Bài giảng Điện tử công suất và ứng dụng - Chương 6: Bộ nguồn bán dẫn một chiều

Slides ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 2/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi CHƯƠNG 6 BỘ NGUỒN BÁN DẪN MỘT CHIỀU BBĐ VÀ BỘ NGUỒN BÁN DẪN: 6.1 BBĐ và Bộ nguồn bán dẫn Bộ nguồn bán dẫn ≡ BBĐ nhưng đứng trên quan điểm sử dụng 6.1 Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu SƠ ĐỒ KHỐI: Lọc Bộ Lọc Lưới đầu vào Biến đổi đầu ra Tải 6.2 Bộ nguồn xung - Mạch công suất: bộ lọc đầu (*) (*) 6.2.1 Sơ đồ bộ nguồn xung dùng nghịch lưu vào, bộ biến đổi (mạch điện tử công suất) và bộ lọc ngỏ ra. Mạch 6.2.2 Sơ đồ bộ nguồn xung flyback Phát xung - Khối đo lường Bảo vệ 6.2.3 Điều khiển bộ nguồn xung. - Mạch phát xung, điều khiển Điều khiển Phản hồi 6.3 Sơ đồ điều khiển vòng kín BBĐ: vòng kín và bảo vệ. vòng kín (*) Đọc thêm 6 tiết, bài tập 2 BÀI TOÁN THIẾT KẾ: Đặt - Hai phương án: tải tổng quát khối có dấu (*) là có thể không cần hay tải cụ thể (ví dụ động cơ) . - Điều khiển ngỏ ra, hạn chế dòng/áp. - Hạn chế nhiễu: ngỏ vào, ngỏ ra, vô tuyến. - Bài toán khởi động / dừng (soft start). 3/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 4/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Còn gọi là bộ nguồn xung hay cấp điện đóng ngắt (switching power supply) VI.1 BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU BÁN DẪN: So sánh hai loại: Là bộ nguồn cung cấp điện một chiều Nhóm Ưu Nhược Có cấu trúc giống nhau cho các loại tải Điều khiển pha công suất lớn (MW) tần số đóng ngắt bé (tần 2. Phân loại bộ nguồn một chiều: số lưới) => mạch lọc ngỏ ra có trị số lớn - Theo bộ biến đổi: BBĐ áp một Tần số làm việc cao nên công suất đến 100kw nếu Bộ nguồn một chiều dùng BBĐ điều khiển pha: chiều ảnh hưởng hài bậc cao nhỏ dùng transistor 1. (Biến áp) --> Chỉnh lưu (điều khiển pha) - Phân loại theo dạng tải: động cơ một chiều, tải điện hóa, điện công 2. BBĐ áp AC --> Biến áp tần số lưới--> Chỉnh lưu D nghệ, các mạch điện tử . Còn gọi là bộ nguồn chỉnh lưu, trong đó ( ) là khối có thể không cần Có thể chia làm hai nhóm: Bộ nguồn một chiều dùng BBĐ áp một chiều: • tải áp: Tải cần áp ra phẳng, tiêu biểu là thiết bị điện tử. 3. [Biến áp --> Chỉnh lưu D --> lọc] --> BBĐ • tải dòng: gồm các tải còn lại - không cần áp ra phẳng. 4. [Chỉnh lưu D -> lọc] -> BBĐ -> Biến áp tần số cao -> Chỉnh lưu D - Yêu cầu cách ly nguồn – tải khi dùng điện lưới: Khi dùng nguồn một chiều, các khối [ ] không có. Sử dụng biến áp (ghép bằng từ trường). 5/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 6/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Ví dụ bộ nguồn DC: - Tính chọn mạch lọc ngỏ ra VI.2 BỘ NGUỒN CHỈNH LƯU: a. Chọn sơ đồ chỉnh lưu: xem xét các yếu tố 1. Các bước thiết kế bộ nguồn bán dẫn: • Có sử dụng biến áp (BA) hay không: - Thiết kế sơ bộ mạch động lực: • Một pha hay nhiều pha: yêu cầu => sơ đồ => tính chọn gần đúng các thông số mạch động lực. • Sơ đồ tia hay cầu: - Tính toán chính xác để kiểm tra sơ đồ đã chọn: Cầu điều khiển hoàn toàn (SCR) hay không hoàn toàn (SCR + D): Dùng giải tích – mô phỏng – thực nghiệm trên mô hình thu nhỏ. • Sử dụng các sơ đồ đặc biệt: Có thể thực hiện nhiều thiết kế sơ bộ và sẽ chọn ra thiết kế tối ưu - nối tiếp, song song các bộ chỉnh lưu: - Tính toán hệ thống điều khiển và bảo vệ, lập bản vẽ lắp đặt và xây - Sơ đồ 6 pha có kháng cân bằng dựng quy trình thi công, thử nghiệm, hiệu chỉnh. - Sử dụng BBĐ áp AC ở phiá sơ cấp biến áp và dùng chỉnh lưu diod ở 2. Thiết kế sơ bộ chỉnh lưu điều khiển pha (ĐKP): Gồm các bước sau: thứ cấp: - Chọn sơ đồ chỉnh lưu ¾ Áp ra bé (chục V) và dòng tải lớn (hàng nghìn A): - Tính toán chế độ hoạt động: điện áp (thứ cấp biến áp) và góc kích SCR ¾ Áp ra lớn (chục nghìn V), dòng ra bé (chục A) - Tính chọn chỉnh lưu và biến áp 7/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 8/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi b. Tính toán điện áp (thứ cấp biến áp) và góc kích SCR: c. Tính chọn chỉnh lưu và biến áp: • áp ngỏ ra phụ thuộc áp cung cấp và góc kích SCR - Định mức áp chỉnh lưu: giá trị max của áp dây. • Sụt áp trong mạch bao gồm: - Định mức dòng chỉnh lưu và dòng qua BA (nếu có): - Sụt áp trên chỉnh lưu: 1 V/ Diod và 2 V / SCR Để tính dòng, cần chọn dạng dòng theo loại tải nhằm nâng cao độ chính - Sụt áp do chuyển mạch khi dòng liên tục. xác cho thiết kế sơ bộ. - Sụt áp nguồn hay biến áp Ví dụ tính toán: Khi tính toán sơ bộ, sụt áp tổng cộng 15% - 20%, góc kích SCR tối thiểu 1. Thiết kế bộ chỉnh lưu cho điều khiển động cơ DC kích từ độc lập 400 V/ là 10 – 15o. 200A từ lưới điện 3 pha 380V (áp dây): chọn sơ đồ, tính toán các thông số hoạt động của bộ chỉnh lưu điều khiển pha, tính dòng trung bình, áp ngược cực đại Nếu sơ đồ không dùng biến áp: góc điều khiển pha tối thiểu αmin < (40 SCR, dòng hiệu dụng qua các phần tử mạch khác. - 50O) 2. Thiết kế bộ chỉnh lưu cho điều khiển động cơ DC kích từ độc lập 180 V/ O Góc kích tối đa: Thường chọn khoảng 150 20A từ lưới điện công nghiệp 220V/380V: Ví dụ 1: Chọn sơ đồ và tính thông sớ cơ bản của bộ chỉnh lưu 220VDC/100A dòng cho điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập, lưới công nghiệp 380VAC ba pha. 9/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 10/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi d. Tính chọn mạch lọc ngỏ ra: VI.3 BỘ NGUỒN XUNG (SWITCHING POWER SUPPLY): Một số bộ nguồn một chiều có mạch lọc: 1. Sơ đồ ổn áp đóng ngắt thay thế ổn áp tuyến tính: - Bộ cấp điện cho các mạch điện tử : lọc LC hình Γ. Mạch ổn áp đóng ngắt có những đặc điểm: - Các bộ nạp accu công suất lớn lọc L nối tiếp. - Ưu: hiệu suất cao, giảm được kích thước tản nhiệt và giá thành. - Một số trường hợp bộ nguồn xi mạ kim loại có lọc LC. - Nhược: có nhấp nhô áp ra. Δ V S1 3. Điều khiển bộ nguồn chỉnh lưu: io L Bao gồm: + Q1 Io + D1 I - Mạch phát xung + giới hạn góc kích max/min V V o Điều khiển _ V _ v C + định góc kích ban đầu (150o nếu làm việc 1 cực tính) o Tải o - Khối bảo vệ: dòng / áp (vào – ra) Hình VI.3.1 Ổn áp tuyến tính Hình VI.3.2 Ổn áp đóng ngắt - Khối điều khiển vòng kín bộ nguồn xung = chỉnh lưu diod đầu vào + ổn áp đóng ngắt. Sơ đồ khối: 3. [Biến áp --> Chỉnh lưu D --> lọc] --> BBĐ 11/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 12/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 4. [Chỉnh lưu D -> lọc] -> BBĐ -> Biến áp tần số cao -> Chỉnh lưu D 2. Cấp điện đóng ngắt (bộ nguồn xung) sử dụng nghịch lưu: Ví dụ tính toán: Tính toán mạch động lực bộnguồn xung: ngỏ ra 5V/20 A, ngỏ vào 260 VDC. T1 + D1 L1 S1 T1 áp Sơ cấp biến áp C1 C3 + L1 Q 1 D1 3 S1 S1 2 2 C1 C3 V Dao động tam giác CLK v T1 u - Q o ĐB V Thứ cấp biến áp 4 i _ C2 S2 6 T1 I sau chỉnh lưu D2 5 o o Uđk S2 S2 _ C2 D2 mạch động lực mạch điều khiển điều rộng xung dẩy kéo - Chọn tần số ngỏ ra 20 Khz, độ rộng xung tương đối α = ton/T= 0.5. => biên độ sau chỉnh lưu 5/0.5 = 10 V. => biên độ thứ cấp: 10 + 0.6 = 10.6 V; tỉ số biến áp: 260 / (2 * 10.6) = 12.3. - trị trung bình dòng qua L1 (chính là dòng tải Io) = 20 A. - dòng trung bình qua D: kat. Io = 1.5 * 20 = 30 A; - áp qua D > 10 V: chọn 25 V, loại diod: Schotky. - Dòng hiệu dụng thứ cấp 20 / 2= 14 A ; sơ cấp: 14 / 12.3 = 1.2 A 13/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 14/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Chọn ngắt điện nghịch lưu: theo biên độ dòng qua nó, bằng 20 /12.3 = 1,6 A Chọn transistor đóng ngắt công suất, dòng định mức 5 A / 600 V. 5. Sơ đồ bộ nguồn xung Flyback dùng 38xx: 6. Sơ đồ bảo vệ quá áp cho ngắt điện trong bộ nguồn xung Flyback: V v C C R 2V v v T D C D v D V Q Q off Q on t Bài tập: Từ mô tả hoạt động của bộ bảo vệ xung áp, biện luận sự ảnh hưởng lên điện áp vD lúc Q khóa của việc thay đổi giá trị điện trở R. 7. Sơ đồ bộ nguồn xung dùng BBĐ áp một chiều loại Forward: 15/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 16/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi U V+ Bộ nguồn: Ổn áp hạn dòng L1 U T1 D2 lv Bài tập: Vẽ dạng dòng áp trên các phần tử C1 Nạp accu: Ổn dòng hạn áp mạch điện hình VI.3.4 bên, hãy cho biết Q nguyên lý để chọn số vòng cuộn dây trả năng D1 I I lượng gh VI.4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU: 1. Bài toán điều khiển bộ biến đổi (BBĐ): - đảm bảo chất lượng ngỏ ra trong chế độ tĩnh (xác lập) và động (quá độ) 2. HTĐK tọa độ: - Hạn chế dòng điện qua BBĐ. Đối tượng - Điều khiển quá trình khởi động và dừng BBĐ (soft start/stop): ĐKx2 ĐKx1 đặt2 đặt1 => Sử dụng hệ thống điều khiển (HTĐK) nhiều vòng (điều khiển trạng + + x1 _ PID _ PID P2 x2 thái hay tọa độ) P1 phản hồi 17/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 18/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Đối tượng Hệ thống điều khiển bao gồm: ĐKx2 ĐKx1 đặt2 đặt1 - đối tượng điều khiển: nhiều khối quán tính nối tiếp P1, P2, có ngỏ ra + + x1 x2 _ PID _ PID P1 P2 là những thông số x1, x2, cần điều khiển. - Các bộ điều khiển hay hiệu chỉnh (HC) nối tiếp ĐKx1, ĐKx2, có phản hồi ngỏ ra bão hòa tạo thành nhiều vòng phản hồi âm. Quan sát: Hai bộ nguồn ổn áp có hạn dòng (bộ cấp điện ổn áp) và ổn dòng có Bình thường, ĐKx2 xác định ngỏ ra HT là x2 theo đặt2. Khi nó bão giới hạn áp (bộ nạp accu) có cùng sơ đồ điều khiển, chỉ khác cách vận hành. hòa, ĐKx1 sẽ giữ ngỏ ra tương ứng (là x1) ở giá trị mong muốn là mức bão Ví dụ 2: HT điều khiển nhiệt hòa của ĐKx2. Ví dụ 3: HT truyền động điện U Ví dụ 1: Với bộ nguồn một chiều: U lv Vòng ngoài là điều khiển điện áp x2 = U, vòng trong là điều khiển dòng điện x1 = I. 3. Hiệu chỉnh HT hệ thống điều khiển tọa độ: Bộ nguồn: Ổn áp hạn dòng I I a. Nguyên lý hiệu chỉnh: gh Nạp accu: Ổn dòng hạn áp 19/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 20/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Đối tượng (1)(1)Ts+ Ts+ tăng cao gây dao động. ĐKx2 ĐKx1 HC=+ K K/ s + K s =ab đặt2 đặt1 pi d Ts Kp: quyết định sai số HT khi Ki = 0, x1 i + + x2 cùng với Kd chỉnh định chất lượng _ PID _ PID P1 P2 động học HT. Khi cho các hệ số bằng 0, ta nhận được các sơ đồ điều khiển P, PD, I, PI: phản hồi 1 1 HC= K = HC== K/ s Hiệu chỉnh P p Hiệu chỉnh I i Ti Tsi Đối tượng công nghiệp: => sử dụng hiệu chỉnh PID. K Hiệu chỉnh PD hiệu chỉnh PI W = (1)Ts+ (1)Ts+ n (1)(1)Tsab+ Ts+ a a sTs.(1)+ HC=+ K K s = HC=+ Kpi K/ s = ∏i=1 i HC=+ Kpi K/ s + K d s = pd Ts Ti Tsi (khối quán tính ) i Hiệu chỉnh PI dùng cho các HT có mức nhiễu lớn. - hiệu chỉnh PID lần lượt các vòng từ trong ra ngoài Bài tập: chứng minh có thể ổn định đối tượng có hàm truyền - Các vòng trong không được phép hiệu chỉnh thành đặc tính có dao K W = n bằng bộ hiệu chỉnh PID bất chấp bậc n của mẫu số động nếu dùng PP khử cực – zero. sTs.(1)+ ∏i=1 i b. Hiệu chỉnh PID (vi tích phân tỉ lệ): Ví dụ ứng dụng hiệu chỉnh PI mạch điện tử: Ki: khác zero làm cho HT vô sai, có dạng: quá bé kéo dài thời gian xác lập, MẠCH TẠO HÀM DỐC Thiết kế mạch PI dùng OPAM: 21/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 22/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi --V R2 1/sC bước 1: Cho Ki, Kd = 0, tăng dần Kp đến khi HT gần có dao động 4 C1 R1 2 U1 R 1= R 2 6 -Ufhồi VR1 bước 2: tăng K đến khi HT có đáp ứng dao động 3 R1 i POT2 Vo 5 T4 7 D1 7 R3 7 V =>Uđặt = Ufhồi Uđặt 6 bước 3: tăng Kd (nếu có sử dụng) và/hay tinh chỉnh Kp, Ki (nếu cần) để 3 U3B 6 2 HT có đáp ứng mong muốn. U2 POT1 4 R4 0.01uF 10k bộ nguồn xung Flyback dùng 38xx d. Ý nghiã thực tiễn của hiệu chỉnh tọa độ: wđ - Các máy móc công nghiệp (thường là các khối quán tính nối tiếp) chỉ wđ cần hiệu chỉnh PID. 0 tkđ t - Bộ hiệu chỉnh PID có sẵn trong các bộ biến đổi hay điều khiển công Hình 5 : tín hiệu đặt hàm RAMP nghiệp, chỉ cần chỉnh thông số (bằng cách quan sát đáp ứng). - hiệu chỉnh tọa độ (nhiều vòng) cho phép điều khiển nhiều thông số của quá trình, đáp ứng yêu cầu của máy móc công nghiệp c. Các bước để tìm thông số PID thực nghiệm: e. Bộ tạo hàm dốc (RAMP): 23/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Nguyên lý hoạt động: --V 4 C1 wđ R1 2 U1 6 3 POT2 Vo wđ D1 7 R3 7 V 3 6 2 0 tkđ t U2 POT1 4 R4 Hình 5 : tín hiệu đặt hàm RAMP 0.01uF 10k - luôn có trong các BBĐ, thực hiện chức năng soft start (khởi động mềm) - điều khiển quá trình khởi động - Chống vọt lố trong các HT điều khiển có tích phân.