Tìm hiểu về bộ nguồn hiệu suất cao cho thiết bị chiếu sáng dùng LED

Tìm hiểu về bộ nguồn hiệu suất cao cho thiết bị chiếu sáng dùng LED

LỜI NÓI ĐẦU 2

Chương 1 Tìm hiểu về PFC – Power Factor Correction 2

1.1 Thế nào là Power Factor: 2

1.2 Tại sao cần phải điều chỉnh hệ số công suất: 3

1.2.1 Giảm giá thành năng lượng điện và phí truyền tải: 3

1.2.2 Tối ưu hóa kinh tế kỹ thuật: 4

1.3 Nguyên tắc cơ bản để điều chỉnh hệ số công suất PFC: 4

1.3.1 Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính: 4

1.3.2 Điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến tính: 5

Chương 2 Tìm hiểu vi mạch PFC UC3854 9

2.1 Các đặc điểm kỹ thuật chính: 9

2.2 Sơ đồ khối và sơ đồ nối chân: 10

2.3 Sơ đồ điển hình sử dụng vi mạch UC3854: 11

Chương 3 Thử nghiệm, phân tích một bộ nguồn thực tế 12

3.1 Nhiệm vụ: 12

3.2 Mô tả cấu trúc: 12

3.3 Lắp ráp tải: 14

3.3 Thử nghiệm và đánh giá kết quả: 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

L I NÓI Đ U ỜI NÓI ĐẦU ẦU

của con người nên vấn đề tiết kiệm năng lượng đang được đặt nên hàng đầu đối với ngànhcông nghiệp Bộ nguồn hiệu suất cao cũng là một các để tiết kiệm năng lượng

cao cho thiết bị chiếu sáng dùng LED” Đề tài này đã giúp em hiểu rõ thêm ngành điện hơn

cũng như đã giúp em bù đắp thêm một số kiến thức thiếu hụt Em xin chân thành cảm ơn thầy

Nguyễn Danh Huy và các thầy cô trong bộ môn đã giúp em hoàn thành báo cáo này !

Hà nội ngày 21, tháng 2, năm 2012

Sinh viên: Nguyễn Thị Diệp

Ch ương 1 Tìm hiểu về PFC – Power Factor Correction ng 1 Tìm hi u v PFC – Power Factor Correction ểu về PFC – Power Factor Correction ề PFC – Power Factor Correction.

1.1 Th nào là Power Factor: ế nào là Power Factor:

-Power factor là chữ viết tắt của thuật ngữ “Hệ số công suất”, và được ký hiệu làcosρ

- Trong hệ thống điện xoay chiều AC có 3 loại công suất:

+ Công suất tiêu thụ thực P (W)

Hình1.1 Tam giác công suất.

- Tỷ lệ giữa công suất tiêu thụ thật và công suất phản kháng được gọi là hệ số côngsuất Trong trường hợp dòng điện AC là dạng sóng sin thuần túy, hệ số công suất làcosine của góc pha (ρ) giữa dòng điện và điện áp của dạng sóng sin, vì lý do này trongcác tài liệu kỹ thuật người ta thường viết tắt hệ số công suất là “cosρ” Hệ số công suấtkhông có đơn vị riêng, giá trị của nó được thể hiện từ 0 đến 1 Được thể hiện bằngcông thức:

Cosρ = P/S

- Hệ số công suất bằng 1 khi dòng điện và điện áp cùng pha Hệ số công suất bằng 0khi điện áp và dòng điện lệch pha nhau 900, ở đây công suất phải được thể hiện dòngđiện nhanh hay chậm pha hơn so với điện áp

- Muốn nâng cao công suất thật P thì cần nâng cao hệ số cosρ

1.2 T i sao c n ph i đi u ch nh h s công su t: ại sao cần phải điều chỉnh hệ số công suất: ần phải điều chỉnh hệ số công suất: ải điều chỉnh hệ số công suất: ều chỉnh hệ số công suất: ỉnh hệ số công suất: ệ số công suất: ố công suất: ất:

1.2.1 Gi m giá thành năng lảm giá thành năng lượng điện và phí truyền tải: ượng điện và phí truyền tải:ng đi n và phí truy n t i:ện và phí truyền tải: ề PFC – Power Factor Correction ảm giá thành năng lượng điện và phí truyền tải:

- Nâng cao hệ số công suất đem lại những ưu điểm về kỹ thuật và kinh tế, nhất là

giảm tiền điện Thực tế cho thấy công ty cung cấp điện bán điện cho người dùng dướihai giá trị là điện áp và dòng điện (VA), nhưng hóa đơn lại được tính bằng Watt Nếu

hệ số công suất của thiết bị có giá trị thấp hơn 1 thì cần phải có nhiều công suất VAđược truyền đi để có thể đáp ứng được công suất Watt thật, ngoài ra nó còn làm tăngchi phí thực hiện việc truyền dẫn điện

1.2.2 T i u hóa kinh t kỹ thu t:ối ưu hóa kinh tế kỹ thuật: ư ế kỹ thuật: ật:

- Cải thiện hệ số công suất cho phép người sử dụng máy biến áp, thiết bị đóng cắt và

cáp nhỏ hơn vv…đồng thời giảm tổn thất điện năng và sụt áp trong mạng điện

- Hệ số công suất cho phép tối ưu hóa các phần tử cung cấp điện Khi ấy các thiết bịđiện không cần định mức dư thừa Về mặt kỹ thuật, hệ số công suất là tỷ số giữa công

suất tác dụng và công suất biểu kiến Công suất tác dụng là công suất thực, còn côngsuất biểu kiến thường lớn hơn công suất thực, là công suất truyền tải trên đường dâyđiện đến thiết bị sử dụng.

- Hệ số công suất càng lớn thì công suất tác dụng càng gần bằng công suất biểu kiến,hiệu quả sử dụng càng cao hơn

1.3 Nguyên t c c b n đ đi u ch nh h s công su t PFC: ắc cơ bản để điều chỉnh hệ số công suất PFC: ơ bản để điều chỉnh hệ số công suất PFC: ải điều chỉnh hệ số công suất: ể điều chỉnh hệ số công suất PFC: ều chỉnh hệ số công suất: ỉnh hệ số công suất: ệ số công suất: ố công suất: ất:

- 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 và dòng điện luôn đồng pha(cosρ = 1) Đồng thời nó còn có tác dụng ổn định điện áp đầu ra, làm tăng tính ổn định của hệthống, xử lý các thay đổi diễn ra ở phía nguồn cấp và phía tải một chiều, thông báo và tácđộng khi xảy ra sự cố

- Trong mạch PFC, với điện áp đầu vào là một pha thì sau khâu chỉnh lưu ta dùng các mạchbăm áp để điều chỉnh điện áp đầu ra, hệ số công suất của mạch

1.3.1 Đi u ch nh h s công su t tuy n tính:ề PFC – Power Factor Correction ỉnh hệ số công suất tuyến tính: ện và phí truyền tải: ối ưu hóa kinh tế kỹ thuật: ất tuyến tính: ế kỹ thuật:

- Điều chỉnh PFC truyến tính áp dụng cho các thiết bị tiêu thụ trực tiếp điện áp lưới.Việc điều chỉnh có thể đạt được bằng việc thêm vào hay bớt ra các cuộn dây hay tụđiện cho thiết bị Như động cơ mang tính cảm kháng có thể điều chỉnh PFC bằng việcđấu thêm một tụ song song cuộn dây vận hành nhằm giúp triệt tiêu công suất phảnkháng, làm giảm công suất biễu kiến và tăng hệ số PF

- Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất thực chất là một thiết bị cung cấp một công suấtphản kháng tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng được tạo ra củathiết bị Thêm tụ điện hay cuộn dây vào quá trình để huỷ bỏ đi hiệu ứng cảm ứng hayđiện dung tương ứng được tạo ra Động cơ có tính cảm ứng có thể được bù bằng các tụlọc, 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 biếnđộng điện áp hay tạo ra các méo hài, trong trường hợp xấu nhất các thành phần bùcông suất phản kháng có thể tạo ra hiện tượng cộng hưởng với hệ thống được bù, làmcho điện áp tăng cao và gây mất ổn định cho hệ thống Do vậy việc điều chỉnh hệ sốPFC không thể đơn giản là việc thêm hay bớt các thành phần, mà nó cần được tínhtoán kỹ phù hợp với từng mức công suất tải trên thiết bị

1.3.2 Đi u ch nh h s công su t phi tuy n tính:ề PFC – Power Factor Correction ỉnh hệ số công suất tuyến tính: ện và phí truyền tải: ối ưu hóa kinh tế kỹ thuật: ất tuyến tính: ế kỹ thuật:

- Tải phi tuyến thường là dạng tải chỉnh lưu, không sử dụng trực tiếp từ điện xoaychiều mà nắn lại thành dạng điện một chiều-chỉnh lưu như các bộ nguồn máy tính

Các thành phần linh kiện tuyến tính như cuộn dây và tụ điện không thể loại bỏ đượccác dải tần số mới được tạo ra này, vì vậy nó 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 dòng hài

- Trong các loại tải phi tuyến tính đó thì PSU được sử dụng nhiều nhất, với thiết kếchuyển đổi năng lượng theo kiểu đóng/cắt (switching) Trước đây các bộ nguồn nàychỉ đơn giản được thiết kế với một cầu nắn điện chỉnh lưu toàn sóng nạp một mức điện

áp dưới mức chịu đựng được của tụ điện Điều này sẽ tạo ra một dòng điện nạp banđầu rất cao, hệ số công suất rất thấp, đồng thời tạo ra các sóng hài không có lợi

1.3.2.1 Điều chỉnh hệ số công suất thụ động – Passive PFC:

-Phương pháp Passive PFC đơn giản chỉ là sử dụng một bộ lọc, bộ lọc này chỉ cho quadòng điện có tần số bằng với tần số điện lưới (50Hz hoặc 60Hz) và chặn không chocác tần số sóng hài đi qua Lúc này tải phi tuyến tính có thể xem như một tải tuyếntính, hệ số công suất đã được nâng cao hơn

-Tuy nhiên yêu cầu cần phải có cuộn cảm có giá trị cảm kháng lớn đã làm cho bộ lọccồng kềnh và có giá thành cao, nhưng thực tế với mạch Passive PFC có cuộn dây tuylớn hơn cuộn dây của mạch điều chỉnh hệ số công suất tích cực Active PFC nhưng giáthành chung lại rẻ hơn Đây là một phương pháp đơn giản và rẻ tiền để điều chỉnh hệ

số công suất và làm giảm sóng hài tuy nhiên nó lại không hiệu quả bằng phương phápđiều chỉnh hệ số công suất tích cực Active PFC vì cuộn dây có kích thước cố định nêngiải điện áp hoạt động không cao

1.3.2.2 Điều chỉnh hệ số công suất tích cực – Active PFC:

-Là một hệ thống điện tử công suất có chức năng kiểm soát năng lượng cung cấp chotải, điều chỉnh hệ số công suất ở mức tốt nhất trên mọi mức tải Trong thiết kế thực tế,mạch Active PFC điều khiển dòng nạp cho tải sao cho dạng sóng của dòng vào cùngpha với dạng sóng ở đầu vào (ở đây là sóng sin) Thực chất nó chính là mạch băm áp

có thể dùng trong bộ PFC Về cơ bản có 3 dạng mạch Active PFC được sử dụng, là;Boost, Buck và Buck-Boost

- Mạch Boost ( Boost PFC):

Hình1.2 Sơ đồ mạch Boost.

Khi van đóng : Diode D khóa do bị phân cực ngược bởi tụ C0 Năng lượng trong tụ C0 xả quatải, dòng điện từ dương nguồn qua cuộn L qua van rồi trở về âm nguồn.

ra của mạch Boost cao hơn điện áp đầu vào

Hình1.3 Dạng sóng điện áp và dòng điện vào bộ Boost PFC.

Điện áp ra của bộ Buck luôn nhỏ hơn điện áp nguồn cấp

Hình 1.5 Dạng sóng điện áp và dòng điện vào bộ Buck PFC.

- Mạch Buck/Boost (Buck/Boost PFC):

Hình 1.6 Sơ đồ mạch Buck/Boost.

Khi van đóng: điện áp trên cuộn L bằng điện áp nguồn Diode D khóa do bị phân cựcngược Dòng điện qua tải được cung cấp bởi tụ C0

Khi van cắt: điện áp trên L đảo 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

-Trong PSU, dạng mạch được sử dụng thông dụng nhất là Boost Một mạch chuyểnđổi được chèn vào giữa cầu nắn điện và tụ lọc chính Nó tạo một điện áp DC ổn định ởđầu ra và duy trì dòng điện vào luôn đồng pha với tần số của điện áp vào Phươngpháp này đòi hỏi phải thêm một số linh kiện chuyển mạch bán dẫn công suất và mạchđiều khiển nhưng bù lại nó có kích thước nhỏ hơn mạch Passive PFC

-Dạng mạch điều chỉnh hệ số công suất Active PFC có thể hoạt động trên một dải điện

áp vào rất rộng, từ 90VAC đến 264VAC, nên được sử dụng rộng rãi, người dùngkhông cần quan tâm tới mức điện áp phù hợp với PSU tại khu vực mình đang ở, ngoài

ra nó còn giúp PSU hoạt động được ở những khu vực có điện áp AC không ổn định

Hình 1.7 Mạch Passive PFC thực tế trong PSU.

Hình 1.8 Mạch Active PFC thực tế trong PSU.

Ch ương 1 Tìm hiểu về PFC – Power Factor Correction ng 2 Tìm hi u vi m ch PFC UC3854 ểu về PFC – Power Factor Correction ạch PFC UC3854.

2.1 Các đ c đi m kỹ thu t chính: ặc điểm kỹ thuật chính: ể điều chỉnh hệ số công suất PFC: ật chính:

a Đặc điểm:

- Sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM tăng hệ số công suất lên tới 0,99

- Giảm thiểu độ méo dòng xuống còn nhỏ hơn 5%

- Điều khiển toàn mạch mà không cần đến bộ ngắt mạch

- Điều chỉnh sự cấp dòng

- Kiểm soát chế độ dòng điện ở mức trung bình

- Nhạy cảm với tiếng ồn nhỏ

- Cấp dòng khởi động thấp

- Phương pháp PWM giữ tần số ổn định

- Bộ chia/bộ nhân bù tín hiệu tương tự ở mức thấp

- Chuẩn điện áp chính xác

b Mô tả chung về UC3854:

- UC3854 cho phép điều chỉnh hệ số công suất của nguồn cấp mà nếu không thì dòngnhận được sẽ không sin từ nguồn dòng sin Thiết bị này thực hiện tất cả các chức năngđiều khiển cần thiết để tạo nên nguồn cấp có công suất tối đa từ nguồn cấp sẵn có,đồng thời giảm thiểu tới mức thấp nhất có thể sự méo dòng Để làm được điều này,UC3854 phải có một bộ khuyếch đại điện áp, một khối bộ chia/bộ nhân tín hiệu tương

tự, một bộ khuyếch đại dòng điện, một bộ giữ tần số ổn định sử dụng phương phápPWM Ngoài ra, UC1854 còn phải có một bộ điều khiển cổng tương thích nguồn choMOSFET với điện áp chuẩn là 7,5V, bộ đoán trước dòng, bộ so sánh tải cho phép, bộ

- Những chi tiết tạo nên UC3854 được tích hợp sẵn trong một khối nối tiếp nhau gồm

16 chân nhựa và sứ

2.2 S đ kh i và s đ n i chân: ơ bản để điều chỉnh hệ số công suất PFC: ồ khối và sơ đồ nối chân: ố công suất: ơ bản để điều chỉnh hệ số công suất PFC: ồ khối và sơ đồ nối chân: ố công suất:

Hình 2.1 - Sơ đồ khối.

Hình 2.2 - Sơ đồ chân.

2.3 S đ đi n hình s d ng vi m ch UC3854: ơ bản để điều chỉnh hệ số công suất PFC: ồ khối và sơ đồ nối chân: ể điều chỉnh hệ số công suất PFC: ử dụng vi mạch UC3854: ụng vi mạch UC3854: ại sao cần phải điều chỉnh hệ số công suất:

Hình 2.3 – Sơ đồ điển hình sử dụng vi mạch UC3854.

Ch ương 1 Tìm hiểu về PFC – Power Factor Correction ng 3 Th nghi m, phân tích m t b ngu n th c t ử nghiệm, phân tích một bộ nguồn thực tế ện và phí truyền tải: ột bộ nguồn thực tế ột bộ nguồn thực tế ồn thực tế ực tế ế kỹ thuật:

3.1 Nhi m v : ệ số công suất: ụng vi mạch UC3854:

Nghiên cứu, phân tích một bộ nguồn thực tế “ Tìm hiểu về bộ nguồn hiệu suất cao chothiết bị chiếu sáng LED” đã được sản xuất hàng loạt trên thực tế

3.2 Mô t c u trúc: ải điều chỉnh hệ số công suất: ất:

- Mạch Boost với khâu AC – DC:

 Nguồn được cấp từ điện lưới xoay chiều, qua cầu chỉnh lưu thành nguồnmột chiều, điện áp một chiều được san phẳng nhờ tụ C1 Sau đó đượcđưa qua cuộn dây thứ nhất (1 – 3), qua diode D3 nạp cho tụ C5

 Khâu tạo nguồn cấp nguồn cho vi xử lý qua chân 8

 Khối (C2 // R5) phản hồi điện áp về chân số 3 của vi xử lý

 Khối điện trở shunt ( R7 // R8) đo dòng phản hồi về chân số 4 của vi xửlý

 Khối [ ( R11 nối tiếp R12) nối tiếp ( R9 // R10)] là mạch phản hồi điện ápđầu ra về chân số 1

 Khối ( C3 // ( R4 nối tiếp C4 ) là cụm mạch lọc

- Mạch Buck với khâu DC – DC:

 Khối ( R13 // R14 //R15) là khối điện trở shunt để đo giá trị dòng điện rồiphản hồi về chân số 4 để bảo vệ quá điện áp cho Mosfet Q2.

 Mosfet Q2 điều khiển chân số 7 của vi xử lý

 Khối (C7 // C8) để lọc nguồn đầu vào chân 8 của vi xử lý

 Khối [ (C6 // R18 ) nối tiếp(C7 // R17) ] là mạch tạo tần số băm xungPWM

3.3 L p ráp t i: ắc cơ bản để điều chỉnh hệ số công suất PFC: ải điều chỉnh hệ số công suất:

Từ mạch nguyên lý ta thiết kế được mạch như sau

Khi đó dòng điện thực tế trên tải đo được là 0,234A.

3.3 Th nghi m và đánh giá k t qu :ử nghiệm, phân tích một bộ nguồn thực tế ện và phí truyền tải: ế kỹ thuật: ảm giá thành năng lượng điện và phí truyền tải:

3.3.1 Điện áp đầu vào và đầu ra của cuộn dây

Hình 3.4 Cuộn dây tầng boost và dạng điện áp vào cuộn dây (sau chỉnh lưu).

Hình 3.5 Cuộn dây tầng buck.

Điện áp ra cuộn dây.

3.3.3 Điện áp điều khiển của Mostfet:

Hình 3.6 Xung điều khiển của Mostfet

3.3.4 Điện áp trên tải:

Hình3.7 Tải và dạng điện áp ra trên tải.

Điện áp ra trên tải là dòng một chiều, nhưng khi đo ở chu kì T = 2ms (tần sốcao) nên dạng điện áp không là đường thẳng mà hơi lượn sóng

3.3.5 Điện áp của tụ:

Hình 3.8 Tụ.

Điện áp của tụ là điện áp một chiều có giá trị 403÷404 V

3.3.5 Điện áp và dòng điện đầu vào nguồn

Điện áp và dòng điện đầu vào nguồn cùng chân nối đất nên có điểm chung nhưhình dưới đây:

Hình 3.9 Dạng điện áp và đầu vào nguồn.

TÀI LI U THAM KH O ỆU THAM KHẢO ẢO