GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGUỒN ỔN ÁP MỘT CHIỀU

Do đó để có được dòng điện một chiều ta phải biến đổi từ dòng điện xoay chiều được dùng rộng rãi nhờ “ Nguồn ổn áp một chiều”.Nguồn ổn áp một chiều là một máy điện biến dòng điện xoay ch

Tuy nhiên việc dùng động cơ điện một chiều có một số hạn chế là dòng điện một chiều không sử dụng rộng rãi, chế tạo phức tạp, cồng kềnh Do đó để có được dòng điện một chiều ta phải biến đổi từ dòng điện xoay chiều được dùng rộng rãi nhờ “ Nguồn ổn áp một chiều”.

Nguồn ổn áp một chiều là một máy điện biến dòng điện xoay chiều tần số 50Hz thành dòng điện một chiều có điện áp tuỳ ý dựa vào yêu cầu của phụ tải Điện áp đầu ra có thể giữa cố định trong một khoảng điện áp nào đó nhờ vào tín hiệu xung điều khiển Tranzitor Mạch ổn áp gồm 4 phần chính sau:

+ Biến áp: Biến đổi điện áp từ lưới điện 220V tần số 50Hz thành điện áp thấp phù hợp với đầu vào của bộ chỉnh lưu bán dẫn

+ Chỉnh lưu: Là bộ biến đổi điện áp xoay chiều ở đầu vào thành điện áp một chiều ở đầu ra có độ nhấp nhô phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu

+ Bộ lọc: là bộ để lọc bớt thành phần sóng hài bậc cao của điện áp chỉnh lưu nhằm mục đích san phẳng điện áp chỉnh lưu

+ Mạch ổn áp: là mạch để duy trì điện áp tải ở một khoảng nhất định khi phụ tải thay đổi đột ngột

1 Chỉnh lưu điều khiển một pha sơ đồ cầu :

1.1.Sơ đồ đối xứng :

- ta có sơ đồ mạch lực như hình vẽ sau :

a sơ đồ nguyên lý ( hình 1.a)

IT1

IT4

b đồ thị dòng áp (hình 1.b)

- điện áp vào u2 = 2U2sinωt (V) ω = 2πf , f = 50Hz

Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ như sau : trong nửa chu kỳ đầu u2 >

0 T1 có khả năng mở, tại thời điểm t1 ta đưa xung mở thysistor T1 và T3 , chúng mở ngay và cho dòng chảy theo đường T1 - Tải - T3 - Nguồn , áp đặt lên tải ud = u2 và có chiều như hình vẽ Tương tự trong nửa chu kỳ sau , tại t = t2 ta đưa xung vào mở thysistor T2 và T4, dòng sẽ chảy theo đường T2 - Tải - T4 - Nguồn

C Hoạt động của sơ đồ: (khi không xét đến trùng dẫn)

cầu gồm 6 thyristor chia thành 2 nhóm nhóm Catốt chung :T1,, T3, T5; nhóm Anốt chung : T2, T4, T6;

điện áp các pha thứ cấp máy biến áp lần lượt là: Ua= 2U2sinθ ;

Góc mở α được tính từ điểm chuyển mạch tự nhiên( giao điểm của các nửa hình sin)

Giả thiết T5 , T6 đang dẫn cho dòng chảy qua VF = Vc ; VG= Vb;

* Khi θ= θ1 =

6

π +α cho xung điều khiển mở T

1 thyristor này được mở vì

Va>0 sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì Va> Vc Lúc này T6 và T1 cho dòng chảy qua, và điện áp trên tải là:

T6 bị khóa lại tương tự trên

Quá trình cứ tiếp tục như vậy, mỗi van được đưa xung vào mở sau 1

3T

;

Ta có biểu thức tính toán sau:

điện áp trung bình trên tải : Ud=

5 6

2 6

điện áp ngược lớn nhất đặt lên van: Unmax= 6U2;

dòng điện chảy qua các van là : IT = Id/ 3;

2 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 fa điều khiển :

a sơ đồ:( Hình 2a)

Hình 2a_sơ đồ chỉnh điều khiển cầu 3 fa

IT4 IT1

I 6

b Đồ thị dòng áp mạch chỉnh lưu cầu 3 fa ĐK(

Hình 2b )

d hoạt động của sơ đồ: (khi không xét đến trùng dẫn)

cầu gồm 6 thyristor chia thành 2 nhóm nhóm Catốt chung :T1,, T3, T5; nhóm Anốt chung : T2, T4, T6;

điện áp các pha thứ cấp máy biến áp lần lượt là: Ua= 2U2sinθ ;

π +α cho xung điều khiển mở T

1 thyristor này được mở vì

Va>0 sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì Va> Vc Lúc này T6 và T1 cho dòng chảy qua, và điện áp trên tải là:

T6 bị khóa lại tương tự trên

Quá trình cứ tiếp tục như vậy, mỗi van được đưa xung vào mở sau 1

3T

;

Ta có biểu thức tính toán sau:

điện áp trung bình trên tải : Ud=

5 6

2 6

điện áp ngược lớn nhất đặt lên van: Unmax= 6U2;

dòng điện chảy qua các van là : IT = Id/ 3;

3 Bộ băm xung áp một chiều

1 Giới thiệu chung

Bộ băm xung áp một chiều dùng để biến đổi điện áp một chiều E thành xung điện áp một chiều có trị số trung bình Utb có thể thay đổi được

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp trị số trung bình Utb

của các xung điện áp đặt vào phụ tải có thể điều chỉnh từ trị số không đến trị số lớn nhất bằng điện áp một chiều E cung cấp cho bộ băm: 0 <

Utb ≤ E

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp có thể điều chỉnh cho điện áp trung bình trên tải Utb đạt đến giá trị lớn hơn điện áp E đặt của nguồn điện: E < Utb <∝

Bộ băm xung áp một chiều được coi như là một công tắc tơ tĩnh đóng

mở liên tục một cách chu kỳ Nó được sử dụng rộng rãi trong các máy vận chuyển, trong truyền động máy cắt gọt, trong giao thông đường sắt, ôtô chạy điện, xe rùa bốc dỡ hàng, trong kỹ nghệ điện hoá

Thiết bị băm xung làm việc với hiệu suất cao tổn hao năng lượng ít hơn so với phương pháp điều chỉnh điện áp một chiều liên tục, ít nhạy cảm với môi trường vì tham số điều chỉnh là thời gian đóng mở để đặt hoặc cắt nguồn trên tải, kích thước nhỏ Tuy nhiên bộ băm xung áp có nhược điểm là : phải dùng cùng với bộ lọc đầu ra do đó làm tăng quán tính của qúa trình điều khiển khi sử dụng các mạch điều khiển kín Nếu tần số đóng mở lớn sẽ phát sinh ra nhiễu vô tuyến

2 Nguyên tắc hoạt động của bộ băm xung áp một chiều làm việc ở chế độ giảm áp

Bộ băm xung áp một chiều là một khoá điện H làm bằng tranzito hay bằng tiristo được điều khiển đóng mở một cách chu kỳ Khi làm việc ở

chế độ giảm áp bộ băm xung áp một chiều H được đặt nối tiếp giữa nguồn điện áp một chiều E và phụ tải như trên hình vẽ

a) Trị số trung bình của điện áp trên tải Utb

Khi bộ băm H đóng điện thì điện áp đặt lên tải có trị số u = E Còn khi

H ngắt điện thì u = 0

Sơ đồ nguyên lý:

Trị số trung bình của điện áp một chiều đặt lên phụ tải là:

E E T

T Edt T

udt T

T T

11

với Tđ là thời gian đóng của khoá H, hay độ rộng xung T là chu kì băm, hay chu kì xung α =

Có thể cho α biến đổi bằng hai cách:

1 - Cố định chu kì băm T, thay đổi thời gian đóng điện Tđ của bộ băm,

Nếu Tđ = 0 thì α = 0 ta có Utb = 0 lúc này bộ băm thường xuyên ngắt mạch Khi Tđ = T, ta có α =1 và Utb = E, bộ băm thường xuyên đóng mạch điện Bộ băm xung áp một chiều thường đóng điện và ngắt điện liên tục với tần số cao (200 ÷ 500Hz) nên thường là một khoá bán dẫn

b) Sơ đồ thực tế của bộ xung áp một chiều dùng transistor

Bộ băm xung áp sử dụng tranzito có tần số băm lớn khoảng vài kilohert Các tranzito không cần mạch để khoá lại như tiristo nên rất đơn giản và có thể làm việc với tần số tương đối lớn Các bộ băm dùng tranzito công suất có thể đạt tới tần số băm từ 10 đến 100 kHz một cách

dễ dàng Khi dùng bộ băm xung áp có thể không cần dùng cuộn cảm san bằng hoặc chỉ cần cuộn cảm có điện cảm nhỏ nối tiếp với tải cũng đủ san bằng dòng điện trên tải thành dòng điện một chiều có trị số không đổi Nhược điểm của bộ băm điện bằng Tranzito là có công suất nhỏ, chỉ đạt cỡ vài kilôoát đến vài chụ kilôoát là cùng

Sơ đồ của bộ băm xung áp một chiều dùng Tranzito

Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp một chiều

Ld

Rd

Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc như một công tác tơ tĩnh (K) đóng mở liên tục 1 cách chu kì Nhờ vậy mà biến đổi được điện áp một chiều không đổi E thành các xung điện áp một chiều Utb có trị số có thể điều chỉnh được Điện áp Utb này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ ô tô

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0<Utb<E

Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E<Utb<0

Trong sơ đồ trên L,C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải thực tế

là không đổi ,mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lượng điều chỉnh

Điện áp trên tải thu được phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoá K.Trong khi đó các hạn chế về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện áp một chiều quyết định giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi Để tránh các sóng không mong muốn và từ đấy tránh được Momen đập mạch thì tần số phải lớn hơn một mức nào đó Tần số đóng cắt càng nhanh thì càng giảm được kích thước của bộ lọc ,nhưng nếu quá lớn

sẽ sinh ra nhiễu vô tuyến Vì vậy phải cân nhắc để lựa chọn được bộ biến đổi làm việc ở dải tần thích hợp( dưới 1KHz) Thực tế thường dùng tần số băm khoảng 400Hz ÷ 600Hz

Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý được thay bằng khoá điện tử cụ thể là Tiristor hoặc Transistor(Công suất hoặc MOS)

Dùng Tiristor có ưu điểm là trị số giới hạn cao ,làm việc chắc chắn rẻ tiền,tổn hao khi dẫn nhỏ nhưng có nhược điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở tần số đóng mở thấp (dưới 500Hz)

Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz

Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 10->100Khz,có giá thành rẻ hơn,tổn hao ít hơn MOS

Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng Tiristor,nhưng Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn Transistor

4.So sánh các phương án :

từ các phân tích ở trên ta thấy khi dùng các phương pháp chỉnh lưu 1 pha hay 3 pha

điều khển không đối xứng thì hệ số đập mạch của điện áp ra rất lớn nên ta sẽ không

dùng các phương pháp này

với phương pháp dùng chỉnh lưu điều khiẻn hoàn toàn ta thấy vấn đề điều khiển các

van Thysistor tương đối phức tạp và bộ điều khiển cồng kềnh đồng thời khi góc mở

thay đổi thì chất lượng điện áp ra cũng thay đổi nhiều Với bộ băm xung kết hợp với

chỉnh lưu không điều khiển do ta có thể băm vơi tần số rất cao nên đặc tính lọc sẽ tốt

hơn đồng thời việc điều khiển cũng dễ dàng hơn

Do yêu cầu của bộ ổn áp một chiều công suất nhỏ nên ta sẽ chọn phương án dùng

chỉnh lưu không điều khiển kết hợp với bộ băm xung áp một chiều Phương pháp này

có ưu điểm là dùng các van Diode rẻ tiền hơn các van Thysistor đồng thời việc điều

khiển dễ dàng hơn do ta không cần bộ đồng pha , dịch pha và ta chỉ điều khiển một

van điều khiển hoàn toàn

CHƯƠNG 3

TÍNH TOÁN MẠCH LỰC

Trong chương trước ta đã chọn được sơ đồ mạch lực cho bộ ổn áp như sau :

Ta có sơ đồ mạch lực như sau :

Máy biến

áp

Chỉnh lưu không điều khiển

Bộ băm Bộ lọc

UR = 24 VDC

Bộ điều chỉnh dòng

Trong mạch lực như trên T1 làm việc ở chế độ bão hoà như một khoá đóng cắt , T2

làm việc ở chế độ tuyến tính để ổn định áp ra

1 Tính toán các thông số điện áp, dòng điện và công suất máy biến áp

Máy biến áp công suất cỡ vài kVA thuộc loại MBA công suất nhỏ, sụt áp trên điện

trở tương đối lớn, khoảng 4% , sụt áp trên điện kháng ít hơn cỡ 1,5% Điện áp sụt

trên hai Diode nối tiếp khoảng 2 V do đó ta có điện áp chỉnh lưu lúc không tải sẽ là :

+ Dòng điện các cuộn dây:

- Dòng điện của cuộn thứ cấp:

Công suất của MBA : S = 3.220.4,15 = 2740 W

Ta tiến hành chọn máy biến áp với các thông số trên

2 Tính toán mạch từ MBA

Chọn mạch từ 3 trụ tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức:

f c

S K

×

×

= Trong đó :

k: Hệ số kinh nghiệm (thường lấy K=5,8÷6,4).Với MBA khô lấy K=6

Ta chọn mạch từ : làm bằng tôn silic ∋ 310 có bề dày là 0,35 mm

tỷ trọng γb=75 kg/dm3

tổn hao p=1,3 w/kg Bề dày lá tôn silic ∋ 310 : 0,35(mm)

a- Tính toán chiều cao sơ bộ của trụ :

Dựa vào công thức kinh nghiệm:

β ππ

hq T l

+Thq :Tiết diện hiệu quả Thq=Q

+β :là hệ số quan hệ giữa chiều cao và chiều rộng của biến áp, thường

bằng 1,15÷1,35.Ta chọn β=1,2

- Suy ra :

26( )

2,1

14,3

78414,

3.Tính chọn các van công suất cho sơ đồ mạch lực :

- chọn transistor công suất :

Việc chọn van bán dẫn mạch lực được chọn theo các thông số cơ bản của van Hai thông số cơ bản để chọn van là:

+ Giá trị dòng trung bình lớn nhất của van (Itb max); đây là giá trị dòng lớn nhất

mà van có thể chịu được ứng với chế độ làm mát tốt nhất cho van (chế độ lý tưởng) Trong thực tế, không đạt được điều kiện làm mát lý tưởng nên việc sử dụng van không được quá giá trị này

+ Giá trị biên độ điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên van (Ungược max ); nếu vượt quá giá trị này thì van bị chọc thủng

Như đã đề cập ở phần trước, ta dùng các van bán dẫn là các tranzito công suất; tức là các van điều kiển hoàn toàn Xuất phát từ đặc điểm công nghệ, ta chọn điều kiện làm mát là làm mát cưỡng bức bằng quạt gió, với các cơ cấu: Van + cánh tản nhiệt chuẩn + tốc độ gió (12 m/s) Vì vậy:

Itb van thực= (0,4 ÷ 0,5) Itb van max

Chọn tranzito công suất

Từ biểu thức dòng trung bình qua van xác định ở trên, ta có:

⇒ Itbvanmax =40A

Từ biểu đồ dạng sóng điện áp đặt trên van, ta thấy điện áp ngược lớn nhất đặt lên van là US; tức là :

Ung van max = US = 48V

Từ kết quả hai thông số tính toán được ở trên ta chọn loại tranzito công suất loại BUT 90 có các thông số sau:

Mã hiệu UCE ,V UCE0 ,

Chọn Diode (D0 , , D6)

Biểu thức dòng trung bình qua các đi-ốt D0 là: ID = Id.(1-ε) ⇒ ID max thực = Id max = 25A Cũng từ đồ thị dạng sóng của diode ta thấy rằng điện áp ngược lớn nhất đặt lên các diode D1 , ,D6 là Umi = 6U2 =69V Trị trung bình dòng chảy trong các Diode :

A,

Vậy ta chọn loại B50 do hãng Liên Xô cũ chế tạo B50-1 có các thông số:

Mã hiệu Itb , A Umax , V

4 Thiết kế mạch trợ giúp cho Transistor

Thực tế là tổn hao chuyển mạch của tranzitor công suất lớn hơn rất nhiều so với trường hợp nó làm việc với tải xác định Mặt khác, so với tiristor khả năng chịu quá tải của tranzitor kém hơn Trong trường hợp cụ thể là tranzitor phải làm việc như một khoá điện tử đóng cắt mạch điện với tần số đóng cắt lớn, thì tổn thất năng lượng khi chuyển trạng thái là đáng kể, vì năng lượng tổn thất tỉ lệ với tần số hoạt động của Tranzitor Vì vậy, để giảm nhỏ tổn thất khi chuyển mạch và tránh cho tranzitor làm việc quá nặng nề thì người ta sử dụng thêm các mạch ”trợ giúp”

Các phần tử chủ yếu của mạch trợ giúp là L2 và C2 Chức năng của L2 là hạn chế sự tăng của ic trong quá trình tranzitor đóng mạch, còn tụ điện C2 có tác dụng làm chậm sự tăng của VCC trong quá trình tranzitor cắt mạch

Sơ đồ mạch trợ giúp như sau:

R1

D2 DIODE

D1 DIODE R2

L1 1uH

Q1 NPN

C1 1uF

TẢI CẢM

Khi biểu diễn mạch lực trên sơ đồ nguyên lý ta không đưa thêm các mạch trợ giúp vào nhằm đơn giản hoá mạch nhưng thực tế mỗi tranzitor sử dụng đều thiết kế mạch trợ giúp đi kèm

5.Tính lọc :

áp ra sau bộ băm có dạng như sau :

)

sin(

U)tTcos(

)

sin(

U)tTcos(

)

.sin(

UU

ππε

π+

ππε

π+

ε

3

44

C

2

=ω

từ (0 ÷ ωC ) là giải thông còn từ (ωC ÷ ∝) là giải chắn

ta giả thiết đối với sóng hài tần số thấp mà XL >> XC thì dòng xoay chiều chảy qua L

và C sẽ quyết định bởi XL và có :

L n

UA

U AC n

I

U m

2 2

2ω

=ω

=Δ

tỷ số nhấp nhô :

LC)n(

AU

586

π ) , .(

,

Chọn L =0,14 mH ta có C = 100μF

CHƯƠNG 4

MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Mạch điều khiển ở đây là mạch tự động điều chỉnh để ổn định điện áp ra theo sự thay đổi của tải và điện áp vào Mạch hoạt động dựa trên nguyên tắc lấy sự thay đổi của dòng điện tải phản hồi về và lấy sự thay đồi của áp lưới để thay đổi độ rộng xung điều khiển đặt lên Transistor

Nguyên tắc hoạt động của mạch điều khiển như sau : khi dòng tải nhỏ ta điều chỉnh tỉ

số băm ε để cho áp ra bằng 24 V, khi tải tăng lên kéo theo sụt áp trên van Transistor điều dòng giảm đồng thời sụt áp trên MBA và các van tăng lên làm cho áp ra thay đổi

do vậy ta phải thay đổi tỉ số băm để giữ cho áp ra không đổi ) và khi áp vào thay đổi kéo theo sự thay đổi của áp ra ta phải thay đổi tỉ số băm để giữ cho áp ra không đổi Trong mạch điều khiển có những khối chính sau : khối tạo dao động làm nhiệm vụ tạo ra xung dao động chuẩn Khối tạo xung răng cưa tạo ra dạng xung răng cưa chuẩn để tạo ra xung điều khiển Khối lấy điện áp sai lệch có nhiệm vụ phát hiện sự thay đổi của điện áp lưới và lấy sai lệch so với điện áp chuẩn Khối phản hồi áp lấy

sự sai lệch của áp rơi trên van điều dòng về để thay đổi độ rộng xung điều khiển nhằm mục đích giữ áp ra không đổi Khối so sánh làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu chuẩn với các tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi để có xung điều khiển Khối khuếch đại làm nhiệm vụ khuếch đại xung điều khiển để có xung có độ rộng đủ lớn

Cụ thể phần điều khiển gồm có các khối chính sau :

1 Mạch tạo dao động:

+12V

R1 R1

R2