Tập bài giảng Điện tử công suất - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định

o bazơ của transistor nó sẽ dẫn, dòng Ic sẽ tăng lên, trong các cuộn dây của biến áp xung sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng e=Ldic/dt. Cuộn W2 được lắp sao cho nó có dấu dương đặt vào bazơ của transistor (phản hồi dương), kích thích transistor mở rất nhanh (quá trình này không mô tả trong đồ thị, ta 209 giả thiết quá trình này xảy ra tức thời và coi sườn xung là thẳng đứng) và transistor chuyển sang chế độ bão hoà. • • • • • • W2 W1 W3 Ur R3 D R1 R2 T C -E0 Ic + Uv t t t t t tx Uw1 Ic Uc Ur a b c d e Hình 5.216: Mạch dao dộng Blocking và giản đồ xung Khi transistor bão hoà, toàn bộ điện áp nguồn (E) sẽ được đặt lên W1 và ở đầu ra sẽ có điện áp Ur=E.W3/W2=n3.E (n3 là tỉ số giữa cuộn dây phụ tải và cuộn dây colectơ). Điện áp trên cuộn W2 tạo ra dòng bazơ (Ib) để giữ cho transistor ở trạng thái bão hoà W W 2 2 2 2 1 1 1 k b UU I I U R R    mặc dù lúc này ở đầu vào sẽ kết thúc. Lúc này lõi thép bắt đầu được từ hoá và dòng Ic sẽ tăng lên (hình 5.21c) (vì dòng từ hoá tăng lên), trong khi đó có dòng Ib vẫn giữ không đổi, transistor sẽ chuyển từ trạng thái bão hoà sang chế độ khuyếch đại. Điện áp trên transistor Uce tăng lên, dẫn tới UW1 và UW2 giảm. Quá trình này cũng mang tính phản hồi dương lên xảy ra rất nhanh và cuối cùng ở thời điểm t1, transistor khoá hoàn toàn và ở đầu ra, sẽ có xung với độ rộng là Tx (hình 5.21e) Mạch tạo xung đơn blocking rất thích hợp để tạo xung mở cho các SCR có dòng định mức dưới 100 A. Để mở các SCR có công suất lớn hơn, người ta phải dùng các bộ khuếch đại nhiều tầng hoặc bộ khuếch đại công suất lớn. 4. Mạch khuếch đại xung đơn công suất lớn Để tạo ra xung có công suất lớn đủ mở cho các SCR công suất lớn, người ta đùng SCR làm mạch khuếch đại (hình 5.22). Mạch hoạt động như sau: Giả sử trước đó tụ C được nạp điện với dấu trên hình 5.22a, khi đưa xung (Uv) vào mở SCR, SCR sẽ mở và tạo ra xung trên cuộn W1 và W2 của biến áp xung có biên độ xung bằng E và dòng bằng E/RW1,RW1 là điện trở phụ tải quy đổi về sơ cấp máy biến áp xung. Đồng thời sẽ xuất hiện dòng Ic phóng qua SCR. Dòng này có dạng hình sin và 210 biên độ bằng E/P, (P= C L là điện trở sóng của mạch dao động LC). Tại thời điểm t2 dòng Ic đổi dấu và làm SCR bị khoá lại. Diode D dùng để giảm quá áp trên SCR khi SCR khoá lại. Các công thức tính toán như sau: L = 0.09.T.RW1 C= 0,35 w1 T R (5.16) P= C L T là độ rộng xung mà ta mong muốn. W2 Ur Rt Uv It +E L + - ic D Uv t t t t T It Ic Ur a) b) Hình 5.22: Mạch khuếch đại công suất lớn 5. Bộ khuếch đại xung có độ rộng tuỳ ý (chùm xung) Để nâng cao hệ số khuếch đại cũng như công suất của xung ra, người ta thường nối kép hai transistor theo kiểu sơ đồ Darlington (hình 5.23). Lúc này: 1 2 c B I I     1 – hệ số khuếch đại của bóng T1; 2 - hệ số khuếch đại của bóng T2;  -hiệu suất thường lấy xấp xỉ 0.7. Người ta thường chọn transistor T2 có công suất lớn thoả mãn với công suất của xung ra, còntransistor T1 làm nhiệm vụ khuếch đại dòng. 211 +E R Ic W1 W2 W3 R Uv T1 T2 Ib Hình 5.17: Mạch khuếch đại xung Số lượng các cuộn đầu ra có thể chọn tuỳ ý phụ thuộc vào số lượng SCR cần điều khiển. điện trở Rb được chọn để thoả mãn điều kiện transistor T1 và T2 ở trạng thái bão hoà khi transistor mở: Rb= IbK Uv . K thường chọn trong khoảng 1,1  1,2. R1 có thể mắc nối tiếp với cuộn W1 để hạn chế dòng qua transistor, khi biến áp xung bị bão hoà và làm phân áp khi ta muốn giảm điện áp trên cuộn W1 (tương tự như điện trở R5 trong sơ đồ ở hình 5.24a). +E Ur Uv R1 R2 R3 R4 C1 D1 D3 D2 R8 Q2 R7 R5 Q1 t0 0 Uv U 0 T f U f Tx t t Hình 5.24: Mạch trộn xung và đồ thị xung 212 Mạch khuếch đại trên hình 5.23 có nhược điểm là khi truyền một xung có độ rộng quá lớn ( mst x 1 ) thì kích thước biến áp xung lớn và dạng xung sẽ bị xấu đi. Để khắc phục người ta thường dùng bộ trộn cao tần như sơ đồ trên hình 5.24. Điện áp vu là xung có độ dài bằng T X được trộn với xung có chu kỳ T f nhỏ hơn rất nhiều so với T x thông qua mạch AND. Bộ phát xung cao tần thường là một bộ dao động tạo xung vuông có tần số f = 5- 10kHz. Biến áp xung được tính với độ rộng xung T f . 5.3. MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ THUỘC 5.3.1. Mạch điều khiển chỉnh lưu dùng UJT. Để điều khiển những bộ chỉnh lưu công suất nhỏ hoặc các bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều, có thể dùng sơ đồ đơn giản bằng transistor một tiếp giáp (hình 5.25). W w 2 w 3 1 Uxc E R4 R3 R2 R1 Hình 5.25: Mạch điều khiển dùng UJT Mạch điều khiển được đồng bộ bằng nguồn nuôi (chỉnh lưu cầu một pha, điện trở R 1 , Diode ổn áp D). Khi điện áp trên tụ (Uc) tăng đến ngưỡng U 0 = E ( là hệ số ngưỡng bằng 0,60,8) thì transistor mở và tạo xung trên cuộn W 1 . Thay đổi giá trị R 3 ta có thể thay đổi thời điểm tạo xung, hay nói cách khác thay đổi góc  . Sơ đồ cho phép điều chỉnh  trong phạm vi từ 101700. Để tăng phạm vi điều chỉnh có thể mắc song song với tụ một khóa điện tử được điều khiển bằng tín hiệu đồng bộ. Để mạch điều khiển trên có thể sử dụng trong hệ thống điều khiển với tín hiệu phản hồi, người ta thay điện trở R 2 ,R 3 bằng nguồn dòng điều khiển (mắc transitor theo sơ đồ bazơ chung). Nguồn dòng này đã đươc đề cập đến trong mục tạo tín hiệu răng cưa (xem hình 5.6). U c U W1 t t α 213 Như vậy mạch dao động dùng transistor một tiếp giáp cùng một lúc đã kết hợp với các chức năng: đồng pha, tạo tín hiệu răng cưa, so sánh và tạo xung điều khiển để mở các SCR hoặc triac công suất nhỏ. 5.3.3. Mạch điều khiển chỉnh lưu dùng IC OPAM Hình 5.26 trình bày sơ đồ điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc dùng khuyếch đại thuật toán. Nguyên lý hoạt động của mạch như sau: Tín hiệu xoay chiều sau khi được chỉnh lưu bởi D 3 và D 4 sẽ đươc so sánh với điện áp U 0 để tao ra tín hiệu đồng bộ (hình 5.27a,b) trùng với thời điểm điện áp lưới đi qua điểm 0. Tín hiệu đồng bộ này sẽ mở khóa điện tử bằng transistor trường T 1 để giảm điện áp trên tụ C về 0. Khi tụ T 1 hở mạch, tụ C được nạp theo công thức UC = E.t/R7 và ở đầu ra của khuếch đại thuật toán OA 2 sẽ có hai tín hiệu răng cưa. (hình 5.27c). Sau đó tín hiệu răng cưa sẽ được so sánh với tín hiệu điều khiển nhờ bộ so sánh bằng khuếch đại thuật toán (OA 3 ). Hình 5.26: Sơ đồ điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc dùng khuyếch đại thuật toán. Bộ OA4 là một đa hài dao động tạo xung có tần số cao U5 với mục đích giảm kích thước của máy biến áp xung. Tín hiệu cao tần trộn lẫn với tín hiệu điều khiển U4 cùng với các tín hiệu phân phối U6, U7 để tạo tín hiệu cho từng SCR riêng biệt U8, U9. Những tín hiệu này đươc khuếch đại và thông qua biến áp xung đưa trực tiếp lên cưc điều khiển của SCR. 214 Mạch điều khiển trên dùng để điều khiển các bộ biến đổi một pha. Trong trườn hợp sơ đồ ba pha, cần thiết kế ba kênh tương tự cho ba pha A,B,C. Mạch điều khiển cầu ba pha có những đặc điểm riêng biệt so với sơ đồ khác ở chỗ là trong sơ đồ này luôn có hai van dẫn điện: một van ở nhóm catot chung và một van ở nhóm anot chung. Theo lý thuyết chỉ cần 6 xung đơn để mở cho 6 SCR tương ứng UG1 ở thời điểm t1 đối với T1 UG2 ở thời điểm t2 đối với T2. Do đặc tính phụ tải cũng như đặc điểm chuyển mạch có thể làm van đang dẫn trước đó khóa lại, ví dụ trong khoảng t1t2 T1 làm việc với T6. Tại thời điểm t2 khi mở T2 và khóa T6 lại có thể làm cho T1 cũng bị khóa theo. Để khắc phục hiện tượng trên ta có thể giải quyết bằng hai cách. Hình 5.27: Biểu đồ xung mạchđiều khiển chỉnh lưu U 2 t t t t t t t t t U 9 U 8 U 5 U 1 U 6 U 4 U 3 U 0 U 1 T P1 T P2 U đk T P3 T P4 T P6 T P7 T P5 T P8 T P9 215 0  2 IG1 IG3   IG2  Ua UcUb IG4 IG5 IG6 U    Hình 5.28: Mạch kích xung đơn chỉnh lưu cầu 3 pha Cách 1: Tạo ra xung kép lệch nhau 600 đặt lên cực điều khiển của các SCR bằng cách trộn các xung của hai kênh liền nhau như sau: T1 = K1+K2 T2 = K2+K3 T3 = K3+K4 T4 = K4+K5 T5 = K5+K6 T6 = K6+K1 0  2 IG1 IG3   IG2  Ua UcUb IG4 IG5 IG6 U    Hình 5.29: Mạch kích xung kép chỉnh lưu cầu 3 pha K1K6 lần lượt là các kênh tạo xung cho từng SCR tương ứng. Việc cộng các xung được thực hiện bằng các cổng OR. Trình tự tạo xung được mô tả trên hình 5.28 Sau khi được trộn các tín hiệu sẽ được khuếch đại và đưa lên cực điều khiển của các SCR. Cách 2: Tạo ra các tín hiệu điều khiển có độ rộng xung lớn hơn 600 để đảm bảo các SCR mở chắc chắn. Trường hợp này ta không cần bộ trộn mà chỉ cần các bộ khuếch đại đầu ra để đảm bảo các yêu cầu điều khiển của xung. 216 Kênh 2 Kênh 3 Kênh 4 Kênh 5 Kênh 6 Kênh 1 KĐ 2 KĐ 3 KĐ 4 KĐ 5 KĐ 6 KĐ 1 IG1 IG3 IG2 IG4 IG5 IG6 Hình 5.30: Sơ đồ mạch tạo xung kép 5.3.2. Sơ đồ mạch điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc dùng IC CD4528 TR2 D5 400 7 D6 D4148 C2 224 R2 1k D7 D4148 D8 D4148 R3 10k C3 1nF D11 D414 8 R8 1.5k R12 1k R15 1k TR1 24VAC C6 104 C7 101 C9 224 R20 1k R21 33k D16 D4148 R23 8.2K R26 10k R27 1k Q3 A1015 Q2 C181 5 Q1 C1815 RV5 50k RV1 50k B1 A1 TP1 TP6 D19 LED R7 8.2k 3 2 1 8 4 U1:A RC4558 RC2 CX1 +T4 -T5 R 3 Q 6 Q 7 4528 Q4 C181 5 TR3 R24 1k D21 D414 8 B2 A2 1 TP2 1 TP3 TP4 TR4 D1 4007 D2 D4148 C1 224 R1 1k D3 D4148 D4 D4148 R6 10k C4 1nF D9 D4148 R9 1.5k C5 101 C8 224 R10 1k R11 33k D10 D4148 R13 8.2K R14 10k R16 1k Q7 A1015 Q6 C1815Q5 C1815 RV3 50k RV4 50k B3 A3 1 J3 J6 D12 LED R17 8.2k 5 6 7 8 4 RC4558 RC14 CX15 +T12 -T11 R 13 Q 10 Q 9 U2:B 4528 Q8 C1815 TR5 R18 1k D13 D4148 B4 A4 J9 J10 J11 R19 3.3k R22 3.3k - VCC - VCC Udk Hình 5.31: Sơ đồ nguyên lý tạo xung điều khiển dùng IC CD4528 Nguyên lý hoạt động của mạch: Tín hiệu xoay chiều sau khi được chỉnh lưu bởi D6 sẽ tạo điện áp một chiều đưa vào Q1 tạo xung vuông có dạng sóng TP1, sau đó qua mạch sửa xung Q2, và Q3 đầu ra được xung tam giác có dạng sóng TP2 đưa tới Opam 4558 để so sánh với điện áp Uđk, tùy theo điện áp điều khiển ta được độ rộng xung vuông có dạng sóng TP2 (điều khiển góc mở ). Xung vuông được qua mạch vi phân IC 4528 để tạo thành xung nhọn có dạng sóng TP3. Tín hiệu xung nhọn khuêch đại qua Q4 ghép qua biến áp xung tạo thành xung điều khiển Ura1. 217 Tạo xung điều khiển Ura3 có nguyên lý hoạt động tương tự như mạch tạo xung Ura1. Tuy nhiên hai vế tạo xung này hoạt động lệch nhau 1800 để tránh trùng dẫn giữa hai pha (ứng dụng trong chỉnh lưu cầu), tín hiệu đồng bộ được khống chế bởi tín hiệu đưa vào chân 3 và chân 13 của IC CD4528 được lấy từ chân C của Q1 và Q5. Nếu Q1 dẫn -> mức thấp chân C đưa tới chân 13 sẽ khóa mạch vi phân vế dưới không hoạt động. Khi Q5 dẫn mạch vi phân vế trên không hoạt động. Uđk TP1 0  2 3 t t t t t t t t t t t Uđk 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 TP5 TP2 TP6 TP7 TP4 TP3 TP8 U2 Ura1 Ura3    Hình 5. 32: Giản đồ xung các điểm đồ trên sơ đồ hình 5.31 Các mạch điều khiển trên dùng để điều khiển các bộ biến đổi một pha. Trong trương hợp sơ đồ ba pha,cần thiết kế ba kênh tương tự cho ba pha A,B,C. Mạch điều khiển cầu ba pha có những đặc điểm riêng biệt so với so đồ khác ở chỗ trong sơ đồ này luôn có hai van dẫn điện: một van ở nhóm catod chung và mot van ở nhóm anod chung. Do đó theo lý thuyết chỉ cần 6 xung đơn để mở cho 6 van. 5.3.3. Sơ đồ điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc dùng TCA785 - Vi mạch TCA 785 là một vi mạch phức hợp thực hiện bốn chức năng của một mạch điều khiển : + Tạo điện áp đồng bộ. 218 + Tạo điện áp răng cưa đồng bộ. + So sánh xung răng cưa và điện áp điều khiển + Tạo 2 xung ra lệch pha 1800. 5 616 13 7 3 2 15 4 14 12 1GND 9 8 10 11 D2 1N4007 D3 1N4007 Dz 15vC2 104 C1 1000F /25V D1 1N4007 R1 4,7K/9W R2 220K R3 10K R7 220 R8 220 R5 2,2K R6 4,7K R4 22K VR1 100K C3 473 C4 104 TCA785 VR2 10K D4 1N4007 D5 1N4007 220VAC Out 1 Out 2 D6 1N4007 D7 1N4007 Vsync Q1 Q2 C5 150 C6 2,2F Hình 5.33: Sơ đồ nguyên lý tạo xung điều khiển sử dụng TCA785 - Các thông số cơ bản +Điện áp cấp: Umax = 18 V +Dòng điện ra: I = 50 mA +Dòng điện đồng bộ: ISync = 200  A +Tần số xung ra: f = 10 – 500 Hz + Có thể điều chỉnh góc mở  từ 00 đến 1800 phụ thuộc điện áp điều khiển lấy từ chân 11: Khoảng 0,5 – 16V (với Vcc=18V) Nguyên lý làm việc mạch như sau: Điện áp xoay chiều qua R1, D1 để hạ áp và chỉnh lưu tạo nguồn một chiều được ổn áp bởi Dz 15V cấp cho IC hoạt động, mặt khác điện áp AC qua R2 đưa vào chân 5 để tạo xung đồng bộ, các Diode D1, D2 tạo ngưỡng chân 5 có điện áp +/- 0,7V. Xung đồng bộ này cùng với tụ C3 tạo điện áp răng cưa tại chân 11, điện áp nạp cho tụ C3 được điều chỉnh bởi biến trở VR1. Điện áp răng cưa được đưa vào khâu so sánh cùng với điện áp điều khiển tại chân 12, điện áp này thay đổi nhờ biến trở VR2. Tùy theo điện áp điều khiển đầu ra bộ khuếch đại so sánh ta được độ rộng xung thay đổi tương ứng ta điều chỉnh góc mở  có thể thay đổi từ 00 đến 1800. Xung 219 vuông này đưa tới khối logic cùng với xung đồng bộ, tại khối đồng bộ chân 12 của IC được mắc tụ C5 có tác dụng khuếch đại độ rộng xung ra. C5 có thể chọn 0 – 330 pF. Muốn có độ rộng xung lớn có thể chọn C5 > 330 pF. Tại đầu ra 14 và 15 ta được 2 xung lêch pha 1800. (Hình 5.34) UAC U10 Uđk U15 U14    t t t t Hình 5.34: Giản đồ xung tại các chân của TCA785 Xung ra trên vi mạch TCA 785 chưa đủ lớn để có thể mở tiristor, do đó cần khuếch đại xung có biên độ đủ lớn để có thể mở tiristor động lực thông qua biến áp xung TR1 và TR2 để khuếch đại. Trong một số trường hợp cần tạo xung chùm để điều khiển cho van ta bỏ tụ C5 và đấu trực tiếp chân 12 xuống mass và kết hợp với một mạch tạo xung có tần số cao khoảng 1KHz (hình 5.35). 7 3 2 15 4 14 OSC 12 Hình 5.35: Mạch tạo xung chùm điều khiển Hai xung đầu ra TCA785 qua cổng AND để tạo xung chùm như hình 5.35 220 UAC U10 Uđk U15 U14   t t t t t t t OUT1 OUT2 Hình 5.36: Giản đồ xung theo nguyên tắc tạo xung chùm của TCA785 5.4. MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU Bộ biến đổi xung áp một chiều (DC-DC) là bộ biến đổi điện áp một chiều dùng để điều khiển giá trị trung bình điện áp một chiều ở ngõ ra từ một nguồn điện áp một chiều không đổi ở ngõ vào. Bộ biến đổi có thể thực hiện theo sơ đồ nối tiếp (phần tử đóng cắt mắc nối tiếp với tải) hoặc theo sơ đồ song song (phần tử đóng cắt được mắc song song với tải). Các bộ biến đổi DC-DC thường được sử dụng cấp nguồn cho động cơ điện một chiều, tạo nguồn áp cho nghịch lưu... 5.4.1. Yêu cầu chung của mạch điều khiển Mạch điều khiển biến đổi xung áp một chiều cần được xây dựng theo các nguyên tắc và yêu cầu sau: - Tạo được xung có đủ biên độ điện áp theo yêu cầu điều khiển mở van. - Đối với điều khiển có đảo chiều cần tạo được xung điều khiển đối xứng cho 2 kênh điều khiển 2 nhóm van. - Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt. - Đảm bảo tránh trùng dẫn cho 2 nhóm van của 2 kênh tức là nhóm van này khóa chắc chắn thì nhóm van còn lại mới được mở. - Tần số làm việc của mạch điều khiển một vài KHz 5.4.2. Nguyên lý điều khiển Các bộ biến đổi xung áp một chiều làm việc chủ yếu trên cơ sở thay đổi độ rộng xung điều khiển van chính trong những chu kỳ lặp lại không đổi. Nói cách khác mạch điều khiển biến đổi xung áp một chiều có nhiệm vụ xác đình thời điểm mở và khoá van bán dẫn trong một chu kỳ chuyển mạch. 221 Nguyên tắc điều khiển bộ biến đổi xung áp một chiều có các nguyên tắc sau: - Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation: PWM) khi chu kỳ T không đổi, thay đổi thời gian dẫn của van ton. - Điều chế tần số khi ton không đổi, chu kỳ T thay đổi. - Điều khiển hổn hợp, khi cả T và ton đều thay đổi. Bên cạnh đó cũng có hai nguyên lý thường dùng để điều khiển bộ biến đổi xung áp một chiều là nguyên lý điều rộng xung và nguyên lý so sánh có trễ Uđk UĐB on off s Đặt Phản hồi Hình 5.37: Nguyên lý điều rộng xung và so sánh có trễ Ở nguyên lý điều rộng xung bộ biến đổi có thể xem như mạch khuếch đại tín hiệu Uđk Mạch phát xungBộ biến đổi (BBĐ)Điện áp ra U0 Mạch phát xung so sánh tín hiệu điều khiển Uđk và sóng mang UĐB thường có dạng xung răng cưa. Từ đó có thể suy ra độ rộng xung tương đối  và Uđk.Khi thay đổi Uđk điện áp ra sẽ thay đổi và do đó việc giữ đặc tính mong muốn sẽ phụ thuộc vào hệ thống điều khiển tự động. Khi sử dụng bộ so sánh có trễ (so sánh Smit) ta đã kết hợp mạch thay đổi độ rộng  và việc điều khiển hệ thống. Bộ so sánh có nhiệm vụ so sánh đặc tính ngõ ra và tín hiệu đặt để đóng ngắt khóa S. Khi điện áp đặt lớn hơn (điện áp phản hồi + ∆) hệ thống tác động điều khiển khóa để tăng điện áp ngõ ra. Ngược lại khi điện áp đặt nhỏ hơn (điện áp phản hồi - ∆) hệ thống tác động điều khiển khóa để giảm điện áp ngõ ra. Vùng trễ ∆ được thêm vào để giảm tần số đóng cắt. Hệ thống này đơn giản, chất lượng điện áp tại đầu ra tương đối đảm bảo, tần số đóng ngắt của van thay đổi theo tải. Các mạch điều khiển vòng kín của bộ biến đổi điện áp một chiều cũng có phản hồi dòng điện và điện áp. Tuy nhiên khi sử dụng các mạch có hạn dòng cực đại, khóa tức thời các van khi dòng vượt quá giới hạn, có thể bỏ qua dòng vòng điện khi công suất tải bé. Mạch điều khiển biến đổi xung áp một chiều có nhiệm vụ xác định thời điểm mở và khoá van bán dẫn trong một chu kỳ chuyển mạch. Chu kỳ đóng cắt van thông thường là cố 222 định chỉ thay đổi thời gian đóng hay cắt van. Khi đó điện áp trên tải UT khi điều khiển được tính theo công thức: UT = gU1 (Với CK ON OFFON ON T t tt t   g ) (5.17) Trong đó: tON: Thời gian van dẫn tOFF: Thời gian van khoá TCK: Chu kỳ đóng cắt van U1: Điện áp nguồn một chiều Nguyên tắc điều khiển thông thường có các nguyên tắc sau: - Điều chế độ rộng xung (PWM – viết tắt Pulse – Width – Modulation) khi chu kỳ T không đổi, thay đổi thời gian đóng điện ton (g= ton/T) gọi là độ rộng xung tương đối. - Điều chế tần số khi ton không đổi, chu kỳ T thay đổi. - Điều khiển hổn hợp, khi cả T và ton đều thay đổi. Hai phương pháp sau ít thông dụng, nó gắn liền với những mạch điện đơn giản, chất lượng không cao với nhược điểm lớn nhất là tần số làm việc của hệ thống bị thay đổi. Vì vậy thường sử dụng theo phương pháp PWM có nguyên tắc như sau. Tạo một điện áp dạng điện áp răng cưa với một tần số f xác định. Dùng một điện áp một chiều làm điện áp điều khiển so sánh với điện áp răng cưa. Tại thời điểm điện áp điện áp răng cưa bằng điện áp điều khiển thì phát lệnh mở hoặc khoá van bán dẫn. 0 t1 t2 t3 t4 t5 ton 0 Utai uđk TCK t t t uđk Hình 5.38: Nguyên lý điều khiển xung áp một chiều theo PWM Độ rộng xung điện áp tải được điều khiển khi điều chỉnh Uđk. Trên hình 2.38, tăng Uđk sẽ làm tăng độ rộng xung và tăng điện áp ra. Nghĩa là trong trường hợp này Uđk và Utải tỷ lệ thuận. Thông thường để so sánh hai điện áp này, điện áp điều khiển và điện áp răng cưa được đưa vào các bộ khuếch đại Opam. 223 5.4.3. Mạch điện 1. Mạch điều chế độ rộng dùng vi mạch 555 Hình 5.39: Mạch điều chế PWM dùng 555 R1, R2, D1, D2, VR1 tạo dòng nạp xả cho tụ C1 Điện trở R1 tạo ra sự chênh lệch giữa thời gian nạp xả (xung răng cưa). R3, R4, C2 tạo thành mạch reset tự động. R6 điện trở treo cho Transistor xả Khi mới cấp nguồn đầu ra điện áp trên tụ Uc1 =0 chân 3 ở mức cao tụ C1 nạp điện từ chân 3 qua R1 qua VR1, D1. Tại chân 7 lúc này có mức cao do transistor bên trong khóa làm khóa Q1 cũng khóa không có dòng qua tải (toff). Khi điện áp tụ nạp quá 2/3 điện áp nguồn đầu ra lật trạng thái tụ C1 phóng điện từ +C1D2R1VR1R2 chân3. Tại chân 7 khi đó do van xả bên trong đã dẫn làm cho nó trở thành mức thấp làm Q1 dẫn (ton). Điều chỉnh biến trở VR làm thay đổi tỷ số điện trở nạp và xả do đó thay đổi độ rộng xung đầu ra. 2. Mạch điều chế độ rộng xung dùng OPAM 224 Hình 5.40: Điều khiển biến đổi xung áp một chiều dùng khuếch đại thuật toán U1A, U1B tạo xung răng cưa U1D tạo điện áp điều khiển Uđk U1C so sánh điện áp điều khiển và xung răng cưa Đây là phương pháp điều khiển điện áp một chiều kinh điển: dùng xung răng cưa so sánh điện áp một chiều có điều chỉnh để thay đổi độ rộng xung. 3. Điều khiển biến đổi xung áp một chiều có phản hồi Hình 5.41: Mạch điều khiển biến đổi xung áp một chiều có phản hồi - IC 555 có nhiệm vụ tạo dao động có tần số ổn định, - IC 4013 chia xung thành hai xung ngược pha 1800 225 - Transistor Q1 và Q2 sửa xung vuông từ 4013 thành xung răng cưa - IC 4558 so sánh xung răng cưa với điện áp điều khiển được lấy từ khóa K đầu ra ta được xung vuông đã điều chế độ rộng theo điện áp điều khiển. - VR4 tạo điện áp Uđk điều chỉnh điện áp vào đầu vào đảo Opam khi khóa K đóng sang 1. - LM 741 khuếch đại điện áp một chiều phản hồi đưa vào đầu vào đảo Opam khi khóa K đóng sang 2. - PC817 bộ ghép quang cách ly giữa điện áp điều khiển với điện áp phản hổi lấy từ tải. - Công NAND trộn xung đã điều chế độ rộng với xung từ mạch chia 4013 - Transistor Q3 khuếch đại xung đủ lớn đưa tới điều khiển van công suất cấp nguồn tải. Hoạt động: Tín hiệu tại đầu ra của IC555 dạng xung vuông có tần số khoảng từ 1-1,5 kHZ sau đó được đưa qua IC đếm 4013 nhằm tách xung thành 2 xung lệch pha 1800. Đường thứ nhất lấy từ Q đưa tới Q1, Q2 sửa thành điện áp răng cưa đưa tới opam so sánh với điện áp điều khiển có thể lấy từ điện áp Uđk là biến trở hoặc lấy từ điện áp hồi tiếp. Đầu ra mạch so sánh trộn với tín hiệu xung vuông chưa điều chế nhờ cổng NAND (IC 4011) cho phép tạo ra xung ra với độ thay đổi từ 0% đến 100%. - Hồi tiếp là tính chất của hệ thống điều khiển vòng kín cho phép ngõ ra (hay các biến điều khiển khác của hệ thống) được so sánh với tín hiệu ngõ vào hệ thống (hay các tín hiệu ngõ vào trên các phần tử khác trong hệ thống hoặc các hệ thống phụ) để tạo được các tác động điều khiển mong muốn dưới dạng hàm quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra. - Mạch phản hồi trên là bộ cách ly quang cho phép biến đổi thế Uo thành điện thế phản hồi. Sự thay đổi điện thế ra do tải sẽ làm thay đổi điện thế để sử dụng hiệu chỉnh độ rộng xung điều khiển và cho phép bù trừ sự thay đổi thế ra do tải. IC 741 có nhiệmvụ đảm bảo đáp ứng điện thế ra tốt nhất. Mạch hồi tiếp có nhiệm vụ như sau : +Tăng mức chính xác điện áp cấp tải, điện áp trên tải luôn ổn định. + Giảm độ lợi của tỉ số tín hiệu ngõ vào với ngõ ra. + Giảm ảnh hưởng phi tuyến. + Làm cho mạch hoạt động ổn định. 226 5.5. MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU 5.5.1. Nguyên lý điều khiển 1. Khái niệm Hệ thống điều khiển nghịch lưu dùng để tạo ra các xung điều khiển đóng mở các van động lực theo những luật mong muốn. Các luật điều khiển chủ yếu tập trung vào các vấn đề điều chỉnh điện áp, tần số và đảm bảo chất lượng điện áp ra của nghịch lưu. Hệ điều khiển có thể được phân loại theo một pha hoặc hệ ba pha. Nó cũng có thể được phân theo tín hiệu thành hệ điều khiển tương tự hoặc hệ điều khiển số. Cũng tương tự như hệ thống điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc, hệ điều khiển nghịch lưu cũng gồm 2 phần: Phần tạo luật điều khiển và phần tạo tín hiệu công suất để đóng mở các van động lực. 2. Sơ đồ cấu trúc Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển được trình bày trên hình 5.42 Hình 5.42: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển nghịch lưu Thành phần cấu trúc của hệ điều khiển nghịch lưu gồm các khâu sau:  Máy phát xung (FX): Để tạo tín hiệu đồng bộ cho toàn bộ hệ thống và tạo tần số cho nghịch lưu.  Bộ chia tần: Để giảm sai số cao và ổn định tần số, thông thường người ta dùng máy phát xung (FX) có tần số cao, sau đó đựôc biến đổi (chia tần) cho phù hợp với tần số ra của bộ nghịch lưu, nhất là khi máy phát xung dùng chung với máy phát xung nhịp của bộ vi xử lý.  Bộ phân phối tạo ra hệ thống tín hiệu một pha hoặc ba pha và phân phối các ín hiệu đó vào từng van động lực riêng biệt.  Bộ khuếch đại : Tạo xung và công suất thích hợp để đóng mở van động lực. Dựa trên sơ đồ cấu trúc ta có thể tìm hiểu một số phần tử của hệ thống điều khiển. 3. Các mạch thường dùng trong điều khiển nghịch lưu a. Mạch phát xung dùng khuếch đại thuật toán ( KĐTT) phân phối Khuếch đại Nghịch lưu độc lập FX Chia tần 227 Hình 5.43: Mạch tạo xung dùng khuếch đại thuật toán Bộ phát xung là mạch dao động tạo ra các xung vuông lập lại theo chu kỳ. Mạch dao động dùng khuếch đại thuật toán được mô tả trên hình 5.43 Tụ C và điện trở R1 tạo thành mạch tích phân. Mạch R2, R3 là mạch phản hồi. Nguyên lý làm việc của mạch như sau: Giả sử ở thời điểm 0 điện áp ra của khuếch đại thuật toán đạt giá trị cực đại UR =URmax +E Thông qua mạch phản hồi R3, R4 đầu vào “ +” của khuếch đại thuật toán sẽ có tín hiệu phản hồi 3 32 0 R RR E U   duy trì cho khuếch đại thuật toán nằm ở chế độ bão hoà dương. Lúc này tụ C được nạp thông qua điện trở R1 tới giá trị Ur max. Khi t = t1, điện áp Uc đạt giá trị U0, khuếch đại thuật toán là trạng thái và EUU ññ  max .Điện áp trên tụ C không thay đổi đột ngột và lúc này tụ C lại phóng điện qua R1. ở thời điểm t = t2. Khi 3 32 0 R RR E UUC   , khuếch đại thuật toán lại lật trạng thái và EUU ññ  max và sau đó quá trình lập lại. Thời gian phóng tụ C :          0max 0maxln.. UU UU CRt ñ ñ x Thay giá trị U0 vào biểu thức trên ta có :        2 321ln.. R R CRtx Và chu kỳ máy phát sẽ là: 228        2 321ln..2 R R CRtT x + Tạo xung dùng Transistor một tiếp giáp( UJT)     Ur R2 C1 Uc R1 Vcc I E B2 B1 I B IN C IM 0 UM UN N A U M Hình 5.44: Mạch tạo xung dùng UJT Bộ dao động tạo xung dùng Transistor một tiếp giáp UJT được sử dụng rất phổ biến trong các mạch điều khiển bộ biến đổi vì tính đơn giản của nó. Sở dĩ mạch có thể dao động được khi chỉ có một bóng vì đặc tính vôn – ampe của nó có đoạn điện trở âm (đoạn MN ở hình 5.44). Nguyên lý làm việc của sơ đồ như sau: Điện áp âm trên tụ C được nạp tới giá trị điện áp nguồn thông qua điện trở R1. Nhưng khi điện áp Uc tăng tới giá trị ngưỡng mở của bóng (UM), bóng sẽ mở ra và tụ C sẽ phóng điện qua mặt tiếp giáp EB của bóng và điện trở R2. Khi đó điện áp trên tụ C lại được nạp điện lại. Quá trình lại được nạp lại và trên điện trở R2 sẽ có những xung ngắn với chu kỳ T. Điều kiện để mạch dao động là đặc tính phụ tải phải cắt đoạn điện trở âm (MN). Phương trình đường đặc tính tải có dạng như sau: E = I.R2 + UB1.B2 E - điện áp nguồn I -dòng điện qua bóng UB1.B2 - điện áp rơi trên bóng Ứng với đường AB ta có: E =IN.R2 + UN 229 Suy ra: R2= In UnE  Ứng với đường AC ta có: E = IMR2 +UM và Im 2 UmE R   Như vậy đường phụ tải phải nằm giữa đường AB và AC hay điện trở phụ tải R2 phải thoả mãn điều kiện: Im UmE  > R2 > In UnE  Um- điện áp nguồn khi bóng mở: UM=E.  -hệ số truyền trong sổ tay tra cứu; IM – dòng tối thiểu khi bóng bắt đầu mở; IN- dòng tối thiểu mà bóng có khả năng mở,nếu I<IN bóng sẽ khoá lại; UN - điện áp rơi trên bóng ứng với trạng thái mở. Chu kì của mạch dao động được tính theo công thức: T=R.C.ln 1 1 b. Bộ tạo độ rộng xung (đa hài đợi) Bộ tạo dao động là bộ dao động xung vuông có độ rộng nhất định, thường được dùng để tạo xung hoặc làm các phần tử trễ xung. Sơ đồ bộ tạo độ rộng xung được trình bày trên hình 5.45. Nguyên lý làm việc của nó như sau: Mạch ở trạng thái ổn định ban đầu nhờ phản hồi dương thông qua điện trở R2, R3. Khuếch đại thuật toán vừa là khâu so sánh vừa là nguồn áp nạp cho tụ C và vừa là khoá chuyển mạch để đóng cắt quá trình phóng nạp cho tụ C. Diode D1 giữ điện áp cho tụ C cố định ( UC0) và thông qua phản hồi dương nên khuếch đại thuật toán luôn nằm ở trạng thái ổn định nếu không có tín hiệu đầu vào ( Uv). Có thể chia quá trình làm việc ra hai trạng thái. 230 ˜ ˜  D1 C2 Uv _ +       Ur U0 R3 C1 R1 U1 3 R2 D2 R4 2 6 U c t1 t t2 tx t Ur Uv t U0 Hình 5.45: Mạch tạo độ rộng xung  Trạng thái ổn định Uv = 0 Lúc này ta coi khuếch đại thuật toán đang ở chế độ bão hoà âm  EU ñ  . Điốt D1 sẽ ngăn không cho tụ C1 nạp điện và điện áp ở đầu vào “-”của khuếch đại thuật toán xấp xỉ bằng Uco và điện áp rơi trên D1. Dễ dàng nhận thấy trạng thái này là trạng thái ổn định vì đầu vào “+” của khuếch đại thuật toán có điện áp 0 3 2 3 E U R R R    (bỏ qua ảnh hưởng của R4) và U0 > Uco.  Trạng thái tạo xung Tại thời điểm t1 khi có xung điều khiển có giá trị lớn hơn U0 tác động vào đầu vào không đảo của bộ khuếch đại thuật toán làm cho nó lật trạng thái và Ur = +E. Mạch phản hồi R1,R2 sẽ tạo ra điện áp 0 3 2 3 E U R R R   để duy trì cho khuếch đại thuật toán ở trạng thái này mặc dù Uv = 0. Tụ C được nạp thôngqua điện trở R1 với hằng số thời gian T=R1C1. Khi điện áp trên tụ C đạt giá trị UC(t2)=U0 ở thời điểm t2 khuếch đại thuật toán lật trạng thái trở về trạng thái ổn định, kết thúc quá trình tạo xung. Độ rộng xung có thể tính theo công thức : 3 x 1 1 2 R t R C ln(1 ) R   Thông thường để thay đổi tx người ta thay đổi các giá trị R1, C1 hoặc tỷ số R3/R2. c. Bộ chia tần 231 Bộ chia tần đơn giản nhất là ta dùng các Flipflop ghép lại với nhau. Và thông thường ta dùng Flipflop T ghép lại với nhau và như vậy ta có bộ chia tần với các hệ số chia k= 2n trong đó n chính là số các flipflop được mắc nối tiếp. T2 TnT1 f1 fn Hình 5.46: Sơ đồ cấu trúc bộ chia xung K hệ số chia: k=f2/f1; f2 là tần số ra, f1 là tần số vào. Ngày nay nhờ công nghệ vi điện tử phát triển người ta có thể tạo sử dụng các bộ timer thông qua các chương trình mềm có xây dựng các hệ số k cần thiết, linh hoạt từ đó tạo ra các tần số ra f2.  Bộ phân phối Theo nguyên lý hoạt động của nghịch lưu ba pha ta dễ dàng nhận thấy, để tạo ra hệ thống tín hiệu điều khiển ba pha thì các xung đưa vào mở các van động lực lệch pha nhau lần lượt là 600 trong một chu kỳ điện áp ra. Do dó mạch phân phối thực chất là mạch chia tần với hệ số k=6 với chức năng tạo ra điện áp ba pha. Cơ sở của bộ đếm 6 là mạch đếm đồng bộ sử dụng 3 flipflop JK với bảng trạng thái của flipflop như sau: J Q Q K SET CLR J K Q 0 0 Q0 1 0 1 0 1 0 1 1 Q Hình 5.47: Bảng trạng thái flipflop JK Để tạo ra bộ đếm mạch vòng với hệ số k = 6 ta cần ghép 3 flipflop JK theo thứ tự đầu ra Q1 của T1 nối với đầu vào J1 của T2 đầu ra 1Q nối với K2. T2 thực hiện nối tương tự với T3. Đầu ra Q3 nối với đầu vào K1 và 3Q được nối với đầu vào J1 để loại bỏ hai trạng thái 101 và 010 (vì 23=8 trạng thái) do đó bộ đếm chỉ còn lại 6 trạng thái. Như vậy theo giản đồ xung ta nhận thấy chu kỳ T được chia làm 6 khoảng đều nhau do đó lần lượt tạo ra các xung lệch nhau 600 cung cấp lần lượt cho các van từ Q1Q6. 232 5.5.2. Mạch điều khiển nghịch lưu dòng 1. Điều khiển nghịch lưu dòng một pha Theo nguyên lý hoạt động của mạch nghịch lưu dòng một pha sơ đồ cầu và nửa cầu thì nguyên tắc phát xung điều khiển lên các cực điều khiển của van hoặc cặp van lệch pha một góc . Xung từ các kênh này được vi phân để lấy thông tin về thời điểm mở các van (cặp van). Các xung này được khuếch đại xung để tạo ra các xung điều khiển có độ dài và công suất đủ để mở các van 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). Để ổn định tần số với các phụ tải hay biến thiên ta dùng các bộ phản hồi dòng và áp của phụ tải. Mạch phát xung chỉ đóng vai trò kích mở lúc ban đầu, sau khi mạch nghịch lưu làm việc thì mạch phát xung sẽ được cắt ra. 2. Điều khiển nghịch lưu dòng ba pha Theo luật dẫn của các van trong mạch nghịch lưu dòng ba pha thì mỗi van có góc dẫn là 1200, hai van trên cùng pha tải dẫn lệch nhau một góc 1800, hai van liền kề trong cùng nhóm van lần lượt lệch pha nhau một góc 1200. Như vậy mỗi thời điểm sẽ có hai van làm việc cùng lúc. Nếu gọi thời gian dẫn của van có mức 1 và thời gian khóa có mức 0, với chu kỳ có 6 trạng thái dựa vào luật dẫn ta có được bảng trạng thái hoạt động của các van như sau: t T1 T2 T3 T4 T5 T6 t1 1 0 0 0 0 1 t2 1 1 0 0 0 0 t3 0 1 1 0 0 0 t4 0 0 1 1 0 0 t5 0 0 0 1 1 0 t6 0 0 0 0 1 1 Từ bảng trạng thái trên nếu sử dụng các flipflop JK để phân xung điều khiển ta hoàn toàn có thể xây dựng được sơ đồ mạch thông qua thiết kế mạch đếm dùng flipflop JK đã được học trong môn kỹ thuật số với T1=Q1; T2=Q2;T3=Q3; T4= 1 Q ;T5= 2 Q ;T6= 3 Q . Sử dụng UJT làm máy phát xung, các mạch vi phân và khuếch đại (KĐ) ta có được sơ đồ như hình 233 G4 G5 G6 G3 G1 Vcc C1 Q1 2N2646 S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q S J CP K R Q _ Q R1 1k R2 KÐ KÐ KÐ KÐ KÐ KÐ G2 Hình 5.48: Sơ đồ điều khiển nghịch lưu ba pha Máy phát xung tạo ra tần số f0 = 6 lần tần số ra của mạch nghịch lưu. Các thời điểm kích xung được lấy ứng với các điểm đầu của các đầu ra Q nhờ mạch vi phân sau đó thực hiện khuếch đại để tạo ra các tín hiệu điều khiển cấp cho mạch động lực. 5.5.3. Mạch điều khiển nghịch lưu áp 1. 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 phụ tải khác nhau. Nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ chế tạo linh kiện mà các loại van điều khiển hoàn toàn như IGBT, GTO đã làm cho mạch điều khiển đơn giản hơn rất nhiều. Trong điều khiển nghịch lưu áp người ta chủ yếu thực hiện 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 khối mạch nghịch lưu áp một pha được mô tả bằng hình. Tín hiệu điện áp hình sin được so với điện áp răng cưa có tần số lớn hơn rất nhiều. Đầu ra của bộ so sánh sẽ cho ra tín hiệu xung có độ rộng thay đổi theo quy luật hình sin: ∆t = asin ∆t là thời gian mở các van động lực. Tín hiệu được đảo pha để chia thành hai kênh điều khiển hai cặp van động lực. Trong nghịch lưu áp các van động lực được khóa bởi tín hiệu điều khiển. Do quán tính van không thể khóa tức thời nên tránh tình trạng ngắn mạch nguồn 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 bộ trễ (Generator Dead Time:GDT). Sau đó các tín hiệu sẽ được khuếch đại để tạo đủ công suất mở các van động lực. 2. Điều khiển nghịch lưu áp ba pha 234 a. Phương pháp điều chế PWM kinh điển Phương pháp điều chế PWM kinh điển là cấu tạo ra tín hiệu điều khiển ba pha đối xứng từ một tín hiệu điề 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 so sánh với tín hiệu răng cưa. Như vậy đối với nghịch lưu áp ba pha cần có bộ điều chế PWM cho ba pha riêng biệt. Đây cũng là nhược điểm của phương pháp điều chế kinh điển. b. Phương pháp điền khiển số tựa tương tự Bản chất của phuơng pháp này cũng giống như phương pháp pháp điều chế tương tự, tức là so sánh tín hiệu răng cưa với tín hiệu chủ đạo có dạng hình sin. Điểm khác cơ bản là tín hiệu chủ đạo hình sin được số hóa, tín hiệu răng cưa trên không tồn tại một cách thực sự như một tín hiệu mà chỉ là giá trị mô tả trạng thái của bộ đếm tương đương như tín hiệu răng cưa trong mạch tương tự fs U 2 3 Hình 5.49: Sơ đồ điều khiển số tựa tương tự Tín hiệu chủ đạo sẽ được lấy mẫu với chu kỳ là Ts và kết quả được lưu giữ trong một thanh ghi đặc biệt kết quả này luôn được so sánh với giá trị của bộ đếm. Trong trường hợp này chức năng tạo hệ thống ba pha sẽ do bộ vi xử lý đảm nhiệm từ một tín hiệu lấy mẫu U* nó sẽ tạo ra các tín hiệu Ua, Ub ,Uc bằng cách tính như sau: Ua = Um sin(t) Ub = Um sin(t+1200) Uc = Um sin(t-1200) c. Phương pháp điều khiển vecto Như đã phân tích trong phần nghịch lưu ưu điểm cơ bản của phương pháp điều chế vectơ là chỉ cần một bộ điều chế duy nhất cho cả ba pha thay vì ba bộ điều chế cho từng pha riêng biệt như trong mạch điều khiển riêng biệt. 235 U1 U5 U4 U3 U2 S2 U6 S1 S3 S4 S5 S6 a b Ut U1 Us Up  U2 C 2fs Vi xử lý U Bộ chọn kênh Hình 5.50: Phương pháp điều khiển véc tơ Bất kỳ một tín hiệu chủ đạo hình sin cũng được quy đổi về các vectơ chuyển mạch chuẩn. Việc quy đổi các vecto điện áp mong muốn theo các vecto chuẩn đảm bảo tọa ra hệ thống điện áp ba pha đối xứng trong nghịch lưu nếu thời gian lấy mẫu bằng 2T Ta có phương trình 2fs(taUa +tbUb) =U* 0 a b s 1 t t t 2f    Vectơ U* được tính theo hai vectơ biên là Ua và Ub Góc  là góc tạo thành giữa vectơ U* và Ua Như vậy chức năng của bộ vi xử lý là giải hệ phương trình trên để tìm ra thời gian Như vậy chức năng của bộ bi xử lý là giải hệ phương trình trên để tìm ra thời gian ta, tb, tc, nó cũng chính là thời gian ứng với các vectơ chuyển mạch đóng cắt trong các khoảng thời gian ta, tb, tc, chính là thời gian đóng cắt của các ban động lực. Bộ chọn kênh xác định vị trí của vectơ chủ đạo trong các góc I, II, III ,IV.V, VI, tương ứng và ứng với mỗi góc bộ chọn kênh sẽ tạo ra hai vectơ biên cần thiết tương ứng với góc đó. Chức năng chọn kênh có thể giải quyết bằng phần cứng hoặc phần mềm tùy thuộc vào khả năng tính toán của bộ vi xử lý. 236 5.6. MẠCH ĐIỀU KHIỂN SỐ Mạch điều khiển số được thiết lập trên nguyên tắc biến đổi mã số thành các tín hiệu dịch chuyển theo nguyên tắc thời gian (). Hệ thống điều khiển số khắc phục được nhược điểm cơ bản của hệ thống điều khiển liên tục ở chỗ loại trừ được sai số do hiện tượng trôi gây ra. Độ chính xác của hệ điều khiển số phụ thuộc vào mức độ lượng tử hóa của tín hiệu điều khiển. Nếu mã hóa tín hiệu điều khiển bằng cơ số N thì tín hiệu điều khiển (Kđk ) sẽ có 2N giá trị và tương ứng góc điều khiển () cũng sẽ có 2N giá trị. Bước lượng tử của góc điều khiển () sẽ là : 12 2 2 s N N t f f       f: tần số lưới điện ts: được tạo ra bởi máy phát xung và tần số của nó là: 11 2 .Nfx s f f t   Tuy nhiên sai số của hệ thống điều khiển không chỉ phụ thuộc vào mức độ lượng tử của tín hiệu điều khiển mà còn phụ thuộc vào sự đồng bộ với lưới điện đặc biệt là viêc xác định thời điểm chuyển mạch tự nhiên Có 2 phương pháp xây dựng hệ điều khiển số. 5.6.1 Phương pháp dịch pha Mạch logic Bộ đếm Phát xung Đồng bộ Vr Hình 5.51: Cấu trúc của hệ thống điều khiển theo phương pháp dịch pha Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển theo phương pháp dịch pha như trên hình 5.51. Tín hiệu điều khiển dưới dạng cơ số hai sẽ được nạp vào bộ đếm ở những thời điểm nhất định nhờ xung đồng bộ (ĐB) với lưới điện (thông thường là thời điểm chuyển mạch tự nhiên ). 237 FX t t t 0 ... 1 0 1 0 1 0 0 ... 0 0 1 1 0 0 0 ... 1 1 0 0 0 0 0 ... 0 0 0 0 0 0 1000 1000 t t K®kh K®kh   Hình 5.18: Giản đồ xung hệ thống điều khiển theo phương pháp dịch pha Đồ thị mô tả quá trình làm việc của hệ điều khiển được xây dựng cho bộ đếm K byte. Giá trị Kđkh =1000 sẽ được ghi vào ô đếm ở thời điểm chuyển mạch tự nhiên. Sau đó tín hiệu từ máy phát xung sẽ được làm giảm trạng thái của bộ đếm về không. Khi trạng thái của bộ đếm bằng không, thì đầu ra của nó sẽ cho tín hiệu điều khiển ứng với góc điều khiển:  = (1-Kđkh/2N) Đồ thị trên hình 5.52 cho thấy khi thay đổi mã điều khiển (Kđkh) góc điều khiển không thể thay đổi tức thời vì mã điều khiển chỉ được đưa vào bộ đếm ở thời điểm chuyển mạch tự nhiên. Để khắc phục hiện tượng này người ta dùng phương pháp điều khiển dọc. Ví dụ bộ điều khiển số theo phương pháp dịch pha được mô tả trên hình 5.53. 238 U/f (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) Q1 Q2 Uđk S R Q S R S R QR4 C2 + C1 R3 R1 R2 Q Hình 5.53: Bộ điều khiển xung số Tín hiệu xoay chiều sau khi đi qua các khâu khuếch đại thuật toán và mạch logic sẽ tạo ra tín hiệu đồng bộ (điểm 5) trùng với thời điểm chuyển mạch tự nhiên (điện áp lưới bằng không). Tín hiệu này sẽ đưa bộ đếm (vi mạch 4020) về trạng thái 0. Tín hiệu điều khiển sau khi đi qua bộ biến đổi tần số (vi mạch 4046), sẽ tạo ra các xung có tần số (hoặc độ rộng) phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển (điểm 6). Xung từ bộ biến tần đi vào bộ đếm và khi bộ đếm đạt giá trị 256 thì đầu ra (điểm 7) sẽ cho tín hiệu bằng 1. Thời điểm này tương ứng với góc  (điểm 7). Như vậy khi thay đổi tín hiệu điều khiển sẽ thay đổi chu kỳ phát xung (Tx), do đó thay đổi được góc . Thông qua mạch logic và các trigơ R-S, tín hiệu này được chia thành hai kênh (điểm 8 và 9, hoặc Q1Q4) để điều khiển hai SCR trong một pha. 239  0 0  2 U1 U3 0 U4 tx 0 U2 0 U5 ts 0 0 0   0 0      U6 U7 U8 Q1 Q2 Hình 5. 19: Đồ thị bộ điều khiển xung số 5.6.2. Phương pháp điều khiển dọc Bộ dịch pha (điều chế) theo phương pháp điều khiển dọc đảm bảo ứng tức thời của hệ thống đối với tín hiệu điều khiển. Sơ đồ cấu trúc gồm bộ đếm khâu phát xung và khâu so sánh số (hình 5.55). Máy phát xung sẽ tạo ra xung nhịp để đưa vào bộ đếm có hệ số Kđếm max =2N. Trạng thái của bộ đếm được thay đổi từ giá trị cực đại đến giá trị cực tiểu (2N giá trị) trong khoảng thời gian bằng nửa chu kỳ của điện áp lưới, do đó máy phát xung (FX) sẽ có tần số là: f f f NNFX 12 2 2  Bộ đếm chính là bộ tạo ra răng cưa số tuyến tính và răng cưa số này được đồng bộ với lưới nhờ khâu đồng bộ (ĐB). Thời điểm ban đầu của răng cưa số (bộ nhận giá trị cực đại) tương ứng với thời điểm chuyển mạch riêng của bộ biến đổi. Tín hiệu răng cưa số sẽ được so sánh với mã điều khiển (Kđkh =1000) và khi hai tín hiệu này bằng nhau bộ so sánh sẽ tạo ra tín hiệu logic tương ứng với góc điều khiển . 240 §B FX So s¸nh T2 Kđk U/D Reset B1 B4 Carry out ENB Counter T1 T3 T4 Q ck a T2 T1 T3 T4 Q FX K®k K®k t t t 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 T/2 b Hình 5.55: Sơ đồ bộ điều chế (a) và đồ thị (b) Phương trình mô tả bộ so sánh có dạng như sau: 1))...()()(( 333322221111  nnnn KTKTKTKTKTKTKTKT Biểu thức tính toán góc hoàn toàn tương tự như trong trường hợp trước. 241 5.6.3. Bộ điều khiển dùng vi xử lý P Master Port Bộ biến đổi P Slave Hình 5.56: Sơ đồ dùng vi xử lý Như đã phân tích ở trên, để tạo góc điều khiển  ta cần thực hiện so sánh tín hiệu răng cưa số với tín hiệu điều khiển. Nếu bộ vi xử lý thực hiện đồng thời hai chức năng này thì nó không còn thời gian để thực hiện chức năng khác trong thời gian thực hiện đối với toàn bộ hệ thống. Để khắc phục hiện tượng này người ta dùng nhiều bộ vi xử lý (multi-process), trong đó vi xử lý chủ đạo (Master) làm chức năng điều phối cho toàn bộ hệ thống. Còn vi xử lý phụ sẽ làm chức năng của bộ điều chế  (bộ dịch pha) và chức năng phân phối xung điều khiển đến từng van động lực một. Do vậy ta chỉ viết chương trình tạo xung răng cưa số, so sánh nó với tín hiệu điều khiển. Giải pháp thứ 2 là chế tạo bộ điều chế tương tự sơ đồ ở hình 5.54 và ghép nó với bộ vi xử lý hoặc vi điều khiển như ở hình 5.56. P Bộ điều chế Phân phối xung Bộ biến đổi D A Chia xung Đồng bộ Hình 5.57: Sơ đồ dùng vi xử lý ghép với bộ điều chế. 242 Tín hiệu đồng bộ được dùng như tín hiệu ngắt đối với bộ vi xử lý để nạp tín hiệu điều khiển (Kđkh ) cho bộ điều chế. Sau đó bộ điều chế sẽ làm việc độc lập theo nguyên lý của sơ đồ (hình 5.57) Tín hiệu tạo xung nhịp từ bộ vi xử lý sau khi qua bộ chia tần sẽ tạo ra tín hiệu cần thiết để tạo ra răng cưa số. Với chức năng trên bộ điều chế sẽ giảm ảnh hưởng sự hoạt động của nó với bộ vi xử lý trung tâm. Bộ vi xử lý trung tâm sẽ đảm nhận vai trò tính toán Kđkh theo những luật điều khiển (algorit) mà ta mong muốn trong phạm vi thời gian thực. Ngày nay trong những bộ vi điều khiển chuyên dụng người ta đã cấy sẵn các bộ điều chế . Trên cùng một tinh thế với bộ xử lý trung tâm và như vậy đã làm tăng tốc độ của hệ thống điều khiển số cũng như độ tin cậy của nó. 5.7. MẠCH PHẢN HỒI VÀ ỔN ĐỊNH 5.7.1. Khái niệm Nhiệm vụ của các bộ biến đổi là xử lý và điều khiển dòng năng lượng điện bằng cách cung cấp điện áp và dòng điện ở dạng thích hợp cho các tải. Tải sẽ quyết định các thông số về điện áp, dòng điện, tần số, và số pha tại ngõ ra của bộ biến đổi. Thông thường, một bộ điều khiển có hồi tiếp sẽ theo dõi ngõ ra của bộ biến đổi và cực tiểu hóa sai lệch giữa giá trị thực của ngõ ra và giá trị mong muốn (hay giá trị đặt). Một hệ thống điều khiển phản hồi cơ bản có sơ đồ cấu trúc như sau: Hệ thống điều khiển vòng kín có thể có các loại điều khiển một vòng hoặc cũng có loại điều khiển nhiều vòng hay còn gọi là hệ thống điều khiển trạng thái, tọa độ Hệ điều khiển Đối tượng điều khiển Giá trị đặt Phản hồi Hình 5.58: Hệ thồng điều khiển phản hồi một vòng 243 Hệ điều khiển 1 P1 Giá trị đặt 2 Phản hồi P2 Hệ điều khiển 2 Điều khiển Đối tượng X1 X2 Giá trị đặt 1 Hình 5.59: Hệ thồng điều khiển phản hồi nhiều vòng - Đối tượng điều khiển là nhiều khối quán tính nối tiếp thường là các bộ biến đổi ngõ vào là tín hiệu điều khiển, tải là các máy, thiết bị chấp hành. Ngõ ra của khối này là những thông số cần điều khiển, thường là các biến trạng thái của đối tượng điều khiển. - Bộ điều khiển hay còn gọi là bộ hiệu chỉnh có số lượng bằng số khối của đối tượng thường được gọi là bộ điều khiển các biến tương ứng. Ngõ ra của tín hiệu điều khiển vòng ngoài là tín hiệu đặt cho vòng trong. Hệ thống điều khiển tọa độ cho phép điều khiển được cùng lúc các biến trạng thái x1, x2... trong chế độ quá độ cũng như xác lập. Chất lượng quá độ của hệ thống được đảm bảo bằng quá trình hiệu chỉnh các vòng và chất lượng tĩnh (xác lập) của các biến trạng thái có được khi mà tín hiệu đặt củachúng không đổi. Hệ thống điều khiển tọa độ còn là cơ sở cho việc ứng dụng các bộ biến đổi vào công nghiệp. Người sử dụng sẽ thay đổi thông số bộ hiệu chỉnh để ứng dụng có chất lượng mong muốn. Với bộ nguồn một chiều hai biến trạng thái cần điều khiển là dòng điện I=X1 (vòng trong) và điện áp V=X2 (vòng ngoài). Bình thường vòng điều khiể ngoài giữu điện áp ra ổn định ở giá trị Vlv Khi tải tăng, áp ra giảm, làm sai lệch vòng ngoài bộ điều khiển áp tăng tín hiệu đặt cho bộ điều khiển dòng của vòng trong, dòng áp tải tăng cho tới khi bộ điều khiển áp bão hòa. Hệ thống sẽ làm việc trên đặc tính hạn dòng I=Igh vì tín hiệu đặt của bộ điều khiển dòng không thay đổi. Vậy bộ nguồn DC bình thường giữ điện áp ra ở giá trị làm việc U=Ulv và hạn chế dòng I=Igh khi bị quá tải. Đó chính là tính ưu việt hơn của bộ điều khiển có phản hồi(bộ điều khiển kín). 244 5.7.2. Ứng dụng Điều khiển áp Điều khiển dòng Đến mạch tạo xung kích R1 SCR1 D3 Rtai R11 R10 D2 D1 SCR2 Vcc C3 R9C2R8 R7 U3U2 R6 U1 C1 1uF R5 R4 S1 Run/stop Hình 5.60: Mạch điều khiển chỉnh lưu có phản hồi Đây là sơ đồ mạch điều khiển vòng kín có thể dùng cho bộ nguồn một chiều với các tải khác nhau khi thay thế điện áp phản hồi Ufh= ngõ ra cần điều khiển. Các mắt lọc hình T ở các đường phản hồi giúp làm phẳng các nhấp nhô dòng và áp trên tải. Nếu ta dung mạch tạo xung kích SCR với đồng bộ bằng xung răng cưa có góc điều khiển  = 0 khi Uđk = 0, giữa bộ hiệu chỉnh và mạch phát xung cần có bộ dời mức sao cho Uđk = 0 tương ứng với ngõ ra bộ hiệu chỉnh dòng là cực đại. 245 Câu hỏi ôn tập chương 5 1. Nêu các yêu cầu cơ bản, nguyên lý điều khiển đối với hệ thống điều khiển các bộ biến đổi. 2. Trình bày sơ đồ khối, nhiệm vụ các khối và nguyên lý điều khiển của hệ thống điều khiển các bộ biến đổi phụ thuộc. 3. Vẽ và phân tích nguyên lý làm việc mạch tạo tín hiệu đồng bộ dùng Opam. 4. Vẽ và phân tích nguyên lý làm việc mạch tạo xung tam giác dùng Opam. 5. Vẽ và phân tích nguyên lý làm việc mạch đồng bộ hóa và tạo xung răng cưa. 6. Trình bày sơ đồ khối, nhiệm vụ các khối và nguyên lý điều khiển của hệ thống điều khiển bộ biến đổi xung áp một chiều. 7. Trình bày cấu trúc của hệ thống điều khiển nghịch lưu. Nêu nhiệm vụ và nguyên lý làm việc của từng khối. 8. Vẽ và phân tích nguyên lý làm việc mạch điều khiển nghịch lưu dòng ba pha dùng Flip-Flop JK. 9. Trình bày nguyên lý và sơ đồ cấu trúc điều khiển nghịch lưu áp 1 pha. 10. Nêu một số phương pháp điều khiển nghịch lưu áp 3 pha. Trình bày nguyên lý và sơ đồ cấu trúc điều khiển nghịch lưu áp 3 pha theo phương pháp PMW. 11. Trình bày nguyên tắc điều khiển số các bộ biến đổi theo phương pháp dịch pha. 12. Trình bày nguyên tắc điều khiển số các bộ biến đổi theo phương pháp điều khiển dọc. 13. Phân tích nguyên lý làm việc và vẽ dạng sóng tại A,B,C,D,E,F mạch điều khiển đã học. vi sTÀI LIỆU THAM KHẢO + Gi¸o tr×nh, tµi liÖu chÝnh: [1]. Vâ Minh ChÝnh (chñ biªn) - §iÖn tö c«ng suÊt – NXB KHKT n¨m 2007. [2]. NguyÔn BÝnh - §iÖn tö c«ng suÊt - NXB KHKT n¨m 2002. + Tµi liÖu tham kh¶o: [3]. Ph¹m Quèc H¶i - Ph©n tÝch vµ gi¶i m¹ch §TCS - NXB KHKT n¨m 2003. [4]. NguyÔn V¨n Nhê - §iÖn tö c«ng suÊt 1 – NXB §¹i häc quèc gia TP HCM [5]. TrÇn Träng Minh - Gi¸o tr×nh §iÖn tö c«ng suÊt - NXB KHKT n¨m 2002. [6]. NguyÔn ThuÊn - §iÖn tö c«ng suÊt - HVKTQS n¨m 2005.