ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐỐI VỚI BỘ BIẾN ĐỔI DCDC THEO KIỂU CÚK

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 1 -

MỞ ĐẦU

Trong lĩnh vực kỹ thuật điện ngày nay, điện tử công suất là lĩnh vực kỹ
thuật hiện đại. Với những bước tiến nhảy vọt trong kỹ thuật chế tạo linh kiện
bán dẫn, các linh kiện điện tử công suất: điôt công suất, Tiristor, GTO, Triac,
IGBT, SID, MCT . . . ra đời và hoàn thiện có tính năng dòng điện, điện áp, tốc
độ chuyển mạch ngày càng được nâng cao làm cho kỹ thuật điện truyền thống
thay đổi một cách sâu sắc. Song song với những tiến bộ đó các chiến lược
điều khiển khác nhau cũng được áp dụng để điều khiển các bộ biến đổi theo
các cấu trúc khác nhau nhằm tạo ra bộ biến đổi thông minh, linh hoạt và có
các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, năng lượng tối ưu. Quá trình xử lý biến đổi điện
áp một chiều thành điện áp một chiều khác gọi là quá trình biến đổi DC-DC.
Cấu trúc mạch của bộ biến đổi vốn không phức tạp nhưng vấn đề điều khiển
nhằm đạt được hiệu suất biến đổi cao và đảm bảo tính ổn định luôn là mục
tiêu của các công trình nghiên cứu. Thêm vào đó, bộ biến đổi là đối tượng
điều khiển tương đối phức tạp do mô hình có tính phi tuyến.
Để nâng cao chất lượng điều khiển cho bộ biến đổi, với đề tài “Điều
khiển trượt bộ biến đổi DC-DC kiểu Cúk” đã ứng dụng lý thuyết điều khiển
hiện đại tạo ra bộ điều khiển để điều khiển cho bộ biến đổi Cúk, đảm bảo hiệu
suất biến đổi cao và ổn định. Đồ án bao gồm các chương, nội dung cơ bản
như sau:
Chƣơng 1: Giới thiệu chung về bộ biến đổi DC-DC
Chƣơng 2: Nguyên lý điều khiển trượt
Chƣơng 3: Ứng dụng điều khiển trượt đối với bộ biến đổi DC-DC
theo kiểu Cúk
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 2 -

Chƣơng 4: Mô phỏng kiểm chứng trên nền Matlap& Simulink
Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy giáo ThS. Nguyễn Đức Dƣơng giảng
viên Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời
gian qua và xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo trong khoa Điện-Điện
Tử Trường ĐH Kinh Tế Kỹ Thuật Công Nghiệp cũng như gia đình, bạn bè đã
tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp này. Do hạn chế
về trình độ ngoại ngữ và tài liệu tham khảo… và với thời gian chưa nhiều nên
đồ án còn có nhiều khiếm khuyết, sai sót. Tôi mong nhận được nhiều ý kiến
đóng góp cũng như những lời khuyên hữu ích từ các thầy cô cùng các bạn để
có thể thấy rõ những điều cần sửa và phải bổ xung, giúp cho việc xây dựng đề
tài đạt kết quả tốt hơn.


Ngày 17 tháng 06 năm 2011
Sinh viên


Bùi Bá Quý






ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 3 -

CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC
1.1. KHÁI QUÁT VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC

Bộ biến đổi DC-DC được định nghĩa là bộ điều khiển dòng điện và
điện áp một chiều khi nguồn cấp là điện một chiều.
Khi làm việc ở chế độ điều áp một chiều, một linh kiện điện tử công
suất đang ở trạng thái dẫn sẽ tiếp tục dẫn vì điện áp nguồn không qua vị trí
điểm không. Để khóa linh kiện ta phải “cưỡng bức” chuyển mạch bằng cách
đặt lên linh kiện một điện áp ngược. Đặc tính chuyển mạch có thể phân làm
hai loại: nguồn áp hoặc nguồn dòng.
1. 1.1. Các phƣơng pháp điều áp một chiều.
Có một số cách điều khiển như sau:
 Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở
 Điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải một tranzitor
 Điều khiển bằng băm áp(xung áp)
1.1. 2. Điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở
Sơ đồ:

Hình 1.1. Sơ đồ điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện trở.
Trong đó: U
1
điện áp nguồn; R
d
điện trở tải; U
d
điện áp tải; I
d
dòng điện qua
tải
U
1
I
d

R
d


U
d


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 4 -

Dòng điện và điện áp điều chỉnh được tính như sau:
I
d
=
df
RR
U

1
U
d
=
d
df
R
RR
U
.

1

;
Nhược điểm của phương pháp là :
+Hiệu suất thấp
TCf
UIP  .

+Điều chỉnh không liên tục khi dòng tải lớn.
1.1.3. Điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp với tải một tranzitor
Sơ đồ và nguyên lí điều khiển:

Hình 1.2a

Hình 1.2b

Hình 1.2
Hình 1.2a,b,c lần lượt là sơ đồ điều khiển liên tục bằng cách mắc nối tiếp
với tải một transistor
Z
t


T
MDK
Z
t


MDK

MDK
I
C
=I
d

T
U

R
d


U
1
U
d



I
B


I
d


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 5 -

•
I
C
= . I
B
•
U
T
= U
1
- I
C
. R
d
Nhược điểm của phương pháp: tổn hao trên transistor lớn, phát nhịêt nhiều
transistor, dễ hỏng.
1.1.4. Điều khiển bằng băm áp (băm xung)
Băm áp một chiều là bộ biến đổi điện áp một chiều thành xung điện áp.
Điều chỉnh độ rộng xung điện áp, điều chỉnh được trị số trung bình điện áp
tải.
Các bộ băm áp một chiều có thể thực hiện theo sơ đồ mạch nối tiếp
(phần tử đóng cắt mắc nối tiếp với tải) hoặc theo sơ đồ mạch song song (phần
tử đóng cắt được mắc song song với tải).
a. Nguồn cấp trong băm áp một chiều.
1. Định nghĩa về nguồn dòng và nguồn áp:
• Nguồn áp: là nguồn mà dạng sóng và giá trị điện áp của nó không phụ
thuộc dòng điện (kể cả giá trị cũng như tốc độ biến thiên)
• Đặc trưng cơ bản của nguồn áp là điện áp không đổi và điện trở trong nhỏ
để sụt áp bên trong nguồn nhỏ

• Nguồn dòng: là nguồn mà dạng sóng và giá trị dòng điện của nó không phụ
thuộc điện áp áp của nó (kể cả giá trị cũng như tốc độ biến thiên)
• Đặc trưng cơ bản của nguồn dòng là dòng điện không đổi và điện trở lớn để
sụt dòng bên trong nguồn nhỏ
b. Tính thuận nghịch của nguồn.
• Nguồn có tính thuận nghịch:
• Điện áp có thể không đảo chiều (acquy), hay đảo chiều (máy phát một
chiều)
• Dòng điện thường có thể đổi chiều
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 6 -

• Công suất p = u. i có thể đổi chiều khi một trong hai đại lượng u, i đảo
chiều.
c. Cải thiện đặc tính cuả nguồn.
• Nguồn áp thường có R
0
, L
0
, khi có dòng điện có R
0
i, L(di/dt) làm cho điện
áp trên cực nguồn thay đổi. Để cải thiện đặc tính của nguồn áp người ta
mắc song song với nguồn một tụ
• Tương tự, nguồn dòng có Z
0
= . Khi có biến thiên du/dt làm cho dòng
điện thay đổi. Để cải thiện đặc tính nguồn dòng người ta mắc nối tiếp với
nguồn một điện cảm.
• Chuyển đổi nguồn áp thành nguồn dòng và ngược lại:

Hình 1.3. Sơ đồ chuyển đổi nguồn áp thành nguồn dòng và ngược lại:
d. Quy tắc nối các nguồn.
Đối với nguồn áp:
 Không nối song song các nguồn có điện áp khác nhau
 Không ngắn mạch nguồn áp
 Cho phép hở mạch nguồn áp
Đối với nguồn dòng:
 Không mắc nối tiếp các nguồn dòng có dòng điện khác nhau
 Không hở mạch nguồn dòng
 Cho phép ngắn mạch nguồn dòng
1.2. MẠCH BĂM XUNG
1.2.1. Khái quát về mạch băm xung
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 7 -

a) Khái niệm: Mạch băm xung dùng để biến đổi điện áp một chiều không đổi
U thành các xung một chiều có trị số trung bình biến đổi U
tb
. U
tb
có thể điều
chỉnh được từ bằng 0 đến điện áp nguồn cung cấp cho mạch băm. Mạch băm
xung còn được gọi là mạch Chopper.
b) Ưu điểm của phương pháp dùng mạch băm xung:
So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc
độ động cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy
phát một chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh
lưu có điều khiển . thì phương pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm
đáng kể: điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế

và hiệu quả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm tái sinh của động cơ.
Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán dẫn
công suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ
nhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ. Mạch băm
xung đặc biệt thích hợp với các động cơ một chiều công suất nhỏ.
c) Phân loại:
Có 3 dạng mạch băm xung:
- Mạch băm xung nối tiếp (Chopper lớp A)
- Mạch băm xung song song (Chopper lớp B)
- Mạch băm xung có đảo chiều (Chopper lớp C, D, E)
+ Mạch băm xung đảo dòng (Chopper lớp C)
+ Mạch băm xung đảo áp (Chopper lớp D)
+ Mạch băm xung hỗn hợp (Chopper lớp E)
d) Nguyên tắc hoạt động chung của mạch băm xung
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 8 -

(Sơ đồ nguyên lý)



Hình 1.4. Sơ đồ khối của bộ băm xung

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lí của bộ băm xung áp một chiều
Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc như một công tắc tơ tĩnh (K)
đóng mở liên tục cách 1 chu kì. Nhờ vậy mà biến đổi được điện áp một chiều
không đổi E sau bộ chỉnh lưu không điều khiển thành các xung điện áp một
chiều U
tb
có trị số có thể điều chỉnh được thông qua điều chỉnh tần số đóng

cắt khoá K. Điện áp U
tb
này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ
động cơ.
Do bộ nguồn có dạng xung nên có thể gây ra dao động điện trên lưới
điện nều dòng cấp lớn. Hơn nữa, điện áp cấp cho động cơ một chiều có dạng
xung nên sẽ gây ra biến thiên dòng điện cấp cho động cơ, ảnh hưởng xấu đến
chất lượng đáp ứng của động cơ. Vì vậy trong sơ đồ có mạch LC là bộ phận
lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải thực tế là không đổi, mục đích là giảm
hệ số đập mạch nâng cao chất lượng điều chỉnh.



Chỉnh lưu
không
điều khiển

C
C
Tải
L
K
D
Tải
U
d

U
1

Bộ Băm

C
L
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 9 -

Tần số đóng cắt khoá K càng nhanh thì càng giảm được các gợn dòng,
do đó sẽ giảm kích thước của bộ lọc, nhưng nếu lớn quá sẽ gây ra bức xạ
nhiễu điện từ, và do các hạn chế của quá trình điều khiển các linh kiện bán
dẫn công suất nên tần số băm không thể quá lớn. Thực tế thường dùng tần số
băm khoảng 400Hz  600Hz.
Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý có thể dùng các linh kiện bán dẫn
khác nhau như Tiristor, Transistor, GTO, MOSFET. Dùng Tiristor có ưu điểm
là trị số giới hạn cao, làm việc chắc chắn rẻ tiền, tổn hao khi dẫn nhỏ nhưng
có nhược điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần số đóng mở thấp
(dưới 500Hz). Transistor MOSFET thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao
hơn 100KHz. Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 20 đến 100Khz, có
giá thành rẻ hơn, tổn hao ít hơn MOSFET. Với hệ thống dùng Transistor thì
yêu cầu làm mát không cao bằng Tiristor, nhưng Tiristor lại cho phép dễ bảo
vệ chống lại các sự cố hơn Transistor. Vì vậy ở những môi trường làm việc
nặng nề Transistor ít được sử dụng.
e) Các phương pháp điều chỉnh điện áp ra
- Thay đổi độ rộng xung (thay đổi t
1
).
- Thay đổi tần số xung (thay đổi T hoặc f)
(dạng điện áp trên tải).

U

ra
t

t
1
t
2
T

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 10 -

Hình 1.6. Sơ đồ phương pháp điều chỉnh điện áp ra
1.Phương pháp thay đổi độ rộng xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi t
1
, giữ nguyên T. Giá trị
trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:


Trong đó đặt:

: là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ.
Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của U
ra
là rộng (0 <   1).
2.Phương pháp thay đổi tần số xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t
1
= const. Khi đó:

Vậy U
ra
= U
s
khi
1
1
t
f 
và U
ra
= 0 khi f = 0.
Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên. Thực tế phương
pháp biến đổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không
cần thiết bị biến tần đi kèm.
1.2.2. Các mạch băm xung.
a) Mạch băm xung nối tiếp (Chopper lớp A)
Sơ đồ nguyên lý như hình vẽ
(Mạch băm xung nối tiếp – Chopper lớp A)
S
S
ra
U
T
Ut
U .
.
1



SSra
UftU
T
t
U
1
1

T
t
1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 11 -


Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý mạch Chopper lớp A
Trong sơ đồ trên, phần tử điều chỉnh là khoá K, thực tế là Tranzitor
hoặc Tiristor. Khoá K, cuộn cảm L và tải mắc nối tiếp. Bộ lọc LC và điot D
mắc ngược để thoát dòng tải khi khoá K ngắt.
Hoạt động của sơ đồ:
+ K đóng, U
S
được đặt vào đầu của bộ lọc. Nếu bỏ qua sụt áp trên các
van trong bộ biến đổi thì U
ra
= U
S

+ K mở, hở mạch giữa nguồn và tải, nhưng vẫn có dòng I
tải
do năng
lượng tích luỹ trong cuộn L của động cơ và L
tải
, dòng
Itải
chạy qua D, do đó
U
ra
= U
tải
= 0.
Như vậy, U
ra
< U
S
. Vì thế sơ đồ trên còn gọi là sơ đồ biến đổi hạ áp.
Thay đổi tỉ số thời gian đóng và thời gian ngắt của K sẽ điều chỉnh
được giá trị trung bình của điện áp ra trên tải U
ra

Gọi T là chu kì của bộ băm, t
1
là thời gian K đóng, t
1
= αT, ỏ là tỉ số
đóng của chu kì, t
2
là thời gian K ngắt, T = t

1
+ t
2
. Ta có:
Giá trị điện áp trung bình trên tải:

UU
T
T
Udt
T
U
dg
T
tb



0
1
L1

U
s
U
r
a
C
lọc
Tải

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 12 -

Khi ta thay đổi tỉ số đóng α thì có thể điều chỉnh được U
tb
. Có hai cách
để thay đổi α:
- Giữ cố định chu kì xung T (tần số băm cố định), thay đổi thời gian
đóng mạch t
1
của bộ băm. Phương pháp này gọi là phương pháp điều khiển độ
rộng xung.
- Giữ cố định thời gian đóng mạch t
1
, thay đổi chu kì T của bộ băm (tần
số băm biến thiên). Phương pháp này gọi là phương pháp điều tần.
Trong hệ thống, thời gian đóng mạch t
1
có thể điều chỉnh tuỳ ý, nhưng
không thể nhỏ hơn một nửa chu kì của mạch dao động LC, tức là phải bảo
đảm:

Ta có sơ đồ biểu điễn điện áp ra trên tải U
ra
như sau:


Hình 1.8. sơ đồ biểu điễn điện áp ra trên tải U
ra

Xét quá trình dao động của dòng tải:
- Trong khoảng thời gian từ 0 đến t
1
, khoá K đóng. Điện áp ra trên tải
U
ra
= U
S
, dòng điện tải I
tải
tăng từ giá trị nhỏ nhất I
min
đến giá trị lớn nhất I
max
.
Biểu thức I được xác định từ phương trình mạch:
C
L
t


1
t
1
t
2
T

U

tb
U
d
U

t

0

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 13 -

(1.1)
Biểu thức tổng quát của dòng điện sẽ là:
(1.2)
Tại thời điểm t = 0 thì:

Thay giá trị C
1
vào ta được:

Tính giá trị dòng cực đại:

Tại thời điểm t
1
ta có dòng cực đại :

Ta thấy trong giai đoạn K đóng thì dòng điện tải I tăng từ trị số I
min
đến

I
max
theo quy luật hàm mũ.
Lý luận tương tự, xét trong khoảng thời gian từ t
1
đến T, K mở, điện áp
ra trên tải U
ra
= 0, dòng trên tải giảm theo hàm mũ và khi t = T thì đạt giá trị
I
min


L
EU
i
L
R
dt
di 

R
EU
eCi
S
t
L
R



 )(
1
R
EU
IC
R
EU
CIi
SS




min11min
R
EU
e
R
EU
Ii
S
t
L
R
S






)(
min
R
EU
e
R
EU
II
S
t
L
R
S





1
)(
minmax
11
minmax
)1(
t
L
R
t
L
R

S
eIe
R
EU
I




S
T
tT
U
E
e
R
E
II
LC



)(
maxmin
1
)(
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 14 -

(1.3)

(1.4)
Trong đó T
LC
= L/R là hằng số thời gian của mạch lọc
Ta có đồ thị điện áp, dòng điện ở chế độ liên tục và gián đoạn của bộ
băm lớp A như sau:

Hình 1.9. Đồ thị dòng áp của chopper lớp A
b) Mạch băm xung song song (Chopper lớp B)
LCLC
T
tT
T
tT
eIe
U
E
I
)(
max
)(
min
11
)1(





R

E
e
e
R
U
I
LC
LC
T
t
T
t
S



)(
1
1
max
1
1
I
max
I
max
I
max
I
min

I
min
I
min
I

t

0

U

U
d
t

0

t
1

T

I
S
t

0

I

D0
t

0

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 15 -

Sơ đồ nguyên lý như sau: (Mạch Chopper lớp B)

Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý mạch Chopper lớp B
Trong đó, khoá K và tụ C mắc song song với tải, cuộn cảm L mắc nối
tiếp với tải. Cuộn cảm L không tham gia vào quá trình lọc dòng tải, mà chỉ có
tụ C tham gia vai trò này. Ngoài ra, tụ C còn tạo đường dẫn cho dòng phần
ứng trong khoảng thời gian khoá K mở, tránh các xung áp gây ra do sự thay
đổi đột ngột dòng điện qua L, do đó là tăng thêm năng lưọng trả về lưới.
Hoạt động của sơ đồ:
- Khi K đóng, dòng điện từ U
S
(+) qua L, qua K về U
S
(-) và tích trữ
năng lượng cho cuộn cảm L
- Khi K mở, (Trên sơ đồ trên D đấu ngược), dòng từ U
S
(+) qua L, qua
D và tải. Vì từ thông trong cuộn cảm L không thể giảm tức thời về 0, trong
cuộn cảm L xuất hiện suất điện động tự cảm e
L
có cùng cực tính với U

S
. Do
đó tổng điện áp đặt trên tải là U = U
S
+ e
L
,
Giá trị trung bình của điện áp một chiều:

Giá trị trung bình của dòng điện trả về nguồn:

Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua khoá K:
UUdt
T
U
T
T
tb
)1(
1




d
T
T
de
IdtI
T

I )1(
1




L1
D1
U
s

U
ra
C
lọc
Tải

K

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 16 -


Phương trình mạch tải khi động cơ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh:

Ta có dạng sóng của điện áp ngõ ra U
ra
và của dòng I
tải
, I

K
như sau:

Hình 1.11. Đồ thị dòng áp của Chopper lớp B
c) Mạch băm xung đảo chiều
Mạch băm xung có đảo chiều có nhiều ưu điểm so với các mạch trên, vì
cho phép động cơ làm việc ở nhiều góc phần tư, cho phép hãm tái sinh và đảo
chiều quay động cơ. Sau đây sẽ khảo sát 3 dạng mạch băm xung có đảo chiều:
- Mạch băm xung đảo dòng (Chopper lớp C)
- Mạch băm xung đảo áp (Chopper lớp D)
- Mạch băm xung hỗn hợp (Chopper lớp E)
c1) Mạch băm xung đảo dòng (Chopper lớp C)
d
T
dtb
IdtI
T
I




0
1
R
UE
IU
dt
dI
LRIE

d
dd
d
d


U
T

T

U
d
t

0

I
e
t

0

I
T
t

0

I

d
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 17 -

Trong một số ứng dụng, như điều khiển động cơ servo, máy công cụ,
đòi hỏi sự chuyển mạch êm và nhanh từ chế độ động cơ sang chế độ hãm và
ngược lại. Khi đó bộ chopper lớp C được sử dụng. Sơ đồ nguyên lý như hình
vẽ: (Sơ đồ chopper lớp C)

Hình 1.12. Sơ đồ nguyên lý chopper lớp C
Khoá K
1
và D
2
tạo thành một mạch chopper, K
2
và D
1
tạo thành một
mạch chopper khác. K
1
và K
2
được kích dẫn ngược pha nhau, trong đó K
1

được kích dẫn trong khoảng từ 0 đến αT, còn K
2
được kích dẫn trong khoảng
từ αT đến T.

Trong mạch này không xảy ra hiện tượng dòng gián đoạn tại bất cứ tần
số hoạt động nào.
Hoạt động của sơ đồ: Trong khoảng thời gian từ 0 đến αT, K
1
và D
2

hoạt động. Dòng điện từ nguồn U
S
(+) qua K
1
, qua tải trở về U
S
(-). Khi K
1

khoá, dòng tải khép mạch qua D
2
, do đó dòng tải là liên tục ngay cả khi K
1
khoá. Trong khoảng thời gian này điện áp đặt trên động cơ là U
s
và tốc độ
biến thiên dòng I
tải
là dương vì U
S
> E
- Trong khoảng thời gian từ αT đến T, K
2

và D
1
tham gia vận hành còn
K
1
ngắt. Khi đó, do quán tính động cơ vẫn quay theo chiều cũ mặc dù bị ngắt
ra khỏi nguồn, nên E > 0. Lúc này mạch tải chỉ có nguồn duy nhất E khép
mạch qua K
2
, xuất hiện dòng điện chạy ngược lại chiều ban đầu. Khi K
2
ngắt,
trên điện cảm L sinh ra sức điện động tự cảm (U
L
) cùng chiều với E. Tổng
L
1







R
E
D
2
D
1

S
1
S
2
i
d
u
d

U
S
C



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 18 -

hai sức điện động này lớn hơn điện áp nguồn U
S
làm D
1
dẫn ngược dòng về
nguồn và trả lại phần năng lượng đã tích luỹ trong cuộn cảm L.
Công suất điện từ tích luỹ trong cuộn cảm L của động cơ là:P
đt
= I
d
.E >
0 là công suất trả về lưới trong giai đoạn này.

Để đảm bảo K
2
dẫn dòng điện ngược ngay khi dòng thuận qua D
2
tắt ta
phát xung vào mở K
2
đồng thời với việc phát xung khoá K
1
.
Các công thức tính toán quá trình dao động của dòng tải giống như của
sơ đồ chopper lớp A.
Sau đây là biểu đồ dạng sóng mô tả hoạt động của sơ đồ:

i
đk
1
i
đk
2
u
d
i
d
U
S
i
D1
i
D2

i
S
U
d
I
d

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 19 -

Hình 1.13. Đồ thị dòng áp của Chopper lớp C
Từ dạng sóng điện áp đặt trên động cơ trên hình trên ta tính được điện áp
trung bình trên động cơ là :
U
ra
= α.U
S

Mà U
ra
= E + I
tải
.R
ư

Suy ra: I
tải
= (αU
s
– E)/R

ư

Tức là dòng làm việc của động cơ có thể lớn hơn 0 (chế độ động cơ) khi α >
(E/U
s
), và nhỏ hơn 0 (chế độ hãm tái sinh) khi α < (E/U
S
)
c2) Mạch băm xung đảo áp (Chopper lớp D)
Mạch chopper lớp D có cấu trúc như hình vẽ

Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lí chopper lớp D
Quy luật điều khiển các khoá K
1
và K
2
như sau:
- K
1
và K
2
được kích dẫn lệch pha nhau một khoảng thời gian T
- Chu kì đóng tắt mỗi khoá là 2T.
- Mỗi khoá được kích dẫn trong khoảng thời gian 2αT.
Từ đồ thị dòng điện và điện áp ta thấy:
- Với 0.5 < α < 1 K
1
và K
2
không thể tắt đồng thời. Do đó, điện áp ngõ

ra bộ chopper là U
S
hoặc 0, và điện áp trung bình ngõ ra là U
ra
> 0. Hệ thống
hoạt động trong góc phần tư thứ I.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 20 -

- Với 0 < α < 0.5, K
1
và K
2
không thể dẫn đồng thời. Do đó, điện áp
ngõ ra bộ chopper là - U
S
hoặc 0, và điện áp trung bình ngõ ra là U
ra
< 0. Hệ
thống hoạt động ở góc phần tư thứ IV.
Điện áp trung bình ngõ ra bộ chopper là:
- Với 0.5 < α < 1:
- Với 0 < α < 0.5:
Như vậy biểu thức tính điện áp trung bình lối ra là:
(1.5)
Dòng điện phần ứng trung bình:
(1.6)
c3) Mạch băm xung hỗn hợp (Chopper lớp E)
Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.15. sơ đồ nguyên lí Chopper lớp E
Trong sơ đồ đó ta có:
S1, S2, S3, S4:Là các van điều khiển hoàn toàn


T
T
SSra
UdtU
T
U


2
)5.0(2
1


T
T
SSra
UdtU
T
U


2
)5.0(2)(
1



T
T
SSra
UdtU
T
U


2
)5.0(2
1
u
S
u
ra
u
R
EU
R
EU
I




)5.0(2






L
1

R
E
i
d




D
1
D
4
S
1
S
4
u
d

U
S

C





D
2
D
3
S
2
S
3

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 21 -

RLE là phần tử thay thế tương đương của động cơ.
Sơ đồ trên cho phép điều chỉnh tốc độ quay và đảo chiều quay một cách linh
hoạt, đặc tính làm việc của động cơ có thể ở cả 4 góc phần tư.
Phân tích các chế độ làm việc của sơ đồ.
Sơ đồ trên có thể được điều khiển theo các cách:
Cách 1
- Hoạt động ở góc phần tư thứ I và II : K
2
được kích dẫn liên tục, K
1
và
K
4
được điều khiển đóng tăt ngược pha nhau. Khi đó ta được bộ chopper diẻu
đảo dòng (Chopper lớp C)
- Hoạt động ở góc phần tư thứ III và IV : K

3
được kích dẫn liên tục, K
1

và K
4
được điều khiển đóng tắt ngược pha nhau. Khi đó ta được bộ chopper
kiểu đảo dòng nhưng cực tính điện áp ra đảo ngược
Khi đảo chiều quay động cơ, quá trình điều khiển sẽ như sau:
- Giảm α đến giá trị cực tiểu, dòng động cơ sẽ đảo chiều và đạt
giá trị cực đại, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh và giảm tốc.
- Khi tốc độ động cơ giảm đến 0, đóng van đang dẫn và mở van
kia. Các van K
1
và K
4
được kích dẫn với hệ số điều chỉnh ỏ tương ứng với tốc
độ mới.
Để tránh trùng dẫn giữa K
1
và K
4
hoặc K
2
và K
3
, cần một khoảng thời
gian chết khi chuyển mạch cho các cặp van trên.
Cách 2
Van K

1
và K
2
cùng diot D
1
và D
2
hợp thành mạch chopper kiểu đảo áp.
Mạch chopper này hoạt động ở góc phần tư thứ I và IV. Việc kích các van K
1

và K
2
như sơ đồ băm xung đảo áp.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 22 -

Tương tự, K
3
, K
4
và diot D
3
, D
4
tạo thành mạch chopper hoạt động ở
góc phần tư II và III.
Các mạch chopper trên không hoạt động đồng thời, nghĩa là nếu bộ
chopper này đang hoạt động thì bộ kia sẽ nghỉ và ngược lại.
Chuyển mạch từ góc phần tư thứ I sang III được thực hiện như sau:

- Tắt các van K
1
và K
2
, dòng động cơ sẽ chạy qua D
1
, nguồn và
diot D
2
, và nhanh chóng giảm xuống 0.
- Kích K
3
và K
4
với ỏ trong khoảng 0 đến 0.5, thường gần bằng
0.5. Dòng động cơ sẽ chạy theo chiều ngược lại và đạt đến giá trị cực đại.
Động cơ sẽ hoạt động ở góc phần tư thứ II và giảm tốc.
- Khi tốc độ đạt gần o, α sẽ được hiệu chỉnh đến giá trị cần thiết
trong khoảng 0.5 đến 1, động cơ sẽ tăng tốc theo chiều ngược lại đến điểm
làm việc ổn định trong góc phần tư thứ III.
Cách 3
Sơ đồ kích các van trình bày trên hình sau (Hình 2.35a, b) Việc kích
các van dựa trên nguyên tắc giống như trong cách 2, với một số các thay đổi
sau:
- Các mạch chopper hợp thành bởi (K
1
và K
2
), (K
3

và K
4
) sẽ được điều
khiển đồng thời.
- Các cặp van (K
1
và K
4
), (K
2
và K
3
) được kích tắt ngược pha nhau.
Chu kì kích tắt của mỗi van là 2T. Trong khoảng thời gian đó, hoạt
động của bộ chopper có thể chia thành 4 khoảng như hình vẽ (Hình 2.35)
d) Mạch băm xung tích lũy năng lượng
d1) Mạch băm xung tích lũy điện cảm
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 23 -

Khi bộ băm nằm giữa nguồn áp và tải nguồn áp, phần tử tích lũy năng
lượng phải là điện cảm
Sơ đồ động lực :

Hình 1.16. Sơ đồ động lực

Hoạt động
• Khi T dẫn: i
N
=i

T
= i
L
, i
R
= i
D
=0, U
D
= -(U+U
R
),
U = L.di/dt, i
L
tăng tuyến tính
• Khi D dẫn: i
N
=i
T
= 0, i
L
= i
R
= i
D
, U
D
= -(U+U
R
),

U
R
= - L.di/dt, i
L
giảm tuyến tính
• Trị số trung bình dòng điện nguồn: I
N
= I
L

• Trị số trung bình dòng tải : I
R
= (1- )I
L
.

• Bỏ qua tổn hao ta có: U
R
.I
R
= U
N
.I
N
hay:

d2)Mạch băm xung tích lũy điện dung
1
N
R

NR
I
U
UI




ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 24 -

Khi bộ băm liên hệ giữa 2 nguồn dòng, phần tử tích lũy năng lượng phải là
điện dung
Sơ đồ động lực :

Hình 1.17. Sơ đồ động lực của mạch băm xung tich lũy điện dung
Hoạt động
• Khi T dẫn, tụ cấp cho tải với dòng điện không đổi, u
N
= 0, u
R
= u
C
, i
C
=
I
R
, du
C

/dt = -I
R
/C; i
T
=I
N
+I
R
; u
T
=0; i
D
= 0, u
D
= -u
R

• Khi diod dẫn, T khoá ¸, nguồn nạp cho tụ với dòng điện
I
N
: u
N
= u
C
, u
R
= 0,I
N
=i
C

, du
C
/dt = i
N
/C; i
T
=0; u
T
= u
C
; i
D
= I
N
+I
R
, u
D
=
0.
• Trị số trung bình của điện áp nguồn: U
N
= (1-)U
C

• Trị số trung bình điện áp tải : U
R
= U
C
.

• Bỏ qua tổn hao ta có: U
R
.I
R
= U
N
.I
N
hay:

1
N
R
NR
I
U
UI




ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI BÁ QUÝ KHÓA 2007 - 2011
- 25 -

1.3. BỘ BĂM TĂNG ÁP.
Sơ đồ động lực :


Hình 1.18. Sơ đồ bộ băm tăng áp
Hoạt động :

• Trong khoảng 0t
1
transistor dẫn có dòng điện i
T
chạy qua cuộn dây, diod
khoá và chịu một điện áp bằng điện áp nguồn.
• Trong khoảng t
1
t
2
transistor khóa, cuộn dây xả năng lượng qua tải bằng
dòng i
D
. Dòng điện này đồng thời nạp cho tụ C.
• Khi transistor dẫn lại, tụ xả qua tải để duy trì dòng điện trên tải. Coi điện
dung của tụ lớn, dòng điện i
C
qua tải bây giờ gần như không đổi.
Các biểu thức cơ bản:
• Khi T dẫn, diod chịu một điện áp:
U
D
= U
N
+ U
C
= U
N
+ U
Tải

.
• Khi T khoá, nó chịu một điện áp:
U
T
= U
N
+ U
C
= U
N
+ U
Tải
.