Bài giảng Điện tử công suất – Chương 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều

CHƯƠNG IV BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU (BBĐAMC) I Bộ giảm áp Hình 4.1 trình bày sơ đồ nguyên lý giảm áp Hình 4.1(b) dạng sóng ngõ BBĐAMC loại Khóa bán dẫn S dùng linh kiện điện tử công suất khác thyristor mạch tắt, GTO, MOSFET, transistor công suất … Hình 4.1: Bộ giảm áp Các phương pháp điều khiển khóa S chia làm hai loại: - Điều khiển tỉ lệ thời gian (Time Ratio Control) - Điều khiển dòng (Current Limit Control) Phương pháp điều khiển tỉ lệ thời gian chia làm hai cách: - Tần số cố định: chu kỳ đóng cắt T không đổi, thời gian dẫn ton thay đổi để thay đổi γ - Tần số thay đổi: γ thay đổi cách giữ ton cố định thay đổi T cách thay đổi ton T Với phương pháp thay đổi γ cách giữ ton cố định, tần số đóng cắt thấp cần đạt điện áp Vd nhỏ Tần số đóng cắt thấp BBĐAMC ảnh hưởng không tốt đến đặc tính tải Ngoài ra, việc thay đổi tần số hoạt động BBĐAMC gây khó khăn cho việc thiết kế mạch lọc ngõ vào BBĐAMC Do đó, phương pháp thay đổi tần số sử dụng Với phương pháp điều khiển dòng , γ điều khiển gián tiếp cách điều khiển dòng tải biến thiên hai giá trị giới hạn quanh giá trị dòng tải cần thiết Thời gian ON OFF khoá S thay đổi cách tự động Khi dòng tải giảm đến giá trị giới hạn , khóa S kích dẫn (ON), tải nối với nguồn dòng tăng lên Khi dòng tải tăng đến giá trị max đặt trước, khóa S kích tắt (OFF) tải ngắt khỏi nguồn Sai lệch giới hạn dòng dợn sóng dòng Dợn sóng dòng nhỏ, tần số đóng ngắt S tăng cao Lợi điểm phương pháp điều khiển trực tiếp dòng tải, thiết kế để tránh tượng dòng gián đoạn 73 Việc giải tích hoạt động mạch hình 4.1 dựa giả thiết sau: - Mạch lọc L-C dùng để giảm nhấp nhô áp dòng ngõ vào BBĐAMC Nếu giả thiết bỏ qua tổn hao mạch lọc tụ C đủ lớn, điện áp ngõ vào BBĐAMC giả thiết không đổi V - Tuỳ thuộc điện cảm mạch phần ứng tần số hoạt động BBĐAMC, dòng qua tải chế độ liên tục gián đoạn Tuy nhiên, với linh kiện bán dẫn nay, BBĐAMC hoạt động tần số đủ cao để dòng tải liên tục chế độ hoạt động bình thường Chế độ dòng gián đoạn lúc xảy giai đoạn độ Do đó, khảo sát chế độ xác lập tiến hành đây, giả thiết dòng tải liên tục V Iư2 Iư1 (c) Dòng iư liên tục V E (d) Dòng iư gián đoạn (b) : Sơ đồ tương đương Hình 4.2 Trong khoảng S dẫn (0≤ t ≤ γT), ta có phương trình biểu diễn mạch phần ứng: di Rưiư + Lư + E = V dt Trong khoảng S tắt (γT ≤ t ≤ T), ta có phương trình biểu diễn mạch phần ứng: di Rưiư + Lư + E = dt ' Trong đó: t’ = t - γT (4-2) (4-3) 74 Giải hệ phương trình vi phân với lưu ý chế độ xác lập, giá trị iư cuối trình khoá S dẫn giá trị iư thời điểm bắt đầu trình S tắt, ta tính biểu thức iư(t) Từ , suy dòng Iư1 Iư2 hình 3.1 tính theo biểu thức: V ⎛ e γT / τ ö − ⎞ E ⎟− ⎜ Iö1 = (4-4) R ö ⎜⎝ e T / τ ö − ⎟⎠ R ö ⎛ − e −γT / τ ö ⎜⎜ −T / τ ⎝ 1− e Trong đó: L τư = ö Rö Iö2 = V Rö ⎞ E ⎟⎟ − ⎠ Rư Dợn sóng dòng điện ∆iư tính công thức sau: I − I ư1 V ⎛⎜ + e T / τ ö − e γT / τ ö − e (1− γ ) T / τ ö ⎞⎟ ∆iö = ö = ⎟ R ö ⎜⎝ e T / τö − ⎠ Nếu tỉ số (4-5) (4-6) L f T bé, nghóa T1, f sw tần số đóng ngắt Rư τư khoá S, biểu thức (4-6) tính gần đúng: I − I ö1 V ∆iö = ö = γ (1-γ) 2 fsw L (4-7) Độ dợn sóng dòng đạt cực đại γ = 0,5, đó: V ∆iưmax = 8fsw L (4-8) Điện áp trung bình ngõ giảm áp tính theo công thức: γT T 1 Vd = ∫ v d dt = ∫ v d dt = γV T0 T Trong đó: t - γ = on : hệ số điều chỉnh T - V: điện áp nguồn DC cung cấp cho BBĐAMC (4-9) (4-10) Bằng cách điều khiển γ khoảng 0Ỉ1, điện áp tải biến thiên khoảng 0ỈV Dòng phần ứng trung bình: γV − E Iư = Rư (4-11) Từ dạng sóng dòng hình 4.2, vấn đề quan trọng sau cần lưu ý thiết kế sử dụng BBĐAMC: Dòng nguồn có dạng xung, đó, gây dao động lưới điện cung cấp biên độ xung dòng lớn 75 Dạng sóng ngõ vào BBĐAMC phân tích thành thành phần DC thành phần dòng hài Hài sóng hài dòng có tần số tần số đóng ngắt BBĐAMC Sóng hài dòng gây nhiễu thiết bị sử dụng chung nguồn điện lưới với BBĐAMC sinh xạ nhiễu điện từ Do đó, mạch lọc L-C thường sử dụng ngõ vào BBĐAMC để hạn chế sóng hài sinh lưới cung cấp cho BBĐAMC Tần số đóng ngắt BBĐAMC cao, mạch lọc cần thiết nhỏ Do nên cho BBĐAMC làm việc với tần số đóng ngắt cao Điện áp cung cấp cho tải có dạng xung đó, bao gồm thành phần DC hài bậc cao có tần số bội tần tần số đóng ngắt BBĐAMC II Bộ tăng áp Bộ BBĐAMC kiểu tăng áp (BBĐAMC lớp B) sử dụng để cung cấp cho tải DC chế độ hãm tái sinh Sơ đồ tương đương hệ thống trình bày hình 4.3(a), dạng sóng điện áp dòng tải hình 4.3(b) Mạch lọc L-C hình 4.3(a) có tác dụng lọc nhấp nhô điện áp dòng nguồn Tụ C, ngòai ra, có tác dụng tạo đường dẫn cho dòng phần ứng khoảng thời gian khóa S tắt, tránh xung áp gây thay đổi đột ngột dòng điện qua L Do đó, tụ C làm tăng thêm lượng trả lưới (regenerated power) giảm xung áp độ đặt lên S đóng ngắt Chế độ dòng liên tục Chế độ dòng gián đoạn (a) Sơ đồ nguyên lý hệ thống (b) Dạng sóng dòng , áp ngõ BBĐAMC Hình 4.3: Hệ thống Bộ tăng áp - Tải DC kích từ độc lập làm việc chế độ hãm tái sinh 76 Phương trình vi phân biểu diễn hoạt động hệ: - Trong khoảng trữ lượng (0 ≤ t ≤ γT): Khóa S dẫn, dòng phần ứng chạy qua S: di Rö iö + Lö ö = E (4-12) dt iư (0) = Iư1 - Trong khoảng trả lượng lưới (γT ≤ t ≤ T): Khóa S tắt, dòng phần ứng chạy nguồn: di Rư iö + Lö ö + V = E (4-13) dt iư (γT) = Iư2 Vì tải lúc hoạt động máy phát: Vd = E - Rư Iư Điện áp trung bình đặt lên tải - xem hình 4.3(b): Vd = (1- γ)V Từ (4-14) (4-15) suy ra: E − (1 − γ )V Iö = Rö (4-14) (4-15) (4-16) Lưu ý dòng phần ứng lúc có chiều ngược lại so với chiều dòng chế độ tải Công suất trả lưới: T Ph = ∫ V iö dt T γT V2 Ph = Rö ⎡⎛ E τ ö ⎛ e (1− γ ) T / τ ö + e γT / τ ö − e T / τ ö − ⎞⎤ ⎞ ⎜ ⎟⎟⎥ ⎢⎜ − 1⎟(1 − γ ) + T ⎜⎝ − e T / τö ⎠ ⎢⎣⎝ V ⎠⎥⎦ (4-17) III HỆ THỐNG BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LÀM VIỆC HOẠT ĐỘNG Ở NHIỀU GÓC PHẦN TƯ Trong mục khảo sát hệ thống BĐAMC hoạt động phần tư I II, hệ thống hoạt động phần tư I IV, hệ thống hoạt động phần tư mặt phẳng điện Bộ đảo dòng Bộ đảo dòng có sơ đồ nguyên lý hình 4.4(a) sử dụng Khóa bán dẫn S1 diode D1 tạo thành mạch BBĐAMC, S2 D2 tạo thành mạch BBĐAMC khác S1 S2 điều khiển đóng cắt ngược pha nhau, S1 kích dẫn khoảng ≤ t ≤ γT, S2 kích dẫn khoảng γT ≤ t ≤ T Dạng sóng tính hiệu điều khiển dòng áp ngõ trình bày hình 4.4(b) Một số đặc điểm sau cần lưu ý để hiểu hoạt động mạch: - Trong mạch không xảy tượng dòng gián đoạn , tần số hoạt động - Dòng iư is dẫn theo hai chiều Do đó, khoảng ≤ t ≤ γT, tải nối với nguồn qua S1 D2 Như vậy, khoảng thời gian này, điện áp đặt lên tải V 77 tốc độ biến thiên dòng iư dương V>E Tương tự, khoảng thời gian γT ≤ t ≤ T, tải ngắn mạch qua D1 S2 Tương ứng, điện áp tải tốc độ biến thiên dòng id âm Điều giải thích dạng sóng trình bày hình 4.4(b) Từ dạng sóng điện áp đặt lên tải hình 4.4(b), tính điện áp trung bình tải: Vd = γV Từ đây, suy ra: γV − E Iư = Rư (4-18) Công thức (4-18) cho thấy tải làm việc chế độ tải (Iư > 0) γ > (E/V), chế độ hãm tái sinh γ < (E/V) Điểm làm việc không tải xảy γ = (E/V) Với giá trị cho trùc γ, độ dợn sóng dòng tính theo công thức (4-6) (4-7) Công thức cho thấy độ dợn sóng dòng không phụ thuộc vào giá trị tốc độ tải Với giá trị γ cho trước, thay đổi điện áp tải dẫn đến thay đổi dòng trung bình độ dợn sóng dòng giữ nguyên (a) Sơ đồ nguyên lý 78 (b) Dạng sóng - Khoảng dẫn linh kiện Hình 4.4: Bộ đảo dòng Bộ đảo áp Bộ đảo áp có cấu mạch hình 4.5 dùng Có nhiều cách điều khiển BBĐAMC hình 4.5 Sau khảo sát phương pháp điều khiển thường sử dụng Quy luật điều khiển khóa bán dẫn S1 S2 theo phương pháp sau: - S1 S2 kích dẫn lệch pha khoảng thời gian T - Chu kỳ đóng tắt khoá bán dẫn 2T - Mỗi khóa bán dẫn , S1 S2, kích dẫn khoảng 2γT Do đó, hình 4.6, S1 kích dẫn t = kích tắt t = 2γT, S2 kích dẫn t = T kích tắt t = T + 2γT Đồ thị điện áp dòng điện ngõ BBĐAMC trình bày hình 4.6, đồng thời khoảng dẫn điện cuả linh kiện mạch trình bày tương ứng Hình 4.5: Bộ đảo áp 79 (a) Chế độ 0,5 |V| Phương pháp điều khiển có mạch điều khiển đơn giản cách trình bày 84 ... thời Do đó, điện áp ngõ BBĐAMC +V 0, điện áp trung bình ngõ Vd >0 Hệ thống lúc hoạt động góc phần tư I - Với < γ < 0,5, S1 S2 dẫn đồng thời Do đó, điện áp ngõ BBĐAMC -V 0, điện áp trung bình... thức (4-19) dùng để tính điện áp trung bình ngõ BBĐAMC lớp D dải biến thiên γ từ 0Ỉ1 Dòng phần ứng trung bình : V −E V( γ − 0,5) − E = Iö = d Rö Rö (4-20) Bộ biến đổi áp chiều tổng quát Hệ thống... 2γT Đồ thị điện áp dòng điện ngõ BBĐAMC trình bày hình 4.6, đồng thời khoảng dẫn điện cuả linh kiện mạch trình bày tương ứng Hình 4.5: Bộ đảo áp 79 (a) Chế độ 0,5