Hướng dẫn bài tập dài kỹ thuật xung

Ta tiến hμnh phân tích cụ thể bộ biến đổi điện áp xoay chiều - xoay chiều một pha, bộ chỉnh lưu có điều khiển một pha cụ thể lμ sơ đồ cầu một pha bán điều khiển.. Các bước phân tích được

http://www.ebook.edu.vn 1

Đặt vấn đề.

Ta tiến hμnh phân tích cụ thể bộ biến đổi điện áp xoay chiều - xoay chiều một pha, bộ chỉnh lưu có điều khiển một pha cụ thể lμ sơ đồ cầu một pha bán điều khiển Các bước phân tích được tiến hμnh như sau:

* Thiết kế mạch động lực:

+ Mạch lực của bộ biến đổi điện áp xoay chiều - xoay chiều một pha

+ Mạch lực của bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển

* Thiết kế mạch điều khiển:

+ Mạch điều khiển của bộ biến đổi điện áp xoay chiều - xoay chiều một pha + Mạch điều khiển của bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển

Phần i : Mạch động lực

I Bộ biến đổi xoay chiều - một chiều có điều

khiển một pha.

Bộ biến đổi xoay chiều - một chiều

có cấu tạo từ mạch chỉnh lưu sơ đồ cầu

một pha bán điều khiển như hình 1-1

Trong sơ đồ hai van điều khiển Ti1, Ti2

được mắc ở hai nhóm van khác nhau

một ở nhóm Anốt chung vμ một ở

nhóm Katốt chung Với cách mắc như

trên thì mạch hoạt động tích cực khi tải có điện cảm lớn Các phần tử Rt,

Lt, Et lμ điện trở thuần, điện cảm vμ sức điện động tượng chưng cho tải

Ta giả thiết điện cảm của tải lμ vô cùng lớn thì nguyên lý hoạt động

của mạch được mô tả như giản đồ thời gian hình 1- 2

Ta giả thiết trong khoảng thời gian từ ωt = 0 đến ωt < ν1 = α thì 2 van D1 vμ D2 đang dẫn dòng dưới tác dụng của Sđđ tự cảm sinh ra trong

Lđ Tại ωt = ν1 = α ta đưa xung điều khiển đến mở T1, lúc nμy T1 có điện

áp phân cực thuận nên T1 mở Trong khoảng thời gian ν1π T1 vμ D2 cho dòng điện chảy qua Khi u2 bắt đầu đảo dấu thì D1 mở ngay T1 tự nhiên

Hình 1-1: Sơ đồ nguyên lý mạch

chỉnh lưu bán điều khiển

Et

it

2

bị khoá, D1 vμ D2 cùng cho dòng chảy qua, điện áp ra ud = 0

Đến thời điểm ωt = ν2 ta cho xung điều khiển mở T2, dòng tải sẽ chảy qua D1 vμ T2 Điốt D2 bị khoá lại Trong sơ đồ nμy khoảng thời gian dẫn dòng của Thyristor vμ điốt lμ không bằng nhau

- Góc dẫn dòng của điốt lμ λD = π + α, còn góc dẫn dòng của Thyristor lμ λT = π - α Giá trị trung bình của điện áp trên

π

= ω ω π

= ω π

= ∫π

I t d I 2

1

d T

π

α + π

= ω π

= ∫π

I t d I 2

1

d D

Giá trị hiệu dụng của dòng qua cuộn dây thứ cấp MBA

π

α

ư

= ω π

= 1.∫απI d t I 1

- Điện áp nguồn lớn nhất đặt lên điốt, Thyristor lμ:

UT ngmăx = UD ngmăx = 2 u2

* Nhận xét: + Hai Tiristor đều thay nhau lμm việc ở hai nửa chu kỳ của

điện áp nguồn (khi có xung điều khiển)

+ Điện áp ra của hai bộ biến đổi đều phụ thuộc vμo góc mở α, khi

α giảm thì điện áp ra tăng, khi α tăng thì điện áp ra giảm

II Bộ biến đổi xoay chiều - xoay chiều 1 pha.

Bộ biến đổi xoay chiều - xoay chiều 1

pha gồm hai Tiristor Ti1vμ Ti2 được mắc

song song ngược với nhau như hình 1-3 Để

hiểu rõ nguyên lý hoạt động của mạch ta

giả thiết tải Rt lμ thuần trở, điện áp nguồn

đặt nên mạch lμ hình sin có dạng:

(v).

t sin U 2

Khi đó hoạt động của bộ biến đổi được mô tả như hình 1-4

Các Tiristor Ti1, Ti2 sẽ thay phiên nhau lμm việc ứng với mỗi chu kỳ của

điện áp lưới Khi Ti1 thông thì một phần của nửa chu kỳ dương điện áp nguồn

4

đặt lên tải, còn khi Ti2 thông thì một phần của nửa chu kỳ âm điện áp lưới đặt lên tải Khi thay đổi trị số của góc mở α1, α2 (α1 luôn bằng α2) sẽ thay đổi

được trị số hiệu dụng của điện áp đặt lên tải

Trong các khoảng thời gian Ti1 vμ Ti2 dẫn, dòng điện tức thời trong mạch được tính:

π

≤ ω

≤ α + π

π

≤ ω

≤ α ω

=

2 t

t t

sin R

u 2

http://www.ebook.edu.vn 5

Dòng điện tải có dạng lμ hình sin không đầy đủ (bị mất góc) Khai triển Fourier của dòng tải nμy bao gồm thμnh phần dòng cơ bản (bậc 1) vμ các thμnh phần bậc cao Thμnh phần dòng cơ bản itcb sẽ chậm sau so với điện áp nguồn một góc lμ ϕ Có nghĩa lμ ngay cả khi tải lμ thuần trở, thì lưới điện xoay chiều vẫn phải cung cấp một công suất phản kháng

- Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải lμ:

π

α + α π

=

ω ω π

= ∫απ

2

sin2 2

2 u.

t d t sin u 2

ư π

=

=

2

sin 2

2 R

u R

α

ư π

=

=

2

2 sin 2

2 R

u I u P

2 t t

- Dòng điện qua mỗi Thyristor lμ :

2

i i

6

Phần ii : Mạch điều khiển

I Yêu cầu chung của mạch điều khiển.

Để điều khiển các Tiristor trong các BBĐ ta dùng một mạch gọi lμ mạch điều khiển, mạch nμy tạo ra các dãy xung (với các thông số kỹ thuật theo yêu cầu) đồng bộ với các điện áp đặt nên các Tiristor, bằng cách điều chỉnh thời điểm xuất hiện xung (góc α của xung điều khiển)

đưa đến các Tiristor để thay đổi giá trị hiệu dụng điện áp của bộ biến đổi Yêu cầu chung đối với mạch điều khiển pha xung lμ:

- Tạo ra 2 dãy xung điều khiển (uđk1, uđk2) lệch nhau 1800 điện, tần

số của mỗi dãy xung bằng tần số của điện áp lưới

- Mỗi xung điều khiển được tạo ra phải có biên độ, độ rộng theo yêu cầu (các thông số nμy được tính chọn dựa vμo các thông số kỹ thuật của Thyristor được điều khiển - tra cứu ở sổ tay)

- Các góc điều khiển α1, α2 (thời điểm xuất hiện xung điều khiển

so với các mốc thời gian 0, π, 2π, , kπ của điện áp lưới) của các điện áp

điều khiển có thể thay đổi được (lý tưởng) từ 00 điện ↔ 1800 điện

- Xung điều khiển chỉ được gửi đến Thyristor khi điện áp đặt lên

nó (Uak) lμ điện áp phân cực thuận

- Tạo ra quá trình điều khiển lμ thuận (điện áp chủ đạo ucđ tăng thì

điện áp ra của bộ biến đổi cũng tăng vμ ngược lại)

- Tự động cắt xung điều khiển hoặc đưa góc mở α1, α2 tăng trị số ≈

1800 điện khi trong hệ thống có sự cố xảy ra

- Khi cần điều chỉnh, ổn định một đại lượng nμo đó ở đầu ra bộ biến đổi (chẳng hạn cần ổn định điện áp ra) thì nhờ các đại lượng phản hồi âm mμ các góc điều khiển α1, α2 sẽ tự động thay đổi trị số khi có nhiễu loạn từ lưới điện hay phụ tải Sự thay đổi của α1, α2 theo xu hướng giữ ổn định giá trị của đại lượng tại đầu ra của bộ biến đổi ta cần quan

http://www.ebook.edu.vn 7

tâm Chất lượng của mạch điều khiển còn thể hiện ở tốc độ phản ứng của góc điều khiển α1, α2 khi có những nhiễu loạn từ lưới hoặc tải

Luôn đảm bảo α1 = α2 (khi mạch tải có tính chất cảm, nếu α1 ≠ α2

thì trên tải sẽ xuất hiện thμnh phần điện áp một chiều lμm dòng tải tăng vọt có thể phá hỏng Thyristor hoặc các thiết bị khác)

1 Mạch điều khiển bộ biến đổi xoay chiều - xoay chiều 1 pha.

8

Từ giản đồ thời gian trên ta đ−a ra sơ đồ khối của mạch điều khiển nh− sau:

Hình 2-2: Sơ đồ khối mạch điều khiển

Khối 3: Sửa xung

Khối 4: Chia xung

Khối 5, 5’: Khuếch đại xung

Khối 6: Khuếch đại trừ

uđk1

10

Từ giản đồ thời gian ta đ−a ra sơ đồ khối của mạch điều khiển nh− hình 2-4

Hình 2-4: Sơ đồ khối của mạch điều khiển

- ĐBH-FSRC1 vμ ĐBH-FSRC2: Lμ hai khối đồng bộ hóa vμ phát sóng răng c−a

- SS1 vμ SS2: Hai khối so sánh

- SX1, SX2: Lμ hai khối sửa xung

- KĐX1 vμ KĐX2: Lμ hai khối khuếch đại xung

- THTH-KĐTG: Khối tổng hợp tín hiệu vμ khuếch đại trung gian

- Uđ, Ucđ, -Uph : Lμ điện áp đặt, điện áp chủ đạo vμ phản hồi âm áp

http://www.ebook.edu.vn 11

bản của từng khối.

1 Khối đồng bộ hoá và phát sóng răng cưa:

a/ Đồng bộ hoá - phát sóng răng cưa dùng các phần tử Logic

và khuếch đại thuật toán:

• Mạch đồng bộ hoá có hạn chế đầu vào:

Hình 2-5: Sơ đồ nguyên lý vμ giản đồ thời gian mạch đồng bộ hoá

- Nhiệm vụ:

+ Tạo ra dãy xung vuông uđb0 có độ rộng đủ nhỏ, tần số gấp hai lần tần số

điện áp lưới, uđb0 được đưa tới đầu vμo của bộ phát sóng răng cưa

+ Qua các phần tử đảo N1, N2 ta nhận được các dãy xung uđb1, uđb2 lệch pha nhau có tần số bằng tần số điện áp lưới Xung điều khiển được tạo ra sẽ kết hợp với các điện áp uđb1, uđb2 chia lμm hai kênh gửi đến các Tiristor mạch lực

Nguyên lý lμm việc: Tại lân cận các giao điểm (0, π, 2π, , kπ) của uđb~với trục hoμnh, giá trị tuyệt đối của uđb~ có trị số nhỏ, cả hai tranzitor T1, T2

đều khoá, các điện áp trên các cực góp của T1, T2 cùng có trị số lớn (tương ứng

0

ωt

ωt

ωt ωt ωt

u đb~

T1, T2 khoá

Hai tranzitor T1, T2 thay phiên nhau lμm việc (mở) ứng với mỗi chu kỳ của uđb~ Chẳng hạn trong khoản thời gian từ 0 ữ π, T1 được phân cực thuận,

T2 bị phân cực ngược → T1 thông, uđb1 = 1, T2 khoá, uđb2 = 0 Tương tự trong khoảng thời gian π ữ 2π, T1 khoá, T2 thông → uđb1 = 0, uđb2 = 1 Kết quả uđb1,

uđb2 có dạng lμ 2 dãy xung vuông, lệch pha nhau, tần số mỗi xung bằng tần số

Tranzistor T1 lμm việc như một khóa điện tử mμ điện áp trên chân C

được đưa đến đầu vμo các cổng logic nên ta chọn loại có dòng dò nhỏ, hệ số khuếch đại điện áp lớn Loại Tranzistor ngược lμm bằng vật liệu silic có nhãn hiệu C828 hay C945 có thể đáp ứng các yêu cầu trên

Điện trở Re1 đóng vai trò lμ tải cho T1 khi T1 mở bão hòa nên ta có thể chọn

Re1 = 1000 (Ω) = 1 (KΩ)

Như ta đã biết tại những điểm lân cận “0” vμ bằng “0”, điện áp đồng bộ không đủ lớn để mở T1 Để tăng dải điều chỉnh của góc α thì ta phải giảm khoảng thời gian nμy bằng cách nâng cao giá trị của điện áp đồng bộ Thường người ta lấy giá trị hiệu dụng của điện áp đồng bộ lμ: Uđb = 10 (v)

http://www.ebook.edu.vn 13

Để hạn chế biên độ điện áp quá lớn đặt lên tiếp giáp điều khiển của T1 ta chọn điốt ổn áp Dz1 có giá trị điện áp ổn định lμ UDz = 3 (v) Điện trở R1 đóng vai trò lμ điện trở gánh cho Dz1 nên nếu ta chọn dòng lμm việc (dòng điện phân cực ngược) của Dz1 lμ 0,01 (mA) thì R1 sẽ có giá trị:

)

(70001

,0

31001

,0

UU

Khi uđbo = 0 → T3 khoá → điện áp -ucc qua WR1, R8 đưa đến đầu vμo

đảo → Đầu ra của KĐTT có điện áp dương → tụ C1 được nạp điện, dòng nạp cho tụ C1 trong mạch +ucc → IC → C1 → R8 → WR1 → -ucc Dòng điện nμy

có trị số không đổi

-ucc +ucc

0

Hình 2-6: Sơ đồ nguyên lý vμ giản đồ thời gian mạch phát sóng răng cưa.

T3

O1

14

1 8

cc p

n C

WRR

ui

vì điện áp giữa 2 lối vμo đảo vμ không đảo của KĐTT có trị số nhỏ nên điện

áp ra có trị số được xem bằng điện áp trên tụ C1

10

t 0

C 1 c

C

1u

≈ 0,01 giây Với giả thiết sau mỗi nửa chu kỳ của điện áp lưới tụ C phóng hết

WRR

C

udt

.iC

1u

1 8

1

cc 01

, 0

0 C11

x

ă

urcmăx, fL~ Trên cơ sở các thông số đã cho ta có thể tính được hằng số thời gian

- Tính chọn cho mạch phát sóng răng cưa:

Từ công thức

WRR

C

uu

1 8

1

cc x

RC

x

ă rcm

cc 1

R

⇒ Chọn C1 có dung lượng C1 = 1 (μF) = 1.10-6 (F)

10.1

0,03WR

6 1

http://www.ebook.edu.vn 15

Khuếch đại thuật toán có thể chọn loại μA 741

b Mạch đồng bộ hóa và phát sóng răng cưa dùng Tranzitor:

ĐBH-FSRC.

Mạch ĐBH-FSRC có chức năng tạo ra dẫy điện áp tựa hình răng cưa có tần

Hình 2-6: Sơ đồ nguyên lý (a), giản đồ thời gian (b)

Trên sơ đồ nguyên lý mạch phát sóng răng cưa gồm có:

* Nguyên lý hoạt động:

Trước tiên ta tìm hiểu về nguyên lý lμm việc của mạch ổn dòng, ổn định

URe1 + UebT1 - UDz = 0

Urc

(a)

T2 T1

Re2 R4

16

⇒URe1 + UebT1 = UDz = const (UDz điện áp ổn định trên điốt ổn áp Dz)

giữ ổn định mặc dù có sự thay đổi của tải

Khi điện áp đồng bộ ở nửa chu kỳ âm có cực tính dương ở không (*), âm ở

Khi điện áp đồng bộ chuyển sang nửa chu kỳ dương có cực tính dương ở

xuất hiện một điện áp có cực tính dương dặt tới chân E vμ cực tính âm đặt tới

được tính theo biểu thức:

http://www.ebook.edu.vn 17

I C

1 t I C

1 dt I C

1

1 1 C 1 t

0 1 C 1 1

Tại các điểm lân cận điểm “0”, điện áp đồng bộ chưa đủ lớn để phân cực

vμ R3

sườn sau của điện áp răng cưa

* Tính chọn cho mạch ĐBH-FSRC:

tính chọn cho mạch như sau:

5(mA) = 0,005(A) thì:

1 Dz 1

CC

4

I

U U

ổn áp có dòng đánh thủng cho phép lμ 100(mA) vμ chọn dòng lμm việc trong

mạch nμy lμ 10 (mA)

).

( 570 01

, 0

3 , 6 12

1

1 1

Dz

Dz CC

I

U U

R

Trên mạch nμy ta thiết kế để sử dụng phần sườn trước của điện áp răng cưa

nên ta muốn thời gian nạp của tụ cμng gần bằng 1/2 chu kỳ T của điện áp

đồng bộ cμng tốt Để đạt được điều nμy ta tăng giá trị của điện áp đồng bộ để

Nếu ta chọn tần số của điện áp đồng bộ lμ 50Hz thì ta có T = 0,2s Quan sát

tn 1

CC 2

12

7 , 5 12

3 , 6 1 U

) t ( U 1 e ) e 1 (

U ) t

(

U

1 CC

2 C tn

tn 1

CC 2

1 , 2 7

http://www.ebook.edu.vn 19

c Mạch đồng bộ hoá dùng tầng khuếch đại Tranzitor và các cổng logic

+ Chức năng :

+ Nguyên lý làm việc :

khoá, điện áp trên các cực góp của chúng đều có giá trị lớn (mức logic "1"),

đồng thời T2 khoá, T4 thông, Uđb1 nhận trị "1", Uđb2, Uđb0 cùng nhận trị "0"

Tr1

Tr2 Tr3

Tr4

R2

WR1 R1

20

nhận trị "0" Qua các phân tích ta nhận được giản đồ điện áp trên các phần tử như hình vẽ trên

3 khối so sánh:

a Mạch so sánh dùng khuếch đại thuật toán so sánh song song:

Chức năng của mạch so sánh lμ định thời điểm phát xung bằng cách so sánh điện áp tựa (điện áp răng cưa) vμ điện áp điều khiển Khi hai điện

áp nμy có trị số tuyệt đối bằng nhau hoặc tổng đại số của chúng đổi dấu thì mạch nμy tạo ra một xung (Thời điểm xuất hiện xung xảy ra tại sườn trước xung răng cưa)

Khi thay đổi udk từ 0 ữ urcmăx thì α (lý tưởng) sẽ thay đổi từ 0 ữ 180 0

xem như điện áp tựa Còn điện

áp uđk sẽ thay đổi theo xu

hướng để đại lượng cần quan

tâm ở đầu ra của bộ biến đổi

được thay đổi hay giữ giá trị ổn

định usso lμ dãy xung vuông có

cực tính thay đổi, nhờ R11, DZ3

0

0

0 α

R10

R11

thực hiện ở sườn trước của xung răng cưa )

Hình 3-10: Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh (a), giản đồ thời gian (b) Nhìn trên sơ đồ ta thấy điện áp răng cưa, điện áp điều khiển vμ điện áp đặt

http://www.ebook.edu.vn 23

xuống dưới mức 0 (v) Khi điện áp điều khiển tăng dần thì điện áp răng cưa

Quan sát trên giản đồ thời gian ta thấy khi điện áp răng cưa còn có giá trị

khoá chắc chắn Điện áp ra của mạch so sánh có giá trị sấp xỉ giá trị của điện

của xung âm cũng thay đổi theo

* Tính chọn cho mạch so sánh:

24

3 Khối sửa xung và khuếch đại xung:

a Khối sửa xung và khuếch đại xung dùng mạch vi phân và mạch Dalingtơn dùng Tranzitor pnp

Xung của mạch so sánh đưa ra đã thoả mãn được thời điểm xuất hiện (góc α) nhưng chưa thoả mãn về độ rộng vμ công suất đối với yêu cầu của xung

điều khiển Tiristor Thông thường xung ra của mạch so sánh còn rộng so với

độ rộng chuẩn của xung điều khiển Tiristor nên trước khi đưa xung từ mạch so sánh đến điêù khiển Tiristor thì ta phải sửa lại độ rộng xung cho phù hợp Khối khuếch đại xung có nhiệm vụ khuếch đại công suất cho xung sau khi sửa

khuếch đại xung cùng giản đồ thời gian mô tả hoạt động của mạch Trong sơ

Darlington (mắc nối tiếp hai Tranzistor) theo sơ đồ cực phát chung Hai Tranzistor mắc nối tiếp như vậy tương đương với một Tranzistor có hệ số khuếch đại dòng điện (β) theo sơ đồ phát chung bằng tích hệ số khuếch đại

Hình 2-11: Sơ đồ nguyên lý (a) vμ giản đồ thời gian (b)

BAX -Ucc3

t1t’1 t2 t3 t4

http://www.ebook.edu.vn 25

Biến áp xung BAX trong mạch có chức năng chính lμ truyền xung từ mạch khuếch đại xung đến Tiristor để cách ly giữa mạch điều khiển vμ mạch động lực Ngoμi ra nhờ vμo tính chất bão hoμ từ của lõi thép mμ biến áp xung còn tham gia sửa dạng xung khi độ rộng của xung đưa tới mạch khuếch đại còn quá rộng Nguyên lý sửa xung của biến áp xung được thể hiện trên hình 3-6

thời gian tính từ lúc cấp xung cho BAX đến lúc từ thông trong lõi thép của BAX bão hòa

* Nguyên lý sửa xung của BAX:

Trên hình 2-12a lμ trường hợp xung vμo cuộn sơ cấp biến áp xung có độ rộng nhỏ hơn hoặc bằng khoảng thời gian bão hòa từ của BAX Do đó xung ra

tt