Chỉnh lưu cầu điều khiển hoàn toàn

full wold khi tải về kèm thêm file nguyên lí được mô phỏng trên protues và mạch in của chỉnh lưu cầu điều khiển hoàn toàn, mạch này có thể điều khiển động cơ 1 chiều kích từ độc lập và đèn sợi đốt ......tải tùy vào người sử dụng. Điện áp không tải , tải R ,tải đèn sau khi chỉnh lưu là 220VDC ,đối với tải RLE, RL hay là tải động cơ và tải cảm thì điện áp đầu ra có thể lên đến 290-300VDC tính cả suất điện động do tải gây ra. Mạch có bảo vệ điện áp đầu vào và bảo vệ quá áp cho SCR Mình đăng bán bao uy tín nhé các bạn không hiểu có thể ib zalo:0326512142 để mình hỗ trợ ạ Mình nhận hỗ trợ làm thuê đồ án về nghành tự động hóa,,,,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC III

ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH

CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN

Giảng viên hướng dẫn : ThS Nguyễn Viết Ngư Sinh viên thực hiện: Bùi Hải Anh- 12221341

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hưng Yên, Ngày Tháng Năm 2023.

Giáo viên hướng dẫn.

MỤC LỤ

PHIẾU ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN1

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN28

3.3.4 Bảo vệ qua nhiệt độ cho van bán dẫn:36

PHIẾU ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN

Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng một vai trò rất quan trọng trong quá trình công nghiệp hoá đất nước Sự ứng dụng của điện tử công suất trong các hệ thống truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc dễ dàng tự động hoá cho các quá trình sản xuất Các hệ thống truyền động điều khiển bởi điện tử công suất đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều so với các hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát - động cơ

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công suất chúng em đã được giao thực hiện đề tài: “Thiết kế, chế tạo và khảo sát mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn” Em xin cảm ơn nhà trường cùng khoa Điện -Điện Tử đã tạo điều kiện tốt nhất trong quá trình nghiên cứu học tập của chúng em.

Em xin cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Đào Minh Tuấn trong quá trình chúng em thực hiện đồ án Mặc dù đã cố gắng hoàn thành nhưng với kinh nghiệm và khả năng còn hạn chế nên chúng em không tránh khỏi những thiếu sót và nhầm lẫn, vì vậy chúng em rất mong các thầy, cô đóng góp những ý kiến quý báu để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn.

Chúng em xin trân thành cảm ơn.

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên em xin cảm ơn thầy NGUYỄN VIẾT NGƯ đã hướng dẫn tận tình trong

khoảng thời gian chúng em làm đồ án và em cũng cảm ơn nhà trường đã hỗ trợ mọi

thứ và tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em Đặc biệt em cảm ơn thầy NGUYỄNVIẾT NGƯ người đã hướng dẫn hết sức tận tình trong thời gian em làm đồ án và

thi công mạch ‘ Thiết kế, chế tạo mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn tải động cơ một chiều ’ của chúng em.

Trong giời gian chúng em được làm đồ án với thầy nên vẫn còn nhiều thiếu sót Em mong được thầy thầy góp ý để cho em học hỏi được nhiều và có thêm kinh nghiệm để làm tốt hơn.

Em xin chân thành cảm ơn.

Hưng Yên, ngày tháng năm 2023

MỞ ĐẦU

I: Cấp thiết cảu đề tài

Thiết kế và chế tạo mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn tải động cơ một chiều là một đề tài rất quan trọng trong lĩnh vực điện tử công suất.

Mạch này giúp biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều sử dụng 4 diode Điều này rất cần thiết trong nhiều ứng dụng công nghệ, bao gồm cả việc điều khiển động cơ một chiều.

Cụ thể, mạch chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển toàn phần cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra, điều này rất hữu ích khi cần điều chỉnh tốc độ của động cơ một chiều Ngoài ra, việc sử dụng thyristor trong mạch chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển toàn phần cũng giúp tăng cường khả năng điều chỉnh và kiểm soát.

Vì vậy, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mạch này không chỉ mang lại lợi ích trong việc nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống sử dụng động cơ một chiều, mà còn đóng góp vào việc phát triển và cải tiến công nghệ điện tử công suất.

II: Lý do chọn đề tài

Việc chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn tải động cơ một chiều” có thể dựa trên một số lý do sau:

1 Ứng dụng rộng rãi: Động cơ một chiều được sử dụng rộng rãi trong nhiều

ứng dụng công nghệ, từ các thiết bị gia dụng cho đến các hệ thống công nghiệp Việc nghiên cứu và phát triển mạch điều khiển cho động cơ một chiều có thể mở ra nhiều cơ hội trong việc cải tiến và tối ưu hóa các hệ thống này.

2 Nâng cao hiệu suất và độ tin cậy: Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển

hoàn toàn tải động cơ một chiều giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của động cơ một chiều bằng cách cung cấp điện áp một chiều ổn định và có thể điều chỉnh được.

3 Đóng góp vào lĩnh vực điện tử công suất: Đề tài này cũng đóng góp vào

việc phát triển và cải tiến công nghệ điện tử công suất, một lĩnh vực quan trọng trong ngành kỹ thuật điện.

4 Thách thức kỹ thuật: Việc thiết kế và chế tạo mạch này đòi hỏi sự hiểu biết

sâu sắc về các nguyên lý điện tử và kỹ thuật, cung cấp một thách thức kỹ thuật thú vị cho người nghiên cứu.

5 Tiềm năng phát triển: Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, có thể

có nhiều cơ hội để cải tiến và tối ưu hóa mạch này trong tương lai Điều này tạo ra

III: Cấu trúc đề tài

- Đề tài: Thiết kế, chế tạo mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn tải động cơ một chiều Gồm 4 chương

+ Chương I: Tổng quan về các phương pháp điều khiển tốc độ quay động cơ một chiều.

+ Chương II: Tổng quan về mạch chỉnh lưu cầu một pha + Chương III: Thiết kế chế tạo mạch

+ Chương IV: Kết luận và hướng phát triển của dề tài

IV: Kế hoạch thực hiện

- Bước 1: Tìm hiểu lý thuyết chung của mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn tải động cơ một chiều

- Bước 2: Tìm hiểu các linh kiện, thiết bị điện tử sử dụng trong mạch, từ đó lựa chọn các linh kiện, thiết bị đạt yêu cầu sử dụng trong mạch.

- Bước 3: Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm vẽ mạch Proteus từ đó đưa ra cách mô phỏng mạch trên máy tính

- Bước 4: Cắm mạch thực tế trên panel ổn định sau đó in mạch thi công hoàn thành sản phẩm để ứng dụng vào thực tế

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu chung

Điện năng là một nguồn năng lượng chiếm vị trí quan trọng trong đời sống sản suất Năng lượng này hầu như là năng lượng điện xoay chiều Trong khi đó năng lượng điệu một chiều không kém phần quan trọng như:

+ Truyền điện cho động cơ điện một chiều + Cung cấp cho các mạch điện tử, sạc acquy.

Vì vậy, cần biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều, để làm được điều này, ta dùng các bộ chỉnh lưu.

Chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, nghĩa là biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Sự biến đổi đó được thực hiện nhờ các thiết bị bán dẫn Chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiêu nhất định như: Diod ,Tiristor,…

Có 2 loại chỉnh lưu

+ Chỉnh lưu không điều khiển (Diod): Không thay đổi được điện áp trên tài + Chỉnh lưu có điều khiển (Tiristor): Thay đổi được điện áp trên tài

Mạch chỉnh lưu có các chức năng sau:

 Làm nguồn điện một chiều để điều khiển cho các thiết bị hàn, mạ một chiều.

 Là nguồn điện cho một số động cơ điện một chiều.

 Ứng dụng trong chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều để truyền tải đi xa.

 Trong các thiết bị biến tần Inverter, mạch chỉnh lưu dùng để truyền động động cơ xoay chiều.

Ở đây, ta chỉ xét về bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển

1.2 Ý tưởng thực hiện.

Từ những thực tế, chúng em đã được thấy nhiều mạch điều khiển được ứng dụng

Ứng dụng cơ bản nhất của mạch chỉnh lưu là trích xuất ra dòng điện một chiều từ nguồn xoay chiều Vì vậy, mạch chỉnh lưu thường được sử dụng bên trong mạch cấp nguồn của hầu hết các thiết bị điện tử.

Hình 1.1 Ứng dụng của mạch chỉnh lưu trên thực tế.

Mạch chỉnh lưu cũng là thành phần trong mạch biến đổi điện một chiều từ điện áp này sang điện áp khác.

Một ứng dụng nữa của mạch chỉnh lưu là dùng trong mạch tách sóng các tín hiệu vô tuyến điều biến biên độ.

Ngoài ra, mạch chỉnh lưu cũng được sử dụng để cấp điện có cực tính cho máy hàn điện Đôi khi mạch này có thể thay thế cho các diode trong cầu chỉnh lưu dùng Thyristor.

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Khái niệm về chỉnh lưu công suất

2.1.1 Khái niệm

Mạch chỉnh lưu là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều nhằm cung cấp cho phụ tải điện một chiều.

2.1.2 Phân loại

 Theo số pha: một pha, ba pha, m pha  Theo loại van: diode hoặc thyristor

 Mạch chỉ dùng toàn diode là chỉnh lưu không điều khiển  Mạch chỉ dùng toàn Thyristor là chỉnh lưu có điều khiển  Một nửa thyristor, một nửa diode là chỉnh lưu bán điều khiển  Phân loại theo sơ đồ mắc: Anode chung hoặc Cathode chung

2.2 Luật dẫn của van công suất trong các mạch chỉnh lưu

- Nhóm nối chung Cathode:

Hình 2.1 Nhóm nối chung Cathode.

Điện áp anode của diode nào dương hơn thì diode ấy dẫn Khi đó điện thế điểm A bằng điện thế anode dương nhất

- Nhóm nối chung Anode:

Hình 2.2 Nhóm nối chung Anode.

Điện áp cathode van nào âm hơn hơn thì diode ấy dẫn Khi đó điện thế điểm K bằng điện thế anode âm nhất.

2.3 Cấu trúc mạch chỉnh lưu,các thông số cơ bản

Trong thực tế các mạch chỉnh lưu có nhiều loại và khá đa dạng về hình dáng cũng như tính năng Tuy nhiên về cơ bản cấu trúc trong bộ biến đổi thường có các bộ phận sau:

- Biến áp nguồn nhằm biến đổi điện áp từ cao xuống thấp hoặc ngược lại - Van công suất chỉnh lưu, các van này có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn một chiều.

- Mạch lọc nhằm lọc và san phẳng dòng điện hay điện áp nguồn để mạch chỉnh lưu có chất lượng tốt hơn.

- Mạch đo lường trong bộ chỉnh lưu thường dùng để đo dòng điện, điện áp - Mạch điều khiển là bộ phận rất quan trọng trong các bộ chỉnh lưu có điều khiển, nó quyết định độ chính xác, ổn định và chất lượng bộ chỉnh lưu.

- Phụ tải của mạch chỉnh lưu thường là phần ứng động cơ điện một chiều, kích từ máy điện một chiều, xoay chiều, cuộn hút nam châm điện, các tải có sức điện động E, đôi khi tải là các đèn chiếu sáng hay các điện trở tạo nhiệt vv

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu.

2.4Phân tích nguyên lý mạch lực

Như ta đã biết để điều chỉnh được động cơ điện thì ta phải chọn mạch lực để điều khiển động cơ Tùy thuộc vào yêu cầu điều chỉnh, công suất động cơ mà ta đưa ra phương án chọn mạch lực điều khiển động cơ hợp lý, tối ưu với yêu cầu đề ra.

2.4.1 Sơ đồ mạch lực

Hình 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn.

2.4.2Nguyên lý hoạt động

Giả sử Ld = ∞ điện áp phía thứ cấp U2 = √2U2*sin(t) với góc điều khiển Xét mạch đang làm việc ở chế độ xác lập Khi van dẫn sụt áp trên nó bằng 0.

Trước thời điểm t = α cặp van T1 và T3 dẫn điện khi đó ta có: UT1=UT3= 0; Utải = - U2 ; UT2 = UT4 = U2; IT1 = IT3 = Itải ; IT2 = IT4 = 0.

Đến thời điểm t=α cấp xung điều khiển mở cặp van T2 và T4 lúc này cặp van T2 và T4 sẽ dẫn điện, cặp van T1 và T3 bị phân cực ngược nên không dẫn điện, khi đó ta có: uT2 = uT4 = 0; utải = u2; uT1 = uT3 = - u2; iT2= iT4= itải; iT1 = iT3 = 0.

Đến thời điểm t = , u2 = 0 có xu hướng âm dần và - u2 = 0 có xu hướng dương dần Tuy nhiên điện áp nguồn lúc này tác động ngược chiều với chiều dẫn dòng của dòng điện qua tải, cho nên suất điện động cảm ứng do Ld tạo ra cho cặp van T2 và T4 tiếp tục dẫn điện, còn cặp van T1 và T3 chưa dẫn do chưa có xung điều khiển kích mở Lúc này ta có: uT2= uT4= 0; utải = u2 < 0; uT1 = uT3 = - u2 > 0; iT2 = iT4= itải; iT1 = iT3= 0.

Đến thời điểm t = + phát xung điều khiển mở cặp van T1 và T3, lúc này cặp van T1 và T3 sẽ dẫn điện còn cặp van T2 và T4 bị phân cực ngược nên không dẫn điện.

Ta có: uT1= uT3 = 0; uT2 = uT4 = u2 < 0; utải =- u2; iT1 = iT3 = itải; iT2= iT4= 0.

Đến thời điểm t =2 , u2= 0 và có xu hướng dương dần, còn - u2 = 0 có xu hướng âm dần, tuy nhiên cặp van T1 và T3 sẽ tiếp tục dẫn do suất điện động của cuộn cảm tải tạo ra để chống lại sự biến thiên của dòng điện Cặp van T2 và T4 chưa dẫn điện do chưa có xung điều khiển kích mở ta có: uT1= uT3 = 0; uT2 = uT4= u2 > 0; utải = - u2; iT1 = iT3 = itải; iT2= iT4= 0.

2.4.3Các dạng sóng và biểu thức tính toán điện áp.

-Xét với tải R.+Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn với tải R.

-Dạng sóng mô phỏng

Hình 2.6 Dạng sóng tương ứng với tải R (α=0α=0o).

Hình 2.7 Dạng sóng tương ứng với tải R (α=0α=60o).

-Một số biểu thức tính toán với tải R:

• Điện áp trung bình trên tải:

• Điện áp thuận, điện áp ngược trên thyristor: UT(thuận) = UT(ngược) =√2U2.

a) Với tải R+L- Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.8 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn với tải R+L.

-Dạng sóng mô phỏng

Hình 2.9 Dạng sóng tương ứng với tải R+L (α=0α=1200).

Một số biểu thức tính toán với tải R+L:

• Điện áp trung bình trên tải:

UT(thuận) = UT(ngược) =√2U2

b)Với tải R+L+ESơ đồ nguyên lý

Hình 2.10 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn với tải R+L+E.

Dạng sóng mô phỏng

Hình 2.11 Dạng sóng tương ứng với tải R+L+E (α=0α=900)

Một số biểu thức tính toán với tải R+L+E

• Điện áp trung bình trên tải:

1 α+ π

• Dòng điện trung bình trên tải:

• Điện áp thuận, điện áp ngược trên thyristor:

UT(thuận) = UT(ngược) =√2U2

2.5 Phân tích nguyên lý điều khiển

2.5.1Một số phương án lựa chọn mạch điều khiển

• Phương án 1: Sử dụng IC thuật toán rời rạc thông qua các khâu:

 Khâu khuếch đại và biến áp xung

Hình 2.11 Sơ đồ khối 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 không cao  Phương án 2: Dùng IC tích hợp TCA 785.

Hình 2.12 Sơ đồ khối mạch điều khiển dùng IC TCA785.

Đối với việc điều khiển điện áp một chiều ta có thể sử dụng vi mạch tích hợp TCA 785 để đơn giản mạch điều khiển.

• Ưu điểm:

 Mạch đơn giản, ít khâu điều khiển  Tạo ra điện áp đối xứng

 Chất lượng điện áp ra như mong muốn • Nhược điểm :

 Giá thành đắt

Kết luận: Từ việc so sánh ưu nhược điểm của 2 phương án trên ta chọn phương

pháp 2 (Sử dụng mạch tích hợp TCA 785)

2.5.2 Khối nguồn của mạch điều khiển dùng TCA 785

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn.

Do yêu cầu điện áp nguồn nuôi của TCA785 là 15 (V), sử dụng mạch nguồn 15VDC.

2.5.2Khối tạo xung PWM

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung PWM bằng TCA785.

a Cấu tạo và nguyên lý hoạt động TCA785

Hình 2.15 Sơ đồ cấu tạo của TCA785.

TCA 785 là một vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch điều khiển: “ tề đầu” điện áp đồng bộ tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạo xung ra Nguồn nuôi qua chân 16 Tín hiệu đồng bộ được lấy qua chân số 5 và số 1 Tín hiệu điều khiển được đưa vào chân 11 Một bộ nhận biết điện áp 0 sẽ kiểm tra điện áp lấy vào chuyển trạng thái và sẽ chuyển tín hiệu này đến bộ phận đồng bộ Bộ phận đồng bộ này sẽ điều khiển tụ C10; Tụ C10 sẽ được nạp đến điện áp không đổi (quyết định bởi R9) Khi điện áp V10 đạt đến điện áp V11 thì một tín hiệu sẽ được đưa vào khâu logic

Tuỳ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển V11, góc mở α có thể thay đổi từ 0 đến 180o Với mỗi nửa chu kì song một xung dương xuất hiện ở Q1, Q2 Độ rộng trong khoảng 30-80μs.s.

Độ rộng xung có thể kéo dài đến 180o thông qua tụ C6 Nếu chân 12 nối đất thì sẽ có xung trong khoảng α đến 180o.

Hình 2.16 Dạng sóng các chân của TCA785.

Tín hiệu điều khiển Vdk được đưa vào chân 11 so sánh với điện áp răng cưa tạo bởi tụ C10 cho ta xung điều khiển van tăng dần ở đầu ra chân 14 và 15 Khi xảy ra ngắn mạch chân 6 nhận được tín hiệu cấm, tại chân 14 và 15 không còn tín hiệu đầu ra.

Mô tả chức năng Tín hiệu đồng bộ hóa thu được thông qua điện trở cao từ điện áp đường dây (điện ápV5) Một bộ dò điện áp 0 đánh giá các đoạn bằng không và chuyển chúng vào thanh ghi đồng bộ hóa Nếu điện áp răng cưa V10 vượt quá điện áp điều khiểnV11 (góc kích hoạt φ), một tín hiệu sẽ được xử lý theo logic Phụ), một tín hiệu sẽ được xử lý theo logic Phụ thuộc vào độ lớn của điện áp điều khiển V11, góc kích hoạt φ), một tín hiệu sẽ được xử lý theo logic Phụ có thể thay đổi trong một góc pha từ 00 đến 1800 đối với mỗi nửa sóng, một xung dương xấp xỉ Thời lượng 30 μs.s xuất hiện ở đầu ra Q 1 và Q 2 Thời lượng xung có thể được kéo dài lên đến 1800 thông qua tụ điện C12 Nếu chân 12 được kết nối với đất, các xung có khoảng thời gian từ φ), một tín hiệu sẽ được xử lý theo logic Phụ đến 180 ̊sẽ xuất hiện Đầu ra và cung cấp tín hiệu nghịch đảo của Q 1 và Q 2 Một tín hiệu của φ), một tín hiệu sẽ được xử lý theo logic Phụ +180 ̊ có thể được sử dụng để điều khiển logic bên ngoài, có sẵn tại chân 3 Một tín hiệu tương ứng với liên kết NOR của Q 1 và Q 2 có sẵn ở đầu ra QZ (chân 7) Đầu vào ức chế có thể được sử dụng để tắt các đầu ra Q1, Q2 và, Chân 13 có thể được sử dụng để mở rộng đầu ra và đến độ dài xung đầy đủ (180 ̊–φ).φ), một tín hiệu sẽ được xử lý theo logic Phụ).

b) Sơ đồ và chức năng các chân

Hình 2.17 Sơ đồ chân IC TCA785.

Hình 2.18: Bảng thông tin chức năng các chân của IC TCA785.