.
5.2 Thông số thiết kế bộ nguồn cho LED
Thông số
Công suất
Độ đập mạch dòng điện qua cuộn cảm IL2
Dòng điện đầu ra Io Điện trở của LED Rled
Điện áp vào Vb
5.2 Bộ biến đổi cho bộ sạc
5.2.1 Lựa chọn cấu hình
Theo bài toán thiết kế cho bộ sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời ở trên, thì bộ biến đổi được sử dụng với ưu điểm phải phù hợp với công suất thấp khoảng 80W, cũng vì hệ thống sử dụng 1 pin mặt trời để sạc cho 2 ắc quy axit chì nên sẽ cần một bộ biến đổi tăng áp do đó bộ biến đổi Boost được lựa chọn. Bộ boost có cuộn cảm đầu vào sẽ giúp hệ thống giảm độ đập mạch dòng điện. Mô hình cấu hình bộ biến đổi Boost với nguồn vào là pin mặt trời và tải ắc quy:
Hình 5.1: Cấu hình bộ biến đổi Boost với đầu vào là pin mặt trời và đầu ra là ắc quy.
Coi C1 và C2 là không lý tưởng nên ta xét thêm điện trở RESR1 của tụ C1 và RESR2 của tụ C2.
5.2.2 Tính toán các phần tử mạch lực của bộ biến đổi
Các yêu cầu thiết kế là: Sạc 2 ắc quy mắc nối tiếp với yêu cầu điện áp ra Vo = 24V , dao động dòng điện trên cuộn cảm DIL1 = 10%IL1 , tần số đóng cắt fs = 100kHz. Giả sử bộ biến đổi là lý tưởng, suy ra:
Công suất: Pin = Pout = 80(W ) . Dòng điện qua cuộn cảm: IL = Pin
= 80
= 4; 44(A).
1 Vin 18
Hệ số đóng cắt của van đóng cắt: D = 1
Điện trở Pin mặt trời: Rg = 0; 01(W).
Tính toán tụ lọc đầu ra
a) Giá trị điện dung của tụ
Chọn độ dao động điện áp DVo = 1; 5%Vo = 0; 015:24 = 0; 36(V ). Giá trị tụ lọc đầu ra:
C
2 =
Chọn giá trị điện dung của tụ: C2 = 1000mF và chịu được điện áp 40V.
b) Giá trị điện trở RESR2 mắc nối tiếp với tụ
Hình 5.2: Đặc tính thể hiện quan hệ RESR2=RESR0 theo tần số [8].
Dựa vào datasheet xác định được gần đúng giá trị điện trở RESR2. Với tần số đóng cắt fs = 100kHz suy ra RESR2 = 0; 6:0; 16 = 0; 1(W).
Tương tự như trên, ta cũng tính toán và chọn được giá trị điện dung của tụ đầu vào C1 = 1000mF và chịu được điện áp 40V.
Chọn van bán dẫn
a) Van đóng cắt
Chọn van đóng cắt là MOSFET tần số cao. Dòng IL1 = 4; 44A nên chọn MOSFET IRF540N có thể chịu được dòng tối đa là 33A, điện áp tối đa là 100V.
b) Diode
Tính toán cuộn kháng Xuất phát từ: Pin80 I L1 = Vin = 18 = 4; 44(A). Chọn: DIL1 = 10%IL1 . DIL1 = 10%IL1 = 0; 444(A). Giá trị cuộn cảm được tính theo công thức:
L1 =
5.2.3 Mô hình hóa bộ biến đổi tăng áp
Khi mô hình hóa, để cho đơn giản ta mô hình hóa pin mặt trời, ắc quy như một nguồn áp và một điện trở.
Xét L1, C1, C2 không bỏ qua trở kháng ta có: Khi MOSFET đóng.
Hình 5.3: Mô hình mạch Boost khi MOSFET đóng [9].
Sử dụng định luật Kirchhoff ta có hệ phương trình mô tả sơ đồ mạch điện của bộ biến đổi Boost khi MOSFET đóng.
diL1 (t) dt
dv c1
Trong đó:
V1
V2 Khi MOSFET cắt.
Hình 5.4: Mô hình mạch Boost khi MOSFET cắt [9].
Sử dụng định luật Kirchhoff ta có hệ phương trình mô tả sơ đồ mạch điện của bộ biến đổi Boost khi MOSFET cắt.
Trong đó:
V
dx > < > y = C1x + D1u : 37
Phương trình mạch bộ biến đổi DC-DC ở trạng thái MOSFET cắt dưới dạng chuẩn hóa. 8 >dx = A2x + B2u < dt : >y = C2x + D2u :
Phương trình (5.1), (5.2), (5.3) viết lại theo dạng không gian trạng thái (5.7)
với ma trận được xác định theo (5.9), (5.10).
2L1 6 1 A1 = 6 6 C1:(Rg + RESR1) 6 6 6 6 4
Phương trình (5.4), (5.5), (5.6) viết lại theo dạng không gian trạng thái (5.8)
với ma trận được xác định theo (5.11) và (5.12).
A
2
7 7 7 7: (5.11) 7 7 5 (5.12) (5.13) 38
Hàm truyền đạt giữa biến trạng thái và hệ số điều chế (khi ub =0). x(s)
b = (sI Ass) 1[(A1 A2)X + B1 B2)U]: (5.14) db (s) ub(s)=0 Trong đó: 23 icL1 (s) 6 7 xb(s) = 6vcc1 (s)7. 4 5 vcc2 (s)
Từ (5.14), sử dụng Matlab để tính hàm truyền các đối tượng với thông số các phần tử mạch lực đã tính được trong mục 5.2.2 ta được:
Gi d = L1 1; 6933:10 15 G Vgd = 3; 713:10 ) GV G V d = b 3; 14:10
Hàm truyền đối tượng thu được sau khi được tối giản: Gi L1 G Vgd G V d b
5.2.4 Thiết kế bộ điều khiển dòng và điều khiển áp
Cấu trúc hệ thống sử dụng bộ điều khiển dòng điện và điện áp
Hình 5.5: Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho bộ sạc.
Hình 5.5 mô tả chi tiết cấu trúc của hệ thống sạc ắc quy với 2 bộ điều khiển dòng và áp. Khối thuật toán sạc với đầu vào là dòng điện và điện áp sạc có nhiệm vụ phát hiện chế độ sạc ắc quy.
Thiết kế bộ điều khiển theo cấu trúc bù loại 2
Từ Hình 5.6, với C12
Hình 5.6: Cấu trúc bù loại 2 [12].
Điểm không và điểm cực được cho bởi công thức sau:
Hệ số khuếch đại của bộ điều khiển. G
c0
Biên độ và pha của hàm truyền ở phường trình (5.16) ở tần số w như sau:
Gc( jw) = j j (5.18) (5.19) (5.20) (5.21) jc(w) = j( = tan
sau:
wm = awc:
Trong đó a là hệ số điều chỉnh, thông thường chọn a = 1. Tại tần số cắt (5.21), (5.22), (5.23) trở thành:
jc(wc) = tan
= tan
p 2
(5.25)
Độ dự trữ pha mong muốn được biểu diễn qua phương trình:
) tan ) ) wp
Giải hệ (5.22) và (5.25) sẽ ra được điểm không và điểm cực:
8 q
<wz = 0; 5( wd2 + 4wm2
wp = 0; 5( wd2
: q
Tại tần số cắt: jGc( jwc)jjGc( jwc)j = 1. Suy ra hệ số khuếch đại của bộ bù loại 2:
Gc0 =
j
Thiết kế bộ điều khiển ổn dòng
Thiết kế bộ điều khiển với hàm truyền của đối tượng điều khiển GiL1d đã được tính toán trên mục 5.2.3.
Hệ số phản hồi Hi(s): Dòng điện chảy qua cuộn cảm trung bình IL1 = 4; 44(A). Do dòng qua cuộn cảm nhỏ nên chọn Hi(s) = 0; 5.
Thiết kế bộ điều chế độ rộng xung: có thể là một sóng tam giác hoặc một xung răng cưa, có thể đơn cực hoặc lưỡng cực được sử dụng như một tín hiệu sóng mang. Tần số của sóng mang nên cùng với tần số cắt của bộ biến đổi.
Hình 5.8: Sơ đồ khối và dạng sóng của khối PWM [10].
Chọn VM = 3V .
Hàm truyền của bộ điều chế: GPW M(s) = 1
:
V M
4 fs
Hàm truyền vòng hở của mạch vòng dòng điện được cho bởi: Gih(s) = Hi(s):Gci(s):GPW M(s):GiL1 d(s). Đối tượng của mạch vòng điều khiển dòng điện:
G pi(s) = Gih(s) Gci(s)=1
4; 352:10 5s + 1; 24
Gpi(s) =
1; 454:10 4s + 0; 1188.
Hình 5.9: Đồ thị Bode của đối tượng dòng điện.
Đồ thị Bode của đối tượng trên Hình 5.9 cho thấy đối tượng ổn định với tần số cắt 9; 79:104 rad/s (15,6kHz) và độ dự trữ pha là 63o. Tuy nhiên độ quá điều chỉnh vẫn còn lớn. Để hệ thống có đặc tính động học tốt hơn ta cần thiết kế sao cho: Tần số cắt chọn là: fc = 10kHz. Độ dự trữ pha: fm 60o tại tần số cắt.
Thay vào (5.25), (5.26), (5.27) ta tính được bộ điều khiển: 0; 6s + 5378 .
Hình 5.10 đồ thị Bode của mạch vòng dòng điện sau khi được bù.
Đồ thị Bode Hình 5.10 cho thấy độ dự trữ pha của đối tượng sau khi bù ở tần số 9,87kHz là 59,4 và độ sự biên là 13dB, đạt yêu cầu thiết kế đã đề ra ở trên.
Hình 5.10: Đồ thị Bode của mạch vòng dòng điện sau khi được bù.
b) Mạch vòng ngoài điều khiển điện áp
Hình 5.11: Sơ đồ điều khiển mạch vòng điện áp [10].
Theo công thức tính toán hàm truyền của đối tượng điều khiển vòng áp trong mục 5.2.3 ta được:
3:05:10 4s + 1; 94
GVgi =
7; 35:10 5s + 0; 593.
Hệ số phản hồi Hv(s): Do điện áp ra của pin mặt trời là 18V nên chọn Hv(s) = 0; 1. Hàm truyền vòng hở của mạch vòng điện áp được cho bởi:
Đối tượng của mạch vòng điều khiển điện áp: Đối tượng của mạch vòng điều khiển dòng điện: Gpv(s) = Gvh(s) Gcv(s)=1 3; 05:104s + 1; 94 G pv = 7; 35:10 4s + 5; 93.
Từ đó suy ra đồ thị Bode của đối tượng vòng điều khiển điện áp như Hình 5.12.
Từ Hình 5.12 ta nhận thấy đồ thị Bode không cắt trục hoành, hệ thống không ổn định. Tại tần số 1kHz đồ thị Bode có biên độ -9,51dB và pha 12,1o.
Thiết kế bộ điều khiển áp:
Tần số cắt bằng 1/10 tần số cắt mạch vòng dòng điện. Độ dự trữ pha chọn là 60o tại tần số cắt: fc = 1kHz.
Mạch vòng điện áp sẽ cần đáp ứng chậm hơn mạch vòng dòng điện khoảng 10 lần, do đó chọn tần số cắt là 1hHz. Thay vào (5.25), (5.26), (5.27) ta tính được bộ điều khiển:
Gcv(s) =
Hình 5.13: Đồ thị Bode của mạch vòng điện áp sau khi được bù.
Hình 5.13 cho thấy độ dự trữ pha của đối tượng sau khi bù ở tần số 955 Hz là 59,8; đạt yêu cầu thiết kế đã đề ra ở trên.
Thiết kế bộ điều khiển ổn áp
Hình 5.14: Sơ đồ điều khiển mạch vòng điện áp [10].
Thiết kế bộ điều khiển với hàm truyền của đối tượng điều khiển GVbd đã được tính toán trên mục 5.2.3.
Tương tự như mạch vòng điều khiển 3.4.3a với GPW M đã tính được như trên, ta có: Hàm truyền vòng hở của mạch vòng điện áp với Hv1 =0,1 được cho bởi:
Hình 5.15: Đồ thị Bode của đối tượng điện áp.G pv G pv 1 (s) = G vh1 (s) Gcv1 (s)=1. 1; 3:104s + 3; 91 Gpv1 (s) = 2; 69:10 2s + 2; 19:102
Từ đó suy ra đồ thị Bode của đối tượng vòng điện áp như Hình 5.15.
Hình 5.15 đồ thị Bode của đối tượng cho thấy hệ thống có độ dự trữ biên là 67,8. Hệ thống khó triệt tiêu sai lệch tĩnh. Tại tần số 10kHz đồ thị Bode có biên độ -51,5dB và pha 258o.
Tính toán bộ điều khiển:
Điều kiện chọn tần số cắt là: 5% fs fc 20% fs.[7].
Độ dự trữ pha chọn là 60o tại tần số cắt. Với tần số cắt chọn là: fc = 10kHz. Thay vào (5.25), (5.26), (5.27) ta tính được bộ điều khiển:
358; 9s + 2; 07:106 Gcv1 (s) =
Hình 5.16: Đồ thị Bode của mạch vòng điện áp sau khi được bù.
Hình 5.16 đồ thị Bode của mạch vòng điện áp sau khi bù. Đồ thị cho thấy độ dự trữ pha của đối tượng sau khi bù ở tần số 6; 07:104rad=s = 9; 67kHz là 60,5 và độ dự trữ biên độ là 13,2dB; đạt yêu cầu thiết kế đã đề ra ở trên.
5.3 Bộ biến đổi cho tải LED
5.3.1 Lựa chọn cấu hình
Dựa vào việc phân tích bài toán thiết kế với đầu ra Vo > Vb do đó cấu hình boost được lựa chọn với ưu điểm đơn giản đối với công suất khoảng 40W.
5.3.2 Tính toán các phần tử mạch lực của bộ biến đổi
Mạch lực của bộ biến đổi Boost converter được miêu tả như Hình 5.17. Bộ biến đổi là có đầu vào là 2 ắc quy 12V mắc nối tiếp nên Vb = 24V , điện áp và dòng điện định mức đầu ra cấp cho LED là Vo = 40V; Io = 1A tần số đóng cắt fs = 100kHz. Giả sử bộ biến đổi là lý tưởng, suy ra:
Công suất: Pin = Pout = 40(W )
Dòng điện qua cuộn cảm: IL = Pin = 40 = 1; 67(A).
2Vb 24
Hệ số đóng cắt của van đóng cắt: D = 1
Giá trị điện dung của tụ
Chọn độ dao động điện áp DVo = 0; 1%Vo = 0; 001:40 = 0; 04(V ). Giá trị tụ lọc đầu ra:
Co =
Chọn giá trị điện dung của tụ: Co = 100uHmF và chịu được điện áp V=63V.
Chọn van bán dẫn
Chọn van đóng cắt Q1
Chọn van đóng cắt Q1 là MOSFET tần số cao. Dòng IL2 = 1; 67A nên chọn MOSFET IRF540N có thể chịu được dòng tối đa là 33A, điện áp tối đa là 100V.
Chọn Diode D1
Chọn loại diode tần số cao Schottky MUR860 chịu được dòng 8A và điện áp ngược 400V.
Tính toán cuộn cảm
Chọn độ dao động dòng điện trên cuộn cảm: DIL2 = 5%IL2 = 0; 05:1; 67 = 0; 0835(A). Với cấu hình Boost converter, giá trị cuộn cảm L2 được tính theo công thức sau:
5.3.3 Mô hình hóa bộ biến đổi nguồn LED
Hàm truyền GiL2d là hàm truyền giữa dòng điện chạy qua cuộn cảm L2 và hệ số đóng cắt d phải được tìm thấy để thiết kế được bộ điều khiển Gci1. Thực hiện mô hình hóa các phần tử mạch lực để tìm hàm truyền GiL2d.
Khi mô hình hóa, để cho đơn giản tải đèn LED được thay thế bằng một tải trở R = 40W. Khi MOSFET đóng.
Hình 5.18: Mô hình mạch nguồn LED khi MOSFET đóng.
Sử dụng định luật Kirchhoff ta có hệ phương trình mô tả sơ đồ mạch điện của bộ biến đổi khi MOSFET đóng.
di
L2
dt
dv
Khi MOSFET cắt.
Sử dụng định luật Kirchhoff ta có hệ phương trình mô tả sơ đồ mạch điện của bộ biến đổi khi MOSFET cắt.
diL = dt 1 dt dvc
Sử dụng phương pháp mô hình trung gian trang thái tương tự như đã mô hình hóa bộ biến đổi sạc ắc quy ở mục 5.2.3, hàm truyền GiL1d có được như (5.33).
GiL1d(s) =
5.3.4 Thiết kế bộ điều khiển
Sơ đồ cấu trúc điều khiển cho LED với việc đo dòng điện qua cuộn cảm với hệ số Hs, tín hiệu được so sánh với dòng điện đặt, sau đó qua bộ điều khiển dòng điện Gcil, tạo ra tín hiệu xung PWM vào van điều khiển (Hình 5.20)
Hình 5.20: Sơ đồ khối bộ điều khiển bộ nguồn LED.
Hình 5.21: Sơ đồ khối bộ điều khiển bộ nguồn LED.
Hàm truyền vòng hở của mạch vòng dòng điện được cho bởi: Gih1(s) = Hi(s):Gci1(s):GPW M(s):GiL1d(s). Đối tượng của mạch vòng điều khiển dòng điện:
Gpi1(s) = Gih1(s)
Gci1(s)=1
4; 352:10 5s + 1; 24
G pi1(s) =
1; 454:10 4s + 0; 1188.
Từ đó suy ra đồ thị Bode của đối tượng vòng điều khiển dòng điện như Hình 5.22
Hình 5.22: Đồ thị Bode của đối tượng dòng điện trong bộ nguồn LED.
Đồ thị Bode của đối tượng trên Hình 5.22 có tần số cắt 2; 27:10 5rad=s (36,1kHz) và có độ dự trữ pha 30,9 khiến hệ thống có độ quá điều chỉnh khá lớn. Dựa trên yêu cầu thiết kế các thông số về tần số cắt và độ dự pha cần đảm bảo:
Độ dự trữ pha: 45o < fm < 75o. Chọn fm = 60o.
Tại tần số 10kHz đồ thị Bode của đối tượng có biên độ 11,2dB và pha 252o. Sử dụng bộ bù loại 2 có (5.17). Dựa vào đồ thị Bode của đối tượng và tần số cắt, độ dự trữ pha mong muốn đạt được, bộ điều khiển mạch vòng dòng điện Gci1 được tính có kết quả như sau:
6; 629:10 5s + 1 Gpi1(s) =
8; 988:10 10s2 + 2; 352:10 4s.
Đồ thị Bode Hình 5.23 cho thấy độ dự trữ pha của đối tượng sau khi bù ở tần số 6; 30:104rad=s (9,87kHz) là 59,8 và độ sự biên là 12,8dB; đạt yêu cầu thiết kế đã đề ra ở trên.
Hình 5.23: Đồ thị Bode của mạch vòng dòng điện trong bộ nguồn LED sau khi được bù.
5.4 Kết luận
Chương 5 đã đi từ phân tích, lựa chọn cấu hình, tính toán mạch lực, mô hình hóa, thiết