Điện tử công suất 1 Chương bốn Bộ biến đổi điện áp một chiều

Điện tử công suất 1 4-1 CHƯƠNG BỐN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU Bộ biến đổi điện áp một chiều dùng để điều khiển trị trung bình điện áp một chiều ở ngõ ra từ một nguồn điện áp một chiều không đổi. Điện áp trên tải có dạng xung tạo thành từ quá trình đóng ngắt liên tục nguồn điện áp một chiều không thay đổi vào tải. Do đó, bộ biến đổi còn được gọi là bộ biến đổi điện áp một chiều dạng xung. 4.1 BỘ GIẢM ÁP * Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Mạch bộ giảm áp gồm nguồn điện áp một chiều không đổi U mắc nối tiếp với tải qua công tắc S. Tải một chiều tổng quát gồm RL và sức điện động E (ví dụ động cơ một chiều). Diode không V0 mắc đối song với tải (hình H4.1a). Nguồn một chiều có thể lấy từ acquy, pin điện, hoặc từ nguồn áp xoay chiều qua bộ chỉnh lưu không điều khiển và mạch lọc. Công tắc S có chức năng điều khiển đóng và ngắt được dòng điện đi qua nó. Do tính năng trên nên công tắc S phải là linh kiện tự chuyển mạch, chẳng hạn transistor (BJT, MOSFET, IGBT), GTO hoặc ở dạng kết hợp gồm thyristor (SCR) với bộ chuyển mạch. Tải một chiều hay gặp trong thực tế là động cơ một chiều. Phân tích: ( hình H4.1b) Việc phân tích thực hiện với giả thiết dòng điện qua tải liên tục. Do cấu tạo mạch chỉ chứa công tắc S với hai trạng thái hoạt động là đóng và ngắt dòng điện nên ta phân tích mạch theo hai trạng thái cơ bản này. Trạng thái đóng S: thời gian đóng T1, dòng điện dẫn từ nguồn U khép kín qua mạch gồm (U,S,RLE). Phương trình biểu diễn trạng thái hoạt động của tải: ut = U ut = R.it + Edt diL t + (4.1) Chon thời điểm ban đầu t0=0 và ta có: it(t0) = it0=i0 Giải hệ phương trình vi phân trên, ta có nghiệm dòng điện đi qua tải dưới dạng : Điện tử công suất 1 4-2 ( ) τ−τ− +⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −−= t 0 t t e.ie1R EUti (4.2) với R L=τ là hằng số thời gian mạch tải. Tại cuối khoảng dẫn T1 , ta có: it1=it(T1)=i1 Quá trình dòng điện tải có dạng tăng theo hàm mũ. Trạng thái ngắt S -khoảng thời gian (T1<t<T): khoảng thời gian ngắt là T2 . Do bị kích ngắt nên dòng qua S triệt tiêu. Mạch tải có chứa L nên dòng qua nó không thể thay đổi đột ngột được. Do tính liên tục của dòng điện qua tải chứa L, dòng tải it tiếp tục đi theo chiều cũ và khép kín qua diode không V0 thuận chiều đang dẫn của nó. Phương trình mô tả trạng thái mạch (V0,RLE): ut=0 ut = R.it + Edt diL t + (4.3) Điều kiện ban đầu của (4.3): từ (4.2), dòng điện tải it đạt giá trị tại thời điểm t=T1: ( ) 0 T 1t10t1 ie1R EU)T(iTtii 1 +⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −−==+= τ− Giải phương trình (4.3) chứa nghiệm dòng điện tải it ta có: ( ) τ −−τ −− +⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −−= 11 Tt 1 Tt t e.ie1R Eti (4.4) Dòng điện có quá trình giảm theo hàm mũ: Tại cuối khoảng thời gian T2, công tắc S lại được kích đóng. S dẫn điện làm điện áp nguồn U tác dụng lên diode không V0 như điện áp ngược nên ngắt dòng qua nó. Trạng thái S đóng được phân tích như ở phần trên. Chế độ dòng tải gián đoạn: Khi E=0, dòng điện tải luôn liên tục. Khi E>0, dòng điện tải có thể liên tục hoặc gián đoạn. Khoảng thời gian dòng điện tải gián đoạn phụ thuộc vào các giá trị của tham số điều khiển (T1,T2) và tham số tải (RLE). Ở chế độ dòng gián đoạn (hình H4.2), khoảng thời gian dòng gián đoạn (it=0) xuất hiện trong thời gian ngắt công tắc S. Trong thời gian đóng S, dòng điện tải liên tục được mô tả bởi phương trình (4.1) và (4.2) bắt đầu từ giá trị it(0)=i0=0. Trong giai đọan đầu của thời gian ngắt công tắc S (T1<t<t2): dòng điện tải liên tục giảm và trạng thái mạch được mô tả bởi phương trình (4.3) và (4.4). Nghiệm dòng điện tải theo hệ thức (4.4) giảm và đạt giá trị 0 tại thời điểm t2 thỏa mãn điều kiện: Điện tử công suất 1 4-3 ( ) 0e.ie1 R Eti 1212 Tt 1 Tt 2t =+⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −−= τ −−τ −− ; T1<t2<T (4.5) Giải phương trình (4.5), ta xác định được giá trị t2: ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −τ= τ 11e E Uln.t 1T 2 (4.6) Giai đoạn dòng tải gián đoạn (t2<t<T): điện áp trên tải bằng E. Trị trung bình điện áp trên tải: dễ dàng dẫn giải điện áp trung bình trên tải theo hệ thức (4.7): ) T t1.(E.U T tT.E T T.UU 221t −+γ=−+= ; T T1=γ (4.7) Hệ quả: Với chế độ dòng điện qua tải liên tục, ta có: - Điện áp trên tải có dạng xung thay đổi giữa hai giá trị 0 và +U; - Bằng cách thay đổi tỉ số T T1=γ giữa T1: thời gian đóng S và T: chu kỳ đóng ngắt (T = T1 + T2), ta điều khiển trị trung bình áp tải và dòng tải theo các hệ thức : T T;.U T T.U T T.0T.Udt.u. T 1U 11 T 0 21 tt =γγ==+== ∫ (4.8) UU01 T T0Do t1 ≤≤⇒≤=γ≤ R EUI tt −= (4.9) Ở chế độ dòng tải gián đoạn, các quá trình điện áp và dòng điện được mô tả bởi các hệ thức và phương trình (4.1),(4.2),..(4.7) và (4.9) Bộ giảm áp dùng làm nguồn điện áp cho truyền động điện động cơ một chiều, làm bộ phận nguồn cho bộ biến tần áp, bộ biến tần dòng điện . 4.2 - BỘ TĂNG ÁP * Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Điện tử công suất 1 4-4 Khi thực hiện hãm tái sinh động cơ một chiều, năng lượng từ nguồn điện áp thấp (sức điện động E) được trả lại nguồn điện áp lớn hơn (nguồn một chiều U), điều này có thể thực hiện nhờ hoạt động của bộ tăng áp (hình H4.3). Điều kiện để mạch hoạt động là E < U và nguồn U có khả năng tiếp nhận năng lượng do tải trả về. Tải một chiều phải chứa nguồn dự trữ năng lượng (sức điện động E) và cảm kháng. Công tắc S thuộc dạng tự chuyển mạch được như trường hợp bộ giảm áp. Diode V0 cho phép dòng điện dẫn theo chiều từ tải về nguồn và ngăn dòng điện đi theo chiều ngược lại. Phân tích hoạt động mạch bộ tăng áp ở chế độ dòng điện tải liên tục và mạch ở xác lập (hình H4.4): Trạng thái đóng S- khoảng thời gian (0<t<T1). Dòng điện khép kín qua mạch (RLE,S). Phương trình mô tả trạng thái S đóng : ut=0 ut = - R.it - Edt diL t + (4.10) ( ) 0t0t i)0(iti == - với giả thiết thời điểm đầu chu kỳ khảo sát t0=0. Dòng điện qua tải it tăng theo hàm mũ. Hệ thức biểu diễn dòng điện tải có dạng: ( ) 0 t 0t ie1.iR Eti + ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= τ− (4.11) Tại thời điểm cuối khoảng đang xét, ta có t=T1 và it(T1)=it ; R L=τ Năng lượng do sức điện động E phát ra một phần tiêu hao trên điện trở, phần còn lại dự trữ trong cuộn kháng L. Trạng thái V0 – khoảng thời gian (T1<t<T): Công tắc S bị kích ngắt trong khoảng thời gian T2. Dòng qua công tắc S triệt tiêu. Do tính liên tục của dòng qua tải chứa L nên dòng tải tiếp tục dẫn điện theo chiều cũ và khép kín qua diode V0 và nguồn U. Phương trình mô tả trạng thái mạch (U,V0,RLE) ut=U ut = - R.it - Edt diL t + (4.12) Tại thời điểm đầu khoảng đang xét, dòng điện tải có giá trị ( ) 11t iTi = Nghiệm dòng điện tải của (4.9) giảm theo hàm mũ, cho bởi hệ thức: ( ) 1 Tt 0t ie1iR UEti 1 +⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −−= τ −− (4.13) Cuộn kháng giải phóng một phần năng lượng dự trữ. Sức điện động E ở chế độ phát năng lượng. Cả hai năng lượng này được đưa về nguồn U một phần, phần còn lại tiêu hao trên điện trở tải. Hệ quả: - Điện áp tải thay đổi theo dạng xung giữa hai giá trị +U và 0. Điện tử công suất 1 4-5 - Bằng cách thay đổi tỉ số γ giữa T1 :thời gian đóng S và T=T1+T2 : chu kỳ đóng ngắt S, ta điều khiển công suất phát từ nguồn E cũng như công suất trả về nguồn U. Có thể xác định độ lớn chúng thông qua trị trung bình điện áp và dòng điện tải. T T;)1.(U T T.U T T.UT.0dt.u. T 1U 12 T 0 21 tt =γγ−==+== ∫ (4.14) UU01 T T0Do t1 ≤≤⇒≤=γ≤ R EUI tt +−= (4.15) Nếu thay đổi vai trò giữa U và tải: gọi tải Ut là nguồn cấp năng lượng và U là tải nhận năng lượng, ta có: tt U1 UU >γ−= (4.16) Điện áp tải lớn hơn áp nguồn nên ta gọi đây là bộ tăng áp. 4.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 4.3.1 ĐIỀU KHIỂN VỚI TẦN SỐ ĐÓNG NGẮT KHÔNG ĐỔI Chu kỳ đóng ngắt T = T1 + T2 không thay đổi. Điện áp trung bình của tải được điều khiển thông qua sự phân bố khoảng thời gian đóng T1 và ngắt công tắc T2 trong chu kỳ T. Đại lượng đặc trưng khả năng phân bố chính là tỉ số γ = T1 / T Kỹ thuật điều khiển tỉ số có thể thực hiện dựa vào hai tín hiệu cơ bản: sóng mang dạng răng cưa u γ p và sóng điều khiển một chiều udk . Hai dạng sóng này được đưa vào bộ so sánh và tín hiệu ngõ ra được dùng để kích đóng công tắc S. Sóng mang có tần số không đổi và bằng tần số đóng ngắt công tắc S. Tần số thành phần xoay chiều hài cơ bản của điện áp tải bằng tần số cố định này. Do đó, sóng điện áp tạo thành dễ lọc. Sóng điều khiển một chiều có độ lớn tỉ lệ với điện áp trung bình trên tải . Xét bộ giảm áp (hình H4.1a,b) Gọi UpM là biên độ sóng mang dạng răng cưa, udk là độ lớn sóng điều khiển một chiều ; U là điện áp nguồn một chiều không đổi. Từ giản đồ kích đóng S và các quá trình điện áp ở chế độ dòng liên tục, ta dễ dàng xác định hệ thức tính áp tải trung bình theo áp điều khiển: PM dk t U u.UU = (4.17) Phương pháp điều khiển với tần số sóng mang không đổi thường được sử dụng trong thực tiễn . 4.3.2 ĐIỀU KHIỂN THEO DÒNG ĐIỆN TẢI YÊU CẦU Trong trường hợp tải động cơ một chiều, việc điều khiển moment động cơ thông qua điều khiển dòng điện (tỉ lệ với moment ). Để hiệu chỉnh dòng điện trong phạm vi cho phép, ta có thể sử dụng phương pháp điều khiển theo dòng điện. Theo đó, công tắc S sẽ đóng ngắt sao cho dòng điện tải đo được và dòng điện yêu cầu có giá trị bằng nhau. Điện tử công suất 1 4-6 Kỹ thuật điều khiển theo dòng điện được giải quyết như trong bộ nghịch lưu áp (xem phần nghịch lưu áp - điều khiển theo dòng điện ). Ví dụ: xét bộ giảm áp chứa mạch điều khiển với tần số đóng ngắt không đổi. Trong cấu trúc mạch điều khiển dòng điện sử dụng khâu hiệu chỉnh dòng điện RI, tín hiệu điện áp điều khiển từ ngõ ra của khâu hiệu chỉnh dòng sẽ được so sánh với sóng mang dạng răng cưa. Kết quả so sánh tạo thành xung kích đóng hoặc ngắt công tắc S (H4.5). Trong cấu trúc mạch điều khiển sử dụng phần tử phi tuyến dạng mạch trễ (hình H4.6), dòng điện tải (iht) được điều khiển với độ sai biệt ∆i so với dòng điện đặt (iyc). Độ lớn ∆i thiết lập từ đặc tính mạch trễ. Khi ∆i đủ nhỏ, mạch điều khiển tác dụng lên bộ biến đổi làm nó hoạt động như nguồn dòng điện. Tính chất này được áp dụng trong các hệ thống chứa khâu hiệu chỉnh dòng điện. Tuy nhiên, mạch sẽ không điều khiển được khi độ sai biệt cho phép lớn hơn giá trị dòng điện yêu cầu. Do đó, hệ thống không hoạt động ở chế độ dòng điện gián đoạn. 4.4 - BỘ BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU KÉP Bộ giảm áp và bộ tăng áp là các bộ biến đổi đơn, chúng chỉ cho phép tải hoạt động trong một phần tư mặt phẳng V-A của tải (hình H4.7). Để mở rộng phạm vi hoạt động của tải ra các phần tư mặt phẳng VA khác, ta sử dụng bộ biến đổi một chiều kép. Điện tử công suất 1 4-7 4.4.1 BỘ BIẾN ĐỔI KÉP DẠNG TỔNG QUÁT Sơ đồ bộ biến đổi kép tổng quát dạng mạch cầu được vẽ trên hình H4.8. Mạch gồm nguồn áp một chiều U mắc vào 4 công tắc S1,,S2 ,S3 ,S4 đấu ở dạng mạch cầu . Mỗi công tắc có một diode mắc đối song với nó. Các cặp công tắc (S1,S4), (S2,S3) là những công tắc cùng pha tải. Hai công tắc trong mỗi cặp công tắc này có thể điều khiển theo qui tắc đối nghịch (1 kích đóng , 1 kích ngắt). Khi đó, dòng qua tải luôn liên tục nếu tải có chứa L. Giản đồ kích đóng các công tắc được biểu diễn trên hình (H4.9). Hiệu suất làm việc theo dạng hình H4.9b cao hơn. Với cùng độ lớn áp trung bình của tải, độ nhấp nhô dòng tải thấp hơn. Điện áp trung bình trên tải thu được từ giản đồ kích đóng hình H4.9a: )12.(U)1 T T.2.(UU 1t −γ=−= (4.18) và theo giản đồ đóng ngắt hình H4.9b: γ== .U T T.UU 1t (4.19) Bằng cách thay đổi tỉ lệ thời gian đóng và ngắt các công tắc, trị trung bình điện áp tải ( và dòng điện tải ) đổi dấu . Đặc tính V-A của bộ biến đổi kép tổng quát vẽ trên hình H4.7 Dạng sóng áp và dòng điện khi kích các công tắc theo giản đồ H4.9 được vẽ trên hình H4.10 Điện tử công suất 1 4-8 4.4.2 - BỘ BIẾN ĐỔI KÉP DẠNG ĐẢO DÒNG Nếu trong mạch bộ biến đổi kép tổng quát, công tắc S2 luôn ở trạng thái kích đóng, dòng điện qua tải sẽ không đi qua S3 hoặc diode D3 nên nhánh mạch này trong quá trình phân tích có thể loại bỏ. Do S2 ở trạng thái kích đóng nên tùy theo chiều dòng điện tải mà S2 hoặc D2 dẫn điện. Nhánh mạch này (S2,D2) luôn ở trạng thái đóng. Do đó, mạch bộ biến đổi kép tổng quát có thểå đơn giản thành dạng bộ biến đổi một chiều kép dạng đảo dòng (hình H4.11). Giản đồ kích đóng các công tắc S1 S4 theo qui tắc kích đối nghịch được vẽ minh họa trên hình (H4.12). Điện áp tạo thành trên tải có giá trị không âm, thay đổi giữa +U và 0 tuỳ thuộc vào trạng thái kích S1 hoặc S4. Nếu tải có nguồn dự trữ năng lượng ( ví dụ động cơ một chiều ), bằng cách thay đổi tỉ số thời gian kích đóng của hai công tắc S1 ,S4 , ta có thể điều khiển đảo chiều dòng điện qua tải. Ở trạng thái đó, tải trở thành nguồn phát, đưa năng lượng trở về nguồn. Dạng sóng điện áp và dòng điện vẽ trên hình H4.12 Điện tử công suất 1 4-9 Trị trung bình điện áp trên tải: γ== .U T T.UU 1t (4.20) Đặc tính V-A của bộ biến đổi kép dạng đảo dòng vẽ trên hình H4.11b 4.4.3 - BỘ BIẾN ĐỔI KÉP DẠNG ĐẢO ÁP Nếu trong sơ đồ bộ biến đổi kép tổng quát, ta loại bỏ các diode D1 ,D2 và công tắc S3,S4, ta có bộ biến đổi kép dạng đảo điện áp (hình H4.14) Do cấu trúc của các cặp công tắc cùng pha không còn ở dạng đầy đủ, tính liên tục hoặc gián đoạn của dòng điện tải phụ thuộc vào trạng thái mạch tải (tham số R,L,E và giá trị dòng điện it) và thời gian đóng ngắt các công tắc. Giả thiết dòng tải liên tục, một vài giản đồ kích đóng các công tắc và đồ thị điện áp trên tải được vẽ trên hình H4.15a, H4.15b. Điện tử công suất 1 4-10 Giản đồ kích H4.15a cho hiệu suất làm việc của mạch tốt hơn, độ nhấp nhô dòng điện nhỏ. Do đó, chất lượng dòng điện tốt hơn. Điện áp trung bình trên tải đạt được từ giản đồ kích đóng H4.15a: γ== .U T T.UU 1t (4.21) Và từ giản đồ kích đóng hình H4.15b: )12.(U)1 T T2.(UU 1t −γ=−= (4.22) Nếu tải chứa nguồn dự trữ năng lượng, ví dụ sức điện động E của động cơ dc, công suất tải có thể trả về nguồn một chiều theo hai phương án. Với phương án thứ nhất, sức điện động E được đổi dấu (chẳng hạn thay đổi chiều dòng kích từ) và theo sơ đồ hình H4.14 tải trở thành nguồn phát. Để có thể nhận năng lượng từ tải đưa về, điện áp ngõ ra của bộ biến đổi công suất ut được điều chỉnh đến giá trị âm. Tốc độ đưa công suất về nguồn phụ thuộc vào độ lớn dòng điện tải thiết lập trong mạch. Với phương án thứ hai, chiều của sức điện động E được duy trì và dòng điện qua E sẽ được đảo dấu. Để làm được điều đó, các vị trí đấu dây của tải được đảo lại khi đấu vào ngõ ra của bộ biến đổi công suất (hình H4.16). Ở trạng thái xác lập, để có thể nhận công suất từ tải đưa về, điện áp ngõ ra của bộ biến đổi được điều khiển đến giá trị âm tương tự như ở phương án thứ nhất. Chiều điện áp ngõ ra có thể thực hiện đổi dấu bằng cách thay đổi thời gian đóng ngắt các công tắc (hình H4.15b). Đặc tính làm việc của tải bộ biến đổi kép dạng đảo điện áp được vẽ trên hình H4.14b