Giáo trình Điện tử công suất - Trường Cao đẳng Công nghiệp Hải Phòng

ân tích thành thành phần một chiều và xoay chiều. Thành phần một chiều của dòng điện chỉnh lưu chính là thành phần tác dụng và được xác định bằng giá tri trung bình của iư trong một chu kì. ( 1.57) Để hạn chế dòng điện gián đoạn, hay nói cách khác là muốn cho tải luôn làm việc ở chế độ dòng điện liên tục, với bất kì điện áp chỉnh lưu nào trong cả dải điều chỉnh điện áp, thì điện cảm của mạch phải đủ lớn. Do đó ta cần có thêm cuộn kháng mắc nối tiếp với tải một chiều để hạn chế vùng gián đoạn dòng điện. Động cơ điện một chiều có gián đoạn dòng điện dài nhất khi động cơ làm việc ở tốc độ cuối dải điều khiển (khi mà điện áp của bộ chỉnh lưu là thấp nhất). Như vậy, khi góc mở van bán dẫn lớn nhất max thì dòng điện tải bị gián đoạn dài nhất. Điện cảm cần thiết để hạn chế vùng dòng điện gián đoạn được tính theo công thức [4]: (1.58)   dt di LiRUEtU UUVdcm ..sin 02          0m2dc0m2dc0U t.sin.EEcos.texpsin.cosUEI.Ri               dcmUU EUR m tdi m i . 2 1 2 1 sin.. 1 . 2 .. 2 02 0               BAgh dgh d gd xk I U L . 1 0  (1.56) 87 Trong đó: Lgđ - điện cảm cần thiết để hạn chế dòng điện gián đoạn [H]. ` = 2.f.m - tần số góc của dòng điện, với f = 50 Hz; Udo - điện áp không tải của chỉnh lưu; Idgh - dòng điện giới hạn nhỏ nhất, dòng điện này trong tính toán nên chọn xấp xỉ dòng điện không tải. Có thể chọn Idgh 0,05Iđm. kgh - hệ số phụ thuộc góc mở van bán dẫn. Hệ số kgh được tính [4]: Để đơn giản trong việc tính biểu thức (1.59), quan hệ giữa kgh và góc mở van bán dẫn theo (1.59) có thể xây dựng thành đồ thị như biểu diễn trên hình 1.36. Tóm lại, để tính được điện cảm của cuộn kháng hạn chế dòng điện gián đoạn cần: Từ dải điều khiển điện áp (hay dải điều khiển tốc độ động cơ) xác định được góc mở van lớn nhất max Thay vào (1.59) (hoặc tra theo hình 1.36) ta được hệ số kgh.   sincot1        m g m kgh (1.59) 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0 10 20 30 40 50 60 70 80 độ kgh m=3 m=6 m=12 Hình 1.36 Quan hệ giữa hệ số kgh theo góc mở van   88 Thay hệ số kgh vào (1.58) ta tính được trị số điện cảm cần thiết Lgđ để hạn chế vùng dòng điện gián đoạn. Hiệu số giữa điện cảm cần thiết Lgđ và điện cảm tải Ld sẽ là điện cảm của cuộn kháng mắc thêm vào mạch để hạn chế dòng điện gián đoạn. LCKgđ = Lgđ - Ld (1.60) 3.4.1.2. Thiết kế cuộn kháng hạn chế dòng điện gián đoạn. a. Thông số cần có: Điện cảm của cuộn kháng tính theo (1.60 ). Dòng điện định mức chạy qua cuộm kháng. Dòng điện này bằng dòng điện chỉnh lưu Iđm. Giá trị dòng điện gián đoạn giới hạn. b. Trình tự tính toán: 1.Tính tổng trở của cuộn kháng: ZCKgđ = RCK + 2.f’LCKgđ. (1.61) Vì dây quấn chịu dòng tải nên tiết diện dây lớn ta bỏ qua thành phần điện trở trong biểu thức tổng trở, lúc đó cuộn kháng được tính: ZCKgđ = 2.f’LCKgđ. (1.62) Trong đó: f’ = f.m . 2. Tính công suất của cuộn kháng giới hạn dòng điện gián đoạn: PCKgđ = UCK.Igh. (1.63) Với: UCK = Igh. ZCKgh. 3. Tính tiết diện lõi thép cuộn kháng. (1.64) với: k = 5  6, f’ = 50.m. ' . f P kQ CKgd Fe  89 Bảng 1.3 Số pha Số lần đập mạch Điện cảm mạch chỉnh lưu Ld [Henry] Tia ba pha 3 3 Tia sáu pha có kháng cân bằng 3 6 Hai tia ba pha ngược nhau có kháng cân bằng. Theo sơ đồ tương đương 12 pha 3 2 Nối dây song song Nối dây nói tiếp          fBA dgh f d x I U L   sin.02684,0 1 2 Cầu ba pha điều khiển đối xứng 3 6 4. Tính số vòng dây cần có của cuộn kháng. Dòng điện gián đoạn có dạng là các xung dòng điện. Do đó khi chạy trong cuộn kháng làm xuất hiện một sức điện động tự cảm Egđ, sức điện động này được xác định theo công thức: Egđ = 4,44.kdq.W.f’.B.QFe. (1.65) Từ (1.65) ta có: 5. Xác đinh điện cảm mạch chỉnh lưu nhằm giới hạn vùng dòng điện gián đoạn.          fBA dgh f d x I U L   sin.46,0 1 2          2 sin.1089,0 1 2 fBA dgh f d x I U L            4 sin.02684,0 1 2 fBA dgh f d x I U L            fBA dgh d d x I U L 2sin.126,0 1 2   Fedq CK Fedq gd QBfk U QBfk E W .'...44,4.'...44,4   (1.66) 90 OLa LA LB LC LA LC LB a) b) c) u i Id t t  d) T1 T2 T3 T4 T3 T2 T1 T2 T5 T3 T1 T6 T4 1 2 3 dt )ii(d .L 2 uu u 13a ac d     Hình 1.37 a), b), c) Một số sơ đồ chỉnh lưu không biến áp; d) góc trùng dẫn của các van. 3.4.1.3. Thiết kế cuộn kháng không lõi thép Một số sơ đồ chỉnh lưu có điện áp một chiều gần trị số điện áp lưới, có thể không dùng biến áp. Trong trường hợp đó, để bảo vệ van bán dẫn không bị chục thủng do dt di cần mắc thêm các cuộn kháng anod như các sơ đồ hình 1.37. Chức năng của điện kháng anod là hạn chế tốc độ biến thiên dòng điện khi chuyển mạch. Giải thích điều này qua sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha hình 1.37b. Do có điện cảm La nên tại thời điểm 1 phát xung điều khiển tiristor T1, khi mà T3 đang dẫn, dòng điện tiristor T3 không giảm đột ngột từ Id về 0, do đó có một vùng  cả hai tiristor cùng dẫn. Trong khoảng trùng dẫn này, phương trình điện áp đối các pha a và b là: (1.67) 91 a mnm L.2 U.3 dt di max  cp m a ) dt di .(2 U.3 L nm  ) 3 tcos(.U.3 dt di .LiRuu ma nm anmac   ) 3 tcos(.U.3 dt di .Luu m nm aac   Từ (1.67) với: 0 dt dI L dt )ii(d .L dck 13 ck   vì i3+i1 = Id = const nên 2 u 2 uu .U bacd    Mặt khác hai pha c và a tạo thành một mạch vòng kín cho dòng điện trùng dẫn hai tiristor T1, T3. Dòng điện này được xác định theo biểu thức: Điện trở Ra của cuộn kháng không đáng kể có thể bỏ qua lúc đó phương trình (1.68) có thể viết lại: Biểu thức (1.69) chính là tốc độ tăng dòng điện của tiristor T1 từ 0 tới Id và ngược lại cũng chính là tốc độ giảm dòng điện của tiristor T3. Từ biểu thức (1.69) có thể thấy rằng tốc độ biến thiên lớn nhất của dòng điện được xác định: Từ biểu thức (1.70) có thể tính được trị số điện cảm cần thiết mắc vào mạch cuộn kháng anod Các bước thiết kế a. Thông số cho trước: Điện cảm của cuộn kháng LCK Dòng điện chạy trong cuộn kháng ở chế độ định mức Ick. Tần số dòng điện f. b. Lựa chọn dây dẫn Thường dây dẫn của cuộn kháng được chọn bằng đồng. Tiết diện dây dẫn được chọn giống như chọn dây quấn biến áp ( J I S ckCu  ). Từ bảng tra dây dẫn chọn các kích thước dây. (1.70) (1.68) (1.69) 92 c. Lựa chọn kích thước cuộn kháng Chọn kết cấu của cuộn kháng. Cuộn kháng không khí có hình dáng kết cấu như mô tả trên hình 1.38  hình 1.45 có thể chọn một trong các kết cấu này. Chọn các số liệu cơ bản của cuộn kháng. Tuỳ theo kiểu kết cấu cuộn dây mà cuộn kháng có các kích thước khác nhau. Nhìn chung căn cứ để chọn các kích thước của cuộn kháng là dựa vào kết cấu và biểu thức tính điện cảm của cuộn kháng theo kết cấu đó. Điện cảm của cuộn dây không lõi thép được tính tuỳ thuộc hình dáng và kích thước của cuộn kháng. Cách tính điện cảm các cuộn dây lõi không khí: a. Điện cảm một vòng dây tròn với dây dẫn tròn (kích thước như hình 1.38):               3 1 r R8 ln R8 r 75,1 r R8 lnR10.4L 0 2 2 0 0 7 (1.71) Trong đó: L - điện cảm của vòng dây [Hz]; R – bán kính của vòng dây [m]; r0 – bán kính dây dẫn [m]. b. Điện cảm một vòng dây với dây dẫn chữ nhật hình 1.39:           5,0 ra R8 lnR10.4L 7 (1.72) Trong đó: r, a – kích thước dây dẫn chữ nhật [m]; c. Điện cảm cuộn dây có bề dày không đáng kể hình 1.40a: 2r0 2R Hình 1.38 Kích thước một vòng dây R r a Hình 1.39 Các kích thước cơ bản của vòng dây 93 k.D.W.10.5,0L 27 (1.73) Trong đó: W - số vòng của cuộn dây [vòng]; D – đường kính trung bình của cuộn dây [m]; k – hệ số xác định theo hình vẽ 1.39b; d. Điện cảm cuộn dây hình trụ một lớp dây đường kính dây không đáng kể: k.R.W.10.5,0L 27 (1.74) D r a) Hình 1.40 Cuộn dây có bề dầy không đáng kể; a) Các kích thước cơ bản của cuộn dây b) hệ số k cho công thức (1.73) 50 40 0,2 0.8 0,4 0,6 1,0 k 0 30 20 10 D r 60 b) h R Hình 1.41 Cuộn dây hình trụ một lớp; a) Các kích thước cơ bản của cuộn dây; b) hệ số k cho công thức (1.74) a) 6 12 10 8 16 14 0,2 0.8 0,4 0,6 1,0 k R2 h b) 94 Trong đó: W - số vòng của cuộn dây [vòng]; R – bán kính trung bình cuộn dây [m]; k – hệ số xác định theo hình vẽ 1.38b; h – chiều cao cuộn dây [m]. nếu h > 10R với sai số không quá 5% có thể xác định. R.2 h 44,0 10.W.R.2 L 6_2   (1.75) e. Điện cảm cuộn dây nhiều lớp hình 1.42: Bd.10h.9R.6 W.R.10.32,0 L 224_   (1.76) Trong đó: W - số vòng của cuộn dây [vòng]; R – bán kính trung bình cuộn dây [m]; h – chiều cao cuộn dây [m]. Bd – bề dầy của cuộn dây [m]. f. Điện cảm một vòng dây chữ nhật với dây dẫn tròn (hình 1.43):             )ba.(75,1d2 )da(r b.a2 ln.b )da(r b.a2 ln.aR10.4L 00 7 (1.77) Trong đó: 22 bad  ; a >> r0; b >> r0; tất cả các kích thước tính bằng m. a b 2r0 Hình 1.43 Các kích thước cơ bản của vòng dây chữ nhật Hình 1.44 Các kích thước cơ bản của cuộn dây hình xuyến D d Hình 1.42 Các kích thước cơ bản của cuộn dây nhiều lớp R Bd h 95 g. Điện cảm cuộn dây hình xuyến có lõi xuyến tiết diện tròn hình 1.44 bằng vật liệu không dẫn từ: 22 227_ dDD W.d.10.2 L    (1.78) Trong đó: D - đường kính trung bình của hình xuyến; d - đường kính các vòng dây; W – số vòng dây. h. Điện cảm cuộn dây hình xuyến có lõi xuyến tiết diện chữ nhật (hình 1.45) bằng vật liệu không dẫn từ: 1 227 r r ln.h.W.10.2L  (1.79) Trong đó: r1 – bán kính trong của hình xuyến; r2 – bán kính ngoài của hình xuyến; h – chiều cao hình xuyến. Từ các biểu thức tính điện cảm của cuộn kháng ở trên lựa chọn các kích thước cơ bản của cuộn kháng. Việc tính toán cuộn kháng có thể phải tính di tính lại nhiều lần. Do đó ban đầu cho các số liệu nào đó để tính sau đó kiểm nghiệm lại, nếu chưa hợp lí, thay đổi các thông số rồi tiến hành tính lại. Tính toán kiểm nghiệm cuộn kháng: Thường gặp các cuộn kháng có kết cấu như các hình 1.41a, 1.42, 1.44, 1.45. Kiểm nghiệm lại điện cảm L bằng các công thức (1.74) (1.75) (1.76) (1.77) (1.78) (1.79) xem cuộn kháng thiết kế đã phù hợp chưa. Để làm việc này, các thông số cần tính kiểm nghiệm là: Tính số vòng dây trên một lớp Cu l1 d h W  Số lớp dây r1 r2 h Hình 1.45 Các kích thước cơ bản của cuộn dây hình xuyến lõi chữ nhật 96 l1W W n  Bề dày của cuộn dây Bd = n.dCu Sau khi tính lại các kích thước có xét tới kích thước dây dẫn, so sánh với kích thước đã cho ban đầu và thay vào các biểu thức (1.74) (1.75) (1.76) (1.77) (1.78) (1.79) tính điện cảm xem đã phù hợp chưa. Trường hợp điện cảm chưa hợp lí, thay đổi các thông số cuộn kháng và tính lại cho phù hợp. Các bước tính toán vật liệu còn lại làm cuộn kháng được tính như tính biến áp. Xác định góc mở van nhỏ nhất cho phù hợp điện áp với tải định mức. Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu khi có xét tới trùng dẫn.   .2 X.3 cosUU ckdod (1.81) Giá trị trung bình của điện áp tải. Vd ck f2sdd UI .2 X.3 cosU.kU    (1.82) Trong đó: Ud - điện áp tải UV – tổn hao điện áp trên van bán dẫn; U2f - điện áp pha xoay chiều; Id – dòng điện tải định mức; Xck - điện kháng của cuộn kháng Xck = . Lck.  = 2.f Góc mở van nhỏ nhất được tính: f2sd Vd ck d min U.k UI .2 X.3 U cosar     (1.83) 97 Bài 3. BIẾN ĐỔI DC-DC (DC - DC CONVERTER) 1. Đại cương về biến đổi DC - DC Các bộ biến đổi xung áp một chiều (XADC) dùng cho các biến đổi mức điện áp một chiều. Nguyên lý biến đổi xung áp cơ bản vẫn là dùng một khóa điện tử nối tải vào nguồn trong những khoảng thời gian nhất định tx lặp lại theo chu kỳ T . Điện áp ra thay đổi nhờ thay đổi tx = 0 – T. Ưu điểm cơ bản của các bộ biến đổi xung áp một chiều là với tần số đóng cắt cao, từ vài kHz đến vài trăm kHz, phụ thuộc vào loại van sử dụng, kích thước của các phần tử phản kháng như tụ điện, điện cảm sẽ rất nhỏ. Phần tử khóa trong XADC có thể là tiristor hoặc các van điều khiển hoàn toàn. Nếu dùng tiristo sẽ phải có thêm các mạch khóa cưỡng bức làm phức tạp thêm sơ đồ và tăng tổn hao trong quá trình hoạt động. Công nghệ hiện đại đã sản xuất ra các van điều khiển hoàn toàn như GTO, IGBT, MOSFET có thể thay thế hoàn toàn các tiristo ở mọi dải công suất trong các bộ biến đổi xung áp. Chính vì vậy ta sẽ chỉ cần xét đến các bộ biến đổi xung áp dùng các van biến đổi hoàn toàn. Tùy theo vị trí của phần tử khóa trong sơ đồ mà XADC phân loại thành: - XADC nối tiếp - XADC song song - XADC nối tiếp, song song XADC được sử dụng có thể chỉ cần để điều chỉnh được điện áp một chiều đập mạch ở đầu ra, như trong ứng dụng điều khiển động cơ một chiều hay các bộ nạp ắc quy, tạm gọi là XADC điều chỉnh. Trong một loạt các ứng dụng quan trọng, XADC được sử dụng như các bộ biến đổi DC- DC, với yêu cầu điện áp đầu ra được là phẳng hoàn toàn. Có thể gọi đây là XADC làm việc như một bộ biến đổi nguồn. Đặc trưng của các sơ đồ này là phía một chiều đầu ra có mắc tụ san bằng, có giá trị đủ lớn, vì vậy có thể coi điện áp đầu ra là không đổi hoặc thay đổi chậm. 2. Bộ ổn áp 2.1. Định nghĩa Ổn áp là mạch thiết lập nguồn cung cấp điện áp ổn định cho các mạch điện trong thiết bị theo yêu cầu thiết kế của mạch điện, từ một nguồn cung cấp ban đầu. 2.2. Phân loại Tuỳ theo nhu cầu về điện áp, dòng điện tiêu thụ, độ ổn định mà trong kỹ thuật người ta phân chia mạch ổn áp thành hai nhóm gồm ổn áp xoay chiều và ổn áp một chiều. Ổn áp xoay chiều dùng để ổn áp nguồn điện từ lưới điện trước khi đưa vào mạng cục bộ hay thiết bị điện. Ngày nay với tốc độ phát triển của kỹ thuật người ta có các loại ổn áp như: ổn áp bù từ, ổn áp dùng mạch điện tử tương tự, ổn áp dùng kỹ thuật số.... 98 Ổn áp một chiều dùng để ổn định điện áp cung cấp bên trong thiết bị, mạch điện của thiết bị theo từng khu vực, từng mạch điện tuỳ theo yêu cầu ổn định của mạch điện. Người ta có thể chia mạch ổn áp một chiều thành hai nhóm lớn là ổn áp tuyến tính và ổn áp không tuyến tính (còn gọi là ổn áp xung). Việc thiết kế mạch điện cũng đa dạng phức tạp, từ ổn áp dùng điôt zêne, ổn áp dùng tranzito, ổn áp dùng IC...Trong đó mạch ổn áp dùng tranzito rất thông dụng trong việc cấp điện áp thấp, dòng tiêu thụ nhỏ cho các thiết bị và mạch điện có công suất tiêu thụ thấp. 2.3. Thông cơ bản số của mạch ổn áp - Điện áp cung cấp: là điện áp ngõ ra của mạch ổn áp dùng để cung cấp cho mạch điện được quyết định bởi cấu tạo thiết kế mạch. Tính bằng vôn. - Sai số ngõ ra cho phép: là phạm vi sai lệch điện áp cho phép trong quá trình thiết kế mà mạch điện, thiết bị vẫn hoạt động ổn định tốt, được tính bằng tỷ lệ %, thông thường tỷ lệ này càng nhỏ độ ổn định làm việc càng tốt. Trong các thiết bị điện tử thông thường sai số thường được chọn nằm trong khoảng (1 - 5%) - Điện áp giới hạn ngõ vào: Là khoảng điện áp ngõ vào cung cấp cho mạch ổn áp mà hệ thống mạch ổn áp làm việc ổn định, chính xác. - Dòng chịu tải: là dòng điện mà hệ thống ổn áp có thể cung cấp cho mạch điện mà không ảnh hưởng đến các thông số khác của hệ thống ổn áp trong một thời gian làm việc lâu dài. Tuỳ vào thiết kế mà dòng chịu tải có thể được tính bằng Amp hay mA. - Công suất nguồn là khả năng cung cấp nguồn cho tải của hệ thống ổn áp, được tính bằng W hay kW. 2.4. Các mạch ổn áp 2.4.1. Mạch ổn áp dùng Tranzito Mạch lợi dụng tính ổn áp của điôt zêne và điện áp phân cực thuận của tranzito để thiết lập mạch ổn áp (Hình 3.1). Vo: §iÖn ¸p ngâ ra Tranzito æn ¸p tô läc æn ®Þnh Tô läc ngâ ra Vi:§iÖn ¸p ngâ vµo + + Rb Q ZENER Hình 3.1: Mạch ổn áp tham số dùng tranzito NPN Q: tranzito ổn áp Rb: điện áp phân cực B cho tranzito và điôt zêne 99 Ở mạch này cực B của tranzito được giữ mức điện áp ổn định nhờ điôt zêne và điện áp ngõ ra là điện áp của điện áp zêne và điện áp phân cực thuận của tranzito VbeVzVo  Vz: điện áp zêne Vbe: điện áp phân cực thuận của tranzito (0,5 – 0,7v) Điện áp cung cấp cho mạch được lấy trên cực E của tranzito, tuỳ vào nhu cầu mạch điện mà mạch được thiết kế có dòng cung cấp từ vài mA đến hàng trăm mA, ở các mạch điện có dòng cung cấp lớn thường song song với mạch được mắc thêm một điện trở Rc khoảng vài chục đến vài trăm Ohm như Hình 3.2 gọi là trở gánh dòng. Việc chọn tranzito cũng được chọn tương thích với dòng tiêu thụ của mạch điện để tránh dư thừa làm mạch điện cồng kềnh và dòng phân cực qua lớn làm cho điện áp phân cực Vbe không ổn định dẫn đến điện áp cung cấp cho tải kém ổn định. Vo: §iÖn ¸p ngâ ra Tranzito æn ¸p tô läc æn ®Þnh Tô läc ngâ ra Vi:§iÖn ¸p ngâ vµo Rc + + Rb Q ZENER Hình3.2: Mạch ổn áp tham số dùng tranzito NPN có điện trở gánh dòng Dòng điện cấp cho mạch là dòng cực C của tranzito nên khi dòng tải thay đổi dòng cực C thay đổi theo làm trong khi dòng cực B không thay đổi, nên mặc dù điện áp không thay đổi (trên thực tế sự thay đổi không đáng kể) nhưng dòng tải thay đổi làm cho tải làm việc không ổn định. 2.4.2. Mạch ổn áp dùng điôt zener Phần tử chính của mạch là điôt zener. Mạch điện được trình bày trong Hình 3.3 R1 D1 C1 Vi Vo + Hình3.3: Mạch ổn áp tham số dùng điôt zêner 100 D1: Làm nhiệm vụ ghim mức điện áp. Giá trị điện áp cần cung cấp cho mạch lớn bao nhiêu thì ta sử dụng điôt zenner có giá trị điện áp lớn bấy nhiêu vôn. C1: Làm nhiệm vụ lọc nguồn cung cấp cho mạch, tránh ảnh hưởng từ nguồn vào mạch và ngược lại. Trong các mạch có tần số làm việc cao, thường người ta mắc thêm một tụ điện có trị số khoảng vài ngàn pF đến vài chục ngàn pF để lọc nhiễu tần số cao. R1: Làm nhiệm vụ giảm áp. Giá trị của điện trở R1 được tính theo công thức: R1 = ItIz VoVi   (3.1) Trong đó: Vi: Là điện áp ngõ vào Vo: Là điện áp ngõ ra Iz: Là dòng điện đi qua điốt zenner, đảm bảo sao cho rơi vào vùng ghim áp, gọi là dòng phân cực. Dòng phân cực tuỳ thuộc vào cấu tạo của điốt, thông thường là 10mA, 50mA, 100mA và được biết chính xác nhờ bảng tra. It: là dòng điện đi qua tải. Nguyên lý hoạt động của mạch như sau: Khi có điện áp ở ngõ vào cấp cho tải, dòng điện chảy qua điện trở R1, một phần điện áp cấp cho tải, phần điện áp còn lại cấp cho điôt làm dòng phân cực và ghim mức ở điện áp zenner. Khi có sự biến động điện áp ở nguồn hoặc ở tải trong phạm vi hẹp, nằm trong khoảng làm việc của điốt zêne, điện áp trên đầu của điốt được giữ không đổi, làm cho điện áp ngõ ra Vo không đổi. Từ đặc điểm cấu tạo và tính chất của mạch như trên, trong thực tế ta cần lưu ý:  Mạch ổn áp dùng điôt zêne chỉ dùng để cấp nguồn cho các mạch điện có dòng tiêu thụ nhỏ (khoảng vài chục mA), điện áp thấp (dưới 30 V).  Chỉ cung cấp cho các mạch điện có độ biến động nhỏ với điện áp ngõ vào và ngõ ra. 2.4.3. Mạch ổn áp dùng IC Sự phát triển của công nghệ chế tạo linh kiện cho phép tích hợp các mạch điện tử thành các mạch tổ hợp (IC) công suất lớn. Các mạch ổn áp dùng tranzito có thể thay thế bằng các mạch ổn áp dùng IC có chức năng tương đương như mạch dùng Tranzito nhưng gọn nhẹ và đơn giản hơn. Đối với các mạch ổn áp công suất nhỏ dùng để cung cấp nguồn điện ổn định cho các mạch điều khiển thông thường người ta dùng OP-AMP hoặc kết hợp OP-AMP với tranzito. 101 a. Mạch ổn áp dương Mạch ổn áp dương được sử dụng rộng rãi hiện nay trên thị trường cũng như trong ký thuật. Tuỳ vào nhu cầu mà người ta có thể dùng loại IC 3 chân hay 4 chân. Mạch ổn áp dùng IC thường có ba chân thông thường thuộc họ 78XX. Sau đây là một mạch điện điển hình (Hình 3.4). Hình 3.4: Mạch nguồn ổn áp dùng 7812 Hình dạng IC họ 78 Trong sơ đồ mạch điện dùng IC ổn áp 7812. Điện áp xoay chiều được đưa qua biến áp để giảm áp sau đó được nắn lọc thành điện áp một chiều khoảng từ 15 đến 25 vôn DC đặt vào ngõ vào (input) của IC, ở ngõ ra (output) người ta có được điện áp ổn định 12 vôn DC. Họ 78XX có ưu điểm là gọn, thiết kế mạch đơn giản nhưng dòng điện cung cấp và điện áp làm việc không lớn, và điện áp ra cố định cho từng loại IC. Trên thực tế để tiện việc sử dụng nhà sản xuất chế tạo ra ba loại họ 78XX có dòng cung cấp khác nhau 100 mA có kích thước bằng một tranzito C1815, 500mA có kích thước lớn hơn và 1A như Hình3.6. Điện áp lớn nhất hiện nay trên thị trường Là 7824. Để đảm bảo tầm làm việc của IC điện áp ngõ vào (input) được chọn lớn hơn điện áp ngõ ra (ouput) khoảng 20% đến 100%. Họ 78XX trên thực tế có thể gắp loại bốn chân vì có thêm một chân điều khiển (Control) có công dụng để tắt mở nguồn cung cấp cho mạch điện. Ngoài họ 78XX có điện áp ngõ ra cố định IC LM317 ba chân cho ra điện áp có thể điều chỉnh được. Hình 3.5. b a o o 220 VAC O O BiÕn ¸p O O 50V 50V50V «m P1 C1 C2 C3 Tõ +1,2V ®Õn +37V LM 317 Ngâ vµo Ngâ ra R1 §iÖn ¸p ®-îc ®iÒu chØnh 5k + 0,1uF + 2000uF + 2000uF CAU Cau chi 220 Hình 3.5: Mạch ổn áp điều chỉnh dùng IC LM317 Ngâ ra Ngâ vµo D4 D3 D2 D1 IC 7812 C4 C3 C2 C1 + + O O BiÕn ¸p O O 220 VAC o O +12V 15v 1A A B + 0,1uF + 1000uF 100 100 CAU 102 Mạch điện cho điện ỏp ổn định được điều chỉnh từ 1,2V đến 37V. Mạch sử dụng IC LM317T để điện ỏp ngừ ra cú thể được điều chỉnh bằng cỏch sử dụng biến trở P1. Cỏc tụ C1 và C2 làm nhiệm vụ lọc nhiễu của nguồn. Tụ C3 cú chức năng lọc tần số cao. b. Mạch ổn áp âm Mạch ổn áp âm, là mạch tạo ra nguồn âm cung cấp cho mạch điện. Tương tự như ổn áp dương, mạch ổn áp âm cũng có hai loại: Loại cho ra nguồn cố định họ 79XX và họ điều chỉnh được LM337. Hình 3.6. Là mạch điện ổn áp âm cố định không điều chỉnh được dùng IC79XX 0 _ OO O O C ngâ raC ngâ vµo V ngâ vµo V ngâ ra §.¸ p ch-a ®iÒu chØnh §.¸ p ®· ®iÒu chØnh ®Êt IC 79XX + 0,01-0.1uF+1-10uF Hình 3 .6: Mạch ổn áp âm 79XX Hình dạng IC79XX Khác mạch ổn áp dương, mạch ổn áp âm có vị trí các chân vào (input) ra (ouput) không giống họ 78XX, và điện áp ngõ vào có giá trị âm. Tương tự như nguồn dương, nguồn âm cũng có thể thiết kế được nguồn âm điều chỉnh được dùng IC LM337... 3. Bộ băm áp (chopper) 3.1. Bộ biến đổi giảm áp – mắc nối tiếp * Nguyên lý làm việc - Nhịp S: uZ = U iZ = iS: tăng theo đường cong hàm mũ về giá trị (U – Eư )/R 103 Năng lượng từ nguồn U, một phần tích lũy vào cuộn L, phần lớn nạp cho Eư, phần còn lại tiêu tốn trên R. Nhịp S kéo dài trong khoản thời gian T1. Kết thúc khi tín hiệu “cắt” đưa vào khóa S. - Nhịp V0: uZ = 0 iZ = iV0: giảm theo đường cong hàm mũ về giá trị -Eư /R Năng lượng trước đây tích lũy trong cuộn L được giải phóng, phần lớn nạp cho Eư, phần còn lại tiêu tốn trên R. Nhịp V kéo dài trong khoản thời gian T2. Kết thúc khi tín hiệu “đóng” đưa vào khóa S. 104 Giá trị trung bình điện áp trên tải 3.2. Bộ biến đổi tăng áp – mắc song song Nguyên lý làm việc - Nhịp S: uZ = 0 iZ = iS; tăng theo đường cong hàm mũ, về giá trị Eư/R Năng lượng từ nguồn Eư được tích lũy phần lớn vào cuộn L, phần còn lại tiêu tốn trên điện trở R. Nhịp S kéo dài trong khoảng thời gian T1. Nhịp kết thúc khi tín hiệu “cắt” đưa vào S. - Nhịp V0: uZ = U iZ = iV0; giảm theo đường cong hàm mũ, về giá trị (Eư –U)/R < 0 105 Năng lượng từ nguồn Eưcùng với năng lượng đã tích lũy trong cuộn L ở nhịp trước,tiêu tốn một phần trên điện trở R, phần lớn còn lại được trả về nguồn U. Nhịp V0 kéo dài trong khoảng thời gian T2. Nhịp kết thúc khi tín hiệu “đóng” đưa vào S. Giá trị trung bình điện áp trên tải 106 Bài 4. BỘ BIẾN TẦN ( CYCLO-CONVERTER) 4.1 Khái niệm chung Các BBT là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác. Dòng xoay chiều công nghiệp có tần số 50Hz (hoặc 60Hz) nên các bộ biến tần dung để biến đổi dòng điện xoay chiều tần số 50Hz (hoặc 60Hz) thành dòng điện tần số khác. Với các BBT dung cho việc điều chỉnh tốc độ quay động cơ xoay chiều, ngoài việc thay đổi tần số, chúng còn có thể thay đổi cả điện áp ra khác với điện áp lưới cấp vào BBT. Các bộ biến tần được chia làm hai loại chính: - BBT gián tiếp: Trong BBT loại này dòng điện xoay chiều đầu vào tần số f1 được chỉnh lưu thành dòng điện 1 chiều, qua khâu lọc rồi lại được biến đổi thành dòng điện xoay chiều tần số f 2. Đây là loại biến tần được sử dụng rất phổ biến vì tần số f2 cần phải có hoàn toàn không phụ thuộc gì vào f1 mà chỉ phụ thuộc vào mạch điều khiển. - BBT trực tiếp là loại trực tiếp biến đổi dòng điện xoay chiều tầ số f1 thành f2 không thông qua khâu chỉnh lưu nên hiệu suất cao hơn loại trên nhưng việc thay đổi tần số ra rất khó khăn và phải phụ thuộc vào tần số vào f1. 4.2 Bộ biến tần gián tiếp 4.2.1 Biến tần gián tiếp 3 pha nguồn áp -Sơ đồ gồm 3 khâu : khâu1 chỉnh lưu, khâu 2, khâu3 nghịch lưu. T1 T3 T5 T4 T6 T2 D4 D6 D2 C0 D3 D5 V W U L Id Hình 4.1 . Sơ đồ biến tần ba pha gián tiếp nguồn áp Khâu 2 là một cầu chỉnh lưu diode mắc song song ngược với cầu biến tần có nhiệm vụ hoàn trả năng lượng về nguồn. Tải của cầu biền tần là động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc. Đối với cầu biến tần áp 3 pha gián tiếp thì mỗi Th dẫn dòng trong khoảng 1800 107 điện không kể giai đoạn trùng dẫn. Vì vậy ở bất kì thời điểm nào luôn có 3 Th dẫn dòng, 2 Th ở nhóm A chung hoặc K chung Thyristor thứ 3 ở nhóm còn lại. - Xét trường hợp dây quấn của động cơ được nối sao, trong quá trình làm việc thì một pha được mắc nối tiếp với 2 pha còn lại mắc song song hoặc 2 pha mắc song song rồi mắc nối tiếp với pha còn lại vì vậy điện áp trên mỗi pha của tải sẽ bằng E/3 khi nó được nối song song với một pha khác và bằng 2E/3. Khi nó được nối tiếp với 2 pha còn lại mắc song song với nhau. - Trong một chu kỳ T sẽ có 6 tổ hợp các Th dẫn điện đó làT5T6T1, T6T1T2, T1T2T3, T2T3T4 , T3T1T5, T4T5T6,T5T6T1. - Đồ thị dòng điện và điện áp trên tải Ua =    2 0 2 2 1 dtU a =         3 2 2 3 2 3 2 3 0 21 dtUdtUdtU aaa Thay Ua = 3 E trong khoảng (0; 3  ) và( 3 2 ; ) Ua = 3 2E trong khoảng ( 3  ; 3 2 )  Ua = 0,816 E Đồ thị dòng điện được xác định trong trường hợp tải mang tính cảm kháng nó là các đường cong khi tăng và khi giảm theo quy luật hàm số mũ, điện áp pha và điện áp dây là hàm đối xứng qua gốc toạ độ đó là các hàm lẻ. Khai triển các sóng trên theo chuỗi Furier ta sẽ được các sóng bậc lẻ 2k+1. Ua= 3 2E [sin t + 3 1 sin3 t + + 12 1 k sin(2k +1) t]. 4.2.2 Biến tần gián tiếp 3 pha nguồn dòng a. Sơ đồ nguyên lý : 0 0 0 t t t UA UB UAB t iA 108 T1 T3 T5 T4 T6 T2 D4 D6 D2 D1 D3 D5 V WU L Id ud Anode chung Katode chung α B6C L1 L2 L3 Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý Biến tần gián tiếp 3 pha nguồn dòng -Tụ C : đóng vai trò chuyển mạch - Cầu biến tần gồm các thyristor từ T1 đến T6,,các thyristor được mắc nối tiếp thêm 1 diode. - Tải của cầu biến tần là động cơ điện không đồng bộ xoay chiều 3 pha rotor lồng sóc có dây quấn stato được nối vào các điểm giữa của cầu biến tần. b. Nguyên lý làm việc - Dòng điện một chiều Id được các Th của cầu biến tần cắt thành hai dòng điện thành phần bằng nhau về trị số và ngược nhau về dấu. - Các dòng điện thành phần có độ rộng là 1200 điện và cách nhau một khoảng là 600 điện, tại bất kỳ thời điểm nào cũng chỉ có 2 Th dẫn điện , để đạt được điều đó thì các Th đựoc điều khiển mở theo thứ tự từ T1 đến T6. - Giả sử ban đầu là T1 đang dẫn điện cho dòng qua tải từ dưong nguồn qua T1 qua pha a và về pha c và về T2và về âm nguồn. Các tụ C1,, C5 được nạp với cực tính như Hình vẽ ,tụ C3 chưa được nạp , tương tự tụ C6 và C2 cũng được nạp với cực tính như Hình vẽ, tụ C4 chưa được nạp. - Trong quá trình làm việc trên dây quấn các pha của động cơ điện sẽ xuất hiện các s.đ.đ ua= 2 U2sin t ub= `2 U2sin( t 3 2 ) uc= 2 U2sin( + 3 4 ). 109 - Quá trình chuyển mạch trong cầu biến tần là quá trình chuyển mạch giữa các pha. Xét quá trình chuyển mạch từ T1 đến T3. Giả sử tại thời điểm đang xét dòng điện đang đi từ T1, D1 qua pha a qua dây quấn pha ac của động cơ qua T2,D2 và về nguồn. C1 C3 C5 C4 C6 C2 T1 T3 T5 T4 T6 T2 D4 D6 D2 D1 D3 D5 + - + - + - + - 0 0uC3 uC1 uC5 u13 u21 u32 L Id ud V WU t ≥ 0 C1 C3 C5 C4 C6 C2 T1 T3 T5 T4 T6 T2 D4 D6 D2 D1 D3 D5 + - + - + - + - 0 L Id ud V WU + - t > 1 C1 C3 C5 C4 C6 C2 T1 T3 T5 T4 T6 T2 D4 D6 D2 D1 D3 D5 + - + - + - + - 00 L Id ud V WU t > 2 C1 C3 C5 C4 C6 C2 T1 T3 T5 T4 T6 T2 D4 D6 D2 D1 D3 D5 + - + - + - + - 0 0 L Id ud V WU t > 3 C1 C3 C5T1 T3 T5 D6 D2 D1 D3 D5 + - + - 0 V WU uU uV uW uVU = u21 Xs Maschine t = t1-t0 t1 iT1,T3 t0 CT3CT1 -Tại thời điểm t= 0 cho xung điều khiển vào T3, T3 dẫn và lập tức tụ C1 phóng điện qua T3 và làm cho T1 khoá lại. Lúc này dòng tải chuyển từ T1đến T3 , đây là thời điểm t 0 thì dòng tải có - ở giai đoạn t > 1 dòng tải pha a vẫn đựơc duy trì , điện áp trên các tụ đang tạo nên điện áp ngược trên D3 và D3 làm việc. Vì vậy chưa có dòng tải qua pha b. Tại thời điểm này tụ C1 và C3 được nạp với cực tính như trên Hình vẽ Và C5 được phóng hết hay điện áp trên nó bằng 0 và D3 được phân cực thuận trở lại và ban đầu dẫn dòng, trong giai đoạn này các tụ tiếp tục phóng và 110 nạp ngược cho đến khi đầy. Khi dòng tải pha a bằng 0 thì quá trình chuyển mạch từ pha a qua pha b được coi là kết thúc. Các tụ C1, C3, C5 khi phóng và nạp sẽ tạo nên một tụ có điện dung tương đương : Ctđ = 3 2 C. - Khi quá trình chuyển mạch kết thúc, các tụ được nạp để chuẩn bị cho quá trình chuyển mạch giữa T3 vàT5 hoặc giữa T2 và T4. Đồ thị chuyển mạch dòng điện - Khoảng thời gian t = t1-t0 là thời gian cần thiết để khoá T1. 4.3 Biến tần trực tiếp a, Sơ đồ nguyên lý UI izZ G2 , G1 ,  Hình 4.3. Sơ đô nguyên lý bộ biến tần trực tiếp Bộ biền tần gồm hai bộ chỉnh lưu nối song song ngược . Các bộ chỉnh lưu này có thể là sơ đồ 3 pha có điểm trung tính , sơ đồ cầu hoặc các bộ chỉnh lưu nhiều pha. Số pha của bộ chỉnh lưu (m) càng lớn thì thành phần sóng điều hoà bậc cao càng giảm. 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 (T4,T5,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 :   cos sin2 1 2 m m U u pha  m1- số pha của điện áp lưới ;  - góc điều khiển của bộ chỉnh lưu. 111 Theo Hình vẽ ta có :        1 1 1 112 2 1 22 m n T m T n TT n = 0, 1, 2, 3,. Tần số của điện áp ra (f2) bao giờ cũng thấp hơn tần số lưới. Từ đó suy ra : 1 11 2 2 mn mf f   Để điều chỉnh f2 , cần tạo ra thời gian trễ giữa hai bộ chỉnh lưu (góc  ) và như vậy tần số ra là :     11 11 2 2 mmn mf f   Khi bộ biến tần làm việc với tải trở cảm 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 khi điện áp trên tải mang dấu âm và nhóm II ở chế độ nghịch lưu khi điện áp trên tải mang dấu dương Nếu chỉnh lưu mắc theo sơ đồ cầu thì điện áp trên tải sẽ lớn gấp 2 lần so với sơ đồ 3 pha có điểm trung tính: 1 1 2 sin22 m m U U pha    Xung điều khiển của 2 nhóm van lệch nhau 1 góc 2 /m1. Các bộ biến tần trên có hiệu suất thấp (vì điều chỉnh  ) và dòng điện áp có chứa nhiều thành phần sóng điều hoà bậc cao .Để loại các thành phần bậc cao cần dùng bộ lọc. Nếu thay đổi góc  của 2 nhóm chỉnh lưu I và II theo quy luật nào đó thì điện áp ra có thể thay đổi theo bất cứ luật nào. Để đảm bảo điện áp ra gần sin thì góc điều khiển  (chế độ chỉnh lưu) và  (chế độ nghịch lưu) cần thay đổi theo luật sau:  = arccos (Asin 2) 02 2 m m U U A  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 của các Thyristor ( = 0); A = 1 khi luật điều chỉnh  ,  là 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 : U2( 2t) = U1m  1m sin 1m  sin 2t 112 Đường cong điện áp ra sẽ có thêm phần sóng điều hoà cơ bản với tần số f2. Các bộ biến tần trực tiếp có tàn 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 biến tần sao cho f2<f1: - Dùng bộ chuyển mạch cưỡng bức phụ Phương pháp này làm giảm hiệu suất cần dùng thêm 1 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. Các van transistor được mắc vào đường chéo của cầu diode để làm cho nó trở thành khoá điện tử dẫn điện theo 2 chiều. Xung điều khiển được đưa vào transistor sao cho phụ tảI luôn được nối vào 2 pha bất kì, tức là điện áp trên tải luôn là điện áp dây. Với luật điều khiển mô tả trên điện áp ra trên tải sẽ là đường cong điện áp xoay chiều có khá phức tạp ( đường nét đậm).Dễ dàng nhận thấy f2>f1 Tuỳ thuộc vào thứ tự pha mà tần số ra được xác định như sau: f 2 = 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: 22 )1( 2 1 6 sin 2 6 1 2 k U k U U md m    U(1)m – giá trị biên độ của sóng điều hoà bậc I; Umd – giá trị biên độ điện áp dây.           1 1 22 )16( 1 )16( 1 S S SS k k là hệ số sóng điều hoà Hình 4.4 trình bày sơ đồ bộ biến tần trực tiếp 3 pha có chỉ số đập mạch bậc 3 và 18 Thyristor cung cấp cho tải 3 pha. Các nhóm biến đổi Hình 4.4 tia. Hình 4.5 là sơ đồ bộ biến tần trực tiếp, sơ đồ cầu gồm 36 Thyristor. Điện áp ra cực đại của bộ biến tần có chỉ số đập mạch p là: U0max= 2 Upha.sin  p (2.1) Biên độ điện áp ra này sẽ phụ thuộc vào góc mở  : 113 U0= 2 Upha.  p sin p  cos (2.2) Nguån ba pha Pha 3 Pha 2 Pha 1 A B C N Hình 4.4.BBT trực tiếp ba pha hình tia p = 3 Pha 3 Pha 2 Pha 1 Hình 4.5.BBT trực tiếp ba pha hình cầu p=6 Khi bộ biến tần 3 pha trực tiếp có p=3 cung cấp cho tải 3 pha đối xứng, dòng điện ra đối xứng rõ rệt. Dạng sóng trong trường hợp tỷ số biến tần 4/1 và cos =0.707, chậm sau được biểu diễn trên Hình 4.5 . 114 Dßng ®iÖn §iÖn ¸p §iÖn ¸p ra §Çu ra mong muèn §iÖn ¸p ra §Çu ra mong muèn Dßng ®iÖn §iÖn ¸p b) a) Chinh luuNghich luuChinh luuNghich luu Chinh luuChinh luu Nghich luuNghich luu Hình 4.5. Dạng sóng điện áp BBT trực tiếp tảI R- L a) Sơ đồ p = 6 ; b) Sơ đồ p = 12 Giả thiết dòng điện tải hình sin, tuy nhiên trong thực tế nó chứa các điều hoà bậc cao. Các Thyristor được chuyển mạch tự nhiên, tuỳ theo tính chất của tải mà phải mồi các Thyristor để tạo ra điện áp mong muốn . Dòng điện vào về phía nguồn luôn chậm pha so với điện áp . Gọi U01max là trị số cực đại của điều hoà cơ bản và r =U01max /U0max.Sự biến thiên của góc mồi  để tạo nên điện áp ra mong muốn Hình sin được xác định bằng:  =arccos [(U01max/U0max)sin 0t] (2.3) Là một hàm phi tuyến và được cho trên Hình 4.6, với r  1. Tuy góc mồi của nhóm biến đổi dương p không thể giảm bằng không vì khi đó góc mồi của nhóm biến đổi âm N bằng 1800. Điều này không thể thực hiện được do sự trùng dẫn của các Thyristor. Vì thế góc mở của nhóm biến đổi dương phảI được giới hạn tới góc  min và điện áp ra sẽ giảm một lượng cos min. Trị hiệu dụng của điện áp pha của bộ biến tần bằng : VON = VOP= rVpha  p sin p  (2.4) 115 w2t (§é) (§ é)  r=0 r=0,25 r=0,5 r=0,75 r=1 360300240180120600 180 150 120 90 60 30 0 Hình 5.6. Sự biến thiên của góc mồi  theo r của bộ biến tần trực tiếp Dạng sóng điện áp và dòng điện mong muốn trong các pha của tải được cho trên Hình 4.7 với chỉ số đập mạch p =3 và tải điện cảm. Hình 4.7. Dạng sóng điện áp, dũng tải BBT trực tiếp ba pha p = 3, tải điện cảm 4.4 Sự làm việc có dòng điện vòng Trong các mục trên ta đã nghiên cứu sự làm việc liên tiếp của các nhóm bộ biến đổi dương hoặc âm với giả thiết hai nhóm không được dẫn đồng thời, nếu không sẽ gây ngắn mạch. Để hạn chế dòng điện vòng chạy quẩn giữa 2 nhóm ta có thể sử dụng cuộn kháng cân bằng như Hình 4.8. Điện cảm của cuộn kháng san bằng đối với mỗi nhóm bằng 1/4 điện cảm đối với dòng điện vòng vì điện cảm tỉ lệ bình phương với số vòng dây. 116 Tải Cuộn kháng san bằng       uL Hình 4.8. Cuộn kháng san bằng Dạng sóng điện áp khi làm việc với dòng điện vòng được hạn chế bằng cuộn kháng san bằng được cho trên Hình 4.9. Mỗi nhóm biến đổi dẫn thường xuyên ở chế độ chỉnh lưu hay nghịch lưu. Điện áp ra trung bình của 2 nhóm cung cấp cho tải. Do phối hợp 2 nhóm biến đổi dương và âm có thể giảm được các điều hoà bậc cao và tổng hợp điện áp 2 nhóm Hình 4.9 thành điện áp ra mong muốn. Điện áp trên cuộn kháng bằng hiệu điện áp tức thời của 2 nhóm. Dòng điện vòng giữa 2 nhóm chỉ có thể chạy theo một chiều. ở chế độ xác lập, dòng điện được xác lập trong khoảng điện áp dương cho đến khi dòng điện tăng hay giảm. Trên Hình 4.18 biểu diễn dạng sóng điện áp của bộ biến tần trực tiếp khi không tải. Hình 4.9. Các dạng sóng của BBT trực tiếp có chỉ số đập mạch p = 3, dòng điện vòng, làm việc không tải 117 ~ ~  Tải Nhóm dương Nhóm âm           tU 0max0 sin ni pip n Hình 4.10.a Mạch tương đương của BBT trực tiếp lý tưởng làm việc có dòng điện vòng Khi có tải điện áp ra của 2 nhóm là các Hình sin giống nhau nhưng ngược dấu như ở Hình 4.10.b, do đó điện áp cơ bản không tạo nên dòng điện vòng. Khi bắt đầu dẫn (ví dụ nhóm dương P), do có ip , điện áp cảm ứng trong cuộn kháng xuất hiện trong mạch của nhóm âm N có cực tính ngược với Thyristor ngăn cản dòng điện ip chạy trong mạch. Vai trò của cuộn kháng là duy trì mức năng lượng từ trường tích luỹ trong cuộn dây không đổi, do vậy khi ip giảm thì in phải tăng với cùng tốc độ dòng điện qua tải iL =ip-in . Hình 4.10.b Các dạng sóng của BBT trực tiếp lý tưởng có dòng điện vòng Dòng điện trung bình của mỗi nhóm bằng một nửa dòng điện tải. Dòng điện vòng do điện áp đập mạch sinh ra cũng bổ sung vào thành phần dòng điện cơ bản. ở sơ đồ làm việc có dòng điện vòng, mỗi nhóm luôn có dòng điện và tạo nên dòng điện tải lớn hơn đối với mỗi nhóm khi làm việc với nhóm bị khoá. Trong thực tế người ta chỉ sử dụng chế độ làm việc có dòng vòng khi dòng điện tải nhỏ, để duy trì dạng sóng dòng điện tải không bị gián đoạn. Khi công suất lớn, các nhóm phải được khoá theo thứ tự để tránh dòng điện vòng lớn khi cả 2 nhóm cùng dẫn. Mạch điều khiển phải luôn luôn kiểm soát độ lớn của dòng điện tải và chỉ cho phép đưa xung mồi vào mỗi nhóm khi dòng này 118 nhỏ và khoá các nhóm khi dòng điện này lớn. Sẽ thuận lợi hơn nếu cuộn kháng bị bão hoà khi dòng điện lớn, do vậy khi làm việc với nhóm bị khoá có thể sử dụng lõi mạch từ nhỏ hơn. 4.5 Điều khiển biến tần trực tiếp Nhiều sơ đồ điều khiển (kỹ thuật tương tự hoặc kỹ thuật số ) đã được phát triển để cung cấp các xung điều khiển bộ biến tần trực tiếp. Giả thiết điện áp chuẩn er = Ersin 0t , có tần số mong muốn f0 và tín hiệu điều biến dạng cosin là em = Emcos it. Điện áp điều biến có thể tạo nên như các điện áp dịch pha (pha B đối với các thyristor pha A , pha C đối với các thyristor pha B). Giao điểm  trên Hình 4.11 cho ta: Emsin( it-120 0 ) = -Ersin( 0t -  ). Hay cos ( it -30 0 ) = (Er/Em)sin( 0t -  ). Trên Hình 5.11 góc mồi của Thyristor pha A là  = ( it - 30 0), do đó : cos  = (Er/Em)sin( it -  ) (2.5) Điện áp ra bộ biến tần trực tiếp làm việc với dòng điện liên tục: V0 = Vdo (Er/Em)sin( 0t - ) Cho biết biên độ, tần số và pha của điện áp ra có thể được điều chỉnh bằng các thông số tương ứng của điện áp chuẩn er với giả thiết đặc tính của bộ biến tần là tuyến tính. Hình 4.11. Điện áp điều biến cosin Sai lệch điện áp giữa 2 nhóm biến đổi dương và âm được khoá như ở Hình 4.10.b. Sơ đồ khối điều khiển bộ biến tần trực tiếp không có dòng vòng cho trên Hình 4.11. Mạch đồng bộ tạo nên điện áp tựa ea, eb, ec đồng bộ với điện áp lưới. Điện áp chuẩn era , erb, erc dùng để so sánh với điện áp tựa . Transistor một chuyển tiếp tần số biến thiên UJT tạo dao động tích thoát tần số 6fd đóng mở bộ đếm vòng để tạo nên điện áp 3 pha Hình chữ nhật tần số fd (Hình 4.13), được sử dụng để điều khiển tần số cố định fc của bộ băm Transistor 3 pha. Điện áp ra của nó chứa các tần số : (fc – fd) , (fc+fd), (3fd+fc) . Thành phần tần số mong muốn là fc-fd được lọc qua bộ lọc thông thấp. Kết quả thu được điện áp ra chuẩn era, erb, er. Mạch logic và tạo xung của mỗi pha so sánh điện áp chuẩn và điện áp điều chế để phát xung một. Tín hiệu dòng điện vi của tải được phản hồi qua mạch lựa chọn nhóm biến đổi để phát hiện nhóm dương hoặc âm phụ thuộc dòng điện qua vị trí không từ âm sang dương hoặc từ dương sang âm . Trong thực tế dòng điện có thể gián đoạn qua không nhiều lần khi chuyển hướng, do đó cùng với tín hiệu dòng điện cũng sử dụng điện áp 119 chuẩn và đưa thêm ngưỡng dòng điện tải vi để tránh chuyển mạch qua bộ biến đổi không đúng . Do vậy mạch trễ tạo nên khoảng trống tránh ngắn mạch các pha. Trong các bộ biến tần sử dụng kỹ thuật vi xử lý, nhiều nhiệm vụ được thực hiện bằng phần mềm. Dạng sóng điện áp chuẩn được phát trong máy tính, lưu trữ trong EPROM và được truy cập theo điều khiển của chương trình và đồng hồ nhịp. Điện áp tương tự có thể chuyển đổi thành tín hiệu số nhờ bộ đổi ADC. Việc so sánh có thể được tiến hành bằng kỹ thuật vi xử lý. Việc bổ xung thời gian trễ và khoá liên động có thể được thực hiện bằng kỹ thuật số và phần mềm. Việc thay đổi điều khiển mồi sử dụng nguyên lý lấy mẫu đều. Bộ dao động UJT Bộ dao động hình sin tần số cố định f Tần số f - fd Bộ dếm vòng Bộ chuyển mạch và băm Bộ lọc rcrbra eee ,, c c 6 fd fd Hình 4.12. Sơ đồ khối tạo điến áp chuẩn ba pha có điện áp và tần số biến thiên Điện áp chuẩn Mạch đồng bộ Mạch logic và phát xung Mạch công suất Mạch chọn nhóm bộ biến đổi và khoá Nguồn ba pha 50 Hz Điện áp ra tần số thay đổi Tải Tín hiệu dòng tải Xung mồi e ra , e rb e rc e ra rb , e rc , e v a b , v c , v e a b , e c , e v i Hình 4.12. Sơ đồ khối điều khiển bộ biến đổi trực tiếp không có dòng vòng 4.6 Bộ biến tần đường bao Có thể điều khiển bộ biến tần trực tiếp sao cho mỗi nhóm làm việc ở tình trạng dẫn hoàn toàn như các diode. Việc điều khiển các Thyristor được tiến hành trong khoảng một nửa chu kỳ làm việc. Các diode, Thyristor hoặc triac trên các pha phía đầu vào xoay chiều của bộ biến đổi có chỉ số đập mạch cho trước sẽ tác động như khoá chuyển mạch trong mỗi nửa chu kỳ làm việc. Dạng sóng của các bộ biến tần này được biễu diễn trên Hình 4.13 là đường bao của các sóng vào, 120 vì thế gọi là các bộ biến tần đường bao . Ta nhận thấy mạch điều khiển cần thiết để tổng hợp đầu ra của bộ biến tần đường bao đơn giản hơn mạch điều khiển biến tần trực tiếp có điều chỉnh pha trình bày ở mục trên. Tuy nhiên nó cũng có một số hạn chế. Vì sóng ra có xu hướng trở nên Hình chữ nhật nên xuất hiện nhiều điều hoà bậc cao.Tỷ số tấn số ra trên tần số vào không thay đổi một cách tuỳ ý mà phải là số nguyên.Một tải có hệ số công suất chậm sau hay vượt trước, tuỳ theo từng khoảng thời gian phải cho nhóm làm việc ở chế độ chỉnh lưu sau đó ở chế độ nghịch lưu với hệ số công suât của tải phải bằng 1 hay gần bằng 1.Nếu mỗi nhóm bộ biến đổi có sáu nửa chu kỳ (hình 4.13.a) với các điện áp pha khác nhau, có thể chuyển mạch các pha một cách tự nhiên để có tỷ số tần số 3/1 như ở Hình 4.14, khi đó dạng sóng sẽ gần Hình sin hơn. Hình 4.13 Các dạng súng của bộ biến tần đường bao có hệ số đập mạch nhỏ a) Hai b) Ba c) Sáu Hình 4.14. Bộ biến tần đường bao có hệ số đập mạch nhỏ 121 Bài 5. BỘ NGHỊCH LƯU (INVERTER) 5.1.Mạch điều khiển nghịch lưu dòng và nghịch lưu cộng hưởng một pha Đối với nghịch lưu dòng và nghịch lưu cộng hưởng một pha , người ta chỉ quan tâm đến thời điểm mở của các Tiristor, còn quá trình khóa các Tiristor sẽ được thực hiện bằng cách mở các Tiristor trong cùng nhóm . Theo nguyên lý hoạt động của các sơ đồ cầu một pha , ta có thể đề ra nguyên tắc phát xung điều khiển lên các cực điều khiển (G1, G2 , G3, G4)theo biểu đồ xung 4 và 5 1 2 3 4 5 T2 T3 T4 T1T1 G 3 G 1 G 4 G 2 T2 T4T3 t t t t t Hình 5.1. Biến đổi xung điều khiển chỉnh lưu cầu 1 pha Xung điều khiển đưa vào từng cặp Tiristor T1 , T2 lệch nhau 180 0 so với xung điều khiển đưa vào cặp T3, T4 . Nguyên lý điều khiển nghịch lưu cầu một pha Máy phát xung (1) sẽ tạo ra xung với tần số bằng tần số ra của nghịch lưu . sau khi qua bộ đảo , xung sẽ được phân thành hai kênh lệch nhau 1800 (2 và 3). Xung từ các kênh này được vi phân để lấy thông tin về thời điểm mở các cặpTiristor (4 và 5 ).các xung này được đưa vào bộ khuếch đại xung để tạo ra các xung điều khiển có độ dài bằng công suất đủ để mở các Tiristor động lực . Để điều chỉnh tần số thì máy phát xung phải có khả năng thay đổi tần số theo quy luật mong muốn Uđkh=F(f)(tín hiệu điều khiển là hàm của tần số và máy phát xung lúc này trở thành bộ biến đổi điện áp tần số ) 122 Để ổn định tần số đối với phụ tải hay biến thiên như nghịch lưu cộng hưởng , người ta hay dùng các bộ phản hồi dòng và áp của phụ tải. Mạch phát xung chỉ đóng vai trò kích thích mở lúc ban đầu , sau khi mạch dao động thì mạch cắt xung sẽ được tách ra . 5.2. Mạch điều khiển nghịch lưu dòng ba pha Để điều khiển nghịch lưu dòng ba pha dùng Tiristor , chỉ cần tạo ra các xung mở Tiristor lệch nhau 600. Khi mở các Tiristor ở cùng một nhóm anot chung hoặc katot chung thì van đang dẫn trước đó sẽ bị khoá lại .Do đó sơ đồ điều khiển chủ yếu gồm máy phát xung và bộ phân phối xung ra 6 Tiristor. Sơ đồ điều khiển được mô tả bởi hình vẽ . Hình 5.2 Mạch điều khiển nghịch lưu dòng ba pha Máy phát xung sẽ phát ra tần số f0 lớn gấp 6 lần tần số ra của nghịch lưu . Sau khi đi qua bộ đếm 6 , các trạng thái đầu ra của bộ đếm sẽ tạo ra các xung lệch nhau một góc 600 trong một chu kỳ điện áp ra . Các thời điểm ban đầu của xung ứng với các đầu Q1, Q2, Q3, 1Q , 2Q , 3Q sẽ được đưa vào bộ khuếch đại tạo xung để tạo ra các tín hiệu điều khiển (G1, G2, G3, G4, G5, G6,) cho các Tiristor động lực. 123 t X Q1 Q2 Q3 Q1 Q2 Q3 G1 G2 G3 G4 G5 G6 t t t t t t t t t t t t Hình 5.3 Biểu đồ xung của sơ đồ nghịch lưu dòng ba pha 5.3. Điều khiển nghịch lưu áp một pha Nguồn áp là nguồn được sử dụng rộng rãi vì ưu điểm cơ bản của nó là có thể dùng cho các dạng phụ tải khác nhau . Nhờ sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật điện tử ,các loại van điều khiển hoàn toàn như IGBT, GTO đã làm đơn giản rất nhiều các mạch điều khiển , nên trong lĩnh vực điều khiển nghịch lưu áp ,người ta chủ yếu thực hiện việc điều khiển theo nguyên tắc điều chế điện áp (PWM) theo quy luật hình sin để tạo ra điện áp có chất lượng cao ,chứa ít thành phần sóng điều hòa bậc cao.(sơ đồ cấu trúc điều khiển nghịch lưu áp một pha được mô tả như hình vẽ ) Bộ dao động sin Bộ dao động sin So sánh Phân kênh Trễ Trễ 5.4.Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu phân kênh Tín hiệu điện áp hình sin được so sánh với điện áp răng cưa có tần số lớn hơn rất nhiều so với tần số của hình sin thông qua bộ so sánh. Đầu ra của bộ so sánh sẽ cho ra tín hiệu xung có độ rộng thay đổi theo quy luật hinh sin : 124  sinat  t :là thời gian mở các van công suất của mạch động lực . Tín hiệu được đảo pha để chia thành hai kênh điều khiển hai cặp van động lực (sơ đồ dưới) Bộ dao động sin & GDT KĐ T1 GDT KĐ T2 T3 T4 Hình 5.5.Sơ đồ điều khiển nghịch lưu áp 1 pha Trong nghịch lưu áp, các van động lực được khóa bằng các tín hiệu điều khiển . Do quán tính van không thể khóa được một cách tức thời nên để tránh tình trạng ngắn mạch nguồn (khi một van chưa kịp đóng thì van khác đã mở trong cùng một nhánh cầu .) thời điểm mở các van cần làm trễ đi một thời gian ít nhất bằng thời gian phục hồi tính chất điều khiển của van và được thực hiện bằng một bộ trễ.(Generator Dead Time:GDT) Sau đó các tín hiệu sẽ được khuếch đại để tạo đủ các van công suất mở các van động lực. 5.4. Điều khiển nghịch lưu áp ba pha 5.4.1. Phương pháp điều chế (PMW)kinh điển Nội dung của phương pháp kinh điển là cần tạo ra tín hiệu điều khiển ba pha đối xứng từ một tín hiệu điều khiển hình sin (U*). Thông thường các bộ nghịch lưu áp đều đòi hỏi khả năng điều chỉnh tần số nên bộ biến đổi một pha thành ba pha (Ua, Ub, Uc,) phải không phụ thuộc vào tần số. Sau đó các tín hiệu Ua, Ub, Uc lần lượt được so sánh với tín hiệu răng cưa. Như vậy đối với nghịch lưu áp ba pha cần có ba bộ điều chế (PMW) cho ba pha riêng biệt. Đây cũng là nhược điểm cơ bản của phương pháp điều chế kinh điển . 2 3 GDT KĐ A GDT KĐ B GDT KĐ C UA UB UC Hình 5.6. Phương pháp điều chế PWM kinh điển