شکل ۴-۱۸: سیستم قدرت در نظر گرفته با SMC ۷۳
شکل ۴-۱۹: سیگنال کلیدزنی برای عملکرد حلقه باز ۷۳

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

شکل ۴-۲۰ دیاگرام بلوکی از محاسبه ueq ۷۵
شکل ۴-۲۱: نسبت کاری محدود ۷۸
شکل ۴-۲۲ تعبیر هندسی برای L=2 ۷۹
شکل۴-۲۳ کنترل هیسترزیس ۸۱
شکل ۴-۲۴: کنترل هیسترزیس سه سطحی ۸۲
شکل ۴-۲۵ تابع عضویت (a) ورودی (b) خروجی ۸۳
شکل ۴-۲۶ مدل توپولوژی دقیق در مطلب/ سیمولینک ۸۵
شکل ۴-۲۹ (a) توپولوژی مبدل باک تکی (b) تحریک CDCM نمونه © شکل موج جریان تحریک DCM ۹۰
شکل ۴-۳۰ اجرای سیمولینک از مدار مبدل باک شش فاز لایه میانی با کنترل کننده PID ۹۱
چکیده فارسی
این تحقیق به مدلسازی دینامیکی و شبیه سازی مبدل باک و مبدل بوست می پردازد. مبدل های دی سی به دی سی یک سطح ولتاژ را به سطح ولتاژ دیگر تبدیل می کنند. ولتاژ خروجی می تواند کمتر یا بیشتر از ولتاژ ورودی باشد. مبدل های دی سی به دی سی بیشتر در منابع تغذیه کلید زنی و موتور های دی سی به کار می روند. به طوری که جریان ورودی اغلب جریانی است که از یکسو ساز وارد مدار می شودو سپس می تواند به سطح ولتاژ مطلوب تغییر یابد . معمولا این مبدل با یک ترانس جداساز در مدار منبع تغذیه کلید زنی استفاده می شود. کاربرد اصلی مبدل بوست در منابع تغذیه دی سی تنظیم شده و ترمز مولدی موتور های دی سی می باشد.به طوری که نام آن نشان می دهد ولتاژخروجی همیشه بزرگتر از ولتاژورودی است.هنگامی که کلید وصل می شود،دیود بایاس معکوس می شود ، بنابراین طبقه خروجی را جدا می سازد.ورودی انرژی را به القاگر می رساند. هنگامی که کلید قطع است،طبقه خروجی انرژی را از القاگر و ورودی دریافت می کند.یک مبدل باک یک ولتاژ خروجی میانگین کمتر از ولتاژ ورودی دی سی تولید می کند.کاربرد اصلی آن در منابع تغذیه دی سی تنظیم شده و کنترل سرعت موتور دی سی می باشد.در طول فاصله ای که کلید وصل است ،دیود بایاس معکوس می شودو ورودی انرژی را برای بار و القاگر فراهم می کند. در طول فاصله ای که کلید قطع است ،جریان القاگر از دیود عبور می کندو بخشی از انرژی خود را به بار می دهد.برای به دست آوردن کنترل اجرای زیاد از مبدل دی سی به دی سی، یک مدل خوب از مبدل نیاز می شود که مدل تحت دو مورد مهم از معادلات حالت میانگین که ولتاژ خازن و جریان سلف هستند ،ارائه می شود.در این تحقیق ابتدا سعی شده که به تاریخچه این پژوهش اشاره شود و تعدادی از کارهایی که در این زمینه انجام شده بیان شود و پس از بیان مختصری از کارهایی که باید انجام شود، ارائه مدلسازی دینامیکی انجام شد و مدلسازی دینامیکی مبدل باک و مبدل بوست در کاربردهای مهم و روش‌های مهم بیان شد و پس از ارائه الگوریتم‌های مربوطه برای تصدیق یافته‌های تئوری شبیه‌سازی با نرم‌افزار مطلب/ سیمولینک انجام شد و شبیه‌سازی و نتایج عددی در مطلب/ سیمولینک بیانگر تغییرات دو مورد مهم معادلات حالت میانگین که ولتاژ خازن و جریان سلف هستند، می‌باشد.
واژه‌های کلیدی: مبدل باک، مبدل بوست، مدل میانگین فضای حالت، شبیه‌سازی.
فصل اول
مقدمه
دراین تحقیق سعی شده است که مدلسازی دینامیکی و شبیه‌سازی مبدل باک و مبدل بوست بررسی شود که در ابتدا فصل اول مقدمه و بعد در فصل دوم سابقه این کارها بیان می‌شود. در فصل سوم کارهایی که باید انجام شود ، مطرح می‌شود و در فصل چهارم نتایج و نمودارها و فصل پنجم شامل نتیجه گیری می‌باشد.اما در مورد مبدل‌های dc به dc توضیحاتی داده می‌شود:
۱-۱ مبدل‌های dc به dc
این‌مبدل ها ولتاژ ورودی dc را به ولتاژ خروجی dc تبدیل می‌کنند (با یک اندازه دیگر نسبت به ولتاژ ورودی). مورد مطلوب این است که تبدیل با تلفات کم در مبدل انجام ‌شود.
در این مبدل هاترانزیستور نمی‌تواند در فاصله میانی خطی‌اش کار کند. اما می تواند به عنوان کلید به کار گرفته شود .سیگنال کنترل دوتایی می‌باشد. مادامی که ترانزیستور روشن است، ولتاژ میانی کم می‌شود یعنی تلفات توان در ترانزیستور کم می‌شود. مادامی که ترانزیستور خاموش است، جریان میانی کم می‌شود و تلفات توان کم می‌شود. برای به دست آوردن تلفات کم مقاومت‌ها در مبدل‌ها اجتناب می‌شوند. خازن‌ها و القاگرها چون به طور ایده‌آل تلفاتی ندارند، استفاده می‌شوند.
عناصر الکتریکی می‌توانند ترکیب شوند و به یکدیگر به شکل های مختلف متصل شوند. توپولوژی‌های نامیده شده خواص مختلف دارند. مبدل باک یک ولتاژ خروجی دارد که کمتر از ولتاژ ورودی می‌باشد. مبدل بوست یک ولتاژ خروجی دارد که بیشتر از ولتاژ ورودی می‌باشد (در حالت ماندگار). (جوهانسون^[۱]، ۲۰۰۴)
۱-۲ میانگین فضای حالت
مبدل به صورت یک سیستم تغییر ناپذیر با زمان مادامی که ترانزیستور روشن است، عمل می‌کند. مادامی که ترانزیستور خاموش است، مبدل به صورت سیستم تغییر ناپذیر با زمان دیگر عمل می‌کند و اگر جریان القاگر به صفر برسد، مبدل هنوز به صورت یک سیستم تغییر ناپذیر با زمان دیگر عمل می کند. اگر ترانزیستور کنترل شود، مبدل می‌تواند به صورت کلیدزنی بین سیستم‌های تغییر ناپذیربا زمان مختلف در طول پریود کلید زنی توصیف شود. در نتیجه مبدل می تواند به صورت یک سیستم تغییر پذیر با زمان مدل شود. میانگین فضای حالت یک روش برای تقریب سیستم تغییر پذیر با زمان با یک سیستم تغییر ناپذیر با زمان خطی پیوسته با زمان می‌باشد. این روش از توصیف فضای حالت از سیستم تغییر ناپذیر با زمان به صورت یک نقطه آغازی استفاده می‌کند. این توصیف ها از فضای حالت سپس با توجه به مدتشان در پریود کلیدزنی میانگین می‌شوند.
مدل میانگین غیرخطی می‌شود و تغییر ناپذیر با زمان است و سیکل‌کاری دارد و به صورت سیگنال کنترل می‌باشد. این مدل نهایتاً در نقطه کار برای به دست آوردن یک مدل سیگنال کوچک خطی می‌شود. (جوهانسون، ۲۰۰۴)
۱-۳ کنترل حالت جریان
جریان القاگر مبدل باک برای کنترل کننده جریان در حلقه درونی به کار می رود و ولتاژ خروجی برای کنترل کننده ولتاژ در حلقه خارجی به کار می رود. این روش کنترل ، کنترل حالت جریان نامیده می‌شود.
فرض می‌شود که حلقه خروجی ارائه نمی‌شود. آن گاه سیستم یک سیستم حلقه بسته می‌شود. چون جریان القاگر از عقب تغذیه می شود، اگر حلقه خروجی اضافه شود ،یک حلقه بسته جدید به دست آورده می‌شود. سیگنال کنترل از حلقه خروجی به صورت سیگنال مرجع برای کنترل کننده جریان عمل می‌کند. کنترل کننده جریان، جریان القاگر را کنترل می‌کندکه می‌تواند به صورت های مختلف ایجاد شود. یک راه کنترل کردن مقدار پیک از جریان القاگر در هر پریود کلیدزنی می‌باشد. ریدلی (۱۹۹۱) و تان و میدلبروک (۱۹۹۵) دو مدل برای کنترل حالت جریان ارائه کردند.تفاوت اصلی بین دو مدل، مدلسازی از گین حلقه جریان می‌باشد. المظفر و حمد (۱۹۹۹) یافتند که حساسیت‌های پیش‌گویی شده به وسیله دو مدل متفاوت می‌باشند.
مقدار میانگین از جریان القاگر می‌تواند به جای مقدار پیک کنترل شود. این روش کنترل معمولاً کنترل حالت جریان میانگین نامیده می‌شود. (جوهانسون، ۲۰۰۴)
۱-۴ محرک برای این کار
چند نکته باید در مورد مبدل در نظر بگیریم. یکی از این نکات، حفظ کردن ولتاژ خروجی در فاصله ولتاژ مشخص می‌باشد. بعضی از تغییراتی که می‌تواند تغییر ولتاژ خروجی را کاهش دهد به صورت زیرمی‌باشد:
- تغییر خواص بعضی عناصر در مبدل به طور مثال افزایش ظرفیت خازن
- تغییر توپولوژی مبدل
- تغییر برای یک کنترل کننده پیشرفته
- افزایش تعداد سیگنال‌هایی که اندازه‌گیری می‌شوند و استفاده به وسیله کنترل کننده
هر یک از تغییرات ضررهایی به صورت زیر دارد:
- قیمت بیشتر
- وزن افزایشی و حجم
- قابلیت اطمینان کمتر
- کارآیی کمتر
محرک‌ها در مکان های عناصر و توپولوژی‌های مبدل وکنترل کننده ها بررسی می‌شوند. برای به دست آوردن کنترل اجرای خوب از یک سیستم، یک مدل خوب از سیستم احتیاج می‌شود.
یک مدل از یک سیستم می‌تواند به وسیله استفاده قانون‌های فیزیک و یا به وسیله استفاده اندازه‌گیری‌های سیستم به طور مثال شناسایی سیستم (لجونگ ۱۹۹۹) نتیجه گرفته شود. هنگامی که سیستم در طول زمان تغییر می‌کند، یک مزیت برای به کار بردن شناسایی سیستم که می‌تواند روی خط برای آپدیت کردن مدل استفاده شود، دارد.این مدل تنظیم شده، سپس برای تنظیم پارامترها از کنترل کننده استفاده می‌شود که ضرورت کنترل تطبیقی می‌باشد (آستروم و ویتنمارک ۱۹۹۵). یک کنترل کننده تطبیقی می‌تواند بهتر از یک کنترل کننده غیر تطبیقی عمل کند. یک مشکل کنترل تطبیقی ایجاد شناسایی به صورتی که مدل در زمان یک تغییرسریع سیستم بدون شناسایی برای نویز اندازه‌گیری عمل می‌کند، می‌باشد.
اگر تعداد پارامترها برای تخمین در یک سیستم کمتر شود، تنظیم می‌تواند عموماً سریعتر عمل کند. یک راه برای انجام دادن این شرایط، ثابت نگه داشتن پارامترهایی است که مقادیر آنها بزرگ می باشند و فقط به مقدار کمی با هم تفاوت دارند. یک راه دیگر ،اندازه‌گیری تعداد بیشتری از سیگنال‌ها در فرایند می‌باشد.یک راه برای کاهش تعداد پارامترها، تخمین زدن برای شناسایی یک بخش از سیستم می‌باشد. برای شناسایی این زیر سیستم سیگنال‎های خروجی و ورودی باید اندازه‎گیری شوند. اگر تعداد بیشتری از سیگنال‎ها در فرایند اندازه‎گیری شوند، ممکن است تقسیم فرایند به دو بخش کوچکتر مختلف ممکن شود. توجه شود که زمان برای ساده سازی و محاسبه در این بحث در نظر گرفته نمی‎شود. بار معمولاً روی دینامیک تأثیر دارد. اگر یک اندازه‎گیری از جریان بار ارائه شود، ممکن است برای در نظر گرفتن بار به صورت یک بخش برای شناسایی به کار رود. سپس ولتاژ خروجی به صورت سیگنال ورودی در نظر گرفته می‎شود و جریان بار به صورت سیگنال خروجی از این بخش می‎باشد. در گام نخست کنترل تطبیقی ، یکی از شرایط ممکن و مناسب برای شناسایی بار می باشد. اغلب این بیشترین بخش متغیر از مبدل می‎باشد. این گام نخست ممکن است برای به دست آوردن یک کنترل کننده که به مشخصات دقیق اجرا می‎رسد، کافی باشد. برای گام دوم شناسایی بقیه مبدل ممکن است شامل کنترل بهبود یافته بیشتری باشد. ولتاژ خروجی و جریان بار باید برای به دست آوردن شناسایی بار سریع اندازه‎گیری شوند. ریدل و سوکال (۱۹۸۶) نشان دادند که حالت گذرا در ولتاژ خروجی در اثر یک تغییر گام درفاصله بار می‎تواند منجر به کاهش بیشتری شود. آن‎ها از پیش خوران جریان بار اندازه‎گیری شده استفاده کردند.
ریدل و سوکال همچنین نشان دادند که تابع انتقال کنترل به خروجی نمی‎تواند هنگامی که این پیش خوران اعمال می‌شود، تغییر یابد. همچنین گین dc از تابع انتقال کنترل به خروجی به بار بستگی دارد. هیتی و بوروجویچ (۱۹۹۳) ازجریان بار اندازه‎گیری شده برای ایجاد تابع انتقال کنترل به خروجی تغییر ناپذیر برای بارهای مختلف در dc برای مبدل بوست استفاده کردند. بنابراین هیتی و بوروجویچ نشان دادند که تابع انتقال کنترل به خروجی هنگامی که استفاده از جریان بار اندازه‌گیری شده اعمال می‌شود، تغییر می‌کند. کنترل هیتی و بوروجویچ ،پیشنهاد ریدل و سوکال برای مبدل بوست را تصدیق می کند.
به طور خلاصه ریدل و سوکال نشان دادند که تابع انتقال کنترل به خروجی هنگامی که استفاده از جریان بار اندازه‎گیری شده اعمال می‎شود ، تغییر نمی‎کند. (جوهانسون، ۲۰۰۴)
۱-۵ مدل‎ها برای مبدل‎های dc به dc بدون کنترل کننده ها
تعدادی روش‎ برای به دست آوردن یک مدل تغییر ناپذیر با زمان پیوسته خطی از یک مبدل dc- dc استفاده می شود. میانگین فضای حالت (میدلبروک و کاک (۱۹۷۶) و میچل (۱۹۸۸))میانگین مداری (وستر و میدلبروک (۱۹۷۳) و ورپرین (۱۹۹۰)) و رهیافت تزریق جریان (سلیکو و فسارد (۱۹۷۷) و کیسلوسکی و ریدل و سوکال ( ۱۹۹۱)) تعدادی از آن ها می‌باشد.
اگر این روش‌ها برای یک مبدل که در حالت هدایت پیوسته کار می‌کند به کار روند، مدل‌های نتیجه در فرکانس‌های بالا و پایین دقیق می‌باشند .(در این جافرکانس‌ها مرتبط به فاصله dc و نصف فرکانس اتصال هستند .به طور مثال فرکانس های بالا کمتر از نصف فرکانس اتصال می باشند.)
اما اگر این روش‌ها برای یک مبدل که در حالت هدایت ناپیوسته کار می‌کند به کار روند، مدل‌های نتیجه فقط در فرکانس‌های پایین دقیق است. سان (۲۰۰۱) یک روش تغییر یافته برای به دست آوردن مدل‌ها برای مبدل‌هایی که در حالت هدایت ناپیوسته کار می‌کنند، ارائه داد که در فرکانس‌های بالا و پایین دقیق می‌باشند. تیمرسکی (۱۹۹۴ و ۱۹۹۱) از تئوری سیستم تغییر پذیر با زمان برای نتیجه گرفتن مدل‌ها برای تابع فرکانس استفاده کرد و این مدل‌ها برای همه فرکانس‌ها به طور مثال بیشتر از نصف فرکانس اتصال مناسب می باشند. تابع فرکانس کنترل به خروجی در جایی که مبدل در حالت هدایت پیوسته یا حالت هدایت ناپیوسته کار می‌کند، نتیجه می شود.
هنگامی که در تابع فرکانس کنترل به خروجی از یک مبدل استفاده می‌شود، فرکانس فاصله dc به نصف فرکانس اتصال بیشتر از همه موارد جالب توجه می باشد. (جوهانسون، ۲۰۰۴)
۱-۶ مدل‌ها برای کنترل حالت جریان
تعداد زیادی مدل‌ زمان پیوسته برای کنترل حالت جریان در طول سال‌ها ارائه شده است. بعضی از این مدل‌ها برای دقیق بودن در فرکانس های بالا در نظر گرفته می‌شوند. مدل‌ها ی ارائه شده به وسیله ریدلی (۱۹۹۱) تان و میدلبروک (۱۹۹۵) وتیمرسکی و لی (۱۹۹۳) برای دقیق بودن از dc به نصف فرکانس اتصال طراحی می‌شوند. تیمرسکی و لی (۱۹۹۳) یک مدل فضای حالت مادامی که مدل‌های ریدلی و تان از مدل کلید PWM (ورپرین ۱۹۹۰) استفاده می‌کنند، ارائه کردند. تیمرسکی (۱۹۹۴) یک مدل برای تابع فرکانس (از سیگنال کنترل به ولتاژ خروجی) نتیجه گرفت ( به طوری که برای همه فرکانس‌ها مناسب می باشد.) تفاوت اصلی بین مدل‌های ریدلی و تان، مدلسازی از گین حلقه جریان می‌باشد. گین حلقه جریان می‌تواند به وسیله استفاده از مدوله کننده دیجیتال (چو و لی ۱۹۸۴) یا یک تکنیک آنالوگ (تان و میدلبروک ۱۹۹۵) اندازه‌گیری شود اما نتایج یکسان نیستند. مادامی که مدل‌تان نتایج به دست آمده هنگامی که از تکنیک آنالوگ استفاده می‌شود را پیشگویی می‌کند،. گین حلقه جریان در مدل ریدلی، نتایج اندازه‌گیری به دست آمده به وسیله استفاده از مدوله کننده دیجیتال را پیشگویی می کند. تکنیک آنالوگ در تان و میدلبروک (۱۹۹۵) ترجیح داده می‌شود. اما لو و کینگ (۱۹۹۹) ادعا داشتند که تکنیک آنالوگ برای اندازه‌گیری گین حلقه جریان صحیح نیست و یک مدوله کننده دیجیتال باید به جای آن استفاده شود. یک مدوله کننده دیجیتال می‌تواند یک تأخیر زیاد را برای مدوله کننده پهنای پالس اضافه کند.
مایر و کینگ (۲۰۰۱) یک مدل برای گین حلقه جریان که شامل تأثیرات تأخیر در مدوله کننده پهنای پالس می‌باشد، ارائه کردند . اگر در این مدل تأخیر به صفر برسد، گین حلقه جریان پیشگویی شده ،مانند پیشگویی مدل ریدلی می‌شود. در مدل ریدلی گین‌های پیش خوران ملاحظه می‌شود. ریدلی (۱۹۹۱) یک توصیف تقریبی برای گین حلقه جریان برای مبدل باک ارائه کرد و گین‌های پیش خوران در نتیجه گرفتن از این توصیف نادیده گرفته می‌شوندکه خطای بزرگی رادرفرکانس های کم ودر شرایطی که مبدل نزدیک به حالت هدایت ناپیوسته کار کند ،ایجاد می کند (ریدلی ۱۹۹۰b) .
اگر گین‌های پیش خوران نادیده گرفته شوند، توصیف تقریبی در ادامه به دست می‌آید: