Mục lục Danh sách hình vẽ
i
LỜI NÓI ĐẦU.
1
1
2
3
4
GIỚI THIỆU VỀ TRUNG TÂM CTI. 1.1 Quá trình thành lập. . . . . . . . . 1.2 Chức năng của trung tâm. . . . . . 1.3 Nhiệm vụ của trung tâm. . . . . . 1.4 Cơ cấu tổ chức. . . . . . . . . . . 1.5 Các đối tác. . . . . . . . . . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
GIỚI THIỆU CHUNG 2.1 Bộ biến đổi điều chỉnh hệ số công suất. . . . . . . . . . 2.2 Các phương pháp điều chỉnh hệ số công suất. . . . . . . 2.2.1 Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính. . . . . . . 2.2.2 Tác dụng của bộ điều chỉnh hệ số công suất PFC.
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
LỰA CHỌN CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC. 3.1 Yêu cầu thiết kế. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Lựa chọn cấu trúc mạch và nguyên lý làm việc. . . . . . . . . . . . . 3.3 Tính toán thông số các phần tử trong mạch lực. . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Tính toán tụ lọc đầu ra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Tính toán điện trở. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Tính toán điện cảm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.4 Lựa chọn thiết bị đóng cắt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN. 4.1 Phương pháp điều khiển dòng trung bình. . . . . . . . . . . . . 4.2 Thiết kế bộ điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Thiết kế mạch phát xung điều khiển với IC chuyên dụng UC3854 4.3.1 Giới thiệu về UC3854. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Chức năng và cách thiết kế cho từng chân của UC3854 .
1
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . .
. . . . .
. . . . . . . . .
. . . . . . .
. . . . .
. . . . .
2 2 2 2 3 3
. . . .
4 4 6 6 6
. . . . . . .
7 7 7 10 10 10 10 11
. . . . .
12 12 14 18 18 18
5
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM. 20 5.1 Mô phỏng bằng phần mềm Psim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 5.2 Kết quả thực nghiệm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Danh sách hình vẽ 1.1
Cơ cấu tổ chức CTI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi Boost. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mô hình khi khóa S được thay bằng MOSFET Q1 và diode D. . . . . . . Sơ đồ mạch thay thế a) MOSFET Q1 đóng, b) khi MOSFET Q1 cắt. . . . a) Dạng sóng điện áp trên cuộn cảm, b) Dạng sóng dòng điện trên tụ điện. Dạng sóng điện áp đầu ra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dạng sóng dòng điện qua cuộn cảm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 8 . 8 . 9 . 9 . 10 . 11
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7
Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điều khiển dòng trung bình trong mạch boost PFC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sơ đồ mạch vòng dòng điện. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Đồ thị Bode của vòng dòng điện sau bù. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cấu trúc bộ bù loại 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh áp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Đồ thị Bode của vòng điện áp sau bù. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A. Cấu tạo bên ngoài. B Cấu tạo bên trong của UC3854 . . . . . . . . . .
. . . . . . .
12 14 15 16 17 17 18
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6
Mạch mô phỏng bằng phần mềm PSIM 9.0. Điện áp và dòng điện đầu vào. . . . . . . . Điện áp và dòng điện đầu ra. . . . . . . . . Kết quả thực nghiệm mạch thực. . . . . . . Kết quả đo thực nghiệm trên Oscillocope. . Kết quả thực nghiệm khi đóng tải. . . . . .
. . . . . .
21 21 22 22 23 23
i
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .
3
LỜI 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 cách như : dùng 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. Hiện nay có nhiều loại hình chỉnh lưu khác nhau nhưng hầu hết bộ nguồn này thường có hiệu suất không cao và thường phát lại lưới những sóng hài bậc cao làm ảnh hưởng tới chất lượng của nguồn điện, từ đó làm giảm hiệu suất làm việc của các loại máy móc. Do vậy mục tiêu thực tập tốt nghiệp là thiết kế được bộ nguồn có điều chỉnh hệ số công suất. Báo cáo của em được chia làm 5 chương: Chương 1: Giới thiệu về trung tâm CTI. Chương 2: Giới thiệu chung. Chương 3: Lựa chọn cấu trúc bộ biến đổi và tính toán mạch lực. Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển. Chương 5: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Trong thời gian thực tập em đã hoàn thành các công việc trên qua sự hướng dẫn của thầy PGS.Tạ Cao Minh cùng với các sinh viên nghiên cứu khoa học tại trung tâm nghiên cứu ứng dụng và sáng tạo công nghệ (CTI). Do thời gian thực tập có hạn cũng như sự hạn chế về mặt kiến thức và thực nghiệm, báo cáo không tránh khỏi được những thiếu sót. Vì thế em kính mong nhận được những lời nhận xét, đánh giá và góp ý của các thầy cô giúp em khắc phục và hoàn thiện bài báo cáo, tạo tiền đề để cho ra đời sản phẩm mới hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 8 tháng 9 năm 2014 Sinh viên thực hiện
1
Chương 1
GIỚI THIỆU VỀ TRUNG TÂM CTI. 1.1
Quá trình thành lập.
Trung tâm nghiên cứu ứng dụng và sáng tạo công nghệ được thành lập ngày 24/12/2009 theo quyết định của hiệu trưởng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Trung tâm vận hành theo mô hình mở, nơi các nhà khoa học và các cán bộ nghiên cứu thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau có thể cùng làm việc và cộng tác.
1.2
Chức năng của trung tâm.
Các chức năng của trung tâm là: • Điều phối hoạt động các phòng thí nghiệm trong trường Đại học Bách khoa Hà Nội. • Xúc tiến hoạt động chuyển giao công nghệ và thương mại hóa các kết quả nghiên cứu
khoa học của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. • Phối hợp các đơn vị trực thuộc Bộ khoa học, công nghệ và Bộ giáo dục, đào tạo cùng
các bộ khác để thực hiện các nhiệm vụ khoa học.
1.3
Nhiệm vụ của trung tâm.
Trung tâm thành lập nhằm thực hiện sáu nhiệm vụ cơ bản sau: • Đề xuất và thực hiện các đề tài nghiên cứu có khả năng ứng dụng thực tiễn. • Thực hiện các đề tài và dự án mang tính liên ngành. • Giải mã các công nghệ tiên tiến ở nước ngoài và nhập khẩu vào Việt Nam. • Ươm tạo công nghệ và ươm tạo doanh nghiệp. • Đảm nhiệm các hoạt động bảo trì, bảo dưỡng sản phẩm và dây chuyền sản xuất. • Đào tạo và nâng cao năng lực khoa học công nghệ cho các doanh nghiệp và tổ chức
khác. 2
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ TRUNG TÂM CTI.
Ban giám đốc
Phòng nghiên cứu thị trường và đầu tư
Phòng cơ sở dữ liệu
Phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển
Nhánh điện tử – CNTT - Tự động hóa
Nhánh công nghệ vật liệu - hóa học – sinh học
Hình 1.1: Cơ cấu tổ chức CTI.
1.4
Cơ cấu tổ chức.
Nhằm thực hiện các nghiên cứu thuộc các lĩnh vực lớn như điện tử viễn thông, công nghệ thông tin, tự động hóa, công nghệ vật liệu,..bộ máy tổ chức cần có cơ cấu đa dạng và liên ngành hình 1.1.
1.5
Các đối tác.
Trung tâm đã hợp tác với nhiều tổ chức trong và ngoài nước trong lĩnh vực khoa học công nghệ: • Cục ứng dụng và phát triển cộng nghệ (SATI), Bộ khoa học công nghệ. • Phòng thí nghiệm của GS. Yoichi Hori, Đại học Tokyo. • Phần Lan trong chương trình “ Innovation Patnership Program”
3
Chương 2
GIỚI THIỆU CHUNG 2.1
Bộ biến đổi điều chỉnh hệ số công suất.
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. 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. Hệ số công suất (PF), theo định nghĩa chung nhất, là tỷ số giữa công suất tác dụng P và công suất toàn phần S: P S Đối với dòng điện và điện áp sin lý tưởng thì hệ số này có dạng đơn giản: PF =
PF = cosϕ
(2.1)
(2.2)
Trong đó ϕ là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp, điều chỉnh hệ số công suất chính là điều chỉnh hay bù cosϕ Trong thực tế dòng điện và điện áp thường có dạng sin không lý tưởng. Hệ số công suất 4
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CHUNG
theo cách hiểu đơn giản không còn phù hợp và trong các phân tích cũng như tính toán phải xuất phát từ định nghĩa chung. Để dễ tính toán mỗi dòng điện thực tế được coi là tổng của các dòng sin lý tưởng, và mỗi dòng sin thành phần được gọi là một hài. Hài có tần số thấp nhất, bằng tần số dòng thực tế, được gọi là hài cơ bản, các hài khác, có tần số cao hơn, được gọi là hài bậc cao. Khi đó mức độ hay tính chất sin của mỗi dòng điện thực tế được đánh giá bằng tương quan giữa tổng năng lượng của các hài bậc cao và năng lượng của hài cơ bản. Tương quan này được gọi là hệ số méo dạng tổng và thường được viết tắt là TDH, đó là tỷ số giữa trị hiệu dụng của tất cả các dòng bậc cao và trị hiệu dụng của dòng cơ bản: s
∞ P I2
n=2
T HD =
n,hd
I1,hd
(2.3)
Dòng điện có hệ số này càng lớn thì có dạng càng khác nhiều so với sin lý tưởng, dòng sin lý tưởng có THD=0. Điện áp thực tế cũng được biểu diễn tương tự như biểu diện dòng điện ở trên. Trong các ứng dụng thực tế điện áp và dòng điện được coi như sin lý tưởng nếu hệ số méo dạng tổng không lớn hơn 3%, tuy nhiên theo tiêu chuẩn của hiệp hội kỹ thuật điện thì giá trị này là 2%. Nhìn chung điện áp lưới tần số công nghiệp chuẩn, là trường hợp được đề cập ở đây, được coi như có dạng sin lý tưởng. Khi đó, theo cách hiểu hay định nghĩa chung nhất về hệ số công suất thì công thức 2.1 có dạng như sau: PF =
Uhd I1hd cosϕ I1hd = cosϕ = K p Kϕ Uhd Ihd Ihd
(2.4)
Trong đó hệ số Uhd , I1hd , ϕ tương ứng là trị hiệu dụng của điện áp nguồn, của dòng điện cơ bản và góc lệch pha giữa dòng điện cơ bản và điện áp, hệ số K p = I1hd /Ihd và Kϕ = cosϕ. Quan hệ giữa hệ số méo tổng THD và hệ số K p có dạng: 1 Kp = √ 1 + T HD2
(2.5)
Cuối cùng nhận được: 1 PF = K p Kϕ = √ Kϕ (2.6) 1 + T HD2 Biểu thức trên cho thấy hệ số công suất phụ thuộc vào thành phần hài bậc cao, góc lệch pha giữa dòng điện cơ bản và điện áp. Như vậy, dòng điện không có dạng hình sin thì hệ số công suất gồm 2 thành phần: • Thành phần thứ nhất Kϕ là hệ số dịch pha (displacement factor) liên quan đến sự lệch
pha giữa điện áp và dòng điện. Khi Kϕ nhỏ hơn 1 điều này có nghĩa là cùng với 1 tải trọng dòng điện sẽ lớn hơn, gây tổn thát lớn hơn trong bộ nguồn và hệ thống nguồn phân tán. • Thành phần thứ hai K p là hệ số biến dạng (distortion factor) liên quan đến hình dạng
dòng điện. Khi K p nhỏ hơn 1 có nghĩa là sẽ xuất hiện sóng hài nhiều hơn trong dòng điện, nó làm ảnh hưởng đến nguồn. 5
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU CHUNG
2.2 2.2.1
Các phương pháp điều chỉnh hệ số công suất. Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính.
Trong thực tế có khá nhiều cách điều chỉnh hệ số công suất nhưng chủ yếu được phân ra theo hai dạng : • Điều chỉnh hệ số công suất thụ động – Passive PFC. • Điều chỉnh hệ số công suất tích cực – Active PFC.
Hai phương pháp này sẽ được trình bày chi tiết dưới đây. a) Điều chỉnh hệ số công suất thụ động – Passive PFC. Phương pháp Passive PFC đơn giản chỉ là sử dụng một bộ lọc, bộ lọc này chỉ cho qua dòng điện có tần số bằng với tần số điện lưới (50Hz hoặc 60Hz) và chặn không cho các tần số sóng hài đi qua. Lúc này tải phi tuyến tính có thể xem như một tải tuyến tính, hệ số công suất đã được nâng cao hơn. b) Điều chỉnh hệ số công suất tích cực – Active PFC. Là một hệ thống điện tử công suất có chức năng kiểm soát năng lượng cung cấp cho tải, điều chỉnh hệ số công suất ở mức tốt nhất trên mọi mức tải. Trong thiết kế thực tế, mạch Active PFC điều khiển dòng nạp cho tải sao cho dạng sóng của dòng vào cùng pha với dạng sóng ở đầu vào (ở đây là sóng sin). Về cơ bản có 3 dạng mạch Active PFC được sử dụng là: Boost, Buck và Buck+Boost. Phương pháp này đòi hỏi phải thêm một số linh kiện chuyển mạch bán dẫn công suất và mạch điều khiển nhưng bù lại nó có kích thước nhỏ hơn mạch Passive PFC. Dạng mạch điều chỉnh hệ số công suất Active PFC có thể hoạt động trên một dải điện áp vào rất rộng, từ 90VAC đến 264VAC, đặc tính này giúp cho người dùng không cần quan tâm tới mức điện áp đầu vào, điện áp đầu ra ổn định khi điện áp đầu vào biến động.
2.2.2
Tác dụng của bộ điều chỉnh hệ số công suất 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 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. Giảm giá thành năng lượng điện và phí truyền tải.Giảm thiểu mất mát, tổn hao trong truyền tải.Tăng tính chất điện dung cho lưới điện. Từ những ưu điểm đó, đồ án này em thực hiện và thiết kế bộ nguồn AC/DC sử dụng phương pháp điều chỉnh công suất tích cực.
6
Chương 3
LỰA CHỌN CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC. 3.1
Yêu cầu thiết kế.
• Giá trị điện áp hiệu dụng đầu vào Vin = 220(V ). • Tần số điện áp đầu vào là f = 50(Hz). • Giá trị điện áp đầu ra Vo = 400(V ). • Công suất đầu ra P = 300(W ). • Tần số đóng cắt f = 100(kHz) • Tổng thành phần sóng hài bậc cao T HD ≤ 15%. • Hệ số công suất PF > 0.90 • Độ nhấp nhô dòng điện ∆I = 10%I pk
3.2
Lựa chọn cấu trúc mạch và nguyên lý làm việc.
Cấu trúc mạch lực của bộ nguồn điều chỉnh hệ số công suất thường có ba phần chính: • Lọc nhiễu đầu vào EMI. • Phần chỉnh lưu không điều khiển. • Bộ biến đổi trung gian để thực hiện điều chỉnh hệ số công suất. Bộ biến đổi Active
PFC được sử dụng phù hợp trong đồ án này là bộ biến đổi tăng áp Boost . Do yêu cầu thiết kế đề ra là giá trị điện áp hiệu dụng đầu vào Vin = 220V và giá trị điện áp đầu ra Vo = 400V , vì vậy chỉ có bộ biến đổi Boost là phù hợp hơn cả. Và bộ biến đổi Boost có cuộn cảm được nối với thiết bị đầu cuối nên sẽ có độ nhấp nhô dòng điện nhỏ, dòng điện đầu vào có thể đạt chế độ liên tục, giảm thành phần sóng hài bậc cao, giảm kích thước bộ lọc đầu vào. Do đó lựa chọn bộ biến đổi Boost là đem lại hiệu quả trong quá trình thiết kế bộ nguồn hiệu chỉnh hệ số công suất. 7
CHƯƠNG 3. LỰA CHỌN CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC.
L iL(t)
iC(t)
s
C v(t)
vg
R
RESR
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi Boost. [1] L
D
iL(t)
iC(t) C
vg
Q1
v(t)
R
RESR
Hình 3.2: Mô hình khi khóa S được thay bằng MOSFET Q1 và diode D. [1]
Dưới đây là nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi Boost: Cấu trúc mạch gồm có điện áp đầu vào Vg với chiều quy định như hình 3.1, cuộn kháng L, van S thực hiện đóng cắt, tụ lọc C, trong thực tế ngoài thành phần chính là tụ C còn có điện trở nối tiếp tương đương RESR , tải trở R, điện áp đầu ra được lấy ở hai đầu tụ v(t),dòng điện qua cuộn cảm iL (t) và tụ điện iC (t). Do tần số chuyển mạch cao fsw = 100kHz nên khóa S có thể là các van như MOSFET Q1 và diode D như hình 3.2. Xét một chu kỳ Ts : trong khoảng thời gian 0 < t < DTs , MOSFET Q1 ở trạng thái đóng. Sơ đồ mạch trong giai đoạn này được biểu diễn như hình 3.3a. Khi đó iL (t) sẽ chảy qua MOSFET Q1 tạo thành một mạch khép kín, còn iC (t) chảy qua điện trở R và tụ C, như vậy trong trường hợp này không có dòng điện chảy qua diode D. Khi đó điện áp trên cuộn cảm và dòng điện qua tụ điện là: vL (t) = vg (t)
(3.1)
v(t) (3.2) R Trong khoảng thời gian DTs < t < Ts , MOSFET Q1 ở trạng thái cắt, diode D dẫn như hình 3.3b. Do tại thời điểm MOSFET Q1 đóng , dòng qua cuộn cảm có giá trị khác 0 và được biểu diễn dưới một hàm liên tục trên miền thời gian do đó chúng ta có thể xem cuộn iC (t) = −
8
CHƯƠNG 3. LỰA CHỌN CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC.
a)
iL(t)
L
b)
iL(t)
iC(t)
vL(t)
L
C
C R
vg
iC(t)
vL(t) v(t)
RESR
R
vg
v(t)
RESR
Hình 3.3: Sơ đồ mạch thay thế a) MOSFET Q1 đóng, b) khi MOSFET Q1 cắt. vL(t)
iC(t) I-V/R
Vg DTs
D’Ts
DTs
D’Ts t
t Vg-V
-V/R
Hình 3.4: a) Dạng sóng điện áp trên cuộn cảm, b) Dạng sóng dòng điện trên tụ điện.
cảm hoạt động như 1 nguồn dòng và chính nó đã làm cho D dẫn. Khi đó dòng điện qua MOSFET Q1 và điện áp trên D coi như bằng 0. Từ đó ta có: vL (t) = vg (t) − v(t)
(3.3)
v(t) R
(3.4)
iC (t) = iL (t) −
Quá trình trên được lặp lại đối với những chu kì tiếp theo. Do thời gian chuyển mạch ngắn nên các đại lượng biến thiên theo thời gian vg (t), v(t) nên ta có thể xấp xỉ tuyến tính vg (t) ≈ Vg và v(t) ≈ V . Do vậy tổng hợp cả chu kỳ chuyển mạch, điện áp trên cuộn cảm được tính bằng: ZTs
= Vg DTs + (Vg −V )D0 Ts = 0
(3.5)
0
Với D + D0 = 1. Từ đó tìm được mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra: V=
9
Vg D0
(3.6)
CHƯƠNG 3. LỰA CHỌN CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC.
Hình 3.5: Dạng sóng điện áp đầu ra. [1]
3.3 3.3.1
Tính toán thông số các phần tử trong mạch lực. Tính toán tụ lọc đầu ra.
Trong khoảng thời gian 0 < t < DTs , độ dốc của dạng sóng điện áp trên tụ là: dvC (t) iC (t) V = = dt C RC
(3.7)
còn trong khoảng DTs < t < Ts , độ dốc của dạng sóng điện áp trên tụ: dvC (t) iC (t) I V = = − dt C C RC Như vậy trong giai đoạn thứ nhất sự thay đổi điện áp trong tụ điện được tính: 2∆V = −
V DTs RC
(3.8)
(3.9)
Từ đó ta tính được giá trị của tụ điện: V DTs (3.10) 2R∆V Chọn giá trị điện dung là C = 200(µF) (hai tụ giá trị C = 100(µF)) và chịu được điện áp 450V. C=
3.3.2
Tính toán điện trở.
R= 3.3.3
2 Vout 4002 = = 533(Ω) Pout 300
(3.11)
Tính toán điện cảm.
Trong khoảng thời gian 0 < t < DTs độ dốc dòng điện trên cuộn cảm là: diL (t) vL (t) Vg = = dt L L 10
(3.12)
CHƯƠNG 3. LỰA CHỌN CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC.
Hình 3.6: Dạng sóng dòng điện qua cuộn cảm. [1]
còn trong khoảng DTs < t < Ts , độ dốc dòng điện trên cuộn cảm sẽ là: diL (t) vL (t) Vg −V = = dt L L Sự thay đổi dòng điện trong cuộn cảm ở giai đoạn 0 < t < DTs là: 2∆IL =
Vg DTs L
(3.13)
(3.14)
Từ đó ta tính được giá trị cuộn cảm: Vg DTs 2∆IL Chọn ∆IL = 10%IL . Thay vào công thức (3.15) từ đó tính được L = 1.8(mH) L=
3.3.4
(3.15)
Lựa chọn thiết bị đóng cắt.
MOSFET: Nếu coi mạch hoạt động lý tưởng thì dòng điện vào được tính: Iin =
P 300 = = 0.97(A) Vin 310
(3.16)
Từ đó ta chọn MOSFET IRF840 có thể chịu được áp tối đa là 500(V ), dòng tối đa là 8(A) và có điện trở trong nhỏ RDS(on) = 0.8(Ω). Diode: Ở tần số thấp, diode thông thường có thể dễ dàng khóa lại (ngưng dẫn) khi chiều phân cực thay đổi từ thuận sang nghịch, nhưng khi tần số tăng đến một ngưỡng nào đó, sự ngưng dẫn không thể đủ nhanh để ngăn chặn dòng điện suốt khi chiều phân cực thay đổi. Diode Schottky khắc phục được hiện tượng này. Vì dòng cực đại qua diode trong mạch này ở trường hợp đầy tải là Iout = 0.8(A). Từ đó chọn loại diode Schottky MUR860 chịu được dòng lên đến 8(A) và điện áp ngược là 800(V ).
11
Chương 4
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN. Nhiệm vụ của mạch điều khiển là điều chỉnh đóng cắt MOSFET sao cho dạng sóng dòng điện và điện áp là trùng pha và điện áp đầu ra một chiều ổn định . Vì vậy ta lựa chọn phương pháp điêu khiển dòng trung bình là phù hợp trong thiết kế đồ án này.
4.1
Phương pháp điều khiển dòng trung bình.
Nguyên lý hoạt động: Phương pháp điều khiển dòng trung bình có dạng dòng điện đầu vào IL được đo và tiến hành lọc thông qua bộ bù dòng điện. Bộ bù này có tác dụng làm giảm sai lệch giữa dòng điện vào và Ire f . Đầu ra của bộ bù dòng điện sẽ được đưa vào module điều khiển PWM thực hiện điều khiển van đóng cắt. Phương pháp dòng trung bình cũng thực hiện ở chế độ dòng liên tục nên có thể thay thế để đạt yêu cầu cao hơn. • Ưu điểm:
– Tần số đóng cắt không đổi. – Không cần bộ bù dốc.
Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý của phương pháp điều khiển dòng trung bình trong mạch boost PFC. [2]
12
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN.
– Do mạch có vòng điều chỉnh dòng điện nên ít ảnh hưởng bởi nhiễu dẫn đến yêu cầu mạch lọc EMI bé hơn. – Có dạng dòng điện đầu vào tốt hơn của phương pháp dòng đỉnh do phương pháp dòng trung bình hoạt động ổn định hơn khi dòng điện gần bằng 0 nên hạn chế được góc chết của dòng điện đầu vào. • Nhược điểm:
– Cần đo dòng điện qua cuộn dây. – Yêu cầu thiết kế bộ bù dòng điện, cấu trúc mạch phức tạp. Nhận thấy phương pháp dòng điện trung bình có nhiều ưu điểm khi điều khiển cho mạch Boost-PFC như đạt được dạng dòng điện đầu vào ít biến dạng, hạn chế nhiễu và độ nhấp nhô dòng điện trong mạch. Tuy có hạn chế song có thể khắc phục và điều khiển tốt. Chính vì vậy ta lựa chọn thiết kế bộ điều chỉnh công suất sử dụng mạch Boost theo phương pháp điều khiển dòng trung bình.
13
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN.
Hình 4.2: Sơ đồ mạch vòng dòng điện.
4.2
Thiết kế bộ điều khiển
Việc điều khiển thực hiện gồm các nội dung chính sau: • Thông qua sai lệch giữa tín hiệu đầu ra chuẩn Vore f và điện áp đầu ra phản hồi về thực
hiện tính toán đưa ra tín hiệu điều khiển điện áp Vc với mục tiêu điều khiển điện áp đầu ra bằng điện áp Vore f . Trong đồ án này yêu cầu mạch vòng điều khiển điện áp đưa ra tín hiệu điều khiển điện áp Vc để điều khiển điện áp đầu ra 400V. • Tính toán dòng điện chuẩn làm giá trị đặt cho mạch vòng dòng điện theo công thức
sau: ire f =
VinVc 2 Vavg
(4.1)
Với Vavg là điện áp trung bình đầu vào. • Thực hiện mạch vòng điều khiển dòng điện, có chức năng điều khiển dòng iL bám theo
dòng điện chuẩn ire f có dạng quỹ đạo bám theo quỹ đạo điện áp đầu vào nhằm mục đích đạt được hệ số cosϕ. a) Mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Hàm truyền mạch vòng dòng điện: GiL d (s) =
iˆL (s) Vo (RCs + 1) = ˆ LRCs2 + Ls + R(1 − D)2 d(s)
(4.2)
Tại tần số cao, ta có thể xấp xỉ gần đúng mối quan hệ giữa hệ số điều chế và dòng điện trung bình qua cuộn cảm như sau (coi cuộn cảm và tụ điện là phần tử lý tưởng).[2] GiL d (s) =
iˆL (s) Vo ≈ ˆ Ls d(s)
14
(4.3)
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN.
Hình 4.3: Đồ thị Bode của vòng dòng điện sau bù.
Từ đồ thị Bode của đối tượng ở hình 4.3. Lựa chọn bộ bù cho mạch vòng điều chỉnh dòng điện, để hệ hởi có độ dự trữ pha là 45o , tần số cắt của mạch vòng dòng điện fci = 20(kHz) và có điểm cực tại gốc tọa độ để triệt tiêu sai lệch tĩnh. Ta sử dụng bộ bù loại 2 như hình 4.4. Từ cấu trúc bộ bù loại 2 như trong hình 4.4 hàm truyền của bộ bù loại 2 được xác định như sau : Kci ( wszi + 1) Gci = (4.4) s( wspi + 1) 1 (4.5) R f 1 (C1 +C2 ) 1 wz = (4.6) Rc1 .Cc1 1 wp = (4.7) Rc1 .Cc12 Cc1 .Cc2 C12 = (4.8) Cc1 +Cc2 Để thỏa mãn tiêu chí thiết kế, bộ điều khiển kiểu bù loại 2 cần thỏa mãn phương trình sau : Kci =
(
Gci ( jwc )G p ( jwc ) = 1 arg(Gci ( jwc )) + arg(G p ( jwc )) = ϕm
(4.9)
Giải hệ phương trình 4.9 tìm được các tham số Kci , wzi , w pi . Dựa vào các phương trình 4.6 ,4.6, 4.7, giá trị các phần tử của bộ bù được xác định bằng cách chọn trước R f 1 Rc1 =
1 wziCc1
15
(4.10)
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN.
Hình 4.4: Cấu trúc bộ bù loại 2. [4]
wzi w pi .R f 1 .Kci
(4.11)
1 −Cc2 R f 1 .Kci
(4.12)
Cc2 = Cc1 =
Thay các thông số vào tính toán chọn giá trị R f 1 = 3.9(kΩ) từ đó tính được giá trị các phần tử của bộ bù 2 cho mạch vòng dòng điện R2 = 22(kΩ), C2 = 100(pF) và C1 = 470(pF).
16
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN.
Hình 4.5: Sơ đồ mạch vòng điều chỉnh áp.
Hình 4.6: Đồ thị Bode của vòng điện áp sau bù.
b) Mạch vòng điều chỉnh điện áp. Hàm truyền của mạch vòng điện áp:[2] Gvi (s) =
vˆo (s) Vg R 1 ≈ ( ) iˆc (s) Vo 2 1 + RC s 2
(4.13)
Từ đồ thị Bode của đối tượng ở hình 4.6. Lựa chọn bộ bù cho mạch vòng điều chỉnh dòng điện, để hệ hởi có độ dự trữ pha là 45o , tần số cắt của mạch vòng dòng điện fci = 20(Hz). Ta sử dụng bộ bù loại 2 như hình 4.4. Tính toán tương tự chọn giá trị R f 1 = 10(kΩ) từ đó tính được giá trị các phần tử của bộ bù 2 cho mạch vòng điện áp R2 = 2, 2(kΩ), C2 = 33(nF) và C1 = 2, 7(pF).
17
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN.
Hình 4.7: A. Cấu tạo bên ngoài. B Cấu tạo bên trong của UC3854 [5]
4.3 4.3.1
Thiết kế mạch phát xung điều khiển với IC chuyên dụng UC3854 Giới thiệu về UC3854.
UC3854 là IC thích hợp các phần tử tương tự trong cùng một vỏ, với chức năng phát xung PWM điều khiển ở tần số cao trên 200kHz , cấu tạo bên trong của IC đã đảm bảo đầy đủ chức năng của một mạch điều khiển phát xung PWM, giúp người thiết kế giảm thiểu thời gian tính toán, thiết kế, dễ dàng sủa chữa và thay thế tối ưu hóa mạch nhất. Hình dạng bên ngoài và cấu trúc bên trong vỏ của một UC3854 như hình 4.7 Ngoài ra UC3854 là IC chuyên dụng trong ứng dụng thiết kế bộ biến đổi công suất điều chỉnh hệ số công suất PFC , cho điều khiển dòng trung bình, dòng khỏi động nhỏ, nhiễu ít. . . Từ các tính năng cơ bản trên viêc lựa chọn UC3854 cho việc thiết kế mạch điều khiển là hoàn toàn hợp lý. 4.3.2
Chức năng và cách thiết kế cho từng chân của UC3854
Sau đây là bảng 4.1 các chân và chức năng của từng chân:
18
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN.
Bảng 4.1: Các chân và chức năng của UC3854 Tên Gnd (chân 1) PKLMT (chân 2) CA Out (chân 3) Isense (chân4) IAC (chân 6) VA Out (chân 7) VRMS (chân 8) REF(chân 9) ENA (chân 10) Vsense (chân 11) RSET (chân 12) và CT (chân 14)
Chức năng Chân đất của IC. Giới hạn dòng đỉnh, nếu I peak bằng giá trị đặt thì thực hiện cắt duty. Đầu ra của bộ bù loại 2 vòng dòng điện. Đầu vào của bộ bù dòng điện. Điện áp rơi trên điện trở sẽ được nối với chân 4 và chân 5. Lấy dạng sóng đầu vào. Đầu ra của bộ bù vòng điện áp. Lấy điện áp feedforward, giá trị của nó được bình phương trước khi cho vào bộ chia. Đầu ra của điện áp chuẩn. Nó cho phép đầu ra PWM, điện áp chuẩn và bộ dao động có hoạt động hay không. Đầu vào của bộ bù vòng điện áp. Tạo tần số PWM. Theo datasheet ta có công thức tính tần số PWM như sau : F=
Vcc (chân 15) SS (Chân 13)
GT Drv (chân 16)
1, 25 RSET .CT
(4.14)
Do đó ta chọn RSET = 10(kΩ) và CT = 1, 2(nF). Chân lấy điện áp nuôi IC Khởi động mềm giúp bảo về van không bị quá dòng ở giai đoạn quá độ khi ta cấp điện áp đầu vào, tụ khởi động được chọn là 1(nF). Đầu ra của PWM nối với MOSFET ở mạch lực.
19
Chương 5
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM. 5.1
Mô phỏng bằng phần mềm Psim
Sau khi đã tính toán mạch lực và thiết kế bộ điều khiển, ta tiến hành mô phỏng. Thực hiện mô phỏng trên phần mềm PSIM 9.0 có sơ đồ như hình 5.1. Dạng điện áp và dòng điện đầu vào được thể hiện ở hình 5.2.Dạng điện áp và dòng điện đầu ra được thể hiện ở hình 5.3 • Dựa vào hình 5.2, hình 5.3 ta có nhận xét: Độ nhấp nhô dòng đã đạt yêu cầu thiết kế
đề ra ban đầu. • Hệ số công suất PF = 0.985 cũng đã đạt yêu cầu đề ra. • Điện áp đầu ra đạt được 400V.
20
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM.
Hình 5.1: Mạch mô phỏng bằng phần mềm PSIM 9.0.
Hình 5.2: Điện áp và dòng điện đầu vào.
21
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM.
Hình 5.3: Điện áp và dòng điện đầu ra.
Hình 5.4: Kết quả thực nghiệm mạch thực.
5.2
Kết quả thực nghiệm.
Sau khi mô phỏng ta tiến hành làm mạch thật và kết quả đạt được như hình 5.4 sau: Từ kết quả thực nghiệm mạch thật đo được trên Oscillocope như trên hình 5.5 và hình 5.6 thì cho thấy mạch chạy ổn định với 100% tải định mức , Điện áp ra sau chỉnh lưu (màu tím) và dòng trên cuộn cảm (màu vàng) là cùng pha do đó mạch đạt được hệ số công công suất cosϕ cao hơn 90%
22
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM.
Hình 5.5: Kết quả đo thực nghiệm trên Oscillocope.
Hình 5.6: Kết quả thực nghiệm khi đóng tải.
23
KẾT LUẬN Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, em đã thu được những kết quả nhất định.Nhưng kết luận sau đây là sự đánh giá tổng hợp cho toàn bộ quá trình thực tập và nghiên cưu của em : • Nghiên cứu cấu hình bộ biến đổi Boost PFC điều chỉnh hệ số công suất tích cực. • Tính đúng đắn của việc mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển được kiểm chứng bằng
mô phỏng. • Thực nghiệm được yêu cầu bài toán đặt ra.
Về mặt lý thuyết : • Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển chọn phương án điều khiển tối ưu.
Về mặt thực nghiệm : • Thực hiện đánh giá và kiểm soát nhiệt độ bộ nguồn. • Thiết kế mạch sao cho tối ưu về mặt kích thước cũng như hình dạng.
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của giám đốc trung tâm PGS. Tạ Cao Minh và giảng viên hướng dẫn PGS.Tạ Cao Minh cùng nhiều cán bộ khác trên trung tâm CTI đã nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành chương trình thực tập tốt nghiệp tốt đẹp. Em xin chân thành cảm ơn.
Hà Nội, ngày 8 tháng 9 năm 2014 Sinh viên thực hiện
24
Tài liệu tham khảo [1] Robert W. Erickson, Fundamentals of Power Electronics [2] Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương, Thiết kế điều khiển cho các bộ biến đổi điện tử công suất. [3] PHILIP C. TODD, UC3854 Controlled Power Factor Correction Circuit Design [4] Taxas Instruments Incorporated, Datasheet UC3854 [5] Liyu Cao, Design type II compensation in a systematic way
25
