Bài giảng Điện tử công suất - Chương 3: Bộ biến đổi điện áp một chiều

Chương 3 - Bộ biến đổi điện áp một chiều. Sau khi học xong chương này, người học có thể hiểu được một số kiến thức cơ bản về: Bộ biến đổi điện áp một chiều, nguyên tắc điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều, chế độ dòng gián đoạn, chế độ hãm điện của động cơ, bộ biến đổi điện áp hai nhịp với điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào, điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều,... Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm các nội dung chi tiết.

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 :

E

Edt T

U R

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

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,

dòng về 0

SƠ ĐỒ CẤU TRÚC

Các khâu chính: Nguồn N - Bộ lọc đầu vào L – Khoá điện tử

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)

13

Bộ biến đổi xung áp một nhịp làm việc với

động cơ một chiều

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

I

t L

U E I

U I

I

1

) 1 ( )

(

1

2

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

2

2

dt t L

U T

L

U

E T

dt L

U

E T I

t t

t t

1 1

t t

t E R I

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 tư thứ nhất: chế độ động cơ Và góc phần tư 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

điện áp nguồn đặt lên cuộn cảm L, khi T khoá , toàn bộ năng lượng nguồn và năng lượng dự trữ tại L đặt lên tải, tạo nên dòng

lọc đ.áp ra Khi T mở, tụ C cấp năng lượng cho tải

Dòng điện qua van:

D

I I

I

2

0 0

) 1

( 1

R I E

t

bộ biến đổi điện áp một chiều có điện áp ra lớn

hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào

31

tích năng lượng.

Như 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 :

Như vậy, khi thay đổi là có thể thay đổi được 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:

4 R I

E U

t t

bộ biến đổ i xung áp một chiều 

 có thể đảo chiều được

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 trường hợp động cơ trả năng lượng phản kháng về nguồn trong chế độ hãm tái sinh

Với bộ biến đổi này có thể sử dụng các phương pháp khác nhau:

+ Điều khiển đối xứng,

+ Điều khiển không đối xứng,

+ Điều khiển hỗn hợp

Điều khiển:

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:

lượng thông qua T1 và T2 dẫn trong khoảng 0 t1 Thời gian t1

T năng lượng tích luỹ trong cuộn cảm duy trì dòng điện đi

Khoảng t0 – t1, E > ED, hoạt động chế độ động cơ cấp qua T1 và T2.

Khoảng t1 – t2 T1 khoá, T4 mở, điện cảm phóng năng lượng tích trữ cho động cơ thông qua D2 và D4.

Khoảng t2 – T khi năng lượng dự trữ trong điện cảm hết, Sđ đ động cơ đảo chiều dòng điện đi qua T4 D2 và cuộn cảm được tích luỹ n.l., khi T4khoá UAB > E quá trình lặp lại như ban đầu ( hình g)

Mặc dù dòng It có đổi chiều nhưng do T4 và D4 tham gia nên trong

khoảng t – T điện áp U luôn bằng 0 Đây chính là lí do điện áp không

39

Phô lôc

 Ngõ ra: đi n áp DC thay đ i đ c ệ ổ ượ  

 Dùng trong các b  ngu n  ộ ồ đóng ng t (switching power supply ắ ),       trong các  ng d ng đi u khi n đ ng c  DC ứ ụ ề ể ộ ơ … 

Các d ng m ch kh o sát trong ch ng này: ạ ạ ả ươ  

 B   ộ bi n đ i  ế ổ m t chi u ki u  ộ ề ể gi m áp ả  (B  gi m áp) ộ ả  

 B   ộ bi n đ i  ế ổ m t chi u ki u  ộ ề ể tăng áp (B   ộ tăng áp) 

 B   ộ bi n đ i  ế ổ m t chi u kép  ộ ề  

­ Ki u đ o dòng,  ể ả  

­ Ki u đ o áp,  ể ả  

­ D ng t ng quát ạ ổ  

Điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều

Bộ giảm áp

Góc phần tư làm việc

Bộ tăng áp

Bộ tăng áp

 Đi n áp ra u ệ t có d ng xung ạ  

 Giá tr  trung bình c a đ ị ủ i n ệ  áp ngõ ra: 

     ­ U t  là đi n ệ  áp phía ngu n c p năng l ng ồ ấ ượ  (E) 

     ­ U là đi n áp phía t i nh n năng l ng ệ ả ậ ượ  

     Ta có:  t U t

1 U

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

Bộ biến đổi kép dạng đảo dòng

Đáp ứng của hệ thống Chopper lớp C + động cơ DC kích từ độc lập (Lư= 10mH, Rư= 0.25 Ω , fsw = 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

Bộ biến đổi kép dạng đảo dòng

­ Đi n áp  ệ ra thay đ i gi a +U và 0  ổ ữ   luôn luôn >0. 

T U

U t 1 ;    T 1 : th i gian S ờ 1 d n, T: chu k  đóng ng t ẫ ỳ ắ  

Bộ biến đổi kép dạng đảo áp

Tính liên t c ho c gián đo n c a dòng t i ph  thu c vào  ụ ặ ạ ủ ả ụ ộ  

thông s  t i (R, L, E) và  ố ả t  s  đi u ch ỉ ố ề ế 

Bộ biến đổi kép dạng đảo áp

Gi n đ  kích 1ả ồ : 

­ S 1  đóng c t  ắ trong m i chu k ỗ ỳ,  T T  (T1 1 : th i gian đóng khóa S ờ 1), 

­ S 2 : d n liên t c, đi n áp trung bình ngõ ra: ẫ ụ ệ   1

t

T

       T i ả nh n năng l ng t  ngu n ậ ượ ừ ồ  

­ S 2 : t t ắ liên t c, đi n áp trung bình ngõ ra: ụ ệ   ( 1 ) (1 )

Bộ biến đổi kép dạng đảo áp

Gi n đ  kích 2ả ồ : 

­ S 1 , S 2  cùng d n trong kho ng T ẫ ả 1 và t t trong kho ng T ắ ả ­T 1 , 

Bộ biến đổi kép dạng tổng quát

Bộ biến đổi kép dạng tổng quát

­ Dòng ngõ ra có th  ch y theo  ể ạ c   ảhai chi u ề  

­ Đi n áp ngõ ra bi ệ ến thiên gi a  ữ –U và U 

­ Giá tr  trung bình đi n áp ngõ ra (  ch  đ  dòng ị ệ ở ế ộ  liên t c): ụ  

Mạch lọc cho bộ biến đổi điện áp một chiều

t f

c

I C

 L là cả m khá ng mạch tả i (L=L ph +L t )

 i max là độ nhấp nhô lớ n nhất cho phé p củ a dòng điệ n tả i

 I tmax  là dịng t i c c đ i ả ự ạ, 

 U cmax là nhấp nhơ đi n áp  ệ cho phép l n nh t trên C ớ ấ f 

Mạch lọc cho bộ biến đổi điện áp một chiều

Ví dụ tính tốn

Ví dụ 4.1: 

Bộ giả m á p cấp nguồn á p cho phần ứ ng củ a động cơ DC kích từ độc lập

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

Động cơ có R ư = 2 sứ c điện động tính theo cơng thức E = 1,253 [V;rad/s]

Đi n c m L ệ ả ư khá l n đ  dịng đ ng c  luơn liên t c ớ ể ộ ơ ụ  

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

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

b Tính điện á p tả i nhỏ nhất ở chế độ dòng tả i liên tục,

Từ đó xá c định thời gian đó ng tối thiểu T1 củ a chế độ dòng liên tục

u t

i t

154 U

U T

1 U

U f

1 U

U T

Ví dụ tính tốn

Ví dụ 4.2 

Nguồn một chiều U = 220V

Tần số đó ng ngắt bộ giả m á p f = 500Hz Cho biết dòng tả i liên tục và mạch ở xá c lập

1 Tính tỉ số = T

T

2 Gọi i ttmin và i tmax là trị nhỏ nhất và lớ n nhất củ a dòng điện qua tả i

Tính hiệu i t = i tmax - i tmin

3 Để giả m bớ t độ nhấp nhô dòng điện i t sao cho i t < 1A,

cần phả i điều chỉ nh tần số đó ng ngắt như thế nào để i t < 1A

tìm điều kiện về f và L để độ nhấp nhô dòng ở xá c lập thỏ a điều kiện i t < i tmax

Ở chế độ xá c lập U t = E = 1,253 = 1,253 157 = 196,8[V]

T

T U

220

8 ,

196 U

E E

U

U t

Ví dụ tính tốn

2.- Tính hiệu it = itmax - itmin

Khi công tắc S đó ng:

E dt

di L U

L

E U

8946 ,

0 0325 ,

0

8 , 196

220 f

L

E U

i t

Ví dụ tính tốn

3.- Tính L ph sao cho i t < 1A,

Để giả m độ nhấp nhô dòng điện i t < i tmax = 1A Ta phả i có :

] H [ 0415 ,

0 500

8946 ,

0 1

8 , 196 220

L

f

i

E U

L

i f

max t

Từ đó cả m khá ng phụ thêm vào tối thiểu bằng:

L ph min = L - L u = 0,0415 - 0,0325 = 0,009 [H] = 9 [mH]

4.- N u ế giả m độ nhấp nhô dòng điện bằng cá ch thay đổi tần số đó ng ngắt f, ta có :

] Hz [ 5 , 648 8946

, 0 0325 ,

0 1

8 , 196 220

L i

E U

Ví dụ tính tốn

5.- Ta có :

1

f.

L

U f

L

U

U f

L

E U

L

U 1

f.

4

1 f.

220 i

4

U L

.

max t

Việc chọn tần số và cả m khá ng phụ tùy ý , thỏ a điều kiện f.L > 55 {H.H Z ]

0.91 230

t

U