đề tài thiết kế bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều dùng thyristor.

Để làm được bộ biến đổi điện xoay chiều thành điện một chiều hay còn gọi là bộ chỉnh lưu thì có rất nhiều cách như: dùng các hệ thống biến đổi van không điều khiển diode , có điều khiển

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI

THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU THÀNH MỘT CHIỀU DÙNG THYRISTOR.

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

Sinh viên 4

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT VIÊN 5

TÊN ĐỀ TÀI: 5

THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU THÀNH MỘT 5

CHIỀU DÙNG THYRISTOR 5

I GIỚI THIỆU VỀ THYRISTOR 6

Cấu tạo, nguyên lý làm việc của thyristor 6

3 Các thông số cơ bản của thyristor: 10

4 Các biện pháp mở thyristor: 11

5 Quá trình khóa thyristor: 12

6 Một số ứng dụng của thyristor: 13

7 Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi điện áp xoay chiều sang một chiều: 14

BA: máy biến áp 15

C: tụ điện 16

8 tính chọn linh kiện: 21

Tỉ số biến áp xung: thường m = 2 ÷3, chọn m = 3 21

V = 22

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện – điện tử thì các thiết bị ddieeenj – điện tử có công suất lớn được chế tạo ngày càng nhiều Đặcbiệt các ứng dụng của nó vào ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày

đã và đang được phát triển hết sức mạnh mẽ

Tuy nhiên, để đáp ứng nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công

nghiệp thì ngành điện – điện tử luôn phải tìm ra các giải pháp tối ưu nhất Đặcbiệt với chủ trương CNH – HĐH của nhà nước, của nhà máy xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ kỹ thuật hiện đại vào trong sản xuất

Do đó, đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp làm việc an toàn chính xác

Và trong ngành kỹ thuật điện tử buộc phải sử dụng điện một chiều để phân cực cho transistor Nhưng điện một chiều như pin, acquy và các máy phát mộtchiều quá tốn kém Có một cáh đơn giản hiệu quả là chuyển điện xoay chiều đang có sẵn từ lưới điện thành điện một chiều và điều chỉnh được giá trị điện một chiều ở đầu ra Để làm được bộ biến đổi điện xoay chiều thành điện một chiều( hay còn gọi là bộ chỉnh lưu) thì có rất nhiều cách như: dùng các hệ thống biến đổi van không điều khiển( diode ), có điều khiển( thyristor )

Các bộ biến đổi van có hiệu suất làm việc cao, kích thước trọng lượng nhỏ nênđược ứng dụng ngày càng phổ biến và rộng rãi

Với bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều dung thyristor chúng em sẽ tìm hiểu về các chế độ khóa mở của thyristor để có thể tạo ra được nguồn điện áp một chiều ở đầu ra luôn dương

Đề tài này là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, vàcũng là điều kiện để cho sinh viên ngành kỹ thuật điện tử tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công nghiệp Mặc dù vậy, với sinh viên còn đang ngồi trên ghế nhà trường thì kinh nghiệm thực tế còn chưa nhiều, do đó cần có

sự hướng dẫn của thầy giáo Qua đây, cho chúng em được gửi lời cảm ơn tới

thầy Hồ Quang Hưng đã tận tình chỉ dẫn, giúp chúng em hoàn thành tốt đề

tài này

Đề tài này hoàn thành không những giúp chúng em có thêm nhiều kiến thứchơn mà còn giúp chúng em làm việc với một phương pháp mới chủ động hơn, linh hoạt hơn và đặc biệt là phương pháp làm việc theo nhóm Quá trình thực hiện đề tài là một thời gian thực sự bổ ích cho chúng em về mọi mặt

Thái Nguyên, ngày….tháng….năm… Sinh viên

Nhóm 5

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT VIÊN

TÊN ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU THÀNH MỘT CHIỀU DÙNG THYRISTOR.

Giáo viên hướng dẫn: Thầy Hồ Quang Hưng.

Sinh viên thưc hiện: Nhóm 5

I GIỚI THIỆU VỀ THYRISTOR

Cấu tạo, nguyên lý làm việc của thyristor.

có lớp bán dẫn P1, N1 được pha với nồng độ tạp chất cao hơn tới mức suy giảm, 4 khối bán dẫn khép lại đã tạo thành 2 transistor mắc nối tiếp trong đó một transistor thuận và một transistor ngược

+ Cấu trúc của 2 transistor:

* Nguyên lý làm việc của thyristor:

+ khi Uak <0: J1, J3 phân cực thuận nên coi thyristor giống như 2 diode phân cực ngược mắc nối tiếp nhau Vì vậy dòng qua đèn là dòng dò ngược có chiều

P1

N2

P2 N1

từ A sang K( dòng có giá trị rất nhỏ gần như không đổi) Đến khi tăng điện áp lên một giá trị nhất định thi J1 và J3 lần lượt bị đánh thủng làm dòng điện

ngược tăng lên đột ngột( nếu không có biện pháp ngăn chặn dòng ngược sẽ làm hỏng tải)

+ Khi Uak > 0:

● Khi chưa có xung tới cực G(Ig =0): lúc này J1, J3 phân cực thuận; J2 phân cực ngược Vì vậy dòng qua thyristor là dòng điện ngược chạy qua tiếp giáp J2

nên nó có giá trị rất nhỏ Khi tăng Uak đến một giá trị điện áp chuyển đổi Ucđ

thuận nào đó thì J2 bị đánh thủng đèn chuyển từ khóa sang mở làm nội trở của đèn giảm mạnh và sụt áp trên 2 cực của đèn giảm => dòng qua đèn tăng nhanh( đây gọi là phương pháp kích mở ở chế độ phân cực thuận)

● Khi có xung tới cực G (Ig # 0): dòng Ig # 0 sẽ cùng Uak > 0 làm J2

chuyển từ phân cực ngược sang phân cực thuận nên J2 mở sớm hơn và

thyristor chuyển từ khóa sang mở sớm hơn Việc tăng dần dòng điện khống chế Ig để mở thyristor gọi là phương pháp kích mở bằng dòng điện khống chế

* Đặc tuyến làm việc của thyristor:

1 Đặc tuyến Volt – Ampe:

- Có thể chia thành 4 vùng chính và 1 vùng chuyển tiếp Đó là vùng dẫn

thuận, vùng chắn thuận và giữa hai vùng này là một vùng quá độ( có điện trở âm) dòng qua thyristor tăng khi áp trên nó giảm thu được khi tác động điện ápgiữa anôt và katôt là chiều thuận Uak = Ui ≥ o; tức là các diode P1N1, P2N2 dẫn

bị ngăn cách bằng diode N1P2 khóa khi ở vùng chắn thuận Cần chú ý ở đây cómột giá trị điện áp ngưỡng đánh thủng Uđt thuận tức là khi tăng dần điện áp Uak trên thyristor tới lúc Uak = UBRF, thyristor sẽ chuyển từ vùng không dẫn điện sang vùng dẫn điện( ta gọi là phương pháp kích mở thyristor bằng điện

áp thuận giữa anôt và katôt) Các vùng còn lại của đặc tuyến khi Uak < 0

giống như của một diode bán dẫn thông thường, đó là vùng chắn ngược( các diode P1N1; P2N2 khóa, diode N1P2 mở) và vùng dẫn ngược, diode P1N1 và sau

đó P2N2 bị đánh thủng về điện

I th

Uak

Dòng duy trì

Điện áp đánh thủng thuận

U

BRF

Dòng chắn thuận 0

Ung max Uđt

- Nếu cố định điện áp giữa A và K ở một giá trị Uak < UBRF0 ( ứng với lúc dòng

Ig = 0) thyristor sẽ không dẫn điện cho tới lúc có một tác động dòng điện

Ig # 0 lên cực G và thyristor sẽ mở theo phương pháp dùng dòng trên cực điều khiển G Tuy nhiên, điều này chỉ thực hiện được theo chiều thuận, còn nếu thyristor đang mở không thể dung dòng hay áp cực G dập tắt nó được Khi đó, ta phải dung biện pháp duy nhất là đặt Uak ≤ 0 lên thyristor

3 Các thông số cơ bản của thyristor:

- Điện áp thuận cực đại( Uth.max):

Là giá trị điện áp lớn nhất có thể đặt lên thyristor theo chiều thuận mà

thyristor vẫn ở trạng thái mở Nếu vượt quá giá trị này có thể làm hỏng

Iđt

T Ith

Ing 0

Là điện áp lớn nhất có thể đặt lên thyristor theo chiều ngược mà thyristor vẫn không hỏng Dưới tác dụng của điện áp này, dòng điện ngược có giá trị Ing = (10 ÷ 20)mmA Khi điện áp ngược đặt lên thyristor lưu ý phải giảm dòng điều khiển.

- Điện áp định mức(Uđm):

Là giá trị điện áp cho phép đặt lên thyristor theo chiều thuận và ngược Thông thường Uđm = ½ U th.max

- Điện áp rơi trên thyristor:

Là giá trị điện áp trên thyristor khi thyristor đang ở trạng thái mở

- Điện áp chuyển trạng thái(Uch):

Ở giá trị điện áp này, khong cần có Iđk, thyristor cũng chuyển sang trạng thái mở

- Dòng điện định mức( Iđm):

Là dòng điện có giá trị trung bình lớn nhất được phép chảy qua thyristor

- Điện áp và dòng điện điều khiển( U đk.min và I đk.min):

Là giá trị nhỏ nhất của điện áp điều khiển đặt vào cực G – K và dòng điện điều khiển đảm bảo mở được thyristor

- Thời gian mở thyristor( ton):

Là khoảng thời gian tính từ sườn trước xung điều khiển đến thời điểm dòng điện tăng đến 0,9 Iđm

- Thời gian khóa thyristor( toff):

Là khoảng thời gian tính từ thời điểm I = 0 đến thời điểm lại xuất hiện điện áp thuận trên anôt mà thyristor không chuyển sang trạng thái mở

- Tốc độ tăng điện áp thuận cho phép( du/dt):

Là giá trị lớn nhất của tốc độ tăng điện áp trên anôt mà thyristor không chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái mở

- Tốc độ tăng dòng thuận cho phép(di/dt):

Là giá trị lớn nhất của tốc độ tăng dòng trong quá trình mở thyristor

Nếu phân cực thyristor bằng một điện thế lớn hơn điện áp đánh thủng

Uđt thì thyristor mở Tuy nhiên, phương pháp này sẽ làm cho thyristor hỏng nên không được áp dụng

- Tốc độ tăng điện áp( du/dt):

Nếu tốc độ tăng điện áp thuận đặt lên anôt và katôt thì dòng điện tích của tụ điện tiếp giáp có khả năng mở thyristor Tuy nhiên dòng điện tích lớn này có thể phá hỏng thyristor và các thiết bị bảo vệ Thông thường tốc độ tăng điện áp du/dt thì do nhà sản xuất quy định

- Dòng điều khiển cực G:

Khi thyristor đã phân cực thuận ta đưa dòng điều khiển dương đặt vào hai cực G và K thì thyristor dẫn, dòng Ig càng tăng thì Uđt càng giảm

5 Quá trình khóa thyristor:

Khóa thyristor tức là trả nó về trạng thái ban đầu trước khi mở với đầy đủ các tính chất có thể điều khiển được nó Có hai phương pháp khóa thyristor: + Giảm dòng điện thuận hoặc cắt nguồn cung cấp

+ Đặt điện áp thuận lên thyristor

- Quá trình khóa thyristor:

Khi đặt điện áp ngược lên thyristor tiếp giáp J1, J3 chuyển dịch ngược, còn

J2 chuyển dịch thuận Do tác dụng của điện trường ngoài, các lỗ trống trong lớp P2 chạy qua J3 về katôt và trong lớp N1 lỗ trống chạy qua J1 về anôt tạo nêndòng điện ngược chạy qua tải giai đoạn này từ t0 ÷ t1 Khi các lỗ trống bị tiêu tán hết thì J1 và J3( đặc biệt là J1) ngăn cản không cho điện tích tiếp tục chảy qua, dòng ngược bắt đầu giảm xuống, từ t1 ÷ t2 gọi là thời gian khóa thyristor Thời gian khóa này thường dài gấp 8 ÷ 10 lần thời gian mở

6 Một số ứng dụng của thyristor:

Thyristor được ứng dụng trong một số mạch như:

+ Được sử dụng trong các mạch điều khiển động cơ

P1J1N1 J2P2 J3N2

+ _

- Nguyên lý hoạt động:

+ Điện áp AC trước khi vào cầu diode, ta nối khóa K1 thường đóng của relay( nghĩa là trạng thái bình thường của relay khi chưa có điện thì khóa K1

luôn đóng, nhưng khi có điện thì sẽ hút mở khóa K1 ra)

+ Nếu điện áp vào vượt quá điện áp chuẩn => diode zennơ Z1 thông => cực

G của thyristor được kích dẫn => relay có điện => làm hút mở khóa K1 nối nguồn AC với cầu diode => làm mất điện Tức là mạch hở ngắt khi có sự cố qua áp

7 Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi điện áp xoay chiều sang một chiều:

* Sơ đồ nguyên lý của mạch:

- Khối khuyếch đại: Có nhiệm vụ khuyếch đại xung phù hợp để mở

thyristor Xung để mở thyristor có yêu cầu là sườn trước dốc thẳng đứng Để đảm bảo yêu cầu để thyristor mở tức thời khi có xung điều khiển đủ rộng với

độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của thyristor đủ công suất

* Phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các khối trong sơ đồ:

● Khối tạo xung:

+ Cấu tạo:

BA: máy biến áp

D: diode

Tr: transistor

R1,R2,R3,R4: điện trở

WR: biến trở dùng để điều chỉnh biên độ điện áp răng cưa cho phù hợp yêu cầu

C: tụ điện

R4: hạn chế biên độ dòng phóng của tụ qua

transistor mở để bảo vệ transistor

+ Nguyên lý làm việc của mạch:

Giả thiết rằng: Tại wt = 0 thì U2 = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương; tại wt = 0 điện áp trên tụ C đang bằng không( Uc = 0)

Sau thời điểm wt = 0 thì U2 > 0( điểm a dương hơn điểm 0) nên trên D được đặt điện áp thuận, D sẽ mở dẫn đến có dòng điện từ cuộn thứ cấp biến ápđến R2 và D; nếu bỏ qua sụt áp rất nhỏ trên cuộn dây máy biến áp và trên D thì trên R2 được đặt điện áp bằng toàn bộ suất điện động thứ cấp biến áp tức là

U2 Điện sụt trên R2 lúc này có thể dương đặt vào cực phát transistor, còn thế

âm đặt vào vào cực gốc transistor; do vậy mạch gốc – phát transistor của

transistor bị đặt điện áp ngược và transistor khóa Transistor khóa thì tụ C được nạp( từ dương nguồn qua R3 qua WR qua tụ C về âm nguồn)

Khi C được nạp thì điện áp tăng dần theo biểu thức:

uc = Ucc ( 1 – e –t/τ ) với τ = ( R3 + WR)

C: hằng số thời gian mạch nạp của tụ

Đến wt = ╥ thì điện áp đồng bộ U2 = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu

kỳ âm( điểm a âm hơn điểm 0) Van D bị đặt điện áp ngược và khóa lại Do vậy, điện áp đồng bộ không còn tác độngđến mạch gốc – phát của transistor nữa, lúc này dưới tác động của nguồn cung cấp một chiều qua điện trở định thiên R1 trong mạch định thiên theo kiểu phân áp gồm R1 và R2 mà transistor

mở Transistor mở thì tụ ngừng nạp và phóng điện( từ dương tụ C qua

transistor qua R4 và về âm tụ C)

Người ta tính chọn các điện trở R1, R2 và transistor sao cho transistor mở bão hòa với điện trở tổng mạch cực góp là R3 + WR Vậy tụ C sẽ ngừng phóng khiđiện áp trên tụ giảm xuống bằng sụt áp điện áp bão hòa của transistor cộng vớisụt áp trên R4 gây ra bởi dòng mở bão hòa của transistor: UR4

≈ Ucc.R4/(R3 + WR) Sụt điện áp bão hòa trên một transistor mở rất nhỏ nên ta

có thể bỏ qua, mặt khác do R4 rất nhỏ so với( R3 + WR) nên cũng có thể bỏ qua sụt áp trên R4( tương ứng UR4 = 0)

ra Urc được cho trên hình vẽ.

Uđb Urc

Urc Uđk

+ Nguyên lý hoạt động:

Tín hiệu ra từ khối tạo xung đưa qua điện trở R5, R6 vào IC khuyếch đại thuật toán A3 Tín hiệu đầu vào là hai tín hiệu răng cưa và điều khiển Để xác định được thời điểm thyristor mở cần so sánh hai tín hiệu này Ta dung IC khuyếch đại thuật toán A3 có hệ số khuyếch đại lớn nên chỉ một tín hiệu nhỏ ởđầu vào ta có điện áp ra ở nguồn nuôi Nó phát xung chính xác ở thời điểm

Uđk = Ura Tín hiệu ở đầu ra được đưa sang tầng khuyếch đại

● Khối khuyếch đại:

+ Cấu tạo:

+ Nguyên lý hoạt động:

Để có thể khuyếch đại công suất ta dùng transistor, diode bảo vệ transistor và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi transistor khóa đột ngột; tầng khuyếch đại dalington khuyếch đại được công suất đủ lớn, hệ số khuyếch đại được nâng lên theo thông số của transistor Tín hiệu được đưa vào qua tụ C, điện trở R để đưa đến transistor công suất mắc kiểu dalington để khuyếch đại tín hiệu lên công suất cần thiết đi đến đầu vào cuộn sơ cấp biến áp xung

+ Giản đồ điện áp:

* Nguyên lý hoạt động của cả mạch:

- Điện áp vào tại A( UA) có hình sin trùng pha với điện áp ở cực anôt của thyristor( T ), qua IC khuyếch đâị thuật toán A1 cho ta chuỗi xung hình chữ nhật đối xứng( UB) , phần áp dương của điện áp chữ nhật UB qua diode D1 tới

A2 tích phân thành điện áp răng cưa Urc; điện áp âm của UB làm mở thong transistor Tr1 làm A2 ngắn mạch( Urc = 0) trong vùng UB âm.Trên đầu ra của

A2 chúng ta có chuỗi điện apsrawng cưa gián đoạn

- Điện áp Urc được so sánh với điện áp Uđk tại đầu vào của A3 Tổng

Urc + Uđk quyết định dạng điện áp ở đầu ra của A3 Trong khoảng 0 ÷ t1 với

Uđk > Urc điện áp UD có điện áp âm Trong khoảng t1 ÷ t2 với Urc > Uđk điện áp

UD lật lên điện áp dương Các khoảng thời gian tiếp theo tương tự như vậy

- Các xung ra UF làm mở thông các transistor Tr2, Tr3 nên chúng nhận được chuỗi xung nhọn trên biến áp xung, để đưa tới mở thyristor

U

t

t 0

0

Và không có khe hở không khí.

Tỉ số biến áp xung: thường m = 2 ÷3, chọn m = 3

Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Uđk = 3( V)

0 0 0

t Ua

Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung:

U1 = m*U2 = 3*3 = 9 (V)

Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: I2 = Iđk = 0,11( A)

Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung: