BỘ BĂM XUNG ÁP MỘT CHIỀU

Em xin cam đoan đề tài tốt nghiệp này là do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Nguyễn Danh Huy. Các số liệu và kết quả trong đề tài là hoàn toàn trung thực . Để hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp này, em chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã được ghi trong bảng các tài liệu tham khảo, không sử dụng tài liệu tham khảo nào khác không mà không được liệt kể ở phần tài liệu tham khảo .

Chơng 5 Bộ băm xung áp một chiều 5.1 Khái niệm Khi làm việc ở chế độ điện áp một chiều, một khi van đang ở trạng thái dẫn sẽ tiếp tục dẫn vì điện áp nguồn không qua vị trí điểm không. Để van khoá ta phải cỡng bức chuyển mạch bằng cách đặt lên van một điện áp ngợc Một nguồn hoặc tải gọi là nguồn áp nếu dạng sóng điện áp trên cực của nó không phụ thuộc vào dòng điện cũng nh tốc độ biến thiên của dòng. Hình 5.1a biểu diễn ký hiệu nguồn áp của máy phát và tải. Nguồn áp đợc biểu diễn bằng một vòng tròn hoặc một vòng tròn với một nét theo chiều dọc. Phân biệt nguồn hoặc tải tuỳ theo chiều của u, i. Đối với nguồn u, i cùng chiều; đối với tải u,i ngợc chiều. Một nguồn hoặc tải là nguồn hay tải dòng nếu dạng sóng dòng điện của nó không phụ thuộc vào điện áp hoặc biến thiên điện áp trên các cực của chúng. Hình 5.1b biểu diễn ký hiệu nguồn dòng bằng hai vòng tròn lồng vào nhau hoặc một vòng tròn với một nét gạch ngang. Đối với nguồn dòng của máy phát u, i cùng chiều, còn của tải : u, i ngợc chiều. 5.2 Nguyên tắc hoạt động của bộ băm xung áp một chiều Ta ký hiệu u, i là điện áp và dòng điện vào; u, i là điện áp và dòng điện ra; U, I, U, I là các giá trị trung bình của u, i và u, i. Nếu bỏ qua tổn hao của bộ băm công suất trung bình ở đầu vào và dầu ra nh nhau. Trong bộ băm , trực tiếp không có phần tử tích luỹ năng lợng, do đó công suất tức thời đầu ra và đầu vào bằng nhau: u.i = u.i 5.2.1 Bộ băm xung nối tiếp 1. Nguyên lý: 51 u i i u uu Máy phát Tải ii u i u i u u Máy phát Tải Hình 5.1 Ký hiệu nguồn áp và nguồn dòng b) a) Đầu tiên ta giả thiết nguồn và tải lý tởng. Hình 5.2.a giải thích bằng hai khoá K 1 và K 2 . Hai khoá một đóng, một mở và không bao giờ đóng, mở đồng thời để nguồn áp không ngắn mạch và tải nguồn dòng không bị hở mạch. Khi đóng K 1 là cho i K1 bằng I, i K2 bằng không, u K1 bằng +U, u K2 bằng 0. Trên hình 5.2b cho thấy K 1 phải đợc đóng và mở có điều khiển, còn K 2 có thể là một điôt Ta có sơ đồ nguyên lý ở hình 5.2.c, bộ băm xung tạo nên bởi một tiristo và một điôt. Hình 5.2d trình bày dạng sóng điện áp ra u và dòng điện vào i, dòng điện trong T và D và các điện áp trên cực của nó Sơ đồ chi tiết của bộ băm điện áp một chiều cho trên hình 5.3 trong đó T p là tiristo chính, T a là tiristo phụ dùng để đặt điện áp ngợc trên tụ điện C nhằm khoá tiristo chính. D C và L C cùng với C tạo thành mạch nạp cho tụ C; D là điôt thoát Trạng thái ban đầu tiristo T p và tiristo phụ T a đều bị khoá. Tụ điện C đợc nạp với cực tính dơng ở phía trên nh hình 5.3 Cho xung mở tiristo chính làm nó chuyển trạng thái dẫn, dòng điện từ cực dơng của nguồn qua T p , qua tải và trở về cực âm. Đồng thời tụ C phóng điện qua C-T p - L C -D C -C và đợc nạp với cực tính ngợc lại. Điện áp trên tải bằng điện áp nguồn. Bây giờ phát xung mở tiristo phụ T a . Khi T a mở, đặt điện áp điện áp âm của tụ C lên hai cực của tiristo chính, khiến cho T p bị khoá , điện áp trên tải bằng không. Nếu tiếp tục phát xung mở tiristo chính T p làm cho T p mở và chu kỳ mở khóa lại tiếp tục nh trớc 52 Trên hình 5 2d ta nhận thấy: Khi T dẫn: u=U, i=I 53 t i I uu u K1 u K2 i K1 i K2 a) u i K1 I U u K1 i K2 I - U u K2 b) D D T I u i D u D u T u c) t U u t U u T t t t I i D t t U D t t -U Hình 5.2: Bộ băm xung áp nối tiếp d) D C L C C T p T a D Tải Hình 5.3: Mở và khoá bộ băm U T = 0, i T = I, u D = - U, i D = 0 Khi K mở: u= 0; i = 0 U T = +U, i T = 0, u D = 0, i D = I Gọi T là chu kỳ hoạt động, T là khoảng thời gian dẫn của tiristo điện áp ra có giá trị trung bình : U = .U Trong đó là tỷ số chu kỳ khoámở mở TT T + = (5-1) Khi biến thiên từ 0 đến 1 thì U biến thiên từ 0 đến U. Giá trị trung bình của điện áp trên tải đợc thay đổi bằng cách thay đổi chu kỳ mở và khoá bộ băm 2.Đặc tính của bộ băm xung một chiều khi tải bất kỳ Vì tải nguồn dòng không phải là điện cảm vô cùng lớn, điện áp tải u có dạng hình chữ nhật, dòng điện tải i tìm đợc bằng cách giải phơng trình vi phân của mạch -Nếu tải R-L ta có: Khi 0 < t < T, tiristo liên hệ đầu vào và đầu ra qua phơng trình: R.i + L. dt di = U() Nghiệm của nó bằng: / 0 )'(' t e R U i R U i += , với R L = (5-2) Khi .T < t < T, điôt thoát ngắn mạch tải: /)( '' Tt T eii = (5-3) Dòng điện i tăng trong khoảng đầu tiên và giảm trong khoảng thứ hai nh trên hình 5.3. vì sự liên tục và tính chu kỳ của nó, ta suy ra / / 1 1 .' T T T e e R U i = và /)1( 0 ' T T eii = (5-4) Dòng điện i có trị trung bình: R U R U I == ' Biến thiên dòng điện i cho bởi: )1( 1 1 .''' )/1( / / 0 T T T T e e e R U iii == (5-5) ở giá trị U/R và đã cho , sự đập mạch cực đại của dòng điện ở =0.5 và bằng 4 ' max T R U i = 54 t t u 0 0 T T 0 i I i T U Hình 5.3 Dòng điện tải khi R- L Nếu điện cảm của tải L không đủ để giảm sự đập mạch của dòng điện i, ta cần tăng , nghĩa là cần tăng L. Điều này có nghĩa là cần phải bổ sung thêm một điện cảm nằm giữa bộ băm và tải. Muốn cho dòng tải ít nhấp nhô cần tăng tần số băm f=1/T. Thông thờng tần số băm cỡ 200Hz đến 400Hz Nếu tải có nguồn, nghĩa là ngoài thông số R và L còn có sức điện động E, để cho nguồn áp có thể phát công suất cho tải thì E phải nhỏ hơn U. Ngay cả khi dòng điện gián đoạn, dòng điện qua điôt i D triệt tiêu trong khoảng T < t < T, do vậy U > U ở giá trị E đã chi, sự dẫn điện gián đoạn khi I giảm nhỏ, đặc biệt khi I gần bằng 0 và giá trị trung bình U tiến tới U. 5.2.2 Bộ băm xung song song Bộ băm xung áp một chiều song song điều khiển bởi: - Máy phát là dòng trong một tải nguồn áp Sơ đồ khoá chuyển mạch song song đợc cho trên hình Khoá K 1 cho phép liên hệ giữa nguồn và tải, còn khoá K 2 đóng mạch nguồn dòng khi K 1 mở Khi K 1 đóng thì : u K1 = 0, i K1 = I, u K2 =+U, i K2 = 0 Khi K 2 đóng thì : u K1 = -U, i K1 =0, u K2 =0 , i K2 = I Theo đặc tính đóng mở trên hình 5.4b cần thay K 1 bằng một điôt và K 2 bằng một tiristo. Sơ đồ nguyên lý trên hình 5.4c Hình 5.4 là biểu đồ dạng sóng dòng điện và điện áp ứng với các giá trị Khi 0 < t < T, tiristo dẫn: u = 0, i=0 i D =0, u D = - U, u T = 0, i T = I Khi T < t < T, điôt dẫn: 55 u = U, i= I i D = I, u D = 0, i T = 0, u T = +U Trị trung bình của điện áp vào : U = (1- ).U Khi biến thiên từ 1 đến 0 thì U sẽ tăng từ 0 đến U.Cũng nh trong trờng hợp bộ băm nối tiếp, do điện cảm của nguồn dòng bị hạn chế làm cho dòng điện i sẽ nhấp nhô - Nếu dẫn điện liên tục ta nhận thấy, khi 0 < t < T có phơng trình: R.i + L. di/dt =E Dòng điện i tăng lên và đợc biểu diễn trên hình 5.3: 56 i I uu u K1 u K2 i K1 i K2 a) u i K2 I U u K2 i K1 I - U u K1 b) D D T I u i D u D u T u c) t U u t I i=i D t t t U u T t t Hình 5.4: Bộ băm xung áp song song t U D t t -U c) t I i T t t t t T u U Hình 5.4 Dạng sóng điện áp và dòng điện T D T D i 0 i t i / 00 )( t ei R E ii += , với =L/R (5-6) Khi T < t < T, ta có: R.i + L. di/dt =E U Dòng điện sẽ giảm bởi vì E < U theo phơng trình: /)( ) ' ( Tt TT ei R UE ii += (5-7) Dòng điện càng nhấp nhô khi tỷ số chu kỳ /T càng lớn Khi giá trị trung bình I của dòng điện i không đủ lớn, dòng điện i sẽ gián đoạn, khoảng T/ dòng điện i triệt tiêu. ở giới hạn khi I tiến tới 0 thì điện áp U sẽtiến tới 0, không phụ thuộc vào . Để cho tác động nh một nguồn áp, nghĩa là tổng trở trong của nó rất nhỏ, cần mắc song song với tải một tụ điện. Nếu ta mắc thêm vào một điện cảm L mắc nối tiếp thì C sẽ tạo nên một bộ lọc có tác dụng san phẳng sự nhấp nhô của điện áp trên cực băm, và san phẳng sự nhấp nhô của dòng điện tải. Ta nhận thấy có nhiều điểm tơng tự giữa bộ băm nối tiếp và bộ băm song song. Đây là điều bình thờng vì bộ băm nối tiếp điều khiển truyền tải công suất của nguồn áp về tải là nguồn dòng, còn bộ băm song song truyền tải công suất từ máy phát là nguồn dòng về tải là nguồn áp. 5.3 Chế độ đảo chiều truyền tải năng lợng của bộ băm xung áp một chiều Trong sơ đồ có hai khoá chuyển mạch, ta có thể điều khiển sự truyền tải năng l- ợng giữa nguồn áp và nguồn dòng trong cả hai chiều với điều kiện cả hai nguồn có tính chất thuận nghịch nghĩa là có thể đảo chiều điện áp hoặc dòng điện, đảo chiều cả điện áp và dòng điện. 57 Trên hình 5.6, K 1 cho phép liên hệ giữa đầu vào và đầu ra, còn K 2 ngắn mạch nguồn dòng Khi I dơng và nếu K 1 đóng (trạng thái 1) u K1 = 0, i K1 = I > 0 u K2 = + U, i K2 = 0 Nếu K 1 mở (trạng thái 2) u K1 = +U; i K1 = 0 u K2 = 0; i K2 = -I < 0 Khi I âm và nếu K 1 đóng (trạng thái 3) u K1 = 0; i K1 = I < 0 u K2 = + U; i K2 = 0 Nếu K 1 mở (trạng thái 4) u K1 = +U; i K1 = 0 u K2 = + U; i K2 = -I > 0 Ta suy ra các nhánh có đặc tính và linh kiên bán dẫn thay cho khoá chuyển mạch phải là: K 1 đợc thay thế bằng tiristo T 1 với một điôt D 1 nối song song ngợc. Cũng vậy, K 2 đợc thay thế bằng tiristo T 2 với một điôt D 2 nối song song ngợc nh sơ đồ trên hình 10.14 Ta nhận thấy sơ đồ ở hình 10.14 gồm một bộ băm nối tiếp tạo bởi T 1 và D 2 phối hợp với một bộ băm song song tạo bởi T 2 và D 1 . Khi I dơng, bộ biến đổi làm việc nh bộ băm nối tiếp, dòng điện I lúc thì qua T 1 , lúc thì qua D 2 . Gọi 1 là tỷ số chu kỳ của T 1 trong mỗi chu kỳ, ta có: U= 1 U 58 u K1 i K2 K 1 K 2 u K2 i= i K1 u u 0 i K1 (4) (2) u K1 (2) 0 i K1 (1) (3) u K1 (4) (3) T 1 D 1 T 2 D 2 i I u u Hình 5.4: Bộ băm xung áp đảo chiều dòng điện Khi I âm, bộ biến đổi tạo bởi bộ băm song song: dòng điện I lúc thì chạy qua T 2 , lúc thì qua D 1 . Gọi 2 là tỷ số chu kỳ của T 2 , ta có giá trị trung bình: U=(1 - 2 ) U Câu hỏi ôn tập 1. Trình bày nguyên lý hoạt động của bộ băm xung áp một chiều 2. Trình bày nguyên lý của bộ băm xung áp đảo chiều dòng điện 59 . suất tức thời đầu ra và đầu vào bằng nhau: u.i = u.i 5. 2.1 Bộ băm xung nối tiếp 1. Nguyên lý: 51 u i i u uu Máy phát Tải ii u i u i u u Máy phát Tải Hình 5. 1 Ký hiệu nguồn áp và nguồn dòng b) a) Đầu. Trên hình 5. 2b cho thấy K 1 phải đợc đóng và mở có điều khiển, còn K 2 có thể là một điôt Ta có sơ đồ nguyên lý ở hình 5. 2.c, bộ băm xung tạo nên bởi một tiristo và một điôt. Hình 5. 2d trình. tiristo chính T p làm cho T p mở và chu kỳ mở khóa lại tiếp tục nh trớc 52 Trên hình 5 2d ta nhận thấy: Khi T dẫn: u=U, i=I 53 t i I uu u K1 u K2 i K1 i K2 a) u i K1 I U u K1 i K2 I - U u K2 b) D D T I u i D u D u T u c) t U u t U u T t t t I i D t t U D t t -U Hình