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 biến đổi nguồn PFC kiểu Boots Sự phát triển điện tử công suất nói chung nguồn nói riêng đáp ứng tốt yêu cầu ngày khắt khe đời sống Sự bùng nổ thiết bị tin học, hệ thống mạng máy tính, hệ thống nguồn phân tán đặt toán thiết kế nguồn chiều có điện áp đầu ổn định Bên cạnh ưu điểm chất lượng đầu tốt, kích thước nhỏ nguồn tồn hạn chế lớn gây méo dạng dòng điện lưới đầu vào, sinh nhiễu điện từ cho hệ thống có hệ số cơng suất thấp Do số lượng nguồn không nhỏ nên ảnh hưởng chúng đáng kể tới hệ thống lưới điện Trên thực tế, số tiêu chuẩn đưa quy định cụ thể mức phát sóng hài thiết bị thương mại Từ đó, người thiết kế cần phải đưa biện pháp để đáp ứng yêu cầu Có hai phương pháp nâng cao hệ số công suất đưa Passive PFC Active PFC Mặc dù, phương pháp Passive PFC thực đơn giản, cồng kềnh áp dụng với các thiết bị dải công suất thấp Trong phương pháp Active PFC đáp ứng yêu cầu chất lượng hệ số cơng suất cao, kích thước nhỏ gọn Qua nhiều năm phát triển, phương pháp nâng cao hệ số công suất Active PFC ngày ưu Với yêu cầu đồ án đặt ra, nhóm chúng em chọn thiết kế Boost PFC với ưu điểm khả điều khiển hồn tồn dòng điện đầu vào, hệ số công suất cao, cấu trúc đơn giản Qua nghiên cứu, kết mô thực nghiệm cho thấy cấu hình có khả áp dụng vào thực tế MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.2: Quan hệ công suất tác dụng công suất phản kháng Hình 1.3: Sóng hài bậc Hình 1.4.2: Cấu trúc mạch Active PFC Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc mạch boost Hình 2.2.Sơ đồ van đóng Hình 2.3 Sơ đồ van mở Hình 2.4.Đồ thị dạng sóng đại lượng mạch boost Hình 3.1: Dạng điện áp đầu vào boost sau chỉnh lưu Hình 3.2: Bộ tạo dòng điện đặt Hình 3.3: Sơ đồ phát xung Hình 3.4: Sơ đồ mơ Matlab Hình 3.5: Dạng sóng đầu vào điện áp dòng điện đầu cuộn cảm Hình 3.6: Hình dạng dòng điện sau phóng to Hình 3.7: Điện áp đầu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠCH BIẾN ĐỔI NGUỒN NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT PFC 1.1 Giới thiệu PFC Hiệu chỉnh hệ số công suất PFC (Power factor correction) thuật ngữ chuyên nghiệp tương đối lưu hành PFC kỹ thuật phát triển từ năm 89 kỷ 20 Tác dụng mạch điện PFC nâng cao hệ số công suất hệ thống hay nguồn mà quan trọng giải vấn đề nhiễu song hài gây Hiện hầu hết thiết bị biển đổi điện sử dụng đến chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều (cung cấp từ lưới điện) sang nguồn chiều Nguồn điện chiều sau chỉnh lưu đóng vai trò nguồn cấp cho tất module bên thiết bị (kể module xoay chiều qua hệ thống mạch nghịch lưu) Thông thường để đảm bảo chất lượng điện áp mong muốn ta phải mắc tụ san phẳng với giá trị điện dung lớn vào sau chỉnh lưu Chính điều đẫn đến số vấn đề cần phải quan tâm mà điển hình sóng hài Dòng điện vào từ nguồn lưới dòng gián đoạn tồn khoảng thời gian ngắn (hài) Sở dĩ có tượng q trình phóng nạp liên tục tụ lọc Thiết bị nhận lượng từ lưới thời gian tụ nạp Khi hài sinh gây hại đến hệ thống lưới điện Tác hại hài lớn cơng suất tải lớn, có đồng thời nhiều thiết bị gây hài mắc vào nguồn lưới Như ta biết chất lượng hệ thống cung cấp điện đánh giá hai (trong số) tiêu hệ số công suất (Power Factor - PF) tổng lượng sóng hài (Total Harmonic Distortion – THD) Hiệu hệ thống lưới điện phụ thuộc nhiều vào yếu tố sóng hài, tổng lượng sóng hài nhỏ hiệu lưới điện cao Một số ích lợi việc cải thiện hệ số công suất: - Giảm giá thành lượng điện phí truyền tải Giảm thiểu mát, tổn hao truyền tải Chất lượng điện áp tốt Tăng tính chất điện dung cho lưới điện Thiết kế nguồn Boost PFC Page Từ lý ta thấy việc thiết kế điều chỉnh hệ số công suất cho chỉnh lưu ý tưởng có ý nghĩa thực tiễn cao Vậy nên đồ án chúng em phát triển ý tưởng để chế tạo PFC Ưu điểm PFC số: - - Dễ dàng việc xử lý thuật toán phức tạp với tính DSP Tính ổn định cao, bền với thời gian Dễ dàng việc hiệu chỉnh để đạt thông số mong muốn việc xử lý tín hiệu, xuất tín hiệu điều khiển lập trình phần mềm Cơng cụ mơ đa dạng giúp người chế tạo có nhìn trực quan trước hoàn thiện sản phẩm Dễ dàng kết nối với thiết bị ngoại vi khác để tích hợp tính cho điều khiển Vậy phải tìm hiểu rõ Hệ số công suất Nhiễu sóng hài điện 1.2 Hệ số cơng suất Cơng suất truyền từ lưới đến tải tồn thành phần: Công suất tác dụng (P) công suất phản kháng (Q): - Công suất tác dụng (P) đặc trưng cho khả sinh cơng hữu ích thiết bị, đơn vị W kW Ví dụ cơng suất (sức kéo) động Công suất phản kháng (Q) khơng sinh cơng hữu ích lại cần thiết cho trình biến đổi lượng, đơn vị VAR kVAR Có thể hiểu nơm na thành phần từ hóa, tạo từ trường trình biến đổi lượng điện thành dạng lượng khác, từ lượng điện sang lượng điện Công suất tổng hợp cho loại công suất gọi công suất biểu kiến (S), đơn vị VA KVA Ba loại công suất trình bày lại có mối quan hệ mật thiết với thông qua tam giác công suất hình sau: Thiết kế nguồn Boost PFC Page Hình 1.2: Quan hệ cơng suất tác dụng công suất phản kháng Ý nghĩa hệ số công suất Công suất phản kháng Q không sinh công lại gây ảnh hưởng xấu kinh tế kỹ thuật: - Về kinh tế: phải trả tiền cho lượng công suất phản kháng tiêu thụ - Về kỹ thuật: công suất phản kháng gây sụt áp đường dây tổn thất cơng suất đường truyền Vì vậy, ta cần có biện pháp bù công suất phản kháng Q để hạn chế ảnh hưởng Cũng tức ta nâng cao hệ số cosφ Lợi ích nâng cao hệ số công suất cosφ: - Giảm tổn thất công suất phần tử hệ thống cung cấp điện (máy biến áp, đường dây …) - Giảm tổn thất điện áp đường truyền tải - Tăng khả truyền tải điện đường dây máy biến áp 1.3 Nhiễu sóng hài điện Sóng hài hay gọi méo hài (harmonic) làm ảnh hưởng xấu tới mạch điện tử nói riêng đường điện – lưới điện nói chung Sóng hài sinh từ phần tử phi tuyến điển hình như: lõi thép máy biến áp, động (đặc tính bão hồ vật liệu sắt từ), dụng cụ bán dẫn công suất điốt, tiristo biến đổi Vậy sóng hài gì? Thiết kế nguồn Boost PFC Page Sóng hài sóng tuần hồn, hình sin bội số nguyên tần số (50 60 hz) Sóng hài dạng nhiễu không mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng mạch điện – lưới điện cần ý tới tổng dòng điện hài cao mức độ giới hạn cho phép Dòng điện hài dòng điện có tần số bội tần số Các thành phần cộng với sóng sin nguyên gây méo dạng sóng sin trả lại vể hệ thơng phân phối điện Ví dụ dòng 250Hz lưới 50Hz sóng hài bậc Dòng điện 250Hz dòng lượng khơng sử dụng với thiết bị lưới Vì vậy, bị chuyển hố sang dạng nhiệt gây tổn hao, làm phần tử số bị nhiễu Hình 1.3: Sóng hài bậc Một số tác hại sóng hài gây : - Tổn hao phát nóng máy biến áp, dây cáp, động làm chúng già hóa cách điện nhanh hỏng - Dòng điện qua dây trung tính hệ thống ba pha bốn dây vượt giá trị cho phép làm nhiệt dây trung tính rơ-le bảo vệ tác động - Hệ số công suất suy giảm nên công suất tác dụng tạo thiết bị nhỏ công suất biểu kiến lưới cung cấp, giảm hiệu truyền công suất nguồn lưới - Hiện tượng cộng hưởng điện sinh điện áp dòng điện có giá trị đỉnh lớn, dẫn tới hỏng thiết bị - Phát sinh lỗi thiết bị đo lường Dòng hài tạo nào? Thiết kế nguồn Boost PFC Page Dòng điện điện áp hài sinh tải phi tuyến nối với hệ thống phân phối điện Toàn biến đổi lượng điện sử dụng dạng khác hệ thống điện làm tăng nhiễu sóng hài cách bơm trực tiếp dòng điện hài vào lưới Các tải phi tuyến thông thường bao gồm khởi động động cơ, hệ truyền động điện, máy tính 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 sử dụng lọc phần tử thụ động L C, lọc cho qua dòng điện có tần số với tần số điện lưới (50 Hz 60 Hz) chặn không cho tần số sóng hài qua Lúc tải phi tuyến tính xem tải tuyến tính, hệ số cơng suất nâng cao Tuy nhiên yêu cầu cần phải có cuộn cảm có giá trị cảm kháng lớn làm cho lọc cồng kềnh có giá thành cao, thực tế với mạch Passive PFC có cuộn dây lớn cuộn dây mạch điều chỉnh hệ số công suất tích cực Active PFC giá thành chung lại rẻ Đây phương pháp đơn giản rẻ tiền để điều chỉnh hệ số công suất làm giảm sóng hài nhiên lại khơng hiệu phương pháp điều chỉnh hệ số công suất tích cực Active PFC 1.4.2.Điều chỉnh hệ số cơng suất tích cực (Active PFC) Cấu trúc phương pháp thêm khâu DC-DC vào cầu chỉnh lưu tụ lọc đầu Bộ DC-DC chuyển mạch với tần số cao nhiều tần số lưới vói điều khiển phù hợp Thiết kế nguồn Boost PFC Page Hình 1.4.2: Cấu trúc mạch Active PFC Ưu điểm phương pháp Active PFC: + Thành phần sóng hài thấp so với phương pháp Passive PFC + Giảm giá trị dòng điện tụ điện đầu + Hệ số công suất gần + Giảm kích thước, trọng lượng, chi phí so với phương pháp Passive PFC Nhược điểm: + Hệ thống phức tạp có thêm PFC Với ưu điểm trên, phương pháp Active PFC ngày sử dụng phổ biến việc thiết kế nguồn đảm bảo tiêu chuẩn kĩ thuật Có dạng mạch Active PFC sử dụng : + Boost PFC + Buck PFC + Buck – Boost PFC Ở đồ án tìm hiểu mạch Boost PFC Thiết kế nguồn Boost PFC Page CHƯƠNG NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MẠCH BOOST PFC VÀ TÍNH TỐN MẠCH LỰC 2.1 Ngun lý làm việc biến đổi boost L D C S Vs R Vo Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc mạch boost Ta xét trạng thái đóng mở van để tìm mối quan hệ giá trị đầu , đầu vào thành phần mạch để đưa phương pháp chọn thiết bị điều khiển phù hợp với thông số mạch theo yêu cầu Gọi : khoảng thời gian van mở : khoảng thời gian van đóng Ts: chu kì đóng cắt van  Xét van S đóng khoảng < t < Mạch vẽ lại sau: L Vs C S Hình 2.2.Sơ đồ van đóng Thiết kế nguồn Boost PFC Page 10 R Vo Trong trường hợp khơng có dòng điện chạy qua diode D ta có Điện áp đặt đầu cuộn dây Dòng điện qua cuộn dây tăng dần với độ đập mạch dòng điện Vs= L* = L* (2.1)  (2.2)  Xét van S đóng khoảng < t < Ts Mạch tương đương L R C Vs Vo Hình 2.3 Sơ đồ van mở Trong trường hợp có dòng điện qua diode D ta có Điện áp đặt vào cuộn dây Vs – Vo = L* = L* (2.3)  Gọi D = (2.4) (2.5) Từ (2.1), (2.3), (2.5) điện áp trung bình cuộn cảm chu kì đóng cắt T phải nên ta có hệ số biến đổi điện áp mạch boost  Vo = (2.6) Ta có Ts = + thay (2.2) (2.4) vào ta có độ nhấp nhơ dòng điện tải (2.7) với Thiết kế nguồn Boost PFC tần số đóng cắt van Page 11 Khi van đóng cắt tương ứng trình nạp phóng điện liên tiếp tụ C Khi điện áp có thay đổi phụ thuộc vào giá trị điện dung tụ tần số đóng cắt van Ta có độ nhấp nhô cuả điện áp tải iC (t ) = C iC = C dv0 (t ) dt ∆v0 ∆t (2.8) (2.9) Từ 2.9 ta có ∆v0 = iC DT V0 DT I D = = C C.R C f (2.10) Với f tần số biến thiên điện áp đầu Ta có đồ thị dạng sóng đại lượng mạch boost chế độ dòng điện liên tục : Thiết kế nguồn Boost PFC Page 12 Hình 2.4.Đồ thị dạng sóng đại lượng mạch boost Do chế độ khơng liên tục mạch boost có giá trị dòng điện đỉnh cao hiệu suất khơng đem lại lợi ích hiệu suất nên để đảm bảo chức cho pfc nên ta thiết kế để mạch hoạt động chế độ liên tục Khi bỏ qua tổn hao mạch biến đổi coi tải trở dòng điện điện áp qua L đồng pha ta có: =  =  = (2.11) I L max = I L + Từ đồ thị hình 2,3 ta có I L = I L − Và ∆I L ∆I L I L Để dòng qua L liên tục ta phải có ∆I L ⇒ I ≥ L ≥0 Xét trường hợp Từ (2.6) (2.10) ta có Vậy   (2.12) 2.2 Tính toán mạch lực 2.2.1 Yêu cầu thiết kế Giá trị hiệu dụng điện áp đầu vào 110 V Tần số điện áp đầu vào 50Hz Thiết kế nguồn Boost PFC Page 13 Giá trị điện áp đầu 200V Cơng suất đầu 500W Tần số đóng cắt 20kHz Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm 15% Độ đập mạch điện áp đầu 1%U0 2.2.2.Tính tốn chọn tụ lọc Giá trị cho phép tụ lọc phụ thuộc vào độ nhấp nhô cho phép điện áp đầu Ta có: (2.13) Do điện áp đầu vào dao động với tần số 50Hz nên điện áp dao động với tần số 50 Hz Có: = 1%*200= 2V Dòng điện qua tải = = 2.5A Do thay đổi liên tục điện áp đầu vào nên giá trị D không cố định 0