ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐỐI VỚI BỘ BIẾN ĐỔI DCDC THEO KIỂU CÚK

Trong lĩnh vực kỹ thuật điện ngày nay, điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại. Với những bước tiến nhảy vọt trong kỹ thuật chế tạo linh kiện bán dẫn, các linh kiện điện tử công suất: điôt công suất, Tiristor, GTO, Triac, IGBT, SID, MCT . . . ra đời và hoàn thiện có tính năng dòng điện, điện áp, tốc độ chuyển mạch ngày càng được nâng cao làm cho kỹ thuật điện truyền thống thay đổi một cách sâu sắc. Song song với những tiến bộ đó các chiến lược điều khiển khác nhau cũng được áp dụng để điều khiển các bộ biến đổi theo các cấu trúc khác nhau nhằm tạo ra bộ biến đổi thông minh, linh hoạt và có các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, năng lượng tối ưu. Quá trình xử lý biến đổi điện áp một chiều thành điện áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DCDC. Cấu trúc mạch của bộ biến đổi vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo tính ổn định luôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu. Thêm vào đó, bộ biến đổi là đối tượng điều khiển tương đối phức tạp do mô hình có tính phi tuyến. Để nâng cao chất lượng điều khiển cho bộ biến đổi, với đề tài “Điều khiển trượt bộ biến đổi DCDC kiểu Cúk” đã ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại tạo ra bộ điều khiển để điều khiển cho bộ biến đổi Cúk, đảm bảo hiệu suất biến đổi cao và ổn định

- 1 -

MỞ ĐẦU

Trong lĩnh vực kỹ thuật điện ngày nay, điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại Với những bước tiến nhảy vọt trong kỹ thuật chế tạo linh kiện bán dẫn, các linh kiện điện tử công suất: điôt công suất, Tiristor, GTO, Triac, IGBT, SID, MCT ra đời và hoàn thiện có tính năng dòng điện, điện áp, tốc

độ chuyển mạch ngày càng được nâng cao làm cho kỹ thuật điện truyền thống thay đổi một cách sâu sắc Song song với những tiến bộ đó các chiến lược điều khiển khác nhau cũng được áp dụng để điều khiển các bộ biến đổi theo các cấu trúc khác nhau nhằm tạo ra bộ biến đổi thông minh, linh hoạt và có các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, năng lượng tối ưu Quá trình xử lý biến đổi điện

áp một chiều thành điện áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC Cấu trúc mạch của bộ biến đổi vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo tính ổn định luôn là mục tiêu của các công trình nghiên cứu Thêm vào đó, bộ biến đổi là đối tượng điều khiển tương đối phức tạp do mô hình có tính phi tuyến

Để nâng cao chất lượng điều khiển cho bộ biến đổi, với đề tài “Điều khiển trượt bộ biến đổi DC-DC kiểu Cúk” đã ứng dụng lý thuyết điều khiển

hiện đại tạo ra bộ điều khiển để điều khiển cho bộ biến đổi Cúk, đảm bảo hiệu suất biến đổi cao và ổn định Đồ án bao gồm các chương, nội dung cơ bản như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung về bộ biến đổi DC-DC

Chương 2: Nguyên lý điều khiển trượt

Chương 3: Ứng dụng điều khiển trượt đối với bộ biến đổi DC-DC

theo kiểu Cúk

- 2 -

Chương 4: Mô phỏng kiểm chứng trên nền Matlap& Simulink

Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo ThS Nguyễn Đức Dương giảng

viên Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian qua và xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo trong khoa Điện-Điện

Tử Trường ĐH Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp cũng như gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp này Do hạn chế

về trình độ ngoại ngữ và tài liệu tham khảo… và với thời gian chưa nhiều nên

đồ án còn có nhiều khiếm khuyết, sai sót Tôi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp cũng như những lời khuyên hữu ích từ các thầy cô cùng các bạn để

có thể thấy rõ những điều cần sửa và phải bổ xung, giúp cho việc xây dựng đề tài đạt kết quả tốt hơn

Ngày 17 tháng 06 năm 2011 Sinh viên

Bùi Bá Quý

- 3 -

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC

1.1 KHÁI QUÁT VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC

Bộ biến đổi DC-DC được định nghĩa là bộ điều khiển dòng điện và

điện áp một chiều khi nguồn cấp là điện một chiều

Khi làm việc ở chế độ điều áp một chiều, một linh kiện điện tử công suất đang ở trạng thái dẫn sẽ tiếp tục dẫn vì điện áp nguồn không qua vị trí điểm không Để khóa linh kiện ta phải “cưỡng bức” chuyển mạch bằng cách đặt lên linh kiện một điện áp ngược Đặc tính chuyển mạch có thể phân làm hai loại: nguồn áp hoặc nguồn dòng

1 1.1 Các phương pháp điều áp một chiều

Có một số cách điều khiển như sau:

 Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở

 Điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải một tranzitor

 Điều khiển bằng băm áp(xung áp)

1.1 2 Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở

Sơ đồ:

Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở

Trong đó: U1 điện áp nguồn; Rd điện trở tải; Ud điện áp tải; Id dòng điện qua

R R R

+Điều chỉnh không liên tục khi dòng tải lớn

1.1.3 Điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải một tranzitor

Sơ đồ và nguyên lí điều khiển:

Hình 1.2a

Hình 1.2b

Hình 1.2 Hình 1.2a,b,c lần lượt là sơ đồ điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp

với tải một transistor

I C =I d

T U

1.1.4 Điều khiển bằng băm áp (băm xung)

Băm áp một chiều là bộ biến đổi điện áp một chiều thành xung điện áp Điều chỉnh độ rộng xung điện áp, điều chỉnh được trị số trung bình điện áp tải

Các bộ băm áp một chiều có thể thực hiện theo sơ đồ mạch nối tiếp (phần tử đóng cắt mắc nối tiếp với tải) hoặc theo sơ đồ mạch song song (phần

tử đóng cắt được mắc song song với tải)

a Nguồn cấp trong băm áp một chiều

1 Định nghĩa về nguồn dòng và nguồn áp:

• Nguồn áp: là nguồn mà dạng sóng và giá trị điện áp của nó không phụ thuộc dòng điện (kể cả giá trị cũng như tốc độ biến thiên)

• Đặc trưng cơ bản của nguồn áp là điện áp không đổi và điện trở trong nhỏ

để sụt áp bên trong nguồn nhỏ

• Nguồn dòng: là nguồn mà dạng sóng và giá trị dòng điện của nó không phụ thuộc điện áp áp của nó (kể cả giá trị cũng như tốc độ biến thiên)

• Đặc trưng cơ bản của nguồn dòng là dòng điện không đổi và điện trở lớn để sụt dòng bên trong nguồn nhỏ

b Tính thuận nghịch của nguồn

- 6 -

• Công suất p = u i có thể đổi chiều khi một trong hai đại lượng u, i đảo chiều

c Cải thiện đặc tính cuả nguồn

• Nguồn áp thường có R0, L0, khi có dòng điện có R0i, L(di/dt) làm cho điện

áp trên cực nguồn thay đổi Để cải thiện đặc tính của nguồn áp người ta mắc song song với nguồn một tụ

• Tương tự, nguồn dòng có Z0 =  Khi có biến thiên du/dt làm cho dòng điện thay đổi Để cải thiện đặc tính nguồn dòng người ta mắc nối tiếp với nguồn một điện cảm

• Chuyển đổi nguồn áp thành nguồn dòng và ngược lại:

Hình 1.3 Sơ đồ chuyển đổi nguồn áp thành nguồn dòng và ngược lại:

d Quy tắc nối các nguồn

Đối với nguồn áp:

 Không nối song song các nguồn có điện áp khác nhau

 Không ngắn mạch nguồn áp

 Cho phép hở mạch nguồn áp

Đối với nguồn dòng:

 Không mắc nối tiếp các nguồn dòng có dòng điện khác nhau

- 7 -

a) Khái niệm: Mạch băm xung dùng để biến đổi điện áp một chiều không đổi

U thành các xung một chiều có trị số trung bình biến đổi Utb Utb có thể điều chỉnh được từ bằng 0 đến điện áp nguồn cung cấp cho mạch băm Mạch băm xung còn được gọi là mạch Chopper

b) Ưu điểm của phương pháp dùng mạch băm xung:

So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc

độ động cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát một chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có điều khiển thì phương pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể: điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế

và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm tái sinh của động cơ Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn công suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ Mạch băm xung đặc biệt thích hợp với các động cơ một chiều công suất nhỏ

c) Phân loại:

Có 3 dạng mạch băm xung:

- Mạch băm xung nối tiếp (Chopper lớp A)

- Mạch băm xung song song (Chopper lớp B)

- Mạch băm xung có đảo chiều (Chopper lớp C, D, E) + Mạch băm xung đảo dòng (Chopper lớp C)

+ Mạch băm xung đảo áp (Chopper lớp D) + Mạch băm xung hỗn hợp (Chopper lớp E)

d) Nguyên tắc hoạt động chung của mạch băm xung

- 8 -

(Sơ đồ nguyên lý)

Hình 1.4 Sơ đồ khối của bộ băm xung

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lí của bộ băm xung áp một chiều

Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc như một công tắc tơ tĩnh (K) đóng mở liên tục cách 1 chu kì Nhờ vậy mà biến đổi được điện áp một chiều không đổi E sau bộ chỉnh lưu không điều khiển thành các xung điện áp một chiều Utb có trị số có thể điều chỉnh được thông qua điều chỉnh tần số đóng cắt khoá K Điện áp Utb này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ

Do bộ nguồn có dạng xung nên có thể gây ra dao động điện trên lưới điện nều dòng cấp lớn Hơn nữa, điện áp cấp cho động cơ một chiều có dạng xung nên sẽ gây ra biến thiên dòng điện cấp cho động cơ, ảnh hưởng xấu đến chất lượng đáp ứng của động cơ Vì vậy trong sơ đồ có mạch LC là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải thực tế là không đổi, mục đích là giảm

hệ số đập mạch nâng cao chất lượng điều chỉnh

Chỉnh lưu không điều khiển

- 9 -

Tần số đóng cắt khoá K càng nhanh thì càng giảm được các gợn dòng,

do đó sẽ giảm kích thước của bộ lọc, nhưng nếu lớn quá sẽ gây ra bức xạ nhiễu điện từ, và do các hạn chế của quá trình điều khiển các linh kiện bán dẫn công suất nên tần số băm không thể quá lớn Thực tế thường dùng tần số băm khoảng 400Hz  600Hz

Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý có thể dùng các linh kiện bán dẫn khác nhau như Tiristor, Transistor, GTO, MOSFET Dùng Tiristor có ưu điểm

là trị số giới hạn cao, làm việc chắc chắn rẻ tiền, tổn hao khi dẫn nhỏ nhưng

có nhược điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần số đóng mở thấp (dưới 500Hz) Transistor MOSFET thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 20 đến 100Khz, có giá thành rẻ hơn, tổn hao ít hơn MOSFET Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng Tiristor, nhưng Tiristor lại cho phép dễ bảo

vệ chống lại các sự cố hơn Transistor Vì vậy ở những môi trường làm việc nặng nề Transistor ít được sử dụng

e) Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra

- Thay đổi độ rộng xung (thay đổi t1)

- Thay đổi tần số xung (thay đổi T hoặc f)

(dạng điện áp trên tải)

Ura

t t1 t2

T

- 10 -

Hình 1.6 Sơ đồ phương pháp điều chỉnh điện áp ra

1.Phương pháp thay đổi độ rộng xung

Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T Giá trị trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:

Trong đó đặt:

: là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ

Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0 <  1)

2.Phương pháp thay đổi tần số xung

Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1 = const Khi đó:

1.2.2 Các mạch băm xung

a) Mạch băm xung nối tiếp (Chopper lớp A)

Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ

(Mạch băm xung nối tiếp – Chopper lớp A)

U  1. 

S S

- 11 -

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý mạch Chopper lớp A

Trong sơ đồ trên, phần tử điều chỉnh là khoá K, thực tế là Tranzitor hoặc Tiristor Khoá K, cuộn cảm L và tải mắc nối tiếp Bộ lọc LC và điot D mắc ngược để thoát dòng tải khi khoá K ngắt

Hoạt động của sơ đồ:

+ K đóng, US được đặt vào đầu của bộ lọc Nếu bỏ qua sụt áp trên các van trong bộ biến đổi thì Ura = US

+ K mở, hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng Itải do năng lượng tích luỹ trong cuộn L của động cơ và Ltải, dòng Itải chạy qua D, do đó

Ura = Utải = 0

Như vậy, Ura < US Vì thế sơ đồ trên còn gọi là sơ đồ biến đổi hạ áp Thay đổi tỉ số thời gian đóng và thời gian ngắt của K sẽ điều chỉnh được giá trị trung bình của điện áp ra trên tải Ura

Gọi T là chu kì của bộ băm, t1 là thời gian K đóng, t1 = αT, ỏ là tỉ số đóng của chu kì, t2 là thời gian K ngắt, T = t1 + t2 Ta có:

Giá trị điện áp trung bình trên tải:

U U T

T Udt T

T

tb    

01

L 1

U s U r

a

C lọc Tải

- Giữ cố định thời gian đóng mạch t1, thay đổi chu kì T của bộ băm (tần

số băm biến thiên) Phương pháp này gọi là phương pháp điều tần

Trong hệ thống, thời gian đóng mạch t1 có thể điều chỉnh tuỳ ý, nhưng không thể nhỏ hơn một nửa chu kì của mạch dao động LC, tức là phải bảo đảm:

Ta có sơ đồ biểu điễn điện áp ra trên tải Ura như sau:

Hình 1.8 sơ đồ biểu điễn điện áp ra trên tải U ra

Xét quá trình dao động của dòng tải:

- Trong khoảng thời gian từ 0 đến t1, khoá K đóng Điện áp ra trên tải

Ura = US, dòng điện tải Itải tăng từ giá trị nhỏ nhất Imin đến giá trị lớn nhất Imax Biểu thức I được xác định từ phương trình mạch:

- 13 -

Biểu thức tổng quát của dòng điện sẽ là:

Tại thời điểm t = 0 thì:

Thay giá trị C1 vào ta được:

Tính giá trị dòng cực đại:

Tại thời điểm t1 ta có dòng cực đại :

Ta thấy trong giai đoạn K đóng thì dòng điện tải I tăng từ trị số Imin đến

Imax theo quy luật hàm mũ

Lý luận tương tự, xét trong khoảng thời gian từ t1 đến T, K mở, điện áp

ra trên tải Ura = 0, dòng trên tải giảm theo hàm mũ và khi t = T thì đạt giá trị

Imin

L

E U i L

R dt

e C

C R

E U C I

e R

E U

e R

E U

max

1 1

min

R t



S T

t T

U

E e

R

E I



( )max

min

1

) (

- 14 -

Ta có đồ thị điện áp, dòng điện ở chế độ liên tục và gián đoạn của bộ băm lớp A như sau:

t T

e I e

U

E I

) ( max

) ( min

1 1

) 1

e R

U I

LC

LC

T t T t

t

0

- 15 -

Sơ đồ nguyên lý như sau: (Mạch Chopper lớp B)

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý mạch Chopper lớp B

Trong đó, khoá K và tụ C mắc song song với tải, cuộn cảm L mắc nối tiếp với tải Cuộn cảm L không tham gia vào quá trình lọc dòng tải, mà chỉ có

tụ C tham gia vai trò này Ngoài ra, tụ C còn tạo đường dẫn cho dòng phần ứng trong khoảng thời gian khoá K mở, tránh các xung áp gây ra do sự thay đổi đột ngột dòng điện qua L, do đó là tăng thêm năng lưọng trả về lưới

Hoạt động của sơ đồ:

- Khi K đóng, dòng điện từ US(+) qua L, qua K về US(-) và tích trữ năng lượng cho cuộn cảm L

- Khi K mở, (Trên sơ đồ trên D đấu ngược), dòng từ US(+) qua L, qua

D và tải Vì từ thông trong cuộn cảm L không thể giảm tức thời về 0, trong cuộn cảm L xuất hiện suất điện động tự cảm eL có cùng cực tính với US Do

đó tổng điện áp đặt trên tải là U = US + eL,

Giá trị trung bình của điện áp một chiều:

Giá trị trung bình của dòng điện trả về nguồn:

Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua khoá K:

U Udt

T U

T T

T d

e I dt I T

Mạch băm xung có đảo chiều có nhiều ưu điểm so với các mạch trên, vì cho phép động cơ làm việc ở nhiều góc phần tư, cho phép hãm tái sinh và đảo chiều quay động cơ Sau đây sẽ khảo sát 3 dạng mạch băm xung có đảo chiều:

- Mạch băm xung đảo dòng (Chopper lớp C)

- Mạch băm xung đảo áp (Chopper lớp D)

- Mạch băm xung hỗn hợp (Chopper lớp E)

c1) Mạch băm xung đảo dòng (Chopper lớp C)

d

T d

T

I   

01

R

U E I

U dt

dI L RI

d d

d d

- 17 -

Trong một số ứng dụng, như điều khiển động cơ servo, máy công cụ, đòi hỏi sự chuyển mạch êm và nhanh từ chế độ động cơ sang chế độ hãm và ngược lại Khi đó bộ chopper lớp C được sử dụng Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ: (Sơ đồ chopper lớp C)

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý chopper lớp C

Khoá K1 và D2 tạo thành một mạch chopper, K2 và D1 tạo thành một mạch chopper khác K1 và K2 được kích dẫn ngược pha nhau, trong đó K1được kích dẫn trong khoảng từ 0 đến αT, còn K2 được kích dẫn trong khoảng

khoá, dòng tải khép mạch qua D2, do đó dòng tải là liên tục ngay cả khi K1

khoá Trong khoảng thời gian này điện áp đặt trên động cơ là Us và tốc độ biến thiên dòng Itải là dương vì US > E

- Trong khoảng thời gian từ αT đến T, K2 và D1 tham gia vận hành còn

K1 ngắt Khi đó, do quán tính động cơ vẫn quay theo chiều cũ mặc dù bị ngắt

ra khỏi nguồn, nên E > 0 Lúc này mạch tải chỉ có nguồn duy nhất E khép mạch qua K2, xuất hiện dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầu Khi K2 ngắt, trên điện cảm L sinh ra sức điện động tự cảm (UL) cùng chiều với E Tổng

L 1

- 18 -

hai sức điện động này lớn hơn điện áp nguồn US làm D1 dẫn ngược dòng về nguồn và trả lại phần năng lượng đã tích luỹ trong cuộn cảm L

Công suất điện từ tích luỹ trong cuộn cảm L của động cơ là:Pđt= Id.E >

0 là công suất trả về lưới trong giai đoạn này

Để đảm bảo K2 dẫn dòng điện ngược ngay khi dòng thuận qua D2 tắt ta phát xung vào mở K2 đồng thời với việc phát xung khoá K1

Các công thức tính toán quá trình dao động của dòng tải giống như của

Suy ra: Itải = (αUs – E)/Rư

Tức là dòng làm việc của động cơ có thể lớn hơn 0 (chế độ động cơ) khi α > (E/Us), và nhỏ hơn 0 (chế độ hãm tái sinh) khi α < (E/US)

c2) Mạch băm xung đảo áp (Chopper lớp D)

Mạch chopper lớp D có cấu trúc như hình vẽ

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lí chopper lớp D

Quy luật điều khiển các khoá K1 và K2 như sau:

- K1 và K2 được kích dẫn lệch pha nhau một khoảng thời gian T

- Chu kì đóng tắt mỗi khoá là 2T

- Mỗi khoá được kích dẫn trong khoảng thời gian 2αT

Từ đồ thị dòng điện và điện áp ta thấy:

- Với 0.5 < α < 1 K1 và K2 không thể tắt đồng thời Do đó, điện áp ngõ

ra bộ chopper là US hoặc 0, và điện áp trung bình ngõ ra là Ura > 0 Hệ thống hoạt động trong góc phần tư thứ I

- 20 -

- Với 0 < α < 0.5, K1 và K2 không thể dẫn đồng thời Do đó, điện áp ngõ ra bộ chopper là - US hoặc 0, và điện áp trung bình ngõ ra là Ura < 0 Hệ thống hoạt động ở góc phần tư thứ IV

Điện áp trung bình ngõ ra bộ chopper là:

- Với 0.5 < α < 1:

- Với 0 < α < 0.5:

Như vậy biểu thức tính điện áp trung bình lối ra là:

(1.5) Dòng điện phần ứng trung bình:

T U





2

)5.0(21

T

S S

(1

T

S S

T U





2

)5.0(21

u

S u

ra u

R

E U

R

E U

- 21 -

RLE là phần tử thay thế tương đương của động cơ

Sơ đồ trên cho phép điều chỉnh tốc độ quay và đảo chiều quay một cách linh hoạt, đặc tính làm việc của động cơ có thể ở cả 4 góc phần tư

Phân tích các chế độ làm việc của sơ đồ

Sơ đồ trên có thể được điều khiển theo các cách:

Cách 1

- Hoạt động ở góc phần tư thứ I và II : K2 được kích dẫn liên tục, K1 và

K4 được điều khiển đóng tăt ngược pha nhau Khi đó ta được bộ chopper diẻu đảo dòng (Chopper lớp C)

- Hoạt động ở góc phần tư thứ III và IV : K3 được kích dẫn liên tục, K1

và K4 được điều khiển đóng tắt ngược pha nhau Khi đó ta được bộ chopper kiểu đảo dòng nhưng cực tính điện áp ra đảo ngược

Khi đảo chiều quay động cơ, quá trình điều khiển sẽ như sau:

- Giảm α đến giá trị cực tiểu, dòng động cơ sẽ đảo chiều và đạt giá trị cực đại, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh và giảm tốc

- Khi tốc độ động cơ giảm đến 0, đóng van đang dẫn và mở van kia Các van K1 và K4 được kích dẫn với hệ số điều chỉnh ỏ tương ứng với tốc

Chuyển mạch từ góc phần tư thứ I sang III được thực hiện như sau:

- Tắt các van K1 và K2, dòng động cơ sẽ chạy qua D1, nguồn và diot D2, và nhanh chóng giảm xuống 0

- Kích K3 và K4 với ỏ trong khoảng 0 đến 0.5, thường gần bằng 0.5 Dòng động cơ sẽ chạy theo chiều ngược lại và đạt đến giá trị cực đại Động cơ sẽ hoạt động ở góc phần tư thứ II và giảm tốc

- Khi tốc độ đạt gần o, α sẽ được hiệu chỉnh đến giá trị cần thiết trong khoảng 0.5 đến 1, động cơ sẽ tăng tốc theo chiều ngược lại đến điểm làm việc ổn định trong góc phần tư thứ III

Cách 3

Sơ đồ kích các van trình bày trên hình sau (Hình 2.35a, b) Việc kích các van dựa trên nguyên tắc giống như trong cách 2, với một số các thay đổi sau:

- Các mạch chopper hợp thành bởi (K1 và K2), (K3 và K4) sẽ được điều khiển đồng thời

- Các cặp van (K1 và K4), (K2 và K3) được kích tắt ngược pha nhau Chu kì kích tắt của mỗi van là 2T Trong khoảng thời gian đó, hoạt động của bộ chopper có thể chia thành 4 khoảng như hình vẽ (Hình 2.35)

d) Mạch băm xung tích lũy năng lượng

d1) Mạch băm xung tích lũy điện cảm

UR = - L.di/dt, iL giảm tuyến tính

• Trị số trung bình dòng điện nguồn: IN = IL

• Trị số trung bình dòng tải : IR = (1- )IL

• Bỏ qua tổn hao ta có: UR.IR = UN.IN hay:

d2)Mạch băm xung tích lũy điện dung

1

N R

I U

• Trị số trung bình của điện áp nguồn: UN = (1-)UC

• Trị số trung bình điện áp tải : UR = UC

• Bỏ qua tổn hao ta có: UR.IR = UN.IN hay:

1

N R

I U

Bộ biến đổi DC-DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn Có hai cách để

thực hiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch, và dùng các điện cảm chuyển mạch Giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thế hơn ở các mạch công suất lớn

Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck (giảm áp), boost (tăng áp), và buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp) Hình 1.2 thể hiện sơ đồ nguyên lý của các bộ biến đổi này Với những cách

bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch, và diode khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiện những mục tiêu khác nhau, nhưng nguyên tắc hoạt động thì đều dựa trên hiện tượng duy trì dòng điện đi qua điện cảm

Hình 1.19: Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển

0 0

0 0

2 0

2 0

11

0

;1

1

.1

1

;1

R I E

U

E U

R Coi

R I E

U U

I I

I I

I I

d N

d

d C

d

d d

N L

d N

- 27 -

1.4.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck converter)

Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng, điện áp chênh lệch giữa ngõ vào và ngõ ra đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Điện áp đặt vào điện cảm lúc này ngược dấu với khi khóa (van) đóng, và có độ lớn bằng điện áp ngõ ra cộng với điện áp rơi trên diode, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép

Ở trạng thái xác lập, dòng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn, với giá trị của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện cảm là liên tục Vì điện cảm không tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng), hay công suất trung bình trên điện cảm là bằng 0, và dòng điện trung bình của điện cảm là khác 0, điện áp rơi trung bình trên điện cảm phải là 0

Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa (van), và T2 là thời gian ngắt khóa (van) Như vậy, T = T1+ T2 Giả sử điện áp rơi trên diode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp ngõ vào và ngõ ra Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là (T1/T)×(Vin− Vout), còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là −(T2/T)×Vout

Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn là: (T1/T)×(Vin − Vout) − (T2/T)×Vout= 0 hay (T1/T)×Vin− ((T1+ T2)/T)×Vout = 0, (T1/T)×Vin = Vout

- 28 -

Giá trị D = T1/T thường được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) Như vậy,

Vout = Vin×D D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1), do đó

0 < Vout < Vin

Với các bộ biến đổi buck, vấn đề thường được đặt ra như sau: cho biết

phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra Vout, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra

Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D:

Dmin= Vout/Vin,max, và Dmax= Vout/Vin,min

Thông thường, các bộ biến đổi buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện liên tục qua điện cảm Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độ thay đổi dòng điện sẽ bằng 2 lần dòng điện tải Như vậy, độ thay đổi dòng điện cho phép bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu Điện cảm phải đủ lớn

để giới hạn độ thay đổi dòng điện ở giá trị này trong điều kiện xấu nhất, tức là khi D = Dmin(vì thời gian giảm dòng điện là T2, với điện áp rơi không thay đổi là Vout) Một cách cụ thể, chúng ta có đẳng thức sau:

(1 − Dmin)×T×Vout= Lmin×2×Iout,min

Hai thông số cần được lựa chọn ở đây là Lminvà T Nếu chúng ta chọn tần số chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (T = 1/f, f là tần số chuyển mạch), thì

ΔI×T/2 = C×ΔV

ΔI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã được chọn ở bước trước đó Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho phép ΔV mà chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp

1.4.2 Bộ biến đổi đảo áp (buck-boost converter)

Bộ biến đổi đảo áp buck-boost hoạt động dựa trên nguyên tắc: khi khóa (van) đóng, điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa (van) và ngắt khóa (van) mà giá trị điện áp

ra có thể nhỏ hơn, bằng, hay lớn hơn giá trị điện áp vào Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện

đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian

Với các giả thiết tương tự như các trường hợp trên, ở chế độ dòng điện qua điện cảm là liên tục, điện áp rơi trung bình trên điện cảm sẽ bằng 0 Với cách ký hiệu T = T1+ T2như trên, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là (T1/T)×Vin, còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là − (T2/T)×Vout

Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn:

- 30 -

(T1/T)×Vin− (T2/T)×Vout = 0

Như vậy:(T1/T)×Vin= (T2/T)×Vout, D×Vin= (1 − D)×Vout

Khi D = 0.5, Vin= Vout Với những trường hợp khác :

0 < Vout< Vinkhi 0 < D < 0.5, và 0 < Vin< Vout khi 0.5 < D < 1 (chú ý là ở đây chỉ xét về độ lớn, vì chúng ta đã biết Vinvà Vout là ngược dấu) Như vậy,

bộ biến đổi này có thể tăng áp hay giảm áp, và đó là lý do mà nó được gọi là

bộ biến đổi buck-boost

Xét cùng một loại bài toán thường gặp như những trường hợp trên, tức là: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra

Vout, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra

Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D:

Dmin = Vout/(Vin,max+ Vout), và Dmax= Vout/(Vin,min+ Vout)

Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép sẽ bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của điện áp trung bình đặt vào điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức là khi D = Dmin Như vậy đẳng thức dùng để chọn chu kỳ (tần số) chuyển mạch và điện cảm L giống như của bộ biến đổi buck:

(1 − Dmin)×T×Vout= Lmin×2×Iout,min

Cách chọn tụ điện ngõ ra cho bộ biến đổi này cũng không khác gì so với trường hợp trên

1.4.3 Bộ biến đổi tăng áp (boost converter)

- 31 -

Bộ biến đổi tăng áp là thiết bị được ứng dụng để biến đổi làm tăng điện

áp đầu ra so với điện áp nguồn Bộ biến đổi boost hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng, điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Ở điều kiện làm việc bình thường, điện áp ngõ ra có giá trị lớn hơn điện áp ngõ vào, do đó điện áp đặt vào điện cảm lúc này ngược dấu với khi khóa (van) đóng, và có độ lớn bằng chênh lệch giữa điện áp ngõ ra và điện áp ngõ vào, cộng với điện áp rơi trên diode Dòng điện qua điện cảm lúc này giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao động điện

áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép

Tương tự như trường hợp của bộ biến đổi buck, dòng điện qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn và điện áp rơi trung bình trên điện cảm trong một chu kỳ sẽ bằng 0 nếu dòng điện qua điện cảm là liên tục (nghĩa là dòng điện tải có giá trị đủ lớn)

Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa (van), và T2 là thời gian ngắt khóa (van) Như vậy, T = T1+ T2 Giả sử điện áp rơi trên diode, và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp ngõ vào và ngõ ra Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là (T1/T)×Vin, còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là (T2/T)×(Vin− Vout)

Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn là:

(T1/T)×Vin+ (T2/T)×(Vin− Vout) = 0

Hay

(T1/T + T2/T)×Vin − ( T2/T)×Vout = 0, Vin= (T2/T)×Vout

- 32 -

Với cách định nghĩa chu kỳ nhiệm vụ D = T1/T, T2/T = 1 − D, ta có :

Vin= (1 − D)×Vout, hay Vout= Vin/(1 − D) D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1), do đó 0 < Vin< Vout

Tương tự như với bộ biến đổi buck, một trong những bài toán thường gặp là như sau: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện

áp ngõ ra Vout, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu

Iout,min Xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra

Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D:

Dmin = 1 − Vin,max/Vout, và Dmax= 1 − Vin,min/Vout

Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép sẽ bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của điện áp trung bình đặt vào điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức là hàm số Vin/Vout×(Vin − Vout) đạt giá trị nhỏ nhất khi D thay đổi từ

Dminđến Dmax(chú ý là hàm số này có giá trị âm trong khoảng thay đổi của D) Gọi giá trị của D và Vintương ứng với giá trị nhỏ nhất đó là Dth và

Vin,th(giá trị tới hạn), đẳng thức sau (chỉ xét về độ lớn) được dùng để chọn giá trị chu kỳ (hay tần số) chuyển mạch và điện cảm:

(1 − Dth)×T×(Vout − Vin,th) = Lmin×2×Iout,min

Việc lựa chọn giá trị cho tụ điện ngõ ra hoàn toàn giống như đối với trường hợp bộ biến đổi buck

1.4.4 Bộ biến đổi Zeta

Bộ biến đổi Zeta thực hiện chức năng tăng giảm áp không nghịch lưu

Cấu trúc của nó sử dụng hai cuộn cảm, hai bộ chuyển mạch và hai tụ điện để

- 33 -

cách ly đầu vào và đầu ra Bộ chuyển mạch sử dụng ở đây là một MOSFET kiểu N và một diode shottky Tương tự như bộ biến đổi Cúk và Sepic, bộ biến đổi Zeta có thể là một hệ thống phi tuyến (song tuyến tính) Chúng ta tóm tắt những đặc tính quan trọng nhất liên quan đến việc chuyển đổi mô hình của bộ biến đổi Zeta như hình sau:

-Hình 1.20: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi DC-DC Zeta

Giải thích sơ đồ: Hai cuộn kháng được sử để chuyển đổi tương ứng điện áp vào và điện áp ra của bộ nguồn Trong một khoảng thời gian ngắn có thể coi chúng như một nguồn dòng giúp cho dòng điện không gián đoạn

Tranzitor Q và diode D có tác dụng như các khóa đóng cắt mạch

Tụ C1 là nơi tích lũy năng lượng, C2 để ổn định điện áp ra

Việc chuyển đổi lý tưởng dựa trên sự thực hiện của bộ biến đổi được

mô tả như hình sau:

Hình 1.21: Bộ biến đổi Zeta với thiết bị chuyển đổi lý tưởng

1.4.4.1 Mô hình của bộ biến đổi Zeta

Bộ biến đổi Zeta trình bày 2 trạng thái làm việc khác nhau Trạng thái đầu tiên hoạt động khi transistor Q dẫn và diode D khóa Ta có mạch tương đương như hình 1.4a Trong thời gian này có dòng điện qua cuộn cảm L1 và

L2 được lấy ra từ nguồn E, chế độ này là chế độ nạp Trạng thái thứ hai hoạt động khi transistor Q khóa và diode dẫn, ta nhận được mạch tương đương như hình 1.4b Ở thời gian này hoạt động như ở chế độ xả vì tất cả năng lượng lưu trữ trong L2 được chuyển tới trở R

1

C1

2

v2-

(a) Trường hợp vị trí bộ chuyển đổi u=1

- 35 -

v1L

2

v2-

) u 1 ( d

d

t

i 1

2 1

1 1 ( 1 )

ui i u d

d Ct

uv d

d Lt

d C

t

2 2

x.1   ( 1  ) 2 

- 36 -

3 1

.

2 ( 1 u ) x ux

u x ux

3

4

Q 

1.4.4.3 Điểm cân bằng và hàm truyền tĩnh.

Phương trình cân bằng được cho bởi:

[

][

Mô hình trung bình chuẩn hóa điểm cân bằng, tham số uav=U tìm thấy

sẽ được cho bởi:

2

2 1

)1(

1

U

U Q

1

3

U

U Q

x



)1(4

U

U x





Một tham số về trạng thái cân bằng điện áp đầu ra x mong muốn, 4

được tìm thấy bằng việc loại bỏ các tham số U, ta được:

Q

x x

2 4

Hàm truyền chuẩn hóa tĩnh của bộ biến đổi Zeta được cho bởi:

- 37 -

U

U x

U H







1 )

Điều này khẳng định tính năng cơ bản của bộ biến đổi Zeta, đó là tỉ lệ chuyển đổi có thể giảm hoặc khuếch đại bộ biến đổi Đường cong đặc trưng của hàm truyền tĩnh được thể hiện trong hình vẽ sau:

Hình 1.23: Đặc tuyến hàm truyền bộ biến đổi DC-DC Zeta

1.4.5 Bộ biến đổi kiểu Cúk

1.4.5.1 Nguyên lý bộ biến đổi kiểu Cúk

là phức tạp cao hơn cho việc phân tích và xây dựng các công cụ chuyển đổi này

E

C 1

C 2 +

- 39 -

E

C 2

+ -

E

C 2

+ -

V 1

Hình 1.26: Mạch tương đương của bộ chuyển đổi Cúk

1.4.5.2 Mô hình chuyển đổi

Cách thức để xây dựng bộ chuyển đổi Cúk được thực hiện cùng một cách thức mà chúng ta đã phân tích cấu trúc liên kết của các bộ chuyển đổi DC-DC trước đó

 Khi u=1 chúng ta có được những phương trình sau đây cho i1 và i2

trong mạch thu được các cấu trúc liên kết:

,

(1.9)

Và sau đây phương trình cho điện áp tụ và ,

- 40 -

(1.11)

Khi u = 0, chúng ta có được các phương trình sau đây cho i1 và i2,

(1.12)

Các tụ điện áp và được mô tả bằng:

Sự năng động của bộ chuyển đổi Cuk được mô tả bằng cách kết hợp các mô hình phần trước Do đó ta có được những hệ thống sau của phương trình vi phân:

Trường hợp và , tương ứng với điện áp trên các tụ điện C1 và dòng trong cuộn cảm , trong khi and cũng tương ứng với điện áp trên các nhánh song song với nhau hình thành bởi tụ C2 và R tải, và thông qua các cuộn cảm Như thường lệ, bên ngoài nguồn điện thế E có một giá trị không đổi Biến u để kiểm soát đầu vào, đại diện cho các vị trí bị hạn chế chuyển đổi để có giá trị trong tập hợp rời rạc {0,1} Người ta cho rằng các