(NB) Giáo trình Điện tử công suất với mục tiêu giúp các bạn có thể phân tích và tính toán được các mạch điều khiển công suất như: chỉnh lưu, biến đổi AC, biến đổi DC và nghịch lưu; lắp ráp được các mạch chỉnh lưu và mạch ứng dụng kỹ thuật chỉnh lưu vào thực tế hoạt động tốt theo yêu cầu;... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 2 giáo trình sau đây.
Bài Bộ biến đổi điện áp chiều Mục tiêu - Trình bày nhiệm vụ chức khối biến đổi, nguyên lý làm việc mạch điện - Lắp ráp biến đổi DC – DC không cách ly, ổn áp tuyến tính - Có ý thức trách nhiệm, chủ động học tập 4.1 Khái quát chung Các biến đổi xung áp chiều (XADC) dùng cho biến đổi mức điện áp chiều Nguyên lý biến đổi xung áp dùng khóa điện tử nối tải vào nguồn khoảng thời gian định tx lặp lại theo chu kỳ T Điện áp thay đổi nhờ thay đổi tx = – T Ưu điểm biến đổi xung áp chiều với tần số đóng cắt cao, từ vài kHz đến vài trăm kHz, phụ thuộc vào loại van sử dụng, kích thước phần tử phản kháng tụ điện, điện cảm nhỏ Phần tử khóa XADC tiristor van điều khiển hoàn toàn Nếu dùng tiristo phải có thêm mạch khóa cưỡng làm phức tạp thêm sơ đồ tăng tổn hao trình hoạt động Cơng nghệ đại sản xuất van điều khiển hoàn toàn GTO, IGBT, MOSFET thay hồn tồn tiristo dải công suất biến đổi xung áp Chính ta cần xét đến biến đổi xung áp dùng van biến đổi hồn tồn Tùy theo vị trí phần tử khóa sơ đồ mà XADC phân loại thành: - XADC nối tiếp - XADC song song - XADC nối tiếp, song song XADC sử dụng cần để điều chỉnh điện áp chiều đập mạch đầu ra, ứng dụng điều khiển động chiều hay nạp ắc quy, tạm gọi XADC điều chỉnh Trong loạt ứng dụng quan trọng, XADC sử dụng biến đổi DC-DC, với yêu cầu điện áp đầu phẳng hồn tồn Có thể gọi XADC làm việc biến đổi nguồn Đặc trưng sơ đồ phía chiều đầu có mắc tụ san bằng, có giá trị đủ lớn, coi điện áp đầu không đổi thay đổi chậm 93 4.2 Mạch giảm áp – mắc nối tiếp * Nguyên lý làm việc - Nhịp S: uZ = U iZ = iS: tăng theo đường cong hàm mũ giá trị (U – Eư )/R Hình 4.1: Mạch giảm áp – mắc nối tiếp Năng lượng từ nguồn U, phần tích lũy vào cuộn L, phần lớn nạp cho Eư, phần lại tiêu tốn R Nhịp S kéo dài khoản thời gian T1 Kết thúc tín hiệu “cắt” đưa vào khóa S - Nhịp V0: uZ = iZ = iV0: giảm theo đường cong hàm mũ giá trị -Eư /R Năng lượng trước tích lũy cuộn L giải phóng, phần lớn nạp cho Eư, phần lại tiêu tốn R Nhịp V kéo dài khoản thời gian T2 Kết thúc tín hiệu “đóng” đưa vào khóa S Giá trị trung bình điện áp tải 4.3 Mạch tăng áp – mắc song song * Nguyên lý làm việc - Nhịp S: uZ = iZ = iS; tăng theo đường cong hàm mũ, giá trị Eư/R 94 Hình 4.2: Mạch tăng áp – mắc song song Năng lượng từ nguồn Eư tích lũy phần lớn vào cuộn L, phần lại tiêu tốn điện trở R Nhịp S kéo dài khoảng thời gian T1 Nhịp kết thúc tín hiệu “cắt” đưa vào S - Nhịp V0: uZ = U iZ = iV0; giảm theo đường cong hàm mũ, giá trị (Eư –U)/R < Năng lượng từ nguồn Eưcùng với lượng tích lũy cuộn L nhịp trước, tiêu tốn phần điện trở R, phần lớn lại trả nguồn U Nhịp V0 kéo dài khoảng thời gian T2 Nhịp kết thúc tín hiệu “đóng” đưa vào S Giá trị trung bình điện áp tải 4.4 Bộ ổn áp 4.4.1 Định nghĩa Ổn áp mạch thiết lập nguồn cung cấp điện áp ổn định cho mạch điện thiết bị theo yêu cầu thiết kế mạch điện, từ nguồn cung cấp ban đầu 4.4.2 Phân loại Tuỳ theo nhu cầu điện áp, dòng điện tiêu thụ, độ ổn định mà kỹ thuật người ta phân chia mạch ổn áp thành hai nhóm gồm ổn áp xoay chiều ổn áp chiều Ổn áp xoay chiều dùng để ổn áp nguồn điện từ lưới điện trước đưa vào mạng cục hay thiết bị điện Ngày với tốc độ phát triển kỹ thuật người ta có loại ổn áp như: ổn áp bù từ, ổn áp dùng mạch điện tử tương tự, ổn áp dùng kỹ thuật số 95 Ổn áp chiều dùng để ổn định điện áp cung cấp bên thiết bị, mạch điện thiết bị theo khu vực, mạch điện tuỳ theo yêu cầu ổn định mạch điện Người ta chia mạch ổn áp chiều thành hai nhóm lớn ổn áp tuyến tính ổn áp khơng tuyến tính (còn gọi ổn áp xung) Việc thiết kế mạch điện đa dạng phức tạp, từ ổn áp dùng điôt zêne, ổn áp dùng tranzito, ổn áp dùng IC Trong mạch ổn áp dùng tranzito thơng dụng việc cấp điện áp thấp, dòng tiêu thụ nhỏ cho thiết bị mạch điện có cơng suất tiêu thụ thấp 4.4.3 Thông số mạch ổn áp - Điện áp cung cấp: điện áp ngõ mạch ổn áp dùng để cung cấp cho mạch điện định cấu tạo thiết kế mạch Tính vơn - Sai số ngõ cho phép: phạm vi sai lệch điện áp cho phép trình thiết kế mà mạch điện, thiết bị hoạt động ổn định tốt, tính tỷ lệ %, thông thường tỷ lệ nhỏ độ ổn định làm việc tốt Trong thiết bị điện tử thông thường sai số thường chọn nằm 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, xác - Dịng chịu tải: dịng điện mà hệ thống ổn áp cung cấp cho mạch điện mà không ảnh hưởng đến thông số khác hệ thống ổn áp thời gian làm việc lâu dài Tuỳ vào thiết kế mà dịng chịu tải tính Amp hay mA - Công suất nguồn khả cung cấp nguồn cho tải hệ thống ổn áp, tính W hay kW 4.4.4 Các mạch ổn áp a Mạch ổn áp dùng Tranzito Mạch lợi dụng tính ổn áp điơt zêne điện áp phân cực thuận tranzito để thiết lập mạch ổn áp (Hình 4.3) Q Tranzito ỉn ¸p Rb + ZENER + Vi:Điện áp ngõ vào Tụ lọc ngõ Vo: Điện áp ngõ tụ lọc ổn định Hỡnh 4.3: Mạch ổn áp tham số dùng tranzito NPN 96 Q: tranzito ổn áp Rb: điện áp phân cực B cho tranzito điôt zêne Ở mạch cực B tranzito giữ mức điện áp ổn định nhờ điôt zêne điện áp ngõ điện áp điện áp zêne điện áp phân cực thuận tranzito Vo Vz Vbe Vz: điện áp zêne Vbe: điện áp phân cực thuận tranzito (0,5 – 0,7v) Điện áp cung cấp cho mạch lấy cực E tranzito, tuỳ vào nhu cầu mạch điện mà mạch thiết kế có dịng cung cấp từ vài mA đến hàng trăm mA, mạch điện có dịng cung cấp lớn thường song song với mạch mắc thêm điện trở Rc khoảng vài chục đến vài trăm Ohm Hình 3.2 gọi trở gánh dịng Việc chọn tranzito chọn tương thích với dòng tiêu thụ mạch điện để tránh dư thừa làm mạch điện cồng kềnh dòng phân cực qua lớn làm cho điện áp phân cực Vbe không ổn định dẫn đến điện áp cung cấp cho tải ổn định Rc Q Tranzito ỉn ¸p Rb + ZENER + Vi:Điện áp ngõ vào Tụ lọc ngõ Vo: Điện áp ngõ tụ lọc ổn định Hỡnh 4.4: Mạch ổn áp tham số dùng tranzito NPN có điện trở gánh dòng Dòng điện cấp cho mạch dòng cực C tranzito nên dòng tải thay đổi dòng cực C thay đổi theo làm dịng cực B khơng thay đổi, nên điện áp không thay đổi (trên thực tế thay đổi khơng đáng kể) dịng tải thay đổi làm cho tải làm việc không ổn định b Mạch ổn áp dùng điơt zener Phần tử mạch điơt zener Mạch điện trình bày Hình 4.5 97 R1 + Vi D1 C1 Vo Hình 4.5: Mạch ổn áp tham số dùng điôt zêner D1: Làm nhiệm vụ ghim mức điện áp Giá trị điện áp cần cung cấp cho mạch lớn ta sử dụng điơt zenner có giá trị điện áp lớn nhiêu vôn C1: Làm nhiệm vụ lọc nguồn cung cấp cho mạch, tránh ảnh hưởng từ nguồn vào mạch ngược lại Trong mạch có tần số làm việc cao, thường người ta mắc thêm 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 điện trở R1 tính theo công thức: Vi Vo R1 = Iz It (4.1) Trong đó: Vi: Là điện áp ngõ vào Vo: Là điện áp ngõ Iz: Là dòng điện qua điốt zenner, đảm bảo cho rơi vào vùng ghim áp, gọi dòng phân cực Dòng phân cực tuỳ thuộc vào cấu tạo điốt, thông thường 10mA, 50mA, 100mA biết xác nhờ bảng tra It: dòng điện qua tải Nguyên lý hoạt động mạch sau: Khi có điện áp ngõ vào cấp cho tải, dòng điện chảy qua điện trở R1, phần điện áp cấp cho tải, phần điện áp cịn lại cấp cho điơt làm dòng phân cực ghim mức điện áp zenner Khi có biến động điện áp nguồn tải phạm vi hẹp, nằm khoảng làm việc điốt zêne, điện áp đầu điốt giữ không đổi, làm cho điện áp ngõ Vo khơng đổi Từ đặc điểm cấu tạo tính chất mạch trên, thực tế ta cần lưu ý: 98 Mạch ổn áp dùng điôt zêne dùng để cấp nguồn cho mạch điện có dịng tiêu thụ nhỏ (khoảng vài chục mA), điện áp thấp (dưới 30 V) Chỉ cung cấp cho mạch điện có độ biến động nhỏ với điện áp ngõ vào ngõ c Mạch ổn áp dùng IC Sự phát triển công nghệ chế tạo linh kiện cho phép tích hợp mạch điện tử thành mạch tổ hợp (IC) công suất lớn Các mạch ổn áp dùng tranzito thay mạch ổn áp dùng IC có chức tương đương mạch dùng Tranzito gọn nhẹ đơn giản Đối với mạch ổn áp công suất nhỏ dùng để cung cấp nguồn điện ổn định cho mạch điều khiển thông thường người ta dùng OP-AMP kết hợp OP-AMP với tranzito Mạch ổn áp dương Mạch ổn áp dương sử dụng rộng rãi thị trường ký thuật Tuỳ vào nhu cầu mà người ta dùng loại IC chân hay chân Mạch ổn áp dùng IC thường có ba chân thông thường thuộc họ 78XX Sau mạch điện điển hình (Hình 4.5) Hình 4.5: Mạch nguồn ổn áp dùng 7812 Trong sơ đồ mạch điện dùng IC ổn áp 7812 Điện áp xoay chiều đưa qua biến áp để giảm áp sau nắn lọc thành điện áp chiều khoảng từ 15 đến 25 vôn DC đặt vào ngõ vào (input) IC, ngõ (output) người ta có điện áp ổn định 12 vơn DC Họ 78XX có ưu điểm gọn, thiết kế mạch đơn giản dòng điện cung cấp điện áp làm việc không lớn, điện áp cố định cho loại IC Trên thực tế để tiện việc sử dụng nhà sản xuất chế tạo ba loại họ 78XX có dịng cung cấp khác 100 mA có kích thước tranzito C1815, 500mA có kích thước lớn 1A Hình 4.5 Điện áp lớn 99 thị trường Là 7824 Để đảm bảo tầm làm việc IC điện áp ngõ vào (input) chọn lớn điện áp ngõ (ouput) khoảng 20% đến 100% Họ 78XX thực tế gắp loại bốn chân có thêm chân điều khiển (Control) có cơng dụng để tắt mở nguồn cung cấp cho mạch điện Ngồi họ 78XX có điện áp ngõ cố định IC LM317 ba chân cho điện áp điều chỉnh Hình 4.6 O a Cau chi o CAU Ngõ vào o O Biến áp C1 C2 P1 5k 50V 2000uF 2000uF 50V + b + + 220 VAC Tõ +1,2V ®Õn +37V O Ngâ R1 Điện áp đ-ợc 220 ôm C3 điều chỉnh LM 317 0,1uF 50V O Hình 4.6: Mạch ổn áp điều chỉnh dùng IC LM317 Mạch điện cho điện ỏp ổn định điều chỉnh từ 1,2V đến 37V Mạch sử dụng IC LM317T để điện ỏp ngừ cú thể điều chỉnh cỏch sử dụng biến trở P1 Cỏc tụ C1 C2 làm nhiệm vụ lọc nhiễu nguồn Tụ C3 cú chức lọc tần số cao Mạch ổn áp âm Mạch ổn áp âm, mạch tạo nguồn âm cung cấp cho mạch điện Tương tự ổn áp dương, mạch ổn áp âm có hai loại: Loại cho nguồn cố định họ 79XX họ điều chỉnh LM337 Khác mạch ổn áp dương, mạch ổn áp âm có vị trí chân vào (input) (ouput) khơng giống họ 78XX, điện áp ngõ vào có giá trị âm Tương tự nguồn dương, nguồn âm thiết kế nguồn âm điều chỉnh dùng IC LM337 4.5 Các phương pháp điều khiển biến đổi điện áp chiều 4.5.1 Điều khiển với tần số đóng ngắt khơng đổi a Ngun lý hoạt động Chu kỳ đóng ngắt T = T1 + T2 khơng thay đổi Điện áp trung bình tải điều khiển thơng qua phân bố khoảng thời gian đóng T1 100 ngát công tác T2 chu kỳ T Đại lượng đặc trưng khả phân bố tỉ số: ᵞ = T1 / T Kỹ thuật điều khiển ᵞ thực dựa vào hai tín hiệu bản: sóng mang dạng cưa up sóng điều khiển chiều uđk Hai dạng sóng đưa vào so sánh tín hiệu đầu dùng để kích đóng cơng tắc S Sóng mang có tần số khơng đổi tần số đóng cắt ccong tắc S Tần số thành phần xoay chiều hài điện áp tải tần số cố định Do đó, sóng điện áp tạo thành dễ lọc Sóng điều khiển chiều có độ lớn tỉ lệ với điện áp trung bình tải Phương pháp điều khiển với tần số sóng mang không đổi thường sử dụng thực tiễn 3.1.2 Điều khiển hoạt động mạch điện áp chiều theo tần số đóng ngắt khơng đổi * Thiết bị dụng cụ chuẩn bị - Máy đo VOM DVOM - Máy sóng kênh 40MHz - Linh kiện điện tử rời phục vụ cho - Mạch in thiết kế sơ đồ sẵn - Linh kiện làm tải giả cho mạch - Chì hàn, nhựa thơng - Dây có chốt cắm đầu * Qui trình thực + Lắp ráp mạch theo sơ đồ hình cho trước: + Cấp nguồn cho mạch, cấp nguồn cho điện áp kích + Thay đổi sóng điều khiển Đo điện áp đầu vào/ đầu ra, đo dạng điện áp vào / mạch Nhận xét + Tự thiết kế mạch theo yêu cầu cho trước giá trị điện áp đầu dòng tiêu thụ tải + Kết luận hoạt động mạch Báo cáo thí nghiệm 101 Sinh viên cần hồn thành u cầu sau: -Trình bày q trình thí nghiệm theo trình tự hướng dẫn - Ghi kết thí nghiệm vào báo cáo - Giải thích kết thu - Nhận xét, đánh giá so sánh kết 4.5.2 Điều khiển theo dòng điện tải yêu cầu a Nguyên lý hoạt động Trong trường hợp tải động chiều, việc điều khiển mômen động thơng qua điều khiển dịng điện (tỉ lệ với mơmen) Để hiệu chỉnh dòng điện phạm vi cho phép ta sử dụng phương pháp điều khiển dịng điện Theo đó, cơng tắc S đóng ngắt cho dòng điện tải đo dòng điện yêu cầu có giá trị Kỹ thuật điều khiển theo dòng điện giải nghịch lưu áp Có hai loại cấu trúc mạch điều khiển dịng điện, là: - Cấu trúc mạch điều khiển dòng điện sử dụng khâu hiệu chỉnh dòng điện R - Cấu trúc mạch điều khiển dòng điện sử dụng phần tử phi tuyến dạng mạch trễ b Điều khiển hoạt động mạch điện áp chiều theo dòng điện tải yêu cầu * Thiết bị dụng cụ chuẩn bị - Máy đo VOM DVOM - Máy sóng kênh 40MHz - Linh kiện điện tử rời phục vụ cho - Mạch in thiết kế sơ đồ sẵn - Dây nối mạch điện - Chì hàn, nhựa thơng - Dây có chốt cắm đầu * Qui trình thực + Lắp ráp mạch theo sơ đồ hình cho trước: + Cấp nguồn cho mạch, cấp nguồn cho điện áp kích + Thay dịng điện Đo điện áp đầu vào/ đầu ra, đo dạng điện áp vào / mạch Nhận xét 102 - Giả sử ban đầu T1 dẫn điện cho dòng qua tải từ dưong nguồn qua T1 qua pha a pha c T2và âm nguồn Các tụ C1, C5 nạp với cực tính Hình vẽ ,tụ C3 chưa nạp , tương tự tụ C6 C2 nạp với cực tính Hình vẽ, tụ C4 chưa nạp - Trong trình làm việc dây quấn pha động điện xuất s.đ.đ ua= U2sin t 2 ub= 2` U2sin( t ) 4 uc= U2sin( + ) -Quá trình chuyển mạch cầu biến tần trình chuyển mạch pha Xét trình chuyển mạch từ T1 đến T3 Giả sử thời điểm xét dòng điện từ T1, D1 qua pha a qua dây quấn pha ac động qua T2, D2 nguồn t≥0 t>1 L ud L Id ud Id T1 T3 uC1 uC3 C1 C3 + - C5 + - D1 uC5 u13 u21 D3 C4 D4 C6 D6 u32 D5 T5 T4 C2 + - T6 + - D2 U V T2 T1 C1 T3 C3 C5 + - + - + - D1 D4 C4 D3 D6 C6 D5 T5 W U T4 + - C2 + - D2 V T6 T2 W t>2 t>3 L ud L Id ud Id T3 T5 C1 C3 + - T1 + - C5 D1 D4 D3 D6 D5 U D2 V C4 T4 C6 + - C2 + - T6 T2 T1 C1 T3 C3 T5 W + - C5 + - D1 D4 C4 D3 D6 C6 D5 U 112 D2 V W T4 + - C2 + - T6 T2 C1 T3 C3 + - T1 C5 + - T5 D1 uVU = u21 D3 D6 D5 D2 U V iT1,T3 W t1 Xs uU uV CT3 CT1 t0 uW t = t1-t0 Maschine Hình 6.4: Quá trình chuyển mạch cầu biến tần - Tại thời điểm t= cho xung điều khiển vào T3, T3 dẫn tụ C1 phóng điện qua T3 làm cho T1 khố lại Lúc dòng tải chuyển từ T1đến T3 , thời điểm t dịng tải có - Ở giai đoạn t > dòng tải pha a đựơc trì, điện áp tụ tạo nên điện áp ngược D3 D3 làm việc Vì chưa có dịng tải qua pha b Tại thời điểm tụ C1 C3 nạp với cực tính Hình vẽ Và C5 phóng hết hay điện áp D3 phân cực thuận trở lại ban đầu dẫn dòng, giai đoạn tụ tiếp tục phóng nạp ngược đầy Khi dịng tải pha a q trình chuyển mạch từ pha a qua pha b coi kết thúc Các tụ C1, C3, C5 phóng nạp tạo nên tụ có điện dung tương đương : Ctđ = C - Khi trình chuyển mạch kết thúc, tụ nạp để chuẩn bị cho trình chuyển mạch T3 vàT5 T2 T4 Đồ thị chuyển mạch dòng điện - Khoảng thời gian t = t1-t0 thời gian cần thiết để khoá T1 6.3 Biến tần trực tiếp a Sơ đồ nguyên lý UI G1 , Z G2 , iz Hình 6.5 Sơ ngun lý biến tần trực tiếp 113 Bộ biền tần gồm hai chỉnh lưu nối song song ngược Các chỉnh lưu sơ đồ pha có điểm trung tính, sơ đồ cầu chỉnh lưu nhiều pha Số pha chỉnh lưu (m) lớn thành phần sóng điều hồ bậc cao giảm Nguyên lý làm việc biến tần sau: Để đơn giản, giả thiết tải trở, van lý tưởng Điện áp tải (u2) gồm hai nửa sóng dương âm Nửa sóng dương tạo nhóm van I làm việc (T1, T2, T3), cịn nửa sóng âm tạo nhóm van II (T4, T5, T6) làm việc Lần lượt đóng mở nhóm van I II, ta tạo tải điện áp xoay chiều có giá trị: 2U pha sin u2 m1 cos m m1- số pha điện áp lưới; - góc điều khiển chỉnh lưu Theo Hình vẽ ta có : 1 n T2 T1 T n T1 2 m1 m1 n = 0, 1, 2, 3,… Tần số điện áp (f2) thấp tần số lưới Từ suy : f2 f1m1 2n m1 Để điều chỉnh f2 , cần tạo thời gian trễ hai chỉnh lưu (góc ) tần số : f2 f1m1 2n m1 m1 Khi biến tần làm việc với tải trở cảm động điện, lượng tích luỹ tải trả lưới Lúc chỉnh lưu làm việc chế độ nghịch lưu phụ thuộc Nhóm I làm việc chế độ nghịch lưu điện áp tải mang dấu âm nhóm II chế độ nghịch lưu điện áp tải mang dấu dương Nếu chỉnh lưu mắc theo sơ đồ cầu điện áp tải lớn gấp lần so với sơ đồ pha có điểm trung tính: 2U pha sin U2 m1 m1 114 Xung điều khiển nhóm van lệch góc /m1 Các biến tần có hiệu suất thấp (vì điều chỉnh ) dịng điện áp có chứa nhiều thành phần sóng điều hồ bậc cao Để loại thành phần bậc cao cần dùng lọc Nếu thay đổi góc nhóm chỉnh lưu I II theo quy luật điện áp thay đổi theo luật Để đảm bảo điện áp gần sin góc điều khiển (chế độ chỉnh lưu) (chế độ nghịch lưu) cần thay đổi theo luật sau: = arccos (Asin 2) A U 2m U 2m0 U2m – giá trị biên độ điện áp tải; U2m0 – giá trị biên độ điện áp tải ứng với trạng thái mở Thyristor ( = 0); A = luật điều chỉnh , tuyến tính Với luật điều khiển m1 tỷ số f1/f2 đủ lớn, điện áp U2( 2t) = U1m sin m1 sin 2t m1 tải có dạng hình sin : Đường cong điện áp có thêm phần sóng điều hoà với tần số f2 Các biến tần trực tiếp có tàn số nhỏ tần số vào (f2