mientayvn.com li/Tai_lieu/Tai_lieu_ly_moi_1... · Trang 1/ chuong 1.doc Daøn baøi Ñieän töû coâng suaát II A Moân hoïc ÑIEÄN TÖÛ COÂNG SUAÁT II A THIEÁT KEÁ - ÑIEÀU

Trang 1/ chuong 1.doc Daøn baøi Ñieän töû coâng suaát II A

Moân hoïc ÑIEÄN TÖÛ COÂNG SUAÁT II A THIEÁT KEÁ - ÑIEÀU KHIEÅN - ÖÙNG DUÏNG)

TAØI LIEÄU THAM KHAŒO

- Power Electronics : Converters , Applications , and Design , NED MOHAN , New York, John Wiley, 3 rd edition 2003 .

- Electric drives, Ion Boldea, CRC, 2nd edition 2005

- Modern Power Electronics and AC Drives, B.K.Bose, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N. J., 2003

- Ñieàu chænh Töï ñoäng Truyeàn ñoäng ñieän, Buøi Quoác Khaùnh vaø moät soá taùc giaû khaùc, NXB Khoa hoïc Kyõ thuaät, Haø noäi, in laàn 2, 2001

- Ñieàu khieån soá ñoäng cô ñieän, Vuõ vaên Doanh, NXB Khoa hoïc Kyõ thuaät, Haø noäi, 1999

CHÖÔNG TRÌNH

Chöông moät : Caùc ngaét ñieän baùn daãn

Tính choïn vaø baûo veä – Maïch laùi ngaét ñieän.

Chöông hai : Boä nguoàn moät chieàu baùn daãn

Caùc boä nguoàn moät chieàu ñieàu khieån pha : Sô ñoà khoái - phaïm vi öùng duïng – Caùc böôùc thieát keá – Tính toaùn maïch loïc

Maïch phaùt xung ñieàu khieån pha

Heä thoáng ñieàu khieån nhieàu voøng.

Caáp ñieän ñoùng ngaét: Sô ñoà khoái – Khaûo saùt caáp ñieän duøng boä bieán ñoåi loaïi Flyback. – Maïch ñieàu khieån.

Chöông ba: Heä thoáng ñieàu khieån ñoäng cô moät chieàu duøng boä bieán ñoåi

Caùc vaán ñeà cuûa truyeàn ñoäng ñieän töï ñoäng duøng boä bieán ñoåi

Sô ñoà heä thoáng chænh löu ñoäng cô vaø caùc cheá ñoä laøm vieäc – Giôùi thieäu boä bieán ñoåi ñaûo chieàu vaø truyeàn ñoäng ñieän ñaûo chieàu quay.

Heä thoáng duøng boä bieán ñoåi aùp moät chieàu (Chopper) – Heä thoáng ñieàu khieån ñoäng cô chaáp haønh moät chieàu.

HT ñieàu khieån ñoäng cô böôùc.

Chöông boán : Heä thoáng ñieàu khieån ñoäng cô xoay chieàu duøng boä bieán ñoåi

Ñaëc tính ñoäng cô xoay chieàu : Phöông trình ñaëc tính cô - söï laøm vieäc ôû nguoàn khoâng hình sin.

Ñieàu chænh aùp ñoäng cô xoay chieàu : sô ñoà khôûi ñoäng ñoäng cô KÑB.

Ñieàu chænh taàn soá ñoäng cô xoay chieàu : caùc nguyeân taéc thay ñoåi ñieän aùp , haïn cheá soùng haøi - sô ñoà ñieàu khieån nghòch löu nguoàn aùp - sô ñoà ñieàu khieån bieán taàn V/F . Ñieàu khieån vecto. Ñieàu khieån ñoäng cô ñoàng boä.


Chöông naêm: Boä nguoàn xoay chieàu baùn daãn

Nguoàn taàn soá coâng nghieäp : Nguyeân lyù OÅn aùp AC vaø UPS.

Nguoàn taàn soá cao vaø gia nhieät caûm öùng : nguyeân taéc gia nhieät caûm öùng - nghòch löu noái tieâp - nghòch löu song song . Caùc boä nguoàn taàn soá cao duøng thyristor

***********************************************************************************

CHÖÔNG MOÄT : NGAÉT ÑIEÄN BAÙN DAÃN I. TÍNH CHOÏN NÑBD :

1. Loaïi linh kieän coâng suất:

a. Diod: - Chænh löu (+ taàn soá thaáp), phuïc hoài nhanh (fast recovery) laøm vieäc ôû taàn soá cao.

- coâng ngheä thöôøng – suït aùp moái noái pn ≈ 0.7 V, Schotty – suït aùp moái noái pn ≈ 0.3 V, chænh löu taàn soá cao nhöng aùp khoùa thaáp.

b. SCR: - Chænh löu, Nghòch löu.

- Ñaëc tính cöïc coång: amplified: doøng kích beù, LASCR: kích baèng quang

c. GTO vaø Thyristor-coù-caáu-truùc-phöùc-taïp: Söû duïng cho boä bieán ñoåi duøng NÑBD moät chieàu (taét cöôõng böùc) ôû coâng suaát lôùn, aùp raát cao.

- BJT: - SW: ñoùng ngaét, AF: aâm taàn, IF hay HF: cao taàn, low noise: ít nhieãu.

- Choïn theo heä soá khueách ñaïi, Darlington

- MosFET: AF (ít gaëp), SW (thoâng duïng), doøng < 60A (doøng ñònh möùc giaûm nhanh khi aùp khoùa taêng).

- IGBT: coù theå xem laø noái taàng MosFET + BJT, chæ coù coâng duïng ñoùng ngaét, cheá taïo ôû doøng lôùn (> vaøi chuïc A).

2.Ñònh möùc aùp: VDRM > katV * Vlvmax

Vlvmax : AÙp laøm vieäc max. VDRM : AÙp khoùa.

katV : heä soá an toaøn aùp ≥ 2.

3. Ñònh möùc doøng:

Cô sôû cho vieäc tính choïn ñònh möùc doøng laøsöï phaùt noùng cuûa linh kieän khi laøm vieäc.

Ñieàu kieän:

Nhieät ñoä moái noái θJ < Nhieät ñoä cho pheùp θcp

- Söï truyeàn nhieät töø tinh theå baùn daãn ra moâi tröoøng xung quanh:

moái noái θJ voû SCR θC taûn nhieät θH moâi tröôøng θA.


töông öùng phöông trình:

)RRR(P HACHJCAJ ++⋅Δ=θ−θ

+ RJC: ñieän trôû nhieät moái noái (Junction) – voû (Case)

+ RCH: ñieän trôû nhieät voû – taûn nhieät (Heatsink)

+ RHA: ñieän trôû nhieät taûn nhieät – moâi tröôøng (Ambience)

Giaûi maïch ÑTCS => toån hao coâng suaát ΔP

Tính toaùn nhieät => θJ .

Neáu θJ < θcp thì naâng ñònh möùc linh kieän (giaûm RJC) hay caûi thieän ñieàu kieän taûn nhieät (giaûm RHA , RCH).

- Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán khaû naêng taûi:

Löïc eùp vaø beà maët tieáp xuùc linh kieän – taûn nhieät.

Nhieät ñoä moâi tröôøng.

Cheá ñoä taûn nhieät: trong buoàng kín, ñoái löu töï nhieân, cöôõng böùc.

Caùch laép linh kieän coâng suaát voû TO220AB vaøo taûn nhieät

- Phöông phaùp tính gaàn ñuùng: Choïn theo doøng trung bình hay hieäu duïng + kieåm tra nhieät ñoä voû linh kieän.

Doøng laøm vieäc trung bình IO < Giaù trò trung bình ñònh möùc IAVE hay Doøng laøm vieäc hieäu duïng IR < Giaù trò hieäu duïng ñònh möùc IRMS

Quan heä giöõa hai giaù trò naøy cuûa chænh löu (D hay SCR):

IRMS = 1.57 IAVE

Ñoái vôùi transistor (BJT, MosFET): xem caùc ñoà thò cuûa nhaø saûn xuaát, IRMS , IAVE laø haøm soá cuûa daïng doøng ñieän.

Heä soá an toaøn doøng 1.3 – 2.

- Söû duïng doøng ñieän max cho caùc linh kieän gaén maïch in hay ñònh möùc beù (< 20A).

4. Caùch laép ñaët (voû – case), cheá ñoä taûn nhieät (SCR), cheá ñoä caùch ñieän vôùi voû.

TO220AB TO48 TO118 TO200AB ADD A-PAK (TO208AA) (TO209AE)

5. Phaân loaïi theo chaát löôïng:

Haøng khoâng, quaân söï – coâng nghieäp – thöông maïi.


II. BAÛO VEÄ LINH KIEÄN VAØ BBÑ:

1.Baûo veä doøng:

+ Baûo veä doøng cöïc ñaïi ( ngaén maïch – quaù doøng töùc thôøi): Caàu chì taùc ñoäng nhanh: thoâng soáø ∫T

2dti (tích phaân doøng bình phöông): baûo

veä linh kieän coâng suaát. Caàu chì thoâng thöôøng: Taùch rôøi phaàn hö hoûng, haïn cheá lan truyeàn. CB ( ngaét maïch töï ñoäng – Aptomat ): nhö caàu chì thoâng thöôøng

+ Baûo veä quaù taûi ( quaù doøng coù thôøi gian ): CB ( ngaét maïch töï ñoäng – Aptomat )

Rô le nhieät Maïch haïn doøng cuûa boä ñieàu khieån voøng kín.

2. Baûo veä aùp: (quaù aùp daïng xung)

(4)

260v

IRF450

TFR105

C103

10kR4

RC noái tieáp maéc song song (1), Varistor laø loaïi ñieän trôû giaûm nhanh khi aùp lôùn hôn trò soá ngöôõng (2), vaø caùc boä loïc nhieãu nguoàn(3) goàm caùc maéc loïc LC hình π. Coù theå choáng caùc xung aùp ôû maïch DC baèng maïch D + R + C nhö hình (4).

RC (Snubber) song song ngaét ñieän.

II. MAÏCH LAÙI NÑBD: Sô ñoà khoái heä thoáng ñieàu khieån BBÑ:

Ñieàu khieånvoøng kín

Maïchphaùt xung

Khueách ñaïixung

Gheùpnoái

Ñieàu khieån Maïch laùi (driver)

NÑBD

1. Maïch laùi Thyristor: Phaân loaïi theo caùch gheùp. a. Gheùp tröïc tieáp: Maïch laùi = maïch khueách ñaïi doøng, thöôøng taûi cöïc E, cung caáp IG > IGT Soá lieäu thöôøng gaëp: VGT = 2 volt ; IG = Iñm /KI vôùi KI = 100..300

6V

XUNG DK

SCRR?RC1

0.1 uF

R52.2 ohm

R2220

R3100

R1100

R42.2 ohm

Q1C1061

b. Gheùp quang:

Muïc ñích: caùch ly Ñieàu khieån - Ñoäng löïc


Duøng OPTRON (Optocoupler) transistor (thoâng duïng) vaø OPTRON Triac hoï MOC ñeå ñieàu khieån ôû aùp AC beù hôn hay baèng 220 V.

OPTRON = LED + linh kieän quang ñieän; duøng ñeå truyeàn xung qua moâi tröôøng quang.

OPTRON thoâng thöôøng coù thôøi gian treã lôùn hôn vaøi micro giaây => taàn soá toái ña ñeán vaøi chuïc KHz.

6V

OPTO1 1

2

4

3 Q1

Q21K

2.2 ohm

2.2 ohm

R14K7

4k7R2

100

4K7 SCR

Sô ñoà kích SCR duøng OPTRON thoâng thöôøng.

OPTRON hoï MOC cuûa Motorola coù linh kieän quang ñieän laø phototriac coù aùp khoaù ñeán 400 volt, doøng vaøi chuïc mA cho pheùp kích TRIAC < 10 A tröïc tieáp ôû ñieän 220 VAC

Höôùng daãn söû duïng OPTRON hoï MOC (cuûa Motorola) ñeå laùi TRIAC.

c. Gheùp bieán aùp:

Nguyeân taéc bieán aùp xung (BAX): Khi ñaët haøm naác vaøo sô caáp BAX, doøng töø hoùa sô caáp vaø töø thoâng loõi theùp taêng theo haøm muõ vaø ôû thöù caáp seõ coù aùp caûm öùng tæ leä vôùi ñaïo haøm töø thoâng loõi theùp naøy. Khi aùp sô caáp baèng 0 (heát xung), doøng töø hoaù cuûa BAX caàn coù ñöôøng phoùng ñieän (thöôøng qua D phoùng ñieän song song ngöôïc sô caáp).


Maïch laùi xung heïp:

Daïng xung doøng, aùp

VCC

D2

D1

3k3

3k3

3k3

Q1

BAX

3.3 ohm

D247n

100SCR

Maïch laùi xung heïp duøng BAX

Yeâu caàu cuûa daïng xung ñeå BAX laøm vieäc:

+ Thôøi gian coù xung ñuû nhoû ñeå maïch töø khoâng baûo hoøa.

+ Thôøi gian nghó ñuû lôùn ñeå doøng töø hoaù bieán aùp (kheùp maïch qua diod phoùng ñieän D2) veà 0.

= > BAX truyeàn ñöôïc xung heïp: thôøi gian nghó >> thôøi gian coù xung.

Maïch laùi SCR xung roäng duøng BA:

AÙp pha

220/9 VAC

47n

SCR100

SCR P

22

BAX

BAX

Maïch söû duïng SCR phuï

ÑK

Dao ñoäng

T1

TRANSCT

D23

D25R36

3.3

C222u2

R37

100

SCR

Q1

3k3

3k3

D19

24VX

Maïch söû duïng chuoãi xung

2. Maïch laùi Transistor:

a. Daïng xung ñieàu khieån toái öu:

- Thí nghieäm ñoùng ngaét taûi R vaø RL:

VCC

VCC

Ci

Ci

CEv

CEv

Q

R1R2

VBB

Rt

L

Q

Rt

R1R2

VBB

(a) Doøng aùp taûi R

(b) Daïng doøng aùp khoâng vaø coù Snubber (1) taûi RL


Nhaän xeùt doøng aùp treân transistor khoâng thay ñoài töùc thôøi khi ñoùng ngaét chöùng toû laø coâng suaát töùc thôøi tieâu taùn treân linh kieän raát lôùn luùc naøy. Söï phaùt nhieät naøy khoâng ñaùng keå khi taàn soá ñoùng ngaét beù nhöng trôû leân laø tieâu hao chính cuûa transistor khi laøm vieäc trong caùc boä bieán ñoåi hieän ñaïi coù taàn soá ñoùng ngaét lôùn .

I

I

I

cb

dt

ng

t

Daïng doøng cöïc B toái öu cho ñoùng ngaét

Bi

QR2

VBB

C

DR

R1

maïch Snubber

Ñeåø giaûm toái thieåu toån hao coâng suaát nhaèm naâng taàn soá laøm vieäc leân cao:

+ Duøng maïch hoã trôï chuyeån maïch (ví duï nhö maïch Snubber cho quaù trình ngaét)

+ Duøng maïch laùi taïo doøng cöïc B toái öu ñeå transistor coù theå chuyeån maïch nhanh.

Tuï moái noái BE coù aûnh höôûng lôùn ñeán quaù trình ñoùng ngaét cuûa BJT. Doøng IB toái öu phaûi coù khaûnaêng nạp vaø xaûnhanh tuï ñieän naøy.

Icb laø trò soá doøng ñieän cöôõng böùc naïp tuï ñeå BJT ñoùng nhanh, Idt laø doøng ñieän vöøa ñuû duy trì söï baûo hoøa cuûa transistor (khoâng baûo hoøa saâu) vaø Ing laø doøng xaû tuï, giuùp taét nhanh.

b. Sô ñoà gheùp tröïc tieáp:

- Taùc duïng RB, tuï gia toác.(a)

- Transistor Darlington vaø nguyeân lyù maïch keïp Baker (b)

- Maïch laùi tích cöïc (d)

- VCC

VCC

(a) (b) (c) (d)

QR2

VBB C

R3

Q1

Q2

R1

R2

D

Q

Q2

Q1

1uF

2.2kQT

R1

c. Gheùp bieán aùp vaø maïch laùi tæ leä (c)

d. Gheùp baèng quang (OPTRON): Duøng nguoàn ñoäc laäp cho maïch laùi.

OPTRON (Caùch ly tín hieäu ÑK) + söûa daïng + khueách ñaïi coâng suaát (Gheùp tröïc tieáp).

Maïch ñieän töông töï nhö laùi SCR.


3. Maïch laùi MosFET vaø IGBT:

- Ñieàu khieån baèng aùp.

- Caùc thoâng soá:

Ngöôõng ñieän aùp ñieàu khieån 3 – 5 V Tieâu bieåu 0 – 10 V (hay 15 V)

+/- 10 V (hay 15 V) Giôùi haïn hö hoûng cöïc coång (thoâng

thöôøng) +/- 20 V

- Maïch laùi:

Taàn soá thaáp: laùi tröïc tieáp töø vi maïch 12V

GS

D

0 .. 15volt

C4330p

Dz7v2

R11510/3W22K

D447

Maïch laùi MOSFET 5 – 7 A laøm vieäc ôû BBÑ Flyback 50 kHz.

Taàn soá cao: Maïch laùi töông töï BJT nhöng caáp ñieän 15 – 20V.

4. Maïch laùi MOSFET coâng suaát coù baûo veä doøng:

Hình 4.19 ñöôïc trích töø moät taïp chí ñieän töû coâng nghieäp ñeå tham khaûo moät maïch laùi MosFET coâng suaát coù baûo veä doøng. Ñoäng cô moät chieàu M laø taûi cuûa BBÑ xung ñieän aùp vôùi ngaét ñieän laø MosFET 12A / 60V, maõ hieäu IRF131. Taùc ñoäng baûo veä doøng ñöôïc thöïc hieän qua R - S Flip Flop. Nguyeân lyù naøy coøn gaëp trong caùc vi maïch ñieàu khieån boä nguoàn xung.

+V

OPTRON

VI PHAÂNRS FF

COÅNG

SO SAÙNH

R -Q

S Q

M

D

SHUNT

Q

Imax

ÑK

Hình 4.19 (a)

+V

15v 15v

123

4

5

6

7ferrite io

C

OPTRON

12

43

33010K

1k1nF

0.33 ohm

100

IRF131

2N2222

220

1K

MD

(b)

R - S flip flop, ñöôïc set ôû moãi ñaàu chu kyø ñoùng ngaét vaø reset khi doøng vöôït quaù giaù trò cho pheùp. Nhö vaäy khi coù quaù doøng, MosFET seõ bò khoùa ngay, nhöng laïi ñöôïc cho pheùp ôû chu kyø ñoùng ngaét keá tieáp.

Keát quaû laø khi coù quaù doøng, ñoä roäng xung töông ñoái seõ giaûm ñeå haïn cheá doøng cöïc ñaïi. Caùc daïng soùng cho ôû hình 4.19.c:

4: ngoû ra coång NAND 4, laø tín hieäu ñieàu roäng xung töø maïch ñieàu khieån, qua optron.

t

t

tt

4

3

C i

7

o

Hình 4.19.c

3: ngoû ra coång NAND 3, tín hieäu set cuûa RS flip flop. C: cöïc C cuûa BJT 2N2222, xuoáng thaáp khi doøng vöôït quaù giaù trò ñaët xaùc ñònh baèng

bieán trôû 100 ohm, noái song song vôùi shunt 0.33 ohm ñeå laáy tín hieäu doøng iO. 7: tín hieäu cöïc coång MosFET.

Caùc coång NAND 6, 1, 2, 7 söû duïng CD4011 laø CMOS caáp ñieän 15V, laùi tröïc tieáp MosFET baèng daây daãn ñi qua oáng ferrite ñeå choáng dao ñoäng vaø nhieãu taàn soá cao, ôû vò trí cuûa 7 coù theå duøng coång NAND song song ñeå taêng khaû naêng taûi doøng. Caùc coång 4, 3, 5 laø caùc


coång NAND Smit-tri-gô CD4093 cho pheùp söûa daïng xung.

5. Maïch laùi GTO:

• Nguyeân lyùñieàu khieån: kích daãn IA/IG = vaøi chuïc kích ngaét IA/-IG < 10 nhôø –Vbias.

• Snubber coù C lôùn khaéc phuïc nhöôïc ñieåm du/dt thaáp

• Xung – IG coù bieân ñoä lôùn do C phoùng ñieän, - IA/IG < 10 .

- Maïch ví duï.

+V

- Vbias

R1

R2

D1 D2

SW2C1

D3

E

SW1

T

GTO

6. Caùch taïo nguoàn aâm cho BJT, IGBT vaø GTO:

taûi < 1A

5v

Q3

1N4007

1N4007 10u

ÑK1kR2

3k3R4

taûi 10A

24v

MosFETDZ112v

1kR4OPTO

12

43

3k3R4

SO SAÙNH 2 MAÏCH LAÙI SAU:

10 mA

15v

Q3 330R3

C 103220R5

3k3R4

OPTO

12

43

IGBT

hay

Mos

FET

1kR2

10 mA

15v

MosFET

Q11kR4

OPTO

12

43

330R5

100R3

DZ112v

Trang 1/ chuong 2 Ñieän töû coâng suaát II A

CHÖÔNG HAI BOÄ NGUOÀN MOÄT CHIEÀU BAÙN DAÃN II.1 PHAÂN LOAÏI:

Vôùi nghiaõ roäng, boä nguoàn moät chieàu duøng ñeå chæ caùc thieát bò cung caáp ñieän moät chieàu cho caùc loaïi taûi khaùc nhau, keå caûù ñoäng cô ñieän. Duø coù khaùc bieät veà nguoàn, taûi, maïch ñoäng löïc hay ñieàu khieån, chuùng vaãn coù caùc ñieåm ñeå coù theå khaûo saùt chung.

- Phaân loaïi theo boä bieán ñoåi:

BBÑ ñieàu khieån pha:

Löôùi --> (Bieán aùp) --> Chænh löu SCR --> (loïc) --> taûi

Löôùi --> BBÑ aùp AC --> Bieán aùp taàn soá löôùi--> Chænh löu D --> (loïc) --> taûi

Sô ñoà khoái 1

Trong ñoù ( ) laø thieát bò coù theå khoâng caàn.

Chænh löu SCR vaø BBÑ aùp AC deàu duøng nguyeân lyù ñieàu khieån pha ñeå ñieàu khieån ñieän aùp ngoû ra .

BBÑ aùp DC:

[Löôùi --> Bieán aùp --> Chænh löu D --> (loïc)] --> BBÑ --> (loïc) --> taûi

[Löôùi -> Chænh löu D -> (loïc)] -> BBÑ -> Bieán aùp taàn soá cao -> Chænh löu D -> (loïc) -> taûi

Sô ñoà khoái 2

Khi duøng nguoàn DC, caùc khoái [ ] khoâng coù.

Trong sô ñoà khoái 2, BBÑ laø boä nghòch löu, ñöôïc xem laø tröôøng hôïp rieâng cuûa BBÑ aùp DC khi laøm vieäc 4 phaàn tö maët phaúng taûi vaø trò trung bình aùp ra baèng 0, nhoùm naøy coøn ñöôïc goïi laø boä nguoàn ñoùng ngaét (switching power supply).

So saùnh hai loaïi:

Nhoùm Öu Nhöôïc

Ñieàu khieån pha coâng suaát lôùn vì duøng SCR taàn soá ñoùng ngaét beù (taàn soá löôùi) => maïch loïc ngoû ra coù trò soá lôùn

BBÑ aùp DC Taàn soá laøm vieäc cao neân aûnh höôûng haøi baäc cao nhoû

coâng suaát beù neáu duøng transistor, duøng thyristor yeâu caàu maïch taét

- Phaân loaïi theo daïng taûi: taûi laø ñoäng cô DC, taûi ñieän hoùa, ñieän coâng ngheä, caùc maïch ñieän töû khaùc, coù theå chia laøm hai nhoùm:

• taûi aùp: Taûi caàn aùp ra phaúng, goàm coù thieát bò ñieän töû, phaûi duøng maïch loïc LC ngoû ra BBÑ.

• taûi doøng: goàm caùc taûi coøn laïi - khoâng caàn aùp ra phaúng, khi caàn doøng phaúng coù theå duøng cuoän khaùng noái tieáp. Trong moät soá raát ít tröôøng hôïp, ñeå doøng ra thaät phaúng môùi duøng loïc LC.

Moät ñaëc tính khaùc laøyeâu caàu caùch ly löôùi – taûi khi duøng nguoàn töø löôùi ñieän. Nhaèm ñaûm baûo an toaøn cho nguôøi vaän haønh maùy, vaø haïn cheá doøng roø qua taûi xuoáng ñaát, ngöôøi ta


phaûi duøng bieán aùp deå caùch ly löôùi – taûi cho caùc boä nguoàn. Trong caùc taûi treân, chæ coù ñoäng cô DC laø khoâng yeâu caàu ñaëc tính naøy.

=> caùc boä nguoàn ñieàu khieån pha khoâng thích hôïp cho taûi caàn aùp phaúng baèng boä nguoàn ñoùng ngaét.

II.2 THIEÁT KEÁ CHÆNH LÖU ÑIEÀU KHIEÅN PHA (ÑKP):

1. Choïn sô ñoà chænh löu: Coù caùc yeáu toá:

• Coù bieán aùp (BA) hay khoâng: BA duøng ñeå thay ñoåi taàm aùp ra vaø caùch ly ñieän nguoàn – taûi.

• Moät pha hay nhieàu pha: Sô ñoà nhieàu pha phöùc taïp nhöng chaát löôïng ngoû ra cao vaø coâng suaát taûi lôùn hôn.

• Sô ñoà tia hay caàu: Sô ñoà tia caàn söû duïng trung tính vaø coù doøng moät chieàu qua nguoàn, chæ thích hôïp coâng suaát trung bình vaø nhoû.

• Caàu ñieàu khieån hoaøn toaøn (SCR) hay khoâng hoaøn toaøn (SCR + D): Sô ñoà söû duïng diod coù aùp ra > 0 neân khoâng traû naêng löôïng veà löôùi ñöôïc, hoaït ñoäng khoâng ñoái xöùng (coù haøi baäc chaün) laøm haïn cheá coâng suaát nhöng coù öu ñieåm laø ñôn giaûn, giaù haï.

• Caùc sô ñoà ñaëc bieät:

- noái tieáp, song song caùc boä chænh löu: giaûm soùng haøi baäc cao vaø taêng coâng suaát ngoû ra.

- Sô ñoà 6 pha coù khaùng caân baèng – hình II.2.1 (song song hai sô ñoà 3 pha hình tia): coù doøng qua caùc chænh löu beù nhaát, thích hôïp vôùi öùng duïng coù doøng taûi

A

B

C

ov oi

ab

- ab

- bc

bcca

- ca

oI /2

oI /2 o2v

o1v

vcb

KCB

D3

D1

D2

D4

R

D5

D6

Hình II.2.1 Sô ñoà 6 pha coù khaùng caân baèng

lôùn.

- Söû duïng BBÑ aùp AC ôû phiaù sô caáp bieán aùp vaø duøng chænh löu ôû thöù caáp:

Daïng aùp ra sau chænh löu cuõng gioáng nhö sô ñoà chænh löu ÑKP coù diod phoùng ñieän, söû duïng BBÑ aùp AC ôû phiaù sô caáp bieán aùp coù hieäu quaû kinh teá trong hai tröôøng hôïp sau:

• AÙp ra beù (chuïc V) vaø ñoøng taûi lôùn ( nghìn A): giaù SCR >> D cuøng doøng taûi, suït aùp thuaän SCR gaáp ñoâi cuûa D.

• AÙp ra lôùn (chuïc nghìn V), doøng ra beù (chuïc A): Traùnh vieäc noái tieáp SCR phöùc taïp vaø toán keùm.

2. Tính toaùn ñieän aùp vaø goùc kích:

a. Cô sôû lyù thuyeát:

AÙp ra chænh löu ÑKP phuï thuoäc sô ñoà + cheá ñoä taûi. Khi thieát keá sô boä, ngöôøi ta thöôøng giaû söû hai tröôøng hôïp taûi: thuaàn trôû vaø taûi doøng lieân tuïc.

• Coâng thöùc tính trung bình aùp ra chænh löu ñieàu khieån hoaøn toaøn taûi doøng lieân tuïc:


, VsinVcosVV mm

dodooπ

π=α= 2 <II.2.1>

Vdo: Trung bình aùp ra chænh löu diod.

m: soá xung, baèng soá pha ôû sô ñoà tia vaø 2 laàn soá pha ôû sô ñoà caàu.

V: hieäu duïng aùp pha ôû sô ñoà tia vaø aùp daây ôû sô ñoà caàu.

• Coâng thöùc tính trung bình aùp ra chænh löu ñieàu khieån khoâng hoaøn toaøn taûi doøng lieân tuïc hay taûi RL:

(1 cos ) 2do

oVV α= + <II.2.2>; Vdo trung bình aùp ra chænh löu diod sô ñoà caàu töông öùng.

Khi laøm vieäc, coù theå gaëp nhöõng suït aùp sau:

- Suït aùp treân chænh löu: 1 V/ Diod vaø 2 V / SCR

- Suït aùp do chuyeån maïch khi doøng lieân tuïc:

; .2

a ox a a

mX IU X w Lπ

Δ = =

<II.2.3>

m: soá xung; ω: taàn soá goùc nguoàn

Io: trung bình doøng taûi

La: töï caûm maïch anod chænh löu

- Suït aùp nguoàn hay bieán aùp (laáy giaù trò aùp thöù caáp ôû khoâng taûi).

Nhöõng suït aùp naøy khoâng theå tính ñöôïc khi thieát keá sô boä, coù theå öôùc löôïng töø 15% - 20%.

b. Tính choïn aùp thöù caáp bieán aùp / goùc kích SCR:

- Khi choïn sô ñoà coù bieán aùp, aùp thöù caáp cuûa bieán aùp coù theå tính ñöôïc töø aùp taûi vôùi buø suït aùp öôùc löôïng nhö treân vaø goùc ÑKP min (töø 10 – 15O).

- Neáu choïn khoâng duøng bieán aùp, vieäc kieåm tra phaïm vi ñieàu chænh goùc ÑKP laø caàn thieát, traùnh goùc αmin quaù lôùn ( > 40 - 50O) laøm giaûm caùc chæ tieâu naêng löôïng cuûa heä thoáng. Khi ñoù coù theå phaûi duøng bieán aùp giaûm aùp. Goùc αmin ñöôïc tính ôû aùp ra max (tính caû caùc suït aùp).

Goùc kích toái ña: Thöôøng choïn khoaûng 150 O vôùi 2 lyù do sau: Neáu khoâng laøm vieäc ôû cheá ñoä nghòch löu, aùp ra ôû α > 150 O thöôøng raát beù, Neáu coù laøm vieäc ôû cheá ñoä nghòch löu, goùc nghòch löu an toaøn cuõng coù theå laáy baèng 30 O , neáu khoâng coù yeâu caàu aùp nghòch löu cao.

3. Tính choïn chænh löu vaø bieán aùp:

a. Ñònh möùc aùp: AÙp khoaù cöïc ñaïi treân chænh löu luoân baèng max aùp daây.

Ví duï: Ulvmax cuûa chænh löu caàu moät pha baèng 2 hieäu duïng aùp löôùi, chænh löu caàu ba

pha baèng 2 3 6= aùp pha, chænh löu duøng bieán aùp coù ñieåm giöõa baèng 2 2 aùp pha.

b. Ñònh möùc doøng chænh löu vaø doøng qua BA (neáu coù):

- Ñònh möùc doøng theo giaù trò trung bình khoâng phuï thuoäc daïng soùng trong khi ñònh möùc doøng theo hieäu duïng taêng theo ñoä meùo daïng. Caùch thöù hai chính xaùc hôn ñ/v chænh löu.

- Khi thieát keá coù theå xem doøng taûi boä chænh löu laø 1 trong 3 daïng sau phuï thuoäc cheá ñoä laøm vieäc cuûa taûi, xeáp theo thöù töï khoâng phaúng:


* Phaúng – lieân tuïc. * Xung hình sin. * Xung tam giaùc.

- Töø nguyeân lyù laøm vieäc cuûa töøng sô ñoà (xem baûng ôû caùc taøi lieäu tham khaûo), ta tính ñöôïc doøng qua caùc phaàn töû.

4. Tính choïn maïch loïc ngoû ra:

Nhö ta ñaõ bieát chænh löu m xung cho ra ñieän aùp moät chieàu nhaáp nhoâ m laàn trong moät chu kyø löôùi ñieän. Khi khai trieån Fourier, tín hieäu coù chu kyø naøy goàm coù:

- Thaønh phaàn moät chieàu hay trung bình, laø phaàn höõu duïng hay mong muoán.

- Caùc thaønh phaàn hình sin coù taàn soá k.m.w, coøn goïi laø soùng haøi baäc n, n = k.m; vôùi k laø soá nguyeân, w laø taàn soá löôùi ñieän tính baèng rad. Thaønh phaàn naøy khoâng nhöõng khoâng höõu ích vôùi taûi moät chieàu, maø coøn gaây ra caùc taùc duïng khoâng mong muoán nhö: laøm taêng giaù trò hieäu duïng cuûa doøng ñieän, daãn ñeán taêng phaùt noùng; ñoái vôùi ñoäng cô moät chieàu coøn taïo ra moâ men phuï gaây rung.

Khi doøng taûi lieân tuïc, trò hieäu duïng VRn cuûa soùng haøi baäc n cuûa ñieän aùp ra baèng:

α−+⋅=−

221

2 112 sin)n(VVn

doRn <II.2.4>

Trong ñoù, Vdo laø trò trung bình aùp ra chænh löu diod cuøng sô ñoà.

Cuõng nhö tính toaùn vôùi thaønh phaàn moät chieàu cuûa ñieän aùp, ta coù theå tìm ra caùc thaønh phaàn soùng haøi doøng ñieän baäc n khi giaûi maïch ñieän töông ñöông boä chænh löu taûi RLE cho caùc soùng haøi ñieän aùp (hình II.2.2):

22 )nwL(R/VI RnRn += <II.2.5> Theo tính chaát cuûa caùc thaønh phaàn Fourier, trò hieäu duïng cuûa doøng

ñieän laø:

In R

Vn jnwL

Hình II.2.2:

∑+= noR RnIII 22)( <II.2.6> vôùi IO laø trò trung bình cuûa doøng ñieän.

∑n2RnI ñöôïc goïi laø hieäu duïng toång caùc soùng haøi - Total Harmonic Distortion (THD),

bieåu thò ñoä nhaáp nhoâ (khoâng phaúng) cuûa doøng ñieän. THD coøn bieåu dieãn ôû daïng töông ñoái:

2

% 100%Rnn

o

ITHD I=

∑ <II.2.7>

Chæ soá n ñöôïc tính töø m ñeán ∞ . Trong thöïc teá, vì nwL vaø VRn giaûm nhanh theo n , ngöôøi ta chæ tính toaùn vôùi vaøi soùng haøi ñaàu tieân (k = 1 .. 3).

Ví duï: Cho boä chænh löu ba pha caàu taûi R coù loïc LC ngoû ra hình 2.20*.(a), nguoàn coù aùp pha coù trò soá hieäu duïng V baèng 100 volt, taàn soá 50 Hz. Goùc ÑK pha α = 60O , taûi R 100 ohm. Maïch loïc LC baèng bao nhieâu ñeå bieân ñoä nhaáp nhoâ aùp ra ( ñænh – ñænh) baèng 10 volt.

Caùc giaû thieát ñeå ñôn giaûn tính toaùn: - Sau khi qua maéc loïc LC, caùc soùng haøi baäc lôùn hôn cô baûn (k = 1, öùng vôùi taàn soá nhaáp

nhoâ ngoû ra 6 xung, baèng 300 Hz) laø khoâng ñaùng keå. Nhö vaäy chæ caàn khaûo saùt soùng haøi cô baûn. - Doøng qua boä chænh löu laø lieân tuïc ñeå coù theå aùp duïng <II.2.4>.

Hình II.2.3*: (a) laø maïch ñoäng löïc trong ñoù vO laø aùp ra boä chænh löu, vC laø aùp ngoû ra boä loïc LC; (b) laø maïch töông ñ/v haøi cô baûn, v1 laø soùng haøi cô baûn - baäc k = 1 cuûa aùp ra boä


chænh löu, vC1 laø soùng haøi baäc k = 1 cuûa aùp qua tuï C – theo giaû thieát treân cuõng chính laø aùp ngoû ra maïch loïc; (c) laø caùc daïng soùng trong maïch trong ñoù VO laø trung bình aùp ra chænh löu.

vov

vC C1vv1

v

vo

C1

oVL

RC R1/jnwC

jnwL

Hình II.2.3: (a) (b) (c)

Ta coù ( ) ( )2 6 26sin .sin .100 2.34 100 234

48.91

v

tính II.2.4 n 6 ; 60 V v

mmVdo Vπ π

π π

α

= = = ⋅ =

< > = ⋅ = ⇒ =

Hình II.2.3.b cho ta: ( )

( ) ( ) ( )22221

1

1

11

1

RnwL

C

LCwnjnwLRjnwCRjnwC

VV

+−=

+=

//////

Yeâu caàu cuûa ñaàu baøi laø bieân ñoä nhaáp nhoâ aùp ra ( ñænh – ñænh) baèng 10 volt, suy ra trò soá hieäu duïng soùng haøi cô baûn qua ñieän dung C laø v 53322101 .)/( =⋅=CV .

Phöông trình treân cho pheùp tính toaùn giaù trò Lvaø C. Vì chæ coù moät phöông trình cho hai aån soá, caàn phaùt bieåu theâm ñieàu kieän tröôùc khi giaûi.

Ñeå yù: ( ) ( ) LCwnLCwn RnwL 2222221 ≈+− vì taàn soá trong maïch seõ khaù lôùn so vôùi

taàn soá coäng höôûng cuûa LC (maïch loïc chæ cho taàn soá thaáp qua),

( )6903

10065339481

948533

22221

1 −=π⋅⋅

=⇒≈= ELCLCwnV

VC ..

....

.

Coù nhieàu phöông aùn ñeå choïn LC, ôû ñaây choïn C = 100 uF suy ra L = 0.039 H. Giaù trò LC nhö vaäy coù theå thöïc hieän deå daøng trong thöïc teá.

Kieåm tra laïi:

♦ phaàn tính toaùn : nwL/R = 6*100π*0.039/100 = 0.74 << (1 – n2w2LC) = - 12.86

♦ Khaûo saùt soùng haøi baäc lôùn hôn cô baûn, vôùi k = 2 :

v V60 ;1 ; vôùi 3.32 tính 2 8232234 .=⇒=α=⋅==>< mknVdo vaø

( )( ) ( )volt 630

537823

1093100121 2100

100122622

22 .

.

.

.==

+⋅⋅π⋅−=

π⋅−

VVC . Vaäy soùng haøi

baäc k = 2 laø khoâng ñaùng keå so vôùi thaønh phaàn cô baûn baäc k = 1, ñuùng nhö giaû thieát.

♦ Kieåm tra doøng lieân tuïc: Coâng thöùc <II.2.3> chæ ñuùng trong tröôøng hôïp doøng lieân tuïc, ñeå ñaûm baûo keát quaû caàn phaûi kieåm tra söï lieân tuïc cuûa doøng ñieän. Tuy nhieân, giaûi tích maïch ñieän chænh löu ñieàu khieån pha taûi RLC trong ñieàu kieän doøng giaùn ñoaïn raát phöùc taïp vaø thöôøng khoâng caàn thöïc hieän khi thieát keá vì khi doøng baèng khoâng, aùp ra seõ baèng aùp treân tuï – lôùn hôn aùp löôùi trong khoaûng naøy (chính laø aùp ra ngoû ra khi doøng lieân tuïc). Nhö vaäy nhaáp nhoâ aùp treân taûi khi doøng giaùn ñoaïn seõ beù hôn tính toaùn döïa vaøo giaû thuyeát doøng lieân tuïc.

II.3 MAÏCH PHAÙT XUNG ÑIEÀU KHIEÅN PHA:


1. Nguyeân lyù ñieàu khieån pha:

Hieåu moät caùch ñôn giaûn nhaát, maïch kích caùc SCR trong sô ñoà ñieàu khieån pha seõ cung caáp cho cöïc coång moät daïng soùng cuøng taàn soá ( ñoàng boä) vôùi löôùi ñieän nhöng pha thay ñoåi ñöôïc theo tín hieäu ñieàu khieån. Ñeå taêng ñoä chính xaùc, daïng soùng naøy caàn coù ñoä doác lôùn taïi thôøi ñieåm kích SCR, nhö daïng xung treân hình II.3.1. Beà roäng xung coù theå laáy töø 100 usec ñeán 1 msec vì caùc SCR luoân ñöôïc kích khi phaân cöïc thuaän.Cuõng treân hình naøy, ta coù nhaän xeùt, trong tröôøng hôïp

0 2 wtθ α

v

Hình II.3.1

toång quaùt, goác ñeå tính goùc ñieàu khieån pha α (öùng vôùi tröôøng hôïp α = 0) seõ leäch vôùi aùp löôùi v moät goùc θ phuï thuoäc sô ñoà vaø caùch laáy tín hieäu löôùi ñeå ñoàng boä maïch kích.

Coù hai nguyeân lyù ñieàu khieån pha thöôøng duøng: laøm treã vaø so saùnh.

a. Nguyeân lyù laøm treã: (hình II.3.2)

Döïa vaøo maïch ñôn oån. AÙp löôùi sau khi qua maïch ñoàng boä seõ kích maïch ñôn oån (laøm treã) taïi ñieåm α = 0. Xung ra maïch ñôn oån seõ treã so vôùi xung ñoàng boä thôøi gian Td töông öùng goùc ñieàu khieån pha:

α = w. Td <II.3.1> Nhö vaäy vieäc ñieàu khieån pha thoâng

qua chaäm treã thôøi gian Td.

b. Nguyeân lyù so saùnh: (hình II.3.3) Phaùt xung ñieàu khieån pha theo

nguyeân lyù so saùnh coù haït nhaân laø maïch so saùnh vôùi ngoû vaøo laø hai tín hieäu: Uñk laø tín hieäu ñieàu khieån laø tín hieäu moät chieàu, Uñb laø tín hieäu ngoû ra maïch ñoàng boä, laø tín hieäu cuøng taàn soá löôùi, coù ñoä doác khoâng ñoåi daáu trong khoaûng α = 0 ñeán α = π laø khoaûng thay ñoåi cuûa goùc ñieàu khieån pha α. Khi Uñk = Uñb, ngoû ra boä so saùnh thay ñoåi traïng thaùi, ñaùnh daáu thôøi ñieåm kích SCR. Thay ñoåi aùp Uñk seõ ñieàu khieån goùc ñieàu khieån pha α töông öùng. Hình II.3.3.(b) veõ caùc daïng soùng vôùi aùp ñoàng boä raêng cöa.

Ñôn oån

TdMaïch ñoàng boä

aùp löôùi kích SCR Hình II.3.2

Maïch ñoàng boä

aùp löôùiUñk +

_Uñb

kích SCR (a)

\

(b)

Hình II.3.3 a vaø b

Nguyeân lyù so saùnh thöôøng duøng trong caùc boä ñieàu khieån töông töï (analog) vì thoâng qua tín hieäu ñieàu khieån laø aùp moät chieàu Uñk, trong khi nguyeân lyù laøm treã thích hôïp vôùi maïch soá (digital) hay caùc sô ñoà ñieàu khieån ñôn giaûn – khi maø vieäc laøm treã thöïc hieän baèng maïch dao ñoäng naïp xaû ôû cheá ñoä coù ñoàng boä (trigger).


Moät nguyeân lyù ñieàu khieån, tuy raát lyù thuù nhöng raát ít gaëp, laø tích phaân. Xung kích SCR ñöôïc phaùt ra khi tích phaân aùp ra vo (ñaõ ñöôïc tæ leä heä soá k) baèng vôùi giaù trò ñaët Vñ .Moät boä chia xung seõ höôùng xung naøy ñeán SCR caàn ñöôïc kích. Treân hình II.3.4 xung kích SCR seõ ñöôïc phaùt ra khi phaàn dieän tích cao hôn cuûa vo/k so vôùi Vñ baèng phaàn dieän tích thaáp hôn (phaàn toâ ñaäm).

Nguyeân lyù naøy coù hai öu ñieåm: - Heä soá khueách ñaïi (quan heä vaøo ra)

cuûa BBÑ laø haèng soá: trò trung bình aùp ra Vo = k .Vñ

v /k

Vñ

oñoàngboä

kíchSCR

Boäphaân phoáixung

10

98R

C

10

98

Hình II.3.4: sô ñoà vaø giaûn ñoà ñieän aùp ngoû ra chænh löu, xung kích caùc SCR cuûa nguyeân lyù tích phaân

- Vieäc ñieàu khieån boä chænh löu khoâng bò aûnh höôûng bôûi taàn soá nguoàn hình sin nhö hai nguyeân lyù ñaàu.

Duø nguyeân lyù phaùt bieåu raát ñôn giaûn, khi thöïc hieän sô ñoà ñieàu khieån seõ phaûi giaûi quyeát moät soá vaán ñeà phaùt sinh töông ñoái phöùc taïp chæ coù theå giaûi quyeát khi söû duïng caùc heä thoáng ñieàu khieån duøng kyõ thuaät soá.Ñieàu naøy ñaõ haïn cheá vieäc söû duïng noù trong thöïc teá.

2. Hai ví duï cuûa nguyeân lyù laøm treã:

a. Maïch kích duøng UJT:

UJT laø vieát taét cuûa chöõ Uni - Junction - Transistor nghiaõ laø transistor moät tieáp giaùp, coù caáu taïo nguyeân lyù treân hình II.3.5.(a) bao goàm thanh vaät lieäu n (hay p) coù hai cöïc (terminal) B1 vaø B2 (vieát taét chöõ base), coù ñieän trôû RBB khoaûng 6k ñeán 10k ohm, treân ñoù taïo ra moái noái pn vôùi cöïc E

(emitter).

B2

B1

Enp E

B2

B1 B1

B2

E

(a) (b) (c)

D

RB1

RB2

R

D

(d) Hình II.3.5

UJT coù maïch töông ñöông nhö hình (b) khi moái noái pn phaân cöïc nghòch: xaûy ra khi

VEB2 < η VBB , vôùi ( )212 BBB RRR +=η , η coù trò soá töø 0.6 ñeán 0.75. VBB laø aùp giöõa hai cöïc B1 vaø B2.

Nhöng khi VEB2 > η VBB , diod D (moái noái pn) phaân cöïc thuaän vaø EB2 töông ñöông moái noái diod coù ñieän trôû lôùn (suït aùp Vv khoaûng 2 volt) - hình ( c).

Ñaëc tuyeán V - I cuûa EB2 trình baøy treân hình (d):

Laáy B2 laøm ñieåm chung, ñieän aùp VE taêng daàn töø khoâng. Doøng qua cöïc E raát beù vì moái

PV ⋅η=


noái pn phaân cöïc nghòch do VEB2 < η VBB. Khi VE taêng ñeán giaù trò ngöôõng (daáu < trôû neân daáu

=), moái noái phaân cöïc thuaän, EB2 daãn ñieän. Vaäy ta coù vuøng ñieän trôû aâm töø VP ñeán Vv ( aùp giaûm trong khi doøng taêng) laø yeáu toá caên baûn cho maïch dao ñoäng naïp xaû treân hình II.3.6.(a).

VBB

B2

B1E

E

UJT

C47

220R

VoV

VBB

B2E

B1UJT

47

220

C VoQ

R

I

Hình II.3.6 (a) (b) ( c)

Tuï C naïp ñeán VP thì phoùng ñieän, taïo ra xung ôû ngoû ra VO . Khi aùp giaûm ñeán VV thì moái noái phuïc hoài traïng thaùi khoaù vaø ta coù maïch dao ñoäng naïp xaû – hình II.3.6.(b). Thôøi gian C phoùng thöôøng raát beù, khoaûng vaøi chuïc micro giaây neân chu kyø dao ñoäng T chuû yeáu do thôøi gian naïp, töø phöông trình aùp treân C coù daïng haøm muõ thôøi haèng RC:

/(1 ) khi t RCE BB pv V e V t T−= − = ≈ , suy ra

η−

⋅= 11

nlRCT <II.3.2>

Ñeå kích SCR, ta baét ñaàu naïp C taïi wt = θ vaø khi vE baèng VP, maïch seõ phaùt ra xung kích khôûi SCR . Khi thay ñoåi T, ta thay ñoåi goùc ñieàu khieån pha α = w T.

Hình ( c) cho ta moät phöông phaùp ñoàng boä. Ngaét ñieän Q khi daãn ñieän seõ xaû tuï C veà 0 vaø C chæ baét ñaàu naïp khi Q taét.

Hình II.3.7 trình baøy sô ñoà kích chænh löu moät pha, sô ñoà caàu hoån hôïp SCR - Diod.

B2E

B1

C

UJT

100

220

0.1u

ID1

10k/10w

DZ

D2

T2

33

33

D3

D4

T1

DC+

DC_

AC1

AC2

Hình II.3.7 (a) (b)

Maïch ñoäng löïc bao goàm T1, T2, D1, D2. Khi caùc SCR khoâng daãn ñieän, maïch ñieàu khieån ñöôïc cung caáp ñieän qua D1, D2, D3, D4, vaø taûi. Maïch ñieàu khieån haïn cheá doøng baèng ñieän trôû 10k ohm vaø xeùn ôû giaù trò Vz (thöôøng laáy baèng 20 volt) baèng diod zener DZ. Tuï ñieän C baét ñaàu naïp ôû wt = 0 , khi ñaït giaù trò Vp thì coù xung kích cho hai SCR. SCR naøo phaân cöïc thuaän seõ laøm vieäc vaø ngaén maïch maïch ñieàu khieån. Tuï ñieän C giöõ giaù trò 0 ñeán baùn kyø sau môùi naïp ñieän trôû laïi. Ñieän trôû R duøng cho naïp tuï ñöôïc thay theá baèng nguoàn doøng I cho pheùp xöû lyù tín hieäu ñieàu khieån baèng maïch ñieän deã daøng hôn ñieän trôû R. Hôn nöõa, aùp treân tuï seõ taêng tuyeán tính.

ÔÛ baùn kyø thöù hai cuûa daïng soùng hình II.3.7.(b) öùng vôùi tröôøng hôïp doøng naïp beù, aùp


treân tuï taêng raát chaäm. Ñeán cuoái baùn kyø, aùp treân tuï vaãn khoâng ñaït Vz. Nhöng do aùp phaân cöïc UJT giaûm, Vp seõ giaûm tæ leä neân UJT vaãn xaû ñöôïc aùp treân C ñeå coù theå naïp laïi ôû ñaàu baùn kyø sau. Söû duïng xung aùp aâm ôû cöïc B1 laø phöông phaùp ñoàng boä UJT thöù hai sau caùch duøng ngaét ñieän ñeå xaû tuï ñaõ trình baøy treân hình II.3.6.(c).

Hình II.3.8 cho ta moät phaàn töû dao ñoäng naïp xaû kích ñöôïc SCR khaùc, PUT – transistor ñôn noái laäp trình ñöôïc. PUT thuoäc hoï thyristor, coù maïch töông ñöông nhö SCR nhöng coù cöïc P thay cho G. Khi A coù ñieän aùp lôùn hôn P moät moái noái diod, AK daãn ñieän nhö moái noái EB2 cuûa UJT. Ñieän aùp cöïc P thay ñoåi nhôø caàu phaân aùp beân ngoaøi, nhö vaäy ngöôõng phoùng ñieän cuûa tuï C laø laäp trình ñöôïc. Maïch töông ñöông cuûa PUT coù theå thay theá noù khaù toát khi choïn giaù trò R1, R2 thích hôïp.

Ngaøy nay PUT haàu nhö ñöôïc duøng ñeå thay theá UJT trong caùc öùng duïng. UJT hay caùc phöông phaùp laøm treã duøng phaàn töû töông töï (analog) khaùc coù nhöôïc ñieåm lôùn laø ñieàu khieån thôøi gian treã baèng tín hieäu aùp raát khoù khaên. Ví duï nhö cho maïch hình II.3.7, nguoàn doøng I coù ñieåm chung khaùc vôùi cöïc Katod cuûa SCR hay caùc phaàn töû maïch khaùc.

VCC

A

K

P

A

K

P

R1

Q2

Q1

1k R2

PUT

R R1

R233

100

CVo

VCC

Hình II.3.8

b. Ñieàu khieån pha duøng boä ñeám:

UJT hay PUT laø caùc phöông phaùp kích SCR ñieàu khieån pha khaù coå ñieån, khi maïch ñieän töû chuû yeáu döïa vaøo linh kieän rôøi. Ngaøy nay, khi vi ñieän töû ñaõ phoå bieán, nguyeân lyù laøm treã thöôøng ñöôïc söû duïng khi ta taïo ra ñoä leäch pha thoâng qua thôøi gian treã xaùc ñònh bôûi boä ñeám xung – hình 3.30. ÔÛ thôøi ñieåm α = 0, boä ñeám xuoáng coù preset ñöôïc naïp soá N. Xung ñoàng hoà CLK luoân ñöôïc ñöa vaøo laøm boä ñeám giaûm trò soá vaø phaùt xung kích SCR khi noäi dung boä ñeám baèng 0. Giaù trò NMAX töông öùng goùc αMAX vaø thôøi gian treã NMAX .TCLK .

preset

DATATín hieäu ñaët N

Ñoàng boä(α = 0)

CLK kích SCR

Boä ñeám xuoángcoù preset

DATA = 0

tkích SCR(α = 0)

ñaët DATA = N DATA = 0

ñeám xuoáng,taàn soá CLK

T


Ta coù αMAX = w.NMAX .TCLK <II.3.3>

Neáu duøng boä ñeám leân, ta khoâng caàn coù preset nhöng phaûi so saùnh soá ñeám vôùi giaù trò ñaët N vaø khi ñoàng boä thì reset boä ñeám veà 0. Thieát bò söû duïng nguyeân lyù naøy trôû neân ñôn giaûn khi söû duïng vi xöû lyù, laøm treã coù theå duøng phaàn meàm hay caùc boä ñeám – ñònh thì chuyeân duøng.

c. Ñieàu khieån pha duøng vi xöû lyù:


0

π/3a1

aξ

Tröôøng hôïp

1 6 2

4 3 5

1 6 2 1aπ/3 π/3 π/3

π/3 π/3

α < π/3

ñoàng boä pha A

0 wt

2

Hình II.3.9 (c ): giaûn ñoà thôøi gian phaùt xung kích sô ñoà caàu 3 pha duøng vi xöû lyù. a, a1: goùc

ñieàu khieån pha khi tính töø ñieåm aùp pha qua zero

Moät pha löôùi(pha A) ñöôïc doø ñieåm khoâng (coù theå duøng ngaét ngoaøi) ñeå laøm cô sôû cho caùc quaù trình delay taïo xung kích caùc SCR theo trình töï (Hình II.3.9c). Caùc baøi toaùn caàn giaûi quyeát:

- Toái thieåu vieäc söû duïng caùc taøi nguyeân phaàn cöùng cuûa vi xöû lyù: I/O, interrupt, timer, thanh ghi..

- Giaûm thieåu sai soá tuyeät ñoái vaø loaïi tröø sai soáø tích luõy khi söû duïng delay thôøi gian thay theá leäch pha goùc.

- Keát hôïp caùc baûo veä, tính toaùn voøng kín ñeå ñaûm baûo heä thoáng coù chaát löôïng ñieàu khieån cao vaø laøm vieäc tin caäy, an toaøn.

3. Maïch kích chænh löu ñieàu khieån pha theo nguyeân lyù so saùnh:

Laø nguyeân lyù söû duïng roäng raõi nhaâùt hieän nay khi thieát keá baèng vi maïch töông töï (analog). Ñaõ coù nhieàu vi maïch chuyeân duøng kích SCR ñieàu khieån pha, coù theå keå TCA280, hoï TCA78x ñöôïc nhieàu haõng saûn xuaát hay uAA 145 söû duïng raêng cöa vôùi ñoä doác aâm.

a. Sô ñoà khoái:

Hình II.3.10 cho ta sô ñoà khoái ñaày ñuû maïch kích chænh löu ñieàu khieån pha. Khoái leäch pha θ hieäu chænh ñoä leäch pha cuûa aùp löôùi sao cho maïch khaùm phaù zero cho ra caùc xung ôû goùc pha α = 0. Tín hieäu zero naøy seõ ñoàng boä caùc maïch phaùt xung theo nguyeân lyù laøm treã hay kích khôûi maïch taïo aùp ñoàng boä. Nhö ta ñaõ bieát, maïch so saùnh xaùc ñònh thôøi ñieåm kích SCR khi Uñb baèng Uñk . Maïch ñôn oån ôû ngoõ ra boä so saùnh xaùc ñònh beà roäng xung kích SCR.

Caùc maïch vöøa ñöôïc keå thuoäc vaøo khoái phaùt xung kích SCR, khaùc nhau ôû moãi pha. Trong sô ñoà chænh löu nhieàu pha, moãi pha seõ coù ít nhaát moät khoái phaùt xung kích SCR, caùc ngoõ ra cuûa chuùng ñöôïc ñöa vaø khoái logic ñeå phoái hôïp, ñaûm baûo sô ñoà nhieàu pha laøm vieäc ñuùng. Khoái khueách ñaïi vaø gheùp naâng möùc coâng suaát xung vaø noái vaøo cöïc coång SCR, coù theå phaûi ñaûm baûo caùc ñieàu kieän caùch ly ñieän giöõa caùc SCR vôùi nhau, SCR vaø maïch ñieàu khieån.

Leäch pha Khaùm phaù ZERO

Taïo aùpñoàng boä

Ñôn oån so saùnh

LOGICK. ñaïi&gheùp

caùc SCR cuûachænh löu

Phalöôùi

Xung töø caùc pha khaùc

θ α = 0

Uñb

Uñk

α

Khoái phaùt xung kích


Hình II.3.10

b. Maïch kích chænh löu caàu moät pha (sô ñoà hoãn hôïp SCR – Diod) duøng BJT: Laø moät ví duï töông ñoái tieâu bieåu cho sô ñoà khoái hình II.3.10 vì tính ñôn giaûn – chæ söû duïng 5 transistor. Maïch duøng ñeå kích sô ñoà chænh löu caàu moät pha hoãn hôïp SCR vaø diod.

Ngoû vaøo ñoàng boä laø aùp pha ñaõ giaûm xuoáng qua bieâùn aùp vaø chænh löu laáy giaù trò aâm (khoâng coù veõ treân giaûn ñoà thôøi gian hình (b)). Q1 laø phaàn töû khaùm phaù zero. Caàu phaân aùp 1k / 10k ôû cöïc B cuûa Q1 laøm cho noù chæ baûo hoøa khi aùp löôùi qua zero. Q1 baûo hoøa chaäp tuï ñieän C, chæ cho pheùp noù naïp ñieän qua ñieän trôû 100k . Ñieän trôû 100k vaø tuï ñieän 0.1uF laø maïch tao ra aùp ñoàng boä raêng cöa coù ñoä doác döông. Boä so saùnh goàm Q2 vaø Q3, so saùnh aùp ôû hai cöïc neàn. Khi vC lôùn hôn Uñk – thay ñoåi baèng caùch chænh chieát aùp VR, Q2 baûo hoøa xaùc ñònh thôøi ñieåm kích SCR

Löôùi

D

10k

1kQ1

Q2

100k

Q3

C0.1uF

VCC

RB2

22010k

4k7

Q5Q4

1k

100VR

Vo

0.1uF


Q4 vaø maïch RC ôû cöïc neàn laø maïch ñôn oån khoâng coù töï giöõ, kích baèng caïnh xuoáng cuûa aùp cöïc C cuûa Q2 xaùc ñòng beà roäng xung kích SCR. Q5 laø maïch ñeäm ñieän aùp laáy taûi cöïc E, khueách ñaïi doøng ñieän.

Ñieän trôû 100 ohm vöøa haïn cheá doøng qua cöïc coång SCR vöøa laø phaàn töû phaân doøng khi duøng moät xung kích cho hai SCR (nhö maïch hình II.3.7)

Maïch kích hình II.3.11 coù hai nhöôïc ñieåm: - Khueách ñaïi vi sai Q2, Q3 laøm vieäc moät nguoàn vôùi khoaûng aùp vaøo thay ñoåi roäng neân

chaát löôïng hoaït ñoäng khoâng toát. - Maïch taïo aùp ñoàng boä coù toång trôû ra khaù lôùn deå bò nhieãu.

c. Maïch phaùt xung ñieàu khieån pha duøng khueách ñaïi thuaät toaùn (KÑTT): 12V

_12V

_12V

Khaùm phaù zero Taïo xung ñoàng boäSo saùnh

Maïch ñôn oån

C200.1u

C210.1u

D19

D22

D20

D18

R2510k

R342k2

R32100k

R273k3

R283k3

R333k3

R29

1k

R2615k

R30

10k

U5B

5

67

U5C

10

98

U5D12

1314

U5ATL0843

21

411

DB

DK

SCR

Hình II.3.12.(a)

Maïch khaùm phaù zero U5A so saùnh tín hieäu DB laø sin löôùi chænh löu vaø ngöôõng moät chieàu, cho ra xung döông khi DB qua zero [daïng soùng (1) treân hình II.3.12(b)].

470


U 5D laø maïch tích phaân ñeå taïo aùp ñoàng boä Uñb. Khi ngoû ra U5A cao, U 5D tích phaân xuoáng vôùi thôøi haèng gaàn baèng R27*C20 coù trò soá beù taïo caïnh xuoáng cuûa aùp ñoàng boä. Khi ngoû ra U5A thaáp, U 5D tích phaân leân vôùi thôøi haèng baèng R32*C20 coù trò soá lôùn cho ta caïnh leân cuûa raêng cöa, laø ñoä doác laøm vieäc. Diod D18 coù anod noái ngoû vaøo – cuûa KÑTT giöõø cho giaù trò Uñb ôû trong khoaûng töø –Vγ ñeán Uñbmax.

U 5C laø boä so saùnh duøng KÑTT, cho ra xung döông [daïng soùng (4)] khi Uñb > Uñk. Caïnh leân cuûa ngoû ra U5C laø thôøi ñieåm kích SCR.

U5B laø boä so saùnh cuûa maïch ñôn oån khoâng töï giöõ, xaùc ñònh beà roäng xung kích SCR, thöôøng laáy baèng 1 mili giaây cho caùc sô ñoà chænh löu. Beà roäng naøy thay ñoåi theo thôøi haèng C21*R26 cuûa maïch vi phaân [daïng soùng (3)]. Diod D19 khoâng cho ngoû vaøo U 5B coù giaù trò aâm,

baûo veä ngoû vaøo KÑTT vaø xaû nhanh tuï C26, giöõ khoâng ñoåi beà roäng xung trong suoát khoaûng thay ñoåi cuûa α.

Hình II.3.11.(b)

Sô ñoà hình II.3.11.a cho ra xung kích SCR ôû hai baùn kyø[daïng soùng (5)], coù thoâng soá chæ phuï thuoäc hai tuï ñieän (C20, C21) vaø hai ñieän trôû (R32, R26); duøng aùp moät chieàu ñeå ñieàu khieån goùc α cho thaáy khaû naêng cheá taïo vi maïch ñieàu khieån pha. Trong coâng nghieäp, nhöõng vi maïch ñieàu khieån pha ñeàu coù sô ñoà khoái töông töï, nhöng kyõ thuaät maïch thay ñoåi ñeå coù theå duøng moät nguoàn, caùc trôû tuï thöôøng noái xuoáng ñieåm chung ñeå giaûm soá chaân söû duïng.

4. AÙp ñoàng boä daïng cosin vaø khoái leäch pha:

Nhö ñaõ trình baøy trong phaàn nguyeân lyù, aùp ñoàng boä cuûa maïch phaùt xung ñieàu khieån pha caàn coù ñoä doác khoâng ñoåi daáu trong khoaûng α baèng 0 ñeán α max. Nhö vaäy coù theå coù caùc daïng raêng cöa vôùi (a) ñoä doác döông, (b) ñoä doác aâm vaø (c ) daïng cosin [treân hình II.3.13].

Daïng (a) raát deã thöïc hieän nhöng coù baát lôïi laø khi Uñk taêng, goùc kích α taêng töông öùng aùp ra Vo giaûm. Daïng (b) coù ñaëc tính ngöôïc laïi, raát khoù thöïc hieän. AÙp ñoàng boä raêng cöa cho ta goùc ñieàu khieån pha α thay ñoåi tuyeán tính vôùi aùp ñieàu khieån Uñk. Ñieàu naøy laøm cho quan heä trung bình ñieän aùp ngoû ra vaø Uñk khoâng theå tuyeán tính, vì quan heä Vo(α) coù caùc haøm sin, cos. Ñaây laø moät baát lôïi cho heä thoáng ñieàu khieån töï ñoäng vì khoù hieäu chænh heä thoáng phi

a)

b)

c)

0

0

0

π

π

π

2π

2π

2π

Hình II.3.13

α Uñk


tuyeán. Ñoàng boä cosin cho ta quan heä α(Uñk) coù daïng

Arccos, haøm naøy seõ bò khöû boû khi doøng qua chænh löu laø lieân tuïc, khi ñoù, Vo(α) coù daïng cos (<II.2.1>). Thöïc vaäy,

Hình II.3.14

neáu goïi bieän ñoä hình cosin laø Uñbmax, khi Uñk = Uñb ta coù:

Uñk = Uñb = Uñbmax.cos α hay

( )maxUñbUñkcos 1−=α <II.3.4>

vaø <II.3.1> vieát laïi

max

2 sin , vôùi ñko do do

ñb

U mV V V VU m

ππ

= =

Ñeå taïo haøm cosin, nguôøi ta thöôøng laáy aùp löôùi qua bieán aùp giaûm vaø cho leäch pha. Coù theå söû duïng maïch leäch pha duøngRC, RC vaø KÑTT, maïch xoay pha baèng bieán aùp vaø RC hay choïn pha thích hôïp. Hình II.3.14 cho ta caùc vector aùp pha vaø daây cuûa löôùi ñieän ba pha. Caùc aùp pha vaø daây cuûa löôùi ba pha coù caùc ñoä leäch pha 30O, 60O, 90O, 120O . Coù theå choïn trong ñoù caùc thaønh phaàn thích hôïp ñeå coù haøm cosin cho maïch ñieàu khieån pha.

Ví duï ñeå kích SCR cho maïch 1 pha, ta caàn leäch 90O . Töø hình II.3.14, nhaän xeùt pha A vaø aùp daây BC leäch 90O . Moät ví duï khaùc, ôû sô ñoà ba pha tia, ñoái vôùi SCR pha C laø T3, α = 0 khi aùp daây CB baèng khoâng. Haøm cosin kích T3 laø pha – A.

Caùc baát lôïi coù theå keå ra cuûa ñoàng boä cosin laø: moät daïng cos chæ coù theå kích cho moät SCR thay vì moät pha nhö ñoàng boä raêng cöa (hình II.3.13), phaïm vi thay ñoåi goùc kích heïp vì α khoâng theå giaûm veà khoâng vaø aùp ñoàng boä thöôøng coù nguoàn goác löôùi neân bieân ñoä bò thay ñoài theo nguoàn vaø deå bò nhieãu …

Caùc phöông phaùp laøm leäch pha trình baøy treân cuõng öùng duïng vaøo khoái leäch pha trong sô ñoà khoái toång quaùt cuûa maïch kích SCR ñieàu khieån pha (hình II.3.10). Khoái leäch pha caàn thieát cho vieäc söû duïng maïch khaùm phaù zero tìm ra ñieåm α = 0 khi aùp löôùi khoâng qua zero ôû α = 0 (hình II.3.1).

Ví duï ôû sô ñoà ba pha tia, ñeå kích SCR pha A laø T1, coù theå laøm chaäm aùp pha A goùc 30O hay duøng aùp daây AC ñöa vaøo maïch khaùm phaù zero.

5. Maïch phaùt xung ñieàu khieån pha kích SCR duøng vi maïch:

Bao goàm maïch phaùt xung ñieàu khieån pha coù hoaït ñoäng töông töï nhö ñaõ trình baøy trong muïc 3. Nhöng thöôøng söû duïng moät nguoàn caáp ñieän, ngoû vaøo ñoàng boä laø hình sin khoâng chænh löu nhöng phaùt xung kích hai baùn kyø ñeå taêng hieäu quaû. Caùc vi maïch naøy coù theå boå sung maïch taùch xung cho hai baùn kyø nhö hình II.3.15 nhaèm naâng cao chaát löôïng ngoû ra, caùc SCR chæ nhaän ñöôc xung ñieàu khieån khi phaân cöïc thuaän. Caùc vi maïch nhö vaäy coù theå ñöôïc phoái hôïp ñeå thöïc hieän sô ñoà kích SCR cho chænh löu caàu ba pha.


Phalöôùi

Uñk

Maïch phaùtxung ÑK pha

ÑB

ÑK

O+

O_

1

23

1

23

10

98

10

98

Hình II.3.15

ÑBÑK

O+O_

ÑBÑK O_

O+

ÑB O+O_ÑK

T1

T2

T3

T4

T5

T6

ñkU

AC

BA

CB

TCA785

TCA785

TCA785

kích

kích

kích

kích

kích

kích

1

23

4

56

9

108

12

1311

1

23

4

56

Hình II.3.16

6. Maïch taïo xung kích caàu 3 pha:

Hình II.3.16 trình baøy sô doà nguyeân lyù maïch taïo xung dieàu khieån pha cho chænh löu caàu ba pha. Xem laïi giaûn ñoà xung kích sô ñoà caàu 3 pha, caùc SCR cuûa sô ñoà caàu ba pha caàn 6 laàn phaùt xung trong moät chu kyø, moãi SCR nhaän ñöôïc hai xung: moät ñeå kích daãn (xung cuûa chính noù), moät ñeå ñaûm baûo luoâng coù hai SCR daãn ñieän(xung cuûa SCR lieàn sau noù).

Maïch taïo xung söû duïng ba vi maïch TCA785 hay maïch ñieän töông ñöông nhaän tín hieäu ñoàng boä löôùi ôû ÑB, tín hieäu ñieàu khieån ÑK, ngoû ra laø hai xung O+ vaø O_ nhö sô ñoà khoái hình II.3.15.

Ñeå yù caùc tín hieäu ñoàng boä löôùi laø caùc aùp daây AC, BA, CB ñeå kích caùc SCR pha A, B, C. khoâng phaûi duøng maïch leäch pha. Caùc maïch OR coäng logic caùc xung ngoû ra boä phaùt xung ñieàu khieån pha ñöa vaøo maïch khueách ñaïi vaø gheùp ñeán cöïc coång SCR theo caùc trình töï ñaõ quy ñònh T1 T6 T2 T4 T3 T5 T1 coù xung phuï. Ñaây chính laø khoái LOGIC treân sô ñoà khoái hình 3.31. Löu yù laø vieäc choïn caùc aùp daây cho tín hieäu ñoàng boä vaø thöù töï xung kích ñaõ ngaàm ñònh moät thöù töï pha cuûa sô ñoà laø A B C A, neáu thöù töï naøy khoâng laø thöù töï pha cuûa nguoàn thì maïch seõ hoaït ñoäng sai, caàn ñoåi laïi.

TAØI LIEÄU THAM KHAÛO PHAÀN 1 CHÖÔNG II

Vi maïch ñieàu khieån pha TCA785

TCA785 laø vi maïch töông ñoái ñaày ñuû cuûa hoï TCA78x duøng ñeå ñieàu khieån pha sô ñoà moät pha. Vi maïch söû duïng nguoàn ñôn, duøng raát ít linh kieän phuï. TCA785 coù hai ngoû ra Q1 vaø Q2 rieâng bieät taûi max 250 mA duøng cho ñieàu khieån hai baùn kyø döông vaø aâm, coù theå kích xung heïp (chænh löu) vaø roäng (ñieàu khieån aùp AC). Vi maïch coù nguoàn chuaån 3.1 volt vaø ngoû vaøo caám ñeå phoái hôïp vôùi caùc maïch ñieàu khieån khaùc. Ngoû ra boä so saùnh Z ø cuõng ñöôïc noái ra ngoaøi ñeå tieän duïng.


1. Moâ taû caùc chaân: (löu yù RAMP signal: tín hieäu haøm doác, naøy quen goïi laø raêng cöa)

Ñaát (ñieåm chung) Ngoû ra 2 (ñaûo) Ngoû ra U Ngoû ra 1 (ñaûo) Ngoû vaøo ñoàng boä löôùi Caám (khoùa) Ngoû ra Z AÙp chuaån Ñieän trôû chænh raêng cöa Ñieän dungï chænh raêng cöa AÙp ñieàu khieån Ñieän dungï chænh ñoä roäng Choïn xung roäng (ngoû vaøo) Ngoû ra Q1 Ngoû ra Q2 Nguoàn caáp ñieän

2. Sô ñoà khoái:

Sô ñoà khoái bao goàm:

- Maïch khaùm phaù zero laáy tín hieäu ñoàng boä VSYNC (V5) töø löôùi, taùc ñoäng vaøo thanh ghi ñoàng boä khi aùp nguoàn qua zero. AÙp nguoàn caáp ñieän VS qua oån aùp taïo aùp chuaån VREF vaø nguoàn doøng I (ñöôïc ñieàu khieån bôûi R9) ñeå naïp tuï C10. Tuï ñieän C10 seõ ñöôïc xaû ôû moãi ñaàu baùn kyø baèng T68 thaønh laäp aùp ñoàng boä raêng cöa (Ramp voltage) V10. AÙp naøy ñöôïc so saùnh vôùi aùp ñieàu khieån V11 xaùc ñònh pha kích caùc SCR. Khoái logic bao goàm caùc maïch taïo beà roäng xung (töø C12), tín hieäu ñieàu khieån caám (Inhibit) vaø choïn xung roäng/heïp Long Pulse Commutation ñeå taïo ra caùc xung ngoû ra theo caùc daïng ôû hình döôùi.

3. Caùc daïng soùng:


V5: AÙp ñoàng boä löôùi

V10: Giaù trò ñænh aùp raêng cöa. V10: AÙp ñoàng boä raêng cöa. V11: AÙp ñieàu khieån V10:Trò toái thieåu aùp raêng cöa. V15: Q2, ngoû ra kích SCR

V14: Q1: ngoû ra kích SCR

V15: ngoõ ra Q2 khi xung roäng (chaân 12 noái ñaåt) V14: ngoõ ra Q1 khi xung roäng

V2: Q2 ñaûo (chaân 13 noái ñaát)

V4: Q1 ñaûo

V3: QU, aùp ra boä khaùm phaù zero V7: QZ, xung kích hai baùn kyø

4. Tính toùan caùc linh kieän R, C:

- Trò soá ñieän dung tuï ñieän taïo raêng cöa C10: toái thieåu 400 pF, toái ña 1μF.

- AÙp raêng cöa: V10MAX = VS – 2 V , VS : aùp caáp ñieän.

10.( )

9. 10REFV KV t t

R C= vôùi K = 1.1 ± 20%; VREF = 3.1 V .

Khi tính toaùn, ôû taàn soá löôùi 50 Hz, coù theå laáy t = 10 ms ñeå coù V10 = V10MAX .

- Beà roäng xung kích SCR coù theå tính gaàn ñuùng tx = 620*C12 (μsec), C12 tính baèng nF. Khi kích SCR chænh löu, tx thöôøng ñöôïc choïn khoaûng 1 msec cho chænh löu coâng suaát lôùn.

5. Maïch öùng duïng:

Maïch döôùi ñaây söû duïng TCA785 ñeå laøm maïch ñieàu chænh ñoä saùng ñeøn coù tim (light dimmer). TCA785 ñöôïc söû duïng ñeå kích tröïc tieáp TRIAC Tc töø nguoàn ñieän löôùi 220 VAC.

Cuoän daây L vaø tuï 0.22uF/250VAC taïo thaønh maïch loïc haïn cheá aûnh höôûng leân löôùi ñieän cuûa vieäc ñoùng ngaét TRIAC taûi thuaàn trôû khi aùp khoâng qua zero.

Vi maïch ñöôïc caáp ñieän tröïc tieáp töø löôùi qua ñieän trôû 4k7/9W, oån aùp baèng diod oån aùp 15 V (vaøo chaân 16).

Tín hieäu ñoàng boä löôùi laáy tröïc tieáp qua RSYNC 220k ohm, ngoû vaøo 5 ñöôïc baûo veä baèng hai diod. Ngoû vaøo caám 6 noái leân 15 V ñeå cho pheùp maïch hoïat ñoäng. Thoâng soá maïch taïo


raêng cöa: C10 = 47 nF (sô ñoà goác in sai!), R9 laø bieán trôû 100k ohm vaø ñieän trôû 22k ohm. Tuï C12 = 150 pF öùng vôùi beà roäng xung kích 620*0.15 = 93 μs.

Hai ngoû ra Q1, Q2 noái vaøo cöïc coång TRIAC qua hai diod, taïo thaønh coång OR (wired OR) ñeå kích ôû hai baùn kyø. Ñieän trôû 150 ohm haïn cheá bieân ñoä doøng cöïc coång beù hôn 15 / 150 = 0.1 A.

Ñeå yù tuï 2.2 μF noái chaân 11 cuûa aùp ñieàu khieån vaø nguoàn nhaèm choáng nhieãu vaø taïo khaû naêng khôûi ñoäng meàm (soft start): Udk (goùc ñieàu khieån pha α) seõ giaûm daàn töø giaù trò max ñeán giaù trò laøm vieäc khi ñoùng ñieän.

Döïa vaøo sô ñoà naøy, ta coù theå veõ maïch kích SCR cho caùc boä ñieàu khieån phöùc taïp hôn, ñeå yù vieäc noái chung caùc chaân VREF seõ giuùp caùc vi maïch hoïat ñoäng gioáng nhau (khi duøng nhieàu hôn moät vi maïch TCA785 trong moät boä ñieàu khieån), caùch laáy tín hieäu ñoàng boä vaø khoái gheùp vôùi maïch ñoäng löc.


II.4 HEÄ THOÁNG ÑIEÀU KHIEÅN VOØNG KÍN:

1. Baøi toaùn ñieàu khieån BBÑ:

Ngoaøi tính caùch laø moät heä thoáng töï ñoäng (HTTÑ) - yeâu caàu ñaûm baûo chaát löôïng ngoû ra trong cheá ñoä tónh (xaùc laäp) vaø ñoäng (quaù ñoä), BBÑ coøn coù hai baøi toaùn quan troïng sau:

- Doøng ñieän qua BBÑ hay caùc ñaïi löôïng cuûa taûi phuï thuoäc doøng ñieän (nhö momen cuûa ñoäng cô moät chieàu) phaûi ñöôïc haïn cheá khoâng vöôït quaù giaù trò cho pheùp.

- Ñieàu khieån quaù trình khôûi ñoäng vaø döøng BBÑ.

Moät caùch toång quaùt, lyù thuyeát ÑKTÑ coù theå ñöôïc söû duïng ñeå giaûi caùc baøi toaùn treân. Tuy nhieân, ta thöôøng gaëp ôû caùc BBÑ coâng nghieäp moät sô ñoà ñieàu khieån voøng kín gioáng nhau, ñoù laø heä thoáng ñieàu khieån (HTÑK) nhieàu voøng. HTÑK naøy coøn goïi laø ñieàu khieån traïng thaùi hay toïa ñoä vì caùc bieán caàn ÑK cuõng laø caùc bieán traïng thaùi cuûa HT – cuõng laø caùc toïa ñoä cuûa maët phaúng pha moâ taû HT.

Caùc vaán ñeà cuûa HTÑK ñöôïc khaûo saùt trong muïc naøy coù theå ñöôïc duøng cho caùc boä nguoàn DC vôùi caùc taûi khaùc nhau, töø caáp ñieän cho maïch ñieän töû hay ñieän phaân ñeán ñieàu khieån ñoäng cô trong chöông sau.

2. HTÑK toïa ñoä:

ÑKx2 ÑKx1 P1 P2x1 x2

ñaët2 ñaët1 +_

+_

Ñoái töôïng

phaûn hoài

Ñieàu khieån

Hình II.4.1

Heä thoáng ñieàu khieån toïa ñoä coù sô ñoà khoái nhö hình II.4.1, bao goàm:

- ñoái töôïng ñieàu khieån laø nhieàu khoái quaùn tính noái tieáp (treân hình laø hai khoái noái tieáp P1 vaø P2), thöôøng laø BBÑ (ngoû vaøo laø tín hieäu ñieàu khieån), taûi cuûa noù vaø caùc maùy saûn xuaát. Ngoû ra cuûa caùc khoái naøy seõ laø nhöõng thoâng soá caàn ñieàu khieån, thöôøng laø caùc bieán traïng thaùi cuûa ñoái töôïng ñieàu khieån, ôû hình treân laø x1, x2.

- Boä ñieàu khieån hay hieäu chænh (HC) noái tieáp coù soá löôïng baèng soá khoái cuûa ñoái töôïng, coù phaûn hoài aâm laø caùc bieán traïng thaùi cuûa ñoái töôïng, thöôøng ñöôïc goïi laø boä ñieàu khieån caùc bieán töông öùng. Ngoû ra cuûa boä HC voøng ngoaøi laø tín hieäu ñaët cho voøng trong. Vaäy ta ñaõ coù HTÑK hai voøng treân hình II.4.1 vaø neáu ñoái töôïng coù n khoái noái tieáp töông öùng n bieán traïng thaùi caàn ñieàu khieån, HT seõ coù n voøng vôùi n boä hieäu chænh noái tieáp.

HTÑK toïa ñoä cho pheùp ñieàu khieån ñöôïc cuøng luùc caùc bieán traïng thaùi x1, x2 ... trong quaù ñoä cuõng nhö xaùc laäp. Chaát löôïng quaù ñoä (ñoäng hoïc) cuûa HT ñöôïc ñaûm baûo baèng quaù trình hieâïu chænh caùc voøng vaø chaát löôïng tónh (xaùc laäp) cuûa caùc bieán traïng thaùi coù ñöôïc khi caùc tín hieäu ñaët cuûa chuùng khoâng ñoåi (ñieàu naøy xaûy ra khi boä HC voøng ngoaøi baûo hoøa).

HTĐK tọa độ còn là cơ sở cho việc ứng dụng các BBĐ (có bộ hiệu chỉnh bên trong) vào công nghiệp, người sử dụng sẽ thay đổi các thông số bộ hiệu chỉnh để ứng dụng có chất lượng mong muốn.

(C) 2006 Huỳnh Văn Kiểm


Ví duï: Vôùi boä nguoàn DC, hai bieán traïng thaùi caàn ñieàu khieån laødoøng ñieän I = x1 (voøng trong) vaø ñieän aùp V = x2 (voøng ngoaøi). Ñaây laø 2 thoâng soá cuûa maët phaúng taûi cho bieát söï laøm vieäc cuûa BBÑ nhö hình II.4.2. Bình thöôøng, voøng ñieâuø khieån ngoaøi giöõ aùp ra oån ñònh ôû giaù trò Ulv . Khi taûi taêng, aùp ra giaûm laøm taêng sai leäch voøng ngoaøi, boä ñieàu khieån aùp taêng tín hieäu ñaët cho boä ñieàu khieån doøng cuûa voøng trong: doøng, aùp taûi taêng cho ñeán khi boä ñieàu khieån aùp baûo hoøa. HT seõ laøm vieäc treân ñaëc

I

U

U

I

lv

gh

Hình II.4.2: BBĐ ổn áp và hạn dòng

tính haïn doøng I =Igh vì tín hieäu ñaët cuûa boä ñieàu khieån doøng khoâng thay ñoåi. Vaäy boä nguoàn DC bình thöôøng giöõ oån ñònh aùp ra ôû giaù trò laøm vieäc V = Ulv vaø haïn cheá doøng ôû giaù trò I = Igh khi bò quaù taûi.

3. Hieäu chænh HT heä thoáng ñieàu khieån toïa ñoä:

Moät caùch toång quaùt, ñeå coù theå ñieàu khieån ñöôïc n bieán traïng thaùi nhö ñaõ giôùi thieäu ôû muïc 1. , ta coù theå tính toaùn hieäu chænh laàn löôït n voøng töø trong ra ngoaøi baèng nhöõng kyõ thuaät cuûa ÑKTÑ. Tuy nhieân, vôùi caùch nhìn thuïc teá, trong phaàn naøy ta seõ moâ taû moät thuaät toaùn ñôn giaûn, coù theå duøng cho haàu heát caùc BBÑ coâng nghieäp.

Quaù trình chænh ñònh thoâng soá caùc boä hieäu chænh laøm saün cuûa BBÑ duøng trong coâng nghieäp cuõng tieán haønh töông töï: tieán haønh chænh ñònh caùc voøng töø trong ra ngoaøi.

Vôùi nhaän xeùt laø haàu heát caùc ñoái töôïng coâng nghieäp bao goàm caùc khoái quaùn tính (chæ coù cöïc ôû phaàn aâm truïc hoaønh), HTÑKù nhieàu voøng coù theå söû duïng boä hieäu chænh PID vôùi phöông phaùp khöû cöïc – zero ñeå ñöa heä thoáng veà caùc kieåu maãu (model) vôùi chaát löôïng bieát tröôùc.

a. Hai HT maãu (model):

- HT Toái öu module: Haøm truyeàn voøng hôû phaûn hoài ñôn vò sau hieäu chænh coù daïng:

)1(2

1)(+⋅⋅⋅⋅

=sTsT

sWh

HT voâ sai vôùi ngoû vaøo haøm naác, coù döï tröõ pha 65O , döï tröõ bieân laø voâ cuøng (giaûn ñoà Nyquyist khoâng caét truïc thöïc). Quaù trình quaù ñoä coù daïng baäc hai tôùi haïn, voït loá POT = 4.3% , thôøi gian leân 4.7T vaø thôøi gian ñaït 95% bieân ñoä xaùc laäp laø 7 T.

Hình II.4.3 Giaûn ñoà Bode Wh cuûa HT toái öu module

HT toái öu module laø khoái cô sôû, cho pheùp thöïc hieän algorit hieäu chænh PID cho HTÑK toïa ñoä (nhieàu voøng).

- Toái öu ñoái xöùng: Haøm truyeàn voøng hôû phaûn hoài ñôn vò sau hieäu chænh coù daïng:

)1(8

)14()( 22 +⋅⋅⋅⋅+⋅⋅

=sTsT

sTsWh

Hình II.4.4: Giaûn ñoà Bode Wh cuûa HT ñoái xöùng

Giaûn ñoà Bode hình II.4.4 coù hai ñieåm gaûy ñoái xöùng qua ñieåm caét truïc hoaønh ωc.



HT voâ sai vôùi ngoû vaøo haøm doác, coù döï tröõ pha 36O, döï tröõ bieân voâ cuøng, voït loá POT = 43% , thôøi gian leân laø 3 T, thôøi gian quaù ñoä laø 14.6 T .

HT toái öu ñoái xöùng laø keát quaû cuûa khaâu hieäu chænh coù tích phaân moät ñoái töôïng coù khaâu tích phaân ôû ngoû ra, nhôø ñoù heä thoáng seõ khoâng sai soá theo nhieãu.

Ñeå giaûm voït loá, caàn söû duïng tín hieäu ñaët laø haøm doác hay qua khaâu quaùn tính.

b. Hieäu chænh PID (vi tích phaân tæ leä):

- PID ñôn giaûn, deå thöïc hieän baèng maïch ñieän töû vaø chöông trình soá, raát hay gaëp trong coâng nghieäp:

( 1)( 1)/ a bp i d

i

T s T sHC K K s K sT s

+ += + + = trong ñoù:

Kp, Ki, Kd : laø caùc heä soá khueách ñaïi töông öng vôùi caùc khaâu tæ leä, tích phaân, vi phaân, caùc heä soá coù theå baèng 0 töông öùng vôùi ñieàu khieån P, PD, I, PI.

Ta, Tb, Ti laø caùc thôøi haèng. => PID coù hai zero vaø moät cöïc ôû goác toïa ñoä. Theo nguyeân lyù khöû cöïc – zero, caùc zero duøng ñeå loaïi boû caùc cöïc khoâng mong muoán vaø tích phaân nhaèm trieät tieâu sai soá xaùc laäp, Ti xaùc ñònh ñaëc tính quaù ñoä mong muoán.

d. Ví duï hieäu chænh:

- Ñoái töôïng baäc 2 coù vaø khoâng coù tích phaân:

( )1 2

2

1 ( 1)

( 1)

KWT s T s

KWs T s

=+ +

=+

T1 > T2

Hieäu chænh PI ñeå coù toái öu module

Hieäu chænh PI ñeå coù toái öu ñoái xöùng vaø P ñeå coù toái öu module

- Ñoái töôïng baäc 3 coù vaø khoâng coù tích phaân:

( )( )( )

( )( )

1 2 3

1 2

1 1 1

1 1

KWT s T s T s

KWs T s T s

=+ + +

=+ +

T1 > T2 > T3

Hieäu chænh PID ñeå coù toái öu module

Hieäu chænh PID ñeå coù toái öu ñoái xöùng, vaø PD ñeå coù toái öu module

Nhaän xeùt:

- Caùc voøng trong chæ coù theå hieäu chænh thaønh toái öu module ñeå coù theå hieäu chænh tieáp caùc voøng ngoaøi. Vieäc choïn kieåu maãu cho hieäu chænh voøng ngoaøi phuï thuoäc vaøo ñaëc tính quaù ñoä mong muoán cuûa HT.

- Vôùi boäïhieäu chænh PID, ta chæ coù theå khöû ñöôïc 2 zero, do ñoù maãu soá haøm truyeàn ñoái töôïng caàn ñöa veà baäc 3 keå caû tích phaân.

d. Caùc haøm truyeàn gaàn ñuùng:

Nhö ñaõ khaûo saùt ôû treân, ñeå coù theå thöïc hieän vieäc hieäu chænh heä thoáng nhieàu voøng theo nguyeân lyù khöû cöïc – zero, ñoái töôïng bò giôùi haïn ôû baäc 3 vaø chæ coù cöïc treân truïc thöïc, ta caàn phaûi söû duïng moät soá quan heä gaàn ñuùng, döïa vaøo cô sôû laøñaëc tính pha hai HT coù cuøng giaù trò trong vuøng khaûo saùt nhö sau:

- Xaáp xæ haøm truyeàn voøng kín HT toâí öu module veà quaùn tính baäc 1 ñeå coù theå tieáp tuïc



hieäu chænh caùc voøng ngoaøi theo nguyeân lyù khöû cöïc – zero. Haøm truyeàn voøng kín HT toâí öu module ñöôïc thay baèng haøn truyeân töông ñöông nhö sau:

1 11 2 . ( . 1) 1 2 . 1

hk

h

WWW T s T s T s

= =+ + + +

- Thu goïn caùc khaâu quaùn tính coù haèng soá thôøi gian beù veàùquaùn tính ñeå giaûm baäc maãu soá caùc haøm truyeàn ñoái töôïng coù baäc > 4:

1 2 1 2( . 1)( . 1) ( 1) ( . 1)( . 1)( . 1)h

n nnn

K KWT s T s T s T s T s T s

=+ + + + + +∑∏

trong ñoù Tn laø caùc thôøi

haèng beù.

Töông töï, khaâu treã thôøi gian T cuõng töông ñöông vôùi quaùn tính baäc 1 thôøi haèng T.

3. Caùc maïch ñieän thöôøng duøng:

a. Boä hieäu chænh PID duøng 1 OPAM:

U

7

3

2

4

6

R2

R1

C2C1

ViVo

Hình II.4.5 (a) Sô ñoà lyù thuyeát boä hieäu chænh PID

VVñaët

fhñk

U

7

3

2

4

6

R2

R1

C2C1

R3

R5

R4

R

--V

(b) Sô ñoà thöïc teá: PID --> sôùm treã pha, chæ coù vi phaân ôû ñöôøng phaûn hoài.

b. Boä hieäu chænh PID duøng 4 OPAM: Hình II.4.5.c (Xem taøi lieäu ÑKTÑ) Cho pheùp chænh ñoäc laäp töøng thaønh phaàn PID.

c. Maïch haïn cheá bieân ñoä: (c)

Tæ leä

Vi phaân

Tích phaân

+Vi Vo

Vì ngoû ra cuûa boä hieäu chænh voøng ngoaøi laø tín hieäu ñaët cuûa boä hieäu chænh voøng trong, möùc baûo hoøa cuûa boä hieäu chænh voøng ngoaøi seõ xaùc ñònh giôùi haïn cuûa bieân ñoä ngoû ra cuûa voøng trong. Caùc maïch thay ñoåi möùc baûo hoøa (haïn cheá bieân ñoä) ngoû ra KÑTT thöôøng duøng.

Vo

U

7

3

2

4

6

D1

R1Vi

-- V

POT1

Hình II.4.6 (a) Maïch haïn cheá bieân ñoä ngoû ra duøng diod (baûo hoøa ôû V1 > 0)

Vi

R1

D1 R3Vo

U1

7

3

2

4

6

R2

U2

7

3

2

4

6

R4

V

POT1

0.01uF 10k

Hình II.4.6 (b) Maïch duøng KÑTT phuï



d. Maïch taïo haøm doác (RAMP):

Khi tín hieäu ñaët cuûa caùc BBÑ laø haøm naác, HT luoân coù voït loá ngoû ra khaù cao do sai soá quaù lôùn ban ñaàu, nhaát laø khi söû duïng kieåu maãu toái öu ñoái xöùng. trong coâng nghieäp, tín hieäu Hình II.4.7

wñ

wñ

0 tkñ t

Hình 5 : tín hieäu ñaët haøm RAMP

(a)

t

v(t)

Ñoà thò toác ñoä ñaët cuûa truyeàn ñoäng naâng haï buoàng thang maùy

(b) (c)

R1

D1 R3Vo

U17

3

24

6

U2

7

3

2

4

6

R4

V

POT1

0.01uF 10k

POT2

--V

C1

ñaët thöôøng coù daïng haøm doác, hay ít ra laø haøm muõ (1 – e-t/T) cuûa maïch naïp tuï. ÔÛ nhöõng heä thoáng ñieàu khieån caùc chuyeån ñoäng coù ngöôøi nhö ôû thang maùy, khoâng chæ tín hieäu ñaët maø caùc ñaïo haøm cuûa noù cuõng caàn lieân tuïc ñeå traùnh gia toác vaø ñoä giaät lôùn, taïo caûm giaùc an toaøn, thoaûi maùi cho ngöôøi söû duïng. Hình II.4.7 cho ta moät maïch ñieän taïo haøm doác duøng hai KÑTT.

e. Ví duï sô ñoà ñieàu khieån voøng kín:

Maïch ñieàu khieån voøng kín (ñöôïc ñôn giaûn hoùa) HT ñieàu khieån aùp, doøng ñoäng cô DC:

VCC

VCC

- VCCshunt

MAÏCHÑOÄNG LÖC Phaûn hoài aùp

Phaûn hoài doøng

- Ufh

Ifh

Ñeán maïchphaùt xungkích SCR

Phaûn hoài aùp- Ufh

IfhPhaûn hoài doøng

Taïo haøm doác

Ñieàu khieån aùp Ñieàu khieån doøng

D2 D3

D4

Q4

Q5

M1-

+

R7

R9

R18

RUN / STOP1

R16

R8C1

POT

R11R10R12

C4

C5R17

R13

U1C

10

98R15

C3

C2

U1B

5

67

U1A

3

21

411

Hình II.4.8

Coù theå nhaän xeùt sô ñoà voøng kín naøy coù theå duøng cho boä nguoàn DC vôùi caùc taûi khaùc nhau, khi thay theá Ufh baèng ngoû ra caàn ñieàu khieån.. Ñeå yù caùc maéc loïc hình T ôû caùc ñöôøng phaûn hoài laøm phaúng caùc nhaáp nhoâ doøng, aùp treân taûi vaø caùch söû duïng khueách ñaïi ñaûo daáu duøng KÑTT.

Neáu ta duøng maïch phaùt xung kích SCR vôùi ñoàng boä raêng cöa coù goùc ñieàu khieån pha α = 0 khi Uñk = 0, giöõa boä hieäu chænh vaø maïch phaùt xung caàn coù boä dôøi möùc sao cho Uñk = 0 töông öùng ngoû ra boä hieäu chænh doøng laø cöïc ñaïi: Uñk = - (Uñk1 - Vcc)

Khi Uñk1 VCC, Uñk 0

MaïchÑKP

ñoàngboä

Uñk1 kíchSCRUñk10

98

R

POT1- Vcc

R

Hình II.4.9 maïch dôøi möùc

Loïc nhieãu vaø caùch ly: Trong Hình II.4.8, caùc boä loïc hình T duøng RC loïc nhieãu ôû ñaàu vaøo vaø caùch ly giöõa caùc taàng ñeå choáng caùc khaû naêng caøi hay dao ñoäng cuûa khueách ñaïi thuaät toaùn.

104

R/2 R/2

Vi Vo

Hình II.4.10: Loïc T giöõa caùc taàng: ñieän trôû R



taùch laøm ñoâi, theâm vaøo tuï ñieän 0.1 uF

II.5 BOÄ NGUOÀN XUNG (SWITCHING POWER SUPPLY): (sô ñoà khoái 2 muïc I.1)

Khaùc vôùi caùc boä nguoàn SCR coù taàn soá laø vieäc toái ña vaøi traêm Hz, caùc boä nguoàn xung söû duïng transistor ñoùng ngaét ôû haøng chuïc hay traêm KHz cho pheùp giaûm kích thöôùc, giaù thaønh heä thoáng, maïch loïc coù trò soá beù khi taûi caàn aùp ra phaúng. Do ñoù, chuùng thích hôïp vôùi taûi caàn aùp ra phaúng vaø vì vaäy trong muïc naøy, caùc sô ñoà ñeàu coù boä loïc LC ngoû ra maëc duø khoâng phaûi taûi naøo cuõng caàn ñeán chuùng.

1. Sô ñoà oån aùp ñoùng ngaét thay theá oån aùp tuyeán tính:

oVV

Ñieàu khieån

oI

ΔV

+

_

Q1

Hình II.5.1 OÅn aùp tuyeán tính

i

vV

o

o

IoC

S1

D1

+

_

L

Hình II.5.2 OÅn aùp ñoùng ngaét

BBÑ aùp moät chieàu laøm vieäc ¼ maët phaúng taûi + loïc LC taûi coù theå thay theá caùc oån aùp tuyeán tính quen thuoäc vôùi caùc ñaëc ñieåm:

- Öu: hieäu suaát cao, kích thöôùc beù, giaù haï khi coâng suaát ñuû lôùn.

- Nhöôïc: coù nhaáp nhoâ aùp ra, maïch ñieàu khieån phöùc taïp.

Hai nguyeân lyù ñieàu khieån:

- Ñieàu roäng xung (caàn ñieàu khieån voøng kín ñeå oån ñònh ngoû ra).

- Duøng so saùnh coù treã , aùp ra dao ñoäng quanh giaù trò ñaët nhöng taàn soá laøm vieäc thay ñoåi theo taûi.

Uñk

ÑB

Dao ñoäng tam giaùcu

Hình II.5.3 (a) Nguyeân lyù ñieàu roäng xung , (b) So saùnh coù treã (Smit trigger) Ñaët

Phaûn hoài

SO SAÙNH SMIT

on

off

S

2. Sô ñoà boä nguoàn duøng nghòch löu:

Ñeå taêng hieäu quaû cuûa boä nguoàn xung, ngöôøi ta duøng bieán aùp taêng (giaûm) aùp taàn soá cao vôùi vieäc ñöa boä ñoùng ngaét ra phía tröôùc, trôû thaønh boä nghòch löu 1 pha ñieàu roäng xung nhö hình II.5.4.a.

AÙp ra sau chænh löu thöù caáp coù daïng ñieàu roäng xung nhö tröôùc.

V

S1

+

_ S2

D1

D2

C1

C2

T1

T1L1

C3

Hình II.5.4 (a)maïch ñoäng löïc (phaàn nghòch löu)



Sô ñoà ñieàu khieån coù daïng hình beân, goàm boä ñieàu roäng xung laøm vieäc ôû taàn soá ngoû ra, duøng T FF (chia 2) ñeå taùch ra hai xung luaân phieân (ñaåy keùo) ñoùng ngaét hai ngaét ñieän.

(Xem taøi lieäu tham khaûo veà vi maïch TL 494)

Uñk

uÑB

S1

S2

Dao ñoäng tam giaùc

1

23

4

56

2CLK

Q

- Q

(b) maïch ñieàu khieån ñieàu roäng xung daåy keùo (duøng ñieàu khieån nghòch löu trong caáp ñieän ñoùng ngaét)

3. Thieát keá boä nguoàn xung duøng nghòch löu:

a. Maïch ñoäng löïc boä nghòch löu:

Ví duï tính toaùn gaàn ñuùng: Tính toaùn maïch ñoäng löïc boä caáp ñieän duøng nghòch löu (sô ñoà ½ caàu hình II.5.4.a), Ngoû ra 5 V / 20 A, ngoû vaøo 260 VDC.

- Choïn taàn soá ngoû ra 20 Khz, ñoä roäng xung töông ñoái α = ton/T= 0.5.

=> bieân ñoä aùp thöù caáp 5/0.5 = 10 V.

oIThöù caáp bieán aùpsau chænh löu

aùp Sô caáp bieán aùp

voio

(c) Daïng doøng, aùp

Giaû söû diod caàu suït aùp toång 0.6 V (duøng diod Schotky), bieân ñoä thöù caáp bieán aùp laø 10 + 0.6 = 10.6 V.

=> tæ soá bieán aùp 260 / (2 * 10.6) = 12.3.

Phaân tích daïng doøng, => trò trung bình doøng qua L1 cuõng chính laø doøng taûi Io, giaû söû doøng qua Diod laø phaúng, bieân ñoä cuûa noù cuõng laø Io = 20 A.

Choïn doøng trung bình qua D laø kat. Io = 1.5 * 20 = 30 A; aùp qua D > 10 V, choïn 25 V, loaïi Schotky.

Hieäu duïng cuoän daây thöù caáp 20 / 2 14 A= , hieäu duïng cuoän daây sô: 14 / 12.3 = 1.2 A

Choïn ngaét ñieän nghòch löu theo bieân ñoä doøng qua noù, baèng 20 /12.3 = 1,6 A => Ngaét ñieän 5 A / 600 V.

b. Tính toaùn maïch loïc:

Khai trieån Fourier daïng soùng ñieàu roäng xung, giaû söû doøng taûi BBÑ laø lieân tuïc:

( )( )

12

12

1 cos ; sin / 1 cos

1 cos 2 . ; sin 2 . / 1 cos 2 .

n

n

hay

Vn on on onn

Vn n

V nwt tg nwt nwt

V n tg n nπ

π

θ

π α θ π α π α

−

−

= − = −⎡ ⎤⎣ ⎦

= − = −⎡ ⎤⎣ ⎦

ñoä roäng xung töông ñoái α = ton/T, Vn laø bieân ñoä soùng haøi baäc n. LC maïch loïc ñöôïc tính nhö ñaõ ví duï ôû phaàn chænh löu. Ñeå yù taûi ñöôïc xem laø nguoàn doøng ñeå ñôn giaûn caùc phöông trình.

4. Khaûo saùt boä bieán ñoåi aùp moät chieàu loaïi FLYBACK:

Boä bieán ñoåi aùp moät chieàu xeáp vaøo loaïi flyback khi chu kyø hoaït ñoäng goàm hai pha:

Pha 1: Ngaét ñieän ñoùng (ON). Cuoän daây ñöôïc naïp naêng löôïng töø nguoàn, taûi söû duïng naêng löôïng tích tröû trong tuï ñieän song song ( tuï loïc ngoû ra ).



Pha 2: Ngaét ñieän ngaét (OFF). Cuoän daây chuyeån (phoùng) naêng löôïng qua taûi vaø naïp naêng löôïng vaøo tuï ñieän.

vC

vL

Li

Ci

is

V

Cv

vL1

L1i

Ci

V

n:1

iL2 L

iis

CvC

i

iL2

V

is

V

CvC

i

(a) (b)

(c) (d)

+

_

L

Io

D

C

S1

+

_

Io

D

C

S1

T

L1

L2

+

S1

Io

D

C

_

LS1

S2D

D+

_

IoC

Hình II.5.5: Caùc sô ñoà BBÑ daïng Flyback:

Nhö vaäy, nguyeân taéc hoaït ñoäng boä bieán ñoåi loaïi FLYBACK ñoái nghòch vôùi caùc boä baêm ñieän aùp (chopper), khi taûi ñöôïc noái nguoàn khi ngaét ñieän ñoùng (ON) vaø söû duïng naêng löôïng tích tröõ khi ngaét ñieän khoùa.

Coù 4 sô ñoà ñöôïc trình baøy treân hình II.5.5: (a) : Boä bieán ñoåi ñaûo cöïc tính: ñöôïc duøng cho khaûo saùt cô baûn vì coù soá phaàn töû laø ít nhaát. (b) Sô ñoà taêng giaûm aùp. (c) Sô ñoà taêng giaûm aùp coù bieán aùp. (d) Sô ñoà taêng aùp.

Sô ñoà (a) coù soá phaàn töû ít nhaát, (b) coù cuøng hoaït ñoäng vôùi (a) nhöng khoâng ñaûo cöïc tính, (c) töông töï nhöng söû duïng bieán aùp vaø (d) taêng aùp.

a. Khaûo saùt sô ñoà caên baûn: [Hình II.5.5 (a)]

Ñeå khaûo saùt gaàn ñuùng, ta giaû thieát caùc ñieän aùp, doøng ñieän ñeàu bieán thieân tuyeán tính, ñieàu naøy coù theå ñaït ñöôïc khi:

- Chu kyø ñoùng ngaét T raát beù vôùi chu kyø cuûa maïch coäng höôûng LC ( baèng LCπ2 ). - Taûi laø nguoàn doøng Io, chính laø giaù trò trung bình cuûa doøng taûi khi boû qua caùc nhaáp nhoâ .

Caùc giaû thieát naøy cuõng ñöôïc söû duïng trong caùc phaàn khaûo saùt tieáp theo.

Xem hình II.5.6 trình baøy caùc daïng aùp, doøng cuûa maïch ôû cheá ñoä töïa xaùc laäp, khi caùc



tín hieäu thay ñoåi coù chu kyø.

- Khi 0 < t < tON : S1 ñoùng.

L naïp naêng löôïng töø nguoàn:

0: ( )

( )

= ⇒ = +

=

= = +

⇒ Δ = Δ = − = < >

laø giaù trò ban ñaàu, khi

II.5.1

L VL bñL

bñV

on L on on bñLV

L L on bñ onL

diV L i t Idt

I tt t i t t I

I I i t I t

Hình II.5.6: Daïng aùp, doøng BBÑ hình II.5.5.a

Diod D khoâng daãn ñieän vì phaân cöïc ngöôïc: anod coù ñieän theá aâm trong khi catod döông.

C phoùng ñieän qua taûi:

0

: ( ) ( )

= − ⇒ = − + =

= = − + ⇒ Δ = Δ = − = < >


II.5.2

C IoC bñ bñC

Io Ioon C on on bñ C bñ C on onC C

dvIo C v t V V tdt

t t v t t V V V V v t t

- Khi t > tON : S1 ngaét, doøng qua cuoän daây khoâng theå maát ñi vì noù bieåu hieän naêng löôïng tích tröõ trong cuoän daây, kheùp maïch qua D, phoùng ñieän qua C vaø taûi:

dtdiLvv

dtdvCIoiIoi L

CLC

CL =−=+=+= ;

taûi. treân aùp bìnhtrung trò laø cuõng C, qua aùp bìnhtrung trò L, qua doøng bìnhtrung trò laø Goïi CL VI

; :treân trình phöôngveá hai bìnhtrung Laáyt

ILVt

VCIoI LC

CL Δ

Δ=

ΔΔ

+=

− −

Δ Δ Δ = −

= = < >

Theá caùc giaù trò , vaøo, ñeå yù , ta nhaän ñöôïc:

; II.5.3on

L C on

ton TC LT t T ton

I V t T t

V V I Io

Nhö vaäy, doøng qua cuoän daây iL thay ñoåi tuyeán tính trong khoaûng 22I

LI

L I,I ΔΔ +− , aùp

vC treân tuï C thay ñoåi trong khoaûng 22V

CV

C V,V ΔΔ +− . AÙp ra coù theå lôùn hay beù hôn aùp nguoàn

phuï thuoäc tON / T, nhaáp nhoâ aùp ra chæ phuï thuoäc doøng taûi Io vaø tuï loïc C, nhaáp nhoâ doøng ra phuï thuoäc aùp vaøo V vaø cuoän daây L.

Tröôøng hôïp doøng giaùn ñoaïn:

Giaû söû ta giöõ tON khoâng ñoåi khi giaûm Io. ΔI khoâng ñoåi trong khi LI giaûm theo Io. Doøng iL khoâng ñoåi daïng nhöng bieân ñoä thaáp daàn. Khi

2I

tTT

L IoIon

Δ−

≤= ta coù tröôøng hôïp doøng qua L

giaùn ñoaïn (hình II.5.7).:

Trong khoaûng tON, doøng qua L ñöôïc naïp töø 0 ñeán giaù trò cöïc ñaïi. Khi S1 khoùa, L phoùng ñieän qua taûi vaø C nhöng doøng seõ veà 0 tröôùc khi S1 ñoùng trôû laïi.

Goïi tX laø thôøi gian coù doøng qua L. Thôøi gian L



naïp naêng löôïng vaãn nhö cuõ: onLV tI =Δ , nhöng thôøi Hình II.5.7: Daïng aùp, doøng BBÑ hình 4.8.a khi

doøng giaùn ñoaïn gian taûi söû duïng naêng löôïng tích tröõ trong tuï taêng leân, theo hình 3, baèng (T – tX + tON) vaø nhaáp nhoâ aùp )ttT(V onxC

Io +−=Δ .

Thôøi gian L phoùng naêng löôïng thay ñoåi, baèng Δt = ( tX – tON ) laøm cho caùc quan heä ñieän aùp vaø doøng trung bình thay ñoåi:

tonT

VIo.L.

ONxttT

onLVI

L

ttT

tt)tont(T

ttV

Lttt

C

tt)(IotI

)(Io)(IoCIoIVV

onx

onxonxx

onxonxon

222

1

+=⇒=⇒=

=+=+==

−Δ

−−−−

−Δ

−

ñoaïn, giaùn doøng khi

; <II.5.4>

Nhaän xeùt laø khi doøng giaùn ñoaïn, trò soá trung bình cuûa aùp ra taêng, theo lyù thuyeát seõ ñeán voâ cuøng khi Io baèng 0 ( maïch khoâng taûi ). Coù theå giaûi thích hieän töôïng naøy laø do naêng löôïng chæ coù theå truyeàn moät chieàu: nguoàn cuoän daây tuï ngoû ra vaø aùp treân tuï seõ taêng ñeán voâ cuøng theo naêng löôïng naïp vaøo. Trong thöïc teá, luoân luoân coù toån hao trong maïch, toån hao naøy taêng theo ñieän aùp vaø ngay khi khoâng taûi, naêng löôïng naïp vaøo seõ caân baèng vôùi toån hao ôû moät giaù trò höõu haïn cuûa aùp ra.

Moät nhaän xeùt khaùc laø giöõa tröôøng hôïp iL phoùng ñieän qua taûi, naïp ñieän cho C vaø iL = 0 coøn coù tröôøng hôïp C vaø L cuøng cung caáp doøng cho taûi. Do ñoù caùc tính toaùn treân chæ laø gaàn ñuùng.

2. Caùc sô ñoà khaùc:

a. Sô ñoà hình II.5.5(b): Hoaït ñoäng hoaøn toaøn gioáng nhö sô ñoà caên baûn hình 1.(a) nhöng aùp ra khoâng ñaûo daáu. S1 vaø S2 ñöôïc ñieàu khieån baèng cuøng tín hieäu, ñoùng maïch ñeå naïp naêng löôïng vaøo cuoän daây vaø khi ngaét, cuoän daây seõ phoùng ñieän qua hai diod D1 vaø D2, cung caáp doøng naïp tuï vaø cho taûi Io.Caùch noái naøy coøn giaûm ñieän aùp ñaët vaøo ngaét ñieän ôû traïng thaùi khoùa so vôùi sô ñoà II.5.5(a).

b. Sô ñoà hình II.5.5 (c): Laø sô ñoà thöôøng gaëp nhaát trong caùc boä nguoàn. Bieán aùp T coù hai nhieäm vuï: caùch ly nguoàn vaø taûi, laøm cuoän daây tích tröõ naêng löôïng cho boä bieán ñoåi. T laø bieán aùp khoâng baûo hoøa, tæ soá voøng daây sô/thöù laø n, L1 vaø L2 laàn löôït laø töï caûm cuoän daây sô vaø thöù caáp.

Vôùi cuøng giaû thieát cuûa khaûo saùt sô ñoà caên baûn, caùc keát qua nhaän ñöôïc cuõng coù daïng töông töï. Ta coù caùc quan heä cuûa bieán aùp:

21212 12 LLLL vnvInILLn ⋅=== ; ;

- Khi S1 ñoùng: 0 < t < tON L1 ñöôïc naïp naêng löôïng, doøng iL1 taêng; C xaû qua taûi,aùp giaûm: onL

VL tI 11 =Δ ; onC

IoC tVV =Δ=Δ <II.5.5>

- Khi S1 ngaét: tON < t < T , löu yù giaû thieát doøng lieân tuïc:

iL2 = Io + iC vaø vL1 = n vL2 = n vC , theá caùc giaù trò töông öùng vaø laáy trung bình:

Hình II.5.8: Daïng aùp, doøng BBÑ hình II.5.5(b)



V)(VVLvv

Io)(IIoInCIoiin

tonTt

nCtI

nL

Cdtdi

nL

dtdi

LC

tTT

nLtV

Ldtdv

LL

onLLLon

C

−ΔΔ

−ΔΔ

=⇒=⇒===

=⇒+=⋅⇒+==⋅

1222

11111

1122 <II.5.6>

Bieåu thöùc tính giaù trò trung bình caùc aùp ra vaø doøng qua cuoän daây gioáng nhö tröôøng hôïp caên baûn nhöng coù theâm tæ soá bieán aùp n.

Nhaáp nhoâ doøng tæ leä nghòch vôùi giaù trò töï caûm cuoän daây, nhöng caàn löu yù laø caùc töï caûm khoâng ñöôïc lôùn quaù ñeå bieán aùp bò baûo hoøa, khi maø doøng naïp cuoän daây chính laø doøng töø hoùa cho bieán aùp. Khaûo saùt tröôøng hôïp doøng giaùn ñoaïn cuõng nhaän ñöôïc nhöõng keát quaû töông töï.

c. Sô ñoà taêng aùp hình II.5.5.(d):

Khi bieán aùp T noái ôû daïng töï ngaãu, tæ soá 1:n vaø noái tieáp vôùi aùp vaøo, ta nhaän ñöôïc sô ñoà taêng aùp. Caùc thoâng soá: 2121

2 12 LLLL vvnnIILnL =⋅== ; ; . Chöùng minh töông töï vaø ñeå yù khi S1 ngaét, cuoän daây phoùng ñieän:

)](n[VVnLVVvVv tonTt

CtI

CLConL

−ΔΔ +=⇒+=⇒+= 12 1

2 :coù ta <II.5.7>

Ta cuõng coù : onLV

L tI 11 =Δ ; onCIo

C tVV =Δ=Δ

vaø trò trung bình doøng ñieän cuoän daây trong pha naïp ñieän IonI tonTT

L −=1

3. Khi boä bieán ñoåi coù nhieàu ngoû ra: (hình 4.12 )

Caùc boä nguoàn xung thöôøng caàn nhieàu caáp ñieän aùp ôû ngoû ra, coù theå caùch ñieän vôùi nhau nhö ôû hình 5. Sô ñoà thöôøng duøng bieán aùp coù nhieàu cuoän thöù caáp.

Giaû söû bieán aùp coù moät cuoän sô caáp vaøø n cuoän thöù caáp.

Caùc cuoän daây coù thoâng soá n, L; n1, L2; …; n, L laø thoâng soá cuûa cuoän sô caáp.

Caùc töï caûm quan heä vôùi nhau:

( ) ( ) ( ) ( )2 2 2 21 2 3

1 2 3 ..L L L Ln n n n

= = = =

vL

Li

V

V2

V3

V1

L3

L2

L1

+

_

S

C2

C3

C1

D2

D3

D1

+

_

_

+

_

+

I2

I3

I1

Hình 4.12: BBÑ Fly back nhieàu ngoû ra

quan heä caùc ñieän aùp caûm öùng: 1 2 3

1 2 3 ...V V V Vn n n n

= = = = ;

vaø doøng ñieän treân cuoän daây i ii

nI n I= ∑

Töø ñoù, suy ra ôû cheá ñoä doøng lieân tuïc vôùi i laø chæ soá cuoän daây:

- nhaáp nhoâ aùp ôû moãi cuoän daây thöù caáp: iCi on

i

IV tC

Δ = ;

- nhaáp nhoâ doøng ôû cuoän sô caáp: L onVI tL

Δ =

- Trung bình aùp ra moãi cuoän daây thöù caáp: i onCi

on

n tV Vn T t

⎛ ⎞= ⎜ ⎟−⎝ ⎠

<II.5.8>



- Trung bình doøng ñieän cuûa cuoän sô caáp: 1L i i

ion

TI n In T t

⎛ ⎞= ⎜ ⎟−⎝ ⎠

∑ <II.5.9>

Ñeå yù laø khi S1 ngaét, doøng ñieän chæ caàn phoùng lieân tuïc treân moät cuoän daây thöù caáp laø ñaûm baûo heä thoáng laøm vieäc ôû cheá ñoä doøng lieân tuïc.

Löu yù: Maëc duø cheá ñoä doøng lieân tuïc laø cô sôû cuûa khaûo saùt lyù thuyeát, caùc boä nguoàn thöïc teá ña soá laøm vieäc ôû doøng giaùn ñoaïn. Ñeå ñaûm baûo oån ñònh aùp ra, caàn coù coù phaûn hoài aùp ñeå chænh tON töï ñoäng. Tuy nhieân, caùc boä nguoàn flyback ñeàu vaãn khoâng theå laøm vieäc ôû cheá ñoä khoâng taûi, vaø nhaø saûn xuaát phaûi duøng moät ñieän trôû laøm taûi giaû, ñeà phoøng tröôøng hôïp ngoû ra khoâng taûi hay taûi quaù beù.

Ví duï II.5.1:

a. Cho sô ñoà hình II.5.5.(c), aùp nguoàn V = 260 volt, taàn soá ñoùng ngaét f = 20 KHz, taûi ñònh möùc Vo = 5 volt, Io = 5 ampe. Tính caùc thoâng soá maïch ñeå nhaáp nhoâ aùp ra ΔV = 20 mV, nhaáp nhoâ doøng qua ngaét ñieän ΔI baèng 50 % trò trung bình.

T = 1/f = 50 micro giaây, choïn tON = 0.6 T = 0.6/ 20000 = 30 micro giaây.

<II.5.2> suy ra C = Io*tON/ ΔV = 5*30 E -6 / 20 E -3 = 7.5 E –3 = 7500 uF

<II.5.3> suy ra tæ soá bieán aùp n =(V * tON)/ [(T - tON )* Vo] = 78 vaø trò trung bình doøng qua L (trong khoaûng naïp ñieän)

IL = (Io * T)/ [(T - tON )* n] = ( 5 * 50) / [(50 – 30)*78] = 0.16 ampe

nhaáp nhoâ doøng ΔI = 0.16 * 0.5 = 0.08 ampe.

<II.5.2> => L = (260 * 30 E –6) / 0.08 = 0.0975 H.

Doøng cöïc ñaïi qua ngaét ñieän S: Imax = IL + ΔI / 2 = 0.20 ampe

b. Vôùi heä thoáng tính ñöôïc ôû caâu a., ñoä roäng xung töông ñoái beù nhaát cho pheùp tON/Tø= 0.1, tính doøng taûi toái thieåu ñeå heä thoáng coù doøng lieân tuïc luùc naøy:

tON = 0.1 * 50 = 5 micro giaây.

Nhaáp nhoâ doøng ΔI = 260*5 E –6 / 0.0975 = 0.0133 ampe.

Ñeå coù doøng lieân tuïc, trò toái thieåu Imin = 0 hay trung bình doøng qua sô caáp bieán aùp IL phaûi lôùn hôn moät nöûa nhaáp nhoâ doøng ΔI, baèng 0.00667 ampe vaø doøng taûi töông öùng :

<II.5.3> => Io = IL * n *(T – tON) / T = 0.00667 * 78*(50 – 5)/50 = 0.468 ampe

Baøi taäp II.5.1: Tính toaùn chính xaùc cho sô ñoà hình 4.8.a (sô ñoà cô baûn): Khaûo saùt chu kyø töïa xaùc laäp (khi caùc daïng soùng laäp laïi ôû moãi chu kyø).

- Khi ngaét ñieän S ñoùng, caùc bieåu thöùc khoâng ñoåi, coù daïng cuûa <II.5.2>.

0

: ( ) ( )

= ⇒ = + =

= = + ⇒ Δ = Δ = − =


L VL bñ bñL

V Von L on on bñ L L on bñ onL L

diV L i t I I tdt

t t i t t I I I i t I t

- Khi S ngaét:

coù caùc phöông trình dt

diLvvdt

dvCIoiIoi LCL

CCL =−=+=+= ; ñieàu kieän ban ñaàu

( ) ( )max min0 ; 0= = + Δ < > = = − Δ < > baitapII.5.1 baitapII.5.2L bñ C bñi I I I v V V V .



Heä phöông trình naøy coù theå ñoåi laïi thaønh phöông trình baäc 2 theo vC nhö sau:

02

2=+ C

C vdt

vdLC vôùi caùc ñieàu kieän ñaàu:

( ) ( ) ( ) ( )oCCCC

C IIidt

dvVv −=== maxmin ; 11 000

nghieäm vC coù daïng wtBwtAvC cossin += vôùi LCw /1= , A vaø B laø haèng soá tích phaân phuï thuoäc hai ñieàu kieän ñaàu. Coù theå tính ñöôïc:

( ) wtVwtIIZv oC cossin minmax +−= vôùi CLZ = laø toång trôû soùng maïch coäng höôûng

LC. vaø ( ) ooZV

oCL IwtIIwtIii +−+−=+= cossin maxmin

Vôùi giaû thieát doøng lieân tuïc, theá t = T – tON vaøo, ta coù laïi caùc giaù trò aùp doøng ôû ñaàu chu kyø vC = Vbñ vaø iL = Ibñ nhö sau:

( ) YVXIIZV obñ minmax +−= <baitapII.5.3> vaø

( ) ooZV

bñ IYIIXI +−+−= maxmin <baitapII.5.4> vôùi X = sinw(T – tON), Y = cosw(T – tON)

Boán phöông trình töø <baitapII.5.1> ñeán <baitapII.5.4> cho pheùp ta tính ñöôïc Vmin, Vbñ, Imax, Ibñ, vieát ñöôïc bieåu thöùc moâ taû daïng soùng aùp treân tuï vaø doøng qua cuoän daây:

( )

( ) ono

onCI

on tCIVVYtXwtV

XYV o +=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ −−⋅⋅

+−= minmaxmin ; 1

11

22

( )

( )[ ] onbñonoonLV

o tLVIIXwtIYt

XYII −=⋅⋅−−

+−+= maxmax ; 1

11

22

Daïng soùng aùp treân tuï vaø doøng qua L coù daïng dao ñoäng trong khoaûng L phoùng ñieän qua C thay vì ñöôøng thaúng nhö trong khaûo saùt gaàn ñuùng. Trong thöïc teá, do C thöôøng raát lôùn, chu kyø T cuûa maïch thöôøng raát beù so vôùi chu kyø dao ñoäng LC, do ñoù caùc ñöôøng cong coù theå xem laø ñöôøng thaúng. Caùc coâng thöùc gaàn ñuùng coù theå suy ra trôû laò khi khai trieån Taylor caùc haøm löôïng giaùc: sin x xaáp xæ (x – x3/3) cos x baèng 1 – x2/2.

Baøi taäp II.5.1 cho thaáy söï phöùc taïp cuûa vieäc tính toaùn chính xaùc, seõ taêng leân khi khi khaûo saùt tröôøng hôïp doøng giaùn ñoaïn. Tính toaùn gaàn ñuùng luoân ñöôïc söû duïng trong thöïc teá.

4. Nguyeân lyù ñieàu khieån ñoä roäng xung (PWM) loaïi doøng ñieän:

Trong moät phaàn tröôùc ta ñaõ tìm hieåu nguyeân lyù ñieàu cheá ñoä roäng xung. Khi ñoù thôøi gian ñoùng vaø ngaét cuûa ngaét ñieän thay ñoåi theo tín hieäu ñaët aùp, coù theå goïi chi tieát hôn laø ñieàu roäng xung loaïi ñieän aùp ñeå phaân bieät vôùi nguyeân lyù ñieàu khieån ñoä roäng xung (PWM) loaïi doøng ñieän. Nguyeân lyù naøy cho pheùp cuøng luùc thay ñoåi ñoä roäng xung vaø kieåm soaùt bieân ñoä doøng qua ngaét ñieän, raát thích hôïp vôùi caùc boä bieán ñoåi aùp moät chieàu daïng flyback vì nhôø khaû naêng kieåm soaùt ñöôïc doøng ñieän, ta luoân khoáng cheá ñöôïc giaù trò doøng naïp cuoän daây, traùnh quaù doøng qua ngaét ñieän khi cuoän daây baûo hoøa vì ñieän trôû cuoän daây raáp beù.



Nguyeân lyù ñieàu khieån ñöôïc trình baøy treân hình II.4.13 beân. Maïch dao ñoäng (thöôøng laø naïp xaû) xaùc ñònh ñoä roäng xung toái ña cuûa BBÑ, taùc ñoäng vaøo ngoû SET cuûa RS FF ñeå ñoùng ngaét ñieän S ôû ñaàu chu kyø, taùc ñoäng vaøo RESET ñeå khoùa S khi ñoä roäng xung töông ñoái daït giaù trò toái ña. Ñieàu naøy thöïc hieän ñöôïc nhôø SET vaø RESET taùc ñoäng baèng caïnh leân vaø xuoáng. Moät maïch so saùnh coù theå khoùa ngaét ñieän S khi doøng qua noù vuôït qua giaù trò ñaët bôûi boä ñieàu

Dao ñoäng

Set

Reset

Ñaët doøng

Phaûn hoài doøng

Ñieàukhieån aùp

R-S F F

Q

S

Shunt

Hình 4.13: Boä ñieàu roäng xung loaïi doøng ñieän khieån aùp. Boä ñieàu khieån aùp seõ taêng tín hieäu ñaët doøng qua S coù ñöôïc aùp ra cao hôn. Ñeå yù doøng ñieän naøy luoân coù quaùn tính, khoâng thay ñoåi töùc thôøi (maïch coù tính caûm khaùng). Trong hình II.4.13 , coång OR ñeå RESET Flip Flop töø hai nguoàn.

Vi maïch hoï 38xx trong phaàn phuï luïc sau cho ta sô ñoà thöïc teá cuûa boä ñieàu roäng xung loaïi doøng ñieän.

5. Sô ñoà caûi thieän heä soá coâng suaát boä caáp ñieän (nguoàn) ñoùng ngaét:

Vieäc söû duïng chænh löu diod ôû ngoû vaøo ñaõ caûi thieän raát nhieàu tình traïng söû duïng löôùi ñieän cuûa caùc boä nguoàn moät chieàu so vôùi khi duøng chænh löu SCR. Tuy nhieân, toång trôû vaøo cuûa caùc boä caáp ñieän ñoùng ngaét khoâng töông ñöông vôùi ñieän trôû (heä soá coâng suaát nhoû hôn ñôn vò) vì coù tuï ñieän loïc ôû sau chænh löu ñiod. Khi ñoù, ngoaøi doøng xung ban ñaàu khi ñoùng vaøo löôùi ñieän raát lôùn, ôû traïng thaùi xaùc laäp doøng nguoàn laø nhöõng xung naïp tuï, nhö ñöôïc veõ treân hình II.4.14. Khi ñoù, heä soá coâng suaát khoâng baèng ñôn vò vì BBÑ coù tieâu thuï coâng suaát phaûn khaùng cho caùc haøi baäc cao. Ñeà heä soá coâng suaát baèng 1, doøng vaøo boä nguoàn caàn coù daïng hình sin, cuøng pha vôùi aùp (hình II.4.15). Ñoù laø nhieäm vuï cuûa boä caûi thieän heä soá coâng suaát, coù sô ñoà khoái nhö sau:

Löôùi AC --> Chænh löu D --> [tuï beù --> Maïch caûi thieän HSCS -->] tuï lôùn --> BBÑ AÙp DC

vC

iC

Nguoàn

i

i

n

CC

Hình 4.14: AÙp vaø doøng tuï loïc nguoàn C iC = |in|

vC1

i = in L

i

NguoànL

n

i

SC1

L

C2

Hình 4.15: AÙp vaø doøng tuï loïc nguoàn C iL = |in|, C1 coù giaù trò raát beù (doøng qua noù khoâng ñaùng keå), C2



coù giaù trò lôùn, caáp ñieän cho BBÑ aùp moät chieàu. Gaïch treân ñaàu caùc kyù hieäu doøng cho bieát ñaây laø giaù trò trung bình vì S ñoùng ngaét ôû taàn soá raát cao.

Phaàn trong ngoaëc vuoâng [ ] laø phaàn boå sung vaøo boä nguoàn xung ñeå caûi thieän heä soá coâng suaát. Maïch ñieän naøy coù nhieäm vuï naïp tuï ñieän ôû ngoû vaøo BBÑ aùp moät chieàu baèng moät doøng hình sin, coù bieân ñoä phuï thuoäc vaøo coâng suaát tieâu thuï ôû ngoû ra, S vaø L laø moät boä nguoàn Flyback ñeå naïp tuï C2, söû duïng nguyeân lyù ñieàu roäng xung loaïi doøng ñieän. Ñeå doøng qua L coù trò trung bình laø hình sin cuøng pha vôùi löôùi ñieän, tín hieäu ñaët doøng cuûa boä ñieàu roäng xung naøy coù daïng hình sin, bieân ñoä theå hieän yeâu caàu aùp treân tuï C2.

Heä soá coâng suaát coù theå leân ñeán 0.997 theo taøi lieäu Switchmode Power Supply Reference Manual (1999) cuûa haõng ON Semiconductor (tröôùc ñaây laø moät boä phaän cuûa Motorola) khi öùng duïng vi maïch MC34262 cuûa Motorola theo sô ñoà nguyeân lyù hình II.4.16 sau.

Phaàn ñieàu roäng xung loaïi doøng ñieän töông töï nhö so ñoà vi maïch hoï 384x, söï khaùc bieät naèm ôû phaàn so saùnh aùp ra ñeå taïo tín hieäu ñaët doøng: ngoõ ra cuûa boä ñieàu khieån aùp (khueách ñaïi sai soá – Error Amp.) ñöôïc nhaân vôùi hình sin nguoàn ñeå taïo ra tín hieäu ñaët doøng ñieän. Ñieän dung tuï ñieän nhoû C1 baèng 1uF vaø ñieän dung tuï loïc nguoàn chính C2 baèng 220 uF ñeå coù ñöôïc boä nguoàn DC 230 V/3.5 A töø löôùi ñieän 92 – 135 V AC.



hình II.4.16 Maïch caûi thieän heä soá coâng suaát duøng vi maïch MC34262.

PHUÏ LUÏC VI MAÏCH ÑIEÀU KHIEÅN BOÄ NGUOÀN XUNG 3842

1. GIÔÙI THIEÄU CHUNG: Phaàn phuï luïc naøy giôùi thieäu hoï vi maïch 3842..3846, ñieàu khieån boä nguoàn xung loaïi FLYBACK, söû

duïng MOSFET. Ngöôøi ta goïi nhoùm vi maïch naøy laø ñieàu roäng xung loïai doøng ñieän (current mode PWM) khaùc vôùi nguyeân taéc PWM moâ taû ôû II.5.1. MosFET seõ daãn ñieän töø ñaàu chu kyø vaø seõ bò khoùa khi doøng vöôït qua giaù tri ñaët bôûi ngoû ra boä hieäu chænh. Nguyeân taéc ñieàu khieån nhö vaäy raát thích hôp vôùi caùc BBÑ loaïi flyback bieán ñoåi naêng löôïng qua trung gian doøng ñieän. Caùc vi maïch trong nhoùm chæ khaùc nhau vaøi thoâng soá phuï thuoäc maõ soá. Tieáp ñaàu ngöõ cho bieát nhaø cheá taïo, soá ñaàu töø 1 (1842) ñeán 3 (3842) phuï thuoäc nhieät ñoä laøm vieäc.



Hình PL4.1 Sô ñoà khoái vaø moâ taû chaân EC 3842, soá chaân trong ngoaëc khi söû duïng voû DIP14.

Vi maïch EC 3842 laø boä ñieàu cheá ñoä roäng xung loaïi doøng ñieän, chuyeân duøng cho BBÑ flyback coù sô ñoà khoái hình PL4.1, caáp ñieän ñeán 30 volt (phuï thuoäc maõ soá) , bao goàm:

- Maïch oån aùp 5V / 20 mA (chaân 8/14) cho maïch ngoaøi vaø aùp chuaån 2.5 V cho maïch khueách ñaïi sai soá ERROR AMPLIFIER (boä hieäu chænh).

- Maïch baûo veä giaûm aùp nguoàn caáp ñieän Under Voltage Lock Out, khoâng cho maïch laøm vieäc khi nguoàn giaûm xuoáng döôùi giaù trò cho pheùp (phuï thuoäc maõ soá).

- Boä dao ñoäng taàn soá cöïc ñaïi laø 500 kHz, chænh baèng RC ôû chaân 4/7.

- Ngoû ra laùi MosFET duøng maïch boå phuï transistor, doøng tieâu bieåu +/- 200mA.

- Maïch khueách ñaïi sai soá ERROR AMPLIFIER (thöïc chaát laø boä hieäu chænh voøng kín) coù ngoû vaøo laø tín hieäu ñaët V REF = 2.5 V vaø tín hieäu phaûn hoài Voltage Feedback Input (chaân 2/3), taùc ñoäng leân boä phaùt xung ñieàu roäng sao cho sai leäch ngoû vaøo cuûa noù giaûm veà 0.

- Söï ñieàu cheá ñoä roäng xung loaïi doøng ñieän thöïc hieän baèng boä so saùnh doøng vaø set-reset flip-flop. Boä so saùnh doøng coù hai ngoû vaøo laø ñieän aùp tæ leä vôùi doøng ñieän taûi I SENSE vaø ngoû ra maïch khueách ñaïi sai soá ERROR AMP. Khi I SENSE > ngoû ra ERROR AMP (sau khi giaûm aùp), boä so saùnh seõ leân 1, reset RS FF vaø MosFET bò khoùa. Nhö vaäy giaù trò ñænh doøng qua MosFET seõ ñöôïc xaùc ñònh bôûi sai leäch ñieän aùp phaûn hoài so vôùi giaù trò ñaët. RS FF chæ ñoåi traïng thaùi, cho pheùp MosFET laøm vieäc khi baét ñaàu chu kyø laøm vieäc môùi (caùc daïng soùng treân hình PL4. 2).

- Ñoä roäng xung töông ñoái α cöïc ñaïi coù theå khoáng cheá baèng caùch choïn tuï dao ñoäng CT . Ñoái vôùi vi maïch maõ soá töø 3844 – 3846, trò soá naøy laø 0.5. Ñieàu naøy raát khaùc so vôùi lyù thuyeát laø phaïm vi thay ñoåi töø 0 .. 1. Lyù do laø ñeå traùnh baûo hoøa cuoän daây.



hình PL4. 2: Caùc daïng soùng ôû caùc chaân khi thay ñoåi ñoä roäng xung.

3. Maïch tieâu bieåu:

Hình PL4.3 laø sô ñoà boä nguoàn xung duøng vi maïch 3842 (3844). Sô ñoà naøy tieåu bieåu cho caùc maïch nguoàn loïai flyback, trong ñoù ngaét ñieän IGBT thöôøng ñöôïc thay theá baèng MosFET.

Naêng löôïng ñöôïc cung caáp töø löôùi qua baûo veä quaù aùp duøng varistor vaø boä giaûm nhieãu LC. RTC laø ñieän trôû thay ñoåi theo nhieät, haïn cheá doøng naïp tuï loïc nguoàn C1, C2 khi ñoùng nguoàn. R3 laø ñieän trôû caáp nguoàn ban ñaàu ( ñieàn trôû moài) cho maïch ñieàu khieån, nguoàn thaät söï cho maïch ñieàu khieån laáy töø bieán aùp, chænh löu qua D1.

R8, C4 laø hai phaàn töû xaùc ñònh taàn soá dao ñoäng. R9, C5 laø maïch phaûn hoài doøng qua IGBT, ñöa vaøo so saùnh.

Vieäc oån ñònh ñieän aùp ngoû ra thöïc hieän qua vi maïch oån aùp song song TL431, so saùnh aùp ra vaø chuaån 2.5V beân trong ñeå thay ñoåi doøng phaân cöïc OPTRON PC817. Transistor ôû ngoû ra OPTRON seõ thay ñoåi doøng cöïc thu vaø laøm thay ñoåi ñoä roäng xung laùi IGBT.

Hình PL4.3 Sô ñoà boä nguoàn xung coù vaø khoâng coù duøng vi maïch TL431. Doøng taûi caûm nhaän veà

qua RC tröôùc khi vaøo so saùnh ñeå loïc boû gai doøng ban ñaàu khi turn-on MosFET.



PHUÏ LUÏC 2: Vi maïch ñieàu roäng xung TL494 1. Moâ taû:

TL494 laø vi maïch cuûa haûng Texas Instrument ñaïi dieän cho nhoùm vi maïch ñieàu khieån caáp ñieän ñoùng ngaét (nguoàn xung) loaïi söû duïng nghòch löu (muïc II.5.2 – hình II.5.4) hay UPS offline coâng suaát beù, bao goàm:

- Boä dao ñoäng raêng cöa duøng RC taïo soùng mang cho boä ñieàu roäng xung, taàn soá laøm vieäc töø 1 kHz ñeán 300 kHz.

- Boä so saùnh Dead time control comparator xaùc ñònh beà roäng xung toái ña, lôùn nhaát khi ñieän aùp chaân DTC baèng 0.

- Boä so saùnh PWM ñònh beà roäng xung theo aùp ngoû ra cuûa caùc boä khueách ñaïi sai soá. Hai boä so saùnh naøy taùc ñoäng möùc thaáp neân xung ra coång OR seõ laø xung coù beà roäng beù hôn.



- Pulse steering Flip Flop laø boä chia hai, keát hôïp vôùi coång NOR ôû ngoû ra cho ta taùc ñoäng

ñaåy keùo: hai transistor ngoû ra Q1 vaø Q2 luaân phieân laøm vieäc. Chaân 13 (output control) coù theå caáâm taùc ñoäng cuûa Flip Flop, khi ñoù Q1 vaø Q2 laøm vieäc gioáng nhau. Hai transistor naøy coù cöïc E vaø C noái ra ngoaøi thuaän tieän cho thieát keá maïch ñoäng löïc.

- Hai boä khueách ñaïi sai soá laø caùc khueách ñaïi thuaät toaùn coù theå ñöôïc duøng ñeå phaûn hoài oån ñònh ñieän aùp ngoû ra vaø baûo veä boä bieán ñoåi. Ñeå yù ngoû ra coù caùc diod vaø taûi baèng nguoàn doøng 0.7 mA noái xuoáng GND laøm cho ñieän aùp chaân 3 seõ coù trò soá cuûa ngoû ra cao hôn vaø xung heïp hôn.

- Vi maïch coøn coù nguoàn chuaån 5 V ôû chaân 14.

2. Sô ñoà thöû nghieäm:

- Caùc ngoû vaøo khueách ñaïi thuaät toaùn ñöôïc noái ñeå caùc ngoû ra laø thaáp nhaát ñeå khoâng coøn taùc duïng. Cöïïc E cuûa Q1, Q2 noái GND: taûi laáy ôû cöïc C

- Vieäc thöû nghieäm thöïc hieän qua vieäc thay ñoåi aùp ôû hai chaân DTC vaø FEEDBACK vôùi caùc daïng soùng ño ñöôïc ôû hình trang sau. Ñeå yù taûi ôû chaân FEEDBACK laø ngoàn doøng 0.7 mA neân ta coù theå ñieàu khieån chaân naøy baèng bieán trôû 10k noái nguoàn REF 5 V ôû chaân 14.



3. Taàn soá dao ñoäng raêng cöa coù theå tính theo ñoà thò sau:

4. Maïch boä nguoàn maùy tính ATX duøng TL494





CHÖÔNG 3 ÑIEÀU KHIEÅN ÑCÔ ÑIEÄN MOÄT CHIEÀU

III.1 CAÙC KHAÙI NIEÄM VEÀ TRUYEÀN ÑOÄNG ÑIEÄN:

1. Caùc khaùi nieäm caên baûn:

- TTÑ laø heä thoáng (HT) bieán ñoåi ñieän naêng -> cô naêng cung caáp cho caùc maùy moùc coâng nghieäp (cung caáp söùc keùo ñieän – electric drive). Truyeàn ñoäng ñieän (electric drive) coøn coù nghiaõ laø noái truïc baèng ñieän theo sô ñoà sau:

Cô (nguoàn) --> [Maùy phaùt ñieän] --> Ñieän --> [daây daãn] --> [Ñcô ñieän] --> Cô (taûi)

Sô ñoà naøy coù theå gaëp trong caùc phöông tieän vaän taûi (taøu bieån, xe löûa) vaø nhaát laø caùc maùy moùc caàn nhieàu truïc quay coù phoái hôïp toác ñoä vôùi nhau.

- Caùc phaàn tö maët phaúng taûi vaø ñieåm laøm vieäc: Cuõng nhö caùc boä bieán ñoåi (BBÑ) ÑTCS, BBÑ ñieän cô coù hai bieán traïng thaùi chính: Momen M vaø toác ñoä ω taïo neân maët phaûng pha M, ω chia laøm 4 phaàn tö ñaùnh soá töø I ñeán IV. Ñieåm laøm vieäc cuûa ñcô laø moät ñieåm (M,ω) trong maët phaúng naøy. Vôùi moät boä thoâng soá cuûa ñoäng cô, ta coù moät quan heä M(ω) goïi laø ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô vaø vôùi moät taûi cuï theå, ta coù quan heä momen caûn chuyeån ñoäng theo toác ñoä Mc(ω) goïi laø ñaëc tính cô phuï taûi.

- Phöông trình caên baûn TÑÑ vaø chuyeån ñoäng: Khi caùc truïc noái cöùng vaø giaû söû khoâng coù ma saùt nhôùt (tæ leä toác ñoä), ta coù phöông trình caên baûn cuûa chuyeån ñoäng (pt 2 Newton cho chuyeån ñoäng quay) cho heä thoáng coù thoâng soá taäp trung vaø khoâng ñaøn hoài:

= − =ñ CdwM M M Jdt

<3.1> Mñ goïi laø momen ñoäng cuûa chuyeån ñoäng quay, J laø momen quaùn tính toaøn HT qui ñoåi veà truïc ñoäng cô.

dω /dt ñöôïc goïi laø gia toác chuyeån ñoäng.

Töø <3.1> coù theå suy ra caùc traïng thaùi cuûa Ñcô:

M > MC: ñcô taêng toác, M < MC: ñcô giaûm toác

M = MC: ñcô khoâng ñoåi toác ñoä hay coøn goïi laø coù ñieåm laøm vieäc xaùc laäp. Ñaây chính laø giao ñieåm cuûa ñaëc tính cô ñoäng cô vaø phuï taûi. Ñieåm laøm vieäc xaùc laäp naøy ñöôïc goïi laø oån ñònh (tónh) hay caân baèng (beàn) khi coù ngoaïi löïc hay nhieãu laøm ñieåm laøm vieäc thay ñoåi thì Mñ /Δω < 0. Khi ñoù HT seõ coù gia toác theo chieàu trôû veà ñieåm laøm vieäc cuõ.

Ví duï: Hình 3.1 cho ta ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô khoâng ñoàng boä rotor loàng soùc vaø ñaëc tính cô phuï taûi cuûa noù coù trò soá khoâng ñoåi (Momen caûn haèng soá). ÔÛ toác ñoä ñoàng boä, momen ñoäng cô baèng 0. A laø ñieåm laøm vieäc oån

M

ω

ωo

0

s

0

1

III

IIIIV

Mc

A

B

M

Hình 3.1 Ñaëc tính cô ñoäng cô KÑB vaø caùc ñieåm laøm vieäc

ñònh vaø B laø ñieåm laøm vieäc khoâng oån ñònh tónh.



2. Ñaëc tính ñieàu chænh cuûa TÑÑ:

Khi ñieàu chænh thoâng soá ñieän, ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô thay ñoåi, quyõ ñaïo caùc ñieåm laøm vieäc ñeå ñoäng cô cung caáp momen max maø khoâng hö hoûng (Mcp) ñöôïc goïi laøñaëc tính ñieàu chænh cuûa ñoäng cô. Ñaëc tính ñieàu chænh thöôøng ñöôïc theå hieän ôû daïng momen cho pheùp Mcp(ω), hay coâng suaát cho pheùp Pcp(ω) khi toác ñoä thay ñoåi. Ñaëc tính ñieàu chænh giuùp ta choïn loaïi taûi ñeå taän duïng khaû naêng ñoäng cô öùng moät phöông aùn ñieàu khieån hay tìm ra phöông aùn ñieàu khieån thích hôïp vôùi moät loaïi taûi cho tröôùc.

Caùc giôùi haïn cuûa ñoäng cô:

AÙp U < Uñm ; doøng I < Iñm ; Doøng kích töø ikt < Iktñm hay töø thoâng Φ <Φñm (ñcô moät chieàu). Chæ soá ñm töông öùng töø

“ñònh möùc”.

Ví duï: Ñaëc tính ñieàu chænh ñoäng cô moät chieàu kích töø ñoäc laäp: (hình 3.2)

Khi ñieàu khieån aùp phaàn öùng (U < Uñm), töø thoâng ñöôïc giöõ ñònh möùc, baèng Φñm khoâng ñoåi:

=> Mcp = K.Φñm.Iñm = haèng soá . Vaäy ñieàu khieån aùp phaàn öùng ñoäng cô DC coù ñaëc tính ñieàu chænh laø momen haèng soá hay coâng suaát taêng tæ leä toác ñoä, thích hôïp vôùi taûi coù MC khoâng ñoåi.

Hình 3.2: Ñaëc tính ñieàu chænh ñoäng cô moät chieàu kích töø ñoäc laäp

Khi ñieàu khieån aùp töø thoâng (Φ <Φñm), aùp phaàn öùng giöõ khoâng ñoåi, baèng Uñm. Coâng suaát cho pheùp Pcp = Uñm Iñm = haèng soá, töông öùng vôùi coâng suaát ñoäng cô khoâng ñoåi hay momen giaûm tæ leä nghòch vôùi söï taêng cuûa toác ñoä do giaûm töø thoâng. Do ñoù giaûm töø thoâng ñoäng cô moät chieàu thích hôïp cho truyeàn ñoäng maùy tieän khi tieän tinh, coù löôïng aên dao nhoû, caàn toác ñoä quay lôùn ñeå ñaûm baûo ñoä boùng vaø naêng suaát. Giaûm töø thoâng coøn ñöôïc duøng cho caùc chuyeån ñoäng khoâng taûi toác ñoä cao.

3. Haøm truyeàn ñoäng cô DC vaø BBÑ:

- Haøm truyeàn ñoäng cô: Khi doøng ñieän taûi laø lieân tuïc, haøm truyeàn ñoäng cô DC kích töø ñoäc laäp ñöôïc xaây döïng töø caùc pt sau

U

R

L

E

..

e

e

e

dIU E R I Ldt

C kM C I k IE C

ε

φφ

ω

= + ⋅ + +

== ⋅ = ⋅

= ⋅

<3.1>

Hình 3.3a

Trong ñoù:

U: Ñieän aùp phaàn öùng ñoäng cô.

E, I: söùc ñieän ñoäng, doøng ñieän phaàn öùng cuûa ñoäng cô. I ñöôïc vieát in hoa ñeå chæ giaù trò



trung bình.

R: ñieän trôû töông ñöông cuûa caùc suït aùp treân phaàn öùng, L: töï caûm maïch ñieän phaàn öùng, Tñt = L/R goïi laø haèng soá thôøi gian ñieän töø

ε: Phaûn öùng phaàn öùng cuûa ñoäng cô, luoân ñöôïc boû qua khi khaûo saùt truyeàn ñoäng ñieän.

Ce: Haèng soá ñieän töø cuûa ñoäng cô moät chieàu, tæ leä (heä soá k) vaøo töø thoâng φ cuûa cuoän kích töø.

M: momen ñoäng cô, ôû cheá ñoä xaùc laäp baèng momen caûn treân truïc.

ω: toác ñoä, tính baèng rad/giaây.

Trong cheá ñoä xaùc laäp, doøng trung bình khoâng ñoåi, suy ra:

( )1

e

w U R IC

= − ⋅ <3.2> Ñaây laø phöông trình ñaëc tính cô ñcô DC.

Neáu doøng taûi giaùn ñoaïn, ta khoâng coù quaù ñoä ñieän töø vì doøng ñieän taûi laø nhöõng xung coù daïng khoâng ñoåi, ñaït cheá ñoä töïa xaùc laäp ngay sau khi thay ñoåi xung ñieàu khieån: Tñt = 0

- Haøm truyeàn BBÑ: Moät caùch gaàn ñuùng, taát caû BBÑ luoân coù daïng moät khaâu treã vì ngoû ra cuûa noù khoâng theå thay ñoåi giöõa hai laàn phaùt xung ñieàu khieån. Haøm truyeàn BBÑ coù theå ñöôïc tuyeán tính hoùa thaønh khaâu quaùn tính nhö daïng sau:

( ) .1

BDT BDBD

BD

KH s K esT

−=+

trong ñoù

KBÑ laø tæ soá trung bình aùp ra VO treân aùp ñieàu khieån UÑK ôû ngoû vaøo maïch ñieàu khieånBBÑ. KBÑ xaùc ñònh töø sô ñoà phaùt xung ñieàu khieån ñeå taïo ra daïng aùp treân taûi töông öùng. KBÑ thay ñoåi theo cheá ñoä taûi vaø maïch phaùt xung. Nhö ñaõ khaûo saùt, ñeå coù KBÑ khoâng bò aûnh höôûng bôûi taûi, BBÑ caàn laøm vieäc ôû doøng lieân tuïc.

TBÑ laøhaèng soá thôøi gian, tính baèng trung bình cuûa chu kyø phaùt xung ñieàu khieån (thôøi gian cuûa hai xung lieân tieáp).

Ví duï: TBÑ cuûa BBÑ aùp DC laø chu kyø T cuûa tín hieäu ñieàu khieån ngaét ñieän. Khi caùc ngaét ñieän laø transistor, ta coù theå xem BBÑ laø boä khueách ñaïi taùc ñoäng töùc thôøi vì taàn soá ñoùng ngaét cuûa transistor raát cao.

2. Cheá ñoä haõm cuûa TÑÑ:

a. Khaùi nieäm veà cheá ñoä haõm: Hai truïc toïa ñoä chia maët phaúng ñaëc tính cô ra laøm 4 phaàn töông öùng vôùi hai cheá ñoä laø vieäc cuûa ñoäng cô:

Phaàn tö I vaø III coù momen M cuøng chieàu toác ñoä ω , P = M.ω > 0, maùy ñieän laøm vieäc ôû cheá ñoä ñoäng cô: Ñieän naêng --> cô naêng.

ñieänPhaàn tö II vaø IV coù momen M ngöôïc chieàu toác ñoä ω , P = M.ω < 0, maùy ñieän laøm vieäc ôû cheá ñoä maùy phaùt: Cô naêng --> ñieän naêng. Cheá ñoä naøy coøn goïi laøcheá ñoä haõm vì momen ñoäng cô choáng laïi chuyeån ñoäng.

Caùc cheá ñoä haõm:

Quan saùt ñoäng cô DC laøm vieäc vôùi nguoàn aùp, ñaëc tính cô laø ñöôøng thaúng phöông trình <3.2> treân hình 3.3a.



M

ω

III

III IV

wo

ñoäng cô

haõm taùi sinh

haõmngöôïc

haõmñoäng naêng

I

V

+

_

A_+

_

+

V

I

A_+

Hình 3.3b: Ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô DC kích töø ñoäc laäp Haõm taùi sinh Haõm ngöôïc

Khi w > wO = U/Ce laø toác ñoä khoâng taûi lyù töôûng, ñieåm laøm vieäc di chuyeån sang phaàn tö thöù II: ta coù cheá ñoä haõm taùi sinh (regenerative braking). Khi ñoù E = Ce .w > U, doøng ñieän ñaûo chieàu, ñoäng cô bieán thaønh maùy phaùt traû naêng löôïng veà nguoàn.

Khi w < 0 , ñoäng cô ñaûo chieàu quay, ñieåm laøm vieäc di chuyeån sang phaàn tö thöù IV: ta coù cheá ñoä haõm ngöôïc. Khi ñoù E = Ce .w < 0 cuøng chieàu vôùi aùp nguoàn laøm doøng ñieän taêng cao öùng vôùi moment haõm lôùn. Tröôøng hôïp naøy xaûy ra khi ta ñoùng nguoàn theo chieàu ngöôïc laïi moät ñoäng cô ñang quay, ñoäng cô seõ haõm raát nhanh tröôùc khi khôûi ñoäng theo chieàu ngöôïc laïi.

Khi U = 0 , ñoäng cô bieán thaønh maùy phaùt, doøng ñieän I = – E/R ñaûo chieàu laøm cho momen M = Ce .I < 0 : ñieåm laøm vieäc di chuyeån sang phaàn tö thöù II, ta coù cheá ñoä haõm ñoäng naêng (dynamic braking). Khi ñoù, cô naêng bieán thaønh ñieän naêng tieâu taùn treân ñieän trôû cuûa maïch. Cheá ñoä haõm naøy ñöôïc goïi laø ñoäng naêng vì thöôøng ñöôïc duøng ñeå haõm döøng ñoäng cô ñang quay, naêng löôïng haõm chính laø ñoäng naêng cuûa chuyeån ñoäng.

Ñoäng cô khoâng ñoàng boä cuõng coù nhöõng quaù trình haõm tuông töï khi ta quan saùt ñaëc tính cô treân hình 3.1. Tröôøng hôïp ñoäng cô laøm vieäc ôû toác ñoä lôùn hôn toác ñoä ñoàng boä ωΟ, M < 0 töông öùng cheá ñoä haõm. Ta coù haõm taùi sinh vì ñoäng cô bieán thaønh maùy phaùt, chuyeån naêng löôïng veà löôùi AC. Khi ñoù HT caàn nguoàn cô naêng, ví duï ñoäng cô ñang ñöôïc moät ñoäng cô khaùc keùo hay HT ñang coù naêng löôïng tích tröõ daïng ñoäng naêng hay theá naêng caàn tieâu taùn.

- ÖÙng duïng cheá ñoä haõm trong truyeàn ñoäng ñieän: Ñoäng cô ñieän laøm vieäc ôû cheá ñoä haõm trong hai tröôøng hôïp:

* Haõm döøng ñoäng cô ñang quay hay giaûm toác ñoä: Ñeå döøng hay giaûm toác nhanh ñoäng cô ñang quay ôû toác ñoä cao, ñoäng naêng cuûa boä phaän chuyeån ñoäng caàn ñöôïc tieâu hao. Cheá ñoä haõm cho pheùp bieán ñoåi cô naêng naøy thaønh ñieän naêng töông öùng vôùi momen haõm, chæ toàn taïi trong quaù trình quaù ñoä.

* Haõm ñoäng cô bò keùo do moät ngoaïi löïc, ví duï nhö haï taûi theá naêng hay xaû cuoän giaáy hay toân. Löïc haõm cuûa ñoäng cô caân baèng löïc keùo laøm heä thoáng chuyeån ñoäng ñeàu. Khi ñoù ñoäng cô laøm vieäc nhö maùy phaùt, bieán ñoåi cô naêng thaønh ñieän naêng.

b. Cheá ñoä haõm taùi sinh cuûa heä thoáng truyeàn ñoäng BBÑ ñoäng cô:

Ñeå giuùp ñoäng cô laøm vieäc ôû cheá ñoä haõm, BBÑ caàn coù khaû naêng nghòch löu – chuyeån naêng löôïng ñieän töø taûi veà nguoàn. Löu yù khoâng phaûi BBÑ naøo cuõng coù khaû naêng naøy, ví duï nhö caùc boä bieán ñoåi sau khoâng theå nghòch löu: Chænh löu ñieàu khieån pha, sô ñoà chỉnh lưu ñieàu khieån khoâng hoaøn toaøn (SCR + D), BBÑ aùp DC sô ñoà 1 phaàn tö (1 quadrant) maët phaúng taûi.



BBÑ aùp DC sô ñoà 2 phaàn tö cho pheùp haõm taùi sinh ñoäng cô DC deã daøng vì noù laøm vieäc ñöôïc ôû phaàøn tö I vaø II: VO > 0 vaø IO coù theå ñaûo chieàu. Chæ caàn giaûm trung bình aùp ra VO nhoõ hôn söùc ñieän ñoäng E cuûa ñoäng cô, doøng taûi IO = (VO – E) / R ñaûo chieàu, M < 0 ñöa ñoäng cô vaøo cheá ñoä haõm.

VIo E > 0

Vo

S1

S2

D1

D2_

+

-

Hình 3.4.a:HT truyeàn ñoäng duøng ñoäng cô DC vaø BBÑ aùp DC, sô ñoà laøm vieäc 2 phaàn tö

Hình 3.4.b: Quyû ñaïo pha khi haõm döøng BBÑ hai phaàn tö (haõm taùi sinh) baèng caùch giaûm daàn VO veà 0.

Ví duï1: (hình 3.4b) Ñieàu khieån haõm döøng xe ñieän chaïy baèng BBÑ hai phaàn tö vaø nguoàn accu (hình 3.4.a). Giaõ söû xe ñang chaïy vôùi toác ñoä w1 (ñieåm A) vaø ta muoán döøng nhanh. Coù theå ngaét ñieän ñoäng cô vaø söû duïng thaéng cô khí , khi ñoù ñoäng naêng chuû yeáu bieán thaønh nhieät do masaùt. Nhöng neáu ta giaûm daàn aùp ra VO cuûa BBÑ, doøng ñieän IO seõ ñaûo chieàu, ñoäng cô bieán thaønh maùy phaùt vaø BBÑ seõ laøm vieäc trong cheá ñoä taêng aùp, naïp naêng löôïng trôû veà accu. Vì theá phöôngphaùp naøy ñöôïc goïi laø haõm taùi sinh.

M

ω

Hình 3.4.c: Quyû ñaïo pha khi haõm döøng duøng ñieän trôû (haõm ñoäng naêng).

Ví duï2: (hình 3.4b)ø Ñeå döøng nhanh ñoäng cô DC, ngöôøi ta coù theå ngaét nguoàn, noái taét phaàn öùng baèng moät R nhoû. Ñoäng cô bieán thaønh maùy phaùt, doøng ñieän ñaûo chieàu taïo ra momen haõm vaø ñoäng naêng HT seõ tieâu taùn trong maïch phaàn öùng, phöông trình ñaëc tính cô ñoäng cô khi haõm

laø:( )2

R Mk

ωφ

= − , Momen haõm giaûm nhanh khi toác ñoä veà khoâng (hình 3.4c)..

Trong khi ñoù, quy trình haõm ôû ñoäng cô DC duøng chænh löu ñieàu khieån pha phöùc taïp hôn nhieàu nhö seõ trình baøy trong caùc muïc sau cuûa chöông naøy.

Ñoái vôùi bieán taàn nguoàn aùp coâng suaát trung bình vaø beù (hình 3.5), ñaàu vaøo thöôøng laø chænh löu diod neân BBÑ khoâng traû naêng

Q7

Chænh löu Diod Nghòch löu nguoàn aùp

A B C

L

C

R

Hình 3.5: Maïch ñoäng löïc bieán taàn coù khaâu trung gian DC vaø nghòch löu nguoàn aùp.



löôïng veà löôùi ñöôïc nhöng boä nghòch löu nguoàn aùp laïi coù ñaëc tính thuaän nghòch. Khi taûi boä nghòch löu laø ñoäng cô khoâng ñoàng boä laøm vieäc trong traïng thaùi haõm, cô naêng ñöôïc bieán thaønh ñieän naêng vaø chæ coù theå tích tröõ ôû tuï loïc C. IGBT Q7 vaø ñieän trôû R coù nhieäm vuï tieâu thuï naêng löôïng naøy ñeå traùnh quaù aùp maïch ñieän moät chieàu. Vieäc haõm chuyeån ñoäng baèng ñieän trong ñoù tieâu thuï ñieän naêng (töø cô naêng bieán thaønh) qua ñieän trôû ñöôïc goïi laø haõm ñoäng naêng (dynamic braking). ÔÛ bieán taàn coâng suaát lôùn, chænh löu ñaàu vaøo phaûi duøng SCR vôùi khaû naêng laøm vieäc ôû phaàn tö thöù hai, khi ñoù naêng löôïng seõ ñöôïc traû veà löôùi: haõm taùi sinh.

4. Caùc baøi toaùn cuûa TÑÑ:

- Ñieàu khieån momen: Ngoaøi baøi toaùn ñieàu khieån momen trong quaù trình taêng, giaûm toác, trong raát nhieàu tröôøng hôïp caàn phaûi ñieàu khieån momen trong cheá ñoä xaùc laäp. Coù theå keå:

* Yeâu caàu baûo veä quaù taûi (cô vaø ñieän) vì momen khi laøm vieäc tæ leä vôùi doøng ñieän qua ñoäng cô do söï coá hay khi lam vieäc bình thöôøng (ñaëc tính maùy xuùc) <=> baûo veä doøng cuûa BBÑ.

* Moät soá daïng taûi yeâu caàu laøm vieäc ôû momen hay löïc keùo ñaët tröôùc, ví duï nhö caùc phöông tieän vaän taûi do ngöôøi laùi khoâng theå ñieàu khieån töï ñoäng theo toác ñoä, caùc cô caáu cuoän giaáy, saûn phaåm daïng baêng caàn toác ñoä thay ñoåi theo ñöôøng kính cuoän.

- Ñieàu khieån toác ñoä: Laø baøi toaùn quen thuoäc, toác ñoä luoân aûnh höôûng chaát löôïng vaø naêng suaát cuûa maùy moùc. Do ñoù ñieàu chænh vaø oån ñònh toác ñoä cho truyeàn ñoäng caùc maùy moùc coâng luoân laø baøi toaùn caên baûn cuûa TÑÑ.

- Ñieàu khieån vò trí: trong moät soá maùy moùc, ta caàn ñieàu khieån vò trí moät boä phaän coâng taùc ví duï nhö toaï ñoä ñieåm khoan, vò trí boác dôõ taûi trong caàu truïc töï ñoäng (khoâng ngöôøi ñieàu khieån), buoàng thang maùy. Hai baøi toaùn quan troïng cuûa ñieàu khieån vò trí laø:

* Taùc ñoäng nhanh: Toái thieåu thôûi gian di chuyeån. Baøi toaùn naøy thöôøng keát hôïp vôùi caùc yeâu caàu khaùc nhö haïn cheá gia toác, toác ñoä.

* Döøng chính xaùc vaø haïn cheá voït loá: Ñaây laø moät yeâu caàu daãn ñeán giaûm tính taùc ñoäng nhanh, theo ñoù ñoäng cô phaûi di chuyeån daàn ñeán vò trí ñích khoâng voït loá vaø giaûm toái thieåu sai soá.

Baøi toaùn ñieàu khieån vò trí nhö vaäy thöôøng ñöôïc giaûi quyeát baèng caùch choïn sô ñoà ñieàu khieån thích hôïp vaø tính toaùn tín hieäu ñaët theo quyõ ñaïo pha chuyeån ñoäng toái öu. Quyõ ñaïo pha chuyeån ñoäng toái öu coù theå moâ taû ñôn giaûn laø heä thoáng caàn coù ñoà thò thích hôïp cho toác ñoä, gia toác khi khôûi ñoäng, hoaït ñoäng vaø giaûm toác tröôùc khi ñeán ñích.

Ví duï: Duøng Simulink ñeå moâ phoûng quaù trình ñieàu khieån vò trí khi hieäu chænh 3 voøng toái öu module khi tín hieäu ñaàu vaøo laø haøm naác vaø haøm doác.



P2

+-

Sum2

120

Hieäu chænh toác ñoä

Auto-ScaleGraph

Ñaët 5.u(t)

10

Gain1

Mux

Mux

10pmult([1 0],[0.5 1])(s)

H3

110sH1P1

+-

Sum1

110

Hieäu chænh M

10s

H2

Moâ hình hieäu chænh 3 voøng toái öu mo dule,Giaû söû ñoái töôïng coù 2 tích phaânCaùc khaâu baûo hoøa ôû +/- 4 ñôn vòP3

+-

Sum31

2.5

Hieäu chænh vò trí

Hình 3.6: Moâ hình Simulink hieäu chænh 3 voøng toái öu module.

Momen, toác ñoä, vò trí laø ba bieán traïng thaùi cuûa truyeàn ñoäng ñieän vaø ta coù theå söû duïng ñieàu khieån toïa ñoä. Khi ñoù, ta coù theå ñieàu khieån vò trí (voøng ngoaøi cuøng) vôùi momen, toác ñoä (caùc voøng trong) ñöôïc giöõ trong giôùi haïn ñònh tröôùc.

Duøng Simulink moâ phoûng HT vaø keát quaû hieäu chænh 3 voøng thaønh toái öu module ñöôïc trình baøy treân hình 3.6. Trong ví duï naøy, hieäu

Hình 3.7a: Keát quaû khaûo saùt moâ hình vôùi tín hieäu ñaët haøm naác.

chænh P ñöôïc duøng vì caùc haøm truyeàn ñoái töôïng ñeàu coù tích phaân, giaû söû naøy tuy khoâng phuø hôïp ñoäng cô thöïc nhöng khoâng laøm thay ñoåi yù nghóa cuûa phöông phaùp. Töø ñoà thò, khi toác ñoä haèng soá, vò trí taêng tuyeán tính theo thôøi gian, momen ñoäng cô khi ñoù gaàn baèng khoâng vì ñoäng cô khoâng coù momen caûn. Quaù ñoä toác ñoä coù daïng cuûa ñöôøng cong baäc hai tôùi haïn.

Hình 3.7b: Keát quaû khaûo saùt moâ hình vôùi tín hieäu ñaët haøm doác - Ñieàu khieån theo baùm (tuøy ñoäng): Laø moät daïng ñieàu khieån vò trí, khi vò trí ñaët thay ñoåi



theo thôøi gian vaø nhö vaäy ñoäng cô caàn phaûi taùc ñoäng ñuû nhanh ñeå coù theå baùm theo.

Hình 3.7 cho thaáy hieäu chænh thaønh toái öu module khoâng ñaït yeâu caàu baùm theo haøm doác. Nhö ta ñaõ bieát, ñeå voâ sai vôùi haøm doác caàn phaûi hieäu chænh toái öu ñoái xöùng. Ta coù theå döïa vaøo sô ñoà khoái hình 3.6 ñeå hieäu chænh toái öu ñoái xöùng cho khaâu vò trí ñeå kieåm tra. Trong thöïc teá, ngoaøi phaàn hieäu chænh toïa ñoä, ngöôøi ta coøn ñöa vaøo caùc phaûn hoài/hieäu chænh song song ñeå caûi thieän ñaëc tính quaù ñoä khi duøng maïch analog. Khi ñieàu khieån soá, thoâng soá PID seõ ñöôïc ñieàu chænh töï ñoäng trong quaù trình laøm vieäc, thích hôïp vôùi traïng thaùi heä thoáng vaø chaát löôïng ñoäng hoïc mong muoán trong töøng giai ñoaïn.

5. Quaù trình khôûi ñoäng:

Ñoäng cô ñieän laø moät taûi ñoäng: vôùi cuøng doøng ñieän, suït aùp qua noù taêng theo toác ñoä quay. Do ñoù khi ñoùng tröïc tieáp vaøo löôùi ñeå khôûi ñoäng, doøng qua ñoäng cô luoân luoân lôùn. Doøng ñieän naøy coù theå töø 5 ñeán 7 laàn doøng ñònh möùc, coù theå gaây suït aùp laøm aûnh höôûng caùc taûi khaùc trong löôùi ñieän. Nhaát laø ñoái vôùi taûi ñoäng cô, suït aùp lôùn coù theå khieán caùc ñoäng cô naøy suït toác vaø taêng doøng. Vì vaäy khi coâng suaát ñoäng cô khaù lôùn hay ôû caùc khu vöïc yeâu caàu chaát löôïng ñieän naêng cao, nguôøi ta caàn coù boä khôûi ñoäng. Khi ñoù doøng ñieän seõ ñöôïc giôùi haïn ôû giaù trò cho pheùp. Khi giaûm doøng khôûi ñoäng, ta caàn ñeå yù ñeán momen khôûi ñoäng , noù caàn phaûi lôùn hôn momen caûn ñeå HT coù theå taêng toác.

Boä khôûi ñoäng coøn coù khaû naêng ñieàu khieån momen ñoäng ñeå haïn cheá öùng suaát trong caùc phaàn töû chuyeån ñoäng, nhaèm traùnh hö hoûng, taêng ñoä beàn ví duï nhö ôû baêng taûi, thieát bò coâng nghieäp giaáy, in, vaûi... Ñieàu naøy cuõng töông ñöông vôùi vieäc giôùi haïn gia toác cuûa chuyeån ñoäng.

Trong caùc boä khôûi ñoäng chaát löôïng cao ta coù theå ñaët tröôùc thôøi gian khôûi ñoäng hay taêng toác (acceleration) töông öùng vôùi moät daïng ñöôøng cong taêng toác choïn tröôùc, coù theå laø haøm doác (RAMP) hay chöõ S. Thôøi gian khôûi ñoäng daøi <=> gia toác nhoû hay momen ñoäng, öùng suaát nhoû. Töông töï ta cuõng coù theå choïn thôøi gian vaø daïng cuûa ñöôøng cong giaûm toác (deceleration).

III.2 TÑÑ ÑCÔ DC DUØNG CHÆNH LÖU ÑIEÀU KHIEÅN PHA:

1. Sô ñoà khoái:

Ñeå ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô DC töø löôùi coâng nghieäp, boä chænh löu coù theå ñöôïc duøng ñeå cung caáp aùp phaàn öùng vaø doøng kích töø nhö trình baøy treân hình.

- Trong caùc HT TÑÑ ñoäng cô DC duøng BBÑ, göôøi ta thöôøng duøng ñoäng cô kích töø ñoäc laäp hay hoãn hôïp, ít khi duøng ñoäng cô noái tieáp vì khoù ñieàu chænh: toác ñoä taêng raát cao khi khoâng taûi.

- ÔÛ coâng suaát nhoû ñeán trung bình vaø khoâng ñaûo chieàu, boä chænh löu ñieàu khieån khoâng hoaøn toaøn (SCR + Diod) coù theå ñöôïc duøng vì kinh teá vaø ñôn giaûn. ÔÛ coâng suaát trung bình vaø lôùn hay khi caàn laøm vieäc ôû cheá ñoä haõm, boä chænh löu ñieàu khieån toaøn phaàn luoân ñöôïc söû duïng. BBÑ ñaûo chieàu seõ ñöôïc

Maïch kích

Hieäuchænh

ÑCLöôùi

Ñaët toác ñoä

Phaûn hoài

Ñoàng boäUñk

α

CL SCRCL Diodhay SCR

Boä ñieàu khieån

xeùt ñeán khi caàn ñaûo chieàu ñoäng cô hay traû naêng löôïng veà löôùi thöôøng xuyeân. - Chænh löu ñieàu khieån pha chæ duøng cho maïch kích töø khi caàn hoaït ñoäng ôû toác ñoä cao



hôn toác ñoä cô baûn, vaø nhö ta ñaõ bieát töø ví duï ôû muïc III.1.2, töø thoâng chæ ñöôïc giaûm khi aùp ñaõ taêng ñeán giaù trò ñònh möùc.

2. Sô ñoà ñieàu khieån HT chænh löu - Ñcô:

Khoáiphaùt xungkích SCR

Ñieän aùp Ñieàu khieånBBÑ

phaûn hoàidoøng

Ñieàu Khieån doøng

R

POT

hình 3.8a

TI 2

300/5 A

1

3

4

2

TI 1

300/5 A

1

3

4

2 R

Hình 3.8b

Vôùi baøi toaùn ñieàu khieån momen vaø toác ñoä, sô ñoà ñieàu khieån toïa ñoä cho boä nguoàn DC ôû chöông 2 ñeàu coù theå duøng laïi cho HT ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô DC khi ñeå yù momen tæ leä vôùi doøng ñieän ñoäng cô vaø toác ñoä laø ñaïi löôïng caàn ñieàu khieån ñöôïc phaûn hoài ôû voøng ngoaøi thay cho ñieän aùp. ÔÛ caùc ñoäng cô coâng suaát beù hay ôû moät soá maïch ñieàu khieån ñôn giaûn, voøng doøng ñieän chæ laø maïch ngaét duøng BJT nhö hình 3.8a. Khi ñoù transistor laø moät ñieän trôû thay ñoåi, noù laøm giaûm aùp ñieàu khieån UÑK deán maïch kích <=> giaûm aùp ra vaø giaûm doøng ra töông öùng vôùi vò trí cuûa bieán trôû POT, sao cho aùp treân cöïc BE cuûa BJT baèng 0.6 V. Tín hieäu doøng coù theå laáy qua moät shunt + maïch khueách ñaïi caùch ly (ôû caùc HT chaát löôïng cao) hay duøng bieán doøng ôû tröôùc chænh löu neáu doøng löôùi khoâng coù thaønh phaàn DC (hình 3.8b). Do taûi khoâng coù trung tính, chæ caàn hai bieán doøng laø ñuû cho heä thoáng 3 pha.

Ñeå ñieàu khieån toác ñoä, toát nhaát laø phaûn hoài toác ñoä. Coù theå duøng maùy phaùt toác laø loaïi maùy phaùt ñieän ñaëc bieät, coù ngoû ra tæ leä tuyeán tính vôùi toác ñoä quay. Coù ba loaïi: Maùy phaùt toác DC, AC ( tacho generator) coù ngoû ra laø ñieän aùp vaø xung (pulse tacho generator) cho ra chuoãi xung coù taàn soá tæ leä tuyeán tính vôùi toác ñoä quay. Ta caàn chænh löu vaø loïc phaúng cho ngoû ra AC tacho generator vaø bieán ñoåi taàn soá ra ñieän aùp cho phaùt toác xung (coøn ñuôïc goïi laø boä maõ hoùa goùc quay töông ñoái – incremental rotary encoder) khi söû duïng caùc boä ñieàu khieån analog ñöôïc trình baøy trong chöông 2.

Khi khoâng caàn chính xaùc, ta coù theå phaûn hoài ñieän aùp ngoû ra boä bieán ñoåi ñeå giöõ oån ñònh aùp ra vaø buø suït toác do taûi (doøng ñieän) thay ñoåi. Ngöôøi ta coøn goïi laø nguyeân taéc phaûn hoài aâm aùp, döông doøng khi ñeå yù ñeán daáu cuûa caùc phaûn hoài. Coù theå CM (lyù thuyeát) laø vôùi caùc tæ leä thích hôïp, phaûn hoài naøy cho ta phaûn hoài toác ñoä, khi ñoù noù ñöôïc goïi laø phaûn hoài caàu toác ñoä. (xem laïi hình II.4.8)

Baøi taäp: Tìm heä soá α, β ñeå phaûn hoài aâm ñieän aùp Uñc vaø phaûn hoài döông doøng I töông ñöông phaûn hoài aâm toác ñoä ω.

Höôùng daãn: Ñoàng nhaát hai veá bieåu thöùc aùp phaûn hoài Ufh = – α.Uñc + β.I ≡ – γ.ω, vôùi γ laø heä soá tæ leä.

3. Haøm truyeàn boä chænh löu vaø daïng aùp ñoàng boä – aûnh höôûng cuûa doøng giaùn ñoaïn:

AÙp duïng caùc tính chaát chung cuûa haøm truyeàn BBÑ (muïc II.1 5) cho sô doà chænh löu, ta coù caùc nhaän seùt sau:

- Haèng soá thôøi gian TBÑ cuûa chænh löu ñieàu khieån pha baèng 20/m (ms) khi taàn soá löôùi laø



50 Hz, m laø soá xung.

- Heä soá khueách ñaïi KBÑ thay ñoåi theo cheá ñoä doøng taûi vaø maïch phaùt xung. Khi doøng taûi lieân tuïc (L taûi ñuû lôùn hay ôû boä chænh löu ñaûo chieàu ñieàu khieån chung) KBÑ chæ phuï thuoäc maïch ñieàu khieån. Bieåu thöùc cho trung bình aùp ngoû ra:

Vo = Vdo.cosα khi ñieàu khieån hoaøn toaøn hay 1 (1 cos )2o doV V α= + khi ñieàu khieån khoâng

hoaøn toaøn. Vdo laø trung bình aùp ra chænh löu diod. Quan heä α vaø aùp ñieàu khieån Uñk xaùc ñònh töø sô ñoà phaùt xung. Coù theå chöùng minh deã daøng laø chæ khi duøng boä phaùt xung theo nguyeân lyù so saùnh vaø ñoàng boä cosin , KBÑ môùi coù theå laø haèng soá. Thaät vaäy, khi ñoù 1

maxcos ( / )dk dbU Uα −= suy ra max/ /BD o dk do dbK V U V U= = .

- AÛnh höôûng cuûa doøng giaùn ñoaïn: Nhö ta ñaõ bieát, maïch ñoäng löïc khoâng coù quaùn tính ñieän töø khi doøng giaùn ñoaïn. Ñieàu naøy aûnh höôûng khaù lôùn ñoái vôùi ñoäng hoïc cuûa heä thoáng söû duïng chænh löu ñieàu khieån pha: haøm truyeàn hieäu chænh HT khi doøng lieân tuïc vaø giaùn ñoaïn laø khaùc nhau. Khi caàn chaát löôïng ñoäng hoïc cao, ngöôøi ta söû duïng hai boä hieäu chænh cho hai tröôøng hôïp doøng taûi, duøng moät boä kieåm tra doøng baèng khoâng ñeå choïn boä hieäu chænh laøm vieäc.

4. Haõm ñoäng cô DC: ( Söï laøm vieäc 2 phaàn tö maët phaúng ñaëc tính cô cuûa HT chænh löu ñoäng cô DC). Ta ñaõ bieát boä chænh löu ñieàu khieån hoaøn toaøn coù theå laøm vieäc ôû 2 phaàn tö thöù I töông öùng vôùi cheá ñoä chænh löu vaø phaàn tö thöù IV öùng vôùi cheá ñoä nghòch löu. Trong cheá ñoä ñoäng cô, HT laøm vieäc ôû phaàn tö thöù I: VO, E > 0. Muoán haõm döøng moät ñoäng cô ñang quay, ñaàu tieân ta giaûm VO baèng caùch taêng α, ñeå doøng qua ñoäng cô giaûm veà 0 (t2). Sau ñoù khoùa xung kích SCR vaø ñaûo cöïc tính ñoäng cô ñeå chuaån bò cho cheá ñoä

Hình 3.9: Haõm vaø ñaûo chieàu ñoäng cô moät chieàu khi duøng contactor ñaûo chieàu

nghòch löu. Ñeå haïn cheá doøng qua BBÑ khi kích xung trôû laïi, ta taêng goùc α ñeán giaù trò max töông öùng vôùi aùp nghòch löu cöïc ñaïi vaø giaûm daàn (t3). Khi trò soá tuyeät ñoái |VO| baét ñaàu beù hôn trò soá tuyeät ñoái cuûa söùc ñieän ñoäng |E| ñoäng cô, doøng ñieän xuaát hieän trôû laïi (t4) vaø ta coù quaù



trình haõm. Goùc kích α giaûm daàn cuøng vôùi bieân ñoä cuûa E khi toác ñoä ñoäng cô giaûm ñeå duy trì momen haõm cho ñeán khi ñoäng cô döøng (t5).

Vieäc ñöa goùc ÑK pha α veà giaù trò max khi haõm ñeå traùnh quaù doøng ñöôïc goïi laø kyõ thuaät “PHASE BACK”, noù ñaûm baûo trung bình aùp ra khi ñoùng ñieän luoân beù hôn (soá ñaïi soá) söùc phaûn ñieän, neân doøng ñieän qua maïch khi noái söùc phaûn ñieän vaøo BBÑ luoân baèng khoâng. Ñeå doøng ñieän khoâng cho doøng vöôït quaù giaù trò cho pheùp trong quaù trình haõm, toác ñoä giaûm goùc α phaûi töông öùng vôùi toác ñoä giaûm söùc ñieän ñoäng taûi E vì I = (VO – E)/R . Voøng ñieàu khieån momen (doøng ñieän cuõng coù khaû naêng haïn cheá doøng khi quaù ñoä.

Ta coøn gaëp laïi kyõ thuaät naøy trong caùc sô ñoà ñieàu khieån TÑÑ ñaûo chieàu quay.

5.TÑÑ ñaûo chieàu quay: a. Caùc sô ñoà: Chænh löu ñieàu khieån pha duø coù theå cung caáp aùp ra > 0 vaø

< 0 nhöng doøng ra chæ cho pheùp > 0 (laøm vieäc phaàn tö thöù I vaø IV cuûa maët phaúng taûi VO, IO) hình 3.10a . Ñeå coù theå ñaûo chieàu doøng ñieän taûi, coù hai sô ñoà chính:

- Söû duïng caùc tieáp ñieåm ñaûo chieàu (hình 3.10 b vaø c): Hình veõ ñang coù tieáp ñieåm T ñoùng, cung caáp 1 chieàu doøng taûi, neáu T ngaét vaø N ñoùng doøng taûi seõ ñöôïc pheùp ñaûo chieàu.

oPhaàn tö I

Phaàn tö IV

I

Vo

Hình 3.10a

Löôùi

Löôùi_

I

Taûi

o

_Löôùi

Taûi

_+++

T

T

N

N

Hình 3.10 Sô ñoà nguyeân lyù: (a) Ñaûo chieàu duøng tieáp ñieåm (b) BBÑ ñaûo chieàu

- BBÑ ñaûo chieàu: Goàm hai boä chænh löu cung caáp hai chieàu doøng taûi, hình 3.10.(c) laø sô ñoà nguyeân lyù vaø hình 3.10.(d) laø sô ñoà cuï theå vôùi caùc boä chænh löu hình tia.

b. Nguyeân lyù ñieàu khieån BBÑ ñaûo chieàu:

Ñeå hai BBÑ cung caáp cuøng giaù trò VO cho taûi, caùc goùc ñk pha cuûa hai BBÑ seõ coù quan heä nhö sau khi giaû söû doøng taûi laø lieân tuïc:

o

ov

i

CBA

N

KC

B

Taûivo2

vo1

T4 T6

T2T1

T5

T3

hình 3.10.d

BBÑ 1 cung caáp aùp trung bình VO1 vôùi goùc α1, BBÑ 2 cung caáp aùp VO2 vaø α2. VO =VO1 = Vdo.cos α1 = VO2 = -Vdo.cos α2 => cos α1 = - cos α2 hay α1 + α2 = π

neáu α1 > 0 : BBÑ 1 laø chænh löu => α2 < 0 : BBÑ 2 laø nghòch löu. Duøø caùc trò trung bình hai BBÑ laø baèng nhau, giaù trò töùc thôøi cuûa chuùng khoâng baèng nhau

laøm xuaát hieän doøng ñieän caân baèng (coøn goïi laø tuaàn hoaøn – circulation) chæ chaïy qua hai boä chænh löu khi chuùng cuøng laøm vieäc. Doøng caân baèng coù theå raát lôùn neáu ta khoâng coù toång trôû haïn cheá chuùng. Ngöôøi ta coù caùc caùch ñieàu khieån sau:

- Ñieàu khieån rieâng: Moãi luùc chæ cho moät boä chænh löu laøm vieäc töông öùng vôùi chieàu doøng



ñieän hoaït ñoäng hay mong muoán. Nhö vaäy khoâng coù doøng caân baèng. Vôùi cuøng ñieän aùp VO treân taûi, khi ñaûo chieàu doøng thì moät BBÑ laø chænh löu, boä coøn laïi laø nghòch löu vaø ngöôïc laïi.

Hình 3.11a: Ñaêïc tính cô truyeàn ñoäng ñaûo chieàu khi ñieàu khieån chung vaø rieâng.

Öu ñieåm quan troïng cuûa vieäc ñieàu khieån rieâng laø maïch ñoäng löïc reû tieàn, hieäu suaát cao hôn ñieàu khieån chung. Nhöôïc ñieåm laø maïch ñieàu khieån phöùc taïp vaø ñaëc tính ñoäng keùm, caàn coù thôøi gian caû hai BBÑ khoâng laøm vieäc khi chuyeån BBÑ laøm vieäc ñeå traùnh tröôøng hôïp coù theå caû hai BBÑ cuøng daãn ñieän.

- Ñieàu khieån chung (ñoàng thôøi): Hai BBÑ cuøng coù xung ñieàu khieån nhöng chæ coù moät boä coù doøng taûi, doøng caân baèng ñöôïc haïn cheá baèng cuoän khaùng KCB vaø qui luaät ñieàu khieån thích hôïp. Coù hai caùch phoái hôïp : tuyeán tính vaø phi tuyeán.

• Phoái hôïp tuyeán tính: Goïi α1, α2 laø goùc ñieàu khieån pha hai boä chænh löu. Caùc aùp trung bình VO1 = VO2 = VO cho ta α1 = π - α2, töông töï nhö ñaõ khaûo saùt ôû ñieàu khieån rieâng. AÙp treân cuoän khaùng caân baèng vcb = vo1 – vo2 khoâng coù thaønh phaàn moät chieàu (trò trung bình baèng 0) coù theå

Hình 3.11b Haõm vaø ñaûo chieàu ñoäng cô khi duøng BBÑ ñaûo chieàu ñieàu khieån chung

tính töông töï nhö khaùng caân baèng cuûa boä chænh löu saùu pha coù khaùng caân baèng. Doøng

Ñieàu khieån chung hay hoån hôïp

Ñieàu khieån rieâng

Nghòch löu Chænh löu



caân baèng coù taùc duïng laøm doøng qua caùc BBÑ luoân lieân tuïc. • Phoái hôïp phi tuyeán: Ñeå giaûm nhoû kích thöôùc cuoän khaùng caân baèng trong khi vaãn haïn

cheá doøng caân baèng ôû giaù trò mong muoán, ngöôøi ta ñieàu khieån cho aùp ra nghòch löu lôùn hôn aùp ra chænh löu:

α2 = π + δ - α1 hay α1 + α2 > π Ñieàu khieån chung coù lôïi laø maïch ñieàu khieån ñôn giaûn, doøng taûi luoân lieân tuïc. Baát lôïi laø

taêng giaù thaønh vaø toån hao coâng suaát cao do coù doøng caân baèng. Hình 3.11b cho ta quaù trình quaù ñoä cuûa BBÑ ñaûo chieàu ñieàu khieån chung khi haõm vaø ñaûo chieàu ñoäng cô moät chieàu. Ñeå yù hai BBÑ luoân coù doøng ñieän (toái thieåu laø doøng caân baèng), quaù ñoä xaûy ra moät caùch lieân tuïc.

- Ñieàu khieån hoån hôïp: Sô ñoà ñieàu khieån hoån hôïp coù maïch ñoäng löïc nhö sô ñoà ñieàu khieån chung vaø ñieàu khieån chung khi doøng taûi beù vaø ñieàu khieån rieâng khi doøng taûi lôùn. Nhö vaäy ta ñaõ taän duïng taát caû öu ñieåm cuûa hai sô ñoà.

c. Maïch ñieàu khieån chænh löu ñaûo chieàu ñieàu khieån rieâng:

Ta bieát raèng ôû boä chænh löu keùp ñieàu khieån rieâng, moãi luùc chæ coù moät boä chænh löu laøm vieäc. Do ñoù haït nhaân cuûa maïch ñieàu khieån boä chænh löu ñaûo chieàu ñieàu khieån rieâng laø boä choïn hay ñònh höôùng xung ñeán moät trong hai boä chænh löu. Hai boä chænh löu coù theå duøng chung hay rieâng maïch phaùt xung nhöng caàn ñeå yù laø vôùi moät giaù trò aùp trung bình VO treân taûi, boä laøm vieäc trong cheá ñoä chænh löu coù goùc ñieàu khieån pha α thì boä laøm vieäc trong cheá ñoä nghòch löu nhaän xung goùc π − α. Coù hai nguyeân lyù ñeå choïn boä chænh löu:

- Theo tín hieäu ñaët khi ta caàn ñaûo chieàu aùp ra: choïn laøm vieäc ôû phaàn tö I hay III.

- Theo doøng ñieän taûi khi caàn ñaûo chieàu momen, chuyeån ñieåm laøm vieäc töø phaàn tö I sang II.

Kyõ thuaät “phase back “ luoân ñöôïc öùng duïng ñeå traùnh quaù doøng khi cho boä chænh löu baét ñaàu laøm vieäc.

Ví duï cho tröôøng hôïp choïn boä chænh löu theo tín hieäu ñaët: Khi baét ñaàu kích boä chænh löu 1, ñeå coù aùp ra döông, ta baét ñaàu baèng cho goùc ñieàu khieån pha giaù trò max vaø giaûm laàn ñeán giaù trò laøm vieäc.

Töông töï, giaû söû boä chænh löu 1 ñang laøm vieäc vôùi VO > 0 (cheá ñoä chænh löu). Khi söùc phaûn ñieän cuûa taûi taêng daàn, neáu trung bình aùp ra boä chænh löu laø khoâng ñoåi, doøng taûi IO = (VO – E)/R giaûm laàn ñeán zero. Khi ñaõ ñaûm baûo doøng qua boä chænh löu 1 baèng khoâng, coù theå kích boä chænh löu 2 töø goùc αmax vaø cuõng giaûm daàn ñeán giaù trò laøm vieäc – Vo < 0 töông öùng vôùi cheá ñoä nghòch löu. Phaûn hoài ñieän aùp giuùp cho ta tìm ñeán ñieåm laøm vieäc vaø phaûn hoài aâm doøng haïn cheá khaû naêng quaù doøng coù theå xaûy ra.

Ñeå ñaûm baûo doøng qua moät boä chænh löu thaät söï baèng khoâng tröôùc khi kích boä chænh löu coøn laïi, caàn delay moät baùn kyø tröôùc khi kích caùc SCR trôû laïi ñeå traùnh khaû naêng ngaén maïch hai boä chænh löu.

III.3 TÑÑ ÑCÔ DC DUØNG BBÑ AÙP DC:

1. Giôùi thieäu chung:

Nhö ta ñaõ bieát, BBÑ aùp DC coù theå duøng ñeå ñieàu khieån ñoäng cô DC trong caùc tröôøng hôïp:

- Söû duïng trong caùc truyeàn ñoäng ñoäng cô chaáp haønh khi khai thaùc caùc öu ñieåm sau cuûa BBÑ aùp DC: taùc ñoäng nhanh nhôø söû duïng taàn soá ñieàu roäng xung lôùn (vôùi ngaét ñieän transistor),



sô ñoà laøm vieäc 4 phaàn tö ñôn giaûn vaø reû tieàn hôn chænh löu ñieàu khieån pha. Khi duøng cho coâng suaát lôùn (vaøi traêm kW), caùc öu ñieåm naøy khoâng coøn vì caùc ngaét ñieän thyristor laøm vieäc ôû taàn soá thaáp hôn vaø yeâu caàu maïch taét phöùc taïp. Ngaøy nay, truyeàn ñoäng DC cho ñoäng cô chaáp haønh daàn bò thay theá baèng caùc HT truyeàn ñoäng duøng ñoäng cô AC vôùi chaát löôïng ngaøy caøng cao.

- Nguoàn ñieän moät chieàu coù saün nhö tröôøng hôïp caùc heä thoáng vaän taûi coâng coäng ôû caùc nöôùc hay caùc heä thoáng duøng accu. Ngay caû ôû tröôøng hôïp naøy, caùc heä thoáng söû duïng ñoäng cô AC cuõng toû ra öu theá khi giaù thaønh caùc boä nghòch löu coâng suaát lôùn ñang giaûm nhanh.

Vieäc thieát keá BBÑ coù caùc ñieåm caàn löu yù sau:

- Moät caùc toång quaùt, sô ñoà khoái HT khoâng thay ñoåi so vôùi boä nguoàn hay chænh löu ñieàu khieån pha.

- Ñeå haïn cheá doøng ñieän, beân caïnh vieäc söû duïng voøng ñieàu khieån doøng ñieän, ngöôøi ta coù theå tích hôïp vaøo maïch laùi boä phaän haïn doøng töùc thôøi, khoùa transistor ngay khi doøng ñieän vöôït quaù giaù trò cho pheùp (xem laïi chöông 1). Maïch haïn doøng naøy coù theå thay theá voøng doøng ñieän neáu taûi khoâng caàn haïn cheá momen (nhö ôû caùc heä thoáng ñieàu khieån vò trí caàn taùc ñoäng nhanh hay coâng suaát beù).

- Vieäc choïn sô ñoà ñoäng löïc vaø ñieàu khieån caàn ñeà yù ñeán khaû naêng haõm cuûa BBÑ.

2. Caùc sô ñoà ñoäng löïc vaø thuaät toaùn ñieàu khieån:

V

Vo

ioV

oi

Voi Vo

(c)(a) (b)

S1

S2

D1

D2

+

_

S1

_

+D2

R

L

E

S1

S2

D1

D2_

+S3

D4

D3

S4

Hình 3.12: BBÑ laøm vieäc 1 phaàn tö maët phaúng taûi (a), 2 phaàn tö I vaø II (b), I vaø IV (b1) vaø 4 phaàn tö (c).

Ñeå doøng ñieän trong hai sô sô ñoà (b) vaø (c) lieân tuïc, ñaûm baûo söï di chuyeån nhanh choùng cuûa ñieåm laøm vieäc töø phaàn tö thöù I qua II, ta caàn coù söï ñoùng ngaét ngöôïc pha giöõa hai ngaét ñieän noái tieáp nhau: S1, S2 hay S3,S4.

Thaät vaäy haõy xem sô ñoà (b). Khi S1 ñoùng, S2 ngaét vaøngöôïc laïi: doøng taûi coù theå ñaûo chieàu maø aùp ra khoâng ñoåi. Ví duï nhö khi S1 ñoùng, aùp ra seõ baèng V vaø khi S2 ñoùng aùp ra baèng 0 baát chaáp chieàu doøng ñieän iO. Do ñoù sô ñoà (b) coù theå laøm vieäc trong cheá ñoä giaûm aùp (phaàn tö I)

i

(b1)

oV

VoS4

D3S1

+

_ D2

hay taêng aùp (phaàn tö II) phuï thuoäc töông quan giöõa trung bình aùp ra VO vaø söùc phaûn ñieän E cuûa ñoäng cô. Khi ñang keùo ôû toác ñoä cao: VO > E vaø IO > 0 , ta giaûm VO. Do ñoäng naêng phaàn quay, E khoâng thay ñoài töùc thôøi vaø > VO : IO ñaûo chieàu vaø ta coù cheá ñoä haõm cho ñeán khi VO > E trôû laïi.



BAÛNG TOÙM TAÉT CAÙC PHÖÔNG PHAÙP ÑIEÀU KHIEÅN SÔ ÑOÀ CAÀU (hình 3.12c)

Caùch ñieàu khieån Phaàn tö laøm vieäc Ñaëc ñieåm

1 2 4 3S S S S= = = 4 phaàn tö lieân tuïc chaát löôïng ñoäng hoïc toát nhaát, löu yù truøng daãn, nhaáp nhoâ doøng cao laøm taêng toån hao

ñieàu roäng S1, S4 khi quay thuaän, ñieàu roäng S2, S3 khi quay nghòch

I cho quay thuaän, III quay ngöôïc

muoán haõm hay ñaûo chieàu caàn thay ñoåi luaät ñk, ñk ñôn giaûn, ít toån hao, khoâng theå truøng daãn

1 2S S= cho ñk toác ñoä,

4 3S S= ñeå choïn chieàu quay

I, II quay thuaän, III,IV quay ngöôïc

haõm döøng toát, ñaûo chieàu caàn thay ñoåi luaät ñk, ít toån hao, löu yù truøng daãn

1 2, 4 3S S S S= = 1 4( )S S wt π= − ø leäch nhau

goùc π

4 phaàn tö lieân tuïc chaát löôïng ñoäng hoïc toát nhaát, nhaáp nhoâ doøng thaáp vaø sô ñoà phöùc taïp nhaát, löu yù truøng daãn.

Sô ñoà (b1) laø tröôøng hôïp cuûa sô ñoà (c) khi ta ñoùng ngaét S1, S4 (S2, S3 luoân ngaét) ñeå cung caáp doøng > 0 cho taûi vaø ñoùng ngaét S2, S3 ñeå cung caáp doøng < 0. Vôùi caùch ñieàu khieån naøy, ta khoâng coù cheá ñoä haõm neáu khoâng coù söï boå sung thuaät toaùn. Thaät vaäy, doøng taûi chæ coù theå ñaûo chieàu khi ta thay ñoåi caëp ngaét ñieän laøm vieäc vaø do ñoù, khi ta giaûm VO , IO giaûm veà 0 vaømomen ñoäng cô baèng khoâng, HT chæ giaûm toác nhôø momen caûn cuûa taûi. Ñeå coù löïc haõm ñieän, ta caàn chuyeån ñoåi ngaét ñieän ñeå ñaûo chieàu doøng taûi, thuaät toaùn seõ töông töï nhö ôû boä chænh löu ñaûo chieàu ñieàu khieån rieâng: khoùa xung S1, S4 -> delay -> ñoùng xung S2, S3 ôû aùp ra thích hôïp traùnh vieäc quaù doøng. Khi haõm döøng, ta coù theå noái taét phaàn öùng ñoäng cô baèng moät R nhoû ñeå haõm ñoäng naêng.

Söï ñoùng ngaét ngöôïc pha giöõa hai ngaét ñieän noái tieáp nhau (S1, S2 hay S3,S4) trong BBÑ aùp DC coù moät nhöôïc ñieåm laø coù khaû naêng xaûy ra truøng daãn hai ngaét ñieän noái tieáp: S1 chöa khoùa khi ta ñoùng S2, laøm ngaén maïch nguoàn. Ñieàu naøy coù theå loaïi boû baèng moät khoaûng thôøi gian nhoû (vaøi microsec) khoâng coù ngaét ñieän laøm vieäc giöõa hai khoaûng daãn cuûa S1, S2, thöïc hieän chuû ñoäng baèng maïch phaùt xung hay moät maïch treã trong khoái laùi transistor.

Ví duï veà maïch ñieàu khieån BBÑ aùp DC coâng suaát beù ( < 5A, < 36 V)

Sau ñaây laø moät soá sô ñoà ÑÔN GIAÛN, khoâng coù maïch caûi thieän ñoùng ngaét, coù theå duøng ôû coâng suaát beù, taàn soá thaáp.

- Khi doøng qua ñoäng cô < 1 A, ta coù theå duøng vi maïch SN754410 cuûa haûng Texas Instrument, coù voû daïng DIP16, trong coù 4 nöûa caàu ñoäc laäp coù theå gheùp thaønh hai caàu. Vôùi 2 coång EX-OR (CD4070 hay MC14070) ta ñieàu khieån caàu baèng caùc tín hieäu:

• PWM: ñieàu roäng xung. • EN: cho pheùp hoaït ñoäng khi coù logic cao. • DIR: Choïn chieàu quay.

Diod phoùng ñieän caàn duøng loaïi phuïc hoài nhanh, ví duï FR105 hay FR157. Ñeå traùnh hieän töôïng truøng daãn coù theå xaûy ra khi hai transistor cuûa nöûa caàu chuyeån maïch, moät ñieän trôû noái tieáp nguoàn ñöôïc theâm vaøo. Vi maïch SN754410 khoâng coù baûo veä nhieät hay quaù doøng nhö moät soá vi maïch ñieàu khieån ñoäng cô khaùc.



5V

VCC

DIR

EN

PWMOUT1

D4

D11

D7

D1

R12.2/3W

C1220u/25v

CON112

J212345

C247u

CON2

12

U1A14070

1

23

R21K

R101K

U1B

14070

5

64R8

10K

R410K

U2A

SN7544101

2 3

4

67

- MosFET keânh n IRF540 (IDmax = 33 A) vaø boå phuï IRF9540 (keânh p) coù theå ñöôïc laùi tröïc tieáp baèng caùc optron khi ta khoâng yeâu caàu ñaëc tính ñoùng ngaét toát nhö sô ñoà sau:

VCC VCCV

CHAÏY (Thuaän) CHAÏY (Nghòch)HAÕM (ñoäng naêng)

(töø 12 ñeán 24V)

Q2

Q1

3k3OPTO21

2

43

OPTO112

43

1k

1k

330

Q4

Q3

3k3OPTO4 1

2

43

OPTO3

12

43

1k

1k

330

M?

A -+

3k33k312V

D20

D21

Q10 Q11 Q12

12V

12V

12V

Hình 3.13: Moät soá sô ñoà caàu vôùi maïch laùi ñôn giaûn.

VCC coù theå baèng 5 V hay cao hôn khi thay ñoåi caùc ñieän trôû haïn doøng cuûa caùc LED ñaàu vaøo optron. Caùc diod oån aùp 12V duøng ñeå baûo veä quaù aùp cho coång cuûa MosFET khi aùp phaân cöïc lôùn hôn 20 V. Transistor haõm ñoäng naêng Q11 cho pheùp thöïc hieän vieäc haõm ñoäng naêng khi voâ hieäu hoùa transistor chaïy thuaän Q10 vaø nghòch Q11, caáp ñieän cho OPTO1 vaø OPTO3 phaân cöïc cho Q1 vaø Q3 daãn ñieän, noái ngaén maïch ñoäng cô. Löu yù doøng ngaén maïch töùc thôøi coù theå taêng ñeán giaù trò raát lôùn, coù theå laøm hoûng MosFET.

Tín hieäu CHAÏY thuaän coù theå laø nghòch ñaûo cuûa CHAÏY nghòch ñeå ñieàu khieån ñöôïc 4 phaàn tö. Khi ñoù caàn coù bieän phaùp ñeà phoøng söï truøng daãn cuûa 2 MosFET maéc noái tieáp. Ngoaøi ra,



ñeå traùnh caùc khaû naêng taùc ñoäng nhaèm, caàn coù söï lieân ñoäng cuûa ba tín hieäu ñieàu khieån ñeå traùnh ngaén maïch nguoàn (nhö sô ñoà ñieàu khieån ñoäng cô nhoû duøng vi maïch SN754410).

III.4 ÑIEÀU KHIEÅN ÑOÄNG CÔ BÖÔÙC:

1. Nguyeân lyù hoaït ñoäng, phaân loaïi:

Ñoäng cô böôùc thöôøng duøng laøm phaàn töû chaáp haønh trong caùc heä thoáng töï ñoäng, coù rotor chuyeån ñoäng töøng goùc xaùc ñònh (goïi laø böôùc) khi caùc cuoän daây ñöôïc cung caáp moät xung doøng ñieän, vaø nhôø xung doøng naøy ñeå giöõ ôû vò trí môùi cho ñeán xung keá tieáp. Nhôø ñoù, noù laø phaàn töû lyù töôûng cho caùc heä thoáng ñieàu khieån vò trí vôùi caùc öu ñieåm: tröïc tieáp ñieàu khieån vò trí – khoâng thoâng qua toác ñoä, chæ caàn ñieàu khieån voøng hôû vaø duøng kyõ thuaät soá. Nhöôïc ñieåm lôùn nhaát laø chæ coù theå cheá taïo ñöôïc loaïi coâng suaát beù.

Coù ba loaïi ñoäng cô böôùc:

- Ñoäng cô böôùc loaïi töø trôû (reluctance type) hình 3.14, rotor laø khoái saét töø coù nhöõng raêng di chuyeån tröôùc nhöõng cuoän daây sao cho töø trôû maïch laø beù nhaát töông öùng löïc huùt (holding torque) lôùn nhaát khi cuoän daây töông öùng coù doøng ñieän. Phuï thuoäc vaøo thöù töï kích

(a)

Cuoän daây 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 Cuoän daây 2 0 1 0 0 1 0 0 1 0 Cuoän daây 3 0 0 1 0 0 1 0 0 1

Cöïc töø X Y X Y X Y X Y X Cuoän daây 1 2 3 1 2 3 1 2 3 thôøi gian --->

Hình 3.14: (b)

xung caùc cuoän daây ta coù söï di chuyeån cuûa rotor. Vôùi sô ñoà hình 3.14.a, ñoäng cô coù 3 cuoän daây vaø 4 raêng, caàn 9 xung ñeå rotor ñi ñöôïc ½ voøng nhö hình 3.14.b.

- Ñoäng cô böôùc loaïi nam chaâm vónh cöûu: coù rotor laø nam chaâm vónh cöûu coù löïc keùo maïnh hôn vì keát hôïp löïc nam chaâm ñieän cuûa cuoän daây vaø nam chaâm rotor. Hình 3.15.a trình baøy caáu taïo cuûa ñoäng cô hai cuoän daây coù ñieåm giöõa vaø rotor laø 3 nam chaâm. Doøng ñieän chaûy qua cuoän 1a laøm caëp cöïc töø 1 coù cöïc tính nhö hình veõ, vaø cöïc tính naøy seõ ñaõo laïi neáu kích vaøo 1b. Nhö vaäy cuõng coù theå xem ñoäng cô naøy coù 4 cuoän daây moät cöïc tính hay hai cuoän daây laøm vieäc 2 cöïc tính. Sô ñoà xung ñieàu khieån ñoäng cô hình 3.15.b vaø 3.15.c khaùc nhau ôû choã moãi luùc coù 1 vaø 2 cuoän daây coù ñieän (single winding vaø two winding). Hình 3.16 trình baøy

(a)

Hình 3.15:

Cuoän daây 1a 1000100010001 Cuoän daây 1b 0010001000100 Cuoän daây 2a 0100010001000 (b) Cuoän daây 2b 0001000100010 thôøi gian ---> Cuoän daây 1a 1100110011001 Cuoän daây 1b 0011001100110 Cuoän daây 2a 0110011001100



Hình 3.16:

Cuoän daây 2b 1001100110011 thôøi gian ---> Hình 3.15.c:

momen giöõ (holding torque) theo vò trí rotor öùng vôùi hai tröôøng hôïp ñieàu khieån cuûa ñoäng cô rotor nam chaâm vónh cöûu. Truïc tung öùng vôùi truïc moät cuoän daây, momen seõ cöïc ñaïi khi truïc cöïc töø rotor cuøng cöïc tính coù hoaønh ñoä baèng khoâng vaø cöïc tieåu (aâm) khi ngöôïc cöïc tính.

Nhaän xeùt laø ñieàu khieån vôùi hai cuoän daây coù ñieän cho ra momen lôùn hôn nhöng tieâu taùn naêng löôïng nhieàu hôn.

- Thöôøng gaëp hôn laø loaïi ñoäng cô böôùc hoãn hôïp vôùi rotor laø nam chaâm vónh cöûu nhöng coù caû raêng ñeå taêng ñoä phaân giaûi (soá böôùc trong moät voøng).

Terminal 1 ++++-----+++++-----+

Terminal 2 ---+++++-----+++++--

Terminal 3 ++-----+++++-----+++

Terminal 4 -+++++-----+++++----

Terminal 5 -----+++++-----+++++

time --->

Hình 3.17: Ñoäng cô böôùc 5 pha noái sao.

- Hình 3.17 cho ta sô ñoà noái daây ñoäng cô böôùc loaïi 5 pha noái sao, maïch ñoäng löïc goàm 5 nöûa caàu (10 ngaét ñieän) ñöôïc ñieàu khieån ñeå 5 ngoû ra coù cöïc tính theo trình töï treân cho 1 chieàu quay. Nguyeân taéc laø caùc ngoû ra thay ñoåi traïng thaùi theo thöù töï 5 -> 4 -> 3 -> 2 -> 1 (hình 3.17) cho moät chieàu quay vaø ngöôïc laïi cho chieàu ngöôïc.

b. Sô ñoà ñieàu khieån:

Hình 3.18: (a)

(b)



Hình 3.19: (a)

(b)

Hình 3.18.a vaø 3.18.b cho ta sô ñoà nguyeân lyù maïch ñoäng löïc ñieàu khieån ñoäng cô böôùc cuûa hai loaïi töø trôû vaø nam chaâm vónh cöûu (hay hoån hôïp). Tín hieäu ñieàu khieån (control signals) taùc ñoäng caùc ngaét ñieän ñieän töû (switches) – thöôøng laø transistor (BJT hay FET), ñoùng ngaét caùc cuoän daây ñoäng cô (motor windings) vaøo nguoàn caáp ñieän moät chieàu (supply).

Hình 3.19 (a) vaø (b) cho ta hai sô ñoà logic ñeå ñieàu khieån ñoäng cô böôùc rotor nam chaâm vónh cöûu loaïi 4 cuoän daây, ñoùng ñieän moãi laàn hai cuoän daây. Xung ñieàu khieån böôùc (take step) ñöa vaøo chaân xung nhòp C (CLK) cuûa D

Tín hieäu ñieàu khieån

Doøng quacuoän daây

ÑK1

ÑK1

ÑK2

ÑK2

R4Q2

D1Q1R2

12V

24V

R1

R3

R5

Hình 3.20: Maïch laùi cuoän daây 1 cöïc tính

flip flop. sô ñoà (b) cho pheùp ñaûo chieàu quay töø tín hieäu chieàu (direction) ñieàu khieån coång EX–OR cuûa xung ñieàu khieån böôùc. Cuoän daây ñoäng cô böôùc coù theå ñöôïc xem nhö moät taûi RL bình thöôøng, nhöng ñeå coù daïng doøng toái öu: nhanh choùng ñaït ñöôïc bieân ñoä lôùn (ñeå cho ra momen quay lôùn), sau ñoù giaûm doøng veà giaù trò beù (haïn cheá phaùt noùng cuoän daây) ñuû giöõ rotor ñöùng yeân, sô ñoà hình 3.20 coù theå ñöôïc duøng. AÙp cung caáp taêng leân khaù cao (24V) vaø duøng R3 haïn doøng cho pheùp xaùc laäp doøng ñieän lôùn qua cuoän daây nhanh choùng vôùi Q1 vaø Q2 cuøng ñoùng. Khi rotor ñoäng cô ñeán vò trí môùi: Q1 taét, nguoàn caáp ñieän cuoän daây chæ coøn 12 V qua D1, ñaûm baûo doøng ñieän duy trì cho ñeán khi coù xung böôùc môùi. Caùc sô ñoà ñoäng löïc treân chæ taïo ra xung moät cöïc tính, thích hôïp nhaát vôùi loaïi 4 cuoän daây (6 ñaàu ra), vôùi moät soá loaïi khaùc (3, 5 pha) hay coâng suaát lôùn ta caàn xung 2 cöïc tính. Luùc ñoù moãi cuoän daây seõ ñöôïc noái vôùi moät caàu 4 transistor (BBÑ 4 phaàn tö) hay caùc ñaàu daây ñoäng cô ñöôïc noái vôùi moät caàu nhieàu pha (nghòch löu nhieàu pha) vôùi sô ñoà phaùt xung treân vôùi moät ít thay ñoåi.


Trang 1 Chuong 4.doc ÑIEÄN TÖÛ COÂNG SUAÁT IIA

CHÖÔNG 4 BOÄ NGUOÀN AC VAØ ÑIEÀU KHIEÅN ÑOÄNG CÔ AC

IV. 1 BOÄ NGUOÀN AC BAÙN DAÃN:

1. Phaân loaïi:

Boä nguoàn xoay chieàu baùn daãn chæ chung caùc thieát bò söû duïng maïch ñieän töû coâng suaát ñeå cung caáp naêng löôïng ñieän AC cho caùc taûi coâng nghieäp vaø daân duïng, ta coù theå gaëp caùc loaïi sau:

- OÅn aùp AC duøng baùn daãn duøng caùc maïch ñieàu khieån aùp AC hay söû duïng caùc ngaét ñieän baùn daãn ñeå ñoåi noái bieán aùp töï ngaãu nhaèm oån ñònh aùp (doøng) ra ôû giaù trò mong muoán. Öu ñieåm lôùn nhaát cuûa caùc thieát bò naøy laø goïn nheï, giaù thaønh thaáp, taùc ñoäng nhanh so vôùi caùc thieát bò coù chuyeån ñoäng. Moät nhöôïc ñieåm lôùn cuûa nhoùm naøy laø khaû naêng quaù taûi keùm vì duøng caùc ngaét ñieän baùn daãn vaø aùp ra khoâng hình sin khi söû duïng ñieàu khieån pha.

- Caùc boä nguoàn khoâng giaùn ñoaïn (UPS) duøng ñeå cung caáp naêng löôïng cho caùc thieát bò söû duïng ñieän löôùi maø söï giaùn ñoaïn nguoàn coù theå gaây thieät haïi nghieâm troïng.

- Caùc boä nguoàn cho thieát bò gia nhieät söû duïng doøng ñieän caûm öùng (doøng Foucault), thöôøng coù taàn soá cao hôn taàn soá coâng nghieäp (treân 500 Hz). Ñaây laø ñoái töôïng khaûo saùt cuûa chöông 5.

- Caùc boä bieán ñoåi taàn soá duøng cho ñieàu khieån ñoäng cô AC. Caùc BBÑ naøy bieán ñoåi ñieän löôùi (1 hay 3 pha) thaønh 3 pha coù taàn soá vaø ñieän aùp thay ñoåi cung caáp cho ñoäng cô xoay chieàu. Coù hai loaïi: bieán taàn tröïc tieáp söû duïng BBÑ ñieàu khieån pha ñaûo chieàu vaø bieán taàn coù qua trung gian moät chieàu. Moät löu yù laø trong coâng nghieäp, caùc boä bieán taàn hay ñöôïc goïi laø nghòch löu (INVERTER), coù leõ vì troïng taâm cuûa thieát bò laø boä nghòch löu, voán laø moät maïch ÑTCS raát phöùc taïp.

Khaùc vôùi boä nguoàn DC vaø boä ñieàu khieån ñoäng cô DC, caùc boä nguoàn AC vaø boä ñieàu khieån ñoäng cô AC coù sô ñoà ñoäng löc vaø ñieàu khieån raát khaùc bieät vì taûi cuûa chuùng raát ña daïng. Vaø vì theá maø moãi loaïi seõ ñöôïc giôùi thieäu ôû moät phaàn khaùc nhau.

2. Boä nguoàn khoâng giaùn ñoïan (UPS – boä löu ñieän):

Ñeå cung caáp naêng löôïng cho taûi AC khi maát nguoàn, UPS söû duïng boä nghòch löu ñoäc laäp bieán ñoåi naêng löôïng tích tröõ trong accu thaønh ñieän xoay chieàu taàn soá löôùi cung caáp tieáp tuïc cho taûi. Do naêng löôïng tích tröõ cuûa accu raát höõu haïn, caùc UPS thöôøng chæ laøm vieäc trong thôøi gian ngaén, chôø khôûi ñoäng maùy phaùt döï phoøng hay ñeå thöïc hieän quaù trình döøng maùy (ví duï ôû maùy tính laøsao löu caùc taøi lieäu vaø ñoùng windows). Coù leõ vì theá maø noù coøn coù teân laø boä löu ñieän.

NaïpAccu

Nghòch löu

LöôùiTaûi

Chuyeån maïch

Ñieàu khieån

Hình IV.0.1: Sô ñoà khoái boä nguoàn xoay chieàu khoâng giaùn ñoaïn

Coù hai loaïi:

- Off-line (hình IV.0.1): bình thöôøng, boä nghòch löu ôû traïng thaùi chôø, taûi söû duïng ñieän löôùi. Khi maát nguoàn, UPS khôûi ñoäng boä nghòch löu vaø chuyeån maïch taûi. Thôøi gian khaùm phaù maát ñieän


+ chuyeån maïch taûi caàn ñuû nhanh (vaøi chuïc ms) ñeå khoâng aûnh höôûng hoaït ñoäng cuûa taûi.

Sô ñoà off-line thöôøng duøng cho thieát bò coâng suaát beù, khi ñoù accu coù ñieän aùp thaáp vaø boä nghòch löu thöôøng laø moät pha, duøng sô ñoà bieán aùp coù ñieåm giöõa. Daïng soùng nghòch löu (phía xoay chieàu) thöôøng coù daïng ñieàu roäng 1 xung ñôn giaûn, laø keát quaû cuûa vieäc duøng vi maïch ñieàu khieån ñoä roäng xung kieåu ñaåy keùo nhö ñaõ khaûo saùt trong phaàn boä nguoàn DC.

- On-line: Thöôøng duøng cho coâng suaát lôùn hay thieát bò caàn chaát löôïng cao, taûi luoân söû duïng naêng löôïng töø boä nghòch löu, vaø heä thoáng khoâng coù boä chuyeån maïch. AÙp ra thöôøng ñöôïc ñieàu cheá hình sin, ñöa qua boä loïc taàn soá cao ñeå coù ñöôïc daïng soùng gioáng nhö ñieän löôùi, traùnh vieäc taêng toån hao cuûa caùc taûi duøng ñieän.

Sô ñoà khoái boä nghòch löu coù ñaàu vaøo laø aùp DC cuûa bình accu 24 V vaø ngoû ra hình sin 220 VAC coâng suaát beù (< vaøi Kw):

Accu [NL1 BA taàn soá cao CL Loïc 1 ] NL2 Loïc 2 taûi

Cuïm bieán ñoài aùp DC [ ] duøng ñeå naâng aùp töø 24 VDC ra 300 VDC, söû duïng Nghòch Löu 1 coù sô ñoà ñieàu roäng 1 xung vôùi bieán aùp coù ñieåm giöõa. Bieán AÙp taàn soá cao giuùp giaûm kích thöôùc vaø taêng hieäu suaát heä thoáng. Nghòch Löu 2 laø ñieàu roäng xung hình sin duøng vi ñieàu khieån neân maïch ñieän ñôn giaûn, kinh teá.

Ngaøy nay vôùi söï phaùt trieån cuûa coâng ngheä baùn daãn, sô ñoà khoái treân baét ñaàu aùp duïng cho caû UPS loaïi off-line, nhaèm taêng chaát löôïng thieát bò.

IV. 1 CAÙC VAÁN ÑEÀ VEÀ TÑÑ AC:

1. So saùnh ñoäng cô AC vaø DC:

Ñoäng cô AC goàm coù ñoäng cô ñoàng boä (ÑB ) vaø khoâng ñoàng boä (KÑB). Neáu ñoäng cô ÑB chæ ñöôïc duøng khi coâng suaát raát lôùn (haøng MW) do caáu taïo phöùc taïp vaø khoù ñieàu khieån thì KÑB laïi raát phoå bieán do caáu taïo ñôn giaûn, chi phí vaän haønh thaáp. Ta coù theå gaëp ñoäng cô KÑB ôû moïi ngaønh kinh teá quoác daân, töø daân duïng ñeán coâng nghieäp.

Ta coù caùc so saùnh sau veà hai loaïi ñoäng cô moät chieàu vaø KÑB sau:

Ñoäng cô DC

Caáu taïo phöùc taïp, giaù thaønh cao

Hieäu suaát thaáp, suït toác theo taûi lôùn

Yeâu caàu baûo trì thöôøng xuyeân

Momen khôûi ñoäng, khaû naêng quaù taûi (momen) lôùn

Doøng khôûi ñoäng lôùn vaø khoâng theå khôõi ñoäng tröïc tieáp

Ñieàu khieån toác ñoä chaát löôïng cao baèng caùch thay ñoåi aùp phaàn öùng

Ñoäng cô KÑB

Caáu taïo ñôn giaûn, giaù thaønh haï

Hieäu suaát cao, suït toác theo taûi beù

Gaàn nhö khoâng phaûi baûo trì

Momen khôûi ñoäng, khaû naêng quaù taûi (momen) beù

Doøng khôûi ñoäng lôùn vaø cho pheùp khôõi ñoäng tröïc tieáp

Ñieàu khieån toác ñoä chaát löôïng cao baèng caùch thay ñoåi taàn soá nguoàn (bieán taàn).

Tröôùc ñaây, truyeàn ñoäng ñieän ñoäng cô DC luoân ñöôïc duøng khi caàn chaát löôïng cao cho ñeán khi caùc boä bieán taàn baùn daãn xuaát hieän. Cho ñeán ñaàu nhöõng naêm 90, caùc boä bieán ñoåi taàn soá ñaõ ñöôïc nhieàu coâng ty saûn xuaát nhöng chæ ñeán caùc naêm cuoái theá kyû thì caùc heä thoáng ñieàu khieån taàn soá ñoäng cô KÑB môùi thaät söï chieám lónh thò tröôøng truyeàn ñoäng ñieän coù ñieàu khieån toác ñoä, khi maø


giaù thaønh bieán taàn giaûm ñaùng keå nhôø coâng nghieäp baùn daãn coâng suaát vaø vi xöû lyù phaùt trieån.

2. Ñaëc tính cô ñoäng cô KÑB vaø ñieàu khieån toác ñoä:

Coù hai moâ hình ñöôïc söû duïng ñeå khaûo saùt ñoäng cô KÑB:

- Moâ hình tónh: maïch töông ñöông laø moär bieán aùp coù thöù caáp quay, thöôøng ñöôïc duøng khi khaûo saùt traïng thaùi xaùc laäp hay gaàn ñuùng, khi ñeå tính toaùn cho ñieàu khieàn pha ñieän aùp xtator trong truyeàn ñoäng ñieän .

- Moâ hình ñoäng:bieåu dieãn daïng ma traän hay phöông trình traïng thaùi, cho pheùp khaûo saùt vaø ñieàu khieån chính xaùc ñoäng hoïc cuûa ñoäng cô, söû duïng khi ñieàu khieån vector.

a. Maïch töông ñöông ñoäng cô KÑB vaø ñaëc tính cô:

Doøng ñieän ba pha chaïy trong caùc cuoän daây xtator seõ taïo ra töø tröôøng quay (TTQ) ôû khe

hôû, coù toác ñoä laø 60o

fnp⋅

= , tính baèng voøng/phuùt (RPM) hay 2. .ow fπ= khi tính baèng rad/s, vôùi

f laø taàn soá , p laø soá ñoâi cöïc. Momen quay laø keát quaû cuûa söï töông taùc cuûa töø tröôøng rotor vaø töø tröôøng quay naøy. ÔÛ ñoäng cô ñoàng boä, töø tröôøng rotor do nam chaâm vónh cöûu hay doøng kích töø taïo ra. ÔÛ ñoäng cô KÑB, töø tröôøng rotor laø do doøng ñieän caûm öùng trong caùc cuoän daây rotor vôùi nguoàn kích thích laø TTQ xtator. Rotor khoâng theå quay ñoàng boä (cuøng toác ñoä) vôùi TTQ vì khi ñoù söùc ñieän ñoäng caûm öùng baèng khoâng daãn ñeán doøng baèng khoâng.

Khi khaûo saùt söï laøm vieäc trong cheá ñoä xaùc laäp, moâ hình cuûa ñoäng cô KÑB laø moät bieán aùp

coù thöù caáp quay. Khi rotor quay vôùi toác ñoä laø wr , noù coù ñoä tröôït so vôùi TTQ baèng o r

o

w wsw−

= vaø

taàn soá doøng ñieän rotor seõ baèng .r of s f= , maïch töông ñöông cuûa ñoäng cô ñöôïc trình baøy treân hình IV.1.1 (d) vaø (a) khi quy ñoåi maïch rotor veà xtator, trong ñoù:

X1, R1: ñieän khaùng taûn vaø ñieän trôû cuoän daây xtator.

Xu: ñieän khaùng töø hoùa; Ro: ñaëc tröng cho caùc toån hao trong maïch töø xtator.

X’2 vaø R’2: ñieän khaùng taûn vaø ñieän trôû cuoän daây rotor quy ñoåi veà xtator.

XTATOR

U skE

1:k

ROTOR

jXu

R2

R1jX1

Ro

jX2

E

Hình IV.1.1.(d)

Töø tröôøngquay

Rotor

worw

(c) (a) chính xaùc (b) gaàn ñuùng

ROTORqui ñoåi veàxtator

XTATORUU

jXnm

jXu

jX1

R'2/s

jXu

jX'2

R'2/s

R1

Ro

Hình IV.1.1.(c) Töø tröôøng quay xtator wo vaø toác ñoä rotor wr , (d), (a) vaø (b): Maïch töông ñöông cuûa ñoäng cô KÑB.

Ñeå tính toaùn ñôn giaûn, ngöôøi ta hay söû duïng maïch gaàn ñuùng hình IV.1.1 (b) khi boû qua R1, Ro vaø gheùp X1 + X’2 = Xnm. Khi ñoù:


doøng ñieän rotor quy ñoåi veà xtator: '2 2'

2 2nm

UIRX s

=⎛ ⎞+ ⎜ ⎟⎝ ⎠

<IV.1.1>

vôùi U: ñieän aùp pha vaø coâng suaát cung caáp cho rotor (coâng suaát ñieän töø) P2 hay Pñt

laø ( )' 2'2

23ñtRP Is

= <IV.1.2>.

Toån hao cuûa ñoäng cô, xem nhö chæ coù ôû ñieän trôû rotor , laø

( )2' '2 2 23. . . ñtP P R I s PΔ Δ = = <IV.1.3>

vaø coâng suaát cô nhaän ñöôïc treân truïc ñoäng cô laø: ( ). 1o ñt ñtP M P P s Pω= = − Δ = − <IV.1.4>

Töø ñoù coù theå suy ra bieåu thöùc cuûa momen :

2. t

t

t

MM sss s

=+

<IV.1.5> vôùi

Hình IV.1.2. Ñaëc tính cô ñoäng cô KÑB khi thay ñoåi aùp xtator vaø (a) laø ñaëc tính phuï taûi quaït gioù.

Mt laø momen tôùi haïn, 23.

2 .to nm

UMw x

= <IV.1.6>

xuaát hieän khi ñoä tröôït baèng giaù trò tôùi haïn '2

tnm

Rs sx

= = ± <IV.1.7>.

vaøñaëc tính cô ñoäng cô KÑB ñöôïc veõ treân hình IV.1.2 khi thay ñoåi aùp pha xtator U.

Cuõng coù theå suy ra .ñt oP M w= vaø Momen tæ leä coâng suaát ñieän töø vaø toån hao rotor . . oP s M wΔ = <IV.1.8>.

Caùc nhaän xeùt:

- Khi ñoä tröôït s beù, momen M coù theå xem tæ leä vôùi ñoä tröôït vaø theo <IV.1.1>

'2 '2' 22 2

.

nm

U U sIRRX s

=⎛ ⎞+ ⎜ ⎟⎝ ⎠

vì khi s beù, '2

nmR Xs

M cuõng tæ leä vôùi doøng ñieän nhö ñoäng cô moät chieàu. Khi ñoä tröôït taêng leân, momen taêng chaäm vaø qua cöïc trò laø momen tôùi haïn Mt trong khi doøng ñieän I’2 vaãn taêng, ñeán töø 5.. 7 laàn doøng ñònh möùc khi s = 1 (doøng khôûi ñoäng).

- M baèng khoâng khi hoaït ñoäng ôû toác ñoä ñoàng boä, ñoäng cô haõm (töông öùng cheá ñoä maùy phaùt khi hoaït ñoäng ôû toác ñoä lôùn hôn toác ñoä ñoàng boä vaø khoâng coù oån ñònh tónh vôùi taûi moâmen haèng soá khi s > st hay s < - st . Ñoä tröôït ôû momen ñònh möùc töø 3 .. 5 % ñoái vôùi ñoäng cô thoâng thöôøng vaø cao hôn ñoái vôùi caùc ñoäng cô coù momen khôûi ñoäng lôùn, doøng khôûi ñoäng beù. Vaäy suït toác cuûa truyeàn ñoäng ñieän duøng ñoäng cô KÑB theo taûi khaù beù so vôùi ñoäng cô DC.

- Toån hao rotor ΔP tæ leä momen M vaø ñoä tröôït s vaø toác ñoä ñoàng boä wo, Ñieàu naøy khoâng


phuï thuoäc phöông aùn ñieàu chænh toác ñoä. Ñeå giöõ toån hao ΔP khoâng ñoåi khi toác ñoä TTQ khoâng ñoåi,

töø <IV.1.8> suy ra momen taûi phaûi giaûm tæ leä nghòch vôùi ñoä tröôït: . o

PMswΔ

= . Phöông aùn naøy

thích hôïp vôùi taûi quaït gioù hay maùy boâm ly taâm, caùc taûi naøy coù momen Mc tæ leä vôùi wn , n > 2 – ñöôøng cong (a) treân hình IV.1.2.

b. Moâ hình ñoäng cuûa ñoäng cô KÑB:

Maïch töông ñöông khaûo saùt phaàn a. chæ ñaùp öùng cho vieäc tính toaùn cheá ñoä xaùc laäp hay quaù ñoä khoâng tính ñeán quaùn tính ñieän töø (giaû söû maïch ñieän coù ñaùp öùng töùc thôøi). Ñeå khaûo saùt ñaày ñuû hôn, keå caû aûnh höôûng cuûa baûo hoøa töø treân ñaùp öùng cuûa heä thoáng, ngöôøi ta söû duïng moâ hình ñoäng cuûa ñoäng cô KÑB.

* Moät soá kieán thöùc cô sôû maùy ñieän: (Xem phuï luïc chöông IV : TTQ vaø caùc pheùp bieán ñoåi)

- Bieåu thöùc caên baûn cuûa momen ñoäng cô: Töø nguyeân lyù momen cuûa ñoäng cô KÑB laødo söï taùc ñoäng cuûa töø tröôøng khe hôû treân doøng ñieän trong rotor, ngöôøi ta thaønh laäp bieåu thöùc momen ñoäng cô: Momen ñoäng cô xoay chieàu tæ leä vôùi tích vector cuûa doøng ñieän rotor vaø töø thoâng khe hôû:

^ ^ ^ ^3 3. . . . . .sin2 2r rm mM p I p Iψ ψ δ= × = <IV.1.18> trong ñoù:

p: soá ñoâi cöïc

^

mψ : vector töø thoâng xuyeân (moùc voøng) khe hôû xtator-rotor (cuõng chính laø TTQ)

^

rI : vector söùc töø ñoäng (MMF) rotor δ : goùc leäch giöõa vector söùc töø ñoäng rotor vaø vector töø thoâng khe hôû, heä soá 3/2 xuaát hieän

do caùc tính toaùn 3 pha.

<IV.1.18> coù daïng quen thuoäc cuûa momen (hay) löïc ñieän töø, gioáng nhö bieåu thöùc momen cuûa ñoäng cô moät chieàu (coâng thöùc <3.1> ôû chöông 3) laø momen tæ leä vôùi töø thoâng vaø doøng ñieän.

- Thaønh laäp heä phöông trình vi phaân moâ taû ñoäng cô KÑB döïa vaøo töï caûm vaø hoã caûm caùc cuoän daây xtator vaø rotor: Phöông trình daïng vector ñieän aùp xtator:

ss s ss s

dv Ridtψ

= + <IV.1.19> trong ñoù chæ soá s döôùi ñeå cho bieát laø thoâng soá maïch xtator, chæ

soá s treân duøng ñeå nhaán maïnh laø ñang khaûo saùt ñoái vôùi heä toïa ñoä ñöùng yeân. , , s s ss s sv i ψ laàn löôït laø

vector giaù trò töùc thôøi cuûa aùp, doøng xtator, töø thoâng moùc voøng ñoái vôùi heä truïc coá ñònh. Moãi vector coù theå bieåu ñieãn döôùi daïng:

sas bs csas bs csX X U X U X U= + + <IV.1.20>

vôùi , ,as bs csU U U laø caùc vector cô heä ba pha (2 43 31, ,

j je e

π π

) .

Neáu heä truïc toïa ñoä quay vôùi toác ñoä ñoàng boä w, <IV.1.19> ñöôïc vieát laïi:

ss s s

dv Ridtψ ω ψ= + + × <IV.1.21> , tích vector sω ψ× laø söùc ñieän ñoäng sinh ra do söï quay

cuûa heä. Tính tích vector, ñoåi phöông trình <IV.1.21> sang heä toïa ñoä vuoâng goùc quay taàn soá w:


.

.

qsqs s qs ds

dsds s ds qs

dv R i w

dtdv R i wdt

ψψ

ψ ψ

= + +

= + − <IV.1.22>

Neáu theá w = 0 vaøo, ta coù laïi phöông trình aùp xtator ñoái vôùi heä toïa ñoä vuoâng khoâng quay (α,β). Xeùt maïch rotor vôùi giaû söû coù aùp xung ñoái, phöông trình ôû heä toïa ñoä quay cuõng hoaøn toaøn töông töï, chæ soá r ñeå chæ thoâng soá rotor nhöng trong khaûo saùt ta luoân quy ñoåi veà maïch xtator:

.

.

qrqr r qr dr

drdr r dr qr

dv R i w

dtdv R i wdt

ψψ

ψ ψ

= + +

= + − <IV.1.23>

Vì rotor quay toác ñoä wr neân ñoái vôùi heä truïc quay toác ñoä w, ta coù toác ñoä töông ñoái w – wr vaø <IV.1.23> phaûi boå sung thaønh:

( )

( )

qrqr r qr r dr

drdr r dr r qr

dv R i w w

dtdv R i w wdt

ψψ

ψ ψ

= + + −

= + − − <IV.1.24> .

<IV.1.23>, <IV.1.24> cho ta maïch töông ñöông trong heä truïc (dq) cuûa ñoäng cô KÑB coù aùp xung ñoái nhö hình IV.1.3, khi ñeå yù:

. ( )

. ( )

. ( )

. ( )

qs ls qs m qs qr

qr lr qr m qs qr

ds ls ds m ds dr

ds lr qr m ds dr

L i L i iL i L i iL i L i iL i L i i

ψ

ψ

ψψ

= + +

= + +

= + += + +

<IV.1.25>

trong ñoù Ll laø töï caûm taûn, Lm laø töï caûm töø hoùa, chæ soá s hay r chæ raèng ñaïi löôïng thuoäc veà xtator hay rotor.

Ñieän aùp xung ñoái ôû rotor vr ñöa vaøo ñeå naâng tính toång quaùt cuûa moâ hình (nhôù laïi moâ hình bieán aùp cuûa ñoäng cô). Vôùi ñoäng cô loàng soùc, ñoái aùp naøy baèng 0 (ngaén maïch).


v v

ii

qs

qss s m r m

_ _ls lr r qr

qr

ψw. (w - w ).ψds drr

ψqsqrψm

(w - w ).

lrs mi

ψψ

w.

lss_

r

dr

ds

ψ

i

qs

dr_

qr

r

vm dr

ψ

r m

ds vds

Maïch töông ñöông truïc d

Maïch töông ñöông truïc q

R L = L L R

L

L = L L

L

L = L LL = L LR R

Hình IV.1.3

Töø ñoù coù theå vieát phöông trình lieân quan caùc thaønh phaàn doøng , aùp xtator vds, vqs, ids, iqs vaø rotor vqr, vdr, idr, iqr theo ñieän trôû, ñieän caûm ñoäng cô laø 4 phöông trình vi phaân baäc nhaát, döôùi daïng ma traän nhö sau:

. . . .. . . .

. ( ) . ( )( ) . ( ) .

qs s s s m m qs

ds s s s m m ds

qr m r m r r r r qr

dr r m m r r s s dr

v R s L w L s L w L iv w L R s L w L s L iv s L w w L R s L w w L iv w w L s L w w L R s L i

+⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥− + −⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥=⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥− + −⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥− − − − +⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦

<IV.1.26>

- Thaønh laäp bieåu thöùc momen: töø <IV.1.18>, ta ñoåi sang heä toïa ñoä (d,q):

*

3 ( . . )23 ( . . )23 3. ( . . ) . . .2 2

hay khi thay theá baèng caùc gía trò töông ñöôngdm qr qm dr

dm qs qm ds

m dr qs qr ds m s r

M p i i

M p i i

M p L i i i i p L i i

ψ ψ

ψ ψ

= −

= −

= − =

<IV.1.27>

*ri : vector lieân hôïp cuûa doøng rotor

Bieåu thöùc momen ñoäng cô M naøy vaøcuøng vôùi phöông trình caên baûn cuûa truyeàn ñoäng ñieän:

1m rc

dw dwM M J Jdt p dt

− = = <IV.1.28> trong ñoù chæ soá m ñöôïc theâm vaøo ñeå kyù hieäu

wm laø toác ñoä thöïc cuûa ñoäng cô (phaân bieät w laø taàn soá), wr laø toác ñoä ñieän, p laø soá ñoâi cöïc, cho ta ñuû ñieàu kieän ñeå khaûo saùt ñoäng hoïc cuûa ñoäng cô coù tính ñeán quaùn tính ñieän töø. ÔÛ toïa ñoä (d,q), doøng aùp laø nhöõng giaù trò moät chieàu, cho pheùp tính toaùn ñôn giaûn, sau ñoù ta duøng caùc pheùp bieán ñoåi traû veà heä ba pha thöïc teá.

- Moâ hình ñoäng cô trong heä α,β (vuoâng goùc coá ñònh): Trong moät soá tröôøng hôïp ñôn giaûn hay ñeå kieåm chöùng laïi caùc bieåu thöùc cuûa khaûo saùt ôû cheá ñoä xaùc laäp ôû phaàn a., ta cho w = 0 trong phöông trình <IV.1.26> vaø maïch töông ñöông hình IV.1.3.


Khi ñoù, caùc ñaïi löôïng doøng aùp laø hình sin nhöng caùc bieåu thöùc momen <IV.1.27> seõ khoâng thay ñoåi khi vieát ôû toïa ñoä (α,β) coá ñònh (coâng thöùc Stanley). Hình IV.1.5 laø maïch töông ñöông moät pha cuûa ñoäng cô khi coù xeùt ñeán töø thoâng,

trong ñoù^

mV laø vec tô aùp pha coù suaát (bieân ñoä) :

^2 2

m s sV v vα β= + , ,s sv vα β laø caùc

ñieän aùp ôû heä truïc vuoâng coá ñònh.

Töø thoâng xuyeân (moùc voøng) hay

söùc ñieän ñoäng caûm öùng ^

rψ coù suaát (bieân ñoä) :

^2 2r rr α βψ ψ ψ= +

ls

v

s

Maïch töông ñöông truïc

Maïch töông ñöông truïc

rlri

ψ

i

- wm

r ψψ

α

β

α r

β r

rβsβ

β s

sβ

ψs

r

s

α

α

ψr

β

i

s

is

mψα

v

αlr

α

r

ls r r

w

L

LL RR

R RL

L

L

Hình IV.1.4 Maïch töông ñöông ôû heä truïc vuoâng goùc coá ñònh

Vm

rw.

lr r

ψlss

mr

r^

ψ^

^RL

L

LR

Vm ^

TH

w.

^

ψrr

TH

^V =TH

RL

Hình IV.1.5 Maïch töông ñöông moät pha vaø sô ñoà Thevevin khi xem L töø hoùa baèng voâ cuøng

Trong nhieàu tröôøng hôïp, Lm lôùn neân boû qua, ta coù maïch Thevenin, trong ñoù:

RTH = Rs + Rr vaø LTH = Ls + Lr , ^ ^

.TH rV wψ=

Caùc nhaän xeùt: Vieäc chuyeån sang toïa ñoä quay (d,q) quay cuøng toác ñoä töø tröôøng ñaõ bieán caùc ñaïi löôïng hình sin (hay vector) thaønh moät chieàu (khoâng ñoåi), töø ñoù vieäc tính toaùn trôû neân ñôn giaûn. Töø caùc yù nghóa cuûa thaønh phaàn d, q cuûa doøng ñieän (ñieän aùp) treân, ngöôøi ta coù theå xaây döïng thuaät toaùn ñieàu khieån hieäu quaû hôn ñoäng cô KÑB, laøm cho TÑÑ xoay chieàu coù theå caïnh tranh vaø ngaøy nay ñaõ vöôït TÑÑ moät chieàu.

c. Caùc phuông phaùp ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô KÑB rotor loàng soùc:

- ñieàu khieån naêng löôïng tröôït: Khi khoâng thay ñoåi toác ñoä TTQ (soá ñoâi cöïc cuûa cuoän daây, taàn soá laøm vieäc khoâng ñoåi), ta chæ coù theå thay ñoåi toác ñoä ñoäng cô baèng caùch taêng suït toác (hay ñoä tröôït). Caùc phöông phaùp coù theå söû duïng laøñieàu khieån (giaûm) aùp xtator, taêng R, X ôû xtator. Nhö ta ñaõ nhaän xeùt ôû treân, caùc phöông phaùp naøy coù taùc duïng raát haïn cheá: toån hao ΔP taêng theo ñoä tröôït, phaïm vi ñieàu chænh heïp vì ñoä tröôït s caàn phaûi beù hôn st ñeå heä thoáng coù oån ñònh tænh.

- Ñieàu khieån toác ñoä TTQ: Khi thay ñoåi toác ñoä TTQ, caùc phöông trình ñaëc tính cô khoâng ñoåi, vaø coù theå xem caùc ñaëc tính cuûa ñoäng cô laøkhoâng ñoåi neáu cheá ñoä laøm vieäc cuûa ñoäng cô khoâng leäch quaù xa cheá ñoä thieát keá. Khi ñoù, suït toác cuûa ñoäng cô beù, chæ leäch vôùi toác ñoä cuûa TTQ ñoä tröôït


s coù trò soá khoaûng vaøi phaàn traêm, keát quaû laø coù theå söû duïng ñieàu khieån voøng hôû. Ngoaøi ra, chi phí baûo trì thaáp vaø hieäu suaát laøm vieäc raát cao vì nhö CM treân, toån hao tæ leä ñoä tröôït vaø coâng suaát ñieän töø.

Coù hai phöông phaùp thöïc hieän: thay ñoåi soá ñoâi cöïc p vaø ñieàu khieån taàn soá.

Phöông phaùp 1 coù caùc baát lôïi laø coù naác coá ñònh, phaûi thöïc hieän khi cheá taïo. Coù theå ñoåi noái cuoän daây ñeå thay ñoåi soá ñoâi cöïc (tæ soá toác ñoä 2:1) hay cheá taïo ñoäng cô coù nhieàu cuoän daây ñeå coù tæ soá ñònh tröôùc. Khi ñoùù kích thöôùc, troïng löôïng ñoäng cô taêng cao.

Ñieàu khieån taàn soá coù theåø ñieàu chænh voâ caáp nhöng yeâu caàu söû duïng boä bieán ñoåi taàn soá phöùc taïp. Coù hai loaïi bieán taàn baùn daãn:

- Bieán taàn tröïc tieáp (Cycloconverter) – hình IV.1.4.a: Söû duïng caùc boä chænh löu ñieàu khieån pha laøm vieäc 4 phaàn tö maët phaúng taûi vôùi goùc kích SCR thay ñoåi lieân tuïc sao cho aùp ra laø ñieän xoay chieàu. BBÑ naøy chæ cho ra taàn soá khaù nhoû so vôùi taàn soá löôùi ñieän, thöôøng söû duïng ñeå cung caáp cho ñoäng cô coâng suaát raát lôùn, quay toác ñoä chaäm.

- Bieán taàn coù trung gian moät chieàu: coù sô ñoà khoái nhö hình IV.1.4.b. Ñieän löôùi ñöôïc chænh löu (coù ñieàu khieån hay khoâng) thaønh moät chieàu vaø sau ñoù nghòch löu trôû laïi xoay chieàu. Ñaây cuõng laø sô ñoà khoái cho haàu heát nhöõng boä nghòch löu duøng trong coâng nghieäp vì naêng löôïng ñieän cuûa caùc nhaø maùy ñeàu laáy töø löôùi.

Coù hai loaïi bieán taàn coù trung gian moät chieàu phuï thuoäc vaøo loaïi nghòch löu ñöôïc söû duïng: Bieán taàn vôùi nghòch löu nguoàn doøng (NLND) vaø nghòch löu nguoàn aùp (NLNA). Caùc bieán taàn naøy coù ñaëc tính nhö boä nghòch löu töông öùng.

Nhö ñaõ trình baøy trong phaàn khaûo saùt nghòch löu, khi giaûm taàn soá laø caàn giöõ

Hình IV.1.3. So saùnh ñaëc tính cô hai phöông aùn ñieàu khieån taàn soá: V/F vaø vector.

töø thoâng caùc cuoän daây khoâng vöôït quaù giaù trò cho pheùp, thöôøng laø ñònh möùc. Vôùi nhaän xeùt ñoù, ta coù hai phöông phaùp thöïc hieän bieán taàn baùn daãn cho ñieàu khieån ñoäng cô: - Thay ñoåi aùp cung caáp tæ leä vôùi taàn soá ñeå giöõ töø thoâng qua maïch khoâng vöôït quaù giaù trò cho pheùp (bieán taàn V/F). Khi duy trì ñöôïc ñoä tröôït s beù ñoäng cô KÑB seõ laøm vieäc vôùi ñaëc tính phuï taûi momen khoâng ñoåi. Baát lôïi cuûa sô ñoà naøy (cuõng nhö khi hoaït ñoäng vôùi ñieän löôùi) ôû choã ta cung caáp cho ñoäng cô moät nguoàn aùp vaø momen, doøng ñieän ñoäng cô phuï thuoäc vaøo cheá ñoä laøm vieäc. Khi ñoù coù theå xaûy ra tröôøng hôïp doøng raát lôùn trong khi momen beù (ví duï nhö khi ñoä tröôït lôùn) laøm giaûm hieäu qua, ñaëc tính ñoäng keùm. - Ñeå ñoäng cô coù cheá ñoä hoaït ñoäng toái öu hôn, ta coù phöông phaùp ñieàu khieån vector. Döïa treân nghieân cöùu moâ hình ñoäng cuûa ñoäng cô KÑB, ngöôøi ta tìm ra ñöôïc quan heä cuûa caùc thaønh phaàn cuûa doøng xtator vôùi töø thoâng khe hôû vaø doøng ñieän rotor, töø ñoù tính ñöôïc doøng xtator töùc thôøi ñeå taïo ra momen momen treân truïc moät caùch toái öu. Phöông phaùp naøy laøm cho ñaëc tính truyeàn ñoäng toát hôn trong cheá ñoä tænh cuõng nhö ôû quaù trình quaù ñoä, coù theå so saùnh ñöôïc vôùi ñoäng cô DC.

Ñieàu khieån taàn soá ñoäng cô KÑB laø phöông aùn truyeàn ñoäng ñieän ñaùng chuù yù nhaát hieän nay


do chaát löôïng cao vaø giaù thaønh ngaøy caøng haï. Ngay caû ôû caùc phöông aùn ñieàu khieån ñôn giaûn nhö bieán taàn V/F, hieäu suaát vaø chaát löôïng truyeàn ñoäng ñaõ khaù toát.

o

oi

v

ABC

NK

CB

T2T1 T3

T4 T5 T6R

L

Hình IV.1.4.a: Bieán taàn tröïc tieáp, sô ñoà moät pha

NLNA3 3

Löôùi Taûi

NLND3 3

Löôùi Taûi

L

C

L

Hình IV.1.4.b: Bieán taàn coù trung gian moät chieàu

Ñoái vôùi ñoäng cô rotor daây quaán, nhôø khaû naêng taùc ñoäng vaøo maïch rotor, vieäc ñieàu khieån naêng löôïng tröôït trôû neân hieäu quaû hôn. Coù hai phöông aùn:

* Söû duïng R phuï ôû xtator: Khi ñoù Mt khoâng ñoåi, ñoä tröôït tôùi haïn st taêng theo R’2. Keát quaû laø phaïm vi ñieàu chænh toác ñoä ñöôïc nôùi roäng, Toån hao rotor tieâu taùn chuû yeáu treân R phuï neân khoâng laøm phaùt noùng ñoäng cô ôû ñoä tröôït s lôùn.

* Söû duïng söùc ñieän ñoäng xung ñoái ôû maïch rotor, coøn goïi laø heä thoáng noái caáp. Khi ñoù, naêng löôïng tröôït ñöôïc taùi sinh veà löôùi hay bieán ra cô naêng cung caáp cho taûi, khoâng nhöõng phaïm vi ñieàu chænh toác ñoä ñöôïc nôùi roäng maø hieäu suaát toaøn heä thoáng coøn ñöôïc naâng cao. Nhöôïc ñieåm laø heä thoáng phöùc taïp, söû duïng ñoäng cô rotor daây quaán ñaét tieàn, coù chi phí baûo trì cao hôn ñoäng cô loàng soùc.

IV. 2 ÑIEÀU KHIEÅN NAÊNG LÖÔÏNG TRÖÔÏT Ñ. CÔ KÑB:

1. Ñieàu khieån ñieän aùp ñoäng cô KÑB vaø Soft start:

Caùc coâng thöùc töø <IV.1.5> ñeán <IV.1.7> cho ta nhaän xeùt: Cuøng ñoä tröôït s, khi thay ñoåi (giaûm) aùp xtator: toác ñoä TTQ khoâng ñoåi, doøng ñieän thay ñoåi (giaûm) tæ leätrong khi momen thay ñoåi (giaûm) theo bình phöông. Khoâng nhöõng theá, ñoä tröôït tôùi haïn st theo lyù thuyeát laø khoâng ñoåi laøm phaïm vi ñieàu chænh toác ñoä bò giôùi haïn vaø toån hao trong rotor taêng theo ñoä tröôït laøm cho ñieàu khieån aùp coù taùc duïng raát haïn cheá ñoái vôùi ñoäng cô KÑB. Trong thöïc teá, ñieàu khieån aùp xtator doäng cô KÑB chæ ñöôïc söû duïng trong caùc tröôøng hôïp:

- Truyeàn ñoäng taûi coù M giaûm maïnh khi giaûm toác nhö taûi quaït gioù hay maùy boâm ly taâm (coøn goïi laø taûi coù momen thay ñoåi).

- Söû duïng cho caùc ñoäng cô ñaëc bieät, coù ñoä tröôït ñònh möùc lôùn, doøng khôûi ñoäng beù, coù theå laøm vieäc daøi haïn ôû ñoä tröôït lôùn. Ñoù laø caùc ñoäng cô coù rotor raõnh saâu vaø ñieän trôû lôùn (lôùp D theo hieäp hoäi caùc nhaø saûn xuaát thieát bò ñieän Myõ – NEMA) hay ñoäng cô coù momen haàu nhö khoâng ñoåi ôû ñoä tröôït lôùn (Torque motor). Loaïi thöù hai naøy coù theå duøng cho caùc truyeàn ñoäng cuoän caùc saûn phaåm vaøo ruloâ, yeâu caàu löïc keùo khoâng ñoåi trong khi toác ñoä daøi laø khoâng ñoåi, toác ñoä quay thay ñoåi theo ñöôøng kính cuoän. - Moät öùng duïng quan troïng cuûa caùc phöông phaùp naøy laø duøng ñeå khôûi ñoäng ñoäng cô KÑB. Sô ñoà taêng daàn aùp xtator baèng boä ñieàu khieån pha aùp AC ñeå haïn cheá doøng khôûi ñoäng vaø ñieàu khieån gia toác ñoäng cô KÑB ñöôïc öùng duïng roäng raõi, coù teân thöông maïi laø SOFT START. Chöõ SOFT START nhaán maïnh ñöôïc khaû naêng ñieàu khieån gia toác cuûa boä khôûi ñoäng. Moät boä soft start hieän ñaïi khoâng chæ coù nhieäm vuï khôûi ñoäng, noù coøn coù theå laø moät trung taâm ño löôøng – ñieàu khieån ñoäng cô ñöôïc noái maïng vôùi boä ñieàu khieån trung taâm cuûa daây chuyeàn saûn xuaát hay phaân xöôûng.


ÑIEÀU KHIEÅN- Haïn cheá doøng- Taøo haøm doác (RAMP) - Lieân ñoäng, ñieàu khieån logic vaønoái maïng

LÖÔÙI

khoái SCR

T1 T2

G

CONTACTOR (*)

CB

M

ÑOÄNG CÔ KÑB

CT

CONTACTOR (*)

Hình IV.2.1. Sô ñoà khoái boä soft start, trong ñoù caùc phaàn töû coù daáu (*) laø tuøy choïn, chæ duøng cho caùc heä thoáng ñaét tieàn.

Hình IV.2.2. Ñaëc tính cô cuûa ñoäng cô ngaãu löïc (Torque motor) khi ñieàu chænh aùp.

Moät öùng duïng khaùc, ít phoå bieán hôn, laø söû duïng boä ñieàu khieån aùp ñoäng cô AC ñeå tieát kieäm ñieän naêng. Khaùc vôùi maùy bieán aùp, ñoäng cô KÑB coù doøng khoâng taûi khaù lôùn do coù khe hôû xtator-rotor trong maïch töø. Do ñoù toån hao khi laøm vieäc khoâng taûi lôùn vaø laøm giaûm hieäu quaû söû duïng ñoäng cô. Khi ñoù, vieäc giaûm aùp cung caáp khoâng laøm giaûm toác ñoä nhöng seõ laøm giaûm doøng daãn ñeán giaûm toån hao coâng suaát. Haøm ñieàu khieån laø giaûm nhoû nhaát doøng qua maïch ôû moïi cheá ñoä laøm vieäc, coù haïn cheá aùp toái thieåu vaø toái ña. Khi ñang laøm vieäc oån ñònh, neáu doøng taêng ta seõ taêng aùp ñeán khi doøng qua cöïc tieåu vaø ngöôïc laïi.

2. Ly hôïp tröôït (ñoäng cô VS) :

Moät heä thoáng raát phoå bieán ôû caùc nöôùc Ñoâng AÙ (Nhaät, Ñaøi loan) laø ñoäng cô VS hay ly hôïp tröôït coù sô ñoà khoái HT nhö sau:

Löôùi Ñoäng cô sô caáp toác ñoä coá ñònh(KÑB) Ly hôïp tröôït Taûi toác ñoä thay ñoåi

Öu ñieåm laø raát ñôn giaûn, reû tieàn, deã cheá taïo vaø söû duïng ñoäng cô KÑB rotor loàng soùc laø truyeàn ñoäng sô caáp. Nhöôïc ñieåm cuûa heä thoáng naøy laø hieäu suaát thaáp vì ñaây cuõng laø phöông aùn ñieàu khieån naêng löôïng tröôït. Ly hôïp tröôït goàm coù hai phaàn (hình IV.2.3):

- Phaàn chuû ñoäng (sô caáp) laø nhöõng cöïc töø laøm baèng nhöõng khoái saét keát hôïp vôùi cuoän kích töø ñieän moät chieàu, noái cöùng vôùi ñoäng cô sô caáp neân quay vôùi toác ñoä coá ñònh. Töø tröôøng taïo ra laø töø tröôøng quay nhö ñoäng cô KÑB.

- Phaàn thuï ñoäng (thöù caáp) cuõng laø nhöõng nhöõng khoái saét noái vôùi taûi vaø chuyeån ñoäng trong TTQ cuûa phaàn chuû ñoäng.

Ñoäng côsô caáp

Taûi

Khôùp chuû ñoäng Khôùp bò ñoäng

Cuoän daây kích töø

Hình IV.2.3. Nguyeân lyù caáu taïo VS motor

Ly hôïp tröôït laøm vieäc theo nguyeân lyù cuûa ñoäng cô KÑB, phaàn thuï ñoäng chuyeån ñoäng quay theo TTQ, nhöng ñoä tröôït seõ phuï thuoäc vaøo doøng kích töø laø doøng ñieän moät chieåu qua cuoän daây vaø momen caûn cuûa taûi. Ñaëc tính cô khi thay ñoåi doøng kích töø coù daïng töông töï nhö ñaëc tính cô ñoäng cô ngaãu löïc treân hình IV.2.2. Ñoä tröôït tôùi haïn vaø momen khôûi ñoäng ñeàu lôùn hôn giaù trò töông öùng cuûa ñoäng cô KÑB do caáu taïo cuûa maïch töø. Nhôø maïch töø chæ laø nhöõng khoái saét maø khôùp tröôït coù theå laøm vieäc daøi haïn ôû ñoä tröôït lôùn vaø coù ñoä tin caäy cao.

Goïi P1, P2, ω1, ω2 laàn löôït laø coâng suaát vaø toác ñoä cuûa phaàn sô vaø thöù caáp vaø M laø


momen cuûa heä thoáng, ta coù:

P1= M.ω1 vaø P2= M.ω2 suy ra toån hao trong khôùp theo giaûn ñoà hình IV.2.5:

ΔP = P1− P2 = M.ω1 − M.ω2 = s. M.ω1 <IV.2.1> nhö ôû ñoäng cô KÑB.

M, w1 M, w2

PI

Maùy phaùttoác

Phaûn hoàitoác ñoä

Phaùtxung

Ñaëttoácñoä

Nguoàn

SCRDf

CKT

Hình IV.2.4. Sô ñoà ñoäng ly hôp tröôït vaø maïch ñieàu khieån

P1 P2

PΔ

Hình IV.2.5. Giaûn ñoà truyeàn naêng löôïng ly hôp tröôït

Sô ñoà khoái heä thoáng ñieàu khieån toác ñoä duøng khôùp tröôït ñöôïc cho ôû hình IV.2.4. Toác ñoä phaûn hoài veà baèng maùy phaùt toác AC cheá taïo saún trong khôùp. Boä hieäu chænh thöôøng laø PI hay PID vaø maïch ñoäng löïc laø chænh löu ñieàu khieån pha 1 SCR coù diod phoùng ñieän cung caáp naêng löôïng cho cuoän kích töø. Söï ñôn giaûn cuûa boä ñieàu khieån cuõng laøm giaûm giaù thaønh vaø taêng ñoä tin caäy cuûa heä thoáng.

IV.3 ÑIEÀU KHIEÅN TAÀN SOÁ ÑOÄNG CÔ KÑB BAÈNG BIEÁN TAÀN V/F:

1. Nguyeân lyù hoïat ñoäng:

Khi söû duïng boä bieán ñoåi taàn soá ñeå cung caáp cho ñoäng cô KÑB ñieän 3 pha vôùi taàn soá f thay ñoåi, toác ñoä ñoäng cô thay ñoåi theo toác ñoä TTQ laø wo = 2.π.f/p (rad/s), p: soá ñoâi cöïc. Ñeå giöõ töø thoâng khoâng vöôït quaù giaù trò cho pheùp (thöôøng baèng ñònh möùc), ñieän aùp ñoäng cô caàn phaûi thay ñoåi tæ leä vôùi taàn soá. Thaät vaäy, ñieän aùp caûm öùng cuûa cuoän daây khi coù töø thoâng bieán ñoåi hình sin:

U ≡ N.φ .f N: soá voøng daây, φ: töø thoâng , f: taàn soá

suy ra U / f = haèng soá ñeå töø thoâng φ khoâng ñoåi.

Thöïc teá, do suït aùp trong cuoän daây xtator coøn do ñieän trôû, khi taàn soá ñuû beù thì aùp khoâng coøn giaûm tæ leä (ñuôøng cong b. cuûa hình IV.3.1). Khi töø thoâng ñöôïc giöõ khoâng ñoåi, ta coù theå chöùng minh laø momen cuûa ñoäng cô coù theå taïo ra cuõng khoâng ñoåi (xem ñaëc tính cô treân hình IV.I.3 cuûa bieán taàn SYSDRIVE haûng OMRON). Cuõng gioáng nhö ñoäng cô DC, khi laøm vieäc vôùi töø thoâng khoâng ñoåi, ñaëc tính phuï taûi cuûa ñoäng cô seõ laø momen khoâng ñoåi vaø khi laøm vieäc vôùi taàn soá lôùn hôn ñònh möùc, ñieän aùp ñoäng cô ñöôïc giöõ khoâng ñoåi vaø ta coù ñaëc tính phuï taûi laø coâng suaát khoâng ñoåi. Bieán taàn cung caáp ñieän aùp laø moät haøm cuûa taàn soá ñöôïc goïi laø bieán taàn V/F.

f

U/Uñm

(a)

(b)

(c) (d)

Hình IV.3.1: Ñaëc tính U / f: theo lyù thuyeát (a) vaø thöïc teá (b). Ñaëc tính U / f khi caàn momen lôùn (c) hay nhoû (d).


Vôùi caùc ñaëc tính phuï taûi khaùc nhau, quan heä V/F cuõng ñöôïc hieäu chænh ñeå ñoäng cô coù momen thích hôïp. Ví duï neáu laø taûi momen thay ñoåi (varible torque – taûi maùy boâm, quaït gioù), aùp ñöôïc pheùp giaûm nhanh hôn taàn soá => töø thoâng giaûm keùo theo doøng töø hoùa giaûm, taêng ñöôïc hieäu suaát. Ngöôïc laïi, aùp ñaët vaøo ñoäng cô coù theå taêng moät ít khi doøng taûi taêng ñeå giaûm suït toác, taêng momen (chöùc naêng Torque boost hay Load Compensation cuûa caùc bieán taàn).

2. Söï laøm vieäc cuûa ñoäng cô AC vôùi nguoàn khoâng sin:

Vì BBÑ söû duïng caùc ngaét ñieän, doøng hoaëc aùp qua ñoäng cô laø nhöõng xung vuoâng vaø ñaïi löôïng coøn laïi cuõng khoâng theå hình sin. Keát quaû laøsöï laøm vieäc cuûa ñoäng cô bò aûnh höôûng, taùc duïng quan trong nhaát cuûa doøng aùp khoâng sin laø ñoäng cô bò phaùt noùng phuï vaø coù momen phuï.

a. Soùng haøi aùp doøng ñaët vaøo ñoäng cô:

Soùng haøi ñieän aùp cuûa nghòch löu nguoàn aùp coù nhöõng ñaëc tính:

- Vì laø ba pha, heä thoáng khoâng coù haøi boäi 3 vaø trong ña soá tröôøng hôïp, khoâng coù haøi baäc chaün, baäc cuûa soùng haøi baèng n = 6 k ± 1, k = 1, 2, 3 ..

- Bieân ñoä giaûm nhanh, tæ leä vôùi 1/n.

Ví duï khi phaân tích soùng haøi daïng aùp nghòch löu 6 naác nhö hình IV.3.2 ôû trang sau, ta coù bieân ñoä haøi baäc n laø Un = ± U1 /n, tính baèng soá U5 = – U1 / 5 , U7 = + U1 / 7 . U1 laø bieân ñoä haøi cô baûn (baäc n = 1).

- Ñoái vôùi nghòch löu nguoàn doøng, doøng qua ñoäng cô laø nhöõng xung vuoâng, coù quan heä nhö ví duï soùng haøi aùp treân.

VCBA

S5S4

+

S3S1

S6

S2

_

D1 D2 D3

D6D5D4

Hình IV.3.2: Maïch ñoäng löc.

Daïng aùp daây vaø pha NL nguoàn aùp 6 naác.

Tröôøng hôïp ñaëc bieät laø khi heä thoáng coù ñieàu cheá, bieân ñoä soùng haøi ôû taàn soá soùng mang raát cao nhöng doøng ñieän töông öùng thöôøng raát beù, khoâng ñaùng keå nhö khaûo saùt soùng haøi doøng ñieän sau ñaây:

- Ñoái vôùi nghòch löu nguoàn aùp, soùng haøi doøng coù theå tính töø soùng haøi ñieän aùp theo nguyeân

lyù xeáp choàng töø toång trôû ñoäng cô (hình IV.1.1.b) ñoái vôùi haøi baäc n: ( )2'

2 2. .n nmn

RZ nw Ls

⎛ ⎞= + ⎜ ⎟

⎝ ⎠.

Zn coù theå xem laø tæ leä vôùi baäc soùng haøi n suy ra doøng baäc cao giaûm tæ leä vôùi bình phöông cuûa n. Ñeå tính chính xaùc hôn, caàn ñeå yù ñoä tröôït sn phuï thuoäc vaøo taàn soá. Khi laøm vieäc ôû toác ñoä ñònh möùc, 1 0s s= trong khi so vôùi toác ñoä cuûa TTQ soùng haøi baäc cao coù taàn soá n laàn lôùn hôn, sn ≅ 1 vaø . .n nmZ nw L töø ñoù suy ra trò hieäu duïng soùng haøi baäc n:


2/Rn nmI I n , chæ soá “R “ duøng ñeå chæ giaù trò hieäu duïng, 1 /nm nmI V X= laø doøng ngaén maïch cuûa ñoäng cô, coøn goïi laø doøng khoùa rotor (doøng qua ñoäng cô khi rotor khoâng quay) hay quen thuoäc hôn: doøng khôûi ñoäng.

b. Phaùt noùng phuï:

Vì phaùt noùng trong maïch tæ leä vôùi bình phöông giaù trò hieäu duïng doøng ñieän, khi söû duïng doøng ñieän khoâng sin, ñoäng cô phaûi chòu theâm söï phaùt noùng cuûa soùng haøi doøng ñieän, goïi laø phaùt noùng phuï ΔPΣn. Vôùi daïng soùng nghòch löu aùp 6 naác, ta coù:

2

'2 23. . , 5,7,11,13...nm

nn

IP R nnΣ

⎛ ⎞Δ = =⎜ ⎟⎝ ⎠

∑ <IV.3.1>. Ta coù theå tính toång <IV.3.1> vaø khi giaû

söû doøng khôûi ñoäng Inm gaáp 7 giaù trò ñònh möùc, suy ra phaùt noùng phuï ôû cheá ñoä laøm vieäc ñònh möùc nhö sau:

' 2 ' 22 2 13 0.0021 0.1 3 10%n nm RP R I R I PΣΔ = = Δi i i i i i i <IV.3.2>

Vaäy khi ñoäng cô laøm vieäc vôùi daïng soùng nghòch löu aùp 6 naác, toån hao trong cuoän daây taêng theâm 10% ôû cheá ñoä ñònh möùc hay noùi caùch khaùc, ñoäng cô bò giaûm khaû naêng taûi 10%. Ngoaøi ra ñoäng cô coøn coù toån hao phuï trong loõi theùp do töø tröôøng taàn soá cao, nhaát laø khi duøng ñieàu roäng xung.

c. Momen phuï:

Khi trong maïch töø coù doøng ñieän 3 pha cuûa soùng haøi baäc cao, ta cuõng coù TTQ cuûa soùng haøi vaø keát quaû laø trong ñoäng cô xuaát hieän caùc momen phuï:

- Momen quay cuûa haøi baäc cao. Soùng haøi baäc 6k – 1 coù TTQ ngöôïc vaø 6k + 1 cuøng chieàu vôùi TTQ thaønh phaàn cô baûn. Do ñoä tröôït ñoái vôùi TTQ cuûa haøi baäc cao raát lôùn momen naøy neân khoâng ñaùng keå.

- Momen ñaäp maïch do söï töông taùc cuûa caùc töø tröôøng khoâng cuøng taàn soá, ñaùng chuù yù nhaát laø momen M6, taïo ra do söï töông taùc giöõa hai soùng haøi baäc 5 vaø 7, M6 laø phaùch neân tæ leä vôùi | I5 – I7 | . Trong heä thoáng duøng nghòch löu aùp 6 naác, I5 – I7 = Inm / 50 vaø moät caùch gaàn ñuùng, ta coù theå xem momen tæ leä vôùi doøng ñieän, coù theå suy ra momen ñaäp maïch M6 lôùn hôn 10 % momen ñònh möùc cuûa ñoäng cô.

Khi taàn soá laøm vieäc thaáp, aûnh höôûng cuûa soùng haøi baäc cao trôû neân quan troïng hôn vaø trong caùc heä thoáng ñieàu khieån taàn soá ñoäng cô KÑB, ta luoân phaûi giaûi quyeát baøi toaùn haïn cheá soùng haøi beân caïnh vieäc ñieàu khieån ñieän aùp.

3. Caùc phöông phaùp ñieàu khieån ñieän aùp bieán taàn qua trung gian moät chieàu:

Coù hai phöông phaùp ñieàu khieån ñieän aùp:

- Ñieàu khieån bieân ñoä aùp ra baèng caùc thay ñoåi aùp trung gian moät chieàu. Coù theå duøng chænh löu SCR ôû ngoû vaøo hay chænh löu diode + BBÑ aùp DC. Phöông aùn ñaàu ñôn giaûn hôn nhöng aùp DC coù nhaáp nhoâ cao hôn, caàn maïch loïc ñaét tieàn ñeå coù aùp moät chieàu phaúng. Phöông phaùp naøy söû duïng chuû yeáu cho bieán taàn nguoàn doøng.

- Ñieàu cheá ñoä roäng xung. Ñöôïc söû duïng roäng raûi ôû caùc bieán taàn duøng transistor vaø heä thoáng coù chaát löôïng cao. Ñaëc ñieåm cuûa phöông phaùp naøy laø yeâu caàu taàn soá laøm vieäc cuûa ngaét ñieän töø vaøi traêm Hz ñeán 15 KHz vaø sô ñoà ñieàu khieån phöùc taïp. Moät öu ñieåm khaùc laø ñieàu khieån


ñieän aùp coù theå keát hôïp vôùi haïn cheá soùng haøi baäc cao.

Vref

Vo

Vc

7

3

2

4

6

Hình IV.3.3: Sô ñoà nguyeân lyù, daïng aùp cuûa ñieàu cheá ñoä roäng xung hình sin SPWM vaø caùc daïng soùng.

4. Caùc phöông phaùp haïn cheá soùng haøi baäc cao:

Trong caùc bieán taàn, ngöôøi ta thöôøng söû duïng caùc phöông phaùp haïn cheá haøi baäc cao sau:

- Ñieàu cheá ñoä roäng xung hình sin vaø caùc caûi tieán. Nhoùm phöông phaùp naøy coù öu ñieåm laø taàn soá ñoùng ngaét ñieàu khieån ñöôïc, daïng aùp caùc baùn kyø vaø caùc pha gioáng nhau khi coù söï ñoàng boä giöõa soùng mang Vc vaø aùp ñieàu khieån Vref . Nhöôïc ñieåm cuûa nhoùm phöông phaùp naøy laø coù sô ñoà phöùc taïp.

10.087793

0

ym

1280 m0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

0

2

4

6

8

10

12

Hình IV.3.3.b: Phoå cuûa aùp ra ñieàu roäng xung hình sin. Haøi baäc chaün baèng 0, caùc ñieän aùp taàn soá baèng 1 (cô baûn), baèng taàn soá soùng mang vaø boäi soá soùng mang coù giaù trò ñaùng keå.


- Ñieàu khieån doøng ñieän hình sin. Vì haøm truyeàn doøng/aùp cuûa taûi RL laø maïch loïc thaáp qua, ta coù theå duøng maïch so saùnh coù treå (smit trigger) ñeå ñoùng ngaét nguoàn cung caáp ñoäng cô sao cho doøng qua noù coù daïng hình sin mong muoán. Trong hình IV.3.4.a, doøng ñieän mong muoán (Ñaët) ñöôïc so saùnh

+V

Ñaët

Phaûn hoài

SO SAÙNH SMITSO SAÙNH SMIT

Outpha A

Pha A

Q1

Q23 2

_V

Hình IV.3.4.a: Sô ñoà nguyeân lyù ñieàu khieån doøng ñieän hình sin

tín hieäu tæ leä vôùi doøng qua ñoäng cô (Phaûn hoài). Khi doøng ñieän coøn beù hôn giaù trò ñaët boä ñieàu khieån seõ ñoùng nguoàn döông ñeå laøm taêng doøng taûi. Khi doøng taûi vöôït quaù giaù trò ñaët, maïch ñieàu khieån seõ ñoùng vaøo nguoàn aâm laøm doøng giaûm xuoáng. Nhö vaäy ngoû ra seõ ñöôïc giöõ dao ñoäng quanh giaù trò giaù trò ñaët vôùi sai soá ñònh tröôùc, soùng haøi khi ñoù raát beù. Vaäy maïch ñieàu khieån chæ caàn taïo ra tín hieäu ñieàu khieån laø doøng ñieän mong muoán vaø maïch phaùt xung seõ ñoùng ngaét taûi ñeå taïo ra giaù trò naøy. Ñieàu naøy taïo tieàn ñeà cho vieäc ñieàu khieån tröïc tieáp momen ñoäng cô nhö seõ khaûo saùt trong phaàn sau.

Baát lôïi lôùn nhaát laø taàn soá ñoùng ngaét phuï thuoäc ñaëc tính taûi, raát khoù khoáng cheá. Thoâng thöôøng, ngöôøi ta söû duïng ngaét ñieän coù theå ñoùng ngaét ôû taàn soá raát cao nhö MOSFET, IGBT hay khoáng cheá thôøi gian ñoùng (ngaét) toái thieåu. ÔÛ phöông aùn sau, chaát löôïng ngoû ra seõ bò aûnh höôûng khi heä thoáng laøm vieäc ngoaøi vuøng tính toaùn.

Sô ñoà ñieàu khieån naøy coøn söû duïng trong caùc boä nghòch löu caàn aùp ra hình sin. Khi ñoù moät boä loïc LC seõ ñöôïc söû duïng ôû ngoû ra boä nghòch löu vaø nhö vaäy coù theå ñieàu khieån aùp xoay chieàu sau boä loïc

naøy baùm theo daïng soùng mong muoán hình sin.

Trong caùc taøi lieäu ÑTCS, ta coøn gaëp caùc phöông phaùp haïn cheá soùng haøi nhö sau:

- Söû duïng aùp ra daïng naác thang. - Ñoùng ngaét theo chöông trình tính toaùn saün ñeå loaïi boû moät soá haøi choïn tröôùc hay giaûm thieåu caùc haøi baäc cao.

Caùc phöông phaùp naøy coù daïng soùng coá ñònh, chæ coù theå keát hôïp vôùi ñieàu khieån aùp ra baèng thay ñoåi bieân ñoä hay leäch pha. Ta thöôøng gaëp ôû caùc BBÑ coù taàn soá ngoû ra coá ñònh, phaïm vi thay ñoåi ñieän aùp beù, nhö caùc boä nguoàn AC baùn daãn. Öu ñieåm cuûa chuùng laø maïch ñieàu khieån ñôn giaûn, taàn soá ñoùng ngaét beù nhöng vaãn coù keát quaû mong muoán.

Hình IV.3.4.b: Caùc daïng soùng ñieàu khieån doøng ñieän: iref : tín hieäu ñaët doøng; iO : phaûn hoài doøng vO : daïng aùp ra; v1 : haøi cô baûn cuûa ñieän aùp ra


e. Ñieàu cheá theo maãu:

Khi ñieàu khieån duøng vi xöû lyù, vieäc taïo ra vaø so saùnh caùc daïng soùng thöïc hieän baèng phaàn meàm. Ta coù theå thay theá soùng hình sin baèng daïng soùng naác thang ñeå giaûm khoái löôïng tính toaùn nhö hình IV.3.5a .

Coù theå ñieàu cheá ñoái xöùng hay khoâng ñoái xöùng. Khi ñieàu cheá ñoái xöùng, soá giaù trò hình sin trong moät chu kyø baèng boäi soá ñieàu cheá N = fC / fO (taàn soá laáy maãu baèng taàn soá soùng tam giaùc). Beà roäng xung ôû kyø laáy maãu thöù n ñöôïc tính theo (töø IV.3.5b):

Hình IV.3.5a: Nguyeân lyù ñieàu cheá theo maãu: thay theá hình sin baèng daïng naác thang

Hình IV.3.5b: Ñieàu cheá ñoái xöùng

Hình IV.3.5c: Ñieàu cheá khoâng ñoái xöùng

( )1( ) ; 2( ) 1( )2 2S C a

SC

T U u nT n T n T T nU

⎡ ⎤−= = −⎢ ⎥

⎣ ⎦ .2( ) sin( )a M

nu n UN

π=

Vôùi Ts: chu kyø laáy maãu; ua(n): aùp chuaån taïi kyø laáy maãu thöù n; UC , UM: bieân ñoä soùng mang tam giaùc vaø aùp chuaån hình sin. Töø caùc bieåu thöùc treân, coù theå tính tröôùc haøm sin(n.2π /N) chöùa vaøo ROM vaø tính ra caùc ñoä roäng theo TS, tæ soá UM / UC.

Khi ñieàu cheá khoâng ñoái xöùng, soá laàn tính haøm sin taêng leân gaáp ñoâi (hình 5.25c).

f. Ñieàu cheá vector khoâng gian - SVM (coøn goïi laø ñieàu roäng xung vector khoâng gian - SVPWM):

Laø phöông phaùp tieân tieán nhaát hieän nay, thích hôïp vieäc öùng duïng caùc phaàn töû tính toaùn cho ñieàu khieån.

- Vector khoâng gian cuûa aùp ba pha: laø cô sôû cuûa kyõ thuaät ñieàu cheá vector khoâng gian, moâ taû hoaït ñoäng heä thoáng ba pha döôùi daïng vector. Ta coù caùc tröôøng hôïp sau (khi ñieàu khieån hoaøn toaøn):

Hình IV.3.6: Vector pha khoâng gian


* Heä ba pha hình sin ñoái xöùng Vmsin ωt , Vmsin (ωt -2π/3), Vmsin (ωt -4π/3) coù theå bieåu

dieãn baèng vector V quay goùc ωe laø toác ñoä (ñieän) cuûa töø tröôøng quay.

* Nghòch löu 6 naác thang coù theá bieåu dieãn baèng boä 6 vector 1V , 2V , 3V , 4V , 5V , 6V moâ taû saùu traïng thaùi cuûa caùc ngaét ñieän trong boä nghòch löu (hình IV.3.6 vaø IV.3.7). Saùu vector naøy laøm thaønh luïc giaùc ñeàu vaø aùp ra laàn löôït ñi qua caùc ñænh. Khi phaân tích caùc vector khoâng gian naøy theo caùc vector cô heä 1, a = ej2π/3, a2 = e-j2π/3, ta coù caùc traïng thaùi ñoùng ngaét cuûa caùc ngaét ñieän töông öùng.

Nhaän xeùt laø aùp ra khoâng thay ñoåi ñöôïc bieân ñoä vaø vector khoâng gian laø giaùn ñoaïn, di chuyeån nhaûy caáp laøm soùng haøi baäc cao coù bieân ñoä lôùn.

Hình IV.3.7: Vector pha khoâng gian cuûa NL saùu naác thang (6 step)

Vd

S1 S2 S3

S5 S6S4

+

_

a b c

Traïng thaùi

Ngaét ñieän ñoùng

aùp pha taûi van

aùp pha taûi vbn

aùp pha taûi vcn

Vector khoâng gian

1 S1,S5,S6 2Vd/3 -Vd/3 -Vd/3 1V (1,0,0) 2 S1,S2,S6 Vd/3 Vd/3 -2Vd/3 2V (1,1,0) 3 S4,S2,S6 -Vd/3 2Vd/3 -Vd/3 3V (0,1,0) 4 S4,S2,S3 -2Vd/3 Vd/3 Vd/3 4V (0,1,1) 5 S4,S5,S3 -Vd/3 -Vd/3 2Vd/3 5V (0,0,1) 6 S1,S5,S3 Vd/3 -2Vd/3 Vd/3 6V (1,0,1)

* Khi ñieàu roäng xung hình sin vôùi taàn soá soùng mang laø fC = N.fO , heä thoáng seõ goàm N vector traïng thaùi naèm treân ñöôøng troøn coùbaùn kính thay ñoåi theo aùp ra mong muoán.

Kyõ thuaät ñieàu cheá ñoä roäng xung vecto khoâng gian laø moâ taû caùc vector traïng thaùi naøy theo caùcvector cuûa NL saùu naác thang. Ñeå coù ñöôïc bieân ñoä aùp ra mong muoán, ta boå sung theâm hai traïng thaùi 0 (0,0,0)V vaø 7 (1,1,1)V töông öùng vôùi ba ngaét ñieän S1, S2, S3 cuøng ngaét vaø cuøng ñoùng, töông öùng aùp ra baèng khoâng.

- Coâng thöùc cho ñieàu cheá vector khoâng gian:

Ñeå thöïc hieän vector khoâng gian *V coù bieân ñoä V* baèng boä nghòch löu ba pha, ta coù theå phaân tích *V thaønh hai thaønh phaàn naèm treân 2 vector laân caän cuûa NL 6 naác thang, ví duï nhö

Hình IV.3.8.a: Phaân tích aùp ra thaønh caùc thaønh phaàn khoâng gian

pha a

pha b

pha cTc Tc

Ts

tota tb2

to2

Vo VoV1 V1V2 V2V7 V7

S4 S4S1 S1 S1 S1 S1 S1

S2 S2 S2 S2S5 S5 S5 S5

S3 S3S6 S6 S6 S6 S6 S6

tatb2to to

2

Hình IV.3.8.b:

treân hình IV.3.8.a, vector ñieän aùp *V coù vò trí ωt = α ôû giöõa 1V vaø 2V (goùc 1/6 thöù 1) coù theå


phaân tích thaønh hai thaønh phaàn aV , bV naèm treân 1V vaø 2V vôùi:

3 3

3

*sin( ) sin*sin( ) sin

a

b

V VV V

π π

π

αα

− =

=

suy ra: 2

33

23

*.sin( )

*.sin( )

Va V

Vb V

π α

α

= −

=

Goïi TC laø chu kyø ñieàu cheá ñoä roäng xung, trong khoaûng thôøi gian naøy, trung bình aùp ra phaûi töông öùng vôùi aùp ñieàu khieån. Töø bieåu thöùc vector:

o

V3

V4

V2

V5 V6

V1

w t

α

Ts

cT

e

V*

Hình IV.3.8.c:

* 1 2a ba b

C C

t tV V V V VT T

= + = + vaø C O a bT t t t= + + ta suy ra:

aa C

Vt TV

= vaø bb C

Vt TV

= , thôøi gian coøn laïi - - O C a bt T t t= coù aùp ra baèng zero, coù theå

choïn 0 (0,0,0)V hay 7 (1,1,1)V , sao cho soá laàn chuyeån maïch laø ít nhaát. Hình IV.3.8.b trình baøy daïng soùng ñoùng ngaét ñoái xöùng, goùc α ñöôïc laáy ôû vò trí giöõa cuûa khoaûng thôøi gian laáy maãu Ts, gioáng nhö tröôøng hôïp ñieàu cheá theo maãu ôû phöông aùn ñoái xöùng (hình IV.3.8.c). Caàn löu yù laø chuoãi ñoùng ngaét to, ta, tb ñöôïc choïn laïi khi thay ñoåi toå hôïp vevtor 6 naác sao cho soá laàn chuyeån maïch laø ít nhaát.

Ñieàu kieän ñeå caùc tính toaùn treân coù yù nghóa laø C a bT t t> + , töông öùng *V naèm phía trong hình luïc giaùc ñeàu hình IV.3.6. Suy ra bieân ñoä aùp ñieàu khieån cöïc ñaïi V* :

2* .cos 0.5773 6 3

dd d

VV V Vπ= = = ; Vd: aùp caáp ñieän moät chieàu,

23 dV chính laø bieân ñoä cuûa aùp 6 naác thang ( 1V … 6V )

töông öùng vôùi chæ soá ñieàu cheá m giôùi haïn baèng: *

max2

1

0.577 0.907dGH

six step d

V VmV Vπ−

= = =

Tröôøng hôïp khaûo saùt treân ñöôïc goïi laø laøm vieäc trong vuøng döôùi ñieàu cheá (undermodulation region), khi ñoù m thay ñoåi tuyeán tính theo bieân ñoä aùp chuaãn. Khi muoán coù aùp ra taêng cao, ta caàn môû roäng vuøng ñieàu khieån ñieän aùp baèng caùch taêng cao aùp chuaãn V*, heä thoáng laøm vieäc trong vuøng quaù ñieàu cheá (overmodulation), m khoâng coøn tuyeán tính vaø ta caàn thay ñoåi coâng thöùc tính ta, tb.

IV.4 ÑIEÀU KHIEÅN BIEÁN TAÀN COÙ TRUNG GIAN MOÄT CHIEÀU:

Nhö ñaõ bieát, bieán taàn coù khaâu trung gian moät chieàu goàm hai boä phaän chænh löu vaø nghòch löu vaø ta caàn ñieàu khieån hai thoâng soá ñieän aùp, taàn soá ngoû ra. Ñoái vôùi ña soá bieán taàn söû duïng nghòch löu nguoàn doøng, ñieän aùp ñöôïc ñieàu khieån thoâng qua chænh löu SCR ôû ñaàu vaøo vaø boä nghòch löu cuõng duøng SCR vì taàn soá chuyeån maïch thaáp, coâng suaát cao. Ngöôïc laïi, ôû bieán taàn söû duïng nghòch löu nguoàn aùp, caùc transistor ñöôïc khai thaùc trieät ñeå nhaèm naâng cao taàn soá ñieàu cheá ñoä roäng nhaèm taêng chaát löôïng hoaït ñoäng vaø söû duïng chænh löu diod ôû ñaàu vaøo.


1. Sô ñoà ñieàu khieån nghòch löu ñôn giaûn:

Trong phaàn tieáp theo, ta chæ tìm hieåu caùc sô ñoà ñieàu khieån nghòch löu trong bieán taàn V/F. Duø coù ñieàu roäng xung hay khoâng, sô ñoà cuõng caàn ñaûm baûo logic ba pha. Beân caïnh ñoù, ta caàn coù khoái ñieàu khieån aùp hay sô ñoà thay ñoåi ñoä roäng xung ñeå ñieàu khieån ñieän aùp vaø haïn cheá haøi baäc cao.

a. Maïch taïo logic ba pha:

Vf

UñkS1

S2

. . .S3

S4

U?

CD4017

CLK14ENA13

RST15

CO 12

Q0 3Q1 2Q2 4Q3 7Q4 10Q5 1Q6 5Q7 6Q8 9Q9 11

1

23

4

56

Hình IV.4.1.a: Maïch taïo logic ba pha

Baøi taäp : Söû duïng caùc Set – Reset Flip Flop ñeå suy ra caùc tín hieäu ñieàu khieån sô ñoà nghòch löu nguoàn aùp hình IV.3.2 (moãi luùc coù 3 ngaét ñieän laøm vieäc) töø logic ba pha duøng CD4017 treân.

CLK

Q0

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

S1

S2 Hình IV.4.1.b: Daïng soùng logic ba pha, moãi luùc coù hai ngaét ñieän baùn daãn laøm vieäc.

Hình IV.4.1 trình baøy nguyeân lyù cuûa maïch taïo ra logic ba pha, coù theå ñöôïc söû duïng trong nghòch löu nguoàn doøng hay nghòch löu nguoàn aùp ñôn giaûn (ñieàu cheá ñoä roäng moät hay nhieàu xung). Caùc sô ñoà ñieàu cheá xung hình sin hay ñieàu khieån baèng vi xöû lyù cuõng coù nhöõng khoái coù cuøng chöùc naêng ñeå ñaûm baûo thöù töï cuûa heä ba pha. CD4017 laø vi maïch ñeám voøng Johnson 10 traïng thaùi: sau moãi xung ñoàng hoà CLK laàn löôït coù moät ngoû ra leân 1 (hình 5.20), Q6 ñöa veà chaân Reset ñeå heä thoáng chæ coøn 6 traïng thaùi töông öùng vôùi logic 3 pha. Caùc maïch OR toå hôïp caùc ngoû ra boä ñeám laøm thaønh caùc xung ñieàu khieån ngaét ñieän baùn daãn theo sô ñoà moãi luùc coù hai ngaét ñieän laøm vieäc (treân hình 5.20 veõ tín hieäu ñieàu khieån hai ngaét ñieän S1 vaø S2, caùc ngaét ñieän khaùc cuõng töông töï ).

b. Maïch taïo aùp chuaån hình sin duøng ROM vaø DAC (bieán ñoåi soá töông töï):

Trong caùc sô ñoà SPWM hay ñieàu khieån ngoû ra baùm theo hình sin chuaån duøng phaàn cöùng, haït nhaân cuûa maïch ñieàu khieån laø boä taïo hình sin coù bieân ñoä vaø taàn soá ñieàu khieån ñöôïc. Vôùi sô ñoà SPWM, haït nhaân naøy cuõng cho ra daïng soùng tam giaùc coù taàn soá laø boäi soá vaø ñoàng boä vôùi hình sin chuaån.

Vf

UñkPC

ÑIEÀU KHIEÅNÑIEÄN AÙP ROM

ROM ref Data

ref Data

ref Data

DAC

DAC

DAC

DAC

ref Data

+V

ROM

ROM ñòa chæ

Pha A

Pha B

Pha CVFC

Hình IV.4.2: Maïch taïo aùp chuaån hình sin vaø soùng mang raêng cöa cho sô ñoà ñieàu cheá ñoä roäng xung hình sin (SPMW)

Ñieàu naøy seõ ñaûm baûo aùp ra gioáng nhau ôû caùc pha vaø loaïi boû khaû naêng coù soùng haøi ôû taàn soá thaáp


hôn taàn soá cô baûn .

Trong maïch taïo aùp chuaån hình sin duøng ROM vaø DAC, bieân ñoä hình sin chuaãn vaø caùc soùng tam giaùc ñöôïc laáy maãu (thöïc chaát laø tính toaùn) vaø chöùa trong ROM. Ñeå taùi hieän laïi caùc daïng soùng, caùc giaù trò naøy ñöôïc ñoïc laïi tuaàn töï vaø chuyeån ñoåi ra tín hieäu töông töï (analog) baèng DAC. Taàn soá taùi hieän (playback) f ñöôïc toång hôïp baèng boä bieán ñoåi ñieän aùp - taàn soá VFC töø aùp ñieàu khieån Uñk :

f = k .Uñk = N . fO <IV.4.1>, vôùi

k : heä soá tæ leä (Hz/ volt); fO : taàn soá ngoû ra mong muoán; N : soá maãu cuûa moät hình sin chuaãn. f chính laø taàn soá xung ñoàng hoà cuûa boä ñeám chöông trình PC cung caáp ñòa chæ cho ROM chöùa giaù trò boán daïng soùng: ba cho hình sin ba pha vaø moät cho soùng tam giaùc. Caùc DAC bieán ñoåi töø soá ra ñieän aùp, taïo ra caùc tín hieäu mong muoán. Ñeå thay ñoåi bieân ñoä caùc hình sin, DAC ñöôïc söû duïng laø loaïi nhaân vaø tín hieäu ñieàu khieån bieân ñoä ñöôïc ñöa vaøo chaân aùp chuaån REF cuûa noù.

Khoái ñieàu khieån ñieän aùp ÑKU coù theå ñôn giaûn thöïc hieän quan heä U / f = haèng soá, hay goàm caû vieäc buø giaûm toác theo taûi.

Vôùi sô ñoà hình IV.4.2 ta coù söï ñoàng boä giöõa caùc hình sin chuaãn 3 pha vaø soùng mang tam

600

300

2512.5 50

k = 24 k = 12

k = 6

f

fc

o

c c

Hình IV.4.3: quan heä taàn soá soùng mang fC vaø taàn soá ngoû ra fO

giaùc. Vì chæ coù moät soùng mang duøng cho ba pha hình sin, taàn soá soùng mang fC caàn laø boäi saùu cuûa taàn soá ngoû ra fO ñeå caùc daïng soùng ngoû ra gioáng nhau. Ñieàu naøy seõ khoâng thaät söï caàn thieát khi tæ soá fC / fO khaù lôùn (vaøi chuïc). Hình IV.4.3 laø moät ví duï minh hoïa qui luaät thay ñoåi fC theo fO (ñöôøng ñaäm treân hình) vôùi fCMAX = 600 Hz vaø fCMIN = 300 Hz. kC = fC / fO laø boäi soá ñieàu cheá. Khi taàn soá beù hôn 12.5 Hz ta khoâng caàn coù söï ñoàng boä giöõa hai tín hieäu. Moät khoù khaên khaùc phaùt sinh laø khi kC thay ñoåi, coù söï thay ñoåi khoâng lieân tuïc cuûa soùng haøi baäc 1 cuûa ñieän aùp ra.

c. Maïch ñieàu khieån nghòch löu duøng chöông trình ROM:

Vôùi nhaän xeùt traïng thaùi cuûa caùc ngaét ñieän baùn daãn trong boä nghòch löu ñieàu khieån ñoä roäng xung laø ñoùng hay ngaét moät caùch tuaàn töï coù chu kyø, khoâng thay ñoåi neáu daïng soùng ngoû ra khoâng ñoåi (nhö daïng soùng trieät tieâu caùc haøi choïn tröôùc ñaõ khaûo saùt); coù theå ghi traïng thaùi ñoùng ngaét sau

0 nN1 5 10

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Daïng soùng nghòch löu

noäi dung chöông trình ROM

xung thöù n

Hình IV.4.4.a: Daïng soùng nghòch löu theo thôøi gian vaø chöông trình ROM


caùc khoaûng thôøi gian baèng nhau cuûa caùc ngaét ñieän thaønh chöông trình cuûa boä nhôù chæ ñoïc ROM. Chöông trình naøy seõ ñöôïc truy xuaát tuaàn töï ñeå ñieàu khieån caùc ngaét ñieän cuûa boä nghòch löu, taïo ra daïng soùng mong muoán . Hình IV.4.4 trình baøy moät sô ñoà khoái thöïc hieän nguyeân lyù naøy. Ñieän aùp ñieàu khieån Uñaët ñöôïc bieán

Vf

Uñk

PC

ÑO TAÀN SOÁ

ROM Ñeán caùcngaét ñieän

2 : Ñòa chæ queùt trong chu kyø1 : Ñòa chæ choïn chu kyø

1

2

Ñoàng boäVFC

Hình IV.4.4.b: Maïch ñieàu khieån nghòch löu duøng chöông trình ROM

thaønh taàn soá qua boä bieán ñoåi ñieän aùp/taàn soá VFC, laøm xung nhòp cho boä ñeám chöông trình PC, laø boä phaän cung caáp ñòa chæ cho ROM. PC laø boä ñeám nhò phaân coù soá traïng thaùi baèng soá traïng thaùi taïo thaønh daïng soùng ñieàu khieån nghòch löu trong moât chu kyø aùp ra. Noäi dung cuûa ROM ñaõ ñöôïc tính toaùn sao cho ñaûm baûo aùp ra coù trò soá mong muoán (ñieàu khieån aùp) vaø soùng haøi baäc cao beù (haïn cheá haøi baäc cao). Khi thay ñoåi Uñaët ,taàn soá xung nhòp PC thay ñoåi vaø taàn soá ngoû ra ñöôïc ñöôïc thay ñoåi theo tæ leä.

Ñeå thay ñoåi daïng soùng ngoû ra theo taàn soá, ROM chöùa nhieàu daïng soùng öùng vôùi caùc taàn soá khaùc nhau vaø khoái ño taàn soá seõ thay ñoåi phaàn ñòa chæ do noù quaûn lyù ñeå chæ ñeán vuøng döõ lieäu töông öùng. Coù theå xem daïng soùng moät chu kyø ôû moät taàn soá laø moät trang vaø caùc traïng thaùi cuûa caùc ngaét ñieän trong moät daïng soùng laø nhöõng doøng trong moät trang. Vaäy PC cung caáp ñòa chæ caùc doøng vaø boä ño taàn soá cung caáp ñòa chæ trang. Tín hieäu ñoàng boä töø PC yeâu caàu boä ño taàn soá chæ ñöôïc pheùp thay ñoåi ngoû ra ôû ñaàu caùc trang ñeå traùnh nhöõng thay ñoåi daïng soùng khoâng kieåm soaùt.

Ví duï:

- Taàn soá ngoû ra nghòch löu fO thay ñoåi töø 1 .. 64 : Choïn moãi Hz laø moät daïng soùng, suy ra ROM coù 64 trang daïng soùng, ñiïa chæ trang goàm 6 bit. - Choïn moãi daïng soùng coù N = 255 traïng thaùi (choïn chia chaün cho 3) coù theå ñòa chæ hoùa baèng 8 bit. Vaäy PC laø boä ñeám nhò phaân 8 bit nhöng ñöôïc reset ôû traïng thaùi thöù 255 vaø ROM caàn 14 chaân ñòa chæ, töông öùng dung löôïng laø 128 Kbit hay 16 Kbyte. - Taàn soá xung nhòp cuûa PC laø N. fO = 255.fO , cöïc ñaïi baèng 255*64 = 16.32 kHz . - Coù theå söû duïng boä ñeám 6 bit ñeå laøm boä ño taàn soá, thôøi gian môû coång laø 64/16320 = 3.92 mili giaây ( ñeám ñöôïc 64 xung ôû taàn soá xung nhòp baèng 16.32 kHz). - Khi quy ñònh söï thay ñoåi cuûa bieân ñoä Uñaët vaø khoaûng taàn soá ngoû ra töông öùng, coù theå suy ra heä soá cuûa VFC.

Öu ñieåm cuûa phöông phaùp naøy laø coù theå ñieàu khieån ñieän aùp vaø haïn cheá soùng haøi baäc cao vôùi chaát löôïng khaù toát trong khi maïch xöû lyù raát ñôn giaûn. Nhöôïc ñieåm lôùn nhaát laø daïng soùng ôû moãi taàn soá laø ñaõ ñònh tröôùc, khoâng theå thay ñoåi theo ñieàu kieän thöïc teá ví duï nhö aùp löôùi giaûm so vôùi tính toaùn, hay caàn buø suït aùp theo taûi ... , soá daïng soùng laø höõu haïn.

2. Sô ñoà ñieàu khieån bieán taàn V/F:


a. Sô ñoà ñieàu khieån bieán taàn nguoàn aùp voøng hôû: Hình IV.4.5.

Heä thoáng raát ñôn giaûn, töø tín hieäu ñieàu khieån taàn soá, ta suy ra yeâu caàu ñieàu khieån ñieän aùp qua khaâu taïo haøm F/V. Töø hai tín hieäu naøy, ta ñieàu khieån hoaït ñoäng cuûa bieán taàn theo caùc sô ñoà moâ taû ôû caùc muïc treân. khi taàn soá laøm vieäc beù hôn taàn soá ñònh möùc cuûa ñoäng cô, nhö ñaõ khaûo saùt phaàn treân, ñoäng cô coù ñaëc tính phuï taûi laø momen khoâng ñoåi. Khi laøm vieäc ôû taàn soá lôùn hôn taàn soá ñònh möùc cuûa ñoäng cô ñieän aùp ñaët

++

Ñaët taànsoá f *

Buø suïttoác

ÑK taàn soá

ÑK ñieän aùp

Bieán taàn

Löôùi

Ñoäng cô

f

V

Hình IV.4.5: Ñieàu khieån bieán taàn nguoàn aùp voøng hôû vaøo ñoäng cô khoâng ñoåi suy ra töø thoâng ñoäng cô bò giaûm keùo theo söï giaûm cuûa momen, töông öùng vôùi cheá ñoä laøm vieäc coâng suaát khoâng ñoåi.Ñieàu khieån voøng hôû raát thoâng duïng ôû caùc boä bieán taàn chaát löôïng thaáp vaø trung bình, tuy nhieân chaát löôïng hoaït ñoäng cuûa heä thoáng truyeàn ñoäng ñaõ khaù toát vì suït toác tæ leä vôù ñoä tröôït s , khaù beù.

Coù theå thay ñoåi ñaëc tính boä taïo haøm F/V cho thích hôïp vôùi caùc taûi khaùc nhau. Moät ít phaûn hoài döông doøng (buø taûi – coøn goïi laø Load compensation hay Torque boost) ñuôïc söû duïng ñeå giaûm ñoä suït toác ñoä theo taûi. Maïch haïn cheá doøng cuõng raát caàn thieát ñeå haïn cheá söï coá khi coù caùc cheá ñoä laøm vieäc khoâng thích hôïp, ví duï nhö khi ñoä tröôït lôùn. Khi ñoù caû aùp vaø taàn ñeàu giaûm.

ÔÛ coâng suaát nhoû hôn vaøi traêm KW, Darlington transistor (tröôùc ñaây) hay IGBT luoân ñöôïc söû duïng cuøng vôùi ñieàu cheá ñoä roäng xung hình sin. Trong thôøi gian gaàn ñaây, caùc boä bieán taàn naøy ñöôïc ñieàu khieån baèng caùc vi ñieàu khieån coù boä ñieàu roäng xung vaø vieäc ñieàu cheá ñoä roäng xung hình sin thöïc hieän baèng chöông trình.

Khaùc vôùi nghòch löu nguoàn doøng, nghòch löu nguoàn aùp coù tính thuaän nghòch. Vôùi taûi ñoäng cô KÑB, khi laøm vieäc ôû toác ñoä cao hôn toác ñoä ñoàng boä (toác ñoä TTQ), cô naêng ñöôïc bieán ngöôïc thaønh ñieän naêng: ta coù maùy phaùt KÑB. Khi ñaàu vaøo bieán taàn laø chænh löu diod, ñieän naêng naøy seõ ñöôïc tích tröõ trong tuï ñieän loïc phía moät chieàu laøm ñieän aùp taêng leân. Ñeå nghòch löu ñöôïc pheùp laøm vieäc tieáp tuïc, ta phaûi ñoùng moät transistor ñeå tieâu hao chuùng treân ñieän trôû (hình 3.4 chöông 3) goïi laø maïch haõm ñoäng naêng, hay ta phaûi ngaét xung cung caáp cho boä nghòch löu vaø ñoäng cô quay töï do (stall). Tröôøng hôïp naøy xaûy ra khi giaûm taàn soá cung caáp ñoät ngoät hay laøm vieäc vôùi taûi theá naêng.

Moät soá tính naêng hay gaëp ôû caùc bieán taàn thöïc teá:

- Ñaët tröôùc thôøi gian vaø daïng cuûa quaù trình taêng toác (acceleration), giaûm toác (deceleration).

- Haõm ñoäng naêng (DC braking) ñoäng cô KÑB baèng ñieän moät chieàu: ñoäng cô KÑB thuôøng khoâng ñuû momen khi söû duïng vôùi bieán taàn V/F laøm vieäc ôû taàn soá döôùi 3 Hz. Ñeå haõm ñoäng cô khi muoán döøng chính xaùc, ngöôøi ta ñöa doøng moät chieàu vaøo cuoän daây xtator, rotor laø phaàn töû ñaãn ñieän khi di chuyeån trong töø tröôøng seõ coù doøng caûm öùng vaøtoån hao, töông öùng löïc haõm chuyeån ñoäng.

- Coù boä hieäu chænh PID duøng cho öùng duïng bieán taàn vaøo ñieàu khieån quaù trình, khaû naêng ñieàu khieån töø xa qua maïng RS485, nhôù vaø hieån thò loãi.

b. Sô ñoà ñieàu khieån bieán taàn nguoàn aùp coù phaûn hoài toác ñoä:


VÑK ñieän aùp

ÑK taàn soá

f

+

__

+

Ñaët w

Phaûn hoài w

ÑK w ÑK I

ÑK ngaét doøngPhaûn hoài doøng

Hình IV.4.6.a: Ñieàu khieån bieán taàn nguoàn aùp voøng kín vôùi voøng toác ñoä

Nhöôïc ñieåm quan troïng cuûa sô ñoà voøng hôû laø chaát löôïng truyeàn ñoäng khoâng cao, ngoaøi vieäc khoâng kieåm soaùt chính xaùc toác ñoä, aûnh höôûng suït aùp nguoàn vaø taûi thay ñoåi laøm aûnh höôûng ñeán töø thoâng vaø momen ñoäng cô. Ñeå caûi thieän, ngöôøi ta laép theâm maïch phaûn hoài toác ñoä.

- Trong sô ñoà ñaàu tieân sô ñoà ñieàu khieån coù voøng toác ñoä (hình IV.4.6.a), taàn soá ngoû ra ñöôïc ñieàu khieån baèng sai leäch toác ñoä, Boä hieäu chænh ÑK w coù daïng tích phaân tæ leä PI. Phaûn hoài aâm doøng ñöôïc ñöa vaøo ñeå baûo veä ñoäng cô vaø haïn cheá tröôøng hôïp khi khôûi ñoäng, sai leäch toác ñoä quaù lôùn coù theå laøm taàn soá, ñieän aùp taêng cao vaø keát quaû laø doøng ñieän qua ñoäng cô taêng nhöng momen vaãn beù vì ñoä tröôït lôùn.

- Vôùi sô ñoà hình IV.4.6.b, sai leäch toác ñoä sau khi xöû lyù ñöôïc xem laø ñoä tröôït s , coäng vôùi toác ñoä rotor ñeå taïo neân taàn soá ñaët cho BBÑ. Sô ñoà naøy cho pheùp ñieàu khieån toát hôn vì khi ñoù, ngoû ra cuûa boä ñieàu khieån toác ñoä ÑK w chính laø giaù trò momen ñoäng cô

Ñaët wrotor

_

+

Phaûn hoài wrotor

+

+ÑK s ÑK taàn soá

s

wr

ÑK s laø boä hieäu chænh PI coù baûo hoøa Hình IV.4.6.a: Ñieàu khieån bieán taàn nguoàn aùp voøng kín vôùi hieäu chænh ñoä tröôït s

caàn thieát (khi s beù momen tæ teä ñoä tröôït) phuø hôïp vôùi nguyeân lyù ñieàu khieån truyeàn ñoäng ñieän. Ngoaøi ra, ñoä tröôït coù theå ñöôïc giôùi haïn khi boä ñieàu khieån ÑK w coù daïng PI + khaâu baûo hoøa, traùnh tröôøng hôïp doøng taûi taêng nhöng momen beù (xaûy ra khi ñoä tröôït lôùn).

Ngoaøi haït nhaân ñieàu khieån, taát caû caùc bieán taàn ñeàu coù nhöõng ñaëc tính khaùc töông töï nhö ñieàu khieån voøng hôû ñaõ moâ taû treân.

Ngaøy nay, hai sô ñoà trong phaàn naøy ít thoâng duïng hôn vì khi caàn truyeàn ñoäng chaát löôïng cao, ngöôøi ta chuyeån sang duøng ñieàu khieån vector.

3. Bieán taàn ñieàu khieån töø thoâng vaø momen:

a. Bieán taàn ñieàu khieån ñieän aùp:

Töø moâ hình vector cuûa ñoäng cô KÑB, ta coù theå tính toaùn ñöôïc momen vaø töø thoâng cuûa ñoäng cô töø doøng vaø aùp cuûa ñoäng cô laøm cô sôû ñeå ñieàu khieån chính xaùc hôn. Voøng ñieåu khieån töø thoâng taùc ñoäng treân aùp ra cuûa nghòch löu vaø voøng toác ñoä – momen quyeát ñònh taàn soá ngoû ra. Hai voøng ñieàu khieån toác ñoä, momen ñaûm baûo chaát löôïng ñieàu khieån toát hôn caùc sô ñoà treân. Cuõng gioáng nhö hình IV.4.6.a, ngoû ra khoái ñieàu khieån toác ñoä laø ñoä tröôït, ñöôïc coäng vôùi toác ñoä rotor ñeå taïo ra taàn soá (toác ñoä) yeâu caàu.

Phöông aùn naøy khaéc phuïc nhöôïc ñieåm cuûa sô ñoà duøng khoái taïo haøm F / V laø khi ñieän aùp ngoû ra ñöôïc chænh voøng hôû theo taàn soá, ta khoâng xaùc ñònh ñöôïc chính xaùc töø thoâng, daãn ñeán baûo


hoøa hay thieáu – caû hai ñeàu laøm giaûm momen cuûa ñoäng cô. Tuy nhieân, nhö theo sô ñoà khoái ôû hình IV.4.7 ta caàn coù phaûn hoài doøng, aùp ba pha vaø khoái löôïng tính toaùn lôùn, daïng aùp ñieàu roäng xung phaûi qua loïc ñeå trích thaønh phaàn cô baûn. Moät phöông aùp khaùc laø ñaët caùc caûm bieán töø thoâng ôû khe hôû xtator – rotor: caûm bieán Hall hay cuoän daây. Caùch naøy laøm giaûm khoái löôïng tính toaùn nhöng caàn söû duïng ñoäng cô cheá taïo rieâng, laøm bieán taàn khoâng coøn tieän duïng.

ÑK taàn soá+

_

+

_Ñaët w

Phaûn hoài w

ÑK w ÑK M+

+M

+

_Ñaët töøthoâng

Töø thoângñoäng cô

ÑK Ψ ÑK ñieänaùp

Tính toaùnM,Ψ

Phaûn hoàidoøng 3 pha

Phaûn hoàiaùp 3 pha


M Hình IV.4.7: Ñieàu khieån bieán taàn coù phaûn hoài töø thoâng

b. Bieán taàn duøng nghòch löu ñieàu khieån doøng ñieän:

Sô ñoà ñieàu khieån doøng ñieän hình sin boä nghòch löu ñieän aùp (phaàn IV.3.4) ñöôïc öùng duïng raát hieäu quaû cho thuaät toaùn ñieàu khieån töø thoâng. Khi ñoù doøng xtator ba pha yeâu caàu, toång hôïp töø ngoû ra khoái ñieàu khieån töø thoâng vaø ñieàu khieån taàn soá cuûa sô ñoà hình IV.4.7, ñöôïc so saùnh vôùi doøng vaøo ñoäng cô baèng maïch so saùnh coù treå ñeå taùc ñoäng caùc ngaét ñieän laøm cho doøng xtator coù giaù trò mong muoán.

Boä toång hôïp doøng ñieän ba pha coù theå söû duïng sô ñoà IV.4.1b: duøng chöông trình ROM vaø boä bieán ñoåi D/A ñeå taïo ra doøng ba pha coù taàn soá mong muoán. Vieäc phaûn hoài töø thoâng seõ chænh bieân ñoä doøng ñieän ñaët sao cho töø thoâng ñoäng cô coù giaù trò mong muoán.

+ _

Ñaët töøthoâng

ÑKΨ


Boä nghòchlöu ñieän aùp

ÑK taàn soá

i

i

i

aref

bref

a

icref

ib

ic

VDC

+

+

+

_

_

_

Boä so saùnh coù treã

Boä toånghôïp doøngñieän hìnhsin ba pha

IsC

Hình IV.4.8: Bieán taàn duøng nghòch löu ñieàu khieån doøng ñieän

4. Bieán taàn ñieàu khieån vector töø thoâng:


Töø phöông trình <IV.1.18> ^ ^ ^ ^3 3. . . . . .sin

2 2r rm mM p I p Iψ ψ δ= × = cho thaáy momen ñoäng

cô KÑB cuõng döïa vaøo söï töông taùc giöõa doøng rotor Ir vaø töø tröôøng khe hôû ψm gioáng nhö ñoäng cô DC.

Neáu ôû ñoäng cô DC, ta luoân coù momen tæ leä vôùi doøng ñieän vì sin δ = 1 (doøng ñieän vaø töø tröôøng luoân thaúng goùc vôùi nhau) vaø töø thoâng khe hôû chæ phuï thuoäc vaøo doøng kích töø thì ôû ñoäng cô KÑB, caû töø tröôøng khe hôû vaø doøng caûm öùng ôû rotor ñeàu do aùp xtator taïo ra laøm ta khoâng theå ñieàu khieån momen ñoäng cô baèng caùch thay ñoåi ñoä lôùn vaø taàn soá ñieän aùp xtator. Ñaây laø nguyeân nhaân cuûa caùc nhöôïc ñieåm bieán taàn V/F ñaõ trình baøy ôû caùc phaàn treân.

Hình IV.4.9: Doøng ñieän qua thanh daãn phaàn öùng ñoäng cô DC luoân thaúng goùc töø tröôøng khe hôû (do cöïc töø taïo ra)

Moâ hình ñoäng cuûa ñoäng cô KÑB cho thaáy khaû naêng ñieàu khieån ñöôïc momen ñoäng cô

KÑB nhö ñoäng cô DC. Phöông trình momen <IV.1.27> vieát laïi 3 ( . . )2 dm qs qm dsM p i iψ ψ= − vôùi ψdm

vaøψqm laø thaønh phaàn dq cuûa töø thoâng moùc voøng cuûa khe hôû, ids vaø iqs laø thaønh phaàn dq cuûa doøng rotor trong heä toïa ñoä quay. Khi ta giöõ hai vector töø thoâng vaø doøng rotor luoân thaúng goùc, bieåu thöùc momen ñöôïc vieát laïi:

3 . .2 dm qsM p iψ= <IV.4.2>

Neáu ta giöõ töø thoâng coù bieân ñoä khoâng ñoåi, momen M trôû laïi tæ leä vôùi doøng nhö ôû ñoäng cô DC. Khi ta ñeå yù töø thoâng moùc voøng ψdm do thaønh phaàn ids taïo ra:

M =K’. ids.iqs <IV.4.3>

ids vaø iqs chính laø hai ngoû vaøo ñieàu khieån ñeå ta coù theå taïo ta momen coù giaù trò mong muoán ôû cheá ñoä toái öu. Löu yù ñaây laø hai ñaïi löôïng vector quay.

Hình IV.4.10: Söï töông ñoàng ñoäng cô moät chieàu kích töø ñoäc laäp vaø ñieàu khieån vector ñoäng cô KÑB

Maëc duø nguyeân lyù khaù ñôn giaûn, ñieàu khieån vector ñoøi hoûi coâng cuï tính toaùn maïnh (Vi xöû


lyù 16, 32 bit, DSP) beân caïnh heä thoáng ño tröïc tieáp hay giaùn tieáp töø thoâng khe hôû.

Nhö vaäy heä thoáng ñieàu khieån seõ coù ñöôïc hai voøng ñieàu khieån toác ñoä vaø momen nhö ñaõ khaûo saùt trong phaàn ñieàu khieån toïa ñoä, coù khaû naêng cung caáp chaát löôïng truyeàn ñoäng raát toát, ngay khi ôû taàn soá raát thaáp.

(a,b,c)q

Boä toång hôïp doøng ñieän hình sin ba pha

d (α,β)

~ i

M ~ i

β

i

w

α

Ψi

Boä nghòchlöu ñieän aùp

VDC

c

a

bi

i

i(d,q)

(α,β)

PWM

mΨ

e e

Caûm bieántöø thoâng

cos w t

chuaånvector cô heä

Ψ

α

β

sin w t

Ψ

Tính bieân ñoätöø thoâng| |

^

C

Hình IV.4.11: Nghòch löu vector töø thoâng loaïi tröïc tieáp

a. Sô ñoà ñieàu khieån tröïc tieáp: hình IV.4.11

Ñöôïc goïi laø tröïc tieáp vì heä thoáng caàn coù boä phaän ño tröïc tieáp töø thoâng khe hôû, ñaët vuoâng goùc 90O ñieän ñeå nhaän ñöôïc töø thoâng ôû heä truïc (α,β). Töø ñoù ta seõ bieát ñöôïc vò trí cuõng nhö toác ñoä cuûa vector töø tröôøng khe hôû. Söû duïng caùc pheùp bieán ñoåi vector töø toïa ñoä (d,q) sang (α,β) roài (a,b,c) ta coù ñöôïc doøng ba pha ia, ib, ic caàn thieát ñeå taïo ra momen M theo yeâu caàu cuûa boä ñieàu khieån vaø ñaûm baûo töø thoâng ñoäng cô ôû giaù trò ñònh möùc. Duøng moät boä ñieàu khieån doøng ñieän hình sin (muïc IV.3.4), ta taïo ra doøng ñieän ñoäng cô caàn thieát.

Sô ñoà ñieàu khieån naøy coù baát lôïi lôùn nhaát laø phaûi duøng ñoäng cô ñöôïc cheá taïo rieâng, gaén saün caûm bieán töø thoâng do ñoù ít ñöôïc phoå bieán duø ñaây laø phöông aùn chính xaùc nhaát veà nguyeân taéc.

b. Sô ñoà ñieàu khieån giaùn tieáp:

Cuøng nguyeân lyù ñieàu khieån vector töø thoâng nhöng ñeå tieän söû duïng vôùi ñoäng cô baát kyø, ngöôøi ta taän duïng khaû naêng tính toaùn cuûa caùc vi xöû lyù, ñeå tính ra caùc thaønh phaàn töø thoâng (d,q) töø doøng ñieän, ñieän aùp vaø caùc thoâng soá maïch ñieän cuûa ñoäng cô neân coøn goïi laø ñieàu khieån khoâng caàn caûm bieán töø thoâng (sensorless flux vector control). Heä thoáng nhö vaäy ngoaøi khaû naêng tính toaùn maïnh coøn phaûi giaûi quyeát hai baøi toaùn: ñieàu tra thoâng soá maïch ñieän cuûa ñoäng cô vaø söï thay ñoåi cuûa caùc thoâng soá naøy theo nhieät ñoä. Quy trình söû duïng moät bieán taàn vector nhö vaäy seõ coù böôùc ñeå bieán taàn ño thoâng soá

c

cva

va

iiTính toaùn

töø thoâng vaømomen

Hình IV.4.12: Nghòch löu vector töø thoâng loaïi giaùn tieáp

ñoäng cô (tuning) hay nhaäp caùc thoâng soá naøy tröôùc khi söû duïng (thöïc hieän moät laàn). Ñeå loaïi aûnh


höôûng cuûa nhieät ñoä treân caùc thoâng soá ñoäng cô, coù theå döï kieán moät heä soá hieäu chænh theo nhieät ñoä hay ño löôøng moät laàn nöõa (online tuning).

Caùc sô ñoà ñieàu khieån vector töø thoâng loaïi giaùn tieáp ñang ñöôïc öùng duïng roäng raõi vaø hieän nay vaãn ñöôc lieân tuïc caûi thieän ñeå naâng cao ñoä chính xaùc. Ngoaøi ra ñieàu khieån vector töø thoâng coøn coù theå keát hôïp vôùi nguyeân lyù ñieàu cheá ñoä roäng xung vector khoâng gian ñaõ giôùi thieäu oû phaàn treân.

Caùc bieán taàn chæ duøng ñieàu cheá ñoä roäng xung vector khoâng gian (SVPWM) cuõng ñöôïc goïi laø bieán taàn vector, nhöng neáu ñeå yù, ta seõ thaáy khoâng coù caùc töø khoùa töø thoâng (flux vector), ñieàu khieån momen tröïc tieáp (direct torque control), truyeàn ñoäng ñieän chaáp haønh (servo drive) vaø thöôøng khoâng coù phaûn hoài toác ñoä.

Hieän nay, caùc coâng ty kyõ thuaät ñieän lôùn ñeàu coù saûn xuaát caùc bieán taàn ñieàu cheá ñoä roäng xung vector khoâng gian cuøng vôùi thuaät toaùn ñieàu khieån vector töø thoâng ôû nhieàu möùc ñoä chính xaùc khaùc nhau. Moät caùch toång quaùt, caùc sô ñoà chaát löôïng cao ñeàu caàn coù phaûn hoài toác ñoä, qua maùy phaùt toác xung (pulse generator) coù chieàu (xung AB hay incremental pulse encoder).

Taøi lieäu tham khaøo veà SVPWM vaø ñieàu kheån vec tor töø thoâng:

1. Giaùo trình Ñieän töû Coâng suaát 1, TS Nguyeãn Vaên Nhôø, NXB Ñaïi hoïc Quoác gia TPHCM 2002.

2. ÑKTÑ TÑÑ Xoay chieàu Ba pha, TS Nguyeãn Phuøng Quang, NXB Giaùo duïc 1996

3. bpra073.pdf (Field Orientated Control of 3-Phase AC-Motors) cuûa haûng Texas Instrument.

IV.5 ÑIEÀU KHIEÅN ÑOÄNG CÔ MOÄT CHIEÀU KHOÂNG COÅ GOÙP:

Hình V.0.1: Sô ñoà heä thoáng truyeàn ñoäng ñaàu töø video, quay truïc chính ñiaõ cöùng, quaït laøm maùt CPU:


Rotor laø moät vaønh nam chaâm vónh cöûu bao quanh stator laø 3 cuoän daây. Ba caûm bieán Hall ñaët giöõa cac cuoän daây taïo tín hieäu ñoùng ngaét caàu nghòch löu 3 pha cung caáp ñieän cho cuoän daây theo vò trí rotor.

Cuøng vôùi söï phaùt trieån cuûa ÑTCS, ta coù söï xuaát hieän cuûa ñoäng cô moät chieàu khoâng coå goùp (Brushless DC motor). Ñoäng cô moät chieàu khoâng coå goùp laø moät toå hôïp ñoäng cô ñoàng boä 3 pha (rotor laø nam chaâm vónh cöûu hay nam chaâm ñieän ôû coâng suaát lôùn) laøm vieäc vôùi boä nghòch löu ñoùng ngaét theo vò trí cuûa rotor. Nhö vaäy boä nghòch löu laøm nhieäm vuï cuûa coå goùp ñoäng cô moät chieàu: noái nguoàn moät chieàu vaøo caùc cuoän daây ba pha (töông ñöông vôùi caùc cuoän daây phaàn öùng) khi rotor quay ñeán caùc vò trí xaùc ñònh nhö doøng ñieän moät chieàu chuyeån maïch qua heä thoáng coå goùp – choåi than. Hình V.0.1 laø moät ví duï veà ñoäng cô moät chieàu khoâng coå goùp.

Coù nhieàu daïng ñoäng cô moät chieàu khoâng coå goùp:

- Ñoäng cô chaáp haønh xoay chieàu (AC servo motor): coù coâng suaát nhoû ( < vaøi kW), kích töø baèng nam chaâm vónh cöûu cöïc maïnh ñeå taïo ra momen lôùn khi toác ñoä thay ñoåi trong phaïm vi roäng. Ñeå ñaït chaát löôïng cao, caùc nhaø saûn xuaát thöôøng saûn xuaát gheùp boä: ñoäng cô (AC servo motor) ñi keøm boä ñieàu khieån (servo driver).

- Ñoäng cô töø trôû ñoùng ngaét (Switched Reluctance Motor) coù coù rotor cöïc loài (laø khoái vaät lieäu saét töø coù phaân boá khoâng gioáng nhau theo 2 truïc d, q ) töông töï nhö ñoäng cô ñoàng boä loaïi töø trôû.

Hình V.0.2: Caáu taïo SR Motor.

- Ñoäng cô ñoàng boä kích töø nam chaâm vónh cöûu (Permanent Magnet Synchronous Motor – PM Motor) cheá taïo vôùi coâng suaát nhoû vaø trung bình ( < traêm kW) duøng cho taûi coâng nghieäp coù ñaëc ñieåm laø soá cöïc töø raát lôùn (2p = 16..24) neân toác ñoä laøm vieäc beù coù theå keùo tröïc tieáp taûi (gearless drive) ñieàu khieån baèng bieán taàn vaãn duøng cho ñoäng cô KÑB (vôùi söï thay ñoåi trong thuaät toaùn ñieàu khieån). PM Motor coù öu ñieåm lôùn nhaát laø hieäu suaát toång coäng raát cao, hôn 90%. Nhö vaäy coù theå noùi PM motor laø moät loaïi AC servo motor coâng suaát lôùn nhöng chöa ñaùp öùng ñöôïc yeâu caàu raát cao cuûa truyeàn ñoäng chaáp haønh.

- Ñoäng cô moät chieàu khoâng coå goùp coâng suaát raát lôùn (MW) truyeàn ñoäng cho taûi coâng nghieäp coù kích töø baèng doøng ñieän moät chieàu qua vaønh tröôït (nhö ñoäng cô ñoàng boä), duøng boä nghòch löu ba pha SCR chuyeån maïch nhôø vaøo söùc ñieän ñoäng caûm öùng ôû cuoän daây xtator (chuyeån maïch löôùi).


So saùnh truyeàn ñoäng duøng ñoäng cô DC khoâng coå goùp vaø caùc phöông aùn khaùc.

So saùnh truyeàn ñoäng duøng bieán taàn - ñoäng cô KÑB vaø duøng ñoäng cô DC khoâng coå goùp.


1. Nguyeân lyù hoaït ñoäng:

Hình V.1.1 beân moâ taû hoaït ñoäng cuûa ñoäng cô DC khoâng coå goùp. Rotor ñoäng cô laø nam chaâm vónh cöûu coù soá ñoâi cöïc baèng 1, stator coù 3 cuoän daây, keùo baèng 3 transisitor coâng suaát coù phaân cöïc duøng transistor quang. Transistor quang ñöôïc ñaët tröôùc moät diaõ chaén aùnh saùng noái cöùng truïc vôùi rotor. Khi transistor ñöôïc chieáu saùng, noù daãn ñieän laøm transistor coâng suaát baûo hoøa, ñoùng ñieän cho cuoän daây keùo rotor ñeán vò trí môùi gioáng nhö ñoäng cô böôùc. Vaäy ñiaõ chaén saùng phaûi ñöôïc khoeùt sao cho caùc transistor döôïc kích ôù vò trí taïo ra momen keùo lôn nhaát.

Trong thöïc teá, ba cuoän daây ñöôïc ñieàu khieån baèng sô ñoà nghòch

Hình V.1.1: Minh hoïa nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa ñoäng cô DC khoâng coå goùp.

löu ba pha, doøng qua cuoän daây ñaûo chieàu laøm taêng hieäu quaû söû duïng chuùng, caûm bieán Hall ñaët khoaûng giöõa cuoän daây cuûa hai pha thay cho caûm bieán quang nhö hình V.0.1 cung caáp tín hieäu vò trí rotor cho maïch ñieàu khieån. ÔÛ nhieàu sô ñoà, thay cho caûm bieán Hall laø caùc boä encoder quang hoïc cung caáp tín hieäu vò trí rotor cuøng vôùi maõ hoùa chuyeån ñoäng (toác ñoä, vò trí, chieàu). Vôùi caùch ñieàu khieån naøy, coù theå thaáy deã daøng laø töông quan giöõa doøng xtator vaø töø tröôøng rotor chæ phuï thuoäc vaøo bieân ñoä doøng ñieän vaø töø tröôøng naøy. Vì töø thoâng rotor ñöôïc giöõ khoâng ñoåi, momen ñoäng cô chæ phuï thuoäc vaøo doøng qua cuoän daây nhö ñoäng cô DC, vaø ta coù theå ñieàu khieån toác ñoä ñoäng cô thoâng qua bieân ñoä xung aùp hay doøng ñaët leân cuoän daây, ñoäng cô ñaït toác ñoä xaùc laäp khi momen cung caáp caân baèng vôùi momen taûi nhö nguyeân lyù caên baûn cuûa TÑÑ. Coù theå thaáykhi lyù luaän theâm laø maïch töông ñöông cuûa BBÑ + ÑC nhìn töø phía nguoàn moät chieàu cuõng gioáng ñoäng cô DC, nhaát laø khi soá cöïc töø taêng cao.

2. Sô ñoà ñieàu khieån:

Ñeå ñieàu khieån ñoäng cô moät chieàu khoâng coå goùp, caàn caùc boä phaän sau:

- Boä nghòch löu ba pha duøng transistor hay SCR ôû coâng suaát raát lôùn.

- Caûm bieán vò trí rotor (boä phaän naøy coù theå bò thay theá baèng vieäc quan saùt aùp (doøng) qua cuoän daây.

- Maïch phaùt xung, xöû lyù tín hieäu vò trí rotor ñeå ñieàu khieån boä nghòch löu.


Hình V.1.2: Hai chuoãi ñoùng ngaét coù theå duøng ñeå ñieàu khieån ñoäng cô. Moät chu trình ñoùng ngaét töông öùng moät voøng quayø khi ñoäng cô coù 2p = 2.

Coù hai thuaät toaùn coù theå duøng ñeå ñieàu khieån : goùc daãn 120O vaø 180O nhö treân hình V.1.2. Ñieàu khieån goùc daãn 120O coù theå aùp duïng cho nghòch löu nguoàn doøng duøng SCR, söû duïng söùc phaûn ñieän cuûa cuoän daây ñeå chuyeån maïch. Ñoù chính laø boä ñieàu khieån pha laøm vieäc ôû cheá ñoä nghòch löu vôùi aùp xoay chieàu laø söùc ñieän ñoäng cuûa cuoän daây ñoäng cô.

Coù hai daïng xung ñieàu khieån: xung vuoâng vaøhình sin (ñieàu cheá ñoä roäng). Xung vuoâng ñôn giaûn nhöng vieäc ñieàu cheá hình sin seõ cho ra chaát löôïng hoaït ñoäng cao hôn.

- Khoái ñieàu khieån doøng (aùp) phía moät chieàu laøm thay ñoài doøng qua cuoän daây ñeå thay ñoåi momen ñoäng cô. Ñaây chính laø khoái ñieàu khieån momen cuûa heä thoáng truyeàn ñoäng ñieän quen thuoäc neáu ñaàu vaøo coù phaûn hoài doøng. Ñieàu naøy coù theå khoâng caàn neáu ta khoâng coù yeâu caàu haïn cheá momen. Thöôøng heä thoáng luoân coù boä ñieàu khieån toác ñoä vaø vò trí laø hai voøng beân ngoaøi.

- Ñeå naâng cao chaát löôïng ñieàu khieån, ngöôøi ta söû duïng doøng ñieän hình sin vaø ñieàu khieån vector vì baûn chaát ñoäng cô vaãn laø ñoäng cô ñoàng boä.


PHUÏ LUÏC CHÖÔNG IV

IV.1: TÖØ TRÖÔØNG QUAY VAØ CAÙC PHEÙP BIEÁN ÑOÅI VECTOR

1. Töø tröôøng xtator vaø rotor cuûa ñoäng cô xoay chieàu;

Hình PL IV.1.1: Sô ñoà caùc cuoän daây ñoäng cô KÑB ba pha (a,b,c) vaø hai pha (α,β). Chæ soá s cho bieát laø thoâng soá xtator vaø r laø cuûa rotor. Hình PL IV.1 beân cho ta sô ñoà nguyeân lyù boá trí caùc cuoän daây xtator vaø rotor cuûa ñoäng cô khoâng ñoàng boä ba pha. Caùc cuoän daây boá trí leäch 2π/3 theo khoâng gian vaø coù caùc doøng ñieän leäch 2π/3 theo thôøi gian ñi qua. Rotor ñöôïc bieåu thò baèng 3 cuoän daây ngaén maïch, leäch goùc θ (ñieän) so vôùi cuoän daây xtator. Coù theå quan saùt ñöôïc laø taïi moãi ñieåm cuûa khe hôû, töø tröôøng thay ñoåi hình sin vaø taïi moãi thôøi ñieåm töø tröôøng khe hôû coù daïng hình sin. Ñaây chính laø moâ taû cuûa töø tröôøng quay (TTQ) xtator cuûa maùy ñieän ba pha. TTQ cuõng coù theå taïo ra baèng caùch cho moät töø tröôøng hình sin quay vôùi toác ñoä khoâng ñoåi nhö cuoän kích töø cuûa maùy phaùt ñoàng boä. Baèng toaùn hoïc ta coù theå thay

theá doøng qua caùc cuoän daây cuûa maùy ñieän baèng vector doøng ñieän khoâng gian ^I :

2 4^3 3

j j

a b cI i i e i eπ π

= + + döïa vaøo ñoù coù theå xaây döïng lyù thuyeát cuûa maùy ñieän toång quaùt vaø moâ hình vector cuûa ñoäng cô xoay chieàu .

2. Bieán ñoåi heä ba pha abc ra toïa ñoä vuoâng coá ñònh αβo (bieán ñoåi hay pheùp chieáu Clarke):

Heä ba pha va, vb, vc hình sin coù boá trí leäch 2π/3 trong khoâng gian coù theå bieåu dieãn baèng vector khoâng gian:

v

v

v

a

b

c

vα

βv

1

jej2π3

ej4π3

V^

2 4^3 3. .

j j

a b cV v v e v eπ π

= + + (2 43 31, ,

j je e

π π

laø caùc vector cô heä cuûa heä 3 pha).

Khi chieáu vector naøy leân heä toïa ñoä vuoâng goùc (1, j), ta coù ñöôïc caùc thaønh phaàn vα, vβ, vo .

Ñaây chính laø pheùp chieáu hay bieán ñoåi Clarke:


Hình PL IV.1.2: Bieán ñoåi Clarke vaø Clark _1 toång quaùt.

1 12 2

3 3 312 2 2 2

1 1 1 312 2 2 2 2

1 1 0 12 0 13

1

a a

b b

o c c o

v v v vv v v vv v v v

α α

β β

− −

− −−

−

⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥= =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦

<IV.1.19>

Neáu heä ba pha khoâng coù thaønh phaàn zero: 12 ( ) 0o a b cv v v v= + + = , nhö thöôøng gaëp trong

thöïc teá, bieán ñoåi Clark trôû neân ñôn giaûn hôn: 2 1 13 3 3

1 13 3

a b c a

b c

v v v v vv v v

α

β−

= − − =

= + vaø bieán ñoåi ngöôïc

312 2

312 2

a b

c

v v v v v

v v vα α β

α β

= = − −

= − + <IV.1.20>

Bieán ñoåi Clarke xaùc nhaän laïi moät ñieàu caên baûn laø coù theå taïo TTQ töø moät heä hai pha vuoâng goùc 90O, nhö thöïc teá ñaõ coù caùc ñoäng cô hai pha.

3. Bieán ñoåi heä toïa ñoä vuoâng goùc coá ñònh (αβ) thaønh heä toïa ñoä vuoâng (dq) quay toác ñoä we (bieán ñoåi hay pheùp chieáu Park):

Sau khi giaûm moät thöù nguyeân, vieäc khaûo saùt caùc heä quay coøn gaëp moät khoù khaên: caùc ñaïi löôïng ôû heä toïa ñoä coá ñònh thay ñoåi hình sin, bieán ñoåi heä thoáng truïc toïa ñoä coá ñònh thaønh heä thoáng toïa ñoä quay vôùi toác ñoä goùc cuûa doøng ñieän coù theå giuùp ta giaûi quyeát vaán ñeà: bieán ñoåi Park.

qα

dv v

vβ V

j

^

1

v

w t

w

e

e

we

Hình PL IV.1.3: Bieán ñoåi Park vaø Park _1.

Khi choïn vò trí ñaàu cuûa heä truïc quay (dq) truøng vôùi heä coá ñònh (αβ), ta coù:

Pheùp bieán ñoåi Park thuaän:

cos sinsin cos

q e e

d e e

v v w t v w tv v w t v w t

α β

α β

= −

= + <IV.1.21.a>

Pheùp bieán ñoåi Park ngöôïc:

cos sin

sin cosq e d e

q e d e

v v w t v w tv v w t v w t

α

β

= +

= − + <IV.1.21.b>

ÖÙng duïng hai pheùp bieán ñoåi Clarke vaø Park vaøo heä ba pha cuûa aùp xtator ñoäng cô xoay chieàu, vôùi Vsm laø bieân ñoä aùp pha nguoàn (töø ñaây chæ soá s ñöôïc theâm vaøo ñeå chæ ñoái vôùi toïa ñoä tónh – ñöùng yeân):

cos

cos( 120 )

cos( 120 )

sa sm es ob sm es oc sm e

v V w tv V w tv V w t

=

= −

= +

=> ôû heä (αβ) cos

sin

ssm e

ssm e

v V w tv V w t

α

β

=

= − vaø ôû toïa ñoä quay (dq)

^

0q sm

d

v V Vv

= =

=

Sau hai pheùp bieán ñoåi naøy, vector khoâng gian ^V quay vôùi toác ñoä we cuûa heä ba pha boá trí

leäch 120O khoâng gian trôû neân coá ñònh ñoái vôùi heä quy chieáu vuoâng goùc quay cuøng toác ñoä. Ñieàu naøy hoaøn toaøn phuø hôïp vôùi thöïc teá : doøng ñieän 3 pha ñi qua 3 cuoän ñaây cuûa maùy ñieän xoay chieàu taïo neân TTQ coù bieân ñoä khoâng ñoåi vaø toác ñoä (ñieän) cuûa taàn soá goùc cuûa doøng ñieän. Neáu heä toïa ñoä quay cuøng toác ñoä, TTQ trôû neân khoâng ñoåi.


IV.2: BIEÁN TAÀN HOÏ FR - A500 CUÛA HAÕNG MITSUBISHI ELECTRIC:

Laø moät trong nhöõng hoï bieán taàn cao caáp cuûa haõng Mitsubishi Electric, hoï bieán taàn FR-A500 coù theå ñöôïc khaûo saùt nhö moät bieán taàn vector töø thoâng tieâu bieåu.

Coù caùc ñaëc ñieåm chính sau:

- Nguyeân taéc ñieàu khieån vector töø thoâng loaïi giaùn tieáp (khoâng coù caûm bieán töø thoâng) hay ñieän aùp/taàn soá (söû duïng khi truyeàn ñoäng cho nhieàu ñoäng cô). Coù theå taêng chaát löôïng ñieàu khieån chuyeån ñoäng khi duøng vôùi boä phaûn hoài toác ñoä (PLG card) vaø phaùt toác xung (incremental rotary encoder).

- Coù cheá ñoä hoïc thoâng soá ñoäng cô (parameter tuning) tröôùc khi laøm vieäc hay ngöôøi duøng cheùp hay nhaäp thoâng soá ñoäng cô, phuïc vuï cho vieäc ñieàu khieån vector töø thoâng ñoäng cô coù saün ôû thò tröôøng.

- Coù theå ñaët toác ñoä baèng nhieàu caùch: tröïc tieáp qua baøn phím (Programming Unit), bieán trôû, töø xa qua caùc ngoû vaøo logic, tín hieäu aùp, doøng 4 – 20mA, noái maïng RS485.

- Coù maïch haõm ñoäng naêng saün (coâng suaât beù hôn 7.5 Kw) hay noái ngoaøi cho pheùp coù momen haõm 100% ñònh möùc vaø heä soá tieáp ñieän (duty cycle hay ED%) ñeán 40%.

- Cho pheùp löu tröõ vaø chuyeån qua laïi hai boä thoâng soá hoaït ñoäng khaùc nhau töông öùng hai cheá ñoä hoaït ñoäng hay laøm vieäc vôùi hai ñoäng cô khaùc nhau.

- Coù boä PID cho ñieàu khieån quaù trình (phaûn hoài tín hieäu ñieän aùp), ví duï nhö ñieàu khieån möïc nöôùc maø bieán taàn seõ cung caáp ñieän cho ñoäng cô boâm.

Q7

U V W

RST

L

C

P1 P PXPR

R

Hình Phuï luïc IV.2.1: Maïch ñoäng löïc cuûa bieán taàn hoï FR-A500

1. Moâ taû caùc ñaàu daây:

R, S, T: Nguoàn vaøo. U, V, W: Ngoõ ra ñoäng cô. R1, S1: AÙp cung caáp cho maïch ñieàu khieån.

PC (hay SD): Ngoû noái nguoàn 24 V (hay 0 volt) ngoaøi khi duøng logic doøng vaøo bieán taàn (sink) hay logic doøng ra (source). Trong hình laø logic source, ngoû vaøo bieán taàn laø taùc ñoäng khi ñöôïc noái vôùi SD.

STF (STR): ngoû vaøo choïn chieàu quay thuaän (ngöôïc).

STOP: ngoû vaøo döøng (caám), bieán taàn seõ khoâng laøm vieäc duø coù ñuû caùc tín hieäu ñieàu khieån.

RH, RM, RL: ba ngoû vaøo taïo ra toå hôïp toác ñoä, coù theå ñònh nghóa laïi ngoû vaøo RT ñeå coù 15 toác ñoä ñaët tröôùc.

JOG, MRS, RES, AU, CS: Caùc ngoû vaøo ñieàu khieån khaùc.

10, 2, 5: ngoû vaøo tín hieäu ñieàu khieån analog.


Auxiliary input, Current input: Caùc ngoû vaøo tín hieäu ñieàu khieån analog, coù theå duøng cho phaûn hoài ñeå ñieàu khieån quùa trình.

P1, P: Ñaàu döông nguoàn moät chieàu, coù theå noái cuoän khaùng loïc ñeå taêng chaát löôïng hoaït

ñoäng: aùp ra phaúng hôn, doøng nguoàn ít haøi baäc cao hôn.

PX, PR: Ngoû ra noái ñieän trôû trong hay ngoaøi phuï thuoäc vaøo yeâu caàu haõm chuyeån ñoäng.

A, B, C: ngoû ra relay cuûa tín hieäu baûo veä.

RUN, SU, IPF, OL, FU, SE: Ngoû ra tín hieäu vaø baûo veä, coù theå choïn töø nhieàu baûo veä coù saün.


FM: Ngoû ra 0 – 1 mA ñeå chæ thò taàn soá (toác ñoä).

AM, 5: Ngoû ra laäp laïi cuûa tín hieäu ñieàu khieån analog (feed forward), duøng cho heä ñieàu khieån nhieàu ñoäng cô.

THOÂNG SOÁ KYÕ THUAÄT ÑÒNH MÖÙC: SERIES A540 (AÙP ÑÒNH MÖÙC 400 VAC)

Hình Phuï luïc IV.2.2: Ñaëc tính chính cuûa bieán taàn hoï FR-A500

CHUÙ THÍCH :

IP20: IP laø kyù hieäu cho bieát moâi tröôøng laøm vieäc. Soá ñaàu ñeå chæ khaû naêng choáng laïi vaät raén rôi vaøo, baèng 2 töông öùng vôùi khe thoâng gioù khoâng cho qua caùc vaät coù ñöôøng kính > 1.2 cm rôi vaøo. Soá keá ñeå chæ khaû naêng choáng nöôùc, baèng 0 töông öùng vôùi khoâng coù baûo veä choáng nöôùc rôi vaøo.

Self cooling: thieát bò chæ laøm maùt baèng ñoái löu khoâng khí qua caùc khe thoâng gioù.

Force cooling: thieát bò coù quaït laøm maùt.

Power facility capacity: Coâng suaát bieåu kieán caàn thieát cuûa nguoàn ñieän (kVA laép ñaët) ñeå coù theå khai thaùc heát khaû naêng cuûa thieát bò.

Trang 1/ Chuong 5.doc Ñieän töû coâng suaát II A

CHÖÔNG 5 : BOÄ NGUOÀN AC TAÀN SOÁ CAO

V.1 KHAÙI NIEÄM VEÀ NUNG NOÙNG BAÈNG TAÀN SOÁ:

1. Nguyeân lyù nung noùng baèng taàn soá:

Khi vaät chaát ñöôïc ñaët vaøo trong tröôøng ñieän töø taïo ra bôûi doøng ñieän xoay chieàu coù cöôøng ñoä ñuû lôùn, caùc haït vaät chaát seõ coù chuyeån ñoäng, töông öùng vôùi söï gia taêng nhieät ñoä: ta coù nguyeân lyù nung noùng baèng taàn soá hay gia nhieät cao taàn. Vôùi caùc taàn soá khaùc nhau, ta nung noùng ñöôïc nhöõng vaät lieäu khaùc nhau:

- Nung noùng baèng doøng ñieän caûm öùng: Khi ñaët vaät daãn ñieän (thöôøng laø kim loaïi) vaøo töø tröôøng xoay chieàu, beân trong vaät lieäu seõ xuaát hieän sññ taïo ra doøng ñieän goïi laø doøng caûm öùng (doøng ñieän Foucault hay doøng xoaùy – eddy current). Söï nung noùng do doøng ñieän naøy ñöôïc goïi laø nung noùng baèng doøng caûm öùng hay gia nhieät caûm öùng. Ñaây chính laø lyù do maø loõi theùp bieán aùp phaûi gheùp laïi baèng nhöõng laù toân coù beà maët sôn caùch ñieän vaø bieán aùp taàn soá cao söû duïng loõi baèng ferrite. Toån hao do doøng caûm öùng taêng theo bình phöông taàn soá doøng ñieän do ñoù doøng ñieän söû duïng cho nung noùng caûm öùng thöôøng coù taàn soá cao. Nung noùng caûm öùng coù theå duøng ñeå nung noùng hay naáu luyeän kim loaïi. Ñeå yù laø khi khoái löôïng vaät lieäu lôùn, ta coù theå söû duïng taàn soá coâng nghieäp chöù khoâng nhaát thieát phaûi duøng taàn soá cao.

Do söï töông taùc giöõa caùc lôùp doøng ñieän caûm öùng, maät ñoä doøng ñieän caûm öùng phaân boá khoâng ñeàu: taêng daàn töø trong ra ngoaøi. Khi taàn soá doøng ñieän ñuû lôùn, söï phaân boá naøy raát khoâng ñeàu: doøng caûm öùng chuû yeáu taäp trung ôû beà maët vaø ta coù hieäu öùng da (skin effect), ñöôïc öùng duïng ñeå toâi kim loaïi. Ñaây laømoät phöông phaùp taêng cô tính caùc chi tieát baèng saét theùp. Chi tieát caàn toâi sau khi ñöôïc nung noùng beà maët ñöôïc laøm nguoäi thaät nhanh. Keát quaû laø beà maët chi tieát ñöôïc bieán cöùng trong khi beân trong vaãn khoâng thay ñoåi cô tính, tính naêng hoaït ñoäng ñöôïc naâng cao.

- Nung noùng ñieän moâi: ÖÙng duïng hieän töôïng toån hao ñieän moâi cuûa vaät lieäu caùch ñieän hay daãn ñieän keùm khi ñöôïc ñaët trong ñieän tröôøng taàn soá raát cao töø vaøi traêm ñeán haøng MHz. Ñoái töôïng cho nung noùng ñieän moâi coù theå laø vaät lieäu nhöïa hay thöïc phaåm.

Öu ñieåm cuûa nung noùng taàn soá:

- Hieäu suaát raát cao do nhieät phaùt ra töø beân trong vaät ñöôïc nung.

- Maät ñoä naêng löôïng raát cao neân thôøi gian nung nhanh, vaät lieäu khoâng ñoåi tính chaát, cho pheùp thöïc hieän caùc coâng ngheä ñaëc bieät.

- Khoâng coù moâi chaát cho trao ñoåi nhieät neân coù theå gia coâng vôùi ñoä tinh khieát cao...

Nhöôïc ñieåm duy nhaát laø caàn boä nguoàn taàn soá luoân ñaét tieàn.

Trong chöông naøy, ta chæ tìm hieåu caùc boä nguoàn söû duïng ngaét ñieän baùn daãn, coù theå laøm vieäc ñeán MHz vaø thöôøng ñöôïc öùng duïng cho nung noùng caûm öùng.

2. Caùc quan heä cuûa nung noùng caûm öùng: [taøi lieäu http://www.thermonics.co.jp/e-side.htm]

- Chieàu saâu thaám P ñöôïc ñònh nghóa laø ñoä saâu tính töø beà maët ñeå maät ñoä doøng ñieän giaûm 36.8% so vôùi giaù trò treân beà maët, ρ: ñieän trôû suaát , μ: heä soá töø thaåm töông ñoái.

310

5.032

Pff

ρ ρμπ μ

⋅= =

⋅⋅. <V.1.1>


Töø P, ta choïn ñöôïc taàn soá cuûa boä nguoàn cao taàn tuøyï thuoäc vaøo vaät lieäu vaø coâng ngheä gia coâng laø nung noùng, naáu chaûy hay toâi beà maët. Baûng sau cho ta caùc thoâng soá cho coâng ngheä toâi beà maët duøng doøng ñieän caûm öùng.

Toâi cao taàn Chieàu saâu (mm)

Ñöôøng kính vaät (mm)

Taàn soá (kHz)

Coâng suaát (kw)

0.5~1.0 6~25 400,200 15,30

11~16 400,200,30 80

16~25 400,200,30,10 80,50

25~50 200,30,10 50,80

1.2~2.5

> 50 30,10 80

19~25 30,10 80,150

25~100 3,10 80,150

2.5~5.0

> 100 3,10 150,300

Baûng V.1 Caùc quan heä khi toâi beà maët theùp.

Vôùi theùp, vaät lieäu maát töø tính ôûû 800 O töông öùng μ = 1, ta coù khi ñoù:

503( )P mmf

= <V.1.2>

vaø neáu choïn ñöôøng kính vaät baèng 3.5 laàn chieàu saâu thaám toâi, ta coù baûng tra taàn soá toái thieåu cho thieát bò naáu caûm öùng:

Taàn soá f kHz

Ñöôøng kính D mm

300 3.2

100 5.5

20 12.4

10 17.5

5 24.7

3 32

1 55

Baûng V.2 Taàn soá toái thieåu khi nung noùng caûm öùng theùp

Hình V.1.1 cho ta chieàu saâu thaám vôùi caùc vaät lieäu khaùc nhau, ôû caùc nhieät ñoä laøm vieäc.

3. Caùc boä nguoàn cho nung noùng caûm öùng:

Phuï thuoäc vaø taàn soá laøm vieäc, coù theå phaân ra laøm caùc nhoùm sau:

1. Nguoàn taàn soá löôùi: Söû duïng cho naáu kim loaïi khi khoái löôïng töông öùng vôùi coâng suaát ñuû lôùn. Ta coù theå hình dung ñaây laø moät bieán aùp (thöôøng coù loõi theùp) trong ñoù sô caáp noái löôùi ñieän, thöù caáp laø khoái kim loaïi caàn nung chaûy, taïo thaønh moät voøng ngaén maïch.


. Hình V.1.1: Quan heä chieàu saâu thaáùm theo taàn soá vôùi caùc kim loaïi khaùc nhau

2 Boä nguoàn duøng SCR: söû duïng khi taàn soá < 25 KHz. Coù theå söû duïng boä nghòch löu noái tieáp hay song song, coù hay khoâng qua trung gian moät chieàu.

3. Boä nguoàn duøng transistor: Phaùt trieån trong thôøi gian gaàn ñaây, khi cac transistor doøng lôùn, aùp cao ñöôïc cheá taïo. Laøm vieäc ôû taàn soá ñeán MHz (thoâng thöôøng laø vaøi traêm KHz).

4.Boä nguoàn duøng ñeøn ñieän töû: Laøm vieäc ôû taàn soá töø 50 KHz ñeán haøng MHz hay GHz, duøng cho nung noùng caûm öùng vaø ñieän moâi. Maïch ñieän coù daïng maïch dao ñoäng ba ñieåm LC (Harley hay Colpitt) phaân cöïc lôùp C ôû taàn soá ñeán MHz hay duøng caùc ñeøn ñaëc bieät ôû taàn soá sieâu cao.

Ñaëc tröng quan troïng cuûa thieát bò nung noùng caûm öùng laø laø heä soá coâng suaát cuûa taûi raát thaáp khoaûng 0.1 vì laø cuoän daây khoâng loõi theùp. Ñeå giaûm doøng qua caùc ngaét ñieän, caàn maéc tuï ñieän song song ñeå taêng heä soá coâng suaát neân taûi luoân laø maïch coäng höôûng LCR.

Nhö vaäy, ta coù theå thaáy laø caùc boä nguoàn duøng SCR coù theå ñöôïc duøng ñeå nung noùng hay naáu chaûy kim loaïi ôû coâng suaát lôùn vì hoaït ñoäng chuû yeáu ôû taàn soá thaáp. Ñeå toâi cao taàn hay naáu luyeän kim loaïi ôû soá löôïng nhoû, ta coù theå söû duïng maïch dao ñoäng duøng ñeøn ñieän töû ñeå hoïat ñoäng ôû taàn soá cao hôn. Caùc boä nguoàn duøng transistor coù theå thay theá ñeøn ñieän töû veà nguyeân taéc, ñaõ vaø ñang ñöôïc phaùt trieån. Trong chöông naøy ta chæ nghieân cöùu caùc boä nguoàn duøng cho nung noùng caûm öùng.

V.2 BOÄ NGUOÀN TAÀN SOÁ CAO DUØNG SCR:

1. Nghòch löu song song vaø noái tieáp:

Laø caùc daïng nghòch löu söû duïng SCR laøm phaàn töû ñoùng ngaét, coù tuï ñieän ôû maïch taûi ñeå ñaûm baûo chuyeån maïch. Trong maïch ñieän goàm R taûi, töï caûm L vaø ñieän dung C taïo thaønh maïch coäng höôûng LCR, laøm cho doøng qua SCR coù theå veà zero vaø taét. Hình V.2.1 bao goàm hai maïch nghòch löu song song: (a) laø sô ñoà caàu, (b) laø sô ñoà gheùp bieán aùp; vaø (c) laø nghòch löu noái tieáp.

+


VVo

VV

C

L

R

SCR1

SCR2

L1 L2

+

_

+

_

SCR1

SCR2

R

SCR3

SCR4

C

T

SCR1 SCR2

C

L

+

_

(a) (b) ( c) Hình V.2.1: Nghòch löu song song (a) vaø (b), noái tieáp (c).

a. Nghòch löu song song: Khaûo saùt sô ñoà caàu V.2.1.a.

Daïng soùng caùc phaàn töû treân sô ñoà V.2.1.a ñöôïc veõ treân hình V.2.2.b. Caùc SCR 1 vaø SCR 4 coù cuøng daïng xung kích, SCR 2 vaø SCR3 ñöôïc kích cuøng luùc. Khi SCR 1 vaø SCR 4 daãn ñieän, tuï ñieän C ñöôïc naïp ñeán ñieän aùp coù cöïc tính nhö treân hình veõ. Ñieän aùp naøy seõ ñaët ñieän aùp aâm vaø laøm taét SCR 1 vaø

SCR 4 khi SCR2 vaø SCR3 ñöôïc kích. Töï caûm L ôû ñaàu vaøo caùch ly nguoàn vaø caàu chænh löu, laøm cho doøng ñieän cung caáp vaøo caàu chænh löu khoâng thay ñoåi töùc thôøi, traùnh khaû naêng chaäp maïch taïm thôøi qua SCR 1 vaø SCR 2 (hay SCR 3 vaø SCR 4) khi caùc SCR chuyeån maïch.

b. Nghòch löu noái tieáp:

(a) (b)

Hình V.2.2: Daïng aùp, doøng cuûa NL noái tieáp (a) vaø song song (b)

Maïch ñieän hình V.2.1.c laø daïng ñôn giaûn nhaáùt trong nhoùm maïch nghòch löu noái tieáp, coù maïch töông ñöông laø LCR noái tieáp khi SCR daãn ñieän. Ví duï nhö khi SCR 1 ñöôïc kích, doøng qua maïch seõ veà khoâng khi aùp treân tuï ñieän ñaït giaù trò cöïc ñaïi (coù daáu nhö treân maïch ñieän) vaø SCR seõ töï taét. Vì theá maïch coøn goïi laø nghòch löu chuyeån maïch taûi. Khi SCR 2 ñöôïc kích, tuï ñieän seõ phoùng qua noù vaø doøng veà khoâng khi aùp treân tuï ñieän ñaûo cöïc tính, chuaån bò cho chu kyø keá tieáp – daïng soùng hình V.2.2.a.

Hai maïch nghòch löu naøy ñöôïc duøng laøm boä nguoàn trung hay cao taàn (nhoùm thöù 3 trong phaàn giôùi thieäu ôû ñaàu chöông). Vaø nhö vaäy, ngoaøi nhieäm vuï taét (chuyeån maïch) SCR, caùc tuï ñieän trong hai nghòch löu naøy coøn coù nhieäm vuï caûi thieän heä soá coâng suaát cuûa taûi, giaûm doøng qua caùc ngaét ñieän.

Trong thôøi gian gaàn ñaây, caùc transistor ñöôïc duøng thay cho SCR vaø nhu caàu chuyeån maïch trôû neân khoâng caàn thieát, tuy nhieân vieäc khaûo saùt nghòch löu coäng höôûng vaãn coù giaù trò, vaø ta coù khaû naêng chuyeån maïch transistor khi aùp ñaët vaøo noù baèng khoâng: taêng ñoä tin caäy vaø hieäu suaát cuûa heä thoáng.

2. Khaøo saùt nghòch löu nguoàn doøng taûi coäng höôûng (nghòch löu song song taûi RL):

+ -

I


Nghòch löu song song hình V.2.1 coøn coù theå goïi laø nghòch löu nguoàn doøng, khi töï caûm nguoàn L coù giaù trò ñuû lôùn. Nghòch löu nguoàn doøng coù nhieàu öu ñieåm khi söû duïng SCR: maïch taét SCR hieäu quaû, ñieàu khieån ñôn giaûn … vaø ngaøy nay vaãn coøn ñöôïc söû

i

Ni

oV

∞

vC

oivC

Maïch töông ñöông (C laø tuï chuyeånmaïch)

Taûi RL

N

LiCi

+L =

S3

S2

S1

_ S4

R

LC

Hình V.2.3: maïch töông ñöông NL nguoàn doøng taûi RL

duïng ôû caáp coâng suaát lôùn vaø raát lôùn (vaø traêm kW ñeán nhieàu MW). Hình V.2.3 trình baøy sô ñoà nguyeân lyù vaø maïch töông ñöông cuûa NL nguoàn doøng moät pha taûi RL. Töï caûm LN coù giaù trò lôùn laøm cho doøng iN phaúng, khoâng ñoåi ôû moät giaù trò taûi. Doøng ñieän naøy ñöôïc ñoùng ngaét thaønh xoay chieàu ñeå cung caáp cho taûi. Vaäy trong ñieàu kieän lyù töôûng, taûi nhaän ñöôïc doøng ñieän laø nhöõng xung vuoâng coù bieân ñoä I phuï thuoäc taûi. AÙp treân taûi bieán thieân lieân tuïc (vì coù C song song), ngaên caùch vôùi nguoàn qua töï caûm loïc nguoàn LN . Thoâng thöôøng, ngöôøi ta chæ ñieàu khieån coâng suaát taûi thoâng qua thay ñoåi aùp nguoàn moät chieàu vì khoù thay ñoåi luaät ñoùng ngaét. Nhö caùc boä nghòch löu nguoàn doøng khaùc, do naêng löôïng chæ truyeàn moät chieàu,vôùi cuøng aùp vaøo, aùp ra phuï thuoäc ñaëc tính taûi.

- Khaûo saùt gaàn ñuùng nghòch löu nguoàn doøng: Trong thöïc teá, ñieän khaùng nguoàn khoâng lôùn voâ cuøng. Tuy nhieân khi tính toaùn gaàn ñuùng, ta vaãn coù caùc giaû thieát sau (hình V.2.3):

* Xung doøng cung caáp cho taûi laø xung hình vuoâng, bieân ñoä I.

* Tuï C vaø taûi RL laøm thaønh maïch coäng höôûng, laøm cho aùp treân taûi vC coù daïng hình sin vaø nhö vaäy chæ coù soùng haøi baäc 1 cuûa doøng cung caáp laø i1 taïo ra coâng suaát.

Hình V.2.4.a cho ta caùc vector: VC laø aùp ra, I1 laø haøi cô baûn cuûa doøng ra iO; IC , IL laàn löôït laø doøng qua C vaø taûi RL, ta coù:

VC laø aùp ra, leäch doøng ra IL goùc φ cuûa taûi RL. I1 sôùm pha VC goùc β ñeå coù aùp aâm caàn thieát taét ñöôïc caùc SCR (phaàn gaïch ñöùng tronghình V.2.4.b). Vaäy C coù nhieäm vuï laøm cho taûi coù tính dung, khoâng chæ buø cos φ cho taûi cuoän daây, giaûm doøng cung caáp maø coøn cung caáp khaû naêng chuyeån maïch cho SCR.

Ta coù - goùc leäch pha β = ω .tq .

- Hieäu duïng haøi baäc nhaát doøng iO laø 12 2I Iπ

=

Töø ñoà thò vec tô, ta coù:

1 .sin.sin 1 .sintan

.cos .cos.cos

φφ φβ

φ φφ

−− −

= = =

L

C L C

LL

C

II I I B

II BI

vôùi 1.ω

= = = L L

C C

I YBI Y C Z

,


V

I

I IL

C

C

1 φβ

wt

π2π

ββv

i

i1

o

o I

- I

V

Hình V.2.4.a vaø (b).

Z laø toång trôû taûi RL, 2 2( )= +Z R wL vaø ta coù 1 1 sintancos

φβφ

− ⎛ ⎞−= ⎜ ⎟

⎝ ⎠

BB

. Ñeå tính caùc doøng,

aùp ta tính coâng suaát P baèng hai caùch töø nguoàn moät chieàu (cung caáp) vaø taûi (tieâu thuï) khi xem hieäu suaát heä thoáng baèng 1:

12 2 1. . .cos . . .cos . .

cos.2 2πβ β

π β= = = ⇒ =C C CP V I V I V a I V V

a

Töø aùp ngoû ra VC coù theå suy ra coâng suaát P cuûa maïch vaø doøng nguoàn I.

Baøi taäp: Tính maïch nghòch löu nguoàn doøng sô ñoà moät pha. AÙp nguoàn moät chieàu 500 V, taàn soá laøm vieäc 1 KHz, R = 15 ohm vaø L = 0.001 H

- Tính giaù trò ñieän dung C ñeå ñaûm baûo thôøi gian taét SCR laø 30 μsec. - Tính giaù trò hieäu duïng aùp ra VC, suy ra coâng suaát treân taûi P vaø doøng nguoàn I.

3. Boä nguoàn taàn soá cao duøng nghòch löu nguoàn doøng:

Hình V.2.5 trình baøy maïch ñoäng löïc moät boä nguoàn duøng cho naáu theùp, coâng suaát töø vaøi chuïc kW ñeán MW.

Ñaàu vaøo laø chænh löu 3 pha caàu 6 SCR ñeå ñieàu khieån

ABC

n

Chænh löu ñaàu vaøo Nghòch löu Maïch moài

+

_

T2T1 T3

T4 T5 T6

L

T13

T11

T12

T14

Lp

C

R

Tp

Rp

L

Cp

Hình V.2.5: Maïch moài (Start up) cho nghòch löu song song taûi coäng höôûng.

coâng suaát boä nghòch löu baèng caùch thay ñoåi aùp cung caáp. Ln laø cuoän khaùng coù trò soá lôùn ñaûm baûo tính chaát nghòch löu nguoàn doøng. Taûi cuûa boä NL laø voøng caûm öùng phía trong laø kim loaïi caàn naáu vaø coù goâng theùp phía ngoaøi ñeå daãn töø, coù maïch töông ñöông laø RL song song hay noái tieáp (hình V.2.5). Bieán aùp coù theå ñöôïc duøng ñeå ñieàu hôïp toång trôû giöõa voøng caûm öùng vaø boä nghòch löu (khoâng ñöôïc veõ treân hình). Vì caùc SCR chæ taét ñöôïc khi coù aùp treân maïch dao ñoäng taûi neân tuï C caàn phaûi ñöôïc naïp giaù trò ñaàu khi khôûi ñoäng thieát bò. Ñaây laø moät söï boå sung khi ñöa sô ñoà NL nguoàn doøng taûi coäng höôûng vaøo thöïc teá. Maïch khôûi ñoäng goàm Rp coù trò soá raát lôùn caùch ly tuï Cp vaø nguoàn moät chieàu, Lp coù trò soá beù haïn doøng phoùng töø Cp vaøo maïch taûi RLC khi Tp ñöôïc kích. Tp töï taét khi doøng qua noù baèng 0 (vì Rp ñuû lôùn). Moät ñaëc ñieåm khaùc cuûa nghòch löu song song laø chæ coù theå döøng hoaït ñoäng khi ngaét nguoàn moät chieàu, khaùc vôùi nghòch löu noái tieáp laø chæ caàn ngaét xung SCR nghòch löu laø ñuû.

SCR 1 vaø 4 daãn | kích SCR 2 vaø 3


Nguyeân lyù ñieàu khieån boä nghòch löu laø luoân ñaûm baûo taàn soá hoaït ñoäng hôi lôùn hôn taàn soá coäng höôûng ñeå taûi luoân coù tính dung, hay kieåm soaùt cos φ cuûa taûi vaø hieäu chænh dung löôïng tuï ñieän buø khi giöõ taàn soá laøm vieäc khoâng ñoåi. Trong thöïc teá, ngöôøi ta söû duïng caû hai nguyeân lyù naøy: Maïch ñieàu khieån luoân duy trì taàn soá phuø hôïp vôùi maïch dao ñoäng taûi, trong khi ñoù ngöôøi ta luoân giaùm saùt hoïat ñoäng cuûa heä thoáng vaø thay ñoåi giaù trò L (ñoåi noái) vaø ñieän dung C theo traïng thaùi cuûa taûi. Moät thoâng soá khaùc caàn quan taâm laø giaù trò aùp treân tuï caàn phaûi beù hôn trò soá cho pheùp ñeå traùnh hö hoûng. Nguyeân lyù naøy cuõng ñuùng vôùi boä nguoàn duøng nghòch löu noái tieáp nhö khaûo saùt trong muïc sau.

4. Boä nghòch löu noái tieáp laøm vieäc vôùi nguoàn 3 pha (boä nghòch löu – ñoåi pha):

Hình V.2.6a cho ta caùi nhìn trung gian giöõa sô ñoà giôùi thieäu nghòch löu noái tieáp (hình V.2.1c) vaø maïch thöïc teá V.2.6b.

Cuõng nhö maïch cô baûn hình V.2.1c, SCR1 vaø SCR2 ñöôïc kích ôû hai baùn kyø taïo thaønh hai xong doøng nguoàn cung caáp cho taûi R ôû hai baùn kyø. Khaùc vôùi sô ñoà ½ caàu duøng cho caáp ñieän ñoùng ngaét (chöông II), tuï ñieän C1, C2 khoâng taïo ra ñieåm giöõa cuûa nguoàn, chuùng coù ñieän dung beù hôn nhieàu vaø laø thaønh phaàn cuûa maïch coäng höôûng, laøm taét SCR khi doøng qua zero. Ta coù theå xem C1, C2 vaø SCR1, SCR2 taïo thaønh sô ñoà caàu cuûa boä nghòch löu.

Ñeå yù khi vieát phöông trình ñaëc tröng cuûa heä thoáng, ta noái taét nguoàn aùp V, hai tuï C1, C2 trôû thaønh song song vôùi nhau tham gia vaøo maïch coäng höôûng RLC.

V

Vo

+

_

SCR1

SCR2

L

L

R

C1

C2

o

oi

v

ABC

LT2T1 T3

T4 T5 T6

RC1 C2 C3

TR L

C

Hình V.2.6: (a) Nghòch löu noái tieáp coù tuï chia ñoâi. (b) Sô ñoà bieán taàn – ñoåi pha.

Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa sô ñoà nghòch löu – ñoåi pha hình V.2.6b hoaøn toaøn töông töï. ta coù theå hình dung noù bao goàm nhoùm tuï C1, C2, C3 noái vaøo ba pha, hai nhoùm SCR T1, T2, T3 vaø T4, T5, T6 cung caáp cho taûi RLC (qua bieán aùp TR). Nhoùm SCR thöù nhaát cung caáp xung doøng döông vaø nhoùm thöù hai cung caáp xung doøng aâm cho taûi. Ví duï nhö trong hìnhV.2.7, taïi wt = θ1, ta kích luaân phieân T1 vaø T6 ñeå taïo ra doøng xoay chieàu qua taûi. Vieäc söû duïng 3 linh kieän cho moät nhoùm cho pheùp noái tröïc tieáp boä nghòch löu vaøo löôùi xoay chieàu ba pha.

Trình töï hoaït ñoäng caû caùc SCR trong hai nhoùm ôû moät chu kyø:

wt

2π

π 3π

vo

T1 T1

T6 T6

1 2 3

4 55 6

1

wt

wtθ1


Hình V.2.8 Daïng aùp, doøng qua taûi Hình V.2.7: Xung kích khôûi caùc SCR

T1 --> T2 --> T3 --> T1 vaø T6 --> T4 --> T5 --> T6 nhö ôû caùc sô ñoà chænh löu vì caùc SCR naøy ñöôïc maéc vaøo caùc pha ñieän löôùi neân thöù töï hoaït ñoäng cuõng chính laø thöù töï pha cuûa löôùi ñieän. Hôn theá nöõa, khi thay ñoåi (laøm chaäm) khoaûng hoaït ñoäng cuûa caùc SCR, ta coù theåõ giaûm aùp cung caáp cho maïch nghòch löu noái tieáp gioáng nhö chænh löu ñieàu khieån pha.

Toùm laïi, coù theå hình dung BBÑ chính laø söï keát hôïp chænh löu ñieàu khieån pha, bieán ñoåi ñieän löôùi thaønh moät chieàu vaø nghòch löu noái tieáp bieán ñoåi aùp moät chieàu thaønh xoay chieàu taàn soá cao. Moät sô ñoà nhö vaäy raát thích hôïp cho caùc boä nguoàn coâng suaát lôùn, vì chæ bieán ñoåi naêng löôïng moät laàn, hieäu suaát cao vaø giaûm coâng suaát SCR laép ñaët.

Moät baát lôïi lôùn cuûa sô ñoà laø doøng ñieän löôùi coù thaønh phaàn taàn soá cao, yeâu caàu phaûi coù boä loïc ñaàu vaøo ñeå laøm taêng

Phaùtxung2 fo

Phaùtxungñieàukhieånpha 3pha, moãiSCRdaãn goùc2π/3

T1

T4

T2

T5

T3

T6

A+

B+

C+

A_

B_

C_

A

B

C

Ñoàngboä

Ñieàukhieånaùp

1

23

1

23

1

23

1

23

1

23

1

23

D2

Q5

CLK3

Q 6

PR

4C

L1

Hình V.2.8: Maïch phaùt xung kích khôûi caùc SCR

heä soá coâng suaát cuûa BBÑ vaø choáng nhieãu truyeàn veà löôùi.

V.3 BOÄ NGUOÀN DUØNG TRANSISTOR:

Theo noäi dung phaàn V.2 treân, caùc boä nguoàn cho nung noùng caûm öùng treân khoâng caàn phaàn töû phuï cho chuyeån maïch caùc SCR vì caùc SCR seõ töï taét khi doøng qua giaù trò khoâng ôû nghòch löu noái tieáp hay bò ñaët aùp aâm khi kích SCR nhaùnh ñoái dieän ôû nghòch löu song song. Söï chuyeån maïch coù ñöôïc nhôø taûi laø maïch coäng höôûng nhö vaäy ñöôïc goïi laø chuyeån maïch taûi (load commutation). Trong nhöõng sô ñoà hieän ñaïi, ngöôøi ta duøng transistor (mosFET, IGBT) thay theá SCR trong sô ñoà töông töï. Vieäc söû duïng transistor trong boä nghòch löu taûi coäng höôûng coù caùc yù nghóa sau:

- Vì transistor ñoùng ngaét theo söï ñieàu khieån, caùc ngaét ñieän khoâng caàn ñieàu kieän chuyeån maïch cho neân vuøng thoâng soá hoaït ñoäng cuûa heä thoáng ñöôïc nôùi roäng. Ví duï taûi nghòch löu nguoàn doøng khoâng nhaát thieát phaûi coù tính dung khaùng. Moät keát quaû khaùc laø ñoä tin caäy cuûa heä thoáng ñöôïc naâng cao do ngaét ñieän luoân chuyeån maïch ñöôïc.

- Taàn soá laøm vieäc toái ña taêng, ñeán haøng MHz do giaûm thoâng soá ñoäng cuûa cuûa ngaét ñieän khi duøng transistor thay cho thyristor: ton xuoáng döôùi micro giaây, toff chæ coøn vaøi micro giaây hay beù hôn khi duøng MosFET.

Tuy nhieân, toån hao treân ngaét ñieän coù theå taêng do suït aùp thuaän treân transistor thöôøng cao hôn SCR ôû doøng ñieän lôùn.

1. Boä nghòch löu nguoàn doøng duøng transistor:


Caùc SCR trong boä NL nguoàn doøng ñöôïc thay theá baèng caùc transistor + diod noái tieáp. Caùc diod naøy baûo veä cho transistor khoûi aùp ngöôïc khi chuyeån maïch. Diod song song ngöôïc laø coù saün (khi cheá taïo) hay ñöôïc maéc theâm ñeå baûo veä. Hoaït ñoäng cuûa maïch gioáng nhö nghòch löu nguoàn doøng: caùc ngaét ñieän thay phieân hoaït ñoäng, goùc daãn 180O: T1, T4 --> T2, T3 --> T1, T4 ...

Söï khaùc bieät ôû ñaây laø ta khoâng sôï chuyeån maïch thaát baïi neân giaù trò L nguoàn coù theå choïn nhoû hôn khi duøng SCR, taàn soá hoaït

V

L

_

+

R

C

D1

Q1

Q2

D2

Q4

D4

Q3

D3

Hình V.3.1: Boä nghòch löu nguoàn doøng duøng transistor

ñoäng coù theå lôùn hay beù hôn taàn soá coäng höôûng vaø khoâng caàn maïch moài ñeå khôûi ñoäng heä thoáng.

2. Boä nghòch löu nguoàn aùp laøm vieäc vôùi taûi coäng höôûng:

Khi söû duïng nghòch löu nguoàn aùp (coù diod song song ngöôïc), maïch taûi seõ laø maïch coäng höôûng noái tieáp hay hoãn hôïp nhö hình V.3.2. Nhö ta ñaõ bieát, vì ngaét ñieän chæ daãn ñieän moät chieàu, caùc boä nghòch löu nguoàn doøng laø moät baãy naêng löôïng: naêng löôïng cung caáp phaûi ñöôïc tieâu thuï heát, neáu khoâng seõ laøm bieân ñoä dao ñoäng taêng leân, coù theå gaây quaù aùp treân tuï ñieän. Vieäc söû duïng diod song song laøm cho naêng löôïng ñöôïc truyeàn hai chieàu. Khaû naêng traû ñöôïc naêng löôïng phaûn khaùng veà nguoàn laøm cho boä nghòch löu coù theå laøm vieäc khoâng taûi (hay taûi beù) maø khoâng laøm quaù aùp caùc phaàn töû.

oV

V

C1

_

R

C2

L

+

Q1

Q2

D1

D2

V

V

o

L

_ Q2

C1

+

C2

R

Q1

L

V

oL

+

Q3

_ Q2

Q1

R

L

L

Q4

C

(a) (b) (c)

Hình V.3.2: Nghòch löu noái tieáp taûi coäng höôûng khi khoâng (a) vaø coù (b),(c) traû naêng löôïng veà löôùi. (a), (b) laø sô ñoà nhaän ñöôïc khi thay theá SCR trong hìnhV.2.6a baèng IGBT, (c) laø sô ñoà caàu IGBT, taûi laø voøng caûm öùng RLo coù tuï C buø cos ϕ . Töï caûm L noái tieáp nhaèm caùch ly nguoàn moät chieàu vaø taûi coäng höôûng.

Moät vaán ñeà phaùt sinh khi laøm vieäc döôùi taàn soá coäng höôûng laø quaù trình traû naêng löôïng veà nguoàn seõ taùc ñoäng trôû laïi quaù trình naïp naêng löôïng vaøo maïch dao ñoäng, ñöôïc so saùnh trong hình sau khi moâ phoûng caùc maïch ñieän hình V.3.2 duøng PowerSIM:

* Sô ñoà hình V.3.2a:

Doøng qua L, cuõng laø doøng qua taûi R, laø nhöõng xung hình sin, veà khoâng khi aùp treân C ñaït cöïc ñaïi, sau ñoù doøng qua ngaét ñieän baèng khoâng vaø C giöõ nguyeân ñieän aùp cho ñeán khi ngaét ñieän keá hoaït ñoäng.


Hình V.3.3: Caùc daïng aùp cuûa sô ñoà hình V.3.2a

* Sô ñoà hình V.3.2b:

Maïch hình V.3.2b gioáng nhö hình V.3.2a nhöng khoâng coù diod chaën xung doøng traû naêng löôïng veà nguoàn moät chieàu. Töø caùc daïng soùng treân hình V.3.4, ta nhaän xeùt bieân doä doøng ñieän qua L, aùp treân C ñeàu giaûm do quaù trình traû naêng löôïng dao ñoäng veà nguoàn ñieän qua caùc diod song song ngöôïc.

Hình V.3.4: Caùc daïng aùp cuûa sô ñoà hình V.3.2b

* Sô ñoà hình V.3.2c:

Hai maïch V.3.2 (a) vaø(b) ít ñöôïc gaëp trong thöïc teá. Khi taûi laø voøng caûm öùng ngöôøi ta luoân maéc song song vôùi noù moät tuï ñieän taïo thaønh maïch coäng höôûng RLOC. Nhieäm vuï tuï ñieän naøy laø naâng cao heä soá coâng suaát cuûa voøng caûm öùng, giaûm doøng qua ngaét ñieän vaø nguoàn. Khi ñoù, hoaït ñoäng cuûa boä nghòch löu bao goàm 2 quaù trình: dao ñoäng cuûa maïch coäng höôûng taûi RLOC vaø söï ñoùng ngaét nguoàn ñeå naïp naêng löôïng vaøo maïch coäng höôûng naøy. Do tính choïn loïc cuûa maïch coäng höôûng, aùp treân taûi seõ laø dao ñoäng hình sin cuøng taàn soá ñieàu khieån vaø ta phaûi noái tieáp theâm cuoän daây L ñeå gaùnh cheânh leäch aùp nguoàn vôùi taûi. Phuï thuoâc vaøo giaù trò L, ta coù hai tröôøng hôïp sau:

* Khi L beù, L + RLOC coù taàn soá dao ñoäng cao hôn taàn soá kích Transistor laøm cho doøng qua


noù veà zero nhanh vaø ñaûo chieàu. Xung doøng ngöôïc laøm giaûm naêng löôïng cung caáp cho maïch coäng höôûng (hình V.3.5).

Moät nhaän xeùt quan troïng laø caùc transistor luùc naøy ñöôïc taét khi doøng vaø aùp ñeàu baèng khoâng, toån hao ñoùng ngaét coù theå xem nhö baèng khoâng. Ñaây cuõng laø moät öu ñieåm khi duøng transistor cho NL nguoàn aùp.

Hình V.3.5: Caùc daïng aùp cuûa sô ñoà hình V.3.2c khi L beù

* Khi L coù trò soá quaù lôùn, phaàn xung doøng ngöôïc giaûm nhöng do coù leäch pha giöõa iL vaø vC, coâng suaát khoâng taêng nhö döï ñònh (hình V.3.6).

Hình V.3.6: Caùc daïng aùp cuûa sô ñoà hình V.3.2c khi L lôùn

3. Maïch dao ñoäng hình sin coâng suaát :

Caùc sô ñoà dao ñoäng duøng ñeøn ñieän töû cho nung noùng caûm öùng ñöôïc phaùt trieån töø laâu, khi xuaát hieän caùc ñeøn ba cöïc coâng suaát. Ñoù laø caùc maïch dao ñoäng LC ba ñieåm nhö Colpitts (hai tuï ñieän), Harley(hai töï caûm) nhö hình V.3.7 sau.

Phaàn töû taùc ñoäng (Triode) ñöôïc phaân cöïc ôû lôùp C ñeå naâng cao hieäu suaát cuûa maïch. Khi khôûi ñoäng, ñieän theá cöïc coång baèng khoâng neân ñeøn seõ daãn ñieän. Tuï noái taàng C2 phoùng ñieän seõ laøm cho

L1 C2

+ −


maïch coäng höôûng dao ñoäng vaø maïch phaân cöïc töï ñoäng L2,R1 seõ laø cho triode tieán daàn qua vuøng khoùa. Töø ñoù, triode chæ chuyeån sang traïng thaùi daãn ñieän khi aùp anode laø beù nhaát. Nhôø

Hình V.3.7: Dao ñoäng coâng suaát duøng ñeøn ba cöïc (triode)

ñoù, toån hao seõ laø beù nhaát. Moät bieán aùp ngoû ra duøng ñeå ñieàu hôïp toång trôû giöõa voøng caûm öùng vaø maïch dao ñoäng. Ngöôøi ta chænh phaân cöïc cho ñeøn baèng toå hôïp C4, L2, R1 (tinh chænh baèng R1). Taàn soá dao ñoäng ñöôïc ñieàu khieån baèng caùch thay ñoåi tuï dao ñoäng C3, cuoän daây phaûn hoài L5 vaø maïch phaân cöïc.

Coâng suaát dao ñoäng ñöôïc ñieàu khieån baèng caùch thay ñoåi aùp nguoàn moät chieàu. Vì triode laøm vieäc ôû ñieän aùp treân döôùi 10 KV, ngaøy nay ngöôøi ta thöôøng duøng boä bieán ñoåi aùp AC ñeà ñieàn khieån aùp sô caáp bieán aùp taêng aùp + chænh döu diode baùn daãn ôû thöù caáp thay cho chænh löu duøng thyratron coàng keành, hieäu suaát keùm.

Töø laâu, ngöôøi ta ñaõ chuyeån caùc sô ñoà dao ñoäng duøng ñeøn qua baùn daãn. Maïch dao ñoäng cuõng coù daïng töông töï vôùi khi duøng ñeøn, vôùi öu ñieåm laø maïch ñieän raát ñôn giaûn, hieäu quaû nhöng nhöôïc ñieåm laø hieäu suaát keùm hôn caùc maïch duøng ngaét ñieän (coøn goïi laø khueách ñaïi lôùp D). Do ñoù caùc sô ñoà duøng maïch dao ñoäng thöôøng duøng khi coâng suaát beù hay taàn soá raát cao, luùc caùc maïch phaùt xung khoâng kieåm soaùt toát hoïat ñoäng cuûa BBÑ.

BAØI ÑOÏC THEÂM VEÀ CAÙC PHÖÔNG PHAÙP NUNG NOÙNG KHAÙC: Other electric heating method

• Resistance heating

This is the method which heats by joule calorie which is generated by currency within resistance. And direct one is the method which heats work with electric conductivity by inputting curenncy.On the other side, indirect one is the method which uses resistance and heats work through it in directly by radiation, convection and conduction.

• Dielectric heating and microwave heating

It is the method which heats non-electric conductivity works in alternative electrical fields. And especially, dielectric heating method which uses quite high frequency is called microwave heating.

• Infrared heating

This is the method which uses radiation of infrared. Infrared valve and other resistance heat is applied as heat source, so this method is a kind of resistance heating. Infrared heating use heat radiation radiation.

• Arc heating and plasma heating

This is the method which uses heat generated by arc. Direct one uses work material as electrode. And indirect one heat with arc heat by radiation, convection and conduction.


• Electron beam heating and ion beam heating

This is the method which uses electrum beam. The work is in vacuum and gets quite high power density through electron lens.

• Laser heating

This is the method which use laser. The heating work is in air, and gets quite high power density through optical lens.

The comparison between induction heating and other method

• The comparison with resistance heating

1. The resistance heating must have much loss and low efficiency because it has much heat capacity.

2. The resistance heating cannot heat up to temperature more than limit of material of resistance.

3. The power density of resistance heating is much lower than induction heating(maximam 20W/cm2 for resistance heating). Therefore heating speed of resistance heating is slow and failure on heat conduction on resistance (ex in vacuum) induce over-heat.

4. The price of resistance heater is very cheap.

• The comparison with dielectric heating and microwave heating

The work applied for dielectric heating cannot be suit for induction heating. So generally both seeds cannot be compared each other.

• The comparison with infrared heating

1. The infrared heating must have much loss and low efficiency because it has much heat capacity.

2. The infrared heating cannot heat up to temperature more than limit of infrared heater.

3. The power density of infrared heating is much lower than induction heating. Therefore heating speed of infrared heating is slow and depends on emissivity of the surface of work.

4. The price of infrared heater is very cheap.

• The comparison with arc heating

1. The arc heating is mainly used for melting of iron, and induction heating is used for melting of other metal.

2. The initial cost of arc furnace is relatively cheap because it uses line frequency, and it is used for large plants. On the other hand the cost of induction heating furnace is expensive if it use high frequency invertors.

• The comparison with electron , ion and laser beam heating

1. The electron beam heating is used for very special field of melting and bonding. The electron beam has quite high power density and the quality of bonding is very good because it doesn't have few heat affected zone.

2. The production rate of electrum beam is not good for industrial usage.

Documents

mientayvn.com li/Tai_lieu/Tai_lieu_ly_moi_1... · Trang 1/ chuong 1.doc Daøn baøi Ñieän töû coâng suaát II A Moân hoïc ÑIEÄN TÖÛ COÂNG SUAÁT II A THIEÁT KEÁ - ÑIEÀU