Giới thiệu chung về Chopper

Giới thiệu chung về Chopper

Một bộ chuyển đổi (chopper) về cơ bản là một bộ chuyển đổi từ dòng điện liên tục (DC) sang DC, có chức năng chính là tạo ra điện áp DC có thể điều chỉnh từ các nguồn điện áp DC cố định thông qua việc sử dụng các linh kiện bán dẫn.

Các loại Chopper

Bộ chuyển đổi (chopper) có thể được phân thành hai loại chính: AC và DC.

AC chopper

Trong trường hợp của một bộ chuyển đổi liên kết AC, trước hết, dòng điện liên tục (DC) được chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều (AC) nhờ sự hỗ trợ của một bộ biến đổi. Sau đó, điện áp AC được nâng hoặc giảm thông qua một bộ biến áp, sau đó được chuyển đổi trở lại thành DC bằng một bộ chỉnh dòng điện (diode rectifier). Bộ chuyển đổi liên kết AC thường đắt đỏ, cồng kềnh và hiệu suất thấp hơn do quá trình chuyển đổi được thực hiện trong hai giai đoạn.

DC Chopper

Bộ chuyển đổi DC (DC chopper) là một thiết bị tĩnh có chức năng chuyển đổi điện áp đầu vào DC cố định thành điện áp đầu ra DC có thể biến đổi trực tiếp. Nó có thể được coi là đương đương DC của một bộ biến áp AC vì chúng hoạt động theo cách tương tự. Loại chopper này hiệu suất cao vì chỉ đòi hỏi một giai đoạn chuyển đổi. Tương tự như một bộ biến áp, một chopper có thể được sử dụng để tăng hoặc giảm điện áp đầu ra DC cố định. Chopper được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng trên toàn thế giới trong các thiết bị điện tử khác nhau. Hệ thống chopper đặc trưng bởi hiệu suất cao, phản ứng nhanh và kiểm soát mượt mà.

Nguyên lý hoạt động

Một bộ chuyển đổi (chopper) có thể được mô tả như một công tắc bán dẫn hoạt động ở tốc độ cao, nhanh chóng kết nối và ngắt kết nối nguồn và tải. Trong hình vẽ, điện áp tải có thể được điều chỉnh từ một nguồn cung cấp điện áp DC không đổi với biên độ là Vs. Chopper được biểu thị bằng ký hiệu "SW" nằm trong hình vuông chấm đứt, và nó có thể được bật hoặc tắt theo ý muốn.

Điện áp đầu ra và dạng sóng hiện tại

Bây giờ, hãy xem xét các dạng sóng của dòng điện và điện áp đầu ra của một bộ chuyển đổi (chopper). Trong khoảng thời gian Ton, bộ chuyển đổi được bật và điện áp tải bằng với điện áp nguồn Vs. Trong khoảng thời gian Toff, bộ chuyển đổi được tắt và dòng điện tải chảy qua đoạn diode dẫn ngược (FD). Các đầu tải được ngắn mạch bởi FD, làm cho điện áp tải bằng không trong suốt Toff. Do đó, một điện áp DC được cắt lát được tạo ra tại các đầu tải. Đồ thị cho thấy rằng dòng điện tải là liên tục, tăng trong thời gian Ton và giảm trong thời gian Toff.

Điện áp trung bình của tải được mô tả bởi công thức:

V0=Ton+ToffTon⋅Vs=(TTon)⋅Vs=A⋅Vs

Trong đó:

• Ton: thời gian bật
• Toff: thời gian tắt
• T=Ton+Toff: chu kỳ cắt
• A=TTon: chu kỳ nhiệm vụ

Công thức này (công thức 1.0) cho thấy rằng điện áp tải có thể được điều khiển bằng cách điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ A. Lưu ý rằng công thức 1.0 thể hiện sự độc lập của điện áp tải so với dòng điện tải và cũng có thể được biểu diễn như sau:

 V₀ = f. T_on .V_s

f= 1/T = tần số cắt

Step – up Choppers

Trong trường hợp của mạch chopper được mô tả ở đầu bài viết (xem hình được đặt tên là "mạch chopper"), điện áp trung bình đầu ra (V0) nhỏ hơn so với điện áp đầu vào (Vs). Do đó, loại chopper này được gọi là chopper giảm điện áp (step-down chopper). Ngược lại, đối với một chopper tăng điện áp (step-up chopper), điện áp trung bình đầu ra (V0) có thể lớn hơn so với điện áp đầu vào (Vs). Hình (a) mô tả cấu trúc cơ bản của một chopper tăng điện áp.

Nguyên tắc làm việc của Set - Up Chopper

Trong cấu hình bộ tăng áp chopper, một cuộn cảm lớn, được ký hiệu là L, được đặt nối tiếp với điện áp nguồn Vs, tạo thành một mạch đóng, như hình vẽ trong bản (b). Trong khoảng thời gian Ton khi chopper hoạt động, cuộn cảm tích tụ năng lượng. Khi chopper tắt, dòng điện được đưa qua diode và tải trong khoảng thời gian Toff. Vì dòng trong cuộn cảm không thể giảm đột ngột, sức đặt điện từ (emf) được kích thích trong L đảo chiều, như minh họa trong hình (c). Do đó, điện áp tổng trên tải được biểu diễn bằng phương trình V0 = Vs + L (di/dt). Điện áp kết quả, V0, vượt qua điện áp nguồn, chỉ ra rằng mạch hoạt động như một bộ tăng áp chopper. Trong quá trình này, năng lượng được tích tụ trong L được giải phóng và cung cấp cho tải.

Dạng sóng điện áp và dòng điện

Khi chopper được bật, dòng điện chảy qua cuộn cảm L sẽ tăng từ I1 lên I2. Trong thời gian chopper bật, điện áp nguồn được áp dụng cho L, được biểu thị là vL = VS.

Khi chopper tắt, việc áp dụng Định luật điện áp Kirchhoff (KVL) cho hình vẽ (c) dẫn đến phương trình:

vL−V0+VS=0

Hoặc, sắp xếp lại các thành phần:

vL=V0−VS

Ở đây, vL là điện áp qua L. Sự biến động của điện áp nguồn vS, dòng nguồn IS, điện áp tải 0v0, và dòng tải 0i0 được mô tả trong hình (d). Giả sử biến động của dòng ra là tuyến tính, năng lượng đầu vào vào cuộn cảm từ nguồn trong khoảng thời gian Ton được tính bằng công thức:

  W_in= V_s (I₁+I₂/2) T_on

Trong khoảng thời gian Toff khi chopper tắt, năng lượng được giải phóng từ cuộn cảm đến tải được tính bằng công thức:

W_off = (V₀-V_s)(I₁+I₂/2).T_off

Giả sử hệ thống không mất mát, hai năng lượng Win và Woff được coi là bằng nhau. Việc so sánh hai công thức này dẫn đến:

V_s (I₁+I₂/2) T_{on     =}   (V₀-V_s) (I₁+I₂/2).T_off 

V_s T_{on     =}  (V₀-V_s) T_off 

Rút gọn phương trình này dẫn đến:

V₀T_{off   =} V_s (T_{off   +} T_on) = V_s .TV₀T_{off   =} V_s (T_{off   +} T_on) = V_s .T

Điều này dẫn đến biểu thức:

V₀ = V_S (T/T_off)  = V_S   (T/T-T_on) =V_S (1/(1-A)        

Từ phương trình 2.0, có thể thấy rằng điện áp trung bình qua tải có thể được tăng lên bằng cách điều chỉnh tỷ lệ nhiệm vụ. Nếu chopper trong hình (a) luôn tắt (A=0), V0=VS. Ngược lại, nếu chopper luôn bật (A=1), V0=∞ như được minh họa trong đồ thị. Trong ứng dụng thực tế, chopper được bật và tắt để có được điện áp trung bình đầu ra mong muốn so với điện áp nguồn.

Hình trên sẽ cho ta thấy sự thay đổi của điện áp tải V0 theo chu kỳ làm việc 

Ứng dụng của Step-up Chopper    

Hình vẽ mô tả quá trình phanh tái tạo của động cơ DC.

Nguyên tắc của bộ chopper tăng áp có thể được áp dụng để thực hiện phanh tái tạo trong động cơ DC. Trong đó, điện áp rôto Ea tương đương với VS, trong khi điện áp V0 đại diện cho điện áp nguồn DC. Khi bộ chopper ở trạng thái Bật, cuộn cảm L lưu trữ năng lượng, và khi nó ở trạng thái Tắt, cuộn cảm giải phóng năng lượng đã lưu trữ.

Nếu (1−A)Ea vượt quá V0, máy DC sẽ hoạt động như một máy phát điện DC, và dòng điện rôto sẽ chảy theo hướng ngược lại so với chế độ vận hành. Khi công suất hiện tại chảy từ máy DC đến nguồn V0, phanh tái tạo của động cơ DC xảy ra. Khả năng phanh tái tạo này có thể được cung cấp ngay cả ở tốc độ động cơ giảm đi, vì điện áp rôto Ea tỷ lệ thuận trực tiếp với dòng từ trường và tốc độ của động cơ.