Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống nguồn cung cấp không nối dây

Bộ chuyển đổi sơ cấp là một hệ thống nghịch lưu biến đổi công suất nguồn từ tần số50/60Hz sang tần số 20kHz.. Một số công ty của Đức, Hàn Quốc như : Vahle, Woosung … Cũng đã sảnxuất các

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

-PHẠM ĐÔNG PHƯỚC

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

MÔ HÌNH HỆ THỐNG NGUỒN CUNG CẤP

KHÔNG NỐI DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã ngành: 60520202

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

-PHẠM ĐÔNG PHƯỚC

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO

MÔ HÌNH HỆ THỐNG NGUỒN CUNG CẤP

KHÔNG NỐI DÂY

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TSKH HỒ ĐẮC LỘC

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 03 tháng 05 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đó được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Phạm Đông Phước Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 17- 11- 1976 Nơi sinh: TP.HCM

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1241830024

I- Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG NGUỒN

CUNG CẤP KHÔNG NỐI DÂY II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Tổng quan về hệ thống cấp nguồn không kết nối

- Cơ sở lý thuyết về hệ thống cấp nguồn không kết nối

- Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống nguồn không kết nối

- Khảo sát thực nghiệm

III- Ngày giao nhiệm vụ: 12 tháng 06 năm 2013

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 29 tháng 03 năm 2014

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TSKH HỒ ĐẮC LỘC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kếtquả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳcông trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồngốc

Học viên thực hiện Luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Phạm Đông Phước

LỜI CẢM ƠN

***

Đầu tiên, xin chân thành cảm ơn Thầy Hồ Đắc Lộc, Thầy Nguyễn Thanh Phương.

Người đã từng bước giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

Xin Cám ơn đến thầy Phạm Thế Duy Học viện Bưu Chính Viễn Thông TP.HCM, thầy Phạm Minh Tiến Trường Trung cấp CNTT Sài Gòn đã cho em những nền tản

kiến thức – tri thức quí báo

Xin Cám ơn các thầy cô trong khoa Cơ – Điện – Điện Tử; Phòng Quản lý Sau Đại Học của Trường Đại Học Công nghệ TP.HCM, Tập thể lớp 12SMD11 đã tạo cơ

hội cho em thực hiện luận văn này

Cuối cùng, Xin được cám ơn Ba Mẹ, các anh, em cùng vợ và hai con thơ làm chổdựa tinh thần để có đủ nghị lực và trí khôn

Học viên thực hiện

Phạm Đông Phướcii

TÓM TẮT

Luận văn trình bày về mô hình hệ thống cấp nguồn không nối dây công suấtlớn Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên tắc của cảm ứng điện từ Hệ thống baogồm một bộ chuyển đổi công suất sơ cấp và một bộ chuyển đổi công suất thứ cấp

Bộ chuyển đổi sơ cấp là một hệ thống nghịch lưu biến đổi công suất nguồn từ tần số50/60Hz sang tần số 20kHz Bộ chuyển đổi thứ cấp (phần di động), được từ tính hóabởi bộ chuyển đổi sơ cấp Hệ thống thứ cấp được sử dụng để tạo ra nguồn một chiều

DC bởi mạch nâng áp Năng lượng điện được truyền từ phần sơ cấp tới phấn thứ cấpthông qua bộ phận di động (pickup) Kết quả thực nghiệm cho chứng minh tính hiệuquả của hệ thống cấp nguồn không nối dây được đề xuất

ABSTRACT

This thesis presents a model of the contactless power supply system withhigh power It is composed a primary power converter and a secondary powerconverter The primary power converter is an inverter system which is used toinvert 50/60Hz power supply to 20kHz power supply The secondary powerconverter, pickup, is magnetized by the primary power converter The secondarysystem is used to generate DC power supply by boosting circuit The power istransferred from the primary to secondary through pickup The experiment data showthe effectiveness of the proposed power supply system

iv

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH x

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 TỔNG QUAN VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1

1.1.1 Ở nước ngoài 1

1.1.2 Một số công trình nghiên cứu liên quan về hệ thống CPS trên thế giới 1

1.1.3 Ở nước ta 3

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI,Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 3

1.3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 3

1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 3

1.4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu 3

1.4.2 Giới hạn của đề tài 4

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4

1.6 PHẠM VI ỨNG DỤNG 4

1.7 KẾT CẤU LUẬN VĂN 9

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG CPS 10

2.1 CÁC PHÂN TÍCH CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG CPS 10

2.1.1 Khái niệm về CPS 10

2.1.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống CPS 10

2.1.3 Các thành phần của khối 11

2.1.4 Nguyên lý hoạt động 12

2.1.5 Các dạng cơ bản của cặp cảm ứng điện từ 12

2.1.6 Hệ thống một pickup (bộ di chuyển thứ cấp) 14

2.1.7 Hệ thống nhiều pickups 16

2.2 CÁC VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI THIẾT KẾ HỆ THỐNG CPS 16

2.2.1 Tần số vận hành 16

2.2.2 Điều khiển 17

2.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ CHỈNH LƯU VÀ BỘ LỌC 22

2.3.1 Khái niệm 22

2.3.2 Các dạng mạch chỉnh lưu cơ bản 23

2.3.3 Bộ lọc 29

2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MẠCH NGHỊCH LƯU CẦU 1 PHA DÙNG IGBT 33 2.4.1 Mở đầu 33

2.4.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động IGBT 34

2.4.3 Đặc tính đóng cắt của IGBT 35

2.4.4 Yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển IGBT 40

2.4.5 Ứng dụng IGBT cho bộ nghịch lưu áp 1 pha 41

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CPS 46

3.1 SƠ ĐỒ THIẾT KẾ TỔNG QUÁT CỦA HỆ THỐNG 46

3.2 TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG 46

3.2.1 Phần sơ cấp 46

3.2.2 Phần thứ cấp ( PICKUP) 49

3.3.MẠCH ĐỘNG LỰC SAU KHI TÍNH TOÁN 53

3.3.1 Mạch động lực sơ cấp 53

3.3.2 Mach động lực thứ cấp 53

3.4 GIỚI THIỆU MẠCH ĐIỀU KHIỂN 54

3.4.1 Khối nguồn điều khiển 54

3.4.1 Khối mạch điều khiển IGBT 54

CHƯƠNG4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 58

4.1 CÁC THÔNG SỐ ĐO ĐƯỢC 58

4.1.1 Các thông số đo được phần sơ cấp: 58

4.2 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HOÀN CHỈNH 61

4.2.1 Sơ cấp: 61

vi

4.2.2 Thứ cấp: 63

4.2.3 Tổng hợp sơ cấp và thứ cấp 64

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỄN 66

5.1 KẾT LUẬN 66

5.1.1 Phần thực hiện làm được của đề tài 66

5.1.1 Phần hạn chế của đề tài 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AC: Alternating current

CPS: Contactless power supply system

DC: Direct current

IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor

PICKUP: Bộ di động thứ cấp

THD : Total harmonic distortion

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1 Trở kháng thứ cấp, điện áp và dòng tải 14

Bảng 2.2 Các đặc tính tại tần số cộng hưởng thứ cấp ω0 15Bảng 2.3 Bù sơ cấp 19

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Trang

Hình 1.1 CPS ứng dụng cho hệ thống máy cuốn tôn 4

Hình 1.2 CPS ứng dụng trong dây truyền sản xuất xe hơi 5

Hình 1.3 CPS ứng dụng cần trục vận chuyển container 5

Hình 1.4 CPS ứng dụng cho xe di chuyển 6

Hình 1.5 CPS ứng dụng cho xe chuyển hàng 6

Hình 1.6 CPS ứng dụng cho hệ thống thanh trượt dạng thẳng 7

Hình 1.7 CPS ứng dụng cho hệ thống nạp bình xe ôtô 7

Hình 1.8 CPS ứng dụng cho hệ thống thanh trượt dạng tròn 7

Hình 1.9 Hệ thống CPS 8

Hình 1.10 Hệ thống CPS phần sơ cấp 8

Hình 1.11 Hệ thống CPS phần thứ cấp (pickup di động) 9

Hình 1.12 Hệ thống CPS phần thứ cấp (pickup di động) 9

Hình 2.1 Hình dáng cơ bản transformer của CPS 10

Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống truyền tải công suất cảm ứng. 11

Hình 2.3 Hình dáng cơ bản transformer của CPS 11

Hình 2.4 Các dạng cặp cảm ứng điện từ cơ bản 12

Hình 2.5 Mô hình cặp cảm ứng điện từ cơ bản 12

Hình 2.6 Tụ điện sơ cấp đã chuẩn hoá 22

Hình 2.7 Khối chỉnh lưu biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều 22

Hình 2.8 Sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa sóng 24

Hình 2.9: Các dạng sóng của bộ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng tải trở 25

Hình 2.10 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha và các dạng sóng chỉnh lưu 29

Hình 2.11 Bộ lọc san bằng 30

Hình 2.12 Bộ lọc LC 31

Hình 2.13 Các bộ lọc LC, RC, hình π 33

Hình 2.14 IGBT 34

Hình 2.15 Hình dáng linh kiện, ký hiệu và thông số kỹ thuật IGBT 25N120 35

Hình 2.16 Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT 36

Hình 2.17 Quá trình mở IGBT 37

x

Hình 2.18 Quá trình khoá IGBT 39

Hình 2.19 Cấu trúc bán dẫn của một IGBT cực nhanh 40

Hình 2.20 Yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển 40

Hình 2.21 Mạch nghịch lưu cầu H dùng IGBT 42

Hình 2.22 Mạch nghịch lưu cầu H 42

Hình 3.1 Sơ thiết kế tổng quát của hệ thống CPS 46

Hình 3.2 Khối sơ cấp 47

Hình 3.3 Khối thứ cấp 49

Hình 3.4 Mạch nghịch lưu 4 IGBT ( 25N120) 53

Hình 3.5 Mạch điện thứ cấp sau khi tính toán 53

Hình 3.6 Nguồn cung cấp cho khối điều khiển IGBT 54

Hình 3.7 Mối quan hệ giữa điều khiển đầu áp vào và ra dòng điện 55

Hình 3.8 Cấu hình của bộ điều khiển PI 56

Hình 3.9 Mạch tạo tín hiệu điều khiển cầu nghịch lưu IGBT 25N120 56

Hình 3.10 Sơ đồ khối chức năng IC TL494CN 57

Hình 4.1 Tín hiệu ngõ ra Output1, Output2 của TL494 58

Hình 4.2 Dạng sóng tại cầu H transistor 59

Hình 4.3 Dạng sóng đo được tại ngỏ ra biến áp lái đo 1 kênh 59

Hình 4.4 Dạng sóng đo được tại ngỏ ra biến áp lái đo 2 kênh đối xứng. 60

Hình 4.5 Dạng sóng tại ngỏ ra biến áp 60

Hình 4.6 Khối chỉnh lưu nguồn 110Vac 61

Hình 4.7 Khối cầu nghịch lưu IGBT 25N120 61

Hình 4.8 Cuộn dây sơ cấp 63

Hình 4.9 Khối Pickup 63

Hình 4.10 Mô hình toàn mạch 64

Hình 4.11 Mô hình toàn mạch pickup ở vị trí A 64

Hình 4.12 Mô hình toàn mạch pickup ở vị trí B 65

Hình 4.13 Mô hình toàn mạch pickup ở vị trí C 65

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI.

1.1.1 Ở nước ngoài

Vấn đề cung cấp năng lượng điện cho các máy sản xuất và các thiết bị có khảnăng di chuyển như: Hệ thống cẩu chuyển hàng, các xe tự hành để vận chuyển trongphân xưởng, hệ thống khai khoáng dưới nước (Underwater Minning system), hệthống lưu kho tự động, các robot di động … là một vấn đề phức tạp Hiện tại việcnghiên cứu để đưa ra một phương thức cung cấp nguồn cho các đối tượng này đã vàđang được các nhà khoa học và các công ty lớn trên thế giới quan tâm

Việc nghiên cứu và thiết kế các hệ thống nguồn cung cấp không nối dây đã và đangđược các nhà khoa học của các nước trên thế giới như: Mỹ, Đức, Nhật bản, HànQuốc, Trung Quốc … quan tâm Có thể kể ra một số nhà khoa học tiêu biểu như :Grant A Covic, Oskar H Stielau, Xu Shangang, Do Huyn Kang, Ioan Vadan,…Tuy nhiên các nghiên cứu này chưa đưa ra một quy trình công nghệ để thiết kế hệthống

Một số công ty của Đức, Hàn Quốc như : Vahle, Woosung … Cũng đã sảnxuất các hệ thống nguồn cung cấp không nối dây tuy nhiên giá thành của thiết bịnày hiện nay còn khá cao

1.1.2 Một số công trình nghiên cứu liên quan về hệ thống CPS trên thế giới

1 C S Wang, Oskar H Stielau, and Grant A Covic “DesignConsiderations for a Contactless Electric Vehicle Battery Charger” IEEE Trans.Ind Electron., vol 52, no 5, pp 1308–1314, Oct 2005

 Bản tóm tắt bài báo này miêu tả tổng quát thiết kế lý thuyết và thực tế cácvấn đề liên quan đến hệ thống truyền công suất cảm ứng và xác minh sự phát triển

lý thuyết sử dụng một bộ sạc pin xe điện thực tế dựa trên truyền công suất cảm ứng,cộng hưởng

2 J Meins, “Contactless Power Supply for Transport Systems,” in Conf.Rec of MAGLEV’98, 1998, pp 268-273.

 Mục đích của bài viết này nêu lên ứng dụng hệ thống nguồn cung câpkhông nối dây sử dụng cho xe chuyển hàng trong xí nghiệp

3 G A J Elliott, J T Boys, and A W Green, “ Magnetically CoupledSystems for Power Transfer to Electric Vehicles,” in Conf Rec of PowerElectronics and Drive Systems (PEDS),1995, pp 797-801

 Mục đích của bài viết này mô tả một hệ thống nguồn cung câp không nốidây sử dụng cho xe điện

4 T Bieler, M Perrottet, V Nguyen, and Y Perriard, “Contactless powerand information transmission,” in Conf Rec IEEE-IAS Annu Meeting, vol 1,

2001, pp 83–88

 Mục đích của bài viết này là để truyền năng lượng điện không tiếp xúc vàtruyền được thông tin trên đó Một thông tin liên lạc hai chiều cũng rất cần thiết.Điều này được thực hiện với một biến áp tần số cho truyền công suất và truyền tảithông tin Hình học cuộn dây khác nhau đã được nghiên cứu để giảm hỗ cảm giữanguồn và thông tin cuộn Giải pháp mới này cho phép xây dựng chi phí thấp và các

hệ thống truyền công suất nguồn thông minh bao gồm cả thông tin liên lạc

5 Y Jang and M M Jovanovic, “A contactless electrical energytransmission system for portable-telephone battery chargers,” in Conf Rec.Telecommunications Energy Conf., 2000, pp 726–732

 Mô tả một hệ thống nguồn cung câp không nối dây cho bộ sạc pin diđộng, điện thoại

1.1.3 Ở nước ta

Việc cấp nguồn cho các đối tượng có khả năng di chuyển chủ yếu là dựa vàokết nối cứng hoặc thông qua hệ thống thanh trượt - chổi quét Nếu kết nối cứng thìkhi đối tượng di chuyển sẽ gặp phải những rắc rối do dây nối nguồn gây nên Trongtrường hợp cấp nguồn qua hệ thống thanh trượt – chổi quét thì không đảm bảo antoàn phòng cháy, chữa cháy vì trong quá trình di chuyển của thiết bị có thể sinh ra

hồ quang điện tại điểm tiếp xúc giữa chổi quét và thanh trượt

Hơn thế nữa, độ bền cơ học của hệ thống cấp nguồn qua tiếp xúc không cao

do trong quá trình di chuyển có độ bào mòn giữa chổi quét và thanh trượt Nhằmkhắc phục những nhược điểm của phương thức cấp nguồn truyền thống, mộtphương thức cấp nguồn mới là cấp nguồn không nối dây sử dụng kỹ thuật cặp cảmứng để đưa ra một quy trình công nghệ để thiết kế và sản xuất với giá thành rẻ hơn

so với các hệ thống của nước ngoài và chủ động về mặt công nghệ là một vấn đềcấp thiết

Hiện nay chưa có sản phẩm nào được sản xuất trong nước về hệ thống nguồn cungcấp không nối dây, mà trên cơ sở nghiên cứu căn bản về hệ thống thôi

1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI.

Việc tạo ra các phương thức cấp nguồn khác so với phương thức cấp nguồntruyền thông trong các hệ thống di động nhằm mục đích khắc phục các nhược điểmcủa phương thức cấp nguồn truyền thống trong các hệ thống này là cấp thiết

1.3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU.

Nghiên cứu nguyên lý và thực hiện mô hình thực nghiệm mô hình thu nhỏcủa hệ thống CPS

1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI.

1.4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu nguyên lý của biến áp hở

- Nghiên cứu lý nguyên lý hệ thống CPS.

- Xây dựng mô hình thực nghiệm

1.4.2 Giới hạn của đề tài

- Xây dựng mô hình thu nhỏ của hệ thống CPS

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet)

- Xây dựng mô hình thực nghiệm

- Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm

1.6 PHẠM VI ỨNG DỤNG.

Trong các xí nghiệp với các thiết bị có khả năng di chuyển

Ngoài ra hệ thống CPS còn được ứng dụng rất nhiều ngoài thực tế với tất cả cácthiêt bị được cấp nguồn có khả năng di chuyển

Một số ứng dụng và hình dáng hệ thống CPS:

Hình 1.1 CPS ứng dụng cho hệ thống máy cuốn tôn

Hình 1.2 CPS ứng dụng trong dây chuyền sản xuất xe hơi

Hình 1.3 CPS ứng dụng cần trục vận chuyển container

Hình 1.4 CPS ứng dụng cho xe di chuyển

Hình 1.5 CPS ứng dụng cho xe chuyển hàng

Hình 1.9 Hệ thống CPS

Hình 1.10 Hệ thống CPS phần sơ cấp

Hình 1.11 Hệ thống CPS phần thứ cấp (pickup di động)

Hình 1.12 Hệ thống CPS phần thứ cấp (pickup di động)

1.7 KẾT CẤU LUẬN VĂN.

Luận văn bao gồm 5 chương

 Chương 1: Tổng quan

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết của hệ thống CPS

 Chương 3: Thiết kế hệ thống CPS

 Chương 4: Kết quả thực nghiệm

 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG CPS

2.1 CÁC PHÂN TÍCH CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG CPS

2.1.1 Khái niệm về CPS

CPS (Contactless power supply system) là hệ thống cung cấp nguồn không nối dây,tức cấp nguồn cho các tải di động mà không cần kết nối cứng như hệ thống dây điện

và thanh trượt - chổi quét

CPS - Hệ thống sử dụng cặp cảm ứng (tương tự hai cuộn dây của máy biến áp) dựatrên nguyên lý về truyền dẫn năng lượng trên cơ sở cảm ứng điện từ và mạch cộnghưởng

2.1.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống CPS

Hệ thống CPS cơ bản nhất gồm có cặp cảm ứng điện từ được vận hành bởi bộnguồn tần số cao như mô tả ở Hình 2.1 Thông thường, cuộn dây sơ cấp được bù đểcực tiểu hóa mức tiêu hao công suất nguồn cung cấp Cuộn cảm ứng thứ cấp diđộng được bù để tăng khả năng truyền tải công suất Một bộ switched-modecontroller có thể sử dụng để điều khiển dòng công suất từ pickup (ngõ ra di động)đến tải Trong nhiều hệ thống phức tạp có thể tồn tại nhiều pickup riêng lẻ đượccung cấp bởi các track (đường đơn) đơn

Hình 2.1.Sơ đồ tổng quát hệ CPS

Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống truyền tải công suất cảm ứng.

Hình 2.3 Hình dáng cơ bản transformer của CPS

2.1.3 Các thành phần của khối

 Nguồn vào AC

 Bộ chỉnh lưu đầu vào (AC/DC)

 Bộ nghịch lưu nâng tần số (DC/AC)

 Cuộn cảm ứng sơ cấp (Primary track/ coil inductance)

 Cuộn cảm ứng di động thứ cấp (Secondary pickup inductance)

 Bộ chỉnh lưu ngõ ra (AC/DC)

 Ngõ ra DC

2.1.4 Nguyên lý hoạt động

Nguồn xoay chiều ba pha vào qua bộ chỉnh lưu đầu vào trở thành tín hiệuđiện DC, sau đó nó qua tiếp bộ nghịch lưu nâng tần số lên khoảng 20 kHZ Tín hiệucao tần này kết nối qua cuộn sơ cấp (coupler) và cảm ứng qua cuộn thứ cấp di độngsinh ra dòng điện xoay chiều Cuối cùng dòng điện đó qua bộ chỉnh lưu và trở thànhdòng điện DC cấp cho các tải di động

2.1.5 Các dạng cơ bản của cặp cảm ứng điện từ

Hình 2.4 Các dạng cặp cảm ứng điện từ cơ bản

Hình 2.5 Mô hình cặp cảm ứng điện từ cơ bản

R: tải trên phía thứ cấp

SS topology: Tụ bù sơ cấp nối tiếp cuộn sơ cấp, tụ bù thứ cấp nối tiếp cuộnthứ cấp

SP topology: Tụ bù sơ cấp nối tiếp cuộn sơ cấp, tụ bù thứ cấp song song cuộnthứ cấp

PS topology: Tụ bù sơ cấp song song cuộn sơ cấp, tụ bù thứ cấp nối tiếp cuộnthứ cấp

PP topology: Tụ bù sơ cấp song song cuộn sơ cấp, tụ bù thứ cấp song songcuộn thứ cấp

Trên Hình 2.4 cho bốn dạng cặp cảm ứng điện từ ( SS, PP, SP, PS) mà có thểđược mô hình tổng quát bởi mạch Hình 2.5 phân tích trạng thái ổn định hình Sin.Điện áp được cảm ứng và điện áp dội được xác định thông qua độ tự cảm tương hỗ

M, tần số vận hành ω, dòng điện sơ cấp và dòng điện thứ cấp Độ tự cảm M quan hệvới hệ số cặp điện từ qua công thức :

S

P L L

S r

Z

M

Với Zs: trở kháng của bên phía thứ cấp, phụ thuộc vào dạng mạch bù

Công suất truyền từ bên sơ cấp sang bên thứ cấp được cho bên dưới

2

) (ReZ r I p

Với “ReZr”: Phần thực của Zr

Dòng điện chạy qua cuộn dây thứ cấp được cho

S

P S

Z

MI J

Điện áp cuộn dây sơ cấp và thứ cấp lần lượt như sau

S P

P

P J L I J MI

S S p

Trở kháng thứ cấp, điện áp tải và dòng điện tải được cho trong bảng 2.1 đối với dạng bù nối tiếp và song song Thông thường, tần số cộng hưởng ω0 bên sơcấp và thứ cấp bằng nhau theo công thức sau:

p p S

S L C L C

1 1

Bảng 2.1 Trở kháng thứ cấp, đi n áp và dòng t i ện áp và dòng tải ải

C j L j

L j

2 2

s

L

R M

s

L

M2 0

và công suất phản kháng

Bù nối tiếp thứ cấp tương đương một nguồn áp, trong khi bù song song thứcấp giống như một nguồn dòng Cả hai đặc tính có thể được xác định bởi công thức(2.3) bằng việc sử dụng điện trở dội trong Bảng 2.2 và thừa nhận rằng dòng điện sơcấp được duy trì không đổi, thông thường trong các thiết kế hệ thống CPS Mộttrong những lợi thế của bù nối tiếp thứ cấp là ở đó không có điện kháng dội tại tần

số cộng hưởng thứ cấp Trường hợp ngược lại, bù song song thứ cấp dội lại mộtđiện kháng điện dung tại tần số cộng hưởng thứ cấp

Trở kháng tải được xem xét bởi nguồn cung cấp được xác định bởi việc kếthợp giữa mạch sơ cấp và mạch thứ cấp

Đối với một hệ thống bù nối tiếp sơ cấp, trở kháng tải có công thức như sau

r p p

C j

t

Z L j C j

2.1.7 Hệ thống nhiều pickups.

Với những hệ thống nhiều pickup, thông thường tất cả các pickup được thiết

kế giống nhau sao cho tất cả các trở kháng thứ cấp thì tương đương nhau đối vớimỗi loại tải Kết quả, tổng trở kháng dội từ tất cả các pickup là:

1

2 2

tần số và công suất đã cho thấy để cân bằng bên trên tầm của tần số vận hành Đối với các ứng dụng tốt nhất, tuy nhiên, vận hành tại tần số cộng hưởng thứ cấp hay gần tần số cộng hưởng thứ cấp thì là một sự lựa chọn logic bởi vì khả năng truyền tải công suất cực đại có thể đạt được Hơn thế nữa, có yêu cầu rằng điện áp và dòng điện ngõ ra của nguồn cung cấp phải cùng pha để cực tiểu hóa mức tiêu hao công suất nguồn cung cấp Điều này có thể đạt được bởi việc vận hành tại góc pha bằng 0

(ZPA) tần số của trở kháng tải Do đó, tần số danh định của hệ thống CPS thông thường được thiết kế để đạt được sự vận hành ZPA sơ cấp (góc pha sơ cấp bằng 0) tại tần số cộng hưởng thứ cấp

2.2.2.1 Điều chỉnh dòng công suất

Một cách tiếp cận chung để đạt được sự điều chỉnh dòng công suất là làm thay đổi hệ thống bởi việc thay đổi tần số vận hành của nguồn cung cấp Phương pháp này không thích hợp đối với các ứng dụng có nhiều pickup khi đó tải trên mỗipickup có thể khác nhau Do đó, làm thay đổi nguồn cung cấp ảnh hưởng tất cả các pickup thứ cấp vì thế một số pickup không thể chuyển tải công suất cần thiết Một phương pháp khác là sử dụng bộ điều khiển Switched-mode trong phạm vi pickup thứ cấp cho việc điều khiển dòng công suất Sử dụng phương pháp này, mỗi pickup

có thể được điều khiển riêng biệt hay thậm chí được tách biệt với sơ cấp Tuy nhiện,

sự không thuận lợi là tăng tổn hao chuyển đổi và giá cũng cao hơn của các pickup thứ cấp

2.2.2.2 Điều khiển tần số ổn định

Với các ứng dụng điều khiển tần số ổn định, sự thay đổi tải và cặp cảm ứnggiữa sơ cấp và thứ cấp sẽ là nguyên nhân làm dịch pha trong trở kháng tải Nếu sựdịch pha này đáng kể, khi đó công suất nguồn cung cấp phải có một công suất VAcao hơn đối với cùng bộ truyền tải công suất

2.2.2.3 Điều khiển tần số thay đổi

Như chú ý trong phần 2.3a, các bộ điều khiển tần số thay đổi tốt nhất vận hành tại tần số vòng sơ cấp Tuy nhiên, tần số vận hành (tần số của trở kháng tải ZPA) sẽ thay đổi khác từ tần số cộng hưởng danh định bởi vì sự thay đổi tải và góc của cặp cảm ứng giữa sơ cấp và thứ cấp Điều này dẫn đến giảm bớt khả năng

truyền tải công suất nếu như sự thay đổi tần số quá lớn, và cũng có thể làm mất ổn định tần số và điều khiển tối ưu bởi vì sự gia tăng nhánh rẽ với việc tăng tải.

2.2.2.4 Thủ tục thiết kế

Việc thiết kế các hệ thống CPS chủ yếu dựa vào những kinh nghiệm và thực nghiệm bởi vì sự tương tác lẫn nhau phức tạp của các mạch cộng hưởng sơ cấp và thứ cấp Một phương pháp thiết kế tổng quát hóa được đưa ra trong thừa nhận hệ thống được vận hành tại tần số cộng hưởng danh định Với thủ tục thiết kế lặp này, cấu trúc điện từ như dòng điện sơ cấp có thể được xác định cho yêu cầu truyền tải công suất Giới hạn vật lý tới khả năng truyền tải công suất của một cấu trúc cặpđiện từ được đưa ra là tỷ lệ công suất VA Trong tiến trình thiết kế này, khả năngtruyền tải công suất thì dưới công suất VA sơ cấp và thứ cấp

Một dạng bù nối tiếp thứ cấp có thể cung cấp một điện áp ổn định, trong khidạng bù song song thứ cấp có thể cung cấp một dòng điện ổn định

Một dạng bù nối tiếp sơ cấp thì thông thường được yêu cầu để giảm bớt điện

áp sơ cấp đến các mức có thể điều khiển được đối với các ứng dụng có cuộn dây sơcấp dài, ngược lại một dạng bù song song sơ cấp thì thường được sử dụng để có mộtdòng điện sơ cấp lớn

Trong thủ tục thiết kế bên trên, có hai giả định cơ bản Một là tần số vậnhành giữ nguyên không đổi tại tần số cộng hưởng danh định như được xác địnhtrong (7) Hai là dòng điện sơ cấp là hằng số Tuy nhiên, như được mô tả bên trên,

có nghĩa rằng sẽ có sự dịch pha hay tần số khi tải thay đổi

Khi tần số thay đổi lớn, giả định sự vận hành xung quanh tần số cộng hưởngdanh định thì không có giá trị

Khi có sự dịch pha lớn, sự mong muốn dòng điện sơ cấp không đổi thì không

thể có khi yêu cầu vượt quá khả năng công suất VA của nguồn cung cấp được chọn

Cũng trong trường hợp đó, hệ thống sẽ không thể đưa ra công suất được yêu cầu

2.2.2.5 Chọn lựa tụ bù sơ cấp

Để cực tiểu hóa các vấn đề trên kết hợp với độ dịch pha hay tần số, vận hànhZPA (góc pha bằng 0) sơ cấp tại hay lân cận tần số cộng hưởng thứ cấp thì đượcmong muốn Một phương pháp đơn giản để cân nhắc chọn tụ sơ cấp bởi việc đặtphần ảo của trở kháng tải bằng 0 tại tần số cộng hưởng thứ cấp Phương pháp thiết

kế này không chỉ bù độ tự cảm sơ cấp nhưng cũng tồn tại trở kháng dội khi bù nốitiếp cuộn dây sơ cấp Giải pháp đưa ra trong Bảng 2.3 ứng dụng cho bốn dạng mạch

p

s s

L C s p

s s

2 2 4

2 2

)(

)(

M L L L

R C M

L C M L L

s p s

s

s s s

2

2

) 1 (

1

k k

s p

s s

L R L C L M

L C



1

4 2

p

s s

p pn

L

L C

sơ cấp tại tần số cộng hưởng thứ cấp phụ thuộc vào ba hệ số: sự lựa chọn dạngmạch sơ cấp và thứ cấp, hệ số cặp cảm ứng và hệ số chất lượng thứ cấp.

2.2.2.6 Sự phụ thuộc dạng mạch bù sơ cấp và thứ cấp

Như kết quả bên trên, lựa chọn dạng bù đóng vai trò lớn trong việc chọn đúng tụ sơ cấp Từ khi bù nối tiếp thứ cấp không điện kháng dội tại tần số cộng hưởng danh định, độ tự cảm sơ cấp có thể được điều chỉnh không phụ thuộc cặp cảm ứng hay tải bởi việc mắc nối tiếp một tụ trong mạch sơ cấp Như khi bù song song thứ cấp phản hồi một tải không phụ thuộc dung lượng điện kháng tại tần số cộng hưởng danh định, chuỗi nối tiếp điều chỉnh trong mạch sơ cấp phụ thuộc cặp cảm ứng nhưng không phụ thuộc tải Bởi vì trở kháng dội chứa một phần thực đặc trưng cho tải, song song điều chỉnh sơ cấp trở nên phụ thuộc cả cặp cảm ứng và tải

Về mặt lý thuyết, SS là dạng mạch bù tốt nhất, với tụ bù sơ cấp không phụthuộc cặp cảm ứng hay tải Ba dạng bù khác SP, PP, PS đều phụ thuộc cặp cảmứng, trong khi bù song song sơ cấp là một hàm số của load Mặc dù mạch bù SSdường như là sự lựa chọn tốt nhất về thiết kế cộng hưởng sơ cấp, bù song song cóthể thích hợp hơn trong các mạch cộng hưởng sơ cấp hay thứ cấp cho nhiều ứngdụng bởi vì sự xem xét thực dụng như chú ý trong Phần 2b

Hệ số chất lượng thứ cấp và cặp cảm ứng phải được xem xét trong việc lựa chọn tụ bù sơ cấp Để mà kiểm tra ảnh hưởng của cặp cảm ứng và hệ số chất lượng thứ cấp dựa trên phương pháp thiết kế mạch cộng hưởng sơ cấp, tụ điện sơ cấp đã chuẩn hóa được xác định từ Bảng 2.3, mô tả trong Hình 2.6 nó là một hàm theo hệ

số cặp cảm ứng đối với việc lựa chọn các hệ số chất lượng thứ cấp từ 2 đến 10 Như

hình trên, đối với với dạng mạch bù SS thì không có sự thay đổi hàm Đối với dạng mạch SP yêu cầu một tụ điện sơ cấp lớn hơn với cặp cảm ứng tốt hơn Đối với dạng mạch PP yêu cầu một tụ điện sơ cấp hơi lớn cho cặp cảm ứng rộng với hệ số chất

lượng thứ cấp thấp, nhưng cần một tụ điện sơ cấp nhỏ hơn nếu như cặp cảm ứng được cải thiện hay hệ số chất lượng thứ cấp được gia tăng Một tụ điện sơ cấp nhỏ hơn thì luôn luôn được yêu cầu đối với dạng mạch bù PS và sự tha đổi trở nên rộng hơn với cặp cảm ứng tốt hơn hay hệ số chất lượng cao hơn

Như Hình 2.6, các hệ thống với các hệ số cặp cảm ứng cao chạy rất khác so với các hệ thống cặp cảm ứng dài lòng thòng Đối với k <2, hệ thống có thể được xem xét cặp cảm ứng rộng và các phương pháp thiết kế truyền thống sử dụng công thức (2.7) để xác định tụ điện sơ cấp cho các kết quả tốt Tuy nhiên, cặp cảm ứng cải thiện các đặc tính hệ thống thay đổi một cách đáng kể Sự thay đổi này là một hàm mạnh của cả hệ thống tốt bằng hệ số chất lượng thứ cấp Qs Đối với dạng SS không có vấn đề Ba dạng còn lại thì có Với Qs bằng 10, dạng bù PP và PS bắt đầu lệch từ lý thuyết cặp cảm ứng tại k = 0.2, trong khi Qs<2, độ lệch xảy ra tại k=0.5

Ví dụ về tụ điện sơ cấp đã chuẩn hóa được cho trong Bảng 2.3 Ở đây sựthiết kế thay đổi của ba hệ số k được so sánh với Qs=10 Tụ điện sơ cấp đã yêu cầugần với thiết kế của công thức (2.7) nếu như hệ số k nhỏ Với k = 0.1, trở kháng dộikhông đáng kể và ảnh hưởng đến thiết kế tụ bù sơ cấp dưới 1% Khi k = 0.2, thiết

kế có thể thay đổi khoảng 4% đối với dạng bù SP, 11% đối với dạng bù PP và 14%đối với dạng bù PS Khi k = 0.3, thiết kế có thể thay đổi khoảng 10% đối với dạng

bù SP, 44% đối với dạng bù PP và 45% đối với dạng bù PS

Từ những điều trình bày bên trên có thể thấy rằng cần thận trọng khi ứng dụng cho hệ thống CPS lý thuyết rộng lớn Sự thiết kế truyền thống có ảnh hưởng tốt tới dạng bù SS, và đối với các dạng bù khác với Qs<2 hay k<0.2 Đặc biệt thận trọng khi thiết kế hệ thống với dạng bù PP hay PS cặp cảm ứng tốt và Qs cao

Hình 2.6 Tụ điện sơ cấp đã chuẩn hoá

2.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ CHỈNH LƯU VÀ BỘ LỌC

2.3.1 Khái niệm

Một bộ chỉnh lưu (hay còn gọi là bộ nắn điện) là một mạch điện để biến đổiđiện áp, dòng điện xoay chiều thành điện áp và dòng điện một chiều Bộ chỉnh lưu(Rectifier) cũng còn được gọi là bộ biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều(AC - to -DC Convertor), với ký hiệu

Hình 2.7 Khối chỉnh lưu biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều

Các thiết bị điện tử - viễn thông được nuôi trực tiếp bằng dòng một chiều.Động cơ điện một chiều, thiết bị nạp cho accu, thiết bị mạ điện.v.v đều sử dụngdòng một chiều Trong khi các nguồn một chiều hiện có như: máy phát một chiều,accu, pin mặt trời thì rất đắt và công suất của chúng rất hạn chế, còn nguồn xoaychiều thì lại phổ biến nhất, thuận lợi nhất, công suất có thể coi là "vô tận" mà lại rẻnhất, đó là nguồn điện lưới có tần số 50 Hz hoặc 60Hz Để sử dụng được nguồnđiện lưới cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ điện một chiều, ta phải sử dụng các bộchỉnh lưu

Các van bán dẫn có ưu điểm là:

 Điện áp rơi trên van thấp (sụt áp thuận), do đó hiệu suất cao

 Nhiệt độ khi làm việc thấp

 Thể tích và trọng lượng nhỏ

 Làm việc được tức thời (không có thời gian trễ)

Tuy nhiên chúng có các nhược điểm:

 Chịu nhiệt độ thấp < 1500C

 Chịu quá dòng, quá áp kém

 Các thông số phụ thuộc nhiệt độ

Khi đưa sản phẩm ra thị trường, nhà sản xuất có kèm theo các thông số kỹthuật của linh kiện:

 Dòng điện định mức: Iđm (A)

 Sụt áp thuận: ΔU (V) U (V)

 Điện áp ngược lớn nhất cho phép: Ung max (V)

 Dòng điện ngược lớn nhất Ing max (mA)

Với các thyristor ngoài các thông số trên còn thêm:

 Điện áp điều khiển UG (V)

 Dòng điện điều khiển IGK (mA)

 Dòng duy trì Idt (mA)

2.3.2 Các dạng mạch chỉnh lưu cơ bản

2.3.2.1 Chỉnh lưu một pha không điều khiển

Chỉnh lưu một pha không điều khiển là các bộ chỉnh lưu làm việc với điện

áp xoay chiều một pha và các van nắn là diode, do đó điện áp một chiều đầu rakhông điều khiển được

Các bộ chỉnh lưu một pha là các bộ chỉnh lưu với công suất vừa và nhỏ, thườngkhông quá 15 kW Các bộ chỉnh lưu có công suất lớn thường dùng chỉnh lưu 3 pha

để không làm mất cân bằng các pha điện lưới

2.3.2.2 Chỉnh lưu 1 pha nửa sóng

Với bộ chỉnh lưu kiểu nửa sóng (hoặc chỉnh lưu nửa chu kỳ) thì điện áp xoaychiều đầu vào bộ chỉnh lưu có thể lấy thẳng từ điện lưới hoặc thông qua biến áp nhưHình 2.8 a, b

Nếu tải cần cách ly với điện mạng và điện áp một chiều trên tải khác xa với điện

áp mạng thì phải dùng biến áp (Hình 2.8b)

Hình 2.8 Sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa sóng

Điện áp nguồn đặt vào bộ chỉnh lưu là us

us =UM sinωtDiode D làm nhiệm vụ chỉnh lưu, Rt là tải của bộ chỉnh lưu, có tính thuầntrở Giả sử nửa chu kỳ đầu của điện áp nguồn us, ωt = 0 ÷ π là bán chu kỳ dương của

us nên D thông vì phân cực thuận nên có dòng i0 qua tải

Nửa chu kỳ sau của us, khi ωt = π ÷ 2π là bán chu kỳ âm của us nên D ngắt dophân cực ngược, không có dòng qua tải, i0= 0 và u0 = 0, tại bán chu kỳ này diode

D chịu điện áp ngược

Nếu bỏ qua tổn hao trên diode D và nguồn, ta có các dạng sóng đầu vào, đầu

ra của bộ chỉnh lưu, dòng điện, điện áp ngược trên diode trên hình 2.9