tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu bộ biến đổi front – end trong hệ thống cung cấp nguồn phân tán’

Trong công nghiệp cũng như trongsinh hoạt thường nhật, bộ nguồn điện không chỉ có chức năng cungcâp nguồn điện mà nó còn giúp biến đổi, chuyển hóa các mức điện áp và dòng điện phụ thuộc

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, bộ nguồn điện nói chung là một khái niệm rất quenthuộc trong đời sống hàng ngày Trong công nghiệp cũng như trongsinh hoạt thường nhật, bộ nguồn điện không chỉ có chức năng cungcâp nguồn điện mà nó còn giúp biến đổi, chuyển hóa các mức điện

áp và dòng điện phụ thuộc vào từng yêu cầu của tải.Sự đa dạng về tảitiêu thụ đặt ra các yêu cầu cao hơn về nguồn cung cấp như hiệu suât,mật độ điện năng cao, cung cấp nhiều tải cùng lúc, tổn thất trongmạch nhỏ, độ bền vật liệu, kích thước nhỏ gọn, dải điện áp và dòngđiện ra đa dạng…Với những yêu cầu ngày càng cao đó, hệ thốngnguồn phân tán DPS ra đời như là một nhu cầu cấp bách, mà nó cóthể đáp ứng được hầu hết các yêu cầu đặt ra

Hệ thống nguồn phân tán DPS là một khái niệm tương đối rộng,

nó bao gồm nhiều khâu, nhiều bộ biến đổi kết hợp với nhau trong một

bo mạch khép kín để tạo ra dạng dòng và áp duy nhất cung cấp cho tảinhư các bộ PFC (Power Factor Correction), bộ biến đổi DC/DC, cấutrúc bus trung gian (Intermediate Bus Architecture)…Trong khuôn khổluận văn tốt nghiệp, tôi xin trình bày chủ yếu về bộ biến đổi cộng hưởngLLC là một trong những phương pháp tối ưu khi chọn bộ DC/DC Qua

đó thiết kế thử nghiệm và mô phỏng để so sánh giữa tính toán và thựcnghiệm

Được sự hướng dẫn của Thầy giáo TS Trần Trọng Minh

-Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài luận

văn tốt nghiệp là: “Nghiên cứu bộ biến đổi Front – End trong hệ thống cung cấp nguồn phân tán’’.

Luận văn của tôi gồm có 6 chương sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống nguồn phân tán DPS Chương 2: Bộ PFC(Power Factor Correction)

Chương 3: Bộ biến đổi cộng hưởng

Chương 4: Thiết kế thử nghiệm bộ biến đổi

Chương 5: Thiết kế mạch phản hồi

Chương 6: Mô phỏng

Kết luận và kiến nghị

Đề tài đã được hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn

có sự chỉ bảo, giúp đỡ động viên của các thầy cô giáo, gia đình, bạn

bè và đồng nghiệp Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Thầy giáo - TS Trần Trọng Minh, người đã luôn quan tâm động viên,

khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luậnvăn

Các vấn đề được đề cập đến trong quyển luận văn này chắcchắn không tránh khỏi thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ýkiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2011

Tác giả

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG NGUỒN PHÂN TÁN DPS 1.1 Giới thiệu chung về hệ thống nguồn DPS (Distributed Power System)

1.2 Cấu trúc nguồn DPS

1.2.1 Bộ PFC(Power Factor Correction)

1.2.2 Bộ DC/DC

1.2.2.1 Nguyên lý cộng hưởng

1.2.2.2 Tìm hiểu nguyên lý chuyển mạch ZVS và ZCS

a Chuyển mạch ZCS (Zero Current Switching)

b Chuyển mạch ZVS (Zero Voltage Switching)

1.2.2.3 Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng tải

1.2.3 Tải tiêu thụ

1.3 Ưu nhược điểm của nguồn DPS

1.4 Ứng dụng và phương hướng phát triển nguồn DPS

1.5 Kết luận

Với sự phát triển trong ngành công nghệ thông tin, thị trườngcấp nguồn cho các thiết bị viễn thông và máy tính luôn luôn tăngtrưởng mạnh mẽ Hệ thống nguồn DPS đã được chấp nhận rộng rãi

PFC Front – End

Rectifice

Hình 1.1 Cấu trúc nguồn phân tán

trong các ứng dụng viễn thông và máy tính với tính năng hiệu suất và

ổn định cao Một trong những khối quan trọng trong nguồn DPS, bộbiến đổi DC/DC trong bộ biến đổi front-end vẫn đang chịu áp lựctăng hiệu suất và mật độ công suất Gần đây, yêu cầu về mật độ côngsuất cao với dải tải rộng đang là yêu cầu cấp bách và bộ biến đổicộng hưởng LLC ra đời với tính năng đạt hiệu suất cao với khả năngđáp ứng dải điện áp đầu vào rộng bởi vì đặc tính khuếch đại của nó

Ở chương sau, tôi đi sâu vào phân tích bộ biến đổi cộng hưởng LLCqua đó làm tiền đề để dễ dàng hơn trong việc thiết kế, mô phỏng

2.3.1 Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính

2.3.2 Điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến tính

- PFC) Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn ,em sẽ phát triển ý

tưởng này để chế tạo ra một bộ PFC sử dụng chỉnh lưu tích cực.

a Vùng 1

Hình 3.12 Mô phỏng chế độ hoạt động ở vùng 1.

b Vùng 2

Hình 3.13 Mô phỏng chế độ hoạt động ở vùng 2.

c Vùng 3

Hình 3.14 Mô phỏng chế độ hoạt động ở vùng 3.

3.2.4 Nguyên lý hoạt động

Hình 3.15 Các vùng thời gian trong nguyên lý hoạt động.

3.3 Ưu điểm của bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Bộ biến đổi cộng hưởng LLC có nhiều ưu điểm vượt trội hơn

so với các bộ biến đổi cộng hưởng khác như

- Giảm tổn thất chuyển mạch thông qua chế độ chuyển mạch ZVSdẫn đến nâng cao

hiệu suất

- Dải thay đổi tần số hẹp với dải tải rộng

- Chuyển mạch ZVS với cả chế độ không tải

- Năng lượng lan truyền trong mạch nhỏ

- Dải điện áp đầu vào lớn

- Đạt hiệu suất rất cao

- Điện áp ra nhỏ đi kèm với dòng lớn

- Chuyển mạch ZVS/ZCS đạt được với toàn bộ điều kiện hoạt động

3.4 Một số mạch LLC trong thực tế

3.5 Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng

3.5.1 Phương pháp điều khiển tần số

Ưu điểm:

- Điều chỉnh tần số dải điều chỉnh rộng

- Cấu trúc điều khiển đơn giản

Nhược điểm:

Để đảm bảo van chuyển mạch trong điều kiện ZVS ta chỉ thayđổi tần số chuyển mạch trên tần số cộng hưởng Vì vậy phương phápnày không đảm bảo luôn điều chỉnh trên tần số cộng hưởng Ngoài rakhi trượt tần số đóng cắt thì điện áp đầu ra thay đổi nhiều tùy thuộc

độ dốc đường đặc tính hàm truyền

3.5.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)

3.5.3 Điều khiển cả tần số và độ rộng xung

3.6 Kết luận

Trong chương này, các bộ cộng hưởng lần lượt được phântích và đánh giá để áp dụng vào bộ biến đổi front-end DC/DC Mụctiêu là tìm ra một bộ thích hợp có khả năng đạt hiệu suất cao tại điện

áp đầu vào cao và tổn thất chuyển mạch nhỏ nhất Ba bộ biến đổi

truyền thống đưa ra là bộ SRC, PRC và SPRC Tuy có những ưuđiểm nhưng nhược điểm của cả ba bộ biến đổi là dải đầu vào bị hạnchế và không tận dụng được điện áp đầu vào cao Trong khi đó bộbiến đổi LLC được ra đời như một giải pháp hiệu quả Với bộ LLC,hiệu suất đầu vào tại điện áp cao được tối ưu hóa và bộ biến đổi vẫn

có thể hoạt động ở dải điện áp đầu vào rộng Qua các phân tích vàđánh giá, bộ LLC tỏ ra là có thể làm tăng hiệu suất đáng kể cho bộfront-end DC/DC Và để ổn định điện áp đầu ra của bộ biến đổi cộnghưởng LLC, trong luận văn này tôi sử dụng phương pháp điều chỉnhbằng cách thay đổi tần số, bởi vì qua phân tích các bộ điều khiển trên

ta thây: Phương pháp điều khiển tần số có cầu trúc điều khiển đơngiản, chất lượng điều chỉnh tốt, tổn thất năng lượng trong quá trìnhđiều khiển ít

Chương 4 THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM Giả sử trong thực tế, ta thiết kế một bộ Front-Endvới các sốliệu sau:

* Bộ PFC(Power Factor Correction)

- Điện áp đầu vào bộ PFC : 220 V (AC)

- Điện áp đầu ra bộ PFC : 400 VDC

- Công suất bộ PFC : 3000 W

* Bộ biến đổi cộng hưởng LLC

- Điện áp vào danh định : 400 Vdc ( đầu ra bộ PFC)

4.3 Tính toán các thông số mạch cộng hưởng

4.4 Tính toán chọn máy biến áp

4.4.1 Sơ đồ mạch điện tương đương của MBA

Chương 5 THIẾT KẾ MẠCH PHẢN HỒI 5.1 Cấu trúc mạch phản hồi

Hình 5.1 Cấu trúc mạch phản hồi bộ biến đổi LLC sử dụng bộ ghép

quang.

5.2 Phương pháp điều khiển phản hồi

Có một vài phương pháp phân tích được áp dụng vào việc môhình hoá tín hiệu nhỏ của bộ biến đổi cộng hưởng LLC như phươngpháp ước lượng tổng quát (generalized averaging menthod) vàphương pháp hàm miêu tả đơn giản (simplified describing function).Các phương pháp này được sử dụng rất thành công trong bộ biến đổicộng hưởng nối tiếp LC Tuy nhiên khi áp dụng vào bộ biến đổi LLCthì chúng rất phức tạp Như một giải pháp thay thế các phương pháptrên, phương pháp mô phỏng miền thời gian (time-domainsimulation) đã được đưa ra để mô hình hóa bộ cộng hưởng Phươngpháp này được thực hiện với một tín hiệu đầu vào gây nhiễu, và tín

hiệu đầu ra tại tần số nhiễu này được trích ra và so sánh với tín hiệuđầu vào Bằng cách quét qua tần số nhiễu trong một dải và ghi lại hệ

số tỷ lệ giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra Đồ thị Bode của hàm truyềntương ứng đạt được

5.4 Phân tích tín hiệu nhỏ định hướng cho thiết kế (small-signal analysis)

5.4.1 Khảo sát đặc tính tần số của mô hình tín hiệu nhỏ của mạch LLC

c Mạch bảo vệ quá dòng (OCP)

d Mạch bảo vệ quá dòng bất thường (AOCP)

e Mạch bảo vệ quá tải (OLP)

f Mạch bảo vệ quá áp (OVP)

g Mạch bảo vệ quá nhiệt (TSD)

5.6 Kết luận

Qua chương 5, ta đã phân tích được mạch phản hồi, từ đó tínhtoán các tham số của mạch điều khiển Việc tính toán chọn vankhông cần thiết vì van đã tích hợp trong IC Từ đó lấy số liệu tínhtoán để mô phỏng ở chương 6

Chương 6

MÔ PHỎNG

Trong nội dung luận văn, tôi sử dụng công cụ mô phỏng làphần mềm Matlab của hãng Mathworks Các khối được lấy và xâydựng ở trong Matlab Simulink Dưới đây là sơ đồ mạch vòng kíntổng thể bộ nguồn Frond-End ứng dụng bộ PFC sử dụng chỉnh lưutích cực và bộ cộng hưởng LLC với các số liệu cụ thể đã được tínhtoán ở chương 4

6.1 Mô phỏng bộ PFC sử dụng chỉnh lưu tích cực một pha

Mô hình mô phỏng Bộ PFC sử dụng chỉnh lưu tích cực vớidòng đầu vào hình sin, được xây dựng theo cấu trúc cho trên hình 6.1

Hình 6.1 Mô hình mô phỏng bộ PFC sử dụng chỉnh lưu tích

cực một pha.

Hình 6.2 Dạng dòng điện, điện áp của các phần tử trên sơ đồ

hình 6.1.

Kết quả mô phỏng cho trên hình 6.2 Đồ thị thể hiện dạng củađiện áp phía một chiều Ud và điện áp xoay chiều ngay đầu vào bộbiến đổi uAi, đã qua mạch lọc để thể hiện thành phần sóng cơ bản 50

Hz Có thể thấy sau 0,16 S điện áp một chiều đã đạt được giá trị đặt

400 V Điện áp một chiều có độ đập mạch không thể tránh khỏi ở tần

số 100 Hz trong phương pháp điều khiển này vì bộ điều chỉnh dòngđiện có dạng rất đơn giản Điện áp ngay đầu vào bộ biến đổi có dạngsin, chậm pha một góc nhỏ so với điện áp xoay chiều uA đầu vào.Đây là góc lệch pha  theo biểu đồ vectơ trên hình 2.4 (chương 2)

Đồ thị dạng dòng điện xoay chiều iA trùng pha hoàn toàn so với điện

áp uA, có dạng gần sin Không thể đạt được chất lượng dòng điện sinhoàn toàn trong phương pháp điều khiển này vì ảnh hưởng của độđập mạch điện áp phía một chiều đưa về qua bộ điều chỉnh điện áp

6.2 Mô phỏng bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Hình 6.3 Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng LLC trong Matlab.

Phần mô phỏng sẽ tập trung vào dạng điện áp trên tải, dòngđiện và điện áp trên van, dòng điện và điện áp khối cộng hưởng ,dạng điện áp đầu vào và đầu ra khối điều chỉnh từ đó thấy rõ được ưuđiểm của phương pháp chuyển mạch ZVS, đồng thời cũng thấy được

ưu nhược điểm của phương pháp điều khiển tần số

6.2.1 Đáp ứng dòng điện, điện áp trên tải, điện áp vào khối VCO

Từ dạng sóng của kết quả mô phỏng ta nhận thấy:

Điện áp tải ổn đinh ở 48VDC là giá trị điện áp đặt trong cáctrường hợp tải thay đổi và điên áp đầu vào thay đổi điều này chứngtỏ:

+ Phương pháp điều khiển tần số có khả năng ổn định điện áptải theo đúng lý thuyết phân tích trong chương …khi tải hoặc điện ápvào thay đổi trên hình 3 ta thấy rõ điện áp vào khối VCO đã thay đổitương ứng để thay đổi tần số hoạt động của bộ cộng hưởng từ đó ổnđinh được điện áp ra.

+ Bộ điều khiển PID tổng hợp theo phương pháp ở chương 5

có khả năng ổn định điện áp đầu ra, việc bắt buộc phải cho thêmthành phần Kd vào bộ điều chỉnh để triệt tiêu điểm cực phức ở tần sốcao (beat frequence) thì bộ điều chỉnh mới có đáp ứng tốt trong quátrình quá độ, điều này là hoàn toàn hợp lý với các phân tích có đượckhi khảo sát đặc tính tần số của BBĐ ở chương 5

Những kết quả phân tích trên cho thấy, bộ điều chỉnh đã đápứng được yêu cầu của bộ nguồn chất lượng cao là giữ cho điện ápđầu ra luôn ổn định

6.2.2 Đáp ứng dòng điện, điện áp khối cộng hưởng, tín hiệu điều khiển và dòng điện qua van.

Từ dạng sóng mô phỏng ta có thể thấy:

+ Dòng điện chảy qua khối cộng hưởng rất nhỏ, trễ pha hơnđiện áp đặt vào, van Mosfet được mở với chuyển mạch ZVS Chuyểnmạch ZVS có thể đạt được với dòng điện nhỏ, mà dòng này khôngliên quan đến dòng tải nên ZVS có thể đạt được cả ở chế độ khôngtải Dòng điện này có thể ngắt dòng van Mosfet, Dòng ngắt van cóthể nhỏ hơn dòng tải nên tổn thất ngắt mạch có thể giảm Vậy tổnthất chuyển mạch van rất nhỏ, dòng điện qua van khi bộ biến đổi đãlàm việc ổn định cho thấy ta đã đạt được chuyển mạch ZVS

+ Quan sát dạng dòng điện và điện áp của khối cộng hưởngcùng với dòng điện từ hoá của máy biến áp cho thấy bộ biến đổiđang làm việc trong vùng 2 và có dạng hoàn toàn phù hợp với phântích đưa ra trong chương 3

6.3 Kết luận

Ta mô phỏng ở ba chế độ, với tần số trên cộng hưởng, dướicộng hưởng và tại tần số cộng hưởng Tại tần số cộng hưởng và trêncộng hưởng điện áp và dòng điện đầu ra đạt yêu cầu, bộ cộng hưởnglàm việc ở vùng ZVS, không có tổn thất khi chuyển mạch Khi làmviệc dưới tần số cộng hưởng thì bộ cộng hưởng rơi vào vùng ZCS

hoặc ZVS phụ thuộc vào tải đầy hay non tải Phần mô phỏng đã đápứng được yêu cầu bài toán.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận:

Luận văn đã giới thiệu qua về hệ thống nguồn phân tán DPSđang được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực hiện nay Trong hệthống nguồn phân tán, bộ biến đổi front-end vói thành phần chính làkhối mạch cộng hưởng LLC đã được tôi tìm hiểu và phân tích, qua

đó làm tiền đề cho việc thiết kế thử nghiệm một bộ nguồn áp dụngnguyên lý cộng hưởng LLC Qua tính toán và mô phỏng, tôi thấy kếtquả mô phỏng đạt được giống với những gì đã được tính toán thôngqua chương 3 và chương 4 Qua đó thấy được, với những ứng dụngđòi hỏi điện áp đầu ra thấp và dòng điện cao thì bộ biến đổi cộnghưởng LLC là sự lựa chọn tối ưu nhất, đem lại hiệu suất cao và giảmtổn thất nhất so với các bộ biến đổi khác

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] TS.Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, nhà xuất bản giáo dục,

[5] Bo Yang, Topology investigation for font-end DC/DC power Conversion for Distributed Power System, september 12/2003,

from LG Electrics

[8] Fred C.Lee, Design Considerations for Distributed Power System, A national science Foundation Engineering Research Centre,

2005