Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng Điện tử công suất và ứng dụng - Chương 4: Bộ biến đổi áp một chiều cung cấp cho người học các kiến thức: Bộ biến đổi áp một chiều dạng forward tải RLE, khảo sát biển đổi áp một chiều dạng Flyback, sơ đồ điều khiển bộ biến đổi áp một chiều,... Mời các bạn cùng tham khảo.
Slides ĐTCS&ƯD Chương 4: Được phép mang vào phòng thi / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Bộ biến đổi (BBĐ) áp chiều Bộ biến đổi (BBĐ) áp chiều 4.1 BBĐ áp chiều dạng forward tải RLE: 4.1.1 Khảo sát sơ đồ làm việc phần tư mặt phẳng tải 4.1.2 Khảo sát sơ đồ làm việc phần tư mặt phẳng tải 4.1.3 Mạch phát xung lái BBĐ Còn gọi băm điện áp (hacheur hay chopper) Dạng áp bao gồm: T: chu kỳ - thời gian có áp ton - khoảng nghỉ T – ton U Vào t on 4.1.4 Mạch lọc ngỏ 4.2 Khảo sát BBĐ áp chiều dạng Flyback 4.3 Sơ đồ điều khiển BBĐ áp chiều 4.3.1 PWM 4.3.2 IC lái ½ cầu 4.3.3 PWM loại dòng điện 4.4 Mạch cải thiện HSCS chỉnh lưu diod 4.5 Ứng dụng Đọc thêm tiết, tập Được phép mang vào phòng thi BBĐ Áp Một chiều Ra t t T Nguyên lý hoạt động BBĐA1C Các nguyên lý điều khiển: - Điều chế độ rộng xung (PWM : Pulse – Width – Modulation): T không đổi, thời gian đóng điện ton thay đổi α = ton/T gọi độ rộng xung tương đối - Điều chế tần số ton không đổi, chu kỳ T thay đổi - Điều khiển hổn hợp, T ton thay ñoåi t / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi IV.1 BBĐ ÁP MỘT CHIỀU DẠNG FORWARD TẢI RLE: Khái niệm mặt phẳng tải: U hai trục tọa độ (Io, Uo), gồm phần tư hình IV.1.1 phần tư thứ III Uo, Io 0, Io 0 I tập hợp điểm làm việc BBĐ, / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD + U phần tư thứ Io >0; Uo ton , S1 ngắt Dòng tải khép mạch qua diod phóng điện D2, suy ra: Trung bình áp ra: U o = ton ⋅ U t U −E = α U , với α = on Tbình dòng Io = o T T R / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi io S D U dio = U − ( E + RIo ) = U − U o = U (1 − α ) Từ tích phân để có: dt U (1 − α ) U (1 − α ) io = t + Imin ⇒ i ( ton ) = Imax = ton + Imin L L L L _ E Phương trình vi phân mô tả hệ thống chọn lại gốc thời gian: = Rio + L dio dt + E , với điều kiện đầu io ( ) = I max Giaûi : io (t) = I x − ( I xl − I max )e −t/ τ với I xl = − E R io (T − ton ) = I xl − ( I xl − I max )e − (T − ton )/ τ = I Vaø vaø => Imax, Imin Imax ( ( ) ) Được phép mang vào phòng thi Tính gần đúng: Khi T 0: Io < ΔI/2 dòng điện gián đoạn Kết quả: iO = 0, uO = E => Uo tăng: Uo = Ví dụ 4.1: a Tính thông số vẽ dạng dòng áp tải BBĐ áp làm việc1/4 mp tải U = 100 V, T = 100 microgiây, tON = 30 microgiaây, R = ohm,L = 0.01 henry, E = 20V Uo = 100.(30/100)= 30 volt; Io = (30 – 20)/5 = A Hình IV.1.4: Dạng sóng với chu kỳ giả đònh tX tính tx : áp dụng đến cho chu kỳ giả đònh tx vaø Imin = 0: α U − E ΔI Uton t URton + LE Iox = x = = (1 − α x ) ⇒ α x = on = vaø 2L R tx URton + LU URton + LU hay tx = ton URton + LE Điều kiện để dòng gián đoạn: chu kỳ Được phép mang vào phòng thi Giả sử dòng liên tục: α = 30/100 = 0.3, suy ra: ΔI = (100*30*10-6*(1-0.3))/(1*10-3)= 0.21A ⎡Uton + ( T − tx ) E ⎤⎦ T⎣ với tx : khoảng thời gian có dòng / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD T ≥ tx Imax = Io + ΔI/2 = 2.105 A Imin = Io – ΔI/2 = 1.895 A > , giả thuyết dòng liên tục - Kiểm tra lại công thức xác - Kiểm tra thời hằng: T = 100 E-6 29.475 volt tx < 100 micro giây dòng bắt đầu gián đoạn 9 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Khảo sát biến đổi làm việc hai phần tư mặt phẳng tải I II: + D1 io U _ S1 D2 S2 Uo Khi io đão chiều được, chế Hình IV.1.6: Các trường hợp dòng điện độ dòng gián đoạn BBĐ làm việc nhiều ¼ mặt Các công thức cũ: phẳng taûi Uo = ton ⋅ U = α U T Io = Uo − E R ΔI = UT (1 − α ) α L io >> : S1, D2 dẫn điện io 0, I , hay Điều rộng xung S2, S3 cho áp < III Điều khiển đơn giản; tổn hao; trùng dẫn; không đảo chiều dòng tải Điều rộng xung S1 = S2 cho điều I, II hay khiển áp, III, IV S4 = S3 để chọn chiều áp Điều rộng xung S1 = S2, S4 = S3 phần tư, Và S1 = S4(wt − π ) Chia làm hai nhóm: - Điều khiển hoàn toàn: 1, - Điều khiển không hoàn toàn: 2, ⎡U ⋅ ton − U ( T − ton ) ⎤⎦ = U ( 2α − 1) T⎣ U −E IO = O , R Uo = đảo chiều áp cần thay đổi luật điều khiển; tổn hao; lưu ý trùng dẫn thay đổi liên tục dòng, áp ra; nhấp nhô dòng thấp; lưu ý trùng dẫn; điều khiển phức taïp , 13 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Ví dụ: Đóng ngaét S1, S4: 14 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi + S1 Chỉ làm việc phần tư thứ I: io > ; Uo = α.U U _ D2 D3 io Uo S4 (b1) Hình IV.1.10 (a) Mạch tương đương Khảo sát sóng hài áp dòng tải RLE: a Sóng hài điện áp: U t on Khai triển Fourier cho áp vO hình IV.1.3.b (trường hợp dòng liên tuïc): 2U − cos nwton nπ θ n = tg −1 ⎡⎣ sin nwton / (1 − cos nwton ) ⎤⎦ Un = t T b Sóng hài dòng điện tải RLE: Sóng hài dòng điện tải RLE tính áp dụng nguyên lý xếp chồng, dòng hiệu dụng thành phần bậc n : In = (b) áp tải R (a) áp tải RL Bài tập: Khảo sát hoạt động BBĐ làm việc phần tư mặt phẳng tải, điều khiển theo thuật toán thứ bảng phương pháp điều khiển Un R + ( nwL ) 2 BT: Tính mạch lọc LC ngỏ BBĐ tải R để có nhấp nhô áp cho trước: Tính số: U = 24 V, f = 10 kHz, a = 0.6, R = 10 ohm ΔU ngỏ yêu cầu 20 mV 15 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 16 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Ngắt điện đóng (ON): Cuộn dây nạp lượng từ nguồn HD: tính với thành phần (sóng hài bậc 1) Ngắt điện ngắt (OFF): Cuộn dây phóng lượng qua tải nạp lượng vào tụ IV.2 BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FLYBACK: S1 + Khảo sát sơ đồ bản: D + i L is U C L u L _ is u C _ U _ Io D L2 i L2 T u L1 n:1 (c) Hai pha hoaït ñoäng: i C C Io + U u C _ is L1 - Chu kỳ đóng ngắt T 1−α T − ton T − ton D i L is Thế giá trò ΔI L , ΔU C vào, để ý Δt = T − ton , ta nhận được: Io I t + U max => ΔU C = Vmax − uC ( ton ) = o ton C C S1 + 18 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi L C L i C Io Trường hợp dòng gián đoạn: Khi u C IL = T T − ton Io ≤ ΔI ta có trường hợp dòng qua L gián đoạn (hình IV.2.3): Gọi tx thời gian có dòng qua L: Thời gian L nạp lượng cũ: - Khi t > tON : S1 ngắt, dòng qua cuộn dây phóng điện qua C tải: du di iL = Io + iC = Io + C C ; uL = −uC = L L dt dt Gọi IL trò trung bình dòng qua L, UC trò trung bình áp tải ΔUC ΔI Lấy trung bình hai vế : IL = Io + C ; UC = L L Δt Δt ΔI = U ton , L Thờigian tải C xả (T – tx + ton): ΔU = Io (T − tx + ton ) C thời gian L phóng lượng 19 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 20 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Hình IV.2.3: Dạng áp, dòng BBĐ hình 4.8.a dùng để tính toán hoạt động dòng gián đoạn Δt = (tx – ton) : du di iL = Io + iC = Io + C C ; uL = −uC = L L dt dt ΔI L với ΔI L cũ Δt = tx − ton hay U C = L Δt Nguyeân lý bảo toàn lượng: lượng cung cấp tiêu thụ, Suy ra: UC = ton U; tx − ton ΔI dòng gián đoạn, I L = I L = Io + C ⇒ T − (tx − ton ) ΔU T = Io(1 + ) = Io tx − ton tx − ton tx − ton U T ton = Io tx − ton 2L Phương pháp khác tiếp cận trường hợp dòng gián đoạn: 2.L.Io T ⇒ tx = ton + U ton Io Ỉ (mạch không tải) áp tải tăng đến vô W = L.Imax = U o Io T 2 L.Imax => U o = 2.Io T hay U o = tx Δ uc1 uc (a) Δ uc ton Δ uc2 Imax Io S đóng T U U ton ton Imax = 2.L.Io T L S ngaét t 21 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 22 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Các sơ đồ khác: Sơ đồ ghép BA: I U ΔI L1 = ton ; ΔU C = ΔU = o ton L1 C Mô BBĐ flyback để kiểm tra: S1 + U _ is D n ⋅ iL1 = iL1 = Io + C i L u L C L i C Io uC = uL = u C Ta có chế độ biên gián đoạn Io = 3.5A 8.57V Khi dòng không liên tục, áp tăng (lần lượt 25V, 15V) t L2 diL1 ⇒ U C = ( on )U n dt n T − ton + U _ D i L1 n:1 iL > Io U ΔIL = ton L Trung bình áp cuộn dây thứ cấp: ni ⎛ ton ⎞ ⎜ ⎟ U n ⎝ T − ton ⎠ - Trung bình dòng điện cuộn sơ 1⎛ T ⎞ caáp: I L = ⎜ ⎟ ∑ ni Ii n ⎝ T − ton ⎠ i i L2 C L1 S + u C U _ u L _ C1 + D2 i L L L2 U1 + C2 D3 L3 Io i C D1 I ΔU Ci = i ton ; Ci U Ci = T u L1 - Ghép BA nhiều thứ cấp: Mạch điện hình IV.2.1a với thông số: U = 20V, L = 30 uH, C = 50 uF, T = 50 us, α = 0.3 Io 1.2A, 2A, 3.5A, 6A ta có kết Hình IV.2.3c dạng áp dòng mô dùng PSIM BBĐ flyback hình IV.2.3c Dạng áp tụ giống hình IV.2.3b hình IV.2.3a Tụ nạp điện duC T ⇒ I L1 = ( ) Io dt n T − ton S1 C3 U2 _ _ + U3 I1 I2 I3 23 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 24 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Bài tậpï IV.2.1: a Cho sơ đồ hình IV.2.5.(c), áp nguồn U = 260 volt, tần số đóng ngắt f = 20 KHz, tải đònh mức Uo = volt, Io = ampe Tính thông số mạch để nhấp nhô áp ΔU = 20 mV, nhấp nhô dòng qua ngắt điện ΔI 50 % trò trung bình chọn tON = 0.6 T = 0.6/ 20000 = 30 micro giaây C = Io*tON/ ΔU = 5*30 E -6 / 20 E -3 = 7.5 E –3 = 7500 uF n =(U * tON)/ [(T - tON )* Vo] = 78 IL = (Io * T)/ [(T - tON )* n] = ( * 50) / [(50 – 30)*78] = 0.16 ampe ΔI = 0.16 * 0.5 = 0.08 ampe => L = (260 * 30 E –6) / 0.08 = 0.0975 H Dòng cực đại qua ngắt điện S: Imax = IL + ΔI / = 0.20 ampe IV.3 SÔ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN BBĐ ÁP MỘT CHIỀU : PWM (Điều rộng xung) dùng so sánh có trễ: a Nguyên lý điều rộng xung: Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) phương pháp biểu diễn thông tin k độ rộng xung α, dùng cho truyền tin hay khuếch đại k > Điều rộng xung > α > BBĐ áp MC > lấy trung bình > UO (điều chế) (xử lý) (giải điều chế) 25 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Nguyên lý thực hiện: 26 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi d b Dao động tam giá c uc U đk a Đặt > (Phản hồi + Δ) : HT tác động ngắt điện S (đóng) để tăng ngỏ Uo Hai tam giác Obd Oca đồng dạng: t U α = ON = ñk T Uc max U O = α U = c U k Trung bình áp ra: Bộ so sánh so sánh ngỏ Phản hồi tín hiệu Đặt: Ucmax U U đk U CMax b Điều khiển dùng so sánh có trễ: ton Đặt < (Phản hồi – Δ) : HT tác động ngắt điện S (ngắt) để giảm ngỏ Δ: vùng trễ, xác đònh thời gian đóng – ngắt T + U _ S1 D1 io L C uo _ Phản hồi Đặt + [Bộ so sánh có trễ] t Bộ so sánh có trễ kết hợp mạch thay đổi độ rộng α việc điều khiển hệ thống Nguyên lý có tên: - điều khiển dùng rơ le có trễ - điều khiển theo áp (dòng) ngỏ 27 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 28 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Mạch điều rộng xung loại dòng điện: Cho phép lúc thay đổi độ rộng xung α hạn chế dòng qua ngắt điện - lái transistor nối nguồn làm việc ngược pha Đặ t dò ng reset R-S F F phả n hồ i dò ng Vn Set S Dao động OPTO1 Reset Q i MosFET - Là thành phần quan trọng ĐTCS đại, RS FF : Đặt dòng - độ rộng xung tối đa - dòng phản hồi = dòng đặt Bộ điều khiển áp cho tín hiệu đặt dòng để điều khiển áp Điều khiển áp OPTO2 - RESET: khóa ngắt điện S trường hợp: Phản hồi dòng - SET: đóng ngắt điện S reset Nguyên lý thực hiện: Dao độ ng + - V V1 Q1 Shunt + - V V2 mosFET N Q1 Q2 Q1 Khuếch đại Q2 Mạch lái nửa cầu điều khiển độc lập Q2 Q1 (a) Q1 (b) Q2 (c) thờ i gian chế t mosFET N Khuếch đại Q1 Q1 Q2 OUT set set Mạch lái nửa cầu transistor: Hình IV.3.6 Tín hiệu điều khiển nửa cầu có chống trùng dẫn (a) tín hiệu điều khiển lý thuyến (b), (c) tín hiệu điều khiển thực tế ngắt điện với thời gian chết từ đến vài chục micro giây - tượng trùng dẫn: Q1 Q2 lúc dẫn điện lệnh đóng ngắt điện ngắt điện dẫn chưa tắt Nguyên nhân: điều khiển đão pha toff > ton Xử lý: có thời gian chết (dead time) xen kẻ hai tín hiệu điều khiển đóng hai 29 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 30 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi ngắt điện Ví dụ mạch dùng BJT: Vn R6 - Nhiệm vụ chống trùng dẫn R5 phụ trách R10 - R4, R3 có trò số bé làm cho Q1 (Q2) tắt nhanh Q3 (Q4) bảo hòa - R5 có trò số lớn (hàng chục kohm) làm cho mosFET mở chậm Mạch lái dùng vi mạch: họ vi maïch IR21xx (International Rectifier) Q3 R7 R1 R8 Q5 OUT R3 Q4 R11 R9 mosFET P R4 R5 IN Q1 R2 Q2 mosFET N Mạch lái nủa cầu dùng IR2184, tự cấp điện VB Mạch lái nửa cầu dùng IR2184 IN: ngỏ vào (logic đến 5V) Deadtime 0.5 micro giây SD (shut down) tín hiệu cấm Dòng xung cực đại +1.8A/ – 1.4A khối bảo vệ áp nguồn thấp (UV detect) UV: under voltage 31 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phoøng thi 32 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi v in C Nguồn i C i C C - Có thể cải thiện, nâng lên đến > 95% Sơ đồ khối nguồn diod có cos ϕ 1: Lưới AC Ỉ Chỉnh lưu D Ỉ [tụ bé Ỉ Mạch cải thiện HSCS Ỉ] tụ lớn Ỉ BBĐ Áp DC v IV.4 MẠCH CẢI THIỆN HSCS CỦA BỘ CHỈNH LƯU DIOD: C1 i =i n L Hệ số công suất chỉnh lưu diod cao ( > 80%), hạn chế dòng nguồn không sin Mạch cải thiện HSCS: Dạng dòng/áp chỉnh lưu có cos ϕ (HSCS) 33 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Là nguồn Flyback nạp tụ chỉnh lưu dòng hình sin có biên độ thay đổi theo trung bình áp ra: RS - FF Set Dao độ ng in C1 i L So sánh Điề u khiể n p S 2Phả n hồ i dò ng C2 Đặ t dò ng Shunt L Nguồn S Reset Q Bộ nhâ n Ngắt điện S: điều khiển PWM loại dòng điện có tín hiệu đặt xung hình sin có trung bình thay đổi theo áp Tần số đóng ngắt hàng 100 kHZ => dòng nguồn hình sin 34 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 35 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Mạch cải thiện hệ số công suất dùng vi mạch MC34262 IV.5 ỨNG DỤNG: (đọc tài liệu) Ổn áp xung Bộ nguồn DC cho thiết bò điện tử Điều khiển động DC Nghòch lưu ... 34 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 35 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Mạch cải thiện hệ số công suất dùng vi mạch MC 342 62 IV.5 ỨNG. .. áp + D1 D3 io uo U _ S1 D2 S2 D4 S3 S4 11 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 12 / 32 ch4 DK ap DC ppt.doc /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi sơ đồ cầu (cầu H)... điều I, II hay khiển áp, III, IV S4 = S3 để chọn chiều áp Điều rộng xung S1 = S2, S4 = S3 phần tư, Và S1 = S4(wt − π ) Chia làm hai nhóm: - Điều khiển hoàn toàn: 1, - Điều khiển không hoàn toàn: