Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công suất em đã được giao thực hiện đề tài: Thiết kế mạch chỉnh lưu tia 2 pha tải RLEd. Với sự hướng dẫn tận tình của thầy: Nguyễn Ngọc Khoát em đã tiến hành nghiên cứu,thiết kế đề tài và hoàn thành đúng thời hạn được giao. Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn chế nên không thể tránh khỏi sai sót kính mong thầy cô, và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài của em được hoàn thiện hơn.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA ĐỒ ÁN MƠN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề tài: Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Ngọc Khoát Sinh viên thực hiện: Lớp : D13 TDH&DKTBCN1 Hà Nội, tháng… năm 2021 Mục Lục Trang LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, điện tử công suất đóng vai trị quan trọng q trình cơng nghiệp hố đất nước Sự ứng dụng điện tử công suất hệ thống truyền động điện lớn nhỏ gọn phần tử bán dẫn việc dễ dàng tự động hố cho q trình sản xuất Các hệ thống truyền động điều khiển điện tử công suất đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặt giảm nhiều so với hệ truyền động thông thường như: Khuếch đại từ, máy phát - động Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, nội dung mơn học Điện tử cơng suất em giao thực đề tài: Thiết kế mạch chỉnh lưu tia pha tải RLEd Với hướng dẫn tận tình thầy: Nguyễn Ngọc Khốt em tiến hành nghiên cứu,thiết kế đề tài hoàn thành thời hạn giao Trong trình thực đề tài khả kiến thức thực tế có hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót kính mong thầy cơ, bạn đóng góp ý kiến để đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn CHƯƠNG I: KIẾN THỨC TỔNG QUÁT Giới thiệu tải RLEd Tải RLEd cấu tạo từ ba thành phần R, L, E d Với R điện trở, L điện cảm sức điện động E d Trong thực tế Ed thường đặc trưng cho phụ tải động điện chiều, ắc quy hay s.đ.đ hóa Dễ dàng nhận thấy mạch van chưa hoạt động có nguồn ud = Ed Đặc điểm cấu tạo nguyên lý hoạt động điện trở R 1.1.1 Đặc điểm điện trở 1.1 Trong điện tử điện từ học, điện trở vật đặc trưng cho tính chất cản trở dịng điện vật Đại lượng nghịch đảo điện trở điện dẫn hay độ dẫn điện, đặc trưng cho khả cho dòng điện chạy qua Điện trở có số tính chất tương tự ma sát học Đơn vị SI điện trở ohm (Ω), điện dẫn siemens (S) (trước gọi "ohm" ký hiệu ℧) Điện trở vật chủ yếu phụ thuộc vào chất liệu làm nên Những vật làm từ chất cách điện cao su thường có điện trở cao điện dẫn thấp, vật làm từ chất dẫn điện kim loại có điện trở thấp điện dẫn cao Mối quan hệ biểu diễn điện trở suất điện dẫn suất Tuy nhiên, điện trở điện dẫn không phụ thuộc vào chất vật liệu mà thay đổi theo hình dạng kích thước vật thể chúng đại lượng ngoại diên không nội hàm Ví dụ, dây dẫn dài mảnh có điện trở lớn dây dẫn ngắn dày Mọi vật cản trở dòng điện mức độ định, trừ chất siêu dẫn có điện trở khơng Hình 1.1 Kí hiệu điện trở sơ đồ mạch điện Với số linh kiện, máy biến áp, diode hay pin, U I khơng hồn tồn tỉ lệ thuận với Đôi tỉ số U/I có ích, gọi điện trở dây cung hay điện trở tĩnh, chúng tương ứng với nghịch đảo độ dốc dây cung gốc tọa độ đặc tuyến V–A Trong trường hợp khác, đạo hàm dU dI thường sử dụng; đại lượng gọi điện trở vi sai Đặc điểm cấu tạo nguyên lý hoạt động cuộn cảm L 1.2.1 Đặc điểm cấu tạo điện cảm L Cuộn cảm (hay cuộn từ, cuộn từ cảm) loại linh kiện điện tử thụ động tạo từ dây dẫn điện với vài vòng quấn, sinh từ trường có dịng điện chạy qua Cuộn cảm có độ tự cảm (hay từ dung) L đo đơn vị Henry (H) 1.2 Hình 1.2: Kí hiệu cuộn cảm 1.3 Tổng quan tải chỉnh lưu RLEd RLEd dạng tải phổ biến mạch chỉnh lưu Phía chiều có tồn sức điện động Ed thường đặc trưng cho phụ tải động điện chiều, ắc quy hay suất điện động hóa, Dễ dàng nhận thất mạch van chưa hoạt động có ud=Ed Hình 1.5 Sơ đồ mạch RLEd Vì mạch tải có điện cảm chiều Ld nên có hai chế độ dịng điện • Chế độ dịng điện gián đoạn dịng tải có đoạn (nhưng đoạn điện áp ud ≠ Ed ) • Chế độ dịng liên tục, lúc đo điện áp u d bám theo điện áp nguồn, vật khơng có đoạn ud = Ed (Ed khơng xuất dạng điện áp ud ) Quy luật điện áp tuân theo quan hệ đơn giản U dα =U d0 cos α Còn dòng điện tải: I d= Đây chế độ mong muốn U dα Rd Giới thiệu chung mạch chỉnh lưu 1.4.1 Sơ đồ cấu trúc - Chỉnh lưu trình biến đổi lượng dòng điện xoay chiều thành lượng dòng chiều - Chỉnh lưu thiết bị điện tử công suất sử dụng rộng rãi thực tế Sơ đồ cấu trúc thường gặp mạch chỉnh lưu sau: 1.4 Hình 1.6: Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu Trong sơ đồ này, máy biến áp làm hai nhiệm vụ là: o Chuyển từ điện áp quy chuẩn lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu tải Tùy theo tải mà máy biến áp tăng áp giảm áp o Biến đổi số pha nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu cảu mạch van Thông thường số pha lưới lớn 3, song mạch van cần số pha 12 - Mạch van van bán dẫn mắc với theo cách để tiến hành trình chỉnh lưu Mạch lọc nhằm đảm bảo điện áp ( dòng điện) chiều cấp cho tải phẳng theo yêu cầu 1.4.2 Phân loại Chỉnh lưu phân loại theo số cách sau đây: • Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: pha, hai pha, ba pha, pha v v • Phân loại theo van bán dẫn mạch van Hiện chủ yếu dùng loại van Diode Thyristor, có ba loại mạch sau: o Mạch van dùng toàn diode, gọi chỉnh lưu khơng điều khiển o Mạch van dùng tồn thyristor, gọi chỉnh lưu có điều khiển o Mạch van chỉnh lưu dùng hai loại diode thyristor, gọi chỉnh lưu bán điều khiển - • Phân loại theo sơ đồ mắc van với Có hai kiểu mắc van o Sơ đồ hình tia: sơ đồ số lượng van số lượng pha nguồn cấp cho mạch van Tất van đấu chung đầu với anot catot chung o Sơ đồ cầu: sơ đò số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van Trong nửa số van mắc chung nhay catot, nửa chung anot 1.5 Các thông số Thyristor 1.5.1 Đặc điểm cấu tạo • Thyristor phần tử bán dẫn cấu tạo từ lớp p-n-p-n, tạo ba tiếp giáp p-n: J1, J2, J3 Thyristor có ba cực: anot A, catot K, cực điều khiển G Hình 1.7: Cấu tạo Thyristor Có cách để mở thyristor • Khi phân cực thuận, Uak>0, thyristor mở hai cách Thứ nhất, tăng điện áp anode-cathode đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth,max.Điện trở tương đương mạch anode-cathode giảm đột ngột dịng qua thyristor hồn tồn mạch xác định Phương pháp thực tế không áp dụng nguyên nhân mở không mong muốn lúc tăng điện áp đến giá trị Uth,max Hơn xảy trường hợp thyristor tự mở tác dụng xung điện áp thời điểm ngẫu nhiên, khơng định trước • Phương pháp thứ hai, áp dụng thực tế, đưa xung dòng điện có giá trị định vào cực điều khiển cathode Xung dòng điện điều khiển chuyển trạng thái thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp mức điện áp anode-cathode nhỏ Khi dòng qua anodea cathode lớn giá trị định gọi dịng trì (Idt) thyristor tiếp tục trạng thái mở dẫn dòng mà khơng cần đến tồn xung dịng điều khiển Điều nghĩa điều khiển mở thyristor xung dịng có độ rộng xung định, cơng suất mạch điều khiển nhỏ, so với cơng suất mạch lực mà thyristor phần tử đóng cắt, khống chế dịng điện b Khóa thyristor • Một thyristor dẫn dịng trở trạng thái khóa (điện trở tương đương mạch anot – catot tăng cao) dòng điện giảm xuống, nhỏ giá trị dòng trì, I dt Tuy nhiên để thyristor trạng thái khóa, với trở kháng cao, điện áp anot-catot trở lại dương (UAK > 0), cần phải có thời gian định để lớp tiếp giáp hồi phục hồn tồn tính chất cản trở dịng điện 1.5.2 Đặc tính vơn – ampe Thyristor • Đặc tính vơn – ampe thyristor gồm hai phần Phần thứ nằm góc phần tư thứ I đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp UAK >0; phần thứ hai nằm góc phần tư thứ III, gọi đặc tính ngược tương ứng với trường hợp UAK < Hình 1.8: Đặc tính vơn – ampe thyristor • Khơng có dịng điện vào cực điều khiển (iG = 0) o Khi dòng điện vào cực điều khiển thyristor 0, hay hở mạch cực điều khiển, thyristor cản trở dòng điện ứng với hai trường hợp phân cực điện áp anode cathode Khi điện áp Uak < theo cấu tạo bán dẫn thyristor hai tiếp giáp J1, J3 phân cực ngược, lớp tiếp giáp J2 phân cực thuận, thyristor giống hai diode mắc nối tiếp bị phân cực ngược Qua thyristor có dịng điện nhỏ chạy qua, gọi dòng rò Khi Uak tăng đạt đến giá trị điện áp lớn xảy tượng thyristor bị đánh thủng, dịng điện tăng lên lớn Giống đoạn đặc tính ngược diode q trình đánh thủng đảo ngược được, nghĩa thyristor bị hỏng o Khi tăng điện áp anode-cathode theo chiều thuận, Uak > 0, lúc đầu có dòng điện nhỏ chạy qua, gọi dòng rị Điện trở tương đương mạch anode-cathode có giá trị lớn Khi tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Cho đến Uak tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn xảy tượng điện trở tương đương mạch anode-cathode đột ngột giảm, dịng điện chạy qua thyristor giá trị bị giới hạn điện trở tải mạch ngồi Nếu dịng qua thyristor có giá trị lớn mực dịng tối thiểu, gọi dịng trì, Idt, thyristor dẫn dịng đường đặc tính thuận, giống đường đặc tính thuận diode • Có dòng điện vào cực điều khiển (iG > 0) o Nếu có dịng điều khiển đưa vào cực điều khiển cathode trình chuyển điểm làm việc đường đặc tính thuận xảy sớm hơn, trước điện áp thuận đạt giá trị lớn Nói chung dịng điều khiển lớn điểm chuyển đặc tính làm việc xảy với Uak nhỏ 1.6 Phân tích sơ đồ tia pha Đồ thị điẹn áp ud mạch chỉnh lưu tia pha có điều khiển thể hình với góc điều khiển α = 30 ° Đây góc đặc biệt Hình 1.9 Sơ đồ mạch chỉnh lưu tia pha điều khiển Hình 1.10 Đồ thị điện áp dòng điện chỉnh lưu tia pha tải R góc α = 30 ° Theo đồ thị ta nhận được: 2π U dα = ¿ π ∫ U ( θ ) dθ= 1π ∫ √ U sin θdθ 2π d (1+cos α ) (1+cos α ) √2 U2 =U d0 π 2 Với U d0=0,9U Với tải trở cảm dạng dòng điện id tương tự dạng điện áp Ud, ta thấy dịng điện có đoạn (i d = 0) toàn dải điều chỉnh α Với tải trở cảm có hai chế độ dịng điện: Hình 3.4 Mạch xung nhịp đồng hai nửa chu kỳ Mạch chỉnh lưu kiểu hai nửa chu kỳ có điểm (tia hai pha) dùng diode D1, D2 tải cho chỉnh lưu điện trở R Điện áp chỉnh lưu Ucl đưa tới cửa (+) khuếch đại thuật toán OA1 để so sánh với điện áp ngưỡng Ung lấy từ P1, điện áp đồng tuân theo quan hệ sau: Udb −¿ +¿−U ¿ =A (U cl −U ng ) = A0 ( U¿ Do đó: Ucl > Ung Uđb dương điện áp bão hòa OA: Udb = +Ubh Tương tự Ucl < Ung Udb âm Udb =-Ubh Các thông số linh kiện mạch tính khâu tạo điện áp tựa 3.1.2 Khâu tạo điện áp tựa Ở khâu tạo điện áp cưa, ta sử dụng mạch tạo cưa hai nửa chu kỳ OA Hình 3.5 Tạo điện áp cưa hai nửa chu kỳ OA Tính chọn linh kiện: • • Chọn OA loại TL082 chứa hai OA vỏ IC Thời gian tụ C phóng thời gian tương ứng phạm vi góc điều khiển α, 168 ° quy đổi sang thời gian là: o • • • = 168.10ms =9,33 ms 180 Chọn diode ổn áp BZX79 có Udz = 10V; Chọn tụ C = 220nF; Tính R3: o R3= E.t p 12.9,33 10−3 = =50,9 10−3 Ω −6 U dz C 10.0,22 10 Chọn điện trở R3 có giá trị 51k Ω Tính R2 : ta có thời gian để tụ C nạp điện o • tn = o Điện áp bão hòa OA Ubh = E-1,5 = 12-1,5 = 10,5(V) vậy: • T −t =10ms−9,33ms=0,67 ms p o R2 ≤ U bh−0,7 10,5−0,7 = =2,79.103 Ω −6 c U dz E 0,22.10 12 + + −3 tn R 0,67.10 51 103 ;chọn R2 =2kΩ Tính khâu đồng bộ: o Nhóm lưu D1, D2 có điện áp vào điện áp đồng pha với trị số hiệu dụng 11, nên điện áp ngược lớn đặt lên van là: Ungmax = √ 2U dp =2.1,414 11=31V Chọn diode loại 1N4002 với tham số Itb = 1A; Ungmax = 100V Điện trở tải chọn R0 =1kΩ Mạch so sánh tạo xung đồng chọn R1=15kΩ; Để có phạm vi điều khiển 168 ° , có nghĩ góc điều khiển • nhỏ phải α min=0.5 (180 °−168° ) =6 ° ; điện áp ngưỡng bằng: o Ung = √ 2U dp sin α =1,626V Tuy nhiên sụt áp diode • chỉnh lưu ngưỡng giảm 0,7V Do Ung có giá trị xấp xỉ 1V Chọn dòng qua phân áp (R5 + P1 ) 1mA, tổng trở E 12 phân áp Rf = i = 10−3 =12.10 Ω=12kΩ Từ chọn phân áp gồm điện trở R5 = 10kΩ biến trở P1 = 2kΩ Bảng 3: Chọn linh kiện khâu tạo điện áp tựa STT Tên linh kiện Số lượng Thông số OA TL082 Loại OA vỏ IC Tụ C 220nF – 16V Điện trở R0 = 1kΩ R1 = 15kΩ R2 =2kΩ R3 = 51k Ω R5 = 10kΩ Biến trở P1 = 2kΩ 3.1.3 Khâu tách xung Để thực mạch tách xung dùng phần tử khác IC logic, OA, điều tùy thuộc vào mạch thiết kế cụ thể thuận lợi áp dụng phần tử hợp với tổng thể mạch điều khiển ... tích sơ đồ tia pha Đồ thị điẹn áp ud mạch chỉnh lưu tia pha có điều khiển thể hình với góc điều khiển α = 30 ° Đây góc đặc biệt Hình 1.9 Sơ đồ mạch chỉnh lưu tia pha điều khiển Hình 1.10 Đồ thị... bình dịng tải Id tính theo biểu thức sau: Id = U d U d0 cos α = Rd Rd Giá trị điện áp tải: Ud0 = 2, 83U2 Chương II Nghiên cứu tính tốn thiết kế mạch lực Thiết kế mạch lực Theo đề tài, ta có tải cơng... sức điện động Ed = 24 V, U = 300V, 50Hz, kba = 1 ,2 Hình Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu tia pha 2. 1 Tính tốn mạch lực Theo đề tài ta c? ?: điện áp U = 310V, kba = 1 ,2 - Hệ số máy biến áp: k ba= → Điện áp