Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC DC

Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC MỞ ĐẦU Hiện nay với sự phát triển của khoa học công nghệ, con người đã sử dụng được những nguồn năng lượng sạch từ tự nhiên như

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

VŨ HOÀNG ANH

Thiết kế bộ điều khiển trượt cho

bộ biến đổi nguồn DC-DC

Trang 2

Thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi nguồn DC-DC

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG I: PHÂN LOẠI VÀ LỰA CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN DC-DC 8

1.1 Phân loại sơ đồ biến đổi DC-DC 8

1.1.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly 8

1.1.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly 8

1.1.3 Lựa chọn Topology cho bộ chuyển đổi DC-DC 9

1.2 Sơ đồ và nguyên lý bộ biến đổi Full-Bridge 10

1.2.1 Sơ đồ cấu tạo 10

1.2.2 Nguyên lý hoạt động 10

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 13

2.1 Giải pháp thiết kế 13

2.1.1 Khối điều khiển 14

2.1.2 Thiết kế các thành phần công suất 14

2.1.3 Mạch đo và mạch bảo vệ 27

2.2 Phương pháp điều khiển 30

2.3 Tổng quan về bộ điều khiển trượt 31

2.3.1 Điều kiện tồn tại 33

2.3.2 Điều kiện tiếp cận mặt trượt 34

2.3.3 Mô tả hệ thống trong chế độ trượt 34

2.3.4 Hiện tượng Chattering 35

2.3.5 Điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC 36

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 38

3.1 Mô hình hóa hệ thống 38

3.2 Mô hình hóa hệ thống với bộ điều khiển trượt 41

3.3 Thiết kế bộ điều khiển trên miền liên tục 44

3.3.1 Xét điều kiện tồn tại 45

3.3.2 Lựa chọn hệ số trượt 46

3.3.3 Tính toán phương trình điều khiển cho bộ điều khiển trượt dựa vào phương pháp điều chế độ rộng xung 47

3.4 Tính toán thiết kế với bộ điều khiển số 50

3.5 Kết quả mô phỏng 53

3.6 Kết quả thực nghiệm 59

3.6 Giải pháp phần mềm 63

KẾT LUẬN 65

TÀI LIỆU THAO KHẢO 66

Trang 3

PHỤ LỤC 68

A Bao gồm các khối Driver, Mosfet và khối mạch bảo vệ cứng 68

B Mạch chỉnh lưu, mạch lọc và mạch do dòng và áp 69

C Mạch điều khiển sử dụng dsPic30F2020 70

D Chương trình điều khiển trượt viết bằng ngôn ngữ C 71

Trang 4

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý mạch biến đổi Full-Bridge 10

Hình 2: Giản đồ xung mở các van theo phương pháp dịch pha 11

Hình 3: Giản đồ xung mạch của sơ đồ biến đổi Full-Bridge 11

Hình 4: Sơ đồ khối của mạch chuyển đổi DC-DC dạng Full-Bridge 13

Hình 5: Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi DC-DC dạng Full-Bridge 14

Hình 6: Sơ đồ biến đổi xung áp song song a) Mạch khi van mở; b) Mạch rút gọn; c) Dạng sóng của điện áp và dòng ở trạng thái lý tưởng 17

Hình 7: Dạng dòng điện và điện áp trên van khi tính đến các thành phần điện cảm và tụ ký sinh trong sơ đồ 18

Hình 8: Mạch snubber sử dụng RC 18

Hình 9: Mạch snubber RCD 19

Hình 10: Tổn hao của mạch theo tỷ số C C 21 s/ n Hình 11: Quan hệ giữa điện áp vào cực G và dòng qua van 22

Hình 12: Kích thước và thông số của lõi ferrit E55 23

Hình 13: Bộ lọc một chiều 26

Hình 14: Mạch đo áp 28

Hình 17: Sơ đồ khối chỉ ra một vài phương pháp điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC 31 Hình 18: Ứng dụng của điều khiển trượt trong các hệ thông điện và cơ 32

Hình 19: Hiện tượng chatterring dẫn đến sự phi tuyến của hệ thống .36

Hình 20: Mô hình hóa bộ biến đổi DC-DC 38

Hình 21: Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi dc-dc dạng full-bridge 38

Hình 22: Giản đồ thời gian xung điều khiển các van dạng phase-shifted và điện áp bên sơ cấp biến áp 39

Hình 23: Sơ đồ rút gọn khi 0 t< < 39α Hình 24: Sơ đồ rút gọn khi α≤ ≤t T/ 2 .40

Hình 25: Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu 41

Hình 26: Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi dc-dc fullbridge dùng bộ điều khiển điện áp trượt 42 Hình 27: Sơ đồ nguyên lý của bộ chuyển đổi dc-dc fullbridge dùng bộ điều khiển điện áp trượt 42 Hình 28: Sơ đồ nguyên lý của bộ chuyển đổi dc-dc dạng full-bridge áp dụng phương pháp điều khiển điện áp trượt dựa trên PWM 49

Hình 29: Sơ đồ mạch cầu H 53

Hình 30: Sơ đồ mô phỏng phần biến áp, chỉnh lưu và lọc 53

Hình 31: Tính toán các hệ số cho mặt trượt 54

Hình 32: Bộ điều chế độ rộng xung đưa tới các van 54

Hình 33: Sơ đồ Simulink của bộ chuyển đổi .55

Hình 34: Dạng sóng của các nhánh van và điện áp bên sơ cấp 55

Hình 38: Điện áp ra của bộ chuyển đổi khi thay đổi tải từ 50ohm-500ohm 57

Hình 42: Dạng sóng đo được ở kênh thấp 60

Hình 43: Dạng sóng đo được ở kênh cao 61

Hình 44: Dạng sóng đo được ở đầu vào sơ cấp biến áp 61

Trang 5

Hình 47: Lưu đồ thuật toán điều khiển .64

Trang 6

MỞ ĐẦU

Hiện nay với sự phát triển của khoa học công nghệ, con người đã sử dụng được những nguồn năng lượng sạch từ tự nhiên như năng lượng gió, mặt trời, thủy triều… Ở Việt Nam hiện nay liên tục xảy ra tình trạng thiếu hụt điện nghiêm trọng gây ảnh hưởng không nhỏ tới sản xuất công nghiệp cũng như sinh hoạt, do vậy cũng

đã bắt đầu sử dụng những nguồn năng lượng này trong việc giải quyết bài toán năng lượng quốc gia Những nguồn năng lượng trên đã cung cấp một lượng năng lượng lớn đáp ứng nhu cầu của con người

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 tạo ra là nguồn một chiều nên nó 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 Vì thế 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

Mặt khác, hiện nay, do nhu cầu về năng lượng điện của con người ngày càng tăng, việc đầu tư cho hệ thống lưới điện lại đòi hỏi rất nhiều kinh phí dẫn tới tình trạng quá tải, thiếu hụt điện năng và chất lượng điện năng suy giảm Ðiều này ảnh hưởng trực tiếp tới các thiết bị dùng điện, đặc biệt ảnh hưởng lớn tới tuổi thọ các thiết bị điện tử nhạy cảm như hệ thống thông tin, điều khiển trong công nghiệp Ngoải ra, nếu xảy ra tình trạng mất điện làm cho các thiết bị ngừng hoạt động, không những gây tổn thất không nhỏ về mặt kinh tế cho các doanh nghiệp và nhà nước mà còn ảnh hưởng đến tính mạng của con người khi sử dụng các máy móc hiện đại để điều trị trong y học Vì những lí do đó mà bộ biến đổi nguồn DC-DC đang được sử dụng ngày càng rộng rải Bộ biến đổi nguồn DC-DC là một thiết bị công suất, biến đổi điện áp một chiều đầu vào không được điều khiển thành điện áp một chiều đầu ra với các mức điện áp mong muốn nhằm cung cấp điện cho các thiết

bị sử dụng nguồn điện một chiều

Trang 7

Với mục đích nghiên cứu và thiết kế bộ biến đổi DC-DC có thể biến đổi những nguồn năng lượng một chiều từ các thiết bị lưu trữ như pin, ắc quy thành nguồn điện một chiều có điều khiển với biên độ điện áp mong muốn, chất lượng điện áp cao, có tính bền vững, cũng như đáp ứng được sự thay đổi lớn từ phía tải Như vậy bài toán đặt ra là cần phải thiết kế bộ điều khiển vừa đáp ứng được điện áp

ra mong muốn, tính bền vững, sự thay đổi lớn ở phía tải và cũng vừa dễ thực thi, giá thành thấp Có nhiều phương pháp đưa ra để điều khiển bộ biến đổi DC-DC nhưng thích hợp nhất là bộ điều khiển trượt, lý thuyết điều khiển trượt cũng được nhắc đến nhiều nhưng việc áp dụng vào trong bộ điều khiển DC-DC còn rất hạn chế và chưa

có một quy trình cụ thể nào Do vậy tôi đã chọn thiết kế bộ điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC, với đầu vào là nguồn một chiều 48V, đầu ra là nguồn một chiều 400V, công suất đầu ra là 2-3KW

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo hướng dẫn TS Lưu Hồng Việt đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp

Trang 8

CHƯƠNG I: PHÂN LOẠI VÀ LỰA CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI

NGUỒN DC-DC

1.1 Phân loại sơ đồ biến đổi DC-DC

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

1.1.1 Sơ đồ biến đổi DC-DC không cách ly

Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều được tạo ra nhờ viêc phóng nạp tụ từ dòng điện qua cuộn cảm L được cung cấp bởi nguồn cấp Điện áp một chiều đầu ra thay đổi nhờ có việc phóng nạp được thay đổi bởi van công suất được mắc hợp lý tùy thuộc vào từng sơ đồ

Các sơ đồ theo nguyên lý này gồm có:

- Sơ đồ biến đổi Buck,

- Sơ đồ biến đổi Boost,

- Sơ đồ biến đổi Buck-Boost

Các sơ đồ không cách ly cho công suất hạn chế, do đó chỉ phù hợp với công suất nhỏ và yêu cầu chất lượng không cao

1.1.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly

Với nhóm sơ đồ này, điện áp một chiều đầu vào được biến đổi thành điện áp xoay chiều cao tần và biên độ điện áp xoay chiều được 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 biến đổi này gồm có :

- Sơ đồ biến đổi FlyBack,

- Sơ đồ biến đổi Forward,

- Sơ đồ biến đổi Push-Pull,

- Sơ đồ biến đổi Half-Bridge,

- Sơ đồ biến đổi Full-Bridge

Trang 9

Đối với các sơ đồ cách ly sử dụng biến áp thì ưu điểm hơn về mặt công suất

và vấn đề nâng cao công suất với nguyên lý trên có thể thực hiện dễ dàng, do đó phù hợp với các ứng dụng có công suất lớn và yêu cầu chất lượng cao hơn

1.1.3 Lựa chọn Topology cho bộ chuyển đổi DC-DC

Bảng 1: So sánh chỉ tiêu chât lượng của các topology cho bộ chuyển đổi DC-DC

Topology Dải công

suất (W)

Dải điện áp vào Vin (dc)

Cách ly đầu vào và ra

Hiệu suất (%)

Quan

hệ về giá

- 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?

Căn cứ vào nhu cầu ứng dụng thực tế, giá thành, hiệu suất… mà chúng ta chọn sơ đồ cho phù hợp Với yêu cầu của bài toán nâng điện áp một chiều từ 48VDC lên 400VDC với công suất có thể đạt được 2-3KW, có biến áp cách ly giữa đầu vào và đầu ra nên topology của bộ biến đổi DC-DC dạng Full-bridge là phù hợp nhất Tuy nhiên vấn đề điều khiển van rất phức tạp

Trang 10

1.2 Sơ đồ và nguyên lý bộ biến đổi Full-Bridge

Bộ biến đổi Full-Bridge là loại mạch biến đổi điện áp một chiều thành điện

áp một chiều có cách ly, chất lượng đầu ra khá cao và công suất đạt được vào khoảng hàng kW

1.2.1 Sơ đồ cấu tạo

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý mạch biến đổi Full-Bridge

Ở đây:

in

V : Là dải điện áp vào cần được boost lên

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

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

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 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)

Trang 11

được điều khiển theo chế độ bù (trạng thái ngược nhau) có tính tới thời gian chết 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

Ở đây, ta điều khiển mở các cặp van với tần số f theo chế độ dịch pha Điều khiển từng cặp 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 = +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

Xét cách điều khiển các van dạng dịch pha như sau:

α

Hình 2: Giản đồ xung mở các van theo phương pháp dịch pha

• Giản đồ điện áp và dòng điện

Hình 3: Giản đồ xung mạch của sơ đồ biến đổi Full-Bridge

Trang 12

Quan sát giản đồ thời gian trên hình 2 ta nhận thấy điện áp trung bình được đặt lên cuộn sơ cấp của biến áp xung sẽ là α Khi qua biến áp xung nếu bỏ qua V in

thành phần tổn hao thì điện áp trung bình sẽ là 2

1

in

N V

N α Cuối cùng khi qua phần diot chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ thì phần điện áp âm sẽ được lật lên thành điện áp dương do vậy điện áp trung bình ở đầu ra sẽ là: V0

Trang 13

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC

• Có sử dụng biến áp cách ly giữa đầu vào và đầu ra

Từ nguyên lý chung của bộ biến đổi Full-Bridge và yêu cầu của bài toán ta đưa

ra giải pháp thiết kế sơ đồ khối của bộ biến đổi nguồn DC-DC cầu H và mạch điều khiển như Hình 4:

Hình 4: Sơ đồ khối của mạch chuyển đổi DC-DC dạng Full-Bridge

Trong sơ đồ này có thể chia thành 3 khối chức năng chính:

• Khối điều khiển

• Đối tượng điều khiển: Là bộ biến đổi nguồn DC-DC dạng Full-bridge bao gồm Mạch lực (mạch driver, mạch cầu H), biến áp xung, chỉnh lưu và lọc một chiều

• Khối đo

Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi DC-DC dạng Full-Bridge như sau:

Trang 14

50 RL N1:N2

2mH

Lo Inductor

1000uF Co D1

Hình 5: Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi DC-DC dạng Full-Bridge

2.1.1 Khối điều khiển

Khối điều khiển đảm bảo các điều kiện sau:

- Tốc độ xử lý đủ nhanh để đáp ứng thời gian thực

- Có khối ADC có độ phân giải đủ cao và thời gian xử lý ADC ngắn

- Có khối PWM để điều khiển 2 nhánh van được cả van kênh cao và van kênh thấp

2.1.2 Thiết kế các thành phần công suất

Các phần tử công suất của bộ chuyển đổi DC-DC được thiết kế cho các tham số

a) Khối van công suất

Để tạo điện áp xung từ điện áp một chiều ta sử dụng 4 van công suất và một biến áp xung Các van công suất này là các van điều khiển hoàn toàn như MOSFET, BJT, IGBT Thông thường người ta sử dụng van MOSFET vì chúng có thể hoạt động ở tần số cao và có khả năng chịu dòng lớn

Với yêu cầu của bài toán thì dòng điện hiệu dụng lớn nhất trong mạch là:

2000

41.67

P

I = = = A (2)

Trang 15

Để đạt được điện áp xoay chiều ở sơ cấp biến áp xung có tần số 40KHz, điều này yêu cầu tần số đóng ngắt của van công suất phía sơ cấp cần có tốc độ tương đương Với sơ đồ Full-bridge đã chọn thì điện áp đặt lên van lớn nhất được chọn là 100V để đảm bảo khả năng hoạt động tin cậy

Như vậy khi chọn van ta phải chọn có Ở đây IRFP90N20D được chọn để sử dụng trong mạch, chúng có giá trị chính như sau:

41.67 , 100

Bảng2: Thông số trạng thái của van:

Bảng 3: Thông số đặc trưng cho động học của van:

Ở đây có hai thông số rất quan trọng là:

- Thời gian trễ khi mở van: t d on( )=23ns

- Thời gian trễ khi đóng van: t d off( )=43ns

Trang 16

b) Mạch snubber

Có hai phương pháp cơ bản để giải quyết vấn đề nhiễu xung của một thiết bị bán dẫn

• Phương pháp thứ nhất là chúng ta thay thế thiết bị đó bằng một thiết bị

có đáp ứng tần số cao hơn có khả năng đáp ứng được với nhiễu xung

• Phương pháp thứ hai là đưa thêm mạch snubber vào cùng với thiết bị để

hạ nhiễu xung xuống mức an toàn với thiết bị

Để chọn được phương pháp phù hợp chúng ta thường phải cân nhắc nhiều vấn

đề như: giá thành, sự phổ biến của thiết bị tần số cao, mức độ linh hoạt của mạch, hay hiệu quả dập xung mà mạch snubber mang lại

Mạch snubber được sử dụng chủ yếu là để hạn chế điện áp xung (thường xuất hiện trong quá trình turn-off thiết bị), và dòng xung (thường xuất hiện trong quá trình turn-on) về cả độ lớn lẫn tốc độ tăng giá trị

Nguyên lý:

Với các loại van khác nhau và trong các điều kiện khác nhau thì đặc tính đóng cắt của các van bán dẫn cũng hoàn toàn khác nhau Tuy nhiên quá trình đóng cắt có thể đưa về bốn dạng như sau:

- Sơ đồ biến đổi xung áp nối tiếp (Buck)

- Sơ đồ biến đổi xung áp song song (Boost)

- Sơ đồ biến đổi xung áp nối tiếp – song song (Buck – boost)

- Mạch nhánh nghịch lưu nửa cầu (Inverter pole)

Trang 17

Các trạng thái chuyển mạch trong các sơ đồ đều tương tự nhau vì vậy chỉ cần giải quyết vấn đề thiết kế mạch hỗ trợ van cho một mạch là có thể thiết kế được mạch hỗ trợ van cho các mạch khác Dưới đây là sơ đồ biến đổi xung áp song song

Hình 6: Sơ đồ biến đổi xung áp song song a) Mạch khi van mở; b) Mạch rút gọn;

c) Dạng sóng của điện áp và dòng ở trạng thái lý tưởng

Trong trường hợp lý tưởng, khi van mở, dòng điện sẽ tăng tuyến tính từ 0 đến

Io Khi dòng đạt đến giá trị Io điôt mới khóa lại, khi đó điện áp trên van mới giảm

từ E đến 0 Khi van khóa lại, quá trình xảy ra theo chiều ngược lại Trên đồ thị, có

Trang 18

thể thấy rõ tồn tại những thời điểm mà cả điện áp trên van lẫn dòng điện đều có giá trị lớn gây tổn thất trong quá trình chuyển mạch Nếu tính đến cả những yếu tố thực

tế như điện cảm và tụ điện ký sinh thì dòng điện và điện áp qua van có dạng như sau:

Hình 7: Dạng dòng điện và điện áp trên van khi tính đến các thành phần điện

cảm và tụ ký sinh trong sơ đồ

Chính vì thế, thiết kế mạch hỗ trợ van là một việc hết sức quan trọng trong quá trình thiết kế mạch điện tử công suất Có rất nhiều loại mạch hỗ trợ van nhưng phổ biến nhất là hai loại: mạch RC và mạch RCD

Một số loại mạch hỗ trợ van thông dụng

Mạch RC:

Giả sử có mạch van đóng cắt dòng điện Io dưới điện áp Eo, nối tiếp van là điện cảm Lp, tụ ký sinh của bản thân van là Cp như hình 4a Việc mắc thêm mạch (R nt C) song song với van như hình 4b nhằm làm giảm tổn thất trong quá trình đóng cắt và giảm xung áp trên van

Hình 8: Mạch snubber sử dụng RC

Trang 19

Để dao động sinh ra trong chuyển mạch là tắt dần thì Cs > Cp, cách lựa chọn tốt nhất là bằng 2 lần Cp Rs được chọn sao cho Rs = Eo / Io Như vậy, khi van đóng, dòng có thể chuyển sang mạch trợ giúp mà điện áp trên van không vượt quá

Eo

Khi van mở, tụ Cs phóng điện qua điện trở Rs qua van Dòng điện này có đỉnh khá lớn tuy nhiên thời gian rất ngắn nên không gây nguy hại nhiều về phát nhiệt trên van Nhưng dòng điện phóng của tụ gây phức tạp cho vấn đề di/dt và làm tăng thời gian mở của van

Công suất tiêu tán trên điện trở Rs có thể được xác định qua năng lượng tích trữ trong tụ Cs:

2 0

đóng cắt là fs thì công suất tiêu tán trên Rs sẽ là:

2 0

và vừa Đối với các phần tử không điều khiển như điôt hoặc điều khiển không hoàn toàn như tiristo, triac, mạch RC cần được tối ưu hóa bằng cách chọn giá trị của Lp bằng thực nghiệm

Khi công suất lớn hơn và nhất là đối với các phần tử điều khiển hoàn toàn, để chủ động thời điểm khóa của van như GTO, MOSFET, BJT, IGBT thì cần sử dụng các mạch trợ giúp phức tạp hơn

Mạch RCD

Hình 9: Mạch snubber RCD

Trang 20

Khác với mạch RC, trong mạch RCD, tụ vẫn phóng điện qua trở khi van mở nhưng trở không tham gia vào vấn đề giảm xung điện áp đỉnh trên van vì thế giá trị của trở có thể chọn linh hoạt hơn Ngoài ra mạch mạch RCD có những ưu điểm hơn

so với mạch RC:

• Mạch cho phép suy giảm điện áp đỉnh và làm giảm tổn thất đóng cắt của van cũng như tổn thất trên mạch trợ giúp

• Van được làm việc trong vùng an toàn tốt hơn

• Tụ điện ký sinh trên van cũng được sử dụng như một phần của mạch hỗ trợ van

Tuy nhiên mạch có nhược điểm là dòng nạp tụ Cs lấy thẳng qua điôt Ds không phải là giá trị tối ưu do đó quá điện áp sẽ lớn hơn ở trong mạch RC

Khi van bắt đầu đóng, điện áp trên van tăng chậm trong khi dòng bắt đầu giảm

vì dòng đã chuyển sang mạch điôt, tụ và điện trở Như vậy vùng an toàn và tổn hao đóng cắt cũng giảm đáng kể

Tùy thuộc vào giá trị của Cs mà điện áp E có thể tăng đến Eo trước hay sau khi dòng I về 0 Nếu E = Eo trùng thời điểm I = Io thì Cs = Cn với Cn được xác định như sau:

Trang 21

0 0

2

S n

I t

C

E

= (5)

với là thời gian khóa của van tS

Hình 10: Tổn hao của mạch theo tỷ số C C s/ n

Có thể thấy tỉ số Cs/Cn càng lớn thì tổn hao trên mạch hỗ trợ van càng tăng rất nhanh Vì vậy để tổn hao đóng cắt nhỏ thông thường người ta thường chọn Cs/Cn = 0,5 Khí đó Rs cần chọn để tụ phóng hết điện trong khoảng thời gian mở

van, ton Giá trị của Rs được tính như sau:

2

on S

S

t R

C

=

(6)

Thiết kế:

MOSFET sử dụng trong đồ án là IRFP90N20D

Tụ ký sinh trên MOSFET Cp = 170 pF (trên bảng 3)

Trang 22

S

t R

c) Khối driver cho van:

Ta có quan hệ giữa điện áp vào cực G và dòng qua van như sau:

Hình 11: Quan hệ giữa điện áp vào cực G và dòng qua van

Từ đặc tính này ta thấy muốn van mở hoàn toàn thì điện áp tối thiểu ta cần

là 12V và điện áp cực đại đặt lên nó là 30V (xem trong bảng thông số), vậy ta có các tiêu chuẩn sau để chọn driver cho van :

- Điều khiển được cả van kênh thấp và van kênh cao

Từ những tiêu chuẩn trên tôi chọn driver IR2110 với các thông số như sau:

Trang 23

d) Biến áp xung

Theo yêu cầu đồ án đặt ra, công suất của biến áp xung phải đạt được 2KW trở lên Đây là một yêu cầu rất khó đối với các lõi biến áp xung, đặc biệt là trên thị trường Việt Nam Vì vậy, tôi chọn phương án mắc bốn biến áp song song cuộn sơ cấp, nối tiếp cuộn thứ cấp Như vậy, mỗi biến áp xung cần thiết kế với những yêu cầu sau:

- Công suất đầu ra bằng 2000/4 = 500 (W),

- Tần số 40KHz,

- Điện áp sơ cấp là 48V,

- Điện áp thứ cấp là 400/4=100V

Các bước thiết kế biến áp xung với những yêu cầu ở trên:

1 Chọn lõi biến áp xung

Qua tìm hiểu các lõi biến áp xung trên thị trường Viêt Nam, tôi nhận thấy chỉ

có lõi ferrit E55 thõa mãn công suất đặt ra Lõi E55 có thể thiết kế được với công suất lên tới 1KW Kích thước và các thông số của lõi E55 như sau :

Hình 12: Kích thước và thông số của lõi ferrit E55

Trang 24

2 Tính toán số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp:

Để tính toán số vòng dây cuộn sơ cấp, ta áp dụng định luật Faraday Định luật Faraday phát biểu như sau:

E là suất điện động sinh ra trong lõi, tính bằng Volt

N là số vòng của cuộn dây

Ae là điện tích của lõi, tính bằng cm2

dB/dt là độ biến thiên của từ thông trong một đơn vị thời gian, tính bằng

E = Vin và do có thời gian deadtime, các van chỉ mở tối đa khoảng 80% nên dt = 0,8.T/2, với T là chu kỳ băm xung Mặt khác, với tần số điều chế từ 50KHz trở xuống thì dB có thể lấy bằng 2000G (từ -100G đến +1000G) Từ đó ta tính được số vòng của cuộn sơ cấp NP=7 vòng Điện áp trung bình sau cầu diode được tính theo công thức sau:

0

2

sm o in

ton là thời gian mở của từng van

Từ đó ta có công thức tính số vòng cuộn thứ cấp như sau:

Trang 25

Với V0 = 100V, Vin = 48V, Np = 7 vòng, ton = 0,8T/2, ta tính được Nsm = 19 vòng

3 Lựa chọn dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp Giả sử hiệu suất của biến áp xung

Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn thứ cấp là:

Do thiết kế công suất khoảng 2KW nên dòng điện đầu ra lớn

nhất Imax = P/U = 2000/400 = 5(A)

Dựa vào ba thông số trên tôi chọn diode chỉnh lưu MUR1660 với các thông số như sau:

f) Khối lọc một chiều

Trang 26

Điện áp ra khỏi chỉnh lưu là điện áp một chiều, tuy nhiên có chứa rất nhiều sóng hài bậc cao Yêu cầu điện áp ra khỏi bộ lọc là điện áp không đổi có giá trị là 400V

số điều chế Hệ số truyền đạt của mạng 2 cửa này là :

2

1

1( )

C W

LC L

C

ωω

Hệ số truyền đạt càng nhỏ, điện áp một chiều ra càng phẳng

1 Tính toán giá trị điện cảm của cuộn lọc

Đối với sơ đồ Full-Bridge, điện cảm của cuộn lọc được tính theo công thức [8]

Trang 27

2 Tính toán giá trị điện dung của tụ lọc

Tùy thuộc vào độ mịn của điện áp ra mà ta chọn giá trị tụ lọc thích hợp Giá trị điện dung của tụ lọc càng cao thì độ mịn của điện áp ra càng cao, tức là điện áp ra càng phẳng

Công thức [8] tính điện dung của tụ lọc như sau:

6 0

80 10 ( )

r

dI C

dI là độ mấp mô của dòng điện ra, tính bằng Ampe

Vr là độ mấp mô của điện áp ra, tính bằng Volt

Với dI = 2Idc = 1A, lấyVr = 1% V = 1V⋅ 0 , ta tính được :

Đo áp được thực hiện đơn giản bằng mạch phân áp Điện áp cần đo được qua

bộ phận phân áp để tạo điện áp thấp (dưới 5V) phù hợp với mức điện áp của vi điều khiển Đầu ra của mạch phân áp được đưa vào khối cách ly dòng Khối cách ly dòng

ở đây là mạch lặp sử dụng LM358 có chức năng cách ly dòng mạch phân áp với đầu vào ADC và loại lọc nhiễu Điều này là rất quan trọng nhằm tránh sai số điện áp ở đầu ra của bộ phận phân áp Điện áp đầu ra khối cách ly dòng được đưa qua khối bảo vệ quá áp trước khi vào chân ADC của vi điều khiển Để kết quả đo về ADC được chính xác hơn ta dùng tụ điện C6 để lọc điện áp đầu vào LM358

Trang 28

472 C4

104 C6 82K

R7

1k R8

1K R10

GND

5V 104

GND

82K R9

áp với với một tỷ lệ theo sơ đồ đấu dây như sau:

Để đảm mạch đo có thể đo được tất cả các giá trị của dòng tải một cách chính xác ta chọn sơ đồ đấu dây thứ 3 Tức là hệ số biến dòng của LEM lúc này là: 3/1000 Dòng ra khỏi LEM sẽ được nối qua điện trở và cho qua mạch lặp nhằm cách ly và lọc nhiễu

Ví dụ: khi dòng tải là I = 5A thì dòng ra khỏi LEM là:

Trang 29

200 R6

1K R5

GND

ADC0 GND

5V

GND

1K R1

6 OUT

7 OUT

8 OUT

9 OUT10

M 11 +15V 12 -15V 13

Hình 15: Mạch đo dòng sử dụng LA25-NP

c) Mạch bảo vệ cứng:

Mạch bảo vệ cứng được sử dụng để bảo vệ mạch điện khi có dòng điện quá lớn chạy qua cuộn sơ cấp biến áp trong trường hợp quá tải hoặc ngắn mạch Yêu cầu của mạch bảo vệ là phải đo được dòng lớn, thời gian tác động nhanh để kịp thời bảo

vệ mạch khi có sự cố xảy ra Từ yêu cầu này tôi chọn biến dòng LAH25-NP với cách thông số như sau:

Dòng ra khỏi biến dòng sẽ được đưa vào qua biến trở để tạo ra áp, sau đó điện

áp này sẽ được đưa vào một mạch so sánh Đầu ra của mạch so sánh sẽ được dùng

để ngắt driver của van

Đo dòng sơ cấp tính toán với tải cực đại là là 41.67A do đó ta sẽ chọn sơ đồ đấu dây thứ nhất Với sơ đồ này thì dòng cực đại LEM có thể đo là 55A, hệ số biến dòng là 1:1000

Trang 30

Để mạch hoạt động an toàn với công suất cực đại ta sẽ thiết kế cho mạch ngắt với dòng là 45A

Với dòng vào 45A thì dòng ra khỏi LEM là45 1:1000 45mA⋅ = Điện áp đầu vào dương của opam là 4.5V Vậy để mạch bảo vệ tác động với dòng là 45A ta phải đưa

áp 4.5V vào đầu vào âm của OPAM Khi dòng qua van vượt quá 45A nghĩa là điện

áp vào đầu dương của lớn hơn 4.5V, đầu ra của opam là mức cao (5V), mức cao này

sẽ qua mạch flip-flop, mức cao ở đầu ra của flip-flop sẽ ngắt IR2110, van sẽ an toàn

15V

Iin Iout

0 7 + 8 M 9 U4

LAH 25-NP

SD GND

5V

GND

5V -15V

100

R23 OTP_56

3k3 R18 6k7

R17

10k R19

104 C21

S1 4k7

R32 5V

GND

Hình 16: Mạch bảo vệ sử dụng LAH 25-NP 2.2 Phương pháp điều khiển

Các phương pháp điều khiển thông dụng nhất cho bộ biến đổi DC-DC:

- Bộ điều khiển PID (tỷ lệ, vi phân, tích phân)

- Bộ điều khiển thích nghi

- Bộ điều khiển trượt

Có nhiều phương pháp để điều khiển cho bộ chuyển đổi nguồn DC-DC, mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng Tùy theo yêu cầu của bài toán, điều kiện thực tế, giá thành, độ ổn định để chọn phương pháp phù hợp nhất Phương pháp điều khiển trượt có nhiều ưu điểm và phù hợp với yêu cầu bài toán đề ra như:

Có tính bền vững, có sự ổn định cao khi tải thường xuyên thay đổi và cả khi có nhiễu ở phía tải, khả năng đáp ứng động tốt và đặt biệt là thực thi đơn giản

Trang 31

Hình 17: Sơ đồ khối chỉ ra một vài phương pháp điều khiển cho bộ biến

đổi DC-DC

2.3 Tổng quan về bộ điều khiển trượt

Trong việc xây dựng một bài toán thông thường sẽ thấy được sự khác biệt giữa đối tượng thực tế với mô hình toán học xây dựng cho bộ điều khiển Sự không phù hợp này có thể là do sự biến thiên của các tham số hệ thống hoặc sự xấp xỉ đối tượng phức tạp bằng một mô hình đơn giản

Phải đảm bảo chắc chắn rằng bộ điều khiển đưa ra có khả năng đưa ra hiệu xuất theo yêu cầu theo thực tế mặc dù đối tượng hoặc mô hình đó không phù hợp Điều này dẫn đến cần phải phát triển một phương pháp điều khiển bền vững để có thể giải quyết vấn đề này Phương pháp điều khiển trượt đưa ra một cách tiếp cận cụ thể để thiết kế bộ điều khiển bền vững

Điều khiển trượt là một trường hợp riêng của hệ thống điều khiển có cấu trúc biến đổi được đặc trưng bởi luật điều khiển phản hồi và luận lựa chọn Luận chọn còn được gọi là hàm chuyển mạch

Các ứng dụng của điều khiển trượt trong các hệ thống điện và cơ

Trang 32

Hình 18: Ứng dụng của điều khiển trượt trong các hệ thông điện và cơ

Phương pháp thiết kế mô hình trượt gồm có 2 thành phần Đầu tiên là thiết kế hàm chuyển mạch để chuyển động trượt thỏa mãn các đặc tính cần thiết kế Thứ nữa

là quan tâm tới việc chọn luật điều khiển để hàm chuyển mạch thu hút trạng thái hệ thống

Có thể thấy rằng luật điều khiển này không nhất thiết phải dán đoạn Xét một

hệ thống tổng quát với điều khiển vô hướng

Trang 33

σσ

2.3.1 Điều kiện tồn tại

Để mô hình trượt có thể tồn tại thì quỹ đạo pha của hai cấu trúc con tương ứng với 2 giá trị khác nhau của vec tơ hàm f phải hướng về phía mặt trượt ( , ) 0x t

Hay nói cách khác, Các điểm thỏa mãn điều kiện (σ < 0) tương ứng với vector trạng thái vận tốc phải hướng tới mặt trượt và tương tự xảy ra với các điểm phái trên tương ứng với véc tơ trạng thái

−

f

f phải tiến tới mặt trượt

Với N chỉ số thành phần của vector vận tốc trạng thái và trực giao trên mặt trượt, ta có thể viết lại phương trình như sau:

σ

σσσ

dt

t (20)

Trang 34

2.3.2 Điều kiện tiếp cận mặt trượt

Trong phần này ta sẽ minh họa một điều kiện đủ đơn giản để hệ thống tiếp cận chế độ trượt mà sẽ được sử dụng sau này đối với các ứng dụng của điều khiển trượt cho các nguồn chuyển mạch

Xét lại hệ thống x. = f x t u( , , ) với đầu vào dán đoạn scalar cho bởi

σσ

Nói cách khác nếu một điểm cân bằng của một cấu trúc con này thuộc về vùng của không gian pha dành riêng cho cấu trúc con khác thì sớm hay muộn điểm biểu diễn của hệ thống sẽ bắn vào mặt trượt

2.3.3 Mô tả hệ thống trong chế độ trượt

Khi đưa ra một phân tích của hệ có cấu trúc biến đổi, cần phải tập trung vào hành vi của hoạt động hệ thống trong chế độ trượt Phương trình sau định nghĩa một lớp riêng của hệ thống là tuyến tính với đầu vào điều khiển:

= ( , ) + ( , )

Đầu vào điều khiển u là dán đoạn trên mặt trượt σ( , )x t = 0 trong khi f và B là các vector hàm liên tục Trong điều khiển trượt thì quỹ đạo của hệ thống ở trên mặt trượt σ( , )x t = ⇒0 σ.( , )x t

Trang 35

Thay thế phương trình (25) vào phương trình (23) ta được

[S S1 , 2 , ,S m]T 0

σ = = (27)

Trong trường hợp này các phương trình (25) và (26) vẫn còn phù hợp với ueq

và bây giờ vector tương đương và G là ma trận m hàng và n cột

2.3.4 Hiện tượng Chattering

Hiện tượng Chattering được hiểu là sự dao động của hệ trên mặt trượt trong quá trình tiến về gốc Cơ chế gây ra hiện tượng chattering là do thiết bị chuyển mạch không là không lý tưởng trong thực tế điều khiển hoặc do sự tồn tại của các đặc tính động ký sinh trong các phần tử mạch Hiện tượng chattering là không thể tránh khỏi trong ứng dụng thực tế của điểu khiển trượt

Trang 36

Hình 19: Hiện tượng chatterring dẫn đến sự phi tuyến của hệ thống

2.3.5 Điều khiển trượt cho bộ biến đổi DC-DC

Như đã đề cập đến một trong những đặc tính quan trọng nhất của chế độ trượt trong hệ thống cấu trúc biến đổi là khả năng đạt được đáp ứng độc lập với tham số

hệ thống Từ quan điểm trên, bộ chuyển đổi DC-DC là trường hợp riêng cho ứng dụng của điều khiển trượt bởi vì trạng thái của nó là có thể điều khiển được “hệ thống có thể điều khiển được nếu các biến trạng thái bị ảnh hưởng bởi một tín hiệu đầu vào” Điện áp ra và vi phân của nó là 2 biến trạng thái liên tục và có thể đo được

Có rất nhiều cách để áp dụng phương pháp điều khiển trượt cho bộ biến đổi dc-dc:

• Điều khiển trượt có sử dụng bộ điều chế xung (tần số cố định)

• Điều khiển trượt có sử dụng bộ trễ (tần số có thể thay đổi)

• Điều khiển trượt sử dụng bộ điều chế xung (đáp ứng nhanh)

• Điều khiển trượt sử dụng độ dịch pha

Tất cả các phương pháp trên đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Tùy từng điều kiện và yêu cầu thực tế để ta áp dụng một phương pháp cụ thể Trong

nghiên cứu của tôi, tôi chọn phương pháp điều khiển trượt dựa vào việc điều chế

Trang 37

mạch số có sử dụng vi điều khiển mà vẫn cho kết quả tốt, hạn chế tối đa hiện tượng nóng van

Phương pháp điều chế xung PWM (Pulse Width Modulation) theo độ dịch pha hay còn gọi là là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi của độ dịch pha của chuỗi xung vuông dẫn đến thay đổi giá trị trung bình của điện áp ra Phương pháp này làm giảm đáng kể tổn thất trong quá trính đóng, mở van như vậy sẽ giảm được các thành phần hài, nâng cao hiệu suất của bộ biến đổi Chúng được ứng dụng phổ biến trong lĩnh vực biến tần và điều khiển động cơ một chiều

Trang 38

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

3.1 Mô hình hóa hệ thống

Sơ đồ khối của bộ biến đổi công suất

Hình 20: Mô hình hóa bộ biến đổi DC-DC

Trong đó:

Tín hiệu vào U: là tín hiệu điều chế độ rộng xung

Tín hiệu ra: là tín hiệu điện ra một chiều và tín hiệu dòng

Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi dc-dc có cách ly dạng full-bridge

50 RL 1:n

Bien ap xung

2mH

Lo Cuon cam

1000uF Co D1

Hình 21: Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi dc-dc dạng full-bridge

Các thành phần của bộ biến đổi:

• Nguồn một chiều Vi

• Khối van công suất gồm 4 van mắc theo sơ đồ hình 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

Định dạng
Số trang	76
Dung lượng	2,03 MB