thiết kế bộ chỉnh lưu có hệ số công suất bằng 1 với ưu điểm hơn hẳn những bộ chỉnh lưu khác về hiệu suất và sóng hài

Power Factor Correction

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 các bộ nguồn
này thường có hiệu suất không cao và thường phát lại lưới những sóng điện có hài
bậc cao làm ảnh hưởng tới chất lượng của nguồn điện, từ đó cũng làm giảm hiệu
suất làm việc của các loại máy móc, thiết bị khác. Hiện nay, ở nước ta vẫn chưa có
qui định về tổng lượng sóng hài cho phép, và hiệu suất của các bộ chỉnh lưu nhưng
với chủ trương phát triển bền vững thì điều đó chỉ là sớm hay muộn. Nên em chọn
đề tài tốt nghiệp của mình là thiết kế bộ chỉnh lưu có hệ số công suất bằng 1 với ưu
điểm hơn hẳn những bộ chỉnh lưu khác về hiệu suất và sóng hài .
Đồ án này là công sức và nỗ lực của cả nhóm em, cùng với sự hướng dẫn và
chỉ bảo tận tình của thầy giáo – TS PHÙNG ANH TUẤN và thầy giáo NGUYỄN
THÀNH KHANG. Tuy nhiên với thời gian và trình độ còn hạn chế nên không
tránh khỏi những sai sót, em mong các thầy cô thông cảm và chỉ bảo tận tình để em
khắc phục những sai sót đó.
Em xin chân thành cảm ơn !
Sinh viên thực hiện:

1


Power Factor Correction

1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Bộ chỉnh lưu có hệ số công suất bằng 1 (PFC) :
1.1.1 Giới thiệu chung
Hiện nay trong hầu hết các thiết bị biển đổi điện năng đều sử dụng đến chỉnh
lưu từ nguồn xoay chiều (cung cấp từ lưới điện) sang nguồn một chiều. Nguồn điện
một chiều sau chỉnh lưu sẽ đóng vai trò là nguồn cấp cho tất cả module bên trong
của thiết bị (kể cả các module xoay chiều qua hệ thống mạch nghịch lưu). Thông
thường để đảm bảo được chất lượng điện áp như mong muốn ta phải mắc tụ san
phẳng với giá trị điện dung lớn vào ngay sau chỉnh lưu. Chính điều này đẫn đến
một số vấn đề cần phải được quan tâm mà điển hình là sóng hài. Hiện tượng sóng
hài được chỉ rõ trong hình 1
U, i

Dạng sóng điện áp
có tụ

ra khi
Sãng
®iÖnkhông
¸p sau
chØnh
C luu
0

Sãng ®iÖn
¸p khi
cã áp
Dạng

sóng
điện
tô san ph¼ng
ra khi có tụ san
phẳng C0
Dßng ®iÖn vµo bé
Dạng
chØnhdòng
luu điện
vào bộ chỉnh lưu
Iact

Hình 1.1: Dạng sóng dòng điện, điện áp
2


Power Factor Correction

Dòng điện vào từ nguồn lưới là dòng gián đoạn và tồn tại trong những khoảng
thời gian ngắn (hài). Sở dĩ có hiện tượng này là do quá trình phóng nạp liên tục của
tụ lọc. Thiết bị chỉ nhận năng lượng từ lưới trong thời gian tụ nạp. Khi các hài này
được sinh ra sẽ gây hại đến hệ thống lưới điện. Tác hại của những hài này sẽ càng
lớn khi công suất tải lớn, hoặc khi có đồng thời nhiều thiết bị gây hài mắc vào cùng
một nguồn lưới. Như ta đã biết chất lượng một hệ thống cung cấp điện được đánh
giá bởi hai (trong một số) chỉ tiêu là hệ số công suất (Power Factor - PF) và tổng
lượng sóng hài (Total Harmonic Distortion – THD). Hiệu năng của hệ thống lưới
điện phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố sóng hài, tổng lượng sóng hài càng nhỏ hiệu
năng lưới điện sẽ càng cao.
Một số ích lợi khi việc cải thiện hệ số công suất:
- Giảm giá thành 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.
Từ những lý do trên ta thấy việc thiết kế ra một bộ điều chỉnh hệ số công suất
cho bộ chỉnh lưu là một ý tưởng có ý nghĩa thực tiễn cao. Thực tế hiện nay có rất
nhiều hãng chế tạo linh kiện, chip điện tử đã cho ra đời nhiều dòng sản phẩm IC
tương tự chuyên để xử lý trong các mạch điều chỉnh hệ số công suất (Power factor
correction - PFC). Xong trong đồ án này chúng em sẽ phát triển ý tưởng này để chế
tạo ra một bộ PFC với bộ xử lý tín hiệu số (DSP) dsP30F4011.
Ưu điểm của bộ PFC số:
- Dễ dàng hơn trong việc xử lý các thuật toán phức tạp với tính năng
DSP
- Tính ổn định cao, bền với thời gian.
3


Power Factor Correction
- Dễ dàng hơn trong việc hiệu chỉnh để đạt được những thông số mong
muốn do việc xử lý tín hiệu, xuất tín hiệu điều khiển đều được lập trình bằng
phần mềm
- Công cụ mô phỏng đa dạng giúp người chế tạo có cái nhìn trực quan
trước khi hoàn thiện sản phẩm
- Dễ dàng kết nối với các thiết bị ngoại vi khác để tích hợp tính năng
cho bộ điều khiển.
1.1.2 Ý nghĩa của hệ số công suất trong hệ thống cung cấp điện:
Để hiểu được khái niệm hệ số công suất trước hết ta cần phải biết khái niệm
công suất trong truyền tải điện bao gồm hai thành phần:
- Thành phần hữu ích, hay thành phần hữu công:
Là phần năng lượng điện chuyển hóa được thành các dạng năng lượng
khác như nhiệt năng, quang năng, cơ năng khi điện được cung cấp đến các

thiết bị dùng điện. Là thành phần đo đếm được qua các thiết bị đo đếm điện
năng của người tiêu dùng. Là phần năng lượng mà người dùng phải trả
tiền.Công suất hữu ích được đo bằng W hay kW
- Thành phần vô công:
Là thành phần sinh ra từ trường trong các thiết bị điện từ như động cơ,
cuộn kháng… được đo bằng VAR hay kVAR
Tổng hai thành phần công suất được gọi là công suất biểu kiến được đo
bằng VA hay kVA
Hệ số công suất là đại lượng phản ánh mức năng lượng tiêu hao có ích trong
tổng lượng công suất mà thiết bị tiêu thụ. Hệ số này mang ý nghĩa kinh tế quan
trọng
1.1.3 Tác dụng của bộ điều khiển PFC:
4


Power Factor Correction
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.
Trong mạch PFC,với điện áp đầu vào là 1 pha thì sau khâu chỉnh lưu ta dùng
các mạch băm áp để điều chỉnh điện áp đầu ra , hệ số công suất của mạch .
1.2 Một số mạch băm áp có thể sử dụng trong bộ PFC :
1.2.1 Mạch Boost (Boost PFC):

Hình 1.2: Sơ đồ mạch Boost
Giải thích hoạt động:
Khi van đóng: Diode D khóa do bị phân cực ngược bởi tụ C 0. Năng lượng
trong tụ C0 xả qua tải, dòng điện từ dương nguồn qua cuộn L qua van rồi trở về âm

nguồn.
Khi van cắt: Diode D phân cực thuận dẫn dòng từ nguồn qua cuộn L nạp cho
tụ C0 với cực tính như hình vẽ. Cuộn L đổi cực tính, điện áp nạp cho tụ C 0 là VC0 =
VS + VL. Do vậy điện áp ra của mạch boost cao hơn điện áp đầu vào .

5


Power Factor Correction

Hình 1.3: Dòng sóng điện áp và dòng điện vào bộ Boost PFC
Với :TON là chu kì dẫn của van,
T là chu kì đóng cắt của van
Ta định nghĩa D =

TON
T

Quan hệ giữa điện áp vào và ra của bộ boost converter là :

VO =

VS
1− D

1.2.2 Mạch Buck (Buck PFC):

Hình 1.4: Sơ đồ mạch Buck
Giải thích hoạt động:
Khi van đóng: Diode khóa do bị phân cực ngược, dòng điện từ dương nguồn

qua L nạp cho tụ C
Khi van cắt: Cuôn L đảo cực tính, diode D dẫn, dòng điện qua tải bằng tổng
dòng điện qua L và dòng qua tụ C0: Itải = IL + IC0
6


Power Factor Correction
Điện áp trên tụ C: UC = VS – VL = Utải
Điện áp ra của bộ Buck luôn nhỏ hơn điện áp nguồn cấp và biểu thức liên hệ là
: V = V .D
O
S

Hình 1.5: Dạng sóng dòng điện, điện áp vào bộ Buck PFC
1.2.3 Mạch Buck/Boost (Buck/Boost PFC):

Hình 1.6: Sơ đồ mạch buck/boost
Giải thích hoạt động:
Khi van đóng: điện áp trên cuộn L bằng điện áp nguồn. Diode D khóa do bị
phân cực ngược. Dòng điện qua tải được cung cấp bởi tụ C0
Khi van cắt: điện áp trên L dảo cực tính, diode D dẫn dòng khép mạch L – C 0
– D – L. Tụ C0 được nạp chuẩn bị cho chu kì phóng khi van đóng.
Điện áp ra trong trường hợp này có thể lớn hoặc nhỏ hơn điện áp nguồn cấp,
với biểu thức liên hệ là :

VO =

VS .D
1− D

7


Power Factor Correction

2
LUẬT ĐIỀU KHIỂN
2.1 Mô hình mạch Boost PFC
Trong trường hợp tính toán cho mạch điện có điện áp đầu ra (400V)cao hơn
điện áp đầu vào (100-240V),theo những giới thiệu qua về các sơ đồ mạch thường
dùng với bộ PFC ở trên thì sơ đồ mạch Boost PFC là thích hợp nhất trong trường
hợp này ,để dễ dàng hơn cho việc phân tích tính toán mạch.
Dưới đây là mô hình mạch động lực bộ PFC :

8


Power Factor Correction
L

D

R

C

S

Vs

Vo

Hình 2.1: Sơ đồ mạch Boost PFC
Ta sẽ xét các trạng thái đóng mở của van để tìm ra mối quan hệ giữa các giá trị
đầu ra , đầu vào và các thành phần trong mạch để đưa ra những phương pháp chọn
thiết bị và điều khiển phù hợp nhất với thông số của mạch theo yêu cầu.
2.1.1 Điện áp ra :
a. Xét khi van bán dẫn đóng :
ta có thể vẽ lại mạch như sau
L

S

Vs

C

R

Vo

Hình 2.2: Sơ đồ thay thế khi van đóng
Điện áp đặt trên hai đầu cuộn dây là VL = VS
Dòng điện qua cuộn dây tăng dần. Ta có quan hệ sau:
L

diL
= vs (t )
dt

(1)

Nếu xét trong thời gian rất ngắn thì có thể coi điện áp vào là ổn định,tốc độ
biến thiên dòng điện qua cuộn L sẽ xác lập. Khi đó công thức (1) có thể biểu diễn
dưới dạng sai phân như sau:
∆iL VS
=
∆t
L
Gọi:

(2)

TON là chu kì dẫn của van,
9


Power Factor Correction
T là chu kì đóng cắt của van
Ta định nghĩa D =

TON
T

Như vậy thời gian dẫn của van là TON = D.T .
Từ (2) ta có:
∆I L =

VS
( D.T )

L

(3)

b. Xét khi van bán dẫn mở :
Ta vẽ lại được mạc như sau
L

C

Vs

R

Vo

Hình 2.3: Sơ đồ tương đương khi van cắt
Điện áp đặt trên cuộn dây là:
VL = VS − V0

(4)

Với giả thiết VL mang giá trị âm và lượng biến đổi dòng điện ∆i trên cuộn L
cũng mang giá trị âm ta có
diL VS − V0
=
dt
L

(5)

Dạng sai phân:
∆I L =

VS − V0
( 1− D) T
L

(6)

Khi dòng điện qua cuộn dây đã xác lập tổng lượng tăng dòng điện khi van
đóng phải bằng tổng lượng giảm dòng điện khi van hở do đó ta có:
10


Power Factor Correction
Từ (3) và (6) suy ra:
VS
V −V
( D.T ) + S 0 ( 1 − D ) T = 0 (7)
L
L
V0 =

VS
1− D

(8)

Từ (8) ta thấy V0 > VS và D càng lớn thì V0 càng lớn. VS = V0 khi D = 0.

Thông thường ta lấy D trong khoảng 0,1 < D < 0,9.
2.1.2 Sự biến thiên điện áp đầu ra:
Khi van đóng cắt tương ứng sẽ là quá trình nạp và phóng liên tiếp của tụ C 0.
Khi đó điện áp ra sẽ có sự thay đổi phụ thuộc vào giá trị điện dung của tụ và tần số
đóng cắt của van. Ta có:
iC (t ) = C
iC = C

dv0 (t )
dt

(9)

∆v0
∆t

(10)

Do tần số hoạt đông của van trong mạch boost khá cao nên ta coi:
iC ≈ iR =

V0
R

Từ 10 ta có:
∆v0 =

iC .DT V0 .DT I 0 .D
=
=

C
C .R
C. f

(11)

Với : f là tần số biến thiên điện áp đầu ra.
2.1.3 Sự biến thiên dòng điện trong cuộn dây và chế độ dòng liên tục.
Để đảm bảo được chức năng cho bộ PFC ta phải thiết kế để mạch Boost PFC
hoạt động ở chế độ dòng liên tục.
11


Power Factor Correction
I
I

L

L

L

t
§Æc tÝnh thÊp nhÊt

t
DT

(1-D)T

Hình 2.4: Dạng sóng dòng điện trên cuộn dây ở chế độ dòng liên tục
(Ta tính toán đối với trường hợp tải thuần trở, khi tải mang tính cảm thì giá trị
L trong mạch tăng làm cho dòng điện qua nó càng được mịn hơn)
Khi điện áp và dòng điện qua L đồng pha ta có
Công suất do nguồn cung cấp:
Công suất tiêu thụ của tải:

PS = VS .I L
P0

(V )
= 0

2

R

Bỏ qua tổn hao trên các mạch chuyển đổi ta có
PS = P0
⇔ VS .I L
Ta có:

I0 =

(V )
= 0

2

R

⇔ IL

(V )
= 0

2

VS .R

V0
R

(11)
(12)

Từ (8), (11), (12) ta có:
IL =

I0
1− D

Từ đó ta thấy dòng điện qua cuộn L lớn hơn dòng qua tải.
Từ đồ thị hình 2.4 ta có các biểu thức sau:
I L max = I L +

∆I L
2

(13)
12


Power Factor Correction
và:
∆I L
2

I L min = I L −

(14)

Như vậy để dòng qua L liên tục ta phải có:
I L min ≥ 0 ⇒ I L ≥ ∆I L
2
- Xét trường hợp I L =

∆I L
2

Từ (8) và (11) ta có:
IL =

Vậy

(1− D)

I L min =

⇒

VS

2

.R

VS

( 1− D)
VS

( 1− D)

2

.R

2

.R

≥

−

DT .VS
≥0
2L

DTVS DVS
=
2L
2 fL

D.( 1 − D ) R
⇒L≥
2f
2

Với: f là tần số đóng cắt của van.
2.1.4 Hiệu suất của bộ biển đổi :
Theo những tính toàn như trên ta có thể vẽ lại mạch thành mạch tương đương
như sau:

13


Power Factor Correction

Với: VS = VM sin(ωt )
d’(t)=1-d(t)
Bởi vì điện áp và dòng điện cùng pha với nhau nên:

iS (t ) =

VS (t )
Re

Re là điện trở tương đương điện áp đầu và : R = 2.L
e
2

D .T

Áp dụng phương trình cân bằng điện áp cho mạch vòng đầu vào:

is (t ).d (t ).Ron = VS (t ) − d '(t ).VO
Ron là điện trở đầu vào của mạch khi van đóng.
Thay biểu thức is và d’(t) ta có :

d (t ) =

VO − VS (t )
R
VO − VS (t ). on
Re

Quan hệ giữa dòng điện đầu vào và đầu ra:

14


Power Factor Correction

id (t ) = d '(t ).iS (t )
id (t ) = (1 − d (t )).

id (t ) =

VS (t )
Re
1−

2
S

Ron
Re

V (t )
.
Re V − V (t ). Ron
O
S
Re

Ta thấy dòng điện tải là dòng 1 chiều nên dòng điện tải bằng trung bình dòng
điện Id .

I=

Tac / 2

2
.
Tac

∫

0

Ron
).sin 2 (ωt )
V
Re
.
.dt
Re (V − V . Ron .sin(ωt ))
O
M
Re
2
M

(1 −

T /2

2 VM2
Ron ac
sin 2 (ωt )
⇒I =
.
.(1 −
).
.dt
Tac VO .Re
Re ∫0 1 − a.sin(ωt )
Với:

a=

VM Ron
.
VO Re

Vì dạng sóng sin có tính chất đối xứng nên ta chỉ cần xét trong ¼ chu kỳ,đặt:

θ = ω.t
Ta có thể viết lại phương trình như sau:

15


Power Factor Correction
π /2

VM2
Ron 2
sin 2 θ
I=
.(1 −
). .
.dθ
VO .Re
Re π ∫0 1 − a.sin θ
giải phép tính tích phân ta được :
π /2

4
sin 2 θ
2
4.sin −1 ( a) + 2.cos −1 ( a)
.
.dθ = F ( a) =
.(−2.a − π +
)
2
π ∫0 1 − a.sin θ
π .a 2
1− a
Ta có thể xấp xỉ biểu thức vừa tìm được với đa thức sau:

F ( a ) = 1 + 0,82.a + 0.78a 2
Với -0,15< a < 0,15 thì sai số của xấp xỉ này nhỏ hơn 1% , đây là sai số có thể
chấp nhận được.
Công suất đầu vào của mạch:

Pin =

VM
2.Re

Công suất đầu ra của mạch:

VM2
R F (a )
Pout = VO .I = VO .(
.(1 − on ).

VO .Re
Re
2
Vậy hiệu suất của hệ:

η=

Pout
R
= (1 − on ).F (a )
Pin
Re

⇒ η ; (1 −

Ron
V R
V R
).(1 + 0,862. M . on + 0,78.( M . on ) 2 )
Re
VO Re
VO Re

Từ biểu thức trên ta có đồ thị biểu hiện mối quan hệ giữa hiệu suất của mạch
với các đại lượng liên quan:

16


Power Factor Correction

Qua đồ thị ta thấy hiệu suất của mạch phụ thuộc vào điện áp đầu vào, điện áp
đầu ra , điện trở vào tương đương mạch và điện trở vào khi van dẫn.Khi tỉ số giữa
điện áp đầu vào với điện áp đầu ra càng lớn thì hiệu suất càng cao ,tỉ số điện trở
vào tương đương và điện trở vào khi van dẫn càng nhỏ thì hiệu suất mạch càng
cao .Với đầu bài đã cho thì tỉ số V M/Vo là cố định nên ta chỉ có thể điều chỉnh hiệu
suất của mạch qua các điện trở vào.
2.2 Luật điều khiển :
2.2.1 Nhiệm vụ của mạch điều khiển :
Điều chỉnh khoá K sao cho dạng sóng của i và u là trùng nhau (hay cos ϕ =1),
và điện áp 1 chiều đầu ra là Vo ổn định.
2.2.2 Điều chỉnh dạng sóng của dòng điện

iL

:

Để dòng điện và điện áp cùng pha với nhau thì ta sẽ tính dòng điện khi đó, sau
đó tạo ra 1 sóng dòng điện chuẩn trùng pha với điện áp vào rồi cho dòng điện thực
tế bám theo dòng điện chuẩn đó.
17


Power Factor Correction
Dòng điện iL chuẩn là:

iL =

Vs
Re

Ta có: Vs = VM sin(ωt )
PS = PO =

VM2
Re

VM2
⇒ Re =
PO
Vì ta không thể phản hồi chính xác giá trị hiệu dụng của điện áp đầu vào nên
ta tính VM thông qua VAVG :
t +T

VAVG

1
= .∫
T t

2.VM sin(ωt ) dt
π

⇒ VAVG

2
= .∫ 2.VM sin(ωt )dt
T 0

⇒ VAVG

cos(ωt )
= 2. f . 2.VM .
ω 0

π

⇒ VAVG =
⇒ VM =
vậy:

iL =

2 2.VM
; 0,9.VM
π

VAVG
0.9

Vs .0,81.PO 1
2
2
VAVG
VAVG

ta sẽ tính P0 theo những giá trị có sẵn và điện áp đầu ra phản hồi về :
1
PO = PC = ∫ dPC = .C.VO2
2

1
1
∆PC = .C.U12 − .C.U 22 )
2
2
18


Power Factor Correction
1
⇒ ∆PC = .C.(U1 + U 2 )(U1 − U 2 )
2
Nhưng do (U1 + U 2 ) >> (U1 − U 2 ) nên biểu thức trên có thể viết lại như sau:
1
⇒ ∆PC = .C.2.VO .∆V = C.VO .∆VO
2
Hay:

dPC = C.VO .dVO

Để điện dòng điện vào bám theo dòng điện chuẩn thì ta sử dụng bộ PWM: ta
dùng tín hiệu so sánh giữa dòng điện thực và dòng điện chuẩn làm tín hiệu vào của
bộ PWM,tín hiệu này sẽ được so sánh với xung tam giác và tạo ra xung điều khiển
cho van bán dẫn theo qui tắc sau :
Khi di lớn hơn tín hiệu xung tam giác thì phát tín hiệu mở van bán dẫn
Khi di nhỏ hơn tín hiệu xung tam giác thì phát tín hiệu khoá van bán dẫn

Hình 2.5 : Sự hoạt động của bộ PWM
Khi di tăng từ di0 tới di1 thì di lớn hơn tín hiệu xung tam giác nên van dẫn khi
đó theo mạch động lực thì: di =

Suy ra: di1 = di 0 +

Vs
.dt
L

Vs
.D.T
L
19


Power Factor Correction
Mà theo tín hiệu xung tam giác thì: di1 = D
Vậy:
Vs
.D.T = D
L
di 0
⇒D=
V .T
(1 − s )
L
di 0 +

Khi di tăng từ di1 tới di2 thì di lớn hơn tín hiệu xung tam giác nên van khoa
khi đó theo mạch động lực thì: di =
Suy ra: di 2 = di1 +

Vs − Vo

.dt
L

Vs − V0
.(1 − D).T
L

Vậy khi mạch đã ổn định thì sai lệch điện áp sẽ phụ thuộc vào bộ điều khiển
PI, tần số và biên độ xung tam giác. Giá trị của độ mở D sẽ phụ thuộc vào sai lệch
dòng áp, điện áp vào, tần số và biên độ xung tam giác
2.2.3 Ổn định điện áp đầu ra:
Ta có công thức sau:
VS
Vs .Ts.D 2
VO =
; IL =
1− D
2.L
Ta có thể sử dụng phản hồi âm điện áp để tạo ra dòng chuẩn và ổn định điện
áp đầu ra của mạch:
Khi điện áp đầu ra giảm xuống nhỏ hơn điện áp đặt thì điện áp sai lệch sẽ
dương nên sai lệch công suất cũng dương tức công suất tăng , làm cho dòng điện
chuẩn tăng , theo 2 công thức trên thì D tăng nên điện áp đầu ra tăng lên. Và điều
tương tự cũng xảy ra khi điện áp đầu ra tăng.
20


Power Factor Correction
Từ những tính toán và lý luận trên ta sử dụng mạch điều khiển với 2 vòng
phản hồi âm dòng điện vào và phản hồi âm điện áp ra với 2 bộ điều khiển PI để ổn

định hệ thống .Khi đó sơ đồ mạch điều khiển có dạng như sau :

Hình 2.5: Sơ đồ mạch điều khiển.

21


Power Factor Correction

3
TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC
3.1 Tính toán và chọn tụ lọc :
Giá trị của tụ lọc phụ thuộc vào độ nhấp nhô cho phép của dòng điện đầu ra
.Theo công thức (11) chương 2 ta có :

∆v0 =

iC .D.TV V0 .D.TV
I .D
=
= 0
C
C.R
C.2π . f

⇒C =

I 0 .D
∆v0 .2π . f

Do điện áp đầu sau chỉnh lưu dao động với tần số 100 Hz ,nên làm điện áp ra
cũng dao động với tần số 100 Hz. Nên f = 100 Hz .

∆v0 max ≤ 2,5%V0 = 0,025.400 = 10(V )
Xét ở chế độ tải định mức thì dòng điện qua tải là:

I0 =

P 1000
=
= 2.5( A)
VO 400

Do sự thay đổi liên tục của điện áp đầu vào nên giá trị của D không cố định
0< D <1
Để chất lượng điện áp ra đảm bảo thì :

C≥

2,5.1
= 398.10 −6
10.2.3,1416.100
22


Power Factor Correction
Chọn C = 470( µ F )
3.2 Tính toán thiết kế cuộn kháng :
Ta sẽ tính toán cho mạch boost PFC có thông số như sau :
Công suất đầu ra:

1000 W.

Điện áp đầu vào nhỏ nhất :

100 V.

Điện áp đầu vào lớn nhất:

240 V.

Điện áp đầu ra:

400 V.

Tần số đóng cắt:

20 kHz.

Độ gợn dòng điện cuộn cảm:

20%Ipk.

Lõi từ:

Toroidal.

Vật liệu từ:

MPP.

Hiệu suất bộ biến đổi:

95%.

Hệ số lấp đầy cuộn cảm, Ku:

0,6.

3.2.1 Lựa chọn vật liệu lõi cuộn cảm:
Việc lựa chọn vật liệu lõi cần phải phù hợp với tần số và chế độ dòng điện của
cuộn cảm.
Lõi Ferrit luôn là lựa chọn tốt nhất đối với cuộn cảm được thiết kế để làm việc
ở chế độ dòng không liên tục tần số trên 50kHz, khi đó tổn hao lõi liên quan đến từ
thông xoay chiều lớn sẽ giới hạn hệ số sử dụng lõi.
Tuy nhiên, ở chế độ dòng liên tục, với độ gợn dòng điện nhỏ và từ thông xoay
chiều bé, lõi Ferrit sẽ thường bị giới hạn bởi sự bão hòa. Trong trường hợp này,
những vật liệu có tổn hao lớn hơn nhưng mật độ từ thông bão hòa lớn hơn như
Powdered iron, Kool-mu®, Permalloy powder, hay thậm chí là các lõi được ghép từ
các lá thép có thể được sử dụng nhằm giảm chi phí hay kích thước lõi.
23


Power Factor Correction

3.2.2 Lựa chọn hình dáng lõi:
Hình dáng lõi và cửa sổ không thực sự quan trọng đối với những cuộn cảm
được thiết kế để làm việc ở chế độ dòng liên tục, bởi vì tổn hao dây quấn thường rất
nhỏ.
Nhưng đối với những cuộn cảm được thiết kế để làm việc ở chế độ dòng

không liên tục, hình dáng cửa sổ cực kỳ quan trọng. Cửa sổ nên chọn rộng nhất có
thể để làm tăng tối đa diện tích tản nhiệt dây quấn và làm giảm tối đa số lớp cuộn
dây. Điều này làm giảm tối đa điện trở dây quấn xoay chiều.
Lõi xuyến với những cuộn dây được phân bố đều trên toàn bộ lõi, có thể sử
dụng trong bất kỳ cuộn cảm nào. Từ trường tản và sự truyền nhiễu điện từ rất thấp.
Hơn nữa việc quấn dây cũng sẽ thuận tiện hơn vì ta không phải quan tâm đến chiều
dài khe hở không khí.
Dưới đây ta sẽ lựa chọn lõi xuyến, vật liệu MPP của nhà sản xuất Magnetics
Incs. Và việc lựa chọn kích thước lõi cũng tuân theo hướng dẫn của nhà sản xuất
( 2008_PowderCoreCatalog – Magnetics Incs.).
3.2.3 Tính toán thong số cuộn cảm :
1.

Tính toán công suất đầu vào:
Pin =

2.

P0 1000
=
= 1052,63
η 0,95

Tính toán dòng điện đầu vào trung bình đỉnh:
I pkavg =

3.

(W).

Pin 2 1052,63. 2
=
= 14,9
Vin (min)
100

(A).

Tính toán độ gợn dòng điện đầu vào:
ΔI = 0,2.Ipk = 0,2.14,9 = 2,98

(A).
24


Power Factor Correction

4.

Tính dòng điện đầu vào đỉnh:
Ipk = Ipkavg + ΔI/2 = 14,9 + 2,98/2 = 16,37

5.

Tính toán thời gian mở lớn nhất:
D( max) =

6.

( V −V

0

in (min)

V0

2

) = 400 − 100.
400

= 0,646 .

Vin (min) 2.D( max) 100. 2.0,646
=
= 0,0015 H = 1,5
∆I . f
2,98.20000

(mH).

Tính tích số LI2:
LIpk2 = 1,5.16,372 = 411,68

8.

2

Tính điện kháng cần thiết của cuộn cảm:
L=

7.

(A).

(W-s).

Chọn lõi (theo hướng dẫn của nhà sản xuất): Từ biểu đồ chọn lõi loại

MPP của nhà sản xuất dựa vào giá trị LI 2 ta thấy, giá trị này tương ứng với
đường có độ từ thẩm 26μ , loại lõi 55908.

25