Thiết kế hệ thống điều khiển số cho bộ nguồn băm xung có hiệu chỉnh hệ số công suất

Thiết kế hệ thống điều khiển số cho bộ nguồn băm xung có hiệu chỉnh hệ số công suất 1 BÁO CÁO Thiết kế hệ thống điều khiển số cho bộ nguồn băm xung có hiệu chỉnh hệ số công suất Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Phùng Quang Sinh viên thực hiện Phùng Sỹ Hải Nguyễn Quang Đạt Cao Xuân Đức Đỗ Đức Cường Phạm Duy Đức 20090976 20090678 20093703 20090394 20090830 Thiết kế hệ thống điều khiển số cho bộ nguồn băm xung có hiệu chỉnh hệ số công suất 2 MỤC LỤC 1 Nghiên cứu nguyên lý mạch ĐTCS ............................................................................. 3 1.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn băm xung ............................................................... 3 2 Tính toán linh kiện cho mạch ...................................................................................... 7 2.1 Tính toán mạch lọc LC ......................................................................................... 7 2.2 Mạch chỉnh lưu: ................................................................................................... 8 2.3 Mạch Boost converter. ......................................................................................... 8 2.3.1 Giá trị tụ C. ................................................................................................... 8 2.3.2 Giá trị cuộn cảm L......................................................................................... 9 2.3.3 Lựa chọn Diode và Mosfet. ........................................................................... 9 3 Thiết kế mạch điều khiển. .......................................................................................... 11 3.1 Thiết kế sơ bộ mạch điều khiển. ......................................................................... 11 Thiết kế hệ thống điều khiển số cho bộ nguồn băm xung có hiệu chỉnh hệ số công suất 3 1 NGHIÊN CỨU NGUYÊN LÝ MẠCH ĐTCS 1.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn băm xung Hình 1: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn băm xung.  Thành phần nguồn điện xoay chiều đầu vào lấy từ lưới. Điện áp lưới và dòng điện lưới đều là các tín hiệu liên tục xoay chiều, trong đó có thể chứa một số sóng hài bậc cao hơn sóng hài cơ bản của lưới. Các sóng hài bậc cao này cần được lọc trước khi đi qua bộ chỉnh lưu.  Bộ lọc đầu vào LC Mạch lọc LC đầu vào gồm 1 tụ điện và một điện cảm được ghép nối như hình vẽ (1).Mạch lọc có tác dụng loại bỏ các thành phần sóng hài bậc cao hơn sóng hài cơ bản.  Bộ chỉnh lưu Điện áp xoay chiều 1 pha sau khi đi qua bộ lọc được đưa tới mạch chỉnh lưu.Mạch chỉnh lưu được chọn là mạch cầu diode .Tại đây điện áp được chỉnh lưu thành điện áp 1 chiều. Tuy nhiên điện áp này cùng với dòng điện sau khi qua bộ chỉnh lưu mang nhiều sóng hài bậc cao . Thiết kế hệ thống điều khiển số cho bộ nguồn băm xung có hiệu chỉnh hệ số công suất 4  Bộ biến đổi tăng áp boost converter Hình 2: Boost converter. Hình 3: Trạng thái khép mạch khi khóa S đóng và khi khóa S mở. - Chế độ dòng liên tục ( luôn lớn hơn 0) Khi khoá S đóng, điện áp vào Vi đặt lên cuộn cảm làm cho dòng điện đi qua cuộn cảm biến đổi một lượng: Khi khoá S chuyển sang cắt, dòng đã tăng thêm 1 lượng là: Với:  T là chu kì đóng cắt  D là % thời gian đóng mạch trong 1 chu kì Thiết kế hệ thống điều khiển số cho bộ nguồn băm xung có hiệu chỉnh hệ số công suất 5 Hình 4: Dạng dòng và áp khi boost converter hoạt động ở chế độ liên tục. Khi khoá S cắt dòng đi qua Diode đến tải và tụ .Coi điện áp rơi trên diode bằng 0 và tụ đủ lớn để điện áp ra không đổi. Khi đó trên cuộn cảm L có: Dẫn đến: Vì bộ chuyển đổi hoạt động ổn định với năng lượng tích trên cuộn cảm sau mỗi chu kì là không đổi , vậy: Hay: Suy ra:  Như vậy với D khác 0 thì điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào. Thiết kế hệ thống điều khiển số cho bộ nguồn băm xung có hiệu chỉnh hệ số công suất 6 - Chế độ dòng không liên tục ( có lúc bằng 0) Hình 5: Dạng dòng và áp khi boost converter hoạt động ở chế độ không liên tục. Lý luận tương tự như ở chế độ liên tục ,tuy nhiên trong 1 chu kì dòng về 0 trước thời điểm T. Dòng đỉnh của là: Khi khoá S mở ,dòng giảm về 0 sau thời gian δT nên: Suy ra Dòng tải bằng dòng trung bình qua diode và bằng dòng trung bình ở thời gian van S mở: Từ các công thức trên ta có: Suy ra:  Như vậy ta luôn có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp vào  Bộ nguồn băm xung trong đồ án này là sự kết hợp của 4 thành phần kể trên. Điện áp xoay chiều vào sau khi được lọc nhiễu sẽ qua bộ chỉnh lưu để ra điện áp 1 chiều. Điện áp 1 chiều này đi qua bộ biến đổi tăng áp để đạt được mức điện áp ra mong muốn. Cũng tại bộ biến đổi boost converter ,hệ số công suất mạch cũng được hiệu chỉnh thông qua việc điều chỉnh hệ số mở van D. Thiết kế hệ thống điều khiển số cho bộ nguồn băm xung có hiệu chỉnh hệ số công suất 7 2 TÍNH TOÁN LINH KIỆN CHO MẠCH  Yêu cầu của bộ nguồn băm xung: - Vin = 90 - 250V , f=50Hz. - Vout = 400V , P =100W , Idm=250mA - δVout = 2%, ŋ = 99%. - Hệ số đậpmạch γ = 0.05 2.1 Tính toán mạch lọc LC - Xét một mạch lọc thông thấp LC: Hình 6: Mạch lọc thông thấp LC. - Tính toán hàm truyền: Từ hàm truyền như trên ,phân tích trên miền tần số ta có tần số cắt của mạch = ∗∗√ . Như vậy với điện áp xoay chiều 50Hz vào ,ta chọn tần số cắt bằng 100Hz suy ra : = 2*pi* =2*pi*100 ≈ 628 (rad/s) => √ = 1.6*10 Vậy mạch lọc LC có thể chọn theo giá trị tính toán trên. L = 10 mH ; C = 250 μF. Thiết kế hệ thống điều khiển số cho bộ nguồn băm xung có hiệu chỉnh hệ số công suất 8 2.2 Mạch chỉnh lưu: Mạch chỉnh lưu sử dụng 4 diode mắc thành hình cầu ,mỗi diode dẫn ½ chu kì điện áp vào .Dựa vào dòng tải trung bình (250mA) và điện áp ra(400V) cùng với tần số điện áp vào (50Hz) có thể chọn diode có: - Dòng trung bình cho phép bằng 1A - Điện áp ngược lớn nhất bằng 400V - Không cần để ý tới thời gian phục hồi vì tần số đóng cắt nhỏ. Dựa vào những đặc điểm trên, ta chọn IC “1000 Volt 2 AMP KBP Bridge Rectifier Diode” (0.55$ ). 2.3 Mạch Boost converter. Hình 7: Mạch Boost converter. 2.3.1 Giá trị tụ C. Coi như dòng vào i(t) đã được điều khiển để có dạng hình sin và cùng pha với điện áp v(t). như vậy công suất vào: (t)= √|sin(ωt)|* √|sin(ωt)| = (1- cos(2ωt)) Coi hệ số chuyển đổi công suất của bộ PFC là ŋ thì công suất đầu ra: (t)=() = ŋ(1- cos(2ωt)) () = ŋ( ()) = - ŋ() Rõ ràng dòng ra gồm 2 thành phần , 1 thành phần cố định tải tiêu thụ và 1 thành phần dòng qua tụ. Điện áp trung bình trên tụ phải bằng . Có độ gợn điện áp ra () = ∫ ŋ() dt = ŋ ( + ) Như vậy với độ gợn điện áp ra tối đa là δV thì tụ cần có độ lớn là: C = ŋ ∗∗ = 1 (mF) Thiết kế hệ thống điều khiển số cho bộ nguồn băm xung có hiệu chỉnh hệ số công suất 9 2.3.2 Giá trị cuộn cảm L Trong đồ án này , chế độ dẫn dòng của L là liên tục . Vì vậy việc tính toán phải theo nguyên tắc dẫn dòng liên tục (CCM - continuous conduction mode) Trong chế độ CCM ,có thể coi dòng qua cuộn cảm bị giới hạn bởi 2 tín hiệu hình sin như sau: Biên độ dòng gợn theo thời gian : δi(t) = ||∗ ∗ ( là tần số đóng mở van) = ∗ Với công suất đầu ra và hệ số chuyển đổi công suất là ŋ thì dòng điện vào trung bình là: () = √|| ŋ∗ = |sinωt| Vậy dòng vào: i(t) = () ± () = { √ ŋ∗ ± || ∗ (1- || )}|sinωt| Vì : i(t) ≥ { √ ŋ∗ ± || ∗ (1- || )} ≥ Như vậy ≥ ŋ∗ ∗ (1- √| ()| ) ≥ ŋ∗ ∗ = 15 (mH) Với độ dự trữ n = 2, ta chọn L = 30 (mH) 2.3.3 Lựa chọn Diode và Mosfet. Chọn mosfet theo:  Dòng dẫn : >1 (A)  Điện áp ngược > 1.41*380 ≈ 550 (V)  Điện áp cực điều khiển : 15V  Tần số làm việc > 30 kHZ Từ các yêu cầu trên, MOSFET được chọn là loại IRFBC40LC có các thông số :  Id max : 6,20 (A)  Vds max : 600 (V)  Pd max : 125 (W) Chọn Diode : Thiết kế hệ thống điều khiển số cho bộ nguồn băm xung có hiệu chỉnh hệ số công suất 10  Diod lựa chọn dựa vào các thông số :  Dòng cho phép qua diod : 1 (A)  Điện áp ngược lớn nhất : Ung.max : 500 (V). Từ các yêu cầu trên chọn diode 1N4007 có các thông số :  VBR : 1000 (V).  If max : 1 (A)  Vf = 1,1 (V) khi If = 1(A).  (UAK có thể lên tới 1,1 V khi If = 1 (A)) Bảng thông số các linh kiện: Linh kiện Chủng loại Ghi chú Lin 10mH Cuộn cảm lọc đầu vào. Cin 250μF Tụ điện lọc đầu vào. Cầu diode 1000 Volt 2 AMP KBP Bridge Rectifier Diode L1 30 mH Cuộn cảm mạch boost MOSFET IRFBC40LC Van bán dẫn D1 1N4007 Diode C1 1 mF Tụ lọc san phẳng Thiết kế hệ thống điều khiển số cho bộ nguồn băm xung có hiệu chỉnh hệ số công suất 11 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN. 3.1 Thiết kế sơ bộ mạch điều khiển. Phương pháp điều khiển current mode: Với phương pháp này ta sử dụng hai mạch vòng điều khiển:  Vòng trong: vòng điều chỉnh dòng điện bám với Iref  Vòng ngoài: vòng điều chỉnh điện áp bám với giá trị đặt. Vòng điều chỉnh điện áp đưa ra giá trị Iref cho vòng trong. Thiết kế và mô phỏng với matlab:  Mô phỏng sơ đồ nguyên lý với PLECS: Hình 8: Sơ đồ nguyên lý PLECS.  Sơ đồ mạch điều khiển mô phỏng bằng Matlab: Hình 9: Sơ đồ mạch điều khiển mô phỏng bằng Matlab Thiết kế hệ thống điều khiển số cho bộ nguồn băm xung có hiệu chỉnh hệ số công suất 12  Kết quả mô phỏng điện áp vào thay đổi (online): Hình 10: Kết quả mô phỏng. o Điện áp ra: Hình 11: Điện áp ra. Thiết kế hệ thống điều khiển số cho bộ nguồn băm xung có hiệu chỉnh hệ số công suất 13 o Dòng trên cuộn cảm: Hình 12: Dòng trên cuộn cảm. Nhận xét:  Khi điện áp vào thay đổi thì điện áp ra vẫn bám theo giá trị đặt (400V).  Dòng điện sau chỉnh lưu gần cùng pha với điện áp sau chỉnh lưu  Kết quả mô phỏng tải thay đổi online. Hình 13: Kết quả mô phỏng. Thiết kế hệ thống điều khiển số cho bộ nguồn băm xung có hiệu chỉnh hệ số công suất 14 o Điện áp ra: Hình 14: Điện áp ra. o Dòng điện trên cuộn cảm: Hình 15: Dòng điện trên cuộn cảm. Thiết kế hệ thống điều khiển số cho bộ nguồn băm xung có hiệu chỉnh hệ số công suất 15 o Dòng qua tải: Hình 16: Dòng qua tải. Nhận xét:  Trong hình 13,mạch ban đầu ở chế độ quá tải 25% ,đến giây thứ 3.5 mạch hoạt động ở chế độ đủ tải và đến giây thứ 6 mạch hoạt động ở chế độ non tải.Tuy nhiên trong toàn bộ quá trình tải thay đổi, điện áp ra vẫn bám giá trị điện áp đặt (400V).  Dòng trên cuộn cảm vẫn giữ được dạng nửa hình sin=> đã chỉnh được PFC