Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC trong hệ thống nguồn cho thiết bị viễn thông

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:144

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu điều khiển bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC trong hệ thống nguồn cho thiết bị viễn thông" trình bày tổng quan về hệ thống nguồn viễn thông; Bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC; Điều khiển mạch cộng hưởng ba pha xen kênh LLC; Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống trên toàn dải tải.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2023
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 động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS Nguyễn Kiên Trung 2. PGS.TS Nguyễn Tùng Lâm Hà Nội - 2023
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong thời gian làm nghiên cứu sinh. Các kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Các thông tin trích dẫn trong luận án được ghi rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án  TS. Nguyễn Kiên Trung PGS.TS Nguyễn Tùng Lâm Hoàng Trung Thông i
Lời cảm ơn Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS. Nguyễn Kiên Trung, PGS.TS Nguyễn Tùng Lâm, PGS.TS Trần Trọng Minh đã dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn, định hướng, tạo động lực, hỗ trợ tôi để hoàn thành luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn tới ban lãnh đạo Khoa Điện – Điên tử, Trường Đại học Thủy Lợi đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình tôi làm nghiên cứu sinh. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Khoa Tự động hóa, Trường Điện- Điện tử, Phòng Đào tạo - Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi về mặt chuyên môn, cơ sở vật chất, các thủ tục trong quá trình học tập, hoàn thành luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thành viên nhóm “DC/DC” của Apes Lab, bạn bè và đồng nghiệp đã hỗ trợ, quan tâm giúp đỡ, động viên tôi trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh. Cuối cùng, tôi xin gửi những tình cảm yêu quý nhất đến các thành viên trong gia đình đã luôn động viên, hỗ trợ tôi về mọi mặt để tôi hoàn thành luận án này. Hà Nội, tháng năm 2023 ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... II MỤC LỤC ...............................................................................................................III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................... VI DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................ X MỞ ĐẦU............................................................................................................... XVI 1. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NGUỒN VIỄN THÔNG ...... 1 1.1 Hệ thống nguồn cấp điện phân tán ................................................................... 1 1.2 Nhu cầu sử dụng điện năng hiệu quả trong lĩnh vực thông tin ......................... 3 1.3 Đặc tính của hệ thống nguồn hiệu năng cao ..................................................... 5 1.3.1 Mật độ công suất cao ............................................................................. 6 1.3.2 Hiệu suất cao toàn dải tải....................................................................... 7 1.3.3 Thời gian trung bình giữa các lần hỏng hóc (MTBF) ........................... 8 1.4 Tình hình nghiên cứu bộ nguồn cho trung tâm dữ liệu .................................... 8 1.4.1 Nâng cao mật độ công suất với cấu trúc cộng hưởng nhiều pha ......... 11 1.4.2 Tắt pha nâng cao hiệu suất trên toàn dải tải: ....................................... 13 1.5 Mục tiêu nghiên cứu bộ nguồn DC/DC hiệu năng cao ................................... 14 1.6 Đề xuất phương hướng thực hiện nghiên cứu ................................................ 14 1.7 Kết luận chương 1 ........................................................................................... 15 2. CHƯƠNG 2. BỘ BIẾN ĐỔI CỘNG HƯỞNG BA PHA LLC ..................... 16 2.1 Tổng quan về các bộ biến đổi cộng hưởng .................................................... 16 2.2 Các cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng ............................................................. 18 2.3 Bộ biến đổi cộng hưởng LLC nửa cầu 1 pha .................................................. 21 2.4 Tính toán thiết kế bộ biến đổi LLC 1 pha ....................................................... 24 iii
2.5 Thiết kế bộ biến đổi cộng hưởng 3 pha xen kênh LLC .................................. 31 2.5.1 Cấu trúc 3 pha LLC ............................................................................. 31 2.5.2 Tính toán các phần tử mạch cộng hưởng ba pha LLC tần số cao ....... 32 2.6 Mô phỏng và thực nghiệm .............................................................................. 33 2.6.1 Mô phỏng bộ biến đổi 3 pha ................................................................ 33 2.6.2 Thực nghiệm bộ biến đổi 3 pha ........................................................... 36 2.7 Phân tích tổn hao trên mạch ba pha cộng hưởng LLC ................................... 38 2.7.1 Xây dựng mô hình tính toán tổn hao ................................................... 38 2.7.2 Tổn hao trên MOSFET: ....................................................................... 41 2.7.3 Tổn hao trên cuộn cảm cộng hưởng và máy biến áp:.......................... 42 2.7.4 Tổn hao diode chỉnh lưu: ..................................................................... 43 2.7.5 Tổn hao trên tụ lọc đầu ra: ................................................................... 43 2.8 Kết quả mô phỏng tính toán tổn hao mạch ba pha LLC ................................. 43 2.9 Kết luận chương 2 ........................................................................................... 48 3. CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN MẠCH CỘNG HƯỞNG BA PHA XEN KÊNH LLC .................................................................................................................... 49 3.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 49 3.2. Cân bằng của bộ biến đổi cộng hưởng nhiều pha ........................................... 51 3.3. Thiết kế điều khiển mạch ba pha xen kênh LLC ............................................ 56 3.3.1. Đề xuất cấu trúc điều khiển ................................................................. 56 3.3.2. Mô hình hóa bộ biến đổi cộng hưởng LLC ......................................... 57 3.4. Thiết kế bộ điều khiển điện áp ........................................................................ 64 3.5. Thiết kế điều khiển cân bằng dòng ba pha ..................................................... 67 3.6. Mô phỏng và thực nghiệm .............................................................................. 74 3.7. Kết luận chương 3 ........................................................................................... 83 4. CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO HIỆU SUẤT HỆ THỐNG TRONG TOÀN DẢI TẢI ...................................................................................... 85 4.1 Vấn đề nâng cao hiệu suất trong toàn dải ....................................................... 85 4.2 Thiết kế giải pháp tắt pha cho mạch cộng hưởng ba pha xen kênh ................ 87 4.3 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi và tắt pha cho bộ biến đổi LLC ba pha..... 93 4.4 Luật MIT ......................................................................................................... 95 iv
4.5 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi theo MRAC sử dụng luật MIT ................. 95 4.6 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm ............................................................... 101 4.7 Kết luận chương 4 ......................................................................................... 109 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 111 Các đóng góp của luận án ....................................................................................... 112 Những hạn chế của luận án và các nghiên cứu trong tương lai.............................. 112 6. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........ 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 114 PHỤ LỤC .............................................................................................................. 122 v
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều BBĐ Power Converter Bộ biến đổi BĐK Controller Bộ điều khiển DC Direct Current Dòng điện một chiều EMI Electromagnetic Interference Nhiễu điện từ FHA First Harmonic Approximation Xấp xỉ sóng hài bậc nhất Half Bridge Resonant Converter Bộ biến đổi nửa cầu cộng HB LLC LLC hưởng LLC Information and Kỹ thuật thông tin và truyền ICT Commnunication Technology thông IST Identification System Tool Công cụ nhận dạng hệ thống MBA Transformer Máy biến áp Model Reference Adaptive Điều khiển thích nghi theo MRAC Control mô hình mẫu PFC Power Factor Corection Hiệu chỉnh hệ số công suất Cấu trúc cộng hưởng song PRC Parallel Resonant Converter song RMS Root Mean Square Giá trị hiệu dụng Series Parallel Resonant Cấu trúc cộng hưởng nối tiếp SPRC Converter song song SRC Series Resonant Converter Cấu trúc cộng hưởng nối tiếp Trigonometric Current TCB Cân bằng dòng lượng giác Balancing Chuyển mạch dòng điện ZCS Zero Current Switching không ZVS Zero Voltage Switching Chuyển mạch điện áp không vi
CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Mô tả Lr Điện cảm cộng hưởng Lm Điện cảm từ hóa của máy biến áp Ipi Dòng điện pha i α, β, γ Góc lệch pha giữa các véc tơ dòng điện cộng hưởng ω0 Tần số góc cộng hưởng 𝑓𝑠𝑤 Tần số chuyển mạch 𝑓0 Tần số cộng hưởng Cr Tụ cộng hưởng CO Tụ lọc đầu ra Qr Hệ số chất lượng của mạch cộng hưởng Mg Hệ số khuyếch đại điện áp Uab Điện áp đầu ra mạch nghịch lưu Vout Điện áp đầu ra Vin Điện áp đầu vào Iri Dòng điện cộng hưởng trên các pha i Rac Trở kháng phía thứ cấp quy đổi về phía sơ cấp biến áp. Pout Công suất đầu ra rpri, Điện trở dây quấn phía sơ cấp rsec Điện trở dây quấn phía thứ cấp rc Điện trở tương đương của tụ lọc đầu ra tdead Thời gian chết Tsw Chu kỳ chuyển mạch  Độ lệch pha so với điện áp đầu vào Zin Trở kháng đầu vào mạng cộng hưởng vii
 Tỷ số điện cảm fn Tần số chuẩn hóa n Hệ số máy biến áp Pconpritran Tổn hao dẫn phía sơ cấp máy biến áp Pcon sec tran Tổn hao dẫn phía thứ cấp máy biến áp Bacres Mật độ từ thông lõi cuộn cảm cộng hưởng Bactran Mật độ từ thông lõi máy biến áp Pcorelossres 3 Tổn hao lõi cuộn cảm cộng hưởng Pcorelosstran3 Tổn hao lõi máy biến áp Pdiode Tổn hao trên diode PCo Tổn hao trên tụ lọc đầu ra rDon Điện trở khi dẫn của diode chỉnh lưu VF Điện áp ngưỡng mở của diode chỉnh lưu rDon Điện trở khi dẫn của diode chỉnh lưu fr 2 Tần số cộng hưởng thấp ton Thời gian mở van bán dẫn toff Thời gian khóa van bán dẫn Pswmos Tổn hao chuyển mạch van ban dẫn Pgmos Tổn hao cực cổng van ban dẫn J Hàm chỉ tiêu chất lượng e Sai lệch giữa đối tượng và mô hình mẫu  Hệ số thích nghi  Vectơ điều khiển thông số ym Đầu ra mô hình mẫu ipp Dòng điện sơ cấp máy biến áp isp Dòng điện thứ cấp máy biến áp viii
Danh mục các bảng Bảng 1.1. Yêu cầu hiệu suất tối thiểu cần đạt được ở công suất đầu ra 10%, 20%, 50% và 100% của bộ biến đổi AC/DC hoặc DC/DC cho máy chủ. [15] . 4 Bảng 1.2. Yêu cầu chung bộ nguồn AC/DC 48 VDC trong viễn thông theo tiêu chuẩn Telcorida GR-947- CORE [38] ................................................... 10 Bảng 2.1. So sánh các cấu trúc cộng hưởng [57] .................................................... 21 Bảng 2.2. Thông số thiết kế yêu cầu ....................................................................... 32 Bảng 2.3. Kết quả thiết kế ........................................................................................ 32 Bảng 2.4. Thông số vật liệu chế tạo máy biến áp và cuộn cảm ............................... 43 Bảng 2.5. Thông số MOSFET sử dụng .................................................................... 43 Bảng 2.6. Thông số Diode sử dụng .......................................................................... 44 Bảng 2.7. Thông số vật liệu chế tạo máy biến áp và cuộn cảm ............................... 44 Bảng 2.8. Tổn hao trên từng phần tử trên các pha ................................................... 45 Bảng 2.9. Tổn hao trên từng thành phần .................................................................. 45 Bảng 3.1. Tham số thiết kế ....................................................................................... 64 Bảng 3.2. Thống kê các trường hợp sai lệch có thể xảy ra. ..................................... 71 Bảng 3.3. Thông số bộ biến đổi DC/DC .................................................................. 74 Bảng 3.4. Kết quả thực nghiệm: dòng cộng hưởng ba pha khi mất cân bằng và khi có cân bằng dòng PI ................................................................................ 83 Bảng 4.1. Bảng khảo sát hệ số thích nghi γp và γi .................................................. 101 Bảng 4.2. So sánh chất lượng điều khiển khi tắt từ 3 pha về 2 pha ....................... 106 Bảng 4.3 So sánh chất lượng điều khiển khi tắt từ 2 pha về 1 pha ........................ 107 Bảng 0.1 Bảng hiệu suất ......................................................................................... 122 ix
Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1. Hệ thống cấp nguồn tập trung trong trạm thông tin [6]. ........................... 1 Hình 1.2. Hệ thống cấp nguồn phân tán cho các thiết bị viễn thông, với phần DC- DC cách ly [9]. .......................................................................................... 2 Hình 1.3. Bối cảnh tiêu thụ điện của lĩnh vực thông tin trên toàn cầu [10]. .............. 3 Hình 1.4. Biểu đồ phân bố phụ tải trạm thông tin theo thời gian hoạt động [16]. ..... 4 Hình 1.5. Biểu đồ mô tả chỉ số hiệu năng của hệ thống cấp nguồn hiện đại [20]. ..... 5 Hình 1.6. Hiệu suất hệ thống yêu cầu khi non tải được đề xuất bởi Energy Starr cho máy chủ [30]. I: Đường hiệu suất của hệ thống với tổn hao không đổi trên toàn dải tải. II + III: tổn hao phụ thuộc vào tải. ................................. 7 Hình 1.7. Cấu trúc của bộ nguồn viễn thông điển hình [32]. .................................... 9 Hình 1.8. Bộ nguồn viễn thông 3.0 kW điển hình (Emerson/R48- 3000e3;45*85*335mm) ............................................................................ 9 Hình 1.9. Đồ thị đường hiệu suất của bộ nguồn AIF-500 một pha [36] ................ 10 Hình 1.10 Cấu trúc mạch cộng hưởng xen kênh 2 pha song song ........................... 11 Hình 1.11. Điều khiển xen kẽ 2 pha làm giảm độ đập mạch dòng đầu ra [40] ........ 11 Hình 1.12. Dòng điện cộng hưởng và dòng điện từ hóa khi giá trị cuộn cảm cộng hưởng của pha 2 nhỏ hơn 5% giá trị của pha 1 [16]. .............................. 12 Hình 1.13. Dòng điện sau chỉnh lưu khi giá trị cuộn cảm cộng hưởng của pha 2 nhỏ hơn 5% giá trị của pha 1 [16]. .......................................................... 12 Hình 1.14. So sánh một bộ biến đổi DC/DC dải tải rộng lý tưởng với (a) bộ biến đổi một mô-đun và (b) bộ biến đổi ba mô-đun song song [49]. ................... 13 Hình 2.1. Cấu trúc chung của bộ biến đổi DC-DC cộng hưởng .............................. 17 Hình 2.2. Sơ đồ tổng quát các bộ biến đổi cộng hưởng [54].................................... 17 Hình 2.3. Sơ đồ BBĐ nửa cầu cộng hưởng nối tiếp ................................................. 18 Hình 2.4. Sơ đồ BBĐ nửa cầu cộng hưởng song song ............................................. 19 Hình 2.5. Sơ đồ BBĐ cộng hưởng LCC ................................................................... 20 Hình 2.6. Sơ đồ BBĐ nửa cầu cộng hưởng LLC ..................................................... 21 Hình 2.7 Mô phỏng hoạt động ở vùng cộng hưởng (fr2 < f < fr). ........................... 23 Hình 2.8. Nguyên lý hoạt động của mạch LLC ở vùng cộng hưởng ....................... 23 Hình 2.9. Mô hình mạch FHA tương đương [59] .................................................... 25 Hình 2.10. Sơ đồ mạch cộng hưởng tương đương theo phương pháp FHA [59]..... 25 Hình 2.11. Đặc tính khuếch đại điện áp BBĐ cộng hưởng LLC ............................. 28 Hình 2.12 Trở kháng đầu vào chuẩn hóa phụ thuộc tần số [59] .............................. 29 x
Hình 2.13. Cấu trúc mạch ba pha cộng hưởng LLC nối sao phía sơ cấp biến áp .... 31 Hình 2.14. Dòng điện đầu ra sau chỉnh lưu của bộ ba pha xen kênh cộng hưởng LLC ......................................................................................................... 31 Hình 2.15. Đặc tính khuếch đại điện áp thiết kế ..................................................... 33 Hình 2.16. Sơ đồ mô phỏng bộ biến đổi 3 pha trên Simulink .................................. 34 Hình 2.17. Dạng dòng điện và điện áp qua van MOSFET đạt ZVS ........................ 34 Hình 2.18. Dạng dòng điện cộng hưởng mạch 1 pha và 3 pha xen kênh LLC. ....... 34 Hình 2.19. Dạng dòng điện trên tụ lọc đầu ra mạch 1 pha và 3 pha xen kênh LLC. 35 Hình 2.20. Đập mạch điện áp đầu ra mạch 3 pha cộng hưởng LLC cân bằng......... 35 Hình 2.21. Dạng dòng điện cộng hưởng mạch 3 pha mất cân bằng khi có tụ cộng hưởng trên 1 pha sai lệch 10% với 2 pha khác. ...................................... 35 Hình 2.22. Dạng dòng điện cộng hưởng mạch 3 pha mất cân bằng khi có tụ cộng hưởng trên pha 3 sai lệch -20% và trên pha 2 sai lệch +10% so với pha 1, tải 3.6 kW ................................................................................................ 36 Hình 2.23. Đập mạch điện áp đầu ra khi có tụ cộng hưởng trên pha 3 sai lệch -20% và trên pha 2 sai lệch +10% so với pha 1, tải 3.6 kW. ............................ 36 Hình 2.24. Mô hình thực nghiệm mạch 3 pha .......................................................... 37 Hình 2.25. Xung mở van VGS 3 pha ......................................................................... 37 Hình 2.26. Chuyển mạch mềm ZVS. ....................................................................... 37 Hình 2.27. Dòng điện cộng hưởng 3 pha ................................................................. 37 Hình 2.28. Điện áp đầu ra ......................................................................................... 37 Hình 2.29. Mô hình tổn hao trên mỗi phần tử của mạch cộng hưởng 3 pha LLC ... 38 Hình 2.30. Đồ thị điện áp phía sơ cấp và dòng điện sau chỉnh lưu của mạch cộng hưởng 3 pha LLC .................................................................................... 39 Hình 2.31. Sơ đồ tương đương mạch cộng hưởng 3 pha LLC nối sao .................... 39 Hình 2.32. Sơ đồ bộ biến đổi cộng hưởng LLC 3 phase trên Ltspice ...................... 44 Hình 2.33. Tổn hao trên Mosfet ............................................................................... 45 Hình 2.34. Tổn hao trên cuộn cảm cộng hưởng ....................................................... 45 Hình 2.35. Tổn hao trên MBA.................................................................................. 46 Hình 2.36. Tổn hao trên diode .................................................................................. 46 Hình 2.37. a) Đập mạch dòng trên tụ đầu ra và b) Tổn hao trên tụ đầu ra .............. 46 Hình 2.38. Hiệu suất của bộ biến đổi 3 pha theo tải trong các trường hợp lý tưởng và trường hợp mất cân bằng nối sao. ...................................................... 47 Hình 2.39. Hiệu suất theo tải của mạch 3 pha và khi tắt xuống 2 pha, 1 pha .......... 47 Hình 2.40. Đập mạch dòng điện của mạch 3 pha và khi tắt xuống 2 pha, 1 pha .... 47 xi
Hình 3.1. Cấu trúc nối song song thông thường....................................................... 51 Hình 3.2. Tín hiệu điều khiển xen kẽ 2 pha LLC nối song song.............................. 51 Hình 3.3. Dòng điện sau chỉnh lưu của 2 pha LLC nối song song [67] ................... 52 Hình 3.4. Cấu trúc nối song song điều khiển điện dung cộng hưởng [80]............... 52 Hình 3.5. Cấu trúc mạch nối song song nối chung cuộn cảm [82]. ......................... 53 Hình 3.6 Cấu trúc bộ biến đổi 3 pha nối sao sơ cấp MBA. ...................................... 54 Hình 3.7. Mạch tương đương ba pha LLC nối song song ........................................ 55 Hình 3.8. Dạng dòng điện cộng hưởng ba pha khi có tụ cộng hưởng của 2 pha sai lệch ±10% so với pha khác. .................................................................... 55 Hình 3.9 Cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đề xuất ......................................... 56 Hình 3.10 Mạch tương đương của bộ biến đổi cộng hưởng LLC 1 pha .................. 58 Hình 3.11. Đồ thị điểm cực-điểm không của đối tượng LLC khi chưa giảm bậc .... 64 Hình 3.12. So sánh đồ thị bode của đối tượng trước và sau khi giảm bậc ............... 65 Hình 3.13. Cấu trúc điều khiển 1 vòng điện áp. ....................................................... 66 Hình 3.14. Đồ thị Bode của đối tượng sau khi có bộ điều khiển ............................. 66 Hình 3.15. Sơ đồ tương đương của bộ biến đổi 3 pha LLC nối sao MBA .............. 67 Hình 3.16. Ý tưởng cân bằng dòng 3 pha ................................................................. 68 Hình 3.17. Tam giác véc tơ dòng cộng hưởng ba pha nối sao ................................. 68 Hình 3.18. Cấu trúc điều khiển của phương pháp TCB. .......................................... 69 Hình 3.19. Sơ đồ điều khiển điện áp và cân bằng dòng đề xuất .............................. 70 Hình 3.20. Cấu trúc điều khiển mới đề xuất............................................................. 70 Hình 3.21. Cấu trúc nhận dạng mô hình điều khiển cân bằng dòng ........................ 72 Hình 3.22. Quy trình thiết kế bộ điều khiển góc pha dòng điện cộng hưởng. ......... 72 Hình 3.23. Kết quả nhận dạng mô hình điều khiển góc pha dòng cộng hưởng ....... 73 Hình 3.24. Đồ thị Bode của hàm truyền giữa góc pha điện áp và góc pha dòng điện trên pha 3 sau khi có bộ điều khiển PI. ................................................... 73 Hình 3.25. Sơ đồ giải thuật điều khiển cân bằng dòng đề xuất ................................ 74 Hình 3.26. Dạng điện áp đầu ra tương ứng với thay đổi công suất đầu ra với dung sai tụ cộng hưởng ± 10%. ....................................................................... 75 Hình 3.27. Góc lệch pha dòng điện với dung sai Cr = ±10%................................... 75 Hình 3.28. Góc lệch pha dòng điện phóng to với dung sai Cr = ±10%. .................. 76 Hình 3.29. Dòng điện cộng hưởng với dung sai Cr = ±10% .................................... 76 Hình 3.30. Đập mạch dòng điện trên tụ đầu ra với dung sai Cr = ±10%. ................ 77 xii
Hình 3.31. Dạng dòng điện cộng hưởng mạch 3 pha không có điều khiển cân bằng dòng có tụ cộng hưởng pha 3 sai lệch -20% và pha 2 sai lệch +10% so với pha 1, tải 3.6 kW ............................................................................... 77 Hình 3.32. Đập mạch điện áp đầu ra khi chưa có bộ điều khiển cân bằng dòng với sai lệch khi có tụ cộng hưởng pha 3 sai lệch -20% và pha 2 sai lệch +10% so với pha 1, tải 3.6 kW. ............................................................... 78 Hình 3.33. Điện áp (a) và công suất đầu ra (b) khi có bộ điều khiển điện áp và bộ cân bằng dòng Double PI trong trường hợp sai lệch tham số cộng hưởng ±20%. ...................................................................................................... 78 Hình 3.34. Đập mạch điện áp đầu ra khi có bộ điều khiển cân bằng dòng PI với sai lệch tham số cộng hưởng 2 pha là ±20%, tải 3.6kW. ............................. 79 Hình 3.35. Dòng điện cộng hưởng 3 pha khi có bộ điều khiển cân bằng dòng PI với sai lệch tham số cộng hưởng 2 pha là ±20%, tải 3.6kW. ........................ 79 Hình 3.36. Góc pha dòng cộng hưởng với dung sai linh kiện cộng hưởng ±20% trong 2 trường hợp sử dụng cân bằng dòng: a) TCB vs b) Double PI .... 79 Hình 3.37. Dòng điện cộng hưởng với dung sai linh kiện cộng hưởng ±20% trong 2 trường hợp sử dụng: c) TCB vs d) Double PI ......................................... 80 Hình 3.38. Mô hình thực nghiệm 3 pha LLC 3.6kW ............................................... 80 Hình 3.39. Kết quả thực nghiệm: dòng điện cộng hưởng 3 pha trong các trường hợp dưới tần số cộng hưởng fr (a,d), tại fr (b,c) và trên fr ( e,f) với sử dụng bộ điều khiển TCB (a, b, c) so với PI đề xuất (d, e, f). ............................... 81 Hình 3.40. Điện áp đầu ra ......................................................................................... 82 Hình 3.41. Đạt chuyển mạch mềm ZVS................................................................... 82 Hình 3.42. Đáp ứng điện áp đầu ra khi thay đổi tải.................................................. 82 Hình 3.43. Tổn hao trên các phần tử trong trường hợp mất cân bằng và có điều khiển cân bằng dòng với prototype 3kW. ............................................... 83 Hình 4.1. Cấu trúc bộ biến đổi LLC 3 pha nối sao sơ cấp máy biến áp. .................. 87 Hình 4.2. Giải pháp tắt xuống 2 pha và 1 pha thông thường [50]. ........................... 88 Hình 4.3. Dòng điện sau diode chỉnh lưu 2 pha nối sao thông thường với dịch pha 180 độ. ..................................................................................................... 88 Hình 4.4. Dòng điện sau diode chỉnh lưu 2 pha nối sao thông thường với dịch pha 180 độ. ..................................................................................................... 89 Hình 4.5. Cấu trúc bộ biến đổi cộng hưởng LLC cải tiến với van Se nối đất khi tắt xuống 2 pha, 1 pha. ................................................................................. 89 Hình 4.6. Dòng điện sau diode chỉnh lưu của cấu trúc 2 pha cải tiến dịch pha 90 độ ................................................................................................................. 90 Hình 4.7. Đập mạch điện áp đầu ra của cấu trúc 2 pha cải tiến với dịch pha 90 độ, tải 60% .................................................................................................... 90 xiii
Hình 4.8. Hiệu suất theo tải của mạch 3 pha , 2 pha, 1 pha .................................... 90 Hình 4.9. Cấu hình tắt pha đề xuất cho bộ biến đổi LLC 3 pha ............................... 91 Hình 4.10. Sơ đồ điều khiển tắt pha của bộ biến đổi LLC 3 pha. ............................ 92 Hình 4.11. Cấu trúc điều khiển thích nghi và tắt pha bộ biến đổi LLC 3 pha nối sao sơ cấp MBA ............................................................................................ 93 Hình 4.12. Sơ đồ hệ thống MRAC [107] ................................................................. 94 Hình 4.13. Sơ đồ khối của bộ điều khiển thích nghi MRAC sử dụng PI. ................ 96 Hình 4.14. Đồ thị Bode của đối tượng cần điều khiển ............................................. 97 Hình 4.15. Giá trị k p ; ki sau khoảng thời gian đầu cập nhật với hệ số thích nghi bằng 1 ...................................................................................................... 99 Hình 4.16. Sơ đồ khối của bộ điều khiển thích nghi MRAC-PI đề xuất .................. 99 Hình 4.17. Đầu ra điện áp bám theo tín hiệu đầu ra mẫu khi hệ số thích nghi như thiết kế ( γp = 1.63e+4 và γi = 1.93e+11) .............................................. 100 Hình 4.18. Hệ số bộ điều khiển PI được cập nhật .................................................. 100 Hình 4.19. Điện áp đầu ra không bám tín hiệu đầu ra mẫu khi hệ số thích nghi nhỏ (với γp = 1.63e+2 và γi = 1.93e+10 ....................................................... 100 Hình 4.20. Đầu ra điện áp mất ổn định khi hệ số thích nghi lớn (với γp = 1.63e+8 và γi = 1.93e+13 ) .................................................................................. 101 Hình 4.21. Sơ đồ mô phỏng thích nghi và tắt pha trên MATLAB ......................... 102 Hình 4.22. Độ sai lệch giữa đầu ra hệ thống và tín hiệu mẫu (y-ym). .................. 102 Hình 4.23. Hình ảnh điện áp đầu ra khi sử dụng bộ PI thông thường cho mạch cân bằng ....................................................................................................... 103 Hình 4.24. Hình ảnh điện áp đầu ra khi sử dụng BĐK thích nghi ......................... 103 Hình 4.25. Công suất đầu ra ................................................................................... 103 Hình 4.26. Điện áp đầu ra khi sử dụng bộ PI thường (Cr ± 10%) .......................... 104 Hình 4.27. Điện áp đầu ra khi sử dụng bộ PI thích nghi (Cr ± 10%) ..................... 105 Hình 4.28. Công suất đầu ra (Cr ± 10%) ................................................................ 105 Hình 4.29. Điện áp đầu ra khi sử dụng bộ PI thường (Cr ± 20%) .......................... 106 Hình 4.30. Điện áp đầu ra khi sử dụng bộ PI thích nghi (Cr ± 20%) ..................... 106 Hình 4.31. Đập mạch dòng điện trên tụ đầu ra khi tắt còn 2 pha : a) dịch pha 180 độ , b) dịch pha 90 độ ................................................................................. 107 Hình 4.32. Độ đập mạch dòng điện trên tụ lọc đầu ra theo tải ............................... 107 Hình 4.33. Mô hình thực nghiệm mạch LLC 3pha – 3.6kW ................................. 108 Hình 4.34. Dòng cộng hưởng trên 3 pha ................................................................ 108 Hình 4.35. Độ đập mạch điện áp đầu ra ................................................................. 108 xiv
Hình 4.36. Van chuyển mạch mềm ZVS................................................................ 109 Hình 4.37. Quá trình khởi động mềm và điện áp đầu ra 48V, công suất 3.6 kW .. 109 Hình 4.38. Dạng điện áp đầu ra khi chuyển từ 3 pha xuống 2 pha, 60% tải. ......... 109 Hình 4.39. Dạng điện áp đầu ra khi chuyển từ 2 pha xuống 1 pha, 30% tải. ......... 109 Hình 0.1 Hình ảnh 3D mạch điều khiển và mạch đo ............................................. 123 Hình 0.2 Hình 3D mạch LLC một pha ................................................................... 123 Hình 0.3 Cấu trúc thiết kế phần cứng mạch lực ..................................................... 123 Hình 0.4 Mạch nguyên lý một pha của bộ biến đổi cộng hưởng LLC ................... 124 xv
Mở đầu 1. Sự cần thiết của đề tài Việc nâng cao hiệu suất cho các bộ nguồn biến đổi DC/DC cấp điện cho trạm thông tin sẽ góp phần đáng kể trong việc tiết kiệm điện năng. Hiện nay, các doanh nghiệp viễn thông ngày càng đặt ra các yêu cầu cao về hiệu suất trên toàn dải tải và mật độ công suất cho các nhà sản xuất thiết bị nguồn. Trên thế giới, mỗi năm có thêm 120.000 trạm thông tin mới phục vụ cho 400 triệu điện thoại mới. Sự tăng trưởng nhanh của các thiết bị thông tin dẫn đến nhu cầu lớn về năng lượng điện. Trong trường hợp xấu nhất đến năm 2030, lĩnh vực thông tin có thể tiêu thụ tới 51% lượng điện năng toàn cầu và có thể gây ra tới 23% lượng phát thải khí nhà kính [1]. Để giảm tác động của sự nóng lên toàn cầu, cần có sự phân phối, chuyển đổi và sử dụng năng lượng điện hiệu quả hơn trong lĩnh vực viễn thông. Hiệu suất cao trên dải tải rộng và mật độ công suất cao là yếu tố quan trọng để đánh giá chất lượng của bộ nguồn hiệu năng cao. Cho đến nay, chỉ có hiệu suất ở tải tối đa thường được xem xét. Điều này là do giới hạn kích thước và đặc tính nhiệt độ của các linh kiện, thiết bị làm mát được xác định ở công suất đầu ra tối đa với tổn thất điện năng thông thường là cao nhất. Do đó, điều quan trọng là phải có hiệu suất cao ngay cả ở tải trung bình và tải nhẹ trong một khoảng thời gian đáng kể trong ngày khi hệ thống viễn thông vẫn phải đảm bảo cung cấp dịch vụ 24/24 giờ [2]. Để tối ưu hóa đồng thời cả hiệu suất toàn dải tải và mật độ công suất, việc nghiên cứu phát triển cấu trúc mạch với công nghệ van bán dẫn mới có thể hoạt động ở tần số chuyển mạch cao đóng vai trò quan trọng. Cấu trúc cộng hưởng xen kênh nhiều pha đang được quan tâm nghiên cứu do có nhiều ưu điểm so với cấu trúc một pha truyền thống.Việc chia nhiều pha xen kênh giúp giảm kích thước của các linh kiện, đặc biệt là các thành phần từ tính, và cải thiện được đặc tính hiệu suất ở vùng tải thấp bằng cách tắt bớt pha tương ứng. Tuy nhiên, với cấu trúc nhiều pha, do dung sai của các linh kiện cộng hưởng dẫn đến sự mất cân bằng giữa các pha và dòng điện không được chia đều giữa các pha. Trong trường hợp xấu nhất, dòng điện có thể chủ yếu chỉ chảy qua một pha, khiến cho một pha hoạt động quá tải và gây ra độ đập mạch dòng điện lớn ở đầu ra. Thêm nữa, vấn đề hiệu suất thấp của các bộ biến đổi hiện nay do tổn thất điện năng trên các phần tử cũng thúc đẩy những xu hướng nghiên cứu mới. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu nâng cao hiệu năng của bộ biến đổi DC/DC nhiều pha ứng dụng trong bộ nguồn viễn thông với những mục tiêu chính đặt ra như sau. - Nâng cao mật độ công suất. - Khắc phục sự mất cân bằng giữa các pha. - Nâng cao đặc tính hiệu suất trên toàn dải tải. - Cải thiện đáp ứng hệ thống khi thay đổi tải và cấu trúc khi thay đổi số pha. xvi
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Bộ biến đổi DC/DC cấu trúc cộng hưởng LLC 3 pha cấp điện cho bus trung gian 48V chiếm tỷ trọng lớn trong hệ thống nguồn cấp điện trong các trạm viễn thông và trung tâm dữ liệu. Phạm vi nghiên cứu : - Mạch cộng hưởng nhiều pha hoạt động ở tần số cao. - Điều khiển dòng công suất giữa các pha, phân bố nhiệt và làm mát hiệu quả. - Nâng cao đặc tính hiệu suất của bộ biến đổi trên toàn dải tải. - Các mạch đo lường, điều khiển kỹ thuật số. 4. Phương pháp nghiên cứu - Xuất phát từ vấn đề thực tiễn, khảo sát tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, đặt vấn đề nghiên cứu. - Nghiên cứu lý thuyết và đề xuất giải pháp để giải quyết vấn đề nghiên cứu. - Kiểm chứng giải pháp đề xuất thông qua mô phỏng và thực nghiệm. - Đánh giá và kết luận về kết quả nghiên cứu đạt được. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Luận án này đã thực hiện phân tích ưu nhược điểm các cấu trúc cộng hưởng song song nhiều pha. Phương pháp thiết kế bộ biến đổi DC/DC ba pha xen kênh nửa cầu cộng hưởng LLC với đầu vào và đầu ra phù hợp tiêu chuẩn trong viễn thông được thực hiện chính xác qua việc phân tích, tính toán mô phỏng. Nghiên cứu đề xuất phương pháp điều khiển ổn định điện áp đầu ra và điều khiển cân bằng dòng điện cho bộ biến đổi ba pha xen kênh đã thiết kế. Phương pháp điều khiển đề xuất cho thấy kết quả điện áp đầu ra ổn định và cân bằng dòng tốt với dung sai của các linh kiện cộng hưởng có thể tới ±20% do sự lão hóa sau quá trình sử dụng. Phương pháp tính toán tổn thất điện năng trên từng phần tử của mạch cộng hưởng ba pha cũng được xây dựng làm cơ sở phân tích giải pháp tắt pha hiệu quả. Bộ điều khiển thích nghi đã đáp ứng tốt và đạt được kết quả điện áp và dòng điện qua tụ đầu ra nhỏ hơn so với bộ điều khiển PI thông thường. Mô hình mẫu thực nghiệm bộ biến đổi DC/DC ba pha cộng hưởng LLC 48V/3.6kW phù hợp với tiêu chuẩn viễn thông cũng được thiết kế hoạt động ở tần số cao để kiểm chứng các nghiên cứu lý thuyết. Các kết quả nghiên cứu được công bố với 2 bài tạp chí và 6 bài hội thảo trong và ngoài nước. 6. Những đóng góp mới của luận án  Phân tích tổn hao và đánh giá ảnh hưởng của sự mất cân bằng giữa các pha trên bộ biến đổi DC/DC nửa cầu cộng hưởng LLC ba pha. xvii
 Đề xuất phương pháp điều khiển ổn định điện áp và cân bằng dòng giữa các pha, giảm được đập mạch dòng đầu ra và kích thước tụ lọc.  Đề xuất phương pháp điều khiển tắt pha hiệu quả giúp nâng cao đặc tính hiệu suất trên toàn dải tải. Cải thiện đáp ứng hệ thống khi có sự thay đổi tải và cấu trúc do tắt pha.  Nghiên cứu thiết kế mô hình thực nghiệm mạch ba pha nửa cầu cộng hưởng LLC hoạt động ở tần số cao phù hợp tiêu chuẩn nguồn viễn thông. 7. Bố cục của luận án Nội dung của luận án được trình bày thành các chương và phần kết luận như sau: Chương 1. Tổng quan về hệ thống nguồn viễn thông Giới thiệu tổng quan về tính cấp thiết của đề tài và tình hình nghiên cứu hiện nay của bộ nguồn DC/DC 48V trong viễn thông. Những thách thức cho việc nâng cao hiệu năng bộ nguồn, mục tiêu và phương pháp thực hiện nghiên cứu cũng được đề xuất. Chương 2. Bộ biến đổi cộng hưởng ba pha LLC Phân tích các cấu trúc cộng hưởng. Tính toán thiết kế bộ biến đổi ba pha nửa cầu cộng hưởng LLC. Xây dựng mô hình, tính toán tổn hao cho mạch cộng hưởng ba pha LLC nối sao mất cân bằng. Phân tích tổn hao trên từng pha, từng phần tử để làm cơ sở phân tích hiệu suất cấu trúc 3 pha, 2 pha, 1 pha. Thiết kế chế tạo mô hình mẫu thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết. Chương 3. Điều khiển mạch cộng hưởng ba pha xen kênh LLC Thực hiện mô hình hóa mạch cộng hưởng LLC. Đề xuất thuật toán điều khiển điện áp và điều khiển cân bằng dòng cộng hưởng giữa các pha. So sánh ưu điểm của phương pháp đề xuất với các phương pháp thông thường trước đây. Thực hiện mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng phương pháp điều khiển đề xuất. Chương 4: Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống trên toàn dải tải Thực hiện nghiên cứu cấu trúc tắt pha nâng cao hiệu suất tại vùng tải thấp và giảm độ đập mạch dòng điện đầu ra. Đề xuất phương pháp điều khiển thích nghi MRAC nhằm cải thiện đáp ứng hệ thống khi thay đổi cấu trúc do tắt pha. Thực hiện mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng. Kết luận và kiến nghị Trình bày tóm lược những kết quả đã đạt được của luận án; đồng thời chỉ ra những hạn chế và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo. xviii