Trang chủ Diễn đàn Đại cương về thiết kế chức năng cho nghịch lưu bán dẫn điện áp sin

Đại cương về thiết kế chức năng cho nghịch lưu bán dẫn điện áp sin

Nguyễn Văn Thuấn
Học Viện KTQS


Các nghịch lưu bán dẫn có điện áp ra dạng sin khá phổ biến vì những ưu điểm của chúng... Để đơn giản, việc thiết kế nghịch lưu loại này có thể được chia thành hai bài toán hay hai phần: (1) phần thiết kế chức năng, và (2) phần thiết kế động học. Nội dung bài báo này đề cập đại cương về bài toán thứ nhất và đồng thời đặt vấn đề cho bài toán thứ hai. Bằng cách nhìn nhận bài toán một cách đại cương và cố gắng giải nó theo một cách rất tự nhiên tác giả muốn góp phần “gỡ rối”, và do đó khích lệ được nhiệt tình cho nhóm bạn đọc “mới làm quen với” hoặc “muốn bắt đầu” thiết kế và chế tạo các nghịch lưu nói trên.
Nghịch lưu điện áp sin hiện nay chủ yếu được xây dựng trên cơ sở các tranzistơ công suất (trường-MOSFET hoặc lưỡng cực cửa cách ly-IGBT), và làm việc theo nguyên lý điều chế sin bề rộng xung. Để ổn định giá trị và đạt được dạng sin cho điện áp ra đối với các tải chưa biết trước (cả về giá trị và cả về tính chất), nghịch lưu loại này thường được điều khiển theo nguyên lý bám. Theo đó trị tức thời của điện áp ra tự động bám theo trị tức thời của điện áp đặt. Vì điện áp đặt có dạng sin [uđ = Uđmsin (wt)] nên điện áp ra cũng có dạng sin cùng tần số và biên độ tỷ lệ với biên độ điện áp đặt [ura = kmUđm sin (wt)]. Sơ đồ khối chức năng dạng đơn giản của nghịch lưu loại này có dạng trong hình 1. Trong đó: (1) CM - khối chuyển mạch, (2) BA- máy biến áp (nếu cần), và (3) LC - bộ lọc, (4) PWM - bộ điều chế, (5) PID - bộ điều chỉnh, (6) TM - bộ trích mẫu.
Về chức năng nghịch lưu là một thiết bị biến đổi điện áp một chiều (U0) thành điện áp xoay chiều (ura), về tính chất làm việc thì nghịch lưu lại là một hệ thống điều chỉnh tự động. Do đó nghịch lưu đồng thời phải thoả mãn các yêu cầu theo chức năng và các yêu cầu theo hệ thống điều chỉnh tự động. Theo cách nhìn nhận như thế thiết kế nghịch lưu có thể được chia thành hai phần, phần thiết kế chức năng và phần thiết kế động học. Nhiệm vụ của phần thứ nhất là tìm ra được một sơ đồ mạch điện hợp lý và các tham số của các phần tử tạo nên mạch điện đó để thực hiện được việc biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều mong muốn. Nhiệm vụ của phần thứ hai là phân tích, đánh giá sơ đồ nhận được ở phần thứ nhất theo yêu cầu của hệ thống điều chỉnh tự động và bổ sung thêm các phần tử cần thiết để đạt được các yêu cầu của hệ thống điều chỉnh tự động.
Phần thiết kế chức năng được thực hiện trên cơ sở nguyên lý làm việc, các điều kiện ban đầu và yêu cầu của điện áp ra ở chế độ xác lập. Kết quả của phần thiết kế này là một sơ đồ mạch điện đủ để thực hiện chức năng biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều. Đối với nghịch lưu có sơ đồ trong hình 1 phần thiết kế chức năng được thực hiện theo các bước, có tính chất tự nhiên, như trình bày sau đây.
Đầu tiên, theo theo nguyên lý làm việc chúng ta đề xuất một sơ đồ gồm các khối chức năng (tối thiểu theo nguyên lý làm việc) trong hình 2. Để tiện trình bày ta gọi nghịch lưu này là nghịch lưu chức năng.

 

So sánh hai hình 1 và 2 sẽ thấy nghịch lưu chức năng chính là nghịch lưu hoàn thiện chưa có bộ điều chỉnh, hay nghịch lưu hoàn thiện có bộ điều chỉnh với hàm truyền đơn vị. Nói cách khác nghịch lưu chức năng, nhận được sau giai đoạn thiết kế chức năng, tương đương với nghịch lưu có bộ điều chỉnh với hàm truyền đơn vị.
Tiếp theo của thiết kế chức năng là xác định cấu trúc mạch và tham số phần tử của các khối chức năng. Giả sử đã có những kết quả này, và chúng ta sẽ trở lại việc này ở phần sau, và thực hiện ráp nghịch lưu theo sơ đồ trong hình 2 thì nghịch lưu sẽ làm việc như thế nào? Và tại sao lại phải thực hiện phần việc thứ hai, phần thiết kế động học? Hai câu hỏi này có thể được trả lời trên cơ sơ những gợi ý đưới đây.
Lý thuyết cũng như thực tế cho thấy rằng nghịch lưu chức năng, sau khi được lắp ráp, thường là thực hiện được chức năng biến điện áp một chiều (U0) thành điện áp xoay chiều ra, nhưng điện áp ra của nó thì chưa đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật mong muốn. Ví dụ như điện áp có thể thay đổi (hay không ổn định) khi tải hoặc nguồn thay đổi, hoặc có thể chưa có được dạng sin mong muốn, thậm chí có thể dao động. Để có được chất lượng điện áp ra mong muốn, hay khắc phục được những nhược điểm nêu trên, chúng không điều chỉnh lại các kết quả thiết kế vừa nhận được mà làm theo cách các nhà khoa học về lý thuyết điều chỉnh tự động đã đề xuất. Một trong những cách đó là đưa thêm vào một phần tử chức năng mới, có cấu trúc và tham số phù hợp, để bổ sung cho kết quả đã nhận được. Phần tử chức năng mới, được đưa thêm vào, chính là bộ điều chỉnh, và tìm ra được phần tử này là nhiệm vụ của phần thiết kế động học.
Để bổ sung một cách hợp lý chúng ta biết những gì đã có, vì thế việc đầu tiên của thiết kế động học là đánh giá tính chất động học của các phần tử, hay của nghịch lưu chức năng, đã thiết kế.
Để cụ thể mà không làm mất tính khái quát của cách đặt vấn đề chúng ta giả sử nghịch lưu cần thiết kế ở trên có: (1) điện áp vào một chiều U0 = 24V; điện áp ra dạng sin với (2) giá trị ổn định ở 220V từ không tải đến định mức bằng 500VA và (3) tần số bằng 50Hz. Để đơn giản, ở đây tạm bỏ qua một số chỉ tiêu chất lượng khác.
Đầu tiên chúng ta xét chọn bộ lọc. Vì tần số điều chế có thể cao nên bộ lọc thường có dạng LC đơn giản. Xuất phát từ chức năng loại bỏ những hài bậc cao không mong muốn ra khỏi thành phần của điện áp ra, bộ lọc được chọn theo tần số cộng hưởng ù0, ù0= (1/LC)1/2, tức là theo tích của chúng. Từ tích này muốn tìm ra các giá trị của L và C cần thiết ta cần thêm một số cơ sở nữa, ví dụ như tối ưu về kích thước, về chi phí, hoặc về tổn thất điện áp. Tuy nhiên cũng vì lí do đơn giản hóa nên chúng ta cũng bỏ qua vấn đề tối ưu này, và cuối cùng bộ lọc có dạng khâu bậc hai với tần số cộng hưởng ù0, và hàm truyền có dạng:

WLOC =1/(P2LC+1)
Tiếp theo chúng ta xét biến áp và bộ chuyển mạch. Hai khối này thường liên quan chặt chẽ với nhau nên sẽ xét chúng trong một thể thống nhất. Vì điện áp nguồn vào một chiều không cao, U0 = 24V, và thấp hơn điện áp ra rất nhiều, nên ta chọn chọn sơ đồ nghịch lưu với biến áp có điểm giữa (còn được gọi là nghịch lưu tia). Mặt khác vì công suất ra (500VA) không lớn, nên ta chọn tranzistơ trường (MOSFET) làm các phần tử chuyển mạch. Cuối cùng ta có sơ đồ bộ chuyển mạch cùng với biến áp trong hình 3. Đối với hai khối này tín hiệu vào là bề rộng, hay hệ số điều chế của các dãy xung, tín hiệu ra là điện áp thứ cấp của máy biến áp. Vì tần số làm việc không cao (50Hz) nên cả các chuyển mạch và cả máy biến áp được coi là những phần tử không quán tính. Điện áp tức thời ở cửa ra của máy biến áp mặc dù có dạng chùm xung chữ nhật nhưng có thể được coi như chỉ chứa hài cơ bản vì được điều chế với tần số cao và theo quy luật sin, trong đó trị hiệu dụng của hài này tỷ lệ với hệ số điều chế m, với điện áp nguồn U0, với cấu trúc bộ chuyển mạch (ksđ), và hệ số máy biến áp (kba), Uba=mksđkbaU0. Hệ số máy biến áp được xác định trên cơ sở những phân tích sau: Khi tải định mức để có điện áp ra bằng 220V nghịch lưu phải phát ra điện áp lớn nhất, ứng với hệ số điều chế bằng đơn vị, m=1. Khi đó điện áp đặt trên mỗi nửa cuộn dây sơ cấp (Usc) của máy biến áp chính là trị hiệu dụng của hài cơ bản do bộ chuyển mạch phát ra và được xác định theo biểu thức: Usc = ksđU0, đối với cấu trúc hay sơ đồ tia ksđ=0,7, do đó Usc = 0,7x24V 17V. Điện áp ra ở thứ cấp của máy biến áp được xá định theo điện áp vào này và theo sụt áp #U do bộ lọc gây nên. Tuy phụ thuộc vào cấu tạo cụ thể, và vào tương quan về giá trị giữa L và C, nhưng sụt áp này thường chiếm khoảng 10% giá trị điện áp ra. Giả sử ở đây chọn #U = 20V, thì Uba=220V+20V=240V. Cuối cùng hệ số biến áp, là tỷ số giữa điện áp thứ cấp và điện áp sơ cấp, là kba= 240/17 14. Cuối cùng ta có điện áp ra của khối điều chế - biến áp, là điện áp đưa đến cửa vào bộ lọc, 240V ứng với hệ số điều chế bằng đơn vị. Do đó hàm truyền sẽ là:
WLOC = 240
Tiếp theo nữa chúng ta xét bộ điều chế. Bộ này thực hiện biến điện áp điều khiển một chiều (ở đây là usl) thành bề rộng các dãy xung, tương ứng với hệ số điều chế m, bằng cách so sánh trị tức thời của điện áp điều khiển (usl) với trị tức thời của điện áp tựa răng cưa có biên độ không đổi. Bộ điều chế cũng được coi là khâu tỷ lệ không quán tính vì tính tác động nhanh của các phần tử điện tử. Khi điện điều khiển thay đổi từ 0 đến biên độ răng cưa (Urcm) thì hệ số điều chế m biến thiên tương ứng từ 0 đến 1, do đó hệ số truyền phụ thuộc biên độ điện áp tựa. Biên độ này do người thiết kế chọn chủ động, bằng 5V hoặc 10V nếu các phần tử logic đi kèm tương ứng là TTL hoặc CMOS. Giả sử ở đây Urcm = 5V, thì hệ số truyền của bộ điều chế, là tỷ số giữa m và usl, sẽ bằng kđc=m/uđk=1/5.
Cuối cùng ta xét bộ trích mẫu. Bộ này biến điện áp ra tức thời (ura) thành điện áp trích mẫu (utm) đưa đến bộ so sánh. Bộ trích mẫu thường được thực hiện bằng biến áp hoặc mạch phân áp điện trở, do đó cũng là khâu tỷ lệ tuyến tính. Giá trị cần có của điện áp trích mẫu phụ thuộc giá trị của điện áp đặt, và điện áp đặt cũng được chọn theo cơ sở chọn điện áp tựa, và giả sử ở đây ta cũng chọn bằng 5V. Trong quá trình làm việc điện áp ra, có trị hiệu dụng bằng 220V, được duy trì không đổi và điện áp trích mẫu bằng điện áp đặt. Vì biên độ của điện áp tích mẫu Utm = 5V, và biên độ điện áp ra Uram = 220x21/2 nên hệ số truyền của bộ trích mẫu, là tỷ số giữa trị tức thời của điện áp trích mẫu và trị tức thời của điện áp ra, là ktm = 5/220x21/2 = 0,016..
Đến đây chúng ta đã hoàn thành việc đánh giá tính chất động học các phần tử của thiết kế nhận được trong giai đoạn thứ nhất, giai đoạn thiết kế chức năng. Và từ các kết quả đó ta xây dựng được sơ đồ động học tương ứng, chúng ta gọi là sơ đồ động học của nghịch lưu chức năng trong hình 3, trong đó: WLOC, WBA, WCM, WPWM và Wtm tương ứng là hàm truyền của bộ lọc, của máy biến áp, của bộ chuyển mạch, của bộ điều chế, và của bộ trích mẫu. Trong hình 3 sự vắng mặt của bộ điều chỉnh ở đây được thay bằng bộ điều chỉnh có hàm truyền đơn vị, và hai điểm a và b được đưa thêm vào để tiện cho việc trình bày tiếp theo.
Từ sơ đồ động học vừa nhận được có thể rút ra một nhận xét rất lý thú và bổ ích. Giả sử bây giờ chúng ta cắt dây nối từ cửa ra của bộ trích mẫu đến bộ so sánh và tách thành hai điểm a và b thì hệ số truyền hở (kh) của nghịch lưu chức năng chính là tỷ số giữa utm và ua, và rõ ràng là hệ số này bằng đơn vị. Nếu vậy thì sai lệch, tương đương với lượng thay đổi, của điện áp ra là rất lớn. Lý thuyết điều chỉnh tự động chỉ ra điều này bằng một trong hai biểu thức quen thuộc sau:

Hai biểu thức trên cho thấy điện áp sai lệch và điện áp trích mẫu tương ứng của nghịch lưu chức năng, với k0 =1, có thể bằng một nửa điện áp đặt. Có nghĩa là điện áp ra có thể thay đổi từ 220V đến 110V mặc dù chúng ta đặt, hay muốn, nó ở 220V. Các biểu thức trên còn cho thấy muốn điện áp ra duy trì chính xác ở giá trị mong muốn, ở đây là 220V, thì phải tăng giá trị của k0. Nhưng k0 càng lớn thì một hiện tượng khác, không muong muốn, càng dễ xuất hiện. Đó là sự dao động, biểu hiện ở một số dạng khác nhau, của điện áp ra. Rắc rối hay mâu thuẫn này thường được vượt qua bằng cách thay bộ điều chỉnh có hàm truyền đơn vị bằng bộ điều chỉnh có hàm truyền hợp lý khác. Điều này cũng đồng nghĩa với việc thêm vào cho nghịch lưu chức năng một bộ điều chỉnh. Và tìm ra được bộ điều chỉnh hợp lý, trước hết là hàm truyền của nó, chính là công việc tiếp theo của phần thiết kế động học.

Số 102 (3/2009)♦Tự động hóa ngày nay

 

 

 

 


Tin mới hơn:
Tin cũ hơn:

 

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết




 



 

 

Mới cập nhật