Tối ưu biến áp xung cho bộ biến đổi năng lượng một chiều - một chiều

TÓM TẮT

Trở kháng bên trong của cuộn dây máy biến áp có ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số khớp nối, điều

này ảnh hưởng đến đặc tính thiết kế máy biến áp. Bài báo này đề cập chi tiết đến việc cải tiến cấu

trúc cuộn dây đồng tâm áp dụng cho máy biến áp xung. Xem xét hạn chế của các công thức chung

tính toán cho máy biến áp từ trường đối xứng theo hướng tiếp cận khác, cho phép dự báo điện cảm

rò rỉ trong trường hợp bố trí từ trường cuộn dây của máy biến áp. Sự ảnh hưởng của điện cảm rò rỉ

và điện cảm từ hóa đến hệ số khớp nối được thảo luận.Các công thức tính toán được chuyển hóa

và thay đổi các phương pháp khác nhau để tăng hoặc giảm điện cảm rò rỉ được đề xuất thông qua

cấu trúc cuộn dây sơ cấp máy biến áp.

pdf 5 trang yennguyen 3000
Bạn đang xem tài liệu "Tối ưu biến áp xung cho bộ biến đổi năng lượng một chiều - một chiều", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

Tóm tắt nội dung tài liệu: Tối ưu biến áp xung cho bộ biến đổi năng lượng một chiều - một chiều

Tối ưu biến áp xung cho bộ biến đổi năng lượng một chiều - một chiều
Võ Thành Vĩnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 171 - 175 
171 
TỐI ƯU BIẾN ÁP XUNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG 
MỘT CHIỀU-MỘT CHIỀU 
Võ Thành Vĩnh1,3,*, Phạm Ngọc Thắng1, 
Nguyễn Thế Vĩnh2, Trần Ngọc Thái1 
1Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên; 
 2Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh; 3Đại học Đồng Tháp 
TÓM TẮT 
Trở kháng bên trong của cuộn dây máy biến áp có ảnh hưởng trực tiếp đến hệ số khớp nối, điều 
này ảnh hưởng đến đặc tính thiết kế máy biến áp. Bài báo này đề cập chi tiết đến việc cải tiến cấu 
trúc cuộn dây đồng tâm áp dụng cho máy biến áp xung. Xem xét hạn chế của các công thức chung 
tính toán cho máy biến áp từ trường đối xứng theo hướng tiếp cận khác, cho phép dự báo điện cảm 
rò rỉ trong trường hợp bố trí từ trường cuộn dây của máy biến áp. Sự ảnh hưởng của điện cảm rò rỉ 
và điện cảm từ hóa đến hệ số khớp nối được thảo luận.Các công thức tính toán được chuyển hóa 
và thay đổi các phương pháp khác nhau để tăng hoặc giảm điện cảm rò rỉ được đề xuất thông qua 
cấu trúc cuộn dây sơ cấp máy biến áp. 
Từ khóa: Mạch ghép nối, Bộ chuyển đổi DC-DC, Điện cảm rò rỉ, Từ cảm, Biến áp xung. 
GIỚI THIỆU* 
Trong [1-2] cho thấy việc thiết lập mô hình 
chính xác và tính toán điện cảm rò rỉ là cần 
thiết để thiết kế mạch ghép nối tụ điện biến áp 
hiệu quả. Hơn nữa, quá trình truyền năng 
lượng qua mạch ghép này bị hủy hoại nếu 
máy biến áp bão hòa, và vì lý do này, thiết kế 
điện cảm từ hóa chính xác là cần thiết. Mặc 
dù hiểu biết lý thuyết là cần thiết cho việc 
thiết kế biến áp xung, nhưng kiến thức thực tế 
lại cần để thay đổi một vài tham số thiết kế. 
Do đó, các phương pháp thực nghiệm khác 
nhau sẽ cho ra giải pháp tăng hoặc giảm các 
giá trị trở kháng trong biến áp xung. Các 
thông số của mạch điện tử ghép với máy biến 
áp xung bị ảnh hưởng đáng kể bởi điện cảm 
rò rỉ của các cuộn dây bên trong máy biến áp 
tương ứng. Ví dụ, điện cảm rò rỉ liên quan 
đến hiệu suất truyền tải điện và các thông số 
linh kiện bán dẫn công suất [3]. 
Thông thường, các yếu tố không đổi như từ 
thẩm tuyệt đối và các giá trị khác được hợp 
nhất thành một hệ số, do đó nền tảng vật lý 
của công thức không thể nhận ra được nữa 
[4]. Trong một số trường hợp, các công thức 
khác nhau được đưa ra cho một thiết kế biến 
áp mà không cần xen kẽ cuộn dây hay cho các 
*
 Email: thanhvinhdhspdt@gmail.com 
biến áp với cuộn dây được sắp xếp xen kẽ [5]. 
Mức độ xen kẽ được xem xét bởi số lượng 
cặp cuộn dây [6-7] hoặc bởi số lượng lớp 
cách điện giữa các cuộn dây [8-9]. Trích dẫn 
các phương trình phù hợp để thực hiện thiết 
kế, tính toán điện cảm rò rỉ của máy biến áp 
hình xuyến [10]. Công thức được đề xuất 
trong [11] thu được từ sự thay đổi của điện 
cảm rò rỉ khi các thông số chế tạo của các 
máy biến áp lỏi hình xuyến khác nhau. Việc 
đánh giá được thực hiện từ các mô hình lý 
thuyết và các mô hình phân tích phần tử hữu 
hạn (FEMM) khác nhau liên quan đến kết quả 
đo được để cho phép lựa chọn thông số thích 
hợp mà mô hình yêu cầu [12]. 
Với phương pháp phân tích phần tử hữu hạn 
bằng phần mềm FEMM chúng ta có hai vấn 
đề cần xem xét. Thứ nhất là kích thước và độ 
phức tạp của mô hình máy biến áp xung. Nếu 
mô hình có số lượng lớn các yếu tố đầu vào, 
thì có thể ảnh hưởng đến sự hội tụ kết quả và 
thời gian mô phỏng. Vấn đề thứ hai là tách 
các phần tử mô hình khỏi mô hình vật lý ban 
đầu. Nếu một mô hình được xây dựng đầy đủ, 
chi tiết thì giá trị của các thông số quan trọng 
như khoảng cách xen kẽ hoặc kích thước cuộn 
dây có thể được xác định một cách nhanh 
chóng mà không yêu cầu sửa chữa thiết bị 
thực. Với kỹ thuật này, tự cảm rò rỉ của cuộn 
Võ Thành Vĩnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 171 - 175 
172 
dây sơ cấp cùng với ảnh hưởng của tần số 
đóng cắt trong các thiết bị điện tử được xác 
định, là cơ sở để tăng hoặc giảm giá trị điện 
cảm rò rỉ trong biến áp xung của bộ chuyển 
đổi DC-DC. Đây là vấn đề sẽ được thảo luận 
cụ thể trong bài báo này. 
TÍNH TOÁN ĐIỆN CẢM RÒ RỈ CHO SỰ 
PHÂN BỔ MẠCH TỪ 
Ý nghĩa của các ký hiệu tham số và sự phát 
sinh từ thông rò rỉ Φl trong cửa sổ lõi được 
minh họa theo nguyên lý trong hình 1. Giả 
định rằng dòng rò rỉ được tập trung trong các 
tiếp giáp cách điện giữa cuộn dây sơ cấp và 
thứ cấp trong máy biến áp xung. Hơn nữa 
máy biến áp (biểu diễn trong hình 1) được đặc 
trưng bởi các tính năng sau: Lõi: ETD 
59/31/22 [13], vật liệu N87, cuộn dây sơ cấp 
gồm 4 cuộn dây được ghép nối song song, 
tổng số vòng: N1 = 45 vòng. Cuộn dây thứ 
cấp gồm một cuộn, tổng số vòng: N2 = 145, 
độ dày của khoảng cách cách điện giữa các 
cuộn dây: 0.2 mm. 
Để áp dụng chính xác công thức tính toán 
điện kháng rò rỉ cho cả máy biến áp xung 
đồng tâm và máy biến áp với cuộn dây hình 
bánh, chúng ta dựa vào sự phân bổ các cuộn 
dây sơ cấp và thứ cấp để chọn các tham số 
kích thước tương ứng với cách bố trí cuộn 
dây. Do đó, dựa trên các thay đổi về cách bố 
trí cuộn dây mà ta có giá trị điện kháng rò rỉ 
cho từng loại biến áp xung (có cuộn dây xen 
kẽ hoặc không xen kẽ), chúng tôi đề xuất các 
công thức tính điện kháng rò rì như sau: 
Điện kháng rò rỉ giữa hai cuộn dây sơ cấp: 
 (1) 
Điện kháng rò rỉ giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp: 
 (2) 
Điện kháng rò rỉ giữa cuộn thứ cấp với mạch từ: 
 (3) 
Điện kháng rò rỉ giữa hai cuộn dây xen kẽ 
phía sơ cấp: 
 (4) 
Điện kháng rò rỉ giữa hai cuộn xen kẽ sơ cấp 
và thứ cấp: 
 (5) 
Điện kháng rò rỉ giữa hai cuộn xen kẽ hai 
cuộn phía sơ cấp: 
 (6) 
Hình 1. Minh họa các thuộc tính kích thước của cuộn dây được sử dụng trong công thức (1) - (7) và sự 
ảnh hưởng lẫn nhau của điện kháng rò rỉ trong cửa sổ lỏi. 
X 
X 
X MMF 
MMF 
MMF 
S P4 P3 P2 P1 
b c2 a 
P14 P4L 
P12 P23 P34 P4S SL 
P13 P3S 
c1 c3 c4 c5 
h 
Võ Thành Vĩnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 171 - 175 
173 
Điện kháng rò rỉ giữa cuộn sơ cấp với mạch từ: 
 (7) 
Trong đó: a: Độ dày xuyên tâm của cuộn dây 
sơ cấp; 
b: Độ dày xuyên tâm của cuộn dây thứ cấp; 
ci: Chiều rộng xuyên tâm của lõi (i=1÷5); 
h: Chiều cao trục của cuộn dây và lõi; 
Pj: Cuộn dây sơ cấp (j=1÷4); 
S: Cuộn dây thứ cấp; f: Tần số dao động 
(1000÷50000)Hz; 
X: Điện kháng rò rỉ; Lmt: Điện cảm từ hóa. 
MMF (Magnetomotive force): Lực từ động. 
Trong trường hợp này, các công thức được đề 
cập sẽ cho kết quả nhỏ hơn giá trị điện kháng 
rò rỉ thực mà chỉ có thể biểu diễn một cách 
xấp xỉ. Dự đoán điện kháng rò rỉ với độ chính 
xác cao hơn ngay cả trong trường hợp máy 
biến áp không đối xứng từ tính, có thể dựa 
trên việc tính giá trị điện kháng rò rỉ riêng lẻ 
của tất cả các cặp cuộn dây được sắp xếp 
trong biến áp từ đó tính tổng điện kháng rò rỉ 
của máy biến áp. 
CHỌN TẦN SỐ THÍCH HỢP CHO ĐIỆN 
KHÁNG RÒ RỈ 
Việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 
(FEMM) để ước tính điện kháng rò rỉ từ lâu 
đã là một kỹ thuật tiêu chuẩn, nhưng có sự 
cân bằng giữa thời gian mô phỏng (tùy thuộc 
vào độ phức tạp của mô hình) và độ chính xác 
tối ưu của tham số gốc. Một nghiên cứu về 
các mô hình phổ biến gần đúng được sử dụng 
trong việc ước lượng các thông số tần số cao 
được đề xuất, để thiết lập độ chính xác và thời 
gian mô phỏng biến áp được trình bày trong 
hình 1. 
Kết quả mô hình mô phỏng được trình bày 
trong hình 2.a. Lỏi được sử dụng trong mô 
hình là loại ETD59, là vật liệu từ tuyến tính 
có độ từ thẩm hiệu dụng 1590. Điện cảm rò rỉ, 
liên quan đến cuộn sơ cấp có thể được tính 
bằng cách cân bằng và qui đổi cuộn thứ cấp 
về phía sơ cấp (nếu tăng tỉ lệ số vòng dây thì 
điện áp tăng, trong khi dòng điện thì ngược 
lại). Năng lượng lưu trữ là năng lượng hiệu 
dụng được lưu trữ trong các cuộn dây mà từ 
đó điện cảm rò rỉ có thể được tính toán trực 
tiếp. Kết quả điện cảm rò rỉ mô phỏng thay 
đổi ứng với tần số. Tuy nhiên, theo tính toán 
cổ điển [1,2], giá trị của điện cảm là không 
đổi, và giá trị này cao hơn mô phỏng khi tần 
số cao hơn được thể hiện trong hình 2.b.
 a) b) 
Hình 2. Điện cảm rò rỉ phụ thuộc vào tần số: a) Mô hình 4 cuộn sơ cấp song song, b) Điện cảm rò rỉ 
tương ứng với tần số bởi phần mềm FEMM và theo lý thuyết [1-2]. 
Võ Thành Vĩnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 171 - 175 
174 
Hình 3. Trình bày điện cảm rò rỉ phụ thuộc tần số dùng phương pháp tính toán lý thuyết và mô phỏng. 
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
Bài báo đề xuất các máy biến áp xung được 
sử dụng trong bộ chuyển đổi DC-DC với cấu 
trúc cuộn dây sơ cấp được chia thành bốn 
cuộn dây song song. Thực tế, bộ chuyển đổi 
DC-DC được sử dụng cho các nguồn năng 
lượng tái tạo có dòng đầu vào lớn [3,14]. Với 
cấu trúc này, dòng điện trong mỗi cuộn dây 
sơ cấp được giảm, điều đó có nghĩa là dây 
dẫn nhỏ, do đó làm giảm yêu cầu về công 
nghệ trong sản xuất máy biến áp xung. 
Mặt khác, điện cảm rò rỉ tính toán theo lý 
thuyết được so sánh với điện cảm rò rỉ trong mô 
phỏng. Thay đổi tần số hoạt động để chọn tần 
số tối ưu cho cuộn dây biến áp để giảm thiểu 
điện cảm rò rỉ. Giảm điện cảm rò rỉ của cấu trúc 
máy biến áp có nghĩa là giảm tổn thất năng 
lượng trên các công tắc điện tử bật/tắt, nâng cao 
hiệu suất của bộ chuyển đổi DC-DC được sử 
dụng trong các nguồn năng lượng tái tạo. 
Kết quả điện cảm rò rỉ tính theo lý thuyết 
(mục 2) và theo kết quả mô phỏng (mục 3) 
được trình bày trong hình 3. Các kết quả sử 
dụng trong mô hình 4 cuộn dây sơ cấp này tốt 
hơn đáng kể so với trong các mô hình một 
cuộn dây sơ cấp (Do điện kháng tương đương 
của 4 cuộn dây song song nhỏ hơn điện kháng 
do một cuộn sinh ra với cùng công suất 
MBA), nhưng chi phí được tính toán cao hơn. 
Để phân tích thành phần cấu trúc này bằng 
cách sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 
sẽ mất nhiều giờ mô phỏng. Kết quả ở tần số 
50kHz điện cảm rò rỉ > 10% là hợp lý, ứng 
với dung sai trong vật liệu và hình học. 
KẾT LUẬN 
Việc sử dụng kết hợp cả hai phương pháp lý 
thuyết và số đã cho thấy thiếu sót trong cách 
dự đoán kết quả, và cấu trúc mô hình mô 
phỏng đề xuất trong bài báo này đã được trình 
bày một cách chính xác hơn, sự biến thiên 
điện cảm rò rỉ ứng với tần số được biểu diễn 
rất cụ thể. Các kết quả của mô hình được mô 
tả đơn giản bằng cách sử dụng lý thuyết hoặc 
dùng các giá trị ổn định và hiệu quả để mô 
phỏng. Cấu trúc cuộn dây trong biến áp xung 
mà chúng tôi đề xuất sẽ là kết quả thích hợp 
dùng trong bộ biến đổi DC-DC cuộn dây 
đồng tâm, áp dụng cho các nguồn năng lượng 
tái tạo. 
Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi 
kinh phí thực hiện đề tài mã số B2018-SKH-06. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. P. A. Janse van Rensburg, H. C. Ferreira, 
“Coupling circuitry: understanding the functions 
of different components,” Proc. 7th Int. Symp. 
Power-Line Comm, pp. 204-209, (2003). 
Võ Thành Vĩnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 189(13): 171 - 175 
175 
2. P. A. Janse van Rensburg, H. C. Ferreira, “Step-
by-step design of a coupling circuit with bi-
directional transmission capabilities,” Submitted 
for 8th Int. Symp. Power-Line Comm., (2004). 
3. Nguyen The Vinh, Petit Pierre, Aillerie Michel, 
Salame Chafic, Charles Jean-Pierre. “Efficiency of 
magnetic coupled boost DC-DC converters mainly 
dedicated to renewable energy systems: Influence 
of the coupling factor”. International Journal of 
Circuit Theory and Applications, Vol 43, pp1042–
1062, (2015). 
4. Arthur Williams, “Magnetics design: inductors 
and transformers”, Thursday September 15, 
(2011). 
5. Flanagan, W. M., “Handbook of Transformer 
Design and Applications,” McGraw-Hill, (1992). 
6. Mecke, H., “Transformatoren fur das 
Lichtbogenschweissen,” Dissertation B, TH 
Magdeburg, (1978). 
7. Schuelting, L., “Optimierte Auslegung induktiver 
Bauelemente fur den Mittelfrequenzbereich,” 
Dissertation, RWTH Aachen, (1993). 
8. Snelling, E. C., “Soft Ferrites,”Butterworth & 
Co., (1988). 
9. Tarter, R. E., “Solid-state Power Conversion 
Handbook,” Wiley-Interscience, (1993). 
10. Iván Hernández, Francisco de León, Pablo 
Gómez, “Design Formulas for the Leakage 
Inductance of Toroidal Distribution 
Transformers”, ieee transactions on power 
delivery, vol. 26, no. 4, october (2011). 
11. Francisco de León, Sujit Purushothaman, 
Layth Qaseer “Leakage Inductance Design of 
Toroidal Transformers by Sector Winding”, ieee 
transactions on power electronics, vol. 29, no. 1, 
January (2014). 
12. Peter R. Wilson and Reuben Wilcock, 
“Frequency Dependent Model of Leakage 
Inductance for Magnetic Components”, advanced 
electromagnetics, Vol. 1, No. 3, October (2012). 
13. 
https://en.tdk.eu/inf/80/db/fer_13/etd_59_31_22.p
df. 
14. The Vinh Nguyen, Michel Aillerie, Pierre 
Petit, Hong Thang Pham, and Thanh Vinh Vo, 
“Push-pull with recovery stage high-voltage DC 
converter for PV solar generator”, AIP 
Conference Proceedings 1814, 020058 (2017).
ABSTRACT 
OPTIMIZATION PULSE TRANSFOMER FOR DC-DC CONVERSION ENERGY 
Vo Thanh Vinh
1,3*
, Pham Ngoc Thang
1
, 
Nguyen The Vinh
2
, Tran Ngoc Thai
1
1Hung Yen University of Technology and Education; 
 2Quang Ninh University of Technology; 3Dong Thap University 
The internal impedances of a coupling transformer can have a detrimental effect on coupling, these 
have to be properly designed. In the paper, the meaning of included terms and details of the 
application for concentric and pie windings pulse transformer. Considering the limitation of 
common formulas to magnetically symmetric transformers an alternative approach shall be 
demonstrated, which enables leakage inductance prediction also in the case of transformers with 
magneticallyarrangements of windings. The effect of both leakage and magnetizing inductance on 
coupling is discussed. Design equations are derived and various methods to increase and decrease 
these inductances are givenin the proposed structure of primary winding transformer. 
Keywords: coupling circuits, DC-DC converter, leakage inductance, magnetizing inductance, 
pulse transformers 
Ngày nhận bài: 08/10/2018; Ngày hoàn thiện: 22/11/2018; Ngày duyệt đăng: 30/11/2018 
*
 Email: thanhvinhdhspdt@gmail.com 

File đính kèm:

  • pdftoi_uu_bien_ap_xung_cho_bo_bien_doi_nang_luong_mot_chieu_mot.pdf