Bài giảng Điện tử công suất - Chương 6: Hệ thống điều khiển bộ biến đổi - Nguyễn Tiến Ban

Nội dung text: Bài giảng Điện tử công suất - Chương 6: Hệ thống điều khiển bộ biến đổi - Nguyễn Tiến Ban

1. Chơng 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 tợng 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 lợng 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 tơng 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. Phơng pháp xây dựng bộ điều chế Bộ điều chế là bộ biến đổi tín hiệu điều khiển Uđk thành góc điều khiển đợc 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 thờng 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 ca ( điện áp tựa - RC), + Bộ so sánh ( SS). Hai tín hiệu điện áp tựa và điện áp điều khiển đợc 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 lu U d 0 U d = U d 0 cos = U dk U m Nh vậy đặc tính điều chỉnh Ud=f(Udk) của bộ chỉnh lu là hàm tuyến tính ( đờng 1) 6
7. Nguyên lý điều khiển dịch pha Dùng bộ quay pha để thay đổi pha của đ/áp hình sin đợc 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. Nhợc điểm: Bộ quay pha rất nhạy cảm với dạng điện áp và tần số nên pp này ít dùng 7
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 lu một pha hai nửa chu kì có điểm trung tính để tạo ra điện áp chỉnh lu U (1) Điện áp U (1) đợc so sánh với Uo để tạo nên các tín hiệu tơng 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 đợc đa 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 ca + Mạch tạo xung răng ca tuyến tính dùng transistor T1 tạo nguồn dòng nạp cho C, khi T2 khoá tụ C đợc 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 ca 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 ca dùng khuếch đại thuật toán + Mạch chỉ dùng khuếch đại thuật toán Sử dụng mạch tích phân. Tụ đợc phóng nạp nhờ nguồn hai cực tính: Khi điện áp U1 dơng (E), điện áp trên tụ U2 nạp : − E U 2 = U C = T1 R2C đây là đờng tuyến tính dốc xuống phía dới. Khi điện áp vào mang dấu âm (-E) thì điện áp U : 2 E U 2 = U C = T2 R2C đây là đờng đi lên phía trên. Bằng cách thay đổi thời gian phóng(T1) và thời gian nạp (T2) và các giá trị R1, R2 tơng ứng, đầu ra có thể nhận đợc dạng răng ca: dốc lên (b) dốc xuống ( c) hoặc tam giác (d) 15
13. Mạch tạo điện áp răng ca dùng khuếch đại thuật toán + Mạch dùng khuếch đại thuật toán và transistor Dùng mạch tích phân và khoá K, khoá K đợc 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 trờng ( công nghệ MOS) hoặc dùng khoá điện tử. 17
14. Mạch tạo điện áp răng ca dùng khuếch đại thuật toán + Mạch tạo điện áp tựa hàm Cost Nếu điện áp vào là nửa điện áp Sint thì: −1 t U 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 = Điện áp ra sẽ là: U RC U = m cost R RC Điện áp tựa có dạng cosint 19
15. Khâu so sánh Nhận tín hiệu hai điện áp tựa ( răng ca) và điện áp điều khiển, so sánh hai điện áp này, tìm thời điểm chúng bằng nhau ( Uđk = U răng ca) thì phát xung đầu ra để gửi sang khâu khuếch đại. Để so sánh tín hiệu tơng tự ( analog) thờng dùng transistor hoặc kđ thuật toán. Do KĐTT có nhiều u 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 thờng dùng trong các bộ đ/k đơn giản. Độ rộng xung: Tx = k.Tmở với Tmở thời gian để dòng qua T đạt giá trị định mức. 21
17. + Bộ tạo xung có độ dài tuỳ ý và đợc trộn với xung tần số cao: Sử dụng xung có độ dài lớn nhng vẫn đảm bảo kích thớc cho biến áp xung ( BAX) gọn nhẹ. Tx > 60o ( dùng cho sơ đồ cầu chỉnh lu 3 pha). Tổn hao công suất trên cực đ/k lớn. + Bộ tạo xung tạo ra các số lợng xung khác nhau tuỳ theo chế độ hoặc sơ đồ: Tạo xung đơn với số lợng tuỳ ý, giảm đợc 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 thờng đợc áp dụng trong mạch công suất rất lớn. 22
18. Mạch tạo xung dùng máy phát blocking Blocking là mạch dao động phản hồi dơng tạo xung có sờn dốc chất lợng 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 đa tín hiệu ra, cuôn w2 là cuộn phản hồi. Bình thờng, 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 đợc mắc sao cho điện áp trên w2 có dấu dơng đặt vào bazơ của bóng tạo phản hồi dơng 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: Do có điện áp phản hồi nên dòng bazơ: Vẫn còn mặc dù xung đầu vào đã kết thúc. 23
19. Lúc này, lõi thép bắt đầu đợc 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 dơng 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 ngời ta sử dụng thyristor trong mạch điều khiển. 26
21. Tụ C đợc nạp điện với cực tính nh 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 lợng cuộn đầu ra của BAX chọn tuỳ ý. RB đợc chọn để T1 và T2 làm việc ở trạng thái bão hoà: UV RB = K.I B K thờng chọn = 1.1  1.2 28
23. Nhợc 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 đợc trộn với xung có chu kì Tf nhỏ hơn rất nhiều so với Tx thông qua mạch logic AND. Bộ phát xung cao tần thờng là bộ đa hài tạo xung vuông có f = 5  10 Kz. Biến áp xung đợc 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 Nhợc điểm: + Giảm chất lợng xung điều khiển, + Khó chuẩn hoá mạch, + Tăng kích thớc mạch điều khiển 32
26. Một số mạch điều khiển chỉnh lu thông dụng 39
27. Mạch điều khiển chỉnh lu dùng transistor một tiếp giáp ujt Mạch điều khiển đợc đồng bộ bằng nguồn nuôi ( chỉnh lu, R1 và Dz) Khi điện áp trên C tăng đến Uo = .E (= 0.6 0.8: Hệ số ngỡng) thì UJT mở tạo xung trên cuộn w1. Thay đổi R3 thay đổi đợc thời điểm tạo xung ( thay đổi góc = 10  170o) 40