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

LỜI NÓI ĐẦU Chương Tìm hiểu PFC – Power Factor Correction .2 1.1 Thế Power Factor: 1.2 Tại cần phải điều chỉnh hệ số công suất: .3 1.2.1 Giảm giá thành lượng điện phí truyền tải: 1.2.2 Tối ưu hóa kinh tế kỹ thuật: .4 1.3 Nguyên tắc để điều chỉnh hệ số công suất PFC: 1.3.1 Điều chỉnh hệ số cơng suất tuyến tính: .4 1.3.2 Điều chỉnh hệ số cơng suất phi tuyến tính: Chương Tìm hiểu vi mạch PFC UC3854 2.1 Các đặc điểm kỹ thuật chính: 2.2 Sơ đồ khối sơ đồ nối chân: 10 2.3 Sơ đồ điển hình sử dụng vi mạch UC3854: .11 Chương Thử nghiệm, phân tích 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 đánh giá kết quả: 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO 21 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, nguồn tài nguyên thiên nhiên ngày cạn kiệt khai thác nhu cầu người nên vấn đề tiết kiệm lượng đặt nên hàng đầu ngành công nghiệp Bộ nguồn hiệu suất cao để tiết kiệm lượng Trong dịp thực tập tốt nghiệp em làm đề tài “Tìm hiểu bộnguồn hiệu suất cao cho thiết bị chiếu sáng dùng LED” Đề tài giúp em hiểu rõ thêm ngành điện giúp em bù đắp thêm số kiến thức thiếu hụt Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Danh Huy thầy cô mơn giúp em hồn thành báo cáo ! Hà nội ngày 21, tháng 2, năm 2012 Sinh viên: Nguyễn Thị Diệp Chương Tìm hiểu PFC – Power Factor Correction 1.1 Thế Power Factor: -Power factor chữ viết tắt thuật ngữ “Hệ số công suất”, ký hiệu cosρ - Trong hệ thống điện xoay chiều AC có loại công suất: + Công suất tiêu thụ thực P (W) + Công suất phản kháng Q (VAR) + Công suất biểu kiến S (VA) Hình1.1 Tam giác cơng suất - Tỷ lệ công suất tiêu thụ thật công suất phản kháng gọi hệ số công suất Trong trường hợp dịng điện AC dạng sóng sin túy, hệ số công suất cosine góc pha (ρ) dịng điện điện áp dạng sóng sin, lý tài liệu kỹ thuật người ta thường viết tắt hệ số cơng suất “cosρ” Hệ số cơng suất khơng có đơn vị riêng, giá trị thể từ đến Được thể công thức: Cosρ = P/S - Hệ số công suất dòng điện điện áp pha Hệ số cơng suất điện áp dịng điện lệch pha 900, công suất phải thể dòng điện nhanh hay chậm pha so với điện áp - Muốn nâng cao công suất thật P cần nâng cao hệ số cosρ 1.2 Tại cần phải điều chỉnh hệ số công suất: 1.2.1 Giảm giá thành lượng điện phí truyền tải: - Nâng cao hệ số công suất đem lại ưu điểm kỹ thuật kinh tế, giảm tiền điện Thực tế cho thấy công ty cung cấp điện bán điện cho người dùng hai giá trị điện áp dịng điện (VA), hóa đơn lại tính Watt Nếu hệ số cơng suất thiết bị có giá trị thấp cần phải có nhiều cơng suất VA truyền để đáp ứng cơng suất Watt thật, ngồi cịn làm tăng chi phí thực việc truyền dẫn điện 1.2.2 Tối ưu hóa kinh tế kỹ thuật: - Cải thiện hệ số công suất cho phép người sử dụng máy biến áp, thiết bị đóng cắt cáp nhỏ vv…đồng thời giảm tổn thất điện sụt áp mạng điện - Hệ số cơng suất cho phép tối ưu hóa phần tử cung cấp điện Khi thiết bị điện không cần định mức dư thừa Về mặt kỹ thuật, hệ số công suất tỷ số công suất tác dụng công suất biểu kiến Công suất tác dụng cơng suất thực, cịn cơng suất biểu kiến thường lớn công suất thực, công suất truyền tải đường dây điện đến thiết bị sử dụng - Hệ số cơng suất lớn công suất tác dụng gần công suất biểu kiến, hiệu sử dụng cao 1.3 Nguyên tắc để điều chỉnh hệ số công suất PFC: - Bộ PFC lắp đặt vị trí nguồn cấp ( sau chỉnh lưu) tải chiều, có tác dụng theo dõi hệ số cơng suất tải tự động điều chỉnh để điện áp dịng điện ln đồng pha (cosρ = 1) Đồng thời cịn có tác dụng ổn định điện áp đầu ra, làm tăng tính ổn định hệ thống, xử lý thay đổi diễn phía nguồn cấp phía tải chiều, thơng báo tác động xảy cố - Trong mạch PFC, với điện áp đầu vào pha sau khâu chỉnh lưu ta dùng mạch băm áp để điều chỉnh điện áp đầu ra, hệ số công suất mạch 1.3.1 Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính: - Điều chỉnh PFC truyến tính áp dụng cho thiết bị tiêu thụ trực tiếp điện áp lưới Việc điều chỉnh đạt việc thêm vào hay bớt cuộn dây hay tụ điện cho thiết bị Như động mang tính cảm kháng điều chỉnh PFC việc đấu thêm tụ song song cuộn dây vận hành nhằm giúp triệt tiêu công suất phản kháng, làm giảm công suất biễu kiến tăng hệ số PF - Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất thực chất thiết bị cung cấp công suất phản kháng tương ứng đối nghịch lại với công suất phản kháng tạo thiết bị Thêm tụ điện hay cuộn dây vào trình để huỷ bỏ hiệu ứng cảm ứng hay điện dung tương ứng tạo Động có tính cảm ứng bù tụ lọc, lị hồ quang điện có tính điện dung bù cuộn dây - Khi thêm vào hay lấy thiết bị bù cơng suất phản kháng tạo biến động điện áp hay tạo méo hài, trường hợp xấu thành phần bù công suất phản kháng tạo tượng cộng hưởng với hệ thống bù, làm cho điện áp tăng cao gây ổn định cho hệ thống Do việc điều chỉnh hệ số PFC đơn giản việc thêm hay bớt thành phần, mà cần tính tốn kỹ phù hợp với mức công suất tải thiết bị 1.3.2 Điều chỉnh hệ số cơng suất phi tuyến tính: - Tải phi tuyến thường dạng tải chỉnh lưu, không sử dụng trực tiếp từ điện xoay chiều mà nắn lại thành dạng điện chiều-chỉnh lưu nguồn máy tính (PSU), adaptor,…hay thiết bị sử dụng lượng gián đoạn-liên tục máy hàn, bóng đèn huỳnh quanh, ,các thiết bị trình tiêu thụ lượng cịn tạo dạng sóng hài có tần số bội số tần số điện lưới, chèn vào tần số điện lưới Các thành phần linh kiện tuyến tính cuộn dây tụ điện khơng thể loại bỏ dải tần số tạo này, phải dùng lọc hay điều chỉnh hệ số cơng suất làm phẳng dòng điện chu kỳ nhằm giảm dòng hài - Trong loại tải phi tuyến tính PSU sử dụng nhiều nhất, với thiết kế chuyển đổi lượng theo kiểu đóng/cắt (switching) Trước nguồn đơn giản thiết kế với cầu nắn điện chỉnh lưu tồn sóng nạp mức điện áp mức chịu đựng tụ điện Điều tạo dòng điện nạp ban đầu cao, hệ số cơng suất thấp, đồng thời tạo sóng hài khơng có lợi 1.3.2.1 Điều chỉnh hệ số cơng suất thụ động – Passive PFC: -Phương pháp Passive PFC đơn giản sử dụng lọc, lọc cho qua dịng điện có tần số với tần số điện lưới (50Hz 60Hz) chặn khơng 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 cơng 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 không hiệu phương pháp điều chỉnh hệ số cơng suất tích cực Active PFC cuộn dây có kích thước cố định nên giải điện áp hoạt động khơng cao 1.3.2.2 Điều chỉnh hệ số cơng suất tích cực – Active PFC: -Là hệ thống điện tử cơng suất có chức kiểm sốt lượng cung cấp cho tải, điều chỉnh hệ số công suất mức tốt mức tải Trong thiết kế thực tế, mạch Active PFC điều khiển dòng nạp cho tải cho dạng sóng dịng vào pha với dạng sóng đầu vào (ở sóng sin) Thực chất mạch băm áp dùng PFC Về có dạng mạch Active PFC sử dụng, là; Boost, Buck Buck-Boost - Mạch Boost ( Boost PFC): Hình1.2 Sơ đồ mạch Boost Khi van đóng : Diode D khóa bị phân cực ngược tụ C Năng lượng tụ C0 xả qua tải, dòng điện từ dương nguồn qua cuộn L qua van trở âm nguồn Khi van cắt: Diode D phân cực thuận dẫn dòng từ nguồn qua cuộn L nạp cho tụ C với cực tính hình vẽ Cuộn L đổi cực tính, điện áp nạp cho tụ C VC0 = Vs + VL Do điện áp mạch Boost cao điện áp đầu vào Hình1.3 Dạng sóng điện áp dịng điện vào Boost PFC - Mạch Buck (Buck PFC): Hình 1.4 Sơ đồ mạch Buck Khi van đóng: Diode khóa bị phân cực ngược, dòng điện từ dương nguồn qua L nạp cho tụ C0 Khi van cắt: Cuộn L đảo cực tính, diode D dẫn, dịng điện qua tải tổng dòng điện qua L dòng điện qua tụ C0: Itải = IL + IC0 Điện áp tụ C: Uc = Vs - VL = Utải Điện áp Buck nhỏ điện áp nguồn cấp Hình 1.5 Dạng sóng điện áp dòng điện vào Buck PFC - Mạch Buck/Boost (Buck/Boost PFC): Hình 1.6 Sơ đồ mạch Buck/Boost Khi van đóng: điện áp cuộn L điện áp nguồn Diode D khóa bị phân cực ngược Dịng điện qua tải cung cấp tụ C0 Khi van cắt: điện áp L đảo cực tính, diode D dẫn dòng khép mạch L – C – D – L Tụ C0 nạp chuẩn bị cho chu kì phóng van đóng Điện áp trường hợp lớn nhỏ điện áp nguồn cấp -Trong PSU, dạng mạch sử dụng thông dụng Boost Một mạch chuyển đổi chèn vào cầu nắn điện tụ lọc Nó tạo điện áp DC ổn định đầu trì dịng điện vào ln đồng pha với tần số điện áp vào Phương pháp đòi hỏi phải thêm số linh kiện chuyển mạch bán dẫn công suất mạch điều khiển bù lại có kích thước nhỏ mạch Passive PFC -Dạng mạch điều chỉnh hệ số cơng suất Active PFC hoạt động dải điện áp vào rộng, từ 90VAC đến 264VAC, nên sử dụng rộng rãi, người dùng không cần quan tâm tới mức điện áp phù hợp với PSU khu vực ở, ngồi cịn giúp PSU hoạt động khu vực có điện áp AC khơng ổn định Hình 1.7 Mạch Passive PFC thực tế PSU Hình 1.8 Mạch Active PFC thực tế PSU Chương Tìm hiểu vi mạch PFC UC3854 2.1 Các đặc điểm kỹ thuật 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 nhỏ 5% - Điều khiển tồn mạch mà khơng cần đến ngắt mạch - Điều chỉnh cấp dịng - Kiểm sốt chế độ dịng điện 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 mức thấp - Chuẩn điện áp xác b Mơ tả chung UC3854: - UC3854 cho phép điều chỉnh hệ số công suất nguồn cấp mà không dịng nhận khơng sin từ nguồn dịng sin Thiết bị thực tất chức điều khiển cần thiết để tạo nên nguồn cấp có cơng suất tối đa từ nguồn cấp sẵn có, đồng thời giảm thiểu tới mức thấp méo dòng Để làm điều này, UC3854 phải có khuyếch đại điện áp, khối chia/bộ nhân tín hiệu tương tự, khuyếch đại dòng điện, giữ tần số ổn định sử dụng phương pháp PWM Ngồi ra, UC1854 cịn phải có điều khiển cổng tương thích nguồn cho MOSFET với điện áp chuẩn 7,5V, đốn trước dịng, so sánh tải cho phép, dò nguồn cấp thấp, so sánh dòng -UC3854 sử dụng phương pháp điều khiển dịng trung bình để đạt điều khiển dòng điện tần số ổn định với độ ổn định cao độ méo thấp Không giống với chế độ dòng điện cực đại, phương pháp điều khiển dịng trung bình trì xác dịng điện hình sin mà khơng cần bù hệ số góc phản hồi nhỏ để giảm q trình q độ -UC3854 có chuẩn điện áp cao biên độ dao động cao làm giảm thiểu tới mức thấp độ nhạy tiếng ồn, đó, phận điều biến độ rộng xung PWM cho phép băm tần số 200kHz UC3854 sử dụng nguồn pha pha với điện áp khoảng từ 75 ÷ 275V dải tần số làm việc 50÷400Hz Để giảm thiểu tải trọng mạch mà nguồn cấp phải cấp, đặc điểm UC1854 dòng khởi động thấp - Những chi tiết tạo nên UC3854 tích hợp sẵn khối nối tiếp gồm 16 chân nhựa sứ 2.2 Sơ đồ khối sơ đồ nối chân: Hình 2.1 - Sơ đồ khối Hình 2.2 - Sơ đồ chân 10 2.3 Sơ đồ điển hình sử dụng vi mạch UC3854: Hình 2.3 – Sơ đồ điển hình sử dụng vi mạch UC3854 11 Chương Thử nghiệm, phân tích nguồn thực tế 3.1 Nhiệm vụ: Nghiên cứu, phân tích nguồn thực tế “ Tìm hiểu nguồn hiệu suất cao cho thiết bị chiếu sáng LED” sản xuất hàng loạt thực tế 3.2 Mô tả cấu trúc: 12 3.2 Lắp ráp tải Từ mạch nguyên lý ta thiết kế mạch sau Hình 3.1 Sơ đồ mạch cấu trúc Cấu trúc mạch gồm hai tầng: - Mạch Boost với khâu AC – DC:  Nguồn cấp từ điện lưới xoay chiều, qua cầu chỉnh lưu thành nguồn chiều, điện áp chiều san phẳng nhờ tụ C Sau đưa qua cuộn dây thứ (1 – 3), qua diode D3 nạp cho tụ C5  Khâu tạo nguồn cấp nguồn cho vi xử lý qua chân  Khối (C2 // R5) phản hồi điện áp chân số vi xử lý  Khối điện trở shunt ( R7 // R8) đo dòng phản hồi chân số vi xử lý  Khối [ ( R11 nối tiếp R12) nối tiếp ( R9 // R10)] mạch phản hồi điện áp đầu chân số  Khối ( C3 // ( R4 nối tiếp C4 ) cụm mạch lọc - Mạch Buck với khâu DC – DC: 13  Khối ( R13 // R14 // R15) khối điện trở shunt để đo giá trị dòng điện phản hồi chân số để bảo vệ điện áp cho Mosfet Q2  Mosfet Q2 điều khiển chân số vi xử lý  Khối (C7 // C8) để lọc nguồn đầu vào chân vi xử lý  Khối [ (C6 // R18 ) nối tiếp(C7 // R17) ] mạch tạo tần số băm xung PWM 3.3 Lắp ráp tải: Từ mạch nguyên lý ta thiết kế mạch sau Hình 3.2 – Mạch thực tế Hình 3.3 – Tải Điện áp tải 350V, dòng điện qua tải khoảng 0,2÷0,3A nên giá trị điện trở tính theo cơng thức: R1  350  1750 () 0.2 R2  350  1167 () 0.3 Giá trị điện trở khoảng 1167÷1750 Ω 14 Ta chọn 17 điện trở 10W, 100Ω nên tổng trở tải 1700 Ω Khi dịng điện thực tế tải đo 0,234A 3.3 Thử nghiệm đánh giá kết quả: 3.3.1 Điện áp đầu vào đầu cuộn dây Hình 3.4 Cuộn dây tầng boost dạng điện áp vào cuộn dây (sau chỉnh lưu) 15 16 Hình 3.5 Cuộn dây tầng buck 17 Điện áp cuộn dây 3.3.3 Điện áp điều khiển Mostfet: Hình 3.6 Xung điều khiển Mostfet 18 3.3.4 Điện áp tải: Hình3.7 Tải dạng điện áp tải Điện áp tải dịng chiều, đo chu kì T = 2ms (tần số cao) nên dạng điện áp không đường thẳng mà lượn sóng 3.3.5 Điện áp tụ: Hình 3.8 Tụ Điện áp tụ điện áp chiều có giá trị 403÷404 V 3.3.5 Điện áp dòng điện đầu vào nguồn 19 Điện áp dòng điện đầu vào nguồn chân nối đất nên có điểm chung hình đây: Hình 3.9 Dạng điện áp đầu vào nguồn TÀI LIỆU THAM KHẢO http://en.wikipedia.org/wiki/Power_factor 20 Datasheet UC3854 hãng Texas Instrument Incorporeted 21 ... tiết kiệm lượng Trong dịp thực tập tốt nghiệp em làm đề tài ? ?Tìm hiểu b? ?nguồn hiệu suất cao cho thiết bị chiếu sáng dùng LED? ?? Đề tài giúp em hiểu rõ thêm ngành điện giúp em bù đắp thêm số kiến... UC3854 11 Chương Thử nghiệm, phân tích nguồn thực tế 3.1 Nhiệm vụ: Nghiên cứu, phân tích nguồn thực tế “ Tìm hiểu nguồn hiệu suất cao cho thiết bị chiếu sáng LED? ?? sản xuất hàng loạt thực tế 3.2... điện đến thiết bị sử dụng - Hệ số cơng suất lớn cơng suất tác dụng gần công suất biểu kiến, hiệu sử dụng cao 1.3 Nguyên tắc để điều chỉnh hệ số công suất PFC: - Bộ PFC lắp đặt vị trí nguồn cấp