Power Factor Correction
LỜ I NÓI ĐẦU 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 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 linh kiện điện tử, mạ điện , động cơ 1 chiều … Để tạo ra nguồn điện 1 chiều thì ta có thể dùng nhiều nhiều cách như : dùng máy máy 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 cách mang lại hiệu quả và tiện lợi nhất là sử dụng bộ chỉnh lưu. Hiêṇṇ nay có nhiều nhiề u loại loại hình hình chỉnh lưu khác khá c nhau, nhưng hầu hết các bộ nguồn này thường có hiệu suất không cao và thường phát lại lưới những sóng điện có hài bậc cao làm ảnh hưởng tới chất lượng của nguồn điện, từ đó cũng làm giảm hiệu suất làm việc của các loại máy móc, thiết bị khác. Hiện nay, ở nước ta vẫn chưa có qui định về tổng tổ ng lượng lượng sóng sóng 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 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 về hiệu suất và só ng hài . 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 – TS PHÙNG ANH TUẤN và thầy thầy giáo giáo NGUYỄN
THÀNH THÀNH KHANG. 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 khắc phục những sai sót đó. Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên thực thự c hiên: ̣ ̣n:
1
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
1 GIỚI GIỚI THIÊU ̣ CHUNG 1.1 Bộ chỉn chỉnh h lưu lưu có hệ hệ số công công suất suất bằng bằng 1 (PFC) (PFC) :
1.1.1 Giới thiệu chung Hiện nay trong hầu hết các thiết bị biển đổi điện năng đều sử dụng đến chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều (cung cấp từ 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 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 phẳng với giá trị điện dung lớn vào ngay sau chỉnh lưu. Chính điều này đẫn đến 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 U, i
Dạng sóng điện áp Sã ngkhi ® iÖnkhông ¸p ¸p sau có tụ rang chØ nh luu l uu C0 Sãng ®iÖ n ¸p ¸p khiđiện cã áp Dạng sóng tôsa sanph¼ h¼ ng ra khi có tụ san phẳng C0 Dßn ßngdòng ® iÖnvµ vµođiện bé Dạng chØ chØ nhluu l uu vào bộ chỉnh lưu Iact
2
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
1 GIỚI GIỚI THIÊU ̣ CHUNG 1.1 Bộ chỉn chỉnh h lưu lưu có hệ hệ số công công suất suất bằng bằng 1 (PFC) (PFC) :
1.1.1 Giới thiệu chung Hiện nay trong hầu hết các thiết bị biển đổi điện năng đều sử dụng đến chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều (cung cấp từ 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 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 phẳng với giá trị điện dung lớn vào ngay sau chỉnh lưu. Chính điều này đẫn đến 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 U, i
Dạng sóng điện áp Sã ngkhi ® iÖnkhông ¸p ¸p sau có tụ rang chØ nh luu l uu C0 Sãng ®iÖ n ¸p ¸p khiđiện cã áp Dạng sóng tôsa sanph¼ h¼ ng ra khi có tụ san phẳng C0 Dßn ßngdòng ® iÖnvµ vµođiện bé Dạng chØ chØ nhluu l uu vào bộ chỉnh lưu Iact
2
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction Hình 1.1: Dạng Dạng sóng dòng điện, điện điện áp 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 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 lớn khi công suất tải lớn, hoặc khi có đồng thời nhiều thiết bị gây hài mắc vào cùng một nguồn lưới. Như ta đã biết chất lượng một hệ thống cung cấp điện được đánh giá bởi hai (trong một số) chỉ tiêu là hệ số công suất (Power Factor - PF) và tổng
lượng sóng hài (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 năng lưới điện sẽ càng cao. Một số ích lợi khi việc cải thiện hệ số công suất: - Giảm giá thành thành năng năng lượng điện điện và phí truyền tải. tải. - Giảm thiểu thiểu mất mất mát, tổn hao trong trong truyền truyền tải. tải. - Chất lượng điện áp áp tốt hơn. - Tăng tính tính chất điện điện dung cho cho lưới điện. điện. 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 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 correction - PFC). Xong trong đồ án này chúng em sẽ phát triển ý tưởng này để chế tạo ra một bộ PFC với bộ xử lý tín hiệu số (DSP) dsP30F4011. Ưu điểm của bộ PFC số: - Dễ dàng hơn trong việc xử lý các thuật toán phức tạp với tính tính năng DSP - Tính ổn định định cao, cao, bền với thời thời gian. gian. 3
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction - Dễ dàng hơn hơn trong việc hiệu hiệu chỉnh để đạt đạt được những những thông số mong mong muốn do việc xử lý tín hiệu, xuất tín hiệu điều khiển đều được lập trình bằng phần mềm - Công cụ mô phỏng phỏng đa dạng giúp giúp người chế tạo tạo có cái nhìn trực quan quan trước khi hoàn thiện sản phẩm - Dễ dàng kết kết nối với các thiết thiết bị ngoại vi khác khác để tích hợp tính tính năng cho bộ điều khiển.
1.1.2 Ý nghĩa nghĩa của hệ số công công suất trong trong hệ thốn thốngg cung cấp cấp điện: điện: 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 hai thành phần: - Thành Thành phần hữu ích, ích, hay thành thành phần phần hữu công: công: Là phần năng lượng điện chuyển hóa được thành các dạng năng lượng 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 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 - Thành phần vô công:
Là thành phần sinh ra từ trường trong các thiết bị điện từ như động cơ, cuộn kháng… được đo bằng VAR hay kVAR Tổng hai thành phần công suất được gọi là công suất biểu kiến được đo bằng VA hay kVA kVA 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 trọng 1.1.3 Tác dụng của bộ điều khiển PFC: Bộ PFC được lắp đặt tại vị trí giữa nguồn cấp (sau 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
4
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction 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 = VS + VL. Do vậy điện áp ra của mạch boost cao hơn điện áp đầu vào .
5
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction 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 : V O
=
V S 1 − 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 C 0: Itải = IL + IC0 Điện áp trên tụ C: U C = VS – VL = Utải Điện áp ra của bộ Buck luôn nhỏ hơn điện áp nguồn cấp và biểu thức liên hệ là : V = V .D O S
6
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
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 C 0 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 : V O
=
VS .D 1 − D
7
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
2 LUÂT ̣ 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. Dưới đây là mô hình mạch động lực bộ PFC :
8
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction L
D
R
C
S
Vs
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 L
C
S
Vs
R
Vo
Hình 2.2: Sơ đồ thay thế khi van đóng Điện áp đặt trên hai đầu cuộn dây là V L = VS Dòng điện qua cuộn dây tăng dần. Ta có quan hệ sau: L
di L = v (t ) dt s
(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:
∆i L V S = ∆t L Gọi:
(2)
TON là chu kì dẫn của van, 9
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction 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:
∆ I L = V S ( D.T )
(3)
L
b. Xét khi van bán dẫn mở : Ta vẽ lại được mạc như sau L
C
Vs
R
Vo
Hình 2.3: Sơ đồ tương đương khi van cắt Điện áp đặt trên cuộn dây là: V L
= VS − V 0
(4)
Với giả thiết V L mang giá trị âm và lượng biến đổi dòng điện ∆i trên cuộn L cũng mang giá trị âm ta có di L VS − V0 = dt L
(5)
Dạng sai phân:
∆ I L =
VS − V 0 L
( 1 − D ) T
(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: 10
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction Từ (3) và (6) suy ra: VS L V 0
( D.T ) +
=
VS − V 0 L
( 1 − D ) T = 0 (7)
V S
(8)
1 − D
Từ (8) ta thấy V 0 > VS và D càng lớn thì V 0 càng lớn. V S = 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: iC (t ) = C iC = C
dv0 (t )
(9)
dt
∆v0 ∆t
(10)
Do tần số hoạt đông của van trong mạch boost khá cao nên ta coi: iC ≈ iR =
V 0 R
Từ 10 ta có:
∆v0 =
iC .DT C
=
V0 .DT C .R
=
I 0.D 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. 11
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction I I
L
L
L
t
§ Æc tÝnh thÊp nhÊt t (1-D)T
DT
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:
PS
= VS .I L 2
( V ) Công suất tiêu thụ của tải: P 0 = 0 R Bỏ qua tổn hao trên các mạch chuyển đổi ta có PS = P 0 2
2
(V ) ( V ) ⇔ VS .I L = 0 ⇔ I L = 0 R VS .R Ta có:
I 0
=
V 0
(11) (12)
R
Từ (8), (11), (12) ta có: I L
=
I 0 1 − 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: I L max
= I L +
∆ I L 2
(13) 12
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction và: I L min
= I L −
∆ I L
(14)
2
Như vậy để dòng qua L liên tục ta phải có: I L min ≥ 0 ⇒ I L ≥ ∆ I L 2
- Xét trường hợp I L =
∆ I L 2
Từ (8) và (11) ta có: I L =
Vậy
V S 2 ( 1 − D ) .R
I L min =
VS DT .VS − ≥0 2 2 L ( 1 − D ) .R
⇒
VS 2
( 1 − D ) .R
≥
DTVS 2 L
=
DVS 2 fL
2
⇒ L ≥
D.( 1 − D ) R 2 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:
13
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
Với: VS = VM sin(ω t ) d’(t)=1-d(t) Bởi vì điện áp và dòng điện cùng pha với nhau nên: iS (t ) =
VS (t ) Re
Re là điện trở tương đương điện áp đầu và : R
= e
2. L
D 2 .T
Áp dụng phương trình cân bằng điện áp cho mạch vòng đầu vào: i s (t ).d (t ).Ron
=VS (t) − d '(t ).VO
Ron là điện trở đầu vào của mạch khi van đóng. Thay biểu thức i s và d’(t) ta có : d (t ) =
VO − VS (t ) R VO − VS (t ). on R e
Quan hệ giữa dòng điện đầu vào và đầu ra:
14
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction id (t) = d '(t ).i S(t ) id (t ) = (1 − d (t )).
id (t ) =
VS2 (t ) Re
VS (t ) Re 1−
.
Ron Re
R VO − VS (t ). on Re
Ta thấy dòng điện tải là dòng 1 chiều nên dòng điện tải bằng trung bình dòng điện Id . Ron 2 ).sin ( ω t ) T ac / 2 2 VM Re 2 I = . . .dt Tac 0 Re V V Ron ( O − M . .sin( ω t )) Re
∫
⇒ I =
2
VM2
(1 −
Ron
. .(1− ). Tac VO .Re Re
T ac / 2
sin 2( ω t )
∫ 1 −a .sin( ω t ).dt 0
Với: a=
VM Ron . VO Re
Vì dạng sóng sin có tính chất đối xứng nên ta chỉ cần xét trong ¼ chu kỳ,đặt: θ
= ω .t
Ta có thể viết lại phương trình như sau:
15
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction I
=
VM2 VO .Re
.(1−
Ron
2
π / 2
sin2 θ
∫ 1 −a.sinθ .d θ
). . Re π
0
giải phép tính tích phân ta được : 4 π
π / 2
.
sin 2 θ
2
∫ 1 − a.sinθ . dθ = F( a) =π .a .(−2. a − π +
4.sin 1−( a) +2.cos −1( a)
2
0
1− a
2
)
Ta có thể xấp xỉ biểu thức vừa tìm được với đa thức sau: F (a ) = 1 + 0,82.a + 0.78a 2
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: P in
=
V M 2. Re
Công suất đầu ra của mạch: Pout
= VO .I = V O .(
VM2 VO .Re
.(1−
Ron F (a ) ). Re 2
Vậy hiệu suất của hệ: η =
Pout Pin
= (1−
⇒ η ; (1 −
Ron Re
). F ( a)
Ron V R V R ).(1 + 0,862. M . on + 0,78.( M . on ) 2 ) Re VO Re VO Re
Từ biểu thức trên ta có đồ thị biểu hiện mối quan hệ giữa hiệu suất của mạch với các đại lượng liên quan:
16
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
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 V M/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. 17
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction i L =
Dòng điện i L chuẩn là:
V s Re
Ta có: V s = VM sin(ω t ) V M 2 PS = P O = Re V M 2 ⇒ Re = P O 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 : V AVG
=
1
t +T
T ∫
2.VM sin(ω t ) dt
.
t
⇒ V AVG =
2
T
π
∫ 2.V
.
M
⇒ V M = vậy:
i L
= V s
0
⇒ V AVG = 2. f . ⇒ V AVG =
sin(ω t )dt
2.V M .
2 2.V M
;
π
cos(ω t ) ω
π
0
0,9.V M
V AVG 0.9
.0,81.P O 2 V AVG
1 2 V AVG
ta sẽ tính P 0 theo những giá trị có sẵn và điện áp đầu ra phản hồi về : 1 PO = PC = dPC = .C.V O2 2
∫
∆ PC =
1 2
.C.U12
−
1 2
.C.U 22 )
18
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction 1 2 biểu thức trên có thể viết lại như sau: Nhưng do (U1 + U 2 ) >> (U1 − U 2 ) nên
⇒ ∆ PC = .C.(U1 + U 2 )(U1 − U 2 ) 1 2 dPC = C.VO .dVO
⇒ ∆ PC = .C.2.VO .∆V = C.VO.∆V O Hay:
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 = Suy ra: di1 = di 0 +
V s L
V s .dt L
.D.T
19
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction Mà theo tín hiệu xung tam giác thì: di1 = D Vậy: V s .D.T = D L di0 ⇒ D = V .T (1 − s ) L di 0 +
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 = Suy ra: di 2 = di1 +
V s − V o .dt L
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: V S V s .Ts.D 2 V O = ; I = 1 − D L 2. 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. 20
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction 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 :
Hình 2.5: Sơ đồ mạch điều khiển.
21
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
3 TÍNH TOÁN MAC ̣ H ĐÔN ̣ G LƯC ̣ 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 :
∆v0 = iC .D.TV = V 0.D .TV = C
⇒ C =
C .R
I 0.D C .2π .f
I 0 .D
∆v .2π . f 0
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 .
∆v0 max ≤
= 10(V ) 2,5%V0= 0,025.400
Xét ở chế độ tải định mức thì dòng điện qua tải là: I 0
=
P V O
=
1000 400
=
2.5(A )
Do sự thay đổi liên tục của điện áp đầu vào nên giá trị của D không cố định 0< D <1 Để chất lượng điện áp ra đảm bảo thì :
22
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction C ≥
2,5.1 10.2.3,1416.100
= 398.10 −
6
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 23
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction 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: P in =
2.
P 0 1000 = = 1052,63 η 0,95
(W).
Tính toán dòng điện đầu vào trung bình đỉnh: I pkavg =
P in 2 V in (min)
=
1052,63. 2 100
= 14,9
(A). 24
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction 3.
Tính toán độ gợn dòng điện đầu vào: ΔI = 0,2.I pk = 0,2.14,9 = 2,98
4.
(A).
Tính dòng điện đầu vào đỉnh: I pk = I pkavg + ΔI/2 = 14,9 + 2,98/2 = 16,37
5.
Tính toán thời gian mở lớn nhất: D( max)
6.
V − V ( = 0
in (min)
V 0
2)
=
400 − 100. 2 = 0,646 . 400
Tính điện kháng cần thiết của cuộn cảm: L =
7.
(A).
Vin (min) 2.D( max) 100. 2.0,646 = = 0,0015 H = 1,5 ∆ I . f 2,98.20000
(mH).
Tính tích số LI 2: LI pk 2 = 1,5.16,37 2 = 411,68 8.
(W-s).
Chọn lõi (theo hướng dẫn của nhà sản xuất): Từ biểu đồ chọn lõi loại
MPP của nhà sản xuất dựa vào giá trị LI 2 ta thấy, giá trị này tương ứng với đường có độ từ thẩm 26μ , loại lõi 55908.
25
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
Core number
55716.
Nhà sản xuất
Magnetics Inc.
le (Magnetic path length)
20 cm.
Trọng lượng lõi W t
377 g.
MLT (Mean length/turn)
7,53 cm.
Tiết diện lõi Ae
2,27 cm2.
Diện tích cửa sổ W a
17,99 cm2.
Tích diện tích A p
40,8 cm4.
Thể tích lõi Ve
45,3 cm3
Diện tích bề mặt A t
225,2 cm2.
AL (nominal inductance)
37 (nH/T 2)±8%.
26
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
9.
Bảng thông số kỹ thuật của lõi 55908 chỉ ra rằng điện cảm danh định
của lõi này là 37 nH/T 2±8%. Do đó điện cảm danh định nhỏ nhất của lõi này là: (nH/T 2).
ALmin = 37 – 0,08.37 = 34,04
10. Tính số vòng dây cần thiết để đạt được điện cảm là 1,5 mH:
1,5.10 6 A L min N 2 L.106 ⇒ N = = = 213 L = 6 10 34,04 A L min
(vòng).
27
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction 11. Tính sức từ hóa H:
H =
NI pk 213.16,37 = = 174,39 l e 20
(A-vòng).
12. Từ đường cong độ từ thẩm- Điện áp một chiều, ta thu được phần trăm
độ từ thẩm ban đầu là 57%.
13. Số vòng được chỉnh định là:
N adj =
N 213 = = 373 57% 0, 57
(vòng)
14. Chọn mật độ dòng điện trong dây quấn là 600 A/cm 2.Do đó tiết diện
dây là Aw =
I rms 16,37 = = 0,027 600 J
(cm2).
Tra bảng kích thước dây quấn ta chọn dây #13 có tiết diện dây kể cả cách điện 0,028 cm2.
28
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction 15. Tính điện trở danh định của dây quấn với hệ số dây quấn là 0,6.
Theo catalog của nhà sản xuất thì ta có công thức sau:
Ω / mH =
Ω / mH
wf
unit
wf
.
K wf K unit
Trong đó: Ω / mH wf là điện trở danh định đối với hệ số dây quấn đã chọn( Ω/mH).
Ω/mHunit là giá trị điện trở đơn vị, được cho trước với mỗi loại lõi. wf là hệ số dây dây quấn đã chọn chọn ( = K u = 0,6). K wf là chiều dài trung bình một vòng dây đối với hệ số dây quấn đã chọn
(cm). K unit unit là chiều dài trung bình một vòng dây đối với hệ số dây quấn đơn vị (100%) (cm). Từ bảng thông số kỹ thuật của lõi 55716 ta có:
Ω / mH wf =
0,034 ,0345 9,24 . = 0, 048 0, 6 11
(Ω/mH).
16. Giá trị điện trở của dây quấn:
Rdc = Ω / mH wf .L = 0, 048.1, 5 = 0, 074
(Ω).
17. Tính tổn hao đồng trên dây dẫn:
Pcu = R dcdc.I pkavg2 = 0,074.14,89 2 = 16,43(W). 18. Tính sức từ hóa do thành phần xoay chiều gây ra:
H ac
=
N adj . l e
∆ I 2
=
373.
2,98
20
2
= 27,8
(A-
vòng). 29
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
Đổi sang Oersteds H ac = 27,8/1,26 = 22,07
(Oersteds).
19. Tra đường cong từ hóa của vật liệu MPP theo H ta có:
B = 600 Gauss = 0,06
(T).
20. Tính suất tổn hao lõi của vật liệu MPP 20μ từ catalog của nhà sản xuất
(tra đồ thị tổn hao lõi) ta có : (mW/cm3).
PL = 11,5 21. Tổn hao lõi:
PFe = PL.Ve = 11,5.45,3 = 521 mW = 0,521
(W).
22. Tính tổn hao tổng:
Ptot = Pcu + PFe = 16,43 + 0,521 = 17
(W).
23. Tính độ tăng nhiệt độ của cuộn cảm: 0.833
0,833 Ptot (mw) 17000 = T = = 37 2 A ( cm ) 2 2 5 , 2 t
(°C).
Với độ tăng nhiệt này, cuộn cảm có thể làm việc bình thường. Do đó kích thước lõi mà ta đã chọn đạt yêu cầu. Vậy cuộn cảm có lõi hình xuyến ,vật liệu từ do hãng MPP sản xuất ,với dây quấn đồng đồng tiết diện 0,028 cm cm 2 ,quấn 373 vòng.
3.3 Chọn Diode và van bán dẫn : 3.3.1 Chọn diode của chỉnh lưu cầu : GVHD: TS.
30
SVTH:
Power Factor Correction Dòng điện lớn nhất đi qua Diode là : Imax = 2.
1000 P O = 2. = 15, 7( A) 0, 9.100 V S .η
Điện áp ngược lớn nhất trên van là : U N = 2.240 = 339, 4(V ) Vậy ta sẽ chọn chọn diode diode 1N2158 1N2158 với : Imax = 25 A,Un= A,Un= 400V,I 400V,I pik = 400A , ∆U = 0.6V , TCP = 200°C .
3.3. 3.3.22 Chọn Chọn van van bán bán dẫ dẫn n: Điện áp lớn nhất đặt vào van bán dẫn là điện áp lớn nhất trên tr ên tụ (điện áp ra) : Vmax = 400 V Dòng điện lớn nhất đi qua van bán dẫn là : I ACmax =
2. P 2.1000 = = 15,7 A V min .η 100.0, 9
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 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 phải cung cấp cho van dòng điều khiển lớn .VÌ vậy ta chọn van loại IGBT với tín 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) Ta sẽ chọn van bán dẫn loại IGBT với số hiệu : CM100DUS-12F với thông số : VCES = 600 V ; Ic = 100 A VCEmax = 2,6 V ; 31
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
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 :
∆ P = I ACmax .VCE = 15,7.2,6 = 40,82(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 :
32
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction Với bộ tản nhiệt này thì diện tích bề mặt toả nhiệt là : Stn = 16.7.(14 − 1) + 14.7 = 1554( cm2 ) Chọn hệ số toả nhiệt : ktn = 10 −3 (W / cm2 .°C
Vậy độ tăng nhiệt của bán dẫn so với môi trường là : τ
=
∆ P Stn .k tn
=
40,82 = 26,3(°C ) 1554.10 −3
Chọn nhiệt độ môi trường là 40 °C Nhiệt độ của van bán dẫn khi làm việc là : Tlv = Tmt + τ = 40 + 26,3 = 66,3( °C) < T max = 150 °C
Với nhiệt độ này thì van có thể làm việc tốt và ổn định
4 TÍNH TOÁN MAC ̣ H ĐIỀU KHIỂN 4.1 Tính toán thông số mạch điều khiển : Theo những tính toán ở chương 2 ta sẽ có sơ đồ mạch điều khiển như sau :
33
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
Dòng điện xoay chiều lớn nhất là : I ACmax =
2. P 2.1000 = = 15,7 A V min.η 100.0,9
Ta chọn các giá trị của các hệ số khuyếch đại như sau : K 1 =
1 1 = = 0.0025 V DC 400 1
K 2 = K 3 =
V ACmax 1 I ACmax
=
1 = 0.00295 240. 2
=
1 = 0.0636 15,7
K m : là hệ số dự trữ cho mạch khi điện áp đầu vào thay đổi K m
=
V AC max V AC min
=
240 100
= 2.4
4.1.1 Tính toán mạch vòng điều khiển dòng điện
34
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
Hàm truyền giữa tín hiệu dòng điện cuộn cảm và thời gian đóng mở van có thể tính xấp xỉ như sau [1]: i L = V 0 .d sL Do đó ta có sơ đồ mạch vòng điều khiển dòng điện: IACREF
k k pi + ii s
d
V 0
iL
sL
k 3
Hàm truyền của hệ hở của mạch vòng dòng điện là: k V 1 + Tcoi .s VDC k 3 Ti ( s) = k pi + ii DC k 3 = k pi sL sL . s T s coi
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: Ti ( jω ) = 1 và góc pha của hệ hở φ i > -180° k piV DC k3
+j Ti ( jω ) = − Tcoiω 2 L
k piV DC k3
ω L
35
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
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: k 2 V 2 k2 k 2 V 2 k 2 k V k DC 1 +1 3 = pi DC 3 Ti ( jω ) = pi DC 3 + pi 2 ω 4 L2 ω 2 L2 ω L 2 ω 2 Tcoi Tcoi 1
Khi xét ở tần số cao thì số hạng T 2 ω 2 có thể bỏ qua. Vì vậy ta có coi Ti ( jω )
=
k piVDC k 3 ω L
Theo điều kiện thứ nhất ta có: Ti ( jω )
⇒ k pi =
=
k piVDC k 3 ω L ω L
k3V DC
=
=1
2.π . f BwI .L VDC .K 3
=
2.π .2000.0, 0015 400.0, 0636
= 0,74
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 φ i = -180° + 70° = -110° [2] Mặt khác
ϕi
Im Ti ( jω ) ω = tan −1 = tan −1 (T coi .ω ) = tan−1 ( ) = tan−1 ω zi Re Ti ( jω )
Do đó ta tính được tần số cắt Vì T coi =
1 2π f zi
kii
=
k pi T coi
f zi
=
f BwI tanϕ i
=
2000 tan( −110)
f BwI fzi
≈ 800 Hz
nên ta tính được:
= k pi .2π f zi = 0, 74.2.π .800 = 3719, 646
Vậy ta có hàm truyền của khâu bù dòng điện là: 36
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction k pi
+
k ii s
= 0,74 +
3719,646
s
4.1.2 Bộ bù sai số điện áp:
Bộ bù sai số điện áp có dạng : 1 + Tv .s ) PIv = K Pv .( Tv .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: T V =
1 1 = = 0,0159 2.π . f 2.π .10
Mục đích chính của bộ bù này là tạo ra dòng điện chuẩn Iref . Do Tv << 1 nên :
37
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction V PI =
K PV .( K1.VO − VREF ) Tv .s
⇒ V PI =
K PV .K .∆V Tv .s 1 O
⇒ V PI =
K PV .K1.P O Tv .C.V O
Theo mạch trên ta cũng có : I ACref =
V PI .VS .Km 2 V AVG .K 2
PO .V S K pv .K1.K m ⇒ I ACref = 2 . V AVG TV .C.VO .K2
⇒ I ACref = ⇒ K pv = ⇒ K pv =
I ACref
K pv .K1.K m
. K 3 .0,81 TV .C.VO .K 2
0,81.(2.π . f .C ).VO .K 2 .K 3
K m .K 1 0,81.(2.π .10.470.10−6 ).400.0,00295.0,0636 2,4.0,0025
⇒ K pv = 0, 456 Vậy ta có bộ bù điện áp : 1 + 0,0159. s ) PIv = 0,456.( 0,0159. 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 :
38
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
4.2.1 Với điện áp đầu vào là 200 V , công suất đầu ra là 1000W :
39
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction Dạng dòng điện và điện áp đầu vào :
40
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction 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. 41
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
4.2.2 Với điện áp đầu vào là 100 V : Để kiểm tra khả năng ổn định điện áp đầu ra của mạch:
Điện áp và dòng điện đầu vào:
42
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
Điện áp đầu ra:
43
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction 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 như sau: 44
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction Sơ đồ thuật toán chương trình: Bắt đầu Tính ∑Vi và số mẫu N N>40 0 Tính VPI Tính VAVG =∑Vi /N; VCOM=1/VAVG2 ∑Vi=0 N= 0 Tính IREF = VPI.VCOM.VAC Tính IPI = (IREF - IL)(K Pi+K ci /s) PMW Đ
N>20 0
S ∑Vi=∑Vi+Vi , N++ Cờ TIMER K++ S
K>10 H++
S
Đ K=0 H>20 0 Đ H=0
45
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction 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 V COM. 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 µs 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 µs 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: V AVG
=
1
T
t +T
.
∫ (V t
i =n +
=> V AVG =
.dt )
AC
1
T
.
T T S
∑V
AC
(i).TS
i =n
46
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction i =n +
=> V AVG =
T T S
∑V
AC (i ).
i =n
=> V AVG = ∑
1 T / T S
V AC (i) 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: W(s) = k p +
k i s
Chuyển hàm truyền trong miền liên tục sang miền gián đoạn, thay s =
suy ra:
2 z − 1
T z + 1
trong đó T là chu kỳ lấy mẫu ki T
( z + 1)
W (z) = pk + 2 z − 1
47
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction ki T 2 z − 1
k p z − k p =
(k p +
ki T
)z
2
=
z
+
−
k i + 2
(k p
k i
−
2
z − 1 z −
= ( k p +
kiT ) 2
k p
− kiT
2 k T k p + i 2 z −1
Đặt : kT ) i 2 kT i
k pz = k (p + k p k iz
−
2 kT i
=
k p +
2
1 − k iz z 1 Ta có: W (z) = pzk . 1 − z 1 −
−
Biểu diễn theo tín hiệu vào ra của bộ PI có: y ( z ) = W(z).x(z)
→ (1 − z −1 ) y ( z ) = k pz (1 −kiz z −1 ) x ( z ) → y ( z ) − z −1 y( z ) = k pz [x( z ) −kiz z −1 x( z )]
→ y( z ) = z−1 y( z ) + k pz [x( z ) −kiz z −1 x( z )] Từ đó ta có: 48
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
→ y ( k ) = y (k −1) +k pz [x(k ) −kiz x(k −1)] 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 (*với y(0) = 0; x(0) = 0 và ymin ymax là giới hạn đầu ra của khâu PI)
49
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
5 THIẾT KẾ MAC ̣ H THÂT ̣ VỚI CÁC THÔNG SỐ ĐÃ CHON ̣
J 1 V 2 1
L -
1
+
M
7
I N
8
O
0
5
C
/ T
C
O
3
3
0
3 T
U
D
C
J 4
N
2 1
G
A
C
9
V 0
4
1
0
0
0
4
+
2
1
u
1
0
7
0
u
4
L
E
D 5
V
D
J 5 J 2 2 1
L -
1
+
M
I N
7 O
D
8
1
2
C
/ T
O
1
2 1
k
3 T
U
N
1
G
A
C
1
5
2
V
V 2
1
0
4
1
0
0
0
u
1
0
4
+
4
7
0
u L
E
D
Hình 5.1 : Sơ đồ mạch nguồn nuôi bộ điều khiển.
Mạch điều khiển: 50
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
V
C
C
1
0
k V
1 N 4 1 4 8 1 S
W
2
2 3 2
1 1 1
3
0
4
5 6 7 8 9
4
V
C
C
C
C
6
1
7
0
M
9 0 8
H
z
1 1 1
0 1 2
1 1
3 4
1 1 1 1
5 6 7 8
1
9
2
0
M R R R
C F F F
L 1 0 4
R R R R R R V V
B B B B B B D S
3 4 5 6 7 8 D S
O O
S S
C C
R
/ / / / / /
*
A A A A A A
/ V
N N N N N N
P
3 4 5 6 7 8
V
C S
4
A A
V V
1 2
/ C / C
L L
/ R
D
K K C
s
E E E E
2
1
P P P P
W W W W
M M M M
L H L H
2
R R R 3
1
B B B
3
0
F F F F D D D 4
2 1
4 / A N 3 / A N 2 / A N
2 1 0
F
3 D 3 S
D S
R R R R R R V I C
3 6 / R 3 5 2 / R 3 4 3 / R 3 3 3 / R
L H
3
P
0
M M
S d
E E
W W
1 0
C
3 8 / R 3 7 1 / R
P P
V V
E M U D 1 / R R C 1 4 I N T 0 / R E 8 I N T 2 / R D 1 O
P
C
4 0 D D 3 9 S S
0
2 5 2 2 2 3 2 6 2 0 2 2 2 D
7 6 5 4 3 2 1
1
1
1
3 4 5 V
C
J 3
C 1 2 3 4
2 1 0 T
V
C
i n
h
i e
u
d
C
51
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
Mạch động lực và mạch lái: A
N
1 5 V
F
U
S
E
3
0
A
3
4
2
1
J 6 2 1
1 1
0
Q
1 0 4 2
2
0
V
a
0
k
k 1
c
2 0 0 4
2 0 0
7
0
u
7
5
0
V
5 V 5 V
J 7 4 3 2 1 T
i n
A
h
i e
u
A
N
P
W
d
1 A
N
0
N
2
M
i e
u
k
h
i e
n
U
2 9
J 8 2 1
5
V
D
C 1
0
0
1
0
1
1
u
H
S
3
D
C
D
C
V
V
6
B V
I N
H
V
D
I R
N
2
1 H
J 9 2 1
1
5
V
1 P
D
1
W
M
2
L
S
5
0 O
7 1
I N S
M
S
O
V
C
L
O
0
1
C 3 1
2
1
0
k
52
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
6 KẾT LUÂN ̣
6.1 Mụ ụ 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 -
Nghiênứcứu giải thuâ ̣t vào viết chương trình điều khiển
6.2 Phương phá á 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 Thờ ờ i gian thực hiêṇ Thời gian thực hiê ̣n đồ án: từ 25/2/2009 đến 25/5/2009 53
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction 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 p̣ 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 môṭ 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 Kế ế t quả đạt được Nghiên cứu thành công các thông số mạch chế tạo thành công mạch Boost PFC mô ṭ pha với các thông số như sau: -
Công suất: 200W
-
̣ Điên á p vào 100VAC – 240VAC
-
̣ Điên á p ra 20V
-
̣ Hiêu suất 95%
54
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
TÀI LIÊU ̣ THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO TRONG NƯỚC: TS. Trần Văn Thịnh – Tự đô ṇ g 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
PHU ̣ LUC ̣ 55
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
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) - Bộ điều khiển số cho sensor (DSC Sensor Family) 56
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction - 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 -
Dòng ra, vào ở các chân I/O lớn: 25 mA/25 mA
57
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction -
5 Timer 16-bit, có thể ghép 2 Timer 16-bit thành Timer 32-
-
Chức năng Capture 16-bit
-
Các bộ so sánh/PWM 16-bit
-
Module SPI 3 dây (hỗ trợ chế độ Frame)
-
Module I2C, hỗ trợ chế độ đa chủ tớ, địa chỉ từ 7-bit đến 10-
-
2 Module UART, với bộ đệm nguyên lý FIFO
bit
bit
6.2.4. Bộ xử lý tín hiệu số -
Nạp dữ liệu song song
-
Hai thanh chứa 40-bit có hỗ trợ bão hoà logic
-
Thực hiện phép nhân 2 số 17-bit trong một chu kì máy
-
Tất cả các lệnh DSP đều thực hiện trong một chu kì máy
-
Dịch trái hoặc phải 16 bit trong một chu kì máy
6.2.5. Một số đặc điểm khác -
Bộ nhớ Flash: ghi/xoá lên tới 10.000 lần (điều kiện công
nghiệp) và trên dưới 100.000 lần (thông thường) -
Bộ nhớ EEPROM: ghi/xoá lên tới 100.000 lần (điều kiện
công nghiệp) và trên dưới 1.000.000 lần (thông thường) -
Khả năng tự nạp trình dưới điều khiển của software
-
Watch Dog Timer mềm dẻo với bộ dao động RC nguồn
thấp trên chip. -
Chế độ bảo vệ firmware khả lập trình 58
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction -
Khả năng tự lập trình nối tiếp trên mạch điện ( In Circuit
Serial Programming – ICSP ) -
Có thể lựa chọn các chế độ quản lí nguồn: Sleep hoặc
Idle
6.3. Cấu trúc của vi điều khiển dsPic30F4011 6.3.1. Khối xử lý trung tâm CPU CPU của dsPic30F4011 được thiết kế trên kiến trúc RISC, nhân của CPU có một bộ xử lí lệnh 24-bit và bộ đếm chương trình – Program Counter (PC) độ rộng 23-bit với bit ý nghĩa thấp nhất (LSB) luôn bằng 0, còn bít ý nghĩa cao nhất thì được bỏ qua trong suốt quá trình thực hiện chương trình bình thường, chỉ trừ khi thực hiện các lệnh đặc biệt. Do đó, bộ đếm chương trình có thể định địa chỉ lên tới 4 triệu từ lệnh của không gian bộ nhớ chương trình được sử dụng. Thiết bị dsPIC30F chứa 16 thanh ghi làm việc 16-bit. Mỗi thanh ghi làm việc có thể có thể làm việc với vai trò lưu trũ dữ liệu, địa chỉ hoặc địa chỉ offset. Thanh ghi thứ 16 (W15) hoạt động như là con trỏ ngăn xếp mềm cho hoạt động ngắt và gọi ngắt. Các chỉ lệnh của dsPIC30F gồm 2 lớp: Lớp MCU và Lớp DSP của lệnh. Hai lớp này được kết hợp đồng nhất với nhau trong kiến trúc và thực hiện từ một khối thực hiện đơn. Các chỉ lệnh bao gồm nhiều chế độ địa chỉ và được chế tạo nhằm tương thích với trình biên dịch ngôn ngữ C. Không gian dữ liệu có thể được địa chỉ hoá thành 32K words hoặc 64 Kbytes và được chia làm hai khối, được gọi là bộ nhớ dữ liệu X và bộ nhớ dữ liệu Y. Mỗi khối đều có khối tạo địa chỉ - AGU (Adress Generator Unit) riêng biệt của nó. Tất cả các lệnh hoạt động đơn độc chỉ qua bộ nhớ X, và khối AGU – quy định sự xuất hiện của một vùng dữ liệu thống nhất. Lớp thanh chứa phép nhân (Multiply-
59
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction Accumulate) – MAC của lệnh DSP hoạt động thông qua cả hai khối AGU của bộ nhớ X và Y, nó chia địa chỉ dữ liệu thành hai phần. Mỗi từ dữ liệu gồm 2-bytes, và tất cả các lệnh có thể định địa chỉ dữ liệu theo bytes hoặc words (từ). Có hai cách để truy xuất dữ liệu trong bộ nhớ chương trình đó là: -
32 Kbytes cao của vùng nhớ dữ liệu có thể được sắp xếp
trong nửa thấp của không gian chương trình tại biên của 16K từ chương trình bất kỳ, được định nghĩa bởi thanh ghi PSVPAG 8-bit (Program Space Visibility Page). Do đó các lệnh có thể truy cập không gian chương trình như không gian dữ liệu, nhưng có một giới hạn là nó cần thêm một chu kỳ lệnh nữa. Chỉ có 16 bít thấp của mỗi từ lệnh có thể sử dụng phương thức truy cập này. -
Truy cập trực tiếp không tuyến tính của các trang 32K từ
nằm trong không gian chương trình cũng có thể sử dụng các thanh ghi làm việc, thông qua bảng lệnh đọc và ghi. Bảng lệnh đọc và ghi có thể được sử dụng để truy cập cả 24 bit của một từ lệnh. Khối X AGU (khối AGU của bộ nhớ X) cũng hỗ trợ việc đảo bit địa chỉ trên địa chỉ đích kết quả nhằm đơn giản hoá tối đa dữ liệu vào hoặc ra để chúng thích hợp cho thuật toán FFT cơ số 2. Với tất cả các lệnh, nhân của dsPIC30F có khả năng thực hiện việc đọc bộ nhớ dữ liệu hoặc bộ nhớ chương trình, đọc thanh ghi làm việc, ghi vào thanh ghi làm việc và đọc bộ nhớ chương trình mỗi chu kì lệnh. Như vậy, lệnh 3 toán hạng được hỗ trợ, cho phép thực hiện phép tính C = A + B trong một chu kì lệnh.
60
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
Hình 6.1: Sơ đồ khối DsPic30F4011
61
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
Hình 6.2: Các thanh ghi của khối xử lý trung tâm 62
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction 6.3.2. Các cổng vào ra I/O Port Các cổng vào ra của dspic30F4011 đều có thiết kế có đầu vào là mạch Trigger Schmitt nhằm cải tiến khả năng chống nhiễu. Tất cả các cổng vào ra đều có ba thanh ghi kết hợp với nhau điều khiển trực tiếp hoạt động của các cổng. -
Thanh ghi dữ liệu trực tiếp (TRISx) xác định cổng đó là
Input hay Output. Nếu bit dữ liệu trực tiếp là ‘1’, thì cổng đó là Input và ngược lại. Các cổng được định nghĩa là Input sau khi Reset. -
Thanh ghi cổng (PORT registers): dữ liệu ở một cổng I/O
được truy xuất thông qua thanh ghi PORTx. Đọc giá trị của thanh ghi PORT cổng nào sẽ có được giá trị của cổng đó. Ghi vào thanh ghi PORT của cổng tương đương việc xuất dữ liệu ra cổng đó. -
Thanh ghi LAT, kết hợp với một cổng I/O sẽ loại bỏ
được các vấn đề có thể xuất hiện khi đọc-thay đổi-ghi vào cổng đó. Đọc giá trị thanh ghi LAT sẽ trả về giá trị được giữ ở đầu ra của bộ chốt cổng đó, thay cho giá trị ở cổng I/O. Việc ghi vào thanh ghi LATx cũng tạo ra hiệu quả như ghi vào thanh ghi PORTx. Cấu hình tương tự cho cổng: khi sử dụng bộ ADC thì cổng được cấu hình là lối vào tương tự. Điều này sẽ được nói kĩ hơn ở phần miêu tả ADC.
63
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
Hình 6.3: Sơ đồ chân của dsPic30F4011
Hình 6.4: Sơ đồ khối của một cổng I/O dùng chung với ngoại vi khác
6.3.3 Ngắt và cơ chế ngắt 64
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction Vi điều khiển dsPic30F4011 có tới 30 nguồn ngắt và 4 bộ xử lý loại trừ (bẫy lỗi), bộ xử lý này sẽ cho phép các ngắt theo mức ưu tiên được sắp đặt trước. CPU có thể đọc bảng vector ngắt và truyền địa chỉ được chứa trong vector ngắt tới bộ đếm chương trình. Vector ngắt được truyền từ bus dữ liệu chương trình vào trong bộ đếm chương trình thông qua bộ hợp kênh 24-bit, lối vào của bộ đếm chương trình. - Các thanh ghi 16-bit IFS0<15:0>, IFS1<15:0>, IFS2<15:0> Tất cả các cờ ngắt được lưu trong 3 thanh ghi này. Các cờ được đặt tương ứng bởi của ngoại vi hoặc tín hiệu bên ngoài và có thể xoá bằng phần mềm. - Các thanh ghi 16-bit: IEC0<15:0>, IEC1<15:0>, IEC2<15:0>: Tất cả các bit điều khiển cho phép ngắt đều nằm trong 3 thanh ghi này. Các bit này được sử dụng để cho phép ngắt độc lập ngoại vi và tín hiệu ngoài - Các thanh ghi ưu tiên ngắt: IPC0<15:0> ... IPC10<7:0>: Người sử dụng có thể chuyển đổi mức ưu tiên ngắt kết hợp với mỗi ngắt được giữ trong các thanh ghi này - Nhóm bit IPL<3:0>: Mức độ ưu tiên của CPU hiện hành được lưu rõ ràng trong các bit này. Bit IPL<3> nằm trong thanh ghi CORCON, trong khi đó các bit IPL<2:0> nằm trong thanh ghi trạng thái (SR) - Hai thanh ghi 16-bit INTCON1<15:0>, INTCON2<15:0>: Chức năng điều khiển ngắt toàn cục được xuất phát từ hai thanh ghi này. INTCON1 chứa các cờ điều khiển và trạng thái của bộ xử lý loại trừ. INTCON2 điều khiển tín hiệu yêu cầu ngắt và việc bảng vector ngắt thay thế. Các nguồn ngắt có thể được người sử dụng sắp xếp mức ưu tiên từ 1 đến 7 thông qua thanh ghi IPCx. Mỗi nguồn ngắt được kết hợp với một vector ngắt.
6.3.4 Các bộ định thời 65
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction Trong vi xử lý dsPIC40F4011 có tới năm bộ định thời (Timer) 16-bit. Trong đó các Timer có thể hoạt động riêng biệt, riêng hai Timer 2, 3 và hai Timer 4, 5 có thể kết hợp với nhau để trở thành một Timer 32 bit. Về cấu trúc các Timer này khác nhau vì hai Timer 2 và 3 và hai Timer 4 và 5 có thể kết hợp còn Timer 1 thì không. Timer 1 có cấu trúc kiểu A (Hình 2.10), Timer 2,4 kiểu B và Timer 3,5 kiểu C. Về hoạt động các Timer có hoạt động gần giống nhau do đó ta sẽ tìm hiểu về Timer 1, các Timer còn lại là tương tự. Timer 1 có thể hoạt động với nguồn tạo dao động tần số thấp 32KHz, và chế độ không đồng bộ với nguồn tạo dao động ngoài. Đặc điểm riêng biệt của Timer 1 đó là có thể dùng trong các ứng dụng thời gian thực. Phần tiếp theo sẽ mô tả chi tiết cách thiết lập và sử dụng Timer 1 với ba chế độ: -
Timer 16-bit: trong chế độ này, timer sẽ tăng sau mỗi chu
kỳ lệnh đến khi giá trị của timer bằng giá trị của thanh ghi chu kỳ PR1 (Period Register) thì sẽ reset về ‘0’ và tiếp tục đếm. -
Counter đồng bộ 16-bit: trong chế độ này, timer sẽ tăng ở
mỗi sườn lên của của xung nhịp ngoài mà được đồng bộ với pha của các xung nhịp trong. Timer tăng đến giá trị nằm trong thanh ghi PR1 thì dừng và reset timer về ‘0’ rồi tiếp tục đếm lên. -
Counter không đồng bộ 16-bit: khi hoạt động trong chế
độ này, timer sẽ tăng dần sau mỗi sườn lên của xung nhịp bên ngoài tác động vào. Timer sẽ tăng dần đến khi giá trị của nó bằng thanh ghi PR1 thì bị reset về ‘0’ rồi lại tiếp tục đếm lên.
Hệ số chia tần của bộ định thời 66
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction Xung nhịp đầu vào (Fosc/4 hoặc xung nhịp ngoài) đưa vào Timer 16-bit và có thể được chia tần số theo các tỉ lệ sau: 1:1, 1:8, 1:64, 1:256 được xác định bởi các bit TCKPS<1:0> của thanh ghi TxCON. Hệ số chia tần này (prescaler) có thể bị xoá khi xảy ra một trong các điều kiện sau: - Ghi vào TMR - Ghi vào thanh ghi TxCON (trừ việc ghi vào bit TxCON) Reset thiết bị, như POR và BOR DsPic30F4011 có 5 thanh ghi điều khiển Timer T1CON..T5CON. Các thanh ghi này được chia ra làm 2 kiều. T1CON thuộc kiểu A, T2CON và T4CON thuộc kiểu B, T3CON và T5CON thuộc kiểu C.
Hình 6.5: Sơ đồ khối của Timer 1
67
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
Hình 6.6 Sơ đồ khối Timer 2
Hình 6.7 Sơ đồ khối Timer 3
68
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
Hình 6.8: Sơ đồ khối Timer 2/3 - 32bit
( Sơ đồ khối Timer 4/5 32 bit và Timer 4,5 16 bit giống như Timer 2/3 32 bit và Timer 2,3 16 bit )
6.3.5 Bộ chuyển đổi tương tự số ADC Vi điều khiển dsPic30F4011 cung cấp bộ chuyển đổi tương tự số 10-bit cho phép biến đổi tín hiệu tương tự đầu vào sang số độ dài 10-bit. Module này dựa trên thanh ghi SAR (Successive Approximation Register – thanh ghi xấp xỉ) và cung cấp tốc độ lấy mẫu tối đa lên tới 100 ksps. ADC của dsPic30F4011 có tới 10 kênh tương tự lối vào được kết hợp cả lấy mẫu và giữ mẫu. Lối ra của bộ lấy và giữ mẫu là lối vào của bộ chuyển đổi - tạo ra kết quả biến đổi. Điện thế tương tự chuẩn có thể là điện thế nguồn cung cấp (AV DD/AVSS) hoặc mức điện thế của các chân VREF+/VREF-. 69
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction Bộ biến đổi ADC của dsPIC bao gồm 6 thanh ghi: - Ba thanh ghi điều khiển A/D: ADCON1, ADCON2, ADCON3 - Chức năng điều khiển hoạt động của ADC. - Thanh ghi lựa chọn lối vào: ADCHS - Lựa chọn kênh vào để biến đổi. - Thanh ghi cấu hình cổng: ADPCFG - Cấu hình cổng trở thành lối vào tương tự hoặc vào ra số. - Thanh ghi lựa chọn quét
Bộ đệm kết quả biến đổi A/D Module ADC sử dụng RAM để làm bộ đệm lưu kết quả biến đổi A/D. Có tất cả 16 vị trí trong RAM được sử dụng để làm việc này, đó là: ADCBUF0, ADCBUF1, ADCBUF2, ..., ADCBUFE, ADCBUFF. RAM chỉ có độ rộng 12-bit nhưng dữ liệu chứa trong nó lại là một trong bốn dạng số 16-bit đó là: nguyên, nguyên có dấu, phân số, và phân số có dấu.
Các bước thực hiện biến đổi A/D a) Thiết lập cấu hình cho module A/D - Cấu hình các chân là lối vào tương tự, điện thế chuẩn và vào ra số. - Chọn các kênh lối vào cần biến đổi. - Chọn xung nhịp cho biến đổi. - Cho phép module ADC có thể hoạt động. b) Cấu hình cho ngắt ADC nếu cần - Xóa cờ ngắt ADIF - Lựa chọn mức ưu tiên ngắt cho biến đổi A/D c) Bắt đầu lấy mẫu d) Đợi đủ thời gian cần thiết để hoàn thành 70
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction e) Kết thúc lấy mẫu, bắt đầu biến đổi f) Đợi biến đổi kết thúc bởi một trong hai điều kiện sau: - Đợi ngắt từ ADC - Đợi bit DONE được set Đọc kết quả từ bộ đệm biến đổi A/D và xóa bit ADIF nếu cần
71
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
Hình 6.9: Sơ đồ khối cơ bản của ADC 10-bit
72
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction 6.3.6. Module PWM: Module PWM được sử dụng để tạo ra các tín hiệu xung đồng bộ có khả năng đều chỉnh được độ rộng ( Synchronized Pulse Width Modulated) . Được ứng dụng trong các mục đích điều khiển chuyển động và điều khiển công suất Module PWM có các ứng dụng phổ biến sau: -
Sử dụng phổ biến trong điều khiển động cơ xoay chiều 3
pha ( Three Phase AC Induction Motor) -
Sử dụng trong các thiết bị dùng để lưu trữ điện năng
dùng để cung cấp năng lượng khi mất điện (Uninterruptable Power Supply ) -
Sử dụng trong điều khiển động cơ một chiều không chổi
than ( Brushless DC Motor)
6.3.6.1. Các đặc điểm của module PWM -
Có 8 ngõ tín hiệu ra PWM với 4 bộ tạo chu kì PWM
-
Có độ phân giải lên đến 16 bit
-
Có khà năng thay đổi tần số tín hiệu PWM khi module
đang hoạt động -
Có các chế độ canh giữa ,canh cạnh ( Edgle and Center
Aligned output) -
Có thể vận hành ở chế độ độc lập, nghĩa là tín hiệu ở mỗi
kênh PWM sẽ hoàn toàn độc lập với nhau Sơ đồ cấu tạo
73
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
Hình 6.10: Sơ đồ cấu tạo bên trong module PWM
6.3.6.2. Giải thích hoạt động của module PWM Module PWM có thể được cấu hình để hoạt động ở 4 chế độ vận hành khác nhau gồm: 74
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction -
Free Running Mode
-
Single Shot Mode
-
Continous Up/Down Counting Mode
-
Double Update Mode
Bốn chế độ hoạt động này được lựa chọn bởi bit PTMOD<1:0> trong thanh ghi PTCON Các sự kiện ngắt được tạo ra bởi bộ đếm thời gian PWM phụ thuộc vào bit (PTMOD<1:0>) và bit Postscaler (PTOPS<3:0>) trong thanh ghi PTCON
6.3.6.2.1. Chế độ tự do(Free Running Mode) Trong chế độ Free Running bộ đếm thời gian trong module PWM( PWM time base) sẽ đếm lên cho đếm khi nào bằng với giá trị trong thanh ghi PTPER. Thanh ghi PTMR sẽ reset vào lần xung clock kế tiếp và bộ đếm thời gian sẽ tiếp tục đếm lên nếu bit PTEN vẫn còn được set. Trong khi bộ đếm thời gian của module PWM trong chế độ Free Running (PTMOD<1:0>=00), một sự kiện ngắt sẽ được tạo ra mỗi lần giá trị của bộ đếm trùng với giá trị trong thanh ghi PTPER và thanh ghi PTMR sẽ được reset về 0. Bit lựa chọn Postscaler nên được chọn trong chế độ này để giảm bớt số lần sự kiện ngắt xảy ra
Hình 6.11 : Cập nhật giá trị PWM trong chế độ tự do 75
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
6.3.6.2.2. Chế độ đơn (Single Shot Mode) Trong chế độ Single Shot , bộ đếm thời gian của module PWM sẽ đếm lên khi bit PTEN được set. Khi giá trị trong thanh ghi PTMR bằng với giá trị trong thanh ghi PTPER, thanh ghi PTMR sẽ được reset reset tron lần xung clock kế tiếp,và thanh ghi PTEN sẽ bĩ xóa bởi phần cứng để tạm dừng lại bộ đếm thời gian. Trong khi bộ đếm thời gian của module PWM trong chế độ Single Shot (PTMOD<1:0>=01), một sự kiện ngắt sẽ được tạo ra mỗi lần giá trị của bộ đếm trùng với giá trị trong thanh ghi PTPER và thanh ghi PTMR sẽ được reset về 0 , bit PTEN cũng sẽ được reset. Bit lựa chọn Postscaler không có tác dụng trong chế độ này
6.3.6.2.3. Chế độ đếm lên xuống (Continous Up/Down Counting Mode ) Trong chế độ Continous Up/Down Counting bộ đếm thời gian trong module PWM (PWM time base) sẽ đếm lên cho đếm khi nào bằng với giá trị trong thanh ghi PTPER. Sau đó Timer sẽ bắt đầu đếm xuống trong lần xung clock tiếp theo. Bit PTDIR trong thanh ghi PTCON cho biết Timer đang đếm lên hay đếm xuống. Bit PTDIR sẽ được set khi timer bắt đầu đếm xuống. Trong chế độ này (PTMOD<1:0>=10) một sự kiện ngắt sẽ xãy ra mỗi khi giá trị của thanh ghi PTMR bằng 0 và bộ đếm thời gian PWM bắt đầu đếm lên. Bit lựa chọn Postscaler nên được chọn trong chế độ này để giảm bớt số lần sự kiện ngắt xảy ra.
76
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
Hình 6.12 : Cập nhật giá trị PWM trong chế độ đếm lên xuống
6.3.6.2.4. Chế độ cập nhật kép(Double Update Mode ) Trong chế độ Double Update ( PTMOD<1:0>=11) một sự kiện ngắt sẽ xảy ra mỗi khi giá trị trong thanh ghi PTMR bằng 0, và mỗi khi bằng với giá trị trong thanh ghi PTPER.Trong chế độ này chu kỳ PWM sẽ được cập nhật 2 lần trong một chu kỳ. Bit lựa chọn Postscaler không có tác dụng trong chế độ này
Hình 5.19 : Cập nhật giá trị PWM trong chế độ cập nhật kép
6.3.6.2.5. Chế độ hoạt động hổ trợ(Complementary PWM Operation) Trong chế độ hoạt động hổ trợ (Complementary mode) , mỗi cặp tín hiệu PWM thu được từ một tín hiệu PWM hổ trợ ( Comolementary PWM signal) . Khoảng thời gian nghỉ (Dead Time) có thể được lựa chọn để đưa vào trong quá 77
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction trình đóng ngắt các khoá , khi cả hai tín hiệu có cùng trạng thái tích cực trong một thời gian ngắn
Hình 6.13: Tín hiệu PWM trong chế độ hoạt động hổ trợ Trong chế độ hoạt động hổ trợ này, các thanh ghi so sánh được phân chia như sau: -
Thanh ghi PDC1 điều khiển tín hiệu PWM1H/PWM1L
-
Thanh ghi PDC2 điều khiển tín hiệu PWM2H/PWM2L
-
Thanh ghi PDC3 điều khiển tín hiệu PWM3H/PWM3L
-
Thanh ghi PDC4 điều khiển tín hiệu PWM4H/PWM4L
Xung PWM dạng Edge Aligned Tín hiệu Center Aligned PWM được tạo ra bởi module PWM khi bộ đếm thời gian PWM được cấu hình hoạt động ở chế độ Free Running hoặc Single Shot. Đối với tín hiệu Edgle PWM, có thời gian ( Period) được xác định bởi giá trị trong thanh ghi PTPER và có chu kì ( Duty cycle) được xác định bởi thanh ghi PDCx tương ứng . Tín hiệu PWM được chuyển sang tích cực vào thời điểm bắt đầu của chu kì (PTMR=0) và chuyển sang không tích cực khi giá trị trong thanh ghi PDCx bằng với giá trị trong thanh ghi PTMR. Nếu giá trị trong thanh ghi PDCx tương ứng bằng 0 , thì tín hiệu ra trên chân PWM tương ứng sẽ không tích cực trong suốt toàn bộ chu kì PWM. Tín hiệu ra 78
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction trên chân PWM tương ứng sẽ tích cực trong suốt toàn bộ chu kì PWM nếu giá trị trong thanh ghi PDCx lớn hơn giá trị được lưu trong thanh ghi PTPER Quá trình hoạt động được thể hiện trong hình
Hình 6.14: Xung PWM dạng Edge Aligned
Xung PWM dạng Center Aligned Tín hiệu Center Aligned PWM được tạo ra bởi module PWM khi bộ đếm thời gian PWM được cấu hình hoạt động ở chế độ Up/Down Counting Tín hiệu PWM (PWM compare output) được chuyển sang trạng thái tích cực khi giá trị trong thanh ghi PTMR bằng với giá trị trong thanh ghi PTPER và bộ đếm thời gian PWM đang đếm xuống. Tín hiệu PWM được chuyển sang trạng thái không tích cực khi bộ đếm đang đếm lên và giá trị trong thanh ghi PTMR bằng với giá trị trong thanh ghi PTPER Quá trình hoạt động được thể hiện trong hình
79
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
Hình 5.22: Xung PWM dạng Center Aligned
6.3.6.3. Các bộ đếm tỉ lệ trong module PWM: 6.3.6.3.1. PWM Timer Base Prescaler Xung clock đưa vào thanh ghi PTMR (FOSC/4) được tỉ lệ 1:1 , 1:4 , 1:16 hoặc 1:64, được lựa chọn bởi các bit điều khiển PTCKPS<1:0> trong thanh ghi PTCON. Việc tỉ lệ sẽ bị xoá khi xảy ra các trường hợp sau: -
Ghi vào thanh ghi PTMR
-
Ghi vào thanh ghi PTCON
-
Các reset CPU
80
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction
Hình 5.23: Bộ đếm tỉ lệ trong module PWM
6.3.6.3.2. PWM Timer Base Postscaler Sự trùng lập giữa thanh ghi PTPER và thanh ghi PTMR có thể được lựa chọn theo các tỉ lệ từ 1:1 đến 1:16 thông qua 4-bit postscaler để tạo ra tín hiệu ngắt. Việc tỉ lệ này được sử dụng trong trường hợp không cần thay đổi duty cycile của xung PWM ở mỗi chu kì PWM Bộ đếm postscaler sẽ bị xóa bởi các tác động sau: -
Ghi vào thanh ghi PTMR
-
Ghi vào thanh ghi PTCON
-
Các reset CPU
Thanh ghi PTMR sẽ không bị xoá khi thanh ghi PTCON được ghi vào
6.3.6.4. Các thanh ghi làm việc trong module PWM 6.3.6.4.1. Thanh ghi PTPER (PWM Period) 81
GVHD: TS.
SVTH:
Power Factor Correction PTPER là một thanh ghi 15 bit và được sử dụng để cài đặt việc đếm thời gian cho module PWM. PTPER là một thanh ghi đệm kép. Nội dung trong thanh ghi đệm PTPER được nạp vào thanh ghi PTPER như sau: Ở chế độ Free Running và Single Shot: Khi thanh ghi PTMR được reset về 0 sau khi bằng giá trị trong thanh ghi PTPER Chu kì PWM trong chế độ Free Running được tính bởi công thức sau: PTPER =
F cy −1 F PWM * ( PTMR Prescale )
Ví dụ: FCY = 20 MHz FPWM = 20,000 Hz PTMR Prescaler = 1:1 PTPER =20000000/(1*20000)-1=999 Ở chế độ Up/Down Counting: Khi thanh ghi PTMR bằng 0 Giá trị được lưu giữ trong bộ đệm PTPER sẽ tự động được nạp vào thanh ghi PTPER khi bộ đếm thời gian PWM bị vô hiệu hoá (PTEN=0) Chu kì PWM trong chế độ Up/Down Counting được tính bởi công thức sau: PTPER =
F cy −1 F PWM * ( PTMR Prescale ) * 2
Ví dụ: FCY = 20 MHz FPWM = 20,000 Hz PTMR Prescaler = 1:1 PTPER =20000000/(1*2*20000)-1=499
6.3.6.4.2. Các thanh ghi so sánh: (PWM Duty Cycle Comparison Units) 82
GVHD: TS.
SVTH:
