đi sâu nghiên cứu các vấn đề lý thuyết và mô phỏng kiểm chứng khả năng nâng cao hệ số công suất sau chỉnh lưu bằng bộ biến đổi DUAL BOOST

Córất nhiều giải pháp để đạt được sự hiệu chỉnh hệ số công suất bằng cách sử dụngmột sự kết hợp của các bộ lọc vượt qua đầu vào và đầu ra thấp, hình dạng củacác đầu vào hiện tại có thể đ

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

CHƯƠNG 1 1

ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ SỐ CÔNG SUẤT TỚI LƯỚI ĐIỆN CÓ 1

SỬ DỤNG BỘ CHỈNH LƯU MỘT PHA PHÍA TẢI 1

1.1 Hệ số công suất 1

1.1.1 Khái niệm 1

1.1.2 Ý nghĩa của hệ số công suất 3

1.1.4 Lợi ích của việc nâng cao hệ số công suất 7

1.2.Các phương pháp nâng cao hệ số công suất 7

1.2.1 Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính 8

1.2.2 Điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến tính 9

1.2.3.Nâng cao hệ số công suất bằng lọc thụ động( Passive PFC) 10

1.2.4.Nâng cao hệ số công suất bằng lọc tích cực( Active PFC) 11

1.3 Tổn hao đóng cắt 13

1.4 Vấn đề xây dựng các giải pháp 14

1.5 So sánh giữa BOOST CONVERTER và BUCK CONVERTER 15

CHƯƠNG 2:BỘ BIẾN ĐỔI – DUAL BOOST 21

2.1.Câú trúc và nguyên lý làm việc của bộ biến đổi 21

2.1.1 Cấu trúc các bộ biến đổi xung áp 21

2.2.Boost và các nguyên tắc điều khiển 26

2.2.1 Thế nào là Boost converter 26

2.2.2.Cấu trúc của Boost 26

31

(a) Dạng sóng 31

(b) tín hiệu Transistor T ổ cổng x 31

2.3.Dual Boost và nguyên lí hoạt động 35

2.3.1.Cấu trúc của dual boost 35

2.3.2.Nguyên lý hoạt động 39

2.4 Nguyên lý điều khiển bộ biến đổi DC-DC 42

2.4.3 Thực hiện điều khiển mạch vòng dòng điện 46

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 48

3.1 Hình ảnh và mô phỏng kết quả cho mạch chỉnh lưu mạch không sử dụng bộ biến đổi hệ số công suất 48

3.1.1 Hình ảnh mô phỏng 48

3.1.2 Dạng sóng trên simulink 49

3.1.3 Dạng sóng tích cực và phản ứng từ nguồn 49

3.1.4 Phân tích dòng vào FFT 50

3.2 Hình ảnh và mô phỏng kết quả cho mạch chỉnh lưu mạch sử dụng bộ biến đổi boost để thay đổi hệ số công suất 51

3.2.1 Hình ảnh mô phỏng 51

3.2.2 Dạng sóng trên simulink 52

3.3 Hình ảnh và mô phỏng kết quả cho mạch chỉnh lưu mạch sử dụng bộ biến

đổi dualboost để thay đổi hệ số công suất 54

3.3.1 Hình ảnh mô phỏng 54

3.3.2 Dạng sóng trên simulink 55

3.3.4 Phân tích dòng vào FFT 56

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 3

CHƯƠNG 1 1

ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ SỐ CÔNG SUẤT TỚI LƯỚI ĐIỆN CÓ 1

SỬ DỤNG BỘ CHỈNH LƯU MỘT PHA PHÍA TẢI 1

1.1 Hệ số công suất 1

1.1.1 Khái niệm 1

1.1.2 Ý nghĩa của hệ số công suất 3

1.1.4 Lợi ích của việc nâng cao hệ số công suất 7

1.2.Các phương pháp nâng cao hệ số công suất 7

1.2.1 Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính 8

1.2.2 Điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến tính 9

1.2.3.Nâng cao hệ số công suất bằng lọc thụ động( Passive PFC) 10

1.2.4.Nâng cao hệ số công suất bằng lọc tích cực( Active PFC) 11

1.3 Tổn hao đóng cắt 13

1.4 Vấn đề xây dựng các giải pháp 14

1.5 So sánh giữa BOOST CONVERTER và BUCK CONVERTER 15

CHƯƠNG 2:BỘ BIẾN ĐỔI – DUAL BOOST 21

2.1.Câú trúc và nguyên lý làm việc của bộ biến đổi 21

2.1.1 Cấu trúc các bộ biến đổi xung áp 21

2.2.Boost và các nguyên tắc điều khiển 26

2.2.1 Thế nào là Boost converter 26

2.2.2.Cấu trúc của Boost 26

2.2.3 Nguyên lý điều khiển boost 28

31

Hình 2.11 Hình biểu thị của tín hiệu và dạng sóng dòng qua bộ biến đổi 31

(a) Dạng sóng 31

(b) tín hiệu Transistor T ổ cổng x 31

2.3.Dual Boost và nguyên lí hoạt động 35

2.3.1.Cấu trúc của dual boost 35

2.3.2.Nguyên lý hoạt động 39

2.4 Nguyên lý điều khiển bộ biến đổi DC-DC 42

2.4.3 Thực hiện điều khiển mạch vòng dòng điện 46

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 48

3.1 Hình ảnh và mô phỏng kết quả cho mạch chỉnh lưu mạch không sử dụng bộ biến đổi hệ số công suất 48

3.1.1 Hình ảnh mô phỏng 48

3.1.2 Dạng sóng trên simulink 49

3.1.3 Dạng sóng tích cực và phản ứng từ nguồn 49

3.1.4 Phân tích dòng vào FFT 50

3.2 Hình ảnh và mô phỏng kết quả cho mạch chỉnh lưu mạch sử dụng bộ biến đổi boost để thay đổi hệ số công suất 51

3.2.3 Dạng sóng tích cực và phản ứng từ nguồn 52

3.2.4 Phân tích dòng vào FFT 53

3.3 Hình ảnh và mô phỏng kết quả cho mạch chỉnh lưu mạch sử dụng bộ biến đổi dualboost để thay đổi hệ số công suất 54

3.3.1 Hình ảnh mô phỏng 54

3.3.2 Dạng sóng trên simulink 55

3.3.4 Phân tích dòng vào FFT 56

THD: Total Harmonic Distortion : Hệ số méo sóng hài tổng.

PFC: Power Factor Correction : Hiệu chỉnh hệ số công suất.

FFT: Fast Fourier Transform : phép biến đổi Fourier nhanh

PWM: Pulse Width Modulation: Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung.ZvT: zero voltage transition : Chuyển đổi điện áp bằng không

ZCT: zero current transition: Chuyển đổi dòng điện bằng không

ZCS: zero current switching: Chuyển mạch dòng điện bằng không.SOA: Safe Operating Area: Khu vực điều hành an toàn

ZVS: Zero voltage switching: Chuyển mạch điện áp bằng không

PSU: Power Supply Unit: Bộ nguồn máy tính

PF: Power Factor: Hệ số công suất

Sự phát triển của điện tử công suất nói chung và các thiết bị điện tử côngnghiệp nói riêng đã đáp tốt ứng những yêu cầu ngày càng khắt khe của đời sống.

Sự bùng nổ của thiết bị tin học, hệ thống mạng máy tính, các hệ thống nguồnphân tán đã đặt ra các bài toán thiết kế các bộ nguồn một chiều có điện áp đầu ra

ổn định Bên cạnh những ưu điểm về chất lượng đầu ra tốt, kích thước nhỏ thìnhững bộ nguồn này tồn tại hạn chế lớn là gây ra méo dạng dòng điện lưới đầuvào, sinh ra nhiễu điện từ cho hệ thống và có hệ số công suất thấp Do số lượngcác bộ nguồn này không nhỏ nên những ảnh hưởng của chúng là đáng kể tới

hệ thống lưới điện và mục đích về kinh tế, thương mại Từ đó, người thiết kế cầnphải đưa ra biện pháp để đáp ứng yêu cầu này Có hai phương pháp nâng cao hệ

số công suất được đưa ra là Passive PFC (nâng cao hệ số công suất bằng lọc thụđộng) và Active PFC(nâng cao hệ số công suất bằng lọc tích cực) Mặc dù,phương pháp Passive PFC thực hiện đơn giản, nhưng cồng kềnh và chỉ áp dụngvới các các thiết bị ở dải công suất thấp Trong khi phương pháp Active PFCđáp ứng được cả yêu cầu về chất lượng hệ số công suất cao, kích thước nhỏ gọn.Qua nhiều năm phát triển, phương pháp nâng cao hệ số công suất Active PFCngày càng chiếm ưu thế Bộ biến đổi Dual Boost là một trong những giải pháptối ưu trong việc nâng cao hệ số công suất của của các hệ thống điện

Đồ án này do sinh viên Nguyễn Văn Dũng thực hiện dưới sự hướng dẫn

của Thạc sĩ Nguyễn Thị Thắm Đồ án gồm có 3 chương với nội dung đi sâu

nghiên cứu các vấn đề lý thuyết và mô phỏng kiểm chứng khả năng nâng cao hệ

số công suất sau chỉnh lưu bằng bộ biến đổi DUAL BOOST

Xin chân thành cảm ơn các giáo viên khoa Điện-Cơ, đặc biệt là Thạc sĩNguyễn Thị Thắm đã nhiệt tình giúp đỡ thực hiện cuốn sách này

Mặc dù đã có nhiều cố gắng song không thể tránh được những thiếu sótnhất định trong quá trình thực hiện Em rất mong muốn các ý kiến đóng góp củacác thầy cô và bạn đọc

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Dũng

CHƯƠNG 1 ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ SỐ CÔNG SUẤT TỚI LƯỚI ĐIỆN CÓ

SỬ DỤNG BỘ CHỈNH LƯU MỘT PHA PHÍA TẢI 1.1 Hệ số công suất

Hình 1.1 : Tam giác công suất

Hệ số công suất là tỷ số giữa công suất tác dụng và công suất biểu kiếntrong mạch điện

Hệ số công suất còn được định nghĩa là cosin của góc giữa điện áp vàdòng điện trong một mạch điện xoay chiều Nói chung, nó là sự chênh lệch củađiện áp và dòng điện hiện tại trong một mạch điện xoay chiều được biểu diễnbằng hệ số cosφ

Hình 1.2 Hình biểu diễn hệ số cosφ giữa điện áp và dòng điện

+ cosφ: hệ số công suất với mạch chỉ có cuộn cảm thuần φ=

2 π

Cosφ =0=> P=0

+ cosφ: hệ sô công suất với mạch chỉ có tụ điện

φ=-2 π

1.1.2 Ý nghĩa của hệ số công suất

Nếu xét trên phương diện nguồn cung cấp (máy phát điện hoặc máy biếnáp) Rõ ràng cùng một dung lượng máy biến áp hoặc công suất của máy phátđiện (tính bằng KVA) Hệ số công suất càng cao thì thành phần công suất tácdụng càng cao và máy sẽ sinh ra được nhiều công hữu ích Ở đây tại sao takhông duy trì cosφ để máy phát hoặc máy biến áp hoạt động hiệu quả Vì giá trịcủa hệ số công suất bao nhiêu là phụ thuộc vào tải (thiết bị sử dụng điện) Nhucầu của tải về công suất tác dụng và công suất phản kháng cần phản đáp ứng đủthì tải mới hoạt động tốt Giải pháp trung hòa hơn là nguồn sẽ chỉ cung cấp chotải 1 phần công suất phản kháng, phần thiếu còn lại, khách hàng tự trang bị thêmbằng cách gắn thêm tụ bù

Nếu xét ở phương diện đường dây truyền tải ta lại quan tâm đến dòngđiện truyền trên đường dây Dòng điện này sẽ làm nóng dây và tạo ra một lượngsụt áp trên đường dây truyền tải

Nếu xét trong hệ thống 1 pha, công suất biểu kiến được tính bằng công thức:

Nếu xét trong hệ thống 3 pha, công suất biểu kiến được tính bằng công thức:

3 .

U là điện áp dây, I là dòng điện dây

Cả trong lưới 1 pha và 3 pha đều cho thấy dòng điện tỉ lệ với công suấtbiểu kiến S Vấn đề là công suất biểu kiến là do 2 thành phần công suất tác dụng

và công suất phản kháng gộp lại tạo nên

Ở một thời điểm nhất định với công suất tác dụng và điện áp nhất định,nếu hệ số cosφ thấp sẽ làm tăng dòng điện truyền dẫn, gây tổn thất nhiệt và lãngphí điện năng trên lưới điện Gây một số bất lợi như:

-1 Hao phí đường dây lớn

Chúng ta biết rằng hao phí đường dây là tỷ lệ thuận với bình phương củadòng điện (I2)

Hao phí điện năng = I2.R, tức là dòng điện càng lớn, hao phí trên đườngdây càng lớn.

Vì vậy, nếu hệ số công suất = 0,8, thì hao phí ở hệ số công suất này là 1/Cosφ 2 = 1 / 0,8 2 = 1,56 lần sẽ lớn hơn hao phí ở hệ số công suất đơn vị.-2 Công suất định mức và kích thước của thiết bị điện lớn

Như chúng ta đã biết gần như tất cả các máy móc thiết bị điện (máy biến

áp, máy phát điện xoay, thiết bị đóng cắt,…) đều được định mức công suất(kVA) Tuy nhiên, theo công thức sau hệ số công suất tỷ lệ nghịch với công suấtđịnh mức:

Cosφ = kW / kVA

Vì vậy, hệ số công suất càng lớn, công suất định mức của máy cànglớn.Công suất định mức của máy càng lớn, kích thước của máy càng lớn và giáthành của máy càng cao

-3 Kích thước và chi phí dây dẫn lớn hơn

Khi hệ số công suất thấp, dòng điện sẽ tăng lên, để truyền tải dòng điệnlớn, chúng ta cần kích thước dây dẫn lớn hơn Do vậy, chi phí cho dây dẫn sẽtăng lên

-4 Sự điều chỉnh điện áp kém và độ sụt áp lớn

Độ sụt áp = V = IZ

Khi hệ số công suất thấp, dòng điện sẽ tăng lên Dòng điện càng lớn thì độsụp áp càng lớn

Sự điều chỉnh điện áp = VR = (V không tải - V đầy tải ) / V đầy tải

Khi hệ số công suất thấp, độ sụt áp lớn gây ra điều chỉnh điện áp thấp Vìvậy, để giữ độ sụt áp trong giới hạn nhất đinh, chúng ta cần phải lắp đặt thêmthiết bị điều chỉnh, đó là các bộ điều chỉnh điện áp

-5 Hiệu quả thấp

Khi hệ số công suất thấp, xảy ra sự sụt áp lớn và hao phí đường dây lớn.Điều này sẽ làm cho hiệu suất của hệ thống hoặc thiết bị sẽ thấp hơn Hệ số công

suất thấp nên hao phí đường dây lớn Do đó, máy phát cần kích từ cao, nên hiệuquả phát điện sẽ thấp

Hệ số công suất phụ thuộc vào R,L,C và tần số góc ω

Trong mạch chỉ có cuộn dây thuần cảm hoặc chỉ có tụ điện hoặc tụ điệnmắc song song cuận dây thuần cảm thì không tiêu thụ công suất Với cùng U,Itrong mạch hệ số công suất càng lớn thì công suất tiêu thụ sẽ càng lớn Nó giúpcho giá trị của công suất tác dụng gần bằng với công suất biểu kiến từ đó làmtăng hiệu quả sử dụng điện năng

1.1.3 Ảnh hưởng của hệ số công suất tới chất lượng điện năng

Hệ số công suất cos φ (gọi tắt là hệ số cos φ) đóng vai trò rất quan trọng,

có tác động và ảnh hưởng lớn đến quá trình truyền dẫn và cung cấp điện năngtrong lưới điện hoặc mạch điện xoay chiều Hệ số cos φ trong công thức tínhcông suất tác dụng mạch điện xoay chiều ba pha là:

.cos

P U I= ϕ (1.3)

Ở thời điểm nhất định, nếu hệ số công suất được nâng cao thì khả năngtruyền dẫn công suất tác dụng với điện áp, dòng điện nhất định sẽ được nângcao, hệ quả công thức trên sẽ là:

3 .cos

P I

U I ϕ

= (1.4)

Ở một thời điểm nhất định với công suất tác dụng và điện áp nhất định,nếu hệ số cos φ thấp sẽ làm tăng dòng điện truyền dẫn, gây tổn thất nhiệt và lãngphí điện năng trên lưới điện Ngoài ra, nó còn gây ra tổn thất điện áp, dẫn đếnchất lượng điện năng kém Mặc dù ảnh hưởng của hệ số công suất tới nguồnđiện được coi là không đáng kể, nhưng tác động tích lũy của các tải phi tuyếnhiệu chỉnh hệ số công suất khá quan trọng Dòng sóng hài của các tải phi tuyến

có một số tác dụng không mong muốn của cả hai mạng lưới phân phối và ngườitiêu dùng Các hiệu ứng này bao gồm:

- Tăng thiệt hại và sự phát nóng trong máy biến thế, tụ điện, dây cáp điện,máy điện xoay chiều ,từ đó dẫn đến các thiết bị chóng bị hỏng hóc, sự cố

- Nó dẫn đến quá mức dòng hiện tại trong dây dẫn trung tính của hệ thống

ba pha bốn dây, gây ra do biến động sóng hài hiện nay (thứ 3, 9, 15, vv)

- Nó là kết quả trong giảm hệ số công suất, do đó tồn tại ít năng lượnghoạt động có sẵn từ một nguồn thực tế

- Có thể có cộng hưởng điện trong hệ thống điện, dẫn đến điện áp trongthời gian cao điểm quá mức và khác biệt so với giá trị hiệu dụng

- Cường độ cao của các dòng gây từ hóa sớm và sự cố của các tụ điện vàthiết bị cách nhiệt

- Các hoạt động tiêu dùng khác có thể bị ảnh hưởng từ các dạng sóng điệnáp,dòng điện kết nối với các mạng lưới phân phối điện

- Có thể có sai sót trong công cụ đo

-Gây nhiễu sóng điện thoại

- Tăng tiếng ồn âm thanh

- Nó cũng dẫn đến giảm độ nhạy trong động cơ cảm ứng, cũng như daođộng cơ học trong tua bin-máy phát điện hoặc trong một hệ thống động cơ tải

- Có thể có biến dạng của các dòng điện áp đi qua tải Hiệu quả là sự kíchhoạt mạnh mẽ các giá trị trong lưới yếu Ví dụ, một số thiết bị điện tử phụ thuộcvào việc xác định chính xác về hình dạng sóng điện áp, ví dụ như biên độ, giá trihiệu dụng (RMS) của nó

Vì vậy, hệ số cos φ phải được coi như một chỉ tiêu kĩ thuật-kinh tế, phảiđược quan tâm, nhất là đối với lưới điện trung, hạ áp Theo đó, cần thiết phải lắpđặt các tụ bù hạ áp với các trạm biến áp (TBP) phụ tải chuyên dùng sản suấtcông nghiệp để nâng cao hệ số cosφ vì hệ số cosφ đối với các phụ tải thường rấtthấp Xét ở lưới điện phân phối cáp điện cho các khách hàng, điều này liên quantrực tiếp đến chất lượng, giá thành sản phẩm và hiệu quả sản xuất kinh doanh

doanh nghiệp Quan tâm đến việc nâng cao hệ số cosφ cũng là một giải phápquan trọng cải thiện lợi ích kinh tế- kĩ thuật của lưới điện và thực hành tiết kiệmđiện, nhất là thời kì khó khăn trong cung ứng hiện nay.

1.1.4 Lợi ích của việc nâng cao hệ số công suất

- Méo điện áp trong các dạng sóng được giảm đáng kể

- Tăng khả năng làm việc tích cực của các thiết bị điện tử

- Giá trị hiệu dụng hiện hành nhỏ

- Các tải được cung cấp chung các giá trị về tần số, dòng điện, điện áp

1.2.Các phương pháp nâng cao hệ số công suất

Hầu hết các nghiên cứu về PFC cho tải phi tuyến là thực sự có nghĩa đểtập trung vào việc giảm dạng sóng không bằng phẳng của các dòng hiện tại Córất nhiều giải pháp để đạt được sự hiệu chỉnh hệ số công suất bằng cách sử dụngmột sự kết hợp của các bộ lọc vượt qua đầu vào và đầu ra thấp, hình dạng củacác đầu vào hiện tại có thể được cải thiện hơn nữa Tập trung vào việc chuyểnmạch hoạt động (kiểm soát bởi một đầu vào điều khiển từ bên ngoài) được sửdụng hay không, giải pháp PFC có thể được phân loại là "thụ động" hoặc "tíchcực" Trong passive PFC, yếu tố là thụ động cùng với bộ chỉnh lưu cầu diodeđược sử dụng, để cải thiện hình dạng của các dạng sóng hiện tại của dòng điện

Rõ ràng, điện áp đầu ra là không thể kiểm soát được Đối với hoạt động hiệuchỉnh hệ số công suất, chuyển mạch hoạt động được sử dụng kết hợp với cácyếu tố phản ứng để tăng hiệu quả của việc định hình hiện dòng và để có đượcđiện áp đầu ra kiểm soát Tần số chuyển đổi tiếp tục phân loại các giải pháp hiệuchỉnh hệ số công suất tích cực thành hai lớp Trong tần số hoạt động thấp PFC,chuyển đổi nên diễn ra ở dạng sóng hài thứ tự của dòng tần số có giá trị thấpnhư vậy mà nó được đồng bộ hóa với các dòng điện áp Trong tần số hoạt độngcao PFC, tần số chuyển đổi phải được cao hơn nhiều so với tần số dòng

1.2.1 Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính

Điều chỉnh PFC (hệ số công suất) tuyến tính áp dụng cho các thiết bị tiêuthụ trực tiếp điện áp lưới Việc điều chỉnh có thể đạt được bằng việc thêm vàohay bớt ra các cuộn dây hay tụ điện cho thiết bị Như động cơ mang tính cảmkháng có thể điều chỉnh PFC bằng việc đấu thêm một tụ song song với cuộn dâyvận hành nhằm giúp triệt tiêu công suất phản kháng, làm giảm công suất biểukiến và tăng hệ số PF Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất không những được ápdụng trong ngành công nghiệp điện mà nó còn có thể sử dụng với người dùng cánhân khi muốn làm giảm tổn hao trên đường truyền và ổn định điện áp cho tải Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất thực chất là một thiết bị cung cấp mộtcông suất phản kháng tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản khángđược tạo ra của thiết bị Thêm tụ điện hay cuộn dây vào quá trình để huỷ bỏ đihiệu ứng cảm ứng hay điện dung tương ứng được tạo ra Động cơ có tính cảmứng có thể được bù bằng các tụ lọc, lò hồ quang điện có tính điện dung có thể bùbằng các cuộn dây

Khi thêm vào hay lấy ra các thiết bị bù công suất phản kháng có thể tạo ra

sự biến động điện áp hay tạo ra các méo hài, trong trường hợp xấu nhất cácthành phần bù công suất phản kháng có thể tạo ra hiện tượng cộng hưởng với hệthống được bù, làm cho điện áp tăng cao và gây mất ổn định cho hệ thống Dovậy việc điều chỉnh hệ số PFC không thể đơn giản là việc thêm hay bớt cácthành phần, mà nó cần được tính toán phù hợp với từng mức công suất tải trênthiết bị

Để tránh trường hợp trên, ứng dụng việc bù hệ số công suất PFC bằng cácthiết bị bù tự động Thiết bị này bao gồm nhiều tụ điện được đóng hay ngắt rakhỏi thiết bị được bù công suất phản kháng bằng các công tắc Các công tắc nàylại được điều khiển bằng một thiết bị điều khiển trung tâm có khả năng đo hệ sốcông suất bằng việc đo dòng tải và điện áp của thiết bị qua các cảm biến dòngđược gắn trên đường truyền dẫn điện năng, trước khi vào thiết bị Tuỳ thuộc vàotải và hệ số công suất của thiết bị, bộ điều khiển sẽ đấu nối tuần tự các tụ bù vàomạch sao cho giá trị hệ số công suất luôn ở trên giá trị được chọn.

Một cách khác để điều chỉnh hệ số công suất là dùng động cơ đồng bộ,ộng cơ đồng bộ cung cấp một công suất phản kháng có chiều nghịch với chiềucông suất phản kháng của thiết bị, tính chất tiêu thụ công suất phản kháng củađộng cơ đồng bộ được xem là một tính chất đặt biệt của loại động cơ này, nóđược xem tương đương như một tụ đồng bộ Ngoài ra trong ngành công nghiệpđiện còn có nhiều phương pháp để điều chỉnh hệ số công suất khác như bằng cácthiết bị điện tử sử dụng Thyristor chẳng hạn

1.2.2 Điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến tính

Tải phi tuyến thường là dạng tải chỉnh lưu, không sử dụng trực tiếp từđiện xoay chiều mà nắn lại thành dạng điện một chiều-chỉnh lưu như các bộnguồn máy tính (PSU), adaptor,…hay các thiết bị sử dụng năng lượng giánđoạn-liên tục như máy hàn, bóng đèn huỳnh quang, ,các thiết bị này trong quátrình tiêu thụ năng lượng còn tạo ra các dạng sóng hài có tần số là bội số của tần

số điện lưới, chèn vào tần số điện lưới Các thành phần linh kiện tuyến tính nhưcuộn dây và tụ điện không thể loại bỏ được các dải tần số mới được tạo ra này,

vì vậy nó phải dùng các bộ lọc hay bộ điều chỉnh hệ số công suất có thể làmphẳng dòng điện ra trên mỗi chu kỳ nhằm giảm dòng hài

Trong các loại tải phi tuyến tính đó thì PSU được sử dụng nhiều nhất, vớithiết kế chuyển đổi năng lượng theo kiểu đóng/cắt (switching) Trước đây các bộnguồn này chỉ đơn giản được thiết kế với một cầu nắn điện chỉnh lưu toàn sóngnạp một mức điện áp dưới mức chịu đựng của tụ điện Điều này sẽ tạo ra một

dòng điện nạp ban đầu rất cao, hệ số công suất rất thấp, đồng thời tạo ra cácsóng hài không có lợi.

1.2.3.Nâng cao hệ số công suất bằng lọc thụ động( Passive PFC)

Phương pháp Passive PFC đơn giản chỉ là sử dụng một bộ lọc, bộ lọc nàychỉ cho qua dòng điện có tần số bằng với tần số điện lưới (50Hz hoặc 60Hz) vàchặn không cho các tần số sóng hài đi qua Lúc này tải phi tuyến tính có thể xemnhư một tải tuyến tính, hệ số công suất đã được nâng cao hơn

Tuy nhiên yêu cầu cần phải có cuộn cảm có giá trị cảm kháng lớn đã làmcho bộ lọc cồng kềnh và có giá thành cao, nhưng thực tế với mạch Passive PFC cócuộn dây tuy lớn hơn cuộn dây của mạch điều chỉnh hệ số công suất tích cựcActive PFC nhưng giá thành chung lại rẻ hơn Trong passive PFC, yếu tố chỉ thụđộng cùng với bộ chỉnh lưu cầu diode được sử dụng, để cải thiện hình dạng của cácdạng sóng hiện tại dòng Rõ ràng, điện áp đầu ra là không thể kiểm soát được

Đây là một phương pháp đơn giản và rẻ tiền để điều chỉnh hệ số công suất

và làm giảm sóng hài tuy nhiên nó lại không hiệu quả bằng phương pháp điềuchỉnh hệ số công suất tích cực Active PFC

Hình 1.3 Mạch Passive PFC thực tế trong PSU+) Ưu điểm của lọc thụ động:

- Có cấu trúc đơn giản

- Đáng tin cậy, không gồ ghề.

- Khi sử dụng thiết bị không làm tần số cao lên

- Chi phí xây dựng bộ lọc thấp, dễ thực hiện

+) Nhược điểm của lọc thụ động:

- Để đạt công suất tốt hơn cần tăng kích thước của bộ lọc

- Thời gian kết nối chậm đẫn đến sự đáp ứng chưa thực sự đủ của bộ lọc

- Điện áp không được điều chỉnh và hiệu quả thấp hơn một chút

- Do sự hiện diện của cuộn cảm và tụ điện tương tác có thể xảy ra giữacác yếu tố thụ động hoặc họ có thể tương tác với hệ thống và cộng hưởng có thểxảy ra ở các tần số khác nhau

- Hệ số công suất có thể bị giảm do bộ lọc chuyển dịch quá mức cácthành phần cơ bản của hệ thống trong quá trình sử dụng

- Hình dạng đầu vào phụ thuộc vào tải được sử dụng

1.2.4.Nâng cao hệ số công suất bằng lọc tích cực( Active PFC)

Hình 1.4 Dạng mạch Active PFC được sử dụng

Là một hệ thống điện tử công suất có chức năng kiểm soát năng lượng cungcấp cho tải, điều chỉnh hệ số công suất ở mức tốt nhất trên mọi mức tải Trong thiết

kế thực tế, mạch Active PFC điều khiển dòng nạp cho tải sao cho dạng sóng củadòng vào cùng pha với dạng sóng ở đầu vào (ở đây là sóng sin) Về cơ bản có 3dạng mạch Active PFC được sử dụng, là; Boost, Buck và Buck-Boost.

Trong PSU, dạng mạch được sử dụng thông dụng nhất là Boost Mộtmạch chuyển đổi được chèn vào giữa cầu nắn điện và tụ lọc chính Nó tạo mộtđiện áp DC ổn định ở đầu ra và duy trì dòng điện vào luôn đồng pha với tần sốcủa điện áp vào

Phương pháp này đòi hỏi phải thêm một số linh kiện chuyển mạch bándẫn công suất và mạch điều khiển nhưng bù lại nó có kích thước nhỏ hơn mạchPassive PFC

Dạng mạch điều chỉnh hệ số công suất Active PFC có thể hoạt động trênmột dải điện áp vào rất rộng, từ 90VAC đến 264VAC, đặt tính này rất đượcngười dùng chào đón, nó giúp cho họ không cần quan tâm tới mức điện áp phùhợp với PSU tại khu vực mình đang ở, ngoài ra nó còn giúp PSU hoạt độngđược ở những khu vực có điện áp xoay chiều không ổn định

Hình 1.5 Mạch Active PFC thực tế trong PSU+) Ưu điểm của lọc tích cưc:

- Nhỏ gọn, phù hợp với nhiều hệ thống

- Có thể tạo ra hệ số công suất tới 0,95 nhờ phương pháp này

- Bằng phương pháp này hiệu chỉnh tự động có thể thu được điện áp đầuvào AC

- Làm giảm sóng hài với giá trị rất thấp

- Hoạt động được trong pham vi điện áp của hệ thống

+) Nhược điểm của lọc tích cực:

- Thiết kế, bố trí hơi phức tạp

- Rất tốn kém do sử dụng các thiết bị điều khiển đắt như IC, mosfet

Hình 1.6 So sánh hiệu quả giữa các phương pháp

1.3 Tổn hao đóng cắt

Trong quá trình hoạt động của mạch PFC, các thiết bị được đóng cắt cóchu kỳ với tần số đóng cắt lớn ở mức dòng điện cao làm tổn hao công suất đóngcắt lớn Khi đó, ảnh hưởng của tổn hao đóng cắt tới hoạt động của mạch:

- Tần số chuyển mạch fs và hạn chế hiệu quả của việc chuyển mạch

- Điều chỉnh chuyển mạch đôi khi có thể vượt quá khu vục an toàn

- Chúng ta có thể làm giảm điện áp đầu vào và đầu ra một cách từ từ,bằng cách sử dụng nhanh hơn và hiệu quả hơn sự chuyển mạch trong quá trìnhchuyển đổi.

- Trước khi chuyển mạch hoặc tắt thiết bị, làm giảm dòng hoặc điện áptrên các thiết bị chuyển mạch không Chuyển mạch mềm chuyển đổi cộnghưởng được dựa trên khái niệm này

Những tổn thất chuyển mạch ở tần số cao hơn có thể được loại bỏ bằngcác kỹ thuật chuyển mạch mềm có sẵn

- Giải pháp

Có chủ yếu là hai kỹ thuật để loại bỏ các tổn thất chuyển mạch cụ thể làZVS (Zero voltage switching) và ZCS (Zero current switching) Trong cả hai kỹthuật, các tổn thất chuyển mạch trong các thiết bị bán dẫn đã được loại trừ dođiện áp trên các thiết bị chuyển mạch tại các điểm chuyển mạch là rất nhỏ hoặcbằng 0 Giảm tổn thất chuyển đổi này cho phép các nhà thiết kế để đạt đượcmột tần số hoạt động cao hơn mà không phải hy sinh hiệu quả chuyển đổi Bằngcách đó, các bộ chuyển đổi cộng hưởng hứa hẹn việc đạt được những gì khôngthể đạt được bằng cách chuyển đổi PWM (Pulse Width Modulation) đó là việcthiết kế các kích thước và trọng lượng chuyển đổi nhỏ Hiện nay, bộ chuyển đổinăng lượng cộng hưởng hoạt động trong phạm vi của một vài megahertz có sẵn.Một ưu điểm khác của các bộ biến đổi cộng hưởng trên PWM là mức giảm củadạng sóng điện áp chuyển đổi và dạng sóng hiện tại Vì vậy, khi chuyển đổicộng hưởng và PWM đang hoạt động ở cùng tần số và mức công suất, dự kiếnphát sóng hài sẽ thấp hơn trong trường hợp chuyển đổi cộng hưởng

1.4 Vấn đề xây dựng các giải pháp

Cuộc điều tra của PFC phải đối mặt với những vấn đề sau đây:

- Hệ số công suất cao với hiệu quả thấp

- Hiệu quả cao với công suất thấp

1.5 So sánh giữa BOOST CONVERTER và BUCK CONVERTER

Bộ chuyển đổi Buck, có tỷ lệ chuyển đổi mức thấp Vì vậy, nó có thể cóđược một V2 điện áp đầu ra thấp hơn so với biên độ của điện áp đầu vào Tuynhiên, các công cụ chuyển đổi chỉ được hoạt động khi V1 điện áp đầu vào là caohơn so với V2 điện áp đầu ra, tức là chỉ trong khoảng thời gian ωLt (α, π- α), nơi

α = sin-1 (V2 / V1) Do đó, các dòng hiện tại của một chỉnh hệ số công suất cóbiến dạng chéo đó là dựa trên một công cụ chuyển đổi Buck Ngoài ra, đầu vàohiện tại của bộ chuyển đổi là không liên tục

Hình 1.7 Buck converter

Hình 1.8 Khối điện áp và dạng sóng điện áp của buck converter

Trong khi đó, các bộ biến đổi Boost có một tỷ lệ chuyển đổi bước thấpnhưng vẫn đảm bảo sự ổn định, do đó điện áp đầu ra V2 luôn cao hơn so với V1

độ lớn của điện áp đầu vào Có thể hoạt động trong dòng chu kỳ như vậy đầuvào hiện tại sẽ không có biến dạng chéo Kể từ khi điện dẫn được đặt trong hàngloạt đầu vào, thì các đầu vào hiện nay là liên tục Do đó, một đầu vào hiện tạivới nội dung giảm tần số cao có thể thu được khi chế độ dẫn liêntục đi vào hoạtđộng Đối với những lý do này, các công cụ chuyển đổi Boost được sử dụngrộng rãi cho PFC

Hình 1.9 Boost converter

Hình 1.10 Khối điện áp và dạng sóng điện áp của boost converter

CHƯƠNG 2:BỘ BIẾN ĐỔI – DUAL BOOST 2.1.Câú trúc và nguyên lý làm việc của bộ biến đổi.

2.1.1 Cấu trúc các bộ biến đổi xung áp

a Khái quát

Để đóng cắt điện áp nguồn người ta thường dùng các khoá điện tử côngsuất vì chúng có đặc tính tương ứng với khoá lý tưởng, tức là khi khoá dẫn điện(đóng) điện trở của nó không đáng kể; còn khi khoá bị ngắt (mở ra) điện trở của

nó vô cùng lớn (điện áp trên tải mạng sẽ bằng không)

Nguyên lý cơ bản của bộ biến đổi xung áp một chiều được mô tả trên hình2.1

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý a) và đồ thị b) của bộ biến đổi xung áp

Trong khoảng thời gian 0 ÷ t1, khoá K đóng lại, điện áp trên tải UR sẽ sẽ

có giá trị bằng điện áp nguồn (UR = E); còn trong khoảng t1 ÷ T, khoá K mở ra

Biểu thức (2.1) cho thấy, để thay đổi điện áp trên tải có hai cách:

1 Thay đổi thời gian đóng khoá K, khi giữ chu kỳ đóng cắt không đổi(phương pháp điều chế độ rung)

2 Thay đổi tần số đóng cắt (f = 1/T) và giữ thời gian đóng khoá K khôngđổi (λ= const)

Như vậy bộ biến đổi xung áp có khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp

ra trên phụ tải

Nó có những ưu điểm cơ bản sau:

- Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi không đáng kể sovới các bộ biến đổi liên tục

- Độ chính xác cao cũng như ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường,

vì yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khoá K mà không phải giá trị điện trở củacác phần tử điều chỉnh thường gặp trong các bộ điều chỉnh liên tục

- Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổi liên tục

- Kích thước gọn nhẹ

Nhược điểm cơ bản của các bộ biến đổi xung áp là:

- Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính của bộ biến đổi khi làmviệc trong hệ thống kín

- Tần số đóng cắt lớn sẽ tạo ta nhiễu cho nguồn cũng như các thiết bị điềukhiển

Tuy nhiên bộ biến đổi xung áp vẫn được ứng dụng rộng rãi, nhất là khicác yếu tố về độ tin cậy, dễ điều chỉnh, độ ổn định cũng như kích thước là nhữngtiêu chí được đặt lên hàng đầu

Đối với các bộ biến đổi công suất trung bình (hàng chục kW) và nhỏ (vàikW), người ta thường dùng các khoá điện tử là các bóng bán dẫn lưỡng cựcIGBT Trong trường hợp công suất lớn (vài trăm kW trở lên) người ta sử dụngGTO hoặc tiristo

b Khoá bằng Tiristo

Như đã nêu trên, việc sử dụng van điều khiển hoàn toàn là hợp lý, nhất làđối với bộ biến đổi xung áp một chiều Tuy nhiên trong một số trường hợpngười ta vẫn sử dụng vì nó là van có công suất lớn nhất hiện nay

Như chúng ta đã biết, tiristo là van bán dẫn điều khiển Muốn khoá tiristocần giảm dòng qua tiristo nhỏ hơn giá trị nhất định nào đó bằng cách đặt điện ápngược lên tiristo

Khi sử dụng tiristo là khoá điển tử trong bộ biến đổi xung áp một chiều,

để khoá tiristo người ta thường dùng các tiristo phụ và nguồn năng lượng tíchtrữ trong tụ điện để khoá tiristo chính

Một số mạch khoá tiristo được giới thiệu trên hình 2.2

Hình 2.2 Mạch khóa tiristo

Trên cơ sở ở hình 2.2, tiristo TC là tiristo chính (khoá điện tử) Tiristo phụ(Tf) cùng với các phần tử C, R, D, L làm thành mạch chuyển mạch để khoá tiristochính

Đối với sơ đồ ở hình 2.2a, khi TC mở, tụ C được nạp điện thông qua điệntrở R tới giá trị điện áp nguồn, muốn khoá TC người ta mở Tf Như vậy trên

TC sẽ có điện áp ngược bằng giá trị điện áp trên tụ và nó làm cho dòng qua

TC giảm về không và khoá lại

Đối với sơ đồ ở hình 2.2b, khi mở Tf, tụ C được nạp điện với dấu dương ởphía trên và âm ở phía dưới Khi cho tiristo chính (TC) làm việc, tụ C sẽ phóngđiện qua mạch D, L và do hiện tượng cộng hưởng nó sẽ được nạp điện theochiều

ngược lại (dấu điện áp trong ngoặc ở hình 2.2b) Dấu điện áp này phù hợp để tạođiện áp ngược cho TC Muốn khoá TC ta lại mở Tf và điện áp ngược của tụ C lúcnày có tác dụng để khoá TC lại.

Như vậy bằng các mạch phụ trợ ta đã biến bộ TC và Tf trở thành một khoáđiện tử có thể đóng mở tuỳ ý Phương pháp chuyển mạch như vậy gọi là chuyểnmạch cướng bức

c Sơ đồ cấu trúc

Cấu trúc của bộ biến đổi xung áp một chiều thường có dạng như ở hình2.3

Hình 2.3:cấu trúc bộ biến đổi xung áp một chiều

Sơ đồ ở hình 2.3 gồm các phần tử chủ yếu như nguồn N, bộ lọc đầu vào

L, khoá điện tử (KĐT), bộ lọc đL0) và phụ tải (PT) (cụ thể là động cơ điện mộtchiều)

Nguồn một chiều có thể là ăcquy hoặc bộ chỉnh lưu

Bộ lọc đầu vào thường dùng mạch LC hoặc chỉ dùng điện cảm Tụ C cóthể được thay thế bằng các phần tử tích trữ năng lượng như ăcquy

Khoá điện tử (KĐT) ngày nay được dùng chủ yếu là các van bán dẫn điềukhiển hoàn toàn

Bộ lọc đầu ra (L0) có tác dụng san phẳng dòng điện ở đầu ra của bộ biếnđổi

Các bộ biến đổi xung áp một chiều trình bày dưới đây chỉ đề cập đến vàivấn đề sử dụng van điều khiển hoàn toàn (GTO, BT hoặc IGBT).

2.2.Boost và các nguyên tắc điều khiển

2.2.1 Thế nào là Boost converter

Nó là một bộ chuyển đổi năng lượng, trong đó điện áp một chiều thu được

ở giai đoạn đầu ra là lớn hơn được đưa đếnở đầu vào Nó có thể được coi như làmột loại nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi chế độ (SMPS) Mặc dù nó cóthể được hình thành trong các cấu hình khác nhau, cấu trúc cơ bản phải có ítnhất hai thiết bị chuyển mạch bán dẫn (thường là một diode và một bóng bándẫn) và một năng lượng lưu trữ phần tử phải được sử dụng

2.2.2.Cấu trúc của Boost

Bộ biến đổi DC-DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, Với việc điều chỉnhđiện áp ra thông qua điều chỉnh chế độ chuyển mạch cho phép giảm khá nhiềucác tổn thất công suất trên các linh kiện tích cực, đặc biệt là các linh kiện côngsuất, do đó được ứng dụng nhiều hơn trong các mạch công suất lớn

Hình 2.4 Bộ biến đổi xung ap song song: a và b

Bộ biến đổi boost DC/DC là thiết bị được ứng dụng làm tăng điện áp đầu

ra so với điện áp nguồn Vấn đề là việc tăng áp là một vấn đề phức tạp vì nó cótính phi tuyến và dễ ảnh hưởng của các tác động bên ngoài

Mạch điện của bộ biến đổi tăng áp, còn gọi là bộ biến đổi tăng như hình2.5 Ta giả thiết rằng các thiết bị bán dẫn đều lí tưởng, có nghĩa transistor Tphản ứng nhanh khi Diode D có giá trị ngưỡng bằng 0 Điều này cho phép trạngthái dẫn và trạng thái khóa kích hoạt tức thời không mất thời gian Như đã biết,

ta có: Transistor ở trạng thái mở, diode sẽ bị phân cực ngược Do đó sẽ hở mạchgiữa nguồn cấp E và tải R( hình 2.6a) Mặt khác,khi transistor ở trạng thái khóa,diode D phân cực thuận, tức D dẫn Nó cho phép dòng năng lượng truyền từ