Bài giảng Điện tử công suất - Bộ biến đổi và bộ khóa một chiều

Chương 4: Bộ biến đổi và bộ khóa một chiều 4.1 Khái niệm chung – Phân loại 4.2 Bộ khóa một chiều Đóng cắt dòng điện một chiều Sơ đồ nguyên lý sử dụng GTO a) V U V0 L R iZ Z iG iV0 iV L R 0 0 iG iV iV0 t R L Đóng Cắt Khi sử dụng thyristor: Mở - Đóng Đóng – Cắt ĐÓNG CẮTS BCM S S PS Z V0 OS OS S PS t 4.3 Phân loại thiết bị biến đổi một chiều 4.3.1 Phân loại theo phương pháp biến đổi • Trực tiếp – bộ biến đổi xung • Gián tiếp 4.3.2 Phân loại theo chức năng biến đổi • Giảm áp – mắc nối tiếp • Tăng áp – mắc song song • Điều khiển xung giá trị điện trở 4.3.3 Phân loại theo phương pháp điều khiển • Tần số xung • Độ rộng xung • Hai giá trị Nghịch lưu Chỉnh lưu có điều khiển U UZ 4.4 Nguyên lý làm việc của các bộ biến đổi xung 4.4.1 Bộ biến đổi giảm áp – mắc nối tiếp • Nguyên lý làm việc Nhịp S: uZ = U iZ = iS: tăng theo đường cong hàm mũ về giá trị (U - Eư)/R Năng lượng từ nguồn U, một phần tích lũy vào cuộn L, phần lớn nạp cho Eư, phần còn lại tiêu tốn trên R Nhịp S kéo dài trong khoản thời gian T1. Kết thúc khi tín hiệu “cắt” đưa vào khóa S. uc S iS U iV0 V0 R L uZ iZ Z uZ 0 0 S V0 S V0 S U UZi tT1 T2 T iS iV0 IZ ∆iZ iZMiZMIN t Nhịp V0: uZ = 0 iZ = iV0: giảm theo đường cong hàm mũ về giá trị -Eư/R Năng lượng trước đây tích lũy trong cuộn L được giải phóng, phần lớn nạp cho Eư, phần còn lại tiêu tốn trên R Nhịp V kéo dài trong khoản thời gian T2. Kết thúc khi tín hiệu “đóng” đưa vào khóa S. uc S iS U iV0 V0 R L uZ iZ Z uZ 0 0 S V0 S V0 S U UZi tT1 T2 T iS iV0 IZ ∆iZ iZMiZMIN t • Giá trị trung bình điện áp trên tải zUU T TUZi == 1 z: tỷ số chu kỳ 0 z 1 0 Uzi U Zi z U EI R −= − uc S iS U iV0 V0 R L uZ iZ Z uZ 0 0 S V0 S V0 S U UZi tT1 T2 T iS iV0 IZ ∆iZ iZMiZMIN t 4.4.2 Bộ biến đổi tăng áp – mắc song song • Nguyên lý làm việc Nhịp S: uZ = 0 iZ = iS; tăng theo đường cong hàm mũ, về giá trị Eư/R Năng lượng từ nguồn Eư được tích lũy phần lớn vào cuộn L, phần còn lại tiêu tốn trên điện trở R Nhịp S kéo dài trong khoảng thời gian T1. Nhịp kết thúc khi tín hiệu “cắt” đưa vào S uc iV0 V0 iS S iZ Z U R L uZ S V0 V0S S T1 T2 T 0 UUZi t uZ iS iV0 iZMIN iZM t Nhịp V0: uZ = U iZ = iV0; giảm theo đường cong hàm mũ, về giá trị (Eư – U)/R < 0 Năng lượng từ nguồn Eư cùng với năng lượng đã tích lũy trong cuộn L ở nhịp trước, tiêu tốn một phần trên điện trở R, phần lớn còn lại được trả về nguồn U. Nhịp V0 kéo dài trong khoảng thời gian T2. Nhịp kết thúc khi tín hiệu “đóng” đưa vào S. uc iV0 V0 iS S iZ Z U R L uZ S V0 V0S S T1 T2 T 0 UUZi t uZ iS iV0 iZMIN iZM t • Giá trị trung bình điện áp trên tải ( ) 2 1 1 Zi TU U T T T U T z U = = −= = = − Zi z E UI R −= − uc iV0 V0 iS S iZ Z U R L uZ S V0 V0S S T1 T2 T 0 UUZi t uZ iS iV0 iZMIN iZM t 4.4.3 Bộ biến đổi xung giá trị điện trở • Nguyên lý làm việc Nhịp S: iZ = iS: tăng với hệ số góc bằng U/L Nhịp S kéo dài trong khoảng thời gian T1. Kết thúc khi tín hiệu “cắt” đưa vào S. U RP S uc L iZ L iS SiR Rp U uc T1 T2 T iS iR iZMIN iZM t 0 iZ =iS+iR Nhịp 0 iZ = iR; giảm theo đường cong hàm mũ về giá trị U/Rp. Nhịp 0 kéo dài trong khoảng thời gian T2. Kết thúc khi tín hiệu”đóng” được đưa vào S iZ L iS SiR Rp U uc T1 T2 T iS iR iZMIN iZM t 0 iZ =iS+iR • Xác định giá trị điện trở tương đương Rei ei p ZZpZ R U T TR UITIRTUI ==⇒= 2 2 2 ( )2 1ei p pTR R z RT= = − 0 ei pR R≤ ≤ iZ L iS SiR Rp U uc T1 T2 T iS iR iZMIN iZM t 0 iZ =iS+iR 4.5 Bộ chuyển mạch 4.5.1 Mạch LC U dt diLidt C u t C =++ ∫ 0 1)0( (0) sin (0)cosC v v U ui t i t L C ω ω−= + ωv: tần số góc của mạch LC … 1 v LC ω = C uC i L t = 0 uC(0) 0 uC i t U t = 0 L i uC C O t uC(0)=0 uC i U 2U V iV S C [ ] 0 1(0) (0) cos (0)sin t C C C v v u u idt C LU u U t i t C ω ω = + = = + − + ∫ 4.5.2 Phân tích bộ chuyển mạch của bộ biến đổi xung áp uc S iS U iV0 V0 R L uZ iZ Z i iV1 V1 C uC iC uV1 V2 V3L1 U V0 Z iZ uZ Nhịp V0 – (0, t1) iZ = iV0, uV0 = 0, uZ = 0 Giả thiết uC = U uV2 = 0; uV1 = U iC = iV1 = iV2 =0 i iV1 V1 C uC iC uV1 V2 V3L1 U V0 Z iZ uZ t 0 0 0 0 U U U -K1U K1U uC iC IZ iV1 uV1 t0V1 uV2 iV2 t0V2 t IZ iZ iV2 iV0 V0 T T1 T2 V1 V3 V1 V2 V0 K1U U uZ t2 0 t1 t3 t4 t5 t6 t7 QK Nhịp V1, V3 (t1, t3) Tại t1 đưa xung điều khiển mở V1 uZ = U; uV0 = -uZ = -U Æ V0 đóng lại iZ = iV1 1cos ( )C vu U t tω= − 1sin ( )C v Ui t t L C ω−= − i iV1 V1 C uC iC uV1 V2 V3L1 U V0 Z iZ uZ t 0 0 0 0 U U U -K1U K1U uC iC IZ iV1 uV1 t0V1 uV2 iV2 t0V2 t IZ iZ iV2 iV0 V0 T T1 T2 V1 V3 V1 V2 V0 K1U U uZ t2 0 t1 t3 t4 t5 t6 t7 QK uV1 = 0 iV1 = IZ - iC uV2 = -uC iV2 = 0 Tại t = t3, dòng iC = 0; V3 đóng lại uC(t3) = -K1U; K1 = 0.7 – 0.9 i iV1 V1 C uC iC uV1 V2 V3L1 U V0 Z iZ uZ t 0 0 0 0 U U U -K1U K1U uC iC IZ iV1 uV1 t0V1 uV2 iV2 t0V2 t IZ iZ iV2 iV0 V0 T T1 T2 V1 V3 V1 V2 V0 K1U U uZ t2 0 t1 t3 t4 t5 t6 t7 QK Nhịp V1 (t3, t4) Tất cả các đại lượng giữ nguyên giá trị tại thời điểm t = t3 i iV1 V1 C uC iC uV1 V2 V3L1 U V0 Z iZ uZ t 0 0 0 0 U U U -K1U K1U uC iC IZ iV1 uV1 t0V1 uV2 iV2 t0V2 t IZ iZ iV2 iV0 V0 T T1 T2 V1 V3 V1 V2 V0 K1U U uZ t2 0 t1 t3 t4 t5 t6 t7 QK Nhịp V2 (t4, t6) Tại t = t4 đưa xung điều khiển vào V2 – mở V2 uV2 = 0 Điện áp ngược trên C đặt lên V1 Æ đóng V1 4 4 4 1 1( ) ( ) t C Z C C Z t Z i I u u t I dt C I t t K U C = ⇒ = + = − − ∫ i iV1 V1 C uC iC uV1 V2 V3L1 U V0 Z iZ uZ t 0 0 0 0 U U U -K1U K1U uC iC IZ iV1 uV1 t0V1 uV2 iV2 t0V2 t IZ iZ iV2 iV0 V0 T T1 T2 V1 V3 V1 V2 V0 K1U U uZ t2 0 t1 t3 t4 t5 t6 t7 QK Nhịp V2 (t4, t6) iV2 = IZ uV1 = uC iV1 = 0 uZ = U – uC = -uV0 Tại t = t6, uZ = 0 Æ V0 mở, V2 đóng lại Î Bắt đầu nhịp V0 uZ(t6) = 0 ÆuC = U i iV1 V1 C uC iC uV1 V2 V3L1 U V0 Z iZ uZ t 0 0 0 0 U U U -K1U K1U uC iC IZ iV1 uV1 t0V1 uV2 iV2 t0V2 t IZ iZ iV2 iV0 V0 T T1 T2 V1 V3 V1 V2 V0 K1U U uZ t2 0 t1 t3 t4 t5 t6 t7 QK Nạp điện cho tụ C khi bắt đầu làm việc • Mở V2 trước • Đóng tụ C trực tiếp vào nguồn U qua một điện trở hạn chế dòng Xác định các thông số C và L • V1 sử dụng khoảng (t4, t5) để phục hồi khả năng khóa Æ (t5 – t4)MIN = toffV1 11 5 4 1 ( ) ZM offV Z I tK UCt t C I K U − = ⇒ = • V2 sử dụng khoảng (t1, t2) để phục hồi khả năng khóa Æ (t2 – t1)MIN = toffV2 2 2 2 1 2 4 ( ) 4 2 offVv tTt t LC L C π π− = = ⇒ = 4.6 Nguyên tắc điều khiển bộ biến đổi xung áp • Độ rộng xung – thay đổi T1 • Tần số xung – thay đổi T • Hai giá trị 4.6.1 Nguyên tắc điều khiển độ rộng xung Giữ nguyên f = 1/T, thay đổi T1 BÐK M Đ uc BCM Đ C T T1 T2 0 ucM uP uc t 4.6.2 Nguyên tắc điều khiển tần số xung Giữ nguyên T1, thay đổi T f = 1/T M Đ BÐK M Đ uc BCM Khâu phát xung Trễ T1 4.6.3 Nguyên tắc điều khiển hai giá trị Bộ phát xung đóng vai trò của một bộ điều khiển dòng điện ∆iZ t 0 iZMIN iZM I'Z=IZ ui1 ui2 iZ ui1 ui2 ui1 ui2 uc uc > 0 uc < 0 M Ð uc BCM V0 Z iZ ui1 ui2 ucÐ M 4.7 Các bộ biến đổi xung nhiều góc phần tư 4.7.1 Bộ biến đổi hai góc phân tư đảo chiều dòng điện V S1 U S2 V0 Z uZ iZ 4.7.2 Bộ biến đổi hai góc phân tư đảo chiều điện áp )12(21 −=−= zU T TTUUZi z > 0.5 Æ Uzi > 0 z < 0.5 Æ Uzi < 0 U S1 V2 uZ iZ V1 S2 Z S1S2 V1 V2 S1S2 V2 V1 0 iZ uZ t T1 T2 T 4.7.3 Bộ biến đổi bốn góc phân tư V2 V1 S2 S1 S3 S4V4 V3 Z iZ uZ U S2S1 S4S3 S3S4 S2S1 V4V3 V1 V2 S4S3 V2 V1 iZ uZ t 0 0 S2S1 S1 V3 S2S1 S3 V1 S3S4 S3 V1 t iZ uZ