Nghiên cứu tính toán mạch interleaved PFC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN o0o— BÁO CÁO ĐỒ ÁN I Nghiên cứu tính tốn mạch Interleaved PFC LÊ KHƯƠNG DUY duy.lk181444@sis.hust.edu.vn Ngành KT Điều khiển & Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Duy Đỉnh Chữ ký GVHD Bộ môn: Viện: Tự động hóa cơng nghiệp Điện LỜI NĨI ĐẦU Hiện nay, nguồn điện xoay chiều ngày sử dụng rộng rãi loại thiết bị máy móc, dần thay chỗ cho thiết bị sử dụng nguồn điện chiều Nhưng nguồn điện chiều ln có chỗ đứng riêng lĩnh vực mà điện xoay chiều thay nguồn cho linh kiện điện tử, mạ điện, động chiều… Để tạo nguồn điện chiều ta dùng nhiều cách như: dùng máy phát điện chiều, sử dụng pin, ắc qui, chỉnh lưu Với mạng lưới điện xoay chiều phân bố rộng rãi cách mang lại hiệu tiện lợi sử dụng chỉnh lưu Hiện có nhiều loại hình chỉnh lưu khác hầu hết nguồn thường có hiệu suất khơng cao thường phát lại lưới sóng hài bậc cao làm ảnh hưởng tới chất lượng nguồn điện, từ làm giảm hiệu suất làm việc loại máy móc Do mục tiêu thực tập tốt nghiệp thiết kế nguồn có điều chỉnh hệ số cơng suất Việc đưa kiến thức vào thực tiễn khơng cịn q xa lạ sinh viên theo học trường đại học đặc biệt trường kỹ thuật Trong học phần đồ án này, chúng em thực đề tài: “Nghiên cứu tính tốn mạch Interleaved PFC” Toàn đồ án hướng dẫn TS Nguyễn Duy Đỉnh báo cáo chương: Chương Giới thiệu chung Chương Lựa chọn cấu trúc biến đổi cấu trúc mạch lực Chương Mơ hình hóa Chương Thiết kế điều khiển Chương Kết mô Chúng em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Duy Đỉnh (bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp) tận tình quan tâm hướng dẫn tạo điều kiện để chúng em hồn thành học phần Tóm tắt đồ án Trong đồ án này, chúng em thực mơ hình hóa thiết kế điều khiển cho mạch Interleaved PFC theo ngun lí dịng trung bình, sử dụng phương pháp PWM (Pulse Width Modulation) Sử dụng phần mềm mô tính tốn như: Matlab Simulink, PSim Kết đạt với lí thuyết Qua đồ án chúng em học cách mơ hình hóa mạch điện cách thiết kế điều khiển cho mạch PFC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Bộ biến đổi điều chỉnh hệ số công suất .4 1.2 Các biện pháp hiệu chỉnh hệ số công suất 1.2.1 Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính 1.2.2 Tác dụng hiệu chỉnh hệ số công suất PFC CHƯƠNG LỰC LỰA CHỌN CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ CẤU TRÚC MẠCH 2.1 Yêu cầu thiết kế 2.2 Lựa chọn cấu trúc mạch nguyên lí làm việc 2.3 Tính tốn phần tử mạch lực 2.3.1 Tính toán tụ điện đầu .9 2.3.2 Tính tốn tải trở 10 2.3.3 Tính tốn điện cảm .10 2.4 Lựa chọn linh kiện bán dẫn .11 2.4.1 Van đóng cắt Mosfet 11 2.4.2 Diode đầu .12 2.4.3 Cầu diode chỉnh lưu 13 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA 15 3.1 Mơ hình trung bình tín hiệu lớn 15 3.2 Mơ hình trung bình tín hiệu nhỏ .16 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 17 4.1 Phương pháp điều khiển dịng trung bình 17 4.2 Thiết kế điều khiển 17 4.2.1 Mạch vòng dòng điện 18 4.2.2 Mạch vòng điện áp .19 CHƯƠNG 5.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 21 Mô phần mềm Psim .21 KẾT LUẬN 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1: Mạch Interleaved PFC Hình 2: Mosfet IPB65R115CFD7A 11 Hình 3: Diode IDD10G65C6 13Y Hình 1: Dạng xung đóng cắt van S , S D > 0.5 15 Hình 2: Dạng xung đóng cắt van S1, S2 D ≤ 0.5 .1 Hình 1: Sơ đồ ngun lý phương pháp điều khiển dịng trung bình .17 Hình 2: Sơ đồ mạch vịng dòng điện 18 Hình 3: Đồ thị bode hệ hở 19 Hình 4: Sơ đồ khối mạch vịng điện áp 19 Hình 5: Đồ thị bode hệ hở mạch vịng điện áp 20 Y Hình 1: Sơ đồ mô mạch Interleaved PFC 22 Hình 2: Dạng dịng điện đầu vào điện áp đầu vào 22 Hình 3: Dạng điện áp đầu .23 CHƯƠNG 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Bộ biến đổi điều chỉnh hệ số công suất 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 trị 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 Dịng 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 công 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 Hệ số công suất (PF), theo định nghĩa chung nhất, tỷ số công suất tác dụng P công suất toàn phần S: P (1 ) PF= S Trong đó: P: Cơng suất tiêu thụ S: Cơng suất biểu kiến Q: Cơng suất phản kháng Đối với dịng điện điện áp sin lý tưởng hệ số có dạng đơn giản: PF=cosφ (1 ) Trong φ góc lệch pha dịng điện điện áp, điều chỉnh hệ số cơng suất điều chỉnh hay bù cosφ Trong thực tế dòng điện điện áp thường có dạng sin khơng lý tưởng Hệ số cơng suất theo cách hiểu đơn giản khơng cịn phù hợp phân tích tính toán phải xuất phát từ định nghĩa chung Để dễ tính tốn dịng điện thực tế coi tổng dòng sin lý tưởng, dòng sin thành phần gọi hài Hài có tần số thấp nhất, tần số dòng thực tế, gọi hài bản, hài khác, có tần số cao hơn, gọi hài bậc cao Khi mức độ hay tính chất sin dòng điện thực tế đánh giá tương quan tổng lượng hài bậc cao lượng hài Tương quan gọi hệ số méo dạng tổng thường viết tắt TDH, tỷ số trị hiệu dụng tất dòng bậc cao trị hiệu dụng dòng bản: ∞ (1 ) THD= √∑ n=2 I n ,rms I 1, rms Dịng điện có hệ số lớn có dạng khác nhiều so với sin lý tưởng, dòng sin lý tưởng có THD = Điện áp thực tế biểu diễn tương tự biểu diện dòng điện Trong ứng dụng thực tế điện áp dòng điện coi sin lý tưởng hệ số méo dạng tổng không lớn 3%, nhiên theo tiêu chuẩn hiệp hội kỹ thuật điện giá trị 2% Nhìn chung điện áp lưới tần số công nghiệp chuẩn, trường hợp đề cập đây, coi có dạng sin lý tưởng Khi đó, theo cách hiểu hay định nghĩa chung hệ số cơng suất cơng thức (1.1) có dạng sau: U rms I rms cos φ I rms (1 ) PF= = cos φ=K K U rms I rms p I rms φ Trong hệ số U rms , I 1rms , cos φ tương ứng trị hiệu dụng điện áp nguồn, dòng điện góc lệch pha dịng điện điện áp, hệ số K p = I rms K φ = I rms cosφ Quan hệ hệ số méo tổng THD hệ số Kp có dạng: Kp = √1+THD Cuối nhận được: PF = K p K φ = (1 ) √1+THD Kφ (1 ) Biểu thức cho thấy hệ số công suất phụ thuộc vào thành phần hài bậc cao, góc lệch pha dịng điện điện áp Như vậy, dịng điện khơng có dạng hình sin hệ số cơng suất gồm thành phần:  Thành phần thứ K φ hệ số dịch pha (displacement factor) liên quan đến lệch pha điện áp dòng điện Khi K φ nhỏ điều có nghĩa với tải trọng dòng điện lớn hơn, gây tổn thát lớn nguồn hệ thống nguồn phân tán  Thành phần thứ hai K p hệ số biến dạng (distortion factor) liên quan đến hình dạng dịng điện Khi K p nhỏ có nghĩa xuất sóng hài nhiều dịng điện, làm ảnh hưởng đến nguồn 1.2 1.2.1 Các biện pháp hiệu chỉnh hệ số công suất Điều chỉnh hệ số cơng suất tuyến tính PFC tên viết tắt Power Factor Correction Để trì hệ số công suất cao, nguồn phải sử dụng số hình thức hiệu chỉnh hệ số cơng suất Đây vấn đề quan trọng tải có hệ số cơng suất thấp thu dịng điện tải có hệ số công suất cao cho lượng điện thực truyền Có thể chia PFC thành dạng chính:  Điều chỉnh hệ số công suất thụ động – Passive PFC  Điều chỉnh hệ số cơng suất tích cực – Active PFC Hai phương pháp trình bày chi tiết a) Điều chỉnh hệ số công 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 b) Điều chỉnh hệ số công 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) Về có dạng mạch Active PFC sử dụng là: Boost, Buck Buck-Boost 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 công suất Active PFC hoạt động dải điện áp vào rộng, từ 85 VAC đến 265 VAC, đặc tính giúp cho người dùng khơng cần quan tâm tới mức điện áp đầu vào, điện áp đầu ổn định điện áp đầu vào biến động 1.2.2 Tác dụng hiệu 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 vào ln đồng pha (cosφ = 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 Giảm giá thành lượng điện phí truyền tải Giảm thiểu mát, tổn hao truyền tải.Tăng tính chất điện dung cho lưới điện Từ ưu điểm đó, đồ án em thực thiết kế nguồn AC/DC sử dụng phương pháp điều chỉnh cơng suất tích cực CHƯƠNG 2.1 Yêu cầu thiết kế        2.2 LỰA CHỌN CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ CẤU TRÚC MẠCH LỰC Giá trị điện áp đầu vào V 1=165 ÷ 235 VAC Tần số điện áp đầu vào f = 50 Hz Giá trị điện áp đầu V 2= 380 VDC Công suất đầu P = 2500 W Tần số đóng cắt f s = 100 kHz Hệ số công suất PF ≥ 0.99 Hiệu suất mạch η=96 % Lựa chọn cấu trúc mạch nguyên lí làm việc Cấu trúc mạch lực nguồn điều chỉnh hệ số công suất thường có ba phần chính:  Lọc nhiễu đầu vào EMI  Phần chỉnh lưu không điều khiển  Bộ biến đổi trung gian để thực điều chỉnh hệ số công suất Bộ biến đổi Active PFC sử dụng phù hợp đồ án biến đổi xen kẽ Interleaved PFC Do yêu cầu thiết kế đề giá trị điện áp hiệu dụng đầu vào V 1=165 ÷ 235và giá trị điện áp đầu V 2= 380 (VDC), ta lựa chọn cấu hình PFC dạng mạch Boost, với hệ số công suất cao (0.99), công suất nguồn yêu cầu 2.5 kW, thông thường với Boost PFC thơng thường vận hành lên đến kW kW, với mức công suất cơng gây khó khăn việc thiết kế thành phần mạch cuôn cảm, van bán dẫn , ta tiến hành mắc song song cấu trúc với để giảm áp lực lên thiết bị,cũng giảm tổn hao, bên cạnh việc chia cuộn cảm thành nhiều cuộn nhu gât nên vấn đề đập mạch dòng điện đâp mạch đầu vào lớn giảm hệ số công suất, nên ta tiến hành cho van đóng cắt ngược pha, dịng điện trung bình, dịng điện hiệu dụng khơng đổi, đập mạch đầu vào triệt tiêu Do lựa chọn biến đổi Interleaved đem lại hiệu trình thiết kế nguồn hiệu chỉnh hệ số cơng suất Mục đích Interleaved PFC tạo điện áp đầu chiều tạo hệ số cơng suất gần 1, hình 2.1 biểu diễn sơ đồ mạch Interleaved PFC: Hình 2.: Mạch Interleaved PFC Cấu trúc mạch gồm có nguồn xoay chiều đầu vào với điện áp V 1, hai cuộn kháng L1 , L2 Diode dẫn D1 , D2 , tụ lọc C, tải R, điện áp đầu lấy đầu tụ V 2, dòng điện qua cuộn cảm i L dòng qua tụ điện i c Do tần số đóng cắt f s=100 kHz nên khóa khóa S1 , S van bán dẫn Mosfet IGBT, đồ án này, ta chọn van bán dẫn S1, S2 Mosfet Bộ Interleaved PFC tạo điện áp đầu DC lớn điện áp đầu vào Việc điều khiển khóa chuyển mạch cách đóng mở khóa theo chu kì, kết tạo điện áp đầu DC lớn điện áp đầu vào Bộ Interleaved PFC sử dụng rộng rãi nguồn điện áp cung cấp chất lượng cao, điều khiển động cơ, trạm sạc xe điện Trong mạch Interleaved PFC, hai cuộn cảm L1và L2 có vai trị nhau, nên ta xét chế độ làm việc cuộn L1 để đơn giản hóa, mạch Interleaved PFC hoạt động theo ngun lí sau: Khi van S1 đóng(on), dịng điện qua cuộn cảm trở cực âm nguồn, làm cho dòng điện cuộn cảm tăng dần theo thời gian Khi van S1 mở (off), dòng qua diode nạp cho tụ nuôi tải, tổng tải mạch tăng, dòng qua cuộn cảm giảm dần lớn Tụ điện ngõ C đủ lớn để dao động điện áp ngõ nằm giới hạn cho phép Ở trạng thái xác lập, dòng điện qua cuộn cảm thay đổi tuần hoàn với giá trị cảu dịng điện cuối chu kì trước dịng điện đầu chu kì sau Xét trường hợp dịng điện tải có giá trị đủ lớn để coi dịng qua cuộn cảm liên tục Vì cuộn cảm khơng tiêu thụ lượng (cuộn cảm lí tưởng), hay cơng suất trung bình cuộn cảm 0, điện áp trung bình rơi cuộn cảm phải Gọi T s chu kì chuyển mạch, tỉ lệ thời gian van hoạt động chu kì chuyển mạch D (0 < D < 1), Như thời gian van hoạt động t on = D T s thời gian van không hoạt động t off = ( 1−D ) T s Giả sử điện áp rơi Diode dao động điện áp đầu khơng đáng kể Khi đó, để điện áp rơi cuộn cảm : D.V 1- (1 – D ).(V 1−V ) = (2 ) ¿>V = V1 1−D Giá trị D gọi chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) Do D thay đổi từ đến (không bao gồm giá trị 1) nên < V < V Bộ biến đổi có hai chế độ hoạt động chế độ hoạt động liên tục chế độ hoạt động gián đoạn Chế độ liên tục dịng điện qua cuộn cảm ln lớn Còn chế độ gián đoạn, dòng điện qua cuộn cảm lớn Trong đồ án xét biến đổi Interleaved PFC chế độ dịng liên tục 2.3 Tính tốn phần tử mạch lực 2.3.1 Tính tốn tụ điện đầu Trong thời gian tụ điện nguồn ni, lượng tụ điện tính bằng: (2 ) W 1= C V 22 Trong thời gian tụ ni tải, lượng tụ tính bằng: W = C V 2s (2 ) Như vậy, ta thấy độ biến thiên lượng tụ khoảng thời gian là: ∆ W =W 1−W 2= C (V 22−V 2s ) (2 ) Độ biến thiên lượng lượng mà tải tiêu thụ thời gian tụ ni, từ phương trình: ∆ W =P t hold (2 ) Giá trị điện dung tụ điện tính bằng: P t hold (2 ) C= up up 2 s V −V Chọn khoảng thời gian tụ nuôi tải t hold =20 ms, điện áp thấp tụ khoảng up thời gian V s = 350V, C = 4.56 mF Ta lựa chọn lắp tụ song song mục địch tăng điện dung giảm điện trở R ESR Chọn tụ 550C152T450DB2B Cornell Dubilier – CDE: - Có điện dung C = 1520 μF - Từ datasheet ta có R ESR = 20 mΩ tần số 100 kHz, Mắc tụ song song đó: - Điện dung tương đương: C tđ = 3C = 4560 μF - 2.3.2 Điện trở nối tiếp tương đương: R ESR ,td = Tính tốn tải trở Giá trị điện trở phía tải tính bằng: R = 6.67 mΩ ESR V  L = ∆ i2 f = 0.24 mH L S 2.4 Lựa chọn linh kiện bán dẫn 2.4.1 Van đóng cắt Mosfet Các thơng số tính tốn van: - Điện áp lớn đặt vào van V DS = V out = 380 V Với hệ số an toàn k u=1.4, chọn van có V DS > 530 V Dịng điện lớn qua van I D ,max = I L ,max =13.2 A Dòng điện hiệu dụng qua van: √ π I D ,RMS = ∫ I 2L , peak|sin (θ )| D2 dθ=5.03( A ) π - (2 ) Với phương pháp làm lạnh quạt gió, hệ số làm mát k i=0.4 , chọn van có dịng điện trung bình qua van I D > I D , RMS = 12.5 A ki Một số thông số khác quan tâm lựa chọn van để giảm tổn hao tụ điện thấp, thời gian mở đóng van nhanh để giảm tổn hao đóng cắt, điện trở nội van thấp để giảm tổn hao dẫn (đặc biệt với ứng dụng công suất cao) Từ ta lựa chọn loại van IPB65R115CFD7A hãng Infineon với thơng số: Hình : Mosfet IPB65R115CFD7A - Loại vỏ: PG-TO263-3 Kênh dẫn: N Điện áp ngược: V DS =650 V Dòng điện tối đa: I D , pulse = 82 A Dòng điện trung bình: I D = 21 A (ở 25 ℃ ) Thời gian mở: t r = ns Thời gian khóa: t f = ns Điện trở nội: R DS ,on = 0.19 Ω (ở 70 ℃ ) - Tụ điện ra: C oss = 50 pF ( U DS=380 V ) Điện trở nhiệt tiếp giáp-vỏ: Rthjc = 1.1 K/W Công thức tổn hao van tính cơng thức sau: P∑ M = Pcon+ Psw (2 ) Trong đó: Pcon – Cơng suất tổn hao dẫn Psw – Công suất tổn hao chuyển mạch Công suất tổn hao dẫn van là: Pcon=I 2D , RMS R DS ,on=4.8 W (2 ) Cơng suất tơn hao đóng cắt van là: 1 Psw = I D ,RMS V DS (t r +t f ) f s + Coss U 2DS f s =1.7 W 2 (2 ) Vậy tổng công suất tổn hao van MOSFETs là: P∑ M = 2.( Pcon + Psw ) = 13.02 W 2.4.2 Diode đầu Các thơng số tính tốn van: - Điện áp ngược mà diode phải chịu: V ng = V out = 380 V Dòng điện lớn chạy qua diode: I F ,max = I L ,max = 13.2 A Dịng điệnu trung bình chạy qua van: π I D =∫ I L, max |sin ( θ )| D ' dθ=3.4 A (2 ) Ở ứng dụng cơng suất cao, dịng điện hồi phuc ngược gây nên tổn hao đáng kể, nhiễu dòng điện spikes, gây hỏng phần tử mạch Vì lí đó, tiêu chuẩn để chọn diode chế độ dẫn liên tục thời gian hồi phục ngược nhanh dòng điện hồi phục ngược thấp Ta chọn Sic diode IDDD10G65C6 hãng Infineon với thơng số: Hình : Diode IDD10G65C6 - Điện áp ngược:V br = 650 V, Dòng thuận: I F ,max = 29 A ( 25℃ ), Điện áp thuận: V F = 0.8 A ( I F = 3.04 A) Tụ sạc: Qc = 14.7 nC Điện trở nhiệt: Rthjc = K/W Công suất tổn hao diode là: P D=2(P D + PD ) cond (2 ) sw = 2(V F I F + Qc V out f s ) = 2(2.72 +0.28) = Trong đó: P D – Tổn hao dẫn diode cond P D – Tổn hao đóng cắt diode sw 2.4.3 Cầu diode chỉnh lưu Điện áp ngực đặt lên diode tối đa: V bri = V ¿ = 374 V, Dòng điện trung bình chạy qua cầu: pk Po I avg= √2 =14.2 A π ŋ.V¿ (2 ) Cầu chỉnh lưu phải thiết kế để mang tất mức dòng lưới, điện áp định mức thấp 600 V, đồng thời chịu xung dòng tụ xạc đầu nối lưới Ta chọn cầu chỉnh lưu TS40P05G hãng Taiwan Semiconductor với thông số: - Điện áp ngược: V br =600V - Điện áp chuyển tiếp: V F=0.83V ( dịng trung bình I F =14 A ) - Điện trở nhiệt tiếp giáp-vỏ: Rthjc = 0.57 ℃ /W - Dịng điện trung bình định mức: I F =40 A Công suất tổn hao cầu chỉnh lưu là: PBR =2.V F I avg=23.57 W CHƯƠNG (2 ) MƠ HÌNH HĨA Trong thực tế, thành phần biến đổi lý tưởng Cuộn cảm thay cuộn cảm lý tưởng mắc nối tiếp với điện trở r L Điện trở r L gọi điện trở nối tiếp tương đương cuộn cảm, dùng để tổn thất lượng cuộn cảm 3.1 Mơ hình trung bình tín hiệu lớn Trong mạch Interleaved PFC, giá trị Duty circle (D) không cố định khoảng < D < Vì vây, ứng với giá trị D khác nhau, mạch hoạt động theo nguyên lí khác Ở đây, ta chia thành trường hợp:  Với D > 0.5, xung đóng cắt Mosfet S1 , S có dạng hình: Hình : Dạng xung đóng cắt van S1 , S D > 0.5 Theo hình, xét chu kì đóng cắt, ta có chế độ làm việc mạch sau: S1 on, S2 off Trong thời gian khóa S1 on, S2 off ta có phương trình định luật Kirchoff sau: V L1=V ¿ =V (3 ) i C =i L 1−i out =i L −i 2 S1 off, S2 on - Trong thời gian khóa S1 off, S2 on ta có phương trình định luật Kirchoff sau: V L1=V ¿ −V out =V 1−V (3 ) i C =i L 1−i out =i L −i S1 on, S2 on - Trong thời gian khóa S1 on, S2 on ta có phương trình định luật Kirchoff sau: V L1=V ¿ =V (3 ) i C =−i out =−i2  Với D ≤ 0.5, xung đóng cắt Mosfet S1 , S có dạng hình: Hình : Dạng xung đóng cắt van S1, S2 D ≤ 0.5 Cách triển khai tương tự với trường hợp D > 0.5, sau thực hai trường hợp ta thu mơ hình tín hiệu lớn: L d ¿ = DV + D ' ( V 1−V )=V ¿ dt C d ¿ =2 D' i L −i ¿ dt 3.2 (3 ) Mơ hình trung bình tín hiệu nhỏ Ở trạng thái xác lập biến đổi hoạt động với chu kỳ nhiệm vụ D với giá trị tương ứng V 1, V 2, … cho chu kỳ nhiệm vụ thay đổi giá trị giá trị V 1, V 2… v1 , ^ v2 … thay đổi giá trị nhỏ, ^ D = + d^ V = ¿ V >¿ + ^ v1 (3 ) V = ¿ V >¿ + ^ v2 i L =¿ i L >+ i^L Trong giá trị in hoa mơ tả giá trị trung bình (tín hiệu lớn) biểu tượng (^) mơ tả giá trị biến động (tín hiệu nhỏ) Thay, rút gọn thành phần trung bình bỏ qua thành phần nhỏ, ta mơ hình tủng bình tín hiệu nhỏ: L d i^L = v^1−¿ ¿ V > d^ dt C d v^2 v^2 ' ^ =2< D > i^L −¿ i L > d− dt R (3 ) CHƯƠNG 4.1 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN Phương pháp điều khiển dịng trung bình  Ngun lý hoạt động: Phương pháp điều khiển dịng trung bình có dạng dịng điện đầu vào I L đo tiến hành lọc thơng qua bù dịng điện Bộ bù có tác dụng làm giảm sai lệch dòng điện vào I ref Đầu bù dòng điện đưa vào module điều khiển PWM thực điều khiển van đóng cắt Phương pháp dịng trung bình thực chế độ dịng liên tục nên thay để đạt yêu cầu cao Hình : Sơ đồ ngun lý phương pháp điều khiển dịng trung bình  - Ưu điểm: Tần số đóng cắt khơng đổi Khơng cần bù dốc Do mạch có vịng điều chỉnh dịng điện nên ảnh hưởng nhiễu dẫn đến yêu cầu mạch lọc EMI bé - Có dạng dòng điện đầu vào tốt phương pháp dịng đỉnh phương pháp dịng trung bình hoạt động ổn định hơn, đập mạch dòng điện bé  Nhược điểm: - Cần đo dòng điện qua cuộn dây - Yêu cầu thiết kế bù dòng điện, cấu trúc mạch phức tạp Nhận thấy phương pháp dịng điện trung bình có nhiều ưu điểm điều khiển cho mạch Interleaved PFC đạt dạng dòng điện đầu vào biến dạng, hạn chế nhiễu độ đập mạch dịng điện mạch Tuy có hạn chế song khắc phục điều khiển tốt Chính ta lựa chọn thiết kế điều chỉnh công suất sử dụng mạch Interleaved PFC theo phương pháp điều khiển dịng trung bình 4.2 Thiết kế điều khiển Việc điều khiển thực gồm nội dung sau: - Thơng qua sai lệch tín hiệu đầu chuẩn V ref điện áp đầu phản hồi thực tính tốn đưa tín hiệu điều khiển điện áp Vc với mục tiêu điều khiển điện áp đầu điện áp V ref Trong đồ án yêu cầu mạch vòng điều khiển điện áp đưa tín hiệu điều khiển điện áp Vc để điều khiển điện áp đầu 380V, địng thời tạo tín hiệu đặt i ref cho mạch vòng dòng điện - Thực mạch vịng điều khiển dịng điện, có chức điều khiển dòng i L bám theo dòng điện chuẩn i ref có dạng quỹ đạo bám theo quỹ đạo điện áp đầu vào nhằm mục đích đạt hệ số cosφ 4.2.1 Mạch vịng dịng điện Hình : Sơ đồ mạch vịng dịng điện Tại tần số cao, ta coi biến động điện áp đầu vào không đáng kể Từ công thức, biến đổi Laplace vế ta hàm truyền mạch vòng dòng điện: i^ (4 ) G = L =¿ V > ¿ ¿ id d^ r L + sL Lựa chọn điều khiển cho mạch vòng điều chỉnh dòng điện, để hệ hở có độ dự trữ pha θ PM =60° , tần số cắt mạch vòng dòng điện f c = 10(kHz) Ta sử dụng bù loại giúp loại bỏ nhiễu tốt tần số cao Ta có mơ hình hàm truyền bù loại II: s (4 ) 1+ Gc = k S wz s 1+ wp Các phương trình đểt tinh toán tham số cho bù: sinθ 1+ cos θ 1+cos θ w p=−wc sinθ w z =−w c k= ωz |Gid|ωc (4 ) Để thỏa mãn tiêu chí thiết kế, bù loại cần thỏa mãn điều kiện sau: |Gid∨.|G c|=1(tại w c ) (4 ) θ = −180−φid +θ PM Thay thơng số vào tính tốn, từ tính giá trị phần tử bù cho mạch vòng dòng điện : w z =17059 rad /s , w p=231420 rad / s , k=676.98rad /s Ta thu đồ thị bode hệ hở bao gồm bù G id: Hình : Đồ thị bode hệ hở 4.2.2 Mạch vịng điện áp Hình : Sơ đồ khối mạch vịng điện áp Từ cơng thức (3.6), biến đổi Laplace vế ta hàm truyền mạch vòng điện áp: G vi = 2D'R sRc +1 (4 ) Lựa chọn điều khiển cho mạch vòng điều chỉnh điện áp, để hệ hở có độ dự trữ pha θ PM =60° , tần số cắt mạch vòng dòng điện f c = 10 Hz Ta sử dụng bù loại Tính tốn tương tự mạch vòng dòng điện, ta w z =21.13 rad /s , w p=186.86 rad /s , k =2.51rad /s Ta thu đồ thị bode hàm truyền hệ hở mạch vịng điện áp: Hình : Đồ thị bode hệ hở mạch vòng điện áp CHƯƠNG 5.1 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Mơ phần mềm Psim Sau tính tốn mạch lực thiết kế điều khiển, ta tiến hành mô Thực mơ phần mềm PSIM 9.1 có sơ đồ hình 5.1 Với thơng số mơ phỏng: - V = 165 VAC - f S = 100 kHz - R = 58 Ω - L1=L2=0.24 mH - C=4.6 mC - Các thông số bù tính tốn chương Dạng điện áp dịng điện đầu vào thể hình 5.2, dạng điện áp dòng điện đầu thể hình 5.3 - Dựa vào hình 5.2, hình 5.3 ta có nhận xét: Độ đập mạch dịng điện đạt yêu cầu thiết kế đề ban đầu - Hệ số công suất PF = 0.999 đạt yêu cầu đề - Điện áp đầu đạt 380V, độ đập mạch điện áp thấp (1%) - Công suất đầu đạt 2500W yêu cầu đưa tính tốn - Độ méo sóng hài dòng điện đầu vào THD ≈ 3.51 % - Các thơng số mơ sấp sĩ với tính tốn Hình : Sơ đồ mơ mạch Interleaved PFC Hình : Dạng dịng điện đầu vào điện áp đầu vào Hình : Dạng điện áp đầu KẾT LUẬN Sau trình học tập nghiên cứu, em thu kết định Những kết luận sau đánh giá tổng hợp cho tồn q trình học tập nghiên cứu em: - Nghiên cứu cách hoạt động mạch PFC thông thường, vấn đề khác liên qua đến mạch điều khiển - Nghiên cứu cấu hình biến đổi Interleaved PFC điều chỉnh hệ số cơng suất tích cực, - Tính đắn việc mơ hình hóa thiết kế điều khiển kiểm chứng mô Về mặt lí thuyết: - Mơ hình hóa thiết kế điều khiển chọn phương án điều khiển tối ưu - Tính tốn tổn hao chọn linh kiện bán dẫn - Những vấn đề quan trọng xung quanh chuyển đổi công xuất mạch từ, mạch lọc, van bán dẫn, điều khiển Về mặt thực nghiệm: - Ở mức độ đồ án 1, nhiều điều kiện khách quan khơng cho phép, nhóm chúng em chưa làm sản phẩm thực tế Công việc tiếp theo: - Tiến hành thiết kế cuộn cảm (couple inductors), thực nghiệm kiểm tra, - Nghiên cứu thiết kế mạch drive cho Mosfets, - Tìm hiểu, thiết kế mạch bảo vệ van (snubber), - Tìm hiểu thiết kế bù opamp, - Tìm hiểu khởi động mềm cho mạch PFC, - Thực nghiệm Chúng em trau dồi thêm kinh nghiệm thiết kế mạch tiếp cận với phần mềm mô PSim Matlab Chúng em nắm mạch hiệu chỉnh hệ số cơng suất Interleaved PFC Trong suốt q trình làm việc thiếu ý kiến hướng dẫn TS Nguyễn Duy Đỉnh Chúng em xin cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình thầy suốt trình làm đồ án Trong suốt trình thực cố gắng kiến thức rộng lớn Chúng em cịn nhiều thiếu sót mong đóng góp, góp ý từ phía thầy để em hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2021 Sinh viên thực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương, “Thiết kế điều khiển cho biến đổi điện tử công suất”, 2014 [2] Musavi, F., Gautam, D S., Eberle, W., & Dunford, W G (2013). A simplified power loss calculation method for PFC boost topologies 2013 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC). doi:10.1109/itec.2013.6573469 [3] Toshiba eclectronic Application note, Power factor correction (PFC) circuits, 2019 [4] Sam Abdel-Rahman, Franz Stückler, Ken Siu, Infineon Application note, PFC boost converter design guide, 2016 ... đổi Interleaved đem lại hiệu trình thiết kế nguồn hiệu chỉnh hệ số cơng suất Mục đích Interleaved PFC tạo điện áp đầu chiều tạo hệ số cơng suất gần 1, hình 2.1 biểu diễn sơ đồ mạch Interleaved PFC: ... Active PFC sử dụng phù hợp đồ án biến đổi xen kẽ Interleaved PFC Do yêu cầu thiết kế đề giá trị điện áp hiệu dụng đầu vào V 1=165 ÷ 235và giá trị điện áp đầu V 2= 380 (VDC), ta lựa chọn cấu hình PFC. .. Mosfet Bộ Interleaved PFC tạo điện áp đầu DC lớn điện áp đầu vào Việc điều khiển khóa chuyển mạch cách đóng mở khóa theo chu kì, kết tạo điện áp đầu DC lớn điện áp đầu vào Bộ Interleaved PFC sử