Bài giảng Bộ biến đổi điện áp một chiều (Bản đẹp)

Nội dung text: Bài giảng Bộ biến đổi điện áp một chiều (Bản đẹp)

1. Chương 4 BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 1
2. Bộ biến đổi điện áp một chiều Trong nhiều ứng dụng công nghiệp, cần thiết phải biến đổi nguồn dc cố định thành nguồn dc thay đổi được. Một bộ biến đổi như vậy được gọi là bộ biến đổi điện áp một chiều. Bộ biến đổi kiểu này, về mặt chức năng, có thể xem như tương đương với một biến áp xoay chiều có thể điều chỉnh điện áp ra một cách liên tục. Cũng giống như biến áp, bộ biến đổi điện áp một chiều có thể dùng để tăng hoặc giảm điện áp từ nguồn dc ngõ vào. Bộ biến đổi điện áp một chiều có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng. Chúng có thể được dùng để điều khiển động cơ trong xe điện, cầu trục, thiết bị khai thác mỏ, v.v Chúng cũng có thể sử dụng trong các bộ nguồn dc cung cấp cho các thiết bị điện tử. 2
3. Bộ biến đổi điện áp một chiều Chương này gồm hai phần chính: Phần 1: khảo sát các bộ biến đổi dc-dc căn bản: ▪ Bộ biến đổi dc-dc kiểu giảm áp ▪ Bộ biến đổi dc-dc kiểu tăng áp ▪ Bộ biến đổi dc-dc kiểu đảo dòng ▪ Bộ biến đổi dc-dc kiểu đảo áp ▪ Bộ biến đổi dc-dc kiểu tổng quát Phần 2: khảo sát ứng dụng của bộ biến đổi điện áp một chiều dùng làm nguồn một chiều kiểu đóng ngắt (Switching Mode Power Supplies) 3
4. Bộ biến đổi điện áp một chiều Ví dụ ứng dụng: sơ đồ khối bộ ổn áp DC dùng bộ biến đổi điện áp một chiều Điện áp dc Điện áp dc Điện áp dc Nguồn Chỉnh (không ổn định) (không ổn định) Bộ biến đổi (ổn định) Tụ lọc Tải xoay chiều lưu điện áp DC Nguồn acquy 4
5. Điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều ut U Ut U T1 T2 Ut T Nguyên lý hoạt động của một bộ biến đổi điện áp một chiều 5
6. Điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều Ut* (t/h đặt) uđk Tín hiệu U (t/h điều khiển t Bộ so sánh hồi tiếp) khóa bán dẫn vustp (sóng răng cưa) a. Nguyên lý mạch tạo tín hiệu PWM u vspt (sóng răng cưa) uđk Up uđk > up Tín hiệu điều khiển khóa bán dẫn T1 uđk < up T2 T b. Dạng sóng ngõ vào và ngõ ra của bộ so sánh 6 Nguyên lý mạch điều rộng xung (PWM)
7. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU CƠ BẢN 7
8. Bộ giảm áp 8
9. Bộ giảm áp Chế độ dòng liên tục: ▪ Điện áp ra ut có dạng xung ▪ Giá trị trung bình của điện áp ngõ ra: 1 T UT+ 0 T T U= u. dt =1 2 = U 1 = U tt TTT0 T  = 1 : duty ratio (tỉ số điều chế) T T 0  =1 1 0 UU T t ▪ Dòng trung bình ngõ ra: U − E I = t t R 9
10. Bộ giảm áp Chế độ dòng gián đoạn: ▪ Tính thời gian S dẫn qua công thức: U T1 L t = .ln e  −1 +1 ,  = 2 E R ▪ Điện áp trung bình ngõ ra: T T − t t U = U. 1 + E. 2 = U. + E.(1 − 2 ) t T T T 10
11. Bộ giảm áp Góc phần tư làm việc 11
12. Bộ tăng áp 12
13. Bộ tăng áp ▪ Điện áp ra ut có dạng xung ▪ Giá trị trung bình của điện áp ngõ ra: 1 T 0T+ UT T U= u. dt =1 2 = U 2 = U (1 − ) tt TTT0 T  = 1 : duty ratio (tỉ số điều chế) T ▪ Nếu xem: - Ut là điện áp phía nguồn cấp năng lượng (E) - U là điện áp phía tải nhận năng lượng U Ta có: U = t U 1 −  t 13
14. Bộ biến đổi kép dạng đảo dòng 14
15. Bộ biến đổi kép dạng đảo dòng 1.5 1 1 S1 S 0.5 0 1.5 2 1 S4 S 0.5 0 300 200 ut d v 100 0 20 d it i 10 0 20 S 10 i i 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 -3 Time (s) x 10 Đáp ứng của hệ thống Chopper lớp C + động cơ DC kích từ độc lập 15 S1, S4: dạng xung kích, ut: điện áp ngõ ra, it: dòng ngõ ra, i: dòng nguồn (Lư = 10mH, Rư = 0.25 W, fsw = 1000Hz  = 0.47, V = 240V, E = 110V) Iư > 0
16. Bộ biến đổi kép dạng đảo dòng 1.5 1 1 S1S 0.5 0 1.5 1 2 S4S 0.5 0 300 d 200 ut v 100 0 0 d it i -10 -20 0 S i i -10 -20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 -3 Time (s) x 10 Đáp ứng của hệ thống Chopper lớp C + động cơ DC kích từ độc lập S1, S4: dạng xung kích, ut: điện áp ngõ ra, it: dòng ngõ ra, i: dòng nguồn 16 (Lư = 10mH, Rư = 0.25 W, fsw = 1000Hz  = 0.44, V = 240V, E = 110V) Iư < 0
17. Bộ biến đổi kép dạng đảo dòng 1.5 1 1 S S 1 0.5 0 1.5 2 1 S4S 0.5 0 300 d 200 u v t 100 0 50 d it i 0 -50 50 S i i 0 -50 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Time (s) Đáp ứng của hệ thống Chopper lớp C + động cơ DC kích từ độc lập S1, S4: dạng xung kích, ut: điện áp ngõ ra, it: dòng ngõ ra, i: dòng nguồn (Lư = 10mH, Rư = 0.25 W, fsw = 100Hz 17  = 0.44, V = 240V, E = 110V) Iư > 0
18. Bộ biến đổi kép dạng đảo dòng - Điện áp ra thay đổi giữa +U và 0 → luôn luôn >0. - Dòng tải có thể đổi chiều - Luôn hoạt động ở chế độ dòng liên tục Điện áp trung bình ngõ ra: T1 Ut = U. = U. ; T1: thời gian S1 dẫn, T: chu kỳ đóng ngắt T 18
19. Bộ biến đổi kép dạng đảo áp Tính liên tục hoặc gián đoạn của dòng tải phụ thuộc vào thông số tải (R, L, E) và tỉ số điều chế. Dòng tải chỉ chạy theo một chiều, áp trên tải có thể đổi chiều. 19
20. Bộ biến đổi kép dạng đảo áp Giản đồ kích 1: - S1 đóng cắt trong mỗi chu kỳ,  = TT1 (T1: thời gian đóng khóa S1), T1 - S2: dẫn liên tục, điện áp trung bình ngõ ra: UUU== t T → Tải nhận năng lượng từ nguồn ()TT− 1 - S2: tắt liên tục, điện áp trung bình ngõ ra: UUU= − = −(1 −  ) t T → Tải trả năng lượng về nguồn 20
21. Bộ biến đổi kép dạng đảo áp Giản đồ kích 2: - S1, S2 cùng dẫn trong khoảng T1 và tắt trong khoảng T-T1, 2T1 - Điện áp trung bình ngõ ra: UUUt =( − 1) = (2 − 1) T 21
22. Bộ biến đổi kép dạng tổng quát 22
23. Bộ biến đổi kép dạng tổng quát Giản đồ kích 1: - Kích từng cặp: (S1, S2) và (S3, S4) - S1 và S4) kích ngược pha nhau, - (S2 và S3) kích ngược pha nhau, - Dòng ngõ ra có thể chạy theo cả hai chiều - Điện áp ngõ ra biến thiên giữa –U và U - Giá trị trung bình điện áp ngõ ra (ở chế độ dòng liên tục): 2.T1 UUUt =( − 1) = (2 − 1) T 23
24. Bộ biến đổi kép dạng tổng quát Giản đồ kích 2: Để điện áp ra >0: - S1= ON, S2 = OFF, - S2, S3 đóng cắt ngược pha nhau - Giá trị trung bình điện áp ngõ ra (ở chế độ dòng liên tục): T1 UUU== ; với T1: thời gian S2 dẫn t T Để điện áp ra <0, giản đồ xung kích lúc này ra sao? 24
25. Mạch lọc cho bộ biến đổi điện áp một chiều 25
26. Mạch lọc cho bộ biến đổi điện áp một chiều Mạch lọc ngõ vào: Giả thiết bộ biến đổi được điều khiển theo phương pháp tần số đóng ngắt không đổi (T = const), Tụ lọc Cf chọn theo: It max Ittmax L i max C f hay C f 4 fU c max UU cmax Trong đó: ▪ fT=1 ▪ L laø caûm khaùng maïch taûi (L=Lph+Lt) ▪ imax laø ñoä nhaáp nhoâ lôùn nhaát cho pheùp cuûa doøng ñieän taûi. ▪ Itmax là dòng tải cực đại, ▪ Ucmax là nhấp nhô điện áp cho phép lớn nhất trên Cf 26
27. Mạch lọc cho bộ biến đổi điện áp một chiều Mạch lọc ngõ ra: Giả thiết cần lọc phẳng dòng ngõ ra it L Nếu:  = T (L: cảm kháng tải, R: điện trở tải), R U Cần chọn sao cho: i 4.f .L max 27
28. Ví dụ tính toán Ví duï 4.1: Boä giaûm aùp caáp nguoàn aùp cho phaàn öùng cuûa ñoäng cô DC kích töø ñoäc laäp. Nguoàn moät chieàu U = 220V, taàn soá ñoùng ngaét f = 500Hz. Đoäng cô coù Rö = 2W. söùc ñieän ñoäng tính theo công thức E = 1,253. [V;rad/s]. Điện cảm Lư khá lớn để dòng động cơ luôn liên tục Dòng ñoäng cô luoân baèng ñònh möùc, töùc It = Iödm=11,6[A] a. Tính tæ soá T1/T khi vaän toác ñoäng cô laø 1000 voøng/phuùt b. Tính ñieän aùp taûi nhoû nhaát ôû cheá ñoä doøng taûi lieân tuïc, Töø ñoù xaùc ñònh thôøi gian ñoùng toái thieåu T1 cuûa cheá ñoä doøng lieân tuïc. Xung kích S T1 T t ut it U 28 t
29. Ví dụ tính toán Xung kích S T1 T t ut it U t 29
30. Ví dụ tính toán Giaûi: a. Tính tỉ số T1/T cần thiết 2 .n 2 .1000  = = = 104,72[rad / s] 60 60 E = 1,253. = 1,253.104,72 = 131,21[V ] ÔÛ cheá ñoä xaùc laäp Ut = Rö.It + E U t = 2.11,6 + 131,21 = 154,4[V] T Vôùi doøng taûi lieân tuïc U = 1 .U t T T U 154,4 Töø ñoù: 1 = t = = 0,7018 T U 220 b.- Ñieän aùp taûi nhoû nhaát khi E → 0. Luùc ñoù: Ut min = Rö.It = 2.11,6 = 23,2[V] U 1 U 1 23 ,2 Töø ñoù:T = T. t min = . t min = . = 2,1.10 −4 [ s] 1 min U f U 500 220 30
31. Ví dụ tính toán Ví duï 4.2 Cho boä giaûm aùp caáp nguoàn cho ñoäng cô moät chieàu kích töø ñoäc laäp. Nguoàn moät chieàu U = 220V. Taûi coù Rö = 0, Lö = 32,5 mH, E =1,253. vôùi  [rad/s] laø vaän toác ñoäng cô. Taàn soá ñoùng ngaét boä giaûm aùp f = 500Hz. Cho bieát doøng taûi lieân tuïc vaø maïch ôû xaùc laäp T1 1. Tính tæ soá  = khi vaän toác ñoäng cô n = 1500 v/ph. T 2. Goïi ittmin vaø itmax laø trò nhoû nhaát vaø lôùn nhaát cuûa doøng ñieän qua taûi. Tính hieäu it = itmax - itmin 3. Ñeå giaûm bôùt ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän it sao cho it < 1A, caàn phaûi theâm caûm khaùng phuï baèng bao nhieâu 4. Trong tröôøng hôïp khoâng söû duïng theâm caûm khaùng phuï, caàn phaûi ñieàu chænh taàn soá ñoùng ngaét nhö theá naøo ñeå it < 1A 5. Moät caùch toång quaùt, khi E thay ñoåi trong khoaûng ( 0, +U), tìm ñieàu kieän veà f vaø L ñeå ñoä nhaáp nhoâ doøng ôû xaùc laäp thoûa ñieàu kieän it < itmax 31
32. Ví dụ tính toán Xung kích S T1 T t ut itmax it U itmin t 32
33. Ví dụ tính toán Giaûi: T1 1.- Tính tæ soá  = khi vaän toác ñoäng cô n = 1500 v/ph T n 1500 Ta có:  = 2 . = 2 . = 157[rad / s] 60 60 ÔÛ cheá ñoä xaùc laäp Ut = E = 1,253. = 1,253. 157 = 196,8[V] T Ôû cheá ñoä doøng lieân tuïc: U = U. 1 = U. t T E 196 ,8 Töø ñoù: U = U. = E  = = = 0,8946 t U 220 33
34. Ví dụ tính toán 2.- Tính hieäu it = itmax - itmin Khi coâng taéc S ñoùng: di u = U = L. t + E t dt U − E hay: di = .dt t L Trong khoaûng thôøi gian ñoùng coâng taéc S: dòng tăng từ itmin ñeán it max . Laáy tích phaân hai veá cuûa phöông trình trong khoaûng ñoùng S. U − E i = i − i = .T t t max t min L 1 T Do 1 =  = T .f neân: T 1 U − E  220 −196 ,8 0,8946 i = . = . =1,277 [ A] t L f 0,0325 500 34
35. Ví dụ tính toán 3.- Tính Lph sao cho it < 1A, Ñeå giaûm ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän it < itmax = 1A. Ta phaûi coù: U − E  . i L f t max U − E  L . i t max f 220 −196 ,8 0,8946 L . = 0,0415 [H ] 1 500 Töø ñoù caûm khaùng phuï theâm vaøo toái thieåu baèng: Lph min = L - Lu = 0,0415 - 0,0325 = 0,009 [H] = 9 [mH] 4.- Nếu giaûm ñoä nhaáp nhoâ doøng ñieän baèng caùch thay ñoåi taàn soá ñoùng ngaét f, ta coù: U − E 220 −196 ,8 f . = .0,8946 = 648 ,5[Hz ] it max .L 1.0,0325 Nhö vaäy taàn soá f phaûi lôùn hôn 649 Hz 35
36. Ví dụ tính toán 5.- Ta coù: U − E  U − .U  U i = . = . = (1 − ). t L f L f L.f 1 1 Do haøm (1 -  ) coù trò cöïc ñaïi baèng khi = neân : 4 2 U U 1 i = ..(1 − ) . t L.f L.f 4 Ñieàu kieän ñeå it 55 {H.HZ] 36
37. Ví dụ tính toán Ví du 4.3 Cho boä bieán ñoåi moät chieàu keùp daïng ñaûo doøng. Nguoàn moät chieàu U = 230 V. Taûi laø ñoäng cô moät chieàu kích töø ñoäc laäp Rö L E, T1 Biết Rö = 0,1 W. E = 220V . Tính tæ soá  = khi: T 1. Dòng trung bình qua động cơ là 100A 2. Dòng trung bình qua động cơ là -100A 37
38. Ví dụ tính toán Giải: Ta có: UURIEt= = u t + 1. Trường hợp It = 100A: Ut= R u I t + E =0.1 x 100 + 220 = 230 V T Vậy tỉ số  = 1 cần thiết là: T U 230  =t = =1 U 230 2. Trường hợp It = -100A: Ut= R u I t + E = −0.1 x 100 + 220 = 210 V Vậy tỉ số cần thiết là: U 210  =t = = 0.91 U 230 38