THIẾT KẾ BỘ BĂM XUNG ÁP MỘT CHIỀU KHÔNG ĐẢO CHIỀU CÓ ĐIỆN ÁP VÀO TỪ 024v

ĐÂY LÀ BÀI HOÀN CHỈNH CÓ CẢ HÌNH ẢNH MÔ PHỎNG BẰNG PROTEUS VÀ MẠCH THỰC. CÁC BẠN HOÀN TOÀN CÓ THỂ SỬ DỤNG BÀI TẬP NÀY VÀO THỰC TẾ CŨNG NHƯ SỬ DỤNG THAM KHẢO TRONG QUÁ TRÌNH HỌC TẬP CỦA BẢN THÂN NÓI RIÊNG.

Lời nói đầu

Như đã biết ứng dụng của Điện tử công suất trong truyền động điện – điềukhiển tốc độ động cơ là lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển Các nhàsản xuất không ngừng cho ra đời các sản phẩm và công nghệ mới về các phần tửbán dẫn công suất và các thiết bị điều khiển đi kèm Do đó khi thực hiện đồ ánchúng em đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới nhất, những công nghệ mớitrong lĩnh vực điều khiển các phần tử bán dẫn công suất

Với yêu cầu thiết kế bộ băm xung một chiều không đảo chiều để phục vụcác mục đích đưa ra, chúng em đã cố gắng tìm hiểu về các phương án côngnghệ sao cho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, yêu cầu kinh tế Với hivọng đồ án điện tử công suất này là một bản thiết kế kĩ thuật có thể áp dụngtrong thực tế nên chúng em đã cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ và tính toán cụ thểcác thông số của sơ đồ mạch

Tuy nhiên do trình độ hiểu biết của chúng em còn hạn chế nên không thểtránh khỏi những sai sót Chúng em mong nhận được sự phê bình, góp ý của cácthầy cô để giúp chúng em hiểu rõ hơn các vấn đề trong đồ án cũng như nhữngứng dụng thực tế của nó để bản đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn Trongquá trình làm đồ án chúng em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn của thầyNguyễn Văn Tiến Chúng em xin chân thành cảm ơn!

1

MỤC LỤC

Lời nói đầu 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH XUNG ÁP MỘT CHIỀU 3

1.1: GIỚI THIỆU VỀ BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP 3

1.1.1: Mạch xung áp xoay chiều 4

1.1.2: Mạch xung áp một chiều 8

1.2: GIỚI THIỆU CÁC THÀNH PHẦN TRONG MẠCH XUNG ÁP MỘT CHIỀU 11

1.2.1: Thyristor 11

1.2.2: Tranzito 12

1.2.3: MOSFET 14

1.2.4: GTO 15

1.3: GIỚI THIỆU CÁC MẠCH XUNG ÁP 15

1.3.1: Mạch xung áp một chiều có đảo chiều 15

1.3.2: Mạch xung áp một chiều không đảo chiều: 18

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH XUNG ÁP MỘT CHIỀU KHÔNG ĐẢO CHIỀU 21

2.1: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU KHÔNG ĐẢO CHIỀU 21

2.1.1: Van dùng Thyristor 21

2.1.2: Van dùng Transistor 22

2.2: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 23

2.2.1: Mạch băm xung một chiều 23

2.2.3: Tính toán chọn van 26

2.3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 27

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 31

3.1: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC 32

3.1.1: Chọn tranzitor 32

3.1.2: Chọn diode 33

3.1.3: Chọn diện trở hình thành điện áp Rp: 33

3.2: THIẾT KẾ MẠCH 33

3.2.1: Thiết kế sơ đồ nguyên lí 33

3.2.2 : Thiết kế nguồn cấp cho mạch điều khiển 36

3.3.3 Mạch thực 39 Tài liệu tham khảo 40

Diode https://www.tme.com/au/en/details/fe6a-dio/tht-universal-diodes/diotec-semiconductor/ fe6a/ 40

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH XUNG ÁP MỘT CHIỀU

1.1: GIỚI THIỆU VỀ BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP

Để cắt điện áp nguồn người ta thường dùng các khóa điện tử công suất vìchúng có đặc tính tương ứng với khóa lý tưởng, tức là khi khóa dẫn điện (đóng)điện trở của nó không có đáng kể, còn khi khóa bị ngắt (mở ra) điện trở của nó

vô cùng lớn (điện áp trên tải sẽ bằng không) Trên hình 1.1 là sơ đồ nguyên lý

và sơ đồ đường cong điện áp

Hình 1 1 Sơ đồ nguyên lý và đường cong điện áp

Các bộ băm áp một chiều thường gặp hiện nay là các bộ băm áp nối tiếp Trongphần thiết kế này quan tâm nhiều đến các loại băm áp đó Trong khoảng thờigian 0 ÷ t1, khóa K đóng lại, điện áp trên tải U R sẽ có giá trị điện áp nguồn (U R

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

U d =γ U1 (1.2)Trong đó:

Như vậy bộ biến đổi xung áp có khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp ratrên phụ tải

Nó có những ưu điểm cơ bản:

 Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi không đánh kể sovới các bộ biến đổi liên tục;

 Độ chính xác cao cũng như ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, vìyếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khóa K mà không phải là giá trị điệntrở của các phần tử điều chỉnh thường gặp trong các bộ biến đổi liên tục;

 Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổi liên tục;

 Kích thước gọn, nhẹ

Nhược điểm cơ bản của các bộ biến đổi xung áp là:

 Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính của các bộ biến đổi khilàm việc trong hệ thống kín;

 Tần số đóng cắt lớn sẽ tạo ra nhiễu cho nguồn cũng như các thiết bị điềukhiển

Đối với các bộ biến đổi công suất trung bình (hàng chục kW) và nhỏ (vàikW), người ta thường dùng các khóa điện tử là các bóng bán dẫn lưỡng cựcIGBT Trong trường hợp công suất lớn (vài trăm kW trở lên) người ta thườngdùng GTO hoặc triristo Tùy thuộc đầu vào điện áp mà người ta chia ra: bộ biến

1.1.1: Mạch xung áp xoay chiều

Các bộ biến đổi xung áp xoay chiều có bản chất là các bộ biến đổi phụthuộc, giống như các bộ chỉnh lưu, điều chỉnh điện áp ra bằng cách thay đổi gócđiều khiển α Bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều cần điều chỉnh giá trị điện ápxoay chiều, tần số sóng hài cơ bản không đổi, bằng tần số của điện áp lưới.Dùng tiristo song song ngược, triac, thay đổi điện áp trong mỗi nửa chu kỳ điện

 Điện áp trên tải phụ thuộc góc điều khiển α;

 Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải

Biên độ của dòng qua cuộn cảm:

Hình 1 3 Điện áp trên tải và giá trị hiệu dụng

B L(α) = ωL1 (1 - π2α - π1sin2α) (1.8)Theo điện dẫn tương đương có thể đường cong điện áp và dòng điện thể hiện

b Xung áp xoay chiều ba pha

Sơ đồ van được thể hiện qua hình 1.5:

(a) Sơ đồ Thyristor song song ngược

(b)Sơ đồ Thyristor đấu tam giác

7

Hình 1 4 Đường cong điện áp và dòng điện

1.1.2: Mạch xung áp một chiều

Các bộ biên đổi xung áp một chiều có vai trò đặc biệt quan trọng trongphạm vi ứng dụng ngày càng to lớn Nếu điện áp xoay chiều có thể dùng máybiến áp để biến đổi điện áp thì điện áp một chiều bắt được phải dùng bộ biến đổixung áp Các bộ biến đổi xung áp dần loại trừ các loại biến áp tần số thấp trongcác bộ nguồn, dẫn đến kích thước các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ gọn Hailoại bộ biến đổi xung áp một chiều: các bộ băm xung áp (chopper) và các bộbiến đổi nguồn DC-DC

 Kích thước các phần tử phản khác như điện cảm, tụ điện giảm đáng

kể, giảm kích thước bộ biến đổi nói chung đến mức rất nhỏ;

 Không dùng biến áp nguồn tần số thấp nữa Giảm tổn hao, tiếtkiệm sắt thép

Nhược điểm:

 Phát sinh nhiều vấn đề nghiên cứu

Phần tử cơ bản là khóa điện tử V, là một van điều khiển hoàn toàn (GTO, IGBT,

trọng trong sự hoạt động của sơ đồ, gọi là diode không Diode này sẽ dẫn dòngtải V khóa

Khi V thông iR + L di dt = E

di

Hình 1 6 Sơ đồ nguyên lý

*Các van dùng trong mạch xung áp

Hình 1 7 a, Dòng liên tục b, Dòng gián đoạn

1.2.1: Thyristor

Thyristo là một phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp tiếp giáp p-n-p-n, tạo ra balớp tiếp giáp p-n Thyristor có ba cực anot, catot, cực điều khiển G Thyristorgồm có các trạng thái: mở, khóa và đóng Điều kiện để mở Thyristor là cần có

U AK>0 và có tín hiệu xung đưa vào cực điều khiển Điều kiện để đóng là đặtđiện áp ngược lên A-K Hình 1.6 là ký hiệu của Thyristor

Hình 1 8 Ký hiệu

1.2.2: Tranzito

11

Là phần tử bán dẫn có cấu trúc gồm ba lớp bán dẫn p-n-p hoặc n-p-n, tạonên hai lớp tiếp giáp p-n Cấu trúc này thường đưuọc gọi là BJT, được thểhiện qua hình 1.9, 1.10, 1.11.

Hình 1 9 Cấu tạo và ký hiệu của transistor

Hình 1 11 Mạch trợ giúp đóng mở và thông số chính

13

Hình 1 10 Quá trình quá độ của transistor

1.2.4: GTO

GTO có cấu trúc phức tạp hơn so với thyristo

Hình 1 13 Cấu tạo, ký hiệu của GTO

1.3: GIỚI THIỆU CÁC MẠCH XUNG ÁP

1.3.1: Mạch xung áp một chiều có đảo chiều

Mạch xung áp một chiều có đảo chiều

D1…D4 dùng để trả năng lượng phản kháng về nguồn và thực hiện quá trìnhhãm tái sinh.

tích trữ trong điện cảm sẽ duy trì cho dòng điện đi theo chiều cũ và khép mạch

liền

qua diode D1 và D2 (ID1 = ID2 = It; đường It là đường nét đứt trong sơ đồ ở hình 1).Trong khoảng t1  T dòng tải sẽ khép mạch qua T4 (T4 dẫn) và D2 (ID2=ID4=It).Dòng tải sẽ có dạng như ở hình 2.h

động cơ sẽ trả năng lượng về nguồn thông qua diode D1 và D2 (iD1 = iD2 = it)

Hình 1 15 Biểu đồ xung trong bộ biến đổi đảo chiều

Trong khoảng t0  t1 do E. > ED động cơ chuyển sang làm việc ở chế độ

iT2 = it)

Trong khoảng thời gian t1  t2 lúc này T1 bị khoá, T4 mở Năng lượng tíchtrữ trong cuộn cảm sẽ cấp cho động cơ và duy trì dòng điện đi qua T2 và D4 (iT2 =

iD4 = it)

(it = iD2 = iT4) Quá trình này tạo ra tích luỹ năng lượng trong điện cảm và khi T4

bị khoá thì UAB > E và quá trình lặp lại như ban đầu

17

Mặc dù dòng điện tải đổi chiều, nhưng do có sự tham gia của T4 và D4

không Do đó dạng điện áp trên tải sẽ không bị biến dạng và thành phần sóngđiều hoà bậc cao trong điện áp phụ tải sẽ nhỏ nhất

1.3.2: Mạch xung áp một chiều không đảo chiều:

Hình 1 16 Mạch xung áp một chiều không đảo chiều

lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào (E) Van điện tử T được đóng mở nhờ

L sẽ duy trì dòng qua cuộn kháng vẫn theo chiều cũ, năng lượng tích trữ

dẫn điện, tụ C sẽ phóng điện qua tải và duy trì cho điện áp trên tải là bằng

phẳng, đồng thời cuộn kháng lại được tích năng lượng Đồ thị điện áp và

dòng điện

Tương ứng trong khoảng 0  t1, dòng qua van T là iT = iL1

Trong khoảng t1  T, dòng qua diode là ID = iL2

Điện áp trên cuộn kháng sẽ bằng E khi van T dẫn và khi van T

Hình 1 17: Đồ thị xung của bộ xung áp một chiều không đảo chiều

Khi van T dẫn, diode sẽ chịu một điện áp ngược:

Khi van T bị khoá, T sẽ có một điện áp thuận:

Hình 1.18 Sơ đồ thay thế của bộ xung áp

R 0 - Điện trở trong của nguồn; R T - Điện trở của van T; R D Điện trở của diode

-R t - Điện trở của tải; E t - Nguồn do tụ C tạo ra

19

Giá trị của các điện trở tương đương trong sơ đồ thay thế sẽlà:

(1.16)

Từ sơ đồ thay thế ta rút ra:

(1.17)Trong đó: I0, IL, U1, E1, UR, It là các giá trị trung bình

thay đổi  ta có thể thay đổi được điện áp ra Để đảm bảo có thể

suy ra:

(1.18)

Có thể nhận thấy Ut < E0 khi 0 <  < 0,5 và Ut > E0 khi 0,5 <

 <1

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH XUNG ÁP MỘT CHIỀU KHÔNG ĐẢO

CHIỀU

2.1: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU KHÔNG ĐẢO CHIỀU

Theo nguyên lí hoạt động ta thấy rằng van bán dẫn thích hợp cho bămxung một chiều phải là van cho phép điều khiển được cả mở và khóa, tức là vanđiều khiển hoàn toàn, như các loại transistor hoặc GTO

Hình 2 1 Sơ đồ và đồ thị điện áp của băm xung áp một chiều

2.1.1: Van dùng Thyristor

Loại van bán điều khiển như thyristor là không phù hợp vì ở đây van phảilàm việc với điện áp một chiều và luôn là chiều thuận, do vậy không còn giaiđoạn điện áp âm của nguồn điện để khóa Thyristor như trong mạch chỉnh lưuhay điều áp xoay chiều Muốn sử dụng Transistor, buộc phải thiết kế các mạchthực hiện chức năng khóa nó, gọi là mạch khóa cưỡng bức, mạch này thườngphức tạp và không tin cậy Tuy nhiên vì trước đây công nghệ chưa chế tạo đượccác van điều khiển hoàn toàn với công suất lớn, nên phải dùng

21

2.1.2: Van dùng Transistor

Ngày nay các Transistor đã đủ sức thay thế các van Thyristor cả ở dàicông suất rất lớn Trong đó hai loại van được dùng là MOSFET và IGBT với ưuđiểm vượt trội ở khả năng đóng cắt tốt, mạch điều khiển đơn giản và công suấtđiền khiển lại khá nhỏ đến mức có thể IC hóa phần điều khiển; hơn nữa côngnghệ chế tạo chúng cũng không quá phức tạp

Chính vì vậy, trong lính vực điện tử công suất, ngay cả loại van BJT vốncòn được ứng dụng khá rộng rãi thời gian trước đây, thì đến thời điểm hiện tạo

đã bị thay thế bởi IGBT và BJT chỉ còn được dụng chủ yếu ở mạch điều khiển.Khả năng làm việc của hai loại van này thể hiện ở đồ thị quan hệ áp – dòng ứngdụng ở hình 2, qua đó ta thấy MOSFET thua kém hơn nhiều cả về khả năngmang dòng và chịu điện áp, tuy nhiên MOSFET làm việc được với tần số mega

Hz, trong khi IGBT thường dưới 100kHz

Hình 2 2 Đồ thị điện áp của các van

Như vậy ta chọn mạch sử dụng Transistor để làm.

2.2: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

2.2.1: Mạch băm xung một chiều

Ta chọn kiểu mạch băm xung một chiều kiểu nối tiếp:

Hình 2 3 Sơ đồ các mạch băm xung

khóa, điện cảm L phóng năng lượng tích lũy ở giai đoạn trước, dòng điện qua Lvẫn theo chiều cũ và chảy qua van đệm D (dòng i2), lúc này Ut = -Ud xấp xỉ 0

Tùy theo dạng tải và tham số điều chỉnh mà chế độ dòng điện tải có thểliên tục hay gián đoạn như trong thiết bị chỉnh lưu, nhưng thường mong muốnchế độ dòng điện là liên tục Vì vậy trong tính toán thiết kế cũng dựa trên việcđảm bảo chế độ làm việc này cho BXMC, cũng vì thế dưới đây chỉ đề cập chế

độ này

23

2.2.2: Các công thức tính toán

đều vẫn cho quan hệ điện áp ra tải như biểu thức cơ bản:

Ut=¿

T E=γE

(2.1)Dòng trung bình qua tải:

¿=Ut Rt = γE−Et Rt (2.2)

Bằng phương pháp giải mạch có qui luật biến thiên dòng điện tải trong hai giaiđoạn là:

Còn: τ = L Rt là hằng số thời gian của mạch tải

Giá trị lớn nhất của dòng điện:

Biểu thức này cho thấy độ đập mạch dòng không phụ thuộc vào tải là RL

được cực đại khi γ=0,5

25

2.2.3: Tính toán chọn van

Vì quy luật dòng điện biến thiên dạng hàm số mũ, nên tính toán chính xáccác trị số trung bình dòng qua Transistor và diode sẽ cho các biểu thức tạpkhông tiện sử dụng và cũng không thật sự cần thiết trong thực tế Vì vậy thườngdùng phương pháp đơn giản hóa bằng cách coi dòng điện biến thiên tuyến tínhnhư hình

vào đây người ta có thể xác định dòng trung bình lớn nhất chảy qua các van khilàm việc để chọn van

Điện áp lớn nhất van Tran phải chịu bằng điện áp nguồn E, điện áp ngượclớn nhất đặt lên diode cũng bằng E

2.3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Dưới đây là sơ đồ của bộ biến đổi xung áp

Hình 2 4 Sơ đồ bộ biến đổi xung áp

I T = E R[γ− τ T (1−b−11 )(1−a1b1)

1−a1 ]

(2.18)Dòng trung bình qua diode:

I D = E

R T τ [(1−b−11 )(1−a1b1 )

1−a1 ]

(2.19)Dòng trung bình qua tải:

I t =I T +I D = E R γ

(2.20)Biểu thức (3.12) cho thấy dòng tải không phụ thuộc vào tần số đóng cắtcủa van cũng như không phụ thuộc vào hằng số thời gian của mạch tải

Biên độ đập mạch của dòng tải:

∆ I max =I max −I min = E R (1−b−11 )(1−a1b1 )

1−a1

Khi γ=0.5 thì ∆ I max đạt giá trị cực đại g

Việc tính chọn van nhiều khi mang tính ước lệ vì khi chọn bao giờ cũng

có độ dự trữ nhất định nào đó Do đó trong các tính toán không nhất thiết phải

Để đơn giản phép tính người ta thường chọn:

I1= E R γt :0≤ t ≤t1vớiγ=γ max

(2.21)

Và thay thế biểu thức (3.13) cho (3.6) để tính dòng trung bình qua các van Việc tính này cho kết quả sai số không quá 10% và có thể chấp nhận đượckhi chọn van với một hệ số dự trữ nào đó

29

Từ các giá trị của it người ra dựng được đồ thị của dòng tải it, dòng quaGTO và qua diode (hình 3.8 d, e, f) cho trường hợp dòng tải là liên tục và khidòng gián đoạn (hình 3.8 g, h, i).

Hệ số đập mạch của điện áp ra:

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG

Vì mạch hoạt động ở dải 0 – 12V, nên động cơ sử dụng là:

3.1: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ ĐỘNG LỰC

Mạch động lực thiết kế có bốn linh kiện cần chọn: áptomat (AT),

tranzitor (T), điốt xả năng lượng (D), điện trở mồi kích từ Các thiết bị này đượcchọn căn cứ vào thông số: U kt và I kt

HÌnh 3 2 Sơ đồ mạch điều khiển băm áp bằng transistor lưỡng cực

3.1.1: Chọn tranzitor

Để thoả mãn điều kiện làm việc của mạch kích từ với thông số định mức 6V, 0,07A, chúng ta cần chú ý tới điều kiện làm việc cường kích của máy phát điện Theo điều kiện đó, mỗi khi cần cường kích dòng điện và điện áp kích từ (trong trường hợp từ thông máy phát bị khử từ) có thể tăng tới 1,5 thông số địnhmức

Do đó tranzitor cần chọn phải đảm bảo làm việc được với thông số

Từ các thông số này chọn TRANSISTOR NPN TIP41C

Transistor TIP41C là transistor công suất thuộc loại transistor NPN

TIP41C có Uc cực đại = 100V dòng Ic cực đại = 6A