Hiệu chỉnh hệ số công suất trong các thiết bị điện tử công suất – tạp chí tự động hóa ngày nay

Thiết bị điện tử công suất hiện được dùng rất phổ biến trong rất nhiều lĩnh vực. Trong công nghiệp dùng để điều khiển các máy công tác, trong giao thông vận tải dùng để điều khiển sức kéo, trong luyện kim dùng để điều khiển quá trình cán và nấu luyện,

trong truyền tải và cung cấp điện năng dùng để biến điện áp xoay chiều thành một chiều và ngược lại, trong chiếu sáng dùng để cấp điện và điều khiển các nguồn sáng khác nhau. Trong gia dụng các thiết bị điện tử công suất được dùng làm lò vi sóng, bếp từ và nhiều đồ dùng khác.
Các thiết bị điện tử công suất thực hiện biến đổi và điều khiển điện năng của dòng điện và điện áp dạng này ở cửa vào thành dòng điện và điện áp dạng khác ở cửa ra trên cơ sở các chuyển mạch hay các van bán dẫn công suất. Phổ biến nhất và tác động vào phần điện năng lớn nhất là các thiết bị biến đổi điện áp xoay chiều tần số công nghiệp thành các dạng khác. Phần điện năng này, theo một số thống kê, đã chiếm trên 80% tổng điện năng phát ra từ các nhà máy điện. Khoa học và công nghệ càng phát triển thì tỷ số này càng cao.
Vì được xây dựng trên cơ sở các chuyển mạch, là phần tử phi tuyến, nên dòng điện bên trong cũng như ở cửa vào của mỗi thiết bị điện tử công suất có dạng không sin. Hiện tượng mất sin này được gọi là méo dạng và dẫn đến nhiều hậu quả xấu, trong đó có hệ số công suất và các nhiễu, đối với hệ thống cung cấp điện. Vì rất phổ biến và rất lớn về công suất như đã nêu trên nên vấn đề giảm thiểu các ảnh hưởng này đã dẫn đến hình thành một hướng nghiên cứu của điện tử công suất, được gọi là hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC), mà một số vấn đề cơ bản nhất của nó sẽ được trình bày trong bài báo này.
1.1. Ảnh hưởng các thiết bị điện tử công suất đến hệ số công suất của lưới điện
Vì được xây dựng từ các phần tử chuyển mạch nên mỗi thiết bị điện tử công suất là một tải phi tuyến đối với lưới điện. Tải này làm cho dòng điện ở cửa vào của thiết bị, cũng là dòng điện của lưới, bị mất sin hay méo dạng, và giảm hệ số công suất của bản thân thiết bị và của lưới điện.
Hệ số công suất (PF), theo định nghĩa chung nhất, là tỷ số giữa công suất tích cực P và công suất toàn phần S:

(1.1)

Đối với dòng điện và điện áp sin lý tưởng thì hệ số này có dạng đơn giản:

(1.2)

trong đó φ là góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp, hiệu chỉnh hệ số công suất chính là hiệu chỉnh hay bù cosφ.
Trong thực tế dòng điện và điện áp thường có dạng sin không lý tưởng. Hệ số công suất theo cách hiểu đơn giản không còn phù hợp và trong các phân tích cũng như tính toán phải xuất phát từ định nghĩa chung (1.1). Để dễ tính toán mỗi dòng điện thực tế được coi là tổng của các dòng sin lý tưởng, và mỗi dòng sin thành phần được gọi là một hài. Hài có tần số thấp nhất, bằng tần số dòng thực tế, được gọi là hài cơ bản, các hài khác, có tần số cao hơn, được gọi là hài bậc cao. Khi đó mức độ hay tính chất sin của mỗi dòng điện thực tế được đánh giá bằng tương quan giữa tổng năng lượng của các hài bậc cao và năng lượng của hài cơ bản. Tương quan này được gọi là hệ số méo dạng tổng và thường được viết tắt là TDH, đó là tỷ số giữa trị hiệu dụng của tất cả các dòng bậc cao và trị hiệu dụng của dòng cơ bản:

(1.3)

Dòng điện có hệ số này càng lớn thì có dạng càng khác nhiều so với sin lý tưởng, dòng sin lý tưởng có THD=0. Điện áp thực tế cũng được biểu diễn tương tự như biểu diện dòng điện ở trên.
Trong các ứng dụng thực tế điện áp và dòng điện được coi như sin lý tưởng nếu hệ số méo dạng tổng không lớn hơn 3% [1], tuy nhiên theo tiêu chuẩn của hiệp hội kỹ thuật điện thì giá trị này là 2% [2]. Nhìn chung điện áp lưới tần số công nghiệp chuẩn, là trường hợp được đề cập ở đây, được coi như có dạng sin lý tưởng. Khi đó, theo cách hiểu hay định nghĩa chung nhất về hệ số công suất thì (1.1) có dạng sau:

(1.4)

trong đó hệ số Uhd, I1hd, φ tương ứng là trị hiệu dụng của điện áp nguồn, của dòng điện cơ bản và góc lệch pha giữa dòng điện cơ bản và điện áp; Kp = I1hd/Ihd  và Kφ = cosφ.
Quan hệ giữa hệ số méo hài tổng THD và hệ số Kp có dạng:

(1.5)

Cuối cùng  nhận được:

(1.6)

Biểu thức trên cho thấy hệ số công suất phụ thuộc vào thành phần hài bậc cao, góc lệch pha giữa dòng điện cơ bản và điện áp. Từ đó dễ thấy rằng để có hệ số công suất lớn thì phải giảm thiểu hàm lượng các hài bậc cao trong thành phần của dòng điện vào của các thiết bị điện tử công suất.

Hình 1. Biến đổi trực tiếp

Dòng điện vào của các thiết bị điện tử công suất bị méo dạng do tính chất làm việc phi tuyến của các chuyển mạch bán dẫn. Dạng cụ thể của dòng điện này phụ thuộc cấu trúc mạch lực của mỗi thiết bị. Theo cấu trúc và tương ứng với dạng đặc trưng dòng điện vào các thiết bị điện tử công suất có thể được chia thành hai nhóm. Nhóm thứ nhất có sơ đồ điển hình trong hình 1a và 1b, được gọi là biến đổi trực tiếp vì điện áp vào xoay nối trực tiếp với khâu biến đổi chức năng, ở đây là chỉnh lưu điều khiển và điều chỉnh áp xoay chiều. Dòng điện vào của nhóm này có dạng minh họa trong hình 1c. Nhóm thứ hai có sơ đồ điển hình trong hình 2a và 2b, được gọi là biến đổi có khâu trung gian, vì điện vào xoay chiều nối với khâu biến đổi chức năng qua bộ chỉnh lưu không điều khiển. Biến đổi chức năng ở đây là bộ biến đổi một chiều –một chiều và nghịch lưu độc lập. Dòng điện trong nhóm một (hình 1c) méo dạng do hiện tượng giữ chậm thời điểm dẫn dòng của các chuyến mạch, còn dòng điện trong nhóm hai (hình 2c) méo dạng do tồn tại những những khoảng thời gian trong đó điện áp vào thấp hơn điện áp ra Ud của khâu biến đổi trung gian.

Hình 2. Biến đổi có khâu trung gian

Vì mỗi nhóm thiết bị có cơ chế méo dạng khác nhau nên đòi hỏi các giải pháp khác nhau. Tuy nhiên, vì mục đích đưa ra một số vấn đề cơ bản và vì mức phổ biến ngày càng rộng của nhóm biến đổi có khâu trung gian nên sau đây chỉ đề cập vấn đề hiệu chỉnh hệ số công suất đối với nhóm này.
Vì các giải pháp hiệu chỉnh hệ số công suất thực tế chỉ dừng lại ở mức cố gắng để dòng điện vào i1 có dạng tiến đến sin và tiến đến trùng pha với điện áp vào u1, nên việc làm rõ các mức độ hay các chuẩn để tiến đến là điều cần thiết. Các hoạt động nhằm đưa ra các tiêu chuẩn trong lĩnh vực này đã được nhiều nước, nhất là các nước phát triển, thực hiện liên tục trong nhiều năm. Vì các chuẩn này hiện chưa được đề cập trong bộ tiêu chuẩn nghành điện của Nước ta nên trong nghiên cứu cũng như trong ứng dụng thực tế chúng ta thường dựa theo các chuẩn Quốc tế và Châu Âu. Trong xu hướng và điều kiện hội nhập hiện nay thì làm như thế là phù hợp và cần thiết. Để tiện tham khảo dưới đây xin đề cập một số yếu tố của các chuẩn này.

Bảng 1.1. Các giới hạn đối với thiết bị thuộc lớp A theo chuẩn IEC 1000-3-2

Bảng 1.2. Các giới hạn đối với thiết bị thuộc lớp C theo chuẩn IEC 1000-3-2

Bảng 1.3. Các giới hạn đối với thiết bị thuộc lớp D theo chuẩn IEC 1000-3-2

1.2    Chuẩn Quốc tế và châu Âu về đảm bảo hệ số công suất
Méo dạng của dòng điện gây nên nhiều tác động xấu đến chất lượng điện của hệ thống cung cấp. Nếu xem dòng điện thực tế là tổng của các hài thì các hài bậc cao làm tăng tổn thất phụ và gây nhiễu điện từ phát vào lưới điện và không gian. Tổn thất phụ dẫn đế quá nhiệt cho các dây dẫn, các máy biến áp và các tụ điện, nhiễu điện từ gây lỗi cho các hệ thống đo lường và xử lý thông tin. Các chuẩn đảm bảo hệ số công suất được xây dựng trên cơ sở hạn chế các ảnh hưởng xấu nêu trên, do các hài bậc cao gây nên, xuống mức chấp nhận được.
Đầu năm 1982, ủy ban Điện tử quốc tế (IEC) đã đưa ra chuẩn IEC 555-2 [IEC82]. Chuẩn này đã được điều chỉnh vào năm 1987 bởi ủy ban châu Âu về chuẩn hóa điện tử thành chuẩn EN 60555-2 của châu Âu. Năm 1995, chuẩn Quốc tế IEC 555-2 đã được thay thế bởi chuẩn IEC 1000-3-2 [IEC95] và cũng được châu Âu điều chỉnh thành chuẩn EN 61000-3-2. Sau một số lần bổ sung thì chuẩn IEC 555-2 được thay bằng chuẩn IEC01 vào năm 2001.
Chuẩn IEC 1000-3-2 áp dụng cho các thiết bị điện với dòng định mức một pha đến 16A, điện áp định mức một pha 220÷240V hoặc ba pha 380÷415V, tần số 50Hz hoặc 60Hz. Chuẩn IEEE 519-1992 [IEE92] áp dụng cho các thiết bị với điện áp và công suất cao hơn. Nội dung cơ bản của các chuẩn này là đưa ra giới hạn cho phép của giá trị mỗi hài bậc cao trong thành phần của dòng điện vào i1 cho từng lớp thiết bị. Lớp A bao gồm các thiết bị gia dụng không thuộc lớp D, lớp B bao gồm các công cụ cầm tay như máy hàn hồ quang không chuyên, lớp C bao gồm thiết bị chiếu sáng, lớp D ban đầu bao gồm thiết bị có cầu chỉnh lưu điốt đầu vào và tụ lọc dạng trong hình 2. Các máy tính cá nhân, màn hình máy tính và các máy thu truyền hình thuộc nhóm D. Vài bảng số liệu dưới đây được trích từ các chuẩn vừa nêu.

Hình 3. Biến đổi một chiều tăng áp.

1.3    Cơ sở hiệu chỉnh tích cực hệ số công suất
Hiệu chỉnh tích cực hệ số công suất là dùng bộ biến đổi trung gian ghép giữa khối chỉnh lưu không điều khiển và khối biến đổi chức năng 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 phải thực hiện ba 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, trong hình 2c là các giai đoạn từ 0 đến 1 và từ 2 đến . Chức năng thứ hai là điều khiển dòng điện này sao cho nó có dạng sin và đồng pha với điện áp lưới. Chức năng thứ ba là điều chỉnh tự động giá trị điện áp ra của PFC hay điện áp đưa đến của khối biến đổi chức năng ở mức độ phù hợp.
Nhiệm vụ thứ nhất thường được thực hiện nhờ nguyên lý biến đổi một chiều tăng áp (boost convertor), nhiệm vụ thứ hai được thực hiện nhờ điều khiển bám để dòng điện này bám theo dạng sin của điện áp lưới, và nhiệm vụ thứ ba được thực hiện nhờ điều chỉnh tự động biên độ của dòng điện theo điện áp ra của PFC.

1.3.1. Biến đổi một chiều tăng áp
Sơ đồ nguyên lý mạch điện và biểu đồ dòng-áp minh họa nguyên lý làm việc của bộ biến đổi tăng áp có dạng trong hình 3, trong đó tụ điện C và tải Z với điện áp ud được nạp từ nguồn áp một chiều u0 ngay cả khi u0 nhỏ hơn ud.
Khi cho tranzistơ trường M làm việc như một chuyển mạch, bằng cách cấp cho cực cửa dãy xung áp ug, điện thế điểm P sẽ cao hơn điện thế điểm B trong giai đoạn khóa của M. Trong giai đoạn mở M, từ t = 0 đến t = t1, điện cảm L nối song song với nguồn u0, dòng điện i0 tăng tuyến tính, điện thế điểm P coi như bằng không và điốt D khóa. Trong giai đoạn khóa M, từ t = t1 đến t = T, điện áp trên điện cảm đổi chiều và nối tiếp thuận với điện áp nguồn u0. Nếu được tính chọn phù hợp thì tổng hai điện áp này, ứng với điện thế điểm P, cao hơn điện áp hiện có trên tụ C. Khi đó dòng điện i0 sẽ chảy qua điốt D vào đồng thời tải Z và tụ C. Ứng với mỗi cặp giá trị của chu kỳ T và điều thời gian t1 thì i0 sẽ biến thiên tuyến tính giữa hai giá trị Imax và Imin. Tỷ số t1/T trong các tài liệu tiếng Anh thường được ký hiệu là D và được gọi là hệ số điền hay độ rộng xung. Bằng cách thay đổi D sẽ điều chỉnh được Imax và Imin, tức là điều chỉnh được trị trung bình của i0. Những điều trình bày ở trên được minh họa bằng các biểu đồ trong hình3b, và cho thấy dòng điện được bơm từ nút A có điện thế thấp vào nút B có điện thế cao hơn. Nếu cho D thay đổi trong thời gian theo quy luật sin thì trị trung bình của i0 sẽ biến thiên theo quy luật sin. đó chính là cơ sở của giải pháp hiệu chỉnh tích cực hệ số công suất.
Sơ đồ khối chức năng (4a) và biểu đồ dòng-áp làm việc (4b) của thiết bị biến đổi có hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) được minh họa trong hình 4, trong đó các khối chức năng của PFC được bao trong đường nét đứt và bộ biến đổi chức năng được thay bằng tải Z. Với các khối này, PFC thực hiện được đồng thời cả ba nhiệm vụ đã nêu trên, trong đó: PWM là khối điều chế bề rộng xung, ĐCD là bộ điều chỉnh dòng điện giải thông rộng, X là khối nhân, và ĐCA là bộ điều chỉnh điện áp giải thông hẹp.
Dễ nhận thấy rằng, PFC là một hệ thống điều chỉnh tự động kín hai vòng lệ thuộc, trong đó vòng trong điều chỉnh dòng điện và vòng ngoài điều chỉnh điện áp một chiều ở cửa ra. Hệ thống thường được thiết kế để bộ điều chỉnh điện áp tác động chậm hay có giải thông hẹp và bộ điều chỉnh dòng tác động nhanh hay có giải thông rộng. Khi đó điện áp ra bộ điều chỉnh áp có thể được coi như một chiều không đổi trong mỗi chu kỳ của điện áp u0. Do đó điện áp ra của khối nhân có dạng sin chỉnh lưu hai bán kỳ. Nói cách khác, điện áp đặt cho dòng điện là các bán kỳ sin đồng bộ với điện áp lưới, có biên độ tỷ lệ với sai lệch điện áp ra của PFC so với điện áp mong muốn.
Từ sơ đồ khối chức năng và các nhận xét dễ dàng đưa ra các biểu đồ dòng-áp làm việc trong hình 4b, trong đó i1 tức thời bám theo giá trị của dòng điện đặt itb, tương ứng với trị trung bình hay hài cơ bản của dòng điện vào i1. Bằng cách chọn bộ điều chỉnh dòng và tần số chuyển mạch hợp lý cho M có thể loại trừ được các hài bậc cao mong muốn, do đó đạt được tính chất sin cần thiết của i1. Lý thuyết và thực nghiệm cho thấy hệ số công suất có thể cao hơn 0,98.
Biên độ dòng i1 càng lớn thì điện áp ra của PFC cũng lớn, vì thế điện áp này được duy trì ổn định ở giá trị và mức độ hợp lý nhờ vòng điều chỉnh điện áp. Các yêu cầu này dừng ở mức “hợp lý” vì hai lý do: Thứ nhất là các khâu biến đổi thứ cấp tiếp theo thường cũng có tính chất tự động điều chỉnh theo áp vào. Thứ hai là mức độ cao cũng khó đạt được ở đây vì tính chất phi tuyến của hệ do khối nhân gây nên.
Nguyên lý cơ bản vừa nêu có thể được thực hiện với một số luật điều khiển dòng điện khác nhau, với mỗi luật này PFC sẽ đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật-kinh tế tương ứng, và về một số giải pháp này xin được trình bày trong số tiếp theo của Tạp chí.’

tài liệu tham khảo:
ABraham P.i: Switching Powr supply: NXB Pren tice Hall 1998
Các tiêu chuẩn quốc tế và châu Âu: IEC 82, IEC 95, và IEE92

Lê văn thuấn, lê khắc thủy Học viện Kỹ thuật Quân sự

Số 115 (5/2010)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay