Nghiên cứu ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất trong công nghệ năng lượng sạch, công suất nhỏ

Tìm hiểu về các nguồn năng lượng mới và tái tạo sử dụng máy phát thải đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Nghiên cứu cấu trúc và nguyên lý làm việc của các bộ biến đổi điện tử công suất. Lựa chọn cấu trúc và đảm bảo chất lượng điện áp ra. Mô phỏng các bộ biến đổi trên phần mềm Matlab và Simulink.

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG

SUẤT TRONG CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG SẠCH,

CÔNG SUẤT NHỎ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LÊ VĂN KHƯƠNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG SẠCH, CÔNG SUẤT NHỎ

Chuyên ngành : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

…

NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS Nguyễn Văn Liễn

Hà Nội – 2013

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình tìm hiểu nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hướng dẫn của Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Liễn cùng các thầy cô trong b ộ môn và các nguồn tài liệu tham khảo đã trích dẫn Kết quả nghiên cứu là trung thực

H ọc viên

Lê Văn Khương

1

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

LỜI NÓI ĐẦU 6

I Tính cấp thiết của đề tài 7

II Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 7

III Phương pháp thực hiện nghiên cứu 7

IV Nội dung nghiên cứu 8

Chương 1 9

TÌM HIỂU VỀ CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 9

1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO 9

1.1.1 Ưu điểm và nhược điểm của nguồn năng lượng mới và tái tạo 9

1.1.2 Các nguồn năng lượng mới và tái tạo 9

1.1.3 Tiềm năng và ứng dụng năng lượng mới và tái tạo tại Việt Nam 12

1.2 GIỚI THIỆU VỀ MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU 12

1.2.1 Khái niệm 12

1.2.2 Cấu tạo máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu 13

1.2.3 Nguyên lý hoạt động 13

1.3 CẤU TRÚC HỆ THỐNG BỘ BIẾN ĐỔI 13

Chương 2: 14

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 14

2.1 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHỈNH LƯU (AC – DC) 14

2.1.1 Các bộ chỉnh lưu hình tia 14

2.2 Các bộ chỉnh lưu hình cầu 19

2.2 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU – MỘT CHIỀU (DC – DC) 30

2.2.1 Bộ biến đổi hạ áp ( Buck converter) 30

2.2.2 Bộ biến đổi tăng áp (Boost converter) 35

2.2.3 Bộ biến đổi tăng/ hạ áp (Buck – Boost converter) 40

2.3 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI NGHỊCH LƯU (DC – AC) 45

2

2.3.1 Nghịch lưu độc lập nguồn điện áp 45

2.3.2 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng điện 56

Chương 3 59

LỰA CHỌN CẤU TRÚC VÀ ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP RA 59

3.1 LỰA CHỌN CẤU TRÚC 59

3.1.1 Chọn máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu 59

3.1.2 Tính toán bộ biến đổi cầu ba pha không điều khiển 59

3.1.3 Tính toán bộ biến đổi Buck-Boost 60

3.1.4 Tính toán bộ biến đổi nghịch lưu cầu một pha 63

3.2 ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP RA 63

3.2.1 Phương pháp điều chế hai cực 64

3.2.2 Phương pháp điều chế đơn cực 65

3.2.3 Bộ điều khiển PID cho nghịch lưu cầu một pha 67

3.2.4 Bộ điều khiển PID cho bộ biến đổi Buck – Boost 70

Chương 4 76

MÔ PHỎNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRÊN PHẦN MỀM MATLAB VÀ SIMULINK 76

4.1 MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI XOAY CHIỀU – MỘT CHIỀU 76

4.2 MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU – MỘT CHIỀU 77

4.2.1 Khi hạ áp từ 300 V xuống 48V nạp cho ắc qui 77

4.3 MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU – XOAY CHIỀU 80

4.3.1 Mô phỏng bộ biến đổi DC-AC theo phương pháp điều chế lưỡng cực 80

4.3.2 Mô phỏng bộ biến đổi DC-AC theo phương pháp điều chế đơn cực 82

4.3.3 Mô phỏng bộ biến đổi DC-AC khi có bộ điều khiển PID 84

4.3.4 Mô phỏng bộ biến đổi DC-AC 3 pha sử dụng 3 bộ nghịch lưu một pha ghép lại 86

KẾT LUẬN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

3

Hình 2.1 Sơ đồ bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha đấu Anot chung 15

Hình 2.2 Đồ thị mô tả nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha Anot chung với α = 300 16

Hình 2.3 Sơ đồ bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha đấu Katot chung 17

Hình 2.4 Đồ thị mô tả nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha Katot chung với α = 300 18

Hình 2.5 Sơ đồ bộ chỉnh lưu điều khiển đối xứng hình cầu một pha 20

Hình 2.6 Đồ thị mô tả nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu hình cầu một pha với α = 300 21

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha 22

Hình 2.8 Đồ thị xác định miền dẫn và thời điểm phát xung của bộ chỉnh lưu hình cầu ba pha với α = 300 24

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu không điều khiển cầu ba pha 26

Hình 2.10 Đồ thị mô tả nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu không điều khiển cầu ba pha 28

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý bộ Buck converter 30

Hình 2.12 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi buck khi S ở trạng thái ON 31

Hình 2.13 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi buck khi S ở trạng thái OFF 31

Hình 2.14 Dạng điện áp trên các phần tử của bộ biến đổi buck 32

Hình 2.15 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi buck khi van ON hoặc OFF 33

Hình 2.16 Đặc tính truyền đạt tĩnh của bộ biến đổi buck 35

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Boost 35

Hình 2.18 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi Boost khi S ở trạng thái ON 36

Hình 2.19 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi Boost khi S ở trạng thái OFF 36

Hình 2.20 Dạng đồ thị dòng điện và điện áp trên các van công suất của bộ biến đổi boost 37

Hình 2.21 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi boost khi van S ON hoặc OFF 38

Hình 2.22 Đặc tính truyền đạt tĩnh của bộ biến đổi boost 40

Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Buck-Boost 40

4

Hình 2.24 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi Buck-Boost khi S ON, D OFF 41

Hình 2.25 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi Buck-Boost khi S OFF, D ON 41

Hình 2.26 Dạng đồ thị dòng và áp trên các van công suất của bộ biến đổi buck-boost 42

Hình 2.27 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi Buck-Boost khi S OFF hoặc ON 43

Hình 2.28 : Đặc tính truyền đạt của bộ biến đổi buck-boost 45

Hình 2.29 Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu một pha 45

Hình 2.30 Sơ đồ điện áp và dòng điện qua các van của bộ nghịch lưu 47

Hình 2.31 Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu ba pha 50

Hình 2.32 Biểu đồ trạng thái pha của điện áp ba pha trên tải 51

Hình 2.33 Đồ thị dòng điện và điện áp bộ nghịch lưu ba pha 53

Hình 2.34 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu độc lập nguồn dòng cầu một pha 56

Hình 2.35 Đồ thị dòng và áp trên các van của nghịch lưu độc lập nguồn dòng một pha 58

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu một pha 64

Hình 3.2 Dạng xung chuyển mạch điện áp hai cực 65

Hình 3.3 Dạng xung chuyển mạch điện áp đơn cực 66

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 68

Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điện áp 69

Hình 3.6 Sơ đồ bộ biến đổi Buck – Boost khi có bộ điều khiển 70

Hình 3.7 Mạch vòng điều khiển điện áp của bộ Buck - Boost 70

Hình 3.8 Đặc tính tần số logarit của Tu và Gvdkhi hạ áp 74

Hình 3.9 Đặc tính tần số logarithm của Tu khi tăng áp 75

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển 76

Hình 4.2 Điện áp nguồn cấp cho bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển 76

Hình 4.3 Đồ thị điện áp ra bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển 77

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi buck – boost 77

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý khối PWM 78

Hình 4.6 Đồ thị điện áp ra của bộ buck – boost converter 78

5

Hình 4.7 Độ rộng xung điều khiển cấp cho bộ buck – boost converter khi hạ

áp 78 Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi buck – boost khi tăng áp 79

Hình 4.9 Đồ thị điện áp ra của bộ biến đổi buck – boost khi tăng áp 79 Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi DC – AC theo phương pháp điều chế hai cực 80 Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý khối phát xung cho bộ DC – AC theo phương pháp điều chế hai cực 80 Hình 4.13 Dạng xung phát cho bộ DC – AC theo phương pháp điều chế hai cực 81 Hình 4.14 Dạng điện áp ra của bộ DC – AC theo phương pháp điều chế hai cực 81 Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi DC – AC theo phương pháp điều chế đơn cực 82 Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý khối phát xung theo phương pháp điều chế đơn cực 83 Hình 4.17 Dạng điện áp ra của bộ DC – AC theo phương pháp điều chế hai cực 83 Hình 4.18 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi DC – AC khi có bộ điều khiển PID 84 Hình 4.19 Điện áp đặt và điện áp ra của bộ biến đổi DC – AC khi có bộ điều khiển PI 85 Hình 4.20 Đồ thị điện áp xoay chiều ba pha sau bộ nghịch lưu ba pha sử dụng

ba bộ nghịch lưu một pha ghép lại 87

6

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới thì nhu cầu sử dụng năng lượng điện của con người cho sản xuất và sinh hoạt ngày càng tăng cao

Càng ngày thế giới càng phải đối mặt với rất nhiều khó khăn về năng lượng: khoáng sản ( than, dầu khí…) ngày càng cạn kiệt, xây dựng các công trình thủy điện lớn mất rất nhiều thời gian, tốn diện tích đất canh tác, nhà máy nhiệt điện gây ô nhiễm môi trường do khí thải, nhà máy điện hạt nhân gây ra các thảm họa kinh hoàng cho môi trường và con người trên diện tích rộng Chủ đề năng lượng sạch hay năng lương tái tạo lấy năng lượng từ mặt trời, gió, biogas… sẽ dần dần được sử dụng để thay thế nguồn năng lượng truyền thống ngày càng được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng Vấn đề mấu chốt là nâng cao chất lượng điện áp sau các bộ biến đổi vì nguồn đầu vào thay đổi bất thường

Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường ĐHBKHN, tôi đã được giao

công suất trong công nghệ năng lượng sạch, công suất nhỏ”

Với sự giúp đỡ và ủng hộ của các thầy cô giáo, bạn bè cùng sự nỗ lực của bản thân tôi đã hoàn thành xong luận văn Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế, trình độ ngoại ngữ có hạn, lĩnh vực nghiên cứu còn mới nên luận văn của tôi sẽ không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong được sự đóng góp ý kiến của các quý thầy cô, bạn bè và những ai quan tâm đến lĩnh vực này để bản luận văn của tôi được hoàn chỉnh và ý nghĩa hơn

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, cán bộ thuộc viện đào tạo sau đại học trường ĐHBKHN Đặc biệt tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, hiện là giảng viên trường ĐHBKHN đã tận tình chỉ bảo, trang bị kiến thức, động viên tôi trong suốt thời gian qua

7

I Tính cấp thiết của đề tài

Điện năng là nguồn năng lượng ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển kinh tế

xã hội của đất nước, đặc biệt trong lĩnh vực y học, an ninh quốc phòng, hoạt động sản xuất công nghiệp và dịch vụ hiện nay Trong những năm gần đây, tình trạng thiếu điện cho sản xuất và sinh hoạt ngày càng tăng Vì vậy, các hoạt động nghiên cứu ứng dụng năng lượng mới và tái tạo để thiết kế những hệ thống phát điện nhỏ đang từng bước được quan tâm và phát triển Các nguồn năng lượng tái tạo đang được hướng đến là nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng biogas… Ở các vùng nông thôn nước ta, đa số phát triển kinh tế theo mô hình trang trại: Vườn – Ao – Chuồng – Biogas Gas chủ yếu phục vụ cho đun nấu nhưng vẫn

dư thừa, nếu sử dụng gas để sản xuất điện năng phục vụ tại nhà hoặc dùng cho một

số hộ xung quanh thì sẽ góp phần giải quyết vấn đề năng lượng cho quốc gia cũng như thế giới Bên cạnh đó, nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời là những nguồn năng lượng sạch vô hạn Tuy nhiên, các nguồn năng lượng trên đều không ổn định, vì vậy việc thực hiện đề tài: “ Nghiên cứu ứng dụng các bộ biến đổi điên tử công suất trong công nghệ năng sạch, công suất nhỏ ” nhằm mục đích ổn định điện

áp ra tải trong khi năng lượng cấp vào bộ biến đổi không được duy trì liên tục và không ổn định, là vấn đề hết sức cần thiết

II Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1 Ý nghĩa khoa học:

Đề tài đã tổng hợp được các bộ biến đổi điện tử công suất, ứng dụng trong công nghệ năng lượng sạch, công suất nhỏ Đồng thời đưa ra các giải pháp ổn định điện áp ra sau các bộ biến đổi

2 Ý nghĩa thực tiễn:

Các kết quả đưa ra giúp ổn định điện áp ra của bộ biến đổi trong công nghệ năng lượng sạch, công suất nhỏ nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng điện của các hộ gia đình, giải quyết vấn đề năng lượng toàn cầu

III Phương pháp thực hiện nghiên cứu

Để giải quyết được những vấn đề đặt ra, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:

- Tìm hiểu các nguồn năng lượng tái tạo sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

- Phân tích, lựa chọn và tính toán các bộ biến đổi điện tử công suất: Bộ chỉnh lưu,

bộ biến đổi một chiều – một chiều, bộ nghịch lưu

- Tìm hiểu các nguyên lý điều khiển và bộ điều khiển

- Xây dựng mô hình hệ thống, lựa chọn bộ biến đổi và mô phỏng

8

IV Nội dung nghiên cứu

Bài luận văn được chia làm 4 chương với nhũng nội dung chính như sau:

Chương 1: Tìm hiểu về nguồn năng lượng tái tạo sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu Chương này nêu lên tổng quan về năng lượng mới và tái tạo,

tiềm năng tại Việt Nam Giới thiệu về máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Chương 2: Nghiên cứu cấu trúc và nguyên lý làm việc của các bộ biến đổi điện

tử công suất Chương này đưa ra sơ đồ nguyên lý và nguyên lý làm việc của các bộ

biến đổi, nêu ưu điểm, nhược điểm của mỗi sơ đồ

Chương 3: Lựa chọn cấu trúc và đảm bảo chất lượng điện áp ra Chương này sẽ

lựa chọn cấu trúc phù hợp cho bài toán và đưa ra các nguyên lý điều khiển đảm bảo chất lượng điện áp ra tải

Chương 4: Mô phỏng các bộ biến đổi trên phần mềm Matlab và simulink

Chương này kiểm tra tính đúng đắn của phương án lựa chọn thông qua kết quả mô

phỏng

9

Chương 1

CHÂM VĨNH CỬU

1.1.1 Ưu điểm và nhược điểm của nguồn năng lượng mới và tái tạo

Năng lượng mới và tái tạo là những dạng năng lượng từ thiên nhiên, vô hạn

Do nhu cầu về điện năng của xã hội ngày càng tăng trong khi nguồn nguyên-nhiên liệu để sản xuất ra điện năng như: nước, than, dầu, điện hạt nhân… ngày càng cạn kiệt Vì vậy sản xuất điện năng từ các nguồn năng lượng sạch như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng khí Biogas… là rất cần thiết

Những lợi ích của nguồn năng lượng tái tạo:

- Tiết kiệm chi phí từ việc sử dụng điện lưới quốc gia

- An toàn

- Tận dụng được nguồn năng lượng dư thừa

- Giải quyết vấn đề thiếu năng lượng hiện nay

- Giảm ô nhiễm môi trường (biogas)

Nhược điểm cơ bản của nguồn năng lượng tái tạo:

- Nguồn cấp không ổn định

- Chi phí xây dựng và lắp đặt ban đầu tốn kém

- Hiệu suất đem lại chưa cao

1.1.2 Các ngu ồn năng lượng mới và tái tạo

1 Nguồn năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời Người ta đã phát minh ra thiết bị phát điện dựa trên nguyên tắc: ánh sáng mặt

10

trời chiếu lên các tấm bán dẫn, các electron (điện tử) được sinh ra và tạo ra dòng điện Nhưng năng lượng của ánh sáng mặt trời có mật độ rất thấp nên để thu được nguồn điện đủ, cần phải có một diện tích lớn Ở Việt Nam, năng lượng mặt trời chủ yếu được ứng dụng để chưng cất nước, sấy khô, làm pin mặt trời, đun nước nóng Với nền kinh tế nước ta hiện nay thì việc thu năng lượng mặt trời phục vụ trong lĩnh vực điện năng còn nhiều hạn chế

Mặt hạn chế của việc sử dụng năng lượng mặt trời:

- Giá thành tấm thu năng lượng mặt trời cao

- Tốn nhiều diện tích

chịu ảnh hưởng của thời tiết và nhiệt độ

- Pin mặt trời có hiệu suất thấp (6-25)%

2 Năng lượng gió

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển trái đất Năng lượng gió là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời, vì bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa

Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện Ngày nay người ta sử dụng máy phát điện tuốc bin gió là loại máy phát xoay chiều có nhiều cặp cực, do kết cấu đơn giản và phù hợp đặc điểm tốc độ thấp của tuốc bin gió Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng

3 Năng lượng biogas

Hiện nay ở nông thôn nhiều hộ gia đình phát triển kinh tế theo mô hình VACB (Vườn –Ao – Chuồng - Biogas), hầm biogas được xây dựng chủ yếu với mục đích phục vụ đun nấu, ngoài ra còn có tác dụng giảm ô nhiễm môi trường, cung cấp phân bón cho cây trồng Do công suất tiêu thụ điện của mỗi hộ gia đình là nhỏ (tối đa 2 kW), chủ yếu là cung cấp điện cho các thiết bị như đèn thắp sáng, quạt, tivi, nồi cơm điện, siêu điện… Do đó, áp dụng công nghệ biến đổi khí sinh học(biogas) thành điện năng ứng dụng cho các hộ gia đình ở nông thôn sẽ tận dụng được nguồn năng lượng dư thừa, tiết kiệm chi phí khi sử dụng điện lưới, giải quyết vấn đề thiếu điện hiện nay Phương pháp tạo ra CH4 là phương pháp sinh học: quá trình xử lí sinh học yếm khí là quá trình hoạt động của vi sinh vật chuyển chất hữu cơ thành các hợp chất vô cơ trong điều kiện không có oxi tạo thành CH4(chiếm phần lớn) và

CH 4

(Phần lớn) Yếm khí

12

Sử dụng khí biogas có nhiều ưu điểm:

- Tiết kiệm chi phí từ việc sử dụng điện năng

- Tiết kiệm thời gian tìm kiếm chất đốt

- Giữ vệ sinh khi đun nấu

- Tận dụng được nguồn năng lượng dư thừa

- Bảo vệ môi trường (Chất thải qua quá trình phân hủy mới được bón cho cây trồng)

1.1.3 Ti ềm năng và ứng dụng năng lượng mới và tái tạo tại Việt Nam

Việt Nam có tiềm năng dồi dào về nguồn năng lượng tái tạo, nhưng việc phát hiện, khai thác và sử dụng đang còn là vấn đề mới được quan tâm, nên chưa tận dụng được tối đa nguồn năng lượng này Nguồn năng lượng tái tạo ở nước ta phần lớn tiềm năng vẫn chưa được khai thác mà mới chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu, khảo sát

1.2.1 Khái ni ệm

Là máy phát hoạt động ở tốc độ đồng bộ, tốc độ quay của roto luôn luôn bằng với tốc độ quay của từ trường được tạo ra ở các cuộn dây Stato Stato được nối với lưới của tải, còn roto được đúc bằng lõi sắt bên ngoài có dập các rãnh nhỏ để gắn nam châm vĩnh cửu Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu có công suất nhỏ, điểm khác biệt của nó với máy phát đồng bộ thông thường là ở phần cảm ( roto) có

từ thông được tạo ra bằng nam châm vĩnh cửu mà không dùng cuộn dây kích từ Máy phát điện đồng bộ làm việc ở tốc độ đồng bộ, tốc độ này được xác định bằng

số đôi cực và tần số điện áp của cuộn dây phần ứng, theo công thức sau:

13

1 Stato: Bao gồm lõi thép được ép từ những lá thép kỹ thuật điện hình tròn, bên trong có rãnh để đặt ba cuộn dây AX, BY, CZ giống hệt nhau, lệch nhau 1200 điện

2 Roto: Được làm từ các lá thép kỹ thuật điện mỏng ép thành khối trụ tròn, bên ngoài có gắn các miếng nam châm vĩnh cửu, ở giữa có gắn trục quay và vòng bi

3 Vỏ máy: Vỏ máy được làm bằng gang hoặc hợp kim đúc hình trụ tròn bao lấy

Stato

1.2.3 Nguyên lý ho ạt động

Khi roto quay, từ trường quay của roto được sinh ra từ các cặp cực nam châm vĩnh cửu móc vòng qua các cuộn dây stato Theo nguyên lý cảm ứng điện từ, trong các cuộn dây stato xuất hiện các sức điện động cảm ứng có biên độ bằng nhau và lệch pha nhau 1200 Khi các cuộn dây được nối ra tải ta có nguồn điện ba pha

Năng lượng qua máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu được chỉnh lưu thành điện một chiều, sau đó qua bộ biến đổi tăng hạ áp một chiều nạp vào ắc qui và qua

bộ nghịch lưu cấp điện xoay chiều cho tải

AC

Rectifier AC-DC

BuckBoost converter DC-DC

DC

14

Chương 2:

+ Với sơ đồ đấu Katot chung: khi Anot của van nào bắt đầu có thế dương (+) hơn so với Anot của các van còn lại thì mới được phát xung điều khiển mở van đó, điểm bắt đầu dương hơn là điểm gốc để tính góc mở chậm ( góc điều khiển) cho van đó + Với sơ đồ đấu Anot chung: khi Katot của van nào có thế âm (-) hơn so với Katot của các van còn lại thì mới được phát xung điều khiển mở van đó, điểm bắt đầu âm hơn là điểm gốc để tính góc mở chậm ( góc điều khiển) cho van đó

Tùy thuộc vào số van đấu Anot chung hay Katot chung mà ta có: bộ chỉnh lưu hình tia 1 pha, 2 pha, 3 pha… Ở đây ta chỉ xét bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha đấu Anot chung và bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha đấu Katot chung

1 Bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha đấu Anot chung

a Sơ đồ nguyên lý

+ Nguồn cung cấp: Biến áp 3 pha

+ Tải: Ld, Rd

+ Bộ biến đổi: T1, T2 , T3: các van đấu Anot chung

Giả thiết các van lý tưởng :

Khi van thông : Rv = 0;Uv = 0; Khi van khóa : Rv = ∞;

Thời gian mở tm= 0 ; Thời gian khóa tk = 0;

15

Hình 2.1 Sơ đồ bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha đấu Anot chung

b Nguyên lý làm việc của sơ đồ

- Điện áp nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu: nguồn ba pha đối xứng

- Xác định điểm gốc để tính góc mở chậm cho các van:

c < ub; Tương tự O1 là gốc để tính góc mở chậm 𝛼𝛼 cho T3

- Xác định thời điểm phát xung điều khiển vào các pha ứng với góc α cho trước ( giả sử α =300)

Bảng 2.1 Bảng thời điểm phát xung cho sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha đấu Anot chung

- Vẽ đồ thị Ud = UOA

Tại 𝛼𝛼1 phát xung điều khiển vào T3, T3 thông uc qua T3 đặt vào điểm A nên:

UAO = uc < 0 Đến 𝛼𝛼2, xung điều khiển được phát vào T1, lúc này UT1 = uca > 0⇒T1thông Khi T1 thông thì UT3 = uac < 0 nên T3 bị khóa lại cách ly uc với A Đến 𝛼𝛼3,

16

phát xung điều khiển vào T2, lúc này UT2 = uab > 0 nên T2 thông, còn UT1= uba < 0

⇒T1 khóa, UT3 = ubc < 0 nên T3 vẫn khóa

Xét trong đoạn từ O → 𝛼𝛼1: T2 dẫn dòng điện tải Id khép mạch như sau: O → (Rd, Ld) → T2→ ub Như vậy: ub qua T2đặt vào A Nên Ud = UOA = - ub > 0

Xét trong đoạn từ 𝛼𝛼1→ 𝛼𝛼2: T3 dẫn dòng tải Id khép mạch như sau: O → (Rd, Ld) → T3 → uc Như vậy: uc qua T3 đặt vào A Nên Ud = UOA = - uc > 0 Phân tích tương tự ta vẽ được phần còn lại của Ud

Hình 2.2 Đồ thị mô tả nguyên lý làm việc của bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha Anot chung với

𝛼𝛼 = 300

- Vẽ đồ thị iT1: tại một thời điểm bất kỳ chỉ có một van thông để dẫn dòng tải Id Vì

vậy khi T1 thông thì iT1 = Id

c Các bi ểu thức liên quan

Quan h ệ giữa các đại lượng U d , U 2 , 𝛼𝛼

Hình 2.3 Sơ đồ bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha đấu Katot chung

b Nguyên lý làm việc của sơ đồ

- Điện áp nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu: nguồn ba pha đối xứng

- Xác định điểm gốc để tính góc mở chậm cho các van:

K O

Bảng 2.2 Bảng thời điểm phát xung cho sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha đấu Katot chung

19

- Vẽ đồ thị Ud = UKO

Tại 𝛼𝛼1 phát xung điều khiển vào T1, T1 thông ua qua T1 đặt vào điểm K nên:

UKO = ua > 0 Đến 𝛼𝛼2, xung điều khiển được phát vào T2, lúc này UT2 = uba > 0 ⇒T2thông Khi T2 thông thì UT1 = uab < 0 nên T1 bị khóa lại cách ly ua với K Đến 𝛼𝛼3, phát xung điều khiển vào T3, lúc này UT3 = ucb > 0 nên T3 thông, còn UT2 = ubc < 0

⇒T2 khóa, UT1 = uac < 0 nên T1 vẫn khóa

Xét trong đoạn từ O → 𝛼𝛼1: T3 dẫn dòng điện tải Id khép mạch như sau: uc →

T3→ (Rd, Ld) → O Như vậy: uc qua T3đặt vào K Nên Ud = UKO = uc > 0

Xét trong đoạn từ 𝛼𝛼1→ 𝛼𝛼2: T1 dẫn dòng tải Id khép mạch như sau: ua→ T1 → (Rd, Ld) → O Như vậy: ua qua T1 đặt vào K Nên Ud = UKO = ua > 0 Phân tích tương tự ta vẽ được phần còn lại của Ud

- Vẽ đồ thị iT1: ở 1 thời điểm bất kỳ chỉ có 1 van thông để dẫn dòng tải Id Vì vậy khi T1 thông thì iT1 = Id

- Vẽ đồ thị điện áp đặt lên 1 pha : ví dụ UT1

Khi T1 thông thì UT1 = 0

Khi T2 thông thì UT1 = uab < 0

Khi T3 thông thì UT1 = uac < 0

c Các bi ểu thức liên quan

Quan h ệ giữa các đại lượng U d , U 2 , 𝛼𝛼

20

1 Bộ chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu một pha

a Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.5 Sơ đồ bộ chỉnh lưu điều khiển đối xứng hình cầu một pha

+ Nguồn cung cấp: Biến áp một pha

+ Tải: Ld, Rd

+ Bộ biến đổi: bộ chỉnh lưu cầu một pha gồm các van: T1, T2, T3, T4

Giả thiết các van lý tưởng :

Khi van thông : Rv = 0;Uv = 0; Khi van khóa : Rv =∞;

Thời gian mở tm=0 ; Thời gian khóa tk = 0;

b Nguyên lý làm việc của sơ đồ

- Điện áp nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu: biến áp một pha

- Xác định thời điểm phát xung điều khiển vào các pha ứng với góc α cho trước ( giả sử α =300)

Bảng 2.3 Bảng thời điểm phát xung cho sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha

K A

chống lại sự giảm dòng qua nó làm cho 2 van T1, T2 vẫn thông để dẫn dòng khi T3,

T4 vẫn khóa Cho đến khi : T3, T4 dẫn dòng thì T1, T2 khóa lại

Phân tích tương tự ta vẽ được phần còn lại của Ud

- Vẽ đồ thị iT1, iT4, i2 : tại một thời điểm bất kỳ có 2 van thông (một van thuộc nhóm đấu Katot chung và một van thuộc nhóm đấu Anot chung) để dẫn dòng tải Id Vì

c Các bi ểu thức liên quan

Quan h ệ giữa các đại lượng U d , U 2 , 𝛼𝛼

+ Giá trị biên độ điện áp đặt lên van:U ngmaxth = 2U2 =U dmax/ 0, 9

2 Bộ chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3 pha

a Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha

+ Nguồn cung cấp: Biến áp 3 pha

+ Tải: Ld, Rd

K A

23

+ Bộ biến đổi:

T1 ,T3 ,T5 : bộ chỉnh lưu hình tia ba pha đấu Katot chung

T2 ,T4 ,T6 : bộ chỉnh lưu hình tia ba pha đấu Anot chung

Như vậy việc chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3 pha thực chất là 2 bộ chỉnh lưu điều khiển đối xứng hình tia 3 pha ( một bộ đấu Katot chung, một bộ đấu Anot chung) có chung bộ nguồn cung cấp và 2 mạch tải đấu nối tiếp nhau :

Ud =UKA= UKO+UAO= Ud1 + Ud2

Các van lý tưởng thì :

Khi van thông : Rv = 0;Uv = 0; Khi van khóa : Rv =∞;

Thời gian mở (tm=0) ; Thời gian khóa tk = 0;

b Nguyên lý làm việc của sơ đồ

- Điện áp nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu cầu ba pha: biến áp bap ha đối xứng

- Xác định điểm gốc để tính góc mở chậm cho các van

Với nhóm van đấu Katot chung (T1 ,T3 ,T5)

24

Bảng 2.4 Bảng thời điểm phát xung cho sơ đồ chỉnh lưu hình cầu ba pha

- Xác định miền dẫn của các van:

Tại 𝛼𝛼1 phát xung điều khiển vào T1 ⇒ T1 thông Khi T1 thông, ua qua T1 đặt vào điểm K: UKO = ua > 0 Đến 𝛼𝛼3 xung điều khiển được phát vào T3, tại thời điểm này khi T1 thông thì Katot T3 đang mang thế ua, còn anot T3 lại đính vào ub mà ub >

ua ⇒ UT3 = uba > 0 nên T3 thông Khi T3 thông, ub qua T3 đặt vào katot T1 còn anot

T1 vẫn mang thế ua nên UT1 = uab <0 ⇒ T1 khóa lại Đến 𝛼𝛼5 xung điều khiển được phát vào T5, lúc này UT5 = ucb > 0 nên T5 thông UT3 = ubc < 0 nên T3 khóa lại

Tại 𝛼𝛼2 phát xung điều khiển vào T2 Khi T2 thông, uc qua T2 đặt vào điểm A:

UAO = uc < 0 Đến 𝛼𝛼4, xung điều khiển được phát vào T4, lúc này UT4 = uca > 0 ⇒T4thông Khi T4 thông thì UT2 = uac < 0 nên T6 bị khóa lại cách ly uc với A Đến 𝛼𝛼6, xung điều khiển được phát vào T6, lúc này UT6 = uab >0 nên T6 thông, còn UT4= uba <

0 ⇒T4 khóa, UT2 = ubc < 0 nên T2 vẫn khóa

25

- Vẽ đồ thị Ud=UKA

Xét trong đoạn từ O→ 𝛼𝛼1: T5, T6 thông dẫn dòng điện tải Id, dòng tải khép

mạch như sau: uc→T5→(Ld, Rd) →T6 →ub Như vậy: uc qua T5 đặt vào K , ub qua

T6đặt vào A Mà ub < uc ⇒UKA = Ud = ucb > 0

Với điện áp 3 pha hình sin: điện áp giữa 2 dây pha cũng là điện áp hình sin có biên

độ là 6U2 tại thời điểm pha thứ 3 đi qua 0 và bằng 0 tại các thời điểm điện áp 2 pha cắt nhau

Xét trong đoạn từ 𝛼𝛼1→ 𝛼𝛼2: T1,T6 thông dẫn dòng tải Id, dòng khép mạch như sau: ua→T1→ (Rd, Ld)→T6 →ub Như vậy: ua qua T1 đặt vào K , ub qua T6 đặt vào

A Mà ua > ub ⇒UKA = Ud = uab > 0 Phân tích tương tự ta vẽ được phần còn lại của

Ud

- Vẽ đồ thị iT1, iT4, ia

Qua đồ thị phân bố miền dẫn của các van ta thấy: tại một thời điểm bất kỳ có 2

Id Vì vậy khi T1 thông cùng với T6 (hoặc T2) thì dòng khép mạch như sau: ua→T1

→ tải→T6 → ub, dòng này chảy cùng chiều quy ước với dòng ia nên ia=iT1=Id>0 Khi T4 thông cùng với T3 (hoặc T5) thì dòng khép mạch như sau: ub→T3→ tải→T4

→ua ,dòng này chảy ngược chiều dòng quy ước với ia nên ia =− <I d 0 Qua đồ thị ia,

bằng phương pháp phân tích chuỗi Furier ta tìm được thành phần sóng hài cơ bản

c Các bi ểu thức liên quan

Quan h ệ giữa các đại lượng U d , U 2 , 𝛼𝛼

- Chế độ làm việc của sơ đồ

+ Sơ đồ làm việc ở chế độ chỉnh lưu khi:

26

+ Khi U2 = const , nguồn ổn định , thay đổi góc 𝛼𝛼 để điều chỉnh Ud ⇒ Sơ đồ làm

chức năng điều chỉnh công suất

+ Khi U2 thay đổi , tức là nguồn không ổn định, thay đổi góc 𝛼𝛼 để giữ Ud =const

⇒ Sơ đồ có chức năng ổn áp 1 chiều

3

3 6

Ungmaxth =1.05Udmax

3 Bộ chỉnh lưu không điều khiển cầu 3 pha

a Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý bộ chỉnh lưu không điều khiển cầu ba pha

- Nguồn cung cấp: Máy phát 3 pha

27

- Bộ biến đổi

+ D1, D3, D5 : bộ chỉnh lưu không điều khiển hình tia ba pha đấu Katot chung

+ D2, D4, D6 : bộ chỉnh lưu không điều khiển hình tia ba pha đấu Anot chung

+ Như vậy, việc chỉnh lưu không điều khiển cầu 3 pha đối xứng thực chất là 2 bộ chỉnh lưu không điều khiển hình tia 3 pha: một bộ đấu Katot chung, một bộ đấu Anot chung, có chung nguồn cung cấp

+ Giả thiết các van lí tưởng

b Nguyên lý làm việc của sơ đồ

- Điện áp nguồn cung cấp cho mạch chỉnh lưu

- Thời điểm dẫn các van

Nhóm van đấu Katot chung Nhóm van đấu Anot chung

D1dẫn từ O1 ÷ O3 khi uadương nhất D2dẫn từ O2÷ O4 khi ucâm nhất

D3dẫn từ O3 ÷ O5 khi ubdương nhất D4dẫn từ O4÷ O6 khi uaâm nhất

D5dẫn từ O5 ÷ O7 khi ucdương nhất D6dẫn từ O6÷ O8 khi ub âm nhất

- Vẽ Ud: Trong khoảng ( O ÷ O1) có D5, và D6thông: dòng tải khép mạch như sau:

uc → D5 → tải → 𝐷𝐷6 → ub, mà uc > 0 qua D5 đặt vào Katot chung, ub < 0 qua D6đặt vào Anot chung, nên: Ud = Ucb = Uc – Ub > 0; Trong khoảng ( O1 ÷ O2) có D1,

và D6 thông: dòng tải khép mạch như sau: ua → D1 → tải → 𝐷𝐷6 → ub, mà ua > 0 qua D1đặt vào Katot chung, ub < 0 qua D6, đặt vào Anot chung, nên:

Ud = Uab = Ua – Ub >0; Phân tích tương tự ta vẽ được phần còn lại của Ud

Điện áp Ud của mạch chỉnh lưu có dạng gợn sóng, không phẳng, gọi là độ đập mạch Số đập mạch mđm càng cao thì dạng Udcàng phẳng Với sơ đồ này thì mđm=6

29

Ở thời điểm bất kỡ đều cú 2 van thụng (một van thuộc nhúm Anot chung, một van thuộc nhúm Katot chung) để dẫn dũng tải Id, nờn khi D1hoặc D4 thụng thỡ iD1 = Id

và iD4 = Id Do dũng iađược tạo nờn bởi dũng iD1 và iD4 :

+ Khi D1 và D2 (hoặc D6) dẫn dũng Idthỡ chiều dũng tải khộp mạch như sau:

ua → D1 → tải → 𝐷𝐷2 → uc : dũng này cựng chiều quy ước của ia nờn ia =iD1 =Id >0 + Khi D1 và D4 dẫn dũng Idthỡ chiều dũng tải khộp mạch như sau:

tải → 𝐷𝐷4 → D1 → tải, nờn ia = 0

+ Khi D4 và D3 (hoặc D5) dẫn dũng Idthỡ chiều dũng tải khộp mạch như sau:

ub → D3 → tải → 𝐷𝐷4 → ua: dũng này ngược chiều quy ước của ia nờn ia =iD1 =Id <0

- Vẽ đồ thị điện áp đặt lên 1 pha : ví dụ UD3

Khi D3 thông thì UD3=0

Khi D1 thông thì UD3=uba<0

Khi D5 thông thì UD3=ubc<0

c Cỏc biểu thức liờn quan

- Điện ỏp trung bỡnh trờn tải:

+ Ứng dụng rộng rãi với dải công suất rộng, từ nhỏ đến hàng nghìn kW

+ Đơn giản về mạch lực và không có mạch điều khiển

+ Giá thành rẻ hơn

- Ở đây không dùng sơ đồ chỉnh lưu điều khiển vì nếu điều chỉnh điện áp một chiều trong một phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước bộ lọc và làm giảm hiệu xuất của bộ biến đổi [1]

- Nhược điểm

+ Sụt áp trên van gấp đôi sơ đồ hình tia vì có 2 van dẫn để đưa dòng ra tải

+ Không ứng dụng cho các tải đòi hỏi đảo chiều

vĩnh cửu tạo nguồn điện áp xoay chiều 3 pha, do đó ta chọn bộ biến đổi loại ba pha

Từ các ưu nhược điểm của các sơ đồ chỉnh lưu và yêu cầu không điều chỉnh điện áp sau chỉnh lưu nên ta chọn sơ đồ bộ chỉnh lưu không điều khiển cầu ba

2.2 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU – MỘT CHIỀU (DC – DC)

2.2.1 B ộ biến đổi hạ áp ( Buck converter)

1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý bộ Buck converter

Mạch gồm: Mosfet công suất S, Diode D, cuộn cảm L và tụ lọc C, điện trở R

là tải một chiều S có thể điều khiển được bởi bộ điều chế độ rộng xung, tần số chuyển mạch 𝜋𝜋𝑠𝑠 = 1 𝑇𝑇� và độ rộng xung D ( Duty cycle):

V O

i L

r d

31

𝐷𝐷 =𝑡𝑡𝑜𝑜𝑛𝑛

𝑇𝑇 = 𝑡𝑡𝑜𝑜𝑛𝑛

𝑡𝑡𝑜𝑜𝑛𝑛+𝑡𝑡𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 𝜋𝜋𝑠𝑠 𝑠𝑠𝑜𝑜𝑛𝑛

Trong đó: 𝑠𝑠𝑜𝑜𝑛𝑛 là thời gian van S dẫn dòng (ON), 𝑠𝑠𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 là thời gian van S không

dẫn dòng (OFF) trong một chu kỳ VI là điện áp một chiều đầu vào, VO là điện áp

một chiều đầu ra của bộ biến đổi

2 Nguyên lý ho ạt động của sơ đồ

Hình 2.12 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi buck khi S ở trạng thái ON

Tại thời điểm t = 0 phát xung điều khiển cho van công suất S thì S ở trạng thái

ON, điện áp đầu vào qua S đặt vào Katốt của diode làm diode phân cực ngược nên diode ở trạng thái OFF, 𝑣𝑣𝐷𝐷 = −𝑉𝑉𝐼𝐼, 𝑠𝑠𝐷𝐷 = 0; điện áp trên cuộn cảm: 𝑣𝑣𝐿𝐿 = 𝑉𝑉𝐼𝐼 − 𝑉𝑉𝑂𝑂; do

đó dòng qua cuộn cảm 𝑠𝑠𝐿𝐿 tăng tuyến tính với độ dốc (𝑉𝑉𝐼𝐼 − 𝑉𝑉𝑂𝑂)/𝐿𝐿 Dòng qua cuộn

cảm cũng là dòng qua van S, nên 𝑠𝑠𝑆𝑆 = 𝑠𝑠𝐿𝐿 Trong khoảng thời gian này năng lượng từ nguồn VIđược truyền tới cuộn cảm, tụ và tải

Hình 2.13 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi buck khi S ở trạng thái OFF

Tại thời điểm t = DT ngắt xung điều khiển vào van S, van S ở trạng thái OFF, dòng qua cuộn cảm 𝑠𝑠𝐿𝐿 vẫn khác 0 vì dòng qua cuộn cảm là hàm liên tục theo thời gian, dòng này vẫn chảy theo chiều cũ làm cho diode thông, điện áp trên van S là

VI, điện áp trên cuộn cảm là –VO Dòng qua cuộn cảm giảm tuyến tính với độ dốc

−𝑉𝑉𝑂𝑂/𝐿𝐿 Trong thời gian này nguồn một chiều VI không truyền năng lượng tới L, C

và tải L và C là kho dự trữ năng lượng để duy trì dòng và áp trên tải khi S ở trạng

+

+

-v C

32

thái OFF Tại thời điểm t = T, phát xung điều khiển cho van S, van S ở trạng thái

ON, chu kỳ lại lặp lại như trên

33

3 Mô hình toán h ọc mô tả hệ thống

Giả thiết các phần tử trong mạch là lý tưởng: Van công suất S đóng cắt không

có thời gian trễ, sụt áp trên Diode khi thông bằng 0

Gọi i(t) là dòng điện chảy qua cuộn cảm L, v(t) là điện áp trên tụ C

Gọi u là trạng thái chuyển mạch của van công suất S, 𝑢𝑢 = {0, 1} Khi S ở trạng thái

OFF, tương ứng với u = 0 Khi S ở trạng thái ON, tương ứng với u =1

Hình 2.15 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi buck khi van ON hoặc OFF

Áp dụng 2 định luật Kirchoff cho 2 trường hợp van S ở trạng thái ON (u=1) và OFF (u=0)

Khi chuyển mạch u = 0 ta có các phương trình cân bằng sau:

+ v C

34

Ở trên là hệ phương trình vi phân mô tả quá trình động học xảy ra trong bộ biến đổi Để việc phân tích & thiết kế điều khiển được đơn giản, ta đặt các biến trạng thái như sau:

𝑑𝑑𝜏𝜏 = 𝑥𝑥1−

𝑥𝑥2𝑄𝑄Trong đó: 𝑄𝑄 = 𝑅𝑅�𝐶𝐶/𝐿𝐿 là hệ số chất lượng của mạch

Khi các biến trạng thái 𝑥𝑥1, 𝑥𝑥2 tiến đến giá trị xác lập 𝑥𝑥̅1, 𝑥𝑥̅2 và tín hiệu điều khiển:

𝐻𝐻(𝐷𝐷) = 𝑉𝑉𝑣𝑣̅

𝐼𝐼 =𝑥𝑥̅2𝑉𝑉 𝑉𝑉𝐼𝐼

𝐼𝐼 = 𝐷𝐷

35

Hình 2.16 Đặc tính truyền đạt tĩnh của bộ biến đổi buck

2.2.2 B ộ biến đổi tăng áp (Boost converter)

1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Boost

Mạch gồm: Mosfet công suất S, Diode D, cuộn cảm L và tụ lọc C, điện trở R

là tải một chiều S có thể điều khiển được bởi bộ điều chế độ rộng xung, tần số chuyển mạch 𝜋𝜋𝑠𝑠 = 1 𝑇𝑇� và độ rộng xung D:

𝐷𝐷 =𝑡𝑡𝑜𝑜𝑛𝑛

𝑇𝑇 = 𝑡𝑡𝑜𝑜𝑛𝑛

𝑡𝑡𝑜𝑜𝑛𝑛+𝑡𝑡𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 𝜋𝜋𝑠𝑠𝑠𝑠𝑜𝑜𝑛𝑛 Trong đó: 𝑠𝑠𝑜𝑜𝑛𝑛 là thời gian van S dẫn dòng, 𝑠𝑠𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 là thời gian van S không dẫn dòng trong một chu kỳ VI là điện áp một chiều đầu vào, VO là điện áp một chiều đầu ra

của bộ biến đổi

2 Nguyên lý ho ạt động của sơ đồ

Trong khoảng thời gian 0 ≤ 𝑠𝑠 ≤ 𝐷𝐷𝑇𝑇 phát xung điều khiển cho van S (ON), làm diode phân cực ngược nên bị khóa, 𝑣𝑣𝐷𝐷 = −𝑉𝑉𝑂𝑂, 𝑠𝑠𝐷𝐷 = 0; điện áp trên cuộn cảm

𝑣𝑣𝐿𝐿 = 𝑉𝑉𝐼𝐼, do đó dòng qua cuộn cảm 𝑠𝑠𝐿𝐿 tăng tuyến tính với độ dốc 𝑉𝑉𝐼𝐼/𝐿𝐿 Dòng qua

cuộn cảm cũng là dòng qua van S, nên 𝑠𝑠𝑆𝑆 = 𝑠𝑠𝐿𝐿

36

Hình 2.18 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi Boost khi S ở trạng thái ON

Tại thời điểm 𝑠𝑠 = 𝐷𝐷𝑇𝑇, ngắt xung điều khiển cho van S, S chuyển sang trạng thái OFF, dòng qua cuộn cảm tiếp tục đi qua Diode D Điện áp trên cuộn cảm 𝑣𝑣𝐿𝐿 =

𝑉𝑉𝐼𝐼− 𝑉𝑉𝑂𝑂 < 0, do đó dòng qua cuộn cảm L giảm dần với độ dốc (𝑉𝑉𝐼𝐼 − 𝑉𝑉𝑂𝑂)/𝐿𝐿 Dòng

chuyển từ cuộn cảm tới tụ lọc C và tải R Tại thời điểm t=T, van công suất S lại chuyển sang trạng thái ON và chu kỳ lại lặp lại như ban đầu

-+ v

V L

T 0

V GS

l

V I