1 3
2.2. CÁC KHỐI CHỨC NĂNG CHÍNH CỦA BIẾN TẦN 21
2.2.1. Khối chỉnh lƣu
Một mạch chỉnh lƣu là một mạch điện bao gồm các linh kiện điện - điện tử, dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Mạch chỉnh lƣu có thể đƣợc sử dụng trong các bộ nguồn cung cấp dòng điện một chiều, hoặc trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến điện trong các thiết bị vô tuyến. Phần tử tích cực trong mạch chỉnh lƣu có thể là các điốt bán dẫn, các đèn chỉnh lƣu thủy ngân hoặc các linh kiện khác.
Khi chỉ dùng một điốt đơn lẻ để chỉnh lƣu dòng điện xoay chiều, bằng cách khóa không cho phần dƣơng hoặc phần âm của dạng sóng đi qua mạch điện, thì mạch chỉnh lƣu đƣợc gọi là chỉnh lƣu nửa chu kỳ hay chỉnh lƣu nửa sóng. Trong các bộ nguồn mọt chiều ngƣời ta hay sử dụng các mạch chỉnh lƣu nhiều điốt (2 hoặc 4 điốt) với các cách sắp xếp khác nhau để có thể biến đổi từ xoay chiều thành một chiều bằng phẳng hơn trƣờng hợp sử dụng một điốt riêng lẻ. Trƣớc khi các điốt bán dẫn phát triển, ngƣời ta còn dùng các mạch chỉnh lƣu sử dụng đèn điện từ chân không, đèn chỉnh lƣu thủy ngân, các dãy bán dẫn đa tinh thể seleni.
2.2.1.1. Mạch chỉnh lưu nửa sóng
Một mạch chỉnh lƣu nửa sóng chỉ một trong nửa chu kỳ dƣơng hoặc âm có thể dễ dàng đi ngang qua điốt, trong khi nửa kia sẽ bị khóa, tùy thuộc vào chiều lắp đặt của điốt. Vì chỉ có một nửa chu kỳ đƣợc chỉnh lƣu, nên mạch chỉnh lƣu nửa sóng có hiệu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
suất truyền công suất rất thấp. Mạch hỉnh lƣu nửa sóng có thể lắp bằng chỉ một điode bán dẫn trong các mạch nguồn một pha.
2. 3: Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ
2.2.1.2. chỉnh lưu hai nửa chu kỳ
Mạch chỉnh lƣu toàn sóng biến đổi cả hai thành phần cực tính của dạng sóng đầu vào thành một chiều. Do đó nó có hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên trong mạch điện không có điểm giữa của biến áp ngƣời ta sẽ cần đến 4 điode thay vì một nhƣ trong mạch chỉnh lƣu nửa sóng. Điều này có nghĩa là đầu cực của điện áp ra sẽ cần đến 2 điode để chỉnh lƣu, thí dụ nhƣ 1 cho trƣờng hợp điểm X dƣơng, và 1 cho trƣờng hợp điểm X âm. Đầu ra còn lại cũng cần chính xác nhƣ thế, kết quả là phải cần đến 4 điode. Các điode dùng cho kiểu nối này gọi là cầu chỉnh lƣu đƣợc thể hiện ở hình số 2.4.
2. 4: Chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ dưng cầu chỉnh lưu
Đối với nguồn xoay chiều một pha, nếu dùng biến áp có điểm giữa, chỉ cần 2 điốt nối đâu lƣng với nhau (nghĩa là anode-với-anode hoặc cathode-với-cathode)có thể thành một mạch chỉnh lƣu toàn sóng đƣợc thể hiện hình 2.5.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2. 5: Chỉnh lưu 2 nửa chu ky dùng biến áp có điểm giữa 2.2.2. Khối nghịch lƣu
2.2.2.1. Tổng quan về nghịch luu
Nghịch lƣu là quá trình biến đổi năng lƣợng một chiều thành năng lƣợng xoay chiều với điện áp và tần số ngõ ra có thể thay đổi cung cấp cho tải soay chiều.
Phân loại: Các sơ đồ nghịch lƣu đƣợc chia làm hai loại.
- Sơ đồ nghịch lƣu làm việc ở chế độ phụ thuộc vào lƣới xoay chiều.
- Sơ đồ nghịch lƣu làm việc ở chế độ độc lập (với các nguồn độc lập nhƣ ác quy, máy phát một chiều ....)
2.2.2.2. Nghịch lưu phụ thuộc
Nghịch lƣu phụ thuộc có sơ đồ nguyên lý giống nhƣ chỉnh lƣu có điều khiển. Mạch nghịch lƣu phụ thuộc là mạch chỉnh lƣu trong đó có nguồn một chiều đƣợc đổi dấu so với chỉnh lƣu và góc mở của các tiristo thoả mãn điều kiện ( /2 < < ) lúc đó công xuất của máy phát điện một chiều trả về lƣới xoay. Tần số và điện áp nghịch lƣu này phụ thuộc vào tần số điện áp lƣới xoay chiều.
2.2.2.3. Nghịch lưu độc lập
Nghịch lƣu độc lập làm nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều từ các nguồn độc lập (không phụ thuộc vào lƣới xoay chiều) thành xoay chiều với tần số pha tuỳ ý. Tần số và điện áp nghịch lƣu. Nói chung có thể điều chỉnh tuỳ ý. Có hai dạng sơ đồ nghịch lƣu độc lập là mạch cầu và mạch dùng biến áp có trung tính.
Sơ đồ nghịch lƣu lập đƣợc chia là ba loại cơ bản: - Nghịch lƣu song song và nối tiếp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Nghich lƣu nguồn dòng và nguồn áp
a) Nghịch lưu song song và nối tiếp
Là các dạng nghịch lƣu sử dụng SCR cho đóng ngắt, và có sử dụng tụ điện ở mạch tải để đảm bảo chuyển mạch. Trong mạch điện gồm R tải, tự cảm L và điện dung
C tại thành mạch cộng hƣởng LCR, làm cho dòng qua SCR giảm về 0 và SCR tự tắt.
2. 6: Nghịch lưu song song
2. 7: Nghịch lưu nối tiếp + Nghịch lƣu song song (Hình 2.6)
Các SCR1 và SCR4 có cùng dạng xung kích cũng nhƣ SCR2 và SCR3. Khi SCR 1 và SCR4 dẫn điện, tụ điện C đƣợc nạp đến điện áp có cực tính nhƣ trên hình vẽ. Điện áp này sẽ đặt điện áp âm vào SCR1 và SCR4, làm tắt chúng khi ta kích SCR2 và SCR3. Tự cảm L ở đầu vào cách ly nguồn và cầu chỉnh lƣu, làm cho dòng điện cung
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
cấp vào cầu chỉnh lƣu không thay đổi tức thời, tránh khả năng chập mạch tạm thời qua SCR1 và SCR2 ( hay SCR3 và SCR4 ) khi các SCR chuyển mạch.
Do có tự cảm ở giữa bộ nghịch lƣu và nguồn nên trị số và điện áp ngõ ra thay đổi theo đặt tính tải. Trên hình 2.7b áp ra không còn dạng xung vuông và có thể gần giống hình sin khi tải có tự cảm ( tải RL).
2. 8: dạng áp, dòng của nghịch lưu nối tiếp (a) song song (b)
+ Nghich lƣu nối tiếp (Hình 2.7)
Mạch điện hình 2.7 là dạng đơn giản nhất của mạch nghịch lƣu nối tiếp, có mạch tƣơng đƣơng là LCR nối tiếp khi SCR dẫn điện. Ví dụ nhƣ khi SCR 1 đƣợc kích, dòng qua mạch sẽ về không khi áp trên tụ điệ đạt giá trị cực đại ( có dấu nhƣ mạch điện) và SCR sẽ tự tắt. Vì thế mạch còn gọi là mạch nghịch lƣu chuyển mạch tải. Khi SCR2 đƣợc kích, tụ điện sẽ phóng qua nó và dòng về không khi áp trên tụ đảo cực tính, chuẩn bị cho chu kỳ kế tiếp. Dạng sóng nhƣ hình 2.8a
Hai mạch nghịch lƣu này đƣợc dùng làm mạch nguồn trung hay cao tần. Và nhƣ vậy ngoài nhiệm vụ tắt ( chuyền mạch) SCR, các tụ điện trong hai mạch nghịch lƣu này còn là một phần của tải, góp phần vào việc cải thiện hệ số công suất của mạch.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
b) Nghịch lưu nguồn dòng và nguồn áp + Nghịch lưu nguồn dòng:
Là mạch nghịch lƣu có L bằng vô cùng ở ngõ vào, làm cho tổng trở của mạch nguồn có giá trị lớn: tải làm việc với nguồn dòng. Hình 2.9 biểu diễn sơ đồ nguyên lý và mạch tƣơng đƣơng của nghịch lƣu nguồn dòng một pha RL. Dòng nguồn iN phẳng, không đổi ở một giá trị tải, đƣợc dóng cắt thành dòng AC cung cấp cho tải. S1, S4 đóng: i0 > 0; S2, S3 đóng: i0 < 0. Vậy tải nhận đƣợc dòng điện AC là những xung vuông có biên độ phụ thuộc tải.
2. 9: Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương của nghich lưu nguồn dòng + Nghịch lƣu nguồn áp:
Đặc trƣng của nghịch lƣu nguồn áp là có tổng trở trong bằng không để có thể cung cấp hay nhận dòng tải. Một đặc trƣng khác là ngắt điện luôn có điôt song song ngƣợc để năng lƣợng từ tải có thể tự do trả về nguồn thể hiện hình 2.10
Áp nguồn một chiều đƣợc đóng cắt thành những xung áp hình vuông có biên độ chính xác đển cung cấp cho tải.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2. 10: Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương
3.3.1. Nghịch lưu sóng vuông
Là loại biến đổi DC-AC đơn giản nhất. Tín hiệu điều khiển khối công suất ở dạng xung vuông. Điện áp AC thu đƣợc ở đầu ra nhờ việc đảo pha điện áp DC cấp vào biến áp với một tần số nhất định nhƣ hình 2.11.
2. 11: Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu sóng vuông
- Ở nửa chu kỳ đầu tín hiệu xung kích ở mức cao. Q1 và Q2 dẫn, Q3 và Q4 ngƣng dẫn do tín hiệu xung kich đã đi qua IC đảo trở thành mức thấp, dòng điện bên sơ cấp biến áp đi theo hƣớng.
VDC → W11 → Q1, Q2 → GND
Cuận thứ cấp thu đƣợc bán kỳ dƣơng của dòng điện với biên độ điện áp tỉ lệ thuận với hệ số khuếch đại của biến áp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Ở nửa chu kỳ sau tín hiệu xung kích ở mức thấp. Q1 và Q2 ngƣng dẫn, Q3 và Q4 dẫn do tín hiệu xung kich đã đi qua IC đảo trở thành mức cao, dòng điện bên sơ cấp biến áp đi theo hƣớng.
VDC → W12 → Q3, Q4 → GND
Cuận thứ cấp thu đƣợc bán kỳ âm của dòng điện với biên độ điện áp tỉ lệ thuận với hệ số khuếch đại của biến áp.
2. 12 Dạng sóng của nghịch lưu sóng vuông so với sóng sin (vi: Phần điện áp thiếu của sóng vuông so với sóng sin; Ve: Phần điện áp dư thừa của sóng
vuông)
Với việc mất đi phần đỉnh sin Vi. Khả năng đáp ứng đối với tải có thành phần cảm kháng của nghich lƣu sóng vuông là rất kém. Do không đủ công suất và thƣờng gây ra hiện tƣợng ồn.
Ƣu Điểm:
Mạch đơn giản, đẽ làm rễ hiểu,có giá trị tƣơng đối rẻ Nhƣợc điểm:
- Hiệu suất thấp do tổn hao phần năng lƣợng tạo ra điện áp Ve - Công suất tảo nhiệt lên các van lớn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Dạng sóng ra vuông lên chỉ có thể chạy đƣợc tải thuần trở, các thiết bị không yêu cầu khắt khe về nguồn cấp. Khi sủ dụng cho các tải cảm thì động cơ chóng bị hƣ hỏng.
3.3.2. Nghịch lưu xung vuông kết hợp với bộ lọc LC ngõ ra
2. 13: Sơ đồ ghép bộ lọc LC ở ngõ ra
Có cấu tạo giống bộ nghịch lƣu sóng vuông và đƣợc ghép thêm bộ loc LC sau đầu ra của cuận thứ cấp nhƣ hình 2.13.
Dạng sóng của bộ nghịch lƣu sau khi đã kết hợp với bộ lọc LC dã mềm hóa sóng vuông, giảm bớt điện áp dƣ thừa. Nhƣng mới chỉ cải thiện chất lƣợng đƣợc đôi chút. Vẫn chƣa đảm bảo để chạy tải cảm công suât cao, có thể chạy tai cảm nhẹ nhƣ quạt.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2. 14: Dạng sóng của nghịch lưu sóng vuông với bộ lọc LC
3.3.3. Nghịch lưu sử dụng nhiều cấp điện áp một chiều
Một phƣơng pháp cải tiến từ bộ nghịch lƣu đơn giản đó là tạo ra ở đầu ra nhiều cấp điện áp một chiều khác nhau, nhằm tạo lên dạng điện áp ra là rạng sóng kiểu bặc thang. Sau đó sử dụng bộ lọc LC biến đƣơng cong bậc thanh đó thành hình gần giống sin. Với đầu ra của biến áp càng nhiều cấp điện áp khác nhau thì chất lƣợng đầu ra của bộ nghịch lƣu càng đƣợc cải thiện.
Phƣơng pháp này là tổng hợp của 2 phép chuyển đổi DC-DC và DC-AC.
Bƣớc đầu ta dùng phép chuyển đổi DC-DC để tạo ra nhiều cấp điện áp một chiều khác nhau, hầu hết phép chuyển đổi này thƣờng dùng biến áp xung. Vì dùng biến áp xung sẽ tiết kiệm về mặt kinh tế, nhỏ gọn và làm việc ở tần số cao lên điện áp ra sau chỉnh lƣu rất ổn định. Đầu ra của biến áp xung đƣợc chỉnh lƣu băng điôt xung và đƣợc lọc các xung nhiễu cao tần nhờ các tụ C1 đến C4.
Sau đó chuyển đổi DC – AC sử dụng 3 bộ cầu H biến đổi 3 mức điện áp thu đƣợc thành điện áp bậc thang ngõ ra. Nhờ bộ loc LC mà điện áp ngõ ra đã đƣợc mềm hóa đƣa về dạng gần giống hình sin.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2. 15: Chuyển đổi DC-DC
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2. 17: Dạng sóng ra của chuyển đổi DC-AC
Nguyên lý hoạt động:
Xung tần số cao từ bộ điều khiển đƣợc đƣa tới 2 Cực điều khiển của 2 MOSFET Q1, Q2 cấp nguồn cho biến áp hoạt động. các đầu của biến sau khi đã chỉnh lƣu bằng điôt xung cho ra các điện áp lần lƣợt là: 0 V, 98 V, 230 V, 310V.
Các điện áp này đƣợc đƣa đến các bộ cầu H nhƣ hình 2.16 để thực hiện chuyển đổi DC –AC. Các bộ cầu H đƣợc điều khiển bằng tín hiệu h1, h2, h3, l1, l2, l3 từ bộ điều khiển:
- Với tín hiệu h1 thực hiện cho dong điện chạy từ 98V - Q1A - L1 – Tai – L2 – Q1B – 0V. - Với tín hiệu h2 thực hiện cho dòng điện chạy từ 230V – Q3A – L1 - Tai – L2 – Q3B – 0V. - Với tín hiệu h3 thực hiện cho dòng điện chạy từ 310V – Q5A – L1 - Tai – L2 – Q5B – 0V. - Với tín hiệu l1 thực hiện cho dòng điện chạy từ 98V – Q2A – L1 - Tai – L2 – Q2B – 0V. - Với tín hiệu l2 thực hiện cho dòng điện chạy từ 230V – Q4A – L1 - Tai – L2 – Q4B – 0V. - Với tín hiệu l3 thực hiện cho dòng điện chạy từ 310V – Q6A – L1 - Tai – L2 – Q6B – 0V.
Với càng nhiều cấp điện áp, các bậc thang càng bé lại, chất lƣợng dong điện càng đƣợc càng đƣợc nâng cao hơn, hiệu suất cũng tăng lên. Đến khi đạt mức lý tƣởng với n cấp điện áp ( n → ∞) thì dòng điện sẽ là hình sin. Nhƣng rất khó để thực hiện đƣợc điều đó. Vì càng tăng cấp điện áp thì tính phức tạp của mạch càng cao, Các tín hiệu điều khiển đòi hỏi tăng lên. Vì vậy các mức điện áp chỉ có thể tăng đến một giá trị nhất định.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Ƣu Điểm: Do sóng ra sau khi đã qua bộ lọc đã tƣơng đối giống sóng sin vì vậy đã có khả năng chại các tải cảm nhƣ quat, máy bơm, các động cơ nhỏ; Hiệu suất cao hơn so với 2 loại trƣớc.
Nhƣợc điểm: Giá thành tƣơng đối cao, mạch tƣơng đối phức tạp đòi hỏi phải có kiến thức chác mới có thể tìm hiểu và thi công láp đặt đƣợc.
2.3. MỘT SỐ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG BIẾN TẦN 2.3.1. Điôt công suất 2.3.1. Điôt công suất
Điôt công suất là phần tử bán dẫn có một tiếp giáp PN. Diện tích bề mặt tiếp giáp đƣợc chế tạo lớn hơn so với điôt thông thƣờng, có thể đạt tới hàng trục mm2
. Mật độ dòng điện cho phép của tiếp giáp cỡ 10A/mm.2 Dòng điện định mức của điôt công suất có thể đạt tới hàng trăm ampe, nhƣ PK200, thậm chí hàng nghìn ampe nhƣ BB2- 1250. Cấu tạo và ký hiệu của điôt công suất đƣợc mô tả nhƣ hình 2.18
A K A K P N J A K
2. 18: Cấu trúc và ký hiệu của điôt công suất 2.3.2. Tranzitor lƣỡng cực công suất (BJT) 2.3.2. Tranzitor lƣỡng cực công suất (BJT)
Transitor công suất có cấu tạo, ký hiệu tƣơng tự nhƣ Transitor thƣờng với các loại nhƣ NPN hay PNP. Điểm khác cơ bản với Transitor thƣờng là Transitor công suất thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ 1 khoá đóng/cắt điện tử. Tiếp giáp của Transitor công suất
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/