ĐỒ án II Thiết Kế Bộ Biến đổi Nguồn PFC Kiểu Boots - Tài Liệu Text

Tải bản đầy đủ (.docx) (23 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Kỹ thuật
>>
3. Điện - Điện tử - Viễn thông

ĐỒ án II Thiết kế bộ biến đổi nguồn PFC kiểu Boots

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (293.97 KB, 23 trang )

Giới thiệu đề tàiThiết kế bộ biến đổi nguồn PFC kiểu BootsSự phát triển của điện tử công suất nói chung và các bộ nguồn nói riêng đã đápứng tốt những yêu cầu ngày càng khắt khe của đời sống. Sự bùng nổ của thiết bị tinhọc, hệ thống mạng máy tính, các hệ thống nguồn phân tán đã đặt ra các bài toánthiết kế các bộ nguồn một chiều có điện áp đầu ra ổn định. Bên cạnh những ưuđiểm về chất lượng đầu ra tốt, kích thước nhỏ thì những bộ nguồn này tồn tại hạnchế lớn là gây ra méo dạng dòng điện lưới đầu vào, sinh ra nhiễu điện từ cho hệthống và có hệ số công suất thấp.Do số lượng các bộ nguồn này không nhỏ nên những ảnh hưởng của chúng làđáng kể tới hệ thống lưới điện. Trên thực tế, một số tiêu chuẩn đã được đưa ra quyđịnh cụ thể về mức phát sóng hài đối với các thiết bị thương mại. Từ đó, ngườithiết kế cần phải đưa ra biện pháp để đáp ứng yêu cầu này. Có hai phương phápnâng cao hệ số công suất được đưa ra là Passive PFC và Active PFC. Mặc dù,phương pháp Passive PFC thực hiện đơn giản, nhưng cồng kềnh và chỉ áp dụng vớicác các thiết bị ở dải công suất thấp. Trong khi phương pháp Active PFC đáp ứngđược cả yêu cầu về chất lượng hệ số công suất cao, kích thước nhỏ gọn. Qua nhiềunăm phát triển, phương pháp nâng cao hệ số công suất Active PFC ngày càng ưuthế.Với các yêu cầu của đồ án đặt ra, nhóm chúng em chọn thiết kế bộ Boost PFCvới các ưu điểm như khả năng điều khiển hoàn toàn dòng điện đầu vào, hệ số côngsuất cao, cấu trúc đơn giản.Qua nghiên cứu, kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy cấu hình này có khảnăng áp dụng vào thực tế.MỤC LỤCDANH MỤC HÌNH ẢNHHình 1.2: Quan hệ giữa công suất tác dụng và công suất phản khángHình 1.3: Sóng hài bậc 3 và 5Hình 1.4.2: Cấu trúc mạch Active PFCHình 2.1: Sơ đồ cấu trúc mạch boostHình 2.2.Sơ đồ khi van đóngHình 2.3. Sơ đồ khi van mởHình 2.4.Đồ thị dạng sóng của các đại lượng trong mạch boostHình 3.1: Dạng điện áp đầu vào bộ boost sau bộ chỉnh lưuHình 3.2: Bộ tạo dòng điện đặtHình 3.3: Sơ đồ bộ phát xungHình 3.4: Sơ đồ mô phỏng Matlab.Hình 3.5: Dạng sóng đầu vào điện áp và dòng điện đầu cuộn cảmHình 3.6: Hình dạng dòng điện sau khi phóng toHình 3.7: Điện áp đầu raCHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠCH BIẾN ĐỔI NGUỒNNÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT PFC1.1.Giới thiệu về PFCHiệu chỉnh hệ số công suất PFC (Power factor correction) là một thuật ngữchuyên nghiệp tương đối lưu hành hiện nay. PFC là một kỹ thuật mới được pháttriển từ những năm 89 của thế kỷ 20. Tác dụng của mạch điện PFC không nhữngchỉ nâng cao hệ số công suất của hệ thống hay nguồn mà quan trọng hơn nó giảiquyết được vấn đề nhiễu do song hài gây ra.Hiện nay trong hầu hết các thiết bị biển đổi điện năng đều sử dụng đến chỉnh lưutừ nguồn xoay chiều (cung cấp từ lưới điện) sang nguồn một chiều. Nguồn điệnmột chiều sau chỉnh lưu sẽ đóng vai trò là nguồn cấp cho tất cả module bên trongcủa thiết bị (kể cả các module xoay chiều qua hệ thống mạch nghịch lưu). Thôngthường để đảm bảo được chất lượng điện áp như mong muốn ta phải mắc tụ sanphẳng với giá trị điện dung lớn vào ngay sau chỉnh lưu. Chính điều này đẫn đếnmột 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 khoảngthời gian ngắn (hài). Sở dĩ có hiện tượng này là do quá trình phóng nạp liên tục củatụ lọc. Thiết bị chỉ nhận năng lượng từ lưới trong thời gian tụ nạp. Khi các hài nàyđược sinh ra sẽ gây hại đến hệ thống lưới điện. Tác hại của những hài này sẽ cànglớn khi công suất tải lớn, hoặc khi có đồng thời nhiều thiết bị gây hài mắc vào cùngmột nguồn lưới. Như ta đã biết chất lượng một hệ thống cung cấp điện được đánhgiá bởi hai (trong một số) chỉ tiêu là hệ số công suất (Power Factor - PF) và tổnglượng sóng hài (Total Harmonic Distortion – THD). Hiệu năng của hệ thống lướiđiện phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sóng hài, tổng lượng sóng hài càng nhỏ hiệunăng lưới điện sẽ càng cao.Một số ích lợi khi việc cải thiện hệ số công suất:-Giảm giá thành năng lượng điện và phí truyền tải.Giảm thiểu mất mát, tổn hao trong truyền tải.Chất lượng điện áp tốt hơn.Tăng tính chất điện dung cho lưới điện.Thiết kế bộ nguồn Boost PFCPage 4Từ những lý do trên ta thấy việc thiết kế ra một bộ điều chỉnh hệ số công suấtcho bộ chỉnh lưu là một ý tưởng có ý nghĩa thực tiễn cao. Vậy nên trong đồ án nàychúng em sẽ phát triển ý tưởng này để chế tạo ra một bộ PFC.Ưu điểm của bộ PFC số:--Dễ dàng hơn trong việc xử lý các thuật toán phức tạp với tính năng DSPTính ổn định cao, bền với thời gian.Dễ dàng hơn trong việc hiệu chỉnh để đạt được những thông số mong muốndo việc xử lý tín hiệu, xuất tín hiệu điều khiển đều được lập trình bằng phầnmềmCông cụ mô phỏng đa dạng giúp người chế tạo có cái nhìn trực quan trướckhi hoàn thiện sản phẩmDễ dàng kết nối với các thiết bị ngoại vi khác để tích hợp tính năng cho bộđiều khiển.Vậy chúng ta phải tìm hiểu rõ về Hệ số công suất và Nhiễu do sóng hài điện1.2.Hệ số công suấtCông suất truyền từ lưới đến tải luôn tồn tại 2 thành phần: Công suất tác dụng(P) và công suất phản kháng (Q):-Công suất tác dụng (P) đặc trưng cho khả năng sinh ra công hữu ích của thiếtbị, đơn vị W hoặc kW. Ví dụ như công suất cơ (sức kéo) của động cơ.Công suất phản kháng (Q) không sinh ra công hữu ích nhưng nó lại cần thiếtcho quá trình biến đổi năng lượng, đơn vị VAR hoặc kVAR. Có thể hiểunôm na đó là thành phần từ hóa, tạo từ trường trong quá trình biến đổi nănglượng điện thành các dạng năng lượng khác, hoặc từ năng lượng điện sangchính năng lượng điện.Công suất tổng hợp cho 2 loại công suất trên được gọi là công suất biểu kiến (S),đơn vị VA hoặc KVA.Ba loại công suất được trình bày ở trên lại có một mối quan hệ mật thiết với nhauthông qua tam giác công suất như hình sau:Thiết kế bộ nguồn Boost PFCPage 5Hình 1.2: Quan hệ giữa công suất tác dụng và công suất phản khángÝ nghĩa của hệ số công suấtCông suất phản kháng Q không sinh công nhưng lại gây ra những ảnh hưởng xấuvề kinh tế và kỹ thuật:- Về kinh tế: chúng ta phải trả tiền cho lượng công suất phản kháng tiêu thụ.- Về kỹ thuật: công suất phản kháng gây ra sụt áp trên đường dây và tổn thất côngsuất trên đường truyền.Vì vậy, ta cần có biện pháp bù công suất phản kháng Q để hạn chế ảnh hưởng củanó. Cũng tức là ta nâng cao hệ số cosφ.Lợi ích khi nâng cao hệ số công suất cosφ:- Giảm tổn thất công suất trên phần tử của hệ thống cung cấp điện (máy biến áp,đường dây …).- Giảm tổn thất điện áp trên đường truyền tải.- Tăng khả năng truyền tải điện của đường dây và máy biến áp.1.3.Nhiễu do sóng hài điệnSóng hài hay còn gọi là méo hài (harmonic) làm ảnh hưởng xấu tới mạch điện tửnói riêng và đường điện – lưới điện nói chung. Sóng hài có thể được sinh ra từ cácphần tử phi tuyến điển hình như: lõi thép của máy biến áp, động cơ (đặc tính bãohoà của vật liệu sắt từ), các dụng cụ bán dẫn công suất như điốt, tiristo của các bộbiến đổi. Vậy sóng hài là gì?Thiết kế bộ nguồn Boost PFCPage 6Sóng hài là những sóng tuần hoàn, hình sin và là bội số nguyên của tần số cơ bản(50 hoặc 60 hz). Sóng hài là một dạng nhiễu không mong muốn, ảnh hưởng trựctiếp tới chất lượng mạch điện – lưới điện và cần được chú ý tới khi tổng các dòngđiện hài cao hơn mức độ giới hạn cho phép. Dòng điện hài là dòng điện có tần số làbội của tần số cơ bản. Các thành phần này khi cộng với sóng sin nguyên bản gây raméo dạng sóng sin và trả lại vể hệ thông phân phối điện. Ví dụ dòng 250Hz trênlưới 50Hz là sóng hài bậc 5.Dòng điện 250Hz là dòng năng lượng không sử dụng được với các thiết bị trênlưới. Vì vậy, nó sẽ bị chuyển hoá sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao, làm cácphần tử số bị nhiễu.Hình 1.3: Sóng hài bậc 3 và 5Một số các tác hại do sóng hài gây ra :- Tổn hao và phát nóng trên máy biến áp, dây cáp, động cơ làm chúng già hóacách điện và nhanh hỏng.- Dòng điện qua dây trung tính của hệ thống ba pha bốn dây vượt quá giá trị chophép làm quá nhiệt dây trung tính và rơ-le bảo vệ tác động.- Hệ số công suất suy giảm nên công suất tác dụng tạo ra bởi thiết bị nhỏ hơncông suất biểu kiến của lưới cung cấp, giảm hiệu quả truyền công suất củanguồn lưới.- Hiện tượng cộng hưởng điện sẽ sinh ra điện áp và dòng điện có giá trị đỉnh rấtlớn, có thể dẫn tới hỏng thiết bị.- Phát sinh lỗi trong các thiết bị đo lườngDòng hài được tạo ra như thế nào?Thiết kế bộ nguồn Boost PFCPage 7Dòng điện và điện áp hài được sinh ra bởi các tải phi tuyến nối với hệ thống phânphối điện. Toàn bộ các bộ biến đổi năng lượng điện sử dụng dưới các dạng khácnhau trong hệ thống điện có thể làm tăng nhiễu sóng hài bằng cách bơm trực tiếpdòng điện hài vào lưới. Các tải phi tuyến thông thường bao gồm khởi động độngcơ, các hệ truyền động điện, máy tính và các thiết bị điện tử khác, đèn điện tử,nguồn hàn…1.4.Các phương pháp điều chỉnh hệ số công suất1.4.1.Điều chỉnh hệ số công suất thụ động (Passive PFC)Phương pháp Passive PFC đơn giản là chỉ sử dụng một bộ lọc là các phần tử thụđộng L hoặc C, bộ lọc này chỉ cho qua dòng điện có tần số bằng với tần số điệnlưới (50 Hz hoặc 60 Hz) và chặn không cho các tần số sóng hài đi qua. Lúc này tảiphi tuyến tính có thể xem như là một tải tuyến tính, hệ số công suất đã được nângcao hơn.Tuy nhiên yêu cầu cần phải có cuộn cảm có giá trị cảm kháng lớn đã làm cho bộlọc cồng kềnh và có giá thành cao, nhưng thực tế với mạch Passive PFC có cuộndây tuy lớn hơn cuộn dây của mạch điều chỉnh hệ số công suất tích cực Active PFCnhưng giá thành chung lại rẻ hơn. Đây là một phương pháp đơn giản và rẻ tiền đểđiều chỉnh hệ số công suất và làm giảm sóng hài tuy nhiên nó lại không hiệu quảbằng phương pháp điều chỉnh hệ số công suất tích cực Active PFC.1.4.2.Điềuchỉnh hệ số công suất tích cực (Active PFC)Cấu trúc của phương pháp này là thêm một khâu DC-DC vào giữa cầu chỉnh lưuvà tụ lọc đầu ra. Bộ DC-DC này chuyển mạch với tần số cao hơn nhiều tần số lướivói một bộ điều khiển phù hợp.Thiết kế bộ nguồn Boost PFCPage 8Hình 1.4.2: Cấu trúc mạch Active PFCƯu điểm của phương pháp Active PFC:+ Thành phần sóng hài thấp hơn so với phương pháp Passive PFC+ Giảm giá trị dòng điện của tụ điện đầu ra+ Hệ số công suất gần bằng 1+ Giảm kích thước, trọng lượng, chi phí so với phương pháp Passive PFCNhược điểm:+ Hệ thống phức tạp hơn do có thêm bộ PFCVới những ưu điểm trên, phương pháp Active PFC ngày càng được sử dụng phổbiến trong việc thiết kế các bộ nguồn đảm bảo các tiêu chuẩn về kĩ thuật. Có 3dạng mạch Active PFC được sử dụng :+ Boost PFC+ Buck PFC+ Buck – Boost PFCỞ trong đồ án này chúng ta sẽ tìm hiểu mạch Boost PFCThiết kế bộ nguồn Boost PFCPage 9CHƯƠNG 2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC MẠCH BOOST PFC VÀTÍNH TOÁN MẠCH LỰC2.1 . Nguyên lý làm việc của bộ biến đổi boostLDCSVsRVoHình 2.1. Sơ đồ cấu trúc mạch boostTa sẽ xét các trạng thái đóng mở của van để tìm ra mối quan hệ giữa các giá trịđầu ra , đầu vào và các thành phần trong mạch để đưa ra những phương pháp chọnthiết bị và điều khiển phù hợp nhất với thông số của mạch theo yêu cầu.Gọi : là khoảng thời gian van mở: là khoảng thời gian van đóngTs: là chu kì đóng cắt của vanXét khi van S đóng trong khoảng 0 < t < . Mạch có thể được vẽ lại nhưsau:LVsCSHình 2.2.Sơ đồ khi van đóngThiết kế bộ nguồn Boost PFCPage 10RVoTrong trường hợp này sẽ không có dòng điện chạy qua diode D ta cóĐiện áp đặt 2 đầu cuộn dâyDòng điện qua cuộn dây tăng dầnvới là độ đập mạch của dòng điệnVs= L* = L* (2.1)(2.2) Xét khi van S đóng trong khoảng < t < Ts. Mạch sẽ tương đươngLRCVsVoHình 2.3. Sơ đồ khi van mởTrong trường hợp này sẽ có dòng điện đi qua diode D ta cóĐiện áp đặt trên vào cuộn dây là Vs – Vo = L* = L*(2.3)Gọi D =(2.4)(2.5)Từ (2.1), (2.3), (2.5) do điện áp trung bình trên cuộn cảm trong một chu kì đóngcắt T phải bằng 0 nên ta có hệ số biến đổi điện áp của mạch boostVo =(2.6)Ta có Ts = + thay (2.2) và (2.4) vào ta có độ nhấp nhô của dòng điện trên tải(2.7) vớiThiết kế bộ nguồn Boost PFClà tần số đóng cắt của vanPage 11Khi van đóng cắt tương ứng sẽ là quá trình nạp và phóng điện liên tiếp của tụ C.Khi đó điện áp ra sẽ có sự thay đổi phụ thuộc vào giá trị điện dung của tụ và tần sốđóng cắt của van. Ta có độ nhấp nhô cuả điện áp ra trên tải sẽ làiC (t ) = CiC = Cdv0 (t )dt∆v0∆t(2.8)(2.9)Từ 2.9 ta có∆v0 =iC .DT V0 .DT I 0 .D==CC.RC. f(2.10)Với f là tần số biến thiên của điện áp đầu raTa có đồ thị dạng sóng của các đại lượng trong mạch boost ở chế độ dòng điện liêntục :Thiết kế bộ nguồn Boost PFCPage 12Hình 2.4.Đồ thị dạng sóng của các đại lượng trong mạch boostDo ở chế độ không liên tục thì mạch boost có giá trị dòng điện đỉnh cao nhưnghiệu suất nhưng cũng không đem lại lợi ích về hiệu suất nên để đảm bảo chức năngcho bộ pfc nên ta sẽ thiết kế để mạch hoạt động ở chế độ liên tục.Khi bỏ qua các tổn hao trên mạch biến đổi và coi tải là thuần trở khi dòng điện vàđiện áp qua L đồng pha ta có:=== (2.11)I L max = I L +Từ đồ thị ở hình 2,3 ta cóI L min = I L −Và∆I L2∆I L2I L minĐể dòng qua L là liên tục ta phải có∆I L⇒I≥L≥02Xét trường hợpTừ (2.6) và (2.10) ta cóVậy(2.12)2.2. Tính toán mạch lực2.2.1 .Yêu cầu thiết kếGiá trị hiệu dụng điện áp đầu vào 110 VTần số điện áp đầu vào 50HzThiết kế bộ nguồn Boost PFCPage 13Giá trị điện áp đầu ra 200VCông suất đầu ra 500WTần số đóng cắt 20kHzĐộ đập mạch dòng qua cuộn cảm 15%Độ đập mạch của điện áp đầu ra 1%U02.2.2.Tính toán và chọn tụ lọcGiá trị cho phép của tụ lọc phụ thuộc vào độ nhấp nhô cho phép của điện áp đầura. Ta có:(2.13)Do điện áp đầu vào dao động với tần số 50Hz nên điện áp ra cũng dao động với tầnsố 50 HzCó: = 1%*200= 2VDòng điện qua tải là = = 2.5ADo sự thay đổi liên tục của điện áp đầu vào nên giá trị của D không cố định 0