Giáo trình Điện tử công suất - Chương IV: Bộ biến đổi điện áp một chiều

Nội dung text: Giáo trình Điện tử công suất - Chương IV: Bộ biến đổi điện áp một chiều

1. CHƯƠNG IV BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU (BBĐAMC) I. Bộ giảm áp Hình 4.1 trình bày sơ đồ nguyên lý của bộ giảm áp. Hình 4.1(b) là dạng sóng ngõ ra của bộ BBĐAMC loại này. Khóa bán dẫn S có thể dùng các linh kiện điện tử công suất khác nhau như thyristor và mạch tắt, GTO, MOSFET, transistor công suất Hình 4.1: Bộ giảm áp Các phương pháp điều khiển khóa S có thể chia làm hai loại: - Điều khiển tỉ lệ thời gian (Time Ratio Control) - Điều khiển dòng (Current Limit Control) Phương pháp điều khiển tỉ lệ thời gian có thể chia làm hai cách: - Tần số cố định: chu kỳ đóng cắt T không đổi, thời gian dẫn ton thay đổi để thay đổi γ . - Tần số thay đổi: γ thay đổi bằng cách giữ ton cố định và thay đổi T hoặc bằng cách thay đổi cả ton và T. Với phương pháp thay đổi γ bằng cách giữ ton cố định, tần số đóng cắt sẽ rất thấp nếu cần đạt điện áp ra Vd nhỏ. Tần số đóng cắt thấp của bộ BBĐAMC sẽ ảnh hưởng không tốt đến đặc tính tải. Ngoài ra, việc thay đổi tần số hoạt động của bộ BBĐAMC sẽ gây khó khăn cho việc thiết kế mạch lọc ngõ vào của bộ BBĐAMC. Do đó, phương pháp thay đổi tần số ít khi được sử dụng. Với phương pháp điều khiển dòng , γ được điều khiển gián tiếp bằng cách điều khiển dòng tải biến thiên giữa hai giá trị giới hạn trên và dưới quanh giá trị dòng tải cần thiết. Thời gian ON và OFF của khoá S được thay đổi một cách tự động. Khi dòng tải giảm đến giá trị giới hạn dưới , khóa S được kích dẫn (ON), tải được nối với nguồn và dòng tăng lên. Khi dòng tải tăng đến giá trị max đặt trước, khóa S được kích tắt (OFF) và tải ngắt ra khỏi nguồn. Sai lệch giữa giới hạn trên và dưới của dòng chính là dợn sóng dòng. Dợn sóng dòng càng nhỏ, tần số đóng ngắt của S càng tăng cao. Lợi điểm của phương pháp này là điều khiển trực tiếp dòng tải, do đó có thể thiết kế để tránh được hiện tượng dòng gián đoạn. 73
2. Việc giải tích hoạt động của mạch hình 4.1 dựa trên các giả thiết sau: - Mạch lọc L-C dùng để giảm nhấp nhô của áp và dòng ngõ vào bộ BBĐAMC. Nếu giả thiết bỏ qua tổn hao trên mạch lọc và tụ C đủ lớn, điện áp ngõ vào bộ BBĐAMC có thể giả thiết không đổi và bằng V. - Tuỳ thuộc điện cảm mạch phần ứng và tần số hoạt động của bộ BBĐAMC, dòng qua tải có thể ở chế độ liên tục hoặc gián đoạn. Tuy nhiên, với các linh kiện bán dẫn hiện nay, bộ BBĐAMC có thể hoạt động ở tần số đủ cao để dòng tải luôn là liên tục ở chế độ hoạt động bình thường. Chế độ dòng gián đoạn lúc này chỉ có thể xảy ra ở giai đoạn quá độ. Do đó, nếu khảo sát ở chế độ xác lập như tiến hành ở dưới đây, có thể giả thiết là dòng tải luôn liên tục. V Iư2 Iư1 (c) Dòng iư liên tục V E (d) Dòng iư gián đoạn (b) : Sơ đồ tương đương Hình 4.2 Trong khoảng S dẫn (0≤ t ≤ γT), ta có phương trình biểu diễn mạch phần ứng: di ư Rưiư + Lư + E = V (4-2) dt Trong khoảng S tắt (γT ≤ t ≤ T), ta có phương trình biểu diễn mạch phần ứng: di ư Rưiư + Lư + E = 0 (4-3) dt' Trong đó: t’ = t - γT 74
3. Giải hệ phương trình vi phân trên với lưu ý rằng ở chế độ xác lập, giá trị của iư ở cuối quá trình khoá S dẫn sẽ bằng giá trị iư tại thời điểm bắt đầu quá trình S tắt, ta tính được biểu thức của iư(t). Từ đó , có thể suy ra dòng Iư1 và Iư2 trên hình 3.1 được tính theo biểu thức: V ⎛ e γT / τư − 1⎞ E Iư1 = ⎜ ⎟ − (4-4) ⎜ T / τư ⎟ R ư ⎝ e − 1 ⎠ R ư V ⎛1− e −γT / τ ư ⎞ E Iư2 = ⎜ ⎟ − (4-5) ⎜ −T / τ ư ⎟ Rư ⎝ 1− e ⎠ Rư Trong đó: L ư τư = R ư Dợn sóng dòng điện ∆iư được tính bởi công thức sau: ⎛ T / τư γT / τư (1−γ)T / τư ⎞ I ư 2 − I ư1 V 1 + e − e − e ∆iư = = ⎜ ⎟ (4-6) ⎜ T / τư ⎟ 2 2R ư ⎝ e − 1 ⎠ T L ư fsw Nếu tỉ số rất bé, nghĩa là T >1, trong đó f sw là tần số đóng ngắt của τ ư R ư khoá S, biểu thức (4-6) có thể tính gần đúng: I ư 2 − I ư1 V ∆iư = = γ (1-γ) (4-7) 2 2fsw L ư Độ dợn sóng dòng đạt cực đại khi γ = 0,5, khi đó: V ∆iưmax = (4-8) 8fsw L ư Điện áp trung bình ngõ ra của bộ giảm áp tính theo công thức: 1 T 1 γT V = v dt = v dt = γV (4-9) d ∫ d ∫ d T 0 T 0 Trong đó: t - γ = on : hệ số điều chỉnh (4-10) T - V: điện áp nguồn DC cung cấp cho bộ BBĐAMC Bằng cách điều khiển γ trong khoảng 0Ỉ1, điện áp tải có thể biến thiên trong khoảng 0ỈV. Dòng phần ứng trung bình: γV − E Iư = (4-11) R ư Từ dạng sóng dòng ở hình 4.2, những vấn đề quan trọng sau cần lưu ý khi thiết kế và sử dụng bộ BBĐAMC: 1. Dòng nguồn có dạng xung, và do đó, có thể gây ra dao động trên lưới điện cung cấp nếu biên độ xung dòng này lớn. 75
4. Dạng sóng ngõ vào bộ BBĐAMC có thể phân tích thành thành phần DC và các thành phần dòng hài. Hài cơ bản của sóng hài dòng có tần số bằng tần số đóng ngắt của bộ BBĐAMC. Sóng hài dòng có thể gây ra nhiễu trên các thiết bị sử dụng chung nguồn điện lưới với bộ BBĐAMC hoặc có thể sinh ra bức xạ nhiễu điện từ. Do đó, mạch lọc L-C thường được sử dụng ở ngõ vào bộ BBĐAMC để hạn chế sóng hài sinh ra trên lưới cung cấp cho bộ BBĐAMC. Tần số đóng ngắt của bộ BBĐAMC càng cao, mạch lọc cần thiết càng nhỏ. Do đó nên cho bộ BBĐAMC làm việc với tần số đóng ngắt cao nhất có thể được. 2. Điện áp cung cấp cho tải có dạng xung và do đó, bao gồm thành phần DC và các hài bậc cao có tần số là bội tần của tần số đóng ngắt của bộ BBĐAMC. II. Bộ tăng áp Bộ BBĐAMC kiểu tăng áp (BBĐAMC lớp B) được sử dụng để cung cấp cho tải DC ở chế độ hãm tái sinh. Sơ đồ tương đương của hệ thống này trình bày trên hình 4.3(a), dạng sóng điện áp và dòng tải trên hình 4.3(b). Mạch lọc L-C trên hình 4.3(a) có tác dụng lọc các nhấp nhô của điện áp và dòng nguồn. Tụ C, ngòai ra, còn có tác dụng tạo đường dẫn cho dòng phần ứng trong khoảng thời gian khóa S tắt, tránh các xung áp gây ra do sự thay đổi đột ngột dòng điện qua L. Do đó, tụ C làm tăng thêm năng lượng trả về lưới (regenerated power) và giảm các xung áp quá độ đặt lên S khi đóng ngắt. Chế độ dòng liên tục Chế độ dòng gián đoạn (a) Sơ đồ nguyên lý hệ thống (b) Dạng sóng dòng , áp ở ngõ ra bộ BBĐAMC Hình 4.3: Hệ thống Bộ tăng áp - Tải DC kích từ độc lập làm việc ở chế độ hãm tái sinh 76
5. Phương trình vi phân biểu diễn hoạt động của hệ: - Trong khoảng trữ năng lượng (0 ≤ t ≤ γT): Khóa S dẫn, dòng phần ứng chạy qua S: di ư Rư iư + Lư = E (4-12) dt iư (0) = Iư1 - Trong khoảng trả năng lượng về lưới (γT ≤ t ≤ T): Khóa S tắt, dòng phần ứng chạy về nguồn: di ư Rư iư + Lư + V = E (4-13) dt iư (γT) = Iư2 Vì tải lúc này hoạt động như máy phát: Vd = E - Rư Iư (4-14) Điện áp trung bình đặt lên tải - xem hình 4.3(b): Vd = (1- γ)V (4-15) Từ (4-14) và (4-15) suy ra: E − (1 − γ)V Iư = (4-16) R ư Lưu ý là dòng phần ứng lúc này có chiều ngược lại so với chiều dòng ở chế độ tải. Công suất trả về lưới: 1 T P = V.i dt h ∫ ư T γT 2 (1−γ)T / τư γT / τư T / τư V ⎡⎛ E ⎞ τ ư ⎛ e + e − e − 1⎞⎤ Ph = ⎢⎜ − 1⎟()1 − γ + ⎜ ⎟⎥ (4-17) ⎜ T / τư ⎟ R ư ⎣⎢⎝ V ⎠ T ⎝ 1 − e ⎠⎦⎥ III. HỆ THỐNG BỘ BIẾN ĐỔI ÁP MỘT CHIỀU LÀM VIỆC HOẠT ĐỘNG Ở NHIỀU GÓC PHẦN TƯ Trong mục này sẽ khảo sát hệ thống bộ BĐAMC hoạt động ở phần tư I và II, hệ thống hoạt động ở phần tư I và IV, và hệ thống hoạt động được ở cả 4 phần tư của mặt phẳng điện. 1. Bộ đảo dòng Bộ đảo dòng có sơ đồ nguyên lý như hình 4.4(a) được sử dụng. Khóa bán dẫn S1 và diode D1 tạo thành một mạch BBĐAMC, S2 và D2 tạo thành một mạch BBĐAMC khác. S1 và S2 được điều khiển đóng cắt ngược pha nhau, trong đó S1 được kích dẫn trong khoảng 0 ≤ t ≤ γT, còn S2 được kích dẫn trong khoảng γT ≤ t ≤ T. Dạng sóng của tính hiệu điều khiển và dòng áp ngõ ra được trình bày trên hình 4.4(b). Một số đặc điểm sau cần lưu ý để có thể hiểu được hoạt động của mạch: - Trong mạch này không xảy ra hiện tượng dòng gián đoạn , tại bất kỳ tần số hoạt động nào. - Dòng iư và is có thể dẫn theo cả hai chiều. Do đó, trong khoảng 0 ≤ t ≤ γT, tải được nối với nguồn qua S1 hoặc D2. Như vậy, trong khoảng thời gian này, điện áp đặt lên tải là V và 77
6. tốc độ biến thiên dòng iư sẽ là dương vì V>E. Tương tự, trong khoảng thời gian γT ≤ t ≤ T, tải được ngắn mạch qua D1 hoặc S2. Tương ứng, điện áp trên tải là 0 và tốc độ biến thiên dòng id là âm. Điều này giải thích dạng sóng được trình bày trên hình 4.4(b). Từ dạng sóng điện áp đặt lên tải trên hình 4.4(b), tính được điện áp trung bình trên tải: Vd = γV Từ đây, suy ra: γV − E Iư = (4-18) R ư Công thức (4-18) cho thấy tải làm việc ở chế độ tải (Iư > 0) khi γ > (E/V), và ở chế độ hãm tái sinh khi γ < (E/V). Điểm làm việc không tải xảy ra khi γ = (E/V). Với giá trị cho truớc của γ, độ dợn sóng dòng tính theo công thức (4-6) hoặc (4-7). Công thức này cho thấy rằng độ dợn sóng dòng không phụ thuộc vào giá trị của tốc độ tải. Với một giá trị γ cho trước, sự thay đổi điện áp tải dẫn đến sự thay đổi về dòng trung bình nhưng độ dợn sóng dòng giữ nguyên. (a) Sơ đồ nguyên lý 78
7. (b) Dạng sóng - Khoảng dẫn các linh kiện Hình 4.4: Bộ đảo dòng 3. Bộ đảo áp Bộ đảo áp có cấu hình như mạch hình 4.5 được dùng. Có nhiều cách điều khiển bộ BBĐAMC hình 4.5. Sau đây sẽ khảo sát phương pháp điều khiển thường sử dụng nhất. Quy luật điều khiển các khóa bán dẫn S1 và S2 theo phương pháp này như sau: - S1 và S2 được kích dẫn lệch pha một khoảng thời gian T. - Chu kỳ đóng tắt mỗi khoá bán dẫn là 2T. - Mỗi khóa bán dẫn , S1 và S2, được kích dẫn trong khoảng 2γT. Do đó, trên hình 4.6, S1 sẽ được kích dẫn tại t = 0 và kích tắt tại t = 2γT, S2 được kích dẫn tại t = T và kích tắt tại t = T + 2γT. Đồ thị điện áp và dòng điện ngõ ra bộ BBĐAMC trình bày trên hình 4.6, đồng thời khoảng dẫn điện cuả các linh kiện trong mạch cũng được trình bày tương ứng. Hình 4.5: Bộ đảo áp 79
8. (a) Chế độ 0,5<γ <1 (b) Chế độ đảo áp, 0<γ <0,5 Hình 4.6: Dạng sóng các linh kiện 80
9. Từ đồ thị trên , nhận thấy: - Với 0,5 0 . Hệ thống lúc này hoạt động ở góc phần tư I. - Với 0 < γ < 0,5, S1 và S2 không thể dẫn đồng thời . Do đó, điện áp ngõ ra bộ BBĐAMC là -V hoặc 0, và điện áp trung bình ngõ ra Vd < 0 . Hệ thống lúc này hoạt động ở góc phần tư IV. Điện áp trung bình ngõ ra của bộ BBĐAMC (điện áp đặt lên tải): Với 0,5 < γ < 1: 1 2γT Vd = ∫ Vdt = 2V(γ-0,5) (4-19) T T Với 0 < γ < 0,5: 1 T Vd = ∫(−V)dt = 2V(γ-0,5) T 2γT Như vậy, biểu thức (4-19) có thể dùng để tính điện áp trung bình ngõ ra của bộ BBĐAMC lớp D trong dải biến thiên của γ từ 0Ỉ1. Dòng phần ứng trung bình : Vd − E 2V(γ − 0,5) − E Iư = = (4-20) R ư R ư 4. Bộ biến đổi áp một chiều tổng quát Hệ thống sử dụng bộ BBĐAMC tổng quát như trình bày ở hình 4.7. Hình 4.7: Bộ BBĐAMC tổng quát Bộ BBĐAMC này có thể được điều khiển theo các cách sau. Cách 1: - Hoạt động ở phần tư I và II: S2 được kích dẫn liên tục, S1 và S4 được điều khiển đóng tắt ngược pha nhau. Khi đó, ta được bộ BBĐAMC kiểu đảo dòng như hình 4.4(a). - Hoạt động ở phần tư III và IV: S3 được kích dẫn liên tục, S1 và S4 được điều khiển đóng tắt ngược pha nhau. Khi đó, ta được bộ BBĐAMC kiểu đảo dòng nhưng cực tính điện áp ra ngược lại. 81
10. Cách 2: Khóa bán dẫn S1 , S2 cùng diod D1 , D2 hợp thành mạch BBĐAMC kiểu đảo áp như hình 4.5. Mạch BBĐAMC này hoạt động ở góc phần tư I và IV. Việc kích các khóa S1, S2 thực hiện như trình bày trong III.2 Tương tự, S3, S4 và diod D3, D4 tạo thành mạch BBĐAMC hoạt động ở góc phần tư II và III. Các mạch BBĐAMC trên không hoạt động đồng thời, nghĩa là nếu bộ BBĐAMC gồm S1, S2 đang hoạt động thì bộ BBĐAMC gồm S3, S4 sẽ tắt và ngược lại. Cách 3: Sơ đồ kích các khóa bán dẫn trình bày trên hình 4.8(a) và (b). Việc kích các khóa bán dẫn dựa trên nguyên tắc kích giống như phần trình bày trong cách 2 với một số thay đổi như sau: - Các mạch BBĐAMC hợp thành bởi (S1, S2) và (S3, S4 ) sẽ được điều khiển đồng thời (thay vì điều khiển riêng rẽ như ở cách 2). - Khóa (S1 và S4 ) , (S2 và S3 ) hợp thành các cặp bổ phụ (complementary pair) , nghĩa là các khoá trong từng cặp này sẽ được kích dẫn ngược pha nhau. Chu kỳ đóng ngắt của mỗi khóa là 2T. Trong khoảng thỡi gian đó, hoạt động của bộ BBĐAMC có thể chia thành 4 khoảng , ký hiệu I, II, III và IV như trình bày trên hình 4.9 . Giả thiết tải hoạt động ở phần tư I, dạng sóng dòng và áp trên tải như hình 4.9(a). Dạng sóng này có thể giải thích như sau: - Trong khoảng I, S1 và S2 dẫn. Điện áp cung cấp cho tải, do đó, sẽ là dương và dòng tải tăng. - Trong khoảng II, S2 tắt, S1 và S3 được kích dẫn. Vì dòng qua tải đang chảy theo chiều dương nên sẽ khép mạch qua D1 và S1. Lúc này áp trên tải bằng 0 và dòng tải giảm. Khóa S3 ở trạng thái tắt do bị phân cực ngược bởi điện áp sụt qua D1 (đang dẫn). - Trong khoảng III, S2 được kích dẫn trở lại. Do đó, điện áp trên tải sẽ là V và iư tăng. - Trong khoảng IV, S1 tắt, S2 và S4 nhận tín hiệu kích. Dòng tải lúc này , vẫn duy trì chiều dương , sẽ chảy qua S2 và D2. Khóa S4 ở trạng thái tắt do bị phân cực ngược bởi điện áp rơi trên D2 (đang dẫn). Lưu ý là điện áp ra của bộ BBĐAMC giống như trình bày trên hình 4.6, do đó , các công thức (4-19) và (4-20) được áp dụng cho mạch này. 82
11. (a) Phần tư I 0,5 ≤ γ ≤ 1 và Vd>E 83
12. (b) Phần tư II 0,5 ≤ γ ≤ 1 và Vd 0. Chế độ làm việc có thể chuyển sang phần tư II bằng cách giảm γ hoặc tăng E sao cho Vd |E| . Tương tự, chế độ ở phần tư IV lúc này nhận được khi điều chỉnh γ sao cho |E| > |V|. Phương pháp điều khiển này có mạch điều khiển đơn giản hơn cách 1 và 2 đã trình bày ở trên. 84