Chuong2-Bao Ve Qua AP&Qua Dong

Chương 2: BẢO

VỆ QUÁ ÁP, QUÁ DÒNG

Các phần tử trong mạch công suất sử dụng dụng cụ bán dẫn như BJT, FET, Thyristor thường hay bị hỏng do các nguyên nhân quá áp,quá dòng. Để đảm bảo độ tin cậy trong hoạt động và bảo vệ hệ thống khỏi sự cố phải có mạch bảo vệ quá áp, quá dòng. Trong chương này, ta sẽ khảo sát các phương pháp bảo vệ quá áp quá dòng cho các phần tử công suất sử dụng cụ bán dẫn và các mạch bảo vệ quá áp quá dòng điện tử sử dụng trong công nghiệp. 2.1: Bảo vệ quá áp các phần p hần tử công suất: 2.1.1: Các điều điều kiện quá áp: Trong các mạch công suất, ngoài việc quá áp do nguồn cấp điện gây nên còn có các nguyên nhân quá áp khác do bản thân hoạt động của mạch như: giao hoán biến áp, tắt của phần tử công suất, giao hoán tải. 1- Giao hoán biến áp: là nguồn gây quá áp thường xảy ra đặc biệt khi mạch công suất chọn cấp nguồn bằng biến áp. Các quá trình quá độ xảy ra trên thứ cấp khi dòng sơ cấp bị ngắt hoặc đóng. Các quá độ xảy ra khi biến áp và tải bị ngắt nguồn cấp, do dòng từ hoá bên trong biến áp. Khi nguồn cấp cho biến áp,dòng từ hoá sẽ gây nên quá áp gấp đôi so với lúc xác lập. Điện dung ghép giữa sơ cấp và thứ cấp làm tăng quá áp thứ cấp nếu biến áp có tỉ số vòng hạ áp lớn. Quá áp do giao hoán biến áp được minh hoạ ở hình 2.1, 2.2 và 2.3 Ep SW mở

+ Ep

Im

Im

Es

SW mở

L

Es

quá độ điện áp

Tải

Hình 2.1: Quá độ điện áp do ngắt dòng từ hoá biến áp

Hình 2.2: Quá độ điện điện áp do nạp năng lượng sơ cấp biến áp. Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng 

1

Hình 2.3: Quá độ điện áp do nạp năng lượng biến áp hạ áp 2- Tắt phần tử công suất : bất cứ khi nào phần tử công suất tắt khi làm việc với dòng điện cao trong mạch điện cảm, sẽ có dòng ngược xuất hiện để xả điện tích tích trữ, gây nên điện áp cao trên cuộn dây. Điện áp này áp ngược lên phần tử công suất đang tắt và phản ánh lên phần tử công suất khác với cực tính ngược lại. (hình 2.4)

Hình 2.4: Quá độ áp do phục hồi ngược của SCR. 3- Giao hoán tải: xảy ra trong các mạch điện cảm được kết nối ở tải hay nguồn của mạch điện. Cầu chì nổ hoặc cầu chì bảo vệ thích hợp cho trường hợp này. Năng lượng tích trữ trong mạch điện cảm là E= ½ LI 2 , với I là dòng đang chảy qua , cần phải được tiêu tán trong các phần tử bảo vệ, để không gây ra quá áp. Nói chung, những dụng cụ hở mạch chậm tiêu tán năng lượng này chậm tạo ra hồ quang, và những sw tốc độ nhanh (cầu chì hay mạch bảo vệ) sẽ để lại phần lớn năng lượng này cho các phần tử khác hấp thụ. Điều kiện giao hoán tải chủ yếu phụ thuộc vào đặc tính hở mạch của sw. Hình 2.5 và hình 2.6 minh hoạ quá độ áp do giao hoán tải.

Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng 

2

Hình 2.5: Quá độ áp do mạch giao hoán tải cảm ở ngõ vào.

Hình 2.6: Quá độ áp do giao hoán tải Quá độ điện áp cũng xảy ra khi tải có mạch lọc LC (hình 2.7) và tải tái sinh (hình 2.8) như động cơ.

Hình 2.7: Quá độ áp do mạch lọc LC với tỷ lệ L/C cao Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng 

3

Hình 2.8: Quá áp do tải tái sinh

2.1.2 : Bảo vệ quá áp:  Để bảo vệ các phần tử công suất, phải có mạch bảo vệ quá áp cho từng phần tử.Trước tiên phải chọn linh kiện sao cho điện áp làm việc của nó phải gấp 1,5 ÷ 2 lần điện áp đỉnh làm việc bình thường. Các mạch bảo vệ thường sử dụng như: mạch Snubber, các linh kiện phi tuyến, mạch bảo vệ điện tử. 1- Mạch Snubber triệt dv/dt: ` Trong các mạch điện, mạch bảo vệ cần phải chống tốc độ biến thiên điện áp thuận dv/dt ngang qua các phần tử công suất, có thể gây hỏng linh kiện. Việc gây ra dv/dt có thể từ việc đóng nguồn ngoài hay bản thân hoạt động của mạch. Mạch Snubber bao gồm điện trở nối tiếp tụ điện và mắc song song với phần tử công suất như hình 2.9.Việc mắc song song C với phần tử công suất sẽ tạo một dòng điện C(dv/dt) qua tụ điện.Điện cảm L hạn dòng qua tụ C nên cũng hạn chế dv/dt, Ngoài ra L còn hạn chế tốc độ biến thiên dòng di/dt khi phần tử được kích dẫn.Mất mát do mạch Snubber rất bé có thể bỏ qua nhất là ở f cao. i(t) Dòng thyristor di/dt=E/L

I L

i(t)

0

t Dòng snubber 

+

E

+ -

V(t) -

T

R

V(t) IR

C

E 0

t

a) b) Hình 2.9: a) Mạch Snubber với SCR b) dạng sóng phục hồi ngược Trong hình 2.9a khi SCR T tắt xuất hiện xung dòng phục hồi ngược tăng đến giá trị đỉnh trong thời gian tắt. Nếu không có mạch RC, dòng phục hồi ngược bị ngắt trong mạch điện cảm sẽ tạo ra một quá độ điện áp L(di/dt) có thể làm hỏng phần tử công suất. Nếu nối mạch Snubber RC song song với phần tử công suất, dòng phục hồi ngược có thể đi qua mạch RC (hình 2.9b) Trên nhánh Snubber sẽ xuất hiện một dao động tắt dần tạo áp ngược áp trên phần tử công suất. Giá trị RC thích hợp sẽ hạn chế điện áp ngược và tốc độ biến thiên của nó. Khi SCR T dẫn, tụ snubber C xả dòng qua T và R chống tăng dòng di/ti tại thời điểm dẫn. Tuy nhiên khi T off, xuất hiện một điện áp thuận IR áp vào t. Điều này làm hạn chế việc giới hạn dv/dt của mạch snubber. Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng 

4

Hình 2.10 minh hoạ mạch snubber có cực tính. R 1 có giá trị bé để cải thiện khả năng bảo vệ dv/dt thuận, R 2 có giá trị lớn hơn để giới hạn dòng xả khi SCR dẫn. Trong các mạch cấp nguồn cho mạch công suất, mạch snubber thường được nối vào đường cấp nguồn AC hay thứ cấp biến áp để triệt các quá độ gây ra do bản thân mạch điện. Tuy nhiên mạch snubber chỉ có hiệu quả phần nào, để đạt hiệu quả cao hơn người ta sử dụng những phần tử phi tuyến triệt áp, các phần tử này có mất mát nhỏ hơn trong điều kiện làm việc Hình 2.10: Mạch snubber bình thường. có cực tính  Thiết kế mạch snubber cho mạch dc: Mạch snubber sử dụng trong mạch dc như hình 2.11. Trong thực tế nguồn dc được đóng ngắt cấp cho SCR T, và tốc độ biến thiên dv/dt phải dưới giá trị điện áp tự kích T dẫn. Khi S đóng, C xem như được ngắn mạch, SCR tắt xem như hở mạch. RL là điện trở tải và L là điện cảm nguồn, ta có:  E dc  ( R   R L ).i   L.di / dt 

Lời giải của phương trình trên: (2.1) i   I (1  e  t  /  )   Với :  I    E dc /( R  R L )  và     L /( R  R L ) t là thời gian đo từ lúc S đóng. Vi phân (2.1) theo t: di dt 

  I .e t  /     

 E dc  R  R L  E dc

1

Hình 2.11: Mạch snubber

   R  R L



e t /  

 L

et /  

 L

Giá trị di/dt max khi t=0: di dt 

hay

max 

 L 

 E dc

 L  E dc

 

( di / dt ) max

(2.2)  

(2.3)

 Điện áp trên SCR T: v   R.i dv di   R dt  dt   dv 

 di      R    dt  max  dt   max

Thay (2.2) vào ,ta được:  R 

 dv       E dc   dt   max  L

(2.4)

Các thông số L,R L,C được chọn sao cho mạch được đệm tới hạn. C phải tích điện đầy trong thời gian ngắn nhất. Từ đó, theo phân tích trên ta có : ( R   R L ) 2   R  R L  2

Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng 

4 L C 

 L C 

 

0

(2.5) 5

Sử dụng giá trị cho phép dv/dt và L, R L cho trước, ta có thể xác định được R và C từ (2.4) và (2.5) . Ví dụ 2.1: Mạch điện như hình 2.11.Điện áp cấp nguồn 400V,các thông số cho SCR (di/dt)max=50A/μs và (dv/dt) max=200V/μs.Tính L để đảm bảo di/dt và R,C mạch snubber. Giải: Tại thời điểm SW đóng,SCR chưa dẫn,C xem như ngắn mạch,áp trên SCR V AK áp toàn bộ trên R. Theo (2.3):

 L 

Theo (2.4):

 R 

 E dc ( di / dt ) max

400



50

 8 H 

8  200  dv      4  E dc   dt   max 400  L

Nếu giá trị R bé,năng lượng tiêu tan cao và dòng xả từ C vào SCR khi SCR dẫn sẽ cao! Giá trị R được chọn thường lớn hơn giá trị yêu cầu giới hạn dv/dt. Giá trị C được chọn đủ nhỏ để tránh gây quá dòng cho SCR khi xả dòng vào SCR. Thông thường người ta chọn giá trị tiêu biểu là R=10Ω,C=0,1μF. Nếu chọn R=10Ω,giá trị L sẽ tăng để đảm bảo dv/dt cho phép: Từ (2.4):  L 

 E dc  R ( dv / dt ) max



400  10 200

 20  H 

Giá trị L tính ở trên đủ để đảm bảo di/dt cho phép!  Thiết kế mạch snubber cho mạch ac . Các phương trình sau thường được sử dụng để tính toán: C   10

VA

60

2  s

 f  

V 

 

 

(2.6)

C: giá trị C min cần thiết (µF) VA: công suất biểu kiến biến áp Vs: điện áp hiệu dụng thứ cấp f: tần số làm việc  R  2 

 L C 

 

(2.7)

  :

hệ số đệm, thường lấy khoảng 0,65 R: điện trở đệm mạch snubber L: điệm cảm hiệu dụng C: điện dung min cần thiết mạch snubber Nếu cho giá trị max dv/dt, phương trình (2.6) có thể viết thành: 1  0,564 E m   C     2 L   dv / dt   

2

 

(2.8)

Em là điện áp đỉnh dây/dây. Ví dụ 2.2: Để bảo vệ dv/dt cho nhánh SCR trong mạch chỉnh lưu cầu 1 pha,tính mạch snubber.SCR có (dv/dt) max=50V/μs.Điện áp đỉnh AC ngõ va 380V và điện cảm nguồn 0,1mH. Giải: 2

 0,564  380 10 6   1  0,564 E m   1   0,092  F  C       2 L   dv / dt    2  104   50   2

Từ (2.8): Từ (2.7):

 R  2 

 L C 

 2  0,65

10 

4

0,092 10 6

 42,86

2- Dụng cụ phi tuyến triệt quá áp: Các dụng cụ phi tuyến triệt quá áp có dạng đặc tuyến như hình 2.12. Ở điều kiện bình thường, chỉ có một dòng điện bé qua nó.Nếu có đột biến điện áp, nó sẽ dẫn với dòng điện lớn Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng 

6

hơn rất nhiều lần và giới hạn hay kẹp điện áp ở một mức V z nào đó. Các loại dụng cụ này gồm: Varistor, diode selenium, diode zener (Avalanche).

Hình 2.12: Đặc tính dụng cụ phi tuyến triệt quá áp

Hình 2.13: Ký hiệu MOV

 Varistor hay MOV (Metal Oxide Varistor)

Nguyên lý làm việc là điện trở thay đổi theo điện áp. Khi điện áp dưới giá trị ngưỡng, giá trị điện trở rất lớn. Khi điện áp vượt qua giá trị ngưỡng, điện trở sẽ giảm nhanh và tạo dòng qua MOV tăng vọt lên dẫn đến hạn chế điện áp ngang qua nó. Đặc tính của varistor như đặc tính vùng phân cực nghịch của diode Zener nhưng làm việc ở cả hai chiều dòng điện.  Diode Selenium: Diode selenium(selen) là loại diode chỉnh lưu cao áp thường được dùng trước kia. Tiếp xúc kim loại – selen có điện áp nghịch rất cao .Diode selen làm việc như diode Zener như đặc tuyến hình 2.12, nó có khả năng triệt áp quá độ gấp 2 lần điện áp làm việc bình thường. Diode selenium có 2 loại: phân cực và không phân cực. Loại phân cực sử dụng trong mạch dc và loại không phân cực sử dụng trong mạch ac. Diode selen gồm từng cell ghép lại với nhau, mỗi cell chịu điện áp RMS bình thường 25V và điện áp ghim khoảng 72V.  Diode Zener:

Diode Zener cũng được sử dụng để triệt quá áp trong Hình 2.14 a) Diode selen phân cực những mạch dc. Nó có khả năng hấp thụ năng lượng lớn b) Diode selen không phân cực quá áp,tuy nhiên công suất tiêu tán tăng. Các dụng cụ phi tuyến có ưu điểm hơn mạch snubber ở chỗ không phụ thuộc vào giá trị điện cảm/dung trong mạch và triệt quá áp theo nguyên tắc ngắn mạch, khác với mạch snubber cho áp dao động tắt dần nên hiệu quả bảo vệ cao hơn. 3. Mạch bảo vệ quá áp: Nhờ vào đặc tính giao hoán nhanh của SCR, có thể sử dụng nó vào các mạch bảo vệ quá áp do nguồn cấp điện hoặc hoạt động giao hoán gây ra .SCR được nối song song với tải.Khi có điện áp vượt quá giá trị ấn định, SCR được kích dẫn tạo một dòng điện lớn từ nguồn đổ qua làm giảm điện áp ra tải. Hình 2.15 minh hoạ một dạng mạch bảo vệ quá áp sử dụng SCR. Vì nguồn cấp điện là xoay chiều nên có 2 SCR, 1 cho chiều dương và 1 cho chiều âm.Các mạch bảo vệ quá áp điện tử sẽ được phân tích ở phần sau. R1 hạn dòng ngắn mạch khi SCR dẫn. Dòng dẫn qua SCR đủ lớn để gây sụt áp trên tổng trở nguồn Z làm giảm điện áp ra tải . Diode Zener D Z nối tiếp R1, R 2 tạo mức ngưỡng nhận dạng quá áp. Khi điện áp AC in đủ cao gây ra quá áp, Dz dẫn.

Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng 

7

Hình 2.15: Mạch bảo vệ quá áp Trong kỳ bán dẫn dương ,T 1 phân cực thuận. Dòng kích cực G T 1 từ L → Z→R1→D1→DZ →R2→D3. Trong bán kỳ âm ,T 2 phân cực thuận. Dòng kích G T 2 từ N→D2→DZ→R2→D4.Khi điện áp vào giảm trở về giá trị an toàn, D Z off cắt dòng kích cực G các SCR, các SCR tắt, mạch trở về trạng thái bình thường. 2.1.3: Bố trí mạch bảo vệ quá áp: Trong thực tế, người ta thường bố trí các mạch bảo vệ quá áp ở các vị trí nguồn vào, phần tử công suất, ngõ ra tải. Chẳng hạn:  Mạch các dụng cụ phi tuyến triệt áp ở ngõ cấp nguồn vào để chống quá áp gây ra bởi biến áp , các điện cảm ngõ vào.  Các phần tử công suất đều phải có mạch snubber để chống dv/dt .  Mạch các dụng cụ phi tuyến triệt áp ở ngõ ra tải để chống quá áp gây ra do tải điện cảm. Hình 2.16 minh hoạ sơ đồ bố trí chống áp quá tải tiêu biểu.

Hình 2.16: Mạch bảo vệ quá áp tiêu biểu. 2.2: Bảo vệ quá dòng: 2.2.1: Các điều kiện quá dòng: Các trường hợp gây ra quá dòng: - Ngắn mạch ngõ ra - Sự cố trong mạch công suất - Sự cố trong chuyển đổi nhánh dẫn của phần tử công suất - Ngắn mạch giữa một pha và 1 nhánh cầu diode chỉnh lưu. 1- Ngắn mạch ngõ ra: Trong bất kỳ hệ thống nào, việc ngắn mạch ngõ ra sẽ làm dòng tải hay dòng qua các phần tử công suất tăng rất nhiều lần so với điều kiện bình thường. Dòng ngắn mạch lúc xác lập phụ thuộc vào tổng trở của mạch:  Điện áp hở mạch Dòng ngắn mạch xác lập = Tổng trở mạch Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng 

8

Trong các mạch giao hoán cầu hoặc đẩy kéo, việc ngắn mạch xuất hiện khi 1 phần tử chuyển từ dẫn sang tắt và 1 phần tử chuyển từ tắt sang dẫn.

Hình 2.17: Ngắn mạch ngõ ra do chuyển trang thái dẫn giữa các phần tử công suất. Trường hợp tải là động cơ cũng xảy ra ngắn mạch khi khởi động động cơ trong trường hợp động cơ có đứng yên (và nhất là khi động cơ có gắn tải). Lúc đó sức điện động cảm ứng và tổng trở tương đương của động cơ xem như bằng 0. 2- Sự cố trong mạch công suất: Sự cố xảy ra khi phần tử công suất dẫn sai, có thể do xung kích sai hoặc xuất hiện dv/dt vượt quá áp thuận cho phép, hoặc điện áp ngược cao quá mức cho phép. 3. Sự cố trong chuyển đổi nhánh dẫn của phần tử công suất: Sự cố này có đề cập ở hình 2.17, khi một nhánh chuyển từ dẫn sang tắt và một nhánh chuyển từ tắt sang dẫn mà không có thời gian trễ chuyển trạng thái. Xem mạch cầu BJT như hình 2.18.Bình thường Q 1Q4 dẫn, Q2Q3 tắt, dòng ghép ra tải theo chiều Vcc→Q1→RL→Q4→GND. Khi đảo trạng thái Q 1Q4  tắt, Q2Q3  dẫn, dòng ghép ra tải theo chiều Vcc→ Q3→RL→Q2→GND. Trường hợp xung kích sai hoặc tải mang tính cảm, thời gian chuyển trạng thái dài dễ dẫn đến tình trạng ngắn mạch do dẫn trùng Q 1Q2  dẫn hoặc Q 3Q4  dẫn làm quá dòng và hỏng các phần tử công suất.

Hình 2.18:Mạch cầu BJT bị dẫn trùng Q 1Q2 hoặc Q 3Q4 do không có thời gian trễ chuyển trạng thái. 2.1.2: Bảo vệ quá dòng: 1- Cầu chì:  Để bảo vệ quá dòng cho các phần tử công suất, có thể sử dụng cầu chì đặt ở vị trí thích hợp.Hình 2.19a đặt cầu chì ở ngõ vào AC là phương pháp đơn giản nhất. Trong hình 2.19b, đặt cầu chì đồng hàng với phần tử công suất để bảo vệ cho từng phần tử một, cách này thường hay sử dụng. Trong một số trường hợp, để giảm tốc độ biến thiên di/dt, người ta đặt thêm các cuộn dây trên từng nhánh các phần tử công suất, tuy nhiên cuộn dây sẽ ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của mạch.

Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng 

9

Hình 2.19: a) – Cầu chì bảo vệ đặt ở ngõ vào b) – Cầu chì bảo vệ đặt đồng hàng với phần tử công suất c) – Đặt các cuộn dây chống di/dt Hình 2.20 minh hoạ cấu tạo cầu chì và hình 2.21 là đặc tính dòng điện của cầu chì.

Hình 2.20: Cấu tạo cầu chì

Hình 2.21: Đặc tính dòng điện cầu chì: Khi có dòng sự cố tăng, nhiệt độ cầu chì tăng cho đến khi t=t m, là thời gian chảy cầu chì và hồ quang bắt đầu xuất hiện xuyên qua cầu chì. Do hồ quang, tổng trở của cầu chì tăng, làm giảm dòng điện. Tuy nhiên, nó sẽ tạo ra một điện áp hồ quang ngang qua cầu chì . Nhiệt phát ra làm bốc hơi các phần tử cầu chì, làm tăng chiều dài hồ quang và giảm dòng điện. Quá trình này làm tắt hồ quang trong thời gian ngắn. Khi hồ quang xuất hiện và tắt trong thời gian t a ,sự cố bị cắt. Thời gian cắt cầu chì càng nhanh, điện áp hồ quang càng cao. Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng 

10

Thời gian cắt t c  là tổng hai thời gian chảy t m  và thời gian hồ quang t a,tm  phụ thuộc vào dòng tải và t a phụ thuộc vào hệ số công suất của mạch gây sự cố. Thông thường sự cố bị cắt trước khi dòng sự cố đạt đến giá trị đỉnh đầu tiên. Dòng sự cố đạt đến giá trị cực đại nếu không có cầu chì gọi là quá dòng đạt tới. Hình 2.22 minh hoạ đặc tính dòng điện/ thời gian của phần tử công suất và cầu chì.

Hình 2.22 Đặc tính dòng điện /thời gian của dụng cụ và cầu chì a) – Bảo vệ hoàn toàn b) – Chỉ bảo vệ ngắn mạch Trong hình 2.22a, đặc tính cầu chì luôn nằm phía dưới đặc tính dụng cụ nên cầu chì sẽ bảo vệ dụng cụ trong toàn tầm làm việc. Trong hình 2.22b, cầu chì chỉ bảo vệ khi bắt đầu xảy ra ngắn mạch, còn quá dòng bình thường sử dụng mạch cắt CB hoặc hạn dòng. Nếu gọi R là điện trở mạch khi có sự cố và I là dòng sự cố tức thời trong khoảng thời gian xảy ra sự cố đến lúc dập tắt hồ quang, năng lượng nuôi mạch: (2.9) W e   Ri 2dt    Nếu R = const, giá trị I 2t tỉ lệ với năng lượng nuôi mạch. Giá trị I 2t gọi là năng lượng cho qua và đáp ứng với việc nóng chảy cầu chì. Giả sử dạng sóng dòng cắt cầu chì hình 2.21 có dạng tam giác đều và t m=ta=tc/2.Dòng đỉnh xuyên qua I p.Từ (2.9),ta có: 2

 I  p2  2 I  p   2  t  dt   t c  I  t    i dt   2   t  3 0   c   t c

2

2

2

Suy ra:

 I   2  p

3 I  t  t c

 

(2.9a)

 Để chọn cầu chì thích hợp, trước tiên phải dự đoán dòng sự cố và thoả các điều kiện: 1- Cầu chì phải đảm bảo dẫn liên tục dòng định mức 2- Giá trị I2t của cầu chì trước khi dòng sự cố bị cắt phải nhỏ hơn giá trị định mức I 2t của dụng cụ. 3- Cầu chì phải chịu được điện áp sau khi dập tắt hồ quang 4- Điện áp hồ quang đỉnh phải nhỏ hơn giá trị định mức đỉnh của dụng cụ. 2.3: Bảo vệ quá áp&quá dòng sử dụng mạch điện tử: Vi 2.3.1: Cảm biến quá áp&quá dòng: 1. Cảm biến áp:  Điện trở: phương pháp thông dụng nhất là dùng điện trở + phân áp như hình 2.23. V c 

 R2  R1   R2

Vc

V i  

(2.10)

-

Chọn tỉ lệ R 1,R2 để đạt hệ số phân áp như yêu cầu. Lưu ý: tổng trở vào nhìn từ V c là: Hình 2.23: Cảm biến áp dùng điện trở phân áp. 11 Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng 

 Rc   R1 // R2  

(2.11)

Tùy thuộc vào công suất và điện áp ngõ vào V i,ta phải chọn công suất điện trở phù hợp để đáp ứng công suất tiêu tán và điện áp chịu đựng trên điện trở. Ví dụ: Vi=220V,Pi=10W,chọn cầu phân áp sao cho V c=10V. Ta có:  I i 

 P i V i

10



220

 45mA

Chọn dòng qua cầu phân áp cở 1mA để không ảnh hưởng công suất nguồn. Hệ số phân áp:

 R2  R1  R2

 R1  R2 

 V i

 I c

10 220



 0,045

220 103

 220 K 

Suy ra:  R2  9,9 K , R1  210,1 K  Công suất tiêu tán và điện áp trên điện trở:  P  R1  210,1.10 3  0,21W ,V  R1  210V   P  R 2  10.103  0,01W , V  R 2  10V 

Tổng trở vào nhìn từ V c:  Rc   R1 //  R2  9, 45 K 

 Cảm biến áp bằng điện trở có thể sử dụng làm cảm biến áp dc hoặc ac.  Biến áp: sử dụng biến áp chỉ cảm biến áp ac. +

Ta có điện áp trên thứ cấp: V  s 

 N  s  N  p

 nV  p  

+

Vp

(2.12)

Vs

Ns: số vòng thứ cấp Np: số vòng sơ cấp Lưu ý đáp ứng tần số của biến áp và tránh để Hình 2.24: Biến áp cảm biến áp ac. biến áp bão hòa từ. 2. Cảm biến dòng:  Điện trở shunt: phương pháp này sử dụng cho dòng dc hoặc ac,chính xác với dòng Ic bé và không cách ly với mạch điều khiển. (2.13) V c   I c R s   Ic + Có thể tạo điện trở shunt từ công thức tính điện trở dây quấn:  R   

l  S 

 

(2.14)

Rs

Vc -

Hình 2.25: Cảm biến dòng bằng điện trở shunt

   : điện trở suất của vật liệu làm điện trở(Ω.m)

l: chiều dài dây/thanh điện trở(m) S: tiết diện ngang của dây/thanh điện trở(m 2)  Biến dòng: chỉ áp dụng cho cảm biến dòng ac. Lưu ý:  với biến dòng ký hiệu I p/Is=200/5 chẳng hạn,có nghĩa là nếu đặt dòng sơ cấp Ip=200A,ngắn mạch thứ cấp sẽ có dòng thứ cấp I s=5A. Thứ cấp biến dòng có nội trở R i từ vài đến vài chục Ω.  Để cảm dòng thứ cấp,ta mắc điện trở R s giữa hai đầu thứ cấp biến dòng với điều kiện Rs<< Ri để đảm bảo tỉ số biến dòng đúng.  Không được để thứ cấp biến dòng hở mạch!Ngõ ra thứ cấp sẽ có xung áp rất cao có thể làm hỏng mạch vào. 12 Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng 

Thứ cấp Is

Ip Sơ cấp

Hình 2.26: Cảm biến dùng biến dòng  Cảm biến dòng hiệu ứng Hall: Hiện nay cảm biến dòng hiệu ứng Hall được sử dụng rất rộng rãi,với những ưu điểm như sau: - Cảm biến cả dòng dc và ac. - Độ nhạy cao,tuyến tính trên tầm rộng. - Đo dòng từ mA đến hàng trăm A. - Cách ly giữa dòng cảm biến và mạch đo. Nguyên lý cơ bản cảm biến dòng hiệu ứng Hall như hình 2.27. Dây dẫn

Ic Phần tử Hall KĐ

Vc

Lõi sắt vật liệu từ mềm

Hình 2.27: Nguyên lý cảm biến dòng hiệu ứng Hall Một lõi vòng kín là vật liệu từ mềm đặt gần hoặc bao bọc dây dẫn có dòng điện cần đo Ic.Khi dòng Ic qua dây dẫn,lõi sinh ra từ trường tác động lên phần tử Hall đặt trong khe hở từ của lõi ,làm xuất hiện điện áp trên phần tử Hall.Điện áp này rất bé nên cần được khuếch đại thêm. Cảm biến Hall có 2 loại: hở mạch(open loop) và vòng kín(closed loop). Loại hở mạch có độ tuyến tính phụ thuộc vào vật liệu lõi và độ trôi phụ thuộc vào phần tử Hall,mạch khuếch đại.Giá thành loại hở mạch thấp.

Hình 2.28: Cảm biến dòng Hall vòng kín Trong loại cảm biến Hall vòng kín,điện áp Hall được khuếch đại v c đưa về kích mạch lái dòng điện cấp cho cuộn dây bù quấn trên lõi.Từ trường cuộn dây tạo ra cùng biên độ nhưng ngược chiều với từ trường tạo bởi dòng sơ cấp I c.Kết quả là từ thông tổng trong lõi bằng 0.Điều này làm tăng độ nhạy và tuyến tính của cảm biến.  Giới thiệu vi mạch cảm biến dòng hiệu ứng Hall ACS712(xem data sheet) - Dạng SOIC 8 chân - Đáp ứng ngõ ra 5μs -  BW=80Khz - Tổng sai số ngõ ra 1,5%,T a=250C Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng 

13

-

Điện trở dẫn bên trong 1,2mΩ Cách điện min 2,1KVrms Cấp nguồn đơn 5V Độ nhạy ngõ ra 66-185mV/A Điện áp ra tỉ lệ với dòng dc/ac ngõ vào Tầm dòng điện vào max: ±5 đến ±30A

Hình 2.29: Mạch ứng dụng tiêu biểu ACS712 2.3.2: Mạch bảo vệ quá áp/dòng: 1. Sơ đ ồ nguyên lý: Cảm biến áp/dòng

KĐ (chỉnh lưu)

 Điều kh iển

So sánh

đóng/cắt

Áp tham chiếu

Hình 2.30: Sơ đồ khối nguyên lý mạch bảo vệ quá áp/dòng Hình 2.30 minh họa sơ đồ nguyên lý chung của mạch bảo vệ quá áp/dòng.Tín hiệu từ cảm biến áp/dòng được khuếch đại để tăng độ nhạy(có thể chỉnh lưu chính xác trong trường hợp cần chuyển sang dc),sau đó đưa vào mạch so sánh để so sánh với tín hiệu tham chiếu.Điện áp tham chiếu xác định mức/ngưỡng quá áp/dòng cần tác động.Ngõ ra mạch so sánh sẽ phát tín hiệu đến mạch điều khiển đóng cắt để đóng cắt mạch cấp nguồn áp/dòng.Mạch điều khiển đóng cắt có thể là BJT,FET công suất làm việc ở chế độ giao hoán hoặc thyristor.Độ nhạy và đáp ứng của mạch bảo vệ được quyết định bởi mạch khuếch đại,so sánh và nhất là mạch điều khiển đóng cắt,phần tử khóa cấp nguồn. 2. Mạch bảo vệ quá áp cấp nguồn: Xem mạch bảo vệ quá áp cấp nguồn như hình 2.31. +Vcc

Q2

Vcc

≈

+ R1 Q1 Tải Dz

R2

-

Hình 2.31: Mạch bảo vệ quá áp cấp nguồn tiêu biểu Khi áp cấp nguồn V cc nhỏ hơn Vz+Vγ1(Vγ1: điện áp mở Q1),Q2 dẫn bão hòa,điện áp cấp ra tải bằng Vcc-VCES2(VCES2: điện áp bão hòa CE Q 2)  V cc Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng 

14

Khi áp cấp nguồn V cc vượt qua Vz+Vγ1,Q1  on làm giảm dòng I B2,Q2  dẫn yếu làm tăng VCE2,điện áp ra tải sẽ giảm.Đến khi Q 1 bão hòa,Q2 off cắt nguồn ra tải.  IC bảo vệ quá áp NCP346

a)Dạng vỏ ngoài NCP346 SOT-23-5

c) Mạch tiêu biểu

Hình 2.32: IC bảo vệ quá áp NCP346 Dạng vỏ ngoài SOT23 5 chân Điện áp chịu đựng cực đại V ccmax=30V Điện áp ngõ vào ngưỡng bảo vệ: V th=4,45V(danh định) Hoạt động bình thường: V inVth,CNTRL=0,OUT=1 hoặc CNTRL=1,OUT=1 - Thời gian ON/OFF <1μs Xem thêm data sheet IC NCP346 3. Bảo vệ quá dòng tầng công suất đẩy kéo: -

Hình 2.33: Mạch bảo vệ quá dòng tầng công suất đẩy kéo Khi mới cấp nguồn,áp trên C 1 bằng 0,DZ 1 off,Q5,Q6off,rờ le K hở mạch.Nguồn +12V nạp C1 qua R 7 đến khi V C1 =8V,Q5 và Q6on làm rờ le K đóng.Đây là mạch tạo thời gian trễ đóng tải vào tầng công suất để bảo vệ loa và loại vỏ tiếng bụp ở loa khi mới cấp nguồn. Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng 

15

Khi dòng điện qua cặp BJT đẩy kéo,cụ thể là Q 2,vượt quá giới hạn,điện áp trên R 2 vượt quá Vγ làm Q3 on.C1 xả nhanh qua Q 4 làm Q5,Q6 off cắt rờ leK hở mạch tải.  Điều kiện quá dòng: V  BE 3   I 2 

hay

 R4  R4   R3

V  s 2 

V    R4   R3  R2



 R4

 R4  R4   R3

 R2 I 2  V    

 

(2.14) (2.15)

Thay các giá trị vào:  I 2 

0,5 0,22



5,6  15 5,6

 8,36 A

Bài tập chương 2

2.1: 2.2: 2.3: 2.4: 2.5: 2.6: 2.7: 2.8:

2.9:

Phân tích các trường hợp quá áp do giao hoán biến áp. Phân tích các trường hợp quá áp do nguồn hoặc tải có thành phần L. Phân tich trường hợp quá áp do tải là động cơ. Phân tích các trường hợp quá dòng do bản thân mạch điện gây ra. So sánh hiệu quả của các mạch triệt quá áp sử dụng snubber,MOV,diode zener,diode selenium. Điều gì xảy ra khi di/dt áp vào phần tử công suất vượt quá giới hạn cho phép?Làm cách nào để giới hạn di/dt trong mức cho phép? Điều gì xảy ra khi dv/dt áp vào phần tử công suất vượt quá giới hạn cho phép?Làm cách nào để giới hạn dv/dt trong mức cho phép? Mạch snubber dc như hình 2.11.Cho E dc=300V,L=10μH,R L=10Ω,SCR có (dv/dt)max=600V/μs. a) Tính R,C mạch snubber. b) Vẽ dạng sóng V trên SCR khi SCR tắt. Thiết kế mạch snubber thỏa các điều kiện thông số như sau:  Công suất nguồn cung cấp 5KVA,điện áp thứ cấp 120Vrms  Tần số làm việc 400Hz  Điện cảm mạch điện 100μH 

   0,75

2.10: a) b) 2.11: 2.12: 2.13: 2.14:

2.15:

Chứng minh chi tiết lại công thức (2.9a) Một cầu chì có thông số I 2t =150A2s,thời gian cắt dòng 6ms.Tìm giá trị dòng đỉnh sự cố. Thiết kế mạch đo áp AC 50Hz,output từ 0-5VDC,tương ứng với input từ 0-250VAC. Thiết kế mạch đo dòng AC 50Hz,output từ 0-5VDC,tương ứng với input từ 0-100A AC. Sử dụng cảm biến dòng Hall ACS712,thiết kế mạch đo dòng cho output từ 0-5VDC,tương ứng input từ 0-30A AC. Thiết kế mạch ảo vệ quá áp,quá dòng cho mạng điện 1 pha 220VAC 50Hz.  Điều kiện quá áp: V qa=240VAC  Điều kiện quá dòng: I qd=100A AC Mạch sẽ điều khiển cắt khởi động từ(contactor) khi xãy ra quá áp hoặc quá dòng. Sử dụng IC NCP346,thiết kế mạch bảo vệ quá áp cấp nguồn cho tải với điều kiện:  Điện áp cấp nguồn danh định 12V,không được cao quá 10%.  Dòng cấp ra tải 1A(chọn MOSFET/BJT lái ngoài thích hợp)

Giáo trình Điện Tử Ứng Dụng 

16