đồ án môn học iii đề tài tính toán và thiết kế mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn 3

Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rấtnhiều so với các hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát - độngcơ...Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điệ

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 : Đào Minh Tuấn

Sinh viên thực hiện: Lê Văn Hùng - 12220082

: Nguyễn Đình Cường -12220458 : Phạm Thị Hà - 12220481

Lớp : 12220TN

Hưng yên, năm 2023

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Giáo viên hướng dẫn.

MỤC LỤ

LỜI NÓI ĐẦU 1

2.1 Khái niệm về chỉnh lưu công suất 4

2.2 Luật dẫn của van công suất trong các mạch chỉnh lưu 4

2.3 Cấu trúc mạch chỉnh lưu,các thông số cơ bản 5

2.4 Phân tích nguyên lý mạch lực 6

2.4.1 Sơ đồ mạch lực 6

2.4.2 Nguyên lý hoạt động 7

2.4.3 Các dạng sóng và biểu thức tính toán điện áp 7

2.5 Phân tích nguyên lý điều khiển 13

2.5.1 Một số phương án lựa chọn mạch điều khiển 13

2.5.2 Khối nguồn của mạch điều khiển dùng TCA 785 14

2.5.2 Khối tạo xung PWM 15

2.5.3 Khối cách ly 19

2.6 Động cơ DC 20

2.6.1 Tổng quan về động cơ DC 20

2.6.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều 21

2.6.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều: 22

3.3 Tính toán mạch điều khiển 26

3.3.1 Tính toán khối tạo nguồn điều khiển 26

3.3.2 Tính toán cho khối tạo xung PWM 27

3.3.3 Tính toán cho khối cách ly 29

3.4 Thiết kế mạch 31

3.4.1 Sơ đồ nguyên lý toàn bộ hệ thống 31

3.4.2 Nguyên lý làm việc toàn mạch 31

4.1 Khảo sát mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn 34

4.2 Đánh giá mạch sau khi khảo sát 39

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

LỜI NÓI ĐẦU

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

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công suấtchúng em đã được giao thực hiện đề tài: “Thiết kế, chế tạo và khảo sát mạch chỉnhlưu 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 trongquá trình chúng em thực hiện đồ án Mặc dù đã cố gắng hoàn thành nhưng với kinhnghiệm và khả năng còn hạn chế nên chúng em không tránh khỏi những thiếu sót vànhầm lẫn, vì vậy chúng em rất mong các thầy, cô đóng góp những ý kiến quý báu đểđồ án của chúng em được hoàn thiện hơn.

Chúng em xin trân thành cảm ơn.

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 sốngsản suất Năng lượng này hầu như là năng lượng điện xoay chiều Trong khi đónăng 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 mộtchiều, 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 làbiến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Sự biến đổi đó được thựchiện nhờ các thiết bị bán dẫn Chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiêu nhất địnhnhư: 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 mộtchiều.

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

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

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

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

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 từđiện áp này sang điện áp khác.

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

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

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 thếđiểm 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 điểmK 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 dángcũng như tính năng Tuy nhiên về cơ bản cấu trúc trong bộ biến đổi thường có cácbộ 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 điệnxoay chiều thành nguồn một chiều.

- Mạch lọc nhằm lọc và san phẳng dòng điện hay điện áp nguồn để mạchchỉnh 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 điềukhiển, 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 sứcđiện 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 đểđiều khiển động cơ Tùy thuộc vào yêu cầu điều chỉnh, công suất động cơ mà ta đưara 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.

Đến thời điểm t = , u2 = 0 có xu hướng âm dần và - u2 = 0 có xu hướngdương dần Tuy nhiên điện áp nguồn lúc này tác động ngược chiều với chiều dẫndòng của dòng điện qua tải, cho nên suất điện động cảm ứng do Ld tạo ra cho cặpvan T2 và T4 tiếp tục dẫn điện, còn cặp van T1 và T3 chưa dẫn do chưa có xungđiều 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 cặpvan T1 và T3 sẽ dẫn điện còn cặp van T2 và T4 bị phân cực ngược nên không dẫnđiện.

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 xuhướng âm dần, tuy nhiên cặp van T1 và T3 sẽ tiếp tục dẫn do suất điện động củacuộn cảm tải tạo ra để chống lại sự biến thiên của dòng điện Cặp van T2 và T4chưa 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.

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

a) 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:

Ud=1π ∫

√2 U2sinωtdωtωtdωttdωtdωtt =√2 U2

π (1+cosα)

• Dòng điện trung bình trên tải:

• Dòng điện trung bình qua Thyristor:

απ + α

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:

Ud=2. 1

2 π ∫

αα+ π

√2 U2sinωtdωtωtdωttdωtdωtt=0,9 U2cosα

• Dòng điện trung bình trên tải

• Dòng điện trung bình qua Thyristor:

απ + α

Id dωtdωtt=Id

2

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

c) 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:

Ud=2. 1

2 π ∫

αα+ π

√2 U2sinωtdωtωtdωttdωtdωtt=0,9 U2cosα

• Dòng điện trung bình trên tải:

• Dòng điện trung bình qua Thyristor:

απ + α

Id dωtdωtt=Id

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

2.5 Phân tích nguyên lý điều khiển

2.5.1 Một số phương án lựa chọn mạch điều khiển

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

 Khâu tạo điện răng cưa Khâu so sánh

 Khâu tạo xung chùm Khâu trộn xung

 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 hợpTCA 785 để đơn giản mạch điều khiển.

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 nguồn15VDC.

2.5.2 Khối 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 điềukhiển: “ tề đầu” điện áp đồng bộ tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạo xungra Nguồn nuôi qua chân 16 Tín hiệu đồng bộ được lấy qua chân số 5 và số 1 Tínhiệu điều khiển được đưa vào chân 11 Một bộ nhận biết điện áp 0 sẽ kiểm tra điệnáp lấy vào chuyển trạng thái và sẽ chuyển tín hiệu này đến bộ phận đồng bộ Bộphận 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 đượcđưa vào khâu logic

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

Độ rộng xung có thể kéo dài đến 180o thông qua tụ C6 Nếu chân 12 nối đấtthì 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 cưatạo bởi tụ C10 cho ta xung điều khiển van tăng dần ở đầu ra chân 14 và 15 Khi xảyra ngắn mạch chân 6 nhận được tín hiệu cấm, tại chân 14 và 15 không còn tín hiệuđầu ra.

Mô tả chức năng Tín hiệu đồng bộ hóa thu được thông qua điện trở cao từđiện áp đường dây (điện ápV5) Một bộ dò điện áp 0 đánh giá các đoạn bằng khôngvà chuyển chúng vào thanh ghi đồng bộ hóa Nếu điện áp răng cưa V10 vượt quáđiện 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 Phụthuộc 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 trongmột góc pha từ 00 đến 1800 đối với mỗi nửa sóng, một xung dương xấp xỉ Thờilượng 30 μs.s xuất hiện ở đầu ra Q 1 và Q 2 Thời lượng xung có thể được kéo dài lên

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 đảocủa 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 logicbên ngoài, có sẵn tại chân 3 Một tín hiệu tương ứng với liên kết NOR của Q 1 và Q2 có sẵn ở đầu ra QZ (chân 7) Đầu vào ức chế có thể được sử dụng để tắt các đầu raQ1, Q2 và, Chân 13 có thể được sử dụng để mở rộng đầu ra và đến độ dài xung đầyđủ (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.

TTChânKí hiệuChức năng

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

trị min

Giá trị đặc trưng(f=50Hz, Vs= 5V)

Giá trịmax

Thời gian sườn ngăn của xungrưng cưa

80 VS-21000300

MsTín hiệu cấm vao, chân 6

CấmCho phép

VĐộ rộng xung ra, chân 13

Xung hẹpXung rộng

VXung ra chân 14,15

Điện áp mức caoĐiện áp mức thấpĐộ rộng xung hẹpĐộ rộng xung rộng

VVµsµs/nF

Bảng 2.19: Bảng các thông số của IC TCA785.

2.5.3 Khối cách ly

Bảng 2.20 Sơ đồ mạch cách ly dùng MOC3023.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động MOC3021

Hình 2.21 Cấu tạo của Moc3021.

Moc3023 là optocoupler hay optoisolator tinh chỉnh và điều khiển TRIACphát hiện điểm 0 Như tất cả chúng ta biết thuật ngữ optocoupler hay optoisolater cónghĩa là tất cả chúng ta sử dụng ánh sáng để ghép nối gián tiếp vào những bộ mạch.Điểm đặc biệt quan trọng của Moc3021 là nó có năng lực phát hiện điểm zero vàđược điều khiển và tinh chỉnh bởi một Triac Vì đầu ra được tinh chỉnh và điềukhiển bởi TRIAC, tất cả chúng ta hoàn toàn có thể điều khiển và tinh chỉnh tải lênđến 400V và triac hoàn toàn có thể dẫn theo cả hai hướng do đó việc trấn áp tải ACsẽ không thành yếu tố Cũng vì nó có năng lực phát hiện điểm 0 nên khi bật tải AC,TRIAC sẽ khởi đầu dẫn điện sau khi sóng AC đạt đến 0V, theo cách này tất cảchúng ta hoàn toàn có thể tránh điện áp đỉnh trực tiếp đến tải và do đó ngăn nó bịhỏng Nó cũng có thời hạn tăng và giảm khá và do đó hoàn toàn có thể được sửdụng để trấn áp điện áp đầu ra.

Hình 2.22 Thông tin chức năng các chân của Moc3023.

2.6 Động cơ DC

2.6.1 Tổng quan về động cơ DC

Như ta đã biết máy phát điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện hoặcđộng cơ điện Động cơ điện một chiều là thiết bị quay biến đổi điện năng thành cơnăng Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Động cơ điện một

chiều được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải Động cơđiện một chiều gồm những loại sau đây:

- Động cơ điện một chiều kích từ song song.- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp.

2.6.2 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động(rôtor)

Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ thông thường dùng những lá thép kỹ thuậtđiện dày 0,5 mm phủ cách điện ở hai đầu rồi ép chặt lại Trên lá thép có dập hìnhdạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào

- Dây quấn phần ứng:

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua Thườnglàm bằng dây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiếtdiện tròn, trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dâyquấn được cách điện với rãnh của lõi thép.

- Cổ góp:

Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòngđiện xoay chiều thành một chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạncách điện với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụtròn Đuôi vành góp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tửdây quấn vào các phiến góp được dễ dàng.

- Các bộ phận khác:

 Cánh quạt: Dùng để quạt gió làm nguội máy.

 Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máythường làm bằng thép Cacbon tốt

2.6.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều:

Stato của motor điện 1 chiều thường là 1 hoặc gồm nhiều cặp nam châm vĩnhcửu, (có thể dùng bằng nam châm điện), còn rotor có các cuộn dây quấn và đượcnối với nguồn điện 1 chiều Đồng thời, bộ phận chỉnh lưu có nhiệm vụ là làm đổichiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là chuyển động liên tục Bộphận này sẽ gồm có 1 bộ cổ góp và 1 bộ chổi than được mắc tiếp xúc với cổ gópcủa động cơ.

Khi trục quay của một động cơ điện 1 chiều được kéo bằng 1 lực tác động từbên ngoài, động cơ sẽ hoạt động tương tự như 1 chiếc máy phát điện 1 chiều đểnhằm tạo ra một sức điện động cảm ứng có tên là Electromotive force (EMF).