Đang tải... (xem toàn văn)
Để có khái niệm tổng quát về điện tử công suất,cần phải nhắc lại ba lĩnh vực cơ bản của ngành Kỹ thuật điện đó là : điện tử,điều khiển và năng lượng điện. Lĩnh vực điện tử nghiên cứu các dụng cụ bán dẫn,các mạch tích hợp sử dụng cho việc truyền tải và xử lý thông tin. Lĩnh vực điều khiển nghiên cứu các quá trình,phân tích và tổng hợp các bộ điều khiển nhằm ổn định chế độ làm việc của hệ thống. Lĩnh vực năng lượng nghiên cứu và giải quyết vấn đề liên quan đến các hệ thống phát điện,truyền tải,phân phối và sử dụng điện năng.
Nhận xét giáo viên hướng dẫn Ngày… tháng… năm 2022 Giao viên hướng dẫn Contents Nhận xét giáo viên hướng dẫn LỜI NÓI ĐẦU .2 CHƯƠNG : TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Khái niệm điện tử công suất 1.2 Nhiệm vụ điện tử công suất 1.3 Ứng dụng điện tử công suất CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .10 2.1 Khái niệm chỉnh lưu công suất 10 2.2 Luật dẫn van công suất mạch chỉnh lưu 10 2.3 Cấu trúc mạch chỉnh lưu,các thông số 11 2.4 Các mạch chỉnh lưu pha 12 2.4.1 Mạch chỉnh lưu hình tia pha nửa chu kỳ khơng điều khiển 12 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH…………………………………………………13 3.1 Các thông số yêu cầu 13 3.2 Lựa chọn sơ đồ mạch chỉnh lưu .13 3.3 Tính tốn thông số mạch điện .13 3.3.1 Tính tốn, chọn van công suất 13 3.3.2.Tính tốn,chọn phần tử bảo vệ 15 3.3.3 Lựa chọn, tính tốn, chọn phần tử mạch điều khiển 15 3.3.4.Tính tốn,chọn phần tử cách ly .23 3.4 Sơ đồ khối 24 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch điện .25 3.5.1 Sơ đồ nguyên lý 25 3.5.2 Nguyên lý làm việc toàn mạch .26 3.6 Sơ đồ mạch in 27 3.7 Ảnh sản phẩm 28 KẾT LUẬN .29 LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, điện tử cơng 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 cơng 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 công suất chúng em giao thực đề tài: “Thiết kế mạch chỉnh lưu cầu pha điều khiển điều hoàn toàn chỉnh tốc độ động điện chiều dùng TCA 785” Với hướng dẫn thầy : Vũ Đình Đạt, chúng em tiến hành nghiên cứu thiết kế đề tài Trong trình thực đề tài khả kiến thức thực tế có hạn nên khơng thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn Nhóm sinh viên thực : Lê Văn Tâm Đỗ Minh Sỹ CHƯƠNG : TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Khái niệm điện tử công suất - Để có khái niệm tổng quát điện tử công suất,cần phải nhắc lại ba lĩnh vực ngành Kỹ thuật điện : điện tử,điều khiển lượng điện Lĩnh vực điện tử nghiên cứu dụng cụ bán dẫn,các mạch tích hợp sử dụng cho việc truyền tải xử lý thông tin Lĩnh vực điều khiển nghiên cứu trình,phân tích tổng hợp điều khiển nhằm ổn định chế độ làm việc hệ thống Lĩnh vực lượng nghiên cứu giải vấn đề liên quan đến hệ thống phát điện,truyền tải,phân phối sử dụng điện - Với phát triển nhanh chóng kỹ thuật điện tử điều khiển,ngày nhiều thiết bị điện tử sử dụng hệ thống truyền tải,biến đổi sử dụng điện Hệ thống thiết bị điện tử không hoạt động chế độ khuếch đại mà hoạt động theo nguyên lý đóng-cắt gọi thiết bị điện tử công suất Như điện tử công suất ứng dụng kỹ thuật điện tử,điều khiển vào hệ thống lượng điện 1.2 Nhiệm vụ điện tử công suất Nhiệm vụ điện tử cơng suất biến đổi hệ thống lượng điện từ dạng sang dạng khác bao gồm dạng biến đổi đây: • Xoay chiều (AC-Alternating Current) thành chiều (DC-Direct Current): AC-DC • Một chiều thành chiều: DC-DC • Một chiều thành xoay chiều: DC-AC • Xoay chiều thành xoay chiều: AC-AC 1.3 Ứng dụng điện tử công suất a.Các chỉnh lưu có điều khiển Là loại biến đổi AC-DC sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển truyền động điện động điện chiều, hệ thống cung cấp nguồn điện chiều, hệ thống mạ nạp điện Dưới ứng dụng chỉnh lưu hệ thống tự động ổn định tốc độ quay động điện chiều Sơ đồ khối trình bày Hình 1.1 1.1 Sơ đồ khối tự động ổn định tốc độ quay động Bộ chỉnh lưu làm nhiệm vụ cấu điều chỉnh cho đối tượng động điện chiều Khi tải động thay đổi điện áp nguồn thay đổi, momen tốc độ quay trục động thay đổi theo Cảm biến tốc độ chuyển đổi tốc độ động thành tín hiệu điện hàm phụ thuộc vào tốc độ Điện áp tín hiệu khuếch đại đến mức đủ lớn đưa vào điều chế góc mở SCR chỉnh lưu để điện áp chiều điều chỉnh giữ cho tốc độ động ổn định Việc điều chỉnh tốc độ quay thưc cách thay đổi điện áp mạch phần ứng, mạch kích thích thực hai mạch Theo quan điểm kỹ thuật điều khiển hệ thống tự động ổn định tốc độ quay Hình 1.1 hệ điều chỉnh tốc độ mạch vịng kín biểu diễn hình 1.2 Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh mạch vòng kín Trên sơ đồ cấu trúc đại lượng biểu diễn dạng tốn tử Laplace X(s) giá trị đặt, Y(s) giá trị thực trình, E(s) độ sai lệch giá trị đặt giá trị thực, U(s) tác động điều chỉnh, C(s) O(s) hàm truyền điều chỉnh đối tượng miền toán tử b Điều chỉnh dòng điện điện áp chiều Sơ đồ khối hệ thống tự động ổn định tốc độ quay động điện chiều biến đổi DC-DC trình bày Hình 1.3 Hình 1.3 Sơ đồ khối tự động ổn định tốc độ quay động điện chiều Nguồn cung cấp cho hệ thống nguồn điện chiều U o Khi tải điện áp nguồn thay đổi làm momen tốc độ quay trục động thay đổi Tín hiệu cảm biến tốc độ làm thay đổi tần số đóng cắt biến đổi DC-DC làm điện áp trung bình đặt động thay đổi giữ cho tốc độ quay động ổn định phạm vi làm việc định c Điều chỉnh dòng điện điện áp xoay chiều Các điều chỉnh dòng điện điện áp xoay chiều sử dụng rộng rãi hệ thống tạo nhiệt nung, sấy Các điều chỉnh sử dụng việc điều chỉnh tốc độ quay động điện xoay chiều Tuy nhiên, việc sử dụng điều chỉnh truyền động điện động điện xoay chiều có chất lượng khơng cao nên sử dụng cho loại tải công suất lớn Nếu có thay đổi trạng thái buồng sấy điện áp nguồn cung cấp nhiệt độ buồng thay đổi làm tín hiệu cảm biến nhiệt độ thay đổi theo góc mở Thyristor điều chỉnh thay đổi để điện áp dòng qua phần tử đốt thay đổi giữ cho nhiệt độ buồng sấy ổn định Các điều chỉnh áp dụng cho mạch pha ba pha, trình bày Hình 1.4 Hình 1.4 Bộ điều chỉnh dòng điện điện áp pha d Bộ biến đổi ngược Các biến đổi ngược DC-AC (nghịch lưu) dùng để biến đổi hệ thống dòng điện điện áp chiều cố định thành hệ thống dòng điện điện áp xoay chiều có tần số ổn định Các biến đổi ngược thường sử dụng hệ thống lượng gió, lượng mặt trời dùng để biến đổi hệ thống lượng điện chiều điện xoay chiều không ổn định thành hệ thống lượng điện xoay chiều có tần số biên độ ổn định Sơ đồ khối hệ thống cung cấp điện không gián đoạn sử dụng biến đổi ngược mơ tả Hình 1.5 Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống cung cấp điện không gián đoạn Nguồn điện xoay chiều lấy từ lưới điện xoay chiều sau chỉnh lưu vừa nạp cho ắc quy vừa lọc phẳng cung cấp cho nghịch lưu DC-AC thành nguồn điện xoay chiều có tần số ổn định Khi điện lưới lượng nạp từ ắc quy cung cấp cho tải e Biến tần Là biến đổi AC-AC dùng để biến đổi hệ thống dòng điện điện áp xoay chiều từ tần số sang tần số khác Có hai loại biến tần: trực tiếp gián tiếp sử dụng hệ thống điều khiển truyền động điện động điện xoay chiều Sơ đồ hệ thống điều khiển truyền động điện động điện xoay chiều sử dụng biến tần giao tiếp trình bày hình 1.6 Hình 1.6 Sơ đồ khối ổn định tốc độ quay động điện xoay chiều Hệ thống điện áp xoay chiều U có tần số cố định biến đổi thành hệ thống điện áp xoay chiều U2 có tần số thay đổi dùng để tự động ổn định tốc độ quay động tải điện áp lưới thay đổi g Các biến đổi hệ thống truyền tải điện Các biến đổi công suất lớn sử dụng hệ thống truyền tải điện hệ thống bù hệ số cosφ, điều khiển hệ thống lượng, truyền tải điện chiều cao áp trình bày Hình 1.7 Hình 1.7 Truyền tải điện chiều cao áp (HVDC) Hệ thống truyền tải điện chiều cao áp điều khiển hướng truyền lượng cách thay đổi chế độ làm làm việc biến đổi hai đầu đường dây từ chế độ chỉnh lưu sang chế độ nghịch lưu Tuy nhiên hệ thống truyền tải lượng có hệ thống thiết bị điều khiển biến đổi phức tạp, đắt tiền sử dụng số nước công nghiệp phát triển CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái niệm chỉnh lưu công suất a.Khái niệm Mạch chỉnh lưu thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện chiều nhằm cung cấp cho phụ tải điện chiều b.Phân loại Theo số pha: pha, ba pha, m pha Theo loại van: diode thyristor Mạch dùng tồn diode chỉnh lưu khơng điều khiển Mạch dùng toàn Thyristor chỉnh lưu có điều khiển Một nửa thyristor, nửa diode chỉnh lưu bán điều khiển Phân loại theo sơ đồ mắc: Anode chung Cathode chung 2.2 Luật dẫn van công suất mạch chỉnh lưu Nhóm nối chung Cathode: Hình 1.8 trình bày nhóm nối Cathode chung Hình 2.1 Nhóm nối chung Cathode Điện áp anode diode dương diode dẫn Khi điện điểm A điện anode dương Nhóm nối chung Anode: - Dịng điện định mức van cần chọn : Ilv= Id /2=2.5(A) Iđm=Ilv x 4=2.5× = 10 (A) Từ thông số chọn thysirtor TYN1225 Datasheet TYN1225 (xem phần phụ lục) - Về phần diode chọn diode HER508 Datasheet HER508 (xem phần phụ lục) 3.3.2.Tính tốn,chọn phần tử bảo vệ Các nguyên nhân gây dòng điện cho van: - Quá dòng dài hạn - Ngắn mạch đầu - Ngắn mạch thân van Chọn cầu chì: Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch thyristor - Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1CC là: I1CC= 1.1I2 = 1.1×1.1 = 1.21 (A) => Vậy chọn cầu chì nhóm 1CC loại 1.25 (A) Với điện áp sau lọc có độ nhấp nhơ chọn tụ có điện áp = 400v với tụ điện dung cao tụ lọc phẳng nên ta chọn tụ có giá trị Uc = 600v điện dung C = 1000 μFF thị trường có sẵn loại 3.3.3 Lựa chọn, tính tốn, chọn phần tử mạch điều khiển a.Một số phương án lựa chọn mạch điều khiển Phương án 1: Sử dụng IC thuật tốn rời rạc thơng qua khâu: - Khâu đồng pha - Khâu tạo điện cưa - Khâu so sánh - Khâu tạo xung chùm - Khâu trộn xung - Khâu khuếch đại biến áp xung Các khâu thể qua hình 3.1 Hình 3.1 Các khâu mạch điều khiển dùng IC thuật toán rời rạc Ưu điểm: - Giá thành rẻ Nhược điểm: - Mạch phức tạp phải thông qua nhiều khâu - Chất lượng điều khiển khơng cao Phương án 2: Dùng IC tích hợp TCA 785 Hình 3.2 Các khâu dùng IC tích hợp TCA785 Đối với việc điều khiển điện áp chiều ta sử dụng vi mạch tích hợp TCA 785 để đơn giản mạch điều khiển Ưu điểm: - Mạch đơn giản, khâu điều khiển - Tạo điện áp đối xứng - Chất lượng điện áp mong muốn Nhược điểm : - Giá thành đắt Kết luận: Từ việc so sánh ưu nhược điểm phương án ta chọn phương pháp (Sử dụng mạch tích hợp TCA 785) b.Tính tốn, thiết kế mạch điều khiển Mạch điều khiển tính xuất phát từ yêu cầu xung mở Thyristor TYN1225: Điện áp điều khiển: Uđk= Ug= 1,5(V) Dòng điện điều khiển: Iđk= 40 (mA) TCA 785 hãng SIEMEN chế tạo sử dụng để điều khiển thiết bị chỉnh lưu, thiết bị chỉnh dòng điện áp xoay chiều IC TCA 785 (có tích hợp khâu đồng pha, so sánh, tạo xung, sửa xung, khuyếch đại) tạo xung điều khiển đến kích mở cho Thyristor TYN1225 ( T1 T2) Vi mạch TCA 785 vi mạch phức hợp thực chức mạch điều khiển: Tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp cưa, so sánh tạo xung TCA 785 hang Simen chế tạo sử dụng để điều khiển thiết bị chỉnh lưu, thiêt bị điều chỉnh dòng xoay chiều Đặc trưng: - Dễ phát việc chuyển qua điểm khơng - phạn vi ứng dụng rộng rãi - Có thể dung làm chuyển mạch điẻm khơng - Tương thích LSL - Có thể hoạt động pha (3 IC) - Dòng điện 250 mA - Miền dốc dòng lớn - Dải nhiệt độ rộng Nhiệm vụ: Tạo xung điều khiển mở thyristor với góc mở α giảm dần để tăng điện áp tải đến điện áp phóng điện c.Hình ảnh kí hiệu Kí hiệu chân TCA 785 thể 3.3 hình Hình 3.3 Hình ảnh,sơ đồ chân TCA 785 e.Chức Chân Kí hiệu Chức GND Chân nối đất Q2 Đầu đảo QU Dầu U Q1 VSYNC Tín hiệu đồng I Tín hiệu cấm QZ Đầu z VREF Điện áp chuẩn R9 Điện áp tạo xung cưa 10 C10 Tụ tạo xung cưa 11 V11 Điện áp điều khiển 12 C12 Tụ tạo độ rộng xung Đầu đảo Tín hiệu điều khiển xung ngắn, 13 L 14 Q1 Đầu 15 Q2 Đầu 16 VS Điện áp nguồn nuôi xung rộng g.Dạng tín hiệu Dạng tín hiệu TCA 785 thể hình 3.4 Hình 3.4 Dạng tín hiệu TCA 785 f.Sơ đồ cấu tạo Hình 3.5 Sơ đồ cấu tạo TCA 785 i.Các thông số TCA 785 Giá trị Giá trị tiêu Giá biểu(F= 50 max HZ VS=5V) Thơng số Dịng tiêu thụ IS Điện áp vào điều khiển , V11 chân 11trở kháng vào R11 trị Đơn vị 4,5 6,5 10 MA 0,2 15 V10 V MAX kΩ 1000 μAA VS-2 V 300 KΩ Mạch tạo cưa Dòng nạp tụ I10 Biên độ cưa V10 Điện trở mạch nạp R9 Thời gian sườn ngăn tP xung cưa Tín hiệu cấm vào, chân 10 80 Ms