CẤU TRÚC VÀ PHÂN LOẠI CÁC BỘ BIẾN ĐỔI

 XUNG ÁP MỘT CHIỀU

 

 

 

3.1 Cấu trúc và phân loại các bộ biến đổi xung áp

3.1.1. Khái quát

 

Để  đóng cắt điện áp nguồn người ta thường dùng các khoá điện tử công suất vì chúng có đặc tính tương ứng với khoá lý tưởng, tức là khi khoá dẫn điện (đóng) điện trở của nó không đáng kể; còn khi khoá bị ngắt (mở ra) điện trở của nó vô cùng lớn (điện áp trên tải mạng sẽ bằng không)

Nguyên lý cơ bản của bộ biến đổi xung áp một chiều được mô tả trên hình 3.1

 

 

Hình 3.1: đồ nguyên lý a) và đồ thị b) của bộ biến đổi xung áp

 

Trong khoảng thời gian 0 ÷ t1, khoá K đóng lại, điện áp trên tải UR  sẽ sẽ có giá trị bằng điện áp nguồn (UR = E); còn trong khoảng t1 ÷ T, khoá K mở ra và UR = 0.

Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ là:

                                                    (3.1)

     - Thời gian khoá K đóng

      - Hệ số điều chỉnh

       T- Chu kỳ đóng cắt khoá K

            Biểu thức (3.1) cho thấy, để thay đổi điện áp trên tải có hai cách:

  1. Thay đổi thời gian đóng khoá K, khi giữ chu kỳ đóng cắt không đổi (phương pháp điều chế độ rung)
  2. Thay đổi tần số đóng cắt (f = 1/T) và giữ thời gian đóng khoá K không đổi (= const)

Như vậy bộ biến đổi xung áp có khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp ra trên phụ tải.

 

Nó có những ưu điểm cơ bản sau:

-          Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi không đáng kể so với các bộ biến đổi liên tục

-          Độ chính xác cao cũng như ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, vì yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khoá K mà không phải giá trị điện trở của các phần tử điều chỉnh thường gặp trong các bộ điều chỉnh liên tục

-          Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổi liên tục

-          Kích thước gọn nhẹ

 

Nhược điểm cơ bản của các bộ biến đổi xung áp là:

-          Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính của bộ biến đổi khi làm việc trong hệ thống kín

-          Tần số đóng cắt lớn sẽ tạo ta nhiễu cho nguồn cũng như các thiết bị điều khiển

Tuy nhiên bộ biến đổi xung áp vẫn được ứng dụng rộng rãi, nhất là khi các yếu tố về độ tin cậy, dễ điều chỉnh, độ ổn định cũng như kích thước là những tiêu chí được đặt lên hàng đầu.

Đối với các bộ biến đổi công suất trung bình (hàng chục kW) và nhỏ (vài kW), người ta thường dùng các khoá điện tử là các bóng bán dẫn lưỡng cực IGBT. Trong trường hợp công suất lớn (vài trăm kW trở lên) người ta sử dụng GTO hoặc tiristo.

 

3.1.2. Khoá bằng Tiristo

 

            Như đã nêu trên, việc sử dụng van điều khiển hoàn toàn là hợp lý, nhất là đối với bộ biến đổi xung áp một chiều. Tuy nhiên trong một số trường hợp người ta vẫn sử dụng vì nó là van có công suất lớn nhất hiện nay.

            Như chúng ta đã biết, tiristo là van bán dẫn điều khiển. Muốn khoá tiristo cần giảm dòng qua tiristo nhỏ hơn giá trị nhất định nào đó bằng cách đặt điện áp ngược lên tiristo

            Khi sử dụng tiristo là khoá điển tử trong bộ biến đổi xung áp một chiều, để khoá tiristo người ta thường dùng các tiristo phụ và nguồn năng lượng tích trữ trong tụ điện để khoá tiristo chính.

            Một số mạch khoá tiristo được giới thiệu trên hình 3.2

 

Hình 3.2. Mạch khóa tiristo

 

            Trên cơ sở ở hình 3.2, tiristo TC là tiristo chính (khoá điện tử). Tiristo phụ (Tf) cùng với các phần tử C, R, D, L làm thành mạch chuyển mạch để khoá tiristo chính.

            Đối với sơ đồ ở hình 3.2a, khi TC mở, tụ C được nạp điện thông qua điện trở R tới giá trị điện áp nguồn, muốn khoá TC người ta mở Tf. Như vậy trên TC sẽ có điện áp ngược bằng giá trị điện áp trên tụ và nó làm cho dòng qua TC giảm về không và khoá lại.

            Đối với sơ đồ ở hình 3.2b, khi mở Tf­, tụ C được nạp điện với dấu dương ở phía trên và âm ở phía dưới. Khi cho tiristo chính (TC) làm việc, tụ C sẽ phóng điện qua mạch D, L và do hiện tượng cộng hưởng nó sẽ được nạp điện theochiều ngược lại (dấu điện áp trong ngoặc ở hình 3.2b). Dấu điện áp này phù hợp để tạo điện áp ngược cho TC. Muốn khoá TC ta lại mở Tf và điện áp ngược của tụ C lúc này có tác dụng để khoá TC lại.

            Như vậy bằng các mạch phụ trợ ta đã biến bộ T và Tf trở thành một khoá điện tử có thể đóng mở tuỳ ý. Phương pháp chuyển mạch như vậy gọi là chuyển mạch cướng bức.

 

3.1.3. Phân loại

 

            Có nhiều cách phân loại các bộ biến đổi xung áp môt chiều, tuỳ thuộc vào cách mắc khoá điện từ song song hay nối tiếp mà người ta chia các bộ biến đổi xung áp thành nối tiếp hay song song (hình 3.3 và 3.4). Cũng có thể phân biệt bộ biến đổi tuỳ thuộc vào điện áp ra, ví dụ như bộ biến đổi xung áp ở hình 3.4a là bộ biến đổi xung áp có điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào, còn bộ biến đổi xung áp ở hình 3.4b là bộ biến đổi xung áp có điện áp ra lớn hơn điện áp vào.

            Tuỳ thuộc vào dấu điện áp mà người ta chia ra: bộ biến đổi xung áp không đảo chiều (hình 3.3 và 3.4) hoặc bộ biến đổi xung áp có đảo chiều (hình 3.6)

            Trong giao thông, để cấp điện cho nhiều động cơ của một doàn tàu người ta có thể mắc song song nhiều phụ tải (hình 3.5b) hoặc bộ biến đổi xung áp có thể có nhiều mạch nhánh song song (hình 3.5b), và trong trường hợp này có bộ biến đổi xung áp cong được gọi bộ biến đổi xung áp nhiều pha, so với các bộ biến đổi xung áp nêu trên hình (hình 3.3 và 3.4)

 

Hình 3.3. Bộ biến đổi xung áp nối tiếp: a, b, c, d

 

 

Hình 3.4. Bộ biến đổi xung ap song song: a và b


Do cách ghép nối khác nhau để nhận được những đặc tính mong muốn, bộ biến đổi xung áp còn có những tên gọi khác nhau tuỳ thuộc vào các đặc điểm phân loại đã nếu trên.

 

Hình 3.5 đồ cấu trúc bộ biến đổi xung áp với các mạch phụ tải mắc song song

 

 

 

            Hình 3.6 Bộ biến đổi xung áp có đảo chiều

 

 

3.1.4. Sơ đồ cấu trúc

 

            Cấu trúc của bộ biến đổi xung áp một chiều thường có dạng như ở hình 3.7.

 

 

Hình 3.7

 

Sơ đồ ở hình 3.7 gồm các phần tử chủ yếu như nguồn N, bộ lọc đầu vào L, khoá điện tử (KĐT), bộ lọc đL­0) và phụ tải (PT) (cụ thể là động cơ điện một chiều)

Nguồn một chiều có thể là ăcquy hoặc bộ chỉnh lưu.

            Bộ lọc đầu vào thường dùng mạch LC hoặc chỉ dùng điện cảm. Tụ C có thể được thay thế bằng các phần tử tích trữ năng lượng như ăcquy.

            Khoá điện tử (KĐT) ngày nay được dùng chủ yếu là các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn.

            Bộ lọc đầu ra (L0) có tác dụng san phẳng dòng điện ở đầu ra của bộ biến đổi.

            Các bộ biến đổi xung áp một chiều trình bày dưới đây chỉ đề cập đến vài vấn đề sử dụng van điều khiển hoàn toàn (GTO, BT hoặc IGBT).

 

Theo Mục 3.1 – Chương 3 Bộ  biến đổi xung áp – Điện tử công suất

Tác giả: Võ Minh Chính (Chủ biên)

Phạm Quốc Hải

Trần Trọng Minh

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật