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:

u

i i

i i

u

i

u

i

u u

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 K1

và K2 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 K1 là cho iK1

bằng I’, iK2 bằng không, uK1 bằng +U, uK2 bằng 0 Trên hình 5.2b cho thấy K1 phải

đợc đóng và mở có điều khiển, còn K2 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 Tp là tiristo chính, Ta là tiristo phụ dùng để đặt điện áp ngợc trên tụ điện C nhằm khoá tiristo chính DC và LC cùng với C tạo thành mạch nạp cho tụ C; D là điôt thoát Trạng thái ban đầu tiristo Tp và tiristo phụ Ta 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 Tp , qua tải và trở về cực âm Đồng thời tụ C phóng điện qua C-Tp

-LC-DC-C và đợc nạp với cực tính ngợc lại Điện áp trên tải bằng điện áp nguồn Bây giờ phát xung mở tiristo phụ Ta Khi Ta mở, đặt điện áp điện áp âm của tụ C lên hai cực của tiristo chính, khiến cho Tp bị khoá , điện áp trên tải bằng không Nếu tiếp tục phát xung mở tiristo chính Tp làm cho Tp mở và chu kỳ mở khóa lại tiếp tục nh trớc

Trªn h×nh 5 2d ta nhËn thÊy:

Khi T dÉn: u’=U, i=I’

t

u’

u

uK1

u

K2

iK1 i

K2

a)

u

iK1

I

U

u

K1

iK2

I’

- U

u

K2

b)

D D

T

I’

u’

i

D

u

D

uT

u

c)

t U

u’

t

U

uT

t

t

t

I’

iD

t

t

U

D

t

t

-U

H×nh 5.2: Bé b¨m xung ¸p nèi tiÕp

d)

D

C

C

T

p

Ta

H×nh 5.3: Më vµ kho¸ bé b¨m

UT = 0, iT = I’, uD = - U, iD = 0

Khi K mở: u’= 0; i = 0

UT = +U, iT = 0, uD = 0, iD = 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

khoá

mở

mở

T T

T α



 (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:

/ 

' (

R

U i R

U

R

L



Khi .T < t < T, điôt thoát ngắn mạch tải:

 



/ ) (

'

T e i

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

e

e

R

U









và







/ ) 1

(

0

T e

i

Dòng điện i’ có trị trung bình:

R

U R

U

I  ' 

Biến thiên dòng điện i’ cho bởi:

) 1

( 1

1 '

'

/

/ 0













T

T

e

e R

U i

i

















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



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

t

t

u’

0

0

i’

I’

i’

T

U

Hình 5.3 Dòng điện tải khi R- L

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 iD 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 K1 cho phép liên hệ giữa nguồn và tải, còn khoá K2 đóng mạch nguồn dòng khi K1 mở

Khi K1 đóng thì : uK1 = 0, iK1= I, uK2 =+U’, iK2 = 0

Khi K2 đóng thì : uK1 = -U’, iK1=0, uK2=0 , iK2 = I

Theo đặc tính đóng mở trên hình 5.4b cần thay K1 bằng một điôt và K2 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

iD=0, uD = - U’, uT = 0, iT = I

Khi T < t < T, điôt dẫn:

u = U’, i’= I

iD = I, uD = 0, iT = 0, uT = +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:

/ 

0

R

E i

i    , với  =L/R (5-6)

u’

u

u

K1

u

K2

i

K1

iK2

a)

u

i

K2

I

U

uK2

i

K1

I

- U

u

K1

b)

D D

T

I’

u’

i

D

uD

u

T

u

c)

t U’

u

t I

i’=iD

t

t

t

U’

u

T

t

t

Hình 5.4: Bộ băm xung áp song song

t

UD

t

t

-U

c)

t I

iT

t

t

u U’

Hình 5.4 Dạng sóng điện áp và dòng điện

i

0

i

t

i

Khi T < t < T, ta có: R.i + L di/dt =E – U’

Dòng điện sẽ giảm bởi vì E < U’ theo phơng trình:

 





/ ) (

) '

T

R

U E i

i       (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

Trên hình5.6,K1 cho phép liên hệ giữa đầu vào và đầu ra, còn K2 ngắn mạch nguồn dòng

Khi I’ dơng và nếu K1 đóng (trạng thái 1)

uK1 = 0, iK1= I’ > 0

uK2 = + U, iK2 = 0 Nếu K1 mở (trạng thái 2)

uK1 = +U; iK1= 0

uK2 = 0; iK2 = -I’ < 0 Khi I’ âm và nếu K1 đóng (trạng thái 3)

uK1 = 0; iK1= I’ < 0

uK2 = + U; iK2 = 0 Nếu K1 mở (trạng thái 4)

uK1 = +U; iK1= 0

uK2 = + U; iK2 = -I’ > 0

Ta suy ra các nhánh có đặc tính và linh kiên bán dẫn thay cho khoá chuyển mạch phải là: K1 đợc thay thế bằng tiristo T1 với một điôt D1 nối song song ngợc Cũng vậy, K2 đợc thay thế bằng tiristo T2 với một điôt D2 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 T1 và D2 phối hợp với một bộ băm song song tạo bởi T2 và D1

Khi I’ dơng, bộ biến đổi làm việc nh bộ băm nối tiếp, dòng điện I’ lúc thì qua

T1, lúc thì qua D2 Gọi 1 là tỷ số chu kỳ của T1 trong mỗi chu kỳ, ta có:

U’=1 U

uK1

i

K2

K

1

K

2u

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’

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

T2, lúc thì qua D1 Gọi 2 là tỷ số chu kỳ của T2, 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