GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẠC ACQUY VÀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC BUCK
GIỚI THIỆU
1 Cấu tạo Ácquy được cấu tạo bởi 2 hay nhiều các ngăn acquy nhỏ được ghép lại với nhau, các ngăn này chuyển hóa năng thành điện năng Một ngăn gồm 2 bản cực, cực dương và cưc âm được nhúng một dung dịch điện phân nên sẽ có sự tác dụng giữa các bản cực với dung dich điện phân và sinh ra dòng điện một chiều Trong trường hợp các acquy có thể sạc, các phản ứng hóa học diễn ra ngược lại bằng cách cho dòng điện vào acquy.
Accquy chì acid là loại acquy phổ biến nhất.
2.Các thông số acquy Điện áp:
Mỗi ngăn acquy có một điện áp nhỏ, các ngăn sẽ được nối nối tiếp với nhau để đưa ra được một điện áp yêu cầu acquy trên xe hơi thường là 6V hoặc 12V nên các ngăn được nối với nhau để tạo ra điện áp như trên Khi dòng điện được đưa ra, điện áp sẽ giảm xuống, khi acquy được sạc điện áp lại tăng lên.
Hình 1 1 Mạch tương đương của ắc quy
Acquy có một suất điện động E được cho là không đổi, nhưng điện áp trên 2 bản cực là một giá trị khác V do điện trở trong của acquy Phụ thuộc vào dòng điện I chảy ra 2 bản cực acquy. Điện áp trên 2 bản cực của acquy có thể tính như sau:
Nếu như dòng điện I = 0, thì điện áp trên hai bản cực coi như bằng E do đó E được coi là điện áp hở mạch Khi acquy được sạc thì điện áp sạc sẽ bị tăng lên bới IR.
Vì vậy điện trở trong của acquy càng nhỏ càng tốt.
Trong thực tế E không phải là một hằng số Điện áp bị ảnh hưởng bởi trạng thái sạc và nhiều nhân tố khác như nhiệt độ.
Khả năng tích điện. Điện tích mà một acquy có thể cung cấp là một thống số quyết đinh Đơn vị trong hệ SI là coulomb, là số điện tích khi một amp chảy qua trong một giây Tuy nhiên đây là một đơn vị nhỏ Do đó amphour được sử dụng: 1Ampe chảy qua trong một giờ VD: dung lượng của một acquy là 10Amphours nghĩa là nó có thể cung cấp dòng 1Ampe trong 10 giờ, hay là 2Ampe trong 5 giờ, 10Ampe trong 1 giờ.
Nhưng thực tế theo như thông số là 10Amphours, nếu như 10Ampe được lấy ra thì khả năng phóng của acquy sẽ không quá 1 giờ.
Một ví dụ khác với một acquy 100Amphour Dung lượng sẽ bị ảnh hưởng khi điện tích được lấy ra nhanh hay chậm Khi phóng điện hết trong 1 giờ thì dung lượng giảm xuống chỉ còn khoảng 70Amphours Mặt khác nếu phóng điện càng lâu (khoảng
20 giờ) thì dung lượng lại lên tới 110Amphours Hiện tương này xảy ra bởi nhưng phản ứng không mong muốn trong các ngăn acquy Hiện tượng đễ nhận thấy nhất trong acquy chì axit, nhưng nó cũng xảy ra với tất cả các loại acquy.
Hiệu suất của năng lượng. Đây là tỷ lệ giữa năng lượng mà một acquy có thể cung cấp cho tải với năng lượng cần thiết mà acquy nạp vào trước khi phóng điện.
Tỷ lệ tự phóng điện.
Hầu hết các loại acquy khi không sử dụng đều bị xảy ra hiện tượng này, điều này cho thấy acquy không thể để không trong một thời gian dài mà không được nạp, tỷ lệ này phụ thuộc vào loại acquy, nhiệt độ môi trường…
Nhiệt độ khi hoạt động và làm mát.
Nhiều loại acquy có thể hoạt động ngay ở nhiệt độ môi trường, một số hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, cần phải làm nóng lên mới sử dụng được và cần phải làm mát trong khi sử dụng Tuy nhiên, hiệu suất acquy sẽ rất kém khi làm việc ở nhiệt độ thấp Khi chọn acquy phải cân nhắc đến các yếu tố trên.
Tuổi thọ và số lần nạp lại.
Hầu hết acquy chỉ có thể nạp lại khoảng vài tram lần, số lần nạp lại phụ loại acquy, cũng như thiết kế chi tiết, cách sử dụng của acquy, đây là thông quan trọng trong các thông số của acquy.
3.1 Acquy chì axit. Đây là loại acquy được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại xe Ở trong các ngăn của loại acquy này cực âm được cấu tạo từ chì, cực dương làm từ chì oxit, các cực này được ngâm vào trong một dung dịch điện phân loãng của axit sunfuric Axit sunfuric kết hợp với chì, chì oxit, sinh ra chì sunfat và nước, năng lượng sẽ được sinh ra trong suốt quá trình này.
Phản ứng trên được mô tả trên hình 1.2.
Hình 1 2 Phản ứng trên mỗi cực ắc quy
Phần trên của hình vẽ diễn tả quá trình phóng điện của acquy, cả 2 bản cực đều hình thành chì sunfat, dung dịch axit sunfuric bị loãng dần,
Khi nạp điện, 2 bản cực trở lại thành chì và chì oxit, dung dịch điện phân tăng trở lại tính axit.
Acquy chì axit này được sử dụng rất rông rãi, hoạt động tin cậy, các thành phần cấu tạo rẻ, và điện áp khoảng 2V cho mỗi ngăn.
- Đặc trưng riêng của acquy chì axit.
Các phản ưng trong acquy không chỉ diễn ra như trên hình vẽ, các cực của acquy đều tác dụng với axit sunfuric mặc dù diễn ra rất chậm như sau: ở cực dương: 2PbO 2 + 2H 2 SO 4 2PbSO 4 + 2H 2 O+ O 2 ở cực âm : Pb + H 2 SO 4 PbSO 4 + H 2 Đây là quá trình tự phóng của acquy, tốc độ diễn ra phụ thuộc vào nhiêt độ của acquy, nhiệt độ càng cao diên ra càng nhanh, sự nguyên chất của các linh kiện, Mặt khác, sau khi đã sạc đầy nêu ta tiếp tục sạc tiếp khi đó không còn chì sunfat để nhận các electron sẽ sinh ra H 2 và O 2 Làm dung dịch trong acquy bị cạn dần.
Acquy này sử dụng điện cực bằng nikel được phát triển từ công trình nghiên cứu của Edison vào cuối thế kỷ 19 Các loại acquy này được làm từ kim loai nickel, nickel – kẽm, nickel-cadimi.
Acquy nicken-cadimi. Đây là loại acquy coi là phổ biền ngang với acquy chì, nhưng nó có chỉ số năng lượng riêng gấp đôi acquy chì.
Acquy nicken-cadimi sử dụng nicken oxyhidroxide để làm cực dương và cadimi làm cực âm, năng lượng điện thu được qua phản ứng sau:
Cd + 2NiOOH + 2H 2 O Cd(OH) 2 + 2Ni(OH) 2
NiCad acquy được ứng dụng khá rộng rãi, có số lần nạp lại khỏang 2500 lần, nhiệt độ hoạt động trong khoảng -40*C đến 80+*C, chỉ số tự phóng thấp, khả năng lưu trữ năng lượng dài, có thể sạc đầy trong vòng 1 giờ, và đến 60% trong 20 phút.
CÔNG NGHỆ SẠC ẮC QUY
Phóng điện có thể tiến hành vào bất kỳ thời điểm nào và bất kỳ dòng điện nào nhỏ hơn trị số ghi trong bảng chỉ dẫn của nhà chế tạo.
Khi phóng diện bằng chế độ 3 giờ hoặc dài hơn, có thể phóng liên tục cho đến khi điện thế ở mỗi ngăn giảm xuống đến 1,8V Khi phóng với chế độ 1,2 giờ, thì ngừng phóng khi điện thế ở mỗi ngăn xuống đến 1,75V.
Khi phóng với dòng điện nhỏ thì không xác định việc kết thúc phóng theo điện thế Trong trường hợp này, việc kết thúc phóng được xác định theo tỷ trọng chất điện phân Việc phóng được kết thúc khi tỷ trọng giảm đi từ 0,03 đến 0,06 g/cm 3 so với tỷ trọng ban đầu (nhưng cũng không được để điện thế mỗi ngăn giảm xuống thấp hơn 1,75V).
Việc nạp ắc quy lần sau được tiến hành sau khi phóng thử dung lượng ắc quy nhưng không được quá 12 giờ tính từ lúc ngừng phóng.
Tuỳ theo phương pháp vận hành ắc quy, thiết bị nạp và thời gian cho phép nạp, phương pháp nạp, việc nạp có thể được thực hiện theo các cách như sau:
• Nạp với dòng điện không đổi.
• Nạp với dòng điện giảm dần.
• Nạp với điện thế không đổi.
• Nạp thay đổi với điện thế không đổi.
1.2.1 Nạp với dòng điện không đổi.
Việc nạp có thể tiến hành theo kiểu 1 bước hoặc 2 bước Nạp kiểu 1 bước: Để dòng nạp không vượt quá 12 % của dung lượng phóng mức 10 giờ tức là 0,12
Bước 1: Để dòng điện nạp bằng dòng điện định mức của thiết bị nạp nhưng không vượt quá 0,25 C10 Khi điện thế tăng lên đến 2,3 – 2,4V thì chuyển sang bước 2.
Bước 2: Để dòng điện nạp không vượt quá 0,12C 10 Đến cuối thời gian nạp, điện thế ắc quy đạt đến 2,6 – 2,8V Tỷ trọng ắc quy tăng lên đến 1,200 – 1,210 g/cm 3 , giữa các bản cực ắc quy quá trình bốc khí xảy ra mãnh liệt Việc nạp được coi là kết thúc khi điện thế và tỷ trọng của ắc quy ngừng tăng lên trong khoảng 1 giờ và ắc quy sau khi nghỉ nạp 1 giờ khi nạp lại sẽ sôi ngay tức thì.
Thời gian nạp đối với ắc quy đã được phóng hoàn toàn theo kiểu nạp 1 bước với dòng 0,12C 10 mất khoảng 12 giờ, còn nạp 2 bước với dòng 0,25C 10 và 0,12C 10 mất
18 khoảng 7 – 8 giờ Ở các giá trị mà dòng điện nạp bé hơn thì thời gian nạp phải tăng lên tương ứng.
1.2.2 Nạp với dòng điện giảm dần.
Tiến hành nạp giống như phần trên, nhưng với dòng điện giảm dần, ban đầu 0,25C10 và sau đó 0,12C10 Ở giá trị dòng nạp nhỏ: thời gian tương ứng được tăng lên Dấu hiệu kết thúc nạp cũng giống như trưòng hợp nạp với dòng điện không đổi.
1.2.3 Nạp với điện thế không đổi.
Nạp với điện thế không đổi được tiến hành với thiết bị nạp làm việc ở chế độ ổn áp Điện thế được chọn trong giới hạn từ 2,2 – 2,35V đối với ắc quy chì axít và được duy trì ổn định trong suốt quá trình nạp Thời gian nạp vài ngày đêm Trong 10 giờ nạp đầu tiên, ắc quy có thể nhận được tới 80% dung lượng bị mất khi phóng Khi tỷ trọng chất điện phân giữ nguyên trong 10 giờ thì có thể kết thúc việc nạp.
2 Nạp ở chế độ ổn dòng và ổn áp.
Việc nạp được tiến hành theo 2 bước:
Bước 1: Dòng điện nạp được hạn chế ở 0,25C 10 , còn điện thế thay đổi tăng tự do. Cho đến khi điện thế ắc quy tăng lên đến 2,2 – 2,35V thì chuyển sang bước 2.
Bước 2: Nạp với điện thế không đổi Việc nạp này được tự động hoá bằng thiết bị nạp có ổn định điện thế và giới hạn dòng điện.
3 Các chế độ vận hành.
4 Chế độ nạp thường xuyên. Đối với các loại bình ắc quy tĩnh, việc vận hành ắc quy được tiến hành theo chế độ phụ nạp thường xuyên Ắc quy được đấu vào thanh cái một chiều song song với thiết bị nạp Nhờ vậy, tuổi thọ và độ tin cậy của ắc quy tăng lên và chi phí bảo dưỡng cũng được giảm xuống. Để bảo đảm chất lượng ắc quy, trước khi đưa vào chế độ phụ nạp thường xuyên phải phóng nạp tập dượt 4 lần Trong quá trình vận hành ắc quy ở chế độ phụ nạp thường xuyên, ắc quy không cần phóng nạp tập dượt cũng như nạp lại Trường hợp sau một thời gian dài làm việc ở chế độ phụ nạp thường xuyên mà thấy chất lượng ắc quy bị giảm thì phải thực hiện việc phóng nạp đột xuất. Ở chế độ phụ nạp thường xuyên, cần duy trì điện thế trên mỗi bình ắc quy là 2,2 ± 0,05V để bù trừ sự tự phóng và duy trì ắc quy ở trạng thái luôn được nạp đầy. Dòng điện phụ nạp thông thường được duy trì bằng 50 – 100 mA cho mỗi 100 Ah. Ở chế độ phụ nạp này, điện thế trên ắc quy phải được duy trì tự động trong khoảng ±2
Việc phóng thử dung lượng thực tế của ắc quy được tiến hành 1 – 2 năm 1 lần hoặc khi có nghi ngờ dung lượng ắc quy kém Dòng điện phóng được giới hạn ở chế độ mức 3 đến 10 giờ Để đánh giá chính xác dung lượng phóng của ắc quy, nên tiến hành ở cùng 1 chế độ phóng như nhau trong nhiều lần phóng.
Dung lượng quy đổi được tính theo công thức: C 20 = C t / (1+0,008 (t - 20 ) ) Với
C 20 là dung lượng ở 20 0 C, C t là dung lượng ở t 0 C.
5 Chế độ phóng nạp xen kẽ. Ắc quy làm việc ở chế độ nạp phóng là ắc quy thường xuyên phóng vào 1 phụ tải nào đó sau khi đã ngưng nạp Sau khi đã phóng đến 1 giá trị nào đó thì phải nạp trở lại.
Trường hợp sử dụng ắc quy không nhiều thì mỗi tháng phải tiến hành phụ nạp với dòng điện không đổi là 0,1 C10 Việc xác định tiến trình nạp được kết thúc dựa theo các điều ghi ở phần trên Việc nạp lại nhằm loại trừ việc sun phát hóa ở các bản cực Việc nạp lại tiến hành 3 tháng một lần, hoặc khi ắc quy bị phóng với một dòng phóng lớn hơn dòng phóng cho phép.
III Tổng quan về bộ biến đổi DC-DC Buck
1 Giới thiệu về bộ biến đổi DC-DC buck
Bộ biến đổi DC-DC thuộc nhóm các bộ biến đổi công suất Chúng có thể làm tăng hoặc giảm điện áp đầu ra so với đầu vào vào tùy theo yêu cầu sử dụng Các bộ biến đổi DC-DC thường gặp là các bộ tăng áp, giảm áp và với các yêu cầu cần cách ly hay không cần cách ly với nguồn cấp Với nguồn DC lấy từ ắcquy hoặc từ lưới điện xoay chiều qua máy biến áp, bộ chỉnh lưu, và bộ lọc Để điện áp ra được ổn định hơn, bộ biến đổi có thêm bộ điều chỉnh điện áp Các bộ điều chỉnh này có thể được xây dựng từ các linh kiện, các IC hay các vi điều khiển.
2 Phân loại các bộ biến đổi DC-DC
Một số tiêu chí cơ bản hay được sử dụng để phân loại các bộ biến đổi DC-DC: a Theo mức điện áp ra so với mức điện áp vào
- Bộ biến đổi giảm áp (Buck Converter hoặc Step down converter): Là bộ biến đổi mà giá trị điện áp một chiều ở đầu ra nhỏ hơn giá trị điện áp một chiều ở đầu vào.
- Bộ biến đổi tăng áp (Boost Converter hoặc Step Up Converter): Là bộ biến đổi mà giá trị điện áp một chiều ở đầu ra lớn hơn giá trị điện áp một chiều ở đầu vào b Theo phương pháp chuyển đổi
-Bộ biến đổi dùng tụ điện.
-Bộ biến đổi dùng cuộn cảm.
-Bộ biến đổi kết hợp cả hai phương pháp trên c
Theo sự liên hệ vật lý giữa đầu vào và đầu ra
- Bộ biến đổi không có cách ly (Non-isolating Converter):
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC
Nguyên lý hoạt động
-Trong khoảng thời gian từ 0 đến t 0 khi van dẫn điện, năng lượng của nguồn sẽ được cấp cho phụ tải, nếu coi van là lý tưởng có: Ut=E, vì dòng điện từ nguồn i1 phải đi qua điện cảm L, nên điện cảm này sẽ nạp năng lượng trong giai đoạn van Tr dẫn.
Hình 2 2 Sơ đồ thay thế khi Tr dẫn
Trong khoảng còn lại, từ t 0 đến hết chu kỳ điều khiển, van Tr khóa, điện cảm L phóng năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước, dòng điện qua L vẫn theo chiều cũ và chảy qua van đệm D (dòng i 2 ), lúc này U t = -U d ~ 0.
Hình 2 3 Sơ đồ thay thế khi Tr khóa
Tính chọn các phần tử mạch lực
Với thông số đề bài cho: Điện áp đầu vào (Vin): 17V Điện áp đầu ra (Vout): 12V Dòng điện qua tải (ILoad): 2A Tần số chuyển mạch (Fsw):100kHz
Dòng điện gơn sóng (Iripple): 0.3 xIL Ta có:
Tham số điều chỉnh: Điền thông số điều chỉnh D trên Matlab Simulink:
Hình 2 4 Thông số điều chỉnh D
- Tính toán cuộn cảm L: + Điện áp rơi trên cuộn cảm:
Chọn cuộn cảm cú giỏ trị là: LdàH Điền thông số cuộn cảm L trên Matlab Simulink:
Hình 2 5 Thông số cuộn cảm L
Xét dòng điện qua tụ điện: điện áp bắt đầu nạp ácqui từ �� �� cho đến ��
�� tương ứng với dòng điện trong tụ tang từ 0 lên max và xả về 0
Từ đó ta có phương trình cân bằng tại nút: �� = �� − �0 Tại thời điểm ban đầu t=0,
� = 0 nên: Điện lương nạp vào tụ trong thời gian t: Q(t)=C Vc(t)
→ Chọn tụ lọc đầu ra của mạch buck là: C= 3.45 àF Điền thông số tụ lọc đầu ra trên Matlab Simulink:
Hình 2 6 Thông số tụ lọc đầu ra Điện trở tương đương của mạch: ESR=6Ω Điền thông số điện trở trên Matlab Simulink:
Hình 2 7 Thông số điện trở
Dòng ước định qua điot: �� = (1 − �) �� ả � = (1 − 0.706).2 = 0.588 (�)
→ Ta cần chọn điot có giá trị dòng điện lớn hơn 0.588 (A), điện áp lớn hơn 17V và thỏa mãn tần số 100�ℎ�
→ Chọn điot 1N4001 tra theo thông số datasheet
Do mạch có công suất P$w (loại nhỏ)
→ Chọn Van IGBT có giá trị dòng điện lớn hơn 10A, điện áp lớp hơn 20V va thỏa mãn tần số 100�ℎ�
→ Chọn Van IGBT FB10R06VL4 tra theo thông số datasheet
II Mạch Full brigde (BXMC có đảo chiều bằng phương pháp đối xứng)
Hình 2 8 Sơ đồ nguyên lý mạch MXMC có đảo chiều
- Khi Q2 và Q3 dẫn ta có dòng điện chảy qua Q3 qua sơ cấp máy biến áp (dấu chấm là điểm có điện áp dương hơn điểm không có dấu chấm của máy biến áp), qua Q2 về nguồn ta có.
Dòng điện từ hóa tăng theo luật: Điện áp thứ cấp tăng theo luật:
Dòng điện chảy trong cuộn dây Lo:
- KhiQ1và Q4 dẫn ta có: dòng điện chảy qua Q1, qua máy biến áp (dấu chấm là điểm có điện áp âm hơn sovới điểm không có dấu chấm) qua Q4 về nguồn.
Ta có: Điện áp sơ cấp máy biến áp
Dòng điện từ hóa: Điện áp thứ cấp Điện áp trên cuộn cảm L0
Dòng điện trên cuộn cảm L0
- Khi Q2 và Q3 vừa ngắt khỏi mạch thì dòng điện từ hóa của máy biến áp vẫn tiếp tục chảy theo chiều cũvào làm đảo chiều tất cả điện áp Dòng điện từ hóa chảy D4 qua máy biến áp, qua D1. Điện áp sơ cấp trên MBA bằng 0, thì điện áp trên thứ cấp là.
Do đó làm cả 2 diot D5và D6 dẫn điện áp ở cuộn cảm L0 là:
Do điện ápVS2 rất thấp vì điện áp củanó chính là điện áp rơi trên điện trở thứ cấp chỉ bằng ẵ dũng điện chảy qua cuộn cảm L0.
- Khi Q1và Q4 vừa ngắt khỏi mạch thì dòng điện chạy trong cuộn dây của máy biến áp chạy qua D3 qua Tụ C qua D2 về MBA.
- Kết quả của tích các điện áp sơ cấp trong lúc TON phải bằng tích các điện áp trong lúcTOFF.
- Để đảm bảo 2van cùng một bên nhánh không bao giờ mở cùng một thời điểm thì
TON được giới hạn bởi một tỷ lệ với T.
- Chế độ làm việc lớn nhất được tính bằng công thức.
- Số vòng dây máy biến áp được tính như sau:
- dòng điện hiệu dụng đầu ra máy biến áp.
- Điện áp rơi trên các van khi TON
- Điện áp đặt lên các điốt
2.Tính chọn các phần tử ML
- Dòng điện trung bình đầu ra.
- Dòng điện trung bình đầu vào
- Độ nhấp nhô dòng điện đầu ra ∆� = 0.3 � �� = 0.6�
- Độ nhấp nhô điện áp đầu ra ∆� = 0.3 � ���� = 3.6�
Giá trị cuộn cảm Lo ở đầu ra. Điện trở tương đương của mạch
Giá trị tụ lọc đầu ra.
Giá trị tụ lọc đầu vào với hiệu suất 95%.
Do ta chọn 4 con mosfet có thông số giống hệt nhau nên ta chỉ cần tính toán cho
1 con mosfet là đủ. Điện áp ngược mà Mosfet phải chịu là:
Do đó ta chọn mosfet có các thông số cơ bản như sau:
Do đó ta chọn diode với các thông số cơ bản là:
2.3 Tính toán máy biến áp.
Hầu hết các biến áp xung hiện nay sử dụng lõi ferrite Ferrite là vật liệu gốm sắt từ, cấu trúc của nó gồm hỗn hợp oxit sắt với Mn, kẽm oxit Tổn hao dòng điện xoáy của nó có thể bỏ qua khi điện trở suất rất cao Tổn hao lõi chủ yếu do tổn hao từ trễ nhưng cũng khá thấp Đây là chất liệu có tổn hao lõi là nhỏ ở tần số cao và nhiệt độ cao Yếu tố chính ảnh hưởng đến việc lựa chọn chất liệu là đặc tính tổn hao lõi (thường mW/cm 3 ) đối với tần số và mật độ từ cảm.
Lõi ferrite được sản xuất với kích thước tương đối nhỏ.
Hình dạng lõi khác nhau như: lõi hình chén, lõi RM, EE, PQ, UU, UI,
EI Các dạng lõi khác nhau của biến áp
Cách chọn lõi: kiểu lõi, kích thước lõi được lựa chọn bằng các thông số sau:
Ae diện tích mặt cắt ngang.
B sat mật độ từ thẩm bão hoà Thường chọn là 0,1 ÷ 0,15T.
Hình 2 9 Sơ đồ thay thế của máy biến áp
2.4 Các giá trị điện cảm rò L leak , và Lm
2.5 Tính dây dẫn cho máy biến áp.
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Băm xung một chiều (BXMC) là thiết bị dùng để thay đổi điện áp một chiều ra tải từ một nguồn điện áp một chiều cố định BXMC được ứng dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, tạo nguồn ổn áp dải rộng.
NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA BĂM XUNG MỘT CHIỀU
Nguyên lý cơ bản của băm xung một chiều được mô tả trên hình 3.1. Giữa nguồn một chiều E và tải Rt là van Tr làm việc như một khóa điện tử, hoạt động của BXMC là cho van đóng cắt theo chu kỳ với quy luật:
• Trong khoảng thời gian 0 - t 0, cho van dẫn, điện áp rơi trên tải U t có giá trị
• Từ t0 - t1, van Tr không dẫn (mạch hở), tải bị ngắt khỏi nguồn nên Ut = 0. Để đóng cắt điện áp nguồn người ta thường dùng các khóa điện tử công suất vì chúng ta có đặc tính tương ứng với khóa lý tưởng, tức là khi khóa dẫn điện (đóng) điện trở của nó không đáng kể, còn khi khóa bị ngắt (mở ra) điện trở của nó lớn vô cùng (điện áp trên tải sẽ bằng 0).
Hình 3 1 Nguyên lý băm xung một chiều (BXMC)
Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải là:
0 - thời gian khóa K đóng, γE - tham số điều chỉnh,
T - chu kỳ đóng cắt của van.
Biểu thức (3.1) cho thấy có thể điều chỉnh điện áp ra bằng cách thay đổi tham số γE.
Việc điều chỉnh điện áp bằng cách “băm” điện áp một chiều E thành các “xung” điện áp ở đầu ra nên thiết bị này có tên gọi là “Băm xung áp một chiều – BXMC”.
Có hai phương pháp chính cho phép thay đổi tham số γE là:
1 Thay đổi thời gian t0, còn giữ chu kỳ T, như vậy ta dùng cách thay đổi độ rộng của xung điện áp ra tải trong quá trình điều chỉnh, nên cách này được gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) (Pulse Width Modulation).
2 Thay đổi chu kỳ T, còn giữ thời gian t 0 không đổi Cách này ngược lại với cách trên, độ rộng xung điện áp ra tải được giữ nguyên, mà chỉ thay đổi tần số lặp lại của xung này, vì vậy được gọi là phương pháp xung – tần Phương pháp này không thuận lợi khi phải điều chỉnh điện áp trong dải rộng, vì tần số biến thiên nhiều sẽ làm thay đổi mạnh giá trị trở kháng khi mạch có chứa các điện cảm hoặc tụ điện nên khó tính toán thiết kế, nhất là hệ thống điều chỉnh kín vì lúc đó mạch thuộc hệ có tham số biến đổi Vì vậy phương pháp này chỉ dùng khi phạm vi điều chỉnh hẹp và thực tế ít được sử dụng.
Ta thấy rằng khóa điện tử Tr chỉ làm việc đúng như một van bán dẫn, vì thế BXMC có nhiều ưu điểm như:
Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi là không đáng kể so với các bộ biến đổi liên tục, do tổn hao trong van bán dẫn là nhỏ.
• Độ chính xác cao và ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường vì yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khóa Tr mà không phải mà không phải giá trị điện trở phần tử điều chỉnh như những bộ điều chỉnh liên tục kinh điển.
• Kích thước gọn và nhẹ.
Tuy nhiên BXMC có những nhược điểm là:
• Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính điều chỉnh.
• Tần số đóng cắt lớn sẽ gây ra nhiễu cho các thiết bị xung quanh.
Các bộ BXMC được chia thành băm xung không đảo chiều và băm xung có đảo chiều dòng tải ở Chương 2 em đã chọn phân tích Băm xung một chiều nối tiếp (Buck- giảm áp) và Băm xung một chiều có đảo chiều (full brigde) Nên ở chương này em chọn phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) (Pulse Width Modulation), ở phương pháp này đơn giản hơn rất nhiều so với phương pháp Xung –Tần
ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐỘ RUNG XUNG PWM41 1 Phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa
Phương pháp thực hiện băm xung với tần số không đổi f=const, điện áp ra tải thay đổi nhờ chỉ điều chỉnh độ rộng khoảng dẫn của van t o = var Để thực hiện điều này sử dụng sơ đồ cấu trúc như hình 3.2a, còn hình 3.2b là đồ thị minh họa nguyên lý hoạt động Chức năng các khâu là
1 Khâu phát xung chủ đạo nhằm tạo dao động với tần số cố định nhằm đảm bảo điều kiện băm xung với tần số không đổi.
2 Khâu tạo điện áp răng cưa theo tần số của khâu phát xung chủ đạo, đồng thời đảm bảo phạm vi điều chỉnh tối đa của tham số
3 Khâu so sánh tạo xung: So sánh điện áp răng cưa u rc với điện áp điều khiển uđk, điểm cân bằng giữa chúng chính là điểm t0 Do đó khi điện áp điều khiển thay đổi sẽ làm thay đổi t0 và do đó thay đổi tham số điều chỉnh γE Điện áp ra của khâu này có dạng xung tương ứng với giai đoạn van lực Tr dẫn.
4 Khâu khuếch đại công suất nhằm tăng công suất xung tạo ra ở khâu so sánh, đồng thời phải thực hiện ghép nối với van lực theo tính chất điều khiển của van lực.
5 Khâu tạo điện áp điều khiển theo luật công nghệ.
Hình 3 2 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều kiểu
1 Phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa
Nguyên tắc điều khiển kiểu PWM dùng các khâu này.
Hai khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau, tương tự như khâu tạo điện áp răng cưa của điều khiển chỉnh lưu phụ thuộc vào xung nhịp đồng bộ Hoạt động của chúng cũng giống nhau do tính chất điện áp ra như nhau: đều là răng cưa Điều khác biệt là ở chỗ, trong chỉnh lưu thì tần số xung nhịp phụ thuộc vào nguồn điện áp xoay chiều của lưới điện, còn với hệ băm xung thì tần số này do bản thân mạch điều khiển quyết định và không có quan hệ gì với tần số lưới điện.
Có hai dạng răng cưa hay được dùng: răng cưa tuyến tính một cực tính, răng cưa tam giác hai cực tính.
2 Răng cưa tuyến tính một cực tính
Trong phần BXMC sử dụng răng cưa dạng đi lên, chứ không nên dùng răng cưa đi xuống như trong điều khiển chỉnh lưu Nguyên do là: một hệ thống tuyến tính, tức là có quan hệ tỉ lệ thuận giữa đại lượng ra và điện áp điều khiển (ura = k uđk) là rất thuận lợi khi xây dựng các bộ điều chỉnh tự động Vì BXMC có u ra tỉ lệ thuận với tham số γE, nên để hệ tuyến tính cần có u đk cũng tỉ lệ với γE, mà điều này chỉ có được nếu răng cưa tuyến tính đi lên Đồ thị minh họa nguyên lý hoạt động BXMC ở hình 3.9 cho thấy rõ: tăng u đk thì γE cũng tăng theo.
Khâu phát xung chủ đạo có hai nhiệm vụ:
- Tạo dao động với tần số cố định bằng tần số băm xung van lực.
- Điện áp ra có dạng xung với hình dáng theo yêu cầu của khâu tạo răng cưa tuyến tính đi lên với đặc điểm: thời gian làm việc (răng cưa đi lên) phải lớn hơn nhiều lần thời gian hồi phục răng cưa (đi xuống).
Từ đây ta có thể đưa ra một số sơ đồ nguyên lý thí dụ sau.
Sơ đồ hình 3.3 sử dụng bộ dao động dùng khuếch đại thuật toán,
- để thực hiện yêu cầu thời gian quét và thời gian phục hồi răng cưa khác nhau cần phải tách riêng điện trở nạp (R1) và điện trở phóng (R2) cho tụ C1 nhờ các diode D1, D2
Hình 3 3 Sơ đồ tạo điện áp răng cưa tuyến tính đi lên bằng OA Biểu thức tính các khoảng thời gian này:
- Khoảng thời gian xung: Ufx > 0:==1,1
- Khoảng thời gian xung: U fx = 0: t 2 ==1,1
- Chu kì giao độngT=,với tần số f=1/T
Có thể coi phạm vi điều chỉnh: ,và thường t1 0: t1 = 0,7R1C1
-Khoảng thời gian xung: U fx = 0: t2 = 0,7R2C1
-Chu kỳ dao động T=t 1 +t2, với tần số f = 1/T.
Có thể coi phạm vi điều chỉnh: min = , và thường t 1
