THIẾT KẾ CUỘN DÂY VÀ MẠCH BÙ LCC
Thiết kế cuộn dây
Hệ thống sạc không dây mang lại nhiều lợi ích, nhưng để đạt hiệu suất truyền cao nhất, cuộn truyền và cuộn nhận cần phải được căn chỉnh thẳng trục Hiệu suất sẽ giảm khi hai cuộn này lệch nhau, điều này đặc biệt khó khăn trong sạc động khi xe vừa di chuyển vừa sạc, dẫn đến hiệu suất truyền năng lượng thấp hơn so với sạc tĩnh Tuy nhiên, sạc động là công nghệ tiềm năng cho sự phát triển của ô tô điện trong tương lai Một trong những giải pháp để cải thiện hiệu suất truyền năng lượng trong ô tô điện là thiết kế cuộn dây truyền và nhận, với hai phương pháp thiết kế khác nhau cho cuộn truyền.
- Thiết kế cuộn dây phía truyền theo kiểu đường dài (Hình 2.1)
- Thiết kế cuộn dây phía truyền theo kiểu đoạn (Hình 2.2)
BBĐ nghịch lưu cộng hưởng
Hình 2.1 Cấu trúc cuộn dây kiểu đường dài
BBĐ nghịch lưu cộng hưởng Cuộn truyền Cuộn truyền Cuộn truyền
Hình 2.2 Cấu trúc cuộn dây theo kiểu đoạn
Hệ thống sạc động OLEV (On-Line Electric Vehicle) tại Hàn Quốc đã áp dụng cuộn dây cuộn truyền dài để phục vụ xe buýt điện công cộng với tổng chiều dài 24km Tuy nhiên, thiết kế này gặp phải nhược điểm về hiệu suất thấp do độ tự cảm cao của cuộn dây, dẫn đến tần số chuyển mạch thấp và hệ số chất lượng không đạt yêu cầu.
Thiết kế cuộn dây theo kiểu đoạn sử dụng các cuộn dây nhỏ, đặt gần nhau, tạo thành làn đường cho ô tô điện, mang lại ưu điểm về khả năng điều khiển linh hoạt và hiệu suất cao nhờ giảm thiểu từ trường rò rỉ Tuy nhiên, nhược điểm chính là cấu trúc phức tạp và chi phí thiết kế tăng cao do cần nhiều cuộn dây truyền, bộ bù và mạch biến đổi công suất.
Một trong những nhược điểm chính là việc có thể sử dụng chung một bộ biến đổi cho nhiều cuộn truyền Thêm vào đó, sự gần gũi giữa các cuộn dây gây ra tương tác từ trường, dẫn đến hiện tượng hỗ cảm, làm cho việc thiết kế mạch bù cộng hưởng trở nên khó khăn hơn so với phương pháp đầu tiên.
Trong đồ án này, hệ thống sử dụng cấu trúc cuộn dây theo phương pháp thứ
Mỗi module bao gồm 3 cuộn truyền được sắp xếp sát nhau và kết nối với một bộ biến đổi cộng hưởng Thiết kế này cho phép điều chỉnh dễ dàng tổng chiều dài của bộ truyền, đồng thời giảm điện áp đặt trên tụ bù.
Hình 2.3 Cấu trúc thiết kế cuộn dây
Mô phỏng phần tử hữu hạn được thực hiện bằng phần mềm Maxwell nhằm tối ưu kích thước bộ nhận và xác định các giá trị quan trọng như điện cảm tự cảm, điện cảm hỗ cảm và hệ số kết nối điện từ giữa các cuộn dây Bảng thông số về cuộn dây được trình bày trong Bảng 2.1, trong đó hệ số kết nối 𝑘 𝑟 được tính toán theo công thức 𝑘 = 𝑀 𝑎𝑏, phản ánh mối quan hệ giữa các cuộn dây truyền và cuộn dây nhận.
Bảng 2.1 Tham số thiết kế cuộn dây
Giá trị điện cảm của cuộn dây truyền 𝐿 𝑖 (i=1,2,3) là 102 àH, trong khi điện cảm cuộn dây nhận 𝐿 𝑟 cũng có giá trị 102 àH Điện cảm hỗ cảm của cuộn truyền 1 𝑀 1 là -11.937 àH, cuộn truyền 2 𝑀 2 là -20.903 àH, và cuộn truyền 3 𝑀 3 là -12.474 àH.
Thiết kế mạch bù LCC
Tổng quan về mạch bù
Mô hình truyền điện không dây được khảo sát bao gồm một cuộn truyền và một cuộn nhận, trong đó cuộn truyền có cảm kháng L1 và cuộn nhận có cảm kháng L2 Hai cuộn dây này tương tác với nhau thông qua hỗ cảm M, tạo ra từ trường Nguồn điện xoay chiều U với tần số f cung cấp năng lượng cho hệ thống.
Khi cuộn truyền nhận dòng điện biến thiên I 1 với tần số f, từ thông biến thiên tác động lên cuộn dây, tạo ra dòng điện cảm ứng I 2 chảy qua điện trở tải R Mô hình tương đương được thể hiện trong Hình 2.5.
Hình 2.4 Truyền điện không dây giữa hai cuộn dây
Hình 2.5 Mô hình tương đương của truyền điện không dây
Hỗ cảm giữa hai cuộn được tương đương thành một điện cảm L m như Hình 2.5 Để nâng cao hiệu suất truyền năng lượng, cần sử dụng nguồn xoay chiều có tần số lớn khoảng 100 kHz Tuy nhiên, khi sử dụng nguồn xoay chiều tần số cao, có hai vấn đề hạn chế hiệu suất truyền của hệ thống.
Trong quá trình chuyển mạch, điện áp và dòng điện thay đổi tức thì, gây tổn thất lớn trên van Để giảm thiểu tổn thất này, cần bổ sung một mạch cộng hưởng giúp bộ biến đổi hoạt động trong chế độ chuyển mạch mềm, từ đó giảm tổn thất đóng cắt Điều này cho phép van chuyển mạch trong điều kiện điện áp qua không (ZVS) hoặc dòng điện qua không (ZCS), nâng cao tần số biến đổi và cải thiện hiệu suất mạch chuyển đổi từ 90% lên 98%.
Trở kháng của cuộn cảm tỷ lệ thuận với tần số, được tính bằng công thức Z_L = 2πfL Do đó, khi tần số tăng, trở kháng của các giá trị điện cảm cũng tăng theo, cụ thể là Z_L1 - L_m.
Khi giá trị ZL2 - Lm tăng lên, năng lượng truyền đi sẽ giảm, dẫn đến việc không thể truyền công suất từ nguồn cấp đến tải Để giảm thiểu tối đa tổn hao trên các cuộn dây, việc sử dụng mạch bù cộng hưởng là cần thiết Mạch cộng hưởng kiểu song song – song song được đề xuất cho mô hình này.
Việc sử dụng hai tụ điện C1 và C2 kết nối vào hai bên sơ cấp và thứ cấp giúp tạo ra một mạch cộng hưởng giữa các thành phần cuộn cảm L và tụ điện C Tần số cộng hưởng 𝑓𝐶𝐻 đạt được khi ZL + ZC = 0, từ đó loại bỏ điện cảm rò của cuộn dây và nâng cao hiệu suất truyền năng lượng đến tải điện R.
Hình 2.6 Mô hình tương đương sử dụng mạch cộng hưởng
Trong hệ thống truyền điện không dây, mạch bù thường được thiết kế cho cả hai phía khi hệ số kết nối nhỏ hơn 0.3 Để giảm điện cảm rò, chỉ cần thêm một tụ điện vào mỗi bên Có bốn thiết kế mạch bù cơ bản: nối tiếp – nối tiếp, nối tiếp – song song, song song – nối tiếp và song song – song song Nếu mạch bù phía sơ cấp được thiết kế nối tiếp, nguồn áp 𝑉 1 có thể kết nối trực tiếp vào cuộn dây Ngược lại, nếu bù song song, thường sẽ thay đổi nguồn cấp thành nguồn dòng 𝐼 1 Mạch bù nối tiếp bên thứ cấp tạo ra đầu ra như một nguồn áp, trong khi mạch bù song song bên thứ cấp tạo ra đầu ra như một nguồn dòng Tuy nhiên, không phải tất cả các thiết kế đều có dòng sơ cấp không đổi, và các đặc tính đầu ra có thể khác nhau cho bù nối tiếp hoặc bù song song phía thứ cấp.
Để giảm tổn hao trong mạch điện, tụ điện ở phía sơ cấp thường được điều chỉnh để điện áp và dòng điện đồng pha, áp dụng phương pháp ZPA Việc điều chỉnh mạch bù sơ cấp nhằm tạo ra một phần nhỏ công suất phản kháng giúp đạt được chuyển mạch mềm ZVS hoặc ZCS Do công suất phản kháng này tương đối nhỏ, các tham số để đạt được ZCS và ZVS gần giống với các tham số thiết kế theo phương pháp ZPA Để thực hiện ZPA trên cuộn sơ cấp, giá trị tụ điện 𝐶1 trong bốn trường hợp mạch bù cơ bản được trình bày trong Bảng 2.2.
Trong Bảng 2.2, giá trị dung kháng 𝐶 1 duy trì tính không đổi trong cấu trúc Nối tiếp – Nối tiếp Ngược lại, ở các cấu trúc khác, giá trị 𝐶 1 lại phụ thuộc vào hệ số kết nối 𝑘 𝑟.
Bảng 2.2 Giá trị tụ điện 𝐶 1 trong các cấu trúc khác nhau
Cấu trúc Tụ điện sơ cấp 𝐶 1
Trong hệ thống sạc động đang được nghiên cứu, bộ nhận gắn trên ô tô di chuyển liên tục, dẫn đến sự thay đổi hệ số liên kết giữa các cuộn dây, ảnh hưởng đến tần số cộng hưởng và hiệu suất hệ thống Cấu trúc Nối tiếp – Nối tiếp được ưu tiên sử dụng, nhưng khi giá trị tải cuộn nhận thay đổi, đặc tính công suất và hiệu suất bị phân tách, gây khó khăn trong việc tối ưu hóa hiệu suất Hơn nữa, nhược điểm của các mạch bù cơ bản là kích thước lớn và chi phí cao do giá trị cuộn cảm và tụ điện lớn Để khắc phục, một cấu trúc mới kết hợp giữa Nối tiếp và Song song đã được đề xuất, với mạch bù LCC gồm hai tụ điện và một cuộn cảm, cho phép thực hiện như một nguồn dòng ở cả hai đầu vào và đầu ra Mạch bù LCC giúp tạo điều kiện chuyển mạch ZVS hoặc ZCS, giảm tổn hao năng lượng trên van, đồng thời bù công suất phản kháng ở phía thứ cấp, nâng cao hiệu suất cho cả tải nhẹ và tải nặng.
Hình 2.8 Mạch bù LCC hai phía
Hệ thống sạc động trong đồ án tốt nghiệp này được thiết kế với cấu trúc gồm 3 cuộn truyền và 1 cuộn nhận, trong đó mỗi cuộn đều được kết nối với một mạch bù cộng hưởng.
Hình 2.9 Cấu trúc mạch bù LCC trong hệ thống sạc động
Hệ thống sạc động sử dụng bộ nghịch lưu cộng hưởng với 4 van bán dẫn, điện áp một chiều đầu vào được chỉnh lưu từ điện áp lưới 𝑉 1 Mỗi bộ bù được thiết kế với thông số khác nhau do sự tương tác giữa các cuộn dây Các mạch cuộn dây truyền được nối song song với bộ nghịch lưu, mang lại ưu điểm vượt trội so với cấu trúc nối tiếp Mặc dù cấu trúc nối tiếp chỉ cần một mạch bù đơn giản, nhưng điện áp lớn trên cuộn dây truyền làm cho mạch bù cồng kềnh Khi thiết kế trên các đoạn đường dài khác nhau, cần phải tính toán lại mạch bù, và độ tự cảm lớn của cuộn dây truyền khiến việc lựa chọn tụ bù trở nên khó khăn Do đó, cấu trúc song song là lựa chọn tối ưu cho hệ thống sạc động của ô tô điện.
Thiết kế bộ truyền linh hoạt cho đoạn đường dài cho phép kết nối bộ truyền hiện tại thành một làn đường sạc, đồng thời vẫn duy trì các thông số mạch bù.
Giảm điện áp trên tụ bù giúp thu nhỏ kích thước của tụ Nhờ vào các cuộn dây của bộ phân đoạn, điện áp trên các cuộn dây truyền giảm, dẫn đến điện áp đặt trên tụ cũng giảm theo.
ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT PHÍA NHẬN TRONG HỆ THỐNG SẠC KHÔNG DÂY CHO Ô TÔ ĐIỆN
Điều chế dịch pha
Phương pháp điều khiển bằng điều chế dịch pha là giải pháp hiệu quả để nâng cao khoảng cách truyền của hệ thống sạc động, sử dụng các bộ biến đổi cộng hưởng Theo tiêu chuẩn SAE J2954, tần số cho hệ thống sạc động là 85 kHz Đồ án này áp dụng bộ biến đổi nghịch lưu cộng hưởng toàn cầu với tần số làm việc f kHz Chương 3 tập trung vào việc điều khiển công suất đầu ra, yêu cầu điều khiển điện áp đầu ra sau nghịch lưu Hiện nay, có nhiều phương pháp điều khiển điện áp đầu ra sau nghịch lưu được áp dụng.
Với phương pháp băm xung PWM, tần số cơ bản trong trường hợp này là
Phương pháp điều khiển tần số không phù hợp cho hệ thống khi tần số băm xung phải lớn hơn nhiều lần so với tần số cơ bản, gây tổn thất lớn trên van và không đảm bảo chuyển mạch mềm Hiệu suất của hệ thống phụ thuộc vào hiệu suất truyền giữa các cuộn dây, đạt tối đa tại tần số 85kHz và các giá trị xung quanh Mặc dù phương pháp điều khiển tần số có thể giữ tần số cộng hưởng tối ưu, nhưng dải điều chỉnh quá hẹp Ngược lại, phương pháp điều khiển dịch pha hoạt động tại tần số gần cộng hưởng, khắc phục nhược điểm của điều khiển tần số và dễ dàng điều chỉnh điện áp sau nghịch lưu Do đó, trong đồ án này, phương pháp điều khiển dịch pha được áp dụng cho việc phát xung các van Mosfet trong bộ nghịch lưu cộng hưởng, sử dụng Mosfet cho sơ đồ Inverter với cấu trúc full-bridge gồm 4 van đóng cắt.
3.1 Với phương pháp điều chế thông thường, các nhánh van 𝑆 1 -𝑆 3 và 𝑆 2 -𝑆 4 sẽ đồng thời cùng dẫn trong nửa chu kì, dẫn đến điện áp ra của nghịch lưu có dạng vuông (Hình 3.2)
Trong phương pháp điều chế dịch pha sẽ có những khoảng thời gian cả hai van trên 𝑆 1 -𝑆 2 cùng dẫn (Hình 3.3.a.) hoặc cả hai van dưới 𝑆 3 -𝑆 4 cùng dẫn (Hình
3.3.b.), tại những thời điểm này điện áp ra của mạng đóng cắt sẽ bằng 0 Bằng việc điều khiển thời gian này ta sẽ điều khiển được biên độ điện áp và dòng điện sau nghịch lưu
Công suất đầu ra chịu ảnh hưởng bởi tải RL và dòng đầu ra, như đã được chứng minh trong chương 2 Đồng thời, dòng đầu ra cũng phụ thuộc vào áp đầu vào.
Như vậy để điều khiển được công suất phía nhận thì cần điều khiển điện áp vào (điện áp sau nghịch lưu tần số cao)
Hình 3.1 Sơ đồ nghịc lưu full-bridge v AB
Hình 3.2 Điện áp đầu ra sau nghịch lưu trong phương pháp điều chế thông thường
Một mô hình đóng cắt van trong một chu trình của phương pháp điều chế dịch pha thể hiện ở Hình 3.3
Hình 3.3 Mô hình đóng cắt van trong phương pháp điều chế dịch pha
Khi áp dụng phương pháp điều chế dịch pha cho nghịch lưu, điện áp ra có hai thời điểm bằng 0 trong mỗi chu kỳ, như thể hiện trong Hình 3.4.
Hình 3.4 Điện áp đầu ra nghịch lưu của phương pháp dịch pha
Phương pháp xấp xỉ theo sóng hài bậc nhất cho thấy sự thay đổi biên độ sóng sin trong hai trường hợp khác nhau, được thể hiện bằng màu xanh và màu đỏ Điện áp hiệu dụng sau khi nghịch lưu xấp xỉ theo sóng hài bậc nhất được xác định thông qua công thức [4].
- 𝑉 𝐴𝐵,𝑅𝑀𝑆 là giá trị hiệu sụng của điện áp đầu ra sau nghịch lưu
- 𝑉 𝐷𝐶 là điện áp đầu vào nghịch lưu, cũng là giá trị biên độ của xung vuông
- 𝜃 là góc dịch pha, cũng là độ rộng của xung vuông theo thời gian trong một chu kỳ
Bằng cách điều chỉnh góc 𝜃, chúng ta có thể kiểm soát biên độ điện áp ra của nghịch lưu, điều này cho thấy ưu điểm của phương pháp điều chế dịch pha Đây cũng là cơ sở để phát triển cấu trúc điều khiển ổn định công suất phía nhận trong hệ thống sạc động.
Cấu trúc khâu điều chế dịch pha
Để điều khiển mở và đóng van, cần xây dựng một cấu trúc với đầu vào là giá trị góc 𝜃 và đầu ra là bốn xung Tín hiệu 𝑉 𝑚 sẽ được so sánh với xung răng cưa để tạo tín hiệu mở cho các flip-flop Qua hệ thống hàm logic AND, NOT, và XOR, chúng ta sẽ thu được xung điều khiển cho bốn van Mosfet Tín hiệu 𝑉 𝑚 tương ứng với góc dịch pha cần điều khiển trong khoảng 0 ≤ 𝑉 𝑚 ≤ 180.
Phép logic điều khiển các van được thể hiện trên PT 3.2
𝑆 2 = 𝑆̄ 3 Q'(RS)=AND{𝑄(RS),NOT(PW𝑀)}
Từ đó ta đề xuất ra cấu trúc sơ đồ thực hiện phương pháp điều chế dịch pha
Hình 3.5 Cấu trúc thực hiện khâu điều chế dịch pha
Dạng xung điều khiển các van như Hình 3.6, với 𝛼 là khoảng thời gian trùng dẫn của 2 van phía trên và phía dưới nghịch lưu Lúc đó ta có:
Hình 3.6 Dạng xung điều khiển các van trong điều chế dịch pha
Công thức ước lượng công suất đầu ra
Để điều khiển ổn định công suất sạc phía nhận, đồ án này đề xuất phương pháp điều khiển vòng kín, trong đó công suất sạc cho ô tô được phản hồi để so sánh với các giá trị công suất đặt trước Tuy nhiên, việc đo đạc công suất từ bên nhận gặp khó khăn do cuộn dây nhận gắn trên ô tô và liên tục di chuyển trong quá trình sạc, cùng với khả năng gây trễ trong việc truyền tín hiệu không dây từ xe xuống mặt đường Điều kiện thời tiết khắc nghiệt cũng làm cho việc truyền tín hiệu trở nên khó khăn hơn, dẫn đến nhiễu tín hiệu trong quá trình truyền thông Để khắc phục vấn đề này, đồ án sẽ đề xuất phương pháp ước lượng công suất phía nhận dựa vào các đại lượng bên phía truyền, giúp loại bỏ sự cần thiết của truyền thông giữa xe và vi điều khiển, từ đó cải thiện độ chính xác của giá trị công suất phản hồi cho mạch vòng điều khiển công suất.
Trong hệ thống truyền điện không dây, hiệu suất cao phụ thuộc vào việc giá trị tải tương đương từ phía truyền đạt giá trị tối ưu Để tối ưu hóa hiệu suất, giá trị tải tương đương cần được duy trì ổn định Đây là một vấn đề đang được nghiên cứu tích cực Trong đồ án này, giả thiết rằng tải tương đương luôn đạt giá trị tối ưu tại R L.opt = 53.33Ω.
Xét trường hợp tính cả nội trở của các cuộn dây, cấu trúc hệ thống với ba cuộn truyền và một cuộn nhận như Hình 3.7
Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống và ký hiệu các phần tử trong mạch
Với 𝑅 𝐿 là trở kháng tải và 𝐼 𝑎 là dòng điện chạy qua trở kháng tải Khi đó công suất qua trở kháng tải được tính:
Mục tiêu của việc tính toán là phát triển một công thức để xác định giá trị 𝑃 𝑜𝑢𝑡 dựa trên các giá trị đo được tại cuộn truyền Để đạt được điều này, chúng ta sẽ tiến hành tính toán dòng điện qua trở kháng của tải 𝐼 𝑎.
Theo điều kiện như chương trước, ba cuộn dây giống nhau nên ta gọi:
Kết hợp với PT 2.11, PT 2.13 và PT2.14 nên ta có:
Xét mạch vòng điện áp bên phía nhận, kêt hợp với các điều kiện mạch vòng cộng hưởng PT 2.1 và PT 2.8:
Thay PT 3.9 vào PT 3.7 và PT 3.8 ta có:
Do đó giá trị dòng điện chạy qua trở kháng tải được xác định bởi công thức:
Với 𝑀 𝑎 là giá trị điện cảm hỗ cảm từ ba cuộn truyền đến cuộn nhận
Từ (PT 3.4) và (PT 3.12) ta rút ra được công suất trở kháng đầu ra:
Để xác định công suất, chỉ cần đo dòng điện chạy qua cuộn dây truyền và xác định giá trị điện cảm hỗ cảm từ ba cuộn truyền đến cuộn nhận 𝑀 𝑟.
Với các giá trị 𝑚 1 , 𝑚 2 , 𝑚 3 được tính bởi công thức:
Cfa là tụ bù phía nhậnRL: tải phía nhậnIa: dòng chạy qua trở kháng tải
Với công suất đầu vào bằng tổng công suất của 3 cuộn dây, kết hợp với các biểu thức PT 3.14, PT 3.15, PT 3.16 và PT 3.17 ta có giá trị 𝑀 𝑟 :
𝐼 𝐿𝑖.𝑅𝑀𝑆 2 − (𝑅 1 + 𝑅 2 + 𝑅 3 )] PT 3.18 Thay vào biểu thức PT 3.13 ta có công thức công suất đầu ra như sau:
Công thức PT 3.19 có thể rút gọn như sau:
Trong đó A và B là các giá trị cố định trong quá trình điều khiển, phụ thuộc vào thông số các phần tử trong mạch
Để xác định công suất đầu ra, cần biết công suất đầu vào và đo dòng điện qua cuộn dây truyền Bằng cách áp dụng công thức PT 3.20, ta có thể tính toán và tìm ra giá trị công suất đầu ra.
Điều khiển ổn định công suất đầu ra
Công suất phía nhận BBĐ IPT phụ thuộc vào dòng điện trên cuộn truyền, vì vậy việc điều khiển dòng điện này sẽ cho phép chúng ta kiểm soát công suất nhận được.
Bằng cách điều chỉnh góc 𝜃, chúng ta có thể kiểm soát điện áp đầu ra của nghịch lưu, từ đó điều chỉnh dòng điện trên cuộn truyền BBĐ IPT Điều này cho thấy rằng việc kiểm soát góc 𝜃 sẽ cho phép chúng ta điều chỉnh công suất phía nhận của BBĐ IPT một cách hiệu quả.
Về nguyên tắc ta có thể điều khiển công suất phía nhận theo cấu trúc Hình
Hệ thống điều khiển công suất chỉ sử dụng một vòng điều khiển sẽ dẫn đến việc dòng điện tăng cao trong giai đoạn khởi động, gây sai lệch lớn trong công suất ước lượng so với công suất đặt, dẫn đến mất điều khiển Để khắc phục tình trạng này, cần sử dụng cấu trúc hai vòng điều khiển, như minh họa trong Hình 3.9 Việc điều chỉnh pha teta cho phép kiểm soát điện áp sau nghịch lưu một cách hiệu quả.
Từ đó điều khiển được dòng qua các cuộn truyền
Hình 3.8 Cấu trúc điều khiển vòng kín bằng một vòng điều khiển
Hình 3.9 Cấu trúc điều khiển ổn định công suất đề xuất
Cấu trúc bao gồm 2 vòng điều khiển:
- Vòng công suất: Điều khiển ổn định công suất phía nhận
- Vòng dòng điện: Điều khiển dòng điện trên cuộn truyền
Với cấu trúc này, dòng điện được điều khiển bởi bộ điều khiển công suất, giúp loại bỏ hiện tượng peak dòng điện và đảm bảo ước lượng công suất phía nhận chính xác.
Mạch vòng điều khiển dòng điện trên cuộn dây sơ cấp
Dòng điện phía truyền 𝐼 𝑝𝑟𝑖.𝑅𝑀𝑆 được so sánh với dòng điện phản hồi 𝐼 𝑝𝑟𝑖.𝑅𝑀𝑆 qua bộ điều khiển, tạo ra góc 𝜃 cho khâu điều chế dịch pha Đối tượng điều khiển là bộ biến đổi IPT, có cấu trúc 3 cuộn truyền và 1 cuộn nhận, dẫn đến sự phức tạp trong việc mô hình hóa hàm truyền Do đó, phương pháp nhận dạng đã được áp dụng để xác định hàm truyền giữa dòng điện trên cuộn truyền và góc dịch pha 𝜃.
Phương pháp nhận dạng trên PSIM và Matlab:
Trong mô phỏng trên PSIM, tín hiệu góc 𝜃 (tín hiệu bước nhảy) được kích vào khâu điều chế dịch pha Sau đó, dòng điện trên cuộn dây phía truyền được đo, cho phép thu thập các giá trị dòng điện với thời gian lấy mẫu là 11,7646𝜇𝑠.
Sử dụng bộ tham số này, chúng tôi áp dụng công cụ Identification trong Matlab để nhận dạng hàm truyền giữa dòng điện RMS trên cuộn dây truyền và góc dịch pha 𝜃.
Hàm truyền giữa dòng điện trên cuộn nhận và góc dịch pha 𝜃:
1 + 2.3872𝑒 −6 𝑠𝑒 −1.038𝑒 −5 𝑠 PT 3.23 sách lược điều khiển tầng
Hàm truyền PT 3.23 là một hàm truyền có dạng khâu quán tính bậc nhất với độ trễ, và bộ điều khiển PI được lựa chọn cho vòng điều khiển dòng điện Để thiết kế bộ điều khiển, chúng ta áp dụng tiêu chuẩn tối ưu độ lớn, từ đó tạo ra hàm truyền cho bộ điều khiển dòng điện.
PT 3.24 Đáp ứng hệ kín vòng dòng điện (Hình 3.11), thời gian xác lập 0.000191s
Hình 3.10 Đáp ứng dòng điện RMS trên cuộn nhận khi góc 𝜃 = 150 0
Hình 3.11 Đáp ứng bước nhảy hệ kín vòng dòng điện
Mạch vòng điều khiển ổn định công suất phía nhận
Công suất đặt phía nhận 𝑃 ∗ 0 so sánh với công suất ước lượng 𝑃 0 phản hồi (PT 3.20), qua bộ điều khiển công suất ta có dòng điện đặt 𝐼 ∗ 𝑝𝑟𝑖.𝑅𝑀𝑆 (Hình 3.9)
Sử dụng phương pháp nhận dạng như 3.2.1 với 2000 mẫu, thời gian lấy mẫu t= 1e-5s Đặt dòng điện 10A (tín hiệu step) sau đó ta thu được các giá trị của
28 công suất phía nhận Đáp ứng công suất phía nhận khi 𝐼 ∗ 𝑝𝑟𝑖.𝑅𝑀𝑆 = 10A như Hình 3.12
Hàm truyền giữa công suất phía nhận và bình phương dòng điện trên cuộn truyền:
Hàm truyền PT 3.25 có dạng khâu quán tính bậc nhất với độ trễ, và bộ điều khiển PI được chọn cho vòng công suất Để thiết kế bộ điều khiển, áp dụng tiêu chuẩn tối ưu độ lớn [9], ta thu được hàm truyền của bộ điều khiển công suất.
Hình 3.12 Đáp ứng công suất phía nhận khi 𝐼 ∗ 𝑝𝑟𝑖.𝑅𝑀𝑆 = 10A Đáp ứng bước nhảy hệ kín vòng công suất với bộ điều khiển Hình 3.9 như
Hàm truyền vòng công suất nhận dạng chỉ xấp xỉ so với đối tượng thực, do đó, khi mô phỏng trên Psim, cần điều chỉnh tham số bộ điều khiển công suất để cải thiện đáp ứng công suất Bộ điều khiển công suất mới được xác định như PT 3.27.
Hình 3.13 Đáp ứng bước nhảy hệ kín vòng công suất
Từ bộ điều khiển dòng dòng điện (PT 3.25) và bộ điều khiển công suất (PT
Kết hợp với mạch lực thiết kế trong Chương 2, chúng tôi đã thực hiện mô phỏng hệ thống trên phần mềm PSIM để kiểm chứng Chi tiết về phần mô phỏng sẽ được trình bày trong Chương 4.
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
Sơ đồ mô phỏng hệ thống trên phần mềm PSIM
Mô phỏng điều khiển truyền thẳng với giá trị đầu vào là góc mở van 𝜃 và 3 khối chính (Hình 4.1):
- Khối điều chế dịch pha (Hình 4.2)
- Khối cuộn dây và mạch bù LCC (Hình 4.4)
Hình 4.1 Mô phỏng điều khiển truyền thẳng a Khâu điều chế dịch pha
Cấu trúc Hình 3.5 mô phỏng khâu điều chế dịch pha như Hình 4.2, cho phép tạo ra các xung điều khiển cho cực G của mosfet inverter Để điều chỉnh giá trị góc mở van, chỉ cần thay đổi giá trị trong nhãn teta.
Hình 4.2 Sơ đồ mô phỏng khâu điều chế dịch pha
Các tín hiệu xung ra của bộ điều chế dịch pha sẽ được cấp cho mạch nghịch lưu Inverter (Hình 4.3)
Hình 4.3 Sơ đồ mô phỏng Inverter c Khối cuộn dây và mạch bù LCC
Hình 4.4 Sơ đồ mô phỏng cuộn dây và mạch bù Điều khiển vòng kín
Sau khi hoàn thiện sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển truyền thẳng và xác định các bộ điều khiển tính toán, chúng ta tiến hành mô phỏng điều khiển vòng kín Hệ truyền thẳng ban đầu được kết hợp thành khối IPT (Inductive Power Transfer).
Để xác minh tính chính xác và chất lượng của bộ điều khiển, mô phỏng được thực hiện với giá trị công suất đặt 1000W, sau đó thay đổi thành 1400W trong thời gian 0.005 giây Sơ đồ mô phỏng vòng kín bao gồm 4 khối chính, như thể hiện trong Hình 4.5.
- Bộ điều khiển công suất (Power Controller)
- Bộ điều khiển dòng điện (Current Controller)
- Bộ biến đổi IPT (Inductive Power Transfer System)
- Bộ ước lượng công suất đầu ra
Hình 4.5 Sơ đồ mô phỏng hệ thống trên phần mềm PSIM a Bộ điều khiển Dòng điện trên cuộn truyền và Công suất phía nhận
Với tham số bộ điều khiển dòng điện và bộ điều khiển công suất tính toán trong chương 3 ta có sơ đồ mô phỏng trên Psim (Hình 4.6 và Hình 4.7)
Hình 4.6 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển công suất phía nhận
Hình 4.7 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển dòng điện trên cuộn truyền b Khối tính toán ước lượng công suất đầu ra
Từ công thức công suất đầu ra tính toán được (PT 3.20), qua các khối tính toán, ta có được sơ đồ cho công thức ước lượng như sau:
Hình 4.8 Mô phỏng khối ước lượng công suất
Kết quả mô phỏng
Trong Chương 2, chúng tôi đã thiết kế cuộn dây và mạch bù, từ đó xác định được các tham số hệ thống Tiến trình mô phỏng được thực hiện trên phần mềm PSIM để kiểm tra hiệu quả Tuy nhiên, sơ đồ mô phỏng hiện tại chưa áp dụng cấu trúc điều khiển như Hình 4.1; các van được điều khiển theo phương pháp điều chế thông thường, với các van nhánh dẫn hoạt động trong nửa chu kỳ.
Hình 4.9 minh họa dòng điện và điện áp qua các van của nghịch lưu, cho thấy nghịch lưu hoạt động ở chế độ chuyển mạch mềm ZVS Điều này chứng minh ưu điểm của mạch bù LCC trong việc đạt được chuyển mạch mềm, giảm thiểu tổn thất chuyển mạch của nghịch lưu cộng hưởng và nâng cao hiệu suất hệ thống.
Hình 4.9 Dòng điện và điện áp qua 4 van nghịch lưu
Hình 4.10 Đặc tính hiệu suất và công suất khi xe di chuyển (vòng hở)
Vị trí bộ nhận p0 (mm)
Hình 4.10 minh họa hiệu suất và công suất của hệ thống khi sử dụng mạch bù LCC 2 phía tại các vị trí khác nhau dọc theo trục của cuộn dây truyền Tại vị trí 𝑝 0 của cuộn nhận so với cuộn dây thứ nhất, hiệu suất truyền công suất đạt khoảng 96% khi xe di chuyển, chứng minh ưu điểm của mạch bù LCC 2 phía trong việc bù công suất phản kháng và nâng cao hiệu suất truyền của hệ thống Tuy nhiên, do chưa áp dụng thuật toán điều khiển ổn định công suất phía nhận, công suất 𝑃 𝑜𝑢𝑡 phía nhận có sự nhấp nhô lớn Để khắc phục vấn đề này, cần tiến hành mô phỏng hệ thống trên sơ đồ điều khiển vòng kín.
Thực hiện mô phỏng vòng kín theo sơ đồ như Hình 4.5, với yêu cầu giữ công suất phía nhận ổn định ở mức 𝑃 𝑜𝑢𝑡 = 1400 𝑊 tại mọi vị trí khi xe di chuyển Trong đồ án này, chúng ta sẽ khảo sát 9 vị trí của cuộn nhận từ 0 mm đến 800 mm, nhằm đánh giá đáp ứng công suất sau nghịch lưu và công suất trên tải.
Hình 4.11 thể hiện đáp ứng công suất phía nhận (𝑃 𝑜𝑢𝑡) tại vị trí thứ nhất, với các đồ thị so sánh giá trị công suất đặt, công suất thực tế và công suất ước lượng theo thời gian Công suất phía nhận đã theo sát giá trị đặt 1400 W với sai lệch tĩnh rất nhỏ khoảng 1.32 W và thời gian xác lập là t = 0.0008 s Công suất ước lượng cho thấy độ chính xác cao với sai lệch tối thiểu.
0.2% (2.44W) so với công suất thực tế
Công suất đặt Công suất thực Công suất ước lượng
Hình 4.11 Đồ thị đáp ứng công suất phía nhận ước lượng và thực tế
Để đánh giá hiệu suất truyền của hệ thống, cần đo lường công suất sau nghịch lưu và công suất trên tải Các giá trị công suất này được thể hiện qua đồ thị trong Hình.
Công suất trên tải Công suất sau nghich lưu
Hình 4.12 Đáp ứng công suất sau nghịch lưu và công suất phía nhận
Từ giá trị công suất đầu ra và công suất vào, ta tính được hiệu suất của hệ thống:
Để kiểm chứng chất lượng của bộ điều khiển, một mô phỏng đã được thực hiện với giá trị công suất đặt thay đổi từ 1200W lên 1400W tại thời điểm t=0.005s Kết quả thu được được thể hiện trong Hình 4.13.
Khi điều chỉnh giá trị công suất, công suất nhận được rất chính xác so với công suất đặt, với sai lệch tĩnh chỉ 2W và thời gian xác lập khoảng 0.0008 giây Điều này chứng tỏ rằng bộ điều khiển dòng điện và bộ điều khiển công suất đã được thiết kế với chất lượng cao.
Sau khi hoàn thiện thiết kế bộ điều khiển, tiến hành đo các giá trị công suất và hiệu suất khi cuộn nhận di chuyển dọc theo cuộn truyền Kết quả thu được thể hiện qua đồ thị đặc tính hiệu suất và công suất tại các vị trí khác nhau của bộ nhận, như được mô tả trong Hình 4.14.
Hình 4.14 thể hiện đặc tính công suất và hiệu suất của xe khi áp dụng thuật toán điều khiển Công suất nhận tại các vị trí đã ổn định ở giá trị 1400W với sai lệch rất nhỏ (khoảng 2W), trong khi hiệu suất truyền công suất đạt trên 95%.
Công suất đặt Công suất thực Công suất ước lượng
Hình 4.13 Đáp ứng công suất phía nhận khi thay đổi giá trị công suất đặt
Hình 4.14 Đặc tính công suất và hiệu suất khi xe di chuyển (vòng kín) b Đáp ứng dòng điện đặt và dòng điện thực tế trên cuộn dây truyền
Hình 4.15 minh họa sự đáp ứng của dòng điện thực trên cuộn dây khi công suất thay đổi từ 1200W lên 1400W tại t = 0.005s Dòng điện thực gần như hoàn toàn khớp với giá trị đặt, với sai lệch tĩnh chỉ 0.001A, cho thấy bộ điều khiển dòng điện được thiết kế với chất lượng cao.
Dòng điện thực Dòng điện đặt
Hình 4.15 Đáp ứng dòng điện đặt và dòng điện thực trên cuộn dây truyền c Đáp ứng công suất phía nhận và góc dịch pha 𝜽
Hình 4.16 cho thấy mối quan hệ giữa công suất phía nhận và góc dịch pha khi công suất đặt tăng từ 1200W lên 1400W tại thời điểm t = 0.005s Kết quả này xác nhận rằng công suất nhận có sự phụ thuộc vào góc dịch pha, qua đó khẳng định tính chính xác của lý thuyết đã trình bày trong Chương 3 và cấu trúc điều khiển được đề xuất.
Công suất phía nhận Góc dịch pha teta (x10)
Hình 4.16 Đáp ứng công suất phía nhận và góc dịch pha 𝜃 (1)
Hình 4.16 Đáp ứng công suất phía nhận và góc dịch pha 𝜃 (2)
Công suất nhận và góc dịch pha θ tại vị trí 0 mm được thể hiện trong Hình 4.17, cho thấy mối quan hệ giữa công suất nhận và góc dịch pha θ Kết quả này xác nhận tính chính xác của lý thuyết đã trình bày trong Chương 3.
Hình 4.17 Đặc tính công suất phía nhận và góc dịch pha 𝜃 tại vị trí 0mm
Hình 4.18 thể hiện đặc tính công suất nhận và góc dịch pha 𝜃 khi xe di chuyển trong vòng kín với công suất đặt là 1400 W Mỗi vị trí hỗ cảm giữa các cuộn dây ảnh hưởng đến các thông số này.
Góc dịch pha 𝜃 cần thay đổi để duy trì công suất ổn định ở mức 1400 W Cấu trúc 2 vòng điều khiển với khâu điều chế dịch pha, như đã trình bày trong Hình 3.8, đã được kiểm chứng qua mô phỏng và cho kết quả chính xác Đáp ứng dòng điện và điện áp qua van, như thể hiện trong Hình 4.19, cho thấy hệ thống hoạt động hiệu quả ở chế độ chuyển mạch mềm ZVS, giúp giảm thiểu tổn thất trong quá trình đóng cắt của mạch nghịch lưu cộng hưởng.
Nhận xét
Mô phỏng vòng hở và vòng kín của bộ biến đổi IPT đã được thực hiện trên phần mềm Psim, cho phép xác minh thiết kế cuộn dây, mạch bù và cấu trúc điều khiển được trình bày trong Chương 2 và Chương 3.
Thiết kế cuộn dây và mạch bù LCC hai phía đã cải thiện hiệu suất của hệ thống, đạt chuyển mạch mềm ZVS, giảm tổn hao trong quá trình đóng cắt, với hiệu suất vượt quá 95%.
Với cấu trúc 2 vòng điều khiển Hình 3.8 đã giúp ổn định công suất phía nhận hệ thống sạc động với sai lệnh tĩnh rất nhỏ (< 2W)
Công thức ước lượng công suất đầu ra chỉ cần sử dụng thông tin và dữ liệu đo được từ bên sơ cấp, đảm bảo kết quả chính xác với sai số nhỏ (0.2%).
Trong chương tiếp theo, nhóm sẽ thiết kế mạch in, cuộn dây và mạch bù dựa trên các tham số thiết kế cuộn dây, mạch bù và cấu trúc điều khiển ổn định công suất phía nhận của hệ thống Mục tiêu là tiến hành kiểm tra thực nghiệm để xác minh thiết kế và so sánh với kết quả mô phỏng.
THỰC NGHIỆM
Thiết kế mạch nguyên lý và mạch in
Sau khi hoàn thành thiết kế cuộn dây, mạch bù và cấu trúc điều khiển, nhóm đã tiến hành thiết kế mạch để kiểm chứng lý thuyết và mô phỏng Hệ thống sạc động được thể hiện qua sơ đồ thực nghiệm trong Hình 5.1.
Mạch bù LCC Mạch bù LCC Mạch bù LCC Cuộn truyền Cuộn truyền Cuộn truyền
Do dòng RMS Đo Công Suất
Hình 5.1 Sơ đồ thực nghiệm của hệ thống sạc không dây động
Hệ thống thực nghiệm gồm có các phần chính:
- Khối vi điều khiển (MCU)
- Khối chỉnh lưu, Buck, Flyback
- Mạch lực nghịch lưu cộng hưởng
- Cuộn dây và mạch bù phía truyền
- Cuộn dây và mạch bù phía nhận
- Mạch đo dòng điện và đo công suất
Khối MCU sử dụng vi điều khiển ARM - STM32F103C8T6, có khả năng nhận tín hiệu phản hồi từ cuộn dây truyền, điện áp và dòng điện sau chỉnh lưu để tính toán công suất và phát xung điều khiển cho 4 Mosfet trong mạch nghịch lưu cộng hưởng Vi điều khiển này nổi bật với tần số xung nhịp cao 72MHz, giúp xử lý và tính toán dữ liệu một cách nhanh chóng.
TIMER1 được trang bị 3 kênh đảo, rất hữu ích cho việc phát xung cho 4 van nghịch lưu Với ADC 12 bit, việc đọc giá trị phản hồi dòng điện và công suất trở nên cực kỳ chính xác.
Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha tạo điện áp 310 VDC cấp cho nghịch lưu, mạch
Buck tạo điện áp 24 VDC cấp cho mạch Driver, mạch Flyback giúp tạo điện áp 3.3 VDC cấp cho vi điều khiển
Thiết kế mạch nguyên lý dựa theo cấu trúc Hình 5.1 bằng phần mềm
Altium Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển bên truyền được thể hiện trên Hình
Mạch Driver được thiết kế với cấu trúc đặc biệt, không sử dụng IC Driver chuyên dụng, cho phép cách ly tốt và độ rộng xung đầu vào đạt tới 85% mà không gặp phải hiện tượng bão hòa biến áp xung.
Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển bên sơ cấp
Hình 5.3 Mạch nguyên lý Driver
Hình 5.4 Mạch nguồn Buck – Flyback
Mạch nguồn Buck – Flyback sử dụng IC Viper12A, cho phép chuyển đổi điện lưới AC đầu vào thành các nguồn điện 3V3, 5V và 24V Cấu trúc kết hợp Buck và Flyback giúp cung cấp năng lượng cho các phần tử trong mạch hoạt động hiệu quả.
Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 để nhận giá trị dòng điện RMS trên cuộn dây truyền, nhằm điều khiển mạch vòng dòng điện Trong mạch vòng công suất, vi điều khiển thu thập giá trị dòng điện và điện áp sau chỉnh lưu, từ đó tính toán công suất đầu vào của hệ thống Theo công thức PT 3.20, vi điều khiển xác định công suất tải đầu ra và điều chỉnh để duy trì ổn định công suất Mạch đo dòng điện RMS sử dụng biến dòng qua chỉnh lưu và lọc RC, trong khi mạch đo điện áp đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.
DC sau chỉnh lưu sử dụng trở phân áp Mạch đo dòng điện DC sau chỉnh lưu sử dụng trở Shunt và lọc RC
Mạch thiết kế 3D trên Altium được thể hiện trên Hình 5.6
Hình 5.6 Mạch in thiết kế trên Altium
Thực nghiệm trên cuộn dây và mạch bù
Dựa vào thiết kế cuộn dây và mạch bù trong Chương 2 để nhóm thiết kế cuộn dây và mạch bù phục vụ cho quá trình thực nghiệm
Hình 5.7 Cuộn dây thực nghiệm
Cuộn dây thực nghiệm được minh họa trong Hình 5.7 Để tăng điện cảm của cuộn dây, chúng ta sử dụng thêm các tấm ferrit đặt ở phía dưới Các tham số của cuộn dây đã được đo đạc và ghi nhận.
Bảng 5.1 Thông số cuộn dây thực nghiệm
Thực nghiệm trên mạch bù
Hình 5.8 Mạch bù thực nghiệm
Sau khi hoàn thành việc thiết kế mạch bù, cuộn dây và bộ biến đổi nghịch lưu cộng hưởng ta có hệ thống thực nghiệm hoàn chỉnh như Hình 5.9
Hình 5.9 Hệ thống sạc động thực nghiệm
2 Bộ nghịch lưu cộng hưởng và mạch điều khiển
3 Mạch bù cuộn dây truyền
6 Mạch bù cuộn dây nhận
7 Bộ điều khiển và chỉnh lưu
Kết quả thực nghiệm
Hình 5.10 Dòng điện và điện áp đầu ra nghịch lưu với 𝑈 𝐷𝐶 = 280𝑉
Thực nghiệm với 𝑈 𝐷𝐶 = 280𝑉, góc 𝜃 = 180° (Hình 5.10) Với time/div = 2𝜇𝑠, dạng điện áp màu đỏ (vol/div = 100V) và dạng dòng điện sau nghịch lưu màu xanh (vol/div = 2V)
Thực nghiệm với 𝑈 𝐷𝐶 = 220𝑉, góc 𝜃 = 150° (Hình 5.11) Với time/div = 2𝜇𝑠, dạng điện áp màu đỏ (vol/div = 100V) và dạng dòng điện sau nghịch lưu màu xanh (vol/div = 5V)
Hình 5.11 Dòng điện và điện áp đầu ra nghịch lưu với 𝑈 𝐷𝐶 = 220𝑉
Dòng điện và điện áp sau nghịch lưu đã có dạng giống mới mô phỏng Hình
4.20 Có thể thấy mạch thực nghiệm đã cho kết quả giống với lý thuyết và mô phỏng
Hình 5.12 Đặc tính hiệu suất và công suất khi xe di chuyển
Hình 5.12 trình bày đặc tính công suất và hiệu suất thực nghiệm tại 9 vị trí, cho thấy hiệu suất hệ thống thực nghiệm đạt trên 90%, chứng minh ưu điểm của mạch bù LCC hai phía trong việc nâng cao hiệu suất Công suất phía nhận đạt khoảng 1.5 kW theo yêu cầu thiết kế, tuy nhiên vẫn có sự biến động do chưa áp dụng thuật toán điều khiển ổn định công suất.
Công suất phía nhận (W)Công suất DC đầu vào (W)Hiệu suất (%)
Thực nghiệm vòng kín a Đáp ứng dòng điện đặt và dòng điện thực tế trên cuộn dây truyền Ổn định dòng điện khi cho cuộn dây nhận lệch trục
Hình 5.13 và Hình 5.14 minh họa sự đáp ứng của dòng điện đặt và dòng điện thực trên cuộn dây khi cuộn dây lệch trục 10cm Giá trị dòng điện thực duy trì ổn định và bám sát giá trị đặt 3A trong suốt quá trình điều khiển, với sai lệch tĩnh rất nhỏ và dao động chỉ khoảng 0.01%.
Hình 5.13 Đáp ứng dòng điện và góc mở van 𝜃 khi cuộn nhận lệch trục
Hình 5.14 Đáp ứng dòng điện khi cuộn nhận lệch trục
Khi quan sát trên máy hiện sóng Oscilloscope, với time/div = 500ms, biên độ dòng điện trên cuộn dây truyền không thay đổi, trong khi điện áp đầu ra nghịch lưu có sự biến đổi rõ rệt Sự thay đổi này xảy ra khi cuộn dây truyền bị dịch lệch 10cm, khiến dòng điện tăng lên Để ổn định dòng điện, bộ điều khiển điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách tăng góc dịch pha từ 10 độ lên 52 độ, được thể hiện với time/div = 5𝜇s.
Hình 5.15 Đáp ứng dòng điện trên cuộn truyền & điện áp Uab với time/div =
Hình 5.16 Đáp ứng điện áp & dòng điện cuộn dây truyền trước khi dịch cuộn với time/div = 5𝜇s
Hình 5.17 Đáp ứng điện áp Uab và dòng điện cuộn dây truyền sau khi dịch cuộn với time/div = 5𝜇s
49 Đáp ứng dòng điện khi cho giá trị dòng điện đặt thay đổi
Hình 5.18 và Hình 5.19 minh họa sự đáp ứng của dòng điện thực so với dòng điện đặt khi dòng điện thay đổi từ 3A xuống 2A Giá trị dòng điện thực duy trì rất gần với giá trị đặt, với sai lệch tĩnh chỉ khoảng 0.01% Điều này cho thấy bộ điều khiển dòng điện đã được thiết kế với chất lượng cao, đảm bảo hiệu suất ổn định.
Hình 5.18 Đáp ứng dòng điện và góc mở van 𝜃 khi dòng điện đặt thay đổi
Hình 5.19 Đáp ứng dòng điện khi dòng điện đặt thay đổi
Khi quan sát trên máy hiện sóng Oscilloscope, với thời gian chia là 500ms, chúng ta nhận thấy biên độ dòng điện trên cuộn dây truyền phản ứng nhanh chóng, trong khi điện áp đầu ra sau nghịch lưu thay đổi Khi dòng điện giảm, bộ điều khiển điều chỉnh điện áp đầu ra để duy trì ổn định dòng điện trên cuộn truyền bằng cách tăng góc dịch pha.
20 0 (Hình 5.21) lên 95 0 (Hình 5.22) Giá trị dòng điện hiệu dụng trên cuộn dây truyền tương ứng thay đổi từ giá trị đặt 3A (Hình 5.21) xuống 2A (Hình 5.22) với time/div = 5𝜇s
Hình 5.20 Đáp ứng điện áp Uab dòng điện cuộn truyền với time/div = 500ms
Hình 5.21 Đáp ứng điện áp Uab và dòng điện cuộn truyền khi dòng điện đặt là 3A với time/div = 5𝜇s
Hình 5.22 Đáp ứng điện áp Uab và dòng điện cuộn truyền khi dòng điện đặt là 2A với time/div = 5𝜇s
51 b Đáp ứng công suất đặt và công suất thực tế Ổn định công suất khi cho cuộn nhận lệch trục
Hình 5.23 so sánh giữa công suất đặt và công suất thực với giá trị dòng điện đặt và dòng điện trên cuộn dây truyền khi cuộn dây bị lệch trục.
Giá trị thực ổn định ở mức 10cm, bám sát giá trị đặt 200W với sai lệch tĩnh nhỏ chỉ khoảng 0.05% Tuy nhiên, độ đập mạch quanh giá trị đặt vẫn còn lớn do chất lượng mạch đo chưa đạt yêu cầu và mức độ nhiễu còn cao.
Để kiểm chứng giá trị công suất đầu ra, chúng tôi đã tiến hành đo điện áp trên tải Kết quả quan sát trên Oscilloscope với time/div = 5𝜇s cho thấy biên độ điện áp trên tải đầu ra (vol/div = 50V) được duy trì ổn định trong suốt quá trình điều khiển Giá trị điện áp tải đỉnh đạt 142V, trong khi tải điện trở có giá trị 50.53𝛺 Từ đó, công suất trên tải được xác định.
Hình 5.24 Điện áp tải trên máy hiện sóng Oscilloscope với time/div = 5μs
Giá trị công suất tải đo được là 199.525W, gần tương đương với công suất định mức 200W, cho thấy bộ điều khiển có tính ổn định cao và công thức ước lượng công suất là chính xác Điều này cho thấy khả năng đáp ứng công suất khi thay đổi công suất đặt.
Hình 5.25 so sánh giữa công suất đặt và công suất thực với giá trị dòng điện đặt và dòng điện trên cuộn dây truyền, khi công suất đặt thay đổi.
Công suất giảm từ 300W xuống 200W, với giá trị thực luôn bám sát giá trị đặt Quá trình điều khiển diễn ra ổn định, sai lệch tĩnh rất nhỏ, quá độ ngắn gọn, và dao động xung quanh giá trị đặt là không đáng kể.
(0.05%) Độ đập mạch quanh giá trị đặt còn lớn, do mạch đo chưa chất lượng, giá trị nhiễu còn nhiều
Tiến hành đo điện áp trên tải và kiểm chứng đáp ứng của bộ điều khiển cho thấy, khi quan sát đáp ứng điện áp tải trên Oscilloscope với time/div = 500ms (Hình 5.28), biên độ điện áp (vol/div = 50V) trên tải đầu ra giảm nhanh từ giá trị hiệu dụng 123V xuống 100.4V.
Giá trị điện áp tải đỉnh ở trường hợp công suất đặt 300W với time/div = 5𝜇s
(Hình 5.26) là 174V, tải điện trở có giá trị là 50.53𝛺 Công suất trên tải được xác định:
Giá trị điện áp tải đỉnh ở trường hợp công suất đặt 200W với time/div = 5𝜇s
(Hình 5.27) là 142V, tải điện trở có giá trị là 50.53𝛺 Công suất trên tải được xác định:
Giá trị công suất tải giảm từ 299.584W xuống 199.525W, gần bằng với công suất định đặt (300W xuống 200W), cho thấy bộ điều khiển có tính ổn định cao và công thức ước lượng công suất đã được xác định chính xác.
Hình 5.25 Đáp ứng công suất và dòng điện khi cho công suất đặt thay đổi
Hình 5.26 Dạng điện áp trên tải khi công suất đặt là 300W với time/div = 5μs
Hình 5.27 Dạng điện áp trên tải khi công suất đặt là 200W với time/div = 5μs
Hình 5.28 Đáp ứng điện áp trên tải trên Oscilloscope (công suất đặt thay đổi) với time/div = 500ms