Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC trong hệ thống nguồn cho thiết bị viễn thông

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC trong hệ thống nguồn cho thiết bị viễn thông" nhằm nâng cao mật độ công suất; Khắc phục sự mất cân bằng giữa các pha; Nâng cao đặc tính hiệu suất trên toàn dải tải; Cải thiện đáp ứng hệ thống khi thay đổi tải và cấu trúc khi thay đổi số pha.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC trong hệ thống nguồn cho thiết bị viễn thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Trung Thông NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG BA PHA LLC TRONG HỆ THỐNG NGUỒN CHO THIẾT BỊ VIỄN THÔNG Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số : 9520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2023
Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS Nguyễn Kiên Trung 2. PGS.TS Nguyễn Tùng Lâm Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thanh Hải Phản biện 2: PGS.TS Đào Huy Du Phản biện 3: PGS.TS Phạm Tâm Thành Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Vào hồi …… giờ, ngày …... tháng …... năm ….. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu – ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
Mở đầu 1. Sự cần thiết của đề tài Sự tăng trưởng nhanh của các thiết bị thông tin dẫn đến nhu cầu lớn về năng lượng điện. Trong trường hợp xấu nhất đến năm 2030, lĩnh vực thông tin có thể tiêu thụ tới 51% lượng điện năng toàn cầu và có thể gây ra tới 23% lượng phát thải khí nhà kính. Để giảm tác động của sự nóng lên toàn cầu, cần có sự phân phối, chuyển đổi và sử dụng năng lượng điện hiệu quả hơn trong lĩnh vực viễn thông. Vì vậy, việc nâng cao hiệu suất cho các bộ nguồn biến đổi DC/DC cấp điện cho trạm thông tin sẽ góp phần đáng kể trong việc tiết kiệm điện năng. Và thực tế rằng, các doanh nghiệp viễn thông ngày càng đặt ra các yêu cầu cao về hiệu suất trên toàn dải tải và mật độ công suất cho các nhà sản xuất thiết bị nguồn. Hiệu suất cao trên dải tải rộng và mật độ công suất cao là yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng của bộ nguồn hiệu năng cao. Cho đến nay, chỉ có hiệu suất ở tải tối đa thường được xem xét. Điều này là do giới hạn kích thước và đặc tính nhiệt độ của các linh kiện, thiết bị làm mát được xác định ở công suất đầu ra tối đa với tổn thất điện năng thông thường là cao nhất. Do đó, điều quan trọng là phải có hiệu suất cao ngay cả ở tải trung bình và tải nhẹ trong một khoảng thời gian đáng kể trong ngày khi hệ thống viễn thông vẫn phải đảm bảo cung cấp dịch vụ 24/24 giờ. Để tối ưu hóa đồng thời cả hiệu suất toàn dải tải và mật độ công suất, việc nghiên cứu phát triển cấu trúc mạch với công nghệ van bán dẫn mới có thể hoạt động ở tần số chuyển mạch cao đóng vai trò quan trọng. Cấu trúc cộng hưởng xen kênh nhiều pha đang được quan tâm nghiên cứu do có nhiều ưu điểm so với cấu trúc một pha truyền thống.Việc chia nhiều pha xen kênh giúp giảm kích thước của các linh kiện, đặc biệt là thành phần từ tính và đạt được các lợi ích hiệu suất khác. Tuy nhiên, với cấu trúc nhiều pha, do dung sai của các linh kiện cộng hưởng gây ra sự mất cân bằng dòng điện giữa các pha, và trong trường hợp xấu nhất có thể buộc tất cả dòng điện chảy vào một trong hai pha, khiến cho một pha hoạt động quá tải và gây ra độ đập mạch dòng điện ở đầu ra. Thêm nữa, vấn đề hiệu suất thấp của các bộ biến đổi hiện nay do tổn thất điện năng trên các phần tử cũng thúc đẩy những xu hướng nghiên cứu mới. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu nâng cao hiệu năng của bộ biến đổi DC/DC nhiều pha ứng dụng trong bộ nguồn viễn thông với những mục tiêu chính đặt ra như sau. - Nâng cao mật độ công suất. - Khắc phục sự mất cân bằng giữa các pha. - Nâng cao đặc tính hiệu suất trên toàn dải tải. - Cải thiện đáp ứng hệ thống khi thay đổi tải và cấu trúc khi thay đổi số pha. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: Bộ biến đổi DC/DC 48V chiếm tỷ trọng lớn trong hệ thống cấp nguồn của trạm thông tin.  Phạm vi nghiên cứu: sử dụng cấu trúc ba pha cộng hưởng LLC với các mạch vòng điều khiển áp dụng các bộ bù PI. 4. Phương pháp nghiên cứu - Xuất phát từ vấn đề thực tiễn, khảo sát tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, đặt vấn đề nghiên cứu. - Nghiên cứu lý thuyết và đề xuất giải pháp để giải quyết vấn đề nghiên cứu. - Kiểm chứng giải pháp đề xuất thông qua mô phỏng và thực nghiệm. - Đánh giá và kết luận về kết quả nghiên cứu đạt được. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Thứ nhất đã thực hiện phân tích ưu nhược điểm các cấu trúc cộng hưởng song song nhiều pha. Thiết kế bộ biến đổi DC/DC ba pha nửa cầu cộng hưởng LLC với đầu vào và đầu ra phù hợp tiêu chuẩn trong viễn thông được thực hiện chính xác qua việc phân tích, tính toán mô phỏng. Thứ hai đề xuất phương pháp điều khiển ổn định điện áp đầu ra và điều khiển cân bằng dòng điện cho bộ biến đổi ba pha cộng hưởng LLC nối sao sơ cấp MBA. Thứ ba xây dựng được phương pháp tắt pha mới tăng được hiệu suất trong dải tải rộng và giảm độ đập mạch dòng điện trên tụ đầu ra. Thứ tư đề xuất bộ điều khiển thích nghi cải thiện được đáp ứng của hệ thống khi thay đổi cấu trúc do tắt pha. 2
Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng thông qua mô hình thực nghiệm, chứng tỏ khả năng ứng dụng thực tiễn của phương pháp điều khiển cân bằng dòng và tắt pha đề xuất cho bô biến đổi cộng hưởng nhiều pha. 6. Bố cục của luận án Nội dung của luận án được trình bày thành các chương và phần kết luận như sau: Chương 1. Tổng quan Giới thiệu tổng quan về tính cấp thiết của đề tài và tình hình nghiên cứu hiện nay của bộ nguồn DC/DC 48V trong viễn thông. Những thách thức cho việc nâng cao hiệu năng bộ nguồn, mục tiêu và phương pháp thực hiện nghiên cứu cũng được đề xuất. Chương 2. Bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC Phân tích các cấu trúc cộng hưởng. Tính toán thiết kế bộ biến đổi ba pha nửa cầu cộng hưởng LLC. Tính toán, phân tích tổn hao trên từng pha, từng phần tử để làm cơ sở phân tích hiệu suất cấu trúc 3 pha, 2 pha, 1 pha. Thiết kế chế tạo mô hình mẫu thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết. Chương 3. Điều khiển mạch cộng hưởng ba pha xen kênh LLC Thực hiện mô hình hóa mạch cộng hưởng LLC. Đề xuất thuật toán điều khiển điện áp và điều khiển cân bằng dòng cộng hưởng giữa các pha. So sánh ưu điểm của phương pháp đề xuất với các phương pháp thông thường trước đây. Thực hiện mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng phương pháp điều khiển đề xuất. Chương 4: Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống trên toàn dải tải Thực hiện nghiên cứu cấu trúc tắt pha nâng cao hiệu suất tại vùng tải thấp và giảm độ đập mạch dòng điện đầu ra. Tiếp đó đề xuất phương pháp điều khiển thích nghi MRAC nhằm cải thiện đáp ứng hệ thống khi thay đổi cấu trúc do tắt pha. Thực hiện mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng. Kết luận và kiến nghị Trình bày tóm lược những kết quả đã đạt được của luận án; đồng thời chỉ ra những hạn chế và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo. 3
7. Các đóng góp của luận án - Phân tích tổn hao và đánh giá ảnh hưởng của yếu tố mất cân bằng tham số cộng hưởng của bộ biến đổi DC/DC ba pha nửa cầu cộng hưởng LLC. - Đề xuất phương pháp điều khiển ổn định điện áp và cân bằng dòng giữa các pha, giảm được đập mạch dòng đầu ra và kích thước tụ lọc. - Đề xuất phương pháp điều khiển tắt pha hiệu quả giúp nâng cao đặc tính hiệu suất trên toàn dải tải. Cải thiện đáp ứng hệ thống khi có sự thay đổi tải và cấu trúc do tắt pha. - Nghiên cứu thiết kế mô hình mẫu thực nghiệm mạch ba pha nửa cầu cộng hưởng LLC hoạt động ở tần số cao với đầu vào, đầu ra phù hợp tiêu chuẩn viễn thông. Chương 1. Tổng quan 1.1. Hệ thống nguồn cấp điện phân tán Hệ thống phân phối DC được sử dụng rộng rãi để thay thế hệ thống AC truyền thống trong các trạm thông tin do đặc tính hiệu suất cao của nó. Sang thế kỷ XX, phần lớn các trung tâm dữ liệu chuyển sang sử dụng kiến trúc nguồn phân tán [8], [9]. Sự ra đời của kiến trúc nguồn phân tán (DPA) được thúc đẩy bởi những điều sau đây : - Số lượng các bảng mạch xử lý tín hiệu số tăng nhanh, có các mức điện áp thấp, cùng với đó yêu cầu các bộ nguồn công suất cao hơn, kích thước và trọng lượng nhỏ hơn. - Sự phổ biến của các bộ chuyển đổi DC/DC cách ly dạng mô-đun với chi phí hợp lý. - Nhu cầu về một hệ thống phân phối điện có thể cấu hình linh hoạt hơn, cho phép điều khiển thay đổi phù hợp theo biến đổi của phụ tải. - Nhu cầu về các hệ thống có độ tin cậy và tính sẵn sàng cao, hỗ trợ hoán đổi nóng và có chi phí bảo trì thấp hơn. Bộ biến đổi AC-DC đầu vào biến điện áp lưới xoay chiều thành điện áp một chiều cấp cho bus trung gian 48 VDC, bao gồm bộ biến đổi PFC và bộ biến đổi DC-DC. Cấp điện áp này phù hợp với hệ thống nguồn dự phòng dùng acquy dung lượng khá lớn. Từ thanh cái một chiều 48 VDC sử dụng các bộ biến đổi DC-DC cách ly chuyển xuống mức điện áp thấp hơn, có thể dùng mạch cầu một pha, mạch nửa cầu, cùng chỉnh lưu đồng bộ để đạt hiệu suất cao. Các bộ biến đổi này có yêu cầu cao về khả năng tự động ổn định điện áp khi tải thay đổi. Với 4
các phụ tải công suất nhỏ, dưới 100 W có thể dùng các cấu trúc mạch ít phần tử như Flyback, Forward hoặc mạch đẩy kéo (Push-Pull Converter). 1.2. Nhu cầu sử dụng điện năng hiệu quả trong lĩnh vực thông tin Để giảm tác động của sự nóng lên toàn cầu, cần có sự phân phối, chuyển đổi và sử dụng năng lượng điện hiệu quả hơn trong lĩnh vực viễn thông. Các phong trào trên toàn thế giới về tiết kiệm năng lượng, sản xuất và phân phối “Điện xanh”, đã dẫn đến một số sáng kiến tự nguyện và các quy định bắt buộc của các tổ chức quốc tế và chính phủ nhằm tăng hiệu quả sử dụng điện như chương trình ENERGY STAR® của Hoa Kỳ, Thiên thần xanh của Đức, Môi trường của Nhật Bản, Quy tắc ứng xử của Châu Âu. Trọng tâm của các chương trình này là các hệ thống cấp điện DC hiệu suất cao cho trạm thông tin và trung tâm dữ liệu. 1.3. Đặc tính của hệ thống nguồn hiệu năng cao Các chỉ số hiệu năng quan trọng định hướng cho nghiên cứu phát triển các hệ thống nguồn cấp điện hiện đại là chi phí hệ thống, tổn thất, thể tích, trọng lượng và tỷ lệ hỏng hóc. Trong đó xu hướng nghiên cứu nâng cao mật đô công suất bằng sử dụng cấu trúc nhiều pha và hoạt động ở tần số cao. Việc nâng cao hiệu suất cực đại bị giới hạn bởi công nghệ nền nên hiện nay đang có xu hướng nâng cao hiệu suất của bộ biến đổi ở vùng tải thấp. Mặt khác đặc tính phụ tải trong trạm thông tin thay đổi rộng trong ngày theo nhu cầu sử dụng và lượng phụ tải từ 10% đến 60% chiếm phần lớn thời gian hoạt động. Việc cải thiện đáp ứng hệ thống và sử dụng linh kiện công nghệ mới để nâng cao độ tin cậy của hệ thống cũng được quan tâm. 1.4. Tình hình nghiên cứu bộ nguồn cho trung tâm dữ liệu 1.4.1 Nâng cao mật độ công suất với cấu trúc cộng hưởng xen kênh nhiều pha Cấu trúc cộng hưởng xen kênh nhiều pha (ví dụ Hình 1.1) đang được quan tâm nghiên cứu do có nhiều ưu điểm so với cấu trúc một pha truyền thống trong các ứng dụng công suất cao. Việc chia nhiều pha xen kênh giúp giảm kích thước của các linh kiện, đặc biệt là thành phần từ tính dẫn đến có thể nâng cao mật độ công suất cho bộ nguồn. Bên cạnh việc giảm kích thước, kỹ thuật xen kênh (interleaved) còn giúp giảm độ đập mạch dòng điện đầu vào và dòng điện đầu ra, dẫn đến có thể giảm được dung lượng bộ lọc đầu vào và số lượng tụ lọc 5
đầu ra. Hình 1.1. Cấu trúc mạch cộng hưởng xen kênh 2 pha song song Các bộ biến đổi cộng hưởng xen kênh nhiều pha sử dụng tần số chuyển mạch làm tham số điều khiển chính. Độ lợi cao điển hình của mạch cộng hưởng làm cho dòng điện cộng hưởng rất nhạy cảm với tần số hoạt động. Các pha cộng hưởng hoạt động xen kênh ở cùng một tần số và sự sai lệch tham số linh kiện cộng hưởng gây ra sự mất cân bằng dòng điện giữa các pha. Trong trường hợp xấu nhất có thể buộc tất cả dòng điện chảy vào một trong hai pha, khiến cho một pha hoạt động quá tải Hình 1.2. Hình 1.2. Dòng điện sau chỉnh lưu khi giá trị cuộn cảm cộng hưởng Conv2 nhỏ hơn 5% giá trị Conv1. 1.4.2 Tắt pha nâng cao hiệu suất trên toàn dải tải Với cấu trúc xen kênh nhiều pha, chưa có nhiều nghiên cứu nâng cao hiệu suất ở vùng tải thấp. Một số nghiên cứu sử dụng chế độ burst mode bằng cách phát các chùm xung theo chu kỳ ở tải rất thấp hoặc không tải có thể giảm tổn thất. Tuy nhiên, nhược điểm của giải pháp này gây ra những xung điện áp cao làm giảm tuổi thọ, độ tin cậy của sản phẩm và cần sử dụng tụ đầu ra lớn làm tăng kích thước bộ nguồn Với cấu trúc nhiều pha, khi tải giảm xuống ta có thể tắt bớt pha để giảm tổn thất trên các pha. Việc thay đổi cấu trúc khi tắt pha gây nên 6
các đáp ứng quá độ và thay đổi tham số mô hình dẫn đến các thách thức trong việc nghiên cứu thuật toán điều khiển hiệu quả. Chương 2. Bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC Cấu trúc ba pha xen kênh nửa cầu cộng hưởng LLC với phía sơ cấp biến áp nối sao có thể đạt được độ đập mạch dòng đầu vào và đầu ra thấp giúp giảm kích thước bộ lọc. Và với mạch ba pha mất cân bằng, cấu trúc ba pha nối có thể cải thiện độ cân bằng dòng giữa các pha và ta có thể tắt bớt pha để nâng cao hiệu suất khi tải thấp. QH1 VOUT CR1 LR1 QL1 LM1 QH2 CR2 LR2 LM2 VIN QL2 QH3 CR3 LR3 LM3 QL3 Hình 2.1. Cấu trúc mạch ba pha cộng hưởng LLC nối sao phía sơ cấp biến áp 2.1. Thiết kế mạch cộng hưởng ba pha LLC Các thông số chi tiết của bộ chuyển đổi DC/DC cách ly điển hình trong trạm viễn thông như Bảng 2.1: Bảng 2.1. Thông số thiết kế yêu cầu Điện áp đầu vào VDC  340 - 420 V Điện áp đầu vào danh định VDC  No minal  400 V Điện áp đầu ra VOUT  48 V Công suất tải đầu ra Pout  3600 W Tần số cộng hưởng f r  185 kHz Tần số làm việc lớn nhất f MAX  230 kHz 7
Để thiết kế mạch cộng hưởng LLC của cấu trúc 3 pha, ta có thể dựa trên những những phân tích và các bước thiết kế cho cấu trúc 1 pha cổ điển với công suất bằng 1/3 cấu trúc ba pha, sau đó ghép 3 mô đun một pha vừa thiết kế lại ta sẽ ra được mạch cộng hưởng cần thiết kế. Bảng 2.2 Kết quả thiết kế Hệ số MBA 4:1 Các thông số của mạch cộng Cr  150 nF ; Lr  5  H hưởng L  30  H m Van MOSFET Q1 , Q2 = R6020PNJ Diode chỉnh lưu đầu ra D1 , D2 = RFN20NS3S Tụ lọc đầu ra COUT = 2200 µH / 100 V 2.2. Mô phỏng và thực nghiệm Kết quả mô phỏng Với giả thiết dung sai linh kiện thông thường có thể lên đến ±20% do chế tạo hay thay đổi trong quá trính sử dụng, Hình 2.2 thể hiện kết quả mô phỏng dòng cộng hưởng của mạch ba pha LLC. Ta thấy độ lệch dòng đỉnh giữa pha lớn nhất (45A) và pha nhỏ nhất (35A) là 10A và lệch khỏi giá trị trung bình tới 29%. Hình 2.2. Dạng dòng điện cộng hưởng mạch 3 pha mất cân bằng khi có tụ cộng hưởng trên pha 3 sai lệch -20% và trên pha 2 sai lệch +10% so với pha 1, tải 3.6 kW Từ việc mất cân bằng giữa các pha cộng hưởng, Hình 2.3 cho thấy độ đập mạch điện áp tăng cao khi có sự sai lệch tới 20% giữa các pha (hơn 290 mV nằm ngoài tiêu chuẩn cho phép 240 mV). 8
Hình 2.3. Đập mạch điện áp đầu ra khi có tụ cộng hưởng trên pha 3 sai lệch -20% và trên pha 2 sai lệch +10% so với pha 1, tải 3.6 kW. Do đó, Chương 3 sẽ trình bày nghiên cứu thuật toán điều khiển cân bằng dòng. Kết quả thực nghiệm Để kiểm chứng tính đúng đắn của mạch ba pha đã tính toán thiết kế, mô hình thực nghiệm mẫu ba pha nửa cầu cộng hưởng LLC đã được xây dựng như Hình 2.4. Để linh hoạt trong việc thay đổi cấu trúc trong quá trình thử nghiệm, mạch ba pha mẫu được ghép lại từ 3 mô-đun một pha giống nhau mắc song song. Mô hình thực nghiệm: - Mạch lực (x3) - Mạch đo (x3) - Mạch điều khiển (x1) Texas Instruments TMS320F28379D - Tải: 3600W - Điện áp đầu vào: 400 VDC - Máy hiển thị sóng - Đồng hồ đo Hình 2.4. Mô hình thực nghiệm mạch 3 pha 9
Ip2 Ip3 Ip1 Hình 2.5. Dòng điện cộng Hình 2.6. Điện áp đầu ra. hưởng 3 pha. Hình 2.5 cho thấy dòng cộng hưởng đã có dạng hình sin theo đúng như mô phỏng và lý thuyết. Và do sai số linh kiện và kỹ thuật quấn biến áp nên thông số cộng hưởng trên 3 pha bị lệch nhau, dẫn đến dòng cộng hưởng trên ba pha là khác nhau. Hình 2.6 cho thấy điện áp đầu ra đã đạt 48V đã như giá trị tính toán mong muốn. Kết quả thực nghiệm phù hợp với kết quả tính toán, mô phỏng ở phần trên. 2.2. Phân tích tổn hao mạch ba pha cộng hưởng LLC Tổn hao của mạch ba pha HB LLC chủ yếu trên các phần tử chính như: - Tổn hao trên các MOSFET - Tổn hao trên máy biến áp. - Tổn hao trên cuộn cảm của mạch cộng hưởng. - Tổn hao trên diode chỉnh lưu đầu ra. Bảng 2.3. Tổn hao trên từng phần tử trên các pha Tổn hao trên từng pha & từng phần tử (W) Phần tử Lý tưởng Mất cân bằng Cân bằng dòng Pha1 Pha2 Pha3 Pha1 Pha2 Pha3 Pha1 Pha2 Pha3 Mosfet 40.9 40.9 40.9 30.5 43.2 53.2 41.4 40.4 43.7 Diode 16.7 16.7 16.7 9.11 22.3 20.7 18.6 12.3 20 Lr 0.30 0.30 0.30 0.27 0.41 0.58 0.41 0.38 0.44 MBA 25.4 25.4 25.4 15.6 36.2 27.4 26.1 32.5 19.9 Co 0.12 1.29 0.58 η (%) 93.5 93.2 93.3 10
Giá trị tính toán tổn hao trên các phần tử chính MOSFET, diode, cuộn cảm cộng hưởng Lr, MBA, tụ đầu ra Co trên từng pha và hiệu suất của bộ biến đổi đã thiết kế ở trên tại công suất định mức trong các trường hợp lý tưởng, mất cân bằng và có điều khiển cân bằng dòng với sơ cấp MBA nối sao như Bảng 2.3. Trong đó, tổn hao trên Mosfet, MBA và diode chiếm tỷ trọng lớn. Trường hợp ba pha mất cân bằng với sơ cấp biến áp nối sao không có điều khiển cân bằng dòng có độ lệch tổn hao lớn trên Mosfet giữa các pha đến 22.72W (31,7% so với giá trị trung bình) và độ lệch tương ứng trên Diode là 11.63W (45%) và trên MBA là 11.83W (42%). Tổn hao trên cuộn cảm cộng hưởng và tụ lọc đầu ra tuy chiếm tỷ trọng nhỏ, nhưng khi độ mất cân bằng dòng lớn và có độ đập mạch dòng đầu ra lớn sẽ làm phát nhiệt đáng kể trên tụ, nên cần số lượng tụ lọc đầu ra lớn làm tăng kích thước bộ biến đổi. Chương 3. Điều khiển mạch cộng hưởng ba pha xen kênh LLC 3.1. Đề xuất cấu trúc điều khiển Phase I Phase II Phase III Q1H Q2H Q3H Cr Lr Lm 10% 10% 10% Cr Lr Lm 10% 10% 10% Cout Vin Cin Cr Lr Lm 10% 10% 10% Q1L Q2L Q3L Ip3 Ip2 120o Ip1 φ12 β PI Finding Phase 50% Duty PWM Signals Shift RMS PI Ratio φ13 γ o 120 ON/OFF Phase Shedding Controller Vout Switching frequency PI DSP 185kHz Vref Hình 3.1. Cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đề xuất 11
Để có thể điều khiển mạch cộng hưởng ba pha xen kênh, các pha sẽ phải có chung tần số đóng cắt và góc dịch pha giữa các pha là ~120°, vì vậy ba pha sẽ có chung mạch vòng điện áp. Điện áp đầu ra được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp đặt trên Lm. Điều này đạt được bằng cách thay đổi trở kháng của các thành phần mạng LLC thông qua việc thay đổi tần số chuyển mạch. Điện áp đầu ra do đó được điều khiển bằng cách thay đổi tần số chuyển mạch. Trong trường hợp lí tưởng các pha giống hệt nhau, khi điện áp đầu vào được dịch pha góc cố định 120° thì 3 véc tơ dòng điện cộng hưởng phía sơ cấp cũng lệch nhau 120° và có độ lớn bằng nhau. Nhưng trên thực tế thông số các pha không thể giống hệt nhau, dẫn đến khi điều khiển góc dịch pha điện áp đầu vào 120°, thì 3 véc tơ dòng điện cộng hưởng không lệch nhau 120° và có độ lớn khác nhau. Do vậy, đề xuất phương pháp điều chỉnh góc dịch pha điện áp giữa các pha để cân bằng dòng điện. 3.2. Thiết kế bộ điều khiển điện áp Sau khi thực hiện mô hình hóa, ta thu được hàm truyền của đối tượng (giữa điện áp đầu ra Vo và tần số chuyển mạch ws). Vo -75792  (s  9.09  104 ) G p ( s)   2 (3.1) w s s  5.1 104 s  6.57  108 Với cấu trúc cộng hưởng xen kênh, ta sử dụng cấu trúc điều khiển 1 vòng điện áp: + fs 48 Verror f_ref fs V_out - V_ref Controller 1 Phase LLC Feedback Hình 3.2. Cấu trúc điều khiển 1 vòng điện áp. Ta có hàm truyền của bộ điều khiển PI trên miền liên tục: 0.1756s  3862 Gc ( s )  (3.2) s Và trên miền gián đoạn: 12
1.141z  0.79 Gc ( z )  z 1 Tần số trích mẫu ở đây là 50kHz. 3.2. Thiết kế bộ điều khiển cân bằng dòng ba pha Với thiết kế vòng điều khiển điện áp đấu như trên, bộ biến đổi nửa cầu cộng hưởng LLC ba pha xen kênh có thể ổn định điện áp đầu ra 48V với độ đập mạch giảm. Tuy nhiên, do sai số các linh kiện giữa các pha cộng hưởng, sẽ có sự mất cân bằng dòng giữa các pha có thể dẫn đến quá tải trên một pha. Do đó cần nghiên cứu thiết kế vòng điều khiển cân bằng dòng. Với cấu trúc cộng hưởng xen kênh nhiều pha nối sao, ta cần điều khiển tần số chuyển mạch cho các pha là giống nhau. Do đó, việc cân bằng dòng giữa các pha có thể thực hiện bằng cách dịch pha điện áp đầu vào để điều chỉnh góc lệch pha dòng điện. Phương pháp cân bằng dòng lượng giác TCB (Trigonometric Current Balancing) dựa trên tam giác véc tơ dòng cộng hưởng có thể áp dụng cho cấu trúc nối sao sơ cấp sơ cấp MBA. Trong trường hợp khi các thông số cộng hưởng giữa các pha hoàn toàn giống nhau, khi đó nếu ta điều khiển xen kênh lệch pha điện áp đầu vào góc 120 độ, biên độ các véc tơ dòng cộng hưởng cũng bằng nhau và góc lệch pha giữa các vec tơ dòng sẽ là 120 độ. V1 Ip1  n      120ο 120ο V3  n  120ο Ip3 Ip2 V2 Hình 3.3. Ý tưởng cân bằng dòng 3 pha Tuy nhiên, do có dung sai của các linh kiện nên giá trị trở kháng tương đương giữa các pha cộng hưởng sẽ khác nhau. Nếu giữ góc lệch pha điện áp cố định 120 độ, sẽ làm cho giá trị dòng điện cộng hưởng trên 13
các pha sẽ khác nhau và các góc lệch pha dòng điện không còn là 120 độ. Vì vậy để cân bằng dòng cộng hưởng 3 pha, ta có thể dịch góc lệch pha của các điện áp đầu vào để đưa góc lệch pha của các dòng điện về 120 độ như Hình 3.3. Nghiên cứu trong luận án này đề xuất một phương pháp cân bằng dòng sử dụng cấu trúc điều khiển kín sử dụng bộ bù PI. Cấu trúc điều khiển mới được minh họa qua Hình 3.4 và Hình 3.5. Uout I1 + - u* Uout Ru VCO Phase 1 Vref fs ` 120o φ12 I2 + Phase 2 Rθ1 Khối dịch γ - pha điện áp Cout Load φ23 và phát I3 120o + Rθ2 xung Phase 3 β - γ Tính toán góc β lệch pha dòng α cộng hưởng Hình 3.4. Sơ đồ điều khiển điện áp và cân bằng dòng đề xuất   Dòng điện từ biến   Khâu tạo xung Ip1 |Ip1| Tìm góc lệch pha PI dòng Ip2 RMS |Ip2| dòng điện giữa 3 pha   Ip3 |Ip3| PI  I 2 + I 2 - I1 2 β = π - arccos( 2I I 2 3 )    2 3  2 2 2  γ = π - arccos( I1 + I 3 - I 2 )   2I1I 3 Hình 3.5. Cấu trúc điều khiển mới Double PI. Với khối tính toán góc pha dòng điện, cấu trúc này vẫn dựa trên định lí cosine. Tuy nhiên, ta chỉ cần tính toán β và γ, bởi có thể coi như góc pha điện áp của pha 1 là cố định tại 0o, nhằm giảm đi phần nào khối lượng tính toán. Tiếp đến, để đưa ra góc pha cập nhật cho các vector điện áp, 2 bộ PI sẽ được sử dụng để điều khiển bám 120 độ. 14
Với phương pháp này, độ chính xác được nâng cao. 3.2. Mô phỏng và thực nghiệm Mô hình mô phỏng như Hình 3.4 sử dụng 1 bộ điều khiển PI điện áp và 2 bộ điều khiển PI góc pha để ổn định điện áp đầu ra và cân bằng dòng điện cộng hưởng giữa các pha. Các thông số của mô hình mô phỏng như thiết kế ở chương 2. Kịch bản mô phỏng như sau : 1 pha có giá trị các phần tử cộng hưởng là giá trị tính toán lí thuyết, 1 pha có giá trị thay đổi -10%, pha còn lại là +10% (đối với điều kiện không lí tưởng). Mô phỏng được thực hiện trong 4 trường hợp nhằm mục đích so sánh: + Điều kiện lí tưởng, không sử dụng bộ điều khiển cân bằng. + Điều kiện không lí tưởng, không sử dụng bộ điều khiển cân bằng. + Điều kiện không lí tưởng, sử dụng cấu trúc TCB. + Điều kiện không lí tưởng, sử dụng cấu trúc đề xuất Double PI. Góc lệch pha dòng điện cộng hưởng Độ Độ 0.4o 120 độ 9.5o 120 độ (s) (s) Độ TH1 - Lí tưởng Độ TH2 - Mất cân bằng 1o 120 độ 0.4o 120 độ (s) (s) TH3 - TCB TH4 – Double PI Hình 3.6. Góc lệch pha dòng điện với dung sai Cr = ±10%. Hình 3.6 so sánh góc lệch pha giữa các dòng điện cộng hưởng và dạng phóng to với dung sai tụ cộng hưởng là ±10% trong các trường hợp có không có điều khiển cân bằng dòng và có điều khiển cân bằng dòng (TCB vs PI). Kết quả cho thấy rằng phương pháp điều khiển 15
Double PI đề xuất đạt được cân bằng dòng điện tốt hơn so với phương pháp TCB. Độ lệch pha giữa các dòng cộng hưởng là 0.4 độ với PI, nhỏ hơn một nửa với TCB và thấp hơn nhiều so với trường hợp không có điều khiển cân bằng hiện tại (9.5 độ). Sự khác biệt giữa các góc pha dòng điện thấp hơn 0,5 độ, tương đương với kết quả của điều kiện lý tưởng. Dòng điện cộng hưởng 3 pha ` (A) (A) 0A 2.1A (s) (s) (A) TH1 - Lí tưởng (A) TH2 - Mất cân bằng 1A 0.6A (s) (s) TH3 - TCB TH4 – Double PI Hình 3.7. Dòng điện cộng hưởng với dung sai Cr = ±10% Với dung sai của các tụ cộng hưởng ± 10% trong trường hợp không có điều khiển cân bằng và có điều khiển cân bằng dòng (TCB vs Double PI đề xuất). Độ đập mạch dòng điện trên tụ lọc đầu ra với cân bằng Double PI là 14A, xấp xỉ trường hợp lý tưởng. Và chênh lệch đỉnh giữa các dòng cộng hưởng với Double PI dưới 0,6A, cho thấy khả năng ứng dụng của phương pháp mới này (Hình 3.7). Khi có điều khiển cân bằng dòng Double PI, độ đập mạch điện áp đầu ra giảm xuống đáng kể còn 139 mV ( giảm khoảng 50%) so với khi không có điều khiển cân bằng dòng và trong tiêu chuẩn cho phép ( < 240 mV). Hình 3.8 chỉ ra dạng sóng điện áp đẩu ra bám theo giá trị đặt 48V khi thay đổi công suất từ không tải tới đầy tải và ngược lại. Kết quả cho thấy độ đập mạch điện áp đầu ra thấp và đáp ứng quá độ lớn nhất 0.45V trong tiêu chuẩn chuẩn cho phép (0.5V) va thời gian đáp ứng nhanh 0.2ms. 16
a) Điện áp đầu ra b) Công suất đẩu ra Hình 3.8. Dạng điện áp đầu ra tương ứng với thay đổi công suất đầu ra với dung sai tụ cộng hưởng ± 10%. Kết quả thực nghiệm Hình 3.9. Kết quả thực nghiệm: dòng điện cộng hưởng 3 pha ở tần số cộng hưởng fr với sử dụng bộ điều khiển TCB vs Double PI Hình 3.10. Đáp ứng điện áp đầu ra khi thay đổi tải Hình 3.9 chỉ ra dạng dòng điện khi sử dụng bộ điều khiển cân bằng dòng đề xuất Double PI so với phương pháp cũ TCB. Kết quả cân bằng 17
dòng của phương pháp đề xuất có độ cân bằng dòng giữa các pha tốt hơn. Kết quả của đáp ứng điện áp lúc khởi động và thay đổi từ tải nặng (60A) sang tải nhẹ hay (0A) thay đổi từ tải nhẹ sang tải nặng cho thấy bộ điều khiển điện áp đã hoạt động tốt (Hình 3.10). Bộ điều khiển đưa giá trị điện áp đầu ra bám đúng với giá trị đặt mong muốn là 48 VDC. Chương 4. Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống trong toàn dải tải 4.1. Đề xuất giải pháp tắt pha cho mạch cộng hưởng ba pha Trong luận án này đề xuất cải tiến cấu trúc ba pha xen kênh thông thường với thêm một van được nối giữa đất và sơ cấp biến áp. Khi thực hiện tắt xuống 2 pha, van phụ Se được bật nối đất tạo thành cấu trúc 2 pha nối song song và có thể điều khiển xen kênh với độ dịch pha 90 độ. Với cấu trúc này, dòng sau chỉnh lưu có độ đập mạch được giảm tối ưu so với việc dịch pha 180 độ. Ngoài ra, khi tải xuống mức rất thấp dưới, ta thực hiện tắt xuống cấu trúc 1 pha với van Se đã được bật nối sơ cấp biến áp xuống đất. Cấu trúc quay trở lại cấu trúc 1 pha thông thường và dòng cộng hưởng chỉ chảy qua các phần tử cộng hưởng của một pha (LR1 , CR1, LM1) giảm một nửa số linh kiện hay giảm tổn hao so với giải pháp tắt pha như Hình 4.1. b) Giải pháp tắt xuống 1 pha a) Giải pháp tắt xuống 2 pha cải tiến cải tiến Hình 4.1. Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng LLC cải tiến với van Se nối đất khi tắt xuống 2 pha, 1 pha. Đường đặc tính hiệu suất theo tải của mạch cộng hưởng LLC 3 pha 18