1 Überschrift 1

1 Überschrift 1 68 Nguyễn Hồng Quang THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ CÔNG SUẤT HIỆU SUẤT CAO VỚI HAI CUỘN CẢM LỐI VÀO DESIGNING AN IMPROVED BRIDGELESS DUAL BOOST POWER FACTOR CORRECTION WITH TWO INPUT IN[.]

Nguyễn Hồng Quang 68 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH HỆ SỐ CÔNG SUẤT HIỆU SUẤT CAO VỚI HAI CUỘN CẢM LỐI VÀO DESIGNING AN IMPROVED BRIDGELESS - DUAL BOOST POWER FACTOR CORRECTION WITH TWO INPUT INDUCTORS Nguyễn Hồng Quang Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; quang.nguyenhong1@hust.edu.vn Tóm tắt - Trong xu hướng nội địa hóa sản phẩm chủ lực viễn thơng, tác giả trình bày phương án thiết kế nhăm nâng cao hiệu suất biến đổi AC/DC nguồn cấp cho trạm BTS Điểm mấu chốt báo phương án đưa thêm hai cuộn cảm đầu vào nguồn, qua nâng cao hiệu suất mạch điều khiển hệ số công suất (PFC) nguồn AC/DC Hệ thống điều khiển xây dựng theo phương pháp truyền thống, xuất phát từ mơ hình tốn học, mơ kiểm nghiệm mạch thực tế Mơ hình hóa tầng cơng suất dựa phương pháp phân tích mạch trạng thái làm việc ổn định phân tích thành phần tín hiệu nhiễu Bài báo tổng hợp điều khiển PID số cho mơ hình PFC khơng cầu hiệu suất cao trình bày kết thực nghiệm mơ hình nhằm chứng minh tính khả thi thuật toán điều khiển Abstract - In the effort of domesticalisation of the key products in telecommunication system, the author presents the new design of power supply in order to increase the efficiency of AC/DC converter in base transceiver station (BTS) The key point in this design is to add two external inductors to the AC input to improve the efficiency of AC/DC converter The design approach follows the traditional way starting from modeling, simulation and testing on the real system The power phase will be modeled in both the steady state and the transient state and the analysis of the effects of field noise The PID controller is built to achieve the high efficiency of PFC and experimental results have proved the validity and feasibilty of the proposed controller Từ khóa - chỉnh lưu PFC kép, tăng hệ số công suất, chỉnh lưu pha, nâng áp, điều khiển PI Key words - dual boost PFC rectifier; power factor correction (PFC); single phase rectifier; boost converter; propotional intergrator controller Đặt vấn đề Trong mạng lưới viễn thông, thiết bị viễn thông thường không sử dụng trực tiếp nguồn cấp từ điện lưới xoay chiều mà qua biến đổi nắn lại thành dạng điện chiều nguồn máy tính, nguồn cho mạch thu phát tín hiệu trạm thu phát tín hiệu viễn thơng (BTS) Các thiết bị q trình tiêu thụ lượng cịn tạo dạng sóng hài có tần số bội số tần số điện lưới [1] Mục tiêu nâng cao chất lượng hệ thống loại bỏ thành phần sóng hài bậc cao thơng qua lọc hay điều chỉnh hệ số công suất (PFC) để đạt hệ số công suất cao (PF=0,99) Đồng thời PFC cho phép điều chỉnh điện áp chiều, làm phẳng dòng điện chu kỳ Hình cấu trúc PFC truyền thống gồm: qua MOSFET diode mạch tăng áp, nên dễ gây tổn hao dẫn lớn Cấu trúc mạch bridgeless PFC Hình khắc phục nhược điểm D1 D2 L1 Rtai C AC Q1 D3 Q2 D4 Hình Cấu trúc chung Bridgeless PFC Hình Cấu trúc PFC truyền thống - Chỉnh lưu cầu: chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành chiều; - Mạch tăng áp (boost): điều chỉnh dải điện áp Với thuật toán điều chỉnh thích hợp, ta nắn dạng dịng đầu có dạng giống với dạng điện áp vào Nhược điểm cấu trúc PFC truyền thống [2] dòng điện qua hai diode chỉnh lưu cầu, đồng thời Trên thực tế, mạch Bridgeless PFC đơn giản gặp số trở ngại đưa vào sử dụng sau: - Do điện áp lưới không chung đất với tầng PFC, nên ta cần khuếch đại vi sai để đo tín hiệu điện áp vào AC - Tương tự vậy, dòng điện không trả đất nửa chu kỳ lưới, cần sử dụng khuếch đại vi sai để đo dòng qua điện trở shunt - Nhiễu EMI: mạch PFC không cầu, đất điện áp bị trôi so với đầu vào AC Vì vậy, điện dung ký sinh bao gồm cực máng MOSFET với đất góp phần vào nhiễu chung Trong đó, nút chuyển mạch MOSFET diode nối trực tiếp với lối vào AC, nên sinh nhiễu hài dv/dt cao [3] Để khắc phục khó khăn kể trên, ta đưa sơ đồ cải tiến Hình Cuộn cảm PFC chia thành hai cuộn nhỏ nối điện lưới vào nút chuyển mạch Với việc chia hai cuộn cảm, ta loại bỏ ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90).2015 vấn đề đặt trực tiếp điện áp chuyển mạch cao dv/dt vào cực điện áp lưới, điện lưới ổn định so với đất mạch Thêm vào đó, hai tụ C1, C2 nối đất lối PFC với đầu vào tạo đường trả về, giúp cho điện áp lưới không bị trôi mà thay vào tham chiếu với đất nên giảm nhiễu cảm ứng cao D1 D2 L1 Vs 100-220VrmsAC 69 Rtai C L2 V0 Ltai C1 Q1 Q2 C2 Kf V0ref + - Kd K Pi + i ACref K Ii s  Km K Pi + + - Q1 , Q K Ii s PWM PIi PI u Vavg V0 Ks i AC Kf Vs Hình Cấu trúc điều khiển Bridgeless PFC Mơ hình điều khiển Bridgeless PFC 2.1 Thiết kế mạch vịng phản hồi dòng điện 2.1.1 Xây dựng hàm truyền đối tượng Mạch Boost [4] biểu diễn lại dạng mơ hình tín hiệu lớn (gồm tín hiệu trạng thái làm việc ổn định thành phần tín hiệu nhiễu) Hình (ta bỏ qua giá trị điện trở L C) iL(t) iD(t) vs(t) 2.1.3 Phân tích thành phần tín hiệu nhiễu Khi xét đến thành phần tín hiệu nhiễu, tham số mơ hình tín hiệu lớn viết lại sau: C vsw(t) vo(t) Hình Mơ hình mạch trung bình mạch Boost Ở chế độ hoạt động dòng điện liên tục ta có: vsw (t ) d '(t )vo (t ) d (t ) vo (t ) (1) iD (t ) d '(t )iL (t ) [1 d (t )]iL (t ) (2) v ( t ) với: sw : giá trị tín hiệu lớn điện áp chuyển mạch; iD (t ):giá trị tín hiệu lớn dòng điện qua diode; d (t ): giá trị duty_cycle; vo (t ) : giá trị tín hiệu lớn điện áp đầu; iL (t ): giá trị tín hiệu lớn dịng điện qua cuộn dây 2.1.2 Phân tích mạch trạng thái làm việc ổn định Với điều kiện bỏ qua tổn hao, ta có: Po = Pin có điểm làm việc giá trị không đổi Vo, Vrms, IL, D Từ (1) (2) Vo>> vor(t) D >> dr(t,) nên ta có điện áp van dịng điện qua diode xấp xỉ bằng: vswss Vsw vswr t (3) i Dss t ID i Dr t với: Vsw vswr t Vo – DVo – d r t Vo – Dvor t I D I L – DI L i Dr t – d r t IL – Di Lr t (4) d’ t i Lr t Trong “ss“ “r“ kí hiệu tín hiệu trạng thái làm việc ổn định thành phần xoay chiều dao động quanh điểm làm việc Thành phần d’(t), iLr(t) có giá trị tối đa 25% iDss có giá trị gần “0“, bao gồm thành phần sóng hài bậc tần số đầu vào thành phần chiều chảy qua diode Vì vậy, ta xấp xỉ (5) i Dr t – d r t IL – Di Lr t IDC vo t Vo iL t IL i Lr t i L (t ) d t D dr t d (t ) vs t vor t Vrms vsr t v o (t ) (6) v s (t ) với “ ~ “ kí hiệu thành phần nhiễu tín hiệu nhỏ Vo>> vor(t) >>v0 (t) IL iLr(t) >>i L (t) (7) D dr(t) >>d(t) Vrms vs(t) >>vs (t) Và sử dụng biểu thức (1), (2) (6), (7), ta có điện áp van dịng điện qua Diode xấp xỉ bằng: vsw t vswss v sw (t ) (8) i D t i Dss i D (t ) với: v sw (t ) i D (t ) , D v (t ) d (t ).V0 (9) , D i L (t ) d (t ).I L Từ biểu thức (9), ta có mơ hình tín hiệu nhỏ khâu dịng điện Hình Khi xét vùng tần số cao, điện áp đầu vào gần khơng đổi, nên ta bỏ qua thành phần vs (t).Từ mơ hình tín hiệu nhỏ trên, ta có cơng thức sau: Nguyễn Hồng Quang 70 sLi L (t ) D v (t ) – d (t )Vo , i D (t ) D i L (t ) (10) V0 d (t ) R(1 D) (11) (12) sC ) R Từ (10-12) ta rút hàm truyền khâu bù dòng điện: i D (t ) v (t )( Gid ( s ) i d V0 ( sRC 2) s RLC sL R.(1 D) 2 K Pi f ci L ; K s V0 K Ii K Pi f zi (17) 2.2 Thiết kế vòng phản hồi điện áp Tương tư khâu phản hồi dòng điện, ta có mơ hình tín hiệu nhỏ khâu bù điện áp Hình sau: ++ (13) C C r0 Với s = jω tần số đủ lớn biểu thức (13) xấp xỉ V0 i bằng: Gid ( s) (14) d sL i L (t) g i vs R v0 g c v c Hình Mơ hình tín hiệu nhỏ khâu điện áp Hàm truyền khâu bù điện áp: i D (t) −d(t).V0 C v (t) v s (t) ' D v (t) Gvc Km Vmin 2.K s V0 K f Vmax sC (18) Bộ điều khiển PI khâu áp K Iv Tcov s Gvea ( s) K Pv K Pv ( ) s Tcov s −d(t).I L D ' i L (t) Hình Mơ hình tín hiệu nhỏ khâu dịng điện 2.1.4 Tính tốn điều khiển PI Khâu mạch vịng dịng điện [5] có tác dụng làm cho dịng điện đầu vào bám theo dịng điện tham chiếu, dịng điện đầu vào điện áp đầu vào đồng pha với Khi đó, ta lựa chọn cấu trúc điều khiển mạch boost Hình Với: Tcov K Pv K Iv zv (19) f zv Tcov: số tích phân thời gian; fzv tần số bù zero, có giá trị nhỏ so với fcv; fcv tần số cắt khâu bù dòng điện 10Hz Với độ dự trữ pha khâu bù điện áp chọn 55o, ta có hệ sộ PI vòng áp sau: 2.K s K f K m V0 K pv f cv C (20) Kd K Iv K Pv f cv tan( 125) Kết luận: Từ tính tốn trên, ta áp dụng cho điều khiển mơ hình Bridgeless PFC Mục 2.3 Tính tốn cuộn cảm PFC Hình Cấu trúc điều khiển mạch Boost Cuộn cảm tính tốn cho dịng điện nhấp nhơ lối vào khơng vượt q giới hạn [6]: Ta có hàm truyền khâu dòng điện sau: Ti s G ca s Gid s k s Với: Gca ( s) K Pi Tcoi f zi K Ii s K Pi ( (15) Tcoi s ) Tcoi s (16) K Pi ; K Ii fzi: tần số bù zero có giá trị nhỏ so với fci fci: tần số cắt khâu bù dòng điện Để dòng điện đầu bám theo dòng điện tham chiếu hệ thống hoạt động ổn định biểu thức cần thỏa mãn điều kiện sau: Độ lớn Ti (s) fc Góc pha Ti (s) f phải lớn -180º c Do đó, hệ số PI khâu phản hồi dòng điện là: Lpfc_exp = (Vo_max − Vi_min 2) Vi_min Vo_max fs  Ii_rpl (21) Do mạch chia hai cuộn PFC nút, nên giá trị Lpfc _ exp cuộn nửa: Lpfc _ exp Mô hệ thống Bridgeless PFC Mơ mạch PFC (Hình 8) nguồn viễn thơng cho trạm BTS có cấu Bảng Mạch vòng dòng điện (vòng trong): K Ii 9, 283e Gca ( s ) K Pi 8,379 s s Mạch vịng điện áp (vịng ngồi): K Iv 131, Gvea ( s ) K Pv 2,994 s s ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90).2015 71 Hình Cấu hình mơ Matlab Simulink Bảng Thơng số nguồn trạm BTS Điện áp vào 100Vac-rms đến 240Vac-rms Cơng suất P=3500W Cuộn dây Boost L=560µH x Tụ đầu C=270µ x Điện áp đầu 400Vdc 3.1 Kết mô a Khi U vào thay đổi từ 220Vac xuống 100Vac, Ura = 400Vdc, I tải = 10A (Hình 9, 10) Hình 11 Dạng dịng điện vào điện áp Hình 12 Dạng điện áp Hình Dạng dịng điện vào, điện áp vào Selected signal: 25 cycles FFT window (in red): cycles 30 20 10 -10 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Time (s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 18 20 Fundamental (50Hz) = 17.64 , THD= 8.05% Mag (% of Fundamental) 0 10 Harmonic order 12 14 16 Hình 10 Dạng điện áp Hình 13 THD dòng điện vào b Khi Uvào=220Vac, Ura = 400Vdc, I tải thay đổi từ 10A xuống 5A (Hình 11, 12) Với điện áp đầu vào 220VAC tải thay đổi, kết mô cho dạng điện áp đầu ổn định 400V, độ điều chỉnh nhỏ 12,5%, dòng điện đầu vào có độ hệ số dịch pha cosφ=0,9961, méo dạng sóng hài THD 12,16% thỏa mãn yêu cầu thiết kế Kết mô cho thấy tính xác ổn định điều khiển đề xuất Mơ hình hệ thống Bridgeless PFC đáp ứng tốt với điều kiện thay đổi tải điện áp vào, đạt hiệu suất cao Triển khai thực nghiệm Mạch Bridgeless PFC [7] phát triển tảng vi điều khiển DSP TMS320LF28035 nhằm xử lý tính tốn Nguyễn Hồng Quang 72 tín hiệu phản hồi dịng, áp đưa tín hiệu điều khiển xác nhằm đáp ứng lại biến động mạng lưới nguồn viễn thơng (Hình 14) Hình 14 Mạch phần cứng DSP Trên sở đó, điều khiển áp dụng cho tầng PFC nguồn biến đổi hiệu suất cao 220V~/48Vdc hệ thống viễn thông với hiệu suất lên tới 98% Hệ thống đáp ứng mục tiêu thời gian đáp ứng, độ đập mạch điện áp ra, độ méo hài tổng cộng thấp đặc thù tải thông tin biên động liên tục nữa, có khả điều khiển giám sát từ xa qua cổng thông tin CAN Phần cứng triển khai thưc tế nguồn PW3100E trạm BTS cho kết tốt (Hình 15, 16) Kết luận Bộ biến đổi nguồn 220Vac/480Vdc, công suất 3100W hệ thống viễn thơng, thử nghiệm với mơ hình Bridgeless PFC thuật toán điều khiển nêu từ tháng 6/2013 Kết cho thấy thiết kế phần cứng phần mềm điều khiển số hoạt động ổn đinh với hiệu suất nâng cao 98%, đảm bảo yêu cầu theo tiêu chuẩn cho nguồn viễn thông Về tương lai, hệ thống cần tiếp tục phát triển để ghép nối tốt với tầng biến đổi DC/DC DC/AC có cấu trúc đa dạng, khác nhằm nâng cao hiệu suất, ổn định, góp phần tiết kiệm lượng tiêu thụ Viêt Nam TAI LIỆU THAM KHẢO Hình 15 Dạng dòng điện vào (xanh) ripple điện áp tải 1200W Hình 16 Dạng dòng điện vào (xanh) ripple điện áp tải 3000W [1] M Gopinath, Bridgeless PFC Converter for Power Factor Correction, Research Scholar, Bharath University, Chennai,India [2] M Gopinath, Matlab Based Closed Loop Analasis of Bridgeless PFC Converter, Bharath University, Chennai,India, 2004 [3] M Gopinath and S Ramareddy, Control of DC Driver by Bridgeless PFC Boost Topology, 2007 [4] M Gopinath and S Ramareddy, Efficiency Analasis of Bridgeless Power Factor Correction Boost Converter with the Conventional Method, IEEE, Transon Power System, Vol.13, No.2, 2002, pp.213230 [5] Krstíc, M.; Kanellakopoulos I.; Kokotovíc, P., Nonlinear and Adaptive Control Design, John Wiley & Sons, Inc., New York 1995 [6] [Robert W Erickson, Dragan Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, University of Colorado Boulder, Colorado, 2001 [7] TI, UCC 28070 Implement Bridgeless Power Factor Correction Preregulator Design, July 2009 (BBT nhận bài: 25/03/2015, phản biện xong: 21/04/2015 ... 20 10 -10 0.05 0 .1 0 .15 0.2 0.25 Time (s) 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 18 20 Fundamental (50Hz) = 17 .64 , THD= 8.05% Mag (% of Fundamental) 0 10 Harmonic order 12 14 16 Hình 10 Dạng điện áp Hình 13 ... ) (10 ) V0 d (t ) R (1 D) (11 ) (12 ) sC ) R Từ (10 -12 ) ta rút hàm truyền khâu bù dòng điện: i D (t ) v (t )( Gid ( s ) i d V0 ( sRC 2) s RLC sL R. (1 D) 2 K Pi f ci L ; K s V0 K Ii K Pi f zi (17 )... Iv 13 1, Gvea ( s ) K Pv 2,994 s s ISSN 18 59 -15 31 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(90).2 015 71 Hình Cấu hình mơ Matlab Simulink Bảng Thông số nguồn trạm BTS Điện áp vào 10 0Vac-rms