2.3.1 Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính
Điều chỉnh PFC truyến tính áp dụng cho các thiết bị tiêu thụ trực tiếp điện áp lưới. Việc điều chỉnh có thể đạt được bằng việc thêm vào hay bớt ra các cuộn dây hay tụ điện cho thiết bị. Như động cơ mang tính cảm kháng có thể điều chỉnh PFC bằng việc đấu thêm một tụ song song cuộn dây vận hành nhằm giúp triệt tiêu công suất phản kháng, làm giảm công suất biễu kiến và tăng hệ số PF. Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất không những được áp dụng trong ngành công nghiệp điện mà nó còn có thể sử dụng với người dùng cá nhân khi muốn làm giảm tổn hao trên đường truyền và ổn định điện áp cho tải.
Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất thực chất là một thiết bị cung cấp một công suất phản kháng tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng được tạo ra của thiết bị. Thêm tụ điện hay cuộn dây vào quá trình để huỷ bỏ đi hiệu ứng cảm ứng hay điện dung tương ứng được tạo ra. Động cơ có tính cảm ứng có thể được bù bằng các tụ lọc, lò hồ quang điện có tính điện dung có thể bù bằng các
cuộn dây.
Khi thêm vào hay lấy ra các thiết bị bù công suất phản kháng có thể tạo ra sự biến động điện áp hay tạo ra các méo hài, trong trường hợp xấu nhất các thành phần bù công suất phản kháng có thể tạo ra hiện tượng cộng hưởng với hệ thống được bù, làm cho điện áp tăng cao và gây mất ổn định cho hệ thống. Do vậy việc điều chỉnh hệ số PFC không thể đơn giản là việc thêm hay bớt các thành phần, mà nó cần được tính toán kỹ phù hợp với từng mức công suất tải trên thiết bị.
Để tránh trường hợp trên, ứng dụng việc bù hệ số công suất PFC bằng các thiết bị bù tự động. Thiết bị này bao gồm nhiều tụ điện được đóng hay ngắt ra khỏi thiết bị được bù công suất phản kháng bằng các công tắt. Các công tắt này lại được điều khiển bằng một thiết bị điều khiển trung tâm có khả năng đo hệ số công suất bằng việc đo dòng tải và điện áp của thiết bị qua các cảm biến dòng được gắn trên đường truyền dẫn điện năng, trước khi vào thiết bị. Tuỳ thuộc vào tải và hệ số công suất của thiết bị, bộ điều khiển sẽ đấu nối tuần tự các tụ bù vào mạch sao cho giá trị hệ số công suất luôn ở trên giá trị được chọn.
Một cách khác để điều chỉnh hệ số công suất là dùng động cơ đồng bộ, động cơ đồng bộ cung cấp một công suất phản kháng có chiều nghịch với chiều công suất phản kháng của thiết bị, tính chất tiêu thụ công suất phản kháng của động cơ đồng bộ được xem là một tính chất đặt biệt của loại động cơ này, nó được xem tương đương như một tụ đồng bộ. Ngoài ra trong ngành công nghiệp điện còn có nhiều phương pháp để điều chỉnh hệ số công suất khác như bằng các thiết bị điện tử sử dụng Thyristor chẳng hạn.
2.3.2 Điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến tính
Tải phi tuyến thường là dạng tải chỉnh lưu, không sử dụng trực tiếp từ điện xoay chiều mà nắn lại thành dạng điện một chiều-chỉnh lưu như các bộ nguồn máy tính (PSU), adaptor,…hay các thiết bị sử dụng năng lượng gián đoạn-liên tục như máy hàn, bóng đèn huỳnh quanh,..,các thiết bị này trong quá trình tiêu thụ năng lượng còn tạo ra các dạng sóng hài có tần số là bội số của tần số điện lưới, chèn vào tần số điện lưới. Các thành phần linh kiện tuyến tính như cuộn dây và tụ điện
không thể loại bỏ được các dải tần số mới được tạo ra này, vì vậy nó phải dùng các bộ lọc hay bộ điều chỉnh hệ số công suất có thể làm phẳng dòng điện ra trên mỗi chu kỳ nhằm giảm dòng hài.
Trong các loại tải phi tuyến tính đó thì PSU được sử dụng nhiều nhất, với thiết kế chuyển đổi năng lượng theo kiểu đóng/cắt (switching). Trước đây các bộ nguồn này chỉ đơn giản được thiết kế với một cầu nắn điện chỉnh lưu toàn sóng nạp một mức điện áp dưới mức chịu đựng được của tụ điện. Điều này sẽ tạo ra một dòng điện nạp ban đầu rất cao, hệ số công suất rất thấp, đồng thời tạo ra các sóng hài không có lợi.
* Điều chỉnh hệ số công suất thụ động – Passive PFC
Phương pháp Passive PFC đơn giản chỉ là sử dụng một bộ lọc, bộ lọc này chỉ cho qua dòng điện có tần số bằng với tần số điện lưới (50Hz hoặc 60Hz) và chặn không cho các tần số sóng hài đi qua. Lúc này tải phi tuyến tính có thể xem như một tải tuyến tính, hệ số công suất đã được nâng cao hơn.
Tuy nhiên yêu cầu cần phải có cuộn cảm có giá trị cảm kháng lớn đã làm cho bộ lọc cồng kềnh và có giá thành cao, nhưng thực tế với mạch Passive PFC có cuộn dây tuy lớn hơn cuộn dây của mạch điều chỉnh hệ số công suất tích cực Active PFC nhưng giá thành chung lại rẻ hơn. Đây là một phương pháp đơn giản và rẻ tiền để điều chỉnh hệ số công suất và làm giảm sóng hài tuy nhiên nó lại không hiệu quả bằng phương pháp điều chỉnh hệ số công suất tích cực Active PFC.
* Điều chỉnh hệ số công suất tích cực – Active PFC
Là một hệ thống điện tử công suất có chức năng kiểm soát năng lượng cung cấp cho tải, điều chỉnh hệ số công suất ở mức tốt nhất trên mọi mức tải. Trong thiết kế thực tế, mạch Active PFC điều khiển dòng nạp cho tải sao cho dạng sóng của dòng vào cùng pha với dạng sóng ở đầu vào (ở đây là sóng sin). Về cơ bản có 3 dạng mạch Active PFC được sử dụng, là; Boost, Buck và Buck-Boost.
Trong bộ nguồn của máy tính hay thiết bị điện tử, viễn thông…, dạng mạch được sử dụng thông dụng nhất là Boost. Một mạch chuyển đổi được chèn vào giữa cầu nắn điện và tụ lọc chính. Nó tạo một điện áp DC ổn định ở đầu ra và duy trì dòng điện vào luôn đồng pha với tần số của điện áp vào. Phương pháp này đòi hỏi phải thêm một số linh kiện chuyển mạch bán dẫn công suất và mạch điều khiển nhưng bù lại nó có kích thước nhỏ hơn mạch Passive PFC.
Dạng mạch điều chỉnh hệ số công suất Active PFC có thể hoạt động trên một dải điện áp vào rất rộng, từ 90VAC đến 264VAC, đặc tính này rất được người dùng chào đón, nó giúp cho họ không cần quan tâm tới mức điện áp phù hợp với bộ nguồn tại khu vực mình đang ở, ngoài ra nó còn giúp bộ nguồn hoạt động được ở những khu vực có điện áp AC không ổn định.
Từ những phương pháp điều chỉnh hệ số công suất nêu trên ta thấy phương pháp Active PFC có ứng dụng nhiều nhất trong các bộ nguồn PSU hay các bộ
nguồn của các thiết bị điện tử, viễn thông… Và phương pháp này có dải hoạt động rất rộng, từ 90 VAC đến 264 VAC và nó còn giúp bộ nguồn hoạt động ở những khu vực có điện áp không ổn định.
2.4 Chỉnh lưu tích cực
2.4.1 Chỉnh lưu có dòng đầu vào hình sin, hệ số công suất điều chỉnh được
Chỉnh lưu là các bộ biến đổi bán dẫn công suất, dùng để biến đổi nguồn điện áp xoay chiều thành nguồn điện áp một chiều, cung cấp cho các phụ tải một chiều. Các sơ đồ chỉnh lưu truyền thống sử dụng các van không điều khiển như điôt hoặc điều khiển không hoàn toàn như tiristo, có nhược điểm là dòng đầu vào không có dạng sin và hệ số công suất thấp, ảnh hưởng đến các phụ tải khác trong lưới điện và làm tăng tổn thất trên lưới nói chung. Ngày nay, cùng với sự xuất hiện các phần tử bán dẫn điều khiển hoàn toàn như IGBT, GTO, với khả năng đóng cắt dòng điện lớn, chịu được điện áp cao, thì việc xây dựng các bộ chỉnh lưu với dòng đầu vào hình sin, hệ số công suất điều chỉnh được đến bằng một, đã hoàn toàn có thể thực hiện được. Đây gọi là các bộ chỉnh lưu tích cực – CLTC. CLTC không hoàn toàn thay thế các chỉnh lưu thông thường nhưng được áp dụng rộng rãi trong các mạch lọc tích cực, các hệ thống truyền tải điện xoay chiều thông minh (Flexible Alternative Current Transmission – FACT), trong các loại bộ nguồn chất lượng cao. Hơn nữa, CLTC còn có khả năng trao đổi công suất giữa tải với lưới theo cả hai chiều nên CLTC cũng là phần đầu vào một chiều cho các biến tần bốn góc phần tư, gọi là biến tần 4Q. Các CLTC đều áp dụng phương pháp biến điều bề rộng xung để điều chỉnh điện áp phía một chiều nên còn gọi là các chỉnh lưu PWM (Pulse Width Modulation – PWM).
Có hai loại CLTC là:
- Chỉnh lưu có điện áp ra cao hơn biên độ điện áp xoay chiều đầu vào:
PWM Boost Rectifier – BoostRec.
- Chỉnh lưu có điện áp ra nhỏ hơn biên độ điện áp xoay chiều đầu vào:
PWM Buck Rectifier – BuckRec.
áp xoay chiều đầu vào sử dụng sơ đồ BoostRec một pha.
2.4.2. Chỉnh lưu có điện áp ra cao hơn biên độ điện áp xoay chiều đầu vào sử dụng sơ đồ BoostRec một pha
Sơ đồ chỉnh lưu tích cực có điện áp ra cao hơn biên độ điện áp xoay chiều đầu vào cho trên hình 2.2. Trên sơ đồ phần bán dẫn là sơ đồ cầu một pha, gồm các van V1, V2, V3, V4, là các IGBT song song với các điôt ngược.
Giữa đầu vào xoay chiều với điện áp u1 có điện cảm L. Ký hiệu điện áp ngay đầu vào chỉnh lưu là ui. Phía một chiều có tụ C có giá trị đủ lớn để san bằng điện áp uDC. Để tránh nhầm lẫn với các thành phần dòng điện, điện áp trên hệ trục toạ độ 0dq ta ký hiệu các giá trị tức thời phía một chiều qua uDC, iDC.
Hình 2.2. Sơ đồ BoostRec một pha.
Khi các IGBT V1, .., V4 không được điều khiển mở các điôt ngược tạo nên một cầu chỉnh lưu thông thường. Giả thiết rằng tụ một chiều C có giá trị đủ lớn nên điện áp một chiều uDC thay đổi chậm, có thể coi rằng uDC = Ud = const. Với chiều dòng điện xoay chiều i1 và dòng một chiều id như trên hình vẽ ta thấy rằng khi mở V1, V4 dòng i1 sẽ có xu hướng giảm, khi mở V2, V3 dòng có xu hướng tăng. Điều này đúng đối với cả hai chiều cực tính của điện áp xoay chiều đầu vào u1.
) sin sin( 1 1 1 m m U t U u (2.1) Trong đó: 1 1 2U
Um : giá trị biên độ, U1 là giá trị hiệu dụng:
= t: góc pha, = 2f là tần số góc, f: tần số điện áp xoay chiều.
Khi mở V1, V4 ta có phương trình cân bằng điện áp trong mạch điện tương đương là: d U u dt di L 1 1 (2.2) Khi mở V2, V3: d U u dt di L 1 1 (2.3)
Phương pháp điều chế được thực hiện để tạo nên dòng i1 có dạng mong muốn hình sin i1,ref. Muốn vậy, trong thời gian điều chế sau khoảng thời gian t1 dòng có độ tăng thì tiếp theo phải là một khoảng thời gian t2 dòng có độ giảm , sao cho , như được minh hóa trên hình 2.3. Từ (2.2), (2.3) suy ra điều nayfchir có thể thỏa mãn nếu Ud ≥ u1 tại mọi thời điểm, nghĩa là điện áp phía một chiều phải cao hơn cả giá trị biên độ của điện áp xoay chiều.
Nếu nhìn ngược từ phía một chiều ra phía xoay chiều có thể nhận thấy rằng điện áp xoay chiều ngay đầu vào chỉnh lưu ui có thể coi như điện áp đầu ra của một nghịch lưu độc lập. Yêu cầu đối với điện áp ui là có tần số sóng hài cơ bản bằng tần số của điện áp lưới. Đây là điều kiện để dòng đầu vào i1 có dạng sin. Thông thường hệ thống điều khiển sẽ đảm bảo dòng đầu vào trùng pha so với điện áp. Từ đó, nếu chỉ xét đến thành phần sóng hài bậc nhất có thể xây dựng được biểu đồ vectơ như trên hình 2.4.
Hình 2.3. Hình dạng dòng xoay chiều đầu vào qua phép điều chế.
Để tiện cho việc đánh máy ta ký hiệu các vectơ bởi các chữ thường, đậm, không nghiêng. Các chữ hoa, in nghiêng, tương ứng với các chỉ số vectơ, dùng để chỉ độ dài vectơ. Ví dụ, Ui ui;U1 u1; I1 i1 , … Các giá trị trung bình phía một chiều vẫn dùng các ký hiệu thông dụng là Ud,Id.
Từ biểu đồ vectơ viết được quan hệ giữa các thành phần điện áp như sau: 2 2 1 2 L i U U U Trong đó UL = LI1 . (2.4)
Điện áp ngay đầu vào chỉnh lưu quan hệ với điện áp một chiều qua hệ số biến điệu:
. 1 0 , 2 d i U U (2.5) Hình2.4.Biểu đồ vectơ.
Sơ đồ thường làm việc trong chế độ ổn định điện áp phía một chiều Ud với giá trị lớn hơn biên độ của điện áp xoay chiều đầu vào.
1 1 k 2U kU
Ud m , (2.6)
Hệ số k thường chọn k = 1,1 ÷ 1,2 = const.
Kết hợp (2.4), (2.5), (2.6) có thể viết được quan hệ sau:
1 ) ( 2 1 1 U k LI (2.7)
Biểu thức (2.7) cho phép đưa ra lựa chọn giá trị điện cảm L, phụ thuộc vào các thông số và chế độ làm việc của sơ đồ. Nếu bỏ qua tổn thất trên các phần tử ta có mối quan hệ cân bằng công suất giữa phía một chiều và xoay chiều
Pd = UdId = U1I1. Nói cách khác là dòng I1 được xác định hoàn toàn bởi công suất đầu ra Pd . Từ (2.7) có thể thấy rằng trong chế độ không tải I1 = 0, suy ra
k
1
min
. Khi tải tăng lên dòng I1 cũng tăng, dẫn đến hệ số biến điệu cũng tăng, đén giá trị lớn nhất max 1. Như vậy có thể xác định đện cảm L từ giá trị lớn nhất có thể của dòng tải, ứng với 1. như sau:
1 2 max , 1 1 k I U L (2.8)
Trong đó I1,max = Pd,max/U1 là dòng đầu vào lớn nhất.
Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển.
Hệ thống điều khiển có cấu trúc tiêu biểu cho trên hình 2.5. Trên hình 2.5
Uref là lượng đặt điện áp một chiều. Sai lệch giữa lượng đặt và điện áp phía một chiều Ud đưa đến bộ điều chỉnh điện áp, thường là bộ tỷ lệ, tích phân (PI). Đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp đưa đến khâu nhân với điện áp xoay chiều đầu vào đo được tạo nên tín hiệu điều chế xoay chiều cho dòng xoay chiều. Tín hiệu dòng
xoay chiều i1 đo được so sánh với lượng đặt qua khâu so sánh có trễ, tạo nên tín hiệu điều khiển cho các van V1, .., V4.
Tác động của bộ điều chỉnh dòng điện qua khâu so sánh có trễ được giải thích như sau. Giả sử điện áp u1 và dòng i1 xoay chiều đang có cực tính như trên hình 2.5. Khi dòng thật i1 đo được có giá trị vượt qua ngưỡng dòng điện lớn, van V1, V4 được điều khiển mở. Do chiều dòng điện, V1, V4 không dẫn dòng mà dòng chạy qua các điôt D1, D4. Khi đó điện áp một chiều ud sẽ có tác dụng làm giảm dòng điện. Khi dòng i1 giảm xuống đến ngưỡng dòng điện nhỏ, V1, V4 sẽ khoá lại, V2, V3 mở ra. Do tác dụng của điện áp uDC các điôt D1, D4 bị khoá lại, dòng i1 vẫn chạy theo chiều cũ, qua các van V2, V3 dẫn dòng theo chiều thuận. Điện áp uDC đặt ngược lên cuộn cảm L làm dòng tăng lên.
Quá trình xảy ra tương tự khi cực tính điện áp u1 và dòng i1 có chiều ngược lại. Khi đó vị trí của ngưỡng dòng lớn và ngưỡng dòng nhỏ đổi vị trí so với