Nghiên cứu về hiệu chỉnh hệ số công suất cho các thiết bị điện tử

Nghiên cứu về hiệu chỉnh hệ số công suất cho các thiết bị điện tử Nghiên cứu về hiệu chỉnh hệ số công suất cho các thiết bị điện tử Nghiên cứu về hiệu chỉnh hệ số công suất cho các thiết bị điện tử luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Đức Thắng NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU CHỈNH HỆ SỐ CÔNG SUẤT CHO CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điện NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS.Trần Văn Thịnh Hà Nội – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan viết luận văn tìm hiểu nghiên cứu thân Mọi kết nghiên cứu ý tưởng tác giả khác, có trích dẫn từ nguồn gốc cụ thể Luận văn chưa bảo vệ Hội đồng bảo vệ luận văn Thạc sĩ chưa công bố phương tiện thơng tin Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm mà tơi cam đoan Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2017 Tác giả luận văn Nguyễn Đức Thắng LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tập thể Thầy, Cô giáo giảng dạy, truyền đạt tri thức, giúp học tập nghiên cứu trình học cao học Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, phòng quản lý Khoa học – Đào tạo sau đại học Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập làm luận văn cao học trường Đặc biệt, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn TS.Trần Văn Thịnh dành nhiều thời gian công sức hướng dẫn thực hoàn thành luận văn Mặc dù thân có cố gắng, xong với kiến thức cịn hạn chế thời gian có hạn, luận văn chắn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận bảo thầy, cơ, góp ý bạn bè đồng nghiệp nhằm bổ sung hoàn thiện luận văn Xin trân trọng cảm ơn! MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙ HỆ SỐ CÔNG SUẤT (COSφ) CỦA CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ 10 1.1 Giới thiệu nguồn cấp cho thiết bị điện tử 10 1.1.1 Nguồn tuyến tính 11 1.1.2 Nguồn switching 12 1.2 Giới thiệu hiệu chỉnh hệ số công suất 22 1.2.1 Công suất xoay chiều 22 1.2.2 Điều chỉnh hệ số công suất – PFC (Power Factor Correction) 24 CHƯƠNG 2: MẠCH HIỆU CHỈNH HỆ SỐ CÔNG SUẤT – PFC 32 2.1 Nguyên lý hoạt động PFC 32 2.2 Các chế độ hoạt động mạch active PFC 34 2.2.1 Chế độ biên liên tục BCM (Boundary Conduction Mode) 34 2.2.2 Chế độ liên tục CCM (Continuous Conduction Mode) 40 2.2.3 Chế độ dẫn gián đoạn DCM (Discontinuous Conduction Mode) 43 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MẠCH 47 3.1 Mô mạch BCM 47 3.1.1 Giới thiệu mạch mô 47 3.1.2 Dạng sóng 49 3.2 Mô mạch CCM 50 3.2.1 Giới thiệu mạch mô 51 3.2.2 Dạng sóng 52 3.3 Mô mạch DCM 54 3.3.1 Giới thiệu mạch mô 54 3.3.2 Dạng sóng 56 CHƯƠNG 4: CÁC BƯỚC THIẾT KẾ MẠCH PFC 58 4.1 Quy trình thiết kế hệ thống BCM PFC sử dụng NCP1607 58 4.1.1 NCP1607 – điều khiển chế độ điện áp BCM 58 4.1.2 Các bước thiết kế hệ thống BCM sử dụng NCP1607 60 4.1.3 Sơ đồ mạch thông số kỹ thuật phần tử mạch 70 4.2 Quy trình thiết kế hệ thống DCM PFC sử dụng NCP1605 71 4.2.1 NCP1605 – Bộ điều khiển DCM tích hợp tính nâng cao 71 4.2.2 Các bước thiết kế hệ thống DCM sử dụng NCP1605 75 4.2.3 Sơ đồ mạch thông số kỹ thuật phần tử mạch 84 4.3 Quy trình thiết kế hệ thống CCM PFC sử dụng NCP1654 85 4.3.1 NCP1654 – Bộ điều khiển CCM đơn giản 85 4.3.2 Các bước thiết kế hệ thống CCM sử dụng NCP1654 88 4.3.3 Sơ đồ mạch thông số kỹ thuật phần tử mạch 97 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AC – Alternating Current (Dòng điện xoay chiều) DC – Direct Current (Dòng điện chiều) EMI – Electromagnetic Interference (Nhiễu điện từ tần số cao) IC – Integrated Circuit (Vi mạch) PSU – Power Supply Unit (Bộ nguồn máy tính) PF – Power Factor (Hệ số công suất) PFC – Power Factor Correction (Hiệu chỉnh hệ số công suất) BCM – Boundary Conduction Mode (Chế độ biên liên tục) DCM – Discontinuous Conduction Mode (Chế độ dẫn gián đoạn) CCM – Continuous Conduction Mode (Chế độ liên tục) PWM – Pulse Width Modulation (Phương pháp điều chế độ rộng xung) OVP – Over Voltage Protection (Bảo vệ áp) UVP – Under Voltage Protection (Bảo vệ thấp áp) PID – Proportional Integral Derivative (Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ) ZCD – Zero Crossing Detector (Phát dòng điện) DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Chức chân NCP1607 59 Bảng 4.2 Lựa chọn lõi cuộn dây 62 Bảng 4.3 Thông số kỹ thuật phần tử mạch BCM PFC sử dụng NCP1607 70 Bảng 4.4 Chức chân NCP1605 73 Bảng 4.5 Thông số kỹ thuật phần tử mạch DCM PFC sử dụng NCP1605 84 Bảng 4.6 Chức chân NCP1654 86 Bảng 4.7 Thông số kỹ thuật phần tử mạch CCM PFC sử dụng NCP1654 97 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ khối nguồn cấp cho mạch điện tử 11 Hình 1.2 Sơ đồ khối mạch ổn áp nối tiếp 11 Hình 1.3 Chỉnh lưu cầu có tụ lọc 12 Hình 1.4 Sơ đồ khối mạch nguồn dòng cho thiết bị điện tử 12 Hình 1.5 Cách mắc Varistor vào mạch 13 Hình 1.6 Đặc tính Varistor 14 Hình 1.7 Sơ đồ tổng quát mạch lọc nhiễu 15 Hình 1.8 Mạch chỉnh lưu cầu 15 Hình 1.9 Các sơ đồ lọc nguồn 16 Hình 1.10 Mạch hiệu chỉnh hệ số cơng suất tích cực 17 Hình 1.11 Mạch Buck 18 Hình 1.12 Mạch Boost 19 Hình 1.13 Mạch Flyback 20 Hình 1.14 Dạng sóng điện áp DS Mosfet 21 Hình 1.15 Mạch Snubber gồm tụ, điôt, điện trở làm giảm gai xung Vsn 21 Hình 1.16 Hình dạng điện áp, dịng điện, cơng suất tức thời mạch điện AC 23 Hình 1.17 Đồ thị vectơ công suất 24 Hình 1.18 Mạch chỉnh lưu có tụ lọc 26 Hình 1.19 Hiệu chỉnh hệ số cơng suất thụ động mạch LC 27 Hình 1.20 Một dạng mạch lọc thụ động khác 28 Hình 1.21 Mạch lọc Valley – fill 29 Hình 1.22 Các dạng mạch PFC 30 Hình 1.23 Mạch biến đổi Boost sau chỉnh lưu điển hình 31 Hình 2.1 Hoạt động biến đổi tăng áp 32 Hình 2.2 Mạch biến đổi Boost sau chỉnh lưu điển hình 33 Hình 2.3 Sơ lược biến đổi chế độ BCM 34 Hình 2.4 Dạng sóng BCM 35 Hình 2.5 Trạng thái hoạt động chế độ biên liên tục PFC 36 Hình 2.6 Dạng dịng điện PFC chế độ biên liên tục 37 Hình 2.7 Thay đổi tần số điện áp thay đổi 38 Hình 2.8 Hình dạng dòng điện PFC chế độ CCM 41 Hình 2.9 Điều khiển theo dịng điện trung bình 41 Hình 2.10 Điều khiển PFC theo hình dạng dịng điện đầu vào 42 Hình 2.11 Các trạng thái hoạt động chế độ dẫn gián đoạn PFC 45 Hình 2.12 Thuật toán DCM PFC để điều chỉnh thời gian 45 Hình 3.1 Mạch mô chế độ BCM 47 Hình 3.2 Dạng sóng điện áp dịng điện chế độ BCM 49 Hình 3.3 Chi tiết dạng sóng dịng điện chế độ BCM 49 Hình 3.4 Dạng sóng điện áp – dịng điện hệ số công suất chế độ BCM 50 Hình 3.5 Mạch mơ chế độ CCM 50 Hình 3.6 Dạng sóng điện áp dòng điện chế độ CCM 52 Hình 3.7 Chi tiết dạng sóng dịng điện chế độ CCM 53 Hình 3.8 Dạng sóng điện áp – dịng điện hệ số công suất chế độ CCM 53 Hình 3.9 Mạch mơ chế độ DCM 54 Hình 3.10 Dạng sóng điện áp dòng điện chế độ DCM 56 Hình 3.11 Chi tiết dạng sóng dịng điện chế độ DCM 56 Hình 3.12 Dạng sóng điện áp – dịng điện hệ số cơng suất chế độ DCM 57 Hình 4.1 Chuyển đổi từ Bộ điều khiển chế độ dòng sang NCP1607 60 Hình 4.2 Sơ đồ NCP1607 dựa Bộ Chuyển Đổi PFC 70 Hình 4.3 Sơ đồ khối NCP1605 72 Hình 4.4 Sơ đồ mạch điện NCP1605 dựa chuyển đổi PFC 84 Hình 4.5 Sơ đồ khối NCP1564 88 Hình 4.6 Thay đổi điện cảm L theo gợn dịng điện chế độ CCM 90 Hình 4.7 Sơ đồ mạch CCM PFC dựa NCP1654 97 LỜI MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm gần đây, ngành điện tử ngày chiếm vai trò quan trọng phát triển quốc gia Thiết bị điện tử công suất dùng phổ biến nhiều lĩnh vực: giao thông vận tải, công nghiệp, luyện kim, chiếu sáng, gia dụng Hiện thiết bị điện tử có cơng suất ngày lớn, hiệu suất hệ số công suất thiết bị có ảnh hưởng lớn đến lưới điện Các nhà chế tạo việc nghiên cứu phát triển loại thiết bị điện tử hiệu suất hệ số công suất cos quan tâm lớn họ Vì vậy, việc nâng cao cos quan trọng thiết kế thiết bị điện tử, có ý nghĩa lớn mặt kinh tế Là kỹ sư chuyên ngành thiết bị điện – điện tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội, thấy việc tìm hiểu thiết bị điện tử tìm cách nâng cao hiệu suất làm việc, nâng cao hệ số công suất cos thiết bị điện tử cần thiết Đó lý tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu hiệu chỉnh hệ số công suất cho thiết bị điện tử“ qua hiểu lý thuyết nghiên cứu, ứng dụng vào tính tốn thiết kế biến đổi nói riêng thiết bị điện- điện tử nói chung Mục đích nghiên cứu luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Mục đích: ứng dụng lý thuyết điện tử công suất để thiết kế điều chỉnh hệ số công suất – PFC (Power factor correction) theo tính chất tải Đối tượng nghiên cứu chính: mạch điều khiển PFC hoạt động chế độ: chế độ gián đoạn (DCM – Discontinuous conduction mode), chế độ biên liên tục (BCM – Boundary conduction mode) chế độ liên tục (CCM – Continuous conduction mode) Kết nghiên cứu dừng lại mức độ mô nguyên lý hoạt động mạch phần mềm mơ (PSIM), phân tích đánh giá đặc tính điều khiển ứng với chế độ hoạt động khác so sánh kết điều chỉnh mạch loại phụ tải khác Các luận điểm đóng góp mới: Nghiên cứu tổng quan Bù hệ số công suất (cosφ) thiết bị điện tử Trong sâu nghiên cứu mạch điều khiển PFC hoạt động chế độ: BCM, CCM DCM Luận văn trình bày, đưa giải pháp kỹ thuật để khắc phục nâng cao hệ số công suất mạch điện tử cách sử dụng chế độ điều khiển: BCM, CCM DCM Luận văn nghiên cứu, ứng dụng phần mềm Psim để áp dụng mô chế độ hoạt động mạch điều khiển PFC đưa thơng số kỹ thuật, dạng sóng cho chế độ Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết: tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu sách kỹ thuật mạng internet vấn đề có liên quan tới đề tài Phương pháp mô phỏng: ứng dụng phần mềm Psim mô nhằm củng cố lý thuyết, tính xác, đắn đề tài Cấu trúc luận văn hoàn thành bao gồm: Chương 1: Tổng quan bù hệ số công suất (cosφ) thiết bị điện tử Chương 2: Mạch hiệu chỉnh hệ số công suất – PFC Chương 3: Mô mạch Chương 4: Các bước thiết kế mạch PFC  Chế độ điều khiển CCM dịng trung bình Phản ứng nhanh chóng thống qua  Các thành phần bên ngồi  Dịng khởi động thấp thấp (