Θεωρητική και πειραματική διερεύνηση του ελέγχου κλειστού βρόχου διακοπτικών τροφοδοτικών συνεχούς τάσης σε συνεχή χωρίς απομόνωση

• Κύριος συγγραφέας: Μητσόπουλος, Θωμάς
• Άλλοι συγγραφείς: Mitsopoulos, Thomas
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2023
• Θέματα: Ηλεκτρονικά ισχύος; Χώρος κατάστασης; Μετατροπείς συνεχούς τάσης σε συνεχή; Power electronics; State space; Dc-dc converters

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, το σχεδιασμό και την κατασκευή ενός σύγχρονου μετατροπέα ισχύος συνεχούς τάσης σε συνεχή χωρίς απομόνωση στην περιοχή συνεχούς αγωγής, ο οποίος μπορεί να λειτουργήσει ως υποβιβαστής τάσης, αλλά και ως ανυψωτής τάσης. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η σχεδίαση και κατασκευή ενός σύγχρονου μετατροπέα ισχύος συνεχούς τάσης σε συνεχή χωρίς απομόνωση, ο οποίος λειτουργεί στην περιοχή συνεχούς αγωγής. Ο μετατροπέας αυτός μπορεί να λειτουργήσει είτε ως μετατροπέας υποβιβασμού τάσης (buck), είτε ως μετατροπέας ανύψωσης τάσης (boost) με βαρύτητα στο σχεδιασμό του κλειστού βρόχου ελέγχου. Από τη θεωρητική ανάλυση του μετατροπέα στο χώρο κατάστασης και τις απαιτούμενες προδιαγραφές λειτουργίας γίνεται ο σχεδιασμός του ελεγκτή για λειτουργία σε κλειστό βρόχο, με βασικό στόχο την επίτευξη σταθερής τάσης στην έξοδο του μετατροπέα, ανεξαρτήτως των μεταβολών στην τάση εισόδου και στο φορτίο εξόδου. Η λειτουργία του κλειστού βρόχου ελέγχου υλοποιείται με τρεις τεχνικές ελέγχου, με μέθοδο ανατροφοδότησης τάσης, με μέθοδο υστέρησης της τάσης και με έλεγχο της μέγιστης τιμής του ρεύματος του πηνίου εξομάλυνσης του μετατροπέα. Αρχικά, γίνεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση στις κυριότερες κατηγορίες των μετατροπέων ισχύος συνεχούς τάσης σε συνεχή. Παράλληλα, επισημαίνεται η ανάγκη εφαρμογής τεχνικών ελέγχου για την επίτευξη της αξιόπιστης λειτουργίας των μετατροπέων αυτών. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται η θεωρητική ανάλυση των μετατροπέων ισχύος συνεχούς τάσης σε συνεχή χωρίς απομόνωση, με ιδανικά και μη ιδανικά στοιχεία, στο χώρο κατάστασης. Μέσα από τη θεωρητική ανάλυση εξάγονται οι συναρτήσεις μεταφοράς μικρού σήματος με βάση τις οποίες γίνεται σύγκριση για τις δύο περιπτώσεις μέσω MATLAB. Επιπλέον, δίνεται έμφαση στις κυριότερες μεθόδους ελέγχου μετατροπέων ισχύος συνεχούς τάση σε συνεχή που επικρατούν μέχρι σήμερα. Το επόμενο βήμα είναι η διαστασιολόγηση του μετατροπέα με βάση τις προδιαγραφές που έχουν ζητηθεί. Ακολουθεί η προσομοίωση των μετατροπέων που σχεδιάστηκαν στο λογισμικό Simulink της MATLAB. Αρχικά, γίνεται η προσομοίωση των μετατροπέων για λειτουργία σε ανοιχτό βρόχο με σταθερό λόγο κατάτμησης. Στη συνέχεια, γίνεται η προσομοίωση των συναρτήσεων μεταφοράς των ελεγκτών που σχεδιάστηκαν και ακολουθεί η ανάλυση της λειτουργίας του κλειστού βρόχου του μετατροπέα, κατά την οποία χρησιμοποιούνται οι τρεις προαναφερθείσες μέθοδοι ελέγχου. Τέλος, υλοποιείται στο εργαστήριο η κατασκευή του μετατροπέα με βάση τη διαστασιολόγηση που έγινε και παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα που προκύπτουν, με χρήση των προαναφερθεισών τεχνικών ελέγχου, επιβεβαιώνοντας την ακρίβεια της θεωρητικής ανάλυσης και των προσομοιώσεων.