Báo cáo Thực Hành 1 - Mô phỏng Hệ Thống Boost Converter - Q22.Môn Thiết kế hệ thống và mô phỏng | Đại học Trường Đại học Phenika.

lOMoAR cPSD| 59561451
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ================== BÁO CÁO THỰC HÀNH HỌC PHẦN
THIẾT HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG
Họ và tên sinh viên: Khuất Văn Quang MSSV: 22010941
Lớp: Thiết kế hệ thống và mô phỏng-1-1-24(N02.TH1)
Học kỳ 1 năm học 2023-2024 lOMoAR cPSD| 59561451
BÀI THỰC HÀNH SỐ 1: Mô phỏng hệ thống điều khiển bộ Boost Converter
Ngày thực hành: 10/09/2024 Giảng viên hướng dẫn: Cô Nguyễn Thị Thanh Quỳnh I. MỤC ĐÍCH
- Giúp cho sinh viên làm quen, hiểu rõ cách hoạt động của hệ thống với
Matlab/Simulink, bộ Boost Converter.
- Bước đầu mô phỏng Mô hình bộ boost converter sử dụng Simscape/Power
systems/Specialized Technology.
- Tìm hiểu sử dụng mô hình trung bình ( Mô hình hóa trong không gian trạng thái )
- Làm quen và bước đầu sử dụng được một số phương pháp điều khiển: Bộ
điều khiển PI thông thường và bộ điều khiển thông minh. II. NỘI DUNG
II.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của sơ đồ hệ thống a. Cấu tạo
Vi = 8V : Điện áp đầu vào
Vo = 24V : Điện áp đầu ra
Fs = 10kHz : Hệ số điều chế D
C = 470µF : Điện dung của tụ C
L = 0,213mH: Độ tự cảm của cuộn dây L
R = 10Ω: Điện tử của con trở ( tải thuần trở)
Mạch hoạt động trong chế độ dòng liên tục
- Cấu tạo cơ bản:
Mạch Boost Converter bao gồm các thành phần chính sau: lOMoAR cPSD| 59561451 •
Nguồn điện một chiều: Cung cấp điện áp vào cho mạch. •
Công tắc bán dẫn (S): Thông thường là một MOSFET hoặc IGBT, đóng vai trò
như một khóa đóng mở để điều khiển dòng điện qua cuộn cảm. •
Diode (D): Cho phép dòng điện chảy một chiều qua tụ điện khi công tắc mở. •
Cuộn cảm (L): Lưu trữ năng lượng dưới dạng từ trường khi công tắc đóng và
giải phóng năng lượng khi công tắc mở. •
Tụ điện (C): Làm mịn điện áp đầu ra và cung cấp năng lượng cho tải khi công tắc đóng. •
Tải: Là thiết bị tiêu thụ điện năng. b. Nguyên lý làm việc
Nguyên tắc hoạt động của mạch boost converter dựa trên việc chuyển đổi
nguồn điện từ nguồn DC đầu vào sang dạng dao động, đồng thời sử dụng
nguyên lý đóng mạch và cắt mạch để tạo ra điện áp đầu ra cao hơn. Mạch
hoạt động theo các bước sau: •
Bước 1: Mạch đóng mạch (ON): Ban đầu, MOSFET được kích hoạt (đóng
mạch), cho phép dòng điện chảy từ nguồn DC đầu vào qua MOSFET và cuộn tụ đầu vào. •
Bước 2: Lưu trữ năng lượng: Trong khoảng thời gian MOSFET ở trạng thái
đóng mạch, năng lượng được tích trữ trong cuộn tụ đầu vào dưới dạng năng lượng từ nguồn DC. •
Bước 3: Mạch cắt mạch (OFF): Sau một khoảng thời gian xác định, MOSFET
được tắt (cắt mạch). Khi MOSFET tắt, dòng điện không thể tiếp tục chảy qua nó,
và năng lượng trong cuộn tụ đầu vào không còn đường đi để chảy qua MOSFET. •
Bước 4: Tạo điện áp đầu ra cao hơn: Khi MOSFET tắt, năng lượng từ cuộn tụ
đầu vào sẽ tạo ra một dòng điện đi qua diode và cuộn tụ đầu ra. Do diode chỉ cho
phép dòng điện chảy theo một chiều, nên điện áp đầu ra sẽ cao hơn điện áp đầu vào. •
Lặp lại quá trình: Quá trình trên được lặp đi lặp lại để duy trì điện áp đầu ra ổn
định. Thời gian mà MOSFET ở trạng thái đóng mạch và cắt mạch được điều
chỉnh thông qua cơ chế điều khiển nhằm đảm bảo điện áp đầu ra đáp ứng yêu cầu. II.2. Mô phỏng a. Công cụ mô phỏng
Sử dụng tập tin .m của MATLAB để xuất tệp đồ thị kết quả khi thực hiện
mô phỏng. Đối với mô phỏng với mô hình trung bình, cần khai báo các
thông số của mạch Boost Converter, bao gồm điện áp đầu vào (Vin), điện
áp đầu ra (Vout), tỷ lệ mật độ dòng điện trong cuộn dây (L), tần số hoạt lOMoAR cPSD| 59561451
động của bộ công tắc (f), và các thông số khác. Sử dụng Simulink để tạo
một mô hình tương tác cho mạch Boost Converter, tận dụng các khối có
sẵn trong Simulink để biểu diễn cuộn dây, bộ công tắc, các linh kiện điện
tử khác như tụ điện, điện trở, và các khối điều khiển. b. Sơ đồ/code mô phỏng
Sơ đồ mô phỏng Simulink lOMoAR cPSD| 59561451 Code mô phỏng hệ thống •
Giải thích code và ý nghĩa của các câu lệnh trên: figure(1):
- Tạo một cửa sổ figure mới với số hiệu là 1. Nếu đã có figure 1 thì nó sẽ
được đưa ra phía trước. subplot(4,1,1): lOMoAR cPSD| 59561451
- Chia cửa sổ figure thành 4 hàng, 1 cột.
- Chọn subplot ở vị trí hàng 1, cột 1 để vẽ đồ thị đầu tiên. plot(out.tout,
out.VL, 'linewidth', 2):
- Vẽ đồ thị đường biểu diễn biến out.VL theo biến thời gian out.tout.
- Đặt độ dày đường vẽ là 2. hold on:
- Giữ nguyên đồ thị hiện tại để vẽ thêm các đường khác lên cùng một subplot.
plot(out.tout, out.Vi, 'r--', 'linewidth', 1.5):
- Vẽ thêm một đường biểu diễn biến out.Vi theo thời gian out.tout trên cùng một subplot.
- Đường này có màu đỏ (red), dạng nét đứt (dashed line) và độ dày là 1.5.
set(gca, 'FontName', 'Arial', 'FontSize', 13):
- Cài đặt font chữ cho các trục và nhãn trong subplot hiện tại là Arial, kích thước chữ là 13.
axis([0.1995 0.200 -20 20]):
- Thiết lập giới hạn trục x từ 0.1995 đến 0.200 và trục y từ -20 đến 20. ylabel('V_L [V]'):
- Đặt nhãn cho trục tung là "V_L [V]". legend('V_L [V]', 'V_i [V]'):
- Tạo một legend (chú giải) cho hai đường vừa vẽ, với nội dung tương ứng.
title('D=0.67 (KhuatVanQuang)'):
- Đặt tiêu đề cho subplot này. grid on:
- Hiển thị lưới trên đồ thị lOMoAR cPSD| 59561451
Mô hình và code mô phỏng không gian trạng thái c. Kết quả lOMoAR cPSD| 59561451
Kết quả chạy code mô phỏng lOMoAR cPSD| 59561451
Kết quả mô phỏng Simulink lOMoAR cPSD| 59561451
Kết quả mô phỏng không gian trạng thái d. Kết luận •
Hệ thống có dao động: Các đồ thị cho thấy sự hiện diện của các dao động trong
các tín hiệu điện áp và dòng điện. Điều này có thể do nhiều nguyên nhân như:
- Các thông số linh kiện không chính xác: Giá trị thực tế của các linh kiện
có thể khác với giá trị thiết kế, gây ra sự lệch lạc trong quá trình hoạt động của hệ thống.
- Bộ điều khiển chưa được điều chỉnh tối ưu: Các thông số của bộ điều
khiển (ví dụ như hệ số tỷ lệ, hệ số tích phân, hệ số vi phân) chưa được điều
chỉnh một cách phù hợp, dẫn đến sự xuất hiện của các dao động.
- Ảnh hưởng của nhiễu: Nhiễu điện từ hoặc nhiễu từ các thành phần khác
trong hệ thống có thể gây ra các dao động không mong muốn. lOMoAR cPSD| 59561451 •
Điện áp đầu ra: Điện áp đầu ra có xu hướng ổn định ở một giá trị nhất định sau
một thời gian ngắn, tuy nhiên vẫn có sự xuất hiện của các dao động. Điều này cho
thấy hệ thống có thể đạt được điện áp đầu ra mong muốn nhưng chưa đạt được độ ổn định cao. •
Dòng điện: Dòng điện qua các linh kiện có sự biến thiên theo thời gian, thể hiện
quá trình chuyển đổi năng lượng trong mạch. III. NHẬN XÉT
- Có thể kết luận rằng hệ thống Boost Converter đã hoạt động nhưng chưa
đạt được hiệu suất tối ưu. Các dao động trong hệ thống cần được giảm
thiểu để cải thiện độ ổn định và chất lượng của điện áp đầu ra. Việc phân
tích kỹ hơn và điều chỉnh các thông số thiết kế là cần thiết để tối ưu hóa hệ thống.
- Ý nghĩa của bài thực hành
+ Hiểu sâu hơn về nguyên lý hoạt động của bộ Boost Converter: •
Quan sát trực quan quá trình chuyển đổi năng lượng: Qua các đồ thị mô phỏng,
người thực hành có thể trực tiếp quan sát sự biến đổi của điện áp, dòng điện và các
đại lượng khác trong quá trình hoạt động của bộ chuyển đổi. •
Nắm vững các khái niệm lý thuyết: Bài thực hành giúp củng cố kiến thức về các
khái niệm như chu kỳ làm việc, điện cảm, tụ điện, diode, MOSFET và cách chúng
tương tác với nhau trong mạch. •
Hiểu rõ vai trò của bộ điều khiển: Người thực hành sẽ thấy được tầm quan trọng
của bộ điều khiển trong việc ổn định điện áp đầu ra và đáp ứng các yêu cầu về tải.
+ Rèn luyện kỹ năng mô phỏng và phân tích dữ liệu: •
Sử dụng thành thạo phần mềm mô phỏng: Thông qua việc xây dựng mô hình
và chạy mô phỏng, người thực hành sẽ nâng cao kỹ năng sử dụng các phần mềm
chuyên dụng như MATLAB/Simulink, PSpice, LTSpice,... •
Phân tích kết quả mô phỏng: Việc phân tích các đồ thị, bảng số liệu giúp rèn
luyện khả năng quan sát, so sánh và rút ra kết luận. •
Đánh giá hiệu suất của hệ thống: Người thực hành có thể đánh giá hiệu suất của
hệ thống dựa trên các thông số như hiệu suất chuyển đổi, độ nhạy nhiễu, thời gian đáp ứng. lOMoAR cPSD| 59561451
+ Chuẩn bị cho các ứng dụng thực tế: •
Thiết kế mạch: Bài thực hành giúp người thực hành làm quen với quá trình thiết
kế mạch điện tử công suất, từ việc chọn linh kiện đến tính toán các thông số. •
Xử lý sự cố: Qua việc mô phỏng các tình huống khác nhau, người thực hành có
thể học cách phát hiện và khắc phục các lỗi thường gặp trong hệ thống.
- Kết quả đạt được so với mục tiêu ban đầu của bài thực hành mô phỏng hệ
thống điều khiển bộ Boost Converter là rất khả quan. Qua quá trình mô
phỏng, chúng ta đã xác định được các thông số hoạt động của mạch, kiểm
tra hiệu suất và độ ổn định của điện áp đầu ra, cũng như đánh giá khả năng
đáp ứng của hệ thống trước các biến đổi trong điều kiện đầu vào. Điều này
cho thấy việc áp dụng mô hình và công cụ Simulink là hiệu quả trong việc
phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển cho bộ Boost Converter, đáp ứng
đầy đủ các yêu cầu đã đề ra trong bài thực hành.