các bộ biến đổi xung áp một chiều

Chương 3. BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP XUNG ÁP MỘT CHIỀU
Bộ biến đổi xung áp (BBĐXA) là bộ biến đổi mà điện áp nguồn được đóng, cắt vào phụ tải một
cách có chu kỳ. Do đó điện áp trên tải là những xung áp một chiều (BBĐXA một chiều) hoặc xoay chiều
(BBĐXA xoay chiều) tuỳ thuộc vào điện áp nguồn là điện áp một chiều hoặc điện áp xoay chiều.
3.1. CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI CÁC BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU
3.1.1. Khái quát
Trong khoảng thời gian 0 ÷ t
1
, khoá K đóng lại, điện áp trên tải U
R
sẽ có giá trị bằng điện áp nguồn
U
R
= E; còn trong khoảng t
1
÷ T khoá K mở ra và U
R
= 0.
Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ là:
(3.1)
Trong đó: λ - Thời gian khoá K đóng
γ - Hệ số điều chỉnh
T – Chu kỳ đóng cắt của khoá K.
Như vậy, để thay đổi điện áp trên tải có hai cách:
1- Thay đổi thời gian đóng khoá K (λ = var), khi giữ chu kỳ đóng cắt không đổi ( T = const).
Gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung.
2- Thay đổi tần số đóng cắt (
1
f
T
=

= var) và giữ thời gian đóng khoá K không đổi (λ=const).
Như vậy bộ biến đổi xung áp có khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp ra trên phụ tải.
Ưu điểm :
• Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi không đáng kể so với các bộ biến đổi
liên tục.
• Độ chính xác cao cũng như ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, vì yếu tố điều chỉnh là
thời gian đóng khoá K mà không phải giá trị điện trở của các phần tử điều chỉnh thường gặp
trong các bộ điều chỉnh liên tục.
• Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổi liên tục
• Kích thước gọn nhẹ.
Nhược điểm :
• Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính của bộ biến đổi khi làm việc trong hệ thống
kín.
• Tần số đóng cắt lớn sẽ tạo ra nhiễu cho nguồn cũng như các thiết bị điều khiển.
3.1.2. Bộ biến đổi xung áp một chiều dùng tiristo
0
1
R
U Edt E E
T T
λ
λ
γ
= = =
∫
Trên sơ đồ ở hình 3.2b, tiristo T
C
là tiristo chính (khoá điện tử),tiristo phụ (T
f
) cùng với các phần

tử C, R, D, L làm thành mạch chuyển mạch để khoá tiristo chính.
Đối với sơ đồ ở hình 3.2a, khi khóaT
C
người ta mở T
f
. Như vậy trên T
C
sẽ có điện áp ngược bằng
giá trị điện áp trên tụ và nó làm cho dòng qua T
C
giảm về không và khoá lại.
Đối với sơ đồ ở hình 3.2b, khi mở T
f
, tụ C được nạp điện với dấu dương ở phía trên và âm ở phía
dưới. Khi cho tiristo chính (T
C
) làm việc, tụ C sẽ phóng điện qua mạch Tc, D, L và do hiện tượng cộng
hưởng nó sẽ được nạp điện theo chiều ngược lại (dấu điện áp trong ngoặc ở hình 3.2b). Dấu điện áp này
phù hợp để tạo điện áp ngược cho T
C
. Muốn khoá T
C
ta lại mở T
f
và điện áp ngược của tụ C lúc này có tác
dụng để khoá T
C
lại.
3.1.3. Phân loại
Dựa vào cách mắc van: có xung áp song song hoặc nối tiếp

Dựa vào nguồn điện ra: xung áp giảm áp và xung áp tăng áp
Tuỳ thuộc vào dấu điện áp mà người ta chia ra: bộ biến đổi xung áp không đảo chiều, hoặc bộ
biến đổi xung áp có đảo chiều
3.1.4. Sơ đồ cấu trúc (Hình 3.5)
Nguồn một chiều có thể là ắc quy hoặc bộ chỉnh lưu. Bộ lọc đầu vào thường dùng mạch LC hoặc
chỉ dùng điện cảm. Tụ C có thể được thay thế bằng các phần tử tích trữ năng lượng như ắc quy.
Khoá điện tử (KĐT) ngày nay được dùng chủ yếu là các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn BJT,
GTO, MOSFET, IGBT.
Bộ lọc đầu ra (L
0
) có tác dụng san phẳng dòng điện ở đầu ra của bộ biến đổi.
3.2. BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU KHÔNG ĐẢO CHIỀU CÓ ĐIỆN ÁP RA THẤP
HƠN ĐIỆN ÁP VÀO (Bộ biến đổi xung áp nối tiếp)
Khi tải R + L:
Khoá điện tử dùng GTO sẽ được đóng cắt với chu kỳ T theo luật điều khiển như đồ thị ở hình
3.6b, c.Van T sẽ dẫn điện khi U
G
> 0 và van sẽ bị khoá lại khi U
G
< 0.Trong khoảng từ 0 từ t
1
, khi T dẫn
điện, năng lượng của nguồn sẽ được cấp cho phụ tải, U
AB
= E. Trong khoảng (t
1
÷ T), van khoá, do năng
lượng tích trữ trong điện cảm, dòng điện vẫn theo chiều cũ và khép mạch qua van đệm D, lúc này U
AB
=

U
D
≈ 0.
Giá trị trung bình của điện áp tại hai điểm A, B sẽ là:
1
1
0
1
.
t
AB
t
U Edt E E
T T
γ
= = =
∫
(3.2)
1
t
T
γ
=
γ là hệ số điều chỉnh điện áp.
Ta có hệ phương trình mô tả hoạt động của sơ đồ:
Khi GTO đóng mạch:
di
iR L E
dt
+ =

Khi GTO hở mạch :
0
di
iR L
dt
+ =
Để tìm dòng tải ta dùng phương pháp toán tử Laplace: Nếu hàm số liên tục thì ảnh Laplace của nó là:
( ) ( )
0
pt
F P h t e dt
∞
−
=
∫
(3.3)
và ngược lại nếu hàm h(t) được biểu diễn dưới dạng :

( )
( )
( )
f P
h t
PF P
=
∫
Thì:
( )
( )
( )

( )
( )
1
0
.
0
n
m
n
a t
n
n n
f f a
h t e
F a F a
=
= +
∑
(3.4)
a
n
là nghiệm của phương trình đặc tính.
Áp dụng công thức (3.3) ta tìm được ảnh của U
AB
:
( )
1
1
.
1

pt
AB
PT
E e
U P
P e
−
−
−
=
−
Ảnh của dòng tải là:
( )
( )
( )
( )
( )
1
1
.
1
pt
AB
PT
U P
E e
I P
Z P P
e R PL
−

−
−
= =
− +
(3.5)
Áp dụng công thức (3.4) ta tìm được dòng điện trong khoảng t ÷ t
1
là:
1 1
1
1
1
1
1
t
a bE
i e
R a
τ
−
 
−
= −
 
−
 
(3.6)
trong khoảng t
1
÷ T là:

1
1
2
1
1
1 .
1
t
bE
i e
R a
τ
−
−
 
−
= −
 
−
 
(3.7)

/L R
τ
=
là hằng số thời gian của mạch tải.

1 1
;
T T RT

RT
L
L
a e e b e e
γ γ
τ τ τ
− − −
−
= = = =
( d,e,f trường hợp dòng tải liên tục. g,h,i trường hợp dòng tải gián đoạn )
Hình 3.6. Bộ biến đổi xung áp
Cho các giá trị t = t
1
và t = T – t
1
ta tìm được:
1
ax
1
1
1
m
E b
I
R a
−
−
=
−
(3.8)

( )
1 1
min
1
1
1
b a
E
I
R a
−
=
−
(3.9)
Dòng trung bình qua van T sẽ là:
( )
( )
1
1 1 1
1
1 1
1
T
b a b
E
I
R T a
τ
γ
−

 
− −
 
= −
−
 
 
(3.10)
Dòng trung bình qua diode:
( )
( )
1
1 1 1
1
1 1
.
1
D
b a b
E
I
R T a
τ
−
 
− −
 
=
−
 

 
(3.11)
Dòng trung bình qua tải:
AB
t T D
UE
I I I
R R
γ
= + = =
(3.12)
Dòng tải không phụ thuộc vào tần số đóng cắt của van và hằng số thời gian của mạch tải.
Biên độ đập mạch của dòng tải:
( )
( )
1
1 1 1
ax ax min
1
1 1
1
m m
b a b
E
I I I
R a
−
− −
∆ = − =
−

Khi
0,5
γ
=
thì
axm
I∆
đạt giá trị cực đại.
Để đơn giản phép tính người ta thường chọn:
1 1
;0
E
i t t t
R
γ
= ≤ ≤
với
axm
γ γ
=
(3.13)
và dùng biểu thức (3.13) thay cho (3.6) để tính dòng trung bình qua các van.
Việc tính này cho kết quả sai số không quá 10% và có thể chấp nhận được khi chọn van với một
hệ số dự trữ nào đó.
Từ các giá trị của i
t
người ta dựng được đồ thị của dòng tải i
t
, dòng qua GTO và qua diode
Hệ số đập mạch của điện áp ra:

( )
( )
1
1 1 1
1
1 1
1
AB
đm
b a b
U
k
E a
−
− −
∆
= =
−
Khi năng lượng tích trữ trong điện cảm L là hữu hạn, sẽ xảy ra chế độ dòng điện gián đoạn (hình
3.6g,h,i). Dòng qua diode đệm sẽ giảm về không trước khi khoá điện tử T được đóng lại. Chế độ dòng
điện gián đoạn sẽ làm tăng hệ số đập mạch trên tải và làm giảm chất lượng đặc tính ngoài của bộ biến đổi.
3.3. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP
Xét phần tử điện cảm L trong sơ đồ hình 3.6a
Ở chế độ gần xác lập, giá trị điện áp trung bình trên điện cảm phải bằng không.
m ax
min
max min
0
1
( )

L
L
i
T
LI
LI LI L L L
i
di L L L
U L dt di i i I
T dt T T T
γ
= = = − = ∆
∫ ∫
(3.14)
LII LI L
L
U U I
T
= − = − ∆
(3.15)
Do đó:
0
L LI LII
U U U= + =
Xét phần tử tụ điện trong sơ đồ hình 3.6a: Khi nguồn một chiều được tạo bởi bộ chỉnh lưu, để đảm
bảo tính chất nguồn áp cần mắc tụ điện C song song với đầu vào BBĐXAMC. Giá trị của tụ điện này có
thể xác định theo phương pháp tính lọc cho chỉnh lưu.
Giá trị trung bình của dòng qua tụ điện ở chế độ gần xác lập cũng bằng không:

min

m x
min m x
0
1
( )
C
C a
U
T
CI
CI CI C C a C
U
du
C C C
I C dt du U U U
T dt T T T
γ
= = = − = − ∆
∫ ∫
(3.16)

m ax
min
ax min
0
1
( )
C
C
U

T
CII
CII CII Cm C C
U
du
C C C
I C dt du U U U
T dt T T T
γ
= = = − = ∆
∫ ∫
(3.17)
I
CI
+ I
CII
=0
Như vậy ở chế độ xác lập, giá trị trung bình của điện áp đặt lên điện cảm bằng không và giá trị
trung bình của dòng điện qua tụ C cũng bằng không (đối với bộ biến đổi xung áp).
Toàn bộ năng lượng đầu vào được cấp cho phụ tải, từ sơ đồ thay thế ta có :

0 0
0 0
T T
uidt u i dt=
∫ ∫
u, i – điện áp và dòng điện ở đầu vào của bộ biến đổi.
u
0
, i

0
– điện áp và dòng điện ở đầu ra của bộ biến đổi.
Như vậy công suất đầu ra bằng công suất đầu vào:
0 0
0 0
1 1
T T
uidt u i dt
T T
=
∫ ∫
(3.18)
Hình 3.7. Dòng và áp trên cuộn cảm
Trong chế độ xác lập như đã nói trên, dòng điện coi như bằng phẳng, điện áp cũng bằng phẳng, ta
có:
U.I=U
0
.I
0
(3.19)
U, U
0
, I, I
0
là giá trị trung bình của điện áp và dòng điện ở đầu vào và đầu ra.
Giá trị trung bình của điện áp đầu ra đối với bộ biến đổi có điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào sẽ là:

0
.U U
γ

=
(3.20)
Giá trị trung bình của điện áp đầu ra đối với bộ biến đổi có điện áp ra lớn hơn điện áp vào sẽ là:

0
1
.
1
U U
γ
=
−
(3.21)
Dòng điện trung bình qua khoá điện tử:
0
1
.
T
T
I Idt I
T
γ
γ
= =
∫
(3.22)
Để tính giá trị của điện cảm cũng như tụ lọc, người ta cũng dùng phương pháp gần đúng bằng cách
tuyến tính hoá đường cong i
L
cũng như u

C
(thường tần số chuyển mạch trong các bộ biến đổi xung áp rất
lớn, nên việc tuyến tính hoá trong một chu kỳ đối với i
L
và u
C
là chấp nhận được).

( )
( )
1
0
0
1
1 .
T
I Idt I
T
γ
γ
−
= = −
∫
(3.23)
Đối với sơ đồ ở hình 3.7, khi khoá điện tử dẫn điện
( )
0 T
γ
÷
, ta có:

Hình 3.8 Sơ đồ thay thế và điện áp trên tụ
0 0
L
di
L U U
dt
= −
(3.24)
nghĩa là sụt áp trên điện cảm bằng hiệu điện áp vào và điện áp ra.
Vì coi i
L
tuyến tính nên:
0
.
L
L
I
di
dt T
γ
∆
=
(3.25)
Thay (3.20) và (3.25) vào (3.24) ta có:
( )
0
0
1
.
L

I
L U
T
γ
γ
∆
= −
( )
0
0
1 . .
L
T U
L
I
γ γ
−
=
∆
(3.26)
Cho giá trị ∆I
L0
≤ 10%I
0
ta sẽ tính được giá trị L
0
với sai số của kết quả không đáng kể so với tính
toán theo biểu thức giải tích.
Từ biểu thức (3.19) và (3.20) rút ra I = γ.I
0

, do đó:
( )
0 0
1
C
dU
C I I I
dt
γ
= − = −
(3.27)
Coi u
c
tuyến tính nên
.
C C
dU U
dt T
γ
∆
=
ta có:
( )
0
1 . . .
C
T I
C
U
γ γ

−
=
∆
(3.28)
Trong quá trình điều chỉnh, giá trị cực đại của hệ số điều chỉnh γ
max
= (T – 2.t
off
)/T để đảm bảo phục
hồi khả năng khoá của van, việc chọn tần số đóng cắt tuỳ thuộc vào t
off
sao cho t
off
=5÷10%T. Ta có γ
max
=
(0.8÷0.9)
3.4. BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT NHỊP LÀM VIỆC VỚI PHỤ TẢI LÀ ĐỘNG CƠ
3.4.1. Chế độ động cơ
Điện cảm ở đầu ra của bộ biến đổi xung áp bao gồm điện cảm phần ứng của động cơ.
U
AB
sẽ đạt giá trị cực đại khi van T dẫn điện (U
AB
≈E) và đạt giá trị cực tiểu khi van T khóa
(U
AB
=0). Khi van T bị khoá giá trị dòng điện trên tải là i
t max
ở thời điểm t

1
và giảm về giá trị cực tiểu (i
t

min
)
ở thời điểm T.
Áp dụng phương pháp tính toán gần đúng ta có:

( )
1 min
t
E U
i t I t
L
−
= +
(3.29)

( )
2 max
t
U
i t I t
L
= −
(3.30)
i
1
(t) là dòng điện qua phụ tải khi khoá đóng mạch:

1
(0 ); .t t t T
γ
≤ ≤ =
i
2
(t) là dòng điện qua phụ tải khi khoá hở mạch:
( )
1
( ); 1 .t t T t T
γ
≤ ≤ = −
E là điện áp đầu vào
U
t
là điện áp trên tải (điện áp trên động cơ)
( )
1 1 max
i t I=
, còn
( )
2 min
i T I=
1
T
f
=
; và
( )
1

T t f
γ
= −
.
Hình 3.9 Bộ biến đổi xung áp một nhịp
Giải phương trình (3.29) và (3.30) ta nhận được:
t
U
E
γ
=
(3.31)
Như vậy đặc tính điều chỉnh của bộ biến đổi sẽ là đường tuyến tính (hình 3.10). Vì bộ biến đổi làm
việc ở góc phần tư thứ nhất trên mặt phẳng toạ độ nên nó có tên gọi là bộ biến đổi một nhịp.
Từ biểu thức cân bằng năng lượng:
( )
1
1
0
. . .
t
t t
U I T E i t dt=
∫
Ta rút ra:

( )
min
2 .
t

t
E U
I I
L f
γ
−
= −
(3.32)

( )
max
2 .
t
t
E U
I I
L f
γ
−
= +
(3.33)

min ax
2
m
t
I I
I
+
=

(3.34)
Giá trị trung bình của dòng qua khoá điện tử:

( )
( )
1
max min 1
1
0
1 1
.
2
t
T t
I I t
I i t dt I
T T
γ
+
= = =
∫
(3.35)
Giá trị trung bình của dòng qua diode:
t
U
E
1
1
γ
Hình 3.10. Đặc tính điều chỉnh

( )
( ) ( )
( )
1
max min 1
2
1 1
. 1
2
T
D t
t
I I T t
I i t dt I
T T
γ
+ −
= = = −
∫
(3.36)
Và điện áp lớn nhất đặt lên các van sẽ là: U
T
= U
D
= E
Công suất sử dụng khoá điện tử là:
t
T
P
P

γ
=
(3.37)
Biểu thức cho thấy công suất sử dụng van tốt nhất khi
1
γ
→
. Trong thực tế
( )
ax
0.8-0.9
m
γ γ
= =
.
3.4.2. Chế độ dòng điện gián đoạn
Điểm giới hạn giữa chế độ dòng liên tục và dòng gián đoạn tương ứng với điều kiện I
min
= 0, từ
(3.32) ta có:
I
t giới hạn
( )
1
2. .
E
L f
γ γ
−
=

(3.38)
Giá trị điện cảm mà van đảm bảo dòng là liên tục khi cho trước dòng điện phụ tải:
L
giới han
( )
1
2. .I
t
E
f
γ γ
−
=
(3.39)
Với giá trị điện cảm xác định, khi dòng điện nhỏ hơn I
t giới hạn
, dòng điện trong mạch tải sẽ gián
đoạn
Từ biểu thức (3.29) và (3.30) với giả thiết I
min
= 0, T
1
là thời gian dẫn dòng điện của khóa điện tử
và t
2
là thời gian dẫn dòng điện của diode (xem hình 3.9e,f,g), ta tìm được:

( )
2 2 ax 2
0

t
m
U
i t I t
L
= = +
(3.40)

( )
1 1 ax 1
t
m
E U
i T I T
L
−
= =
(3.40a)
Thay (3.41) vào (3.40) ta có:
( )
1
2
t
t
T E U
t
U
−
=
(3.41)

Tính giá trị trung bình của dòng tải bằng cách tích phân (3.29) và (3.30) thay các biểu thức (3.40a)
và (3.41) vào ta được:

( ) ( )
1 2 1 2
1 1
1 2 1
0 0
1 1
. .
t t t t
t t t
t
t t
E U E U U
I i t dt i t dt t dt T t dt
T L T L L
− −
 
= + = + −
 
 
∫ ∫ ∫ ∫
Sau một số biến đổi ta có:

2
2
8 .
. 1
4 . 1

t
U
f
E f
γ τ
τ γ
= +
−
(3.42)
Với
/
t
L R
τ
=
Thay biểu thức (3.31) vào (3.42) có thể tính được giá trị:
γ
giới hạn
= 1-
2 . f
τ
Thay τ vào (3.42) công thức sẽ có dạng:

2
2
2 .
t
t
U
L I f

E
E
γ
γ
=
−
(3.43)
Hình 3.11
Biểu thức cho phép xây dựng đặc tính điều chỉnh của bộ biến đổi ở vùng dòng điện gián đoạn
(hình 3.11). Trên hình 3.11, đặc tính này được giới hạn bởi đường đứt nét I
t giới hạn
.
Ngoài vùng I
t giới hạn
sẽ là vùng dòng điện liên tục và đặc tính sẽ được mô tả bởi biểu thức:
U
t
= γ.E – R
t
.I
t
(3.44)
R
t
là điện trở cuộn kháng và điện trở phần ứng của động cơ.
3.5. BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP SONG SONG CÓ ĐIỆN ÁP RA
NHỎ HƠN ĐIỆN ÁP VÀO (Bộ biến đổi xung áp song song)
Khi van T dẫn (0 ÷ t
1
), toàn bộ điện áp nguồn được đặt vào cuộn cảm L và cuộn cảm sẽ dự trữ

năng lượng .
Khi van T bị khoá, toàn bộ năng lượng của nguồn và của cuộn kháng sẽ đặt lên tải (dòng điện lúc
này là dòng i
L2
– đường nét đứt). Nhờ năng lượng tích trữ trong điện cảm nên điện áp trên tải sẽ lớn hơn
điện áp nguồn. Tụ C dùng để tích năng lượng và lọc điện áp ra. Khi van T mở, năng lượng của tụ C sẽ cấp
cho tải duy trì cho điện áp trên tải dao động trong một phạm vi nhất định.
Coi dòng đi qua điện cảm có một giá trị:
ax min
2
Lm L
L
I I
I
+
=
(3.43)
Coi van đóng mở tức thời, lúc đó sơ đồ thay thế của bộ biến đổi sẽ có dạng như hình 3.13
Khi van T dẫn (0 ÷ t
1
), dòng qua van i
T
= I
L
, điện áp ngược đặt lên diode u
D
= U
t
. Trong khoảng
(t

1
÷T) khi van T bị khoá, dòng qua diode sẽ chính thức là dòng qua điện cảm: i
D
= I
L
= I
t
. Điện áp thuận
đặt lên T u
T
= U
t
.
Hình 3.13. Sơ đồ thay thế
Điện trở tương đương của van T và diode sẽ là:
1
t
T
T
T L
U
U
R
I I
γ
γ
−
= =
(3.44)
.

1
R t t
D
D
D D L
U U U
U
R
I I I
γ
γ
−
= = = −
−
(3.45)
Trong đó: U
T
, U
D
là các giá trị điện áp trung bình trên T và diode. I
T
và I
D
là các giá trị dòng điện
trung bình chạy qua T và diode. Dựa vào hình 3.14b,c ta có:
Hình 3.12 Xung áp song song

( )
( )
1

1
1
1
.
.
. ; .(1 )
.
.(1 ); .
L
L
T L D L
t
t
T t D t
I T t
I t
I I I I
T T
U T t
U
U U U t U
T T
γ γ
γ γ
−
= = = = −
−
= = − = =
Từ sơ đồ thay thế ta có thể tính được giá trị trung bình của dòng điện và điện áp:
- Dòng điện qua diode:

(1 )
(1 )
t
D t L L T D
I
I I I I I I
γ
γ
= = − ⇒ = + =
−
(3.46)
- Dòng điện qua van:
.
1
T L t
I I I
γ
γ
γ
= =
−
(3.47)
- Điện áp ra trên tải (xét cân bằng điện áp mạch vòng to):
( )
0 0
2
1
1
t
t

E I R
U
γ
γ
= −
−
−
(3.48)
- Sức điện động E
t
:

( )
0 0
2
1
1
t t t
E R
E R I
γ
γ
 
= − +
 
−
−
 
 
(3.49)

( )
0
0
1
t
R
I R
U E
γ
= −
−
(3.50)
Từ (3.48) ta có thể xác định điểm cực trị khi:
0
ax
0
2
1
t
m
I R
E
γ
= −
ta có giá trị cực đại của điện áp tải:

2
0
ax

0
4
t m
t
E
U
I R
=
(3.51)
Biểu thức (3.51) cho thấy điện áp ra (U
t
) sẽ lớn hơn điện áp vào nếu sụt áp trên điện trở của nguồn
(R
0
) nhỏ hơn 25% so với điện áp nguồn (E
0
).
Nếu coi điện áp đầu vào và đầu ra là bằng phẳng thì điện áp đặt lên cuộn cảm sẽ là:

1L
R
di
L U
dt
=
(3.52)
Hình 3.14.Đồ thị dòng, áp khi dòng qua điện cảm liên
tục
Suy ra:
1

onst
L R
di U
c
dt L
= =
Do đó ta có thể thay thế đạo hàm:

1 1 1
.
L L L
di I I
dt t T
γ
∆ ∆
= =
∆
Thay vào (3.51) ta có:

1
. .
R
L
U
I T
L
γ
∆ =
(3.53)
Tụ C sẽ phóng điện khi diode bị khoá (t

1
÷T), nếu coi dòng tải là bằng phẳng thì:

C
t
du
C I
dt
=
Gần đúng ta có:

. .
t
C
I
U T
C
γ
∆ =
(3.54)
Biểu thức (3.53) đúng chỉ khi I
L min
>1, tức là:

( )
2
1
.
t R
t

U U
L
I
γ
γ
−
−
=
(3.55)
Khi cho các sai số ∆I
L
và ∆U
C
, ta có thể dựa vào (3.53) – (3.55) để tính ra các giá trị điện cảm L và
điện dung C.
Hình 3.14.Đồ thị dòng, áp khi dòng qua điện cảm gián
đoạn
3.6. BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU CÓ ĐIỆN ÁP RA LỚN HƠN HOẶC NHỎ HƠN
ĐIỆN ÁP VÀO
Bộ biến đổi xung áp (hình 3.15) cho phép điều chỉnh điện áp (U
t
) lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp
vào (E). Van điện tử T được đóng mở nhờ tín hiệu điều khiển U
G
. Khi van dẫn điện , cuộn kháng K được
tích một năng lượng nhất định từ nguồn E (dòng nạp cho chuộn kháng là dòng i
L1
). Tại thời điểm t
1
van T

bị khoá lại, sức điện động tự cảm của cuộn kháng L sẽ duy trì dòng qua cuộn kháng vẫn theo chiều cũ,
năng lượng tích trữ trong cuộn kháng sẽ được nạp cho tải và tụ C (dòng i
L2
). Khi van T lại dẫn điện, tụ C
sẽ phóng điện qua tải và duy trì cho điện áp trên tải là bằng phẳng, đồng thời cuộn kháng lại được tích
năng lượng. Đồ thị điện áp và dòng điện (hình 3.16).
Tương ứng trong khoảng 0 ÷ t
1
, dòng qua van T là i
T
= i
L1
(hình 3.16e)
Trong khoảng t
1
÷ T, dòng qua diode là I
D
= i
L2
(hình 3.16f)
Điện áp trên cuộn kháng sẽ bằng E khi van T dẫn và khi van T khoá sẽ có giá trị là –U
1
.
Hình 3.16. Đồ thị xung
Khi van T dẫn, diode sẽ chịu một điện áp ngược:
U
D
= E + U
C
= E + U

t
Khi van T bị khoá, T sẽ có một điện áp thuận :
U
T
= E + U
C
= E + U
t
Hình 3.17. Sơ đồ thay thế
R
0
- Điện trở trong của nguồn; R
T
- Điện trở của van T; R
D
- Điện trở của diode
R
t
- Điện trở của tải; E
t
- Nguồn do tụ C tạo ra
Giá trị của các điện trở tương đương trong sơ đồ ở hình 3.17 sẽ là:

D
0 0
1
. ; .
1
t t
T

T D
T t D t
E U E U
U U
R R
I I I I I I
γ γ
γ γ
+ +
−
= = = − = −
+ − +
(3.56)
Từ sơ đồ ở hình 3.17 ta rút ra:
( )
( )
0
0 1
2
0 0
2
2
0 0
1
2
0 0
1
1
1
. .

1
1
. .
1
1
1
t t
L t
t
t C
t t
R t
I I I
I I I I
E I R
U U
E R
E R I
U E I R
γ
γ
γ
γ γ
γ
γ
γ γ
γ
γ
γ
γ



= =

−


= + =

−



= = −

−
−


 

= − +
 

−
−
 
 




= −
−


(3.57)
Trong đó: I
0
, I
L
, U
1
, E
1
, U
R
, I
t
là các giá trị trung bình
Đường cong U
t
sẽ có điểm cực trị đối với γ. Như vậy khi thay đổi γ ta có thể thay đổi được điện áp
ra. Để đảm bảo có thể tăng điện áp ra lớn hơn vào, điện trở trong của nguồn R
0
phải đủ nhỏ (xem công
thức (3.55). Nếu coi R
0
là không đáng kể, từ (3.57) suy ra:

0

.
1
t
E
U
γ
γ
=
−
(3.58)
Có thể nhận thấy U
t
< E
0
khi 0 < γ < 0,5 và U
t
> E
0
khi 0,5 < γ <1.
3.7. BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU
Bộ biến đổi xung áp một chiều dùng van điều khiển IGBT có khả năng thực hiện điều chỉnh điện
áp và đảo chiều dòng điện phụ tải. Các diode đệm D
1
…D
4
dùng để trả năng lượng phản kháng về nguồn
và thực hiện quá trình hãm tái sinh.
Trạng thái 1: E.γ > E
D
Động cơ sẽ làm việc ở góc phần tư thứ nhất. Năng lượng cấp cho động cơ

được lấy từ nguồn thông qua van T
1
và T
2
dẫn trong khoảng thời gian 0 ÷ t
1
. Trong thời gian còn lại của
chu kỳ (t
1
÷T), năng lượng tích trữ trong điện cảm sẽ duy trì cho dòng điện đi theo chiều cũ và khép mạch
qua T
2
và D
4
(hình 3.19f). Dòng điện tải được mô tả trên hình 3.18 là đường nét liền.
Trạng thái 2: E.γ < E
D
, ). Động cơ làm việc ở góc phần tư thứ hai (chế độ hãm).Trong khoảng thời
gian 0 ÷ t
1
động cơ sẽ trả năng lượng về nguồn thông qua diode D
1
và D
2
(I
D1
= I
D2
= I
t

; đường I
t
là đường
nét đứt trong sơ đồ ở hình 3.18). Trong khoảng t
1
÷ T dòng tải sẽ khép mạch qua T
4
(T
4
dẫn) và D
2
(I
D2
=I
D4
=I
t
). Dòng tải sẽ có dạng như ở hình 3.19h.
Trạng thái 3: E.γ = E
D
.
Trong khoảng thời gian 0 ÷ t
0
do E
D
> E.γ nên động cơ sẽ trả năng lượng về nguồn thông qua
diode D
1
và D
2

(i
D1
= i
D2
= i
t
).
Trong khoảng t
0
÷ t
1
do E.γ > E
D
động cơ chuyển sang làm việc ở chế độ động cơ. Năng lượng từ
nguồn qua các van T
1
và T
2
được cấp cho động cơ (i
T1
= i
T2
= i
t
)
Trong khoảng thời gian t
1
÷ t
2
lúc này T

1
bị khoá, T
4
mở. Năng lượng tích trữ trong cuộn cảm sẽ
cấp cho động cơ và duy trì dòng điện đi qua T
2
và D
4
(i
T2
= i
D4
= i
t
)
Trong khoảng t
2
÷ T khi năng lượng tích trữ trong điện cảm hết, sức điện động của động cơ sẽ đảo
chiều dòng điện và dòng tải sẽ khép mạch qua T
4
và D
2


(i
t
= i
D2
= i
T4

). Quá trình này tạo ra tích luỹ năng
lượng trong điện cảm và khi T
4
bị khoá thì U
AB
> E và quá trình lặp lại như ban đầu.
Hình 3.18. Bộ xung áp có đảo chiều
Hình 3.19. Biểu đồ xung trong bộ biến đổi đảo chiều
Mặc dù dòng điện tải đổi chiều, nhưng do có sự tham gia của T
4
và D
4
vào quá trình làm việc nên
trong khoảng t
1
÷ T điện áp trên tải (U
AB
) luôn bằng không. Do đó dạng điện áp trên tải sẽ không bị biến
dạng và thành phần sóng điều hoà bậc cao trong điện áp phụ tải sẽ nhỏ nhất.
Câu hỏi ôn tập
1. Cấu trúc và phân loại các bộ biến đổi xung áp ?
2. Bộ biến đổi xung áp một chiều nối tiếp ?
3. Phương pháp tính toán bộ biến đổi xung áp ?
4. Bộ biến đổi xung áp một nhịp làm việc với phụ tải là động cơ ?
5. Bộ biến đổi xung áp song song ?
6. Bộ biến đổi xung áp một chiều có đảo chiều ?
Bài tập 1: Bộ biến đổi xung áp một chiều nối tiếp như hình vẽ, với tải R-L có E=100V, phạm vi
điều chỉnh γ = (0.2 - 0.9). Xác định tham số chọn tiristor và diode cho hai trường hợp
sau:
1. Dòng tải lớn nhất trong toàn giải điều chỉnh I

tmax
=100A
2. Điện trở tải không đổi trong toàn dải điều chỉnh, dòng tải lớn nhất vẫn bằng 100A.
Bài tập 2: Bộ biến đổi xung áp một chiều song song như hình vẽ, với E=100V, It=10A,
γ = (0.2 - 0.8), nội trở nguồn R
0
=0.5Ω. Xác định:
1. Phạm vi điều chỉnh điện áp ra.
2. Tính các tham số chọn IGBT và diode
Bài tập 2: Bộ biến đổi xung áp một chiều có điện áp ra lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào như
hình vẽ với E=48V, It=20A,γ = (0.1 - 0.9), nội trở nguồn R
0
=0.1Ω. Xác định:
1. Phạm vi điều chỉnh điện áp ra.
2. Tính các tham số chọn IGBT và diode