توصيفگر ها :
مبدل افزاينده درهم تنيده , سلف ورودي , سلف هاي كوپل شده , كنترل مد لغزشي تطبيقي
چكيده فارسي :
كنترل مبدلها يكي از حوزههاي پژوهشي مهم در مهندسي برق محسوب ميشود. بهبود عملكرد ديناميكي و تضمين پايداري مبدلها همواره از چالشهاي اصلي در اين زمينه بوده است. در اين پژوهش، از يكي از ساختارهاي مبدل افزاينده بهره گرفته شده است. اين ساختار به دليل كاربرد گسترده در منابع تغذيه و مبدلهاي مياني ريزشبكهها انتخاب شده است. يك ساختار نوآورانه براي مبدل افزايندهي درهمتنيده طراحي و تحليل شده است كه هدف اصلي آن، بهبود عملكرد ديناميكي، كاهش ريپل جريان ورودي، افزايش بازده و ارتقاء پايداري ولتاژ خروجي در شرايط كاري متغير است. ساختار پيشنهادي با افزودن يك سلف ورودي به مبدل درهمتنيدهي دو فاز با سلفهاي كوپلشده، ضمن سادهسازي طراحي مغناطيسي، توانسته است ويژگيهاي الكترومغناطيسي و ديناميكي مدار را بهطور محسوسي بهبود بخشد. بدون آنكه به پايداري حلقه و ميزان تنشهاي ولتاژ و جريان بر روي كليدها آسيبي وارد شود. طراحي اين ساختار به گونهاي انجام شده كه ضمن بهرهگيري از مزاياي توپولوژيهاي درهمتنيده، پيچيدگي مغناطيسي و تعداد المانها افزايش نيابد. در گام نخست، مروري جامع بر توپولوژيهاي مرسوم مبدلها و تحليل مزايا و محدوديتهاي روشهاي كنترلي غيرخطي انجام شده است. سپس مبدل پيشنهادي با استفاده از تحليل حالتهاي كليدزني و استخراج مدل ميانگين فضايحالت، بهطور دقيق مدلسازي شده است. در اين مدل، اثر ضريب كوپلينگ بين سلفها لحاظ شده و روابط تحليلي براي طراحي المانهاي غيرفعال، تعيين شرايط پيوستگي جريان سلفها و كنترل ريپل ولتاژ خروجي ارائه شده است. نتايج محاسبات نشان ميدهد كه استفاده از سلف ورودي نه تنها دامنه ريپل جريان ورودي را كاهش ميدهد، بلكه باعث توزيع يكنواختتر جريان در دو فاز و كاهش اثرات پوستي و تلفات هادي نيز ميگردد كه بهبود بازده كلي مبدل را در پي دارد. در اين پژوهش، كنترلكنندهي PI بهعنوان يك روش مرجع كلاسيك براي مقايسه با ساختار پيشنهادي مورد استفاده قرار گرفته است. هدف از اين بخش، ارزيابي توانايي كنترلكنندهي PI در تنظيم ولتاژ خروجي و پاسخ ديناميكي مبدل در شرايط مختلف كاري از جمله تغييرات بار، افت ولتاژ ورودي و تغيير مرجع ولتاژ است. پيادهسازي اين كنترلكننده بر مبناي مدل سيگنال كوچك و تبديل آن به يك سيستم مرتبه دوم انجام شد تا امكان تنظيم ضرايب تناسبي، انتگرالي و مشتقي فراهم گردد .در بخش بعدي، يك كنترلكنندهي مد لغزشي تطبيقي طراحي شده است كه قادر است پارامترهاي نامعين كليدي نظير مقاومت بار و ولتاژ ورودي را بهصورت برخط تخمين بزند و بر اساس آن، فرمان كليدزني بهينه را توليد نمايد. پايداري و همگرايي خطاهاي تخمين با استفاده از تابع لياپانوف و به كمك نتيجهي لم باربالت اثبات شده است كه اين امر تضمين ميكند حتي در شرايط تغييرات شديد بار يا افت ولتاژ ورودي، سيستم حلقهبسته پايدار باقي بماند و خروجي به مقدار مرجع همگرا شود. نتايج شبيهسازيها در محيط متلب نشان ميدهد كه كنترلكنندهي پيشنهادي، در مقايسه با حالت بدون كنترل و نيز حالت با كنترلكنندهي PI، بهطور چشمگيري ريپل جريان منبع و پيكهاي گذرا را كاهش داده و در عين حال شكلموجهاي ولتاژ و جريان كليدها را بهينه و كيفيت تنظيم ولتاژ خروجي را حفظ ميكند. نتايج، همراه با رفتار ديناميكي سريع و پايدار، نشاندهندهي كارايي بالاي ساختار و كنترل پيشنهادي در كاربردهاي گوناگون، با راندمان بهبود يافته است.
چكيده انگليسي :
Abstract
The control of power converters is considered one of the important research areas in electrical engineering. Improving the dynamic performance and ensuring the stability of converters has always been among the main challenges in this field. In this research, a boost converter structure has been employed, chosen due to its widespread application in power supplies and intermediate converters in microgrids. An innovative interleaved boost converter has been designed and analyzed, with the main objectives of improving dynamic performance, reducing input current ripple, enhancing efficiency, and improving output voltage stability under varying operating conditions. The proposed structure introduces an input inductor into a two-phase interleaved boost converter with coupled inductors, which not only simplifies the magnetic design but also significantly improves the electromagnetic and dynamic characteristics of the circuit, without compromising loop stability or increasing voltage and current stresses on the switches. The design has been carried out in such a way that it benefits from the advantages of interleaved topologies while avoiding any increase in magnetic complexity or component count. As a first step, a comprehensive review of conventional converter topologies and the advantages and limitations of nonlinear control methods has been conducted. The proposed converter has then been accurately modeled using switching-state analysis and the derivation of the state-space averaged model. In this model, the coupling coefficient between inductors is taken into account, and analytical relationships are provided for designing passive components, ensuring continuous inductor current, and controlling output voltage ripple. The results of the analytical calculations demonstrate that employing an input inductor not only reduces the amplitude of input current ripple but also leads to a more uniform current distribution across the two phases, while mitigating skin effects and conduction losses, thereby improving the overall efficiency of the converter. In this work, a PI controller has been employed as a classical reference method for comparison with the proposed structure. The purpose of this part is to evaluate the ability of the PI controller to regulate the output voltage and dynamic response of the converter under various operating conditions, including load variations, input voltage drops, and reference voltage changes. The implementation of the PI controller was based on the small-signal model, reduced to a second-order system, to allow proper tuning of proportional, integral, and derivative gains. In the following section, an adaptive sliding mode controller has been designed, capable of online estimation of key uncertain parameters such as load resistance and input voltage, and generating an optimal switching command accordingly. The stability and convergence of estimation errors have been proven using a Lyapunov function in conjunction with Barbalat’s Lemma, ensuring that even under severe load changes or input voltage drops, the closed-loop system remains stable and the output converges to the reference value. Simulation results in MATLAB confirm that the proposed controller, compared to both the uncontrolled case and the PI-controlled case, significantly reduces source current ripple and transient peaks, while simultaneously optimizing the voltage and current waveforms of the switches and maintaining high-quality output voltage regulation. The results, accompanied by fast and stable dynamic behavior, demonstrate the high efficiency and effectiveness of the proposed structure and control approach for various applications.