Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu đánh giá các phương pháp điều khiển hiện đại cho các bộ nguồn đóng cắt

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:65

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Nghiên cứu đánh giá các phương pháp điều khiển hiện đại cho các bộ nguồn đóng cắt" đã tổng hợp quy trình phát triển một hệ điều khiển logic mờ và điều khiển PI cho các bộ biến đổi DC/DC với các bước thiết kế, phân tích, mô phỏng đồng thời so sánh khả năng làm việc của các bộ điều khiển này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu đánh giá các phương pháp điều khiển hiện đại cho các bộ nguồn đóng cắt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ....................................... Cao Thành Trung Nghiên cứu đánh giá các phương pháp điều khiển hiện đại cho các bộ nguồn đóng cắt. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : T.S Nguyễn Thế Công HÀ NỘI – 2010
LỜI NÓI ĐẦU Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng làm việc của các thiết bị điện tử công suất nói chung chính là phương pháp điều khiển được chọn cho các bộ biến đổi đó. Từ trước đến này, các thuật toán điều khiển thiết bị điện tử công suất chủ yếu dựa trên kỹ thuật điều khiển tuyến tính. Khi đó khả năng làm việc của các thiết bị điện tử công suất sẽ là sự “thỏa hiệp” của hai yếu tố sau: 1) tính đơn giản của việc giả thiết mô hình các thiết bị là tuyến tính và 2) phạm vi có hiệu lực của thuật toán điều khiển được chọn cho mô hình đó. Để tránh được nhược điểm nêu trên, chúng ta có thể sử dụng hai phương pháp sau. Phương pháp thứ nhất là sử dụng mô hình chính xác của các thiết bị điện tử công suất và sau đó áp dụng các thuật toán điều khiển phù hợp với mô hình đó. Tuy nhiên, phương pháp này tốn nhiều thời gian và khá phức tạp nếu các thiết bị điện tử công suất có tính phi tuyến cao và các thông số của thiết bị không xác định được. Phương pháp thứ hai là sử dụng kỹ thuật “suy luận khám phá” (heuristic reasoning) dựa trên kinh nghiệm chuyên gia (expert experience) đối với các các thiết bị này. Điều này có nghĩa là phương pháp điều khiển các thiết bị công suất sẽ dựa trên kinh nghiệm của người vận hành. Kinh nghiệm này thường là tập hợp của các mệnh đề và quy tắc ở dạng ngôn ngữ , nhờ đó mà khâu mô hình hóa có thể được bỏ qua và quy trình thiết kế bộ điều khiển chỉ còn là sự “chuyển đổi” của một tập các quy tắc ngôn ngữ thành thuật toán điều khiển tự động. Ở đây, logic mờ (fuzzy logic) đóng một vai trò quan trọng trong việc đưa ra một cơ cấu thiết yếu cho việc thực hiện quy trình chuyển đổi trên. Trong nhiều năm qua, các bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, thương mại và dân sự. Vì vậy trong luận văn này các bộ biến đổi DC/DC là các đối tượng để triển khai các thuật toán điều khiển trong lĩnh vực điện tử công suất. Do đó, luận văn này tổng hợp quy trình phát triển một hệ điều khiển logic mờ và điều khiển PI cho các bộ biến đổi DC/DC với các bước thiết 1
kế, phân tích, mô phỏng đồng thời so sánh khả năng làm việc của các bộ điều khiển này. Bố cục của luận văn như sau: Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi DC/DC có biến áp Chương 2: Bộ biến đổi Flyback Chương 3: Tổng quan về điều khiển mờ Chương 4: Mô phỏng bộ biến đổi Flyback sử dụng MALAB Simulink và Plecs Trong quá trình làm đồ án em đã nhận được sự hướng dẫn giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Thế Công. Em xin chân thành cảm ơn thầy và toàn thể các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị Điện-Điện tử đã giúp đỡ em trong quá trình học tập tại trường. 2
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................................1 MỤC LỤC .............................................................................................................................3 Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi DC/DC có biến áp ...........................................5 1.1.Khái quát về bộ biến đổi DC/DC.............................................................................5 1.2. Các bộ biến đổi có biến áp......................................................................................6 1.2.1.Bộ biến đổi thuận..............................................................................................6 1.2.2.Bộ biến đổi kiểu đẩy - kéo ................................................................................6 1.2.3.Bộ biến đổi hồi tiếp...........................................................................................7 1.2.4.Bộ biến đổi cầu bán phần..................................................................................7 1.2.5Bộ biến đổi cầu toàn phần..................................................................................8 Chương 2:Bộ biến đổi Flyback..........................................................................................9 2.1 Nguyên lý hoạt động................................................................................................9 2.1.1.Chế độ liên tục ................................................................................................10 2.1.2.Chế độ gián đoạn ............................................................................................12 2.2 Tính toán thiết kế bộ biến đổi Flyback ở chế độ liên tục.......................................14 2.2.1 Yêu cầu thiết kế ..............................................................................................14 2.2.2 Xem xét thiết kế sơ bộ ....................................................................................14 2.2.3 Thiết kế máy biến áp.......................................................................................15 2.2.4 Lựa chọn các van bán dẫn...............................................................................17 Chương 3:Tổng quan về điều khiển mờ ..........................................................................19 3.1. Khái niệm về tập mờ:............................................................................................19 3.1.1. Định nghĩa: ....................................................................................................19 3.1.2. Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ: ......................................20 3.2. Các phép toán trên tập mờ: ...................................................................................21 3.2.1. Phép hợp: .......................................................................................................21 3.2.2. Phép giao: ......................................................................................................23 3.2.3. Phép bù: .........................................................................................................24 3.3. Luật hợp thành mờ:...............................................................................................25 3.3.1. Mệnh đề hợp thành: .......................................................................................25 3.3.2. Mô tả mệnh đề hợp thành: .............................................................................25 3.3.3. Luật hợp thành mờ:........................................................................................27 3.4. Giải mờ: ................................................................................................................30 3.4.1. Phương pháp cực đại: ....................................................................................30 3.4.2. Phương pháp điểm trọng tâm:........................................................................32 3.5. Bộ điều khiển mờ:.................................................................................................34 3.5.1. Bộ điều khiển mờ cơ bản:..............................................................................34 3.5.2. Tổng hợp bộ điều khiển mờ:..........................................................................35 3.6 Điều khiển mờ áp dụng trong các bộ biến đổi DC/DC.........................................37 Chương 4: Sử dụng Matlab Simulink và Plecs mô phỏng mạch Flyback ......................39 4.1 Phần mềm mô phỏng điện tử công suất Plecs........................................................39 3
4.2 Mô phỏng...............................................................................................................40 4.2.1 Sử dụng bộ điều khiển PI................................................................................41 4.2.1.1 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi Flyback sử dụng bộ điều khiển PI ở chế độ bình thường.....................................................................................................41 4.2.1.2 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi Flyback sử dụng bộ điều khiển PI với tải biến thiên..............................................................................................................44 4.2.1.3 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi Flyback sử dụng bộ điều khiển PI với điện áp đầu vào biến thiên ...............................................................................................47 4.2.2 Sử dụng bộ điều khiển mờ ..............................................................................50 4.2.2.1Mô hình mô phỏng bộ biến đổi Flyback sử dụng bộ điều khiển Fuzzy: ..50 4.2.2.2 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi Flyback sử dụng bộ điều khiển Fuzzy với tải biến thiên.........................................................................................................53 4.2.2.3 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi Flyback sử dụng bộ điều khiển Fuzzy với điện áp đầu vào biến thiên ...................................................................................56 4.3 So sánh:..................................................................................................................59 4.3.1 Trạng thái hoạt động bình thường: .................................................................59 4.3.2 Khi tải biến thiên.............................................................................................59 4.3.3 Khi điện áp đầu vào biến thiên .......................................................................60 4.4 Nhận xét đánh giá ..................................................................................................60 KẾT LUẬN..........................................................................................................................62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................64 4
Chương 1: Tổng quan về các bộ biến đổi DC/DC có biến áp 1.1.Khái quát về bộ biến đổi DC/DC Bộ biến đổi DC/DC được định nghĩa là bộ điều khiển dòng điện và điện áp một chiều khi nguồn cấp là điện áp một chiều. Có thể chia các bộ biến đổi DC/DC thành hai loại: bộ biến đổi DC/DC có biến áp và bộ biến đổi DC/DC không biến áp. Các bộ biến đổi DC/DC không biến áp như : bộ biến đổi giảm áp (Buck converter), bộ biến đổi tăng áp (Boost converter), bộ biến đổi tăng và giảm áp (Buck-boost converter) và bộ biến đổi hỗn hợp (Cúk converter) có ưu điểm là đơn giản trong kết cấu cũng như trong điều khiển. Tuy nhiên chúng cũng có nhược điểm như: chỉ có một cấp điện áp ra, đầu vào và đầu ra không được cách ly về điện nên có thể gây hư hỏng ngoài ý muốn đối với tải có điện áp thấ p mà nguồn cấp lại có điện áp cao. Nhằm khắc phục các nhược điểm của bộ biến đổi không biến áp người ta sử dụng có bộ biến đổi có biến áp. Các bộ biến đổi này cho phép: • Có nhiều đầu ra cùng lúc. • Đầu ra có thể là điện áp dương hoặc âm. • Giá trị điện áp ra không phụ thuộc điện áp vào. • Đầu vào cách điện v ới đầu ra. Bộ biến đổi kiểu biến áp có 5 dạng chính: • Bộ biến đổi thuận ( Forward converter ) • Bộ biến đổi kiểu đẩy kéo ( Push Pull converter ) • Bộ biến đổi hồi tiếp ( Fly back converter ) • Bộ biến đổi cầu bán phần ( Half bridge converter ) • Bộ biến đổi cầu ( Bridge converter ) 5
1.2. Các bộ biến đổi có biến áp 1.2.1.Bộ biến đổi thuận Bộ biến đổi thuận có sơ đồ như hình 1.1. Chuyển mạch S và điốte D1 hoạt động đóng / mở một cách đồng bộ còn điốte D2 luân phiên đóng / mở. Mạch hoạt động ở chế độ không liên tục, vì khoá S nối tiếp với cuộn sơ cấp đầu vào nên dòng đầu vào không liên tục. D1 L + 1: N + + Vi D2 C R V0 - - S Hình 1. 1: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi thuận Bộ biến đổi thuận thực chất là bộ biến đổi Buck nhưng có thêm tỷ số N của biến áp, do đó còn được gọi là bộ biến đổi Buck kiểu biến áp, điện áp đầu ra được tính theo công thức: VO = D.N.Vi (1.1) Mạch này được sử dụng rộng rãi khi công suất đầu ra từ 150 đến 200W với điện áp DC đầu vào biến đổi trong phạm vi từ 60 đến 250V. 1.2.2.Bộ biến đổi kiểu đẩy - kéo Đây chính là bộ biến đổi Boost làm việc ở trạng thái đẩy - kéo, điều này sẽ hạn chế một cách hữu hiệu hiện tượng bão hoà lõi thép của biến áp. Sơ đồ mạch cho ở hình 1.2 D1 L + 1: N + + S1 C V0 Vi R - - D2 S2 6
Hình 1. 2: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi đẩy - kéo Trong mạch có 2 khoá S làm việc luân phiên, điện áp đầu ra sẽ được nhân đôi theo công thức: VO = 2.D.N.Vi (1.2) Với N là tỉ số vòng dây của biến áp, D là hệ số dẫn D = Ton / T 1.2.3.Bộ biến đổi hồi tiếp Bộ biến đổi này có sơ đồ mạch cho ở hình 2.12. Cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của biến áp được mắc ngược cực. Điốte D và chuyển mạch S luân phiên đóng / mở. Dòng đầu vào bị ngắt quãng theo sự đóng mở của chuyển mạch S. D 1: N + + + C R V0 Vi - S Hình 1.3: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi hồi tiếp Bộ biến đổi hồi tiếp cho điện áp đầu ra Vo tính theo công thức: D VO = .N.Vi (1.3) 1−D Mạch biến đổi hồi tiếp có ưu điểm đặc biệt là không sử dụng cuộn cảm đầu ra bên thứ cấp như các mạch khác, do vậy tiết kiệm được chi phí một cách đáng kể. Mạch được sử dụng trong các ứng dụng có điện áp đầu ra lớn (≤ 5000V nhờ điều chỉnh k và tỉ số biến áp N) nhưng công suất thấp (≤ 15W). Hoặc có thể đạt công suất đầu ra đến 150W nếu đầu vào DC đủ lớn ( ≥ 160V). 1.2.4.Bộ biến đổi cầu bán phần Bộ biến đổi này có cuộn dây thứ cấp được giảm thiểu, sơ đồ mạch cho trong hình 1.4: 7
+ D1 L S1 + + C1 1: N R + C3 V0 Vi - D1 C2 + S2 - Hình 1.4: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi bán phần Điện áp đầu ra được tính theo công thức: V0 = D.N.Vi (1.4) 1.2.5Bộ biến đổi cầu toàn phần Bộ biến đổi cầu toàn phần sử dụng nhiều chuyển mạch và do vậy điện áp đầu ra được tăng gấp đôi. Sơ đồ mạch như hình 1.5: + S2 S1 D1 L 1: N + R + C C1 V0 Vi - S3 S4 D1 - Hình 1. 5: Sơ đồ mạch của bộ biến đổi cầu toàn phần Công thức tính điện áp đầu ra là: VO = 2.D.N.Vi (1.5) Phần trên là đại về các bộ biến đổi DC/DC có biến áp. Tuy nhiên, trong khuôn khổ có hạn của luận văn, tài liệu này chỉ trình bày chi tiết bộ biến đổi Flyback trong chương 2. 8
Chương 2:Bộ biến đổi Flyback 2.1 Nguyên lý hoạt động Bộ biến đổi Flyback chỉ thực hiện với sơ đồ có biến áp. Nó cũng là bộ biến đổi có biến áp đơn giản nhất do có ít bộ phận nhất. Bộ biến đổi Flyback có 4 phần tử chính: tranzitor công suất, điốt, máy biến áp và tụ lọc. Tranzitor công suất dùng để điều khiển năng lượng trong mạch. Biến áp là phần tử tích lúy năng lượng, thực hiện chức năng biến đổi điện áp của bộ điều chỉnh. Điốt và tụ lọc cung cấp năng lượng điện một chiều cho tải. Hoạt động của bộ biến đổi Flyback được giải thích bằng cách chia chu kỳ làm việc thành hai phần: thời gian tranzitor dẫn và thời gian tranzitor khóa. Trong khoảng thời gian tranzitor dẫn toàn bộ điện áp đầu vào đặt vào sơ cấp máy biến áp. Kết quả là dòng điện sơ cấp biến áp tăng tuyến tính. Dòng điện này tiếp tục tăng cho đến khi tranzitor khóa. Từ điểm này, điện áp qua tranzitor quét ngược về, cân bằng với tổng của điện áp đầu vào cộng với tích số giữa hệ số máy biến áp và điện áp đầu ra (cộng với điện áp rơi trên điốt). Ví dụ máy biến áp có hệ số máy biến áp là 1 với điện áp đầu ra 5V thì điện áp quét ngược lớn hơn điện áp vào khoảng 6V (5V+ 1V điện áp rơi trên điốt). Trong quá trình quét ngược (thời gian tranzitor khóa) điốt dẫn, do đó truyền năng lượng dự trữ lên tụ và tải. Quá trình quét ngược tiếp tục cho đến khi lõi thép xả hết năng lượng hay đến khi tranzitor dẫn trở lại. Dòng điện trong cuộn dây thứ cấp trong thời gian quét ngược là một tín hiệu răng cưa tuyến tính giảm dần. Mọi người có thể thấy hiếm khi điện áp vào và điện áp ra bằng nhau, số vòng dây cuộn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp cũng không bằng nhau, khoảng thời gian tranzitor dẫn và khoảng thời gian quét ngược cũng không bằng nhau. Khi đó, tích số giữa điện áp và thời gian trong khoảng thời gian tranzitor dẫn và khoảng thời gian quét ngược là bằng nhau( diện tích 2 phần gạch chéo như nhau ở hình 2.1) Sơ đồ hoạt động ở hai chế độ riêng biệt: liên tục và gián đoạn. Tuy nhiên hai chế độ này có mạch giống nhau. Căn cứ vào dòng từ hoá chúng ta xác định chế độ hoạt động của bộ biến đổi. 9
Hình 2.1: Bộ biến đổi Flyback a) Sơ đồ mạch điện: b) Giản đồ các đường cong cơ bản c) Minh hoạ chế độ dòng điện làm việc gián đoạn và liên tục 2.1.1.Chế độ liên tục Khi tranzitor công suất T dẫn, dòng điện sơ cấp i1 chạy trong mạch và tích luỹ năng lượng trong cuộn dây sơ cấp. Vì cực tính cuộn dây sơ cấp và thứ cấp ngược chiều nhau nên điốt D không dẫn. Trong khoảng thời gian này năng lượng không được truyền từ nguồn tới tải. Điện áp ra trên tải được duy trì nhờ dòng điện tải i L cũng như năng lượng của tụ lọc. Khi T khoá, cực tính của cuộn dây đảo lại làm xuất hiện dòng điện cuộn dây thứ cấp i 2 chạy qua điốt D và nạp năng lượng cho tụ lọc, sinh dòng điện trên tải Ở chế độ này, tranzitor dẫn lại trước khi xả hết năng lượng tích lũy trong biến áp. Chế độ này cho khả năng công suất lớn. Trong khoảng thời gian tranzitor dẫn, dòng điện sơ cấp biến áp tăng tuyến tính từ giá trị ban đầu và xác định theo biểu thức: 10
U V .t ON I 1 = I 1 (0 )+ (2.1) L1 Cuối thời gian dẫn, dòng điện sơ cấp đạt giá trị đỉnh: U V .D.T CK I1pik = I1 (0 ) + (2.2) L1 U V .D.TCK Nói chung I1 (0) >> nên có thể coi gần đúng I 1pik ≈ I 1 (0) (2.3) L1 Dòng điện thứ cấp I 2pik tại điểm đầu của khoảng T khoá: ⎛N 1 ⎞ ⎛N1 ⎞⎛ U V .D.TCK ⎞ ⎛N 1 ⎞ I 2pik = ⎜ ⎜N ⎟.I1pik = ⎜ ⎟ ⎜N ⎟ ⎜I1 (0 ) + ⎟.⎜ L1 ⎟≈ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎟.I 1 (0 ) (2.4) ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠⎝ ⎠ ⎝N 2 ⎠ Dòng điện này giảm tuyến tính: di 2 U =− R (2.5) dt L2 Công suất đầu ra PR quan hệ với điện áp ra theo biểu thức: TCK − t ON T − t ON PR = UR .I2 . ≈ U R .I 2 pik . CK (2.6) TCK TCK Hay: PR I 2 pik = (2.7) UR⎛ t ⎞ ⎜1 − ON T ⎟ ⎝ CK ⎠ PR t t PV = = U V .I1 . ON ≈ U V .I1pik . ON (2.8) η TCK TCK Hay: PR I1pik = (2.9) t ON η .U V . TCK Kết hợp các biểu thức (2.4), (2.7), (2.9) ta có: 11
⎛N 2 ⎞ η.U V .D UR = ⎜ ⎜N ⎟ ⎟. (2.10) ⎝ 1 ⎠ 1− D Điện áp ra khi D max : ⎛N 2 ⎞η.U V min .Dmax UR = ⎜ ⎜N ⎟. 1 − D ⎟ (2.11) ⎝ 1 ⎠ max Độ rộng xung điện áp cực đại: 1 Dmax = (2.12) ⎛N 2 ⎞η .U V min 1+⎜ ⎜N ⎟ ⎟. ⎝ 1 ⎠ UR 2.1.2.Chế độ gián đoạn Trong chế độ gián đoạn, toàn bộ năng lượng đã được tích lũy trong lõi thép ở thời gian tranzitor dẫn sẽ được xả hết trong khoảng thời gian tranzitor khóa và điốt D ngừng dẫn, tải nhận năng lượng từ tụ C cho đến khi tranzitor dẫn lại. Trong thời gian tranzitor dẫn, điện áp nguồn U v đặt vào cuộn dây sơ cấp biến áp. Dòng điện i 1 chạy qua cuộn dây sơ cấp biến thiên gần tuyến tính: t ON UV i1 = ∫ L1 dt (2.13) 0 U V .t ON hay I 1 = L1 Tại cuối thời gian tranzitor dẫn, dòng điện sơ cấp đạt giá trị đỉnh: U V .D.TCK I1pik = (2.14) L1 Khi tranzitor chuyển sang chế độ khóa, dòng điện từ hóa trong biến áp đổi chiều cực tính các cuộn dây.Tại thời điểm bắt đầu khóa, biên độ dòng điện cuộn dây thứ cấp là: N1 I 2 pik = I 1pik (2.15) N2 Dòng điện thứ cấp giảm tuyến tính theo công thức: 12
di 2 U =− R (2.16) dt L2 với L 2 điện cảm cuộn dây thứ cấp. Ở chế độ gián đoạn i 2 giảm gần tuyến tính về 0 trước khi bắt đầu chu kỳ mới. Vì vậy năng lượng truyền từ nguồn tới tải chỉ trong khoảng đầu của chu kỳ. Công suất từ nguồn được tính: L 1.I 21 PV = (2.17) 2.TCK Thay (2.13) vào (2.17) ta có: (U v .t ON )2 PV = (2.18) 2.TCK .L1 Công suất ra: (U V .t ON )2 U2R PR = η .PV = η. = (2.19) 2.TCK .L1 Rt với η hiệu suất của bộ biến đổi, R t điện trở tải Như vậy điện áp đầu ra tới tải được tính: η.R t .TCK U R = U V .D. (2.20) 2L1 Điện áp ra là hằng số trong khoảng t ON . Giá trị D cực đại được tính: UR 2L1 D max = (2.21) U V min η.R t .TCK Tương ứng điện áp ra khi D max là: η .R T .TCK U R = U V .Dmax (2.22) 2.L 1 Khi chuyển chế độ từ liên tục sang gián đoạn thì: η.R T .T CK ⎛N 2 ⎞η .U V min .D max UR = U V .Dmax =⎜ ⎜N ⎟ ⎟ 1−D (2.23) 2.L1 ⎝ 1 ⎠ max Giải phương trình trên theo L1 ta có: 13
D 2max UV2 min L 1 min = 0,5.η.TCK . (2.24) PR L 1 min quyết định chế độ làm việc của bộ biến đổi Flyback. Nếu L 1 〈L 1 min mạch hoạt động ở chế độ gián đoạn. Ngược lại nếu L1 〉 L1 min mạch hoạt động ở chế độ liên tục. Điện áp đầu ra của bộ biến đổi Flyback được tính: D UR = .UV (2.25) n.(1 − D) Bộ biến đổi Flyback được sử dụng rộng rãi với các ứng dụng có công suất đầu ra ở mức thấp cụ thể là dưới 100 W. Ưu điểm của bộ biến đổi là đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp. Tuy nhiên do không có cuộn kháng lọc ở đầu ra nên bộ biến đổi Flyback có dòng điện tải có độ nhấp nhô lớn. Vì vậy bộ biến đổi này không được lựa chọn cho những tải có công suất lớn. 2.2 Tính toán thiết kế bộ biến đổi Flyback ở chế độ liên tục 2.2.1 Yêu cầu thiết kế Dải điện áp đầu vào: 120 ÷ 240 VDC Đầu ra định mức : +5 V, 10 A -5 V, 10 A Dòng tải thay đổi từ 1 A đến 10 A 2.2.2 Xem xét thiết kế sơ bộ Công suất đầu ra khi đầy tải: PR = ( 5V.10A) + ( 5V.10A) = 100 W Công suất đầu vào ước lượng: PR = 100W = PV = η 0,8 125W Dòng điện đầu vào trung bình dự kiến: 14
I TBthap = PV U = 125W = 120V 1,04 A Vmin PV I TBcao = = 125W = 0,52 A U Vmax 240V Dòng điện đỉnh lớn nhất dự kiến: 2.PR 2. 100W I pik = = = 4,17 A U Vmin ..D max .η 120V.0,5.0,8 Từ giá trị dòng trung bình đầu vào, có thể chọn cỡ của cuộn dây sơ cấp loại AWG 20 của Mĩ có đường kính d=0,812 mm với mật độ dòng là 2,5 A/ mm2 . 2.2.3 Thiết kế máy biến áp Điện cảm lớn nhất cần thiết cho cuộn sơ cấp: UVmin .Dmax 120V.0,5 L1 = = = 0,144 mH I pik .f 4,17 A.100kHz Chọn kiểu lõi và vật liệu làm lõi Lõi hình xuyến là hợp kim Molybdenum-Permalloy(molypermalloy) làm giảm điện cảm rò nên không cần mạch Snubber bảo vệ van lực. Xác định kích thước cuộn dây hình xuyến. Đối với lõi molypermalloy thì năng lượng chứa trong lõi sẽ quyết định kích thước và độ từ thẩm của lõi. LI 2 = 0,144.4,17 2 = 2,5 ( L được tính theo mH) Tiếp đó tham khảo hình 2.2 , xác định vị trí 2,5 trên trục x (nằm ngang) và gióng thẳng lên cho tới khi cắt đường đầu tiên. Đường này cho ta độ từ thẩm cần thiết và số hiệu lõi từ trục y (thẳng đứng). Nếu giao điểm giữa hai đường nằm giữa hai số hiệu lõi thì chọn số hiệu lõi lớn hơn. Trong trường hợp này chỉ ra số hiệu lõi là 55130 có độ từ thẩm là 125, đường kính lõi 0,9 inch= 22,86 mm. 15
Hình 2.2: Cơ sở cho lựa chọn lõi Xác định số vòng dây cho cuộn sơ cấp Tra bảng số liệu kỹ thuật, lõi có điện cảm 90mH trên 1000 vòng ( L 1000 = 90 ). 16
Từ đó xác định số vòng cần thiết cho 0,144mH là: L1 0,144 mH N 1 = 1000. = 1000. = 40 vòng L 1000 90mH Vậy cuộn sơ cấp cần quấn 40 vòng. Số vòng cần thiết cho cuộn thứ cấp: (U R + VD )( . 1 − D max ).N 1 (5V +1V )(1 − 0,5).40 N2 = = = 2 vòng UVmin .Dmax 120V.0,5 Cuộn thứ cấp chịu dòng 10 A nên với mật độ dòng là 2,5 A / mm 2 thể chọn cỡ của cuộn dây thứ cấp loại AWG 11 của Mĩ có đường kính d=2,305 mm 2.2.4 Lựa chọn các van bán dẫn Lựa chọn điốt Trong bộ biến đổi Flyback, nên chọn dòng ra của điốt chỉnh lưu lớn hơn 1,5 lần dòng ra trung bình vì dòng đỉnh lớn hơn nhiều so với dòng trung bình. I D 〉1,5.I TB = 1,5.10A = 15 A Điện áp định mức của điốt chỉnh lưu nên lớn hơn nhiều lần so với điện áp điốt hoạt động trong trường hợp xấu nhất. N2 U D 〉U R + .U Vmax N1 17
2 U D 〉5V + .240V = 17 V 40 Trong bộ biến đổi Flyback, thời gian phục hồi thuận của điốt ảnh hưởng rất lớn đến kích cỡ xung nhọn khi van lực đóng. Do đó nên chọn điốt hồi phục nhanh nhất. Trong trường hợp này chọn điốt loại MBR2540 Schottky 40V, 25 A Lựa chọn tranzitor lực Chọn MOSFET làm van lực, dù tranzitor lưỡng cực dễ sử dụng hơn nhưng nó có tổn hao cao hơn, năng lượng cần để điều khiển nó lớn hơn. Điện áp định mức của MOSFET được lựa chọn bởi điện áp ở trường hợp xấu nhất. N1 U ds 〉U V + (U R + U D ) + U xung N2 40 U ds 〉240V + (5V + 1V) + Uxung 2 U ds 〉360V + U xung Theo kinh nghiệm, với dạng mạch từ hình xuyến này sẽ có xung nhọn cỡ 35 V vì vậy U ds 〉395V .Để an toàn chọn 500V . Dòng điện định mức của MOSFET xác định bởi đường cong FBSOA. Những MOSFET thông dụng có thể chịu đến 3 lần dòng trung bình định mức. Bộ biến đổi Flyback có dòng đỉnh cỡ 4 đến 5 lần dòng điện đầu vào trung bình vì vậy nên chọn dòng định mức: I D 〉1.5I TBthap = 1,5.1,04 A = 1,56 A Ta lựa chọn MOSFET là IRF840 500 V, 8 A. Tụ lọc đầu ra: ( ) ) 10 C 0 = I R max .t OFF = IR max = 3 = 10 − 4 F = 100µ F U ripple U ripple .f 0,01.100.10 Chọn tụ lọc C 0 = 220µ F 18
Chương 3:Tổng quan về điều khiển mờ 3.1. Khái niệm về tập mờ: 3.1.1. Định nghĩa: Tập mờ F xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần tử của nó là một cặp các giá trị (x, µF (x)) trong đó x ∈ M và µ F là ánh xạ: µF : M → [0, 1] (3.1) Ánh xạ µ F được gọi là hàm liên thuộc (hoặc hàm phụ thuộc) của tập mờ F. Tập kinh điển M được gọi là cơ sở của tập mờ F. Sử dụng các hàm liên thuộc để tính độ phụ thuộc của một phần tử x nào đó có hai cách: tính trực tiếp (nếu µF(x) ở dạng công thức tường minh) hoặc tra bảng (nếu µF (x) ở dạng bảng). Các hàm liên thuộc µF (x) có dạng “trơn” được gọi là hàm liên thuộc kiểu S. Đối với hàm liên thuộc kiểu S, do các công thức biểu diễn µF(x) có độ phức tạp lớn nên thời gian tính độ phụ thuộc cho một phần tử lâu. Trong kỹ thuật điều khiển mờ thông thường, các hàm liên thuộc kiểu S thường được thay gần đúng bằng một hàm tuyến tính từng đoạn. Một hàm liên thuộc có dạng tuyến tính từng đoạn được gọi là hàm liên thuộc có mức chuyển đổi tuyến tính. µF (x) Hình 3.1: Hàm liên thuộc µF(x) có mức 1 chuyển đổi tuyến tính. 0 m1 m2 m3 m4 x 19