Embed Size (px)
DESCRIPTION
Thí nghiệm mô phỏng bộ biến đổi công suất (bộ Buck) bằng phần mềm powerSim.
Citation preview
2/18/2013
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Báo cáo mô phỏng những bộ biến đổi tĩnhBộ Buck
Hướng dẫn bởi:
PGS.TS. Phan Quốc Dũng
Huỳnh Lê Duy 40900382Lê Ngọc Sáng VP 09 VT NL
Mục lục
1. Bài toán......................................................................................................................................3
2. Thiết kế mạch............................................................................................................................3
a) Sơ đồ mạch nguyên lí bộ buck...............................................................................................3
b) Tính toán các thông số........................................................................................................3
Xác định R..........................................................................................................................3
Xác định Lmin....................................................................................................................3
Xác định Cmin.......................................................................................................................4
3. Mô phỏng mạch.........................................................................................................................4
a) Các thông số của mạch thiết kế..............................................................................................4
b) Tiến hành mô phỏng...........................................................................................................5
Vẽ lại sơ đồ mạch nguyên lí................................................................................................5
Mô phỏng............................................................................................................................7
4. Kết quả mô phỏng:....................................................................................................................8
a) Các giản đồ.............................................................................................................................8
Giản đồ xung điều khiển, áp và dòng nguồn:.....................................................................8
Giản đồ áp tải quá độ..........................................................................................................8
Giản đồ áp và dòng tải xác lập............................................................................................9
Giản đồ áp và dòng qua cuộn cảm......................................................................................9
Giản đồ áp và dòng qua diode...........................................................................................10
Giản đồ áp và dòng qua tụ điện........................................................................................10
b) Kiểm tra các yêu cầu thiết kế:...........................................................................................10
5. Khảo sát mạch.........................................................................................................................12
a) Khảo sát Duty Cycle.............................................................................................................12
1
Các giản đồ khảo sát áp tụ (phía trên) và dòng qua cuộn cảm (phía dưới).......................12
Bảng tổng kết kết quả khảo sát.........................................................................................17
b) Khảo sát L.........................................................................................................................17
Các lược đồ áp tụ (phía trên) và dòng qua cuộn cảm (phía dưới).....................................17
Bảng kết quả.....................................................................................................................20
c) Khảo sát tụ C........................................................................................................................20
Các lược đồ áp tụ (phía trên) và dòng qua cuộn cảm (phía dưới).....................................20
Bảng kết quả.....................................................................................................................22
d) Khảo sát tần số đóng cắt khóa...........................................................................................22
Các lược đồ áp tụ (phía trên) và dòng qua cuộn cảm (phía dưới).....................................23
Bảng kết quả.....................................................................................................................24
1
KHẢO SÁT BỘ BIẾN ĐỔI BUCK
1. BÀI TOÁN
Thiết kế bộ biến đổi Buck cung cấp cho tải thuần trở 80W điện áp 30V với điện áp nguồn là 50V, độ nhấp nhô điện áp không lớn hơn 1%
2. THIẾT KẾ MẠCH
a) Sơ đồ mạch nguyên lí bộ buck
b) Tính toán các thông số
Chọn tần số đóng ngắt cho công tắc là 20kHz (chu kì 50us). Xác định thêm các giá trị linh kiện: điện trở R, điện cảm Lmin vvà điện dung Cmin
Xác định R
Tải thuần trở 80W-30V nên ta tính được R:
Xác định Lmin
Từ yêu cầu áp tải, ta tìm tỉ số đóng dòng, Ta có:
1
Từ điều kiện dòng liên tục, ILmin=0 suy ra
Để , chọn L=120
Xác định Cmin
Để cho độ nhấp nhô điện áp tải không lớn hơn 1% hay
Chọn C=110 để đảm bảo độ nhấp nhô.
3. MÔ PHỎNG MẠCH
a) Các thông số của mạch thiết kế
Điện áp vào: Vin=50V Tần số đóng cắt khóa f=20kHz Tỉ số đóng cắt D=0.6 Trở R= 11,25Ω
Cuộn cảm L=120
Tụ điện C=110
1
b) Tiến hành mô phỏng
Vẽ lại sơ đồ mạch nguyên lí
1. Tạo một file mới và save lại.2. Lấy các linh kiện cần thiết từ thanh công cụ bên dưới hoặc từ menu Elements Power trong
đó có các mục con để chọn linh kiện cụ thể.
3. Thay đổi thông số linh kiện bằng cách double click linh kiện, bản tính chất linh kiện sẽ hiện ra. Ta có thể thay đổi tên và các thông số khác của linh kiện. Ví dụ với cuộn cảm :
4. Để điều khiển khóa đóng ngắt là mosfet, ta sử dụng khối gating block . Double click vào khối gating block ta được :
1
Trong đó Frequency là tần số biến đổi. No. of points là số điểm xung thay đổi trạng thái do ta chỉ muốn thay đổi 2 lần nên
set là 2 (ở đầu chu kì lên 1, tới 1 góc xác định xuống lại 0). Switching Points là các điểm thay đổi trạng thái tính theo độ. Ở đầu chu kì là 1.
Do D=0.6 nên góc đổi trạng thái xuống 0 là 0.6*360=216. Ta set giá trị như hình.5. Tiến hành mắc thêm các Ampère kế và Volt kế để đo các giá trị dòng và áp. Có thể click đúp
vào từng thiết bị đo để thay đổi tên thiết bị, thuận tiện cho việc kiểm tra kết quả mô phỏng
6. Dùng công cụ wire để nối dây, hoàn thiện mạch
1
Mô phỏng
1. Thêm khối Simulation control bằng cách vào menu Simulation Simulation control đặt khối ở bất kì vị trí nào, double click khối để thiết lập cho việc mô phỏng.
Trong đó : Time step là chu kì tính toán của việc mô phỏng, chọn nhỏ hơn chu kì đóng ngắt khóa
nhiều lần để đồ thị được mịn. VD chu kì đang mô phỏng là 1/20000 = 5e-5 Total time : là tổng thời gian mô phỏng. Ta chọn là 0,6s để mạch đã đi vào xác lập. Print time : là thời điểm bắt đầu lưu số liệu cho việc vẽ đồ thị. Ta vẽ khoảng 5 chu kì
nên set giá trị là 0.6-5*5e-5=0,59975 Các giá trị khác giữ nguyên mặc định: Print step=1, Load flag=0, save flag=0,
Hardware Target = None2. Nhấn F8 hoặc vào menu Simulation Run Simulation để bắt đầu chạy mô phỏng. Sau khi
kết thúc quá trình mô phỏng cửa sổ Sim View sẽ hiện ra: kèm với bảng hiện tên các thiết bị đo ta đã đặt trên mạch. Chọn các thiết bị từ khung trái sang khung phải để vẽ biểu đồ. Có thể dùng khung phía dưới để tính toán các giá trị không đo được từ các máy đo (vd UL=VC-VD)
3. Ở đồ thị có thể dung thanh công cụ dưới cùng để đo một số giá trị từ đồ thị: Max, Min, trung bình, hiệu dụng…
4. Có thể thêm 1 đường biểu diễn vào đồ thị đang chọn bằng công cụ hoặc thêm 1 đồ thị
khác bằng công cụ
1
4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG:
a) Các giản đồ
Giản đồ xung điều khiển, áp và dòng nguồn:
Giản đồ áp tải quá độ
1
Giản đồ áp và dòng tải xác lập
Giản đồ áp và dòng qua cuộn cảm
1
Giản đồ áp và dòng qua diode
Giản đồ áp và dòng qua tụ điện
b) Kiểm tra các yêu cầu thiết kế:
Dựa vào Giản đồ áp ra xác lập và các công cụ đo đạc trong chương trình:
Áp trung bình: Voutavg = 2.9999913e+001V=29.999913V
1
Áp max Voutmax =3.0151607e+001=30.151607V
Áp min Voutmin= 2.9867098e+001= 29.867098V
Độ nhấp nhô áp:
Thỏa điều kiện nhấp nhô dòng.
So sánh với lí thuyết: Voutavg=Vin*D=50*0.6=30V
Độ nhấp nhô
1
Ta thấy các giá trị này đều gần với giá trị mô phỏng. Có sai số nhỏ do việc lấy mẫu…
5. KHẢO SÁT MẠCH
Giữ nguyên các thông số mạch, chỉ thay đổi Duty cycle D. Quan sát việc thỏa điều kiện dòng liên tục và độ nhấp nhô dông
a) Khảo sát Duty Cycle
Các giản đồ khảo sát áp tụ (phía trên) và dòng qua cuộn cảm (phía dưới)
D=0.1
D=0.2
1
D=0.3
D=0.4
1
D=0.5
Theo công cụ đo tự động, ILmin xấp xỉ 0 nên dòng chưa liên tục.
D=0.6
Theo công cụ đo, Imin>0 nên dòng liên tục thỏa.
1
D=0.7
D=0.8
1
D=0.9
D=0.99
1
Bảng tổng kết kết quả khảo sát
DThỏa điều kiện
dòng liên tục
Vout(V)
Vout max(V)
Vout Min(V)
ΔVout/Vout(%)
Thỏa điều kiện
nhấp nhô áp
0.1 không 7,111 7,160 7,041 1,6777% Không0.2 không 13,169 13,257 13,054 1,5457% Không0.3 không 18,320 18,438 18,181 1,4039% Không0.4 không 22,683 22,821 22,536 1,2586% Không0.5 không 26,366 26,516 26,222 1,1148% Không0.6 có 30,000 30,152 29,867 0,9515% Có0.7 có 35,000 35,140 34,892 0,7098% Có0.8 có 40,000 40,113 39,924 0,4732% Có0.9 có 45,000 45,066 44,961 0,2347% Có
0.99 có 49,444 49,453 49,453 0,0004% Có
Nhận xét: Khi tăng Duty Cycle lên thì độ nhấp nhô giảm do thời gian xả của tụ giảm. Điều kiện dòng liên tục cũng sẽ đạt với duty cycle lớn.
b) Khảo sát L
Giữ nguyên D, C, R. Thay đổi một vài giá trị Cảm kháng quanh giá trị cảm kháng L=120µH đã tính và khảo sát điều kiện dòng liên tục và nhấp nhô điện áp tụ.
Các lược đồ áp tụ (phía trên) và dòng qua cuộn cảm (phía dưới)
1
L=200
L=400
1
L=60
L=10
1
Bảng kết quả
L( μH)
Thỏa điều kiện
dòng liên tục
Vout(V)
Vout max(V)
Vout Min(V)
ΔVout/Vout(%)
Thỏa điều kiện
nhấp nhô áp200 thỏa 30,000 30,091 29,920 0,5698% Có400 thỏa 30,000 30,045 29,960 0,2845% Có60 không 35,339 35,606 35,133 1,3385% Không
10 không 46,049 46,556 45,712 1,8336% Không
Ta thấy việc tăng cảm kháng làm dông liên tục hơn, trong khi giảm cảm kháng nhỏ hơn giá trị đã tính sẽ làm dòng không liên tục và không thỏa điều kiện nhấp nhô, đồng thời áp ra cũng thay đổi.
c) Khảo sát tụ C
Giữ nguyên D, L, R. Thay đổi một vài giá trị tụ quanh giá trị C=110 μF đã tính và khảo sát điều kiện dòng liên tục và nhấp nhô điện áp tụ.
Các lược đồ áp tụ (phía trên) và dòng qua cuộn cảm (phía dưới)
C=200μF
1
C=400µF
C=60 µF
1
C=10 µF
Bảng kết quả
C( μF)
Thỏa điều kiện
dòng liên tục
Vout(V)
Vout max(V)
Vout Min(V)
ΔVout/Vout(%)
Thỏa điều kiện
nhấp nhô áp200 thỏa 30.000 30.084 29.927 0.5222% Có400 thỏa 30.000 30.042 29.963 0.2608% Có60 thỏa 30.000 30.280 29.755 1.7515% Không
10 thỏa 30.000 31.752 28.458 10.9804% Không
Nhận xét: Tụ C không làm thay đổi điều kiện dòng liên tục nhưng khi giảm tụ C
xuống dưới giá trị đã tính sẽ làm độ nhấp nhô áp tăng lên. Tăng tụ C làm độ nhấp
nhô áp giảm xuống.
d) Khảo sát tần số đóng cắt khóa
Giữ nguyên D, C, R, L. Thay đổi một vài giá trị tần số đóng ngắt khóa quanh giá trị tần số f=20kHz ban đầu và khảo sát điều kiện dòng liên tục và nhấp nhô điện áp tụ.
Các lược đồ áp tụ (phía trên) và dòng qua cuộn cảm (phía dưới)
f=40kHz
1
f=80kHz
f=10kHz
1
f=1kHz
Bảng kết quả
f( kHz)
Thỏa điều kiện
dòng liên tục
Vout(V)
Vout max(V)
Vout Min(V)
ΔVout/Vout(%)
Thỏa điều kiện
nhấp nhô áp40 thỏa 30.000 30.038 29.967 0.2369% Có80 thỏa 30.000 30.009 29.992 0.0592% Có10 không 35.477 35.954 35.003 2.6817% Không
5 không 40.881 42.424 39.783 6.4590% Không
1
Nhận xét: Tần số khóa tăng sẽ làm giảm độ nhấp nhô điện áp và tăng dòng qua cuộn
cảm. Tần số khóa giảm sẽ làm dòng không liên tục và độ nhấp nhô tăng.
1
