Tài liệu CHƯƠNG 4: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU doc

Điện tử công suất 1

4-1
CHƯƠNG BỐN


BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU

Bộ biến đổi điện áp một chiều dùng để điều khiển trò trung bình điện áp một chiều ở
ngõ ra từ một nguồn điện áp một chiều không đổi. Điện áp trên tải có dạng xung tạo thành
từ quá trình đóng ngắt liên tục nguồn điện áp một chiều không thay đổi vào tải. Do đó, bộ
biến đổi còn được gọi là bộ biến đổi điện áp một chiều dạng xung.
4.1 BỘ GIẢM ÁP


* Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
Mạch bộ giảm áp gồm nguồn điện áp một chiều không đổi U mắc nối tiếp với tải qua
công tắc S. Tải một chiều tổng quát gồm RL và sức điện động E (ví dụ động cơ một chiều).
Diode không V
0
mắc đối song với tải (hình H4.1a).
Nguồn một chiều có thể lấy từ acquy, pin điện, hoặc từ nguồn áp xoay chiều qua bộ
chỉnh lưu không điều khiển và mạch lọc. Công tắc S có chức năng điều khiển đóng và ngắt
được dòng điện đi qua nó. Do tính năng trên nên công tắc S phải là linh kiện tự chuyển
mạch, chẳng hạn transistor (BJT, MOSFET, IGBT), GTO hoặc ở dạng kết hợp gồm
thyristor (SCR) với bộ chuyển mạch.
Tải một chiều hay gặp trong thực tế là động cơ một chiều.
Phân tích: ( hình H4.1b)
Việc phân tích thực hiện với giả thiết dòng điện qua tải liên tục. Do cấu tạo mạch chỉ
chứa công tắc S với hai trạng thái hoạt động là đóng và ngắt dòng điện nên ta phân tích
mạch theo hai trạng thái cơ bản này.

Trạng thái đóng S: thời gian đóng T
1
, dòng điện dẫn từ nguồn U khép kín qua mạch
gồm (U,S,RLE). Phương trình biểu diễn trạng thái hoạt động của tải:
u
t
= U
u
t
= R.i
t
+
E
dt
di
L
t
+
(4.1)
Chon thời điểm ban đầu t
0
=0 và ta có:
i
t
(t
0
) = i
t0
=i
0

Giải hệ phương trình vi phân trên, ta có nghiệm dòng điện đi qua tải dưới dạng :
Điện tử công suất 1

4-2

()
τ
−
τ
−
+
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
=
t
0
t
t
e.ie1

R
EU
ti
(4.2)

với
R
L
=
τ
là hằng số thời gian mạch tải.
Tại cuối khoảng dẫn T
1
, ta có: i
t1
=i
t
(T
1
)=i
1
Quá trình dòng điện tải có dạng tăng theo hàm mũ.
Trạng thái ngắt S -khoảng thời gian (T
1
<t<T): khoảng thời gian ngắt là T
2
. Do bò kích
ngắt nên dòng qua S triệt tiêu. Mạch tải có chứa L nên dòng qua nó không thể thay đổi đột
ngột được. Do tính liên tục của dòng điện qua tải chứa L, dòng tải i
t

tiếp tục đi theo chiều
cũ và khép kín qua diode không V
0
thuận chiều đang dẫn của nó. Phương trình mô tả trạng
thái mạch (V
0
,RLE):
u
t
=0
u
t
= R.i
t
+
E
dt
di
L
t
+
(4.3)
Điều kiện ban đầu của (4.3): từ (4.2), dòng điện tải i
t
đạt giá trò tại thời điểm t=T
1
:

()
0

T
1t10t1
ie1
R
EU
)T(iTtii
1
+
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
==+=
τ
−

Giải phương trình (4.3) chứa nghiệm dòng điện tải i
t
ta có:


()

τ
−
−
τ
−
−
+
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
=
11
Tt
1
Tt
t
e.ie1
R
E
ti
(4.4)

Dòng điện có quá trình giảm theo hàm mũ:
Tại cuối khoảng thời gian T
2
, công tắc S lại được kích đóng. S dẫn điện làm điện áp
nguồn U tác dụng lên diode không V
0
như điện áp ngược nên ngắt dòng qua nó. Trạng thái
S đóng được phân tích như ở phần trên.
Chế độ dòng tải gián đoạn: Khi E=0, dòng điện tải luôn liên tục. Khi E>0, dòng điện
tải có thể liên tục hoặc gián đoạn. Khoảng
thời gian dòng điện tải gián đoạn phụ thuộc
vào các giá trò của tham số điều khiển
(T
1
,T
2
) và tham số tải (RLE).
Ở chế độ dòng gián đoạn (hình H4.2),
khoảng thời gian dòng gián đoạn (i
t
=0) xuất
hiện trong thời gian ngắt công tắc S. Trong
thời gian đóng S, dòng điện tải liên tục được
mô tả bởi phương trình (4.1) và (4.2) bắt đầu
từ giá trò i
t
(0)=i
0
=0.
Trong giai đọan đầu của thời gian ngắt

công tắc S (T
1
<t<t
2
): dòng điện tải liên tục
giảm và trạng thái mạch được mô tả bởi
phương trình (4.3) và (4.4). Nghiệm dòng
điện tải theo hệ thức (4.4) giảm và đạt giá trò
0 tại thời điểm t
2
thỏa mãn điều kiện:
Điện tử công suất 1

4-3
()
0e.ie1
R
E
ti
1212
Tt
1
Tt
2t
=+
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞

⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
=
τ
−
−
τ
−
−
; T
1
<t
2
<T (4.5)
Giải phương trình (4.5), ta xác đònh được giá trò t
2
:
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡

+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−τ=
τ
11e
E
U
ln.t
1
T
2
(4.6)
Giai đoạn dòng tải gián đoạn (t
2
<t<T): điện áp trên tải bằng E.
Trò trung bình điện áp trên tải: dễ dàng dẫn giải điện áp trung bình trên tải theo hệ
thức (4.7):
)
T
t
1.(E.U
T
t

T
.E
T
T
.UU
221
t
−+γ=
−
+=
;
T
T
1
=γ
(4.7)
Hệ quả:
Với chế độ dòng điện qua tải liên tục, ta có:
- Điện áp trên tải có dạng xung thay đổi giữa hai giá trò 0 và +U;
- Bằng cách thay đổi tỉ số
T
T
1
=γ
giữa T
1
: thời gian đóng S và T: chu kỳ đóng
ngắt (T = T
1
+ T

2
), ta điều khiển trò trung bình áp tải và dòng tải theo các hệ thức :

T
T
;.U
T
T
.U
T
T.0T.U
dt.u.
T
1
U
11
T
0
21
tt
=γγ==
+
==
∫
(4.8)
UU01
T
T
0Do
t

1
≤≤⇒≤=γ≤

R
EU
I
t
t
−
=
(4.9)

Ở chế độ dòng tải gián đoạn, các quá trình điện áp và dòng điện được mô tả bởi các
hệ thức và phương trình (4.1),(4.2),..(4.7) và (4.9)
Bộ giảm áp dùng làm nguồn điện áp cho truyền động điện động cơ một chiều, làm bộ
phận nguồn cho bộ biến tần áp, bộ biến tần dòng điện .

4.2 - BỘ TĂNG ÁP

* Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
Điện tử công suất 1

4-4
Khi thực hiện hãm tái sinh động cơ một chiều, năng lượng từ nguồn điện áp thấp (sức
điện động E) được trả lại nguồn điện áp lớn hơn (nguồn một chiều U), điều này có thể thực
hiện nhờ hoạt động của bộ tăng áp (hình H4.3).
Điều kiện để mạch hoạt động là E < U và nguồn U có khả năng tiếp nhận năng lượng
do tải trả về. Tải một chiều phải chứa nguồn dự trữ năng lượng (sức điện động E) và cảm
kháng. Công tắc S thuộc dạng tự chuyển mạch được như trường hợp bộ giảm áp. Diode V
0

cho phép dòng điện dẫn theo chiều từ tải về nguồn và ngăn dòng điện đi theo chiều ngược
lại.
Phân tích hoạt động mạch bộ tăng áp ở chế độ dòng điện tải liên tục và mạch ở xác lập
(hình H4.4):

Trạng thái đóng S- khoảng thời gian (0<t<T
1
). Dòng điện khép kín qua mạch
(RLE,S). Phương trình mô tả trạng thái S đóng :
u
t
=0
u
t
= - R.i
t
-
E
dt
di
L
t
+
(4.10)

()
0t0t
i)0(iti ==
- với giả thiết thời điểm đầu chu kỳ khảo sát t

0
=0.
Dòng điện qua tải i
t
tăng theo hàm mũ. Hệ thức biểu diễn dòng điện tải có dạng:

()
0
t
0t
ie1.i
R
E
ti +
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝

⎛
−=
τ
−
(4.11)
Tại thời điểm cuối khoảng đang xét, ta có t=T
1
và i
t
(T
1
)=i
t
;
R
L
=
τ

Năng lượng do sức điện động E phát ra một phần tiêu hao trên điện trở, phần còn lại
dự trữ trong cuộn kháng L.

Trạng thái V
0 –
khoảng thời gian (T
1
<t<T): Công tắc S bò kích ngắt trong khoảng thời
gian T
2
. Dòng qua công tắc S triệt tiêu. Do tính liên tục của dòng qua tải chứa L nên dòng

tải tiếp tục dẫn điện theo chiều cũ và khép kín qua diode V
0
và nguồn U.
Phương trình mô tả trạng thái mạch (U,V
0
,RLE)
u
t
=U
u
t
= - R.i
t
-
E
dt
di
L
t
+
(4.12)
Tại thời điểm đầu khoảng đang xét, dòng điện tải có giá trò
( )
11t
iTi =

Nghiệm dòng điện tải của (4.9) giảm theo hàm mũ, cho bởi hệ thức:
()
1
Tt

0t
ie1i
R
UE
ti
1
+
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
−
=
τ
−
−

(4.13)
Cuộn kháng giải phóng một phần năng lượng dự trữ. Sức điện động E ở chế độ phát
năng lượng. Cả hai năng lượng này được đưa về nguồn U một phần, phần còn lại tiêu hao
trên điện trở tải.

Hệ quả:
- Điện áp tải thay đổi theo dạng xung giữa hai giá trò +U và 0.
Điện tử công suất 1

4-5
- Bằng cách thay đổi tỉ số
γ
giữa T
1
:thời gian đóng S và T=T
1
+T
2
: chu kỳ đóng ngắt
S, ta điều khiển công suất phát từ nguồn E cũng như công suất trả về nguồn U. Có thể xác
đònh độ lớn chúng thông qua trò trung bình điện áp và dòng điện tải.

T
T
;)1.(U
T
T
.U
T
T.UT.0

dt.u.
T
1
U
12
T
0
21
tt
=γγ−==
+
==
∫
(4.14)
UU01
T
T
0Do
t
1
≤≤⇒≤=γ≤

R
EU
I
t
t
+−
=
(4.15)

Nếu thay đổi vai trò giữa U và tải: gọi tải U
t
là nguồn cấp năng lượng và U là tải nhận
năng lượng, ta có:

t
t
U
1
U
U >
γ−
=
(4.16)
Điện áp tải lớn hơn áp nguồn nên ta gọi đây là bộ tăng áp.

4.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU
4.3.1 ĐIỀU KHIỂN VỚI TẦN SỐ ĐÓNG NGẮT KHÔNG ĐỔI
Chu kỳ đóng ngắt T = T
1
+ T
2
không thay đổi. Điện áp trung bình của tải được điều
khiển thông qua sự phân bố khoảng thời gian đóng T
1
và ngắt công tắc T
2
trong chu kỳ T.
Đại lượng đặc trưng khả năng phân bố chính là tỉ số
γ

= T
1
/ T
Kỹ thuật điều khiển tỉ số
có thể thực hiện dựa vào hai tín hiệu cơ bản: sóng mang
dạng răng cưa u
γ
p
và sóng điều khiển một chiều u
dk
.
Hai dạng sóng này được đưa vào bộ so sánh và tín hiệu ngõ ra được dùng để kích đóng
công tắc S.
Sóng mang có tần số không đổi và bằng tần số đóng ngắt công tắc S. Tần số thành
phần xoay chiều hài cơ bản của điện áp tải bằng tần số cố đònh này. Do đó, sóng điện áp
tạo thành dễ lọc.
Sóng điều khiển một chiều có độ lớn tỉ lệ với điện áp trung bình trên tải .
Xét bộ giảm áp (hình H4.1a,b)
Gọi U
pM
là biên độ sóng mang dạng răng cưa, u
dk
là độ lớn sóng điều khiển một chiều
; U là điện áp nguồn một chiều không đổi.
Từ giản đồ kích đóng S và các quá trình điện áp ở chế độ dòng liên tục, ta dễ dàng
xác đònh hệ thức tính áp tải trung bình theo áp điều khiển:

PM
dk
t

U
u
.UU =
(4.17)
Phương pháp điều khiển với tần số sóng mang không đổi thường được sử dụng trong
thực tiễn .

4.3.2 ĐIỀU KHIỂN THEO DÒNG ĐIỆN TẢI YÊU CẦU
Trong trường hợp tải động cơ một chiều, việc điều khiển moment động cơ thông qua
điều khiển dòng điện (tỉ lệ với moment ). Để hiệu chỉnh dòng điện trong phạm vi cho phép,
ta có thể sử dụng phương pháp điều khiển theo dòng điện. Theo đó, công tắc S sẽ đóng
ngắt sao cho dòng điện tải đo được và dòng điện yêu cầu có giá trò bằng nhau.