Phương pháp tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất: Phần 2

Chia sẻ: Le Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:125

Thêm vào BST

Báo xấu

483
lượt xem 149
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 2 Tài liệu Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất có nội dung trình bày thiết kế bộ băm áp một chiều và thiết kế bộ điều áp xoay chiều bao gồm tóm tắt lý thuyết, thiết kế mạch động lực, thiết kế mạch điều khiển.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Phương pháp tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất: Phần 2

CHương 2 THIẾT KẾ BỘ BĂM ÁP MỘT CHIỀU ■ ■ I - TÓM TẮT LÝ THUYẾT Băm áp một chiều là bộ biến đổi điện áp một chiều thành xung điện áp. Điều chỉnh độ rộng xung điện áp, điều chỉnh được trị số trung bình điện áp tải. Các bộ băm áp một chiều có thể thực hiện theo sơ đồ mạch nối tiếp (phần tử đóng cắt mắc nối tiếp với tải) hoặc theo sơ đồ mạch song song (phần tử đóng cắt được mắc song song với tải). 1.1. Băm áp một chiều nối tiếp 1. N guyên lý băm áp m ột chiều nối tiếp Các bộ băm áp một chiều thưcmg gặp hiện nay là các bộ băm áp nối tiếp. Trong phần giới thiệu thiết kế này quan tâm nhiều đến các bộ băm áp loại đó. Sơ đồ nguyên lý băm áp một chiều nối tiếp giới thiệu trên hình 2 .la. Theo đó phần tử chuyển mạch tạo các xung điện áp mắc nối tiếp với tải. Điện áp một chiều được điều khiển bằng cách điểu khiển thời gian đóng khoá K trong chu kì đóng cắt. Trong khoảng 0 -ỉ- tj (hình 2.1b) khoá K đóng điện áp tải bằng điện áp nguồn (Uj = U]), trong khoảng tj -T Ì2 khoá K mở điện áp tải bằng 0. K u CK a) b) H inh 2.1. Băm áp một chiều, a) Sơ đồ nguyên lý ; b) Đường cong điện áp. Trị số trung bình điện áp tải được tính: 1 U d- u,.dt = i u , (2 . 1) X C K 0 ^ck 128
nếu coi Y = thì : Tck Ud = y . u , Trong đó: - điện áp tải một chiền; u I —điện áp nguồn cấp một chiều; íị - khoảng thời gian đóng khoá K; T^ị. - chu kì đóng cắt khoá K; Ỵ - đ ộ r ộ n g x u n g đ iệ n áp. Từ biểu thức (2.1) thấy rằng, muốn điều khiển điện áp tải U(J cần điều khiển độ rộng xung điện áp y. Độ rộng xung điện áp này có thể được điều chỉnh bằng một trong hai thông số: hoặc là điều chỉnh thời gian đóng khóa K (t|) giữ chu kì đóng cắt Tck không đổi; hoặc là điều chỉnh chu kì đóng cắt T(-J^ giữ Ihời gian đóng khóa K (tị) không đổi. Tuy nhiên, việc thay đổi chu kì đóng cắt khoá K làm cho chất lượng điều khiển của phương pháp này xấu, người ta ít dùng. Điều này có thể minh hoạ bằng việc hoạt động của bộ bẫm áp với tải điện cảm. 2. H oạt động của sơ đồ với tải điện cảm Khi tải điện cảm, để xả năng lượng của cuộn dây điện cảm người ta thường mắc song song với tải một điốt xả năng lượng như hình 2 .2 . a) b) H inh 2.2. Băm áp một chiều với tải điện cảm. a) Sơ đổ mạch ; b) Các đường cong. Dòng điện chạy qua tải được xác định bằng phương trình vi phân; Khi khoá K đóng: di (2.2) dt Trong đó: i - dòng điện tải ; - điện trở tải; - điện cảm tải 1 .ìlN TO Á N ., c 7 H 129
Khi khoá K mở: di 0 = R ,.i + L ,5 i (2.3) dt Giải các phương trình vi phân (2.2), (2.3) ta có nghiệm: (2.4) Trong đó: h đ ” dòng điện ban đầu của chu kì đang xét {mở hay đóng khoá K); ^X - dòng điện xác lập của chu kì đang xét L Khi khoá K đóng IxL = — ; Khi khoá Kmởlỵi^ = 0 Rd Tj = — — hằng s ố thời gian điện từ của mạch Rd Dạng đưòfng cong dòng điện vẽ theo biểu thức (2.4) biến thiên có dạng như trên h ìn h 2 .2 b. Độ nhấp nhô của dòng điện tải được tính [1]. ^Ị^Ọ blM lH iíĩcK (2.5) 2L, Từ biểu thức (2.5) thấy rằng, biên độ dao động dòng điện phụ thuộc vào bốn thông số: điện áp nguồn cấp (Uj); độ rộng xung điện áp (y); điện cảm tải (Ljj) và chu kì chuyển mạch khoá K (Tck)- Các thông số: điện áp nguồn cấp, độ rộng xung điện áp phụ thuộc yêu cầu điều khiển điện áp tải, điện cảm tải là thông số của tải. Do đó để cải thiện chất lượng dòng điện tải (giảm nhỏ AI) có thể tác động vào TcK- Như vậy, nếu chu kì chuyển mạch càng bé (hay tần số chuyển mạch f = — càng lớn) thì biên ^ ^CK độ đập mạch dòng điện càng nhỏ, chất lượng dòng điện một chiều càng cao. Do đó, bộ điều khiển này thường được thiết kế với tần số cao hàng chục kHz. 1.2. Băm áp một chiều song song Trong những trường hợp tải có một nguồn năng lượng nào đó (vỉ dụ động cơ điện một chiều làm việc ở chế độ máy phát), việc xả năng lượng của tải la cần thiết. Năng lượng này thường được trả về nguồn lưới. Tuy nhiên, khi cần điều chỉnh dồng điện tải thì mắc song song với tải một khoá chuyển mạch như sơ đồ hình 2.3 là hợp lí. Trong khoảng 0 ^ tj khoá K đóng Dq khoá (cần thiết để tránh ngắn mạch nguồn) ijý[ = 0; U(j = 0; is = id. 130 17. TÍNH TOÁN... c SUẤT.B
Trong khoảng tị T(-Ị^ khoá K mở Dq dẫn i|^ = i(j; Uj = Up is = 0. ì Giá trị trung bình của điện áp tải một chiéu 1 Ua = u,.dt C K tj ( 2 .6 ) = (i-y)ư, 'n Do id 1^ 0 CK jRd ÌN *s } Ud ^ U ' 1 1 t is r ti T ck a) b) H in h 2.3. Sơ đổ mạch băm áp một chiều song song, a) Sơ đồ động lực ; b) Các đường cong. Giá trị trung bình của dòng điện tải trả về nguồn. I n = ( 1 - Y ) . Id (2.7) Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua khoá K. Ig = Ỵ. I(J (2 .8 ) Giá trị trung bình của dòng điện tải. E .- U . (2.9) R Qua các biểu thức (2.6), (2.8) thấy rằng muốn điều chỉnh dòng điện tải cần điều chỉnh độ rộng xung (y) đóng khoá K. 1.3. Băm áp nối tiếp và song song phối hợp Khi tải làm việc ở chế độ nhận năng lượng từ lưới bằng băm áp nối tiếp và trả năng lượng về lưới bằng băm áp song song có thể dùng sơ đồ băm áp nối tiếp và song song phối hợp như hình 2.4. ở chế độ nhận năng lượng từ lưới điều khiển Kfj, ở chế độ trả năng lượng về lưới điều khiển.Ks (chủ ý hai khóa chuyển mạch này không được cùng đóng một lúc). 131
D, Il - THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG Lực Như đã giới thiệu ở trên, bộ băm áp một chiều là một bộ băm điện áp một chiều thành các xung điện áp. Điện áp trên tải một chiều U(J phụ thuộc tỷ số thời gian đóng khoá bán dẫn trên chu kì đóng cắt. Chúng ta đã chứng minh rằng các bộ băm áp một chiều chỉ có ý nghĩa và có ưu điểm hơn hẳn chỉnh lưu (thực chất chỉnh lưu cũng là băm áp theo đường cong điện áp hình sin) khi tần số băm xung lớn. Tần số này có thể hàng chục kHz. Các van bán dẫn được dùng làm khoá đóng cắt cho các bộ băm áp một chiều là các Tiristor hay Tranzitor. Chúng ta sẽ xem xét việc thiết kế các bộ băm áp một chiểu bằng các linh kiện tương ứng. 11.1.Thiết kế bộ băm áp một chiều vói van động lực là Tiristor 1. Chọn sơ đồ nguyên lí Do đặc điểm về cấu tạo và hoạt động của các linh kiện bán dẫn công suất, các bộ băm áp một chiều làm việc với dòng điện lớn, van động lực thường chọn là Tiristor. Tiristor trong băm áp một chiều không tự khoá được. Chuyển mạch trong các bộ băm áp một chiều nhiều khi làm phức tạp thêm sơ đồ thiết kế. Một bộ băm áp một chiều bằng Tiristor được thiết kế có thể cho phép làm việc với chuyển mạch một tầng (mỗi chu kì có một xung điều khiển) hay chuyển mạch hai tầng (mỗi chu kì có hai xung điều khiển). a) Băm ăp một chiều chuyển mạch một tầng Mạch băm áp một chiều bằng Tiristor chuyển mạch một tầng giới thiệu trên hình 2.5. 132
r -W “I " I T * I u. u, H inh 2.5. Sơ đồ băm áp một chiều bằng Tiristor chuyển mạch một tầng Nguyên lý làm việc của các sơ đồ mạch băm áp một tầng hình 2.5 được giải thích với tải có điện cảm lớn có các giả thiết sau : điện áp vào và dòng điện tải không đập mạch, nghĩa /ờ Uj = const, I(J = const. Nguyên lý chuyển mạch mộí tầng là dùng thông số của mạch dao động L, c để khoá Tiristor. Thời gian dẫn của Tiristor T| phụ thuộc khoảng thời gian nạp và xả tụ trong mạch L ,c . Khi Tiristor Tj (hình 2.5a) khoá tụ chuyển mạch c được nạp tới đĩện áp nguồn theo chiều cực tính như hình 2.5a. Khi T| dẫn tại tj (hình 2.6) tụ bắt đầu xả với dòng xả ig qua Tj. Khi tiristor T] dẫn dòng điện tải chạy qua nó (trước đó dòng điện tải chạy qua Dg). Sau một nửa chu kì dao động cộng hưởng tụ c đổi chiều điện áp (Uc). Vào chu kì sau của mạch dao động cộng hưởng tụ nạp ngược lại, dòng điện chạy ngược chiều dẫn của Tiristor Tj. Nếu đảm bảo đủ điều kiện 1^ = Ij+ic = -] 0 , thì Tị khoá (thời điểm Ì2 trên hình 2 .6 ). Khoảng thời gian dòng điện tải chạy qua T] được xác định: tjj = Í2 - tj « Ir/C Q = n V l . C Ù Sau khi khoá T j, tụ c tiếp tục xả và nạp ngược lại qua tải từ -U c o đến Uj. Thời gian khoá của Tj bằng thời gian xả tụ c (từ điện áp -U^o tới 0). Hình 2.6. Giản đồ đường cong băm áp tk = t3 - t 2 = Uco-C/Id - U ,.c / I , (2.10) chuyển mạch một tầng 133
Khi tụ nạp lại tới điện áp +Uj điốt Dộ dẫn. Nguyên nhân là do điện cảm chuyển mạch L cản trở việc giảm đột ngột về 0 của ic, dòng điện của tụ c tiếp tục tồn tại do sức điện động tự cảm của cuộn dây L theo mạch L -U i-D g -C , điều này làm dao động điện áp trên tụ c. Hình dạng dòng điện trên tụ ic, dòng điện trên điốt Dq Ìdo* điện áp trên tụ Uc và trên Tiristor phụ thuộc vào tần số xung điều khiển Tj cũng như dòng điện tải như giới thiệu trên hình 2 . 6 được tính: Điện áp trung bình trên tải 2.Ư..C 7r.^/ĨIc ( 2 . 11) T \ Id Dòng điện trung bình của Tiristor T T Dòng điện trung bình chạy qua điốt Dg = (2 1 3 ) Như đã nói ở trên quá trình phóng nạp của tụ chạy qua tải yà thời gian phóng nạp phụ thuộc dòng điện tải. b) Bộ băm áp chuyển mạch hai tầng Trong các sơ đồ chuyển mạch hai tầng, các tụ chuyển mạch được nối bằng mạch Tiristor phụ mắc song song với Tiristor động lực (Tj) hoặc mắc song song với tải như giới thiệu trên hình 2.7, 2.8. Theo các sơ đồ này, sau khi khoá xong Tiristor động lực, tụ chuỵển mạch c nạp lại bằng dòng điện tải (khi tải điện cảm). Việc phóng nạp tụ làm cho đường cong điện áp tải xuất hiện những xung phụ do năng lượng của các linh kiện khâu chuyển mạch gây nên. Các sơ đồ chuyển mạch song song có thể chia thành hai loại: 1. Chuyển mạch bằng tụ. Khi chuyển mạch tụ được nối song song với Tiristor động lực Tj (các sơ đồ hình 2.7 a, b, c, d, e, f, g, h); tụ chuyển mạch mắc song song với tải (hình 2.7 i, k). ' 2. Chuyển mạch bằng khung dao động LiC khi chuyển mạch mắc song song với Tiristor động lực Tj (hình 2 .8 a, b, c, d) hpặc mắc song song với tải (hình 2 .8 e, f) ở các sơ đồ hình 2.7 a, b, f, g sau khi nạp tụ với cực tính như hình vẽ, các Tiristbr động lực không khoá được. Muốn các Tiristor động lực khoá được cần phải đổi chiểu điện áp tụ c. Việc đổi chiều điện áp tụ ở các sơ đồ hình 2.7 a, f, g được thực hiện theo 134
mạch qua Tiristor động lực Tj khi Tj dẫn. Ví dụ, ở sơ đồ h ìn h 2.7a mạch đổi chiều điện áp là C -T |-L j-D ]-C , ở sơ đồ hình 2.7 f rnạch đó là C -T 1- T 3- L 1-C , ở sơ đồ hình 2.7 g C -T i-W j-D j-C . Tiristor động lực ìrong các sơ đồ này chịu thêm một dòng điện xả tụ chạy qua. b) c) D2 l V f Do \ [| I Í 1“ IL| id 4 I — S ..............I... "''' ---------- ----------u I — d) e) o, L: Li - 1+ W2 Wi Ti T id l u Zd 9) ^2 L2 ' T ' H inh 2.7. Các sơ đồ bám áp một chiều bằng t i Ỉ[Ĩ3 . ^ÌÍT2 t ị T r i Tiristor với chuyển mạch hai lầng ----rrv->— ]- u 0 - f k) 135
ở sơ đồ hình 2.7 b đổi chiều điện áp tụ chuyển mạch thực hiện bằng mạch C - L 1- T 3 - C . Trong các sơ đồ 2.7c, i mạch đổi dấu điện áp tụ không có, các Từistor phụ Tj - Tg tïng đôi một sẽ đặt điện áp lên Tiristor động lực theo chiều hợp lí. Các sơ đồ 2.7 a, b, f, g có dòng điện xả tụ chạy qua tải, do đó ở miền dòng tải nhỏ chất lượng điện của các sơ đồ này xấu. Khi chuẩn bị điện áp cho quá trình khoá Tj, trong các sơ đồ 2.1 á, e tụ c được mắc song song với tải (sơ đồ d - theo mạch C -T 3 - L 1, sơ đồ e - theo mạch C - T 3 ). Khi chuyển mạch tụ mắc song song với Tiristor Tj, do đó trong quá trình nạp chuẩn bị dòng điện nạp tụ chạy qua Tj. Trong sơ đồ 2.7h, k tụ c khi chuyển mạch mắc song song với tải. ở sơ đồ k dòng điện xả tụ không chạy qua Tiristor động lực. Ổ các sơ đồ 2.7 e, f, g, i điện cảm chuyển mạch mắc vào mạch động lực sẽ làm ảnh hưởng tới các quá trình làm việc xảy ra trong mạch động lực khi dẫn cũng như chuyển mạch. Trong các sơ đồ này, điện cảm Lj có tác dụng giới hạn tốc độ tăng dòng điện của các tiristor và điốt khi chúng đóng cắt. Khi mở Tiristor chuyển mạch điện cảm L] làm giảm tốc độ biến thiên dòng điện Tị. Trong trường hợp này tụ được nạp tới giá trị âm hơn. Khi tãng dòng điện tải tăng điện áp trên tụ, nghĩa là ở các sơ đồ này có tồn tại hiện tượng tích luỹ năng lượng trong các linh kiện chuyển mạch, làm tàng khả năng quá tải của sơ đồ và giảm được điện dung của tụ. Nhược điểm của các sơ đồ này là tăng điện áp trên các linh kiện khi tăng dòng điện tải. Các sơ đồ hình 2.8 khác với các sơ đồ hình 2.7 ở chỗ, trong mạch tụ chuyển mạch c có điện cảm Lj mắc nối tiếp, các linh kiện LC này khi chuyển mạch được mắc song song với tiristor động lực, hay song song với tải. Trong các sơ đồ hình 2.8 chế độ làm việc của Tj nhẹ hơn, bởi vì dòng điện anod của Tj giảm về 0 và giảm biên độ dòng điện ngược Tiristor. Các tụ chuyển mạch trong sơ đồ hình 2.8 a, b nạp điện qua tải, còn ở sơ đồ hình c, d, e, f tụ nạp không qua tải. Nhược điểm chung của các sơ đồ hình 2.7, 2.8 là hình dạng đường cong điện áp l ệ c h k h ỏ i x u n g v u ô n g l à m e h o v ù n g đ i ề u k h i ể n v à đ ộ c ứ n g đ ặ c t í n h n g o à i t h ấ p , tầ n s ố băm xung bị giới hạn. Để phần nào khắc phục nhược điểm này bằng cách tăng tốc độ nạp xả của tụ theo các cách; - Ngắn mạch Tiristor T] bằng diođ D 2 và điện cảm L2 (như trên hình 2.7 a, b, c, d. e, f vẽ nét đứt). - Ngắn mạch tiristor Tj bằng điốt D 2 (trên hình 2.8 a, b, c, e, f); ngắn mạch Tị bằng mạch L], Dj (hình 2.7 e, f, 2.8 d) 136
D. D. D. ,Ti ' T 3 T; D, D. u, u, u a) b) c) D, D2 i ị, ‘d 1.1 'g T 2j ^ c p Do Ù, - + Doi 1L L 1 L ỉ *■c *^ r T3j r d) e) f) H ìn h 2.8. Băm áp bằng tiristor chuyển mạch bằng L, c c) Băm àp m ột chiều chuyển mạch nối tiếp. Trong các sơ đồ chuyển mạch nối tiếp, xung điện áp khóa tiristoir được thiết lập từ mạch mắc nối tiếp với tiristor động lực Tj, tải và nguồn cấp. Để làm được việc này, sơ đồ hình 2.9 a, b đưa thêm điện cảm vào mạch d ò Ị i g điện động lựC; hìinh 2.9c đưa thêm cuộn dây biến áp. Ti L, T, c) H ỉn h 2,9, Mach băm áp một chiều chuyển mach nối tiếp i I Xung điện áp khi cần khóa Tị có được nhờ phóng điện tụ chu|yển mạch. Mạch vòng phóng điện của tụ để khóa Tị trong thời gian chuyển mạch khôiHig ảmh hưởng tới 18. TlNH TOÁN... c SUẨ T> 137
dòng điện tải. Dòng điện của mạch này khôrig tham gia vào việc phóng điện của tụ c. Đặc tính ngoài của băm áp một chiều chuyển mạch nối tiếp cứng hơn các sơ đồ chuyển mạch song song đã nêu ở trên. d) Băm áp có đảo chiều Hình 2.10 giới thiệu một số sơ đồ băm áp có đảo chiều. Hình 2.10a là sơ đồ bộ băm áp đảo chiều với một cặp van chuyển mạch. Xung điều khiển đồng thời đưa vào hai tiristor T], T 2 (hay T3 , T 4 tuỳ theo chiều cực tính cần có của tải). Hai tiristor trong một cặp được mắc nối tiếp nhau. Xung điện áp ra được tạo bởi sự chuyển mạch một trong hai tiristor nối tiếp (một chiều điện áp tải chuyển mạch Tj, chiều ngược lại chuyển mạch T3 ). Khâu chuyển mạch để khoá các liristor Tj, T3 được thiết kế bằng mạch tiristor T 5 , tụ c, điện cảm L, (điện cảm mắc nối tiếp trong mạch động lực). Tụ chuyển mạch được nạp ban đầu như trên hình 2.10a qua điện cảm L2 và điốt D 5 . Điều kiện làm việc bình thường của mạch là điện cảm L2 lớn hơn nhiều so với Lị (có thể coi L 1/L 2 « 0,05-0,01). a) c) H ìn h 2.10. Một số sơ đổ băm áp đảo chiều 138 18. TÍNH TOÁN... c SUẲT.B
V í dụ ở ch iều điện áp tải khi Tj, T 2 clans (ỉiìi) u ể khoá T |, tại thời điểm cấp xung đicu khiển tiristor T5 tụ c phóng qua điện Lciin ỉ,| (U q ) > U|), làm cho T| khoá. Dòng điện tải xả năng lượng cuộn dây điện cáni lai khép vòng qua T2, điòì D4, điện áp tải trong k h o ả n g thời gian này bằng 0 . K h i cần đảo chiểu điện áp tải, cấp xuiig dici! khiển cho cặp tiristor T3, T4 với khoảng trễ thời gian tối thiểu cho phép, ihưi eian trỗ này cần thiết đé cuộn dây điện cảm xả hết năng lượng. Do mạch phóng điện của tụ c có cuộn dây diện cảm L| tích ỉuỹ năng lượng, nên tụ c n ạp iại với điện áp lớn hơn giá trị ban đầu. ở lần chuyển mạch tiếp theo, điệ n áp trên tụ tăng dần lên, nghĩa là mạch vòng chuyến mạch tồn tại chế độ tích iuỹ năng lượng. Do việc tích luỹ năng lượng mà cóno suâì các linh kiện của mạch động lực và c h u y ể n m ạc h tăng. Để giảm nhỏ c h ế độ tích luỹ nãng lượng trong m ạc h vòng c huyển mạch, có thể thực hiện bằng hai cách: 1) mắc mạch phụ soniĩ song với Tg bằng Dg, Rg xả năng lượng dự trữ, hoăc song song điện cảrĩi chuyển mạch L) bàng Ry, D 7 ; 2) dùng biến áp trả n ăng lượng từ điện cả m L | về nguồn cấp ư | bằns mạch \ \ s , Dg. Trong sơ đồ hình 2.l0b mạch chuyển mạch có hai khâu: khâu cơ bản (Lj, Cj, T5 ) và khâu phụ (C2, L4, Tộ hoặc C2, L5, T7). Khâu chuyển mạch phụ chi hoạt động khi cần thực hiện tức thời đảo chiều điện áp tải. Khi đảo chiều điện áp tải, cấp xung điều khiển rnở T5 v à cắt x u n g đ iề u k h iể n c ặ p tiristo r đang dẫn T | , T , (h a y T3, T4). T ir i s t o r T | (h a y T 3) bị khoá. Xung điều khiển m ở cập tiristoi cẩn mờ T3, T4 được cấp ch ậm sau một khoảng thời gian tg = 2T (T - chu kì chuyển mach liristor). Trong khoảng tg, cấp xung điều khiển các tiristor Tộ (hay T7) của mạch vòng chu> ổn mạcli. Trong khoảng thời gian này tiristor T 2 (hay T4) khoá, dòng điện tải (do dien cảm xá nàng lượmg) khé p vòng qua các điốt D3, D4 (hay D|, D2) và nguồn cấp U|, do đó rnà dòng điện giảm nhanh. Trên hình 2.10c giới thiệu sơ đồ băm áp đảo chiều theo quy luậi điề u khiển không đối xứng và chuyển mạch bằng biến áp. Trong sơ đỏ có ba biến áp chuvểm mạch. Khoá các tiristor nhóm anod (Tj hay T4) được thực hiện bàng mạch tụ C |, các rlristor T5, Tg và các biến áp chu yển mạch BAị, BA2 (các loại biến áp này là biến áp xung). Nguyên lý hoạt động của khâu chuyển mạch này như sau ; , Khi mở T5 tụ C, được nạp từ nguồn cấp u, qua T 5 và C Ô sư cấ|p biến áp BA| (có U 'II điện cảm Lị). Trên cuộn dây thứ cấp biến áp BA| cámi ứng rnột xun« điện áp làm khoá Tj. Tiristor T4 khóa khi mở Tg và phóng điện tụ C| lên cuộn dỉây/ s.ơ Cíấp biến áp BAj. K h o á các tirisor ở nhóm catod (T9, T3) dược thực hiện nlnờ niiạtchi tụ C2, tiristor T7 và biến áp B A 3. Nạp điện cho tụ C2 được lấy từ aouổrỉi U3 qiuaỉ dJiÊn Ciảrn L2 và điốt D7, cho phép xả năng lượng của tụ vẻ nguồn U|. 139
2. Tính chọn các linh kiện I T lm a x Các linh kiện cơ bản của băm áp một chiều bằng Tiristor gồm có: Tiristor động "h A lực Tj, tụ chuyển mạch c , điện cảm chuyển mạch L, điốt chuyển mạch Dj, điốt xả năng T2 lượng Dq, Tiristor chuyển mạch T2 . Mỗi sơ đồ mạch có các thông số khác 2t, DO nhau, dưới đây giới thiệu cách tính chọn linh kiện của sơ đồ kinh điển thường gặp nhất là sơ đổ hình 2.7a: D1 Dòng điện trung bình chạy qua Tiristor động lực Tj được tính : Uc T c h /2 t. + I DITB (2.14) Trong đó: -u . hiTB ~ dòng điện trung bình chạy qua Tiristor TJ. Hình 2 J 1 Đường cong điện áp dòng điện của băm áp một chiều bằng tiristor hình 2.7a. - dòng điện tải trung bình. tỵ- khoảng thời gian có xung điện áp tải. ÌQ —khoảng trống xung điện áp. ^DITB ~ dòng điện trung bình chạy qua điốt chuyển mạch. T/2 1 Tlmax d DITB ® (tx+to) Với : (ù - tần s ố dao động của mạch L ị C, được tính theo biểu tức 2.18 Dòng điện trung bình chạy qua Tiristor chuyển mạch. 2 t„ (2.15) Trong đó : tf( - thời gian khoá đ ể phục hồi Tirỉstor TJ (thời gian Tiristor chuyển từ trạng thái dẫn về trạng thái ban đầu); Trị s ố này tra từ s ố liệu kỹ thuật của tiristor. Dòng điện trung bình chạy qua điốt xả năng lượng D q I ^DOTB = I ^d- (2.16) 140
Tụ chuyển mạch phải đảm bảo khả năng chuyển mạch của Tiristor T| ngay cả những trường hợp xấu nhất, khi dòng điện tái có giá trị cực dại và điện áp trên tụ chuyển mạch có giá trị cực tiểu. Tụ c được tính: L .t„ c > d-'K (2.17) u Imin Trong đó: u - trị s ố điện áp nguồn cấp thấp nhất. Tần số mạch dao động; 1 co = ( 2 . 18) yỉĩlc Mặt khác điện cảm được tính từ dòng điện tối đa qua Tiristor Ti trong thòi gian đóng: T _T , Mim«. _ T , TJ £ (2.19) ^Tlmax ^ ^ '^ Im a x -U COL ' ■■“ V L ■■ Điện cảm L được tính: L = c . ----- r i m 2X _ _ ( 2 .2 0 ) Ở biểu thức (2 .2 0 ); điện dung c được tính từ (2.17), dòng điện Iximax được cho bởi khả năng chịu dòng cực đại của tiristor động lực Tj, giá trị này có thể chọn trong khoảng (1 ,5 ^ 2 ) Ij. 11.2. Thiết kế bộ băm áp một chiều với van động lực là Tranzitor ưu điểm lớn nhất của tranzitor so với tiristor là có Ihể làm việc ở tần sô' cao và dỗ điều khién, nên Tranzitor được dùng làm van động lực cho ?át bộ băm áp một chiều khá phổ biến [ 1 1 ]. Các bộ băm áp một chiều có thể là loại băm áp nối tiếp như hình 2.12a, hay băm áp song sọng như giới thiệu trên hình 2 . 1 2 b Trong sơ đồ băm áp nối tiếp hình 2.12a, khi Tranzitor dăn dòng điện chạy qua Tranzitor bằng dòng điện tải, nghĩa là Tranzitor được mắc nối tiếp với tải. L T MĐK MĐK a) b) Hình 2.12. Sơ đổđộng lực băm áp một chiều bằng Tranzitor trường ; a) Băm áp nối tiếp ; b) Băm áp song song. 141
Trong sơ đồ băm áp song song hình 2.12b, khi Tranzitor dẫn tải ngắn mạch, ở trường hợp này Tranzitor mắc song song với tải. Các sơ đồ băm áp một chiều thực tế thường gặp là loại băm áp nối tiếp, Trong phần này đi sâu giới thiệu về loại băm áp nối tiếp. i . Lựa chọn loại van động lực Trên thị trường ngày nay có ba loại Tranzitor như giới thiệu trên hình 2.13 T T lir " ■ \ / 1 MĐK 1 _ MĐK h MĐK f / u Za d a) b) c) H ình 2.13. Sơ đồ băm áp nối tiếp, a) Van động lực là Tranzitor lưỡng cực ; b) Van động lực là Tranzitor trường; c) Van động lực là Tranzitor IGBT. Về nguyên lí, ba loại Tranzitor trên hình 2.13 hoạt động gần giống nhau. Khác nhau của chúng là tổn hao công suất, tần số làm việc, công suất điều khiển. 2. Lụa chọn sơ đồ thiết k ế Tranzitor lưỡng cực như trên hình 2.13a là loại linh kiện kinh điển, thông dụng, có ưu điểm là tần số làm việc cao, dòng điện của loại linh kiện này hiện nay đáng kể (dòng điện định mức tới lOOOA). Tuy vậy tổn hao chuyển mạch làm giới hạn dòng điện làm việc. Công suất điều khiển của các loại Tranzitor lưỡng cực đáng kể, điều này làm tâng công suất mạch điều khiển. Ngay cả việc sử dụng sơ đồ darlingtoon nhiều khi cũng chưa được coi là hợp lý (lúc đó darlingtoon nhiều tầng làm tăng sai số). Khắc phục nhược điểm về công suất điều khiển của Tranzitor lưỡng cực.Tranzitor trường được sử dụng (hình 2.13b). Sử dụng Tranzitor trường trong các bộ chuyển mạch như băm áp là rất hiệu quả. Tuy nhiên loại van này hiện nay được chế tạo với dòng điện không lớn bằng Tranzitor lưỡng cực. Phối hợp các ưu điểm của hai loại Tranzitor lưỡng cực và trường ở trên, IGBT được sử dụng hình 2.13c. Những năm gần đây, loại linh kiện này được chế tạo có công suất khá lớn. Ví dụ loại IM BI800PN-180 có I = 800A, u = 1800V. Ngoài ra loại linh kiện này còn được chế tạo tích hợp nhiều linh kiện trong một vỏ (xem phụ lục p4). 142
III - THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BĂM ÁP MỘT C H IẾ U lil.1. Nguyên lý điều khiển Mạch điều khiển băm áp một chiều có nhi ệm vụ xác đị nh thời điểm mở và khoá van bán dẫn trong một chu kì chuyển mạch. Như đã biết ớ trôn, chu kì đóng cắt van nên Ihiếl kế cố định. Điện áp tải khi điều khicn được tính : * Trong đó: td _ td Y ĩ^ị, T^.ị. : Thời gian dẫn, khoá van bán dẫn, chu kì đóng cắt. u / : điện áp nguồn một chiều. Mạch điều khiển cần đáp ứng yêu cầu điều khiển Y bằng các lệnh theo một nguyên tắc nào đó. Để điều khiển y với chu kì đóng cắt (T^|J k h ô n g đổi cần phải điều khiển khoảng thời gian dẫn của van bán dẫn trong chu kì đóng cắi. Nguyên lý điều khiển thời gian dẫn của các van bán dẫn trong băm áp một chiều có thể thực hiện như sau. Tạo một điện áp tựa dạng điện áp răng cưa (hay đi ệ n áp taiT! giác) với một lần số f xác định khá cao. Dùng một điện áp một chiều (làm điện áp điều khiển) so sánh vói điện áp tựa. Tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn. 143
Hình 2.14 trình bày nguyên lý điều khiển bộ băm áp một chiều. Điện áp tựa Ufj. so sánh với điện áp điều khiển u^ịj. Tại các thời điểm 0, tị, ... = U sẽ phát lệnh (J|^ mở hay khoá van bán dẫn. Nếu tại các sườn lên của điện áp tựa Ufg phát lệnh mở van bán dẫn, tại sườn xuống của sẽ phát lệnh khoá van thì cách đó các van bán dẫn sẽ mở tại 0 , Î2 , t4 và khoá tại tj, Í3 tj ... Độ rộng xung điện áp tải được điều khiển khi điều chỉnh điện áp điều khiển Trên hình 2.14 tăng sẽ giảm Y và giảm điện áp.ra. Nghĩa là trong trường hợp này và Ujàj nghịch biến. III.2. Sơ đổ khối mạch điều khiển H ình 2.15. Sơ đồ khối.m ạch điểu khiển băm áp m ột chiêu Mạch điều khiển băm áp một chiều gồm 3 khâu cơ bản : Kháu tạo tần số có nhiệm vụ tao điện áp tựa răng cưa ưrc với tần số theo ý muốn người thiết kế. Tần số của các bộ băm áp một chiều thường chọn khá lớn (hàng chục KHz). Tần số này lớn hay bé là do khả năng chịu tần số của van bán dẫn. Nếu van động lực là Tiristor tần số của khâu tạo tần số khoảng 1-5 KHz. Nếu van động lực là Tranzitor lưỡng cực, trường, IGBT tần số có thể hàng chục KHz. Kháu so sánh có nhiệm vụ xác định thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển. Tại các thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn. Điện áp tựa dạng tam giác có hai sườn lên và xuống, lệnh mở van động lực ở giao điểm sườn lên, thì ở giao điểm sườn xuống sẽ phát lệnh khoá van và ngược lại. Khâu tạo xung, khuếch đại có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở van bán dẫn. Một xung được coi là phù hợp để mở van là xung có đủ công suất (đủ dòng điện và điện áp điều khiển), cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực khi nguồn động lực hàng chục vôn trở lên. Hình dạng xung điều khiển phụ thuộc loại van động lực được sử dụng. Van động lực là Tiristor, xung điều khiển cần có là xung kim với sườn trước dốc thẳng đứng như đã giới thiệu ở chương 1 . ' Van động lực là Tranzitor, xung điều khiển có dạng xung chữ nhật độ rộng của các xung này bằng độ rộng xung điện áp tải. 144
ill.3. Các khâu cơ bản 1. Kháu tạo tần số Có nhiều cách tạo điện áp tựa có tần số theo ý đồ của người thiết kế. Những sơ đồ tạ o đ i ệ n á p tự a đ i ể n h ìn h c ó t h ể t ạ o ra b a dạng điện áp n h ư hình 2 . 1 6 . H ình 2.16. Các dạng điện áp tựa của mạch điều khiển băm áp một chiều Điện áp tựa dạng tam giác cân như hình 2.16a được tạo ra khi tần số f=l/Tck cố định. Độ rộng xung điện áp y có thể được điều chỉnh bằng việc thay đổi cả thời điểm rtiở van bán dẫn ở sườn lên điện áp tựa và cả thời điểm khoá van bán dẫn tại sườn xuống điện áp tựa. Sơ đồ mạch tạo điện áp tam giác cân như thế này được thực hiện tương đối đơn giản. Tuy nhiên, việc tạo điện áp có cả hai cạnh lên và xuống cùng biến thiên như hình 2.16a thường được thực hiện bằng mạch RC, hình dạng các cạnh đó phụ thuộc vào việc nạp và xả tụ. Các đường nạp và xả tụ nhiều khi không hoàn toàn là đường thẳrig tuyến tính. Các đường cong ấ y có thể làm c h o quan hệ giữa điện áp điều k h i ể n v ớ i k h o ả n g d ẫ n Y k h ô n g t u y ế n t ín h . M ặ c dù v ậ y , đ iệ n á p tự a d ạ n g ta m g i á c c â n thường hay được dùng hcfn trong thực tế vì lý do dễ thực hiện. Điện áp tựa dạng tam giác vuông hình 2.16 b, c cũng được tạo với tần số cố định. Khi thay đổi điện áp điều khiển, có một cạnh của tam giác là cạnh góc vuông, nên thời điểm mở (hay khoá) theo cạnh đó sẽ cô' định trong một chu kì. Van bán dẫn chỉ được mở (hay khoá) theo cạnh huyền của tam giác. Sơ đổ mạch điện tử tạo điện áp vuông như thế này thường khó thực hiện hơn, vì trên thực tế tạo cạnh góc vuông 90° không hoàn toàn chính xác. Chúng ta xét một số sơ đồ tạo điện áp tựa của khâu tạo tần số. Tạo điện áp tam giác bằng dao động đa hài Điện áp tam giác cân có thể được tạo bời một dao động đa hài bằng khuếch đại thuật toán (KĐTT) như hình 2.17 a Sơ đồ dao động đa hài bằng KĐTT Aị có hai đường hồi tiếp. Hồi tiếp âm về V’ bằng mạch RC, hồi tiếp dương về bằng mạch chia áp R], Rt. Hoạt động của sơ đồ hình 2 .17a có thể giải thích như sau : 19. T ^ H T O Á N ...C S U Ấ T > 145
Giả sử điện áp ra của A | đang dương, nhờ hồi tiếp dương mà điện áp ra bằng u và không đổi, lúc đó điện áp vào cổng "+" có trị số: R (2 .21 ) Điện áp vào cổng là điện áp nạp tụ, điện áp nạp tụ tăng dần đến khi v*" = V , tại tj đầu ra lật trạng thái từ dương xuống âm, điện áp v*" đổi dấu từ dương xuống âm, điện áp trên tụ đổi chiều nạp tụ. v+ V- t \ b) H ình 2.17. D ao động đa hài bằng KĐTT Chu kì dao động của mạch được xác định: T = 2.R.C.ln ( 2 .22) Tần số xung: f = l (2.23) T Trường hợp đặc biệt Rị = 2 R2 = R ta có: T = 2.R .C .ln2 = 2.R.C.0,69 Rj = R2 = R -> T = 2.R.C.ln 3 = 2.R.C.1,! = 2,2. R .c Để phối hợp trở kháng giữa điện áp trên tụ với tải bên ngoài cần dùngthêm khuếch đại A 2 . Tạo điện áp tam giác bằng tích phàn sóng vuông Mạch tạo điện áp tam giác cũng có thể nhận được từ bộtích phânxung vuông như hình 2.18. Xung vuông có thể tạo bằng nhiều cách khác nhau. Tích phân Xung này chính là quá trình nạp, xả tụ. Nếu điện áp vào khâu tích phân không đối xứng có thể xuất hiện sai số đáng kể. 146 19. TÍNH TOÀN... c SUẤT.B
R b) H in h 2.18. Bô tạo sóng điện áp vuông và tam giác bằng KĐTT Điện áp tựa trên hình 2.17b mang tính phi tuyến cao. Điện áp tựa có thể nhận được tuyến tính hofn nếu sử dụng sơ đồ hình 2.18a. Khuếch đại A] có hồi tiếp dương bằng điện trở Rj, đầu ra có trị số điện áp nguồn và dấu phụ thuộc hiệu điện áp hai cổng V^, V . Đầu vào có hai tín hiệu, một tín hiệu không đổi lấy từ đầu ra của Aj, một tín hiộu biến thiên lấy từ đầu ra của A 2 . Điện áp chuẩn so sánh để quyết định đổi dấu điện áp ra của Aj là trung tính vào V . Giả sử đầu ra của A| dương (U^Ị > 0), khuếch đại A 2 tích phấn đảo dấu cho điện áp có sườn đi xuống của điện áp tựa. Điện áp vào lấy từ Rj và R 2 , hai địện áp này trái dấu nhau. Điện áp vào qua R2 biến thiên theo đường nạp tụ, còn điện áp vào qua Rj không đổi, tới khi nào Uỵ+ = 0 đầu ra của A| đổi dấu thành âm. Chu kì điện áp ra của Aj cứ luân phiên đổi dấu như vậy cho ta điện áp ra như hình 2.18b. Tần số của điện áp tựa được tính: 1 f = (2.24) 4 .R 3 .C .^ ' R, Bằng cách chọn các trị số của điện trở và tụ điện ta có được điện áp tựa có tần số như mong muốn. Tạo điện àp tam giác bằng dao động tích thoát Mạch dao động tích thoát bằng UJT (tranzitor đơn nối) cũng có thể cho chúng ta một điện áp tam giác. Mạch điện hình 2.19 là một mạch tích thoát cơ bản, trong đó Rj, R2 nhận các tín hiệu xung. Tụ c và điện trở là mạch nạp để tạo điện áp tam giác không tuyến tính trên tụ C.- Hoạt động của sơ đồ hình 2.19 như sau: Khi mới đóng điện tụ c đẳng thế, coi Ug = 0, tranzitor ở trạng thái khoá. Tụ c nạp qua điện trở Rj làm Ug tăng đến điện áp đỉnh với trị số; 147