THIẾT kế MẠCH CHỈNH lưu một PHA có điều KHIỂN sử DỤNG THYRISTOR

HỌC VIỆN KĨ THUẬT MẬT MÃ KHOA KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MẠCH CHỈNH LƯU MỘT PHA CĨ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG THYRISTOR MƠN THUYẾT TRÌNH: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Giáo viên hướng dẫn: Đặng Văn Hải Sinh viên thực hiện: Mai Văn Đạt DT040112 DT4A Phạm Đức Dũng DT040214 DT4B Chu Văn Chung DT040109 DT4A Hà Nội, 20 tháng 10 năm 2022 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ĐẶT VẤN ĐỀ CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THYRISTOR I CẤU TẠO – NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THYRISTOR .6 Cấu tạo Nguyên lý làm việc thyristor II Đặc tuyến volt – ampere Thyristor III thông số chủ yếu Thyristor 10 điện áp thuận cực đại (Uth max) 10 Điện áp ngược cực đại (Ung max) 10 Điện áp định mức (Uđm) 10 Điện áp rơi Thyristor 10 Điện áp chuyển trạng thái (Uch) 10 Dòng điện định mức (Iđm) .10 Điện áp dòng điện điều khiển (Uđkmin, Iđkmin) 10 Thời gian mở Thyristor (Ton) 11 Thời gian khóa Thyristor (Toff) 11 10 Tốc độ tăng dòng thuận cho phép(du/dt) 11 11 Tốc độ tăng dòng thuận cho phép (di/dt) 11 IV Mở Thyristor 11 Nhiệt độ: 11 V Khóa Thyristor 12 CHƯƠNG 2: ĐẶC TÍNH CƠ VÀ MẠCH CHỈNH LƯU CĨ ĐIỀU KHIỂN 13 I ĐẶC TÍNH CƠ .13 II Mạch chỉnh lưu điều khiển 14 Nguyên lý hoạt động 14 Nguyên lý phản hồi âm tốc độ 15 CHƯƠNG III: CHỈNH LƯU MỘT PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG THYRISTOR 16 I Chỉnh lưu pha điều khiển .16 Chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch 17 26 CHƯƠNG IV: KẾT CẤU MƠ HÌNH 29 CHƯƠNG V: NỘI DUNG CÁC BÀI THỰC HÀNH 29 LỜI CẢM ƠN Sau tuần học thực làm đề tài theo yêu cầu giáo viên, hướng dẫn nhiệt tình thầy Đặng Văn Hải thầy cô giáo khác khoa kĩ thuật điện tử viễn thông học viện kĩ thuật mật mã Hiện tại, chúng em hoàn thành xong đề tài sẵn sàng thuyết trình cuối kì mơn điện tử cơng suất Qua chúng em nắm rõ: - Hiểu nguyên lý hoạt động mạch chỉnh lưu pha có điều khiển sử dụng thyristor - Biết cách thiết kế tính tốn phần tử mạch Do thời gian có hạn trình độ thân cịn nhiều hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót mong đóng góp ý kiến thầy cô giáo khoa, cụ thể môn điện tử công suất Chúng em xin chân thành cảm ơn ĐẶT VẤN ĐỀ Ứng dụng mạch chỉnh lưu trích xuất thành phần điện chiều hữu dụng từ nguồn xoay chiều Thực hầu hết ứng dụng điện tử sử dụng nguồn điện chiều, nguồn cung cấp lại dịng điện xoay chiều Vì mạch chỉnh lưu sử dụng bên mạch cấp nguồn hầu hết thiết bị điện tử Các mạch chỉnh lưu ứng dụng mạch tách sóng tín hiệu vơ tuyến điều biến biên độ Tín hiệu cần khơng cần khuếch đại trước tách sóng Nếu tín hiệu nhỏ q, phải sử dụng diode có điện áp rơi thấp Trong trường hợp tụ điện trở tải phải lựa chọn cẩn thận cho phù hợp Trị số tụ điện thấp làm cho sóng cao tần lọt sang đầu Chọn cao quá, nạp đầy giữ nguyên điện áp nạp Đối với đề tài cần quan tâm tới hai nội dung là: Ngun lý làm việc Thyristor Cách mạch chỉnh lưu có điều khiển hoạt động Tất cơng thức tính toán phần tử mạch để thiết kế ứng dụng mơ Ngồi đề tài chúng tơi cho học sinh hiểu nghiên cứu thực hành, vận dụng điều nói cần phải có mơ hình thực hành nội dung đề tài xây dựng mơ hình thực hành Bản thuyết minh đề tài sau chúng tơi trình bày q trình tham gia chế tạo mơ hình Bản thuyết minh chia thành nhiều chương: Chương I: Giới thiệu chung Thyristor Chương II: Đặc tính mạch chỉnh lưu có điều khiển Chương III: Chỉnh lưu pha có điều khiển sử dụng Thyristor Chương IV: Kết cấu mơ hình Chương V: Nội dung thực hành CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THYRISTOR I CẤU TẠO – NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THYRISTOR Cấu tạo Thyritor gọi SCR (sillcon – controlled - rectifier) loại linh kiện lớp P- N đặt xen kẽ Để tiện việc phân tích lớp bán dẫn người ta đặt P1, N1, P2, N2, lớp bán dẫn hình thành chuyển tiếp từ xuống J1, J2, J3 Sơ đồ cấu trúc, kí hiệu, sơ đồ tương đương cấu tạo thyristor trình bày H1 Nguyên lý làm việc thyristor: Có thể mơ Thyristor hai transistor Q 1, Q2 H.I.1d Transistor Q1 ghép kiểu PNP, Q2 kiểu NPN Gọi α1, α2 hệ số truyền điện tích Q Q2 Khi đặt điện áp U lên hai đầu A K thyristor, mặt tiếp giáp J J3 chuyển dịch thuận, mặt tiếp giáp J chuyển dịch ngược (J2 mặt tiếp giáp chung Q1 Q2) Do dịng chảy qua J2 Ij2 Do J2 chuyển dịch ngược nên hạn chế dịng chảy qua nó, dẫn đến α 1, α2 có giá trị nhỏ, I ≈ I0 cae hai Transistor trạn thái ngắt Từ biểu thức (1) ta thấy dòng điện chảy qua Thyristor phụ thuộc vào hệ số truyền điện tích α1 α2 Mối quan hệ α dịng emiter trình bày H.I.2 Như α1 + α2 tăng dần đến I tăng nhanh Theo sơ đồ tương đương SCR H.I.1d ta giải thích sau: - Dịng Ic1 chảy vào cực b Q2 làm cho Q2 dẫn Ic2 tăng, tức Ib1 tăng (Ic2=Ib1) Khiến Q1 dẫn mạnh -> Ic1 tăng tiếp diễn Hiện tượng gọi hồi tiếp dương dòng điện chảy qua transistor - Dòng Ie1 tăng làm cho α1 tăng (H.I.2), tăng Ie2 làm cho α2 tăng Cuối thực điều kiện ( α1+ α2 ) -> 1, hai transistor chuyển sang trạng thái mở, lúc nội trở giưa A K SCR nhỏ Vậy muốn làm cho Q1, Q2 từ trạng thái ngắt chuyển sang trại thái bao hòa ( hay muốn mở Thyristor) cần làm tăng I b2 Để làm việc người ta thường cho dòng điều khiển Idk chảy vào cực tổng Thyristor, theo Ib2 H.I.1d II Đặc tuyến volt – ampere Thyristor Để giải thích ý nghĩa vật lý đường đặc tuyến Volt – Ampere thyristor , người ta chia làm bốn đoạn đánh số la mã H.I.3b - Đoạn (I) ứng với trạng thái ngắt Thyristor Trong đoạn (α 1+α2) (chuyển mạch tự nhiên) Trong trường hợp hình 3-2, góc α tính từ vị trí bắt đầu cấp điện đầu vào vs Cùng hình thấy dạng sóng dịng điện id hồn tồn trùng khớp với dạng sóng điện áp vL Trong chế độ tải điện trở, thyristor chuyển sang điều kiện không dẫn, trạng thái ngắt, điện áp tải dịng điện đạt giá trị âm Trong hình 3-3a, vẽ sơ đồ mạch chỉnh lưu pha nửa sóng điều khiển với tải R-L dạng sóng điện áp (a) (b) Hình 3-3: Chỉnh lưu pha nửa sóng điều khiển với tải a) tải thụ động RL b) tải có nguồn Khi Thyristor mở (dẫn điện) điện áp rơi điện cảm: Nếu vs – vR > 0, từ công thức 3-2 thấy dịng điện tải tăng, trường hợp ngược lại dòng điện tải giảm vs – vR < Dịng điện xác định theo: id (ωt) = dx ωt vL ∫ α ωL (3-3) Từ biểu thức 3-3, giải theo phương pháp đồ thị ta thấy dịng điện id = diện tích phần A A2 (vs = vR) điều cho thấy thyristor dẫn điện vs < (do có điện áp L) Khi tải gồm điện cảm nguồn áp (điện cảm tích cực) nối với chỉnh lưu, trình bày hình 3-3b Thyristor mở có xung dịng i G vào cực điều khiển vs > Ed Tương tự trương hợp R-L, Thyristor giữ nguyên trạng thái dẫn A1 = A2 Khi Thyristor tắt (khóa) điện áp tải vd = Ed b, Chỉnh lưu hai pha nửa sóng Sơ đồ hình 2-13, sử dụng điểm cuộn thứ cấp máy biến áp chia điện áp thứ cấp thành v1 v2 Các điện áp lệch pha 180o, nhận điểm làm điểm trung tính Dịng điện qua thyristor T T2 vào lúc điện áp tương ứng v1 v2 dương, khép mạch qua tải trở điểm trung tính Hình 3-4: Chỉnh lưu hai pha nửa sóng có điều khiển tải R Như sơ đồ hình 3-4, Thyristor T1 bật tồn thời gian v1 > 0, xung điều khiển trễ góc α định thời điểm bật T Trạng thái bật Thyristor thể đồ thị hình 3-4 Các van tiếp tục dẫn chu kỳ điện áp ngược xuất van Giá trị điện áp tải tính theo biểu thức Dòng điện xoay chiều is iT1(N2/N1) T1 dẫn iT2(N2/N1) T2 dẫn, N2/N1 tỉ số vòng dây cuộn thứ cấp sơ cấp Ảnh hưởng hệ số thời gian tải liên tục TL = L / R với tải bình thường ∧ o độ gợn sóng id (t) / i R (t) / iR góc mở α = thể hình 3-5 Độ gợn sóng dịng tải giảm hệ số thời gian tải liên tục tăng, L → ∞, dòng điện lọc phẳng hồn tồn Hình 3-5: Ảnh hưởng số thời gian tải liên tục c, Chỉnh lưu cầu pha Điều khiển chỉnh lưu cầu pha có hai phương án: điều khiển sử dụng Thyristor (hình 3-6a) bán điều khiển (điều khiển phần) sử dụng Thyristor Diode (hình 3-6b) (a) (b) Hình 3-6: Chỉnh lưu cầu pha a) điều khiển b) bán điều khiển Dạng sóng điện áp dòng điện chỉnh lưu cầu điều khiển với tải điện trở R vẽ hình 3-6a Các van T1 T2 phải mở đồng thời nửa sóng dương điện áp vs, dẫn dịng Tương tự, van T3, T4 mở đồng thời nửa sóng điện áp nguồn âm Để đảm bảo tính đồng thời bật van T1 T2 người ta dùng chung dịng kích mở Điện áp tải tương tự với trương hợp hai pha nửa sóng xét Dịng điện xoay chiều: is = iT1 − iT4 Với dạng sóng vẽ hình 3-7 (3-5) Hình 3-8 trình bày dạng sóng dịng áp trường hợp chỉnh lưu cầu pha điều khiển với tải điện trở điện cảm (L → ∞) Giá trị điện cảm lớn đảm bảo lọc phẳng hồn tồn dịng điện chỉnh lưu tải dòng điện xuay chiều nguồn vào Do dòng điện tải liên tục, Thyristor T 1, T2 giữ nguyên trạng thái mở nửa chu kỳ dương điện áp nguồn v s qua Do nguyên nhân này, điện áp tải vd có giá trị tức thời âm Việc bật Thyristor T3, T4 mang lại kết quả: Tắt van T 1, T2; sau chuyển mạch T3, T4 dẫn dịng điện tải Dịng điện xoay chiều nguồn có dạng xung vng hình 3-8, điều kiện dịng điện liên tục Trường hợp điện áp trung bình tải: Hình 3-7: Dạng sóng dịng, áp chỉnh lưu cầu pha điều khiển với tải R Hình 3-8: Dạng sóng dịng, áp chỉnh lưu cầu pha điều khiển với tải R-L (L→∞) d, Phân tích dòng điện nguồn xoay chiều Xét trường hợp mạch lọc điện cảm có trị số cao chỉnh lưu cầu pha điều khiển, dòng điện nguồn xoay chiều bị lọc trở thành dạng xung vng Ngồi dòng điện is bị lệch pha so với điện áp vs góc α, góc kích mở van cơng suất Dịng điện nguồn xoay chiều biểu diễn theo phân tích Fourier, giá trị bậc hài xác định: Trên hình 3-9a, ta thấy góc lệch pha thành phần φ1 góc kích mở α hình 3-9b phổ thành phần sóng hài thành phần bậc lẻ suy giảm biên độ tần số tăng (a) (b) Hình 3-9: Dịng điện nguồn xoay chiều chỉnh lưu cầu pha có điều khiển (a) dạng sóng (b) phổ thành phần sóng hài Trị hiệu dụng dòng điện nguồn xoay chiều: e, Hệ số công suất chỉnh lưu Từ đồ thị hình 2-18a, góc lệch pha dịng áp thành phần góc kích mở van công suất (φ1 = α) cosϕ1 = cosα (3-12) Cơng suất tác dụng dịng điện khơng sin, cấp từ nguồn sin pha: Biểu thức cho thấy, với dịng điện nguồn xoay chiều khơng sin, hệ số công suất chỉnh lưu chịu tác động xấu góc mở α độ biến dạng méo dòng điện nguồn Kết độ biến dạng dòng điện nguồn tăng lên làm tăng trị hiệu dụng Is theo 3-16, giảm hệ số công suất f, Quá trình chuyển mạch Thyristor Cho tới trình chuyển mạch Thyristor xem diễn tức thời Tuy nhiên điều lại không xảy thực tế tính chất điện cảm mạch nguồn hình 3-10a Trong trình chuyển mạch, dịng điện qua Thyristor khơng đổi lập tức, tồn góc chuyển mạch μ mà thyristor đồng thời dẫn Vì trình chuyển mạch hệ tượng đồng dẫn làm cho điện áp tải vd = α ≤ ωt ≤ α (3-17) + µ Do ảnh hưởng q trình chuyển mạch, dạng sóng dịng, áp nguồn, dịng tải có dạng hình 3-10b Hình 3-10: Q trình chuyển mạch a) sơ đồ b) dạng sóng Trong trình chuyển mạch, điện áp biểu diễn theo biểu thức: Biểu thức 3-20 cho thấy tăng điện cảm nguồn tăng dòng điện tải dẫn đến tăng góc chuyển mạch μ Ngồi ra, góc chuyển mạch cịn bị ảnh hưởng từ góc kích mở thyristor, biểu thức 3-18 cho thấy với góc kích mở khác điện áp nguồn có giá trị tức thời khác làm cho di s/dt có giá trị khác dẫn đến thay đổi thời gian chuyển mạch Biểu thức 3-17 dạng sóng hình 3-10b cho thấy q trình chuyển mạch làm giảm điện áp trung bình tải Vdα Nếu kể đến chuyển mạch, biểu thức điện áp tải tính theo biểu thức g, Chế độ nghịch lưu Khi góc kích mở α > 90o, điện áp trung bình tải đạt giá trị âm Trường hợp công suất truyền ngược từ tải sang nguồn xoay chiều Chế độ làm việc gọi chế độ nghịch lưu, lượng truyền từ phía chiều (dc) sang phía xoay chiều (ac) Trong thực tế, chế độ gặp mạch mà tải bố trí hình 3-11a Cần lưu ý chỉnh lưu cho phép dòng điện theo chiều Trong hình 3-11b dạng sóng điện áp tải chế độ nghịch lưu bỏ qua điện cảm nguồn L Phần trước giải thích rõ ràng ảnh hưởng điện cảm nguồn L làm tăng thời gian chuyển mạch μ Như hình 3-11c, điện áp thyristor v T1 có giá trị âm khoảng γ, xác định theo biểu thức: γ = 180 − (α + µ) (3-23) Để đảm bảo thyristor đóng phục hồi hồn tồn tính ngược sau chuyển mạch, góc γ phải thỏa mãn biểu thức: γ > ω.tq (3-24) Trong ω – tần số nguồn điện tq – thời gian đóng thyristor Nếu γ < ω.tq , thyristor chưa đóng hồn tồn đặt điện áp thuận dẫn Từ góc kích mở lớn áp dụng: αmax = 180 − µ − γ (3-25) Nếu điều kiện biểu thức 3-25 khơng đáp ứng, q trình chuyển mạch khơng hồn thành tạo nên dịng điện phá hủy mạch chỉnh lưu Hình 3-11: Chỉnh lưu chế độ Inverter a) sơ đồ mạch b) dạng sóng bỏ qua điện cảm c) dạng sóng có tính tới điện cảm L h, Các ứng dụng Ứng dụng quan trọng bậc chỉnh lưu điều khiển bao gồm thiết bị cấp nguồn liên tục (uninterruptible power supplies – UPS) dùng cấp nguồn cho tải quan trọng Hình 3-12 mô tả sơ đồ khối đơn giản UPS, thiết kế với công suất nhỏ 10kVA Các chỉnh lưu nguồn (điều khiển bán điều khiển) tạo nguồn điện chiều phận xạc ắc quy UPS Đầu mạch nghịch lưu có phận lọc trước cấp cho tải Hình 3-12: Ứng dụng chỉnh lưu có điều khiển UPS Các chế độ làm việc UPS: (i) Chế độ bình thường: Trường hợp sử dụng điện áp lưới Tải cung cấp từ nguồn thông qua hệ thống Chỉnh lưu – Nghịch lưu lọc Mạch chỉnh lưu xạc ắc qui (ii)Chế độ cắt điện: Trường hợp khơng có điện áp lưới Tải cung cấp từ ắc qui thông qua hệ thống Nghịch lưu lọc (iii) Chế độ Bypass: Trường hợp tải cần công suất lớn công suất Inverter, hệ thống Bypass đóng nguồn trực tiếp đến tải Điều khiển động chiều công suất nhỏ ứng dụng phổ biến chỉnh lưu cóa điều khiển Trên sơ đồ hình 3-13, thiết bị chỉnh lưu có điều khiển điều chỉnh điện áp phần ứng điều khiển dịng điện cấp cho động để có mơ men quay theo u cầu Cấu trúc cho dòng điện vào động theo chiều điện áp động lại đạt giá trị âm dương Chính mạch làm việc hai góc phần tư hệ trục id Vdα Hình 3-13: Điều khiển động chiều hai góc phần tư: (a) sơ đồ mạch (b) góc phần tư làm việc Mạch có đặc tính tốt sử dụng chỉnh lưu có điều khiển mắc ngược với nhánh có động hình 3-14 Cấu trúc thường gọi Inverter làm việc góc phần tư Bộ chỉnh lưu cấp dòng điện dương, chỉnh lưu cấp dịng điện âm (ngược chiều) Động làm việc chế độ quay thuận (sinh công), quay thuận (hãm), quay ngược (sinh công) quay ngược (hãm) Hình 3-14: Four-quadrant dc drive: (a) circuit and (b) quadrants of operation CHƯƠNG IV: KẾT CẤU MƠ HÌNH CHƯƠNG V: NỘI DUNG CÁC BÀI THỰC HÀNH 30 ... CHƯƠNG III: CHỈNH LƯU MỘT PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG THYRISTOR I Chỉnh lưu pha điều khiển Chỉnh lưu pha điều khiển ngày phạm vi ứng dụng rộng lớn Như hình 3-1, chỉnh lưu pha điều khiển phân chia... thời gian tải liên tục c, Chỉnh lưu cầu pha Điều khiển chỉnh lưu cầu pha có hai phương án: điều khiển sử dụng Thyristor (hình 3-6a) bán điều khiển (điều khiển phần) sử dụng Thyristor Diode (hình... suất Chỉnh lưu hệ số công suấ cao chia thành loại tái tạo khơng tái tạo Hình 3-1: Phân loại chỉnh lưu pha điều khiển Chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch a, Chỉnh lưu pha nửa sóng Sơ đồ chỉnh lưu pha