thiết kế mạch điện tử công suất

8/20/2019 Thiết kế mạch điện tử công suất

1/156


2/156


3/156


4/156


5/156


6/156


7/156


8/156


9/156


10/156


11/156


12/156


13/156


14/156


15/156


16/156


17/156


18/156


19/156


20/156


21/156


22/156


23/156


24/156


25/156


26/156


27/156


28/156


29/156


30/156


31/156


32/156


33/156


34/156


35/156


36/156


37/156


38/156


39/156


40/156


41/156


42/156


43/156


44/156


45/156


46/156


47/156


48/156


49/156


50/156


51/156


52/156


53/156


54/156


55/156


56/156


57/156


58/156


59/156


60/156


61/156


62/156


63/156


64/156


65/156


66/156


67/156


68/156


69/156


70/156


71/156


72/156


73/156


74/156


75/156


76/156


77/156


78/156


79/156


80/156


81/156


82/156


83/156


84/156


85/156


86/156


87/156


88/156


89/156


90/156


91/156


92/156


93/156


94/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 93

2.2.2. Mạch điều khiểnNhư đã đề cập ở mục 2.1 và cũng đã thấy ở các đồ thị hình 2.2 và hình 2.3, hoạt

động của ĐAXC một pha nếu xem xét riêng từng nửa chu kỳ là hoàn toàn giống như mạch chỉnh lưu, tức là cũng áp dụng nguyên tắc điều khiển kiểu xung – pha. Vì vậy mạchđiều khiển một pha hoàn toàn giống như mạch điều khiển chỉnh lưu một pha, kể cả về sở đồ cấu trúc cũng như triển khai thành mạch nguyên lý chi tiết.2.2.2.1. Tải thuần trở

Vớ i tải thuần trở nên sử dụng mạch phát xungđơ n, sơ đồ nguyên lý như hình 2.4.Lúc này mỗi van nhận hai xung trong một chu kỳ, do đó cũng không thuân lợ i khi phảilàm việc vớ i phạm viđiện áp cao.

Hình 2.4. Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha dùng mạch phát xung nửa chu kỳ haiNếu muốn các van chỉ nhận xungở nửa chu kỳ khi điện áp trên van là dươ ng, cần

phải thêm khâu tách xung như hình 2.5.

Hình 2.5. Mạch phát xungđơ n hai nửa chu kỳ có khâu tách xung


95/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 94

2.2.2.2. Tải cóđiện cảm (RL)Tải cóđiện cảm (RL) thì phải dùng mạch phát xung chùm, ví dụ như sơ đồ hình 2.6.

Hình 2.6. Mạch điều khiển điều áp xoay chiều tải RL

2.3.ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA2.3.1. Mạch lự c

Điều áp xoay chiều (ĐAXC) ba pha cho phépứng dụng cho phụ tải đến hàng trămkW.

Hình 2.7. Một số sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha


96/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 95

Một điểm cần chú ý chung cho tất cả các bộ ĐAXC là khiđiều chỉnh vớ i gócđiềukhiển lớ n hơ n 00 thì dòngđiện tải luônở chế độ giánđoạn, tức là luôn có những khoảngmà dòng tải bằng không.

Bảng 2.1. Các tham số tính toán choĐAXC ba pha

Sơ đồ hìnhTham số

2.7a(tải sao)

2.7b(tải sao)

2.7c(tải sao)

2.7d 2.7e 2.7f

Itbvan /It 0 0,45 0,45 0,26 0,675 0,45

Uvanmax /Uphamax 1,5 1,5 1,73 1,73 1,73 1,73

αmax(độ điện) 150 150 210 180 210 180

Sơ đồ hình 2.7a dùng ba van TRIAC là sơ đồ có ít van và cho phépđiều chỉnh điệnáp ra tải đối xứng các pha,đồng thờ i hai nửa chu kỳ của một pha cũng đối xứng.Sơ đồ hình 2.7b dùng cáchđấu hai thyristor tươ ng đươ ng vớ i một TRIAC, loại này

rất thông dụng trong thực tế và có tên là sơ đồ sáu thyristorđấu song song ngượ c.Hai sơ đồ nàyđôi khiđượ c sử dụng chỉ để đóng/ngắt nguồn ra tải, mà khôngđiều

chỉnhđiện áp, vàđượ c gọi là bộ công – tắc – tơ điện tử.Các sơ đồ hình 2.7a,b,cứng dụng cho tải đấu sao hoặc tam giácđều đượ c. Mạch

điều khiển các sơ đồ nàyđều đồng bộ theođiện áp pha của nguồn.

Sơ đồ hình 2.7d, e dùng vanở vị trí dây trung tính, nhưng vanđấu kiểu tam giác.Theo bảng 2.1 ta thấy phạm vi gócđiều khiển các sơ đồ là khác nhau, gócđiều

khiển nhỏ nhất của các sơ đồ là như nhau, nhưng gócđiều khiển lớ n nhất không giốngnhau, nên cần chú ý khi thiết kế mạch điều khiển cho phù hợ p (thể hiện ở khâuđồng phavà tạo điện áp răng cưa).

Xét tải thuần trở đấu sao như hình 2.8a vàđồ thị điện áp trong các trườ ng hợ p gócđiều khiển khác nhau. Như vậy khi điều chỉnh điện áp càng sâu, tươ ng ứng gócđiềukhiển càng lớ n, thì dạng điện áp ra sẽ càng méo nhiều hơ n.

Khi tải có tính cảm kháng, hoạt động của sơ đồ bị ảnh hưở ng mạnh bở i gócφ củatải, tức là cả phạm vi điều chỉnh và dạng điện áp rađều không còn như trườ ng hợ p tảithuần trở . Hình 2.9 minh họa cho các loại tải khác nhau, vớ i các gócđiều khiển khácnhau, ta thấy vớ i tải RL dạng dòngđiện sẽ không bị đột biến theođiện áp như tải thuầntrở , vì vậy dạngđiện áp ít méo hơ n dạng điện áp.


97/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 96

a) S ơ đồ mạch lự c b) Góc đ iề u khiể n 0 0 < α < 60 0

b) 60 0 < α < 90 0 d) 90 0 < α < 150 0

Hình 2.8. Sơ đồ điều áp xoay chiều sáu thyristorđấu song song – tải thuần trở đấu sao


98/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 97

a) Góc đ iề u khiể n 45 o t ải R b) Góc đ iề u khiể n 90 o t ải R

c) Góc đ iề u khiể n 45 o t ải RL d) Góc đ iề u khiể n 90 o t ải RL

e) Dạng dòng đ iện tr ườ ng hợ p hình c f) D ạng dòng đ iện tr ườ ng hợ p hình dHình 2.9. Giản đồ điện ápđiều áp xoay chiều trong các loại tải khác nhau

2.3.2.Mạch điều khiểnNguyên lýđiều khiển ĐAXC, như đã đề cập ở đầu chươ ng này, hoàn toàn tươ ng tự

điều khiển chỉnh lưu, do đó có thể ứng dụng các sơ đồ điều khiển chỉnh lưu cho điềukhiển ĐAXC. Tuy nhiên, nếu ĐAXC một pha có thể lấy thẳng sơ đồ điều khiển của chỉnhlưu một pha, thì vớ i ĐAXC ba phađể chuyển đổi đượ c mạch chỉnh lưu ba pha sang cầnchú ý haiđiểm sauđây để ứng dụngđúng:


99/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 98

1. Khâuđồng pha phải đượ c thực hiện chính xác theo sơ đồ mạch lực, cụ thể để đảm bảo phạm viđiều chỉnh cần thiết theo bảng 2.1.

2. Dạng xung cũng phải phù hợ p vớ i mạch lực cụ thể.Nếu mạch lực ĐAXC sử dụng sơ đồ mà tải các pha hoạt động độc lập, có thể dùng

sơ đồ điều khiển một pha ở hình 2.4 (cho tải thuần trở ) hoặc hình 2.5 (cho tải cảmkháng), sơ đồ điều khiển có ba kênh tươ ng tự nhau cho ba pha tải, vớ i lưu ý cuộn sơ cấpcủa biến ápđồng pha sơ đồ hình 2.7ađấu vớ i điện áp pha của nguồn lực, trong khi vớ i sơ đồ hình 2.7f thì phải đấu vớ i điện áp dây của lướ i điện lực.

Vớ i sơ đồ thông dụng kiểu sáu thyristorđấu song song – ngượ c ở hình 2.8a có thể dùng phát xungđơ n, khâuđồng pha theođiện áp pha nguồn (trong chỉnh lưu làđồng phatheođiện áp dây nguồn) như hình 2.18.

Hình 2.18. Sơ đồ điều khiển phát xung kép chođiều áp xoay chiều ba pha sáu thyristorđấu song song – ngượ c.

Các sơ đồ điều khiển dùng xung kép hình 2.18ứng dụng cho tải thuần trở , hoặc tảicảm kháng nhưng giá trị điện cảm nhỏ. Vớ i tải cóđiện cảm lớ n cần dùng sơ đồ phát xungchùm như hình 2.19.


100/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 99

Hình 2.19. Sơ đồ điều khiển phát xung chùm chođiều áp xoay chiều ba pha sáu thyristorđấu song song – ngượ c.


101/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 100

Chươ ng IIIBĂM XUNG MỘT CHIỀU

Băm xung một chiều (BXMC) là thiết bị dùngđể thayđổi điện áp một chiều ra tảitừ một nguồn điện áp một chiều cố định . BXMCđượ c ứng dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, tạo nguồn ổn áp dải rộng.

3.1. NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA BĂM XUNG MỘT CHIỀUNguyên lý cơ bản của băm xung một chiều đượ c mô tả trên hình 3.1. Giữa nguồn

một chiều E và tải Rt là van Tr làm việc như một khóađiện tử, hoạt động của BXMC làcho vanđóng cắt theo chu kỳ vớ i quy luật:

• Trong khoảng thờ i gian 0 - t0 , cho van dẫn, điện áp rơ i trên tải Ut có giá trị bằngđiện áp nguồn Ut = E.

• Từ t0 - t1, van Tr không dẫn (mạch hở ), tải bị ngắt khỏi nguồn nên Ut = 0.Để đóng cắt điện áp nguồn ngườ i ta thườ ng dùng các khóađiện tử công suất vì

chúng ta cóđặc tính tươ ngứng vớ i khóa lý tưở ng, tức là khi khóa dẫn điện (đóng)điệntrở của nó khôngđáng kể, còn khi khóa bị ngắt (mở ra)điện trở của nó lớ n vô cùng (điệnáp trên tải sẽ bằng 0).

Hình 3.1. Nguyên lý băm xung một chiều (BXMC)

Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải là:0

0

0

1 t t

t U Edt E E

T T γ = = =∫ (3.1)

Trongđó: t0 - thờ i gian khóa Kđóng,γ - tham số điều chỉnh,T - chu kỳ đóng cắt của van.


102/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 101

Biểu thức (3.1) cho thấy có thể điều chỉnh điện áp ra bằng cách thayđổi tham số γ.Việc điều chỉnh điện áp bằng cách “băm” điện áp một chiều E thành các “xung”điện ápở đầu ra nên thiết bị này có tên gọi là “Băm xung áp một chiều – BXMC”.

Có hai phươ ng pháp chính cho phép thayđổi tham số γ là:1. Thayđổi thờ i gian t0, còn giữ chu kỳ T, như vậy ta dùng cách thayđổi độ rộng

của xungđiện áp ra tải trong quá trìnhđiều chỉnh, nên cách nàyđượ c gọi là phươ ng phápđiều chế độ rộng xung (PWM). (Pulse Width Modulation).

2. Thayđổi chu kỳ T, còn giữ thờ i gian t0 khôngđổi. Cách này ngượ c lại vớ i cáchtrên,độ rộng xungđiện áp ra tải đượ c giữ nguyên, mà chỉ thayđổi tần số lặp lại của xungnày, vì vậy đượ c gọi là phươ ng pháp xung – tần. Phươ ng pháp này không thuận lợ i khiphải điều chỉnh điện áp trong dải rộng, vì tần số biến thiên nhiều sẽ làm thayđổi mạnhgiá trị trở kháng khi mạch có chứa cácđiện cảm hoặc tụ điện nên khó tính toán thiết kế,nhất là hệ thống điều chỉnh kín vì lúcđó mạch thuộc hệ có tham số biến đổi. Vì vậyphươ ng pháp này chỉ dùng khi phạm viđiều chỉnh hẹp và thực tế ít đượ c sử dụng.

Ta thấy rằng khóađiện tử Tr chỉ làm việc đúng như một van bán dẫn, vì thế BXMCcó nhiềuưu điểm như:

• Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi là khôngđáng kể so vớ i cácbộ biến đổi liên tục, do tổn hao trong van bán dẫn là nhỏ.

• Độ chính xác cao và ít chịu ảnh hưở ng của nhiệt độ môi trườ ng vì yếu tố điềuchỉnh là thờ i gianđóng khóa Tr mà không phải mà không phải giá trị điện trở phầntử điều chỉnh như những bộ điều chỉnh liên tục kinhđiển.

• Kích thướ c gọn và nhẹ.

Tuy nhiên BXMC có những nhượ c điểm là:• Cần có bộ lọc đầu ra, dođó làm tăng quán tínhđiều chỉnh.• Tần số đóng cắt lớ n sẽ gây ra nhiễu cho các thiết bị xung quanh.

Các bộ BXMCđượ c chia thành băm xung khôngđảo chiều và băm xung cóđảochiều dòng tải.

Cấu trúc thực tế thườ ng gặp của BXMC như hình 3.2 gồm các khâu chủ yếu sau:E – Nguồn một chiều, có thể là acquy hoặc bộ chỉnh lưu.LĐV – Bộ lọc đầu vào, là các phần tử L, C hoặc LC nhằm ngăn cácảnh hưở ng tần

số cao của băm xung vớ i nguồn.


103/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 102

MV – Mạch hình thành từ các van bán dẫn, chủ yếu là vanđiều khiển hoàn toàn như transistor, mosfet, IGBT, …

Hình 3.2. Cấu trúc chung của băm xung một chiều

3.2. BĂM XUNG MỘT CHIỀU KHÔNGĐẢO CHIỀU3.2.1. Băm xung một chiều nối tiếp hay còn gọi là “Buck chopper” (băm xung giảm áp)

Sơ đồ loại này thể hiện như trên hình 3.3. Quy luật điều khiển van Tr hoàn toàn như nguyên lý chungđã xét, tuy nhiên quá trình năng lượ ng xảy ra như sau:

• Trong khoảng thờ i gian từ 0 đến t0 khi van dẫn điện, năng lượ ng của nguồn sẽ đượ c cấp cho phụ tải, nếu coi van là lý tưở ng có: Ut=E, vì dòngđiện từ nguồn i1 phải đi quađiện cảm L, nênđiện cảm này sẽ nạp năng lượ ng trong giaiđoạn vanTr dẫn.

• Trong khoảng còn lại, từ t0 đến hết chu kỳ điều khiển, van Tr khóa,điện cảm Lphóng năng lượ ng tích lũyở giaiđoạn trướ c, dòngđiện qua L vẫn theo chiều cũ vàchảy qua vanđệm D (dòng i2), lúc này Ut = -Ud ~ 0.

a) b) c)Hình 3.3. Băm xung một chiều nối tiếp tải RL

a) S ơ đồ nguyên lý m ạch; b) S ơ đồ thay th ế khi Tr d ẫ n; c) S ơ đồ thay th ế khi Tr d ẫ nTrong chế độ dòngđiện liên tục, tải có thể dạng RLEt hoặc RLđều vẫn cho quan hệ

điện áp ra tải như biểu thức cơ bản (3.1):0

0

0

1 t t

t U Edt E E

T T γ = = =∫


104/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 103

Dòng trung bình qua tải: t t t t t

U E E I

R Rγ −

= =

a) Ch ế độ dòng đ iện gián đ oạn b) Ch ế độ dòng đ iện liên t ục

Hình 3.4. Đồ thị điện áp, dòngđiện BXMC nối tiếp tải RL

3.2.2. Băm xung một chiều song songhay còn gọi là “Boost” – tăng ápSơ đồ của BXMC loại này như trên hình 3.5. Loại băm xung này thườ ngứng dụng

cho công suất không lớ n và phải có tụ lọc đầu ra tải.

a) b) c)Hình 3.5. Băm xung một chiều song song


105/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 104

Quá trình năng lượ ng xảy ra như sau:Khi van Tr dẫn, toàn bộ điện áp nguồn

đượ c đặt vào cuộn cảm L và dòngđiện từ nguồnchảy qua, cuộn cảm đượ c nạp năng lượ ng (dòngi1). Trong giaiđoạn này, diode D khóa và tải bị cắt khỏi nguồn, do đó năng lượ ng cấp ra tải lànhờ điện dung C, vì vậy tụ điện C là nhất thiếtphải cóở BXMC kiểu song song.

Khi van Tr bị khóa, năng lượ ng của cuộnkháng và của nguồn sẽ cấp ra tải (dòng i2). Nhờ nhận thêm năng lượ ng tích lũyở giaiđoạn trướ ctrong điện cảm nênđiện áp trên tải sẽ lớ n hơ nđiện áp nguồn E. Tụ C dùngđể tích năng lượ ngvà cấp cho Rt trong giaiđoạn Tr dẫn.

Phân tích cho thấy quy luật điện áp trên tải

có dạng:1

1t U E

γ =

−

3.2.3. Băm xung một chiều kiểu nối tiếp – song song (Buck-Boost)Bộ biến đổi xung áp loại này như hình 3.7a, cho phépđiều chỉnh điện áp Ut lớ n hơ n

hoặc nhỏ hơ n điện áp nguồn E. So vớ i sơ đồ của BXMC kiểu song song ta thấy vị trí củavan Tr và cuộn cảm Lđã đổi chỗ cho nhau.

Hoạt động của mạch này như sau:Trong khoảng (0 ÷ t0) van Tr dẫn (hình 3.7b),điện cảm Lđượ c trực tiếp nạp năng

lượ ng từ nguồn E bằng dòng iL. Giaiđoạn này diode D khóa và tải chỉ nhận năng lượ ng

từ tụ điện C, vì vậyở đây cũng cần có tụ C mắc song song tải.

Hình 3.6. Đồ thị điện áp, dòngđiện BXMC song song


106/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 105

a) b) c)Hình 3.7. Băm xung một chiều nối tiếp – song song

Trong khoảng còn lại (t0 ÷ t1) vanTr khóa (hình 3.7c), cắt nguồn E ra khỏimạch, để duy trì dòngđiện theo chiều cũ của mình sức điện động tự cảm của cuộn

kháng L sẽ đủ lớ n để diode D dẫn. Nănglượ ng tích lũy trongđiện cảm sẽ đượ cphóng qua tải, tụ điện C cũng đượ c nạpnăng lượ ng trong giaiđoạn này. Lưu ýrằng vớ i chiều dòngđiện nạp cho tụ CiL thì chiều điện áp trên tụ có dấu ngượ clại vớ i hai loại BXMCđã xét, tức làđiệnáp ut là âm. Và như vậy BXMC kiểu nốitiếp – song song cho phép tạo điện áp tảiâm từ một nguồn dươ ng.

Quy luật điện áp ra tải:1t

U E γ

γ =

−

3.3.ĐIỀU KHIỂN BĂM XUNG MỘT CHIỀU3.3.1. Cấu trúc điều khiển3.3.1.1.Điều khiển theo phươ ng phápđiều chỉnh độ rung xung PWM

Phươ ng pháp thực hiện băm xung vớ i tần số khôngđổi f=const,điện áp ra tải thayđổi 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, còn hình 3.9b làđồ thị minh họa nguyên lý hoạt động.Chức năng các khâu là

Hình 3.8. Đồ thị điện áp, dòngđiện BXMC song song


107/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 106

1. Khâu phát xung chủ đạo nhằm tạo daođộng vớ i tần số cố định nhằm đảm bảođiều kiện băm xung vớ i tần số khôngđổi.

2. Khâu tạo điện áp răng cưa theo tần số của khâu phát xung chủ đạo, đồng thờ iđảm bảo phạm viđiều chỉnh tối đa của tham số γ .

3. Khâu so sánh tạo xung: So sánhđiện áp răng cưa urc vớ i điện ápđiều khiển uđk ,điểm cân bằng giữa chúng chính làđiểm t0 . Dođó khiđiện ápđiều khiển thayđổi sẽ làmthayđổi t0 và dođó thayđổi tham số điều chỉnh γ. Điện áp ra của khâu này có dạng xungtươ ngứng vớ i giaiđoạn van lực Tr dẫn.

4. Khâu khuếch đại công suất nhằm tăng công suất xung tạo raở khâu so sánh,đồngthờ i phải thực hiện ghép nối vớ i van lực theo tính chất điều khiển của van lực.

5. Khâu tạo điện ápđiều khiển theo luật công nghệ.

a) b)

Hình 3.9. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều kiểu PWM3.3.1.2.Điều chỉnh theo phươ ng pháp xung - tần

Phươ ng pháp này ngượ c vớ i phươ ng pháp kiểu thayđổi độ rộng xung, cần phải thayđổi đượ c tần số băm xung trong khi khoảng dẫn của van lực Trđượ c giữ khôngđổi.

Cấu trúcđiều khiển như hình 3.10, gồm các khâu sauđây:1. Khâu tạo điện ápđiều khiển vớ i chức năng tươ ng tự như mạch trướ c

2. Khâu biến đổi U/f nhằm tạo daođộng xung vớ i tần sô tỉ lệ thuận vớ i điện áp vàolà điện ápđiều khiển.3. Khâu tạo khoảng dẫn khôngđổi cho van lực Tr, tức là t0 = const vớ i tần số do bộ

U/f quyết định.4. Khâu khuếch đại công suất.


108/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 107

Hình 3.10. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều kiểu xung – tần

3.3.2. Phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cư aChỉ có nguyên tắc điều khiển kiểu PWM dùng các khâu này.Hai khâu có quan hệ chặt chẽ vớ i nhau, tươ ng 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 giốngnhau do tính chất điện áp ra như nhau:đều là răng cưa. Điều khác biệt là ở chỗ, trongchỉnh lưu thì tần số xung nhịp phụ thuộc vào nguồn điện áp xoay chiều của lướ i điện, cònvớ i hệ băm xung thì tần số này do bản thân mạch điều khiển quyết định và không có quanhệ gì vớ i tần số lướ i điện.

Có hai dạng răng cưa hayđượ c dùng: răng cưa tuyến tính một cực tính, răng cưatam giác hai cực tính.3.3.2.1. Răng cư a tuyến tính một cự c tính

Trong phần BXMC sử dụng răng cưa dạng đi lên, chứ không nên dùng răng cưa đixuống như trongđiều khiển chỉnh lưu. Nguyên do là: một hệ thống tuyến tính, tức là cóquan hệ tỉ lệ thuận giữa đại lượ ng ra vàđiện ápđiều khiển (ura = k.uđk) là rất thuận lợ i khixây dựng các bộ điều chỉnh tự động. Vì BXMC có ura tỉ lệ thuận vớ i tham số γ, nênđể hệ tuyến tính cần có uđk cũng tỉ lệ vớ i γ, màđiều này chỉ có đượ c nếu răng cưa tuyến tínhđilên. Đồ thị minh họa nguyên lý hoạt động BXMCở hình 3.9 cho thấy rõ: tăng uđk thì γ

cũng tăng theo.Khâu phát xung chủ đạo có hai nhiệm vụ:- Tạo daođộng vớ i tần số cố định bằng tần số băm xung van lực.


109/156


110/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 109

- Chu kỳ daođộng T=t1+t2, vớ i tần số f = 1/T.

Có thể coi phạm viđiều chỉnh: 1 2min max,t t T T

γ γ = = , và thườ ng t1


111/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 110

Ví dụ 3.1. Tínhđiện áp răng cư a chođiều khiển BXMC theo nguyên tắc PWMcó phạm viđiều chỉnh γ = (0,1 ÷ 0,9) vớ i:

1. Sử dụng sơ đồ hình 3.10 vớ i tần số làm việc 400Hz.2. Sử dụng sơ đồ hình 3.11 vớ i tần số làm việc 1000Hz.Giải:1. Mạch dùng OA, chọn điện áp nguồn E = ±12V. Vớ i tần số 400Hz thì chu kỳ làm

việc của băm xung là: T =1/f = 1/400 = 2,5 msSuy ra phân bố thờ i gian: t2=0,9T = 0,9.2,5=2,25ms; t1=0,1T=0,1.2,5=0,25ms. Chọn

R3=R4=10kΩ, chọn tụ C=100nF, suy ra:3

11 9

13

22 91

0,25.10 2,27( )1,1 1,1.100.10

2,5.1020,5( )1,1 1,1.100.10

t R k

C

t R k C

−

−

−

−

= = = Ω

= = = Ω

Như vậy có thể chọn điện trở R1=2kΩ và R2=20 kΩ, để hiệu chỉnh tần số chọn R4là biến trở biến trở 10 kΩ.

2. Mạch sử dụng IC555, chọn điện áp nguồn E = 12V. Vớ i tần số 1000Hz thì chu kỳ làm việc của băm xung là: T =1/f = 1/1000 = 1ms

Suy ra phân bố thờ i gian: t2=0,9T = 0,9ms; t1=0,1T=0,1ms.Chọn tụ C=33nF, suy ra:

31

1 91

32

2 91

0,1.10 4,33( )0,7 0,7.33.100,9.10 39( )

0,7 0,7.33.10

t R k C

t R k

C

−

−

−

−

= = = Ω

= = = Ω

Như vậy có thể chọn điện trở R1=4,3 kΩ và R2 gồm một điện trở 33 kΩ nối tiếp vớ imột biến trở 20 kΩ để hiệu chỉnh.

Phần tínhđiện áp răng cưa bạn đọc tự tính.3.3.2.2. Tạo răng cư a tuyến tính hai cự c tính

Thông dụng nhất hiện nay là sơ đồ hình 3.12, cho phép tạo ở đầu ra của OA2điệnáp răng cưa có hình tam giác cân, trong khiđó đầu ra của OA1 là daođộng điện áp xungchữ nhật.


112/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 111

Thông dụng nhất hiện nay là sơ đồ hình 3.12, cho phép tạo ở đầu ra của OA2điệnáp răng cưa có hình tam giác cân, trong khiđó đầu ra của OA1 là daođộng điện áp xungchữ nhật.

OA1 là mạch lật kiểu trigơ Schmitt, dođó đầu ra chỉ có hai trạng thái tối đa tươ ngứng hai giá trị cực đại ±Um. Nếu dùng cụm hai diodeổn áp đấu nối tiếp Dz1, Dz2 thìUm=(UDz+0,7), nếu không dùng thì như thông thườ ng Um=Ubhcủa OA. Cụm các diodeổnáp có tác dụng chống bão hòa sâu cho OAđể có thể phản ứng nhanh do giảm thờ i giantrễ lật trạng thái, dođó cần dùng khi phải tạo daođộng tần số cao.

Hình 3.12. Sơ đồ tạo xung tam giác hai cực tính.OA2 là mạch tích phânđảo dấu quen thuộc, vìđầu vào tuy cóđảo dấu nhưng chỉ có

giá trị khôngđổi nên tích phân sẽ cho giá trị tuyến tính.

1 1

1 (0) (0) (0)m m RC C C C C U U

U i dt U dt U U t C CR CR

± ±= − + = − + = +∫ ∫ (3.32)

Sự biến thiên của đầu ra OA2 thông quađiện trở R3 tác dụng đến cửa (+) của OA1,mỗi khi điện thế cửa này về đến không sẽ làm trigơ lật sang trạng tháiđổi dấu điện ápđầu ra. Lập tức bộ tích phân cũng đảo chiều biến thiên và mạch bắt đầu vớ i quy trìnhngượ c giaiđoạn trướ c…

Phân tích cho thấy ngưỡ ng để bộ tích phânđảo hướ ng của nó có giá trị gọi là điện

áp ngưỡ ng Ung và bằng:3

2ng m

RU U

R= ± (3.33)

Giá trị này cũng chính là biênđộ của điện áp tam giác.


113/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 112

Ư u điểm của dạng này cònở chỗ nó không cần khoảng phục hồi, cả thờ i gian răngcưa đi lên vàđi xuống của nóđều là thờ i gian làm việc, vì vậy cho phépđảm bảo phạm viđiều chỉnh tối đa làγ=(0÷1). Dođó khi cần điều chỉnh như vậy, BXMC khôngđảo chiềucũng dùng răng cưa tam giác.

Ví dụ 3.2: Tính bộ tạo điện áp răng cư a tam giác tần số 4 kHz kiểu hai cự c tínhtheo sơ đồ hình 3.20 vớ i biênđộ điện áp là ±10V.

Giải:Vớ i tần số 4000Hz thì chu kỳ làm việc của băm xung là:T=1/f=1/4000=0,25 (ms)Chọn điện áp nguồn E=±15V và sử dụng cụm diodeổn ápđấu nối tiếp đối đầu, vớ i

Uôa=12V, cóđiện ápđầu ra OA1 cực đại Um= Uôa+UDz= 12+0,7=12,7 (V).Theođồ thị hoạt động hình 3.20 ta thấy trong khoảng thờ i gian một nửa chu kỳ điện

áp răng cưa phải biến thiênđượ c giá trị bằng hai lần biênđộ điện áp tam giác Ung,ở bàinày sẽ bằng 2x10V=20V. Dođó từ (3.32) thể hiện sự biến thiên của điện áp này, ta rút ra:

3 31

1

12,72 10 0,317.10 ( )2 4 4.10

m mng

ng

U U T U CR T s

CR U − −= ⇒ = = =

Chọn tụ C=22nF, suy ra:3

31 9

0,317.10 14,4.10 ( ) 14, 422.10

R k −

−= = Ω = Ω

Vậy chọn biến trở 20kΩ vào vị trí R1để hiệu chỉnh tần số băm xung. Từ biểu thức

(3.33) có:3

3 22

100,787 0,78712,7

ng

m

U R R R R U = = = ⇒ = , tức là nếu R2=10kΩ thì R3=7,87 kΩ.

Tuy nhiên ta chọn R2=10kΩ và R3 là biến trở 10kΩ để chỉnh xuống giá trị cần thiếtnhằm đảm bảo biênđồ xung tam giác 10V.

3.3.3. Khuếch đại xung (Drive)Khối khuếch đại xung cho transistor trong BXMC phức tạp hơ n so vớ i khối khuếch

đại xung cho thyristor,điều này do:- Thyristor là phần tử bánđiều khiển nên chỉ cần một xung ngắn để van mở ra, sau

đó không cần giữ xung này nữa. Vớ i độ rộng xungđiều khiển vài chục micro giây thìviệc truyền xung ngắn cách ly thực hiện kháđơ n giản bằng biến áp xung thông thườ ngmà không có yêu cầu gìđặc biệt.

- Transistor là phần tử điều khiển hoàn toàn, vì vậy để mở van cũng cần xungđiềukhiển, nhưng xung này phải tồn tại chừng nào van còn phải dẫn, tức làđộ rộng xungđiều


114/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 113

khiển phụ thuộc vào thờ i gian dẫn của van. Nếu điện áp phần lực thấp (dướ i vài chụcvolt), không cần cách ly vớ i mạch điều khiển vẫn dễ dàng thực hiện yêu cầu này. Tuynhiên khiđiện áp mạch lực cao và buộc phải cách ly nó vớ i mạch điều khiển thì việctruyền xung công suất cách ly cóđộ rộng lớ n là khó khăn, vì:

+ Nếu dùng biến áp xung sẽ đảm bảo cách ly, song do biến áp có tính chất vi phânnên làm giảm dần biênđộ và công suất xung theo thờ i gian, vì thế có thể khôngđảm bảomở tốt van trong suốt thờ i gian nó phải dẫn ở khu vực tần số làm việc dướ i 1 kHz. Cầnphải có các biện pháp phức tạp để khắc phục nhượ c điểm này.

+ Nếu dùng phươ ng pháp cách ly bằng phần tử quang sẽ cho phép truyền cách lyxung cóđộ rộng tùy ý, song phần tử quang chỉ có thể truyền thông tin mà không có khả năng truyền công suất. Lúcđó buộc phải có thêm nguồn công suất sau phần cách lyđể thực hiện tăng công suất đủ mở van, dođó mạch cũng sẽ phức tạp do có nhiều nguồn,

mặt khác cũng làm tăng kích thướ c và tổn hao trong thiết bị.Hiện nay cả hai kiểu trênđều đượ c nghiên cứu, chế tạo để ứng dụng trong thực tế,

tuy nhiên phươ ng pháp thứ hai dễ thực hiện hơ n, vì vậy dướ i đây chú trọng cách này hơ n.Những vấn đề trên cho thấy khối khuếch đại xung là phức tạp và sẽ gồm nhiều khâu

gộp thành, thườ ng có thể chia thành ba khu vực chức năng như hình 3.13.

KHÂU CÁCH LYBẰNG PHẨNTỬ QUANG

KHÂU PHỐIHỢP XUNG

KHÂU KHUẾCHĐẠI CÔNG

SUẤT

Hình 3.13. Cấu trúc khối khuệch đại xung

1. Khâu cách ly b ằ ng ph ần t ử quang nhằm truyền thông tin về thờ i gian mở - khóavan, thườ ng sử dụng hai loại là diode – transistor và diode – diode có khuếch đại sơ bộ.

2. Khâu ph ố i hợ p giữa thông tin về xung mở - khóa van và khâu khuếch đại côngsuất, có nhiệm vụ tạo ra dạng xung phù hợ p theo yêu cầu của van lực cụ thể. Một số mạch của khâu nàyở hình 3.14, cho ta thấy chúngđơ n giản là các tầng khuếch đại trunggian dùng transistorở chế độ khóa. Vì vậy cách tính toán vẫn tuân thủ luật đóng/ngắt

transistor.


115/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 114

Hình 3.14. Một số mạch phối hợ p xung3. Khâu khu ế ch đại công su ấ t vớ i chức năng đơ n giản là tăng công suất của dạng

xungđã hình thànhđượ cở khâu trướ c 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 vớ i dòng xấpxỉ 100A, còn nếu sử dụng van lớ n hơ n cần bổ xung phần tăng công suất chođủ yêu cầu.

Khuếch đại xungđiều khiển BT lự cĐể 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 vanđiều khiển bằng dòngđiện bazơ của bóng, vì thế để mở nhanh van cần

một dòng xung lớ n khi cho van chuyển từ khóa sang dẫn. Như vậy sẽ đạt đượ c hiệu quả là dòng lực (ic) tăng nhanh và lại giảm đượ c tổn thất chuyển mạch.

- Tuy nhiên nếu giữ dòng mở BT này khi vanđang dẫn sẽ làm bóng nằm sâu trongvùng bão hòa, dođó khi bóng khóa lại lại làm tăng thờ i gian bóng ra khỏi vùng bão hòa(trễ khóa)ảnh hưở ng tớ i thờ i gian khóa van. Vì vậy khi vanđã dẫn cần giảm dòng bazơ xuống đến giá trị sao cho chỉ cần vừa đủ đảm bảo BT nằm trong vùng bão hòa.

- Để giảm thờ i gian chuyển mạch đang dẫn sang khóa, cần tăng dòng bazơ khi khóa.- Để tăng khả năng chịu điện áp khi vanđã khóa nênđặt điện áp âm vào bazơ bóng

BT một giá trị không lớ n: Ube= -2VHiện nay có một số loại Drive chuyên dùng cho BT như M57915, M77916, … Khi

điều khiển BT lực dạng module vớ i hệ số khuếch đại lớ n, M57915 cho phépđiều khiểncỡ dòng vài trăm Ampe. Còn drive M57916 là loại kép, chứa hai mạch như M57915, cho


116/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 115

phépđiều khiển hai van lực hoàn toànđộc lập nhau nên có thể sử dụng trong BXMCđảochiều.

Sơ đồ khối Driver M57916L như hình 3.15, gồm các khâu:- Khâu cách ly dùng phần tử quang diode – transistor,- Khâu phối hợ p sử dụng hai bóng: Tr4 cho tầng khuếch đại công suất mở van Tr1,

và Tr2 riêng cho tầng công 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, thườ ng lấy (7÷9)V, dòng ra tối đa bằng 3A.

Hình 3.15. Sơ đồ khối Driver M57916

Hình 3.16. Sơ đồ nguyên lý Driver M57916


117/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 116

Hình 3.17. Ví dụ sử dụng Driver M57916 khuếch đại BTĐể tạo điện áp âm khi khóa cần mắc nối tiếp 4 diode. Lưu ý là M57915đã có sẵn

điện trở cho cụm diode tạo điện áp âm vớ i giá trị chế tạo 470Ω. (hình 3.17)Khi dùng Driver việc tính toán chỉ đơ n thuần là xácđịnh điện trở hạn chế dòng bazơ

Rb và tính nguồn điều khiển.Ví dụ 3.3. Tính khâu khuếch đại xungđể điều khiển van lự c loại QM200HY-

2H làm việc vớ i điện áp 400VDC, dòng qua van lớ n nhất 60A.

Giải:Van lực làm việc ở điện áp cao nên phải dùng khuếch đại cách ly, chọn Driver

M57915 làm khâu khuếch đại xung. Chọn nguồn điều khiển 9V cho Driver này.Tra số liệu transistor QM200HY-2H có các tham số cơ bản: Icmax=100A,

Ucemax=1000V, hệ số khuếch đại β=75,điện áp Ube=3,5V.Vậy theođiều kiện bão hòa cho bóng cần có:

( ) (9 3,5).60 4,4( )75

CE BE C b

U U I R

β − −

≤ = = Ω , chọn điện trở Rb=4Ω.

Dòngđiều khiển lớ n nhất khi mở van: 9 3,5 1,375( )4

cc BE b

b

E U I A R− −= = = , giá trị này

nhỏ hơ n trị số tối đa cho phép (3A).Điện trở chịu phát nhiệt lớ n nhất nếu giả sử dòng Ib chảy liên tục:

R

2 210.1,375 7,5( ) RP I R W = = = . Chọn điện trở công suất 15W.


118/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 117

Công suất nguồn điều khiển: 1,4.9 13,5( )b b ccP I E W = = = , như vậy cần tính nguồnđiều khiển vớ i mức công suất 15W.

Khuếch đại xungđiều khiển bóng MOSFET và IGBT lự c.Đặc điểm điều khiển transistor MOSFET và IGBT là giống nhau, nhưng lại khác

nhau nhiều so vớ i điều khiển BT. Yêu cầu điều khiển cho hai van này là:- Đây là loại vanđiều khiển bằng điện áp không phải bằng dòng như BT: Khi dẫn

bão hòa van cần đặt điện áp dươ ng trên cực điều khiển (12÷15)V, còn khi khóađiện áptrên nó lại âm (-5 ÷ -8)V. Như vậy ở trạng tháiổn định, dù là khóa hay dẫn, nó chỉ cầnđiện áp mà khôngđòi hỏi có dòngđiều khiển, tức là công suất điều khiển ở trạng thái nàylà khôngđáng kể.

- Tuy nhiênđể van chuyển trạng thái, từ khóa sang dẫn và ngượ c lại từ dẫn sangkhóa, buộc phải cấp dòng 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, dẫnđến:

+ Khi vanđangở trạng thái khóa,điện ápđiều khiển âm nên tụ điện nàyđang có giátrị âm.Để mở van,điện ápđiều khiển buộc phải đảo dấu chuyển từ âm sang dươ ng bằngcáchđưa dòngđiện vào nạp đảo ngượ c cực tính trên tụ điện này.

+ Điều tươ ng tự cũng xảy ra khi van chuyển từ dẫn sang khóa.- Để hạn chế dòng phóng – nạp tụ điện cần đưa vào cực điều khiển cácđiện trở hạn

chế Ron, Roff . Như vậy mạch nối trực tiếp vớ i cực điều khiển MOSFET và IGBT sẽ códạng như hình 3.18.

Giá trị điện trở này quyết định tốc độ chuyển trạng thái của van và buộc phải cóđể đảm bảo an toàn cho van, nhà sản xuất thườ ng cho chỉ dẫn về giá trị điện trở này của từngloại chế tạo, tuy nhiên giá trị cụ thể còn do chế độ hoạt độngảnh hưở ng. Ví dụ:

- Nếu tải làđộng cơ điện thì phải tăng thờ i gian mở cho vanđể tránh các xung dòngở chế độ khở i động hay giảm tốc của động cơ .

- Vớ i tải cóđiện cảm lớ n, để tránh các xung áp khi van khóa lại cần tăng thờ i gianchuyển từ dẫn sang khóa.


119/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 118

Hình 3.18. Cácđiện trở hạn chế dòngđiều khiểnVì vậy tùy vào từng trườ ng hợ p cụ thể mà có thể dùng một trong các sơ đồ hình

3.18.Điện áp cực Gate cũng khôngđượ c phép vượ t quá 20V, dođó nếu cần thiết phải

dùng biện pháp bảo vệ như dùng diode và tụ hay cụm hai diodeổn ápđấu đối đầu và mắcsong song vớ i cực GE như hình 3.18c.

Do tínhưu việt của MOSFET và nhất là IGBT nên chúngđượ c ứng dụng rất rộngrãi trong l ĩ nh vực điện tử công suất. Cũng vì thế các hãng cũng chế tạo nhiều loại mạchđiều khiển (Driver) cho các van này.

Hình 3.19 là sơ đồ nguyên lý drive TLP250, vớ i nguồn điềukhiển (10÷30)V, dòngra ±1,5A, loại này sử dụng khuếch đại xungđiều khiển IGBT loại đến 50A.

Hình 3.19. Khuếch đại xung cho IGBT sử dụng Driver TLP250.Drive khuếch đại vớ i dòng lớ n hơ n như Driver TLP251 (khuếch đại xung điều

khiển IGBT loại đến 400A), Drive HCPL-3120, …. Drive HCPL-3120có sơ đồ nguyên lý

như hình 3.20.


120/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 119

a) S ử d ụng ngu ồn đơ n cự c cấ p cho Driver

b) S ử d ụng ngu ồn lưỡ ng cự c cấ p cho DriverHình 3.20. Khuếch đại xung cho IGBT sử dụng Driver HCPL-3120.

Ngoài ra có các Driverchuyên dùng cho mạch băm xungđảo chiều (nửa cầu) như IR2101,IR2102, IR2103, IR2113, …Driver IR2103 có các tham số như hình 3.21.

Trên hình 3.22a là sơ đồ đấunối của Driver IR2103, còn hình3.22b là sơ đồ khối mạch bên trongvà đồ thị minh họa nguyên ký hoạt động như hình 3.22c.

Hình 3.21. Thông số Driver IR2103


121/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 120

a) S ơ đồ đấ u nố i mạch

b) S ơ đồ mạch bên trong


122/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 121

c) Đồ th ị đ iện áp

Hình 3.22. Half-Bridge Driver IR2103Vớ i các van lực công suất lớ n đòi hỏi dòngđiều khiển mạnh trong thờ i gian ngắn, vì

vậy cần thêm các tụ trữ năng lượ ng mắc sát cạnh Driver khi nguồn điều khiển khôngđượ c bố trí cạnh nó.

Hai nguyên tắc lắp ráp cần đảm bảo là:• Dây nối vớ i IGBT phải ngắn nhất có thể và vớ i tiết diện dây lớ n, thực tế cho thấy

điện cảm của dây dẫn cũng gây nên hiện tượ ng đột biến áp khi van khóa.• Dây nối cho IGBT phải đượ c nối rieeng, nhất là dâyđất, tức là không dùng chung

vớ i các phần mạch khácđể tránhảnh hưở ng lẫn nhau của đườ ngđất chung.Các mạch Driverđơ n giản thườ ng chỉ làm nhiệm vụ truyền cách ly và khuếch đại

công suất xung. Tuy nhiênđể van hoạt động an toàn trong mọi trườ ng hợ p, kể cả các hiệntượ ng như quá tải, ngắn mạch cần phải có thêm các khâu bảo vệ cho bản thân van.


123/156


124/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 123

a)

b)

c)

d)

Hình 3.24. Băm xung một chiều đảo chiều, điều khiển riêngTrong khoảng từ t0 đến T, điều khiển khóa van Tr1, dòngđiện buộc phải tiếp tục

chảy theo chiều cũ nên dòng i2 này sẽ chảy vòng qua diode D3, có ngh ĩ a tải bị ngắn mạchvà dođó Ut = 0. Nếu trong giaiđoạn này năng lượ ng tích lũyở điện cảm đã kịp phóng hết

thì dòng tải về đượ c đến không và mạch sẽ rơ i vào chế độ dòngđiện giánđoạn.Như vậy hoạt động của sơ đồ hoàn toàn giống vớ i BXMC khôngđảo chiều.Khi BXMC phải làm việc ở tần số cao có thể giảm tần số đóng – ngắt van hai lần so

vớ i tần số băm xung bằng cách cho hai van của một nhóm lần lượ t hoạt động như hình3.24c.

Để dòngđiện tải đảo dấu sang âm, cần khóa Tr1, Tr2 vàđể nhóm van Tr3, Tr4 hoạtđộng: van Tr3 luôn dẫn và van Tr4đóng ngắt theo nguyên lý băm xung như hình 3.24d.3.4.1.2.Điều khiển

Khối điều khiển của BXMCđảo chiều phải điều hành hoạt động của 4 transistor lựcđể vừa đảo chiều đượ c dòng tải, vừa điều chỉnh đượ c điện áp ra tải. Dođó so vớ i sơ đồ cấu trúc của BXMC khôngđảo chiều (hình 3.9) phải thêm khâu phân phối xung cho cácvan theođúng quy luật mở - khóa van của phươ ng phápđiều khiển đượ c sử dụng.


125/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 124

Hình 3.25 là sơ đồ cấu trúc chung mạch của mạch điều khiển BXMCđảo chiều theonguyên lýđiều chỉnh độ rộng xung (PWM) cho một chiều dòng tải

Hình 3.25. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều cóđảo chiều

3.4.2. Băm xung một chiều đảo chiều dùng phươ ng phápđiều khiển đối xứ ng3.4.2.1. Nguyên lý

Trong phươ ng pháp này các van cũng đượ c chia thành hai nhóm Tr1, Tr2 và Tr3,Tr4; tuy nhiên chúng cùng hoạt độngở bất cứ chiều dòng tải nào. Van cùng nhómđượ cđiều khiển như nhau (cùng mở hoặc cùng khóa), nhưng hai nhóm lại đượ c điều khiển tráitrạng thái:điều khiển mở nhóm này thì phải điều khiển khóa nhóm kia và ngượ c lại.

Hình 3.26b làđồ thị điều khiển 4 van, quađó có:Trong khoảng (0 ÷ t0): Tr1, Tr2 mở , còn Tr3, Tr4 khóa nên Ut = E.Trong khoảng (t0 ÷ t1): Tr3, Tr4 mở , còn Tr1, Tr2 khóa nên Ut = -E.

a) b)

Hình 3.26. Băm xung một chiều đảo chiều điều khiển đối xứng


126/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 125

0

0

00 0

0 0

1 1 1( ( ) ( ) (2 1) (2 1)t T T

t rat

t U u dt Edt E dt E t T t E E

T T T T γ = = + − = − − = − = −∫ ∫ ∫

Biểu thức này cho thấy:+ Vớ i γ > 0,5 thì Ut dươ ng,+ Vớ i γ < 0,5 thì Ut âm,+ Vớ i γ = 0,5 thì Ut bằng không.Như vậy vẫn chỉ điều chỉnh tham số γ trong phạm vi (0÷1)đã làmđiện áp ra tải

không những thayđổi về giá trị mà cả về dấu, tức làđảo chiều đượ c.Tuy vậy, nguyên lýđiều khiển nêu trên chưa phản ánh quá trình vật lý xảy ra thực

sự trong mạch, ta xem lại quá trính hình thành dòngđiện vớ i tải như hình 3.27.Trong khoảng (0 ÷ t0): Tr1, Tr2 mở , còn Tr3, Tr4 khóa nên dòngđiện từ nguồn E

qua Tr1 – tải – Tr2 rồi về nguồn (hình 3.27b), nên ta có Ut = E.Vào thờ i điểm t0, hai van Tr1, Tr2 bị khóa, còn Tr3 và Tr4đượ c điều khiển mở ,

song do dòngđiện vẫn phải chảy theo chiều cũ (do tải cóđiện cảm) nên dòngđiện khôngthể đi ngượ c qua Tr3, Tr4 mà buộc phải chảy qua các diodeđấu song song vớ i chúng như hình 3.27b.

a)

c) b)

Hình 3.27. Băm xung một chiều đảo chiều đối xứng, các chế độ dòngđiện


127/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 126

Như vậy trong giaiđoạn (t0 ÷ t) năng lượ ng tích lũy ở điện cảm đượ c trả về nguồnE, bấy giờ có hai khả năng xảy ra:

- Nếu năng lượ ng tích lũy ở điện cảm Ltđủ lớ n và không kịp tiêu tán hết thì dòngđiện không thể về đến không, dođó chỉ có diode D3, D4 dẫn toàn bộ khoảng này chođếnkhi các van mở trở lại ở đầu chu kỳ.

- Nếu năng lượ ng tích lũy khôngđủ lớ n thì nó bị tiêu tán hết trướ c thờ i điểm T,dòngđiện kịp về đến không. Tuy nhiên do các van Tr3, Tr4đangđiều khiển mở nênđếnlúc này dòng tải sẽ đảo dấu, nguồn E lại cấp năng lượ ng ra tải. Đến thờ i điểm T khi nhómTr1, Tr2 mở trở lại, dòngđiện tải đang âm nên lại khôngđảo chiều ngayđượ c, buộc phảiqua các diode D1, D2. Chỉ đến khi năng lượ ng trênđiện cảm hết, dòngđiện mớ i đảo về giá trị dươ ng.

Haiđồ thị ở cuối hình 3.27c thể hiện trạng thái dòngđiện của chính các trườ ng hợ p

vừa nói. Như vậy vớ i phươ ng phápđiều khiển này không thể có chế độ dòngđiện giánđoạn, dòng tải sẽ liên tục chảy, hoặc theo chiều này hoặc theo chiều kia. Nếu điện cảmlớ n mạch sẽ hoạt độngở chế độ 4 van (hai transistor, hai diode) và dòngđiện khôngđảochiều, ngượ c lại cả 8 vanđều chạy và dòngđiện tải bị đảo chiều.3.4.2.2.Điều khiển theo phươ ng phápđối xứ ng

Hình 3.28 là sơ đồ cấu trúc mạch theo phươ ng phápđiều khiển đối xứng. Dophươ ng pháp nàyđiều khiển đóng ngắt hai van của cùng một nhóm giống nhau nênchúng sẽ có chung tín hiệu điều khiển và chỉ tách raở khối khuếch đại xung. Quan hệ

giữa hai nhóm làđảo của nhau, vì vậy tín hiệu điều khiển cũng đơ n giản chỉ là lôgicđảo(mạch NOT).

a) b)Hình 3.28. Băm xung một chiều đảo chiều điều khiển đối xứng.


128/156


129/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 128

độ dòngđiện gianđoạn. Biểu thức luật điều chỉnh điện áp ra vẫn là Ut = γE nhưng quyluật dòngđiện sẽ khác vì có sự tham gia của Et.

Để dòngđiện tải âm (đảo chiều) cần thayđổi toàn bộc cáchđiều khiển van lực.3.4.3.2.Điều khiển theo phươ ng pháp khôngđối xứ ng

Theo nguyên lý hoạt động ta thấyở phươ ng pháp này cũng cần luônđiều khiển cả 4van đồng thờ i, nhưng luật điều khiển của chúng lại khác nhau phụ thuộc chiều dòng tải.Dođó mạch điều khiển phải có:

- Hai khâu phân phối xung cho mỗi chiều dòng tải, mà thực chất là hai mạch logicthực hiện luật đóng/ngắt van theo sự phối hợ p cả 4 vanđồng thờ i, để đơ n giản gọi là khốilogic chạy thuận và logic chạy ngượ c.

- Khâu xácđịnh chiều dòngđể chọn khối logicđiều khiển, điều này tươ ng tự như phươ ng phápđiều khiển riêng.

- Chỉ có 4 van mà lại hai luật khác nhau nên cần mạch ghép chung lại từ hai luật,đơ n giản bằng mạch logic OR.

- Do lại có hai van thẳng hàngđóng/ngắt cùng thờ i điểm nên buộc phải có khâu trễ để chống ngắn nguồn như trong phươ ng phápđối xứng.

Tất cả các yêu cầu trên dẫn tớ i sơ đồ cấu trúcđiều khiển theo phươ ng pháp khôngđối xứngở hình 3.30.

Hình 3.30.Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều đảo chiều sử dụngphươ ng phápđiều khiển khôngđối xứng


130/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 129

3.5. MỘT SỐ VÍ DỤ BĂM XUNG MỘT CHIỀU3.5.1. Băm xung một chiều khôngđảo chiều

Hình 3.31 là nguyên lý mạch điều khiển van lực IGBT của BXMC khôngđảo chiềutheo phươ ng pháp PWM (độ rộng xung) hệ hở , mạch gồm:

• Khâu phát xung chủ đạo có tần số khôngđổi và tạo điện áp răng cưa tuyến tínhđilên dùng khuếch đại thuật toán.

• Khâu tạo điện ápđiều khiển• Khâu so sánh hai cửa OA3, tạo xung PWM.•

Hình 3.31. Sơ đồ điều khiển van lực IGBT của băm xung một chiều khôngđảo chiều hệ hở


131/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 130

Hình 3.32. Giản đồ điện áp hình 3.31 Hình 3.33 là nguyên lý mạch điều khiển van lực IGBT của BXMC khôngđảo chiều

theo phươ ng pháp PWM hệ kín, mạch này chỉ khác mạch hình 3.31 khâu tạo điện ápđiềukhiển. Khâu tạo điện ápđiều khiển vớ i bộ điều chỉnh PI và có khâu hạn chế điện ápđầura tươ ngứng vớ i phạm viđiều chỉnhγmin÷ γmax.

Điểm lưu ý về dấu của điện áp chủ đạo (ucđ) và phản hồi (uph):• Khâu so sánh hai cửa cácđiện áp phải cùng dấu, dođiện áp răng cưa dươ ng

nênđiện ápđiều khiển cũng phải dươ ng (uđk > 0).• Trong khiđó bộ điều chỉnh PI là khâuđảo dấu (tín hiệu đưa vào cửa đảo) suy

ra để uđk>0 thìđiện áp chủ đạo phải âm ucđ < 0.• Điện áp phản hồi lại phải trái dấu điện áp chủ đạo, dẫn đến uph>0.


132/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 131

Hình 3.33. Sơ đồ điều khiển van lực IGBT của băm xung một chiều khôngđảo chiều hệ kín

Lư u ý mạch điều khiển hai mạch nguyên lý hình 3.31, 3.33 sử dụng 4 nguồn cungcấp: nguồn ±E cho phần điều khiển điện áp thấp, và nguồn hai nguồn cho TLP250 (+15Vvà -5V) cách ly vớ i hai nguồn ±E.

Khâu phát xung chủ đạo có tần số khôngđổi dùng Timer 555 và tạo điện áp răngcưa tuyến tínhđi lên dùng transistor và tụ điện minh họa như hình 3.34.

Hình 3.34.


133/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 132

Dạng ví dụ khác như hình 1.35. Khâu tạo điện áp răng cưa dạng xung tam giác códịch điện ápđể chuyển từ điện áp hai cực tính thành một cực tính.

Hình 3.35.

Hình 3.35. Đồ thị điện áp hình 3.35


134/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 133

3.5.2. Ví dụ băm xung một chiều đảo chiềuSơ đồ điều khiển BXMCđảo chiều phụ thuộc vào phươ ng phápđiều khiển

3.5.2.1. Phươ ng phápđiều khiển riêngHình 3.36 là sơ đồ điều khiển BXMC theo phươ ng pháp này, van lực dùng IGBT.

Mạch bao gồm:• Khâu phát xung tam giác hai cực tính, phần dươ ng cho chiều thuận tươ ngứng điện

điều khiển dươ ng, phần âm cho chiều cho chiều ngượ c tươ ngứng điện điều khiểnâm.

• Điện áp điều khiển lấy trên biến trở nhưng đượ c qua bộ lặp OA4 nhằm đảo bảokhả năng phối hợ p vớ i nhiều đườ ng tín hiệu cùng lúc.

• Khâu xácđịnhđộ rộng xung tươ ng tự như các sơ đồ trên.

• Khâu xácđịnh chiều dòng.


135/156

CEA T Đ H-N Đ V1.0/2015 134

Hình 3.36. Sơ đồ điều khiển băm xung m ột chiều đảo chiều, phươ ng pháp điều khiển riêng


136/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 135

• Khâu phân phối xung sử dụng mạch logic AND.• Khâu khuếch đại xung sử dụng Driver TLP250 hay TLP251

3.5.2.2. Phươ ng phápđiều khiển đối xứ ngSơ đồ ví dụ trên hình 3.39. Phần lớ n các khâu chức năng là tươ ng tự hình 3.36. Sự

khác biệt thể hiệnở haiđiểm:• Mạch không có khâu xácđịnh chiều dòng,

vì quy luật điều khiển là chung cho cả haichiều dòngđiện tải.

• Có thêm khâu trễ mở chống ngắn mạchxuyên thông giữa hai van thẳng hàng khichúng chuyển đổi trạng thái, đượ c thựchiện nhờ hai phần tử logic L1, L2.Đồ thị minh họa hoạt động nàyở hình 3.37.Ở đây vẫn dùng phươ ng pháp tạo trễ sử dụng phươ ng pháp nạp tụ C thông quađiệntrở R để đưa tớ i cổng vào logic L1 (loại cóngưỡ ng trigơ Schmitt), thờ i gian trễ gầnbằng 0,7RC. Khiđiện áp vào bằng không,tụ C phóng tắt qua diode D nênđộ trễ làkhôngđáng kể. Thực tế thờ i gian trễ nằmtrong khoảng (1,3 ÷10)µs, tùy loại van lựcvà tần số làm việc của mạch.

3.5.2.3. Phươ ng phápđiều khiển khôngđối xứ ngSơ đồ ví dụ trên hình 3.40. Về cơ bản sử dụng các khâu hình 3.36,điểm khác biệt

thể hiệnở khâu phân phối xung và khuếch đại xung.• Phươ ng pháp này cũng cần điều khiển đồng thờ i bốn van lực nhưng hai chiều

dòng có luật điều khiển van khác nhau, do vậy cần hai khối logic chạy thuận, chạyngượ c riêng rẽ, nhưng sauđó phải kết hợ p lại bằng mạch OR. Khối logicđượ cđiều khiển bở i khâu xácđịnh chiều dòng.

• Khâu khuếch đại xung sử dụng Driver SKHI21/22 dùng cho IGBT vớ i đặc điểmthuận lợ i là khối này điều khiển đồng thờ i cả hai van thẳng hàng vàđã gài sẵnmạch trễ mở chống ngắn mạch xuyên thông.

Hình 3.37. Mạch tạo trễ mở


137/156

CEA TĐH-NĐ V1.0/2015 136

Các mạch Driver dùng cách ly quangđã trình bạyở phần trướ c, đều đòi hỏi phải cóhai nguồn cho điều khiển ở phía van lực vì phần tử quang này không thể truyền nănglượ ng, như vậy mạch sẽ cồng kềnh hơ n, nhất là khi mạch lực có nhiều van phải cách lynhau thì số lượ ng nguồn sẽ lớ n. Vì vậy một số hãngđã chế tạo Driver dùng cách ly bằng

biến áp vàđồng thờ i lấy công suất qua hệ chuyển đổi nguồn DC/DC cũng cách ly từ nguồn điều khiển chung. Hình 3.38 là một ví dụ như vậy.

Hình 3.38. Driverđiều khiển IGBT SHKI 21/22Driver SKHI 22 không cần nguồn ngoàiở phía công suất, vì bên trongđã có sẵn

khối nguồn cách ly DC/DC lấy năng lượ ng từ phía sơ cấp, chính là nguồn cung cấp phíamạch tín hiệu. Vì thế khối nguồn đơ n giản hơ n rất nhiều. Tuy nhiên khi tính toán nguồncần cộng thêm phần công suất cần thiết cho SKHI 22


138/156

CEA T Đ H-N Đ V1.0/2015 137

Hình 3.39. Sơ đồ điều khiển băm xung m ột chiều đảo chiều, phươ ng pháp điều kh


139/156

CEA T Đ H-N Đ V1.0/2015 138

Hình 3.40. Sơ đồ điều khiển băm xung m ột chiều đảo chiều, phươ ng pháp điều khiển


140/156

CEA TĐH-NĐ 139

Chươ ng IVNGHỊCH LƯ U ĐỘC LẬP VÀ BIẾN TẦN

4.1. GIỚ I THIỆU CHUNG4.1.1. Nghịch lư u độc lập

Nghịch lưu độc lập (NLĐL) là thiết bị để biến đổi năng lượ ng dòngđiện một chiềuthành năng lượ ng dòngđiện xoay chiều vớ i tần số ra cố định hoặc thayđổi.

Trong hệ thống chỉnh lưu cũng có bộ nghịch lưu nhưng là nghịch lưu phụ thuộc, sự khác biệt giữa hai bộ nghịch lưu nàyở chỗ:

- Nghịch lưu phụ thuộc tuy cũng biến đổi năng lượ ng một chiều (DC) thành nănglượ ng xoay chiều (AC), nhưng tần số điện áp và dòngđiện xoay chiều chính là tần số không thể thayđổi của lướ i điện. Hơ n nữa sự hoạt động của chỉnh lưu này phải phụ thuộcvào điện áp lướ i vì tham số điều chỉnh duy nhất là gócđiều khiển α đượ c xácđịnh theotần số và pha của lướ i xoay chiều đó.

- Nghịch lưu độc lập hoạt động độc vớ i tần số ra do mạch điều khiển quyết định vàcó thể thayđổi tùy ý, tức làđộc lập vớ i lướ i điện.

Nghịch lưu độc lập đượ c phân thành ba loại:1. NLĐL điện áp, cho phép biến đổi từ điện áp một chiều E thành nguồn điện xoay

chiều có tính chất như điện áp lướ i: trạng thái không tải là cho phép, còn trạngthái ngắn mạch tải là sự cố.

2. NLĐL dòngđiện, cho phép biến nguồn dòng một chiều thành nguồn dòngđiệnxoay chiều.

3. NLĐL cộng hưở ng, cóđặc điểm khi hoạt động luôn hình thành một mạch vòngdaođộng cộng hưở ng RLC.

Tải của NLĐL là thiết bị điện xoay chiều có thể là một pha hay ba pha, dođóNLĐL cũng đượ c chế tạo hai dạng NLĐL một pha và NLĐL ba pha.

Van bán dẫn sử dụng trong NLĐL phụ thuộc loại nghịch lưu:- Vớ i NLĐL điện áp, van hoạt động dướ i tácđộng của sức điện động một chiều E,

điều này tươ ng tự như van trong băm xung một chiều, vì vậy thích hợ p phải là vanđiềukhiển hoàn toàn: các loại transistor BT, MOSFET, IGBT hay GTO.


141/156

CEA TĐH-NĐ 140

- Vớ i NLĐL dòngđiện và NLĐL cộng hưở ng, do tính chất mạch cho phépứngdụng tốt van bánđiều khiển thyristor nên chúng thườ ngđượ c dùng.

4.1.2. Biến tần

Biến tần là thiết bị biến đổi năng lượ ng dòngđiện xoay chiều tần số này sang nănglượ ng dòngđiện xoay chiều tần số khác.

a) b)

Hình 4.1. Biến tầnTùy cấu trúc biến đổi năng lượ ng, biến tần chia thành hai loại.

4.1.2.1. Biến tần gián tiếpCấu trúc thông dụng của biến tần gián tiếp ở hình 4.1b, quađây ta thấy để tạo ra

nguồn xoay chiều tần số khác vớ i đầu vào phải tiến hành hai quá trình biến đổi nănglượ ng: chỉnh lưu biến năng lượ ng xoay chiều về một chiều, sauđó nghịch lưu để biến đổingượ c lại. Biến tần này cònđượ c gọi là biến tần có khâu trung gian một chiều theo sơ đồ cấu trúc biến đổi năng lượ ng. Việc sử dụng NLĐL làm bộ biến đổi tần số đầu ra cho phépbiến tần loại này có khả năng thayđổi tần số trong phạm vi rộng vàđộc lập, đây làưuđiểm chủ yếu đem đến ứng dụng rất rộng rãi của nó trong thực tế hiện nay. Nhượ c điểm

cơ bản của biến tần gián tiếp là hiệu suất không thật cao do chính quá trình biến đổi nănglượ ng hai lần.

Khối chỉnh lưu trong biến tần gián tiếp có thể là chỉnh lưu điều khiển hay khôngđiều khiển tùy thuộc vào loại nghịch lưu độc lập đượ c dùng và công suất tải.

A. Nghịch lư u độc lập điện áp đòi hỏi nguồn một chiều cóđộ đập mạch nhỏ vàổnđịnh, vì vậy thườ ng dùng chỉnh lưu diode vớ i khâu lọc một chiều kiểu C hoặc lọc LC vàcó cấu trúc như hình 4.2a, chỉnh lưu điều khiển ít dùng dođộ đập mạch điện áp xấu đinhiều (tăng mạnh) khiđiều chỉnh giảm điện áp một chiều.

- Vớ i cấu trúc này, mạch điều khiển chỉ tácđộng duy nhất vào khối nghịch lưu độclập điện ápđể đảm bảo cả yêu cầu về tần số và điện áp ra tải, dođó mạch điều khiển kháphức tạp. Vớ i tải công suất trung bình và lớ n phải dùng chỉnh lưu cầu nhiều pha: m2=6,12, …để vừa giảm hệ số đập mạch và không cần tụ lọc lớ n, vừa cải thiện đáng kể hệ số méo của dòngđiện tiêu thụ từ lướ i xoay chiều.


142/156

CEA TĐH-NĐ 141

- Vớ i tải công suất không lớ n, nhiệm vụ điều chỉnh vàổn định điện áp ra có thể thông quađiều khiển điện áp một chiều bằng cáchđưa thêm bộ băm xung một chiều sauchỉnh lưu diode và lọc. Đôi khi băm xung một chiều còn dùngđể tăng điện áp (băm xungkiểu song song) cho trườ ng hợ p nguồn xoay chiều thấp hơ n giá trị cần có.

B. Nghịch lư u độc lập dòngđiện đòi hỏi nguồn dòng một chiều, trong khiđó sauchỉnh lưu chỉ cho phép nhận đượ c điện áp chứ không phải dòng, vì vậy để chuyển đổithành nguồn dòng buộc phải thực hiện đồng thờ i hai biện pháp:

1. Sử dụng lọc điện cảm vớ i giá trị lớ n để làmđộ đập mạch dòngđiện nhỏ, tươ ngứng dòng khôngđổi tức là có nguồn dòng. Tuy nhiênđiện cảm lọc không cho phépổnđịnh vàđiều chỉnh dòng ra, dođó cần biện pháp thứ hai.

2. Dùng chỉnh lưu điều khiển để tự động điều chỉnh điện áp chỉnh lưu theo các biếnđộng tải và nguồn bằng hệ thống kín vớ i phản hồi dòngđiện để đảm bảo vừa điều chỉnh

dòng theo yêu cầu công nghệ, vừa ổn định dòn chống các biến động này.Như vậy biến tần dùng nghịch lưu dòngđiện có cấu trúc hình 4.2b, lưu ý rằng trạng

thái không tải vớ i nguồn dòng là cấm (trạng thái sự cố) nên biến tần này chỉ đượ c hoạtđộng khi nối tải.

C. Nghịch lư u độc lập cộng hưở ng, có thể hoạt động vớ i nguồn áp hay nguồndòng nhưng nói chung thườ ng sử dụng chỉnh lưu điều khiển. NLĐL cộng hưở ng hayứngdụng cho thiết bị gia nhiệt tần số nên thườ ng chỉ sử dụng loại một pha.

a)

b)

Hình 4.2. Các cấu trúc của biến tần theo nghịch lưu độc lập


143/156

CEA TĐH-NĐ 142

4.1.2.2. Biến tần trự c tiếpBiến tần loại này cũng dùng chỉnh lưu điều khiển, nhưng sử dụng cấu trúc và

nguyên lý hoạt động khác thể hiệnở hình 4.4

Hình 4.3. Cấu trúc biến tần trực tiếp

Biến tần trực tiếp dùng nguyên tắc sau:• Dùng hai bộ chỉnh lưu cùng loại, đầu rađấu ngượ c cực tính.• Mỗi bộ chỉnh lưu đảm nhận một dấu của điện áp ra và cho hai bộ chạy lần lượ t sẽ

tạo thànhđiện áp hai dấu (xoay chiều)ở đầu ra.Sử dụng nguyên tắc này sẽ đạt hiệu suất cao vì không cần biến đổi năng lượ ng hai

lần, tuy nhiên loại này có một số nhượ c điểm như: tần số ra phụ thuộc tần số nguồn, điềuchỉnh tần số trơ n khá khó khăn, số lượ ng van lớ n, nếu muốn đạt chỉ tiêu chất lượ ng tốtnhư biến tần gián tiếp thì toàn hệ thống (cả lực vàđiều khiển) đều phức tạp.

NLĐL và biến tần đượ c sử dụng rộng rãi trong các l ĩ nh vực như cung cấp điện, cáchệ điều khiển tốc độ động cơ điện xoay chiều, truyền tải điện năng, luyện kim, các bộ biến đổi cho các nguồn năng lượ ng mớ i.

4.2. NGHỊCH LƯ U ĐỘC LẬP ĐIỆN ÁP MỘT PHA4.2.1. Mạch lự c

NLĐL điện áp một pha có thể dùng: sơ đồ cầu hình 4.4a, bán cầu hình 4.4b và sơ đồ hình tia 4.4c, tuy nhiên dạng điện áp ra và các tham số của chúng như nhau, vì vậy sau

đây chỉ xét trên cơ sở sơ đồ cầu 4.4a.


144/156

CEA TĐH-NĐ 143

a) b) c)

Hình 4.4. Các sơ đồ nghịch lưu độc lập điện áp một phaNLĐL cầu một pha có sơ đồ đấu van hoàn toàn giống băm xung một chiều đảo

chiều vớ i phươ ng phápđiều khiển đối xứng: các van hoạt động theo cặp Tr1, Tr2 và Tr3,Tr4; sự khác biệt duy nhất là hai cặp van dẫn khoảng thờ i gian như nhau và bằng một nửa

chu kỳ của điện áp ra. Như vậy có thể coi NLĐL điện áp một pha là trườ ng hợ p riêng củaBXMCđiều khiển đối xứng, do vậy điện áp ra dạng xung chữ nhật vớ i giá trị ±E hình4.5a.Điện áp ra này thỏa mãn cácđiều kiện của một điện áp xoay chiều tuần hoàn là:

• Điện áp ra có hai dấu dươ ng và âm,• Giá trị trung bình bằng không,• Sau một nửa chu kỳ có giá trị bằng nhau nhưng ngượ c dấu: u(t) = -u(t+T/2),• Sau một chu kỳ lặp trạng thái: u(t) = u(t+T)

Hình 4.5. Đồ thị làm việc của nghịch lưu điện áp một pha


145/156

CEA TĐH-NĐ 144

4.2.2. Bộ lọc tần số đầu ra nghịch lư uTải công suất không thể sử dụng các phươ ng pháp lọc tần số hiệu quả như trong kỹ

thuật xử lý tín hiệu dùng khuếch đại thuật toán OA. Vớ i dòng tải lớ n vàđiện áp cao bộ lọc phải thực hiện bằng các phần tử thụ động L và C,điều này dẫn đến tổn thất công suấtkhông thể tránh khỏi, làm giảm hiệu suất hệ thống; mặt khác làm tăng đáng kể kích thướ cthiết bị. Hơ n nữa hiệu quả lọc tần của bộ lọc thụ động không cao,đó là các nhượ c điểmchính của bộ lọc thụ động.

Về nguyên tắc, bộ lọc thụ động chỉ có thể là các phần tử nối tiếp hay song song tảivớ i các tổng trở Znt và Z // như hình 4.6a. Từ đây có thể thấy nguyên lý chungđể thực hiệnlọc là:

• Phần tử mắc nối tiếp vớ i tải (hình 4.6b) hình thành một bộ chia áp theo tỉ lệ tươ ngquan tổng trở giữa chúng, tổng trở nào lớ n thì điện áp trên nó cũng lớ n, bở i vậy

cần:- Vớ i tần số sóng hài cơ bản mong muốn Znt > Ztải , để điện áp vớ i các tần số này rơ i chủ yếuở Znt, tức làđượ c giữ lại ở khâu lọc.

• Vớ i phần tử mắc song song vớ i tải (hình 4.6c) hình thành một bộ chia dòng theo tỷ lệ tươ ng quan giữa chúng, tổng trở nào càng nhỏ thì dòng chính rẽ nhánh qua nócàng nhiều, vì vậy cần:- Vớ i tần số sóng hài cơ bản mong muốn Z // >> Ztải , và tốt nhất Z // =∞ (cộng

hưở ngở tần số cơ bản), lúcđó toàn bộ dòng của sóng cơ bản đượ c đưa ra tải.- Vớ i các thành phần bậc cao thì ngượ c lại Z //


146/156

CEA TĐH-NĐ 145

Tuy nguyên tắc lọc đơ n giản như vậy, song vì mạch lọc hình thành từ phần tử LCnên có khả năng gây daođộng, tần số này khó biết trướ c vì không cố định do có sự thamgia của các phần tử L, C của tải, dây dẫn của nguồn, …

Có ba mạch lọc thườ ng dùng trên hình 4.7 và cách tính toán khác nhau, tuy nhiênyêu cầu chung về tính mạch lọc là nhằm thỏa mãnđồng thờ i các chỉ tiêu:

• Hệ số méo nhỏ. Tùy tải mà có hệ số méo khác nhau, thườ ng TDH phải dướ i 20%,một yêu cầu dạng khác là hệ số sóng hài thấp nhất dướ i 5% thìđiện áp rađượ c coilà tốt.

• Công suất đặt thấp nhất có thể.• Tổn thất công suất của bộ lọc thấp.• Đặc tính tần số dốc.

Hình 4.7. Các bộ lọc cho tần số cho nghịch lưu độc lập điện áp

4.2.3.Điều chế SPWM cho nghịch lư u độc lập điện áp một phaĐiều chế PWM tuyđượ c phân thành hai loại lớ n là điều chế hình sin (SPWM) và

điều chế vecto (VPWM), song sự đa dạng của từng kiểu điều chế rất phong phú,đặc biệtlà VPWM, và vẫn đượ c tiếp tục nghiên cứu phát triển. Dođó dướ i đây chỉ đề cập mộtkiểu kinhđiển làđiều chế SPWM.

Nguyên tắc của SPWM là trong một khoảng dẫn của van transistor không dẫn liêntục màđóng cắt rất nhiều lần vớ i độ rộng xung dẫn bám theo giá trị tức thờ i của hình sincó tần số bằng sóng hài cơ bản.

Hình 4.8 minh họa nguyên lý này khi dùng xung tam giác tần số cao (gọi là sóngmang – carrier)để so sánh vớ i điện áp hình sin (gọi là sóngđiều chế - modulation),điểmcắt nhau giữa haiđiện áp này làđiểm chuyển đổi trạng thái của hai cặp van cho nhau.


147/156


148/156

CEA TĐH-NĐ 147

Phươ ng pháp SPWM cho phép loại bỏ đượ c nhiều các sóng hài bậc thấp vì sóng hàibậc thấp nhất có bậc sát vớ i tần số sóng mang, dođó càng tăng tần số này thìđiện áp racàng gần sin hơ n. Nếu tải cóđiện cảm thì dòng tải đã rất gần hình sin mặc dù không dùngbộ lọc.

4.3. Nghịch lư u độc lập điện áp ba pha4.3.1. Cácđặc điểm chính

Để tạo ra hệ điện áp xoay chiều ba pha từ nguồn sức điện động E, cần sử dụng banhóm vanđấu theo mạch cầu như hình 4.10a,điểm giữa mỗi nhánh van thẳng hàng làđiểm nối vớ i phụ tải ba phađấu sao hoặc tam giác. Sơ đồ có thể điều khiển bằng hai luậtdẫn van khác nhau:

• Góc dẫn vanλ=180o (hình 4.10b), luật điều khiển này giống trong NLĐL một pha

khi hai van một nhánh thay nhau dẫn trong chu kỳ.• Góc dẫn vanλ=120o (hình 4.10c), trong luật này hai van không thay nhau dẫn mà

có một đoạn nghỉ 60o giữa chúng.

a) b) Lu ật đ iề u khiể n λ=180 o c) Luật đ iề u khiể n λ=120 o Hình 4.10. Nghịch lưu độc lập điện áp ba pha

Đặc điểm khác hẳn của NLĐL ba pha so vớ i NLĐL một phaở chỗ điện áp ra tảiphụ thuộc cả vào luật điều khiển, cáchđấu của phụ tải và thậm chí cả tính chất tải. Do sự đa dạng này nên sauđây chỉ có thể đề cập một trườ ng hợ p thông dụng làm cơ sở cho cácphân tích tính toán khác.

Nghịch lư u độc lập ba pha tải đấu sao, luật điều khiển λ =180o

Vớ i cáchđiều khiển này cóđặc điểm hoạt động như sau:Ở từng nửa chu kỳ mỗinhánh van thẳng hàng chỉ có một van dẫn: nếu van lẻ dẫn thì pha tải đó nối vớ i cựcdươ ng của nguồn E, nếu van chẵn dẫn thì pha tải nối vớ i cực âm của nguồn E.Ở bất cứ thờ i điểm nào cũng có ba van dẫn làm cho mạch có hai pha tải đấu song song nhau (dohai van dẫn của cùng nhóm lẻ hoặc chẵn nhưng khác pha), rồi nối tiếp vớ i van thứ ba


149/156

CEA TĐH-NĐ 148

thuộc nhóm kia. Dođó hai phađấu song song nhận đượ c 1/3E và pha còn lại nhận 2/3E,vì vậy điện áp pha tải sẽ có dạng bậc thang và lệch nhau 120o điện như hình 4.11.

Điện áp các pha B và C chỉ khác về góc pha, cònđiện áp dây lớ n gấp 3 lần điện áppha và cũng dịch pha 120o điện như hệ ba pha thông thườ ng.

Vớ i tải RL dòngđiện tải biến thiên theo quy luật hàm mũ, có bađoạn khác nhau thể hiệnở hình 4.11b, c.Điểm đặc biệt của sơ đồ này làở chỗ mặc dù tải cóđiện cảm, nhưngnếu tải có hệ số công suất cosφ > 0,528 thì năng lượ ng của điện cảm chỉ traođổi giữa cácpha tải mà không trả về nguồn và lúc này dòng nguồn iE khôngđảo chiều (hình 4.11b).Chỉ khi cosφ < 0,528, dòng nguồn iE đảo chiều, nguồn mớ i nhận năng lượ ng từ điện cảmtải và cần phải có tụ điện nhận năng lượ ng này nếu nguồn một chiều là bộ chỉnh lưu.

a) Nguyên lý t ạo đ iện áp ba pha

b) N ăng lượ ng đ iện cảm t ải không tr ả về nguồn,ch ỉ chạ y quẩ n trong các pha t ải, tr ườ ng hợ p

cos φ > 0,528

Hình 4.11. Đồ thị điện áp nghịch lưu độc lập bapha tải đấu sao vàλ=180o

4.3.2.Điều chế SPWM cho nghịch lư u độc lập điện áp ba phaCó thể áp dụng phươ ng pháp SPWMđã đề cập vớ i loại nghịch lưu độc lập một pha

cho loại ba pha, tuy nhiên nguồn ba phađòi hỏi hệ điện áp ra phải đối xứng tốt trongphạm vi nhất định khi tham số tải biến đổi cả về giá trị và độ mất đối xứng pha,điều này


150/156

CEA TĐH-NĐ 149

thực hiện khôngđơ n giản do NLĐL ba pha khi hoạt động thì các phaảnh hưở ng lẫnnhau.4.3.2.1. SPWM sơ đồ bán cầu

Sơ đồ hình 4.12a sử dụng mạch bán cầu theo mạch một pha dođó cần hai nguồnbằng nhau và cóđiểm giữa. Vì nguồn một chiều tạo ra nhờ chỉnh lưu nên cũng cần hai tụ điệnở đầu vào, dođó sơ đồ này có tên gọi là NLĐL điện áp ba pha có tụ chia nguồn.

Cũng vì cóđiểm giữa nguồn mà các van của một pha (hai van thẳng hàng) hoạtđộng hoàn toàn không bị ảnh hưở ng bở i các pha khác, tức là làm việc giống vớ i sơ đồ một pha và dođó điện áp ra tải có dạng tươ ng tự mạch một pha (hình 4.12b). Cần lưu ýkhi t

thiết kế mạch điện tử công suất

Documents