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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM ---------------------------------------- PHẠM ĐÔNG PHƯỚC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG NGUỒN CUNG CẤP KHÔNG NỐI DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 60520202 TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM ---------------------------------------- PHẠM ĐÔNG PHƯỚC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG NGUỒN CUNG CẤP KHÔNG NỐI DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:PGS. TSKH. HỒ ĐẮC LỘC TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2014 TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HCM, ngày 12 tháng 06 năm 2013 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Đông Phước Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 17- 11- 1976 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1241830024 I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG NGUỒN CUNG CẤP KHÔNG NỐI DÂY II- Nhiệm vụ và nội dung: - Tổng quan về hệ thống cấp nguồn không kết nối - Cơ sở lý thuyết về hệ thống cấp nguồn không kết nối - Xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống nguồn không kết nối - Khảo sát thực nghiệm III- Ngày giao nhiệm vụ: 12 tháng 06 năm 2013 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 29 tháng 03 năm 2014 V- Cán bộ hướng dẫn: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) PGS. TSKH. HỒ ĐẮC LỘC KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn (Ký và ghi rõ họ tên) Phạm Đông Phước ii LỜI CẢM ƠN *** Đầu tiên, xin chân thành cảm ơn Thầy Hồ Đắc Lộc, Thầy Nguyễn Thanh Phương. Người đã từng bước giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Xin Cám ơn đến thầy Phạm Thế Duy Học viện Bưu Chính Viễn Thông TP.HCM, thầy Phạm Minh Tiến Trường Trung cấp CNTT Sài Gòn đã cho em những nền tản kiến thức – tri thức quí báo. Xin Cám ơn các thầy cô trong khoa Cơ – Điện – Điện Tử; Phòng Quản lý Sau Đại Học của Trường Đại Học Công nghệ TP.HCM, Tập thể lớp 12SMD11 đã tạo cơ hội cho em thực hiện luận văn này. Cuối cùng, Xin được cám ơn Ba Mẹ, các anh, em cùng vợ và hai con thơ làm chổ dựa tinh thần để có đủ nghị lực và trí khôn. Học viên thực hiện Phạm Đông Phước iii TÓM TẮT Luận văn trình bày về mô hình hệ thống cấp nguồn không nối dây công suất lớn. Hệ thống hoạt động dựa trên nguyên tắc của cảm ứng điện từ. Hệ thống bao gồm một bộ chuyển đổi công suất sơ cấp và một bộ chuyển đổi công suất thứ cấp. Bộ chuyển đổi sơ cấp là một hệ thống nghịch lưu biến đổi công suất nguồn từ tần số 50/60Hz sang tần số 20kHz. Bộ chuyển đổi thứ cấp (phần di động), được từ tính hóa bởi bộ chuyển đổi sơ cấp. Hệ thống thứ cấp được sử dụng để tạo ra nguồn một chiều DC bởi mạch nâng áp. Năng lượng điện được truyền từ phần sơ cấp tới phấn thứ cấp thông qua bộ phận di động (pickup). Kết quả thực nghiệm cho chứng minh tính hiệu quả của hệ thống cấp nguồn không nối dây được đề xuất. iv ABSTRACT This thesis presents a model of the contactless power supply system with high power. It is composed a primary power converter and a secondary power converter. The primary power converter is an inverter system which is used to invert 50/60Hz power supply to 20kHz power supply. The secondary power converter, pickup, is magnetized by the primary power converter. The secondary system is used to generate DC power supply by boosting circuit. The power is transferred from the primary to secondary through pickup. The experiment data show the effectiveness of the proposed power supply system. v MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................i LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................ii TÓM TẮT............................................................................................................... iii ABSTRACT............................................................................................................iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT......................................................................viii DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH..............................................................................x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN...................................................................................1 1.1 TỔNG QUAN VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI...........................1 1.1.1 Ở nước ngoài............................................................................................1 1.1.2 Một số công trình nghiên cứu liên quan về hệ thống CPS trên thế giới....1 1.1.3 . Ở nước ta................................................................................................3 1.2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI,Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI.........................................................................................................3 1.3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU...........................................................................3 1.4. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI..........................3 1.4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu................................................................................3 1.4.2 Giới hạn của đề tài....................................................................................4 1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..................................................................4 1.6. PHẠM VI ỨNG DỤNG.................................................................................4 1.7. KẾT CẤU LUẬN VĂN.................................................................................9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ THỐNG CPS.............................10 2.1. CÁC PHÂN TÍCH CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG CPS.....................................10 2.1.1. Khái niệm về CPS..................................................................................10 2.1.2. Cấu trúc cơ bản của hệ thống CPS.........................................................10 2.1.3. Các thành phần của khối........................................................................11 2.1.4. Nguyên lý hoạt động..............................................................................12 2.1.5. Các dạng cơ bản của cặp cảm ứng điện từ.............................................12 2.1.6. Hệ thống một pickup (bộ di chuyển thứ cấp).........................................14 vi 2.1.7. Hệ thống nhiều pickups........................................................................16 2.2. CÁC VẤN ĐỀ CẦN LƯU Ý KHI THIẾT KẾ HỆ THỐNG CPS................16 2.2.1. Tần số vận hành.....................................................................................16 2.2.2. Điều khiển.............................................................................................17 2.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT BỘ CHỈNH LƯU VÀ BỘ LỌC................................22 2.3.1. Khái niệm..............................................................................................22 2.3.2. Các dạng mạch chỉnh lưu cơ bản...........................................................23 2.3.3. Bộ lọc....................................................................................................29 2.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MẠCH NGHỊCH LƯU CẦU 1 PHA DÙNG IGBT 33 2.4.1. Mở đầu...................................................................................................33 2.4.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động IGBT...................................................34 2.4.3. Đặc tính đóng cắt của IGBT..................................................................35 2.4.4. Yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển IGBT.............................................40 2.4.5. Ứng dụng IGBT cho bộ nghịch lưu áp 1 pha.......................................41 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CPS......................................................46 3.1. SƠ ĐỒ THIẾT KẾ TỔNG QUÁT CỦA HỆ THỐNG.................................46 3.2. TÍNH TOÁN CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG................................................46 3.2.1. Phần sơ cấp............................................................................................46 3.2.2. Phần thứ cấp ( PICKUP)........................................................................49 3.3.MẠCH ĐỘNG LỰC SAU KHI TÍNH TOÁN..............................................53 3.3.1 Mạch động lực sơ cấp.............................................................................53 3.3.2. Mach động lực thứ cấp..........................................................................53 3.4. GIỚI THIỆU MẠCH ĐIỀU KHIỂN............................................................54 3.4.1. Khối nguồn điều khiển...........................................................................54 3.4.1. Khối mạch điều khiển IGBT..................................................................54 CHƯƠNG4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.........................................................58 4.1. CÁC THÔNG SỐ ĐO ĐƯỢC......................................................................58 4.1.1 Các thông số đo được phần sơ cấp:.........................................................58 4.2. MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HOÀN CHỈNH..............................................61 4.2.1. Sơ cấp:...................................................................................................61 vii 4.2.2. Thứ cấp:.................................................................................................63 4.2.3. Tổng hợp sơ cấp và thứ cấp...................................................................64 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỄN....................................66 5.1. KẾT LUẬN..................................................................................................66 5.1.1. Phần thực hiện làm được của đề tài......................................................66 5.1.1. Phần hạn chế của đề tài.........................................................................66 TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................67 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AC: Alternating current CPS: Contactless power supply system DC: Direct current IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor PICKUP: Bộ di động thứ cấp PWM:  Pulse width modulation THD : Total harmonic distortion ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1. Trở kháng thứ cấp, điện áp và dòng tải................................................... 14 Bảng 2.2. Các đặc tính tại tần số cộng hưởng thứ cấp ω0........................................15 Bảng 2.3. Bù sơ cấp................................................................................................. 19 x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1 CPS ứng dụng cho hệ thống máy cuốn tôn................................................. 4 Hình 1.2 CPS ứng dụng trong dây truyền sản xuất xe hơi......................................... 5 Hình 1.3 CPS ứng dụng cần trục vận chuyển container............................................ 5 Hình 1.4 CPS ứng dụng cho xe di chuyển................................................................. 6 Hình 1.5 CPS ứng dụng cho xe chuyển hàng............................................................. 6 Hình 1.6 CPS ứng dụng cho hệ thống thanh trượt dạng thẳng.................................. 7 Hình 1.7 CPS ứng dụng cho hệ thống nạp bình xe ôtô.............................................. 7 Hình 1.8 CPS ứng dụng cho hệ thống thanh trượt dạng tròn.................................... 7 Hình 1.9 Hệ thống CPS............................................................................................ 8 Hình 1.10 Hệ thống CPS phần sơ cấp...................................................................... 8 Hình 1.11 Hệ thống CPS phần thứ cấp (pickup di động).......................................... 9 Hình 1.12 Hệ thống CPS phần thứ cấp (pickup di động).......................................... 9 Hình 2.1. Hình dáng cơ bản transformer của CPS..................................................10 Hình 2.2 Cấu trúc cơ bản của hệ thống truyền tải công suất cảm ứng....................11 Hình 2.3 Hình dáng cơ bản transformer của CPS................................................... 11 Hình 2.4. Các dạng cặp cảm ứng điện từ cơ bản..................................................... 12 Hình 2.5. Mô hình cặp cảm ứng điện từ cơ bản....................................................... 12 Hình 2.6 Tụ điện sơ cấp đã chuẩn hoá.................................................................... 22 Hình 2.7. Khối chỉnh lưu biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều.............22 Hình 2.8. Sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa sóng........................................................... 24 Hình 2.9: Các dạng sóng của bộ chỉnh lưu 1 pha nửa sóng tải trở.........................25 Hình 2.10. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha và các dạng sóng chỉnh lưu.........................29 Hình 2.11 Bộ lọc san bằng..................................................................................... 30 Hình 2.12 Bộ lọc LC................................................................................................ 31 Hình 2.13. Các bộ lọc LC, RC, hình π..................................................................... 33 Hình 2.14. IGBT..................................................................................................... 35 Hình 2.15. Hình dáng linh kiện, ký hiệu và thông số kỹ thuật IGBT 25N120.........36 Hình 2.16. Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT.......................................................... 37 Hình 2.17. Quá trình mở IGBT................................................................................ 38 xi Hình 2.18. Quá trình khoá IGBT............................................................................. 40 Hình 2.19. Cấu trúc bán dẫn của một IGBT cực nhanh.......................................... 41 Hình 2.20. Yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển........................................................ 41 Hình 2.21. Mạch nghịch lưu cầu H dùng IGBT....................................................... 43 Hình 2.22. Mạch nghịch lưu cầu H.......................................................................... 43 Hình 3.1 Sơ thiết kế tổng quát của hệ thống CPS.................................................... 47 Hình 3.2 Khối sơ cấp............................................................................................... 48 Hình 3.3 Khối thứ cấp............................................................................................. 50 Hình 3.4 Mạch nghịch lưu 4 IGBT ( 25N120)......................................................... 54 Hình 3.5 Mạch điện thứ cấp sau khi tính toán ........................................................ 54 Hình 3.6 Nguồn cung cấp cho khối điều khiển IGBT............................................... 55 Hình 3.7 Mối quan hệ giữa điều khiển đầu áp vào và ra dòng điện ..........................55 Hình 3.8 Cấu hình của bộ điều khiển PI.................................................................. 57 Hình 3.9 Mạch tạo tín hiệu điều khiển cầu nghịch lưu IGBT 25N120........................57 Hình 3.10. Sơ đồ khối chức năng IC TL494CN....................................................... 58 Hình 4.1 Tín hiệu ngõ ra Output1, Output2 của TL494..........................................58 Hình 4.2 Dạng sóng tại cầu H transistor................................................................ 60 Hình 4.3 Dạng sóng đo được tại ngỏ ra biến áp lái đo 1 kênh................................ 60 Hình 4.4 Dạng sóng đo được tại ngỏ ra biến áp lái đo 2 kênh đối xứng.................61 Hình 4.5 Dạng sóng tại ngỏ ra biến áp................................................................... 61 Hình 4.6 Khối chỉnh lưu nguồn 110Vac.................................................................. 62 Hình 4.7 Khối cầu nghịch lưu IGBT 25N120.......................................................... 62 Hình 4.8 Cuộn dây sơ cấp....................................................................................... 64 Hình 4.9 Khối Pickup.............................................................................................. 64 Hình 4.10 Mô hình toàn mạch................................................................................. 65 Hình 4.11 Mô hình toàn mạch pickup ở vị trí A....................................................... 65 Hình 4.12 Mô hình toàn mạch pickup ở vị trí B.......................................................65 Hình 4.13 Mô hình toàn mạch pickup ở vị trí C......................................................65 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI. 1.1.1 Ở nước ngoài Vấn đề cung cấp năng lượng điện cho các máy sản xuất và các thiết bị có khả năng di chuyển như: Hệ thống cẩu chuyển hàng, các xe tự hành để vận chuyển trong phân xưởng, hệ thống khai khoáng dưới nước (Underwater Minning system), hệ thống lưu kho tự động, các robot di động … là một vấn đề phức tạp. Hiện tại việc nghiên cứu để đưa ra một phương thức cung cấp nguồn cho các đối tượng này đã và đang được các nhà khoa học và các công ty lớn trên thế giới quan tâm. Việc nghiên cứu và thiết kế các hệ thống nguồn cung cấp không nối dây đã và đang được các nhà khoa học của các nước trên thế giới như: Mỹ, Đức, Nhật bản, Hàn Quốc, Trung Quốc … quan tâm. Có thể kể ra một số nhà khoa học tiêu biểu như : Grant A. Covic, Oskar H. Stielau, Xu Shangang, Do Huyn Kang, Ioan Vadan,… Tuy nhiên các nghiên cứu này chưa đưa ra một quy trình công nghệ để thiết kế hệ thống. Một số công ty của Đức, Hàn Quốc như : Vahle, Woosung … Cũng đã sản xuất các hệ thống nguồn cung cấp không nối dây tuy nhiên giá thành của thiết bị này hiện nay còn khá cao. 1.1.2 Một số công trình nghiên cứu liên quan về hệ thống CPS trên thế giới 1. C. S Wang, Oskar H. Stielau, and Grant A. Covic “Design Considerations for a Contactless Electric Vehicle Battery Charger” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 52, no. 5, pp. 1308–1314, Oct. 2005.  Bản tóm tắt bài báo này miêu tả tổng quát thiết kế lý thuyết và thực tế các vấn đề liên quan đến hệ thống truyền công suất cảm ứng và xác minh sự phát triển lý thuyết sử dụng một bộ sạc pin xe điện thực tế dựa trên truyền công suất cảm ứng, cộng hưởng. 2 2. J. Meins, “Contactless Power Supply for Transport Systems,” in Conf. Rec. of MAGLEV’98, 1998, pp. 268-273.  Mục đích của bài viết này nêu lên ứng dụng hệ thống nguồn cung câp không nối dây sử dụng cho xe chuyển hàng trong xí nghiệp. 3. G. A. J. Elliott, J. T. Boys, and A. W. Green, “ Magnetically Coupled Systems for Power Transfer to Electric Vehicles,” in Conf. Rec. of Power Electronics and Drive Systems (PEDS),1995, pp. 797-801.  Mục đích của bài viết này mô tả một hệ thống nguồn cung câp không nối dây sử dụng cho xe điện. 4. T. Bieler, M. Perrottet, V. Nguyen, and Y. Perriard, “Contactless power and information transmission,” in Conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting, vol. 1, 2001, pp. 83–88.  Mục đích của bài viết này là để truyền năng lượng điện không tiếp xúc và truyền được thông tin trên đó. Một thông tin liên lạc hai chiều cũng rất cần thiết. Điều này được thực hiện với một biến áp tần số cho truyền công suất và truyền tải thông tin. Hình học cuộn dây khác nhau đã được nghiên cứu để giảm hỗ cảm giữa nguồn và thông tin cuộn. Giải pháp mới này cho phép xây dựng chi phí thấp và các hệ thống truyền công suất nguồn thông minh bao gồm cả thông tin liên lạc. 5. Y. Jang and M. M. Jovanovic, “A contactless electrical energy transmission system for portable-telephone battery chargers,” in Conf. Rec. Telecommunications Energy Conf., 2000, pp. 726–732.  Mô tả một hệ thống nguồn cung câp không nối dây cho bộ sạc pin di động, điện thoại. 3 1.1.3 . Ở nước ta Việc cấp nguồn cho các đối tượng có khả năng di chuyển chủ yếu là dựa vào kết nối cứng hoặc thông qua hệ thống thanh trượt - chổi quét. Nếu kết nối cứng thì khi đối tượng di chuyển sẽ gặp phải những rắc rối do dây nối nguồn gây nên. Trong trường hợp cấp nguồn qua hệ thống thanh trượt – chổi quét thì không đảm bảo an toàn phòng cháy, chữa cháy vì trong quá trình di chuyển của thiết bị có thể sinh ra hồ quang điện tại điểm tiếp xúc giữa chổi quét và thanh trượt. Hơn thế nữa, độ bền cơ học của hệ thống cấp nguồn qua tiếp xúc không cao do trong quá trình di chuyển có độ bào mòn giữa chổi quét và thanh trượt. Nhằm khắc phục những nhược điểm của phương thức cấp nguồn truyền thống, một phương thức cấp nguồn mới là cấp nguồn không nối dây sử dụng kỹ thuật cặp cảm ứng để đưa ra một quy trình công nghệ để thiết kế và sản xuất với giá thành rẻ hơn so với các hệ thống của nước ngoài và chủ động về mặt công nghệ là một vấn đề cấp thiết. Hiện nay chưa có sản phẩm nào được sản xuất trong nước về hệ thống nguồn cung cấp không nối dây, mà trên cơ sở nghiên cứu căn bản về hệ thống thôi. 1.2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI, Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI. Việc tạo ra các phương thức cấp nguồn khác so với phương thức cấp nguồn truyền thông trong các hệ thống di động nhằm mục đích khắc phục các nhược điểm của phương thức cấp nguồn truyền thống trong các hệ thống này là cấp thiết. 1.3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU. Nghiên cứu nguyên lý và thực hiện mô hình thực nghiệm mô hình thu nhỏ của hệ thống CPS. 1.4. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI. 1.4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu nguyên lý của biến áp hở. 4 - Nghiên cứu lý nguyên lý hệ thống CPS. - Xây dựng mô hình thực nghiệm. 1.4.2 Giới hạn của đề tài - Xây dựng mô hình thu nhỏ của hệ thống CPS 1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet). - Xây dựng mô hình thực nghiệm. - Phân tích và đánh giá kết quả thực nghiệm. 1.6. PHẠM VI ỨNG DỤNG. Trong các xí nghiệp với các thiết bị có khả năng di chuyển. Ngoài ra hệ thống CPS còn được ứng dụng rất nhiều ngoài thực tế với tất cả các thiêt bị được cấp nguồn có khả năng di chuyển. Một số ứng dụng và hình dáng hệ thống CPS: Hình 1.1 CPS ứng dụng cho hệ thống máy cuốn tôn