thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi PFC nhằm nâng cao hệ số công suất của hệ thống điện. dòng điện và điện áp đầu vào có cùng pha nhau nên hệ số cos phi gần bằng 1.
Trang 1PHẦN 2: BỘ BIẾN ĐỔI PFC
I Bộ biến đổi điều chỉnh hệ số công suất
Hiện nay trong hầu hết các thiết bị biến đổi điện năng đều sử dụng đến chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều ( cung cấp từ lưới điện ) sang nguồn một chiều Nguồn điện một chiều sau chỉnh lưu sẽ đóng vai trò là nguồn cung cấp cho tất cả module bên trong của thiết bị ( kể cả các module xoay chiều qua hệ thống mạch nghịch lưu) Thông thường
để đảm bảo được chất lượng điện áp như mong muốn ta phải mắc tụ điện san phẳng với giá trị điện dung lớn vào ngay sau mạch chỉnh lưu Chính điều này dẫn đến một số vấn đề cần được quan tâm mà điển hình là song hài Dòng điện vào từ nguồn lưới là dòng dán đoạn và tồn tại trong những khoảng thời gian ngắn ( hài) Sở dĩ có hiện tượng này là do quá trình phóng nạp liên tục của tụ lọc Thiết bị chỉ nhận năng lượng
từ lưới trong khoảng thời gian tụ nạp.Khi các hài này được sinh ra sẽ gây hại đến hệ thống lưới điện Tác hại của những hài này sẽ càng lớn khi công suất tải lớn, hoặc có đồng thời nhiều thiết bị gây hài mắc vào cùng một nguồn lưới Như ta đã biết chất lượng của một hệ thống cung cấp điện được đánh giá bởi hai trong một số chỉ tiêu là
hệ số công suất ( PF) và tổng lượng song hài ( THD) Hiệu năng của hệ thống lưới điện phụ thuộc nhiều vào yếu tố song hài, tổng lượng sóng hài càng nhỏ hiệu năng lưới điện sẽ càng cao
Hệ số công suất ( PF), theo định nghĩa chung nhất là tỷ số giữa công suất tác dụng P
và công suất toàn phần S
Đối với dòng điện và điện áp sin lý tưởng thì hệ số này có dạng đơn giản:
Trong đó là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp, điều chỉnh hệ số công suất chính là điều chỉnh hay bù
Trong thực tế dòng điện và điện áp thường có dạng sin không lý tưởng Hệ số công suất theo cách hiểu đơn giản không còn phù hợp và trong các phân tích cũng như tính toán phải xuất phát từ định nghĩa chung Để dễ tính toán mỗi dòng điện thực tế được coi là tổng của các dòng sin lý tưởng, và mỗi dòng sin thành phần được gọi là một hài Hài có tần số thấp nhất, bằng tần số dòng thực tế được gọi là hài cơ bản Các hài khác
có tần số cao hơn được gọi là hài bậc cao Khi đó mức độ hay tính chất sin của mỗi dòng điện thực tế được đánh giá bằng tương quan giữa tổng năng lượng của các hài
Trang 2bậc cao và các hài cơ bản Tương quan này được gọi là hệ số méo dạng tổng và thường
được viết tắt là THD, đó là tỷ số giữa trị hiệu dụng của tất cả các dòng bậc cao và trị
hiệu dụng của hài cơ bản:
√∑
Dòng điện có hệ số này càng lớn thì có dạng càng khác nhiều so với sin lý tưởng,
dòng sin lý tưởng có THD=0 ĐIện áp thực tế cũng được biểu diễn tương tự như biểu
diễn dòng điện ở trên Trong các ứng dụng thực tế điện áp và dòng điện thực tế được
coi như sin lý tưởng nế hệ số méo dạng tổng không lớn hơn 3%, tuy nhiên theo tiêu
chuẩn của hiệp hội kỹ thuật điện thì giá trị này là 2% Nhìn chung điện áp lưới công
nghiệp chuẩn, là trường hợp được đề cập ở đây, được coi như có dạng sin lý tưởng Khi đó, theo cách hiểu hay định nghĩa chung nhất về hệ số công suất thì:
Trong đó hệ số tương ứng là giá trị hiệu dụng của điện áp nguồn, của
dòng điện cơ bản và góc lệch pha của dòng điện cơ bản và điện áp, hệ số
và =cos
Quan hệ giữa hệ số méo tổng THD và hệ số có dạng:
√ Cuối cùng nhận được:
√ Biểu thức cho thấy hệ số công suất phụ thuộc vào hài bậc cao, góc lệch pha giữa
dòng điện cơ bản và điện áp Như vậy dòng điện không có dạng hình sin thì hệ số công
suất gồm hai thành phần:
Thành phần thứ nhất là hệ số dịch pha liên quan đến sự lệch pha của điện áp
và dòng điện Khi nhỏ hơn 1 chứng tỏ là cùng với một tải trọng dòng điện sẽ
lớn hơn, gây tổn thất lớn hơn trong bộ nguồn và hệ thống nguồn phân tán
Trang 3 Thành phần thứ 2 là hệ số biến dạng liên quan đến hình dạng dòng điện Khi nhỏ hơn 1 có nghĩa là sẽ xuất hiện song hài nhiều hơn trong dòng điện nó làm ảnh hưởng đến nguồn
1 Các phương pháp điều chỉnh hệ số công suất
Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính
Trong thực tế có khá nhiều cách điều chỉnh hệ số công suất nhưng chủ yếu được phân ra theo hai dạng:
Điều chỉnh hệ số công suất thụ động
Điều chỉnh hệ số công suất tích cực
2 Tác dụng của bộ điều chỉnh hệ số công suất PFC
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 Đồng thời nó còn có tác dụng ổn định điện áp đầu ra, làm tang tính ổn định của hệ thống, xử lí các thay đổi xảy ra ở phía nguồn cấp và phía tải một chiều, thông báo và tác động khi xảy ra sự cố giảm giá thành năng lượng điện và phí truyền tải Giảm thiểu mất mát, tổn hao trong truyền tải tăng tính chất điện dung cho lưới điện
II Lựa chọn cấu trúc bộ biến đổi và tính toán mạch lực
1 Yêu cầu thiết kế
Thiết kế bộ biến đổi AC/DC có các thông số như sau:
Vin một pha: 80 đến 290V
Tần số 45 đến 65Hz
Vout: 42 đến 58V DC
Pout: 3000W, hiệu suất 96%
Hệ số công suất khi Pout > 1500W: >0,98
Độ méo hài (THD) dòng điện AC đầu vào: <5%
2 Tính toán mạch lực
a Tính chọn cuộn cảm
Dòng điện qua cuộn cảm trong mạch boost converter được tính bởi công thức sau: + Thiết kế với trường hợp Uac = 220V
Trang 4
Chọn độ đập mạch của cuộn cảm
Giá trị cuộn cảm được tính bởi công thức:
( )
Ta có: LI2 = 49.2 nên ta chọn lõi 77083A7 độ từ thẩm 60u Độ tự cảm nhỏ nhất của lõi là 74.52 mH/1000 vòng
Ta chọn lõi độ từ thẩm 60u làm từ hợp kim Kool Mu 77083A7 số vòng cuốn là 130 vòng, chọn dây đồng 1.15mm có điện trở trong 0.07 chịu dòng lớn nhất 30A
b Phần chỉnh lưu cầu diode
Sử dụng diode có điện áp rơi Vf nhỏ để giảm tổn thất công suất trên mạch chỉnh lưu Tổn thất năng lượng trên bộ chỉnh lưu được tính toán bởi dòng điện vào trung bình chảy qua 2 diode
√
√
Ta lựa chọn diode GBPC50 với thông số như sau:
Dòng điện cực đại IFSM 400 (A)
c Diode cho mạch boost
Do mạch lực đóng cắt với tần số cao, cần chọn Diode phục hồi nhanh Schottky Chọn diode dựa vào khả năng phục hồi, giới hạn điện áp ngược và điện áp rơi trên diode nhỏ để giảm tổn hao Dòng trung bình qua diode boost được tính:
Chọn diode IDH16G65C5 có thông số sau
Trang 5Dòng điện cực đại IFSM 124 (A) Điện áp rơi khi dẫn 1,2 – 1,5 (V) Thời gian phục hồi trr 60 (ns)
d Tính chọn tụ điện
Khi thiết kế người ta đưa thêm 1 điều kiện để tính tụ đầu ra Khi nguồn bị ngắt thì tụ điện phải cung cấp cho tải trong 1 khoảng thời gian nào đó với điện áp tải cho phép khi đó Ta lựa chọn thời gian hold – up là 16.6ms với điện áp hold – up là 340V
Tụ điện được chọn để đáp ứng thời gian giữ lên đến 16.6ms và gợn sóng điện áp ra là 10V Gía trị tụ có thể chọn dựa vào 2 phương trình:
Chọn 2 tụ mắc song song
e Tính chọn MOSFET
- Dòng điện hiệu dụng trên van:
Is = D.IL = 0,45.13,64 = 6,14(A)
- Chọn hệ số dự trữ dòng Ki = 2.5 thì van cần chọn cho phép dòng liên tục:
Is’ = 2,5.6,14 = 15,35(A)
- Điện áp cực trên van khi khóa:
VS = Vo = 400(V)
- Chọn hệ số dụ trữ áp Kv = 1,5 thì van cần chọn cho phép điện áp đặt lên cực của mosfet khi khóa là:
VS’ = 1,5.400 = 600(V)
Từ đó ta chọn được Mosfet: FCP20N60, có các thông số như sau:
Điện áp VDS 600(V) Dòng điện liên tục ID 20(A) Dòng điện xung IDM 80(A) Điện trở RDS 0.15(Ω)
Trang 6III Thiết kế bộ điều khiển
1 Thiết kế bộ điều khiển
Nhiệm vụ của mạch điều khiển là đóng cắt MOSFET sao cho dạng sóng dòng điện đầu vào, điện áp vào là trùng pha và điện áp đầu ra một chiều ổn định Vì vậy ta lựa chọn phương pháp điều khiển dòng trung bình là phù hợp nhất
Hình 1 : sơ đồ nguyên lí của phương pháp điều khiển dòng trung bình trong mạch
boost PFC
a Mạch vòng điều chỉnh dòng điện
Hàm truyền mạch vòng dòng điện :
( ) ̂( )
̂( )
( ) ( ) Tại tần số cao, ta có thể xấp xỉ gần đúng mối quan hệ giữa hệ số điều chế và dòng điện trung bình qua cuộn cảm như sau ( coi cuộn cảm và tụ điện là phần tử lý tưởng)
( ) ̂( )
̂( )
Khảo sát đồ thị bode của hàm truyền Gid khi chưa có bộ điều khiển:
Hình 2 : Đồ thị bode hàm truyền dòng điện với hệ số điều chế
Thiết kế bộ điều khiển dòng điện
Trang 7Tần số cắt của bộ điều khiển dòng điện phải lớn fci =fs/5=20KHz với fs là tần số sóng mang fs=100KHz và độ dự trữ pha ta chọn = 60 o
Sử dụng lệnh [mag,phase]=bode(Gid,2*pi*20e+3) ta có biên độ và pha của đối tượng tại tần số 20kHz:
{ ( ) ( )
( )
Ta sử dụng bộ bù loại II có thêm thành phân tích phân vào nên góc pha bộ bù chỉ xét thành phần PD (Lead) được xác định:
( ) ( )
( )
Độ dự trữ pha của bộ bù:
( ) Tiếp theo ta xác định được tần số điểm không và điểm cực của bộ bù bởi:
√ ( )
√ ( )
√ ( )
√ ( )
Hệ số Kc của bộ bù được tính theo:
Trong đó hàm truyền ( ) không chứa Kc
Hàm truyền bộ điều khiển dòng điện là :
( )
Khảo sát lại đồ thị bode đối tượng khi có bộ điều khiển:
Trang 8Hình 3: Đồ thị bode hàm truyền khi có bộ điều khiển
Ta thấy rằng hàm truyền kín có độ dự trữ pha là 60o và tần số cắt fc=20Khz
Thiết kế bộ điều khiển điện áp
Hàm truyền giữa dòng điện đặt và điện áp đầu ra là:
( ) ̀ ( )
̀ ( )̀
( )
( ) Tại tần số thấp cuộn cảm bị ngắn mạch, nên hàm truyền được viết lại:
( ) ̀ ( )
̀ ( )̀
( )
(
Khảo sát đồ thị của hàm truyền điện áp và dòng điện khi chưa có bộ điều khiển:
Hình 4: ĐỒ thị bode hàm truyền điện áp với dòng điện
Ta chọn tần số cắt f cv =15Hz, độ dự trữ pha PM=45 o
Sử dụng lệnh [mag,phase] = bode(Gvi,2*pi*15) , ta có biên độ và pha của đối tượng
Gvi tại tần số 15Hz
{ ( ) ( )
( )
Sử dụng bộ bù loại 2 Góc pha bộ bù chỉ xét thành phần PD
( )
Tiếp theo ta xác định được tần số điểm không và điểm cực của bộ bù bởi:
√ ( )
√ ( )
Trang 9√ ( )
√ ( ) Hàm truyền bộ bù Gcu:
( ) ( )
( )
Hệ số Ku của bộ bù được tính theo:
Trong đó hàm truyền ( ): là ( ) không chứa Ku
Hàm truyền của bộ bù cho mạch vòng điện áp
( )
Khảo sát hàm truyền hệ kín:
Hình 5: Đồ thị bode hàm truyền khi có bộ điều khiển
Ta thấy rằng hàm truyền kín có độ dự trữ pha là 45o và tần số cắt fc=15hz nên hệ kín
ổn định và đúng như thiết kế ban đầu
2 Kết quả mô phỏng
2.1 Sơ đồ mạch mô phỏng trên matlab
Hình 6: Mô phỏng cấu trúc điều khiển PFC boost theo chế độ dòng trung bình
Trang 103.2 Khảo sát bộ điều khiển
a Khi thay đổi điện áp ra đổi điện áp đầu ra
Hình 7: Điện áp đầu ra của mạch
Hình 8: Điện áp đầu vào và dòng điện đầu vào Khi thay đổi điện áp đầu ra từ 370V lên điện áp 400V ta thấy rằng bộ điều khiển vẫn cho điện áp ra bám giá trị đặt và độ đập mạch điện áp nhỏ
b Khi tải thay đổi
Hình 9: Điện áp ra khi tải thay đổi Điện áp ra vẫn bám giá trị đặt và dòng điện đầu vào đồng pha với điện áp vào
c Khi điện áp vào thay đổi
Trang 11Hình 10: Điện áp ra khi điện áp vào thay đổi Khi điện áp vào thay đổi xuống với điện áp hiệu dụng 200V ta thấy điện áp ra vẫn bám giá trị đặt và dòng điện vào vẫn đồng pha với điện áp vào
d Một số hình ảnh khác
Hình 11: Hệ số méo dạng dòng điện đầu vào
Ta thấy hệ số méo dạng dòng điện vào trong 10 chu kì đầu tiên là THD=2.29% là rất nhỏ nên bộ điều khiển cũng như các thông số chọn lựa đạt yêu cầu
