Μια από τις πιο διαδεδομένες και συχνότερα χρησιμοποιούμενες μεθόδους ελέγχου των διακοπτικών DC-DC μετατροπέων, είναι ο έλεγχος μέγιστου ρεύματος (peak current control). Κάποια από τα πλεονεκτήματα που παρέχει ο έλεγχος μέγιστου ρεύματος είναι η ταχεία προστασία από ρεύματα σφαλμάτων, η σχετικά εύκολη αντιστάθμιση του συστήματος ανάδρασης, καθώς και η καλή συμπεριφορά που παρουσιάζει στα μεταβατικά φαινόμενα. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη του ελέγχου αυτού σε δικατευθυντήριους μετατροπείς ισχύος (bidirectional converters).
Οι δικατευθυντήριοι μετατροπείς ισχύος ή μετατροπείς αμφίδρομης ροής ισχύος συναντώνται σε πλήθος εφαρμογών σήμερα, όπως τα συστήματα ανάκτησης ενέργειας σε ηλεκτρικά κινητήρια συστήματα, τα Φ/Β συστήματα, τα συστήματα φωτισμού LED και τα ενεργά φίλτρα που χρησιμοποιούνται για τη διόρθωση του συντελεστή ισχύος.
Αρχικά, γίνεται μία εισαγωγή στους DC-DC μετατροπείς ισχύος. Παρουσιάζονται και αναλύονται οι βασικότερες τοπολογίες μετατροπέων (υποβιβασμού, ανύψωσης, μικτός) χωρίς μετασχηματιστή απομόνωσης. Εξηγείται η λειτουργία των συγκεκριμένων μετατροπέων και δίνονται οι μαθηματικές εξισώσεις των κυκλωμάτων.
Συνεχίζοντας, αναλύονται οι DC-DC δικατευθυντήριοι μετατροπείς ισχύος. Εξηγούνται οι λειτουργίες αμφίδρομης ροής ισχύος και ανάκτησης ενέργειας. Γίνεται επίσης μία ανασκόπηση των βασικών τοπολογιών δικατευθυντήριων μετατροπέων, τόσο αυτών που περιλαμβάνουν υψίσυχνο Μ/Σ απομόνωσης, όσο και αυτών χωρίς γαλβανική απομόνωση. Ακόμη, αναφέρονται κάποιες βασικές εφαρμογές των δικατευθυντήριων μετατροπέων όπως τα Φ/Β συστήματα, τα συστήματα ηλεκτρικής κίνησης, τα συστήματα ανελκυστήρων καθώς και η ανάκτηση της αποθηκευμένης σε υπερπυκνωτές (supercapacitors) ενέργειας. Οι υπερπυκνωτές χρησιμοποιούνται ως αποθηκευτικό μέσο σε όλες σχεδόν τις προαναφερθείσες εφαρμογές. Η τελευταία εφαρμογή μελετήθηκε και πειραματικά στην παρούσα εργασία.
Στη συνέχεια, γίνεται μία εισαγωγή στον έλεγχο των DC-DC μετατροπέων ισχύος. Παρουσιάζονται και αναλύονται μαθηματικά οι βασικότερες μέθοδοι ελέγχου και δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στον έλεγχο μέγιστου ρεύματος. Τέλος, αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της κάθε μεθόδου και γίνεται μία σύγκριση μεταξύ των μεθόδων ελέγχου.
Έπειτα, παρουσιάζεται η θεωρητική ανάλυση του ελέγχου μέγιστου ρεύματος στον δικατευθυντήριο μετατροπέα ανύψωσης-υποβιβασμού τάσης, ο οποίος μελετάται στην παρούσα εργασία. Η ανάλυση χωρίζεται σε δύο μέρη, ένα για κάθε λειτουργία του μετατροπέα (λειτουργία ανύψωσης και λειτουργία υποβιβασμού). Εξηγείται το φαινόμενο των υποαρμονικών ταλαντώσεων (subharmonic oscillations), το οποίο λαμβάνει χώρα για λόγο κατάτμησης μεγαλύτερο του 50% και ο τρόπος εξάλειψής του με την εισαγωγή μίας ράμπας αντιστάθμισης (compensation ramp). Η αντιστάθμιση του συστήματος ανάδρασης (feedback compensation) του μετατροπέα γίνεται με έναν τύπου 2 αντισταθμιστή (Type II Compensator), ο οποίος παρουσιάζεται και αναλύεται. Κατόπιν, εξάγονται και σχεδιάζονται οι θεωρητικές συναρτήσεις μεταφοράς του μετατροπέα για κάθε λειτουργία.
Στη συνέχεια, προσομοιώνεται το συνολικό σύστημα στο περιβάλλον MATLAB/Simulink. Με τη βοήθεια του Μ/Σ Fourier εξάγονται οι συναρτήσεις μεταφοράς που προέκυψαν από την προσομοίωση και συγκρίνονται με τις θεωρητικές. Επίσης, μελετάται η συμπεριφορά του ελέγχου μέγιστου ρεύματος στον δικατευθυντήριο μετατροπέα υπό μεταβολές του φορτίου καθώς και της τάσης αναφοράς.
Τέλος, προκειμένου να επιβεβαιωθούν η θεωρητική ανάλυση και το μοντέλο της προσομοίωσης, κατασκευάζεται το πειραματικό μοντέλο. Αρχικά, σχεδιάζεται και κατασκευάζεται ένα κύκλωμα ελέγχου, βασισμένο στον μικροελεγκτή dsPIC30F4011, με τον οποίο ελέγχεται ο δικατευθυντήριος μετατροπέας (μόνο ο εσωτερικός βρόχος ελέγχου για το ρεύμα). Επισημαίνεται η βελτίωση της απόδοσης που επιτυγχάνεται με τη μέθοδο synchronous rectification. Κατόπιν, σχεδιάζεται και κατασκευάζεται έναν νέο κύκλωμα ισχύος του δικατευθυντήριου μετατροπέα ανύψωσης-υποβιβασμού τάσης, στο οποίο ο έλεγχος υλοποιείται με τον μικροελεγκτή TMS320F28027F (εσωτερικός βρόχος ελέγχου για το ρεύμα και εξωτερικός βρόχος ελέγχου για την τάση). Διεξάγονται πειράματα για λειτουργία υποβιβασμού τάσης, ανύψωσης τάσης, καθώς και αμφίδρομης ροής ισχύος με ανάκτηση ενέργειας που έχει αποθηκευτεί σε συστοιχία υπερπυκνωτών. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν τη θεωρητική ανάλυση και τα αποτελέσματα της προσομοίωσης.