ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG 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 PHƯƠNG PHÁP CẬN TUYẾN TÍNH NHỜ PHẢN HỒI TRẠNG THÁI Học viên: PHẠM THỊ THUỲ LINH Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG THÁI NGUYÊN 2010 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG 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: Trường Cao đẳng nghề Cơ điện & Xây dựng Bắc Ninh Cơ sở đào tạo: Trường 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 PHƯƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HỐ XẤP XỈ NHỜ PHẢN HỒI TRẠNG THÁI Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Trường Đại học Bách khoa Hà Nội GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN GS TSKH Nguyễn Phùng Quang Phạm Thị Thuỳ Linh DUYỆT BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC GVHD: GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG HV: PHẠM THỊ THUỲ LINH LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực cơng trình nghiên cứu tơi, chưa công bố công trình khác Thái Nguyên, ngày 06 tháng năm 2010 Tác giả luận văn Phạm Thị Thuỳ Linh GVHD: GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG HV: PHẠM THỊ THUỲ LINH MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương 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 1.1.2.1 Sơ đồ biến đổi Buck 1.1.2.2 Sơ đồ biến đổi Boost 1.1.2.3 Sơ đồ biến đổi Buck-Boost 1.2 Mơ hình biến đổi giảm áp (the Buck converter) 1.2.1 Mơ hình biến đổi 1.2.2 Mơ hình dạng chuẩn 1.2.3 Điểm cân hàm truyền tĩnh 1.2.4 Mơ hình mẫu biến đổi DC-DC giảm áp Chương 2: PHƯƠNG PHÁP CẬN TUYẾN TÍNH PHẢN HỒI TRẠNG THÁI 2.1 Tuyến tính hố lân cận điểm làm việc 2.1.1 Tuyến tính hố mơ hình trạng thái 2.1.2 Phân tích hệ thống Phân tích tính ổn định nhờ mơ hình tuyến tính tương đương Phân tích tính ổn định nhờ đa tạp trung tâm 2.2 Thiết kế điều khiển 2.3 Thiết kế điều khiển tĩnh, phản hồi trạng thái gán điểm cực Chương 3: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP 3.1 Đặt vấn đề 3.2 Phương pháp điều khiển 3.2.1 Điều khiển trực tiếp 3.2.2 Điều khiển gián tiếp 3.3 Tạo xung điều khiển modul S-D 3.3.1 Modul S-D 3.3.2 Phản hồi modul S-D 3.3.3 M ạch c modul S-D Ch ương 4: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG TRÊN NỀN MATLAB & SIMULINK 4.1 Bộ biến đổi 4.2 Xây dựng điều khiển 4.2.1 Bộ điều khiển cận tuyến tính phản hồi trạng thái 4.2.2 Bộ tạo xung điều khiển 4.2.3 Bộ điều chỉnh dòng điện 4.2.4 Bộ điều chỉnh điện áp 4.3 Thử nghiệm thong số hệ thống 4.4 Thử nghiệm thính điều chỉnh hệ thống KẾT LUẬN GVHD: GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG HV: PHẠM THỊ THUỲ LINH 8 8 10 10 11 12 13 14 16 16 19 20 21 21 23 36 38 42 42 44 44 44 45 45 46 47 48 49 50 50 51 55 63 65 70 73 MỞ ĐẦU Hiện vấn đề lượng môi trường vấn đề quan trọng đời sống sản xuất phát triển kinh tế xã hội toàn cầu Với phát triển khoa học công nghệ, người sử dụng nguồn lượng từ tự nhiên lượng gió, mặt trời, thuỷ chiều… Ở Việt Nam bắt đầu sử dụng nguồn lượng việc giải toán lượng quốc gia Những nguồn lượng cung cấp lượng lượng lớn đáp ứng nhu cầu người Nhưng sử dụng phần nhỏ, chưa khai thác triệt để tiềm sẵn có Nguồn điện tạo nguồn nên có khả lưu trữ điện thường có biên độ cố dịnh, khơng điều khiển Vì gặp nhiều khó khăn việc cung cấp nguồn điện cho ứng dụng nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp, truyền thông Mặt khác, nay, nhu cầu lượng điện người ngày tăng, việc đầu tư cho hệ thống lưới điện lại đòi hỏi nhiều kinh phí dẫn tới tình trạng q tải, thiếu hụt điện chất lượng điện suy giảm Điều ảnh hưởng trực tiếp tới thiết bị dùng điện, đặc biệt ảnh hưởng lớn tới tuổi thọ thiết bị điện tử nhạy cảm 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 nước mà cịn ảnh hưởng đến tính mạng người sử dụng máy móc điều tr y hc Trong kỹ thuật đại ngày nay, việc chế tạo chuyển đổi nguồn có chất lợng điện áp cao, kích thớc nhỏ gọn cho thiết bị sử dụng điện cÇn thiÕt Vì lý mà biến đổi nguồn DC-DC 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 GVHD: GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG HV: PHẠM THỊ THUỲ LINH nhằm cung cấp điện cho thiết bị sử dụng nguồn chiều Bộ biến đổi nguồn DC-DC phần quan trọng lưu điện UPS Bé biến đổi DC - DC giảm áp hay đợc 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 lợng tái tạo (sức gió, mặt trời) Cấu trúc mạch vốn không phức tạp nhng vấn đề điều khiển nhằm đạt đợc 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 phơng 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 trình bày chương sau đây: Chương 1: Mơ hình biến đổi DC-DC giảm áp Chương 2: Phương pháp cận tuyến tính phản hồi trạng thái Chương 3: Cấu trúc điều khiển biến đổi DC-DC giảm áp Chương 4: Mô kiểm chứng MATLAB & Simulink Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng 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 GVHD: GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG HV: PHẠM THỊ THUỲ LINH CHƯƠNG MÔ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP 1.1 Các biến đổi DC-DC Trong kỹ thuật điện có nhiều trường hợp phải thực trình biến đổi điện áp chiều khơng đổi thành chiều khác có giá trị điều chỉnh phạm vi rộng Để thực trình biến đổi người ta dã sử dụng nhiều phương pháp khác Phương pháp biến đổi cho hiệu suất cao, dung 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, thường gọi tắt biến đổi DC-DC 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 phương pháp để thực biến đổi DC-DC, để có nhìn tổng quan nhất, tơi trình bày sơ lược phân loại biến đổi DC-DC với đưa 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 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 tạo nhờ việc phóng nạp tụ điện từ dịng điện qua cuộn cảm L cung cấp nguồn cấp Điện áp chiều đầu thay đổi nhờ có việc phóng nạp thay đổi van cơng suất 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 GVHD: GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG HV: PHẠM THỊ THUỲ LINH - Sơ đồ biến đổi Buck-Boost Sơ đồ biến đổi DC-DC khơng cách ly có ưu điểm mạch đơn giản, giá thành thấp, thường ứng dụng DC-DC công suất nhỏ, khơng cần chất lượng 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 sư đồ này, điện áp chiều đầu vào biến đổi thành điện áp xoay chiều cao tần biên độ điện áp xoay chiều 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 ưu điểm hạn chế nhiễu tải tác động ngược lại nguồn đầu vào thiết bị mạch, tăng/giảm mức điện áp đầu cách dễ dàng, công suất lớn Tuy nhiên có số nhược điểm làm tăng kích thước mạch, tăng giá thành, vấn đề trở lên khó khăn Sơ đồ biến đổi DCDC có cách ly sử dụng cho ứng dụng công suất lớn, chất lượng cao, yêu cầu phải có cách ly GVHD: GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG HV: PHẠM THỊ THUỲ LINH 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, thường 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 + E - i D L + - C R Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý biến đổi Buck b) Nguyên lý hoạt động Van Q điều khiển xung có độ rộng thay đổi được(PWM) Độ rộng xung điều khiển (duty cycke) tỷ số thời gian t van Q mở chu kỳ T Cuộn cảm L tụ C đầu đóng vai trị 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 (thực tế khoảng 0.7V) Lúc điện áp đặt lên cuộn cảm đảo ngược lại –V dịng điện iL qua cuộn cảm giảm xuống Điện áp tính theo công thức sau: V0 =D.Vd GVHD: GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG HV: PHẠM THỊ THUỲ LINH Với D độ rộng xung điều khiển mở van 1.1.2.2 Sơ đồ biến đổi Boost Bộ biến đổi Boost loại mạch biến đổi điện áp chiều thành điện áp chiều có biên độ cao hơn, cịn gọi mạch step-up converter Nguyên lý ứng dụng cho việc cung cấp điện áp yêu cầu lớn điện áp nguồn ni, với cơng suất nhỏ, ví dụ mobile, notebook… a) Sơ đồ nguyên lý Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý biến đổi Boost b)Nguyên lý hoạt động Trong thời gian van Q mở điện áp cuộn cảm L điện áp Vd cuộn cảm tích điện, dịng iL qua cuộn cảm tăng tuyến tính Khi van Q đóng cuộn cảm L bắt đầu phóng qua diode D nạp cho tụ C Trong trình điện áp đặt lên cuộn cảm V d-V0 0 tín hiệu điều khiển u=1, khố FET mở dẫn dịng qua cuộn cảm L vào biến đổi, dòng điện qua L tăng lên khoảng thời gian ngắn, đến i > i i - i 0 u=1, khố FET lại mở Q trình lại lặp lại tạo tượng dao động cảu dòng điện thực quanh giá trị dòng điện cân đến đạt giá trị đặt dừng lại GVHD: GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG HV: PHẠM THỊ THUỲ LINH 57 Hình 4.14: Mối quan hệ dịng phản hồi tuyến tính tín hiệu điều khiển u GVHD: GS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG HV: PHẠM THỊ THUỲ LINH 58 Hình 4.15: Tín hiệu điều khiển u cho biến đổi Hình 4.16: Điện áp C Điện áp tụ C biểu thị đường đặc tính hình 4.15 với trình qúa độ nhỏ t