Xây dựng phương thức điều chỉnh bám của dòng điện cho bộ điều khiển đèn led

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHÙNG VĂN PHƯƠNG XÂY DỰNG PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHỈNH BÁM CỦA DÒNG ĐIỆN CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN LED

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHÙNG VĂN PHƯƠNG

XÂY DỰNG PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHỈNH BÁM CỦA DÒNG ĐIỆN CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN LED

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHÙNG VĂN PHƯƠNG

XÂY DỰNG PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHỈNH BÁM CỦA DÒNG

ĐIỆN CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN LED

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hướng dẫn khoa học:

TS VÕ VIẾT CƯỜNG

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Phùng Văn Phương Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 06 – 02 – 1987 Nơi sinh: Bình Dương

Quê quán: Bình Dương Dân tộc: Kinh

Địa chỉ: 173 – Tổ 6 - Ấp 2 – Xã Tân Mỹ - Huyện Bắc Tân Uyên – Bình Dương Điện thoại cơ quan: 06503 675 007 Điện thoại nhà: 01698 708 875 E-mail: phuongvppgcte@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

Đại học:

- Hệ đào tạo: Đại học chính quy

- Thời gian đào tạo: Từ năm 2006 đến năm 2011

- Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh

- Ngành học: Điện công nghiệp

- Tên đồ án tốt nghiệp: “Việt Nam hướng tới nền kinh tế không carbon (Zero Carbon)”

- Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: Năm 2011, Trường Đại Học Sư Phạm

Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

- Người hướng dẫn: TS Võ Viết Cường

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 10/2011 –

09/2015

Trường Trung cấp Kỹ thuật Phú

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2015

Người khai

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của 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

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2015

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Phùng Văn Phương

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến:

Thầy TS Võ Viết Cường đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Quý Thầy, Cô trường Đại học sư phạm kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện giúp đỡ về tài liệu, sử dụng phòng thí nghiệm trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Cảm ơn Ban giám hiệu, các đồng nghiệp trường Trung cấp Kỹ thuật Phú Giáo

đã tạo điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành luận văn

Cảm ơn các bạn bè đã giúp đỡ, động viên tinh thần trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Cảm ơn Ba, Mẹ và các anh chị em trong gia đình đã ủng hộ em về mặt vật chất và tinh thần, tạo mọi điều kiện để em có thể nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn!

Ngày…… tháng …… năm 2015

Người nghiên cứu

Phùng Văn Phương

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu này trình bày một phương pháp để nâng cao hệ số công suất

và giảm tổng méo dạng sóng hài (THD) của dòng điện sử dụng mạch biến đổi một chiều tăng áp boost PFC ứng dụng cho bộ điều khiển đèn Led Dòng điện nguồn được điều chỉnh để có dạng sin và hệ số công suất cao Phương thức điều chỉnh bám của dòng điện cho hệ số công suất cao dựa trên mạch biến đổi một chiều tăng áp và

IC UC 3854 được đề xuất Hệ số công suất được nâng cao đáng kể Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm thể hiện tính hiệu quả và khả thi của phương pháp được đề xuất, các thành phần hài của dòng điện nguồn thấp, dòng điện có dạng sóng hình sin

và hệ số công suất gần bằng 1

Từ khóa: Đèn Led; Hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC); Tổng méo dạng sóng hài (THD); UC3854; Bộ biến đổi; Hài dòng điện

ABSTRACTS

This research presents method to improve power factor correction and reduce the THD of input current of a boost PFC converter used in applications to LED lamp driver The input current is directly controlled to deliver sinusoidal current waveform and to gain a high power factor A novel high-power-factor Boost type converter with force current control based on IC UC 3854 is proposed Power factor

is significantly enhanced Simulation and experimental results illustrate the effectiveness and feasibility of the proposed control technique, which achieves low harmonic contents in the supply current, a near unity power factor (PF), a sinusoidal current waveform

Keywords: LED lamp; Power factor correction (PFC); Total harmonic distortion (THD); UC3854; Converter; Harmonic currents

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Xác nhận của cán bộ hướng dẫn

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt iv

Abstracts v

Mục lục vi

Danh mục các chữ viết tắt x

Danh sách các hình xi

Chương 1 GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN 2

1.2.1.Mục tiêu của luận văn 2

1.2.2.Nhiệm vụ của luận văn 3

1.2.3.Giới hạn của luận văn 3

1.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

1.4 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN 3

1.5 GIÁ TRỊ THỰC TIẾN CỦA LUẬN VĂN 3

1.6 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 3

1.7 BỐ CỤC LUẬN VĂN 4

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN CỦA ĐÈN LED VÀ ĐIỀU CHỈNH BÁM CỦA DÒNG ĐIỆN 5

2.1 TỔNG QUAN VỀ LED 5

2.1.1 Khái niệm LED 5

2.1.2 Lịch sử của LED 6

2.1.3 Ưu điểm của LED 7

2.2 BỘ NGUỒN CỦA ĐÈN LED 11

2.2.1 Tổng quan về các bộ nguồn của đèn LED 11

2.2.2 Khảo sát bộ nguồn của LED âm trần thương hiệu DOB 13

2.3 ĐIỀU CHỈNH BÁM CỦA DÒNG ĐIỆN CƠ SỞ HIỆU CHỈNH TÍCH CỰC HỆ SỐ CÔNG SUẤT 16

2.4 CÔNG SUẤT DC 17

2.5 CÔNG SUẤT AC 17

2.6 KHÁI NIỆM HỆ SỐ CÔNG SUẤT 19

2.7 NGUYÊN NHÂN HIỆU CHỈNH HỆ SỐ CÔNG SUẤT 20

2.7.1 Giảm giá thành năng lượng điện và chi phí truyền tải 20

2.7.2 Tối ưu hóa kinh tế, kỹ thuật 21

2.8 NGUYÊN TẮC CƠ BẢN ĐỂ HIỆU CHỈNH HỆ SỐ CÔNG SUẤT PFC 21

2.8.1 Hiệu chỉnh hệ số công suất tuyến tính 21

2.8.2 Hiệu chỉnh hệ số công suất phi tuyến tính 23

2.8.3 Hiệu chỉnh hệ số công suất thụ động – Passive PFC 23

2.8.4 Hiệu chỉnh hệ số công suất tích cực – Active PFC 24

2.8.5 Một ví dụ cụ thể giữa số đo thực của hai PSU có PFC và không PFC 26

2.9 KHÁI NIỆM VỀ SÓNG HÀI 27

2.10 ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI 29

2.10.1 Tải không tuyến tính 30

2.10.2 Thiết bị điện tử công suất 32

Chương 3 XÂY DỰNG PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHỈNH BÁM CỦA DÒNG ĐIỆN 35

3.1 CÁC PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHỈNH BÁM CỦA DÒNG ĐIỆN PHỔ BIẾN 35

3.1.1 Phương thức điều chỉnh dòng đỉnh (peak current control) 35

3.1.2 Phương thức điều chỉnh dòng trung bình (Average current mode control) 36

3.2 PHƯƠNG THỨC ĐIỀU CHỈNH BÁM CỦA DÒNG ĐIỆN 40

3.2.1 Mô hình mạch Boost PFC 42

3.2.2 Luật điều khiển 51

3.2.3 Chỉnh lưu cầu một pha 55

3.2.4 Khối lọc (LOC) 56

Chương 4 THIẾT KẾ MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỀU CHỈNH BÁM CỦA DÒNG ĐIỆN CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN LED 58

4.1 BÀI TOÁN THIẾT KẾ MẠCH 58

4.2 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU CHỈNH 58

4.2.1 Đặc điểm IC UC3854 58

4.2.2 Sơ đồ khối và sơ đồ chân 60

4.3 MÔ PHỎNG MẠCH KHÔNG CÓ ĐIỀU CHỈNH BÁM BẰNG PHẦN MỀM PSIM 62

4.3.1 Dạng sóng điện áp và dòng điện nguồn khi không có điều chỉnh bám 62

4.3.2 Hệ số công suất cosφ khi không có điều chỉnh bám 63

4.3.3 Tổng méo dạng sóng hài dòng điện nguồn khi không có điều chỉnh bám 63

4.4 MÔ PHỎNG MẠCH CÓ ĐIỀU CHỈNH BÁM BẰNG PHẦN MỀM PSIM 64

4.4.1 Dạng sóng điện áp và dòng điện nguồn khi có điều chỉnh bám 64

4.4.2 Dạng sóng điện áp đầu ra cấp cho Led khi có điều chỉnh bám 65

4.4.3 Hệ số công suất cosφ khi có điều chỉnh bám 65

4.4.4 Tổng méo dạng sóng hài dòng điện nguồn khi có điều chỉnh bám 66

Chương 5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM THIẾT KẾ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU CHỈNH BÁM CỦA DÒNG ĐIỆN CHO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN LED 67

5.1 THIẾT KẾ MẠCH THỰC 67

5.2 THI CÔNG MẠCH THỰC 68

5.3 KẾT QUẢ ĐO ĐẠT THỰC TẾ 69

5.3.1 Tổng méo dạng sóng hài dòng điện nguồn 69

5.3.2 Dạng sóng điện áp và dòng điện nguồn 70

5.3.3 Hệ số công suất cosφ 70

5.4 NHẬN XÉT KẾT QUẢ 71

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72

6.1 KẾT LUẬN 72

6.2 KIẾN NGHỊ 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

LED : Light Emitting Diode

PF : Power Factor

SSL : Solid – State Lighting

SiC : Silic và Cacbon

GaAs : Gallium và Arsenide

PFC : Power Factor Correction

THD : Total harmonic distortion

PSU : Power supply unit

PWM : Pulse Width Modulation

UPS : Uninterruptible Power Supply

HVDC : High-Voltage Direct Current

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Sự chuyển dời của hạt điện tử và lỗ trống qua mối nối PN và hình dạng

của LED 7

Hình 2.2: Đèn đường LED 30W – 40W thay thế cho đèn đường cao áp thông thường 8

Hình 2.3: Chiếu sáng Cầu Thủ Thiêm – TP Hồ Chí Minh bằng công nghệ LED 8

Hình 2.4: Bộ nguồn của đèn LED âm trần hãng Kosoom 12

Hình 2.5: Bộ nguồn của đèn LED âm trần thương hiệu DOB 13

Hình 2.6: Sơ đồ mạch của bộ nguồn đèn LED âm trần thương hiệu DOB 13

Hình 2.7: Dạng xung cơ cấu dập xung kim 15

Hình 2.8: Sơ đồ khối hiệu chỉnh tích cực hệ số công suất 16

Hình 2.9: Các loại công suất tải tiêu thụ 19

Hình 2.10: Tam giác công suất 20

Hình 2.11: Các dạng mạch Active PFC 24

Hình 2.12: Mạch Passive PFC thực tế trong PSU 25

Hình 2.13: Mạch Active PFC thực tế trong PSU 25

Hình 2.14: Giá trị đo của PSU không có PFC 26

Hình 2.15: Giá trị đo của PSU có Passive PFC 26

Hình 2.16: a - Dạng sóng sine, b – Dạng sóng hài 27

Hình 2.17: Thành phần cơ bản và các hài 27

Hình 2.18: Phổ của sóng hài 28

Hình 2.19: Giá trị đỉnh và RMS theo các thành phần sóng hài 29

Hình 2.20: Hiện tượng bão hòa mạch từ máy biến thế 30

Hình 2.21: Dòng pha a và phổ của nó khi máy biến thế hoạt động ở 110% điện áp định mức 30

Hình 2.22: Dòng điện của máy lạnh 31

Hình 2.24: Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha diode 32

Hình 2.25: Điện áp và dòng điện thiết bị thu của tivi – tivi receiver 33

Hình 2.26: Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển 34

Hình 2.27: Dạng sóng dòng điện bộ chỉnh lưu cầu 3 pha 34

Hình 3.1: Sơ đồ điều chỉnh dòng đỉnh 35

Hình 3.2: Sơ đồ điều chỉnh dòng trung bình 37

Hình 3.3: Sơ đồ mạch Boost 38

Hình 3.4: Dạng sóng điện áp và dòng điện vào bộ Boost PFC 38

Hình 3.5: Sơ đồ mạch Buck 39

Hình 3.6: Dạng sóng điện áp và dòng điện vào bộ Buck PFC 40

Hình 3.7: Sơ đồ mạch Buck/Boost 40

Hình 3.8: Sơ đồ phương thức điều chỉnh bám của dòng điện 41

Hình 3.9: Biểu đồ dạng sóng của dòng điện bám 41

Hình 3.10: Sơ đồ mạch Boost PFC 42

Hình 3.11: Sơ đồ thay thế khi van đóng 43

Hình 3.12: Sơ đồ thay thế khi van cắt 44

Hình 3.13: Dạng sóng dòng điện trên cuộn dây ở chế độ dòng liên tục 45

Hình 3.14: Mạch tương đương của bộ biến đổi 47

Hình 3.15: Mối quan hệ giữa hiệu suất của mạch với các đại lượng liên quan 50

Hình 3.16: Sự hoạt động của bộ PWM 53

Hình 3.17: Sơ đồ mạch điều khiển 55

Hình 3.18: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha với các tải khác nhau 55

Hình 3.19: Sơ đồ bộ lọc san bằng độ đập mạch 56

Hình 3.20: Bộ lọc RC 57

Hình 4.1: Sơ đồ khối IC UC3854 60

Hình 4.2: Sơ đồ chân và hình ảnh IC UC3854 thực tế 60

Hình 4.3: Sơ đồ mạch mô phỏng 62

Hình 4.4: Dạng sóng điện áp và dòng điện nguồn khi không có điều chỉnh bám 62

Hình 4.5: Hệ số công suất cosφ khi không có điều chỉnh bám 63

Hình 4.6: Tổng méo dạng hài dòng khi không có điều chỉnh bám 63

Hình 4.7: Sơ đồ mạch mô phỏng 64

Hình 4.8: Dạng sóng điện áp và dòng điện nguồn khi có điều chỉnh bám 64

Hình 4.9: Dạng sóng điện áp cấp cho Led 65

Hình 4.10: Hệ số công suất cosφ khi có điều chỉnh bám 65

Hình 4.11: Tổng méo dạng sóng hài dòng điện nguồn khi có điều chỉnh bám 66

Hình 5.1: Hình ảnh cầu diode KBPC610 67

Hình 5.2: Hình ảnh Mosfet IRF630N 67

Hình 5.3: Sơ đồ chân IC 7407N 67

Hình 5.4: Hình ảnh IC KA7809 68

Hình 5.5: Hình ảnh thi công mạch thực 68

Hình 5.6: Hình ảnh mạch thực hoạt động 69

Hình 5.7: Tổng méo dạng sóng hài dòng điện nguồn đo đạc thực tế 69

Hình 5.8: Dạng sóng điện áp và dòng điện nguồn đo đạc thực tế 70

Hình 5.9: Hệ số công suất cosφ đo đạc thực tế 70

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS VÕ VIẾT CƯỜNG

có độ sáng cao (High – Brightness LED) Hiệu suất phát sáng của các LED này đã cao hơn 100 lm/W và được dự báo sẽ vượt 200 lm/W trong tương lai không xa [1] Ngoài hai ưu điểm nổi bật là hiệu suất phát sáng và tuổi thọ cao, LED còn có một số ưu điểm khác như: dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -400C đến +1200C, thời gian quá độ rất nhỏ khoảng phần mười mili giây, điện áp sử dụng thấp nên tương đối an toàn, có thể tạo ra ánh sáng đơn sắc rất phù hợp với các ứng dụng trong y tế

và quảng cáo [1]

Tuy nhiên, chiếu sáng bằng LED cũng có nhược điểm đó là đòi hỏi bộ nguồn phức tạp Bộ nguồn này là một trong những thiết bị điện tử công suất được xây dựng trên cơ sở các chuyển mạch nên trong quá trình tiêu thụ năng lượng còn tạo ra các dạng sóng hài có tần số là bội số của tần số điện lưới [1], [2] Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng điện tăng do sóng hài sẽ kéo theo một loạt những nguy hại xảy ra với toàn bộ hệ thống lưới điện như làm tăng phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện sinh ra nhiệt cao gây hư hỏng thiết bị, hỏa hoạn và nguy cơ cháy nổ, làm cho tụ điện bị quá nhiệt và trong nhiều trường hợp có thể dẫn tới phá hủy chất điện môi Các sóng hài bậc cao còn có thể làm moment tác động của rơle biến dạng gây ra hiện tượng nhảy rơle dẫn đến thời điểm tác động của

rơ le sai lệch, gây cảnh báo nhầm của các UPS đồng thời gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn thất sắt làm tăng nhiệt độ máy biến áp dẫn đến làm tăng tổn thất điện năng [3]

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS VÕ VIẾT CƯỜNG

Ngoài ra, sóng hài còn làm tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo dạng momen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn, ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị đo, làm cho kết quả đo bị sai lệch, làm các thiết bị sử dụng điện và đèn chiếu sáng bị chập chờn ảnh hưởng đến con người đồng thời gây sóng điện từ lan truyền trong không gian làm ảnh hưởng đến thiết bị thu phát sóng Thay thế các thiết bị hư hỏng mà nguyên nhân gây ra bởi sóng hài là giải pháp tốn kém, làm tăng kinh phí đầu tư đến 15% và kinh phí vận hành đến 10% [4]

Như chúng ta đã biết hệ số công suất (Power Factor – PF) là một trong số các chỉ tiêu đánh giá chất lượng một hệ thống cung cấp điện Hệ số công suất phụ thuộc vào thành phần hài bậc cao, góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp [2] Để minh chứng ta sẽ xét hệ số công suất trong trường hợp dạng sóng không sin khi đó điện

áp và dòng điện lưới chứa sóng hài Trong đó một số sóng hài được sinh ra bởi các

hệ thống phi tuyến như máy biến áp bão hòa, một số sóng hài được tạo ra bởi các tải điện tử công suất như bộ điều chỉnh tốc độ động cơ và các cầu chỉnh lưu diode (bộ phận không thể thiếu của bộ nguồn đèn LED)

Để nâng cao hệ số công suất thì tổng méo dạng sóng hài dòng điện phải nhỏ Chính vì vậy việc nghiên cứu thiết kế bộ nguồn cho đèn LED có điều chỉnh hệ số công suất là cần thiết, mà điều chỉnh hệ số công suất chính là điều chỉnh sao cho

dòng điện lưới có dạng sin và đồng pha với điện áp lưới Do đó đề tài “Xây dựng

phương thức điều chỉnh bám của dòng điện cho bộ điều khiển đèn LED” không

những góp phần nâng cao hệ số công suất cos đảm bảo chất lượng điện năng trong trong chiếu sáng mà còn khắc phục được các tác hại do sóng hài dòng điện gây ra cho lưới điện

1.2 MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN

1.2.1 Mục tiêu của luận văn

 Mô phỏng và thiết kế thi công được mạch điện đáp ứng yêu cầu dòng và áp ngõ vào có dạng sin và đồng pha

 Tổng méo dạng sóng hài dòng điện ≤ 5%