mô hình điều khiển điện áp ngõ ra sử dụng bộ điều khiển PI được áp dụng trong nghiên cứu, tìm hiểu cách thức hoạt động của bộ DC DC buck thông qua mô hình hóa mô phỏng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU111Equation Chapter Next Section 1 1.1 Đặt vấn đề Bộ chuyển đổi DC-DC chế độ chuyển mạch là một mạch điện tử công suất đơngiản nhất chuyển đổi một mức điện áp thành m

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỤC LỤC CÁC HÌNH 2

MỤC LỤC CÁC BẢNG 2

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 3

1.1 Đặt vấn đề 3

1.2 Mục tiêu tiểu luận 3

1.3 Phương pháp thực hiện 3

CHƯƠNG 2: BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC BUCK 5

2.1 Bộ chuyển đổi DC-DC Buck 5

2.2 Công thức chuyển đổi Buck 6

2.2.1 Tính toán cho tỉ số thời gian 6

2.2.1.1 Phân tích bộ chuyển đổi Buck cho trạng thái công tắc đã đóng (ON) 7

2.2.1.2 Phân tích bộ chuyển đổi Buck cho công tắc mở (TẮT) 7

2.2.2 Tính toán giá trị cuộn cảm 9

2.2.3 Tính toán cho tụ điện 11

2.3 Mục đích của các thành phần khác nhau trong bộ chuyển đổi Buck 12

2.3.1 Khóa bán dẫn 12

2.3.2 Cuộn cảm 12

2.3.3 Tụ điện 13

2.3.4 Diode 13

2.4 Các chế độ vận hành mạch Buck 14

2.4.1 Chế độ dẫn không liên tục 14

2.4.2 Chế độ dẫn liên tục 14 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP MẠCH

1

3.1 Thông số mạch DC-DC Buck 16

3.2 Tính toán giá trị các linh kiện trong mạch Buck 16

3.3 Mô hình hóa mô phỏng mạch DC-DC Buck 17

3.4 Kết quả mô phỏng 18

3.5 Kết luận 21

MỤC LỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Mạch công suất của bộ chuyển đổi DC-DC Buck 5

Hình 2.2 Các dạng sóng của mạch buck cho hoạt động chế độ dẫn liên tục 6

Hình 2.3 Mạch chuyển đổi Buck khi đóng công tắc 7

Hình 2.4 Mạch chuyển đổi Buck khi công tắc mở 8

Hình 2.5 Dạng sóng của dòng điện dẫn cho chế độ dẫn không liên tục 14

Hình 2.6 aveform of inductor current for continuous conduction mode [2] 15

Hình 3.1 Mô hình mô phỏng điều khiển mạch DC-DC Buck 17

Hình 3.2 Dạng sóng điện áp ngõ ra 18

Hình 3.3 Dạng sóng điện áp ngõ ra tại thời điểm quá độ công suất tải 18

Hình 3.4 Dạng sóng dòng điện qua tải 19

Hình 3.5 Tỉ số thời gian bộ điều khiển 19

Hình 3.6 Tỉ số thời gian bộ điều khiển khi quá độ công suất 20

Hình 3.7 Dạng sóng dòng điện trên cuộn dây 21

MỤC LỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Thông số mạch Buck 16

Bảng 3.2 Thông số các linh kiện trong mô hình mô phỏng 17

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

111Equation Chapter (Next) Section 1

1.1 Đặt vấn đề

Bộ chuyển đổi DC-DC chế độ chuyển mạch là một mạch điện tử công suất đơngiản nhất chuyển đổi một mức điện áp thành một mức khác bằng cách thay thổi trạngthái hoạt động của các khóa bnn dẫn Những bộ chuyển đổi này đã nhận được sự quantâm ngày càng nhiều trong nhiều lĩnh vực Điều này là do các ứng dụng rộng rãi củachúng như nguồn cung cấp điện cho máy tính cá nhân, thiết bị văn phòng, điều khiểnthiết bị, thiết bị viễn thông, bộ truyền động động cơ DC, ô tô, máy bay, v.v Việc phântích, điều khiển và ổn định trạng thái đóng cắt là những yếu tố chính cần được quantâm Nhiều phương pháp điều khiển được sử dụng để điều khiển bộ chuyển đổi DC-DCvới cấu trúc bộ điều khiển đơn giản và chi phí thấp luôn được yêu cầu cho hầu hết cácứng dụng công nghiệp và hiệu suất cao Phương pháp điều khiển nào cũng có một số

ưu điểm và hạn chế Trong thực tế các bộ điều khiển PI luôn được quan tâm nghiêncứu và ứng dụng bởi sự đơn giản và hiệu quả của chúng Tuy vẫn còn nhiều hạn chếkhi bộ điều khiển này không thể thích nghi với nhiều điều kiện hoạt động khác nhaunhưng nó cũng đủ để ứng dụng trong các bộ điều khiển không yêu cầu chất lượng quácao

Trong tiểu luận, một mô hình điều khiển điện áp ngõ ra sử dụng bộ điều khiển PIđược áp dụng trong nghiên cứu, tìm hiểu cách thức hoạt động của bộ DC-DC Buckthông qua mô hình hóa mô phỏng

‒ Mô hình hóa và phân tích bộ chuyển đổi Buck không có bộ điều khiển và mô phỏng bằng MATLAB / Simulink

‒ Kiểm tra tính hiệu quả của bộ điều khiển PI

Các phương pháp luận sau đây đã được sử dụng để hoàn thành tiểu luận này:

3

‒ Nghiên cứu các kiến thức có liên quan đến vấn đề cấu tạo, nguyên lý hoạt động

và điều khiển mạch DC-DC Buck

‒ Mô hình toán học của bộ chuyển đổi DC-DC Buck

‒ Mô hình hóa hệ thống và phân tích bằng MATLAB / simulink

‒ Hiệu suất được kiểm tra bằng cách thay đổi điện trở tải

212Equation Chapter (Next) Section 1

Bộ chuyển đổi Buck được sử dụng để chuyển đổi điện áp đầu vào một chiềukhông điều chỉnh thành điện áp đầu ra một chiều có kiểm soát với mức điện áp mongmuốn Nó đôi khi được gọi là bộ giảm áp Cấu trúc liên kết có tên từ việc tạo ra điện ápđầu ra có độ lớn thấp hơn điện áp đầu vào

Sơ đồ mạch của bộ chuyển đổi buck như thể hiện trong Hình 2 1

Hình 2.1 Mạch công suất của bộ chuyển đổi DC-DC Buck

Dạng sóng của bộ chuyển đổi DC-DC Buck trong chế độ dòng điện liên tục đượcthể hiện trong Hình 2 2

Hình 2.2 Các dạng sóng của mạch buck cho hoạt động chế độ dẫn liên

tục 2.2 Công thức chuyển đổi Buck

Dựa trên phân tích bộ chuyển đổi buck cho công tắc đóng và mở và sử dụng địnhluật điện áp và định luật dòng điện Kirchhoff, có thể tính toán những điều sau

2.2.1 Tính toán cho tỉ số thời gian

Để tính toán tỉ số thời gian, trước hết giả sử rằng bộ chuyển đổi ở trạng thái ổnđịnh Các thiết bị chuyển mạch được coi là lý tưởng, và các tổn hao trong các phần tửcảm ứng và điện dung được bỏ qua Ngoài ra, điều quan trọng cần chỉ ra là phân tíchsau đây không bao gồm bất kỳ điện trở ký sinh nào (tất cả đều là trường hợp lý tưởng).Phân tích cũng có giả định rằng bộ chuyển đổi chỉ hoạt động ở chế độ dẫn liên tục, tức

5

là dòng điện dẫn lớn hơn 0 Để có được tỉ số thời gian, cần phải phân tích hai trạng thái

của bộ chuyển đổi buck

2.2.1.1 Phân tích bộ chuyển đổi Buck cho trạng thái công tắc đã đóng (ON)

Mạch tương đương của bộ biến đổi buck khi công tắc đóng như Hình 2 3 bên

dưới

Hình 2.3 Mạch chuyển đổi Buck khi đóng công tắc

Khi công tắc đóng (ON) trong khoảng thời gian Ton, công tắc dẫn dòng điện dẫn

và diode trở thành phân cực ngược Điều này dẫn đến một điện áp dương trên cuộn

Viết lại phương trình Error: Reference source not found sẽ thu được phương trình

Error: Reference source not found như sau:

V V

6

Thời gian đóng khóa điện được tính toán ∆t = DT, phương trình Error: Reference

source not found được viết lại theo độ chênh lệch dòng điện như thể hiện trong Error:

Reference source not found với D là tỉ số thời gian

L ( closed )

2.2.1.2 Phân tích bộ chuyển đổi Buck cho công tắc mở (TẮT)

Mạch tương đương của bộ chuyển đổi buck được hiển thị bên dưới khi công tắc

mở

Hình 2.4 Mạch chuyển đổi Buck khi công tắc mở

Khi công tắc tắt, do tích trữ năng lượng cảm ứng, dòng điện dẫn tiếp tục chạy

Trong thời gian này diode được phân cực thuận và dòng điện chạy qua nó

Since the duration of time when the switch OFF is given as t (1 D )T

, Equation (2.6) is given as,

Vì khoảng thời gian khi công tắc TẮT được cho là t (1 D )T

, phương trình Error: Reference source not found được viết lại theo Error: Reference source not found

i

L ( open)

Đối với hoạt động ở trạng thái ổn

bằng 0 trong một chu kì thời gian

V o (1 D)T

Thay thế phương trình Error: Reference source not found và phương trình Error:

Reference source not found vào phương trình Error: Reference source not found và đơn

giản hóa nó cho kết quả,

V

11211\* MERGEFORMAT (.)

in

Theo cách khác, vì ở dạng sóng hoạt động ở trạng thái ổn định phải lặp lại từ

khoảng thời gian này sang khoảng thời gian tiếp theo, tích phân của điện áp cuộn cảm

VL trong một khoảng thời gian phải bằng không

Trong đó T là chu kỳ chuyển đổi (tức là T = ton + toff) và tích hợp theo thời gian

chuyển đổi cho,

V in V o T on V o T T on

13213\* MERGEFORMAT(.)

Đơn giản hóa phương trình Error: Reference source not found cho,

8

D V o

TonV

2.2.2 Tính toán giá trị cuộn cảm

Giả sử không có tổn thất công suất trong bộ biến đổi, công suất do tải hấp thụ

phải bằng công suất do nguồn cung cấp

o

Vin

Điều này có nghĩa là dòng điện dẫn trung bình bằng dòng tải

Dòng điện dẫn tối đa và tối thiểu được cho như sau:

9

Đối với dòng điện liên tục, dòng điện dẫn phải vẫn dương Do đó, để xác định

ranh giới giữa chế độ dẫn liên tục và chế độ dẫn không liên tục, dòng điện dẫn tối thiểu

f

T

Với f

là tần số chuyển mạch

Đây là giá trị của cuộn cảm xác định ranh giới giữa hai chế độ dòng điện liên tục

CCM và dòng điện không liên tục DCM Do đó, để bộ biến đổi buck hoạt động ở chế

độ dẫn liên tục, giá trị của cuộn cảm được sử dụng lớn hơn giá trị nhỏ nhất của cuộn

cảm

Nhấp nho dòng điện cuộn cảm là hiệu số giữa giá trị cực đại và giá trị nhỏ nhất

của dòng điện cuộn dây

10

Thay thế choI vàI từ Phương trình Error: Reference source not found và Error: Reference source not found tương ứng vào phương trình Error: Reference source not found và đơn giản hóa sẽ cho,

i V

o (1 D )T

L

2.2.3 Tính toán cho tụ điện

Tụ điện đầu ra được giả định là đủ lớn để mang lại điện áp đầu ra không đổi

Nhưng gợn sóng trong điện áp đầu ra (∆Vo) với giá trị thực tế của điện dung có thể

được tính toán bằng cách xem xét dạng sóng thể hiện trong Hình 2 2 ở trên đối với chế

độ hoạt động dẫn liên tục Giả sử rằng toàn bộ thành phần gợn sóng của dòng điện

cuộn dây i

L chạy qua tụ điện và thành phần trung bình của nó chạy qua điện trở tải,

mức tăng lớn nhất của điện tích (∆Q) được lưu trữ trong tụ lọc C bằng diện tích tam

giác bóng mờ Do đó, bằng cách tính toán, diện tích tam giác được tô trong Hình 2 2

∆Q thu được cho mỗi chu kỳ

11

Đây là điện dung tối thiểu cần thiết Để giới hạn giá trị đỉnh-đỉnh của điện áp gợn

sóng dưới một giá trị nhất định và để giảm thiểu quá mức điện áp, điện dung bộ lọc

phải lớn hơn điện dung tối thiểu

Bộ chuyển đổi Buck bao gồm các loại thành phần khác nhau sau đây

Ở dạng thô sơ nhất của nó, một công tắc có thể là một công tắc bật tắt chuyển đổi

giữa điện áp nguồn và đất Ở đây các bóng bán dẫn được chọn để sử dụng trong việc chuyển

đổi nguồn điện phải có thời gian chuyển đổi nhanh và phải có khả năng chịu được các xung

điện áp do cuộn cảm tạo ra Các thiết bị chuyển mạch phổ biến nhất là SCR, GTO, IGBT và

MOSFET Power MOSFETs là yếu tố chính của hệ thống điện tần số cao Do đó MOSFET

được sử dụng trong các thiết kế hoạt động ở tần số cao hơn nhiều nhưng ở điện áp thấp hơn

Tần số hoạt động quyết định hiệu suất của công tắc Hiện nay có xu hướng ngày

càng tăng trong công việc nghiên cứu và thiết kế bộ chuyển đổi điện năng mới nhằm

tăng tần số chuyển mạch Tần số chuyển mạch càng cao thì càng giảm chi phí, nhỏ hơn

kích thước vật lý và giá trị các linh kiện Lý do cho điều này là để giảm hơn nữa kích

thước tổng thể của bộ chuyển đổi năng lượng

2.3.2 Cuộn cảm

Chức năng của cuộn cảm là để hạn chế tốc độ quay của dòng điện (hạn chế dòng

điện chạy qua) qua công tắc nguồn khi mạch BẬT Dòng điện qua cuộn cảm không thể

12

thay đổi đột ngột Khi dòng điện qua cuộn cảm có xu hướng giảm xuống, cuộn cảm có

xu hướng duy trì dòng điện bằng cách đóng vai trò như một nguồn Ưu điểm chính làkhi cuộn cảm được sử dụng để giảm điện áp, nó sẽ tích trữ năng lượng Ngoài ra, cuộncảm kiểm soát phần trăm gợn sóng và xác định xem bộ chuyển đổi có đang hoạt động

ở chế độ dẫn liên tục hay không Giá trị cuộn cảm nhỏ hơn cho phép đáp ứng thoángqua nhanh hơn; nó cũng dẫn đến gợn dòng lớn hơn, gây ra tổn thất dẫn cao hơn trong côngtắc, cuộn cảm và điện trở ký sinh Ngoài ra, giá trị cuộn cảm nhỏ hơn yêu cầu một tụ lọc lớnhơn để giảm gợn điện áp đầu ra Các cuộn cảm được sử dụng trong nguồn cung cấp chuyểnmạch đôi khi được quấn trên lõi hình xuyến, thường được làm bằng ferit hoặc lõi sắt bột vớikhe hở không khí được phân bố để lưu trữ năng lượng

2.3.3 Tụ điện

Tụ điện cung cấp hành động lọc bằng cách cung cấp một đường dẫn cho các dòngđiện hài ra khỏi tải thông qua tải Tụ điện có chức năng tối thiểu hóa vọt áp ngõ ra khitải thay đổi và giảm nhấp nho điện áp cho các bộ chuyển đổi DC-DC Tụ điện đủ lớn

để điện áp của nó không có bất kỳ thay đổi đáng chú ý nào trong thời gian công tắc tắt

2.3.4 Diode

Vì dòng điện trong cuộn cảm không thể thay đổi đột ngột, nên phải tồn tại mộtđường dẫn cho dòng điện dẫn khi công tắc tắt (mở) Đường dẫn này được cung cấp bởiđiốt tự do (FreeWheel diode) Mục đích của diode này không phải để chỉnh lưu, mà là

để định hướng dòng điện chạy trong mạch và đảm bảo rằng luôn có một đường chodòng điện chạy vào cuộn cảm Nó cũng cần thiết rằng diode này phải có thể tắt tươngđối nhanh Do đó, diode cho phép bộ chuyển đổi chuyển đổi năng lượng tích trữ trongcuộn cảm thành tải Đây là lý do tại sao các bộ chuyển đổi kiểu chuyển mạch có hiệusuất cao hơn so với bộ điều chỉnh tuyến tính Khi công tắc đóng, dòng điện tăng tuyếntính Khi công tắc mở, diode gây ra sự giảm tuyến tính trong dòng điện

2.4 Các chế độ vận hành mạch Buck

Thường có hai chế độ hoạt động cho bộ chuyển đổi DC-DC buck dựa trên tính liên tục của dòng điện qua cuộn dây Đó là:

‒ Chế độ dẫn không liên tục (Discontinuous conduction mode DCM)

‒ Chế độ dẫn liên tục (Continuous conduction modeCCM)

2.4.1 Chế độ dẫn không liên tục

Điều kiện này xảy ra khi dòng điện qua cuộn dây có một khoảng thời gian duy trì

ở mức 0 không có điện tích và phóng điện trong thời gian chuyển mạch Trong chế độdẫn không liên tục, mỗi chu kỳ chuyển mạch được chia thành ba phần là DT, D’T và D”T(D + D’ + D” = 1) Trong chế độ thứ nhất và thứ hai ở DT và DˈT, dòng điện cuộn dây tăng

và giảm tương ứng, trong khi ở chế độ thứ ba ở chế độ D”T, dòng điện dẫn ở mức 0 không

là DT và D’T (D + D’ = 1) Trong chế độ thứ nhất và thứ hai ở DT và D’T, dòng điện

dẫn tăng và giảm tương ứng

Hình 2.6 aveform of inductor current for continuous conduction mode [2]

Trong chế độ dẫn liên tục, bộ chuyển đổi buck có hai trạng thái trên mỗi chu kỳ

chuyển đổi là trạng thái ON và trạng thái OFF Trạng thái ON là khi công tắc đóng và

diode ở chế độ phân cực ngược Trạng thái OFF là khi công tắc mở và diode là chế độ

phân cực thuận (dẫn) Trong tiểu luận này chỉ xem xét chế độ dẫn liên tục của bộ biến

Công suất định mức 1000 W

Tỉ số điều chế thời gian:

Mô phỏng đánh giá sự thay đổi điện áp của ngõ ra khi có sự thay đổi tải Trong

mô phỏng, tại thời điểm t=0.2s, công suất ngõ ra sẽ tăng từ 500 lên 1000 W Với điều

16

kiện điện áp ngõ vào không thay đổi, mô phỏng đánh giá hiệu quả điều khiển của bộđiều khiển PI trong ổn áp đầu ra.

Để thực hiện đanh giá này, thông số mô hình được lựa chọn như trong Bảng 3 2 Các thông số của bộ điều khiển PI được chọn là k

17

Dạng sóng điện áp ngõ ra khi có hiện tượng thay đổi công suất tải được thể hiệnnhư trong Hình 3 9 Qua kết quả thu được trong hình này có thể khẳng định sự thayđổi đột ngột công suất tải làm cho điện áp ngõ ra có sự thay đổi Thời gian nhấp nhôđiện áp là khoảng 0.2s Sau khoảng thời gian quá độ này thì điện áp ngõ ra đã quay lại

giá trị tham chiếu định sẳn là 100V Sự nhấp nhô điện áp không vượt quá 5V trong quátrình quá độ cho thấy hiệu quả ổn định của bộ điều khiển PI.

19

trong Hình 3 10 như bên dưới Có thể nhận thấy rằng dòng điện tỉ lệ thuận với công

suất ngõ ra khi điện áp không đổi

Giá trị ngõ ra của bộ điều khiển PI là tỉ số thời gian D của bộ PWM được thể hiện

trong Hình 3 11 và Hình 3 12 Qua kết quả giá trị tỉ số thời gian trong toàn thời gian

mô phỏng cho thấy sự ổn định kết quả ngõ ra khi không có sự nhấp nhô quá lớn dưới

tác động của sai số ngõ vào bộ điều khiển Kết quả phóng to của tỉ số thời gian trong

quá trình quá độ công suất tải được thể hiện trong Hình 3 12 cho thấy khi có sự thay

đổi đột ngột công suất tải thì tỉ số thời gian cũng có sự biến thiên tương ứng nhằm đưa

điện áp ngõ ra về lại giá trị tham chiếu Ứng với mỗi mức công suất khác nhau thì giá

trị tỉ số thời gian cũng có sự khác nhau chứ không theo đúng tỉ lệ giữa điện áp ra và

điện áp vào như lý thuyết ban đầu

Dạng sóng dòng điện trên cuộn dây L được thể hiện như trong Hình 3 13 Qua

kết quả thu được có thể thấy dòng điện qua cuộn dây là liên tục và luôn dương như yêu

cầu thiết kế của bộ chuyển đổi ban đầu Khi xét về giá trị cực đại của dòng điện qua

cuộn dây, trong giai đoạn ổn đinh, dòng điện qua cuộn dây luôn nhỏ hơn giá trị 15A