đi sâu nghiên cứu các vấn đề lý thuyết và mô phỏng kiểm chứng khả năng nâng cao hệ số công suất sau chỉnh lưu bằng bộ biến đổi DUAL BOOST

MỤC LỤC
MỤC LỤC.............................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................3
CHƯƠNG 1...........................................................................................................1
ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ SỐ CÔNG SUẤT TỚI LƯỚI ĐIỆN CÓ......................1
SỬ DỤNG BỘ CHỈNH LƯU MỘT PHA PHÍA TẢI...........................................1
1.1. Hệ số công suất...............................................................................................1
1.1.1. Khái niệm....................................................................................................1
1.1.2. Ý nghĩa của hệ số công suất........................................................................3
1.1.4. Lợi ích của việc nâng cao hệ số công suất..................................................7
1.2.Các phương pháp nâng cao hệ số công suất....................................................7
1.2.1. Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính ........................................................8
1.2.2. Điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến tính ..................................................9
1.2.3.Nâng cao hệ số công suất bằng lọc thụ động( Passive PFC)......................10
1.2.4.Nâng cao hệ số công suất bằng lọc tích cực( Active PFC).........................11
1.3. Tổn hao đóng cắt..........................................................................................13
1.4. Vấn đề xây dựng các giải pháp.....................................................................14
1.5. So sánh giữa BOOST CONVERTER và BUCK CONVERTER................15
CHƯƠNG 2:BỘ BIẾN ĐỔI – DUAL BOOST..................................................21
2.1.Câú trúc và nguyên lý làm việc của bộ biến đổi............................................21
2.1.1. Cấu trúc các bộ biến đổi xung áp..............................................................21
2.2.Boost và các nguyên tắc điều khiển..............................................................26
2.2.1. Thế nào là Boost converter........................................................................26
2.2.2.Cấu trúc của Boost......................................................................................26
.............................................................................................................................31
(a) Dạng sóng......................................................................................................31
(b) tín hiệu Transistor T ổ cổng x........................................................................31
2.3.Dual Boost và nguyên lí hoạt động...............................................................35
2.3.1.Cấu trúc của dual boost..............................................................................35
2.3.2.Nguyên lý hoạt động..................................................................................39
2.4. Nguyên lý điều khiển bộ biến đổi DC-DC...................................................42

2.4.3. Thực hiện điều khiển mạch vòng dòng điện.............................................46
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN...................................48
3.1. Hình ảnh và mô phỏng kết quả cho mạch chỉnh lưu mạch không sử dụng bộ
biến đổi hệ số công suất.......................................................................................48
3.1.1. Hình ảnh mô phỏng...................................................................................48
3.1.2. Dạng sóng trên simulink............................................................................49
3.1.3. Dạng sóng tích cực và phản ứng từ nguồn................................................49
3.1.4. Phân tích dòng vào FFT............................................................................50
3.2. Hình ảnh và mô phỏng kết quả cho mạch chỉnh lưu mạch sử dụng bộ biến
đổi boost để thay đổi hệ số công suất..................................................................51
3.2.1. Hình ảnh mô phỏng...................................................................................51
3.2.2. Dạng sóng trên simulink............................................................................52
3.2.3. Dạng sóng tích cực và phản ứng từ nguồn................................................52


3.2.4. Phân tích dòng vào FFT............................................................................53
3.3. Hình ảnh và mô phỏng kết quả cho mạch chỉnh lưu mạch sử dụng bộ biến
đổi dualboost để thay đổi hệ số công suất...........................................................54
3.3.1. Hình ảnh mô phỏng...................................................................................54
3.3.2. Dạng sóng trên simulink............................................................................55
3.3.4. Phân tích dòng vào FFT............................................................................56


DANH MỤC HÌNH VẼ
MỤC LỤC.............................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................3
CHƯƠNG 1...........................................................................................................1
ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ SỐ CÔNG SUẤT TỚI LƯỚI ĐIỆN CÓ......................1
SỬ DỤNG BỘ CHỈNH LƯU MỘT PHA PHÍA TẢI...........................................1
1.1. Hệ số công suất...............................................................................................1

1.1.1. Khái niệm....................................................................................................1
1.1.2. Ý nghĩa của hệ số công suất........................................................................3
1.1.4. Lợi ích của việc nâng cao hệ số công suất..................................................7
1.2.Các phương pháp nâng cao hệ số công suất....................................................7
1.2.1. Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính ........................................................8
1.2.2. Điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến tính ..................................................9
1.2.3.Nâng cao hệ số công suất bằng lọc thụ động( Passive PFC)......................10
1.2.4.Nâng cao hệ số công suất bằng lọc tích cực( Active PFC).........................11
1.3. Tổn hao đóng cắt..........................................................................................13
1.4. Vấn đề xây dựng các giải pháp.....................................................................14
1.5. So sánh giữa BOOST CONVERTER và BUCK CONVERTER................15
CHƯƠNG 2:BỘ BIẾN ĐỔI – DUAL BOOST..................................................21
2.1.Câú trúc và nguyên lý làm việc của bộ biến đổi............................................21
2.1.1. Cấu trúc các bộ biến đổi xung áp..............................................................21
2.2.Boost và các nguyên tắc điều khiển..............................................................26
2.2.1. Thế nào là Boost converter........................................................................26
2.2.2.Cấu trúc của Boost......................................................................................26
2.2.3. Nguyên lý điều khiển boost...................................................................28
.............................................................................................................................31
Hình 2.11. Hình biểu thị của tín hiệu và dạng sóng dòng qua bộ biến đổi.....31
(a) Dạng sóng......................................................................................................31
(b) tín hiệu Transistor T ổ cổng x........................................................................31
2.3.Dual Boost và nguyên lí hoạt động...............................................................35
2.3.1.Cấu trúc của dual boost..............................................................................35
2.3.2.Nguyên lý hoạt động..................................................................................39
2.4. Nguyên lý điều khiển bộ biến đổi DC-DC...................................................42
2.4.3. Thực hiện điều khiển mạch vòng dòng điện.............................................46
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN...................................48
3.1. Hình ảnh và mô phỏng kết quả cho mạch chỉnh lưu mạch không sử dụng bộ
biến đổi hệ số công suất.......................................................................................48

3.1.1. Hình ảnh mô phỏng...................................................................................48
3.1.2. Dạng sóng trên simulink............................................................................49
3.1.3. Dạng sóng tích cực và phản ứng từ nguồn................................................49
3.1.4. Phân tích dòng vào FFT............................................................................50
3.2. Hình ảnh và mô phỏng kết quả cho mạch chỉnh lưu mạch sử dụng bộ biến
đổi boost để thay đổi hệ số công suất..................................................................51
3.2.1. Hình ảnh mô phỏng...................................................................................51


3.2.2. Dạng sóng trên simulink............................................................................52
3.2.3. Dạng sóng tích cực và phản ứng từ nguồn................................................52
3.2.4. Phân tích dòng vào FFT............................................................................53
3.3. Hình ảnh và mô phỏng kết quả cho mạch chỉnh lưu mạch sử dụng bộ biến
đổi dualboost để thay đổi hệ số công suất...........................................................54
3.3.1. Hình ảnh mô phỏng...................................................................................54
3.3.2. Dạng sóng trên simulink............................................................................55
3.3.4. Phân tích dòng vào FFT............................................................................56


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
THD: Total Harmonic Distortion : Hệ số méo sóng hài tổng.
PFC: Power Factor Correction : Hiệu chỉnh hệ số công suất.
FFT: Fast Fourier Transform : phép biến đổi Fourier nhanh .
PWM: Pulse Width Modulation: Phương pháp điều chỉnh độ rộng xung.
ZvT: zero voltage transition : Chuyển đổi điện áp bằng không.
ZCT: zero current transition: Chuyển đổi dòng điện bằng không.
ZCS: zero current switching: Chuyển mạch dòng điện bằng không.
SOA: Safe Operating Area: Khu vực điều hành an toàn.
ZVS: Zero voltage switching: Chuyển mạch điện áp bằng không.
PSU: Power Supply Unit: Bộ nguồn máy tính.

PF: Power Factor: Hệ số công suất.

v


LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển của điện tử công suất nói chung và các thiết bị điện tử công
nghiệp nói riêng đã đáp tốt ứng những yêu cầu ngày càng khắt khe của đời sống.
Sự bùng nổ của thiết bị tin học, hệ thống mạng máy tính, các hệ thống nguồn
phân tán đã đặt ra các bài toán thiết kế các bộ nguồn một chiều có điện áp đầu ra
ổn định. Bên cạnh những ưu điểm về chất lượng đầu ra tốt, kích thước nhỏ thì
những bộ nguồn này tồn tại hạn chế lớn là gây ra méo dạng dòng điện lưới đầu
vào, sinh ra nhiễu điện từ cho hệ thống và có hệ số công suất thấp. Do số lượng
các bộ nguồn này không nhỏ nên những ảnh hưởng của chúng là đáng kể tới
hệ thống lưới điện và mục đích về kinh tế, thương mại. Từ đó, người thiết kế cần
phải đưa ra biện pháp để đáp ứng yêu cầu này. Có hai phương pháp nâng cao hệ
số công suất được đưa ra là Passive PFC (nâng cao hệ số công suất bằng lọc thụ
động) và Active PFC(nâng cao hệ số công suất bằng lọc tích cực). Mặc dù,
phương pháp Passive PFC thực hiện đơn giản, nhưng cồng kềnh và chỉ áp dụng
với các các thiết bị ở dải công suất thấp. Trong khi phương pháp Active PFC
đáp ứng được cả yêu cầu về chất lượng hệ số công suất cao, kích thước nhỏ gọn.
Qua nhiều năm phát triển, phương pháp nâng cao hệ số công suất Active PFC
ngày càng chiếm ưu thế. Bộ biến đổi Dual Boost là một trong những giải pháp
tối ưu trong việc nâng cao hệ số công suất của của các hệ thống điện.
Đồ án này do sinh viên Nguyễn Văn Dũng thực hiện dưới sự hướng dẫn
của Thạc sĩ Nguyễn Thị Thắm. Đồ án gồm có 3 chương với nội dung đi sâu
nghiên cứu các vấn đề lý thuyết và mô phỏng kiểm chứng khả năng nâng cao hệ
số công suất sau chỉnh lưu bằng bộ biến đổi DUAL BOOST
Xin chân thành cảm ơn các giáo viên khoa Điện-Cơ, đặc biệt là Thạc sĩ
Nguyễn Thị Thắm đã nhiệt tình giúp đỡ thực hiện cuốn sách này.

Mặc dù đã có nhiều cố gắng song không thể tránh được những thiếu sót
nhất định trong quá trình thực hiện. Em rất mong muốn các ý kiến đóng góp của
các thầy cô và bạn đọc.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Dũng
vi


Chương 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện-bộ chỉnh lưu 1 pha

CHƯƠNG 1
ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ SỐ CÔNG SUẤT TỚI LƯỚI ĐIỆN CÓ
SỬ DỤNG BỘ CHỈNH LƯU MỘT PHA PHÍA TẢI
1.1. Hệ số công suất
1.1.1. Khái niệm
Công suất truyền từ nguồn đến tải luôn tồn tại 2 thành phần: Công suất tác
dụng và công suất phản kháng. Công suất tác dụng đặc trưng cho khả năng sinh
ra công hữu ích của thiết bị, đơn vị W hoặc kW. Công suất phản kháng không
sinh ra công hữu ích nhưng nó lại cần thiết cho quá trình biến đổi năng lượng,
đơn vị VAR hoặc kVAR. Đơn giản là các thành phần từ hóa, tạo từ trường trong
quá trình biến đổi năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác, hoặc từ
năng lượng điện sang chính năng lượng điện. Công suất tổng hợp cho 2 loại
công suất trên được gọi là công suất biểu kiến, đơn vị VA hoặc KVA. Ba loại
công suất được trình bày ở trên lại có một mối quan hệ mật thiết với nhau thông
qua tam giác công suất như hình sau:

Hình 1.1 : Tam giác công suất
Hệ số công suất là tỷ số giữa công suất tác dụng và công suất biểu kiến
trong mạch điện.
Hệ số công suất còn được định nghĩa là cosin của góc giữa điện áp và

dòng điện trong một mạch điện xoay chiều. Nói chung, nó là sự chênh lệch của
điện áp và dòng điện hiện tại trong một mạch điện xoay chiều được biểu diễn
bằng hệ số cosφ

SVTH: Nguyễn Văn Dũng

1


Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

Hình 1.2. Hình biểu diễn hệ số cosφ giữa điện áp và dòng điện
+ cosφ: hệ số công suất với mạch chỉ có cuộn cảm thuần φ=

π
2

Cosφ =0=> P=0.
+ cosφ: hệ sô công suất với mạch chỉ có tụ điện φ=-

π
2

Cosφ =0=> P=0.
+ cosφ: hệ sô công suất với mạch R,L,C nối tiếp P=R.I2=U.I. cos φ


cosφ=

R

.
Z

Hệ số công suất được đưa ra để tạo một biện pháp hiệu quả cho việc sử
dụng điện năng của hệ thống, lưới điện. Nó là một thước đo của sự biến dạng của
các dòng điện áp và dòng điện hiện tại và các giai đoạn chuyển đổi giữa chúng.

SVTH: Nguyễn Văn Dũng

2


Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

1.1.2. Ý nghĩa của hệ số công suất
Nếu xét trên phương diện nguồn cung cấp (máy phát điện hoặc máy biến
áp). Rõ ràng cùng một dung lượng máy biến áp hoặc công suất của máy phát
điện (tính bằng KVA). Hệ số công suất càng cao thì thành phần công suất tác
dụng càng cao và máy sẽ sinh ra được nhiều công hữu ích. Ở đây tại sao ta
không duy trì cosφ để máy phát hoặc máy biến áp hoạt động hiệu quả. Vì giá trị
của hệ số công suất bao nhiêu là phụ thuộc vào tải (thiết bị sử dụng điện). Nhu
cầu của tải về công suất tác dụng và công suất phản kháng cần phản đáp ứng đủ
thì tải mới hoạt động tốt. Giải pháp trung hòa hơn là nguồn sẽ chỉ cung cấp cho
tải 1 phần công suất phản kháng, phần thiếu còn lại, khách hàng tự trang bị thêm
bằng cách gắn thêm tụ bù.
Nếu xét ở phương diện đường dây truyền tải ta lại quan tâm đến dòng
điện truyền trên đường dây. Dòng điện này sẽ làm nóng dây và tạo ra một lượng
sụt áp trên đường dây truyền tải.
Nếu xét trong hệ thống 1 pha, công suất biểu kiến được tính bằng công thức:
S=U.I

(1.1)

Nếu xét trong hệ thống 3 pha, công suất biểu kiến được tính bằng công thức:
(1.2)

S = 3.U .I

U là điện áp dây, I là dòng điện dây.
Cả trong lưới 1 pha và 3 pha đều cho thấy dòng điện tỉ lệ với công suất
biểu kiến S. Vấn đề là công suất biểu kiến là do 2 thành phần công suất tác dụng
và công suất phản kháng gộp lại tạo nên.
Ở một thời điểm nhất định với công suất tác dụng và điện áp nhất định,
nếu hệ số cosφ thấp sẽ làm tăng dòng điện truyền dẫn, gây tổn thất nhiệt và lãng
phí điện năng trên lưới điện. Gây một số bất lợi như:
-1. Hao phí đường dây lớn
Chúng ta biết rằng hao phí đường dây là tỷ lệ thuận với bình phương của
dòng điện (I2)

SVTH: Nguyễn Văn Dũng

3


Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

Hao phí điện năng = I2.R, tức là dòng điện càng lớn, hao phí trên đường
dây càng lớn.
Vì vậy, nếu hệ số công suất = 0,8, thì hao phí ở hệ số công suất này là
1/Cosφ 2 = 1 / 0,8 2 = 1,56 lần sẽ lớn hơn hao phí ở hệ số công suất đơn vị.

-2. Công suất định mức và kích thước của thiết bị điện lớn
Như chúng ta đã biết gần như tất cả các máy móc thiết bị điện (máy biến
áp, máy phát điện xoay, thiết bị đóng cắt,…) đều được định mức công suất
(kVA). Tuy nhiên, theo công thức sau hệ số công suất tỷ lệ nghịch với công suất
định mức:
Cosφ = kW / kVA
Vì vậy, hệ số công suất càng lớn, công suất định mức của máy càng
lớn.Công suất định mức của máy càng lớn, kích thước của máy càng lớn và giá
thành của máy càng cao.
-3. Kích thước và chi phí dây dẫn lớn hơn
Khi hệ số công suất thấp, dòng điện sẽ tăng lên, để truyền tải dòng điện
lớn, chúng ta cần kích thước dây dẫn lớn hơn. Do vậy, chi phí cho dây dẫn sẽ
tăng lên.
-4. Sự điều chỉnh điện áp kém và độ sụt áp lớn
Độ sụt áp = V = IZ.
Khi hệ số công suất thấp, dòng điện sẽ tăng lên. Dòng điện càng lớn thì độ
sụp áp càng lớn.
Sự điều chỉnh điện áp = VR = (V không tải - V đầy tải ) / V đầy tải
Khi hệ số công suất thấp, độ sụt áp lớn gây ra điều chỉnh điện áp thấp. Vì
vậy, để giữ độ sụt áp trong giới hạn nhất đinh, chúng ta cần phải lắp đặt thêm
thiết bị điều chỉnh, đó là các bộ điều chỉnh điện áp.
-5. Hiệu quả thấp
Khi hệ số công suất thấp, xảy ra sự sụt áp lớn và hao phí đường dây lớn.
Điều này sẽ làm cho hiệu suất của hệ thống hoặc thiết bị sẽ thấp hơn. Hệ số công

SVTH: Nguyễn Văn Dũng

4

Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

suất thấp nên hao phí đường dây lớn. Do đó, máy phát cần kích từ cao, nên hiệu
quả phát điện sẽ thấp.
Hệ số công suất phụ thuộc vào R,L,C và tần số góc ω
Khi φ=+

π
cos φ=1 P=0. Khi đó công suất tiêu thụ rất nhỏ, tiêu tốn ít điện năng.
2

Khi φ= 0cos φ=1 P=max. Khi đó công suất tiêu thụ rất lớn, tiêu tốn nhiều
điện năng.
Trong mạch chỉ có cuộn dây thuần cảm hoặc chỉ có tụ điện hoặc tụ điện
mắc song song cuận dây thuần cảm thì không tiêu thụ công suất. Với cùng U,I
trong mạch hệ số công suất càng lớn thì công suất tiêu thụ sẽ càng lớn. Nó giúp
cho giá trị của công suất tác dụng gần bằng với công suất biểu kiến từ đó làm
tăng hiệu quả sử dụng điện năng.
1.1.3. Ảnh hưởng của hệ số công suất tới chất lượng điện năng
Hệ số công suất cos φ (gọi tắt là hệ số cos φ) đóng vai trò rất quan trọng,
có tác động và ảnh hưởng lớn đến quá trình truyền dẫn và cung cấp điện năng
trong lưới điện hoặc mạch điện xoay chiều. Hệ số cos φ trong công thức tính
công suất tác dụng mạch điện xoay chiều ba pha là:
P = U .I .cos ϕ

(1.3)

Ở thời điểm nhất định, nếu hệ số công suất được nâng cao thì khả năng
truyền dẫn công suất tác dụng với điện áp, dòng điện nhất định sẽ được nâng
cao, hệ quả công thức trên sẽ là:

I=

P
3.U .I .cos ϕ

(1.4)

Ở một thời điểm nhất định với công suất tác dụng và điện áp nhất định,
nếu hệ số cos φ thấp sẽ làm tăng dòng điện truyền dẫn, gây tổn thất nhiệt và lãng
phí điện năng trên lưới điện. Ngoài ra, nó còn gây ra tổn thất điện áp, dẫn đến
chất lượng điện năng kém. Mặc dù ảnh hưởng của hệ số công suất tới nguồn
điện được coi là không đáng kể, nhưng tác động tích lũy của các tải phi tuyến
hiệu chỉnh hệ số công suất khá quan trọng. Dòng sóng hài của các tải phi tuyến

SVTH: Nguyễn Văn Dũng

5


Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

có một số tác dụng không mong muốn của cả hai mạng lưới phân phối và người
tiêu dùng. Các hiệu ứng này bao gồm:
- Tăng thiệt hại và sự phát nóng trong máy biến thế, tụ điện, dây cáp điện,
máy điện xoay chiều ,từ đó dẫn đến các thiết bị chóng bị hỏng hóc, sự cố.
- Nó dẫn đến quá mức dòng hiện tại trong dây dẫn trung tính của hệ thống
ba pha bốn dây, gây ra do biến động sóng hài hiện nay (thứ 3, 9, 15, vv).
- Nó là kết quả trong giảm hệ số công suất, do đó tồn tại ít năng lượng
hoạt động có sẵn từ một nguồn thực tế.
- Có thể có cộng hưởng điện trong hệ thống điện, dẫn đến điện áp trong

thời gian cao điểm quá mức và khác biệt so với giá trị hiệu dụng.
- Cường độ cao của các dòng gây từ hóa sớm và sự cố của các tụ điện và
thiết bị cách nhiệt.
- Các hoạt động tiêu dùng khác có thể bị ảnh hưởng từ các dạng sóng điện
áp,dòng điện kết nối với các mạng lưới phân phối điện.
- Có thể có sai sót trong công cụ đo.
-Gây nhiễu sóng điện thoại.
- Tăng tiếng ồn âm thanh.
- Nó cũng dẫn đến giảm độ nhạy trong động cơ cảm ứng, cũng như dao
động cơ học trong tua bin-máy phát điện hoặc trong một hệ thống động cơ tải.
- Có thể có biến dạng của các dòng điện áp đi qua tải. Hiệu quả là sự kích
hoạt mạnh mẽ các giá trị trong lưới yếu. Ví dụ, một số thiết bị điện tử phụ thuộc
vào việc xác định chính xác về hình dạng sóng điện áp, ví dụ như biên độ, giá tri
hiệu dụng (RMS) của nó.
Vì vậy, hệ số cos φ phải được coi như một chỉ tiêu kĩ thuật-kinh tế, phải
được quan tâm, nhất là đối với lưới điện trung, hạ áp. Theo đó, cần thiết phải lắp
đặt các tụ bù hạ áp với các trạm biến áp (TBP) phụ tải chuyên dùng sản suất
công nghiệp để nâng cao hệ số cosφ vì hệ số cosφ đối với các phụ tải thường rất
thấp. Xét ở lưới điện phân phối cáp điện cho các khách hàng, điều này liên quan
trực tiếp đến chất lượng, giá thành sản phẩm và hiệu quả sản xuất kinh doanh
SVTH: Nguyễn Văn Dũng

6


Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

doanh nghiệp. Quan tâm đến việc nâng cao hệ số cosφ cũng là một giải pháp
quan trọng cải thiện lợi ích kinh tế- kĩ thuật của lưới điện và thực hành tiết kiệm
điện, nhất là thời kì khó khăn trong cung ứng hiện nay.

1.1.4. Lợi ích của việc nâng cao hệ số công suất
- Méo điện áp trong các dạng sóng được giảm đáng kể.
- Tăng khả năng làm việc tích cực của các thiết bị điện tử.
- Giá trị hiệu dụng hiện hành nhỏ.
- Các tải được cung cấp chung các giá trị về tần số, dòng điện, điện áp.
1.2.Các phương pháp nâng cao hệ số công suất
Hầu hết các nghiên cứu về PFC cho tải phi tuyến là thực sự có nghĩa để
tập trung vào việc giảm dạng sóng không bằng phẳng của các dòng hiện tại. Có
rất nhiều giải pháp để đạt được sự hiệu chỉnh hệ số công suất bằng cách sử dụng
một sự kết hợp của các bộ lọc vượt qua đầu vào và đầu ra thấp, hình dạng của
các đầu vào hiện tại có thể được cải thiện hơn nữa .Tập trung vào việc chuyển
mạch hoạt động (kiểm soát bởi một đầu vào điều khiển từ bên ngoài) được sử
dụng hay không, giải pháp PFC có thể được phân loại là "thụ động" hoặc "tích
cực" .Trong passive PFC, yếu tố là thụ động cùng với bộ chỉnh lưu cầu diode
được sử dụng, để cải thiện hình dạng của các dạng sóng hiện tại của dòng điện.
Rõ ràng, điện áp đầu ra là không thể kiểm soát được. Đối với hoạt động hiệu
chỉnh hệ số công suất, chuyển mạch hoạt động được sử dụng kết hợp với các
yếu tố phản ứng để tăng hiệu quả của việc định hình hiện dòng và để có được
điện áp đầu ra kiểm soát. Tần số chuyển đổi tiếp tục phân loại các giải pháp hiệu
chỉnh hệ số công suất tích cực thành hai lớp. Trong tần số hoạt động thấp PFC,
chuyển đổi nên diễn ra ở dạng sóng hài thứ tự của dòng tần số có giá trị thấp
như vậy mà nó được đồng bộ hóa với các dòng điện áp. Trong tần số hoạt động
cao PFC, tần số chuyển đổi phải được cao hơn nhiều so với tần số dòng.

SVTH: Nguyễn Văn Dũng

7


Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

1.2.1. Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính
Điều chỉnh PFC (hệ số công suất) tuyến tính áp dụng cho các thiết bị tiêu
thụ trực tiếp điện áp lưới. Việc điều chỉnh có thể đạt được bằng việc thêm vào
hay bớt ra các cuộn dây hay tụ điện cho thiết bị. Như động cơ mang tính cảm
kháng có thể điều chỉnh PFC bằng việc đấu thêm một tụ song song với cuộn dây
vận hành nhằm giúp triệt tiêu công suất phản kháng, làm giảm công suất biểu
kiến và tăng hệ số PF. Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất không những được áp
dụng trong ngành công nghiệp điện mà nó còn có thể sử dụng với người dùng cá
nhân khi muốn làm giảm tổn hao trên đường truyền và ổn định điện áp cho tải.
Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất thực chất là một thiết bị cung cấp một
công suất phản kháng tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng
được tạo ra của thiết bị. Thêm tụ điện hay cuộn dây vào quá trình để huỷ bỏ đi
hiệu ứng cảm ứng hay điện dung tương ứng được tạo ra. Động cơ có tính cảm
ứng có thể được bù bằng các tụ lọc, lò hồ quang điện có tính điện dung có thể bù
bằng các cuộn dây.
Khi thêm vào hay lấy ra các thiết bị bù công suất phản kháng có thể tạo ra
sự biến động điện áp hay tạo ra các méo hài, trong trường hợp xấu nhất các
thành phần bù công suất phản kháng có thể tạo ra hiện tượng cộng hưởng với hệ
thống được bù, làm cho điện áp tăng cao và gây mất ổn định cho hệ thống. Do
vậy việc điều chỉnh hệ số PFC không thể đơn giản là việc thêm hay bớt các
thành phần, mà nó cần được tính toán phù hợp với từng mức công suất tải trên
thiết bị.

SVTH: Nguyễn Văn Dũng

8


Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

Để tránh trường hợp trên, ứng dụng việc bù hệ số công suất PFC bằng các
thiết bị bù tự động. Thiết bị này bao gồm nhiều tụ điện được đóng hay ngắt ra
khỏi thiết bị được bù công suất phản kháng bằng các công tắc. Các công tắc này
lại được điều khiển bằng một thiết bị điều khiển trung tâm có khả năng đo hệ số
công suất bằng việc đo dòng tải và điện áp của thiết bị qua các cảm biến dòng
được gắn trên đường truyền dẫn điện năng, trước khi vào thiết bị. Tuỳ thuộc vào
tải và hệ số công suất của thiết bị, bộ điều khiển sẽ đấu nối tuần tự các tụ bù vào
mạch sao cho giá trị hệ số công suất luôn ở trên giá trị được chọn.
Một cách khác để điều chỉnh hệ số công suất là dùng động cơ đồng bộ,
ộng cơ đồng bộ cung cấp một công suất phản kháng có chiều nghịch với chiều
công suất phản kháng của thiết bị, tính chất tiêu thụ công suất phản kháng của
động cơ đồng bộ được xem là một tính chất đặt biệt của loại động cơ này, nó
được xem tương đương như một tụ đồng bộ. Ngoài ra trong ngành công nghiệp
điện còn có nhiều phương pháp để điều chỉnh hệ số công suất khác như bằng các
thiết bị điện tử sử dụng Thyristor chẳng hạn.
1.2.2. Điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến tính
Tải phi tuyến thường là dạng tải chỉnh lưu, không sử dụng trực tiếp từ
điện xoay chiều mà nắn lại thành dạng điện một chiều-chỉnh lưu như các bộ
nguồn máy tính (PSU), adaptor,…hay các thiết bị sử dụng năng lượng gián
đoạn-liên tục như máy hàn, bóng đèn huỳnh quang,..,các thiết bị này trong quá
trình tiêu thụ năng lượng còn tạo ra các dạng sóng hài có tần số là bội số của tần
số điện lưới, chèn vào tần số điện lưới. Các thành phần linh kiện tuyến tính như
cuộn dây và tụ điện không thể loại bỏ được các dải tần số mới được tạo ra này,
vì vậy nó phải dùng các bộ lọc hay bộ điều chỉnh hệ số công suất có thể làm
phẳng dòng điện ra trên mỗi chu kỳ nhằm giảm dòng hài.
Trong các loại tải phi tuyến tính đó thì PSU được sử dụng nhiều nhất, với
thiết kế chuyển đổi năng lượng theo kiểu đóng/cắt (switching). Trước đây các bộ
nguồn này chỉ đơn giản được thiết kế với một cầu nắn điện chỉnh lưu toàn sóng
nạp một mức điện áp dưới mức chịu đựng của tụ điện. Điều này sẽ tạo ra một

SVTH: Nguyễn Văn Dũng

9


Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

dòng điện nạp ban đầu rất cao, hệ số công suất rất thấp, đồng thời tạo ra các
sóng hài không có lợi.
1.2.3.Nâng cao hệ số công suất bằng lọc 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.
Tuy nhiên yêu cầu cần phải có cuộn cảm có giá trị cảm kháng lớn đã làm
cho bộ lọc cồng kềnh và có giá thành cao, nhưng thực tế với mạch Passive PFC có
cuộn dây tuy lớn hơn cuộn dây của mạch điều chỉnh hệ số công suất tích cực
Active PFC nhưng giá thành chung lại rẻ hơn. Trong passive PFC, yếu tố chỉ thụ
động cùng với bộ chỉnh lưu cầu diode được sử dụng, để cải thiện hình dạng của các
dạng sóng hiện tại dòng. Rõ ràng, điện áp đầu ra là không thể kiểm soát được
Đây là một phương pháp đơn giản và rẻ tiền để điều chỉnh hệ số công suất
và làm giảm sóng hài tuy nhiên nó lại không hiệu quả bằng phương pháp điều
chỉnh hệ số công suất tích cực Active PFC.

Hình 1.3. Mạch Passive PFC thực tế trong PSU
+) Ưu điểm của lọc thụ động:
- Có cấu trúc đơn giản.
SVTH: Nguyễn Văn Dũng

10

Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

- Đáng tin cậy, không gồ ghề.
- Khi sử dụng thiết bị không làm tần số cao lên.
- Chi phí xây dựng bộ lọc thấp, dễ thực hiện.
+) Nhược điểm của lọc thụ động:
- Để đạt công suất tốt hơn cần tăng kích thước của bộ lọc.
- Thời gian kết nối chậm đẫn đến sự đáp ứng chưa thực sự đủ của bộ lọc.
- Điện áp không được điều chỉnh và hiệu quả thấp hơn một chút.
- Do sự hiện diện của cuộn cảm và tụ điện tương tác có thể xảy ra giữa
các yếu tố thụ động hoặc họ có thể tương tác với hệ thống và cộng hưởng có thể
xảy ra ở các tần số khác nhau.
- Hệ số công suất có thể bị giảm do bộ lọc chuyển dịch quá mức các
thành phần cơ bản của hệ thống trong quá trình sử dụng.
- Hình dạng đầu vào phụ thuộc vào tải được sử dụng.
1.2.4.Nâng cao hệ số công suất bằng lọc tích cực( Active PFC)

Hình 1.4. Dạng mạch Active PFC được sử dụng
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
SVTH: Nguyễn Văn Dũng

11


Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

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.
Trong PSU, dạng mạch được sử dụng thông dụng nhất là Boost. Một
mạch chuyển đổi được chèn vào giữa cầu nắn điện và tụ lọc chính. Nó tạo một
điện áp DC ổn định ở đầu ra và duy trì dòng điện vào luôn đồng pha với tần số
của điện áp vào.
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, đặt tính này rất được
người dùng chào đón, nó giúp cho họ không cần quan tâm tới mức điện áp phù
hợp với PSU tại khu vực mình đang ở, ngoài ra nó còn giúp PSU hoạt động
được ở những khu vực có điện áp xoay chiều không ổn định.

Hình 1.5. Mạch Active PFC thực tế trong PSU
+) Ưu điểm của lọc tích cưc:
- Nhỏ gọn, phù hợp với nhiều hệ thống
- Có thể tạo ra hệ số công suất tới 0,95 nhờ phương pháp này
SVTH: Nguyễn Văn Dũng

12


Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

- Bằng phương pháp này hiệu chỉnh tự động có thể thu được điện áp đầu
vào AC
- Làm giảm sóng hài với giá trị rất thấp
- Hoạt động được trong pham vi điện áp của hệ thống

+) Nhược điểm của lọc tích cực:
- Thiết kế, bố trí hơi phức tạp.
- Rất tốn kém do sử dụng các thiết bị điều khiển đắt như IC, mosfet...

Hình 1.6. So sánh hiệu quả giữa các phương pháp
1.3. Tổn hao đóng cắt
Trong quá trình hoạt động của mạch PFC, các thiết bị được đóng cắt có
chu kỳ với tần số đóng cắt lớn ở mức dòng điện cao làm tổn hao công suất đóng
cắt lớn. Khi đó, ảnh hưởng của tổn hao đóng cắt tới hoạt động của mạch:
- Tần số chuyển mạch fs và hạn chế hiệu quả của việc chuyển mạch.
- Điều chỉnh chuyển mạch đôi khi có thể vượt quá khu vục an toàn.
- Gây ra tiếng ồn
Chuyển đổi không sử dụng MOSFET có thể được biểu diễn bằng toán học như:

PSW = VDS * I D * f s *(

ton + toff
2

) PSW = VDS * I D * f s *(

ton + toff
2

)

(1.5)

Từ phương trình trên một số kết quả quan trọng có thể suy luận rằng điện
năng thất thoát có thể được giảm thiểu bằng hai phương pháp:

SVTH: Nguyễn Văn Dũng

13


Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

- Chúng ta có thể làm giảm điện áp đầu vào và đầu ra một cách từ từ,
bằng cách sử dụng nhanh hơn và hiệu quả hơn sự chuyển mạch trong quá trình
chuyển đổi.
- Trước khi chuyển mạch hoặc tắt thiết bị, làm giảm dòng hoặc điện áp
trên các thiết bị chuyển mạch không. Chuyển mạch mềm chuyển đổi cộng
hưởng được dựa trên khái niệm này.
Những tổn thất chuyển mạch ở tần số cao hơn có thể được loại bỏ bằng
các kỹ thuật chuyển mạch mềm có sẵn.
- Giải pháp
Có chủ yếu là hai kỹ thuật để loại bỏ các tổn thất chuyển mạch cụ thể là
ZVS (Zero voltage switching) và ZCS (Zero current switching). Trong cả hai kỹ
thuật, các tổn thất chuyển mạch trong các thiết bị bán dẫn đã được loại trừ do
điện áp trên các thiết bị chuyển mạch tại các điểm chuyển mạch là rất nhỏ hoặc
bằng 0 . Giảm tổn thất chuyển đổi này cho phép các nhà thiết kế để đạt được
một tần số hoạt động cao hơn mà không phải hy sinh hiệu quả chuyển đổi. Bằng
cách đó, các bộ chuyển đổi cộng hưởng hứa hẹn việc đạt được những gì không
thể đạt được bằng cách chuyển đổi PWM (Pulse Width Modulation) đó là việc
thiết kế các kích thước và trọng lượng chuyển đổi nhỏ. Hiện nay, bộ chuyển đổi
năng lượng cộng hưởng hoạt động trong phạm vi của một vài megahertz có sẵn.
Một ưu điểm khác của các bộ biến đổi cộng hưởng trên PWM là mức giảm của
dạng sóng điện áp chuyển đổi và dạng sóng hiện tại. Vì vậy, khi chuyển đổi
cộng hưởng và PWM đang hoạt động ở cùng tần số và mức công suất, dự kiến

phát sóng hài sẽ thấp hơn trong trường hợp chuyển đổi cộng hưởng.
1.4. Vấn đề xây dựng các giải pháp
Cuộc điều tra của PFC phải đối mặt với những vấn đề sau đây:
- Hệ số công suất cao với hiệu quả thấp.
- Hiệu quả cao với công suất thấp.

SVTH: Nguyễn Văn Dũng

14


Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

1.5. So sánh giữa BOOST CONVERTER và BUCK CONVERTER
Bộ chuyển đổi Buck, có tỷ lệ chuyển đổi mức thấp. Vì vậy, nó có thể có
được một V2 điện áp đầu ra thấp hơn so với biên độ của điện áp đầu vào. Tuy
nhiên, các công cụ chuyển đổi chỉ được hoạt động khi V1 điện áp đầu vào là cao
hơn so với V2 điện áp đầu ra, tức là chỉ trong khoảng thời gian ωLt (α, π- α), nơi
α = sin-1 (V2 / V1). Do đó, các dòng hiện tại của một chỉnh hệ số công suất có
biến dạng chéo đó là dựa trên một công cụ chuyển đổi Buck. Ngoài ra, đầu vào
hiện tại của bộ chuyển đổi là không liên tục.

Hình 1.7. Buck converter

SVTH: Nguyễn Văn Dũng

15


Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

Hình 1.8. Khối điện áp và dạng sóng điện áp của buck converter

SVTH: Nguyễn Văn Dũng

16


Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

Trong khi đó, các bộ biến đổi Boost có một tỷ lệ chuyển đổi bước thấp
nhưng vẫn đảm bảo sự ổn định, do đó điện áp đầu ra V2 luôn cao hơn so với V1
độ lớn của điện áp đầu vào. Có thể hoạt động trong dòng chu kỳ như vậy đầu
vào hiện tại sẽ không có biến dạng chéo. Kể từ khi điện dẫn được đặt trong hàng
loạt đầu vào, thì các đầu vào hiện nay là liên tục. Do đó, một đầu vào hiện tại
với nội dung giảm tần số cao có thể thu được khi chế độ dẫn liêntục đi vào hoạt
động. Đối với những lý do này, các công cụ chuyển đổi Boost được sử dụng
rộng rãi cho PFC..

Hình 1.9. Boost converter

SVTH: Nguyễn Văn Dũng

17


Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

SVTH: Nguyễn Văn Dũng

18


Chuong 1: Ảnh hưởng của hệ số công suất tới lưới điện- bộ chỉnh lưu 1 pha

SVTH: Nguyễn Văn Dũng

19