Tiểu luận môn học thiết kế hệ thống điện chuyên đề thiết kế bộ chỉnh lưu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU KHOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ TIỂU LUẬN MÔN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN CHUYÊN ĐỀ: THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU Họ tên GVHD : ThS.Phan Thanh Hồng Anh Nhóm thực : Nhóm Họ tên SV : - Đoàn Hà Phúc Lâm - Vũ Quốc Thắng - Nguyễn Minh Đức - Lê Thành Đạt Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện Lớp : DH21DC Vũng Tàu, tháng 03 năm 2023 Tiểu luận môn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hoàng Anh ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1.Thái độ tác phong nhận thức trình thực hiện: 2.Hình thức, thể thức trình bày: Kiến thức chuyên môn: 4.Đánh giá khác: 5.Đánh giá kết quả: GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ThS Phan Thanh Hoàng Anh Trang Tiểu luận mơn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Trường Đại học Bà Rịa Vũng Tàu đưa môn học điện tử công suất vào trương trình giảng dạy Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên môn – Thầy Phan Thanh Hoàng Anh dạy dỗ, truyền đạt kiến thức quý báu cho em suốt thời gian học tập vừa qua Trong thời gian tham gia lớp học thầy, em có thêm cho nhiều kiến thức bổ ích, tinh thần học tập hiệu quả, nghiêm túc Đây chắn kiến thức quý báu, hành trang để em vững bước sau Vũng Tàu, ngày 10 tháng năm 2023 Nhóm thực Nhóm Trang Tiểu luận mơn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh *mục lục CHƯƠNG MỞ ĐẦU 0.1 Đặt vấn đề 0.2 Phương pháp nghiên cứu 0.3 Tính cần thiết chuyên đề 0.4 Mục tiêu, nhiệm vụ giới hạn chuyên đề CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Bộ chỉnh lưu 1.1.1 Chỉnh lưu không điều khiển: Diode 1.1.2 Chỉnh lưu có điều khiển: SCR thyristor 1.2 Chỉnh lưu pha 1.2.1 Chỉnh lưu bán kỳ 1.2.2 Chỉnh lưu toàn kỳ 1.3 Chỉnh lưu pha 1.3.1 Chỉnh lưu tia 1.3.2 Chỉnh lưu cầu toàn phần 1,3.3 Chỉnh lưu cầu bán phần 10 CHƯƠNG 2: (NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI) 25 2.1 Chỉnh lưu bán kỳ 25 2.1.1 Tính tốn cho tải (Diode) 25 2.1.2 Tính toán cho tải (SCR) 25 2.2 Chỉnh lưu toàn kỳ 28 2.2.1 Tính tốn cho tải (Diode) 28 2.2.2 Tính tốn cho tải (SCR) 33 CHƯƠNG 3: (NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI) 72 3.1 Giới thiệu chỉnh lưu cầu 72 3.1.1 Khái niệm 33 3.1.2 Phân loại 33 3.2 Chức ứng dụng chỉnh lưu cầu 73 3.2.1 Nguyên lý hoạt động 73 3.2.2 Ứng dụng 73 Trang 4 Tiểu luận mơn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh 3.2.3 Ưu nhược điểm chỉnh lưu cầu 74 3.3 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 74 CHƯƠNG 4: Bộ chỉnh lưu 96 4.1 Mơ hình phần cứng 96 4.2 Các linh kiện mạch 96 4.3 Chức linh kiện 97 CHƯƠNG : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA CHUYÊN ĐỀ 112 5.1 Kết luận 112 5.1.1 Những vấn đề đạt 112 5.1.2 Các mặt tồn 112 5.2 Hướng phát triển chuyên đề 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang Tiểu luận mơn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh CHƯƠNG: MỞ ĐẦU 0.1 Đặt vấn đề Trên giới, nhờ vào khoa học phát triển tiến mà tạo dòng điện để phục vụ đáp ứng nhu cầu thuận lợi cho người.Tuy nhiên, để tạo dịng điện phù hợp với thiết bị điện tử, mà nhà khoa học tìm tịi tạo chỉnh lưu để kiểm sốt, điều chỉnh dịng điện phù hợp với thiết bị 0.2 Phương pháp nghiên cứu Sơ đồ mạch chỉnh lưu - Bộ chỉnh lưu cho phép chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện chiều (DC) thơng qua diode để biến dịng điện phù hợp thiết bị điện tử 0.3 Tính cần thiết chuyên đề - Nhờ vào chỉnh lưu cho phép biến đổi dòng điện xoay chiều thành chiều giúp người sử dụng dịng điện phù hợp với thiết bị điện tử 0.3 Mục tiêu, nhiệm vụ giới hạn chuyên đề - Mục tiêu: nhằm tạo dòng điện phù hợp thiệt bị điện tử - Nhiệm vụ: biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều Trang Tiểu luận mơn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Bộ chỉnh lưu 1.1.1 Bộ chỉnh lưu không điều khiển: Diode - Mạch chỉnh lưu thông thường khơng sử dụng diode để biến đổi dịng điện 1.1.2 Bộ chỉnh lưu có điều khiển: SCR Thyristor - Trong mạch chỉnh lưu thường sử dụng diode bán dẫn dùng để điều khiển dòng điện đèn chỉnh lưu thủy ngân linh kiện khác 1.2 Bộ chỉnh lưu pha 1.2.1 Bộ chỉnh lưu bán kỳ -Một mạch chỉnh lưu bán kỳ nửa chu kỳ dương âm dễ dàng ngang qua diode, nửa bị khóa, tùy thuộc vào chiều lắp đặt diode Vì có nửa chu kỳ chỉnh lưu, nên mạch chỉnh lưu nửa sóng có hiệu suất truyền cơng suất thấp Mạch chỉnh lưu nửa sóng lắp diode bán dẫn mạch nguồn pha 1.2.2 Bộ chỉnh lưu toàn kỳ -Mạch chỉnh lưu toàn kỳ biến đổi hai thành phần cực tính dạng sóng đầu vào thành chiều Do có hiệu suất cao Tuy nhiên mạch điện khơng có điểm biến áp người ta cần đến diode thay mạch chỉnh lưu nửa sóng Điều có nghĩa đầu cực điện áp cần đến diode để chỉnh lưu, thí dụ cho trường hợp điểm X dương, cho trường hợp điểm X âm Đầu cịn lại cần xác thế, kết phải cần đến diode Các diode dùng cho kiểu nối gọi cầu chỉnh lưu 1.3 Bộ chỉnh lưu pha 1.3.1 Bộ chỉnh lưu tia - Là mạch biến đổi điện áp xoay chiều pha thành điện áp chiều dùng thyristor Điện áp trung bình ngõ điều chỉnh cách thay đổi thời gian đóng, mở thyristor 1.3.2 Bộ chỉnh lưu cầu toàn phần 1.3.3 Bộ chỉnh lưu cầu bán phần - Các chỉnh lưu pha nửa sóng sử dụng để chuyển đổi nguồn AC ba phần thành nguồn DC Ở đây, cơng tắc diode, chúng cơng tắc khơng kiểm sốt Điều có nghĩa khơng có cách để kiểm sốt thời gian bật tắt công tắc Trang Tiểu luận mơn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh CHƯƠNG Nội dung 2.1 Chỉnh lưu bán kỳ 2.1.1 Tính tốn cho tải (Diode) * Tại R: V - Điện tải trung bình: V AV = πM (1+cosα ); V AV = VM - Dòng trung bình qua tải: I AV = π R - Cơng suất trung bình tải: - Điện hiệu dụng: V RMS= VM - Dòng hiệu dụng: I RMS= R = L L VM π (1+cosα ); I AV = VM π RL P AV =V AV I AV VM IM Trang Tiểu luận mơn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh - Cơng suất hiệu dụng: P RMS =I 2RMS R L -Hệ số công suất: cos∅= P RMS V RMS I RMS = = S V i Ii √2 -Tính tốn cho (Diode): + Dòng đỉnh qua Diode: I M ¿1 Diode =I M + Dịng trung bình qua Diode: I A V tai Diode =I AV tai +Điện áp ngược cực đại đặt lên SCR: V RM Diode =V M nguon 2.1.2 Tính tốn cho tải (SCR) * Tại R: V - Điện áp tải trung bình: V AV = πM (1+cosα ) - Dịng trung bình qua tải: I AV = V AV V = M (1+ cosα) RL π RL Trang Tiểu luận mơn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh - Cơng suất trung bình tải: P AV =I AV V AV - Chú ý: α =0 (diode), ta có: V AV = - Điện hiệu dụng: V RMS= - Dòng hiệu dụng: I RMS= VM VM ; I AV = π π RL VM √ ¿ ¿) VM α sin2 α 1/ I M α sin 2α /2 (1− + ) = (1− + ) RL π 2π π 2π - Công suất hiệu dụng: P RMS =I RMS R L = -Hệ số công suất: cos∅= 2 V RMS V M α sin α = (1− + ) RL RL π 2π √ P RMS V RMS I RMS α sin α = = (1− + ) S V i Ii π 2π √2 - Tính tốn cho một(SCR): + Dịng đỉnh qua SCR: I M ¿1 SCR =I M tai + Dòng trung bình qua SCR: I A V =I AV SCR tai +Điện áp ngược cực đại đặt lên SCR: V RM =V M SCR nguon * Tại L Trang 10 Tiểu luận môn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh + Tính dịng tải trung bình: I AV = VM ¿ πLω + Chú ý: Khi β=π (không liên tục) I AV = VM [( π−α )cosα+ sinα ] πLω + Chú ý: Khi β=π (dẫn liên tục) I AV = VM [( π +cosα +2 sinα )] πLω *Tại R-L dòng gián đoạn β < π +α - Dòng i(t): i(t) = −R ( ωt−α ) VM [sin ( ωt−∅ ) +sin ( ∅−α ) e Lω ] Z Trang 16 Tiểu luận môn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hoàng Anh - Hệ thức liên hệ góc kích góc tắt: sin ( β−∅ ) +sin ( α −∅ ) e −R ( β −α ) Lω - Trị số trung bình hiệu điện thế: V AV = VM (cosα−cosβ) π - Trị số trung bình dịng điện: I AV = VM ( cosα−cosβ ) πR *Tại R-L dòng gián đoạn β=π +α - Dòng i(t): i(t) = −R ( ωt−α ) VM [sin ( ωt−∅ ) +sin ( ∅−α ) e Lω ] Z - Hệ thức liên hệ góc kích góc tắt: −R sin ( β−∅ ) +sin ( α −∅ ) e Lω ( β −α ) - Trị số trung bình hiệu điện thế: Trang 17 Tiểu luận mơn học V AV = GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh VM cosα π - Trị số trung bình dịng điện: I AV = VM cosα πR Trang 18 Tiểu luận mơn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh CHƯƠNG ( NỘI DUNG 2) 3.1 Giới thiệu chỉnh lưu cầu 3.1.1 Khái niệm - Mạch chỉnh lưu cầu mạch điện có chức chuyển đổi dịng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện chiều (DC) Hiểu cách đơn giản đầu vào mạch dòng AC đầu dòng DC - Mạch chỉnh lưu cầu phổ biến nguồn cung cấp điện áp DC sử dụng cho thiết bị linh kiện điện tử.(Vd: cục sạc điện thoại, dây sạc máy tính, tv,…) 3.1.2 Phân loại - Chỉnh lưu cầu không điều khiển Chỉnh lưu cầu pha không điều khiển Bộ chỉnh lưu sử dụng diode để chỉnh lưu đầu vào hình Vì diode linh kiện đơn hướng cho phép dòng điện chạy theo chiều Với xếp diode chỉnh lưu, không cho phép công suất thay đổi tùy vào yêu cầu tải Vì vậy, chỉnh Trang 19 Tiểu luận mơn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh lưu sử dụng mạch nguồn cung cấp cố định.  - Chỉnh lưu cầu có điều khiển Chỉnh lưu cầu pha có điều khiển Trong chỉnh lưu này, thay sử dụng diode khơng điều khiển, linh kiện sử dụng SCR, Mosfet, IGBT,… linh kiện dùng để thay đổi công suất đầu mức điện áp khác nhau, công suất đầu tải thay đổi cách thích hợp 3.2 Chức ứng dụng chỉnh lưu cầu 3.2.1 Nguyên lý hoạt động Trong nửa chu kỳ đầu từ (0 – π), điện áp Vin > với cực tính dương hình bên Ta thấy nhóm D1, D3 điện áp cực dương điốt D1 lớn D3, D1 dẫn Cịn nhóm D2, D4 cực âm điốt D2 nhỏ D4, điốt D2 dẫn => Ở nửa chy kỳ đầu điốt D1, D2 dẫn điốt D3, D4 bị phân cực ngược Dòng điện cực dương nguồn qua D1, qua tải qua D2 trở cực âm nguồn Trang 20 Tiểu luận môn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh Bán kỳ dương chỉnh lưu hình cầu Trong nửa chu kỳ (π – 2π) điện áp Vin < với cực tính nguồn đảo lại (hình bên dưới) Một cách tương tự ta thấy điốt D3, D4 dẫn, điốt D1, D2 bị phân cực ngược Dòng điện từ cực dương nguồn qua D3, qua tải qua D4 để trở cực âm nguồn Bán kỳ âm chỉnh lưu hình cầu 3.2.2 Ứng dụng - Ứng dụng mạch chỉnh lưu cầu trích xuất dòng điện chiều từ nguồn điện xoay chiều(từ AC ->DC) Vì vậy,nguồn mạch chỉnh lưu cầu cấp nguồn hầu hết thiết bị điện tử Trang 21 Tiểu luận mơn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh - Mạch chỉnh lưu dùng mạch tách sóng tín hiệu vơ tuyến điều biến biên độ - Ngoài ra, mạch chỉnh lưu cầu sử dụng để cấp điện có cực tính cho máy hàn điện Đơi mạch thay cho diode cầu chỉnh lưu dùng Thyristor.  3.2.3 Ưu nhược điểm - Ưu điểm mạch chỉnh lưu cầu khơng cần biến áp, độ gợn sóng ngõ nhỏ với điện áp trung bình lớn Cho nên, ứng dụng rộng rãi thực tế, với điện áp 10V dòng tải lên đến 100 ampe - Nhược điểm mạch chỉnh lưu cầu có hai điốt tham gia dẫn dịng, điốt nhóm lẻ dẫn dịng tải Và điốt nhóm chẵn dẫn dịng tải nguồn Như có sụt áp hai điốt gây Chính lý mà mạch cầu khơng thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp 10V dòng tải lớn 3.3 Sơ đồ chỉnh lưu cầu  Máy biến áp: Có nhiệm vụ thay đổi biên độ điện áp đầu vào  Bộ chỉnh lưu cầu diode (Có diode nhiều hơn): Để tạo dịng điện chiều DC Trang 22 Tiểu luận mơn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hoàng Anh  Bộ lọc: Làm mịn, giảm tối đa độ gợn biên độ điện áp đầu ra, giúp cho điện áp DC ổn định.    Bộ điều chỉnh: Có chức điều chỉnh điện áp đầu Trang 23 Tiểu luận môn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hoàng Anh CHƯƠNG (Bộ chỉnh lưu cầu) 4.1 Mơ hình phần cứng Bộ chỉnh lưu cầu 4.2 Các linh kiện mạch Điện trở 1k Diot led Tụ điện 1000 µF 25V Diot bán dẫn Trang 24 Tiểu luận mơn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh *Linh kiện mạch chỉnh lưu: + Điện trở 1K + Tụ điện 1000 µF 25V + Điot led + Điot bán dẫn 4.3 Chức linh kiện - Diode thành phần quan trọng nguồn cung cấp điện, dùng để chuyển đổi điện áp xoay chiều thành chiều - Diot led  là các diode có khả phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng giống diode, LED cấu tạo từ khối bán dẫn loại p ghép với khối bán dẫn loại n - Tụ điện cho biết khả lưu trữ lượng điện, lưu trữ điện, lưu trữ điện tích hiệu - Điện trở  là loại linh kiện điện tử có khả giúp giới hạn hay điều chỉnh dịng điện có mạch điện tử Trang 25 Tiểu luận môn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hoàng Anh CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 Kết luận 5.1.1 Những vấn đề đạt 5.1.2 Các mặt tồn 5.2 Hướng phát triển chuyên đề Trang 26 Tiểu luận mơn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh Trang 27 Tiểu luận mơn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh Chương 6: tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Công Binh, Bài giảng điều khiển số (động không đồng pha), trường đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, tháng 02/2007 [2] Nguyễn Văn Nhờ, Giáo trình điện tử cơng suất 1, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh, năm 2002 [3] Nguyen Van Nho, Tran Thanh Vu, Analysis of PWM control for  a cascaded  multilevel inverter of  two-level and H-bridge topologies in series,  ISEE 2007, 23-25th Oct 2007,  HCMUT [4] Nguyen Van Nho and Nguyen Xuan Bac," DSP Control of Hybrid Five-level Inverter", to be submitted to VNU Journal 2007 [5] Nguyen Van Nho, Hong – Hee Lee, Analysis of carrier PWM method for common mode elimination in multilevel inverters, EPE 2007 - 12th European Conference on Power Electronics and Applications - September 2007, Aalborg , Denmark [6] Alian Chen, Lei Hu, And Xiangning He, senior member, IEEE, the 30 th annual conference of the IEEE industrial Society, A novel cascaded multilevel inverter topology, November – 6, 2004 Busan, Korea, College Of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, P.R.China, Chenalian@zju.edu.cn [7] Baiju, K.K Mohapatra, R.S.Kanchan, K.Gopakumar, A dual two-level inverter scheme with common mode voltage elimination for an induction motor drive, IEEE Transactions onVolume 19, Issue 3, May 2004 Page(s): 794 – 805 Digital Object Identifier   10.1109/TPEL.2004.826514 [8] Dominico Casdei, Gabriele Grandi, Alberto Lega, Claudio Rossi, Luca Zarri – Department of Electrical Engineering of Bologna, Switching Technique For Dual – Two Level Inverter Supplied By Two Separate Sources, 2007 IEEE [9] E.G Shivakumar,K.Gopakumar, S.K.Shinha, Andrei Pettet and V.T Ranganathan, Space Vector PWM Control Of Dual Inverter Fed Open – End Winding Induction Motor Drive In proceedings sixteenth annual IEEE aplied power electinics conference and exposition, 2001 APEC 2001, pages Vol.1, 399 – 405, Anaheim, California [10] V.T Somasekhar, K Gopakumar, E.G Shivakumar, S.K Sinha, A Space Vector Modulation Scheme For A Dual Two – Level Inverter Fed Open – End Wingding Induction Trang 28 Tiểu luận mơn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh Motor Drive For The Elimination Of Zero Sequence Currents EPE journal 12(2): pp.26-36, 2002 [11] V.T Somasekhar, K Gopakumar, A Pittet, and V.T Ranganathan Indian Institute of Science, Center for Electronics Design and Technology, Bangalore, India, PWM inverter switching strategy for a dual two-level inverter fed open-end winding induction motor drive with a switched neutral IEE Proceedings - Electric Power Applications March 2002 -Volume 149, Issue 2, p 152-160 (Received 21 May 2001; revised November 2001) Trang 29 Tiểu luận mơn học GVHD: ThS.Phan Thanh Hồng Anh Trang 30