Ứng dụng mạng thần kinh nhân tạo trong hiệu chỉnh hệ số công suất (pfc power factor correction)

Em xin chân thành gởi lời biết ơn sâu sắc đến tất cả quý Thầy Cô Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh và lãnh đạo Trường Cao Đẳng Nghề Quy Nhơn đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học và thực hiện luận văn này. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng và Thầy Th.S Quách Thanh Hải, những Người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn bạn bè, các đồng nghiệp, những người thân trong gia đình, đặc biệt là vợ và hai con tôi, những người luôn ở bên cạnh và động viên tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 PGS.TS NGUYỄN MỘNG HÙNG

2 Th.S QUÁCH THANH HẢI

Thành Phố Hồ Chí Minh - Năm 2010

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 PGS.TS NGUYỄN MỘNG HÙNG

2 Th.S QUÁCH THANH HẢI

LỜI CẢM ƠN

Con xin biết ơn Cha, Mẹ đã nuôi dạy con khôn lớn và tạo điều kiện cho con học tập đến ngày hôm nay

Em xin chân thành gởi lời biết ơn sâu sắc đến tất cả quý Thầy

Cô Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh và lãnh đạo Trường Cao Đẳng Nghề Quy Nhơn đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học và thực hiện luận văn này

Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Nguyễn Mộng Hùng và Thầy Th.S Quách Thanh Hải, những Người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn bạn bè, các đồng nghiệp, những người thân trong gia đình, đặc biệt là vợ và hai con tôi, những người luôn ở bên cạnh và động viên tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

TP Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 11 năm 2010

Trần Hiếu Nghĩa

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên : Trần Hiếu Nghĩa, học viên lớp Cao học Tự Động Hóa _ TĐH05 Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP.HCM

Tôi xin cam đoan luận văn trên do chính tự tôi nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của các giáo viên hướng dẫn Những phần tham khảo tôi đã trích dẫn từ nguồn nào rất chi tiết, cụ thể

Tôi xin hứa, nếu có gì vi phạm tôi xin chịu mọi hình thức kỉ luật theo quy định hiện hành

TP Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 11 năm 2010

Trần Hiếu Nghĩa

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Lời cảm ơn - i

Lời cam đoan - ii

Mục lục - iii

Liệt kê các bảng tra - vii

Liệt kê các hình vẽ - viii

MỞ ĐẦU - 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN - 4

1.1 Giới thiệu chung - 4

1.2.Ý nghĩa của hệ số công suất trong hệ thống cung cấp điện - 5

1.3 Tác dụng của điều khiển PFC - 5

1.4 Phân tích, đánh giá -5

1.5 Nhiệm vụ cụ thể - 6

1.6 Điểm mới của đề tài - 7

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU HỆ SỐ CÔNG SUẤT CAO - 8

2.1 Mạch số băm áp có thể sử dụng trong bộ PFC - 8

2.1.1 Mạch Boost (Boost PFC) - 8

2.1.2 Mạch Buck (Buck PFC) - 9

2.1.3 Mạch Buck/Bootst (Buck/Boost PFC) - 9

2.2 Xác định luật điều khiển - 10

2.2.1 Mô hình mạch Boost PFC - 10

2.2.1.1 Điện áp ra - 10

2.2.1.2 Sự biến thiên điện áp đầu ra - 12

2.2.1.3 Biến thiên dòng điện trong cuộn dây và chế độ dòng liên tục - 12

2.2.1.4 Hiệu suất của bộ biến đổi - 14

2.2.2 Luật điều khiển - 17

2.2.2.1 Nhiệm vụ của mạch điều khiển - 17

2.2.2.2 Điều chỉnh dạng sóng của dòng điện iL - 17

2.2.2.3 Ổn định điện áp đầu ra - 19

2.3 Tính toán mạch động lưc - 20

2.3.1 Tính toán và chọn tụ lọc - 20

2.3.2 Tính toán thiết kế cuộn kháng - 21

2.3.2.1 Lựa chọn vật liệu lõi cuộn cảm - 21

2.3.2.2 Lựa chọn hình dáng lõi - 21

2.3.2.3 Tính toán thông số cuộn cảm - 22

2.3.2 Chọn Diode và van bán dẫn - 26

2.3.2.1 Chọn Diode của chỉnh lưu cầu - 26

2.3.2.2 Chọn van bán dẫn - 27

2.4 Tính toán mạch điều khiển - 28

2.4.1 Tính toán thông số điều khiển - 28

2.4.2 Tính toán mạch vòng điều khiển dòng điện - 29

2.4.2.1 Tính hệ số tỉ lệ của khâu bù dòng điện - 30

2.4.2.1 Tính hệ số tích phân của khâu bù dòng điện - 30

2.4.3 Bộ bù sai số điện áp - 31

CHƯƠNG 3 MẠNG NEURAL VÀ ỨNG DỤNG - 33

3.1 Tổng quan - 33

3.2 Khái quát về mạng thần kinh nhân tạo - 33

3.2.1 Cơ sở sinh học của mạng neural - 33

3.2.1 Mô hình mạng nhân tạo - 34

3.2.3 Các thành phần cơ bản của mạng neural nhân tạo - 36

3.3 Một số mạng neural cơ bản - 38

3.3.1 Mạng perceptron nhiều lớp - 38

3.3.2 Mạng Hopfield - 41

3.3.3 Mạng RBF (Radial Basic Function Networks) - 41

3.3.4 Mạng Kohanen - 42

3.3.5 Mạng ART (Adaptive Resonance Theory) - 42

3.4 Những đặc tính của mạng neural - 42

3.5 Quy trình thiết kế mạng Neural ứng dụng - 43

3.6 Ứng dụng của mạng trong hệ thống điện - 44

3.6.1 Đánh giá an toàn hệ thống - 45

3.6.2 Dự báo phụ tải - 46

3.7 Kết luận - 47

CHƯƠNG 4 MẠNG NEURAL TRONG ĐIỀU KHIỂN PFC - 48

4.1 Cơ chế hiệu chỉnh hệ số công suất dựa vào hệ neural - 48

4.2 mạng perceptron nhiều lớp - 49

4.3 Tạo mẫu huấn luyện và kiểm tra mạng - 53

4.4 Thiết lập cấu trúc mạng neural - 54

4.4.1 Số đầu vào - 54

4.4.2 Số đầu ra - 54

4.4.3 Số lớp ẩn - 54

4.4.4 Số neural trong lớp ẩn - 54

4.4.5 Huấn luyện mạng - 56

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN - 59

5.1 Kết quả mô phỏng với phương pháp điều khiển PFC kinh điển - 59

5.1.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điện - 59

5.1.2 Dạng sóng điện áp, dòng điện ngõ vào, điện áp ra - 59

5.2 Kết quả mô phỏng với phương pháp điều khiển PFC dùng trong mạng thần kinh nhân tạo - 61

5.2.1 Sơ đồ nguyên lý - 61

5.2.1 Dạng sóng điện áp, dòng điện vào, điện áp ra - 63

5.3 Bàn luận - 65

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ - 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 68

PHỤ LỤC - 70

LIỆT KÊ CÁC BẢNG TRA

Bảng 2.1 Bảng tra chọn cuộn dây MPP - 23 Bảng 2.2 Bảng tra thông số kỹ thuật cuộn dây 55906 của MPP - 24

LIỆT KÊ CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Dạng sóng dòng điện, điện áp - 4

Hình 2.1 Sơ đồ mạch Boost - 8

Hình 2.2 Dạng són điện áp và dòng điện vào bộ Boost PFC - 8

Hình 2.3 Sơ đồ mạch Buck - 9

Hình 2.4 Dạng sóng dòng điện, điện áp vào bộ Buck PFC - 9

Hình 2.5 Sơ đồ mạch Buck/Boost - 9

Hình 2.6 Sơ đồ mạch Boost PFC - 10

Hình 2.7 Sơ đồ thay thế khi van đóng - 11

Hình 2.8 Sơ đồ tương đương khi van cắt - 11

Hình 2.9 Dòng điện trên cuộn dây ở chế độ dòng liên tục - 13

Hình 2.10 Sơ đồ mạch tương đương - 14

Hình 2.11 Đồ thị biểu hiện mối quan hệ giữa hiệu suất của mạch

với các đại lượng liên quan - 16

Hình 2.12 Sự hoạt động của bộ PWM - 18

Hình 2.13 Sơ đồ mạch điều khiển - 20

Hình 2.14 Đường cong độ từ thẩm của MPP - 25

Hình 2.15 Hình dạng IGBT được chọn - 27

Hình 2.16 Hình dạng cánh tản nhiệt cho van - 28

Hình 2.17 Kết cấu mạch vòng điều khiển dòng điện - 29

Hình 2.18 Kết cấu mạch vòng điều khiển dòng điện cần tính toán - 29

Hình 2.19 Kết cấu bộ bù sai số điện áp - 31

Hình 3.1 Cấu tạo neural sinh học - 34

Hình 3.2 Phần tử xử lí với kết nối ngõ ra đơn - 35

Hình 3.3 Mạng nuôi tiến - 36

Hình 3.4 Mạng nuôi lùi - 37

Hình 3.5 Perceptron - 38

Hình 3.6 Mạng perceptron - 41

Hình 3.7 Mạng Hopfield - 41

Hình 3.8 Quy trình thiết kế mạng neural ứng dụng - 43

Hình 4.1 Mạng perceptron 1 lớp ẩn - 49

Hình 4.2 Lưu đồ giải huật huấn luyện mạng - 57

Hình 5.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điện - 58

Hình 5.2 Dạng sóng điện áp, dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ - 58

Hình 5.3 Dạng sóng điện áp, dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra cho trường hợp điện áp ngõ vào 180V - 59

Hình 5.4 Dạng sóng điện áp, dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra cho trường hợp điện áp ngõ vào 200V - 59

Hình 5.5 Dạng sóng điện áp, dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ - 60

Hình 5.6 Dạng sóng điện áp, dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra cho trường hợp điện áp ngõ vào 240V - 60

Hình 5.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển PFC dùng mạng neural 61

Hình 5.8 Sơ đồ nguyên lý khối PFC (Boost PFC) - 61

Hình 5.9 Sơ đồ cấu trúc mạng neural - 61

Hình 5.10 Sơ đồ cấu trúc lớp ẩn - 62

Hình 5.11 Cấu trúc các neural trong lớp ẩn - 62

Hình 5.12 Sơ đồ cấu trúc lớp xuất - 62

Hình 5.13 Cấu trúc neural trong lớp xuất - 62

Hình 5.14 Dạng sóng điện áp, dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra cho trường hợp điện áp ngõ vào 100V - 63

Hình 5.15 Dạng sóng điện áp, dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra cho trường hợp điện áp ngõ vào 180V - 63

Hình 5.16 Dạng sóng điện áp, dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra cho trường hợp điện áp ngõ vào 200V - 64

Hình 5.17 Dạng sóng điện áp, dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra cho trường hợp điện áp ngõ vào 220V - 64

Hình 5.18 Dạng sóng điện áp, dòng điện ngõ vào và điện áp ngõ ra cho trường hợp điện áp ngõ vào 240V - 65

MỞ ĐẦU

Hiện nay, nguồn điện xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các loại thiết bị, máy móc và dần thay thế chỗ cho các thiết bị sử dụng nguồn điện một chiều Nhưng nguồn điện một chiều vẫn luôn có chỗ đứng của riêng mình trong những lĩnh vực mà nguồn điện xoay chiều không thể thay thế được như nguồn điện cho các linh kiện điện tử, mạ điện, động cơ điện một chiều … Để tạo ra nguồn điện một chiều có thể dùng nhiều cách như : dùng máy phát điện một chiều, sử dụng pin, ắc qui, sử dụng bộ chỉnh lưu (chuyển đổi AC/DC) …Với mạng lưới điện xoay chiều phân bố rộng rãi như hiện nay, cách mang lại hiệu quả và tiện lợi nhất đó là sử dụng bộ chỉnh lưu để chuyển đổi nguồn điện xoay chiều AC sang nguồn điện một chiều (AC/DC)

Trong thực tế có nhiều loại hình chuyển đổi AC/DC khác nhau, nhưng hầu hết có hiệu suất không cao và thường phát lại lưới những sóng điện có hài bậc cao làm ảnh hưởng tới chất lượng của nguồn điện Cụ thể : làm méo hài dòng điện lưới và làm suy giảm hệ số công suất Sự méo hài dòng điện lưới gây ra một số tác hại như làm nóng quá mức của những phần tử hệ phân phối,

sự dao động cơ khí trong các máy phát và động cơ điện, tăng tiếng ồn âm thanh, làm suy yếu công suất của những hệ thống thông tin liên lạc Hiện tượng phổ biến hơn mà không một ai ưa thích đó là những dao động điện áp nhanh gây ra hiện tượng đu đưa của sự giao thoa ánh sáng và tần số của sóng

vô tuyến Việc suy giảm hệ số công suất làm cho giá thành năng lượng điện

và phí truyền tải tăng, tổn hao trong truyền tải lớn, chất lượng điện áp kém… Hiện tại, ở nước ta vẫn chưa có qui định về tổng lươ ̣ng sóng hài cho phép,

và hiệu suất của các bộ chuyển đổi AC/DC nhưng với chủ trương phát triển bền vững điều đó chỉ sớm hay muộn Việc giảm lượng hài bậc cao và cải thiện hệ số công suất cho bộ chuyển đổi AC/DC rất quan trọng Nên tôi chọn

luận văn tốt nghiệp của mình là “Ứng dụng mạng thần kinh nhân tạo trong

hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC – Power Factor Correction)” để thực hiện

MỤc đích, đối tượng của luận văn : Ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện

đại (mạng thần kinh nhân tạo – neural network) để thiết kế bộ hiệu chỉnh hệ

số công suất cho hệ nguồn một chiều dùng bộ chuyển đổi AC/DC một pha

Phạm vi nghiên cứu

Do thời gian có hạn nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu các vấn đề sau :

- Phương pháp hiệu chỉnh hệ số công suất bộ chuyển đổi AC/DC 1pha

- Tính toán thiết kế bộ chuyển đổi AC/DC một pha bằng phương pháp kinh điển có hệ số công suất cao (bằng 1)

- Nghiên cứu xây dựng mạng thần kinh nhân tạo trong điều khiển PFC

để thực hiện hiệu chỉnh hệ số công suất bộ chuyển đổi AC/DC một pha

- Mô phỏng bằng matlab

- Kết luận

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Như ta đã biết chất lượng một hệ thống cung cấp điện được đánh giá bởi

hai (trong một số) chỉ tiêu là hệ số công suất (Power Factor – PF) và tổng

lượng sóng hài (Total Harmonic Distortion – THD) Hiệu năng của hệ thống

lưới điện phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sóng hài, tổng lượng sóng hài càng nhỏ hiệu năng lưới điện sẽ càng cao

Một số ích lợi khi việc cải thiện hệ số công suất :

- Giảm giá thành năng lượng điện và phí truyền tải

- Giảm thiểu mất mát, tổn hao trong truyền tải

- Chất lượng điện áp tốt hơn

- Tăng tính chất điện dung cho lưới điện

Từ những lý do trên cho thấy việc thiết kế ra một bộ điều chỉnh hệ số công suất cho bộ chỉnh lưu là một ý tưởng có ý nghĩa thực tiễn cao Thực tế

hiện nay có rất nhiều hãng chế tạo linh kiện, chip điện tử đã cho ra đời nhiều dòng sản phẩm IC tương tự chuyên để xử lý trong các mạch điều chỉnh hệ số công suất (Power Factor Correction – PFC) Xong trong luận văn này người học sẽ phát triển ý tưởng này để tạo ra một bộ PFC với ứng dụng mạng thần kinh nhân tạo để thực hiện điều khiển

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung

Hiện nay trong hầu hết các thiết bị biến đổi điện năng đều sử dụng đến chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều (cung cấp từ lưới điện) sang nguồn một chiều Nguồn điện một chiều sau chỉnh lưu sẽ đóng vai trò nguồn cấp cho tất cả các module bên trong của thiết bị (kể cả các module xoay chiều qua hệ thống mạch nghịch lưu) Thông thường để đảm bảo được chất lượng điện áp như mong muốn thì phải mắc tụ san phẳng với giá trị điện dung lớn vào ngay sau chỉnh lưu Chính điều này dẫn đến một số vấn đề cần phải được quan tâm mà điển hình là sóng hài Hiện tượng sóng hài được chỉ rõ trong hình 1.1

Dòng điện vào từ nguồn lưới là dòng gián đoạn và tồn tại trong những khoảng thời gian ngắn (hài) Sở dĩ có hiện tượng này là do quá trình phóng nạp liên tục của tụ lọc Thiết bị chỉ nhận năng lượng từ lưới trong thời gian tụ nạp Khi các hài này được sinh ra sẽ gây hại đến hệ thống lưới điện Tác hại của những hài này sẽ càng lớn khi công suất tải lớn, hoặc khi có đồng thời nhiều thiết bị gây hài mắc vào cùng một nguồn lưới

Sãng ®iÖn ¸ p sau chØ nh luu

Sãng ®iÖn ¸ p khi cã

tô san ph¼ng

Dßng ®iÖn vµo bé chØ nh luu t

U, i

Dạng dòng điện vào bộ chỉnh lưu Iac

Dạng sóng điện áp ra khi có tụ san phẳng C 0 Dạng sóng điện áp ra khi không có tụ C 0

1.2 Ý nghĩa của hệ số công suất trong hệ thống cung cấp điện

Để hiểu được khái niệm hệ số công suất trước hết cần phải biết khái niệm công suất trong truyền tải điện bao gồm hai thành phần :

- Thành phần hữu ích, hay thành phần hữu công : Là phần năng lượng điện chuyển hóa được thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng khi điện được cung cấp đến các thiết bị dùng điện Là thành phần đo đếm được qua các thiết bị đo đếm điện năng của người tiêu dùng Là phần năng lượng mà người dùng phải trả tiền Công suất hữu ích được đo bằng W hay kW

- Thành phần vô công : Là thành phần sinh ra trong các thiết bị điện từ như động cơ điện, máy biến áp hàn, cuộn kháng… khi làm việc

non tải, được đo bằng VAR hay kVAR

Tổng hai thành phần công suất được gọi là công suất biểu kiến được đo bằng VA hay kVA

Hệ số công suất là đại lượng phản ánh mức năng lượng tiêu hao

có ích trong tổng lượng công suất mà thiết bị tiêu thụ Hệ số này mang

ý nghĩa kinh tế quan trọng

1.3 Tác dụng của bộ điều khiển PFC

Bộ PFC được lắp đặt tại vị trí giữa nguồn cấp (sau chỉnh lưu) và tải một chiều, có tác dụng theo dõi hệ số công suất của tải và tự động điều chỉnh để điện áp và dòng điện vào luôn đồng pha (cosphi = 1) Đồng thời nó còn có tác dụng ổn định điện áp đầu ra, làm tăng tính ổn định của hệ thống, xử lý các thay đổi diễn ra ở phía nguồn cấp và phía tải một chiều, thông báo và tác động khi xảy ra sự cố

1.4 Phân tích, đánh giá

Hiện tại đã có rất nhiều nghiên cứu để thực hiện việc hiệu chỉnh hệ số công suất cho các bộ chuyển đổi AC/DC một pha đã được thực hiện từ

phương pháp điều khiển kinh điển như điều khiển tương tự hay phương pháp điều khiển hiện đại như điều khiển số … trong việc hiệu chỉnh hệ số công suất (Power Factor Correction - PFC) cho bộ chuyển đổi AC/DC một pha Tuy nhiên, các phương pháp điều khiển trên đều có cấu trúc điều khiển phức tạp,

độ tin cậy không cao Việc tạo ra một hệ nguồn một chiều dùng bộ chuyển đổi AC/DC một pha làm việc thông minh, tin cậy và kinh tế Khắc phục những nhược điểm của các phương pháp điều khiển trên trong hiệu chỉnh hệ số công suất hệ nguồn một chiều dùng bộ chuyển đổi AC/DC một pha rất cần thiết Trong những năm gần đây, với những phần mềm máy tính và các vi xử lí mạnh cùng với sự phát triển của các mô hình mạng neural, các phương pháp điều khiển, giám sát, nhận dạng … theo hướng dùng mạng thần kinh nhân tạo ngày càng được áp dụng khá rộng rãi trên mọi lĩnh vực Người học muốn ứng dụng mạng thần kinh nhân tạo trong hiệu chỉnh hệ số công suất cho hệ nguồn một chiều dùng bộ chuyển đổi AC/DC một pha Đây là một phương pháp điều khiển hiện đại, hiện tại trong và ngoài nước chưa áp dụng để thực hiện việc hiệu chỉnh hệ số công suất cho hệ nguồn một chiều dùng bộ chuyển đổi AC/DC một pha Bên cạnh đó, mạng thần kinh nhân tạo còn có ưu điểm về sự đơn giản trong cấu trúc liên hệ giữa các biến đầu vào và kết quả đầu ra Mối liên hệ giữa ma trận đầu vào và ma trận kết quả không phải là hằng số mà là những mối liên kết có cấu trúc, phi tuyến và được điều chỉnh liên tục trong quá trình học của mạng nên dễ dàng xây dựng một cấu trúc mạng Ngoài việc

áp dụng mạng thần kinh nhận tạo để điều khiển nâng cao hệ số công suất khi thiết kế hệ nguồn một chiều dùng bộ chuyển đổi AC/DC một pha, còn giúp hệ nguồn một chiều ổn định được điện áp đầu ra khi có biến động về nguồn AC

1.5 Nhiệm vụ cụ thể

- Lựa chọn sơ đồ thiết kế phù hợp và xác định luật điều khiển cho bộ PFC theo phương pháp kinh điển Từ đó tính toán thông số cho mạch động lực và

mạch điều khiển cho bộ PFC cụ thể

- Giới thiệu tổng quát về mạng thần kinh nhân tạo

- Xây dựng mạng thần kinh nhân tạo trong điều khiển bộ PFC

- So sánh các phương pháp điều khiển khác

- Đánh giá kết quả đạt được

1.6 Điểm mới của đề tài

Ứng dụng mạng Perceptron trong việc phân tích dữ liệu như dòng điện lưới (Iac), điện áp nguồn vào từ lưới (Vac), điện áp ngõ ra bộ chuyển đổi (Vo) cùng với điện áp tham chiếu (Vref) trên cơ sở cải tiến việc xắp xếp mẫu, xác định số neural ẩn và xác định số thế hệ học cần thiết bằng thuật toán để mạng

có thể học nhanh nhất và điều khiển ngõ ra (uđk) điều khiển chính xác nhất

Hình 2.2 Dạng sóng điện áp và dòng điện vào bộ Boost PFC

Với : TON là chu kì dẫn của van; T là chu kì đóng cắt của van

D T

Quan hệ giữa điện áp vào và điện áp ra của bộ boost converter :

Điện áp trên tụ C : UC = VS – VL = Utải

Điện áp ra của bộ Buck luôn nhỏ hơn điện áp nguồn cấp, biểu thức liên

Khi van đóng : điện áp trên cuộn L bằng điện áp nguồn Diode D khóa

do bị phân cực ngược Dòng điện qua tải được cung cấp bởi tụ C0

Khi van cắt : điện áp trên L dảo cực tính, diode D dẫn dòng khép mạch

L – C0 – D – L Tụ C0 được nạp chuẩn bị cho chu kì phóng khi van đóng Điện áp ra trong trường hợp này có thể lớn hoặc nhỏ hơn điện áp nguồn cấp, với biểu thức liên hệ :

.1

S O

V D V

D L

Hình 2.6 Sơ đồ mạch Boost PFC

Xét các trạng thái đóng mở của van để tìm ra mối quan hệ giữa các giá trị đầu vào, đầu ra và các thành phần trong mạch để đưa ra những phương pháp lựa chọn thiết bị, luật điều khiển phù hợp nhất với các thông số của mạch theo yêu cầu

2.2.1.1 Điện áp ra

Xét khi van bán dẫn đóng Có thể vẽ lại mạch như sau :

V o

R C

L

S

V s

Hình 2.7 Sơ đồ thay thế khi van đóng

Điện áp đặt trên hai đầu cuộn dây : VL = VS

Dòng điện qua cuộn dây tăng dần Có quan hệ sau : L ( )

s

di

dt  (2.1) Nếu xét trong thời gian rất ngắn thì có thể coi điện áp vào là ổn định, tốc

độ biến thiên dòng điện qua cuộn L sẽ xác lập Khi đó công thức (2.1) có thể

biểu diễn dưới dạng sai phân như sau :

Hình 2.8 Sơ đồ tương đương khi van cắt

Với giả thiết VL mang giá trị âm và lượng biến đổi dòng điện i trên cuộn L cũng mang giá trị âm

V o R

C L

V s

Khi dòng điện qua cuộn dây đã xác lập tổng lượng tăng dòng điện khi

van đóng phải bằng tổng lượng giảm dòng điện khi van hở, do đó có được :

D



Từ (2.8), thấy V0 > VS , D càng lớn thì V0 càng lớn VS = V0 khi D = 0

Thông thường lấy D trong khoảng 0,1 < D < 0,9

2.2.1.2 Sự biến thiên điện áp đầu ra

Khi van đóng cắt tương ứng sẽ là quá trình nạp và phóng điện liên tiếp

của tụ C0 Khi đó điện áp ra sẽ có sự thay đổi phụ thuộc vào giá trị điện dung

của tụ và tần số đóng cắt của van

C C R C f

    (2.11)

Với : f là tần số biến thiên điện áp đầu ra

2.2.1.3 Biến thiên dòng điện trong cuộn dây và chế độ dòng liên tục

Để đảm bảo được chức năng cho bộ PFC, phải thiết kế để mạch Boost

PFC hoạt động ở chế độ dòng liên tục

Tính toán đối với trường hợp tải thuần trở, khi tải mang tính cảm thì giá trị L trong mạch tăng làm cho dòng điện qua nó càng được mịn hơn

Hình 2.9 Dạng sóng dòng điện trên cuộn dây ở chế độ dòng liên tục

Khi điện áp và dòng điện qua L đồng pha, có được :

Công suất do nguồn cung cấp : P S V I S L

0 0

V P

Như vậy để dòng qua L liên tục phải có : I Lmin 0

2

L L

V I

Với : f là tần số đóng cắt của van

2.2.1.4 Hiệu suất của bộ biến đổi

Theo những tính toàn như trên có thể vẽ lại sơ đồ mạch điện trên thành

sơ đồ mạch điện tương đương như sau :

Hình 2.10 Sơ đồ mạch tương đương

D T



Áp dụng phương trình cân bằng điện áp cho mạch vòng đầu vào :

( ) ( ) ( ) '( )

i t d t R V t d t V

Ron là điện trở đầu vào của mạch khi van đóng

Thay biểu thức is và d’(t) có được :

e

( )( )

d

on e

Có thể viết lại phương trình như sau :

e

V P

Qua đồ thị cho thấy hiệu suất của mạch phụ thuộc vào điện áp đầu vào, điện áp đầu ra, điện trở vào tương đương của mạch và điện trở vào khi van dẫn Khi tỉ số giữa điện áp đầu vào với điện áp đầu ra càng lớn thì hiệu suất càng cao, tỉ số điện trở vào tương đương và điện trở vào khi van dẫn càng nhỏ thì hiệu suất mạch càng cao Với đầu bài đã cho thì tỉ số VM/Vo cố định nên chỉ có thể điều chỉnh hiệu suất của mạch qua các điện trở vào

2.2.2 Luật điều khiển

2.2.2.1 Nhiệm vụ của mạch điều khiển

Điều khiển quá trình đóng mở khoá S – là van bán dẫn sao cho dạng sóng dòng điện (Iac) và điện áp ngõ vào (Vac) trùng nhau (hay cos =1), điện

áp 1 chiều đầu ra là V o ổn định khi điện áp ngõ vào thay đổi

2.2.2.2 Điều chỉnh dạng sóng của dòng điện iL

Để dòng điện và điện áp cùng pha với nhau sẽ tính dòng điện khi đó, sau

đó tạo ra 1 sóng dòng điện chuẩn trùng pha với điện áp vào rồi cho dòng điện thực tế bám theo dòng điện chuẩn đó

Dòng điện i L chuẩn : s

L e

V i R

V R P

 

Vì không thể phản hồi chính xác giá trị hiệu dụng của điện áp đầu vào nên tính V Mthông qua V AVG :

1 2 sin( )

V V

Để dòng điện vào bám theo dòng điện chuẩn thì sử dụng bộ PWM : dùng

tín hiệu so sánh giữa dòng điện thực và dòng điện chuẩn làm tín hiệu vào của

bộ PWM, tín hiệu này sẽ được so sánh với xung tam giác và tạo ra xung điều

khiển cho van bán dẫn theo qui tắc sau :

Khi di lớn hơn tín hiệu xung tam giác thì phát tín hiệu mở van bán dẫn

Khi di nhỏ hơn tín hiệu xung tam giác thì phát tín hiệu khoá van bán dẫn

Hình 2.12 Sự hoạt động của bộ PWM

Khi di tăng từ di0 tới di1 thì di lớn hơn tín hiệu xung tam giác nên van dẫn Khi đó theo mạch động lực thì : V s.

2.2.2.3 Ổn định điện áp đầu ra

Với công thức sau :

1

S O

V V

s L

V Ts D I

L



Có thể sử dụng phản hồi âm điện áp để tạo ra dòng điện chuẩn và ổn định điện áp đầu ra của mạch Khi điện áp đầu ra giảm xuống nhỏ hơn điện áp đặt thì điện áp sai lệch sẽ dương nên sai lệch công suất cũng dương tức công suất tăng, làm cho dòng điện chuẩn tăng, theo 2 công thức trên thì D tăng nên điện

áp đầu ra tăng lên Và điều tương tự cũng xảy ra khi điện áp đầu ra tăng

Từ những tính toán và lý luận trên sử dụng mạch điều khiển với 2 vòng phản hồi là vòng phản hồi âm dòng điện vào và vòng phản hồi âm điện áp ra với 2 bộ điều khiển PI để ổn định hệ thống Khi đó sơ đồ mạch điều khiển có dạng như sau :

Hình 2.13 Sơ đồ mạch điều khiển

2.3 Tính toán mạch động lực

2.3.1 Tính toán và chọn tụ lọc

Giá trị của tụ lọc phụ thuộc vào độ nhấp nhô cho phép của dòng điện đầu

ra Theo công thức (2.11) phần 2.2;

I D C

Do sự thay đổi liên tục điện áp vào nên giá trị D không cố định 0< D <1

Để chất lượng điện áp ra đảm bảo :

398.1010.2.3,1416.100

Chọn : C  470(  F )

2.3.2 Tính toán thiết kế cuộn kháng

Tính toán cho mạch Boost PFC có thông số chi tiết như sau :

2.3.2.1 Lựa chọn vật liệu lõi cuộn cảm

Việc lựa chọn vật liệu lõi cần phải phù hợp với tần số, chế độ dòng điện của cuộn cảm Lõi Ferrit luôn lựa chọn tốt nhất đối với cuộn cảm được thiết

kế để làm việc ở chế độ dòng không liên tục tần số trên 50kHz, khi đó tổn hao lõi liên quan đến từ thông xoay chiều lớn sẽ giới hạn hệ số sử dụng lõi

Tuy nhiên, ở chế độ dòng liên tục, với độ gợn sóng dòng điện nhỏ và từ thông xoay chiều bé, lõi Ferrit sẽ thường bị giới hạn bởi sự bão hòa Trong trường hợp này, những vật liệu có tổn hao lớn hơn nhưng mật độ từ thông bão hòa lớn hơn như Powdered iron, Kool-mu®, Permalloy powder, hay thậm chí các lõi được ghép từ các lá thép có thể được sử dụng nhằm giảm chi phí hay kích thước lõi

2.3.2.2 Lựa chọn hình dáng lõi

Hình dáng lõi, cửa sổ không thực sự quan trọng đối với những cuộn cảm được thiết kế để làm việc ở chế độ dòng liên tục, bởi vì tổn hao dây quấn thường rất nhỏ Nhưng đối với những cuộn cảm được thiết kế để làm việc ở chế độ dòng không liên tục, hình dáng cửa sổ cực kỳ quan trọng Cửa sổ nên

chọn rộng nhất để làm tăng tối đa diện tích tản nhiệt dây quấn và làm giảm tối

đa số lớp cuộn dây Điều này làm giảm tối đa điện trở dây quấn xoay chiều Lõi hình xuyến với những cuộn dây được phân bố đều trên toàn bộ lõi,

có thể sử dụng trong bất kỳ cuộn cảm nào Từ trường tản và sự truyền nhiễu điện từ rất thấp Hơn nữa việc quấn dây cũng sẽ thuận tiện hơn vì ta không phải quan tâm đến chiều dài khe hở không khí

Dưới đây sẽ lựa chọn lõi hình xuyến, vật liệu MPP của nhà sản xuất Magnetics Incs Việc lựa chọn kích thước lõi cũng tuân theo hướng dẫn của nhà sản xuất (2008_PowderCoreCatalog – Magnetics Incs)

2.3.2.3 Tính toán thông số cuộn cảm

1052,630,95

in

P P

in pkavg

in

P I

V

- Tính toán độ gợn dòng điện đầu vào : ΔI = 0,2.Ipk = 0,2.14,9 = 2,98(A)

- Tính dòng điện đầu vào đỉnh :

- Tính toán thời gian mở lớn nhất :

in m

V D

- Chọn lõi (theo hướng dẫn của nhà sản xuất) : Từ biểu đồ chọn lõi loại MPP của nhà sản xuất dựa vào giá trị LI2 thấy được, giá trị này tương ứng với đường có độ từ thẩm 26μ, loại lõi 55906

Bảng 2.1 Bảng tra chọn cuộn dây theo LI 2 của MPP

Bảng 2.2 Bảng tra thông số kỹ thuật cuộn dây 55906 của MPP

- Bảng thông số kỹ thuật của lõi 55906 chỉ ra rằng điện cảm danh định của lõi này là 37 nH/T2±8% Do đó điện cảm danh định nhỏ nhất của lõi này :

ALmin = 37 – 0,08.37 = 34,04 (nH/T2)

- Tính số vòng dây cần thiết để đạt được điện cảm 1,5 mH :

min 6

NI H

l

- Từ đường cong độ từ thẩm - điện áp một chiều, ta thu được phần trăm độ

từ thẩm ban đầu là 57%

Hình 2.14 Đường cong độ từ thẩm của MPP

- Chọn mật độ dòng điện trong dây quấn là 600 A/cm2

600

rms

I A

J

   (cm2)

Tra bảng kích thước dây quấn ta chọn dây #13 có tiết diện dây kể cả

cách điện 0,028 cm2

- Tính điện trở danh định của dây quấn với hệ số dây quấn là 0,6 Theo

Trong đó : / mHwfđiện trở danh định với hệ số dây quấn chọn( Ω/mH)

Ω/mHunit giá trị điện trở đơn vị, cho trước với mỗi loại lõi

wf hệ số dây quấn đã chọn (Ku = 0,6)

Kwfchiều dài trung bình 1vòng với hệ số dây quấn chọn (cm)

Kunit chiều dài trung bình một vòng dây đối với hệ số dây quấn

Từ bảng thông số kỹ thuật của lõi 55906, có được :

/ wf 0,0345 9, 24 0,048

mH

- Giá trị điện trở của dây quấn : R dc  /mHwf.L0,048.1,50,074(Ω)

- Tính tổn hao đồng trên dây dẫn :

e

I N H

l



Đổi sang Oersteds Hac = 27,8/1,26 = 22,07 (Oersteds)

- Tra đường cong từ hóa vật liệu MPP theo H ta có :

2.3.3.1 Chọn diode của chỉnh lưu cầu

Dòng điện lớn nhất đi qua Diode :

Imax 2 2 1000 15,7( )

0,9.100

O S

Vậy chọn diode 1N2158 với : Imax = 25 A, Un= 400V,

2.3.3.2 Chọn van bán dẫn

Điện áp lớn nhất đặt vào van bán dẫn chính bằng điện áp lớn nhất trên tụ

Vmax = 400V Dòng điện lớn nhất đi qua van bán dẫn :

ACmax

2 2.1000

15,7min 100.0,9

Sẽ chọn van bán dẫn loại IGBT với số hiệu CM100DUS-12F có các với thông số kỹ thuật sau : VCES = 600 V ; Ic = 100 A ; VCEmax = 2,6 V

Hình 2.15 Hình dạng IGBT được chọn

Do tần số làm việc của van 20 KHz không lớn nên tổn hao chuyển mạch trên van không đáng kể Vậy tổn hao cực đại trên van khi van làm việc với tải định mức 1KW :  P IACmax.V CE 15,7.2,640,82(W)

Với tổn hao công suất trên van như trên phải sử dụng thêm bộ tản nhiệt cho van để làm mát van Sử dụng bộ tản nhiệt có kích thước và hình dáng như sau :

Hình 2.16 Hình dạng cánh tản nhiệt cho van

Với bộ tản nhiệt này thì diện tích bề mặt toả nhiệt :

Chọn nhiệt độ môi trường : 40C

Nhiệt độ của van bán dẫn khi làm việc :

T lv T mt   4026,366,3(C)Tmax 150 C

Với nhiệt độ này thì van có thể làm việc tốt và ổn định

2.4 Tính toán mạch điều khiển

2.4.1 Tính toán thông số mạch điều khiển