Đề tài Xây dựng mô hình bộ chấn lưu điện tử sóng chữ nhật tần số thấp điều khiển số với mạch điều khiển cộng hưởng và vòng công suất

và âm -Đặc trưng V_A Nếu dòng của đèn thay đổi một lượng ∆I thì đèn có thể phản ứng theo 2 cách như trình bày trên hình 1.8. Trong trường hợp dòng thay đổi chậm (trong khoảng vài phút) và với ∆I không lớn thì thế hiệu đèn cũng chỉ thay đổi một chút. Trong trường hợp này đèn làm việc như một diode ổn áp Zener không lí tưởng.Nếu dòng thay đổi nhanh (<1s) thì thế của đèn lại giảm trong khi dòng tăng và ngược lại. Vì vậy nếu đèn được nối thẳng với nguồn điện lưới thì sẽ tăng trạng thái làm việc bất ổn định. Mỗi một thay đổi của dòng sẽ làm dập tắt hoặc tăng vọt dòng tiếp theo sẽ làm hỏng đèn.Hiển nhiên chấn lưu sẽ phải hoạt động như một nguồn dòng cho phép giữ ổn định thế hiệu rơi trên nó -Cộng hưởng âm thanh Khi đèn HID làm việc tại tần số làm việc cao (f>4kHz) có thể xuất hiện sóng đứng (kết quả của cộng hưởng sóng âm) trong ống phóng điện. Điều này có thể gây nhiễu loạn cho quá trình phóng điện làm giảm tuổi thọ của đèn và đôi khi làm vỡ ống phóng điện. Có thể kết luận rằng hiệu ứng này chính là nguyên nhân hạn chế việc sử dụng chấn lưu điện tử có tần số làm việc cao(<60kHz) để khởi động và duy trì của đèn HID 26 -Hiện tượng chuyển điện Hiện tượng này có thể xảy ra khi đèn làm việc với nguồn điện một chiều. Trong trường hợp này xảy ra hiệu ứng phân ly: các nguyên tử Natri tụ lại về 2 phía điện cực đến mức mà đèn không thể phát sáng được nữa.Chính vì vậy phải dùng dòng xoay chiều để thay đổi tính âm dương của hai điện cực.Khuyến cáo nên triệt tiêu thành phần một chiều. Tất nhiên có những loại đèn HID được thiết kế đặc biệt làm việc với dòng điện một chiều nhưng đó là trạng thái làm việc đó hoàn toàn khác b)Chấn lưu cho đèn huỳnh quang Đèn huỳnh quang mang đặc tính âm, do đó các chấn lưu phối hợp với đèn phải mang đặc tính dương mới có thể phối hợp được với đèn, ngoài ra do đèn huỳnh quang sử dụng katot là katot nhiệt điện tử nên có một số yêu cầu sau đối với loại chấn lưu: - Đảm bảo tạo ra một điện áp đủ lớn để mỗi đèn sáng (mỗi đèn khác nhau có điện thế mồi khác nhau) - Duy trì dòng làm việc ổn định cho đèn (mỗi đèn khác nhau có dòng khác nhau) - Đảm bảo nhiệt độ katot để katot phát xạ tối ưu - Khi đèn cuối tuổi thọ hoặc gặp sự cố sẽ ảnh hưởng đén trạng thái làm việc của chấn lưu vì vậy chấn lưu phải đảm bảo an toàn cho các trường hợp trên 1.4.2.Phân loại theo công suất đầu ra a)Chấn lưu có công suất đầu ra cố định Chấn lưu điện tử có công suất đẩu ra cố định là loại chỉ có một mức trở kháng, đây là loại thông dụng nhất thường là cuộn cảm có giá trị không đổi được, chấn lưu làm việc ở một dải tần số cố định 27 b)Chấn lưu có công suất đầu ra có thể thay đổi được Chấn lưu có công suất đầu ra có thể thay đổi được là loại chấn lưu có nhiều mức trở kháng. Loại này thường được chia ra làm nhiều loại: - Loại có mức trở kháng khác nhau cố định, khi muốn thay đổi mức công suất thực hiện việc đấu nối các trở kháng khác nhau bằng tay (thông thường loại này có cuộn cảm có nhiều mức giá trị đầu ra khác nhau) - Loại có thể điều chỉnh được các mức công suất ở mức độ điều chỉnh chơn.Loại này sử dụng việc thay đổi tần số làm việc của mạch để thay đổi trở kháng đầu ra của mạch (thông thường mạch phải sử dụng IC chuyên dụng) 1.5. CHẤN LƢU ĐIỆN TỬ 1.5.1.Nguyên lí làm việc chấn lƣu điện tử Từ khi đèn huỳnh quang xuất hiện từ năm 1938 đến năm 1970 , đèn huỳnh quang được sử dụng trực tiếp từ công suất ngõ vào 50/60 Hz qua một cuộn cảm mắc nối tiếp hay sự kết hợp biến áp cuộn cảm . Phần tử cuộn cảm này được gọi là chấn lưu (Ballat) . Tuy nhiên , nó cũng chưa bắt đầu nảy sinh những vấn đề đáng quan tâm - đầu tiên vì theo bản chất của đèn , nó tự tắt ở tốc độ 100 Hz ở dạng sóng 50 Hz đi qua mỗi điểm không và sinh ra sự nhấp nháy đáng chú ý và giảm cường độ sáng trung bình - thứ hai, sự sắp xếp lớp sắt của cuộn cảm /biến áp có xu hướng rung và gây ra tiếng kêu vo ve nghe được mà yêu cầu được đúc trong hắc ín để khử nhiễu đúc dắt làm tăng tổn hao Các khuyết điểm này dẫn đến việc nghiên cứu sử dụng dòng xoay chiều có tần số cao hơn để cấp công suất cho bóng đèn . Các ưu điểm là tăng hiệu suất đèn và có khả năng thay balats 50/60 Hz lớn và ồn bằng balats nhỏ hơn . Các 28 nghiên cứu cho thấy hiệu suất đèn tăng khi tần số tăng , đạt đến đỉnh khoảng 14% ở 20KHz và duy trì không đổi, ở tần số 50/60 Hz không có điện áp trên đèn lúc dòng sin đi qua điểm không . Điều này làm thấp hơn ngõ ra ánh sáng trung bình của đèn và làm cho nó khởi động lại rất khó khăn, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp . Khi điều khiển tần số trên 20KHz nguyên tử ion hóa không đủ thời gian để liên kết lại lúc đi qua điểm không, đèn không thể tự tắt và duy trì ngõ ra sáng. Giống như chấn lưu sắt từ, chấn lưu điện tử cung cấp thế hiệu cần thiết để khởi động đèn sau khi đèn đã khởi động . Tuy nhiên chấn lưu điện tử làm việc tại tần số cao khoảng 20kHz hoặc hơn, lớn hơn rất nhiều so với tần số 60Hz của chấn lưu sắt từ và chấn lưu lai. Đèn làm việc tại tần số cao sẽ phát cùng một thông lượng ánh sáng trong khi công suất tiêu thụ giảm được từ 12 đến 25W Hình 1.10: Sơ đồ khối của chấn lưu điện tử Bản chất của chấn lưu điện tử là đưa tần số làm việc của đèn lên cao 20KHz và thông qua thiết kế của bộ nghịch lưu điện áp cộng hưởng lên 2 đầu đèn lúc khởi động tạo ra 1 điện áp đủ cao để ion hóa khối khí trong đèn giúp đèn khởi động được . Có rất nhiều thiết kế mạch để giải quyết được yêu cầu này nhưng hiện tại chủ yếu thông dụng nhất vẫn là mạch nghịch lưu theo kiểu bán cầu phản hồi điện áp do tính chất đơn giản trong thiết kế và hoạt động ổn định 1.5.2.Ƣu điểm của chấn lƣu điện tử Chấn lưu điện tử có những ưu điểm như sau: - Tiêu thụ công suất ít hơn - Làm việc không ồn 220V 50/60 Hz Chỉnh lưu Công suất đèn Lọc Nghịch lưu DC/AC trên 20KHz 29 - Làm việc ít nóng hơn - Hệ số công suất cao - Trọng lượng nhẹ hơn - Làm tuổi thọ của đèn lớn hơn - Có khả năng điều khiển sáng tối của đèn (dùng cho loại chấn lưu chuyên dụng) 1.5.3.Phân loại chấn lƣu điện tử Thông thường có 3 loại chấn lưu điện tử -Chấn lưu điện tử tiêu chuẩn cho đèn T12 (430mA) Những chấn lưu này được thiết kế để sử dụng với các đèn huỳnh quang truyền thống (T12 hoặc T10). Một số chấn lưu thiết kế cho đèn dài 1,2m có thể dùng cho 4 đèn 1 lúc.Mạch song song này cho phép hệ thống vẫn sáng nếu có đèn nào đó hỏng .Chấn lưu cũng có thể dùng cho đèn dài 2,4m tiêu chuẩn và đèn T12 thông lượng cao -Chấn lưu điện tử cho đèn T8 (265 mA) Loại chấn lưu này được thiết kế đặc biệt cho đèn T8 (đường kính 1-inch), chúng là loại có hiệu suất cao nhất cho mọi hệ thống chiếu sáng dùng đèn huỳnh quang.Một số trong chúng được thiết kế để khởi động đèn kiểu khởi động nhanh tiêu chuẩn, số còn lại có kiểu khởi động tức thời. Loại khởi động tức thời làm tuổi thọ của đèn giảm 25% ( cho thử nghiệm đèn sáng 3 tiếng mỗi lần bật) nhưng nó tăng hiệu suất và thông lượng ra đôi chút -Chấn lưu điều khiển sáng tối Chấn lưu loại này điều khiển được thông lượng ánh sáng phát ra dùng điều khiển vặn tay hoặc dùng bộ điều khiển nhậy ánh sáng ban ngày hoặc tới mật độ dân cư trong khu vực chiếu sáng. 30 Không giống như đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang không thể làm mờ dùng những thiết bị đơn giản gắn trên tường . Để làm mờ đèn huỳnh quang trong một khoảng rộng mà không làm giảm tuổi thọ, thế hiệu dùng để đốt nóng điện cực phải được duy trì trong khi phóng điện thì giảm.Vì thế những đèn khởi động nhanh là những đèn có thể điều khiển được sáng tối. Do phải phí tổn công suất để giữ thế hiệu rơi trên hai cực điện nên loại chấn lưu điều khiển sáng tối sẽ kém hiệu suất hơn khi điều khiển ở trạng thái mờ. Chấn lưu điều khiển sáng tối có thể là sắt từ hoặc là điện tử, nhưng tốt hơn nhiều nên dùng loại điện tử. Để điều khiển đèn mờ đi, chấn lưu sắt từ phải dùng bộ điều khiển chứa thiết bị đóng mở công suất cao đắt tiền quy định công suất lối vào chấn lưu. Điều này chỉ kinh tế nếu điều khiển một số lượng lớn chấn lưu trong cùng một mạch. Việc làm mờ đèn dùng chấn lưu điện tử được thực hiện ngay trong chấn lưu. Chấn lưu điện tử thay đổi công suất lối ra cấp chi đèn dùng tín hiệu điều khiển thế thấp cho mạch điều khiển. Thiết bị đóng mở công suất cao sẽ không cần đến nữa. Điều này cho phép điều khiển một hoặc nhiều chấn lưu mà không phụ thuộc vào hệ thống phân phối điện. Với hệ thống chấn lưu điện tử điều khiển sáng tối, mạng tín hiệu điều khiển thấp volts có thể được sử dụng chung để nhóm các chấn lưu lại cùng nhau thành một vùng điều khiển có kích thước tùy ý. Mạng điều khiển này có thể lắp đặt thêm khi cải tạo lại nhà hoặc khi lắp đặt hệ thống chiếu sáng mới.Dây dẫn tín hiệu điều khiển thế thấp không cần thiết phải đi chung trong ống dẫn làm cho giá thành lắp đặt thiết bị điều khiển sáng tối giảm xuống. Thêm vào đó cũng không tốn kém mấy khi thay đổi kích thước và mở rộng vùng chiếu sáng bằng việc kết cấu lại đường dây dẫn tín hiệu điều khiển. Đường dây tín hiệu điều khiển này tích hợp với cảm biến nhậy quang, cảm biến chiếm chỗ và lối vào của hệ thống quản lý năng lượng (EMS) 31 Khoảng điều khiển sáng tối thay đổi tùy từng chấn lưu.Phần lớn chấn lưu điện tử điều khiển mức sáng khoảng 10 – 100% thông lượng ánh sáng phát ra. Cũng có loại cho phép làm mờ đến 1%. Chấn lưu sắt từ loại điều khiến sáng tối cũng có thể điều khiển trong khoảng rộng. 1.5.4.Các cơ sở của công nghệ sản xuất chấn lƣu điện tử Công nghệ sản xuất chấn lưu điện tử về cơ bản chính là công nghệ sản xuất và lắp ráp điện tử.Tuy nhiên mức độ phức tạp trong nghành sản xuất chấn lưu điện tử chính là việc đảm bảo đồng đều cho chất lượng sản xuất hàng rất lớn (hàng triệu sản phẩm trong một tháng ).Do vậy các quy trình kiểm tra đánh giá từ khi thiết kế đến lúc sản xuất có một số đặc điểm khác so với quy trình khác.Các cơ sở công nghệ của sản xuất chấn lưu điện tử: - Công nghệ đèn phóng điện (phải hiểu được hoạt động của đèn thì mới có thể thiết kế được chấn lưu). - Công nghệ linh kiện điện tử. - Cơ sở lí thuyết về vật liệu cao tần. - Cơ sở lí thuyết về nguồn công suất chuyển mạch. - Cơ sở lí thuyết về độ tin cậy của các thành phần và hệ thống điện tử. - Công nghệ sản xuất và lắp ráp mạch điện tử. 1.5.5.Ứng dụng của chấn lƣu điện tử. Ứng dụng của chấn lưu điện tử là vô cùng phong phú như : cho tần số ngõ ra cao,nâng cao hiệu suất,giảm tổn hao v.v..vì nó luôn tồn tại song song với việc phát triển của các loại đèn phóng điện hơn nữa do ứng dụng được các thành tựu trong việc phát triển các IC và Mp do đó đã khiến phát triển một thế hệ chấn lưu khá thông minh cho phép được thực hiện nhiều chế độ làm việc khác và tiết kiệm điện.Một trong những điểm quan trọng mà chấn lưu điện tử phát triển được chính là do ưu thế về mặt tiết kiệm năng lượng của nó. 32 CHƢƠNG 2. TÌM HIỂU CHẤN LƢU ĐIỆN TỬ SÓNG CHỮ NHẬT TẦN SỐ THẤP (LFSW) ĐIỀU KHIỂN SỐ VỚI MẠCH ĐIỀU KHIỂN CỘNG HƢỞNG VÀ VÒNG CÔNG SUẤT 2.1.ĐẶT VẤN ĐỀ Ngành công nghiệp chiếu sáng đang tìm kiếm những giải pháp mới để tránh sự kích thích của âm thanh cộng hưởng trong các đèn phóng điện, đặc biệt là trong các đèn kim loại hadile (MHLs). Loại đèn đã trở nên rất phổ biến như là một nguồn ánh sáng thực tế cho các ứng dụng chung và riêng do hiệu quả cao của nó (tính bằng lumen / W) và sự phù hợp của nó đối với đèn compact với đặc tính màu sắc tốt .Tần số mà tại đó xuất hiện cộng hưởng âm thanh phụ thuộc vào kích thước của ống áp suất khí và thành phần. Các yếu tố đó tạo nên khí kèm theo trong ống xác định màu sắc của đèn, theo cách này, một phổ hoàn chỉnh hơn của ánh sáng cung cấp theo yêu cầu, một thành phần phức tạp của khí đèn, khí đó sẽ làm xuất hiện nhiều chế độ cộng hưởng. Chấn lưu điện tử sóng chữ nhật là một bộ biến đổi cộng hưởng và về mặt lý thuyết,đây là một giải pháp để ngăn chặn sự cộng hưởng âm thanh vì nó không cấp cho đèn thành phần công suất xoay chiều. Bộ chấn lưu chuẩn cho sóng vuông phóng điện với mật độ cao (HID) trên 100W đòi hỏi ba tầng như biểu diện ở hình 2.1(a) và một mạch đánh lửa đèn bên ngoài. Ba tầng của bộ chấn lưu này gồm: 1) tầng hiệu chỉnh hệ số công suất(PFC - Power Factor control). 2) tầng điều khiển dòng DC/DC. 3) tầng cầu biến tần. 33 4) mạch đánh lửa. Ở đây sẽ đề cấp tới việc điều khiển số của chấn lưu điện tử sóng vuông, còn tầng 2, 3 và mạch đánh lửa được tích hợp trong một tầng duy nhất, biểu diễn trong hình 2.1(b) Hình 2.1:a) Chấn lưu tiêu chuẩn LFSW:(1) tầng PFC;(2) tầng điều khiển dòng dc/dc;(3) tầng cầu biến tần;(4) mạch đánh lửa đèn.b) Chấn lưu LFSW đề xuất: (1) tầng PFC;(2) tầng cầu biến tần Chấn lưu điện tử cũng phải đáp ứng các tiêu chuẩn IEC 61000-c 3-2 lớp tập trung vào các thiết bị chiếu sáng điện tử [5] . Đối với đèn năng lượng cao, 34 một bộ băm xung dòng một chiều song song PFC thường được sử dụng để đáp ứng các tiêu chuẩn tiện ích và để loại bỏ nhiễu với một mức độ nhất định. Tuy nhiên, điện áp của bộ băm xung song song đặt cao hơn xung điện áp lưới đầu vào(thường lớn hơn 400V). Trong một số ứng dụng đòi hỏi đầu ra cấp điện áp trung gian, cần một bộ biến đổi với một tỷ lệ tăng giảm thích hợp. Trong trường hợp này, hệ thống chấn lưu chứa một bộ biến đổi cảm kháng sơ cấp được cấu trúc như một bộ điều chỉnh hệ số công suất cao sơ bộ không cách li ở chế độ dẫn điện liên tục (CCM). Lúc này không cần một cảm biến ngoài để đạt được chế độ điều khiển công suất vì rằng việc đo điện áp ra cần thiết cho hoạt động của PFC Một SEPIC(Single ended primary inductance converter) làm việc như một tầng điều khiển công suất(PFC) là một lời giải tốt vì rằng nó là một tập hợp các tính chất tốt nhất của bộ băm xung song song và nối tiếp. Cấu trúc này thường xuyên sử dụng như bộ điều chỉnh sơ bộ hệ số công suất. Dòng điện gợn sóng có thể được điều khiển từ đầu vào, đã làm giảm đáng kể tiếng ồn đầu vào khi đòi hỏi phải lọc. Hơn nữa, tầng kế tiếp sử dụng cùng một đại lượng so sánh như ở SEPIC. Hệ thống ổn định trong thời gian ngắn tức là tác động chấn lưu, và kiểm so , bao gồm cả khả năng làm mờ đèn (D: giá trị trạng thái chậm g . Vòng Rvd và Rvi g mẫu (Hình 2.2) 35 2.2.CHẤN LƢU ĐIỆN TỬ LFSW(LOW FREQUENCY SQUARE WAVE) Trên hình 2.2 là sơ đồ một bộ chấn lưu điện tử sóng vuông tần số thấp. Hệ thống gồm t đầu tiên đó là tầng PFC hoạt động ở chế độ điện áp điện áp một chiều Vg ổi FB(Full-Bridge) khi đèn và trong thời gian khởi động và làm nóng đèn, cho đến khi đạt được công suất cần thiết. Sau đó, PFC hoạt động ở chế độ công suất, công suất không đổi Pg cho FB , trong chế độ này, nó được điều khiển Req PFC. Hình 2.2:Sơ đồ khối chấn lưu LFSW Để điều khiển hoạt động của tầng PFC người ta sử dụng một . Bộ này chọn chế độ hoạt động bộ biến đổi cầu ban đầu nó cộng (Hình 2.3). , cuộn cảm L và tụ điện đánh lửa đèn, nơi mà mạch điều khiển xác định một 36 hưởng song song. Quá trình đánh lửa liên tục theo, cực . Tần số này được gọi là tần số đóng cắt fisw , ở chế độ này có giá trị lớn hơn tần số cộng hưởng của các bộ lọc LC như ở hình 2.2. Khi đèn tắt fisw đảm bảo đạt fo và điện áp được khuyếch đại đủ lớn để sinh ra sự phóng điện. Một lợi ích khi quét tần số để đánh lửa là các tụ điện tương hỗ sinh ra dòng điện qua khí của đèn và làm giảm quá điện áp cần thiết để đạt được sự đánh lửa [8], [9]. Một phần làm nóng đèn cũng được thực hiện bằng cách sử dụng tần số cao của chế độ biến tần. Trong thời gian đánh lửa và đốt nóng ban đầu, chu kỳ điều khiển bị vô hiệu hóa, và bộ biến đổi hoạt động như một biến tần cộng hưởng truyền thống FB. Hình2.3: Dòng vào ig và hướng của dòng kháng liên tục trong DT và gián đoạn trong (1-D)T. a)Băm xung dương;b)Băm xung âm 37 Sau một thời gian làm nóng, mạch điều khiển bước vào ở chế độ sóng chữ nhật tần số thấp (LFSW), ở đó cầu của bộ biến đổi được điều khiển thay đổi như bộ băm xung nối tiếp tạo cực dương và cực âm. Tần số bộ biến đổi fisw ở chế độ này không đổi và có giá trị nhỏ. Các dao động sóng chữ nhật đạt 50% của chu kỳ tần số thấp Ti = 1/fisw để thay đổi từ chế độ dương cực sang âm cực và trở về không. Tuy nhiên tần số đóng cắt của bộ băm xung nối tiếp FSW = 1 / T >> fo cũng không đổi. Tín hiệu điều khiển của các transito cầu chỉnh lưu (FB) cho chế độ hoạt động băm xung nối tiếp biểu diễn trên hình 2.4. Trong chế độ LFSW, chu kỳ làm việc d = ton / T được điều chỉnh để điều khiển dòng cảm khắng i và ổn định dòng đèn trong thời gian ngắn. Hình 2.4: Tín hiệu điều khiển transistor và mosfet của FB cho tạo băm xung cực dương bên trái và băm xung cực âm bên phải Trong chế độ hoạt động LFSW, cuộn cảm L và tụ điện C xác định bộ lọc thấp của bộ biến đổi để hạn chế các thành phần xoay chiều của cộng suất đèn Paclamp nhỏ tới mức cần thiết để nó không kích thích cộng hưởng âm thanh. Hạn chế này dựa trên các nghiên cứu trong [1] và [10] và được thực hiện cho thiết kế đề xuất trong [6]. Thiết kế trình bày ở [6] đã đề xuất một giá trị công suất cần thiết để ngăn sự kích thích cộng hưởng âm thanh cho bất kỳ điều kiện nào, đó là 38 giá trị: Paclamp / Plamp <5%. Chế độ điều khiển dòng đạt được bằng điều chỉnh dòng cảm i, đó là dòng ra PFC ig trong khoảng dT, được nhận biết bằng Rg, Trên hình 2.5 biểu diễn dòng ra của tầng PFC. Dạng dòng điện ổn định là đặc tính nằm trên, còn dòng dòng điện chạy qua cuộn cảm nằm ở dưới . Hình 2.5a là đặc tính ra của bộ băm xung cực dương còn hình 2.5b là đặc tính ra của bộ băm xung cực âm. Dòng điện cảm i chạy trong mạch như chỉ ra ở hình 2.3, dòng này liên tục trong dT và gián đoạn trong (1_d) T. Ngoài ra, hình 2.3 còn chỉ ra chế độ hoạt động của bộ băm xung nối tiếp. Ở trên là băm xung nối tiếp dương (dòng dương đèn), và dưới là băm xung nối tiếp cực âm (dòng âm đèn). Điều khiển công suất đạt được bằng điều chỉnh tích giá trị trung bình dòng ra PFC {ig} và điện áp Vg . Hình 2.5: Dòng ra của tầng PFC. Dạng dòng điện ổn định(trên), và dòng điện qua cuộn cảm(dưới) cho a)Cho bộ ngắt dương, b) Cho bộ ngắt âm Để đơn giản hóa việc thiết kế vòng lặp mà không ảnh hưởng đến điều kiện đo điện, ở đây đề xuất tạo vòng hở chuyển tiếp từ dòng dương sang dòng âm thông qua đèn và ngược lại. Nếu chu kỳ điều khiển không thay đổi trong quá trình chuyển tiếp từ cực dương đến cực âm và ngược lại của điện áp đầu ra, thì các đáp ứng chuyển tiếp phụ thuộc vào các yếu tố chất lượng của các bộ lọc 39 được tải bằng bóng đèn. Mạch điều khiển phát hiện điểm cuối của quá trình chuyển đổi để chiếm lại quyền điều khiển dòng điện bóng đèn. 2.3.TẦNG PFC : BỘ BIẾN ĐỔI SEPIC Điều chỉnh PFC ở chế độ công suất được thực hiện bằng điều khiển đối với hàm truyền dòng vào nhận được từ mô hình SEPIC trung bình GiL1d khi mẫu thử H1 không đổi, và bộ điều chỉnh dòng vào Gpfc . Hình 2.6:Hệ thống điều chỉnh biên độ dòng vào iL1 khi PFC hoạt động Hình 2.6 trình bày sơ đồ khối vòng điều khiển dòng PFC mà giá trị so sánh của nó nhận được từ điện áp đầu vào vni và vcontrol là điện áp được tạo ra bởi vòng lặp ngoài đựơc xác định bằng biểu thức: eiL1 = iL1ref - iL1 . H1 (2.1) Bộ điều chỉnh được tính toán băng cách xác định một tần số cắt có giá trị cỡ kilohertz và góc pha trên 450, khi có xem xét đến khả năng điểm hoạt động thay đổi. Sau khi nhận được mô hình tín hiệu nhỏ của SEPIC, ta sử dụng công cụ thiết kế SISO của MATLAB cho mục đích này. Trên hình 2.7 biểu diễn sơ đồ nguyên lý bộ SEPIC kết hợp điện cảm 40 Hình 2.7: Sơ đò nguyên lý bộ SEPIC cảm ứng. Từ hình 2.7 ta thấy rằng hàm truyền của bộ SEPIC của hỗ cảm làm việc như tầng PFC GiL1d (xem hình 2.6) được xác định khi khởi động với các phương trình trạng thái trung bình khi áp dụng phương pháp mô hình dòng xoay chiều trình bày trong [12] có các phương trình như sau: = [A] + [B] [] , [] = [C] + [E] [] (2.2) trong đó các thông số A, B, C và E được biểu diễn như sau: A= 41 B = (2.3) C = E = trong đó Lm1 là độ tự cảm cuộn sơ cấp, k là hệ số hỗ cảm, và ds là chu kỳ làm việc (Ds: giá trị trạng thái ổn định). Khi giả thiết rằng điện áp chính vin không thay đổi tại điểm làm việc, hàm truyền sẽ là: GiL1d = = G1L1d0 (2.4) trong đó GiL1d là hệ số khuyếsch đại tần số thấp GiL1d0 = (2.5) và là nghiệm tử số = (2.6) = (2.7) 42 và DGiL1d , DGiL1d2 là nghiệm mẫu số biểu diễn theo công thức 2.8 và 2.9 = + s 2 Leq (2.8) + s 2 (2.9) còn Leq xác định như : Leq = Lm1 (2.10) Các ký hiệu Cc, Cg, và Reg tương ứng là tụ điện trung gian, tụ điện đầu ra, và tải đầu ra, như thấy trong hình 2.7. Độ khuếch đại và pha theo biểu thức (2.4) theo thiết kế đề xuất biểu diễn trên hình 2.8. Kết quả ở hình 2.8 trùng với kết quả thu được từ việc phân tích tín hiệu nhỏ bằng PSpice được thực hiện cho SEPIC đã trung bình hóa mô hình mạch. Hệ số khuyếch đại ở tần số cộng hưởng được giảm đi khi tổn hao cảm kháng được ghép vào mô hình mạch. 43 Hình 2.8: Sơ đồ Bode của SEPIC điều khiển cho hàm truyền dòng vào, trong đó G1L1d(s) là đường không liên tục, còn G*1L1d là đường liên tục. Đường trên là hệ số khuyếch đại đo bằng deciben, đường dưới là pha Hai tần số zero NGiL1d 2 giống như các tần số cực kép DGiL1d2, những tần số này tạo khả năng để hệ thống làm việc với hàm truyền giảm. G * iL1d = = GiL1d0 (2.11) điều này được biểu diễn trên hình 2.8 với đường liên tục. Từ biểu thức (2.6) và (2.8) suy ra rằng, đối với trường hợp thiết kế các tần số bằng không và tần số xuất hiện cực kép ( tần số cộng hưởng ) có giá trị là 0.5 và 134 hz, tương ứng. Một bộ điều chỉnh hàm truyền Gpfc đáp ứng các đặc điểm kỹ thuật và có thể thực hiện các phép tích phân cần thiết để ổn định iL1 theo thiết kế đề xuất được xác định như sau: 44 Gpfc(s) = = 10 4 (2.12) trong đó các ký hiệu Cc, Cg, và Reg tương ứng là tụ điện trung gian, tụ điện đầu ra, và tải đầu ra, biểu diễn ở hình 2.9. Hình 2.9:Điều chỉnh Gpfc được thực hiện trong chế độ điều khiển PFC Tần số cắt của hệ thống này có giá trị 12,9 kHz và giá trị góc đạt 660. Hằng số cắt mẫu không đổi H1(s) = 0,25. Trên Hình 2.10 biểu diễn hệ số khuyếch đại đạt được của vòng và góc pha. Trong đó đường không liên tục liền biểu diễn các đặc tính Gpfc(s), GiL1d(s), H1(s) còn đường liên tục biểu diễn các đại lượng G * pfc(s), G * iL1d(s), H * 1(s). Góc pha đạt 66 0 tại tần số 12.9Hz. 45 Hình 2.10: Đặc tính Bode của Gpfc(s), GiL1d(s), H1(s) đường đứt đoạn, G * pfc(s), G * iL1d(s), H * 1(s) – đường liên tục.Pha đạt 66 0 tại tần số 12.9Hz. 2.4.NGUYÊN LÝ CỦA HOẠT ĐỘNG CHẾ ĐỘ DÕNG VÀ CHẾ ĐỘ CÔNG SUẤT CỦA LFSW Trong phần này, điều khiển ngắn hạn dòng đèn được áp dụng cho tầng biến tần và chế độ điều khiển dài hạn công suất được áp dụng cho tầng PFC (vòng lặp ngoài), kể cả khả năng làm mờ đèn được mô tả [14], [15]. Trên hình 2.11 biểu diễn sơ đồ khối bộ điều khiển số. Bộ điều khiển này gồm 2 vòng đó là vòng điều khiển công suất và vòng điều khiển dòng điện kháng. Luật điều khiển sử dụng ở đây theo nguyên tắc sau: khi đèn làm việc bình thường hệ thống sẽ tạo ra chu kỳ làm việc d của cầu chỉnh lưu FB đồng thời tạo ra dòng điện chuẩn(so sánh) ở lối vào của PFC iin . 46 Hình 2. 11: Sơ đồ khối điều khiển số vòng công suất và vòng dòng cảm kháng Ở chế độ LFSW, i = ig trong khoảng dT (về thời gian) và dòng cảm kháng có thể đạt được tại Rg cho vòng dòng điện (xem hình 2.2). Trên hình 2.12 là các tín hiệu điều khiển transitor. Các transitor được mở hoặc bằng tín hiệu vgs1 hoặc vgs2, ngoài ra trên hình vẽ còn biểu diễn dòng ig đầu vào, và mẫu thử của nó vsen = Rg.ig. Bô băm nối tiếp làm việc ở CCM và Δi nhỏ để sao cho một mẫu thử trong dT, R <ig * > ở hình 2.11, nhận được giá trị dòng cảm kháng trung bình với một sai số tương đối nhỏ. Giá trị này đại diện cho dòng đèn. Hình 2.12: Đặc tính dòng điện vào, dòng điều khiển trasitor. Năng lượng hấp thụ được thực hiện bằng nhận một mẫu của Vgsen, là Vg * như trong trình bày ở hình 2.11, và đem nhân mẫu này với mẫu của Rg, là Rg<ig * >, và được tính bởi : 47 Rg <ig * > = Rg<i * >d (2.13) Vì biến điều khiển công suất là công suất ra của PFC Pg và mẫu thử của nó là: Pg * = Vg * <ig * > (2.14) Hai biến điều khiển của PFC cộng với hệ thống biến đổi FB là những tín hiệu chỉ huy vòng ngoài PFC vòng đó sẽ điều chỉnh biên độ dòng điện đầu vào PFC tức là dòng lưới, và tín hiệu điều khiển của bộ chỉnh lưu FB cung cấp trong chu kỳ làm việc d , của chu kỳ đóng ngắt như trong hình 2.2 và 2.11. Để phù hợp với mô hình SEPIC đã phân tích tại mục 2.3, trong đó Req thì cần điều kiện để sao cho cho ổi FB giống một Req tương đương cho phần PFC. Bằng cách này, hệ thống điều khiển xác định dòng cảm kháng chuẩn Iref (RgIref đo bằng vôn) như tỷ số Vg/ dReq. Vì vậy, tải xoay chiều tần số thấp cho PFC là một dương Req FB không cầ lỗi zero và cung cấp cho hệ thống với sự ổn định cần thiết khi sử dụng một bộ điều khiển dòng điện tác động nhanh. Một dsPIC có thể được sử dụng để cung cấp các tài nguyên tính toán cần thiết cho hoạt động và hạn chế điện áp PFC tốc độ thấp. Một cảm biến đơn Rg là giá trị cảm trong thời gian làm việc cho cả PFC và đổi FB, điệ Vgsen của PFC. Nếu cho rằng những gợn sóng của PFC điện áp đầu ra Vg 2.4, thì phương trình mô hình trung bình được mô tả bởi 48 (2.15) Giá trị trung bình dòng cảm kháng là biến điều khiển cho chế độ điều khiển dòng điện. Mô hình tín hiệ cuối cùng được cho bởi: (2.16) Phương trình (2.16) phân tích hậu quả của trong chu kỳ làm việc δd và điện áp đầu ra δvlamp đối với dòng kháng δi. Hàm truyền tín hiệu điều khiển nhỏ từ đối cảm biểu diễn (2.17) trong (2.16) và được cho bởi (2.18) = i (2.17) Gid(s) = = (2.18) ở đây zlamp là tổng trở tăng của đèn . Trên hình 2.13 là sơ đồ khối vòng dòng điện cảm kháng được sử dụng để ổn định đèn, trong đó Gc là bộ điều chỉnh và H2 là khuyếch đai cảm biến dòng. Hình 2.13: Sơ đồ khối bộ ổn định dòng đèn 49 Hệ số khuyếch đại và pha của hàm truyền cho ở (2.18) chỉ ra sự khác nhau về giá trị zlamp trong hình 2.14. Trong mô hình này, một điện trở tải được coi là hợp lệ trong một phạm vi khá hạn chế của tần số. Mô hình trung bình liên tục sẽ cho một hàm truyền phù hợp với mô hình rời rạc trong một phạm vi tần số có giá trị đến fsw/30 mà không có sai số đáng kể trong hệ số khuyếch đại và pha. Dải tần số, trong đó zlamp có tính chất tổng trở dương, có một cực tiểu [16] do tính chất của đèn. Với trường hợp đã trình bày, Gid trong biểu thức (2.18), được coi là hợp lệ khi có giá trị khoảng 3-10 kHz, tức là, diện tích đậm ở hình 2.14, đó cũng vùng tần số mục tiêu để xác định tần số cắt của vòng điều khiển hệ số khuyếch đại dòng điện. Thí nghiệm đáp ứng tín hiệu nhỏ của một đèn HID 150W đã chỉ ra rằng zlamp là một điện trở dương có giá trị 30Ω [16], [17] ở tần số chúng ta quan tâm. Hình 2.14: Sơ đồ Bode của G1d(s) với zlamp=[20 Ω, 30 Ω, 40Ω] Đường trên là hệ số khuyếch đại [db], dưới là pha 50 Dựa vào Gid (s) cho bởi (2.18) và hiển thị trong hình 2.14 vòng dòng cảm kháng cần một bộ khử tỷ lệ để ổn định phóng điện tại một băng thông phù hợp. Khi giả thiết cần một vòng khuyếch đại có tần số cắt với giá trị fc = 5kHz, theo [6], [19] cần một bộ khử được cho bởi (s) Gc= kc = 0,5, và tương ứng với thuật toán điều khiển số được cho bởi: d[nT1] = kc(i * [nT1] – iref) = 0.5(i * [nT1] – iref) (2.19) ở đây T1 = 2/fsw là chu kỳ lấy mẫu trên điện trở Rg , chu kỳ đó đại diện cho tỷ lệ lấy mẫu của bộ điều khiển. Thời gian lien tục tương đương cho vòng điều khiển số dòng kháng khuyếch đại Td là: Td(s) = Gc(e sT1 )H2(s)Gid(s) (2.20) trong đó Gc là bộ khử thời gian rời rạc, còn z = e sT1 . Hằng số lấy mẫu H2(s) = 0,25. Tần số mẫu được thiết lập bằng một nửa tần số chuyển mạch của bộ ngắt mạch nối tiếp, với thời điểm lấy mẫu ban đầu chính bằng điểm kết thúc của chu kỳ làm việc. Hệ số khuyếch đại của dòng vào bộ chuyển đổi A / D (ADC) và bộ điều biến độ rộng xung kỹ thuật số được coi bằng 1. Trên hình 2.15 biểu diễn hệ số khuyếch đại và pha tính theo (2.20) cho các giá trị khác nhau của zlamp khoảng 30Ω. Từ hình vẽ ta thấy hệ thống đã thiết lập sự ổn định xung quanh điểm hoạt động này. 51 Hình 2.15: Đồ thị Bode của Gc(s), Gid(s) H2(s) với Zlamp=[20 Ω,30 Ω,40Ω] Đường trên là hệ số khuyếch đại đo bằng deciben, dưới là pha Chế độ điều khiển công suất dễ dàng được thực hiện vì Plamp = ηlfsw. Vg.T = ηlsfw.Pg (2.21) T = dT (2.22) = Req (2.23) ở đây ηlfsw là hiệu suất của bộ biến đỏi LSFW, đầu tiên là ước tính và sau đó thực hiện đo. Giá trị trung bình chuẩn (so sánh) cho dòng cảm kháng Iref (xem sơ đồ đơn giản hình 2.13) bây giờ biến điều khiển cho chế độ hoạt động công suất. 52 Kiểm soát quá trình chuyển đổi từ dòng cực dương tới dòng đèn cực âm và ngược lại có thể làm chậm quá trình quá độ, điều đó có thể sinh đánh lửa lại, và gây nên hiệu ứng nhấp nháy và các sóng hài tần số thấp. Ví dụ, đã chỉ ra trong [18], một bộ điều chế độ rộng xung (PWM) , bộ điều khiển điều biến dòng điện ra với một sóng chữ nhật mà thời gian tăng nhiều lần của chu kỳ làm việc của bộ băm xung nối tiếp. Ở đây, để đạt được một chuyển tiếp nhanh, một vòng chuyển tiếp được đề xuất. Vì rằng L và C tạo một bộ lọc thông thấp được tải với Rlamp, bước đáp ứng phụ thuộc vào các yếu tố chất lượng. Nếu chất lượng Q nằm giữa 0,4 và 1,2 [6], thì sẽ nhận được bước đáp ứng điện áp ra yêu cầu từ dương tới âm và ngược lại. Mô hình tín hiệu nhỏ điều khiển công suất tầng PFC biểu diễn trên hình 2.16. Hình 2.16: Mô hình tín hiệu nhỏ cho PFC ở tần số quan tâm cho vòng công suất Trong đó δIg là nhiễu của dòng điện cung cấp cho bộ lọc đầu ra PFC còn tải Req được xác định từ trước bằng cách tính trung bình cho một chu kỳ điện áp lưới; ro = -δVg / δIg là tổng trở ra cần thiết, và Cg là tụ lọc. Để có được công suất nguồn không đổi khi điện áp Vg của tầng này là giảm, thì hệ thống sẽ phản ứng 53 bằng cách tăng dòng Ig lúc này công suất đầu ra duy trì được giá trị không đổi. Vì rằng ro = Req, và tần số chính của sơ đồ PFC ở vòng công suất được xác định fp = (2.24) Thuật toán điều khiển số công suất thực hiện trong vi điều khiển là: vcontrol = Vref + G1 [Pg * - Pref] (2.25) ở đây Vref = 3 V cho UC 3854A, Pgref là công suất đích, G1 là hệ số khuyếch đại của vòng và vcontrol là tín hiệu đầu vào cho bộ điều khiển nhân PFC (xem hình 2.6). Khi bộ biến đổi SEPIC làm việc như nguồn áp, thuật toán điều khiển là: vcontrol = Vref + G2 [Vg * - Vref] (2.26) trong đó Vref là điện áp ra PFC ở chế độ khởi động và làm nóng còn G2 là hệ số khuyếch đại của thuật toán này. Hoạt động biến đổi được tóm tắt trong lưu đồ thuật giải của dsPIC30F2010 trên hình 2.17. Bốn chế độ hoạt động có thể được phân biệt để cung cấp các tín hiệu điều khiển tương ứng cho các thiết bị chuyển mạch. 2.5. THỰC NGHIỆM. Hoạt động của bộ biến đổi được trình bày trên hình 2.17 cho vi điều khiển dsPIC30F2010. Có thể phân biệt bốn chế độ hoạt động để cung cấp các tín hiệu điều khiển tương ứng cho các van chuyển mạch: 54 1)Chế độ khởi động mềm của chuỗi đánh lửa. Tần số quét từ 100 đến 20kHz được sử dụng cho bộ biến tần cộng hưởng. Nếu cần , việc quét này được lặp lại cho đến khi đèn đánh lửa thành công. 2)Chế độ làm nóng. Khi phát hiện đèn đánh lửa, mạch cấp một tần số chuyển mạch cố định lớn hơn tần số cộng hưởng không tải một ít trong một chu kỳ nhất định. 3)LFSW.Chế độ cực dương bộ ngắt mạch nối tiếp. Sau khi làm nóng, các mạch điều khiển thiết lập một hoạt động luân phiên của biến đổi FB như bộ băm xung nối tiếp cực dương và cực âm với tần số 200 Hz. Cần một thời gian trễ để bảo đảm vận hành an toàn. Bộ băm xung cực dương đạt được khi các mạch điều khiển có S1 đóng và S2 mở, S3 là cũng mở, và tín hiệu điều khiển của S4 được tạo thành ở tần số đóng ngắt là 200 kHz với chu kỳ điều khiển được xác định. 4)LSFW: Chế độ cực âm bộ ngắt mạch nối tiếp. Điều này đạt được tương tự khi các mạch điều khiển để S3 đóng , còn S4 và S1 mở , đồng thời tín hiệu điều khiển S2 được tạo ra. Trong chế độ băm xung nối tiếp dương cực và âm cực , chế độ điều khiển dòng kháng và chế độ điều khiển công suất được thực hiện. 55 Hình 2. 17:Lưu đồ thuật giải 1. Chế độ khởi động mềm chuỗi đánh lửa 2.Chế độ đốt nóng (3)Chế độ LFSW 2.6.KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Trên Hình 2.18 là mạch SEPIC được đề xuất để kiểm tra . Trong trường hợp này, một mạch UC3854A được sử dụng như một bộ điều khiển PFC 56 Hình 2.18: Sơ đồ bộ biến đổi SEPIC được điều khiển bằng UC3854A Kết quả thử nghiệm được chỉ ra khi kiểm tra thiết bị đề xuất. Việc thực hiện một chấn lưu điện tử LFSW với điều khiển kép cho một 150 W MHL (Sylvania) HSI-TD Metalarevà một đèn 150 W đèn natri cao áp(HPS) (PHILIPS), với các thông số định mức như sau: điện áp là Vlamp = 100 Vrms và Ilamp = 1.5 Arms. Mạch điều khiển số được thực hiện trong một dsPIC30F2010 có tần số làm việc là 120 MHz. Bộ DSPIC này có một số đặc điểm đặc biệt như: sáu đầu ra PWM và ADC với độ phân giải 10-b, mẫu 154-ns mẫu và thời gian giữ, và thời gian chuyển đổi là 2-μs. Một bộ biến đổi vi mạch số- tương tự 550A MAX được sử dụng để điều khiển dòng iin . Mạch chấn lưu được kiểm tra để có thể nối với lưới điện châu Âu: Vrms =230 ±(15-20)%, và 50 Hz. Điện áp ra tối đa của PFC được giới hạn đến 380 V khi có chú ý tới tải của các bán dẫn, và công suất tải Pg = 160 W. Bộ biến đổi 57 dùng các phần tử sau đây giá trị cho ở hình 2.9: Cuộn cảm được quấn trên cùng một lõi mềm bão hòa Mu Kool Lm1 = Lm2 = 400 µH, Cg = 680 µf, Cin =1 µF, Cc = 330 nF, Rvi = 1.2 MΩ, Rvd = 8.2 MΩ, Rvf = 150 kΩ, Cvf = 100 nF, Rmo = Rci = 9.5 kΩ, Rcz = 8.2 kΩ, Ccz = 820 pF, Ccp = 220pF, Rff1 = 820 kΩ, Rff2 = 82 kΩ, Rff3 = 20 k , Cff1 = 100 nF, Cff2 = 470nF , Rs = 0.25 Ω, và tần số chuyển mạch SEPIC fpfc = 140 kHz. Bộ biến đổi FB cho ở hình 2.2 đã được xây dựng bằng sử dụng transitor HGTP12N60A4D, có hiệu suất cao, tần số chuyển mạch tốt, các điốt song song tác dụng nhanh S1 - D1 và S3 - D3. Để đạt được hiệu quả cao ở một tần số chuyển đổi là 200 kHz, HEXPET Power MOSFEETs, IRFP340, là đầy đủ để thực hiện S2 và S4 mắc song song với các diode D2 và D3 . Tín hiệu điều khiển được tạo ra với hai mạch điều khiển IR2110. Các cuộn cảm (1,3 mH) của bộ lọc LC sử dụng một lõi cỡ E42, vật liệu N27, và tụ điện là 1600 V MKP, 47 nF. Số vòng dây của các cuộn cảm L được tính toán để tránh bão hòa lõi trong quá trình tự đánh lửa, nơi có mật độ từ thông trong lõi là tối đa. Phần đồng được tính toán theo dòng kháng ở trạng thái ổn định. Hoạt động hệ thống chấn lưu từ khi đánh lửa cho đến khi đạt được trạng thái ổn định biểu diễn trên hình 2.19. Trong quá trình đánh lửa và làm nóng, trong khi công suất bóng đèn tăng lên, thì điện áp đầu vào bộ biến đổi FB ổn định ở Vg = 380 V, và sau đó, Vg thích nghi với công suất định mức của đèn. Trên Hình 2.20 biểu diễn điện áp dây, Vline, dòng dây Iline theo thời gian. Trên Hình 2. 21 là đặc tính khởi động của đèn HID 150W, đường trên là điện áp, đường dưới là dòng điện Trên hình 2.22 là điện áp đèn ở trạng thái ổn định (đường trên, dòng điện của đèn(đường dưới) 58 Trên hình 2.23. Sự chuyển từ dòng dương sang âm qua đèn phụ thuộc vào chất lượng của bộ lọc. Đường trên là điện áp, đường dưới là dòng điện. Hiệu suất đo được của LFSW là ~ 92% Hình 2.19: Plamp,Vg trong thời gian khởi động, đốt nóng và khi ổn định Hình 2.20: Đặc tính điện áp lưới, dòng dây của SEPIC 59 Hình 2.21:Đặc tính khởi động của đèn HID 150W Hình 2.22: Điện áp đèn ở trạng thái ổn định (đường trên), dòng điện của đèn(đường dưới) 60 Hình 2.23: Sự chuyển từ dòng dương sang âm qua đèn phụ thuộc vào chất lượng của bộ lọc. Đường trên là điện áp, đường dưới là dòng điện 2.7.NHẬN XÉT Điều khiển số mới cho chấn lưu LFSW bằng cách sử dụng một mạch FB cho cả tần số thấp và tần số đánh lửa cộng hưởng đã được trình bày. Hệ thống chấn lưu sử dụng tầng hỗ cảm SEPIC PFC tầng đó điều khiển trạng thái ổn định công suất đèn, trong khi điều khiển tầng tiếp theo được ổn định việc phát sáng. Những lợi ích của chấn lưu điện tử so với chấn lưu tương tự là giảm số tầng công suấtd và các thành phần khác. Bộ chuyển đổi được đề xuất là một giải pháp chung cho các loại đèn khác nhau của cùng một công suất (HPS và MHL). Bộ biến đổi được điều khiển số để xác định ba chế độ hoạt động: như là một biến tần số cộng hưởng kết hợp với tấn số cộng hưởng để đạt được các đánh lửa đèn và sơ bộ làm nóng, và cả bộ băm xung cực dương và cực âm. Bộ băm xung nối tiếp hoạt động nhận được tổng trở ra lớn cần thiết để ổn định hoạt động đèn trong ngắn hạn (chấn lưu hoạt động) và cũng cung cấp công suất không đổi khi đèn làm việc (dài hạn). Sự chuyển tiếp bộ băm xung dương cực đến âm cực và ngược lại được thực hiện trong vòng mở để có được một phản ứng nhanh. Thiết 61 kế của bộ lọc LC đảm bảo chỉ số chỉ số đó hạn chế dòng cộng hưởng trong đánh lửa và tạo ra quá trình chuyển đổi không được điều khiển của LFSW xung quanh các hành vi nghiêm trọng ngành kỹ thuật. Kết quả thử nghiệm xác nhận sự ổn định hệ thống với các loại đèn khác nhau và già hóa khác nhau. Không quan sát thấy ánh sáng bị biến dạng , và công suất đèn được thiết lập trong điều kiện làm việc định mức và trong điều kiện điều khiển ánh sáng mờ. 62 CHƢƠNG 3. MÔ PHỎNG MẠCH BĂM XUNG MỘT CHIỀU TĂNG ÁP BẰNG PESIM 3.1.PHẦN MỀM PESIM (POWER ELECTRONICS SIMULATION) 3.1.1.Khái niệm chung Pesim là một trong những phần mềm chuyên dụng trong lĩnh vực điện tử công suất và truyền động điện.Đây là phần mềm không chỉ mạnh trong học tập, giảng dạy cho hai môn chuyên ngành kể trên, nhằm giúp cho sinh viên nắm vững hơn các bài giảng trên lớp, mà còn là tài liệu cơ bản cho các kỹ sư nghiên cứu, phân tích, khai thác mạch điện tử công suất,các mạch điều khiển tương tự và điều khiển số, cũng như các hệ thống truyền động điện xoay chiều (AC), một chiều (DC). Pesim bao gồm ba chương trình : Chương trình thiết kế mạch (Schematic), chương trình mô phỏng (Simulator) và chương trình phân tích (View) dựa trên các biểu đồ thời gian của kết quả mô phỏng.Quá trình mô phỏng Pesim được biểu diễn trên hình 3.1 Hình 3.1:Quá trình mô phỏng trên Pesim Pesim Schematic Pesim Simulator Sim VIEW 63 Một mạch điện sẽ được Pesim biểu diễn trên bốn khối (hình 3.2):Mạch động lực (Power circuit), mạch điều khiển (Control circuit), hệ cảm biến (Sensors) và bộ điều khiển chuyển mạch (Swich controllers).Mạch động lực bao gồm các van bán dẫn công suất, các phần tử RLC, máy biến điện áp lực và cuộn cảm san bằng.Mạch điều khiển sẽ được biểu diễn bằng các sơ đồ khối, bao gồm các phần tử trong miền S, miền Z, các phần tử logic (ví dụ như các cổng logic, flip_flop) và các phần tử phi tuyến (ví dụ như bộ nhân, bộ chia). Các phần tử cảm biến sẽ đo các giá trị điện áp, dòng điện trong mạch lực để đưa ra các tín hiệu đo này về mạch điều khiển.Sau đó mạch điều khiển sẽ cho các tín hiệu đến bộ điều khiển chuyển mạch để điều khiển quá trình đóng cắt các van bán dẫn trong mạch lực Hình 3.2:Biểu diễn một mạch điện trên Pesim Power circuit Switch Controller Sensors Control Circuit 64 3.1.2.Mô phỏng mạch điện - Khởi động PESIM. Chọn open từ file menu để nạp file “ chop.sch” - Từ menu Simulate, chọn Run simulation để khởi động quá trình mô phỏng. Kết quả mô phỏng sẽ được lưu trong file “chop.txt”.Mọi thông báo sẽ được lưu trong file “message.doc” - Nếu như không chọn trên menu Options phần Auto – run SIMVIEW, thì từ menu Simulate lựa chọn Run SIMVIEW để khởi động SIMVIEW.Còn nếu đã lựa chọn Auto – run SIMVIEW thì phần mềm sẽ tự động chạy SIMVIEW. Trên SIMVIEW chúng ta có thể chọn đường cong hiển thị trên màn hình 3.1.3.Biểu diễn các tham số phần tử Các tham số mỗi phần tử, bộ phận của mạch được đối thoại trên ba cửa sổ của PESIM như trên hình 3.3 bao gồm: Các tham số (Parameters), các thông tin khác (Other Info) và mầu sắc (Color) Hình 3.3:Cửa sổ trao đổi tham số trên PESIM 65 Cửa sổ Parametters được sử dụng trong quá trình mô phỏng ; còn cửa sổ Other Info không sử dụng cho mô phỏng mà chỉ dành cho người sử dụng, các thông tin sẽ được hiện ra trong mục View/Elements List, ví dụ như các thông tin loại thiết bị, tên nhà sản xuất, số sản xuấtCòn cửa sổ Color để xác định mầu sắc cho từng phần tử Trên cửa sổ Parameters,các tham số được đưa vào dưới dạng các số thập phân hoặc dạng biểu thức toán học.Ví dụ một điện trở có thể được biểu diễn dưới các dạng sau: 12.5 ; 12.5k ; 12.5 Ohm ; 12.5 kOhm ; 25/2 Ohm Các lũy thừa được sau sử dụng các chữ cái để thể hiện: 10 9 : G 10 6 : M 10 3 : K 10 -3 : m 10 -6 : u 10 -9 : n 10 -12 : p Các hàm toán học say được sử dụng : + phép cộng - phép trừ * phép nhân / phép chia ^ hàm mũ SQRT hàm căn bậc hai SIN hàm sin COS hàm cos TAN hàm tang ATAN hàm artang EXP hàm mũ tự nhiên (ví dụ: EXP(x) = ex) LOG hàm logarit cơ số tự nhiên (ví dụ : LOG(x) = ln(x)) LOG10 hàm logarit cơ số 10 ABS hàm giá trị tuyệt đối 66 3.2.MẠCH BĂM XUNG MỘT CHIỀU TĂNG ÁP Hình 3.4:Mạch nguyên lí boost Bộ biến đổi boost hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng, điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Ở điều kiện làm việc bình thường, điện áp ngõ ra có giá trị lớn hơn điện áp ngõ vào, do đó điện áp đặt vào điện cảm lúc này ngược dấu với với khi khóa (van) đóng, và có độ lớn bằng chênh lệch giữa điện áp ngõ ra và điện áp ngõ vào, cộng với điện áp rơi trên diode. Dòng điện qua điện cảm lúc này giảm dần theo thời gian. Tụ điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép. Dòng điện qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn và điện áp rơi trung bình trên điện cảm trong một chu kỳ sẽ bằng 0 nếu dòng điện qua điện cảm là liên tục (nghĩa là dòng điện tải có giá trị đủ lớn). Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa (van), và T2 là thời gian ngắt khóa (van). Như vậy, T = T1 + T2. Giả sử điện áp rơi trên diode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp ngõ vào và ngõ ra. Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là (T1/T)×Vin, còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là (T2/T)×(Vin − Vout). 67 Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn là: (T1/T)×Vin + (T2/T)×(Vin − Vout) = 0 (3.1) Hay (T1/T + T2/T)×Vin − ( T2/T)×Vout = 0 ⇔Vin = (T2/T)×Vout (3.2) Với cách định nghĩa chu kỳ nhiệm vụ D = T1/T, T2/T = 1 − D, ta có Vin = (1 − D)×Vout, hay Vout = Vin/(1 − D). D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1), do đó 0 < Vin < Vout. Một trong những bài toán thường gặp là như sau: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra Vout, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra. Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = 1 − Vin,max/Vout (3.3) Dmax = 1 − Vin,min/Vout. (3.4) Độ thay đổi dòng điện cho phép sẽ bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của điện áp trung bình đặt vào điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức là hàm số Vin/Vout×(Vin − Vout) đạt giá trị nhỏ nhất khi D thay đổi từ Dmin đến Dmax (chú ý là hàm số này có giá trị âm trong khoảng thay đổi của D). Gọi giá trị của D và Vin tương ứng với giá trị nhỏ nhất 68 đó là Dth và Vin,th (giá trị tới hạn), đẳng thức sau (chỉ xét về độ lớn) được dùng để chọn giá trị chu kỳ (hay tần số) chuyển mạch và điện cảm: (1 − Dth)×T×(Vout − Vin,th) = Lmin×2×Iout,min (3.5) 3.3.MÔ PHỎNG Hình 3.5:Mạch mô phỏng bộ băm xung một chiều tăng áp Nguồn tạo xung mở mosfet gồm có 2 nguồn là :nguồn 1 chiều và nguồn áp sóng tam giác qua 1khối so sánh và 1bộ điều khiển đóng cắt để tạo xung vuông kích mở cho mosfet hoạt động. 69 Nguồn áp tam giác: các thông số mô tả - Vpeak-peak: giá trị từ đỉnh giá trị cao đến giá trị thấp Vpp - Frequency:tần số f , Hz - Duty cycle: chu kì sóng D: tỷ số của khoảng thời gian sườn sóng tăng và chu kì T(T=1/f) - DC offset: giá trị một chiều Voffset - Phase delay: góc trễ θ, tính theo độ Hình 3.6:Ký hiệu và dạng sóng của nguồn sóng tam giác Khối so sánh: tín hiệu ra của khối so sánh sẽ có giá trị dương khi tín hiệu vào ở cực (+) lớn hơn ở cực (-), sẽ có giá trị bằng 0 khi tín hiệu cực dương nhỏ hơn.Khi giá trị vào ở 2 cực bằng nhau thì tín hiệu ra luôn giữ tại thời điểm trước đó Hình 3.7:Khối so sánh 70 Bộ điều khiển đóng cắt: Tín hiệu đầu vào của khối là 0 hoặc là 1 từ mạch điều khiển sẽ đưa đến cực điều khiển của khóa động lực Hình 3.8:Bộ điều khiển đóng cắt Hình 3.9:Dạng điện áp ra 71 KẾT LUẬN Qua 3 tháng nghiên cứu đề tài “Xây dƣng mô hình bộ chấn lƣu điện tử sóng chữ nhật tần số thấp điều khiển số với mạch điều khiển cộng hƣởng và vòng công suất” cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn và một số thầy cô trong bộ môn em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình với những nội dung sau: - Tổng hợp được các bộ chấn lưu điện tử - Tìm hiểu về bộ chấn lưu điện tử tần số thấp sóng chữ nhật điều khiển số với mạch điều khiển cộng hưởng điện và vòng công suất - Mô phỏng bộ băm xung một chiều tăng áp bằng Pesim Theo đề tài thì em phải xây dựng được mô hình vật lí bộ chấn lưu điện tử nhưng do có khó khăn về linh kiện và kiến thức có hạn nên đồ án chỉ dừng lại ở phần lí thuyết bộ chấn lưu trên Em rất mong đón nhận các ý kiến đóng góp, bổ sung quý báu của các thầy cô cũng như tất cả bạn bè để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn và thầy cô trong bộ môn đã nhiệt tình giúp đỡ em! Hải Phòng ngày 5 tháng 7 năm 2011 Sinh viên thực hiện Mai Trung Chiến 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. W.Yan,Y.K.E.Ho,S.Y.R.Hui (2000), Investigation of elimitnating acoutic resonance wattage high-intensity-discharge (HID) lamps, Nhà xuất bản IEEE. [2]. F.J.Azcondo.Diaz,R.Casanueva - C.Branas (2006), Microcontroller power mode stabilazied power factor correction stage for electronic ballast applied to metal hadie lamps, Nhà xuất bản IEEE. [3]. C.M.Huang,T.J.Liang,R.Lin - J.F.Chen (2005),Constant power control circuit for HID electronics ballast,Nhà xuất bản IEEE. [4]. M.Shen,Z.Qian - F.Z.Feng (2003), Design of a two-stage low- frequency square wave electronic ballasts for HID lamps,Nhà xuất bản IEEE. [5]. EMC (1995), Limits for Hamonic Current Emissions,Nhà xuất bản IEC 1000-3-2. [6]. F.J.Azcondo,Diaz,R.Casanueva,C.Branas - R.Zane (2006), Low frequency squave wave electronic ballast with resonant ignition using digital mode and power loop, IEEE. [7]. C.Branas, F.J.Azcondo - S.Bacho (2002), Experimental study of HPS lamp ignition by using LC network resonance,Nhà xuất bản IEEE. [8]. R.Guo,Y.Lang - Z.Quian (2005), Investigation on the start up of low wattage metal hadile lamp controlled by low frequency square wave ballast,Nhà xuất bản IEEE. [9]. T.S.Cho,N.O.Kwon,Y.M.Kim,H.S.Kim,J.C.Kang,E.H.Choi - G.Cho (2002), Capacitive coupled electrodeless discharge black driven square pulses,Nhà xuất bản IEEE. 73 [10]. M.A.Dalla Costa,J.M.Alonso,J.Ribas,J.Caresin - J.Garcia (2005), Small-signal characterization of acoustic resonance in low-wattage metal hadile lamps, Nhà xuất bản IEEE. [11].F.J.Azcondo,F.J.Diaz,R.Casanueva - C.Branas (2007), Microcontroller power mode stabilized power factor correction stage for high intensity discharge lamp electronic ballast, Nhà xuất bản IEEE. [12]. D.Adar,G.Rahav - S.Ben-Yakoov (1996), Behavioral average model of SEPIC converter with coupled inductor, Nhà xuất bản IEEE. [13]. R.W.Erickson - D.Maksimovic (2001), Fundamentals of Power Electronics, Nhà xuất bản Norwell,MA: Kluwer. [14]. Y.Yan - R.Zane (2004), Digital controller design for electronic ballast with phase control, Nhà xuất bản IEEE. [15]. R.L.Lin và M.C.Yeh (2005), Inductor phase feedback for phase – looked loop control of electronic ballast, Nhà xuất bản IEEE. [16].J.Ribas,J.M.Alonso,A.J.Calleja,E.Lopez,J.Cardesin,J.Garcia- M.Rico (2002), Small signal dymatic characterzination of HID lamps, Nhà xuất bản IEEE. [17]. E.Deng - S.Cuk (1997), Negative incremental impedance and stability of fluorescent lamps, Nhà xuất bản IEEE. [18]. I.K.Lee - B.H.Cho (2005), A new control method for a low frequency inverter of MHD lamp ballast with synchronous rectifier, Nhà xuất bản IEEE. [19]. H.Peng,A.Prodic,E.Alarco – D.Maksimovic (2007), Modeling of quantization effects in digitally controlled DC-DC converters, Nhà xuất bản IEEE 74 [20]. GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn (2004), Điện tử công suất, Nhà xuất bản xây dựng. [21]. GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn – TS. Nguyễn Tiến Ban(2007), Điều chỉnh tự động các hệ thống truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học - kỹ thuật Hà Nội. [22]. Nguyễn Văn Nhờ(2002),Giáo trình điện tử công suất 1, Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP.HCM. [23]. Nguyễn Bính (2000), Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. [24]. Lê Văn Doanh (2007), Điện tử công suất_Lý thuyết thiết kế và ứng dụng tập 2, Nhà xuất bản khoa học - kỹ thuật.