Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 31 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Nội dung
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho biến đổi Buck – Boost theo chế độ dòng điện trung bình GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: NHĨM SINH VIÊN THỰC HIỆN: LÊ ĐỨC THỌ TRẦN NGỌC CƯỜNG TS VŨ HOÀNG PHƯƠNG MSSV 20174244 20173708 Đ I Ề U K H I Ể N Đ I Ệ N T Ử C Ô N G S U Ấ T - 11 YÊU CẦU THIẾT KẾ Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho biến đổi Buck – Boost theo chế độ dịng điện trung bình + Nội dung thiết kế: Mơ hình hóa, Cấu trúc điều khiển cách thức tính tốn điều chỉnh (bộ bù) Điện áp u = 30V, điện áp u = 15V 35V in + Mô cấu trúc điều khiển ✓ Cấu trúc điều khiển cho biến đổi Buck-Boost Converter uo* _ Voltage Controller iL* _ o Điện cảm L = 100𝝁H Tụ điện C = 697𝝁F Tần số phát xung fx = 100kHz Tải R = 5𝜴, Công suất thiết kế P = 250W Current Controller d PWM BUCKBOOST Converter iL uo 11/10/2020 NỘI DUNG TRÌNH BÀY Mơ hình hóa biến đổi Buck - Boost Converter Thiết kế điều khiển/Tính tốn bù Mô Matlab/Simulink Kết luận 11/10/2020 Mơ hình hóa biến đổi Buck - Boost Converter ❑ Sơ đồ biến đổi Buck-Boost Converter lí tưởng iin D V io iL uin L ic C uc R uo Hình Sơ đồ lí tưởng biến đổi Buck - Boost Converter 11/10/2020 Mô hình hóa biến đổi Buck - Boost Converter ➢ Phương pháp khơng gian trạng thái trung bình iin V io D iL uin L ❑TH1: V = on; D = off diL L dt = U in C duC = − uC dt R 11/10/2020 iin V iL ic C io D uc R (u = 1) uo uin L ic C ❑TH2: V = off; D = on uc R uo (u = 0) diL L dt = − uC C duC = i − uC L dt R Mơ hình hóa biến đổi Buck - Boost Converter ➢ Từ suy mơ hình hàm đóng cắt với hàm đóng cắt u={0;1}: diL L dt = uU in − (1 − u )uC (1) C duC = u −uC + (1 − u )(i − uC ) = (1 − u )i − uC L L dt R R R ➢ Mơ hình trung bình biến đổi Buck - Boost: t0 +Ts • iL Ts = iL (t )dt d iL Ts t0 L dt = dU in − (1 − d ) uC dx d x (t ) Ts • Ts = C d uC = (1 − d ) i − uC dt dt L dt R • Uin u Ts Uin u Ts (2) • Trung bình hàm đóng cắt: u Ts = d ( d : hệ số điều chế ) 11/10/2020 Mơ hình hóa biến đổi Buck - Boost Converter ➢ Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc: d = D + d iL = I L + iL u = U + u C C C Với d; iL ; uC tín hiệu nhỏ ➢ Tại điểm làm việc cân bằng: diL dt = duC = dt 11/10/2020 D U C = U in − D IL = UC R (1 − D) (3) Mơ hình hóa biến đổi Buck - Boost Converter ➢ Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cân biến đổi ta được: diL L dt = ( D + d )U in − (1 − D − d )(U C + uC ) C duC = (1 − D − d )( I + i ) − U C + uC L L dt R diL L dt = DU in + dU in − U C − uC + DU C + DuC + dU C + duC C duC = I + i − DI − Di − I d − di − uC − U C L L L L L dt R R 11/10/2020 diL L dt = d (U in + U C ) − (1 − D)uC C duC = (1 − D)i − I d − uC L L dt R (4) Mơ hình hóa biến đổi Buck - Boost Converter ➢ Laplace hệ phương trình (4) ta được: LsiL ( s ) = d ( s )(U in + U C ) − (1 − D )uC ( s ) uC ( s ) CsuC ( s ) = (1 − D)iL ( s ) − I L d ( s ) − R −1 1− D 1− D Ls Ls U + U U + U U + U U + U C in C C in C (5) in iL ( s ) 1 1 iL ( s ) in d (s) = d (s) = Cs + Cs + −1 uC ( s ) −1 uC ( s ) D − D −1 R R IL IL IL IL Từ (5) sử dụng Toolbox Symbolic Math Matlab ta tìm hàm truyền BBD 11/10/2020 Mơ hình hóa biến đổi Buck - Boost Converter ➢ Tính tốn hàm truyền Toolbox Symbolic Math Matlab: syms L C s Uin Uc D R IL %Nhap ma tran trang thai A a11=L*s/(Uin+Uc); a12=(1-D)/(Uin+Uc); a21=(D-1)/IL; a22=(C*s+1/R)/IL; A=[a11 a12;a21 a22]; k=[1;-1]; tg=inv(A)*k; %Nghich dao ma tran A nhan voi ma tran k %Ham truyen giua dien ap dau va he so dieu che Gvd=simplify(tg(2)) %Ham truyen giua dong dien qua cuon cam va he so dieu che Gid=simplify(tg(1)) %Ham truyen giua dien ap dau va dong dien qua cuon cam Gvi=Gvd/Gid 11/10/2020 10 Thiết kế điều khiển ❑ Bước 1: Thiết kế mạch vòng dòng điện: ▪ Hàm truyền hệ hở mạch vòng dòng điện có tần số cắt fci = 10 kHz ▪ Độ trữ pha PM1 = 60° → Đúng mong muốn thiết kế Hình Đồ thị Bode hệ hở mạch vịng dịng điện có điều chỉnh dòng điện 11/10/2020 17 Thiết kế điều khiển ❑ Bước 2: Thiết kế mạch vòng điện áp: ❑ Do động học mạch vòng dòng điện nhanh mạch vịng điện áp thơng thường từ đến 10 lần, nên ta chọn tần số cắt cho mạch vòng điện áp fcu =1/10.fci ❑ Ta thiết kế mạch vòng điện áp với hàm truyền Gvi(s) tìm phần mơ hình hóa sau: uC ( s ) − RI L Ls + R (U in + U C )(1 − D ) Gvi ( s ) = = iL ( s ) ( RCs + 1)(U in + U C ) + RI L (1 − D ) 11/10/2020 18 Thiết kế điều khiển ❑ Bước 2: Thiết kế mạch vòng điện áp: ▪ Hàm truyền Gvi có tần số cắt fc = 140 Hz ▪ Độ trữ pha PM = 113° → Cần phải bù chậm pha hệ thống lại → Ta chọn bù loại II để triệt tiêu sai lệch tĩnh bù chậm pha cho hệ thống Hình Đồ thị Bode hàm truyền Gvi chưa có điều chỉnh điện áp 11/10/2020 19 Thiết kế điều khiển s 1 + z2 ❑ Cấu trúc bù loại II cho mạch vòng điều chỉnh điện áp Gcu ( s ) = K cu Gc = K cu s để có 𝜽PM2 = 60o, tần số cắt fcu = 1kHz (1/10fci) s 1 + p2 ❑ Bước 2: Thiết kế mạch vòng điện áp: ❑ Sử dụng lệnh [mag2, phase2] = bode(Gvi, 2*pi*1e+3) ta có biên độ pha đối tượng tần số 1kHz Gvi ( j ) = = 0,15 cu ( j ) =cu = arcGvi ( j ) =cu = −91,9 ❑ Do sử dụng bù loại II có thêm thành phần tích phân vào nên góc pha bù xét thành phần PD xác định: PD = − arc − 180 + PM − arcGvi ( j ) = = (−90) + 60 − (−91,9) = 61,9 cu j =cu 11/10/2020 20 Thiết kế điều khiển ❑ Bước 2: Thiết kế mạch vòng điện áp: f Z = f cu ❑ Tần số điểm không điểm cực xác định: f = f cu P2 − sin 61,9 = 0,25 + sin 61,9 kHz + sin 61,9 = 3,996 − sin 61,9 kHz ❑ Sử dụng lệnh [mag3, phase3] = bode(Gc2, 2*pi*1e+3) ta có biên độ pha hàm truyền bù Gc2(s) (có điểm không, điểm cực) tần số 1kHz Gc ( j ) = = 6,36.10 −4 cu ( j ) =cu = arcGc ( j ) =cu = −28,1 11/10/2020 21 Thiết kế điều khiển ❑ Bước 2: Thiết kế mạch vòng điện áp: ❑ Hệ số Kcu xác định: Kcu = Gvi ( j ) = cu = 1,03.10 Gc ( j ) = cu ❑ Ta tìm bù Gcu cho mạch vòng điện áp: 6,552 s + 1,03.10 Gcu ( s ) = K cu Gc = 3,983.10−5 s + s 11/10/2020 22 Thiết kế điều khiển ❑ Bước 2: Thiết kế mạch vòng điện áp: ▪ Hàm truyền hệ hở mạch vòng điện áp có tần số cắt fcu = kHz ▪ Độ trữ pha PM2 = 60° → Đúng mong muốn thiết kế Hình Đồ thị Bode hệ hở mạch vịng điện áp có điều chỉnh 11/10/2020 23 Mô Matlab & Simulink ➢ Sơ đồ mơ phỏng: Hình Sơ đồ mơ Matlab/Simulink 11/10/2020 24 Mô Matlab & Simulink ➢ Sơ đồ mơ phỏng: Hình Sơ đồ mạch lực biến đổi Buck-Boost Converter 11/10/2020 25 Mô Matlab & Simulink ➢ Mô yếu tố mạch khơng thay đổi: Hình Kết thu thay đổi điện áp đặt 11/10/2020 ▪ Điện áp đặt thay đổi 15V→12V→35V, đáp ứng điện áp bám sát giá trị đặt ▪ Độ đập mạch dòng cuộn cảm ≈10,68% ▪ Độ đập mạch dòng tải ≈0,157% ▪ Độ đập mạch điện áp ≈0,171% ▪ Thời gian xác lập ≈ 0,005s điện áp 35V ▪ Dòng độ lớn cuộn cảm ≈ 33,21A 26 Mô Matlab & Simulink ➢ Mô nguồn dao động với biên độ ±10%, tần số 100Hz: Hình 10 Kết nguồn dao động với biên độ ±10%, tần số 100Hz 11/10/2020 ▪ Nguồn dao động với biên độ 3V, tần số 100Hz, đáp ứng điện áp bám sát giá trị đặt ▪ Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm ≈ 21,72% ▪ Độ đập mạch dòng tải ≈ 0,429% ▪ Độ đập mạch điện áp ≈ 0,457% ▪ Thời gian xác lập ≈ 0,005s điện áp 35V ▪ Dòng độ lớn cuộn cảm ≈ 32,94 A 27 Mô Matlab & Simulink ➢ Mô tải thay đổi: Hình 11 Kết nguồn tải thay đổi 11/10/2020 ▪ Thay đổi tải, 0s→0.03s không tải, 0.03s→0.1s tải định mức 0.1s→0.17s tăng tải (200%), 017.s→0.2s giảm tải (50%) ▪ Điện áp bám sát giá trị đặt ▪ Độ đập mạch điện áp ≈ 0,057% tải 50% tải định mức ▪ Độ đập mạch dòng tải ≈ 0,086% tải 50% tải định mức ▪ Thời gian xác lập điện áp ≈ 0,002s thời điểm giảm tải (0,17s) ▪ Dòng độ lớn cuộn cảm ≈ 39,75A thời điểm tăng tải 28 Mô Matlab & Simulink ➢ Mô tải nguồn thay đổi: Hình 12 Kết nguồn dao động đồng thời tải thay đổi 11/10/2020 ▪ Khi yếu tố mạch đồng thời thay đổi, điện áp bám sát giá trị đặt ▪ Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm ≈ 33,459% tải 50% ▪ Độ đập mạch dòng tải ≈ 0.229% tải 50% tải định mức ▪ Độ đập mạch điện áp ≈ 0,229% tải 50% tải định mức ▪ Thời gian xác lập ≈ 0,002s thời điểm giảm tải (0,17s) ▪ Dòng độ lớn cuộn cảm ≈ 39,35A thời điểm tăng tải 29 Kết luận ➢ Kết mô với nguyên lý thiết kế dịng điện trung bình cho biến đổi buck-boost converter ➢Hệ thống ổn định có thay đổi tải nguồn cấp ➢ Sử dụng bù loại II giúp giảm sai lệch tĩnh hệ thống, sử dụng bù PI cho toán 11/10/2020 30 ... đổi Buck - Boost Converter ❑ Sơ đồ biến đổi Buck- Boost Converter lí tưởng iin D V io iL uin L ic C uc R uo Hình Sơ đồ lí tưởng biến đổi Buck - Boost Converter 11/10/2020 Mơ hình hóa biến đổi Buck. ..YÊU CẦU THIẾT KẾ Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho biến đổi Buck – Boost theo chế độ dịng điện trung bình + Nội dung thiết kế: Mơ hình hóa, Cấu trúc điều khiển cách thức... khối điều khiển theo nguyên lý dịng điện trung bình: uo* _ Voltage Controller iL* _ Current Controller d PWM BUCKBOOST Converter iL uo Hình Sơ đồ điều khiển theo nguyên lý dòng điện trung bình Nguyên