BÁO cáo CHUYÊN đề NGÀNH công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa CHUYÊN NGÀNH tự động hóa và điều khiển thiết bị công nghiệp

RƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HĨA BÁO CÁO CHUN ĐỀ NGÀNH: Cơng nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa CHUYÊN NGÀNH: Tự động hóa điều khiển thiết bị cơng nghiệp HỌC PHẦN: Đề án điện tử công suất Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Ngọc Khốt Nhóm sinh viên/ sinh viên thực – Mã sinh viên: Nhóm : Nguyễn Khánh Hùng Khôi - 19810430152 Lớp : D14TDH&DKTBCN3 HÀ NỘI, 2/2022 Đồ án môn học: Điện tử công suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khoát CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU HÌNH TIA BA PHA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU    A TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU PHA HÌNH TIA: 1.Sơ đồ chỉnh lưu hình tia pha : A B C T1 a T2 b T3 c R E L Hình 1.1: Sơ đồ chỉnh lưu tia pha Hình 1.2 : Sơ đồ dạng sóng tia pha SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 Đồ án môn học: Điện tử công suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khoát  Sơ đồ chỉnh lưu pha: Gồm máy biến áp pha có thứ cấp nối Yo, pha Thyristor nối với tải hình 1.1  Điều kiện cấp xung điều khiển chỉnh lưu: +Thời điểm cấp xung điện áp pha tương ứng phải dương so với trung tính +Khi biến áp đấu hình (Y)trên pha A,B,C nối van.3 catod đấu chung cho điện áp dương tải ,cịn trung tính biến áp, điện áp âm Ba pha dịch góc 120 o theo đường cong điện áp pha ,có điện áp pha dương điện áp pha khoảng thời gian 1/3 chu kì +Nếu có Thyristor khác dẫn điện áp pha tương ứng phải dương pha Vì phải xét đến thời gian cấp xung Góc mở tự nhiên: +Góc mở xác định từ lúc điện áp đặt lên van tương ứng chuyển từ âm đến (từ đóng sang khố) bắt đầu đặt xung điều khiển vào +Điện áp gây nên trình chuyển mạch: điện áp dây + Trong : : góc dẫn : góc chuyển mạch 2.Nguyên lý hoạt động : a) Xét góc mở  = 0: u Vc Vb Va E  i1 E  i2 E  i3 E  id 1 2 3 SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 4  Đồ án môn học: Điện tử cơng suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khốt - Điện áp pha thứ cấp máy biến áp - Qua hình ta thấy:  Lúc  có giá trị lớn nên T mở cho dòng chạy qua T2; có giá trị lớn nên T2 mở cho dịng chạy qua T1; T3 T3 khố  Lúc  khố  Lúc Trong đó: , T3 mở; T1, T2 khoá; R: điện trở động E: suất điện động phản kháng động Dòng trung bình: b) Xét góc mở   : Giả thiết tải : R, L,Eu , chuyển mạch tức thời Điện áp pha thứ cấp máy biến áp: *Nhịp V1: khoảng thời gian từ khởi: T1 mở, đó: Tại điện áp đặt lên u1 > 0, có xung kích T1 mở, T2, T3 đóng, lúc này: +Điện áp chỉnh lưu điện áp u1 : ud = u1 +Dòng điện chỉnh lưu dòng điện qua van 1: id = Id = i1 +Dòng điện qua T2, T3 0: i2 = i3 = Trong nhịp V 1: uV2 từ âm chuyển lên 0, u V2 = T2 mở, lúc u V1 = u1 – u2 = bắt đầu âm nên T1 đóng, kết thúc nhịp V1, bắt đầu nhịp V2 *Nhịp V2: từ Lúc : T2 mở, T1, T3 đóng +Điện áp chỉnh lưu điện áp u2: ud = u2 +Dòng điện chỉnh lưu dòng điện dòng điện qua van 2: id = Id = i2 +Dòng điện qua T1, T3 0: i1 = i3 = SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 Đồ án môn học: Điện tử công suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khoát Trong nhịp V 2: uV3 từ âm chuyển lên 0, uV3 = T3 mở, lúc uV2 = u2 – u3 = bắt đầu âm nên T2 đóng, kết thúc nhịp V2, bắt đầu nhịp V3 *Nhịp V3: từ Lúc : T3 mở, T1, T2 đóng +Điện áp chỉnh lưu điện áp u3: ud = u3 +Dòng điện chỉnh lưu dòng điện dòng điện qua van 3: id = Id = i3 +Dòng điện qua T1, T2 0: i1 = i2 = Trong nhịp V 3: uV1 từ âm chuyển lên 0, uV1 = T1 mở, lúc uV3 = u3 – u1 = bắt đầu âm nên T3 đóng, kết thúc nhịp V3, bắt đầu nhịp V1 Trong mạch ,dạng sóng dòng điện phụ thuộc vào tải, tải trở dòng điện i d dạng sóng ud ,khi điện kháng tải tăng lên ,dòng điện trở nên phẳng hơn, L d tiến tới vơ dịng điện id không đổi, id = Id Trị trung bình điện áp tải: Trong :  : Góc mở Thyristor Trùng dẫn: Giả sử T1 cho dòng chạy qua, iT1 = Id Khi cho xung điều khiển mở T2 Cả Thyristor T1 T2 cho dòng chảy qua làm ngắn mạch nguồn e a eb Nếu chuyển gốc toạ độ từ sang ta có: Điện áp ngắn mạch: Dịng điện ngắn mạch xác định phương trình: Do đó: SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 Đồ án môn học: Điện tử cơng suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khốt Ngun tắc điều khiển Thyristor : Khi anod Thyristor dương Thyristor kích mở Thời điểm pha giao coi góc thơng tự nhiên Thyristor Các Thyristor mở với góc mở nhỏ Tại thời điểm có Thyristor dẫn ,như dịng điện qua tải liên tục, t dẫn 1/3 chu kì.cịn điện áp tải gián đoạn thời gian dẫn Thyristor nhỏ Tuy nhiên, TH dịng điện trung bình Thyristor 1/3 I d khoảng thời gian Thyristor dẫn dòng điện Thyristor dòng điện tải Dòng điện Thyristor khoá = Điện áp Thyristor phải chịu điện dây pha có Thyristor khố với pha có Thyristor dẫn Khi tải trở dòng điện điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ thuộc vào góc mở Thyristor +Nếu   30  Ud , Id liên tục +Nếu  > 30  Ud , Id gián đoạn Ud Id I1 Id Ud α T2 t t1 t2 t3 t4 t I2 Ud Ud Id T2 t Id I3 t t UT1I1 t t I2 t Hình 1.3: Giản đồ đường cong = 30 tải trở I3 α t o UT1 t SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khơi 19810430152 Hình 1.4 :Giản đồ đường cong góc mở = 60o Đồ án môn học: Điện tử công suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khoát  Nhận xét : So với chỉnh lưu pha: +Chỉnh lưu tia pha có chất lượng điện chiều tốt +Biên độ điện áp đập mạch tốt +Thành phần sóng hài bậc cao bé +Việc điều khiển van bán dẫn tương đối đơn giản Dòng điện cuộn thứ cấp dòng điện chiều ,do biến áp pha trụ mà từ thông lõi thép biến áp từ thông xoay chiều không đối xứng làm cho công suất biến áp phải lớn Khi chế tạo biến áp động lực, cuộn dây thứ cấp phải đấu sao(Y) ,có dây trung tính phải lớn dây pha dây trung tính chịu dịng tải Tổng quan Thyristor : a) Cấu tạo: Là dụng cụ bán dẫn gồm lớp bán đẫn loại P N ghép xen kẽ có cực anốt, catốt cực điều khiển riêng G + P1 + + A J1 + + N1+ P2 + N2 + + J3 E i J2 G Hình 1-5 Kí hiệu : A G SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 K K Đồ án môn học: Điện tử công suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khoát b) Nguyên lý hoạt động : Khi Thyristor nối với nguồn chiều E > tức cực dương đặt vào anốt cực âm đặt vào catốt, tiêp giáp J1, J3 phân cực thuận miền J phân cực ngược, gần toàn điện áp đặt lên mặt ghép J2, điện trường nội E1 J2 có chiều từ N1 hướng tới P2 Điện trường tác động chiều với E 1, vùng chuyển tiếp vùng cách điện mở rộng ra, khơng có dịng điện chạy qua tiristor đặt điện áp dương +Mở Thyristor : Nếu cho xung điện áp dương U g tác động vào cực G (dương so với K ) electron từ N2 chạy sang P2 Đến số chúng chảy nguồn U g hình thành dịng điều khiển Ig chảy theo mạch G1 - J3 - K - G , phần lớn điện tử sức hút cuả điện trường tổng hợp mặt J2 lao vào vùng chuyển tiếp chúng tăng tốc có động lớn bẻ gảy liên kết nguyên tử Si, tạo nên điện tử tự Số điện tử lại tham gia bắn phá nguyên tử Si khác vùng chuyển tiếp Kết phản ứng dây chuyền làm xuất nhiều điện trường chạy vào vùng N1 qua P1 đến cực dương nguồn điện ngoài, gây nên tượng đẫn điện ạt làm cho J2 trở thành mặt ghép dẫn điện diểm sung quanh cực phát triển toàn mặt ghép với tốc độ lan truyền khoảng 1m/100s +E - Một biện pháp đơn giản để mở Thyristor trình bày hình vẽ Rt Khi đóng mở K, Ig > Igst T mở ( Ig  (1,1 R1 1,2 ) Igst ) T K Ig : Giá trị dòng điều khiển ghi sổ tay tra cứu Thyristor R2 = 100 1000() R2 -E Hình 1-6a Có thể hình dung sau : Khi dặt Thyristor UAK > Thyristor tình trạng sẵn sàn mở cho dịng chảy qua, cịn đợi tín hiệu I g cực điều khiển, Ig > Igst Thyristor mở +Khố Thyristor : Một Thyristor mở tín hiệu Ig khơng cịn tác dụng Để khố Thyristor có cách : Giảm dòng điện làm việc I xuống giá trị dịng trì Idt Đặt điện áp ngược lên Thyristor U AK < 0, hai mặt J1, J3 phân cực ngược, J2 phân cực thuận Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính U AK < có mặt P1, N1, P2, đảo chiều hành trình, tạo nên dịng điện ngược chảy từ Catốt Anốt cực âm nguồn điện áp +E +E R Rt1 C T A K SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khơi 19810430152 Hình 1-6b T1 C Rt2 B T2 Hình 1-6c Đồ án mơn học: Điện tử cơng suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khốt - Lúc đầu q trình từ t 0 t1, dịng điện ngược lớn, sau J 1, J3 trở nên cách điện Cịn điện tử giủ lại hai mặt ghép, tượng khuếch tán làm chúng dần hết J2 khơi phục lại tính chất mặt ghép điều khiển - Thời gian khố toff tính từ bắt đầu xuất hiên dong điện ngược (t2) thời gian mà sau đặt điện áp thuận lên Thyristor Thyristor khơng mở, t off kéo dài khoảng vài chục s Trong trường hợp không đặt tiristor điện áp thuận Thyristor chưa bị khố khơng có nguy gây ngắn mạch nguồn Trên sơ đồ hình (b), việc khoá Thyristor điện áp ngược thực cách đong khố K cịn sơ đồ (c) cho phép khóa Thyristor cách tự động Trong mạch hình (c) mở Thyristor tiristor khố lại Giả thuyết cho xung điện áp dương đặt vào G1T1 mở dẫn đến xuất dòng điện : Dòng thứ chảy theo mạch : +E - R 1-T1 - E,còn dòng thứ chảy theo mạch +E - R2 -T1- -E - Tụ C nạp điện đến giá trị E, cực dương B, cực âm A Bây cho xung điện áp dương tác động vào G 2T2 mở đặt điện điểm B vào catốt T1 Như T1 bị đặt điện áp Uc = -E T1 bị khoá lại -T2 mở lại xuất dòng điện : Dòng thứ chảy theo mạch : + E - R 1-C - T2 - -E Còn dòng thứ hai chảy theo mạch : +E - R2 - T2 - -E - Tụ C nạp ngược lại giá trị E, chuẩn bị khoá T2 ta cho xung mở T1 c) Điện dung tụ điện chuyển mạch : - Trong sơ đồ hình (b), (c) câu hỏi đặt : Tụ điện C phải có giá trị khố Thyristor   Như nói T1 mở cho dịng chảy qua C nạp điện đến giá trị E cực “+” phía điểm B thời điểm cho xung mở T (cả Thyristor điều mở), ta có phương trình mạch điện với Nên Viết dạng tốn tử Laplace : Vì nên với Từ ta có : Thời gian toff khoảng thời gian kể từ mở T2 UT1 bắt đầu trở thành dương, ta có : nhận toff : ; I : Ampe ; E : Volt ; C : F SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 Đồ án môn học: Điện tử cơng suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khốt d) Đặt tính Volt - Ampe Thyristor : Ia III IH Ung IV II I0 Ing Uth I U Uch Hình 1-7 Đoạn : Ứng với trạng thái khố Thyristor, có dịng điện rị chảy qua Thyristor tăng U lên đến Uch (điện áp chuyển trạng thái ), bắt đầu trình tăng nhanh chống dòng điện Thyristor chuyển sang trạng thái mở Đoạn : Ứng với giai đoạn phân cực thuận J2 Trong giai đoạn lượng tăng nhỏ dòng điện ứng với mọt lượng giảm lớn điện áp đặt lên Thyristor, đoạn gọi đoạn điện trở âm Đoạn : Ứng với trạng thái mở Thyristor Khi mặt ghép trở thàng đẫn điện Dòng chảy qua Thyristor bị hạn chế điện trở mạch Điện áp rãi Thyristor lớn khoảng 1V Thyristor giử trạng thái mở chừng I lớn dòng trì IH Đoạn : Ứng với trạng thái Thyristor bị đặt điện áp ngược Dòng điện lớn, khoảng vài chục mA Nếu tăng U đên U ng dịng điện ngược tăng lên nhanh chống, mặt ghép bị chọc thủng, Thyristor bị hỏng Bằng cách cho I g lớn nhận đặt tính Volt - Ampe với Uch nhỏ dần B: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP I GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU : Động điện chiều dùng phổ biến cơng nghiệp,giao thơng vận tải nói chung thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục phạm vi rộng Máy điện chiều làm việc hai chế độ máy phát động Khi máy làm việc chế độ máy phát công suất đầu vào công suất cịn cơng suất đầu cơng suất điện Động quay roto máy phát điện chiều turbine gas, động điesel động điện Khi máy điện chiều làm việc chế độ động cơ, công suất đầu vào công suất điện cịn cơng suất đầu cơng suất Cả hai chế độ làm việc, dây quấn đông điện chiều quay từ trường có dịng điện chạy qua SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khơi 19810430152 10 Đồ án môn học: Điện tử công suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khốt 5.Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ : A C B Ap CD a c b C R 1CC 1CC 1CC R Ukt ĐM C R C Lk 2CC R 2CC R 2CC R T1 C T2 C T3 C 3CC Hình 2.10 :Sơ đồ nguyên lý mạch động lực SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 36 Đồ án môn học: Điện tử cơng suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khốt CHƯƠNG III :TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN    I.Xác định yêu cầu : Mạch điều khiển tính xuất phát từ yêu cầu xung mở Thyristor.Các thơng số để tính mạch điều khiển +Điện áp điều khiển Thyristor : Uđk = 1,4 V +Dòng điện điều khiển Thyristor : Iđk=150 mA +Thời gian mở Thyristor: tm=180 µs +Độ rộng xung xung điều khiển tx=2tm =2.180 =360 µs +Tần số xung điều khiển : fx=3 kHz +Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển : U= ±18 V +Mức sụt biên độ xung: sx= 0,15 Góc thơng tự nhiên mạch chỉnh lưu tia ba pha dịch pha so với điện áp pha góc 300(nếu lệch mở Thyristor trước thời điểm góc thơng tự nhiên Thyristor khơng dẫn ,vì Thyristor pha trước dẫn,điện áp cịn dương hơn).Do đó,điện áp tựa làm đưa 300 cần nối biến áp đồng pha có sơ cấp nối tam giác Khi điện áp thứ cấp pha biến áp trùng pha với điện áp dây(điện áp dây dịch pha so với điện áp pha góc 30 0.UAC hình Góc thông tự nhiên UA U UC UB t 30o  U  UAC t U 2 t Hình 3.1 :Xác định góc thơng tự nhiên khoảng dẫn Thyristor chỉnh lưu ba pha Khi điều khiển chỉnh lưu tia ba pha ,các Thyristor điều khiển pha với trung tính,do góc điều khiển van bán dẫn thường tính từ góc thơng tự nhiên tới điện áp đổi dấu, hay nói cách khác Thyristor điều khiển với khoảng dẫn λ=150 0.Để làm việc ,cần giới hạn giao điểm điện áp tựa với điện áp điều khiển thời điểm điện áp pha đổi dấu SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 37 Đồ án môn học: Điện tử công suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khoát Dịch pha điện áp đồng pha góc góc thơng tự nhiên(δ =300) cịn thực biểu thức lượng giác Sơ đồ để giải biểu thức lượng giác hình.Các hệ số tính: cos sin R2 R0 sin( + sin R3 Hình 3.2:Sơ đồ mạch tạo góc dịch pha so với điện áp lưới Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển: ĐIỆN ÁP TỰA ĐP T Uc KĐ XUNG SS Hình 3-2 : Sơ đồ khối điều khiển thyristor Nguyên tắc điều khiển : a).Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính : Theo nguyên tắc người ta thường dùng hai điện áp : - Điện áp đồng ( Us ) , đồng với điện áp đặt anôt – catôt Thyristor, thường đặt vào đầu đảo khâu so sánh - Điện áp điều khiển ( Udk ) , điện áp chiều , điều chỉnh biên độ Thường đặt vào đầu không đảo khâu so sánh Us Ucm Us -Usm Ucm ωt α π α 2π Hình 3-3 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính : Do hiệu điện đầu vào khâu so sánh : Ud = Udk – Us ; SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 38 Đồ án môn học: Điện tử cơng suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khốt Khi Us = Udk khâu so sánh lật trạng thái , ta nhận sường xuống điện áp đầu khâu so sánh Sườn xuống thông qua đa hài trạng thái bền ổn định tạo xung điều khiển Như cách làm biến đổi Udk , ta điều chỉnh thời điểm xuất xung , tức điều chỉnh góc α Giữa α Udk có quan hệ sau : α = ; Người ta lấy Udkmax = Usmax b).Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos : Theo nguyên tắc người ta dùng hai điện áp : - Điện áp đồng Us , vượt trước UAK = Um sinωt Thyristor góc Us = Um cosωt - Điện áp điều khiển Udk điện áp chiều , điều chỉnh biên độ theo hai chiều dương âm Nếu đặt Us vào cổng đảo Ucm vào cổng không đảo khâu so sánh : Khi Us = Ucm , ta nhận xung mảnh đầu khâu so sánh khâu lật trạng thái Um cosα = Udk ; (3-1) Do α = arcos( ) ; (3-2) Khi Udk = Um α = ; Khi Udk = α = ; Khi Udk = - Um α = π ; Us UAK Us UAK Um Ucm ωt π α -Um 2π Hình 3-4 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcoss Như , điều chỉnh Udk từ trị Udk = +Um , đến trị Udk = -Um ta điều chỉnh góc α từ đến α Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arcos” sử dụng thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao Bằng cách tác động vào Udk ta điều chỉnh vị trí xung điều khiển, tức điều chỉnh góc mở -Mạch điều khiển tia pha thường thiết kế theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính -Để tạo thành mạch điều khiển thường sử dụng linh kiện: biến áp đồng pha, vi mạch TCA 780 (công tắc ngưỡng), tranzitor, máy biến áp xung, diot diot zener số linh kiện điện tử khác II Lựa chọn thiết kế mạch điều khiển : SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khơi 19810430152 Hình 3.5 :TCA 780 39 Đồ án môn học: Điện tử cơng suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khốt 1/.Vi mạch TCA 780: a)Giới thiệu: b)Sơ đồ vi mạch TCA 780: Hình 3.4 Bảng thích : Pin Chân Symbol Kí hiệu GND QU Function (Chức năng) Ground Output inverted Output U Output inverted VSYNC Synchronous voltage I Inhibit QZ Output Z VREF Stabilized voltage R9 Ramp resistance 10 C10 Ramp capacitance 11 V11 Control voltage 12 C12 Pulse extension 13 L Long pulse 14 Q1 Output 15 Q2 Output 16 Vs Supply voltage mạch TCA 780 gọi công tắc ngưỡng SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 Nối đất Đầu số đảo Đầu U Đầu số đảo Vi Điện áp đồng Chân khoá Đầu Z Điện áp chuẩn Điện trở tuyến tính Tụ tuyến tính Điện áp điều khiển Mở rộng xung Xung dài Đầu số Đầu số Điện áp nguồn nuôi 40 Đồ án môn học: Điện tử cơng suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khốt -Được bán rộng rãi thị trường, vi mạch hãng Siemens chế tạo, sử dụng để điều khiển thiết bị chỉnh lưu, thiết bị điều chỉnh dòng điện xoay chiều -TCA 780 vi mạch phức hợp thực chức mạch điều khiển: +‛‛Tề đầu” điện áp đồng +Tạo điện áp cưa đồng +So sánh +Tạo xung Hình 3.5: Vi mạch TCA780 -Có thể điều chỉnh góc mở α từ 00 đến 1800 điện -Thông số chủ yếu TCA 780: +Điện áp ni: Us = 18 V +Dịng điện tiêu thụ: IS = 10 mA +Dòng điện ra: I = 50 mA +Điện áp cưa: Ur max = (US – 2) V +Điện trở mạch tạo điện áp cưa: R9 = 20 k +Điện áp điều khiển: U11 = -0,5 – (Us – 2) V +Dòng điện đồng bộ: IS = 200 A +Tụ điện: C10 = 0,5 F +Tần số xung ra: f = 10 – 500 Hz - 500 k 2/ Khâu khuếch đại xung: -Xung vi mạch TCA 780 chưa đủ lớn để mở Thyristor, cần khuếch đại xung có biên độ đủ lớn để mở Thyristor động lực -Khuếch đại tạo xung gồm linh kiện: transistor, biến áp xung, diot điện trở phân cực cho tranzitor a) Sơ đồ pha khâu khuếch đại xung: SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 41 Đồ án môn học: Điện tử công suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khoát b) Chức linh kiện: - Dz1:diot ổn áp,ổn định điện áp đầu vào khâu khuếch đại - D3: hướng dòng cung cấp cho transistor - D2, Dz2: hạn chế điện áp cực colector emitor transistor - R1, R2: điện trở hạn chế dòng phân cực IB transistor - Rc:điện trở hạn chế dòng collector - D4:ngăn chặn xung áp âm có T bị khóa - Rg: hạn chế dịng điều khiển - R3: điều khiển biên độ sườn xung c) Hoạt động sơ đồ khuếch đại xung: Giả sử tín hiệu vào Uc (là tín hiệu logic) lấy từ chân 15 (và 14) TCA 780 -Khi Uc = “1” (mức logic 1)thì tranzitor dẫn bão hồ Giả sử t = 0, U c = “1”, tranzitor dẫn, điện cảm L biến áp xung ngăn không cho ngay, mà dòng Ic tăng từ từ theo hàm mũ với -Khi Uc = “0” (mức logic 0) Dz1 bị chặn lại tranzitor bị khố Khi t = t1 Uc = “0” ta có: Tranzitor bị khố  Ic = Vậy khơng có diot D2 lượng sinh điện áp cực C E, điện áp vượt 100V nên phá huỷ transistor SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 42 Đồ án môn học: Điện tử cơng suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khốt Khi có D2: UCE = UC – UE = 0,8 (V) D2 mở cho dòng chạy qua làm ngắn mạch điểm C, F cuộn sơ cấp máy biến áp xung Do đó: UCE = US + 0,8 (V) d) Khâu truyền hàm điều khiển: Khi có xung cuộn dây thứ cấp máy biến áp xung, xung truyền qua D4 đến điều khiển mở Thyristor T phân cực thuận III Phân tích hoạt động mạch điều khiển : +18V D4 +18V R5 Uv Udk 16 13 11 TCA780 10 12 Dz2 15 D2 14 DZ1 R2 R9 C10 C12 Udf1 Rg R3 Tr R1 Hình 3.5: Sơ đồ pha điều khiển Thyristor U A t U5 t U1 U d t k U15 U14 t U'15 t U14 t t Udk t  Hoạt động sơ đồ : -TCA 780 hoạt độngUrtheo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính +Uc : điện áp điều khiển lấy từ chân 11 (Khoảng 0,5 – 16 V)t +Us = Uc – Uv : Uc = Us tức Uv =0 TCA làm nhiệm vụ so sánh tạo xung t3 thời t5 xuất xung tức điều chỉnh t2 điều chỉnh t4 điểm Bằng cách làm thay đổi Udk tcó thể Hình 3.6 : Giản đồ đường cong mạch điều khiển góc mở +Tụ C10: tham gia vào khâu tạo điện áp cưa, nạp dịng điện i từ chân số 10 dòng i điều chỉnh R9 (thường R9 = 20 k - 500 k ) 43 SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 Đồ án môn học: Điện tử cơng suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khốt Dịng điện i tính: (Thường chọn R9 = 200 k (Thường chọn C10 = 0,5 ) F) +Tại thời điểm t = t0, U10 = Uc = U11, xuất xung dương chân 15 nên V(t)>0, xuất xung chân 14 V(t) 300 pF +US : điện áp nguồn nuôi từ chân 6, 13, 16 với điện áp chiều (18 V) ( Trong khoảng t1 → t2 , t4 → t5 ) ta có xung Udk làm mở thơng Tranzitor, kết ta nhận chuổi xung nhọn Xdk biến áp xung , để đưa tới mở Thyristor T Điện áp Ud suất tải từ thời điểm có xung điều khiển , thời điểm t2 , t4 chuổi xung điều khiển , mổi chu kỳ điện áp nguồn cấp , cuối bán kỳ điện áp dương anơt Hiện có nhiều hãng chế tạo vi xử lý chuyên dụng để điều khiển thyristor tiện lợi Tuy nhiên linh kiện loại chưa phổ biến thị trường Lưu ý: +Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu hình tia pha sử dụng Thyristor ta cần sử dụng xung lấy từ chân số 15 +Để có xung điều khiển cho Thyristor cần có vi mạch TCA 780 đảm nhận IV Tính chọn thơng số phần tử mạch điều khiển: 1)Tính chọn phần tử khâu khuếch đại xung: Chọn diot D4 dùng điều khiển Thyristor T60N1000VOF: US = 18 V, Ig = 300 mA Chọn diot D4 loại S310 Liên Xô với thông số: UCE = 40 V, UBE = V, Ic max = 300 mA, = 13 – 25 Với IC = 150 mA, chọn = 20 Điện trở Rc: Tính chọn R1: Chọn D2, D3 loại S310 có thơng số: I = 0,5 A, Ung max = 20 V, UV = ∆UD3 = 0,6 V Diot Dz2 loại diot zener loại 1W3815 có thơng số: Imax = 264 mA, U0N = 16 V, Pmax = W SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 44 Đồ án môn học: Điện tử cơng suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khốt Tính chọn Dz1 R2: Dòng điện từ chân 14 15 qua diot D1 50 mA Biên độ xung Ux = 16 V Chọn Dz1 diot zener loại KU139A có thơng số U = 3,7 V; Imax = 70 mA; Imin = 30 mA Dòng điện chân 14 15 qua diot D1 50 mA Biên độ xung Ux = 16 V Điện trở R2 tính sau: Chọn Tranzitor công suất Tr loại 2SC9111 làm việc chế độ xung có thơng số : +Tranzitor loại n-p-n,vật liệu bán dẫn Si +Điện áp colecto bazơ hở mạch emito:UCB0 =40 V +Điện áp emito bazơ hở mạch colecto: UEB0 =4 V +Dòng điện lớn colecto chịu đựng : Icmax=500 mA +Công suất tiêu tán colecto :PC=1,7 W +Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp: T1 =1750C +Hệ số khuếch đại :  =50 +Dòng làm việc colecto: IC3=I1= 50 mA +Dòng điện làm việc bazơ: IB3=IC3/=50/50=1 mA Ta thấy với loại Thyristor chọn có cơng suất điều khiển bé Udk=1,4 V,Idk=0,15 A 2)Chọn phần tử bên TCA 780: Ta chọn : ; ; 3)Tính tốn máy biến áp đồng pha: Máy biến áp đồng pha máy biến áp tạo nguồn cung cấp cho TCA 780 Máy biến áp đồng pha có điện áp lớn, có sơ đồ nối dây ∆∕Ү để tạo độ lệch 300 cách tự nhiên, đồng thời tạo đồng pha máy biến áp thứ cấp Độ dài xung cưa độ dài máy biến áp đồng pha với điện áp điều khiển cực đại là: TCA có dòng vào đồng khoảng I5 = 200 Vậy điện trở R5 tính sau: Tỉ số biến áp máy biến áp đồng pha: Dòng điện sơ cấp máy biến áp là: Công suất máy biến áp đồng pha: S = U1 I = 220 83,68.10-6 = 55,22.10-3 (W) Công suất máy biến áp đồng pha tương đối nhỏ SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 45 Đồ án mơn học: Điện tử cơng suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khốt (Thường m = -3 ) Chọn m = Vậy điện áp sơ cấp biến áp xung là: U1 = m UX = (7 + 0,6) = 15,2 (V) Với UX = Uq + ∆Up = (7 + 0,6) (V) Dòng điện sơ cấp biến áp xung: Hình 3.7 : Sơ đồ hệ thống chỉnh lưu tia pha 4)Tính chọn biến áp xung: Tỉ số biến áp biến áp xung tính theo cơng thức: *Mạch từ: Chọn vật liệu sắt từ 330, lõi sắt từ có dạng hình chữ nhật, làm việc phần đặc tính từ hố tuyến tính BS = 2,2 T, ∆B = 1,7 T làm việc f = 50 Hz, có khe ∆H = 50 A/m Từ thẩm lõi thép từ: Vì mạch từ có khe hở nên phải tính từ thẩm trung bình Sơ ta chọn chiều dài trung bình đường sức: L = 0,1 m; khe hở lkh = 10-5 Thể tích lõi sắt từ: = 1,02 10-6 (m) = 1,02 (cm3) Chọn thể tích (cm3) Chọn số liệu thiết kế: l = (cm), a = =1,5 (cm) Số vòng dây cuộn sơ cấp biến áp xung: Số vòng dây cuộn thứ cấp biến áp xung: SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 46 Đồ án môn học: Điện tử công suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khoát Nguyên lý hoạt động sơ đồ: Với sơ đồ nguyên lý trên, Thyristor nối theo nhóm katốt chung nên phần tử chỉnh lưu có đặc điểm sau: - Thyristor dẫn điện Thyristor có anốt nối với điện áp cao phải kích xung đồng pha với điện áp pha - Thyristor dẫn điện gánh trọn dịng điện tải - Khi có Thyristor dẫn điện hai Thyristor cịn lại khơng dẫn ( ta xét bỏ qua chuyển mạch ) Để tiến hành điều chỉnh tốc độ động cơ, người ta thay đổi góc kích  Thyristor thay đổi điện áp chỉnh lưu, làm cho điện áp đặt lên phần ứng động thay đổi Xét hai trường hợp: * Khi  = 0: Ta kích Thyristor thời điểm chuyển mạch tự nhiên làm cho điện áp trung bình cực đại: Udo = Udmax m  ( ) U  U d max cos   2U f sin  m Trong đó: - Udo: Điện áp chỉnh lưu thời điểm  = - m: Số pha chỉnh lưu ( m = ) - U2f: Điện áp pha thứ cấp máy biến áp * Khi   0: Ud = Udmaxcos m  ( ) Ud  2U f sin cos   m - Khi <  < 300: Dòng chỉnh lưu liên tục SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 47 Đồ án môn học: Điện tử công suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khoát Trong khoảng thời gian t1t2 điện áp Ua có giá trị lớn nhất, đồng thời thời điểm t1 kích xung cho T1 T1 nhận xung kích nên dẫn điện, mở cho dịng điện chạy qua cịn hai van T2 T3 bị khóa Sau thời điểm t2 trở Ub có giá trị lớn Tại t2, kích xung cho T2 nên T2 dẫn Lúc ta có Ua < Ub nên anốt T1 có điện thấp so với katốt nó, T1 bị khóa Tương tự, thời điểm t3, T3 dẫn T1 T2 bị khóa Như Thyristor cho dịng chạy qua khoảng thời gian 1200 điện giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu Thyristor : Ud  2  2     đó: 2U sin d   U cos  2 ( 3 ) Điện áp ngược đặt lên Thyristor hiệu số điện anốt katốt Thyristor Khi T2 dẫn:  U ngT  U b  U a  6U cos(  ) Khi T3 dẫn: 2 U ngT  U c  U a  6U cos(  ) Điểm cực trị điện áp ngược đặt lên T1 là: 4 U ngT  6U khi  11 U ngT  6U khi  Dịng điện chỉnh lưu san có giá trị: Ud Id  Rd  X d Giá trị trung bình dịng điện chạy qua Thyristor là: ( ) ( ) ( ) ( ) - Khi 300 <  < 900: Điện áp tức thời âm số khoảng - Khi  = 900: Điện áp trung bình Udtb = Ta nhận thấy: Trong khoảng <  < 900, biến đổi làm việc chế độ chỉnh lưu với điện áp Ud > Và khoảng 900 <  < 1800, biến đổi làm việc chế độ nghịch lưu với Ud < Mối quan hệ Ud = f (  ) chỉnh lưu Thyristor biểu diễn sau: Ud Ud0 CL /2  NL  - Ud0 Hình Đặc tính điều chỉnh Ud = f ( ) SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 48 Đồ án môn học: Điện tử cơng suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khốt CHƯƠNG : KẾT LUẬN Qua đồ án môn học Điện tử công suất với đề tài: "Thiết kế chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển động điện chiều kích từ độc lập", giúp em hiểu rõ về: động điện chiều, Thyristor, chỉnh lưu hình tia ba pha, khâu điều khiển , vi mạch TCA780, mạch bảo vệ,…cũng cách tính tốn thơng số linh kiện mạch Sau trình học tập nghiên cứu đồ án, với hướng dẫn tận tình thầy giáo Nguyễn Tấn Hịa giúp đỡ bạn lớp, em hoàn thành nhiệm vụ giao đồ án: Thiết kế chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển động điện chiều kích từ độc lập Trong nội dung nghiên cứu đồ án này, em thực nhiệm vụ sau: Chương I :Tổng quan chỉnh lưu tia pha động điện chiều - Tổng quan hình tia pha Sơ đồ nguyên lý hoạt động, đồ thị, giá trị điện áp, dòng điện -Tổng quan động điện chiều kích từ độc lập Chương II :Thiết kế mạch động lực -Sơ đồ mạch động lực -Nguyên lý hoạt động -Thiết kế ,tính chọn thiết bị mạch động lực(bao gồm chọn van bán dẫn, tính tốn thơng số định mức , tính tốn máy biến áp hay cuộn kháng có, tính chọn thiết bị đóng cắt bảo vệ ) Chương III : Thiết kế mạch động lực điều khiển -Xác định yêu cầu : Số kênh điều khiển, dải điều khiển góc mở, tính liên tục điều khiển điện áp -Lựa chọn thiết kế khâu : Đồng pha , so sánh tạo xung, khuếch đại -Phân tích hoạt động mạch,vẽ đồ thị ,mô phần mềm matlab Multisim -Hiệu chỉnh chỗ chưa hợp lý.0 Chương IV: Kết luận Trong trình thực hiện, chắn thân em khơng thể tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận ý kiến đóng góp thầy bạn để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 49 Đồ án môn học: Điện tử cơng suất  GVHD:Nguyễn Ngọc Khốt TÀI LIỆU THAM KHẢO 1- Điện tử công suất Tác giả: Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh 2- Điện tử cơng suất Tác giả: Nguyễn Bính 3- Tính tốn thiết kế thiết bị điện tử cơng suất Tác giả : Trần Văn Thịnh SVTH: Nguyễn Khánh Hùng Khôi 19810430152 50 ... cách tác động vào Udk ta điều chỉnh vị trí xung điều khiển, tức điều chỉnh góc mở -Mạch điều khiển tia pha thường thiết kế theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính -Để tạo thành mạch điều khiển thường... điện áp lưới Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển: ĐIỆN ÁP TỰA ĐP T Uc KĐ XUNG SS Hình 3-2 : Sơ đồ khối điều khiển thyristor Nguyên tắc điều khiển : a).Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính : Theo... áp âm có T bị khóa - Rg: hạn chế dịng điều khiển - R3: điều khiển biên độ sườn xung c) Hoạt động sơ đồ khuếch đại xung: Giả sử tín hiệu vào Uc (là tín hiệu logic) lấy từ chân 15 (và 14) TCA 780