pháp này đơn giản hơn rất nhiều so với phương pháp Xung –Tần
II. ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐỘ RUNG XUNG PWM PWM
Phương pháp thực hiện băm xung với tần số không đổi f=const, điện áp ra tải thay đổi nhờ chỉ điều chỉnh độ rộng khoảng dẫn của van to= var. Để thực hiện điều này sử dụng sơ đồ cấu trúc như hình 3.9a, cịn hình 3.9b là đồ thị minh họa ngun lý hoạt động. Chức năng các khâu là
1. Khâu phát xung chủ đạo nhằm tạo dao động với tần số cố định nhằm đảm bảo điều kiện băm xung với tần số không đổi.
2. Khâu tạo điện áp răng cưa theo tần số của khâu phát xung chủ đạo, đồng thời đảm bảo phạm vi điều chỉnh tối đa của tham số .
3. Khâu so sánh tạo xung: So sánh điện áp răng cưa urc với điện áp điều khiển uđk , điểm cân bằng giữa chúng chính là điểm t0 . Do đó khi điện áp điều khiển thay đổi
39 sẽ làm thay đổi t0 và do đó thay đổi tham số điều chỉnh γ. Điện áp ra của khâu này có dạng xung tương ứng với giai đoạn van lực Tr dẫn.
4. Khâu khuếch đại công suất nhằm tăng công suất xung tạo ra ở khâu so sánh, đồng thời phải thực hiện ghép nối với van lực theo tính chất điều khiển của van lực.
5. Khâu tạo điện áp điều khiển theo luật công nghệ.
a) b)
Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều kiểu PWM 1. Phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa
Nguyên tắc điều khiển kiểu PWM dùng các khâu này.
Hai khâu có quan hệ chặt chẽ với nhau, tương tự như khâu tạo điện áp răng cưa của điều khiển chỉnh lưu phụ thuộc vào xung nhịp đồng bộ. Hoạt động của chúng cũng giống nhau do tính chất điện áp ra như nhau: đều là răng cưa. Điều khác biệt là ở chỗ, trong chỉnh lưu thì tần số xung nhịp phụ thuộc vào nguồn điện áp xoay chiều của lưới điện, còn với hệ băm xung thì tần số này do bản thân mạch điều khiển quyết định và khơng có quan hệ gì với tần số lưới điện.
40 Có hai dạng răng cưa hay được dùng: răng cưa tuyến tính một cực tính, răng cưa tam giác hai cực tính.
2. Răng cưa tuyến tính một cực tính
Trong phần BXMC sử dụng răng cưa dạng đi lên, chứ không nên dùng răng cưa đi xuống như trong điều khiển chỉnh lưu. Nguyên do là: một hệ thống tuyến tính, tức là có quan hệ tỉ lệ thuận giữa đại lượng ra và điện áp điều khiển (ura = k.uđk) là rất thuận lợi khi xây dựng các bộ điều chỉnh tự động. Vì BXMC có ura tỉ lệ thuận với tham số γ, nên để hệ tuyến tính cần có uđk cũng tỉ lệ với γ, mà điều này chỉ có được nếu răng cưa tuyến tính đi lên. Đồ thị minh họa nguyên lý hoạt động BXMC ở hình 3.9 cho thấy rõ: tăng uđk thì γ cũng tăng theo.
Khâu phát xung chủ đạo có hai nhiệm vụ:
- Tạo dao động với tần số cố định bằng tần số băm xung van lực.
- Điện áp ra có dạng xung với hình dáng theo u cầu của khâu tạo răng cưa tuyến tính đi lên với đặc điểm: thời gian làm việc (răng cưa đi lên) phải lớn hơn nhiều lần thời gian hồi phục răng cưa (đi xuống).
Từ đây ta có thể đưa ra một số sơ đồ nguyên lý thí dụ sau.
Sơ đồ hình 3.11 sử dụng bộ dao động dùng khuếch đại thuật toán, để
thực hiện yêu cầu thời gian quét và thời gian phục hồi răng cưa khác nhau cần phải tách riêng điện trở nạp (R1) và điện trở phóng (R2) cho tụ C1 nhờ các diode D1, D2
41
Hình 3.11. Sơ đồ tạo điện áp răng cưa tuyến tính đi lên bằng OA
Biểu thức tính các khoảng thời gian này:
- Khoảng thời gian xung: Ufx > 0: 4
1 1 1 1 1 3 2 ln(1 R ) 1,1 t R C R C R khi R3=R4
- Khoảng thời gian xung: Ufx = 0: 4
2 2 1 2 1 3 2 ln(1 R ) 1,1 t R C R C R khi R3=R4
- Chu kỳ dao động T=t1+t2, với tần số f = 1/T.
Có thể coi phạm vi điều chỉnh: 1 2 min t , max t
T T
, và thường t1 << t2
Khi cần chỉnh chính xác tần số phải đưa biến trở P1 vào giữa hai điện trở, và muốn hiệu chỉnh tần số thì thay R4 bằng biến trở
Sơ đồ hình 3.12 dùng dao động 555, do mạch này chỉ cho điện áp ra một
dấu nên để dễ ghép nối cần dùng khâu tạo răng cưa dùng transistor. Dao động 555 đã trình bày ở chương trước, tuy nhiên cũng phải dùng thủ thuật tách hai thời gian phóng nạp tụ C1 nhờ diode D1, lúc đó:
- Khoảng thời gian xung: Ufx > 0: t1 = 0,7R1C1 - Khoảng thời gian xung: Ufx = 0: t2 = 0,7R2C1
42 - Chu kỳ dao động T=t1+t2, với tần số f = 1/T.
Có thể coi phạm vi điều chỉnh: 1 2 min t , max t
T T
, và thường t1 << t2
Để hiệu chỉnh tần số, thường R2 gồm một biến trở nối tiếp điện trở.
Hình 3.12. Tạo dao động bằng Time 555 ghép với mạch răng cưa dùng transistor
Cách tính chọn các phần tử phần tạo răng cưa:
Xuất phát từ chọn trước nguồn E và biên độ điện áp răng cưa Urc. a. Chọn diode ổn áp Dz và Roa:
Giá trị điện áp ổn áp phải thỏa mãn điều kiện: a < E – Ucmax – 1V.
Sau đó tính Roa, điện trở này nhằm đảm bảo điểm làm việc của diode ổn áp nằm trong vùng điện áp ổn định theo đặc tính VA của nó:
max min oa oa oa oa oa E U E U R I I
Trong đó các giá trị Iơa min và Iôa max lấy trong sổ tay tra cứu của diode vừa chọn. Để tránh tổn thất công suất trên điện trở Roa và trên diode Dz quá lớn, nên chọn trị số Roa sát hơn về phía giá trị lớn. Thực tế dịng qua Roa thường chọn cỡ 2÷5 mA tùy theo loại ổn áp.
43 b. Tụ điện C: chn trong khong (0,1 ữ 1)àF.
c. Tính điện trở RE: Dựa vào biểu thức tính điện áp trên tụ C.
2 max 0, 7 0, 7 1 1 ( ) . oa oa C C ET E E c U U u t i dt i dt t R t C C R C C U
Tuy nhiên cần lưu ý rằng trị số RE khơng được q lớn để đảm bảo dịng nạp cho tụ: oa 0, 7 C E U i R .
3. Tạo răng cưa tuyến tính hai cực tính
Thơng dụng nhất hiện nay là sơ đồ hình 3.12, cho phép tạo ở đầu ra của OA2 điện áp răng cưa có hình tam giác cân, trong khi đó đầu ra của OA1 là dao động điện áp xung chữ nhật.
Thông dụng nhất hiện nay là sơ đồ hình 3.12, cho phép tạo ở đầu ra của OA2 điện áp răng cưa có hình tam giác cân, trong khi đó đầu ra của OA1 là dao động điện áp xung chữ nhật.
OA1 là mạch lật kiểu trigơ Schmitt, do đó đầu ra chỉ có hai trạng thái tối đa tương ứng hai giá trị cực đại ±Um. Nếu dùng cụm hai diode ổn áp đấu nối tiếp Dz1, Dz2 thì Um=(UDz+0,7), nếu khơng dùng thì như thơng thường Um=Ubh của OA. Cụm các diode ổn áp có tác dụng chống bão hịa sâu cho OA để có thể phản ứng nhanh do giảm thời gian trễ lật trạng thái, do đó cần dùng khi phải tạo dao động tần số cao.
44
Hình 3.12. Sơ đồ tạo xung tam giác hai cực tính.
OA2 là mạch tích phân đảo dấu quen thuộc, vì đầu vào tuy có đảo dấu nhưng chỉ có giá trị khơng đổi nên tích phân sẽ cho giá trị tuyến tính.
1 1 1 (0) m (0) (0) m RC C C C C U U U i dt U dt U U t C CR CR
Sự biến thiên của đầu ra OA2 thông qua điện trở R3 tác dụng đến cửa (+) của OA1, mỗi khi điện thế cửa này về đến không sẽ làm trigơ lật sang trạng thái đổi dấu điện áp đầu ra. Lập tức bộ tích phân cũng đảo chiều biến thiên và mạch bắt đầu với quy trình ngược giai đoạn trước…
Phân tích cho thấy ngưỡng để bộ tích phân đảo hướng của nó có giá trị gọi là điện áp ngưỡng Ung và bằng: 3 2 ng m R U U R
Giá trị này cũng chính là biên độ của điện áp tam giác.
Ưu điểm của dạng này cịn ở chỗ nó khơng cần khoảng phục hồi, cả thời gian răng cưa đi lên và đi xuống của nó đều là thời gian làm việc, vì vậy cho phép đảm bảo
45 phạm vi điều chỉnh tối đa là γ=(0÷1). Do đó khi cần điều chỉnh như vậy, BXMC không đảo chiều cũng dùng răng cưa tam giác.
4. Khuếch đại xung (Drive)
Khối khuếch đại xung cho transistor trong BXMC phức tạp hơn so với khối khuếch đại xung cho thyristor, điều này do:
- Thyristor là phần tử bán điều khiển nên chỉ cần một xung ngắn để van mở ra, sau đó khơng cần giữ xung này nữa. Với độ rộng xung điều khiển vài chục micro giây thì việc truyền xung ngắn cách ly thực hiện khá đơn giản bằng biến áp xung thông thường mà khơng có u cầu gì đặc biệt.
- Transistor là phần tử điều khiển hồn tồn, vì vậy để mở van cũng cần xung điều khiển, nhưng xung này phải tồn tại chừng nào van còn phải dẫn, tức là độ rộng xung điều khiển phụ thuộc vào thời gian dẫn của van. Nếu điện áp phần lực thấp (dưới vài chục volt), không cần cách ly với mạch điều khiển vẫn dễ dàng thực hiện yêu cầu này. Tuy nhiên khi điện áp mạch lực cao và buộc phải cách ly nó với mạch điều khiển thì việc truyền xung cơng suất cách ly có độ rộng lớn là khó khăn, vì:
+ Nếu dùng biến áp xung sẽ đảm bảo cách ly, song do biến áp có tính chất vi phân nên làm giảm dần biên độ và công suất xung theo thời gian, vì thế có thể khơng đảm bảo mở tốt van trong suốt thời gian nó phải dẫn ở khu vực tần số làm việc dưới 1 kHz. Cần phải có các biện pháp phức tạp để khắc phục nhược điểm này.
+ Nếu dùng phương pháp cách ly bằng phần tử quang sẽ cho phép truyền cách ly xung có độ rộng tùy ý, song phần tử quang chỉ có thể truyền thơng tin mà khơng có khả năng truyền cơng suất. Lúc đó buộc phải có thêm nguồn công suất sau phần cách ly để thực hiện tăng cơng suất đủ mở van, do đó mạch cũng sẽ phức tạp do có nhiều nguồn, mặt khác cũng làm tăng kích thước và tổn hao trong thiết bị.
46 Hiện nay cả hai kiểu trên đều được nghiên cứu, chế tạo để ứng dụng trong thực tế, tuy nhiên phương pháp thứ hai dễ thực hiện hơn, vì vậy dưới đây chú trọng cách này hơn.
Những vấn đề trên cho thấy khối khuếch đại xung là phức tạp và sẽ gồm nhiều khâu gộp thành, thường có thể chia thành ba khu vực chức năng như hình 3.13.
KHÂU CÁCH LY BẰNG PHẨN TỬ QUANG KHÂU PHỐI HỢP XUNG KHÂU KHUẾCH ĐẠI CƠNG SUẤT
Hình 3.13. Cấu trúc khối khuếch đại xung
1. Khâu cách ly bằng phần tử quang nhằm truyền thông tin về thời gian mở - khóa van, thường sử dụng hai loại là diode – transistor và diode – diode có khuếch đại sơ bộ.
2. Khâu phối hợp giữa thông tin về xung mở - khóa van và khâu khuếch đại cơng suất, có nhiệm vụ tạo ra dạng xung phù hợp theo yêu cầu của van lực cụ thể. Một số mạch của khâu này ở hình 3.14, cho ta thấy chúng đơn giản là các tầng khuếch đại trung gian dùng transistor ở chế độ khóa. Vì vậy cách tính tốn vẫn tn thủ luật đóng/ngắt transistor.
47
Hình 3.14. Một số mạch phối hợp xung
3. Khâu khuếch đại công suất với chức năng đơn giản là tăng công suất của dạng
xung đã hình thành được ở khâu trước đó.
Hiện nay nhiều hãng công nghiệp đã chế tạo sẵn một số mạch điều khiển sơ bộ van “Drive” cho các loại transistor, chúng có khả năng điều khiển trực tiếp van với dòng xấp xỉ 100A, còn nếu sử dụng van lớn hơn cần bổ xung phần tăng công suất cho đủ yêu cầu.
4.1 Khuếch đại xung điều khiển BT lực
Để điều khiển tốt van BT lực ở chế độ đóng ngắt, cần chú ý một số đặc điểm của van này như sau:
- BT là van điều khiển bằng dịng điện bazơ của bóng, vì thế để mở nhanh van cần một dòng xung lớn khi cho van chuyển từ khóa sang dẫn. Như vậy sẽ đạt được hiệu quả là dòng lực (ic) tăng nhanh và lại giảm được tổn thất chuyển mạch.
- Tuy nhiên nếu giữ dòng mở BT này khi van đang dẫn sẽ làm bóng nằm sâu trong vùng bão hịa, do đó khi bóng khóa lại lại làm tăng thời gian bóng ra khỏi vùng bão hịa (trễ khóa) ảnh hưởng tới thời gian khóa van. Vì vậy khi van đã dẫn cần giảm
48 dòng bazơ xuống đến giá trị sao cho chỉ cần vừa đủ đảm bảo BT nằm trong vùng bão hòa.
- Để giảm thời gian chuyển mạch đang dẫn sang khóa, cần tăng dịng bazơ khi khóa.
- Để tăng khả năng chịu điện áp khi van đã khóa nên đặt điện áp âm vào bazơ bóng BT một giá trị khơng lớn: Ube = -2V
Hiện nay có một số loại Drive chuyên dùng cho BT như M57915, M77916, … Khi điều khiển BT lực dạng module với hệ số khuếch đại lớn, M57915 cho phép điều khiển cỡ dòng vài trăm Ampe. Còn drive M57916 là loại kép, chứa hai mạch như M57915, cho phép điều khiển hai van lực hồn tồn độc lập nhau nên có thể sử dụng trong BXMC đảo chiều.
Sơ đồ khối Driver M57916L như hình 3.15, gồm các khâu:
- Khâu cách ly dùng phần tử quang diode – transistor,
- Khâu phối hợp sử dụng hai bóng: Tr4 cho tầng khuếch đại công suất mở van Tr1, và Tr2 riêng cho tầng cơng suất khóa van (Tr2 và Tr3). (hình 3.16)
- Khâu khuếch đại công suất Tr1 và Tr2, Tr3.
Điện áp nguồn điều khiển tối đa là 14V, thường lấy (7÷9)V, dịng ra tối đa bằng 3A.
49
Hình 3.15. Sơ đồ khối Driver M57916
50
Hình 3.17. Ví dụ sử dụng Driver M57916 khuếch đại BT
Để tạo điện áp âm khi khóa cần mắc nối tiếp 4 diode. Lưu ý là M57915 đã có sẵn điện trở cho cụm diode tạo điện áp âm với giá trị chế tạo 470Ω. (hình 3.17)
Khi dùng Driver việc tính tốn chỉ đơn thuần là xác định điện trở hạn chế dòng bazơ Rb và tính nguồn điều khiển.
4.2 Khuếch đại xung điều khiển bóng MOSFET và IGBT lực.
Đặc điểm điều khiển transistor MOSFET và IGBT là giống nhau, nhưng lại khác nhau nhiều so với điều khiển BT. Yêu cầu điều khiển cho hai van này là:
- Đây là loại van điều khiển bằng điện áp khơng phải bằng dịng như BT: Khi dẫn bão hòa van cần đặt điện áp dương trên cực điều khiển (12÷15)V, cịn khi khóa điện áp trên nó lại âm (-5 ÷ -8)V. Như vậy ở trạng thái ổn định, dù là khóa hay dẫn, nó chỉ cần điện áp mà khơng địi hỏi có dịng điều khiển, tức là công suất điều khiển ở trạng thái này là không đáng kể.
51 - Tuy nhiên để van chuyển trạng thái, từ khóa sang dẫn và ngược lại từ dẫn sang khóa, buộc phải cấp dịng cho cực điều khiển của van. Điều này do giữa hai cực GS (MOSFET) hay GE (IGBT) tồn tại một điện dung hay một tụ điện giữa hai cực này, dẫn đến:
+ Khi van đang ở trạng thái khóa, điện áp điều khiển âm nên tụ điện này đang có giá trị âm. Để mở van, điện áp điều khiển buộc phải đảo dấu chuyển từ âm sang dương bằng cách đưa dòng điện vào nạp đảo ngược cực tính trên tụ điện này.
+ Điều tương tự cũng xảy ra khi van chuyển từ dẫn sang khóa.
- Để hạn chế dịng phóng – nạp tụ điện cần đưa vào cực điều khiển các điện trở hạn chế Ron, Roff. Như vậy mạch nối trực tiếp với cực điều khiển MOSFET và IGBT sẽ có dạng như hình 3.18.
Giá trị điện trở này quyết định tốc độ chuyển trạng thái của van và buộc phải có để đảm bảo an tồn cho van, nhà sản xuất thường cho chỉ dẫn về giá trị điện trở này