Chương III BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU KHIỂN PHA
CHƯƠNG 6 BỘ NGUỒN BÁN DẪN MỘT CHIỀU
VI.2 BỘ NGUỒN CHỈNH LƯU
Là bộ nguồn bán dẫn một chiều cho phép cung cấp công suất lớn và rất lớn nhờ sử dụng Diod hay SCR, có sơ đồ khối 1 và 2 đã được giới thiệu. Vì các sơ đồ chỉnh lưu đã được khảo sát rất chi tiết trong chương III nên mục này sẽ giới thiệu các bước để thiết kế một bộ nguồn công suất lớn và trình bày chi tiết với bộ nguồn chỉnh lưu.
1. Các bước thiết kế bộ nguồn bán dẫn:
- Thiết kế sơ bộ mạch động lực: Từ các yêu cầu của tải, ta chọn sơ đồ, dùng các quan hệ gần đúng và các giả sử cần thiết (do không đủ số liệu) để tính chọn các thông số mạch động lực. Sơ đồ có thể phải được chọn lại nếu có thông số tính ra không chấp nhận được.
- Kiểm tra hệ thống đã chọn bằng cách tính toán chính xác hay sử dụng công cụ mô phỏng để có hoạt động của mạch với các phần tử mạch động lực đã chọn. Nếu kết quả không phù hợp, có thể chọn lại thông số mạch hay đổi phương án (trở lại bước thiết kế sơ bộ). Cũng có thể thực hiện nhiều thiết kế sơ bộ và sẽ chọn ra thiết kế tối ưu sau bước kiểm tra này.
- Tính toán hệ thống điều khiển và bảo vệ, lập bản vẽ lắp đặt và xây dựng quy trình thi công, thử nghiệm, hiệu chỉnh.
Sau khi thi công, thử nghiệm và hiệu chỉnh xong, ta có được sản phẩm (nếu chế tạo đơn chiếc) hay sản phẩm mẫu (bản chế thử) trong trường hợp sản xuất hàng loạt cùng với bản thiết kế và quy trình sản xuất. Không loại trừ khả năng làm lại các bước trên nếu kết quả không thỏa đáng.
2. Thiết kế sơ bộ chỉnh lưu điều khiển pha (ĐKP):
Gồm các bước sau:
a. Chọn sơ đồ chỉnh lưu: Cần cân nhắc các yếu tố:
• Có sử dụng biến áp (BA) hay không:
BA có hai nhiệm vụ: thay đổi tầm áp ra và cách ly điện nguồn – tải. Áp ngỏ vào bộ chỉnh lưu phải có giá trị thích hợp nhằm tránh BBĐ làm việc dài hạn ở góc kích lớn có chất lượng áp ra kém và có hệ số công suất thấp. Cách ly điện nguồn – tải đãm bảo an toàn cho người vận hành và tránh nhiễu gây ra do dòng rò của lưới đi qua BBĐ có thể làm cho BBĐ hoạt động không tốt. Thông thường, chỉ có các bộ điều khiển động cơ một chiều có thể chỉnh lưu trực tiếp từ lưới.
• Một pha hay nhiều pha:
Sơ đồ nhiều pha phức tạp nhưng chất lượng ngỏ ra cao (nhấp nhô áp ra có tần số cao và biên độ bé), cho phép công suất tải lớn hơn và tải đều trên ba pha lưới.
• Sơ đồ tia hay cầu:
Sơ đồ tia cần sử dụng trung tính và có dòng một chiều qua nguồn, chỉ thích hợp công suất trung bình và nhỏ. Về nguyên tắc, trung tính chỉ dùng cho chiếu sáng và mạch đo lường.
• Cầu điều khiển hoàn toàn (SCR) hay không hoàn toàn (SCR + D):
Sơ đồ có sử dụng diod có áp ra luôn lớn hơn zero nên không trả năng lượng về lưới được, hoạt động không đối xứng (có hài bậc chẵn) làm hạn chế công suất nhưng có ưu điểm là đơn giản, giá hạ, khi góc điều khiển pha không quá lớn thì có hệ số công suất cao.
• Sử dụng các sơ đồ đặc biệt:
- nối tiếp, song song các bộ chỉnh lưu: thường sử dụng khi công suất lớn và rất lớn, cho phép cải thiện dạng sóng dòng ngỏ vào và áp ngỏ ra BBĐ.
- Sơ đồ 6 pha có kháng cân bằng (hình III.4.11b) chính là song song hai sơ đồ 3 pha hình tia. Là sơ đồ chỉnh lưu có dòng qua các chỉnh lưu bé nhất, thích hợp với ứng dụng có dòng tải rất lớn.
- Sử dụng BBĐ áp AC ở phiá sơ cấp biến áp và dùng chỉnh lưu diod ở thứ cấp:
Đây là sơ đồ có hiệu quả kinh tế rất cao trong hai trường hợp sau:
• Áp ra bé (chục V) và dòng tải lớn (hàng nghìn A): Chi phí đầu tư giảm do thay thế chỉnh lưu SCR bằng D có giá hạ bên thứ cấp rất đáng kể so với chi phí trang bị BBĐ áp xoay chiều ở sơ cấp. Chi phí vận hành cũng cải thiện đáng kể vì sụt áp thuận SCR cao gấp đôi sụt áp thuận của D.
• Áp ra lớn (chục nghìn V), dòng ra bé (chục A): Khi áp ra rất cao, cần nối tiếp nhiều chỉnh lưu. Sử dụng diod sẽ hiệu quả rất nhiều vì đã tránh được việc nối tiếp nhiều SCR rất phức tạp và tốn kém.
b. Tính toán điện áp và góc kích SCR:
Sau khi chọn được sơ đồ, ta cần phải tính toán thông số của biến áp. Áp ngỏ ra BBĐ phụ thuộc vào các yếu tố: áp nguồn, tỉ số biến áp, góc điều khiển pha, chế độ dòng tải và các sụt áp trong mạch. Sụt áp trong mạch bao gồm:
- Sụt áp trên chỉnh lưu: 1 V/ Diod và 2 V / SCR - Sụt áp do chuyển mạch khi dòng liên tục.
- Sụt áp nguồn hay biến áp (do khi tính toán ta lấy giá trị áp thứ cấp ở không tải) và treân daây daãn.
Như vậy có quá nhiều thông số để có thể từ áp ngỏ ra cần thiết tính được tỉ số biến áp một cách chính xác. Khi tính toán sơ bộ, có thể ước lượng sụt áp tổng cộng từ 15% - 20%, sử dụng công thức của chế độ dòng liên tục <>và góc kích tối thiểu là 10 – 15o.
Nếu sơ đồ không dùng biến áp, việc kiểm tra phạm vi điều chỉnh góc ĐKP là cần thiết, tránh góc điều khiển pha tối thiểu αmin quá lớn ( > 40 - 50O) làm giảm các chỉ tiêu năng lượng của hệ thống. Khi đó có thể phải dùng biến áp giảm áp. Góc αmin được tính ở
áp ra là cao nhất (tính cả các sụt áp).
Góc kích tối đa: Thường chọn khoảng 150 O với 2 lý do sau: Nếu không làm việc ở chế độ nghịch lưu, áp ra ở α > 150 O thường rất bé, Nếu có làm việc ở chế độ nghịch lưu, góc nghịch lưu an toàn cũng có thể lấy bằng 30 O , nếu không có yêu cầu áp nghịch lưu cao.
Ví dụ 1: Chọn sơ đồ và tính thông sớ cơ bản của bộ chỉnh lưu 220VDC/100A dòng cho điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập, lưới công nghiệp 380VAC ba pha.
Giải: Vì công suất tải là 220 x 100 = 22kW không nhỏ và để có chất lượng áp ra cao, ta chọn chỉnh lưu cầu 3 pha.Để cung cấp được 220V cho tải, áp ra bộ chỉnh lưu bằng Uo
= 1.2 x 220 = 264 V (khi ước lượng sụt áp tổng cộng khoảng 20%). Giả sử không dùng biến áp và dòng tải liên tục, góc kích tối thiễu là:
3 6
o 2
U U α
= π ⋅cos <III.3.6> => αmin = cos-1[264/(2.34 x 220)] = 59o.
Trị số này khá lớn, có thể làm giảm chất lượng hoạt động của hệ thống, ta tính toán lại với việc dùng biến áp. Giả sử góc kích tối thiểu αmin = 15o, áp thứ cấp của biến áp bằng U = 264 /(2.34 x cos 15o) = 116.8V suy ra tỉ số biến áp (nối YY) k = 116.8/220 = 0.53.
Ghi chuù:
- Với công suất 22kW là ở mức độ trung bình, có thể sử dụng sơ đồ cầu 3 pha điều khiển không hoàn toàn (SCR+D). Nhưng vì nó có thể làm hoạt động của biến áp không tốt do có các hài bậc chẵn nên sơ đồ điều khiển hoàn toàn đã được chọn (ta đang chọn hướng thiết kế hệ thống chất lượng cao).
- Nếu lưới có công suất lớn (để dòng 100A trên trung tính là có thể chấp nhận được) và để giảm giá thành, có thể chọn sơ đồ chỉnh lưu 3 pha hình tia. Khi đó áp ra có thể không đủ giá trị 220V cho động cơ khi tải định mức.
c. Tính chọn chỉnh lưu và biến áp:
- Định mức áp chỉnh lưu: Áp khoá cực đại trên chỉnh lưu luôn bằng giá trị max của áp daây.
Ví dụ: Có thể chứng minh điện áp làm việc cực đại Ulvmax của chỉnh lưu cầu một pha bằng 2hiệu dụng áp lưới, chỉnh lưu cầu ba pha bằng 2 3= 6 áp pha, chỉnh lưu dùng biến áp có điểm giữa bằng 2 2 áp pha.
Lưu ý hệ số an toàn điện áp của linh kiện bán dẫn được chọn > 2.
- Định mức dòng chỉnh lưu và dòng qua BA (nếu có):
Từ giá trị dòng tải cho trước Io, ta có thể tính giá trị dòng điện qua các phần tử mạch điện khi giả định được dạng dòng tải của bộ chỉnh lưu, lưu ý Io là giá trị trung bình. Có thể chọn một trong 3 dạng sau phụ thuộc chế độ làm việc của tải, xếp theo thứ tự nhấp nhô tăng daàn:
* Dòng tải phẳng – liên tục: tải có L
lớn hay làm việc ở góc điều khiển pha bé Io
0 2
* Dòng xung hình sin: tải có L lớn nhưng làm việc ở góc điều khiển pha lớn, ví dụ động cơ một chiều làm việc ở áp khá bé so với định mức
Io Imax
0 2
* Xung tam giác: tải có L bé (hay bằng
0) và làm việc ở góc điều khiển pha lớn Io max
I
0 2
Việc chọn dạng dòng nhằm mục đích nâng cao độ chính xác cho thiết kế sơ bộ.
Như đã giới thiệu ở chương II, các linh kiện công suất có thể chọn sơ bộ bằng giá trị trung bình hay hiệu dụng trong khi dây dẫn hay biến áp cần chọn theo giá trị hiệu dụng vì chúng phát nóng do điện trở. Có thể chứng minh định mức dòng theo giá trị trung bình không phụ thuộc dạng sóng trong khi định mức dòng theo hiệu dụng tăng theo độ méo dạng. Cách thứ hai chính xác hơn đối với chỉnh lưu.
Để tính toán, ta vẽ dạng dòng qua các phần tử của mạch và tính được dòng qua chúng hay sử dụng công thức cho ở các bảng tổng kết.
Ví dụ tính toán dòng qua các phần tử có thể xem lại chương chỉnh lưu (mục III.4.3):
1. Thiết kế bộ chỉnh lưu cho điều khiển động cơ DC kích từ độc lập 400 V/ 200A từ lưới điện 3 pha 380V (áp dây): chọn sơ đồ, tính toán các thông số hoạt động của bộ chỉnh lưu điều khiển pha, tính dòng trung bình, áp ngược cực đại SCR, dòng hiệu dụng qua các phần tử mạch khác.
Chọn chỉnh lưu cầu 3 pha (không dùng BA): Vdo = 1.35*380 = 514V
Áp ra cần thiết Uo = 1.2 * 400 = 480 = Vdo.cos α => α . Giá trị này đủ nhỏ để việc không dùng BA là hợp lý.
Dòng trung bình qua SCR 200/3 A áp ngược max trên SCR 380* 2V, dòng hiệu dụng lưới điện: 200 2 / 3A
2. Thiết kế bộ chỉnh lưu cho điều khiển động cơ DC kích từ độc lập 180 V/ 20A từ lưới ủieọn coõng nghieọp 220V/380V:
Chọn chỉnh lưu cầu 1 pha 4 SCR (không dùng BA) sử dụng áp pha vì công suất động cơ còn bé, sơ đồ 1 pha đơn giản:
Udo = 0.9*220 = 198V
Áp ra cần thiết Vo = 1.2 * 180 = 216 > 198 V cho thấy cần sử dụng biến áp tăng áp hay sử dụng đầu vào là chỉnh lưu áp dây (380V) để động cơ có thể hoạt động ở chế độ định mức.
Trong thực tế ta vẫn có thể sử dụng áp pha và biết rằng động cơ sẽ không thể có tải định mức ở tốc độ định mức được: α MIN = 0 Vo = 198 V => áp động cơ khi đó còn 198/1.2 = 165 V, tương ứng với khoảng 165/180 = 91% tốc độ định mức. Các tính toán này thực hiện với ước lượng tổng các sụt áp bằng 20% áp đặt vào động cơ.
Dòng trung bình qua SCR 20/2 áp ngược max trên SCR 220* 2V, dòng hiệu dụng lưới điện: 20 A.
Có thể chọn sơ đồ điều khiển không hoàn toàn (SCR + Diode), khi đó định mức các linh kiện được chọn theo điều kiện làm việc xấu nhất, với góc dẫn lớn nhất bằng π tương ứng với dòng tải định mức bằng 20 A => dòng trung bình qua SCR và diode bằng 20/2 và dòng qua diode phóng điện là 20 A (tương ứng góc dẫn 2π)
d. Tính chọn mạch lọc ngỏ ra:
Như đã giới thiệu trong phần sơ đồ khối, mạch lọc ngỏ ra có thể không cần trong các bộ nguồn. Ta cũng biết rằng áp ra của bộ biến đổi luôn chứa sóng hài bậc cao và cũng đã đánh giá ảnh hưởng của nó trên tải nhưng bộ lọc ngỏ ra chỉ được sử dụng khi thật sự cần thiết, khi có yêu cầu hạn chế nhấp nhô dòng, áp ngỏ ra vì nó làm tăng giá thành, kích thước của bộ nguồn. Việc tính chọn thông số bộ lọc ngỏ ra của bộ nguồn một chiều đã được giới thiệu trong phần khảo sát BBĐ tương ứng, ở đây chỉ liệt kê một số bộ nguồn một chiều có mạch lọc:
- Bộ cấp điện cho các mạch điện tử cần áp ra phẳng, ổn định luôn có lọc LC ngỏ ra.
Lưu ý tự cảm tản của biến áp cũng cần tính vào L của mạch lọc.
- Các bộ nạp accu công suất lớn thường có cuộn kháng nối tiếp tải để hạn chế nhấp nhô dòng nạp do điện trở trong của accu thường rất bé. Các bộ điều khiển động cơ một chiều có thể cần cuộn kháng san bằng để làm cho dòng tải liên tục, momen ít nhấp nhô.
- Một số trường hợp bộ nguồn xi mạ kim loại có lọc LC để làm phẳng dòng điện theo yeõu caàu cuỷa coõng ngheọ.
3. Điều khiển bộ nguồn chỉnh lưu:
Như đã giới thiệu ở hình VI.1.1, hệ thống điều khiển bộ nguồn nói chung và chỉnh lưu bao goàm:
- Mạch phát xung: có nhiệm vụ cung cấp xung tín hiệu điều khiển các ngắt điện theo tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển vòng kín. Mạch phát xung điều khiển pha đã được giới thiệu chi tiết ở III.6, có thể tham khảo đặc tính vi mạch điều khiển pha TCA785 (thuộc họ TCA78x) ở phần phụ lục.
- Khối bảo vệ: Trong bộ nguồn bán dẫn, ngoài các bảo vệ cơ bản đã được giới thiệu trong chương I là ngắt ngỏ vào hay tắt tín hiệu điều khiển SCR khi xảy ra sự cố trong hệ thống, chức năng bảo vệ còn dễ dàng được tích hợp vào khối điều khiển vòng kín nhằm hạn chế ngỏ ra (dòng, áp…) không ra ngoài vùng làm việc cho phép, tránh các khả năng hư hỏng có thể xảy ra.
- Khối điều khiển vòng kín: Có nhiệm vụ điều khiển ngỏ ra BBĐ để bộ nguồn có tính chất mong muốn bằng cách xử lý tín hiệu phản hồi từ tải hay bên trong BBĐ và tín hiệu đặt theo các nguyên lý điều khiển tự động. Bộ nguồn một chiều, bộ nguồn nói chung và hầu hết thiết bị điều khiển công nghiệp đều sử dụng hệ thống điều khiển nhiều vòng sẽ được giới thiệu chi tiết ở VI.4.