Bài giảng Điện tử công suất - Chương 4: Các bộ biến đổi điện áp - Trần Trọng Minh

06/04/2011 Ts. Trần Trọng Minh Bộ môn Tự đông hóa, Khoa Điện, ĐHBK Hà nội Hà nội, 9 - 2010 2/18/2011 1 4.1 Các bộ điều áp xoay chiều • Các bộ điều áp xoay chiều cơ bản • Công tắc tơ điện tử và khởi động mềm 4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều 4.2.1 Băm xung áp một chiều 4.2.2 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 2/18/2011 2 1 06/04/2011 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 4.1. 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 2 06/04/2011 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.1 Các sơ đồ van  (a) Cặp thyristor song song ngược.  (b) Cầu điôt.  (c) Triac. 2/18/2011 5 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.2 XAAC 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):   12 1 2   sin 2  U Um sin d   U 1  cos 2  d   U o  1 1   1    2      2      2   Đồ thị dạng dòng điện, điện áp trong XAAC. (a) Tải thuần trở; (b) Tải trở cảm. 2/18/2011 6 3 06/04/2011 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.2 XAAC một pha  2. Tải trở cảm  Khi một tirsto nào đó thông, tải RL được nối vào nguồn xoay chiều. di Ri X  U m sin L d 1 2 2 X L  Nghiệm của phương trình: ZRX   L ; Q  ;   arctgQ R   U m   i1 sin    e Q sin      Z    Phương trình xác định góc dẫn của van;   sin    e Q sin      0 2/18/2011 7 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.2 XAAC một pha  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. 2/18/2011 8 4 06/04/2011 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.2 XAAC một pha  Biên độ của dòng qua  Dạng dòng qua cuộn cảm cuộn cảm: phụ thuộc góc . V 2 1 I ( ) (1    sin 2  ) L L    Điện dẫn thay thế tương đương: 1 2 1 B ()  (1    sin 2) L L    Theo điện dẫn tương đương có thể xây dựng hệ thống điều khiển SVC. 2/18/2011 9 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.3 XAAC ba pha  Sơ đồ van 2/18/2011 10 5 06/04/2011 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.3 XAAC ba pha  Phân tích sơ đồ với tải  Ví dụ phân tích dạng điện thuần trở: áp trên tải trở với góc  Góc điều khiển tính các =30 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. 2/18/2011 11 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.3 XAAC ba pha  Phân tích sơ đồ với tải  Dạng dòng, áp 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: 0  60  Có các giai đoạn 3 van và 2 van cùng dẫn.   60  90  Chỉ có các giai đoạn 2 van cùng dẫn. 90  150   Có 2 van dẫn hoặc không có van nào dẫn cả. 2/18/2011 12 6 06/04/2011 4.1. Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.3 XAAC ba pha  Phân tích sơ đồ với tải trở  Vấn đề điều khiển các cảm. BBĐ xung áp xoay chiều:  Một nhiệm vụ khó khăn  Hệ thống điều khiển phát vì khoảng dẫn của van xung được xây dựng phụ thuộc vào tính chất giống như đối với các sơ của tải và vào góc điều đồ chỉnh lưu tương ứng, khiển . một pha, ba pha.  Các phương pháp giải  Phải có hệ thống phát tích chỉ đúng được cho xung tạo nên góc  thay một tham số của tải. đổi, đồng bộ với điện áp  Có thể dùng mô phỏng để xoay chiều. nghiên cứu sơ đồ.  XAAC và chỉnh lưu gọi chung là các BBĐ phụ thuộc. 2/18/2011 13 Ứng dụng của điều áp xoay chiều 4.1.4 Công tắc xoay chiều 1 pha 2/18/2011 14 7 06/04/2011 Ứng dụng của điều áp xoay chiều 4.1.4 Công tắc xoay chiều 1 pha Cấu trúc một bộ contact xoay chiều 1 pha, đóng cắt đồng bộ với thời điểm điện áp lưới qua zero 2/18/2011 15 Ứng dụng của điều áp xoay chiều 4.1.5 Công tắc xoay chiều 3 pha 2/18/2011 16 8 06/04/2011 Ứng dụng của điều áp xoay chiều 4.1.5 Công tắc xoay chiều 3 pha Cấu trúc một bộ contact xoay chiều 3 pha 2/18/2011 17 Ứng dụng của điều áp xoay chiều 4.1.6 Khởi động mềm  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 18 9 06/04/2011 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. 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     2 10/02/2011 19 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 20 10 06/04/2011 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. 180 360  F. Điện áp sau khâu so sánh. G. Dạng xung sau bộ chia xung.  H. Xác định độ rộng xung điều khiển. Q  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 21 4.1 Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.7 Hệ thống điều khiển phát xung 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. 10/02/2011 22 11 06/04/2011 4.1 Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều 4.1.7 Hệ thống điều V khiển phát xung 0 SYNC V10 Đồ thị dạng xung của V11 TCA785. 0 0V Các mạch tạo răng cưa tích hợp bên trong IC. Sườn và V15 Q2 độ dốc của răng cưa xác định V Q1 bằng giá trị tụ đua vào ở 14 chân số 10. V15 Q2 (nếu chân 12 nối xuống GND Tín hiệu điều khiển đưa vào V14 Q1 (nếu chân 12 ở chân 11. nối xuống GND Tín hiệu ra điều khiển V2 Q1 Nếu chân 12 thyristor ở chân V14, V15. nối xuống GND V4 Q2 (Nếu chân 12 nối xuống GND ) V3 V7 0  180 10/02/2011 23 Cần hiểu được tầm quan trọng của các BBĐ xung áp một chiều. Nắm rõ các phạm vi ứng dụng của các loại BBD. 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 24 12 06/04/2011 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 25 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 26 13 06/04/2011 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  Sơ đồ bộ băm xung áp. 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  Từ 0 đến t : V thông, nối tải V khoá. x vào nguồn, Ut = E;  Từ t đến T: V khoá lại, tải di x  Khi V thông: iR L  E bị cắt khỏi nguồn. Nếu tải dt có tính cảm, dòng tải phải di tiếp tục duy trì qua điôt D0,  Khi V khóa: iR L  0 dt Ut = 0. 10/02/2011 27 4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều 4.2.1 Các bộ băm xung áp (Chopper)  Ứng dụng:  Sơ đồ bộ băm xung áp.  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  Từ 0 đến tx: V thông, nối tải điều khiển các máy điện vào nguồn, Ut = E; một chiều công suất nhỏ.  Từ tx đến T: V khoá lại, tải  Chính vì vậy ta xét hai loại bị cắt khỏi nguồn. Nếu tải tải: có tính cảm, dòng tải phải  1. Trở cảm (cuộn cảm). tiếp tục duy trì qua điôt D0, U = 0.  2. Tải có s.p.đ.đ (máy điện). t 10/02/2011 28 14 06/04/2011 4.2 Các bộ biến đổi xung áp một chiều 4.2.1 Các bộ băm xung áp (Chopper)  Tải trở cảm  Đồ thị dạng dòng điện, điện áp.  1. Chế độ dòng liên tục: T tx t x t  t t QQ  x E E e1QQ E 1  e iVD TT e;. i  e RRR  1eQQ 1  e T tx  t Q  x  E e 1 Q I T  e 1  I R    1 e Q    2. Chế độ dòng gián đoạn: t t t t EE   x   x i1  eQQQ ; i  1  e  e . VD    RR    (a) Liên tục; (b) Gián đoạn. 10/02/2011 29 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:  Sơ đồ bộ băm xung khi tải có  Khi V thông: s.p.đ.đ. di iR L  E  E dt d  Khi V không thông: di iR L   E dt d 1. Chế độ dòng liên tục: T tx  Độ đập mạch dòng tải không  t Q  E Ed E e 1 Q phụ thuộc vào Ed: iV   T e ; RR  T tx Q  t 1 e Q  x  E e 1 Q tx I T  e 1   t t    Q  x R Q E E1 e Q 1 e   iD    T e . ER  d 1 e Q 10/02/2011 30 15 06/04/2011 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:  3. Chế độ tới hạn: Dòng sẽ 2. Chế độ dòng gián đoạn: gián đoạn với mọi tx nhỏ hơn t hoặc bằng tx,th.   EE d  Q iV 1  e  ;   T R     E E e Q 1  t t t d x   x   EEEEd d QQ   i    e  e . tx, th  Q ln D   E RRR  (a) Dòng liên tục. (b) Dòng gián I đoạn. 10/02/2011 31 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 32 16 06/04/2011 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 33 4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.1 BBD DC-DC nối tiếp (Buck Converter)  BBĐ giảm áp:  Bộ biến đổi nguồn DC-DC nối tiếp.(a) di Sơ đồ nguyên lý; (b) Đồ thị dạng dòng  Khi V mở: LEUL   dt t điện, điện áp.  Khi V khóa dòng qua cuộn cảm L nối vòng qua điôt D0: di LUL   dt t  Giả thiết Ut=const, dòng qua cuộn cảm thay đổi tuyến tính. EU 0t  t : i  I  t t x L min L U t t  T:I i  t  t  t  x Lmax L x EU I III    t t max min L x t UE x t T 10/02/2011 34 17 06/04/2011 4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.2 BBD DC-DC song song (Boost Converter)  BBĐ tăng áp  Bộ biến đổi nguồn DC-DC song diL  Khi V mở: LE song.(a) Sơ đồ nguyên lý; (b) Đồ thị dt dạng dòng điện, điện áp.  Khi V khóa dòng qua cuộn cảm L nối vòng qua điôt D0: di LEUL   dt t  Giả thiết Ut=const, dòng qua cuộn cảm thay đổi tuyến tính. E 0t  t : i  I  t x L min L EU t t  T:I i  t  t  t  x Lmax L x E III    t I max min L x T UEt  T tx 10/02/2011 35 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  Bộ biến đổi nguồn DC-DC nối tiếp Converter). Cực tính điện áp đảo song song.(a) Sơ đồ nguyên lý; (b) Đồ ngược lại. thị dạng dòng điện, điện áp. di  Khi V mở: LEL  dt  Khi V khóa dòng qua cuộn cảm L nối vòng qua điôt D0: di LUL   dt t  Giả thiết Ut=const, dòng qua cuộn cảm thay đổi tuyến tính. E 0t  t : i  I  t x L min L U t t  T:I i  t  t  t  x Lmax L x E III    t max min L x I tx UEt  T tx 10/02/2011 36 18 06/04/2011 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)  Thông thường ΔiL=(10 – 30)%IL. t  Nhiệm vụ thiết kế: D  x T  Xác định các tham số của mạch, giá trị điện cảm L, tụ C.  Tần số làm việc f=1/T. Thông thường f cỡ vài chục đến vài trăm  Xác định dòng đỉnh (Ipeak) qua van, điôt. kHz. Thường chọn f cỡ 20kHz trở lên để tiếng ồn tai người không  Xác định dòng trung bình qua van và điôt để tính toán chế độ nhiệt. còn nghe thấy.  Tính toán hiệu suất của BBĐ.  Thiết kế theo các yêu cầu cho  Tính toán giá thành sản phẩm. trước:  Thiết kế các mạch vòng điều chỉnh  Điện áp đầu vào, đầu ra: U , U . in o dòng điện, điện áp.  Dòng đầu ra định mức: I . o  Mô hình hóa BBĐ.  Độ đập mạch điện áp đầu ra: Δu . o  Mô hình tín hiệu lớn. Thông thường Δuo =(0,1 – 1)%Uo.  Mô hình tín hiệu nhỏ.  Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm.  Tổng hợp các mạch vòng. 10/02/2011 37 4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.4 Tính toán thiết kế BBD DC-DC  Buck converter  Đồ thị để tính toán gần đúng độ t t đập mạch dòng điện và điện áp.  Hệ số điều chế: D x  on ; Ts t on t off ton DT s; t off  1  D T s t  Điện áp đầu ra: Ux U  DU oT in in  Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm: t  i on  U  U  LL in o DT U U   s in o L  Độ đập mạch của điện áp trên tụ: với giả thiết điện áp trên tụ đập  Khi dòng iL>IL tụ được nạp. Khi mạch rất nhỏ có thể tính toán độ iL<IL tụ phóng điện ra tải. Dòng đập mạch. Dòng trung bình qua trung bình nạp cho tụ làm điện áp cuộn cảm chính là dòng tải IL=Io. tụ tăng lên Δuo trong thời gian ½(ton+toff) chính là 1/4ΔiL. 10/02/2011 38 19 06/04/2011 4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.4 Tính toán thiết kế BBD DC-DC  Buck converter  Lựa chọn van bán dẫn, MOSFET  Độ đập mạch của điện áp trên tụ và điôt: được tính gần đúng bằng:  Chọn van theo dòng điện đỉnh qua 1 iLton t off  T s van Ipeak=IL+ΔiL/2 và dòng trung uo     i L CC4 2  8 bình qua van.  Dòng trung bình qua MOSFET:  Thay ΔiL vào, ta có: 2  U o  IV=IL*ton/Ts=DIL. Ts 1  DTs U in U o  Uin   ID=IL*toff/Ts=(1-D)IL. iL   LL  Các yếu tố thực tế phải xem xét: 2 2 TUs on   Tần số càng cao thì điện cảm và tụ uo 1   8LC Uin  điện càng nhỏ.  Từ hai biểu thức trên đây chọn  Giá trị điện áp ra ảnh hưởng mạnh đến giá trị cuộn cảm và tụ. Uo trước độ đập mạch dòng ΔiL suy ra biểu thức tính cuộn cảm L và sau càng nhỏ so với Uin thì cuộn cảm đó là tụ C. và tụ càng phải lớn. 10/02/2011 39 4.3 Các bộ biến đổi nguồn DC-DC 4.3.4 Tính toán thiết kế BBD DC-DC  Buck converter  Tổn thất trên điện cảm gồm tổn  Các yếu tố thực tế phải xem xét: thất trên mạch từ, có thể lấy được từ nhà sản xuất, và tổn thất trên  Khi chọn tụ điện phải tính được điện trở dây cuốn, thường rất nhỏ. giá trị hiệu dụng dòng qua tụ, đó Do đó cũng cần tính toán dòng chính là thành phần đập mạch của hiệu dụng qua cuộn cảm. Đó là dòng qua cuộn cảm. Từ dòng hiệu dòng điện có dạng hình thang dụng sẽ tính được tổn thất trên vuông, tính toán không có gì khó. điện trở tác dụng nối tiếp với tụ (ESR – Efective Series Resistance). ESR cho bởi nhà sản xuất tụ điện.  Với dạng dòng hình tam giác qua tụ, trị hiệu dụng bằng: 2 iL/ 2 1 T s U o  IC  1   3 2 3 LUin  10/02/2011 40 20 06/04/2011 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 41 21