thiết kế PFC ballast dành cho đèn HID trong chiếu sáng

Thit k PFC-

1
Trun  c Quyn  -K52.
MC LC
MỞ ĐẦU 3
PHẦN I: PFC 4
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 4
1.1. B ch s công sut bng 1. 4
1.2. Mt s m s dng trong b PFC: 6
CHƯƠNG 2: LUẬT ĐIỀU KHIỂN 9
2.1. Mô hình mch boost PFC 9
2.2 Luu khin 18
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC 23
3.1. Tính toán và chn t lc. 23
3.2. Tính toán thit k cun kháng. 23
3.3. Chn diode và van bán dn. 30
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 31
4.1. Tính toán thông s mu khin 31
4.2. Thit k mch tht vi các thông s n 40
PHẦN II: BALLAST ĐIỆN TỬ. 42
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ ĐÈN HID, BALLAST ĐIỆN TỬ. 42
1.1. Tìm hiu v  42
1.2. Tìm hic v ballast. 44
CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ IC IRS2573D. 48
2.1.  kh chân IC IRS2573D. 48
2.2. Các ch  hong ca IC IRS2573D. 55
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA MẠCH BALLAST. 66
Thit k PFC-

2

Trun  c Quyn  -K52.
3.1. Tính toán các thông s u vào. 67
3.2. Tính toán và chn linh kin phn mch Buck. 68
3.4. Phn mch kích. 73
3.4.1. Tính chn bin áp kích. 74
3.4.1.1. La chn lõi mch t cho cun cm. 74
3.5. Phn phn hi dòng và áp 78
PHẦN III. KẾT LUẬN. 78
thc tin ca nghiên cu. Error! Bookmark not defined.
Kt qu c. 80
ng phát trin 80
Mt s hình nh v mch PFC  BALLAST. 80
Thit k PFC-

3
Trun  c Quyn  -K52.
MỞ ĐẦU
Cùng vi s phát trin ca nn kinh t, nhu cng ci ngày
t vai trò quan tri vi s thng ca mi
quc gia.Trong bi cnh ngung hóa thch ngày càng cn kit trong
khi chúng ta vc ngung thay th thì vic tit kim
ng vu.
i vi mi qu dng trong chiu sáng chim mt
ng ln ngun tiêu th vì vy vic tit kin trong chiu sáng cho
phép tit kim m 
Trong quá trình s dng, các thit b n áp, ti chhát
ra mng sóng hài ln v n làm méo dn áp dn gim
chng cn gây n s hong nh, tui th ca
nhiu thit b s dn.
 c s  tn tình ca thy giáo TS.Phùng Anh Tun

nhóm chúng em tin hành thit k PFC-u
sáng, giúp gim sóng hài phát v n sóng hài t i v thit b s
dng và tit kin cho chiu sáng.
Mc s  nhit tình t thy giáo TS.Phùng Anh Tu
kin thc còn hn ch nên khó tránh khi nhng thiu sót, rc s ch
bo ca các thy.
Em xin chân thành c
Hà n
Sinh viên thc hin.


Thit k PFC-

4
Trun  c Quyn  -K52.
PHẦN I: PFC
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Bộ chỉnh lưu có hệ số công suất bằng 1.
1.1.1. Giới thiệu chung
Hin nay, trong hu ht các thit b biu s dng ch
ngun xoay chiu (cung cp t n mt chiu. Ngun mt
chiu sau chun cp cho tt c các modun trong thit b.
 m b phng cn áp ta phi s dng t  san phn dung
ln sau chu này dn mt s v cn
hình là sóng hài.Hic minh hong hình v.

n t i n và tn ti trong nhng khong thi
gian ngn ( sóng hài). S  này là do s phóng np lin tc ca t lc,
thit b ch nhng t i trong khong thi gian t np, khi các hài
này sinh ra s n chng h thn, tác hi ca hài này

càng ln khi công sut ti càng ln hong thi nhiu thit b gây hài
cùng mt chng ca h thng cung cc
ng ch tiêu là h s công sut (Power factor-PF) và tng sóng
Thit k PFC-

5
Trun  c Quyn  -K52.
hài (Total harmonic distortion THD). Hin ph thuc rt
nhiu vào yu t sóng hài, tng sóng hài càng nh thì hi
Mt s li ích khi ci thin h s công sut:
- Gin và chi phí truyn ti
- Gim thiu mt mát và tn hao trong truyn ti
- n áp
- n dung cn
T nhy vic thit k mt b u chnh h s công sut cho
b chc t cao
1.1.2. Ý nghĩa của hệ số công suất trong hệ thống cung cấp điện
 hic khái nim h s công suc ht ta cn phi hic khái
nim công sut trong truyn tn gm hai thành phn:
- Thành phn hu ích: là phng truyn hóa thành các d
c cung cp
cho các thit b s dn. Là thành phc qua các thit b
m ci tiêu dùng là phi tiêu dùng phi
tr tin. Công sut hng W hay kW.
- Thành phn vô công: là thành phn sinh ra t ng trong các thit b
n t ng VAR hay kVAR.
Tng ca hai thành phn trên gi là công sut biu king VA hay
kVA. H s công sung phn ánh mng có ích tiêu hao
trong tng công sut mà thit b tiêu th.H s 
quan trng.

1.1.3. Tác dụng của bộ điều khiển PFC
B u khic lp ti v trí gia ngun cp (sau chi mt
chiu, có tác dng theo dõi h s công sut ca ti và t u ch
Thit k PFC-

6
Trun  c Quyn  -K52.
ng thi nó còn giúp nh
 tính nh ca h thng, x i xy ra 
phía ngun cp và phía ti mt ching khi xy ra s c.
Trong mch PFC vu vào là mt pha thì sau khâu ch 
dùng các m u chu ra, h s công sut mch.
1.2. Một số mạch băm có thể sử dụng trong bộ PFC:
1.2.1. Mạch boost ( boost PFC):

Gii thích nguyên lý hong:
 c bi t ng
trong t C0 x qua ti vi c hình v, cui cn áp np
cho t C0 là Vco=Vs+VL. Do vn áp ra ca mn áp
vào.

Thit k PFC-

7
Trun  c Quyn  -K52.
Vi Ton là chu k dn ca van.
T là chu k t ca van




Quan h gin áp vào và ra ca b boost converter là:


  

1.2.2. Mạch buck ( buck PFC)

Giải thích hoạt động:
-      khóa do phân c   n t 
ngun qua L np cho t C.
- Khi van ct, cun cc cc tính , diode D dn qua
ti bng tn qua t C0: Itai = IL + IC0.
n áp trên t C: Uc = Vs  VL = Utai:
n áp ra ca b buck luôn nh n áp vào, biu thc liên h là:
V0 = Vs .D
Thit k PFC-

8
Trun  c Quyn  -K52.

1.2.3. Mạch buck-boost (buck-boost PFC)

Giải thích hoạt động:
- n áp trên cun L bn áp ngun. Diode D b khóa
do phân cn qua tc cung cp bi t C0.
- Khi van cn áp trên cuc cc tính, diode D dn dòng
kép mch L-C0 D-L, t c np chun b cho quá trình phóng khi

n áp ra lúc này có th l n áp ngun cp, biu thc

liên h là : 










Thit k PFC-

9
Trun  c Quyn  -K52.
CHƯƠNG 2: LUẬT ĐIỀU KHIỂN
2.1. Mô hình mạch boost PFC
ng hp tính toán cho mu ra(400v) ln áp
u vào ( 150-240V), qua nhng gii thiu v các mch PFC thì mch boost
PFC là thích hp nht, d dàng cho vic tính toán, phân tích mch.
ch boost PFC.

Ta s xét các tr c tìm ra mi quan h gia các giá
tr u vào và các thành phn trong m n
thit b u khin phù hp nht vi thông s mch theo yêu cu.
2.1.1. Điện áp ra
a. Xét khi van bán d
Ta có th v li m

Thit k PFC-

10
Trun  c Quyn  -K52.
u cun dây là : VL = Vs.
n qua cun, ta có biu thc quan h 










Nu xét trong mt khong thi gian rt ngn thì ta có th n áp vào là
nh, t bin thiên cn qua cun L s c xác l
biu thc trên s có dng biu di








Gi Ton là thi gian dn ca van
T là chu k van





y thi gian dn ca van là : Ton = D.T.
T (2) ta có :










b. Xét khi van bán dn m:
Ta v li m
Thit k PFC-

11
Trun  c Quyn  -K52.

t trên cun dây là :




 


Vi gi thit VL mang giá tr ng bin  trên cun dây

 âm ta có:






 



Dng sai phân:





 


  

n qua cup tn khi van
i bng tng gin khi van ng



 



 


  





  


T biu thc trên ta thy V0 > Vs và D càng ln thì Vo càng ln. Vs = V0 khi
Thit k PFC-

12
Trun  c Quyn  -K52.
 m bo an toàn mch khi hong, tránh tình trng
van m hoàn toàn thì ta chn 0.1 < D < 0.9.
2.1.2. Sự biến thiên của điện áp đầu ra.
Kcng vp và phòng liên tip
ca t n áp ra s có s i ph thuc vào giá tr n dung
ca t và tn s t van. Ta có:















Do tn s t van cao nên ta có:









T biu thc trên ta có:












 



 
 

Vi f là tn s biu ra:
2.1.3. Sự biến thiên dòng điện trong cuộn dây và chế độ dòng liên tục:

Thit k PFC-

13
Trun  c Quyn  -K52.
n qua L cùng pha nhau ta có:
Công sut do ngun cung cp:




 


Công sut tiêu th ca ti:











B qua tn hao trên các mch chuyi ta có:







 



















 





Khi xét vi ti thun tr ta có:










T (8), (11), (12) ta có:





  

T n qua cun L ln qua ti.
T  th hình 2.4 ta có biu thc sau:






 











 







Thit k PFC-

14
Trun  c Quyn  -K52.
V dòng qua L liên tc ta phi có:






 



- ng hp 





T (8) và (11) ta có:





  



Vy :







  













  


 














  





Vi f là tn s t ca van.
2.1.4 Hiệu suất của bộ biến đổi.
Theo nhnh tính toán trên thì ta có th v li m


Vi 









Thit k PFC-

15
Trun  c Quyn  -K52.


  
n cùng pha nên :
















n tr u vào:




  


 

Áp dn áp cho mu vào:







 



 






 




 



n tr u vào ca m
Thay biu thc is và 

ta có:









 






 











Quan h giu ra:

























  





























 






 












Thit k PFC-

16
Trun  c Quyn  -K52.
Ta thn ti là dòng mt chin ti bng trung bình
n Id:





 







 






 







 






 




 
















 



 





 





  



 






Vi:












Vì dng sóng sin có tính chi xng nên ta ch cn xét mt ph,
t , ta có th vit l







 




 








 



   





Gic:







  













  





 




  




Ta có th xp x biu thc vc vc sau:





    



Thit k PFC-

17
Trun  c Quyn  -K52.
Vi -0.15< a < 0.15 thì sai s phép xp x này nh  có
th chp nhc.
Công suu vào ca mch:





  














 


 












Vy hiu sut ca h:








 














 







  








 















T biu th th biu din mi quan h gia hiu sut c mch
ng liên quan.
Thit k PFC-

18
Trun  c Quyn  -K52.

 th ta thy hiu sut ca mch ph thun áp
n tr n tr vào khi van dn. Khi t s gia
u ra càng ln thì hiu sut càng cao, t s gia
n tr n tr vào khi van dn càng nh thì hiu sut
mch càng cao. Vu bài cho thì t s VM/V0 là c nh nên ta có th u
chnh hiu suu chn tr vào.
2.2 Luật điều khiển
2.2.1 Nhiệm vụ của mạch điều khiển
u chnh khóa K sao cho dng sóng ca i và u trùng nhau ( ) và
n áp mt chiu ra là V0 là nh.
2.2.2 Điều chỉnh dạng sóng của dòng điện iL

 n áp cùng pha nhau thì ta s , 
to ra mn chun trùng pha vn áp vào ri n
thc bám theo d
n iL chun là :








Thit k PFC-

19
Trun  c Quyn  -K52.
Ta có: 






























Vì ta không th phn hi chính xác giá tr hiu dng cu vào nên
ta tính VM thông qua 









































































Vy :
















Ta s tính Po theo nhng giá tr có su ra phn hi v:





























Thit k PFC-

20
Trun  c Quyn  -K52.
Vì (U1+U2)>= (U1-U2) nên biu thc trên có th vit l






   

 


 
Hay :







 n chun thì ta s dng b PWM: ta dùng
tín hiu so sánh gin thn chun làm tín hiu vào cùa b
PWM, tín hiu này s c so sánh vi xung tam giác và to ra xunu khin
cho van bán dn theo quy tc sau.
- Khi di lu m van
- Khi di nh 

 n di1 thì di lu xung tam giác nên van dn ta
có:










Theo tín hiu xung tam giác thì di1=D
Vy :

Thit k PFC-

21
Trun  c Quyn  -K52.
 







 






 n di2 thì di nh u xung tam giác nên van khóa
ta có :



 




 


 



  


Vy khi mnh thì sai ln áp s ph thuc vào b u khin,
tn s  xung tam giác. Giá tr  m D s ph thuc vào sai lch dòng
n áp vào, tn s  xung tam giác.
2.2.3.Ổn định điện áp đầu ra
Ta có công thc sau:





  





   



Ta có th s dng phn h to ra dòng chun và n
u ra mch.
u vào gim xung nh n áp sai lch s
ch công sut tn
chu
T  dng b u khin vi hai vòng phn hn vào phn
h nh h th mu khin có dng.
Thit k PFC-

22
Trun  c Quyn  -K52.

Thit k PFC-

23
Trun  c Quyn  -K52.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC
3.1. Tính toán và chọn tụ lọc.
Giá tr ca t lc ph thu nhp nhô cho phép cu ra. Ta
có biu thc:


 




















 




























n áp sau chng vi tn s u
ng vi tn s 100Hz nên f = 100Hz.









Xét  ch  tnh mn qua ti là:










 (A)
Do s i liên tc cn  m u
ch trong khong 0 < D < 1.
 m bo chu ra thì:








Chn C = 47uF.
3.2. Tính toán thiết kế cuộn kháng.
Ta tính toán cun kháng pfc cho mch boost vi s liu sau:
Thit k PFC-

24
Trun  c Quyn  -K52.
Công suu ra : 70w
u vào nh nht : 150V
u vào ln nht : 240V
n áp ra : 400V
Tn s t : 100kHz
 nhn cun cm : 20%Idm
Lõi t :ETD
Hiu sut bii : 95%
H s ly cun cm : 0.6
3.2.1. Lựa chọn lõi từ cho cuộn cảm.
Vic la chn lõi t cho cun cm phù hp vi ch  làm vic, công sut là
u quan trng và cn thit. Tuy nhiên dùng lõi nào không th 
theo lý thuyt mà còn phi ph thuc vào s sn sàng ca ngun cung cp.
Cun cm lõi ferrit luôn là s la chn thích hp nht cho vic ch to cun
cm, do nó có t tr ln cho phép làm vic  di tn s cao, giúp gim thiu
c cun cm và tit kim kim loi màu.
m ca lõi ferrit là m t thông nh nên khi làm vic  ch 
liên tc s d b bão hòa vì vy trong mt s ng hp ta vn có th s dng
lõi có tn hao l t thông lt liu Powdered iron, kool-

c có th s dng thép k thu ghép li.
3.2.2. Lựa chọn hình dáng lõi.
Vic la chn hình dáng lõi có ng ti vic tn nhit cho cun cm lõi
có ca s ln s giúp cho vic tn nhit tc hn ch
nhiu trong quá trình hong.
Thit k PFC-

25
Trun  c Quyn  -K52.
Lõi xuyng là la chn tt nht cho vic ch to cun cm giúp gim hin
ng gây n trong quá trình hong cùng vi vic quu trên lõi
làm cho t ng tn gim và hn ch gây nhin t.
3.2.3. Tính toán thông số cuộn cảm.
1. Tính công suu vào.










u vao.
















 gu vao.



u vào:




   
5.  m van ln nht.





 








  




n kháng cun cm.
















ng cun cm.














