Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống nguồn cung cấp không nối dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM PHẠM ĐÔNG PHƢỚC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH HỆ THỐNG NGUỒN CUNG CẤP KHÔNG NỐI DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 60520202 TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM PHẠM ĐÔNG PHƢỚC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH HỆ THỐNG NGUỒN CUNG CẤP KHÔNG NỐI DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 60520202 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:PGS TSKH HỒ ĐẮC LỘC TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2014 CƠNG TRÌNH ĐÃ ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hƣớng dẫn khoa học : PGS TSKH HỒ ĐẮC LỘC Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại học Công nghệ TP HCM ngày 03 tháng 05 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ tên TS Nguyễn Thanh Phƣơng TS.Võ Hoàng Duy TS.Trƣơng Việt Anh TS.Hồ Văn Hiến TS.Huỳnh Châu Duy Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện Phản biện Ủy viên Ủy viên, Thƣ ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƢỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP HCM PHỊNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP HCM, ngày 12 tháng 06 năm 2013 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Đơng Phƣớc Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 17- 11- 1976 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1241830024 I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH HỆ THỐNG NGUỒN CUNG CẤP KHÔNG NỐI DÂY II- Nhiệm vụ nội dung: - Tổng quan hệ thống cấp nguồn không kết nối - Cơ sở lý thuyết hệ thống cấp nguồn không kết nối - Xây dựng mơ hình thực nghiệm hệ thống nguồn khơng kết nối - Khảo sát thực nghiệm III- Ngày giao nhiệm vụ: 12 tháng 06 năm 2013 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 29 tháng 03 năm 2014 V- Cán hƣớng dẫn: CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) PGS TSKH HỒ ĐẮC LỘC KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn đƣợc cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn đƣợc rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn (Ký ghi rõ họ tên) Phạm Đông Phước ii LỜI CẢM ƠN *** Đầu tiên, xin chân thành cảm ơn Thầy Hồ Đắc Lộc, Thầy Nguyễn Thanh Phƣơng Ngƣời bƣớc giúp đỡ em hoàn thành luận văn Xin Cám ơn đến thầy Phạm Thế Duy Học viện Bƣu Chính Viễn Thơng TP.HCM, thầy Phạm Minh Tiến Trƣờng Trung cấp CNTT Sài Gòn cho em tản kiến thức – tri thức quí báo Xin Cám ơn thầy cô khoa Cơ – Điện – Điện Tử; Phòng Quản lý Sau Đại Học Trƣờng Đại Học Công nghệ TP.HCM, Tập thể lớp 12SMD11 tạo hội cho em thực luận văn Cuối cùng, Xin đƣợc cám ơn Ba Mẹ, anh, em vợ hai thơ làm chổ dựa tinh thần để có đủ nghị lực trí khơn Học viên thực Phạm Đơng Phƣớc iii TĨM TẮT Luận văn trình bày mơ hình hệ thống cấp nguồn không nối dây công suất lớn Hệ thống hoạt động dựa nguyên tắc cảm ứng điện từ Hệ thống bao gồm chuyển đổi công suất sơ cấp chuyển đổi công suất thứ cấp Bộ chuyển đổi sơ cấp hệ thống nghịch lƣu biến đổi công suất nguồn từ tần số 50/60Hz sang tần số 20kHz Bộ chuyển đổi thứ cấp (phần di động), đƣợc từ tính hóa chuyển đổi sơ cấp Hệ thống thứ cấp đƣợc sử dụng để tạo nguồn chiều DC mạch nâng áp Năng lƣợng điện đƣợc truyền từ phần sơ cấp tới phấn thứ cấp thông qua phận di động (pickup) Kết thực nghiệm cho chứng minh tính hiệu hệ thống cấp nguồn không nối dây đƣợc đề xuất iv ABSTRACT This thesis presents a model of the contactless power supply system with high power It is composed a primary power converter and a secondary power converter The primary power converter is an inverter system which is used to invert 50/60Hz power supply to 20kHz power supply The secondary power converter, pickup, is magnetized by the primary power converter The secondary system is used to generate DC power supply by boosting circuit The power is transferred from the primary to secondary through pickup The experiment data show the effectiveness of the proposed power supply system v MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT .iii ABSTRACT iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .viii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH x CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1.1.1 Ở nƣớc 1.1.2 Một số cơng trình nghiên cứu liên quan hệ thống CPS giới 1.1.3 Ở nƣớc ta 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI,Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 1.3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 1.4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu 1.4.2 Giới hạn đề tài 1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.6 PHẠM VI ỨNG DỤNG 1.7 KẾT CẤU LUẬN VĂN CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG CPS 10 2.1 CÁC PHÂN TÍCH CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG CPS 10 2.1.1 Khái niệm CPS 10 2.1.2 Cấu trúc hệ thống CPS 10 2.1.3 Các thành phần khối 11 2.1.4 Nguyên lý hoạt động 12 2.1.5 Các dạng cặp cảm ứng điện từ 12 vi 2.1.6 Hệ thống pickup (bộ di chuyển thứ cấp) 14 2.1.7 Hệ thống nhiều pickups 16 2.2 CÁC VẤN ĐỀ CẦN LƢU Ý KHI THIẾT KẾ HỆ THỐNG CPS 16 2.2.1 Tần số vận hành 16 2.2.2 Điều khiển 17 2.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ CHỈNH LƢU VÀ BỘ LỌC 22 2.3.1 Khái niệm 22 2.3.2 Các dạng mạch chỉnh lƣu 23 2.3.3 Bộ lọc 29 2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MẠCH NGHỊCH LƢU CẦU PHA DÙNG IGBT33 2.4.1 Mở đầu 33 2.4.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động IGBT 34 2.4.3 Đặc tính đóng cắt IGBT 35 2.4.4 Yêu cầu tín hiệu điều khiển IGBT 40 2.4.5 Ứng dụng IGBT cho nghịch lƣu áp pha 41 CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CPS 46 3.1 SƠ ĐỒ THIẾT KẾ TỔNG QUÁT CỦA HỆ THỐNG 46 3.2 TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG 46 3.2.1 Phần sơ cấp 46 3.2.2 Phần thứ cấp ( PICKUP) 49 3.3.MẠCH ĐỘNG LỰC SAU KHI TÍNH TỐN 53 3.3.1 Mạch động lực sơ cấp 53 3.3.2 Mach động lực thứ cấp 53 3.4 GIỚI THIỆU MẠCH ĐIỀU KHIỂN 54 3.4.1 Khối nguồn điều khiển 54 3.4.1 Khối mạch điều khiển IGBT 54 CHƢƠNG4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 58 4.1 CÁC THÔNG SỐ ĐO ĐƢỢC 58 4.1.1 Các thông số đo đƣợc phần sơ cấp: 58 4.2 MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM HỒN CHỈNH 61 4.2.1 Sơ cấp: 61 53 3.2.2.4 Tải DC Công suất ngõ tải 60W, điện áp 12VDC Suy dòng điện qua tải 5A điện trở R= Ohm 3.3.MẠCH ĐỘNG LỰC SAU KHI TÍNH TỐN 3.3.1 Mạch động lực sơ cấp Hình 3.4 Mạch nghịch lưu IGBT ( 25N120) 3.3.2 Mach động lực thứ cấp Hình 3.5 Mạch điện thứ cấp sau tính tốn 54 3.4 GIỚI THIỆU MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.4.1 Khối nguồn điều khiển Khối nguồn điều khiển nhƣ Hình 3.6 có chức tạo nguồn chiều DC +12V để cấp cho mạch điều khiển Ngõ vào nguồn điện áp pha 220V, tần số 50Hz Hình 3.6 Nguồn cung cấp cho khối điều khiển IGBT 3.4.1 Khối mạch điều khiển IGBT Khối mạch điều khiển IGBT1-2-3-4 nhƣ Hình 3.4 Bốn IGBT đƣợc điều khiển IC TL494CN Bốn IGBT 1-2-3-4 đƣợc điều khiển với khâu PI với dòng điện Ip phản hồi từ ngõ cầu IGBT so sánh với giá trị tham chiếu ngõ vào đƣa tín hiệu điều khiển IGBT Mối quan hệ điện áp ngõ vào điều khiển dòng điện ngõ IGBT cho nhƣ hình 3.7 Phƣơng trình điều khiển nhƣ sau: I p  400 e  1.28     U  (3.9) Với U: điện áp ngõ vào điều khiển Ip: dòng điện ngõ IGBT Sai số hiệu chỉnh điều khiển PI e  I ref  I p (3.10) 55 Với Iref Ip giá trị tham chiếu giá trị ngõ hệ thống Bộ điều khiển PI đƣợc mô tả phƣơng trình sau: t U  K p e  Ki  e d (3.11) Với Kp Ki hệ số điều khiển PI Chuyển phƣơng trình (3.11) sang dạng thời gian rời rạc U i   K p ei   Di  D i   Di  1  Ki (3.12) ei   ei  1 Td Di   K p ei   Di  1  Ki ei   ei  1 Td Với U(i ): tín hiệu điều khiển ngõ vào e (i ) : sai số hiệu chỉnh lần lấy mẫu thứ i Td : chu kỳ lấy mẫu điều khiển Hình 3.7 Mối quan hệ điều khiển đầu áp vào dòng điện (3.13) (3.14) 56 Cấu hình điều khiển PI nhƣ hình 3.8 Hình 3.8: Cấu hình điều khiển PI Hình 3.9: Mạch tạo tín hiệu điều khiển cầu nghịch lưu IGBT 25N120 Giải thích mạch: TL494 IC cố định tần số xung điều biến độ rộng (PWM) điều khiển mạch Sự điều biến xung đầu đƣợc thực cách so sánh dạng sóng cƣa tạo dao động thời gian (CT RT) cho hai tín hiệu điều khiển Tại ngỏ đƣợc kích transistor NPN hoạt động đối xứng điều chế 57 PWM theo tính hiệu hồi chân (1) TL494 từ cảm biến dòng CT khối nghịch lƣu IGBT nhƣ Hình 3.8 Nguồn cung cấp TL494 mạch 12Vdc Tần số TL494 tạo cung cấp cho biến áp lái điều khiển IGBT 20Khz Hình 3.10 Sơ đồ khối chức IC TL494CN 58 CHƢƠNG4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 CÁC THƠNG SỐ ĐO ĐƢỢC 4.1.1 Các thơng số đo đƣợc phần sơ cấp: Điện áp cấp cho tầng nghịch lƣu (IGBT 25N120) sau chỉnh lƣu 156Vdc Điện áp cấp cho tầng điều khiển TL494 12Vdc Điện áp đo dao động ký: Tần số dao động cho TL494 40Khz Tần số dao động ngỏ Output1, Output2 TL494 40Khz Ngõ Output1, Output2 ngƣợc pha biên độ 10vpp Hình 4.1 Tín hiệu ngõ Output1, Output2 TL494 Dạng sóng đo đƣợc cầu H transistor (C2383, A1013) chƣa tải Biên độ 20vpp, 20khz 59 Hình 4.2 Dạng sóng cầu H transistor Dạng sóng đo đƣợc ngỏ biến áp lái cho mạch nghịch lƣu Biên độ 20vpp, tần số 20khz Hình 4.3 Dạng sóng đo ngỏ biến áp lái đo kênh 60 Hình 4.4 Dạng sóng đo ngỏ biến áp lái đo kênh đối xứng 4.1.2 Các thông số đo đƣợc phần thứ cấp (PicKup di động) mạch sơ cấp cộng hƣởng tần số 20khz 4.1.2.1 Dạng sóng đo đƣợc ngỏ biến áp:  Tại vị trí A: Biên độ 25vpp, tần số 20khz Hình 4.5 Dạng sóng ngỏ biến áp  Tại vị trí B: Dạng sóng đo đƣợc giống nhƣ vị trí A 61 Biên độ 25vpp, tần số 20khz  Tại vị trí C: Dạng sóng đo đƣợc giống nhƣ vị trí A Biên độ 25vpp, tần số 20khz 4.1.2.2 Điện áp đo đƣợc ngỏ sau cầu chỉnh lƣu khối Pickup di động  Điện áp : 10,9Vdc  Tải cho mạch Led quang báo 4.2 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HỒN CHỈNH 4.2.1 Sơ cấp: 4.2.1.1 Khối nguồn ( dạng 3D) Hình 4.6 Khối chỉnh lưu nguồn 110Vac 62 4.2.1.2 Khối điều khiển TL494 (dạng 3D) Hình 4.6 Khối TL494 tạo xung điều khiển cầu nghịch lưu 4.2.1.3 Khối nghịch lƣu cầu H (IGBTx4) Hình 4.7 Khối cầu nghịch lưu IGBT 25N120 63 4.2.1.4 Cuộn dây sơ cấp vịng dài 17m, phi 2.5mm Hình 4.8 Cuộn dây sơ cấp 4.2.2 Thứ cấp: - Khối Pickup di động mạch chỉnh lƣu Hình 4.9 Khối Pickup - Tải mạch Led quảng cáo 64 4.2.3 Tổng hợp sơ cấp thứ cấp Hình 4.10 Mơ hình tồn mạch Hình 4.11 Mơ hình tồn mạch Pickup vị trí A 65 Hình 4.12 Mơ hình tồn mạch Pickup vị trí B Hình 4.13 Mơ hình tồn mạch Pickup vị trí C 66 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỄN 5.1 KẾT LUẬN Qua đề tài nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình hệ thống cung cấp nguồn khơng nối dây, kết thực nghiệm mơ hình thu nhỏ hệ thống CPS ta có kết luận sau: 5.1.1 Phần thực làm đƣợc đề tài  Phần sơ cấp CPS Mạch TL494 đóng vai trị phát xung tần số 20Khz điều khiển cầu nghịch lƣu cầu IGBT 25N120 Mạch công suất nghịch lƣu cầu H dùng IGBT (FGA 25N120) thiết kế Khi cộng hƣởng sóng sin tạo điện áp ngõ cực đại  Phần thứ cấp, mạch lực boosting đƣợc thiết kế với mục đích nâng điện áp chiều lên cao với yêu cầu đặt Kết cuối theo thực nghiệm cho điện áp ngõ 10,98VDC 5.1.2 Phần hạn chế đề tài  Tính tốn lý thuyết với kết thực tế có khác Lý thuyết Pickup thứ cấp =12Vdc Thực tế Pickup thứ cấp =10,98Vdc  Rất khó tính thiết kế cuộn dây cộng hƣởng sơ cấp, khối pickup Lý thuyết tính tốn đƣợc Thực tế phải thực nghiệm nhiều lần hoạt động đƣợc  Tóm lại Mơ hình CPS thu nhỏ hoạt động tốt 5.2 HƢỚNG PHÁT TRIỄN  Trong tƣơng lai cố gắng để tăng giá trị điện áp dịng điện ngõ vào dùng chỉnh lƣu có điều khiển pha pha SCR  Tăng tần số xung điều khiển cầu nghịch lƣu IGBT công suất lớn  Thay đổi cấu trúc pickup lớn công suất tăng  Dùng mạch nâng áp DC  DC cho điện áp cao 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1.] Nguyễn Trung Hiếu, Nguyễn Đức Việt, “Bài Giảng Điện tử công suất 1”, Học Viện Cơng Nghệ Bƣu Chính Viễn Thơng Hà Nội, 2010 [2.] Nguyễn Văn Nh ờ, “Điện tử công suất 1”, Đại học Quốc gia Thành phớ Hờ Chí Minh, 2005 [3.] PGS.TSKH Thân Ngọc Hoàn, “Cơ sở lý thuyết mạch điện”.Đại học DL Hải Phòng, NXB Xây dựng, 2000 [4.] Phạm Thị Cƣ, Lê Minh Cƣờng, Trƣơng Trọng Tuấn Mỹ, Giáo trình Mạch Điện 1, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2004 [5.] Chwei-Sen Wang, Oskar H Stielau, Grant Covic, Design considerations for a contactless electric vehicle battery charger [6.] K W Klontz, D M Divan, D W Novotny, and R D Lorentz, Contactless Power Delivery System for Mining Applications, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 31, No 1, 1995, pp 27-35 [7.] J M Barnard, J A Ferreira, and J D van Wyk, Sliding Transformers for Linear Contactless Power Delivery, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 44, No 6, 1997, pp 774-779 [8.] E.S Kim, D.H Goo, J.M Kim, D.H Kang, B,C, Shin, Y.S Kong, S.C Yang, Jeonju Uni, KERI, and Shinsung ENG Co Ltd, Contact-less Power Supply Using Series- Parallel Resonant Converter, KIPE, 2002 [9.] B.M Song, R Kratz and Gurol, Contactless Inductive Power Pickup System for MaglevApplications, IEEE, 2002, pp.1586-1591 [10.] T Kojiya, F Sato, H Matsuki and T Sato, Construction of Non-contacting Power Feeding System to Underwater Vehicle Utilizing Electro Magnetic Induction, IEEE Oceans Europe, 2005, pp.709-712 [11.] D.H Kim and G.H Hwang, A Study on the Contactless Power Supply System for Stocker System, Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers, 2007, pp 148-156 ... tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH HỆ THỐNG NGUỒN CUNG CẤP KHÔNG NỐI DÂY II- Nhiệm vụ nội dung: - Tổng quan hệ thống cấp nguồn không kết nối - Cơ sở lý thuyết hệ thống cấp nguồn không kết...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM PHẠM ĐÔNG PHƢỚC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH HỆ THỐNG NGUỒN CUNG CẤP KHÔNG NỐI DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ... system) hệ thống cung cấp nguồn không nối dây, tức cấp nguồn cho tải di động mà không cần kết nối cứng nhƣ hệ thống dây điện trƣợt - chổi quét CPS - Hệ thống sử dụng cặp cảm ứng (tƣơng tự hai cuộn dây