Chương 6: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI doc

6.1.2.1.Nguyên lý điều khiển dọc Bộ điều khiển kiểu này có sơ đồ cấu trúc như ở hình 6.2, gồm bộ tạo xung răng cưa hoặc còn gọi là điện áp tựa RC và bộ so sánh SS, tín hiệu đồng bộ Uđb s

Chương 6 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI 6.1 KHÁI QUÁT VÀ PHÂN LOẠI

6.1.1 Chức năng và cấu trúc của hệ thống điều khiển bộ biến đổi

Chức năng của hệ thống điều khiển bộ biến đổi là biến đổi tín hiệu điều khiển thành xung điềukhiển tương ứng cho việc điều khiển mở các phần tử bán dẫn công suất

Bộ biến đổi gồm hai phần: Mạch động lực và mạch điều khiển Mạch động lực chứa các phần tửvan điều khiển như: tiristor, GTO, tranzitor công suất lớn …

Phân loại:

Thông thường các bộ biến đổi có thể chia thành hai nhóm:

- Bộ biến đổi phụ thuộc: chỉnh lưu, bộ biến đổi xung áp xoay chiều

- Bộ biến đổi độc lập: nghịch lưu độc lập, bộ biến đổi xung áp một chiều

Do đó người ta cũng chia hệ điều khiển ra làm hai loại:

- Hệ điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc (dùng cho chỉnh lưu và bộ biến đổi xung áp xoay chiều)

- Hệ điều khiển bộ biến đổi độc lập (dùng cho nghịch lưu độc lập và bộ biến đổi xung áp một chiều)

Hệ điều khiển cũng có thể được phân loại theo tín hiệu như:

- Hệ điều khiển tương tự

- Hệ điều khiển số

Chúng ta sẽ lần lượt khảo cứu các hệ điều khiển nêu trên

Cấu trúc chung của bộ biến đổi phụ thuộc được trình bày trên hình 6.1

Tín hiệu điều khiển là tín hiệu áp Uđk hoặc mã số Uđk được đưa vào bộ điều chế ĐC Bộ ĐC tạo racác tín hiệu điều khiển ở các thời điểm nhất định cho từng van cụ thể (thực hiện chức năng đồng bộ) Chức năng của bộ điều chế được mô tả bằng phương trình:

Khâu phản hồi điện áp hoặc dòng điện ở đầu ra sẽ được đưa vào đầu vào dưới dạng phản hồi âm

để tạo ra nguồn dòng hay nguồn áp theo yêu cầu đặt ra

Khâu quan trọng nhất là khâu điều chế (còn gọi là bộ dịch pha)

Hình 6.2 Bộ điều chế

6.1.2 Phương pháp xây dựng bộ điều chế

Bộ điều chế là bộ biến đổi tín hiệu điều khiển Uđk thành góc điều khiển  được tính từ thời điểmchuyển mạch tự nhiên của van động lực Để xác định được góc  cần phải biến thông tin về pha của điện

áp đặt lên van động lực

6.1.2.1.Nguyên lý điều khiển dọc

Bộ điều khiển kiểu này có sơ đồ cấu trúc như ở hình 6.2, gồm bộ tạo xung răng cưa hoặc còn gọi

là điện áp tựa (RC) và bộ so sánh (SS), tín hiệu đồng bộ (Uđb) sẽ đồng bộ quá trình làm việc của máy phátxung răng cưa Xung răng cưa (URC) sẽ được so sánh với tín hiệu điều khiển Uđk trong bộ so sánh SS

Tại thời điểm URC=Uđk, bộ so sánh sẽ tạo ra một xung mà vị trí của nó trên trục thời gian sẽ phụthuộc vào giá trị của tín hiệu điều khiển (hình 6.3a)

Đặc tính pha của bộ điều chế phụ thuộc vào dạng điện áp tựa (điện áp răng cưa) Nếu điện áp tựa

có dạng hàm số cosin (đường 3 hình 6.3b):

URC(t)=Umcost

Chọn t = 0 là thời điểm chuyển mạch tự nhiên, thì khi: t = 

Ta có: Umcos = Uđk

Điện áp ra của chỉnh lưu được tính theo công thức:

Đặt biểu thức (6.1) vào (6.2) ta được:

Như vậy đặc tính điều chỉnh Ud=f(Uđk) của bộ chỉnh lưu là

hàm tuyến tính (đường 1 hình 6.3b)

Đường 2 hình 6.3b là hàm sin

Hình 6.3 Đặc tính điều chỉnh của chỉnh lưu

6.1.2.2.Nguyên lý điều khiển dịch pha

Một dạng điều khiển theo nguyên tắc khác là người ta

dùng bộ quay pha để thay đổi pha của điện áp hình sin được tạo

ra bởi máy phát tín hiệu sin (MF sin) Khi thay đổi Uđk, góc pha

của tín hiệu xoay chiều sẽ bị thay đổi và chậm pha so với tín

hiệu ban đầu một góc là  và tại thời điểm khi điện áp xoay

chiều đi qua điểm xung, sẽ tạo ra xung điều khiển tu Do bộ

quay pha rất nhạy cảm với dạng điện áp và tần số nên phương

pháp này ít được sử dụng



Phương trình (6.4) là cơ sở để tính phân áp R1 và R2.

b) Dùng một nguồn không đối xứng cho khuếch đại thuật toán hình 6.5 Tín hiệu xoay chiều U(1) sau khi

đi qua khâu so sánh bằng KĐT sẽ cho xung vuông góc U2, sau đó U2 được đưa vào khâu cộng modul 2 (=1) và mạch trễ R2C2 để tạo một xung đồng bộ ứng với điểm U(1) đi qua điểm 0

Độ rộng T x = RCln2 là cơ sở để chọn R2, L2

6.2.2 Mạch tạo điện áp tựa (điện áp răng cưa)

6.2.2.1.Mạch tạo điện áp răng cưa dùng khuếch đại thuật toán

a Mạch chỉ dùng khuyếch đại thuật toán

d) Răng cưa là xung tam giác

Khi điện áp đầu vào (U1) mang dấu dương (E), điện áp trên tụ (U2) sẽ được nạp :

Nếu điện áp đầu vào mang dấu âm (-E), điện áp ra sẽ được tính theo công thức:

6.10Bằng cách thay đổi thời gian phóng (T1) và thời gian nạp (T2) và các giá trị R1, R2 một cách tươngứng, ta có thể thay đổi được dạng điện áp răng cưa

b Mạch dùng khuếch đại thuật toán và tranzito

Khoá K được điều khiển bởi tín hiệu đồng bộ Khi xung đồng bộ kết thúc, khoá K mở ra, tụ C sẽđược nạp điện bởi dòng:

Tại thời điểm t1, khoá K đóng lại và UC =0 Nên thay khoá K bằng bóng trường công nghệ MOS(hình 6.7c) Vì điện trở vào của bóng trường lớn tín hiệu đồng bộ là tín hiệu áp và nguồn đồng bộ sẽkhông bị ngắn mạch qua các mạch phụ khác Trong trường hợp dùng bóng kênh cảm ứng n thì Uđồng bộ 

U0, bóng sẽ mở (U0 là điện áp ngưỡng mở của bóng trường) Hoặc có thể dùng khoá điện tử mắc songsong với tụ C (hình 6.7d) Có thể dùng vi mạch 4066 thay cho khoá điện tử

Dựa vào công thức (6.11) với E và t cho trước  t  1800  , ta lựa chọn C và R

- Thời gian chuyển từ A đến B = 0, thực tế vô cùng nhỏ (đặc tính trên hình 6.8).

6.2.4 Các bộ tạo xung đầu ra

Các bộ tạo xung có nhiệm vụ tạo ra xung có biên độ, độ rộng và công suất đủ để mở van công suấtCác bộ tạo xung thường có các dạng sau:

- Bộ tạo xung đơn là các bộ khuếch đại xung có nhiệm vụ tạo ra các xung đơn, có độrộng ( Tx ) ổn định:

- Bộ tạo xung có độ rộng tuỳ ý và được trộn với xung có tần số cao

- Bộ tạo xung ra các số lượng xung khác nhau tuỳ theo chế độ hoặc sơ đồ

Ngoài chức năng khuếch đại, bộ tạo xung cũng còn đảm nhiệm vai trò cách điện giữa mạch điềukhiển và mạch động lực Để thực hiện nhiệm vụ này người ta dùng biến áp xung hoặc cách ly quang học

6.2.4.1 Biến áp xung

Biến áp xung dùng để cách ly mạch động lực

với mạch điều khiển và phối hợp trở kháng giữa

cực điều khiển của tiristo với mạch khuếch đại đầu

ra và thay đổi cực tính của xung Yêu cầu lớn nhất

đối với biến áp xung là truyền xung từ mạch điều

khiển lên cực điều khiển của tiristo với độ méo ít

nhất

Giả sử người ta đặt điện áp U1(t) lên sơ cấp

máy biến áp (hình 6.9) theo định luật cảm ứng từ

Ở đây ta bỏ qua điện trở của các cuộn dây

Khi có xung, lõi thép sẽ bị từ hoá và cảm ứng từ sẽ thay đổi từ điểm B0 đến điểm Bm luôn ứng vớithời điểm mà xung kết thúc (OA là đường từ hoá trung bình)

Sau khi xung kết thúc, cảm ứng từ lại giảm từ Bm về B0 (đường đậm trên hình 6.10) Do đó trongcông thức (6.15), giới hạn trên của tích phân là Bm và giới hạn dưới là B0

Lấy tích phân hai về:

Nếu sử dụng những biện pháp đặc biệt để đưa điểm làm việc của lõi về điểm C trong thời gian

không có xung thì:

Thông thường người ta chế tạo thêm một cuộn dây phụ và đặt vào nó một sức từ động chuyểndịch Hcd có giá trị âm để đưa điểm làm việc ban đầu về điểm C (khi không có xung đặt vào sơ cấp) Biệnpháp này rất hữu hiệu đối với lõi thép có mạch từ trễ gần hình vuông, tức là B0 có giá trị gần tiệm cần với

Bm

Trong thực tế xung đi qua biến áp xung bịméo mó và có dao động do tụ ký sinh trong biến

áp xung gây ra Để giảm dao động và độ sụt đỉnh

xung, cần tăng giá trị điện cảm của biến áp xung

Bài tập: Tính toán máy biến áp xung:

Cho biết: Điện áp sơ cấp U1; Điện áp thứ cấp U2; Điện trở tải Rt; Độ rộng xung Tx

Tần số của xung: f Độ sụt đỉnh xung: x (%)

Yêu cầu: Tính biến áp xung

Bước 1: Chọn vật liệu máy biến áp xung

Theo đặc tính từ hoá xác định:

B và H lấy theo đường từ hoá

trung bình

Bước 2: Tính thể tích lõi thép

Bước 3: Tính tham số sơ cấp của biến áp xung

-Tính số vòng dây sơ cấp W1 của biến ápxung

-Tính điện cảm L theo công thức trên-Tính dòng sơ cấp của biến áp xung

-Nếu I  nhỏ so với I2/n thì có thể coi:

-Tính dòng thứ cấp:

-Tính W1 theo công thức (6.16)

-Tính thể tích lõi thép V

-Dựa vào thể tích, chọn kích thước của lõi

-Tính số vòng dây W2 của biến áp xung-Tuỳ mật độ dòng (thường chọn34A/mm2), tính đường kính dây W1 và

W2

Chú ý:

-Nếu mạch từ trễ là lõi thép kỹ thuật thì: B0 = 0,5 Bm 0,7.Bm

-Nếu mạch từ trễ là lõi ferit có đặc tính gần với hình chữ nhật thì nên áp dụng phương pháp khử từ

và chọn B = 2.Bm

6.2.4.2 Cách ly quang học

Việc sử dụng biến áp xung để cách ly không những làm giảm chất lượng xung điều khiển, khóchuẩn hoá mà còn làm tăng kích thước mạch điều khiển Để khắc phục, ngày nay người ta hay dùng cácphần tử quang điện (cách ly quang) Việc sử dụng các phần tử quang điện rõ ràng nâng cao chất lượngcủa tín hiệu không những về dạng mà còn về độ tác động nhanh

Cấu trúc của một phần tử cách ly quang gồm có: Một phần tử bán dẫn phát ánh sáng và một phần tửthu ánh sáng Phần tử phát ánh sáng thường là các diode quang, còn phần tử thu tín hiệu ánh sáng có thể

là photodiode, phototransistor hoặc phototiristor Mạch đấu phần tử quang điện được thể hiện trên hình6.12 và 6.13

6.12 Mạch ghép các phần tử cách ly quang

6.2.4.3 Mạch khuếch đại xung đơn công suất lớn

Để tạo ra xung công suất lớn đủ mở cho các tiristo công suất lớn, người ta dùng tiristo làm khuếchđại (hình 6.14)

Mạch hoạt động như sau:

Giả sử trước đó tụ C được nạp điện với dấu như trên hình 6.14, khi đưa xung (UV) vào mở tiristo, tiristo

sẽ mở và tạo ra một xung trên cuộn W1 và W2 của biến áp xung có biên độ xung bằng E và dòng bằng E/

RW1, RW1 là điện trở phụ tải quy đổi về sơ cấp máy biến áp xung Đồng thời sẽ xuất hiện dòng IC phóngqua tiristo Dòng này có dạng hình sin và biên độ bằng E/P, ( là điện trở sóng của mạch dao động LC).Tại thời điểm t2 dòng IC đổi dấu và làm tiristo bị khoá lại Diode D dùng để giảm quá áp trên tiristo khitiristo khoá lại

Các công thức tính toán như sau:

T là độ rộng xung

6.2.4.4 Bộ khuếch đại xung có độ rộng tuỳ ý

Để nâng cao hệ số khuếch đại cũng như công suấtcủa xung ra, người ta thường nối kép hai bóng theo kiểu sơ

đồ Darlington (hình 6.27) Lúc này:

1 - Hệ số khuếch đại của bóng T1;

2 - Hệ số khuếch đại của bóng T2;

 - Hiệu suất thường lấy xấp xỉ 0,7

Người ta thường chọn bóng T2 có công suất lớn thoảmãn với công suất của xung ra, còn bóng T1 làm nhiệm vụkhuếch đại dòng Số lượng cuộn thứ cấp biến áp xung cóthể chọn tùy ý phụ thuộc vào số lượng tiristor cần điềukhiển

Điện trở RB được chọn để thoả mãn điều kiện bóng T1 và T2 ở trạng thái bão hoà khi bóng mở:

Mạch khuếch đại trên hình 6.15 có nhược điểm là khi truyền một xung có độ rộng quá lớn(tx>1ms) thì kích thước biến áp xung lớn và dạng xung sẽ bị xấu đi Để khắc phụ người ta thường dùng bộtrộn cao tần như sơ đồ trên hình 6.16

Điện áp UV là xung có độ dài bằng tx được trộn với xung có chu kỳ T1 nhỏ hơn rất nhiều so với txthông qua mạch logic và AND

Bộ phát xung cao tần thường là dao động đa hài xung vuông góc có tần số f  5 10kHz Biến

áp xung được tính với độ rộng xung T1

6.2.5 Sơ đồ điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc dùng khuếch đại thuật toán (Hình 6.17)

Nguyên lý hoạt động của mạch như sau:

Tín hiệu xoay chiều sau khi được chỉnh lưu bởi D3, D4 sẽ được so sánh với điện áp U0 để tạo ra tínhiệu đồng bộ (hình 6.19 a, b) trùng với thời điểm điện áp lưới đi qua điểm O Tín hiệu đồng bộ này sẽ mởkhoá điện tử bằng bóng trường T1 để giảm điện áp trên tụ C về 0 Khi khoá T1 hở mạch, tụ C được nạpđiện theo công thức UC=E.t/R7 và ở đầu ra của khuếch đại thuật toán OA2 sẽ có tín hiệu răng cưa (hình6.19c) Sau đó tín hiệu răng cưa sẽ được so sánh với tín hiệu điều khiển nhờ bộ so sánh bằng khuếch đạithuật toán (OA3) (hình 6.19d)

Bộ OA4 là một đa hài dao động tạo xung có tần số cao U(5) với mục đích giảm kích thước của máybiến áp xung Tín hiệu cao tần trộn lẫn với tín hiệu điều khiển U4 cùng với các tín hiệu phân phối U(6), U(7)

để tạo ra các tín hiệu cho từng tiristo riêng biệt với U(8), U(9) Những tín hiệu này được khuếch đại vàthông qua biến áp xung đưa trực tiếp lên cực điều khiển của tiristo

Trong trường hợp sơ đồ ba pha, cần thiết kế ba kênh tương tự cho các pha A, B, C.

Mạch điều khiển cầu ba pha có những đặc điểm riêng biệt so với sơ đồ khác ở chỗ là trong sơ đồnày luôn có hai van dẫn điện: Một van ở nhóm catôt chung và một van ở nhóm anôt chung Theo lýthuyết chỉ cần 6 xung đơn để mở cho 6 tiristo tương ứng Ug1 ở thời điểm t1 đối với tiristo T1 , Ug2 ở thờiđiểm t2 ứng với T2… (hình 6.18) Do đặc tính của phụ tải cũng như đặc điểm chuyển mạch có thể làm chovan đang dẫn trước đó bị khoá lại, ví dụ trong khoảng t1  t2 , T1 làm việc với T6 Tại thời điểm t2 khi mở

T2 và khoá T6 lại có thể làm cho T1 bị khoá theo Để khắc phụ hiện tượng trên có hai cách giải quyết

Cách 1: Tạo xung kép lệch nhau 600 (hình 6.20a) đặt lên cực điều khiển của các tiristo bằngcách trộn các xung của hai kênh liền nhau như sau:

T1  K1  K2 , T2  K2  K3 , T3  K3  K4 ,

T4  K4  K5 , T5  K5  K6 , T6  K6  K1

K1, K2, K3, K4, K5, K6 là các kênh tạo xung cho từng tiristo tương ứng Việc cộng các xung đượcthực hiện bằng mạch logic “hoặc” (mạch OR) Trình tự tạo xung được mô tả trên hình 6.21, sau khi đượctrộn, các tín hiệu sẽ được khuếch đại và đưa lên cực điều khiển của các tiristo.

Cách 2: Tạo ra các tín hiệu điều khiển >600 (hình 6.20b) tức là tx>3,3 ms, cụ thể tx=3,4 ms là thoảmãn để đảm bảo mở tiristo chắc chắn Trong trường hợp này không cần bộ trộn lôgic mà chỉ cầnthiết kế bộ khuếch đại đầu ra sao cho độ rộng của xung tx=3,4 ms

Vì góc thay đổi từ 0 – π (tương ứng với một nửa chu kỳ) khi thay đổi tín hiệu điều khiển, dovậy bước lượng tử của góc điều khiển () sẽ là:

f - Tần số lưới điện

t S – Được tạo ra bởi máy phát xung và tần số của nó là:

Tuy nhiên sai số của hệ thống điều khiển không chỉ phụ thuộc vào mức độ lượng tử của tín hiệuđiều khiển, mà còn phụ thuộc vào sự đồng bộ với lưới điện, đặc biệt là việc xác định thời điểm chuyểnmạch tự nhiên

Có hai phương pháp xây dựng hệ điều khiển số:

6.3.1 Phương pháp dịch pha (Hình 6.22)

Tín hiệu điều khiển dưới dạng cơ số hai sẽ

được nạp vào bộ đếm ở những thời điểm nhất định

nhờ xung đồng bộ (ĐB) với lưới điện (thông

thường là thời điểm chuyển mạch tự nhiên)

Đồ thị trên hình 6.23 mô tả quá trình làm

việc của hệ điều khiển được xây dựng cho bộ đếm

K byte Giá trị Kđkh = 1000 sẽ được ghi vào bộ đếm

ở thời điểm chuyển mạch tự nhiên

Sau đó tín hiệu từ máy phát xung sẽ là tín hiệu clock cho bộ đếm xuống Nội dung của bộ đếm

sẽ giảm dần về không Khi nội dung của bộ đếm bằng không, đầu ra của nó sẽ cho tín hiệu điều khiểnứng với góc điều khiển:

Xét bộ điều khiển xung số theo nguyên tắc dịch pha hình 6.24a

Hình 6.24a Bộ điều khiển xung số

Tín hiệu xoay chiều sau khi đi qua các khâu

khuếch đại thuật toán và mạch lôgic sẽ tạo ra tín

hiệu đồng bộ (điểm 4) trùng với thời điểm chuyển

mạch tự nhiên (điện áp lưới bằng không) Tín hiệu

này sẽ đưa bộ đếm (vi mạch 4020) về trạng thái 0

Tín hiệu điều khiển sau khi đi qua bộ biến

đổi điện áp tần số (vi mạch 4046), sẽ tạo ra các

xung có tần số (hoặc độ rộng) phụ thuộc vào tín

hiệu điều khiển (điểm 5) Xung từ bộ biến đổi điện

áp tần số đi vào bộ đếm (4020) và khi bộ đếm đạt

giá trị 256 thì đầu ra (điểm 6) sẽ cho tín hiệu bằng

1 Thời điểm này tương ứng với góc  (điểm 7)

Như vậy khi thay đổi tín hiệu điều khiển sẽ thay đổi

chu kỳ phát xung (Tx), do đó thay đổi được góc 

Thông qua mạch logic và các trigơ R-S, tín hiệu

này được chia thành hai kênh (điểm 8 và 9 hoặc Q1

Q4) để điều khiển hai tiristo trong một pha

Khi thay đổi mã điều khiển (Kđkh) góc điều

khiển không thể thay đổi tức thời, vì mã điều khiển

chỉ được đưa vào bộ đếm ở thời điểm chuyển mạch

tự nhiên Để khắc phục hiện tượng này người ta

dùng phương pháp điều khiển dọc

6.3.2 Phương pháp điều khiển dọc

Bộ dịch pha (điều chế) theo phương pháp điều khiển dọc đảm bảo đáp ứng tức thời của hệ thốngđối với tín hiệu điều khiển Sơ đồ cấu trúc gồm bộ đếm, khâu phát xung và khâu so sánh số (hình 6.25)

Máy phát xung sẽ tạo ra xung nhịp để đưa vào bộ đếm có hệ số Kđếm max=2N Trạng thái của bộ đếmđược thay đổi từ giá trị cực đại đến giá trị cực tiểu (2N giá trị) trong khoảng thời gian bằng nửa chu kỳ củađiện áp lưới, do đó máy phát xung (FX) sẽ có tần số là:

Bộ đếm chính là bộ tạo ra răng cưa số tuyến tính và răng cưa số này được đồng bộ với lưới nhờkhâu đồng bộ (ĐB) Thời điểm ban đầu của răng cưa số (bộ nhận giá trị cực đại) tương ứng với thời điểmchuyển mạch riêng của bộ biến đổi Tín hiệu răng cưa số sẽ được so sánh với mã điều khiển (Kđkh=1000)

và khi hai tín hiệu này bằng nhau bộ so sánh sẽ tạo ra tín hiệu lôgic tương ứng với góc điều khiển 

Phương trình mô tả bộ so sánh có dạng như sau: