3.1.1. Gi ớ i thi ệ u chung:
Bộ băm xung áp một chiều dùng để biến đổi điện áp một chiều E thành xung điện áp một chiều có trị số trung bình Utb có thể thay đổi được.
Khi bộ áp trị số trung bình Utb của các xung điện áp đặt vào phụ tải có thể điều chỉnh từ trị số không đến trị số lớn nhất bằng điện áp một chiều E cung cấp cho bộ băm: 0 < Utb ≤ E.
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp có thể điều chỉnh cho điện áp trung bình trên tải Utb đạt đến giá trị lớn hơn điện áp E đặt của nguồn điện: E < Utb <∝.
Bộ băm xung áp một chiều được coi như là một công tắc tơ tĩnh đóng mở liên tục một cách chu kỳ. Nó được sử dụng rộng rãi trong các máy vận chuyển, trong truyền động máy cắt gọt, trong giao thông đường sắt, ôtô chạy điện, xe rùa bốc dỡ hàng, trong kỹ nghệ điện hoá...
Thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao tổn hao năng lượng ít hơn so với phương pháp điều chỉnh điện áp một chiều liên tục, ít nhạy cảm với môi trường vì tham số điều chỉnh là thời gian đóng mở để đặt hoặc cắt nguồn trên tải, kích thước nhỏ. Tuy nhiên bộ băm xung áp có nhược điểm là : phải dùng cùng với bộ lọc đầu ra do đó làm tăng quán tính của qúa trình điều khiển khi sử dụng các mạch điều khiển kín. Nếu tần số đóng mở lớn sẽ phát sinh ra nhiễu vô tuyến.
3.1.2. Nguyên tắc hoạt động của bộ băm xung áp một chiều làm việc ở chế độ giảm áp.
Bộ băm xung áp một chiều là một khoá điện H làm bằng tranzito hay bằng tiristo được điều khiển đóng mở một cách chu kỳ. Khi làm việc ở chế độ giảm áp bộ băm xung áp một chiều H được đặt nối tiếp giữa nguồn điện áp một chiều E và phụ tải như trên hình vẽ.
a)Trị số trung bình của điện áp trên tải Utb.
Khi bộ băm H đóng điện thì điện áp đặt lên tải có trị số u = E. Còn khi H ngắt điện thì u = 0.
Sơ đồ nguyên lý:
E U
Trị số trung bình của điện áp một chiều đặt lên phụ tải là:
E T E
Edt T udt T
U T d
T T tb
d = =α
=
= ∫ ∫
0 0
1 1
với Tđ là thời gian đóng của khoá H, hay độ rộng xung T là chu kì băm, hay
chu kì xung α = T
Td
là hệ số lấp đầy xung áp còn gọi là tỉ số chu kì: ta có α ≤ 1.
Bằng cách biến đổi trị số của hệ số α ta nhận được các trị số khác nhau của điện áp trung bình của điện áp trung bình Utb trên phụ tải.
Có thể cho α biến đổi bằng hai cách:
1 - Cố định chu kì băm T, thay đổi thời gian đóng điện Tđ của bộ băm, ta có bộ băm tần số cố định.
2 - Cố định thời gian đóng điện Tđ, biến đổi chu kì băm T, ta có bộ băm tần số biến thiên.
Nếu Tđ = 0 thì α = 0 ta có Utb = 0 lúc này bộ băm thường xuyên ngắt mạch.
Khi Tđ = T, ta có α =1 và Utb = E, bộ băm thường xuyên đóng mạch điện. Bộ băm xung áp một chiều thường đóng điện và ngắt điện liên tục với tần số cao (200 ÷ 500Hz) nên thường là một khoá bán dẫn.
b)Sơ đồ thực tế của bộ xung áp một chiều dùng transistor
Bộ băm xung áp sử dụng tranzito có tần số băm lớn khoảng vài kilohert. Các tranzito không cần mạch để khoá lại như tiristo nên rất đơn giản và có thể làm việc với tần số tương đối lớn. Các bộ băm dùng tranzito công suất có thể đạt
tới tần số băm từ 10 đến 100 kHz một cách dễ dàng. Khi dùng bộ băm xung áp có thể không cần dùng cuộn cảm san bằng hoặc chỉ cần cuộn cảm có điện cảm nhỏ nối tiếp với tải cũng đủ san bằng dòng điện trên tải thành dòng điện một chiều có trị số không đổi.
Nhược điểm của bộ băm điện bằng Tranzito là có công suất nhỏ, chỉ đạt cỡ vài kilôoát đến vài chụ kilôoát là cùng.
Sơ đồ của bộ băm xung áp một chiều dùng Tranzito.
Tải
Chỉnh lưu không điều khiển L2
••
••
•• K D C1
Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp một chiều
Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc như một công tác tơ tĩnh (K) đóng mở liên tục 1 cách chu kì. Nhờ vậy mà biến đổi được điện áp một chiều không đổi E thành các xung điện áp một chiều Utb có trị số có thể điều chỉnh được. Điện áp Utb này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ ô tô.
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0<Utb<E.
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E<Utb<0.
Trong sơ đồ trên L, C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải thực tế là không đổi , mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lượng điều chỉnh .
Điện áp trên tải thu được phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoá K.
Trong khi đó các hạn chế về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện áp một chiều quyết định giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi. Để tránh các sóng không mong muốn và từ đấy tránh được mômen đập mạch thì tần số phải lớn hơn một mức nào đó. Tần số đóng cắt càng nhanh thì càng giảm được kích thước của bộ lọc, nhưng nếu quá lớn sẽ sinh ra nhiễu vô tuyến. Vì
vậy phải cân nhắc để lựa chọn được bộ biến đổi làm việc ở dải tần thích hợp( dưới 1KHz). Thực tế thường dùng tần số băm khoảng 400Hz ÷ 600Hz.
Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý được thay bằng khoá điện tử cụ thể là Tiristor hoặc Transistor(Công suất hoặc MOS).
Dùng Tiristor có ưu điểm là trị số giới hạn cao ,làm việc chắc chắn rẻ tiền,tổn hao khi dẫn nhỏ nhưng có nhược điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần số đóng mở thấp (dưới 500Hz).
Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz.
Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 10->100Khz,có giá thành rẻ hơn,tổn hao ít hơn MOS.
Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng Tiristor,nhưng Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor.