(Đề tài NCKH) xây dựng bộ chuyển đổi DC DC 1 6KW (320v 5a)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG XÂY DỰNG BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC 1.6KW (320V/5A) MÃ SỐ: T2018 SKC006523 Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2017 MỤC LỤC DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC BẢNG viii THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1 Thông tin chung .1 Mục tiêu Tính sáng tạo Kết nghiên cứu Sản phẩm Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information Objective(s) 3 Creativeness and innovativeness Research results Products Effects, transfer alternatives of research results and applicability PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học, thực tiễn đề tài Những đóng góp đề tài .6 Cấu trúc đề tài i CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài nước 1.1 Bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC nước 1.2 Nghiên cứu chuyển đổi tăng áp DC-DC Việt Nam CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO BỘ CHUYỂN ĐỔI TĂNG ÁP DC-DC .10 2.1 Tổng quan mạch tăng áp 10 2.1.1 Giới thiệu tổng quát 10 2.1.3 Nguyên lý hoạt động 11 2.1.4 Các ứng dụng 12 2.2 Giới thiệu cấu hình mạch tăng áp đại 12 2.2.1 Giới thiệu tổng quát 12 2.2.2 Ưu điểm 13 2.3 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM cho chuyển đổi DC-DC 14 2.3.1 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM truyền thống cho bộ chuyển đổi DC-DC 14 2.3.2 Kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM đề xuất 14 2.4 Bộ điều khiển PID 14 2.4.1 Giới thiệu tổng quát 14 2.4.2 Khâu tỉ lệ 15 2.4.3 Khâu tích phân 15 2.4.4 Khâu vi phân 16 CHƯƠNG 3: NỘI DUNG CHO BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC 17 3.1 Mơ hình tốn học, phương trình tốn chuyển đổi DC-DC 17 3.1.1 Mơ hình hóa chuyển đổi tăng áp DC-DC 17 3.1.2 Nguyên lý hoạt động 18 ii 3.2 Phương trình tốn học chuyển đổi DC-DC 19 3.3 Phương pháp điều khiển PWM cho tăng áp DC-DC 21 3.4 Phương pháp điều khiển PWM cho chuyển đổi DC-DC 21 3.4.1 Tính tốn thiết kế mạch 21 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ .23 4.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 23 4.1.1 Giới thiệu 23 4.1.2 Thi công hệ thống 23 4.1.2.1 Mơ hình tổng thể 23 4.1.2.2 Mơ tả chi tiết mơ hình thực nghiệm 23 4.2 Sơ đồ chi tiết khối 24 4.2.1 Nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển 24 4.2.1.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển 24 4.2.1.2 Sơ đồ mạch in mạch nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển 24 4.2.1.3 Sơ đồ thực tế mạch nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển 25 4.2.2 Nguồn DC cung cấp cho mạch công suất 25 4.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn DC cung cấp cho mạch công suất 25 4.2.2.2 Sơ đồ mạch in mạch nguồn DC cung cấp cho mạch công suất 25 4.2.2.3 Sơ đồ mạch nguồn DC thực tế cung cấp cho mạch công suất 26 4.2.3 Thi cơng mạch kích 26 4.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch kích 26 4.2.3.2 Mạch khuếch đại cách ly 27 4.2.3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch kích cách ly 27 4.2.3.4 Sơ đồ mạch in mạch kích cách ly 28 4.2.3.5 Sơ đồ mạch kích cách ly 28 iii 4.2.4 Mạch công suất ………………………………………………………… 29 4.2.4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 4.2.4.2 Sơ đồ mạch in mạch công suất 4.2.4.3 Sơ đồ mạch công suất thực tế 4.2.5Mạch điều 4.2.5.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 4.2.5.2 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển 4.2.5.3 Sơ đồ mạch điều khiển thực tế 4.2.7 Mơ hình hồn thiện 4.3.Lập trình hệ thống 4.3.1Lưu đồ giả 4.3.2Lưu đồ giả 4.4 Kết mô thực nghiệm 4.4.1Kết m 4.4.2Kết th 4.5.Kết luận CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 5.1.Những đóng góp đề tài 5.2.Hạn chế đề tài 5.3.Hướng phát triển đề tài LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Chương trình iv DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT Vg: Nguồn áp vào VC1, VC2: Điện áp tụ S: Các khóa đóng ngắt V0: Điện áp tải C: Tụ điện R: Điện trở tải L: Cuộn cảm fc: Tần số sóng mang PWM: Pulse width modulation Buck converter: Chuyển đổi giảm áp Boost converter: Chuyển đổi tăng áp PID: Proportional Integral Derivative v DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Sơ đồ mạch tăng áp truyền thống 11 Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động mạch tăng áp 11 Hình 2.3 Sơ đồ mạch tăng áp DC-DC đề xuất thực 13 Hình 2.4 Sơ đồ phát xung cho khóa chuyển mạch tăng áp truyền thống .14 Hình 2.5 Sơ đồ phát xung cho khóa chuyển mạch tăng áp đề xuất 14 Hình 3.1 Sơ đồ mạch tăng áp đề xuất 17 Hình 3.2 Mạch tăng áp hoạt động trạng thái 18 Hình 3.3 Mạch tăng áp hoạt động trạng thái 18 Hình 3.4 Phương pháp PWM điều khiển cho chuyển đổi DC-DC .19 Hình 4.1 Sơ đồ tổng thể mơ hình thực nghiệm 23 Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển 24 Hình 4.3: Sơ đồ mạch in mạch nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển 24 Hình 4.4: Sơ đồ thực tế nguồn DC cung cấp cho mạch điều khiển 25 Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý nguồn DC cung cấp cho mạch cơng suất 25 Hình 4.6: Sơ đồ mạch in nguồn DC cung cấp cho mạch cơng suất 25 Hình 4.7: Sơ đồ mạch nguồn DC thực tế cung cấp cho mạch cơng suất 26 Hình 4.8: Sơ đồ thực tế IC tăng áp cách ly G1215S-1W 26 Hình 4.9: Sơ đồ chân IC tăng áp cách ly G1215S-1W 26 Hình 4.10: IC TLP 250 chức chân 27 Hình 4.11: Sơ đồ ngun lý mạch kích 27 Hình 4.12: Sơ đồ mạch in mạch kích (lớp trên) 28 Hình 4.13: Mạch PCB mạch kích ( mạch in lớp dưới) 28 Hình 4.14: Sơ đồ mạch kích cách ly thực tế 28 Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 29 Hình 4.16: Sơ đồ mạch in mạch công suất 29 Hình 4.17: Sơ đồ mạch cơng suất thực tế 30 Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 31 Hình 4.19: Sơ đồ mạch in mạch điều khiển 31 vi Hình 4.20: Sơ đồ mạch điều khiển thực tế 31 Hình 4.21: Mơ hình hồn thiện 32 Hình 4.22 lưu đồ giải thuật cho hệ thống chuyển đổi DC-DC 34 Hình 4.23 lưu đồ giải thuật chương trình cho chuyển đổi DC-DC 35 Hình 4.24: Kết mơ dịng điện cuộn dây IL1, IL2, dịng điện ngõ I0 điện áp ngõ V0, điện áp ngõ vào Vg 36 Hình 4.25: Kết mơ điện áp tụ điện VC1, VC2, tỷ số ngắn mạch Vcon điện áp điều khiển VS1 VS2 37 Hình 4.26: Kết thực nghiệm tỷ số ngắn mạch D 37 Hình 4.27: Kết thực nghiệm dịng điện cuộn dây IL1, IL2 38 Hình 4.28: Kết thực nghiệm điện áp ngõ V0, điện áp ngõ vào Vg 38 Hình 4.29: Kết thực nghiệm điện áp tụ điện VC1, VC2, dòng điện ngõ I0 38 vii DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Trạng thái đóng ngắt chuyển đổi DC-DC 17 Bảng 4.1 Danh sách linh kiện mạch nguồn DC 24 Bảng 4.2: Chức thông số kỹ thuật IC tăng áp cách ly G1215S-1W 26 Bảng 4.3: Thơng số IC TLP250 27 Bảng 4.4 Danh sách linh kiện board mạch động lực 30 Bảng 4.5 Danh sách linh kiện board điều khiển 31 Bảng 4.6 Những thông số sử dụng mô thực nghiệm .36 viii TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự - Hạnh phúc ĐƠN VỊ: KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Tp HCM, Ngày 03 tháng năm 2017 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung - Tên đề tài: “Xây dựng chuyển đổi DC-DC 1.6KW (320V/5A)” - Mã số: T2018-42TĐ - Chủ nhiệm: Trương Thị Bích Ngà - Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM - Thời gian thực hiện: 12 tháng Mục tiêu  Cơ sở lý thuyết biến đổi DC-DC 1.6KW;  Mô biến đổi DC-DC 1.6KW phần mềm PSIM;  Nhúng phần mềm mô vào Card Arduino cấu hình biến đổi DC-DC 1.6KW Tính sáng tạo  Về lý thuyết: - Xây dựng phương trình tốn, mơ hình tốn, giải thuật điều khiển cho biến đổi DC-DC 1.6KW - Luật điều khiển đại  Về thực tiễn: - Điều khiển cuộn kích từ cho máy phát - Ứng dụng Arduino điều khiển cho biến đổi DC-DC 1.6KW Kết nghiên cứu − Xây dựng mơ hình tốn, phương trình tốn, luật điều khiển cho biến đổi DC-DC 1.6KW − Xây dựng file mô hệ thống cho biến đổi DC-DC 1.6KW 1 S Điều kiện sai số Biến đếm cho phép Đ Tăng biến đếm lên đơn vị S Điều kiện bật ngõ Đ Bật ngõ tắt tải giả chế độ 2 S Chế độ Đ S Chế độ lớn Đ PID Hiển thị lcd Kết thúc Hình 4.22 lưu đồ giải thuật cho hệ thống chuyển đổi DC-DC 34 4.3.2 Lưu đồ giải thuật chương trình Bắt đầu Khởi tạo Tính ngõ PID khai báo biến P+I+D S Điều kiện tg S >= 1ms 43 Đ S Ngõ lớn Đ Ngõ 43 Điện áp khoảng cho phép Đ S Bật led ổn định Ngõ nhỏ Tắt led ổn định Tính giá trị PID Đ S Ngõ I lớn 43 Đ Cập nhật sai số Cập nhật thời gian I gán 43 S I nhỏ Xuất xung PWM Đ I gán Kết thúc Hình 4.23 lưu đồ giải thuật chương trình cho chuyển đổi DC-DC 35 4.4 Kết mô thực nghiệm Bảng 4.6 Những thông số sử dụng mô thực nghiệm Thông số kỹ thuật Điện áp ngõ vào Điện áp ngõ mong muốn Tần số sóng mang Cuộn dây Tụ điện Điện trở tải Để xác minh nguyên lý hoạt động chuyển đổi điện áp DC-DC, chuyển đổi với hai tầng DC-DC mô thực nghiệm để xem xét điện áp stress thiết bị Kết mô cho chuyển đổi DC-DC đề xuất trình bày Những giá trị chuyển đổi DC-DC đề xuất sau: điện áp ngõ vào V dc=290V, điện áp ngõ V0=350V công suất ngõ 1600W Tần số sóng mang cho hai tầng chuyển đổi fs=20kHz Bảng 4.6 cho biết thơng số kỹ thuật chuyển đổi điện áp DC-DC 4.4.1 Kết mô Hình 4.24: Kết mơ dịng điện cuộn dây IL1, IL2, dòng điện ngõ I0 điện áp ngõ V0, điện áp ngõ vào Vg 36 Từ hình 4.24 thấy dịng điện đạt cuộn dây L L2 8.0A, 5.5A, dòng điện ngõ đạt 4.2A điện áp ngõ 350V điện áp ngõ vào 290V Hình 4.25: Kết mơ điện áp tụ điện VC1, VC2, tỷ số ngắn mạch Vcon điện áp điều khiển VS1 VS2 Từ hình 4.25 thấy điện áp đạt tụ C C2 50V, 10V, tỷ số ngắn mạch đạt 0.15 điện áp đặt khóa S 1, S2 341V 60V 4.4.2 Kết thực nghiệm Hình 4.26: Kết thực nghiệm tỷ số ngắn mạch D Từ hình 4.26 cho thấy tỷ số ngắn mạch D đạt 0.15 Tín hiệu điều khiển đưa đế điều khiển khóa S1 S2 37 Hình 4.27: Kết thực nghiệm dịng điện cuộn dây IL1, IL2 Từ hình 4.27 thấy dòng điện đạt cuộn dây L1 L2 8A, 5.3A Kết cho thấy dịng điện cuộn dây I L1 mơ thực nghiệm gần Tuy nhiên, dòng điện cuộn dây IL2 mô cao kết thực nghiệm dịng điện rơi linh kiện Hình 4.28: Kết thực nghiệm điện áp ngõ V0, điện áp ngõ vào Vg Từ hình 4.28 cho thấy điện áp ngõ 350V ngõ vào 305V hệ thống sử dụng ổn định PID Hình 4.29: Kết thực nghiệm điện áp tụ điện VC1, VC2, dòng điện ngõ I0 Từ hình 4.29 thấy điện áp đạt tụ C C2 50V, 10Vvà dòng điện ngõ 5A 38 4.5 Kết luận Bộ chuyển đổi DC-DC thực có ưu điểm sau:  Điện áp stress linh kiện giảm so với cấu hình thơng thường  Kết mơ thực nghiệm có kết gần hoạt động ổn định 39 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 5.1 Những đóng góp đề tài  Về lý thuyết: Xây dựng mơ hình, phương trình tốn cho chuyển đổi điện áp DC-DC Xây dựng file mô cho chuyển đổi điện áp DC-DC theo sở lý thuyết Xây dựng chương trình nhúng mơ hình thực để so sánh, đánh giá kết  Về thực tiễn: Điện áp stress linh kiện giảm so với cấu hình thơng thường Chuyển giao cơng nghệ cho doanh nghiệp Xây dựng mơ hình vật lý nghịch lưu đa bậc công cụ để thực nghiệm phát triển nghiên cứu Mơ hình nghịch lưu thiết kế, chế tạo có tính ổn định, tin cậy cho phép tái cấu trúc, tạo linh hoạt áp dụng 5.2 Hạn chế đề tài Mơ hình thực với độ lợi nhỏ 5.3 Hướng phát triển đề tài Nghiên cứu triển khai cấu hình đề xuất vào thực tế nhằm cải tiến hiệu sử dụng lượng chuyển đổi điện áp DC-DC sản xuất từ tăng cường tiết kiệm lượng, giảm chi phí sản xuất 40 LIỆU THAM KHẢO [1] Lu, D.D.C., Agelidis, V.G.: ‘Photovoltaic-battery-powered DC bus system for common portable electronic devices’, IEEE Trans Power Electron., vol 24, no 3, pp 849–855I, June 2009 [2] Y P Hsieh, J F Chen, T J Liang, and L S Yang, “A novel high step-up dc-dc converter for a microgrid system” IEEE Transactions on Power Electronics, vol 26, no 4, pp 1127-1136, Apr 2011 [3] S M Chen, T J Liang, L S Yang, and J F Chen “A cascaded high step-up dc-dc converter with single-switch for micro-source applications,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol 26, no 4, pp 1146-1153, Apr 2011 [4] O Zhao, and L Fred, “High-efficiency, high step-up DC-DC converter” IEEE Transaction on Power Electronics, vol 18, no 1, 2003, pp 65 – 73 [5] Y.R Novaes, A Rufer, and I Barbi, “A new quadratic, three-level, DC-DC converter suitable for fuel cell application” IEEE Power Conversion Conference – Nagoya, 2007, pp 601 -607 [6] W Rong-Jong, L Chung-You, D Rou-Yong, and C Yung-Ruei, “Highefficiency DCDC converter with high voltage gain and reduced switch stress” IEEE Transaction on Industrial Electronics, vol 54, 2007, p 354 – 364 [7] K.C Tseng and T.J Liang, “Novel high-efficiency step-up converter” IEEE Proceedings Electric Power Applications, United Kingdom, vol 151, 2004, pp 182 – 190 41 PHỤ LỤC Chương trình #include //Khai báo thư viện LiquidCrystal lcd (2, 3, 4, 5, 6, 7); // khai báo chân cho LCD unsigned long dem_n, dem_k; //Khai báo biến unsigned long lastTime; float percent, duty1, yyy; int led_ondinh = 8; //Khai báo chân sử dụng int led_suco = 9; int kich_chinh_luu = 11; int kich_ngo_ra = 12; int kich_tai_gia = 13; int chedo; double err, err1, pre_error; double out1; double i, p, d; double kp = 1; //Đặt giá trị P – I – D double ki = 40; double kd = 0.00004; int SampleTime = 1; //1 ms float Setpoint, voltage, giatri_ap, value, Input_dong, giatri_dong; void dk_pid () // Chương trình điều khiển PWM { unsigned long now = millis (); double timeChange = (double) (now - lastTime); if (timeChange >= SampleTime) { if ((giatri_ap < 345) || (giatri_ap > 355)) // Ngoài giá trị ổn định 42 { digitalWrite (led_ondinh, LOW);//Tắt led thông báo ổn định p = (kp * err); i = i + (err * ki) * timeChange * 0.001; //*0.001 if (i > 43) i = 43; if (i < 0) i = 0; d = (pre_error - err) * kd/timeChange/0.001; ///0.001 out1 = p+i+d; if (out1 > 43) out1 = 43; if (out1 < 0) out1 = 0; pre_error = err; lastTime = now; } else { digitalWrite (led_ondinh, HIGH);// Bật thông báo led ổn định } } yyy = out1; OCR1B = int(yyy); } void setup () { pinMode (10, OUTPUT); digitalWrite (10, LOW); Setpoint = 350; // Giá trị điện áp đặt TCCR1A = _BV(COM1A1) | _BV(COM1B1); //Định thời timer TCCR1B = _BV(WGM13) | _BV(CS10); ICR1 = 400; lcd.begin (20, 4); // Các câu lệnh để setup, hiển thị LCD lcd.setCursor (0,0); 43 lcd.print ("bo nguon DC 320V/5A"); pinMode (kich_chinh_luu, OUTPUT); pinMode (kich_ngo_ra, OUTPUT); pinMode (kich_tai_gia, OUTPUT); pinMode (led_ondinh, OUTPUT); pinMode (led_suco, OUTPUT); digitalWrite (kich_tai_gia, LOW); digitalWrite (kich_chinh_luu, LOW); digitalWrite (kich_ngo_ra, LOW); digitalWrite (led_ondinh, LOW); digitalWrite (led_suco, LOW); chedo = 0; } void loop () // Chương trình { err1 = err*err; err = Setpoint - giatri_ap; value = analogRead(A0); // Đọc giá trị điện áp voltage = (value * 5)/1023; //Tính tốn giá trị hồi tiếp giatri_ap = voltage * 71.3; Input_dong = analogRead(A1) - 497; // Đọc giá trị dòng điện từ cảm biến giatri_dong = ((Input_dong) * 5)/1023*10.27; if (giatri_ap > 250) // Giá trị để bật khóa cho mạch chỉnh lưu { digitalWrite (kich_chinh_luu, HIGH); if (chedo == 0) chedo = 1; } else { digitalWrite(kich_chinh_luu, LOW); 44 chedo = 0; OCR1B=0;// tat xung } if (chedo == 1) { digitalWrite (kich_tai_gia, HIGH) // Bật tải giả mạch động lực if (err1 < 5) { dem_k = dem_k + 1; } else { dem_k = 0; } if (dem_k == 200) { digitalWrite (kich_ngo_ra, HIGH); // Bật ngõ tắt tải giả digitalWrite (kich_tai_gia, LOW); chedo = 2; } } if (chedo == 2) { if (giatri_dong > 5.3) // Quá dòng điện { digitalWrite (led_suco, HIGH); digitalWrite (kich_ngo_ra, LOW); OCR1B=0;// tat xung 45 chedo=-1; } if (giatri_dong < 0.1) // Khi khơng có tải { digitalWrite (kich_tai_gia, HIGH); } } if (chedo > 0) { dk_pid (); } dem_n = dem_n + 1; // Đếm thời gian hiển thị lên LCD if (dem_n == 7000) { lcd.setCursor(1,1); lcd.print("dien ap: "); lcd.setCursor(10,1); lcd.print(int(giatri_ap)); lcd.setCursor(1,2); lcd.print("dong dien: "); lcd.setCursor(13,2); lcd.print(int(giatri_dong)); dem_n = 0; } } 46 ... cho biến đổi DC- DC 1. 6KW Kết nghiên cứu − Xây dựng mơ hình tốn, phương trình tốn, luật điều khiển cho biến đổi DC- DC 1. 6KW − Xây dựng file mô hệ thống cho biến đổi DC- DC 1. 6KW − Xây dựng mơ hình... chỉnh 16 CHƯƠNG 3: NỘI DUNG CHO BỘ CHUYỂN ĐỔI DC- DC 3 .1 Mô hình tốn học, phương trình tốn chuyển đổi DC- DC 3 .1. 1 Mơ hình hóa chuyển đổi tăng áp DC- DC Mơ hình hóa chuyển đổi tăng áp DC- DC có điện... biến đổi DC- DC 1. 6KW; 3.2 Phạm vi nghiên cứu: - Xây dựng file mơ cấu hình biến đổi DC- DC 1. 6KW - Xây dựng mơ hình cho cấu hình biến đổi DC- DC 1. 6KW So sánh kết mô kết mơ hình thực cấu hình biến đổi