Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi buck – boost theo chế độ dòng điện trung bình

Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho biến đổi Buck – Boost theo chế độ dịng điện trung bình + Nội dung thiết kế: Mơ hình hóa, Cấu trúc điều khiển cách thức tính tốn điều chỉnh (bộ bù) Điện áp u = 30V, điện áp u = 15V 35V in + Mô cấu trúc điều khiển ✓ Cấu trúc điều khiển cho biến đổi Buck-Boost Converter uo* _ Voltage Controller iL* _ o Điện cảm L = 100

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi Buck – Boost theo chế độ dòng điện

trung bình

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS VŨ HOÀNG PHƯƠNG

NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN: MSSV

TRẦN NGỌC CƯỜNG 20173708

Trang 2

Thiết kế mạch vòng điều chỉnh cho bộ biến đổi Buck – Boost theo chế độ

dòng điện trung bình.

+ Nội dung thiết kế: Mô hình hóa, Cấu trúc điều khiển và cách thức tính toán

bộ điều chỉnh (bộ bù).

+ Mô phỏng cấu trúc điều khiển

YÊU CẦU THIẾT KẾ

Voltage Controller

Current Controller

BOOST Converter PWM

Điện áp u in = 30V, điện áp ra u o = 15V và 35V

Điện cảm L = 100𝝁H

Tụ điện C = 697𝝁F Tần số phát xung f x = 100kHz

Tải R = 5𝜴, Công suất thiết kế P = 250W

✓ Cấu trúc điều khiển cho bộ biến đổi

Buck-Boost Converter

Trang 3

NỘI DUNG TRÌNH BÀY

1 Mô hình hóa bộ biến đổi Buck - Boost Converter

Thiết kế bộ điều khiển/Tính toán bộ bù

Mô phỏng Matlab/Simulink Kết luận

2

3

4

Trang 4

Mô hình hóa bộ biến đổi Buck - Boost Converter

1

❑ Sơ đồ bộ biến đổi Buck-Boost Converter lí tưởng

Hình 1 Sơ đồ lí tưởng của bộ biến đổi Buck - Boost Converter

i in

i L

R

Trang 5

1

❑TH1: V = on; D = off (u = 1) ❑TH2: V = off; D = on (u = 0)

➢ Phương pháp không gian trạng thái trung bình

iin

iL

R

Trang 6

1

➢ Từ trên suy ra mô hình hàm đóng cắt với hàm đóng cắt u={0;1}:

(1 ) (1 )( ) (1 )

t Ts

s Ts

Trang 7

1

➢ Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc:

➢ Tại điểm làm việc cân bằng:

0

1 (1

D

U U

D U

Trang 8

Trang 9

1

➢ Laplace hệ phương trình (4) ta được:

( ) ( )( ) (1 ) ( )

( ) ( ) (1 ) ( ) ( )

Trang 10

%Ham truyen giua dien ap dau ra va he so dieu che

Trang 11

1

➢ Hàm truyền điện giữa dòng điện chảy qua cuộn cảm và hệ số điều chế:

( ) ( ) ( )

( )2 2

Trang 12

Thiết kế bộ điều khiển

2

➢ Sơ đồ khối điều khiển theo nguyên lý dòng điện trung bình:

Nguyên lý này được thực hiện với hai mạch vòng nối cấp Đầu ra bộ điều chỉnh điện áp chính

là lượng đặt cho bộ điều chỉnh dòng điện, đầu ra bộ điều chỉnh dòng điện là hệ số điều chế sẽ được

Tải R = 5𝜴, Công suất thiết kế P = 250W

Thông số thiết kế cho BBĐ

Voltage Controller

Current Controller

BOOST Converter PWM

Trang 13

Hình 3 Đồ thị Bode của hàm truyền G khi chưa có bộ điều chỉnh dòng điện

→ Ta chọn bộ bù loại II để triệt tiêu sai lệch tĩnh của

và bù chậm pha cho hệ thống

Trang 14

2

❑ Bước 1: Thiết kế mạch vòng dòng điện:

❑ Cấu trúc bộ bù loại II cho mạch vòng điều chỉnh dòng

điện để có 𝜽PM1 = 60 o , tần số cắt f ci = 10kHz (1/10f x) ( ) 1

1

1 1 1

❑ Sử dụng lệnh [mag, phase] = bode(Gid, 2*pi*10e+3) ta

có biên độ và pha của đối tượng tại tần số 10kHz

Trang 15

2

❑ Tần số điểm không và điểm cực được xác định:

❑ Sử dụng lệnh [mag1, phase1] = bode(Gc1, 2*pi*10e+3) ta có biên độ và pha hàm truyền của bộ

bù G c1 (s) (có 1 điểm không, 1 điểm cực) tại tần số 10kHz.

5 1

Trang 16

Trang 17

2

Hình 4 Đồ thị Bode hệ hở của mạch vòng dòng điện khi có bộ điều chỉnh dòng điện

▪ Hàm truyền hệ hở của mạch vòng dòng điện có

tần số cắt f ci = 10 kHz

▪ Độ dữ trữ pha PM1 = 60°

→ Đúng như mong muốn thiết kế

Trang 18

❑ Bước 2: Thiết kế mạch vòng điện áp:

❑ Do động học mạch vòng dòng điện nhanh hơn mạch vòng điện áp thông thường

từ 5 đến 10 lần, nên ta chọn tần số cắt cho mạch vòng điện áp fcu =1/10.fci

❑ Ta thiết kế mạch vòng điện áp với hàm truyền Gvi(s) tìm được ở phần mô hình

hóa như sau:

Trang 19

Hình 5 Đồ thị Bode của hàm truyền G khi chưa có bộ điều chỉnh điện áp

▪ Hàm truyền G vi có tần số

cắt f c = 140 Hz

▪ Độ dữ trữ pha PM = 113°

→ Cần phải bù chậm pha hệ thống lại

→ Ta chọn bộ bù loại II để triệt tiêu sai lệch tĩnh của

và bù chậm pha cho hệ thống

Trang 20

❑ Cấu trúc bộ bù loại II cho mạch vòng điều chỉnh điện áp

để có 𝜽PM2 = 60 o , tần số cắt f cu = 1kHz (1/10f ci) ( ) 2

2

1 1

❑ Sử dụng lệnh [mag2, phase2] = bode(Gvi, 2*pi*1e+3)

ta có biên độ và pha của đối tượng tại tần số 1kHz

Trang 21

❑ Tần số điểm không và điểm cực được xác định:

❑ Sử dụng lệnh [mag3, phase3] = bode(Gc2, 2*pi*1e+3) ta có biên độ và pha hàm truyền của bộ bù

G c2 (s) (có 1 điểm không, 1 điểm cực) tại tần số 1kHz.

4 2

Trang 22

Trang 23

Hình 6 Đồ thị Bode hệ hở của mạch vòng điện áp khi có bộ điều chỉnh

▪ Hàm truyền hệ hở của mạch vòng điện áp có tần

số cắt f cu = 1 kHz

▪ Độ dữ trữ pha PM2 = 60°

→ Đúng như mong muốn thiết kế

Trang 24

Mô phỏng Matlab & Simulink

3

➢ Sơ đồ mô phỏng:

Hình 7 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink

Trang 25

3

➢ Sơ đồ mô phỏng:

Hình 8 Sơ đồ mạch lực bộ biến đổi Buck-Boost Converter

Trang 26

3

➢ Mô phỏng khi các yếu tố trong mạch không thay đổi:

▪ Điện áp đặt thay đổi 15V→12V→35V, thì đáp ứng điện áp ra bám sát giá trị đặt

Trang 27

3

➢ Mô phỏng khi nguồn dao động với biên độ ±10%, tần số 100Hz:

Hình 10 Kết quả khi nguồn dao động với biên độ ±10%, tần số 100Hz

▪ Nguồn dao động với biên độ 3V, tần số 100Hz, thì đáp ứng điện áp ra bám sát giá trị đặt

▪ Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm ≈21,72%

Trang 28

3

Hình 11 Kết quả khi nguồn tải thay đổi

➢ Mô phỏng khi tải thay đổi:

▪ Thay đổi tải, 0s→0.03s không tải,

0.03s →0.1s tải định mức 0.1s→0.17s tăng tải (200%), 017.s→0.2s giảm tải

(50%)

▪ Điện áp ra bám sát giá trị đặt

▪ Độ đập mạch điện áp ra ≈ 0,057% khi tải bằng 50% tải định mức

▪ Độ đập mạch dòng tải ≈ 0,086% khi tải bằng 50% tải định mức

▪ Thời gian xác lập điện áp ≈ 0,002s tại thời điểm giảm tải (0,17s)

▪ Dòng quá độ lớn nhất trên cuộn cảm

≈ 39,75A tại thời điểm tăng tải

Trang 29

3

➢ Mô phỏng khi tải và nguồn cùng thay đổi:

Hình 12 Kết quả khi nguồn dao động đồng thời tải thay đổi

▪ Khi các yếu tố trong mạch đồng thời thay đổi, thì điện áp ra vẫn bám sát giá trị đặt

▪ Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm ≈33,459% khi tải bằng 50%

▪ Độ đập mạch dòng trên tải ≈ 0.229% khi tải bằng 50% tải định mức

▪ Độ đập mạch điện áp ra ≈ 0,229% khi tải bằng 50% tải định mức

▪ Thời gian xác lập ≈ 0,002s tại thời điểm giảm tải (0,17s)

▪ Dòng quá độ lớn nhất trên cuộn cảm

≈ 39,35A tại thời điểm tăng tải

Hình 12 Kết quả khi nguồn dao động đồng thời tải thay đổi

Trang 30

Kết luận

4

➢ Kết quả mô phỏng đúng với nguyên lý thiết kế dòng điện trung bình cho bộ

biến đổi buck-boost converter.

➢Hệ thống ổn định ngay cả khi có sự thay đổi ở tải cũng như ở nguồn cấp.

➢ Sử dụng bộ bù loại II giúp giảm được sai lệch tĩnh của hệ thống, có thể sử dụng

bộ bù PI cho bài toán này.

Định dạng
Số trang	31
Dung lượng	1,89 MB