Mô phỏng mạch nghịch lưu một pha sử dụng matlab simulink

LỜI MỞ ĐẦU Điện tử công suất ngành kỹ thuật điện tử nghiên cứu ứng dụng phần tử bán dẫn biến đổi để khống chế biến đổi nguồn lượng điện Các biến đổi điện tử công suất hệ ngày thể rõ ưu việt bật như: kích thước gọn nhẹ, độ tác động nhanh, làm việc ổn định với độ tin cậy cao, giá thành hạ… Trong biến đổi điện tử công suất không nhắc đến biến đổi điện áp DC/DC, DC/AC Các biến đổi ngày ứng dụng rộng rãi đặc biệt lĩnh vực điều khiển động cơ, truyền động điện, tiết kiệm lượng,… Từ yêu cầu thực đó, em xin chọn đề tài: “ Mô mạch nghịch lưu pha sử dụng Matlab simulink” Em xin chân thành cảm ơn Th.s Phan Văn Dư thầy cô giáo môn hướng dẫn em hoàn thành đồ án Trong trình thực đề tài, em nỗ lực hết sức, nhiên không tránh khỏi thiếu sót nội dung trình bày báo cáo hiểu biết thành em đạt suốt trình nghiên cứu bảo tận tình thầy Em mong đóng góp thầy bạn để nội dung đề tài ngày hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! SINH VIÊN THỰC HIỆN Hoàng Văn Sỹ CHƯƠNG 1: CÁC PHẦN TỬ LINH KIỆN BÁN DẪN CƠ BẢN 1.1 Đi ốt 1.1.1 Khái niệm Điốt bán dẫn linh kiện điện tử thụ động phi tuyến, cho phép dòng điện qua theo chiều mà khơng theo chiều ngược lại, sử dụng tính chất chất bán dẫn Hình 1.1 Hình ảnh ốt 1.1.2 Cấu tạo - Khi ghép hai chất bán dẫn P N ta Diode - Tiếp giáp P -N có đặc điểm : Tại bề mặt tiếp xúc, điện tử dư thừa bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào lỗ trống => tạo thành lớp Ion trung hoà điện => lớp Ion tạo thành miền cách điện hai chất bán dẫn Hình 1.2.Hình ảnh mơ cấu tạo 1.1.3 Đặc tính Vơn-Ampe - Phân cực thuận: Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt (vùng bán dẫn P ) điện áp âm (-) vào Katôt ( vùng bán dẫn N ) , tác dụng tương tác điện áp, miền cách điện thu hẹp lại, điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,6V ( với Diode loại Si ) 0,2V ( với Diode loại Ge ) diện tích miền cách điện giảm khơng => Diode bắt đầu dẫn điện Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn dịng qua Diode tăng nhanh chênh lệch điện áp hai cực Diode không tăng (vẫn giữ mức 0,6V) Hình 1.3 Mạch điện chứa điot Diode (Si) phân cực thuận - Khi Dode dẫn điện áp thuận đựơc gim mức 0,6V Đường đặc tính đồ thị UI với u trục tung i trục hoành Giá trị điện áp đạt đến 0.6V bão hịa Hình 1.4 Điện áp điot Khi Diode (loại Si) phân cực thuận, điện áp phân cực thuận < 0,6V chưa có dịng qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt = 0,6V có dịng qua Diode sau dịng điện qua Diode tăng nhanh sụt áp thuận giữ giá trị 0,6V - Phân cực ngược Khi phân cực ngược cho Diode tức cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P), tương tác điện áp ngược, miền cách điện rộng ngăn cản dòng điện qua mối tiếp giáp, Diode chiu điện áp ngược lớn khoảng 1000V diode bị đánh thủng Hình 1.5 Điot bị đánh thủng Diode bị cháy áp phân cực ngựơc tăng > = 1000V 1.1.4 Các tham số * UD ngược max - Điện áp ngược lớn đặt lên diode mà không làm hỏng diode - UD ngược max = (0,4-0,6) Uct * ID dòng điện thuận định mức diode * ΔUD giá trị điện áp cần để diode dẫn + Điện áp nguồn: 0,7-1,4 (V) + Tăng theo cấu trúc tinh thể bán dẫn * Tần số : trình phát nhiệt phụ thuộc vào tần số đóng cắt điot *  cp : nhiệt độ cho phép bán dẫn hoạt động bình thường ( < 1400 C) *ΔP= UD.iD : cơng suất phát nóng cho phép *UD = U0 + iD.Rđ + U0 : điện áp ngược + Rđ : điện trở động diode *   mt  P.RT ( RT : nhiệt điện trở diode) 1.1.4 Ứng dụng ốt Vì điốt có đặc tính dẫn điện theo chiều từ anode đến cathode phân cực thuận nên điốt dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều Ngồi điốt có nội trở thay đổi lớn, phân cực thuận RD (nối tắt), phân cực nghịch RD (hở mạch), nên điốt dùng làm cơng tắc điện tử, đóng ngắt điều khiển mức điện áp Điốt chỉnh lưu dòng điện, giúp chuyển dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều, điều có ý nghĩa lớn kĩ thuật điện tử Vì điốt ứng dụng rộng rãi kỹ thuật điện điện tử 1.2 Thyristor 1.2.1 Cấu tạo Thyristor gồm bốn lớp bán dẫn P-N ghép xen kẽ nối ba chân: A : Anode : cực dương K : Cathode : cực âm G : Gate : cực khiển (cực cổng) Thyristor xem tương đương hai BJT gồm BJT loại NPN BJT loại PNP ghép lại hình vẽ sau: Hình 1.6 Cấu tạo Thyristor 1.2.2 Nguyên lý hoạt động * 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 ngồi 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, không định trước Phương pháp thứ hai, áp dụng thực tế, đưa xung dịng 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 dịng qua anode-cathode lớn giá trị định gọi dòng trì (Idt) thyristor tiếp tục trạng thái mở dẫn dịng mà khơng cần đến tồn xung dịng điều khiển, nghĩa điều khiển mở thyristor xung dòng có độ rộng xung định, cơng suất mạch điều khiển nhỏ, so với công suất mạch lực mà thyristor phần tử đóng cắt, khống chế dịng điện * Trường hợp cực G để hở hay VG = OV Khi cực G VG = OV có nghĩa transistor T1 khơng có phân cực cực B nên T1ngưng dẫn Khi T1 ngưng dẫn IB1 = 0, IC1 = T2 ngưng dẫn Như trường hợp Thyristor khơng dẫn điện được, dịng điện qua Thyristor IA = VAK ≈ VCC Tuy nhiên, tăng điện áp nguồn VCC lên mức đủ lớn điện áp VAK tăng theo đến điện ngập VBO (Beak over) điện áp V AK giảm xuống diode dòng điện I Atăng nhanh Lúc Thyristor chuyển sang trạng thái dẫn điện, dòng điện ứng với lúc điện áp VAK giảm nhanh gọi dòng điện trì IH (Holding) Sau đặc tính Thyristor giống diode nắn điện Trường hợp đóng khóa K: V G = VDC – IGRG, lúc Thyristor dễ chuyển sang trạng thai dẫn điện Lúc transistor T1 phân cực cực B nên dịng điện IG IB1 làm T1 dẫn điện, cho IC1 dịng điện IB2 nên lúc I2 dẫn điện, cho dịng điện IC2 lại cung cấp ngược lại cho T1 IC2 = IB1 Nhờ mà Thyristor tự trì trạng thái dẫn mà khơng cần có dịng IG liên tục IC1 = IB2 ; IC2 = IB1 Theo nguyên lý dòng điện qua hai transistor khuếch đại lớn dần hai transistor chạy trạng thái bão hòa Khi điện áp V AK giảm nhỏ (≈ 0,7V) dòng điện qua Thyristor là: Thực nghiệm cho thấy dòng điện cung cấp cho cực G lớn áp ngập nhỏ tức Thyristor dễ dẫn điện * Trường hợp phân cực ngược Thyristor Phân cực ngược Thyristor nối A vào cực âm, K vào cực dương nguồn V CC Trường hợp giống diode bị phân cự ngược.Thyristor không dẫn điện mà có dịng rỉ nhỏ qua Khi tăng điện áp ngược lên đủ lớn Thyristor bị đánh thủng dòng điện qua theo chiều ngược Điện áp ngược đủ để đánh thủng Thyristor V BR Thông thường trị số VBR VBO ngược dấu 1.2.3 Đặc tuyến Hình 1.7: Đặc tuyến Thyristor IG = IG2 > IG1 > IG Đặc tính Volt-Ampere thyristor gồm hai phần Phần thứ nằm góc phần tư thứ I đồ thị Descartes, ứng với trường hợp điện áp Vak > 0, phần thứ hai nằm góc phần tư thứ III, gọi đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp Vak 0, lúc đầu có dịng điện nhỏ chạy qua, gọi dòng rò 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 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 điốt * Có dịng điện vào cực điều khiển (iG > 0) 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 1.2.4 Các thông số kỹ thuật Dòng điện thuận cực đại Đây trị số lớn dịng điện qua mà Thyristor chịu đựng liên tục, trị số Thyristor bị hư Khi Thyristor dẫn điện V AKkhoảng 0,7V nên dòng điện thuận qua tính theo cơng thức Điện áp ngược cực đại Đây điện áp ngược lớn đặt A K mà Thyristor chưa bị đánh thủng, vượt qua trị số Thyristor bị phá hủy Điện áp ngược cực đại Thyristor thường khoảng 100V đến 1000V Dịng điện kích cực tiểu.IGmin Để Thyristor dẫn điện trường hợp điện áp VAK thấp phải có dịng điện kích cho cực G Thyristor Dòng I Gmin trị số dịng kích nhỏ đủ để điều khiển Thyristor dẫn điện dịng I Gmin có trị số lớn hay nhỏ tùy thuộc công suất Thyristor, Thyristor có cơng suất lớn I Gmin phải lớn Thông thường IGmin từ 1mA đến vài chục mA Thời gian mở Thyristor.Là thời gian cần thiết hay độ rộng xung kích để Thyristor chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, thời gian mở khoảng vài micrô giây Thời gian tắt Theo nguyên lý Thyristor tự trì trạng thái dẫn điện sau kích Muốn Thyristor trạng thái dẫn chuyển sang trạng thái ngưng phải cho I G = cho điện áp VAK = để Thyristor tắt thời gian cho V AK = OV phải đủ dài, không VAK tăng lên cao lại Thyristor dẫn điện trở lại Thời gian tắt Thyristor khoảng vài chục micrô giây Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/μs).s) Thiristor phần tử bán dẫn có điều khiển, có nghĩa dù phân cực thuận (Uak>0) phải có tín hiệu điều khiển cho phép dòng chạy qua Khi thyristor phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi lớp tiếp giáp J2 hình vẽ Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày mở ra, tạo vùng khơng gian nghèo điện tích, cản trở dịng điện chạy qua Vùng khơng gian coi tụ diện có điện dung Cj2 Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện tụ có giá trị đáng kể, đóng vai trò dòng điều khiển Kết thyristor mở chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G Tốc độ tăng điện áp thông số phân biệt thyristor tần số thấp với thyristor tần số cao Ở thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 V/μs).s với thyristor tần số cao dU/dt lên tới 500 đến 2000 V/μs).s - Tốc độ tăng dòng cho phép dI/dt (A/μs).s) Khi thyristor bắt đầu mở điểm tiết diện tinh thể bán dẫn dẫn dịng đồng Dịng điện chạy qua bắt đầu vài điểm, gần với cực điều khiển nhất, sau lan tỏa dần sang điểm khác toàn tiết diện Nếu tốc độ tăng dịng điện q lớn dẫn tới mật độ dòng điện điểm dẫn ban đầu lớn, phát nhiệt cục nhanh dẫn đến hỏng cục bộ, từ dẫn đến hỏng tồn tiết diện tinh thể bán dẫn Tốc độ tăng dòng cho phép thyristor tần số thấp vào khoảng 50÷100A/μs).s, với thyristor tần số cao dI/dt vào khoảng 500÷2000A/μs).s Trong biến đổi phải ln có biện pháp đảm bảo tốc độ tăng dòng giá trị cho phép Điều đạt nhờ mắc nối tiếp phần tử bán dẫn với điện kháng nhỏ, lõi khơng khí đơn giản xuyến ferit lồng lên Các xuyến ferit phổ biến cấu tạo đơn giản, dễ thay đổi điện cảm cách thay đổi số xuyến lồng lên dẫn Xuyến ferit cịn có tính chất cuộn cảm bão hòa, dòng qua dẫn nhỏ điện kháng lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng Khi dòng lớn ferit bị bão hòa từ, điện cảm giảm gần khơng Vì cuộn kháng kiểu không gây sụt áp chế độ dòng định mức chạy qua dây dẫn 1.2.5 Ứng dụng Thyristor Thyristor chủ yếu sử dụng ứng dụng yêu cầu điện áp dòng điện lớn, thường sử dụng để điều khiển dòng xoay chiều AC (Alternating current), thay đổi cực tính dịng điện khiến thiết bị đóng cách tự động(được biết trình Zero Cross-quá trình đóng cắt đầu lân cận điểm điện áp3 hình sin) 1.2.6 Mạch ứng dụng Hình 1.8: Mạch ứng dụng • Ban đầu cơng tắc K2 đóng, Thyristor phân cực thuận khơng có dịng điện chạy qua, đèn khơng sáng • Khi cơng tắc K1 đóng, điện áp U1 cấp vào chân G làm đèn Q2 dẫn => kéo theo đèn Q1 dẫn => dòng điện từ nguồn U2 qua Thyristor làm đèn sáng • Tiếp theo ta thấy cơng tắc K1 ngắt đèn sáng, Q1 dẫn, điện áp chân B đèn Q2 tăng làm Q2 dẫn, Q2 dẫn làm áp chân B đèn Q1 giảm làm đèn Q1 dẫn , hai đèn định thiên cho trì trang thái dẫn điện • Đèn sáng trì K2 ngắt => Thyristor không cấp điện ngưng trang thái hoạt động 1.3 Triac TRIAC phần tử bán dẫn gồm năm lớp bán dẫn, tạo nên cấu trúc p-n-p-n thyristor theo hai chiều cực T1 T2, dẫn dòng theo hai chiều T1 T2 TRIAC coi tương đương với hai thyristor đấu song song song ngược.để điều khiển Triac ta cần cấp xung cho chân G Triac 1.3.1 Cấu tạo Triac linh kiện bán dẫn có ba cực năm lớp, làm việc Thyristor mắc song song ngược chiều, dẫn điện theo hai chiều 10