Giao trinh bai tap ch7 p1 130925102022 phpapp02

Slides ĐTCS&ƯD

CHƯƠNG 6

Được phép mang vào phòng thi

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 nghòch 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.

Lọc
đầu vào
(*)

Lưới

Mạch
Phát xung

Điều khiển
vòng kín
(*)

BÀI TOÁN THIẾT KẾ:
- Hai phương án: tải tổng quát
hay tải cụ thể (ví dụ động cơ) .

Bộ
Biến đổi

Lọc
đầu ra
(*)

Tải

Bảo vệ
Phản hồi

Đặt

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

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)
VI.1 BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU BÁN DẪN:

So sánh hai loại:

Là bộ nguồn cung cấp điện một chiều

Nhóm

Ưu

Nhược

Có cấu trúc giống nhau cho các loại tải

Điều khiển pha

công suất lớn (MW)

tần số đóng ngắt bé (tần
số lưới) => mạch lọc ngỏ
ra có trò số lớn

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

3.

BBĐ áp
chiều

một Tần số làm việc cao nên công suất đến 100kw nếu
ảnh hưởng hài bậc cao nhỏ dùng transistor

- Phân loại theo dạng tải: động cơ một chiều, tải điện hóa, điện công
nghệ, các mạch điện tử .

Còn gọi là bộ nguồn chỉnh lưu, trong đó ( ) là khối có thể không cần

Có thể chia làm hai nhóm:

Bộ nguồn một chiều dùng BBĐ áp một chiều:

• tải áp: Tải cần áp ra phẳng, tiêu biểu là thiết bò điện tử.

[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.

• 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:

6/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD

a. Chọn sơ đồ chỉnh lưu: xem xét các yếu tố

1. Các bước thiết kế bộ nguồn bán dẫn:

• Có sử dụng biến áp (BA) hay không:

- Thiết kế sơ bộ mạch động lực:

• Một pha hay nhiều pha:

yêu cầu => sơ đồ => tính chọn gần đúng các thông số mạch động lực.

• Sơ đồ tia hay cầu:

- 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:

Được phép mang vào phòng thi

- Tính chọn mạch lọc ngỏ ra

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:

- Chọn sơ đồ chỉnh lưu

¾ Áp ra bé (chục V) và dòng tải lớn (hàng nghìn A):

- Tính toán chế độ hoạt động: điện áp (thứ cấp biến áp) và góc kích SCR

¾ Áp ra lớn (chục nghìn V), dòng ra bé (chục A)

- Tính chọn chỉnh lưu và biến áp


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:

8/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

c. Tính chọn chỉnh lưu và biến áp:

• áp ngỏ ra phụ thuộc áp cung cấp và góc kích SCR

- Đònh mức áp chỉnh lưu: giá trò max của áp dây.

• Sụt áp trong mạch bao gồm:

- Đònh mức dòng chỉnh lưu và dòng qua BA (nếu có):

- 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
- 50 )
O

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.

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:

10/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

VI.3 BỘ NGUỒN XUNG (SWITCHING POWER SUPPLY):

Một số bộ nguồn một chiều có mạch lọc:

1. Sơ đồ ổn áp đóng ngắt thay thế ổn áp tuyến tính:

- Bộ cấp điện cho các mạch điện tử : lọc LC hình Γ.

Mạch ổn áp đóng ngắt có những đặc điểm:

- Các bộ nạp accu công suất lớn lọc L nối tiếp.

- Ưu: hiệu suất cao, giảm được kích thước tản nhiệt và giá thành.

- Một số trường hợp bộ nguồn xi mạ kim loại có lọc LC.

- Nhược: có nhấp nhô áp ra.

3. Điều khiển bộ nguồn chỉnh lưu:

ΔV

Bao gồm:

+

- Mạch phát xung + giới hạn góc kích max/min

V

+ đònh góc kích ban đầu (150o nếu làm việc 1 cực tính)
- Khối bảo vệ: dòng / áp (vào – ra)
- Khối điều khiển vòng kín

_

S1

Io

Q1

Vo

Hình VI.3.1 Ổn áp tuyến tính

L

+

V
Điều khiển

i

o

Tải

D1

Io
v
o

_

C

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

12/23 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

Ví dụ tính toán: Tính toán mạch động lực bộnguồn xung: ngỏ ra 5V/20 A,
ngỏ vào 260 VDC.

2. Cấp điện đóng ngắt (bộ nguồn xung) sử dụng nghòch lưu:
T1

+
C1

S1

D1

C3

V

C2

S2

2

Q

1
3

S1

C1

2

k

-Q

L1
C3

V
6
5

v
o

S2

mạch điều khiển điều rộng xung dẩy kéo

Io

T1
_

mạch động lực

S1

D1

CLK

4

D2

áp Sơ cấp biến áp

T1

+

Dao động tam giác
u
ĐB

T1
_

L1

C2

S2

Thứ cấp biến áp
sau chỉnh lưu

io

D2

- 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.
- trò 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

14/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

Chọn ngắt điện nghòch lưu: theo biên độ dòng qua nó, bằng 20 /12.3 = 1,6 A
Chọn transistor đóng ngắt công suất, dòng đònh mức 5 A / 600 V.
5. Sơ đồ bộ nguồn xung Flyback dùng 38xx:

6. Sơ đồ bảo vệ quá áp cho ngắt điện trong bộ nguồn xung Flyback:

V

C

v
C

R
D

v
C

2V

v
D

T

v
D

V

Q
Q off

Q on

t

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 trò 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

T1

16/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

Bộ nguồn: Ổn áp hạn dòng

V+

D2

L1
C1

Nạp accu: Ổn dòng hạn áp

U
U

lv

Q
D1

I

gh

I

VI.4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN BỘ NGUỒN MỘT CHIỀU:
1. Bài toán điều khiển bộ biến đổi (BBĐ):
độ)

- đảm bảo chất lượng ngỏ ra trong chế độ tónh (xác lập) và động (quá
- 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)

2. HTĐK tọa độ:
đặt2

+
_

ĐKx2

PID

đặt1
+
_

Đối tượng

ĐKx1

PID

P1

x1

P2

phản hồi

x2


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 đònh ngỏ ra HT là x2 theo đặt2. Khi nó bão
hòa, ĐKx1 sẽ giữ ngỏ ra tương ứng (là x1) ở giá trò 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,

U

U

Nạp accu: Ổn dòng hạn áp

ĐKx2
đặt2
+
PID
_

Được phép mang vào phòng thi
đặt1
+
_

PID

gh

I

P1

x1

P2

x2

phản hồi

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:
I

Đối tượng

ĐKx1

lv

vòng trong là điều khiển dòng điện x1 = I.
Bộ nguồn: Ổn áp hạn dòng

18/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD

a. Nguyên lý hiệu chỉnh:


19/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD

đặt2
+
_

ĐKx2

Được phép mang vào phòng thi

đặt1
+
_

PID

Đối tượng

ĐKx1

PID

P1

x1

P2

x2

phản hồi

Đối tượng công nghiệp:
W=

K
s.∏ i =1 (Ti s + 1)
n

=> sử dụng hiệu chỉnh PID.

HC = K p + K i / s + K d s =

(khối quán tính )

20/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD

Khi cho các hệ số bằng 0, ta nhận được các sơ đồ điều khiển P, PD, I, PI:
Hiệu chỉnh P HC = K p =
Hiệu chỉnh PD

Hiệu chỉnh I

HC = K i / s =

hiệu chỉnh PI
HC = K p + K i / s =

1
Ti s

(Ta s + 1)
Ti s

Hiệu chỉnh PI dùng cho các HT có mức nhiễu lớn.

- hiệu chỉnh PID lần lượt các vòng từ trong ra ngoài

b. Hiệu chỉnh PID (vi tích phân tỉ lệ):
Ki: khác zero làm cho HT vô sai,
quá bé kéo dài thời gian xác lập,
có dạng:

1
Ti

(T s + 1)
HC = K p + K d s = a
Ti

(Ta s + 1)(Tb s + 1)
Ti s

- Các vòng trong không được phép hiệu chỉnh thành đặc tính có dao
động nếu dùng PP khử cực – zero.

Được phép mang vào phòng thi

(T s + 1)(Tb s + 1) tăng cao gây dao động.
HC = K p + K i / s + K d s = a
Kp: quyết đònh sai số HT khi Ki = 0,
Ti s
cùng với Kd chỉnh đònh chất lượng
động học HT.

Bài tập: chứng minh có thể ổn đònh đối tượng có hàm truyền
W=

K
s.∏ i =1 (Ti s + 1)
n

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

--V

R2

C1

4

R1

U1

2

-Ufhồi R1

6
3

POT2

Vo
R3

7
7

D1

1/s C

V

ặt

R1 = R2

VR1
T4

5
7
6

=>ặt = Ufhồi

U3B

3
6
2

U2

bộ nguồn xung Flyback dùng 38xx

10k

wđ

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.

tkđ

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.

wđ

0

Được phép mang vào phòng thi

bước 1: Cho Ki, Kd = 0, tăng dần Kp đến khi HT gần có dao động

R4

4

0.01uF

POT1

22/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD

t

Hình 5 : tín hiệu đặt hàm RAMP

- 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

c. Các bước để tìm thông số PID thực nghiệm:

e. Bộ tạo hàm dốc (RAMP):


23/23 ch6 BN DC /ĐTCS&ƯD

Được phép mang vào phòng thi

Nguyên lý hoạt động:
--V

wđ

C1

4

R1

U1

2

6
3

POT2

wđ

Vo
R3

7
7

D1

V

3
6
2

U2

0

tkđ

t

R4

4

0.01uF

POT1

10k

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.