CHƯƠNG 3 BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bộ biến đổi điện áp một chiều Bộ biến đổi điện áp một chiều hay còn gọi là bộ biến đổi xung áp một chiều với đầu vào là nguồn điện một chiều có điện áp cố định và đầu ra cũng là nguồn đ

Chương 3

BỘ BIẾN ĐỔI

ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bộ biến đổi điện áp một chiều

Bộ biến đổi điện áp một chiều hay còn gọi là bộ biến đổi xung áp một chiều với đầu vào là nguồn điện một chiều

có điện áp cố định và đầu ra cũng là nguồn điện một chiều nhưng

có điện áp thay đổi được.

Giá trị trung bình của điện áp trên tải:

 - Thời gian khoá K đóng  - Hệ số điều chỉnh T – Chu kì đóng cắt của khoá K

Để thay đổi điện áp có hai cách:

1- Thay đổi thời gian đóng K khi giữ chu kì T không đổi ( PWM)

2- Thay đổi tần số đóng cắt:  = 1   và giữ thời gian đóng khoá K không đổi :

0

E T

E

Edt T

Ưu điểm:

+ Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong BBĐ không đáng kể so với bộ BĐ liên tục,

+ Độ chính xác cao, ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường,

+ Chất lượng điện áp tốt hơn,

+ Kích thước gọn nhẹ.

Nhược điểm:

+ Cần có bộ lọc đầu ra, tăng quán tính của bộ BĐ,

+ Tần số đóng cắt lớn tạo nên nhiễu nguồn, nhiễu các thiết bị đ/k khác

Bộ biến đổi điện áp một chiều sử dụng van điều khiển là hợp

lý nhất Nhiều trường hợp vẫn sử dụng Thyristor (T) cho loại này vì công suất của T lớn

T là van bán dẫn bán điều khiển, muốn khoá T cần giảm dòng qua T nhỏ hơn một giá trị nhất định nào đó bằng cách đặt điện

áp ngược lên T

Với mạch một chiều khi sử dụng T, người ta thường sử dụng các T phụ và nguồn năng lượng tích trữ trong tụ điện để khoá

T chính

TC là Thyristor chính

Tf là phụ

Khi Tc mở, tụ C được nạp thông qua điện trở R

bằng điẹn áp nguồn Khi

muốn khoá Tc điều khiển

mở Tf, điện áp ngược từ

tụ sẽ đặt lên Tc làm cho

dòng qua Tc giảm về 0

Khi Tf mở, tụ C được nạp với dấu + ở trên, Khi Tc làm việc, tụ

C phóng qua D, L và do được tính toán trước nên mạch này cộng hưởng, tụ C được nạp

theo chiều ngược lại, dấu theo trong ngoặc Khi muốn khoá

Tc, điều khiển Tf, điện áp

ngược đặt lên Tc, giảm dòng về 0

SƠ ĐỒ CẤU TRÚC

Các khâu chính: Nguồn N - Bộ lọc đầu vào L – Khoá điện tử KDT - Lọc đầu ra Lo - Phụ tải PT

Nguồn 1 chiều có thể là acquy, bộ chỉnh lưu Lọc có thể là L,

LC KDT thường sử dụng van bán dẫn điều khiển hoàn toàn ( GTO, IGBT, BJT) Lọc đầu ra để san phẳng

Sơ đồ nguyên lí

Nguyên tắc điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều

Bộ biến đổi xung áp một chiều không đảo chiều

có điện áp ra thấp hơn điện áp vào ( Bộ biến đổi xung áp nối tiếp)

12

Bộ biến đổi xung áp một nhịp làm việc với

động cơ một chiều

16

Chế độ động cơ

Điện áp UAB đạt cực đại khi T dẫn UAB  E và đạt cực tiểu khi UAB = 0.

Khi T bị khoá, dòng điện tăng tới i tmax ở thời điểm t1, và giảm đến i tmin tại thời điểm T Giá trị trung bình của dòng điện qua khoá điện tử:

Trong đó: i1(t) là dòng điện qua phụ tải khi khoá dẫn điện ( 0  t  t1 ) ; t =  T:

i2(t) là dòng điện qua phụ tải khi khoá không dẫn (t1  t   ) ; t = (1-  )T

Giá trị trung bình dòng qua diode:

Điện áp lớn nhất đặt lên van:

Công suất sử dụng khoá điện tử

U E I

U I

(

1

E U



t T

P

P 

Chế độ dòng gián đoạn

Điểm giới hạn giữa liên tục và gián đoạn tương ứng với điều kiện : I min = 0

Giá trị điện cảm giới hạn:

Khoảng dẫn điện giới hạn:

E

I tgioihan

2

) 1

( 

 



f I

E L

tgh

gioihan

2

) 1

U

t

t

2

U T

L

U E T

dt L

U E T I

t t

t t

U   

đặc tính điện cơ : dòng gián đoạn và liên tục

Chế độ hãm điện của động cơ

Dòng năng lượng sẽ từ động cơ về nguồn, động cơ

làm chức năng máy phát ( hãm tái sinh)

21

bộ biến đổi điện áp hai nhịp với điện áp ra

nhỏ hơn điện áp vào

23

Bộ biến đổi cho phép động cơ làm việc ở góc phần t thứ nhất: chế

độ động cơ Và góc phần t thứ hai: Chế độ hãm điện

Quá trình khởi động và hãm ( điện) động cơ

bộ biến đổi xung áp song song có điện

áp ra nhỏ hơn điện áp vào ( bộ biến đổi

xung áp song song)

bộ biến đổi xung áp song song

đồ thị dòng và áp khi dòng điện qua điện cảm liên tục

Van T đóng mở do tín hiệu đ/k UG Khi van T dẫn ( 0 t1 ) điện áp

nguồn đặt lên cuộn cảm L, khi T khoá , toàn bộ năng lợng nguồn và năng lợng dự trữ tại L đặt lên tải, tạo nên dòng iL2, điện áp trên tải lớn hơn điện áp nguồn Tụ C tích nlợng và lọc đ.áp ra Khi T mở, tụ C cấp năng lợng cho tải

Dòng điện qua van:

Dòng điện qua diode:

D

I I

I

2

0 0

) 1

(

1     

bộ biến đổi điện áp một chiều có điện áp

ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào

31

Biểu đồ xung

Bộ biến đổi này cho phép tạo đợc điện áp ra Ut lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào E

Van T đợc đóng nhờ tín hiệu UG Khi van dẫn, cuộn cảm L đợc nạp điện với điện áp

nguồn, dòng nạp là IL1.Tại thời điểm t1, van T bị khoá, sđđ tự cảm trên cuộn kháng L duy trì dòng qua nó theo chiều cũ và nạp cho tụ C và cho tải Rt : dòng iL2 Khi van T

dẫn ở chu kì tiếp theo, tụ C phóng điện qua tải và duy trì điện áp trên tải bằng phẳng,

đồng thời cuộn kháng lại đợc tích năng lợng.

Nh vậy: Tại thời điểm 0  t1 : Dòng qua van T là iT = iL1,

Tại t1  T dòng qua diode : ID = i L2

Điện áp trên cuộn L bằng E khi T dẫn, bằng – Ut khi T khoá.

Điện áp :

Nh vậy, khi thay đổi  là có thể thay đổi đợc điện áp ra: Ut < E0 khi 0 <  < 0,5 và

Ut > E0 khi 0,5 <  < 1 Điều kiện để đảm bảo tăng điện áp ra cao hơn điện áp vào

thì điện trở trong của nguồn R0 phải đủ nhỏ:

E U

t

bộ biến đổi xung áp một chiều

có thể đảo chiều đợc

35

Van điều khiển sử dụng IGBT Bộ điều khiển cho phép đảo chiều

động cơ theo yêu cầu phụ tải Động cơ thực hiện loại một chiều kích từ độc lập Đảo chiều động cơ thực hiện bằng đảo chiều dòng phần ứng Các van IGBT là khoá không tiếp điểm Các diode sử dụng trong trờng hợp động cơ trả năng lợng phản kháng về nguồn trong chế độ hãm tái sinh

Với bộ biến đổi này có thể sử dụng các phơng pháp khác nhau: + Điều khiển đối xứng,

+ Điều khiển không đối xứng,

+ Điều khiển hỗn hợp

Thông dụng là đ/k không đối xứng vì chất lợng ra tốt hơn

Điều khiển:

Khi mở các van T1, T2 động cơ sẽ quay theo chiều thuận ( chẳng hạn),

T3 luôn đợc khoá còn T4 sẽ đợc đóng mở ngợc pha với T1 Việc T4 mở trong khoảng t1T nhằm mục đích ngắn mạch phụ tải, do đó điện áp

ra trong khoảng 0 t sẽ thực sự bằng 0

( UAB = 0; t1  t  T )

Bộ biến đổi có ba trạng thái làm việc:

Trạng thái 1: E. >ED Động cơ làm việc ở góc phần t 1, năng lợng thông qua T1 và T2 dẫn trong khoảng 0  t1 Thời gian t1  T năng l-ợng tích luỹ trong cuộn cảm duy trì dòng điện đi theo chiều cũ khép mạch qua T2 và D4 ( hinh f)

Động cơ làm việc ở góc phần t thứ hai ( hãm điện) Khoảng 0  t1, động cơ trả năng lợng về nguồn thông qua D1 và D2 ( ID1 = ID2 = It ) Trong khoảng t1  T dòng tải khép mạch T4 và D2 ( ID2 = ID4 = It ) ( hỡnh h)

Khoảng t2 – T khi năng lượng dự trữ trong điện cảm hết, Sđ đ động cơ đảo chiều dũng điện đi qua T4 D2 và cuộn cảm được tớch luỹ n.l., khi T4khoỏ UAB > E quỏ trỡnh lặp lại như ban đầu ( hỡnh g)

Mặc dự dũng It cú đổi chiều nhưng do T4 và D4 tham gia nờn trong

khoảng t1 – T điện ỏp UAB luụn bằng 0 Đõy chớnh là lớ do điện ỏp khụng

bị biến dạng nhiều, thành phần súng điều hoà bậc cao trong điện ỏp phụ tải là nhỏ nhất

39

Phô lôc

 Ngõ ra: điện áp DC thay đổi được

 Dùng trong các bộ nguồn đóng ngắt (switching power supply), trong các ứng dụng điều khiển động cơ DC…

Các dạng mạch khảo sát trong chương này:

 Bộ biến đổi một chiều kiểu giảm áp (Bộ giảm áp)

 Bộ biến đổi một chiều kiểu tăng áp (Bộ tăng áp)

 Bộ biến đổi một chiều kép

- Kiểu đảo dòng,

- Kiểu đảo áp,

- Dạng tổng quát

Bộ giảm áp

Góc phần tư làm việc

Bộ tăng áp

- U t là điện áp phía nguồn cấp năng lượng (E)

- U là điện áp phía tải nhận năng lượng

Bộ biến đổi kép dạng đảo dòng

Bộ biến đổi kép dạng đảo dòng

0 0.5 1 1.5

0 0.5 1 1.5

0 100 200 300

0 10 20

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 10 -3 0

10 20

Đáp ứng của hệ thống Chopper lớp C + động cơ DC kích từ độc lập (L ư = 10mH, R ư = 0.25 W , f sw = 1000Hz

Bộ biến đổi kép dạng đảo dòng

Đáp ứng của hệ thống Chopper lớp C + động cơ DC kích từ độc lập (L ư = 10mH, R ư = 0.25 W , f sw = 1000Hz

0 0.5 1 1.5

0 100 200 300

-20 -10 0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

x 10 -3 -20

-10 0

Bộ biến đổi kép dạng đảo dòng

0 0.5 1 1.5

0 0.5 1 1.5

0 100

200

300

-50 0 50

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -50

0 50

Đáp ứng của hệ thống Chopper lớp C + động cơ DC kích từ độc lập (L ư = 10mH, R ư = 0.25 W , f sw = 100Hz

Bộ biến đổi kép dạng đảo dòng

- Điện áp ra thay đổi giữa +U và 0  luôn luôn >0

- Dòng tải có thể đổi chiều

- Luôn hoạt động ở chế độ dòng liên tục

Điện áp trung bình ngõ ra:

Bộ biến đổi kép dạng đảo áp

Tính liên tục hoặc gián đoạn của dòng tải phụ thuộc vào

thông số tải (R, L, E) và tỉ số điều chế

Dòng tải chỉ chạy theo một chiều, áp trên tải có thể đổi chiều

Bộ biến đổi kép dạng đảo áp

Giản đồ kích 1:

 Tải nhận năng lượng từ nguồn

T 

 Tải trả năng lượng về nguồn

Bộ biến đổi kép dạng đảo áp

Giản đồ kích 2:

- S1, S2 cùng dẫn trong khoảng T1 và tắt trong khoảng T-T1,

- Điện áp trung bình ngõ ra: 2 1

Bộ biến đổi kép dạng tổng quát

Bộ biến đổi kép dạng tổng quát

Giản đồ kích 1:

- Kích từng cặp: (S 1 , S 2 ) và (S 3 , S 4 )

- S1 và S4) kích ngược pha nhau,

- (S2 và S3) kích ngược pha nhau,

- Dòng ngõ ra có thể chạy theo cả hai chiều

- Điện áp ngõ ra biến thiên giữa –U và U

- Giá trị trung bình điện áp ngõ ra (ở chế độ dòng liên tục):

- S 2 , S 3 đóng cắt ngược pha nhau

- Giá trị trung bình điện áp ngõ ra (ở chế độ dòng liên tục):

  ; với T 1 : thời gian S 2 dẫn

Để điện áp ra <0, giản đồ xung kích lúc này ra sao?

Mạch lọc cho bộ biến đổi điện áp một chiều

Mạch lọc cho bộ biến đổi điện áp một chiều

Mạch lọc ngõ vào:

Giả thiết bộ biến đổi được điều khiển theo phương pháp

tần số đĩng ngắt khơng đổi (T = const),

Tụ lọc Cf chọn theo:

max max

4

t f

c

I C

 L là cảm kháng mạch tải (L=Lph+Lt)

  imax là độ nhấp nhô lớn nhất cho phép của dòng điện tải

 Itmax là dịng tải cực đại,

 U cmax là nhấp nhơ điện áp cho phép lớn nhất trên Cf

  ? (L: cảm kháng tải, R: điện trở tải),

Cần chọn sao cho: max

.f L i

4

Ví dụ tính tốn

Ví dụ 4.1:

Bộ giảm áp cấp nguồn áp cho phần ứng của động cơ DC kích từ độc lập

Nguồn một chiều U = 220V, tần số đóng ngắt f = 500Hz

Động cơ có R ư = 2 W sức điện động tính theo cơng thức E = 1,253  [V;rad/s] Điện cảm Lư khá lớn để dịng động cơ luơn liên tục

Dịng động cơ luôn bằng định mức, tức It = Iưdm=11,6[A]

a Tính tỉ số T1/T khi vận tốc động cơ là 1000 vòng/phút

b Tính điện áp tải nhỏ nhất ở chế độ dòng tải liên tục,

Từ đó xác định thời gian đóng tối thiểu T 1 của chế độ dòng liên tục

154 U

U T

1 U

U f

1 U

U T

Ví dụ tính tốn

Ví dụ 4.2

Cho bộ giảm áp cấp nguồn cho động cơ một chiều kích từ độc lập

Nguồn một chiều U = 220V

Tải có R ư = 0, L ư = 32,5 mH, E =1,253  với  [rad/s] là vận tốc động cơ

Tần số đóng ngắt bộ giảm áp f = 500Hz Cho biết dòng tải liên tục và mạch ở xác lập

1 Tính tỉ số  = T

T

1 khi vận tốc động cơ n = 1500 v/ph

2 Gọi i ttmin và i tmax là trị nhỏ nhất và lớn nhất của dòng điện qua tải

Tính hiệu  i t = i tmax - i tmin

3 Để giảm bớt độ nhấp nhô dòng điện  it sao cho  it < 1A,

cần phải thêm cảm kháng phụ bằng bao nhiêu

4 Trong trường hợp không sử dụng thêm cảm kháng phụ,

cần phải điều chỉnh tần số đóng ngắt như thế nào để  i t < 1A

5 Một cách tổng quát, khi E thay đổi trong khoảng ( 0, +U),

tìm điều kiện về f và L để độ nhấp nhô dòng ở xác lập thỏa điều kiện  it <  itmax

Ở chế độ xác lập Ut = E = 1,253  = 1,253 157 = 196,8[V]

Ơû chế độ dòng liên tục:   U 

T

T U

U t 1

220

8 ,

196 U

E E

U

U t        

Ví dụ tính tốn

2.- Tính hiệu  i t = i tmax - i tmin

Khi công tắc S đóng:

E dt

di L U

u t   t 

L

E U

di t  

Trong khoảng thời gian đóng công tắc S: dịng tăng từ itmin đến it max

Lấy tích phân hai vế của phương trình trong khoảng đóng S

1 min

t max

t

L

E U i

8946 ,

0 0325 ,

0

8 , 196

220 f

L

E U



Ví dụ tính tốn

3.- Tính L ph sao cho  it < 1A,

Để giảm độ nhấp nhô dòng điện  i t <  i tmax = 1A Ta phải có:

] H [ 0415 ,

0 500

8946 ,

0 1

8 , 196 220

L

f

i

E U

L

i f

max t

, 0 0325 ,

0 1

8 , 196 220

L i

E U

L

U

U f

L

E U

L

U 1

f.

4

1 f.

220 i

4

U L

.

max t

1 Dòng trung bình qua động cơ là 100A

2 Dòng trung bình qua động cơ là -100A

U

U