Quá trình khảo sát mạch điều khiển điện áp bằng cách thay đổi độ rộng xung p2 potx

Bộ băm xung một chiều có thể coi như là bộ biến đổi DC/DC mà điện áp biến đổi được đảm nhận bằng các linh kiện bán dẫn công suất.. Băm xung một chiều được sử dụng nhiều trong các thiết b

0 Mc M

Theo sơ đồ trên, ta có : Rư < R1 < R2 n0 > n1 > n2 > n3 Khi điện trở phụ R càng lớn thì độ cứng của đường đặc tính cơ càng giảm và ngược lại Phương pháp này chỉ cho tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản vì chỉ thêm điện trở vào chứ không giảm nhỏ hơn Rư được Đồng thời, phương pháp này cho tốc độ điều chỉnh nhảy cấp, mức độ nhảy cấp phụ thuộc vào số cấp khởi động 3 Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thay đổi từ thông  n

n1

n0

0 MC M

Với phương pháp này, ta chỉ có thể giảm từ thông do trong thiết kế Ikt gần định mức,  gần ở bảo hoà Nếu tăng Ikt ,  cũng không tăng bao nhiêu Nhưng khi giảm Ikt ,  giảm rất nhiều Khi giảm từ thông thấp hơn giá trị định mức, tốc độ động cơ tăng lớn hơn tốc độ cơ bản đm > 1 > 2 ncb < n1 < n2 Khi giảm từ thông, tốc độ tăng lên rất cao và tốc độ này có thể làm hỏng động cơ, nên thông thường người ta chỉ cho phép ncb = 3nđm 4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách rẽ mạch phần ứng n

ncb

n1 TN Rẽ mạch phần ứng

Rf = Rnt

0 Mc M

MN Hình II.5

Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm từ thông

Hình II.4

Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp thêm điện trở phụ

_

RKT CKT T

M

1

RKT

M

CKT

Rss Rnt

1

Hình II.6

Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp rẽ mạch phần ứng

Phương trình đặc tính cơ của phương pháp này :

M KeKm

kRnt Ru Ke

Udm k











Với :

Rnt Rss

Rss k



 Với phương pháp này, ta có thể điều chỉnh được tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản, tổn thất năng lượng thấp và điều chỉnh tốc độ nhảy cấp

CHƯƠNG III KHẢO SÁT MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP

BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐỘ RỘNG XUNG

I Bộ băm điện áp một chiều

Bộ băm xung một chiều có thể coi như là bộ biến đổi DC/DC mà điện áp biến đổi được đảm nhận bằng các linh kiện bán dẫn công suất Nhiệm vụ chính của nó là thay đổi điện áp

ra theo yêu cầu điều chỉnh hoặc ổn định điện áp ra tải Băm xung một chiều được sử dụng nhiều trong các thiết bị như động cơ điện một chiều, các bộ phận nung đốt bằng diện trở, các

cơ cấu điện từ, mạch ổn áp dải rộng Van thích hợp với băm xung một chiều là các loại mà điều khiển được cả quá trình mở và khoá van, do đó thường dùng Transistor (lưởng cực, MOSFET, IGBT) Khi cần công suất ra tải lớn (dòng điện và điện áp cao) ta phải dùng đến Tiristor Vì Tiristor là một linh kiện bán dẫn công suất có thể chịu được dòng điện qua nó rất lớn và cho phép điện áp ngược đặt lên nó khá cao

Để mạch băm xung hoạt động thì các phần tử đóng vai trò là van đóng mở phải được điều khiển bằng các xung kích trong thời gian thích hợp Trong hầu hết các linh kiện đóng mở bán dẫn công suất, việc đóng cắt được thực hiện bằng cách đưa tín hiệu thích hợp vào chân điều khiển Đối với thyristor thì điều này không thể thực hiện được vì cực cổng chỉ có tác dụng trong việc kích mở thyristor mà thôi Để tắt thyristor khi đã dẫn trong nguồn DC, ta phải thêm vào các phần tử chuyển mạch để có được các diều kiện tắt là đặt điện áp ngược trên hai đầu thyristor hoặc làm cho dòng chạy qua nó bị triệt tiêu

Bộ băm xung một chiều có thể chia thành ba loại cơ bản :

– Bộ băm có van mắc song song tải còn điện cảm mắc nối tiếp với tải (kiểu song song)

– Bộ băm đảo dòng

Hai loại băm này có ưu điểm là cho điện áp ra trên tải lớn hơn điện áp nguồn nhưng nó không thích hợp với tải có công suất lớn nên ít được sử dụng

– Bộ băm có van và điện cảm mắc nối tiếp với tải (kiểu nối tiếp)

Bộ băm này chỉ cho điện áp ra nhỏ hơn điện áp nguồn nhưng có ưu điểm sử dụng được cho tải có công suất cao, do đó nó thông dụng hơn

Trong phạm vi cuốn đồ án này, người thực hiện chỉ đề cập đến bộ băm có van mắc nối tiếp với tải Hoạt động của nó dựa trên nguyên tắc đóng – ngắt tải với nguồn theo chu kỳ : trong một chu kỳ T (hình aa), khoảng thời gian to cho van dẫn nên điện áp nguồn E đưa thẳng

ra tải, trong khoảng thời gian còn lại (T-to) van hở, làm điện áp trên tải bằng không Do đó điện áp trung bình một chiều ra tải là:

R

E E D

I t  .  d Trong đó D = to/T là tỷ số chu kỳ của

bộ băm

T

to Hình III.1

Theo biểu thức trên ta thấy để điều chỉnh được điện áp ra tải có thể thay đổi độc lập to,

T hoặc đồøng thời cả hai tham số này, thông dụng nhất là phương pháp thay đổi to trong khi giữ chu kỳ Tcố định Như vậy từ điện áp nguồn không đổi và liên tục, bằng cách “băm” nó ra thành các xung, ta có thể điều chỉnh được điện áp ra

Để thiết kế hay khảo sát một bộ băm xung, người ta thường quan tâm đến các chế độ

dòng điện Theo nguyên lý hoạt động, trong khoảng thời gian van khóa, nguồn bị ngắt khỏi tải, tuy nhiên do tải có tính điện cảm nên dòng điện tải vẫn tiếp tục chảy quẩn qua điôt D2 nhờ năng lượng tích lũy ở điện cảm này Căn cứ vào các tham số R, L, Ed (sức điện động bên trong tải) và khoảng thời gian ngắt nguồn (T-to) mà dòng điện tải có thể tồn tại đến khi van dẫn trở lại (gọi là chế độ dòng điện liên tục ) hoặc sẽ tắt trước đó (chế độ dòng điện gián đoạn)

Để biết được mạch hiện có đang làm việc ở chế độ dòng điện nào cần dựa theo một trong các điều kiện giới hạn giữa hai chế độ này như sau :

a Theo thời gian van dẫn t gh :

















L T d

E

E R

L t

Nếu thời gian van dẫn thực tế to< tgh, thì dòng điện gián đoạn, ngược lại to> tgh, dòng điện sẽ liên tục

b Theo trị số trung bình dòng điện tải giới hạn I gh :

0

1 1

1

1 1

,

);

1

1 (

t L

R T

L R gh

e b e a

a

b a D R

E I













Nếu dòng thực của tải It < Igh, dòng điện là gián đoạn còn It > Igh, dòng điện là liên tục

c Theo trị số của sức điện động E d :

1

1 1 1

1

a

b a E

E dgh







Nếu Ed > Edgh thì dòng điện gián đoạn

Nếu Ed < Edgh thì dòng điện liên tục

Các biểu thức tính toán ở chế độ dòng điện liên tục :

Điện áp trung bình ra tải :

Ut = D.E

Dòng điện trung bình qua tải :

E E D

t



Các dạng sóng thể hiện như sau :

ut

E

0 to T (T+to) 2T t

it

Imax

Imin

0 t

iT

Imin

0 t

Qui luật biến thiên dòng điện tải it :

Giai đoạn từ 0 đến t0 :

t L

R

a

b a R

E R

E E t

1

1 1 1

1

1 )

(











 Giai đoạn từ t0 đến T:

1

1 2

1

1 )

a

b R

E E

R t













Giá trị cực đại dòng tải Imax:

) ( 1

1 ) 0 (

1

1 1 2

max

R

E a

b R

E t

i













Giá trị cực tiểu dòng điện tải I min :

R

E a

a b a R

E t

i











1

1 1 1 1

min

1

)

0 (

Độ đập mạch dòng điện tải I:

1

1 1 1 1 1

) 1 )(

1 (

a

b a b

R

E I













Trị số trung bình của dòng điện qua điôt:

) 1 ( )

1 (

) 1 )(

1

1

1 1 1 1

T

t R

E a

TR

b a b

L R

E











Trị số ûtrung bình dòng điện qua van :

TR

E t a

b a b

T R

L T

t R

E

V

1

) 1 )(

1 (

0 1

1 1 1 1























Các biểu thức tính toán ở chế độ dòng điện gián đoạn :

Đồ thị làm việc của chế độ này như hình vẽ sau đây:

u t

E E d E

0 t o T t

i t i n

Imax

0 t

iT to

0 t

Điện áp trung bình ra tải :

) 1 ( 0

T

t E E T

t

d

Trong đó tn là khoảng thời gian dòng điện tải còn tiếp tục chảy kể từ khi ngắt nguồn E khỏi tải và được xác định theo biểu thức sau:



















 ln 1 (1 b11)

E

E E R

L t

d

d n

Dòng điện trung bình qua tải :

R

E U

t



 Quy luật biến thiên dòng điện tải it :

Giai đoạn từ 0 đến t0 :

) 1

( )

1

t L

R

R

E E t

Giai đoạn từ to đến T (hay đến tn) :

t L

R d

t L

R

R

E E e

R

E t

i2( ) (1  .)  (1 11)  .

Giá trị cực đại dòng tải Imax :

) 1 ( 11 max







R

E E

giá trị dòng điện cực tiểu Imin tất nhiên bằng không

2 Giới thiệu bộ băm xung một chiều tắt cưỡng bức bằng điện áp

Hình III.6

a Vai trò của các linh kiện trong mạch (hình III.6) :

S1 là SCR chính có nhiệm vụ nối hoặc ngắt nguồn với tải

XK1 : mạch kích cho SCR1

S2 là SCR phụ, tham gia vào việc ngắt (khoá) S1

XK2 : mạch kích cho SCR2

LC làm nhiệm vụ dao động, D1 ngăn dòng điện ngược, D2 bảo vệ cho mạch khi S1 ngắt

b Nguyên lý hoạt động của mạch :

Giả sử các SCR (S1, S2) đều lý tưởng và các linh kiện trong mạch không có tổn hao Khi nguồn một chiều E đã được cấp, trạng thái ban đầu : S1 và S2 đều bị khoá (tức chưa có xung kích ở cực cổng) thì không có bất kỳ một dòng điện nào chạy qua tải Để mạch hoạt động một cách hợp lý thì đầu tiên cho tụ C nạp bàng cách cho xung điều khiển vào cực cổng của S2, lúc này mạch điện hình III.6 tương đương như hình III.a : tụ điện C sẽ được nạp theo đường E_ Rt _ C _ S2 _E và dòng ic giảm dần theo hàm mũ từ giá trị đầu E/Rt

Sau một khoảng thời gian, tụ C được nạp tới điện áp E của nguồn, nhưng thực tế khi dòng điện tải giảm dưới mức duy trì của S2 thì dòng điện ngưng

Khi có xung điều khiển vào cực cổng của S1, làm S1 đóng mạch như hình III.b, lúc này tụ C phóng điện qua S1 - L –D1 – C và được nạp ngược lại Điện áp trên tụ tăng dần theo chiều ngược lại và cuối cùng, diện áp trên nó sẽ là uc = -E do có sự xuất hiện dao động LC Dao động LC trong mạch sẽ nạp vào tụ C và nó chỉ kéo dài trong một nửa chu kỳ (vì D1 ngăn

dòng điện ngược)

Lúc này nếu cho xung để mở S2, thì S1 sẽ chịu điện áp ngược uc = -E làm S1 ngưng dẫn

(trạng thái chuyển từ hình III.b hình III.a)

Gọi chu kỳ băm là T: T = T1+T2

Thời gian đóng mạch của S1 là T1 : T1 = T

Thời gian ngắt mạch của S1 là T2 =T –T1 và tỷ số chu kỳ là D = T1/T

Gía trị trung bình của điện áp tải :

DU Udt T U

DT

0 1

Bằng cách làm biến đổi tỷ số chu kỳ D (trong khi giữ cho tần số không đổi T=const) ta

có thể điều chỉnh được giá trị trung bình của điện áp một chiều đặt trên tải

 Trường hợp tải là R+L :

2

2

1

c Li

W 

Tải trở kháng tích luỹ một năng lượng điện từ : Khi dòng ic tăng trưởng, D2 có thể hoàn trả năng lượng D2 đấu song song ngược với mạch tải để tạo đường phóng điện cho khối năng lượng điện từ nói trên, khi dòng ic giảm

Lúc đầu dòng tải ic = 0, dòng ic được xác lập dần dần Qua một vài chu kỳ dòng ic sẽ

biến động giữa hai giá trị I1 và I2

E i

I2

E I1

0 T1 T2

pha quá độ t 0 T t

Ký hiệu bộ băm điện áp là: Đ

E Ri

dt

di





Khi Đ đóng ta có phương trình :

0



c

Ri dt

di L

Còn khi Đ mở ta có :

Hình IIIC

a Chức năng của các phần tử trong mạch :

Hình trên thể hiện mạch băm xung dùng SCR có phần tắt cưỡng bức Ngõ vào là điện áp DC kí hiệu là E, điện trở tải là Rt Phần tử đóng mở chính của mạch là S1 và việc kích mở nó được thực hiện bởi xung kích XK1 Để khoá cho S1, ta dùng mạch khoá cưỡng bức

bằng gồm năm phần tử mắc vào hai đầu anode và cathode của S1 Trong đó hai diode D1, D2 và R đóng vai trò hổ trợ trong việc chuyển mạch, hai phần tử chuyển mạch là L và C tạo thành mạch dao động và S2 là SCR phụ mà việc kích mở nó được thực hiện bằng xung kích XK2 Diode D3 làm nhiệm vụ bảo vệ cho tải khi S1 ngắt

b Nguyên lý hoạt động của mạch :

Trước hết ta giả sử rằng các SCR S1, S2 và các diode D1, D2 không dẫn điện, có nghĩa là không có dòng điện qua tải Trong khoảng thời gian này, tụ điện C được nạp đến giá trị điện áp Vco thông qua điện trở R (hình III11)

Sau khi tụ C được nạp đầy, ta có thể đưa xung kích vào S1 để nối tải với nguồn và sơ đồ mạch điện có thể vẽ lại như hình III.12 Lúc này điện áp trên tụ vẫn giữ nguyên giá trị đã được nạp và điện áp trên tải là E

Nếu muốn khoá SCR S1, ta đưa xung kích vào S2 Lúc này tụ điện C sẽ phóng điện qua S2, L và về lại C và mạch điện có thể vẽ lại như hình III.13 Dòng ic xã qua cuộn cảm L tạo nên sự dao động Nữa chu kỳ đầu, dòng dao động này chạy qua S2 và nạp ngược lại cho tụ C Đến nữa chu kỳ sau, khi tụ đã nạp đầy theo chiều ngược lại như hình III.14, S2 ngắt và dòng bắt đầu chạy ngược lại qua S1 Khi dòng qua S1 bị triệt tiêu, thì S1 ngắt và dòng tiếp tục chạy qua diode D2 mắc song song ngược chiều với S1 để duy trì thời gian tắt cho S1 và mạch được vẽ lại như hình III15 Sau khi S1 và S2 đều ngắt thì dòng dao động sẽ chạy qua diode D1 xuống mass như ở hình III16 và tụ điện bắt đầu nạp ngược lại như giá trị ban đầu, bắt đầu cho chu kỳ tiếp theo

Ic

II Bộ tạo xung kích cho SCR :

Như ta đã biết, SCR khi đã dẫn thì không thể tắt được bằng xung kích mà cần phải có một bộ phận làm cho nó tắt Bộ phận này phải thoả mãn một trong các yêu cầu tắt của SCR Như đã khảo sát ở phần trên, bộ băm xung một chiều dùng hai linh kiện SCR, một con chính để nối tải với nguồn và một con phụ để làm tắt nó Do vậy, mạch tạo xung kích cho SCR phải tạo được hai xung kích và các xung kích này đủ lớn để đảm bảo kích mở được SCR Đồng thời, thời gian xuất hiện giữa hai xung kích này có thể điều chỉnh được và dạng sóng trên tải phụ thuộc vào hai xung kích này

Bộ phận tạo sóng tam giác nhằm mục đích làm tín hiệu so sánh cho bộ tạo xung vuông có

Khối nguồn

Bộ phận xuất xung điều khiển

Bộ phận tạo sóng tam giác Bộ vuông có điều tạo xung

chỉnh

Mạch đơn ổn đặt trước độ rộng xung

Bộ dao động tần

số cao

Bộ phận trộn tín hiệu

Bộ phận đảo xung

Mạch đơn ổn đặt trước độ rộng xung

Hình III.17