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 bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-----------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và 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 HOÁ 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 bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

KHOA SAU ĐẠI HỌC

2




LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công
trình nghiên cứu của tôi, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Thái Nguyên, ngày 06 tháng 8 năm 2010
Tác giả luận văn

Phạm Thị Thuỳ Linh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3




MỤC LỤC
MỞ ĐẦU

6

Chƣơng 1: MÔ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP

8

1.1 Các bộ biến đổi

8

1.1.1 Phân loại sơ đồ biến đổi

8

1.1.1.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly

8

1.1.1.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly

9

1.1.2 Các sơ đồ bộ 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 Mô hình bộ biến đổi giảm áp (the Buck converter)

13

1.2.1 Mô hình bộ biến đổi

14

1.2.2 Mô hình dạng chuẩn

16

1.2.3 Điểm cân bằng và hàm truyền tĩnh

16

1.2.4 Mô hình mẫu bộ biến đổi DC-DC giảm áp

19

Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP CẬN TUYẾN TÍNH PHẢN HỒI TRẠNG THÁI

20

2.1 Tuyến tính hoá trong lân cận điểm làm việc

21

2.1.1 Tuyến tính hoá mô hình trạng thái

21

2.1.2 Phân tích hệ thống

23

Phân tích tính ổn định nhờ mô hình tuyến tính tƣơng đƣơng
Phân tích tính ổn định nhờ đa tạp trung tâm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4




2.2 Thiết kế bộ điều khiển

36

2.3 Thiết kế bộ 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 bằng modul S-D

45

3.3.1 Modul S-D

45

3.3.2 Phản hồi và modul S-D

46

3.3.3 M ạch c ủa 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 bộ 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 các thong số hệ thống

65

4.4 Thử nghiệm thính điều chỉnh đƣợc của hệ thống

70

KẾT LUẬN

73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5




M U
Hin nay vn nng lng v mụi trng l vn rt quan trng
trong i sng sn xut v phỏt trin kinh t xó hi trờn ton cu. Vi s phỏt
trin ca khoa hc cụng ngh, con ngi ó s dng c nhng ngun nng
lng sch t t nhiờn nh nng lng giú, mt tri, thu chiu Vit
Nam hin nay cng ó bt u s dng nhng ngun nng lng ny trong
vic gii quyt bi toỏn nng lng quc gia. Nhng ngun nng lng trờn
ó cung cp mt lng nng lng ln ỏp ng nhu cu ca con ngi.
Nhng chỳng ta mi s dng mt phn rt nh, cha khai thỏc trit tim
nng sn cú ca nú. Ngun in to ra l ngun nờn nú cú kh nng lu tr
in ú thng cú biờn c dnh, khụng c iu khin. Vỡ th gp rt
nhiu khú khn trong vic cung cp ngun in cho cỏc ng dng trong nhiu
lnh vc nh sn xut cụng nghip, truyn thụng.
Mt khỏc, hin nay, do nhu cu v nng lng in ca con ngi ngy
cng tng, vic u t cho h thng li in li ũi hi rt nhiu kinh phớ dn
ti tỡnh trng quỏ ti, thiu ht in nng v cht lng in nng suy gim.
iu ny nh hng trc tip ti cỏc thit b dựng in, c bit nh hng

ln ti tui th cỏc thit b in t nhy cm nh h thng thụng tin, iu
khin trong cụng nghip. Ngoi ra, nu xy ra tỡnh trng mt in lm cho cỏc
thit b ngng hot ng, khụng nhng gõy tn tht khụng nh v mt kinh t
cho cỏc doanh nghip v nh nc m cũn nh hng n tớnh mng ca con
ngi khi s dng cỏc mỏy múc hin i iu tr trong y hc.
Trong kỹ thuật hiện đại ngày nay, việc chế tạo ra các bộ chuyển đổi
nguồn có chất l-ợng điện áp cao, kích th-ớc nhỏ gọn cho các thiết bị sử dụng
điện là hết sức cần thiết.
Vỡ nhng lý do ú m b bin i ngun DC-DC ang c s dng
ngy cng rng rói. B bin i ngun DC-DC l mt thit b cụng sut, bin
in ỏp mt chiu thnh in ỏp mt chiu vi cỏc mc in ỏp mong mun
S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn

6




nhm cung cp in cho cỏc thit b s dng ngun mt chiu. B bin i
ngun DC-DC cũn l mt phn quan trng ca b lu in UPS.
Bộ biến đổi DC - DC giảm áp hay đ-ợc sử dụng ở mạch một chiều trung
gian của thiết bị biến đổi điện nâng công suất vừa v nh, đặc biệt là các hệ
thống phát điện sử dụng năng l-ợng tái tạo (sức gió, mặt trời).
Cấu trúc của mạch vốn không phức tạp nh-ng vấn đề điều khiển nhằm đạt
đ-ợc hiệu suất biến đổi cao và bảo đảm ổn định luôn là mục tiêu của các công
trinh nghiên cứu. Bản chất mạch giảm áp có các phần tử phi tuyến do vậy lựa
chọn ph-ơng pháp tuyến tính hóa nhờ phản hồi trạng thái sẽ phù hợp cho việc
điều khiển bộ biến đổi trên. Trong phm vi bn lun vn ny, vi ti Thit
k iu khin b bin i Dc-DC gim ỏp s dng phng phỏp cn tuyn
tớnh nh phn hi trng thỏi .

Ni dung ca ti c trỡnh by trong cỏc chng sau õy:
Chng 1: Mụ hỡnh b bin i DC-DC gim ỏp
Chng 2: Phng phỏp cn tuyn tớnh phn hi trng thỏi
Chng 3: Cu trỳc iu khin b bin i DC-DC gim ỏp
Chng 4: Mụ phng kim chng trờn nn MATLAB & Simulink
Em xin chõn thnh cm n thy giỏo hng dn GS.TSKH.Nguyn
Phựng Quang dó tn tỡnh ch bo, giỳp v to iu kin em cú th hon
thnh tt lun vn thc s k thut.

S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn

7




CHƢƠNG 1

MÔ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP
1.1 Các bộ biến đổi DC-DC
Trong kỹ thuật điện có nhiều trƣờng hợp phải thực hiện quá trình biến
đổi một điện áp một chiều không đổi thành một chiều khác có giá trị điều
chỉnh trong phạm vi rộng. Để thực hiện quá trình biến đổi này ngƣời ta dã sử
dụng nhiều phƣơng pháp khác nhau. Phƣơng pháp biến đổi cho hiệu suất cao,
dung đƣợc trong giải công suất từ nhỏ đến lớn và thực hiện điều chỉnh điện áp
ra một cách thuận tiện nhất là sử dụng các bộ biến đổi điện áp một chiều
thành điện áp một chiều, thƣờng gọi tắt là bộ biến đổi DC-DC và cũng đƣợc
gọi là xung điện áp hoặc băm điện áp. Bộ biến đổi DC-DC là thiết bị biến đổi
điện năng ứng dụng các linh kiện bán dẫn có điều khiển.
Hiện nay có rất nhiều phƣơng pháp để thực hiện bộ biến đổi DC-DC, vì

vậy để có một cái nhìn tổng quan nhất, tôi sẽ trình bày sơ lƣợc về phân loại
các bộ biến đổi DC-DC cùng với đó là đƣa ra một 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 có thể đƣợc chia thành 2 nhóm:
1.1.1.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không có cách ly
Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều đƣợc tạo ra nhờ việc phóng nạp
tụ điện từ dòng điện qua cuộn cảm L đƣợc cung cấp bởi nguồn cấp. Điện áp
một chiều đầu ra thay đổi nhờ có việc phóng nạp đƣợc thay đổi bởi van công
suất đƣợc mắc hợp lý tuỳ thuộc vào từng sơ đồ. Các sơ đồ phổ biến theo
nguyên lý này gồm có:
- Sơ đồ biến đổi Buck
- Sơ đồ biến đổi Boost
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

8




- Sơ đồ biến đổi Buck-Boost
Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly có ƣu điểm là mạch đơn giản, và giá
thành thấp, thƣờng đƣợc ứng dụng trong các bộ DC-DC công suất nhỏ, không
cần chất lƣợng cao.

Hình 1.1: Các bộ biến đổi DC-DC không có cách ly

1.1.1.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly
Với nhóm sƣ đồ này, điện áp một chiều đầu vào đƣợc biến đổi thành
điện áp xoay chiều cao tần và biên độ điện áp xoay chiều đƣợc nâng lên qua
biến áp xung, sau khi qua một hệ thống lọc LC sẽ cho ta điện áp một chiều

với biên độ mong muốn. Các sơ đồ phổ biến theo nguyên lý này 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 và nguồn đầu ra có cách ly nhờ sử dụng biến áp xung nên
có ƣu điểm là hạn chế đƣợc nhiễu tải tác động ngƣợc lại nguồn đầu vào và các
thiết bị trong mạch, có thể tăng/giảm mức điện áp đầu ra một cách dễ dàng,
công suất lớn. Tuy nhiên nó cũng có một số nhƣợc điểm là làm tăng kích
thƣớc mạch, tăng giá thành, vấn đề trở lên khó khăn hơn. Sơ đồ biến đổi DCDC có cách ly đƣợc sử dụng cho các ứng dụng công suất lớn, chất lƣợng cao,
yêu cầu phải có cách ly.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

9




1.1.2. Các sơ đồ bộ biến đổi DC-DC không cách ly
1.1.2.1. Sơ đồ biến đổi Buck
Bộ biến đổi Buck là loại mạch biến đổi điện áp một chiều thành điện áp
một chiều thấp hơn, thƣờng ứng dụng trong các bộ ổn định điện áp thay cho
các 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 bộ biến đổi Buck
b) Nguyên lý hoạt động
Van Q đƣợc điều khiển bởi một xung có độ rộng thay đổi đƣợc(PWM).
Độ rộng của xung điều khiển (duty cycke) là tỷ số giữa thời gian t1 van Q mở
trong một chu kỳ T. Cuộn cảm L và tụ C ở đầu ra đóng vai trò nhƣ bộ lọc
thông thấp.
Trong thời giam van Q mở thì điện áp đặt lên diode D đúng bằng điện
áp Vd, cuộn L tích điện. Dòng điện qua cuộn cảm tăng tuyến tính theo luật
Faraday.
Khi Q đóng thì điện áp đặt lên diode D gần nhƣ bằng 0 (thực tế khoảng
0.7V). Lúc đó điện áp đặt lên cuộn cảm đảo ngƣợc lại bằng –V0 do đó dòng
điện iL qua cuộn cảm giảm xuống.
Điện áp ra đƣợc tính theo công thức sau:
V0 =D.Vd
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10




data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....



data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....


data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....

data error !!! can't not
read....