Nghiên cứu phát triển bộ PLL số cho các ứng dụng sử dụng biến áp áp điện

iển thiết bị. Có nhiều cách để tạo ra điện áp cao từ những nguồn điện thông thường. Một trong những cách đó là sử dụng máy biến áp áp điện. Với ưu điểm gọn, nhẹ lại tạo được điện áp cao biến áp áp điện đã xuất hiện trong nhiều ứng dụng mặc dù mới được nghiên cứu phát triển. Từ thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu phát triển bộ PLL số cho các ứng dụng sử dụng biến áp áp điện” mà em được giao đã giúp ích cho em rất nhiều trong việc tổng hợp các kiến thức lý thuyết chuyên ngành tự động hóa đã được học trên lớp và những kinh nghiệm làm việc thực tế trong quá trình thiết kế - chế tạo sản phẩm, đồng thời tạo điều kiện cho em tìm hiểu kỹ hơn về kiến thức điện tử công suất, vi xử lý, mô hình hóa và mô phỏng. Nội dung đồ án gồm các phần cơ bản sau : Tổng quan về biến áp áp điện. Mô phỏng đặc tính của máy biến áp áp điện. Giới thiệu một số mô hình điều khiển của máy biến áp áp điện. Thiết kế mạch ứng dụng biến áp áp điện sử dụng thuật toán PLL số. Sau một thời gian nghiên cứu và thiết kế hệ thống, em chân thành cảm ơn đến thầy giáo TS. Đỗ Mạnh Cường đã trực tiếp hướng dẫn, cũng như thường xuyên khuyến khích và tạo điều kiện cho chúng em làm thí nghiệm để hoàn thành đồ án này. Do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế, đồ án này không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự hướng dẫn và góp ý của các thầy cô giáo để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Hà nội, ngày 25 tháng 5 năm 2010 Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Huynh TỔNG QUAN VỀ BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN Lịch sử ra đời Hiệu ứng áp điện đã được phát hiện từ những năm 1880 bởi hai anh em Pierre Curie và Jacques Curie khi họ nghiên cứu các vật liệu có cấu trúc tinh thể. Hiệu ứng này gồm có hai hiệu ứng cụ thể sau: Hiệu ứng áp điện thuận: khi tác động một lực cơ học lên một số loại vật liệu tinh thể thì các loại vật liệu này trở nên phân cực về điện. Mức độ phân cực tỷ lệ với lực tác động lên nó tuy nhiên không vượt quá một giới hạn nhất định. Hiệu ứng áp điện nghịch: khi đặt những loại vật liệu trên trong một điện trường thì chúng bị biến dạng như thể bị tác động bởi một lực cơ học. Mặc dù được phát hiện sớm như vậy nhưng chỉ có rất ít các ứng dụng dựa trên hiệu ứng thuận hay nghịch được phát triển. Những ứng dụng hiếm hoi xuất hiện chủ yếu trong các phòng thí nghiệm để đo áp suất hoặc sạc điện. Năm 1956, một loại biến áp dựa trên hiệu ứng áp điện được giới thiệu lần đầu tiên bởi C.A. Rosen. Biến áp này được gọi là biến áp áp điện (Piezoelectric Transformer - PT). Biến áp áp điện được chế tạo dựa trên cả hiệu ứng áp điện nghịch (phía sơ cấp) và hiệu ứng áp điện thuận (phía thứ cấp). Tuy vậy, biến áp áp điện không được quan tâm nghiên cứu nhiều bởi những hạn chế về công nghệ vật liệu, khả năng điều khiển cũng như phạm vi ứng dụng lúc bấy giờ. Trong những năm 70, biến áp áp điện được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thương mại, thay cho biến áp điện từ truyền thống. Các công ty Mỹ và Nhật Bản như RCA, Motorola, Denki Onkyo Limited và Matsushita sử dụng biến áp áp điện để tạo ra điện áp cao cho ống tia cathode của tivi đen trắng. Một số công ty khác sử dụng biến áp áp điện làm mồi cho các lò nướng đốt ga. Những năm 80, Siemens, General Electric dùng biến áp áp điện để điều khiển đóng mở các van công suất như thyristor, mosfet [4]. Thập kỷ 90, kỹ thuật điện tử, điện tử công suất đã có sự phát triển bùng nổ đồng thời nhu cầu giảm kích thước, khối lượng và giá thành các bộ biến đổi điện được đặt ra. Trong bối cảnh đó, biến áp áp điện với các ưu điểm nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao đã thu hút được sự chú ý của nhiều công ty công nghệ và các nhà nghiên cứu. Các công ty Nhật Bản như NEC, Tokin, Matsushita dẫn đầu xu thế này. Mục tiêu của họ là sử dụng biến áp áp điện thay thế các biến áp điện từ trong các ứng dụng đòi hỏi điện áp cao và công suất vừa nhỏ. Trong đó, ứng dụng tiêu biểu là làm bộ nguồn cho đèn nền CCFL (Cold Cathode Fluorescent Lamp) của màn hình LCD (laptop, PDA, máy ảnh số …). Trong những năm gần đây, ngành công nghệ vật liệu và kỹ thuật điện tử, điều khiển có những bước tiến vượt bậc đã tạo điều kiện để các nhà nghiên cứu, phát triển đưa ra nhiều ứng dụng sử dụng biến áp áp điện. Một số ví dụ điển hình như: ballast điện tử đèn cao áp, bộ biến đổi DC/DC, DC/AC, sạc điện cho laptop, điện thoại di động… So với máy biến áp điện từ truyền thống, biến áp áp điện có một số ưu điểm nổi trội: Mật độ công suất lớn. Hiệu suất cao. Không có tổn hao điện từ. Kích thước, khối lượng nhỏ. Độ cách ly điện áp cao. Tuy vậy, biến áp áp điện cũng có những nhược điểm: Có tính cộng hưởng: biến áp áp điện thường chỉ hoạt động hiệu quả ở một hay một vài dải tần số cộng hưởng nhất định. Dải công suất thấp. Giá thành cao. Điều khiển khó khăn. Cơ sở vật lý của biến áp áp điện Tính phân cực của vật liệu áp điện Cả 2 phía sơ cấp và thứ cấp trong biến áp áp điện đều được chế tạo từ vật liệu áp điện như Bari titannat (BaTiO3) hay Chì zirconat titanat (PZT) vì hiệu ứng áp điện trên những vật liệu này thể hiện mạnh nhất. Công thức hóa học chung của các vật liệu áp điện loại này là với A là nguyên tố kim loại hóa trị 2 như Bari hay Chì, B là nguyên tố kim loại hóa trị 4 như Titan hay Zirco. Cấu trúc tinh thể và theo đó đặc tính của các vật liệu áp điện thay đổi khi nhiệt độ của chúng cao hơn hay thấp hơn một nhiệt độ nhất định gọi là nhiệt độ Curie. Sự thay đổi của dạng tinh thể theo nhiệt độ này được minh họa như hình 1-1: Hình 11. Cấu trúc phân tử của vật liệu áp điện. Ta thấy rõ cấu trúc phân tử của vật liệu áp điện phụ thuộc vào nhiệt độ, cụ thể như sau: Trên nhiệt độ Curie: Khi vật liệu áp điện ở trên nhiệt độ Curie, cấu trúc phân tử của vật liệu có dạng đối xứng hình học với các ion âm và ion dương ở các vị trí đối xứng trong không gian. Do đó tinh thể áp điện không có sự phân cực về điện, nói cách khác là trung hòa về điện. Dưới nhiệt độ Curie: Khi vật liệu áp điện ở dưới ngưỡng nhiệt độ Curie thì cấu trúc tinh thể không còn tính đối xứng, các ion âm và ion dương của phân tử phân bố không đều dẫn tới sự phân cực về điện trong phân tử. Mỗi phân tử trở thành một lưỡng cực điện. Các lưỡng cực này sắp xếp theo nhiều hướng khác nhau trong không gian. Các ứng dụng của vật liệu áp điện nói chung và biếp áp áp điện nói riêng đều chỉ có thể hoạt động khi khối vật liệu áp điện đã bị phân cực vì chỉ khi đó, hiệu ứng áp điện mới xảy ra. Quá trình phân cực hóa vật liệu áp điện được thể hiện như hình 1-2. Theo đó, ở dưới nhiệt độ Curie, vật liệu áp điện có các lưỡng cực điện được sắp xếp tự do (hình1-2a). Ta có thể định hướng cho các lưỡng cực điện này nhờ đặt vật liệu áp điện vào một điện trường (hình 1-2b). Với một điện trường đủ mạnh và sau một thời gian nhất định thì khối vật liệu áp điện sẽ duy trì tính chất phân cực kể cả sau khi ngắt điện trường đặt lên nó (hình 1-2c). Hình 12. Quá trình phân cực biến áp áp điện. Sự mất tính phân cực của vật liệu áp điện Sau khi vật liệu áp điện được phân cực hóa thì tính phân cực của nó vẫn được duy trì kể cả sau khi đã bỏ điện trường đi và chỉ sau khi được phân cực hóa thì các vật liệu áp điện mới được đưa vào ứng dụng. Tuy nhiên có một số nguyên nhân có thể dẫn tới mất một phần hoặc hoàn toàn tính phân cực ở vật liệu áp điện và do đó các thiết bị áp điện sẽ bị hỏng. Những nguyên nhân đó gồm: Nguyên nhân cơ học: khi có một lực cơ học đủ lớn đặt lên khối vật liệu áp điện thì sự sắp xếp có hướng các lưỡng cực điện trong khối vật liệu có thể bị xáo trộn và do đó khối vật liệu bị mất tính chất phân cực điện. Giới hạn của lực cơ học gây mất tính phân cực của khối vật liệu rất khác nhau tùy thuộc vào loại vật liệu. Nguyên nhân về điện: khi đặt khối vật liệu áp điện đã phân cực hóa trong một điện trường đủ mạnh ngược chiều với điện trường sử dụng để phân cực khối vật liệu thì khối vật liệu có thể bị mất tính phân cực. Độ mạnh của điện trường để làm mất sự phân cực của khối vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó phải kể đến là: loại vật liệu, thời gian khối vật liệu bị đặt trong điện trường đó và nhiệt độ. Nguyên nhân về nhiệt: khi khối vật liệu áp điện đã được phân cực hóa được nung nóng lên tới ngưỡng nhiệt độ Curie của nó thì sự sắp xếp có hướng của các lưỡng cực điện trong khối vật liệu trở nên bị xáo trộn do các phân tử hoạt động mạnh. Do vậy để tính phân cực của khối vật liệu được đảm bảo lâu bền và các ứng dụng vật liệu áp điện không bị hỏng thì cần bảo đảm nhiệt độ dưới nhiệt độ Curie. Mức nhiệt độ hoạt động lý tưởng của vật liệu áp điện vào khoảng giữa 0oC và ngưỡng nhiệt độ Curie của vật liệu. Các hằng số áp điện Vật liệu áp điện có tính chất dị hướng nên các đại lượng vật lý đặc trưng như tính đàn hồi, hằng số điện môi... phụ thuộc vào cả hướng của lực tác dụng và hướng của điện trường. Các đại lượng vật lý này trong mối quan hệ với lực và điện trường được chỉ rõ ở phương trình (1.1) và (1.2) sau đây: (11) (12) Trong đó theo thứ tự là véctơ thể hiện độ biến dạng, lực tác dụng, điện trường và độ phân cực của phần tử áp điện. Ở phương trình (1-1), là véctơ thể hiện độ biến dạng của phần tử áp điện khi có tác dụng của lực căng và điện trường với cường độ lên. Khi không có lực căng đặt lên vật liệu thì độ biến dạng chỉ phụ thuộc vào cường độ điện trường . Lúc này phương trình đặc trưng cho hiệu ứng áp điện nghịch. Tương tự như vậy ở phương trình (1-2), là véctơ mật độ điện tích thể hiện sự phân cực của vật liệu áp điện khi có tác dụng của lực căng và điện trường với cường độ lên vật liệu. Khi không có điện trường ngoài đặt lên vật liệu thì chỉ phụ thuộc vào lực tác dụng . Lúc này, phương trình đặc trưng cho hiệu ứng áp điện thuận. Các đại lượng khác trong phương trình bao gồm ma trận hằng số đàn hồi , ma trận hằng số điện môi và ma trận hằng số áp điện d. Ma trận hằng số đàn hồi đặc trưng cho sự phụ thuộc của độ biến dạng của vật liệu khi có tác động của lực đặt lên nó, ma trận hằng số điện môi đặc trưng cho sự thay đổi mật độ điện tích khi có điện trường ngoài đặt lên nó. Ở đây ma trận hằng số áp điện là khái niệm mới đặc trưng cho sự phân cực của vật liệu áp điện khi có lực đặt lên và ngược lại, đặc trưng cho sự biến dạng của vật liệu áp điện khi có điện trường ngoài đặt lên vật liệu. Cấu trúc và phân loại máy biến áp áp điện Biến áp áp điện có cấu trúc gồm các phần tử “chấp hành áp điện” hoạt động theo hiệu ứng nghịch ở phía sơ cấp và các phần tử “chuyển đổi áp điện” hoạt động theo hiệu ứng thuận ở phía thứ cấp. Các phần tử này được cấu thành từ các phần tử áp điện. Mỗi phần tử áp điện này có cấu trúc gồm hai điện cực và một lớp vật liệu áp điện ở giữa như hình 1-3. Hình 13. Phần tử áp điện. Các phần tử áp điện hoạt động trong máy biến áp áp điện theo một tần số cộng hưởng nhất định (vấn đề về tần số cộng hưởng sẽ được xem xét kĩ hơn ở chương sau) theo hai kiểu cơ bản là: Kiểu dao động dọc: Phần tử áp điện hoạt động với véctơ lực căng song song với hướng phân cực điện P như hình 1-4: Hình 14. Phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động dọc Kiểu dao động ngang: phần tử áp điện hoạt động với véc tơ lực căng vuông góc với hướng của phân cực điện P như hình 1-5: Hình 15. Phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động ngang Ứng dụng hai kiểu dao động trên của phần tử áp điện, người ta chế tạo được 3 loại biến áp thông dụng: Biến áp áp điện kiểu Rosen. Biến áp áp điện kiểu rung bề dày. Biến áp áp điện kiểu rung hướng kính. Máy biến áp áp điện kiểu Rosen Máy biến áp áp điện loại này có phía sơ cấp là một phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động ngang và phía thứ cấp là một phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động dọc. Khi đặt vào hai đầu điện cực của phần sơ cấp một điện áp Vin thì phần sơ cấp sẽ bị phân cực theo hướng song song với bề dày của phần tử áp điện sơ cấp. Những biến dạng cơ học theo hướng vuông góc với hướng phân cực của phần sơ cấp sẽ tạo nên những dao động lực tác động lên phần tử áp điện thứ cấp. Do những lực tác động này mà phía thứ cấp của máy biến áp vốn là phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động dọc sẽ có một mật độ điện tích nhất định xuất hiện trên 2 điện cực. Mật độ điện tích này sẽ tạo ra một điện áp Vout ở đầu ra. Biến áp áp điện loại này cho ra tỷ lệ tăng áp lớn nhất. Hình 16. Máy biến áp áp điện kiểu Rosen Máy biến áp áp điện kiểu rung theo chiều dày Biến áp áp điện kiểu rung dọc theo bề dày được Nhật chế tạo từ những năm 1990. Loại máy biến áp áp điện này được cấu tạo từ các phần tử áp điện kiểu dao động dọc ở cả phía sơ cấp và phía thứ cấp. Khi đặt vào phía sơ cấp một điện áp Vin thì phía sơ cấp sẽ phân cực theo phương điện trường. Dao động điện của điện áp đặt vào phía sơ cấp sẽ tạo ra các dao động cơ dọc theo vật liệu áp điện phía sơ cấp. Dao động cơ này sẽ truyền sang phía thứ cấp. Tại đây do có hiệu ứng áp điện, dao động cơ này sẽ biến thành dao động điện và tạo ra điện áp đầu ra bên thứ cấp. Phương phân cực và dao động cơ bên sơ cấp và thứ cấp đều cùng phương với với bề dày các lớp vật liệu áp điện. Biến áp áp điện kiểu này cho hệ số tăng áp nhỏ nên còn được gọi là LVPT (Low Voltage Piezoelectric Transformer). Do vậy, ứng dụng chủ yếu là làm các bộ biến đổi và sạc điện. Hình 17. Biến áp áp điện kiểu rung dọc theo bề dày. Biến áp áp điện kiểu rung theo hướng kính Biến áp áp điện kiểu rung theo hướng kính được chế tạo từ hai phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động ngang. Loại biến áp này được công ty FACE Electronics của Mỹ chế tạo từ năm 1998. Khi đặt vào hai điện cực của phía sơ cấp một điện áp Vin, phần tử áp điện sơ cấp sẽ được phân cực và phương của phân cực này dọc theo bề dày của khối vật liệu áp điện. Do hoạt động theo kiểu ngang nên phân cực điện tạo ra biến dạng cơ học theo hướng vuông góc với điện trường. Nếu điện áp đặt vào dao động (dao động điện) thì biến dạng cơ học cũng tạo nên các dao động cơ. Các dao động cơ phía sơ cấp truyền sang phía thứ cấp. Dao động cơ phía thứ cấp tạo ra điện áp Vout trên hai điện cực của phía thứ cấp. Khi mới được chế tạo thì biến áp loại này có dạng hình chữ nhật nhưng vì nếu thế thì các dao động cơ giữa các điểm không đều do khoảng cách tới tâm không bằng nhau dẫn đến những sóng bậc cao nhiều hơn cho điện áp ra. Biến áp áp điện với dạng tròn (hình 1-8) được chế tạo nhằm khắc phục nhược điểm này. Ngày nay ứng dụng chủ yếu của loại biến áp này là làm ballast điện tử cho đèn LED, các bộ biến đổi công suất và sạc điện. Hình 18. Biến áp áp điện kiểu rung hướng kính ĐẶC TÍNH CỦA BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN Sơ đồ tương đương của biến áp áp điện Biến áp áp điện trên thực tế có thể hoạt động ở 3 tần số cộng hưởng (theo [1]). Hình 2-1 là sơ đồ thay thế tương đương ứng với 3 tần số cộng hưởng này. Tuy vậy, để đơn giản hóa và giới hạn trong phạm vi nghiên cứu, đồ án này sẽ xem xét sơ đồ tương đương của biến áp áp điện tại một trong những tần số cộng hưởng của nó mà vẫn đảm bảo được những đặc tính hoạt động chung của biến áp. Theo [2], sơ đồ tương đương của biến áp áp điện tại một tần số cộng hưởng được trình bày ở hình 2-2. Theo đó, đầu ra của biến áp áp điện được tách thành hai nguồn phụ thuộc: nguồn áp và nguồn dòng , và là điện áp vào và điện áp ra, và là điện dung của tụ điện đầu vào và đầu ra, và là điện cảm và điện dung tương đương, là điện trở đặc trưng cho tổn hao cơ và n là tỷ số truyền cơ. Mối liên hệ giữa các đại lượng cơ học, vật lý và điện học được trình bày ở bảng sau: Bảng 2–1. Liên hệ các đại lượng cơ - vật lý với điện học Đại lượng cơ học – vật lý Đại lượng điện học Khối lượng m Cuộn cảm L Tổn hao cơ học Điện trở R Tính đàn hồi Tụ điện C Lực F Điện áp V Vận tốc dao động Dòng điện i Biến đổi cơ học Biến đổi điện áp Hình 21. Sơ đồ thay thế của biến áp áp điện với 3 tần số cộng hưởng Hình 22. Sơ đồ thay thế biến áp áp điện tại 1 tần số cộng hưởng Phân tích hoạt động của biến áp áp điện Hệ số biến áp Một trong những thông số quan trọng của biến áp nói chung và biến áp áp điện nói riêng là hệ số biến áp. Với biến áp điện từ truyền thống, tỷ số này quyết định bởi tỷ số giữa số vòng dây quấn phía thứ cấp và số vòng dây quấn phía sơ cấp. Tỷ số biến áp của biến áp áp điện không được tính một cách rõ ràng như vậy được. Là một thiết bị mang tính chất cộng hưởng, biến áp áp điện có hệ số biến áp phụ thuộc vào tần số làm việc và tải của nó. Để xác định hệ số biến áp của biến áp áp điện và để đơn giản hơn trong việc tính toán, mô phỏng, nghiên cứu đặc điểm làm việc, ta giả thiết nối một tải thuần trở Ro vào phía thứ cấp của biến áp (hình 2-3). Hình 23. Sơ đồ thay thế máy biến áp áp điện với tải thuần trở Dựa vào nguyên tắc cân bằng năng lượng giữa hai phía sơ cấp và thứ cấp, ta có thể qui đổi phía thứ cấp về phía sơ cấp và bỏ qua điện dung đầu vào Cin. Sơ đồ mạch như hình 2-4. Hình 24. Sơ đồ qui đổi biến áp áp điện tải thuần trở về phía sơ cấp Các thông số được tính qui đổi như sau: ( 21) ( 22) ( 23) Đơn giản hóa mạch bằng việc thay thế tương đương mạch bằng mạch , ta được sơ đồ: Hình 25. Sơ đồ thay thế tương đương biến áp áp điện Trong đó: ( 24) ( 25) là tần số hoạt động Từ sơ đồ thay thế hình 2-4, hình 2-5 và các phương trình (2-1)→(2-5), ta có thể tính được tần số cộng hưởng của biến áp áp điện: ( 26) và nằm trong dải: ( 27) Trong đó: là điện dung tương đương của : ( 28) là tần số cộng hưởng khi ngắn mạch (29) là tần số cộng hưởng khi hở mạch ( 210) Theo tài liệu [2], hệ số biến áp của biến áp áp điện được tính như sau: ( 211) Với: ( 212) Các thông số: Tỷ số điện dung A: ( 213) Hệ số chất lượng điện: ( 214) Hệ số chất lượng cơ: ( 215) Nhận xét: Hệ số biến áp của biến áp áp điện phụ thuộc vào tần số làm việc và giá trị tải . Với mỗi giá trị tải nhất định thì hệ số này đạt giá trị lớn nhất ở tần số cộng hưởng được tính theo (2-6) và được giới hạn trong dải nhất định (2-7). Trong thực tế, tần số này có thể đạt tới 50 với biến áp áp điện một lớp và tới 1000 với biến áp nhiều lớp [1]. Với một điện trở tải xác định thì có thể điều chỉnh điện áp trên tải bằng cách thay đổi tần số hoạt động của biến áp. Q và Qm tỷ lệ thuận với hệ số biến áp . Khi các hệ số này càng lớn thì điện áp phía thứ cấp của biến áp càng lớn. Do vậy các hệ số Q và Qm được gọi là hệ số chất lượng điện và hệ số chất lượng cơ tương ứng. Công suất đầu ra Từ hình 2-3 và hình 2-4 và phương trình (2-5) công suất đầu ra của biến áp áp điện được tính từ công thức: ( 216) Công thức (2-16) chỉ ra sự phụ thuộc của công suất đầu ra biến áp áp điện vào điện trở tải và tần số hoạt động. Vấn đề này sẽ được trình bày cụ thể các chương sau. Theo [2], tại một tần số hoạt động nhất định, công suất đầu ra của biến áp áp điện lớn nhất khi điện trở tải. Thực vậy, để đơn giản xét trường hợp biến áp áp điện làm việc ở tần số cộng hưởng, từ hình 2-5, công suất đầu ra hay công suất trên tải được tính như sau: ( 217) Dấu “=” xảy ra khi: . (Bất đẳng thức Cauchy) Từ phương trình (2-4), đồ thị của theo R’ có dạng lồi như hình 2-7. Do vậy, ứng với mỗi giá trị sẽ có 2 giá trị thỏa mãn điều kiện. Hình 26. Quan hệ và Hiệu suất biến áp Theo tài liệu [2], hiệu suất của biến áp áp điện tính được từ công thức: ( 218) Công thức (2-18) chỉ ra: Hiệu suất của mỗi biến áp phụ thuộc vào cả tần số hoạt động và giá trị điện trở tải. Vấn đề này sẽ được xem xét kỹ hơn ở các chương sau. Nếu thì hiệu suất của biến áp càng lớn. Do là hằng số phụ thuộc biến áp nên hiệu suất đạt được cực đại khi đạt giá trị lớn nhất. Từ (2-4) và hình 2-7, đạt cực đại tại: ( 219) Thay (2-1) và (2-2) vào (2-19), ta được: ( 220) Giá trị này của điện trở tải được gọi là tải tối ưu cho hiệu suất của biến áp áp điện ứng với tần số (hình 2-7). Hình 27. Điện trở tối ưu Mô phỏng đặc tính làm việc Để hiểu rõ hơn đặc tính làm việc của biến áp áp điện, chương trình mô phỏng sau đây được xây dựng trên nền Matlab. Sử dụng ưu điểm tính toán mạnh của phần mềm này, trên cơ sở các sơ đồ tương đương và phương trình tính toán, có thể thấy rõ đặc điểm hoạt động của biến áp ở những tần số khác nhau, ứng với các tải điện trở khác nhau. Các thông số biến áp được lấy từ [1] dùng cho mô phỏng và được chỉ ra trong bảng sau: Bảng 2–2. Thông số biến áp áp điện Thông số Cin (nF) Lr (mH) Cr (nF) Rm (Ω) n Co (pF) 105 0,66 3,925 1,33 32 20 Dựa trên các phương trình và các thông số của biến áp áp điện, chương trình mô phỏng viết trên Matlab (phụ lục 1) và cho kết quả mô phỏng như sau: Khảo sát dải điện trở 0 – 110kΩ: Hình 28. Hệ số biến áp Hình 29. Công suất đầu ra Hình 210. Hiệu suất biến áp Hệ số biến áp, công suất đầu ra và hiệu suất biến áp phụ thuộc vào điện trở tải như hình 2-11: Hình 211. Đặc tính hoạt động của PT NGUYÊN LÍ ĐIỀU KHIỂN BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN Các mô hình bộ biến đổi công suất điều khiển biến áp áp điện Giới thiệu chung Bộ biến đổi công suất là 1 phần của hệ thống điện tử công suất nhằm biến đổi tín hiệu đầu vào nó thành tín hiệu có công suất lớn hơn. Trong các ứng dụng thực tế của máy biến áp áp điện thì đa phần mục đích sử dụng của máy biến áp áp điện trong đó là tạo ra các mạch biến đổi điện áp DC/AC với đầu ra có điện áp cao hay các mạch biến đổi DC/DC (thực chất là sự kết hợp giữa mạch DC/AC với chỉnh lưu đầu ra ). Có nhiều mô hình điều khiển thiết kế khác nhau để tạo ra các mạch biến đổi điện áp trên. Vì máy biến áp áp điện nói chung được sử dụng nhằm tạo ra các thiết bị ở dải công suất thấp, giá thành rẻ, hiệu suất cao nên các mạch biến đổi phải có cấu trúc đơn giản, sử dụng tối thiểu các phần tử thụ động và van chuyển mạch. Thực tế có 2 mô hình thỏa mãn các yêu cầu trên được dùng rộng rãi cho biến áp áp điện. Bộ biến đổi lớp D. Bộ biến đổi lớp E. Các đặc điểm cụ thể của hai mô hình điều khiển này sẽ được trình bày chi tiết dưới đây. Sơ đồ điều khiển lớp D Sơ đồ điều khiển lớp D sử dụng hai van công suất S1, S2 (thường sử dụng MOSFET) với đầu vào là nguồn điện áp một chiều. Hai van này thay phiên nhau đóng mở, khi van này mở thì van kia đóng và ngược lại. Kết quả là điện áp đầu ra có dạng xung vuông với tần số là tần số đóng mở van và độ rộng xung phụ thuộc vào tỷ lệ ton/toff. Hình 3-1 là sơ đồ mạch (đã gồm biến áp áp điện). Hình 31. Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp D Quy đổi phía thứ cấp của biến áp sang phía sơ cấp (tương tự chương 2), ta được sơ đồ tương đương như hình 3-2. Hình 32. Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp D quy đổi về sơ cấp Nguyên lý hoạt động của sơ đồ lớp D được thể hiện qua hình 3-3: Hình 33. Giản đồ thể hiện nguyên lý hoạt động của sơ đồ lớp D Ở hình vẽ trên thì VGS1 và VGS2 là hiệu điện thế giữa cực G và cực S của hai khóa S1, S2. Vin , iin là điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào, i(t) là dòng điện cộng hưởng (dòng iLr trên hình 3-1) chạy trong biến áp. Chu kỳ hoạt động của mạch gồm các giai đoạn: Từ t0 đến t1: giai đoạn nạp của tụ Cin Từ t0 đến t2: thời gian chết (hai khóa S1 và S2 đều không có xung áp vào cực G) Từ t2 đến t3: thời gian ON của khóa S1 Từ t3 đến t4: thời gian phóng của tụ Cin Từ t0 đến t5: thời gian chết Dòng điện cộng hưởng i(t) được biểu diễn bởi công thức 3.1 dưới đây: ( 31) Với và là biên độ và pha ban đầu của dòng điện cộng hưởng i(t). Sau khi khóa S2 chuyển sang trạng thái OFF tại thời điểm t0 thì dòng điện này không chạy qua S2 nữa mà chạy qua tụ điện Cin và tụ điện Cin được nạp trong thời gian từ t0 đến t1, vì qui ước về chiều khác nhau nên dòng nạp cho tụ Cin trong thời điểm này là: ( 32) Điện áp tụ Cin trong giai đoạn này sẽ tăng cho tới khi vượt quá điện áp một chiều của nguồn một chiều. Khi đó diode mắc song song ngược với S1 (không thể hiện trên hình vẽ) sẽ dẫn và đưa điện áp trên S1 về 0. Diode song song ngược này dẫn dòng trong thời gian rất ngắn t1 đến t2. Tại t2 thì S1 được phát xung ở cực G và chuyển lên trạng thái ON sau đó tại t3 thì chuyển về trạng thái OFF. Trong khoảng thời gian t3 đến t4 thì hai khóa S1 và S2 đều ở trạng thái OFF vì thế cho nên tụ Cin phóng điện và dòng phóng lúc này cũng chính là dòng cộng hưởng i(t). Do vậy nên điện áp đầu vào Vin hay cũng chính là điện áp trên khóa S2 giảm và do đó điện áp trên khóa S1 tăng. Khi điện áp đầu vào Vin về 0 tại t4 thì diode song song ngược của S2 (không thể hiện trên hình vẽ) dẫn dòng. Quá trình phóng/nạp của tụ Cin cứ lặp đi lặp lại nhằm đảm bảo điều kiện đóng cắt ZVS (Zero Voltage Switching). Đây là một điều kiện quan trọng để nâng cao hiệu suất của bộ biến đổi[5]. Để đảm bảo mạch hoạt động theo điều kiện đóng cắt ZVS thì hai điều kiện sau đây phải thỏa mãn: Hình 34. Quan hệ pha giữa dòng điện cộng hưởng irL và điện áp tụ đầu vào Vin Điều kiện về điện áp ngưỡng của tụ đầu vào Cin: Khi mà điện cảm Lr nạp tụ Cin như ở hình 3-4 thì điện tích của tụ đầu vào Cin được phóng nạp bởi dòng điện cộng hưởng irL được tính là: với dV là biến thiên điện áp trên tụ Cin và dt là thời gian phóng nạp của tụ. Để hoạt động ở chế độ ZVS thì giá trị lớn nhất của điện áp tụ Cin phải thỏa mãn: và trong mỗi chu kì hoạt động thì tụ Cin phải được phóng nạp hoàn toàn. Điều kiện về thời gian chết giữa S1 và S2: để có đủ thời gian cho cuộn cảm Lr nạp điện hay tụ Cin phóng điện thì thời gian trễ td phải lớn hơn hay bằng thời gian phóng hay nạp. Theo [5] thì thời gian td được chọn theo điều kiện: với T là chu kì hoạt động. Dựa vào những phân tích trên, hoạt động của biến áp áp điện cấp nguồn bởi bộ biến đổi lớp D được mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink. Tần số hoạt động nằm gần tần số cộng hưởng của biến áp với độ rộng xung được giữ cố định 40%. Thông số biến áp được cho trong bảng 3-1 [1]: Bảng 3–1. Thông số biến áp áp điện BAAĐ Cin Lr Cr Rm N Co 50nF 0,41mH 6,7nF 0,22Ω 107 20pF Giá trị tải: Theo (3-1), (3-2): Dải tần số cộng hưởng theo (2-6) và (2-7): ( 33) ( 34) ( 35) Tiến hành mô phỏng trên Matlab/Simulink ứng với hai trường hợp của tần số: Ngoài dải tần số cộng hưởng. Trong dải tần cộng hưởng. Sơ đồ mô phỏng: Hình 35. Sơ đồ mô phỏng sơ đồ điều khiển lớp D Hình 36. Tần số 95kHz (ngoài dải cộng hưởng) Hình 37. Tần số 97kHz (trong dải cộng hưởng) Trong đó: Vgs1, Vgs2 lần lượt là xung phát vào cực G của hai van S1, S2. Vin là điện áp vào biến áp áp điện hay là điện áp trên tụ Cin. I(t) là dòng chạy vào biến áp (dòng cộng hưởng). Nhận xét: Khi hoạt động ở ngoài dải tần cộng hưởng, các van S1, S2 được mở khi điện áp trên van chưa về 0 (không đảm bảo đóng cắt van theo ZVS). Theo [3], hệ quả này dẫn đến tổn hao trên van và tổn hao trên biến áp áp điện lớn, nhiệt độ biến áp tăng lên khiến hiệu suất biến áp giảm. Khi hoạt động ở trong dải tần cộng hưởng, các van S1, S2 được mở khi điện áp trên van đã về 0 hoặc nhỏ (đảm bảo đóng cắt van theo ZVS). Nhờ vậy, tổn hao trên van và tổn hao trên biến áp áp điện nhỏ, hiệu suất biến áp tăng lên. Theo [1], tổn hao và nhiệt độ càng tăng khi tăng điện áp nguồn đầu vào (hình 3-8). Hình 38. Sự thay đổi nhiệt độ biến áp theo điện áp vào và thời gian hoạt động Sơ đồ điều khiển lớp E Mạch nguyên lý của sơ đồ điều khiển lớp E được cho như hình 3-9. Mạch chỉ gồm một van công suất S (Mosfet) với một diode mắc song song ngược. Van S phối hợp với mạch tương đương của biến áp áp điện tạo thành bộ biến đổi lớp E. Nhờ vậy, điện áp đầu ra của bộ biến đổi có dạng hình sin đồng thời tạo điều kiện ZVS cho van S. Hình 39. Sơ đồ điều khiển biến áp áp điện lớp E Trong mạch nguyên lý trên, điện cảm đầu vào Lf có giá trị lớn để hạn chế dòng đỉnh đầu vào và đảm bảo dòng cộng hưởng chạy qua mạch cộng hưởng (hay biến áp áp điện) là hình sin. Khi khóa S chuyển sang trạng thái OFF, điện áp trên Cin phóng qua mạch RLC của biến áp. Sau khi xả hết, điện áp trên tụ điện Cin trở về 0, cũng là điện áp trên van S. Lúc này, diode song song với van bắt đầu dẫn dòng điện chạy qua. Nếu van S được mở vào giai đoạn này thì tổn hao trên van sẽ không đáng kể (điều kiện ZVS). Quá trình được mô tả trên hình 3-10. Hình 310. Mô tả hoạt động bộ biến đổi lớp E Hoạt động của bộ biến đổi lớp E được mô phỏng bằng sơ đồ hình 3-11. Độ rộng xung vào cực G của van S là 50%. Điện áp vào cấp VDC=5V. Tần số: 97kHz. Các thông số biến áp đã cho trong bảng 3-1. Điện cảm và giá trị tải: ( 36) Hình 311. Sơ đồ mô phỏng sơ đồ điều khiển lớp E Trong đó, Vout là điện áp đầu ra (điện áp trên tải), Vgs là xung phát vào cực G của van S, Vin và Iin lần lượt là điện áp và dòng điện đầu vào của biến áp áp điện. Theo hình 3-12, hiệu suất lớn nhất của biến áp áp điện đạt được khi độ lệch pha giữa điện áp đầu vào Uin và dòng chạy qua nhánh RLC bằng 0. Nói cách khác, điểm hoạt động cộng hưởng hoạt động của bộ biến đổi lớp E này phụ thuộc vào sự thay đổi của tải. Hình 312. Kết quả mô phỏng Nhận xét: Van và đầu vào sơ cấp biến áp phải chịu điện áp cao hơn nhiều so với sơ đồ bộ biến đổi lớp D. Điều này dẫn đến tổn hao trên van lớn, giảm hiệu suất thậm chí có thể gây hỏng biến áp. Thêm nữa, theo [7], điều kiện mở van ZVS cũng bị thu hẹp lại. Theo [1], tổn hao và nhiệt độ càng tăng khi tăng điện áp nguồn đầu vào bộ biến đổi lớp E (hình 3-13). Hình 313. Sự thay đổi nhiệt độ biến áp theo điện áp vào và thời gian hoạt động [1]. Thuật toán điều khiển bám tần số cộng hưởng Về nguyên lí, biến áp áp điện được sử dụng với mục đích biến đổi điện áp. Như vậy việc điều khiển biến áp áp điện cần đáp ứng được hai yêu cầu chính sau: Đảm bảo hiệu suất biến đổi. Đảm bảo chất lượng đầu ra. Theo kết quả phân tích ở chương 2, để đảm bảo yêu cầu thứ nhất thì biến áp áp điện cần được hoạt động tại một trong số những tần số cộng hưởng của nó. Tuy nhiên tần số cộng hưởng của biến áp áp điện lại phụ thuộc nhiều yếu tố: Sự thay đổi giá trị tải. Sự thay đổi của điều kiện làm việc: nhiệt độ, thời gian hoạt động… Với yêu cầu thứ hai, thì tùy vào ứng dụng mà biến áp áp điện được sử dụng thì sẽ có những yêu cầu khác nhau. Nhưng nói chung, trong các ứng dụng làm nguồn công suất, yêu cầu điều khiển được độ lớn điện áp ra là quan trọng nhất. Tuy nhiên, trong phạm vi nội dung đồ án này, ta chỉ xem xét tới vấn đề đảm bảo được yêu cầu điều khiển biến áp áp làm việc ở tần số cộng hưởng. Với các đối tượng cộng hưởng nói chung, đều yêu cầu làm việc tại điểm cộng hưởng hoặc ở lân cần điểm cộng hưởng. Riêng với biến áp áp điện, việc làm việc cộng hưởng đem lại nhiều ưu điểm:._.