Giáo trình Điện tử công suất (Trình độ Cao đẳng) - Trường Cao đẳng Lào Cai

u kiện ban đầu it(α) = 0 và giải phương trình ta thu được nghiệm 57 it (X) =  X L U m coscos .   - Dòng điện có độ lớn tăng từ 0 đến cực đại rồi giảm về 0 tại vị trí X = 2 π – α. Do iV1 = it nên tại vị trí vừa nêu dòng qua V1 cũng bị ngắt. Trạng thái 0 khoảng (2 π – α < X < π + α) Sau khi dòng qua V1 bị ngắt , mạch trở lại trạng thái không dẫn điện, các phương trình mô tả mạch điện: it = 0; ut = 0 iV1= iV2 = 0 uV1 = - uV2 < 0 Trạng thái V2 (π + α < X < 3 π - α) Tại vị trí X = α + π xung kích đưa vào V2 trong lúc V2 chịu tác dụng điện áp khóa nên V2 đóng. Dòng điện khép kín qua mạch (u,V2, L). Các phương trình và hệ thức mô tả trạng thái V2. uV2 = 0; iV2 = - it ut =u; ut = L. dt dit Giải phương trình dòng điện với it(π + α) = 0 ta được nghiệm dòng điện tải it (X) =   X L U m coscos .   - Dòng điện qua tải và qua V2 có độ lớn tăng từ 0 đến cực đại rồi giảm về 0. tại đây V2 cũng bị ngắt mạch trở về trạng thái không. Hệ quả: Đối với tải L và góc điều khiển 2  < α < π, ta có: + Dòng qua tải bị gián đoạn + Trị hiệu dụng điện áp trên tải có thể dẫn giải bằng hình 3.4 Ut =   2 1 2 1 2 2 2 2sin1sin.1                      mm UdXXU + Trị hiệu dụng dòng điện qua tải 58 It =   2 1 2 2 1 2 2 2sin3cos21.12 . .1                             L Udxit Trong ứng dụng với tải L, thành phần cơ bản dòng điện có ý nghĩa quan trọng IL(t)m(α) =            2sin122 .L U m Mạch hoạt động như 1 tải L điều chỉnh với cảm kháng là hàm phụ thuộc góc kích: XL(α) =                   2sin122 .L I V mtL m b, Góc điều khiển α < 2  Điện áp tải không thể điều khiển được nữa. Mạch sẽ hoạt động như một công tắc ở trạng thái luôn đóng. Các linh kiện V1, V2 lần lượt dẫn điện với khoảng dẫn của mỗi linh kiện bằng π. Dòng điện qua tải liên tục. Nếu bắt đầu đưa xung kích vào linh kiện từ vị trí α = 2  , dòng điện lệch pha so với điện áp 1 góc φ = 2  . Xung kích cần tạo thành dưới dạng chuỗi xung bắt đầu tại vị trí góc α và kết thúc tại cuối nửa chu kỳ tương ứng với áp nguồn xoay chiều. Chẳng hạn, khi dòng tải qua V1 giảm đến 0, V1 bị ngắt. tại vị trí này trên V2 xuất hiện điện áp khóa, do có xung kích tác dụng lên V2 đóng và dẫn dòng điện qua tải theo chiều ngược lai. Do đó, dòng điện tải đổi dấu và qua điêm O một cách liên tục. Hệ quả: Với tải L, khi α < 2  bộ biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động như công tắc ở trạng thái đóng và điện áp trên tải bằng áp nguồn xoay chiều. Đặc tính Ut(α) cho trường hợp tải L vẽ như hình 3.3 1.3. Trường hợp tải RL (Hinh 3.5) Tương tự như tải L, mạch hoạt động phụ thuộc vào góc điều khiển α. Giá trị phân biệt 2  ở trường hợp tải L được thay bằng độ lớn góc φ trong trường hợp tải RL, φ = arctg( R L ) Trường hợp α > φ dòng điện tải bị gián đoạn. Chu kỳ hoạt động được chưa làm 4 khoảng tương ứng 4 trạng thái sau: Trạng thái 0: Mạch không dẫn điện và áp khóa tác dụng lên V1. it = 0; ut = 0 iV1 = iV2 = 0 uV1 = -uV2 = u > 0 59 Trạng thái V1: V1 được kích dẫn ut = u; ut = R.i + L. dt dit iV1 = it ; uV1 = -uV2 = 0 Trạng thái 0: Mạch không dẫn điện và điện áp khóa tác dụng lên V2: it = 0; ut = 0 iV1 = iV2 = 0 uV1 = -uV2 = u <0 Trạng thái V2: V2 được kích dẫn uV1 = -uV2 = 0 iV2 = - it; ut = u ut = R.i + L. dt dit Nghiệm dòng điện, ví dụ trong khoảng V1 dẫn có dạng it = iV1= =                  X L R m eX Z U .sinsin Z =  22 LR  Dòng điện qua tải bị gián đoạn Trường hợp α < φ : Dòng tải liên tục. Điện áp tải không điểu khiển được. Bộ BBĐ hoạt động như 1 công tắc luôn đóng. Điện áp tải bằng áp nguồn xoay chiều có trị hiệu dụng bằng U.. Xung kích cho linh kiện được kích dưới dạng chuỗi xung, bắt đầu từ vị trí góc điều khiển đến khi kết thúc nửa chu kỳ tương ứng của nguồn áp xoay chiều. Đặc tính Ut (α) Xem hình 3.15 phụ thuộc vào các tham số RL mạch tải, thay đổi giữa đặc tính tải thuần trở và tải thuần cảm. Tính chất tương tự khi hoạt động tải với tải R, L, RL được trình bày ngắn gọn trong bảng 3.1 Bảng 3.1 Quan hệ tổng quát R L RL Tính chất R L  arctan φ = 0 2    R L  arctan Φ góc đặc trưng của tải α > φ α > 0 Α > 2  R L  arctan Dòng tải gián đoạn 60 α < φ α < 2  R L  arctan Dòng tải liên tục 2 Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha Bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha dạng đầy đủ hình 3.6 có cấu tạo gồm 3 công tắc bán dẫn, đấu vào nguồn xoay chiều 3 pha, để thực hiện cung cấp điện cho tải 3 pha. Khi công suất tải nhỏ, các cặp công tắc dùng thyristor có thể thay bằng triac. Phân tích BBĐ ĐAXC 3 pha, ngay cả trường hợp tải thuần trở rất phức tạp vì việc theo dõi quá trình điện áp và dòng điện trng mạch rất khó. Dạng sóng điện áp và dòng điện tải thay đổi khác nhau phụ thuộc độ lớn góc điều khiển và các tham số mạch tải(đối với tải thuần trở). Ngày nay, việc phân tích được mô phỏng phần mềm máy tính. Dạng sóng điện áp và dòng điện cho một số cấu hình BBĐ phụ thuộc góc điều khiển ứ ng với các tải R, RL được vễ trên hình 3.7 cho tải R và hình 3.8 cho tải RL nối tiếp. Đặc tính điều khiển: được vẽ trên hình 3.10. Với tải R phạm vi điều khiển góc kích nằm trong khoảng ( 0, 6 5 ); đối với tải L phạm vi điều chỉnh góc kích ( 6 5, 2  ); đối với tải RL phạm vi điều chỉnh góc kích là (arctan 6 5;  R L ) 61 Xung kích: Để đảm bảo quá trình kích dẫn của SCR xung kích được thức hiện dưới dạng chuỗi xung bắt đầu từ vị trí ứng với góc kích cho đến khi vượt khỏi nửa chu kỳ tương ứng một góc 6  62 Bài 4. BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU 1. Bộ giảm áp 1.1. Sơ đồ mạch điện 1.2. Nguyên lý hoạt động Mạch bộ giảm áp gồm nguồn điện áp một chiều không đổi U mắc nối tiếp với tải qua công tắc S. Tải một chiều tổng quát gồm RL và sức điện động E(ví dụ như động cơ điện 1 chiều). Điode không Vo mắc đối song song với tải (Hình 4.1a). Nguồn điện một chiều có thể lấy từ acquy, pin điện, nguồn áp xoay chiều qua bộ chỉnh lưu không điều khiển và mạch lọc. Công tắc S có chức năng điều khiển đóng và ngắt được dòng điện đi qua nó. Do tính năng trên công tắc S phải là linh kiện tự chuyển mạch, chẳng hạn như BJT, MOSFET, IGBT, GOT hoặc ở dạng kết hợp gồm SCR với bộ chuyển mạch. Tải một chiều hay gặp trong thực tế là động cơ một chiều. Phân tích: Hình 4.1b Giả thiết dòng điện qua tải liên tục. Do cấu tạo mạch chỉ chưa công tắc S với 2 trạng thái hoạt động là đóng và ngắt dòng điện nên ta phân tích mạch theo 2 trạng thái cơ bản này. Trạng thái đóng S: Thời gian đóng T1, dòng điện dẫn từ nguồn U khép kín qua mạch gồm (U,S,RLE). Phương trình trạng thái hoạt động của tải: ut = U ut = R.it + L. dt dit + E Chọn thời điểm to = 0 ta có it(to) = io Giải hệ phương trình vi phân ta có nghiệm dòng điện đi qua tải có dạng: it(to) =  t o t eie R EU            .1 (1) 63 Với R L  là hằng số thời gian mạch tải Tại cuối thời điểm T1, ta có it1 = it(T1) = i1 Quá trình dòng điện tải có dạng tăng theo hàm số mũ. Trạng thái ngắt S:Khoảng thời gian (T1<t<T) khoảng thời gian ngắt T2. Do bị ngắt nên dòng qua S bị triệt tiêu. Mạch tải có chứa L nên dòng qua nó không thể thay đổi đột ngột được. Do tính liên tục của dòng điện qua tải L, dòng tải it tiếp tục đi theo chiều cũ và khép kín qua điode không Vo thuận chiều đang dẫn của nó. Phương trình mô tả trạng thái mạch (Vo, RLE) ut = 0 ut = R.it + L. dt dit + E (2) Điều kiện ban đẩu của (2) từ (1) dòng điện tải it đạt giá trị tại thời điểm t = T1 i1 = it(to+T1)= it(T) = o t ie R EU           1 Giải phương trình (2) chứa nghiệm dòng điện tải it ta có:    11 11 TtTt t eieR Eti              (3) Dòng điện có quá trình giảm theo hàm số mũ: Tại cuối khoảng thời gian T2, công tắc S lại được kích đóng. S dẫn điện làm điện áp nguồn U tác dụng lên diode không Vo như điện áp ngược nên ngắt dòng qua nó. Trạng thái S đống được phân tích ở phần trên. Chế độ dòng tải gián đoạn: 64 Khi E = 0, dòng điện tải liên tục. Khi E >, dòng điện tải có thể liên tục hoặc gián đoạn phụ thuộc vào giá trị của hàm số điều khiển (T1, T2) và tham số tải(RLE) Ở chế độ dòng gián đoạn hình 4.2, khoảng thời gian dòng gián đoạn (it=0) xuất hiện trong thời gian ngắt công tắc S, dòng điện tải liên tục bời phương trình (1 và (2) bắt đầu từ giá trị it(0) = i0 =0 Trong giai đoạn đầu của thời gian ngắt công tắc S(T1<t<t2) dòng điện tải liên tục giảm trạng thái mạch được mô tả bởi phương trình (2) và (3) nghiệm dòng điện theo tải theo (3) giảm và đạt giá trị 0 tại thời điểm t2 thỏa mãn điều kiện.   01 11 1               TtTt t eieR Eti ; (T1<t2<T) (4) Giải phương trình (4) xác định được t2: t2 =           11ln. 1  Te E U (5) Giai đoạn dòng tải gián đoạn: (t2 < t <T) điện áp trên tải bằng E. Trị trung bình điện áp trên tải: diễn giải theo hệ thức sau: ;1 221          T tEU T tTE T TUU t  T T1 (6 ) Hệ quả: Với chế độ dòng điện qua tải liên tục ta có: + Điện áp trên tải có dạng xung thay đổi giữa 2 giá trị 0 và +U + Bằng cách thay đổi tỉ số T T1 giảm T1, thời gian đóng S và T, chu kỳ đóng ngắt (T = T1 + T2), ta điều khiển trị trung bình áp tải và dòng tải theo các hệ thức: Ut =   U T TU T TTUdtut T    121 0 . .0. .1 ; T T1 (7) Do 10 1  T T   UU t 0 65 R EUi tt   (8) Ở chế độ dòng tải gián đoạn, các quá trình dòng điện và điện áp được mô tả bằng hệ thức các phương trình 1,2,...7,8. Bộ giảm áp dùng làm nguồn điện áp cho truyền động điện động cơ một chiều, là bộ phận nguồn cho bộ biến tần áp, bộ biến tần dòng điện. 1. Bộ giảm áp 2 1.1. Sơ đồ mạch điện R+ CD1 S L + - Vidc 1.2.Nguyên lý hoạt động D1 R+ C S L + - Vidc D1 S R+ C L + - Vidc Mạch có cấu tạo nguyên lý đơn giản chỉ dùng một van đóng cắt nguồn điện và phần lọc đầu ra. Điện áp đầu ra được điều biến theo độ rộng xung Khi " Switch On" được đóng tức là nối nguồn vào mạch thì lúc đó dòng điện đi qua cuộn cảm và dòng điện trong cuộn cảm tăng lên, tại thời điểm này thì tụ 66 điện được nạp đồng thời cũng cung cấp dòng điện qua tải. Chiều dòng điện được chạy theo hình vẽ Khi " Swith Off" được mở ra tức là ngắt nguồn ra khỏi mạch. Khi đó trong cuộn cảm tích lũy năng lượng từ trường và tụ điện điện được tích lũy trước đó sẽ phóng qua tải. Cuộn cảm có xu hướng giữ cho dòng điện không đổi và giảm dần. Chiều của dòng điện trong thời điểm này như trên hình vẽ. Quá trình đóng cắt liên tục tạo tải một điện áp trung bình theo luật băm xung PWM. Dòng điện qua tải sẽ ở dạng xung tam giác đảm bảo cho dòng liên tục qua tải. Tần số đóng cắt khá cao để đảm bảo triệt nhiễu công suất cho mạch. Van công suất thường sử dụng các van như Transitor tốc độ cao, Mosfet hay IGBT... - Để phân tớch mạch ta thừa nhận các giả thiết sau: - Mạch hoạt động trong chế độ thường trực. - Dòng trong cuộn cảm là liên tục (luôn dương) - Tụ điện rất lớn và giữ điện thế ra không đổi V0 - Chu kỳ giao hoán T,S đóng trong thời gian DT và S hở trong thời gian (1- D)T - Các linh kiện là lý tưởng. Công suất ra bằng công suất vào S Ton Toff DT Vi VL Vi - Vo - Vo IL ILmax IL = I0 ILmin IC ∆iL ∆iC t t t t 67 Theo đó sự thay đổi tổng cộng dòng điện chạy qua cuộn cảm khi S đóng và khi S hở là bằng 0. 0)()(  OFFLONL ii . Phân tớch khi S đóng. khi S đóng, do điốt phân cực nghịch nên ngưng, ta có dòng điện chạy qua cuộn cảm. Điện thế cuộn cảm bằng dt diLVViVVVV LLoLi  0 (1’) Suy ra: L VV dt di oiL  (2’) Do đạo hàm dòng là một số dương không đổi, dòng điện tăng tuyến tính sự thay đổi dòng điện khi S đóng được viết lại theo dạng sau     DT i t i dt di LLL DT L VVi L VV ii SwonL oi        )()( (3’) . Phân tích khi S mở Khi s mở điốt trở nên phân cực thuận nên dẫn, và do đó cho dòng điện cuộn cảm chạy qua hình 3.6 . Điện thế qua cuộn cảm khi shở L V dt di dt diLVV LLL 00  (4’) Đạo hàm của dòng điện qua cuộn cảm là hằng số âm, và dòng giảm tuyến tính hình 3.4 . Sự thay đổi dòng cảm khi bậc S hở t iL   = TD L Vi L V TD i WoffSL L )1( )1( 0 )¦( 0            (5’) Hoạt động thường trực đòi hỏi dòng điện cuộn cảm tại cuối chu kỳ giao hoán bằng với trị số tại lúc bắt đầu nghĩa là sự thay đổi tổng cộng trong dòng cuộn cảm trên một chu kỳ là bằng không. Điều đó đòi hỏi. 68 0)1(0)()( 00               TD L VDT L VViii swoffLswonL (6’) - Giải ta được điện thế ra  iDVV0 ion VT t 0V < iV (7’) Thay vào (3.11) được  )()( swonLi DTL VVi        0 =                   DT L VD V 0 0  TD L V 10 (8’) Điện thế DC ra nhỏ hơn điện thế DC vào - Dòng điện trung bình qua cuộn cảm: Dòng điện trung bình qua cuộn cảm phải bằng dòng qua tải vì dòng trung bình qua tụ là bằng không trong chế độ thường trực R VII RL 0 (9’) - Sự thay đổi của dòng qua cuộn cảm cho bưởi phương trình (3.14) va (3.15) giúp ta tính được trị max và min của nó.                             L t R V Lf D R VTD L V R ViII off swon L L 2 1 2 111 2 1 2 00 00 max (10’)        swoff L L iII 2min                       L t R V Lf D R VTD L V R V off 2 1 2 111 2 1 00 00 (11’) Chú ý: Trong cách phân giải trên ta xem dòng điện liên tục. Trường hợp dòng không lien tục sẽ được xét đến ở sau. - Trị số L Vi Imin= 0 là giới hạn giữa dòng liên tục và không liên tục, ta tính được.     RDLf Lf D R VI 2 )1(0 2 11 min0min          (12’)     RTDR Lf DL 2 1 2 1 min     (13’) Lmin là trị số cực tiểu cuộn cảm cần thiết để dòng qua cuộn cảm liên tục 69 - Độ dợn sóng ngõ ra ở đoạn trược ta giả sử tụ điện C có trị số lớn để giữ điện thế ngõ ra không đổi. Trong thực tế, điện thế ra không hoàn toàn không thay đổi với điện dung có trị số có hạn. Sự thay đổi điện thế ra thay đổi chung quanh trị số trung bình được gọi là điện thế dợn sóng. Độ dợn sóng được tính theo biểu thức dòng điện - điện thế của tụ điện. Ta có dòng qua tụ như ở H.8: RL iii 0 ( 14’) Khi dòng qua tụ có trị dương, tụ điện và ta có 0VCQ  (15’) C VV 00  Khi " Switch On" được đóng tức là nối nguồn vào mạch thì lúc đó dòng điện đi qua cuộn cảm và dòng điện trong cuộn cảm tăng lên, tại thời điểm này thì tụ điện được nạp đồng thời cũng cung cấp dòng điện qua tải. Chiều dòng điện được chạy theo hình vẽ Khi " Swith Off" được mở ra tức là ngắt nguồn ra khỏi mạch. Khi đó trong cuộn cảm tích lũy năng lượng từ trường và tụ điện điện được tích lũy trước đó sẽ phóng qua tải. Cuộn cảm có xu hướng giữ cho dòng điện không đổi và giảm dần 2. Bộ tăng áp 1 2.1. Sơ đồ mạch điện Khi thực hiện hãm tái sinh động cơ một chiều, năng lượng từ nguồn điện áp thấp(sức điện động E) được trả lại nguồn điện áp lớn hơn (nguồn một chiều U), điều này có thể thực hiện nhờ hoạt động của bộ tăng áp. Hinh 4.3 Điều kiện để mạch hoạt động là E < U và nguồn U có khả năng tiếp nhận năng lượng do tải trả về. Tải một chiều phải chứa nguồn dự trữ năng lượng (sức 70 điện động E) và cảm kháng. Công tắc S thuộc dạng tự chuyển mạch được như trường hộ bộ giảm áp. Diode Vo cho phép dòng điện dẫn theo chiều từ tải về nguồn và ngăn dòng điện đi theo chiều ngược lại. Phân tích hoạt động mạch bộ tăng áp ở chế độ dòng điện tải liên tục và mạch xác lập Hình 4.4 Trạng thái đóng S: Khoảng thời gian (0 < t < T1). Dòng điện khép kín qua mạch (RLE,S). Phương trình mô tả trạng thái S đóng: ut = 0 ut = - R.it - L. dt dit + E (9) it(to) = it(0) = i0 giả thiết thời điểm chu kỳ khảo sát to =0 Dòng điện qua tải io tăng theo hàm số mũ. Hệ thức biểu diến dòng điện tải có dạng it(t) = o t iei R E                 10 (10) Tại thời điểm cuối khoảng đang xét, ta có t =T1 và it(T1)= it ; R L  Năng lượng do sức điện động E phát ra một phần tiêu hao trên điện trở, phần còn lại dự trữ trên cuộn kháng. Trạng thái Vo: Khoảng thời gian (T1 < t < T). Công tắc S bị kích ngắt trong khoảng thời gian T2. Dòng qua công tắc S bị triệt tiêu. Do tính liên tục của dòng qua tải chứa L nên dòng tải tiếp tục dẫn điện theo chiều cũ và khép kín qua điode Vo và nguồn U. ut = U ut = - R.it - L. dt dit + E (11) Tại thời điểm đầu khoảng đang xét, dòng điện tải có giá trị it(T1)= i1 Nghiệm dòng điện tải của (8) giảm theo hàm số mũ, cho bởi hệ thức:   10 1 1 iei R UEti Tt t                     (12) Cuộn kháng giải phóng một phần năng lượng dự trữ. Sức điện động E ở chế độ phát năng lượng. Cả hai năng lượng này được đưa về nguồn U một phần, phần còn lại tiêu hao trên điện trở tải. Hệ quả: - Điện áp tải thay đổi theo dạng xung giữa hai giá trị +U và 0 71 - Bằng cách thay đổi tỉ số  giữa T1: Thời gian đóng S và T = T1 + T2 chu kỳ đóng ngắt S ta điều khiển công suất phát tà nguồn E cũng như công suất trả về nguồn U. Có thể xác định độ lớn thông qua trị trung bình dòng điện và điện áp tải.        0 221 1 ..0 .1 U T TU T TUTdtu T U tt ; T T1 (13) Do 11  T TU   0 tU U R EUi tt   (14) Nếu thay đổi vai trò giữa U và tải: gọi tải Ut là nguồn cấp năng lượng và U là tải nhận năng lượng, ta có: tt U U U    1 (15) Điện áp tải điện áp nguồn nên ta gọi đây là bộ tăng áp 2. Bộ tăng áp 2 2.1. Sơ đồ mạch điện 2.2.Nguyên lý hoạt động Mạch có cấu tạo nguyên lý khá đơn giản. Cũng dùng một nguồn đóng cắt, dùng cuộn cảm và tụ điện. Điện áp đầu ra phụ thuộc vào điều biến độ rộng xung và giá trị cuộn cảm L Khi "Swich On" được đóng lại thì dòng điện trong cuộn cảm được tăng lên rất nhanh, dòng điện sẽ qua cuộn cảm qua van và ve GND. Dòng điện không qua diode và tụ điện phóng điện cung cấp cho tải Khi "Switch Off" được mở ra thì lúc này ở cuối cuộn dây xuất hiện với 1 điện áp bằng điện áp đầu vào. Điện áp đầu vào cùng với điện áp ở cuộn cảm qua 72 diode cấp cho tải và đồng thời nạp cho tụ điện. Khi đó điện áp đầu ra sẽ lớn hơn điện áp đầu vào, dòng qua tải được cấp bởi điện áp đầu vào. Chiều của dòng điện được đi như hình vẽ! Điện áp ra tải còn phụ thuộc giá trị của cuộn cảm tích lũy năng lượng và điều biến độ rộng xung (điều khiển thời gian on/off). Tần số đóng cắt van là khá cao hàng Khz để triệt nhiễu công suất và tăng công suất đầu ra.Dòng qua van đóng cắt nhỏ hơn dòng đầu ra.Van công suất thường là Transior tốc độ cao, Mosfet hay IGBT... Diode là diode xung, công suất D2 S R+ C L + - Vidc S¬ ®å ph©n tÝch tr¹ng th¸i ho¹t ®éng S D R+ C + - Vidc D S R + C+ - Vidc . Phân tích mạch - Mạch hoạt động trong chế độ thường trực. - Dòng trong cuộn cảm là liên tục (luôn dương) - Tụ điện rất lớn và giữ điện thế ra không đổi V0 - Chu kỳ giao hoán là T, S đóng trong thời gian DT và S hở trong thời gian (1-D)T - Các linh kiện là lý tưởng. Công suất ra bằng công suất vào VL = Vi VL = Vi – V0 S To Tof D T Vi VL Vi - I t t 73 . Phân tích khi S đóng Khi S đóng, diode phân cực nghịch nên ngưng, dòng điện qua cuộn L tạo nên điện thế VL cho bởi L V dt di dt diLVV iLLIL  (16’) Tốc độ thay đổi của dòng điện là hằng số, dòng điện tăng tuyến tính khi S đóng có thể viết lại dạng:    DT i t i LL L Vi (17’) Giải Li cho   L DTVi iswonL  (18’) . Phân giải khi S mở Khi S hở, diode phân cực thuận nên dẫn cho dòng qua cuộn cảm L tạo nên điện thế của cuộn cảm VL L VV dt diLVVV iLiL 00   (19’) Tốc độ thay đổi dòng cuộn cảm là hằng số, dòng cuộn cảm thay đổi tuyến tính khi S hở cho bởi t iL         TD iL 1 L VVi 0 (20’) Giải cho kết quả 74      L TDVVi iswoffL   10 (21’) ở hoạt động thường trực, sự thay đổi tổng cộng dòng trong cuộn cảm phải bằng không, theo (3.30) và (3.33) ta được  swonLi +  swoffLi = 0 L DTVi +    L TDVVi  10 =0 - Ta suy ra được điện thế ra ở tải D VV i   10 (22’) Và do đó  Lswoffi    L TDVVi  10 =   L DTV L TD D VV i I i          1 1 (23’) - Tìm dong điện qua cuộn cảm Công suất ngõ ra hấp thụ của tải R VP 2 0 0  (24’) Và do công suất ra bằng công suất vào, ta có LIii IVIV  (25’) LI IV = R V 20 =   RD V R D V I I 2 2 2 1 1          (26’) Suy ra dòng trung bình qua cuộn cảm LI   RD VI 21 (27’) - Trị số Imax và Imin cho        swon L L iII 2max   RD VI 21 + L DTVi 2 (28’) minI LI        swoff Li 2   RD VI 21 - L DTVi 2 (29’) 75 Trong điều kiện dẫn liên tục ta có trị giới hạn của dòng qua cuộn cảm bằng không, Suy ra minLI = 0 =   RD VI 21 - L DTVi 2    RD VI 21 = L DTVi 2 (30’) Suy ra trị số tối thiểu của cuộn cảm để mạch hoạt động liên tục       f RDDLRDDLf 2 1 2 1 2 min 2 min     (31’) 3. Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều 3.1. Điều khiển với tần số đóng ngắt không đổi Chu kỳ đóng ngắt T= T1 + T2 khoont thay đổi. Điện áp trung bình của tải được điều khiển thông qua sự phân bố khhoangr thời gian đống T1 và ngắt công tắc T2 trong chu kỳ T. Đại lượng đặc trưng khả năng phân bố chính là tỉ số T T1 Kỹ thuật điều khiển tỉ số T T1 có thể thực hiện dựa vào hai tín hiệu cơ bản: Sóng mang dạng răng cưa up và sóng điều khiển một chiều udk. Hai dạng sóng này được đưa vào bộ so sánh và tín hiệu ngõ ra được dùng để kích đóng công tắc S. Sóng mang có tần số không đổi và bằng tần số đóng ngắt công tắc S. Tần số thành phần xoay chiều hài cơ bản của điện áp tải bằng tần số cố định này. Do đó, sóng điện áp tạo thành dễ lọc. Sóng điều khiển một chiều có độ lớn tỉ lệ với điện áp trung bình trên tải. Xét bộ giảm áp Hình 4.1ab Gọi UpM là biên độ sóng mang răng cưa, udk là độ lớn sóng điều khiển một chiều; U điện áp nguồn một chiều không đổi. Từ giản đồ kích đóng S và các quá trình điến áp ở chế độ dòng liên tục, ta dễ dàng xác định hệ thức tính áp tải trung bình theo áp điều khiển: pM dk t U uUU  (16) Phương pháp điều khiển với tần số sóng mang không đổi thường được sử dụng trong thực tiễn. 3.2. Điều khiển theo dòng điện tải yêu cầu 76 Trong trường tải động cơ một chiều, việc điều khiển momen động cơ thông qua điều khiển dòng điện(tỉ lệ với momen). Để hiệu chỉnh dòng điện trong phạm vi cho phép, ta có thể sử dụng phương pháp điều khiển theo dòng điện. Theo đó, công tắc S sẽ đóng ngắt sao cho dòng điện tải đo được và dòng điện yêu cầu có giá trị bằng nhau. Kỹ thuật điều khiển theo dòng điện được giải quyết như trong bộ nghịch lưu (Nghịch lưu áp có điều khiển) Ví du: Xét bộ giảm áp chứa mạch điều khiển với tần số đóng ngắt không đổi. Trong cấu trúc mạch điện điều khiển dòng điện sử dụng khâu hiệu chỉnh dòng điện Rt tín hiệu điện áp điều khiển tà ngõ ra của khâu hiệu chỉnh dòng điện sẽ đượ so sánh với sóng mang dạng răng cưa. Kết quả so sánh tạo thành xung kích đóng hoặc ngắt công tắ S. Hình 4.5 Trong cấu trúc mạch điều khiển sử dugn phần tử phi tuyến dạng mạch trễ Hình 4.6, dòng điện tải ipt được điều khiển với bộ sai biệt i so với dòng điện đặt (iye) . Độ lớn i thiết lập từ đặc tính mạch trễ. Khi i đủ nhỏ, mạch điều khiển tác động lên bộ biến đổi làm nó hoạt động như nguồn dòng điện. Tính chất này được áp dụng trong hệ thống chứa khâu hiệu chỉnh dòng điện. Tuy nhiên, mạch sẽ không điều khiển được khi độ sai biệt cho phép lớn hơn giá trị dòng điện yêu cầu. Do đó, hệ thống không hoạt động ở chế độ dòng điện gián đoạn. 77 TH: L¾p mạch sử dụng IC 555 đi ều khiển chuyển đổi điện áp từ 12 V lên 180 V L¾p mạch sử dụng IC 555 đi ều khiển chuyển đổi điện áp từ 12 V lên 180 V Bài 5: BỘ NGHỊCH LƯU VÀ BỘ BIẾN TẦN 1. Bộ nghịch lưu áp1 pha 1.1. Bộ nghịch lưu áp 1 pha không phần tử chuyển đổi 78 Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay chiều với tần số tuỳ ý. Nguồn áp vẫn là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế. Hơn nữa điện áp ra của nghịch lưu áp có thể điều chế theo phương pháp khác nhau để có thể giảm được sóng điều hoà bậc cao. Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì công suất của các van động lực điều khiển hoàn toàn còn nhỏ. Hơn nữa việc sử dụng nghịch lưu áp bằng tiristo khiến cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều khiển phức tạp. Ngày nay công suất các van động lực như: IGBT, GTO càng trở lên lớn và có kích thước gọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng và được chuẩn hoá trong các bộ biến tần công nghiệp. Do đó sơ đồ nghịch lưu áp được trình bày sau đây sử dụng van điều khiển hoàn toàn. Trong quá trình nghiên cứu ta giả thiết các van động lực là các khoá điện tử lý tưởng, tức là thời gian đóng và mở bằng không, nên điện trở nguồn bằng không. a, Sơ đồ Sơ đồ nghịch lưu áp một pha được mô tả trên hỉnh 4.1a. Sơ đồ gồm 4 van động lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 và các điôt D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản kháng của tải về lưới và như vậy tránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn. Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho đầu vào là nguồn hai chiều (nguồn một chiều thường được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi theo một chiều). Như vậy tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguòon áp (giá trị C càng lớn nội trở của nguồn càng nhỏ, điện áp đầu vào được san phẳng). 79 1T 3T 4T 2T 1D 3D 4D 2D tZ di ti tU ti E tU ti 1 2 3 4 2,1Ti 2,1Di 2,1Di4,3Di i 0 0 0     Hình 4.1. Nghịch lưu áp cầu một pha và đồ thị b, Nguyên lý làm việc + Xét thời điểm 0 ÷  (0 - 1 ) Cho xung vào khống chế từng cặp điode đóng mở T1T2 hoặc T3 T4 Cho xung kích mở T1 T2 sẽ có dòng qua tải là dòng xoay chiều Dòng qua T1T2 tạo sụt áp trên tải A(+) B (-) khi T1T2 dẫn UT1 = UT2 = 0 nên Utải = Uvào. + Xét thời điểm  ÷ 2 Cho xung mở T3 T4, T1 T2 khóa nhưng T3 T4 chưa có dòng qua ngay vì dòng trên tải vẫn còn tồn tại do sđđ tự cảm sinh ra và vẫn chạy theo chiều (+)nguồn  A  tải  B  (-)nguồn. Dòng qua D2D3 sẽ hoàn lại năng lượng cho nguồn, khi tải = 0 thì mới có dòng qua T3T4 ( IT3 = IT4) và có chiều như sau: (+)nguồn  B  tải  A  (-)nguồn Kết quả là điện áp trên tải có chiều ngược A(-)  B (+) nên Utải = - Uvào Kết luận: Trong mạch đã được thực hiện chức năng từ điện áp một chiều đầu vào đã thành điện áp xoay chiều trên tải có dạng sin hoặc hình chữ nhật. được biểu diễn trên hình 4.1b. 80 Để tính chọn van cần tìm biểu thức dòng điện tải it, sử dụng phương pháp sóng điều hoà cơ bản: Phân tích dạng điện áp trên tải Ut ra chuỗi, ta có:        1k t 1k2 t)1k2sin(E4 U (5.1) Nếu chỉ lấy sóng điều hoà cơ bản thì: tsin E4 U t   và )tsin(I)tsin( XR E4 i max 2 t 2 t t    (5.2) t t tt R X arctg L.X   Dòng trung bình qua van động lực là:       1 td)tsin(I 2 1 I mT (5.3) Dòng trung bình qua điôt là:      1 0 mD td)tsin(I2 1 I (5.4) Trong thực tế người ta thường dùng nghịch lưu áp với phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) để giảm bớt kích thước của bộ lọc. Sử dụng phương pháp sóng điều hoà cơ bản sẽ cho sai số khoảng 15%. Tuy nhiên khi chọn van thường người ta chọn hệ số dự trữ, nên kết quả tính toán là hợp lý và gọn nhẹ. Giá trị của tụ C được tính như sau: )2ln21( UR3 T.E C Ct t    (5.5) CU là biến thiên điện áp nguồn một chiều được tính theo đơn vị %: Tt = Lt/Rt. 1.2. Mạch nghịch lưu áp một pha có chuyển đổi 81 a, Sơ đồ L1C1; L2C2; L3C3; L4C4; là các mạch chuyển đổi b, Nguyên lý hoạt động Giả sử khi T1T2 mở lúc đó có dòng trên tải có chiều đi như sau: (+)nguồn  A  tải  B  (-)nguồn Vì IT1; IT2 là một chiều nên điện áp sụt trên L1; L2 = 0 (L1, L2 chỉ có điện trở thuần). Hay khi T1T2 dẫn điện áp trên mạch bằng không. Do đó điện áp đặt trên C1, C2 = 0, lúc này tụ C3, C4 đều nạp và đường nạp có chiều như sau: (+)nguồn  +C3  -C3  L2 T2  (-)nguồn (+)nguồn  T31  L1 +C4 -C4  (-)nguồn Khi tụ C3, C4 thì điện áp đặt trân tụ C3 = C4 = Uvào Đến thời điểm nào đó cho xung mở T3, T4 , có điện áp trên C3, C4 phân cực thuận cho T3, T4 có xung trên nên T3, T4 dẫn và C3, C4 phóng điện. +C3  T3  L3 -C3 +C4  L4  T4 -C4 Do dòng phóng giảm dần cuộn L3, L4 sinh ra sức điện động cảm ứng với L2, L1 có chiều như hình vẽ làm T2, T1 khóa. Vậy T3, T4 mở nhờ có mạch chuyển đổi. 2. Nghịch lưu độc lập áp ba pha Sơ đồ nghịch lưu (hình 4.2) được ghép từ ba sơ đồ một pha có điểm trung tính. Để đơn giản hoá việc nghiên cứu ta giả thiết: + Van lý tưởng, đóng mở tức thì. + Nguồn có nội trở nhỏ vô cùng và dẫn điện theo hai chiều. + Van động lực cơ bản (T1, T2, T3, T4, T5, T6) làm việc với độ dẫn điện  = 1800. + Za = Zb = Zc. U D C C0 D1 D4 T1 T3 D3 RT + - D2 T4 T2 A B C4 C2 C3 C1 L1 L2 L3 L4 * * - + * * + + + 82 E + - C 1T 4T 3T 6T 5T 2T 1D 4D 3D 6D 5D 2D aZ bZ cZ Hình 4.2 Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha Các điôt: D1, D2, D3, D4, D5, D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn. Tụ C đảm bảo nguồn là nguồn áp và để tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải. Để đảm bảo cho điện áp ra ba pha đối xứng luật dẫn điện của các van phải tuân theo đồ thị như hình 4.3a, b, c. Như vậy: T1 và T4 dẫn điện lệch nhau 1800 và tạo ra pha A; T3 và T6 dẫn điện lệch nhau 1800 và tạo ra pha B; T2 và T5 dẫn điện lệch nhau 1800 và tạo ra pha . Các pha lệch nhau 1200. Dạng điện áp trên tải được xây dựng như sau: + Trong khoảng 0  t1: T1, T6, T5 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như ở hình 4.4a. Từ sơ đồ thay thế ta thấy UZA = E/3. + Trong khoảng t1  t2: T1, T2, T6 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như ở hình 4.4b: UZA = 2E/3. + Trong khoảng t2  t3: T1, T2, T3 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như ở hình 4.4c: UZA = 2E/3. Suy ra dạng điện áp rên các pha: UZA, UZB, UZC sẽ có dạng như trên hình 4.3d, e, f. Giá trị hiệu dụng của điện áp pha là: E 3 2 d)(U 2 1 U 2 0 2 phapha     (5.6) Suy ra: tsinE 3 2 )t(U A  (5.7) )120 -sin( 3 2)( 0tEtU B  (5.8) )120tsin(E 3 2 )t(U 0C  (5.9) 83 Từ các biểu thức (5.7), (5.8), (5.9) dễ dàng tìm ra dòng trên tải và xác định dòng trung bình qua van cũng giống như nghịch lưu áp một pha. 3. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp. Các bộ nghịch lưu áp thường điều khiển dựa theo ký thuật điều chế độ rộng xung PWM và quy tắc kích đóng đối nghịch. Quy tắc kích đóng đối nghịch đảm bảo dạng áp tải được điều khiển tuân theo giản đồ kích đóng công tắc và kỹ thuật điều chế độ rộng xung có tác dụng hạn chế tối đa các ảnh hưởng bất lợi của sóng hài bậc cao xuất hiện ở phía tải. Phương pháp điều biên Chỉ cần điện áp DC không đổi, phương pháp điều biên cần đòi hỏi điện áp nguồn DC điều khiển được. Độ lớn điện áp ra được điều khiển bằng cách điều khiển nguồn điện áp DC. Chẳng hạn dùng bộ chỉnh lưu có điều khiển hoặc kết hợp bộ chỉnh lưu không điều khiển với bộ biến đổi điện áp DC. Bộ nghịch lưu áp thực hiện chức năng điều khiển tấn số điện áp ra. Các công tắc trong cặp công tắc cùng pha tải được kích đóng với thời gian bằng nhau và bằng nửa chu kỳ áp ra. Vì thế mạch điều khiển thường đơn giản. Bộ nghịch lưu áp ba pha điều khiển theo biên độ còn gọi là bộ nghịch lưu áp 6 bước. Tần số áp đóng ngắt bằng tần số các linh kiện. Các thành phần sóng hài bội ba và bậc chẵn không xuất hiện trên áp dây cung cấp cho tải. Còn lịa các sóng hài (6k+1) k=1,2,3...cần khử bỏ bằng cách lọc sóng hài. Hình 5.1a Hình 5.2b Tải đấu dạng sao Dạng điện áp pha tải Ut1 có thể diểu diến dưới dạng Hình b        ....7sin 7 15sin 5 1sin21 tttUut  Biên độ thành phần sóng hài bậc n của điện áp pha tải có thể xác định theo hệ thức 84 Un =                  3 2cos 3 cos2 3 2   nn n U ; n = 1,5,7,11,13,... Với n = 1, biên độ thành phần sóng hài cơ bản ut1 = U  2 Trị hiệu dụng điện áp pha có độ lớn ut1 = UdxUdxUdxU 3 2. 3 . 3 2. 3 1 3 0 3 2 3 3 2 2.22                                          Tải đấu tam giác Điện áp tải ut2 có thể diểu diến dưới dạng ut2 =                          .... 6 7sin 7 1 6 5sin 5 1 6 sin32   tttU Biên độ thành phần sóng hài bậc n của điện áp pha tải Un =       6 cos4   n n U Với n = 1, biên độ thành phần hài cơ bản điện áp tải ut2 =  32 Trị hiệu dụng điện áp pha có độ lớn ut2 = UdxU 3 2.1 3 2 0 2    Sóng hài bậc cao xuất hiện trong dạng điện áp tải khá cao, do đó hạn chế phạm vi sử dụng của phương pháp điều biên, nhất là ở tần số thấp. Nếu sử dụng thyristor kết hợp với chuyển mạch làm chức năng công tắc trong bộ chỉnh lưu áp nếu bộ chỉnh mạch làm việc phụ thuộc vào độ lớn nguồn áp một chiều, phương pháp điều biên rõ ràng không phù hợp để điều khiển điện áp tải trong phạm vi điện áp nhỏ. Ngoại trừ điều khiển theo biên độ đòi hỏi nguồn điện áp DC điều khiển được, các phương pháp dựa vào kỹ thuật PWM sử dụng nguồn điện áp DC không đổi. Trong trường hợp này nguồn DC có thể tạo nên từ lưới điện AC qua bộ chỉnh lưu không điều khiển và mạch lọc chứa tụ hoặc trực tiếp từ nguồn dự trữ dưới dạng pin, acquy. 4. Bộ nghịch lưu dòng điện 4.1. Bộ nghịch lưu dòng điện một pha không có phần tử chuyển đổi Sơ đồ nghịch lưu dòng một pha được trình bày trên hình 5.5 (sơ đồ cầu) và hình 5.6 (sơ đồ có điểm trung tính). Xét sơ đồ cầu: Các tín hiệu điều khiển được đưa vào từng đôi tiristo T1, T2 thì lệch pha với tín hiệu đưa vào đôi tiristo T3, T4 một góc 1800. 85 Điện cảm đầu vào của chỉnh lưu đủ lớn (Ld = ), do đó dòng điện đầu vào được san phẳng (hình 5.7), nguồn cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng và dạng dòng điện của nghịch lưu có dạng xung vuông. + (+)(-) + dL di Ci C Z Zi Ni 1T 4T 3T 2T Hình 5.5. Sơ đồ cầu một pha Ni dI T di Ci Zi 1Ti 2T i 1Tu kt 1t 1't t t t t t t Hình 5.7. Biểu đồ xung của sơ đồ cầu một pha Ci 1T 2T dL di C 1i 1W 2W 1W 0C tZb i Hình 5.6 Sơ đồ cầu một pha có điểm trung tính Khi đưa xung vào mở cặp van T1, T2, dòng điện iN = id = Id, đồng thời dòng qua tụ C tăng lên đột biến, tụ C bắt đầu nạp điện với dấu “+” ở bên trái và dấu “-” ở bên phải. Khi tụ C nạp đầy, dòng qua tụ giảm về không. Do iN = iC + iz = Id = hằng số, nên lúc đầu dòng qua tải nhỏ và sau đó dòng qua tải tăng lên. Sau một nửa chu kỳ (t = t1) người ta đưa xung vào mở cặp van T3, T4. Cặp T3, T4 mở tạo ra quá trình phóng điện của tụ C từ cực “+” về cực “-”. Dòng phóng ngược chiều với chiều dòng qua T1 và T2 sẽ làm cho T1, T2 bị khoá lại. Quá trình chuyển mạch xảy ra gần tức thời. Sau đó tụ C sẽ được nạp theo chiều ngược lại với cực tính “+’’ ở bên phải và cực tính “-’’ ở bên trái. Dòng nghịch lưu iN = id + iz = Id nhưng đã đổi dấu. Đến thời điểm t = t2, người ta đưa xung vào mở T1, T2 thì T3, T4 sẽ bị khoá lại và quá trình được lặp lại như trước. Nhờ vậy chức năng cơ bản của tụ C là làm nhiệm vụ chuyển mạch cho các tiristo. Ở thời điểm t1, khi 86 mở T3 và T4, tiristo T1 và T2 sẽ bị khoá lại bởi điện áp ngược của tụ C đặt lên (xem hình 4.7). Khoảng thời gian duy trì điện áp ngược t1  t1’ = tk  toff; toff là thời gian khoá của tiristo hay chính là thời gian phục hồi tính chất điều khiển. .tk =  là góc khoá của nghịch lưu. * Lưu ý: Đối với nghịch lưu dòng điện, quan trọng nhất là quá trình chuyển mạch của tiristo. Phụ tải luôn ảnh hưởng đến quá trình chuyển mạch, do vậy để đảm bảo nghịch lưu làm việc tin cậy thì thời gian tk phải đủ lớn, tức là nguồn đầu vào phải luôn đảm bảo là nguồn dòng. 4.2. Nghịch lưu dòng điện có phần chuyển đổi a. Sơ đồ L =  ổn định dòng vào L cuộn lọc để tăng dòng DC đầu vào để là hằng số. b, Nguyên lý hoạt động - Khi cho xung vào mở T1 T2 (T3, T4 khóa) khi đó dòng qua tải có chiều như sau: (+)nguồn  L  T1 D1 R  D2 T2  (-)nguồn. Chiều dòng điện đi từ A đến B. Lúc này tụ C1, C2 được nạp đường nạp của C1 và C2 như sau: C1 nạp: (+)nguồn  L  T1 +C1 -C1  D3  D2 T2  (-)nguồn C2 nạp: (+)nguồn  L  T1 D1  D4 +C2 -C2  T2  (-)nguồn - Ở thời điểm tiếp theo đưa xung vào để mở T3, T4 ( T1 T2 khóa) khi đó dòng qua tải có chiều như sau: (+)nguồn  L  T3  D3 R D4 T4 (-)nguồn. Chiều dòng điện đi từ B đến A. Lúc này tụ C1, C2 phóng đường phóng của tụ của C1 và C2 như sau: C1 phóng: +C1 D1  D4  (-)nguồn  L T3  -C1 C2 phóng: +C2 T4  (-)nguồn  L T3  D3  D2  -C2 U D C + - T2 T3 B RT L =  T4 T1 A D1 D4 C1 D3 D2 C2 + + 87 Vậy ta có ở thời điểm trước chiều dòng điện đi từ A đén B, thời điểm tiếp theo đi theo chiều ngược lại từ B đến A. Vậy dòng qua tải là dòng xoay chiều. 5. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu dòng Phương pháp điều chế độ rộng xung Phương pháp điều chế PWM là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫm đếm sự thay đổi điện áp ra. PWM thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ băm xung áp, điều áp... cao hơn nữa nó còn được dùng để điều khiển ổn định tốc độ động cơ tham gia và điều chế các mạch nguồn như là : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha... Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay hoặc là sườn âm Các sơ đồ mạch PWM 555: Các khái niệm của PWM vốn đòi hỏi thời gian. Hai 555 giờ IC và một số chiết áp có thể được sử dụng để tạo ra một tín hiệu PWM, và kể từ khi PWM cung cấp một kỹ thuật số, vào / ra khỏi tín hiệu, nó cũng dễ dàng để sử dụng một máy tính hoặc vi điều khiển để tạo ra các tín hiệu, tuy nhiên điều này là vượt ra ngoài phạm vi của bài viết này. Mạch trong hình 2 sử dụng hai 555 IC và thực sự là một sự kết hợp của hai loại mạch. Đầu tiên là một multivibrator miễn phí chạy (astable) với một tần số có thể điều chỉnh khoảng 30Hz. Các đầu ra của mạch này sau đó gây ra một xung định hình (đơn ổn) mạch điều chỉnh độ rộng của xung. Mạch tạo ra một chu kỳ nhiệm vụ trong phạm vi khoảng 0,3% đến 97%. 88 Tốc độ của động cơ được điều khiển với một điện thế (điện trở biến). Nó có thể chạy một Meccano M5 động cơ để kiểm tra các mạch, và nó sẽ chạy từ chết vẫn còn tốc độ tối đa sử dụng điều khiển tốc độ điện thế và pin 6V là nguồn năng lượng duy nhất. Nếu bạn có một động cơ 12V, bạn có thể sử dụng một nguồn điện 12V. Động cơ được bật và tắt thông qua một bóng bán dẫn TIP31C (thể hiện trong hình 3) có thể xử lý các động cơ được đánh giá lên đến 3A tại 100V hoặc điện một của 40W. Nếu bạn đang sử dụng một động cơ công suất cao, làm cho chắc chắn có một tản nhiệt bắt vít để bóng bán dẫn. Lắp mạch điều khiển động cơ sử dụng IC 555 89 6. Biến tần gián tiếp, trực tiếp 6. 1Biến tần gián tiếp Bộ biến tần gồm các khâu: chỉnh lưu (CL), lọc (L) và nghịch lưu (NL). Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua khâu trung gian một chiều, do đó có tên gọi là biến tần gián tiếp. CL L NL 11 f,U 22 f,U+ - + - Hình. Sơ đồ cấu trúc của bộ biến tần gián tiếp Chỉnh lưu dùng để biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều, chỉnh lưu có thể là không điều khiển hoặc có điều khiển. Ngày nay đa số chỉnh lưu thường là chỉnh lưu không điều khiển, vì nếu điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi. Nói chung chức năng biến đổi tần số và điện áp một chiều được thực hiện bởi nghịch lưu thông qua bộ điều khiển. Trong các bộ biến tần công suất lớn, người ta dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi bị quá tải. Ngày nay biến tần gián tiếp được sử dụng khá phổ biến vì có thể điều chỉnh tần số và điện áp ra trong phạm vi khá rộng. Dễ dàng tạo ra các bộ nguồn (dòng, áp) theo mong muốn. Nghịch lưu được dùng trong biến tần thường là các mạch cơ bản đã nêu ở phạm vi trên. 90 Nhược điểm cơ bản của biến tần gián tiếp là hiệu suất thấp (vì qua hai lần biến đổi). Công suất cũng như kích thước của bộ biến đổi lớn. 6.2. Biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều, không thông qua khâu trung gian một chiều. Bộ biến tần gồm hai bộ chỉnh lưu nối song song ngược (hình 4.16). Các bộ chỉnh lưu này có thể là sơ đồ ba pha có điểm trung tính (hình 4.16a), sơ đồ cầu (hình 4.16b) hoặc các bộ chỉnh lưu nhiều pha. Số pha của bộ chỉnh lưu (m) càng lớn thì thành phần sóng điều hoàn bậc cao càng giảm. A B C 11 u,f 1T 2T 3T 4T 5T 6T tZ I II 22 u,f )a 11 u,f CBL CBL 1T 2T 3T 4T 5T 6T tZ )b 7T 9T 11T 10T 12T 8T 22 u,f 2T2 u 0  )d t  2T 2u 0 1m/ 2/T1 )c t 2T 2 2 i u 0   Tt t  Tt t  )e Hì nh 5.16. Biến tần trực tiếp: a) Sơ đồ có điểm trung tính; b) Sơ đồ cầu; c), d), e) Dạng điện áp ra với các luật điều khiển khác nhau Nguyên lý làm việc của bộ biến tần như sau: Để đơn giản, giả thiết tải thuần trở, van là lý tưởng Điện áp trên tải (u2) gồm hai nửa sóng dương và âm. Nửa sóng dương được tạo ra khi nhóm van I làm việc (T1, T2, T3), còn nửa sóng âm được tạo ra khi nhóm van II (T2, T4, T6) làm việc. Lần lượt đóng mở các nhóm van I và II, ta sẽ tạo ra trên tải một điện áp xoay chiều có giá trị: 91     cos m m sinU2 u 1 1 pha 2 (5.25) trong đó: m1- số pha của điện áp lưới;  - góc điều khiển của bộ chỉnh lưu. Theo hình 4.20c ta có:        1 1 1 112 m n 2 1 T m T n 2 T 2 T (5.26) n = 0, 1, 2, 3 Tần số của điện áp ra (f2) bao giờ cũng thấp hơn tần số lưới. Từ (4.26) suy ra: 1 11 2 mn2 mf f   (5.27) Tần số f2 theo biểu thức 4.27 được điều chỉnh có cấp. Để điều chỉnh f2 vô cấp, cần tạo ra thời gian trễ giữa hai bộ chỉnh lưu (góc ) (hình 4.16d) và như vậy tần số ra là:    11 11 2 m)mn2( mf f (5.28) Khi bộ biến tần làm việc với tải trở hoặc động cơ điện, năng lượng tích luỹ ở tải có thể được trả về lưới. Lúc này bộ chỉnh lưu sẽ làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc. Nhóm I sẽ làm việc ở chế độ nghịch lưu cho khi điện áp trên tải mang dấu dương (hình 4.16e). Nếu chỉnh lưu mắc theo sơ đồ cầu (hình 4.16b) thì điện áp trên tải sẽ lớn gấp hai lần so với sơ đồ ba pha có điểm trung tính:     cos m m sinU22 u 1 1 pha 2 (5.29) Xung điều khiển của hai nhóm van lệch nhau một góc 2/m1. Các bộ biến tần trên có hiệu suất thấp (vì điều chỉnh ) và điện áp có chứa nhiều thành phần sóng điều hoà bậc cao. Để loại thành phần bậc cao cần dùng bộ lọc. Nếu thay đổi góc  của hai nhóm chỉnh lưu I và II theo quy luật nào đó thì điện áp ra có thể thay đổi theo bất cứ luật nào. 92 Để đảm bảo điện áp ra gần sin thì góc điều khiển  (ở chế độ chỉnh lưu) và  (chế độ nghịch lưu) cần thay đổi theo luật sau: 0m2 m2 2 U U A )tsinAarccos(   U2m – giá trị biên độ của điện áp ra trên tải, U2m0 – giá trị biên độ của điện áp ra trên tải ứng với trạng thái mở các tiristo hoàn toàn ( = 0); A = 1 khi luật điều chỉnh  và  là tuyến tính (hình 4.17). 2u 2/T 2/T 0  2/ 0   2/ 2/3 2 Hình 5.17. Luật điều khiển tuyến tính Với luật điều khiển trên và m1 cũng như tỷ số f1/f2 đủ lớn, điện áp ra trên tải sẽ có dạng hình sin: tsin m sin m U=)t(U 2 1 1 m122     Đường cong điện áp ra sẽ có thành phần sóng điều hoà cơ bản với tần số f2. Các bộ biến tần trực tiếp có tần số ra nhỏ hơn tần số vào (f2 < f1) thường được sử dụng để điều khiển các động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc. Có hai phương pháp để tăng tần số ra của bộ biến tần sao cho f2 > f1: - Dùng bộ chuyển mạch cưỡng bức phụ: Phương pháp này làm giảm hiệu suất vì cần dùng thêm bộ biến đổi, nên ít được dùng trong thực tế. Do đó ở đây không trình bày phương pháp này. - Phương pháp dùng van điều khiển hoàn toàn là phương pháp có hiệu quả hơn cả. Sơ đồ dùng tranzito có dạng như ở hình 4.18a. Các van tranzito được mắc vào đường chéo của cầu điôt để làm cho nó trở thành khoá điện tử dẫn điện theo hai chiều. 93 Xung điều khiển được đưa vào tranzito sao cho phụ tải luôn được nối vào hai pha bất kỳ, tức là điện áp trên tải luôn là điện áp dây. Với luật điều khiển mô tả trên hình 5.18b, điện áp ra trên tải sẽ là đường cong xoay chiều có dạng khá phức tạp (đường nét đậm). Dễ dàng nhận thấy f2 > f1. Để tạo ra hệ ba pha, cần có ba sơ đồ như ở hình 5.17. Tuỳ thuộc vào thứ tự pha mà tần số ra được xác định như sau: f2 = fk  f1 fk - tần số điều khiển van điện tử, f1- tần số lưới. Dấu (-) tương ứng với thứ tự pha thuận; dấu (+) tương ứng với thứ tự pha ngược. Giá trị hiệu dụng của điện áp ra được xác định theo biểu thức: 2md21m 2 k16 sin 2 U6 k1 2 U U     Um1 – giá trị biên độ của sóng điều hoà bậc 1; Umd – giá trị biên độ của điện áp dây;           1S 1S 22 )1S6( 1 )1S6( 1 k là hệ số sóng điều hoà. 94 )f,u(Z 21N )a 1T 2T 3T 4T 5T 6T kf/1 1T 2T 3T 4T 5T 6T u 0 kf ABu CAu BCu ABu ACu )b )c )d 0 Hì nh 5.18. a) Sơ đồ dùng tranzito; b) Luật điều khiển; c) Dạng điện áp ra; d) Hàm chuyển mạch a, Biến tần nguồn dòng Biến tần nguồn dòng dùng chỉnh lưu có điều khiển, nghịch lưu thyristor. Ưu điểm loại này có sơ đồ đơn giản nhất là sử dụng loain thyristor với tần số không cao lắm. 95 * Sơ đồ Trên sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển cùng với cuộn cảm tạo nên nguồn dòng cấp cho nghịch lưu. Nghịch lưu ở đây là sơ đồ nguồn dòng. Hệ thống tụ chuyển mạch cách ly với tải qua hệ thống cách ly điode. Dòng ra nghịch lưu có dạng xung chữ nhật, điện áp ra có dạng sin nếu tải là động cơ. Ưu điểm: Biến tần nguồn dòng không sợ chế độ ngắn mạch vì có hệ thống giữ dòng không đổi nhờ chỉnh lưu có điều khiển và cuộn kháng trong mạch một chiều. Với công suất nhỏ thì sơ đồ này không phù hợp vì hiệu suất kém và cồng kềnh nhưng đối với công suất trên 100kw thì đay là phương án rất hiệu quả. Nhược điểm: Hệ số công suất thấp và phụ thuộc vào tải, nhất là khi tải nhỏ. b, Biến tần nguồn áp * Sơ đồ M B C1 + Lo T4 T1 D1 D4 T2 T5 D5 D2 T6 T3 D3 D6 + C2 + C3 + + C5 + C6 C4 A C B A C B ZA D1 D4 T1 T4 A ZB D3 D6 T3 T6 ZC D5 D2 T5 T2 C UA UB UC RT C A B C 96 Biến tần nguồn áp loại này dùng nghịch lưu nguồn áp với đầu vào một chiều điều khiển được. Điện áp một chiều cung cấp có thể dùng chỉnh lưu có điều khiển hoặc chỉnh lưu không điều khiển. Biến tần nguồn áp có dạng điện áp ra xung chữ nhật , biên độ được điều chỉnh nhờ thay đổi điện áp một chiều. Hình dạng và giá trị điện áp ra không phụ thuộc tải. * So sánh bộ biến tần trực tiếp và bộ biến tần gián tiếp Phạm vi hoạt động điện áp ra: tương đối nhỏ trong trường hợp bộ biến tần trực tiếp với qua trình chuyển mạch bên ngoài (từ 0 đến 25Hz) và khá cao trong trường hợp biến tần gián tiếp (vài chục đến vài ngàn Hz) Dạng sóng của điện áp ra: Thuận lợi hơn trong trường hợp bộ biến tần trực tiếp, đối với chúng ta có thể dùng các mạch điều khiển đơn giản để đạt được dòng điện tải gần như hình sin. Phương pháp chuyển mạch: Rất thuận tiện đối với bộ biến tần trực tiếp. Do tác dụng của quá trình chuyển mạch phụ thuộc bên ngoài trong các bộ biến tần trực tiếp với quá trình chuyển mạch phụ thuộc, ta có thể đạt công suất rất lớn hàng chục MW so với bộ biến tần gián tiếp với quá trình chuyển mạch độc lập(khoảng đơn vị MW). Quá trình chuyển mạch độc lập của bộ biến tần gián tiếp đòi hỏi ít chi tiết bán dẫn so với bộ biến tần trực tiếp. Chẳng hạn, bộ biến tần gián tiếp 3 pha gồm 12 SCR chính và các bộ chuyển mạch. Bộ biến tần trực tiếp 3 pha gồm các bộ chỉnh lưu 6 xung đòi hỏi đến 36 SCR. Hệ số công suất: Tốt nhất trong bộ biến tần gián tiếp sử dụng phương pháp điều khiển độ xung rộng của điện áp ra (PWM). Mạch nghịch lưu a. DC to AC dùng tranzitor 97 B. DC to AC dùng IC 555 98 XÁC NHẬN KHOA Bài giảng mô đun “Điện tửu công suất” đã bám sát các nội dung trong chương trình môn học, mô đun. Đáp ứng đầy đủ các nội dung về kiến thức, kỹ năng, năng lực tự chủ trong chương trình môn học, mô đun. Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho mô đun Điện tử công suất thay thế cho giáo trình. Người biên soạn ( Ký, ghi rõ họ tên) Phạm Thị Huê Lãnh đạo Khoa ( Ký, ghi rõ họ tên)