Đồ án mạch điều khiển cho chỉnh lưu cầu ba pha

Bổ sung thêm kiến thức về các linh kiện điện tử.

Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 1 MỤC LỤC Chương I : MẠCH ĐIỀU KHIỂN…………………………………………………3 1.1 Ứng dụng của mạch điều khiển…………………………………………3 1.2 Một số loại mạch điều khiển……………………………………………3 1.3 Yêu cầu chung của mạch điều khiển……………………………………3 Chương II : MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU…………………… 4 2.1 Mạch chỉnh lưu…………………………………………………………4 2.2 Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển………………………………… 4 2.3 Nguyên lý điều khiển Thyristor……………………………………… 5 2.4 Cấu trúc mạch điều khiển Thyristor………………………………… 5 2.4.1 Các hệ điều khiển chỉnh lưu…………………………………….5 2.4.2 Các nguyên tắc điều khiển trong hệ đồng bộ……………………6 2.4.3 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển…………………………………9 2.4.3.1 Khâu đồng bộ……………………………….10 2.4.3.2 Khâu tạo điện áp tựa……………………… 13 2.4.3.3 Khâu so sánh……………………………… 16 2.4.3.4 Khâu tạo xung chùm…………………………20 2.4.3.5 Khâu khuếch đại…………………………… 23 2.5 Nguồn cung cấp cho mạch điều khiển………………………………… 26 Chương III : TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU CẦU BA PHA Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 2 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha…………………27 3.2 Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha……….29 3.3 Giới thiệu một số linh kiện có trong mạch điều khiển………………… 29 3.3.1 Tụ điện………………………………………………………29 3.3.2 Điện trở…………………………………………………… 35 3.3.3 LM741………………………………………………………38 3.4 Tính toán các thông số của mạch điều khiển…………………………….45 Chương IV : MÔ PHỎNG MẠCH BẰNG PROTEUS……………………….49 4.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng Proteus………………………… 49 4.2 Chạy mô phỏng mạch điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha………… 49 Chương V : CHẾ TẠO MẠCH THỰC TẾ………………………………… 51 5.1 Vẽ mạch in bằng ARES………………………………………… 51 5.2 Mạch in dạng 3D………………………………………………… 51 5.3 Mô hình mạch thật…………………………………………………52 Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 3 CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỀU KHIỂN 1.1 Ứng dụng của mạch điều khiển. Mạch điều khiển có nguồn gốc từ nhu cầu tự động hóa máy móc trong sản xuất nhằm thực hiện công việc sản xuất với tốc độ nhanh cũng như độ chính xác cao hơn. Nhờ có nó, chúng ta có thể không ngừng nâng cao sản xuất và cả chất lượng sản phẩm. 1.2 Một số mạch điều khiển. - Điều khiển chỉnh lưu. - Điều khiển tốc độ động cơ một chiều. - Mạch lọc tích cực. - Cảm biến nhiệt độ. …………… 1.3 Yêu cầu chung của mạch điều khiển. 1 Phát xung điều khiển chính xác đúng thời điểm do người thiết kế tính toán 2 Các xung điều khiển phải đủ lớn về biên độ và độ rộng của xung để có thể mở được các van. 3 Các xung điều khiển phải có tính đối xứng cao, đảm bảo được pham vi điều chỉnh góc mở 4 Có khả năng chống nhiễu, tác động nhanh. 5 Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện dao động cả về biên độ và tần số. 6 Ngoài ra hệ thống điều khiển phải có nhiệm vụ ổn định dòng điện tải và bảo vệ hệ thống khi sảy ra sự cố quá tải hay ngắn mạch. Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 4 CHƯƠNG II MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU 2.1 Mạch chỉnh lưu Bộ chỉnh lưu dùng để biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều cấp cho tải. Lĩnh vực ứng dụng bộ chỉnh lưu rất rộng rãi vì chủng loại tải dùng dòng điện một chiều rất đa dạng. Chỉnh lưu được phân làm ba loại: - Chỉnh lưu có điều khiển (chỉnh lưu dùng Thyristor). - Chỉnh lưu không điều khiển (chỉnh lưu dùng điôt). - Chỉnh lưu bán điều khiển (dùng cả điôt và Thyristor). Khi mạch chỉnh lưu sử dụng các van bán dẫn điều khiển được (Thyristor) sẽ cần có mạch điều khiển để thực hiện việc cho van dẫn dòng vào các thời điểm cần thiết nhằm khống chế năng lượng đưa ra tải. Các mạch chỉnh lưu cơ bản: - Chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ. - Chỉnh lưu một pha có điểm giữa. - Chỉnh lưu một pha sơ đồ cầu. - Chỉnh lưu ba pha hình tia. - Chỉnh lưu ba pha sơ đồ cầu. - Chỉnh lưu sáu pha hình tia. - Chỉnh lưu sáu pha có cuộn khác cân bằng. 2.2 Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển. Đây là loại được sử dụng rộng rãi trong thực tế, vì có các ưu điểm vượt trội. Ưu điểm : Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 5 - Cho phép đấu thẳng vào lưới điện ba pha. - Độ đập mạch rất nhỏ (5,7%). - Công suất máy biến áp cũng chỉ xấp xỉ công suất tải, đồng thời gây méo lưới điện ít hơn các loại khác. Nhược điểm : Sụt áp trên van gấp đôi sơ đồ hình tia vì luôn có hai van dẫn để đưa dòng ra tải, nên sẽ không phù hợp với cấp điện áp ra tải dưới 10V. Mạch điều khiển có các chức năng sau: - Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp trên anôt- catôt của Thyristor. - Tạo ra được các xung có đủ điều kiện mở được Thyristor. Xung điều khiển thường có biên độ từ 0,5 đến 5V, độ rộng xung t x = 20-500μs đối với thiết bị chỉnh lưu hoặc cặp Thyristor đấu song song ngược. Độ rộng xung được xác định theo biểu thức: dt di I t dt x  Trong đó: I dt là dòng duy trì của Thyristor; di/dt là tốc độ tăng trưởng của dòng tải. 2.3 Nguyên lý điều khiển Thyristor. Đối với chỉnh lưu Thyristor thì mạch điều khiển có vai trò rất quan trọng, vì nó quyết định đến chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Thyristor chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt lên anôt và xung điện áp dương đặt lên cực điều khiển. Sau khi Thyristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng, dòng điện chảy qua Thyristor do thông số của mạch động lực quyết định. 2.4 Cấu trúc mạch điều khiển Thyristor. 2.4.1 Các hệ điều khiển chỉnh lưu. Có hai hệ điều khiển chỉnh lưu Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 6 Hệ đồng bộ : Trong hệ này góc điều khiển mở van α luôn được xác định xuất phát từ một thời điểm cố định của điện áp mạch lực. Ví dụ trong chỉnh lưu một pha điểm mốc này thường lấy qua điểm không của điện áp lực. Vì vậy trong mạch điều khiển phải có một khâu thực hiện nhiệm vụ này gọi là khâu đồng pha để đảm bảo mạch điều khiển hoạt động theo nhịp của điện áp lực Hệ không đồng bộ : Trong hệ này góc α không xác định theo điện áp lực mà được tính dựa vào trạng thái của tải chỉnh lưu và vào góc điều khiển của lần phát xung mở van ngay trước đấy. Do đó mạch điều khiển dạng này không cần khâu đồng bộ. Tuy nhiên để bộ chỉnh lưu hoạt động bình thường bắt buộc phải thực hiện điều khiển theo mạch vòng kín, không thể thực hiện với mạch hở. Hệ đồng bộ có nhược điểm nhậy nhiễu lưới điện vì có khâu đồng bộ liên quan đến điện áp lực, nhưng có ưu điểm hoạt động ổn định và dễ thực hiện. Ngược lại, hệ không đồng bộ chống nhiễu lưới điện tốt hơn nhưng kém ổn định. Hiện nay đại đa số các mạch điều khiển chỉnh lưu thực hiện theo hệ đồng bộ, vì vậy dưới đây chỉ đề cập đến hệ này. 2.4.2 Các nguyên tắc điều khiển trong hệ đồng bộ. Để điều chỉnh góc mởi của các Thyristor trong nửa chu kỳ điện áp dương, ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển: thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng arccos. a. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính : Theo nguyên tắc này, người ta dùng 2 điện áp: Điện áp đồng bộ (U đb ) , đồng bộ với điện áp đặt trên cực A-K của Thyristor, thường đặt bào đầu đảo của khâu so sánh. Điện áp điều khiển ( U đk ) là điện áp 1 chiều có thể điều chỉnh được biên độ. Thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh. Bấy giờ hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là : U ss = U đk – U đb . Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 7 Mỗi khi U đk = U đb , thì khâu so sánh lật thạng thái, ta nhận được “sườn xuống” của điện áp đầu ra của khâu so sánh. “ Sườn xuống” này thông qua đa hài một trạng thái ổn định tạo ra một xung điều khiển. Như vậy, bằng cách làm biến đổi U đk người ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh được góc mở α của Thyristor. Giữa α và U đk có quan hệ sau: α = πU đk /U đb (Người ta lấy U đkmax = U đb ) Uđb Uđkmax Uđk 0 Hình 1: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính b. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos: Theo nguyên tắc này người ta cũng dùng 2 điện áp. Điện áp điều khiển U c là điện áp 1 chiều có thể điều chỉnh được biên độ theo cả hai hướng ( âm và dương ). Điện áp đồng bộ U r vượt trước điện áp anot – catot của thyristor một góc bằng π/2 (nếu u ak = Asinωt thì u r = Bcosωt). Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 8 Hình 2: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS. Trên hình vẽ đường nét đứt là điện áp anot – catot của Thyristor. Từ điện áp này người ta tạo ra u r . Tổng đại số u r + u c được đưa tới đầu vào của khâu so sánh. Khi u r + u c = 0 thì ta nhận được một xung đầu ra của khâu so sánh. u c + Bcosα = 0 Do đó, α = arcos(-u c /B) (người ta lấy B = u cmax ) Khi u c = 0 thì α = π/2 Khi u c = u cmax thì α = π Khi u c = - u cmax thì α = 0 Như vậy khi u c biến thiên từ -u c đến + u c thì α biến thiên từ 0 đến π. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos được sử dụng trong các thiết bị đòi hỏi chất lượng cao. Điều khiển Thyristor trong chỉnh lưu hiện nay thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 9 Hình3 : Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu. 2.4.3 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển. Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor như hình 4. Cấu trúc của một mạch điều khiển Thyristor gồm 3 khâu chính sau đây: - Khâu đồng bộ (ĐB): Tạo tín hiệu đồng bộ với điện áp anôt-catôt của Thyristor cần mở. Tín hiệu này là điện áp xoay chiều, thường lấy từ biến áp có sơ cấp nối song song với Thyristor cần mở. - Khâu so sánh-tạo xung (SS-TX): làm nhiệm vụ so sánh giữa điện áp đồng bộ thường đã được biến thể với tín hiệu điều khiển một chiều để tạo ra xung kích mở Thyristor. - Khâu khuếch đại xung (KĐ): tạo ra xung mở có đủ điều kiện để mở Thyristor. Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 10 Khi thay đổi giá trị điện áp một chiều U đk thì góc mở α sẽ thay đổi. 2.4.3.1 Khâu đồng bộ. Theo sơ đồ cấu trúc, khâu này có hai chức năng: a. Đảm bảo quan hệ về góc pha cố định với điện áp của van mạch lực nhằm xác định điểm gốc để tính góc điều khiển α, và mạch có tên gọi là mạch đồng pha. b. Hình thành điện áp có dạng phù hợp làm xung nhịp cho hoạt động của khâu tạo điện áp tựa phía sau nó, mạch này mang tên mạch đồng bộ, hoặc mạch xung nhịp. Thực tế khâu này có quan hệ ảnh hưởng qua lại chặt chẽ với khâu tạo điện áp tựa, nên trong một số trường hợp đơn giản, hai chức năng trên được gộp trong một khâu duy nhất, mà thông thường mạch đồng pha làm luôn chức năng đồng bộ. - Mạch đồng pha Mạch đồng pha bằng máy biến áp : Với chức năng đầu tiên nói trên thì máy biến áp hay được sử dụng cho mục đích này nhất, ngoài ra dùng máy biến áp còn cho phép đạt thêm hai mục tiêu là :  Chuyển đổi điện áp lực thường có giá trị cao sang giá trị phù hợp với mạch điều khiển thường điện áp thấp, theo quy chuẩn về an toàn là dưới 36V. ĐB SS-TX KĐ U đk U đb Hình 4. Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor [...]... CÁC THAM SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO CHỈNH LƯU CẦU BA PHA Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 27 Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 28 3.2 Nguyên lý làm việc của mạch điều khiển Từng khâu của mạch điều khiển ghép lại được một kênh điều khiển như hình trên Hoạt động của mạch điều khiển hình trên được giải thích... Cách ly hoàn toàn về điện giữa mạch điều khiển và mạch lực Điều này đảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng như cho các linh kiện điều khiển Trường hợp điện áp lực thấp có thể không dùng biến áp Vì là bộ chỉnh lưu ba pha nên khâu đồng bộ sẽ là chọn máy biến áp ba pha Tuy nhiên vì trong mạch điều khiển còn khâu khác cũng cần dùng máy biến áp nên thường chỉ dùng chung... cuộn dành cho khâu đồng bộ này Mạch đồng pha bằng phần tử quang: Sử dụng phần tử quang dưới dạng IC chuyên dụng cho phép thực hiện chức năng đồng pha mà vẫn đảm bảo cách ly tốt về điện với mạch lực, đồng thời tránh phải chế tạo biến thế đồng pha, do đó giảm được kích thước mạch Hình 5 là một sơ đồ đồng pha kiểu này, khi có điện áp lực dương, dòng điện sẽ chạy qua điôt phát quan LED, nó phát sáng làm... Với mạch điều khiển chỉnh lưu dùng răng cưa đi lên sẽ cho quan hệ giữa điện áp răng cưa và góc điều khiển α tỷ lệ thuận: điện áp này lớn thì góc α cũng lớn Mặt khác ta biết rằng quan hệ giữa góc điều khiển α và điện áp chỉnh lưu nhận được trên tải lại tuân theo tỷ lệ nghịch ( ví dụ Ud = Udocosα) dẫn đên α tăng thì Ud lại giảm Như vậy tương ứng với việc tăng điện áp điều khiển sẽ dẫn đến giảm điện áp chỉnh. .. một mạch nguồn dùng chung cho mạch điều khiển Sơ đồ trên là một trong các dạng mạch nguồn ổn định nguồn ±15V Ta có thể dùng các họ IC 78XX để ổn định nguồn dương ( như IC7805 ổn định +5V, 7809 ổn định +9V, …) và họ IC 79XX để ổn định nguồn âm ( như 7912 ổn định -12V, 7915 ổn định -15V,…) Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 26 CHƯƠNG III: 3.1 TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN... dùng các IC ngoài các OA Điện áp so sánh và tạo dao động được đưa tới mạch logic AND, ở đây nếu điện áp so sánh và tạo dao động thích hợp với mức logic yêu cầu là có thể chọn loại IC tạo xung chùm Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 22 2.4.3.5 Khâu khuếch đại Mạch điều khiển chỉnh lưu thường làm việc trong điều kiện nhiễu mạnh do bản thân mạch lực của nó gây ra Các nhiễu này... quang, còn trong nửa chu kỳ âm, bòng này tương ứng sẽ khóa Hình 5: Đồng pha bằng phần tử quang - Mạch đồng bộ, hay mạch tạo xung nhịp Mạch đồng bộ nhằm tạo ra điện áp có hình dạng vào tần số phù hợp theo yêu cầu hoạt động của khâu tạo điện áp tựa Nếu để nguyên điện áp Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 11 đồng pha, thì độ chính xác sẽ không cao và bị ảnh hưởng khi lưới điện biến... điện áp lưới không ổn định thì điện áp tựa cũng dao động dẫn đến góc điều khiển α không ổn định và hậu quả là điện áp ra tải cũng dao động theo Hơn nữa, các xung nhiễu qua mạng điện sẽ ảnh hưởng lớn đến sự làm việc của mạch điều khiển, vì vậy các mạch chỉnh lưu rất ít khi sử dụng dạng này Đa số các điện áp tựa trong mạch điều khiển chỉnh lưu hiện thời đều dùng dạng răng cưa vì nó khắc phục được những nhược... này làm ảnh hưởng tới góc điều khiển α cũng như phạm vi điều chỉnh Mặt khác độ tuyến tính của răng cưa cũng không thật cao Hiện nay mạch tạo răng cưa sử dụng OA ngày càng được ứng dụng nhiều hơn do khắc phục được các nhược điểm trên, và do giá thành của OA tương đối rẻ - Mạch dùng khuếch đại thuật toán và tụ điện tạo răng cưa âm Sơ đồ mạch : Tín hiệu mô phỏng: Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện:... xung điều khiển tối ưu, nhưng cũng có nhược điểm cơ bản là không cho phép cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển, do đó chỉ được ứng dụng trong các mạch chỉnh lưu với điện áp tải dưới 40V Nếu chỉ cần 2 tầng khuếch đại nên dùng hai loại Transistor khác nhau b KĐX ghép qua phần từ quang : Các phần tử quang như Fototransistor, Fotothyristor, Fototriac… Ưu điểm nổi bật là đảm bảo độ cách ly giữa điều khiển . cấp cho mạch điều khiển………………………………… 26 Chương III : TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU CẦU BA PHA Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 2 3.1 Sơ đồ nguyên. hình mạch thật…………………………………………………52 Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 3 CHƯƠNG I: MẠCH ĐIỀU KHIỂN 1.1 Ứng dụng của mạch điều khiển. Mạch. hay ngắn mạch. Đồ án môn học: Mạch điện tử SV thực hiện: Nguyễn Thị Lý Ly 4 CHƯƠNG II MẠCH ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU 2.1 Mạch chỉnh lưu Bộ chỉnh lưu dùng để biến dòng điện xoay