CHƯƠNG 2: CÁC BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH CƠ BẢN VÀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG
3.4 Bộ biến đổi Cuk
Khảo sát ảnh hưởng của tần số đóng cắt của sơ đồ Cuk (hình 3.21) bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng PSIM với các thông số cụ thể như sau:
Điện áp Uin=100V
72
Điện trở của cuộn kháng RL1=0,1Ω; RL2=0,1Ω Tải thuần trở R=10Ω
Khoá chuyển mạch: Sử dụng Mosfet
Xét trường hợp D=Ton/T=0,5; coi xung mở van bán dẫn là xung vuông.
Hình 3 1.2 : Mạch mô phỏng sơ đồ Cuk bằng PSIM
3.4.1 Ảnh hưởng của tần số chuyển mạch tới chất lượng đầu ra
Mụ phỏng sơ đồ Cuk với: L1= 50àH; L2= 25àH; C1=30àF; C2=10àF cú kết quả như hình 3.22
Hình 3.22: Dạng điện áp đầu ra khi a) f=50kHz; b) f=100kHz
73
Để bộ nguồn làm việc ở chế độ liên tục, giá trị tới hạn của cuộn kháng là
f D
R Lgh D
. . 2
).
1 (
1
= − ;
f R L gh D
. 2
).
1 (
2
= −
Với D=0,5; R=10Ωvà f=100kHz
⇒ Lgh 50àH 100000
. 5 , 0 . 2
10 ).
5 , 0 1 (
1 − =
= ; Lgh 25àH
100000 .
2
10 ).
5 , 0 1 (
2 − =
=
L>Lgh thì bộ biến đổi sẽ hoạt động ở chế độ liên tục
Theo lý thuyết: U V
D
UO D in .100 100
5 , 0 1
5 , . 0
) 1
( =−
− −
− =
−
=
Hỡnh 3.22b, mụ phỏng với f=100kHz, L1=L1gh= 50àH; L2= L2gh=25àH, bộ nguồn làm việc ở chế độ liên tục, điện áp Uo=-98V phù hợp với tính toán lý thuyết là do mô phỏng với giả thiết RL1=RL2=0.1Ω (gây nên sụt áp trên cuộn kháng). Có thể giải thích điều này dựa trên hình 3.24.
Hỡnh 3.22a, f=50kHz, L1= 50àH < L1gh=100àH; L2= 25àH < L2gh=50àH, bộ nguồn làm việc ở chế độ không liên tục, khi đó điện áp Uo có giá trị lớn hơn so với lý thuyết về mặt độ lớn. Điều này được giải thích dựa trên hình 3.23. Chế độ không liên tục ở sơ đồ Cuk là chế độ mà dòng điện trên cuộn kháng L1 và L2 có một giá trị không đổi trong một khoảng thời gian cuối của chu kỳ.
Trong khoảng thời gian có Iin=IL1=IL2=IC1=Iconst (hằng số)
⇒ 1 = 2 = 1 1 = 2 2 =0 dt L di dt L di U
UL L L L
Khi van bán dẫn Mos cắt, quá trình phóng-nạp diễn ra giữa các cuộn kháng và tụ điện. Trường hợp L1 và L2 không đủ lớn, sau một thời gian phóng-nạp sẽ tạo ra sự cân bằng dòng điện trên L1, C1, L2, lúc này ID=0.
Dòng cân bằng Iconst có giá trị lớn hay nhỏ và kéo dài trong thời gian bao lâu phụ thuộc vào độ lớn của L1 và L2 (nếu coi D, f và R cố định).
74
Theo lý thuyết, giá trị đỉnh đỉnh của điện áp đầu ra: – 2
2
8 2
) 1 (
f L C
U Ur −D O
= ;
Với D=0.5; L2=25àH; C2=10àF và f=100kHz
⇒ 6 2
100000 .
000025 ,
0 . 10 . 10 . 8
100 ).
5 , 0 1 (
−
= −
Ur =2,5V
Giá trị đỉnh – đỉnh của điện áp trên tụ C1:
f R C
U
Ur D O
. . .
1 1 = Với C1=30àF ⇒
10000 .
10 . 10 . 30
100 . 5 , 0 .
. .
6 1
1 = = −
f R C
U
Ur D O =1,67V
Hình 3 3.2 : Đồ thị dạng sóng của các thông số cơ bản
5 L
với f= 0kHz; 1= 50àH; L2= 25àH; C1=30àF; C2=10àF.
75
Hình 3.24: Đồ thị dạng sóng của các thông số cơ bản L
với f=100kHz; = 50àH; L = 25àH; C =30àF; C =10àF.
76
Hình 3.25: Ảnh hưởng của tần số chuyển mạch tới a) điện áp đầu ra Uo; b) mức độ gợn sóng∆Uo
Trong đú: L2= 25àH; C1= 30àF; C2= 10àF
Từ kết quả mô phỏng ở hình 3.25 đồ thị quan hệ a, Uo=h(f), khi f nhỏ (dưới 15kHz) đồ thị đổi hướng là do khi đó tần số chuyển mạch quá nhỏ, năng lượng tích lũy trong cuộn kháng và tụ điện không đủ để duy trì sự phúng-nạp ổn định trong suốt cả chu kỳ. Khi L1=50àH và f<100kHz;
L1=10àH và f<200kHz, điện ỏp đầu ra cú trị số lớn hơn so với tớnh toỏn lý thuyết, là do bộ nguồn hoạt động ở chế độ không liên tục (đã giải thích ở hình 3.22a và hình 3.23). Khi bộ nguồn làm việc ở chế độ liên tục, điện áp đầu ra đạt giá trị như tính toán lý thuyết.
Đối với sơ đồ Cuk thì điện áp đầu ra bị đảo chiều so với đầu vào. Ở sơ đồ này, với tần số chuyển mạch nhỏ (bộ nguồn làm việc ở chế độ không liên tục) thì mức độ dao động của điện áp đầu ra là rất lớn, ∆Uo có thể lên tới hàng nghìn vôn (hình 3.25b).
3.4.2 Ảnh hưởng của L1 tới chất lượng đầu ra
Mụ phỏng với cỏc thụng số: L2=25àH; C1=30àF; C2=10àF ở tần số chuyển mạch 50kHz và 100kHz, thay đổi L1 có kết quả như hình 3.26:
77
Hình 3.26: Ảnh hưởng của L1 tới
a) điện áp đầu ra Uo; b) mức độ gợn sóng∆Uo
Từ hỡnh 3.26a cho thấy khi f=100kHz, L1 >50àH, bộ nguồn làm việc ở chế độ liên tục, điện áp đầu ra Uo≈ 100V theo như tính toán lý thuyết. Khi - f=50kHz, L1 =200àH cũng vẫn chưa đạt được điện ỏp đầu ra Uo theo như lý thuyết, là do ở tần số f=50kHz và L2=25àH thỡ L1 rất lớn cũng khụng đạt được chế độ liên tục. Với L1 nhỏ, bộ nguồn làm việc ở chế độ không liên tục (đã giải thích ở hình 3.22a và hình 3.23).
Hình 3.26b cho thấy khi L1 đủ lớn để bộ nguồn làm việc ở chế độ liên tục thì mức độ gợn sóng của điện áp đầu ra (∆Uo) không phụ thuộc vào L1.
Theo lý thuyết: 2
2 2. . .
8
).
1 (
f L C
U U D
UO r − O
=
=
∆ , không phụ thuộc vào L1.
3.4.3 Ảnh hưởng của L2tới chất lượng đầu ra
Mụ phỏng với cỏc thụng số: L1=50àH; C1= 30àF; C2= 10àF ở tần số chuyển mạch 50kHz và 100kHz, thay đổi L2 có kết quả như hình 3.27:
Hình 3.27: Ảnh hưởng của L2 tới
a) điện áp đầu ra Uo; b) mức độ gợn sóng∆Uo
78
Từ hỡnh 3.27a, cho thấy với f=100kHz và L2<25àH; f=50kHz và L2<50àH thỡ bộ nguồn làm việc ở chế độ khụng liờn tục, điện ỏp đầu ra Uo lớn hơn giá trị tính toán (về mặt trị số), điều này giải thích như hình 3.22a và hình 3.23.
Theo lý thuyết, 2
2 2. . .
8
).
1 (
f L C
U U D
UO r − O
=
=
∆ , khi f và L2 nhỏ thì mức độ gợn sóng đầu ra tăng. Kết quả mô phỏng ở hình 3.27b phù hợp so với lý thuyết.
3.4.4 Ảnh hưởng của tụ điện C1 tới chất lượng đầu ra
Mụ phỏng với cỏc thụng số: L1=50àH; L2=25àH; C2= 10àF ở tần số chuyển mạch 50kHz và 100kHz, thay đổi C1 có kết quả như hình 3.28:
Hình 3.28: Ảnh hưởng của C1 tới
a) điện áp đầu ra Uo; b) mức độ gợn sóng∆Uo
Do phần tử C1 chỉ làm nhiệm vụ cân bằng dòng điện nên C1 không ảnh hưởng đến chất lượng đầu ra của bộ biến đổi. Theo lý thuyết thì giá trị giới hạn của chế độ liên tục và không liên tục không phụ thuộc vào C1 (công thức
2-18 và 2 19); và - 2
2 2. . .
8(1C DL).Uf U
U
O r
O
−
=
∆ = không phụ thuộc vào C1 (hình 3.28b). Tuy nhiên cũng cần chọn C1 sao cho có đủ dung lượng để có thể cân bằng dòng điện, tức là có đủ khả năng phóng điện IL1 và IL2 trong khoảng thời gian của chu kỳ đóng cắt. Nếu C1 nhỏ sẽ làm cho UC1 có mức độ gợn sóng
79
lớn, có thể làm hỏng tụ. Vì theo công thức (2-21): giá trị đỉnh-đỉnh của điện áp trên tụ C1 là Ur1
f R C
U
Ur D O
. .
.
1 1 =
3.4.5 Ảnh hưởng của tụ điện C2 tới chất lượng đầu ra
Mụ phỏng với cỏc thụng số: L1=50àH; L2=25àH; C1= 30àF ở tần số chuyển mạch 50kHz và 100kHz, thay đổi C2 có kết quả như hình 3.29:
Hình 3.29: Ảnh hưởng của C2 tới
a) điện áp đầu ra Uo; b) mức độ gợn sóng∆Uo
Kết quả hình 3.29 phù hợp với lý thuyết đã phân tích ở chương 2. Tức là C2 không ảnh hưởng đến chế độ liên tục hay không liên tục, nên C2 không ảnh hưởng đến giá trị điện áp trung bình đầu ra. Tụ C2 làm nhiệm vụ lọc đầu ra nên có ảnh hưởng nhiều đến ∆Uo
Theo lý thuyết: 2
2 2. . .
8
).
1 (
f L C
U U D
UO = r = − O
∆ , hoàn toàn phù hợp với kết
quả mô phỏng ở hình 3.29b.
80
KẾT LUẬN:
Sau khi mô phỏng các sơ đồ bộ nguồn không có biến áp cách ly có thể rút ra một số kết luận như sau:
1. Các sơ đồ này đều có thể làm việc ở 2 chế độ là: chế độ liên tục và chế độ không liên tục. Chế độ liên tục là chế độ mà dòng điện chạy qua cuộn kháng không có khoảng thời gian nào bằng 0, tức là quá trình phóng nạp - diễn ra liên tục.
2. Với chế độ liên tục, điện áp đầu ra đạt giá trị ổn định theo như tính toán lý thuyết (nếu bỏ qua mọi tổn hao) Khi thay đổi f hoặc L, giá trị trung . bình của dòng điện đầu vào và đầu ra đều không thay đổi. Để bộ nguồn làm việc ở chế độ liên tục, cần lựa chọn các thông số giới hạn (có công thức riêng cho từng bộ nguồn). Từ đó có thể chọn các thông số cho phù hợp cho từng bộ nguồn chuyển mạch.
3. Với chế độ không liên tục, giá trị điện áp trung bình đầu ra lớn hơn so với lý thuyết và có mức độ gợn sóng ∆Uo của điện áp đầu ra lớn. Ở chế độ này, khi thay đổi f và L thì giá trị trung bình của điện áp đầu ra cũng thay đổi, dòng điện đầu ra và đầu vào cũng thay đổi theo nhưng không tỷ lệ thuận với nhau. Vì vậy, để bộ nguồn có chất lượng cao, điện áp đầu ra bằng phẳng cần thiết kế để bộ nguồn làm việc ở chế độ liên tục.
4. Người ta vẫn nói rằng:“tăng tần số chuyển mạch f và tăng L, C thì chất lượng bộ nguồn sẽ tăng” nhưng qua khảo sát, có thể kết luận rằng: Với D và R cố định thì khi f, L và C đủ lớn để đảm bảo bộ nguồn làm việc ở chế độ liên tục; Khi đó dù có tăng tiếp f, L hay C thì giá trị trung bình của điện áp đầu ra không thay đổi, mức độ gợn sóng của điện áp đầu ra tăng.
5. Khi thay đổi thời gian đóng cắt và và thông số của tải thì các thông số khác cũng cần thay đổi theo thì mới đảm bảo chất lượng điện đầu ra không đổi.
81
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG BỘ NGUỒN CHUYỂN MẠCH CÓ BIẾN ÁP CÁCH LY
Trong phạm vi của đề tài này, chỉ xét đến ảnh hưởng của các thông số: f (tần số chuyển mạch), L và C; Không xét đến ảnh hưởng của biến áp và trong các mô phỏng sau đây, chỉ xét với biến áp cách ly có tỷ số biến 1:1, với các thông số cụ thể như sau:
Số vòng dây cuộn sơ cấp: NP= 100 vòng Số vòng dây cuộn thứ cấp: NS=100 vòng Điện trở cuộn dây sơ cấp: RP=0,1Ω Điện trở cuộn dây thứ cấp: Rs=0,1Ω Điện cảm cuộn dõy sơ cấp: LP=10àH Điện cảm cuộn dõy thứ cấp: LS=10àH Thông số của mạch từ: Lm=1mH
Do trong các sơ đồ có biến áp cách ly thì vai trò của L và C chỉ là bộ lọc đầu ra, vì vậy các mô phỏng sau đây sẽ bỏ qua điện trở của cuộn kháng.