CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU-MỘT CHIỀU (Bộ biến đổi xung điện áp) 3. KHÁI NIỆM CHUNG Trong kỹ thuật điện cũng có nhiều trường hợp phải thực hiện quá trình biến đổi một điện áp một chiều không đổi thành một điện áp một chiều khác có giá trị điều chỉnh được trong phạm vi rộng. Để thực hiện quá trình biến đổi này người ta đã từng sử dụng nhiều phương pháp khác nhau. Phương pháp biến đổi cho hiệu suất cao, dùng được trong giải công suất từ nhỏ đến lớn và thực hiện điều chỉnh điện áp ra một cách thuận tiện nhất là sử dụng các BBĐ điện áp một chiều thành điện áp một chiều, thường gọi tắt là BBĐ một chiều-một chiều và cũng còn được gọi là xung điện áp hoặc trong một số tài liệu khác người ta gọi là bộ băm điện áp.
BBĐ một chiều-một chiều là thiết bị biến đổi điện năng ứng dụng các dụng cụ bán dẫn có điều khiển. Nguyên tắc hoạt động của BBĐ được minh hoạ bằng sơ đồ nguyên tắc hình 3. K id it ut it + Ud ut(nét liền) it(nét đứt) iDo Rt Ud ut D0 t Lt 0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 Et tđ tc Tck - Tck b a Hình 3.1: Sơ đồ nguyên tắc chung (a) và dạng điện áp, dòng điện trên tải (b) của BBĐ một chiều – một chiều Trong sơ đồ này khoá đóng cắt K đặc trưng cho BBĐ một chiều-một chiều; phụ tải gồm các phần tử: s.đ phụ tải Et (còn được gọi là sức phản điện động), điện trở tải Rt và điện cảm phụ tải Lt (thường gồm tự cảm của tải, ví dụ như điện cảm cuộn dây phần ứng động cơ một chiều, và điện cảm của cuộn kháng đưa thêm vào mạch để san bằng dòng tải); điôt ngược D0 (còn gọi là điôt không). Điện áp Ud là điện áp 141 một chiều thường có giá trị không đổi dùng để cung cấp cho BBĐ.
Dòng qua khoá đóng cắt K đồng thời là dòng nguồn ký hiệu là id. Dòng qua điốt ngược ký hiệu là iDo. dòng và áp trên tải ký hiệu là it và ut. Điện áp trên D0 là uDo = -ut giống như điôt không trong sơ đồ chỉnh lưu.
Nguyên tắc hoạt động của BBĐ như sau: Người ta điều khiển đóng-cắt khoá K theo một chu kỳ nào đó. Ví dụ trong khoảng từ t=0 đến t=t1 thì đóng K, trên tải sẽ được đặt điện áp bằng Ud và có dòng từ nguồn qua khoá K kín và qua tải. Phương trình vi phân để xác định dòng qua tải trong giai đoạn này là: dit (3. Et U d dt dòng qua tải sẽ tăng từ giá trị Imin đến bằng Imax tại t=t1.
Trên D0 có điện áp ngược và D0 không làm việc. Tại thời điểm t=t1 người ta thực hiện cắt khoá K, điện áp nguồn một chiều Ud được tách khỏi mạch tải, s. tự cảm xuất hiện trong điện cảm phụ tải Lt sẽ làm mở van D0 và dòng tải sẽ được duy trì qua D0. Phụ thuộc vào chế độ làm việc cũng như thông số các phần tử phụ tải mà có thể xẩy ra 2 chế độ làm việc tương tự như với sơ đồ chỉnh lưu.
Nếu giá trị Lt đủ lớn, giá trị dòng tải không quá nhỏ thì năng lượng tích luỹ trong Lt ở giai đoạn K đóng đủ để duy trì dòng tải đến thời điểm đóng lại khoá K (t=t2), ta có chế độ dòng điện tải liên tục (dạng dòng tải trường hợp này biểu diễn trên đồ thị hình 3.1b), và dòng tải giai đoạn này sẽ giảm dần từ Imax xuống bằng Imin tại t=t2. Trường hợp do Lt quá nhỏ, hoặc do dòng tải quá nhỏ (tải nhỏ hoặc không tải) thì năng lượng tích luỹ trong Lt không đủ để duy trì dòng tải đến thời điểm đóng lại khoá K, ta có chế độ dòng điện tải gián đoạn, khi sơ đồ làm việc ở chế độ dòng tải gián đoạn thì dòng tải khi cắt K sẽ giảm dần đến bằng không tại một thời điểm t1' nào đó (t1'<t2). Trong giai đoạn t=t1t=t1' thì D0 dẫn dòng, bỏ qua sụt áp trên điôt mở ta có ut = -uDo= 0. Từ t=t1' đến t=t2 thì dòng tải bằng không, van D0 khoá, điện áp trên tải giai đoạn này là: ut=Et.
Phương trình vi phân để tìm dòng tải khi van D0 dẫn dòng là : dit (3. Et 0 dt 142 Thông thường đối với bộ biến đổi này thì người ta phải tính toán sao cho khi BBĐ làm việc bình thường (dòng tải từ 0,2 dòng tải định mức trở lên) thì BBĐ làm việc ở chế độ dòng liên tục. Do vậy ta chủ yếu nghiên cứu sự làm việc của BBĐ ở chế độ dòng tải liên tục. Tại t=t2 người ta lại đóng khoá K nên trên tải lại được đặt điện áp bằng Ud và lại có dòng từ nguồn Ud đi vào tải, dòng tải lại tăng, van D0 lại bị đặt điện áp ngược và khoá lại.
Các chu kỳ tiếp theo sự hoạt động của sơ đồ tương tự như đã xét. Từ đồ thị điện áp trên tải ở chế độ dòng điện tải liên tục ta có giá trị trung bình của điện áp trên tải được xác định bằng biểu thức: t 1 d U t (3.3) U tb Tck 0 ut dt d d Tck trong đó tđ là thời gian một lần đóng khoá K, tc là thời gian một lần cắt của khoá K , Tck là thời gian một chu kỳ đóng cắt của khoá K. Nếu ta đặt = tđ/Tck được gọi là độ rộng xung; f=1/Tck là tần số xung thì biểu thức điện áp trung bình trên tải có thể viết: Utb .4) Xuất phát từ các biểu thức (3.4) ta thấy rằng có thể điều chỉnh giá trị trung bình điện áp trên tải bằng một số phương pháp sau: - Giữ nguyên thời gian một chu kỳ đóng cắt Tck=tđ+tc và thay đổi thời gian đóng tđ, tức là thay đổi độ rộng xung : Được gọi là phương pháp điều chỉnh xung rộng. - Giữ nguyên thời gian đóng tđ, thay đổi thời gian chu kỳ Tck, tức là thay đổi tần số đóng cắt f: Được gọi là phương pháp điều chỉnh xung tần.
- Thay đổi cả thời đóng tđ và tần số đóng cắt f: Được gọi là phương pháp điều chỉnh xung rộng-tần. Để thực hiện chức năng khoá đóng cắt K ta có thể sử dụng các dụng cụ bán dẫn có điều khiển, các dụng cụ được sử dụng chủ yếu là transitor và tiristor. Các khoá bằng transitor có kết cấu gọn hơn do đặc tính làm việc của transitor là: mở khi có tín hiệu điều khiển đủ yêu cầu và khoá khi mất tín hiệu điều khiển hoặc có một tín hiệu ngược chiều nhỏ ở cực gốc (được xem như là cực điều khiển). Các khoá 143 loại này có ưu điểm là dễ khống chế nhưng cũng có nhược điểm là công suất còn bị hạn chế.
Các khoá đóng cắt bằng thyristor có nhược điểm là kết cấu phức tạp hơn do chỗ tiristor mở khi có tín hiệu điều khiển nhưng lại không khoá được bằng tín hiệu điều khiển ngược chiều (hiện nay cũng có một số tiristor khoá được bằng tín hiệu điều khiển ngược chiều nhưng thường là công suất nhỏ và chưa thông dụng) mà nguồn cung cấp cho BBĐ là nguồn một chiều. Vì vậy, đối với khoá đóng cắt bằng tiristor thì cần phải có thêm một số thiết bị phụ để chuyển mạch tiristor mà ta thường gọi là thiết bị chuyển mạch hay chuyển đổi. DÒNG VÀ ÁP TRÊN PHỤ TẢI CỦA BBĐ MỘT CHIỀU-MỘT CHIỀU 3. Biểu thức dòng tải tổng quát dòng tải trong chế độ xác lập 3.
Giai đoạn khoá K đóng Từ phương trình (3.1) chuyển sang dạng toán tử Laplace ta có: ditd 1 (3.4) ta được : I đ p U d Et / pLt p a I min / p a a U d Et / pRt p a I min / p a Chuyển sang hàm gốc ta tìm được biểu thức dòng tải giai đoạn khoá K đóng là: itđ U d Et / Rt . 1 e at I min e at 3. Giai đoạn khoá K cắt Trong giai đoạn K cắt thì D0 dẫn dòng, ta có phương trình để xác định dòng tải là phương trình (3. Chuyển phương trình (3.2) sang dạng toán tử Laplace với mốc thời gian xét t=0 là thời điểm bắt đầu cắt khoá K: 144 p.I c p Et / p trong đó a=Rt/Lt ; p là toán tử Laplace ; Ic(p) là ảnh Laplace của dòng tải trong giai đoạn K cắt itc ; ic(0) là giá trị dòng tải tại thời điểm đầu của mỗi lần cắt khoá K, khi BBĐ làm việc ở chế độ xác lập thì giá trị tại thời điểm đầu của khoảng K cắt bằng giá trị dòng tải tại thời điểm cuối của khoảng K đóng và ta ký hiệu là Imax : ic(0)=Imax.6) ta được : I c p Et / pLt p a I max / p a a.Et / pRt p a I max / p a Chuyển sang hàm gốc ta tìm được biểu thức dòng tải giai đoạn khoá K cắt là: itc Et / Rt .
1 e at I e max at 3. Biểu thức dòng tải toàn chu kỳ đóng cắt Các biểu thức (3.7) là biểu thức dòng tải trong 2 giai đoạn của một chu kỳ đóng cắt khoá K, trong các biểu thức này còn có Imin và Imax là các giá trị chưa biết. Vậy để có thể tìm được giá trị dòng tải ta xác định các giá trị Imin và Imax. Như đã nêu, trong chế độ xác lập, nếu dòng tải là liên tục thì ta có: Imin bằng giá trị dòng tải tại thời điểm cuối khoảng cắt của K, tức là khi cho t=tc đối với biểu thức (3.7) ; còn Imax là giá trị dòng tải cuối khoảng đóng của K, tương ứng là giá trị biểu thức (3.
Vậy ta có: I max U d Et / Rt . 1 e atđ I e min atđ I min Et / Rt . 1 e atc I maxeatc Ta đặt: A U d Et / Rt . 1 e atđ ; B Et / Rt .
1 e atc ; C e atđ ; D e atc Từ (3.