Thiết kế điều khiển bộ biến đổi Dc-DC giảm áp sử dụng phương pháp cận tuyến tính nhờ phản hồi trạng thái

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP SỬ DỤNG

PHƢƠNG PHÁP CẬN TUYẾN TÍNH NHỜ PHẢN HỒI TRẠNG THÁI

Học viên: PHẠM THỊ THUỲ LINH

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TSKH. NGUYỄN PHÙNG QUANG

THÁI NGUYÊN 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Phạm Thị Thuỳ Linh

Ngày tháng năm sinh: Ngày 15 tháng 07 năm 1984

Nơi sinh: Thành phố Thái Nguyên - Tỉnh Thái Nguyên

Nơi công tác: Trƣờng Cao đẳng nghề Cơ điện & Xây dựng Bắc

Ninh.

Cơ sở đào tạo: Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Chuyên ngành: Hệ thống điện

Khoá học: K11 - TBM&NMĐ

TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BỘ DIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP SỬ DỤNG

PHƢƠNG PHÁP TUYẾN TÍNH HOÁ XẤP XỈ NHỜ PHẢN HỒI TRẠNG

THÁI

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang

Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-----------------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN

GS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang

HỌC VIÊN

Phạm Thị Thuỳ Linh

DUYỆT BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công

trình nghiên cứu của tôi, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công

trình nào khác.

Thái Nguyên, ngày 06 tháng 8 năm 2010

Tác giả luận văn

Phạm Thị Thuỳ Linh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 6

Chƣơng 1: MÔ HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP 8

1.1 Các bộ biến đổi 8

1.1.1 Phân loại sơ đồ biến đổi 8

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

1.1.1.2 Sơ đồ biến đổi DC-DC có cách ly 9

1.1.2 Các sơ đồ bộ biến đổi DC-DC không cách ly 10

1.1.2.1 Sơ đồ biến đổi Buck 10

1.1.2.2 Sơ đồ biến đổi Boost 11

1.1.2.3 Sơ đồ biến đổi Buck-Boost 12

1.2 Mô hình bộ biến đổi giảm áp (the Buck converter) 13

1.2.1 Mô hình bộ biến đổi 14

1.2.2 Mô hình dạng chuẩn 16

1.2.3 Điểm cân bằng và hàm truyền tĩnh 16

1.2.4 Mô hình mẫu bộ biến đổi DC-DC giảm áp 19

Chƣơng 2: PHƢƠNG PHÁP CẬN TUYẾN TÍNH PHẢN HỒI TRẠNG THÁI 20

2.1 Tuyến tính hoá trong lân cận điểm làm việc 21

2.1.1 Tuyến tính hoá mô hình trạng thái 21

2.1.2 Phân tích hệ thống 23

Phân tích tính ổn định nhờ mô hình tuyến tính tƣơng đƣơng

Phân tích tính ổn định nhờ đa tạp trung tâm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5

2.2 Thiết kế bộ điều khiển 36

2.3 Thiết kế bộ điều khiển tĩnh, phản hồi trạng thái gán điểm cực 38

Chƣơng 3: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC GIẢM ÁP 42

3.1 Đặt vấn đề 42

3.2 Phƣơng pháp điều khiển 44

3.2.1 Điều khiển trực tiếp 44

3.2.2 Điều khiển gián tiếp 44

3.3 Tạo xung điều khiển bằng modul S-D 45

3.3.1 Modul S-D 45

3.3.2 Phản hồi và modul S-D 46

3.3.3 M ạch c ủa modul S-D 47

Ch ƣơng 4: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG TRÊN NỀN MATLAB & SIMULINK 48

4.1 Bộ biến đổi 49

4.2 Xây dựng bộ điều khiển 50

4.2.1 Bộ điều khiển cận tuyến tính phản hồi trạng thái 50

4.2.2 Bộ tạo xung điều khiển 51

4.2.3 Bộ điều chỉnh dòng điện 55

4.2.4 Bộ điều chỉnh điện áp 63

4.3 Thử nghiệm các thong số hệ thống 65

4.4 Thử nghiệm thính điều chỉnh đƣợc của hệ thống 70

KẾT LUẬN 73

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6

MỞ ĐẦU

Hiện nay vấn đề năng lƣợng và môi trƣờng là vấn đề rất quan trọng

trong đời sống sản xuất và phát triển kinh tế xã hội trên toàn cầu. Với sự phát

triển của khoa học công nghệ, con ngƣời đã sử dụng đƣợc những nguồn năng

lƣợng sạch từ tự nhiên nhƣ năng lƣợng gió, mặt trời, thuỷ chiều… Ở Việt

Nam hiện nay cũng đã bắt đầu sử dụng những nguồn năng lƣợng này trong

việc giải quyết bài toán năng lƣợng quốc gia. Những nguồn năng lƣợng trên

đã cung cấp một lƣợng năng lƣợng lớn đáp ứng nhu cầu của con ngƣời.

Nhƣng chúng ta mới sử dụng một phần rất nhỏ, chƣa khai thác triệt để tiềm

năng sẵn có của nó. Nguồn điện tạo ra là nguồn nên nó có khả năng lƣu trữ

điện đó thƣờng có biên độ cố dịnh, không đƣợc điều khiển. Vì thế gặp rất

nhiều khó khăn trong việc cung cấp nguồn điện cho các ứng dụng trong nhiều

lĩnh vực nhƣ sản xuất công nghiệp, truyền thông.

Mặt khác, hiện nay, do nhu cầu về năng lƣợng điện của con ngƣời ngày

càng tăng, việc đầu tƣ cho hệ thống lƣới điện lại đòi hỏi rất nhiều kinh phí dẫn

tới tình trạng quá tải, thiếu hụt điện năng và chất lƣợng điện năng suy giảm.

Điều này ảnh hƣởng trực tiếp tới các thiết bị dùng điện, đặc biệt ảnh hƣởng

lớn tới tuổi thọ các thiết bị điện tử nhạy cảm nhƣ hệ thống thông tin, điều

khiển trong công nghiệp. Ngoài 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 nƣớc mà còn ảnh hƣởng đến tính mạng của con

ngƣời khi sử dụng các máy móc hiện đại để điều trị trong y học.

Trong kü thuËt hiÖn ®¹i ngµy nay, viÖc chÕ t¹o ra c¸c bé chuyÓn ®æi

nguån cã chÊt l-îng ®iÖn ¸p cao, kÝch th-íc nhá gän cho c¸c thiÕt bÞ sö dông

®iÖn lµ hÕt søc cÇn thiÕt.

Vì những lý do đó mà bộ biến đổi nguồn DC-DC đang đƣợc sử dụng

ngày càng rộng rãi. Bộ biến đổi nguồn DC-DC là một thiết bị công suất, biến

điện áp một chiều thành điện áp một chiều với các mức điện áp mong muốn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7

nhằm cung cấp điện cho các thiết bị sử dụng nguồn một chiều. Bộ biến đổi

nguồn DC-DC còn là một phần quan trọng của bộ lƣu điện UPS.

Bé biÕn ®æi DC - DC gi¶m ¸p hay ®-îc sö dông ë m¹ch mét chiÒu trung

gian cña thiÕt bÞ biÕn ®æi ®iÖn n©ng c«ng suÊt võa và nhỏ, ®Æc biÖt lµ c¸c hÖ

thèng ph¸t ®iÖn sö dông n¨ng l-îng t¸i t¹o (søc giã, mÆt trêi).

CÊu tróc cña m¹ch vèn kh«ng phøc t¹p nh-ng vÊn ®Ò ®iÒu khiÓn nh»m ®¹t

®-îc hiÖu suÊt biÕn ®æi cao vµ b¶o ®¶m æn ®Þnh lu«n lµ môc tiªu cña c¸c c«ng

trinh nghiªn cøu. B¶n chÊt m¹ch gi¶m ¸p cã c¸c phÇn tö phi tuyÕn do vËy lùa

chän ph-¬ng ph¸p tuyÕn tÝnh hãa nhê ph¶n håi tr¹ng th¸i sÏ phï hîp cho viÖc

®iÒu khiÓn bé biÕn ®æi trªn. Trong phạm vi bản luận văn này, với đề tài „Thiết

kế điều khiển bộ biến đổi Dc-DC giảm áp sử dụng phương pháp cận tuyến

tính nhờ phản hồi trạng thái ‟.

Nội dung của đề tài đƣợc trình bày trong các chƣơng sau đây:

Chƣơng 1: Mô hình bộ biến đổi DC-DC giảm áp

Chƣơng 2: Phƣơng pháp cận tuyến tính phản hồi trạng thái

Chƣơng 3: Cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC-DC giảm áp

Chƣơng 4: Mô phỏng kiểm chứng trên nền MATLAB & Simulink

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hƣớng dẫn GS.TSKH.Nguyễn

Phùng Quang dã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo điều kiện để em có thể hoàn

thành tốt luận văn thạc sỹ kỹ thuật.