nghiên cứu và thiết kế bộ biến đổi buck-boost pfc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA XNCN ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI BUCK-BOOST PFC Trưởng bộ môn : TS. Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Duy Đỉnh Sinh viên thực hiện : Nguyễn Phi Long Lớp : TĐH1 - K53 MSSV : 20081596 Hà Nội, 6-2013 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu và thiết kế bộ biến đổi Buck-Boost PFC do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế. Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Hà Nội, ngày 04 tháng 06 năm 2013 Sinh viên thực hiện Nguyễn Phi Long MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH VẼ iv DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 1 LỜI NÓI ĐẦU . 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH NÂNG CAO SỐ CÔNG SUẤT (PFC) 3 1.1. Hệ số công suất và nhiễu do sóng hài dòng điện 3 1.1.1. Hệ số công suất 5 1.1.2. Nhiễu do sóng hài dòng điện 5 1.2. Các tiêu chuẩn về nhiễu do sóng hài của các bộ biến đổi. 7 1.3. Đặc điểm của các bộ nguồn chỉnh lưu thông thường 9 1.4. Các phương pháp nâng cao hệ số công suất 9 1.4.1. Phương pháp Passive PFC 12 1.4.2. Phương pháp Active PFC 13 1.5. Phân tích lựa chọn cấu trúc PFC 13 1.5.1. Lựa chọn cấu hình khâu DC/DC của bộ PFC 18 1.5.2. Lựa chọn phương pháp điều khiển cho bộ PFC . Chương 2 PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ MÔ HÌNH HÓA MẠCH BUCK- 21 BOOST PFC 21 2.1. Phân tích nguyên lý mạch Buck-Boost PFC 23 2.2. Mô hình hóa đối tượng mạch vòng dòng điện 26 2.3. Mô hình hóa đối tượng mạch vòng điện áp 30 Chương 3. TÍNH TOÁN CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH 30 3.1. Tính toán các giá trị định mức 30 3.2. Thiết kế cuộn cảm 33 3.3. Tính chọn van MOSFET 34 3.4. Tính chọn Diode 35 3.5. Tính chọn tụ điện đầu ra 36 3.6. Tính toán mạch Snubber cho MOSFET 38 Chương 4. TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 38 4.1. Sự phát sinh sóng hài dòng điện trong phương pháp điều khiển Current mode 38 4.1.1. Sóng hài dòng điện do khâu Feedforward 40 4.1.2. Sóng hài dòng điện do phản hồi điện áp V 0 (t) 42 4.2. Tính toán vòng điều khiển dòng điện 49 4.3. Tính toán mạch FeedForward giá trị hiệu dụng điện áp lưới 51 4.4. Tính toán mạch vòng điều khiển điện áp . 56 Chương 5 MÔ PHỎNG MẠCH BUCK-BOOST PFC 56 5.1. Xây dựng hệ thống mô phỏng trên phần mềm PSIM 58 5.2. Kết quả mô phỏng mạch Buck-Boost PFC . 63 Chương 6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 63 6.1. Kết quả thực nghiệm 67 6.2. Nhận xét 68 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC Danh mục hình vẽ i DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Quan hệ giữa THD và hệ số méo K p. 4 Hình 1.2. Cấu trúc của một bộ nguồn chỉnh lưu thông thường. 7 Hình 1.3. Khâu chỉnh lưu cầu trong cấu trúc 1.3 [4]. 8 Hình 1.4. Dạng dòng điện và điện áp lưới của sơ đồ 1.4 [4]. 8 Hình 1.5. Hệ thống công suất phân tán điển hình sử dụng PFC [5]. 9 Hình 1.6. Mạch chỉnh lưu cầu có cuộn cảm nối tiếp phía điện áp lưới [4]. 10 Hình 1.7. Dạng dòng điện và điện áp lưới của sơ đồ 1.6 [4]. 10 Hình 1.8. Các thành phần sóng hài ứng với trường hợp L = 25mH [4]. 11 Hình 1.9. Cấu trúc mạch Active PFC. 12 Hình 1.10. Cấu hình mạch Buck PFC [4]. 14 Hình 1.11. Dạng dòng điện và điện áp của mạch Buck PFC [4] 14 Hình 1.12. Cấu hình mạch Boost PFC [4]. 15 Hình 1.13. Dạng dòng điện và điện áp của mạch Boost PFC [4]. 16 Hình 1.14. Cấu hình mạch Buck-Boost PFC [4] 17 Hình 1.15. Dạng dòng điện và điện áp của mạch Buck-Boost PFC khi V 0 >V in (t) [4]. 17 Hình 1.16. Sơ đồ hệ thống điều khiển – điều khiển Current mode. 19 Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost PFC 21 Hình 2.2. (a). Tín hiệu mở van; (b). Điện áp trên cuộn cảm; (c). Dòng điện cuộn cảm; 22 (d). Dòng điện qua van S 1 , S 2 ; (e). Dòng điện qua diode D 1 , D 2 ; (f), (g), (h), (k). Điện áp trên van S 1 , S 2 , và Diode D 1 , D 2 . 22 Hình 2.3. Mạch tương đương khi S 1 , S 2 dẫn. 23 Hình 2.4. Mạch tương đương khi S 1 , S 2 khóa. 24 Hình 2.5. Dạng điện áp trên cuộn cảm và dòng điện của tụ C 24 Hình 2.7. Mô hình tương đương khi lấy trung bình trên một nửa chu kỳ lưới. 29 Danh mục hình vẽ ii Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển 38 Hình 4.2. Sự méo dòng điện đầu vào do ảnh hưởng của thành phần sóng hài bậc hai nd 2 rip v trong điện áp ra . 41 Hình 4.3. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện 43 Hình 4.4. (a) Đồ thị Bode của đối tượng G di (s); (b) Đồ thị Bode của đối tượng G i0 (s). 45 Hình 4.5. Đồ thị Bode của mạch vòng dòng điện. 48 Hình 4.7. Mạch Feedforward giá trị hiệu dụng của điện áp lưới. 49 Hình 4.8. Đồ thị Bode của khâu Feedforward G ff (s). 50 Hình 4.9. Sơ đồ điều khiển mạch vòng điện áp. 51 Hình 4.10. (a) Đồ thi Bode của đối tượng G v0 (s); (b) Đồ thị Bode của đối tượng G v1 (s). 53 Hình 4.11. Đồ thị Bode của mạch vòng điện áp. 54 Hình 4.12. Bộ bù loại hai của mạch vòng điện áp. 55 Hình 5.1. Sơ đồ nguyên lí mạch lực Buck-Boost PFC. 56 Hình 5.1. Sơ đồ nguyên lí mạch lực Buck-Boost PFC 56 Hình 5.2. Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển mạch Buck-Boost PFC. 57 Hình 5.2. Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển mạch Buck-Boost PFC 57 Hình 5.2. Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển mạch Buck-Boost PFC 57 Hình 5.3. Đặc tính khởi động không tải khi V in,rms =220V. 58 Hình 5.4. Đặc tính khởi động không tải khi Vin,rms=100V. 58 Hình 5.5. Đặc tính động của bộ biến đổi khi khởi động với tải định mức. 59 Hình 5.6. Đặc tính động của bộ biến đổi khi thay đổi tải. 59 Hình 5.7. Đặc tính động của bộ biến đổi khi điện áp sụt từ 220V xuống 110 V 60 Hình 5.8. Dạng dòng điện, điện áp đầu vào và hệ số công suất. 60 Hình 5.9. Nhấp nhô của điện áp đầu ra khi hệ thống ổn định. 61 Hình 5.10. Đặc tính động của bộ biến đổi khi tải mang tính cảm. 61 Danh mục hình vẽ iii Hình 6.1. Sơ đồ thực nghiệm tổng thể 63 Hình 6.2: Dạng dòng điện và điện áp khi không có PFC. 64 Hình 6.3. Dạng xung mở van 64 Hình 6.4. Đáp ứng điện áp khi khởi động không tải 65 Hình 6.5. Điện áp đầu ra khi ổn định không tải 65 Hình 6.6. Điện áp đầu ra khi tải trở định mức 66 Hình 6.7. Dạng dòng điện trong cuộn cảm 66 Hình 6.8. Dạng dòng điện và điện áp đầu vào 67 Danh mục bảng số liệu iv DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1.1. Tiêu chuẩn IEC 1000-3-2, giới hạn dòng sóng hài cho các thiết bị lớp A [3] 6 Bảng 1.2. Tiêu chuẩn IEC 1000-3-2, giới hạn dòng sóng hài cho các thiết bị lớp C [3] 6 Bảng 1.3. Tiêu chuẩn IEC 1000-3-2, giới hạn dòng sóng hài cho các thiết bị lớp D [3] 7 Bảng 1.4. Đặc điểm các bộ biến đổi DC/DC trong PFC. 18 Bảng 3.1. Thông số lõi cuộn cảm 31 Bảng 3.2. Tham số dây quấn. 32 Bảng 3.3. Tham số cơ bản của MOSFET 34 Bảng 3.4. Tham số cơ bản của Diode 35 Bảng 3.5. Tham số cơ bản của SF18 37 Danh mục từ viết tắt v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT PF Power Factor Hệ số công suất PFC Power Factor Corrector Bộ nâng cao hệ số công suất THD Total Harmonic Distortion Tổng hệ số méo sóng hài IEC International Electrotechnical Commission Ủy ban Kỹ thuật điện quốc tế AC Alternative Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện một chiều LFR Loss-Free Resistor Điện trở không tổn hao Lời nói đầu 1 LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển của điện tử công suất nói chung và các bộ nguồn 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 nguồn phân 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 thì những bộ nguồn này tồn tại hạn chế lớn là gây ra méo dạng dòng điện lưới đầu vào, sinh ra nhiễu điện từ cho hệ thống và có hệ số công suất thấp. Do số lượng các bộ nguồn này không nhỏ nên những ảnh hưởng của chúng là đáng kể tới hệ thống lưới điện. Trên thực tế, một số tiêu chuẩn đã được đưa ra quy định cụ thể về mức phát sóng hài đối với các thiết bị thương mại. Từ đó, người thiết kế cần phải 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 và Active PFC. Mặc dù, phương pháp Passive PFC thực hiện đơn giản, nhưng cồng kềnh và chỉ áp dụng với các các thiết bị ở dải công suất thấp. Trong khi phương pháp Active PFC đáp 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 PFC ngày càng chiếm ưu thế. Đồ án này đề xuất cấu hình Buck-Boost PFC với các ưu điểm như khả năng điều khiển hoàn toàn dòng điện đầu vào, hoạt động trong toàn dải điện áp, cấu trúc đơn giản. Đây cũng chình là các hạn chế của các cấu hình cơ bản Buck PFC, Boost PFC. Qua nghiên cứu, kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy cấu hình này có khả năng áp dụng vào thực tế. Toàn bộ đồ án được hoàn thành với sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh và được báo cáo trong 6 chương. Chương 1. Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất. Chương 2. Phân tích nguyên lý và mô hình hóa mạch Buck-boost PFC. Chương 3. Tính toán các linh kiện trong mạch. Chương 4. Tính toán hệ thống điều khiển. Chương 5. Mô phỏng mạch Buck-boost PFC. Chương 6. Kết quả thực nghiệm. [...]... bộ biến đổi điện tử công suất đầu vào, điển hình là bộ chỉnh lưu Những bộ này tạo ra dòng điện có dạng không sin do đặc tính phi tuyến của nó đối với lưới Ví dụ, các thiết bị một pha công suất nhỏ cần có bộ biến đổi công suất đầu vào như tivi, thiết bị văn phòng, sạc pin, các thiết bị gia đình…Các thiết bị công suất lớn sử dụng chỉnh lưu ba pha như biến tần, các thiết bị công nghiệp Tất cả các bộ chỉnh... Lựa chọn cấu hình khâu DC/DC của bộ PFC Có rất nhiều cấu hình DC/DC có thể được sử dụng trong bộ PFC tùy theo những yêu cầu của tải [7] Với yêu cầu bài toán đã nêu trên, một số cấu trúc PFC có thể xem xét như Buck PFC, Boost PFC, Buck-Boost PFC a) Mạch Buck PFC Mạch Buck PFC là mạch giảm áp, tức là điện áp đầu ra luôn nhỏ hơn điện áp đầu vào như minh họa trên hình 1.10 và 1.11 Vì mạch chỉ hoạt động khi... hình mạch Boost PFC [4] 15 Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất Hình 1.13 Dạng dòng điện và điện áp của mạch Boost PFC [4] c) Mạch Buck-Boost PFC Cấu hình này được xem như là sự kết hợp của hai cấu hình buck và boost nên nó sẽ mang các đặc điểm của cả hai mạch này Buck-Boost PFC khắc phục được các nhược điểm của mạch Boost PFC và Buck PFC Nó hoạt động được cả chế độ tăng áp và chế độ giảm... NGUYÊN LÝ VÀ MÔ HÌNH HÓA MẠCH BUCK-BOOST PFC 2.1 Phân tích nguyên lý mạch Buck-Boost PFC Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost PFC Để phân tích nguyên lý hoạt động của lực ta coi khối Buck-Boost phía sau chỉnh lưu cầu hoạt động theo nguyên lý của bộ biến đổi DC/DC Giả thiết này xuất phát từ điều kiện tần số chuyển mạch của các van S1, S2 lớn hơn rất nhiều tần số lưới nên có thể coi trong một vài chu... thống phức tạp hơn do có thêm bộ PFC Với những ưu điểm trên, phương pháp Active PFC ngày càng được sử dụng phổ biến trong việc thiết kế các bộ nguồn đảm bảo các tiêu chuẩn về kỹ thuật Do vậy, mục tiếp sau sẽ đi phân tích chi tiết về cấu hình khâu DC/DC và phương pháp điều khiển trong bộ PFC 12 Chương 1 Tổng quan về mạch nâng cao hệ số công suất 1.5 Phân tích lựa chọn cấu trúc PFC Mục tiêu của mục này là... điểm các bộ biến đổi DC/DC trong PFC Buck Boost Buck-Boost Cấp điện áp Giảm áp Tăng áp Tăng/giảm áp Dòng đầu vào Gián đoạn Liên tục Gián đoạn Méo dòng đầu vào qua không Có Không Không Dòng khởi động Có điều khiển Không điều khiển Có điều khiển Điện áp đặt lên van khi khóa Vin V0 Vin/Vout Lọc đầu vào Cần thiết Không cần Cần thiết Kết luận: Sau khi phân tích các ưu nhược điểm của các bộ DC/DC ta đi tới... của PFC được thiết kế với chi phí thấp, tính khả thi cao và hiệu quả - Tụ lọc đầu ra có kích thước và chi phí nhỏ hơn Một trong những ứng dụng điển hình của mạch PFC là sử dụng trong hệ thống nguồn phân tán cho các thiết bị như máy tính, hệ thống mạng Hình 1.5 Hệ thống công suất phân tán điển hình sử dụng PFC [5] Ngoài ra, bộ nâng cao hệ số công suất còn được ứng dụng trong các chấn lưu điện tử, biến. .. pháp xấp xỉ Quasi [11], [10] Tức là, do tần số chuyển mạch lớn hơn rất nhiều tần số lưới nên ta giả thiết rằng trong mỗi chu kỳ chuyển mạch, điện áp đầu vào giữ nguyên không đổi Với giả thiết này, ta có thể coi mạch Buck-Boost PFC như một mạch DC-DC với điện áp đầu vào Vin(t) và điện áp đầu ra V0 không đổi Và dễ dàng áp dụng phương pháp mô hình trung bình tín hiệu nhỏ Các tín hiệu được lấy trung bình trên...Lời nói đầu Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài em đã nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn Duy Đỉnh về rất nhiều mặt trong nghiên cứu Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy đã giúp em hoàn thành đề tài này Đồng thời em cũng gửi lời cảm ơn tới các cán bộ thuộc trung tâm Nghiên cứu, Ứng dụng và Sáng tạo công nghệ -Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo... Chương 2 Phân tích nguyên lý và mô hình hóa mạch Buck-boost PFC 2.2 Mô hình hóa đối tượng mạch vòng dòng điện Mạch vòng dòng điện thực hiện chức năng điều khiển dòng điện đầu vào bám theo hình dạng của điện áp đầu vào Đối với mạch Buck-Boost, do dòng điện đầu vào bị gián đoạn, trong khi dòng điện qua cuộn cảm iL(t) là dòng liên tục và mang thông tin về hình dạng của dòng điện đầu vào iin(t) nên thay vì điều . cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu và thiết kế bộ biến đổi Buck-Boost PFC do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Duy Đỉnh. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với. BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA XNCN ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI BUCK-BOOST PFC Trưởng bộ môn : TS. Trần Trọng Minh. 5.5. Đặc tính động của bộ biến đổi khi khởi động với tải định mức. 59 Hình 5.6. Đặc tính động của bộ biến đổi khi thay đổi tải. 59 Hình 5.7. Đặc tính động của bộ biến đổi khi điện áp sụt từ