Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển thiết bị nguồn điện dự phòng sử dụng năng lượng mặt trời 2kw

Bộ chuyển đổi nguồn DC - AC là một thiết bị công suất, biến đổi điện áp một chiều đầu vào không được điều khiển thành điện áp xoay chiều đầu ra với các mức điện áp mong muốn nhằm cung cấ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ

NGUỒN ĐIỆN DỰ PHÒNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI 2KW

NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

BÙI HOÀNG GIANG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS LƯU HỒNG VIỆT

Hà Nội – 2011

Học viên

Bùi Hoàng Giang

ii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BỘ THIẾT BỊ DỰ PHÒNG 3

1.1 Tổng quan về bộ thiết bị dự phòng 3

1.2 Bộ biến đổi DC - DC 5

1.2.1 Bộ biến đổi DC-DC có cách ly 5

1.2.2 Nguyên lý hoạt động bộ biến đổi Full-bridge 6

1.2.3 Phương pháp điều xung 7

1.3 Bộ biến đổi DC – AC 9

1.3.1 Nguyên lý hoạt động 9

1.3.2 Phương pháp điều xung 10

CHƯƠNG II:THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ THIẾT BỊ DỰ PHÒNG.13 2.1 Xây dựng mô hình bộ biến đổi DC-DC 13

2.1.1 Xây dựng mô hình toán học của bộ biến đổi DC-DC 13

2.1.2 Xây dựng mô hình mô phỏng bộ biến đổi DC – DC 18

2.2 Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC 20

2.2.1 Bộ điều khiển PID 20

2.2.2 Nâng cao chất lượng hệ thống bằng cách sử dụng bộ điều khiển mờ 22

2.2.3 Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng Matlab & Simulink 26

2.3 Xây dựng mô hình bộ biến đổi DC-AC 36

2.4 Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi DC-AC 38

2.4.1 Lựa chọn cấu trúc điều khiển 38

2.4.2 Lựa chọn tham số điều khiển theo phương pháp gán điểm cực 41

2.4.3 Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng Matlab & Simulink 44

2.5 Kết luận 46

iii

3.1 Bộ biến đổi DC - DC 47

3.1.1 Giải pháp phần cứng 48

3.1.2 Giải pháp phần mềm 58

3.1.3 Hình ảnh thực tế 62

3.2 Bộ biến đổi DC – AC 66

3.2.1 Giải pháp phần cứng 66

3.2.2 Giải pháp phần mềm 78

3.2.3 Hình ảnh thực tế 86

Nhận xét và đánh giá kết quả: 88

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 89

4.1 Những kết quả đã đạt được 89

4.2 Hướng phát triển 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

iv

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Ứng dụng của bộ biến đổi DC – AC trong hệ thống năng lượng tái tạo 3

Hình 1.2 Phương pháp biến đổi DC-AC 4

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Full-Bridge 6

Hình 1.4 Giản đồ xung mở các van kiểu bù 7

Hình 1.5 Giản đồ xung mở các van theo phương pháp dịch pha 8

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi DC-AC 10

Hình 1.7 Điều chế PWM theo phương pháp Unipolar 11

Hình 1.8 Điều chế PWM theo phương pháp Bipolar 12

Hình 2.1 Bộ điều khiển cho bộ thiết bị dự phòng 13

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi DC-DC dạng full-bridge 14

Hình 2.3 Giản đồ thời gian xung điều khiển các van dạng phase-shifted và điện áp bên sơ cấp biến áp 14

Hình 2.4 Sơ đồ rút gọn khi 0  t  15

Hình 2.5 Sơ đồ rút gọn khi    t T PWM / 2 16

Hình 2.6 Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu 16

Hình 2.7 Sơ đồ mạch cầu H 18

Hình 2.8 Sơ đồ mô phỏng phần biến áp, chỉnh lưu và lọc 19

Hình 2.9 Sơ đồ mạch điều khiển 19

Hình 2.10 Bộ phát xung PWM 20

Hình 2.11 Bộ điều khiển PID 21

Hình 2.12 Đáp ứng đầu ra của bộ biến đổi DC – DC 21

Hình 2.13 Đáp ứng của hệ thống trên miền thời gian 22

Hình 2.14 Bộ điều khiển PID mờ 23

Hình 2.15 Mô phỏng bộ điều khiển PID mờ 26

Hình 2.16 Hàm liên thuộc đầu vào thứ nhất E 27

Hình 2.17 Hàm liên thuộc đầu vào thứ hai DE 27

Hình 2.18 Hàm liên thuộc đầu ra K P 28

Hình 2.19 Luật chỉnh định K P trong không gian 28

Hình 2.20 Hàm liên thuộc đầu ra K I 29

Hình 2.21 Luật chỉnh định K I trong không gian 29

Hình 2.22 Hàm liên thuộc đầu ra K D 30

v

Hình 2.24 Sơ đồ Simulink của bộ biến đổi DC - DC 31

Hình 2.25 Dạng sóng của các nhánh van và điện áp bên sơ cấp 32

Hình 2.26 Đáp ứng của bộ biến đổi DC - DC 33

Hình 2.27 Điện áp đầu ra khi tải thay đổi từ 100 Ohm-150 Ohm 33

Hình 2.28 Điện áp ra đầu ra khi thay đổi tải từ 100 Ohm-200 Ohm 34

Hình 2.29 Đáp ứng của bộ biến đổi DC - DC khi thay đổi giá trị đặt (350V) 34

Hình 2.30 Đáp ứng của bộ biến đổi DC - DC khi thay đổi giá trị đặt (450V) 35

Hình 2.31 Mô hình đối tượng điều khiển DC-AC 36

Hình 2.32 Mô hình đối tượng điều khiển dạng sơ đồ khối 36

Hình 2.33 Cấu trúc điều khiển theo biên độ 39

Hình 2.34 Mạch lọc thông thấp LC và tải R 39

Hình 2.35 Điều khiển ổn định giá trị tức thời của điện áp xoay chiều 40

Hình 2.36 Đặc tính quá độ của đối tượng 42

Hình 2.37 Vùng ưu tiên chọn điểm cực trên miền z 43

Hình 2.38 Sơ đồ simulink mô phỏng hệ thống 45

Hình 2.39 Kết quả mô phỏng - Điện áp đầu ra khi không có nhiễu 45

Hình 2.40 Kết quả mô phỏng – Điện áp đầu ra khi có nhiễu đầu ra 46

Hình 3.1 Sơ đồ khối của mạch chuyển đổi DC-DC dạng Full-Bridge 47

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc khối điều khiển 49

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc đối tượng điều khiển 49

Hình 3.4 Mạch driver 50

Hình 3.5 Mạch Fet với snubber bảo vệ 53

Hình 3.6 Bộ lọc một chiều 55

Hình 3.7 Mạch đo áp 56

Hình 3.8 Mạch bảo vệ sử dụng LAH 25-NP 58

Hình 3.9 Lưu đồ của chương trình chính 59

Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán cho ngắt ADC 60

Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán cho ngắt Timer 61

Hình 3.12 Mạch điều khiển 62

Hình 3.13 Mạch điều khiển, mạch lực và biến áp xung 62

Hình 3.14 Bộ biến đổi DC -DC 63

Hình 3.15 Dạng sóng đo vào chân van 63

Hình 3.16 Dạng sóng đo vào sơ cấp biến áp 64

vi

Hình 3.18 Dạng sóng đo được sau chỉnh lưu và trước lọc 65

Hình 3.19 Dạng điện áp ra sau chỉnh lưu 65

Hình 3.20 Mạch lọc LC 66

Hình 3.21 Thiết kế khối đo điện áp xoay chiều 70

Hình 3.22 Thiết kế khối mạch OPTO 70

Hình 3.23 Mạch test đáp ứng thời gian của OPTO 71

Hình 3.24 Thiết kế khối bảo vệ sụt áp cho IPM 72

Hình 3.25 Tính toán mạch khởi động IPM 74

Hình 3.26 Tính toán khối đo dòng bảo vệ IPM 76

Hình 3.27 Lưu đồ thuật toán hàm main 1 vòng điều khiển 79

Hình 3.28 Lưu đồ thuật toán ngắt ADC 80

Hình 3.29 Phân chia thời gian đo ADC trong 1 chu kỳ PWM 81

Hình 3.30 Lưu đồ thuật toán cho ngắt PWM 81

Hình 3.31 Giản đồ xung mô tả thuật toán PWM 82

Hình 3.32 Cấu trúc hai vòng điều khiển 83

Hình 3.33 Lưu đồ thuật toán thực hiện hàm main - 2 vòng điều khiển 84

Hình 3.34 Lưu đồ thuật toán cho module PWM- 2 vòng điều khiển 85

Hình 3.35 Bộ biến đổi DC – AC 86

Hình 3.36 Bộ chuyển đổi DC – AC đã thiết kế được đóng hộp 87

Hình 3 37 Dạng sóng sin sau bộ chuyển đổi DC - AC 87

1

LỜI MỞ ĐẦU

Trong vài chục năm trở lại đây, cùng với sự phát triển của các ngành kĩ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kĩ thuật điều khiển và tựđộng hóa đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới Tự động hóa quá trình sản xuất đang được phổ biến rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng

Tuy nhiên, đi liền với sự phát triển là các yêu cầu mới, ngày càng khắt khe hơn, phức tạp hơn Một trong số các yêu cầu đó là yêu cầu sử dụng được những nguồn năng lượng sạch từ tự nhiên như năng lượng gió, mặt trời, thủy triều … để khắc phục tình trạng thiếu hụt điện nghiêm trọng ở Việt Nam hiện nay Nguồn năng lượng sạch từ tự nhiên là vô cùng phong phú nhưng chúng ta mới sử dụng một phần rất nhỏ, chưa khai thác triệt để tiềm năng sẵn có của nó

Nguồn điện thu được từ năng lượng gió, mặt trời, thủy triều … là nguồn một chiều nên có khả năng lưu trữ điện năng lâu dài trong các thiết bị lưu trữ như ắc quy, pin Do vậy, nguồn điện đó thường có biên độ cố định, không được điều khiển nên gặp rất nhiều khó khăn trong việc cung cấp nguồn điện cho các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, truyền thông…

Vì những lí do trên mà bộ chuyển đổi nguồn DC - AC đang được sử dụng ngày càng rộng rãi Bộ chuyển đổi nguồn DC - AC là một thiết bị công suất, biến đổi điện áp một chiều đầu vào không được điều khiển thành điện áp xoay chiều đầu

ra với các mức điện áp mong muốn nhằm cung cấp điện cho các thiết bị sử dụng nguồn điện xoay chiều

Chính vì thế, tôi đã chọn luận án “Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển thiết

bị nguồn điện dự phòng sử dụng năng lượng mặt trời 2kW “ do thầy giáo TS.Lưu

Hồng Việt hướng dẫn

Luận án được trình bày trong 4 chương chính:

Chương I: Tổng quan về bộ thiêt bị dự phòng trình bày về nguyên lý hoạt

động của bộ thiết bị nguồn điện dự phòng Qua đó, tập trung giải quyết các vấn đề

về bộ chuyển đổi nguồn DC-AC Chương I cũng nói rõ cấu trúc của bộ chuyển đổi

2

nguyên lý hoạt động cũng như phương pháp điều xung của các bộ biến đổi

Chương II: Thiết kế bộ điều khiển cho bộ thiết bị dự phòng đưa ra mô

hình toán học của các bộ biến đổi Từ đó, thiết kế bộ điều khiển cho từng bộ biến đổi Chương II tập trung vào việc nâng cao chất lượng bộ điều khiển của bộ biến đổi DC-DC

Chương III: Thiết kế hệ thống thực tế trình bày về việc thiết kế và tính

toán mạch thực tế của bộ biến đổi DC – AC Chương III cũng trình bày về giải pháp phần mềm cho mạch đã thiết kế, đồng thời đưa ra một số hình ảnh thực tế về mạch cũng như các dạng sóng ở một số vị trí để so sánh với lý thuyết

Chương IV: Kết luận nêu ra những kết quả đã đạt được trong thời gian tìm

hiểu, nghiên cứu luận án đồng thời đưa ra hướng phát triển mới cho luận án

Do trình độ kiến thức có hạn, sự hạn chế về thời gian cũng như về kinh nghiệm thực tế nên luận án không thể tránh khỏi những thiếu sót, kính mong các thầy cô giáo chỉ bảo để luận án được hoàn thiện hơn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới toàn thể các thầy cô giáo bộ môn Điều Khiển Tự Động và bộ môn Tự Động Hóa, đặc biệt là sự huớng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy giáo TS Lưu Hồng Việt đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất có thể cho tôi thực hiện đồ án Xin cám ơn các bạn cùng phòng nghiên cứu về sự hợp tác nhiệt tình và hiệu quả

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Bùi Hoàng Giang

Hình 1.1 Ứng dụng của bộ biến đổi DC – AC trong hệ thống năng lượng tái tạo

Bức xạ mặt trời

Pin mặt trời

Bộ điều khiển sạc

Bộ lưu trữ năng lượng

Bộ nghịch lưu

Thiết bị một chiều (DC) Thiết bị

xoay chiều (AC)

4

Pin mặt trời có nhiệm vụ hấp thụ quang năng từ ánh sáng mặt trời để biến đổi thành điện năng, tạo ra dòng điện một chiều Dòng điện này được dẫn tới bộ điều khiển là một thiết bị điện tử có chức năng điều hòa tự động các quá trình nạp điện vào bộ lưu trữ năng lượng một chiều và phóng điện từ bộ lưu trữ năng lượng này (ắcquy) ra các thiết bị điện một chiều (DC) Ngoài ra, bộ thiết bị dự phòng còn có khả năng cung cấp cho các tải xoay chiều (đèn, quạt, radio, TV, máy tính…) thông qua bộ nghịch lưu

Các bộ nghịch lưu có rất nhiều ứng dụng ở những nơi không có điện lưới hoặc khi xảy ra sự cố về điện lưới, nó được sử dụng để biến đổi các nguồn một chiều điện áp thấp như ắc-qui, pin mặt trời hoặc pin nhiên liệu thành điện xoay chiều 220VAC/50Hz phục vụ các thiết bị dân dụng

Quá trình biến đổi điện áp từ một chiều ắc quy thành điện xoay chiều 220VAC/50Hz thường thông qua 2 giai đoạn chính:

Hình 1.2 Phương pháp biến đổi DC-AC

- Giai đoạn 1: Biến đổi nguồn DC điện áp thấp thành nguồn DC điện áp cao 400VDC thông qua mạch Boost DC-DC converter

- Giai đoạn 2: Biến đổi điện áp cao 400VDC thành điện áp xoay chiều 220VAC/ 50Hz cần dùng

Một phương pháp khác là chuyển nguồn DC điện áp thấp thành nguồn AC, sau đó sử dụng khuyếch đại công suất và biến áp để nâng điện áp AC lên mức yêu cầu Tuy nhiên, chất lượng điện áp đầu ra kém hơn nhiều so với phương pháp thứ

5

nhất Chính vì vậy, luận án tập trung vào phương pháp thứ nhất - phương pháp được

sử dụng rộng rãi nhất hiện nay

1.2 Bộ biến đổi DC - DC

Về nguyên lý, bộ biến đổi DC-DC có thể được phân thành 2 nhóm chính:

 Bộ biến đổi DC-DC không cách ly

 Bộ biến đổi DC-DC có cách ly

Các bộ biến đổi DC-DC không cách ly cho công suất hạn chế, chỉ phù hợp với các bài toán công suất nhỏ và chất lượng không cao Vì vậy, bộ biến đổi DC-

DC có cách ly là bộ biến đổi được chọn

1.2.1 Bộ biến đổi DC-DC có cách ly

Bộ biến đổi DC-DC có cách ly có các cấu trúc chính cũng như các chỉ tiêu chất lượng như trong bảng 1.1

Bảng 1.1 So sánh chỉ tiêu chất lượng các cấu trúc của bộ biến đổi DC-DC [9]

Để chọn cấu trúc của bộ biến đổi DC-DC cần căn cứ vào các chỉ tiêu chính sau:

- Bài toán có yêu cầu biến áp các ly giữa đầu vào và đầu ra hay không?

- Dòng cực đại đặt lên van là bao nhiêu?

- Dải điện áp lớn nhất mà van có thể chịu được là bao nhiêu?

6

Với yêu cầu của bài toán nâng điện áp một chiều từ 48VDC lên 400VDC công suất 2KW, có biến áp cách ly giữa đầu vào và đầu ra nên bộ biến đổi DC-DC dạng Full-bridge là bộ biến đổi phù hợp nhất Bộ biến đổi DC-DC dạng Full-bridge

có chất lượng đầu ra khá cao tuy nhiên việc điều khiển van khá phức tạp

1.2.2 Nguyên lý hoạt động bộ biến đổi Full-bridge

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Full-Bridge

Hình 1.3 là sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi Full-bridge Trong đó:

in

V : Là điện áp vào cần tăng áp

Q1, Q2, Q3, Q4 là các van công suất được điều khiển để đóng mở tạo ra điện

áp xung đặt lên cuộn sơ cấp biến áp xung

Biến áp xung: Nâng áp với tỷ lệ cuộn sơ cấp trên thứ cấp là N1:N2 và để cách ly điện áp giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống

Diot cao tần D1 và D2 để chỉnh lưu điện áp phía thứ cấp biến áp xung, điện

áp qua nhánh này sẽ là V oi

L, C: là bộ lọc để lọc thành phần cao tần, điện áp sau bộ lọc sẽ là điện áp một chiều V0

Nhờ khả năng điều khiển đóng mở các van Q1, Q2, Q3, Q4 sẽ tạo ra được điện

áp xung V1 với tần số cao (thường vài chục kHz đến trăm kHz) đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp

7

Điện áp V1 tại cửa ra của cầu H có thể bằng 0, -Vin, +Vin phụ thuộc và cách điều khiển đóng mở các van công suất trên Các cặp van (Q1, Q3), (Q2, Q4) được điều khiển theo chế độ bù (trạng thái ngược nhau) có tính tới thời gian trễ chuyển mạch nhằm tránh hiện tượng trùng dẫn giữa các van

Điện áp dạng xung vuông xoay chiều ở đầu ra của cuộn thứ cấp được chỉnh lưu hai nửa chu kỳ nhờ các diode tần số cao D1 và D2 Bộ lọc thông thấp LC được

sử dụng ở đầu ra để lấy ra điện áp ra một chiều bằng phẳng Vo từ chuỗi xung vuông

Voi

1.2.3 Phương pháp điều xung

Có 2 phương pháp phổ biến để điều xung đóng mở van đối với mạch bridge là cách điều xung kiểu bù và cách điều xung kiểu dịch pha

full-Phương pháp 1: Điều xung kiểu bù

Hình 1.4 Giản đồ xung mở các van kiểu bù

Phương pháp điều xung kiểu bù điều khiển mở các cặp van với tần số f theo kiểu bù với độ rộng xung là như nhau Khi van Q1 và Q4 mở thì điện áp đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp xung là V1 = +Vd Khi van Q2 và Q3 mở thì điện áp đặt lên cuộn sơ cấp V1 = -Vd Khi các van đều khóa thì điện áp V1 = 0 Điện áp sau khối chỉnh lưu V0 là điện áp xung có tần số bằng 2f, độ rộng gấp đôi độ rộng xung điều khiển mở van

Điện áp đầu ra được tính theo công thức sau: 0 2

Với D là thời gian mở van trong 1 chu kì, tính theo đơn vị phần trăm (%)

Phương pháp 2: Điều xung kiểu dịch pha:

Phương pháp điều xung kiểu dịch pha điều khiển từng cặp van theo kiểu bù với độ rộng xung là như nhau (thường duty = 50%) Khi van Q1 và Q4 mở thì điện

8

áp đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp xung là V1 = +Vin Khi van Q3 và Q2 mở thì điện

áp đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp xung là V1 = -Vin Và khi V1 = 0 có nghĩa là Q1

Hình 1.5 Giản đồ xung mở các van theo phương pháp dịch pha

Quan sát giản đồ thời gian trên hình 1.5, nhận thấy giá trị độ lớn điện áp trung bình được đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp xung trong một nửa chu kì là

2 Vin

T



9

Khi qua phần điot chỉnh lưu hai nửa chu kỳ thì phần điện áp âm sẽ được lật lên thành điện áp dương Giả sử bỏ qua tổn hao thì điện áp trung bình ở đầu ra V0 sẽ là:

2 0

Ngược lại, với cách điều xung kiểu dịch pha, tại bất kì thời điểm nào, sẽ có ít nhất 1 van mở, như vậy năng lượng trong cuộn dây sơ cấp của biến áp xung sẽ không đánh ngược trở lại van mà trả về nguồn Với cách điều khiển này sẽ hạn chế được tối đa các sóng hài không mong muốn, giúp cho việc điều khiển dễ dàng hơn Với việc phân tích như trên, phương pháp điều xung kiểu dịch pha là phương pháp được lựa chọn

1.3 Bộ biến đổi DC – AC

1.3.1 Nguyên lý hoạt động

Hình 1.6 là sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi DC – AC Trong đó:

- Vi là điện áp vào cần tăng áp

- Q1, Q2, Q3, Q4 là các van công suất của bộ nghịch lưu

- L, C là bộ lọc thông thấp Điện áp sau bộ lọc sẽ là điện áp xoay chiều thuần sin

Cầu H được chia thành hai nhánh Q1-Q2 và Q3-Q4 Tùy thuộc vào sự đóng cắt của các van Q1, Q2 , Q3 và Q4 mà điện áp ra của cầu Vab có giá trị là +Vi hay –Vihay là bằng 0

- Khi các van đều bị khóa thì điện áp ra của cầu Vab = 0

- Hiện tượng trùng dẫn : là hiện tượng hai van trên cùng một nhánh cùng thông, dẫn đến hiện tượng ngắn mạch Vì vậy, cần phải tính toán thời gian phát xung cho các van để đảm bảo không xảy ra hiện tượng trùng dẫn này

1.3.2 Phương pháp điều xung

Việc đóng cắt các van được thực hiện bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) Có hai phương pháp phổ biến để điều chế PWM: Bipolar và Unipolar

11

Phương pháp 1: Phương pháp Unipolar – hình 1.7

- Nếu u(k) > 0 thì sẽ điều chế hai van Q1 và Q4: Q4 luôn thông, điều chế Q1

- Nếu u(k) < 0 thì sẽ điều chế hai van Q2 và Q3: Q2 luôn thông, điều chế Q3

Ở phương pháp này, cặp Q1-Q2, Q3-Q4 hoạt động ở chế độ bù

Điện áp ra Vab = VA –VB sẽ có 3 trạng thái +Vi, -Vi và 0

Hình 1.7 Điều chế PWM theo phương pháp Unipolar

Phương pháp 2: Phương pháp Bipolar – hình 1.8

Ở phương pháp này, với một tín hiệu u(k) thì cả 4 van đều tham gia điều chế,

4 van được chia thành hai nhóm Q1 – Q4 và Q2 – Q3, hai nhóm van này sẽ phát xung

ở chế độ bù nhau Điện áp ra sẽ có hai trạng thái –Vi hoặc +Vi

12

Hình 1.8 Điều chế PWM theo phương pháp Bipolar

Lựa chọn phương pháp điều chế PWM:

Từ hai sơ đồ trên, dễ dàng nhận thấy ưu điểm của phương pháp Bipolar là sự đóng cắt được thực hiện đơn giản hơn phương pháp Unipolar, nhưng ngược lại, số lần đóng cắt các van lại tăng và độ bằng phẳng của dòng điện ra sẽ giảm – chất lượng giảm Vì lý do đó, phương pháp điều chế Unipolar là phương pháp được lựa chọn trong luận án

13

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ

THIẾT BỊ DỰ PHÒNG

Module control DC- DC

BoostDC-DC

Hình 2.1 Bộ điều khiển cho bộ thiết bị dự phòng

Bộ thiết bị dự phòng gồm hai bộ biến đổi chính: bộ DC-DC tăng áp và bộ chuyển đổi DC-AC Để thuận tiện cho việc tìm hiểu và nghiên cứu, coi hai bộ biến đổi hoạt động độc lập với nhau, mỗi bộ được điều khiển bởi một module riêng biệt như hình 2.1

2.1 Xây dựng mô hình bộ biến đổi DC-DC

2.1.1 Xây dựng mô hình toán học của bộ biến đổi DC-DC

Các thành phần của bộ biến đổi:

 Nguồn một chiều Vi

 Khối van công suất gồm 4 van mắc theo sơ đồ hình cầu H

 Biến áp xung: có tác dụng nâng điện áp đầu vào theo tỷ lệ của hệ số biến áp

 Khối chỉnh lưu: Gồm các diot

 Khối lọc một chiều LC: L để chặn thành phần xoay chiều, C để thoát thành phần xoay chiều xuống đất

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi DC-DC dạng full-bridge

Hình 2.3 là giản đồ thời gian của các van Q1, Q3, Q2, Q4, điện áp bên sơ cấp

biến áp





Hình 2.3 Giản đồ thời gian xung điều khiển các van dạng phase-shifted và điện

áp bên sơ cấp biến áp

15

Tín hiệu điều khiển đối với sơ đồ này là độ dịch pha , với 0T/ 2, với

T là chu kì điều chế xung PWM

Xét trong một nửa chu kì điều khiển có:

Khi 0  t , các transistor Q1 và Q4 đóng, sơ đồ mạch tương đương sẽ có dạng như hình 2.4

50 RL 1:n

Bien ap xung

2mH

Lo Cuon cam

1000uF Co D1

16

Khi

2

T t

  , các transistor Q1và Q2 cùng đóng, sơ đồ mạch tương đương

có dạng như hình 2.5

50 RL

2mH

Lo Cuon cam

1000uF Co D1

Hình 2.6 Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu

Điện áp đầu ra thu được sau khi cho điện áp sau chỉnh lưu qua bộ lọc, vậy từ dạng điện áp đầu ra sau chỉnh lưu có thể thấy: khi  tăng dần trong khoảng

L n u Vi V dt

L

di C

sample signalma

10

signa l m samp le

Điều này đảm bảo rằng tín hiệu điều khiển ra sẽ được thực thi

2.1.2 Xây dựng mô hình mô phỏng bộ biến đổi DC – DC

2.1.2.1 Sơ đồ mạch lực

Mạch lực bao gồm: Mạch cầu H, biến áp xung, chỉnh lưu và phần lọc Ngoài

ra còn có tải đầu ra có thể thay đổi

Hình 2.7 Sơ đồ mạch cầu H

19

Hình 2.8 Sơ đồ mô phỏng phần biến áp, chỉnh lưu và lọc

2.1.2.2 Sơ đồ mạch điều khiển

Hình 2.9 Sơ đồ mạch điều khiển

Do bộ biến đổi DC – DC có tải thay đổi liên tục nên chỉ có thể ổn định điện

áp đầu ra Vì vậy tín hiệu phản hồi chỉ có điện áp đầu ra

Bộ điều khiển ở đây có vai trò tính toán ra giá trị điều khiển u để đưa vào bộ phát xung PWM Bộ điều khiển sẽ được nói rõ hơn ở các phần sau

Bộ phát xung PWM có vai trò chuyển đổi từ tín hiệu u sang góc alpha Sau

đó, tạo xung PWM đưa vào cực G của 4 van Q1, Q2, Q3, Q4 ở mạch lực

20

Hình 2.10 Bộ phát xung PWM

2.2 Xây dựng bộ điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC

2.2.1 Bộ điều khiển PID

21

2.2.1.2 Đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển PID

Hình 2.11 Bộ điều khiển PID

Sau khi tính toán các tham số Ziegler-Nichols và hiệu chỉnh bộ tham số PID, được bộ tham số K P = 2; K I = 0.02; K D = 0.0005 với đáp ứng của hệ thống như hình 2.12

Hình 2.12 Đáp ứng đầu ra của bộ biến đổi DC – DC

ra không thích hợp để ổn định hệ thống Do đó, cần chỉnh định lại bộ tham số PID Điều này có thể được thực hiện nhờ một bộ chỉnh định thông số PID riêng dựa vào các đáp ứng của hệ thống

2.2.2 Nâng cao chất lượng hệ thống bằng cách sử dụng bộ điều khiển mờ

2.2.2.1 Luật chỉnh định PID

Hình 2.13 Đáp ứng của hệ thống trên miền thời gian

+ Lân cận a1 cần luật điều khiển mạnh để rút ngắn thời gian đạt giá trị đặt

Do vậy chọn: KP lớn, KD nhỏ và KI nhỏ

+ Lân cận b1 tránh vọt lố lớn nên chọn: KP nhỏ, KD lớn, KI nhỏ

+ Lân cận c1 và d1 giống như lân cận a1 và b1

23

Hình 2.14 Bộ điều khiển PID mờ

Chính vì vậy, các tham số KP, KI, KD cần được chỉnh định phù hợp với từng lân cận Có nhiều phương pháp để chỉnh định các tham số này Một trong những phương pháp hay được sử dụng nhất đó chính là phương pháp mờ hóa các tham số PID dựa trên sai lệch e(t) và đạo hàm de(t)

2.2.2.2 Các bước thực hiện thiết kế bộ điều khiển mờ

a) Xác định biến ngôn ngữ:

- Đầu vào: 2 biến

o Sai lệch ET = Đo - Đặt được chọn trong miền giá trị [-2;+2]

o Đạo hàm sai lệch DET được chọn trong miền giá trị [-500;+500]

- Đầu ra: 3 biến

o KP: hệ số tỷ lệ

o KI: hệ số tích phân

o KD: hệ số vi phân

- Số lượng biến ngôn ngữ

o ET = {âm nhiều, âm vừa, âm ít, zero, dương ít, dương vừa, dương nhiều}

Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh Đổi lại là độ vọt

lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định

25

Luật chỉnh định K D

Giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và

có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số

+ Chọn luật hợp thành theo quy tắc Max-Min

+ Giải mờ theo phương pháp trọng tâm

Để chỉnh định bộ điều khiển theo các chỉ tiêu này, cần phải hiệu chỉnh hàm liên thuộc, thiết lập các nguyên tắc điều khiển phụ và thay đổi một số nguyên tắc điều khiển và cuối cùng được bộ điều khiển mờ như ở mục 2.2.3

26

2.2.3 Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng Matlab & Simulink

2.2.3.1 Mô hình hệ thống với bộ điều khiển PID mờ

Bộ điều khiển PID mờ được xây dựng từ các tham số KP, KI, KD – đầu ra của các bộ mờ với công thức 2.10 đã nêu ở mục 2.2.1.1:

0

( ) ( ) ( ) ( ).

Hình 2.15 Mô phỏng bộ điều khiển PID mờ

Hình 2.16 và hình 2.17 là hàm liên thuộc vào của bộ điều khiển mờ

Hình 2.18 đến hình 2.23 lần lượt là các hàm liên thuộc ra cũng như bề mặt trong không gian của các hệ số đầu ra KP, KI, KD sau khi đã được chỉnh lại độ che phủ lên nhau của các giá trị ngôn ngữ, điều chỉnh lại các luật điều khiển

Hình 2.24 là sơ đồ Simulink của bộ biến đổi DC – DC bao gồm đầy đủ mạch điều khiển, mạch lực cũng như mạch lọc

27

Hình 2.16 Hàm liên thuộc đầu vào thứ nhất E

Hình 2.17 Hàm liên thuộc đầu vào thứ hai DE

28

Hình 2.18 Hàm liên thuộc đầu ra K P

Hình 2.19 Luật chỉnh định K P trong không gian

29

Hình 2.20 Hàm liên thuộc đầu ra K I

Hình 2.21 Luật chỉnh định K I trong không gian

30

Hình 2.22 Hàm liên thuộc đầu ra K D

Hình 2.23 Luật chỉnh định K D trong không gian

31

Hình 2.24 Sơ đồ Simulink của bộ biến đổi DC - DC

32

2.2.3.2 Đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển PID mờ

Hình 2.25 Dạng sóng của các nhánh van và điện áp bên sơ cấp

Hình 2.25 cho thấy dạng sóng của điện áp mở van và điện áp bên sơ cấp giống như lý thuyết đã chỉ ra ở phần trên (hình 1.5)

Nghĩa là khi van Q1 và Q4 mở thì điện áp đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp xung là V1 = +Vin Khi van Q3 và Q2 mở thì điện áp đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp xung là V1 = -Vin Và khi V1 = 0 có nghĩa là Q1 và Q2 hoặc Q3 và Q4 cùng mở

Hình 2.26, 2.27, 2.28 cho thấy đáp ứng của hệ thống khi thay đổi tải với giá trị khác nhau với điện áp đặt 400V

Hình 2.29 và 2.30 cho thấy đáp ứng của hệ thống khi thay đổi giá trị điện áp đặt lần lượt là 350V và 450V

33

Hình 2.26 Đáp ứng của bộ biến đổi DC - DC

Hình 2.27 Điện áp đầu ra khi tải thay đổi từ 100 Ohm-150 Ohm