giới thiệu chung về bộ điều áp xoay chiều

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU1.1 Khái niệm và phân loại điều áp áp xoay chiều Khái niệm về bộ điều áp xoay chiều: Các bộ điều áp xoay chiều dùng để đóng ngắthoặc th

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU 1

1.1 Khái niệm và phân loại điều áp áp xoay chiều 1

1.2 Ưu điểm và nhược điểm của điều áp xoay chiều 1

1.3 Phân loại điều áp xoay chiều 1

1.4 Giới thiệu về van diot 2

1.4.1 Khái niệm về van diot 2

1.4.2 Nguyên lý hoạt động của diot 3

1.4.3 Các thông số cơ bản của điôt 4

1.5 Giới thiệu về Thyristor 5

1.5.1 Điều kiện mở khóa van Thyristor 6

1.5.3 Các thông số cơ bản của Thyristor 7

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC 10

2.1 Thiết kế mạch lực 10

2.2 Tính chọn van mạch lực 11

2.3 Tính chọn các phần tử bảo vệ 13

2.4 Bảng liệt kê danh sách thiết bị 15

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 16

3.1 Cấu trúc tổng quát mạch điều khiển 16

3.1.1 Chức năng và nhiệm vụ của từng khâu 16

3.2 Tính chọn các khâu trong mạch điều khiển 18

3.2.1 Khâu tạo điện áp đồng bộ và điện áp tựa 18

3.2.2 Khâu tạo điện áp so sánh 22

3.2.3 Khâu tạo xung điều khiển 233.2.4 Khâu khuếch đại xung và biến áp xung 253.2.5 Khâu tạo điện áp điều khiển 27

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU1.1 Khái niệm và phân loại điều áp áp xoay chiều

Khái niệm về bộ điều áp xoay chiều: Các bộ điều áp xoay chiều dùng để đóng ngắthoặc thay đổi điện áp xoay chiều ra tải từ một nguồn xoay chiều cố định, trong đó tần sốđiện áp ra bằng tần số nguồn.

1.2 Ưu điểm và nhược điểm của điều áp xoay chiềuƯu điểm:

Điều áp xoay chiều dùng van bán dẫn có đầy đủ ưu điểm của những mạch côngsuất sử dụng kỹ thuật bán dẫn như: dễ điều chỉnh và tự động hóa, làm việc ổn định, phảnứng nhanh với các đột biên điều khiển, độ tin cậy và tuổi thọ cao, kích thước gọn, dễ thaythế, thích hợp với quá trình hiện đại hóa, tập trung hóa các quá trình công nghệ…Nhược điểm:

Nhược điểm chung và cơ bản nhất của điều áp xoay chiều là điện áp ra tải khôngsin trong toàn dải điều chỉnh, (điện áp trên tải chỉ đạt hình sin hoàn chỉnh khi đưa toàn bộđiện áp nguồn ra tải), điều chỉnh càng sâu - càng giảm điện áp ra, thì độ méo sẽ càng lớn,tức là thành phần song hài bậc cao (là bội số của tần số vào) cũng càng lớn.Với những tảiyêu nghiêm ngặt về độ méo và thành phần song hài có thể không ứng dụng được ĐAXC.1.3 Phân loại điều áp xoay chiều

- Điều áp xoay chiều 1 pha- Điều áp xoay chiều 3 pha

Điều áp xoay chiều một pha chỉ dùng đến công suất dưới 10kW, khi công suất lớn hơnphải lấy điện áp nguồn là điện áp dây của lưới điện, hoặc chuyển sang mạch ba pha.

3

Hình 1 1 Một số sơ đồ điều áp xoay chiều 1 pha

Điều áp xoay chiều ba pha: cho phép ứng dụng cho phụ tải đến hàng trăm kilo Oát.

Hình 1 2 Sơ đồ điều áp xoay chiều 3 pha đấu sao có trung tính và không có trung tính1.4 Giới thiệu về van diot

1.4.1 Khái niệm về van diot

Điôt là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p-n Điôt có hai cực, anôt A làcực nối với lớp bán dẫn kiểu p, catôt K là cực nối với lớp bán dẫn kiểu n

Dòng điện chỉ chạy qua điôt theo chiều từ A đến K khi điện áp UAK dương Khi UAKâm, dòng qua điôt gần như bằng không.

Hình 1 3 Cấu tạo và kí hiệu của diot

Đi ốt bán dẫn thường đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép vớimột khối bán dẫn loại N và được nối với 2 chân ra là anode và cathode.

1.4.2 Nguyên lý hoạt động của diot

Khối bán dẫn P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép vớikhối bán dẫn N thì các lỗ trống này có xu hướng chuyễn động khuếch tán sang khối N.Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang Kết quảlà khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối N tích điệndương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống).

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúngtiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa.Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng hình thành điện áp tiếpxúc.

Sự tích điện âm khối P và Dương khối N hình thành một điện áp gọi là điện áptiếp xúc (UTX) Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối N đến khối P nên cảntrở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫnvới nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện áp tiếp xúc Lúcnày ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng Điện áp tiếp xúc ở trạng thái cân bằngkhoảng 0.6V đối với điốt làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0.3V đối với điốt làm bằng bándẫn Ge Điệp áp ngoài ngược chiều điện áp tiếp xúc tạo ra dòng điện.

5

Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quátrình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa Vì vậy vùngbiên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được gọi là vùngnghèo Vùng này không dẫn điện tốt, trừ khi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện ápbên ngoài Đây chính là cốt lõi hoạt động của điốt Điệp áp ngoài cùng chiều điện áp tiếpxúc ngăn dòng điện

Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các điệntử và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn điện tốt.Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuyếch tán của các điệntử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt dẫn điện tự do Nóicách khác điốt chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp theo một hướng nhất định.1.4.3 Các thông số cơ bản của điôt

1 Giá trị trung bình của dòng điện cho phép chạy qua điôt theo chiều thuận, IDTrong quá trình làm việc, dòng điện chạy qua điôt sẽ phát nhiệt làm nóng tinh thể bándẫn của điôt Công suất phát nhiệt bằng tích của dòng điện chạy qua điôt với điện áp rơitrên nó Điôt chỉ dẫn dòng theo một chiều từ anôt đến catôt, điều này nghĩa là công suấtphát nhiệt tỷ lệ với giá trị trung bình của dòng điện Vì vậy dòng điện ID là thông số quantrọng để lựa chọn điôt cho một ứng dụng thực tế.

2 Giá trị điện áp ngược lớn nhất mà điôt có thể chiụ được, Ung.max

Thông số thứ hai quan trọng để lựa chọn điôt là giá trị điện áp ngược lớn nhất mà điôt cóthể chịu đựng được Như đặc tính vôn-ampe đã chỉ ra, quá trình điôt bị đánh thủng là quátrình không thể đảo ngược được, vì vậy trong mọi ứng dụng phải luôn đảm bảo rằngUAK < Ung.max.

3 Tần số

Quá trình phát nhiệt trên điôt cũng phụ thuộc vào tần số đóng cắt của điôt Trong quátrình điôt mở ra hoặc khoá lại, tổn hao công suất tức thời u(t), i(t) có giá trị lớn hơn lúcđiôt dẫn dòng hoặc đang bị khoá Vì vậy nếu tần số đóng cắt cao hoặc thời gian đóng cắt

của điôt so sánh được với khoảng thời gian dẫn dòng thì tổn thất trên điôt bị quy định chủyếu bởi tần số làm việc mà không phải giá trị trung bình của dòng điện Các điôt đượcchế tạo với tần số làm việc khác nhau, do đó tần số là một thông số quan trọng phải lưu ýkhi lựa chọn điôt

4 Thời gian phục hồi tr và điện tích phục hồi Qr

Các điôt khi khoá lại có dòng ngược để di chuyển lượng điện tích Qr ra khỏi cấu trúc bándẫn, phục hồi khả năng khoá của mình Thời gian phục hồi tr có thể bị kéo dài, làm chậmlại quá trình chuyển mạch giữa các van Dòng điện ngược có thể tăng xung dòng trên cácvan mới mở ra với biên độ có thể rất lớn Hơn nữa thời gian phục hồi cũng làm tăng tổnthất trong quá trình đóng cắt các van Những lý do như trên khiến ta phải đặc biệt lưu ýđến ảnh hưởng của tr trong những trường hợp cụ thể Để giảm thời gian chuyển mạch cóthể phải sử dụng loại điôt có tr rất ngắn, cỡ Ps Tuy nhiên khi đó dòng điện ngược thayđổi quá nhanh, có thể gây nên điện áp rất lớn trên những mạch điện có điện cảm Tóm lạikhông nên nghĩ rằng điôt là một phần tử rất đơn giản mà bỏ qua quá trình khoá lại củađiôt.

1.5 Giới thiệu về Thyristor

Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp p-n:J1, J2, J3 Thyristor có ba cực Anode (A), Cathode (K), cực điều khiển (G – Gate)

Hình 1 4 Kí hiệu thyristor

7

Hình 1 5 Cấu tạo thyristor1.5.1 Điều kiện mở khóa van Thyristor.

Thyristor chỉ cho phép dòng chạy qua theo một chiều, từ Anode đến Cathode, vàkhông được chạy theo chiều ngược lại Điều kiện để Thyristor có thể dẫn dòng, ngoàiđiều kiện phải có điện áp U > 0 còn phải thỏa mãn điều kiện là điện áp điều khiểnAK

dương Do đó Thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển Mở van Thyristor

Khi được phân cực thuận, U > 0, Thyristor có thể mở bằng hai cách Thứ nhất,AK

có thể tăng điện áp Anode-Cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất,Uth.max, điện trở tương đương trong mạch Anode-Cathode sẽ giảm đột ngột và dòng quaThyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định Phương pháp này trên thực tế khôngđược áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn.

Phương pháp thứ hai là đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cựcđiều khiển và Cathode Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của Thyristor từtrở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp Anode-Cathode nhỏ Khi đó nếu dòngqua Anode-Cathode lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì (I ) thì Thyristor sẽdt

tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điểukhiển Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các Thyristor bằng các xung dòng có độrộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với côngsuất của mạch lực mà Thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện.

Khóa van Thyristor

Khoá Thyristor Một Thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa (điện trởtương đương mạch Anode-Cathode tăng cao) nếu dòng điện giảm về không Tuy nhiên đểThyristor vẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi điện áp Anode-Cathode lại dương(UAK 0), cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàntính chất cản trở dòng điện của Thyristor Khi Thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, hailớp tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầytiếp giáp J2 đang bị phân cực ngược Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp tiếpgiáp J1, J2, J3 Để khóa Thyristor lại cần giảm dòng Anode-Cathode về không bằng cáchhoặc là đổi chiều dòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa Anode và Cathode củaThyristor Sau khi dòng về bằng không phải đặt một điện áp ngược lên Anode-Cathode(UAK 0) trong một khoảng thời gian tối thiểu lúc này Thyristor sẽ khóa Trong thời gianphục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa Cathode và Anode Thời gian phục hồi làmột trong những thông số quan trọng của Thyristor Thời gian phục hồi xác định dải tầnsố làm việc của Thyristor Thời gian phục hồi có giá trị cỡ 5 ÷ 10 s đối với các Thyristortần số cao và cỡ 50 ÷ 200 s đối với các Thyristor tần số thấp.

1.5.3 Các thông số cơ bản của ThyristorGiá trị trung bình cho phép chạy qua Thyristor

Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor với điều kiện nhiệt độ củacấu trúc tinh thể bán dẫn của Thyristor không vượt quá một giá trị cho phép Trong thựctế dòng điện cho phép chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vào điều kiện làm mát và nhiệtđộ môi trường Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm mát tựnhiên Ngoài ra, Thyristor có thể được làm mắt cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nướcđể tải nhiệt lượng ra nhanh hơn Vấn đề làm mát van bán dẫn sẽ được đề cập ở phần sau,tuy nhiên có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát theo kinh nghiệm sau:- Làm mát tự nhiên

- Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió- Làm mát cưỡng bức bằng nướcĐiện áp ngược cho phép lớn nhất Ung.max

9

Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên Thyristor Trong các ứng dụngphảo đảm bảo rằng: Tại bất kì thời điểm nào điện áp giữa anot-catot luôn nhỏ hơn hoặcbằng Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là phải chọn ítnhất là bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên cơ sở đó.

Thời gian phục hồi tính chất khóa Thyristor

Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anot-catot của Thyristor saukhi dòng anot-catot đã về bằng 0 trước khi lại có thể có điện áp dương mà Thyristor vẫnkhóa Thời gian phục hồi là một thông số rất quan trọng của Thyristor, nhất là trong cácbộ nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưu độc lập Trong đó, phải luôn đảm bảo rằng thờigian dành cho quá trình khóa bằng 1,2 đến 1,5 lần.

Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/μs)

Thyristor được sử dụng như một phần tử có điều khiển, nghĩa là mặc dù được phâncực thuận nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng điện chạy qua.Khi Thyristor được phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2

Hình 1 6 Hiệu ứng tác dụng như dòng điều khiển

Lớp tiếp giáp J bị phân cực ngược nên độ dày của nó nở ra, rạo ra vùng không gian2

nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua Vùng không gian này có thể coi như một tụđiện có điện dung Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của tụ có thể cógiá trụ đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển Kết quả là Thyristor có thể mở ra khichưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G.

Tốc độ tăng điện áo là một thông số phân biệt Thyristor tần số thấp với Thyristor tầnsố cao Ở Thyristor tần số thấp, du/dt vào khoảng 50 đến 200V; với các Thyristor có tầnsố cao thì du/dt có thể đạt 500 đến 2000V.

Tốc độ tăng dòng cho phép di/dt (A/μs)

Khi Thyristor bắt đầu mở, không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nóđều dẫn dòng đồng đều Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm gần với cực điềukhiển nhất Sau đó sẽ làn tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện Nếu tốc độtăng dòng quá lớn, có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn thìsự phát nhiệt cục bộ có thể dẫn đến họng cục bộ từ, dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinhthể bán dẫn.

Tốc độ tăng dòng cũng phân biệt Thyristor tần số thấp có di/dt cỡ 50-100A, với cácThyristor tần số cao di/dt cỡ 500-2000A Trong các ứng dụng phải luôn đảm bảo tốc độtăng dòng cho phép Điều này đạt được nhờ mắt nối tiếp các van bán dẫn với các cuộnkháng trị số nhỏ Cuộn kháng có thể có lõi không khí hoặc lõi ferit Có thể dùng nhữngxuyến ferit lồng lên thanh dẫn để tạo điện áp giá trị khác nhau, tùy theo số lượng xuyếnsử dụng Xuyến ferit tạo nên các điện kháng có tính chất của cuộn kháng bão hòa Khidòng điện qua thanh dẫn nhỏ, điện kháng sẽ có giá trị lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng.Khi dòng điện lớn, cuộn kháng bị bão hòa, điện cảm gần như bằng 0 Như vậy cuộnkháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức qua thanh dẫn.

11

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC2.1 Thiết kế mạch lực

Hình 2 1 Mạch động lực điều áp xoay chiều 1 phaSơ đồ gồm:

- Nguồn điện cấp cho mạch 1 pha

- Van bán dẫn thyristor mắc song song ngược với diot

- Mạch bảo vệ van R-C để bảo vệ quá áp lên van thyristor và van diot- Tải điện cảm RL

Nguyên lý hoạt động:

Điều áp xoay chiều sử dụng việc điều chỉnh góc mở của van thyristor.Van thyristor làmviệc với điện áp xoay chiều nên sẽ được khóa tự nhiên bằng điện áp nguồn và chịu ảnhhưởng của lưới điện đến van.

Đối với mạch lực sử dụng 1 thyristor điện áp thì chỉ có thể điều chỉnh được điện áp của 1nửa chu kỳ và sẽ làm mất đối xứng điện áp trên tải.

Điện áp ngược trên thyristor chỉ bằng sụt áp trên đitot nên không đáng kể, tuy nhiên điệnáp thuận đặt lên thyristor khi đang khóa vẫn lớn nên có độ tin cậy cao.Mạch điều khiểnđơn giản bởi chỉ cần 1 kênh phát xung cho thyristor

Đồ thị điện áp và dòng điện ra tải khi góc dẫn là 30 độ:

Hình 2 2 Đồ thị điện áp và dòng điện2.2 Tính chọn van mạch lực

Thiết kế bộ điều áp xoay chiều 1 pha tải RL Nguồn

Tải điện cảm: , , L = 1,5 H, I = 20(A)t

Chọn van thyristor

Từ bảng tham số tính toán cho điều áp xoay chiều 1 pha ở bảng 2.2 trang 186.Chỉ tiêu điện áp chọn K = 1,41u

13

(2.1)Với độ dự trữ khoảng 1,7 đến 2,5 cần chọn van chịu được điện áp khoảng 400 -600 VChọn van theo giá trị dòng trung bình

70μsChọn van diode

Từ bảng tham số tính toán cho điều áp xoay chiều 1 pha ở bảng 2.2 trang 186.Chỉ tiêu điện áp chọn K = 1,41u

Với độ dự trữ khoảng 1,7 đến 2,5 cần chọn van chịu được điện áp khoảng 400 -600 VChọn van theo giá trị dòng trung bình