Xây dựng phương thức điều chỉnh bám của dòng điện cho bộ điều khiển đèn LED

Nội dung text: Xây dựng phương thức điều chỉnh bám của dòng điện cho bộ điều khiển đèn LED

1. Xây Dựng Phương Thức Điều Chỉnh Bám Của Dòng Điện Cho Bộ Điều Khiển Đèn LED Built a mode of on the forced current control for led lamp driver Phùng Văn Phương1, Võ Viết Cường1 1 Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM, Số 1, Võ Văn Ngân, Thủ Đức, Tp. HCM TÓM TẮT Bài báo này trình bày một phương pháp để nâng cao hệ số công suất và giảm tổng méo dạng sóng hài (THD) của dòng điện sử dụng mạch biến đổi một chiều tăng áp boost PFC ứng dụng cho bộ điều khiển đèn LED. Dòng điện nguồn được điều chỉnh để có dạng sin và hệ số công suất cao. Phương thức điều chỉnh bám của dòng điện cho hệ số công suất cao dựa trên mạch biến đổi một chiều tăng áp và IC UC3854 được đề xuất. Hệ số công suất được nâng cao đáng kể. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm thể hiện tính hiệu quả và khả thi của phương pháp được đề xuất, các thành phần hài của dòng điện nguồn thấp, dòng điện có dạng sóng hình sin và hệ số công suất gần bằng 1. Từ khóa: Đèn Led, Hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC), Tổng méo dạng sóng hài (THD), UC3854, Bộ biến đổi, Hài dòng điện. ABSTRACT This paper presents method to improve power factor correction and reduce the THD of input current of a boost PFC converter used in applications to LED lamp driver. The input current is directly controlled to deliver sinusoidal current waveform and to gain a high power factor. A novel high-power-factor Boost type converter with force current control based on IC UC 3854 is proposed. Power factor is significantly enhanced. Simulation and experimental results illustrate the effectiveness and feasibility of the proposed control technique, which achieves low harmonic contents in the supply current, a near unity power factor (PF), a sinusoidal current waveform. Keywords: LED lamp, Power factor correction (PFC), Total harmonic distortion (THD), UC3854, Converter, Harmonic currents. [1], [2] 1. Mở đầu số là bội số của tần số điện lưới . Khi giá trị hiệu Đèn LED rất thuận tiện cho việc chiếu sáng trong dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng nhà cũng như kết hợp chiếu sáng với quảng cáo. Công điện tăng do sóng hài sẽ kéo theo một loạt những nguy nghệ bán dẫn hiện nay đã cho phép chế tạo được các đèn hại xảy ra với toàn bộ hệ thống lưới điện như làm tăng LED có công suất phát sáng và một số tính chất cao hơn. phát nóng của dây dẫn điện, thiết bị điện sinh ra nhiệt Chúng được gọi là LED có độ sáng cao (High – cao gây hư hỏng thiết bị, hỏa hoạn và nguy cơ cháy nổ, Brightness LED). Hiệu suất phát sáng của các LED này làm cho tụ điện bị quá nhiệt và trong nhiều trường hợp đã cao hơn 100 lm/W và được dự báo sẽ vượt 200 lm/W có thể dẫn tới phá hủy chất điện môi. Các sóng hài bậc trong tương lai không xa [1]. cao còn có thể làm moment tác động của rơle biến dạng gây ra hiện tượng nhảy rơle dẫn đến thời điểm tác động Tuy nhiên, chiếu sáng bằng LED cũng có nhược của rơ le sai lệch, gây cảnh báo nhầm của các UPS đồng điểm đó là đòi hỏi bộ nguồn phức tạp. Bộ nguồn này là thời gây ra tổn thất đồng, tổn thất từ thông tản và tổn thất một trong những thiết bị điện tử công suất được xây sắt làm tăng nhiệt độ máy biến áp dẫn đến làm tăng tổn dựng trên cơ sở các chuyển mạch nên trong quá trình thất điện năng [3]. tiêu thụ năng lượng còn tạo ra các dạng sóng hài có tần
2. Như chúng ta đã biết hệ số công suất (Power Factor – thiết kế bộ nguồn cho đèn LED có điều chỉnh hệ số công PF) là một trong số các chỉ tiêu đánh giá chất lượng một suất là cần thiết, mà điều chỉnh hệ số công suất chính là hệ thống cung cấp điện. Hệ số công suất phụ thuộc vào điều chỉnh sao cho dòng điện lưới có dạng sin và đồng thành phần hài bậc cao, góc lệch pha giữa dòng điện và pha với điện áp lưới. Do đó “Xây dựng phương thức điện áp [2]. Để minh chứng ta sẽ xét hệ số công suất trong điều chỉnh bám của dòng điện cho bộ điều khiển đèn trường hợp dạng sóng không sin khi đó điện áp và dòng LED” trong bài báo này không những góp phần nâng điện lưới chứa sóng hài. Trong đó một số sóng hài được cao hệ số công suất cos đảm bảo chất lượng điện năng sinh ra bởi các hệ thống phi tuyến như máy biến áp bão trong trong chiếu sáng mà còn khắc phục được các tác hòa, một số sóng hài được tạo ra bởi các tải điện tử công hại do sóng hài dòng điện gây ra cho lưới điện. suất như bộ điều chỉnh tốc độ động cơ và các cầu chỉnh 2. Điều chỉnh bám của dòng điện cơ sở hiệu chỉnh lưu diode (bộ phận không thể thiếu của bộ nguồn đèn tích cực hệ số công suất LED). Hiệu chỉnh tích cực hệ số công suất là dùng bộ biến Để nâng cao hệ số công suất thì tổng méo dạng sóng đổi trung gian ghép giữa khối chỉnh lưu không điều hài dòng điện phải nhỏ. Chính vì vậy việc nghiên cứu khiển và khối biến đổi chức năng như hình 1. Hình 2. Sơ đồ phương thức điều chỉnh bám của dòng điện Hình 1. Sơ đồ khối hiệu chỉnh tích cực hệ số công suất nhằm làm cho dòng điện ở cửa vào của bộ biến đổi có dạng sin và trùng pha với điện áp lưới. Bộ biến đổi này thực hiện hai chức năng. Chức năng thứ nhất là bơm được dòng điện cho tải ngay cả trong những giai đoạn điện áp vào thấp hơn điện áp tải. Chức năng này được Hình 3. Biểu đồ dạng sóng của dòng điện bám thực hiện nhờ nguyên lý biến đổi một chiều tăng áp Phương thức điều chỉnh này khắc phục được nhược (boost converter). Chức năng thứ hai là điều khiển dòng điểm về tần số chuyển mạch nhưng vẫn đảm bảo được điện này sao cho nó có dạng sin và đồng pha với điện áp tính chất sin mong muốn. Trong phương pháp này dòng lưới. Chức năng này được thực hiện nhờ điều khiển bám điện được điều khiển để trị trung bình của nó có dạng để dòng điện này bám theo dạng sin của điện áp lưới [6], sin. Dạng sóng của dòng điện bám i0 trong cấu trúc này [7]. được minh họa trong hình 3, trong đó T0 là chu kỳ biến 3. Phương thức điều chỉnh bám của dòng điện thiên của dòng điện. Từ biểu đồ dễ nhận thấy rằng đường Phương thức này điều chỉnh tự động kín hai vòng lệ sin trị trung bình của dòng điện có phân bố sao cho trong thuộc, trong đó vòng trong điều chỉnh dòng điện và vòng mỗi chu kỳ làm việc phần diện tích bao bởi nó với đường ngoài điều chỉnh điện áp một chiều ở cửa ra có sơ đồ dòng điện tức thời ở phía trên phải bằng phần diện tích khối chức năng như hình 2 và dạng sóng dòng điện bám bao bởi nó với đường dòng phía dưới. Các diện tích đó như hình 3. được minh họa bằng phần gạch chéo trong hình 3.
3. Để nhận được dòng điện dạng này có thể dùng điều Dễ nhận thấy rằng khi chu kỳ điều chế càng giảm, chế sin đối với bề rộng các xung mở Mosfet M, trong đó hay tần số càng cao thì mức chênh giữa trị tức thời và trị tần số tương ứng với chu kỳ T0 được duy trì không đổi, trung bình càng thấp, nghĩa là tính chất sin của dòng điện còn bề rộng các xung biến thiên theo quy luật sin. càng cao. Trong phương pháp này sử dụng bộ biến đổi một chiều tăng áp (Boost) bởi vì bộ biến đổi Boost có Ngoài khối nhân (X) và khối điều chỉnh điện áp cuộn cảm được nối với thiết bị đầu cuối nên sẽ có độ (ĐCA) còn có các khối khác như: khối lọc (LOC), khối nhấp nhô dòng điện nhỏ, dòng điện đầu vào có thể đạt điều chỉnh dòng điện (ĐCD) và khối điều chế bề rộng chế độ liên tục, giảm thành phần sóng hài bậc cao, giảm xung (PWM). kích thước bộ lọc đầu vào [9], [10], [11]. Dãy xung mở Mosfet ở đây nhận được bằng cách so 3.1 Nhiệm vụ của mạch điều khiển sánh điện áp sai lệch dạng sin với điện áp răng cưa có Điều chỉnh các khoá K sao cho dạng sóng của i và u tần số và biên độ không đổi, do đó có bề rộng biến thiên là trùng nhau (hay cosφ =1) và điện áp 1 chiều đầu ra là theo quy luật sin và chu kỳ không đổi. Với cách mở ổn định. Mosfet như vậy dòng điện tức thời của điện cảm có dạng răng cưa và trị trung bình trong mỗi chu kỳ điều chế sẽ biến thiên theo quy luật sin. Để có thành phần trung bình của dòng i0 điện áp ra của biến dòng được lọc trước khi đưa đến so sánh với điện áp ra của khối nhân. Với phương thức điều chỉnh các phần tử như thế dòng điện i0 Hình 4. Sơ đồ mạch điều khiển sẽ có dạng răng cưa với trị trung bình bám theo giá trị sin ở cửa ra của khối nhân. điện chuẩn trùng pha với điện áp vào rồi cho dòng 3.2 Điều chỉnh dạng sóng của dòng điện iL điện thực tế bám theo dòng điện chuẩn đó. 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 2 (6) Dòng điện iL chuẩn là: V . 2. V sin( t ) dt AVG M T 0 Vs (1) i L cos(t ) (7) Re VAVG 2. f . 2. V M .  0 Ta có: ⇒ = √ . = 0,9. (8) Vs V M sin( t ) (2) VAVG (9) VM V 2 0.9 PP M (3) SO R e VP.0,81. Vậy: i s O 1 (10) L 2 2 2 V AVG V AVG VM (4) Re PO Ta sẽ tính P0 theo những giá trị có sẵn và điện áp Vì ta không thể phản hồi chính xác giá trị hiệu đầu ra phản hồi về : dụng của điện áp đầu vào nên ta tính V thông qua 1 M P P dP C V 2 (11) OCCO 2 VAVG : 12 1 2 (12) PCUCUC )1 2 1 t T (5) 2 2 V . 2. V sin( t ) dt AVGT M t 1 PCUUUU . .( )( ) (13) C 2 1 2 1 2
4. Nhưng do nên biểu thức Vậy: ()()UUUU1 2 1 2 trên có thể viết lại như sau: (19) 1 PCVVCVV . .2. . . . (14) COOO2 (20) Hay: (15) dPCOO C V dV Để dòng điện vào bám theo dòng điện chuẩn thì Khi di tăng từ di1 tới di2 thì di lớn hơn tín hiệu ta sử dụng bộ PWM. Ta dùng tín hiệu so sánh giữa xung tam giác nên van khóa khi đó theo mạch động dòng điện thực và dòng điện chuẩn làm tín hiệu vào lực thì: của bộ PWM, tín hiệu này sẽ được so sánh với xung VV tam giác và tạo ra xung điều khiển cho van bán dẫn di s o . dt (21) L theo qui tắc sau: Suy ra: Khi di lớn hơn tín hiệu xung tam giác thì phát tín hiệu mở van bán dẫn. VV di2 di 1 s 0 .(1 D ). T (22) L Khi di nhỏ hơn tín hiệu xung tam giác thì phát tín hiệu khoá van bán dẫn. V ậ y 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. 3.3 Ổn định điện áp đầu ra Ta có công thức sau: Hình 5. Sự hoạt động của bộ PWM V Khi di tăng từ di0 tới di1 thì di lớn hơn tín hiệu V S (23) O 1 D xung tam giác nên van dẫn khi đó theo mạch động lực thì: V Ts D2 I s (24) L 2.L V d i s . d t (16) L Ta có thể sử dụng phản hồi âm điện áp để tạo ra Suy ra: dòng chuẩn và ổn định điện áp đầu ra của mạch: V Khi điện áp đầu ra giảm xuống nhỏ hơn điện áp di1 di 0 s . D . T (17) L đặt thì điện áp sai lệch sẽ dương nên sai lệch công Mà theo tín hiệu xung tam giác thì: suất cũng dương tức công suất tăng, làm cho dòng điện chuẩn tăng, theo 2 công thức trên thì D tăng nên (18) d i1 D điện áp đầu ra tăng lên và điều tương tự cũng xảy ra khi điện áp đầu ra tăng.
5. 4. KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 4.1 Kết quả mô phỏng a) Trường hợp không có điều chỉnh bám Hình 6. Sơ đồ mạch mô phỏng Hình 7. Dạng sóng điện áp và dòng điện nguồn b) Hình 8. Hệ số công suất cosφ Hình 9. Tổng méo dạng sóng hài dòng điện nguồn
6. b) Trường hợp có điều chỉnh bám Hình 10. Sơ đồ mạch mô phỏng Hình 11. Dạng sóng điện áp và dòng điện nguồn Hình 12. Dạng sóng điện áp ra cấp cho LED 4.2 Kết quả đo đạc thực tế Hình 13. Hệ số công suất cosφ Hình 14. Tổng méo dạng sóng hài dòng điện nguồn
7. Hình 15. Hình ảnh thi công mạch thực Hình 16. Hình ảnh mạch thực hoạt động
8. Hình 17. Tổng méo dạng sóng hài dòng điện nguồn Hình 18. Dạng sóng điện áp và dòng điện nguồn Hình 19. Hệ số công suất cosφ
9. 4.3 Nhận xét [4] Trần Thị Thanh “Nghiên cứu mạch lọc tích cực song Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy: song 3 pha 4 dây”. Hệ số công suất cosφ cao bằng 0,99. [5] Trương Trọng Nghĩa “ Lựa chọn thông số kỹ thuật của Dạng sóng dòng và áp ngõ vào hình sin đèn LED sử dụng cho hệ thống đèn tín hiệu giao thông trên và đồng pha. Tổng méo dạng hài dòng điện đạt mục địa bàn thành phố Đà Nẵng”. tiêu thiết kế < 5% ở mạch thực. 5. KẾT LUẬN [6] Mahmoud S. Abd EI-Moniem, Haitham Z. Azazi, Đề tài đã xây dựng phương thức điều chỉnh bám Sabry A. Mahmoud “A current sensorless power factor correction control for LED lamp driver” Alexandria của dòng điện trên cơ sở lý thuyết lẫn thi công mạch Engineering Journal (2014) 53, 69–79. thực tế với những kết quả đạt được như yêu cầu đặt ra như: [7] Lê Sắc “ Mạch cung cấp nguồn”. Dạng sóng dòng và áp ngõ vào hình sin và [8] H.Z.Azazi, S.A.Mahmoud, E. E. EL-Kholy and đồng pha. S.S.Shokralla “Digital control of Boost PFC AC – DC Converters with Predictive Control” Cairo University, Tổng méo dạng sóng hài thấp hơn 5%. Egypt, December 19-21, 2010, Paper ID 273. Hệ số công suất cosφ cao bằng 0,99. [9] L. Rossetto, G. Spiazzi, P. Tenti “Control Techniques Tuy nhiên do trình độ và thời gian còn hạn chế For Power Factor Correction Converters” University of nên đề tài chỉ mới xây dựng được đối với bộ điều Padova, Via Gradenigo 6/a, 35131 Padova – ITALY. khiển có công suất nhỏ và chỉ với đèn LED. Nhưng [10] Kashif Habib, Aftab Alam & Shahbaz Khan “Average những gì đề tài làm được đã góp phần đáng kể trong Current Control Mode Boost Converter for the Tuning of việc giảm thất thoát điện năng do các thiết bị điện tử Total Harmonic Distortion & Power Factor Correction công suất gây ra đặc biệt là trong lĩnh vực chiếu sáng. using PSIM”. Hướng phát triển đề tài [11] Compliance Testing to the IEC 1000-3-2 (EN 61000- Với những gì đã được trình bày và những mong 3-2) and IEC 1000-3-3 (EN 61000- -3) Standards, muốn chưa đạt trong đề tài, người nghiên cứu đề xuất phát triển đề tài theo hướng Xây dựng phương thức Application Note 1273, Hewlett Packard Co., December điều chỉnh bám của dòng điện cho các bộ điều khiển 1995. có các dãy công suất khác nhau để tìm sự tối ưu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [12] Mr.B.Sai Sreenivas, Dr.Ch.Sai Babu, Mr.D.Lenine “Design and Analysis of Predictive control using PI [1] Lê Văn Thuấn, Lê Khắc Thủy “Hiệu chỉnh hệ số công controller for Boost Converter with Active Power Factor suất trong các thiết bị điện tử công suất” Số 115 (5/2010) Correction” International Journal of Emerging Technology Tạp chí tự động hóa ngày nay. and Advanced Engineering Volume 2, Issue 6, June 2012. [2] W. Mack Grady, The University of Texas at Austin, [13] H.Z.Azazi, E. E. EL-Kholy, S.A.Mahmoud and Texas 78712, Robert J. Gilleskie, San Diego Gas & S.S.Shokralla “Review of Passive and Active Circuits for Electric San Diego, California 92123 “Harmonics and how Power Factor Correction in Single Phase, Low Power AC they relate to power factor”. – DC Converters”. [3] Nguyễn Văn Thuấn “Cơ sở thiết kế nguồn điện cho [14] Wei-Shung Wang, Ying-Yu Tzou “Light Load LED chiếu sáng” Số 156 (2/2014) Tạp chí tự động hóa Efficiency Improvement for AC/DC Boost PFC Converters ngày nay. by Digital Multi-Mode Control Method”.
10. [15] Jianbo Yang, Weiping Zhang, CFaris Al-Naemi, [24] M. Rico-Secades, A.J. Calleja, J. Ribas, E.L. CXiaoping Chen “A Single Phase Current Source PFC Corominas, J.M. Alonso, J. Cardesin, J. Garcia-Garcia Converter Based on UC3854”. “Evaluation of a low-cost permanent emergency lighting system based on high-efficiency LEDs”, IEEE Trans. Ind. [16] A. Karaarslan, I. Iskender “The analysis of ac-dc Applic. 41 (5) (2005) 1386–1390. boost pfc converter based on peak and hysteresis current control techniques”. [25] A.P. Finazzi, L.C. de Freitas, J.B. Vieira Jr., E.A.A. Coelho, V.J. Farias, L.C.G. Freitas “Current-sensorless [17] T.Premkoumar, M.R. Rashmi, A.Suresh “Power PFC boost converter with preprogrammed control factor correction circuit using digital pi controller”. strategy”, in: IEEE International symposium on Industrial [18] Andrew Bryars “A guide to selecting power supplies Electronics (ISIE), Gdansk, Poland, 2011, pp. 182–187. for LED lighting applications”. [26] Abdelhalim Kessal, Rahmani Lazhar, Jean-Paul [19] PHILIP C. TODD “UC3854 Controlled Power Factor Gaubert, Mostefai Mohammed “Analysis and design of an Correction Circuit Design”. isolated single-phase power factor corrector with a fast regulation", Electr. Power Syst. Res. 81 (9) (2011) 1825– [20] Taxas Instruments Incorporated, Datasheet UC3854. 1831. [21] Sanjay L Kurkute, Pradeep M Patil and K.C. Mohite [27] B. Mather, D. Maksimovic “A simple digital power- “A Digital Power Factor Correction using Floating Point factor correction rectifier controller”, IEEE Trans. Power Processor for Pulse Width Modulation Control in Boost Electron. 26 (1) (2011) 9–19. Converters”. [28] TS. Võ Viết Cường, KS. Nguyễn Minh Dũng “Các [22] H.J. Chiu, Y.K. Lo “A high-efficiency dimmable LED Kịch Bản Năng Lượng Hướng Tới Nền Kinh Tế Không driver for low power lighting applications”, IEEE Trans. Phát Thải Cho Việt Nam”, Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Industr. Electron. 57 (2) (2010) 735–743. Kỹ Thuật, 2012. [23] M. Arias, D.G. Lamer, J. Sebastion, D. Balocco, A.A. [29] Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương “Thiết kế điều Diallo “High-efficiency LED driver without electrolic khiển cho các bộ biến đổi điện tử công suất”. capacitor for street light”, IEEE Trans. Ind. Applic. 49 (1) (2013) 127–137.
11. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng .năm 201 Giảng viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên)
12. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.