Bài giảng Điện tử công suất và ứng dụng - Chương 6: Bộ nguồn bán dẫn một chiều
Tóm tắt Bài giảng Điện tử công suất và ứng dụng - Chương 6: Bộ nguồn bán dẫn một chiều: ...taûi lôùn (haøng nghìn A): ¾ AÙp ra lôùn (chuïc nghìn V), doøng ra beù (chuïc A) 7/23 ch6 BN DC /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi b. Tính toaùn ñieän aùp (thöù caáp bieán aùp) vaø goùc kích SCR: • aùp ngoû ra phuï thuoäc aùp cung caáp vaø goùc kích SCR • Suït aùp trong maïch bao go...öu D --> loïc] --> BBÑ 11/23 ch6 BN DC /ÑTCS&ÖD Ñöôïc pheùp mang vaøo phoøng thi 4. [Chænh löu D -> loïc] -> BBÑ -> Bieán aùp taàn soá cao -> Chænh löu D 2. Caáp ñieän ñoùng ngaét (boä nguoàn xung) söû duïng nghòch löu: V S1 + _ S2 D1 D2 C1 C2 T1 T1 L1 C3 maïch ...øng thi Heä thoáng ñieàu khieån bao goàm: - ñoái töôïng ñieàu khieån: nhieàu khoái quaùn tính noái tieáp P1, P2, coù ngoû ra laø nhöõng thoâng soá x1, x2, caàn ñieàu khieån. - Caùc boä ñieàu khieån hay hieäu chænh (HC) noái tieáp ÑKx1, ÑKx2, coù ngoû ra baõo hoøa taïo thaønh nhieàu voøn...
Slides ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi CHƯƠNG 6 BỘ NGUỒN BÁN DẪN MỘT CHIỀU 6.1 BBĐ và Bộ nguồn bán dẫn 6.1 Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu 6.2 Bộ nguồn xung 6.2.1 Sơ đồ bộ nguồn xung dùng nghịch lưu 6.2.2 Sơ đồ bộ nguồn xung flyback 6.2.3 Điều khiển bộ nguồn xung. 6.3 Sơ đồ điều khiển vòng kín BBĐ: Đọc thêm 6 tiết, bài tập 2 2/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi BBĐ VÀ BỘ NGUỒN BÁN DẪN: Bộ nguồn bán dẫn ≡ BBĐ nhưng đứng trên quan điểm sử dụng SƠ ĐỒ KHỐI: - Mạch công suất: bộ lọc đầu vào, bộ biến đổi (mạch điện tử công suất) và bộ lọc ngỏ ra. - Khối đo lường - Mạch phát xung, điều khiển vòng kín và bảo vệ. BÀI TOÁN THIẾT KẾ: - Hai phương án: tải tổng quát hay tải cụ thể (ví dụ động cơ) . Tải Lọc đầu vào (*) Phản hồi Đặt Lọc đầu ra (*) Bộ Biến đổi Mạch Phát xung Điều khiển vòng kín (*) Lưới Bảo vệ khối có dấu (*) là có thể không cần - Điều khiển ngỏ ra, hạn chế dòng/áp. - Hạn chế nhiễu: ngỏ vào, ngỏ ra, vô tuyến. - Bài toán khởi động / dừng (soft start). 3/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi VI.1 BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU BÁN DẪN: Là bộ nguồn cung cấp điện một chiều Có cấu trúc giống nhau cho các loại tải 2. Phân loại bộ nguồn một chiều: - Theo bộ biến đổi: Bộ nguồn một chiều dùng BBĐ điều khiển pha: 1. (Biến áp) --> Chỉnh lưu (điều khiển pha) 2. BBĐ áp AC --> Biến áp tần số lưới--> Chỉnh lưu D Còn gọi là bộ nguồn chỉnh lưu, trong đó ( ) là khối có thể không cần Bộ nguồn một chiều dùng BBĐ áp một chiều: 3. [Biến áp --> Chỉnh lưu D --> lọc] --> BBĐ 4. [Chỉnh lưu D -> lọc] -> BBĐ -> Biến áp tần số cao -> Chỉnh lưu D Khi dùng nguồn một chiều, các khối [ ] không có. 4/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Còn gọi là bộ nguồn xung hay cấp điện đóng ngắt (switching power supply) So sánh hai loại: Nhóm Ưu Nhược Điều khiển pha công suất lớn (MW) tần số đóng ngắt bé (tần số lưới) => mạch lọc ngỏ ra có trị số lớn BBĐ áp một chiều Tần số làm việc cao nên ảnh hưởng hài bậc cao nhỏ công suất đến 100kw nếu dùng transistor - Phân loại theo dạng tải: động cơ một chiều, tải điện hóa, điện công nghệ, các mạch điện tử . Có thể chia làm hai nhóm: • tải áp: Tải cần áp ra phẳng, tiêu biểu là thiết bị điện tử. • tải dòng: gồm các tải còn lại - không cần áp ra phẳng. - Yêu cầu cách ly nguồn – tải khi dùng điện lưới: Sử dụng biến áp (ghép bằng từ trường). 5/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Ví dụ bộ nguồn DC: VI.2 BỘ NGUỒN CHỈNH LƯU: 1. Các bước thiết kế bộ nguồn bán dẫn: - Thiết kế sơ bộ mạch động lực: yêu cầu => sơ đồ => tính chọn gần đúng các thông số mạch động lực. - Tính toán chính xác để kiểm tra sơ đồ đã chọn: Dùng giải tích – mô phỏng – thực nghiệm trên mô hình thu nhỏ. Có thể thực hiện nhiều thiết kế sơ bộ và sẽ chọn ra thiết kế tối ưu - Tính toán hệ thống điều khiển và bảo vệ, lập bản vẽ lắp đặt và xây dựng quy trình thi công, thử nghiệm, hiệu chỉnh. 2. Thiết kế sơ bộ chỉnh lưu điều khiển pha (ĐKP): Gồm các bước sau: - Chọn sơ đồ chỉnh lưu - Tính toán chế độ hoạt động: điện áp (thứ cấp biến áp) và góc kích SCR - Tính chọn chỉnh lưu và biến áp 6/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi - Tính chọn mạch lọc ngỏ ra a. Chọn sơ đồ chỉnh lưu: xem xét các yếu tố • Có sử dụng biến áp (BA) hay không: • Một pha hay nhiều pha: • Sơ đồ tia hay cầu: Cầu điều khiển hoàn toàn (SCR) hay không hoàn toàn (SCR + D): • Sử dụng các sơ đồ đặc biệt: - nối tiếp, song song các bộ chỉnh lưu: - Sơ đồ 6 pha có kháng cân bằng - Sử dụng BBĐ áp AC ở phiá sơ cấp biến áp và dùng chỉnh lưu diod ở thứ cấp: ¾ Áp ra bé (chục V) và dòng tải lớn (hàng nghìn A): ¾ Áp ra lớn (chục nghìn V), dòng ra bé (chục A) 7/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi b. Tính toán điện áp (thứ cấp biến áp) và góc kích SCR: • áp ngỏ ra phụ thuộc áp cung cấp và góc kích SCR • Sụt áp trong mạch bao gồm: - Sụt áp trên chỉnh lưu: 1 V/ Diod và 2 V / SCR - Sụt áp do chuyển mạch khi dòng liên tục. - Sụt áp nguồn hay biến áp Khi tính toán sơ bộ, sụt áp tổng cộng 15% - 20%, góc kích SCR tối thiểu là 10 – 15o. Nếu sơ đồ không dùng biến áp: góc điều khiển pha tối thiểu αmin < (40 - 50O) Góc kích tối đa: Thường chọn khoảng 150 O Ví dụ 1: Chọn sơ đồ và tính thông sớ cơ bản của bộ chỉnh lưu 220VDC/100A dòng cho điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập, lưới công nghiệp 380VAC ba pha. 8/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi c. Tính chọn chỉnh lưu và biến áp: - Định mức áp chỉnh lưu: giá trị max của áp dây. - Định mức dòng chỉnh lưu và dòng qua BA (nếu có): Để tính dòng, cần chọn dạng dòng theo loại tải nhằm nâng cao độ chính xác cho thiết kế sơ bộ. Ví dụ tính toán: 1. Thiết kế bộ chỉnh lưu cho điều khiển động cơ DC kích từ độc lập 400 V/ 200A từ lưới điện 3 pha 380V (áp dây): chọn sơ đồ, tính toán các thông số hoạt động của bộ chỉnh lưu điều khiển pha, tính dòng trung bình, áp ngược cực đại SCR, dòng hiệu dụng qua các phần tử mạch khác. 2. Thiết kế bộ chỉnh lưu cho điều khiển động cơ DC kích từ độc lập 180 V/ 20A từ lưới điện công nghiệp 220V/380V: 9/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi d. Tính chọn mạch lọc ngỏ ra: Một số bộ nguồn một chiều có mạch lọc: - Bộ cấp điện cho các mạch điện tử : lọc LC hình Γ. - Các bộ nạp accu công suất lớn lọc L nối tiếp. - Một số trường hợp bộ nguồn xi mạ kim loại có lọc LC. 3. Điều khiển bộ nguồn chỉnh lưu: Bao gồm: - Mạch phát xung + giới hạn góc kích max/min + định góc kích ban đầu (150o nếu làm việc 1 cực tính) - Khối bảo vệ: dòng / áp (vào – ra) - Khối điều khiển vòng kín 10/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi VI.3 BỘ NGUỒN XUNG (SWITCHING POWER SUPPLY): 1. Sơ đồ ổn áp đóng ngắt thay thế ổn áp tuyến tính: Mạch ổn áp đóng ngắt có những đặc điểm: - Ưu: hiệu suất cao, giảm được kích thước tản nhiệt và giá thành. - Nhược: có nhấp nhô áp ra. oV V Điều khiển oI ΔV + _ Q1 Tải Hình VI.3.1 Ổn áp tuyến tính i v V o o Io C S1 D1 + _ L Hình VI.3.2 Ổn áp đóng ngắt bộ nguồn xung = chỉnh lưu diod đầu vào + ổn áp đóng ngắt. Sơ đồ khối: 3. [Biến áp --> Chỉnh lưu D --> lọc] --> BBĐ 11/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 4. [Chỉnh lưu D -> lọc] -> BBĐ -> Biến áp tần số cao -> Chỉnh lưu D 2. Cấp điện đóng ngắt (bộ nguồn xung) sử dụng nghịch lưu: V S1 + _ S2 D1 D2 C1 C2 T1 T1 L1 C3 mạch động lực Uđk u ĐB S1 S2 Dao động tam giác 1 2 3 4 5 6 2 CLK Q - Q mạch điều khiển điều rộng xung dẩy kéo 12/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Ví dụ tính toán: Tính toán mạch động lực bộnguồn xung: ngỏ ra 5V/20 A, ngỏ vào 260 VDC. V S1 + _ S2 D1 D2 C1 C2 T1 T1 L1 C3 oI Thứ cấp biến áp sau chỉnh lưu áp Sơ cấp biến áp vo io - Chọn tần số ngỏ ra 20 Khz, độ rộng xung tương đối α = ton/T= 0.5. => biên độ sau chỉnh lưu 5/0.5 = 10 V. => biên độ thứ cấp: 10 + 0.6 = 10.6 V; tỉ số biến áp: 260 / (2 * 10.6) = 12.3. - trị trung bình dòng qua L1 (chính là dòng tải Io) = 20 A. - dòng trung bình qua D: kat. Io = 1.5 * 20 = 30 A; - áp qua D > 10 V: chọn 25 V, loại diod: Schotky. - Dòng hiệu dụng thứ cấp 20 / 2 14 A= ; sơ cấp: 14 / 12.3 = 1.2 A 13/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Chọn ngắt điện nghịch lưu: theo biên độ dòng qua nó, bằng 20 /12.3 = 1,6 A Chọn transistor đóng ngắt công suất, dòng định mức 5 A / 600 V. 5. Sơ đồ bộ nguồn xung Flyback dùng 38xx: 14/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi 6. Sơ đồ bảo vệ quá áp cho ngắt điện trong bộ nguồn xung Flyback: R Q v D V D C C Tv Q on v C Q off D t v 2V V Bài tập: Từ mô tả hoạt động của bộ bảo vệ xung áp, biện luận sự ảnh hưởng lên điện áp vD lúc Q khóa của việc thay đổi giá trị điện trở R. 7. Sơ đồ bộ nguồn xung dùng BBĐ áp một chiều loại Forward: 15/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Bài tập: Vẽ dạng dòng áp trên các phần tử mạch điện hình VI.3.4 bên, hãy cho biết nguyên lý để chọn số vòng cuộn dây trả năng lượng V+ T1 Q L1 D2 D1 C1 VI.4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU: 1. Bài toán điều khiển bộ biến đổi (BBĐ): - đảm bảo chất lượng ngỏ ra trong chế độ tĩnh (xác lập) và động (quá độ) - Hạn chế dòng điện qua BBĐ. - Điều khiển quá trình khởi động và dừng BBĐ (soft start/stop): => Sử dụng hệ thống điều khiển (HTĐK) nhiều vòng (điều khiển trạng thái hay tọa độ) 16/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Bộ nguồn: Ổn áp hạn dòng Nạp accu: Ổn dòng hạn áp I U U I lv gh 2. HTĐK tọa độ: + P2 _ PID ĐKx1 x2 PID x1 P1 Đối tượng + phản hồi _ ĐKx2 đặt1 đặt2 17/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Hệ thống điều khiển bao gồm: - đối tượng điều khiển: nhiều khối quán tính nối tiếp P1, P2, có ngỏ ra là những thông số x1, x2, cần điều khiển. - Các bộ điều khiển hay hiệu chỉnh (HC) nối tiếp ĐKx1, ĐKx2, có ngỏ ra bão hòa tạo thành nhiều vòng phản hồi âm. Bình thường, ĐKx2 xác định ngỏ ra HT là x2 theo đặt2. Khi nó bão hòa, ĐKx1 sẽ giữ ngỏ ra tương ứng (là x1) ở giá trị mong muốn là mức bão hòa của ĐKx2. Ví dụ 1: Với bộ nguồn một chiều: Vòng ngoài là điều khiển điện áp x2 = U, vòng trong là điều khiển dòng điện x1 = I. Bộ nguồn: Ổn áp hạn dòng Nạp accu: Ổn dòng hạn áp I U U I lv gh 18/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi + P2 _ PID ĐKx1 x2 PID x1 P1 Đối tượng + phản hồi _ ĐKx2 đặt1 đặt2 Quan sát: Hai bộ nguồn ổn áp có hạn dòng (bộ cấp điện ổn áp) và ổn dòng có giới hạn áp (bộ nạp accu) có cùng sơ đồ điều khiển, chỉ khác cách vận hành. Ví dụ 2: HT điều khiển nhiệt Ví dụ 3: HT truyền động điện 3. Hiệu chỉnh HT hệ thống điều khiển tọa độ: a. Nguyên lý hiệu chỉnh: 19/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi + P2_ PID ĐKx1 x2PID x1 P1 Đối tượng + phản hồi _ ĐKx2 đặt1 đặt2 Đối tượng công nghiệp: 1 . ( 1)= = +∏n ii KW s T s (khối quán tính ) => sử dụng hiệu chỉnh PID. ( 1)( 1)/ a bp i d i T s T sHC K K s K s T s + += + + = - hiệu chỉnh PID lần lượt các vòng từ trong ra ngoài - Các vòng trong không được phép hiệu chỉnh thành đặc tính có dao động nếu dùng PP khử cực – zero. b. Hiệu chỉnh PID (vi tích phân tỉ lệ): có dạng: Ki: khác zero làm cho HT vô sai, quá bé kéo dài thời gian xác lập, 20/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi ( 1)( 1)/ a bp i d i T s T sHC K K s K s T s + += + + = tăng cao gây dao động. Kp: quyết định sai số HT khi Ki = 0, cùng với Kd chỉnh định chất lượng động học HT. Khi cho các hệ số bằng 0, ta nhận được các sơ đồ điều khiển P, PD, I, PI: Hiệu chỉnh P 1= =p i HC K T Hiệu chỉnh I 1/= =i i HC K s T s Hiệu chỉnh PD ( 1)+= + = ap d i T sHC K K s T hiệu chỉnh PI ( 1)/ += + = ap i i T sHC K K s T s Hiệu chỉnh PI dùng cho các HT có mức nhiễu lớn. Bài tập: chứng minh có thể ổn định đối tượng có hàm truyền 1 . ( 1)= = +∏n ii KW s T s bằng bộ hiệu chỉnh PID bất chấp bậc n của mẫu số Ví dụ ứng dụng hiệu chỉnh PI mạch điện tử: MẠCH TẠO HÀM DỐC Thiết kế mạch PI dùng OPAM: 21/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi R1 D1 R3 Vo U1 7 3 2 4 6 U2 7 3 2 4 6 R4 V POT1 0.01uF 10k POT2 --V C1 wđ wđ 0 tkđ t Hình 5 : tín hiệu đặt hàm RAMP VR1 Uđặt R1 R2 1/sC -Ufhồi U3B 5 6 7 T4 1 2 =>Uđặt = Ufhồi R R= bộ nguồn xung Flyback dùng 38xx c. Các bước để tìm thông số PID thực nghiệm: 22/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi bước 1: Cho Ki, Kd = 0, tăng dần Kp đến khi HT gần có dao động bước 2: tăng Ki đến khi HT có đáp ứng dao động bước 3: tăng Kd (nếu có sử dụng) và/hay tinh chỉnh Kp, Ki (nếu cần) để HT có đáp ứng mong muốn. d. Ý nghiã thực tiễn của hiệu chỉnh tọa độ: - Các máy móc công nghiệp (thường là các khối quán tính nối tiếp) chỉ cần hiệu chỉnh PID. - Bộ hiệu chỉnh PID có sẵn trong các bộ biến đổi hay điều khiển công nghiệp, chỉ cần chỉnh thông số (bằng cách quan sát đáp ứng). - hiệu chỉnh tọa độ (nhiều vòng) cho phép điều khiển nhiều thông số của quá trình, đáp ứng yêu cầu của máy móc công nghiệp e. Bộ tạo hàm dốc (RAMP): 23/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD Được phép mang vào phòng thi Nguyên lý hoạt động: R1 D1 R3 Vo U1 7 3 2 4 6 U2 7 3 2 4 6 R4 V POT1 0.01uF 10k POT2 --V C1 wđ wđ 0 tkđ t Hình 5 : tín hiệu đặt hàm RAMP - luôn có trong các BBĐ, thực hiện chức năng soft start (khởi động mềm) - điều khiển quá trình khởi động - Chống vọt lố trong các HT điều khiển có tích phân.
File đính kèm:
- bai_giang_dien_tu_cong_suat_va_ung_dung_chuong_6_bo_nguon_ba.pdf