Chương 4: NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ SẠC ĐIỆN CHO XE ĐIỆN, BỘ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP TRẠM SẠC ĐIỆN XE ĐIỆN
4.1 Nghiên cứu thiết kế hệ thống quản lý và bộ chuyển đổi điện áp trạm sạc điện xe điện
4.1.3 Nguyên Lý Làm Việc
Hình 4. 2: Nguyên lý kích điện 1 bước Nguyên lý làm việc của kích điện
Hình 4. 3: Nguyên lý làm việc của bộ chuyển đổi điện áp Dưới đây liệt kê một số nguyên lý cơ bản của kích điện dân dụng:
Biến đổi một bước từ điện một chiều sang điện xoay chiều 220V thông qua các transitor công suất và một biến áp sắt từ ở tần số 50 Hz (bước biến đổi DC-AC).
Biến đổi hai bước: từ điện một chiều ắc quy ở mức thấp (12, 24Vdc) sang điện một chiều ở mức điện áp cao (khoảng 300Vdc) thông qua mạch dao động tần số cao và biến áp xung (bước biến đổi DC-DC), rồi từ điện một chiều (lúc này có điện thế cao) dao động thành điện xoay chiều 220Vac (tức bước biến đổi DC-AC).
Tuỳ loại nguyên lý mà kích điện được tạm phân ra thành hai loại: Loại biến đổi một bước và loại biến đổi hai bước – thường gọi là kích “điện tử”.
Hình bên giải thích phần nguyên lý của kích điện biến đổi một bước. Nếu nhớ lại kiến thức vật lý một chút thì bạn sẽ thấy rằng muốn tăng điện thế thì cần phải có cuộn biến áp, và biến áp lại chỉ hoạt động với dòng điện xoay chiều. Vậy để biến đổi thành dòng điện xoay chiều thì có thể dùng một công tắc như hình bên phải (phía trên)
và một biến áp: Khi chuyển đổi nhanh và liên tục công tắc sang các vị trí lên và xuống, ta sẽ có dòng điện lần lượt chạy vào nửa cuộn dây sơ cấp biến áp, tại cuộn thứ cấp (ghi chữ output) sẽ có điện áp xoay chiều có tần số tương ứng với tần suất chuyển mạch.
Tất nhiên chẳng ai lại dùng tay để vận hành kích điện một cách liên tục như vậy nên người ta đã sử dụng các linh kiện điện tử để thay cho việc chuyển mạch này. Bạn xem hình phía dưới sẽ thấy dạng mạch cho các kích điện thông dụng đang được bán trên thị trường hiện nay.
Loại kích điện một bước thường được biết đến khá lâu trước đây (tôi thấy trong các cuốn sách điện tử tại Miền Nam xuất bản những năm 197x đã thấy các mạch điện tương tự).
Đối với loại kích “điện tử” – tức là loại biến đổi hai bước thì sao? Mạch điện cấp thứ nhất cũng có nguyên lý giống như hình bên, nhưng thay vì hoạt động ở tần số 50 Hz đòi hỏi biến áp phải có kích thước lớn – thì kích loại này sử dụng tần số cao hơn nhiều lần để có thể sử dụng loại biến áp xung có kích thước nhỏ gọn hơn. Sau khi biến đổi thành điện áp xoay chiều ở điện áp và tần số cao, lúc này do các thiết bị điện sử dụng tần số 50 Hz nên kích điện tử phải biến điện áp xoay chiều này thành điện áp một chiều, sau đó biến đổi thành điện áp xoay chiều có tần số 50 Hz. Mạch biến đổi một chiều thành xoay chiều ở cấp tiếp theo này không cần sử dụng biến áp nữa bởi không cần tăng thêm điện thế, mà chỉ cần dùng các linh kiện điện tử thay đổi chiều đi qua tải của dòng điện đầu ra (ví dụ đơn giản như thế này: Bạn có một ắc quy, muốn cấp dòng xoay chiều qua một cái bóng đèn thì có thể nối hai cực ắc quy đó vào bóng đèn, rồi ngắt dây ra đổi ngược lại cực ắc quy, rồi lại đổi xuôi, đổi ngược cứ thế trong thời gian cực nhanh, bạn sẽ tạo ra một dòng điện xoay chiều đi qua bóng đèn).
Các kích điện kiểu điện tử luôn có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn nhiêu lần so với các kích điện còn lại nếu cùng công suất. kích điện 1 bước từ DC sang AC:
Biến đổi một bước từ điện một chiều sang điện xoaychiều 220V thông qua các transitor công suất và mộtbiến áp sắt từ ở tần số 50 Hz (bước biến đổi DC-AC).
Biến đổi hai bước: từ điện một chiều ắc quy ở mức thấp (12, 24Vdc) sang điện một chiều ở mức điện áp cao (khoảng 300Vdc) thông qua mạch dao động tần số caovà biến áp xung (bước biến đổi DC-DC), rồi từ điện mộtchiều (lúc này có điện thế cao) dao động thành điện xoaychiều 220Vac (tức bước biến đổi DC-AC).
Hình 4. 4: Sơ đồ dạng sóng ra của bộ kích điện Hình 3. 7: Sơ đồ dạng sóng ra của bộ kích điện
Trong hình thì dạng song màu xanh là “sin chuẩn” còn màu vàng là dạng xung vuông, màu đỏ là mô phỏng theo sóng sin.
Nhiều hãng bán kích điện đã quảng cáo về sản phẩm của mình là đầu ra dạng
“sin chuẩn”, tuy nhiên hãy cảnh giác với các quảng cáo này. Để có được điện áp ra đúng dạng sin chuẩn thì trong mạch điện của kích điện phải có một bộ tạo ra sóng sin, sau đó khuếch đại sóng này lên với công suất lớn, kết hợp với biến áp (sắt từ) để chuyển thành điện xoay chiều 220Vac. Về nguyên lý thì cách này là hoàn toàn có thể thực hiện được, nhưng trong thực tế thì người ta không áp dụng, bởi chúng làm tổn hao nhiều công suất cho cái hình sin đẹp đẽ ấy – dẫn đến hiệu suất của bộ kích điện là rất thấp. Nguyên lý này hoạt động giống như một bộ amply công suất lớn: khuếch đại một tín hiệu âm thanh đúng hình sin 50 Hz (được tạo ra bởi một mạch nào đó) trở thành công suất lớn đến mức có thể chạy quạt, xem ti vi….! Bạn nào thích chơi âm thanh sẽ nhận thấy rằng điều đó là không thể – bởi với một amply thông thường khuếch đại âm bass (tần số gần với tần số 50 Hz của lưới điện) cho các cặp loa trầm với công suất vài chục w thì đã toả ra một lượng nhiệt khá nhiều. Nguyên nhân điều này bởi vì nếu như chỉ ở trạng thái “đóng” (không cho dòng đi qua) và “mở” (cho dòng đi qua hoàn toàn theo khả năng của transistor đó) thì công suất tổn hao trên các transistor này là thấp, còn ở trạng thái mở một phần (biến thiên để cho được ra dạng hình sin) thì transistor sẽ toả ra nhiều nhiệt – đồng nghĩa với hiệu suất sử dụng điện là thấp. Bạn có chấp nhận sử dụng một kích điện với hiệu suất chưa đến 50% chỉ để ra được dạng sóng đẹp hay không? Chắc là không nếu như bạn không muốn mua thật nhiều ắc quy dành cho những tổn thất ấy – chính vì vậy mà người ta thường không chế tạo các kích điện sin chuẩn.
Vậy các kích điện bán trên thị trường sẽ không cho ra được dạng điện hình sin?
không hẳn, nếu không tạo ra sin chuẩn đẹp thì vẫn có thể tạo ra được dạng gần giống với dạng sin chuẩn tức là mô phỏng theo dạng hình sin. Tuỳ từng loại kích điện mà người ta sử dụng cách thức nào để tạo ra dạng “mô phỏng sin” khác nhau. Đơn giản nhất là dạng sóng màu đỏ như ở hình ảnh phía trên, phức tạp hơn là sử dụng các cuộn cảm, tụ điện thành một mạch để “lấy chỗ nọ, bù chỗ kia” cho dạng sóng vuông để tạo ra dạng điện áp đầu ra trơn chu hơn và có xu hướng ngả theo dạng sóng hình sin.
Ngoài ra kích điện loại điện tử còn có thể cho phép dạng sóng đầu ra phức tạp hơn: tạo ra dạng sóng bậc có biên độ khác nhau theo dạng hình sin (bạn xem dạng hình răng cưa trong hình minh hoạ bên phải). Và thường là với dạng mô phỏng sin dạng răng cưa như vậy thì kích điện mới đạt hiệu suất khoảng 70% trở lên (lưu ý rằng với hiệu suất khoảng 85% là lý tưởng với kích điện).