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

ên thị trường với nhiều tính năng ưu việt của biến áp áp điện như: hiệu suất cao, mật độ cơng suất lớn, khơng cĩ nhiễu điện từ…Mở ra khả năng thay thế các biến áp điện từ truyền thống trong dải cơng suất vừa và nhỏ. Biến áp áp điện, một đối tượng làm việc cộng hưởng. Vấn đề điều khiển nĩ đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Nhưng do sự phát triển của khoa học kĩ thuật, đặc biệt là do những yêu cầu mới về khả năng tích hợp, về tính linh hoạt của các ứng dụng của biến áp áp điện, đã dẫn đến yêu cầu về 1 giải pháp phần mềm để thay thế cho phương pháp điều khiển biến áp áp điện bằng phần cứng. Với yêu cầu của thực tế, nhĩm em đã được thày giáo TS. ĐỖ MẠNH CƯỜNG, giao cho đề tài: “Nghiên cứu, phát triển bộ PLL số cho các ứng dụng sử dụng biến áp áp điện”. Phát triển đề tài này thành đồ án tốt nghiệp, chúng em đã tập trung giải quyết được các vấn đề cụ thể sau: Tìm hiểu tổng quan về biến áp áp điện Tìm hiểu đặc tính, mơ hình của biến áp áp điện và thực hiện mơ phỏng Tìm hiểu về vấn đề đề điều khiển biến áp áp điện, Xây dựng thuật tốn PLL trên nền của DSP TMS F2812 Thiết kế mạch ứng dụng thực nghiệm Trong thời gian thực hiện đề tài này, đã cĩ khơng ít khĩ khăn như: Đây là đề tài cịn tương đối mới Ở Việt Nam, biến áp áp điện rất ít, gây khĩ khăn cho việc thiết kế thực tế Tuy nhiên, được sự hướng dẫn tận tình, sự động viên khơng ngừng, những kinh nghiệm thực tế quí báu và những hỗ trợ tối đa về thiết bị và điều kiện làm việc của thày giáo TS. ĐỖ MẠNH CƯỜNG, nhĩm em đã hồn thành những mục tiêu mà ban đầu đề ra. Do tính mới mẻ của đề tài, cùng những hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm làm việc nên cho dù chúng em đã cố gắng hết sức, nhưng chắc chắn khơng tránh khỏi những thiếu sĩt. Em rất mong nhận được sự đĩng gĩp quí báu của thày, cơ và các bạn. Hà nội, ngày 01 tháng 06 năm 2010 Sinh viên thực hiện Nguyễn Tự Hĩa TỔNG QUAN VỀ BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN Lịch sử ra đời Từ những năm 1880, hiệu ứng áp điện đã được phát hiện bởi hai anh em Pierre Curie và Jacques Curie khi họ nghiên cứu các vật liệu cĩ cấu trúc tinh thể. Hiện tượng này gồm cĩ 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 nĩ tuy nhiên khơng 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 cĩ 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 phịng 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 khơng được quan tâm nghiên cứu nhiều bởi những hạn chế về cơng 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 nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm thương mại, thay cho biến áp điện từ truyền thống. Các cơng 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. Một số cơng ty khác sử dụng biến áp áp điện làm mồi cho các lị nướng đốt ga. Những năm 80, nhiều hãng cĩ tên tuổi như Siemens, General Electric dùng biến áp áp điện để điều khiển đĩng mở các van cơng suất như THYRISTOR, MOSFET[4]. Thập kỷ 90, kỹ thuật điện tử, điện tử cơng suất đã cĩ sự phát triển bùng nổ cùng với nhu cầu giảm kích thước, khối lượng và giá thành các bộ biến đổi điện. Trong bối cảnh đĩ, biến áp áp điện đã thu hút được sự chú ý của nhiều cơng ty cơng nghệ và các nhà nghiên cứu bằng các ưu điểm nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao, mật độ cơng suất lớn. Các cơng 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 địi hỏi điện áp cao, cơng suất vừa và nhỏ. Trong đĩ, 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,…), hay ballast điện tử cho đèn LED, bộ mồi điện cho đèn HID… Trong những năm gần đây, ngành cơng nghệ vật liệu và kỹ thuật điện tử, điều khiển cĩ 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 cĩ một số ưu điểm nổi trội: Mật độ cơng suất lớn Hiệu suất cao Khơng cĩ tổn hao điện từ Kích thước, khối lượng nhỏ Độ cách ly điện áp cao Tuy vậy, biến áp áp điện cũng cĩ những nhược điểm: Cĩ 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 cơng suất thấp Giá thành cao Điều khiển khĩ khăn Cơ sở vật lý của biến áp áp điện Tính phân cực của vật liệu áp điện Trong biến áp áp điện, cả 2 phía sơ cấp và thứ cấp 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. Phía sơ cấp của biến áp áp điện tuân theo hiệu ứng áp điện ngược, phía thứ cấp tuân theo hiệu ứng áp điện ngược. Cơng thức hĩa học chung của các vật liệu áp điện loại này là với A là nguyên tố kim loại hĩa trị 2 như Bari hay Chì, B là nguyên tố kim loại hĩa trị 4 như Titan hay Zirco. Cấu trúc tinh thể và theo đĩ 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. Hình 1-1 dưới đây cho thấy sự thay đổi của cấu trúc tinh thể theo nhiệt độ: Hình 11. Cấu trúc phân tử của vật liệu áp điện. Cụ thể của sự phụ thuộc này như sau: Trên nhiệt độ Curie: Khi vật liệu áp điện ở trên nhiệt độ Curie, cấu trúc phân tử của vật liệu cĩ dạng đối xứng hình học với các ion âm và ion dương ở các vị trí đối xứng trong khơng gian. Do đĩ tinh thể áp điện khơng cĩ sự phân cực về điện, nĩi cách khác là trung hịa về điện. Dưới nhiệt độ Curie: Khi vật liệu áp điện ở dưới ngưỡng nhiệt độ Curie thì cấu trúc tinh thể khơng cịn tính đối xứng, các ion âm và ion dương của phân tử phân bố khơng 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 khơng gian. Các ứng dụng của vật liệu áp điện nĩi chung và biến áp áp điện nĩi riêng đều chỉ cĩ thể hoạt động khi khối vật liệu áp điện đã bị phân cực vì chỉ khi đĩ, các hiệu ứng áp điện mới xảy ra. Quá trình phân cực hĩa vật liệu áp điện được thể hiện như hình 1-2. Theo đĩ, ở dưới nhiệt độ Curie, vật liệu áp điện cĩ các lưỡng cực điện được sắp xếp tự do (hình1-2a). Ta cĩ 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 nĩ (hình 1-2c). Hình 12. Quá trình phân cực biến áp áp điện. Sự mất tính phân cực của vật liệu áp điện Như đã đề cập ở trên, sau khi vật liệu áp điện được phân cực hĩa thì tính phân cực của nĩ vẫn được duy trì kể cả sau khi đã bỏ điện trường đi và chỉ sau khi được phân cực hĩa thì các vật liệu áp điện mới được đưa vào ứng dụng. Tuy nhiên cĩ một số nguyên nhân cĩ thể dẫn tới mất một phần hoặc hồn tồn tính phân cực ở vật liệu áp điện và do đĩ các thiết bị áp điện sẽ bị hỏng. Những nguyên nhân đĩ gồm: Nguyên nhân cơ học: khi cĩ một lực cơ học đủ lớn đặt lên khối vật liệu áp điện thì sự sắp xếp cĩ hướng các lưỡng cực điện trong khối vật liệu cĩ thể bị xáo trộn và do đĩ 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 hĩa trong một điện trường đủ mạnh ngược chiều với điện trường sử dụng để phân cực khối vật liệu thì khối vật liệu cĩ 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 đĩ phải kể đến là: loại vật liệu, thời gian khối vật liệu bị đặt trong điện trường đĩ và nhiệt độ. Nguyên nhân về nhiệt: khi khối vật liệu áp điện đã được phân cực hĩa được nung nĩng lên tới ngưỡng nhiệt độ Curie của nĩ thì sự sắp xếp cĩ 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 khơng 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 là cĩ tính chất dị hướng nên các đại lượng vật lý đặc trưng như tính đàn hồi, hằng số điện mơi... 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 tuyến tính (1.1) và (1.2) sau đây: (11) (12) Trong đĩ 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 cĩ tác dụng của lực căng và điện trường với cường độ lên. Khi khơng cĩ 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 cĩ tác dụng của lực căng là điện trường với cường độ lên vật liệu. Khi khơng cĩ điện trường ngồi 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 hai trong phương trình bao gồm ma trận hằng số đàn hồi , ma trận hằng số điện mơi 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 cĩ tác động của lực đặt lên nĩ, ma trận hằng số điện mơi đặc trưng cho sự thay đổi mật độ điện tích khi cĩ điện trường ngồi đặt lên nĩ. Ở đây ma trận hằng số áp điện là khái niệm mới đặc trưng cho sự phân cực của vật liệu áp điện khi cĩ lực đặt lên và ngược lại, đặc trưng cho sự biến dạng của vật liệu áp điện khi cĩ điện trường ngồi đặt lên vật liệu. Cấu trúc và phân loại máy biến áp áp điện Nĩi chung, biến áp áp điện cĩ cấu trúc gồm các phần tử “piezoelectric actuator” hoạt động theo hiệu ứng nghịch ở phía sơ cấp và các phần tử “piezoelectric transducer” 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 cĩ 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 véc tơ 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 vuơng gĩc 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 thơng 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 cĩ 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 vuơng gĩc 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 cĩ 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 cĩ hiệu ứng áp điện thuận, 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 cịn 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 hướng kính được cơng ty FACE Electronics của Mỹ chế tạo từ năm 1998. Loại biến áp này cũng được chế tạo từ hai phần tử áp điện hoạt động theo kiểu dao động ngang. Khi đặt vào hai điện cực của phía sơ cấp một điện áp Vin, phần tử áp điện phía 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 vuơng gĩc 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 cĩ dạng hình chữ nhật nhưng vì nếu thế thì các dao động cơ giữa các điểm khơng đều do khoảng cách tới tâm khơng bằng nhau dẫn đến những sĩng bậc cao nhiều hơn cho điện áp ra. Biến áp áp điện với dạng trịn (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 cơng 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 Để khảo sát được các đặc tính hoạt động của biến áp áp điện, ta cần cĩ mơ hình lí thuyết của nĩ để thực hiện mơ phỏng. Do khĩ cĩ thể xây dựng mơ hình dựa trên lí thuyết về hiện tượng áp điện, vì các mối quan hệ bên trong của vật liệu hết sức phức tạp, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Đặc biệt là quá trình chuyển hĩa năng lượng điện – cơ. Theo [1], biến áp áp điện trên thực tế cĩ thể hoạt động ở 3 tần số cộng hưởng. Do vậy, ta đơn giản hĩa bằng cách mơ hình hĩa mỗi tần số cộng hưởng đĩ bằng 1 mạch điện cĩ điểm cộng hưởng tại tần số đĩ. Ta sử dụng hình 2-1 là sơ đồ thay thế tương đương ứng với 3 tần số cộng hưởng này. Tuy vậy, để đơn giản hĩa 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 nĩ 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 đĩ, đầu ra của biến áp áp điện được tách thành hai nguồn phụ thuộc: nguồn áp và nguồn dịng , 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. Mơ hình được xây dựng dựa trên mối liên hệ giữa các đại lượng cơ học và điện học được trình bày ở bảng sau: Bảng 21. Liên hệ các đại lượng cơ với điện học Đại lượng cơ học 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 Dịng điện i Biến đổi cơ học Biến đổi điện 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 thơng số quan trọng của biến áp nĩi chung và biến áp áp điện nĩi riêng là hệ số biến áp. Với biến áp điện từ truyền thống, tỷ số này quyết định bởi tỷ số giữa số vịng dây quấn phía thứ cấp và số vịng dây quấn phía sơ cấp. Nhưng đối với biến áp áp điện tỷ số biến áp lại khơng được tính một cách rõ ràng như vậy được. Là một thiết bị mang tính chất cộng hưởng, biến áp áp điện cĩ hệ số biến áp phụ thuộc vào tần số làm việc, tải của nĩ và rất nhiều yếu tố khác nữa mà sẽ xét ở sau. Để đơn chỉ xem hệ số biến áp phụ thuộc vào tần số làm việc và tải của nĩ. Để xác định hệ số biến áp của biến áp áp điện và để đơn giản hơn trong việc tính tốn, mơ 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 cĩ 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 thơng số được tính qui đổi như sau: ( 21) ( 22) ( 23) Đơn giản hĩa 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 đĩ: ( 24) ( 25) Trong đĩ, 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 cĩ thể tính được tần số cộng hưởng của biến áp áp điện: ( 26) và nằm trong dải: ( 27) Trong đĩ: 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 thơng 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 cĩ 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 cĩ 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. Cơng suất đầu ra Từ hình 2-3 và hình 2-4 và phương trình (2-5) cơng suất đầu ra của biến áp áp điện được tính từ cơng thức: ( 216) Cơng thức (2-16) chỉ ra sự phụ thuộc của cơng 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 các phần sau. Theo [2], tại một tần số hoạt động nhất định cơng 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, cơng suất đầu ra hay cơng 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’ cĩ dạng lồi như hình 2-7. Do vậy, ứng với mỗi giá trị sẽ cĩ 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 cơng thức: ( 218) Cơng 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. Mơ phỏng đặc tính làm việc Phần trên ta đã xây dựng được các phương trình thể hiện sự làm việc của biến áp áp điện dựa trên mơ hình tương đương mà ta đưa ra. Tuy nhiên, để hiểu rõ hơn đặc tính làm việc của biến áp áp điện và kiểm chứng tính đúng đắn của mơ hình, ta sẽ viết chương trình mơ phỏng trên nền Matlab để khảo sát và kiểm chứng. Sử dụng ưu điểm tính tốn mạnh của phần mềm này, trên cơ sở các sơ đồ tương đương và phương trình tính tốn, cĩ thể thấy rõ đặc điểm hoạt động của biến áp ở những tần số khác nhau, ứng với các tải trở khác nhau. Các thơng số biến áp dùng cho mơ phỏng lấy từ tài liệu [1]: Bảng 22. Thơng số biến áp áp điện. Thơng số Cin (nF) Lr (mH) Cr (nF) Rm (Ω) n Co (pF) Giá trị 105 0,66 3,925 1,33 32 20 Chương trình trên MATLAB được trình bày ở phụ lục [1]. Hình 28. Hệ số biến áp. Hình 29. Cơng suất đầu ra. Hình 210. Hiệu suất biến áp. Nhận xét kết quả mơ phỏng : Hệ số biến áp thay đổi theo tần số hoạt động và giá trị tải Ứng với mỗi tải đều cĩ một giá trị tần số mà tại đĩ hệ số biến áp là cực đại - tần số cộng hưởng của biến áp. Giá trị này cũng thay đổi khi tải thay đổi Cơng suất đầu ra biến áp thay đổi theo tần số hoạt động và giá trị tải Tại tần số cộng hưởng của biến cơng suất đầu ra biến áp là cực đại Hiệu suất làm việc của biến áp khi làm việc với tải của là rất cao, đặc biệt là ở giá trị tải tối ưu. NGUYÊN LÍ ĐIỀU KHIỂN BIẾN ÁP ÁP ĐIỆN Các mơ hình điều khiển biến áp áp điện Giới thiệu chung Bộ biến đổi cơng suất là 1 phần của hệ thống điện tử cơng suất nhằm biến đổi tín hiệu điều khiển vào nĩ thành tín hiệu mong muốn để chuyển tải cơng suất. 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 đĩ là tạo ra các mạch biến đổi điện áp DC/AC với đầu ra cĩ 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 ). Cĩ nhiều mơ hình điều khiển thiết kế khác nhau để tạo ra các mạch biến đổi điện áp trên. Vì máy biến áp áp điện nĩi chung được sử dụng nhằm tạo ra các thiết bị ở dải cơng suất thấp, giá thành rẻ, hiệu suất cao nên các mạch biến đổi phải cĩ cấu trúc đơn giản, sử dụng tối thiểu các phần tử thụ động và van chuyển mạch. Thực tế cĩ 2 mơ 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 mơ hình điều khiển này sẽ được trình bày chi tiết dưới đây Sơ đồ điều khiển lớp D Đây là 1 sơ đồ điều khiển cĩ cấu trúc rất đơn giản chỉ sử dụng hai van cơng suất S1, S2 (thường sử dụng MOSFET) với đầu vào là nguồn điện áp một chiều. Hai van này thay phiên nhau đĩng mở, khi van này mở thì van kia đĩng và ngược lại. Kết quả là điện áp đầu ra cĩ dạng xung vuơng với tần số là tần số đĩng 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 sau. 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 dưới đây: 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 khĩa S1, S2. Vin , iin là điện áp đầu vào và dịng điện đầu vào, i(t) là dịng điện cộng hưởng (dịng 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 khĩa S1 và S2 đều khơng cĩ xung áp vào cực G) Từ t2 đến t3: thời gian ON của khĩa S1 Từ t3 đến t4: thời gian phĩng của tụ Cin Từ t0 đến t5: thời gian chết Dịng điện cộng hưởng i(t) được biểu diễn bởi cơng thức 3.1 dưới đây: ( 31) Với và là biên độ và pha ban đầu của dịng điện cộng hưởng i(t). Sau khi khĩa S2 chuyển sang trạng thái OFF tại thời điểm t0 thì dịng điện này khơng 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 dịng 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 đĩ diode mắc song song ngược với S1 (khơng thể hiện trên hình vẽ) sẽ dẫn và đưa điện áp trên S1 về 0. Diode song song ngược này dẫn dịng 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 đĩ tại t3 thì chuyển về trạng thái OFF. Trong khoảng thời gian t3 đến t4 thì hai khĩa S1 và S2 đều ở trạng thái OFF vì thế cho nên tụ Cin phĩng điện và dịng phĩng lúc này cũng chính là dịng cộng hưởng i(t). Do vậy nên điện áp đầu vào Vin hay cũng chính là điện áp trên khĩa S2 giảm và do đĩ điện áp trên khĩa S1 tăng. Khi điện áp đầu vào Vin về 0 tại t4 thì diode song song ngược của S2 (khơng thể hiện trên hình vẽ) dẫn dịng. Quá trình phĩng/nạp của tụ Cin cứ lặp đi lặp lại nhằm đảm bảo điều kiện đĩng 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 đĩng cắt ZVS thì hai điều kiện sau đây phải thỏa mãn: Hình 34. Quan hệ giữa dịng điện cộng hưởng irL và điện áp 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 phĩng nạp bởi dịng điện cộng hưởng iLr được tính là: với dV là biến thiên điện áp trên tụ Cin và dt là thời gian phĩng 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 phĩng nạp hồn tồn. Điều kiện về thời gian chết giữa S1 và S2: để cĩ đủ thời gian cho cuộn cảm Lr nạp điện hay tụ Cin phĩng điện thì thời gian trễ td phải lớn hơn hay bằng thời gian phĩng hay nạp. Theo [5] thì thời gian td được chọn theo điều kiện: với T là chu kì hoạt động. Với sơ đồ điều khiển lớp D, cĩ hai cấu hình thường sử dụng: Sơ đồ khơng cĩ lọc đầu vào Sơ đồ cĩ lọc đầu vào Tác dụng của lọc đầu vào: Giảm thiểu sĩng hài bậc cao cho đầu vào biến áp áp điện Cải thiện hiệu suất và điều kiện làm việc cho tồn bộ biến đổi Mở rộng dải làm việc đảm bảo ZVS khi tải biến thiên Giảm tổn hao do nhiễu điện từ EMI Dựa vào những phân tích trên, hoạt động của biến áp áp điện cấp nguồn bởi bộ biến đổi lớp D sử dụng cấu hình khơng cĩ lọc đầu vào được mơ 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%. Thơng số biến áp được cho trong bảng 3-1 [1]: Bảng 31. Thơng số biến áp áp điện. Thơng số Cin Lr Cr Rm n Co Giá trị 50 (nF) 0,41 (mH) 6,7 (nF) 0,22 (Ω) 107 20 (pF) Giá trị tải: Theo (3-1), (3-2): Dải tần số cộng hưởng : Tiến hành mơ phỏng trên Matlab/Simulink ứng với hai trường hợp của tần số: Ngồi dải tần số cộng hưởng Trong dải tần cộng hưởng Sơ đồ mơ phỏng: Hình 35. Sơ đồ mơ phỏng sơ đồ điều khiển lớp D. Hình 36. Tần số 95kHz (ngồi dải cộng hưởng). Trong đĩ: 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 dịng chạy vào biến áp (dịng cộng hưởng). Hình 37. Tần số 97kHz (trong dải cộng hưởng). Nhận xét: Khi hoạt động ở ngồi dải tần cộng hưởng, các van S1, S2 được mở khi điện áp trên van chưa về 0 (khơng đảm bảo ZVS). Theo [3], hệ quả này dẫn đến tổn hao trên van và tổn hao trên biến áp lớn, nhiệt độ tăng, 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 điều kiện 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 đầu vào (hình 3-8) Hình 38. Sự thay đổi nhiệt độ biến áp theo điện áp vào và thời gian hoạt động [1]. 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 cơng 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 cĩ 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 cĩ giá trị lớn để hạn chế dịng đỉnh đầu vào và đảm bảo dịng cộng hưởng chạy qua mạch cộng hưởng (hay biến áp áp điện) là hình sin. Khi khĩa S chuyển sang trạng thái OFF, điện áp trên Cin phĩng 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 dịng điện chạy qua. Nếu van S được mở vào giai đoạn này thì tổn hao trên van sẽ khơng đáng kể (điều kiện ZVS). Quá trình được mơ tả trên hình 3-10. Theo hình 3-9, hiệu suất lớn nhất của biến áp áp điện đạt được khi độ lệch pha giữa điện áp đầu vào Uin và dịng chạy qua nhánh RLC bằng 0. Nĩi cách khác, điểm hoạt động cộng hưởng hoạt động của bộ biến đổi lớp E này phụ thuộc vào sự thay đổi của tải. Hoạt động của bộ biến đổi lớp E được mơ phỏng bằng sơ đồ hình 3-11. Độ rộng xung vào cực G của van S là 50%. Điện áp vào cấp ._.