NGUYÊN LÍ ĐIỀU KHIỂN BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN 1.1.Các mô hình điều khiển biến áp áp điện 3.1.1. Giới thiệu chung Bộ biến đổi công suất là 1 phần của hệ thống điện tử công suất nhằm biến đổi tín hiệu điều khiển vào nó thành tín hiệu mong muốn để chuyển tải công suất. Trong các ứng dụng thực tế của máy biến áp áp điện thì đa phần mục đích sử dụng của máy biến áp áp điện trong đó là tạo ra các mạch biến đổi điện áp DC/AC với đầu ra có điện áp cao hay các mạch biến đổi DC/DC (thực chất là sự kết hợp giữa mạch DC/AC với chỉnh lưu đầu ra ). Có nhiều mô hình điều khiển thiết kế khác nhau để tạo ra các mạch biến đổi điện áp trên. Vì máy biến áp áp điện nói chung được sử dụng nhằm tạo ra các thiết bị ở dải công suất thấp, giá thành rẻ, hiệu suất cao nên các mạch biến đổi phải có cấu trúc đơn giản, sử dụng tối thiểu các phần tử thụ động và van chuyển mạch. Thực tế có 2 mô hình thỏa mãn các yêu cầu trên được dùng rộng rãi cho biến áp áp điện:  Bộ biến đổi lớp D  Bộ biến đổi lớp E Các đặc điểm cụ thể của hai mô hình điều khiển này sẽ được trình bày chi tiết dưới đây 3.1.2. Sơ đồ điều khiển lớp D Đây là 1 sơ đồ điều khiển có cấu trúc rất đơn giản chỉ sử dụng hai van công suất S 1 , S 2 (thường sử dụng MOSFET) với đầu vào là nguồn điện áp một chiều. Hai van này thay phiên nhau đóng mở, khi van này mở thì van kia đóng và ngược lại. Kết quả là điện áp đầu ra có dạng xung vuông với tần số là tần số đóng mở van và độ rộng xung phụ thuộc vào tỷ lệ t on /t off . Hình 3-1 là sơ đồ mạch (đã gồm biến áp áp điện). Hình 3-. Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp D. Quy đổi phía thứ cấp của biến áp sang phía sơ cấp (tương tự chương 2), ta được sơ đồ tương đương như hình sau. Hình 3-. Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp D quy đổi về sơ cấp. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ lớp D được thể hiện qua hình dưới đây: Hình 3-. Giản đồ thể hiện nguyên lý hoạt động của sơ đồ lớp D. Ở hình vẽ trên thì V GS1 và V GS2 là hiệu điện thế giữa cực G và cực S của hai khóa S 1 , S 2 . V in , i in là điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào, i(t) là dòng điện cộng hưởng (dòng i Lr trên hình 3-1) chạy trong biến áp. Chu kỳ hoạt động của mạch gồm các giai đoạn:  Từ t 0 đến t 1 : giai đoạn nạp của tụ C in  Từ t 0 đến t 2 : thời gian chết (hai khóa S 1 và S 2 đều không có xung áp vào cực G)  Từ t 2 đến t 3 : thời gian ON của khóa S 1  Từ t 3 đến t 4 : thời gian phóng của tụ C in  Từ t 0 đến t 5 : thời gian chết Dòng điện cộng hưởng i(t) được biểu diễn bởi công thức 3.1 dưới đây: ( ) ( ) m i t I t ω ψ = − ( 3-) Với m I và ψ là biên độ và pha ban đầu của dòng điện cộng hưởng i(t). Sau khi khóa S 2 chuyển sang trạng thái OFF tại thời điểm t 0 thì dòng điện này không chạy qua S 2 nữa mà chạy qua tụ điện C in và tụ điện C in được nạp trong thời gian từ t 0 đến t 1 , vì qui ước về chiều khác nhau nên dòng nạp cho tụ C in trong thời điểm này là: ( ) ( ) sin( ) c m i t i t I t ω ψ = − = − ( 3-) Điện áp tụ C in trong giai đoạn này sẽ tăng cho tới khi vượt quá điện áp một chiều của nguồn một chiều. Khi đó diode mắc song song ngược với S 1 (không thể hiện trên hình vẽ) sẽ dẫn và đưa điện áp trên S 1 về 0. Diode song song ngược này dẫn dòng trong thời gian rất ngắn t 1 đến t 2 . Tại t 2 thì S 1 được phát xung ở cực G và chuyển lên trạng thái ON sau đó tại t 3 thì chuyển về trạng thái OFF. Trong khoảng thời gian t 3 đến t 4 thì hai khóa S 1 và S 2 đều ở trạng thái OFF vì thế cho nên tụ C in phóng điện và dòng phóng lúc này cũng chính là dòng cộng hưởng i(t). Do vậy nên điện áp đầu vào V in hay cũng chính là điện áp trên khóa S 2 giảm và do đó điện áp trên khóa S 1 tăng. Khi điện áp đầu vào V in về 0 tại t 4 thì diode song song ngược của S 2 (không thể hiện trên hình vẽ) dẫn dòng. Quá trình phóng/nạp của tụ C in cứ lặp đi lặp lại nhằm đảm bảo điều kiện đóng cắt ZVS (Zero Voltage Switching). Đây là một điều kiện quan trọng để nâng cao hiệu suất của bộ biến đổi[5]. Để đảm bảo mạch hoạt động theo điều kiện đóng cắt ZVS thì hai điều kiện sau đây phải thỏa mãn: Hình 3-. Quan hệ giữa dòng điện cộng hưởng i rL và điện áp V in .  Điều kiện về điện áp ngưỡng của tụ đầu vào C in : Khi mà điện cảm Lr nạp tụ C in như ở hình 3-4 thì điện tích của tụ đầu vào C in được phóng nạp bởi dòng điện cộng hưởng i Lr được tính là: in rL dQ C dV i dt= = với dV là biến thiên điện áp trên tụ C in và dt là thời gian phóng nạp của tụ. Để hoạt động ở chế độ ZVS thì giá trị lớn nhất của điện áp tụ C in phải thỏa mãn: ,Vin peak VDC> và trong mỗi chu kì hoạt động thì tụ C in phải được phóng nạp hoàn toàn.  Điều kiện về thời gian chết giữa S 1 và S 2 : để có đủ thời gian cho cuộn cảm L r nạp điện hay tụ C in phóng điện thì thời gian trễ t d phải lớn hơn hay bằng thời gian phóng hay nạp. Theo [5] thì thời gian t d được chọn theo điều kiện: 1 4 d t T ≥ với T là chu kì hoạt động. Với sơ đồ điều khiển lớp D, có hai cấu hình thường sử dụng:  Sơ đồ không có lọc đầu vào  Sơ đồ có lọc đầu vào Tác dụng của lọc đầu vào:  Giảm thiểu sóng hài bậc cao cho đầu vào biến áp áp điện  Cải thiện hiệu suất và điều kiện làm việc cho toàn bộ biến đổi  Mở rộng dải làm việc đảm bảo ZVS khi tải biến thiên  Giảm tổn hao do nhiễu điện từ EMI Dựa vào những phân tích trên, hoạt động của biến áp áp điện cấp nguồn bởi bộ biến đổi lớp D sử dụng cấu hình không có lọc đầu vào được mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink. Tần số hoạt động nằm gần tần số cộng hưởng của biến áp với độ rộng xung được giữ cố định 40%. Thông số biến áp được cho trong bảng 3-1 [1]: Bảng 3-. Thông số biến áp áp điện. Thông số C in L r C r R m n C o Giá trị 50 (nF) 0,41 (mH) 6,7 (nF) 0,22 (Ω) 107 20 (pF) Giá trị tải: 70 L R k≈ Ω Theo (3-1), (3-2): ' 2 2 70000 6.114 107 o o R R n = = = ' 2 2 9 6 107 .20.10 228,98.10 o o C n C − − = = = Dải tần số cộng hưởng : rs m ro f f f < < = = = -3 -9 1 1 96026( ) 2 2 0,41.10 .6,7.10 rs r r f Hz p L C p π π − − − − − = + = = + ' ' 9 6 3 9 6 1 2 1 97421( ) 6,7.10 .228,98.10 2 0,41.10 6,7.10 228,98.10 ro r o r r o f C C L C C Hz Tiến hành mô phỏng trên Matlab/Simulink ứng với hai trường hợp của tần số:  Ngoài dải tần số cộng hưởng  Trong dải tần cộng hưởng Sơ đồ mô phỏng: Hình 3-. Sơ đồ mô phỏng sơ đồ điều khiển lớp D. Hình 3-. Tần số 95kHz (ngoài dải cộng hưởng). Trong đó: V gs1 , V gs2 lần lượt là xung phát vào cực G của hai van S 1 , S 2 . V in là điện áp vào biến áp áp điện hay là điện áp trên tụ C in . I(t) là dòng chạy vào biến áp (dòng cộng hưởng). Hình 3-. Tần số 97kHz (trong dải cộng hưởng). Nhận xét:  Khi hoạt động ở ngoài dải tần cộng hưởng, các van S 1 , S 2 được mở khi điện áp trên van chưa về 0 (không đảm bảo ZVS). Theo [3], hệ quả này dẫn đến tổn hao trên van và tổn hao trên biến áp lớn, nhiệt độ tăng, hiệu suất biến áp giảm.  Khi hoạt động ở trong dải tần cộng hưởng, các van S 1 , S 2 được mở khi điện áp trên van đã về 0 hoặc nhỏ (đảm bảo điều kiện ZVS). Nhờ vậy, tổn hao trên van và tổn hao trên biến áp áp điện nhỏ, hiệu suất biến áp tăng lên.  Theo [1], tổn hao và nhiệt độ càng tăng khi tăng điện áp đầu vào (hình 3-8) Hình 3-. Sự thay đổi nhiệt độ biến áp theo điện áp vào và thời gian hoạt động [1]. 3.1.3. Sơ đồ điều khiển lớp E Mạch nguyên lý của sơ đồ điều khiển lớp E được cho như hình 3-9. Mạch chỉ gồm một van công suất S (MOSFET) với một diode mắc song song ngược. Van S phối hợp với mạch tương đương của biến áp áp điện tạo thành bộ biến đổi lớp E. Nhờ vậy, điện áp đầu ra của bộ biến đổi có dạng hình sin đồng thời tạo điều kiện ZVS cho van S. Hình 3-. Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp E. Trong mạch nguyên lý trên, điện cảm đầu vào L f có giá trị lớn để hạn chế dòng đỉnh đầu vào và đảm bảo dòng cộng hưởng chạy qua mạch cộng hưởng (hay biến áp áp điện) là hình sin. Khi khóa S chuyển sang trạng thái OFF, điện áp trên C in phóng qua mạch RLC của biến áp. Sau khi xả hết, điện áp trên tụ điện C in trở về 0, cũng là điện áp trên van S. Lúc này, diode song song với van bắt đầu dẫn dòng điện chạy qua. Nếu van S được mở vào giai đoạn này thì tổn hao trên van sẽ không đáng kể (điều kiện ZVS). Quá trình được mô tả trên hình 3-10. Theo hình 3-9, hiệu suất lớn nhất của biến áp áp điện đạt được khi độ lệch pha giữa điện áp đầu vào U in và dòng chạy qua nhánh RLC bằng 0. Nói cách khác, điểm hoạt động cộng hưởng hoạt động của bộ biến đổi lớp E này phụ thuộc vào sự thay đổi của tải. Hoạt động của bộ biến đổi lớp E được mô phỏng bằng sơ đồ hình 3-11. Độ rộng xung vào cực G của van S là 50%. Điện áp vào cấp V DC =5V. Tần số: 97kHz. Các thông số biến áp đã cho trong bảng 3-1. Điện cảm và giá trị tải: 5 , 65 f L L mH R k= = Ω ( 3-) Hình 3-. Mô tả hoạt động bộ biến đổi lớp E. Hình 3-. Sơ đồ mô phỏng sơ đồ điều khiển lớp E. Hình 3-. Kết quả mô phỏng. Trong đó, V out là điện áp đầu ra (điện áp trên tải), V gs là xung phát vào cực G của van S, V in và I in lần lượt là điện áp và dòng điện đầu vào của biến áp áp điện. Nhận xét:  Van và đầu vào sơ cấp biến áp phải chịu điện áp cao hơn nhiều so với sơ đồ bộ biến đổi lớp D. Điều này dẫn đến tổn hao trên van lớn, giảm hiệu suất thậm chí có thể gây hỏng biến áp. Thêm nữa, theo [7], điều kiện mở van ZVS cũng bị thu hẹp lại.  Theo [1], tổn hao và nhiệt độ càng tăng khi tăng điện áp nguồn đầu vào bộ biến đổi lớp E (hình 3-13). Quá trình tăng nhiệt độ đối với bộ biến đổi này cũng nhanh hơn bộ biến đổi lớp D. Hình 3-. Sự thay đổi nhiệt độ biến áp theo điện áp vào và thời gian hoạt động[1]. [...]... cao cho các ứng dụng của biến áp áp điện là rất quan trọng Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ vi xử lí, lí thuyết điều khiển thì việc sử dụng 1 chíp duy nhất để điều khiển biến áp áp điện và tạo khả năng tích hợp cao cho ứng dụng của biến áp áp điện là hoàn toàn khả thi Trong phạm vi nội dung của đồ án, ta sẽ thiết kế ứng dụng thuật toán PLL để điều khiển biến áp áp điện sử dụng chip DSP TMS320F2812...1.2 Thuật toán điều khiển bám tần số cộng hưởng Về nguyên lí, biến áp áp điện được sử dụng với mục đích biến đổi điện áp Như vậy việc điều khiển biến áp áp điện cần áp ứng được hai yêu cầu chính sau:  Đảm bảo hiệu suất biến đổi  Đảm bảo chất lượng đầu ra Theo kết quả phân tích ở chương 2, để đảm bảo yêu cầu thứ nhất thì biến áp áp điện cần được hoạt động tại một trong số... áp và dòng của đầu vào biến áp áp điện bằng 0 Đó là đặc điểm để nhận biết khi nào có hiện tượng cộng hưởng Có nhiều phương pháp điều khiển bám tần số cộng hưởng cho biến áp áp điện, tuy nhiên, có hai phương pháp hay được sử dụng hơn cả:  Phương pháp tự dao động  Phương pháp sử dụng PLL ( Phase Locked Loop) Với phương pháp tự dao động, hệ thống cộng hưởng sẽ tự hoạt động mà không cần thêm một bộ điều. .. yêu cầu điều khiển biến áp áp làm việc ở tần số cộng hưởng Với các đối tượng cộng hưởng nói chung, đều yêu cầu làm việc tại điểm cộng hưởng hoặc ở lân cận điểm cộng hưởng Riêng với biến áp áp điện, làm việc cộng hưởng đem lại nhiều ưu điểm:  Hiệu suất làm việc của biến áp áp điện là cao nhất  Hệ số tăng áp là lớn nhất  Giảm tổn hao, hạn chế quá trình tăng nhiệt độ, tăng tuổi thọ của biến áp  Hệ... lượng khác Trong các ứng dụng thực tế của biến áp áp điện thì phương pháp sử dụng PLL được ưa chuộng hơn do những ưu điểm của thuật toán PLL:  Hoạt động ổn định, tin cậy  Khả năng tích hợp cao  Ngoài yêu cầu về đảm bảo bám tần số cộng hưởng còn có thể kết hợp đảm bảo nhiều yêu cầu khác trong việc điều khiển biến áp áp điện Ngoài ra, với mong muốn đưa biến áp áp điện vào ứng dụng trong các hệ thống công... Tuy nhiên tần số cộng hưởng của biến áp áp điện lại phụ thuộc nhiều yếu tố:  Sự thay đổi của tải  Sự thay đổi của điều kiện làm việc: nhiệt độ, thời gian hoạt động… Với yêu cầu thứ hai, thì tùy vào ứng dụng mà biến áp áp điện được sử dụng thì sẽ có những yêu cầu khác nhau Nhưng nói chung, trong các ứng dụng làm nguồn công suất, yêu cầu điều khiển được độ lớn điện áp ra là quan trọng nhất Tuy nhiên,... thống cộng hưởng sẽ tự hoạt động mà không cần thêm một bộ điều khiển nào cả[12] Thật vậy, ta hay xét 1 hệ thống gồm biến áp áp điện, bộ biến đổi và tải và nguồn cấp khi ta đưa 1 xung kích thích với 1 tần số bất kì trong 1 thời gian ngắn vào để hệ thống hoạt động thì sau khi ngừng kích thích biến áp áp điện sẽ tiếp tục dao động và cho ra điện áp với tần số tại tần số dao động riêng của nó (chính là tần... = 1, tụ sẽ được nạp qua các điện trở từ điện áp U C0 tới điện áp bão hòa dương của PFD UB, và giá trị đầu ra sẽ tăng từ Uf0 tới giá trị Uf Ta tính được: T _ pos U =U + U B −U C C0 τ +τ C0 1 2 ( 3-) Và: T _ pos τ 2 U =U + U −U B C0 C f T τ +τ 1 2 ( 3-) Tương tự, khi Q = -1, đầu vào của bộ lọc coi như được nối đất, tụ sẽ được phóng qua các điện trở từ điện áp UC0 tới điện áp UC, và giá trị đầu ra sẽ... để điều khiển biến áp áp điện sử dụng chip DSP TMS320F2812 Và phần này sẽ trình bày về cơ sở lí thuyết để thiết kế 1 bộ Software like Digital Phase locked loop (SDPLL) Toàn bộ phần lí thuyết và thiết kế PLL tham khảo tài liệu [11] ∆ωref DIGITALPD ANALOGLF VCO ω2 PT Hình 3-.Sơ đồ cấu trúc điều khiển biến áp áp điện bằng PLL Thực chất thuật toán phần mềm SDPLL chính là mô tả lại bằng phần mềm chức năng... tần số tại tần số dao động riêng của nó (chính là tần số cộng hưởng) Ta chỉ việc lấy tín hiệu lấy từ dòng đầu ra đưa về điều khiển bộ biến đổi thì hệ thống sẽ làm việc tại tần số cộng hưởng đó Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện trong những ứng dụng của biến áp áp điện Tuy nhiên, nó có nhiều nhược điểm như:  Điểm làm việc dễ bị nhiễu làm cho dịch chuyển  Chỉ đảm bảo được việc bám . NGUYÊN LÍ ĐIỀU KHIỂN BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN 1.1.Các mô hình điều khiển biến áp áp điện 3.1.1. Giới thiệu chung Bộ biến đổi công suất là 1 phần của hệ thống điện. 3-1 là sơ đồ mạch (đã gồm biến áp áp điện) . Hình 3-. Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp D. Quy đổi phía thứ cấp của biến áp sang phía sơ cấp (tương