do an PFC

(1)

LỜ

LỜI NÓI ĐẦ

I NÓI ĐẦU

U

Hiện nay, nguồn điện xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các Hiện nay, nguồn điện xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các loại thiết bị và máy móc, và dần thay thế chỗ cho các thiết bị sử dụng nguồn điện 1 loại thiết bị và máy móc, và dần thay thế chỗ cho các thiết bị sử dụng nguồn điện 1 chiều. Nhưng nguồn điện 1 chiều vẫn luôn có chỗ đứng của riêng mình trong chiều. Nhưng nguồn điện 1 chiều vẫn luôn có chỗ đứng của riêng mình trong những lĩnh vực mà điện xoay chiều không thể thay thế được như nguồn cho các những lĩnh vực mà điện xoay chiều không thể thay thế được như nguồn cho các linh kiện điện tử, mạ điện , động cơ 1 chiều … Để tạo ra nguồn điện 1 chiều thì ta linh kiện điện tử, mạ điện , động cơ 1 chiều … Để tạo ra nguồn điện 1 chiều thì ta có thể dùng nh

có thể dùng nhiều cách iều cách như : dùng mánhư : dùng máy phát điện 1 chiều , sử dụng pin , ắc quiy phát điện 1 chiều , sử dụng pin , ắc qui ,chỉnh lưu ….Với mạng lưới điện xoay chiều phân bố rộng rãi như hiện nay thì ,chỉnh lưu ….Với mạng lưới điện xoay chiều phân bố rộng rãi như hiện nay thì cách mang lại hiệu quả và

cách mang lại hiệu quả và tiện lợi nhất là sử dụng bộ tiện lợi nhất là sử dụng bộ chỉnh lưu.chỉnh lưu. Hiê ̣

Hiê ̣n nay có nhiền nay có nhiều loạu loại hìi hình chỉnh lưu khánh chỉnh lưu khác nhau, nhưng hầu hết các bộ nguồnc nhau, nhưng hầu hết các bộ nguồn này thường có hiệu suất không cao và thường phát lại lưới những sóng điện có hài này thường có hiệu suất không cao và thường phát lại lưới những sóng điện có hài bậc

bậc cao cao làm làm ảnh ảnh hưởng hưởng tới tới chất chất lượng lượng của của nguồn nguồn điện, điện, từ từ đó đó cũng cũng làm làm giảm giảm hiệuhiệu suất làm việc của các loại máy móc, thiết bị khác. Hiện nay, ở nước ta vẫn chưa có suất làm việc của các loại máy móc, thiết bị khác. Hiện nay, ở nước ta vẫn chưa có qui định về tổ

qui định về tổng lượng lượng sóng sóng hài cho phép, và hiệu suất của các bộ chỉnh lưu nhưngng hài cho phép, và hiệu suất của các bộ chỉnh lưu nhưng với chủ trương phát triển bền vững thì điều đó chỉ là sớm hay muộn. Nên em chọn với chủ trương phát triển bền vững thì điều đó chỉ là sớm hay muộn. Nên em chọn đề tài tốt nghiệp của mình là thiết kế bộ chỉnh lưu có hệ số công suất bằng 1 với ưu đề tài tốt nghiệp của mình là thiết kế bộ chỉnh lưu có hệ số công suất bằng 1 với ưu điểm hơn hẳn những bộ chỉnh lưu khác

điểm hơn hẳn những bộ chỉnh lưu khác về hiệu suất và sóvề hiệu suất và só ng hài .ng hài .

Đồ án này là công sức và nỗ lực của cả nhóm em, cùng với sự hướng dẫn và Đồ án này là công sức và nỗ lực của cả nhóm em, cùng với sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy giáo –

chỉ bảo tận tình của thầy giáo – TS PHÙNG ANH TUẤNTS PHÙNG ANH TUẤN và thầvà thầy giáy giáoo NGUYỄNGUYỄNN THÀ

THÀNH KHANGNH KHANG. Tuy nhiên với thời gian và trình độ còn hạn chế nên không. Tuy nhiên với thời gian và trình độ còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót, em mong các thầy cô thông cảm và chỉ bảo tận tình để em tránh khỏi những sai sót, em mong các thầy cô thông cảm và chỉ bảo tận tình để em khắc phục những sai sót đó.

khắc phục những sai sót đó.

Em xin chân thành cảm ơn ! Em xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên thự

(2)

(3)

11

GIỚ

GIỚI THIỆ

I THIỆU CHUNG

U CHUNG

1.1

1.1 Bộ cBộ chỉnhỉnh lưh lưu có hu có hệ số ệ số côncông sug suất bất bằng ằng 1 (P1 (PFC) FC) ::

1.1.1

1.1.1 Giới thiệu chung Giới thiệu chung

Hiện nay trong hầu hết các thiết bị biển đổi điện năng đều sử dụng đến chỉnh Hiện nay trong hầu hết các thiết bị biển đổi điện năng đều sử dụng đến chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều (cung cấp

lưu từ nguồn xoay chiều (cung cấp từ lưới điện) sang nguồn một chiều. Nguồn điệntừ lưới điện) sang nguồn một chiều. Nguồn điện một chiều sau chỉnh lưu sẽ đóng vai trò là nguồn cấp cho tất cả module bên trong một chiều sau chỉnh lưu sẽ đóng vai trò là nguồn cấp cho tất cả module bên trong của thiết bị (kể cả các module xoay chiều qua hệ thống mạch nghịch lưu). Thông của thiết bị (kể cả các module xoay chiều qua hệ thống mạch nghịch lưu). Thông thường để đảm bảo được chất lượng điện áp như mong muốn ta phải mắc tụ san thường để đảm bảo được chất lượng điện áp như mong muốn ta phải mắc tụ san phẳng

phẳng với với giá giá trị trị điện điện dung dung lớn lớn vào vào ngay ngay sau sau chỉnh chỉnh lưu. lưu. Chính Chính điều điều này này đẫn đẫn đếnđến một số vấn đề cần phải được quan tâm mà điển hình là sóng hài. Hiện tượng sóng một số vấn đề cần phải được quan tâm mà điển hình là sóng hài. Hiện tượng sóng hài được chỉ rõ trong hình 1

hài được chỉ rõ trong hình 1

Sãn

Sãng ®g ®iiÖÖn ¸n ¸p saup sau chØ

chØnh lnh luuuu Sãng ®

Sãng ®iiÖÖn ¸n ¸p khi p khi cãcã ttô sô san phan ph¼¼ngng

Dß

Dßng ng ®®iiÖÖn vn vµo béµo bé ch chØØnh lnh luuuu tt U U, , ii Dạng dòng điện Dạng dòng điện vào bộ chỉnh lưu vào bộ chỉnh lưu Iac Iac Dạng sóng điện áp Dạng sóng điện áp ra khi có tụ san ra khi có tụ san phẳng C phẳng C₀₀ Dạng sóng điện áp Dạng sóng điện áp ra khi không có tụ ra khi không có tụ C C₀₀

(4)

Hình 1.1: Dạn

Hình 1.1: Dạng sóng dòng điện, điệg sóng dòng điện, điện ápn áp

Dòng điện vào từ nguồn lưới là dòng gián đoạn và tồn tại trong những khoảng Dòng điện vào từ nguồn lưới là dòng gián đoạn và tồn tại trong những khoảng thời gian ngắn (hài). Sở dĩ có hiện tượng này là do quá trình phóng nạp liên tục của thời gian ngắn (hài). Sở dĩ có hiện tượng này là do quá trình phóng nạp liên tục của tụ lọc. Thiết bị chỉ nhận năng lượng từ lưới trong thời gian tụ nạp. Khi các hài này tụ lọc. Thiết bị chỉ nhận năng lượng từ lưới trong thời gian tụ nạp. Khi các hài này được sinh ra sẽ gây hại đến hệ thống lưới điện. Tác hại của những hài này sẽ càng được sinh ra sẽ gây hại đến hệ thống lưới điện. Tác hại của những hài này sẽ càng lớn khi công suất tải lớn, hoặc

lớn khi công suất tải lớn, hoặc khi có đồng thời nhiều thiết bị gây hài khi có đồng thời nhiều thiết bị gây hài mắc vào cùngmắc vào cùng một nguồn lưới. Như ta đã

một nguồn lưới. Như ta đã biết chất lượng một hệ thống cung cấp biết chất lượng một hệ thống cung cấp điện được đánhđiện được đánh giá bởi hai (trong một số) chỉ tiêu là

giá bởi hai (trong một số) chỉ tiêu là hệ số công suấthệ số công suất (Power Factor - PF) và(Power Factor - PF) và tổngtổng lượng sóng hài

lượng sóng hài (Total Harmonic Distortion – THD). Hiệu năng của hệ thống lưới(Total Harmonic Distortion – THD). Hiệu năng của hệ thống lưới điện phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sóng hài, tổng lượng sóng hài càng nhỏ hiệu điện phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sóng hài, tổng lượng sóng hài càng nhỏ hiệu năng lưới điện sẽ càng cao.

năng lưới điện sẽ càng cao. Một số ích lợi khi việc

Một số ích lợi khi việc cải thiện hệ số công suất:cải thiện hệ số công suất: -- Giảm giá thGiảm giá thành nănành năng lượng điệg lượng điện và phí truyền tản và phí truyền tải.i. -- Giảm thGiảm thiểu mấiểu mất mát, tổn hao tt mát, tổn hao trong trurong truyền tảiyền tải.. -- Chất Chất lượng lượng điện áđiện áp tốt p tốt hơn.hơn.

-- Tăng tíTăng tính chất đinh chất điện dung cện dung cho lưới đho lưới điện.iện.

Từ những lý do trên ta thấy việc thiết kế ra một bộ điều chỉnh hệ số công suất Từ những lý do trên ta thấy việc thiết kế ra một bộ điều chỉnh hệ số công suất cho bộ chỉnh lưu là một ý tưởng có ý nghĩa thực tiễn cao. Thực tế hiện nay có rất cho bộ chỉnh lưu là một ý tưởng có ý nghĩa thực tiễn cao. Thực tế hiện nay có rất nhiều hãng chế tạo linh kiện, chip điện tử đã cho ra đời nhiều dòng sản phẩm IC nhiều hãng chế tạo linh kiện, chip điện tử đã cho ra đời nhiều dòng sản phẩm IC tương tự chuyên để xử lý trong các mạch điều chỉnh hệ số công suất (Power factor tương tự chuyên để xử lý trong các mạch điều chỉnh hệ số công suất (Power factor correction - PFC). Xong trong đồ án

correction - PFC). Xong trong đồ án này chúng em sẽ phát này chúng em sẽ phát triển ý tưởng này để chếtriển ý tưởng này để chế tạo ra một bộ PFC

tạo ra một bộ PFC với bộ xử lý tín hiệu số với bộ xử lý tín hiệu số (DSP) dsP30F4011.(DSP) dsP30F4011. Ưu điểm của bộ PFC số:

Ưu điểm của bộ PFC số:

-- Dễ dàng hơn trong Dễ dàng hơn trong việc xử lý các thuật việc xử lý các thuật toán phức tạp với tíntoán phức tạp với tính năng DSPh năng DSP -- Tính ổn đTính ổn định caoịnh cao, bền với th, bền với thời gianời gian..

(5)

-- Dễ dàng hơDễ dàng hơn trong việc hin trong việc hiệu chỉnh để đạệu chỉnh để đạt được nhữnt được những thông số mong thông số mong muống muốn do việc xử lý tín hiệu,

do việc xử lý tín hiệu, xuất tín hiệu điều khiển đều được lập trình bằng xuất tín hiệu điều khiển đều được lập trình bằng phần mềmphần mềm -- Công cụ mô phỏCông cụ mô phỏng đa dạng giúng đa dạng giúp người chế tạp người chế tạo có cái nhìn trực quao có cái nhìn trực quan trướcn trước khi hoàn thiện sản phẩm

khi hoàn thiện sản phẩm

-- Dễ dàng kếDễ dàng kết nối với các thit nối với các thiết bị ngoại vi khết bị ngoại vi khác để tích hợp tínác để tích hợp tính năng cho bộh năng cho bộ điều khiển.

điều khiển. 1.1.2

1.1.2 Ý nghĩÝ nghĩa của hệ a của hệ số cônsố công suất trg suất trong hệ tong hệ thốnhống cung cg cung cấp điệấp điện:n:

Để hiểu được khái niệm hệ số công suất trước hết ta cần phải biết khái niệm Để hiểu được khái niệm hệ số công suất trước hết ta cần phải biết khái niệm công suất trong truyền tải điện bao gồm

công suất trong truyền tải điện bao gồm hai thành phần:hai thành phần: -- ThànThành phần hữu íh phần hữu ích, hay thch, hay thành phầành phần hữu cônn hữu công:g:

Là phần năng

Là phần năng lượng điện chuyển hóa được thành các lượng điện chuyển hóa được thành các dạng năng lượngdạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng khi điện được cung cấp đến các khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng khi điện được cung cấp đến các thiết bị dùng điện. Là thành phần đo đếm được qua các thiết bị đo đếm điện thiết bị dùng điện. Là thành phần đo đếm được qua các thiết bị đo đếm điện năng của người tiêu dùng. Là phần năng lượng mà người dùng phải trả năng của người tiêu dùng. Là phần năng lượng mà người dùng phải trả tiền.Công suất hữu ích được đo bằng W hay kW

tiền.Công suất hữu ích được đo bằng W hay kW

-- Thành phần vô công:Thành phần vô công:

Là thành phần sinh ra từ trường trong các thiết bị điện từ như động cơ, Là thành phần sinh ra từ trường trong các thiết bị điện từ như động cơ, cuộn kháng… được đo bằng VAR hay kVAR

cuộn kháng… được đo bằng VAR hay kVAR

Tổng hai thành phần công suất được gọi là công suất biểu kiến được đo Tổng hai thành phần công suất được gọi là công suất biểu kiến được đo bằng VA hay kV

bằng VA hay kVAA

Hệ số công suất là đại lượng phản ánh mức năng lượng tiêu hao có ích trong Hệ số công suất là đại lượng phản ánh mức năng lượng tiêu hao có ích trong tổng lượng công suất mà thiết bị tiêu thụ. Hệ số này mang ý nghĩa kinh tế quan tổng lượng công suất mà thiết bị tiêu thụ. Hệ số này mang ý nghĩa kinh tế quan trọng

trọng 1.1.3

1.1.3 Tác dụng của bộ điều Tác dụng của bộ điều khiển PFC:khiển PFC: Bộ PFC được lắp đặt tại

Bộ PFC được lắp đặt tại vị trí giữa nguồn cấp (sau vị trí giữa nguồn cấp (sau chỉnh lưu) và tải một chiều,chỉnh lưu) và tải một chiều, có tác dụng theo dõi hệ số công suất của tải và tự động điều chỉnh để điện áp và có tác dụng theo dõi hệ số công suất của tải và tự động điều chỉnh để điện áp và

(6)

dòng điện vào luôn đồng pha (cosphi = 1). Đồng thời nó còn có tác dụng ổn định điện áp đầu ra, làm tăng tính ổn định của hệ thống, xử lý các thay đổi diễn ra ở phía nguồn cấp và phía tải một chiều, thông báo và tác động khi xảy ra sự cố.

Trong mạch PFC,với điện áp đầu vào là 1 pha thì sau khâu chỉnh lưu ta dùng các mạch băm áp để điều chỉnh điện áp đầu ra , hệ số công suất của mạch .

1.2 Một số mạch băm áp có thể sử dụng trong bộ PFC : 1.2.1 Mạch Boost (Boost PFC):

Hình 1.2: Sơ đồ mạch Boost Giải thích hoạt động:

Khi van đóng: Diode D khóa do bị phân cực ngược bởi tụ C 0. Năng lượng

trong tụ C0 xả qua tải, dòng điện từ dương nguồn qua cuộn L qua van rồi trở về âm

nguồn.

Khi van cắt: Diode D phân cực thuận dẫn dòng từ nguồn qua cuộn L nạp cho tụ C0 với cực tính như hình vẽ. Cuộn L đổi cực tính, điện áp nạp cho tụ C 0 là VC0 =

(7)

Hình 1.3: Dòng sóng điện áp và dòng điện vào bộ Boost PFC Với :TON là chu kì dẫn của van,

T là chu kì đóng cắt của van Ta định nghĩa _D T ON

T

=

Quan hệ giữa điện áp vào và ra của bộ boost converter là :

1 S O V V D

=

−

1.2.2 Mạch Buck (Buck PFC): Hình 1.4: Sơ đồ mạch Buck Giải thích hoạt động:

Khi van đóng: Diode khóa do bị phân cực ngược, dòng điện từ dương nguồn qua L nạp cho tụ C

Khi van cắt: Cuôn L đảo cực tính, diode D dẫn, dòng điện qua tải bằng tổng dòng điện qua L và dòng qua tụ C0: Itải = IL + IC0

Điện áp trên tụ C: UC = VS – VL = Utải

Điện áp ra của bộ Buck luôn nhỏ hơn điện áp nguồn cấp và biểu thức liên hệ là

: _.

O S

(8)

Hình 1.5: Dạng sóng dòng điện, điện áp vào bộ Buck PFC

1.2.3 Mạch Buck/Boost (Buck/Boost PFC):

Hình 1.6: Sơ đồ mạch buck/boost Giải thích hoạt động:

Khi van đóng: điện áp trên cuộn L bằng điện áp nguồn. Diode D khóa do bị phân cực ngược. Dòng điện qua tải được cung cấp bởi tụ C0

Khi van cắt: điện áp trên L dảo cực tính, diode D dẫn dòng khép mạch L – C 0

– D – L. Tụ C0 được nạp chuẩn bị cho chu kì phóng khi van đóng.

Điện áp ra trong trường hợp này có thể lớn hoặc nhỏ hơn điện áp nguồn cấp, với biểu thức liên hệ là :

. 1 S O V D V D

=

−

(9)

2

LUẬT ĐIỀU KHIỂN

2.1 Mô hình mạch Boost PFC

Trong trường hợp tính toán cho mạch điện có điện áp đầu ra (400V)cao hơn điện áp đầu vào (100-240V),theo những giới thiệu qua về các sơ đồ mạch thường dùng với bộ PFC ở trên thì sơ đồ mạch Boost PFC là thích hợp nhất trong trường hợp này ,để dễ dàng hơn cho việc phân tích tính toán mạch.

(10)

Vs S C R Vo

Hình 2.1: Sơ đồ mạch Boost PFC

Ta sẽ xét các trạng thái đóng mở của van để tìm ra mối quan hệ giữa các giá trị đầu ra , đầu vào và các thành phần trong mạch để đưa ra những phương pháp chọn thiết bị và điều khiển phù hợp nhất với thông số của mạch theo yêu cầu.

2.1.1 Điện áp ra : a. Xét khi van bán dẫn đóng : ta có thể vẽ lại mạch như sau Vo R C L S Vs

Hình 2.2: Sơ đồ thay thế khi van đóng Điện áp đặt trên hai đầu cuộn dây là VL = VS

Dòng điện qua cuộn dây tăng dần. Ta có quan hệ sau: ( ) L s di L v t dt

=

(1)

Nếu xét trong thời gian rất ngắn thì có thể coi điện áp vào là ổn định,tốc độ biến thiên dòng điện qua cuộn L sẽ xác lập. Khi đó công thức (1) có thể biểu diễn

dưới dạng sai phân như sau:

L S

i V t L

∆

₌

∆

(2)

(11)

T là chu kì đóng cắt của van Ta định nghĩa _D T ON

T

=

Như vậy thời gian dẫn của van là TON

=

D T . .

Từ (2) ta có: ( . ) S L V I D T L

∆ =

(3) b. Xét khi van bán dẫn mở : Ta vẽ lại được mạc như sau Vo R C L Vs Hình 2.3: Sơ đồ tương đương khi van cắt Điện áp đặt trên cuộn dây là:

0

L S

V

= −

V V (4)

Với giả thiết VLmang giá trị âm và lượng biến đổi dòng điện

∆

i trên cuộn L

cũng mang giá trị âm ta có 0 L S di V V dt L

−

=

(5) Dạng sai phân: ( ) 0 ₁ S L V V I D T L

−

∆ =

−

(6)

Khi dòng điện qua cuộn dây đã xác lập tổng lượng tăng dòng điện khi van đóng phải bằng tổng lượng giảm dòng điện khi van hở do đó ta có:

(12)

Từ (3) và (6) suy ra: ( _. ) 0 (₁ ) ₀ S S V V V D T D T L L

−

+

−

=

(7) 0 1 S V V D

=

−

(8) Từ (8) ta thấy V0 > VS và D càng lớn thì V0 càng lớn. VS = V0 khi D = 0.

Thông thường ta lấy D trong khoảng 0,1 < D < 0,9. 2.1.2 Sự biến thiên điện áp đầu ra:

Khi van đóng cắt tương ứng sẽ là quá trình nạp và phóng liên tiếp của tụ C 0.

Khi đó điện áp ra sẽ có sự thay đổi phụ thuộc vào giá trị điện dung của tụ và tần số đóng cắt của van. Ta có: 0( ) ( ) C dv t i t C dt

=

(9) 0 C v i C t

∆

=

∆

(10)

Do tần số hoạt đông của van trong mạch boost khá cao nên ta coi:

0 C R V i i R

≈ =

Từ 10 ta có: 0 0 0 . . . . . C i DT V DT I D v C C R C f

∆ =

=

(11) Với : f là tần số biến thiên điện áp đầu ra.

2.1.3 Sự biến thiên dòng điện trong cuộn dây và chế độ dòng liên tục.

Để đảm bảo được chức năng cho bộ PFC ta phải thiết kế để mạch Boost PFC hoạt động ở chế độ dòng liên tục.

(13)

L t § Æc tÝnh thÊp nhÊt IL I L DT t (1-D)T

Hình 2.4: Dạng sóng dòng điện trên cuộn dây ở chế độ dòng liên tục (Ta tính toán đối với trường hợp tải thuần trở, khi tải mang tính cảm thì giá trị L trong mạch tăng làm cho dòng điện qua nó càng được mịn hơn)

Khi điện áp và dòng điện qua L đồng pha ta có Công suất do nguồn cung cấp: P _S

=

V I _S. _L Công suất tiêu thụ của tải: ( )

2 0 0 V P R

=

Bỏ qua tổn hao trên các mạch chuyển đổi ta có

0 S P

=

P ( ) 0 2 ( )0 2 . . S L L S V V V I I R V R

⇔ =

(11) Ta có: 0 0 V I R

=

(12) Từ (8), (11), (12) ta có: 0 1 L I I D

=

−

Từ đó ta thấy dòng điện qua cuộn L lớn hơn dòng qua tải. Từ đồ thị hình 2.4 ta có các biểu thức sau: ax 2 L L m L I I

= +

I

∆

(13)

(14)

và: min 2 L L L I I

= −

I

∆

(14) Như vậy để dòng qua L liên tục ta phải có:

min 0 L I

≥

2 L L I I

∆

⇒ ≥

- Xét trường hợp 2 L L I I

=

∆

Từ (8) và (11) ta có: ( 1 )2. S L V I D R

=

−

Vậy ( ) min 2 . 0 2 1 . S S L V DT V I L D R

=

−

≥

−

( ₁ )2_. 2 2 S S S V DTV DV L fL D R

⇒

≥

=

−

( )2 . 1 2 D D R L f

−

⇒ ≥

Với: f là tần số đóng cắt của van. 2.1.4 Hiệu suất của bộ biển đổi :

Theo những tính toàn như trên ta có thể vẽ lại mạch thành mạch tương đương như sau:

(15)

Với: V _S

=

V _M sin( )ω t

d’(t)=1-d(t)

Bởi vì điện áp và dòng điện cùng pha với nhau nên:

( ) ( ) S S e V t i t R

=

Re là điện trở tương đương điện áp đầu và :

2 2. . e L R D T

=

Áp dụng phương trình cân bằng điện áp cho mạch vòng đầu vào:

( ). ( ). ( ) '( ).

s on S O

i t d t R

=

V t d t V

−

Ron là điện trở đầu vào của mạch khi van đóng. Thay biểu thức is và d’(t) ta có : e ( ) ( ) ( ). R O S on O S V V t d t R V V t

−

=

−

(16)

S S 2 ( ) '( ). ( ) ( ) ( ) (1 ( )). 1 ( ) ( ) . ( ). d d e on S e d on e O S e i t d t i t V t i t d t R R V t R i t R R _V _{V t} R

=

= −

−

=

−

Ta thấy dòng điện tải là dòng 1 chiều nên dòng điện tải bằng trung bình dòng điện Id . 2 / 2 ₂ 0 (1 ).sin ( ) 2 . . . ( . .sin( )) ac on T M e on ac e O M e R t V R I dt R T R _V _V _t R ω ω

−

=

−

∫

/ 2 2 2 0 2 sin ( ) . .(1 ). . . 1 .sin( ) ac T M on ac O e e V R t I dt T V R R a t ω ω

⇒ =

−

∫

Với: . M on O e V R a V R

=

Vì dạng sóng sin có tính chất đối xứng nên ta chỉ cần xét trong ¼ chu kỳ,đặt:

.t θ ω

=

(17)

/ 2 2 2 0 2 sin .(1 ). . . . 1 .sin M on O e e V R I d V R R a π θ θ π θ

=

−

∫

giải phép tính tích phân ta được : / 2 2 1 1 2 ₂ 0

4 sin 2 4.sin ( ) 2.cos ( )

. . ( ) .( 2. ) 1 .sin . ₁ a a d F a a a a _a π θ θ π π θ π −

₊

−

= =

− − +

−

₋

∫

Ta có thể xấp xỉ biểu thức vừa tìm được với đa thức sau:

2 ( ) 1 0,82. 0.78

F a

= +

a

+

a

Với -0,15< a < 0,15 thì sai số của xấp xỉ này nhỏ hơn 1% , đây là sai số có thể chấp nhận được.

Công suất đầu vào của mạch:

2. M in e V P R

=

Công suất đầu ra của mạch:

2 e ( ) . .( .(1 ). . R 2 M on out O O O e V R F a P V I V V R

=

−

Vậy hiệu suất của hệ:

(1 ). ( ) out on in e P R F a P R η

=

= −

2 (1 on).(1 0,862. M . on 0,78.( M . on) ) e O e O e R V R V R R V R V R η

⇒

;

−

+

Từ biểu thức trên ta có đồ thị biểu hiện mối quan hệ giữa hiệu suất của mạch với các đại lượng liên quan:

(18)

Qua đồ thị ta thấy hiệu suất của mạch phụ thuộc vào điện áp đầu vào, điện áp đầu ra , điện trở vào tương đương mạch và điện trở vào khi van dẫn.Khi tỉ số giữa điện áp đầu vào với điện áp đầu ra càng lớn thì hiệu suất càng cao ,tỉ số điện trở vào tương đương và điện trở vào khi van dẫn càng nhỏ thì hiệu suất mạch càng cao .Với đầu bài đã cho thì tỉ số VM/Vo là cố định nên ta chỉ có thể điều chỉnh hiệu

suất của mạch qua các điện trở vào. 2.2 Luật điều khiển :

2.2.1 Nhiệm vụ của mạch điều khiển :

Điều chỉnh khoá K sao cho dạng sóng của i và u là trùng nhau (hay cos ϕ =1),

và điện áp 1 chiều đầu ra là V o ổn định.

2.2.2 Điều chỉnh dạng sóng của dòng điện

i

_L :

Để dòng điện và điện áp cùng pha với nhau thì ta sẽ tính dòng điện khi đó, sau đó tạo ra 1 sóng dòng điện chuẩn trùng pha với điện áp vào rồi cho dòng điện thực tế bám theo dòng điện chuẩn đó.

(19)

Dòng điện i L chuẩn là: s L e V i R

=

Ta có: V s

=

VM sin( )ω t 2 M S O e V P P R

= =

2 M e O V R P

⇒ =

Vì ta không thể phản hồi chính xác giá trị hiệu dụng của điện áp đầu vào nên ta tính V M thông qua V AVG : 1 . 2. sin( ) t T AVG M t V V t dt T ω +

=

∫

0 2 . 2. sin( ) AVG M V V t dt T π ω

⇒

=

∫

0 cos( ) 2. . 2. . AVG M t V f V π ω ω

⇒

=

2 2. 0,9. M AVG M V V V π

⇒

=

; 0.9 AVG M V V

⇒

=

vậy: 2 .0,81. s O L AVG V P i V

=

1₂ AVG V

ta sẽ tính P0theo những giá trị có sẵn và điện áp đầu ra phản hồi về : 2 1 . . 2 O C C O P

= =

P

∫

dP

=

C V 2 2 1 2 1 1 . . . . ) 2 2 C P C U C U

∆ =

−

(20)

1 2 1 2 1 . .( )( ) 2 C P C U U U U

⇒

∆ =

+

−

Nhưng do (U1

+ >> −

U2) (U1 U2) nên biểu thức trên có thể viết lại như sau:

1 . .2. . . . 2 C O O O P C V V C V V

⇒

∆ =

∆

Hay: dPC

=

C V dV . .O O

Để điện dòng điện vào bám theo dòng điện chuẩn thì ta sử dụng bộ PWM: ta dùng tín hiệu so sánh giữa dòng điện thực và dòng điện chuẩn làm tín hiệu vào của bộ PWM,tín hiệu này sẽ được so sánh với xung tam giác và tạo ra xung điều khiển

cho van bán dẫn theo qui tắc sau :

Khi di lớn hơn tín hiệu xung tam giác thì phát tín hiệu mở van bán dẫn Khi di nhỏ hơn tín hiệu xung tam giác thì phát tín hiệu khoá van bán dẫn

Hình 2.5 : Sự hoạt động của bộ PWM

Khi di tăng từ di0 tới di1 thì di lớn hơn tín hiệu xung tam giác nên van dẫn khi đó theo mạch động lực thì: di V s.dt L

=

Suy ra: _{di di}1 0 V s . ._{D T} L

=

+

(21)

Mà theo tín hiệu xung tam giác thì: di1

=

D Vậy: 0 . . 0 . (1 ) s s V di D T D L di D V T L

+

=

⇒ =

−

Khi di tăng từ di1 tới di2 thì di lớn hơn tín hiệu xung tam giác nên van khoa khi đó theo mạch động lực thì: di V s V o .dt L

−

=

Suy ra: di2 di1 V s V 0.(1 D T). L

−

=

+

−

Vậy khi mạch đã ổn định thì sai lệch điện áp sẽ phụ thuộc vào bộ điều khiển PI, tần số và biên độ xung tam giác. Giá trị của độ mở D sẽ phụ thuộc vào sai lệch dòng áp, điện áp vào, tần số và biên độ xung tam giác

2.2.3 Ổn định điện áp đầu ra: Ta có công thức sau: 1 S O V V D

=

−

; 2 . . 2. s L V Ts D I L

=

Ta có thể sử dụng phản hồi âm điện áp để tạo ra dòng chuẩn và ổn định điện áp đầu ra của mạch:

Khi điện áp đầu ra giảm xuống nhỏ hơn điện áp đặt thì điện áp sai lệch sẽ dương nên sai lệch công suất cũng dương tức công suất tăng , làm cho dòng điện chuẩn tăng , theo 2 công thức trên thì D tăng nên điện áp đầu ra tăng lên. Và điều tương tự cũng xảy ra khi điện áp đầu ra tăng.

(22)

Từ những tính toán và lý luận trên ta sử dụng mạch điều khiển với 2 vòng phản hồi âm dòng điện vào và phản hồi âm điện áp ra với 2 bộ điều khiển PI để ổn

định hệ thống .Khi đó sơ đồ mạch điều khiển có dạng như sau :

(23)

3

TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC

3.1 Tính toán và chọn tụ lọc :

Giá trị của tụ lọc phụ thuộc vào độ nhấp nhô cho phép của dòng điện đầu ra .Theo công thức (11) chương 2 ta có : 0 0 0 . . . . . . .2 . C V V i D T V D T I D v C C R C f π

∆ =

=

0 0 . .2 . I D C v π f

⇒ =

∆

Do điện áp đầu sau chỉnh lưu dao động với tần số 100 Hz ,nên làm điện áp ra cũng dao động với tần số 100 Hz. Nên f = 100 Hz .

0max 2,5% 0 0,025.400 10( )

v V V

∆

≤

=

Xét ở chế độ tải định mức thì dòng điện qua tải là:

0 1000 2.5( ) 400 O P I A V

= =

=

Do sự thay đổi liên tục của điện áp đầu vào nên giá trị của D không cố định 0< D <1

(24)

6 2,5.1 398.10 10.2.3,1416.100 C

≥

=

− Chọn C

=

470( µ F )

3.2 Tính toán thiết kế cuộn kháng :

Ta sẽ tính toán cho mạch boost PFC có thông số như sau :

Công suất đầu ra: 1000 W.

Điện áp đầu vào nhỏ nhất : 100 V.

Điện áp đầu vào lớn nhất: 240 V.

Điện áp đầu ra: 400 V.

Tần số đóng cắt: 20 kHz.

Độ gợn dòng điện cuộn cảm: 20%I pk .

Lõi từ: Toroidal.

Vật liệu từ: MPP.

Hiệu suất bộ biến đổi: 95%.

Hệ số lấp đầy cuộn cảm, K u: 0,6.

3.2.1 Lựa chọn vật liệu lõi cuộn cảm:

Việc lựa chọn vật liệu lõi cần phải phù hợp với tần số và chế độ dòng điện của cuộn cảm.

Lõi Ferrit luôn là lựa chọn tốt nhất đối với cuộn cảm được thiết kế để làm việc ở chế độ dòng không liên tục tần số trên 50kHz, khi đó tổn hao lõi liên quan đến từ thông xoay chiều lớn sẽ giới hạn hệ số sử dụng lõi.

Tuy nhiên, ở chế độ dòng liên tục, với độ gợn dòng điện nhỏ và từ thông xoay chiều bé, lõi Ferrit sẽ thường bị giới hạn bởi sự bão hòa. Trong trường hợp này, những vật liệu có tổn hao lớn hơn nhưng mật độ từ thông bão hòa lớn hơn như

(25)

Powdered iron, Kool-mu®_{, Permalloy powder, hay thậm chí là các lõi được ghép từ}

các lá thép có thể được sử dụng nhằm giảm chi phí hay kích thước lõi.

3.2.2 Lựa chọn hình dáng lõi:

Hình dáng lõi và cửa sổ không thực sự quan trọng đối với những cuộn cảm được thiết kế để làm việc ở chế độ dòng liên tục, bởi vì tổn hao dây quấn thường rất nhỏ.

Nhưng đối với những cuộn cảm được thiết kế để làm việc ở chế độ dòng không liên tục, hình dáng cửa sổ cực kỳ quan trọng. Cửa sổ nên chọn rộng nhất có thể để làm tăng tối đa diện tích tản nhiệt dây quấn và làm giảm tối đa số lớp cuộn dây. Điều này làm giảm tối đa điện trở dây quấn xoay chiều.

Lõi xuyến với những cuộn dây được phân bố đều trên toàn bộ lõi, có thể sử dụng trong bất kỳ cuộn cảm nào. Từ trường tản và sự truyền nhiễu điện từ rất thấp. Hơn nữa việc quấn dây cũng sẽ thuận tiện hơn vì ta không phải quan tâm đến chiều dài khe hở không khí.

Dưới đây ta sẽ lựa chọn lõi xuyến, vật liệu MPP của nhà sản xuất Magnetics Incs. Và việc lựa chọn kích thước lõi cũng tuân theo hướng dẫn của nhà sản xuất ( 2008_PowderCoreCatalog – Magnetics Incs.).

3.2.3 Tính toán thong số cuộn cảm :

1. Tính toán công suất đầu vào:

0 1000 _1052,63 0,95 in P P η

= =

=

(W).

2. Tính toán dòng điện đầu vào trung bình đỉnh:

(min) 2 1052,63. 2 14,9 100 in pkavg in P I V

=

(A).

(26)

3. Tính toán độ gợn dòng điện đầu vào:

ΔI = 0,2.I pk = 0,2.14,9 = 2,98 (A).

4. Tính dòng điện đầu vào đỉnh:

I pk = I pkavg + ΔI/2 = 14,9 + 2,98/2 = 16,37 (A).

5. Tính toán thời gian mở lớn nhất:

(

0 (min)

)

( ax) 0 V 2 _{400 100. 2} 0,646 400 in m V D V

−

₋

=

.

6. Tính điện kháng cần thiết của cuộn cảm:

(min) 2. ( ax) 100. 2.0,646 _0,0015 . 2,98.20000 in m V D L I f

=

∆

H = 1,5 (mH). 7. Tính tích số LI2: LI pk 2 = 1,5.16,372 = 411,68 (W-s).

8. Chọn lõi (theo hướng dẫn của nhà sản xuất): Từ biểu đồ chọn lõi loại

MPP của nhà sản xuất dựa vào giá trị LI2 _{ta thấy, giá trị này tương ứng với}

(27)

Core number 55716.

Nhà sản xuất Magnetics Inc.

le (Magnetic path length) 20 cm.

Trọng lượng lõi Wt 377 g.

MLT (Mean length/turn) 7,53 cm.

Tiết diện lõi Ae 2,27 cm2.

Diện tích cửa sổ Wa 17,99 cm2.

Tích diện tích A p 40,8 cm4.

Thể tích lõi Ve 45,3 cm3

Diện tích bề mặt At 225,2 cm2.

(28)

9. Bảng thông số kỹ thuật của lõi 55908 chỉ ra rằng điện cảm danh định

của lõi này là 37 nH/T2_{±8%. Do đó điện cảm danh định nhỏ nhất của lõi}

này là:

ALmin = 37 – 0,08.37 = 34,04 (nH/T2).

10. Tính số vòng dây cần thiết để đạt được điện cảm là 1,5 mH:

2 6 6 min 6 min .10 1,5.10 213 10 34,04 L L A N L L N A

=

⇒

=

(vòng).

(29)

11. 11. Tính sức từ hóa H:Tính sức từ hóa H: 213.16,37 213.16,37 174,39 174,39 20 20 pk pk ee NI NI H H l l

=

==

(A-vòng).(A-vòng). 12.

12. Từ đường cong độ từ thẩm- Điện áp một chiều, ta thu được phần trămTừ đường cong độ từ thẩm- Điện áp một chiều, ta thu được phần trăm

độ từ thẩm ban đầu là 57%. độ từ thẩm ban đầu là 57%. 13. 13. Số vòng được chỉnh định là:Số vòng được chỉnh định là: 213 213 373 373 5577%% 00,,5577 adj adj N N N N

=

==

(vòng)(vòng) 14.

14. Chọn mật độ dòng điện trong dây quấn là 600 A/cmChọn mật độ dòng điện trong dây quấn là 600 A/cm22.Do đó tiết diện.Do đó tiết diện

dây là dây là w w 16,37 16,37 0,027 0,027 600 600 rms rms I I A A J J

=

==

(cm(cm22_)._).

Tra bảng kích thước dây quấn ta

Tra bảng kích thước dây quấn ta chọn dây #13 có tiết diện dây kể chọn dây #13 có tiết diện dây kể cả cách điệncả cách điện 0,028 cm

(30)

15.

15. Tính điện trở danh định của dây Tính điện trở danh định của dây quấn với hệ số dây quấn là quấn với hệ số dây quấn là 0,6.0,6.

Theo catalog của nhà sản xuất thì ta

Theo catalog của nhà sản xuất thì ta có công thức sau:có công thức sau:

wf wf wf wf unit unit // / / .. wf wf K K unit unit mH mH K K mH mH

Ω

==

Trong đó: Trong đó: wf wf // mH mH Ω

Ω là điện trở danh định đối với hệ là điện trở danh định đối với hệ số dây quấn đã chọn( Ω/mH).số dây quấn đã chọn( Ω/mH). Ω/mH

Ω/mHunitunit là giá trị điện trở là giá trị điện trở đơn vị, được cho trước với mỗi đơn vị, được cho trước với mỗi loại lõi.loại lõi.

wf

wf là hệ số dlà hệ số dây quấn đã cây quấn đã chọn ( = K họn ( = K uu = 0,6).= 0,6).

wf wf

K

K _{là chiều dài trung bình một vòng dây đối với hệ số dây quấn đã chọn}_{là chiều dài trung bình một vòng dây đối với hệ số dây quấn đã chọn}

(cm). (cm).

K

K unitunit là chiều dài trung bình một vòng dây đối với hệ số dây quấn đơn vịlà chiều dài trung bình một vòng dây đối với hệ số dây quấn đơn vị

(100%) (cm). (100%) (cm).

Từ bảng thông số kỹ thuật của lõi

Từ bảng thông số kỹ thuật của lõi 55716 ta có:55716 ta có:

wf wf 00,03,034455 99,24,24 // .. 00,,004488 00,,66 1111 mH mH

Ω

=

==

(Ω/mH).(Ω/mH). 16.

16. Giá trị điện trở của dây quấn:Giá trị điện trở của dây quấn:

wf wf // .. 00,,004488..11,,55 00,,007744 dc dc R R

== Ω

Ω

mH LLmH

=

==

(Ω).(Ω). 17.

17. Tính tổn hao đồng trên dây dẫn:Tính tổn hao đồng trên dây dẫn:

PPcucu = R = R dcdc.I.I pkavg pkavg22 = 0,074.14,89= 0,074.14,8922 = 16,43(W).= 16,43(W).

18.

18. Tính sức từ hóa do thành phần xoay chiều gây ra:Tính sức từ hóa do thành phần xoay chiều gây ra:

2,98 2,98 . . 337733.. 2 2 22 _27,8_27,8 20 20 adj adj ac ac ee I I N N H H l l

∆∆

=

==

(A- (A-vòng). vòng).

(31)

Đổi sang Oersteds H

Đổi sang Oersteds Hacac = = 2277,,88//11,,226 6 = = 2222,,0077 ((OOeerrsstteeddss))..

19.

19. Tra đường cong từ hóa của vật liệu MPP theo H ta có:Tra đường cong từ hóa của vật liệu MPP theo H ta có:

B

B = = 600 600 Gauss Gauss = = 0,06 0,06 (T).(T).

20.

20. Tính suất tổn hao lõi của vật liệu MPP 20μ từ catalog của nhà sản xuấtTính suất tổn hao lõi của vật liệu MPP 20μ từ catalog của nhà sản xuất

(tra đồ thị tổn hao lõi) ta có : (tra đồ thị tổn hao lõi) ta có :

PPLL = = 11,5 11,5 (mW/cm(mW/cm33).).

21.

21. Tổn hao lõi:Tổn hao lõi:

PPFeFe = P= PLL.V.Vee = = 1111,,55..4455,,3 3 = = 55221 1 mmW W = = 00,,552211 ((WW))..

22.

22. Tính tổn hao tổng:Tính tổn hao tổng:

PPtottot = P= Pcucu + P+ PFeFe = = 1166,,443 3 + + 00,,55221 1 = = 1177 ((WW))..

23.

23. Tính độ tăng nhiệt độ của cuộn cảm:Tính độ tăng nhiệt độ của cuộn cảm:

0.833 0.833 0,8330,833 22 tt (( ww)) 1177000000 37 37 A A (( )) 222255,,22 tot tot P P mm T T cm cm









=

_

_

=

_

_

==









(°C).(°C).

Với độ tăng nhiệt này, cuộn cảm có thể làm việc bình thường. Do đó kích Với độ tăng nhiệt này, cuộn cảm có thể làm việc bình thường. Do đó kích thước lõi mà ta đã

thước lõi mà ta đã chọn đạt yêu cầu.chọn đạt yêu cầu.

Vậy cuộn cảm có lõi hình xuyến ,vật liệu từ do hãng MPP sản xuất ,với dây Vậy cuộn cảm có lõi hình xuyến ,vật liệu từ do hãng MPP sản xuất ,với dây quấn đồn

quấn đồng tiết g tiết diện diện 0,028 c0,028 cmm22 _{,quấn 373 vòng.}_{,quấn 373 vòng.}

3.3

3.3 Chọn Diode và van bán dẫn :Chọn Diode và van bán dẫn :

3.3.1

(32)

Dòng điện lớn nhất đi qua Diode là : Dòng điện lớn nhất đi qua Diode là :

max max 1000 1000 II 22.. 22.. 1155,,77(( )) .. 00,,99..110000 O O S S P P A A V V η η

=

==

Điện áp ngược lớn nhất trên van là Điện áp ngược lớn nhất trên van là :: 22..224400 333399,,44(( )) N N U U

=

==

V V Vậy ta sẽ chọ

Vậy ta sẽ chọn diodn diode 1N21e 1N2158 58 với : Imax = 25 A,Unvới : Imax = 25 A,Un= 400V= 400V,I,I pik pik = 400A ,= 400A ,

00..66 ,, _CP_CP 220000 .. U U VV TT CC ∆ ∆ = = = = °° 3. 3.3.3.22 ChChọn ọn vavan bn bán án dẫdẫn :n :

Điện áp lớn nhất đặt vào van

Điện áp lớn nhất đặt vào van bán dẫn là điện áp lớn nhất trbán dẫn là điện áp lớn nhất trên tụ (điện áp ra) ên tụ (điện áp ra) :: V

Vmaxmax = 400 V= 400 V

Dòng điện lớn nhất đi qua van bán dẫn Dòng điện lớn nhất đi qua van bán dẫn là :là :

ACmax ACmax 22.. 22..11000000 15,7 15,7 m miinn.. 110000..00,,99 P P I I AA V V η η

=

==

Với dòng điện làm việc như trên thì dòng điện định mức của van sẽ là tương Với dòng điện làm việc như trên thì dòng điện định mức của van sẽ là tương đối lớn khoảng 1,4 đến 10 dòng điện làm việc của van,tuỳ thuộc vào chế độ làm đối lớn khoảng 1,4 đến 10 dòng điện làm việc của van,tuỳ thuộc vào chế độ làm mát của van , nên ta không sử dụng van loại MOSFET vì ở dòng lớn thì tổn hao mát của van , nên ta không sử dụng van loại MOSFET vì ở dòng lớn thì tổn hao trên van sẽ lớn,và ta cũng sẽ không sử dụng TRANSITOR do với dòng lớn thì ta trên van sẽ lớn,và ta cũng sẽ không sử dụng TRANSITOR do với dòng lớn thì ta phải cung

phải cung cấp cấp cho cho van dòng van dòng điều khiển điều khiển lớn lớn .VÌ vậy .VÌ vậy ta ta chọn van chọn van loại loại IGBT IGBT với tínvới tín hiệu điều khiển bằng áp (15 tới 20 V), với tần số 20KHz thì công suất điều khiển hiệu điều khiển bằng áp (15 tới 20 V), với tần số 20KHz thì công suất điều khiển nhỏ ,sụt áp trên van khi van dẫn nhỏ (2 – 3 V)

nhỏ ,sụt áp trên van khi van dẫn nhỏ (2 – 3 V) Ta sẽ chọn van bán dẫn

Ta sẽ chọn van bán dẫn loại IGBT với số hiệu :loại IGBT với số hiệu : CM100DUS-12F với thông số : CM100DUS-12F với thông số : V VCESCES = 600 V ; Ic = 100 A= 600 V ; Ic = 100 A V VCEmaxCEmax= 2,6 V ;= 2,6 V ;

(33)

Do tần số làm việc của van là 20 KHz là không lớn nên tổn hao chuyển mạch trên van là không đáng kể.Vậy tổn hao cực đại trên van khi van làm việc với tải định mức 1KW là :

ACmax. CE 15,7.2,6 40,82( )

P I V W

∆

=

Với tổn hao công suất trên van như trên thì ta phải sử dụng thêm bộ tản nhiệt cho van để làm mát van . ta sư dụng bộ tản nhiệt có kích thước và hình dáng như sau :

(34)

Với bộ tản nhiệt này thì diện tích bề mặt toả nhiệt là : 2 16.7.(14 1) 14.7 1554( ) tn S

=

− + =

cm Chọn hệ số toả nhiệt : _{10 ( /}3 2_. tn k

₌

− W cm C

_°

Vậy độ tăng nhiệt của bán dẫn so với môi trường là :

3 40,82 26,3( ) . 1554.10 tn tn P C S k τ

=

∆

=

₋

=

°

Chọn nhiệt độ môi trường là 40

°

C

Nhiệt độ của van bán dẫn khi làm việc là :

40 26,3 66,3( ) max 150

lv mt

T

= + = + =

T τ

° <

C T

= °

C Với nhiệt độ này thì van có thể làm việc tốt và ổn định

4

TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

4.1 Tính toán thông số mạch điều khiển :

(35)

Dòng điện xoay chiều lớn nhất là : ACmax 2. 2.1000 15,7 min. 100.0,9 P I A V η

=

Ta chọn các giá trị của các hệ số khuyếch đại như sau :

1 1 1 0.0025 400 DC K V

=

2 ACmax 1 1 0.00295 240. 2 K V

=

3 ACmax 1 1 0.0636 15,7 K I

=

m

K _{: là hệ số dự trữ cho mạch khi điện áp đầu vào thay đổi}

max min 240 2.4 100 AC m AC V K V

=

(36)

Hàm truyền giữa tín hiệu dòng điện cuộn cảm và thời gian đóng mở van có thể tính xấp xỉ như sau [1]: 0 . V i d L sL

=

Do đó ta có sơ đồ mạch vòng điều khiển dòng điện:

Hàm truyền của hệ hở của mạch vòng dòng điện là:

3 3 ( ) 1 . . DC coi DC coi k _k s k ii V k T s V T _i _pi k _pi s sL T s sL





_

_





_

_





_

_





+

=

+

=

Theo phương pháp tối ưu đối xứng thì hệ kín muốn ổn định thì hàm truyền hệ hở phải thỏa mãn hai điều kiện sau:

( ) 1 T j_i ω

=

và góc pha của hệ hở φ_i > -180° 3 3 2 ( ) k piV DCk kpiV DC k T j_i j T_coi L L ω ω ω

= −

+

ii pi k k s + V 0 sL 3 k d I_ACREF i_L

(37)

4.1.1.1 Tính hệ số tỷ lệ của khâu bù dòng điện: Hệ số tỷ lệ được tính từ điều kiện thứ nhất: 2 2 2 2 2 2 1 3 3 3 ( ) k V pi₂ DC _{4 2}k k V kpi_{2 2} DC k V kpi DC ₂ ₂ 1 T j_i L T_coi L L T_coi ω ω ω ω ω                    

=

+

=

+

Khi xét ở tần số cao thì số hạng ₂1 ₂

T coiω có thể bỏ qua. Vì vậy ta có

3 ( ) pi DC i k V k T j L ω ω

=

Theo điều kiện thứ nhất ta có:

3 wI 3 3 ( ) 1 2. . . 2. .2000.0, 0015 0,74 . 400.0, 0636 pi DC i B pi DC DC k V k T j L f L L k k V V K ω ω π ω π

=

⇒

=

Ở đây ta chọn tần số lấy mẫu của khâu phản hồi dòng điện f BWI là 2kHz

4.1.1.2 Tính hệ số tích phân của khâu bù dòng điện

Theo điều kiện thứ hai và nhằm nâng cao độ dự trữ ổn định của mạch điều khiển, ta chọn φi = -180° + 70° = -110° [2]

Mặt khác 1 1 1 1 wI

zi

Im ( )

tan tan ( . ) tan ( ) tan

Re ( ) f i B i coi i zi T j f T T j ω ω ϕ ω ω ω −





− − −

=

_

_

=





Do đó ta tính được tần số cắt wI i 2000 800 tan tan( 110) B zi f f ϕ

=

≈

−

Hz Vì 1 2 coi zi T f π

=

nên ta tính được: .2 0, 74.2. .800 3719, 646 pi ii pi zi coi k k k f T π π

=

(38)

3719,646 0,74 ii pi k k s s

+ =

+

4.1.2 Bộ bù sai số điện áp: Bộ bù sai số điện áp có dạng : 1 . .( ) . v Pv v T s PIv K T s

+

=

Chọn tần số lấy mẫu của điện áp phản hồi là 100 Hz .

Khâu điều khiển PI cũng như một bộ lọc bậc nhất,ở tần số 10 Hz có tác dụng lọc rất tốt cho mạch tần số 100 hoặc 120 Hz.chọn tần số bù là 10Hz Nên: 1 1 0,0159 2. . 2. .10 V T f π π

=

Mục đích chính của bộ bù này là tạo ra dòng điện chuẩn Iref . Do Tv << 1 nên :

(39)

1 .( . ) . PV PI O REF v K V K V V T s

=

−

1 . . . PV PI O v K V K V T s

⇒

=

∆

1 . . . . PV O PI v O K K P V T C V

⇒

=

Theo mạch trên ta cũng có : ACref 2 2 1 ACref 2 2 1 ACref ACref 3 2 2 3 1 6 . . . . . . . . . . . . . .0,81 . . . 0,81.(2. . . ). . . . 0,81.(2. .10.470.10 ).400.0,00295.0,0636 2,4.0,0025 0,4 PI S AVG pv m O S AVG V O pv m V O O pv m pv pv V V Km I V K K K K P V I V T C V K K K K I I K T C V K f C V K K K K K K K π π −

=

⇒

=

⇒

=

⇒

=

⇒

=

⇒

=

56 Vậy ta có bộ bù điện áp : 1 0,0159. 0,456.( ) 0,0159. s PIv s

+

=

4.2 Mô phỏng mạch bằng phần mềm MATLAB : Từ nhưng thông số đã tính toán trên ta sẽ sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng và kiểm tra lại tính ổn định của mạch :

(40)

(41)

(42)

Điện áp đầu ra của bộ PFC là :

Qua mạch mô phỏng và những giá trị của các thông số của mạch đã biểu thị qua các sơ đồ trên thì ta thấy:

Điện áp và dòng điện đầu vào cùng pha với nhau hay hệ số công suất bằng 1 Điện áp đầu ra ổn định dao động xung quanh giá trị 400 V, với sai lệch

10V <20V thoả mãn yêu cầu về sai lệch điện áp. Điện áp đầu ra có thời gian quá độ nhỏ và độ quá điều chỉnh thấp.

(43)

4.2.2 Với điện áp đầu vào là 100 V :

Để kiểm tra khả năng ổn định điện áp đầu ra của mạch:

(44)

(45)

Ta thấy khi điện áp đầu vào nhỏ hơn thì chất lượng điện áp ra không thay đổi. Do điện áp đầu vào nhỏ hơn nên sự tốc độ tăng giảm điện áp đầu vào nhỏ làm cho sự thay đổi của D cũng giảm đi làm cho sóng hài của dòng điện đầu vào cũng nhỏ hơn.

NHẬN XÉT:

Qua mạch mô phỏng và những giá trị của các thông số của mạch đã biểu thị qua các sơ đồ trên thì ta thấy:

Điện áp và dòng điện đầu vào cùng pha với nhau hay hệ số cong suất bằng 1 Điện áp đầu ra ổn định dao động xung quanh giá trị 400 V, với sai lệch

< 10V thoả mãn yêu cầu về sai lệch điện áp. Điện áp đầu ra có thời gian quá độ nhỏ và độ quá điều chỉnh thấp.

4.3 Thực hiện mạch điều khiển với bài toán điều khiển số :

Hiện nay các dòng vi điều khiển ngày càng phát triển với càng ngày càng nhiều khâu và thuật toán được tích hợp trong đó. Từ đó làm cho phương pháp điều khiển số phát triển cực nhanh với những ưu điểm hơn hẳn:

Mạch điều khiển đơn giản, nhỏ gọn, dễ lắp đặt.

Có khả năng lập trình, từ đó dễ dàng thay đổi thông số mạch điều khiển khi thay đổi thuật toán điều khiển hay thay đổi thông số mạch hoặc cho mạch chạy với các chế độ khác nhau.

Việc sửa chữa và thay thế là dễ dàng.

Do đó ta sử dụng phương pháp điều khiển số để giải quyết bài toán điều khiển bằng cách sử dụng vi điều khiển dsPIC30F4011 .Khi đó ta có thuật toán điều khiển

(46)

Sơ đồ thuật toán chương trình:

Tính ∑Vi và số mẫu N

Tính V_PI

Tính V_AVG=∑Vi /N; V_COM=1/V_AVG2

∑Vi=0 N= 0 Tính I_REF= V_PI.V_COM.V_AC N>40 0 H++ K=0 ∑Vi=∑Vi+Vi , N++ PMW Tính I_PI= (I_REF- I_L)(K _Pi+K _ci/s) N>20 0 K++ K>10 Cờ TIMER H>20 0 H=0 Đ Đ Đ S S S Bắt đầu

(47)

Giải thích thuật toán:

Sơ đồ điều khiển gồm 2 vòng điều khiển với tần số phản hồi khác nhau và trong quá trình điều khiể n luôn luôn phải cập nhật giá trị VCOM. Do VCOM mất

khoảng thời gian là cả 1 chu kỳ điện áp lưới là 50Hz, mà tần số đóng cắt của bộ điều khiển là 20kHz nên muốn cập nhật được giá trị của V COM thì phải lấy mẫu

đồng thời với quá trình điều khiển, không tính riêng trong một thời điểm nào đó được vì điều đó sẽ làm gián đoạn việc điều khiển dẫn tới mất ổn định hệ thống.

Với tần số vòng phản hồi dòng là 2kHz và tần số vòng phản hồi áp là 10Hz thì chương trình sẽ có 2 vòng lặp. Sử dụng bộ Timer trong DSPIC để định thời gian cho mỗi chu kỳ làm việc của PMW là:

T = 1/f = 1/20000 = 50.10-6 _{s =50}

_µ

_s

Sau 10 chu kỳ làm việc hệ thống mới nhận phản hồi dòng điện về như vậy chu kỳ của vòng phản hồi dòng là:

TI = 10.T = 500

µ

s

f I =1/TI = 2000Hz

Vòng phản hồi dòng thực hiện được 200 chu kỳ thì hệ thống mới cập nhật giá trị của vòng phản hồi áp nên tần số vòng phản hồi áp là:

f V = f I/200 = 10 Hz * Tính VAVG và VCOM: 1 . ( . ) t T AVG AC t V V dt T +

=

_∫

1 . ( ). S T i n T AVG AC S i n V V i T T = + =

=>

=

∑

(48)

1 ( ). / S i n T AVG AC i n _S V V i T T = + =

=>

=

∑

( ) AC AVG V i V N

=>

=

∑

Để có được giá trị của VAVG thì chương trình điều khiểu cần phải dành ra một khoảng thời gian để tính toán giá trị này. Do thời gian để tính được 1 giá trị của VAVG là một nửa chu kỳ điện áp lưới nên ta phải tính giá trị này song song với việc điều khiển hệ thống bằng cách lấy mẫu trong mỗi chu kỳ làm việc của PWM. Sau khi điều khiển thời gian đóng ngắt cho PWM chương trình sẽ trích lấy mẫu của tín hiệu điện áp vào và cộng dồn vào ∑Vi đồng thời đếm số lần lấy mẫu. Ở đây chương trình sẽ lấy 200 mẫu, đúng bằng thời gian của 1 chu kỳ điện áp vào. Sau đó ngừng lấy mẫu đến khi bước vào vòng lặp áp thì bắt đầu tính giá trị của VAVG và dùng cho chu kỳ điều khiển tiếp theo, đồng thời xóa giá trị của ∑Vi và N để tính lại trong chu kỳ mới.

* Thực hiện bộ PI bằng phương pháp số: Ta có hàm truyền của khâu PI là:

i p

k W(s) = k +

s

Chuyển hàm truyền trong miền liên tục sang miền gián đoạn,

thay 2 1 1 z s T z

−

=

+

trong đó T là chu kỳ lấy mẫu suy ra: p ( 1) 2 W (z) = k + 1 i k T z z + −

(49)

2 2 = 1 i i p p k T k k z k z z − + + − ( ) ( 2 2 = 1 i i p p k T k k z k z + − − − 2 + 2 = ( + ) 2 1 i p i p i p k T k z k T k k T k z

−

Đặt : = ( + ) 2 2 + 2 i pz p i p iz i p kT k k kT k k kT k − = Ta có: 1 iz pz ₁ 1 k W (z) = k . 1 z z − − − −

Biểu diễn theo tín hiệu vào ra của bộ PI có:

( ) W(z).x(z) y z

=

1 1 (1 z − ) ( ) y z k _pz(1 k z _iz − ) ( )x z

→ −

= −

1 1 ( ) ( ) _pz[ ( ) _iz ( )] y z z y z − k x z k z x z −

→

−

=

−

1 1 ( ) ( ) _pz[ ( ) _iz ( )] y z z y z − k x z k z x z −

→

=

+

−

Từ đó ta có:

(50)

( ) ( 1) _pz[ ( ) _iz ( 1)]

y k y k k x k k x k

→ = − +

−

Thực hiện bộ PI bằng chương trình:

Tính toán với bộ PI có bão hòa ta có sơ đồ toán: U = Sum + k pz.x

if( U > ymax )

y = ymax else if( U < ymin ) y = ymin

else y = U Sum = Sum + k pzk iz.x

(51)

5

THIẾT KẾ MẠCH THẬT

VỚI CÁC THÔNG SỐ ĐÃ CHỌN

J 4 A C 9 V 1 2 J 1 1 0 4 V C C 1 0 0 0 u 3 3 0 L E D J 2 J 5 1 0 4 1 0 0 0 u A C 1 5 V 1 2 1 0 4 + 4 7 0 u - + 1 k + 4 7 0 u L M 7 8 1 2 C / T O 1 3 2 I N O U T G N D 5 V D 1 2 L M 7 8 0 5 C / T O 1 3 2 I N O U T G N D 1 2 V 1 2 L E D - + 1 0 4

Hình 5.1 : Sơ đồ mạch nguồn nuôi bộ điều khiển.

(52)

1 0 4 T i n h i e u d 1 2 3 4 V C C 1 0 M H z V C C J 3 S W 1 1 4 2 3 1 N 4 1 4 8 C 7 V C C V C C d s P I C 3 0 F 4 0 1 1 2 3 4 5 6 7 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 4 0 1 5 1 6 1 7 1 8 2 3 2 4 2 5 2 6 1 9 2 0 2 1 2 2 2 7 2 8 2 9 3 0 1 3 1 4 3 2 1 1 3 1 1 2 1 8 9 1 0 R B 0 / A N 0 R B 1 / A N 1 R B 2 / A N 2 R B 3 / A N 3 R B 4 / A N 4 R B 5 / A N 5 P W M H 3 / R E 5 P W M L 3 / R E 4 P W M H 2 / R E 3 P W M L 2 / R E 2 P W M H 1 / R E 1 P W M L 1 / R E 0 A V S S A V D D E M U D 1 / R C 1 3 R C 1 4 I N T 0 / R E 8 I N T 2 / R D 1 R D 0 R F 6 R F 3 R F 2 O C 4 / R D 3 V S S V D D R D 2 R F 5 R F 4 R F 1 R F 0 O S C 1 / C L K 1 O S C 2 / C L K 0 V D D V D D V S S V S S M C L R * / V P P R B 6 / A N 6 R B 7 / A N 7 R B 8 / A N 8 C 6 V C C 1 0 k

(53)

Mạch động lực và mạch lái: 1 0 Q 1 J 8 2 0 0 5 V 1 3 4 2 F U S E 3 0 A 2 0 0 A N 2 1 5 V D C 1 2 P W M P W M 1 0 k 2 2 0 V a c 1 2 1 0 0 u 4 7 0 u 7 5 0 V T i n h i e u d i e u k h i e n 5 V D C 1 2 A N 1 1 0 k J 7 A N 0 J 6 5 V 1 2 3 4 1 0 k U 2 I R 2 1 1 0 1 7 1 0 1 1 1 2 1 3 2 6 3 9 5 L O H O H I N S H D N L I N V S S C O M V B V C C V D D V S 5 V 1 0 4 J 9 A N 1

(54)

6

KẾT LUẬN

6.1 Mụụ c đích đồ án:

- ì Tìm hiểu và thiết kế bô ̣ chỉnh lưu có ổn định điê ̣n á p đầu ra và điều chỉnh hê ̣số công suất

- ả Khảo sát nguyên tắc đóng cắt của van bán dẫn trong bô ̣ biến đổi điê ̣á p mô ̣t chiều và đưa ra phương phá p điề khiển phù hợ p

- ể Kiểm tra và đánh giá chất lượng dạng sóng điê ̣n á p đầu ra, dạng sóng dòng điê ̣n đầu vào

- Nghiên ứ u giải thuâ ̣t vào viết chương trình điều khiểncứ 6.2 Phương pháá p nghiên cứu

- Tham khảo và tổng hợ p tài liê ̣u nước ngoài dưới sự hướng

dẫn của giáo viên hướng dẫn

- ế Tiến hành trên mô phỏng Matlab và thực nghiê ̣m trên mô hình thực tế

- Theo dõi, đánh giá, nhâ ̣n xét các thông số thực nghiê ̣m - ử Xử lý số liê ̣u tính toán và viết báo cáo

6.3 Thờờ i gian thực hiê ̣n

(55)

6.4 ÝÝ nghĩa khoa học và thực tiễn củ a nghiên cứu

Trong thực tiễn đời sống với tình tình hình phát triển công nghiê ̣ p mạnh mẽ, có ngày càng nhiều các thiết bị sản sinh ra sóng hài làm ảnh hưởng xấu tới lưới, nhất là các thiết bị điê ̣n tử công suất, viê ̣c nghiên cứu và chế tạo ra bô ̣ nguồn PFC có ý nghĩa hết sức quan trọng. Tuy nhiên, ở Viê ̣t Nam cho đến nay vẫn chưa có mô ̣t quy định cụ thể nào về tổng lượng sóng hài cho phé p. Nhưng những tác hại của nó hầu như bất kì ai làm kĩ thuâ ̣t đều biết tới, vì thế theo dự đoán của cá nhân em, sẽ có mô ̣t tiêu chuẩn cụ thể trong tương lai gần.

Với điều kiê ̣n thời gian không cho phé p em cùng các bạn tron nhóm chỉ nghiên cứu và chế tạo bô ̣nguồn PFC mô ̣t pha với ứng dụng chỉ cho các thiết bị công suất nhỏ. Em dự định sẽ tiế p tục nghiên cứu bô ̣PFC ba pha khi có điều kiê ̣n phù hợ p.

6.5 Kếế t quả đạt được

Nghiên cứu thành công các thông số mạch

chế tạo thành công mạch Boost PFC mô ̣t pha với các thông số như sau:

- Công suất: 200W

- ̣ Điên á p vào 100VAC – 240VAC

- ̣ Điên á p ra 20V

(56)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

TÀI LIỆU THAM KHẢO TRONG NƯỚC:

TS. Trần Văn Thịnh – Tự đô ̣ng hóa trong điều khiển thiết bị

TÀI LIỆU THAM KHẢO NƯỚC NGOÀI:

1. 16bit_Language_Tools_Libraries. Microchip Techology Inc 2. dsPIC30F4011 Data Sheet High-Performance Digital Signal

Controllers. Microchip Techology Inc

3. dsPIC30F Family Reference Manual . Microchip Techology Inc

4. MPLAB® C30 _ C Compiler User.s Guide . Microchip Techology Inc 5. Aplication note AN1106 . Microchip Techology Inc

WEBSITE THAM KHẢO:

http://www.microchip.com http://services.eng.uts.edu.au

(57)

TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN DSPIC30F4011

6.1. Giới thiệu chung về họ vi điều khiển DSPIC :

Họ vi điều khiển 16 bit dsPic do công ty công nghệ Microchip Technology Inc. sản xuất, được phát triển trên nền họ vi điều khiển 8 bit Pic.

Vi điều khiển dsPic là một chip xử lý mạnh với bộ xử lý 16 bit (có khả năng xử lý dữ liệu có độ dài 16 bit). Với tốc độ tính toán cao dựa trên kiến trúc RISC, kết hợp các chức năng điều khiển tiện ích của một bộ vi điều khiển hiệu năng cao 16-bit (high-performance 16-bit microcontroller), có thể thực hiện chức năng của một bộ xử lý tín hiệu số ( DSP ) nên dsPIC còn có thể được xem là một bộ điều khiển tín hiệu số ( Digital Signal Controller – DSC ).

Họ vi điều khiển dsPic có thể đạt tới tốc độ xử lý 40 MIPS ( Mega Instruction Per Second - triệu lệnh trên một giây). Ngoài ra dsPic còn được trang bị bộ nhớ

Flash, bộ nhớ dữ liệu EEPROM và các ngoại vi hiệu năng cao và rất đa dạng các thư viện phần mềm cho phép thực hiện các giải thuật nhúng với hiệu suất cao một cách dễ dàng trong một khoảng thời gian ngắn. Chính vì vậy dsPic được ứng dụng rất rộng rãi trong các ứng dụng xử lý tín hiệu số, đo lường và điều khiển tự động, .v..v...

Họ vi điều khiển dsPic được chia ra làm ba loại tùy theo mục đích của người sử dụng :

- Bộ điều khiển số cho điều khiển motor và biến đổi nguồn (DSC Motor Control & Power Conversion Family)

(58)

- Bộ điều khiển số đa mục đích (DSC General Purpose Family) 6.2. Đặc điểm của vi điều khiển dsPic30F4011

6.2.1. Khối xử lý trung tâm CPU

- Tập lệnh cơ bản gồm 83 lệnh - Chế độ định địa chỉ linh hoạt

- Độ dài lệnh 24-bit, độ dài dữ liệu 16-bit - Bộ nhớ chương trình Flash 48 kBytes - Bộ nhớ RAM độ lớn 2 kBytes

- Bộ nhớ EEPROM

- Mảng 16 thanh ghi làm việc 16-bit - Tốc độ làm việc lên tới 30 MIPS 6.2.2. Bộ chuyển đổi tương tự số ADC

- Bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) 10-bit

 Tốc độ lấy mẫu tối đa 1 Msps (Mega samples per second)  Tối đa 9 kênh lối vào ADC

 Thực hiện biến đổi cả trong chế độ Sleep và Idle  Chế độ nhận biết điện thế thấp khả lập trình

- Tạo Reset bằng nhận diện điện áp khả lập trình 6.2.3. Các cổng vào ra I/O Port và các ngoại vi