CHƯƠNG 4 BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Khóa bán dẫn S có thể dùng các linh kiện điện tử công suất khác nhau như thyristor và mạch tắt, GTO, MOSFET, transistor công suất … Hình 4.1: Bộ giảm áp Các phương pháp điều khiển khóa S

CHƯƠNG IV BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU (BBĐAMC)

I Bộ giảm áp

Hình 4.1 trình bày sơ đồ nguyên lý của bộ giảm áp Hình 4.1(b) là dạng sóng ngõ ra của bộ BBĐAMC loại này Khóa bán dẫn S có thể dùng các linh kiện điện tử công suất khác nhau như thyristor và mạch tắt, GTO, MOSFET, transistor công suất …

Hình 4.1: Bộ giảm áp Các phương pháp điều khiển khóa S có thể chia làm hai loại:

- Điều khiển tỉ lệ thời gian (Time Ratio Control)

- Điều khiển dòng (Current Limit Control)

Phương pháp điều khiển tỉ lệ thời gian có thể chia làm hai cách:

- Tần số cố định: chu kỳ đóng cắt T không đổi, thời gian dẫn ton thay đổi để thay đổi γ

- Tần số thay đổi: γ thay đổi bằng cách giữ ton cố định và thay đổi T hoặc bằng cách thay đổi cả ton và T

Với phương pháp thay đổi γ bằng cách giữ ton cố định, tần số đóng cắt sẽ rất thấp nếu cần đạt điện áp ra Vd nhỏ Tần số đóng cắt thấp của bộ BBĐAMC sẽ ảnh hưởng không tốt đến đặc tính tải Ngoài ra, việc thay đổi tần số hoạt động của bộ BBĐAMC sẽ gây khó khăn cho việc thiết kế mạch lọc ngõ vào của bộ BBĐAMC Do đó, phương pháp thay đổi tần số ít khi được sử dụng

Với phương pháp điều khiển dòng , γ được điều khiển gián tiếp bằng cách điều khiển dòng tải biến thiên giữa hai giá trị giới hạn trên và dưới quanh giá trị dòng tải cần thiết Thời gian

ON và OFF của khoá S được thay đổi một cách tự động Khi dòng tải giảm đến giá trị giới hạn dưới , khóa S được kích dẫn (ON), tải được nối với nguồn và dòng tăng lên Khi dòng tải tăng đến giá trị max đặt trước, khóa S được kích tắt (OFF) và tải ngắt ra khỏi nguồn Sai lệch giữa giới hạn trên và dưới của dòng chính là dợn sóng dòng Dợn sóng dòng càng nhỏ, tần số đóng ngắt của S càng tăng cao Lợi điểm của phương pháp này là điều khiển trực tiếp dòng tải, do đó có thể thiết kế để tránh được hiện tượng dòng gián đoạn

Việc giải tích hoạt động của mạch hình 4.1 dựa trên các giả thiết sau:

- Mạch lọc L-C dùng để giảm nhấp nhô của áp và dòng ngõ vào bộ BBĐAMC Nếu giả

thiết bỏ qua tổn hao trên mạch lọc và tụ C đủ lớn, điện áp ngõ vào bộ BBĐAMC có thể giả thiết không đổi và bằng V

- Tuỳ thuộc điện cảm mạch phần ứng và tần số hoạt động của bộ BBĐAMC, dòng qua tải có thể ở chế độ liên tục hoặc gián đoạn Tuy nhiên, với các linh kiện bán dẫn hiện nay, bộ BBĐAMC có thể hoạt động ở tần số đủ cao để dòng tải luôn là liên tục ở chế độ hoạt động bình thường Chế độ dòng gián đoạn lúc này chỉ có thể xảy ra ở giai đoạn quá độ

Do đó, nếu khảo sát ở chế độ xác lập như tiến hành ở dưới đây, có thể giả thiết là dòng tải luôn liên tục

(c) Dòng iư liên tục

(d) Dòng iư gián đoạn (b) : Sơ đồ tương đương

Hình 4.2 Trong khoảng S dẫn (0≤ t ≤ γT), ta có phương trình biểu diễn mạch phần ứng:

Rưiư + Lư

dt

Trong khoảng S tắt (γT ≤ t ≤ T), ta có phương trình biểu diễn mạch phần ứng:

Rưiư + Lư

'

dt

Trong đó: t’ = t - γT

Iư1

Iư2

V

V

E

Giải hệ phương trình vi phân trên với lưu ý rằng ở chế độ xác lập, giá trị của iư ở cuối quá

trình khoá S dẫn sẽ bằng giá trị iư tại thời điểm bắt đầu quá trình S tắt, ta tính được biểu thức

của iư(t) Từ đó , có thể suy ra dòng Iư1 và Iư2 trên hình 3.1 được tính theo biểu thức:

Iư1 =

ư /

T

/

T

E 1 e

1 e

R

V

ư

ư

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

−

τ

τ γ

Iư2 =

ư T

T

E e

e

R

V

ư

ư

−

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

−

−

−

τ

τ γ

/ /

1

Trong đó:

τư =

ư

ư

R

L

Dợn sóng dòng điện ∆iư được tính bởi công thức sau:

∆iư =

2

I

I 2 − 1 =

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

−

−

− +

τ

τ γ

− τ γ τ

1 e

e e

e 1 R 2

V

ư

ư ư

ư

/ T

/ T ) 1 ( / T /

T

ư

(4-6)

Nếu tỉ số

ư

T

τ rất bé, nghĩa là T<<τư , hay ư

sw ư

R

f

L >>1, trong đó f

sw là tần số đóng ngắt của khoá S, biểu thức (4-6) có thể tính gần đúng:

∆iư =

2

I

I 2 − 1 =

ư

swL f 2

Độ dợn sóng dòng đạt cực đại khi γ = 0,5, khi đó:

∆iưmax =

ư

swL

f

8

Điện áp trung bình ngõ ra của bộ giảm áp tính theo công thức:

Vd = ∫ = γ∫T

0 d T

0

d v dt

T

1 dt

v

T

Trong đó:

- γ =

T

ton

- V: điện áp nguồn DC cung cấp cho bộ BBĐAMC

Bằng cách điều khiển γ trong khoảng 0Ỉ1, điện áp tải có thể biến thiên trong khoảng 0ỈV

Dòng phần ứng trung bình:

Iư =

ư

R

E

V −

Từ dạng sóng dòng ở hình 4.2, những vấn đề quan trọng sau cần lưu ý khi thiết kế và sử dụng

bộ BBĐAMC:

1 Dòng nguồn có dạng xung, và do đó, có thể gây ra dao động trên lưới điện cung cấp nếu

biên độ xung dòng này lớn

Dạng sóng ngõ vào bộ BBĐAMC có thể phân tích thành thành phần DC và các thành phần dòng hài Hài cơ bản của sóng hài dòng có tần số bằng tần số đóng ngắt của bộ BBĐAMC Sóng hài dòng có thể gây ra nhiễu trên các thiết bị sử dụng chung nguồn điện lưới với bộ BBĐAMC hoặc có thể sinh ra bức xạ nhiễu điện từ Do đó, mạch lọc L-C thường được sử dụng ở ngõ vào bộ BBĐAMC để hạn chế sóng hài sinh ra trên lưới cung cấp cho bộ BBĐAMC

Tần số đóng ngắt của bộ BBĐAMC càng cao, mạch lọc cần thiết càng nhỏ Do đó nên cho bộ BBĐAMC làm việc với tần số đóng ngắt cao nhất có thể được

2 Điện áp cung cấp cho tải có dạng xung và do đó, bao gồm thành phần DC và các hài bậc cao có tần số là bội tần của tần số đóng ngắt của bộ BBĐAMC

II Bộ tăng áp

Bộ BBĐAMC kiểu tăng áp (BBĐAMC lớp B) được sử dụng để cung cấp cho tải DC ở chế độ hãm tái sinh Sơ đồ tương đương của hệ thống này trình bày trên hình 4.3(a), dạng sóng điện áp và dòng tải trên hình 4.3(b)

Mạch lọc L-C trên hình 4.3(a) có tác dụng lọc các nhấp nhô của điện áp và dòng nguồn Tụ

C, ngòai ra, còn có tác dụng tạo đường dẫn cho dòng phần ứng trong khoảng thời gian khóa S tắt, tránh các xung áp gây ra do sự thay đổi đột ngột dòng điện qua L Do đó, tụ C làm tăng thêm năng lượng trả về lưới (regenerated power) và giảm các xung áp quá độ đặt lên S khi đóng ngắt

Chế độ dòng liên tục

Chế độ dòng gián đoạn (a) Sơ đồ nguyên lý hệ thống (b) Dạng sóng dòng , áp ở ngõ ra bộ BBĐAMC Hình 4.3: Hệ thống Bộ tăng áp - Tải DC kích từ độc lập làm việc ở chế độ hãm tái sinh

Phương trình vi phân biểu diễn hoạt động của hệ:

- Trong khoảng trữ năng lượng (0 ≤ t ≤ γT): Khóa S dẫn, dòng phần ứng chạy qua S:

Rư iư + Lư

dt

iư (0) = Iư1

- Trong khoảng trả năng lượng về lưới (γT ≤ t ≤ T): Khóa S tắt, dòng phần ứng chạy về

nguồn:

Rư iư + Lư

dt

diư

iư (γT) = Iư2

Vì tải lúc này hoạt động như máy phát:

Điện áp trung bình đặt lên tải - xem hình 4.3(b):

Từ (4-14) và (4-15) suy ra:

Iư =

ư

R

V )

1

(

Lưu ý là dòng phần ứng lúc này có chiều ngược lại so với chiều dòng ở chế độ tải

Công suất trả về lưới:

Ph = ∫T

T

ư dt

i

V

Tγ .

1

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

−

− +

τ + γ

−

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ −

τ

τ τ

γ τ γ

−

ư

ư ư

ư

/ T

/ T / T /

T ) 1 ( ư ư

2

e 1

1 e

e e

T 1

1 V

E

R

III HỆ THỐNG BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LÀM VIỆC HOẠT ĐỘNG Ở

NHIỀU GÓC PHẦN TƯ

Trong mục này sẽ khảo sát hệ thống bộ BĐAMC hoạt động ở phần tư I và II, hệ thống hoạt

động ở phần tư I và IV, và hệ thống hoạt động được ở cả 4 phần tư của mặt phẳng điện

1 Bộ đảo dòng

Bộ đảo dòng có sơ đồ nguyên lý như hình 4.4(a) được sử dụng Khóa bán dẫn S1 và diode D1

tạo thành một mạch BBĐAMC, S2 và D2 tạo thành một mạch BBĐAMC khác S1 và S2 được

điều khiển đóng cắt ngược pha nhau, trong đó S1 được kích dẫn trong khoảng 0 ≤ t ≤ γT, còn

S2 được kích dẫn trong khoảng γT ≤ t ≤ T

Dạng sóng của tính hiệu điều khiển và dòng áp ngõ ra được trình bày trên hình 4.4(b) Một số

đặc điểm sau cần lưu ý để có thể hiểu được hoạt động của mạch:

- Trong mạch này không xảy ra hiện tượng dòng gián đoạn , tại bất kỳ tần số hoạt động

nào

- Dòng iư và is có thể dẫn theo cả hai chiều Do đó, trong khoảng 0 ≤ t ≤ γT, tải được nối với

nguồn qua S1 hoặc D2 Như vậy, trong khoảng thời gian này, điện áp đặt lên tải là V và

tốc độ biến thiên dòng iư sẽ là dương vì V>E Tương tự, trong khoảng thời gian γT ≤ t ≤ T,

tải được ngắn mạch qua D1 hoặc S2 Tương ứng, điện áp trên tải là 0 và tốc độ biến thiên

dòng id là âm Điều này giải thích dạng sóng được trình bày trên hình 4.4(b)

Từ dạng sóng điện áp đặt lên tải trên hình 4.4(b), tính được điện áp trung bình trên tải:

Vd = γV

Từ đây, suy ra:

Iư =

ư

R

E

V −

Công thức (4-18) cho thấy tải làm việc ở chế độ tải (Iư > 0) khi γ > (E/V), và ở chế độ hãm

tái sinh khi γ < (E/V) Điểm làm việc không tải xảy ra khi γ = (E/V)

Với giá trị cho truớc của γ, độ dợn sóng dòng tính theo công thức (4-6) hoặc (4-7) Công thức

này cho thấy rằng độ dợn sóng dòng không phụ thuộc vào giá trị của tốc độ tải Với một giá

trị γ cho trước, sự thay đổi điện áp tải dẫn đến sự thay đổi về dòng trung bình nhưng độ dợn

sóng dòng giữ nguyên

(a) Sơ đồ nguyên lý

(b) Dạng sóng - Khoảng dẫn các linh kiện

Hình 4.4: Bộ đảo dòng

3 Bộ đảo áp

Bộ đảo áp có cấu hình như mạch hình 4.5 được dùng

Có nhiều cách điều khiển bộ BBĐAMC hình 4.5 Sau đây sẽ khảo sát phương pháp điều khiển thường sử dụng nhất Quy luật điều khiển các khóa bán dẫn S1 và S2 theo phương pháp này như sau:

- S1 và S2 được kích dẫn lệch pha một khoảng thời gian T

- Chu kỳ đóng tắt mỗi khoá bán dẫn là 2T

- Mỗi khóa bán dẫn , S1 và S2, được kích dẫn trong khoảng 2γT

Do đó, trên hình 4.6, S1 sẽ được kích dẫn tại t = 0 và kích tắt tại t = 2γT, S2 được kích dẫn tại t

= T và kích tắt tại t = T + 2γT Đồ thị điện áp và dòng điện ngõ ra bộ BBĐAMC trình bày trên hình 4.6, đồng thời khoảng dẫn điện cuả các linh kiện trong mạch cũng được trình bày tương ứng

Hình 4.5: Bộ đảo áp

(a) Chế độ 0,5<γ <1

(b) Chế độ đảo áp, 0<γ <0,5 Hình 4.6: Dạng sóng các linh kiện

Từ đồ thị trên , nhận thấy:

- Với 0,5 < γ < 1, S 1 và S 2 không thể tắt đồng thời Do đó, điện áp ngõ ra bộ BBĐAMC là

+V hoặc 0, và điện áp trung bình ngõ ra Vd >0 Hệ thống lúc này hoạt động ở góc phần tư

I

- Với 0 < γ < 0,5, S 1 và S 2 không thể dẫn đồng thời Do đó, điện áp ngõ ra bộ BBĐAMC là

-V hoặc 0, và điện áp trung bình ngõ ra Vd < 0 Hệ thống lúc này hoạt động ở góc phần tư

IV

Điện áp trung bình ngõ ra của bộ BBĐAMC (điện áp đặt lên tải):

Với 0,5 < γ < 1:

Vd = 2∫γT

T

Vdt

T

Với 0 < γ < 0,5:

Vd = ∫

γ

−

T

T

2

dt )

V

(

T

Như vậy, biểu thức (4-19) có thể dùng để tính điện áp trung bình ngõ ra của bộ BBĐAMC lớp

D trong dải biến thiên của γ từ 0Ỉ1

Dòng phần ứng trung bình :

Iư =

ư

d

R

E

V − =

ư

R

E ) 5 , 0 ( V

4 Bộ biến đổi áp một chiều tổng quát

Hệ thống sử dụng bộ BBĐAMC tổng quát như trình bày ở hình 4.7

Hình 4.7: Bộ BBĐAMC tổng quát Bộ BBĐAMC này có thể được điều khiển theo các cách sau

Cách 1:

- Hoạt động ở phần tư I và II: S2 được kích dẫn liên tục, S1 và S4 được điều khiển đóng tắt

ngược pha nhau Khi đó, ta được bộ BBĐAMC kiểu đảo dòng như hình 4.4(a)

- Hoạt động ở phần tư III và IV: S3 được kích dẫn liên tục, S1 và S4 được điều khiển đóng

tắt ngược pha nhau Khi đó, ta được bộ BBĐAMC kiểu đảo dòng nhưng cực tính điện áp

ra ngược lại

Cách 2:

Khóa bán dẫn S1 , S2 cùng diod D1 , D2 hợp thành mạch BBĐAMC kiểu đảo áp như hình 4.5 Mạch BBĐAMC này hoạt động ở góc phần tư I và IV Việc kích các khóa S1, S2 thực hiện như trình bày trong III.2

Tương tự, S3, S4 và diod D3, D4 tạo thành mạch BBĐAMC hoạt động ở góc phần tư II và III

Các mạch BBĐAMC trên không hoạt động đồng thời, nghĩa là nếu bộ BBĐAMC gồm S1, S2

đang hoạt động thì bộ BBĐAMC gồm S3, S4 sẽ tắt và ngược lại

Cách 3:

Sơ đồ kích các khóa bán dẫn trình bày trên hình 4.8(a) và (b) Việc kích các khóa bán dẫn dựa trên nguyên tắc kích giống như phần trình bày trong cách 2 với một số thay đổi như sau:

- Các mạch BBĐAMC hợp thành bởi (S1, S2) và (S3, S4 ) sẽ được điều khiển đồng thời (thay

vì điều khiển riêng rẽ như ở cách 2)

- Khóa (S1 và S4 ) , (S2 và S3 ) hợp thành các cặp bổ phụ (complementary pair) , nghĩa là các khoá trong từng cặp này sẽ được kích dẫn ngược pha nhau

Chu kỳ đóng ngắt của mỗi khóa là 2T Trong khoảng thỡi gian đó, hoạt động của bộ

BBĐAMC có thể chia thành 4 khoảng , ký hiệu I, II, III và IV như trình bày trên hình 4.9

Giả thiết tải hoạt động ở phần tư I, dạng sóng dòng và áp trên tải như hình 4.9(a) Dạng sóng này có thể giải thích như sau:

- Trong khoảng I, S1 và S2 dẫn Điện áp cung cấp cho tải, do đó, sẽ là dương và dòng tải tăng

- Trong khoảng II, S2 tắt, S1 và S3 được kích dẫn Vì dòng qua tải đang chảy theo chiều dương nên sẽ khép mạch qua D1 và S1 Lúc này áp trên tải bằng 0 và dòng tải giảm Khóa

S3 ở trạng thái tắt do bị phân cực ngược bởi điện áp sụt qua D1 (đang dẫn)

- Trong khoảng III, S2 được kích dẫn trở lại Do đó, điện áp trên tải sẽ là V và iư tăng

- Trong khoảng IV, S1 tắt, S2 và S4 nhận tín hiệu kích Dòng tải lúc này , vẫn duy trì chiều dương , sẽ chảy qua S2 và D2 Khóa S4 ở trạng thái tắt do bị phân cực ngược bởi điện áp rơi trên D2 (đang dẫn)

Lưu ý là điện áp ra của bộ BBĐAMC giống như trình bày trên hình 4.6, do đó , các công thức (4-19) và (4-20) được áp dụng cho mạch này

(a) Phần tư I 0,5 ≤ γ ≤ 1 và Vd>E

(b) Phần tư II 0,5 ≤ γ ≤ 1 và Vd<E

Hình 4.9

Chế độ làm việc ở phần tư I xảy ra khi Id > 0 Chế độ làm việc có thể chuyển sang phần tư II bằng cách giảm γ hoặc tăng E sao cho Vd < E hoặc Id < 0 (công thức (4-20)) Dạng sóng dòng và áp trên tải lúc này như trình bày trên hình 4.9(b) Trong một chu kỳ 2T, có thể chia hoạt động của bộ BBĐAMC lúc này thành 4 khoảng như trình bày trên hình 4.9(b) Hoạt động cửa mạch BBĐAMC trong mỗi khoảng có thể được giải thích như sau:

- Trong khoảng I, S1 và S3 nhận tín hiệu kích dẫn Sức điện động dương của tải lúc này làm cho dòng phần ứng iư chảy qua D3 và S3 Trong khoảng thời gian này, | iư| tăng , làm tăng năng lượng tích trữ trong điện kháng mạch phần ứng S1 tắt do bị phân cực ngược bởi điện áp rơi trên D3

- Trong khoảng II, S3 tắt Dòng phần ứng lúc này chạy qua D3, nguồn V và diod D4 , và năng lượng được trả lại nguồn Mặc dù S1 và S2 nhận tín hiệu kích trong khoảng thời gian này, các khoá trên vẫn tắt do bị phân cực ngược bởi các diod D3 và D4 Điện áp cung cấp cho tải lúc này là V và | iư | giảm

- Trong khoảng IV, S4 được kích dẫn Dòng phần ứng lúc này sẽ chảy qua S4 và D4 Khoá

S2 cũng nhận được tín hiệu điều khiển nhưng không dẫn được do bị phân cực ngược bởi điện áp sụt qua D4 Biên độ dòng phần ứng lúc này tăng lên

- Trong khoảng IV, S4 tắt, dòng phần ứng chảy qua D3, nguồn V và D4 , và năng luợng được trả về lưới

Chế độ làm việc ở phần tư III và IV nhận được với 0 < γ < 0,5, khi đó Vd < 0 Chế độ làm việc ở phần tư III nhận được khi hệ số γ được chỉnh sao cho |Vd| > |E| Tương tự, chế độ ở phần tư IV lúc này nhận được khi điều chỉnh γ sao cho |E| > |V|

Phương pháp điều khiển này có mạch điều khiển đơn giản hơn cách 1 và 2 đã trình bày ở trên