Giáo trình Điện tử công suất 1 - Chương 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều (Phần 2)

Nội dung text: Giáo trình Điện tử công suất 1 - Chương 4: Bộ biến đổi điện áp một chiều (Phần 2)

1. 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 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 = γ U và Wng = Wt nên suy ra : I = γ . It (4.25) 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 T T 1 I I(T − T1) uc max − uc min = . ic.dt = dt = (4.26) C f ∫ C f ∫ C f T1 T1 Thay hệ thức tính I ta được : I t I t u c max − u c min = ∆U c = .γ.(T − T1 ) = (1 − γ).γ (4.27) C f C f .f Nếu điều khiển bộ biến đổi theo phương pháp tần số không đổi f=const và do γ .(1- γ )≤1/4 khi 0≤ γ ≤1, nên ta suy ra: 4-11
2. Điện tử công suất 1 It ∆U c (4.29) 4.f.∆Uc max Nếu ta điều khiển bộ biến đổi theo dòng điện yêu cầu, ta có thể dẫn giải gần đúng : I .L.∆i ∆U (4.31) U.∆U c max 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 . 4-12
3. Điện tử công suất 1 Trường hợp sử dụng cảm kháng phụ Lph 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 : T1 − T U 1 − e τ ⎛ − 2 ⎞ ∆i = i − i = . ⎜1 − e τ ⎟ (4.32) t max t min R T ⎜ ⎟ 1 − e τ ⎝ ⎠ 1 với T = f T1,T2 lần lượt là thời gian đóng và ngắt công tắt S. L τ = , L = Lph + Lt (4.33) R T L.f Khi nhỏ, tức đủ lớn, ta dùng phân tích chuỗi Mac Laurin. τ R Kết quả cho ta: U U ∆i ≈ γ()1 − γ (4.37) 4.f .∆imax 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: U σ()1 U σ I σ ≈ I σ()1 = ≈ (4.38) R 2 + ()2.π.f.L 2 R 2 + ()2.π.f.L 2 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: 4-13
4. Điện tử công suất 1 T ⎡T1 T ⎤ 1 1 U = ()u − U 2 .dt = ⎢ ()U − γ.U 2 dt + (− γ.U )2 dt ⎥ = γ(1 − γ).U σ T ∫ t t T ⎢∫ ∫ ⎥ 0 ⎣ 0 T1 ⎦ (4.39) 1 Giá trị cực đại của U xảy ra khi γ = . σ 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. 4-14
5. 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 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 : 4-15
6. Điện tử công suất 1 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: −U iC = .sin[]ωr .()t − t1 L1 C` 1 ωr = (4.40) L1.C uC = U.cos[]ωr .()t − t1 Thêm vào đó: uV2 = -uC iV1 = It- iC (4.41) 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 1> K1 = 0,7→0.9 (4.42) 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: t 1 u = u (t ) + I .dt C C 4 C ∫ t t4 Bởi vì uC(t4) = uC(t3), sau khi lấy tích phân, ta có: I u = t (t − t ) − K .U (4.43) C C 4 1 4-16
7. Điện tử công suất 1 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: ut = U - uC = -uV0 (4.44) 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: C t5 - t4 = t0(V1) = K1.U. (4.46) It t0(V1) đạt giá trị nhỏ nhất khi It lớn nhất tức bằng ItM. Từ đó: ItM .to(V ) C = 1 min (4.47) K1.U 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: Tr π t0 = = . L1.C (4.48) ()V2 MIN 4 2 Từ đó, ta có: 2 4.t0(V 2 )MIN L1 = (4.49) π2C Độ lớn của L1,C ảnh hưởng đến biên độ của dòng Icm của mạch dao động 4-17
8. Điện tử công suất 1 U Icm = (4.50) L1 C 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. 4-18