Tài liệu MẠCH LỌC CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU ppt

4.5.1 MẠCH LỌC ĐIỆN ÁP NGÕ VÀO Trong hoạt động của các bộ biến đổi điện áp một chiều, dòng điện qua nguồn điện áp U thay đổi dạng xung với tần số sóng hài cơ bản của dòng bằng tần số đón

4.5.1 MẠCH LỌC ĐIỆN ÁP NGÕ VÀO

Trong hoạt động của các bộ biến đổi điện áp một chiều, dòng

điện qua nguồn điện áp U thay đổi dạng xung với tần số sóng hài cơ

bản của dòng bằng tần số đóng ngắt công tắc Khi nguồn chứa cảm

kháng trong Ls hoặc chiều dài dây dẫn đấu từ nguồn đến bộ biến đổi

tạo nên cảm kháng đường dây không thể bỏ qua, việc thay đổi dòng

điện qua nguồn dạng xung sẽ tạo nên phản điện áp trên cảm kháng Ls

Do đó, điện áp nguồn cung cấp thực tế cho bộ biến đổi bị biến dạng

và bị sụt áp Để hạn chế sự biến dạng của áp nguồn một chiều, ở ngõ

vào

của bộ biến đổi được trang bị mạch lọc C hoặc LC (hình H4.17)

Để đơn giản việc tính toán mạch lọc, ta giả thiết dòng tải it không

đổi Do tần số đóng ngắt công tắc S lớn nên ta có thể giả thiết dòng

điện i qua nguồn không đổi trong chu kỳ đóng ngắt Độ lớn điện áp

trên tụ Cf giả thiết có giá trị Ucmin đạt được ở cuối khoảng thời gian T1

Ta xét một chu kỳ làm việc ở xác lập

Năng lượng do nguồn U cung cấp: Wng = U.I.T (4.23)

Năng lượng tải tiêu thụ Wt = Ut It T (4.24)

Do Ut = U và Wγ ng = Wt nên suy ra :

Tụ lọc Cf tích điện trong khoảng thời gian T2 bởi dòng điện iC = i

làm điện áp trên nó tăng từ Ucmin đến Ucmax Ta co:ù

f T

T f T

T

c f c

c

C

T T I dt C

I dt i C u

min

1 1

=

Thay hệ thức tính I ta được :

γ γ

−

=

− γ

=

∆

=

f.

C

I ) T T (

C

I U u

u

f

t 1 f

t c min

c max

Nếu điều khiển bộ biến đổi theo phương pháp tần số không đổi

f=const và do (1- )≤1/4 khi 0≤γ γ γ≤1, nên ta suy ra:

max c f

t

f.

C 4

I

U < < ∆

Chọn It=Itmax Ta có:

max c

max t

I C

∆

Nếu ta điều khiển bộ biến đổi theo dòng điện yêu cầu, ta có thể

dẫn giải gần đúng :

max c max t max t

Cf U

i L I

U < ∆ < ∆

Từ đó:

max c

max t max t

i L I C

∆

∆

L là cảm kháng mạch tải (L=Lph+Lt) và ∆imax là độ nhấp nhô lớn

nhất cho phép của dòng điện tải

Cảm kháng Ls của nguồn và tụ Cf hình thành dạng mạch cộng

hưởng với tần số riêng fr Tần số đóng ngắt công tắc S phải tránh chọn

ở lân cận tần số này Thực tế, có thể lấy giá trị f thỏa mãn điều kiện f

> ( 2-3).fr

Trường hợp sử dụng mạch nguồn không đổi như acquy, pin, ta

không cần thiết sử dụng mạch lọc

4.5.2 MẠCH LỌC ĐIỆN ÁP NGÕ RA

Điện áp ngõ ra của bộ biến đổi áp một chiều có dạng xung

Thành phần xoay chiều của điện áp ra tác dụng làm dòng điện tải bị

nhấp nhô Tương tự như trường hợp bộ chỉnh lưu, dòng tải có thể phân

tích làm hai thành phần: thành phần dòng trung bình và thành phần

dòng xoay chiều Thành phần xoay chiều của dòng điện tải gây bất lợi

cho hoạt động mạch tải có thể hạn chế bằng cách tăng tần số sóng hài

cơ bản của nó, tăng cảm kháng mạch tải hoặc dùng tụ lọc (hình

H4.18)

Mạch lọc chứa tụ có thể áp dụng cho tải công suất nhỏ và cảm

kháng Lph cho mạch tải công suất lớn hơn

Do tác dụng lọc của cuộn kháng lọc Lph , điện áp trực tiếp tác

động trên tải ut bị nắn gần phẳng

Để xác định độ lớn của Lph từ điều kiện độ nhấp nhô cho phép

của dòng điện tải, ta phân tích quá trình dòng điện qua tải it phụ thuộc

vào tham số mạch, áp nguồn và tần số đóng ngắt f

Kết quả phân tích xác định độ nhấp nhô dòng điện :

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

−

−

−

=

−

=

τ

τ

T

T min

t max

e 1

e 1 R

U i

i

với T =

f

1

T1,T2 lần lượt là thời gian đóng và ngắt công tắt S

R

L

=

τ , L = Lph + Lt (4.33) Khi

τ

T nhỏ, tức

R

f

L. đủ lớn, ta dùng phân tích chuỗi Mac Laurin

Kết quả cho ta:

(1 ) 4 U . L

L

U

i ≈ γ − γ <

Để ý rằng hàm ( 1 - ) đạt cực đại bằng γ γ

4

1 khi γ =

2

1 , ta có:

L f

U i

4

<

Điều kiện ∆i < ∆imax luôn thỏa mãn, nếu như ta có: max

.f L i

U

∆

<

4 (4.36) Từ đó, ta xác định L theo điều kiện:

L = Lph + Lt >

max f i

U

∆

Việc xác định độ lớn L có thể đơn giản hơn nếu ta để ý trị hiệu

dụng thành phần xoay chiều dòng tải có thể tính gần đúng theo hệ

thức:

2

1 1

L 2 R

U L

2 R

U I

I

π +

≈ π +

=

σ

Uσ, Iσ là trị hiệu dụng thành phần xoay chiều của điện áp và dòng

tải

Uσ(1), Iσ(1) là trị hiệu dụng thành phần xoay chiều hài cơ bản của

điện áp và dòng tải

Xét bộ giảm áp, dạng áp tải chứa thành phần xoay chiều:

( ) (U U) dt ( U) dt (1 ) U

T

1 dt U u

T

1

U

T T

2 T

0

2 T

0

2 t t

1

1

γ

− γ

=

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

γ

− + γ

−

=

−

(4.39) Giá trị cực đại của Uσ xảy ra khi γ = 1

2

4.6 BỘ GIẢM ÁP DÙNG SCR VÀ MẠCH TẮT CƯỠNG BỨC

Công tắc S trong bộ biến đổi một chiều phải thuộc loại linh kiện điều khiển

ngắt dòng được như transisor BJT, MOSFET, IGBT hoặc GTO Trong trường hợp công

suất tải lớn, ta có thể sử dụng thyristor (SCR) làm công tắc Lúc đó, khi đưa xung kích

vào mạch cổng, ta chỉ có thể điều khiển đóng SCR, chức năng ngắt dòng điện qua

SCR có thể thực hiện bằng mạch phụ Nhóm mạch phụ này được gọi là bộ chuyển

mạch Như vậy, về chức năng, SCR kết hợp với bộ chuyển mạch thực hiện vai trò của

một công tắc S như transistor Bộ chuyển mạch có nhiều loại Trong phần dưới đây, ta

khảo sát bộ chuyển mạch loại dao động

Trên hình H4.19 vẽ bộ giảm áp sử dụng bộ chuyển mạch (BCM) thông dụng

BCM này gọi là BCM có một mạch dao động loại 1 Công tắc S gồm thyristor chính

V1 và bộ chuyển mạch gồm thyristor phụ V2, tụ và cảm kháng chuyển mạch L1,C và

diode V3 Công tắc S được đóng bằng cách kích đóng SCR chính V1, và S được ngắt

bằng cách kích đóng SCR phụ V2

Bởi vì thời gian chuyển mạch trong phần lớn các trường hợp rất nhỏ nên có

thể xem trong thời gian chuyển mạch dòng điện qua tải không thay đổi

Ngoài ra, việc phân tích có thể đơn giản bằng cách giả thiết rằng dòng điện

tải được nắn lý tưởng (L→∞)

Nguồn điện áp được xem là lý tưởng Khi phân tích, ta giả thiết rằng, bộ giảm

áp đang làm việc ở trạng thái xác lập

Phân tích và tổng hợp BCM trong bộ giảm điện áp: (xem hình H4.20)

Trạng thái V0 -khoảng (0,t1): dòng điện tải it = I đi qua V0 Trên tải và V0 xuất

hiện điện áp bằng 0 Tụ chuyển mạch chịu tác dụng của điện áp :

uC = U

Theo định luật Kirchoff, điện áp trên thyristor V1:

uV1 = U và trên thyristor phụ điện áp bằng 0 :

uV2 = 0 Trạng thái (V1,V3) - khoảng (t1,t3): vào thời điểm t1, V1 được kích đóng Trên

tải xuất hiện điện áp ut = U và trên V0 xuất hiện điện áp nghịch uV0 =-U nên V0 bị

ngắt Vì thế, dòng điện tải it khép kín qua nguồn U và thyristor V1 Quá trình chuyển

mạch diễn ra giữa V0 và V1 một cách trực tiếp BCM (gồm V2 ,LC,V3) không tham dự

vào quá trình trên Điện áp chuyển mạch chính là điện áp nguồn U

Đồng thời, việc đóng V1 làm tụ C phóng điện qua mạch dao động (V1,V3,L1,C) Quá trình dòng điện và điện áp của tụ cho bởi hệ thức:

1

1 1

1

t t U

u

C L

t t

C L

U i

r C

r

r C

−

=

=

−

−

=

cos

sin

`

ω ω

ω

Thêm vào đó:

uV2 = -uC

iV3 = -iC Tại thời điểm t3, diode V3 ngăn không cho dòng iC đổi chiều Diode bị ngắt

Tụ C tiếp tụ duy trì điện áp uC (t3) Vớùi giả thiết mạch L1,C lý tưởng, điện áp này

bằng (-U) Đối với mạch dao động thực, khi diễn ra quá trình tích điện theo chiều

ngược lại của tụ C phát sinh tổn hao làm điện áp tụ không thể nạp điện theo chiều

ngược lại đến độ lớn áp nguồn (-U) mà chỉ đạt đến giá trị gần bằng nó Vì thế, ta có

thể chọn:

uC(t3) = -K1.U

Trạng thái V1- khoảng (t3,t4): từ thời điểm t3, V1 đóng và dòng It qua nó Trạng

thái BCM từ thời điểm t3 không thay đổi Tụ chuyển mạch đã được chuẩn bị để ngắt

V1

Trạng thái V2 - khoảng (t4,t6): để ngắt công tắc S tại thời điểm t4 , ta thực hiện

kích đóng V2 Thyristor V2 đóng làm điện áp tụ chuyển mạch đặt lên V1 là điện áp

nghịch, làm nó bị ngắt lập tức Do tính liên tục, dòng tải it tiếp tục dẫn khép kín qua

mạch (U,C,V2,RLE) và tích điện cho tụ C theo hệ thức:

dt I C

1 ) t ( u u

t t t 4

C C

4

∫ +

= Bởi vì uC(t4) = uC(t3), sau khi lấy tích phân, ta có:

U K ) t t ( C

I

Trong thời gian V2 đóng, ta có uV1 = uC Trong khoảng thời gian (t4,t5) điện áp

này có giá trị âm và nhờ đó V1 khôi phục khả năng khóa của mình Trên tải xuất hiện

điện áp:

Tại thời điểm t6, tụ nạp đến giá trị uC = U làm điện áp tải và áp trên diode V0

bằng 0 Hệ quả, sau thời điểm t6 diode V0 đóng va dòng nạp tụ dẫn qua V2 bị ngắt

Dòng điện không thể tiếp tục đi qua nhánh V2,C bởi vì nếu như vậy, điện áp uC sẽ

vượt quá giá trị U và theo sơ đồ mạch cho trạng thái V2, ta sẽ có (uC – U) > 0 xuất

hiện trên V0 theo chiều dương, điều này không thể xảy ra

Do đó, từ thời điểm t6, dòng điện tải khép kín qua V0

Vấn đề khởi động bộ giảm áp: trước khi cho mạch hoạt động, cần phải đảm

bảo điện áp cần thiết cho tụ chuyển mạch họat động bằng cách tích điện cho nó Việc

thực hiện có thể tiến hành đơn giản nếu trước khi cho mạch họat động, ta cho đóng V2

hoặc nối anode V2 đến điện cực âm của điện áp U qua một điện trở khá lớn

Định mức các thông số cho bộ giảm áp: xuất phát từ điều kiện ngắt an toàn

của các thyristor Thời gian bảo vệ mà thyristor bị ngắt cần có để khôi phục khả năng

khóa của mình được ký hiệu là t0 Linh kiện sẽ được chọn sao cho khoảng thời gian

ngắt an toàn nhỏ nhất xuất hiện từ kết quả phân tích mạch luôn luôn lớn hơn giá trị tq

cho bởi từng thyristor

Để tính tóan điện dung của tụ chuyển mạch C, ta dựa vào điều kiện ngắt V1

Từ hình H4.20, ta có:

t0(V1)MIN = (t5 - t4 )MIN> tq(V1) (4.45) Trong khoảng thời gian (t1,t6), ta có uV1 = uC Khoảng thời gian (t4,t5) có thể

được dẫn giải theo điều kiện t = t5, uC = 0:

t5 - t4 = t0(V1) = K1.U

t

I

t0(V1) đạt giá trị nhỏ nhất khi It lớn nhất tức bằng ItM Từ đó:

U K

t.

I C

1 min ) V ( o

Để tính toán L1, ta dẫn giải từ điều kiện ngắt V2 Trên hình vẽ H4.20 phân

tích dạng sóng áp và dòng điện của V2, ta thấy thời gian khôi phục khả năng khoá của

V2 sẽ nhỏ nhất nếu khoảng dẫn của V0 bằng 0 Lúc đó, t6=t7, và thời gian t0(V2) sẽ

bằng 1/4 chu kỳ dao động của mạch L1,C Với ký hiệu chu kỳ dao động của mạch

bằng Tr, ta có:

2 4

T

t 0 V MIN r 1 2

π

=

Từ đó, ta có:

C

t.

4

2 MIN ) 2 V ( 0 1

π

Độ lớn của L1,C ảnh hưởng đến biên độ của dòng Icm của mạch dao động

C L

U

I cm

1

Ta cần kiểm tra giá trị của Icm và từ đó điều chỉnh lại giá trị của L1 để dòng

điện qua linh kiện V1 không lớn quá Thông thường, ta có thể chọn Icm = 2.ItM