2.1 Bộ biến đổi chỉnh lưu
2.1.1 Chỉnh lưu không điều khiển
Chỉnh lưu một pha
Bộ chỉnh lưu một pha được chia thành hai loại: chỉnh lưu một pha nửa sóng và chỉnh lưu một pha cả sóng. Để đơn giản, ta coi các diode là lý tưởng, có nghĩa chúng có điện áp thuận bằng không thời gian phục hồi tính ngược cũng bằng không. Giả thiết này thông thường phù hợp với các trường hợp chỉnh lưu diode cho các nguồn xoay chiều tần số thấp và điện áp thuận rất nhỏ so với biên độ điện áp nguồn. Hơn nữa, giả thiết này cũng có nghĩa tải mang tính chất thuần điện trở và dạng sóng dòng và áp trên tải là tương tự.
Chỉnh lưu một pha nửa sóng
Sơ đồ chỉnh lưu một pha đơn giản nhất thể hiện trong hình 2-1, sử dụng duy nhất một diode, được cấp điện từ cuộn thứ cấp của máy biến áp xoay chiều. Trong nửa sóng dương diode dẫn, nửa sóng âm diode không dẫn.
Hình 2-1: Sơ đồ và dạng sóng chỉnh lưu một pha nửa sóng
Theo đồ thị dạng sóng điện áp, biên độ điện áp ngược (peak inverse voltage - PIV) trên diode là Vm trong nửa sóng âm. Từ đó VRRM của
diode phải được chọn lớn hơn Vm để tránh bị đánh thủng. Trong nửa chu kỳ dẫn, dòng điện thuận IF của diode chính là dòng điện qua tải nên IFRM phải được chọn lớn hơn dòng điện lớn nhất của tải.
Bên cạnh đó, dây quấn thứ cấp máy biến áp chịu dòng điện một chiều,cú thể gõy nờn hiện tượng quỏ bóo hũa trong lừi thộp
Chỉnh lưu một pha cả sóng
Có hai loại chỉnh lưu một pha cả sóng: chỉnh lưu với cuộn thứ cấp máy biến áp có điểm giữa và chỉnh lưu cầu. Nguyên lý chỉnh lưu với điểm giữa cuộn thứ cấp máy biến áp được thể hiện trên hình 2-2. Từ sơ đồ có thể thấy mỗi diode nối với cuộn thứ cấp máy biến áp làm việc như một mạch chỉnh lưu nửa sóng. Đầu ra của hai mạch chỉnh lưu này kết hợp với nhau tạo thành mạch chỉnh lưu cả sóng cho tải. Hơn nữa dòng điện một chiều trong hai nửa chu kỳ bằng nhau và ngược chiều trên cuộn thứ cấp không gây nên cỏc vấn đề liờn quan đến bóo hũa từ trong lừi thộp. Dạng súng của điện ỏp và dòng điện chỉnh lưu cả sóng trong hình 2-2. Theo đồ thị điện áp trên các diode vD1 và vD2, biên độ điện áp ngược trên mỗi diode là 2Vm. Do đó điện áp ngược cực đại lặp lại của diode VRRM phải được chọn lớn hơn 2Vm để tránh bị đánh thủng. Lưu ý, chỉnh lưu một pha cả sóng có điện áp một chiều gấp đôi trường hợp chỉnh lưu nửa sóng. Khi dẫn, mỗi diode chịu dòng điện thuận bằng dòng điện tải, do đó IFRM phải được chọn lớn hơn biên độ dòng điện tải, Vm / R.
Hình 2-2: Sơ đồ chỉnh lưu một pha cả sóng, cuộn thứ cấp có điểm giữa Chỉnh lưu một pha cả sóng mạch cầu sử dụng 4 diode và không có điểm giữa của cuộn thứ cấp máy biến áp như trên hình 2-3. Trong nửa chu kỳ dương của cuộn thứ cấp, dòng điện chạy qua các diode D1 và D2. Nửa chu kỳ âm, D3 và D4 được dẫn điện. Dạng sóng dòng, áp của chỉnh lưu cầu được thể hiện trên hình 2-3. Giống như trường hợp chỉnh lưu cả sóng có điểm giữa máy biến áp, dòng điện thuận cực đại IFRM mỗi diode cần phải chọn cao hơn biên độ dòng điện tải Vm / R. Và biên độ điện áp ngược trên mỗi diode giảm từ 2Vm xuống còn Vm trong thời điểm không dẫn.
Hình 2-3: Sơ đồ chỉnh lưu một pha cả sóng mạch cầu
Chỉnh lưu ba pha
Các bộ chỉnh lưu một pha chỉ được áp dụng khi công suất nhỏ, đối với các tải công suất lớn hơn 15kW phải sử dụng các bộ chỉnh lưu ba pha hoặc nhiều pha. Bộ chỉnh lưu ba pha có hai loại: chỉnh lưu tia và chỉnh lưu cầu.
Chỉnh lưu tia ba pha
Chỉnh lưu tia ba pha cơ bản
Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha cơ bản được vẽ trên hình 2-4, có thể thấy rằng sơ đồ này tương đương với 3 sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa sóng làm việc cùng nhau. Trong một số trường hợp còn được gọi là chỉnh lưu ba pha nửa sóng.
Diode trên mỗi pha dẫn khi điện áp trên pha có diode cao hơn hai pha còn lại.
Dạng sóng điện áp mỗi pha và trên tải được thể hiện trong hình 2-4.
Không giống như trong chỉnh lưu một pha góc dẫn mỗi diode là π, ở đây góc dẫn chỉ là 2π/3.
Hình 2.4: Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha cơ bản Chỉnh lưu tia ba pha với cuộn thứ cấp có điểm giữa
Hiện tượng quỏ bóo hũa từ trong lừi thộp mỏy biến ỏp đối với chỉnh lưu tia ba pha có thể được khắc phục bằng cách bố trí dây quấn đặc biệt của cuộn thứ cấp, được biết đến là cách nối dây zic-zắc. Chỉnh lưu loại này được gọi là sơ đồ chỉnh lưu ba pha có điểm giữa hoặc sơ đồ chỉnh lưu zíc-zắc, như trong hình dưới đây. Mỗi dây quấn thứ cấp được chia làm 2 phần lệch nhau π / 3 nối tiếp, như vậy từ trường do dòng điện một chiều trên hai phần dây quấn thứ cấp trong mọi thời điểm bằng nhau và ngược chiều. Với việc bố trí thêm trên cuộn thứ cấp (nâng hệ số yêu cầu công suất từ 1.51 lên 1.74 VA/W), sơ đồ này hạn chế ảnh hưởng hiện tượng bóo hũa trong lừi thộp và hạ hệ số yờu cầu cụng cuộn sơ cấp xuống mức thấp nhất 1.05 VA/W. Ngoài thông số hệ số yêu cầu công suất, tất cả các thông số chỉnh lưu của sơ đồ này giống như đối với chỉnh lưu tia ba pha (do đó không được liệt kê trong bảng tổng hợp chỉnh lưu ba pha). Hơn nữa đối với cách nối dây sơ cấp hình sao không dùng trunh tính được cho phép do tổng dòng điện các pha mọi thời điểm luôn bằng không.
Hình 2-5: Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha với cuộn thứ cấp có điểm giữa Chỉnh lưu tia ba pha kép với biến áp nối giữa các trung tính
Sơ đồ chỉnh lưu loại này chủ yếu kết cấu từ hai mạch chỉnh lưu tia ba pha, trong đó các điểm trung tính, của hai cụm ba pha thứ cấp nối Y, được liên kết thông qua một máy biến áp hoặc cuộn điện kháng (hình 2-5). Cực tính của hai cụm dây quấn nối Y ngược nhau, do đó nếu điện áp chỉnh lưu của một cụm đạt cực tiểu thì điện áp chỉnh lưu của cụm kia đạt cực đại như trong hình 2-5. Với cấu trúc và hoạt động của chỉnh lưu loại này, điện áp chỉnh lưu vL là trung bình của hai bộ chỉnh lưu v1 và v2.
Thêm đó, tần số gợn của sóng của điện áp đầu ra bằng 6 lần tần số nguồn xoay chiều và dung lượng bộ lọc (nếu cần) sẽ nhỏ hơn. Trong sơ đồ, dòng điện trong hai cụm ba pha ngược chiều nhau, do đó các ảnh hưởng của từ trường dòng điện một chiều bị loại bỏ. Sự đối xứng của dòng điện thứ cấp, dòng điện sơ cấp cũng có tổng các pha luôn bằng không, do đó dây quấn sơ cấp không cần nối trung tính.
Hình 2-6: Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha kép với biến áp nối các điểm trung tính Chỉnh lưu cầu ba pha
Chỉnh lưu cầu ba pha thường được sử dụng khi có yêu cầu công suất cao do khả năng tận dụng cao nhất công suất máy biến áp. Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha được trình bày trong hình 2-7. Các diode được đánh số sao cho chúng tuần tự được dẫn trong mỗi góc 2π/3.
Hình 2-7: Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha Trình tự dẫn của các diode: 12, 23, 34, 45, 56, 61…
Dạng sóng điện áp và dòng điện được trình bày trên hình 2-7, trong đó điện áp dây gấp 1,73 lần điện áp pha.
Ở đây cho phép sử dụng bất cứ cách nối (Y/Δ) cho dây quấn sơ cấp và thứ cấp do dòng điện trong cuộn thứ cấp đối xứng.
2.1.2 Chỉnh lưu điều khiển
Chỉnh lưu một pha, ba pha không điều khiển, được trình bày ở trên, không cho phép điều khiển điện năng được biến đổi từ xoay chiều (ac) thành một chiều (dc). Khả năng biến đổi điện năng này có thể thực hiện được nhờ sử dụng các thyristor công suất trong mạch chỉnh lưu. Ở đây ta có hai loại cơ bản của chỉnh lưu điều khiển là: chỉnh lưu một pha điều khiển và chỉnh lưu ba
pha điều khiển. Cả hai dạng chỉnh lưu điều khiển đều được áp dụng trong phần lớn các thiết bị điện.
Chỉnh lưu một pha điều khiển
Chỉnh lưu một pha điều khiển ngày càng được phạm vi ứng dụng rộng lớn.
chỉnh lưu một pha điều khiển có thể phân chia thành hai nhóm lớn:
(i) Các cấu trúc hoạt động với tần số chuyển mạch thấp, còn được biết với cái tên chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch tuần tự.
(ii) Những sơ đồ mạch làm việc với tần số cao, còn được gọi điều chỉnh hệ số công suất (power factor corrector - PFC).
Chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch tuần tự Chỉnh lưu một pha nửa sóng
Sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa sóng điều khiển sử dụng một thyristor để điều chỉnh điện áp cấp cho tải được trình bày trên hình 2-8.
Hình 2-8: Chỉnh lưu một pha nửa sóng điều khiển
Thyristor sẽ dẫn khi điện áp vAK dương và có xung dòng điện iG đặt vào cực điều khiển. Điều chỉnh giá trị điện áp đầu ra cấp cho tải được thực hiện bằng cách thay đổi góc điều khiển α của xung dòng iG. Góc điều khiển α được tính từ thời điểm có điện áp vAK > 0 (chuyển mạch tự nhiên). Trong trường hợp trên hình 2-8, góc α được tính từ vị trí bắt đầu cấp điện đầu vào vs. Cùng trên hình chúng ta thấy dạng sóng của dòng điện id hoàn toàn trùng khớp với dạng sóng điện áp vL. Trong chế độ tải điện trở, thyristor chuyển sang điều kiện không dẫn, trạng thái ngắt, khi điện áp của tải và do đó dòng điện đạt giá trị âm.
Điện áp đầu ra được tính theo biểu thức:
) cos 1 2 ( .
2 sin
1 α
π π
π
α = ∫ m = m +
d
dx V x V
v (3-1)
Trong đó Vm – biên độ điện áp nguồn xoay chiều
Trong hình 2-9a, vẽ sơ đồ mạch chỉnh lưu một pha nửa sóng điều khiển với tải R-L và dạng sóng điện áp
(a)
(b)
Hình 2-9: Chỉnh lưu một pha nửa sóng điều khiển với tải a) tải thụ động RL b) tải có nguồn
Khi Thyristor mở (dẫn điện) điện áp rơi trên điện cảm:
dt Ldi v
v
vL = s − R = d (3-2)
Trong đó vR – điện áp rơi trên điện trở, vR = Ri.d
Nếu vs – vR > 0, từ công thức 3-2 có thể thấy dòng điện tải tăng, trường hợp ngược lại dòng điện tải giảm khi vs – vR < 0.
Dòng điện có thể được xác định theo:
∫
= t L
d v dx
t L
i ω
ω α
ω 1
)
( (3-3)
Từ biểu thức 3-3, giải theo phương pháp đồ thị ta có thể thấy rằng dòng điện id = 0 khi diện tích phần A1 và A2 bằng nhau (vs = vR) điều này cho thấy thyristor vẫn dẫn điện mặc dù vs < 0 (do có điện áp trên L).
Khi tải gồm điện cảm và nguồn áp (điện cảm tích cực) được nối với bộ chỉnh lưu, như trình bày trên hình 2-9b. Thyristor sẽ mở khi có xung dòng iG
vào cực điều khiển khi vs > Ed. Tương tự như trương hợp R-L, Thyristor vẫn
giữ nguyên trạng thái dẫn cho đến khi A1 = A2. Khi Thyristor tắt (khóa) điện áp trên tải vd = Ed.
Chỉnh lưu hai pha nửa sóng
Sơ đồ trên hình 2-10, sử dụng điểm giữa cuộn thứ cấp máy biến áp chia điện áp thứ cấp thành v1 và v2. Các điện áp này lệch pha 180o, và nhận điểm giữa làm điểm trung tính. Dòng điện qua các thyristor T1 và T2 vào lúc điện áp tương ứng v1 và v2 dương, khép mạch qua tải và trở về điểm trung tính.
Hình 2-10: Chỉnh lưu hai pha nửa sóng có điều khiển tải R
Như trên sơ đồ trong hình 2-10, Thyristor T1 có thể được bật trong toàn bộ thời gian khi v1 > 0, xung điều khiển trễ một góc α quyết định thời điểm bật T1. Trạng thái bật của mỗi Thyristor được thể hiện trên đồ thị hình 2-10.
Các van tiếp tục dẫn trong chu kỳ của mình cho đến khi điện áp ngược xuất hiện trên van.
Giá trị điện áp trên tải được tính theo biểu thức )
cos 1 ( .
1 sin
π α π
π
α = α∫ m = m +
di
dx V x V
v (3-4)
Dòng điện xoay chiều is bằng iT1(N2/N1) khi T1 dẫn và iT2(N2/N1) khi T2
dẫn, trong đó N2/N1 là tỉ số vòng dây cuộn thứ cấp và sơ cấp.
Ảnh hưởng của hệ số thời gian tải liên tục TL = L / R với tải bình thường đối với độ gợn sóng id(t)/∧iR(t)/iR khi góc mở α = 0o được thể hiện trên hình 2-11. Độ gợn sóng của dòng tải giảm khi hệ số thời gian tải liên tục tăng, và nếu L → ∞, dòng điện được lọc phẳng hoàn toàn.
Hình 2-11: Ảnh hưởng của hằng số thời gian tải liên tục Chỉnh lưu cầu một pha
Điều khiển chỉnh lưu cầu một pha có hai phương án: điều khiển sử dụng 4 Thyristor (hình 2-12a) và bán điều khiển (điều khiển một phần) sử dụng 2 Thyristor và 2 Diode (hình 2-12b).
(a) (b)
Hình 2-12: Chỉnh lưu cầu một pha a) điều khiển b) bán điều khiển Dạng sóng điện áp và dòng điện của chỉnh lưu cầu điều khiển với tải điện trở R được vẽ trên hình 2-13. Các van T1 và T2 phải được mở đồng thời trong nửa sóng dương của điện áp vs, dẫn dòng. Tương tự, các van T3, T4 cũng được mở đồng thời trong nửa sóng điện áp nguồn âm. Để đảm bảo tính đồng thời bật của các van T1 và T2 người ta dùng chung một dòng kích mở. Điện áp
trên tải tương tự như với trương hợp hai pha nửa sóng đã xét ở trên. Dòng điện xoay chiều:
4
1 T
T
s i i
i = − (3-5)
Hình 2-14 trình bày dạng sóng dòng và áp của trường hợp chỉnh lưu cầu một pha điều khiển với tải điện trở và điện cảm (L → ∞). Giá trị điện cảm lớn đảm bảo lọc phẳng hoàn toàn dòng điện chỉnh lưu tại tải cũng như dòng điện xuay chiều nguồn vào. Do dòng điện tải liên tục, các Thyristor T1, T2
vẫn giữ nguyên trạng thái mở mặc dù nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn vs
đã qua. Do nguyên nhân này, điện áp trên tải vd có thể có giá trị tức thời âm.
Việc bật các Thyristor T3, T4 mang lại 2 kết quả: Tắt các van T1, T2; sau khi chuyển mạch T3, T4 dẫn dòng điện tải.
Dòng điện xoay chiều nguồn có dạng xung vuông như trên hình 2-14, trong điều kiện dòng điện liên tục. Trường hợp đó điện áp trung bình trên tải:
π α π
π α
α α 2 cos
.
1 sin m
m di
dx V x V
v = ∫+ = (3-6)
Hình 2-13: Dạng sóng dòng, áp của chỉnh lưu cầu một pha điều khiển với tải R
Hình 2-14: Dạng sóng dòng, áp chỉnh lưu cầu một pha điều khiển với tải R-L (L→∞)
Chỉnh lưu nhân đôi điện áp PWM
Hình 2-15 so đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu nhân đôi điện áp bằng điều chỉnh độ rộng xung (PWM), sử dụng 2 transistors T1 and T2 và 2 tụ lọc C1 and C2. Các transistor được điều khiển bật tắt để điều khiển dạng sóng dòng điện nguồn theo điện áp đầu ra v0. Điện áp rơi trên các tụ điện VC1 and VC2 cần phải cao hơn biên độ điện áp nguồn vs để thực hiện được các thao tác điều khiển dòng điện nguồn.
Sơ đồ mạch tương đương của bộ chỉnh lưu khi transistor T1 bật, thể hiện trong hình 2-16. Khi đó điện áp trên cuộn cảm theo biểu thức:
0 )
( − 1 <
=
= s s C
L v t v
dt Ldi
v (3-28)
Biểu thức 3-28 có nghĩa trong trạng thái dẫn này, giá trị dòng điện is(t) giảm.
Hình 2-15: Chỉnh lưu nhân đôi điện áp: (a) sơ đồ mạch; (b) sơ đồ tương đương khi T1 bật; (c) sơ đồ tương đương khi T2 bật
Mặt khác, sơ đồ mạch tương đương khi transistor bật thể hiện trong hình2-15c, với biểu thức điện áp trên cuộn cảm:
0 )
( + 2 >
=
= s s C
L v t v
dt Ldi
v (3-29)
Rừ ràng, lỳc này giỏ trị dũng điện is(t) tăng.
Hình 2-16: Hệ thống điều khiển chỉnh lưu nhân đôi điện áp 2.2 Bộ biến đổi DC/DC
Các hệ thống điện tử hiện đại thường có yêu cầu: chất lượng cao, trọng lượng nhỏ, độ tin cậy và hiệu quả sử dụng năng lượng điện. Điều chỉnh công suất tuyến tính, phương pháp dựa trên qui tắc phân áp hoặc phân dòng tỏ ra không hiệu quả. Chúng hạn chế điện áp đầu ra luôn nhỏ hơn điện áp đầu vào, cũng như mật độ công suất nhỏ do phải làm việc với biến áp và bộ lọc tần số thấp (50 hoặc 60Hz). Tuy nhiên, điều chỉnh công suất tuyến tính có ưu điểm điện áp đầu ra có chất lượng cao và phạm vi ứng dụng chủ yếu ở các thiết bị
chuyển mạch van công suất giữa hai trạng thái bật (on) và tắt (off). Điều khiển loại này có tổn hao công suất nhỏ trong các trạng thái (điện áp rơi nhỏ ở trạng thái bật và dòng điện nhỏ (bằng không) ở trạng thái tắt). Điều chỉnh chuyển mạch có thể đạt được hiệu quả chuyển đổi năng lượng cao. Các linh kiện ĐTCS hiện đại có thể chuyển mạch việc với tần số cao. Với tần số làm việc càng cao, máy biến áp có kích thước và dung lượng nhỏ hơn cũng như các bộ lọc sẽ có yêu cầu thấp hơn về dung lượng. Bên cạnh đó các đặc tính động học của các bộ biến đổi cũng tăng theo sự tăng tần số làm việc.
Băng thông của vòng lặp điều khiển thông thường được xác định dựa trên tần số góc của các bộ lọc đầu ra, như vậy với tần số làm việc cao sẽ cho phép thực hiện được các cấu trúc điều khiển đáp ứng nhanh với những thay đổi dòng điện ở tải và nguồn.
Các bộ vi xử lý cao tần được sử dụng trong bộ biến đổi dc/dc. Các chức năng chủ yếu của bộ biến đổi dc/dc như sau:
Biến đổi điện áp một chiều đầu vào VS thành điện áp một chiều đầu ra VO;
Điều chỉnh điện áp một chiều đầu ra theo sự thay đổi của tải;
Giảm gợn sóng thành phần xoay chiều trong điện áp dc đầu ra ở mức yêu cầu;
Tạo sự cách li giữa nguồn và tải (không yêu cầu thường xuyên);
Chống nhiều điện từ (electromagnetic interference - EMI) cho hệ thống nguồn;
Đáp ứng những tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia về an toàn điện.
Bộ biến đổi một chiều được chi làm hai loại chính: bộ biến đổi xung cứng (bất biến) chuyển mạch với bộ điều chế độ rộng xung (PWM) và bộ biến đổi xung mềm (thay đổi được) với bộ điều chế độ rộng xung (PWM) và cộng hưởng. Các bộ biến đổi PWM có được sự phổ biến rộng rãi trong thời gian gần đây, đáp ứng yêu cầu biến đổi với nhiều mức công suất khác nhau từ nhỏ đến lớn. Các ưu điểm bao gồm: số lượng thành phần nhỏ, hiệu suất cao, tần số làm việc cố định, điều khiển đơn giản và khả năng tích hợp trong các sản phẩm, có tỉ lệ chuyển đổi cao cả ở hai phía tăng và giảm điện áp. Nhược điểm