Bài gi ng tóm t t mơn i n t cơng su t CHƯƠNG BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU Và o Ra Bộ biến đổi áp chiều Vo BBĐ Áp (BBĐA1C) hay gọi đầy đủ biến Một chiều đổi xung điện áp chiều, sử dụng t t ngắt điện bán dẫn sơ đồ thích hợp để biến đổi áp nguồn chiều thành Hình 5.0.1 Định nghiã BBĐA1C chuỗi xung áp, nhờ thay đổi trị trung bình áp Vo (hình 5.0.1) Vì BBĐA1C gọi băm điện áp (hacheur hay chopper) Dạng áp BBĐA1C thay đổi theo theo chu kỳ T gồm thời gian có xung ton khoảng nghỉ T – ton Có nguyên lý điều khiển: - Điều chế độ rộng xung (PWM – viết tắt Pulse – Width – Modulation) chu kỳ T không đổi, thay đổi thời gian đóng điện ton = ton/T gọi độ rộng xung tương đối - Điều chế tần số ton không đổi, chu kỳ T thay đổi - Điều khiển hổn hợp, T ton thay đổi Hai phương pháp sau thông dụng thời gian gần đây, gắn liền với mạch điện cụ thể, thường đơn giản Chất lượng chúng thường không cao với nhược điểm lớn tần số làm việc hệ thống bị thay đổi Trong số tài liệu, biến đổi xung điện áp chiều đóng ngắt nguồn điện cung cấp cho tải định nghiã xếp vào nhóm FORWARD, phân biệt với biến đổi làm việc qua trung gian cuộn dây gọi FLYBACK Ngoài ra, có số sơ đồ có độ tổng quát không cao, không trình bày chương V.1 KHẢO SÁT BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FORWARD: phầ n tư phần tư Bộ biến đổi áp chiều loại FORWARD thứ II thứ I Vo >0, Io 0 phân loại theo số phần tư mặt phẳng tải mà hoạt động Mặt phẳng tải, tương tự phầ n tư phầ n tư thứ III thứ mặt phẳng đặc tính truyền động điện, Vo, Io 0; Vo, tập hợp điểm biểu diễn trị trung bình dòng, áp tải Vo, Io; gồm phần tư hình 5.1.1 Hình 5.1.1: Các phần tư mặt Hình 5.1.2 cho ta sơ đồ biến đổi áp phẳng tải chiều loại FORWARD Trang / B bi n i áp m t chi u © Hu nh V n Ki m H c kì n m h c 2004-2005 S1 i o + R + D2 V L S1 io V E _ + D1 _ (a) D2 S2 Vo D1 S3 io Vo V _ D3 S1 D2 (b) D4 S2 S4 (c) Hình 5.1.2: Sơ đồ biến đổi (a) phần tư; (b) hai phần tư; (c) ba phần tư + D3 S1 io V _ Vo D2 Hình 5.1.2.b1 BBĐ làm việc phần tư I IV S4 (b1) Khảo sát biến đổi làm việc phần tư mặt phẳng tải: Trên hình 5.1.2.(a) ngắt điện bán dẫn chiều S1, ta biết dẫn điện chiều từ đầu + nguồn Vì Hình 5.1.3: Dạng sóng BBĐ trị số tức thời áp, dòng vO, iO trị số ¼ tải RLE trung bình chúng Vo, Io dương, biến đổi làm việc phần tư thứ mặt phẳng tải Xét chu kỳ tựa xác lập – dạng sóng lập lại chu kỳ, hình 5.1.3 (a) trình bày tín hiệu điều khiển ngắt điện S1 Tín hiệu cao (hay 1) tương ứng ngắt điện đóng, thấp (hay 0) ngắt Tại t = 0, S1 đóng Phương trình vi phân mô tả hệ thống: V Rio Giải : L dio dt io t E , với điều kiện đầu io ( ) I xl I xl1 I I e t/ với I xl1 V E R , : thời điện từ, Ixl1 : dòng qua mạch xác lập ( t å io ton I max I xl1 I xl1 I e t on / Khi t L R ) ton , S1 ngắt dòng tải không thay đổi tức thời, khép mạch qua diod phóng điện D2 Phương trình vi phân mô tả hệ thống chọn lại gốc thời gian: Trang / B bi n i áp m t chi u http://www.khvt.com Bài gi ng tóm t t môn i n t công su t Rio L I max E , với điều kiện đầu io ( ) Ix2 Giải : io t Vaø dio dt io T I xl I max e t / với I xl ton I xl I xl E R I max e T ton / I vaø cho phép tính Imax, Imin dạng iO theo t hình 5.1.3.(b) I max t / V e on R e T/ E ;I R t / V e on R eT / I nhấp nhô dòng ra: Trị trung bình áp ra: Io Vo E R Vo 1 ton V T E R I max I V , với ton T , dòng sử dụng nguyên lý xếp chồng cho thành phần chiều áp vO Tính gần đúng: Khi T , giả thuyết dòng liên tục Kiểm tra lại: = 0.01 / = 0.002 giây, từ , e 30 E / E Imin = 100 100 E / E e 20 e 30 E / E Imax = 100 e 100 E / E 20 1.8953546 A 2.1053454 A , suy I = 0.1049954 A Như sai số hai cách tính không đáng kể Kiểm tra thời hằng: T = 100 E-6 29.475 volt tX < 100 micro giây dòng bắt đầu gián đoạn e ton Bài tậpï 4.1: Suy từ Đặt T/ = có tON/T = e I max ;e T e : V R Vì T > Diod D1 ngắt điện S2 dòng, thực tế mạch hoạt động biến đổi phần tư 5.1.6 : Dạng dòng (b) xảy sức phản điện tải E xấp xỉ trị trung bình áp Vo, trị trung bình tiến linh kiện công suất tham gia dẫn điện.trong giai đoạn hình Dạng dòng ( c) xảy trị trung bình dòng Io Io = (50 – 40)/5 = ampe Trang / B bi n i áp m t chi u http://www.khvt.com Bài gi ng tóm t t môn i n t công su t Vaäy Imin = – 1.25 = 0.75 ampe; Imax = + 1.25 = 3.25 ampe, tương ứng với trường hợp dòng điện dạng (a) hình 5.1.6 b = 0.4 I = 100*0.0001*0.4(1 – 0.4)/(2*0.001)= 1.2 ampe Trung bình áp Vo = 0.4*100 = 40 volt => Io = (40 – 40)/5 = ampe Vaäy Imin = – 1.2 =– 1.2 ampe; Imax = + 1.2 = 1.2 ampe, tương ứng với trường hợp dòng điện dạng (b) hình 5.1.6 b = 0.3 I = 100*0.0001*0.3(1 – 0.3)/(2*0.001)= 1.05 ampe Trung bình áp Vo = 0.3*100 = 30 volt => Io = (30 – 40)/5 = – ampe Vaäy Imin =– – 1.05 =– 3.05 ampe; Imax =– + 1.05 = – 0.95 ampe, tương ứng với trường hợp dòng điện dạng (c) hình 5.1.6 BBĐ tăng áp: + D1 BBĐ áp chiều làm việc phần tư cung cấp áp ngỏ bé áp nguồn nên V có tên gọi BBĐ giảm áp L io vo R E S2 Xét BBĐ hai phần tư hình 5.1.2.b, làm _ việc phần tư thứ II, có S2 D1 làm việc (vẽ lại hình 5.1.7) Năng lượng sđđ tải E trả nguồn ( iO < ) ta Hình 5.1.7: BBĐ tăng áp có trung bình áp VO bé áp nguồn V Sơ đồ hình 5.1.7 gọi BBĐ tăng áp, áp phiá cung cấp (áp tải) VO bé áp nguồn V (phía nhận) Ở BBĐ tăng áp, ta định nghiã tON thời gian dẫn điện S2, công thức tính trị trung bình VO thay đổi, tương ứng với việc thay (1 Ta có VO = V (1 - dòng qua tải IO = (VO – E)/R < tương ứng VO < E Cần lưu ý dòng tải iO liên tục, nhờ vào khả tích trữ lượng dạng dòng điện tự cảm L Không có sức điện động cảm ứng L, dòng chạy từ tải E có điện áp bé nguồn V lớn BBĐ tăng áp sơ đồ nhóm BBĐ áp chiều dạng FLYBACK, có khả tăng-giảm áp với tự cảm L xem thành phần BBĐ Khảo sát biến đổi làm việc bốn phần tư mặt phẳng tải: Hình 5.1.2.(c) cho ta sơ đồ cầu biến đổi làm việc bốn phần tư mặt phẳng tải Ta sử dụng sơ đồ với hai nguồn hình 5.1.8 Trong sơ đồ Trang / B bi n i áp m t chi u © Hu nh V n Ki m H c kì n m h c 2004-2005 cầu, ngắt điện S1, S4 cung cấp điện áp dương ngắt điện S2, S3 cung cấp điện áp âm cho tải Các diod song song ngược với ngắt điện đảm bảo dòng điện lưu thông hai chiều Có thể lý luận tương tự để chứng minh khả làm việc bốn phần tư mặt phẳng tải sơ đồ sử dụng hai nguồn: S1 cung cấp điện áp dương cho tải điện áp âm S2 Các sơ đồ làm việc phần tư mặt phẳng tải dùng + V D1 để cung cấp cho tải: S1 - áp đảo chiều (làm việc phần tư I hay III) io - dòng áp đảo chiều (làm việc I, II hay III, IV) S2 - dòng áp có dấu phụ thuộc yêu cầu tương ứng với nhiều cách điều khiển ngắt điện biến đổi Có hai cách chính: - Điều khiển chung hay hoàn toàn: S1 S4 S2 S3 Khi dạng áp có hai cực tính: vO dương S1 đóng âm S1 ngắt – dạng sóng hình 5.1.9.(a), áp dạng xung có biên độ thay đổi khoảng –V đến +V, làm tăng gấp đôi so với dạng xung cực tính V: I max I I VT L _ D2 Vo V Hình 5.1.8: BBĐ làm việc bốn phần tư mặt phẳng tải, sơ đồ hai nguồn cho nhấp nhô dòng điện với = tON/T; tON thời gian ON S1, S4 Phương án điều khiển chung cho phép thay đổ liên tục áp từ âm sang dương thay đổi độ rộng xung tương đối tON/T : Vo T V ton V T ton V Dòng tải dương hay âm phụ thuộc vào tương quan trung bình áp VO sđđ tải E (theo nguyên lý xếp chồng) IO VO E R - Điều khiển riêng hay không hoàn toàn: Mỗi lúc đóng ngắt hai nhóm S1, S4 cung cấp áp dương S2, S3 cung cấp áp âm cho tải - dạng sóng áp tải trở vẽ hình 5.1.9.(b) Phương án điều khiển riêng cung cấp xung cực tính cho áp Công thức tính toán trường hợp BBĐ phần tư Có thể thấy dễ dàng BBĐ cung cấp áp đảo chiều, làm việc phần tư I hay III phụ thuộc vào cặp ngắt điện làm việc cách Hình 5.1.9.(a) dạng sóng áp Trang / B bi n i áp m t chi u http://www.khvt.com Bài gi ng tóm t t mơn i n t cơng su t tính toán giống khảo sát BBĐ ĐK chung phần tư Ưu điểm cách điều khiển nhấp nhô dòng, áp bé hơn, sơ đồ điều khiển đơn giản Ngoài việc dòng tải đảo chiều, sơ đồ điều khiển cần có tín hiệu chọn dấu cho điện áp (tương ứng với chọn nhóm ngắt điện làm việc) Điều làm hệ Hình 5.1.9.(b) dạng sóng áp ĐK thống không làm việc hay tác động riêng chậm quanh điểm áp không Trong thực tế có nhiều sơ đồ điều khiển khác nằm hai nguyên lý điều khiển trên, dấu hiệu để phân nhóm điều khiển riêng yêu cầu tín hiệu chọn cực tính áp điều khiển chung luôn thay đổi áp liên tực quanh giá trị volt V Khảo sát sơ đồ hình 5.1.2.b1 tải RLE: Bộ biến đổi làm việc hai phần tư I IV Các ngắt điện S1 S4 đóng khóa với độ rộng xung = ton/T tương đối t on io S1, S4 E D2, D3 Tx t T Khi để ý ngắt điện bán dẫn hình 5.1.10: áp, dòng BBĐ hình 5.1.2.b1 dẫn điện chiều, dòng qua tải có dòng gián đoạn thể chiều + quy ước: iO S1, S4 dẫn điện: vO = V > S1, S4 khóa: Năng lượng tích trử L cho phép tải phóng điện nguồn qua diod D2 D3: áp vO = - V < Như biến đổi có dạng áp V, tuỳ thuộc vào tương quan thời gian xung áp dương âm mà áp dương hay âm (hình 5.1.10) Tính toán mạch dòng tải liên tục: Khi có tải thích ứng, dòng tải liên tục: iO tăng khoảng ton giảm (chưa 0) thời gian lại chu kỳ.Vậy ta có dạng áp, dòng BBĐ phần tư trung bình áp tính theo nhấp nhô dòng tính Trị trung bình dòng IO = (VO – E)/R Luôn nhớ dòng iO Trang / B bi n i áp m t chi u © Hu nh V n Ki m H c kì n m h c 2004-2005 dương, IO giảm, dòng có xu hướng tiến đến gán đoạn Khi dòng gián đoạn, tính toán trỡ nên phức tạp Bài tập: Tìm điều kiện để có áp VO < 0, điều kiện để có dòng liên tục Khảo sát sóng hài áp dòng tải RLE: a Sóng hài điện áp: Có thể phân làm hai trường hợp: dòng liên tục gián đoạn Khi dòng liên tục, dạng áp phụ thuộc độ rộng xung tương đối Khi dòng gián đoạn, dạng áp phụ thuộc sức phản điện E Tuy nhiên cần khảo sát trường hợp dòng điện gián đoạn, trường hợp dòng liên tục tương ứng với tX = T Khai triển Fourier cho dạng áp vO hình 5.1.3.c : vo Vo n Vn An sin nwt Bn cos nwt An Bn , tg n Vo An / Bn n Vn sin nwt n với w /T Vo tính ; An, Bn tích phân theo dạng sóng vO hình 5.1.3.c, để ý chu kỳ T tương ứng với An An vo sin nwt dwt V n cos nwton t on / T E n V sin nwt dwt cos nwtx ; Bn V n tx / T E sin nwt dwt sin nwton E n sin nwtx Biên độ độ lệch pha sóng hài bậc n trường hợp dòng liên tục tX = T laø: Vn 2V n cos nwton ; n tg sin nwton / cos nwton b Sóng hài dòng điện tải RLE: Sóng hài dòng điện tải RLE tính áp dụng nguyên lý xếp chồng, khảo sát chương chỉnh lưu ĐK pha (mục IV.3.6 ) Sự làm việc song song biến đổi: Tương tự nguồn chỉnh lưu, sử dụng song song biến đổi có tác dụng: - Tăng công suất ngỏ thay nối song song ngắt điện để tăng công suất BBĐ Khi công suất tải lớn vượt khả ngắt điện có sẵn, vieäc song Trang 10 / B bi n i áp m t chi u http://www.khvt.com Bài gi ng tóm t t môn i n t công su t song nhiều ngắt điện để đáp ứng công suất thiết kế đơn giản có nhiều hạn chế: mạch phức tạp, sản xuất đơn chiếc, hệ số an toàn tính chọn ngắt điện tăng Việc song song nhiều biến đổi cung cấp cho tải phức tạp nguyên lý có nhiều ưu điểm kỹ thuật như: module hoá thiết kế, sử dụng tối ưu linh kiện, cho phép ứng dụng nhiều thuật toán điều khiển để tăng chất lượng ngỏ khả sử dụng nguồn Hình 5.1.11a cho ta sơ đồ hai BBĐ cung cấp cho tải, hai BBĐ thường có thông số hoạt động giống nhau: VO, khả tải dòng làm việc lệch pha ½ chu kỳ Chúng nối chung ngỏ vào chung ngỏ qua cuộn kháng có nhiệm vụ rơi phần áp chênh lệnh xoay chiều Mỗi BBĐ dẫn ½ dòng tải p trung bình tải: v01 = v02 (wt – ) => V01 = V02 = V0 Áp cuộn kháng L: vL = (v01 - v02 )/2 có hài bội lẻ 1, 3, 5… vo2 + vo V _ C BBÑ L in BBĐ _ vo1 TẢ I V L L BBĐ + BBĐ Có thể chứng minh dễ dàng áp tải có hài bội chẵn, nghiã nhấp nhô tần số góc 2w Hình 5.1.11a: Hai BBĐ cung cấp cho Hình 5.1.11b: Cải thiện dòng nguồn tải lọc ngõ vào điều khiển lệch pha BBĐ - Cải thiện chất lượng dòng, áp ngỏ dòng nguồn cung cấp điều khiển lệch pha BBĐ Ta biết tần số làm việc Io BBĐ cao ảnh hưởng sóng hài bậc cao lên tải t chiều bé, tần số hoạt Dò ng nguồ n mộ t BBĐ thự c tế (né t nhỏ ), gầ n đú ng động BBĐ bị giới hạn (né t đậ m) khả ngắt điện Như chứng minh phần trên, điều khiển lệch pha ½ chu kỳ hai t BBĐ giống nối song song, nhấp nhô dòng, áp có tần số gấp dò ng nguồ n m việ c song song hai BBĐ đôi tần số làm việc BBĐ Hình 5.1.12: Dạng dòng nguồn in chất lượng dòng, áp ngỏ hai BBĐ giống hệt làm việc song song Trang 11 / B bi n i áp m t chi u © Hu nh V n Ki m H c kì n m h c 2004-2005 cải thiện lệch pha 180O Khả sử dụng nguồn chiều cải thiện BBĐ tải chúng làm việc lệch pha Khi giá trị hiệu dụng dòng nguồn tiến gần đến gía trị trung bình chúng Hình 5.1.12 vẽ dạng dòng cung cấp cho BBĐ BBĐ làm việc lệch pha ½ chu kỳ Dòng nguồn xung hình thang có bề rộng khoảng dẫn ngắt điện S ta giả sử xung dòng có dạng chữ nhật có biên độ trị trung bình dòng tải để tính toán dễ tự cảm tải L đủ lớn Sóng hài bậc cao làm cho ta không tận dụng công suất nguồn điện, giảm bớt mắc lọc LC ngỏ vào hình 5.1.11b V.2 BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FLYBACK: Các biến đổi áp chiều làm nguồn cho thiết bị điện tử cần có thêm lọc LC (hay RC công suất bé) để áp phẳng Trong nguồn xung đại ta hay gặp biến đổi loại flyback, cho chuỗi xung dòng, qua trung gian cuộn dây để nạp tụ ngỏ thay xung áp BBĐ dạng FORWARD Bộ biến đổi áp chiều xếp vào loại flyback chu kỳ hoạt động gồm hai pha: Pha 1: Ngắt điện đóng (ON) Cuộn dây nạp lượng từ nguồn, tải sử dụng lượng tích trử tụ điện song song ( tụ lọc ngỏ ) Pha 2: Ngắt điện ngắt (OFF) Cuộn dây chuyển (phóng) lượng qua tải nạp lượng vào tụ điện Trang 12 / B bi n i áp m t chi u http://www.khvt.com Bài gi ng tóm t t mơn i n t công su t S1 + D + i L is V C L v L _ Io i C is V v C _ V _ i C S2 Io v C (b) S1 D L2 i L2 T i L1 C D (a) + D S1 L v L1 n:1 i C C Io + V v C _ (c) is D L1 i L2 i L S1 C i C Io v C (d) Hình 5.2.1: Các sơ đồ BBĐ dạng Flyback: Như vậy, nguyên tắc hoạt động biến đổi loại FLYBACK đối nghịch với biến đổi xung điện áp dạng FORWARD, tải nối nguồn ngắt điện đóng (ON) sử dụng lượng tích trữ ngắt điện khóa Có sơ đồ trình bày hình 4.8: (a) Bộ biến đổi đảo cực tính: dùng cho khảo sát có số phần tử (b) Sơ đồ tăng giảm áp (c) Sơ đồ tăng giảm áp có biến áp (d) Sơ đồ tăng áp Sơ đồ (a) có số phần tử nhất, (b) có hoạt động với (a) không đảo cực tính, (c) tương tự sử dụng biến áp (d) tăng áp BBĐ tăng áp khảo sát mục V.1.2 trường hợp riêng sơ đồ hình (d), biến áp tự ngẫu lại cuộn dây sơ cấp V.3 MẠCH TẮT SCR: Ngoài họ transistor hay GTO đóng ngắt theo mạch lái ngắt điện tìm hiểu chương 1, ta sử dụng SCR làm ngắt điện bán dẫn làm việc với điện chiều sử dụng thêm mạch phụ, gọi mạch tắt SCR Cũng giống chỉnh lưu, trình tắt SCR gọi trình đảo lưu hay chuyển mạch Nguyên lý tổng quát mạch tắt SCR tạo đường dẫn điện tạm thời thay SCR , làm cho dòng qua không thời gian đảm bảo tắt tq > toff Trang 13 / B bi n i áp m t chi u © Hu nh V n Ki m H c kì n m h c 2004-2005 Ví dụ mạch tắt SCR: Mạch hai trạng thái bền dùng SCR (hình 5.3.1) v - áp nguồn V dòng nạp tụ tiến veà _ R1 T1 C R2 C + Tại t = 0, kích T1 T1 + dẫn điện C nạp qua T1 R2 đến áp nguồn V với cực tính hình vẽ T2 có V điện áp phân cực vC , T2 Khi kích T2, T2 dẫn điện tụ điện C đặt áp âm vào T1 T1 dẫn điện phục hồi trạng thái Hình 5.3.1: Mạch hai trạng thái bền dùng SCR khóa Tụ điện C nạp qua R1 đến giá trị áp nguồn V với dấu ngược lại, chuẩn bị làm tắt T2 T1 kích Thời gian T1 bị đăït áp âm gọi tq - thời gian đảm bảo tắt SCR, cần phải lớn toff thời gian cần thiết cho SCR phục hồi khả khóa Như để tắt SCR, người ta dùng tụ điện với điện tích có dấu thích hợp, tạo đường dẫn điện tạm thời làm cho dòng qua SCR không thời gian tq đủ để SCR phục hồi khả khóa Sơ đồ đảo lưu (chuyển mạch) cứng SCR Việc tắt SCR cách dùng tụ điện đặt áp âm vào AK ví dụ gọi chuyển mạch cứng SCR Để khảo sát ta xem sơ đồ tổng quát hình 5.3.2 với giả thiết dòng tải Io không đổi thời gian chuyển mạch, V áp tụ trước thời điểm chuyển V làm T tắt, dòng tải Io chuyển qua mạch C mạch Khi khóa K đóng, vT vC pt cho vC chuyển mạch: Trang 14 / B bi n i áp m t chi u http://www.khvt.com Bài gi ng tóm t t môn i n t công su t Io C dvC ; vC dt vT vC t V Io C t V T C t = tq thời gian đảm bảo tắt T1, áp tụ : vC tq C.V Io v T K D f vc Io tq v T Khi C nạp đến giá trị nguồn, dòng qua 0, T2 tự tắt, dòng tải khép mạch qua Df Tụ điện C có tq lượng cho chu kỳ làm việc Như vậy, điện lượng C.V tích trữ C phải trì dòng tải thời hình 5.3.2 gian đảm bảo chuyển mạch tq hay t -V tq = V C / IO Bộ biến đổi làm việc phần tư dùng SCR (hình5.3.3.a): Trong mạch hình 5.3.3.a, T1 SCR dẫn dòng điện tải, T2 SCR phụ, làm nhiệm vụ tắt (còn gọi chuyển mạch) SCR Để khảo sát mạch, ta có giả thuyết dòng tải không thay đổi: iO = Io = + C v C V _ + T1 _ L R i o T2 Dp v o Df Hình 5.3.3: (a)BBĐ ¼ mặt phẳng tải dùng SCR; (b) dạng sóng số thời gian mạch tắt SCR hoạt động Nguồn nối vào đủ lâu để C nạp đến áp nguồn V theo cực tính hình vẽ qua điện trở R R có giá trị lớn, không ảnh hưởng đến hoạt động sau mạch Tại t = 0, kích T1 T1 dẫn điện dòng qua gồm dòng tải Io dòng phóng điện tụ C qua T1, Dp L Đây mạch cộng hưởng LC tổn hao ta xem linh kiện lý tưởng Dòng phóng điện C hình sin áp qua có dạng cos Trang 15 / B bi n i áp m t chi u © Hu nh V n Ki m H c kì n m h c 2004-2005 Khi điện áp tụ điện đảo cực tính (ngược với dấu hình 5.3.3.a), diod Dp không cho phép xả theo chiều ngược lại tụ điện C chuẩn bị điện tích có dấu thích hợp để tắt T1 T2 kích, sơ đồ nguyên lý hình 5.3.2 Thời gian đảo cực tính tụ điện ½ chu kỳ dao động T LC thời gian on tối thiểu BBĐ Khi kích T2, T2 dẫn vT1 = vC < : T1 tắt dòng tải Io chuyển qua C C nạp dòng tải Io,như nguyên lý chuyển mạch cứng khảo sát Điều kiện để có chuyển mạch thành công C I o tq V , tq > toff thời gian tắt SCR T1 Khi C nạp đến giá trị nguồn V, dòng qua 0, T2 tự tắt, dòng tải khép maïch qua Df T1 T1 T2 C v C T3 + _ tụ thay đổi từ – V đến + V, đảm bảo tắt SCR chu kỳ tiếp T (b) T11 C v C T4 + _ Tụ điện C có lượng cho chu kỳ làm việc Thời gian off tối thiểu BBĐ 2.tq, dể cho áp T2 T22 (c) Hình 5.3.3.b c: Các mở rộng mạch tắt hình Nhược điểm lớn 5.3.3.a mạch phải có pha đảo cực tính áp tụ điện, điều làm tăng tổn hao lượng, giảm tần số làm việc cho phép mạch Cùng họ chuyển mạch cứng có mạch hình 5.3.3.b 5.3.3.c không sử dụng cuộn dây pha đảo cực tính áp tụ điện Tụ tắt C nằm cầu SCR, chúng kích theo chu trình thích hợp để cung cấp áp âm tắt SCR (sơ đồ b) Sơ đồ (c) có điều khiển phức tạp dòng tải chạy qua nhánh cầu SCR Trong thực tế, mạch nhiều tự cảm nối tiếp với SCR, tự cảm nguồn điện, dây dẫn cuộn dây thêm vào để chống đột biến dòng làm ảnh hưởng kết tính toán Trang 16 / B bi n i áp m t chi u http://www.khvt.com Bài gi ng tóm t t mơn i n t cơng su t Mở rộng đảo lưu cứng cho BBĐ làm việc hai D phần tư: L + T I o Khi BBĐ làm việc nhiều phần tư, cần có C v diod phóng điện song song ngược với SCR Ví dụ C Tp sơ đồ hình 5.3.4 Mạch hoạt động tương tự sơ đồ 5.3.3.a Dp Lp tính toán cho chuyển mạch cứng thay đổi hoàn toàn Hình 5.3.4 Mở rộng Để chuẩn bị tắt SCR T, tụ điện mạch tắt hình 4.14 cho nạp với cực tính hình vẽ Khi SCR phụ Tp BBĐ làm việc nhiều ¼ kích, dòng qua tụ C chia làm hai nhánh: cung cấp dòng mặt phẳng tải tải IO thay cho SCR T (đảm bảo T tắt), khép mạch qua D tạo thành mạch dao động LC Ta nhận xét nhiệm vụ L hạn chế tốc độ phóng điện C qua D Vì dòng tải IO chạy qua L Tp kích, giá trị ban đầu dòng qua C IO làm thay đổi thời gian xả tụ C + _ L cuộn kháng có trị số bé, tham gia trình chuyển mạch mà không ảnh hưởng hoạt động tải Bài tập 5.4: Khảo sát mạch tắt hình 4.3.3.b I T Hình BT5.4 (a) Mạch động lưc (b) mạch điều khiển áp tụ C T1 T2 C V _ v C T3 + _ + o T T1, T4 t T2 T3 t V T4 v C Df t -V Các giả thiết: - Tại t = 0, áp tụ có cực tính hình, dòng qua tải IO - Dòng tải không đổi, phẳng suốt thời gian khảo sát (tải có L lớn) - Mạch động lực đầy đủ dạng xung điều khiển vẽ hình BT4.4.a.Mô tả hoạt động mạch, vẽ dạng áp dạng dòng qua phần tử Hướng dẫn: Dạng áp tụ hình vẽ, C nạp nguồn dòng tải IO, có giá trị thay đổi từ – V +V Bộ biến đổi làm việc hai phần tư dùng SCR (hình 5.3.5) dùng đảo lưu mềm: Trang 17 / B bi n i áp m t chi u © Hu nh V n Ki m H c kì n m h c 2004-2005 + T11 L V _ ON S1 = - S2 T1 -C + D1 T2 t t t T11 D2 o T1 T2 I v C T22 OFF t T22 t to Hình 5.3.5 Vì chuyển mạch cứng cần tụ điện nối song song với SCR, để BBĐ làm việc nhiều phần tư, ta cần thêm vào cuộn kháng L bên cạnh diod phóng điện D đảo lưu mềm diod phóng điện nối song song ngược trực tiếp với SCR Kết cách nối có dòng qua SCR giảm zero chuyển mạch, vAK áp âm Đây đặc trưng họ chuyển mạch mềm Nguyên lý hoạt động: Trong BBĐ hai phần tư, ngắt hình 5.3.6 điện bán dẫn cấu tạo từ hai SCR: S1 (S2) bao gồm SCR dẫn dòng điện tải T1 (T2) SCR phụ T11 (T22) Các linh kiện phụ LC sử dụng chung Trên sơ đồ có ghi dấu cực tính điện áp tụ C thời điểm tO, chuẩn bị tắt SCR T1 dẫn dòng tải IO Khi kích T11, dòng phóng điện C (mũi tên đôi) phần cung cấp cho tải IO, phần khép mạch qua D1, T11 để tạo thành dao động LC Ở cuối bán kỳ dao động LC, áp tụ đảo cực tính, chuẩn bị tắt T2 pha việc kích T22 Dạng dòng, áp qua phần tử vẽ ic hình 5.3.6, iC > Io dòng qua SCR T1 Vậy thời gian có Trang 18 / B bi n iC > Io i áp m t chi u D Io v T T C vc K L D f http://www.khvt.com Bài gi ng tóm t t mơn i n t cơng su t thời gian đảm bảo tắt tq cho T1 Khảo sát lý thuyết chuyển mạch mềm: Hình 5.3.7: Mạch điện tính toán đảo lưu mềm Khóa K đóng mạch với áp dòng qua phần tử mạch hình 5.3.7 Hình 5.3.8: dạng dòng qua tụ điện với tỉ số A khác tq Tại t = 0, dòng qua L không thay đổi tức thời nên dòng qua SCR IO, ta có pt: vC vL với vL vC diC vaø iC dt dv LC C ; dt L C dvC dt V ; điều kiện ñaàu vC (0) dvC (0) dt iL (0) V L sin t C có dạng hình sin giải iC với biên độ I max tần số góc V L C LC Như giới thiệu trên, thời gian đảm bảo tắt tq tương ứng với thời gian iC > Io, phụ thuộc hai thông số L, C (hay Hình 5.3.9: Khảo sát hàm h(A) vaø g(A) Imax vaø w) IO IMax cos w.tq tq I cos O w IMax Điều kiện tối ưu chọn tối thiểu lượng tích trử L (hay C) Trang 19 / B bi n i áp m t chi u © Hu nh V n Ki m H c kì n m h c 2004-2005 biến trung gian cho khảo sát A = Imax/Io: Ta có W L.IMax tq V Io A tỉ lệ với h( A) cos (1/ A) A 8cos (1/ A) h(A) > A = 1.55 Có thể suy ra: C Io tq I t A 1.786 o q vaø L V g ( A) V V tq Io A g ( A) Tần sốø dao động riêng mạch LC: fo 0.185 V tq Io g ( A) tq LC 0.277 tq Để ý bề rộng xung tối thiểu (đảm bảo điều kiện chuyển mạch) ½ chu kỳ dao động hay tần số cực đại BBĐ fO áp ban đầu tụ V/2 V.4 ỨNG DỤNG: Là thiết bị cung cấp nguồn chiều thay đổi được, tải BBĐ xung áp chiều tải sơ đồ chỉnh lưu BBĐ lại làm việc với nguồn chiều Vì vậy, phạm vi ứng dụng hai BBĐ thật không trùng Các ứng dụng BBĐ xung áp chiều chia làm hai nhóm: - Sử dụng nguồn chiều áp không đổi, lưới điện chiều hay accu Đây ứng dụng đặc trưng BBĐ xung áp chiều Ngày lưới chiều hệ thống giao thông công cộng điện xây dựng từ lâu, phổ biến ứng dụng nguồn accu hay pin - Sử dụng nguồn chiều chỉnh lưu diod từ lưới xoay chiều công nghiệp Nhóm khai thác ưu điểm BBĐ xung áp chiều mà chỉnh lưu điều khiển pha có mạch điều khiển động lực đơn giản, hệ thống tác động nhanh chất lượng điều khiển dễ dàng nâng cao 1.Nguyên lý điều khiển biến đổi: Có hai nguyên lý thường dùng: Điều rộng xung so sánh có trễ S Dao động tam giác u ĐB on Phản hồi off k SO SÁN H SMIT Nguyên lý điều rộng xung Đặt So sánh có trễ (Smit trigger) Hình 5.4.1 Trang 20 / B bi n i áp m t chi u http://www.khvt.com Bài gi ng tóm t t mơn i n t cơng su t Ở nguyên lý điều rộng xung (PWM), biến đổi xem mạch khuếch đại tín hiệu: K > Mạch Phát xung > BBĐ > áp VO Mạch phát xung so sánh tín hiệu điều khiển K sóng mang B , thường có dạng tam giác Từ suy quan hệ độ rộng xung tương đối K Khi thay đồi K áp VO thay đổi, việc giữ ngỏ đặc tính mong muốn phụ thuộc vào hệ thống điều khiển tự động Khi sử dụng so sánh có trễ (sosánh Smit), ta kết hợp mạch thay đổi độ rộng việc điều khiển hệ thống Bộ so sánh có nhiệm vụ so sánh đặc tính ngỏ (phản hồi) tín hiệu đặt để đóng ngắt ngắt điện: Khi Đặt > Phản hồi + Đặt < Phản hồi – : HT tác động ngắt điện để tăng ngỏ : HT tác động ngắt điện để giảm ngỏ vùng trễ thêm vào để giảm tần số đóng ngắt Hệ thống ĐK đơn giản, chất lượng ngỏ đảm bảo cao ngỏ sai số, tần số đóng ngắt thay đổi theo tải Nguyên lý có tên: rơ le có trể, điều khiển theo áp (dòng) ngỏ Sơ đồ điều khiển vòng kín BBĐ xung áp chiều hoàn toàn giống với chỉng lưu điều khiển pha, có vòng phản hồi dòng điện vòng phản hồi điện áp (hay tốc độ đối tượng điều khiển động cơ) Nhưng sử dụng sơ đồ hạn dòng cực đại, khóa tức thời ngắt điện dòng vượt giá trị giới hạn hình 4.18, bỏ qua vòng dòng điện công suất tải bé Điều khiển động chiều: Với khả thay đổi điện áp chiều ngỏ ra, biến đổi áp chiều sử dụng cho điều khiển động chiều sơ đồ chỉnh lưu Có hai nhóm ứng dụng lớn: * Sử dụng cho phương tiện vận tải sử dụng truyền động điện Nó thay hệ thống sử dụng điện trở ngắt điện khí cổ điển, có thêm khả thu hồi lại động chuyển động cho động làm việc chế độ hãm tái sinh (trở thành máy phát, đưa lượng trở lưới chiều) * Điều khiển động công suất nhỏ làm phận chấp hành hệ thống tự động (truyền động động chấp hành – servo motor) Các ưu điểm là: - Tác động nhanh nhờ làm việc tần số cao, sơ đồ đơn giản, kích thước bé - Dễ dàng thực sơ đồ làm việc bốn phần tư (đảo chiều động cơ) so với chỉnh lưu SCR Người ta dùng BBĐ áp chiều cho điều khiển dòng qua nam châm điện (solenoid) làm việc chế độ tuyến tính, nguyên lý tương tự Trang 21 / B bi n i áp m t chi u © Hu nh V n Ki m H c kì n m h c 2004-2005 điều khiển động Các nguồn chiều - cấp điện hay ổn áp xung: Bộ cấp điện gọi nguồn cho thiết bị điện hay điện tử dùng đo lường, điều khiển, thông tin hay dân dụng … , thường có yêu cầu cao xác, sóng hài hay độ nhấp nhô ngỏ Trước đây, cấp điện thường sử dụng mạch tuyến tính: Điện lưới giảm áp qua biến áp cách ly, chỉnh lưu diod, lọc phẳng mạch ổn áp tuyến tính để giữ ổn định áp ngỏ Sơ đồ khối đảm bảo chất lượng ngỏ cao có số nhược điểm: trọng lượng cao sử dụng biến áp giảm áp 50Hz, hiệu suất thấp tiêu tán công suất qua phần tử sụt áp Việc sử dụng biến đổi áp chiều khắc phục hai nhược điểm bù lại mạch điện phức tạp chất lượng ngỏ không tốt bằng: độ ổn áp áp không thật phẳng Có hai sơ đồ khối cho cấp điện xung: a Sử dụng biến đổi áp chiều thay cho mạch ổn áp tuyến tính: Tải Lưới Biến áp 50Hz Lọc 50 Hz BBĐXA 1C Điều khiển Lọc tần số cao Phản hồ i Hình 5.4.2 Hình 4.28 cho ta sơ đồ khối cấp điện chiều, biến đổi xung điện áp chiều sử dụng thay cho mạch ổn áp tuyến tính Hiệu suất mạch tăng phần tử công suất làm việc chế độ đóng ngắt thay cho khếch đại Hệ thống loại thường gặp thiết bị sản xuất cách lâu, bán dẫn đóng ngắt áp cao chưa phổ biến b Cấp điện chiều sử dụng biến áp tần số cao: Hình 5.4.3 Hiệu kinh tế cấp điện đóng ngắt thực rõ ràng sử dụng biến đổi xung phía áp lưới điện cao Biến áp cách ly lưới – tải làm việc tần số cao có kích thước, trọng lượng bé giá thành hạ làm thay đổi hẵn mặt thiết bị Bộ biến đổi xung áp chiều có hai dạng: (transistor hay MosFET) Lưới Tải BBĐXA 1C Lọc 50 Hz Điều khiển Trang 22 / B bi n i áp m t chi u Biến áp tần số cao Cá c h ly Lọc tần số cao Điều khiển Phản hồ i http://www.khvt.com Bài gi ng tóm t t mơn i n t cơng su t Hình 5.4.3 - Khi sử dụng điều rộng xung, phải sử dụng biến đổi làm việc bốn phần tư kết hợp nguyên lý đẩy kéo để biến áp xoay chiều – thực chất xây dựng nghịch lưu, nhờ ghép qua biến áp tần số cao Mạch điều khiển gồm có hai phận cách ly điện với nhau: lấy tín hiệu phản hồi từ tải lái mạch công suất có điện áp lưới Nghịch lưu: BBĐ áp chiều sở để xây dựng nghịch lưu: BBĐ DC å AC Ví dụ BBĐ làm việc phần tư mặt phẳng tải nghịch lưu pha trị trung bình ngỏ không thành phần hữu dụng sóng hài bậc V.5 TÓM TẮT CHƯƠNG: Chương khảo sát BBĐ điện áp chiều, gồm nhiều sơ đồ khác Bài giảng đặc trọng tâm vào BBĐ dạng FORWARD, dạng phổ biến công nghiệp BBĐ dạng FORWARD đóng ngắt nguồn cung cấp cho tải, áp ngỏ xung áp chữ nhật có trị trung bình thay đổi theo độ rộng xung tương đối Dòng qua tải có L xung tam giác ( liên tục hay gián đoạn ) tính toán gần đúng, nhấp nhô cực đại = ½ Các công thức quan trọng cần nhớ là: tính trị trung bình, nhấp nhô áp (hay dòng) ngỏ (hay ngắt điện) Việc khảo sát hệ thống BBĐ áp chiều – tải luôn dựa vào nguyên lý xếp chồng khảo sát chỉnh lưu Chế độ dòng gián đoạn luôn đặt BBĐ cho dòng chảy chiều, hậu áp cao giá trị tính toán Khi thiết kế sơ hay tính toán gần ta thường giả thiết dòng tải liên tục để toán đơn giản Mục V.3 giới thiệu mạch tắt SCR gồm hai nhóm cứng mềm Mục V.4 trình bày ứng dụng, cần đối chiếu với ứng dụng chỉnh lưu (chương 3) để thấy khác biệt đặc tính hai BBĐ có ngỏ điện chiều BÀI TẬP VÀ CÂU HỎI: Cho BBĐ áp chiều mạch điều khiển đơn giản hóa hình BT1.a , U1D mạch tạo xung tam giác tụ C ( hình BT1.b ), U1C mạch đảo, U1A U1B hai mạch so sánh dùng khuếch đại thuật toán Vẽ dạng áp vo , tìm quan hệ trị trung bình áp Vo/ V theo K / B (B biên độ xung tam giác) Nêu đặc điểm phương pháp điều khiển Để đơn giản, cho áp bảo hòa Khuếch đại thuật toán áp nguồn VCC sụt áp qua mối nối transistor Trang 23 / B bi n i áp m t chi u © Hu nh V n Ki m H c kì n m h c 2004-2005 +B R3 R2 R4 U1D 12 14 13 R4 VCC U1C U1B 10 vo VCC 11 R1 C UDK uÑB UÑK Q4 Q2 U1A u ĐB Q3 Q1 _VCC -B _VCC Hình BT1.a Hình BT1.b Cho mạch chopper (bộ biến đổi xung điện áp chiều) làm việc ¼ mặt phẳng tải (hình 4.3.a), có thông số: R = 0.5 ohm, L = 0.02 henry, áp nguồn V = 550 V, tần số làm việc kHz Tính độ rộng xung tương đối điện E 120 V để dòng qua tải 200 A sức phản Cũng với dòng trung bình qua tải IO 200 A, tìm L để nhấp nhô dòng điện bé 20% dòng trung bình IO qua tải với giá trị ( E phải thay đổi thay đổi để IO 200 A ) Hướng dẫn: câu 1: tính trung bình áp ra, suy câu 2: nhấp nhô dòng qua tải cực đại =½ Trang 24 / B bi n http://www.khvt.com i áp m t chi u ... V.2 BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LOẠI FLYBACK: Các biến đổi áp chiều làm nguồn cho thiết bị điện tử cần có thêm lọc LC (hay RC công suất bé) để áp phẳng Trong nguồn xung đại ta hay gặp biến đổi loại... dụng biến đổi áp chiều thay cho mạch ổn áp tuyến tính: Tải Lưới Biến áp 50Hz Lọc 50 Hz BBĐXA 1C Điều khiển Lọc tần số cao Phản hồ i Hình 5.4.2 Hình 4.28 cho ta sơ đồ khối cấp điện chiều, biến đổi. .. đóng ngắt áp cao chưa phổ biến b Cấp điện chiều sử dụng biến áp tần số cao: Hình 5.4.3 Hiệu kinh tế cấp điện đóng ngắt thực rõ ràng sử dụng biến đổi xung phía áp lưới điện cao Biến áp cách ly