Bài giảng Điện tử công suất - Chương 6: Các bộ biến đổi điện áp - Trần Trọng Minh

Ts. Trần Trọng Minh Bộ môn Tự đông hóa, Khoa Điện, ĐHBK Hà nội Hà nội, 9 - 2010 2/18/2011 1 6.1 Các bộ điều áp xoay chiều và phạm vi ứng dụng 6.2 Các sơ đồ van 6.3 Xung áp xoay chiều một pha 6.4 Xung áp xoay chiều ba pha 6.5 Cuộn cảm điều khiển được 6.6 Bộ khởi động mềm 2/18/2011 2 Bản chất là các BBĐ phụ thuộc, giống như các bộ chỉnh lưu, điều chỉnh điện áp ra bằng cách thay đổi góc điều khiển . Có những ứng dụng rất quan trọng. Cần phải nắm được phạm vi và lĩnh vực ứng dụng của những BBĐ này cũng như phương pháp điều khiển chúng. 10/02/2011 3 6.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều  Các bộ XAAC  Điều chỉnh giá trị điện áp xoay chiều, tần số sóng hài cơ bản không đổi, bằng tần số của điện áp lưới.  Dùng tiristo song song ngược, triăc, thay đổi điện áp trong mỗi nửa chu kỳ điện áp lưới theo góc mở .  Ưu điểm: rất đơn giản và tin cậy.  Ứng dụng:  1. Cho tải thuần trở, như trong các lò điện trở. Khi đó dạng điện áp xấu không ảnh hưởng đến tải.  2. Các bộ khởi động mềm (Soft Starter) cho ĐC KĐB.  3. Điều chỉnh phía sơ cấp MBA trong các chỉnh lưu.  4. Các cuộn cảm điều chỉnh được TCR.  5. Được dùng như các công-tắc-tơ điện tử, không tiếp điểm. 2/18/2011 4 6.2 Các sơ đồ van  (a) Cặp thyristor song song ngược.  (b) Cầu điôt.  (c) Triac. 2/18/2011 5 Công suất nhỏ, dòng dưới 150 A Công suất lớn, cho mọi dòng điện 6.3. Xung áp xoay chiều một pha  1. Tải thuần trở  Điện áp trên tải phụ thuộc góc điều khiển .  Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải, theo hình (a): 2/18/2011 6      2 1 1 1 2 sin 21 1 sin 1 cos 2 2 m oU U d U d U                          2      2  Đồ thị dạng dòng điện, điện áp trong XAAC. (a) Tải thuần trở; (b) Tải trở cảm.  2. Tải trở cảm  Khi một tirsto nào đó thông, tải RL được nối vào nguồn xoay chiều.  Nghiệm của phương trình: ; ;  Phương trình xác định góc dẫn  của van; 2/18/2011 7 1 sin m L di Ri X U d        1 sin sin m QUi e Z                     sin sin 0Qe             2 2 LZ R X  LXQ R  arctgQ  6.3. Xung áp xoay chiều một pha Phương trình siêu việt, giải bằng calculator hoặc bằng phương pháp thử.  3. Tải thuần cảm  Có ứng dụng cực kỳ quan trọng trong các cuộn kháng điều khiển được (Thyristor Controlled Reactor – TCR). TCR được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị bù trong hệ thống truyền tải điện cao thế như SVC, TCSC.  TCR là thiết bị hấp thụ công suất phản kháng Q. 2/18/2011 8 6.3. Xung áp xoay chiều một pha  Biên độ của dòng qua cuộn cảm:  Điện dẫn thay thế tương đương:  Theo điện dẫn tương đương có thể xây dựng hệ thống điều khiển SVC.  Dạng dòng qua cuộn cảm phụ thuộc góc . 2/18/2011 9 2 1 ( ) (1 sin 2 )L V I L          )2sin 12 1( L 1 )(BL        6.3. Xung áp xoay chiều một pha 6.4. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều ba pha  Sơ đồ van 2/18/2011 10 6.4. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều ba pha  Phân tích sơ đồ với tải thuần trở:  Góc điều khiển tính các điểm điện áp nguồn qua không.  Xác định các khoảng van dẫn:  Nếu có 3 van dẫn điện áp trên tải bằng điện áp pha.  Nếu chỉ có hai van dẫn điện áp trên tải bằng một nửa điện áp dây.  Tính giá trị hiệu dụng theo từng khoảng van dẫn.  Ví dụ phân tích dạng điện áp trên tải trở với góc =30 2/18/2011 11 6.4. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều ba pha  Phân tích sơ đồ với tải thuần trở.  Ví dụ phân tích dạng điện áp trên tải trở với góc =90.  Lưu ý góc và các khoảng dẫn của van như sau:  Có các giai đoạn 3 van và 2 van cùng dẫn.  Chỉ có các giai đoạn 2 van cùng dẫn.  Có 2 van dẫn hoặc không có van nào dẫn cả.  Dạng dòng, áp 2/18/2011 12 0 60   60 90   90 150   6.4. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều ba pha  Phân tích sơ đồ với tải trở cảm.  Một nhiệm vụ khó khăn vì khoảng dẫn của van phụ thuộc vào tính chất của tải và vào góc điều khiển .  Các phương pháp giải tích chỉ đúng được cho một tham số của tải.  Có thể dùng mô phỏng để nghiên cứu sơ đồ.  Vấn đề điều khiển các BBĐ xung áp xoay chiều:  Hệ thống điều khiển phát xung được xây dựng giống như đối với các sơ đồ chỉnh lưu tương ứng, một pha, ba pha.  Phải có hệ thống phát xung tạo nên góc  thay đổi, đồng bộ với điện áp xoay chiều.  XAAC và chỉnh lưu gọi chung là các BBĐ phụ thuộc. 2/18/2011 13 6.5 Cuộn cảm điều khiển được bằng thyristor (TCR)  Sơ đồ một pha Đồ thị dạng dòng điện  Biểu thức dòng điện: Phân tích Fourier  Có thể coi: , trong đó: 2/18/2011 14  1 cos cos , 0 m L L U i X                         1 sin L L I U A X      2       1L LI B U   sin L L B X       6.5 Cuộn cảm điều khiển được bằng thyristor (TCR)  Khởi động mềm dùng bộ điều áp xoay chiều ba pha để khởi động các động cơ không đồng bộ 3 pha.  Các động cơ công suất lớn, khi khởi động trực tiếp (nối thẳng vào nguồn điện lưới) dòng khởi động rất lớn, gấp 7- 9 lần dòng định mức, gây ra sụt điện áp lưới, giảm tuổi thọ động cơ.  Để giảm dòng khởi động dưới 2 – 3 lần dòng định mức lúc khởi động, giảm điện áp ban đầu đặt lên động cơ, sau đó tăng dần điện áp đến khi bằng điện áp lưới.  Bộ khởi động mềm thích hợp với các động cơ làm việc với tải máy bơm và quạt gió. 2/18/2011 15 4.1 Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.7 Hệ thống điều khiển phát xung  Hệ thống điều khiển các bộ biến đổi phụ thuộc giống nhau. 10/02/2011 16  2    Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển các BBĐ phụ thuộc Xây dựng khâu điện áp tựa răng cưa đồng bộ với điện áp lưới 4.1 Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.7 Hệ thống điều khiển phát xung  Có thể xây dựng từ các mạch chức năng.  Ví dụ hệ thống điều khiển phát xung cho chỉnh lưu cầu ba pha. 10/02/2011 17 4.1 Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.7 Hệ thống điều khiển phát xung Đồ thị dạng xung của sơ đồ điều khiển A. Điện áp từ biến áp đồng pha. B. Xung vuông sau khâu so sánh. C. Xung đồng bộ sau khâu vi phân. D. Xung đồng bộ điều khiển mạch tạo răng cưa 180. E. Răng cưa. F. Điện áp sau khâu so sánh. G. Dạng xung sau bộ chia xung. H. Xác định độ rộng xung điều khiển. I. Xác định độ rộng xung điều khiển. J. UGK,V1, UGK,V2 Dạng xung điều khiển sau bộ tạo xung chùm, đưa đến cực điều khiển thyristor. 10/02/2011 18  180  360  Q             4.1 Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.7 Hệ thống điều khiển phát xung 10/02/2011 19 Sơ đồ mạch điều khiển cặp van song song ngược dùng TCA785. IC chuyên dụng giúp giảm đến mức tối thiểu các linh kiện phải mắc thêm vào. 4.1 Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.7 Hệ thống điều khiển phát xung Đồ thị dạng xung của TCA785. Các mạch tạo răng cưa tích hợp bên trong IC. Sườn và độ dốc của răng cưa xác định bằng giá trị tụ đua vào ở chân số 10. Tín hiệu điều khiển đưa vào ở chân 11. Tín hiệu ra điều khiển thyristor ở chân V14, V15. 10/02/2011 20  180  VSYNC V10 V11 0V V15 Q2 V14 Q1 V15 Q2 (nếu chân 12 nối xuống GND V14 Q1 (nếu chân 12 nối xuống GND V2 Nếu chân 12 nối xuống GND Q1 V4 (Nếu chân 12 nối xuống GND ) V3 V7 Q2 0 0 0 Cần hiểu được tầm quan trọng của các BBĐ xung áp một chiều. Nắm rõ các phạm vi ứng dụng của các loại BBĐ. Đặc điểm quan trọng nhất của các BBĐ xung áp là làm việc với tần số cao. Thiết kế các BBĐ DC-DC 10/02/2011 21 4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều Khái niệm chung  Các bộ biến đổi xung áp một chiều có vai trò đặc biệt quan trọng vì phạm vi ứng dụng ngày càng to lớn.  Nếu điện áp xoay chiều có thể dùng MBA để biến đổi điện áp thì điện áp một chiều bắt buộc phải dùng BBĐ xung áp.  Các BBĐ xung áp dần loại trừ các loại biến áp tần số thấp trong các bộ nguồn, dẫn đến kích thước các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ gọn.  Hai loại bộ biến đổi xung áp một chiều:  1. Các bộ băm xung áp (Chopper).  2. Các bộ biến đổi nguồn DC-DC. 10/02/2011 22 4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều Khái niệm chung  Ưu điểm cơ bản:  1. Sử dụng các phần tử MOSFET, IGBT, đặc biệt là MOSFET, với tần số đóng cắt cao, vài chục đến vài trăm kHz. Trong tương lai đến 1Mhz.  2. Nhờ tần số đóng cắt cao giảm được độ đập mạch của dòng điện, điện áp một chiều, tiến tới lý tưởng.  3. Kích thước các phần tử phản kháng như điện cảm, tụ điện giảm đáng kể, giảm kích thước BBĐ nói chung đến mức rất nhỏ.  4. Không dùng biến áp nguồn tần số thấp nữa. Giảm tổn hao, tiết kiệm sắt thép.  Nhược điểm: Phát sinh nhiều vấn đề cần nghiên cứu!!! 10/02/2011 23 4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều 4.2.1 Các bộ băm xung áp (Chopper)  Phần tử cơ bản là khoá điện tử V, là một van điều khiển hoàn toàn (GTO, IGBT, MOSFET, BJT), được mắc nối tiếp giữa tải và nguồn.  Điôt D0 có vai trò quan trọng trong sự hoạt động của sơ đồ, gọi là điôt không. Điôt này sẽ dẫn dòng tải khi V khoá.  Khi V thông:  Khi V khóa:  Sơ đồ bộ băm xung áp.  Từ 0 đến tx: V thông, nối tải vào nguồn, Ut = E;  Từ tx đến T: V khoá lại, tải bị cắt khỏi nguồn. Nếu tải có tính cảm, dòng tải phải tiếp tục duy trì qua điôt D0, Ut = 0. 10/02/2011 24 di iR L E dt   0 di iR L dt   4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều 4.2.1 Các bộ băm xung áp (Chopper)  Ứng dụng:  1. Điều khiển dòng điện một chiều, những chỗ nào trước đây dùng thyristor thì nay có thể dùng băm xung. Ví dụ các bộ điều khiển kích từ cho máy phát đồng bộ, cho máy điện một chiều.  2. Đặc biệt thích hợp cho điều khiển các máy điện một chiều công suất nhỏ.  Chính vì vậy ta xét hai loại tải:  1. Trở cảm (cuộn cảm).  2. Tải có s.p.đ.đ (máy điện).  Sơ đồ bộ băm xung áp.  Từ 0 đến tx: V thông, nối tải vào nguồn, Ut = E;  Từ tx đến T: V khoá lại, tải bị cắt khỏi nguồn. Nếu tải có tính cảm, dòng tải phải tiếp tục duy trì qua điôt D0, Ut = 0. 10/02/2011 25 4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều 4.2.1 Các bộ băm xung áp (Chopper)  Tải trở cảm  1. Chế độ dòng liên tục:  2. Chế độ dòng gián đoạn:  Đồ thị dạng dòng điện, điện áp. 10/02/2011 26 I 1 1 ; . 1 1 x x x T t t t ttQ Q Q Q V DT T Q Q E E e E e i e i e R R R e e                1 1 1 x x T t tQ Q T Q E e I e R e               1 ; 1 . x xt t tt Q Q Q V D E E i e i e e R R                    (a) Liên tục; (b) Gián đoạn. 4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều 4.2.1 Các bộ băm xung áp (Chopper)  Tải có sức phản điện động:  Khi V thông:  Khi V không thông: 1. Chế độ dòng liên tục:  Sơ đồ bộ băm xung khi tải có s.p.đ.đ.  Độ đập mạch dòng tải không phụ thuộc vào Ed: 10/02/2011 27 d di iR L E E dt    d di iR L E dt    1 ; 1 1 . 1 x x x T t tQ Qd V T Q t t tQ Q D T d Q E E E e i e R R e E E e i e E R e                   1 1 1 x x T t tQ Q T Q E e I e R e               4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều 4.2.1 Các bộ băm xung áp (Chopper)  Tải có sức phản điện động: 2. Chế độ dòng gián đoạn:  3. Chế độ tới hạn: Dòng sẽ gián đoạn với mọi tx nhỏ hơn hoặc bằng tx,th. 10/02/2011 28   1 ; . x x t d Q V t t t Q Qd d D E E i e R E E E E i e e R R R                       I , 1 ln T Q d x th E E e t Q E         (a) Dòng liên tục. (b) Dòng gián đoạn. Cần hiểu được ở mức độ cơ bản vai trò của các BBĐ nguồn DC- DC. Phân biệt được chế độ làm việc với các bộ băm xung. Nắm được các sơ đồ DC-DC cơ bản. Thiết kế các BBĐ DC-DC 10/02/2011 29 4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC Đặc điểm chung  Dựa trên nguyên lý băm xung áp.  Đầu ra phải có tụ đủ lớn để san bằng điện áp trên tải.  Nếu bộ băm xung áp dùng để điều chỉnh dòng điện một chiều ra tải (nguồn dòng) thì bộ biến đổi nguồn DC-DC dùng để điều chỉnh điện áp ra tải (nguồn áp).  Có thể coi trong một khoảng thời gian đủ nhỏ, vài chu kỳ cắt mẫu, điện áp ra là không đổi.  Giả thiết này cho phép đơn giản hóa tối đa quá trình phân tích các sơ đồ DC-DC.  Các sơ đồ thực tế còn nhiều vấn đề cần xem xét. 10/02/2011 30 4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.1 BBD DC-DC nối tiếp (Buck Converter)  BBĐ giảm áp:  Khi V mở:  Khi V khóa dòng qua cuộn cảm L nối vòng qua điôt D0:  Giả thiết Ut=const, dòng qua cuộn cảm thay đổi tuyến tính.  Bộ biến đổi nguồn DC-DC nối tiếp.(a) Sơ đồ nguyên lý; (b) Đồ thị dạng dòng điện, điện áp. 10/02/2011 31 I L t di L E U dt   L t di L U dt   min0 : I t x L E U t t i t L       max: I tx L x U t t T i t t L      max minI I I t x E U t L      x t t U E T  4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.2 BBD DC-DC song song (Boost Converter)  BBĐ tăng áp  Khi V mở:  Khi V khóa dòng qua cuộn cảm L nối vòng qua điôt D0:  Giả thiết Ut=const, dòng qua cuộn cảm thay đổi tuyến tính.  Bộ biến đổi nguồn DC-DC song song.(a) Sơ đồ nguyên lý; (b) Đồ thị dạng dòng điện, điện áp. 10/02/2011 32 L t di L E U dt   LdiL E dt  min0 : Ix L E t t i t L      max: I tx L x E U t t T i t t L       t x T U E T t   I max minI I I x E t L     4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.3 BBD DC-DC nối tiếp - song song  BBĐ tăng, giảm áp (Buck-Boost Converter). Cực tính điện áp đảo ngược lại.  Khi V mở:  Khi V khóa dòng qua cuộn cảm L nối vòng qua điôt D0:  Giả thiết Ut=const, dòng qua cuộn cảm thay đổi tuyến tính.  Bộ biến đổi nguồn DC-DC nối tiếp song song.(a) Sơ đồ nguyên lý; (b) Đồ thị dạng dòng điện, điện áp. 10/02/2011 33 L t di L U dt   LdiL E dt  min0 : Ix L E t t i t L      max: I tx L x U t t T i t t L      x t x t U E T t   max minI I I x E t L     I 4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.4 Tính toán thiết kế BBD DC-DC  Hệ số lấp đầy xung (Duty Ratio)  Tần số làm việc f=1/T. Thông thường f cỡ vài chục đến vài trăm kHz. Thường chọn f cỡ 20kHz trở lên để tiếng ồn tai người không còn nghe thấy.  Thiết kế theo các yêu cầu cho trước:  Điện áp đầu vào, đầu ra: Uin, Uo.  Dòng đầu ra định mức: Io .  Độ đập mạch điện áp đầu ra: Δuo. Thông thường Δuo =(0,1 – 1)%Uo.  Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm.  Thông thường ΔiL=(10 – 30)%IL.  Nhiệm vụ thiết kế:  Xác định các tham số của mạch, giá trị điện cảm L, tụ C.  Xác định dòng đỉnh (Ipeak) qua van, điôt.  Xác định dòng trung bình qua van và điôt để tính toán chế độ nhiệt.  Tính toán hiệu suất của BBĐ.  Tính toán giá thành sản phẩm.  Thiết kế các mạch vòng điều chỉnh dòng điện, điện áp.  Mô hình hóa BBĐ.  Mô hình tín hiệu lớn.  Mô hình tín hiệu nhỏ.  Tổng hợp các mạch vòng. 10/02/2011 34 xtD T  4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.4 Tính toán thiết kế BBD DC-DC  Buck converter  Hệ số điều chế:  Điện áp đầu ra:  Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm:  Trong Buck Converter dòng trung bình qua cuộn cảm chính bằng dòng tải yêu cầu IL=Io   Đồ thị để tính toán gần đúng độ đập mạch dòng điện và điện áp.  Khi dòng iL>IL tụ được nạp. Khi iL<IL tụ phóng điện ra tải. Dòng trung bình nạp cho tụ làm điện áp tụ tăng lên Δuo trong thời gian ½(ton+toff) chính là 1/4ΔiL. 10/02/2011 35   ; ; 1 x on s on off on s off s t t D T t t t DT t D T       x o in in t U U DU T       on L in o s in o t i U U L DT U U L      4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.4 Tính toán thiết kế BBD DC-DC  Buck converter  Độ đập mạch của điện áp trên tụ được tính gần đúng bằng:  Thay ΔiL vào, ta có:  Từ hai biểu thức trên đây chọn trước độ đập mạch dòng ΔiL suy ra biểu thức tính cuộn cảm L và sau đó là tụ C.  Lựa chọn van bán dẫn, MOSFET và điôt:  Chọn van theo dòng điện đỉnh qua van Ipeak=IL+ΔiL/2 và dòng trung bình qua van.  Dòng trung bình qua MOSFET:  IV=IL*ton/Ts=DIL.  ID=IL*toff/Ts=(1-D)IL.  Các yếu tố thực tế phải xem xét:  Tần số càng cao thì điện cảm và tụ điện càng nhỏ.  Giá trị điện áp ra ảnh hưởng mạnh đến giá trị cuộn cảm và tụ. Uo càng nhỏ so với Uin thì cuộn cảm và tụ càng phải lớn. 10/02/2011 36 1 4 2 8 on offL s o L t ti T u i C C          2 2 1 8 s on o in T U u LC U           2 1 os ins in o L U T UDT U U i L L          4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.4 Tính toán thiết kế BBD DC-DC  Buck converter  Các yếu tố thực tế phải xem xét:  Khi chọn tụ điện phải tính được giá trị hiệu dụng dòng qua tụ, đó chính là thành phần đập mạch của dòng qua cuộn cảm. Từ dòng hiệu dụng sẽ tính được tổn thất trên điện trở tác dụng nối tiếp với tụ (ESR – Effective Series Resistance). ESR cho bởi nhà sản xuất tụ điện.  Với dạng dòng hình tam giác qua tụ, trị hiệu dụng bằng:  Tổn thất trên điện cảm gồm tổn thất trên mạch từ, có thể lấy được từ nhà sản xuất, và tổn thất trên điện trở dây cuốn, thường rất nhỏ. Do đó cũng cần tính toán dòng hiệu dụng qua cuộn cảm. Đó là dòng điện có dạng hình thang vuông, tính toán không có gì khó. 10/02/2011 37 2/ 2 1 1 3 2 3 L s o C in i T U I L U         4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.4 Tính toán thiết kế BBD DC-DC  Đối với Boost converter và Buck-Boost converter phương pháp tính toán cũng tương tự, hoàn toàn có thể suy ra được. 10/02/2011 38