CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐỘ RỘNG XUNG. I. Bộ băm điện áp một chiều. 1. Giơi thiệu. Bộ băm xung một chiều có thể coi như là bộ biến đổi DC/DC mà điện áp biến đổi được đảm nhận bằng các linh kiện bán dẫn công suất. Nhiệm vụ chính của nó là thay đổi điện áp ra theo yêu cầu điều chỉnh hoặc ổn đònh điện áp ra tải. Băm xung một chiều được sử dụng nhiều trong các thiết bò như động cơ điện một chiều, các bộ phận nung đốt bằng diện trở, các cơ cấu điện từ, mạch ổn áp dải rộng Van thích hợp với băm xung một chiều là các loại mà điều khiển được cả quá trình mở và khoá van, do đó thường dùng Transistor (lưởng cực, MOSFET, IGBT). Khi cần công suất ra tải lớn (dòng điện và điện áp cao) ta phải dùng đến Tiristor. Vì Tiristor là một linh kiện bán dẫn công suất có thể chòu được dòng điện qua nó rất lớn và cho phép điện áp ngược đặt lên nó khá cao. Để mạch băm xung hoạt động thì các phần tử đóng vai trò là van đóng mở phải được điều khiển bằng các xung kích trong thời gian thích hợp. Trong hầu hết các linh kiện đóng mở bán dẫn công suất, việc đóng cắt được thực hiện bằng cách đưa tín hiệu thích hợp vào chân điều khiển. Đối với thyristor thì điều này không thể thực hiện được vì cực cổng chỉ có tác dụng trong việc kích mở thyristor mà thôi. Để tắt thyristor khi đã dẫn trong nguồn DC, ta phải thêm vào các phần tử chuyển mạch để có được các diều kiện tắt là đặt điện áp ngược trên hai đầu thyristor hoặc làm cho dòng chạy qua nó bò triệt tiêu. Bộ băm xung một chiều có thể chia thành ba loại cơ bản : – Bộ băm có van mắc song song tải còn điện cảm mắc nối tiếp với tải (kiểu song song). – Bộ băm đảo dòng. Hai loại băm này có ưu điểm là cho điện áp ra trên tải lớn hơn điện áp nguồn nhưng nó không thích hợp với tải có công suất lớn nên ít được sử dụng. – Bộ băm có van và điện cảm mắc nối tiếp với tải (kiểu nối tiếp) Bộ băm này chỉ cho điện áp ra nhỏ hơn điện áp nguồn nhưng có ưu điểm sử dụng được cho tải có công suất cao, do đó nó thông dụng hơn. Trong phạm vi cuốn đồ án này, người thực hiện chỉ đề cập đến bộ băm có van mắc nối tiếp với tải. Hoạt động của nó dựa trên nguyên tắc đóng – ngắt tải với nguồn theo chu kỳ : trong một chu kỳ T (hình aa), khoảng thời gian t o cho van dẫn nên điện áp nguồn E đưa thẳng ra tải, trong khoảng thời gian còn lại (T-t o ) van hở, làm điện áp trên tải bằng không. Do đó điện áp trung bình một chiều ra tải là: R EED I d t   . Trong đó D = t o /T là tỷ số chu kỳ của bộ băm. T t o Hình III.1 Theo biểu thức trên ta thấy để điều chỉnh được điện áp ra tải có thể thay đổi độc lập t o , T hoặc đồøng thời cả hai tham số này, thông dụng nhất là phương pháp thay đổi t o trong khi giữ chu kỳ Tcố đònh. Như vậy từ điện áp nguồn không đổi và liên tục, bằng cách “băm” nó ra thành các xung, ta có thể điều chỉnh được điện áp ra. Để thiết kế hay khảo sát một bộ băm xung, người ta thường quan tâm đến các chế đo ä dòng điện. Theo nguyên lý hoạt động, trong khoảng thời gian van khóa, nguồn bò ngắt khỏi tải, tuy nhiên do tải có tính điện cảm nên dòng điện tải vẫn tiếp tục chảy quẩn qua điôt D 2 nhờ năng lượng tích lũy ở điện cảm này. Căn cứ vào các tham số R, L, E d (sức điện động bên trong tải) và khoảng thời gian ngắt nguồn (T-t o ) mà dòng điện tải có thể tồn tại đến khi van dẫn trở lại (gọi là chế độ dòng điện liên tục ) hoặc sẽ tắt trước đó (chế độ dòng điện gián đoạn). Để biết được mạch hiện có đang làm việc ở chế độ dòng điện nào cần dựa theo một trong các điều kiện giới hạn giữa hai chế độ này như sau : a. Theo thời gian van dẫn t gh :        )1(1ln R L T d gh e E E R L t Nếu thời gian van dẫn thực tế t o < t gh , thì dòng điện gián đoạn, ngược lại t o > t gh , dòng điện sẽ liên tục. b. Theo trò số trung bình dòng điện tải giới hạn I gh : 0 . 1 . 1 1 1 1 , ); 1 1 .( t L R T L R gh ebea a b aD R E I     Nếu dòng thực của tải I t < I gh , dòng điện là gián đoạn còn I t > I gh , dòng điện là liên tục. c. Theo trò số của sức điện động E d : 1 1 1 1 1 . a b aEE dgh    Nếu E d > E dgh thì dòng điện gián đoạn. Nếu E d < E dgh thì dòng điện liên tục. Các biểu thức tính toán ở chế độ dòng điện liên tục : Điện áp trung bình ra tải : U t = D.E Dòng điện trung bình qua tải : R EED I d t   . Các dạng sóng thể hiện như sau : u t E 0 t o T (T+t o ) 2T t i t Imax Imin 0 t i T Imin 0 t Qui luật biến thiên dòng điện tải i t : Giai đoạn từ 0 đến t 0 : t L R d e a ba R E R EE ti . 1 11 1 1 1. )(       Giai đoạn từ t 0 đến T: . 1 1 2 1 1 )( t L R d e a b R E E R tt      Giá trò cực đại dòng tải Imax: )( 1 1 )0( 1 1 1 2max R E a b R E tiI d      Giá trò cực tiểu dòng điện tải I min : R E a aba R E tiI d     1 111 1min 1 . )0( Độ đập mạch dòng điện tải  I: 1 11 1 1 1 ).1)(1( a bab R E I     Trò số trung bình của dòng điện qua điôt: )1( )1( ).1)(1( 0 1 11 1 1 T t R E aTR babL R E I d D      Trò số ûtrung bình dòng điện qua van : TR Et a bab TR L T t R E I d V . 1 ).1)(1( . . 0 1 11 1 10            Các biểu thức tính toán ở chế độ dòng điện gián đoạn : Đồ thò làm việc của chế độ này như hình vẽ sau đây: u t E E d E 0 t o T t i t i n I max 0 t i T t o 0 t Điện áp trung bình ra tải : )1( 0 T t EE T t U n dt  Trong đó t n là khoảng thời gian dòng điện tải còn tiếp tục chảy kể từ khi ngắt nguồn E khỏi tải và được xác đònh theo biểu thức sau:           )1(1ln 1 1 b E EE R L t d d n Dòng điện trung bình qua tải : R EU I dt t   Quy luật biến thiên dòng điện tải i t : Giai đoạn từ 0 đến t 0 : )1()( 1 t L R d e R EE tt     Giai đoạn từ t o đến T (hay đến t n ) : t L R d t L R d eb R EE e R E ti . 1 1 . 2 )1()1()(       Giá trò cực đại dòng tải I max : )1( 1 1max     b R EE I d giá trò dòng điện cực tiểu I min tất nhiên bằng không. 2. Giới thiệu bộ băm xung một chiều tắt cưỡng bức bằng điện áp. Hình III.6 a. Vai trò của các linh kiện trong mạch (hình III.6) : S 1 là SCR chính có nhiệm vụ nối hoặc ngắt nguồn với tải. XK1 : mạch kích cho SCR1. S 2 là SCR phụ, tham gia vào việc ngắt (khoá) S 1 . XK2 : mạch kích cho SCR2. LC làm nhiệm vụ dao động, D 1 ngăn dòng điện ngược, D 2 bảo vệ cho mạch khi S1 ngắt. b. Nguyên lý hoạt động của mạch : Giả sử các SCR (S1, S2) đều lý tưởng và các linh kiện trong mạch không có tổn hao. Khi nguồn một chiều E đã được cấp, trạng thái ban đầu : S1 và S2 đều bò khoá (tức chưa có xung kích ở cực cổng) thì không có bất kỳ một dòng điện nào chạy qua tải. Để mạch hoạt động một cách hợp lý thì đầu tiên cho tụ C nạp bàng cách cho xung điều khiển vào cực cổng của S2, lúc này mạch điện hình III.6 tương đương như hình III.a : tụ điện C sẽ được nạp theo đường E_ Rt _ C _ S2 _E và dòng i c giảm dần theo hàm mũ từ giá trò đầu E/Rt . Sau một khoảng thời gian, tụ C được nạp tới điện áp E của nguồn, nhưng thực tế khi dòng điện tải giảm dưới mức duy trì của S2 thì dòng điện ngưng. Khi có xung điều khiển vào cực cổng của S1, làm S1 đóng mạch như hình III.b, lúc này tụ C phóng điện qua S1 - L –D1 – C và được nạp ngược lại. Điện áp trên tụ tăng dần theo chiều ngược lại và cuối cùng, diện áp trên nó sẽ là u c = -E do có sự xuất hiện dao động LC. Dao động LC trong mạch sẽ nạp vào tụ C và nó chỉ kéo dài trong một nửa chu kỳ (vì D1 ngăn dòng điện ngược). Lúc này nếu cho xung để mở S2, thì S1 sẽ chòu điện áp ngược u c = -E làm S1 ngưng dẫn (trạng thái chuyển từ hình III.b hình III.a). Gọi chu kỳ băm là T: T = T 1 +T 2 . Thời gian đóng mạch của S 1 là T 1 : T 1 = T. Thời gian ngắt mạch của S 1 là T 2 =T –T 1 và tỷ số chu kỳ là D = T 1 /T. Gía trò trung bình của điện áp tải : DUUdt T U DT t   0 1 Bằng cách làm biến đổi tỷ số chu kỳ D (trong khi giữ cho tần số không đổi T=const) ta có thể điều chỉnh được giá trò trung bình của điện áp một chiều đặt trên tải.  Trường hợp tải là R+L : 2 2 1 c LiW  Tải trở kháng tích luỹ một năng lượng điện từ : Hình IIIA Hình IIIb Khi dòng i c tăng trưởng, D 2 có thể hoàn trả năng lượng. D 2 đấu song song ngược với mạch tải để tạo đường phóng điện cho khối năng lượng điện từ nói trên, khi dòng i c giảm. Lúc đầu dòng tải i c = 0, dòng i c được xác lập dần dần. Qua một vài chu kỳ dòng i c sẽ biến động giữa hai giá trò I 1 và I 2 . E i I 2 E I 1 0 T 1 T 2 pha quá độ t 0 T t Ký hiệu bộ băm điện áp là: Đ ERi dt di L c c  Khi Đ đóng ta có phương trình : 0 c c Ri dt di L Còn khi Đ mở ta có : . cần công suất ra tải lớn (dòng điện và điện áp cao) ta phải dùng đến Tiristor. Vì Tiristor là một linh kiện bán dẫn công suất có thể chòu được dòng điện. CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP BẰNG CÁCH THAY ĐỔI ĐỘ RỘNG XUNG. I. Bộ băm điện áp một chiều. 1. Giơi thiệu. Bộ