TỔNG QUAN
Các nghiên cứu trước đây
Các bộ biến đổi điện áp DC tỉ số cao đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm thu nhận năng lượng, cung cấp năng lượng cho thiết bị y tế, thiết bị cầm tay, chiếu sáng, công nghệ tàu điện, viễn thông, xử lý thông tin, công nghiệp, năng lượng tái tạo, lưới microgrid DC và hệ thống điện HVDC Hệ thống pin mặt trời nối lưới một pha được minh họa trong Hình 1.1.
Hình 1.1: Hệ thống pin mặt trời nối lưới một pha
Dưới áp lực gia tăng dân số và nhu cầu tiêu thụ năng lượng, nguồn năng lượng hóa thạch đang đối mặt với nguy cơ cạn kiệt Năng lượng tái tạo được xem là giải pháp thay thế tiềm năng với ưu điểm có sẵn ở nhiều nơi trên thế giới, trong đó năng lượng mặt trời có độ bao phủ rộng nhất Các hệ thống pin mặt trời nối lưới sử dụng bộ biến đổi để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.
DC có vai trò quan trọng khi nó có nhiệm vụ dò điểm công suất cực đại tận dụng công suất của pin mặt trời
Trong hệ thống điện mặt trời, nhiều tế bào quang điện được kết nối với nhau để tạo thành một module, với các module này tiếp tục nối tiếp để hình thành chuỗi (string) Nhiều chuỗi được kết nối song song tạo thành một mảng (array) Tuy nhiên, trong một số trường hợp, các tế bào hoặc tấm pin trong chuỗi có thể không nhận được cường độ bức xạ đều nhau, do ảnh hưởng từ bóng cố định của cây cối hoặc các công trình lân cận, cũng như bóng di động.
Trong điều kiện nhiều mây, các tấm pin mặt trời gặp phải bức xạ thấp, dẫn đến việc tiêu thụ công suất theo định luật Kirchhoff 1 Điều này có thể gây ra hiện tượng quá nhiệt cho tấm pin, vì vậy mỗi tấm pin được trang bị một diode bypass để ngăn chặn việc nóng lên khi có bóng che Đặc tuyến I-V và P-V của tấm pin cũng sẽ bị ảnh hưởng khi có bóng che, vì dòng điện bị giới hạn bởi dòng điện của tấm pin có bức xạ thấp Do đó, đặc tuyến P-V không chỉ có một cực trị như khi bức xạ đồng nhất, mà số lượng cực trị tương ứng với các mức bức xạ khác nhau tác động lên các tấm pin.
Hình 1.2: Đặc tuyến I - V và P - V của chuỗi pin mặt trời khi có bóng che
Hiện tượng bóng che gây khó khăn cho việc điều khiển công suất của tấm pin mặt trời ở chế độ MPPT, vì các phương pháp tìm kiếm điểm cực đại hiện tại chỉ có thể xác định một điểm cực trị duy nhất, dẫn đến khả năng cao là tìm được một cực trị địa phương (Local Maximum Power Point - LMPP) Để giải quyết vấn đề này, nhiều giải pháp đã được đưa ra, trong đó có việc áp dụng các thuật toán meta heuristic để dò MPPT Mặc dù các giải thuật này có thể xác định điểm GMPP với độ chính xác cao, nhưng thời gian xác lập lại lâu hơn và chất lượng điện năng thấp hơn do sự dao động lớn Một giải pháp khác là tái cấu hình hệ thống pin bằng cách nhóm các tấm pin mặt trời có cùng bức xạ, nhằm cải thiện hiệu suất trong điều kiện có bóng che.
Ba thiết bị tương tự sẽ được kết nối chung thành một chuỗi Tuy nhiên, phương pháp này không phù hợp cho các hệ thống lớn cần nhiều thiết bị đóng cắt.
Hình 1.3: Các phương án kết nối pin mặt trời
Nghiên cứu khảo sát các cấu hình pin mặt trời với ba cách mắc khác nhau: song song, nối tiếp và hỗn hợp Kết quả cho thấy, trong điều kiện bóng che, cấu hình song song có khả năng phát điện cao hơn so với cấu hình nối tiếp, đồng thời xác suất bị bẫy vào cực trị địa phương của hệ thống cũng thấp hơn khi số tấm pin mắc nối tiếp giảm Tuy nhiên, hệ thống ở cấu hình song song hoạt động với điện áp thấp hơn và dòng điện cao hơn, gây áp lực lên các bộ biến đổi Bài báo tổng hợp các phương pháp xây dựng cấu hình bộ tăng áp DC-DC tỉ số cao hiện nay, nhưng nhược điểm lớn nhất là dòng điện đầu vào lớn dẫn đến giới hạn về công suất Các bộ MPPT nhỏ được tích hợp vào từng tấm pin và nối tiếp với nhau, tạo ra đặc tuyến P-V trên mỗi bộ DC.
DC chỉ có một cực trị duy nhất giúp đơn giản hóa phần mềm, đạt công suất tương đương với cấu hình mắc song song Tuy nhiên, phương án này yêu cầu chi phí đầu tư cao hơn và phát sinh thêm vấn đề về độ phức tạp của hệ thống, không phù hợp với các hệ thống pin mặt trời áp mái có quy mô vừa và nhỏ, nơi cần chi phí đầu tư thấp.
Tính cấp thiết của đề tài
Sự gia tăng đầu tư vào hệ thống pin mặt trời áp mái ở Việt Nam đòi hỏi một giải pháp vận hành hợp lý cho các hệ thống pin có công suất vừa và nhỏ Việc giảm số lượng pin trong chuỗi nối tiếp kết hợp với các bộ biến đổi điện áp tỷ số cao sẽ mang lại tiềm năng lớn cho hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống điện mặt trời công suất vừa và nhỏ từ vài kW đến vài chục kW tại Việt Nam còn nhiều tiềm năng khai thác Bài viết đề xuất phương pháp xây dựng các bộ biến đổi DC-DC tỉ số cao cho các hệ thống này, đồng thời kiểm tra các thông số vận hành trong luận văn.
Nhiệm vụ của luận văn
Sau khi đọc và nghiên cứu các tài liệu tổng quan, luận văn đề ra các mục tiêu sau:
- Đề xuất một cấu hình mạch biến đổi DC – DC tỉ số cao từ 50V lên 400V
- Xây dựng phương pháp đánh giá tổn thất công suất và sụt áp trên mạch khi có xét đến nội trở thực tế của các linh kiện
- Thực nghiệm kiểm chứng hoạt động của mạch so với các phân tích lý thuyết
Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập các tài liệu liên quan
- Thiết lập sơ đồ nguyên lý và phương án điều khiển
- Thành lập công thức tính toán lý thuyết cho mạch
- Thi công và thực nghiệm mạch trên thực tế.
Đóng góp chính của luận văn
Bài viết đề xuất một cấu hình mạch tăng áp DC với tỉ số cao, có khả năng điều khiển điện áp trong một dải rộng Mạch này được đánh giá thông qua mô hình toán học và thực nghiệm, nhằm đảm bảo hiệu suất và tính ổn định trong ứng dụng.
Kế hoạch thực hiện
- 10/2018 – 10/2019: Nghiên cứu tổng quan, đề xuất cấu hình và phân tích nguyên lý hoạt động Mô phỏng mạch trên phần mềm PSIM
- 10/2019 – 04/2020: Thi công mạch thực nghiệm và thực hiện thí nghiệm
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về pin quang điện (PV)
Quá trình chuyển đổi năng lượng photon từ bức xạ mặt trời thành điện năng được thực hiện bởi các tấm pin quang điện (PV) Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào tấm pin, các photon sẽ được chia thành ba phần: một phần phản xạ, một phần xuyên qua và phần còn lại bị hấp thu Các photon bị hấp thu sẽ kích thích nguyên tử, tạo ra các cặp điện tử tự do di chuyển về hai cực của lớp chuyển tiếp P-N Sự tập trung điện tích tại hai đầu vật liệu tạo ra hiệu điện thế, và khi kết nối với tải bên ngoài, sẽ có dòng điện chạy qua Quá trình này được minh họa trong Hình 2.1.
Hình 2.1: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin quang điện
Dựa vào công nghệ sản xuất, các tấm pin quang điện được chia thành các loại sau:
• Đơn tinh thể (Monocrystalline): có hiệu suất lớn nhất trong các loại pin (13 – 17%) nhưng vật liệu chế tạo đắt tiền
• Đa tinh thể (Monocrystalline): hiệu suất thấp hơn loại đơn tinh thể (10 – 14%), bù lại giá thành rẻ hơn
• Dải silic (Bar crystalline silicon): có chi phí sản xuất thấp nhất tuy nhiên hiệu suất chỉ đạt 11%
• Màng mỏng (Thin film): cho phép chế tạo được các tấm pin với kích thước mỏng nhưng do mới phát triển nên hiệu suất thấp, trong tầm 5 – 13%
• Ngoài ra công nghệ pin hữu cơ là công nghệ mới nhất hiện nay.
Mô hình toán pin PV
2.2.1 Mô hình lý tưởng
Mô hình của tế bào quang điện được đặc trưng bởi một nguồn dòng song song với diode, trong đó diode được xem như không có nội trở Theo định luật Kirchhoff, dòng điện tại đầu ra của tấm pin là hiệu giữa dòng điện do ánh sáng tạo ra và dòng điện chạy qua diode.
Hình 2.2: Mô hình tế bào quang điện lý tưởng
Dòng điện tại ngõ ra của tấm pin [8]:
Iph là dòng điện tạo ra bởi các photon, trong khi Id là dòng điện trên diode được xác định bởi công thức (1 – 2) Io là dòng bão hòa ngược của diode, với q là điện tích của một electron (1,6 × 10 -19 C), k là hằng số Boltzmann (1,38 × 10 -23 J/K), T là nhiệt độ trên diode tính bằng Kelvin, và a là hằng số lý tưởng của diode.
Từ công thức (1 – 1) và (1 – 2) ta có các đặc tuyến I – V như sau:
Hình 2.3: Đặc tuyến I – V lý tưởng của pin mặt trời
Các tế bào quang điện được kết nối theo kiểu kết hợp giữa song song và nối tiếp, hình thành module PV Việc kết nối nhiều tế bào quang điện yêu cầu mô hình toán có nhiều tham số hơn so với mô hình lý tưởng, trong đó cần xem xét thêm nội trở tham gia vào mạch.
Hình 2.4: Mô hình tế bào quang điện thực tế
Dòng điện đầu ra trong trường hợp này:
Hình 2.5: Đặc tuyến I - V thực tế của pin mặt trời
Công thức (2 – 3) mô tả mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của một tấm pin mặt trời điển hình, dẫn đến việc tạo ra đặc tuyến I – V như trong hình 1.5 Đặc tuyến I – V này được nhà sản xuất thể hiện thông qua ba điểm đặc trưng, với điều kiện chuẩn là bức xạ 1000W/m² và nhiệt độ 25°C.
• Điện áp hở mạch (Voc): Là điện áp đo được trên tấm pin khi không tải
• Dòng điện ngắn mạch (Isc) Là dòng điện đo được khi nối ngắn mạch tấm pin
Điểm công suất cực đại (VMPP, IMPP) là điểm làm việc cho công suất lớn nhất của pin mặt trời Đặc tuyến công suất của pin mặt trời không cố định và phụ thuộc vào hai yếu tố chính: cường độ bức xạ và nhiệt độ trên tấm pin Cụ thể, với cùng một nhiệt độ và điện áp, bức xạ cao hơn sẽ tạo ra dòng điện lớn hơn, tương ứng với Iph trong mô hình toán học tỷ lệ với bức xạ Ngược lại, khi nhiệt độ tăng trong khi bức xạ cố định, điện áp sẽ cao hơn ở cả điểm MPP và điểm hở mạch.
Để đạt hiệu suất tối ưu cho các tấm pin, điều kiện làm việc lý tưởng là có cường độ bức xạ cao và nhiệt độ thấp Thực tế cho thấy, nhiệt độ làm việc ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của các tấm pin.
9 của tấm pin cao hơn so với nhiệt độ chuẩn, thường rơi vào tầm 43 o C - 47 o C (trạng thái NOCT)
Hình 2.6: Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tuyến pin mặt trời
Bài toán dò điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking – MPPT)
Hình 2.7: Mô hình đơn giản pin mặt trời nối tải
Công suất tiêu thụ trên tải được tính bằng công thức:
(𝑅 𝑠 + 𝑅 𝐿 ) 2 (2 – 6) Điều kiện cần để công suất trên tải đạt cực đại là đạo hàm của PL theo RL bằng 0:
Điểm làm việc của hệ thống được xác định là giao điểm giữa đường đặc tính của tải và đường đặc tính của nguồn Nếu tải được kết nối là tải thuần trở, thì đặc tính tải sẽ là một đường thẳng với độ dốc là 1/RL Tổng trở bên phía phụ tải càng lớn sẽ ảnh hưởng đến điểm làm việc của hệ thống.
Khi tải trọng tăng, độ dốc của đường đặc tính tải sẽ giảm, và điểm làm việc sẽ di chuyển sang bên phải Điểm làm việc đạt công suất cực đại chỉ khi RL = RMPP.
Điểm khác biệt lớn nhất giữa nguồn năng lượng tái tạo và nguồn năng lượng truyền thống là năng lượng đầu vào không thể điều khiển, trong khi tải tiêu thụ phụ thuộc vào thói quen và mục đích của người dùng cũng không thể điều chỉnh Việc kết nối trực tiếp các tấm pin mặt trời với tải sẽ dẫn đến mất cân bằng công suất và không tận dụng triệt để công suất đầu vào Do đó, cần thiết phải có một thiết bị trung gian để phối hợp tổng trở giữa phụ tải và hệ thống pin mặt trời Phương pháp phổ biến nhất hiện nay để phối hợp tổng trở là sử dụng biến đổi điện áp thông qua các bộ biến đổi điện áp một chiều.
Sơ đồ tương đương của hệ thống điện mặt trời có kết nối với bộ biến đổi điện áp
Bộ biến đổi DC được mô tả trong Hình 2.9, giả sử hiệu suất biến đổi năng lượng là lý tưởng, có thể được xem như một máy biến áp hoạt động với điện áp DC Trong đó, V1 và I1 đại diện cho điện áp và dòng điện đầu vào của bộ biến đổi (phía sơ cấp), trong khi V2 và I2 là điện áp và dòng điện tại đầu ra (phía thứ cấp).
Gọi k là tỉ số biến áp, ta có:
Hình 2.9: Mô hình hệ thống điện mặt trời sử dụng bộ biến đổi điện áp DC đơn giản
Từ đây, có thể quy đổi tổng trở tải phía sơ cấp về phía sơ cấp tương tự như các bài toán quy đổi cấp điện áp trong máy biến áp Tổng trở tương đương RL’ của tải nhìn từ phía nguồn pin mặt trời được xác định như sau:
Trong các bộ biến đổi điện áp, tỉ số biến áp không thể điều khiển được Tuy nhiên, việc ứng dụng các bộ biến đổi năng lượng đã cho phép phối hợp giữa phụ tải và nguồn điện tái tạo không điều khiển được, từ đó tận dụng tối đa năng lượng khai thác và nâng cao hiệu quả cũng như tính kinh tế của hệ thống.
Các phương pháp phổ biến dò tìm điểm công suất cực đại pin mặt trời
2.4.1 Phương pháp điện áp hằng số
Phương pháp này thiết lập mối quan hệ gần đúng giữa điện áp tại điểm công suất tối đa (V MPP) và điện áp hở mạch (V OC), cả hai đều biến đổi theo nhiệt độ và bức xạ.
Hằng số k là một yếu tố phụ thuộc vào đặc tuyến của pin mặt trời (PV), được xác định thông qua việc đo V MPP và VOC ở các mức bức xạ và nhiệt độ khác nhau Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng giá trị của k thường nằm trong khoảng từ 0.71 đến 0.85.
Với một hằng số k đã biết, điện áp VMPP có thể được xác định bằng cách đo
Để đo điện áp hở mạch (VOC) của pin mặt trời (PV), cần ngắt tải, điều này dẫn đến tổn hao công suất và sai số lớn do sự biến đổi của bức xạ mặt trời Phương pháp xác định VOC hiện tại chỉ mang tính chất gần đúng và không đảm bảo độ chính xác cao Một giải pháp khả thi là sử dụng một pin mặt trời mẫu để đo VOC, pin này không phát điện mà chỉ dùng để xác định các thông số như VOC Pin mẫu cần được chọn lọc kỹ lưỡng và lắp đặt cùng với mô đun PV để đảm bảo điều kiện môi trường tương đồng Mặc dù việc sử dụng pin mẫu có thể làm tăng chi phí của hệ thống, nhưng đây vẫn là một phương pháp đơn giản vì không yêu cầu phần cứng quá phức tạp.
2.4.2 Phương pháp P&O (Perturb and Observe)
Giải thuật P&O, hay còn gọi là phương pháp “leo dốc”, là một giải pháp cơ bản và đơn giản được áp dụng rộng rãi trong hệ thống MPPT để điều khiển tại vị trí thu được công suất cực đại Phương pháp này hoạt động bằng cách điều chỉnh tăng hoặc giảm điện áp nhằm tối ưu hóa công suất thu được.
- Nếu tăng điện áp, công suất thu được tăng thì ta phải tiếp tục tăng điện áp
- Nếu tăng điện áp, công suất thu được giảm thì ta phải giảm điện áp
- Nếu giảm điện áp, công suất thu được tăng thì ta phải tiếp tục giảm điện áp
- Nếu giảm điện áp, công suất thu được giảm thì ta phải tăng điện áp
Hình 2.10: Đường đặc tính P-V và giải thuật P&O
Hình 2.11: Lưu đồ giải thuật P&O
2.4.3 Phương pháp INC (Incremental Conductance)
Phương pháp INC (Incremental Conductance) dựa trên đạo hàm P-V của đường cong PV có thể được miêu tả như sau[11]:
Hình 2.12: Độ dốc (dP/dV) của PV
- dP/dV = 0, tại điểm cực đại MPP của PV
- dP/dV > 0, bên trái điểm MPP
- dP/dV < 0, bên phải điểm MPP
Ta có thể biểu diễn như sau:
- dI/dV = - I/V, tại điểm MPP
- dI/dV > -I/V, bên trái điểm MPP
- dI/dV < -I/V, bên phải điểm MPP
Một yếu tố quan trọng trong thuật toán này là khả năng phát hiện điều kiện môi trường Nếu điểm hoạt động vẫn duy trì ở mức MPP (điều kiện ΔV= 0) và bức xạ không thay đổi (ΔI = 0), thì không cần điều chỉnh điện áp hoạt động Tuy nhiên, nếu bức xạ thay đổi
Khi có 16 tăng (ΔI > 0), điện áp MPP sẽ giảm, do đó thuật toán INC cần tăng điện áp hoạt động để theo dõi điểm MPP Điểm cực đại được xác định bằng cách so sánh giá trị tức thời I/V với sai số dI/dV thông qua một thuật toán cụ thể.
Các bộ biến đổi DC – DC cơ bản
Bộ biến đổi Boost là thiết bị DC-DC dùng để tăng điện áp đầu ra vượt trội hơn điện áp đầu vào Nó bao gồm ít nhất hai thành phần chuyển mạch, bao gồm một diode và một transistor, cùng với ít nhất một phần tử lưu trữ năng lượng như tụ điện, cuộn dây hoặc cả hai.
Hình 2.14: Sơ đồ mạch Boost DC
Trong bộ biến đổi lý tưởng, tất cả các thành phần được tính toán một cách hoàn chỉnh Việc thay đổi tỷ lệ thời gian dẫn ton so với chu kỳ Ts sẽ ảnh hưởng đến giá trị điện áp đầu ra VO Điều này được minh họa rõ ràng qua giản đồ thời gian.
Hình 2.15: Dạng sóng điện áp và dòng điện mạch Boost
Ts: thời gian chuyển đổi
IL: dòng điện sạc trung bình
Io: dòng điện đầu ra
Vd: điện áp một chiều đầu vào
Vo: điện áp một chiều đầu ra
Nguyên lý hoạt động của mạch[12]:
Hình 2.16: Trạng thái ON mạch Boost
Khi khóa được kích đóng, dòng điện từ nguồn vào chạy qua cuộn cảm, khiến dòng điện trong cuộn cảm tăng nhanh chóng Dòng điện không đi qua diode, và tụ điện phóng điện cung cấp năng lượng cho tải Chiều dòng điện được thể hiện trong hình 2.15.
Hình 2.17: Trạng thái OFF mạch Boost
Khi khóa kích ngắt, cuộn dây đạt được sự cân bằng điện áp với điện áp đầu vào Điện áp đầu vào kết hợp với điện cảm trong cuộn cảm, tích lũy năng lượng từ trường qua diode, cung cấp cho tải và nạp cho tụ điện Kết quả là điện áp đầu ra sẽ cao hơn điện áp đầu vào, và dòng điện qua tải được cung cấp bởi nguồn đầu vào Chiều dòng điện được mô tả trong Hình 2.17.
Buck là bộ chuyển đổi nguồn DC-DC dùng để hạ thấp điện áp đầu ra so với điện áp đầu vào Thiết bị này bao gồm các thành phần cơ bản như mạch BOOST, với khóa chuyển mạch gồm một transistor, một diode, một cuộn dây và một tụ điện.
Trong giản đồ thời gian này, ta có:
Nguyên lý hoạt động của mạch[12]:
Hình 2.18: Dạng sóng điện áp và dòng điện mạch Buck
Rõ ràng, đây là bộ giảm áp vì 0 ≤ D ≤ 1
Trong thời gian T dẫn, năng lượng tích trữ trên cuộn cảm Trong thời gian T ngắt, năng lượng cuộn cảm phóng thích qua C, R và D
Hình 2.19: Trạng thái ON mạch Buck
Khi khóa kích đóng, dòng điện từ nguồn đi qua cuộn cảm, làm tăng dòng điện trong cuộn cảm Đồng thời, tụ điện cũng được nạp và cung cấp dòng điện cho tải Chiều dòng điện được minh họa trong Hình 2.19.
Hình 2.20: Trạng thái OFF mạch Buck
Khi khóa kích ngắt, nguồn cung cấp bị ngắt khỏi mạch, dẫn đến việc cuộn cảm tích lũy năng lượng từ trường Đồng thời, tụ điện đã tích lũy năng lượng ở trạng thái on trước đó sẽ phóng năng lượng qua tải Cuộn cảm có xu hướng duy trì dòng điện không đổi và giảm dần theo thời gian Chiều của dòng điện trong tình huống này được mô tả như trong Hình 2.20.
Mạch tăng áp DC – DC tỉ số cao
Mạch tăng áp DC-DC là một thiết bị quan trọng trong nhiều ứng dụng hiện đại như đèn HID, xe điện và hệ thống năng lượng tái tạo Để nâng cao điện áp đầu ra từ các nguồn năng lượng tái tạo thường có điện áp thấp, cần sử dụng bộ chuyển đổi với độ lợi cao, thường gấp mười lần trở lên Tuy nhiên, các bộ chuyển đổi này phải hoạt động ở tần số PWM rất cao để đạt được mức tăng điện áp mong muốn, dẫn đến tổn thất hồi phục ngược nghiêm trọng do dòng xung ngắn Khi điện áp đầu ra tăng, linh kiện bán dẫn cần có điện áp định mức cao hơn, và do dòng đầu vào cao, tổn thất dẫn có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất hệ thống Hơn nữa, khi tỷ số thời gian gần bằng 1, bộ chuyển đổi sẽ có đáp ứng động kém với các thay đổi trong tham số hệ thống và tải.
Có nhiều kỹ thuật nâng áp khác nhau đã được giới thiệu và áp dụng cho bộ nâng áp Tài liệu [6] đã tổng hợp và phân loại các phương pháp này, như được thể hiện trong Hình 2.21 Tổng cộng có 5 nhánh lớn, bao gồm chuyển mạch tụ, tế bào nhân áp, chuyển mạch cuộn dây, nâng điện áp, hỗ cảm, và cấu trúc ghép nhiều tầng.
Hình 2.21: Phân loại các kỹ thuật tăng áp tỉ số cao
Các cải tiến trong bộ biến đổi DC-DC hiện nay dựa trên 5 yếu tố chính: hiệu suất, mật độ công suất, chi phí, độ phức tạp và độ tin cậy, tất cả đều có sự tác động lẫn nhau Hình 2.22 tóm tắt và so sánh các kỹ thuật tăng điện áp dựa trên 5 tiêu chí này, giúp lựa chọn nhanh chóng giữa các phương án thay thế cho các yêu cầu ứng dụng và tải đặc biệt Mỗi kỹ thuật điện áp có những tính năng độc đáo và ứng dụng phù hợp, không có giải pháp nào phù hợp cho tất cả Tuy nhiên, việc ủng hộ một kỹ thuật cụ thể nào đó là không công bằng Cấu trúc liên kết và điều khiển chuyển đổi, trước đây được coi là phức tạp và không hiệu quả, nay đã trở thành giải pháp chính cho nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng, với các cấu trúc mới dựa trên các kỹ thuật tăng điện áp khác nhau sẽ tiếp tục xuất hiện.
Sự phát triển của các thiết bị bán dẫn điện như GaN và SiC, cùng với những vật liệu từ tính tiên tiến, đã góp phần nâng cao hiệu suất và cải thiện khả năng đáp ứng của nhiều ứng dụng khác nhau Những nền tảng điều khiển kỹ thuật số hiệu suất cao đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của các thiết bị băng rộng mới.
Hình 2.22: Ưu nhược điểm của các phương pháp tăng tỉ số biến đổi
Kỹ thuật tăng áp này đã được áp dụng trong nhiều bộ biến đổi điện năng, với nguyên lý hoạt động hoàn toàn dựa vào tụ điện mà không cần cuộn cảm Cấu trúc của mạch Charge Pump cơ bản thể hiện rõ ưu điểm gọn nhẹ nhờ việc sử dụng chỉ tụ điện Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là mật độ công suất không cao, do việc tăng áp không sử dụng cuộn cảm dẫn đến dòng điện xung lớn chạy qua tụ.
Hình 2.23: Cấu hình Charge pump và chuyển mạch tụ cơ bản
(a) Mạch Charge pump cơ bản, (b) Mạch chuyển tụ cơ bản 2.6.3 Tế bào nâng áp
Một giải pháp thay thế để cải thiện hiệu suất và tỷ lệ chuyển đổi của các bộ chuyển đổi DC-DC boost truyền thống là sử dụng tế bào nhân điện áp Việc áp dụng tế bào nhân điện áp giúp giảm thiểu các vấn đề về khối lượng, kích thước và tổn thất liên quan đến máy biến áp điện thế cao Hình 2.24 minh họa cấu trúc cơ bản của tế bào nhân điện áp.
Hình 2.24: Bộ chuyển đổi boost với các tế bào nhân áp
(a) Cấu trúc bộ chuyển đổi, (b) Tế bào nhân điện áp
Mạch nhân điện áp là giải pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí để tạo ra điện áp DC đầu ra cao, bao gồm một bộ diode và tụ điện Chúng được chia thành hai loại chính: 1) VMC (Voltage Multiplier Cell), được lắp đặt giữa mạch sau khóa điện chính để giảm áp; và 2) bộ chỉnh lưu nhân điện áp (Voltage Multiplier Rectifier), được đặt ở vị trí cuối cùng trong cấu hình mạch.
25 dựa trên biến áp và cuộn cảm kép để điều chỉnh điện áp AC hoặc điện áp DC dạng xung vừa đóng vai trò làm mạch nhân áp
Ghép từ là kỹ thuật tăng điện áp phổ biến trong các bộ chuyển đổi DC, cả cách ly và không cách ly Kỹ thuật này sử dụng cuộn cảm kép để giảm số lượng lõi từ, thường là phần nặng nhất trong mạch Mặc dù ghép từ mang lại lợi ích như khả năng tăng áp lớn, nhưng cũng có nhược điểm như hiện tượng điện cảm rò, cần được xem xét để tái chế năng lượng Hai kỹ thuật phổ biến hiện nay là máy biến áp và cuộn cảm kép.
Máy biến áp DC-DC ngày càng được quan tâm nhờ tỉ số máy biến áp giúp thiết kế linh hoạt hơn và tăng điện áp cao Bộ biến đổi này chia thành hai loại: máy biến áp cách ly, dùng để cách ly điện, và bộ biến đổi DC-DC không cách ly, xuất phát từ các mạch có cách ly, được gọi là máy biến áp tích hợp Mặc dù lý thuyết mạch cơ bản tương tự, hiệu suất của từng loại lại khác nhau.
Cuộn cảm kép là linh kiện quan trọng trong các bộ chuyển đổi DC-DC không cách ly, giúp lưu trữ năng lượng trong một chu kỳ và cung cấp năng lượng cho tải trong chu kỳ tiếp theo Với nhiều ứng dụng không yêu cầu cách ly điện, cuộn cảm kép mang lại kỹ thuật nâng áp hiệu quả cho các bộ chuyển đổi DC-DC, có thể đạt được bằng cách lấy điểm giữa hoặc ghép các mạch từ lại.
Hình 2.25: Dạng chung của các mạch ghép từ
Một phương pháp phổ biến để tăng độ lợi điện áp của các bộ DC-DC là kết nối các tầng module tăng áp theo nhiều cách khác nhau Kỹ thuật này thường sử dụng các module biến đổi giống hoặc khác nhau kết hợp với nhiều kỹ thuật tăng áp khác Trong cấu trúc này, độ lợi điện áp trong các cấu trúc đa tầng tăng lên theo tuyến tính hoặc theo cấp số nhân, thường tỷ lệ với số tầng.
Cấu trúc xếp chồng là phương pháp đơn giản để gia tăng độ lợi điện áp bằng cách kết nối nhiều mạch biến đổi theo kiểu nối tiếp Hai hoặc nhiều mạch tăng áp có thể được kết nối theo dạng xếp chồng, gọi là nhóm bình phương, hoặc kết hợp các kiểu mạch tăng áp khác nhau, được gọi là nhóm lai.
Hình 2.26: cấu trúc chung của mạch xếp chồng
Cấu trúc xen kẽ trong các bộ tăng áp DC cho thấy cường độ dòng điện đầu vào lớn hơn đầu ra Kỹ thuật nhiều pha xen kẽ được xem là giải pháp tiềm năng để giảm độ gợn dòng điện và tăng mật độ công suất trong các bộ chuyển đổi DC-DC tỉ số cao.
Bộ tăng áp xen kẽ với cuộn kháng kép giúp giảm tổn thất hồi phục ngược của diode về 0, đồng thời mang lại độ gợn dòng điện thấp hơn và hệ số chuyển mạch nhỏ hơn so với các phương pháp thông thường.
Hình 2.27: Cấu trúc chung của mạch xen kẽ
CẤU HÌNH ĐỀ XUẤT
Phân tích lý thuyết
Hình 3.1: Mạch đề xuất (a), mạch làm việc ở trạng thái 1(b), 2(c) và 3(d)
Bài viết đề xuất một cấu hình mạch tăng áp mới, thích hợp cho ứng dụng công suất lớn và có tầm điều khiển điện áp rộng Mạch này bao gồm hai cụm biến đổi cấu trúc xen kẽ mắc song song, với bốn tụ điện đầu ra có vai trò cộng dồn điện áp, tạo ra điện áp đầu ra tăng dần Tùy theo mục đích sử dụng, mạch có thể tạo ra nhiều ngõ ra với cấp điện áp khác nhau Mỗi cụm nâng áp là một mạch hai tầng ghép xen kẽ, sử dụng hai khóa điện hoạt động đối xứng, với độ rộng xung tối thiểu trên mỗi khóa là 50% để duy trì quá trình nạp xả liên tục.
Hình 3.2: Dạng sóng dòng điện và điện áp t t t t t t t
Bộ biến đổi trong luận văn hoạt động với 3 trạng thái trong một chu kỳ đóng cắt, như thể hiện trong Hình 3.1 Với 4 tụ nhân điện áp nối tiếp với cuộn dây, mạch điện đề xuất hoạt động ở chế độ dẫn liên tục (Continuous Conduction Mode).
Nguyên lý hoạt động được phân tích dựa trên những giả thiết sau:
- Tất cả cá linh kiện được xem như lý tưởng
Dung lượng của tụ điện cần đủ lớn để duy trì điện áp trong suốt quá trình làm việc Bộ biến đổi đề xuất hoạt động theo ba giai đoạn trong một chu kỳ đóng cắt Mỗi giai đoạn có nguyên lý cụ thể riêng, phản ánh các trạng thái hoạt động của hệ thống.
Tất cả các khóa điện đều đóng và 4 cuộn dây được nạp điện bởi nguồn đầu vào
Tụ điện Co tại ngõ ra cấp điện duy trì điện áp trên tải Dòng điện nạp vào cuộn dây được tính theo công thức sau:
Khi hai khóa S1 và S3 chuyển sang trạng thái ngắt, hai khóa còn lại vẫn duy trì trạng thái ban đầu Điện năng tích trữ trong cuộn dây L1 kết hợp với điện áp đầu vào sẽ phóng điện để nạp cho tụ điện tầng thứ nhất C1, đồng thời tụ C3 cũng được nạp điện tương tự.
2 và 4 vẫn giữ nguyên trạng thái nạp điện cho cuộn dây nhưng dòng điện trên 2 khóa
S2 và S4 bằng tổng dòng nạp vào cuộn dây và dòng nạp vào tụ cộng lại Tải vẫn được cấp điện bởi tụ Co
Trong giai đoạn này, các trạng thái hoạt động tương tự như giai đoạn 2, nhưng trạng thái của các khóa và tụ điện đã đảo ngược Cụ thể, tụ C1 và tụ C3 giờ đây hoạt động như tụ phóng năng lượng, trong khi tụ C2 và Co tiếp tục cung cấp điện cho tải.
Như trong phần phân tích nguyên lý hoạt động đã nêu, điện áp đặt lên các khóa điện là bằng nhau và bằng:
Từ giai đoạn 2, có thể rút ra công thức điện áp ngược đặt lên 2 diode D2 và Do:
Tương tự có thể tìm được VD1 và VD3 với giai đoạn 3:
3.1.2 Phân tích sụt áp và hiệu suất Để đánh giá hiệu suất và hoạt động của một bộ biến đổi DC – DC, việc đến các linh kiện ở điều kiện thực tế có tồn tại nội trở là thực sự cần thiết Tuy nhiên, các bộ biến đổi tỉ số cao hiện nay rất đa dạng và phức tạp dẫn đến chưa có một phương pháp tính toán sụt áp và hiệu suất một cách tổng quát Trong luận văn, một phương pháp tính toán sụt áp tổng quát cho các bộ biến đổi điện áp đã được trình bày Phương pháp
Bài viết này trình bày cách chia bộ biến đổi thành hai phía sơ cấp với điện áp thấp và phía thứ cấp với điện áp cao, tương tự như một máy biến áp, sau đó quy đổi thành một cấp điện áp duy nhất Phương pháp này được áp dụng cho cấu hình đề xuất trong luận văn Để đơn giản hóa vấn đề, luận văn chỉ tập trung vào tổn hao dẫn của ba thành phần chính trong mạch: cuộn dây, diode và khóa điện, trong khi tổn hao đóng cắt và nội trở của tụ điện không được xem xét Hình 3.3 minh họa sơ đồ mạch với nội trở thực tế được chia thành.
Hình 3.3: Mô hình tính sụt áp
Giả thiết rằng nội trở của các linh kiện cùng loại như cuộn dây, khóa điện và diode là bằng nhau, giúp phân tích sự sụt áp trong mạch Phân tích này được thực hiện dựa vào Hình 3.1 và ba giai đoạn hoạt động của mạch được trình bày trong Hình 3.2.
Khi mạch được chia thành hai phần, các diode được mắc nối tiếp và kết nối với tải Do đó, công suất trung bình qua các diode tương đương với công suất trung bình trên tải, tuy nhiên, mỗi diode chỉ hoạt động trong khoảng thời gian (1 - D)T.
Sụt áp trên cuộn dây:
Tại phía sơ cấp, các cuộn dây được mắc song song, cho phép năng lượng chạy qua tất cả ba giai đoạn hoạt động Do đó, tổng năng lượng chạy qua các cuộn dây tương đương với tổng năng lượng đầu vào.
Sụt áp trên khóa điện:
Mặc dù các khóa điện được mắc song song như các cuộn dây, nhưng hoạt động của chúng trong từng giai đoạn lại phức tạp hơn Do đó, việc phân tích sụt áp trên khóa điện cần được thực hiện cho từng giai đoạn cụ thể để đảm bảo hiệu quả và chính xác.
- Giai đoạn 1: Cả 4 khóa điện đều đóng, điện trở tương đương lúc này được tính tương tự như với cuộn dây Thời gian hoạt động ở giai đoạn 1 là (2D – 1).T:
Trong giai đoạn 2, chỉ có 2 khóa điện đang ở trạng thái đóng, với dòng nạp vào tụ mỗi khóa chịu dòng điện cao gấp đôi so với giai đoạn 1 Tổng trở tương đương của các khóa điện trong giai đoạn này được xác định dựa trên các thông số hiện tại.
Giai đoạn 3 có đặc điểm nổi bật là mạch không có dạng đối xứng, khiến công thức tính tổng trở theo ΔV không còn phù hợp Trong trường hợp này, sụt áp được tính dựa trên công thức tổn thất công suất: Δ𝑃 𝑆 = Δ𝑃 𝑆1 + Δ𝑃 𝑆3 = 𝑅 𝑆 [𝐼 𝑆 2 + (2𝐼 𝑆 ) 2 ] = 5𝑅 𝑆 𝐼 𝑆 2.
16𝑅 𝑆 (1 − 𝐷) (3 – 18) Điện trở tương đương của các khóa điện bằng tổng của 3 giai đoạn trên:
Như vậy từ 3 công thức (3 - 15), (3 - 16) và (3 - 19) ta có thể tính được sụt áp ở phía thứ cấp của mạch biến đổi đề xuất: Δ𝑉 = 𝐼 𝑜 [(𝑅 𝐿 ′ + 𝑅 𝑆 ′ ) 4
Với phương pháp tính toán sụt áp đã trình bày như trên, ta có thể dễ dàng rút ra hiệu suất của mạch bằng công thức sau:
Phương án điều khiển
Giải thuật điều khiển cho mạch được vận hành dựa trên 2 thông số hệ số chu kỳ
D và số tầng hoạt động N cho phép linh hoạt điều khiển mạch theo điều kiện làm việc Luận văn đề xuất hai phương án điều khiển: một là tối đa hóa hiệu suất của mạch biến đổi điện áp, và hai là tối đa hóa độ phân giải nhằm cải thiện khả năng điều khiển điện áp mịn hơn.
3.2.1 Điều khiển tối đa hiệu suất Đối với các ứng dụng biến đổi công suất thông thường không đòi hỏi độ chính xác điện áp cao Hiệu suất của mạch trở thành ưu tiên hàng đầu Dựa vào cách tính hiệu suất trong phần 3.1 ta có thể thấy hiệu suất là một hàm rời rạc phụ thuộc vào cả
2 biến N và D Việc xác định điểm làm việc có hiệu suất lớn nhất dựa vào giải tích
Để tìm ra chế độ vận hành tốt nhất, luận văn này lựa chọn phương pháp khảo sát hàm số thông qua đồ thị, nhằm tránh sự không trực quan trong quá trình phân tích.
Hình 3.5 thể hiện hiệu suất của mạch dựa trên hệ số chu kỳ theo các chế độ N = 1, 2, 3 và 4 Từ D = 50%, có thể nhận thấy rằng với cùng một giá trị D, chế độ có số tầng cho phép chạy nhiều hơn sẽ có hiệu suất lớn hơn, do dòng điện được phân chia đều theo N.
Hình 3.4: Hệ số tăng áp tính toán 1000W
Hình 3.5: Hiệu suất tính toán 1000W
Hình 3.6: Lưu đồ điều khiển tối đa hiệu suất
3.2.2 Điều khiển tối đa độ phân giải
Hình 3.7: Lưu đồ điều khiển tối đa độ phân giải
Đối với bài toán ổn định điện áp, độ phân giải của điện áp ra có vai trò quan trọng, vì độ phân giải cao giúp nâng cao chất lượng bộ biến đổi Trong mạch khảo sát, việc sử dụng nhiều khóa điện và thêm biến điều khiển N mở rộng giới hạn điều khiển độ lợi điện áp, cho phép ứng dụng cho các yêu cầu điều khiển chính xác hơn, ngoài việc dò điểm công suất cực đại Quá trình điều khiển của phương án này khác với việc tối ưu hiệu suất trong điều kiện thay đổi số tầng, trong khi các bước thực hiện còn lại vẫn giống nhau.
Mô hình mạch có đặc điểm nổi bật là các cặp tầng nâng áp hoạt động độc lập, cho phép xung PWM cấp cho từng cặp tầng khác nhau Việc tận dụng ưu điểm này có thể gia tăng biến điều khiển và nâng cao độ phân giải của điện áp ra Tuy nhiên, do thời gian khảo sát hạn chế, bài toán trở nên phức tạp và yêu cầu thiết lập phương án tính độ phân giải theo nhiều biến Do đó, để đơn giản hóa, luận văn đề xuất sử dụng điều kiện giới hạn xung khuyến nghị cho mạch tăng áp là từ 20% đến 80% khi N = 1 và từ 50% đến 80% khi N > 1.
3.2.3 Đường cong vận hành đề xuất
Giới hạn đề tài ứng dụng mạch trong việc dò điểm cực đại của pin mặt trời đã dẫn đến việc chế độ ổn áp không được khảo sát sâu Luận văn tập trung vào nghiên cứu hiệu suất cùng các giới hạn dòng điện và điện áp của mạch trong các điều kiện khác nhau, nhằm đề xuất phương án vận hành tối ưu hiệu suất Hình 3.8 minh họa đường cong độ lợi điện áp theo hệ số chu kỳ của bốn trường hợp khác nhau của N, cũng như đường cong hoạt động của chế độ vận hành đề xuất, có tính đến tổn hao tính toán Kết quả cho thấy, khi N lớn, độ dốc của đặc tuyến tăng và độ lợi điện áp trở nên khó điều khiển hơn Hơn nữa, sự chênh lệch của tỷ số biến áp giữa việc có và không có tính nội trở cũng gia tăng theo.
Hình 3.8: Đường cong vận hành đề xuất
Thiết kế mô hình
Một mô hình thực nghiệm công suất 1kW đã được thi công và kiểm tra các giai đoạn hoạt động thực tế của mạch Sơ đồ khối của mô hình thí nghiệm sử dụng nguồn mô phỏng pin mặt trời, cho phép mạch hoạt động ở hai chế độ: MPPT với thuật toán P&O và chế độ ổn áp với thuật toán PI Phương án thay N được thực hiện theo phần 3.2, tối ưu hóa hiệu suất cho chế độ MPPT và độ phân giải cho chế độ ổn áp Tải sử dụng khảo sát bao gồm tải bóng đèn thuần trở và tải động cơ điều khiển bằng biến tần Hệ thống pin mặt trời gồm 4 tấm pin, với 2 chuỗi pin mắc song song, mỗi chuỗi có 2 module Các thông số của pin PV dựa trên module HT Solar HTM330PA với công suất cực đại 330W, như thể hiện trong Bảng 3-1.
Bảng 3-1 Thông số pin PV
Công suất cực đại định mức (Pm) 330W Điện áp cực đại định mức (Vmpp) 37.52V
Dòng điện cực đại định mức (Impp) 8.80A Điện áp hở mạch (Voc) 45.95V
Dòng điện ngắn mạch (Isc) 9.29A
Nhiệt độ vận hành (NOCT) 45 ± 2 o C Điện áp cách điện hệ thống 1000VDC
Hình 3.9: Sơ đồ khối của mạch đề xuất
Hệ thống pin mặt trời công suất vừa và nhỏ có chi phí đầu tư thấp, do đó việc thiết kế mạch công suất cần đảm bảo tính kinh tế và kỹ thuật Thiết kế mạch dựa trên các giá trị định mức cụ thể để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm chi phí.
- Công suất định mức: 1000W
- Độ gợn dòng điện: 30%
Từ các điều kiện hoạt động đã được xác định Các linh kiện được sử dụng trong mạch công suất được cho trong bảng sau:
Bảng 3-2 Thông số linh kiện lựa chọn
Tụ ngõ vào Cin Tụ hóa – 220àF, 100V
Bộ điều khiển bao gồm 4 khối chính: nguồn cung cấp, vi điều khiển, khối đo lường và khối chấp hành Nguồn cung cấp sử dụng module giảm áp DC XL7015 để hạ điện áp từ nguồn pin mặt trời xuống 15V cho các thành phần khác trong mạch Vi điều khiển Arduino Uno R3 thu nhận tín hiệu dòng điện và điện áp tại hai đầu vào và ra, áp dụng thuật toán điều khiển xuất xung PWM cho các khoá điện trong mạch công suất Khối đo lường sử dụng cầu phân áp và hai module cảm biến dòng điện ACS758 và ACS712 để đo dòng điện tại đầu vào và đầu ra Khối chấp hành gồm 4 opto TLP350 nhận xung PWM từ vi xử lý và tạo ra xung PWM với biên độ điện áp lớn hơn, đủ để điều khiển đóng mở các khoá điện.
43 trong mạch Thông số của các linh kiện trong mạch điều khiển lần lượt được thể hiện như sau:
Các thông số của module XL7015:
- Tần số dao động: 150kHz
- Dòng điện ngõ ra: 0.4A
- Sử dụng mạch Buck với hệ số chu kỳ tối đa là 90%
Các thông số của Arduino Uno:
- Tần số hoạt động: 16MHz
- Dòng điện tiêu thụ: 30mA
- Số chân analog: 6, độ phân giải 10 bit
- Dòng ra tối đa chân 5V : 500mA
- Dòng ra tối đa các chân I/O : 30mA
Hình 3.10: Vi xử lý Arduino Uno R3
Các thông số của cảm biến dòng ACS758 – 50A:
- Dòng điện tiêu thụ: 10mA
- Dòng điện đo được: -5A ~ 5A
Các thông số của cảm biến dòng ACS712 – 50A:
- Dòng điện tiêu thụ: 10mA
- Dòng điện đo được: -50A ~ 50A
Các thông số của IC kích bằng opto TLP350:
- Tần số hoạt động: 50kHz
- Dòng điện đỉnh ngõ ra: ±2A
- Thời gian tăng áp ngõ ra: 15ns
- Thời gian giảm áp ngõ ra: 8ns
Hình 3.11: Mô hình thực nghiệm
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Sơ đồ thí nghiệm
Mô hình thí nghiệm khảo sát cả tải trở và tải động cơ, sử dụng các điện trở nhôm 680Ω - 50W Ba điện trở được mắc nối tiếp, với điện áp hoạt động 500V, cho công suất tiêu thụ của chuỗi điện trở là 120W Tuy nhiên, do hạn chế về nhân lực và thời gian, mô hình lý thuyết được áp dụng cho tải động cơ.
Hai động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc được kết nối đồng trục, trong đó động cơ 1 được điều khiển bởi biến tần và động cơ 2 nối với lưới điện qua Variac 3 pha Động cơ 1 hoạt động ở tốc độ cao hơn tốc độ đồng bộ, khiến khi động cơ 2 được kết nối với lưới, động cơ 1 trở thành máy phát điện, cung cấp công suất cho lưới theo nguyên lý của máy phát điện không đồng bộ Tốc độ của động cơ 1 càng cao, công suất phát lên lưới càng lớn, và công suất này tỷ lệ với tần số của động cơ theo hàm bậc ba.
Variac là một máy biến áp có khả năng điều chỉnh tỉ số biến áp, thường được sử dụng trong các mô hình thí nghiệm để “mềm” từ trường Trong thí nghiệm này, mô hình tải là một máy phát điện lên lưới, có quán tính thấp hơn nhiều so với các tải động cơ như bơm nước và quạt gió Khi động cơ được kết nối với lưới, nó tạo ra một momen hãm lớn, trong khi nguồn điện mặt trời với dung lượng và quán tính nhỏ hơn sẽ bị momen hãm này kéo lại, dẫn đến sụt giảm điện áp và công suất Điều này không chỉ khiến biến tần điều khiển động cơ 1 ngắt do bảo vệ thấp áp mà còn không tương ứng với tải động cơ bơm nước thực tế Nhờ có Variac, điện áp đầu vào của động cơ 2 được giảm xuống, giúp hệ thống hoạt động mà không bị bảo vệ thấp áp tác động Sau khi khởi động, điện áp trên đầu cực động cơ 2 có thể được tăng lên bằng cách vặn Variac, tạo ra một phương án thay đổi tải thứ hai.
Bên cạnh phương án điều khiển tốc độ của động cơ, các hình 4.1 đến 4.3 thể hiện sơ đồ và mô hình thí nghiệm thực tế với tải động cơ.
Hình 4.1: Sơ đồ thí nghiệm mô phỏng
Hình 4.2: Mô hình thí nghiệm ghép song song
Hình 4.3: Mô hình thí nghiệm
Quy trình thực hiện thí nghiệm:
- Ngắt CB nối variac với lưới, vặn khóa của variac về mức điện áp thấp (Vvariac < 60V)
- Mở nguồn điện đầu vào, có thể sử dụng bộ mô phỏng pin mặt trời hoặc nguồn áp DC cố định
- Kiểm tra tải giả có hoạt động hay không Nếu có tức là mạch không gặp sự cố
- Đóng CB nối giữa variac và nguồn điện lưới
- Từ từ cho variac tăng điện áp đến khi công suất tiêu thụ đạt bằng công suất muốn khảo sát.
Kết quả mô phỏng
4.2.1 Kết quả mô phỏng mạch nguyên lý
Hình 4.4 (a) và (b) thể hiện điện áp tại hai đầu vào và ra, cùng với dòng điện ở ngõ vào và ngõ ra Hình 4.5 (a) và (b) trình bày kết quả mô phỏng dòng điện và điện áp trên hai khóa điện S1 và S2 Các kết quả này được thu thập dưới điều kiện các thông số của mạch.
Dựa trên mạch thực nghiệm với D = 50% và N = 4, điện áp đầu vào là 50V và công suất tiêu thụ của tải đạt 400W Kết quả mô phỏng cho thấy sự khớp với các tính toán lý thuyết đã được trình bày trong chương 3 Tỉ số biến áp được tính toán là 7,78 do có sụt áp, với điện áp ngược lớn nhất trên cả hai khóa bằng 100V Dòng điện trung bình trên khóa S2 gấp đôi so với S1 (2A với S2 và 1A với S1), nguyên nhân là do trong trạng thái đóng của khóa S2 có hai dòng điện chạy qua: dòng điện từ nguồn nạp vào cuộn dây L2 và dòng điện từ tầng 1 nạp vào tụ C1.
2 khóa S3 và S4 được cho thấy sự hoạt động tương tự nhưng khóa S3 có dòng điện trung bình bằng khóa S4
Hình 4.4: Điện áp và dòng điện khi tải cố định
Hình 4.5: Điện áp và dòng điện trên khóa điện khi tải cố định
4.2.2 Kết quả mô phỏng chế độ ổn áp
Kết quả mô phỏng chạy ổn áp với tải động được thể hiện trong Hình 4.6 và Hình 4.7 (a, b) Trong quá trình mô phỏng, công suất tiêu thụ của tải thay đổi theo xu hướng tải như trong Hình 4.6 Sau khi hệ thống ổn định với tải đầu tiên có công suất 420W, một tải thứ hai được kết nối, nâng tổng công suất lên 760W Mạch tiếp tục hoạt động ở trạng thái này trong 0,2 giây trước khi đột ngột bị cắt, dẫn đến công suất tiêu thụ giảm xuống còn 360W Các đáp ứng của mạch về điện áp và dòng điện cũng được ghi nhận trong quá trình này.
Hình 4.7 cho thấy điện áp vào và ra, cùng với dòng điện tương ứng Mạch mô phỏng cho thấy khả năng ổn định điện áp tốt khi tải thay đổi mạnh, với biên độ dao động điện áp lớn nhất đạt 15V (0.35%) tại thời điểm t = 0,35s và thời gian dao động chỉ kéo dài dưới 0,01s Dòng điện ra không có sự biến thiên đáng kể, trong khi dòng điện vào lại có đỉnh cao hơn so với giá trị điện áp tại đỉnh dòng.
Khi thiết kế và vận hành, cần lưu ý rằng dòng điện có thể cao hơn 30% so với mức xác lập (20A đỉnh so với 14A xác lập) do giới hạn của cuộn cảm Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc xem xét khả năng chịu đựng dòng điện xung ngắn hạn của linh kiện.
Hình 4.6: Công suất tải thay đổi
Hình 4.7: Điện áp và dòng điện khi tải thay đổi
Kết quả thực nghiệm
Khi công suất cố định:
Hình 4.8 và Hình 4.9 minh họa dạng sóng điện áp đầu ra và điện áp trên khóa điện khi mạch ổn định ở trạng thái B = 8 (D = 50%, N 4) Điện áp đầu ra trung bình đạt 422V với điện áp đầu vào là 55V, dẫn đến hệ số khuếch đại thực tế là 7,67 Biên độ dao động điện áp ra là 10V, trong khi điện áp ngược trên khóa điện tương đương với giá trị tính toán 110V Đặc biệt, có sự xuất hiện của điện áp xung khi chuyển mạch với giá trị 50V do mạch sử dụng phương án chuyển mạch cứng.
Hình 4.8: Điện áp ngõ ra thực nghiệm
Hình 4.9: Điện áp trên khóa điện thực nghiệm
Khi công suất thay đổi:
Hình 4.10 mô tả đáp ứng của bộ biến đổi đề xuất khi tải thay đổi, với hàng đầu tiên đại diện cho điện áp ngõ vào và hàng thứ hai thể hiện dòng điện ngõ vào Điện áp và dòng điện ngõ ra được thể hiện lần lượt trong hàng thứ ba và hàng thứ tư Công suất tải được thay đổi từ 600W lên 900W và sau đó giảm trở lại 600W Tất cả các thông số đo được đã được tổng hợp trong Bảng 4.1 Hiệu suất của mạch trong trường hợp đầy tải 900W đạt trên 93%, tuy nhiên thấp hơn so với hiệu suất tính toán và mô phỏng do giả thiết dòng điện không có dao động và tổn hao trên lõi sắt của cuộn dây bị bỏ qua Thời gian quá độ giữa hai trạng thái là dưới 40ms.
Hình 4.10: Điện áp và dòng điện vào ra khi tải thay đổi Bảng 4.1: Thông số đo được và hiệu suất mạch tại thực nghiệm Hình 3.11
Công suất Đại lượng Điện áp trên dao động kí Hệ số Đo thực tế Hiệu
(W) (V) nhân bằng meter suất
Quá trình đo lường đã được thực hiện tại nhiều trạng thái với các công suất 250W, 500W và 1000W, và các giá trị hiệu suất theo hệ số khuếch đại được tổng hợp trong Hình 4.11 đến Hình 4.13 Đối với công suất P = 1000W, dòng điện và điện áp hoạt động vượt quá giá trị thiết kế cho phép nên không được khảo sát Hiệu suất thu được luôn đạt trên 90% trong tất cả các trường hợp.
Khi xem xét tổn thất chuyển mạch và tổn hao trên lõi sắt, tất cả các điểm đo hiệu suất đều thấp hơn so với kết quả tính toán Đặc biệt, các đặc tuyến N = 1 cho thấy sự chênh lệch lớn nhất do phải hoạt động ở chế độ dẫn không liên tục.
Hình 4.11: Hiệu suất thực nghiệm 250W
Hình 4.12: Hiệu suất thực nghiệm 500W
Hình 4.13: Hiệu suất thực nghiệm 1000W
