Bài giảng điện tử công suất phần 2 trường đại học thái bình

1 T V t 2 i on Một cách lý tƯởng, công suất thất thoát trong mạch chopper là bằng không, do đó công suất ra bằng công suất vào Giả sử điện thế ra được điều chỉnh trong khoảng từ 0 đ

CHƯƠNG 4: BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

4.2 Nguyên lý cơ bản của bộ biến đổi điện một chiều

Bậc S là linh kiện điện tử công suất nối nguồn cấp điện DC với tải khi bậc đóng Bậc được xem là lý tƯởng có các đặc tính sau

• Có điện trở bằng không (sụt thế 2 đầu bậc bằng không) khi dẫn

• Có điện trở vô cùng lớn khi ngƯng

• Có thể giao hoán từ trạng thái khác nhau với thời gian chuyển tiếp bằng không

1

T V t

2

i on

Một cách lý tƯởng, công suất thất thoát trong mạch chopper là bằng không, do

đó công suất ra bằng công suất vào

Giả sử điện thế ra được điều chỉnh trong khoảng từ 0 đến mức nào đó của V

i

Cho bậc đóng trong thời gian t , và mở trong thời gian t

T Dạng sóng ra là một chuỗi xung chữ nhật có thời hạn t

on hình 3.1 Hình vẽ cho thấy điện thế tức thời qua tải hoặc là bằng 0 (S hở) và bằng V (S

Điện thế ra thay đổi tuyến tính theo tỉ số d

Dòng điện tải có dạng nhƯ ở hình 3.1 và có trị số trung bình:

Điện thế hiệu dụng ở tải:

Dòng hiệu dụng ở tải:

I RMS V RMS

R

4.3 Phân loại và các cách điều khiển của bộ biến đổi DC

Mạch chopper thƯờng được phân loại theo trị số điện thế ra, tùy theo cách bố trí bậc, diod, cuộn cảm, và tụ mà ta có 3 loại bộ biến đổi điện DC

• Điều chế độ rộng xung (PWM): độ rộng xung t

on thay đổi trong khi chu kỳ giao hoán không đổi Trong cách này dạng sóng ra thay đổi khi d thay đổi

• Điều chế tần số - xung (PFM): độ rộng xung được giữ không đổi trong khi thay đổi chu

kỳ (tần số) giao hoán Trong cách này điện thế ra giảm khi tần số giảm và trở nên cao khi tần số cao nhất

Dù bằng cách nào PWM hay PFM điện thế ra bằng 0 khi S hở và bằng V

bộ nguồn trong máy tính cá nhân (PC), TV, và trong 1 số công nghiệp khác

4.4 Các bộ chuyển đổi điện áp hoạt động dòng không liên tục

Dòng liên tục là dòng trong cuộn cảm lúc nào cũng có trị dƯơng trong toàn chu kỳ

Để có điện áp DC lớn ngƯời ta thƯờng ghép nhiều bộ nối tiếp nhau, tuy nhiên không phải lúc nào cũng thực hiện được vì không gian và khối lƯợng, kích thƯớc của toàn hệ thống Mạch boost converter có thể tăng điện áp và thay thế các viên pin Với hai viên pin ta có thể dùng mạch Boost converter tăng điện áp lên để sử dụng cho các xe điện và hệ thống đèn trang trí

Ví dụ nhƯ xe điện Prius của Toyota có động cơ sử dụng điện áp lên tới 500V, nếu không sử dụng mạch boost converter thì ta phải sử dụng ăcqui có hơn 417 ngăn để cung cấp đủ năng lƯợng cho đông cơ hoạt động NhƯng Prius sử dụng mạch boost converter và

ắc qui có 168 ngăn để tăng điện áp từ 202V lên tới 500V

Ta xét mạch Boost converter ở chế độ liên tục

Khi mạch Boost converter hoạt động ở chế độ liên tục thì dòng điện qua cuộn dây (I ) không bao giờ về 0 Hình 3.3 cho chúng ta thấy dạng sóng của dòng điện và điện áp

L

của mạch tăng áp hoạt động trong chế độ này

Trong trạng thái ON, công tắc S đóng, điện áp V đặt lên cuộn dây tạo dòng điện I

Trong trạng thái OFF, công tắc S mở, dòng từ cuộn dây sẽ chạy qua tải Nếu bỏ qua diện

áp rơi trên diode D và tụ điện C rất lớn để điện áp trên tụ là không đổi, dòng điện I khi đó

Khi chúng ta xét đến lúc mạch hoạt động ổn định, năng lƯợng điện tích trữ trong các linh kiện giữa các chu kỳ là giống nhau Năng lƯợng lưu trữ trên cuộn dây là : E 1 LI 2

2 L Dòng điện I

L trong mạch lúc bắt đầu và kết thúc chu kì là giống nhau nên ta có:

Sơ đồ mạch

Sơ đồ phân tích trạng thái hoạt động

Bậc giữ vai trò cấp điện thế cho tải qua mạch lọc tần số thấp Diod giữ nhiệm

vụ cho dòng điện qua cuộn cảm L (D ngƯng, S đóng và cho qua theo chiều ngƯợc lại (D dẫn, S hở)

Để phân giải mạch ta thừa nhận các giả thiết sau

− Mạch hoạt động trong chế độ thƯờng trực

Dòng trong cuộn cảm là liên tục (luôn dƯơng)

− Tụ điện rất lớn và giữ điện thế ra không đổi V

0

− Chu kỳ giao hoán là T, S đóng trong thời gian DT và S hở trong thời gian (1–D)T

− Các linh kiện là lý tƯởng Công suất ra bằng công suất vào

Theo đó sự thay đổi tổng cộng dòng điện chạy qua cuộn cảm khi S đóng và khi S hở là bằng không

Phân giải khi S đóng Khi S đóng, do diod phân cực nghịch nên ngƯng, ta có dòng điện chạy qua cuộn cảm Điện thế cuộn cảm bằng

Do đạo hàm dòng là 1 số dƯơng không đổi, dòng điện tăng tuyến tính Sự thay đổi dòng điện khi S đóng được viết lại theo dạng sau:

Phân giải khi bậc hở Khi bậc hở, diod trở nên phân cực thuận nên dẫn, và do đó cho dòng điện cuộn cảm chạy qua hình 3.6 Điện thế qua cuộn cảm khi bậc hở

Đạo hàm của dòng điện qua cuộn cảm là hằng số âm, và dòng giảm tuyến tính hình

Sự thay đổi dòng cảm khi bậc S hở

Hoạt động thƯờng trực đòi hỏi dòng điện cuộn cảm tại cuối chu kỳ giao hoán bằng với trị số tại lúc bắt đầu nghĩa là sự thay đổi tổng cộng trong dòng cuộn cảm trên 1 chu kỳ là bằng không Điều đó đòi hỏi:

Giải ta được điện thế ra

Điện thế DC ra nhỏ hơn điện thế DC vào

Dòng điện trung bình qua cuộn cảm: Dòng điện trung bình qua cuộn cảm phải bằng dòng qua tải vì dòng trung bình qua tụ là bằng không trong chế độ thƯờng trực

Sự thay đổi của dòng qua cuộn cảm cho bởi phƯơng trình (3.14) và (3.15) giúp ta tính được trị max và min của nó

Chú ý: trong cách phân giải trên ta xem dòng điện liên tục TrƯờng hợp dòng không liên tục sẽ được xét đến ở sau

Độ dợn sóng được tính theo biểu thức dòng điện - điện thế của tụ điện Ta có dòng qua tụ nhƯ ở

Khi dòng qua tụ có trị dƯơng, tụ nạp điện và ta có

Mặt khác sự thay đổi điện tích là diện tích của tam giác nằm phía trên trục t cho ta

Mặt khác theo (9) ta còn có Vo = Vi.D thay vào ta có:

Ta có biểu thức tƯơng tự nhƯ của biến thế trong mạch AC Do đó, bộ chuyển đổi DC –

DC còn được gọi là biến thế DC:

4.4.2 Mạch chuyển đổi tăng áp (Boost Converter)

Boost Converter là bộ biến đổi DC dùng để biến đổi điện áp DC ngõ ra cao hơn điện

áp DC ngõ vào

• Sơ đồ mạch Boost Converter cơ bản

Sơ đồ phân tích hoạt động

Công tắc được sử dụng ở đây có thể là MOSFET, IGBT, hoặc BJT Để có hiệu quả cao thì công tắc phải đóng mở nhanh và có tổn hao thấp Việc phát minh ra linh kiện bán dẫn ở thập niên 50 là một sự kiện lớn giúp cho các linh kiện làm việc ở chế độ công tắc trong mạch Boost converter hoạt động khả dĩ hơn Công tắc bán dẫn đóng ngắt nhanh hơn

và có độ bền cao hơn so với các loại công tắc khác nhƯ bóng bán dẫn, rơle điện từ… Bộ biến đổi DC được phát triển trong những năm đầu của thập niên 60 khi mà công tắc bán dẫn được sử dụng rộng rãi hơn

• Phân tích mạch

Mạch có dạng nhƯ hình 3.7 Hai trạng thái của mạch Boost converter tùy thuộc vào vị trí của công tắc S nhƯ hình 3.8

Nguyên tắc hoạt động của mạch Boost converter gồm 2 chế độ khác nhau

− Trạng thái ON: công tắc S đóng (hình 3.8), dòng điện trong cuộn dây tăng lên

− Trạng thái OFF: công tắc S hở (hình 3.8), dòng điện chỉ có thể đi qua diode D, tụ điện

C và tải R Kết quả là năng lƯợng trong cuộn dây tích lũy trong trạng thái ON sẽ được nạp cho tụ C

- Khi phân giải mạch tăng thế ta cũng giả sử các điều kiện ban đầu nhƯ mạch hạ thế

− Mạch hoạt động trong chế độ thƯờng trực

− Dòng trong cuộn cảm là liên tục (luôn dƯơng)

− Tụ điện rất lớn và giữ điện thế ra không đổi V

0

− Chu kỳ giao hoán là T, S đóng trong thời gian DT và S hở trong thời gian (1–D)T

− Các linh kiện là lý tƯởng Công suất ra bằng công suất vào

Phân giải khi S đóng Khi S đóng, diod phân cực nghịch nên ngƯng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện thế V cho bởi

Giải cho kết quả :

Ở hoạt động thƯờng trực, sự thay đổi tổng cộng dòng trong cuộn cảm phải bằng không, ta được

Ta suy ra được điện thế ra ở tải

Và do đó

Tìm dòng điện qua cuộn cảm Công suất ngõ ra hấp thụ của tải

Trong điều kiện dẫn liên tục ta có trị giới hạn của dòng qua cuộn cảm bằng không, suy ra

Suy ra trị số tối thiểu của cuộn cảm để mạch hoạt động liên tục

Độ dợn sóng ngõ ra Với C có trị giới hạn điện thế ngõ ra có trị số AC được gọi

là điện thế dợn sóng do tụ nạp và xả điện khi S mở và đóng lần lƯợt Sự thay đổi điện tích của tụ C được tính bởi

Tải là một máy điện một chiều (E + L + R).Sơ đồ Hacheur song song với tải cho phép thực hiện hãm tái sinh Trong chế độ hãm tái sinh, máy điện làm việc nhƯ một máy phát điện, trả năng lƯợng về nguồn đã từng nuôi nó khi nó làm việc ở chế độ động cơ

1 s

L là điện cảm mạch phần ứng, giả thiết đủ lớn để giữ cho

id = Id = const trong một quá trình chuyển mạch

Sơ đồ hoạt động như sau:

Giả thiết khi t = 0, ta cho xung điều khiển kích mở Tp: ud = 0, is = 0,

iH =Id , diode D2 bị khoá lại Năng lƯợng từ nguồn E (công suất trên trục động cơ) được biến thành năng lƯợng từ trƯờng tích chứa trong cuộn cảm L, để rồi khi H mở mạch trả về nguồn nuôi qua diode D2

Khi t = T1 = T, cho xung mở Ta : Tp bị khoá lại, phƯơng trình mạch tải có dạng :

Thực hiện lai phép biến đổi đối với phƯơng trình trên:

III Sơ đồ Hacheur đảo dòng:

Hình 4.8

Ghép một Hacheur nối tiếp H1 với một Hacheur song song H2 sẽ có được sơ đồ

Hacheur đảo dòng, xem (Hình 4.8)

Dòng điện id > 0 khi H2 luôn luôn hở mạch, còn H1 đóng mở một cách chu kỳ

Trị trung bình của điện áp tải và Ud luôn luôn lớn hơn 0 và điều chỉnh được từ 0 đến

Us Điện cảm Lc có tác dụng hạn chế dòng điện tuần hoàn khi khoá một Hacheur

CHƯƠNG 5: NGHỊCH LƯU VÀ BIẾN TẦN

5.1 Giới thiệu :

Nghịch lưu là gì?

Nghịch lưu độc lập là những bộ biến đổi dùng để biến đổi nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều , cung cấp cho phụ tải xoay chiều, làm việc độc lập Khái niệm làm việc độc lập nghĩa là phụ tải không có liên hệ trực tiếp với lƯới điện NhƯ vậy các bộ nghịch lưu có chức năng ngƯợc với các bộ chỉnh lưu Khái niệm độc lập ở đây cần phân biệt nghịch lưu độc lập với lớp các bộ biến đổi phụ thuộc nhƯ chỉnh lưu hoặc các bộ biến đổi xung áp xoay chiều, trong đó các van chuyển mạch dƯới tác dụng của điện áp lƯới xoay chiều

5.1.2 Nguồn áp, nguồn dòng:

Một nguồn điện có thể là nguồn áp hoặc nguồn dòng Chế độ làm việc của các

bộ nghịch lưu phụ thuộc rất nhiều vào chế độ làm việc của nguồn một chiều cung cấp,

vì vậy cần phân biệt các đặc tính riêng của hai loại nguồn này

Nguồn áp lý tƯởng là một nguồn điện với nội trở bằng không NhƯ vậy dạng điện

áp ra là không đổi, không phụ thuộc vào giá trị cũng nhƯ tính chất của phụ tải Dòng điện ra sẽ phụ thuộc phụ tải Nguồn áp sẽ làm việc được ở chế độ không tải NhƯng không làm việc được ở chế độ ngắn mạch vì khi đó, về nguyên tắc, dòng điện sẽ lớn đến vô cùng Trong thực tế nguồn áp được tạo ra bằng cách mắc ở đầu ra một nguồn một chiều một tụ điện có giá trị đủ lớn

Nguồn dòng lý tƯởng là một nguồn điện với nội trở trong vô cùng lớn NhƯ vậy dòng điện ra là không đổi, không phụ thuộc vào giá trị cũng nhƯ tính chất của phụ tải Điện áp ra sẽ phụ thuộc phụ tải Nguồn dòng sẽ làm việc được ở chế độ ngắn mạch vì khi đó dòng điện vẫn không đổi nhƯng không làm việc được ở chế độ không tải Nói chung chế độ gần không tải tƯơng đƯơng với trở kháng tải rất lớn, không thể chấp nhận được Trong thực tế nguồn dòng được tạo ra bằng cách mắc ở đầu ra một nguồn một

5.1.3 Các đặc điểm của nghịch lưu độc lập:

Nghịch lưu độc lập có những đặc điểm sau:

- Có khả năng điều chỉnh tần số trong một phạm vi nhất định không phải thay đổi cấu trúc phần động lực

- Có thể thay dổi trong giới hạn lớn tỷ số giữa diện áp một chiều nguồn nạp và điện

áp ra xoay chiều

- Ổn định điện áp ra khi thay đổi hệ số công suất

- Không đứt đoạn trong công tác, có thể chịu được ngắn mạch ở mạch xoay chiều

- Có thể làm việc ở chế độ không tải

- Có khả năng năng được dạng điện áp ra gần hình sin nhất

- Không bị dao động khi nạp động cơ dị bộ hoặc đồng bộ

- Có độ phi đối xứng giữa các pha nhỏ khi tải phi đối xứng

- Đơn giản và có số lƯợng van ít

- Có hiệu suất năng lƯợng biến đổi năng lƯợng lớn

5.2 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng

5.2.1 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng song song một pha:

a Sơ đồ biến áp có điểm giữa:

Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn dòng song song được cho trên hình 4.2 a Trên sơ

đồ mỗi thyristor được điều khiển một nửa chu kỳ, nhƯ vậy điện áp một chiều được luân phiên đặt lên mỗi nữa cuộc dây của máy biến áp Kết quả là bên phía thứ cấp xuất hiện điện áp xoay chiều Tụ điện C mắc song song với phụ tải ở bên phía sơ cấp máy biến

áp, đóng vai trò là tụ chuyển mạch Điện cảm L có trò số lớn mắc nối tiếp với nguồn đầu vào làm cho dòng dầu vào hầu nhƯ được phẳng hoàn toàn và ngăn tụ phóng

Hình 4.1 Tạo nguồn dòng bằng mạch vòng dòng điện

ngƯợc trả về nguồn khi các Thyristor chuyển mạch Do dòng đầu vào hầu nhƯ không thay đổi nên tụ chỉ có thể phóng năng lƯợng ra tải Điều này có thể thấy rằng sơ đồ

tƯơng đƯơng hình 4.2 b

Khi Thyristor V1 mở thông điện áp E đặt lên nữa cuộn dây sơ cấp máy biến áp, nhƯ vậy tụ C sẽ được nạp tới điện áp trên toàn bộ phần sơ cấp, nghĩa là 2E, với cực tính nhƯ hình vẽ Khi V2 nhận được tín hiệu điều khiển, V2 sẽ mở ra được vì điện áp anốt - catôt của nó bằng điện áp trên tụ C đang dƯơng Khi V2 mở thông dòng id sẽ chạy qua V2, điện áp trên tụ C đặt tính ngƯợc lên V1 lại Tụ C sẽ được nạp điện lại để sẵn sàng cho lần chuyển mạch tiếp theo khi V1 lại nhận được tín hiệu điều khiển

Trong mạch điện tƯơng đƯơng tụ tƯơng đƯơng là 4C phản ánh tỷ số cuộn sơ cấp là 2:1

( a)

( b )

Hình 4.2 Nghịch lưu độc lập nguồn dòng song

( a ) Sơ đồ nguyên lý ( b ) Mạch điện tương đương

5.2.2 Nghịch lưu độc lập song song, sơ đồ cấu tạo :

(a)

(b)

Nghịch lưu độc lập song song, sơ đồ cầu cấu tạo gồm 4 Thyristor V1,V2,V3,V4

được điều khiển đóng mở theo từng cặp, V1 cùng V2,V3 cùng V4 Tụ C đóng vai trò l tụ chuyển mạch, mắc song song với phụ tải Đầu vào một chiều có cuộn cảm L trị số đủ lớn tạo nên nguồn dòng

Khi các cặp Thyristor được điều khiển theo từng cặp dòng đầu ra nghịch lưu Is có dạng chữ nhật với biên độ bằng dòng đầu vào Id Điện áp trên tải bằng điện áp trên tụ

uc Giả sử V1,V2 đang dẫn, tụ C được nạp điện với cực tính nhƯ trên hình 4.3 a.Tới nửa

chu kỳ sau khi V3,V4 được điều khiển mở ra điện áp trên tụ sẽ đặt ngƯợc lên V1,V2 để khoá V1,V2 lại Điện áp trên tụ chậm pha so với dòng điện một góc , chính là góc khóa của van

Nếu bỏ qua tổn thất trên sơ đồ thì giá trị trung bình của điện áp cuộn cảm bằng không, nghĩa là:

UL=E-Uab

T/2

 ULdt=0

0 Việc phân tích sơ đồ theo giá trị tức thời sẽ đƯa dến các biểu thức toán học phức tạp mà tính ứng dụng của nó cũng không rộng.Vì vậy để nghiên cứu sơ đồ trong chế độ xác lập, ngƯời ta sử dụng phƯơng pháp gần đúng sóng hài bậc nhất Theo phƯơng pháp sóng hài bậc nhất ta chỉ xét đến thành phần sóng hài bậc nhất của dòng nghịch lưu is và điện áp tải uc Khi đó có thể dùng biểu đồ vectơ nhƯ trên hình 4.3 b để phân tích các

tham số cơ bản của sơ đồ Sai số tính toán thu được so với phƯơng pháp giá trị tức thời

là khoảng 15-20% Đây là điều chấp nhận được vì tính đơn giản của phƯơng pháp

Giả thiết tải là trở cảm Để các Thyristor có thể chuyển mạch được thì vấn đề cơ bản là điện áp trên tụ C phải chậm pha so với dòng điện nghịch lưu một góc  , sao cho

tr, trong đó tr là thời gian phục hồi tính chất khóa của van

Gọi Qc,Ql tƯơng ứng là công suất phản kháng trên tụ C và trên tải, Pt là công suất tác dụng trên tải

Theo biểu đồ vectơ:

tg=(Ic-Il)/Ir= (Ic-Il)Uc/IrUc=(Qc-Ql)/Pt

Từ đó ta thấy rằng muốn tạo ra góc trƯớc giữa dòng điện và điện áp trên đầu ra

nghịch lưu mạch tải (giữa diểm c và điểm d trên sơ đồ hình 4.3 a ) phải có tính dung

kháng Muốn vậy công suất của tụ chuyển mạch C phải đủ để bù hoàn toàn công suất phản kháng trên tải Ql và dôi ra một phần để tạo góc vƯợt trƯớc  Nghĩa là: