Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC trong hệ thống nguồn cho thiết bị viễn thông.Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC trong hệ thống nguồn cho thiết bị viễn thông.Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC trong hệ thống nguồn cho thiết bị viễn thông.Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC trong hệ thống nguồn cho thiết bị viễn thông.Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC trong hệ thống nguồn cho thiết bị viễn thông.Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC trong hệ thống nguồn cho thiết bị viễn thông.Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC trong hệ thống nguồn cho thiết bị viễn thông.Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC trong hệ thống nguồn cho thiết bị viễn thông.Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC trong hệ thống nguồn cho thiết bị viễn thông.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 đ.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hồng Trung Thơng 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 tự động hóa Mã số : 9520216 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA Hà Nội - 2023 Cơng trình hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà Nội NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Kiên Trung 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 bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại học Bách khoa Hà Nội họp Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm … Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu – ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam Mở đầu Sự cần thiết đề tài Sự tăng trưởng nhanh thiết bị thông tin dẫn đến nhu cầu lớn lượng điện Trong trường hợp xấu đến năm 2030, lĩnh vực thơng tin tiêu thụ tới 51% lượng điện tồn cầu gây tới 23% lượng phát thải khí nhà kính Để giảm tác động nóng lên tồn cầu, cần có phân phối, chuyển đổi sử dụng lượng điện hiệu lĩnh vực viễn thơng Vì vậy, việc nâng cao hiệu suất cho nguồn biến đổi DC/DC cấp điện cho trạm thơng tin góp phần đáng kể việc tiết kiệm điện Và thực tế rằng, doanh nghiệp viễn thông ngày đặt yêu cầu cao hiệu suất toàn dải tải mật độ công suất cho nhà sản xuất thiết bị nguồn Hiệu suất cao dải tải rộng mật độ công suất cao yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng nguồn hiệu cao Cho đến nay, có hiệu suất tải tối đa thường xem xét Điều giới hạn kích thước đặc tính nhiệt độ linh kiện, thiết bị làm mát xác định công suất đầu tối đa với tổn thất điện thông thường cao Do đó, điều quan trọng phải có hiệu suất cao tải trung bình tải nhẹ khoảng thời gian đáng kể ngày hệ thống viễn thông phải đảm bảo cung cấp dịch vụ 24/24 Để tối ưu hóa đồng thời hiệu suất tồn dải tải mật độ cơng suất, việc nghiên cứu phát triển cấu trúc mạch với cơng nghệ van bán dẫn hoạt động tần số chuyển mạch cao đóng vai trị quan trọng Cấu trúc cộng hưởng xen kênh nhiều pha quan tâm nghiên cứu có nhiều ưu điểm so với cấu trúc pha truyền thống.Việc chia nhiều pha xen kênh giúp giảm kích thước linh kiện, đặc biệt thành phần từ tính đạt lợi ích hiệu suất khác Tuy nhiên, với cấu trúc nhiều pha, dung sai linh kiện cộng hưởng gây cân dòng điện pha, trường hợp xấu buộc tất dịng điện chảy vào hai pha, khiến cho pha hoạt động tải gây độ đập mạch dòng điện đầu Thêm nữa, vấn đề hiệu suất thấp biến đổi tổn thất điện phần tử thúc đẩy xu hướng nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu nâng cao hiệu biến đổi DC/DC nhiều pha ứng dụng nguồn viễn thông với mục tiêu đặt sau - Nâng cao mật độ công suất - Khắc phục cân pha - Nâng cao đặc tính hiệu suất tồn dải tải - Cải thiện đáp ứng hệ thống thay đổi tải cấu trúc thay đổi số pha Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Bộ biến đổi DC/DC 48V chiếm tỷ trọng lớn hệ thống cấp nguồn trạm thông tin Phạm vi nghiên cứu: sử dụng cấu trúc ba pha cộng hưởng LLC với mạch vòng điều khiển áp dụng bù PI Phương pháp nghiên cứu - Xuất phát từ vấn đề thực tiễn, khảo sát tình hình nghiên cứu nước, đặt vấn đề nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết đề xuất giải pháp để giải vấn đề nghiên cứu - Kiểm chứng giải pháp đề xuất thông qua mô thực nghiệm - Đánh giá kết luận kết nghiên cứu đạt Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Ý nghĩa khoa học: Thứ thực phân tích ưu nhược điểm cấu trúc cộng hưởng song song nhiều pha Thiết kế biến đổi DC/DC ba pha nửa cầu cộng hưởng LLC với đầu vào đầu phù hợp tiêu chuẩn viễn thơng thực xác qua việc phân tích, tính tốn mơ Thứ hai đề xuất phương pháp điều khiển ổn định điện áp đầu điều khiển cân dòng điện cho biến đổi ba pha cộng hưởng LLC nối sơ cấp MBA Thứ ba xây dựng phương pháp tắt pha tăng hiệu suất dải tải rộng giảm độ đập mạch dòng điện tụ đầu Thứ tư đề xuất điều khiển thích nghi cải thiện đáp ứng hệ thống thay đổi cấu trúc tắt pha Ý nghĩa thực tiễn: Các kết nghiên cứu kiểm chứng thơng qua mơ hình thực nghiệm, chứng tỏ khả ứng dụng thực tiễn phương pháp điều khiển cân dịng tắt pha đề xuất cho bơ biến đổi cộng hưởng nhiều pha Bố cục luận án Nội dung luận án trình bày thành chương phần kết luận sau: Chương Tổng quan Giới thiệu tổng quan tính cấp thiết đề tài tình hình nghiên cứu nguồn DC/DC 48V viễn thông Những thách thức cho việc nâng cao hiệu nguồn, mục tiêu phương pháp thực nghiên cứu đề xuất Chương Bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC Phân tích cấu trúc cộng hưởng Tính tốn thiết kế biến đổi ba pha nửa cầu cộng hưởng LLC Tính tốn, phân tích tổn hao pha, phần tử để làm sở phân tích hiệu suất cấu trúc pha, pha, pha Thiết kế chế tạo mơ hình mẫu thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết Chương Điều khiển mạch cộng hưởng ba pha xen kênh LLC Thực mô hình hóa mạch cộng hưởng LLC Đề xuất thuật tốn điều khiển điện áp điều khiển cân dòng cộng hưởng pha So sánh ưu điểm phương pháp đề xuất với phương pháp thông thường trước Thực mô thực nghiệm kiểm chứng phương pháp điều khiển đề xuất Chương 4: Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống toàn dải tải Thực nghiên cứu cấu trúc tắt pha nâng cao hiệu suất vùng tải thấp giảm độ đập mạch dịng điện đầu Tiếp đề xuất phương pháp điều khiển thích nghi MRAC nhằm cải thiện đáp ứng hệ thống thay đổi cấu trúc tắt pha Thực mô thực nghiệm kiểm chứng Kết luận kiến nghị Trình bày tóm lược kết đạt luận án; đồng thời hạn chế đề xuất hướng nghiên cứu Các đóng góp luận án - Phân tích tổn hao đánh giá ảnh hưởng yếu tố cân tham số cộng hưởng biến đổi DC/DC ba pha nửa cầu cộng hưởng LLC - Đề xuất phương pháp điều khiển ổn định điện áp cân dòng pha, giảm đập mạch dòng đầu kích thước tụ lọc - Đề xuất phương pháp điều khiển tắt pha hiệu giúp nâng cao đặc tính hiệu suất tồn dải tải Cải thiện đáp ứng hệ thống có thay đổi tải cấu trúc tắt pha - Nghiên cứu thiết kế mơ hình mẫu thực nghiệm mạch ba pha nửa cầu cộng hưởng LLC hoạt động tần số cao với đầu vào, đầu phù hợp tiêu chuẩn viễn thông Chương Tổng quan 1.1 Hệ thống nguồn cấp điện phân tán Hệ thống phân phối DC sử dụng rộng rãi để thay hệ thống AC truyền thống trạm thơng tin đặc tính hiệu suất cao Sang kỷ XX, phần lớn trung tâm liệu chuyển sang sử dụng kiến trúc nguồn phân tán [8], [9] Sự đời kiến trúc nguồn phân tán (DPA) thúc đẩy điều sau : - Số lượng bảng mạch xử lý tín hiệu số tăng nhanh, có mức điện áp thấp, với yêu cầu nguồn cơng suất cao hơn, kích thước trọng lượng nhỏ - Sự phổ biến chuyển đổi DC/DC cách ly dạng mơ-đun với chi phí hợp lý - Nhu cầu hệ thống phân phối điện cấu hình linh hoạt hơn, cho phép điều khiển thay đổi phù hợp theo biến đổi phụ tải - Nhu cầu hệ thống có độ tin cậy tính sẵn sàng cao, hỗ trợ hốn đổi nóng có chi phí bảo trì thấp Bộ biến đổi AC-DC đầu vào biến điện áp lưới xoay chiều thành điện áp chiều cấp cho bus trung gian 48 VDC, bao gồm biến đổi PFC biến đổi DC-DC Cấp điện áp phù hợp với hệ thống nguồn dự phòng dùng acquy dung lượng lớn Từ chiều 48 VDC sử dụng biến đổi DC-DC cách ly chuyển xuống mức điện áp thấp hơn, dùng mạch cầu pha, mạch nửa cầu, chỉnh lưu đồng để đạt hiệu suất cao Các biến đổi có yêu cầu cao khả tự động ổn định điện áp tải thay đổi Với phụ tải công suất nhỏ, 100 W dùng cấu trúc mạch phần tử Flyback, Forward mạch đẩy kéo (Push-Pull Converter) 1.2 Nhu cầu sử dụng điện hiệu lĩnh vực thơng tin Để giảm tác động nóng lên tồn cầu, cần có phân phối, chuyển đổi sử dụng lượng điện hiệu lĩnh vực viễn thơng Các phong trào tồn giới tiết kiệm lượng, sản xuất phân phối “Điện xanh”, dẫn đến số sáng kiến tự nguyện quy định bắt buộc tổ chức quốc tế phủ nhằm tăng hiệu sử dụng điện chương trình ENERGY STAR® Hoa Kỳ, Thiên thần xanh Đức, Môi trường Nhật Bản, Quy tắc ứng xử Châu Âu Trọng tâm chương trình hệ thống cấp điện DC hiệu suất cao cho trạm thông tin trung tâm liệu 1.3 Đặc tính hệ thống nguồn hiệu cao Các số hiệu quan trọng định hướng cho nghiên cứu phát triển hệ thống nguồn cấp điện đại chi phí hệ thống, tổn thất, thể tích, trọng lượng tỷ lệ hỏng hóc Trong xu hướng nghiên cứu nâng cao mật đô công suất sử dụng cấu trúc nhiều pha hoạt động tần số cao Việc nâng cao hiệu suất cực đại bị giới hạn cơng nghệ nên có xu hướng nâng cao hiệu suất biến đổi vùng tải thấp Mặt khác đặc tính phụ tải trạm thông tin thay đổi rộng ngày theo nhu cầu sử dụng lượng phụ tải từ 10% đến 60% chiếm phần lớn thời gian hoạt động Việc cải thiện đáp ứng hệ thống sử dụng linh kiện công nghệ để nâng cao độ tin cậy hệ thống quan tâm 1.4 Tình hình nghiên cứu nguồn cho trung tâm 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) quan tâm nghiên cứu có nhiều ưu điểm so với cấu trúc pha truyền thống ứng dụng công suất cao Việc chia nhiều pha xen kênh giúp giảm kích thước linh kiện, đặc biệt thành phần từ tính dẫn đến nâng cao mật độ cơng suất cho nguồn Bên cạnh việc giảm kích thước, kỹ thuật xen kênh (interleaved) giúp giảm độ đập mạch dòng điện đầu vào dòng điện đầu ra, dẫn đến giảm dung lượng lọc đầu vào số lượng tụ lọc đầu Hình 1.1 Cấu trúc mạch cộng hưởng xen kênh pha song song Các biến đổi cộng hưởng xen kênh nhiều pha sử dụng tần số chuyển mạch làm tham số điều khiển Độ lợi cao điển hình mạch cộng hưởng làm cho dịng điện cộng hưởng nhạy cảm với tần số hoạt động Các pha cộng hưởng hoạt động xen kênh tần số sai lệch tham số linh kiện cộng hưởng gây cân dòng điện pha Trong trường hợp xấu buộc tất dòng điện chảy vào hai pha, khiến cho pha hoạt động tải Hình 1.2 Hình 1.2 Dịng điện sau chỉnh lưu giá trị cuộn cảm cộng hưởng Conv2 nhỏ 5% giá trị Conv1 1.4.2 Tắt pha nâng cao hiệu suất toàn dải tải Với cấu trúc xen kênh nhiều pha, chưa có nhiều nghiên cứu nâng cao hiệu suất vùng tải thấp Một số nghiên cứu sử dụng chế độ burst mode cách phát chùm xung theo chu kỳ tải thấp khơng tải giảm tổn thất Tuy nhiên, nhược điểm giải pháp gây xung điện áp cao làm giảm tuổi thọ, độ tin cậy sản phẩm cần sử dụng tụ đầu lớn làm tăng kích thước nguồn Với cấu trúc nhiều pha, tải giảm xuống ta tắt bớt pha để giảm tổn thất pha Việc thay đổi cấu trúc tắt pha gây nên đáp ứng độ thay đổi tham số mơ hình dẫn đến thách thức việc nghiên cứu thuật toán điều khiển hiệu Chương 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 đạt độ đập mạch dịng đầu vào đầu thấp giúp giảm kích thước lọc Và với mạch ba pha cân bằng, cấu trúc ba pha nối cải thiện độ cân dịng pha ta tắt bớt pha để nâng cao hiệu suất tải thấp QH1 CR1 VOUT LR1 QL1 LM1 QH2 VIN CR2 LR2 LM2 CR3 LR3 LM3 QL2 QH3 QL3 Hình 2.1 Cấu trúc mạch ba pha cộng hưởng LLC nối phía sơ cấp biến áp 2.1 Thiết kế mạch cộng hưởng ba pha LLC Các thông số chi tiết chuyển đổi DC/DC cách ly điển hình trạm viễn thông 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 VOUT 48 V Công suất tải đầu Pout 3600 W Tần số cộng hưởng f r 185 kHz Tần số làm việc lớn f MAX 230 kHz Để thiết kế mạch cộng hưởng LLC cấu trúc pha, ta dựa những phân tích bước thiết kế cho cấu trúc pha cổ điển với công suất 1/3 cấu trúc ba pha, sau ghép mô đun pha vừa thiết kế lại ta mạch cộng hưởng cần thiết kế Bảng 2.2 Kết thiết kế Hệ số MBA 4:1 Các thông số mạch cộng Cr 150 nF ; Lr H hưởng L 30 H m Van MOSFET Q1 , Q2 = R6020PNJ Diode chỉnh lưu đầu D1 , D2 = RFN20NS3S Tụ lọc đầu COUT = 2200 µH / 100 V 2.2 Mô thực nghiệm Kết mô Với giả thiết dung sai linh kiện thơng thường lên đến ±20% chế tạo hay thay đổi q trính sử dụng, Hình 2.2 thể kết mơ dịng cộng hưởng mạch ba pha LLC Ta thấy độ lệch dòng đỉnh pha lớn (45A) pha nhỏ (35A) 10A lệch khỏi giá trị trung bình tới 29% Hình 2.2 Dạng dòng điện cộng hưởng mạch pha cân có tụ cộng hưởng pha sai lệch -20% pha sai lệch +10% so với pha 1, tải 3.6 kW Từ việc cân pha cộng hưởng, Hình 2.3 cho thấy độ đập mạch điện áp tăng cao có sai lệch tới 20% pha (hơn 290 mV nằm tiêu chuẩn cho phép 240 mV) Giá trị tính tốn tổn hao phần tử MOSFET, diode, cuộn cảm cộng hưởng Lr, MBA, tụ đầu Co pha hiệu suất biến đổi thiết kế công suất định mức trường hợp lý tưởng, cân có điều khiển cân dịng với sơ cấp MBA nối Bảng 2.3 Trong đó, tổn hao Mosfet, MBA diode chiếm tỷ trọng lớn Trường hợp ba pha cân với sơ cấp biến áp nối khơng có điều khiển cân dịng có độ lệch tổn hao lớn Mosfet pha đến 22.72W (31,7% so với giá trị trung bình) độ lệch tương ứng Diode 11.63W (45%) MBA 11.83W (42%) Tổn hao cuộn cảm cộng hưởng tụ lọc đầu chiếm tỷ trọng nhỏ, độ cân dòng lớn có độ đập mạch dịng đầu lớn làm phát nhiệt đáng kể tụ, nên cần số lượng tụ lọc đầu lớn làm tăng kích thước biến đổi Chương Điều khiển mạch cộng hưởng ba pha xen kênh LLC 3.1 Đề xuất cấu trúc điều khiển Phase I Q1H Phase II Phase III Q3H Q2H Cr Lr Lm Cr Lr Lm 10% 10% 10% 10% 10% 10% Vin Cout Cin Cr Lr Lm 10% 10% 10% Q1L Q3L Q2L φ12 50% Duty Ratio PWM Signals φ13 Ip1 120o PI PI Ip2 Ip3 β Finding Phase Shift γ RMS o 120 Phase Shedding Controller ON/OFF Vout Switching frequency DSP PI 185kHz Vref Hình 3.1 Cấu trúc mạch lực mạch điều khiển đề xuất 11 Để điều khiển mạch cộng hưởng ba pha xen kênh, pha phải có chung tần số đóng cắt góc dịch pha pha ~120°, ba pha có chung mạch vòng điện áp Điện áp đầu điều khiển cách thay đổi điện áp đặt Lm Điều đạt cách thay đổi trở kháng thành phần mạng LLC thông qua việc thay đổi tần số chuyển mạch Điện áp đầu điều khiển cách thay đổi tần số chuyển mạch Trong trường hợp lí tưởng pha giống hệt nhau, điện áp đầu vào dịch pha góc cố định 120° véc tơ dịng điện cộng hưởng phía sơ cấp lệch 120° có độ lớn Nhưng thực tế thông số pha giống hệt nhau, dẫn đến điều khiển góc dịch pha điện áp đầu vào 120°, véc tơ dịng điện cộng hưởng khơng lệch 120° có độ lớn khác Do vậy, đề xuất phương pháp điều chỉnh góc dịch pha điện áp pha để cân dòng điện 3.2 Thiết kế điều khiển điện áp Sau thực mơ hình hóa, ta thu hàm truyền đối tượng (giữa điện áp đầu Vo tần số chuyển mạch ws) G p ( s) Vo -75792 (s 9.09 104 ) w s s 5.1 104 s 6.57 108 (3.1) Với cấu trúc cộng hưởng xen kênh, ta sử dụng cấu trúc điều khiển vòng điện áp: 48 V_ref + Verror f_ref fs fs V_out Controller Phase LLC Feedback Hình 3.2 Cấu trúc điều khiển vịng điện áp Ta có hàm truyền điều khiển PI miền liên tục: 0.1756s 3862 (3.2) Gc ( s ) s Và miền gián đoạn: 12 Gc ( z ) 1.141z 0.79 z 1 Tần số trích mẫu 50kHz 3.2 Thiết kế điều khiển cân dòng ba pha Với thiết kế vòng điều khiển điện áp đấu trên, biến đổi nửa cầu cộng hưởng LLC ba pha xen kênh ổn định điện áp đầu 48V với độ đập mạch giảm Tuy nhiên, sai số linh kiện pha cộng hưởng, có cân dịng pha dẫn đến tải pha Do cần nghiên cứu thiết kế vịng điều khiển cân dòng Với cấu trúc cộng hưởng xen kênh nhiều pha nối sao, ta cần điều khiển tần số chuyển mạch cho pha giống Do đó, việc cân dịng pha thực cách dịch pha điện áp đầu vào để điều chỉnh góc lệch pha dịng điện Phương pháp cân dòng lượng giác TCB (Trigonometric Current Balancing) dựa tam giác véc tơ dịng cộng hưởng áp dụng cho cấu trúc nối sơ cấp sơ cấp MBA Trong trường hợp thông số cộng hưởng pha hồn tồn giống nhau, ta điều khiển xen kênh lệch pha điện áp đầu vào góc 120 độ, biên độ véc tơ dịng cộng hưởng góc lệch pha vec tơ dòng 120 độ V1 n V3 Ip1 120ο 120ο 120ο n V2 Ip3 Ip2 Hình 3.3 Ý tưởng cân dịng pha Tuy nhiên, có dung sai linh kiện nên giá trị trở kháng tương đương pha cộng hưởng khác Nếu giữ góc lệch pha điện áp cố định 120 độ, làm cho giá trị dòng điện cộng hưởng 13 pha khác góc lệch pha dịng điện khơng cịn 120 độ Vì để cân dịng cộng hưởng pha, ta dịch góc lệch pha điện áp đầu vào để đưa góc lệch pha dịng điện 120 độ Hình 3.3 Nghiên cứu luận án đề xuất phương pháp cân dịng sử dụng cấu trúc điều khiển kín sử dụng bù PI Cấu trúc điều khiển minh họa qua Hình 3.4 Hình 3.5 120o u* - 120o + β φ12 Rθ1 φ23 Rθ2 Uout Phase fs + γ I1 VCO ` Uout + Ru Vref Cout γ α Load I3 Phase - β I2 Phase Khối dịch pha điện áp phát xung Tính tốn góc lệch pha dịng cộng hưởng Hình 3.4 Sơ đồ điều khiển điện áp cân dòng đề xuất Ip1 Ip2 Ip3 |Ip1| RMS |Ip2| |Ip3| Tìm góc lệch pha dịng điện pha I 22 + I 23 - I12 ) β = π - arccos( 2I I 2 γ = π - arccos( I1 + I - I ) 2I1I PI PI Khâu tạo xung Dòng điện từ biến dịng Hình 3.5 Cấu trúc điều khiển Double PI Với khối tính tốn góc pha dịng điện, cấu trúc dựa định lí cosine Tuy nhiên, ta cần tính tốn β γ, coi góc pha điện áp pha cố định 0o, nhằm giảm phần khối lượng tính tốn Tiếp đến, để đưa góc pha cập nhật cho vector điện áp, PI sử dụng để điều khiển bám 120 độ 14 Với phương pháp này, độ xác nâng cao 3.2 Mơ thực nghiệm Mơ hình mơ Hình 3.4 sử dụng điều khiển PI điện áp điều khiển PI góc pha để ổn định điện áp đầu cân dòng điện cộng hưởng pha Các thơng số mơ hình mô thiết kế chương Kịch mơ sau : pha có giá trị phần tử cộng hưởng giá trị tính tốn lí thuyết, pha có giá trị thay đổi -10%, pha cịn lại +10% (đối với điều kiện khơng lí tưởng) Mơ thực trường hợp nhằm mục đích so sánh: + Điều kiện lí tưởng, không sử dụng điều khiển cân + Điều kiện khơng lí tưởng, khơng sử dụng điều khiển cân + Điều kiện khơng lí tưởng, sử dụng cấu trúc TCB + Điều kiện khơng 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 (s) Độ TH1 - Lí tưởng 1o (s) Độ 120 độ TH2 - Mất cân 0.4o 120 độ (s) TH3 - TCB 120 độ (s) TH4 – Double PI Hình 3.6 Góc lệch pha dịng điện với dung sai Cr = ±10% Hình 3.6 so sánh góc lệch pha dịng điện cộng hưởng dạng phóng to với dung sai tụ cộng hưởng ±10% trường hợp có khơng có điều khiển cân dịng có điều khiển cân dịng (TCB vs PI) Kết cho thấy phương pháp điều khiển 15 Double PI đề xuất đạt cân dòng điện tốt so với phương pháp TCB Độ lệch pha dòng cộng hưởng 0.4 độ với PI, nhỏ nửa với TCB thấp nhiều so với trường hợp khơng có điều khiển cân (9.5 độ) Sự khác biệt góc pha dịng điện thấp 0,5 độ, tương đương với kết điều kiện lý tưởng Dòng điện cộng hưởng pha ` (A) (A) 2.1A 0A (s) (A) TH1 - Lí tưởng (s) (A) 1A TH2 - Mất cân 0.6A (s) TH3 - TCB (s) TH4 – Double PI Hình 3.7 Dịng điện cộng hưởng với dung sai Cr = ±10% Với dung sai tụ cộng hưởng ± 10% trường hợp khơng có điều khiển cân có điều khiển cân dòng (TCB vs Double PI đề xuất) Độ đập mạch dòng điện tụ lọc đầu với cân Double PI 14A, xấp xỉ trường hợp lý tưởng Và chênh lệch đỉnh dòng cộng hưởng với Double PI 0,6A, cho thấy khả ứng dụng phương pháp (Hình 3.7) Khi có điều khiển cân dòng Double PI, độ đập mạch điện áp đầu giảm xuống đáng kể 139 mV ( giảm khoảng 50%) so với khơng có điều khiển cân dòng tiêu chuẩn cho phép ( < 240 mV) Hình 3.8 dạng sóng điện áp đẩu bám theo giá trị đặt 48V thay đổi công suất từ không tải tới đầy tải ngược lại Kết cho thấy độ đập mạch điện áp đầu thấp đáp ứng độ lớn 0.45V tiêu chuẩn chuẩn cho phép (0.5V) va thời gian đáp ứng nhanh 0.2ms 16 a) Điện áp đầu b) Cơng suất đẩu Hình 3.8 Dạng điện áp đầu tương ứng với thay đổi công suất đầu với dung sai tụ cộng hưởng ± 10% Kết thực nghiệm Hình 3.9 Kết thực nghiệm: dòng điện cộng hưởng pha tần số cộng hưởng fr với sử dụng điều khiển TCB vs Double PI Hình 3.10 Đáp ứng điện áp đầu thay đổi tải Hình 3.9 dạng dòng điện sử dụng điều khiển cân dòng đề xuất Double PI so với phương pháp cũ TCB Kết cân 17 dòng phương pháp đề xuất có độ cân dịng pha tốt Kết đáp ứng điện áp lúc khởi động thay đổi từ tải nặng (60A) sang tải nhẹ hay (0A) thay đổi từ tải nhẹ sang tải nặng cho thấy điều khiển điện áp hoạt động tốt (Hình 3.10) Bộ điều khiển đưa giá trị điện áp đầu bám với giá trị đặt mong muốn 48 VDC Chương Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống toàn dải tải 4.1 Đề xuất giải pháp tắt pha cho mạch cộng hưởng ba pha Trong luận án đề xuất cải tiến cấu trúc ba pha xen kênh thông thường với thêm van nối đất sơ cấp biến áp Khi thực tắt xuống pha, van phụ Se bật nối đất tạo thành cấu trúc pha nối song song điều khiển xen kênh với độ dịch pha 90 độ Với cấu trúc này, dịng sau chỉnh lưu có độ đập mạch giảm tối ưu so với việc dịch pha 180 độ Ngoài ra, tải xuống mức thấp dưới, ta thực tắt xuống cấu trúc pha với van Se bật nối sơ cấp biến áp xuống đất Cấu trúc quay trở lại cấu trúc pha thơng thường dịng cộng hưởng chảy qua phần tử cộng hưởng pha (LR1 , CR1, LM1) giảm nửa số linh kiện hay giảm tổn hao so với giải pháp tắt pha Hình 4.1 b) Giải pháp tắt xuống pha cải tiến Hình 4.1 Cấu trúc biến đổi cộng hưởng LLC cải tiến với van Se nối đất tắt xuống pha, pha Đường đặc tính hiệu suất theo tải mạch cộng hưởng LLC pha a) Giải pháp tắt xuống pha cải tiến 18 với thông số thiết kế chương tắt pha xuống cấu hình pha, pha cải tiến Hình 4.2 Hình 4.2 Hiệu suất theo tải mạch pha , pha, pha Kết mô cho thấy, công suất tải nhỏ tương ứng 60% 30% tải định mức, cấu hình pha pha cho hiệu suất cao so với cấu hình pha Điều hồn tồn phù hợp với lý thuyết điều kiện non tải, việc tắt bớt số pha giúp giảm tổn hao dẫn so với công suất đầu biến đổi nên hiệu suất cải thiện Tuy nhiên, thực tắt pha, cấu trúc tham số hệ thống bị thay đổi , dẫn đến cần nghiên cứu thuật toán điều khiển thích nghi hiệu để đảm bảo đặc tính đáp ứng hệ thống 4.2 Thiết kế điều khiển thích nghi tắt pha cho LLC pha Kết hợp điều khiển thích nghi điều khiển tắt pha, cấu trúc điều khiển cho biến đổi LLC pha đề xuất Hình 4.3 Bộ điều khiển thích nghi điều chỉnh tần số làm việc biến đổi để điều chỉnh điện áp đầu ra, điều khiển tắt pha (Phase shedding) tác động trực tiếp vào khối tạo xung để định số pha làm việc biến đổi tùy thuộc vào công suất tải cải thiện hiệu suất đập mạch dòng điện tụ đầu biến đổi Mơ hình điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu MRAC (Model reference adaptive control) so sánh đầu đối tượng mơ hình quy chiếu chuẩn nhằm kiểm sốt thơng số đối tượng có thay đổi MRAC có vịng phản hồi thông thường bao gồm đối tượng điều khiển điều khiển (còn gọi vòng trong) vịng phản hồi khác thay đổi thơng số điều khiển (còn gọi 19 vịng ngồi) Tham số điều khiển (vịng trong) tính tốn ước lượng từ thuật tốn thích nghi MIT Vref Ước lượng thơng số Kp Mơ hình mẫu e Bộ điều khiển thích nghi f Khối tạo xung VIN Vm Ki Vout Phase Shedding 3-PHASE LLC CONVERTER Cr1 Lr1 DC Lm1 AC Rectifier 0o Cr2 Lr2 DC Lm2 AC Rectifier 120o Cr3 Lr3 DC AC 240 o Lm3 Rectifier Star Connect Hình 4.3 Cấu trúc điều khiển thích nghi tắt pha biến đổi LLC pha nối sơ cấp MBA 4.3 Kết mô thực nghiệm Kịch mô phỏng: - Tại 0.005s tải giảm từ 100% 80% định mức - Tại 0.01s tiếp tục giảm tải 60% định mức - Tại 0.015s tắt từ pha pha, dịch pha 90 độ - Tại 0.02s giảm tải 30% định mức - Tại 0.025s tắt từ pha pha a) Kết mô : 20 Hình 4.4 Hình ảnh điện áp đầu sử dụng PI thơng thường Time (s) Hình 4.5 Hình ảnh điện áp đầu sử dụng BĐK thích nghi Hình 4.6 Cơng suất đầu 21 Hình 4.4 Hình 4.5 hình ảnh đáp ứng điện áp đầu sử dụng PI thường điều khiển thích nghi cho mạch cân Hình 4.6 cơng suất đầu tương ứng Trong trường hợp thơng số pha hồn tồn cân bằng, ta thấy có thay đổi tải tắt pha, đáp ứng hệ thống đáp bám giá trị đặt 48V với độ điều chỉnh nhỏ 2.4V (5%) thời gian 4ms độ đập mạch nhỏ 240mV ( < 0.5% ) đạt tiêu chuẩn nguồn viễn thông 48V Tuy nhiên tải thay đổi tắt pha pha pha tương ứng với tải giảm xuống 60% 30%, hệ thống với sử dụng điều khiển thích nghi đề xuất MRAC-PI đáp ứng tốt với độ điều chỉnh 50% so với sử dụng PI thường Kết cho thấy tham số bù cập nhật thích nghi kịp thời theo thay đổi cấu trúc hay tải thời gian độ nhỏ 1.6 ms Đặc biệt, tải giảm 30% tắt xuống cấu trúc pha, độ gợn sóng điện áp đầu với tham số PI cập nhật cho kết nhỏ đáng kể (160mV) so với (183mV) sử dụng PI thiết kế cho pha Điều cho thấy, điều khiển thích nghi đề xuất MRAC-PI khơng cải thiện đáp ứng hệ thống trình độ mà trình xác lập với cấu trúc mạch bị thay đổi Tại thời điểm 0.03s tải giảm xuống 10%, độ điều chỉnh PI thường 590 mV (1.2%), thời gian xác lập 1.6 ms Trong điều khiển thích nghi MRAC-PI cho độ điều chỉnh 257 mV (0.55%), thời gian xác lập ms b) Thực nghiệm : Các kết thực nghiệm Hình 4.7 Hình 4.8 điện áp đầu có tắt pha từ pha xuống pha từ pha xuống pha Kết thực nghiệm có xu hướng tương tự kết mô phỏng, trình chuyển từ pha xuống pha có điện áp biến động nhiều chuyển từ pha xuống pha Mặt khác chuyển từ pha xuống pha, độ điều chỉnh lớn nhiều so với mô Điều lý giải cân nội trở tụ đầu lớn so với thiết kế Hơn độ xác thiết bị đo thực nghiệm gây sai số kết mô kết thực nghiệm 22 Hình 4.7 Điện áp đầu chuyển từ pha xuống pha Hình 4.8 Điện áp đầu chuyển từ pha xuống pha Kết luận kiến nghị Trong luận án thực phân tích ưu nhược điểm cấu trúc cộng hưởng song song nhiều pha Phương pháp thiết kế mạch xen kênh ba pha nửa cầu cộng hưởng LLC thực xác qua việc phân tích, tính tốn chi tiết tham số từ pha cộng hưởng Tuy nhiên, cấu trúc cộng hưởng nhiều pha có thách thức lớn cân pha sai số tự nhiện linh kiện, dẫn đến dịng công suất lớn chảy lệch qua pha gây tải làm giảm hiệu sản phẩm Do đó, luận án thực nghiên cứu phương pháp điều khiển ổn định điện áp điều khiển cân dòng điện cho biến đổi ba pha xen kênh nửa cầu cộng hưởng LLC Kết điều khiển cân dòng với phương pháp điều khiển PI đề xuất cho thấy kết cân tốt với dung sai linh kiện cộng hưởng thơng thường tới ± 20% Biên độ dịng cộng hưởng pha sai lệch nhỏ 0.6A gần với trường hợp lý tưởng Với phương pháp tắt pha đề xuất, tải giảm xuống 60% 30%, hiệu suất nâng cao pha pha số lượng linh kiện mạch cộng hưởng giảm bớt Và pha, với cấu trúc tắt pha đề xuất, ta điều khiển xen kênh 90 độ so với cấu trúc pha nối dịch pha 180 độ thông thường (320 mV @ 60% tải), dẫn đến giảm độ đập mạch dòng điện áp đầu (chỉ 62 mV @60% tải) giảm tổn hao tụ Kết tính tốn, mơ cho thấy giải pháp tắt pha đề xuất nâng cao đường đặc tính hiệu suất vùng tải thấp từ 1% tới 6% Tuy nhiên, việc tắt bớt 23 pha làm thay đổi tham số mạch làm độ đập mạch dịng đầu lớn lên Do đó, luận án thực nghiên cứu thiết kế cấu trúc ba pha xen kênh cải tiến giúp nâng cao hiệu tắt pha Cấu trúc thuật toán điều khiển thích nghi MRAC sử dụng luật MIT xây dựng áp dụng cấu trúc biến đổi cộng hưởng LLC (3 pha, tắt pha dung sai linh kiện gữa pha không cân bằng) BĐK thích nghi đáp ứng tốt đạt kết điện áp dòng điện qua tụ đầu nhỏ so với điều khiển PI thơng thường Mơ hình mẫu thực nghiệm ba pha nửa cầu cộng hưởng LLC phù hợp tiêu chuẩn viễn thông xây dựng để kiểm nghiệm tính đắn nghiên cứu 24 Danh mục cơng trình công bố luận án Thong.T Hoang, Nguyen Kien Trung, "Unbalanced Three-Phase Interleaved LLC Resonant Converter: Current Phase Angle Balancing Technique," International Journal of Power Electronics and Drive Systems (IJPEDS), a Scopus/ScimagoJR: Q2 on Electrical and Electronic Engineering, 2021 Nguyen Kien Trung, Thong T Hoang, Pham Viet Phương, “Thiết kế điều khiển cho biến đổi cộng hưởng LLC pha: tắt pha MRAC,” Chuyên san Đo lường, Điều khiển Tự động hóa (Tạp chí tự động hóa ngày nay), Vol.3 No.2 (11/2022) Thong.T Hoang, Nguyen Kien Trung, “Three-Phase interleaving LLC Resonant Converters: Technique to Reduce Unbalanced Resonant Currents,” Sixth International Conference on Research in Intelligent and Computing in Engineering, RICE-2021 Thong T Hoang, Nguyen Kien Trung , “Bộ biến đổi cộng hưởng LLC: Thuật tốn điều khiển thích nghi (MRAC-PI) cải thiện đáp ứng hệ thống nâng cao hiệu suất cấu trúc nhiều pha, tắt pha”; Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ Điều khiển tự động hóa (VCCA 2021), tháng 12 năm 2021 Thong T Hoang , Nguyen Kien Trung, “Bộ biến đổi cộng hưởng LLC xen kẽ ba pha không cân với kỹ thuật dòng điện cân lượng giác TCB nâng cao hiêu suất biến đổi,” Hội nghị Triển lãm quốc tế lần thứ Điều khiển tự động hóa (VCCA 2019), tháng năm 2019 Thong T Hoang , “Thuật tốn điều khiển thích nghi MRAC-PI cải thiện đáp ứng biến đổi pha”, Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2022, Đại học Thủy Lợi, mục 93, trang 283 – 286 Thong T Hoang, “Bộ biến đổi cộng hưởng LLC ba pha xen kẽ với kỹ thuật cân dòng lượng giác TCB,”, Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021, Đại học Thủy Lợi, mục 95, trang 291 – 294 Thong T Hoang, “Bộ biến đổi cầu không đối xứng với hai cuộn cảm lối vào ”, Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019, Đại học Thủy Lợi, mục 181, trang 567 – 570