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

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 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 Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn THÁI NGUYÊN 2011 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP 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 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN HỌC VIÊN http://www.lrc-tnu.edu.vn Dƣơng Quốc Cƣờng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận văn hoàn toàn trung thực theo tài liệu tham khảo chưa công bố công trình khác Thái Nguyên, ngày 30 tháng năm 2011 Tác giả luận văn Dƣơng Quốc Cƣờng Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Trong trình làm luận văn, nhận nhiều ý kiến đóng góp từ thầy, cô giáo, anh chị bạn đồng nghiệp Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến TS Trần Trọng Minh, người quan tâm động viên, khích lệ tận tình hướng dẫn hoàn thành luận văn này, đến Khoa Sau Đại học - Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp tạo điều kiện để hoàn thành khóa học Tác giả luận văn Dƣơng Quốc Cƣờng Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………… Chương TỔNG QUAN HỆ THỐNG NGUỒN PHÂN TÁN DPS………… 1.1 Giới thiệu chung hệ thống nguồn DPS (Distributed Power System)… 1.2 Cấu trúc nguồn DPS……………………………………………………… 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 ZCS……………………… 13 1.2.2.3 Cấu trúc chung nguồn cộng hưởng tải ……………………… 16 1.2.3 Tải tiêu thụ……………………………………………………………… 17 1.3 Ưu nhược điểm nguồn DPS………………………………………… 18 1.3.1 Ưu điểm………………………………………………………………… 18 1.3.2 Nhược điểm…………………………………………………………… 18 1.4 Ứng dụng phương hướng phát triển nguồn DPS……………………… 18 1.5 Kết luận…………………………………………………………………… 20 Chương Bộ PFC(Power Factor Correction)………………………………… 21 2.1 Giới thiệu chung………………………………………………………… 21 2.2 Ý nghĩa hệ số công suất 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 cao biên độ điện áp xoay chiều đầu vào sử dụng sơ đồ BoostRec pha………………………………………………… 28 2.5 Kết luận…………………………………………………………………… 33 Chương BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG ………………………………… 34 3.1 Giới thiệu qua biến đổi cộng hưởng phổ biến…………………… 34 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 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 LLC…………………………………………………………… 40 3.2.3 Các vùng làm việc……………………………………………………… 41 3.2.4 Nguyên lý hoạt động…………………………………………………… 45 3.3 Ưu điểm biến đổi cộng hưởng LLC……………………………… 48 3.4 Một số mạch LLC thực tế………………………………………… 49 3.5 Các phương pháp điều khiển 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 tần số độ rộng xung ………………………………… 53 3.6 Kết luận…………………………………………………………………… 54 Chương THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM ……………………………………… 56 4.1 Tính toán thông số đầu vào - đầu ra………………………………… 56 4.2 Xác định hệ số điện áp lớn nhỏ nhất……………………………… 57 4.3 Tính toán thông số mạch cộng hưởng………………………………… 58 4.4 Tính toán chọn máy biến áp……………………………………………… 60 4.4.1 Sơ đồ mạch điện tương đương 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 THIẾT KẾ MẠCH PHẢN HỒI…………………………………… 65 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN 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 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 mô hình tín hiệu nhỏ mạch LLC…… 67 5.4.2 Nhận xét đặc tính tín hiệu vùng 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 (frequency – to - out)………………………… 76 5.5 Giới thiệu qua IC FSRS 2100…………………………………………… 80 5.5.1 Các khối bản………………………………………………………… 82 5.5.2 Khối dao động bên (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 MÔ PHỎNG………………………………………… …………… 87 6.1 Mô PFC sử dụng chỉnh lưu tích cực pha…………………… 87 6.2 Mô biến đổi cộng hưởng LLC………………………………… 89 6.2.1 Đáp ứng dòng điện, điện áp tải, điện áp vào khối VCO…………… 90 6.2.2 Đáp ứng dòng điện, điện áp khối cộng hưởng, tín hiệu điều khiển dòng điện qua van……………………………………………………………… 91 6.3 Kết luận…………………………………………………………………… 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………………… 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………… 94 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ VÀ BẢNG Hình 1.1 Cấu trúc Front-End 10 Hình 1.2 Cấu trúc Front-End 10 Hình 1.3 Sơ đồ chi tiết PFC 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 nguồn cộng hưởng 16 Hình 1.8 Cấu trúc bus trung gian 17 Hình 1.9 Một vài ứng dụng thực tế 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 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 điều chỉnh dòng điện có ngưỡng 32 Hình 3.1 Sơ đồ biến đổi cộng hưởng nối tiếp 34 Hình 3.2 Đặc tính khuếch đại chiều SRC 35 Hình 3.3 Sơ đồ biến đổi cộng hưởng song song 36 Hình 3.4 Đặc tính khuyếch đại chiều PRC 37 Hình 3.5 Sơ đồ biến đổi cộng hưởng SPRC 38 Hình 3.6 Đặc tính khuếch đại chiều LCC 38 Hình 3.7 Bộ biến đổi cộng hưởng LLC 40 Hình 3.8 Khối cộng hưởng LCC LLC 40 Hình 3.9 Cấu trúc biến đổi bên sơ cấp 41 Hình 3.10 Cấu trúc chỉnh lưu bên thứ cấp 41 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3.11 Các vùng làm việc biến đổi cộng hưởng LLC 42 Hình 3.12 Mô chế độ hoạt động vùng 43 Hình 3.13 Mô chế độ hoạt động vùng 44 Hình 3.14 Mô chế độ hoạt động vùng 44 Hình 3.15 Các vùng thời gian nguyên lý hoạt động 45 Hình 3.16 Chế độ 45 Hình 3.17 Chế độ 46 Hình 3.18 Chế độ 47 Hình 3.19 Chế độ 47 Hình 3.20 Chế độ 48 Hình 3.21 Chế độ 48 Hình 3.22 Bộ nguồn sử dụng nguyên lý mạch cộng hưởng LLC 49 Hình 3.23 Chi tiết nguồn sử dụng nguyên lý mạch cộng hưởng LLC 50 Hình 3.24 Tần số chuyển mạch 51 Hình 3.25 Cấu trúc điều khiển tần 51 Hình 3.26 Cấu trúc điều khiển độ rộng xung 53 Hình 3.27 Cấu trúc điều khiển 54 Hình 4.1 Sơ đồ Front-End 56 Hình 4.2 Hệ số khuếch đại lớn nhất, nhỏ 58 Hình 4.3 Thiết kế mạch cộng hưởng sử dụng hệ số đỉnh với k=7 59 Hình 4.4 Sơ đồ mạch điện tương đương MBA 60 Hình 4.5 Sơ đồ mạch điện quy đổi MBA 61 Hình 4.5 Dải hoạt động tần số chuyển mạch ứng với giá trị Mmax Mmin 63 Hình 4.6 Chọn lõi MBA 63 Hình 5.1 Cấu trúc mạch phản hồi biến đổi LLC sử dụng ghép quang 65 Hình 5.2.Chế độ hoạt động 66 Hình 5.3 Vùng làm việc biến đổi 67 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... 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 Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn... 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... Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………… Chương TỔNG QUAN HỆ THỐNG NGUỒN PHÂN TÁN DPS………… 1.1 Giới thiệu chung hệ thống nguồn DPS (Distributed