ĐỒ án II Thiết kế bộ biến đổi nguồn PFC kiểu Boots

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT (PFC)11.1.Giới thiệu về PFC11.2.Hệ số công suất21.2.Nhiễu do sóng hài điện31.3.Các phương pháp điều chỉnh hệ số công suất51.3.1.Điều chỉnh hệ số công suất thụ động (Passive PFC)51.3.2.Điều chỉnh hệ số công suất tích cực (Active PFC)5CHƯƠNG 2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MẠCH BOOST PFC VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC72.1 . Nguyên lý làm việc của bộ biến đổi boost72.2. Tính toán mạch lực112.2.1 .Yêu cầu thiết kế112.2.2.Tính toán và chọn tụ lọc122.2.3.Tính toán điện cảm122.2.4.Tính toán điện trở132.2.5.Tinh toán lựa chọn diode132.2.6.Lựa chọn van bán dẫn13CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN BỘ PHÁT XUNG VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB143.1.Tính toán bộ phát xung143.2.Sơ đồ và kết quả mô phỏng Matlab15KẾT LUẬN18TÀI LIỆU THAM KHẢO19

Giới thiệu đề tài Thiết kế bộ biến đổi nguồn PFC kiểu Boots

Sự phát triển của điện tử công suất nói chung và các bộ nguồn nói riêng đã đápứng tốt những yêu cầu ngày càng khắt khe của đời sống Sự bùng nổ của thiết bị tinhọc, hệ thống mạng máy tính, các hệ thống nguồn phân tán đã đặt ra các bài toánthiết kế các bộ nguồn một chiều có điện áp đầu ra ổn định Bên cạnh những ưuđiểm về chất lượng đầu ra tốt, kích thước nhỏ thì những bộ nguồn này tồn tại hạnchế lớn là gây ra méo dạng dòng điện lưới đầu vào, sinh ra nhiễu điện từ cho hệthống và có hệ số công suất thấp

Do số lượng các bộ nguồn này không nhỏ nên những ảnh hưởng của chúng làđáng kể tới hệ thống lưới điện Trên thực tế, một số tiêu chuẩn đã được đưa ra quyđịnh cụ thể về mức phát sóng hài đối với các thiết bị thương mại Từ đó, ngườithiết kế cần phải đưa ra biện pháp để đáp ứng yêu cầu này Có hai phương phápnâng 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 vớicác các thiết bị ở dải công suất thấp Trong khi phương pháp Active PFC đáp ứngđược cả yêu cầu về chất lượng hệ số công suất cao, kích thước nhỏ gọn Qua nhiềunăm phát triển, phương pháp nâng cao hệ số công suất Active PFC ngày càng ưuthế

Với các yêu cầu của đồ án đặt ra, nhóm chúng em chọn thiết kế bộ Boost PFCvới các ưu điểm như khả năng điều khiển hoàn toàn dòng điện đầu vào, hệ số côngsuất cao, cấu trúc đơn giản

Qua nghiên cứu, kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy cấu hình này có khảnăng áp dụng vào thực tế

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN

NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT (PFC) 1

1.1 Giới thiệu về PFC 1

1.2 Hệ số công suất 2

1.2 Nhiễu do sóng hài điện 3

1.3 Các phương pháp điều chỉnh hệ số công suất 5

1.3.1 Điều chỉnh hệ số công suất thụ động (Passive PFC) 5

1.3.2 Điều chỉnh hệ số công suất tích cực (Active PFC) 5

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MẠCH BOOST PFC VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 7

2.1 Nguyên lý làm việc của bộ biến đổi boost 7

2.2 Tính toán mạch lực 11

2.2.1 Yêu cầu thiết kế 11

2.2.2.Tính toán và chọn tụ lọc 12

2.2.3.Tính toán điện cảm 12

2.2.4.Tính toán điện trở 13

2.2.5.Tinh toán lựa chọn diode 13

2.2.6.Lựa chọn van bán dẫn 13

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN BỘ PHÁT XUNG VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 14

3.1 Tính toán bộ phát xung 14

3.2 Sơ đồ và kết quả mô phỏng Matlab 15

KẾT LUẬN 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.2: Quan hệ giữa công suất tác dụng và công suất phản khángHình 1.3: Sóng hài bậc 3 và 5

Hình 1.4.2: Cấu trúc mạch Active PFC

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc mạch boost

Hình 2.2.Sơ đồ khi van đóng

Hình 2.3 Sơ đồ khi van mở

Hình 2.4.Đồ thị dạng sóng của các đại lượng trong mạch boostHình 3.1: Dạng điện áp đầu vào bộ boost sau bộ chỉnh lưu

Hình 3.2: Bộ tạo dòng điện đặt

Hình 3.3: Sơ đồ bộ phát xung

Hình 3.4: Sơ đồ mô phỏng Matlab

Hình 3.5: Dạng sóng đầu vào điện áp và dòng điện đầu cuộn cảmHình 3.6: Hình dạng dòng điện sau khi phóng to

Hình 3.7: Điện áp đầu ra

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH BIẾN ĐỔI NGUỒN

NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT PFC

1.1.Giới thiệu về PFC

Hiệu chỉnh hệ số công suất PFC (Power factor correction) là một thuật ngữ

chuyên nghiệp tương đối lưu hành hiện nay PFC là một kỹ thuật mới được phát triển từ những năm 89 của thế kỷ 20 Tác dụng của mạch điện PFC không những chỉ nâng cao hệ số công suất của hệ thống hay nguồn mà quan trọng hơn nó giải quyết được vấn đề nhiễu do song hài gây ra

Hiện nay trong hầu hết các thiết bị biển đổi điện năng đều sử dụng đến chỉnh lưu

từ nguồn xoay chiều (cung cấp từ lưới điện) sang nguồn một chiều Nguồn điệnmột chiều sau chỉnh lưu sẽ đóng vai trò là nguồn cấp cho tất cả module bên trongcủa thiết bị (kể cả các module xoay chiều qua hệ thống mạch nghịch lưu) Thôngthường để đảm bảo được chất lượng điện áp như mong muốn ta phải mắc tụ sanphẳng với giá trị điện dung lớn vào ngay sau chỉnh lưu Chính điều này đẫn đếnmột số vấn đề cần phải được quan tâm mà điển hình là sóng hài

Dòng điện vào từ nguồn lưới là dòng gián đoạn và tồn tại trong những khoảngthời 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 thời gian tụ nạp Khi các hài nàyđược sinh ra sẽ gây hại đến hệ thống lưới điện Tác hại của những hài này sẽ cànglớn khi công suất tải lớn, hoặc khi có đồng thời nhiều thiết bị gây hài mắc vào cùngmột nguồn lưới Như ta đã biết chất lượng một hệ thống cung cấp điện được đánhgiá bởi hai (trong một số) chỉ tiêu là hệ số công suất (Power Factor - PF) và tổnglượng sóng hài (Total Harmonic Distortion – THD) Hiệu năng của hệ thống lướiđiện phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sóng hài, tổng lượng sóng hài càng nhỏ hiệunăng lưới điện sẽ càng cao

Một số ích lợi khi việc cải thiện hệ số công suất:

- Giảm giá thành năng lượng điện và phí truyền tải

- Giảm thiểu mất mát, tổn hao trong truyền tải

- Chất lượng điện áp tốt hơn

- Tăng tính chất điện dung cho lưới điện

Từ những lý do trên ta thấy việc thiết kế ra một bộ điều chỉnh hệ số công suấtcho bộ chỉnh lưu là một ý tưởng có ý nghĩa thực tiễn cao Vậy nên trong đồ án nàychúng em sẽ phát triển ý tưởng này để chế tạo ra một bộ PFC.

Ưu điểm của bộ PFC số:

- Dễ dàng hơn trong việc xử lý các thuật toán phức tạp với tính năng DSP

- Tính ổn định cao, bền với thời gian

- Dễ dàng hơn trong việc hiệu chỉnh để đạt được những thông số mong muốn

do việc xử lý tín hiệu, xuất tín hiệu điều khiển đều được lập trình bằng phầnmềm

- Công cụ mô phỏng đa dạng giúp người chế tạo có cái nhìn trực quan trướckhi hoàn thiện sản phẩm

- Dễ dàng kết nối với các thiết bị ngoại vi khác để tích hợp tính năng cho bộđiều khiển

Vậy chúng ta phải tìm hiểu rõ về Hệ số công suất và Nhiễu do sóng hài điện

Công suất tổng hợp cho 2 loại công suất trên được gọi là công suất biểu kiến (S),đơn vị VA hoặc KVA

Ba loại công suất được trình bày ở trên lại có một mối quan hệ mật thiết với nhauthông qua tam giác công suất như hình sau:

Hình 1.2: Quan hệ giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng

Ý nghĩa của hệ số công suất

Công suất phản kháng Q không sinh công nhưng lại gây ra những ảnh hưởng xấu

về kinh tế và kỹ thuật: 

 - Về kinh tế: chúng ta phải trả tiền cho lượng công suất phản kháng tiêu thụ. 

- Về kỹ thuật: công suất phản kháng gây ra sụt áp trên đường dây và tổn thất côngsuất trên đường truyền

  Vì vậy, ta cần có biện pháp bù công suất phản kháng Q để hạn chế ảnh hưởngcủa nó Cũng tức là ta nâng cao hệ số cosφ. 

Lợi ích khi nâng cao hệ số công suất cosφ:

 - Giảm tổn thất công suất trên phần tử của hệ thống cung cấp điện (máy biến áp,đường dây …). 

- Giảm tổn thất điện áp trên đường truyền tải. 

- Tăng khả năng truyền tải điện của đường dây và máy biến áp

1.3.Nhiễu do sóng hài điện

Sóng hài hay còn gọi là méo hài (harmonic) làm ảnh hưởng xấu tới mạch điện tửnói riêng và đường điện – lưới điện nói chung Sóng hài có thể được sinh ra từ cácphần tử phi tuyến điển hình như: lõi thép của máy biến áp, động cơ (đặc tính bãohoà của vật liệu sắt từ), các dụng cụ bán dẫn công suất như điốt, tiristo của các bộ

biến đổi Vậy sóng hài là gì?

Sóng hài là những sóng tuần hoàn, hình sin và là bội số nguyên của tần số cơ bản(50 hoặc 60 hz) Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn, ảnh hưởng trựctiếp tới chất lượng mạch điện – lưới điện và cần được chú ý tới khi tổng các dòngđiện hài cao hơn mức độ giới hạn cho phép Dòng điện hài là dòng điện có tần số

là bội của tần số cơ bản Các thành phần này khi cộng với sóng sin nguyên bản gây

ra méo dạng sóng sin và trả lại vể hệ thông phân phối điện Ví dụ dòng 250Hz trênlưới 50Hz là sóng hài bậc 5

Dòng điện 250Hz là dòng năng lượng không sử dụng được với các thiết bị trênlưới Vì vậy, nó sẽ bị chuyển hoá sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao, làm cácphần tử số bị nhiễu

Hình 1.3: Sóng hài bậc 3 và 5

Một số các tác hại do sóng hài gây ra :

- Tổn hao và phát nóng trên máy biến áp, dây cáp, động cơ làm chúng già hóacách điện và nhanh hỏng

- Dòng điện qua dây trung tính của hệ thống ba pha bốn dây vượt quá giá trị chophép làm quá nhiệt dây trung tính và rơ-le bảo vệ tác động

- Hệ số công suất suy giảm nên công suất tác dụng tạo ra bởi thiết bị nhỏ hơncông suất biểu kiến của lưới cung cấp, giảm hiệu quả truyền công suất củanguồn lưới

- Hiện tượng cộng hưởng điện sẽ sinh ra điện áp và dòng điện có giá trị đỉnh rấtlớn, có thể dẫn tới hỏng thiết bị

- Phát sinh lỗi trong các thiết bị đo lường

Dòng hài được tạo ra như thế nào?

Dòng điện và điện áp hài được sinh ra bởi các tải phi tuyến nối với hệ thống phânphối điện Toàn bộ các bộ biến đổi năng lượng điện sử dụng dưới các dạng khácnhau trong hệ thống điện có thể làm tăng nhiễu sóng hài bằng cách bơm trực tiếpdòng điện hài vào lưới Các tải phi tuyến thông thường bao gồm khởi động động

cơ, các hệ truyền động điện, máy tính và các thiết bị điện tử khác, đèn điện tử,nguồn hàn…

1.4.Các phương pháp điều chỉnh hệ số công suất

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

Phương pháp Passive PFC đơn giản là chỉ sử dụng một bộ lọc là các phần tử thụđộng L hoặc C, bộ lọc này chỉ cho qua dòng điện có tần số bằng với tần số điệnlưới (50 Hz hoặc 60 Hz) và chặn không cho các tần số sóng hài đi qua Lúc này tảiphi tuyến tính có thể xem như là một tải tuyến tính, hệ số công suất đã được nângcao hơn

Tuy nhiên yêu cầu cần phải có cuộn cảm có giá trị cảm kháng lớn đã làm cho bộlọc cồng kềnh và có giá thành cao, nhưng thực tế với mạch Passive PFC có cuộndây tuy lớn hơn cuộn dây của mạch điều chỉnh hệ số công suất tích cực ActivePFC nhưng giá thành chung lại rẻ hơn Đây là một phương pháp đơn giản và rẻtiền để điều chỉnh hệ số công suất và làm giảm sóng hài tuy nhiên nó lại khônghiệu quả bằng phương pháp điều chỉnh hệ số công suất tích cực Active PFC

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

Cấu trúc của phương pháp này là thêm một khâu DC-DC vào giữa cầu chỉnh lưu

và tụ lọc đầu ra Bộ DC-DC này chuyển mạch với tần số cao hơn nhiều tần số lướivói một bộ điều khiển phù hợp

Hình 1.4.2: Cấu trúc mạch Active PFC

Ưu điểm của phương pháp Active PFC:

+ Thành phần sóng hài thấp hơn so với phương pháp Passive PFC

+ Giảm giá trị dòng điện của tụ điện đầu ra

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MẠCH BOOST PFC VÀ

TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 2.1 Nguyên lý làm việc của bộ biến đổi boost

DL

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc mạch boost

Ta sẽ xét các trạng thái đóng mở của van để tìm ra mối quan hệ giữa các giá trịđầu ra , đầu vào và các thành phần trong mạch để đưa ra những phương pháp chọnthiết bị và điều khiển phù hợp nhất với thông số của mạch theo yêu cầu

Gọi t on: là khoảng thời gian van mở

t off: là khoảng thời gian van đóng

Ts: là chu kì đóng cắt của van

 Xét khi van S đóng trong khoảng 0 < t < t on Mạch có thể được vẽ lại như sau:

V o R

Trong trường hợp này sẽ không có dòng điện chạy qua diode D ta có

Điện áp đặt 2 đầu cuộn dây V L =V s

Dòng điện qua cuộn dây tăng dần

T

V L dt= 1

T ¿

 Vo = 1−D Vs (2.6)

Ta có Ts = t on+t off thay (2.2) và (2.4) vào ta có độ nhấp nhô của dòng điện trên tải

∆ I= Vs∗D f ∗L (2.7) với f = 1 T là tần số đóng cắt của vanKhi van đóng cắt tương ứng sẽ là quá trình nạp và phóng điện liên tiếp của tụ C.Khi đó điện áp ra sẽ có sự thay đổi phụ thuộc vào giá trị điện dung của tụ và tần sốđóng cắt của van Ta có độ nhấp nhô cuả điện áp ra trên tải sẽ là

(2.8)

(2.9)

Từ 2.9 ta có

(2.10)Với f là tần số biến thiên của điện áp đầu ra

Ta có đồ thị dạng sóng của các đại lượng trong mạch boost ở chế độ dòng điện liêntục :

Hình 2.4.Đồ thị dạng sóng của các đại lượng trong mạch boost

Do ở chế độ không liên tục thì mạch boost có giá trị dòng điện đỉnh cao nhưnghiệu suất nhưng cũng không đem lại lợi ích về hiệu suất nên để đảm bảo chức năngcho bộ pfc nên ta sẽ thiết kế để mạch hoạt động ở chế độ liên tục

Khi bỏ qua các tổn hao trên mạch biến đổi và coi tải là thuần trở khi dòng điện vàđiện áp qua L đồng pha ta có:

Để dòng qua L là liên tục ta phải có

2.2.1 Yêu cầu thiết kế

Giá trị hiệu dụng điện áp đầu vào V¿= ¿110÷ 10% V

Tần số điện áp đầu vào 50Hz

Giá trị điện áp đầu ra V o= ¿ 200V

Công suất đầu ra 500W

Tần số đóng cắt 20kHz

Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm 15%i Lmax

Độ đập mạch của điện áp đầu ra 1%U0

2.2.2.Tính toán và chọn tụ lọc

Giá trị cho phép của tụ lọc phụ thuộc vào độ nhấp nhô cho phép của điện áp đầu

ra Ta có:

Dòng điện qua tải là I o = P Vo = 500200 = 2.5A

Do sự thay đổi liên tục của điện áp đầu vào nên giá trị của D không cố định 0<D<1

Để chất lượng điện áp đầu ra được đảm bảo thì thay vào 2.13 ta có

Dòng điện hiệu dụng trong cuộn cảm là: I L ,rms=1−D I o = 5.05A

Dòng điện cực đại trên cuộn cảm là: I Lmax=√2*5.05 = 7.14 A

Độ đập mạch của dòng điện là: ∆ I L =15%∗I Lmax= ¿1.07 A

Điện cảm cần thiết của cuộn cảm là: L =V inmin ∗D

2.2.5.Tinh toán lựa chọn diode

Diode chỉ có điện đi qua khi van đóng khi đó dòng điện lớn nhất qua diode bằngdòng điện lớn nhất qua cuộn cảm nên dòng điện qua diode là:

I Dmax =I Lmax+∆ I L

2 =¿ 7.67A

Dòng điện trung bình qua van là: I D= ¿(1 - D)*I L = 3.53A

Điện áp ngược lớn nhất mà diode phải chịu được chính bằng điện áp đầu ra khivan mở nên Un=200V

2.2.6.Lựa chọn van bán dẫn

Điện áp lớn nhất đặt vào van bán dẫn chính là điện áp trên tụ nên V van =200 V

Dòng điện lớn nhất đi qua van là: I vanmax =I L+∆ I L

2 = 7.67A Dòng điện trung bình qua van là: I van =D∗I L= 3.87A

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN BỘ PHÁT XUNG VÀ MÔ PHỎNG TRÊN

MATLAB

3.1 Tính toán bộ phát xung

Để tạo được dòng điện vào bộ boost và điện áp vào bộ boost đồng pha với nhau

ta sẽ tạo một dòng điện đặt đồng pha với điện áp đầu vào bộ boost và điều khiển sựđóng cắt của van bán dẫn sao cho dòng điện đầu vào của bộ boost đồng pha vớidòng điện đặt

Do điện áp đầu vào bộ boost đã qua bộ chỉnh lưu nên nó có dạng như hình 3.1.Nên ta cũng sẽ tạo một dòng điện đặt có dạng giống như điện áp Ta có biên độ củadòng điện đặt sẽ là giá trị I Lmax= 7.14A

Hình 3.1: Dạng điện áp đầu vào bộ boost sau bộ chỉnh lưu

dòng điện trên cuộn cảm bằng ∆ I L

2 = 0.53 khi sai lệch đạt giá trị này thì bộ phátxung sẽ phát tín hiệu đóng van bán dẫn và dòng điện qua cuộn cảm sẽ tăng Ta sẽđặt giá trị sai lệch nhỏ nhất giữa dòng điện đặt và sòng điện qua cuộn cảm bằng

−∆ I L

2 = -0.53 khi sai lệch đạt giá trị này thì bộ phát xung sẽ phát giá trị mở van bándẫn và dòng điện qua cuộn cảm sẽ giảm xuống Ở đây ta sẽ dùng khối rơle hai vịtrí để tạo tín hiệu đóng mở van với đầu vào là sai lệch giữa dòng điện đặt và dòngđiện trong cuộn cảm Khi giá trị sai lệch đạt giá trị lớn nhất thì khối relay sẽ pháttín hiệu on để đóng van Khi giá trị sai lệch đạt giá trị bé nhất thì khối relay sẽ pháttín hiệu off để mở van Còn khi giá trị sai lệch nằm trong khoảng giữa thì tín hiệungõ ra giữ nguyên không đổi

Hình 3.3.Sơ đồ bộ phát xung

3.2 Sơ đồ và kết quả mô phỏng Matlab

Sơ đồ mô phỏng :

Hình 3.4.Sơ đồ mô phỏng Matlab

Kết quả mô phỏng với điện áp hiệu dụng đầu vào là 110V

Hình 3.5.Dạng sóng đầu vào điện áp và dòng điện đầu cuộn cảm

Hình 3.6: Hình dạng dòng điện sau khi phóng to