thiết kế bộ chỉnh lưu có hệ số công suất bằng 1 với ưu điểm hơn hẳn những bộ chỉnh lưu khác về hiệu suất và sóng hài

thiết kế bộ chỉnh lưu có hệ số công suất bằng 1 với ưu điểm hơn hẳn những bộ chỉnh lưu khác về hiệu suất và sóng hài

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, nguồn điện xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi trong cácloại thiết bị và máy móc, và dần thay thế chỗ cho các thiết bị sử dụng nguồn điện 1chiều Nhưng nguồn điện 1 chiều vẫn luôn có chỗ đứng của riêng mình trongnhững lĩnh vực mà điện xoay chiều không thể thay thế được như nguồn cho cáclinh kiện điện tử, mạ điện , động cơ 1 chiều … Để tạo ra nguồn điện 1 chiều thì ta

có thể dùng nhiều cách như : dùng máy phát điện 1 chiều , sử dụng pin , ắcqui ,chỉnh lưu ….Với mạng lưới điện xoay chiều phân bố rộng rãi như hiện nay thìcách mang lại hiệu quả và tiện lợi nhất là sử dụng bộ chỉnh lưu

Hiện nay có nhiều loại hình chỉnh lưu khác nhau, nhưng hầu hết các bộ nguồnnày thường có hiệu suất không cao và thường phát lại lưới những sóng điện có hàibậc cao làm ảnh hưởng tới chất lượng của nguồn điện, từ đó cũng làm giảm hiệusuất làm việc của các loại máy móc, thiết bị khác Hiện nay, ở nước ta vẫn chưa cóqui định về tổng lượng sóng hài cho phép, và hiệu suất của các bộ chỉnh lưu nhưngvới chủ trương phát triển bền vững thì điều đó chỉ là sớm hay muộn Nên em chọn

đề tài tốt nghiệp của mình là thiết kế bộ chỉnh lưu có hệ số công suất bằng 1 với ưuđiểm hơn hẳn những bộ chỉnh lưu khác về hiệu suất và sóng hài

Đồ án này là công sức và nỗ lực của cả nhóm em, cùng với sự hướng dẫn và

chỉ bảo tận tình của thầy giáo – TS PHÙNG ANH TUẤN và thầy giáo NGUYỄN THÀNH KHANG Tuy nhiên với thời gian và trình độ còn hạn chế nên không

tránh khỏi những sai sót, em mong các thầy cô thông cảm và chỉ bảo tận tình để emkhắc phục những sai sót đó

Em xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên thực hiện:

1

1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Bộ chỉnh lưu có hệ số công suất bằng 1 (PFC) :

1.1.1 Giới thiệu chung

Hiện nay trong hầu hết các thiết bị biển đổi điện năng đều sử dụng đến chỉnhlưu từ nguồn xoay chiều (cung cấp từ lưới điện) sang nguồn một chiều Nguồn điệnmột chiều sau chỉnh lưu sẽ đóng vai trò là nguồn cấp cho tất cả module bên trongcủa thiết bị (kể cả các module xoay chiều qua hệ thống mạch nghịch lưu) Thôngthường để đảm bảo được chất lượng điện áp như mong muốn ta phải mắc tụ sanphẳng với giá trị điện dung lớn vào ngay sau chỉnh lưu Chính điều này đẫn đếnmột số vấn đề cần phải được quan tâm mà điển hình là sóng hài Hiện tượng sónghài được chỉ rõ trong hình 1

Sãng ®iÖn ¸p sau chØnh luu

Sãng ®iÖn ¸p khi cã

tô san ph¼ng

Dßng ®iÖn vµo bé chØnh luu

Dạng sóng điện áp

ra khi có tụ san phẳng C0

Dạng sóng điện áp

ra khi không có tụ

C0

Dòng điện vào từ nguồn lưới là dòng gián đoạn và tồn tại trong những khoảngthời 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 nàyđược sinh ra sẽ gây hại đến hệ thống lưới điện Tác hại của những hài này sẽ cànglớn khi công suất tải lớn, hoặc khi có đồng thời nhiều thiết bị gây hài mắc vào cùngmột nguồn lưới 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 hiệunăng 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 ta thấy việc thiết kế ra một bộ điều chỉnh hệ số công suấtcho bộ chỉnh lưu là một ý tưởng có ý nghĩa thực tiễn cao Thực tế hiện nay có rấtnhiều hãng chế tạo linh kiện, chip điện tử đã cho ra đời nhiều dòng sản phẩm ICtương tự chuyên để xử lý trong các mạch điều chỉnh hệ số công suất (Power factorcorrection - PFC) Xong trong đồ án này chúng em sẽ phát triển ý tưởng này để chếtạo ra một bộ PFC với bộ xử lý tín hiệu số (DSP) dsP30F4011

Ưu điểm của bộ PFC số:

- Dễ dàng hơn trong việc xử lý các thuật toán phức tạp với tính năngDSP

- Tính ổn định cao, bền với thời gian

3

- Dễ dàng hơn trong việc hiệu chỉnh để đạt được những thông số mongmuốn do việc xử lý tín hiệu, xuất tín hiệu điều khiển đều được lập trình bằngphần mềm

- Công cụ mô phỏng đa dạng giúp người chế tạo có cái nhìn trực quantrước khi hoàn thiện sản phẩm

- Dễ dàng kết nối với các thiết bị ngoại vi khác để tích hợp tính năngcho bộ điều khiển

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

Để hiểu được khái niệm hệ số công suất trước hết ta cần phải biết khái niệmcông 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 lượngkhác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng khi điện được cung cấp đến cácthiết bị dùng điện Là thành phần đo đếm được qua các thiết bị đo đếm điệnnăng của người tiêu dùng Là phần năng lượng mà người dùng phải trảtiền.Công suất hữu ích được đo bằng W hay kW

1.1.3 Tác dụng của bộ điều khiển PFC:

4

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 vàdòng điện vào luôn đồng pha (cosphi = 1) Đồng thời nó còn có tác dụng ổn địnhđiện áp đầu ra, làm tăng tính ổn định của hệ thống, xử lý các thay đổi diễn ra ở phíanguồn cấp và phía tải một chiều, thông báo và tác động khi xảy ra sự cố

Trong mạch PFC,với điện áp đầu vào là 1 pha thì sau khâu chỉnh lưu ta dùngcác mạch băm áp để điều chỉnh điện áp đầu ra , hệ số công suất của mạch

Khi van cắt: Diode D phân cực thuận dẫn dòng từ nguồn qua cuộn L nạp cho

tụ C0 với cực tính như hình vẽ Cuộn L đổi cực tính, điện áp nạp cho tụ C0 là VC0 =

VS + VL Do vậy điện áp ra của mạch boost cao hơn điện áp đầu vào

5

Hình 1.3: Dòng 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

Ta định nghĩa T ON

D T



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

1

S O

V V

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

Điện áp ra của bộ Buck luôn nhỏ hơn điện áp nguồn cấp và biểu thức liên hệ là

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 là :

.1

S O

V D V

2 LUẬT ĐIỀU KHIỂN

2.1 Mô hình mạch Boost PFC

Trong trường hợp tính toán cho mạch điện có điện áp đầu ra (400V)cao hơnđiện áp đầu vào (100-240V),theo những giới thiệu qua về các sơ đồ mạch thườngdùng với bộ PFC ở trên thì sơ đồ mạch Boost PFC là thích hợp nhất trong trườnghợp này ,để dễ dàng hơn cho việc phân tích tính toán mạch

Dưới đây là mô hình mạch động lực bộ PFC :

8

V s S

D L

Hình 2.1: Sơ đồ mạch Boost PFC

Ta sẽ xét các trạng thái đóng mở của van để tìm ra mối quan hệ giữa các giá trịđầu ra , đầu vào và các thành phần trong mạch để đưa ra những phương pháp chọnthiết bị và điều khiển phù hợp nhất với thông số của mạch theo yêu cầu

L

S

Hình 2.2: Sơ đồ thay thế khi van đóng

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

Dòng điện qua cuộn dây tăng dần Ta có quan hệ sau:

( )

L s

T là chu kì đóng cắt của van

Ta định nghĩa T ON

D T

L

V s

Hình 2.3: Sơ đồ tương đương khi van cắt

Điện áp đặt trên cuộn dây là:



Từ (8) ta thấy V0 > VS và D càng lớn thì V0 càng lớn VS = V0 khi D = 0

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

2.1.2 Sự biến thiên điện áp đầu ra:

Khi van đóng cắt tương ứng sẽ là quá trình nạp và phóng 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 sốđóng cắt của van Ta có:

0( )( )

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

2.1.3 Sự biến thiên dòng điện trong cuộn dây và chế độ dòng liên tục.

Để đảm bảo được chức năng cho bộ PFC ta phải thiết kế để mạch Boost PFChoạt động ở chế độ dòng liên tục

11

Hình 2.4: Dạng sóng dòng điện trên cuộn dây ở chế độ dòng liên tục

(Ta 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)

Khi điện áp và dòng điện qua L đồng pha ta có

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

Công suất tiêu thụ của tải:  0 2

0

V P

V I

L

V DT V I

Với: f là tần số đóng cắt của van

2.1.4 Hiệu suất của bộ biển đổi :

Theo những tính toàn như trên ta có thể vẽ lại mạch thành mạch tương đươngnhư sau:

13

S S

d

on e

V P

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

2.2 Luật điều khiển :

2.2.1 Nhiệm vụ của mạch điều khiển :

Điều chỉnh khoá K sao cho dạng sóng của i và u là trùng nhau (hay cos =1),

và điện áp 1 chiều đầu ra là V o ổn định

2.2.2 Điều chỉnh dạng sóng của dòng điện iL :

Để dòng điện và điện áp cùng pha với nhau thì ta 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

17

Dòng điện i L chuẩn là: L s

e

V i R

V R P

Vì ta không thể phản hồi chính xác giá trị hiệu dụng của điện áp đầu vào nên

ta tính V Mthông qua V AVG :

1 2 sin( )

V V

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

Mà theo tín hiệu xung tam giác thì: di1D

Vậy:

0

V T L

Vậy khi mạch đã ổn định thì sai lệch điện áp sẽ phụ thuộc vào bộ điều khiển

PI, tần số và biên độ xung tam giác Giá trị của độ mở D sẽ phụ thuộc vào sai lệchdòng áp, điện áp vào, tần số và biên độ xung tam giác

2.2.3 Ổn định điện áp đầu ra:

Ta có công thức sau:

1

S O

V V

s L

V Ts D I

20

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

Hình 2.5: Sơ đồ mạch điều khiển.

21

3 TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC

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 (11) chương 2 ta có :

C C R C  f

0 0

2

I D C

22

Chọn C 470(F)

3.2 Tính toán thiết kế cuộn kháng :

Ta sẽ tính toán cho mạch boost PFC có thông số như sau :

3.2.1 Lựa chọn vật liệu lõi cuộn cảm:

Việc lựa chọn vật liệu lõi cần phải phù hợp với tần số và chế độ dòng điện củacuộn cảm

Lõi Ferrit luôn là 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 từthông xoay chiều lớn sẽ giới hạn hệ số sử dụng lõi

Tuy nhiên, ở chế độ dòng liên tục, với độ gợn dòng điện nhỏ và từ thông xoaychiều 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 nhưPowdered iron, Kool-mu®, Permalloy powder, hay thậm chí là các lõi được ghép từcác lá thép có thể được sử dụng nhằm giảm chi phí hay kích thước lõi

23

3.2.2 Lựa chọn hình dáng lõi:

Hình dáng lõi và cửa sổ không thực sự quan trọng đối với những cuộn cảmđược thiết kế để làm việc ở chế độ dòng liên tục, bởi vì tổn hao dây quấn thường rấtnhỏ

Nhưng đối với những cuộn cảm được thiết kế để làm việc ở chế độ dòngkhông liên tục, hình dáng cửa sổ cực kỳ quan trọng Cửa sổ nên chọn rộng nhất cóthể để làm tăng tối đa diện tích tản nhiệt dây quấn và làm giảm tối đa số lớp cuộndây Điều này làm giảm tối đa điện trở dây quấn xoay chiều

Lõi xuyến với những cuộn dây được phân bố đều trên toàn bộ lõi, có thể sửdụng 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 chiềudài khe hở không khí

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

3.2.3 Tính toán thong số cuộn cảm :

1 Tính toán công suất đầu vào:

0 1000

1052,630,95

in

P P

in pkavg

in

P I

V

3 Tính toán độ gợn dòng điện đầu vào:

ΔI = 0,2.II = 0,2.Ipk = 0,2.14,9 = 2,98 (A)

24

4 Tính dòng điện đầu vào đỉnh:

Ipk = Ipkavg + ΔI = 0,2.II/2 = 14,9 + 2,98/2 = 16,37 (A)

5 Tính toán thời gian mở lớn nhất:

in m

V D

25

Core number 55716.

9 Bảng thông số kỹ thuật của lõi 55908 chỉ ra rằng điện cảm danh địnhcủa lõi này là 37 nH/T2±8% Do đó điện cảm danh định nhỏ nhất của lõinày là:

ALmin = 37 – 0,08.37 = 34,04 (nH/T2)

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

min 6

11 Tính sức từ hóa H:

213.16,37

174,3920

pk e

NI H

rms

I A

15 Tính điện trở danh định của dây quấn với hệ số dây quấn là 0,6.

Theo catalog của nhà sản xuất thì ta có công thức sau:

wf wf

 là điện trở danh định đối với hệ số dây quấn đã chọn( Ω/mH)

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

20

adj ac

e

I N H

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

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

Dòng điện lớn nhất đi qua Diode là :

ACmax

15,7min 100.0,9

Ta sẽ chọn van bán dẫn loại IGBT với số hiệu :

CM100DUS-12F với thông số :

VCES = 600 V ; Ic = 100 A

31

Do tần số làm việc của van là 20 KHz là không lớn nên tổn hao chuyển mạchtrên van là không đáng kể.Vậy tổn hao cực đại trên van khi van làm việc với tảiđịnh mức 1KW là :

32

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

Chọn nhiệt độ môi trường là 40C

Nhiệt độ của van bán dẫn khi làm việc là :

TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

4.1 Tính toán thông số mạch điều khiển :

Theo những tính toán ở chương 2 ta sẽ có sơ đồ mạch điều khiển như sau :

33

Dòng điện xoay chiều lớn nhất là :

ACmax

15,7min 100.0,9

DC

K V

2 ACmax

0.00295

240 2

K V

3 ACmax

0.063615,7

K I

m

K : là hệ số dự trữ cho mạch khi điện áp đầu vào thay đổi

max min

240

2.4100

AC m AC

V K V

4.1.1 Tính toán mạch vòng điều khiển dòng điện

34

Do đó ta có sơ đồ mạch vòng điều khiển dòng điện:

Hàm truyền của hệ hở của mạch vòng dòng điện là:

3 3

Theo phương pháp tối ưu đối xứng thì hệ kín muốn ổn định thì hàm truyền hệ

hở phải thỏa mãn hai điều kiện sau:

( ) 1

T j i   và góc pha của hệ hở φi > -180°

2( ) k pi V DC k k pi V DC k

k k

4.1.1.1 Tính hệ số tỷ lệ của khâu bù dòng điện:

Hệ số tỷ lệ được tính từ điều kiện thứ nhất:

B pi

Ở đây ta chọn tần số lấy mẫu của khâu phản hồi dòng điện fBWI là 2kHz

4.1.1.2 Tính hệ số tích phân của khâu bù dòng điện

Theo điều kiện thứ hai và nhằm nâng cao độ dự trữ ổn định của mạch điềukhiển, ta chọn φi = -180° + 70° = -110° [2]

f f

0, 74

ii pi

k k

v

T s PIv K

T s





Chọn tần số lấy mẫu của điện áp phản hồi là 100 Hz

Khâu điều khiển PI cũng như một bộ lọc bậc nhất,ở tần số 10 Hz có tác dụnglọc rất tốt cho mạch tần số 100 hoặc 120 Hz.chọn tần số bù là 10Hz Nên:

K K P V

0,81.(2 )

.0,81.(2 .10.470.10 ).400.0,00295.0,0636

2,4.0,00250,4

m

pv

pv

V V Km I

V K

K K K

P V I

V T C V K

K K K I

I

K T C V K

f C V K K K

K K K

4.2.1 Với điện áp đầu vào là 200 V , công suất đầu ra là 1000W :

39

Dạng dòng điện và điện áp đầu vào :

40