Thiết kế bộ nguồn số hiệu chỉnh hệ số công suất (dpfc)

Thiết kế bộ nguồn số hiệu chỉnh hệ số công suất (dpfc)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hà nội, 6-2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HN

Họ và tên sinh viên: Trương Đức Tiến Số hiệu sinh viên: 20083523

Khóa 53 Khoa/Viện: Điện Ngành: Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp

1 Đầu đề thiết kế:

Thiết kế bộ nguồn số hiệu chỉnh hệ số công suất (DPFC)

2 Các số liệu ban đầu:

Các thông số thiết kế yêu cầu

+ Giá trị hiệu dụng của điện áp đầu vào Vin = 100 – 240 V

+ Giá trị của điện áp đầu ra Vo = 400 V

+ Công suất đầu ra Po = 1 kW

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

- Tìm hiểu về hệ số công suất, sự cần thiết nâng cao hệ số công suất

- Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế bộ PFC điều khiển số

- Tính toán, thiết kế, lựa chọn các phần tử trong mạch lực và mạch điều khiển

- Tính toán các bộ điều khiển, viết chương trình phần mềm

- Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab-Simulink, thiết kế thử nghiệm trên mạch thật

4 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): 4-6 bản vẽ A0

5 Họ tên cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Hồng Quang

6 Ngày giao nhiệm vụ đồ án:

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Thiết kế bộ nguồn số hiệu chỉnh hệ số công suất (DPFC)” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Nguyễn

Hồng Quang 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 5 tháng 6 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Trương Đức Tiến

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ i

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iii

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 3

NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ HỆ SỐ CÔNG SUẤT 3

1.1. Ảnh hưởng của hệ số công suất đối với hệ thống và thiết bị điện 3

1.2 Vai trò của các bộ biến đổi điều chỉnh hệ số công suất trong thực tế 5

1.3 Các phương pháp điều chỉnh hệ số công suất 6

1.3.1 Điều chỉnh tuyến tính hệ số công suất 6

1.3.2 Điều chỉnh phi tuyến tính hệ số công suất 7

Chương 2 9

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC 9

VÀ PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN 9

2.1 Lựa chọn phương án mạch lực 9

2.1.1 Cấu trúc mạch boost 9

2.1.2 Cấu trúc mạch buck 10

2.1.4 Cấu trúc mạch buck-boost 11

2.1.4 Cấu trúc mạch kết hợp buck + boost 12

2.1.5 So sánh và lựa chọn phương án 13

2.2 Lựa chọn phương án điều khiển 13

2.2.1 Phương pháp điều khiển theo chế độ dòng đỉnh 14

2.2.2 Phương pháp điều khiển theo chế độ dòng trung bình 16

2.2.3 Phương pháp điều khiển dải trễ 17

Chương 3 20

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC 20

3.1 Xây dựng các biểu thức toán học 20

3.2 Tính toán thông số mạch lực 22

3.2.1 Tính toán công suất và dòng điện đầu vào 22

3.2.2 Tính chọn cầu diode chỉnh lưu 22

3.2.3 Tính toán và thiết kế cuộn cảm 23

3.2.4 Tính toán giá trị của tụ lọc đầu ra 30

3.2.5 Tính chọn PFC diode 31

3.2.7 Mạch trợ giúp đóng cắt cho van (mạch snubber) 32

3.2.8 Mạch nạp mềm cho tụ đầu ra và hạn chế dòng khởi động (inrush current) 33

3.2.9 Mạch driver cho MOSFET 35

3.2.10 Mạch đo dòng sử dụng cảm biến dòng ACS712ELCTR-30AT 35

3.2.11 Mạch bảo vệ quá điện áp đầu ra 35

Chương 4 38

TRIỂN KHAI BỘ ĐIỀU KHIỂN 38

4.1 Cấu trúc chung của bộ điều khiển 38

4.2 Triển khai phần cứng 38

4.2.1 Mạch nguồn 38

4.2.2 Khối vi xử lý và ghép nối 39

4.3 Thiết kế bộ điều khiển 40

4.3.1 Vấn đề trích mẫu các tín hiệu đưa vào vi xử lý 41

4.3.2 Bộ điều khiển dòng điện 42

4.3.3 Bộ feed-forward điện áp đầu vào 45

4.4 Triển khai phần mềm 48

4.4.1 Nội dung 48

4.4.2 Lưu đồ thuật toán 49

Chương 5 52

MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 52

5.1 Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Matlab/simulink 52

5.1.1 Mô hình mô phỏng trên simulink 52

5.1.2 Kết quả mô phỏng 54

5.3 Một số kết quả thực nghiệm 62

5.3.1 Hình ảnh mạch thật 62

5.3.2 Một số hình ảnh thực nghiệm đo các giá trị thực tế 64

KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 69

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tam giác công suất 3

Hình 1.2 Mối liên hệ giữa các thành phần của PF với dòng điện và điện áp [1] 5

Hình 1.3 Cấu trúc hệ thống phân tán năng lượng [4] 6

Hình 2.1 Mạch boost converter 9

Hình 2.2 Dạng dòng điện và điện áp đầu vào 9

Hình 2.3 Mạch buck converter 10

Hình 2.4 Dạng điện áp và dòng điện đầu vào bộ buck 10

Hình 2.5 Mạch buck-boost converter 11

Hình 2.6 Dạng dòng điện và điện áp vào của mạch buck-boost 11

Hình 2.7 Mạch kết hợp buck + boost 12

Hình 2.8 Hình dạng điện áp vào và ra của mạch kết hợp buck + boost [10] 12

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý của bộ boost PFC [5] 14

Hình 2.10 Cấu trúc của phương pháp điều khiển theo chế độ dòng đỉnh [5] 15

Hình 2.11 Dạng dòng điện chuẩn dựa theo chế độ dòng đỉnh [5] 15

Hình 2.12 Cấu trúc của phương pháp điều khiển theo chế độ dòng trung bình [5] 17

Hình 2.13 Dạng dòng điện chuẩn dựa theo chế độ dòng trung bình [5] 17

Hình 2.14 Sơ đồ của phương pháp điều khiển dải trễ [5] 18

Hình 2.15 Dạng dòng điện chuẩn dựa phương pháp điều khiển dải trễ [5] 18

Hình 3.1 Sơ đồ mạch lực bộ PFC – boost converter 20

Hình 3.2 Bộ biến đổi boost với chế độ đóng cắt lý tưởng 21

Hình 3.3 Dạng dòng điện qua cuộn cảm trong một chu kỳ đóng cắt của van 21

Hình 3.4 Hình dạng lõi trong thực tế 27

Hình 3.5 Hình dạng cuộn cảm sau khi quấn xong 30

Hình 3.6 Mạch trợ giúp đóng cắt van 32

Danh mục hình vẽ

Hình 3.7 Nguyên lý sử dụng nhiệt điện trở để hạn chế dòng khởi động 34

Hình 3.8 Nguyên lý sử dụng bypass diode hạn chế dòng khởi động 34

Hình 3.9 Mạch rơ-le đóng cắt tiếp điểm S1S2 34

Hình 3.10 Mạch driver cho MOSFET 35

Hình 3.11 Mạch đo dòng sử dụng cảm biến ACS712ELECTR-30AT 36

Hình 3.12 Mạch rơ-le bảo vệ quá điện áp đầu ra 36

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý mạch lực boost PFC 37

Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển 38

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý các mạch tạo nguồn trên mạch điều khiển 39

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý khối vi xử lý và ghép nối các chân 39

Hình 4.4 Mạch reset, tạo dao động, nạp code và các ghép nối 40

Hình 4.4 Sơ đồ khối mạch vòng dòng điện 42

Hình 4.5 Đặc tính Bode hệ hở mạch vòng điều khiển dòng điện 44

Hình 4.6 Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh điện áp 46

Hình 4.7 Đồ thị bode của hệ hở mạch vòng điện áp 48

Hình 4.8 Trọng số các bit số Q-15 48

Hình 4.9 Lưu đồ thuật toán chương trình hàm main 49

Hình 4.10 Lưu đồ chương trình phục vụ ngắt của ADC 50

Hình 4.11 Lưu đồ thuật toán tính Iref (a) và Vavg2 (b) 51

Hình 5.1 Phần mạch lực nối trực tiếp với tải 52

Hình 5.2 Phần mạch lực với tầng DC-DC 52

Hình 5.3 Phần bộ điều khiển 53

Hình 5.4 Phần đo lường và hiển thị 53

Hình 5.5 Dạng dòng điện, điện áp vào khi không có bộ PFC 54

Hình 5.6 Biên độ các thành phần sóng hài và THD 55

Hình 5.7 Dạng dòng điện và điện áp đầu vào 55

Danh mục hình vẽ

Hình 5.8 Điện áp đầu ra của mạch PFC 56

Hình 5.9 Biên độ các thành phần sóng hài, cosphi và THD khi có PFC 57

Hình 5.10 Điện áp và dòng điện đầu vào ứng với tải trở cảm 58

Hình 5.11 Dạng điện áp ra với tải trở cảm 58

Hình 5.12 Biên độ các thành phần sóng hài, cosphi, THD với tải trở cảm 59

Hình 5.13 Hình dạng dòng điện và điện áp vào với điện áp vào 220Vac, tải DC-DC 1kW 60

Hình 5.14 Điện áp đầu ra khi đầu vào là 220Vac, tải DC-DC 1kW 61

Hình 5.15 Các thành phần sóng hài, THD và cosphi 62

Hình 5.16 Hình ảnh thực tế của mạch điều khiển 62

Hình 5.17 Hình ảnh thực tế của mạch lực 63

Hình 5.18 Hình ảnh thực tế của khâu lọc đầu vào EMI 2 tầng 63

Hình 5.19 Mạch rơ le đóng tải và hạn chế inrush current 64

Hình 5.20 Điện áp đầu ra đo được ổn định ở 400VDC 64

Hình 5.21 Dạng điện áp ra khi tải thuần trở 800W 65

Hình 5.22 Dạng dòng điện khi không điều chỉnh dòng điện 65

Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 3.1 Các thông số của lõi ETD-49 [7] 26Bảng 3.2 Tổng hợp linh kiện sử dụng trong mạch lực 36Bảng 4.1 Chuyển đổi ảnh Laplace sang miền ảnh Z hàm truyền bộ PI 45

Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ADC Anolog-to-digital converter Bộ chuyển đổi tương tự-số

CCM Continuous conduction mode Chế độ dòng điện liên tục

CCR Critical current mode Chế độ dòng điện giới hạn

DCM Discontinuous conduction mode Chế độ dòng điện gián đoạn DPFC Digital power factor correction Hiệu chỉnh hệ số công suất số DPS Distributed power system Hệ thống phân tán năng lượng EMI Electromagnetic interference Nhiễu điện từ

NTC Negative temperature coefficient Hệ số nhiệt điện trở âm

PFC Power factor correction Hiệu chỉnh hệ số công suất THD Total harmonic distortion Tổng độ méo sóng hài

UPS Uninterruptible power supply Bộ lưu điện dự phòng

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Điện tử công suất là một trong những ngành phát triển rất mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại, đáp ứng lại các nhu cầu sử dụng các loại năng lượng, các bộ biến đổi nguồn ra đời với nhiều các cấu trúc và đặc tính riêng Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến dổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn, đáp ứng đầy

đủ các yêu cầu trong thực tế đời sống cũng như sản xuất

Các bộ biến đổi năng lượng AC-DC, DC-DC, DC-AC, AC-AC đã trở thành những thành phần quan trọng trong hệ thống cung cấp và phân tán năng lượng, thông thường các bộ biến đổi này cần phải đảm bảo yêu cầu về hệ số cosphi và thành phần sóng hài theo những tiêu chuẩn nhất định, việc nâng cao hệ số công suất cho các bộ biến đổi nguồn là một vấn đề quan trọng và được nghiên cứu rất nhiều

Trong thời gian gần một năm tìm hiểu và thiết kế, điều khiển hoạt động của bộ PFC sử dụng kỹ thuật điều khiển số, trong đồ án này em xin trình bày các nội dung sau:

Chương 1: Tìm hiểu tổng quan về sự ảnh hưởng của hệ số công suất tới hệ thống

và thiết bị điện, vai trò của việc điều chỉnh hệ số công suất và các phương pháp điều chỉnh hệ số công suất

Chương 2: Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế mạch lực và phương pháp điều khiển

Chương 3: Phân tích, lựa chọn, tính toán các phần tử và thiết kế mạch lực

Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển và triển khai phương pháp điều khiển số sử dụng vi xử lý dsPIC33FJ16GS504 của hãng microchip

Chương 5: Mô phỏng và một số kết quả thực nghiệm

Trong thời gian thực hiện đề tài, chúng em đã nhận được sự hướng dẫn tận tình, những góp ý quý báu của thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Hồng Quang cùng với sự giúp đỡ, hỗ trợ của các thầy cô trong bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp, chúng

em đã được thực hiện đề tài và tiến hành làm mạch thật tại phòng thí nghiệm C9-102 của

bộ môn

Lời nói đầu

Với vốn kiến thức và kinh nghiệm của bản thân còn rất nhiều hạn chế, cũng như thời gian thực hiện đề tài chưa dài nên chắc chắn báo cáo của em có nhiều thiếu sót Em rất mong nhận được sự dạy bảo và đóng góp của thầy cô và các bạn

Em xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 5 tháng 6 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Trương Đức Tiến

Chương 1 Những vấn đề chung về hệ số công suất

Chương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ HỆ SỐ CÔNG SUẤT

1.1 Ảnh hưởng của hệ số công suất đối với hệ thống và thiết bị điện

Trong hệ thống và thiết bị điện, ta thường xét đến ba thành phần công suất, đó là công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất biểu kiến Ba thành phần công suất này tạo thành tam giác công suất như hình 1.1

Công suất toàn phần

Q (VAr)

φ

Công suất tác dụng

P (W) Hình 1.1 Tam giác công suất

Hệ số công suất (power factor - PF) là tỉ số giữa công suất tác dụng (P) và công suất toàn phần (S) [3]

Trong đó, Uhd là giá trị điện áp hiệu dụng

Ihd là giá trị dòng điện hiệu dụng toàn phần

Ihd(1) là giá trị hiệu dụng sóng hài cơ bản của dòng điện

Ihd(i) là giá trị hiệu dụng sóng hài bậc i của dòng điện

Chương 1 Những vấn đề chung về hệ số công suất

( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

Xét về ảnh hưởng của các thành phần trong hệ số công suất tới hệ thống và thiết bị điện, khi độ lệch pha giữa dòng điện và điện áp lớn (kφ nhỏ) thì dòng điện yêu cầu sẽ lớn hơn với cùng giá trị tải, như chúng ta biết dòng điện là nguyên nhân gây tổn thất trong các hệ thống và thiết bị điện nói chung, do đó luôn mong muốn giá trị của kφ càng lớn càng tốt, trường hợp lý tưởng là kφ =1 Khi độ méo sóng hài lớn (kd nhỏ) sẽ xuất hiện nhiều thành phần sóng hài bậc cao hơn trong dòng điện, làm xấu thành phần hữu ích của nguồn và ảnh hưởng đến các thiết bị khác Cụ thể là với THD lớn sẽ làm cho các thiết bị điều khiển hoạt động không chính xác, phá hủy các thiết bị có độ nhạy cao, làm cho các thiết bị bảo vệ tác động không mong muốn, gây quá nhiệt trong thiết bị và gây nhiễu với các thiết bị xung quanh

Trong thực tế, các bộ biến đổi năng lượng AC-DC được ứng dụng rất rộng rãi, các

bộ biến đổi AC – DC với chỉnh lưu diode thông thường luôn tạo ra dòng điện có chứa lượng lớn các sóng hài bậc cao, gây ra nhiều vấn đề như đã phân tích ở trên, giải pháp tốt

Chương 1 Những vấn đề chung về hệ số công suất

nhất cho vấn đề này là sử dụng bộ biến đổi có hiệu chỉnh hệ số công suất PFC (power factor correction)

(a) kφ <1, kd<1; (b) kφ =1, kd<1; (c) kφ <1, kd =1; (d) kφ =1, kd =1

Hình 1.2 Mối liên hệ giữa các thành phần của PF với dòng điện và điện áp [1] Mục đích của việc cải thiện hệ số công suất là nâng cao các hệ số kφ và kd, tức là giảm độ lệch pha giữa dòng điện và điện áp, cũng như giảm các thành phần sóng hài bậc cao của dòng điện, từ đó nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng, giảm mất mát, nâng cao chất lượng điện áp và giảm giá thành sử dụng cũng như truyền tải điện năng

Tất cả các bộ nguồn đều phải đạt được giá trị yêu cầu về hệ số cosφ>0,85 và quy định về các thành phần sóng hài theo một số tiêu chuẩn quốc tế như tiêu chuẩn IEC1000-3-2 của ủy ban điện tử quốc tế, được ủy ban Châu Âu về chuẩn hóa điện tử điều chỉnh thành chuẩn EN 61000-3-2, các chuẩn này đưa ra giá trị cho phép của giá trị mỗi hài bậc cao trong thành phần dòng điện vào cho từng lớp thiết bị theo ứng dụng của nó

1.2 Vai trò của các bộ biến đổi điều chỉnh hệ số công suất trong thực tế

Trong thực tế, các bộ biến đổi PFC là một tầng quan trọng trong các hệ thống phân tán năng lượng (DPS), hệ thống này chủ yếu cung cấp năng lượng một chiều cho các hệ thống viễn thông, các mạng thông tin, máy tính Với sự đa dạng của các nguồn phát phân tán trong hệ thống điện hiện nay, cùng với nhu cầu sử dụng internet và hệ thống viễn

Chương 1 Những vấn đề chung về hệ số công suất

thông ngày càng tăng, hệ thống phân tán năng lượng được xem là một giải pháp tin cậy, linh hoạt và tiết kiệm Hệ thống phân tán năng lượng có cấu trúc như hình 1.3, đầu vào là nguồn điện xoay chiều, trong công nghiệp thường sử dụng nguồn xoay chiều AC với dải điện áp 100 – 240 VAC, điện áp này được đi qua bộ lọc EMI rồi đưa vào bộ PFC, điện áp

ra của bộ PFC phải lớn hơn 375 VDC, sau đó năng lượng một chiều được đưa qua bộ biến đổi DC-DC, đưa ra điện áp cung cấp cho tải với mức điện áp đầu ra tùy theo các ứng dụng cụ thể, thông thường là 48VDC vì điện áp này phù hợp với các hệ thống nguồn dự phòng dùng acquy có dung lượng khá lớn, hơn nữa nếu điện áp thấp hơn thì để đảm bảo công suất yêu cầu dòng điện phải lớn, chi phí cao và khó khăn cho việc lắp đặt Năng lượng một chiều được truyền đến các tải tiêu thụ và có thể được đưa qua các bộ biến đổi năng lượng khác nữa

Hình 1.3 Cấu trúc hệ thống phân tán năng lượng [4]

Như vậy, ta thấy việc điều chỉnh hệ số công suất là rất cần thiết và bộ nguồn hiệu chỉnh hệ số công suất được ứng dụng rộng rãi

1.3 Các phương pháp điều chỉnh hệ số công suất

1.3.1 Điều chỉnh tuyến tính hệ số công suất

Điều chỉnh tuyến tính hệ số công suất là việc thêm vào hay bớt ra các cuộn dây hay tụ điện cho thiết bị nhằm nâng cao thành phần kθ của PF Ví dụ, động cơ mang tính cảm kháng có thể điều chỉnh hệ số PF bằng việc đấu thêm một tụ song song với cuộn dây vận hành nhằm giúp triệt tiêu công suất phản kháng, giảm công suất biểu kiến và tăng hệ

số PF Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất ở đây thực chất là một thiết bị cung cấp một công suất phản kháng tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng được tạo ra

Chương 1 Những vấn đề chung về hệ số công suất

của thiết bị Thêm tụ điện hay cuộn dây vào quá trình để huỷ bỏ đi hiệu ứng cảm ứng hay điện dung tương ứng được tạo ra Động cơ có tính cảm ứng có thể được bù bằng các tụ lọc, lò hồ quang điện có tính điện dung có thể bù bằng 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 các thành phần bù công suất phản kháng có thể tạo ra hiện tượng cộng hưởng với hệ thống được bù, làm cho điện

áp tăng cao và gây mất ổn định cho hệ thống Do vậy việc điều chỉnh hệ số không thể đơn giản là việc thêm hay bớt các thành phần, mà nó cần được tính toán kỹ lưỡng phù hợp với từng mức công suất tải trên thiết bị

Để tránh trường hợp trên, ta có thể bù hệ số công suất bằng các thiết bị bù tự động Các thiết bị này bao gồm nhiều tụ điện được đóng hay ngắt ra khỏi thiết bị được bù công suất phản kháng bằng các công tắc Các công tắc này được điều khiển bằng một thiết bị điều khiển trung tâm có khả năng đo hệ số công suất bằng việc đo dòng tải và điện áp của thiết bị qua các cảm biến dòng được gắn trên đường truyền dẫn điện năng, trước khi vào thiết bị Tuỳ thuộc vào tải và hệ số công suất của thiết bị, bộ điều khiển sẽ đấu nối tuần tự các tụ bù vào mạch 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, động cơ đồng bộ cung cấp một công suất phản kháng có chiều ngược với chiều công suất phản kháng của thiết bị, tính chất tiêu thụ công suất phản kháng của động cơ đồng bộ được xem là một tính chất đặt biệt của loại động cơ này, nó được xem tương đương như một tụ đồng bộ Ngoài ra, trong ngành công nghiệp điện còn có nhiều phương pháp khác để điều chỉnh hệ số công suất, như bằng các thiết bị điện tử, chẳng hạn sử dụng Thyristor

1.3.2 Điều chỉnh phi tuyến tính hệ số công suất

Tải phi tuyến thường là các tải chỉnh lưu, không sử dụng trực tiếp điện xoay chiều

mà nắn lại thành dạng điện một chiều (các bộ nguồn máy tính (PSU), adaptor hay các thiết bị sử dụng năng lượng gián đoạn – liên tục như máy hàn, bóng đèn huỳnh quanh…) Các thiết bị này 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 chèn vào tần số điện lưới Các thành phần linh kiện tuyến tính như cuộn dây và tụ điện không thể loại bỏ được các dải tần số mới được tạo ra này,

vì vậy, phải dùng các bộ lọc hay bộ điều chỉnh hệ số công suất có thể làm phẳng dòng điện ra trên mỗi chu kỳ nhằm giảm các hài bậc cao

Chương 1 Những vấn đề chung về hệ số công suất

a) Điều chỉnh thụ động hệ số công suất (Passive PFC)

Phương pháp này sử dụng một bộ lọc chỉ cho dòng điện có tần số bằng với tần số điện lưới (50Hz hoặc 60Hz) đi qua và chặn không cho các tần số sóng hài đi qua Lúc này tải phi tuyến tính có thể xem như 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, làm cho bộ lọc cồng kềnh và có giá thành cao, thực tế với mạch Passive PFC có cuộn cảm tuy lớn hơn cuộn cảm của mạch điều chỉnh hệ số công suất tích cực (Active PFC) nhưng giá thành chung lại rẻ hơn Đây là một phương pháp đơn giản và tiết kiệm để điều chỉnh hệ

số công suất, làm giảm sóng hài Tuy nhiên phương pháp này lại không đạt hiệu quả bằng phương pháp active PFC

b) Điều chỉnh tích cực hệ số công suất (Active PFC)

Điều chỉnh tích cực hệ số công suất là dùng bộ biến đổi trung gian ghép giữa khối chỉnh lưu không điều khiển và khối biến đổi chức năng nhằm làm cho dòng điện ở cửa vào của bộ biến đổi có dạng sin và trùng pha với điện áp lưới Bộ biến đổi này phải thực hiện ba chức năng Chức năng thứ nhất là bơm được dòng điện cho tải ngay cả trong những giai đoạn điện áp vào thấp hơn điện áp tải Chức năng thứ hai là điều khiển dòng điện này sao cho nó có dạng sin và đồng pha với điện áp lưới Chức năng thứ ba là điều chỉnh ổn định giá trị điện áp ra của PFC hay điện áp đưa đến của khối biến đổi chức năng

ở mức độ phù hợp

Nhiệm vụ thứ nhất thường được thực hiện nhờ nguyên lý biến đổi một chiều tăng

áp (boost convertor), nhiệm vụ thứ hai được thực hiện nhờ điều khiển bám để dòng điện này bám theo dạng sin của điện áp lưới, và nhiệm vụ thứ ba được thực hiện nhờ bộ điều chỉnh điện áp ra của PFC

Chương 2 Lựa chọn phương án mạch lực và phương án điều khiển

Chương 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC

VÀ PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN

2.1 Lựa chọn phương án mạch lực

Mạch lực của bộ PFC bao gồm một khối chỉnh lưu diode không điều khiển rồi đưa qua bộ biến đổi DC-DC, nhiệm vụ điều khiển được thực hiện trên bộ biến đổi DC-DC này, bộ biến đổi DC-DC có thể sử dụng bốn cấu hình điển hình, bao gồm boost, buck, buck – boost và mạch kết hợp buck + boost

2.1.1 Cấu trúc mạch boost

Hình 2.1 Mạch boost converter

Hình 2.2 Dạng dòng điện và điện áp đầu vào

Nguyên lý hoạt động của mạch: Giả sử van S đóng cắt với chu kỳ là T, thời gian đóng dẫn dòng là ton, thời gian cắt là toff, độ rộng xung điều khiển van trong một chu kỳ đóng cắt D = ton/T

Chương 2 Lựa chọn phương án mạch lực và phương án điều khiển

- Khi van S đóng, diode D chịu điện áp ngược, năng lượng tích lũy trong tụ C được phóng qua tải, dòng điện vào iL đi từ dương nguồn qua cuộn cảm rồi trở lại âm nguồn, Vin = VL>0

- Khi van S cắt, diode D chịu điện áp thuận, dòng điện iL đi từ dương nguồn qua cuộn cảm rồi nạp cho tụ và về âm nguồn, giá trị điện áp đầu ra sẽ là Vin=Vout – VL

Do sự suy giảm của dòng điện qua cuộn cảm trong giai đoạn này làm cho điện áp đặt trên nó đổi cực tính VL <0 Quan hệ giữa điện áp ra và điện áp vào:

in out

Chương 2 Lựa chọn phương án mạch lực và phương án điều khiển

Nguyên lý làm việc của mạch

- Khi S đóng dẫn dòng, diode chịu điện áp ngược, dòng điện từ dương nguồn qua van, qua cuộn cảm, qua tải rồi về âm nguồn, tụ được nạp

- Khi S cắt, diode chịu điện áp thuận, một mạch vòng kín gồm L, D và tụ, tải được hình thành

Điện áp ra của mạch buck:

Hình 2.6 Dạng dòng điện và điện áp vào của mạch buck-boost

Nguyên lý làm việc của mạch

- Khi S đóng, diode chịu điện áp ngược, điện áp trên cuộn cảm bằng điện áp nguồn, năng lượng trong tụ C được cấp cho tải

Chương 2 Lựa chọn phương án mạch lực và phương án điều khiển

- Khi S cắt, diode D chịu điện áp thuận, một mạch kín được tạo thành gồm cuộn cảm, diode, tụ điện

Quan hệ giữa điện áp đầu ra với điện áp vào như biểu thức (2.3)

D2 L

Tải +

Vout

-S1 D1

Hình 2.7 Mạch kết hợp buck + boost

Hình 2.8 Hình dạng điện áp vào và ra của mạch kết hợp buck + boost [10]

Nguyên lý làm việc của mạch: Bộ biến đổi làm việc ở cả chế độ buck và boost, phụ thuộc vào giá trị tức thời của điện áp đầu vào vin(t)

Khi giá trị điện áp vin(t) cao hơn giá trị điện áp ra V0 mong muốn thì bộ biến đổi làm việc như bộ buck, khi đó xung điều khiển được phát cho van S1, xung vào van S2 ở

Chương 2 Lựa chọn phương án mạch lực và phương án điều khiển

mức 0 đảm bảo cho van S2 luôn cắt Khi giá trị điện áp vin(t) thấp hơn giá trị điện áp ra V0mong muốn thì bộ biến đổi làm việc như một bộ boost, khi đó xung điều khiển được điều khiển cho S2, và xung vào van S1 luôn ở mức 1, đảm bảo cho S1 luôn đóng

2.1.5 So sánh và lựa chọn phương án

Với các đặc trưng của các cấu trúc mạch, ta thấy:

+ Cuộn cảm boost được nối tiếp với thiết bị cuối đầu vào do đó cuộn cảm sẽ đạt có

độ nhấp nhô dòng điện nhỏ, dòng điện có thể đạt chế độ liên tục, giảm thành phần hài bậc cao, giảm kích thước bộ lọc đầu vào, điều khiển dễ dàng hơn Giá trị điện áp đầu ra lớn hơn điện áp vào, đó là nhu cầu thường gặp trong thực tế Tuy nhiên, đối với mạch boost chế độ khởi động khá khó khăn, cần phải thiết kế mạch hạn chế dòng và nạp mềm cho tụ

+ Bộ buck có dạng dòng điện vào không liên tục gây ra các thành phần sóng hài bậc cao, và phải điều khiển tổn thất khi điện áp đầu vào thấp hơn điện áp đầu ra

+ Bộ buck – boost có dòng điện vào gián đoạn, điện áp đầu ra bị đảo chiều Bộ biến đổi dạng này thường được dùng cho các ứng dụng công suất thấp, cung cấp cho ứng dụng LED chiếu sáng, công suất lớn nhất cỡ 8W

+ Bộ biến đổi kết hợp buck+boost có dòng khởi động không cao như bộ boost, ưu điểm nổi bật của bộ này là thực hiện với dải điện áp đầu vào rộng Tuy nhiên, với bộ này việc thực hiện điều khiển ở chế độ dòng liên tục khá khó khăn và do sử dụng hai van đóng cắt nên tổn hao đóng cắt lớn và mạch điều khiển phức tạp

Xét về chế độ làm việc của mạch ta thường có ba chế độ, đó là chế độ dòng điện liên tục (CCM), chế độ dòng điện gián đoạn (DCM), chế độ dòng điên giới hạn (CCR) Trong ba chế độ này, chế độ CCM dễ cho ta dòng điện có sóng hài bậc cao nhỏ nhất, bởi

lẽ, bản thân dòng điện đã liên tục, còn các chế độ DCM và CCR thì ta phải chấp nhận độ đập mạch của dòng lớn

Với sự phân tích trên và yêu cầu thiết kế, ở đây chọn cấu trúc mạch lực dạng boost với chế độ dòng liên tục (CCM)

2.2 Lựa chọn phương án điều khiển

Việc thiết kế bộ PFC là một điều rất cần thiết, và trên thực tế có rất nhiều các IC tương tự chuyên dụng cho việc điều khiển mạch PFC như UC3854, ML4824… Tuy nhiên, sự phát triển của kỹ thuật điều khiển số và vi xử lý cũng là một công vụ hết sức tiện lợi Sử dụng phương pháp điều khiển số với vi xử lý giúp ta xử lý được các thuật

Chương 2 Lựa chọn phương án mạch lực và phương án điều khiển

toán phức tạp nhờ tính năng xử lý tín hiệu số, đảm bảo tính ổn định và bền với thời gian của mạch, linh hoạt hơn trong việc sửa chữa và thay đổi các thông số công nghệ thông qua việc thay đổi chương trình được lập trình bằng phần mềm Dễ dàng thực hiện việc

mở rộng các chức năng dựa trên tài nguyên có sẵn của vi xử lý

Với các ưu điểm trên, trong đồ án này sẽ thiết kế bộ điều khiển cho mạch PFC

bằng phương pháp điều khiển số, sử dụng vi xử lý dsPIC33FJ16GS504 của hãng

microchip, loại vi xử lý này có tốc độ xử lý cao (40 MIPS - 40 triệu lệnh trong một giây), chuyên dụng cho các ứng dụng điều khiển điện tử công suất, có nhiều module PWM với các chế độ hoạt động khác nhau, tích hợp sẵn nhiều module ADC trên chip do đó lập trình đơn giản, dễ dàng cho việc mở rộng và không phải sử dụng các ngoại vi cồng kềnh,

số chân không quá nhiều (44 chân), kích thước nhỏ gọn giúp cho việc thiết kế và sử dụng linh hoạt

Cấu trúc tổng quát của bộ boost PFC với phương pháp điều khiển số như hình 2.9

Bộ điều khiển có nhiệm vụ đo về các tín hiệu cần thiết, xử lý và đưa ra luật phát xung để điều khiển đóng cắt van Đối với mạch lực có cấu trúc là mạch boost làm việc với chế độ dòng điện liên tục, ta có một số phương pháp điều chỉnh như điều chỉnh theo chế độ dòng đỉnh, điều chỉnh theo chế độ dòng trung bình và điều chỉnh theo phương pháp dải trễ

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý của bộ boost PFC [5]

2.2.1 Phương pháp điều khiển theo chế độ dòng đỉnh

a) Nguyên lý làm việc của phương pháp điều khiển theo chế độ dòng đỉnh

Tiến hành đo các giá trị điện áp đầu vào, ra và giá trị dòng điện qua cuộn cảm L Van S sẽ được đóng với tần số không đổi được cấp bởi tín hiệu clock và khóa tại thời điểm khi tổng dòng điện trên cuộn cảm (lấy trên sườn dương) với thành phần bù độ dốc (external ramp) đạt tới giá trị dòng điện hình sin chuẩn Iref Dòng điện Iref được tính bởi

Chương 2 Lựa chọn phương án mạch lực và phương án điều khiển

khâu nhân giữa sai lệch điện áp đầu ra với tín hiệu đồng dạng với điện áp đầu vào Như vậy, tín hiệu Iref này được đồng bộ và tỷ lệ với điện áp vào, đảm bảo hệ số công suất bằng

1 khi dòng điện bám dòng điện chuẩn

Hình 2.10 Cấu trúc của phương pháp điều khiển theo chế độ dòng đỉnh [5]

Hình 2.11 Dạng dòng điện chuẩn dựa theo chế độ dòng đỉnh [5]

Chương 2 Lựa chọn phương án mạch lực và phương án điều khiển

c) Nhược điểm

- Khi van đóng với độ rộng xung lớn hơn 50% sẽ gây ra các dao động và mất ổn định, do đó cần thêm bộ bù độ dốc, hơn nữa độ biến thiên dòng điện trong mạch Boost bằng (vin – v0)/L thay đổi theo thời gian Do đó việc tiến hành thực hiện bù độ dốc gây nhiều khó khăn

- Sự méo dạng dòng điện đầu vào tăng khi điện áp vào cao và non tải, nó sẽ tồi tệ hơn khi sử dụng thêm bộ bù độ dốc

- Quá trình điều khiển rất nhạy với các nhiễu, yêu cầu bộ lọc đầu vào lớn

Hiện tượng méo dòng điện đầu vào có thể giảm được bằng cách thay đổi dạng của điện áp chuẩn, hoặc trong trường hợp bộ PFC không yêu cầu ứng dụng với dải điện áp đầu vào rộng thì có thể giữ cho độ rộng xung điều khiển dưới 50% để tránh phải sử dụng

bộ bù độ dốc

2.2.2 Phương pháp điều khiển theo chế độ dòng trung bình

a) Nguyên lý làm việc của phương pháp điều khiển theo chế độ dòng trung bình

Phương pháp điều khiển dòng trung bình cho dòng điện đầu vào iL có dạng tốt hơn Dòng điện iL được đo và lọc nhờ bộ khuếch đại sai lệch dòng điện Ở đây, mạch vòng dòng điện có tác dụng làm giảm sai lệch giữa dòng điện đầu vào và dòng điện Iref Trong đó Iref được tính tương tự như trong phương pháp dòng đỉnh Đầu ra của bộ bù dòng điện sẽ được đưa vào module điều khiển PWM thực hiện điều khiển việc đóng cắt van Phương pháp dòng trung bình cũng thực hiện ở chế độ dòng điện liên tục nên có thể thay thế phương pháp dòng đỉnh để đạt được hiệu quả cao hơn

Chương 2 Lựa chọn phương án mạch lực và phương án điều khiển

c) Nhược điểm

- Cần đo dòng điện qua cuộn dây

- Yêu cầu thiết kế bộ điều khiển dòng điện

Hình 2.12 Cấu trúc của phương pháp điều khiển theo chế độ dòng trung bình [5]

Hình 2.13 Dạng dòng điện chuẩn dựa theo chế độ dòng trung bình [5]

2.2.3 Phương pháp điều khiển dải trễ

a) Nguyên lý làm việc của phương pháp điều khiển dải trễ

Trong phương pháp này, có hai dạng dòng điện chuẩn nữa sin được tạo ra, một là dòng điện chuẩn đỉnh IP,ref, một là dòng điện chuẩn chân IV,ref Van sẽ đóng khi dòng điện qua cuộn cảm nhỏ hơn dòng điện chuẩn IV, ref, và sẽ cắt khi dòng điện qua cuộn cảm vượt quá dòng điện chuẩn IP,ref Phương pháp này cũng được áp dụng cho chế độ dòng liên tục

Chương 2 Lựa chọn phương án mạch lực và phương án điều khiển

b) Ưu điểm

- Không yêu cầu bộ bù độ dốc

- Độ méo sóng của dòng điện thấp

c) Nhược điểm

- Tần số đóng cắt thay đổi

- Cần phải đo giá trị dòng điện trên cuộn cảm

- Quá trình điều khiển nhạy với nhiễu

Để giảm việc tần số đóng cắt tăng quá cao, van cần được mở tại điểm gần 0 của điện áp vào và có thể làm gián đoạn, mất ổn địnhdòng điện

Hình 2.14 Sơ đồ của phương pháp điều khiển dải trễ [5]

Hình 2.15 Dạng dòng điện chuẩn dựa phương pháp điều khiển dải trễ [5]

Chương 2 Lựa chọn phương án mạch lực và phương án điều khiển

Nhận xét: Dựa vào những phân tích trên, ta nhận thấy rằng phương pháp dòng

điện trung bình có nhiều ưu điểm khi điều khiển cho mạch Boost PFC như đạt được dạng dòng điện đầu vào ít biến dạng, hạn chế nhiễu và độ nhấp nhô dòng điện trong mạch Tuy

có hạn chế song có thể khắc phục, thực hiện điều khiển tốt và thích hợp với mạch Boost PFC Do đó, ta lựa chọn phương pháp điều khiển dòng trung bình để điều khiển cho mạch boost PFC

Chương 3 Tính toán thiết kế mạch lực

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC

Với các phương án đã chọn ở trên, ta có sơ đồ mạch lực có dạng như hình 3.1 Mạch boost PFC bao gồm các thành phần: bộ lọc EMI đầu vào (ở đây chọn bộ EMI có sẵn), cầu chỉnh lưu diode, cuộn cảm, diode, van bán dẫn, tụ lọc đầu ra

Hình 3.1 Sơ đồ mạch lực bộ PFC – boost converter

Các thông số cơ bản của thiết kế:

+ Giá trị hiệu dụng của điện áp đầu vào Vin = 100 – 240 VAC

+ Giá trị của điện áp đầu ra Vo = 400 VDC

+ Công suất đầu ra Po = 1 kW

3.1 Xây dựng các biểu thức toán học

Điện áp xoay chiều tần số 50Hz được qua bộ lọc EMI sau đó chỉnh lưu qua cầu chỉnh lưu, để thu được điện áp nửa sin tần số 100Hz đầu vào mạch boost

Chương 3 Tính toán thiết kế mạch lực

Chu kỳ đóng cắt của van là Ts (tần số đóng cắt là f=100kHz, rất lớn so với tần số điện áp đầu vào 100Hz), trong một chu kỳ, van S đóng trong thời gian ton, giả sử dòng điện qua cuộn cảm là liên tục (chế độ CCM), trong một chu kỳ đóng cắt điện áp vào không đổi vin(t)=Vin

Hình 3.2 Bộ biến đổi boost với chế độ đóng cắt lý tưởng

Xét khoảng thời gian t = [0,ton], ta có vL(t) = Vin

Trong khoảng thời gian t = [ton,Ts], ta có vL(t) = Vin – vo(t) = Vin – Vo (coi điện áp

Chương 3 Tính toán thiết kế mạch lực

Dạng dòng điện là liên tục, độ nhấp nhô dòng điện là ∆IL được biểu diễn như trên hình 3.3 Ta dễ dàng suy ra độ nhấp nhô dòng điện qua cuộn cảm như biểu thức (3.2)

3.2.1 Tính toán công suất và dòng điện đầu vào

- Công suất đầu vào

o in

3.2.2 Tính chọn cầu diode chỉnh lưu

Đối với mạch chỉnh lưu đầu vào, ta sử dụng mạch cầu chỉnh lưu diode, việc thiết

kế một cầu chỉnh lưu với các diode tính chọn là hoàn toàn có thể Tuy nhiên, trên thị trường hiện nay có những cầu chỉnh lưu có sẵn, có khả năng chịu được dòng điện lớn, kích thước nhỏ gọn và giá thành hạ Vì vậy, để tiện lợi cho việc thiết kế, ở đây ta chọn cầu diode

Cầu chỉnh lưu có nhiệm vụ tạo dòng một chiều từ dòng xoay chiều có điện áp vào nằm trong dải 100 – 240 VAC Dựa vào thông số dòng điện trung bình lớn nhất tính được

từ biểu thức (3.6) với độ dự trữ dòng điện là kiD = 2,5 Ta có dòng điện cần thiết của cầu

Chương 3 Tính toán thiết kế mạch lực

là 24,2A và điện áp đầu vào yêu cầu ta lựa chọn cầu chỉnh lưu có khả năng chịu dòng điện 25A và điện áp đầu ra 600VDC

3.2.3 Tính toán và thiết kế cuộn cảm

Bước 1: Tính độ thấm sâu bề mặt

Dòng điện qua cuộn cảm bao gồm dòng một chiều Idc và thành phần xoay chiều

∆Iac Với tần số làm việc 100kHz, khi thành phần dòng điện xoay chiều này đi qua dây quấn cuộn cảm sẽ có hiệu ứng bề mặt, mật độ dòng điện sẽ tập trung chủ yếu ở bề mặt dây dẫn Tuy nhiên, thành phần xoay chiều ở đây nhỏ hơn nhiều so với thành phần một chiều và yêu cầu chọn dây với kích thước nhỏ nhất có thể Bởi lẽ, kích thước dây càng lớn thì việc quấn dây càng khó khăn đồng thời khó bố trí dây hợp lý Bên cạnh đó, để đáp ứng tiết diện dây ta có thể chập các dây kích thước nhỏ mà diện tích mặt cắt ngang vẫn tương đương nhưng việc quấn dây sẽ dễ dàng hơn Như vậy, ta sẽ chọn kích thước dây theo hiệu ứng bề mặt và quấn dây theo kiểu dây chập

Độ thấm sâu δ (tính từ bề mặt ngoài là độ sâu dưới bề mặt của dây dẫn, mà từ đó mật độ dòng điện chỉ bằng 1/e (khoảng 0,37) lần mật độ dòng điện ở bề mặt dây dẫn) được xác định như sau:

ρ

δ =

Trong đó: f là tần số dòng điện

ρ là điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn

µ là độ từ thẩm tuyệt đối của dây dẫn

Chọn loại dây là dây đồng, có ρ = 1,72.10-8 (Ωm); µ = 1,256629.10-6 (H/m)

Chương 3 Tính toán thiết kế mạch lực

là 1,001 với tần số 100kHz Vậy chọn dây AWG 26 có tiết diện trần Aw(B)26 = 0,00128

cm2 Tiết diện dây có cách điện là Aw = 0,001603 cm2 Đường kính dây có tính đến cách điện là dCu = 0,0452 cm2

Bước 4: Chu kỳ băm xung

-5 ck

∆I = 0,15.I = 0,15.14,89 = 2,23 (A) (3.12)

Bước 6: Độ rộng xung tối đa, ứng với giá trị điện áp đỉnh đầu vào nhỏ nhất, suy ra

Chương 3 Tính toán thiết kế mạch lực

Bước 9: Xác định hệ số ke (hệ số xác định điều kiện làm việc về phương diện điện

và từ)

2 o

Bước 10: Hệ số hình dáng là hệ số đặc trưng cho hình dáng kết cấu của lõi, với hệ

Bước 11: Chọn lõi dựa vào hệ số hình dáng kg

Ở tần số làm việc 100kHz ta chọn lõi là lõi ferit để đảm bảo sự đáp ứng về tần số làm việc cũng như tối ưu về giá thành Chọn lõi loại ETD, loại lõi này có hệ số lấp đầy cửa sổ ku (hệ số sử dụng là tiết diện trần của dây dẫn (thường là phần đồng) chiếm chổ trong diện tích cửa sổ của cuộn dây) không cao như các loại lõi hợp kim sắt khác (lõi C, lõi cán…) Hệ số ku phụ thuộc vào năm yếu tố: hệ số thể hiện độ cách điện của dây S1, cách bố trí dây (ép chặt các lớp quấn xếp hay quấn rối) S2, tiết diện cửa sổ hiệu quả S3, cách điện giữa các lớp dây hoặc giữa các dây S4 và trình độ tay nghề của người quấn Ta

có ku = S1.S2.S3.S4

1 w

A S A

- Hệ số S2 = diện tích được quấn dây/ diện tích cửa sổ hiệu quả

Diện tích được quấn dây bằng tích số của số vòng dây và tiết diện của dây Diện tích cửa sổ hiệu quả là khoảng không thực tế của cửa sổ được phép quấn dây, diện tích này phụ thuộc vào công nghệ quấn dây, khả năng ép chặt của dây dẫn trong cửa sổ, sự chiếm chổ của khung dây, giấy cách điện giữa các lớp dây…

Chương 3 Tính toán thiết kế mạch lực

- Hệ số S3 = diện tích cửa sổ hiệu quả/ diện tích cửa sổ

- Hệ số S4 = diện tích cửa sổ hiệu quả/ (diện tích cửa sổ hiệu quả + cách điện) Thực tế đối với đa số loại lõi thì không xét hệ số này (S4 = 1), vì bản chất của hệ

số này thể hiện cách điện giữa lõi và cuộn dây, đã được xét ở hệ số S3 Ở đây S4 = 1

Với các thông số trên, trong công nghiệp hệ số ku thông thường nhỏ hơn 0,6 Trong trường hợp ở đây, quấn bằng tay có thể giả sử ku= 0,5

Dựa vào giá trị hệ số hình dáng tính được ở trên (= 0,469), ta chọn lõi có hệ số hình dáng lớn hơn gần nhất với giá trị tính được Ta thấy lõi ETD-49 thỏa mãn điều kiện này Hệ số hình dáng của lõi ETD-49 được tính dựa trên các thông số mà nhà sản xuất cung cấp như biểu thức (3.19)

Chiều dài vòng dây trung bình MLT (cm) 10,3

Chương 3 Tính toán thiết kế mạch lực

Chương 3 Tính toán thiết kế mạch lực

P = I R 10,52 0,1 11, 06 (W) = = (3.30) Bước 23: Tính hệ số tổn hao

o Cu

Chương 3 Tính toán thiết kế mạch lực

-4 L

Trong đó: kfe là hệ số tổn hao lõi, Bac là từ thông xoay chiều, f là tần số làm việc,

m, n là các số mũ, phụ thuộc vào tần số làm việc và vật liệu lõi

Tra bảng các hệ số tổn hao lõi cho lõi ferit, với tần số f = 100kHz, vật liệu lõi loại

PΣ= P + P = 11,06 0, 0062 11, 07 (W) + ≈ (3.35) Bước 28: Mật độ công suất trên diện tích bề mặt

2 t

Nhận xét: Đối với thiết kế đã chọn, ta thấy

- Điều kiến về từ cảm được đảm bảo, Bm < Bpk