Thiết kế mô hình mạch kích thyristor trong thiết bị chỉnh lưu hình tia 1 pha

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM BÁO CÁO ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề tài: Thiết kế thi cơng mạch kích Thyristor chỉnh lưu hình tia pha GVHD : thầy NGƠ HỒNG TÙNG Sinh viên thực (lớp DVK2): - Nguyễn Quang Thiện - Trang Quốc Khải - Võ Phi Sơn - Nhữ Thanh Bình TP.Hồ Chí Minh, 11/2010 Điện tử cơng suất – Mạch kích thyristor Mục lục Chương I: GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ THYRISTOR I Cấu tạo - nguyên lý làm việc Thyristor 1.Cấu tạo: Nguyên lý làm việc thyristor: II Đặc tuyến Volt - Ampere Thyristor: .6 III Các thông số chủ yếu Thyristor Điện áp thuận cực đại (Uth.max): Điện áp ngược cực đại (Ung max): .7 Điện áp định mức (Uđm): Điện áp rơi Thyristor: Điện áp chuyển trạng thái (Uch): Dòng điện định mức (Iđm): Điện áp dòng điện điều khiển (Uđkmin, Iđkmin): 8 Thời gian mở Thyristor (Ton): Thời gian khoá Thyristor (Toff ): 10 Tốc độ tăng điện áp thuận cho phép (du/ dt): .8 11 Tốc độ tăng dòng thuận cho phép (di/ dt): IV Mở Thyristor: 1.Các biện pháp mở Thyristor: Khoá Thyristor: Chương II: NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR .10 I Nguyên tắc chung điều khiển thyristor : .10 II Nguyên tắc điều khiển acrcoss : 10 Chương III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR .11 I Một số yêu cầu mạch điều khiển: .11 Yêu cầu độ lớn điện áp dòng điều khiển: 11 Yêu cầu độ rộng xung điều khiển: 11 Yêu cầu độ dốc sườn trước xung: 11 Yêu cầu độ tin cậy: 11 Yêu cầu lắp ráp vận hành: .11 II Các khối mạch điều khiển Thyristor: 11 Khối nguồn: 12 Khối cách ly ngõ vào ra: 12 Khối đồng : 12 5.Khối tạo dạng xung: 13 III Tính tốn chọn MBA pha: 13 Xác định tiết diện thực lõi sắt ( So): 13 Tính số vịng dây volt : W 14 Xác định số vòng dây cuộn sơ cấp thứ cấp MBA: W1, W2,W3 14 Tính chọn nguồn chỉnh lưu DC cung cấp cho mạch điều khiển Thyristor: 14 IV Sơ đồ ngun lý tính tốn linh kiện cho mạch điều khiển pha dùng Thyristor: 15 Sơ đồ nguyên lý: 15 Điện tử cơng suất – Mạch kích thyristor Giải thích sơ đồ nguyên lý : 15 Dạng đồ thị mô sơ đồ mạch Proteus: .16 Tiến hành lắp ráp mạch: 17 VI Hướng phát triển đề tài: .18 VI Hướng phát triển đề tài: .19 VII Tài liệu tham khảo 19 Điện tử công suất – Mạch kích thyristor Lời cảm ơn Đề tài mạch kích thyristor đề tài khó, địi hỏi nhiều tìm tịi nghiên cứu q trình nhóm chúng em thực Bên cạnh đó, chúng em xin chân thành cám ơn thầy Ngơ Hồng Tùng hướng dẫn, tạo điều kiện cho nhóm sử dụng phịng thí nghiệm để kiểm tra kết mạch kích Điện tử cơng suất – Mạch kích thyristor NỘI DUNG Chương I: GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ THYRISTOR I Cấu tạo - nguyên lý làm việc Thyristor 1.Cấu tạo: Thyristor 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, ký hiệu, sơ đồ tương đương cấu tạo thyristor trình bày H1 H.I.1a H.I.1b H.I.1c H.I.1d A : Anốt K : catốt G : Cực điều khiển J1, J3 : Mặt tiếp giáp phát điện tích J2 : Mặt tiếp giáp trung gian H.I.1a : Sơ đồ ký hiệu SCR H.I.1b : Sơ đồ cấu trúc bốn lớp SCR H.I.1c : Sơ đồ mô tả cấu tạo SCR H.I.1d : Sơ đồ tương đương SCR Nguyên lý làm việc thyristor: Có thể mơ Thyristor hai transistor Q1, Q2 H.I.1d Transistor Q1 ghép kiểu PNP, Q2 kiểu NPN Gọi α1, α2 hệ số truyền điện tích Q1và Q2 Khi đặt điện áp U lên hai đầu A &K Thyristor, mặt tiếp giáp J1 & J3 chuyển dịch thuận, mặt tiếp giáp J2 chuyển dịch ngược ( J2 mặt tiếp giáp chung Q1 & Q2) Do dịng chảy qua J2 IJ2 IJ2 = α1.Ie1 + α2.Ie2 + Io Io : Là dòng điện rò qua J2 Nhưng Q1 & Q2 ghép thành tổng thể ta có: Ie1 = Ie2 = IJ2 = I Do IJ2 = I = α1 I + α2 I + Io Điện tử công suất – Mạch kích thyristor Suy => I = Io / [1-( α1 + α2 )] (1) Do J2 chuyển dịch ngược nên hạn chế dịng chảy qua nó, dẫn đến α1, α2 điều có giá trị nhỏ, I ≈ Io, hai transistor trạng 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 dòng 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: α Ie H.I.2 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, tạo điều kiện làm tăng trưởng nhanh dòng điện chảy qua Thyristor Dòng Ie1 tăng làm cho α1 tăng (H.I.2), tăng Ie2 làm cho α2 tăng Cuối thưc điều kiện (α1 + α2)
1, hai transistor chuyển sang trạng thái mở, lúc nội trở A K SCR nhỏ Vậy muốn làm cho Q1, Q2 từ trạng thái ngắt chuyển sang trạng thái bão hoà (hay muốn mở Thyristor) cần làm tăng IB2 Để làm việc người ta thường cho dòng điều khiển Iđk chảy vào cực cổng Thyristor, theo chiều IB2 H.I.1d II Đặc tuyến Volt - Ampere Thyristor: H.I.3 H.I.3 Đặc tuyến Volt - Ampere Thyristor Ith max : Giá trị cực đại dòng thuận Uth : Điện áp thuận Điện tử công suất – Mạch kích thyristor Ung Udt Ing Io Idt ∆u : Điện áp ngược : Điện áp đánh thủng : Dòng ngược : Dòng rò qua Thyristor : Dòng trì : Điện áp rơi 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 (α1+α2) 0) điện áp dương đặt lên cực điều khiển (G) tức UGk >0 Sau thyristor mở xung điều khiển (xung dương) khơng cịn tác dụng , dịng điện chảy qua thyristor thông số mạch động lực định - thyristor tắt : UAK < UG = 0.1 (A/Ms) Yêu cầu độ tin cậy: Mạch điều khiển phải đảm bảo làm việc tin cậy hoàn cảnh như: nhiệt độ, nguồn tín hiệu nhiễu tăng v.v… Do u cầu: Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ để Thyristor khơng tự mở dịng rị tăng Xung điều khiển phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao động điện áp nguồn, nhiễu … Cần khử nhiễu cảm ứng (ở khâu so sánh, khối cách ly ngõ ) để tránh mở nhầm Yêu cầu lắp ráp vận hành: Thiết bị dễ thay thế, dễ lắp ráp điều chỉnh Các khối mạch có khả làm việc độc lập II Các khối mạch điều khiển Thyristor: Ta có sơ đồ khối sau: 11 Điện tử cơng suất – Mạch kích thyristor Khối nguồn: ó nhiệm vụ cung cấp nguồn lượng cho khối cách ly ngõ lấy từ lưới điện xoay chiều có tần số f = 50 Hz Khối cách ly ngõ vào ra: Hai khối làm nhiệm vụ cách ly mạch điều khiển Thyristor với phần cơng suất mạch chỉnh lưu khơng dịng từ phần công suất chảy vào phần điều khiển hay ngược lại Các khối thường sử dụng MBA để cách ly Khối đồng : Đồng Cosin: Điện áp đưa vào mạch tích phân, làm cho dạng sóng lệch góc 90o lấy điện áp so sánh với điện áp điều khiển Ta có sơ đồ dồng Cosin H.IV.1a đồ thị điện áp H.IV.1b H.IV.1a H.IV.1b Tạo đồng Cosin khoảng từ đến 180o,Uđk Uđb đơn trị (chỉ cắt điểm) Yêu cầu ứng với giá trị t có giá trị U Khối so sánh: Uñb + 11 Uñk + U1A 12V V0 - 12V OP-11 12 Điện tử công suất – Mạch kích thyristor Ta sử dụng đặc tính O-P để thực so sánh điện áp đầu vào cổng V+ V-, so sánh điện áp đồng (coss) với điện áp điều khiển Uđk Khi Uđb=Uđk O-P phát xung vng để kích cho thyristor 5.Khối tạo dạng xung: Có nhiệm vụ sửa dạng xung đầu so sánh cho có độ rộng biên độ thích hợp với Thyristor cần kích Có thể chọn dịng kích lớn, điện áp kích nhỏ ngược lại phải đảm bảo công suất tiêu tán nhỏ công suất cho phép Độ rộng xung định thời gian dòng qua Thyristor đạt đến giá trị dòng cài (tra sổ tay nghiên cưú ứng với loại Thyristor sử dụng ) Trong thực tế mạch tạo xung thường sử dụng mạch vi phân tín hiệu xung vng từ so sánh đưa qua vi phân R-C biến đổi thành gai vi phân có độ rộng cần thiết Sau qua diod chặn thành phần gai âm Ta có mạch tạo xung H.IV.4a giản đồ xung H.IV.4b H.IV.4a H.IV.4b Gọi tx độ rộng xung : tx = ι = C ( R1 // R2 ) Chọn C = 0.47 - 0.1 MF Chọn R1 R2 độ rộng xung tx thích hợp III Tính tốn chọn MBA pha: Xác định tiết diện thực lõi sắt ( So): So = ( 0.9 ÷ 0.93 ) S (mm2) Với S = a* b, chọn a = 3mm, b = 5mm Suy S = 5*3 = 15 mm2 Vậy So = 0.9 * 15 = 13.5 ( mm2) Cơng suất dự tính Pdt kích thước mạch từ So Pdt = U2 I2 Chọn U1 = 220 V, f = 50 Hz U2 = 12 V, I2 = 1A Vậy Pdt = 12 *1 = 12 (VA ) 13 Điện tử cơng suất – Mạch kích thyristor Tính số vòng dây volt : W B 0.7 0.8 0.9 1.0 K 64 56 50 45 Chọn B = 0.7 (Tesla), suy K = 64 Vậy W = 64/13.5 = 4.7 vòng /Volt Chọn W = vòng/ Volt 1.1 41 1.2 37.5 1.3 34.5 1.4 32.4 1.5 30 Xác định số vòng dây cuộn sơ cấp thứ cấp MBA: W1, W2,W3 - Số vòng dây cuộn sơ cấp W1 = W* U1 = 5*220 =1100 vòng - Số vòng dây cuộn thứ cấp W3 = W2 = W (U2 + ∆u2)/ ∆u2 độ dự trù điện áp tra theo bảng sau: P(VA ) 100 200 300 500 750 1000 J(A/mm2) 4.5 3.9 2.5 2.5 Chọn ∆u2 = 4.5% ( lựa chọn đồ trù điện lớn ) Vậy W3=W2 = * (12 + 4.5%) / 2= 32 vòng 1200 2.5 1500 2,5 >1500 Xác định tiết diện dây quấn: Tiết diện dây quấn sơ cấp: S = P η u J ( mm ) Chọn hiệu suất MBA: η = 0.85 ÷ 0.9 Mật độ dòng J chọn theo đây: P ( VA ) ÷ 50 50 ÷ 100 100 ÷ 200 200 ÷ 250 J ( A /mm2) 3.5 2.5 Chọn J = (A / mm2) Vậy S1 = 12 / (0.9*220*4) = 0.015mm2 ≅ 0.02 (mm2) + Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = I2/J = 1/4 = 0.25 ( mm2) + Đường kính dây sơ cấp: d = 1.13 S1 = 1.13 0.02 = 0.16mm 500÷ 1000 + Đường kính dây thứ cấp: d = 1.13 S = 1.13 0.25 Tính chọn nguồn chỉnh lưu DC cung cấp cho mạch điều khiển Thyristor: Sử dụng nguồn chiều + 12 v – 12 v để cung cấp cho Uđk 14 Điện tử công suất – Mạch kích thyristor IV Sơ đồ nguyên lý tính tốn linh kiện cho mạch điều khiển pha dùng Thyristor: Sơ đồ nguyên lý: C1 -12V 0.01uF U1 U11 R1 U11(OP) 2 330K 100 UA741 UA741 D1 U9(G) D4 0.1uF 7 C3 R3 DIODE R7 R9 4.7k 4.7k D1(A) +12V TR2(S1) L1 DIODE TR2 Chinh luu U9 V5 VSINE EC113C RV1 3V D5 U10 10k DIODE EC113C U10(A) TR2(S3) TRAN-2P3S C2 -12V Chinh luu D2 U10(G) D2(A) DIODE 0.01uF U12(OP) 2 6 330K R6 4.7k 4.7k R4 100 C4 D3 0.1uF DIODE R2 R5 U2 U12 UA741 UA741 +12V Giải thích sơ đồ nguyên lý : Sơ đồ nguyên lý mạch kích thyristor chỉnh lưu hình tia pha Do chỉnh lưu hình tia pha nên ta phải dùng máy biến áp có điểm Trong sơ đồ trên, để điều khiển góc kích cho hai nửa bán kì âm dương ta làm hai phần đối xứng ( khối điều khiển góc kích cho pha dương giống pha âm ) Mỗi phần gồm khối chính: - khối tạo xung đồng gồm : R1 ,C1,U11 ( o-p 471), khối làm nhiệm vụ tạo xung đồng từ nguồn áp xoay chiều đưa vào UAK=Um sin (wt) đầu V0= UmCos (wt) Phân tích khối sau : 1 Vi * dt ∫ V0= - R1* C1 = - R1* C1* ω Cos(wt) R1 * C1* w = : Vi = UmSin(wt) -> V0= UmCos(wt) Suy ta chọn R1 = 330k, C1= 0.01 uF, w = 50 Hz 15 Điện tử cơng suất – Mạch kích thyristor - Khối so sánh : gồm U1, R3, ngõ vào V- xung đồng Cos, ngõ vào V+ điện áp điều khiển chiều Chức khối so sánh xung đồng điện áp điều khiển để xác định thời điểm tạo xung mở thyristor Điện trở R3 điện trở hạn dòng điều khiển – thông thường ta chọn 100 Ω - Khối tạo dạng xung: gồm C3, D4, D7, R7, R9 Nhiệm vụ khối tạo gai kích mở vào cổng G Thyristor Tùy nhà sản xuất mà thyristor có độ rộng xung điều khiển khoảng định Áp điều khiển thường từ 2v -10v, độ rộng xung điều khiển thường τ = 20 – 100 us Độ rộng xung điều khiển xác định sau: τ= I dt di dt Trong đo: - Idt dịng trì thyristor - di/dt tốc độ tăng trưởng dòng tải dựa vào khối ta có độ rơng xung τ =( R7// R9) C3 Ta chon R7 = R9 = 4,7 k ; C3 = 0,1 uF Diode D4 để cắt phần gai âm xung kích trước ta đưa xung kích vào thyristor, chọn điode có Imax > = 1A điện áp đánh thủng lớn bàwng 12v
chọn điode có Imax=1A, Udt = 24v Tương tự ta tính tốn cho phần bán kỳ âm Dạng đồ thị mô sơ đồ mạch Proteus: Xung kích bán kỳ dương 16 Điện tử cơng suất – Mạch kích thyristor Xung kích bán kỳ âm Dạng điện áp chỉnh lưu hai nửa chu kỳ hình tia Tiến hành lắp ráp mạch: Sau thực công tác cho mạch chạy thử Testboard, chuNn bị linh kiện mạch in, công tác lắp ráp tiến hành sau: - Thiết kế nguyên lý chạy Layout Orcad - In ngâm mạch - Khoan đặt linh kiện lên mạch hàn chân - Dùng Ohm kế kiểm tra đường nối mạch in - Thử mạch kiểm tra sai sót q trình làm mạch 17 Điện tử cơng suất – Mạch kích thyristor - Mạch hồn chỉnh: 18 Điện tử cơng suất – Mạch kích thyristor VI Hướng phát triển đề tài: - Nghiên cứu thiết kế mạch kích pha sử dụng đồng cưa - Thay khối đồng COS tạo xung vi điều khiển PIC 16F VII Tài liệu tham khảo - Điện tử cơng suất – Nguyễn Bính - Đồ án tốt nghiệp SV đại học kỹ thuật công nghệ TP HCM - Internet 19