Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Điều Khiển Nguồn Điện Dự Phòng Sử Dụng Năng Lượng Mặt Trời 2KW

Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho thiết bị nguồn điện dự phòng sử dụng năng lượng mặt trời 2kw, tối ưu hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.

• Tác giả: Bùi Hoàng Giang
• Người hướng dẫn: TS. Lưu Hồng Việt
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều Khiển và Tự Động Hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu và Thiết Kế Bộ Điều Khiển Nguồn Điện Dự Phòng Năng Lượng Mặt Trời 2KW
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BỘ THIẾT BỊ DỰ PHÒNG
• 1.1. Tổng quan về bộ thiết bị dự phòng
• 1.2. Bộ biến đổi DC - DC
• 1.3. Bộ biến đổi DC-DC có cách ly
• 1.4. Nguyên lý hoạt động bộ biến đổi Full-bridge
• 1.5. Phương pháp điều xung
• 1.5.1. Phương pháp 1: Điều xung kiểu bù
• 1.5.2. Phương pháp 2: Điều xung kiểu dịch pha
• 1.6. Bộ biến đổi DC – AC
• 1.6.1. Nguyên lý hoạt động
• 1.6.2. Phương pháp điều xung
• 1.6.2.1. Phương pháp 1: Phương pháp Unipolar
• 1.6.2.2. Phương pháp 2: Phương pháp Bipolar
• 2. CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ THIẾT BỊ DỰ PHÒNG
• 2.1. Bộ thiết bị dự phòng
• 2.2. Xây dựng mô hình bộ biến đổi DC-DC
• 2.3. Xây dựng mô hình toán học của bộ biến đổi DC-DC
• 3. CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỰC TẾ
• 4. CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Bộ Điều Khiển Nguồn Điện Mặt Trời 2KW

Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển nguồn điện dự phòng sử dụng năng lượng mặt trời 2KW là một chủ đề quan trọng trong bối cảnh hiện nay. Nguồn năng lượng mặt trời đang trở thành một giải pháp bền vững cho nhu cầu điện năng ngày càng tăng. Bộ điều khiển này không chỉ giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mà còn đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các thiết bị trong trường hợp mất điện lưới.

1.1. Tầm quan trọng của Năng Lượng Mặt Trời trong Cuộc Sống

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo vô tận, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng năng lượng mặt trời không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

1.2. Các Thành Phần Chính của Hệ Thống Nguồn Điện Dự Phòng

Hệ thống bao gồm pin mặt trời, bộ điều khiển sạc, bộ lưu trữ năng lượng và bộ nghịch lưu. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi và lưu trữ năng lượng.

II. Vấn Đề và Thách Thức trong Thiết Kế Bộ Điều Khiển Nguồn Điện

Thiết kế bộ điều khiển nguồn điện dự phòng gặp nhiều thách thức, từ việc đảm bảo hiệu suất đến khả năng tương thích với các thiết bị khác. Các vấn đề như biến đổi điện áp, điều khiển tải và bảo vệ quá tải cần được giải quyết.

2.1. Các Vấn Đề Kỹ Thuật trong Hệ Thống Năng Lượng Mặt Trời

Các vấn đề như hiệu suất chuyển đổi, độ ổn định của điện áp và khả năng lưu trữ năng lượng là những thách thức lớn trong thiết kế hệ thống.

2.2. Thách Thức về Chi Phí và Kinh Tế

Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống năng lượng mặt trời có thể cao, nhưng lợi ích lâu dài từ việc tiết kiệm điện năng và bảo vệ môi trường là rất đáng giá.

III. Phương Pháp Thiết Kế Bộ Điều Khiển Nguồn Điện Dự Phòng

Phương pháp thiết kế bộ điều khiển bao gồm việc xây dựng mô hình toán học và mô phỏng hệ thống. Sử dụng các công nghệ hiện đại như MATLAB & Simulink giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế.

3.1. Mô Hình Toán Học của Bộ Biến Đổi DC DC

Mô hình toán học giúp phân tích và dự đoán hiệu suất của bộ biến đổi DC-DC, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho hệ thống.

3.2. Sử Dụng Công Nghệ Mô Phỏng để Kiểm Chứng Kết Quả

Mô phỏng bằng MATLAB & Simulink cho phép kiểm tra và điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển trước khi triển khai thực tế.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Bộ Điều Khiển Nguồn Điện Mặt Trời

Bộ điều khiển nguồn điện dự phòng 2KW có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như dân dụng, công nghiệp và nông nghiệp. Nó giúp cung cấp điện cho các thiết bị trong trường hợp mất điện lưới.

4.1. Ứng Dụng trong Hệ Thống Dân Dụng

Bộ điều khiển giúp cung cấp điện cho các thiết bị gia đình như đèn, quạt, và các thiết bị điện tử khác trong trường hợp mất điện.

4.2. Ứng Dụng trong Nông Nghiệp

Hệ thống có thể cung cấp điện cho các thiết bị tưới tiêu tự động, giúp tiết kiệm nước và nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tương Lai của Nghiên Cứu

Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển nguồn điện dự phòng sử dụng năng lượng mặt trời 2KW mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các giải pháp năng lượng bền vững. Hướng phát triển tương lai có thể bao gồm việc cải tiến công nghệ và mở rộng ứng dụng.

5.1. Những Kết Quả Đạt Được trong Nghiên Cứu

Luận án đã đạt được những kết quả khả quan trong việc thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển, góp phần nâng cao hiệu suất của hệ thống.

5.2. Hướng Phát Triển Mới cho Năng Lượng Mặt Trời

Nghiên cứu có thể mở rộng sang các công nghệ mới như pin mặt trời hiệu suất cao hơn và các giải pháp lưu trữ năng lượng tiên tiến.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh Việt Nam đang đối mặt với tình trạng thiếu hụt điện năng nghiêm trọng, việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời trở nên cấp thiết. Theo ước tính, nguồn năng lượng mặt trời tại Việt Nam có tiềm năng rất lớn nhưng hiện mới chỉ được khai thác một phần nhỏ. Bộ thiết bị nguồn điện dự phòng sử dụng năng lượng mặt trời công suất 2kW được nghiên cứu nhằm cung cấp điện năng ổn định cho các phụ tải khi lưới điện gặp sự cố như mất điện hoặc điện áp không ổn định. Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi nguồn điện dự phòng, bao gồm bộ biến đổi DC-DC và DC-AC, đảm bảo chất lượng điện áp đầu ra ổn định và đáp ứng nhanh với các biến đổi tải.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống nguồn điện dự phòng công suất 2kW sử dụng năng lượng mặt trời, với các mô hình toán học, mô phỏng và thiết kế phần cứng, phần mềm thực tế. Thời gian nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn trước năm 2011 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo, giảm phụ thuộc vào lưới điện quốc gia, đồng thời góp phần phát triển công nghệ điều khiển và tự động hóa trong lĩnh vực năng lượng sạch.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình bộ biến đổi DC-DC dạng full-bridge có cách ly: Đây là cấu trúc được lựa chọn để nâng điện áp một chiều từ 48V lên 400V với công suất 2kW, đảm bảo cách ly điện áp đầu vào và đầu ra, đồng thời có chất lượng đầu ra cao.
• Phương pháp điều xung kiểu dịch pha (phase-shifted PWM): Phương pháp này giúp hạn chế sóng hài không mong muốn và tránh hiện tượng trùng dẫn, nâng cao độ ổn định và chất lượng điện áp đầu ra.
• Bộ điều khiển PID và bộ điều khiển PID mờ: Bộ điều khiển PID truyền thống được sử dụng để điều chỉnh điện áp đầu ra, trong khi bộ điều khiển PID mờ được áp dụng để nâng cao chất lượng điều khiển, đặc biệt khi tải thay đổi, giúp giảm độ quá điều chỉnh và rút ngắn thời gian ổn định.
• Mô hình điều khiển bộ biến đổi DC-AC: Sử dụng mô hình trạng thái và hàm truyền để thiết kế bộ điều khiển ổn định giá trị tức thời của điện áp xoay chiều đầu ra, đảm bảo chất lượng điện áp sin chuẩn 220VAC/50Hz.

Các khái niệm chính bao gồm: biến đổi điện áp DC-DC có cách ly, điều chế PWM (Unipolar và Bipolar), bộ điều khiển PID, bộ điều khiển mờ, mô hình trạng thái hệ thống điện tử công suất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu thực nghiệm từ hệ thống thiết kế, mô phỏng trên phần mềm Matlab & Simulink, và các tài liệu chuyên ngành về kỹ thuật điều khiển và biến đổi nguồn điện. Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống thiết kế công suất 2kW với các tải thay đổi từ 100Ω đến 200Ω, điện áp đầu vào 48VDC, điện áp đầu ra 400VDC và 220VAC.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xây dựng mô hình toán học của bộ biến đổi DC-DC full-bridge và DC-AC.
• Thiết kế bộ điều khiển PID và PID mờ dựa trên các tham số điều khiển được hiệu chỉnh theo phương pháp Ziegler-Nichols và luật mờ.
• Mô phỏng đáp ứng hệ thống với các biến đổi tải và điện áp đặt để đánh giá chất lượng điều khiển.
• Thiết kế phần cứng và phần mềm thực tế cho bộ biến đổi, kiểm chứng bằng các dạng sóng điện áp và dòng điện đo được.
• Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ đầu năm đến cuối năm 2011, bao gồm các giai đoạn thiết kế mô hình, mô phỏng, xây dựng hệ thống thực tế và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của bộ biến đổi DC-DC full-bridge: Bộ biến đổi có khả năng nâng điện áp từ 48V lên 400V với công suất 2kW, đáp ứng nhanh với các biến đổi tải. Khi tải thay đổi từ 100Ω đến 150Ω và 200Ω, điện áp đầu ra chỉ dao động nhỏ, đảm bảo ổn định điện áp với độ lệch không đáng kể.

2. Đáp ứng bộ điều khiển PID: Với tham số KP=2, KI=0.0005, hệ thống đạt độ quá điều chỉnh 8,75% và thời gian ổn định 0,012s khi tải không đổi, cho thấy bộ điều khiển PID đáp ứng tốt trong điều kiện tải ổn định.

3. Nâng cao chất lượng điều khiển bằng PID mờ: Bộ điều khiển PID mờ cho phép điều chỉnh linh hoạt các tham số KP, KI, KD theo sai lệch và đạo hàm sai lệch, giúp giảm độ quá điều chỉnh và rút ngắn thời gian ổn định ngay cả khi tải và điện áp đặt thay đổi lớn. Thời gian ổn định có thể giảm xuống còn 0,005s, không có hiện tượng quá điều chỉnh.

4. Bộ biến đổi DC-AC và điều khiển giá trị tức thời: Phương pháp điều khiển ổn định giá trị tức thời của điện áp xoay chiều đầu ra giúp duy trì điện áp sin chuẩn 220VAC/50Hz với chất lượng cao hơn so với điều khiển ổn định biên độ. Hệ thống sử dụng bộ lọc LC và mạch điều khiển PWM Unipolar, đảm bảo điện áp đầu ra có dạng sóng sin thuần khiết.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của hiệu quả điều khiển cao là do việc lựa chọn cấu trúc bộ biến đổi full-bridge có cách ly, kết hợp với phương pháp điều xung dịch pha giúp giảm sóng hài và tránh hiện tượng trùng dẫn. So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng bộ điều khiển PID truyền thống, việc áp dụng bộ điều khiển PID mờ đã cải thiện đáng kể khả năng thích ứng với biến đổi tải và điện áp đặt, nâng cao độ ổn định và chất lượng điện áp đầu ra.

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy điện áp đầu ra dao động rất nhỏ khi tải thay đổi, thể hiện qua các dạng sóng điện áp và dòng điện đo được tại các điểm khác nhau trong mạch. Biểu đồ đáp ứng thời gian cho thấy thời gian ổn định nhanh và độ quá điều chỉnh thấp, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của hệ thống nguồn điện dự phòng.

So sánh với các phương pháp điều khiển khác, phương pháp điều khiển ổn định giá trị tức thời của điện áp xoay chiều đầu ra được đánh giá cao về chất lượng điện áp, mặc dù yêu cầu khối lượng tính toán lớn hơn. Việc sử dụng bộ xử lý số DsPic30F2020 với tốc độ tính toán cao đã đáp ứng được yêu cầu này.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển PID mờ trong các hệ thống nguồn điện dự phòng: Để nâng cao chất lượng điều khiển và khả năng thích ứng với biến đổi tải, các đơn vị sản xuất và nghiên cứu nên áp dụng bộ điều khiển PID mờ, tập trung vào việc hiệu chỉnh các hàm liên thuộc và luật điều khiển phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.

2. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp trên vi xử lý tốc độ cao: Khuyến nghị sử dụng các vi xử lý số có khả năng xử lý nhanh như DsPic30F2020 để đảm bảo thực thi các thuật toán điều khiển phức tạp, đặc biệt trong điều khiển ổn định giá trị tức thời của điện áp xoay chiều.

3. Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng cho công suất lớn hơn: Nghiên cứu nên được tiếp tục mở rộng để thiết kế bộ điều khiển cho các hệ thống nguồn điện dự phòng công suất lớn hơn, đồng thời đánh giá hiệu quả trong các điều kiện tải và môi trường thực tế đa dạng.

4. Tăng cường kiểm tra và đánh giá thực tế: Đề xuất thực hiện các thử nghiệm thực tế tại các địa phương có điều kiện sử dụng năng lượng mặt trời phong phú nhằm đánh giá hiệu quả vận hành lâu dài, độ bền và khả năng bảo trì của hệ thống.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Luận văn cung cấp mô hình toán học, phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID và PID mờ, cùng các mô phỏng chi tiết, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng thực hành.

2. Kỹ sư thiết kế hệ thống năng lượng tái tạo: Thông tin về cấu trúc bộ biến đổi DC-DC full-bridge và DC-AC, cùng các phương pháp điều khiển PWM, là tài liệu tham khảo quý giá cho việc phát triển các hệ thống nguồn điện dự phòng sử dụng năng lượng mặt trời.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất: Các giải pháp phần cứng và phần mềm được trình bày trong luận văn hỗ trợ trong việc thiết kế, chế tạo và tối ưu hóa các bộ biến đổi nguồn điện dự phòng.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá và thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo trong các chương trình phát triển năng lượng sạch quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ biến đổi DC-DC full-bridge có ưu điểm gì so với các loại khác?
   Bộ biến đổi full-bridge có cách ly giúp nâng cao chất lượng điện áp đầu ra, phù hợp với công suất lớn (2kW), đồng thời giảm thiểu sóng hài và tăng độ bền thiết bị nhờ phương pháp điều xung dịch pha.

2. Tại sao chọn phương pháp điều xung kiểu dịch pha thay vì kiểu bù?
   Phương pháp dịch pha hạn chế hiện tượng trùng dẫn, giảm sóng hài không mong muốn và tránh hư hỏng van công suất, giúp hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả hơn.

3. Bộ điều khiển PID mờ có lợi ích gì so với PID truyền thống?
   PID mờ cho phép điều chỉnh linh hoạt các tham số điều khiển dựa trên sai lệch và tốc độ biến đổi sai lệch, giúp hệ thống thích ứng tốt với biến đổi tải và điện áp, giảm độ quá điều chỉnh và rút ngắn thời gian ổn định.

4. Phương pháp điều khiển ổn định giá trị tức thời của điện áp xoay chiều có ưu điểm gì?
   Phương pháp này giúp duy trì điện áp đầu ra có dạng sóng sin chuẩn và ổn định ngay cả khi tải thay đổi nhanh, nâng cao chất lượng điện áp so với phương pháp điều khiển ổn định biên độ.

5. Làm thế nào để đảm bảo bộ điều khiển hoạt động hiệu quả trong thực tế?
   Cần lựa chọn vi xử lý có tốc độ tính toán cao, thiết kế phần mềm điều khiển tối ưu, đồng thời thực hiện kiểm tra, hiệu chỉnh tham số điều khiển dựa trên dữ liệu thực tế và mô phỏng để đảm bảo đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

Kết luận

• Đã thiết kế thành công bộ điều khiển cho bộ biến đổi nguồn điện dự phòng sử dụng năng lượng mặt trời công suất 2kW, bao gồm bộ biến đổi DC-DC full-bridge và DC-AC.
• Bộ điều khiển PID mờ nâng cao chất lượng điều khiển, giảm độ quá điều chỉnh và rút ngắn thời gian ổn định so với PID truyền thống.
• Phương pháp điều khiển ổn định giá trị tức thời của điện áp xoay chiều đầu ra giúp duy trì điện áp sin chuẩn 220VAC/50Hz với chất lượng cao.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hệ thống đáp ứng tốt các biến đổi tải và điện áp đặt, đảm bảo ổn định và hiệu quả vận hành.
• Đề xuất tiếp tục phát triển hệ thống cho công suất lớn hơn và mở rộng ứng dụng thực tế trong các khu vực có tiềm năng năng lượng mặt trời.

Các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên áp dụng và phát triển thêm các giải pháp điều khiển mờ cho hệ thống nguồn điện tái tạo, đồng thời tiến hành thử nghiệm thực tế để hoàn thiện và thương mại hóa sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: Tổng quan về bộ thiết bị dự phòng Khi qua phần điot chỉnh lưu hai nửa chu k ỳ 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: N2  V0  2 Vin (1.2) N1 T trong đó  là độ dịch pha. Cách điều khiển xung bù này sẽ có thời điểm cả 4 van cùng đóng. Như vậy, nếu thiết kế không tốt, năng lượng trong cuộn dây sơ cấp của biến áp xung có thể đánh ngược trở lại van gây hư hỏng cho van, hoặc tạo các sóng hài gây nhiễu cho quá trình điều khiển.

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 củ a biến áp xung sẽ không đánh ngược trở lại van mà trả về nguồn. Với cách điều khiển này sẽ hạn ch ế 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. Bộ biến đổi DC – AC 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 , Q 2, 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 Q 3-Q 4. Tùy thuộc vào sự đóng cắt của các van Q 1, Q2 , Q3 và Q 4 mà điện áp ra của cầu Vab có giá trị là +Vi hay –Vi hay là bằng 0. 9 Chương I: Tổng quan về bộ thiết bị dự phòng Hình 1.

Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi DC-AC Thật vậy: - Nếu Q1 và Q4 thông, đồng thời Q 2 và Q 3 khóa thì điện áp ra của cầu Vab  VA  VB  Vi - Ngược lại nếu Q 2 và Q3 thông, đồng thời Q1 và Q4 khóa thì điện áp ra của cầu Vab = VA – VB = -Vi. - 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 m ạch. Vì vậy, cần phải tính toán thời gian phát xung cho các van để đảm bảo không xảy ra hiện tượng trùng dẫn này.

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. 10 Chương I: Tổng quan về bộ thiết bị dự phòng 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-Q 2, Q3 -Q4 hoạt động ở chế độ bù. Điện áp ra Vab = VA –V B sẽ có 3 trạng thái +Vi , -Vi và 0. 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 Q 2 – Q3 , hai nhóm van này sẽ phát xung ở chế độ bù nhau. Điện áp ra sẽ có hai trạng thái –Vi hoặc +V i.

11 Chương I: Tổng quan về bộ thiết bị dự phòng Hình 1. 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. 12 Chương II: Thiết kế bộ điều khiển cho các bộ biến đổi CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ THIẾT BỊ DỰ PHÒNG Bộ thiết bị dự phòng 48 VDC 220 VAC Boost 400 VDC DC-AC DC-DC 50Hz Module control Module control DC- DC DC -AC Hình 2.

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. Xây dựng mô hình bộ biến đổi DC-DC 2. 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. 13 Chương II: Thiết kế bộ điều khiển cho các bộ biến đổi iL Lo Cuon cam Q2 2mH Q1 D1 D2 N1:N2 iC iR 50 Co Vi 48V v1 voi 1000uF RL Nguon ac quy Vo Bien ap xung D3 D4 Q3 Q4 Hình 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.

Giản đồ thời gian xung điều khiển các van dạng phase-shifted và điện áp bên sơ cấp biến áp 14 Chương II: Thiết kế bộ điều khiển cho các bộ biến đổi 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 nử a 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. Lo Cuon cam 2mH D1 D2 1:n 50 48V Co RL Vi 1000uF Vo Nguon ac quy Bien ap xung D3 D4 Hình 2. Sơ đồ rút gọn khi 0  t   Khi đó theo định luật Kirchhoff 1 và 2 có:  di  n  Vi  L  dt  V0  (2.1) dV V i L  C  0  0  dt RL Trong đó: N2 n : hệ số biến áp.

N1 Vi : là điện áp nguồn một chiều. iL : là đại lượng dòng điện qua cuộn cảm. V0 : là điện áp đo được ở đầu ra mạch. R L : là điện trở tải.

L,C: lần lượt là các giá trị điện cảm và điện dung của cuộn cảm và tụ điện. 15 Chương II: Thiết kế bộ điều khiển cho các bộ biến đổi T Khi   t  , các transistor Q1và Q2 cùng đóng, sơ đồ mạch tương đương 2 có dạng như hình 2. Lo Cuon cam 2mH D1 D2 50 Co RL 1000uF Vo D3 D4 Hình 2. Sơ đồ rút gọn khi   t  TPWM / 2 Theo định luật 1 và 2 Kirchhoff có:  di  0  L  dt V 0  (2.2) dV V i L  C  0  0  dt RL  Hình 2.

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 T  0, PWM  thì điện áp tăng dần đến Vi, ngược lại khi   điện áp đầu ra cũng  2   0 giảm dần về 0. Do đó điện áp và dòng điện đầu ra sẽ là giá trị trung bình của quá trình tăng giảm này. Từ lập luận này, mô hình của hệ thống có thể viết lại như sau: 16 Chương II: Thiết kế bộ điều khiển cho các bộ biến đổi  2  di T  n Vi  L   V0  PWM dt  (2.3)  i  C  dV0  V0 L  dt RL 2 Đặt: u ; u  0,1 (2.4) TPWM Như vậy, mô hình cuố i cùng của h ệ thống với u khi này sẽ đại diện cho biến điều khiển có dạng như sau:  di  L  dt  n  u  Vi  V0  dV (2.5) C  0  i L  V0  dt RL Phương trình 2 trong hệ phương trình (5) được viết lại như sau: di d 2V0 1 dV0  C.6) dt dt RL dt Thế vào phương trình 1 trong hệ phương trình (5) được: d 2V0 L dV0 L.7) dt RL dt Chuyển sang miền ảnh laplace thì hàm truyền đạt của hệ thống có dạng: V0  s  n Vi W ( s)   (2.8) U  s L L C  s 2  s 1 RL Với n  10, Vi  48V , L  2 mH, C  1000  F , R  100, hàm truyền trong miền liên tục của đối tượng là : 480 W ( s)  (2.10-5 s + 1 -6 2 Từ hàm truyền, có thể thấy đối tượng là một khâu dao động bậc 2 với:  Hằng số thời gian:   2.10 5 1  Hệ số tắt dần: D    .10 3 2 17 Chương II: Thiết kế bộ điều khiển cho các bộ biến đổi Vậy chu kì dao động của hệ thống là: 2 T2   0, 28 s 1 D2 Tần số trích mẫu [8]: T signal m ax f sample 10 f signalmax hay Tsample  với Tsignal m ax  T2 10 Do đó, chu kì trích mẫu nên chọn: Tsample  0, 028s Chọn chu kì trích mẫu: Tsample  103 s  1 ms Với chu kì trích mẫu này thì: Tsample  20.Tpwm Điều này đảm bảo rằng tín hiệu điều khiển ra sẽ được thực thi. Xây dựng mô hình mô phỏng bộ biến đổi DC – DC 2.

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. Sơ đồ mạch cầu H 18 Chương II: Thiết kế bộ điều khiển cho các bộ biến đổi Hình 2. Sơ đồ mô phỏng phần biến áp, chỉnh lưu và lọc 2.

Sơ đồ mạch điều khiển Hình 2.