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. Nguyên lý băm áp một 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 Ì 2 khoá K mở điện áp tải bằng 0. K u CK a) b) Hinh 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: Ud- 1 X CK 0 u,.dt = i u, ^ck (2 . 1) 128
125
Embed
CHương 2 - daotao.ute.udn.vndaotao.ute.udn.vn/Resource/News/tinh_toan_thiet_ke_thiet_bi_dien_tu... · CHương 2 THIẾT KẾ BỘ BĂM ÁP MỘT CHIỀU I - TÓM TẮT LÝ THUYẾT
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
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. Nguyên lý băm áp một 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:
U d -1
XC K 0
u,.dt = i u ,ck
(2 .1)
128
nếu coi Y = thì :Tck
Ud = y . u ,
Trong đó:
- điện áp tải một chiền;
uI —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 i ệ 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:d i
d t(2 .2)
Trong đó: i - dòng điện tải ; - điện trở tải; - điện cảm tải
17. ìlNH TO Á N., c 129
Khi khoá K mở:
di0 = 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:
hđ ” dòng điện ban đầu của chu kì đang xét {mở hay đóng khoá K);
XL - dòng điện xác lập của chu kì đang xét
Khi khoá K đóng IxL = — ; Khi khoá Kmởlỵi^ = 0Rd
Tj = — — hằng số thời gian điện từ của mạchRd
Dạng đưòfng cong dòng điện vẽ theo biểu thức (2.4) biến thiên có dạng như trên hình2 .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 biênCK
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 songTrong 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| ì = i(j; Uj = Up is = 0.
Giá trị trung bình của điện áp tải một chiéu
Ua =1 u,.dtC K t j
= (i-y)ư,
' n Do id1 ^
* s } j R d
Ud' 1 1
^ U
r
0
ÌN
is
CK
t i Tck
a) b)H inh 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 ) . I d
Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua khoá K.
Ig = Ỵ. I(J
Giá trị trung bình của dòng điện tải.
E . - U .R
(2 .6)
t
(2.7)
(2 .8)
(2.9)
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 hợpKhi 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" “II T *
I
u. u,
Hinh 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/CÙQ = n V l .C
Sau khi khoá Tj, tụ c tiếp tục xả và nạp ngược lại qua tải từ -U co đến Uj.
Thời gian khoá của Tj bằng thời gian xả tụ c (từ điện áp -U^o tới 0).
tk = t3- t 2 = Uco-C/Id - U ,.c /I , (2.10)Hình 2.6. Giản đồ đường cong băm áp
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
7r.^/ĨIc2.Ư..C
T\
Dòng điện trung bình của Tiristor
Id(2.11)
T T
Dòng điện trung bình chạy qua điốt Dg
= (213 )
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 Tiristorđộng 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 hình 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)
l f \ [| I Í I L|V Do 1“ id
4 I "''' I— S ......... .....I... ---------- ----------u —
D2
d) e)o, L:
Li- 1 +T i T
u
W2 Wi
idl
Zd
9)
Hinh 2.7. Các sơ đồ bám áp một chiều bằng Tiristor với chuyển mạch hai lầng
^2 L2
' T '
t i . ^ t T r iỈ[Ĩ3 ÌÍT2 ị
----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 nhỏchất 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-T3- 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 làmảnh 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 là m e h o v ù n g đ iề u k h iể n v à đ ộ c ứ n g đ ặ c t ín h n g o à i th 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 D2 và điện cảm L2 (như trên hình 2.7 a, b, c, d.e, f vẽ nét đứt).
- Ngắn mạch tiristor Tj bằng điốt D2 (trên hình 2.8 a, b, c, e, f); ngắn mạch T ị
bằng mạch L], Dj (hình 2.7 e, f, 2.8 d)
136
D. D. D.
,Ti'T 3 T;
uD,
u,D.
u,
a)
D,
b) c)
D2
iị , 1.1
T 2j
Ù,
c p
- + Doi
‘d
1 L
ỉL
**■ ^
Do
'g
1 L
T3j r c r
d) e) f)
H ình 2.8. Băm áp bằng tiristor chuyển mạch bằng L, c
c) Băm àp một 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 ỉnh 2,9, Mach băm áp một chiều chuyển mach nối tiếp iI
Xung điện áp khi cần khóa T ị c ó được nhờ phóng đ i ệ n tụ chu|yển mạch. Mạch vòng phóng điện của tụ để khóa T ị trong thời gian chuyển mạch khôiHig ảmh hưởng tới
18. TlNH TOÁN... c SU Ẩ 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], T2 (hay T3 , T4 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 T5, 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 D5 . Điều kiện làm việc bình thường của mạch là điện cảm L2 lớn hơn nhiều so với L ị (có thể coi L 1/L2 « 0,05-0,01).
a)
c)
H ình 2.10. Một số sơ đổ băm áp đảo chiều
138 18. TÍNH TOÁN... c SUẲT.B
Ví dụ ở chiều 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,| (Uq) > 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 khoảng 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 nạp iại với điện áp lớn hơn giá trị ban đầu. ở lần chuyển mạch tiếp theo, điện 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 chuyển mạch tăng. Để giảm nhỏ chế độ tích luỹ nãng lượng trong mạch vòng chuyển
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, D7 ; 2) dùng biến áp trả năng lượng từ điện cảm 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 và cắt x u n g đ iều kh iển cặp tir istor đang dẫn T | , T , (hay T3, T4). T ir is to r T| (hay
T 3) bị khoá. Xung điều khiển mở cập tiristoi cẩn mờ T3, T4 được cấp chậm 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) khép 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 chuyển 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 T5 và CUÔ'II sư cấ|p biến áp BA| (có 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 hoá các tirisor ở nhóm catod (T9, T3) dược thực hiện nlnờ niiạtchi tụ C2, tiristor T7
và biến áp BA3. 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
Các linh kiện cơ bản của băm áp một chiều bằng Tiristor gồm có: Tiristor động lực Tj, tụ chuyển mạch c, điện cảm chuyển mạch L, điốt chuyển mạch Dj, điốt xả năng lượng Dq, Tiristor chuyển mạch T2 .
Mỗi sơ đồ mạch có các thông số khác nhau, dưới đây giới thiệu cách tính chọn linh kiện của sơ đồ kinh điển thường gặp nhất là sơ đổ hình 2.7a:
Dòng điện trung bình chạy qua Tiristor động lực Tj được tính :
" h
I T lm a x
T2
DO
D1
t.Uc
+ IDITB (2.14)
-u .
2t,
Trong đó:
hiTB ~ dòng điện trung bình chạy qua
Tiristor TJ.
- 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
T ch/2
A
Hình 2 J 1 Đường cong điện áp dòng điện của băm áp một chiều bằng tiristor hình 2.7a.
1DITB
Tlmax d
® ( t x + t o )
Với :
(ù - tần số 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 số liệu kỹ thuật của tiristor.
Dòng điện trung bình chạy qua điốt xả năng lượng Dq
I = I^DOTB ^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-'Ku
(2.17)Imin
Trong đó: u - trị số điện áp nguồn cấp thấp nhất.
Tần số mạch dao động;
1co =
yỉĩlc(2 .18)
Mặt khác điện cảm được tính từ dòng điện tối đa qua Tiristor Ti trong thòi gian đóng:
(2.19)COL ' ■■■■“ V L
Điện cảm L được tính:
L = c .-----r i m 2X _ _ (2 .2 0 )
T _T , Mim«. _ T , TJ £^ T l m a x ^ ^ ' ^ I m a x - U
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.
T
MĐK
L
MĐK
a) b)
Hình 2.12. Sơ đổ động 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
TT
MĐK
l i r " ■1
\ /
1 _ MĐK/ uh MĐK f
Z ad
a) b) c)
Hình 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 IMBI800PN-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 IẾU
lil.1. Nguyên lý điều khiểnMạch điều khiển băm áp một chiều có nhiệm vụ xác định 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:
Y td _ td
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 không 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 điện 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(J| sẽ phát lệnhmở 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
Hình 2.15. Sơ đồ khối.mạch điểu khiển băm áp một 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 iệ n á p tự a đ iể n h ìn h c ó th ể tạ o ra ba dạng điện áp n h ư hình 2 .1 6 .
Hình 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 ấy có thể làm cho quan hệ giữa điện áp điều k h iể n v ớ i k h o ả n g d ẫ n Y k h ô n g tu y ế n t ín h . M ặc dù v ậ y , đ iệ n áp tự a d ạ n g ta m g iá 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. Dao động đa hài bằng KĐTT
Chu kì dao động của mạch được xác định:
T = 2.R.C.ln
Tần số xung:
f = l T
(2.22)
(2.23)
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 dùng thêmkhuếch đại A2 .
Tạo điện áp tam giác bằng tích phàn sóng vuông
Mạch tạo điện áp tam giác cũng có thể nhận được từ bộ tích phân xung vuông nhưhình 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 inh 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 A2 . 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 A2 tích phấn đảo dấu cho điện áp có sườn đi xuống của điện áp tựa. Điện áp vào lấy từ Rj và R2, 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:
1f =4 .R 3 .C .^
' R,
(2.24)
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
U p = u , + U,3 =R ĐI U cc+0,6V (2.25)
1ÚC đó tranzitor dặn. Tụ c xả nhanh qua điốt EB - Rg - Rp Khi tụ c xả từ Up đến ngưỡng dưới tranzitor ngưng dẫn, tụ nạp trở lại bắt đầu một chu kì mới.
------ T—
R.
+Ucc R.
B2
Bi
Ri
- 0
R+u» B.
cc
BI
a)
Ri-L o
b)
Hinh 2.19. Mạch tạo dao động tích thoát a) Sơ đồ nguyên lý ; b) Sơ đồ thay t h ế ; c) Các đường cong.
Tần số dao động của mạch:
1f =
RyCln 1 (2.26)
1 -
RBI
Gần đúng coi
RBI « 0 , 5
lúc đó 1 _ 1
RT-Cln2” o,69RT-C
(2.27)
(2.28)
Mạch tạo điện áp tam giác dùng IC566
Mạch v c o (Voltage Control Osilator - mạch dao động điều khiển bằng điện áp) dùng IC 566 có hình dáng cấu trúc trên hình 2.20.
Các chân:
1. GND: Nối đất.
2. NC: Không dùng.
3. Square Ware Output: Đầu ra sóng vuông.
4. Triangle Ware Output; Đầu ra sóng tam giác.
148
5. Modulation Input: Đầu vào điều chế.
6 . R: Chân vào nối điện trở.
7. C: Chân vào nối tụ.
8 . ; Nguồn nuôi dương.
H ình 2.20. Sơ đồ cấu trúc của IC 566
Mạch nguồn dòng điện (current sources) có tác dụng giữ cho dòng điện nạp tụ c qua điện trở R có trị số ổn định. Dòng điện nạp lụ có thể điều chỉnh bằng điện áp đưa vào chân 5. Điện áp trên tụ khuếch đại đệm đưa ra chân 4 tăng theo hàm bậc nhất.
Mạch Trigger Schmitt cho ra dạng sóng điện áp hình vuông khuếch đai đệm đưa ra chân 3.
Mạch khuếch đại đệm trong IC để khuếch đại sóng vuông và tam giác, đồng thời phối hợp trở kháng để đưa tới các tầng sau.
Thay đổi điện áp đưa vào chân 5 làm tha}' đổi dòng điện nạp tụ c dẫn tới thay đổi tốc độ nạp tụ. Kết quả là thay đổi tần sô' sóng vuông và tam giác ra.
Trong đó:
R - điện trở vào chân 6 ; c - tụ điện nối váo chân 7
Uị - điện áp chân 5 - chân điều chỉnh. Trị số được phép
3/4 .U ,, < Us <
Trị số điện trở R giới hạn: 2 kQ < R < 2G kQ.Trên hình 2.21 vẽ một mạch ứng dụng tạo điện áp tam giác.
Tần số được tính : f _ _ 2 U cc-U s. R.c
(Hz)
149
+Ucc=12V
100 2l 12 J= 5000 Hz
=10 .10\ 0 ,01.10 -6 12
= 170 Hz
15K
Hình 2.21. Mạch ví dụ tạo sóng tam giác bằng IC566
Sơ đồ tạo điện áp tựa bằng VCO IC 566, IC 4046, dược dùng nhiều khi cần điều chỉnh tần số xung điều khiển bằng điện áp.
Mạch dao động dùng IC 567
IC 567 là loại IC vòng khoá pha có khối dao động c c o (Current Control Oscilator- dao động íạo xung được điều khiển bằng dòng điện). Hình dáng cấu trúc của IC này được mô tả trên hình 2 .2 2 .
R
1MF
H inh 2.22. Sơ đồ cấu trúc IC 567
Chức năng các chân:
1. Output Filter C3 - chân nối lọc tụ đầu ra.
2. Low Rass Filter C2 - chân nối tụ C2 xuống mass để lọc tín hiệu tần số thấp.
3. Input - chân nhận tín hiệu đầu vào.
150
4. +Uj.j, - chân dương nguồn nuôi 4,75 - 10 V.
5. Timing R - chân nối điện trở giữa chân 5 và 6 để dịnh tần số c c o .6 . Timing R, c - chân nối tụ lọc xuống m ass, như mạch lọc để chạy ổn định
tần số cho mạch c c o . Tần số dao động có trị số thay đổi như sau :
1,1f =R.c
Hz (2.29)
7 - Ground - nối đất (mass) để lấy nguồn nuôi cho IC.8 - Output - đầu ra với colector hở.
u
H ình 2.23. Đường cong điện áp các chân 5,6 IC 567
Nguyên lý tạo xung của IC như sau :
Điện trở R ở chân 5 và tụ c ở chân 6 xác định tần số dao động của mạch.
1,1R .c
Hz (2.30)
Tín hiệu đồng thời đưa vào hai khối so pha và so áp vuông pha, chúng cùng nhận tín hiệu ở đầu vào chân 3 để so với tín hiệu fo do mạch dao động trong IC tạo nên.
Hai tụ điện Cj, C2 ở các. chân 1 và 2 có tác dụng lọc xoay chiều tần số thấp ở đầu ra của mạch so pha và so áp vuông pha. Điện trở Rj, Rj trong IC được xem là điện trở tải cho hai mạch này.
Khi tần số đầu vào và tần số dao động fg khác nhau thì không có dòng điện qua điện trở R2 trong IC. Lúc đó, điện áp vào của OP-AMP so sánh sẽ cao hơn điện áp chuẩnVref ở đầu vào V'. Mạch so sánh sẽ cho ra điện áp cao ở chân 8
Hình 2.24. Sơ đổ tạo điện áp tam giác bằng IC 567
151
Khi tần số đầu vào fy và tần số dao động fo bằng nhau thì có dòng điện qua điện trở R2 trong IC tạo sụt áp trên nó. Lúc đó, điện áp vào của OP-AMP so sánh sẽ thấp hơn điện áp chuẩn ở đầu vào V . Mạch so sánh sẽ cho ra điện áp mức thấp ở chân 8 .
Mạch dao động có dạng xung vuông ở chân 5 và xung tam giác ở chân 6 . Khi chân 5 có điện áp mức cao, tụ c nạp, chân 6 có điện áp tăng. Khi chân 5 có điện áp mức thấp, tụ c xả, chân 6 có điện áp giảm, như mô tả trên hình 2.23.
Một sơ đồ ví dụ tạo xung tam giác giới thiệu trên hình 2.24.
Tạo điện áp tam giác vuông
Mạch tạo điện áp tam giác vuông có thể tạo được từ dao động đa hài không đối xứng hình 2.25
Hằng số thời gian nạp tụ phụ thuộc phần điện trở trên VR. Bằng cách thay đổi vị trí con chạy của biến trở, hai chiều nạp tụ có hai trị số điện trở khác nhau. Từ đó có độ dốc của hai chiều nạp tụ khác nhau. Hai cạnh tam giác có độ nghiêng khác nhau. Khi vị trí con chạy nằm sát mép trên của hình vẽ nạp tụ theo chiều đi lên dài hơn, nạp theo chiều đi xuống nhanh hơn và ngược lại.
/H V-
v+
D
Ri
VR v+
H ình 2.25. Sơ đồ mạch tạo sóng tam giác vuông
Chu kỳ xung : T = C.VR.ln(l + , tần số xung : f = —R, T
Mạch tạo sóng vuông và tam giác bằng IC555 được giới thiệu trong nhiều tài liệu cũng có thể sử dụng tốt trong trường hợp này.
2. Kháu so sánh
Trong ba khâu điều khiển trên, khâu so sánh tương tự như các khâu tương ứng trong chỉnh lưu ở đây không giới thiệu chi tiết.
152
Tương tự như các mạch so sánh thường gặp. Khâu so sánh của băm áp một chiều sẽ xác định thời điểm mở và khoá van bán dẫn. Đầu vào của khâu này gồm có hai tín hiệu, điện áp tựa (điện áp tam giác) và điện áp một chiều làm điện áp điều khiển. Một trong những sơ đồ ví dụ điển hình giới thiệu trên hình 2.26a. và dạng điện áp vào, ra trên hình 2.26b.
Từ hình 2.26b, thấy rằng trong mỗi chu kì điện áp tựa có hai thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển. Tại các thời điểm đó, đầu ra của khâu so sánh đổi dấu điện áp. Tương ứng với các thời điểm đột biến điện áp đầu ra của khâu so sánh cần có lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn.
k—cm -
H inh 2.26. Mạch so sánh hai cổng bằng KĐTT
3. Kháu khuếch đại
Mạch động lực như đã giới thiệu ở trên có thể thực hiện bằng haị loại linh kiện khác nhau. Do đó, việc thiết kế mạch điều khiển cho hai loại linh kiện đó có những đặc đ iể m hơi khác. Chúng ta thiết kế mạch khuếch đại cho hai loại l in h kiện đ ó .
a) Mạch khuếch đại cho băm áp một chiều bằng Tiristor
Trong các sơ đồ mạch kinh điển, băm áp một chiều bằng Tiristor cần có hai lệnh mở và khoá van bán dẫn tương ứng với các thời điểm đột biến điện áp ra trên hình 2.26b.
Mạch khuếch đại cho Tiristor trong bộ băm áp một chiều hình 2.27a giới thiệu trên hình 2.27b, c. Các xung điều khiển cho hai thời điểm mở và khoá van bán dẫn động lực cần hai mạch khuếch đại. Nếu sử dụng sơ đồ khuếch đại có hai mạch khuếch đại công suất giống nhau như hình 2.27b, thì cần có bộ đảo dấu A2 sau khâu so sánh, ư u điểm của sơ đồ mạch này là đơn giản trong việc thiết kế nguồn nuôi cho mạch, hai mạch khuếch đại công suất có linh kiện giống nhau nên đơn giản khi chọn linh kiện, do đó mạch này thường hay chọn hơn.
Mạch khuếch đại hình 2.27c có thể giải thích dỗ dàng về nguyên lí, theo hoạt động của hai loại tranzitor NPN, PNP ở sườn lên của điện áp so sánh phát lệnh mở Tị, ở sườn
20. TÍNH TOÁN... CSUẨTA 153
xuống phát lệnh mở T,. Tuy nhiên việc thiết kế nguồn nuôi đối xứng làm phức tạp thêm mạch nguồn và hai tranzitor khác loại cũng có thể được coi là nhược điểm. Với những lý do đó mà mạch này ít được chọn khi thiết kế.
r - ^2---------- ----------------
Ui • L D 7
a)
+15V
D
Uary - u.r R’
Tr.
R:
Tr.
bR:
Tr,
BAX2
b) +15V
+15V
Di
D4
u<jk-
P T l ■ ► í ” ^
J S ' ‘-CIZ}—Klrg 1
ị* K
-15V
A
c)
H ình 2.27. Một số sơ đồ mạch ví dụ băm áp dùng Tiristor
b) Mạch khuếch đại cho van động lực là Tramitor
Giống như mạch khuếch đại của tiristor, mạch khuếch đại cho van động lực là tiristor có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở tranzitor. Sự phù hợp ở đây là phù hợp về công suất và cách li giữa mạch điều khiển với mạch động lực (khi mạch động lực có điện áp cao).
Trên hình 2.28 giới thiệu một số mạch khuếch đại ghép nối giữa tầng so sánh với tầng động lực. Hình 2.28a dùng cho những mạch có điện áp nguồn động lực Uj thấp.
154 20. TlNH TOÁN... c SUẢT B
Hình 2.28b dùng cho những mạch động lực có (liên áp niíuồri Uị cao, nhưng mạch điều khiển có điện áp cấp nguồn điều khicn (ljjị;) each li. Hình 2.28c dùng cho những mạch động lực có điện áp nguồn U| cao, nliung ĩiach điẻu khiên không cần điện áp cấp nguồn điều khiển cách li, mà sử dụng trực tièp điện áp nguồn cấp U |, trường hợp này để bảo vệ bộ ghép quang cần có điốt ổn áp ÜZ
u„
D
i, Do
U L r .
lĩ - ^ Ị i ý ~ \ \ ___ T
[1
+u.
' L d
Rd
b) c)H ình 2,28, Sơ đổ tầhg khuếch đại cho băm áp tranzitor
a) Khuếch đại trực tiếp ; b) Cách li bằng ghép quang ; c) Điểu khiển van động lực bằng một nguồn.
Ili.4. Sơ đổ mạch ví dụMột số sơ đồ mạch hoàn chỉnh điều khiển bộ bãm áp một chiều được giới thiệu
trên hình 2.29, 2.30. Trong các sơ đồ này, để có sự đổng nhất về nguyên iý điều khiển nên chỉ sử dụng một mạch tạo điện áp tựa và so sánh giống nhau.
155
H ỉnh 2,29b, Đ ồ thị dạng điện áp của mạch hình 2.29a
Un
R2K
v+V- D
ÍIILR3 _
A
X
M
M D
1 Do
+u
B R4 nriíi„B "c Rg
Udv Rs
Tri
Tr.
Hình 2.30. Sơ đồ mạch điểu khiển băm áp bằng tranzitor lưỡng cực
156
IV - v í DỤ THIẾT KẾ Bộ BĂM ÁP MỘT CHIẾU
Thiết kế mạch điều khiển kích từ máy phái điện xoay chiều. Máy phát điện xoay chiều có máy phụ là máy điện một chiều. Thỏng số cơ bản của máy : = 75 kW, tầnsố f = 50 Hz, điện áp ra 220/380 V ; Mạch kích từ có = 100 V, = 6 A.
IV.1. Thiết kế mạch động lực
1. Căn cứ thiết kế
Máy phát điện xoay chiểu với máy phụ là máy một chiều có sơ đồ kết cấu như hình 2 .3L
KT
H inh 2.31. Sơ đồ cấu trúc máy phát xoay chiều có máy phụ là máy phát một chiều
KT
KT
Hinh 2.32. Các phương án cấp nguồn cho cuộn dây kích từ
157
Đối với các loại máy phát điện xoay chiều, nguồn cấp cho cuộn dây kích từ máy phát được lấy từ bản thân máy phát (không có nguồn cấp lấy t ừ bên ngoài vào). Trong trường hợp máy phát có cấu tạo như trên hình 2.31, nguồn cấp cho cuộn dây kích từ (U^-j) có thể được lấy từ hai đầu phần ứng máy phụ (hình 2.32a) hay t ừ đầu ra máy phat chính (hình 2.32b).
ư u điểm của sơ đồ hình 2.32a là điện áp nguồn cấp cuộn dây kích từ không bị suy giảm khi từ thông máy phát chính bị khử từ. Do đó, việc bù từ thông khử từ xảy ra nhanh hơn. Ta chọn sơ đồ này làm sơ đồ thiết kế. Sơ đồ động lực cho mạch thiết kế có dạng như hình 2.33.
H inh 2.33. Sơ đồ mạch động lực điểu khiển kích từ máy phát có máy phụ là máy một chiều
Mô tả chức năng của mạch: Cuộn dây kích từ có nguồn cấp một chiều lấy từ đầu ra máy phụ một chiều. Dòng điện của cuộn kích từ được điều chỉnh bằng mạch băm áp một chiều, nhờ tranzitor T. Do xung điện áp gián đoạn, nên điốt D được đưa vào nhằm xả năng lượng của cuộn dây, để tạo dòng điện liên tục cho dòng kích từ và bảo vệ cuộn dây cũng như tranzitor. Điện trở Rf được dùng cho việc hình thành điện áp (mồi kích từ).
2. Tính chọn các thiết bị mạch động lực
Mạch động lực thiết kế có bốn linh kiện cần chọn: áptomat (AT), tranzitor (T), điốt xả năng lượng (D), điện trở mồi kích từ. Các thiết bị này được chọn căn cứ vào thông sô' Iị j.
Chọn tranzitor: Để thoả mãn điều kiện làm việc của mạch kích từ với thông số định mức = 100 V, = 6 A, chúng ta cần chú ý tới điều kiện làm việc cường kích của máy phát điện. Theo điều kiện đó, mỗi khi cần cường kích dòng điện và điện áp kích từ (trong trucfng hợp từ thông máy phát bị khử từ) có thể tăng tới 1,5 thông số định mức, Do đó tranzitor cần chọn phải đảm bảo làm việc được với thông số Uị t = 150V, lị t = 9A. Chọn điều kiện làm mát bằng cánh toả nhiệt, dòng điện định mức của tranzitor được chọn I j , > kj , I | y = 5.9 = 45A. Chọn hệ số quá điện áp k y = 2,5, từ đó U ( - e o >
2,5.150 = 375V. Từ các thông số này tra bảng p4 chọn tranzitor loại QM50HAH của hãng Mitsubishi chế tạo có các thông số: !(, = 50A, U j ; e o = 600V, I(, = 3A.
158
Chọn đỉốt: Điốt xả năng lượng có (iòĩỉc dic!i iàrn việc lớii nhất chạy qua không thể vượt quá 30% I|y, nghĩa là dòng điện lớn nhiít của điốt khóiia vưcrt quá 0,3-9 = 2,7A. Dòng điện này nhỏ, chọn điều kiện làm mát bần<>, \ ỏ điốt lúc đó dc)ng điện điốt cần chọn
> 10.2,7 =27A, điện áp cũng chọn iưcĩng tư như của tranzilor > 375V. Từ các thông số trên tra bảng pl chọn điốt loại 1N3663R có thông số = 30A, Un = 400V, A ư= 1.4V.
Chọn aptomat : Dòng điện aptomat = 1,1.9 = 9,9A, điện áp U^T > 150V =225V. Từ thông số trên chọn aptomat loại: E408 110/3 do hãng Clipsal chế tạo có = 10 A,Ud^ = 250 V
Chọn diện trở hình thành điện áp Rp
ở chế độ không tải dòng điện kích từ vào khoảng 2 0 % = 0 ,2 . 6 = 1 ,2 A.
Điện áp khi kết thúc quá trình hình thành điện áp chọn 70%Ujj^. do đó dòng điện kích lừ cần có để hình thành 70%u^rn là 0,7.1.2 = 0.84A.
Goi điện áp kích từ bằng điện áp dịnh mức, điện trở mạch kích từ cần có để dòng điện là 0,84A là:
= = — = 119 n“ 1-1 0,84
Điện trở của cuộn dây kích từ:
Kr 6
Điện trở phụ cần mắc thêm để hình thành điộn áp:
R f .= 1 1 9 - 1 6 = 103 Q
IV.2. Thiết kế mạch điểu khiển
1. Thiết k ế sơ đồ nguyên lí
Mạch điều khiển kích từ máy phát thiết kế theo nguyên lý mạch hình 2.30 được vẽ trên hình 2.34.
Trong mạch này có giới thiệu thêm khâu tạo điện áp điều khiển (U(j|ç). Điện áp điều khiển được tạo bằng bộ cộng (A5) Hai tín hiệu đặi (lấy từ VR2) và phản hồi (lấy từ VR3) được cộng đại số với nhau theo biểu thức = -K(ư;jạ( - Uphu). Nhờ có mạch hồi tiếp này mà điện áp máy phát được ổn định trong quá trình làm việc.
2. Tính toán thông số mạch điều khiển
Các khuếch đại thuật toán A |, Aj, A3 , A4, A5 chọn loại TL084. Nguồn cấp cho TL084 chọn nguồn đối xứng ±12V.
159
Chọn tẩn s ố điện áp tựa:
Cuộn dây kích từ máy phát có điện cảm khá lớn, dòng điện kích từ được lọc đáng kể. Do đó, tần số của bộ bàm áp không cần chọn quá cao. Vì vậy chọn tần số khoảng 1kHz (chu kì dao động sóng tam giác Ttg=1/1000 =10'^s).
Chọn thông số mạch tạo điện áp tam giác
Các điện trở Rj, R2 chọn Rj = R2 = 47 kQ.
Trị số c , R3 chọn từ biểu thức:
J _ 4 D p ^TG
Thay các trị số Rj, R2 văo biểu thức trên ta có:
R3 .C = 2,5.10'^
Chọn c = 0,01 n F = lO'^F
Điện trở R3 được chọn:
T 10"R 3 = - ^ = y = 4 0 k f ì
c 2,5.10"^
Chọn theo tiêu chuẩn R3 = 39 k Q .
Điện áp đầu ra của A2 có trị số đỉnh bằng điện áp bão hoà của IC. Với nguồn cấp 12V điện áp bão hoà của IC khoảng (80% -ỉ- 90%).12V. Trị số này vào khoảng 10,5V.
Khuếch đại thuật toán A3 có nhiệm vụ kéo đường đặc tính lên trên trục hoành (để phục vụ cho mục đích dễ đưa phản hồi)
C ác điện trở R4 , R5 chọn R4 = Rg = 6 8 k f ì
Để nâng được đường điện áp tam giác lên trên trục hoành, khi đầu ra của A2 có trị số 10,5V, chọn Rg = 0,5 R4 = 34 kQ. Chọn tiêu chuẩn Rg = 33kQ.
Bộ ghép quang chọn loại 4N35 có thông số; dòng vào chạy qua điốt cực đại 60 mA, dòng ra trên colector tranzitor quang cực đại 150 mA, điện áp tranzitor 30V, điện áp cách I1 3350V.
160
OiÕL1
ỉ
ắ<N D
A Ả
<• +r ì :
q:00£T
(Dc¿
o:
<• +ĩ
o
cc
; a Ii x l
0 “ Í Â V T ^
a:
Cst¿
^ N§ O CO
o
Hinh 2,34. Sơ đồ mạch điều khiển kích từ máy phát với máy phát phụ là máy một chiểu
21. TÍNH TOÁN., c SUẤTA 161
Tính chọn điện trở R | 0
DQ 0,01
Trong đó; dòng điện chạy qua điốt quang có trị số trong khoảng (5-Ỉ-20) mA, đã chọn 10 mA.
Theo thông số của tranzitor QM50HA-H, chỉ cần dòng điện bazơ tranzitor 0,65A là đủ để tranzitor mở thông hoàn toàn. Khi đó điện trở Rjj cần có:
R.. =15
0,65= 2 3 Q
Chọn R] J = 2 2 Q, công suất điện trở này
15Pru= ^ « 1 0 W
Tranzitor đệm cho QM50HA-H chọn loại D613 có thông số Ic = 6 A; U^E = lOOV.
Thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển
Mạch điều khiển có hai hệ thống nguồn cấp cách li như hình 2.35. Hệ thống nguồn nuôi thứ nhất là nguồn nuôi đối xứng ± 12V, cấp cho mạch IC khuếch đại thuật toán. Hệ thống nguồn nuôi thứ hai là điện áp một chiều 15V cấp cho mạch điều khiển dòng bazơ tranzltor động lực. Tính toán các ngụồn này được thực hiện tương tự như mục 1 .8 .
380- □ —
15V
Hình 2.35. Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn nuôi mạch điều khiển
162 21. ĩtNH TOÁN... c SUẮTB
CHương3
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU■
I-TRÌNH Tự THIẾT KẾKhi thiết kế một bộ điều áp xoay chiều nên tiến hành theo trình tự sau:
1. Phân tích chế độ làm việc của tải, tìm hiểu các căn cứ thiết kế.
2. Lựa chọn sơ đồ.
3. Tính toán thông số mạch động lực
4. Thiết kế mạch điểu khiểna) Thiết kế mạch nguyên lí.b) Tính chọn linh kiện.
5. Thiết kế tủ điện.
Căn cứ thiết kế
Các yếu tố sau có ảnh hưởng nhiều nhất tới việc thiết kế một bộ điều áp xoay chiều:
- Đặc điểm của tải :
+ Công suất tải.
+ Điện áp và dòng điện tải bằng hay khác điện áp nguồn lưới.+ Chế độ làm việc: dài hạn, ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại.+ Dải điều khiển công suất.
+ Nguồn cấp (số pha, trị số điện áp)
- Điều kiện môi trường làm việc
+ Nhiệt độ
+ Độ ẩm+ Các điều kiện khác
- Khả năng cung cấp linh kiện
- Khả nãng về tài chính
- Trình độ và khả năng người thiết kế, vận hành.
163
Việc thiết kế một bộ điều áp xoay chiều một pha và ba pha có một số đặc điểm, cách làm hơi khác nhau, vì vậy cần phân biệt rõ hai loại điều áp này.
II - THIẾT KẾ Bộ ĐIỀU ÄP MỘT PHA
11.1. Lựa chọn sơ đồ
/ . Chọn sơ đồ mạch động lực
Hình 3.1 giới thiệu một số mạch, điều áp xoay chiều một pha. Hình 3. la là điều áp xoay chiều điều khiển bằng cách mắc nối tiếp với tải một điện kháng hay điện trở phụ (tổng trở phụ) biến thiên. Sơ đồ mạch điều chỉnh này đofụ giản dễ thực hiện. Tuy nhiên, mạch điều chỉnh kinh điển này hiện nay ít được dùng, do hiệu suất thấp (nếu Zf là điên trở) hay cosọ thấp (nếu Zf là điện cảm).
Ui u.u
TBBĐ —
z U2
a) b) c)
Hình 3.1 Các phương án điều áp một pha
Người ta có thể đùng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp xoay chiều Ư2 như trên hình 3.1b. Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có ưu điểm là có thể điều chỉnh điện áp Ư2 từ 0 đến trị số bất kì, lớn hay nhỏ hơn điện áp vào. Nếu cần điện áp ra có điều chỉnh, mà vùng điều chỉnh có thể lớn hơn điện áp vào, thì phương án phải dùng biến áp là tất yếu. Tuy nhiên, khi dòng tải lớn, sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh, khó đạt được yêu cầu như mong muốn, đặc biệt ià không điều chỉnh liên tục được, do chổi than khó chế tạo để có thể chỉ tiếp xúc trên một vòng dây của biến áp.
Hai giải pháp điều áp xoay chiều trên hình 3.1 a,b có chung ưu điểm là điện áp hình sin, đơn giản. Có chung nhược điểm là quán tính điều chỉnh chậm và không điều chỉnh liên tục khi dòng tảí lớn. Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay chiều, có thể khắc phục được những nhược điểm vừa nêu.
Các sơ đồ điều áp xoay chiều bằng bán dẫn trên hình 3.2 được sử dụng phổ biến. Lựa chọn sơ đồ nào trong các sơ đồ trên tuỳ thuộc dòng điện, điện áp tải và khả năng cung cấp các linh kiên bán dẫn. Có một số gợi ý khi lựa chọn các sơ đồ hình 3.2 như sau :
Sơ đồ kinh điển hình 3.2.a thường được sử dụng nhiều hơn, do có thể điều khiển được với mọi công suất tải. Hiện nay Tiristor được chế tạo có dòng điện đến 7000A, thì việc điều khiển xoay chiều đến hàng chục nghìn ampe theo sơ đồ này là hoàn toàn
164
đáp ứng được. Sơ đồ kinh điển đã được dùnj', tù lâu (lừ những nãm 60 của thế kỷ trước) nên nó trớ nên quá quen thuộc đối với nliicii chuyèii gia.
T,
u T2
a)
u,
b)
Ui
Ti Di > t n - M
D.
c)Hinh 3.2 Sơ đồ điểu áp xoay chicu một pha bằng bán dần
a) Bầng hai tiristor sono song ngược ; b) Báng triac ; c) Bằng một liristor một diod ; d.) Bảng bốn diod một tiristor
Tuy nhiên, việc điều khiển hai tiristor song song ngược đôi khi có chất lượng điều khiển không tốt lắm, đặc biệt là khi cần điều khiển đ(5i xứng điện áp, nhất là khi cung cấp cho tải đòi hỏi thành phần điện áp đối xứng (chẳng hạn như biến áp hay động cơ xoay chiều). Khả năng mất đối xứng điện áp lái khi điéư khiển là do linh kiện mạch điều khiển tiristor gây nên sai số. Điện áp lải Ihu được gây mất đối xứng, như so sánh trcn hình 3.3b.
Hình 3 3 . Hình dạng đường cong diện áp điểu khiển
a) Mong muốn ;
b) Không mong muốn
b)
165
Điện áp và dòng điện không đối xứng như hình 3.3.b cung cấp cho tải, sẽ làm cho tải có thành phần dòng điện một chiều, các cuộn dây bị bão hoà, phát nóng và bị cháy. Vì vậy việc định kì kiểm tra, hiệu chỉnh lại mạch là việc nên thường xuyên làm đối với sơ đồ mạch này. Tuy vậy, đối với dòng điện tải lớn thì đây là sơ đồ tối ưu hơn cả cho việc lựa chọn.
Để khắc phục nhược điểm vừa nêu về việc ghép hai tiristor song song ngược, triac ra đời và có thể mắc theo sớ đồ hình 3.2.b. Sơ đồ này có ưu điểm là các đường cong điện áp ra gần như mong muốn như hình 3.3.a, nó còn có ưu điểm hơn khi lắp ráp. Sơ đồ mạch này hiện nay được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp. Tuy nhiên triac hiện nay được chế tạo với dòng điện không lớn (I < 400A), nên với những dòng điện tải lớn cần phải ghép song song các triac, lúc đó sẽ phức tạp hơn về lắp ráp và khó điều khiển song song. Những tải có dòng điện trên 400A thì sơ đồ hình 3.2 b ít dùng.
Một trong những yếu tố làm cho triac chưa áp đảo được tiristor trong điều áp xoay chiều hiện nay (của năm 2005 này) là về chất lượng. Hiện nay chất lượng triac chưa thật cao lắm, do đó việc sử dụng còn làm cho người tà lo ngại. Trong tương lai gần, chắc chắn việc sử dụng Triac sẽ rộng rãi hơn.
Sơ đổ hình 3 . 2 . C có hai tiristor và hai điốt có thể được dùng chỉ để nối các cực điều khiển đơn giản, sơ đồ này có thể được dùng khi điện áp nguồn cấp lớn (cần phân bổ điện áp trên các van, đơn thuần như việc mắc nối tiếp các van).
Sơ đồ hình 3.2.d trước đây thường được dùng, khi cần điều khiển đối xứng điện áp trên tải, vì ở đây chỉ có một tiristor một mạch diều khiển nên việc điều khiển đối xứng điện áp dễ dàng hơn. Số lượng tiristor ít hơn, có thể sẽ có ưu điểm hơn khi van điều khiển còn hiếm. Tuy nhiên, việc điều khiển theo sơ đồ này dẫn đến tổn hao trên các van bán dẫn lớn, làm hiệu suất của hệ thống điểu khiển thấp. Ngoài ra, tổn hao năng lượng nhiệt lớn làm cho hệ thống làm mát khó khăn hơn.
Đa số các trường hợp điều áp xoay chiều, điện áp tải điều khiển trong vùng thấp hơn điện áp nguồn, các van bán dẫn được nối trực tiếp tới nguồn. Trong trường hợp này điện áp tải thường được điều khiển trong dải từ 0 đến điện áp nguồn cấp.
Một số loại tải có điện áp tối đa lớn hơn thông số điện áp nguồn cấp. Trong trường hợp đó biến áp để phối hợp thông số điện áp nguồn cấp với thông số điện áp tối đa của tải theo sơ đồ hình 3.4 cần được đưa vào.
Biến áp được sử dụng trên hình 3.4 có thể là biến áp tự ngẫu hoặc biến áp cách ly. Biến áp cách ly thường nên chọn hơn, bởi vì biến áp cách ly còn có thêm chức năng bảo vệ xung điện áp từ lưới.
Khi tải không có nhu cầu cao về điều khiển đối xứng, nhất là khi điều khiển các điện trở lò sấy hay đèn sợi đốt, người ta có thể sử dụng sơ đồ điều khiển không đối xứng một điốt một tiristor như hình 3.5
u, u
T,
Ĩ2
Hình 3,4. Điểu áp xoay chiều với điện áp tải lớn hơn điện áp nguồn.
1 6 6
Hình 3.5, Điẻu áp xoay chiều không đối xứng a) Sơ đổ ; b) Đường cong điện áp và dòng điện.
Hình 3.5 chỉ điều khiển một nửa chu kì điện áp còn nửa chu kì không điều khiển. Sơ đồ này có thể điều khiển từ 1/4 công suất trở lên. Tuy nhiên nếu công suất tải lớn sẽ gây mất đối xứng nguồn cấp làm xấu đi chất lượng nguồn.
11.2. Tính chọn thông số mạch động ỉực và bảo vệMạch động lực và bảo vệ của sơ đồ điều áp xoay chiều một pha hiện nay thucfng
gặp là hai sơ đồ trên hình 3.6.
T,
Hình 3.6. Các sơ đồ điều áp xoay chiều điển hình bằng linh kiện bán dẫn. a) Bằng Tiristor ; b) Bằng Triac.
Thông số các van bán dẫn Tj, Tj, T và các Aptomat bảo vệ dòng điện AT được lựa chọn thông qua thông số dòng điện và điện áp tải.
1. Tính toán thông số đ ể lựa chọn van
Dòng điện quyết định chế độ làm việc của van bán dẫn cần chọn và dòng điện bảơ vệ của Aptomat là dòng điện cực đại của tải. Dòng điện cực đại của tải được tíirth khi góc mở van nhỏ nhất. Góc mở van nhỏ nhất là chế độ làm việc khi a=0, lúc này tải có dòng điện hình sin chạy qua.
167
Dòng điện tải có thể được tính :
iTàl = T 7 -Í -----U .CO SỌ .Tl
Trong đó:
p - Công suất định mức của tải.
u - Điện áp định mức.
cos<p - Hệ số công suất của tải.
TỊ - Hiệu suất của thiết bị.
Hoặc
Ixài-u
Vr ỉ + x ỉ
Khi thông số đã cho là điện áp u, điện trở tải R j và điện cảm X-p.
Từ các trị số I-p¿i ta túih được dòng điện làm việc hiệu dụng chạy qua các van bán dẫn.
Trong sơ đồ hình 3.6a dòng điện chạy qua các Tiristor Ijj, Ĩ j2 được tính.
_ TãiT1 - T2 -
ở S ơ đồ hình 3.6b dòng điện chạy qua Triac bằng dòng điện tải.
Triac ~ Tải
Điện áp làm việc của các van cần chọn theo biên độ điện áp nguồn xoay chiều.
ƯLV = V 2‘.Ui
Van bán dẫn được chọn cãn cứ vào các thông số dòng điện và điện áp vừa mới tính được từ các biểu thức trên.
2. Cách chọn van bán dẫn
Trưóc tiên chọn chế độ làm mát cho van bán dẫn. Căn cứ chế độ làm mát mà chọn van, tham khảo cách làm mát này trong phần chọn van bán dẫn của chưcmg 1. Sau khi chọn xong chế độ làm mát van, tính trị số định mức của van cần chọn. Tra bảng thông số van chọn được van cần thiết.
Tính chọn Aptomat AT và bảo vệ xung điện áp do chuyển mạch van RC cũng được thực hiện như đã giới thiệu ở chương 1 .
Trường hợp điện áp nguồn cấp nhỏ hơn điện áp tối đa của tải, ta cần có một biến áp để phối hợp điện áp cho hợp lí, công suất biến áp được tính theo công suất tải. Cách tính biến áp như đã giới thiệu ở chương 1.
1 6 8
11.3. Thiết kê mạch điểu khiến
1. M ạch điều khiển đơn giản
a) Mạch điều khiển tiristor
Mạch điều khịển đơn giản của tiristor giới thiệu trên hình 3.7a,b, d.
Nguyên lý điều khiển của mạch hình 3.7a như sau: Khi điện áp nguồn cấp đổi dấu (dương a.nốt củạ tiristor Tị) tụ C| được nạp qua D2-VR-R3, tới đủ ngưỡng chọc thủng diac DAj có dòng điều khiển cho T|, làm mở tiristor Tj tại t|. Tiristor Tị được mở từ tới cuối bán kì (như đường nét đậpi hình 3.7c). Khi điện áp nguồn cấp đổi dấu ngược lại (dướng anốt của tiristor T2) tụ C2 được nạp qua D 1-V R-R3 tới đủ ngưỡng chọc thủng diac DAj mở tiristor T2 tại tj. Tiristor T2 được mở từ Í2 tới cuối bán kì (như đường nét đậm hìnli 3.7c). Việc điều khiển hai tiristor song song ngược như hình 3.7a đôi khi mất đối xứng. Để điều khiển đối xứng có thể điều khiển bốn diod một tiristor như hình 3.7b. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ này tương tự như hình 3.7a.
z
D.
U,
D4
> 1D,
Da> 1-
T
VR
b)
R
u , D,
Ui
D4
D.
D.
L
R-
VR
fĩí D,
c)
Hỉnh 3.7. Điều khiển tiristor bằng sơ đồ đơn giản
d)
22. TlNH TOÁN... c SUẮT-A 169
Một trong những sơ đồ điều khiển hay dùng là sơ đồ điều khiển sử dụng tranzitor đơn nối (UJT) hình 3.7d. Nguyên lý hoạt động sơ đổ hình 3.7d như sau: Khi điện áp nguồn cấp đổi dấu, điện áp anod tiristor T tăng dần, tụ c nạp đến ngưỡng thông transistor đơn nối (UJT), tụ c phóng điện qua UJT. UJT dẫn, có dòng điện chạy vào cực điều khiển tiristor, tiristor được dẫn từ đó tới cuối bán kì. Điểm tị trên sơ đổ hình 3.7c do ngưỡng thống của UJT quyết định, điện áp này ít có khả năng thay đổi hơn so với thông số của tiristor như trên hình 3.7a,b.
b) Mạch điều khiển triac
Một trong những sơ đồ thường dùng để điều khỉển triac giới thiệu trên hình 3.8a. Khi điện áp nguồn cấp Uj đổi dấu, lúc đó triac chưa dẫn, tụ c được nạp. Điện áp trên tụ tăng dần. Việc tăng điện áp tụ làm cho đỉnh đường đặc tính phi tuyến triac giảm xuống. Khi nào đủ điều kiện (điện áp trên hai cực chính triac lớn hofn đỉnh đặc tính phi tuyến) triac được dẫn, từ đó tới cuối bán kì (hình 3.8c). Như vậy việc dãn của triac phụ thuộc sự biến thiên đặc tính triac. Trong quá trình làm việc đặc tính eủa triac có thể có sự thay đổi chút ít làm cho dòng điện, điện áp tải có thể thay đổi.
Để khắc phục nhược điểm trên, đưa thêm diac vào như hình 3.8b. Khi điện áp tụ tăng tới ngưỡng điện áp (Uị3^) thông của diac DA, có dòng điều khiển chạy vào cực điều khiển triac, triac được mở từ thời điểm đó tới khi dòng điện của nó bằng 0 (điộn áp tải là đường nét đậm trên hình 3.8d). Các mạch điều khiển hình 3.8a, b được dùng khá phổ biến hiện nay cho các đèn bàn, đèn chùm, quạt trần...
C i „ C iR
u
R
t t
VR
c
z
A
u. u - G
DaI X
Hzp-VR Ra
u.
a) b)
c) d)
Hinh 3.8. Điều khiển triac bằng một mạch đơn giản
170 22! Tfr4H TOÁN... c SUẨT.B
Các mạch điều khiển ở trên có chất lượnạ điều khiển khòng lốt. Điện áp có thể bị thay đổi, do thông số triac và diac thay đổi. Mặi khác điều khiến theo cách này khó tự động hoá. Khi cần điều khiển điện áp tải có chất lượng cao, đòi hỏi một mạch điều khiển phức tạp hơn.
2. Nguyên lý điều khiển
Về nguyên lí, mạch điều áp xoay chiều có van bán dản được mắc vào lưới điện xoay chiều, nên mạch điều khiển hoàn toàn giống như chỉnh lưu.
Trường hợp mạch động lực được chọn là hai tiristor mắc song song ngược như sơ đồ hình 3.2a, cần có hai xung điều khiển trong mỗi chu kì. Mạch điều khiển có thể sử dụng sơ đồ hoàn toàn giống điều khiển chỉnh lưu một pha cả chu kì (hình 1.49 ; hình 1.50), với mỗi tiristor một mạch điều khiển độc lập. Khi sử dụng sơ đồ mạch điều khiển chỉnh lưu cho điều áp xoay chiều, có thể xuất hiện khả năng xấu là: hai tiristor .điều khiển không đối xứng, do các linh kiện của hai mạch điều khiển không hoàn toàn giống hệt nhau.
Đối với những tải cần điều khiển đối xứng, đòi hỏi hai tiristor mở đối xứng, lúc này cẩn các kênh điều khiển tiristor có góc mở càng ít khác nhau càng tốt. Mong muốn là chúng hoàn toàn giống nhau. Nhưng sự giống nhau này chỉ có thể đạt đến một chừng mực nào đó.
Nguyên lý điều khiển tiristor ở đây như trong điều khiển chỉnh lưu, nghĩa là ở mỗi nửa chu kì điện áp, cần tạo điện áp tựa trùng pha điện áp nguồn cấp như hình 3.9.
171
Trong điều khiển chỉnh lưu mỗi kênh điều khiển một nửa chu kì, điện áp tựa xuất hiện gián đoạn. Mỗi nửa chu kì có một điện áp tựa đồng pha điện áp dương anod của tiristor. Điều áp xoay chiều cần có điện áp tựa liên tiếp cả hai nửa chu kì. Khi so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển, ở mỗi nửa chu kì đều có điện áp tựa bằng điện áp điều khiển trong vùng biến thiên tuyến tính của điện áp tựa ( tại các điểm t|, 13,....). Kết quả là có các xung điều khiển X(jị liên tiếp ở mỗi nửa chu kì.
%Nguyên lý điều khiển như hình 3.9 sẽ hợp lý khi mạch động lựe là triac ở hình 3.2b.
Để thực hiện ý tưởng điều khiển như nguyên lý hình 3.9, cần*các khâu điềư khiển như đã giới thiệu trong chỉnh lưu. Sự khác nhau giữa điều khiển chỉnh lưu với điều áp xoay chiều là trong điều khiển điều áp xoay chiều cần tạo điện áp tựa liên tiếp ở hai nửa chu kì. Để làm được việc này, đưa tới đầu vào đồng pha một điện áp chỉnh lưu ví dụ như hình 3.10.
1 I I I I II I I I I I t
Hình 3.10. Sơ đồ đồng pha tạo điện áp tựa liên tiếp hai nửa chu kì
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ hình 3.10 như sau:
Đ iện áp chỉnh lưu được so sánh với Ua
điện áp Uj lấy trên biến trở VRj hình 3.10.Tại thời điểm U^=Ui (hình 3.11) thì đổi dấu điện áp ra của khuếch đại thuật toán Aj. Kết quả là có chuỗi xung chữ nhật không đối xứng Ug. ở đây tổn tại độ rộng xung âm Y của Ug, phần dương ư g tích
phân qua A2 thành điện áp tựa,- phần âm rất hẹp của Ug xả tụ tạo sườn sau điện áp tựa.
Trong vùng y làm mất xung điều khiển, do không có điện áp tựa. Theo nguyên tắc này càng giảm nhỏ góc y càng tốt, mà góc y do Uj quyết định. Vì vậy có th ể , g iả m U ị đ ể c ó g ó c Y m ộ t v à i đ ộ , s a i s ố
một vài độ là hoàn toàn cho phép.
Hình 3.11. Nguyên lý tạo điện áp tựa trong điều áp xoay chiều
172
3. Mạch điều khiển Trìac
Mạch điều khiển điều áp xoay chiều mộí pha với mạch diéu khiển là triac có thể được thiết kế như hình 3.12 với nguyên lý hoại dộng hình 3.15.
4. Mạch điều khiển cặp Tirìstor mắc song song ngược
Khi mạch động lực là hai tiristor mắc song song ngược, có thể thực hiện việc điều khiển bằng một số giải pháp như trên hình 3.13
Như đã giới thiệu ở trên, nếu điều khiển hai tiristor bằng hai mạch điều khiển độc lập như hình 3.13.a, khả năng điều khiển không đối xứng điện áp tương đối cao.
Khi cần điều khiển đối xứng, người ta dùng một mạch điều khiển phát xung liên tiếp ở cả hai nửa chu kì, để mở hai tiristor người ta sử dụng biến áp xung hai cuộn dây thứ cấp như trên hình 3.13b. Giải pháp này có ưu điểm là đơn giản trong việc thi công mạch điều khiển, nhưng khi sử dụng một biến áp xung, việc phân phối công suất cho hai tiristor không đều nhau, do đó khả năng một tiristor không đủ công suất để mở là tương đối cao. Các sơ đồ mạch thực tế thường lì chọn sơ đổ này.
Mạch điều khiển tối ưu (hình 3.13c) nên chọn là hai tiristor chung nhau phần điện áp tựa và điện áp so sánh, tới tầng khuếch đại mới tách riêng từng tiristor một, như vậy lệnh mở Tiristor chung nhau, nhưng khuếch đại tín hiệu để mở các tiristor riêng rẽ, không bị ảnh hưởng công suất giữa hai tirisior với nhau.
Sơ đồ điều khiển cặp tiristor mắc song song ngược giới Ihiệu trên hình 3.14.
Nguyên lý điều khiển hình 3.14 giống như hình 3.12 từ tín hiệu vào đến hết khâu so sánh, điều đó chứng tỏ lệnh mở tiristor là đối xứng. Sau khi có lệnh mở tiristor tại các thời điểm aj, a 2 -.. phân xung điều khiển theo mỗi nửa chu kì. Việc phân xung điều khiển được thực hiện thông qua hai mạch khuếch đại, hai biến áp xung. Lệnh điều khiển cho hai mạch khuếch đại này dược lấy từ hai cổng VÀ V i.V ị. Hai cổng
VÀ này chung nhau một tín hiệu lấy từ đầu ra của Aj đó là lệnh mở các tiristor tại mỗi nửa chu kì. cổng vào còn lại của Vị,V 2 được nhận hai tín hiệu đồng pha với điện áp anốt của Tiristor, đó là các tín hiệu đảo pha từ A4 , A5 . Nhò' có hai tín hiệu đảo pha này mà có xung điều khiển hai tiristor dịch pha nhau 180' . Các dạng điện áp của các khâu cơ bản mô tả trên hình 3.15.
Ỉ73
Hình 3,12. Sơ đồ mạch điều khiển ưiac
R
a)b)
Hình 3J3 , Các phưcmg án điều khiển cặp tiristor mắc song song ngược, a) Hai mạch điều khiển độc lập ; b) Một biêh áp xung hai cuộn dây thứ cấp ;
c) Chung lệnh mở van, khác nhau khuếch đại.
c)
Hinh 3,14, Sơ đồ nguyên lý điều khiển điều áp xoay chiều với hai tiristor song song ngược
>1
H inh 5.25. Đường cong các khâu cơ bản của sơ đồ hình 3.14
176
5. Điều khiển điều áp xoay chiều cho tải có điện cảm
a) Đặc điểm hoạt động của tải điện cảm.
Một trong những loại tải rất điển hình của lưới điện xoay chiều là tải điện cảiĩỊ. Ví dụ máy biến áp một pha hay động cơ một pha ... lúc này nếu sử dụng các mạch điều khiển hình 3.12, 3.14 có thể có một vùng van không dẫn, nếu điện cảm lớn van có thể không dẫn hoàn toàn.
Nguyên nhân của các hiện tượng này như sau :
- Nguyên nhân t h ứ nhất là do khi có điện cẫm, dòng điện chậm pha sau điện áp như hình 2A6h.
Khi điện áp nguồn Uị đã đổi dấu mà cuộn dây điện cảm chưa xả hết nâng lượng làm cho Tj vẫn dẫn từ 71 cho đến Ọj. Nếu Tj đang dẫn thì chứng tỏ Tj đang phân cực
thuận và điện áp U;; 1A2 > 0. Khi đó Tj phân cực thuận phân cực ngược. Do đó, trong vùng từ n cho đến cpi, nếu có phát xung điều khiển T2 , thì T2 không dẫn. Như vậy, khi có tải là điện cảm góc mở nhỏ nhất của các tiristor phải lớn hơn hoặc bằng góc trễ (p lớn nhất (a^i„ >
Với tải điện cảm, như biến áp hay động cơ thì góc (p thay đổi theo tải, làm cho việc giới hạn góc a^ jn là không th ích hợp, vì nó liên tục thay đổi theo tải. K ế t quả là, muốn điều khiển tăng điện áp xoay chiều, bằng cách giảm góc mở tiristor, đến vùng góc mở đủ nhỏ nào đó có thể chỉ mở một tiristor. Dòng điện trên tải lúc này là dòng chỉnh lưu nửa chu kì.
Hình 3.16. Sơ đồ đường cong dòng điện và điện áp xoay chiều khi tải điện cảm. a) Sơ đồ động lực ; b) Đường cong điện áp và dòng điện.
Nguyên nhân thứ hai là do khi có điện cảm, dòng điện không biến thiên đột ngột tại thời điểm mở tiristor, điện cảm càng lớn dòng điện biến thiên càng chậm, nếu như độ rộng xung điều khiển hẹp, khi có xung điều khiển dòng điện không đủ lớn hơn dòng điện tự giữ ( I x g ) , do đó van bán dẫn không tự giữ dòng điện. Kết quả là không có dòng điện, hay tiristor không mở. Hiện tượng này thường thấy khi ở đầu và cuối chu kì điện
73. TlNH TOÂN... c SUÃTA 177
áp hình 3.17 a, c lúc đó điện áp tức thời đặt vào van bán dẫn nhỏ. Khi kết thúc xung điều khiển, dòng điện còn nhỏ hơn dòng điện tự giữ nên van bán dẫn khoá luôn. Chỉ khi nào điện áp tại thời điểm mở van đủ lớn, dòng điện cuối chu kì xung điều khiển đủ lớn hơn dòng điện tự giữ, thì dòng điện mới tồn tại trong mạch (hình 3.17b).
a) b) . c)
Hình 3.17. Sự xuất hiện dòng điên tại các góc ưiở khác nhau khi tải điện cảm.
Hai nguyên nhân này làm cho một số người thiết kế ngại không muốn điều khiển tải điện cảm bằng thiết bị bán dẫn. Khi biết được nguyên nhân của việc không điều khiển như trên, thì việc xử lý trở nên không có gì khó khăn.
b) Mạch điều khiển
Để giải quyết bài toán về sự thay đổi góc ọ của tải làm mất điều khiển, cần có xung liên tục từ thời điểm mở tiristor cho đến khi điện áp đổi dấu, như hình 3.18 a. Khi phát lệnh mà van còn đang phân cực ngược, thì lệnh điều khiển chờ tới khi nào đủ điều kiện phân cực thuận van sẽ dẫn.
Hinh 3,18. Phương án cấp xung khi điều áp xoay chiều với tải điện cảm lớn a) Cấp xung liên tục b) Cấp xung gián đoạn.
178 23/riNHTOÁN...CSUẤT.B
Việc phát xung điều khiển với độ rộng lớn g á n như cả nứa chu kì như hình 3.18 a có hai nhược điểm; thứ nhất là dòng điều khiùn eán như dài hạn (về nguyên lý điều khiển tiristor và Iriac, xung điều khiển vcýi chức nang mồi nên chỉ cần ngắn hạn), thứ hai là việc thiết kế cấp xung điều khiển như ticn khá phức tạp, nhất là đối với những mạch có nhiều van bán dẫn. Cấp xung rộng thế nào? Bằng mội nguồn phụ, hay bằng biến áp xung có điện cảm cuộn dây lớn? Điều này íhực hiện tương đối phức tạp.
Một trong những giải pháp nên dùng, là tạo xung gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp, từ thời điểm rnở van cho tới cuối bán kì như hình 3.18b. về nguyên lí, đây là cấp xung liên tục như hình 3.18a. Trong kỹ thuật, cấp xung eián đoạn như hình 3.18 b dễ thực hiện hơn. Nguyên lý ở đây là băm xung liên tục thành chùm xuiig gián đoạn với tần số cao.
Một cổng logic AND với hai đầu vào (hình 3.19a) là thực hiện được ý tưởng trên. Khi đưa tới đầu vào cổng AND tín hiệu xung điều khiển và tín hiệu chùm xung Ucxỉ lúc đó đầu ra cổng AND có xung X(J1 bằng tán số chùm xùng trong vùng có điện áp Ux như mô tả trên hình 3.19b
u
U cx
— 1
n n n - 2
a)
Hình 3.19. Nguyên íý tạo chum xung điều khiển a) Sơ đồ ; b) Các đường cong.
b)
u cx
X đK
u,
D_nj]
uI
u,s*
u cx
•đk
ia) b)
Hình 3.20. Sai số có thể gặp khi điều khiến bằng chùm xunga) Lệnh mở và chùm xung đúng thời diểmt b) Lệnh mớ và chùiTi xung không cùng thời điểm
179
Nhược điểm của sơ đồ điều khiển bằng xung gián đoạn là sai số khi điều khiển. Sai số ở đây xuất hiện khi thời điểm phát lệnh mở van với thời điểm van được mở không trùng với nhau. Khi phát xung điều khiển gián đoạn, xung điều khiển tại đầu ra biến áp xung có được là do có hai tín hiệu vào cổng AND đồng thời (tín hiệu vào Ux để quyết định góc mở a và tín hiệu từ chùm xung u^x)- Hai tín hiệu này nếu không đồng pha, thì khi có lệnh Ux mà = 0 , xung điều khiển phải chờ khi nào Uqx lên mức,cao như mô tả trên hình 3.20 b mới có xung điều khiển.
Sơ đồ mạch điều khiển điều áp xoay chiều với tải có điện cảm được thiết kế trên cơ sở hình 3.12 cho mạch động lực là triac, hay hình 3.14 cho mạch động lực là cặp tiristor song song ngược, với việc nối thêm mạch tạo xung chùm được giới thiệu trên hình 3.21. Các đầu vào của hình 3.21 Uq, Ue, ưp được lấy từ các đầu tương ứng trên hình 3.12, 3.14. Chùm xung được tạo bởi một dao động đa hài hoặc một mạch tạo xung chữ nhật nào đó (đã giới thiệu trong chương 2 )
Hình 3.21. Điều khiển điều áp xoay chiểu khi tải điện cảm bằng chùm xung, a) Van động lực là triac ; b) Van động lực là Tiristor
180
Trường hợp điện cảm lớn mà liristor không mở được, nguvcn nhân là do độ rộng xung thiết kế là không đủ lớn. Vì vậy chọn ciú rộnu xung ở đáy phải hợp lí.
11.4. Ví dụ thiết kế điều áp xoay chiếu một phaVí dụ :Thiết kế mạch điều khiển và ổn định nhiệt độ cho lủ sấy bằng điện trở vối
nhiệt độ điều chỉnh trong dải 150°c công suất sợi đốt 4 kW, điện áp nguồn cấp1 pha 220 V ; 50 Hz.
1. Lựa chọn sơ đồ thiết kế
Đây là nguồn có công sụất không lớn (xét về phía tải). Vì đây là tải trở, không đòi hỏi quá cao về tính đối xứng của nguồn điều khiển. Có thể chọn bất kì sơ đồ nào trong các sơ đồ đã giới thiệu ở trên . Tuy nhiên, vói trường hợp này sơ đồ dùng triac điều khiển là hợp lý hcm cả với các lý do sau:
- Công suất không lớn triac thừa đủ công suất để cung cấp.
- Mạch điều khiển triac đơn giản hơn mạch hai Tiristor.
- Dù là công suất nhỏ, nhưng nếu điều khiến không đối xứng bằng một điốt, mộttiristor cũng không nên, đo làm xấu đi châì lượng điện áp nguồn và cụ thể trongtrường hợp này không điểu khiển được từ nhiệt độ môi trường.
- Các sơ đồ không dùng thiết bị bán dẫn khó đáp ứng cho việc ổn định nhiệt độ, do việc tự động thay đổi điện áp và dòng điện tải khó khăn hơn.
2. Tính chọn các thiết bị động lực
- Dòng điộn tối đa chạy qua tải và qua Triac
' , 4 = Ì M = , 8 , , 8 Au 220
Khi điều chỉnh nhiệt độ, coi nhịêt độ tối đa 15 { f c đạt được tương ứng với dòng điện tối đa 18,18 A. Các yếu tố khác ảnh hưởng đến nhiệt độ của lò như thể tích vật liệu, thông gió....ở đây không xét.
Dòng điện 1=18,18 A được coi là đòng điện lớn nhất để chọn triac. Với dòng điện không quá lớn như thế này, tổn hao khi van dẫn không quá lớn, nên ta chọn điều kiện làm việc có cánh toả nhiệt đủ diện tích làm mát, không cần quạt đối lưu không khí, để
an toàn cho phép triac làm việc với 20%lý^
Dòng điện định mức của triac cần chọn
^ ¡ 8 . 8 = 90,9A
Điện áp làm việc cực đại của triac
72.220 = 308V
181
R
A
Uđn, =800V
Idm=100 A
I x m a x = l > 2 k A
I<jk=0,2 A
Udk=3 V
u R u.
Giả sử cho phép van dự trữ điện áp Kjt=2. Điện áp của triac cần chọn
Udn,T= 2.308 = 616 V
Từ hai thông sô' dòng điện và điện áp cần có ở trên ta chọn loại triac: SSG100C80 có các thông số.
I r ò = 1 0 m A
I-PQ—70 mA
AU=1,5A
T,^=1 0 ^SHình 3.22. Sơ đồ động lực thiết kế.
Triac khi làm việc với 18,18 A chịu một tổn hao tối đa trên van :
AP = AƯ.I|y= 1,5.18,18 = 27,27 w
Với tổn hao này, chúng ta cần một cánh toả nhiệt có diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí :
AP 27,27 27,27,^3 „ 2 ^S = = -- - ' ■3 — = —lO cm = SSOcnT"K . x 8 . 1 0 ^ . 4 0 3 2
Aptomat được chọn có dòng điện
lAT=(l,l-l,3)I,vmax=20^23,63 A
Chọn aptomat E408 110/3 do hãng Clipsal chế tạo có thông số = 25 A = 220 V có bảo vệ ngắn mạch không cần bảo vệ quá tải.
3. Thiết k ế mạch điều khiển
Như đã biết, lò điện trở có hệ số cosọ= l. Do đó việc cung cấp xung điều khiển bằng xung chùm như hình 3.21 a là không cần thiết. Mạch điều khiển góc mở triac sử dụng sơ đồ hình 3.12 hoàn chỉnh thành sơ đồ 3.23 là hợp lí. Tính toán thông số các linh kiện mạch điều khiển này được sử dụng các cách tính như đã giới thiệu ở chương 1 .
182
H inh 3.23. Sư ciổ inạcli điểu khiển lihiệt dộ cho tù sảy
00
Ill - THIẾT KẾ Bộ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA
III.1. Lựa chọn sơ đồ động lựcMạch xoay chiều ba pha hiện nay trong thực tế thường gặp gồm 3 sơ đồ như hình
3.24a, b, c.
Hình 3.24. Sơ đồ điều áp xoay chiêu ba pha bằng cặp tiristor mắc song song ngược.
Các loại sơ đồ này bao gồm, tải đấu sao có trung tính (hình 3.24a), tải đấu sao không trung tính (hình 3.24b), tải đấu tam giác (hình 3.24c). Tải đấu sao có trung tính, có ưu điểm là sơ đồ giống hệt ba mạch điều áp một pha điều khiển dịch pha theo điện áp lưới. Do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hcfn, vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha. Nhược điểm của sơ đồ là trên dây trung tính có tồn tại dòng điện điều hoà bậc cao, khi góc mở các van khác 0 có dòng tải gián đoạn và loại sơ đồ nối này chỉ thích hợp với loại tải ba pha có bốn đầu dây ra.
Các sơ đồ không trung tính hình 3.24b, c có nhiều điểm khác so với sơ đồ có trung tính. Dòng điện chạy giữa các pha với nhau, nên đồng thời phải cấp xung điều khiển cho hai tiristor của hai pha một lúc. Việc cấp xung điều khiển như thế, đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiển (sẽ giới thiệu sau), ngay cả việc đổi thứ tự pha nguồn lưới cũng có thể làm ảnh hưởng tới hoạt động của sơ đồ.
Hiện nay, với những tải có công suất trung bình, các sơ đồ điều áp ba pha bằng các cặp tiristor như hình 3.24 được thay thế bằng các sơ đồ triac như hình 3.25,
Như đã giới thiệu ở trên, triac về nguyên lý điều khiển giống hệt các cặp tiristor mắc song song ngược. Vì vậy, sử dụng các sơ đồ hình 3.24 hay hình 3.25 tuỳ thuộc vào khả năng linh kiện có loại nào. Ngoài ra, hình 3.25 có ưu điểm hơn về mặt điều khiển đối xứng và đơn giản về cách ghép.
Đối với những tải không có yêu cầu về điều khiển đối xứng người ta có thể sử dụng sơ đồ cặp tiristor - điốt. Mặc dù vậy, sơ đồ này ứng dụng thực tế không nhiều. Bởi vì khi không có xung điều khiển vẫn có dòng điện chạy qua tải.
Trong trường hợp cho phép điều khiển không đối xứng chúng ta có thể sử dụng sơ đồ điều khiển hai pha như hình 3.26.
ư u điểm của sơ đồ hình 3.26 là số lượng van bán dẫn ít hơn và mạch điều khiển cũng đơn giản hơn. Nhược điểm của sơ đồ là điều khiển không đối xứng, nên đường cong d ò n g đ iệ n v à đ iệ n á p c á c p h a k h ô n g g iố n g n h au , v ì v ậ y g iá
trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện khác nhau rõ rệt.Loại sơ đồ này chỉ phát huy tác dụng khi tải và nguồn được phép làm việc không đối xứng và có số lượng van bán dẫn bị hạn chế.
Khi sử dụng điều áp xoay chiều cho động cơ không đồng bộ, ngoài chế độ đóng cắt, điều khiển tốc độ, còn cần Hình 3.26. Sơ đồ điểu áp bacả đảo chiều quay. không đối xứng.
Động cơ điện không đồng bộ khi đảo chiều quay cần đổi thứ tự pha. Sơ đồ điều khiển có đảo chiều quay động cơ không đồng bộ như giới thiệu trên hình 3.27.
Khi chiều quay thuận cấp xung điều khiổn cho T|,T2 ,T7,Tg,T9 ,Tio; Các pha lưới Aj, Bj, Cj được nối tương ứng với các cuộn A, lỉ, c của động cơ. Khi ở chiều quayngược ta cấp xung điều khiển choT3,T4 ,T5 ,T6 ,Tq,Tio. Các pha lưới Aj, B|, C| được nối tương ứng B, A, c của động cơ.
Khi thiết kế sơ đồ mạch động lực của bộ điều áp xoay chiều ba pha, phải thực hiện hàng loạt các bài toán tổng hợp. Ngay cả ở chế độ xác lập thì dòng điện và điện áp trên các van bán dẫn cũng chỉ là chế độ gần với xác íập. Trong phần thiết kế nàychúng ta chỉ xét bộ điều áp làm việc ở chế độ xác lập.
Van bán-dẫn cho sơ đồ điều áp ba pha được lựa chọn theo dòng điện và điện áp, tổn hao công suất AP như đã xét. Lúc này AP phụ thuộc các giá trị dòng điện trung bình, hiệu dụng của van và theo đường cong đặc tính Vôn - Ampe của van. Tuy nhiên, đường'đặc tính Vôn - Ampe không phải của van nào cũng có cho nên gần đúng chúng ta chọn :
AP = Ihd .a u
24. TlNH TOÁN... c SUẤT> 185
Thông số AP này có ảnh hưởng rấl lớn tới diện tích cánh toả nhiệt mà chúng ta sẽ thiết kế sau này.
10
H ình 3.27. Sơ đồ điều áp ba pha có đổi thứ tự pha
Sau khi lựa chọn xong sơ đồ động lực (như phần giới thiệu và hướng dẫn tóm tắt ở trên) ta có được sơ đồ cần chọn. Các sơ đồ thông dụng hiện nay trong thực tế thường gặp là các sơ đồ hình 3.24 b, c hav hình 3.25 b, c. Trong phần này, chúng ta dựa vào các sơ đổ trên làm cơ sở cho các ví dụ.
III.2. Tính chọn van bán dẫn
1. Tính chọn van theo dòng điện
Trong điều áp xoay chiều, dòng điện chạy qua tải thường xác định là dòng hiệu dụng. Thông số dòng điện để chọn van bán dẫn được tính là dòng điện lớn nhất trong quá trình làm việc. Trong điều khiển xung pha, dòng điện lớn nhất khi góc mở van bán dẫn nhỏ nhất. Góc mở nhỏ nhất của van bán dẫn thường nhận trị số a = 0 khi dòng điện tải là dòng điện hình sin.
Đối với các tải ba pha, thông số cho trước thường là: công suất định mức điện áp định mức hệ số công suất cosọ, hiệu suất T|.
Dòng điện hiệu dụng chạy qua van bán dẫn khi tải đấu Y (hình 3.24 b, 3.25 b)
dm
3Uf COSỌT)
Trong đó : Uj- là điện áp pha.
1 8 6 24 TÌNH TOÁN.. c SUÁ r.B
Khi tải đấu tam giác:
•í —V3U,d C O S C p ĩ l
Trong đó: là điện áp ílỠỸ cíia lưới.
Dòng điện tính được là dòng điện để chọn triac. Nếu sư đồ chọn là các sơ đồ triac thì Nếu sơ đồ chọn là các sơ đồ ghép Tu istor sone song ngược thì dòng điệnđể chọn tiristor
I = - ỉviv 2
Trong đó: — dòng điện làm việc của van.
— Lựa chọn điều kiện toả nhiệt van bán dẫn (Nliư hưchvị dãn chương ỉ ) lúc đó dòng điện van cần chọn: :
Ỉ đ m v = í ^ l - I v l v
Trong đó kj là hệ số xét tới điều kiện toả nhiệt van; trị số k| tham khảo chương 1.
Khi chọn theo dòng điện, ngoài việc tính chọn theo dòng điện làm việc dài hạn như đã tính ở trên, dòng điện này còn được tính chọn theo điều kiện phát nhiệt của van bán dẫn.
Một sô' loại tải, bản thân chế độ làm việc của chúng có dòng điện quá độ khá lớn, chẳng hạn như động cơ điện không đồng bộ. Klii mở máy động cơ không đồng bộ dòng điện lớn (5 4- 7) lần dòng định mức. Dòng dién quá độ này xảy ra trong khoảng thời gian ngắn, cỡ vài giây, quán tính nhiệt chưa dù quá nhiệt cho van lúc đó chúng ta
chỉ cẩn kiểm tra Iqq < Ix (dòng điện xung của van l)án dẫn).
Được phép bỏ qua quán tính nhiệt của van bán dẫn là vì: Khi chọn van, chúng ta có một hệ số kj đủ lớn, bản thân kj này nói lên ráng chúng ta đã chọn dòng điện của van bán dẫn lớn hơn dòng điện làm việc thực của chiing. Với điều kiện toả nhiệt nào đó, thời gian quá tải ngẳn hạn chưa đủ để quá nhiột, liic đó chỉ cần đảm bảo dòng điện xung chạy qua van không vượt quá dòng điện đinh là được.
K hi dòng điện quá độ xẩy ra trong khoảng ihời gian dài hơn, lúc đó cần x é t tới
dòng điện quá độ, bằng cách tăng hệ số k[ lớn hơn. Việc xét ảnh hưởng của dòng quá độ cần phải khảo sát một bài toán nhiệt khá pỉiức lạp, như tính ra công suất lúc quá độ, tính được thời gian quá độ, có diện tích bề mậi toả nhiệt, điều kiện làm m át nghĩa là phải giải phương trình:
A P = At + C — dt
Trong đó : AP - tổn hao trên van hằng í hiểri ìhiên
187
A -H ệ số to ả nhiệt đặc trưng cho điều kiện làm mát
c — Nhiệt dung của van và cánh toả nhiệt
X - đ ộ chênh nhiệt với môi trường
Trong trường hợp này nếu thời gian quá độ đến hàng nhiều phút, thì dòng điện van có thể phải chọn theo dòng điện quá độ, nếu thÒFi gian quá độ nhỏ không đến hàng phút thì dòng điện được lựa chọn bằng cách thay đổi kj ở một mức độ nhất định nào đó là đủ.
2. Tính chọn van theo điện áp
Với các sơ đồ điều áp ba pha không trung tính, điện áp của van bán dẫn nên chọn theo điện áp dây của lưới. Do đó điện áp làm việc cực đại U|y của van bán dẫn được tính :
ư ,, = V2 U , = VóUf
Trong đó: - điện áp dây của lưới ba pha.
Uf - điện áp pha
Điện áp của van bán dẫn Uy đựơc chọn:
ưv=kdt.Uw
Trong đó hệ số dự trữ điện áp thường chọn k(jj>1.6
Tuỳ theo khả năng thiết bị mà ta có hệ số k(jt có thể càng lớn càng tố t .
Sau khi tính được dòng điện và điện áp, tra các sổ tra cứu hoặc bảng các bảng phụ lục p2, p3 của tài liệu này, chọn được linh kiện cần thiết, kiểm tra lại linh kiện này theo dòng điện quá độ.
- Bảo vệ các linh kiện bán dẫn
Cũng như các thiết bị* bán dẫn khác, ở đây bảo vệ van bán dẫn cũng cần có các loại bảo vệ như hình 3.28. Các loại bảo vệ thông dụng, bao gồm bảo vệ ngắn mạch bằng Aptomat AT, dòng điện định mức của Aptomat được chọn bằng (1,1 - 1,3) lần dòng điện định mức của tải, dòng điện ngắn ¿ mạch của Aptomát được chỉnh lớn hơn dòng điện quá độ của tải I q ị j nhưng nhỏ hơn dòng điện xung của van bán dẫn Ijçv
I q đ < I a t n m < I x v
- Bảo vệ xung điện áp từ lưới bằng mạch R]Cj được chọn như chương 1.
B
■CT
C i
R
R
AT
A
H inh 3,28, Mạch động lực và các thiết bị bảo vệ của điện áp xoay chiều 3 pha.
188
- Bảo vệ xung điện áp do chuyển van RìC; cũng có thể được chọn gần đúng :
■ R2 = (5 - 30) Q, Q = (0,5 4)|iF.
Ví dụ : Thiết k ế m ạ c h động lực cho khởi dộng mềm dộng cơ không đồng bộ rotọ lồng sóc có các thông số sau:
Động cơ A02.92.1 , p=100kw, n=1470v/phiít, r|=0,935,
cosọ = 0,92; 1,1; =2; = 6 ; J = l.ókg/m^
U j = 2 2 0 / 3 8 0 V
Thời gian mở máy của động cơ vào khoảng 3s. Mặt khác dòng điện khá lớn,nên việc chọn triac để điều khiển sẽ phải lăng cấp làm mát. Vì vậy ở đây chúng tachọn sơ đồ với các cặp tiristor nối song song ngược như hình 3.29.
Dòng điện hiệu dụng động cơ:
pVsư^rỊcoscp
100.000= 1 7 6 , 8 A
V 3 . 3 8 0 . 0 , 9 2 . 0 , 9 3 5
Dòng điện hiệu dụng chạy qua mỗi tiristor :
Dòng điện làm việc của tiristor 8 8 ,4 A là
đáng kể, tổn hao trên tiristor khá lớn, nên chọn điều kiện làm mát cho tiristor là cố cánh toả nhiệt, có quạt đối lưu không khí. Với điều kiện này tiristor cho làm việc với dòng điện đến 50% dòng điện định mức. Dòng điện của tiristor cần chọn :
I ■ I t i v I O O T.dm
_ 8 8 , 4 J 0 0
5 0
Hỉnh 329. Sơ đồ động lực điều khiển khởi động động cơ không đồng bộ.
= 1 7 6 , 8 A
Điện áp của tiristor khi ở trạng thái khoá
U ^ .= V 2 U,
= 7 2 . 3 8 0 = 5 3 7 V
189
Điện áp định mức của tiristor cần chọn:
= 1,8.537 = 966V
Tiristor mắc vào lưới xoay chiều 50Hz nên thời gian chuyển mạch của tiristor ảnh hưởng không lớn đến việc chọn tiristor.
Từ các thông số trên ta chọn tiristor loại SH200N.21D có các thông số:
U „ ,= 1 0 0 0 V U ,,= 3 V t , , = 80As
Idn. = 2 0 0 A
Ix = 4 K A
I , k = 0 . 1 5 A
IjQ = 200 mA
Idò = 20 mA
AU = 1,7 A
T , p = 1 2 5 X
III.3. Thiết kế mạch điều khiếnMạch điều khiển điều áp ba pha giống mạch điều khiển của điều áp một pha khi
tải đấu sao có trung tính. Vì lúc đó dòng điện tải được chạy giữa pha với trung tính. Giả sử có một van hay một pha không có dòng điện cũng không làm ảnh hưởng tới hoạt động của các van bán dẫn còn lại.
ở mạch ba pha không trung tính dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy giữa các pha với nhau. Tại mỗi thời điểm phải có hai pha hoặc ba pha có van bán dẫn (không khi nào chỉ một pha có van bán dẫn dẫn cả).
Mạch điều khiển điều áp ba pha tải nối Y không dâý trung tính có thể coi như mạch điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. Bởi vì, mạch điều áp ba pha thường gặp có van bán dẫn nối ở phía nguồn như hình 3.30a có thể nối lại thành van bán dẫn nối ở phía trung tính như hình 3.30b. Vẽ lại sơ đồ hình 3.30b thành sơ đồ nhìn hình 3.30c, ta thấy rằng hình 3.30c là sơ đồ cầu ba pha điều khiển đối xứng với phía một chiều ngắn mạch, còn tải nối ở phía xoay chiều.
,
"
T, '
1 ' í i 1 1
í ' ’ị] Tr 1
a) b) c)
Hình 3.30. Các cách nối dây của điều áp xoay chiều ba pha tải nối Y không dây trung tính.
190
Từ sự đồníỊ nhất điểu khiển của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng và diều áp xoay chiều ba pha ở trên thấy rằng: Cấp xung điều khiển cho điều áp xoay diiều ba pha có thể cấp bằng xung đơn hoặc xung chùm. Cấp xung điểu khiển loại nàc tuỳ thuộc chế độ làm việc và lính chất của tải. Thường gặp hiện nay trong điểu áp ba pha có hai cách điều khiển :
- Xung điều khiển cấp đơn nhưng phải đệm xung điều khiển.
- Xung điểu khiển cấp bằng chùm xung.
1. Điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính
a ) Đ iề u k h iể n b ộ đ iề u á p b a p h a v ớ i x u n g đ ơ n
* Khi van động lực là Tĩristor
Khi góc điều khiển a của các van bán dẫn lớn, đồng Ihời có hai tirisstor cùng dẫn, xung điểu khiển phải được cấp đồng thời cho cả hai tiristor. Hơn nữa, hai van được dẫn phải cấp xung theo kiểu một xung chính cần mở với một xung đệm, nguyên tắc đệm xung phải theo đúng thứ tự pha.
Trên hình 3.31 vẽ đường cong điên áp lải với góc mở van bán dẫn a lớn ( a = — )■6
Để có đường cong điện áp pha A như hình vẽ, cần cấp xung điều khiển theo thứ tựpha. Mỗi tiristor trong một chu kì được cấp hai xung điều khiển, trong đó xung trước
X| là xung chính quyết định góc mở của nó, còn xung thứ hai X5-J là xung đệm được nhận lừ liỉistor cần mở của pha khác tới. Điện áp và dòng điện gián đoạn, vì vậy tại
thời điểm cấp xung Xị khòng có xung đệm X | _4 lirislor Tj không thể mở để cho ciòng điện chạy lừ pha A về pha B.
Chúng la hãy lý giải điều này qua mạch động lực hình 3.29 và dạng xung điều khiển và điện áp tải hlnh 3.31.
4ti . V VTại Í2 góc a = — của T ị(ư ^ > 0 ) phát xưng Xj điều khiển T ị, đồng thời đ ệm xung
6T4 - X|_4 (xung thứ hai của T4) lúc này với điện áp pha A dươĩig hơn pha B
( U ^ » U ß ) . T| và T4 cùng dẫn, chừng nào U ạ còn dương hơn Uß. Điện áp trên lải pha
A nếu coi tải đối xứng thì Uy(^=l/2UAß. Đến t'2 do điện áp Uß dương hơn (bỏ qua ảnh hưởng điện cảm, coi góc (p không đáng kể) nên Tj và T4 bị khoá tại t'9.
*4 71Đến là góc a = — của T(ị (Uc<0), phát xung Xg điều khiển T5 dồng thời theo6
đúng thứ tự pha đệm xung Xg-ị cho Tị, lúc này do điện áp c âm hơn A (U (-«U a) nén
T ị và Tg cùng dẫn. Tươiig tự như Irên, hai tiristor này sẽ cùng dẫn chừng nào ư c còn
191
âm hơn U^. Như vậy, đến tg' khi điện áp trở nên âm hoín ƯQ, Tg, Tj phân cực ngược sẽ tợ khoá, tạ có điện áp trên tải U a j = 1 / 2 U; c-
Tương tự như Tị, T2 được mở bởi xung chính tại t5 cùng với T3 và được mở với xung đệm của T5 tại tg
Từ những khảo sằt ở trêit thầy rằng: tại thời điểm phát lệnh mở tiristor mà không có xung đệm cho tỉristor ở pha kế tiếp theo thứ tự pha và ở nhóm ngược lại, thì các Tiristof không thể dẫn được! ,
Khi gÓG mở van nhỏ' dòhg điện tải ít gián đoạn hơn, lúc đó xung đệm chỉ có ý nghĩa tại thời điểm khởi động ban đầụ thôi. Do dòng điện liên tục đến cuối chu kì, nên xung đệm của các van lă không có ý nghĩa khi đã khởi động xong. Điều này có ,thể giải thích cho một vàỉ trường hợp thiết kế không đúng, mạch điềụ khiển không đệm xung điều khiển, nhưng đôi khi tiristor vẫn dẫn được trpng một số lần đóng điện hào đó.' Hiện tượng ’dẫn không bình thường của tiristor là do nhiễu.
192
H inh 3.32. Hình dạng đường cong điện áp tải và các xung điều khiển khi a = —6
71Trên hình 3.32, nếu như tai a = — phát xung mơ Tj, mà T4 ,Tg chưa dẫn, lúc này6
điện áp dương hơn và ưg âm hơn, dòng điện sẽ phải chạy từ A qua T] - tải - T4 về
B, nhưng T4 chưa dằn, nếu không có xung điều khiển X ]_4 cả Tj và T4 đều khoá. Yêu
cầu bắt buộc tại đây phải có xung đệm X ị_4 cho T4 . Khi T| đã dẫn rổi thì xung đệm
thứ hai cho tiristor Tj bằng Xg_j khi mở Tg sẽ không còn ý nghĩa nữa. Ta có thể nhìn
thấy điều này khi tai — là góc a = — của Tg, lúc này cấp xung điểu khiển Xộ cho2 6
Tg có đệm xung Xg_] cho Tj, nhưng vì Tj dẫn rồi nên xung đệm x^_] tại đây không còn ý nghĩa nữa. Tóm lại trong điều áp 3 pha, khi góc mở nhỏ, xưng đệm chỉ có ý nghĩa ở chu kì đầu, ngay sau khi đóng điều khiển, Khi góc mở lớn, điện-áp gián đoạn nhiều, thì bắt buộc phải có xung đệm mới hoạt động được.
Việc tạo xung đệm bằng một biến áp xung hai cuộn dây thứ Ciấp như hình 3.33 cũng có thể được thực hiện.
25. TINH t o á n .. C SUẨTA 193
Te Ti- w
T4- w
ì ĩ
tới T.
iHinh3.33. Đệm xung bằng biến áp.
Khi có lệnh điều khiển Tiristor T] từ mạch điều khiển (MĐK) của Tj, thì đồng thời có xung điều khiển đưa tới hai Tiristor Tị và T4 bằng hai cuộn dây thứ cấp biến áp xung. Tuy nhiên, việc điều khiển như thế này cũng gặp nhược điểm như đã nêu ở trên. Khi một biến áp xung cung cấp cho hai Tiristor, công suất cấp có thể không như nhau. Ngoài ra như trên hình 3.33, tới cực điều khiển của mỗi Tiristor có hai cuộn dây thứ cấp của hai biến áp xung lấy từ hai kênh điều khiển khác nhau. Điều này sẽ làm phức tạp trong chế tạo biến áp, lắp đặt , hiệu chỉnh mạch điều khiển. Vì lý do đó mà việc đệm xung bằng biến áp ít có ứng dụng trong thực tế.
Phương pháp đệm xung phổ biến là đưa tới trước tầng khuếch đại, như hình 3.34.
Hình 3.34. Đệm xung trước tầng khuếch đại.
Để giải quyết bài toán cấp xung điều khiển đồng thời cho hai tiristor, trước khi đưa tới tầng khuếch đại cần có thêm cổng hoặc H. Tín hiệu từ khâu so sánh của kênh điều khiển T] được đưa tới cổng hoặc của chính tầng khuếch đại Tj, ngoài ra tín hiệu này còn được đưa tới cổng hoặc của T4 để đệm xung mở T4. Tới cổng vào của H| ngoài tín hiệu từ mạch điều khiển Tj còn thêm tín hiệu đệm được nhận từ T5 (Xem giản đồ xung hình 3.31). Lúc này để điều khiển Tj trong một chu kì sẽ có hai xung điều khiển: một xung thứ nhất do chính mạch điều khiển kênh T| phát lệnh, xung thứ hai do kênh điều khiển Tg phát lệnh.
194 25.11NHTOÁN...CSUẤT.B
Một mạch điều khiển cho bộ điều áp xoay chiều ba pha với 6 tiristor được giới thiệu trên hình 3.35 cho mạch động lực hình 3.28.
Nguyên lý tạo xung điều khiển của một tiristor T] như mô tả trên hình 3.36. Điện áp đồng pha của pha A chỉnh lưu cả chu kì đưa vào khuếch đại thuật toán A| và Aj, tạo nên điện áp tựa u^. Điện áp tựa này được kéo lên trên trục hoành nhờ VRj thành điện áp răng cưa lùi. Điện áp răng cưa so sánh với điện áp điều khiển Ujjij. Tại các thời điểm tj, tj, Í3 , Í4 , tg, khuếch đại A3 lật dấu, có điện áp Khi cả
và Ug dương, đầu ra của cổng và V] có xung ra trong khoảng t | - Ì2 tín hiệu này được đưa tới H| và đầu ra của Hj có xung trong khoảng tj - tj. H| nhận tín hiệu đồng
thời của cả Vj lẫn V5 . Tương tự như Vị có tín hiệu của Vg dịch pha một góc — (việc
tạo xung điều khiển Tg tương tự như T| không giới thiệu ở đây). Kết quả là H| có hai
xung liên tiếp và cách nhau —, đầu ra biến áp xung cũng liên tiếp tương ứng với đầu6
raH,.
Trên sơ đồ hình 3.35, hai xung điều khiển cho một Tiristor trong mỗi chu kì như2
hình 3.36 chỉ xuất hiện khi góc điểu khiển a > — . Nếu a < — xung đệm thứ hai chỉ
xuất hiện ở mỗi thời điểm mồi ban đầu, còn các chu kì kế tiếp khi van đã mở liên tục rồi, xung đệm này có thể không xuất hiện nữa.
195
OS
Hinh 3J5. Sơ đồ mạch điều khiển bộ điều áp ba pha hình 3.28
Hình 3.36. Nguyên ỉý tạõ xung điều khiển cúa một tiristor.
197
* Khi van động lực là triac
Mạch điều khiển bộ điều áp ba pha khi van động lực là triac gần như hoàn toàn giống mạch điều khiển của bộ điều áp bằng 6 Tiristor trên hình 3.35. Bởi vì, triac chính là hai tiristor mắc song song ngược. Phần khác nhau của chúng nằm ở tầng khuếch đại. Khi van động lực là triac thì chỉ cần một tầng khuếch đại cho một triac mỗi pha. Do đó mạch điều khiển hình 3.35 lúc này thành mạch điều khiển hình 3.38.
H inh 3.37. Mạch động lực điều khiển động cơ KĐB bằng triac.
Ba mạch điều khiển Triac hình 3.38 giống như điều khiển một triac trên hình 3.12. Các xung điều khiển đệm giữa các pha với nhau cũng gửi theo đúng thứ tự pha.
Từ đầu ra của khâu so sánh pha A (DA) được đưa tới cổng hoặc HA để tới khuếch đại mở Triac Tj đồng thời tín hiệu DA được gửi tới cổng hoặc HB để tới khuếch đại mở T2 . Điều này có nghĩa, khi phát lệnh mở Triac Tj (khi u^>0 ) thì đồng thời phát lệnh cho T2 mở theo chiều Ug<0 và ngược lại khi phát lệnh mở Tj khi u^<0 thì đồng thời phát lệnh cho T2 mở theo chiều U3 >0 (xem việc cấp xung và hoạt động của các van này như trên hình 3.31)
198
tài
tải
Rũ
vo Hinh 3,38. Mạch điều khiển điều áp ba pha hình 3.36.
b) Điều khiển điều áp ba pha bằng xung chùm
Như đã giớỉ thiệu ở trên, mạch điều khiển điều áp xoay chiều với xung đcm (một xung tại thời điểm phát lệnh mở van ) có ưu điểm là đơn giản, và thích hợp với những tải thuần trở như: Sợi đốt các lò điện, chiếu sáng ...Với những tải có thành phần điện cảm như động cơ không đồng bộ, biến áp... (đặc trưng của những loại tải này là có góc trễ ọ giữa điện áp với dòng điện). Muốn đảm bảo các van bán dẫn mở cả hai chiều điện áp, khi góc mở a nhỏ hơn góc trễ (p giữa dòng điện và điện áp tải (a< cp), sẽ phải tăng độ rộng xung điều khiển bằng cách tạo xung chùm như đã giới thiệu ở trên.
ở mạch điều áp ba pha, điều khiển van bán dẫn bằng chùm xung ngoài vịêc giải quyết dẫn đều các van khi góc ọ lớn còn có thể giải quyết luôn bài toán về đệm xung điều khiển. Chúng ta sẽ giải thích trường hợp này theo đường cong hình 3.39.
Trên hình 3.32, để có điện áp tải pha A, tại'thời điểm đóng điện chúng ta phải
đệm xung mở Tj cho T4 bằng . Nếu điều khiển bằng chùm xung thì việc đệmn
xung như hình 3.32 là không cần thiết. Từ hình 3.39 thấy rằng, tại a = — phát xung
200
điều khiển Tj, lúc này xung chùm của T4 đani> phát chờ sắn, hơn nữa T4 còn đang được mở chờ sẵn do T5 và T4 đã có chùm xunỉí (tiều khiổn íừ 0. Do đó khi có xung điều khiển T j thì T| được mở cho đòng điện chạy (jua pha A ngay, mà không cần phải gửi xung đệm như trên hình 3.32.
Chùm xung điều khiển chỉ thay cho xung đệm trong một dải điều khiển từ 0 đến 120®. Đối với những tải không cần điều khiển trong khoảng 120° đếnl80° thì giải quyết bằng chùm xung thay thế cho đệm xung là hoàn toàn hợp .lí. (V í dụ như với tải là động cơ).
Hình 3.40 giới thiệu một mạch điều khiển điểu áp ba pha với bộ tạo xung chùm để đệm xung điều khiển giữa các pha.
Ví dụ : Thiết k ế mạch điều khiển cho khỏi cỉộng mềm động cơ không đồng bộ roto lồng sóc A02 92.4 từ ví dụ trên hình 3.29
* Chọn sơ đồ mạch điều khiển.
Khi khởi động động cơ không đồng bộ. hệ sô công suất cos(p luôn thay đổi, góc trỗ giữa điện áp và dòng điện động cơ thay đổi. Do đó, sơ đồ mạch điều khiển hợp lý sẽ là sơ đồ không bị ảnh,hưởng của góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp. Với sơ đồ đã chọn có 6 Tiristor trên hình 3.29, sơ đổ mạch điều khiển chọn bằng chùm xung điều khiển không cần gửi xung điều khiển như trên hình 3.40 (khâu tạo điện áp cho khởi động mềm ở đây không vẽ). Vì động cơ không đồng bộ khi mở máy góc mở
Tiristor ban đầu đảm bảo cho Uj„^=65%U(j^ thì góc mở Tiristor không lớn hơn — do
đó việc đệm xung là không cần thiết.
Tính toán các thông số linh kiện trên mạch hình 3.40 đã được giới thiệu ở chuofng 1.
Nguyên lý điều khiển một mạch điều khiển diểu áp xoay chiều một pha trên hình 3.40 có thể được giải thích theo các đường cong t r ẽ n hình 3.41 như sau:
Điện áp đồng pha với điện áp xoay chiều hình sin Uy được chỉnh lưu cả chu kì đưa vào Aj qua R) dịch đi một trị số lấy qua VR|, Hai điện áp này đưa qua khuếch đại A |, điện áp ra của Aj là U ß . Phần dương của Uß tích phân qua khuếch đại A j cho ta điện áp tựa U(-. Điện áp tựa Uq được kéo lên trên trục hoành bằng điện áp lấy từ VR2-Việc kéo điện áp tựa lên trên trục hoành nhầm mục đích để điện áp điều khiển U(3|ç đồng biến với điện áp ra, nếu không cần làm điều này thì chúng ta có thể bỏ qua điện áp lấy từ VRj.
26.T(NHT0ÁN...CSUẨTJV 201
í E > ^
+15V
V Ti
p
+15V
Hình 3.40: Mạch điều khiển ỉdiởi động mềm động cơ hình 3.29.
Hình 3.41. Các đường cong cơ bản của mạch điẻu khiển hình 3.40.
203
Điện áp điều khiển so sánh với điện áp tựa Urc tìm thời điểm Urc=Ujj|(.. Tại các thời điểm Urc=U(jị khuếch đại A3 lật dấu điện áp ra ta có Uq như hình vẽ.
Điện áp Uj3 đưa tới cổng và cùng với tín hiệu xung chùm liên tục lấy từ Afị, đầu ra của sẽ có chùm xung khi Uo>0
Cổng và V ị sẽ có tín hiệu ra khi đồng thời có xung và U p > 0. Lúc đó biến áp xung BAị c ó xung điều khiển Tị. cổng và V2 có tín hiệu ra khi đồng thời có xung và ưg > 0. Lúc đó biến áp xung BA2 có xung điềụ khiển T2 Kết quả là T| được cấp chùm xung điều khiển khi U p > 0 trùng với U y > ọ và T2 được cấp chùm xung điều khiển khi ưg > 0 trùng với Uy < 0 .
Nếu các xung điều khiển Tị và T2 bị dịch pha 180°, có thể đảo đầu điện áp vào của biến áp đồng pha hoặc đổi đầu cấp vào của khuếch đại A4
Khi cần khởi động mềm động cơ, điện áp điều khiển phải tăng dần trong quá trình khởi động. Do đó, cần có một khâu giới hạn dống khởi động hoặc mạch tạo hàm tăng theo thời gian khởi động. Mạch tạo hàm thời gian khởi động đơn giản có thể mắc theo sơ đồ hình 3.42
H ình 3.42. Mạch tạo hàm điện áp tăng theo thời gian.
204
Bảng p .l THÔNG s ố DIOD CÔNG SUẤT
Ý nghĩa các cột1. Ký hiệu của Diod.2. Imax- Dòng điện chỉnh lưu cực đại.3. Un - Điện áp ngược của Diod.4. Ipik - Đỉnh xung dòng điện.5. AU - Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của Diod6 . Ith - Dòng điện thử cực đại.7. Ir- Dòng điện rò ở nhiệt độ 25°c.8. Tcp- Nhiệt độ cho phép.
Ý nghĩa các cột Ký hiệuVn - Điện áp ngược cực đại Iđm - Dòng điện làm việc cực đại.Ipik - Dòng điện đỉnh cực đại.Ig - Dòng điện xung điều khiển.Ug - Điện áp xung điều idiiển.Ih - Dòng điện tự giữ.Ir - Dòng điện rò.AU - Sụt áp trên Tiristor ở trạng thái dẫn.
10. dU/dt - Đạo hàm điện áp.11. tcm - Thời gian chuyển mạch (mở và khoá).12.Tmax - Nhiệt độ làm việc cực đại.
Ký hiệu.Uđm - Điện áp đinh mức (điện áp đánh thủng). Iđm - Dòng điện định mức.Ipik - Đỉnh xung dòng điện.Ig- Dòng điện điều iđiiển.U g- Điện áp điều khiển.I r - Dòng điện rò.Ih - Dòng điện tự giữ.AU - Sụt áp trên van khi mở.
10. tx - Thời gian giữ xung điều khiển.11. dU/dt- Tốc độ tăng điện áp.12.T - Nhiêt đô làmViêc cưc đai.
Uđm iđm Ipik Ig Ug Ir Ih AU tx dU/dt TKý hiệu Max Max Max Max Max Max Max Max Max