Thiết kế nguồn ổn áp xoay chiều một pha

Khái niệm chung: Các bộ ổn áp điện xoay chiều là các thiết bị điện tự độngduy trì đại lợng điện áp xoay chiều đầu ra không đổi khi điện áp đầu vào thay đổi trong một phạm vi nhất định.

Chơng 1

Giới thiệu chung về thiết bị

ổn áp xoay chiều

1 Khái niệm chung:

Các bộ ổn áp điện xoay chiều là các thiết bị điện tự độngduy trì đại lợng điện áp xoay chiều đầu ra không đổi khi điện

áp đầu vào thay đổi trong một phạm vi nhất định

Mỗi thiết bị tiêu thụ điện năng đợc chế tạo để làm việc ởmột cấp điện áp xác định, gọi là điện áp định mức Trong thực

tế, điện áp lới cung cấp luôn biến động trong một phạm vi chophép, ví dụ ( 0,8  1,2 ).Uđm Nếu thiết bị điện làm việc ở lới

điện không ổn định, đặc tính của thiết bị sẽ không ổn địnhtheo, tuổi thọ của nó giảm, vì vậy các bộ ổn áp đảm bảo cungcấp điện áp ổn định cho các thiết bị công tác

Chất lợng của bộ ổn áp đợc đánh giá bằng hệ số ổn định

và độ méo của dạng sóng đầu ra Hệ số ổn định của ổn áp là:

Chất lợng điện áp còn đợc đánh giá qua độ méo của nó so với

điện áp đầu vào hình sin, nếu điện áp ra bị méo (không sin)thì ngoài thành phần sóng cơ bản ( bậc một ), nó còn có cácsóng hài bậc cao, ảnh hởng đến chế độ làm việc của thiết bị

và gây nhiễu cho lới điện

Có nhiều kiểu ổn áp xoay chiều với các nguyên lý làm việckhác nhau Chúng thờng đợc phân làm 2 nhóm: nhóm ổn ápthông số (không có điều khiển) và nhóm ổn áp bù (có điều

khiển) Dới đây ta xét đặc điểm của một số loại ổn áp thờnggặp.

Nhợc điểm của sơ đồ ổn áp này là điện áp đầu ra thấp hơn

điện áp đầu vào và dòng từ hoá lớn vì cuộn kháng bão hoà Hệ

số ổn định của sơ đồ này cao, chất lợng ổn áp thấp

3 ổn áp kiểu Supvolter (Biến áp tự ngẫu):

a- ổn áp kiểu Supvolter nhảy cấp:

Nguyên lý làm việc của loại này đợc trình bày nh hình vẽ Nógồm một bộ chuyển mạch dới tải đấu với một biến áp tự ngẫu cónhiều mức đầu vào Khi điện áp ra thay đổi, cơ cấu lấy tínhiệu từ điện áp ra và so sánh với trị số mẫu (điện áp ra định

mức) và cấp tín hiệu cho bộ điều khiển Bộ điều khiển có

nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu so sánh và điều khiển bộ chuyển

mạch để chọn nấc thích hợp cho điện áp ra gần trị số địnhmức nhất.

Đặc điểm của loại ổn áp này là điện áp ra nhảy cấp (cỡ 2%

điện áp định mức), dạng sóng hình sin Bộ chuyển mạch làmviệc dới tải nên chế độ chuyển mạch nặng nề (hồ quang lớn) Vìthế thời gian chuyển mạch phải nhanh, tuổi thọ phải cao Đểdòng điện khỏi bị ngắt quãng khi chuyển mạch, cần có thêm cácphần tử phụ (điện trở, điện kháng) nối thêm vào các nấc, tơng

tự nh ở bộ chuyển mạch dới tải trong các máy biến áp truyền tải

áp, vì vậy dập hồ quang dễ hơn Những bộ ổn áp công suất

đến vài trăm ngàn VA, điện áp đến 6 000V kiểu nhảy cấp đợcchế tạo, cấp nguồn cho các máy biến áp phân phối

b- ổn áp vô cấp kiểu tự ngẫu kết hợp với bán dẫn

Nguyên lý làm việc của loại này đợc trình bày nh hình vẽ

Thay cho bộ chuyển mạch nhảy cấp, ngời ta dùng hai thyristor

đấu song song ngợc và nối tiếp với đầu vào của máy biến áp tựngẫu Khi điện áp ra biến động, bộ so sánh sẽ phát tín hiệu để

bộ điều khiển thay đổi góc mở của thyristor

c- ổn áp khuếch đại từ

Nguyên lý làm việc của ổn áp này đợc trình bày trên hình vẽ

Ura = (Uvào - UKĐT)KAT

trong đó: UKĐT là điện áp rơi trên khuếch đại từ

KAT là hệ số biến áp tự ngẫu AT

Bằng cách thay đổi dòng điều khiển một chiều trong cuộndây điều khiển, điện kháng của KĐT thay đổi nên sụt áp trên

nó cũng thay đổi để đảm bảo điện áp ra không đổi

Khi điện áp ra lớn, dòng điểu khiển phải bé để lõi thép củaKĐT ít bị từ hóa, điện kháng của nó sẽ lớn, nên sụt áp trên nó sẽlớn Khi điện áp ra bé, quá trình điều khiển sẽ ngợc lại, nghĩa làcần dòng điều khiển lớn

Với phần phản hồi là mạch bán dẫn, ngời ta chế tạo loại ổn áp

ba pha công suất đến vài chục kVA, có phạm vi ổn áp rộng (với

Uvào từ 0,85 đến 1,1)độ ổn định tốt: (Ura = Uđm ± 1%Uđm)

d- ổn áp kiểu Servomotor.

Bộ phận chính của ổn áp loại này là một biến áp tự ngẫu quay,

do động cơ chấp hành (servomotor) kéo chổi than để thay

đổi điện áp Sơ đồ nguyên lý trình bày trên hình vẽ:

Điện áp ra cấp điện cho bộ phận so sánh (SS) sẽ cấp tín hiệucho bộ điều khiển (ĐK) Bộ điều khiển có nhiệm vụ khuếch đạitín hiệu so sánh và điều khiển động cơ quay chổi than để

điều chỉnh điện áp ra Động cơ sẽ ngừng quay khi không có tínhiệu điều khiển, nghĩa là điện áp ra đạt trị số định mức

Bộ so sánh bằng linh kiện bán dẫn, kích thớc nhỏ gọn Động cơchấp hành công suất bé (cỡ vài chục wat), qua hộp giảm tốc có tỉ

số truyền khá lớn kiểu trục vít dễ dàng dừng chính xác

Ưu điểm: kích thớc nhỏ gọn, điện áp ra hình sin, công suấtkhông tải nhỏ

Nhợc điểm: chổi than chóng mòn, có thể phát sinh hồ quang.Vì động cơ chấp hành bé, phải qua bộ giảm tốc với tỉ số truyềnlớn nên thời gian tác động chậm (đến háng giây) không đáp ứng

đợc các tải cần thời gian tác động nhanh Mỗi bộ chổi than chỉchịu đợc dòng điện đến 50A (nếu chổi than có tiết diện lớnthì dễ gây ra ngắn mạch cục bộ giữa hai vòng dây cạnh nhaucủa MBA tự ngẫu)

Hiện nay ổn áp kiểu này đợc dùng khá rộng rãi, nhất là cho

điện áp gia dụng có công suất từ vài trăm VA đến vài trăm ngàn

VA, cả loại một pha và ba pha

Khác với ổn áp khuếch đại từ, điện áp bù trong trờng hợp này cóthể đổi dấu, bù lợng thiếu , thừa của điện áp vào Nếu điện ápvào thấp thì Ub có trị số dơng, còn khi điện áp vào có trị số lớnhơn định mức thì Ub có trị số âm, vì vậy điện áp ra sẽ ổn

định

Công suất của ổn áp kiểu bù phụ thuộc vào công suất của máybiến áp bù và lớn hơn nhiều lần so với MBA bù Ví dụ với ổn áp bùmột pha,điện áp cần bù là 40V, dòng điện tải là 20A thì dung l-ợng của biến áp bù và dung lợng của ổn áp bù sẽ là:

I - Đề xuất các phơng án tổng thể :

Thiết bị ổn áp xoay chiều một pha có rất nhiều chủng

càng cao thì việc ứng dụng các linh kiện bán dẫn, điện tử công suất để thiết kế luôn có tính u việt hơn cả và nó cũng đợc sử dụng rộng rãi trong thực tế hiện nay

Căn cứ vào các tham số yêu cầu về nguồn ổn áp xoay chiềumột pha cần thiết kế:

Điện áp ra

(V)

Dòng tải max (A)

Điện áp vào (V)

Tần số

điện áp (Hz)

cos

Đồng thời căn cứ trên những khái niệm về ổn áp xoay chiều vàcác chủng loại mạch ổn áp xoay chiều thờng gặp trong thực tế,vận dụng các kiến thức điện tử công suất đã học em đã đề xuất

đợc các phơng án tổng thể thiết kế nguồn ổn áp xoay chiềumột pha nh sau:

1 Phơng án 1:

Dùng một bộ điều áp xoay chiều gồm hai thyistor đấu songsong ngợc và nối tiếp với đầu vào của máy biến áp tự ngẫu Khi

điện áp ra biến động thì bộ so sánh sẽ nhận biết sự biến động

đó và phát tín hiệu để bộ điều khiển thay đổi góc mởthyristor giữ cho điện áp ra không đổi

Phơng án này có u điểm là điều chỉnh vô cấp, cấu tạo mạchlực đơn giản, thời gian tác động nhanh, tuổi thọ cao

Tuy nhiên nhợc điểm của phơng án là điện áp ra không sin, độméo cao, muốn có đợc điện áp ra sin ta phải cho qua khâu lọcthành phần bậc cao

cho bộ điều khiển Bộ điều khiển có nhiệm vụ khuếch đại tín

hiệu so sánh và điều khiển đóng mở các cặp Thyristor để chọnnấc thích hợp cho điện áp ra gần trị số định mức nhất

Đặc điểm của loại ổn áp này là điện áp ra nhảy cấp (cỡ 2%

điện áp định mức), dạng sóng hình sin Bộ chuyển mạch làmviệc dới tải nên chế độ chuyển mạch nặng nề Để dòng điệnkhỏi bị ngắt quãng khi chuyển mạch, cần có thêm các phần tửphụ (điện trở, điện kháng) nối thêm vào các nấc, tơng tự nh ở

bộ chuyển mạch dới tải trong các máy biến áp truyền tải

u điểm của phơng án này là không dùng chuyển mạch tiếpxúc cơ khí nên khắc phục đợc sự phóng tia lửa điện, chuyểnmạch bằng khoá điện tử, thời gian chuyển mạch nhanh, tuổi thọcao, điện áp ra có dạng sin

3 Phơng án 3:

ổn áp xoay chiều một pha bằng phơng pháp điều biến

độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)

Điều mong muốn là làm thế nào để vừa điều chỉnh

đợc điện áp ra mà vẫn giảm nhỏ đợc ảnh hởng của các sóng hài bậc cao.

Biện pháp điều biến độ rộng xung nhằm đáp ứng yêu cầu trên Nội dung chính của biện pháp này nh sau:

- Tạo một sóng dạng hình sin u m , ta gọi là sóng điều biến, có tần số bằng tần số mong muốn.

- Tạo một sóng dạng tam giác, biên độ cố định u p , ta gọi

là sóng mang có tần số lớn hơn nhiều (thờng là bội ba) tần

số sóng điều biến.

- Dùng một khâu so sánh để so sánh u m và u p Các giao

điểm của hai sóng này xác định khoảng tác động của xung điền khiển tiristor hoặc transistor công suất.

Ngời ta chia điều biến độ rộng xung thành hai loại:

- Điều biến độ rộng xung đơn cực: điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số 0 và +E trong nửa chu kỳ dơng và 0 và -E trong nửa chu kỳ âm.

- Điều biến độ rộng xung lỡng cực: điện áp ra trên tải là một chuỗi xung, độ rộng khác nhau, có trị số ±E.

Tỉ số giữa biên độ sóng điều biến và biên độ sóng mang, ký hiệu là M, đợc gọi là sóng điều biến, M = A m /A p

Điều chỉnh A m cũng chính là điều chỉnh độ rộng xung Khi M = 1 thì điện áp ra tải nhỏ nhất Muốn giảm nhỏ

Năng lợng điện xoay chiều sẽ đợc chỉnh lu thành năng lợng

điện một chiều để đi vào bộ điều biến và cuối cùng cho ra lại

năng lợng điện xoay chiều có tính chất ổn định điện áp nhmong muốn.

u điểm của phơng án này là hiện đại, cho ra đợc chất lợng ổn

định điện áp tốt và điều chỉnh liên tục

Tuy nhiên nhợc điểm của phơng án là sơ đồ phức tạp Quátrình ổn áp phải thực hiện nhiều khối chức năng (chỉnh lu, tạoxung, tạo sóng, biến đổi biên độ, lọc ), mạch điều khiển phứctạp Mặt khác, do phải qua hai lần biến đổi dạng năng lợng vàqua nhiều khâu chức năng nên tổn hao năng lợng của phơng ánnày lớn Do vậy, phơng án này chỉ thích hợp với nguồn ổn áp cócông suất lớn

4 Phơng án 4:

áp dụng phơng pháp ổn áp bằng cách tự động thay đổi hệ sốbiến đổi của máy biến áp tự ngẫu kết hợp với các bộ điều ápxoay chiều một pha, ta đa ra phơng án mạch lực nh hình vẽ:

Trong sơ đồ mạch lực, ta chọn các đầu ra sao cho giá trị điện

áp hiệu dụng của các đầu ra sẽ là :

U1 = 106 V  20% = 102 V  127 V Khi đầu vào

là

U2 = 159 V  20% = 127 V  191 V UV = 380V 20%

U3 = 127 V khi đầu vào là UV = 380V

Hoạt động của sơ đồ sẽ nh sau:

T5&T6 ở đầu ra số III hoạt động, còn hai cặp Thyristor còn lại ( T1&T2 và T3&T4 ) sẽ bị khoá, không hoạt động

áp ra sẽ hoàn toàn sin và có giá trị đúng bằng giá trị yêu cầu.

Thyristor T5&T6 ở đầu ra số III sẽ bị khoá, không hoạt động Lúc này hai cặp Thyristor T1&T2 và T3&T4 sẽ đồng thời hoạt

luật nào đó theo sự biến thiên của điện áp vào để cho

điện áp ra có giá trị hiệu dụng đợc giữ không đổi.

20%.380V thì chỉ có cặp Thyristor T1&T2 hoạt động, còn hai cặp còn lại bị khoá Điện áp ra sẽ đúng bằng hình sin

127 V, dạng điện áp hoàn toàn sin.

= 380V - 20%.380V thì chỉ có cặp Thyristor T3&T4 hoạt

động, còn hai cặp còn lại bị khoá Điện áp ra sẽ đúng bằng hình sin 127 V, dạng điện áp hoàn toàn sin.

Phơng án này có u điểm là cho dạng điện áp ra gần giống vớidạng sin, chất lợng điện áp tốt, điều khiển vô cấp, cấu tạo mạchlực khá đơn giản, tuổi thọ của mạch cao do không có tiếp xúcchuyển mạch cơ khí Mạch có chế độ hoạt động cho trờng hợp

điện áp đầu vào đúng với điện áp chuẩn, có thể cho dạng điện

áp ra hoàn toàn sin

II- Lựa chọn phơng án thực thi :

Qua đề xuất và phân tích u nhợc điểm của các phơng án, taquyết định chọn phơng án thứ 4 là phơng án thực thi khá đơngiản và có nhiều u điểm nổi bật hơn so với các phơng án khác,phù hợp với nguồn ổn áp xoay chiều một pha yêu cầu thiết kế cócông suất bé

III- Tiến hành thiết kế mạch lực và xác định quy luật

điều khiển cho phơng án đã chọn:

+ Bộ số II : cặp Thyristor T3&T4 tơng ứng với đầu ra

II của máy biến áp tự ngẫu

+ Bộ số III : cặp Thyristor T5&T6 tơng ứng với đầu raIII của máy biến áp tự ngẫu

Ta cần xác định quy luật điều khiển đóng mở các cặpThyristor trên theo sự biến động của biên độ điện áp vào để

điện áp ra có biên độ không đổi và có giá trị nh yêu cầu

Khi điện áp vào có giá trị hiệu dụng là UV = 380V thì điện

áp ở các đầu ra I, II, và III của biến áp tự ngẫu tơng ứng có giátrị: UI = 106V, UIII = 127 V, UII = 159V Nh vậy, hệ số biến đổi

điện áp qua máy biến áp tự ngẫu AT của các đầu ra I, II, và III

t-ơng ứng sẽ là:

Góc điều khiển của cặp Thyristor T5&T6 là  = 0, điện áp ra

sẽ hoàn toàn sin và có giá trị đúng bằng giá trị yêu cầu

Đây là trờng hợp đặc biệt thờng xảy ra và có ý nghiã thực tế :lúc điện áp vào đã ở mức chuẩn và ổn định thì ta không cầnphải điều chỉnh và điện áp ra sẽ có dạng sin đúng nh điện ápvào

* Khi điện áp vào biến thiên ở mức cao nhất : UV = 380V +20%.380V thì chỉ có cặp Thyristor T1&T2 hoạt động với góc

điều khiển  = 0 , còn hai cặp còn lại bị khoá Điện áp ra sẽ

đúng bằng hình sin 127 V, dạng điện áp hoàn toàn sin

* Tơng tự, khi điện áp vào biến thiên ở mức thấp nhất: UV =380V - 20%.380V thì chỉ có cặp Thyristor T3&T4 hoạt động vớigóc điều khiển  = 0 , còn hai cặp còn lại bị khoá Điện áp ra sẽ

đúng bằng hình sin 127 V, dạng điện áp hoàn toàn sin

ta sẽ phải điều khiển góc  biến thiên theo một quy luật nào đótheo sự biến thiên của điện áp vào để cho điện áp ra có giá trịhiệu dụng đợc giữ không đổi.

Phân tích quy luật biến đổi điện áp khi hai bộ Thyristor I và

II cùng hoạt động nh sau:

Trớc tiên ta xét trong trờng hợp tổng quát là Thyristor T3 và T4không đóng lại ngay khi điện áp đổi dấu Gọi  là góc dẫn củaT3, T4

Đồ thị điện áp và dòng điện ra tải nh sau xét từ thời điểm t

= 0 :

(s) = 1,85 ms

Hệ số C1 xác định từ điều kiện đầu i1(t=0) = 0

2) Giai đoạn từ    +  : Khi van T3 mở ra làm cho van T1

khoá lại Điện áp trên tải trở thành:

ut = uII = UIIm sint ( UIIm = 159 V  20% )

Giải tơng tự giai đoạn 1 nhng dịch gốc toạ độ tính toán sang

đúng điểm T3 mở ra thì điều kiện đầu cho dòng điện ở giai

đợc phép mở khi van T3 đã khoá lại rồi

3) Giai đoạn từ  +    +  : Cho van T2 mở ra, điện áp

ra tải trở về bằng uI : ut = uI Ta lại tiếp tục dịch gốc tính toánsang điểm  +  để có điều kiện đầu vẫn là i(0) = 0 Tuynhiên có khác giai đoạn 1 là điện áp nguồn đặt lên mạch ở thời

điểm van T2 bắt đầu dẫn lúc đó đã khác không

4) Giai đoạn 4 : Từ điểm  +  cho đến  +  + 

T4 mở ra, van T2 bị khoá lại Điện áp trên tải lúc này là điện áp

ut = uII

Sau đó quá trình tiếp tục lặp lại, do T4 tiếp tục dẫn qua khỏithời điểm 2 nên khi điện áp trong mạch của Thyristor đã vềkhông nhng dòng điện vẫn cha về không

Tính điện áp ra hiệu dụng theo công thức định nghĩa:

+ I2 = = U2

1m

=>  - cos(2+).sin =

  - cos(2+).sin = (**)

Trong đó: URm là giá trị biên độ điện áp ra tải

Phơng trình (**) vừa tìm đợc cho ta quy luật điều khiểngiữa góc  theo các giá trị điện áp U1m , U2m (phụ thuộc điện ápvào) để cho điện áp ra tải URm không đổi.

Trong phơng trình còn đại lợng góc trùng dẫn  , việc xác địnhgóc  theo góc điều khiển  và điện áp vào gặp nhiều khó khăn

do đó ta tìm cách khống chế sự dẫn của các van sao cho khi

điện áp về đến không thì van cũng bị khoá lại,dòng điện bịcắt Lúc đó ta có:  =  - 

Mặt khác ta có quan hệ giữa các điện áp ra sau máy biến áp

tự ngẫu và điện áp vào:

 -  + =

=> U vm = U Rm

Chia cả 2 vế cho để có quan hệ hiệu dụng:

=>(***)

Phơng trình (***) chính là quy luật quan hệ giữa giá trị hiệudụng điện áp vào và góc điều khiển  để cho điện áp ra giữgiá trị hiệu dụng không đổi: URahd = 127 (V)

Điện áp vào hiệu dụng : Uv = 380  20% = 304  456 (V)

Sử dụng phần mềm Matlab ta vẽ đợc đồ thị quan hệ UV() nhhình vẽ:

U v = U Rahd