Mihael Medved Dvosmerni DC-DC pretvorniški sistem za pretvorbo proizvedene energije gorivne celice Diplomsko delo Maribor, september 2013

Transkripcija

1 Mihael Medved Dvosmerni DC-DC pretvorniški sistem za pretvorbo proizvedene energije gorivne celice Diplomsko delo Maribor, september 2013

2 Dvosmerni DC-DC pretvorniški sistem za pretvorbo proizvedene energije gorivne celice Diplomsko delo Študent: Študijski program: Smer: Medved Mihael Elektrotehnika UNI Avtomatika in robotika Mentor: Somentor: doc. dr. Miran Rodič prof.dr. Miro Milanovič Maribor, september 2013

3 i

4 ZAHVALA Za pomoč pri izdelavi diplomske naloge se zahvaljujem vsem, ki so mi na kakršenkoli način pomagali pri projektu. V prvi vrsti gre zahvala mojemu mentorju doc. dr. Miranu Rodiču, somentorju prof. dr. Miro Milanoviču, ter dr. Mitji Truntič za strokovne nasvete in omogočanje izvedbe diplomskega dela. Posebna zahvala pa gre vsem mojim bližnjim, še posebej staršem, ki so mi v času študija stali ob strani ter mi omogočili študij. ii

5 Dvosmerni DC-DC pretvorniški sistem za pretvorbo proizvedene energije gorivne celice Ključne besede: baterija, gorivna celica, dvosmerni pretvornik, regulator, pulzno širinska modulacija UDK: /.314: (043.2) Povzetek V diplomskem delu je predstavljeno načrtovanje, delovanje in izdelava dvosmernega pretvornika, ki s pomočjo regulacije skrbi za konstantno napetost na izhodu ne glede na obremenitev. Na začetku je predstavljeno delovanje pretvornika, statična karakteristika ter izpeljava modela s pomočjo matematičnih enačb. V nadaljevanju je predstavljeno načrtovanje sistema za vodenje ter regulatorjev v programskem okolju Matlab/Simulink. Delo vsebuje tudi načrtovanje tiskanine za realizacijo projekta. Na koncu pa so predstavljeni še rezultati meritev na realnem procesu. iii

6 Bi directional conversion system for fuel cell output power conversion Key words: battery, fuel cell, Bi-directional DC/DC converter, control, pulse-width modulation UDK: /.314: (043.2) Abstract This thesis presents the development, operation and realization of bi-directional converter, which holds output voltage constant regardless of the load, using the control system. In the first section the operation of inverter and its static characteristic are presented, which are described by the model. Furthermore the design of the control system for and design of regulators in Matlab/Simulink environment are presented. Also included are design of PCB for the realization of the project. At the end of this work, there are presented the results of measurements on a real process. iv

7 KAZALO VSEBINE 1 UVOD Splošno o področju opisanem v projektu Namen in smisel diplomskega dela Pregled vsebine obravnavanega diplomskega dela MODELIRANJE Izdelava modela dvosmernega pretvornika z orodjem Matab/Simulink Izpeljava matematičnega modela Izpeljava modela dvosmernega pretvornika pri prenašanju energije proti zbiralki Izpeljava modela dvosmernega pretvornika pri prenašanju energije proti akumulatorju Načrtovanje pretvornika navzdol-navzgor Načrtovanje elementov pretvornika Načrtovanje dušilke Načrtovanje, izbira kondenzatorja IZVEDBA PRETVORNIKA Načrtovanje regulatorjev Tokovni regulator izpeljava in diskretizacija Napetostni regulator izpeljava in diskretizacija Programiranje digitalnega krmilnika TMS320F Izdelava vezja pretvornika EKSPERIMENTALNA VERIFIKACIJA SKLEP VIRI IN LITERATURA Priloga A v

8 KAZALO SLIK Slika 2.1: Dvosmerni pretvorniški sistem z akumulatorjem in bremenom... 4 Slika 2.2: Model dvosmernega pretvornika v Simulinku z dodatnimi elementi za opazovanje izhodnih vrednosti... 5 Slika 2.3: Nadomestno vezje pretvornika navzgor, ko Tr 1 ne prevaja in Tr 2 prevaja... 7 Slika 2.4: Nadomestno vezje pretvornika navzgor, ko Tr 1 prevaja in Tr 2 ne prevaja Slika 2.5: Nadomestno vezje pretvornika navzdol, ko Tr 1 prevaja in Tr 2 ne prevaja...12 Slika 2.6: Nadomestno vezje pretvornika navzdol, ko Tr 1 ne prevaja in Tr 2 prevaja...12 Slika 3.1: Prikazuje valovitost toka in napetosti na dušilki [3]...17 Slika 4.1: Model zveznega PI regulatorja v Matlab/Simulinku...22 Slika 4.2: Zaporedna vezava regulatorja in proge...23 Slika 4.3: Regulator in tokovna proga v zaprti zanki...23 Slika 4.4:Zvezni tokovni regulator, ter PWM blok za simulacijo...24 Slika 4.5: Diskretni tokovni regulator...26 Slika 4.6: Zvezni napetostni regulator z upoštevanjem omejitev...28 Slika 4.7: Diskretni regulator napetosti...29 Slika 4.8: Celoten regulacijski sistem ter blok z PWM enoto...30 Slika 4.9: Simulacijski odziv - testiranje delovanja regulatorjev...31 Slika 4.10: Mrtvi čas pri izklopu zgornjega in vklopu spodnjega tranzistorja...32 Slika 4.11: Shema diferenčnega ojačevalnika. [7]...35 Slika 4.12: Delilnik napetosti z kondenzatorjem za filtriranje presluhov ter šumov Slika 4.13: Izrezkano vezje...37 Slika 5.1: Tiskanina z prispajkanimi elementi, ter označeno mejo med pretvornikoma...38 Slika 5.2: PWM signal za krmiljenje IGBT -jev z upoštevanjem mrtvega časa...39 Slika 5.3: Meritve napetosti na ''vratih'' IGBT tranzistorja...39 Slika 5.4: Ustaljene razmere pri 15% PWM, U cdc =26,8V...40 Slika 5.5: Vzpostavitev stacionarnega stanja pri 25% PWM, U cdc =23,8V...40 Slika 5.6: Ustaljene razmere pri 50 % PWM, U cdc =43,2V...41 Slika 5.7: Napetost U cbat =4,74V pri 20% PWM-u...42 Slika 5.8: Napetost U cbat =10,3V pri 40% PWM-u...42 Slika 5.9: Napetost U cbat =16V pri 60% PWM-u...43 Slika 5.10: Napetost U cbat =21,7V pri 80% PWM-u...43 vi

9 Slika A. 1: Tiskanina, rdeča (zgornja) in modra (spodnja) plast...46 Slika A. 2: Shema močnostnega dela vezja...46 Slika A. 3: Vklopni del vezja...47 Slika A. 4: Napajalni del ter stabilizacija napetosti za DSP karto...48 Slika A. 5: Meritveni del vezja...49 Slika A. 6: Načrt galvanskih ločilnikov in gonilnikov...49 Slika A. 7: Shematski prikaz podnožja DSP karte...50 vii

10 KAZALO TABEL Tabela 1: Testiranje modela - statična karakteristika dvosmernega pretvornika pri prenašanju energije proti zbiralki...10 Tabela 2: Izmerjena statična karakteristika dvosmernega pretvornika pri prenašanju energije proti bateriji, dobljena iz modela...14 viii

11 KAZALO GRAFOV Graf 1: Statična karakteristika pretvornika navzgor...11 Graf 2: Statična karakteristika pri prenosu energije v akumulator...15 ix

12 UPORABLJENI SIMBOLI p[%] Prevajalno razmerje podano v procentih (%) U bat Napetost na bateriji (V) L - Induktivnost dušilke i L - Tok skozi dušilko R L - Ohmska upornost dušilke R bat Ohmska upornost baterije R bat1 Upor, katerega toki skozi njega predstavlja polnilni tok akumulatorja U cbat Notranja napetost na akumulatorju U cdc Napetost na zbiralki C bat - Kapacitivnost akumulatorja C dc Kapacitivnost kondenzatorja na zbiralki R b Upornost bremena R bmin Ohmsko minimalna vrednost bremena P max Največja moč prenosa energije pri pretvorniku Tr 1 Zgornji tranzistor pri dvosmernem pretvorniku Tr 2 Spodnji tranzistor pri dvosmernem pretvorniku p Prevajalno razmerje d Vrednost stikalnega elementa τ i Časovna konstanta tokovnega regulatorja K i Proporcionalno ojačenje tokovnega regulatorja T i Integralno ojačenje tokovnega regulatorja x

13 τ n Časovna konstanta pri napetostnem regulatorju T n - Integralno ojačenje pri napetostnem regulatorju K n - Proporcionalno ojačenje pri napetostnem regulatorju R(s) Prenosna funkcija PI regulatorja f s Stikalna frekvenca i I Valovitost toka u u Valovitost napetosti e(k) Pogrešek med želeno in dejansko vrednostjo y(k) Vrednost izhoda regulatorja d n Prilagoditveni / linearizacijski koeficient za napetostni regulator n Število kvantov pri AD pretvorbi z upoštevanjem 12 bitne AD enote U a Napetost na izhodu prilagoditvene stopnje diferenčnega ojačevalnika U dsp Merilni napetostni signal, ki ga priključimo neposredno na DSP karto xi

14 UPORABLJENE KRATICE PWM Pulse widht modulation, oz pulzno širinska modulacija IGBT Insulated-Gate Bipolar Transistor (Tranzistor z izoliranimi vrati) DSP Digital Signal Processor (Digitalni signalni procesor) ACS712 Merilnik toka IR2110S Gonilnik za IGBT tranzistorja ISO7240A Digitalni ločilnik signalov xii

15 1 UVOD 1.1 Splošno o področju opisanem v projektu S koncem industrijske revolucije se je začel razvoj električnih naprav in porabnikov, s čimer se je pojavila potreba po zanesljivih virih električne energije. V zadnjih dvajsetih letih se je poraba električne energije dvignila za 50 %, predvsem na račun novo razvijajočih se držav in zvišanja življenjskega statusa. Množično so se začeli pojavljati alternativni viri energije, ki pa zaradi svoje nestalne proizvodnje zahtevajo dodatno rokovanje. Tu uporabljamo pretvorniške sisteme, ki so zmožni pretvarjati energijo iz sončnih celic, vetrnih elektrarn oz. kakšnega drugega nestalnega vira in jo shranjevati v baterijo oz. jo oddajati v omrežje. V primeru večje porabe pa lahko shranjeno energijo oddajo porabniku, brez da bi bilo pri tem potrebno fizično spremeniti pretvornik. V Afriki se takšni pretvorniški sistemi skupaj z sončnimi celicami s pridom uporabljajo že več kot dvajset let. Takšne pretvorniške sisteme je seveda mogoče kupiti. V zadnjih treh letih so se zelo razširili, potreba po takšnih pretvornikih pa se je pokazala tudi pri izdelavi električnih avtomobilov. Dvosmerni pretvorniški sistem pri avtu na vodik se vklopi v primeru nenadnega pospeševanja oz. zaviranja vozila, energijo pa pretaka od akumulatorja do motorja in obratno pri zaviranju. Seveda se na trgu pojavlja vse več različic dvosmernega pretvornika, ki se razlikujejo glede na namen uporabe in predpisano obratovalno moč, ki lahko sega vse do par 100 kva. Vodilno podjetje pri izdelavi dvosmernih pretvornikov Microcare v svoje izdelke vgrajuje še razsmernike, ki zagotavljajo sinusno napetost na izhodu. Uporabnost takšnih sistemov v svetu močno narašča, predvsem z povečevanjem rabe čistejših virov energije. 1.2 Namen in smisel diplomskega dela V opisanem diplomskem delu bo predstavljen pretvornik, ki je del pretvorniškega sistema, kateri skrbi za konstanten nivo napetosti na porabniku. Kot glavni vir energije smo si pri projektu izbrali vodik, ki smo ga z vodikovo gorivno celico pretvorili v električno energijo. 1

16 Glavni pretvornik iz gorivne celice proti bremenu izdelujejo v Laboratoriju za energetsko elektroniko na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko v Mariboru. Zaradi slabih dinamičnih lastnosti gorivne celice smo za viške porabe oziroma proizvodnje energije uporabili dvosmerni pretvorniški sistem z baterijo, katerega opisuje diplomsko delo. Glavni namen pomožnega pretvorniškega sistema je, da zadosti potrebam energije pri spremembi bremena, torej da z ustrezno regulacijo in spreminjanjem PWM-a dosežemo zastavljeno napetost na bremenu. Če se na izhodni strani pojavi dodatno breme, se z spremembo prevajalnega razmerja na dvosmernem pretvorniškem sistemu prične energija pretakati proti bremenu, v primeru izpada le tega pa se baterija iz izhodne strani polni. Sam pretvornik krmilimo z digitalnim signalnim krmilnikom, ki skrbi za pravilno delovanje celotnega sistema. Kot dodatno zahtevo smo imeli podano maksimalno valovitost napetosti in toka, ki pa ni smela preseči več kot 10%. 1.3 Pregled vsebine obravnavanega diplomskega dela Začetek diplomskega dela obsega namen in uporabno vrednost diplomske naloge. V nadaljevanju sledi kratka predstavitev vsebine. Najprej je predstavljeno modeliranje dvosmernega pretvornika v simulacijskem orodju Matlab/Simulink. Model pretvornika je bilo potrebno sestaviti ter vključiti tudi merilne elemente za opazovanje vhodnih in izhodnih veličin. Nastaviti je bilo potrebno tudi parametre, ki ustrezajo končnem realnem modelu. Naredili smo tudi matematično izpeljavo modela pretvornika za določitev statične karakteristike pri prenosu energije v obe smeri. Sledi predstavitev rezultatov testiranja statične karakteristike, dobljene s pomočjo simulacijskega orodja in matematično izpeljanega modela. Naslednjo poglavje vsebuje načrtovanje elementov pretvornika. Pri načrtovanju dušilke in izbiri kondenzatorja smo morali upoštevati podani zahtevi o valovitosti toka in napetosti. V četrtem poglavju diplomskega dela je predstavljeno načrtovanje regulatorjev ter izdelava programske kode in tiskanine. Uporabili smo tokovni in napetostni PI regulator, ter ju diskretizirali s ustreznim časom tipanja. Programsko kodo za vodenje procesa smo napisali s pomočjo Matlabove knjižnice Real Time Workshop. Pri načrtovanju vezja smo poleg samega pretvornika v tiskanino vključili tudi merilni del z prilagoditveno stopnjo. 2

17 Pri koncu diplomskega dela so predstavljeni tudi rezultati eksperimentalne verifikacije, kjer se je preverila statična karakteristika dvosmernega pretvornika, ter prenos energije v obe strani. Opisano delo je zaključeno s kratkim sklepom, navedbo virov ter dodanimi prilogami. 3

18 2 MODELIRANJE 2.1 Izdelava modela dvosmernega pretvornika z orodjem Matab/Simulink Zaradi boljšega nadzora nad samim izvajanjem procesa pretvorbe energije smo se odločili, da na začetku celoten proces modeliramo, pri čemer smo pri modeliranju sistema upoštevali notranje upornosti elementov (tranzistorjev, diode, baterije, serijska upornost kondenzatorja). Model je modeliran v programskem okolju Matlab/Simulink. Iz knjižnice SimPowerSystem smo dobili elemente, jim nastavili parametre in testirali model z različnim pulzno širinskim signalom. Tako smo posneli statično karakteristiko pretvornika in v grobem določili delovno območje. V simulaciji smo lahko spremljali potek napetosti in tokov, ki bi jih bilo v realnosti težko izmeriti. Osnovni elementi pretvornika so prikazani na spodnji sliki 2.1, in sicer, to so: dušilka (izbrana glede na zahtevano valovitost toka), baterija kot shranjevalni element energije, kondenzator (gladi izhodno napetost, izbran na podlagi zahteve o valovitosti napetosti), stikalni element - tranzistor (izbrali smo IGBT tranzistor, ki omogoča hitra preklope kar znižuje izgube) in breme (v sklopu trenutnega projekta smo izbrali čisti ohmski upor). Zaradi zaščite tranzistorjev pa je bilo potrebno uporabiti še diode, ki tudi izboljšajo izkoristek samega sistema [1]. Slika 2.1: Dvosmerni pretvorniški sistem z akumulatorjem in bremenom Ob snovanju modela pretvornika smo v shemo vključili še merilne elemente, s katerimi smo merili napetost na vhodu in tok v dušilko ter tudi napetost na izhodu in tok, ki je tekel skozi breme. 4

19 Najprej smo dvosmerni pretvornik razdelili na dva dela. Prvi je pretvornik navzgor, ki prenaša energijo iz akumulatorja proti zbiralki, drugi pa je pretvornik navzdol. Ta prenaša odvečno energijo iz zbiralke (od vodikove gorivne celice) v akumulator. Za simuliranje obeh modelov pretvornikov smo v spodnjem vezju, (slika 2.2), prilagodili vrednosti uporov R 1, R 2 in kondenzatorjev C 1 in C 2. V nadaljevanju smo namesto bloka Pulse Generator uporabili signal, ki smo ga dobili iz regulatorjev [2]. Slika 2.2: Model dvosmernega pretvornika v Simulinku z dodatnimi elementi za opazovanje izhodnih vrednosti Pri simuliranju pretvornika pri pretvorbi energije iz akumulatorja proti zbiralki smo za vrednosti uporov in kondenzatorjev izbrali sledeče vrednosti. R inf C 1F R C 440F 2 2 (2.1) Za meritev statične karakteristike pretvornika pri delovanju pri prenašanju energije iz smeri gorivne celice proti akumulatorju pa smo uporabili elemente s sledečimi vrednostmi: R 100 C 440F R 1 1 inf C 1F 2 2 (2.2) 5

20 Zgoraj navedene vrednosti elementov smo izbrali na podlagi vrednosti elementov na realnem modelu. Kapacitivnost baterije smo ocenili na 1F, breme pa je izbrano tako, da pretvornik deluje skoraj pri polovični obremenitvi. Za samo proženje tranzistorjev v simulaciji smo uporabili en PWM blok, pri čemer smo z negacijo signala preprečili sočasno odprtje obeh tranzistorjev, kar bi povzročilo kratek stik. Na realnem modelu smo uporabili še dodatno zakasnitev, saj se realni tranzistor ne odpre oz. zapre v trenutku. S simuliranjem zgornjega vezja pri različnem prevajalnem razmerju ter razmerah v vezju smo dobili statični karakteristiki pretvornika, ki pa smo ju nato primerjali z izračuni iz matematičnega modela. 2.2 Izpeljava matematičnega modela Pri izpeljavi matematičnega modela smo upoštevali prvi in drugi Kirchoffov izrek in z njuno pomočjo zapisali tokovne in napetostne zanke. Dvosmerni pretvornik smo obravnavali kot dva neodvisna pretvornika. Če imamo na zbiralki konstantni višek dovedene energije, pretvornik deluje kot pretvornik navzdol, drugače pa pretvornik deluje kot pretvornik navzgor. Takrat energijo iz akumulatorja prenaša na zbiralko, kjer se ta troši na bremenu. Le tako smo lahko dokazali dvosmerni prenos energije Izpeljava modela dvosmernega pretvornika pri prenašanju energije proti zbiralki Matematični model smo opisali za primer, ko tranzistor Tr 1 prevaja in tranzistor Tr 2 ne prevaja in obratno [3]. Baterijo pa smo nadomestili z kondenzatorjem z notranjo upornostjo. Ko tranzistor kratkostično sklene tuljavo (slika 2.3), se v njo shrani energija, ki se nato v naslednjem ciklu (slika 2.4) odda na kondenzator. V času kopičenja energije na tuljavi, se breme napaja iz energije, ki jo je kondenzator prijel v prejšnem ciklu [3]. 6

21 Slika 2.3: Nadomestno vezje pretvornika navzgor, ko Tr 1 ne prevaja in Tr 2 prevaja Slika 2.4: Nadomestno vezje pretvornika navzgor, ko Tr 1 prevaja in Tr 2 ne prevaja. Iz zgornjih shem smo zapisali diferencialne enačbe napetostnih in tokovnih zank (2.3), ki ponazarjajo razmere v pretvorniku v času vklopa oz. izklopa tranzistorjev. Pri obeh stanjih tranzistorjev nam prva enačba predstavlja napetostni Kirchhoffov zakon, naslednja diferencialna enačba prikazuje spremembo napetosti na bateriji v odvisnosti od toka skozi tuljavo. Zadnja enačba pa prikazuje spremembo napetosti na zbiralki v odvisnosti od toka skozi tuljavo. Stanja vklopov in izklopov tranzistorjev smo prikazali z novo spremenljivko. 7

22 Tr ON Tr =OFF di L L ( RL Rbat ) il ucbat ucdc dt ducbat Cbat il 1 dt ducdc ucdc Cdc i L dt R b Tr OFF Tr =ON dil L ( R R ) i u dt ducbat Cbat il dt ducdc ucdc Cdc dt Rb L bat L cbat ( ) (2.3) Nato smo istoležne enačbe (2.3) sešteli ter dobili model pretvornika, ki je v celoti opisan z tremi diferencialnimi enačbami (2.4) in zajema tudi stanja tranzistorjev. dil u (1 ) u ( R dt L L L R ) i ducbat il dt C cbat cdc L bat L bat ducdc il ucdc (1 ) dt C R C dc b dc (2.4) V nadaljevanju smo v enačbe (2.4) vpeljali malosignalne perturbacije (2.5) in dobili skupek enačb (2.6), ki v celoti opisuje vpliv spreminjanja veličin med seboj. i I i L L L u U u cbat cbat cbat u U u cdc cdc cdc ~ p (2.5) 8

23 ~ ~ ~ L IL ( RL Rbat ) ( il I L) (1 ( p )) ( Ucdc ucdc) ( U cbat ucbat ) d ( i ) 1 dt L d( u ) 1 dt C ~ cbat Ucbat il IL d u U U u ( ) ~ ~ cdc cdc 1 ( cdc cdc) (1 ( p )) ( il I L) dt Cdc Rb (2.6) V nadaljevanju smo zaradi manjše kompleksnosti pri poenostavljanju zgornjega skupka enačb (2.6) privzeli vrednosti produktov ~ i ~ L 0 in ~ u cdc 0. Pri izpeljavi statične karakteristike pretvornika smo malosignalne perturbirane veličine zanemarili, upoštevali bi jih samo pri računanju prenosne funkcije pretvornika. Za izračun statične karakteristike smo upoštevali samo povprečni model, ki je zapisan z enačbami (2.7). di L U (1 p) U ( R dt L L L R ) I ducbat IL dt C cbat cdc L bat L bat ducdc IL U (1 p) dt C R C cdc dc b dc (2.7) Če odvode enačb (2.7) enačimo z 0, dobimo po krajšem računanju izraz za napetostno razmerje pretvornika navzgor (2.8) z upoštevanjem ohmske upornosti tuljave in notranje upornosti baterije oz. akumulatorja. Ucdc 1p U R bat L Rbat (1 p) R b 2 (2.8) Po izpeljanem matematičnem modelu dvosmernega pretvornika in dobljeni statični karakteristiki pretvornika smo odzive na izhodu pretvornika preverili z rezultati enačbe napetostnega razmerja (2.8) in tudi z rezultati simulacijskega modela. V naslednji tabeli so podani rezultati testiranja. 9

24 Tabela 1: Testiranje modela - statična karakteristika dvosmernega pretvornika pri prenašanju energije proti zbiralki p[%] U cbat [V] U cdc -meritve[v] U cdc -izračunana[v] napaka[v] Napaka [%] 95 11, , , ,5 9,5 7, , ,8-0,2 0, , ,67 2, ,01 47,3 48,04 0,74 1, ,01 38,7 40, , , ,01 34,5 34, , , , ,03-0,97 3, ,012 26,35 26, , , , ,025 0,025 0, ,013 21,5 21, , , ,014 19,8 20, , , , ,5 18, , , , ,25 17, , , , ,25 16,0168-0,2332 1, , ,35 15, , , , ,6 14, , , V zgornji tabeli je prišlo do majhnih odstopanj modela od izračunanih vrednosti predvsem zaradi dodatnih upornosti in lastnosti realnih elementov (prevodna upornost tranzistorjev, itd.). Opazimo lahko večja odstopanja izračunane in izmerjene vrednosti pri skrajnih vrednostih prevajalnega razmerja, kar pa ne predstavlja nikakršnih ovir. Delovno območje pretvornika smo temu ustrezno prilagodili. 10

25 U cdc [V] izmerjena statična karakteristika pretvornika navzgor izračunana statična karakteristika pretvornika navzgor p [%] Graf 1: Statična karakteristika pretvornika navzgor Zgornji graf prikazuje krivuljo izmerjene (simulirane) napetosti na zbiralki in izračunane napetosti na zbiralki. Pri tem je bila napetost baterije konstantna, in sicer 12V. Večja odstopanja med izračunano in izmerjeno karakteristiko se pojavijo pri napetostnem razmerju nad 9, kar pa za naše razmere ne popači delovanja pretvornika. Delovno točko smo si namreč izbrali v območju napetostnega razmerja od 3 do 5. To pomeni, da bi pri 24V napajanju iz dveh zaporedno vezanih akumulatorjev dobili na zbiralki največ 120V Izpeljava modela dvosmernega pretvornika pri prenašanju energije proti akumulatorju Pri prenašanju energije iz strani zbiralke (od vodikove gorivne celice) proti akumulatorju dvosmerni pretvornik deluje kot pretvornik navzdol. V času prevajanja zgornjega tranzistorja (vezje predstavljeno na sliki 2.1) se energija iz vodikove gorivne celice shranjuje v dušilki, ko pa začne prevajati spodnji tranzistor, se energija iz dušilke prenese na akumulator. 11

26 Slika 2.5: Nadomestno vezje pretvornika navzdol, ko Tr 1 prevaja in Tr 2 ne prevaja Slika 2.6: Nadomestno vezje pretvornika navzdol, ko Tr 1 ne prevaja in Tr 2 prevaja Tudi pri izpeljavi dinamičnega modela pretvornika navzdol smo si pomagali s povprečenjem v prostoru stanj. Najprej smo zapisali tokovne in napetostne zanke (enačbe 2.9). Prva enačba predstavlja 2. Kirchhoffov zakon za vsoto padcev napetosti v napetostni zanki, druga enačba pa 1. Kirchhoffovim zakonom za vsoto tokov v vozliščih. Tudi tu smo stanja tranzistorjev opisali s spremenljivko. Če zavzame vrednost 1 pomeni da Tr 1 prevaja in Tr 2 ne prevaja, če pa je 0 pa Tr 1 ne prevaja in Tr 2 prevaja. 12

27 Tr ON, Tr OFF 1 2 dil L ucdc ucbat ( RL Rbat ) il dt ducbat ucbat Cbat il dt Rbat1 Tr OFF, Tr ON 1 2. dil L ucbat ( RL Rbat ) il dt.(1 ) ducbat ucbat Cbat i L dt R bat1 (2.9) Nato smo istoležne enačbe sešteli ter uvedli še malosignalne perturbacije (2.5), podobno kot smo naredili pri izpeljavi prenosne funkcije za pretvornik navzgor. Tudi tu smo za izpeljavo statične karakteristike upoštevali le povprečni model, ter dobili skupek enačb (2.10), iz katerih smo kasneje po krajši izpeljavi določili statično karakteristiko pretvornika navzgor (enačba 2.11). di L L pu ( R R ) I U dt ducbat Ucbat Cbat IL dt R cdc L bat L cbat bat1 (2.10) Za določitev statične karakteristike smo privzeli, da se napetost in tok čez dušilko ne spreminjata, ter njune odvode enačili z nič. U U cbat cdc 1 p ( RL Rbat ) 1 R bat1 (2.11) V nadaljevanju so predstavljeni rezultati testiranja dvosmernega pretvornika pri pretvorbi energije iz zbiralke proti akumulatorju. Model pretvornika in izpeljano statično karakteristiko smo preverili pri različnem prevajalnem razmerju. 13

28 Izračunane in izmerjene vrednosti napetosti iz meritev se le malo razlikujejo, kar je razvidno iz Tabele 2 in tudi Grafa 2. Seveda tudi pri prenašanju energije proti bateriji oz. akumulatorju pretvornik ne bo deloval pri skrajnih vrednostih prevajalnega razmerja. Tabela 2: Izmerjena statična karakteristika dvosmernega pretvornika pri prenašanju energije proti bateriji, dobljena iz modela p[%] U bat -izmerjena[v] U cdc [V] U bat -izračunana [V] napaka [V] napaka [%] 5 3, , , , , , , , ,3 55 8, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,2 54,99 46, , ,

29 Ubat[V] p[%] izmerjena statična karakteristika pretvornika navzdol izračunana statična karakteristika pretvornika navzdol Graf 2: Statična karakteristika pri prenosu energije v akumulator Napetost na zbiralki je bila ves čas konstantna, in sicer 55V. Iz rezultatov simulacije smo opazili, da statični karakteristiki skoraj popolnoma ujemajo. Se pravi da smo parametre modela ustrezno določili. 15

30 3 Načrtovanje pretvornika navzdol-navzgor Že pri snovanju ciljev projekta smo določili osnovne zahteve, katerim bi naj pretvornik zadoščal, kot so na primer zahteve o valovitosti toka in napetosti. V nadaljevanju smo zaradi uporabe tokovnega merilnika ACS712, ki premore merjenje tokov do 30A, omejili tok iz baterije. Tudi pri razvijanju programa za vodenje smo morali upoštevati določene omejitve. Najmanjša frekvenca izvajanja algoritma vodenja je 25 khz. Glede na specifikacije uporabljenih tranzistorjev IGBT pa smo morali nastaviti še ustrezne mrtve čase med preklopi tranzistorjev. 3.1 Načrtovanje elementov pretvornika Pri načrtovanju dušilke je bilo potrebno upoštevati zahtevo po največ 10% valovitosti toka na dušilki, ter 10% valovitosti napetosti na zbiralki, ki si pojavlja zaradi vklapljanja ter izklapljanja stikalnih elementov. Za računanje ustreznih parametrov dušilke in kondenzatorja smo upoštevali, da je na izhodu pretvornika priključeno največje dopustno breme, ter da je želena napetost 100V. Ostale podatke, ki smo jih potrebovali pri izračunu induktivnosti in kapacitivnosti, smo dobili iz simulacije. Izbira ustreznih vrednosti kapacitivnosti za kondenzator in induktivnosti za tuljavo je ključnega pomena, saj je od valovitosti napetosti in toka odvisna kvaliteta pretvornika Načrtovanje dušilke Za izračun najmanjše upornosti R b, pri kateri se bo na izhodni strani trošila največja moč, smo privzeli, da pretvornik deluje s 70W izgub, predvsem zaradi upornosti dušilke in notranjih upornosti baterije. Spodaj sledi kratka izpeljava, s katero smo določili največje možno breme, ki ga lahko priklopimo na zbiralko. Največja vhodna moč, ki jo lahko oddaja baterija, je določena z enačbo (3.1). 16

31 Pmax U bat I W (3.1) max Če upoštevamo 70W izgub pri prenosu moči, dobimo 650W, ki jih lahko trošimo na bremenu. Z upoštevanjem enačbe (3.2) dobimo najmanjšo upornost R b. P R max b U R 2 cdc 2 2 Ucdc P 650 max b (3.2) Za izračun induktivnosti tuljave potrebujemo še največjo vrednost prevajalnega razmerja p max, pri katerem dosežemo 100V pri bremenu Rb 15. Frekvenco f S pa smo imeli podano, in sicer 25kHz. (1 p ) p R L i0 fs I max max bmin 0 960H (3.3) Izbira ustrezne vrednosti pri načrtovanju dušilke je nadvse pomembna, saj nam omejuje tokovne sunke, ki bi lahko nastali zaradi stikalnih elementov. Na sliki 3.1 lahko opazimo potek valovitosti toka. Strmina le te bi bila pri izbiri manjše tuljave večja. Slika 3.1: Prikazuje valovitost toka in napetosti na dušilki [3] 17

32 3.1.2 Načrtovanje, izbira kondenzatorja Pri izbiri ustreznega kondenzatorja smo izhajali iz zahteve po 10% valovitosti napetosti, kar pomeni, da se mora napetost na zbiralki po končanem prehodnem pojavu nahajati nekje med 90V in 110V. Za izračun ustrezne kapacitivnosti kondenzatorja smo predvideli delovanje pretvornika pri največjem prenosu energije, saj je takrat valovitost izhodne napetosti največja. V tej delovni točki smo izmerili prevajalno razmerje, ter ga uporabili pri izračunu kapacitivnosti (3.4). C R bmin pmax u0 fs U 0 22,7F (3.4) Pomembna je seveda tudi notranja upornost kondenzatorja, zaradi česar smo raje uporabili dva kondenzatorja. Vsota kapacitivnosti obeh vzporedno vezanih kondenzatorje pa zadošča izračunani vrednosti (3.4). Z vzporedno vezavo dveh kondenzatorjev smo kapacitivnost povečali, notranja upornost sklopa kondenzatorjev pa se je zmanjšala na polovico. 18

33 4 IZVEDBA PRETVORNIKA 4.1 Načrtovanje regulatorjev Naloga dvosmernega pretvornika je hiter in dinamičen odziv na spremembo bremena priključenega na zbiralko. Ker smo si za želeno vrednost izbrali napetost na zbiralki, se mora v primeru nenadnega povečanja bremena povečati tok, kar dosežemo s spremembo prevajalnega razmerja tokovnega, vezana v kaskado. p. To pomeni, da potrebujemo dva regulatorja, napetostnega in Prednosti takšne vezave regulatorjev so v povečanju dinamike procesa in zmanjševanju nelinearnosti. Ko imamo regulatorje vezane v kaskadno vezavo, je potrebno upoštevati, da morajo biti časovne konstante notranjega regulacijskega sistema vsaj za faktor 3 manjše. To pomeni, da je notranja zanka regulacijskega sistema vsaj 3-krat hitrejša od zunanje, kar je osnova za smiselno delovanje kaskadno vezanih regulatorjev. V našem primeru napetostni regulator predstavlja del zunanje regulacijske zanke in vodi oz. postavlja referenco, ki jo pripeljemo na tokovnega. Šele izhod iz tokovnega regulatorja predstavlja prevajalno razmerje. Za nadzorni del pretvornika smo zaradi robustnosti in hitrejšega načrtovanja uporabili PI regulatorje. Ta regulator spada v skupino PID regulatorjev, ki so po uporabi najbolj razširjena vrsta regulatorjev. Glede na vrsto procesa lahko kombiniramo različne dele PID regulatorja in dobimo 3 najpogosteje uporabljene oblike [4]: - P regulator, ki ima izhod iz regulatorja proporcionalen dani razliki referenčnega signala in prejšnje vrednosti izhoda. Preveliko proporcionalno ojačenje lahko povzroči nestabilnost sistema ter velike prenihaje. Diskretna časovna enačba, ki opisuje P regulator je P ( k) K e( k). - PI regulator Ta vrsta regulatorja, za razliko od samega proporcionalnega dela, odpravlja statično napako. Zaradi neuporabljenega diferencialnega dela je taki regulator izh p 19

34 majn občutljiv na šume, ki se lahko pojavijo pri merjenju. Diskretna časovna enačba PI regulatorja je k1 T PIizh ( k) K p( e( k) e( i)) T. i i0 - PID regulator vsebuje prvine zgornjih dveh regulatorjev, ter dodatni diferencialni del, ki skrbi za visoko dinamičnost procesa. Diskretna časovna enačba PID regulatorja je k1 T e k e k izh p d Ti i0 T ( ) ( 1) PID ( k) K ( e( k) e( i) T ) Tokovni regulator izpeljava in diskretizacija Pri regulaciji pretvornika smo izhajali iz tokovnega proge pretvornika, ki smo jo izpeljali s pomočjo povprečenja v prostoru stanj. Proga nam predstavlja splošno diferenčno enačbo prvega reda. Na podlagi te proge smo nato načrtali PI regulator najprej v zvezni obliki, kasneje pa smo ga še diskretizirali. Seveda pa je bilo potrebno izhod iz regulatorja še omejiti. Največja vrednost toka, ki ga še lahko merimo z uporabljenim merilnikom, je namreč znašala 30A. Splošna enačba prvega reda: dy( t) 1 K y( t) u( t) (4.1) dt T T Tokovna proga pretvornika: dil L ( RL Rbat ) il ucbat p ucdc (4.2) dt Preden začnemo z načrtovanjem PI regulatorja, moramo imeti linearni model proge (4.3), kar pomeni, da je enačbo (4.2) potrebno linearizirati. Linearizacijski del smo nato upoštevali pri načrtovanju omejitve izhoda regulatorja. Ker smo na izhodu tokovnega regulatorja dobili napetost u, potrebovali pa smo vrednost prevajalnega razmerja ( p), je bilo potrebno p izraziti s pomočjo napetosti u. To prikazuje enačba (4.4). dil L ( RL Rbat ) il u (4.3) dt 20

35 1 u ucbat p ucdc p ucbat u (4.4) u cdc Pri določanju parametrov regulatorja smo se odločili, da na kratko opišemo izpeljavo in jo razložimo kar na primeru tokovne proge. Po enakem postopku smo v nadaljevanju izračunali tudi parametre napetostnega regulatorja. Na začetku smo iz diferencialnih enačb regulatorja in tokovne proge zapisali prenosne funkcije v prostoru stanj (izpeljave v enačbah (4.5) ter (4.6)), nato pa smo jih zaprli z negativno povratno zanko. Tako smo dobili člen prvega reda, kateremu smo lahko z nastavljanjem ojačenja spreminjali odzivni čas oz. dinamično obnašanje same proge. Izpeljava prenosne funkcije tokovne proge Za vodenje procesa moramo poznati njegovo dinamično obnašanje, kar najlažje zapišemo z diferencialno enačbo. Mnogo procesov pa seveda ni možno tako enostavno opisati. Za dvosmerni pretvornik smo dobili tokovno progo s pomočjo povprečenja v prostoru stanj (4.5). V spodaj opisanem postopku je predstavljeno kako diferencialno enačbo zapišemo v obliki prenosne funkcije. Tokovno progo izpeljemo po naslednjem postopku: dil () t L ( RL Rbat ) il( t) u( t) (4.5) dt Enačbo (4.5) transformiramo v prostor stanj, enačba (4.6). Lsi ( s) ( R R ) i ( s) u( s) (4.6) L L bat L Nato izpostavimo vhodno in izhodno spremenljivko, kar nam prikazuje enačba (4.7). i ( s) ( Ls ( R R )) u( s) (4.7) L L bat V zadnjem koraku zapišemo prenosno funkcijo kot količnik med izhodno in vhodno veličino. Dobljeno prenosno funkcijo smo še preoblikovali v za vnaprej uporabno obliko (4.8). 21

36 G i 1 il () s 1 ( RL Rbat ) u( s) L s ( RL Rbat ) L s 1 ( R R ) L bat (4.8) G i je prenosna funkcija tokovne proge. Izpeljava prenosne funkcije tokovnega PI regulatorja Prenosna funkcija PI regulatorja je podana v enačbi (4.9), izvedbo v orodju Matlab/Simulink pa prikazuje slika 4.1. Slika 4.1: Model zveznega PI regulatorja v Matlab/Simulinku 1 R Ki (1 ) st R K i st i 1 st i i (4.9) V naslednjem koraku smo prenosno funkcijo tokovne proge in regulatorja vezali zaporedno, ter kompenzirali pol proge in ničlo regulatorja, kot je razvidno iz slike

37 Ki*Ti.s+Ki Ti.s+1 PI regulator U 1/(Rl+Rbat) L/(Rl+Rbat).s+1 proga Slika 4.2: Zaporedna vezava regulatorja in proge Z enačenjem pola proge in ničle regulatorja smo določili časovno konstanto T i (4.10). L L 1 sti s Ti ( R R ) R L bat (4.10) Nato smo prenosni funkciji regulatorja in proge združili ter zaprli z negativno povratno vezavo, kar prikazuje slika i_ref Ki*Ti.s+Ki Ti.s+1 PI regulator U 1/(Rl+Rbat) L/(Rl+Rbat).s+1 proga 1 i Slika 4.3: Regulator in tokovna proga v zaprti zanki Z upoštevanjem že izračunane časovne konstante T i se zaprtozančna prenosna funkcija regulirane tokovne proge poenostavi, kot je prikazano z postopkom (4.11). Ki L s 1 Ki L 1 s 1 L s K i (4.11) Če dobro pogledamo zgornjo prenosno funkcijo, vidimo da faktor pred laplaceovim operatorjem predstavlja časovno konstanto odziva i. S spreminjanjem ojačenja tako spreminjamo dinamično obnašanje proge, kar je razvidno iz (4.12). L i (4.12) K i 23

38 Parametri regulatorja so tako : Ti R K i L L i L R bat (4.13) Po izračunanih parametrih regulatorja smo z upoštevanjem enačbe (4.4) za p napravili prilagoditveno vezje, v katerega smo vključili še omejitvene elemente. Omejiti je bilo potrebno integrator ter izhod, zaradi varnosti pa smo omejili še napetost, ki jo dobimo iz zbiralke, saj bi v primeru deljenja z 0 lahko prišlo do napak v izvajanju programa. Shemo zveznega tokovnega regulatorja z omejitvenimi elementi, ter PWM blokom prikazuje slika 4.4. Za opazovanje izhodnega signala regulatorja smo dodali še Scope4. [Ubat] Step3 [IL] From5 KR Kr=L/tao 1/Ti 1 s From4 1/Ti=1/(L/(Rl+Rbat)) Integrator up u lo Saturation Dynamic [UO] y From7 Saturation1 Divide Input PWM out Scope4 Discrete, Ts = 1e-006 s powergui [UO] From1 Double-click to plot graphs PWM1 [pulse] Goto5 plot graphs Slika 4.4:Zvezni tokovni regulator, ter PWM blok za simulacijo Pri vodenju procesa zaradi lažje (digitalne) izvedbe in načina računanja procesorja raje uporabimo regulator v diskretni obliki. Za diskretizacijo procesa si moramo izbrati ustrezno vrednost časa tipanja, ki pa mora ustrezati časovnim konstantam procesa. Z upoštevanjem Shannovega teorema vzorčenja, bi tej vrednosti zadostil že polovični čas konstante procesa, vendar zaradi manjših računskih napak in boljše obdelave signalov za čas diskretizacije raje uporabimo eno desetino. Spodnjo mejo časa diskretizacije omejuje trajanje enega cikla procesa pri izvajanju programa in takt s katerim deluje procesor, povečujejo pa se tudi izgube na stikalnih elementih, kar predstavlja dodatno segrevanje in slabši izkoristek sistema. 24

39 V nadaljevanju je predstavljen splošen postopek diskretizacije PI regulatorja, podprt še s primerom diskretizacije tokovnega regulatorja. Model regulatorja, zapisan z prenosno funkcijo, smo preoblikovali in z upoštevanjem (4.14) dobili diskretno obliko regulatorja z časom tipanja T. e( k) e( k 1) se (4.14) T Enačba (4.15) predstavlja zvezno prenosno funkcijo regulatorja, ki jo bomo diskretizirali. ys () K e() s i sti 1 s T i (4.15) V naslednjem koraku smo enačbo pomnožili z imenovalcem leve in desne strani enačbe ter dobili (4.16). st y K (1 st ) e (4.16) i i i Delili smo jo še z T i ter razčlenili in dobili (4.17). K (4.17) i s y e Ki s e Ti S upoštevanjem (4.14) smo enačbo pretvorili iz prostora stanj kar prikazuje (4.18). Ki T y( k) y( k 1) e( k) Ki ( e( k) e( k 1)) (4.18) T i Sledi le še nekaj lepotnih popravkov enačbe do končne oblike zapisane v (4.19). T y( k) y( k 1) Ki( 1) e( k) Kie( k 1) (4.19) T i Iz (4.19) smo v Matlab/Simulinku nato sestavili diskretni tokovni regulator, ki ga prikazuje slika 4.5. Kot diskretni integrator smo uporabili zakasnitveni člen 1, zaradi omejitve z izhoda regulatorja pa smo uporabili tudi dinamični omejevalni blok. Parametre regulatorja pa smo vnesli v blok Gain1 in Gain3. 25

40 Slika 4.5: Diskretni tokovni regulator Napetostni regulator izpeljava in diskretizacija Tudi pri napetostnem regulatorju smo izhajali iz proge prvega reda pretvornika, ki smo jo izpeljali s pomočjo povprečenja v prostoru stanj. Na podlagi te proge smo nato načrtali PI regulator, najprej v zvezni obliki, kasneje pa smo ga še diskretizirali in omejili. Izpeljava zveznega regulatorja napetosti Iz diferencialne enačbe napetostne proge (4.20) smo najprej z linearizacijo dobili progo, za katero smo lahko načrtali regulator po spodaj opisanem postopku. Dobljeni linearizacijski koeficient smo nato uporabili pri prilagoditvenem delu vezja. C dc du dt cdc u cdc dn i (4.20) L Rb 1 ubat v d n i L i L v v d u (4.21) n cdc d n prilagoditveni / linearizacijski koeficient za napetostni regulator Tudi pri snovanju napetostnega regulatorja potrebujemo diferencialno enačbo, ki opisuje obnašanje pretvornika. Enačba (4.22) predstavlja napetostno progo pretvornika. 26

41 ducdc ( t) ucdc ( t) C dc vt ( ) (4.22) dt R b S pomočjo Laplaceove transformacije smo jo pretvorili v prostor stanj, kar prikazuje enačba (4.23). Ucdc () s CdcsUcdc ( s) v( s) (4.23) R b Za pridobitev prenosne funkcije proge smo iz (4.23) izrazili izhodne in vhodne veličine ter prenosno funkcijo zapisali v za vnaprej uporabni obliki (4.24). Ucdc () s 1 Rb GU () s v( s) 1 C CdcsRb 1 dcs R b (4.24) Prenosno funkcijo napetostne proge in regulatorja smo vezali zaporedno ter kompenzirali pol proge z ničlo regulatorja ter dobili časovno konstanto integratorja. 1 st C s R 1 T n C R (4.25) i dc b dc b Nato smo okrajšano prenosno funkcijo regulatorja in napetostnega modela proge zaprli z negativno povratno zanko in iz podane zahteve po odzivnem času določili proporcionalni del regulatorja po postopku (4.26). Kn sc dc 1 Kn Cdc 1 s 1 s C K dc n (4.26) Dobljeni parametri napetostnega regulatorja so: Tn RC b dc K n C dc n (4.27) 27

42 Slika 4.6: Zvezni napetostni regulator z upoštevanjem omejitev Pri realizaciji regulatorja smo zaradi lažje izvedbe regulacijske sheme upoštevali približek za prevajalno razmerje ( d U U bat cdc n U U cdc bat ), torej smo izhod iz regulatorja obremenili s faktorjem (slika 4.6). Nastavili smo še omejevalnik izhoda regulatorja (referenčna vrednost toka) na ± 30A ter omejili izhod integratorja (postopek podajajo enačbe od (4.28) do (4.30)). Predpostavimo: 30A I 30A (4.28) L Z upoštevanjem (4.29) dobimo omejitvene pogoje za izhod regulatorja (4.30). v U cdc il (4.29) Ubat U U U 30A il 30A U U U cdc cdc cdc bat bat bat Ucdc U 30A v 30A U U bat cdc bat (4.30) Nato smo regulator še diskretizirali s korakom vzorčenja T (1/25kHz) po istem postopku, kot smo to že storili pri tokovnem regulatorju. Tudi tu smo upoštevali zvezo med diskretnim in zveznim diferenciatorjem, ter dobili enačbo, po kateri smo sestavili regulator. ys () K e() s n stn 1 s T n (4.31) 28

43 Enačbo (4.31) zapišemo preoblikujemo (pomnožimo z imenovalci obeh strani) da dobimo (4.32). Kn s y( s) e( s) Kn s e( s) (4.32) T n Z upoštevanjem zveze (4.14) pretvorimo enačbo iz prostora stanj v diskretno časovno obliko (4.33). Kn T y( k) y( k 1) e( k) Kn ( e( k) e( k 1)) (4.33) T n Do uporabne oblike jo samo še uredimo in dobimo (4.34). T y( k) y( k 1) Kn( 1) e( k) Kne( k 1) (4.34) T n Iz enačbe (4.34) nato sestavimo model regulatorja v Matlab/Simulinku. Izhod napetostnega regulatorja prav tako omejimo, zaradi boljšega obnašanja integratorja pa omejimo tudi izhod iz le tega. Slika 4.7: Diskretni regulator napetosti 29

44 Za nazornejše razumevanje celotnega regulacijskega sistema pretvornika je spodaj prikazana slika 4.8 zaporedne vezave obeh regulatorjev. Osnovni shemi regulatorjev je dodano še nekaj elementov za opazovanje stanj. Kaskadna (zaporedna) vezava regulatorjev rocno_vodenje Scope2 U_ref [UO] From8 [Ubat] From9 u_ref u_cdc Ubat PI napetostni d Manual Switch [IL] From5 [UO] From1 [Ubat] From4 i_ref i_dej Ucdc Ubat PI tokovni d Input PWM out PWM1 Scope4 [pulse] PWM_output Slika 4.8: Celoten regulacijski sistem ter blok z PWM enoto Na sliki 4.9 je prikazano delovanje pretvornika in sklopa obeh regulatorjev. Rumena krivulja predstavlja potek napetosti na zbiralki, vijolična seštevek tokov skozi breme (33Ω upor) ter motnjo, modra pa tokovno motnjo, ki ponazarja spremembo proizvedene energije iz gorivne celice. Zelena krivulja na grafu pa ponazarjata tok iz akumulatorja ter rdeča napetost na njem. 30

45 Slika 4.9: Simulacijski odziv - testiranje delovanja regulatorjev 4.2 Programiranje digitalnega krmilnika TMS320F28335 Celotno programsko kodo smo napisali v Matlabovem okolju Simulink. Model smo sestavili iz elementov iz knjižnice Real Time Workshop. Grafičen način programiranja je veliko hitrejši od pisanja programa v C jeziku, saj gre za programiranje v višje nivojskem jeziku. Izdelave programske kode za digitalni krmilnik TMS320F28335 smo se lotili sistematično. Na začetku smo preverili delovanje PWM enote, ki je glavna pri samem vodenju in reguliranju procesa. Zaradi preprečitve sočasnega odprtja zgornjega in spodnjega tranzistorja je bilo potrebno nastaviti ustrezen mrtvi čas, ki ga je podal proizvajalec IGBT tranzistorjev. Dobljeno vrednost za mrtvi čas (400ns) je bilo potrebno pretvoriti in izraziti z urinimi cikli delovanja procesorja. V enačbi (4.35) je podan postopek pretvorbe mrtvega časa v urine cikle [5]. 400 ns n 60 (4.35) MHz 31

46 Slika 4.10: Mrtvi čas pri izklopu zgornjega in vklopu spodnjega tranzistorja Na sliki 4.10 je prikazano delovanje EPWM enote, in sicer zakasnitev pri preklopu tranzistorjev. Vrednost med prikazanima kurzorjema znaša približno 400ns. Za nastavitev PWM-a smo uporabili EPWM2 enoto, pri nastavljanju analogno-digitalne pretvorbe pa smo uporabili modula B4 in B5 za A/D pretvorbo. Dobljene vrednosti iz A/D bloka smo morali še ustrezno obdelati, da smo dobili merjeno napetost oz. tok. Z upoštevanjem prilagoditvene stopnje in 12-bitne pretvorbe smo izpeljali enačbo za pretvorbo kvantov iz A/D modula v napetost oz. tok. Pri pretvorbi kvantov (izpeljava (4.36)) iz meritve napetosti na bateriji smo upoštevali, da imamo zaporedno vezana dva akumulatorja, torej 24V. Da pa bi lahko merilnik napetosti normalno deloval v vseh razmerah in zaradi same vrednosti izbire uporov za prilagoditveno vezje pa smo si za maksimalno napetost izbrali 41V. U U bat AD : 0-41 V : 0-3 V n : q U U 3 41 n n n AD _ max bat _ max Ubat 0, nmax UAD _ max (4.36) 32

47 Po zgoraj opisanem postopku smo prilagodili tudi meritve napetosti na zbiralki in gorivni celici. Pri pretvorbi merjene napetosti na zbiralki smo predpostavili, da je napetost na DC zbiralki omejena s 167V (izpeljava 4.37), ter da je največja napetost, ki jo potrebujemo pri pretvorbi napetosti na gorivni celici, 47V. U U CDC _ max AD : 0-3 V n : q : V U U AD _ max CDC _ max UCDC n 0, 04077n nmax UAD _ max (4.37) Za merjenje tokov smo uporabili Hallove sonde ACS712, ki imajo izhodno napetostno območje od 0 do +5V [6]. 0A predstavlja 2,5V na izhodu, da lahko merimo tudi negativne tokove (polnjenje akumulatorjev). Prav ta ''offset'' merilnika pa moramo pravilno obravnavati. Enačbo za pretvorbo izhoda A/D pretvornika v tok v A predstavlja spodnja izpeljava (4.38). I U bat AD : A : 0-3 V n : q n U ( I I ) max AD _ max bat _ max bat _ min I bat ( n ) 0, 01465n 30 2 nmax UAD _ max (4.38) 4.3 Izdelava vezja pretvornika Za načrtovanje vezja smo uporabili programsko orodje Altium Designer, v katerem smo načrtali vezje ter pripravili tiskano ploščo. Vodenje smo izvedli s DSP karto TMS320F28335 od podjetja Teksas Instruments, ki smo jo kar pripeli v tiskano ploščo. Poleg samega pretvornika smo morali dodati še prilagoditveni del za merilno vezje, 33

48 vklopno vezje za vzpostavitev enakega napetostnega nivoja na bateriji in zbiralki ter optokoplerje in gonilnike za proženje IGBT tranzistorjev. Celoten projekt, glavno pretvorniško vezje za pretvorbo energije iz gorivne celice do bremena in pomožno vezje (opisan v diplomskem delu), smo v nadaljevanju združili na eno tiskanino. Pri tem smo lahko odstranili določene elemente, ki so bili dvakrat uporabljeni za isti namen (meritev napetosti na zbiralki, skupni kondenzator na zbiralki, itd.). Dvosmerno pretvorniško vezje vsebuje dušilko z železnim jedrom z induktivnostjo 613μH ter dva vzporedno vezana elektrolitska kondenzatorja s kapaciteto 200 μf, skupaj 400μF. Kot stikalni element smo uporabili Insulated-Gate Bipolar Transistor oz. IGBT, ki zagotavlja hitre preklope in visok izkoristek. IGBT tranzistor za svoje optimalno delovanje potrebuje tudi gonilnik (driver, IR2110S), ki mu zagotavlja zadostno količino energije za hitro odpiranje in zapiranje vrat tranzistorja. Potrebno je bilo še dodati digitalne ločilnike signalov (ISO7240A). Skupaj z ločitvijo digitalne in analogne mase ter uporabo digitalnih ločilnikov smo preprečili širjenje motenj iz analognega dela vezja na digitalnega. K močnostnem delu vezja spada še vklopno vezje, ki skrbi, da se pred vklopom pretvornikov potenciala na zbiralki in bateriji izenačita. V času, ko je napetost na zbiralki manjša od napetosti baterije, je vodenje procesa onemogočeno (sistem ni vodljiv). S pomočjo releja tako vključimo polnilni upor, ki polni kondenzatorje. Velik del tiskanine predstavlja merilno vezje, ki vsebuje diferenčne operacijske stopnje za prilagoditev signalov. Izhod iz vsake prilagoditvene stopnje ne sme preseči 5V ob največjih vrednostih veličin. Na izhodu diferenčne stopnje pa smo uporabili še delilnik napetosti in kondenzator za glajenje ter filtriranje merjene veličine. Prednost takšne prilagoditve signalov je nizka stopnja šuma ter ohmska prilagoditev izhodne stopnje diferenčnega ojačevalnika [7]. 34

49 Slika 4.11: Shema diferenčnega ojačevalnika. [7] V primeru, da velja R1 R3 in R2 R4, lahko zapišemo enačbo za ojačenje prilagoditvene stopnje (4.39). R U ( U U ) (4.39) 2 a e e R1 Tako za merjenje napetosti na akumulatorju kot zbiralki smo si izbrali skrajno robne pogoje obratovanja. Pri tem seveda nismo smeli pretiravati, saj bi si tako zmanjšali ločljivost meritev, s tem pa pokvarili kvaliteto dobljenega signala. Upoštevati pa smo R2 morali tudi lestvico uporov, saj poljubne vrednosti razmerja R omejim naborom uporom. 1 ne moremo doseči z V izpeljavi (4.40) je prikazan postopek izračuna vrednosti uporov, pri čemer je bilo potrebno eno vrednost upora določiti, drugo pa izračunati. Teoretično bi lahko vzeli kakršenkoli par uporov R 1 in R 2, ki bi zadoščal izračunanem razmerju, vendar bi z izbiro prevelikih vrednosti uporov močno zmanjšali tok in tako bi lahko šum močno motil merjeno vrednost. U a 5V U U 41 V, R 2 k R R 16, 4k bat _ max bat _ max Ua U U 167 V, R 1, 2 k R R 40k CDC _ max CDC _ max Ua (4.40) 35

50 Za merjenje tokov smo uporabili Hallove sonde integrirane na čipu ACS712, ki je sposoben meriti tok v območju med -30 do 30 amperov. Tudi pri izhodni stopnji ACS712- ja smo uporabili delilnik napetosti, saj je bilo potrebno signal iz 5V nivoja znižati na 3V nivo. Slika 4.12: Delilnik napetosti z kondenzatorjem za filtriranje presluhov ter šumov. Pri načrtovanju delilnika smo uporabili upora R 1 =1kΩ, ter R 2 =1,5kΩ, ki smo ju preračunali po enačbi (4.41). U 5 V, U 3 V; a dsp U U a dsp 2 R R ( R R ) R (4.41) Pri načrtovanju tiskanine smo upoštevali pravila za načrtovane električnih vezji ter elektromagnetne združljivosti. Posebej smo morali biti pozorni na presluhe, ki bi se lahko pojavili, saj smo imeli na eni karti tako močnostni kot tudi merilni del vezja. Za vse močnostne povezave smo ustrezno preračunali širine linij, da se te ne bi preveč grele ali celo odstopile. Tudi pri merilnemu delu vezja smo morali upoštevati, da bi se lahko zaradi padca napetosti pojavile napake pri meritvah, tako da smo postavili merilni del v neposredno bližino merjene veličine. Pri meritvi napetosti na zbiralki smo upoštevali prebojno trdnost SMD uporov (50V). Ta problem smo rešili z zaporedno vezavo več enakih uporov. Zaradi kompleksnosti vezja smo izdelali dvostransko tiskanino, z dvema poligonoma (digitalna in analogna masa), povezanima preko 0Ω upora. Po končanem 36

51 načrtovanju v programu Altium Designer smo v Laboratoriju za energetsko elektroniko izdelali vezje. Slika 4.13: Izrezkano vezje 37

52 5 EKSPERIMENTALNA VERIFIKACIJA Pred začetkom testiranja realnega modela pretvornika je bilo potrebno na izrezkano tiskanino prispajkati vse elemente. Ker smo v sklopu projekta izdelali še glavni pretvornik se na tiskanini nahajata dva pretvornika. Pri tem imata pretvornika skupna kondenzatorja priključena na zbiralko, prav tako pa je obema pretvornikoma skupna DSP karta. Merilni del vezja ter gonilnike pa smo zaradi večje funkcionalnosti spojili ter umestili med DSP karto ter močnostni del. Na sliki 5.1 je prikazana meja med glavnim pretvornikom (spodnji del tiskanine) in dvosmernim pretvornikom (zgornji del tiskanine) opisanem v diplomskem delu. Slika 5.1: Tiskanina z prispajkanimi elementi, ter označeno mejo med pretvornikoma Izdelan pretvornik je bilo potrebno še testirati. Iz varnostnih razlogov smo najprej testirali delovanje PWM enot, kajti te vodijo celoten pretvornik. Potrebno je bilo izmeriti zakasnitev pri vklopu in izklopu zgornjega in spodnjega tranzistorja, kar prikazuje slika

53 Slika 5.2: PWM signal za krmiljenje IGBT -jev z upoštevanjem mrtvega časa Slika 5.3: Meritve napetosti na ''vratih'' IGBT tranzistorja Pri proženju tranzistorjev je prišlo do motenj na vratih tranzistorja. To težavo smo rešili s pomočjo kondenzatorjev, ki so zgladili šume. Končno delovanje z uporabo kondenzatorjev prikazuje slika (5.3). V naslednjem koraku pa smo preverili delovanje dvosmernega pretvornika, in sicer v dveh korakih. Pretvornik smo vodili s konstantno vrednostjo PWM-a ter izmerili statično karakteristiko. Tako smo preverili pravilnost delovanja močnostnega dela tiskanine. V prvem delu smo dvosmerni pretvornik testirali pri prenosu energije iz akumulatorja na zbiralko, se pravi v delovanju pretvornika kot pretvornik navzgor. Sledile pa so še meritve delovanja pretvornika pri prenosu energije iz zbiralke proti akumulatorju. Pri testiranju delovanja pretvornika smo za vir energije uporabili laboratorijski napajalnik. 39

54 Testiranja dvosmernega pretvornika pri prenosu energije iz akumulatorja proti zbiralki (slike 5.4 do 5.6). Slika 5.4: Ustaljene razmere pri 15% PWM, U cdc =26,8V Slika 5.5: Vzpostavitev stacionarnega stanja pri 25% PWM, U cdc =23,8V 40

55 Slika 5.6: Ustaljene razmere pri 50 % PWM, U cdc =43,2V Na slikah (od 5.4 do 5.6) predstavlja vijolična krivulja tok skozi breme v amperih, modra napetost na bremenu v voltih ter rumena napetost na napajalniku (v končni izvedbi napetost na akumulatorjih). Napetost na napajalniku je bila konstanta, in sicer 23,4V. Rezultati testiranj delovanja pretvornika kot pretvornika navzdol se ujemajo z dobljenimi iz simulacij. Opaziti je mogoče rahel padec napetosti na zbiralki, kar je lahko posledica padca napetosti na samih močnostnih povezavah. V drugem delu meritev smo dvosmerni pretvornik testirali še pri prenosu energije iz smeri zbiralke proti akumulatorjem. Pri tem smo namesto energije, ki bi jo proizvedla vodikova gorivna celica, uporabili laboratorijski napajalnik ter namesto dveh akumulatorjev 10Ω upor ter kondenzator z 110μF. Rezultate meritev po 20% spremembi PWM-a prikazujejo spodnje slike (5.7 do 5.10). 41

56 Slika 5.7: Napetost U cbat =4,74V pri 20% PWM-u Slika 5.8: Napetost U cbat =10,3V pri 40% PWM-u 42

57 Slika 5.9: Napetost U cbat =16V pri 60% PWM-u Slika 5.10: Napetost U cbat =21,7V pri 80% PWM-u Tudi pri eksperimentalni verifikaciji pretvornika pri prenosu energije v smeri proti akumulatorju smo dobili pričakovane rezultate. Zahtevo po valovitosti toka zaradi predoločene induktivnosti tuljave nismo izpolnili, saj smo namesto 960μH uporabili tuljavo s 613μH. 43

58 6 SKLEP Izraba obnovljivih vrst energije je povzročila novo obliko rokovanja z energijo. Sem spadajo različni pretvorniki ter usmerniki. V opisanem diplomskem delu smo se poglobili v izdelavo, vodenje in delovanje dvosmernega pretvornika. Zadanim ciljem smo zadostili. Pokazali in preverili smo, da je s pomočjo dvosmernega pretvornika moč prenašati energijo iz strani akumulatorja proti zbiralki ter obratno. Načrtali in realizirali smo tiskanino s pretvornikom, merilnim vezjem ter tudi vklopnim delom. V simulacijskem orodju smo sestavili in testirali tudi delovanje regulatorjev. Model pretvornika in realni objekt delujeta v skladu s podanimi zahtevami, le valovitost toka je izven predpisanega območja zaradi uporabe že obstoječe tuljave. Pri eksperimentalni verifikaciji pretvornika je prišlo do manjšega odstopanja, kar je lahko posledica realnih lastnosti elementov, ki jih nismo upoštevali pri modeliranju pretvornika. Sem spadajo predvsem odstopanja zaradi poenostavljenega modela baterije ter neupoštevanja upornosti močnostnih linij. Opazili smo lahko tudi presluhe in šume, ki pa niso imeli vpliva na delovanje pretvornika. Med pripravo programske kode ter strojne opreme smo naleteli na določene probleme. Pri načrtovanju modela pretvornika v Matlab/Simulinku smo morali določiti ustrezne parametre elementom, sicer bi lahko prišlo do večjih odstopanj v delovanju modela in realnega objekta. Nekaj težav smo imeli tudi z določitvijo parametrov regulatorjev. Nato je sledilo načrtovanje tiskanine. Tu smo imeli probleme z razporeditvijo močnostnega in šibkega dela vezja ter funkcionalno prerazporeditvijo elementov. V zadnjem koraku načrtovanja tiskanine pa smo se bolje seznanili z osnovami spajkanja '' Through Hole'' in ''SMD'' elementov. Celoten projekt (tako glavni pretvornik kot dvosmerni pretvornik) se kljub zaključenem delu v okviru diplomskega dela nadaljuje. Potrebno je še testiranje regulatorjev na realnem procesu, sledi pa še izboljšava programske kode, ki vključuje naprednejše načine regulacije ter povečan varnostni režim. Možna je tudi nadgradnja projekta z razsmerniško enoto, s katero bi lahko napajali poljubno breme oz. oddajali energijo v omrežje. 44

59 7 VIRI IN LITERATURA [1] M. Milanovič, M. Rodič, M. Truntič: DC-DC Conditioning System for FC application, PEMC'2012 Novi Sad, Srbija, [2] Sim Power System, Matlab. Dostopno na: rsys.pdf [ ] [3] Milanovič, Miro. Močnostna elektronika: univerzitetni učbenik. Ponatis 1. izd. Maribor: Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, [4] P, PI, PID controlers. Dostopno na: [ ] [5] Matlab target support package for use with texas instruments C2000: Dostopno na: 15th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE- Use-With-Texas-Instruments-C2000.html [6] ACS712 20A Current Sensor Module Blue. Dostopno na: [ ] [7] Diferenčni ojačevalnik. Dostopno na [ ] 45

60 Priloga A Slika A. 1: Tiskanina, rdeča (zgornja) in modra (spodnja) plast Slika A. 2: Shema močnostnega dela vezja 46