Bộ giảm áp

BÀI 5 : BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP MỘTCHIỀU

5.1 Bộ giảm áp

Chức năng

Dùng để điều khiển điện áp trên tải Ut với trị trung bình nhỏ hơn trị trung bình điện áp nguồn.

5.1.1 Sơ đồ mạch điện

Hình H5.2: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp

a

U Ut

b Hình H5.3: giản đồ xung kích (a), điện áp ngõ ra (b) và

60 Mạch bao gồm:

- Nguồn một chiều có giá trị khơng đổi U, có thể lấy từ acquy, pin hoặc từ nguồn xoay chiều qua bộ chỉnh lưu không điều khiển vàmạch lọc.

- Cơng tắc S: có chức năng đóng và ngắt dịng điện đi qua nó. Cơng tắc S có

thể sử dụng các linh kiện như: BJT, MOSFET, IGBT, GTO hoặc kết hợp SCR với bộ chuyển mạch

- Tải một chiều tổng quát gồm R, L, E (ví dụ như động cơ điện một chiều).

- Diode không V0 mắc đối song với tải (giữ cho dòng điện chạy qua tải luôn

được liên tục).

5.1.2 Nguyên lý hoạt động

Giả thiết: dòng điện qua tải liên tục.

Trạng thái đóng cơng tắc S: thời gian đóng là T1

- Dịng điện khép kín qua mạch gồm (U-S-RLE). Sơ đồ mạch điện ở trạng

thái này như hình H5.4.

Hình H5.4: Sơ đồ bộ giảm áp

ở trạng thái cơng tắc S đóng - Điện áp trên tải: Ut = U.

- Dịng điện có dạng tăng theo hàm mũ như sau:

UE t  t (5.1) it (t )  1  e   i0 e R  

Với: RL: hằng sốthời gian mạch tải

i0 : dòng điện ban đầu của mạch tải. Trạng thái ngắt công tắc S: thời gian ngắt là T2 - Dòng điện qua S bị triệt tiêu.

- Do mạch tải có chứa L nên dịng điện tải khơng thay đổi đột ngột được mà tiếp tục đi

theo chiều cũ và khép kín qua diode V0. Sơ đồ mạch điện ở trạng thái này như hình H4.5.

Dịng điện tải giảm theo hàm mũ như sau: E  t T1  t T1 it (t )  1  e   i1e  (5.2) R  

61

Hình H5.5: Sơ đồ bộ giảm áp ở trạng thái cơng tắc S ngắt Chế độ dịng điện tải gián đoạn:

- Khi E = 0, dịng điện tải ln liên tục.

- Khi E > 0, dịng điện tải có thể liên tục hoặc gián đoạn. Khoảng thời gian dòng điện tải gián đoạn phụ thuộc vào thời gian đóng T1, thời gian ngắt T2 và các thơng số R, L, E của tải. Đồ thị dạng sóng như trên hình H4.6.

- Dịng điện tải bị gián đoạn trong khoảng thời gian ngắt công tắc S. Theo đồ thị

hình H4.6, trong khoảng thời gian (T1 < t < t2), dòng điện tải liên tục giảm và bằng 0 tại

thời điểm t2. Thời điểm t2 được xác định theo biểu thức:

 U T1 

 .ln  1) 1

t 2 ( e  (5.3)

E 

- Trong giai đoạn dòng điện tải gián đoạn (t2 < t < T): điện áp trên tải bằng E Trị trung bình điện áp trên tải được xác định theo biểu thức:

U t  U . T1  E . T  t 2 .U  E(1t2 ) (5.4)

T T T

Với: TT1

T  T1 T2 : chu kỳ đóng ngắt của cơng tắc S.

Hình H5.6: giản đồ dạng sóng ở chế độ địng điện tải gián đoạn

62 

Hệ quả

Với chế độ dịng điện tải liên tục, ta có:

- Điện áp trên tải có dạng xung, có giá trị thay đổi trong khoảng 0 và U.

- Điện áp trên tải được thay đổi bằng cách thay đổi thời gian đóng (T1),

thời gian ngắt (T2) của công tắc S và được xác định theo biều thức:

U t  U . T1 (5.5) T - Dòng điện tải ở chế độ xác lập: I t U t  E R (5.6) 5.2.Bộ tăng áp Chức năng

Dùng để chuyển năng lượng từ nguồn có điện áp thấp sang nguồn có điện áp cao. Ví dụ: khi hãm tái sinh động cơ điện một chiều, năng lượng từ nguồn điện áp thấp (sức điện động E) được trả trở lại nguồn một chiều U.

5.2.1 Sơ đồ mạch điện Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý bộ tăng áp Uđk Up Ut It Hình H5.8: giản đồ xung kích và dạng sóng điện áp ở ngõ ra của bộ tăng áp

63

- Nguồn một chiều có trị trung bình khơng đổi U, có khả năng tiếp nhận năng

lượng từ tải trả về.

- Linh kiện đóng ngắt S có có thể là: BJT, MOSFET, IGBT, GTO hoặc SCR với bộ chuyển mạch.

- Tải một chiều dạng tổng quát RLE với E<U.

- Diode D0 cho phép dẫn dòng điện theo chiều từ tải về nguồn.

5.2.2 Nguyên lý hoạt động

Giả sử: dòng điện tải liên tục và mạch ở chế độ xác lập.

a. Trạng thái S đóng: trong khoản thời gian T1, dịng điện khép kín qua mạch E-

R-L-S. Điện áp trên tải Ut = 0.

b. Trạng thái D0 : công tắc S ngắt trong thời gian T2. Dịng điện khép kín qua

mạch chiều E-R-L-D0-U. Điện áp trên tải Ut = U.

Cuộn kháng giải phóng năng lượng dự trữ. Sức điện động E ở chế độ phát năng lượng. Một phần năng lượng trả về nguồn, một phần tiêu hao trên tải.



Hệ quả



- Điện áp trên tải có dạng xung, có giá trị thay đổi trong khoảng 0 và U.

- Điều khiển công suất phát của nguồn E và công suất nạp vào nguồn U bằng

cách thay đổi tỷ số 

- Trị trung bình điện áp trên tải:

U

t  U T2 T U(1) (5.7)

Với: TT1

T  T1 T2 : chu kỳ đóng ngắt của cơng tắc S.

- Trị trung bình dịng điện qua tải:

U t  U . T1  E . T  t 2 .U  E(1t2 ) (5.8)

T T T

- Nếu thay đổi vai trò giữa U và Ut ( U là tải nhận, Ut là nguồn cung cấp) thì điện áp nguồn nhỏ hơn điện áp tải nên ta gọi là bộ tăng áp.

U  Ut  U (5.9)

1

5.3. Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi điện áp một chiều

Chu kỳ đóng ngắt T = T1 + T2 khơng thay đổi. Điện áp trung bình của tải được điều khiển thơng qua sự phân bố khoảng thời gian đóng T1 và ngắt cơng tắc T2 trong chu kỳ T. Đại lượng đặc trưng khả năng phân bố chính là tỉ số γ = T1 / T

Kỹ thuật điều khiển tỉ số γ có thể thực hiện dựa vào hai tín hiệu cơ bản: sóng mang

dạng răng cưa và sóng điều khiển một chiều udk.

Hai dạng sóng này được đưa vào bộ so sánh và tín hiệu ngõ ra được dùng để kích đóng cơng tắc S.

64

Sóng mang có tần số khơng đổi và bằng tần số đóng ngắt cơng tắc S. Tần số thành phần xoay chiều hài cơ bản của điện áp tải bằng tần số cố định này. Do đó, sóng điện áp tạo thành dễ lọc.

Sóng điều khiển một chiều có độ lớn tỉ lệ với điện áp trung bình trên tải . Xét bộ giảm áp (hình H5.9a,b) U Ut It T1 T2 T Hình H5.9

Gọi UpM là biên độ sóng mang dạng răng cưa, udk là độ lớn sóng điều khiển một chiều; U là điện áp nguồn một chiều khơng đổi. Từ giản đồ kích đóng S và các q trình điện áp ở chế độ dòng liên tục, ta dễ dàng xác định hệ thức tính áp tải trung bình theo áp điều khiển:

Phần thực hành

1. Mạch điều chỉnh điện áp DC dùng IC LM317

- Sơ đồ mạch điện:

IC ổn áp LM317 là 1 IC ổn áp, IC LM317 lại có ưu điểm là có thể điều chỉnh điện áp đầu ra nhờ các điển trở mắc ngoài trong mạch. Khi sử dụng IC này cần phải chú ý điện áp vào là Vin<40V và dòng tải tiêu thụ tối đa là 1.5A.Điện áp ra Vout có thể điều chỉnh được trong dải từ 1.25V đến 37V

VI 3 VO 2 A D J 1 U1 LM317L D1 LED R1 1K C1 470uF C2 1uF D2 LED R2 1K R3 330 5 0 % RV1 10k BAT1 15V Vin Vout

65

Chân 1 : Chân hồi tiếp từ chân 2 để điều chỉnh điện áp theo ý muốn ( Adjust). Chân 2 : Điện áp ra (Vout).

Chân 3 : Điện áp vào (Vin).

Các thông số của LM317

Điện áp vào Vin<= 40V

Dòng điện đầu ra tối đa là 1.5A. Công suất tiêu thụ lớn nhất là 15W.

Điện áp ra nhỏ nhất là 1.25V và lớn nhất là 37V Điện áp vào phải lớn hơn điện áp ra là 3V.

Cơng thức tính điện áp ra là : Vout = 1.25x(1+R2/R1).(Từ cơng thức trên ta có thể tính được điện trở nếu biết được Vout là bao nhiêu)

Dựa vào cơng thức trên có thể tính tốn thiết kế được điện áp đầu ra theo ý muốn và có thể chọn được giá trị điện trở phù hợp.

Các lưu ý quan trọng khi sử dụng LM317:

Điện áp vào Vin<40V.

Dịng điện khơng được vượt q 1.5A,những tải làm việc trên 0.5A nên mắc tản nhiện để làm mát IC

Điện áp ra phải nhỏ hơn điện áp vào là 3V.

Nên có 2 tụ lọc ở đầu vào và đầu ra để ngoài làm vai trị ổn áp nó cịn làm vai trị là bộ lọc thông thấp

2. Mạch điều chỉnh điện áp DC dùng Transistor:

66

Với vi được cấp từ một nguồn thay đổi bên ngồi

a/ Giải thích vắn tắt ngun lý hoạt động của mạch (khi vi và IL thay đổi)

b/ Cấp vI = +18V, đo điện thế ngõ ra vo , chỉnh VR theo hai chiều. Nhận xét và giải thích. c/ Chỉnh VR để vo=+12V, cho vi thay đổi từ +15V →+20V, đo vo, lập bảng theo mẫu sau và vẽ đồ thị V0 = f(vi). Nhận xét đồ thị vo=f(vi). Nhận xét.

d/ Cấp vi=+18V, Đo vo khi thay đổi IL (bằng cách thay đổi RL)

e/ Khơng mắc tụ C vào mạch, quan sát sóng dư ngõ ra. Lập lại thí nghiệm. Khi mắc tụ C vào mạch. Nhận xét và giải thích.

f/ Giả sử khơng mắc Co vào mạch, vo bị ảnh hưởng gì? Giải thích?

Qui trình chung thực hiện lắp mạch

- Bước 1: Lựa chọn và kiểm tra linh kiện

- Bước 2: Lắp mạch theo sơ đồ

- Bước 3: Kiểm tra và hiệu chỉnh

- Bước 4: Cấp nguồn, thử mạch

Tùy theo mỗi mạch ta lựa chọn các linh kiện điện tử khác nhau và hoạt động của mạch khác nhau

67

Bài 6: Bộ Nghịch Lưu

Khái niệm:

* Vai trò của bộ nghịch lưu: Biến đổi từ điện áp DC sang AC

* Đặc điểm của bộ nghịch lưu:

+ Điện áp xoay chiều ngõ ra có trị hiệu dụng và tần số thay đổi được.

+ Nếu độ lợi của bộ nghịch lưu là khơng đổi thì điện áp ngõ ra được điều khiển bằng cách thay đổi trị trung bình của nguồn một chiều.

+ Điện áp xoay chiều ngõ ra trên thực tế khơng phải là tín hiệu sin chuẩn mà ln có những thành phần sóng hài bậc cao, các sóng hài bậc cao này có thể được giảm bớt bằng kỹ thuật đóng ngắt.

+ Nếu nguồn DC có trị trung bình khơng đổi thì trị hiệu dụng của điện áp ngõ ra có thể thay đổi được bằng cách thay đổi độ lợi của bộ nghịch lưu (PWM: Pulse Width Modulation).

*Ứng Dụng Của Nghịch Lưu:

+ Bộ nghịch lưu được dùng làm thiết bị biến đổi trong biến tân gián tiếp, đây là một ứng dụng quan trọng và rộng rãi nhất của nghịch lưu.

+ Dùng làm nguồn điện xoay chiều trong gia đình, nguồn điện liên tục UPS. + Dùng bù nhuyễn công suất phản kháng.

68

6.1 Bộ nghịch lưu áp một pha

- Sơ đồ mạch

Hình 6.1 Sơ đồ mạch nghịch lưu áp một pha

Mạch nghịch lưu áp một pha dùng cầu SCR từ T1 đến T4, chia ra hai cặp T1-T3 và T2-T4 được điều khiển luân phiên. Tụ C là tụ lọc thành phần xoay chiều và là tụ nạp điện áp phản kháng đưa trả về nguồn.

Hai tụ C1, C2 là tụ chuyển mạch để làm ngắt các SCR đang dẫn, cầu diode D1 đến D4 là mạch nắn điện ngược đưa điện áp phản kháng về tụ lọc C. Cầu diode D5 đến D6 dùng để cách ly không cho các tụ chuyển mạch C1 và C2 phóng điện qua tải.

Các cuộn dây nối tiếp với nguồn có tác dụng giới hạn dịng ban đầu.

- Nguyên lý hoạt động:

Giả thiết T1 và T3 đa được kích và dẫn điện, dịng điện sẽ đi từ nguồn dương qua T1-D5-Tải-D7-T3 rồi trở về nguồn âm. Như vậy dòng điện sẽ qua tải theo chiều từ A sang B. Lúc đó, A có điện áp của nguồn dương và B có điện áp của nguồn âm.

Khi có xung kích cho T2 và T4 thì tụ C1 sẽ xả điện áp âm làm phân cực ngược T3, lúc đó T1-T3 ngưng và T2-T4 dẫn. Dịng điện bây giờ sẽ đi từ nguồn dương qua T2-D6-Tải-D8-T4 rồi trở về nguồn âm. Như vậy dòng điện sẽ qua tải theo chiều từ B sang A.

Trường hợp này A có điện áp của nguồn âm, B có điện áp của nguồn dương nên hai tụ C1, C2 sẽ nạp điện theo chiều ngược lại để chuẩn bị làm ngắt T2- T4. Tần số của dịng điện xoay chiều cấp cho tải chính là tần số của mạch tạo xung kích cho các SCR từ T1 đến T4. - Dạng sóng T1 T2 D5 D6 D8 D7 T4 T3 D1 D4 D2 D3 C1 C2 C TAI + VDC A B _ L L + - + -

69

Hình 6.3 Dạng sóng điện áp và dịng điện tải.

6.2. Phân tích bộ nghịch lưu áp ba pha:

- Sơ dồ mạch diện

70

• Phân tích:

Nhóm SCR (I) là mạch chỉnh lưu có điều khiển, đổi từ xoay chiều ba pha (R-T-S) ra nguồn một chiều.

Mạch LC là mạch lọc nguồn để loại bỏ thành phần gợn sóng, cho ra nguồn một chiều thẳng hàng.

Nhóm SCR và diode (III) là mạch nghịch chuyển bap ha, đổi từ nguồn một chiều trên tụ lọc C ra dòng điện xoay chiều bap ha cấp cho động cơ.

Nhóm diode (II) là ngmạch chỉnh lưu ngược (nghịch lưu) đưa điện áp phản kháng do các cuộn dây trong động cơ tạo ra nạp trở về nguồn.

- Nguyên lý hoạt động

Ba SCR T1-T3-T5 được gọi là nhóm SCR anod chung, ba SCR T2-T4-T6 được gọi là nhóm catot chung. Trong mạch này mỗi SCR sẽ dẫn trong 180 độ điện. Trong mỗi thời điểm đều có ba SCR dẫn điện, hai SCR của nhóm này và một SCR của nhóm kia.

Khi SCR trong nhóm anond chung dẫn thì dịng điện từ nguồn dương vào tải, khi nhóm SCR trong nhóm catot chung dẫn thì dịng điện từ tải về nguồn âm.

Trường hợp tải ba pha đấu hình sao thì mỗi pha của tải hoặc đấu song song với tải của pha thứ hai, rồi nối tiếp với tải của pha thứ ba, hoặc đấu nối tiếp với tải của hai pha kia đang đấu song song với nhau.

Vì vậy, điện áp đặt trên mỗi pha bằng 1/3VDC khi nó nối song song với tải của pha khác, hay bằng 2/3VDC khi nó nối tiếp với tải của hai pha kia đang đấu song song.

Trong mỗi chu kỳ có sáu tổ hợp SCR dẫn điện theo thứ tự là: T1-T2-T3, T2-T3-T4, T3-T4-T5, T4-T5-T6, T5-T6-T1, T6-T1-T2.

 Vẽ dạng sóng với góc SCR dẫn 180 độ điện ( gv vẽ và giải thích các khoảng dẫn

của các SCR T1 đến T6) - Dạng sóng:

71 Để thay đổi điện áp ra của tải, người ta thay đổi góc kích cho cầu SCR nắn điện (I) sẽ cho mức điện áp ra một chiều trung bình thay đổi. S

Hình 6.5 Giản đồ xung và tín hiệu xoay chiều ngõ ra của nghịch lưu với SCR dẫn trong 180 độ điện.

72

6.3. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp 6.3.1 Phương pháp điều biên 6.3.1 Phương pháp điều biên

- Độ lớn điện áp ra được điều khiển bằng cách điều khiển điện áp nguồn DC. - Bộ nghịch lưu áp thực hiện chức năng điều khiển tần số điện áp ở ngõ ra.

- Các cặp công tắc trên cùng một pha (S1 và S4; S3 và S6; S5 và S2) được kích đóng với

thời gian bằng nhau và bằng một nữa chu kỳ áp ra.

Tần số áp ra bằng tần số đóng ngắt của các linh kiện.

Hình H6.14 Giản đồ xung kích và điện áp ra của bộ nghịch lưu áp theo phương pháp điều khiển theo biên độ

6.3.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung

73

6.4 Bộ nghịch lưu dòng điện 6.4.1 Bộ nghịch lưu dòng một pha 6.4.1 Bộ nghịch lưu dòng một pha

- Sơ đồ mạch điện:

-Biến áp dùng trong mạch này là loại biến áp có điểm giữa, ở sơ cấp chia sơ cấp ra làm 2 phần bằng nha, về phía vịng dây có chiều quấn dây là điểm A đầu và O cuối, điểm O