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

TỔNG QUAN

TỔNG QUAN VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Cung cấp năng lượng điện cho các thiết bị sản xuất và di chuyển như hệ thống cẩu chuyển hàng, xe tự hành trong phân xưởng, hệ thống khai khoáng dưới nước, hệ thống lưu kho tự động và robot di động là một thách thức phức tạp Hiện nay, nhiều nhà khoa học và công ty lớn trên thế giới đang nghiên cứu để phát triển các phương thức cung cấp nguồn năng lượng hiệu quả cho những thiết bị này.

Nghiên cứu và thiết kế các hệ thống nguồn cung cấp không dây đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trên toàn thế giới, bao gồm Mỹ, Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc và Trung Quốc Một số nhà khoa học tiêu biểu trong lĩnh vực này là Grant A Covic, Oskar H Stielau, Xu Shangang, Do Huyn Kang và Ioan Vadan Tuy nhiên, cho đến nay, các nghiên cứu vẫn chưa đưa ra một quy trình công nghệ cụ thể để thiết kế hệ thống này.

Một số công ty lớn của Đức và Hàn Quốc, như Vahle và Woosung, đã phát triển các hệ thống cung cấp điện không dây Tuy nhiên, giá thành của các thiết bị này vẫn 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 “Design Considerations for a Contactless Electric Vehicle Battery Charger” IEEE Trans Ind Electron., vol 52, no 5, pp 1308–1314, Oct 2005

Bài báo này tổng hợp thiết kế lý thuyết và thực tiễn của hệ thống truyền công suất cảm ứng, đồng thời xác minh sự phát triển lý thuyết thông qua việc sử dụng bộ sạc pin xe điện thực tế dựa trên công nghệ truyền công suất cảm ứng và 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 câp không nối dây sử dụng cho xe chuyển hàng trong xí nghiệp

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

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

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

Bài viết này nhằm mục đích truyền năng lượng điện không tiếp xúc và thông tin hai chiều Việc sử dụng biến áp tần số cho việc truyền công suất và thông tin là rất cần thiết Các hình học cuộn dây khác nhau đã được nghiên cứu để giảm thiểu sự tương tác giữa nguồn và cuộn thông tin Giải pháp mới này cho phép phát triển các hệ thống truyền công suất thông minh với chi phí thấp, đồng thời tích hợp khả năng liên lạc hiệu quả.

5 Y Jang and M M Jovanovic, “A contactless electrical energy transmission 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 di động, điện thoại

Việc cung cấp nguồn cho các thiết bị di động thường sử dụng kết nối cứng hoặc hệ thống thanh trượt - chổi quét Kết nối cứng có thể gây rắc rối khi thiết bị di chuyển do dây nối nguồn, trong khi hệ thống thanh trượt - chổi quét lại tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ do hồ quang điện có thể phát sinh tại điểm tiếp xúc giữa chổi quét và thanh trượt trong quá trình di chuyển.

Độ bền cơ học của hệ thống cấp nguồn qua tiếp xúc thấp do sự bào mòn giữa chổi quét và thanh trượt trong quá trình di chuyển Để khắc phục nhược điểm của phương pháp truyền thống, cần phát triển phương thức cấp nguồn không dây sử dụng kỹ thuật cảm ứng, nhằm tạo ra quy trình công nghệ thiết kế và sản xuất với chi phí thấp hơn so với các hệ thống nước ngoài, đồng thời đảm bảo chủ động về mặt công nghệ.

Hiện tại, chưa có sản phẩm nào được sản xuất trong nước liên quan đến hệ thống cung cấp điện không dây, mà chỉ có nghiên cứu cơ bản về hệ thống này.

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

Việc phát triển các phương thức cung cấp năng lượng mới cho các hệ thống di động là cần thiết để khắc phục những hạn chế của phương thức cấp nguồn truyền thống.

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu nguyên lý và thực hiện mô hình thực nghiệm mô hình thu nhỏ của hệ thống CPS.

NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

- 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

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.

PHẠM VI ỨNG DỤNG

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

Ngoài ra hệ thống CPS còn đƣợc ứng dụng rất nhiều ngoài thực tế với tất cả các thiêt bị đƣợc 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 1.6 CPS ứng dụng cho hệ thống thanh trượt dạng thẳng

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

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

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)

KẾT CẤU LUẬN VĂN

Luận văn bao gồm 5 chương

 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

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG CPS

CÁC PHÂN TÍCH CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG CPS

Hệ thống CPS (Contactless Power Supply) là giải pháp cung cấp điện không dây, cho phép cấp nguồn cho các thiết bị di động mà không cần sử dụng kết nối cứng như dây điện hay thanh trượt - chổi quét.

Hệ thống CPS sử dụng cặp cảm ứng tương tự như hai cuộn dây của máy biến áp, hoạt động dựa trên nguyên lý truyền dẫn năng lượng thông qua cảm ứng điện từ và mạch cộng hưởng.

2.1.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống CPS

Hệ thống CPS cơ bản bao gồm cặp cảm ứng điện từ hoạt động nhờ bộ nguồn tần số cao, với cuộn dây sơ cấp được bù để giảm thiểu tiêu hao công suất Cuộn cảm ứng thứ cấp di động cũng được bù nhằm tăng khả năng truyền tải công suất Để điều khiển dòng công suất từ pickup đến tải, có thể sử dụng bộ điều khiển switched-mode Trong các hệ thống phức tạp, có thể có nhiều pickup riêng lẻ được cung cấp bởi các track 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

 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)

Nguồn xoay chiều ba pha được chuyển đổi thành tín hiệu điện DC qua bộ chỉnh lưu Sau đó, tín hiệu này được nâng tần số lên khoảng 20 kHz thông qua bộ nghịch lưu Tín hiệu cao tần kết nối với cuộn sơ cấp (coupler) và cảm ứng qua cuộn thứ cấp di động, tạo ra dòng điện xoay chiều Cuối cùng, dòng điện này được chỉnh lưu và cung cấp dưới dạng dòng điện DC 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

Giải thích các ký hiệu sau:

Ls: Cuộn cảm thứ cấp

Vp: Điện áp cuộn sơ cấp

V s : Điện áp cuộn thứ cấp ii: Dòng điện nghịch lưu i p : dòng điện sơ cấp i s : dòng điện thứ cấp iL: dòng điện tải

R: tải trên phía thứ cấp

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

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

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

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

Hình 2.4 trình bày bốn dạng cặp cảm ứng điện từ (SS, PP, SP, PS), có thể được mô hình hóa tổng quát qua mạch trong Hình 2.5, phân tích trạng thái ổn định hình Sin Điện áp 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 hệ với hệ số cặp điện từ qua công thức :

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

Trở kháng dội từ phía thứ cấp đến phía sơ cấp đƣợc tính nhƣ sau:

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

Với “ReZr”: Phần thực của Zr

Dòng điện chạy qua cuộn dây thứ cấp đƣợc cho

(2.4) Điện áp cuộn dây sơ cấp và thứ cấp lần lƣợt nhƣ sau

Trở kháng thứ cấp, điện áp tải và dòng điện tải được trình bày trong bảng 2.1 cho cả hai dạng bù nối tiếp và song song Thông thường, tần số cộng hưởng ω0 ở cả sơ cấp và thứ cấp là bằng nhau, được xác định theo công thức đã nêu.

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

Dạng bù Nối tiếp Song song

Trở kháng thứ cấp Zs R

Bảng 2.2 Các đặc tính tại tần số cộng hưởng thứ cấp ω0

Dạng bù Nối tiếp Song song Điện trở dội

Hệ số chất lƣợng thứ cấp Qs

Điện trở và điện kháng được tính toán từ công thức (2.2) tại tần số cộng hưởng thứ cấp, như đã chỉ ra trong Bảng 2.2, và phụ thuộc vào dạng mạch bù sử dụng Hệ số chất lượng thứ cấp, cũng được trình bày trong Bảng 2.2, được định nghĩa tại tần số cộng hưởng thứ cấp và là tỷ lệ giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng.

Bù nối tiếp thứ cấp hoạt động như một nguồn áp, trong khi bù song song thứ cấp tương tự như một nguồn dòng Cả hai đặc tính này có thể được xác định thông qua công thức (2.3) bằng cách sử dụng điện trở dội từ Bảng 2.2, với giả định rằng dòng điện sơ cấp duy trì không đổi, điều này thường thấy trong thiết kế hệ thống CPS Một lợi ích của bù nối tiếp thứ cấp là không có điện kháng dội tại tần số cộng hưởng thứ cấp, trong khi bù song song thứ cấp lại tạo ra một điện kháng điện dung tại tần số cộng hưởng thứ cấp.

Trở kháng tải được xác định bởi nguồn cung cấp, liên quan đến sự kết hợp giữa mạch sơ cấp và mạch thứ cấp Đối với hệ thống bù nối tiếp sơ cấp, công thức tính trở kháng tải là: r = p + p + t + jL + Z.

1 (2.8) Đối với một hệ thống bù song song sơ cấp, trở kháng tải có công thức nhƣ sau r P p t

Trong các hệ thống nhiều pickup, các pickup thường được thiết kế đồng nhất để đảm bảo rằng trở kháng thứ cấp của chúng tương đương nhau cho mỗi loại tải Kết quả là tổng trở kháng phản hồi từ tất cả các pickup sẽ được đồng bộ hóa.

Với n: số pickup Điều này tương đương với trở kháng dội của một pickup đơn tương tự với một độ tự cảm tương hỗ tương đương như sau : nM

Hệ số cặp cảm ứng thương đương nk k n  (2.12)

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

Trong một số ứng dụng, việc điều chỉnh tần số để kiểm soát dòng công suất có thể ưu tiên hơn khi hoạt động bên trên hoặc bên dưới tần số cộng hưởng thứ cấp Tuy nhiên, để tối ưu hóa khả năng truyền tải công suất cực đại, việc vận hành tại tần số cộng hưởng thứ cấp là lựa chọn hợp lý Ngoài ra, để giảm thiểu mức tiêu hao công suất, điện áp và dòng điện ngõ ra cần phải cùng pha, điều này có thể đạt được bằng cách vận hành tại góc pha bằng 0 (ZPA) của tần số trở kháng tải Do đó, tần số danh định của hệ thống CPS thường được thiết kế để đạt được sự vận hành ZPA sơ cấp tại tần số cộng hưởng thứ cấp.

Bộ nguồn và bộ điều khiển sơ cấp truyền thống điều chỉnh tần số và dòng điện sơ cấp để tối ưu hóa khả năng truyền tải công suất Cả bộ điều khiển tần số thay đổi và ổn định đều có thể được áp dụng Việc điều chỉnh dòng công suất là cần thiết do sự biến đổi trong các thông số tải và hệ thống khác.

2.2.2.1 Điều chỉnh dòng công suất

Một phương pháp phổ biến để điều chỉnh dòng công suất là thay đổi tần số vận hành của nguồn cung cấp, nhưng cách này không phù hợp với các ứng dụng có nhiều pickup với tải khác nhau Việc điều chỉnh nguồn cung cấp sẽ ảnh hưởng đến tất cả các pickup thứ cấp, dẫn đến một số pickup không thể truyền tải công suất cần thiết Một giải pháp thay thế là sử dụng bộ điều khiển Switched-mode cho các pickup thứ cấp, cho phép điều khiển từng pickup một cách riêng biệt hoặc tách biệt với sơ cấp Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là tăng tổn hao chuyển đổi và chi phí cao hơn cho các pickup thứ cấp.

2.2.2.2 Điều khiển tần số ổn định

Trong các ứng dụng điều khiển tần số ổn định, sự thay đổi tải và cặp cảm ứng giữa sơ cấp và thứ cấp có thể gây ra dịch pha trong trở kháng tải Nếu dịch pha này lớn, công suất nguồn cung cấp cần có giá trị VA cao hơn để đảm bảo hiệu suất cho cùng một bộ truyền tải công suất.

2.2.2.3 Điều khiển tần số thay đổi

Các bộ điều khiển tần số thay đổi hoạt động hiệu quả nhất tại tần số vòng sơ cấp Tuy nhiên, tần số vận hành (tần số của trở kháng tải ZPA) có thể khác biệt so với tần số cộng hưởng danh định do sự thay đổi tải và góc cảm ứng giữa sơ cấp và thứ cấp Sự thay đổi tần số quá lớn có thể dẫn đến giảm khả năng truyền tải công suất, đồng thời gây mất ổn định tần số và điều khiển tối ưu do sự gia tăng nhánh rẽ khi tải tăng.

Việc thiết kế hệ thống CPS phụ thuộc vào kinh nghiệm và thực nghiệm do sự tương tác phức tạp giữa các mạch cộng hưởng Một phương pháp thiết kế tổng quát được đề xuất cho hệ thống hoạt động tại tần số cộng hưởng danh định Qua quy trình thiết kế lặp, cấu trúc điện từ, như dòng điện sơ cấp, có thể được xác định để đáp ứng yêu cầu truyền tải công suất Giới hạn vật lý của khả năng truyền tải công suất của cấu trúc cặp điện từ được xác định bởi tỷ lệ công suất VA Trong quá trình thiết kế, khả năng truyền tải công suất phải nằm dưới công suất VA của cả sơ cấp và thứ cấp.

Một dạng bù nối tiếp thứ cấp có khả năng cung cấp điện áp ổn định, trong khi dạng bù song song thứ cấp lại đảm bảo dòng điện ổn định.

Bù nối tiếp sơ cấp thường được sử dụng để giảm điện áp sơ cấp xuống mức an toàn cho các ứng dụng có cuộn dây dài, trong khi bù song song sơ cấp giúp tạo ra dòng điện sơ cấp lớn hơn.

Trong quy trình thiết kế, có hai giả định cơ bản cần lưu ý: thứ nhất, tần số vận hành được giữ cố định ở mức tần số cộng hưởng danh định; thứ hai, dòng điện sơ cấp được coi là hằng số Tuy nhiên, khi tải thay đổi, sẽ xảy ra hiện tượng dịch pha hoặc thay đổi tần số.

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

Khi xảy ra sự dịch pha lớn, việc duy trì dòng điện sơ cấp không đổi là không khả thi nếu yêu cầu vượt quá công suất VA của nguồn cung cấp đã được chọn Trong tình huống này, hệ thống sẽ không thể cung cấp công suất cần thiết.

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 hành ZPA (góc pha bằng 0) sơ cấp tại hay lân cận tần số cộng hưởng thứ cấp thì được mong muốn Một phương pháp đơn giản để cân nhắc chọn tụ sơ cấp bởi việc đặt

Phương pháp thiết kế 19 phần ảo của trở kháng tải bằng 0 tại tần số cộng hưởng thứ cấp không chỉ bù độ tự cảm sơ cấp mà còn tồn tại trở kháng dội khi bù nối tiếp cuộn dây sơ cấp Giải pháp được trình bày trong Bảng 2.3 áp dụng cho bốn dạng mạch bù được minh họa trong Hình 2.3.

Mạch Tụ sơ cấp C p Tụ sơ cấp đƣợc chuẩn hóa C pn

Một tụ sơ cấp được chuẩn hóa Cpn có thể được định nghĩa thông qua tỷ lệ của nó so với tụ sơ cấp được xác định trong công thức (2.7), như được trình bày trong Bảng 2.3.

Tụ sơ cấp được chuẩn hóa chỉ có thể xác định thông qua công thức (2.7) Theo Bảng 2.3, việc đạt được sự vận hành ZPA sơ cấp tại tần số cộng hưởng thứ cấp của tụ sơ cấp phụ thuộc vào ba yếu tố chính: lựa chọn dạng mạch 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

Lựa chọn dạng bù đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tụ sơ cấp đúng Khi bù nối tiếp thứ cấp không có điện kháng tại tần số cộng hưởng, độ tự cảm sơ cấp có thể được điều chỉnh mà không phụ thuộc vào cặp cảm ứng hay tải, bằng cách mắc nối tiếp một tụ trong mạch sơ cấp Ngược lại, bù song song thứ cấp phản hồi tải không phụ thuộc vào dung lượng điện kháng tại tần số cộng hưởng, nhưng chuỗi nối tiếp điều chỉnh trong mạch sơ cấp lại phụ thuộc vào cặp cảm ứng mà không phụ thuộc vào tải Do đó, trở kháng dội có phần thực đặc trưng cho tải, khiến cho điều chỉnh song song sơ cấp phụ thuộc vào cả cặp cảm ứng và tải.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ CHỈNH LƯU VÀ BỘ LỌC

Bộ chỉnh lưu, hay còn gọi là bộ nắn điện, là một mạch điện có chức năng biến đổi điện áp và dòng điện xoay chiều thành điện áp và dòng điện một chiều Bộ chỉnh lưu cũng được biết đến với tên gọi bộ biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều (AC - to -DC Convertor).

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

Các thiết bị điện tử và viễn thông thường sử dụng dòng điện một chiều, bao gồm động cơ điện một chiều, thiết bị nạp accu và thiết bị mạ điện Mặc dù nguồn điện một chiều như máy phát, accu, và pin mặt trời có chi phí cao và công suất hạn chế, nguồn điện xoay chiều lại phổ biến và có công suất lớn, thường được cung cấp từ lưới điện với tần số 50 Hz hoặc 60 Hz Để sử dụng nguồn điện lưới cho các thiết bị tiêu thụ điện một chiều, cần phải sử dụng bộ chỉnh lưu.

Ngày nay, để thực hiện việc chỉnh lưu, người ta dùng các linh kiện bán dẫn silic là diode, thyristor SCR và thyristor GTO (thyristor tắt bằng cổng)

Trong các bộ chỉnh lưu, các diode còn được gọi là các van không điều khiển, các thyristor còn đƣợc gọi là các van có điều khiển

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 lƣợng nhỏ

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

Tuy nhiên chúng có các nhược điểm:

 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 kỹ thuật của linh kiện:

 Dòng điện định mức: I đm (A)

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

 Dòng điện ngƣợc lớn nhất I ng max (mA)

Với các thyristor ngoài các thông số trên còn thêm:

 Điện áp điều khiển UG (V)

 Dòng điện điều khiển I GK (mA)

 Dòng duy trì I dt (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 quá trình sử dụng các bộ chỉnh lưu hoạt động với điện áp xoay chiều một pha, trong đó các van nắn là diode Kết quả là điện áp một chiều đầu ra không thể điều khiển được.

Bộ chỉnh lưu một pha là thiết bị có công suất vừa và nhỏ, thường không vượt quá 15 kW Đối với các ứng dụng công suất lớn, bộ chỉnh lưu 3 pha được sử dụng để đảm bảo không làm mất cân bằng các pha điện lưới.

2.3.2.2 Chỉnh lưu 1 pha nửa sóng

Bộ chỉnh lưu kiểu nửa sóng cho phép điện áp xoay chiều đầu vào được lấy trực tiếp từ điện lưới hoặc thông qua biến áp, như minh họa trong Hình 2.8 a, b.

Khi tải cần cách ly với điện mạng và điện áp một chiều trên tải khác xa với điện áp mạng, việc sử dụng biến áp là cần thiết (Hình 2.8b) Trong trường hợp này, không nên sử dụng biến áp.

Hình 2.8 Sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa sóng

Khi xem xét tải thuần trở, điện áp nguồn đặt vào bộ chỉnh lưu được biểu diễn là us = U M sinωt Diode D thực hiện chức năng chỉnh lưu, trong khi Rt là tải thuần trở của bộ chỉnh lưu Trong nửa chu kỳ đầu của điện áp nguồn us, với ωt từ 0 đến π, đây là bán chu kỳ dương của us, khiến diode D dẫn điện do phân cực thuận, tạo ra dòng điện i0 chạy qua tải.

Trong nửa chu kỳ sau của tín hiệu us, khi ωt = π ÷ 2π, diode D ngắt do phân cực ngược, dẫn đến không có dòng điện qua tải, tức là i0 = 0 và u0 = 0 Tại thời điểm này, diode D phải chịu điện áp ngược.

Bỏ qua tổn hao trên diode D và nguồn, hình 2.9 minh họa các dạng sóng đầu vào và đầu ra của bộ chỉnh lưu, cùng với dòng điện và điện áp ngược trên diode.

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

Trong quá trình chỉnh lưu, chỉ có bán chu kỳ dương của điện áp vào (us) diode D dẫn, tạo ra dòng và áp trên tải, trong khi bán chu kỳ âm thì diode D khóa, dẫn đến dòng và áp trên tải bằng không Do đó, trong một chu kỳ điện áp mạng, chỉ có một xung dòng qua tải, với số xung dòng qua tải trong một chu kỳ gọi là m; đối với chỉnh lưu một pha nửa sóng, m = 1 Mặc dù điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu là một chiều, nhưng nó lại ngắt quãng, và tần số của điện áp gợn sóng (Ripple) trên tải là f g = m.f = 50Hz Điện áp trên tải u0 và dòng tải i0 là dạng xung, vì vậy khi phân tích theo Fourier, ta có thể thấy được các đặc điểm này.

Trong đó: U 0 , I 0 là thành phần một chiều (giá trị trung bình) của điện áp và dòng tải, còn  

Các thành phần xoay chiều của điện áp và dòng trên tải được gọi là các hài, gây ra độ gợn sóng (Ripple) hay độ đập mạch của điện áp trên tải Bỏ qua tổn hao trên diode và nguồn, ta có thể tính được trị số điện áp một chiều trên tải bằng công thức.

Với sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng, u0 = 0 khi T/2 ≤ t ≤ T nên công thức (2.14) trong trường hợp này là:

U là trị số hiệu dụng của u s

- Trị số hiệu dụng của điện áp trên tải

-Trị số hiệu dụng của dòng tải: t

- Trị số hiệu dụng của các thành phần xoay chiều trên tải

- Tỷ số của điện áp hiệu dụng trên tải với điện áp một chiều trên tải gọi là hệ số dạng sóng, đƣợc ký hiệu là

Hệ số gợn sóng, ký hiệu là g, được xác định bằng tỷ số giữa điện áp hiệu dụng của các thành phần xoay chiều trên tải U 0~ và thành phần một chiều trên tải U 0.

Từ biểu thức (2.17) và (2.19) ta suy ra:

- Hiệu suất chỉnh lưu: là tỷ số của công suất một chiều trên tải P0 với công suất hiệu dụng trên tải P t

P t là công suất hiệu dụng trên tải

 Với tải dung tính (hình 2.8a )

Khi đầu ra của bộ chỉnh lưu ta mắc một tụ C, có trị số sao cho: t c R c

1 ở đây m =1, thì tải của bộ chỉnh lưu được coi là mang tính dung (hình 2.8a)

Hình 2.8 Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng tải dung tính (a) và dạng điện áp trên tải, thời gian dẫn của diode D (b)

Với điều kiện Xc 0, các điện tử được hình thành trong kênh dẫn, tương tự như cấu trúc MOSFET Các điện tử này di chuyển về phía Collector, vượt qua lớp tiếp giáp n-p giữa Base và Collector, tạo ra dòng Collector trong Transistor.

2.4.3 Đặc tính đóng cắt của IGBT

IGBT có cấu trúc p-n-p, dẫn đến điện áp thuận giữa cực C và E thấp hơn so với MOSFET Tuy nhiên, chính cấu trúc này cũng làm cho thời gian đóng cắt của IGBT chậm hơn, đặc biệt khi khóa lại Hình 2.14 b và c minh họa cấu trúc tương đương của IGBT so với một MOSFET và một transistor p-n-p.

Ký hiệu dòng qua IGBT gồm hai thành phần:

Phần MOSFET trong IGBT có khả năng khóa nhanh chóng khi điện tích giữa G và E được xả hết, dẫn đến dòng i l trở về giá trị bằng không Tuy nhiên, dòng i 2 không thể giảm nhanh chóng do điện tích tích lũy trong lớp n- chỉ có thể mất đi qua quá trình tự trung hòa Điều này gây ra hiện tượng kéo dài vùng dòng điện khi khóa một IGBT.

Chúng tôi sẽ khảo sát quá trình mở và khóa một IGBT theo sơ đồ thử nghiệm trong Hình 2.16 Sơ đồ này thể hiện IGBT đang đóng cắt một tải cảm có diode D o mắc song song IGBT được điều khiển bằng nguồn tín hiệu có biên độ U G nối với cực điều khiển G qua điện trở R C Trên sơ đồ, C gc biểu thị các tụ ký sinh giữa cực điều khiển và các cực Collector, Emitter.

Hình 2.16 Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT

Quá trình mở IGBT tương tự như MOSFET, khi điện áp điều khiển tăng từ 0 đến U G Trong thời gian trễ t d(on), tín hiệu điều khiển nạp điện cho tụ C GC, làm điện áp giữa cực điều khiển và Emitter tăng theo quy luật hàm mũ đến giá trị ngưỡng U GE(th) (khoảng 3-5V), từ đó MOSFET trong cấu trúc IGBT bắt đầu mở Dòng điện giữa Collector - Emitter tăng tuyến tính từ 0 đến dòng tải I o trong thời gian t r, và trong thời gian này, điện áp giữa cực điều khiển và Emitter đạt giá trị UGEto, xác định dòng I 0 qua Collector, trong khi diode D 0 vẫn đang dẫn dòng.

Điện áp U CE bị giữ ở mức điện áp nguồn một chiều U dc, trong khi quá trình mở diễn ra qua hai giai đoạn t fv1 và t fv2 Trong suốt hai giai đoạn này, điện áp giữa cực điều khiển vẫn duy trì ở mức U GEIo (mức Miller) để đảm bảo dòng điện ổn định.

Dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng của tụ Cgc, trong khi IGBT vẫn hoạt động ở chế độ tuyến tính Quá trình khóa và phục hồi của diode diễn ra trong giai đoạn đầu.

Dòng phục hồi của diode D0 tạo ra xung dòng vượt mức I0 của IGBT, khiến điện áp UCE bắt đầu giảm IGBT chuyển từ điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính sang vùng bão hòa Trong giai đoạn hai, quá trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của Collector diễn ra, dẫn đến điện trở giữa Collector-Emitter đạt giá trị R_on khi khóa bão hòa hoàn toàn, với UCE.on = I0.R_on.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CPS

SƠ ĐỒ THIẾT KẾ TỔNG QUÁT CỦA HỆ THỐNG

Hình 3.1 Sơ thiết kế tổng quát của hệ thống CPS

- Khối chỉnh lưu cầu B1 và làm phẳng DC bởi C1

- Khối nghịch lưu cầu H bằng 4 IGBT S1, S2, S3, S4

- Khối tạo xung 20Khz điều khiển IGBT

- Khối cộng hưởng song song sơ cấp Cp và Lp

- Khối pickup cộng hưởng thứ cấp Ls và Cs

- Chỉnh lưu B2 và lọc C2 cấp nguồn cho tải.

TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG

Nguồn cung cấp cho hệ thống là nguồn xoay chiều một pha với điện áp hiệu dụng 220V và tần số 50Hz, có thể sử dụng nguồn 3 pha với bộ chỉnh lưu 3 pha.

Trong trường hợp này ta chọn áp 110V/50Hz

Chọn dòng sơ cấp Ip = 5A, dòng qua chỉnh lưu cầu diode ID=Ip Z,

Hình 3.2 Khối sơ cấp Như vậy điện áp chỉnh lưu đo được

V dc 110 2 155,56 Chọn cầu diode có V ng max k u 155,562x155,56311V

Chọn dòng ID thực tế sau cho diode cầu hoạt động an toàn

Vậy ta có thể chọn diode cầu với dòng I D lớn hơn hoặc bằng 5A và chịu đựng áp ngược là lớn hơn hoặc bằng 311Vdc

3.2.1.2 Khối nghịch lưu cầu 4 IGBT

Vậy ta có thể chọn IGBT với thông số an toàn :

3.2.1.3 Khối mạch cộng hưởng L p C p tần số 20kHz

Với L r là cuộn kháng dẫn dòng điện nghịch lưu sau khi qua cầu IGBT đi thẳng vào mạch cộng hưởng sơ cấp  L p C p 

Với mạch cộng hưởng sơ cấp tần số cộng hưởng 20kHz, ta có : s s p p chtc chsc f f kHz L C LC f  2

Với f chsc và f chtc lần lượt là tần số cộng hưởng sơ cấp và thứ cấp

Giá trị L p ta có thể chọn trước và từ biểu thức ( 3.1) có thể suy ra giá trị tụ điện C p dễ dàng

Nếu tụ mắc song song thì n ss C C C

Nếu tụ mắc nối tiếp với nhau thì n nt C C C

 Theo lý thuyết, ta có công thức sau: s p L L k M

Ta chọn các thông số theo bảng 2.1, bảng 2.2 k=0.3 ( hệ số cặp cảm ứng)

M 0.5 (hỗ cảm tương hỗ giữa hai cuộn dây sơ cấp và thứ vấp )

Tính dung lƣợng tụ điện sơ cấp C p :

Vậy kết quả ta đƣợc các thông số sau: nF C

3.2.2.1 Khối mạch cộng hưởng thứ cấp L s C s với cùng tần số mạch cộng hưởng sơ cấp L p C p là 20kHz

Hình 3.3 Khối thứ cấp Tính dung lƣợng tụ điện thứ cấp C s và điện cảm thứ cấp L s :

Vậy ta tính đƣợc các thông số của Pickup nF F

3.2.2.2 Khối chỉnh lưu gồm 4 Diode

Cầu Diode B2 có nhiệm vụ chỉnh lưu tín hiệu AC 20kHz từ mạch cộng hưởng thứ cấp (pickup) Ls Cs, tạo ra tần số đầu ra 40kHz sau khi qua khối chỉnh lưu.

Công suất 60W Điện áp 12VDC

Dòng điện qua cầu Diode B2:

Ta có điện áp qua cầu Diode B2: U D2 = U S (3.3)

Từ cơ sở lý thuyết chương 2, ta có:

Xét Bảng 2.1, bảng 2.1 chương 2 đối với dạng tụ thứ cấp mắc song song với cuộn dây thứ cấp, ta có:

 Với R là điện trở tải

Vậy chọn cầu Diode B2 với:

Tần số mạch thứ cấp sau khi cộng hưởng với sơ cấp đạt giá trị fch kHz Sau khi qua quá trình chỉnh lưu, tần số cần được tăng gấp đôi, tương đương với f ch @kHz.

 Tụ điện C 2 có thể chọn lớn hơn cho bộ lọc

Công suất ngõ ra trên tải là 60W, điện áp ra 12VDC

Suy ra dòng điện qua tải là 5A và điện trở R= 5 Ohm

MẠCH ĐỘNG LỰC SAU KHI TÍNH TOÁN

3.3.1 Mạch động lực sơ cấp

Hình 3.4 Mạch nghịch lưu 4 IGBT ( 25N120)

3.3.2 Mach động lực thứ cấp

Hình 3.5 Mạch điện thứ cấp sau khi tính toán.

GIỚI THIỆU MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Khối nguồn điều khiển nhƣ Hình 3.6 có chức năng tạo ra nguồn một chiều

DC +12V để cấp cho các mạch điều khiển Ngõ vào của bộ nguồn là điện áp một pha 220V, tần số 50Hz

Hình 3.6 Nguồn cung cấp cho khối điều khiển IGBT

3.4.1 Khối mạch điều khiển IGBT

Khối mạch điều khiển IGBT1-2-3-4, như thể hiện trong Hình 3.4, sử dụng IC TL494CN để điều khiển bốn IGBT này Chúng được điều khiển thông qua một hệ thống PI, trong đó dòng điện Ip được phản hồi từ ngõ ra của cầu IGBT và so sánh với giá trị tham chiếu đầu vào, từ đó tạo ra tín hiệu điều khiển cho IGBT.

Mối quan hệ giữa điện áp ngõ vào điều khiển và dòng điện ngõ ra của IGBT cho nhƣ hình 3.7

Phương trình điều khiển như sau:

Với U: điện áp ngõ vào điều khiển

Ip: dòng điện ngõ ra của IGBT

Sai số hiệu chỉnh của bộ điều khiển PI p ref I I e   (3.10)

Với Iref và I p là giá trị tham chiếu và giá trị ngõ ra của hệ thống Bộ điều khiển PI đƣợc mô tả bởi phương trình sau:

Với Kp và K i là các hệ số của bộ điều khiển PI

Chuyển phương trình (3.11) sang dạng thời gian rời rạc

U(i ): tín hiệu điều khiển ngõ vào e (i ) : sai số hiệu chỉnh của lần lấy mẫu thứ i

Td : chu kỳ lấy mẫu của bộ điều khiển

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

Cấu hình của bộ điều khiển PI nhƣ hình 3.8

Hình 3.8: Cấu hình của bộ điều khiển PI

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

TL494 là IC cố định tần số xung điều biến độ rộng (PWM) điều khiển mạch

Sự điều biến xung đầu ra được thực hiện thông qua việc so sánh các dạng sóng răng cưa do các bộ dao động tạo ra cho hai tín hiệu điều khiển Tại ngõ ra, hai transistor NPN được kích hoạt hoạt động đối xứng để thực hiện quá trình điều chế.

PWM theo tính hiệu hồi về chân (1) TL494 từ cảm biến dòng CT trên khối nghịch lưu IGBT như Hình 3.8

Nguồn cung cấp TL494 trong mạch này là 12Vdc

Tần số TL494 tạo ra cung cấp cho biến áp lái điều khiển IGBT là 20Khz

Hình 3.10 Sơ đồ khối chức năng IC TL494CN

CHƯƠNG4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.

CÁC THÔNG SỐ ĐO ĐƢỢC

4.1.1 Các thông số đo đƣợc phần sơ cấp:

1 Điện áp cấp cho tầng nghịch lưu (IGBT 25N120) sau khi chỉnh lưu là 156Vdc

2 Điện áp cấp cho tầng điều khiển TL494 là 12Vdc

3 Điện áp đo trên dao động ký:

4 Tần số dao động cho TL494 là 40Khz

5 Tần số dao động ngỏ ra Output1, Output2 của TL494 là 40Khz Ngõ ra Output1, Output2 ngƣợc pha nhau biên độ 10vpp

Hình 4.1 Tín hiệu ngõ ra Output1, Output2 của TL494

6 Dạng sóng đo đƣợc tại cầu H transistor (C2383, A1013) khi chƣa tải Biên độ 20vpp, 20khz

Hình 4.2 Dạng sóng tại cầu H transistor

7 Dạng sóng đo được tại ngỏ ra biến áp lái cho mạch nghịch lưu

Biên độ 20vpp, tần số 20khz

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

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

4.1.2 Các thông số đo đƣợc phần thứ cấp (PicKup di động) khi mạch sơ cấp cộng hưởng ở tần số 20khz

4.1.2.1 Dạng sóng đo đƣợc tại ngỏ ra biến áp:

 Tại vị trí A: Biên độ 25vpp, tần số 20khz

Hình 4.5 Dạng sóng tại ngỏ ra biến áp

Dạng sóng đo đƣợc giống nhƣ tại vị trí A

Biên độ 25vpp, tần số 20khz

Dạng sóng đo đƣợc giống nhƣ tại vị trí A

Biên độ 25vpp, tần số 20khz

4.1.2.2 Điện áp đo được tại ngỏ ra sau cầu chỉnh lưu của khối Pickup di động

 Tải căn bản cho mạch Led quang báo.

MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HOÀN CHỈNH

Hình 4.6 Khối chỉnh lưu nguồn 110Vac

4.2.1.2 Khối điều khiển TL494 (dạng 3D)

Hình 4.6 Khối TL494 tạo xung điều khiển cầu nghịch lưu

4.2.1.3 Khối nghịch lưu cầu H (IGBTx4)

Hình 4.7 Khối cầu nghịch lưu IGBT 25N120

4.2.1.4 Cuộn dây sơ cấp 1 vòng dài 17m, phi 2.5mm

Hình 4.8 Cuộn dây sơ cấp 4.2.2 Thứ cấp:

- Khối Pickup di động và mạch chỉnh lưu

- Tải là mạch Led quảng cáo cơ bản

4.2.3 Tổng hợp sơ cấp và thứ cấp

Hình 4.10 Mô hình toàn mạch

Hình 4.11 Mô hình toàn mạch Pickup ở vị trí A

Hình 4.12 Mô hình toàn mạch Pickup ở vị trí B

Hình 4.13 Mô hình toàn mạch Pickup ở vị trí C