Nghiên cứu bộ biến đổi Front – End trong hệ thống cung cấp nguồn phân tán

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-------------------o0o------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI FRONT-END TRONG HỆ THỐNG CUNG

CẤP NGUỒN PHÂN TÁN

DƢƠNG QUỐC CƢỜNG

THÁI NGUYÊN 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

--------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI FRONT-END TRONG HỆ THỐNG CUNG

CẤP NGUỒN PHÂN TÁN

Học viên : Dƣơng Quốc Cƣờng

Ngƣời HD Khoa Học: TS. Trần Trọng Minh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

THÁI NGUYÊN 2011

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

***

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tƣ Do - Hạnh Phúc

--------------o0o--------------

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU BỘ BIẾN ĐỔI FRONT-END TRONG HỆ THỐNG CUNG

CẤP NGUỒN PHÂN TÁN

Học viên : Dƣơng Quốc Cƣờng

Lớp : CH-K12

Chuyên ngành : Tự động hoá

Người hướng dẫn : TS. Trần Trọng Minh

Ngày giao đề tài : 2/2011

Ngày hoàn thành đề tài : 8/2011

KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN

TS Trần Trọng Minh

BAN GIÁM HIỆU HỌC VIÊN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

Dƣơng Quốc Cƣờng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả

trong luận văn là hoàn toàn trung thực theo tài liệu tham khảo và chưa từng được ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 9 năm 2011

Tác giả luận văn

Dƣơng Quốc Cƣờng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình làm luận văn, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ các

thầy, cô giáo, các anh chị và các bạn đồng nghiệp.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến TS. Trần Trọng Minh, người đã luôn quan tâm

động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này, đến Khoa Sau

Đại học - Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành

khóa học.

Tác giả luận văn

Dƣơng Quốc Cƣờng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 1 http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU…………………………………………………………………. 7

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG NGUỒN PHÂN TÁN DPS………….. 9

1.1. Giới thiệu chung về hệ thống nguồn DPS (Distributed Power System)….. 9

1.2. Cấu trúc nguồn DPS………………………………………………………. 9

1.2.1. Bộ PFC(Power Factor Correction)……………………………………… 11

1.2.2. Bộ DC/DC………………………………………………………………. 12

1.2.2.1. Nguyên lý cộng hưởng………………………………………………... 12

1.2.2.2. Tìm hiểu nguyên lý chuyển mạch ZVS và ZCS………………………. 13

1.2.2.3. Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng tải ………………………... 16

1.2.3. Tải tiêu thụ………………………………………………………………. 17

1.3. Ưu nhược điểm của nguồn DPS………………………………………….. 18

1.3.1. Ưu điểm………………………………………………………………… 18

1.3.2. Nhược điểm…………………………………………………………….. 18

1.4. Ứng dụng và phương hướng phát triển nguồn DPS……………………… 18

1.5. Kết luận……………………………………………………………………. 20

Chương 2 Bộ PFC(Power Factor Correction)…………………………………. 21

2.1 Giới thiệu chung…………………………………………………………... 21

2.2 Ý nghĩa của hệ số công suất trong hệ thống cung cấp điện:………………. 22

2.3 Các phương pháp nâng cao hệ số công suất……………………………….. 23

2.3.1 Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính…………………………………… 23

2.3.2 Điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến tính………………………………. 24

2.4 Chỉnh lưu tích cực…………………………………………………………. 27

2.4.1 Chỉnh lưu có dòng đầu vào hình sin, hệ số công suất điều chỉnh được…. 27

2.4.2. Chỉnh lưu có điện áp ra cao hơn biên độ điện áp xoay chiều đầu vào sử

dụng sơ đồ BoostRec một pha………………………………………………… 28

2.5. Kết luận…………………………………………………………………… 33

Chương 3 BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG ………………………………….. 34

3.1. Giới thiệu qua các bộ biến đổi cộng hưởng phổ biến…………………….. 34

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 2 http://www.lrc-tnu.edu.vn

3.1.1. Bộ cộng hưởng nối tiếp SRC (Series Resonant Converter)……………. 34

3.1.2. Bộ cộng hưởng song song PRC (Parallel Resonant converter)………… 36

3.1.3. Bộ biến đổi nối tiếp-song song SPRC (Series-Parallel Resonant

Converter)……………………………………………………………………… 37

3.2. Bộ cộng hưởng LLC……………………………………………………… 39

3.2.1. Giới thiệu chung………………………………………………………… 39

3.2.2. Sơ đồ bộ LLC…………………………………………………………… 40

3.2.3. Các vùng làm việc………………………………………………………. 41

3.2.4. Nguyên lý hoạt động……………………………………………………. 45

3.3. Ưu điểm của bộ biến đổi cộng hưởng LLC………………………………. 48

3.4. Một số mạch LLC trong thực tế…………………………………………... 49

3.5. Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng……………………. 50

3.5.1. Phương pháp điều khiển tần số…………………………………………. 50

3.5.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM)…………………………… 52

3.5.3. Điều khiển cả tần số và độ rộng xung ………………………………….. 53

3.6. Kết luận…………………………………………………………………… 54

Chương 4 THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM ……………………………………….. 56

4.1. Tính toán các thông số đầu vào - đầu ra………………………………….. 56

4.2. Xác định hệ số điện áp lớn nhất và nhỏ nhất……………………………… 57

4.3. Tính toán các thông số mạch cộng hưởng………………………………… 58

4.4. Tính toán chọn máy biến áp………………………………………………. 60

4.4.1. Sơ đồ mạch điện tương đương của MBA……………………………….. 60

4.4.2. Tỷ số biến áp……………………………………………………………. 62

4.4.3. Số vòng dây…………………………………………………………….. 62

4.4.4. Chọn lõi biến áp………………………………………………………… 63

4.5. Tính toán cho mạch chỉnh lưu…………………………………………….. 63

4.6. Tính toán chọn tụ cộng hưởng……………………………………………. 64

4.7. Kết luận…………………………………………………………………… 64

Chương 5 THIẾT KẾ MẠCH PHẢN HỒI……………………………………. 65

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 3 http://www.lrc-tnu.edu.vn

5.1. Cấu trúc mạch phản hồi…………………………………………………… 65

5.2. Phương pháp điều khiển phản hồi………………………………………… 65

5.3. Chế độ hoạt động và vùng hoạt động…………………………………….. 66

5.3.1. Chế độ hoạt động……………………………………………………….. 66

5.3.2. Vùng hoạt động…………………………………………………………. 67

5.4. Phân tích tín hiệu nhỏ định hướng cho thiết kế (small-signal analysis)….. 67

5.4.1. Khảo sát đặc tính tần số của mô hình tín hiệu nhỏ của mạch LLC……... 67

5.4.2. Nhận xét đặc tính tín hiệu ở vùng 1 và vùng 2………………………….. 71

5.4.3. Đặc tính động trạng thái nguồn (di chuyển từ điểm B → A)…………… 74

5.4.4. Hàm truyền tần số đầu ra (frequency – to - out)………………………… 76

5.5. Giới thiệu qua IC FSRS 2100……………………………………………. 80

5.5.1. Các khối cơ bản…………………………………………………………. 82

5.5.2. Khối dao động bên trong (internal oscillator)…………………………... 82

5.5.3. Khâu cài đặt tần số……………………………………………………… 82

5.5.4. Mạch bảo vệ…………………………………………………………….. 84

5.6. Kết luận…………………………………………………………………… 86

Chương 6 MÔ PHỎNG…………………………………………..…………… 87

6.1 Mô phỏng bộ PFC sử dụng chỉnh lưu tích cực một pha…………………… 87

6.2 Mô phỏng bộ biến đổi cộng hưởng LLC…………………………………... 89

6.2.1. Đáp ứng dòng điện, điện áp trên tải, điện áp vào khối VCO…………… 90

6.2.2. Đáp ứng dòng điện, điện áp khối cộng hưởng, tín hiệu điều khiển và

dòng điện qua van……………………………………………………………… 91

6.3. Kết luận…………………………………………………………………… 92

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………………… 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………….. 94

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN 4 http://www.lrc-tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG

Hình 1.1. Cấu trúc bộ Front-End 10

Hình 1.2. Cấu trúc bộ Front-End 10

Hình 1.3. Sơ đồ chi tiết bộ PFC và bộ DC/DC 11

Hình 1.4. Hiện tượng cộng hưởng 12

Hình 1.5. Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZCS 14

Hình 1.6. Dạng sóng minh họa chuyển mạch ZVS 15

Hình 1.7. Cấu trúc chung của bộ nguồn cộng hưởng 16

Hình 1.8. Cấu trúc bus trung gian 17

Hình 1.9. Một vài ứng dụng thực tế của nguồn DPS (bộ chuyển đổi

Adapter)

19

Hình 1.10. Phương hướng phát triển nguồn DPS (AC/DC) 19

Hình 2.1: Dạng sóng dòng điện, điện áp 21

Hình 2.2. Sơ đồ BoostRec một pha. 28

Hình 2.3. Hình dạng dòng xoay chiều đầu vào qua phép điều chế. 30

Hình2.4.Biểu đồ vectơ 30

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển. 31

Hình 2.6: Tác động của bộ điều chỉnh dòng điện có ngưỡng. 32

Hình 3.1. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng nối tiếp 34

Hình 3.2. Đặc tính khuếch đại một chiều bộ SRC 35

Hình 3.3. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng song song 36

Hình 3.4. Đặc tính khuyếch đại một chiều bộ PRC 37

Hình 3.5. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng SPRC 38

Hình 3.6. Đặc tính khuếch đại một chiều bộ LCC 38

Hình 3.7. Bộ biến đổi cộng hưởng LLC 40

Hình 3.8. Khối cộng hưởng LCC và LLC 40

Hình 3.9. Cấu trúc bộ biến đổi bên sơ cấp 41

Hình 3.10. Cấu trúc chỉnh lưu bên thứ cấp 41