Bài giảng Điện tử công suất - Chương 6: Hệ thống điều khiển bộ biển đổi - Nguyễn Tiến Ban

CH ƯƠ NG 6 1 HỆ THỐNG Đ IỀU KHIỂN BỘ BIỂN Đ ỔI 2 KHÁI QUÁT – PHÂN LOẠI CHỨC N Ă NG, CẤU TRÚC BỘ BIẾN Đ ỔI GỒM 2 PHẦN: + MẠCH Đ ỘNG LỰC CHỨA VAN: THYRISTOR, GTO, TRANSISTOR CÔNG SUẤT... + MẠCH Đ IỀU KHIỂN: HỆ THỐNG THỰC HIỆN BIẾN Đ ỔI TÍN HIỆU Đ IỀU KHIỂN THÀNH TÍN HIỆU CẦN THIẾT PHÙ HỢP VỚI Đ ỐI T Ư ỢNG Đ IỀU KHIỂN Đ Ể TÁC Đ ỘNG HOẠT Đ ỘNG Đ ÓNG MỞ CÁC KHOÁ BÁN DẪN. HỆ THỐNG Đ IỀU KHIỂN GỒM HAI PHẦN CHÍNH: PHẦN CHỨA THÔNG TIN VỀ QUY LUẬT Đ IỀU KHIỂN: THỰC HIỆN CÁC CHỨC N Ă NG KHÁC NHAU TUỲ THUỘC VÀO CẤU TRÚC BỘ BIẾN Đ ỔI VÀ LĨNH VỰC SỬ DỤNG, PHẦN TẠO NÊN N Ă NG L Ư ỢNG Đ IỀU KHIỂN Đ Ể Đ ÓNG MỞ CÁC VAN CÔNG SUẤT. PHÂN LOẠI : PHÂN LOẠI THEO BỘ BIẾN Đ ỔI: + ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN Đ ỔI PHỤ THUỘC, + ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN Đ ỔI Đ ỘC LẬP. 3 Phân loại theo tín hiệu đ iều khiển: + Hệ đ iều khiển t ươ ng tự, + Hệ đ iều khiển số. Phân loại theo số kênh đ iều khiển: + Bộ đ iều khiển một kênh, + Bộ đ iều khiển nhiều kênh. S Ơ Đ Ồ CẤU TRÚC BỘ BIẾN Đ ỔI PHỤ THUỘC 4 PH ƯƠ NG PHÁP XÂY DỰNG BỘ Đ IỀU CHẾ BỘ Đ IỀU CHẾ LÀ BỘ BIẾN Đ ỔI TÍN HIỆU Đ IỀU KHIỂN U Đ K THÀNH GÓC Đ IỀU KHIỂN  ĐƯ ỢC TÍNH TỪ THỜI Đ IỂM CHUYỂN MẠCH TỰ NHIÊN CỦA VAN Đ ỘNG LỰC. XÁC Đ ỊNH GÓC  PHẢI CÓ THÔNG TIN VỀ PHA CỦA Đ IỆN ÁP Đ ẶT LÊN VAN Đ ỘNG LỰC, Đ Ó LÀ BỘ Đ IỀU CHẾ Đ ỒNG BỘ. BỘ Đ IỀU CHẾ Đ ỒNG BỘ TH Ư ỜNG SỬ DỤNG TRONG MẠCH Đ K HỞ. BỘ Đ IỀU CHẾ Đ ỒNG BỘ CÓ THỂ TẠO RA CÁC Đ ẶC TÍNH Đ IỀU KHIỂN KHÁC NHAU TUỲ THUỘC VÀO NGUYÊN LÍ Đ IỀU KHIỂN 5 NGUYÊN LÝ Đ IỀU KHIỂN DỌC BỘ Đ IỀU KHIỂN BAO GỒM: + BỘ TẠO XUNG R Ă NG C Ư A ( Đ IỆN ÁP TỰA - RC), + BỘ SO SÁNH ( SS). HAI TÍN HIỆU Đ IỆN ÁP TỰA VÀ Đ IỆN ÁP Đ IỀU KHIỂN ĐƯ ỢC SO SÁNH NHAU, TẠI U RC = U Đ K , BỘ SS TẠO RA XUNG Đ IỀU KHIỂN 6 Đặc tính pha của bộ đ iều chế phụ thuộc vào dạng đ iện áp tựa. Nếu đ iện áp có dạng Cosin : Chọn t = 0 là thời đ iểm chuyển mạch tự nhiên thì khi t = đ iện áp: Và Điện áp ra của chỉnh l ư u Nh ư vậy đ ặc tính đ iều chỉnh U d =f(U dk ) của bộ chỉnh l ư u là hàm tuyến tính ( đư ờng 1) 7 NGUYÊN LÝ Đ IỀU KHIỂN DỊCH PHA DÙNG BỘ QUAY PHA Đ Ể THAY Đ ỔI PHA CỦA Đ /ÁP HÌNH SIN ĐƯ ỢC TẠO RA BỞI MÁY PHÁT TÍN HIỆU SIN ( MF SIN). KHI THAY Đ ỔI U Đ K , GÓC PHA CỦA TÍN HIỆU XOAY CHIỀU SẼ BỊ THAY Đ ỔI VÀ CHẬM PHA SO VỚI TÍN HIỆU BAN Đ ẦU MỘT GÓC . TẠI THỜI Đ IỂM KHI Đ IỆN ÁP X/CHIỀU Đ I QUA 0 SẼ TẠO NÊN XUNG Đ K T U . NH Ư ỢC Đ IỂM: BỘ QUAY PHA RẤT NHẠY CẢM VỚI DẠNG Đ IỆN ÁP VÀ TẦN SỐ NÊN PP NÀY ÍT DÙNG 8 MỘT SỐ MẠCH THÔNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG Đ IỀU KHIỂN BỘ BIẾN Đ ỔI PHỤ THUỘC 9 Mạch tạo tín hiệu đ ồng bộ + Dùng chỉnh l ư u một pha hai nửa chu kì có đ iểm trung tính đ ể tạo ra đ iện áp chỉnh l ư u U (1) Điện áp U (1) đư ợc so sánh với U o đ ể tạo nên các tín hiệu t ươ ng ứng với thời đ iểm đ iện áp nguồn đ i qua đ iểm 0. U o càng nhỏ thì U (2) càng hẹp và phạm vi đ iều chỉnh càng lớn. Nếu chọn  max = 175 o thì: Giá trị này làm c ơ sở đ ể tính phân áp R 1 và R 2 10 11 + Dùng nguồn không đ ối xứng cho khuếch đ ại thuật toán Tín hiệu xoay chiều U (1) sau khi qua khâu so sánh sẽ có xung vuông U (2) , tín hiệu này đư ợc đư a vào khâu cộng module 2 ( =1) và mạch trễ R 2 C 2 đ ể ạo ra một xung đ ồng bộ ứng với đ iểm U (1) đ i qua đ iểm 0. Độ rộng T X = RC ln 2 là c ơ sở đ ể chọn R 2 và L 2 12 13 Mạch tạo đ iện áp r ă ng c ư a + Mạch tạo xung r ă ng c ư a tuyến tính dùng transistor T 1 tạo nguồn dòng nạp cho C, khi T 2 khoá tụ C đư ợc náp I c = const và t ă ng tuyến tính. Khi có xung mở T 2 , C sẽ phóng đ iện qua T 2 ( hình a): Các T 1 , R 2 , R E chọn sao cho bóng làm việc ở chế đ ộ A. Muốn tạo đ /áp r ă ng c ư a dốc xuống, dòng phóng của tụ phải duy trì không đ ổi nhờ T 3 làm việc ở chế đ ộ A ( hình b). Diode D 1 dùng đ ể hạn chế giá trị đ iện áp trên tụ C ( U Cmax = E – U D1 ) 14 15 Mạch tạo đ iện áp r ă ng c ư a dùng khuếch đ ại thuật toán + Mạch chỉ dùng khuếch đ ại thuật toán Sử dụng mạch tích phân. Tụ đư ợc phóng nạp nhờ nguồn hai cực tính: Khi đ iện áp U 1 d ươ ng (E), đ iện áp trên tụ U 2 nạp : đ ây là đư ờng tuyến tính dốc xuống phía d ư ới. Khi đ iện áp vào mang dấu âm (-E) thì đ iện áp U 2 : đ ây là đư ờng đ i lên phía trên. Bằng cách thay đ ổi thời gian phóng(T 1 ) và thời gian nạp (T 2 ) và các giá trị R 1 , R 2 t ươ ng ứng, đ ầu ra có thể nhận đư ợc dạng r ă ng c ư a: dốc lên (b) dốc xuống ( c) hoặc tam giác (d) 16 17 Mạch tạo đ iện áp r ă ng c ư a dùng khuếch đ ại thuật toán + Mạch dùng khuếch đ ại thuật toán và transistor Dùng mạch tích phân và khoá K, khoá K đư ợc đ iều chỉnh bởi tín hiệu đ ồng bộ, xung đ ồng bộ kết thúc, K mở, tụ C nạp: Tại t 1 , K đ óng, U C = 0. Để tránh ngắn mạch các mạch phụ thay khoá K bằng bóng tr ư ờng ( công nghệ MOS) hoặc dùng khoá đ iện tử. 18 19 Mạch tạo đ iện áp r ă ng c ư a dùng khuếch đ ại thuật toán + Mạch tạo đ iện áp tựa hàm Cos t Nếu đ iện áp vào là nửa đ iện áp Sint thì: Cần đ ặt ở đ ầu ra đ iện áp chuyển dịch: Điện áp ra sẽ là: Điện áp tựa có dạng cosint 20 KHÂU SO SÁNH NHẬN TÍN HIỆU HAI Đ IỆN ÁP TỰA ( R Ă NG C Ư A) VÀ Đ IỆN ÁP Đ IỀU KHIỂN, SO SÁNH HAI Đ IỆN ÁP NÀY, TÌM THỜI Đ IỂM CHÚNG BẰNG NHAU ( U Đ K = U R Ă NG C Ư A) THÌ PHÁT XUNG Đ ẦU RA Đ Ể GỬI SANG KHÂU KHUẾCH Đ ẠI. ĐỂ SO SÁNH TÍN HIỆU T ƯƠ NG TỰ ( ANALOG) TH Ư ỜNG DÙNG TRANSISTOR HOẶC K Đ THUẬT TOÁN. DO KĐTT CÓ NHIỀU Ư U Đ IỂM NÊN HIỆN NAY KHÂU SO SÁNH SỬ DỤNG LOẠI NÀY LÀ CHỦ YẾU. 21 CÁC BỘ TẠO XUNG Đ ẦU RA BỘ TẠO XUNG ( DRIVER) : NHIỆM VỤ: TẠO VÀ KHUẾCH Đ ẠI XUNG CÓ DẠNG, Đ Ộ DÀI VÀ CÔNG SUẤT Đ Ủ Đ Ể Đ IỀU KHIỂN MỞ THYRISTOR. BỘ TẠO XUNG CÒN CÓ NHIỆM VỤ THỰC HIỆN CÁCH LI GIỮA MẠCH Đ IỀU KHIỂN VÀ MẠCH Đ ỘNG LỰC. BỘ TẠO XUNG CÓ THỂ LÀ: + BỘ TẠO XUNG ĐƠ N : XUNG ĐƠ N, CÓ Đ Ộ DÀI T X ỔN Đ ỊNH. ĐẶC Đ IỂM: S Ơ Đ Ồ ĐƠ N GIẢN, Đ Ộ TIN CẬY CAO TH Ư ỜNG DÙNG TRONG CÁC BỘ Đ /K ĐƠ N GIẢN. ĐỘ RỘNG XUNG: T X = K.T MỞ VỚI T MỞ THỜI GIAN Đ Ể DÒNG QUA T Đ ẠT GIÁ TRỊ Đ ỊNH MỨC. 22 + Bộ tạo xung có đ ộ dài tuỳ ý và đư ợc trộn với xung tần số cao : Sử dụng xung có đ ộ dài lớn nh ư ng vẫn đ ảm bảo kích th ư ớc cho biến áp xung ( BAX) gọn nhẹ. Tx > 60 o ( dùng cho s ơ đ ồ cầu chỉnh l ư u 3 pha). Tổn hao công suất trên cực đ /k lớn. + Bộ tạo xung tạo ra các số l ư ợng xung khác nhau tuỳ theo chế đ ộ hoặc s ơ đ ồ : Tạo xung đơ n với số l ư ợng tuỳ ý, giảm đư ợc tổn hao, chủ đ ộng trong đ iều khiển ( dùng cho các bộ biến đ ổi dòng gián đ oạn). Cấu trúc phức tạp, cần làm việc với các sensor ( dòng, áp) nên th ư ờng đư ợc áp dụng trong mạch công suất rất lớn. 23 MẠCH TẠO XUNG DÙNG MÁY PHÁT BLOCKING BLOCKING LÀ MẠCH DAO Đ ỘNG PHẢN HỒI D ƯƠ NG TẠO XUNG CÓ S Ư ỜN DỐC CHẤT L Ư ỢNG CAO, CÁCH LI GIỮA HAI MẠCH Đ /K VÀ Đ ỘNG LỰC. MẠCH SỬ DỤNG BIẾN ÁP XUNG CÁCH LI VỚI CUỘN S Ơ CẤP W1, W3 LÀ CUỘN THỨ CẤP ĐƯ A TÍN HIỆU RA, CUÔN W2 LÀ CUỘN PHẢN HỒI. BÌNH TH Ư ỜNG, T1 KHOÁ DO THẾ ÂM TỪ –E Đ ẶT LÊN BAZ Ơ THÔNG QUA R2. KHI CÓ XUNG TỪ CỬA VÀO TẠI T O , T1 DẪN, CUỘN W1 XUẤT HIÊN S ĐĐ E(T). CUỘN W2 ĐƯ ỢC MẮC SAO CHO Đ IỆN ÁP TRÊN W2 CÓ DẤU D ƯƠ NG Đ ẶT VÀO BAZ Ơ CỦA BÓNG TẠO PHẢN HỒI D ƯƠ NG GIÚP CHO NÓ MỞ RẤT NHANH Đ Ể Đ ẠT DÒNG I C BÃO HOÀ. KHI Đ Ó TOÀN BỘ Đ IỆN ÁP NGUỒN E Đ ẶT LÊN W1, Đ IỆN ÁP RA: DO CÓ Đ IỆN ÁP PHẢN HỒI NÊN DÒNG BAZ Ơ : VẪN CÒN MẶC DÙ XUNG Đ ẦU VÀO Đ Ã KẾT THÚC. 24 Lúc này, lõi thép bắt đ ầu đư ợc từ hoá và dòng I c t ă ng lên ( vì dòng từ hoá I  t ă ng) trong khi dòng I b không đ ổi, T 1 chuyển từ trạng thái bão hoà sang khuếch đ ại, đ iện áp U CE t ă ng lên, U W1 và U W2 giảm, lại có phản hồi d ươ ng nên quá trình này xảy ra nhanh và đ ến t 1 thì T 1 khoá hoàn toàn. Độ dài của xung ra T x 25 26 MẠCH KHUẾCH Đ ẠI XUNG ĐƠ N CÔNG SUẤT KHI YÊU CẦU CÔNG SUẤT Đ IỀU KHIỂN LỚN CUNG CẤP CHO THYRISTOR LÀM VIỆC VỚI MẠCH CÔNG SUẤT LỚN NG Ư ỜI TA SỬ DỤNG THYRISTOR TRONG MẠCH Đ IỀU KHIỂN. 27 Tụ C đư ợc nạp đ iện với cực tính nh ư hình vẽ, khi đ /k mở thyristor sẽ có xung trên cuộn w 1 và w 2 . Biên đ ộ xung bằng E, dòng E/R w1 . R w1 là đ iện trở quy đ ổi về BAX, đ ồng thời xuất hiện I C phóng qua thyristor với dạng sóng sinus. Tại t 2 dòng I C đ ổi dấu làm T khoá lại. D giảm đ iện áp trên T khi khoá. 28 BỘ KHUẾCH Đ ẠI XUNG CÓ Đ Ộ RỘNG TUỲ Ý SỬ DỤNG S Ơ Đ Ồ DARLINGTON Đ Ể NÂNG CAO HỆ SỐ KĐ VÀ CÔNG SUẤT. DÒNG: TRONG Đ Ó:  1 HỆ SỐ KĐ CỦA T 1  2 HỆ SỐ KĐ CỦA T 2  HIỆU SUẤT (  0.7) CHỌN T 2 LÀ CÔNG SUẤT LỚN, T 1 KĐ DÒNG. SỐ L Ư ỢNG CUỘN Đ ẦU RA CỦA BAX CHỌN TUỲ Ý. R B ĐƯ ỢC CHỌN Đ Ể T 1 VÀ T 2 LÀM VIỆC Ở TRẠNG THÁI BÃO HOÀ: K TH Ư ỜNG CHỌN = 1.1  1.2 29 Nh ư ợc đ iểm: Nếu truyền xung có đ ộ rộng quá lớn ( t x >1 ms) thì BAX phải lớn, dạng xung xấu đ i. 30 31 Hình trên là bộ trộn cao tần với đ iện áp U v là xung có đ ộ dài T x đư ợc trộn với xung có chu kì T f nhỏ h ơ n rất nhiều so với T x thông qua mạch logic AND. Bộ phát xung cao tần th ư ờng là bộ đ a hài tạo xung vuông có f = 5  10 Kz. Biến áp xung đư ợc tính với đ ộ rộng xung T f. Điện trở R 5 mắc đ ể hạn chế dòng qua transistor khi BAX bị bão hoà và làm phân áp khi muốn giảm áp trên cuộn W 1 32 BIẾN ÁP XUNG MỤC Đ ÍCH : + CÁCH LI GIỮA MẠCH Đ ỘNG LỰC VỚI MẠCH Đ IỀU KHIỂN, + PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG GIỮA CỰC Đ IỀU KHIỂN CỦA T VỚI MẠCH KĐ Đ ẦU RA. + THAY Đ ỔI CỰC TÍNH CỦA XUNG ( NẾU CẦN) YÊU CẦU : TRUYỀN XUNG VỚI Đ Ộ MÉO ÍT NHẤT NH Ư ỢC Đ IỂM : + GIẢM CHẤT L Ư ỢNG XUNG Đ IỀU KHIỂN, + KHÓ CHUẨN HOÁ MẠCH, + T Ă NG KÍCH TH Ư ỚC MẠCH Đ IỀU KHIỂN 33 34 35 36 37 38 39 MỘT SỐ MẠCH Đ IỀU KHIỂN CHỈNH L Ư U THÔNG DỤNG 40 MẠCH Đ IỀU KHIỂN CHỈNH L Ư U DÙNG TRANSISTOR MỘT TIẾP GIÁP UJT Mạch đ iều khiển đư ợc đ ồng bộ bằng nguồn nuôi ( chỉnh l ư u, R1 và Dz) Khi đ iện áp trên C t ă ng đ ến Uo = .E (= 0.6 0.8: Hệ số ng ư ỡng) thì UJT mở tạo xung trên cuộn w1. Thay đ ổi R3 thay đ ổi đư ợc thời đ iểm tạo xung ( thay đ ổi góc  = 10  170 o ) 41 42