ĐỒ ÁN Nghiên cứu hoạt động, thiết kế và lắp ráp bộ Inverter phục vụ cho các nguồn năng lượng phân tán

Mục tiêu của đồ án Đồ án tập trung nghiên cứu hoạt động, thiết kế và lắp ráp bộ Inverter phục vụ cho các nguồn năng lượng phân tán với các thông số như sau: Điện áp đầu vào 24 Vdc Điện áp đầu ra 220Vac Tần số đầu ra 50 Hz Công suất 1000 W 1.4. Cấu hình bộ biến đổi 1.4.1 Cấu hình chung của hệ thống Có nhiều biện pháp để thực hiện bộ biến đổi từ nguồn ắc quy sang nguồn 220V xoay chiều nhưng một trong những biện pháp có hiệu suất và chất lượng điện áp cao nhất là bộ biến đổi hai giai đoạn như hình vẽ: DCDC DCAC 350 400V DC 24V DC 220V AC + ~ Vbus Hình 1.3. Sơ đồ khối bộ Inverter Điện áp đầu vào 24V đi qua bộ điều áp một chiều được nâng lên 350400V. Điện áp này là đủ để thực hiện khâu nghịch lưu độc lập nguồn áp. Sau đây ta sẽ nghiên cứu hoạt động từng khâu. 1.4.2. Bộ biến đổi băm xung một chiều Ngày nay, các bộ biến đổi băm xung một chiều được sử dụng rất phổ biến trong hoạt động hàng ngày , với các ưu điểm về kích thước gọn nhẹ, chất lượng điện áp rất tốt và hiệu suất cao

Mục tiêu của đồ án

Đồ án tập trung nghiên cứu hoạt động, thiết kế và lắp ráp bộ Inverter phục vụ cho các nguồn năng lượng phân tán với các thông số như sau:

- Điện áp đầu vào 24 Vdc

- Điện áp đầu ra 220Vac

- Tần số đầu ra 50 Hz

- Công suất 1000 W

1.4 Cấu hình bộ biến đổi

1.4.1 Cấu hình chung của hệ thống

Có nhiều biện pháp để thực hiện bộ biến đổi từ nguồn ắc quy sang nguồn 220V xoay chiều nhưng một trong những biện pháp có hiệu suất và chất lượng điện áp cao nhất là bộ biến đổi hai giai đoạn như hình vẽ:

1.4.2 Bộ biến đổi băm xung một chiều

Ngày nay, các bộ biến đổi băm xung một chiều được sử dụng rất phổ biến trong hoạt động hàng ngày, với các ưu điểm về kích thước gọn nhẹ, chất lượng điện áp rất tốt và hiệu suất cao

Hình 1.4 Băm xung một chiều: a) nguyên lý và b) đồ thị [3]

Mạch băm xung một chiều sử dụng các linh kiện điện tử công suất có thể điều khiển hoàn toàn để tạo ra được điện áp có dạng 1 chiều ở đầu ra như ý muốn từ một điện áp 1 chiều đầu vào với tổn thất thấp nhất nhờ đặc tính giống như công tắc của các linh kiện này : điện trở khi đóng bằng không và khi ngắt bằng vô cùng Nhờ đó, về mặt lý thuyết, thất thoát năng lượng bằng không

Có thể thấy điện áp đầu ra của mạch băm xung có dạng nhấp nhô, nhưng nếu sử dụng các linh kiện có tần số đóng cắt lớn cộng với mạch lọc phù hợp thì điện áp đầu ra sẽ có dạng đường thẳng ở mức chấp nhận được cho hầu như tất cả các ứng dụng

a.Phân loại:

Có 3 dạng mạch băm xung chính:

 Băm xung một chiều kiểu nối tiếp (Buck Converter):

Buck converter hay còn gọi là step-down converter là mạch băm xung một chiều cơ bản nhất, sử dụng một công tắc bán dẫn mắc nối tiếp băm xung điện áp vào, đưa vào bộ lọc LC trước khi ra tải Diode có nhiệm vụ dẫn dòng liên tục trong cuộn cảm L Điện áp đầu ra luôn nhỏ hơn điện áp đầu vào

Hình 1.5 Băm xung một chiều nối tiếp: a) nguyên lý và b) đồ thị [3]

Hàm truyền của Buck converter: out on on

in on off

V T +T T D được gọi là độ mở van

Ta thấy điện áp đầu ra luôn nhỏ hơn đầu vào Tuy nhiên nếu thêm biến áp xung vào mạch, ta sẽ mở ra khả năng nâng áp cho hệ thống Buck converter là nền tảng cơ bản để

từ đó thiết kế các dạng converter khác có cách ly bằng biến áp phổ biến bao gồm:

Forward Converter, Push-Pull Converter, Half-Bridge Converter, Full-Bridge Converter Các loại mạch băm xung này sẽ được phân tích kỹ ở chương sau

 Băm xung 1 chiều song song

Hình 1.6 Băm xung một chiều song song: a) nguyên lý và b) đồ thị [3]

Boost Converter hay còn gọi là Step-up Converter là mạch băm xung 1 chiều cơ bản

có thể đưa ra điện áp lớn hơn điện áp vào Khóa S được mắc song song với điện áp vào Khi S đóng, năng lượng được tích trữ vào cuộn cảm, đồng thời diode D khóa Khi S khóa, D dẫn và năng lượng này được truyền đến đầu ra

Hàm truyền của Boost Converter : out

in

=

V 1 - DBoost Converter không có dạng có biến áp cách ly

 Băm xung một chiều kiểu nối tiếp-song song (Buck- Boost Converter):

Hình 1.7 Băm xung một chiều nối tiếp-song song: a) nguyên lý và b) đồ thị [3] Buck-Boost Converter kết hợp khả năng của Boost Converter và Buck Converter khi

có thể tạo ra điện áp ra lớn hơn hoặc bé hơn điện áp vào trong một khoảng cho phép Khi

S đóng, dòng điện nạp năng lượng cho cuộn cảm L, diode D khóa Lúc S khóa, D dẫn dòng từ cuộn cảm và tụ C cũng phóng điện

Hàm truyền của Buck-Boost Converter : out

in

=

V 1 - DBuck-Boost Converter có một dạng có biến áp cách ly là Flyback Converter

b Các chế độ dòng điện:

Như đã phân tích ở trên, trong tất cả các mạch băm xung, luôn xuất hiện mạch lọc LC với nhiệm vụ san bằng điện áp ra Tác dụng của LC có thể được hiểu theo nguyên tắc: chúng nạp năng lượng khi S đóng và giải phóng năng lượng này khi S ngắt nhằm duy trì năng lượng cho tải Trong đó, cuộn cảm L đóng vai trò giữ cho dòng không đổi để đầu ra

có dạng 1 chiều Khi được cấp nguồn , dòng qua L không tăng đột ngột mà tăng dần theo hiện tượng cảm ứng điện từ và khi ngắt ra khỏi nguồn, dòng cũng giảm dần

Trong thực tế, có 3 chế độ dòng có thể xảy ra cho cuộn cảm:

- Chế độ dòng liên tục (CCM-continuous conduction mode): IL tăng từ giá trị

Ivalley đến giá trị Ipeak rồi lại giảm xuống Ivalley khi S khóa Do dòng không bao giờ về 0 nên chế độ này được gọi là chế độ dòng liên tục

- Chế độ dòng gián đoạn (DCM-discontinuous conduction mode): IL tăng từ 0 đến Ipeak khi S đóng và khi S khóa, dòng giảm về 0 trước khi S đóng lại trong chu kỳ tiếp theo

- Chế độ biên (BCM-boundary or borderline conduction mode hoặc CRM- critical conduction mode) : mạch điều khiển sẽ điều chỉnh sao cho khi thất IL vừa giảm về 0, S sẽ đóng để nạp lại cho L, tức là năng lượng của L sẽ được giải phóng hết trước chu kỳ tiếp theo

Những tính toán cụ thể cho thấy rằng việc lựa chọn L sẽ ảnh hưởng đến chế độ dòng điện qua nó Có một giá trị Lb để xác định ranh giới hai chế độ CCM và DCM

1.4.3 Nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha

Ngày nay, khi công nghệ chế tạo và điều khiển các vân bán dẫn điều khiển hoàn toàn

đã hoàn chỉnh rất nhiều nên trong nghịch lưu nguồn áp người ta chỉ sử dụng các van điều khiển hoàn toàn như IGBT, MOSFET, BJT, GTO

E

Iin

Iout

Cin Q1

Hình 1.8 Các sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp

Sơ đồ nghịch lưu nguồn áp phổ biến trong thực tế bao gồm 2 loại nghịch lưu với nguyên lý hoạt động tương tự nhau: bán cầu và nghịch lưu cầu Trong đó, nghịch lưu cầu đơn giản và dễ thực hiện hơn Ta sẽ xem xét hoạt động của nghịch lưu điện áp hình cầu Với phương pháp điều chế thông thường, các van sẽ đóng mở theo cặp, cặp Q1 và Q4

mở trong một nửa chu kỳ và đóng trong một nửa chu kỳ còn lại, cặp Q2 và Q3 hoạt động ngược lại với cặp Q1 và Q4 Kết quả sẽ có điện áp dạng xung chữ nhật như hình vẽ

Hình 1.9 Dạng xung nghịch lưu độc lập nguồn áp một pha Nếu tải có tính chất cảm thì dòng điện không thay đổi lập tức về chiều và độ lớn khi điện áp thay đổi Điều đó tạo ra những khoảng thời gian mà năng lượng được trả về và

tích vào tụ Cin, ứng phần dòng điện âm trên đồ thị Trên phần này, các cặp điốt sẽ thay van dẫn dòng

Điện áp hình xung chữ nhật nếu phân tích theo phổ Fourier sẽ gồm các thành phần sóng 2 bậc lẻ 1.3.5… với biên độ lần lượt là 4E/π, 4E/3π, 4E/5π Với phụ tải yêu cầu hình sin, chúng ta phải thiết kế các bộ lọc để lọc các sóng hài bậc cao Tuy nhiên các bộ lọc này có kích thước rất lớn và chưa tối ưu

Trên thực tế để cải thiện chất lượng điện áp và giảm kích thước bộ lọc, người ta sử dụng các phương pháp nghịch lưu khác như phương án điều chỉnh điện áp đầu vào, thay đổi độ rộng xung hoặc cộng điện áp nhiều bộ nghịch lưu Phương án điều chế dộ rộng xung PWM là phương án tối ưu và được sử dụng rộng rãi hiện nay

1.4.4.Phương pháp PWM để nâng cao chất lượng điện áp nghịch lưu

Phương pháp PWM có những ưu điểm vượt trội sau so với các phương pháp khác:

- Vừa điều chỉnh được điện áp, vừa điều chỉnh được tần số

- Điện áp đẩu ra rất gần hình sin với kích thước bộ lọc nhỏ

- Có thể dùng chỉnh lưu không điều khiển ở đầu vào làm tăng hiệu quả sơ đồ Nội dung của phương pháp biến điệu độ rộng xung là so sánh một sóng sin chuẩn có tần số như tần số mong muốn với một điện áp răng cưa tần số cao, cỡ 2÷10hHz Có 2 dạng đơn giản của phương pháp là điều chế 1 cực tinh và 2 cực tính Theo dạng điện áp một cực tính, trong những khoảng điện áp sin chuẩn cao hơn răng cưa, điện áp ra tải là +E, trong các khoảng còn lại điện áp ra tải là 0 Với phương pháp hai cực tính, các điện

áp này lần lượt là +E và –E Ta có thể thấy rõ ở đồ thị:

Hình 1.10 Phương pháp điều chế PWM hai cực tính và một cực tính

Để thực hiện phương pháp điều chế hai cực tính, hai cặp van vẫn thực hiện đóng mở ngược nhau trong một chu kỷ sóng sóng mang, trong những khoảng điện áp sin chuẩn cao hơn răng cưa thì cặp Q1-Q4 dẫn và ngược lại thì cặp Q2 –Q3 dẫn

Để thực hiện phương pháp điều chế một cực tính, một van trong mỗi cặp sẽ dẫn trong suốt một nửa chu kỷ sóng điều chế, van còn lại sẽ thực hiện đóng mở theo so sánh sóng mang và sóng sin chuẩn

Để đơn giản trong điều khiển, ta lựa chọn phương án hai cực tính

Ta thấy, trong một chu kỳ sóng mang,mạch sẽ dẫn điện áp +E trong 1 khoảng thời gian DTm, với D là độ mở van cặp Q1-Q4, Tm là chu kỳ sóng mang đồng thời dẫn điện áp –E trong thời gian (1-D).Tm Giá trị điện áp ra trung bình trong chu kỳ sóng mang đó là:

Giá trị biên độ của điện áp ra sẽ ứng với giá trị độ mở van lớn nhất

Trong các chương tiếp theo ta sẽ thực hiện tính toán cụ thể để thiết kế bộ nghịch lưu qua hai giai đoạn

Chương 2 sẽ phân tích và lựa chọn phương án cho bộ DC-DC, sau đó tính chọn các thiết bị mạch lực, thông số bộ điều khiển và mô phỏng bộ DC-DC

Chương 3 sẽ phân tích và tính chọn bộ nghịch lưu độc lập điện áp, mô phỏng bộ nghịch lưu và hệ thống tổng thể

Chương 4 sẽ xây dựng mạch thực nghiệm qua các bước

Chương 5 sẽ tìm hiểu về phần mềm trên vi xử lý

Cuối cùng, chương 6 là các kết quả thực nghiệm

Chương 2 THIẾT KẾ MẠCH LỰC KHÂU DC-DC 2.1.Yêu cầu thiết kế

Như đã phân tích ở chương 1, để tạo ra điện áp hình sin chuẩn bằng phương pháp điều chế PWM sau bộ nghịch lưu thì điện áp đầu vào tối thiểu của nó là:

Như vậy chúng ta có các số liệu yêu cầu thiết kế như sau:

Bảng 2-1: Số liệu yêu cầu thiết kế bộ điều chỉnh DC-DC

2.2.Phân tích và lựa chọn phương án bộ DC-DC

Từ yêu cầu thiết kế của bộ băm xung một chiều ta thấy băm xung là bộ tăng áp với hệ

số tăng áp khá lớn: Vout/Vin = 14,6 Cộng với công suất lớn ở đẩu ra nên ta lựa chọn các phương án băm xung có biến áp để đảm bảo cách ly giữa đầu vào và đầu ra và cung cấp một hệ số nâng áp thích hợp giảm gánh nặng điều chỉnh độ mở van D

Như vậy, cần xem xét các phương án sau:

2.2.1.Flyback Converter

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý Flyback Converter và đường cong từ hóa [4]

Flyback converter được phát triển từ Buck-Boost Converter, với thành phẩn cuộn cảm tích lũy năng lượng được thay bằng cuộn sơ cấp của máy biến áp Máy biến áp được đấu ngược đầu như hình vẽ Điốt D được nối vào sau cuộn thứ cấp để dẫn dòng 1 chiều

Hình 2.2 Đồ thị dòng và áp trên cuộn sơ cấp và thứ cấp biến áp [4]

Khi khóa Q1 thông trong thời gian ton, dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp máy biến áp Cuộn cảm trong mạch không cho dòng tăng đột ngột mà tăng dần theo tỉ lệ dI/dt =

VDC/LP.Ở phía thứ cấp, do cực Anode của D được nối vào đầu âm của cuộn thứ cấp (máy biến áp mắc ngược) nên D khóa, cuộn thứ cấp không có dòng điện Điện áp đầu ra được duy trì nhờ tụ Co

Khi Q1 khóa, để đảm bảo không thay đổi dòng đột ngột trên cuộn sơ cấp, điện áp trên cuộn sơ cấp ngay lập tức bị đảo ngược, và trên cuộn thứ cấp điện áp cũng đảo chiều, dẫn đến việc D phân cực thuận và điện áp trên cuộn thứ cấp lúc này bằng điện áp ra Vout và cuộn sơ cấp sẽ cảm ứng một điện ápVr = Vout.n với n là hệ số biến áp.Dòng qua cuộn thứ cấp giảm dần và sẽ về 0 hoặc một giá trị dương tùy vào chế độ dòng điện

Vr được gọi là điện áp phản xạ, nhằm nói đến việc điện áp trên cuộn thứ cấp đã gây ra điện áp trên cuộn sơ cấp Đây cũng là nguồn gốc của cái tên Flyback Converter

Tính toán chi tiết đưa ra mối quan hệ điện áp: out

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý Forward Converter và đường cong từ hóa [4]

Forward Converter được phát triển từ Buck Converter, biến áp chỉ đơn thuần đóng vai trò truyền dẫn năng lượng Các điốt D2, D3 đùng để điều chỉnh cho dòng điện chỉ chạy theo 1 chiều, tụ Lo và Co có vai trò tích lũy năng lượng qua đó giữ ổn định dòng và áp đầu ra

Cuộn dây thứ 3 của máy biến áp được gọi là cuộn reset có mục đích dẫn dòng từ hóa khi Q1 khóa và giảm dần nó về 0 để tránh bão hòa từ

Khi Q1 dẫn, điện áp VDC được đưa vào cuộn sơ cấp và truyền qua cuộn thứ cấp, D2 dẫn và D3 khóa, điện áp thứ cấp được đưa đến tải Dòng trên các cuộn sơ cấp và thứ cấp tăng dần

Khi Q1 khóa, điện áp trên cuộn sơ cấp và thứ cấp đều đổi dấu, D2 khóa và D3 dẫn, điện áp ở điểm B về 0 như hình vẽ, điện tải được duy trì nhờ năng lượng ở tụ điện Lúc này D1 cũng dẫn dòng trên cuộn sơ cấp và giảm dòng đó dần xuống 0 Tỉ số vòng dây cuộn reset và cuộn sơ cấp được chọn sao cho dòng từ hóa trong mạch giảm về không trước mỗi chu kỳ mới

Hình 2.4 Điện áp và dòng trên cuộn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp[4]

Tính toán chi tiết đưa ra mối quan hệ điện áp: out

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý Push-Pull Converter và đường cong từ hóa [4]

Push-Pull Converter được phát triển từ Forward Converter với cải tiến để biến áp được từ hóa theo 2 chiều Biến áp sơ cấp có 2 cuộn dây quấn cùng chiều và nối vào 2 van

Q1, Q2 như hình vẽ.Bên thứ cấp cũng có 2 cuộn dây đấu trung tính và nối với các điện trở nắn dòng D1 và D2 Các vòng dây bên sơ cấp có số vòng bằng nhau, tương tự ở bên thứ cấp

Các van được lần lượt đóng mở trong mỗi nửa chu kỳ Do đó độ mở van D không vượt quá 0,5

Khi Q1 dẫn, điện áp VDC được đưa vào mạch theo chiều âm, điện áp này truyền sang phía thứ cấp và làm D1 dẫn, D2 khóa và một điện áp dương được đặt vào điểm A

Khi Q2 dẫn, quá trình diễn ra theo chiều ngược lại như trên hình 2.6

Phần thứ cấp của máy biến áp bao gồm 2 cuộn sơ cấp và D1, D2 về bản chất hoạt động như một bộ chỉnh lưu hình tia, chúng có nhiệm vụ chỉnh lưu điện áp 2 chiều trên cuộn sơ cấp thành điện áp 1 chiều ở A Chúng có thể được thay bằng bộ chỉnh lưu cầu, lúc đó thứ cấp biến áp chỉ bao gồm một cuộn dây

Hình 2.6 Dạng điện áp trên các cuộn biến áp và ở điểm A[4]

Tính toán chi tiết đưa ra mối quan hệ điện áp: out

Half-Bridge Converter có hoạt động tương tự như Push-Pull Converter, chúng đều tạo

ra các điện áp sơ cấp đảo chiều và được chỉnh lưu ở bên thứ cấp như hỉnh 2.8

Hình 2.7.Sơ đồ nguyên lý Half-Bridge Converter và đường cong từ hóa [4]

Ở Half-Bridge Converter điện áp sơ cấp được tạo ra bằng cách đưa hai điện áp VDC/2 trên hai tụ điện lần lượt vào cuộn sơ cấp theo 2 chiều Do đó mạch chỉ cần một cuộn sơ cấp nhưng cần thêm 2 tụ điện điện dung lớn

Phía bên thứ cấp bộ chỉnh lưu cũng có thể là hình tia hoặc hình cầu

Hình 2.8.Dạng điện áp trên các cuộn biến áp và ở điểm B[4]

Tính toán chi tiết đưa ra mối quan hệ điện áp: out

Hình 2.9.Sơ đồ nguyên lý Full-Bridge Converter và đường cong từ hóa [4]

Ở Full-Bridge Converter cũng chỉ có một cuộn sơ cấp Các van Q1, Q4 cùng dẫn hoặc cùng khóa ngược với cặp Q2 Q3 Khi Q1, Q4 dẫn, điện áp VDC được đưa vào mạch theo chiều dương và khi Q2, Q3 dẫn, điện áp VDC được đưa vào theo chiều âm Do đó bên sơ cấp của máy biến áp cũng chỉ cần 1 cuộn dây, nhưng ở đây đòi hỏi 4 van công suất

Hình 2.10.Dạng điện áp trên các cuộn biến áp và ở điểm B[4]

Tính toán chi tiết đưa ra mối quan hệ điện áp: out

- Ở Flyback và Forward Converter, biến áp hoạt động chỉ trên góc phần tư thứ nhất của đường cong B-H Như vậy với dòng điện lớn như trong yêu cầu thiết

kế, rất dễ xảy ra hiện tượng bão hòa từ, làm cho mạch không hoạt động đúng

Để tránh hiện tượng này, chỉ có biện pháp tăng kích thước máy biến áp, điều

đó lại dẫn đến mạch cồng kềnh và có giá thành cao Như vậy ta không sử dụng hai dạng mạch trên trong thiết kế này

- Các dạng mạch còn lại bao gồm Push-Pull, Half-Bridge và Full-Bridge đều có máy biến áp được từ hóa theo hai chiều Nguyên tắc hoạt động của chúng giống nhau: tạo ra điện áp đảo chiều trên sơ cấp biến áp và chỉnh lưu chúng ở phía thứ cấp Trên thực tế các mạch này đều đã được sử dụng trong các thiết kế tương tự và đều đạt hiệu suất tốt ([2])

Ta sẽ xét các yếu tố còn lại bao gồm độ phức tạp khi thực hiện mạch và điều khiển cũng như giá thành để quyết định chọn dạng mạch phù hợp:

- Mạch Push-Pull cần 2 cuộn sơ cấp Tuy nhiên trong mạch nâng áp số vòng dây thứ cấp rất bé nên đây không phải là một nhược điểm Khi xem xét kỹ ta thấy các van phải chịu được điện áp là 2VDC nhưng do VDC không lớn nên có thể chọn được các loại van dễ dàng đáp ứng yêu cầu này

Mặt khác, hai van đều ở phía thấp nên rất dễ dàng khi điều khiển

- Mạch Half-Bridge chỉ có một cuộn sơ cấp nhưng lại có 2 tụ lọc một chiều Hai

tụ này nhất thiết phải có giá trị điện dung lớn, chúng có vai trò then chốt trong hoạt động của mạch.Điện áp van chỉ là VDC

Mạch điều khiển đòi hỏi phải điều khiển van cả phía thấp và phía cao

- Mạch Full-Bridge chỉ có một cuộn sơ cấp nhưng lại có 4 van

Mạch điều khiển của Full-Bridge là phức tạp nhất khi có cần điều khiển 4 van

ở phía thấp và phía cao

Như vậy ta lựa chọn mạch DC-DC theo nguyên tắc của Push-Pull Converter với ưu điểm lớn nhất là điều khiển đơn giản và mạch phẩn cứng không quá phức tạp

Một vấn đề khác cần được xem xét là dạng mạch chỉnh lưu ở phía thứ cấp Như đã phân tích ở trên, phía thứ cấp ta có thể dùng mạch chỉnh lưu hình cầu hoặc hình tia:

- Với mạch chỉnh lưu hình tia, ta phải dùng 2 cuộn thứ cấp ở máy biến áp Với

số vòng dây lớn ở thứ cấp thì biến áp sẽ có kích thước lớn và rất khó quấn Mặt khác, các điốt phải chịu điện áp ngược bằng 2 lần điện áp đỉnh trước chỉnh lưu Điện áp này có thể lên tới cỡ 1000V

- Với mạch chỉnh lưu cầu, chỉ cần 1 cuộn thứ cấp, sẽ giảm kích thước biến áp

Mặt khác, mỗi điốt chỉ phải chịu điên áp bằng điện áp đỉnh trước chỉnh lưu.Tuy phải cần 4 điốt, nhưng điốt này rất dễ tìm và giá thành thấp

Như vậy ta lựa chọn phương áp chỉnh lưu hình cầu

Kết luận: mạch được lựa chọn là mạch theo nguyên tắc Push-Pull và chỉnh lưu hình

cầu như hình vẽ:

Load Co

2.3.1.Phân tích cụ thể hoạt động của mạch

Mạch trên hình 2.11 được phân tích cụ thể để làm có sở tính chọn thiết bị

Hình 2.12 Chu kỳ của tín hiệu điều khiển van Các van hoạt động chỉ trong 1 nửa chu kỳ, không bao giờ đóng mở cùng nhau và có một khoảng thời gian cả hai van cùng đóng

a.Giai đoạn Q1dẫn, Q2 khóa:

Khi Q1 dẫn, đầu không có chấm có điện áp dương hơn đầu có chấm D2, D3 khóa và

D1,D4 dẫn Với giả thiết số vòng dây trên mỗi cuộn sơ cấp là như nhau (NP1 = NP2), ta có điện áp trên mỗi cuộn sơ cấp:

VP = -(VDC – VQ1,on) (2.2)

VQ1,on là điện áp rơi trên van Q1 khi dẫn

Điện áp đặt lên van Q2:

VQ2,off = 2VDC - VQ1,on (2.3)

Dòng điện từ hóa :

  DC Q1,on M

M

-V +V

I t =

LM là điện cảm cuộn sơ cấp

Dòng điện từ hóa được tính xuất phát từ công thức LdI/dt =UL

Điện áp trên cuộn thứ cấp:

Trên cuộn cảm LO sẽ xuất hiện điện áp tự cảm, điện áp này được tính theo mối quan

hệ với các điện áp còn lại:

VL = (VDC - VQ1,on)/n - 2VD,on - Vout >0 (2.6)

Dòng điện qua cuộn cảm được rút ra từ công thức LdI/dt =UL:

IL(t)= IL(0) + VL .t/LO (2.7)

Ta thấy dòng tải tăng trong giai đoạn này

b.Giai đoạn Q2 dẫn, Q1 khóa:

Khi Q2 dẫn, đầu có chấm có điện áp dương hơn đầu không có chấm D1,D4 khóa và

D2, D3 dẫn Tương tự như trên, ta có điện áp trên mỗi cuộn sơ cấp:

VP = VDC – VQ2,on (2.8)

VQ2,on là điện áp rơi trên van Q2 khi dẫn

Dòng điện từ hóa :

  DC Q2,on M

Điện áp trên cuộn cảm LO:

VL = (VDC - VQ2,on)/n - 2VD,on - Vout >0 (2.11)

Dòng điện qua cuộn cảm:

IL(t)= IL(0) + VL .t/LO (2.12)

Ta thấy dòng qua cuộn cảm tăng trong giai đoạn này

c.Giai đoạn Q1 và Q2 cùng khóa:

Trong 1 chu kỳ hoạt động của mạch có 2 khoảng thời gian cả Q1 và Q2 cùng đóng (TR)

Điện áp trên mỗi van:

Tuy nhiên, trong quá trình chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái khóa, dòng điện qua van và cuộn cảm sẽ giảm đột ngột làm cho trên cuộn cảm xuất hiện suất điện động tự cảm rất lớn, làm điện áp trên van tăng đột ngột trước khi đạt giá trị VDC

Ở phía sơ cấp, khi một van đang dẫn chuyển sang khóa, dòng điện trong cuộn cảm LO

sẽ tiếp tục đi theo chiều trước đó, các điốt sẽ dẫn dòng này

Điện áp trên cuộn cảm:

Rút ra dòng điện qua cuộn dây:

IL(t) = IL (ton) – (Vout – 2 VD).t/LO (2.15)

Như vậy dòng điện qua cuộn dây giảm trong giai đoạn này

Ở chế độ dòng liên tục, dòng điện tải sẽ có dạng răng cưa với giá trị trung bình

IO,av,nom

Từ phân tích như trên ta có dạng đồ thị dòng và áp trên các phần của mạch

2.3.2 Dạng điện áp và dòng điện trên mạch

Hình 2.13 Dạng điện áp và dòng điện bên phía sơ cấp [4]

Ta thấy rằng các van chịu điện áp cực đại vào khoảng 2VDC nếu như không kể đến xung điện áp khi chuyển trạng thái từ khóa sang dẫn Ta có thể khắc phục điện áp này bằng cách sử dụng mạch snubber để không cho dòng qua cuộn cảm giảm quá nhanh Dòng vào Iin có thể thu được bằng cách chồng chập dòng qua 2 van

Từ đồ thị và biểu thức dòng điện qua cuộn cảm LO ta có thể rút ra hàm truyền của mạch dựa trên 2 giả thiết sau:

- Trong chế dộ dòng liên tục, dòng điện cuối giai doạn TR bằng dòng điện đầu giai đoạn TON và ngược lại

- TR+TON = T/2

Từ đó rút ra: Vout = 2 VDC.D/n với D = TON/T

Dễ dàng nhận thấy rằng, do có 2 xung đồng thời hoạt động trong một chu kỳ PWM nên D có giới hạn trên là 50% Hoặc từ công thức trên có thể đưa ra công thức Dmax dựa trên điện áp vào cực tiểu VDC,min (bỏ qua VQ1,ON):

Dmax = out

DC,min

n.V

Hình 2.14 Dạng điện áp và dòng điện bên thứ cấp [4]

Ta thấy đòng điện qua cuộn sơ cấp và thứ cấp có dạng răng cưa nhấp nhô Ta có thể tính gần đúng giá trị hiệu dụng của các dòng này để phục vụ cho việc tính toán kích cỡ dây

Sau đây ta sẽ tính toán cụ thể cho mạch sử dụng nguyên tắc của Push-Pull Converter

 Chọn giá trị Dmax

Dmax là giá trị rất quan trọng để tính toán các đại lượng trong mạch Như đã nói ở trên

Dmax không vượt quá 50% Ở đây ta chọn Dmax = 0,45

 Dòng điện bên phía sơ cấp

Ta có công suất đầu vào được tính theo công thức:

PI = VDCIP,mr.2Dmax (2.17)

Công thức này có thể dễ dàng suy ra từ đồ thị hình 2.13

Với là hiệu suất mong muốn, ở đây tạm lấy 0,85%

Từ 2 công thức này suy ra dòng điện trung bình:

Điện áp lớn nhất trên MOSFET như đã nói ở trên, có giá trị bằng 2VDC Trong thiết

kế, các tài liệu thường sử dụng hệ số an toàn 1,3 Ta có:

Dạng dòng điện đi qua cuộn cảm đầu ra được miêu tả ở hình 1.8 Ta có giá trị dòng điện trung bình:

 Các thông số máy biến áp và tính toán sơ bộ:

Tỉ số máy biến áp: sử dụng công thức 2.16 ta rút ra được n= NP/NS = 1/19

Dòng hiệu dụng đầu vào sơ cấp cũng là dòng hiệu dụng MOSFET tức là 41,4A Dòng hiệu dụng đầu ra là 1,92A như tính toán ở trên

Dòng trung bình đầu ra là 2,86A

Việc chọn lõi biến áp quyết định các thông số còn lại của biến áp Do điều kiện không cho phép, ta chọn theo các thiết kế tham khảo [2] và [5], với lõi sắt ferit có tiết điện lõi 3,5cm2

Biến áp hoạt động trên 2 góc phần tư của đường cong B-H với tần số cao, 100kHz ta lấy độ biến thiên cường độ từ trường lớn nhất là 0,15 Tesla

Theo tài liệu [6], số vòng dây sơ cấp:

NP = 1

x c

t U

B S

Với tX là độ rộng 1 xung, tx = Dmax.T = 4,5.10-6 s

U1 là điện áp sơ cấp, ở đây lấy là VDC

Rút ra NP = 2 vòng Suy ra NS = NP/n = 38 vòng

Với dòng hiệu dụng đẩu ra là 1,92 A, ta chọn dây sơ cấp là dây đồng có đường kính 1,5mm Bên sơ cấp ta dùng dây có đường kính 3mm

Biến áp được quấn bằng tay và đã được thử nghiệm hoạt động tốt

 Chọn điốt chỉnh lưu với phương án chỉnh lưu cầu:

Với phương án chỉnh lưu hình tia điện áp ngược lớn nhất là 2 lần điện áp chỉnh vào chỉnh lưu:

đ ố= N.VDC, max=532V Dòng điện qua mỗi điốt bằng 1 nửa dòng trung bình:

O, av,nom diode

I

2Điốt được lựa chọn có nhãn hiệu SF58 có thông số I = 5A, Vng, max =800V

 Chọn cuộn cảm đầu ra:

Độ lớn của cuộn cảm quyết định độ phẳng của dòng điện đầu ra, khi cuộn cảm đủ lớn, mạch sẽ hoạt động ở chế độ CCM

Trong thiết kế này ta chọn chế độ dòng CCM với độ nhấp nhô là 15% Rút ra giá trị dòng nhấp nhô ∆I = 0,15 IO,av, nom = 0,43A

(1-2D)V1

32 ΔV L



∆VO là giá trị điện áp nhấp nhô, ở đây chọn là 0,1% VO = 0,35V

Dòng qua cuộn L bao gồm thành phần trung bình và thành phần xoay chiều biến thiên Thành phần trung bình chính là giá trị IO và được đưa ra tải, thành phần biến thiên chủ yếu chạy trong tụ điện và gây ra 1 điện áp trên điện trở ký sinh của tụ

Do đó,điện trở ký sinh của tụ phải nhỏ hơn :

O ERS,max

nó đột ngột bị ngắt sẽ xuất hiện một điện áp tự cảm rất lớn đặt lên MOSFET (xem hình 2.13)

Để khắc phục điều này, ta sử dụng mạch đệm hỗ trợ đóng mở, gọi là Snubber, nhằm cung cấp một con đường để dòng điện giảm dần trước khi về 0, hoặc nói cách khác là giải phóng năng lượng trên cuộn sơ cấp khi nó bị ngắt khỏi mạch Mạch snubber còn cho phép giảm tổn thất khi chuyển mạch

Có hai dạng snubber phổ biến là RC và RCD.Ta lựa chọn mạch Snubber có cấu hình RCD do có các ưu điểm sau [6]:

- Giảm xung điện áp đỉnh

- Giảm tổn thất chuyển mạch trên van và trên mạch đệm

- Đảm bảo van làm việc trong vùng an toàn hơn

Hình 2.15 Mạch đệm RCD Hình 2.15 là mạch đệm RCD, cuộn cảm ở đây đại diện cho cuộn sơ cấp của máy biến

áp

Mạch đệm RCD hoạt động theo nguyên tắc: khi Q khóa, điốt sẽ dẫn dòng đang chạy trong mạch và nạp năng lượng cho tụ, điện áp tụ tăng dần đến cực đại là VDC Năng lượng này sau đó được giải phóng trên R qua van khi Q dẫn

Giá trị điện dung được tính theo công thức [6]:

Cs = I.ts/4.Eo (2.23)

Với: I là dòng chạy qua van trước lúc đóng, I = IP = 61,72A

ts là thời gian khóa của van, từ datasheet ta có ts = 0,12µs

EO là điện áp đặt lên van, ở đây chính là VDC =24V

Thay số vào ta có Cs = 0,08µF.Lấy Cs là 0,1µF

Điện trở được tính để có thể giải phóng hết năng lượng khi van dẫn Thời gian van dẫn nhỏ nhất ton, min được lấy là 0,1T = 1µs Ta có:

Rs = ton,min/2Cs = 5Ω

Công suất của điện trở này:

PR = 0,5f.Cs.EO2 = 2,88W ≈3W

Như vậy ta chọn loại điện trở 5Ω,3W

b Mạch bảo vệ cho điốt

Khi điốt chỉnh lưu chúng liên tục chuyển trạng thái dẫn dòng theo các giai đoạn của mạch: từ dẫn toàn bộ dòng tải đến đẫn ½ dòng tải và chuyển sang khóa hoàn toàn Mỗi khi chuyển trạng thái dẫn, điện áp trên chúng sẽ có những xung nhảy vọt rất nguy hiểm Mạch RC mắc song song với điốt sẽ hạn chế tốc đọ tăng điện áp bảo vệ cho điốt

Tính toán giá trị của mạch RC khá phức tạp, ở đây ta sừ dụng số liệu từ các thiết kế tham khảo [4] và [5], chọn R có giá trị 1kΩ 3W và C là 150pF

Hình 2.16 Mạch RC bảo vệ điốt

2.3 Điều khiển mạch DC-DC

Ta sử dụng phương pháp điều khiển điện áp để điều khiển mạch DC-DC Điện áp được phản hồi về với hệ số phản hồi kph = 0,01 Bộ điều khiển được sử dụng là bộ PI Việc xác định hàm truyền của hệ thống có các phần tử đóng cắt rất phức tạp nên trong phạm vi của đồ án tốt nghiệp này ta sử dụng phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols thứ nhất để xác định hệ số KP,KI của bộ điều khiển