các bộ biến đổi xung áp một chiều

BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU KHÔNG ĐẢO CHIỀU CÓ ĐIỆN ÁP RA THẤPHƠN ĐIỆN ÁP VÀO Bộ biến đổi xung áp nối tiếp Khi tải R + L: Khoá điện tử dùng GTO sẽ được đóng cắt với chu kỳ T theo luật

Chương 3 BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP XUNG ÁP MỘT CHIỀU

Bộ biến đổi xung áp (BBĐXA) là bộ biến đổi mà điện áp nguồn được đóng, cắt vào phụ tải một cách có chu kỳ Do đó điện áp trên tải là những xung áp một chiều (BBĐXA một chiều) hoặc xoay chiều (BBĐXA xoay chiều) tuỳ thuộc vào điện áp nguồn là điện áp một chiều hoặc điện áp xoay chiều

3.1 CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI CÁC BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU

3.1.1 Khái quát

Trong khoảng thời gian 0 ÷ t1, khoá K đóng lại, điện áp trên tải UR sẽ có giá trị bằng điện áp nguồn

UR = E; còn trong khoảng t1 ÷ T khoá K mở ra và UR = 0

Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ là:

(3.1) Trong đó: λ - Thời gian khoá K đóng

γ - Hệ số điều chỉnh

T – Chu kỳ đóng cắt của khoá K

Như vậy, để thay đổi điện áp trên tải có hai cách:

1- Thay đổi thời gian đóng khoá K (λ = var), khi giữ chu kỳ đóng cắt không đổi ( T = const) Gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung

2- Thay đổi tần số đóng cắt ( f 1

T

= = var) và giữ thời gian đóng khoá K không đổi (λ=const) Như vậy bộ biến đổi xung áp có khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp ra trên phụ tải

Ưu điểm :

• Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi không đáng kể so với các bộ biến đổi liên tục

• Độ chính xác cao cũng như ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, vì yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khoá K mà không phải giá trị điện trở của các phần tử điều chỉnh thường gặp trong các bộ điều chỉnh liên tục

• Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổi liên tục

• Kích thước gọn nhẹ

Nhược điểm :

• Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính của bộ biến đổi khi làm việc trong hệ thống kín

• Tần số đóng cắt lớn sẽ tạo ra nhiễu cho nguồn cũng như các thiết bị điều khiển

3.1.2 Bộ biến đổi xung áp một chiều dùng tiristo

0

1

R

Trên sơ đồ ở hình 3.2b, tiristo TC là tiristo chính (khoá điện tử),tiristo phụ (Tf) cùng với các phần

tử C, R, D, L làm thành mạch chuyển mạch để khoá tiristo chính

Đối với sơ đồ ở hình 3.2a, khi khóaTC người ta mở Tf Như vậy trên TC sẽ có điện áp ngược bằng giá trị điện áp trên tụ và nó làm cho dòng qua TC giảm về không và khoá lại

Đối với sơ đồ ở hình 3.2b, khi mở Tf, tụ C được nạp điện với dấu dương ở phía trên và âm ở phía dưới Khi cho tiristo chính (TC) làm việc, tụ C sẽ phóng điện qua mạch Tc, D, L và do hiện tượng cộng hưởng nó sẽ được nạp điện theo chiều ngược lại (dấu điện áp trong ngoặc ở hình 3.2b) Dấu điện áp này phù hợp để tạo điện áp ngược cho TC Muốn khoá TC ta lại mở Tf và điện áp ngược của tụ C lúc này có tác dụng để khoá TC lại

3.1.3 Phân loại

Dựa vào cách mắc van: có xung áp song song hoặc nối tiếp

Dựa vào nguồn điện ra: xung áp giảm áp và xung áp tăng áp

Tuỳ thuộc vào dấu điện áp mà người ta chia ra: bộ biến đổi xung áp không đảo chiều, hoặc bộ biến đổi xung áp có đảo chiều

3.1.4 Sơ đồ cấu trúc (Hình 3.5)

Nguồn một chiều có thể là ắc quy hoặc bộ chỉnh lưu Bộ lọc đầu vào thường dùng mạch LC hoặc chỉ dùng điện cảm Tụ C có thể được thay thế bằng các phần tử tích trữ năng lượng như ắc quy

Khoá điện tử (KĐT) ngày nay được dùng chủ yếu là các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn BJT, GTO, MOSFET, IGBT

Bộ lọc đầu ra (L0) có tác dụng san phẳng dòng điện ở đầu ra của bộ biến đổi

3.2 BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU KHÔNG ĐẢO CHIỀU CÓ ĐIỆN ÁP RA THẤP

HƠN ĐIỆN ÁP VÀO (Bộ biến đổi xung áp nối tiếp) Khi tải R + L:

Khoá điện tử dùng GTO sẽ được đóng cắt với chu kỳ T theo luật điều khiển như đồ thị ở hình 3.6b, c.Van T sẽ dẫn điện khi UG > 0 và van sẽ bị khoá lại khi UG < 0.Trong khoảng từ 0 từ t1, khi T dẫn điện, năng lượng của nguồn sẽ được cấp cho phụ tải, UAB = E Trong khoảng (t1 ÷ T), van khoá, do năng lượng tích trữ trong điện cảm, dòng điện vẫn theo chiều cũ và khép mạch qua van đệm D, lúc này UAB =

UD ≈ 0

Giá trị trung bình của điện áp tại hai điểm A, B sẽ là:

1

1 0

1

t AB

t

1

t T

γ =

γ là hệ số điều chỉnh điện áp

Ta có hệ phương trình mô tả hoạt động của sơ đồ:

Khi GTO đóng mạch: iR L di E

dt

Khi GTO hở mạch :iR L di 0

dt

Để tìm dòng tải ta dùng phương pháp toán tử Laplace: Nếu hàm số liên tục thì ảnh Laplace của nó là:

0

pt

∞

−

và ngược lại nếu hàm h(t) được biểu diễn dưới dạng :

( ) ( )

( )

f P

h t

PF P

=∫ Thì: ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

1

0

0

n

m

n a t

n n n

an là nghiệm của phương trình đặc tính

Áp dụng công thức (3.3) ta tìm được ảnh của UAB:

1

pt

−

−

−

=

−

Ảnh của dòng tải là:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

1 1 1

pt AB

PT

I P

−

−

−

Áp dụng công thức (3.4) ta tìm được dòng điện trong khoảng t ÷ t1 là:

1 1 1

1

1 1 1

t

a b E

τ

−

−

trong khoảng t1 ÷ T là:

1 1 2

1

1

1

t

b E

τ

− −

−

τ =L R/ là hằng số thời gian của mạch tải

L L

γ γ

− − − −

( d,e,f trường hợp dòng tải liên tục g,h,i trường hợp dòng tải gián đoạn )

Hình 3.6 Bộ biến đổi xung áp

Cho các giá trị t = t1 và t = T – t1 ta tìm được:

1 ax

1

1 1

m

I

−

−

=

min

1

1 1

E I

−

=

Dòng trung bình qua van T sẽ là:

( 1) ( )

1

1

T

E I

τ γ

−

−

Dòng trung bình qua diode:

( 1) ( )

1

1

D

E I

=

−

Dòng trung bình qua tải:

AB

t T D

U E

Dòng tải không phụ thuộc vào tần số đóng cắt của van và hằng số thời gian của mạch tải

Biên độ đập mạch của dòng tải:

( 1) ( )

ax ax min

1

1

E

−

−

Khi γ =0,5 thì ∆I maxđạt giá trị cực đại

Để đơn giản phép tính người ta thường chọn:

1 E ;0 1

Rγ

và dùng biểu thức (3.13) thay cho (3.6) để tính dòng trung bình qua các van

Việc tính này cho kết quả sai số không quá 10% và có thể chấp nhận được khi chọn van với một

hệ số dự trữ nào đó

Từ các giá trị của it người ta dựng được đồ thị của dòng tải it, dòng qua GTO và qua diode

Hệ số đập mạch của điện áp ra:

( 1) ( )

1

1

AB đm

U k

−

∆

−

Khi năng lượng tích trữ trong điện cảm L là hữu hạn, sẽ xảy ra chế độ dòng điện gián đoạn (hình 3.6g,h,i) Dòng qua diode đệm sẽ giảm về không trước khi khoá điện tử T được đóng lại Chế độ dòng điện gián đoạn sẽ làm tăng hệ số đập mạch trên tải và làm giảm chất lượng đặc tính ngoài của bộ biến đổi

3.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP

Xét phần tử điện cảm L trong sơ đồ hình 3.6a

Ở chế độ gần xác lập, giá trị điện áp trung bình trên điện cảm phải bằng không

m ax

min

max min 0

1

L

L

i T

LI

i

γ

L

T

Do đó: U L =U LI +U LII =0

Xét phần tử tụ điện trong sơ đồ hình 3.6a: Khi nguồn một chiều được tạo bởi bộ chỉnh lưu, để đảm

bảo tính chất nguồn áp cần mắc tụ điện C song song với đầu vào BBĐXAMC Giá trị của tụ điện này có thể xác định theo phương pháp tính lọc cho chỉnh lưu

Giá trị trung bình của dòng qua tụ điện ở chế độ gần xác lập cũng bằng không:

m x

min m x 0

1

C

C a

U T

CI

U

γ

min

ax min 0

1

C

C

U T

CII

U

γ

I CI + I CII =0

Như vậy ở chế độ xác lập, giá trị trung bình của điện áp đặt lên điện cảm bằng không và giá trị trung bình của dòng điện qua tụ C cũng bằng không (đối với bộ biến đổi xung áp)

Toàn bộ năng lượng đầu vào được cấp cho phụ tải, từ sơ đồ thay thế ta có :

uidt= u i dt

u, i – điện áp và dòng điện ở đầu vào của bộ biến đổi

u0, i0 – điện áp và dòng điện ở đầu ra của bộ biến đổi

Như vậy công suất đầu ra bằng công suất đầu vào:

0 0

Hình 3.7 Dòng và áp trên cuộn cảm

Trong chế độ xác lập như đã nói trên, dòng điện coi như bằng phẳng, điện áp cũng bằng phẳng, ta có:

U, U0, I, I0 là giá trị trung bình của điện áp và dòng điện ở đầu vào và đầu ra

Giá trị trung bình của điện áp đầu ra đối với bộ biến đổi có điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào sẽ là:

Giá trị trung bình của điện áp đầu ra đối với bộ biến đổi có điện áp ra lớn hơn điện áp vào sẽ là:

0

1 1

γ

=

Dòng điện trung bình qua khoá điện tử:

0

1

T T

T

γ

γ

Để tính giá trị của điện cảm cũng như tụ lọc, người ta cũng dùng phương pháp gần đúng bằng cách tuyến tính hoá đường cong iL cũng như uC (thường tần số chuyển mạch trong các bộ biến đổi xung áp rất lớn, nên việc tuyến tính hoá trong một chu kỳ đối với iL và uC là chấp nhận được)

( )

1 0

0

1

T

T

γ

γ

−

Đối với sơ đồ ở hình 3.7, khi khoá điện tử dẫn điện (0÷γT), ta có:

Hình 3.8 Sơ đồ thay thế và điện áp trên tụ

0 L 0

di

nghĩa là sụt áp trên điện cảm bằng hiệu điện áp vào và điện áp ra

Vì coi iL tuyến tính nên: 0

L

L I di

∆

Thay (3.20) và (3.25) vào (3.24) ta có:

0

L

I

γ

0

0

L

T U L

I

γ γ

−

=

Cho giá trị ∆IL0 ≤ 10%I0 ta sẽ tính được giá trị L0 với sai số của kết quả không đáng kể so với tính toán theo biểu thức giải tích

Từ biểu thức (3.19) và (3.20) rút ra I = γ.I0, do đó:

C

dU

Coi uc tuyến tính nên

∆

= ta có: (1 ) 0

C

T I C

U

γ γ

−

=

∆ (3.28)

Trong quá trình điều chỉnh, giá trị cực đại của hệ số điều chỉnh γmax= (T – 2.toff)/T để đảm bảo phục hồi khả năng khoá của van, việc chọn tần số đóng cắt tuỳ thuộc vào toff sao cho toff =5÷10%T Ta có γmax = (0.8÷0.9)

3.4 BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT NHỊP LÀM VIỆC VỚI PHỤ TẢI LÀ ĐỘNG CƠ

3.4.1 Chế độ động cơ

Điện cảm ở đầu ra của bộ biến đổi xung áp bao gồm điện cảm phần ứng của động cơ

UAB sẽ đạt giá trị cực đại khi van T dẫn điện (UAB≈E) và đạt giá trị cực tiểu khi van T khóa (UAB=0) Khi van T bị khoá giá trị dòng điện trên tải là it max ở thời điểm t1 và giảm về giá trị cực tiểu (it min)

ở thời điểm T

Áp dụng phương pháp tính toán gần đúng ta có:

E U

L

−

U

L

i1(t) là dòng điện qua phụ tải khi khoá đóng mạch: (0≤ ≤t t t1); =γ.T

i2(t) là dòng điện qua phụ tải khi khoá hở mạch: (t1≤ ≤t T t); = −(1 γ).T

E là điện áp đầu vào

Ut là điện áp trên tải (điện áp trên động cơ)

( )

1 1 max

i t =I , còn i T2( ) =Imin 1

T f

= ; và γ =(T t f− 1)

Hình 3.9 Bộ biến đổi xung áp một nhịp

Giải phương trình (3.29) và (3.30) ta nhận được: U t

Như vậy đặc tính điều chỉnh của bộ biến đổi sẽ là đường tuyến tính (hình 3.10) Vì bộ biến đổi làm việc ở góc phần tư thứ nhất trên mặt phẳng toạ độ nên nó có tên gọi là bộ biến đổi một nhịp

Từ biểu thức cân bằng năng lượng: 1 1( )

0

t

t t

U I T =∫E i t dt

Ta rút ra:

( )

t t

E U

L f

( )

max

2

t t

E U

L f

min ax

2

m t

(3.34) Giá trị trung bình của dòng qua khoá điện tử:

1 ( ) ( max min) 1

1 0

2

t

Giá trị trung bình của dòng qua diode:

t

U E

1

Hình 3.10 Đặc tính điều chỉnh

( ) ( ) ( ) ( )

1

max min 1 2

1 2

T

t

Và điện áp lớn nhất đặt lên các van sẽ là: UT = UD = E

Công suất sử dụng khoá điện tử là: T t

P P

γ

Biểu thức cho thấy công suất sử dụng van tốt nhất khi γ →1 Trong thực tế (γ γ= max =0.8-0.9)

3.4.2 Chế độ dòng điện gián đoạn

Điểm giới hạn giữa chế độ dòng liên tục và dòng gián đoạn tương ứng với điều kiện Imin= 0, từ (3.32) ta có:

It giới hạn (1 )

2

E

L f

Giá trị điện cảm mà van đảm bảo dòng là liên tục khi cho trước dòng điện phụ tải:

L giới han (1 )

2 .It

E f

Với giá trị điện cảm xác định, khi dòng điện nhỏ hơn It giới hạn, dòng điện trong mạch tải sẽ gián đoạn

Từ biểu thức (3.29) và (3.30) với giả thiết Imin= 0, T1 là thời gian dẫn dòng điện của khóa điện tử

và t2 là thời gian dẫn dòng điện của diode (xem hình 3.9e,f,g), ta tìm được:

2( )2 0 ax t 2

m

U

L

(3.40)

1( )1 max t 1

E U

L

−

(3.40a)

Thay (3.41) vào (3.40) ta có: 1( )

2

t t

T E U t

U

−

Tính giá trị trung bình của dòng tải bằng cách tích phân (3.29) và (3.30) thay các biểu thức (3.40a)

và (3.41) vào ta được:

1 ( ) 2 ( ) 1 2

t

Sau một số biến đổi ta có:

2

2

8 1

t

Với τ =L R/ t

Thay biểu thức (3.31) vào (3.42) có thể tính được giá trị:

γgiới hạn = 1- 2 fτ

Thay τ vào (3.42) công thức sẽ có dạng:

2

2 2

t

t

U

L I f E

E

γ γ

=

Hình 3.11

Biểu thức cho phép xây dựng đặc tính điều chỉnh của bộ biến đổi ở vùng dòng điện gián đoạn (hình 3.11) Trên hình 3.11, đặc tính này được giới hạn bởi đường đứt nét It giới hạn

Ngoài vùng It giới hạn sẽ là vùng dòng điện liên tục và đặc tính sẽ được mô tả bởi biểu thức:

Ut = γ.E – Rt.It (3.44)

Rt là điện trở cuộn kháng và điện trở phần ứng của động cơ

3.5 BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP SONG SONG CÓ ĐIỆN ÁP RA NHỎ HƠN ĐIỆN ÁP VÀO (Bộ biến đổi xung áp song song)

Khi van T dẫn (0 ÷ t1), toàn bộ điện áp nguồn được đặt vào cuộn cảm L và cuộn cảm sẽ dự trữ năng lượng

Khi van T bị khoá, toàn bộ năng lượng của nguồn và của cuộn kháng sẽ đặt lên tải (dòng điện lúc này là dòng iL2 – đường nét đứt) Nhờ năng lượng tích trữ trong điện cảm nên điện áp trên tải sẽ lớn hơn điện áp nguồn Tụ C dùng để tích năng lượng và lọc điện áp ra Khi van T mở, năng lượng của tụ C sẽ cấp cho tải duy trì cho điện áp trên tải dao động trong một phạm vi nhất định

Coi dòng đi qua điện cảm có một giá trị: ax min

2

Lm L L

(3.43) Coi van đóng mở tức thời, lúc đó sơ đồ thay thế của bộ biến đổi sẽ có dạng như hình 3.13

Khi van T dẫn (0 ÷ t1), dòng qua van iT = IL, điện áp ngược đặt lên diode uD = Ut Trong khoảng (t1÷T) khi van T bị khoá, dòng qua diode sẽ chính thức là dòng qua điện cảm: iD = IL = It Điện áp thuận đặt lên T uT = Ut

Hình 3.13 Sơ đồ thay thế

Điện trở tương đương của van T và diode sẽ là:

T T

U U

R

γ γ

−

1

D

R

γ γ

−

Trong đó: UT, UD là các giá trị điện áp trung bình trên T và diode IT và ID là các giá trị dòng điện trung bình chạy qua T và diode Dựa vào hình 3.14b,c ta có:

Hình 3.12 Xung áp song song

1 1

1

1

L L

I t

−

−

Từ sơ đồ thay thế ta có thể tính được giá trị trung bình của dòng điện và điện áp:

- Dòng điện qua diode: (1 )

(1 )

t

I

γ

- Dòng điện qua van: .

1

γ

- Điện áp ra trên tải (xét cân bằng điện áp mạch vòng to): 1 0 (1 0)2

t t

U

- Sức điện động Et:

2

1

t R

I R

γ

Từ (3.48) ta có thể xác định điểm cực trị khi: ax 0

0

2

m

I R E

γ = − ta có giá trị cực đại của điện áp tải:

2 0 ax

0 4

t m

t

E U

I R

Biểu thức (3.51) cho thấy điện áp ra (Ut) sẽ lớn hơn điện áp vào nếu sụt áp trên điện trở của nguồn (R0) nhỏ hơn 25% so với điện áp nguồn (E0)

Nếu coi điện áp đầu vào và đầu ra là bằng phẳng thì điện áp đặt lên cuộn cảm sẽ là:

L1

R

di

Hình 3.14.Đồ thị dòng, áp khi dòng qua điện cảm liên

tục

Suy ra: di L1 U R onst

c

Do đó ta có thể thay thế đạo hàm:

1 1 1

∆

Thay vào (3.51) ta có:

1 R

L

U

L

γ

Tụ C sẽ phóng điện khi diode bị khoá (t1÷T), nếu coi dòng tải là bằng phẳng thì:

C

t

du

Gần đúng ta có:

t

C

I

C

γ

Biểu thức (3.53) đúng chỉ khi IL min >1, tức là:

1

t R t

L

I

γ γ

−

−

Khi cho các sai số ∆IL và ∆UC, ta có thể dựa vào (3.53) – (3.55) để tính ra các giá trị điện cảm L và điện dung C

Hình 3.14.Đồ thị dòng, áp khi dòng qua điện cảm gián

đoạn

3.6 BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU CÓ ĐIỆN ÁP RA LỚN HƠN HOẶC NHỎ HƠN

ĐIỆN ÁP VÀO

Bộ biến đổi xung áp (hình 3.15) cho phép điều chỉnh điện áp (Ut) lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào (E) Van điện tử T được đóng mở nhờ tín hiệu điều khiển UG Khi van dẫn điện , cuộn kháng K được tích một năng lượng nhất định từ nguồn E (dòng nạp cho chuộn kháng là dòng iL1) Tại thời điểm t1 van T

bị khoá lại, sức điện động tự cảm của cuộn kháng L sẽ duy trì dòng qua cuộn kháng vẫn theo chiều cũ, năng lượng tích trữ trong cuộn kháng sẽ được nạp cho tải và tụ C (dòng iL2) Khi van T lại dẫn điện, tụ C

sẽ phóng điện qua tải và duy trì cho điện áp trên tải là bằng phẳng, đồng thời cuộn kháng lại được tích năng lượng Đồ thị điện áp và dòng điện (hình 3.16)

Tương ứng trong khoảng 0 ÷ t1, dòng qua van T là iT = iL1 (hình 3.16e)

Trong khoảng t1 ÷ T, dòng qua diode là ID = iL2 (hình 3.16f)

Điện áp trên cuộn kháng sẽ bằng E khi van T dẫn và khi van T khoá sẽ có giá trị là –U1

Hình 3.16 Đồ thị xung

Khi van T dẫn, diode sẽ chịu một điện áp ngược:

UD = E + UC = E + Ut Khi van T bị khoá, T sẽ có một điện áp thuận :