Luận văn thiết kế và chế tạo bộ biến đổi nguồn DC DC có cách ly biến áp công suất 2KW

luận văn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-


     -

TRẦN ðÌNH TOÀN

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ BIẾN ðỔI NGUỒN DC-DC

CÓ CÁCH LY BIẾN ÁP CÔNG SUẤT 2KW

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

LỜI CAM đOAN

Tôi xin cam ựoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực, của riêng tôi và chưa từng ựược ai công bố trong bất kì công trình nào khác

Tôi cam ựoan rằng mọi sự giúp ựỡ cho việc thực hiện luận văn này ựã ựược cảm ơn và các thông tin trắch dẫn trong luận văn ựều ựã ựược chỉ rõ nguồn gốc

Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2011

Người cam ựoan

Trần đình Toàn

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và thực hiện ựề tài luận văn tốt nghiệp, ựến nay tôi

ựã hoàn thành luận văn thạc sĩ chuyên ngành điện khắ hoá sản xuất nông nghiệp và

nông thôn với ựề tài: ỘThiết kế và chế tạo bộ biến ựổi nguồn DC- DC có cách ly biến áp công suất 2KWỢ

Trước hết, Tôi xin chân thành cảm ơn Viện ựào tạo Sau đại học, Khoa Cơ điện, Bộ môn điện kỹ thuật, Trường đại học Nông Nghiệp Ờ Hà Nội ựã tận tình giúp ựỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện ựề tài nghiên cứu khoa học

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Lưu Hồng Việt Ờ người ựã ựịnh hướng, chỉ bảo và hết lòng tận tụy, dìu dắt tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu ựề tài

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn ựến những người thân trong gia ựình, bạn bè và ựồng nghiệp ựã ựộng viên, cổ vũ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa học Nếu không có những sự giúp ựỡ này thì chỉ với sự cố gắng của bản thân tôi sẽ không thể thu ựược những kết quả như mong ựợi

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2011

Người cảm ơn

Trần đình Toàn

MỤC LỤC

Lời cam ñoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục bảng v

Danh mục hình vi

Danh mục viết tắt vii

1 MỞ ðẦU 1 1 Tính cấp thiết của ñề tài 1 2 Mục ñích nghiên cứu 2 3 ðối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 4 Phương pháp nghiên cứu 2 5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2 Chương I TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ðỔI DC -DC 4 1.1 Phân loại sơ ñồ biến ñổi DC- DC 4 1.1.1 Sơ ñồ biến ñổi DC- DC không cách ly 4 1.1.2 Sơ ñồ biến ñổi DC- DC có cách ly 4 1.2 Một số sơ ñồ biến ñổi DC- DC thông dụng 5 1.2.1 Sơ ñồ biến ñổi Buck 5 1.2.2 Sơ ñồ biến ñổi Boots 6 1.2.3 Sơ ñồ biến ñổi Bouck- Boots 7 1.2.4 Sơ ñồ biến ñổi FlyBack 7 1.2.5 Sơ ñồ biến ñổi Push- Pull 8 1.2.6 Sơ ñồ biến ñổi Half- Bridge 9 1.2.7 Sơ ñồ biến ñổi Full- Bridge 11 1.3 Lựa chọn sơ ñồ nguyên lý 11 Chương II: XÂY DỰNG BỘ ðIỀU KHIỂN SỐ 16 2.1 Mô hình hoá hệ thống trong miền liên tục 16

2.3 Xây dựng bộ ñiều khiển số 23

Chương III : THIẾT KẾ VÀ THỰC THI BỘ BIẾN ðỔI DC- DC 27

3.2.1 Lưu ñồ thuật toán chương trình chính 50 3.2.2 Lưu ñồ thuật toán chương trình ngắt ADC 51 3.2.3 Lưu ñồ thuật toán chương trình ngắt timer 52

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Sơ ñồ nguyên lý biến ñổi Buck 5

Hình 1.2: Sơ ñồ nguyên lý biến ñổi Boots 6

Hình 1.3: Sơ ñồ nguyên lý biến ñổi Buck- Boots 7

Hình 1.4: Sơ ñồ nguyên lý mạch biến ñổi FlyBack 8

Hình 1.5: Sơ ñồ cấu tạo mạch biến ñổi Pusk- Pull 9

Hình 1.6: Sơ ñồ cấu tạo mạch biến ñổi Half- Bridge 10

Hình 1.7: Sơ ñồ cấu tạo mạch biến ñổi Full- Bridge 11

Hình 1.8: Giản ñồ xung ñiều khiển mở các vankiểu bù 13 Hình 1.9: Giản ñồ xung mở các van theo phương pháp dịch pha 14 Hình 2.1: Mô hình hóa bộ biến ñổi DC-DC 16 Hình 2.2: Sơ ñồ nguyên lý của bộ biến ñổi dc-dc dạng full-bridge 16

Hình 2.3: Giản ñồ thời gian xung ñiều khiển các van dạng phase-shifted và ñiện áp bên sơ cấp biến áp 17 Hình 2.4: Sơ ñồ rút gọn khi 0< <t α . 18 Hình 2.5: Sơ ñồ rút gọn khi α ≤ ≤t T/ 2. 18 Hình 2.6: Dạng sóng ñiện áp sau chỉnh lưu 19 Hình 2.7: Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển 22 Hình 2.8: Sơ ñồ mô phỏng hệ thống simulink 24 Hình 2.9: Tín hiệu ra khỏi bộ ñiều khiển 25 Hình 2.10: Tín hiệu ñiều khiển ñi vào ñối tượng 25 Hình 2.11: ðồ thị tín hiệu ra khi có khâu hạn chế 26

Hình 3.2 : Sơ ñồ chân vi ñiều khiển dsPIC30F2020 29 Hình 3.3 : Sơ ñồ cấu trúc khối ñiều khiển 29 Hình 3.4 : Sơ ñồ cấu trúc ñối tượng ñiều khiển 30 Hình 3.5 : Sơ ñồ nguyên lý ghép nối của IR2110 31

Hình 3.7 : Sơ ñồ nguyên lí mạch cầu FET 34

Hình 3.8: Một số dạng mạch snubber 36 Hình 3.9 : Sơ ñồ biến ñổi xung áp song song 36 Hình 3.10 : Dạng dòng ñiện và ñiện áp trên van khi tính ñến các thành phần ñiện

1 MỞ ðẦU

1 Tính cấp thiết của ñề tài

Hiện nay vấn ñề năng lượng và môi trường là vấn ñề rất quan trọng trong ñời sống sản xuất và phát triển kinh tế xã hội trên toàn cầu Với sự phát triển của khoa học công nghệ, con người ñã sử dụng ñược những nguồn năng lượng sạch từ tự nhiên như năng lượng gió, mặt trời, thuỷ triều…ở Việt Nam hiện nay cũng ñã bắt ñầu sử dụng những nguồn năng lượng này trong việc giải quyết bài toán năng lượng quốc gia

Những nguồn năng lượng trên ñã cung cấp một lượng năng lượng lớn ñáp ứng nhu cầu của con người Nhưng chúng mới ñược sử dụng một phần rất nhỏ, chưa ñược khai thác triệt ñể tiềm năng sẵn có của nó Nguồn ñiện tạo ra từ những nguồn năng lượng này là nguồn một chiều nên nó có khả năng lưu trữ ñiện năng lâu dài trong các thiết bị lưu trữ như ắc- quy, pin…Do vậy nguồn ñiện ñó thường có biên ñộ cố ñịnh, không ñược ñiều khiển Vì thế gặp rất nhiều khó khăn trong việc cung cấp nguồn ñiện 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 ñiện của con người ngày càng tăng, việc ñầu tư cho hệ thống lưới ñiện lại ñòi hỏi rất nhiều kinh phí dẫn tới tình trạng quá tải, thiếu hụt ñiện năng và chất ñiện năng suy giảm ðiều này ảnh hưởng trực tiếp tới các thiết bị dùng ñiện ðặc biệt, ảnh hưởng lớn tới tuổi thọ các thiết bị ñiện tử nhạy cảm như hệ thống thông tin, ñiều khiển trong công nghiệp Ngoài ra, nếu xảy ra tình trạng mất ñiện làm cho các thiết bị ngừng hoạt ñộng , không những gây tổn thất không nhỏ về mặt kinh tế cho các doanh nghiệp và nhà nước còn ảnh hưởng ñến tính mạng của con người khi sử dụng các máy móc hiện ñại ñể ñiều trị trong y học

Vấn ñề ñặt ra là làm sao biến ñổi nguồn ñiện một chiều không ñược ñiều khiển thành nguồn ñiện cò thể ñiều khiển ñược ñáp ứng yêu cầu thực tế, vì những lý do

trên mà ñề tài “Thiết kế và chế tạo bộ biến ñổi nguồn DC- DC có cách ly biến áp công suất 2KW” ñược ñặt ra và thực thi

2 Mục ñích nghiên cứu

Nghiên cứu và thiết kế bộ biến ñổi DC- DC có thể biến ñổi những nguồn ñiện một chiều từ các thiết bị lưu trữ như pin, ắc- quy…thành nguồn ñiện một chiều có ñiều khiển với biên ñộ ñiện áp mong muốn Tác giả ñã thiết kế một biến ñổi số DC-

DC có tích hợp các giải pháp ñiều khiển, với ñầu vào là nguồn một chiều 48V, ñầu

ra là nguồn một chiều 400V, công suất ñầu ra là 2 KW

3 ðối tượng và phạm vi nghiên cứu

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp ñể thực hiện bộ biến ñổi DC- DC nhưng ñối tượng nghiên cứu của ñề tài là bộ biến ñổi DC - DC tăng áp

Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu tổng quan về phương pháp biến ñổi nguồn DC - DC

- Nghiên cứu lý thuyết bộ ñiều khiển số

- Nghiên cứu phần mềm ñiều khiển

- Tính toán chế tạo biến áp xung

- Thực thi bộ biến ñổi DC- DC

4 Phương pháp nghiên cứu

Các kết quả lý thuyết của ñề tài thu ñược trên cơ sở nghiên cứu phân tích các

bộ ñiều khiển tuyến tính, ñiều khiển số, các kết quả chạy mô phỏng trên phần mềm Matlab- Simulink, phần mềm lập trình ñiều khiển C, các ñặc ñiểm của dòng vi ñiều khiển ds pic30F2020

Sản phẩm ñề tài tạo ra thông qua việc nghiên cứu thực nghiệm chế tạo Biến

áp xung, mạch cầu biến ñổi dùng FET, một số mạch phụ trợ khác

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ñất nước, từ công nghiệp ñến nông thôn thì nhu cầu sử dụng ñiện năng vào ñời sống và sản xuất ngày càng nhiều trong khi nguồn ñiện năng sản xuất ra lại không ñủ ñáp ứng Mặt khác nguồn tài nguyên thiên nhiên ñể cung cấp cho các nhà máy ñiện hiện tại ngày các cạn kiệt vì vậy ñòi hỏi phải sử dụng các nguồn năng lượng khác ñể sản xuất ñiện (gió, năng lượng mặt trời, ñịa nhiệt ) ðề tài ñược ứng dụng và là một bộ phận quan trọng trong các nhà máy

ñiện sử dụng các nguồn nguyên liệu gió, năng lượng mặt trời ,ñây là các nguồn năng lượng sạch ñang rất cần cho sự phát triển xanh của trái ñất

ðề tài ñã thành công trong cả phạm vi thí nghiệm và áp dụng vào thực tế Kết quả nghiên cứu của ñề tài hoàn toàn có thể áp dụng vào thực tế ở những nơi có nhiều nguồn tài nguyên gió, năng lượng mặt trời mà nguồn ñiện lưới quốc gia chưa thể cung cấp tới như vùng núi, vùng biển, hải ñảo

Chương I TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ BIẾN ðỔI DC -DC

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp ñể thực hiện bộ biến ñổi DC- DC Vì vậy, ñể có một cái nhìn tổng quan nhất, tác giả trình bày sơ lược việc phân loại các

bộ biến ñổi DC- DC cùng với ñó là ñưa ra một số nguyên lý biến ñổi DC- DC phổ

biến Từ ñó phân tích lựa chọn ra phương pháp phù hợp với yêu cầu ñề tài ñã ñặt ra 1.1 Phân loại sơ ñồ biến ñổi DC- DC

Về nguyên lý, sơ ñồ biến ñổi DC- DC có thể ñược phân thành 2 nhóm cơ bản sau:

1.1.1 Sơ ñồ biến ñổi DC- DC không cách ly

Với nhóm sơ ñồ này, ñiện áp một chiều ñược tạo ra nhờ việc phóng nạp tụ ñiện từ dòng ñiện qua cuộn cảm L ñược cung cấp bởi nguồn cấp ðiện áp một chiều ñầu ra thay ñổi nhờ có việc phóng nạp ñược thay ñổi bởi van công suất ñược mắc hợp lý tuỳ thuộc vào từng sơ ñồ Các sơ ñồ phổ biến theo nguyên lý này gồm có:

- Sơ ñồ biến ñổi Buck,

- Sơ ñồ biến ñổi Boots,

- Sơ ñồ biến ñổi Buck- Boots

Sơ ñồ biến ñổi DC- DC không cách ly có ưu ñiểm là mạch ñơn giản, giá thành thấp nhưng do không cách ly giữa nguồn ñầu vào và nguồn ñầu ra nên có nhược ñiểm là dễ bị nhiễu tải tác ñộng ngược lại nguồn ñầu vào và các thiết bị trong mạch, công suất hạn chế, chất lượng ñầu ra không cao Vì vậy, sơ ñồ biến ñổi DC-

DC ñược sử dụng trong các ứng dụng công suất nhỏ, không cần chất lượng cao

1.1.2 Sơ ñồ biến ñổi DC- DC có cách ly

Với nhóm sơ ñồ này, ñiện áp một chiều ñầu vào ñược biến ñổi thành ñiện áp xoay chiều cao tần và biên ñộ ñiện áp xoay chiều ñược nâng lên qua biến áp xung Sau khi qua hệ thống lọc LC sẽ cho ta ñiện áp một chiều với biên ñộ mong muốn Các sơ ñồ phổ biến theo nguyên lý này gồm có:

- Sơ ñồ biến ñổi FlyBack,

- Sơ ñồ biến ñổi Push- Pull,

- Sơ ñồ biến ñổi Half- Bridge,

Do nguồn ñầu vào và nguồn ñầu ra có cách ly nhờ sử dụng biến áp xung nên

có ưu ñiểm là hạn chế ñược nhiễu tải tác ñộng ngược lại nguồn ñầu vào và các thiết

bị trong mạch, có thể tăng/ giảm mức ñiện áp ñầu ra một cách dễ dàng, công suất lớn Tuy nhiên nó cũng có một số nhược ñiểm như làm tăng kích thước mạch, tăng giá thành, vấn ñề ñiều khiển trở nên khó khăn hơn, tránh xảy ra hiện tượng bão hòa

từ biến áp xung Vì vậy, sơ ñồ biến ñổi DC- DC có cách ly ñược sử dụng cho các ứng dụng có công suất lớn, chất lượng cao, yêu cầu phải có cách ly

1.2 Một số sơ ñồ biến ñổi DC- DC thông dụng

1.2.1 Sơ ñồ biến ñổi Buck

Bộ biến ñổi Buck là loại mạch biến ñổi ñiện áp một chiều thành ñiện áp một chiều thấp hơn Thường ứng dụng trong các bộ ổn ñịnh ñiện áp thay cho các mạch analog truyền thống sử dụng biến áp lõi tôn silic

a Sơ ñồ cấu tạo

Khi van Q ñóng thì ñiện áp ñặt lên diode D gần như bằng 0 (thực tế khoảng 0.7V) Lúc ñó ñiện áp ñặt lên cuộn cảm ñảo ngược lại bằng –V0 do ñó dòng ñiện iLqua cuộn cảm giảm xuống

ðiện áp ra ñược tính theo công thức sau:

V0= D.VdVới D là ñộ rộng xung ñiều khiển mở van

1.2.2 Sơ ñồ biến ñổi Boots

Bộ biến ñổi Boots là loại mạch biến ñổi ñiện áp một chiều thành ñiện áp một chiều có biên ñộ cao hơn Nó còn ñược gọi là mạch step-up converter Nguyên lý này ñược ứng dụng cho việc cung cấp các ñiện áp yêu cầu lớn hơn ñiện áp nguồn nuôi, với công suất nhỏ Ví dụ trong các mobile, notebook…

a.Sơ ñồ cấu tạo

b Nguyên lý hoạt ñộng

Trong thời gian van Q mở thì ñiện áp trên cuộn cảm L ñúng bằng ñiện áp Vd

ño ñó cuộn cảm tích ñiện, dòng ñiện iL qua cuộn cảm L tăng tuyến tính

Khi van Q ñóng thì cuộn cảm L bắt ñầu phóng qua diode D và nạp cho tụ C Trong quá trình này ñiện áp ñặt lên cuộn cảm là Vd- V0 <0, do ñó dòng ñiện qua cuộn cảm iL giảm dần Nếu dòng qua cuộn cảm không bị giảm về 0 thì mạch hoạt ñộng ở chế ñộ liên tục

Hình 1.2: Sơ ñồ nguyên lý biến ñổi Boost

R

d V D

V

−

= 1

1

0

Với D là ñộ rộng xung ñiều khiển mở van

1.2.3 Sơ ñồ biến ñổi Bouck- Boots

Bộ biến ñổi Buck- Boots là loại mạch biến ñổi ñiện áp một chiều thành ñiện

áp một chiều có biên ñộ cao hơn hoặc thấp hơn biên ñộ ñiện áp vào, tùy thuộc vào

ñộ rộng xung, ñược sử dụng trong các bộ ổn áp công suất nhỏ

a Sơ ñồ cấu tạo

b Nguyên lý hoạt ñộng

Khi van Q mở, ñiện áp ñặt lên cuộn cảm là Vd, cuộn cảm tích ñiện, dòng ñiện

iL qua cuộn cảm tăng lên tuyến tính

Khi van Q ñóng, diode D thông, ñiện áp ñặt lên cuộn cảm là -V0, cuộn cảm phóng ñiện nạp cho tụ C, dòng iL giảm xuống

ðiện áp ñược tính theo công thức sau:

d V D

V

−

= 1

1

0

Với D là ñộ rộng xung ñiều khiển mở van

1.2.4 Sơ ñồ biến ñổi FlyBack

Bộ biến ñổi FlyBack là loại mạch công suất biến ñổi có cách ly, công suất khoảng 250W, thường ñược sử dụng trong các bộ nguồn công suất nhỏ có cách ly như: ti vi, loa,…

Hình 1.3: Sơ ñồ nguyên lý biến ñổi Buck - Boost

Q

C D

a Sơ ñồ cấu tạo

b Nguyên lý hoạt ñộng

Van công suất Q ñược ñiều khiển bằng một xung tần số cao có ñộ rộng thay ñổi ñược (PWM), chú ý rằng biến áp ñược quấn sao cho cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp ñược quấn theo 2 chiều ngược nhau

Khi van mở ñiện áp VDS giữa 2 cực D và S cảu van Q xem như bằng 0, khi

ñó toàn bộ ñiện áp Vd ñặt lên cuộn sơ cấp, ñiều này làm cho dòng i1 qua cuộn sơ cấp tăng lên tuyến tính Trong thời gian này ñiện áp cuộn thứ cấp ñặt ngược lên diode D làm cho diode luôn bị khóa

Khi van chuyển sang trạng thái khóa nó ñột ngột làm cho dòng i1 giảm về 0, ñiều này làm cho ñiện áp ñặt lên cuộn sơ cấp ñổi thành chiều theo ñịnh luật Faraday Diode D ñược ñặt ñiện áp thuận nên nó mở và toàn bộ năng lượng trong cuộn thứ cấp ñược nạp cho tụ ñiện

ðiện áp ra ở chế ñộ liên tục ñược tính theo công thức sau:

d V N

N D V

1

2

0 =

Với D là ñộ rộng xung ñiều khiển mở van

1.2.5 Sơ ñồ biến ñổi Push- Pull

Bộ biến ñổi FlyBack là loại mạch công suất biến ñổi có cách ly, công suất khoảng 500W, thường ñược sử dụng trong các bộ nguồn xung cách ly với công suất

cỡ vừa

Hình 1.4: Sơ ñồ nguyên lý mạch biến ñổi FlyBack

N2 N1

Q

D

R

a Sơ ñồ cấu tạo

b Nguyên lý hoạt ñộng

Hai van công suất Q1 và Q2 ñược ñóng mở một cách tuần hoàn với cùng một chu kỳ nhưng ngược pha nhau ñể ñảm bảo hai van không ñồng thời cùng mở nhằm tránh hiện tượng trùng dẫn xảy ra

Khi van Q1 mở, van Q2 khóa thì ñiện áp trên cuộn sơ cấp của biến áp xung

v1= -Vd ðiện áp trên các cuộn thứ cấp 0

v làm cho diode D1 thông, diode

D2 khóa, cuộn cảm L tích ñiện, dòng ñiện iL tăng lên tuyến tính

Khi van Q1 khóa, van Q2 mở thì ñiện áp trên cuộn sơ cấp của biến áp xung

v1= Vd ðiện áp trên các cuộn thứ cấp 0

1

2

0 = 2

Với D là ñộ rộng xung ñiều khiển mở van

1.2.6 Sơ ñồ biến ñổi Half- Bridge

Bộ biến ñổi Half- Bridge là mạch ñược sử dụng trong các nguồn xung cách

ly với công suất lên tới 1KW

Hình 1.5: Sơ ñồ nguyên lý mạch biến ñổi Push - Pull

L

D2

N2 N1

a Sơ ñồ cấu tạo

b Nguyên lý hoạt ñộng

Hai van công suất Q1 và Q2 ñược ñóng mở một cách tuần hoàn với cùng một chu kỳ nhưng ngược pha nhau ñể ñảm bảo cho hai van không ñồng thời cùng mở nhằm tránh hiện tượng trùng dẫn xảy ra

Khi van Q1 mở, van Q2 ñóng thì ñiện áp trên cuộn sơ cấp của biến áp xung

N V

1

2

0 =

Với D là ñộ rộng xung ñiều khiển mở van

+ C + C

1.2.7 Sơ ñồ biến ñổi Full- Bridge

Bộ biến ñổi Full- Bridge là loại mạch biến ñổi ñiện áp một chiều thành ñiện áp một chiều có cách ly, chất lượng ñầu ra khá cao và công suất ñạt ñược vào khoảng hàng

KW Bộ biến ñổi này ñược ứng dụng trong các bộ biến ñổi nguồn công suất lớn, chất lượng yêu cầu cao

a Sơ ñồ cấu tạo

b Nguyên lý hoạt ñộng

ðiều khiển ñóng mở các van Q1, Q2, Q3, Q4 sẽ tạo ra ñiện áp AC tần số cao ñặt lên cuộn sơ cấp của biến áp ðiện áp v1 có thể bằng 0, -Vd, +Vd phụ thuộc vào cách ñóng mở các van công suất trên Các cặp van Q1 và Q2, Q3 và Q4 ñược ñiều khiển theo kiểu bù nhằm tránh hiện tượng trùng dẫn giữa các van

Ở ñầu ra cuộn thứ cấp ñiện áp xoay chiều này ñược chỉnh lưu hai nửa chu kỳ nhờ các diode tần số cao D1 và D2 Bộ lọc thông thấp LC sẽ làm cho ñiện áp ra một chiều bằng phẳng

1.3 Lựa chọn sơ ñồ nguyên lý

Với các sơ ñồ nguyên lý biến ñổi trên ta nhận thấy rằng:

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

Hình 1.7: Sơ ñồ nguyên lý mạch biến ñổi Full – Bridge

BRIDGE

- ðối với các sơ ñồ cách ly sử dụng biến áp thì ưu ñiểm hơn về mặt công suất

và vấn ñề nâng cao công suất với nguyên lý trên có thể thực hiện dễ dàng Do ñó phù hợp với các ứng dụng có công suất lớn và yêu cầu chất lượng cao hơn

Sau ñây là bảng so sánh chỉ tiêu chất lượng của các sơ ñồ biến ñổi DC-DC cụ thể:

Bảng 1 : So sánh chỉ tiêu chất lượng cho bộ biến ñổi DC-DC

Topology Dải công suất

(W)

Dải ñiện áp vào Vin (dc)

Cách ly ñầu vào và ra

Hiệu suất (%)

Quan

hệ về giá

Công suất của bộ biến ñổi ñược yêu cầu là bao nhiêu

Bài toán có yêu cầu biến áp các ly giữa ñầu vào và ñầu ra hay không

Hiệu suất của bộ biến ñổi

Giá thành của bộ biến ñổi cao hay thấp

Căn cứ vào nhu cầu ứng dụng thực tế, giá thành, hiệu suất… mà chúng ta chọn

sơ ñồ cho phù hợp Với yêu cầu của ñề tài là nâng ñiện áp một chiều từ 48VDC lên 400VDC với công suất có thể ñạt ñược 2KW, có biến áp cách ly giữa ñầu vào và ñầu ra nên topology của bộ biến ñổi DC-DC dạng Full-bridge là phù hợp nhất

Sơ ñồ này ñảm bảo tốt các yêu cầu về công suất cũng như các chỉ tiêu chất lượng Tuy nhiên nó cũng có những khó khăn như vấn ñề ñiều khiển van rất phức tạp

Với sơ ñồ này, có hai cách phổ biến ñể ñiều khiển mở các van tránh ñược hiện tượng trùng dẫn giữa các nhánh van là là cách ñiều xung kiểu bù và cách ñiều xung kiểu dịch pha

Xét cách ñiều khiển các van kiểu bù:

Hình 1.8: Giản ñồ xung ñiều khiển mở các van kiểu bù

Ở ñây, ta ñiều khiển mở các cặp van với tần số f, ñiều khiển theo kiểu bù với

ñộ rộng xung là như nhau Khi van Q1 và Q4 mở thì ñiện áp ñặt lên cuộn sơ cấp của biến áp xung là v1= +Vd Khi van Q2 và Q3 mở thì ñiện áp ñặt lên cuộn sơ cấp v1= -

Vd Khi các van ñều khóa thì ñiện áp v1= 0 ðiện áp sau khối chỉnh lưu voi là ñiện áp xung có tần số bằng 2f, ñộ rộng gấp ñôi ñộ rộng xung ñiều khiển mở van

ðiện áp ñầu ra ñược tính theo công thức sau:

d DV N

N V

Xét cách ñiều khiển van kiểu dịch pha :

L

I

oi

V

Hình 1.9: Giản ñồ xung mở các van theo phương pháp dịch pha

Ta ñiều khiển từng cặp van (Q1,Q3) và (Q2,Q4) theo kiểu bù với ñộ rộng xung là 50% Khi van Q1 và Q4 cùng mở thì ñiện áp ñặt lên cuộn sơ cấp của biến

áp xung là v1 = +Vin Khi van Q3 và Q2 mở thì ñiện áp ñặt lên cuộn sơ cấp của biến

áp xung là v1 = -Vin Và khi v1 = 0 có nghĩa là Q1 và Q2 cùng mở hoặc Q3 và Q4

Quan sát giản ñồ thời gian trên hình 1.9, xét trong một chu kì ñiều khiển với ñộ dịch pha là α ta nhận thấy ñiện áp ñầu vào biến áp có dạng xoay chiều ñối xứng, sau khi qua biến áp xung thì ñiện ñiện áp này ñược khuếch ñại lên với hệ số khuếch ñại

Ngược lại, với cách ñiều xung kiểu dịch pha, tại bất kì thời ñiểm nào cũng luôn luôn có 2 van mở, như vậy năng lượng trong cuộn dây sơ cấp của biến áp xung

sẽ không ñánh ngược trở lại van mà ñược chuyển hóa hoàn toàn sang cuộn thứ cấp (vì ñầu vào sơ cấp hoặc ñược nối với nguồn ñể thực hiện chuyển ñổi năng lượng hoặc là ñược nối ngắn mạch), với cách ñiều xung này, ta sẽ hạn chế ñược tối ña các sóng hài không mong muốn, giúp cho việc ñiều khiển dễ dàng hơn

Với ñặc ñiểm như trên của hai phương pháp ñiều khiển van, tác giả quyết ñịnh sử dụng phương pháp ñiều xung kiểu dịch pha

Như vậy: Qua nghiên cứu về nguyên lý và phân tích các ñặc ñiểm của các bộ biến ñổi DC - DC cũng như các phương pháp mở van, tác giả quyết ñịnh lựa chọn

sơ ñồ biến ñổi DC -DC Full – Bridge và phương pháp ñiều khiển mở van kiểu dịch pha

Chương II: XÂY DỰNG BỘ ðIỀU KHIỂN SỐ

2.1 Mô hình hoá hệ thống trong miền liên tục

Sơ ñồ khối của bộ biến ñổi công suất

Hình 2.1: Mô hình hóa bộ biến ñổi DC-DC

Trong ñó:

- Tín hiệu vào: U là tín hiệu ñiều khiển ñộ dịch pha

- Tín hiệu ra là: ñiện áp ra một chiều và tín hiệu dòng qua tải

Sơ ñồ nguyên lý của bộ biến ñổi DC-DC có cách ly dạng full-bridge :

Các thành phần của bộ biến ñổi:

• Nguồn một chiều Vi

• Khối van công suất gồm 4 van Q1,Q2,Q3,Q4 mắc theo sơ ñồ hình cầu

• Biến áp xung: có tác dụng nâng ñiện áp ñầu vào theo tỷ lệ của hệ số biến áp

Hình 2.2: Sơ ñồ nguyên lý của bộ biến ñổi dc-dc dạng full-bridge

BRIDGE

• Khối chỉnh lưu: Gồm các diode D1, D2, D3,D4 có tác dụng chỉnh lưu ñiện áp xung xoay chiều ra khỏi biến áp xung

• Khối lọc thông thấp LC: có tác dụng loại bỏ các thành phần song hài bậc cao, giúp ñiện áp một chiều ra phẳng hơn

Giản ñồ thời gian xung vào van Q1,Q4,Q2,Q3, và ñiện áp bên sơ cấp biến áp phụ thuộc vào ñộ dịch pha α ñược biểu diễn như sau:

α

Hình 2.3: Giản ñồ thời gian xung ñiều khiển các van dạng phase-shifted

và ñiện áp bên sơ cấp biến áp

Tín hiệu ñiều khiển ñối với sơ ñồ này là ñộ dịch pha α , với 0

2

T

α

< < , với

T là chu kì ñiều xung PWM

Xét trong một nửa chu kì ñiều khiển ta có:

Khi 0< <t α các transistor Q1,Q4 (ON) ñóng, sơ ñồ mạch tương ñương sẽ có dạng :

Hình 2.4: Sơ ñồ rút gọn khi 0 t < < α Khi ñó theo ñịnh luật kirchhoff 1 và 2 ta có:

2mH

Lo Inductor

1000uF Co D1

Trans CT Ideal

2mH Inductor

1000uF Co D1

Hình 2.6: Dạng sóng ñiện áp sau chỉnh lưu

ðiện áp ñầu ra thu ñược sau khi cho ñiện áp sau chỉnh lưu qua bộ lọc, từ

dạng ñiện áp ñầu ra sau chỉnh lưu ta thấy: khi α tăng dần trong khoảng 0,

Do ñó ñiện áp và dòng ñiện ñầu ra sẽ là giá trị trung bình của quá trình tăng giảm này Từ lập luận này ta có thể thu ñược mô hình của hệ thống như sau:

Chuyển phương trình vi phân trên sang miền ảnh Laplace ta có hàm truyền ñạt của

400( )

sample

Tuy nhiên ñể thuận tiện cho việc tính toán và lập trình chúng ta lấy chu kì trích mẫu

Với chu kì trích mẫu này ta có:

2.2.2 Biến ñổi hàm truyền sang miền Z

Theo tài liệu [3], ta có các bước biến ñổi mô hình từ hàm truyền trong miền Laplace sang miền Z ñược thực hiện tuần tự như sau:

)( ) ( ) G s ( ) ( ) ( ) 1 ( )

2.3 Xây dựng bộ ñiều khiển số

2.3.1 Lựa chọn phương pháp thiết kế

k

Hình 2.7: Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển

Có rất nhiều phương pháp thiết kế bộ ñiều khiển cho bộ biến ñổi DC-DC, ví dụ như:

- Thiết kế bộ ñiều khiển PID theo phương pháp gán ñiểm cực

- Thiết kế bộ ñiều khiển PID theo phương pháp tối ưu modul

- Thiết kế bộ ñiều khiển kiểu bù

- Thiết kế bộ ñiều khiển kiểu dead-beat

- …

Trước khi lựa chọn phương pháp thiết kế cho bộ ñiều khiển, thông qua biểu

ñồ Bode của ñối tượng chúng ta có nhận xét sơ qua về ñối tượng như sau:

- ðối tượng là ổn ñịnh tuy nhiên có ñộ dự trữ ổn ñịnh rất thấp, với tải ñiện trở ñặc trưng ñã chọn thì ñộ dự trữ ổn ñịnh gần như bằng 0

- Cũng với tải ñiện trở này thì tần số cắt của ñối tượng vào khoảng 2kHz, tần

số cắt này khá nhỏ so với tần số băm xung PWM là 20kHz

Với yêu cầu ñặt ra cho bộ ñiều khiển khi có sự thay ñổi về tải là:

- Làm cho hệ thống ổn ñịnh

- Triệt tiêu sai lệch tĩnh giữa tín hiệu ñặt và tín hiệu phản hồi

- Thời gian quá ñộ và ñộ quá ñiều chỉnh nhỏ, ñồng thời hệ ít dao ñộng

- Mở rộng dải thông cho hệ thống

Thì chúng ta thấy chỉ có bộ ñiều khiển PID ñược thiết kế theo phương pháp tối ưu module là có thể ñáp ứng ñược khá tốt các chi tiêu trên Bộ ñiều khiển PID này có thành phần I sẽ giúp triệt tiêu sai lệch tĩnh giữa tín hiệu ñặt và tín hiệu phản hồi, thành phần D có tác dụng nâng cao ñộ dự trữ ổn ñịnh của hệ thống ñảm bảo

thông số của bộ ñiều khiển theo phương pháp tối ưu module sẽ giúp dải thông của

hệ thống ñược mở rộng Trong khi ñó các phương pháp thiết kế khác sẽ không giúp

hệ thống mở rộng ñược dải thông, phương pháp thiết kế theo kiểu bù và dead-beat cũng không giúp ta ñược trong việc nâng cao ñộ dự trữ ổn ñịnh của hệ thống khi tải thay ñổi

2.3.2 Thiết kế bộ ñiều khiển PID theo phương pháp tối ưu module

Một trong những yêu cầu chất lượng ñối với hệ thống ñiều khiển kín là hệ thống luôn có ñược ñáp ứng ñầu ra giống như tín hiệu ñặt ở ñầu vào tại mọi ñiểm tần số, hoặc ít ra là thời gian quá ñộ ñể ñáp ứng ñầu ra bám ñược vào tín hiệu ñặt càng tốt Hay nói cách khác

k

G jω = ∀ω (2.13) Mục ñích của bộ ñiều khiển ñược thiết kế theo phương pháp tối ưu module là làm

cho hàm truyền của hệ kín ( ) ( ) ( )

1

1 1

2, 626.10(1 3 ) 95, 516(1 3.0, 9955)

Tuy nhiên ñây chưa phải là dạng cài ñặt vào thuật toán ñiều khiển, muốn cài ñặt bộ ñiều khiển này vào vi ñiều khiển chúng ta phải chuyển sang biểu diễn quan hệ giữa tín hiệu ñiều khiển u và sai lệch e trong miền thời gian gián ñoạn Ta có:

sẽ xây dựng sơ ñồ mô phỏng dựa trên mô hình thực tế của ñối tượng Cụ thể là:

- Với yêu cầu thực tế là giá trị của tín hiệu ñiều khiển chỉ nằm trong khoảng

[ ]0,1

u ∈ , do ñó tín hiệu ra khỏi bộ ñiều khiển sẽ ñược ñưa qua một khâu hạn chế,

như vậy tín hiệu ñiều khiển ñi vào ñối tượng sẽ có giá trị nằm trong khoảng [0 ,1]

- ðể hạn chế ñược sự ảnh hưởng của nhiễu xung, và tránh ñược sự thay ñổi

ñộ mở van ñột ngột trên van, cũng như giảm ñi hiện tượng bão hòa tích phân thì chúng ta cũng sẽ ñưa vào một khâu hạn chế tín hiệu phản hồi, ở ñây tín hiệu phản hồi về sẽ ñược giới hạn nằm trong khoảng [350, 450]V

Như vậy chúng ta sẽ có sơ ñồ mô phỏng hệ thống trên simulink như sau :

Hình 2.8: Sơ ñồ mô phỏng hệ thống simulink

Hình 2.9: Tín hiệu ra khỏi bộ ñiều khiển

Hình 2.10: Tín hiệu ñiều khiển ñi vào ñối tượng

Hình 2.11: ðồ thị tín hiệu ra khi có khâu hạn chế

Từ ñồ thị của ñiện áp ra ta tính ñược các thông số cơ bản sau:

- Thời gian quá ñộ là: T2% = 0.0164[s]

Chương III : THIẾT KẾ VÀ THỰC THI BỘ BIẾN ðỔI DC- DC 3.1 Thiết kế phần cứng

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

Sơ ñồ khối của hệ thống :

Từ yêu cầu trên, ta ñưa ra sơ ñồ khối của hệ thống như sau :

Hình 3.1 : Sơ ñồ khối của hệ thống

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

• Khối ñiều khiển

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

• Khối ño ñể lấy phản hồi ñiện áp

Mạch Driver

Mạch cầu

Biến

áp xung

Chỉnh lưu và lọc một chiều

Khối

ñiều

khiển

Khối ño:

U, I

48 V

Ura

Uñ

3.1.2 Khối ñiều khiển

Nhiệm vụ của khối ñiều khiển là tạo ra tín hiệu ñiều khiển (PWM) ñể ñiều khiển ñóng mở các van, ñảm bảo ñiện áp ñầu ra của mạch ổn ñịnh ở mức 400V

Thành phần trung tâm của khối ñiều khiển là vi ñiều khiển, có nhiệm vụ lấy tín hiệu phản hồi từ khối ño, sau ñó xử lí với thuật toán ñã ñược cài ñặt sẵn ñể tạo ra tín hiệu ñiều khiển PWM phù hợp

Vi ñiều khiển trong khối ñiều khiển phải ñáp ứng ñược các tiêu chí sau :

- Tốc ñộ xử lý nhanh ñể ñáp ứng thời gian thực

- Có hỗ trợ module ADC với ñộ phân giải cao và thời gian lấy mẫu nhanh

- Có hỗ trợ module PWM chuyên dụng cho lĩnh vực ñiện tử công suất

Từ những yêu cầu trên tác giả ñã chọn vi ñiều khiển dsPIC30F2020 với các ñặc ñiểm nổi bật sau :

• Kiến trúc ñược tối ưu hóa cho các lệnh trong trình biên dịch dùng ngôn ngữ C

• Tập lệnh gồm 83 lệnh cơ bản, với kiểu ñánh ñịa chỉ linh hoạt

• Các lệnh có ñộ dài 24 bit, bộ nhớ dữ liệu có ñộ rộng 16 bit

• 12KB bộ nhớ Flash

• 512 byte bộ nhớ SRAM

• Tốc ñộ lên tới 30 MISP

• 32 nguồn ngắt, trong ñó có 3 ngắt ngoài, thiết lập ñược 8 mức ưu tiên cho ngắt

• Hỗ trợ 3 timer 16 bit

• Có 1 bộ capture 16 bit và 2 bộ Compare/PWM 16 bit

• Hỗ trợ các giao tiếp cơ bản : I2

C, SPI, UART

• Hỗ trợ module PWM chuyên dụng cho lĩnh vực ñiện tử công suất, bao gồm :

• 4 bộ PWM với 8 kênh ñầu ra

• Mỗi bộ PWM có timer và duty ñộc lập

• Hỗ trợ các phương pháp ñiều xung như phase-shift (dịch pha), Push-Pull,

• Hỗ trợ ADC 10 bit, với tốc ñộ lấy mẫu lên tới 2Msps, 12 ñầu vào

Hình 3.2 : Sơ ñồ chân vi ñiều khiển dsPIC30F2020

* Sơ ñồ cấu trúc khối ñiều khiển :

Hình 3.3 : Sơ ñồ cấu trúc khối ñiều khiển

* Mô tả chức năng :

- ðiện áp ñầu ra ñược ñưa qua mạch ño, mạch ño tạo tín hiệu phù hợp ñể ñưa vào ADC của vi ñiều khiển, vi ñiều khiển sẽ tính toán giá trị thực của ñiện áp dựa trên giá trị thu ñược từ quá trình trích mẫu ADC

- Dựa trên giá trị thực của ñiện áp ñược tính toán, khối tính toán tín hiệu ñiều khiển sẽ tính giá trị duty hợp lí ñể ñưa ra module PWM

- Vi ñiều khiển gửi giá trị duty và ñiện áp thực lên màn hình LCD và gửi lên máy tính, thông qua giao tiếp RS232 ñể giám sát hệ thống

3.1.3 ðối tượng ñiều khiển

ðối tượng ñiều khiển bao gồm Mạch driver, mạch cầu FET, biến áp xung, khối lọc và chỉnh lưu :

Hình 3.4 : Sơ ñồ cấu trúc ñối tượng ñiều khiển

a Mạch driver

Mạch driver dùng ñể khuếch ñại tín hiệu ñiều khiển PWM ñưa từ khối ñiều khiển sang, do tín hiệu PWM có dải ñiện áp nằm trong khoảng 0-5V, trong khi ñó,

ñể kích van công suất dẫn bão hòa (dòng qua van có thể ñạt giá trị cực ñại mà van

có thể dẫn), tín hiệu ñiều khiển kích mở van phải có dải ñiện áp nằm trong khoảng 12-20V, do vậy chúng ta cần sử dụng các mạch driver

Mạch driver phải ñảm phải bảo ñáp ứng ñược tốc ñộ ñiều xung cao, hỗ trợ kích mở cả kênh cao và kênh thấp trong mạch cầu H

Với những yêu cầu trên, tác giả ñã quyết ñịnh sử dụng IC driver là IR2110 ñể ñiều khiển van công suất

Sơ ñồ nguyên lý ghép nối của driver IR2110 :

Hình 3.5 : Sơ ñồ nguyên lý ghép nối của IR2110

Các thông số của IR2110 :

Sơ ñồ khối cấu trúc Driver IR2110:

Hình 3.6 : Sơ ñồ khối cấu trúc IR2110

* ðiều khiển van kênh thấp :

Việc ñiều khển van ở kênh thấp (cực S của van ñược nối trực tiếp vào GND),

từ tín hiệu vào LIN có thể thay ñổi ñiện thế tại LO từ GND sang VCC nhờ việc ñóng

mở 2 MOSFET ñược mắc như trên sơ ñồ cấu trúc ðiện áp Vcc ñược cung cấp ñể

ñủ ñóng van công suất nên ta thấy việc ñóng mở van thấp trở nên ñơn giản

* ðiều khiển van kênh cao :

Việc ñóng van ở kênh cao chỉ ñược thực hiện sau khi van kênh thấp ñã có một khoảng thời gian mở Thật vậy, khi van kênh thấp mở thì ñiện áp ñiểm VS xem như ñược nối xuống GND (bỏ qua sụt áp trên van khi mở), trong thời gian này thì ñiện áp VCC ñược nạp cho tụ Cboot qua diode nối thuận như trên sơ ñồ ( Hình 2.4)

Khi van dưới ñóng lại ñể chuẩn bị quá trình mở van trên Mặc dù khi ñó ñiện áp tại

VS có thể lên ñến rất lớn nhưng ñiện tích trên tụ vẫn không bị phóng ngược trở lại

VCC do có diode chặn lại Khi ñó tín hiệu HIN sẽ mở MOSFET trong IR2110 ñể nối

VB với HO và lúc này một ñiện áp VCC ñược ñặt lên cực G và cực S của van cao