Đang tải... (xem toàn văn)
Điều khiển trượt bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic.pdf
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT BỘ BIẾN ĐỔI GIẢM ÁP KIỂU QUADRATIC Học viên: PHAN THÀNH CHUNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH NGUYỄN PHÙNG QUANG THÁI NGUYÊN 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc - ***** THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Học viên: Phan Thành Chung Lớp: CHTĐH-K10 Chuyên ngành: Tự động hoá Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Ngày giao đề tài: 15/02/2009 Ngày hoàn thành: 30/07/2009 NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS.TSKH: Nguyễn Phùng Quang Phan Thành Chung TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nghiên cứu tơi , sai tơi xin chịu hồn toàn trách nhiệm Người cam đoan Phan Thành Chung Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Cao học LỜI NÓI ĐẦU Trong lĩnh vực kỹ thuật điện ngày nay, điện tử công suất lĩnh vực kỹ thuật đại Với bước tiến nhảy vọt kỹ thuật chế tạo linh kiện bán dẫn, linh kiện điện tử công suất: điôt công suất, Tiristor, GTO, Triac, IGBT, SID, MCT đời hoàn thiện có tính dịng điện, điện áp, tốc độ chuyển mạch ngày nâng cao làm cho kỹ thuật điện truyền thống thay đổi cách sâu sắc Song song với tiến chiến lược điều khiển khác áp dụng để điều khiển biến đổi theo cấu trúc khác nhằm tạo biến đổi thông minh, linh hoạt có tiêu kinh tế - kỹ thuật, lượng tối ưu Bộ biến đổi DC – DC giảm áp kiểu Quadratic (Quadratic Buck converter) có giá trị trung bình điện áp phụ thuộc vào bình phương điện áp vào, thường sử dụng mạch chiều trung gian thiết bị biến đổi điện công suất nhỏ, cấu trúc mạch biến đổi giảm áp kiểu Quadratic vốn không phức tạp vấn đề điều khiển nhằm đạt hiệu suất biến đổi cao đảm bảo ổn định mục tiêu cơng trình nghiên cứu Bản chất mạch biến đổi giảm áp kiểu Quadratic có phần tử phi tuyến chọn điều khiển trượt với chất đưa luật điều khiển rơle hai vị trí tác động nhanh đến đối tượng điều khiển phù hợp cho việc điều khiển biến đổi Thực luận văn tốt nghiệp khuôn khổ chương trình đào tạo Thạc sỹ ngành tự động hóa trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, Tôi giao đề tài: ’’ Điều khiển trượt biến đổi DC – DC giảm áp kiểu quadratic” Mục tiêu đề tài luận văn nghiên cứu điều khiển trượt cho biến đổi giảm áp kiểu Quadratic, khảo sát đánh giá tính hiệu điều khiển trượt biến đổi biện pháp nhằm nâng cao chất lượng hệ thống Luận văn phân tích q trình động học đối tượng thơng qua mơ hình tốn học từ đưa chứng minh tính phù hợp phương án điều khiển, cuối Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Cao học tiến hành phân tích kiểm chứng, hồn thiện phần mềm mơ MatlabSimulink Đề tài có tính cấp thiết để tối ưu hóa tiêu kinh tế kỹ thuật cho biến đổi giảm áp Thiết kế nguyên lý thực luận văn hoàn tồn triển khai áp dụng chế tạo biến đổi thực tế với linh kiện sẵn có, thơng dụng Luận văn trình bày chương: - Chương 1: Bộ biến đổi DC – DC giảm áp kiểu Quadratic - Chương 2: Nguyên lý điều khiển trượt - Chương 3: Điều khiển trượt biến đổi DC – DC giảm áp kiểu quadratic - Chương 4: Mô kiểm chứng MATLAB – Simulink Sau thời gian thực hiện, đến luận văn tơi hồn thành với kết tốt Trước thành công xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang, người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành đề tài này, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới anh chị Trung tâm Công nghệ cao Trường Đại học Bách khoa Hà Nội gia đình, bạn bè tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình làm luận văn Ngày tháng 08 năm 2009 Học viên Phan Thành Chung MỤC LỤC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Cao học Trang Chương LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC BỘ BIẾN ĐỔI GIẢM ÁP KIỂU QUADRATIC 1.1 Giới thiệu biến đổi bán dẫn 1.2 Phân loại biến đổi bán dẫn 1.3 Các biến đổi DC-DC 10 1.3.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck converter) 11 1.3.2 Bộ biến đổi tăng áp (boost converter) 14 1.3.3 Bộ biến đổi đảo áp (buck-boost converter) 16 1.3.4 Bộ biến đổi giảm áp kiểu quadratic (Quadratic buck converter) 17 1.3.4.1 Mơ hình biến đổi 18 1.3.4.2 Mơ hình dạng chuẩn 19 1.3.4.3 Điểm cân 21 1.3.4.4 Hàm truyền tĩnh 22 Chương ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT 2.1 Giới thiệu 23 2.2 Các hệ thống cấu trúc biến 23 2.2.1 Điều khiển hệ thống điều chỉnh chuyển mạch đơn 24 2.2.2 Các mặt trượt 27 2.2.3 Ký hiệu 28 2.2.4 Điều khiển tương đương trượt động lý tưởng 29 2.2.5 Tính tiếp cận mặt trượt 33 2.2.6 Các điều kiện bất biến cho nhiễu loạn tìm 37 ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP Chương KIỂU QUADRATIC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Cao học 3.1 Ý tưởng điều khiển 40 3.2 Điều khiển trực tiếp 42 3.3 Điều khiển gián tiếp 44 Chương MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG TRÊN NỀN MATLAB & 48 SIMULINK 4.1 Mạch lực biến đổi 49 4.2 Xây dựng điều khiển 52 4.2.1 Bộ điều chỉnh dòng điện 52 4.2.2 Bộ điều chỉnh điện áp 62 4.2.2.1 Thử nghiệm thông số hệ thống 65 4.2.2.2 Thử nghiệm tính điều chỉnh hệ thống 73 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Cao học Chương BỘ BIẾN ĐỔI GIẢM ÁP KIỂU QUADRATIC 1.1 Giới thiệu biến đổi bán dẫn Các biến đổi bán dẫn đối tượng nghiên cứu điện tử công suất Trong biến đổi phần tử bán dẫn công suất sử dụng khóa bán dẫn, cịn gọi van bán dẫn, mở dẫn dịng nối tải vào nguồn, khóa khơng cho dịng điện chạy qua Khác với phần tử có tiếp điểm, van bán dẫn thực đóng cắt dịng điện mà khơng gây nên tia lửa điện,khơng bị mài mịn theo thời gian.Tuy đóng ngắt dịng điện lớn phần tử bán dẫn công suất lại điều khiển tín hiệu điện cơng suất nhỏ, tạo mạch điện tử công suất nhỏ Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ biến đổi phụ thuộc vào cách thức điều khiển van biến đổi Như trình biến đổi lượng thực với hiệu suất cao tổn thất biến đổi tổn thất khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện cần biến đổi Không đạt hiệu suất cao mà biến đổi cịn có khả cung cấp cho phụ tải nguồn lượng với đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng trình điều chỉnh, điều khiển thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp hệ thống tự động tự động hóa Đây đặc tính mà biến đổi có tiếp điểm kiểu điện từ khơng thể có Các mạch điện tử cơng suất nói chung hoạt động hai chế độ sau: tuyến tính (linear) chuyển mạch (switching) - Chế độ tuyến tính sử dụng đoạn đặc tính khuếch đại linh kiện tích cực, chế độ xung sử dụng linh kiện tích cực khóa (van) với hai trạng thái đóng (bão hịa) ngắt Chế độ tuyến tính cho phép mạch điều chỉnh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Cao học cách liên tục nhằm đáp ứng yêu cầu điều khiển Tuy nhiên, chế độ tuyến tính thường sinh tổn thất cơng suất tương đối cao so với cơng suất tồn mạch, dẫn đến hiệu suất mạch không cao Hiệu suất không cao vấn đề quan tâm mạch công suất nhỏ, đặc biệt mạch điều khiển có yêu cầu chất lượng, đáp ứng đặt lên hàng đầu Nhưng vấn đề hiệu suất đặc biệt quan tâm mạch công suất lớn, với lý hiển nhiên Chế độ chuyển mạch cho phép giảm nhiều tổn thất công suất linh kiện tích cực, đặc biệt linh kiện cơng suất, ưa thích mạch cơng suất lớn Ví dụ cụ thể để minh họa Giả sử ta cần thực biến đổi điện áp từ 12 VDC sang VDC, dòng tải tối đa A Với giải pháp tuyến tính, dùng vi mạch ổn áp 7805 Với dòng tải I bất kỳ, hiệu suất mạch cách lý tưởng η = Pra/Pvào = (5.I)/(12.I) = 41.7% (ta nói lý tưởng coi thân vi mạch ổn áp khơng tiêu thụ dịng điện) Với giải pháp chuyển mạch, ta dùng mạch giảm áp có tên gọi buck converter để thực việc đạt hiệu suất 90% với mạch cách dễ dàng Nhưng cần ý chất lượng điện áp ngõ giải pháp tuyến tính tốt so với giải pháp chuyển mạch Do đó, điều quan trọng chọn giải pháp thích hợp cho toán - Kỹ thuật chuyển mạch thực tế bao gồm: chuyển mạch cứng (hard-switching) chuyển mạch mềm (soft-switching) Với kỹ thuật chuyển mạch cứng, khóa (van) yêu cầu đóng (hay ngắt) điện áp đặt vào (hay dịng điện chảy qua) linh kiện có giá trị lớn (định mức) Linh kiện phải trải qua giai đoạn chuyển mạch để đến trạng thái đóng (hay ngắt), giai đoạn sinh tổn thất công suất linh kiện tương tự chế độ tuyến tính Tổn thất cơng suất giai đoạn gọi tổn thất (tổn hao) chuyển mạch Điều có nghĩa tần số làm việc lớn (càng có nhiều lần đóng/ngắt linh kiện đơn vị thời gian) tổn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn tốt nghiệp Cao học thất chuyển mạch lớn, lý khiến tần số làm việc mạch bị giới hạn Kỹ thuật chuyển mạch mềm cho phép mở rộng giới hạn tần số biến đổi chuyển mạch, nhờ việc đóng/ngắt khóa (van) điện áp (ZVS: zero-voltage-switching) và/hoặc dòng điện (ZCS: zero-current-switching) Nhưng cần nâng cao tần số làm việc biến đổi chuyển mạch? Việc nâng cao tần số làm việc giúp giảm kích thước khối lượng linh kiện, tăng mật độ công suất 1.2 Phân loại biến đổi bán dẫn Có nhiều cách phân loại biến đổi chuyển mạch điện tử cơng suất, có lẽ cách thơng dụng dựa vào tính chất dòng điện ngõ vào ngõ Về nguyên tắc, có dịng điện chiều (DC) hay xoay chiều (AC), có tổ hợp khác đơi dịng điện ngõ vào ngõ (theo quy ước thông thường, viết ngõ vào trước, sau đến ngõ ra): DC-DC, DC-AC, AC-DC, ACAC Bộ biến đổi AC-DC chỉnh lưu (rectifier) mà quen thuộc, biến đổi DC-AC gọi nghịch lưu (inverter) Hai loại lại gọi chung biến đổi (converter) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... LỤC BỘ BIẾN ĐỔI GIẢM ÁP KIỂU QUADRATIC 1.1 Giới thiệu biến đổi bán dẫn 1.2 Phân loại biến đổi bán dẫn 1.3 Các biến đổi DC-DC 10 1.3.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck converter) 11 1.3.2 Bộ biến đổi. .. – DC giảm áp kiểu quadratic” Mục tiêu đề tài luận văn nghiên cứu điều khiển trượt cho biến đổi giảm áp kiểu Quadratic, khảo sát đánh giá tính hiệu điều khiển trượt biến đổi biện pháp nhằm nâng... mạch biến đổi giảm áp kiểu Quadratic có phần tử phi tuyến chọn điều khiển trượt với chất đưa luật điều khiển rơle hai vị trí tác động nhanh đến đối tượng điều khiển phù hợp cho việc điều khiển biến
