bài giảng điện tử công suất và ứng dụng chương 4

- Điều khiển hổn hợp, khi cả T và ton đều thay đổi... Khảo sát bộ biến đổi làm việc hai phần tư mặt phẳng tải I và II: Khi i o đão chiều được, không có chế độ dòng gián đoạn.. b áp ra tả

Chương 4: Bộ biến đổi (BBĐ) áp một chiều

4.1 BBĐ áp một chiều dạng forward tải RLE:

4.1.1 Khảo sát sơ đồ làm việc 1 phần tư mặt phẳng tải 4.1.2 Khảo sát sơ đồ làm việc 2 và 4 phần tư mặt phẳng tải 4.1.3 Mạch phát xung và lái BBĐ

4.1.4 Mạch lọc ngỏ ra 4.2 Khảo sát BBĐ áp một chiều dạng Flyback

4.3 Sơ đồ điều khiển BBĐ áp một chiều

4.3.1 PWM 4.3.2 IC lái ½ cầu 4.3.3 PWM loại dòng điện 4.4 Mạch cải thiện HSCS của bộ chỉnh lưu diod

4.5 Ứng dụng

Đọc thêm 6 tiết, bài tập 2

Bộ biến đổi (BBĐ) áp một chiều

Còn được gọi là bộ băm điện áp (hacheur hay chopper)

Dạng áp ra bao gồm: T: chu kỳ

- thời gian có áp ton - khoảng nghỉ T – ton.

U on

T

t

t

BBĐ Áp Một chiều

Nguyên lý hoạt động BBĐA1CCác nguyên lý điều khiển:

- Điều chế độ rộng xung (PWM : Pulse – Width – Modulation):

T không đổi, thời gian đóng điện ton thay đổi

 = ton/T gọi là độ rộng xung tương đối.

- Điều chế tần số khi ton không đổi, chu kỳ T thay đổi.

- Điều khiển hổn hợp, khi cả T và ton đều thay đổi.

IV.1 BBĐ ÁP MỘT CHIỀU DẠNG FORWARD TẢI RLE:

1 Khái niệm về mặt phẳng tải:

là tập hợp các điểm làm việc của BBĐ,

hai trục tọa độ là (I o , U o ),

gồm 4 phần tư như ở hình IV.1.1 phần tư

thứ 4

Io >0; Uo<0

phần tư thứ II

Uo >0, Io <0

phần tư thứ I

Uo, Io, >0 phần tư

E _

S1

u i

S1 +

S4

S3

U

S2 _

Hình III1.2: Sơ đồ các bộ biến đổi (a) một phần tư; (b) hai phần tư; (c) bốn phần tư

2 Khảo sát bộ biến đổi làm việc một

phần tư mặt phẳng tải:

E _

Xét chu kỳ tựa xác lập:

+ Tại t = 0, S1 đóng Phương trình vi phân mô tả hệ thống:

0với điều kiện đầu min

E _

Phương trình vi phân mô tả hệ thống khi chọn lại gốc thời gian:

max

) (

E L

t max 2

xl 2

x

i      với   <IV.1.5> Và     T t / min

max 2

xl 2

xl on

Tính gần đúng: Khi T <<  , thay các đại lượng tức thời giá trị trung bình:

TRƯỜNG HỢP DÒNG GIÁN ĐOẠN:

I min = Io – I/2 > 0: Io < I/2

dòng điện sẽ gián đoạn

Kết quả: i O = 0, u O = E => Uo tăng:

với t x: khoảng thời gian có dòng

Hình IV.1.4: Dạng sóng với chu kỳ giả định t X

tính t x : áp dụng <4.7> đến <4.10> cho chu kỳ giả định bằng t x và I min = 0:

Ví dụ 4.1: a Tính các thông số và vẽ dạng dòng áp trên tải của BBĐ áp làm việc1/4 mp tải U = 100 V, T = 100 microgiây, tON = 30 microgiây, R = 5 ohm,L = 0.01 henry, E = 20V

Giả sử dòng liên tục:  = 30/100 = 0.3, suy ra:

I = (100*30*10-6*(1-0.3))/(1*10-3)= 0.21A

Uo = 100.(30/100)= 30 volt; Io = (30 – 20)/5 = 2 A

Imax = Io + I/2 = 2.105 A

Imin = Io – I/2 = 1.895 A > 0 , giả thuyết dòng liên tục là đúng

- Kiểm tra lại bằng công thức chính xác.

- Kiểm tra các thời hằng: T = 100 E-6 <<  = 0.002 giây phù hơp với giả thuyết.

b Tính giá trị E để dòng trở nên gián đoạn

xảy ra khi Imin = 0 và Io = I/2 = 0.105 A

<IV.1.9> cho ta : E = U – R.Io = 30 – 5*0.105 = 29.475 volt

Kiểm tra lại, thế giá trị E này vào <IV.1.13>, t x = 100 micro giây = T Vậy khi E > 29.475 volt thì t x < 100 micro giây và dòng bắt đầu gián đoạn.

3 Khảo sát bộ biến đổi làm việc hai phần tư mặt phẳng tải I và II:

Khi i o đão chiều được, không có chế

độ dòng gián đoạn

Các công thức như cũ:

on o

Ví dụ 4.2: Khảo sát BBĐ áp một chiều hình IV.1.2 (b) vói nguồn U = 100 volt, sức

điện động tải E = 40 volt, R = 5 ohm, L = 1 mH, T = 100 micro giây Vẽ dạng dòng ra trong các trường hợp độ rộng xung tương đối  lần lượt là 0.5; 0.3; 0.2.

Ví dụ 4.3: Sơ đồ BBĐ bao gồm D1 và S2

(hình IV.1.7 dùng để chuyển năng lượng từ tải E

về nguồn một chiều U có điện áp cao hơn nó còn

gọi là BBĐ tăng áp (trường hợp (c ) của hình

II.1.6)

4 Khảo sát bộ biến đổi làm việc bốn

phần tư mặt phẳng tải:

Hình IV.1.7: BBĐ tăng áp

u i

S1 +

S4

S3

U

S2 _

BẢNG TÓM TẮT CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN SƠ ĐỒ CẦU (hình IV.3.1c)

việc

Đặc điểm

1 Điều rộng xung 1S S4 S3 S2 4 phần tư, thay đổi liên tục dòng, áp ra; nhấp

nhô dòng cao ; lưu ý trùng dẫn

2 Điều rộng xung S1, S4 cho áp ra > 0,

Điều rộng xung S2, S3 cho áp ra < 0

I , hay III

Điều khiển đơn giản; ít tổn hao; không thể trùng dẫn; không đảo chiều dòng tải được

3 Điều rộng xung 1S S2 cho điều

khiển áp,

S S để chọn chiều áp

I, II hay III, IV

đảo chiều áp ra cần thay đổi luật điều khiển; ít tổn hao; lưu ý trùng dẫn

4 Điều rộng xung S1 S S2, 4 S3

Và S1 S wt4(   )

4 phần tư, thay đổi liên tục dòng, áp ra; nhấp

nhô dòng thấp; lưu ý trùng dẫn; điều khiển phức tạp

Chia làm hai nhóm:

- Điều khiển hoàn toàn: 1, 4

- Điều khiển không hoàn toàn: 2, 3

Ví dụ: điều khiển S 1  S 4  S 2  S 3

Ví dụ: Đóng ngắt S1, S4:

Chỉ làm việc ở phần tư thứ I:

(b) áp ra tải R (a) áp ra tải RL

Bài tập: Khảo sát hoạt động của BBĐ làm việc 4 phần tư mặt phẳng tải, điều khiển theo thuật toán thứ 4 trong bảng phương pháp điều khiển.

5 Khảo sát sóng hài áp dòng trên tải RLE:

a Sóng hài điện áp:

Khai triển Fourier cho áp ra v O hình IV.1.3.b

(trường hợp dòng liên tục):

1

21

U on

T t

t

b Sóng hài dòng điện tải RLE:

Sóng hài dòng điện tải RLE được tính khi áp dụng nguyên lý

xếp chồng, dòng hiệu dụng của thành phần bậc n :

 2 2

n n

U I

HD: chỉ tính với thành phần cơ bản (sóng hài bậc 1)

IV.2 BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FLYBACK:

C

+ S1

U

s

L2 L

+

U

i i

Hai pha hoạt động:

Ngắt điện đóng (ON): Cuộn dây được nạp năng lượng từ nguồn

Ngắt điện ngắt (OFF): Cuộn dây phóng năng lượng qua tải và nạp năng lượng vào tụ

1 Khảo sát sơ đồ căn bản:

Các giả thiết: điện áp, dòng điện đều biến thiên tuyến tính, điều kiện:

- Chu kỳ đóng ngắt T << chu kỳ cộng hưởng 2  LC

- Tải nguồn dòng Io.

+

L

u L

C

L i

u

C

Khảo sát chế độ tựa xác lập:

- Khi 0 < t < t ON: S1 đóng L nạp năng lượng từ nguồn:

L

u L

C

L i

Trường hợp dòng gián đoạn:

ta có trường hợp dòng qua L gián đoạn (hình IV.2.3):

Gọi t x là thời gian có dòng qua L:

Thời gian L nạp năng lượng vẫn như cũ:

khi Io  0 (mạch không tải) áp trên tải tăng đến vô cùng.

Phương pháp khác

tiếp cận trường hợp dòng

gián đoạn:

Nguyên lý bảo toàn

năng lượng: năng lượng

cung cấp bằng tiêu thụ,

2 max 2 max

I

(a) u

o

U t U

L I T

 <IV.2.4a> vì Imax U ton

L

Mô phỏng BBĐ flyback để kiểm

Mạch điện hình IV.2.1a với các

thông số: U = 20V, L = 30 uH,

C = 50 uF, T = 50 us,  = 0.3

và Io lần lượt bằng 1.2A, 2A,

3.5A, 6A ta có được các kết quả

hình IV.2.3c

Hình IV.2.3c dạng áp dòng mô phỏng dùng PSIM BBĐ flyback

Dạng áp trên tụ giống hình IV.2.3b hơn hình IV.2.3a Tụ chỉ được nạp điện khi i L > Io

Ta có chế độ biên gián đoạn ở Io = 3.5A bằng 8.57V

Khi dòng không liên tục, áp ra tăng (lần lượt bằng 25V, 15V)

2 Các sơ đồ khác: Sơ đồ ghép BA:

i on Ci

U

+

+ D1

_

L

+

L i

Bài tậpï IV.2.1:

a Cho sơ đồ hình IV.2.5.(c), áp nguồn U = 260 volt, tần số đóng ngắt f = 20 KHz, tải định mức Uo = 5 volt, Io = 5 ampe Tính các thông số mạch để nhấp nhô áp ra U = 20

mV, nhấp nhô dòng qua ngắt điện I bằng 50 % trị trung bình

chọn tON = 0.6 T = 0.6/ 20000 = 30 micro giây

IV.3 SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN BBĐ ÁP MỘT CHIỀU :

1 PWM (Điều rộng xung) và dùng bộ so sánh có trễ:

a Nguyên lý điều rộng xung:

Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) là phương pháp biểu diễn thông

tin U đkbằng độ rộng xung , dùng cho truyền tin hay khuếch đại

U đk > Điều rộng xung >  > BBĐ áp MC > lấy trung bình > U O

(điều chế) (xử lý) (giải điều chế)

Nguyên lý thực hiện:

Uđk

uc Dao động tam giác

Hai tam giác Obd và Oca đồng dạng:

d

o U 0

b Điều khiển dùng bộ so sánh có trễ:

Bộ so sánh so sánh ngỏ ra Phản hồi và tín

hiệu Đặt:

Đặt > (Phản hồi +  :

HT tác động ngắt điện S (đóng) để tăng ngỏ ra.

Đặt < (Phản hồi –  :

HT tác động ngắt điện S (ngắt) để giảm ngỏ ra.

vùng trễ, xác định thời gian đóng – ngắt + Đặt

[Bộ so sánh có trễ]

Bộ so sánh có trễ kết hợp mạch thay đổi độ rộng  và việc điều khiển hệ thống Nguyên lý này còn có các tên:

- điều khiển dùng rơ le có trễ

- điều khiển theo áp (dòng) ngỏ ra.

2 Mạch điều rộng xung loại dòng điện:

Cho phép cùng lúc thay đổi độ rộng xung  và hạn chế dòng qua ngắt điện

set set

phản hồi dòng reset

Đặt dòng reset

Dao động

lái MosFET

RS FF :

- SET: đóng ngắt điện S

- RESET: khóa ngắt điện S trong 2

trường hợp:

- độ rộng xung tối đa

- dòng phản hồi = dòng đặt

Nguyên lý thực hiện:

Dao động

Set Reset

Đặt dòng

Phản hồi dòng

Điều khiển áp

3 Mạch lái nửa cầu transistor:

- Là thành phần quan trọng của ĐTCS hiện đại,

- lái 2 transistor nối nguồn làm việc ngược pha

Q2 mosFET N

Khuếch đại

- hiện tượng trùng dẫn: Q1 và Q2 cùng lúc dẫn điện khi ra lệnh đóng ngắt điện khi ngắt điện đang dẫn chưa tắt

Nguyên nhân: điều khiển đão pha và t off > t on

Xử lý: có thời gian chết (dead time) xen kẻ giữa hai tín hiệu điều khiển đóng hai

ngắt điện

Ví dụ mạch dùng BJT:

- Nhiệm vụ chống trùng dẫn do R5

phụ trách

- R4, R3 có trị số rất bé làm cho

Q1 (Q2) tắt nhanh khi Q3 (Q4) bảo hòa

- R5 có trị số khá lớn (hàng chục

kohm) làm cho các mosFET mở chậm

Mạch lái dùng vi mạch: họ vi mạch

IR21xx (International Rectifier)

R5 Q1 mosFET P

R9

R6

R8 R10

Q4 Q3

Mạch lái nửa cầu dùng IR2184

IN: ngỏ vào (logic 3 đến 5V)

Deadtime 0.5 micro giây

SD (shut down) là tín hiệu cấm

Dòng xung cực đại +1.8A/ – 1.4A

khối bảo vệ áp nguồn thấp (UV detect) UV: under voltage

IV.4 MẠCH CẢI THIỆN HSCS CỦA BỘ CHỈNH LƯU DIOD:

Hệ số công suất của bộ chỉnh lưu diod khá cao ( > 80%), nhưng hạn chế

do dòng nguồn không sin

- Có thể cải thiện, nâng lên đến > 95%

Sơ đồ khối bộ nguồn diod có cos  bằng 1:

Lưới AC  Chỉnh lưu D  [tụ bé  Mạch cải thiện HSCS ] tụ lớn  BBĐ Áp DC

vC1

i = i

n L

Dạng dòng/áp ra chỉnh lưu

có cos  (HSCS) bằng 1

Mạch cải thiện HSCS:

Là bộ nguồn Flyback nạp tụ chỉnh lưu bằng dòng hình sin có biên độ

thay đổi theo trung bình áp ra:

0

Reset

1 2

Mạch cải thiện hệ số công suất dùng vi mạch MC34262.

IV.5 ỨNG DỤNG: (đọc tài liệu)

1 Ổn áp xung

2 Bộ nguồn DC cho thiết bị điện tử

3 Điều khiển động cơ DC

4 Nghịch lưu