Bài giảng điện tử công suất - Chương 6: Hệ thống điều khiển bộ biến đổi

Nội dung text: Bài giảng điện tử công suất - Chương 6: Hệ thống điều khiển bộ biến đổi

1. CHƯƠNG 6 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIỂN ĐỔI 1
2. KHÁI QUÁT – PHÂN LOẠI CHỨC NĂNG, CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI GỒM 2 PHẦN: + MẠCH ĐỘNG LỰC CHỨA VAN: THYRISTOR, GTO, TRANSISTOR CÔNG SUẤT + MẠCH ĐIỀU KHIỂN: HỆ THỐNG THỰC HIỆN BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN THÀNH TÍN HIỆU CẦN THIẾT PHÙ HỢP VỚI ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN ĐỂ TÁC ĐỘNG HOẠT ĐỘNG ĐÓNG MỞ CÁC KHOÁ BÁN DẪN. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GỒM HAI PHẦN CHÍNH: -PHẦN CHỨA THÔNG TIN VỀ QUY LUẬT ĐIỀU KHIỂN: THỰC HIỆN CÁC CHỨC NĂNG KHÁC NHAU TUỲ THUỘC VÀO CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI VÀ LĨNH VỰC SỬ DỤNG, -PHẦN TẠO NÊN NĂNG LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN ĐỂ ĐÓNG MỞ CÁC VAN CÔNG SUẤT. PHÂN LOẠI: PHÂN LOẠI THEO BỘ BIẾN ĐỔI: + ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ THUỘC, + ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI ĐỘC LẬP. 2
3. Phân loại theo tín hiệu điều khiển: + Hệ điều khiển tương tự, + Hệ điều khiển số. Phân loại theo số kênh điều khiển: + Bộ điều khiển một kênh, + Bộ điều khiển nhiều kênh. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ THUỘC 3
4. 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 ĐIỂM CHUYỂN MẠCH TỰ NHIÊN CỦA VAN ĐỘNG LỰC. XÁC ĐỊNH GÓC PHẢI CÓ THÔNG TIN VỀ PHA CỦA ĐIỆN ÁP ĐẶT LÊN VAN ĐỘNG LỰC, ĐÓ LÀ BỘ ĐIỀU CHẾ ĐỒNG BỘ. BỘ ĐIỀU CHẾ ĐỒNG BỘ THƯỜNG SỬ DỤNG TRONG MẠCH ĐK HỞ. BỘ ĐIỀU CHẾ ĐỒNG BỘ CÓ THỂ TẠO RA CÁC ĐẶC TÍNH ĐIỀU KHIỂN KHÁC NHAU TUỲ THUỘC VÀO NGUYÊN LÍ ĐIỀU KHIỂN 4
5. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN DỌC BỘ ĐIỀU KHIỂN BAO GỒM: + BỘ TẠO XUNG RĂNG CƯA ( ĐIỆN ÁP TỰA - RC), + BỘ SO SÁNH ( SS). HAI TÍN HIỆU ĐIỆN ÁP TỰA VÀ ĐIỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN ĐƯỢC SO SÁNH NHAU, TẠI URC = UĐK, BỘ SS TẠO RA XUNG ĐIỀU KHIỂN 5
6. Đặc tính pha của bộ điều chế phụ thuộc vào dạng điện áp tựa. Nếu điện áp có dạng Cosin : U RC (1) = U m cost Chọn t = 0 là thời điểm chuyển mạch tự nhiên thì khi t = điện áp: U m cos = U dk U Và = ar cos dk U m Điện áp ra của chỉnh lưu U d 0 U d = U d 0 cos = U dk U m Như vậy đặc tính điều chỉnh Ud=f(Udk) của bộ chỉnh lưu là hàm tuyến tính ( đường 1) 6
7. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN DỊCH PHA DÙNG BỘ QUAY PHA ĐỂ THAY ĐỔI PHA CỦA Đ/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 . TẠI THỜI ĐIỂM KHI ĐIỆN ÁP X/CHIỀU ĐI QUA 0 SẼ TẠO NÊN XUNG ĐK TU. NHƯỢC ĐIỂM: BỘ QUAY PHA RẤT NHẠY CẢM VỚI 7 DẠNG ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ
8. MỘT SỐ MẠCH THÔNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ THUỘC 8
9. Mạch tạo tín hiệu đồng bộ + Dùng chỉnh lưu một pha hai nửa chu kì có điểm trung tính để tạo ra điện áp chỉnh lưu U (1) Điện áp U (1) được so sánh với Uo để tạo nên các tín hiệu tương ứng với thời điểm điện áp nguồn đi qua điểm 0. Uo càng nhỏ thì U (2) càng hẹp và phạm vi điều chỉnh càng lớn. Nếu chọn max = 175o thì: o Uo = 2U 2 sin 5 Giá trị này làm cơ sở để tính phân áp R1 và R2 9
10. + Dùng nguồn không đối xứng cho khuếch đại thuật toán Tín hiệu xoay chiều U (1) sau khi qua khâu so sánh sẽ có xung vuông U (2) , tín hiệu này được đưa vào khâu cộng module 2 ( =1) và mạch trễ R2C2 để ạo ra một xung đồng bộ ứng với điểm U (1) đi qua điểm 0. Độ rộng TX = RC ln 2 là cơ sở để chọn R2 và L2 11
11. Mạch tạo điện áp răng cưa + Mạch tạo xung răng cưa tuyến tính dùng transistor T1 tạo nguồn dòng nạp cho C, khi T2 khoá tụ C được náp Ic = const và tăng tuyến tính. Khi có xung mở T2, C sẽ phóng điện qua T2 ( hình a): 1 t I U = I dt = C t C C C 0 C Các T1, R2, RE chọn sao cho bóng làm việc ở chế độ A. Muốn tạo đ/áp răng cưa dốc xuống, dòng phóng của tụ phải duy trì không đổi nhờ T3 làm việc ở chế độ A ( hình b). Diode D1 dùng để hạn chế giá trị điện áp trên tụ C ( UCmax = E – UD1) 13
12. Mạch tạo điện áp răng cưa dùng khuếch đại thuật toán + Mạch chỉ dùng khuếch đại thuật toán Sử dụng mạch tích phân. Tụ được phóng nạp nhờ nguồn hai cực tính: Khi điện áp U1 dương (E), điện áp trên tụ U2 nạp : − E U 2 = U C = T1 R2C đây là đường tuyến tính dốc xuống phía dưới. Khi điện áp vào mang dấu âm (-E) thì điện áp U : 2 E U 2 = U C = T2 R2C đây là đường đi lên phía trên. Bằng cách thay đổi thời gian phóng(T1) và thời gian nạp (T2) và các giá trị R1, R2 tương ứng, đầu ra có thể nhận được dạng răng cưa: dốc lên (b) dốc xuống ( c) hoặc tam giác (d) 15
13. Mạch tạo điện áp răng cưa dùng khuếch đại thuật toán + Mạch dùng khuếch đại thuật toán và transistor Dùng mạch tích phân và khoá K, khoá K được điều chỉnh bởi tín hiệu đồng bộ, xung đồng bộ kết thúc, K mở, tụ C nạp: E I = = I = Const R R C −1 t −1 t E − E U = U = I dt = dt = t R C C C 0 C 0 R RC Tại t1, K đóng, UC = 0. Để tránh ngắn mạch các mạch phụ thay khoá K bằng bóng trường ( công nghệ MOS) hoặc dùng khoá điện tử. 17
14. Mạch tạo điện áp răng cưa dùng khuếch đại thuật toán + Mạch tạo điện áp tựa hàm Cost Nếu điện áp vào là nửa−1 t điện áp SinUt thì:U U = U sin .tdt = m − m cost R m RC 0 RC RC Cần đặt ở đầu ra điện áp chuyển dịch: U m U cd = U RC U = m cost Điện áp ra sẽ là: R RC Điện áp tựa có dạng cosint 19
15. KHÂU SO SÁNH NHẬN TÍN HIỆU HAI ĐIỆN ÁP TỰA ( RĂNG CƯA) VÀ ĐIỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN, SO SÁNH HAI ĐIỆN ÁP NÀY, TÌM THỜI ĐIỂM CHÚNG BẰNG NHAU ( UĐK = U RĂNG CƯA) THÌ PHÁT XUNG ĐẦU RA ĐỂ GỬI SANG KHÂU KHUẾCH ĐẠI. ĐỂ SO SÁNH TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ ( ANALOG) THƯỜNG DÙNG TRANSISTOR HOẶC KĐ THUẬT TOÁN. DO KĐTT CÓ NHIỀU ƯU ĐIỂM NÊN HIỆN NAY KHÂU SO SÁNH SỬ DỤNG LOẠI NÀY LÀ CHỦ YẾU. 20
16. CÁC BỘ TẠO XUNG ĐẦU RA BỘ TẠO XUNG ( DRIVER) : NHIỆM VỤ: TẠO VÀ KHUẾCH ĐẠI XUNG CÓ DẠNG, ĐỘ DÀI VÀ CÔNG SUẤT ĐỦ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MỞ THYRISTOR. BỘ TẠO XUNG CÒN CÓ NHIỆM VỤ THỰC HIỆN CÁCH LI GIỮA MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ MẠCH ĐỘNG LỰC. BỘ TẠO XUNG CÓ THỂ LÀ: + BỘ TẠO XUNG ĐƠN: XUNG ĐƠN, CÓ ĐỘ DÀI TX ỔN ĐỊNH. ĐẶC ĐIỂM: SƠ ĐỒ ĐƠN GIẢN, ĐỘ TIN CẬY CAO THƯỜNG DÙNG TRONG CÁC BỘ Đ/K ĐƠN GIẢN. ĐỘ RỘNG XUNG: TX = K.TMỞ VỚI TMỞ THỜI GIAN ĐỂ DÒNG QUA T 21 ĐẠT GIÁ TRỊ ĐỊNH MỨC.
17. + Bộ tạo xung có độ dài tuỳ ý và được trộn với xung tần số cao: Sử dụng xung có độ dài lớn nhưng vẫn đảm bảo kích thước cho biến áp xung ( BAX) gọn nhẹ. Tx > 60o ( dùng cho sơ đồ cầu chỉnh lưu 3 pha). Tổn hao công suất trên cực đ/k lớn. + Bộ tạo xung tạo ra các số lượng xung khác nhau tuỳ theo chế độ hoặc sơ đồ: Tạo xung đơn với số lượng tuỳ ý, giảm được tổn hao, chủ động trong điều khiển ( dùng cho các bộ biến đổi dòng gián đoạn). Cấu trúc phức tạp, cần làm việc với các sensor ( dòng, áp) nên thường được áp dụng trong mạch công suất rất lớn. 22
18. MẠCH TẠO XUNG DÙNG MÁY PHÁT BLOCKING BLOCKING LÀ MẠCH DAO ĐỘNG PHẢN HỒI DƯƠNG TẠO XUNG CÓ SƯỜN DỐC CHẤT LƯỢNG CAO, CÁCH LI GIỮA HAI MẠCH Đ/K VÀ ĐỘNG LỰC. MẠCH SỬ DỤNG BIẾN ÁP XUNG CÁCH LI VỚI CUỘN SƠ CẤP W1, W3 LÀ CUỘN THỨ CẤP ĐƯA TÍN HIỆU RA, CUÔN W2 LÀ CUỘN PHẢN HỒI. BÌNH THƯỜNG, T1 KHOÁ DO THẾ ÂM TỪ –E ĐẶT LÊN BAZƠ THÔNG QUA R2. KHI CÓ XUNG TỪ CỬA VÀO TẠI TO, T1 DẪN, CUỘN W1 XUẤT HIÊN SĐĐ E(T). CUỘN W2 ĐƯỢC MẮC SAO CHO ĐIỆN ÁP TRÊN W2 CÓ DẤU DƯƠNG ĐẶT VÀO BAZƠ CỦA BÓNG TẠO PHẢN HỒI DƯƠNG GIÚP CHO NÓ MỞ RẤT NHANH ĐỂ ĐẠT DÒNG IC BÃO HOÀ. KHI ĐÓ TOÀN BỘ ĐIỆN ÁP NGUỒN E ĐẶT LÊN W1, ĐIỆN ÁP RA: 23 DO CÓ ĐIỆN ÁP PHẢN HỒI NÊN DÒNG BAZƠ:
19. Lúc này, lõi thép bắt đầu được từ hoá và dòng Ic tăng lên ( vì dòng từ hoá I tăng) trong khi dòng Ib không đổi, T1 chuyển từ trạng thái bão hoà sang khuếch đại, điện áp UCE tăng lên, UW1 và UW2 giảm, lại có phản hồi dương nên quá trình này xảy ra nhanh và đến t1 thì T1 khoá hoàn toàn. Độ dài của xung ra Tx 24
20. MẠCH KHUẾCH ĐẠI XUNG ĐƠN CÔNG SUẤT KHI YÊU CẦU CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN LỚN CUNG CẤP CHO THYRISTOR LÀM VIỆC VỚI MẠCH CÔNG SUẤT LỚN NGƯỜI TA SỬ DỤNG THYRISTOR TRONG MẠCH ĐIỀU KHIỂN. 26
21. Tụ C được nạp điện với cực tính như hình vẽ, khi đ/k mở thyristor sẽ có xung trên cuộn w1 và w2. Biên độ xung bằng E, dòng E/Rw1. Rw1 là điện trở quy đổi về BAX, đồng thời xuất hiện IC phóng qua thyristor với dạng sóng sinus. Tại t2 dòng IC đổi dấu làm T khoá lại. D giảm điện áp trên T khi khoá. 27
22. BỘ KHUẾCH ĐẠI XUNG CÓ ĐỘ RỘNG TUỲ Ý SỬ DỤNG SƠ ĐỒ DARLINGTON ĐỂ NÂNG CAO HỆ SỐ KĐ VÀ CÔNG SUẤT. DÒNG: IC I B = 12 TRONG ĐÓ: 1 HỆ SỐ KĐ CỦA T1 2 HỆ SỐ KĐ CỦA T2  HIỆU SUẤT ( 0.7) CHỌN T2 LÀ CÔNG SUẤT LỚN, T1 KĐ DÒNG. SỐ LƯỢNG CUỘN ĐẦU RA CỦA BAX CHỌN TUỲ Ý. RB ĐƯỢC CHỌN ĐỂ T1 VÀ T2 LÀM VIỆC Ở TRẠNG THÁI BÃO HOÀ: UV RB = K.I B K THƯỜNG CHỌN = 1.1  1.2 28
23. Nhược điểm: Nếu truyền xung có độ rộng quá lớn ( tx >1 ms) thì BAX phải lớn, dạng xung xấu đi. 29
24. Hình trên là bộ trộn cao tần với điện áp Uv là xung có độ dài Tx được trộn với xung có chu kì Tf nhỏ hơn rất nhiều so với Tx thông qua mạch logic AND. Bộ phát xung cao tần thường là bộ đa hài tạo xung vuông có f = 5  10 Kz. Biến áp xung được tính với độ rộng xung Tf. Điện trở R5 mắc để hạn chế dòng qua transistor khi BAX bị bão hoà và làm phân áp khi muốn giảm áp trên cuộn W1 31
25. BIẾN ÁP XUNG MỤC ĐÍCH: + CÁCH LI GIỮA MẠCH ĐỘNG LỰC VỚI MẠCH ĐIỀU KHIỂN, + PHỐI HỢP TRỞ KHÁNG GIỮA CỰC ĐIỀU KHIỂN CỦA T VỚI MẠCH KĐ ĐẦU RA. + THAY ĐỔI CỰC TÍNH CỦA XUNG ( NẾU CẦN) YÊU CẦU: TRUYỀN XUNG VỚI ĐỘ MÉO ÍT NHẤT NHƯỢC ĐIỂM: + GIẢM CHẤT LƯỢNG XUNG ĐIỀU KHIỂN, + KHÓ CHUẨN HOÁ MẠCH, + TĂNG KÍCH THƯỚC MẠCH ĐIỀU KHIỂN 32
26. MỘT SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU THÔNG DỤNG 39
27. MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU DÙNG TRANSISTOR MỘT TIẾP GIÁP UJT Mạch điều khiển được đồng bộ bằng nguồn nuôi ( chỉnh lưu, R1 và Dz) Khi điện áp trên C tăng đến Uo = .E (= 0.6 0.8: Hệ số ngưỡng) thì UJT mở tạo xung trên cuộn w1. Thay đổi R3 thay đổi được thời điểm tạo xung ( thay đổi góc = 10  170o) 40