انجام پروژه های حرفه ای مهندسی برق

بیان مقدمه و اهداف پروژه(مدلغزشی تطبیقی مبدل بوست)

مبدل های بکار رفته در سیستم های قدرت به طور کلی در دو دسته جای می گیرند:

• مبدل های DC به AC
• مبدل های DC به DC

مبدل های DC به AC بطورکلی برای تبدیل توان DC بدست آمده از منابعی نظیر توربین های بادی، سلول خورشیدی ، پیل سوختی و سایر مولدهای DC به توان AC قابل استفاده برای بارهای متداول الکتریکی بکار می روند. در ساختار قدرتی این مبدل ها بطور کلی از مدارات موسوم به پل (مدارات IGBT موازی) ، فیلترها و انواع یکسوسازها استفاده می شود که هدف آن بدست آوردن توان AC در طرف دوم با کمترین هارمونیک می باشد، اهداف کنترلی در مبدل های DC به AC لزوم کنترل فرکانس خروجی و سطح موثر ولتاژ AC می باشد که این مسئله با تغییر بار خروجی مهمتر می باشد.

از طرفی دیگر مبدل های DC به DC با هدف تغییر سطح DC (تغییر سطح ولتاژ) بکار می روند. این مسئله با انگیزه های مختلفی از جمله سطح استاندارد ولتاژ بار خروجی و یا استفاده از مبدل های ترکیبی DC-DC-AC با هدف حذف ترانسفوماتور در سمت AC(به دلیل هزینه های آن) مورد استفاده قرار می گیرند. استفاده از مبدل های ترکیبی بسیار متداول می باشد و به همین دلیل مبدل های نوع DC-DC هم از لحاظ طریقه شکل بندی و ساختمان قدرتی(از مباحث الکترونیک قدرت) و هم کنترل سطح ولتاژ اهمیت دارند.

به طور معمول مبدل های DC-DC به صورت دوطرفه طراحی می شوند به این معنی که بتوان شارش توان را به هر دو سمت داشت، این مسئله به دلیل بکارگیری این مبدل ها در شبکه(ریزشبکه) هایی می باشد که در سمت DC از منابع تولید پراکنده ای همانند باتری و یا ابرخازن ها استفاده می کنند، وجود چنین منابعی که هم شارژ و هم دشارژ می شوند(هم توان دریافت می کنند و هم تزریق می کنند) استفاده از مبدل های دوطرفه را ضروری می سازند، نمود دیگر کاربرد این مبدل ها سیستم هایی همچون خودروهای هیبریدی می باشند، در این خودروها نیز استفاده از باتری و ابرخازن نیاز به داشتن مبدل های دو طرفه برای اتصال بخش تولید هیبریدی به بار الکتریکی را لازم می نماید.

با توجه به بحث انجام شده، پی به اهمیت مبدل های DC به DC در کاربردهای قدرتی و الکترونیکی مشاهده می شود، آنچه در این پروژه بر آن تاکید شده است لزوم کنترل مناسب این مبدل ها می باشد از جمله اهداف اساسی که می توان برای این مبدل ها برشمرد، کنترل سطح ولتاژ می باشد، که به عنوان هدف اصلی در این پروژه می باشد برهمین اساس از روش کنترل مدلغزشی تطبیقی که از روش های برمبنای لیاپانوف می باشد، استفاده شده است و سپس در ادامه به منظور بهبود افت ولتاژ از روش فازی استفاده شده است.

توضیحات کلی

مبدل های DC به DC دارای چنیدین ساختار می باشد که هر روزه شاهد بهبود این مبدل ها از لحاظ ساختار و کنترلی می باشیم، انواعی نظیر چاپرها ، مبدل های باک ، مبدل های بوست ، مبدلهای H6 و بهبود یافته های آن از جدیدترین ساختارها می باشند.

مبدل DC-DC از نوع بوست به عنوان یک مبدل افزاینده مطرح می باشد، افزاینده به این معنی که در این مبدل سطح ولتاژ خروجی همواره بالاتر از سطح ورودی می باشد. این مبدل ها از چندین طبقه تشکیل می شوند تا بتوانند جریان های بالا را به سمت مصرف کننده ها هدایت کنند، آنچه در اولین گام در کنترل این مبدل ها اهمیت دارد(و اصولا برای سیستم الکتریکی) ، نوع مدل دینامیکی بکار رفته برای سیستم مورد نظر می باشد، انواع مدل سازی های خطی و غیرخطی برای مبدل بوست بررسی شده است، در مدل های خطی، یک ساختار نامعین برای IGBT های بکار رفته در هر کدام از پل های مبدل در نظر گرفته می شود، حال آنکه در مدل های غیرخطی یک ساختار سیگنال کوچک دقیق با در نظر گرفتن مدل فرکانس بالای مبدل برای آن در نظر گرفته می شود. در هر کدام از پل های این مبدل دو IGBT به صورت ترکیب سری و موازی بسته می شود که شکل زیر نمایش ساختار مبدل را نمایش می دهد.

نمایش ساختار قدرتی مبدل بوست (Boost inverter)

مدل دینامیکی سیستم مبدل بوست دارای یک حالت از ولتاژ DC خروجی که به عنوان متغیر حالت هدف(خروجی سیستم) در نظر گرفته می شود و یک متغیر حالت به ازای هر کدام از طبقات مبدل می باشد، به عنوان مثال یک مبدل سه طبقه از این نوع دارای 4 متغیر حالت می باشد که 3 متغیر حالت هر کدام برای جریان هر یک از طبقات و مد چهارم برای ولتاژ DC خروجی بکار می رود.

کنترل مبدل بوست یک روند از نوع ردیابی می باشد که هدف در آن ردیابی ولتاژ DC درخواستی خروجی توسط مبدل می باشد، در این مبدل ورودی سیستم به هر مولد DC می تواند وصل باشد که معمولا در روندهای کنترلی به منظور در نظر عدم قطعیت مولد(از لحاظ جریان دهی) از سیستم های تولید غیرایده آل نظیر پیل سوختی ، ترکیب سلول خورشیدی و باتری و یا توربین و باتری استفاده می شود که تمامی این ورودی ها دارای یک مشخصه غیرخطی براساس ولتاژ و جریان می باشند به عنوان مثال می توان به مشخصه غیرخطی پیل سوختی که به صورت شکل زیر می باشد اشاره کرد.

مشخصه ولتاژ جریان غیرخطی برای پیل سوختی

به منظور کنترل سطح ولتاژ DC بزرگترین چالش تغییر توان خروجی(توان بار) می باشد، مشخصا تغییر توان باعث جریان کشی بالا از مدار ورودی می گردد که این مسئله می تواند باعث کاهش سطح ولتاژ گردد که عکس این مسئله نیز می تواند در این حین اتفاق بیفتد، در این حین کنترل کننده بایستی با تغییر پالس های کنترلی مبدل که به IGBT های متناظر با پل های مبدل اعمال می شود و با تغییر نقطه کار ورودی سیستم نسبت به برگرداندن سطح ولتاژ به مقدار مطلوب اقدام نماید، البته با توجه به ویژگی های مولد سیستم، کنترلر قادر به تنظیم این سطح در یک محدوده مشخص مقاومتی می باشد.

بیان الگوریتم کار

آنچه با آن مواجه هستیم، الگوریتم کار را به ما می دهد، مسلما وجود سیستمی با انواع نامعینی های روی منبع ورودی و مبدل ما را به سمت یک کنترل کننده با ساختار مقاوم پیش می برد. از سوی دیگر سیستم های الکتریکی همچون مبدل های الکتریکی از جمله سیستم های می باشند که در ساختار مدار کنترل خود می توانند از فرکانس های بالا پشتیبانی کنند، مسئله ای که در سیستم های مکانیکی نمی توان اجرایی کرد(محرک ها دارای محدوده های پایین نوسانی می باشند).

مجموعه این مسائل باعث می شود تا بتوان از یک کنترل کننده نظیر مدلغزشی تطبیقی برای این منظور استفاده کرد، کمتر سیستمی می توان یافت که به شرط رعایت تمامی مسائل بکار رفته در مدلغزشی نتوان کنترل مناسبی را با آن ارائه داد.

در این پروژه با ارائه صفحه خطای متشکل از خطای سطح ولتاژ نسبت به طراحی کنترلر اقدام شده است، در راستای طراحی قانون مدلغزشی برای مبدل بخش های متناظر با کنترل کننده معادل و بخش لغزش طراحی شده و کنترل کننده نهایی را بدست آورده ایم. در روند تطبیقی سازی این فرآیند نیز از تئوری لیاپانوف استفاده شده است به این صورت که با فرض نامعینی بار خروجی در مدل دینامیکی نسبت به بدست آوردن قانون تطبیقی مورد نظر اقدام شده است. برای مطالعه بیشتر در این زمینه می توانید به بخش طراحی کنترلرها در سربرگ سایت مراجعه کنید.

در شکل زیر ساختار کنترلی بکار رفته برای این مبدل نمایش داده شده است.

ساختار کنترلی مبدل DC به DC از نوع بوست

شبیه سازی کار پروژه

به منظور شبیه سازی پروژه انجام شده از محیط سیمولینک به همراه کدنویسی در نرم افزار متلب استفاده شده است، بلوک های کدنویسی یا فراخوان تابع موجود در نرم افزار متلب بخش سیمولینک شما را قادر می سازند تا الگوریتم های کلاسیک و حلقه های کنترلی را در محیط متلب وارد کنید و از روش های عددی نظیر ode45 و یا برای سرعت های بالا از ode23t و یا ode23s استفاده کنید. در اتصالات سیگنال های مورد نظر ایجاد نهایت دقت الزامی است تا بتوان از خطاهای برنامه نویسی نظیر لوپ های جبری جلوگیری کرد. آموزش های لازم با این نحوه برنامه نویسی به زودی در بخش آموزش متلب ارائه می شود.

در ادامه برخی از نتایج شبیه سازی ارائه می شود که مربوط به پروژه کنترل مبدل DC به DC می باشد.

شکل موج ولتاژ خروجی مبدل DC به DC در حضور کنترلر مدلغزشی تطبیقی

شکل موج مجموع جریان طبقات مبدل DC به DC در حضور کنترلر مدلغزشی تطبیقی

شکل موج تخمین بار خروجی مبدل

شکل موج سیگنال کنترلر مدلغزشی تطبیقی خروجی یکی از طبقات

همانطور که مشخص است شکل موج ولتاژ مبدل به هنگام افزایش بار(بار بکار رفته تغییر پذیر با زمان می باشد) قدری دچار افت می شود که این مسئله را می توان با فازی سازی سیستم کنترل بهبود داد. فازی سازی سیستم کنترل با تغییر بهره های موثر کنترلی نسبت به تغییرات خطای خروجی امکان پذیر می باشد که کنترلر مورد نظر را به نوع مدلغزشی تطبیقی – فازی تبدیل می نماید. در ارائه های بعدی نسبت به این طراحی بررسی خواهیم داشت.

منبع : برق تِک