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

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

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.

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


(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.

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:

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.


1.2.1. 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

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

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


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


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