Điện tử công suất 1 4.5 MẠCH LỌC CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 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 L s 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 L s . Do đó, điện áp nguồn cung cấp thực tế cho bộ biến đổi bò biến dạng và bò sụt áp. Để hạn chế sự biến dạng của áp nguồn một chiều, ở ngõ vào của bộ biến đổi được trang bò mạch lọc C hoặc LC (hình H4.17). Để đơn giản việc tính toán mạch lọc, ta giả thiết dòng tải i t 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 C f giả thiết có giá trò U cmin đạt được ở cuối khoảng thời gian T 1 . Ta xét một chu kỳ làm việc ở xác lập. Năng lượng do nguồn U cung cấp: W ng = U.I.T (4.23) Năng lượng tải tiêu thụ W t = U t . I t .T (4.24) Do U t = U và W γ ng = W t nên suy ra : I = γ . I t (4.25) Tụ lọc C f tích điện trong khoảng thời gian T 2 bởi dòng điện i C = i làm điện áp trên nó tăng từ U cmin đến U cmax . Ta co:ù f T T f T T c f cc C TTI dt C I dti C uu )( minmax 1 11 1 − ===− ∫∫ (4.26) Thay hệ thức tính I ta được : γγ−=−γ=∆=− ).1( f.C I )TT.(. C I Uuu f t 1 f t cmincmaxc (4.27) 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: 4-11 Điện tử công suất 1 maxc f t c U f.C.4 I U ∆<<∆ (4.28) Chọn I t =I tmax . Ta có: maxc maxt f U.f.4 I C ∆ > (4.29) Nếu ta điều khiển bộ biến đổi theo dòng điện yêu cầu, ta có thể dẫn giải gần đúng : maxc maxtmaxt c U Cf.U i.L. I U ∆< ∆ <∆ (4.30) Từ đó: maxc maxtmaxt f U.U i.L. I C ∆ ∆ > (4.31) L là cảm kháng mạch tải (L=L ph +L t ) và ∆i max là độ nhấp nhô lớn nhất cho phép của dòng điện tải. Cảm kháng L s của nguồn và tụ C f hình thành dạng mạch cộng hưởng với tần số riêng f r . Tần số đóng ngắt công tắc S phải tránh chọn ở lân cận tần số này. Thực tế, có thể lấy giá trò f thỏa mãn điều kiện f > ( 2-3).f r . 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 bò 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 L ph cho mạch tải công suất lớn hơn . 4-12 Điện tử công suất 1 Trường hợp sử dụng cảm kháng phụ L ph Do tác dụng lọc của cuộn kháng lọc L ph , điện áp trực tiếp tác động trên tải u t bò nắn gần phẳng . Để xác đònh độ lớn của L ph từ điều kiện độ nhấp nhô cho phép của dòng điện tải, ta phân tích quá trình dòng điện qua tải i t phụ thuộc vào tham số mạch, áp nguồn và tần số đóng ngắt f. Kết quả phân tích xác đònh độ nhấp nhô dòng điện : ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − − =−=∆ τ − τ τ − 2 1 T T T mintmaxt e1 e1 e1 . R U iii (4.32) với T = f 1 T 1 ,T 2 lần lượt là thời gian đóng và ngắt công tắt S. R L = τ , L = L ph + L t (4.33) Khi τ T nhỏ, tức R fL. đủ lớn, ta dùng phân tích chuỗi Mac Laurin. Kết quả cho ta: () L.f.4 U 1 L.f U i <γ−γ≈∆ (4.34) Để ý rằng hàm ( 1 - ) đạt cực đại bằng γ γ 4 1 khi γ = 2 1 , ta có: Lf U i 4 <∆ (4.35) Điều kiện ∆i < ∆i max luôn thỏa mãn, nếu như ta có: max i Lf U ∆< 4 (4.36) Từ đó, ta xác đònh L theo điều kiện: L = L ph + L t > max if U ∆4 (4.37) Việc xác đònh độ lớn L có thể đơn giản hơn nếu ta để ý trò hiệu dụng thành phần xoay chiều dòng tải có thể tính gần đúng theo hệ thức: () () () () 2 2 2 2 1 1 L.f 2R U L.f 2R U II π+ ≈ π+ =≈ σ σ σσ (4.38) U σ , I σ là trò hiệu dụng thành phần xoay chiều của điện áp và dòng tải. U σ(1) , I σ(1) là trò 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: 4-13 Điện tử công suất 1 () ()() () U.1dtU.dtU.U T 1 dt.Uu T 1 U T T 2 T 0 2 T 0 2 tt 1 1 γ−γ= ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ γ−+γ−=−= ∫∫∫ σ (4.39) Giá trò cực đại của U σ xảy ra khi γ = 1 2 . 4.6 BỘ GIẢM ÁP DÙNG SCR VÀ MẠCH TẮT CƯỢNG 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 V 1 và bộ chuyển mạch gồm thyristor phụ V 2 , tụ và cảm kháng chuyển mạch L 1 ,C và diode V 3 . Công tắc S được đóng bằng cách kích đóng SCR chính V 1 , và S được ngắt bằng cách kích đóng SCR phụ V 2 . 4-14 Điện tử công suất 1 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 V 0 -khoảng (0,t 1 ): dòng điện tải i t = I đi qua V 0 . Trên tải và V 0 xuất hiện điện áp bằng 0. Tụ chuyển mạch chòu tác dụng của điện áp : 4-15 Điện tử công suất 1 u C = U. Theo đònh luật Kirchoff, điện áp trên thyristor V 1 : u V1 = U và trên thyristor phụ điện áp bằng 0 : u V2 = 0 . Trạng thái (V 1 ,V 3 ) - khoảng (t 1 ,t 3 ): vào thời điểm t 1 , V 1 được kích đóng. Trên tải xuất hiện điện áp u t = U và trên V 0 xuất hiện điện áp nghòch u V0 =-U nên V 0 bò ngắt. Vì thế, dòng điện tải i t khép kín qua nguồn U và thyristor V 1 . Quá trình chuyển mạch diễn ra giữa V 0 và V 1 một cách trực tiếp. BCM (gồm V 2 ,LC,V 3 ) không tham dự vào quá trình trên. Điện áp chuyển mạch chính là điện áp nguồn U. Đồng thời, việc đóng V 1 làm tụ C phóng điện qua mạch dao động (V 1 ,V 3 ,L 1 ,C). Quá trình dòng điện và điện áp của tụ cho bởi hệ thức: () [] () [] 1 1 1 1 1 ttUu CL tt C L U i rC r rC −= = − − = .cos. . .sin. ` ω ω ω (4.40) Thêm vào đó: u V2 = -u C i V1 = I t - i C (4.41) i V3 = -i C Tại thời điểm t 3 , diode V 3 ngăn không cho dòng i C đổi chiều. Diode bò ngắt. Tụ C tiếp tụ duy trì điện áp u C (t 3 ). Vớùi giả thiết mạch L 1 ,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 trò gần bằng nó. Vì thế, ta có thể chọn: u C (t 3 ) = -K 1 .U 1> K 1 = 0,7→0.9 (4.42) Trạng thái V 1 - khoảng (t 3 ,t 4 ): từ thời điểm t 3 , V 1 đóng và dòng I t qua nó. Trạng thái BCM từ thời điểm t 3 không thay đổi. Tụ chuyển mạch đã được chuẩn bò để ngắt V 1 . Trạng thái V 2 - khoảng (t 4 ,t 6 ): để ngắt công tắc S tại thời điểm t 4 , ta thực hiện kích đóng V 2 . Thyristor V 2 đóng làm điện áp tụ chuyển mạch đặt lên V 1 là điện áp nghòch, làm nó bò ngắt lập tức. Do tính liên tục, dòng tải i t tiếp tục dẫn khép kín qua mạch (U,C,V 2 ,RLE) và tích điện cho tụ C theo hệ thức: dt.I C 1 )t(uu t t t4CC 4 ∫ += Bởi vì u C (t 4 ) = u C (t 3 ), sau khi lấy tích phân, ta có: U.K)tt( C I u 14 t C −−= (4.43) 4-16 Điện tử công suất 1 Trong thời gian V 2 đóng, ta có u V1 = u C . Trong khoảng thời gian (t 4 ,t 5 ) điện áp này có giá trò âm và nhờ đó V 1 khôi phục khả năng khóa của mình. Trên tải xuất hiện điện áp: u t = U - u C = -u V0 (4.44) Tại thời điểm t 6 , tụ nạp đến giá trò u C = U làm điện áp tải và áp trên diode V 0 bằng 0. Hệ quả, sau thời điểm t 6 diode V 0 đóng va dòng nạp tụ dẫn qua V 2 bò ngắt. Dòng điện không thể tiếp tục đi qua nhánh V 2 ,C bởi vì nếu như vậy, điện áp u C sẽ vượt quá giá trò U và theo sơ đồ mạch cho trạng thái V 2 , ta sẽ có (u C – U) > 0 xuất hiện trên V 0 theo chiều dương, điều này không thể xảy ra. Do đó, từ thời điểm t 6 , dòng điện tải khép kín qua V 0 . 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 V 2 hoặc nối anode V 2 đến điện cực âm của điện áp U qua một điện trở khá lớn. Đònh 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 bò ngắt cần có để khôi phục khả năng khóa của mình được ký hiệu là t 0 . 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 trò t q cho bởi từng thyristor. Để tính tóan điện dung của tụ chuyển mạch C, ta dựa vào điều kiện ngắt V 1 . Từ hình H4.20, ta có: t 0(V1)MIN = (t 5 - t 4 ) MIN > t q(V1) (4.45) Trong khoảng thời gian (t 1 ,t 6 ), ta có u V1 = u C . Khoảng thời gian (t 4 ,t 5 ) có thể được dẫn giải theo điều kiện t = t 5 , u C = 0: t 5 - t 4 = t 0(V1) = K 1 .U. t I C (4.46) t 0(V1) đạt giá trò nhỏ nhất khi I t lớn nhất tức bằng I tM . Từ đó: U.K t. I C 1 min )V( otM 1 = (4.47) Để tính toán L 1 , ta dẫn giải từ điều kiện ngắt V 2 . Trên hình vẽ H4.20 phân tích dạng sóng áp và dòng điện của V 2 , ta thấy thời gian khôi phục khả năng khoá của V 2 sẽ nhỏ nhất nếu khoảng dẫn của V 0 bằng 0. Lúc đó, t 6 =t 7 , và thời gian t 0(V2) sẽ bằng 1/4 chu kỳ dao động của mạch L 1 ,C. Với ký hiệu chu kỳ dao động của mạch bằng T r , ta có: () C.L. 24 T t 1 r MINV 0 2 π == (4.48) Từ đó, ta có: C t.4 L 2 2 MIN)2V(0 1 π = (4.49) Độ lớn của L 1 ,C ảnh hưởng đến biên độ của dòng I cm của mạch dao động 4-17 Điện tử công suất 1 C L U I cm 1 = (4.50) Ta cần kiểm tra giá trò của I cm và từ đó điều chỉnh lại giá trò của L 1 để dòng điện qua linh kiện V 1 không lớn quá. Thông thường, ta có thể chọn I cm = 2.I tM . 4-18 . Điện tử công suất 1 4.5 MẠCH LỌC CHO BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 4.5.1 MẠCH LỌC ĐIỆN ÁP NGÕ VÀO Trong hoạt động của các bộ biến đổi điện áp một chiều, . 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