 23 Phân tích tính ổn định nhờ mơ hình tuyến tính tƣơng đƣơng Phân tích tính ổn định nhờ đa tạp trung tâm Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.2 Thiết kế điều khiển 36 2.3 Thiết kế điều khiển tĩnh, phản hồi trạng thái gán điểm cực 38 Chƣơng 3: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP 42 3.1 Đặt vấn đề 42 3.2 Phƣơng pháp điều khiển 44 3.2.1 Điều khiển trực tiếp 44 3.2.2 Điều khiển gián tiếp 44 3.3 Tạo xung điều khiển modul S-D 45 3.3.1 Modul S-D 45 3.3.2 Phản hồi modul S-D 46 3.3.3 M ạch c modul S-D 47 Ch ƣơng 4: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG TRÊN NỀN MATLAB & SIMULINK 48 4.1 Bộ biến đổi 49 4.2 Xây dựng điều khiển 50 4.2.1 Bộ điều khiển cận tuyến tính phản hồi trạng thái 50 4.2.2 Bộ tạo xung điều khiển 51 4.2.3 Bộ điều chỉnh dòng điện 55 4.2.4 Bộ điều chỉnh điện áp 63 4.3 Thử nghiệm thong số hệ thống 65 4.4 Thử nghiệm thính điều chỉnh đƣợc hệ thống 70 KẾT LUẬN 73 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Hiện vấn đề lƣợng môi trƣờng vấn đề quan trọng đời sống sản xuất phát triển kinh tế xã hội toàn cầu Với phát triển khoa học công nghệ, ngƣời sử dụng đƣợc nguồn lƣợng từ tự nhiên nhƣ lƣợng gió, mặt trời, thuỷ chiều… Ở Việt Nam bắt đầu sử dụng nguồn lƣợng việc giải toán lƣợng quốc gia Những nguồn lƣợng cung cấp lƣợng lƣợng lớn đáp ứng nhu cầu ngƣời Nhƣng sử dụng phần nhỏ, chƣa khai thác triệt để tiềm sẵn có Nguồn điện tạo nguồn nên có khả lƣu trữ điện thƣờng có biên độ cố dịnh, khơng đƣợc điều khiển Vì gặp nhiều khó khăn việc cung cấp nguồn điện cho ứng dụng nhiều lĩnh vực nhƣ sản xuất công nghiệp, truyền thông Mặt khác, nay, nhu cầu lƣợng điện ngƣời ngày tăng, việc đầu tƣ cho hệ thống lƣới điện lại địi hỏi nhiều kinh phí dẫn tới tình trạng tải, thiếu hụt điện chất lƣợng điện suy giảm Điều ảnh hƣởng trực tiếp tới thiết bị dùng điện, đặc biệt ảnh hƣởng lớn tới tuổi thọ thiết bị điện tử nhạy cảm nhƣ hệ thống thông tin, điều khiển cơng nghiệp Ngồi ra, xảy tình trạng điện làm cho thiết bị ngừng hoạt động, gây tổn thất không nhỏ mặt kinh tế cho doanh nghiệp nhà nƣớc mà ảnh hƣởng đến tính mạng ngƣời sử dụng máy móc điều trị y hc Trong kỹ thuật đại ngày nay, việc chế tạo chuyển đổi nguồn có chất l-ợng ®iƯn ¸p cao, kÝch th-íc nhá gän cho c¸c thiÕt bị sử dụng điện cần thiết Vỡ lý mà biến đổi nguồn DC-DC đƣợc sử dụng ngày rộng rãi Bộ biến đổi nguồn DC-DC thiết bị công suất, biến điện áp chiều thành điện áp chiều với mức điện áp mong muốn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn nhằm cung cấp điện cho thiết bị sử dụng nguồn chiều Bộ biến đổi nguồn DC-DC phần quan trọng lƣu điện UPS Bé biến đổi DC - DC giảm áp hay đ-ợc sử dụng mạch chiều trung gian thiết bị biến đổi điện nâng công suất vừa v nh, đặc biệt hệ thống phát điện sử dụng l-ợng tái tạo (sức gió, mặt trời) Cấu trúc mạch vốn không phức tạp nh-ng vấn đề điều khiển nhằm đạt đ-ợc hiệu suất biến đổi cao bảo đảm ổn định mục tiêu công trinh nghiên cứu Bản chất mạch giảm áp có phần tử phi tuyến lựa chọn ph-ơng pháp tuyến tính hóa nhờ phản hồi trạng thái phù hợp cho việc điều khiển biến đổi Trong phạm vi luận văn này, với đề tài „Thiết kế điều khiển biến đổi Dc-DC giảm áp sử dụng phương pháp cận tuyến tính nhờ phản hồi trạng thái ‟ Nội dung đề tài đƣợc trình bày chƣơng sau đây: Chƣơng 1: Mơ hình biến đổi DC-DC giảm áp Chƣơng 2: Phƣơng pháp cận tuyến tính phản hồi trạng thái Chƣơng 3: Cấu trúc điều khiển biến đổi DC-DC giảm áp Chƣơng 4: Mô kiểm chứng MATLAB & Simulink Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hƣớng dẫn GS.TSKH.Nguyễn Phùng Quang dã tận tình bảo, giúp đỡ tạo điều kiện để em hồn thành tốt luận văn thạc sỹ kỹ thuật Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƢƠNG MƠ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP 1.1 Các biến đổi DC-DC Trong kỹ thuật điện có nhiều trƣờng hợp phải thực q trình biến đổi điện áp chiều không đổi thành chiều khác có giá trị điều chỉnh phạm vi rộng Để thực trình biến đổi ngƣời ta dã sử dụng nhiều phƣơng pháp khác Phƣơng pháp biến đổi cho hiệu suất cao, dung đƣợc giải công suất từ nhỏ đến lớn thực điều chỉnh điện áp cách thuận tiện sử dụng biến đổi điện áp chiều thành điện áp chiều, thƣờng gọi tắt biến đổi DC-DC đƣợc gọi xung điện áp băm điện áp Bộ biến đổi DC-DC thiết bị biến đổi điện ứng dụng linh kiện bán dẫn có điều khiển Hiện có nhiều phƣơng pháp để thực biến đổi DC-DC, để có nhìn tổng quan nhất, tơi trình bày sơ lƣợc phân loại biến đổi DC-DC với đƣa số nguyên lý biến đổi DCDC phổ biến 1.1.1Phân loại sơ đồ biến đổi DC-DC Về nguyên lý, sơ đồ biến đổi DC-DC đƣợc chia thành nhóm: 1.1.1.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC khơng có cách ly Với nhóm sơ đồ này, điện áp chiều đƣợc tạo nhờ việc phóng nạp tụ điện từ dòng điện qua cuộn cảm L đƣợc cung cấp nguồn cấp Điện áp chiều đầu thay đổi nhờ có việc phóng nạp đƣợc thay đổi van công suất đƣợc mắc hợp lý tuỳ thuộc vào sơ đồ Các sơ đồ phổ biến theo nguyên lý gồm có: - Sơ đồ biến đổi Buck - Sơ đồ biến đổi Boost Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - Sơ đồ biến đổi Buck-Boost Sơ đồ biến đổi DC-DC khơng cách ly có ƣu điểm mạch đơn giản, giá thành thấp, thƣờng đƣợc ứng dụng DC-DC công suất nhỏ, không cần chất lƣợng cao Hình 1.1: Các biến đổi DC-DC khơng có cách ly 1.1.1.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly Với nhóm sƣ đồ này, điện áp chiều đầu vào đƣợc biến đổi thành điện áp xoay chiều cao tần biên độ điện áp xoay chiều đƣợc nâng lên qua biến áp xung, sau qua hệ thống lọc LC cho ta điện áp chiều với biên độ mong muốn Các sơ đồ phổ biến theo nguyên lý gồm có: - Sơ đồ biến đổi FlyBlack - Sơ đồ biến đổi Push-Pull - Sơ đồ biến đổi Half-Bridge - Sơ đồ biến đổi Full-Bridge Do nguồn và nguồn đầu có cách ly nhờ sử dụng biến áp xung nên có ƣu điểm hạn chế đƣợc nhiễu tải tác động ngƣợc lại nguồn đầu vào thiết bị mạch, tăng/giảm mức điện áp đầu cách dễ dàng, cơng suất lớn Tuy nhiên có số nhƣợc điểm làm tăng kích thƣớc mạch, tăng giá thành, vấn đề trở lên khó khăn Sơ đồ biến đổi DCDC có cách ly đƣợc sử dụng cho ứng dụng công suất lớn, chất lƣợng cao, yêu cầu phải có cách ly Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1.1.2 Các sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly 1.1.2.1 Sơ đồ biến đổi Buck Bộ biến đổi Buck loại mạch biến đổi điện áp chiều thành điện áp chiều thấp hơn, thƣờng ứng dụng ổn định điện áp thay cho mạch analog truyền thống sử dụng biến áp lõi tôn sillic a) Sơ đồ nguyên lý: Q i L + E D - + - C R Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý biến đổi Buck b) Nguyên lý hoạt động Van Q đƣợc điều khiển xung có độ rộng thay đổi đƣợc(PWM) Độ rộng xung điều khiển (duty cycke) tỷ số thời gian t1 van Q mở chu kỳ T Cuộn cảm L tụ C đầu đóng vai trị nhƣ lọc thơng thấp Trong thời giam van Q mở điện áp đặt lên diode D điện áp Vd, cuộn L tích điện Dịng điện qua cuộn cảm tăng tuyến tính theo luật Faraday Khi Q đóng điện áp đặt lên diode D gần nhƣ (thực tế khoảng 0.7V) Lúc điện áp đặt lên cuộn cảm đảo ngƣợc lại –V0 dịng điện iL qua cuộn cảm giảm xuống Điện áp đƣợc tính theo cơng thức sau: V0 =D.Vd Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 4.14: Mối quan hệ dịng phản hồi tuyến tính tín hiệu điều khiển u Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Ngun 58 http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 4.15: Tín hiệu điều khiển u cho biến đổi Hình 4.16: Điện áp C Điện áp tụ C đƣợc biểu thị đƣờng đặc tính hình 4.15 với trình qúa độ nhỏ t