Thiết kế BBĐ xoay chiều một chiều tự động duy trì điện áp ra theo lượng đặt trước

Đồ án này gồm 6 chương: Chương 1. Thiết kế sơ đồ mạch động lực. Chương 2. Thiết kế mạch điều khiển. Chương 3. Tính chọn thiết bị. Chương 4. Xây dựng các quan hệ cơ bản. Chương 5. Thuyết minh nguyên lý toàn hệ thống. CHƯƠNG 1. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC 1. Đặt vấn đề Trong kỹ thuật điện rất nhiều trường hợp yêu cầu biến đổi nguồn điện áp xoay chiều thành nguồn điện áp một chiều và điều chỉnh điện áp một chiều đầu ra. Để thực hiện việc này người ta có nhiều cách khác nhau, ví dụ như dùng tổ hợp động cơ máy phát, dùng bộ chỉnh lưu... nhưng phổ biến nhất và có hiệu suất cao nhất là sử dụng các sơ đồ chỉnh lưu bằng các phần tử bán dẫn. Các sơ đồ chỉnh lưu (bộ biến đổi xoay chiều – một chiều) là các bộ biến đổi ứng dụng tính chất dẫn dòng một chiều của các phần tử điện tử bán dẫn để biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều một cách trực tiếp. Hiện nay các phần tử điện tử hầu như không được dùng trong các sơ đồ chỉnh lưu vì có kích thước lớn, hiệu suất thấp. Các phần tử chủ yếu được sử dụng hiện nay là các thyristor và các điôt bán dẫn. Các sơ đồ chỉnh lưu có nhiều dạng khác nhau và được ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau, ví dụ như là để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, cung cấp điện áp một chiều cho các thiết bị mạ điện, điện phân, cung cấp điện áp một chiều cho các thiết bị điều khiển, các đèn phát trung tâm và cao tần…. Các sơ đồ chỉnh lưu cũng được dùng từ công suất rất nhỏ đến công suất rất lớn. 1.2. Chọn bộ biến đổi. Bộ nguồn chỉnh lưu thường được phân loại theo các cách như sau: Theo cách nối dây : Mạch chỉnh lưu hình tia, hình cầu Theo số pha: Mạch chỉnh lưu 1 pha, 2 pha, 3 pha Theo cách điều khiển: Không điều khiển, có điều khiển, bán điều khiển Với yêu cầu của đề tài có một số phương án sau: 1.2.1. Sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha. a. Sơ đồ nguyên lý. BA là máy biến áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, BA có nhiệm vụ như sau: Tạo ra hệ thống điện áp xoay chiều hai pha không có trong lưới điện công nghiệp. BA có một cuộn sơ cấp được đặt điện áp nguồn xoay chiều một pha u1, hai cuộn dây thứ cấp là W21 và W22 có số vòng bằng nhau và được đấu như hình 1. Như vậy trên W21 và W22 ta có các điện áp u21 và u22 thoả mãn quan hệ u21 = u22, đây là hệ thống điện áp xoay chiều hai pha cần thiết.

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ

thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị

điện tử có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều Và đặc biệt các

ứng dụng của nó vào các 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 được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công

nghiệp thì ngành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối

ưu nhất Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hoá - hiện đại hoá của Nhà nước,

các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động

điều khiển vào trong sản xuất Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp

điều khiển an toàn, chính xác Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử công suất cần

phải giải quyết

Chính vì vậy đồ án môn học điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho

mỗi sinh viên TĐH Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh

viên, và cũng là điều kiện để cho sinh viên ngành TĐH tự tìm hiểu và nghiên

cứu kiến thức về điện tử công suất Với chương trình đào tạo của nhà trường

cùng với yêu cầu của khoa em được phân công thiết kế đồ án môn học điện tử

công suất có đề tài: “Thiết kế BBĐ xoay chiều một chiều tự động duy trì

điện áp ra theo lượng đặt trước”.

Đồ án này gồm 6 chương:

Chương 1 Thiết kế sơ đồ mạch động lực

Chương 2 Thiết kế mạch điều khiển

Chương 3 Tính chọn thiết bị

Chương 4 Xây dựng các quan hệ cơ bản

Chương 5 Thuyết minh nguyên lý toàn hệ thống

Sau đây là phần tính toán, thiết kế đồ án môn học của em.

CHƯƠNG 1 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC

1 Đặt vấn đề

Trong kỹ thuật điện rất nhiều trường hợp yêu cầu biến đổi nguồn điện áp

xoay chiều thành nguồn điện áp một chiều và điều chỉnh điện áp một chiều đầu

ra Để thực hiện việc này người ta có nhiều cách khác nhau, ví dụ như dùng tổ

hợp động cơ - máy phát, dùng bộ chỉnh lưu nhưng phổ biến nhất và có hiệu

suất cao nhất là sử dụng các sơ đồ chỉnh lưu bằng các phần tử bán dẫn Các sơ

đồ chỉnh lưu (bộ biến đổi xoay chiều – một chiều) là các bộ biến đổi ứng dụng

tính chất dẫn dòng một chiều của các phần tử điện tử bán dẫn để biến đổi điện

áp xoay chiều thành điện áp một chiều một cách trực tiếp

Hiện nay các phần tử điện tử hầu như không được dùng trong các sơ đồ

chỉnh lưu vì có kích thước lớn, hiệu suất thấp Các phần tử chủ yếu được sử

dụng hiện nay là các thyristor và các điôt bán dẫn Các sơ đồ chỉnh lưu có nhiều

dạng khác nhau và được ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau, ví dụ như là

để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, cung cấp điện áp một chiều cho các

thiết bị mạ điện, điện phân, cung cấp điện áp một chiều cho các thiết bị điều

khiển, các đèn phát trung tâm và cao tần… Các sơ đồ chỉnh lưu cũng được dùng

từ công suất rất nhỏ đến công suất rất lớn

1.2 Chọn bộ biến đổi.

Bộ nguồn chỉnh lưu thường được phân loại theo các cách như sau:

* Theo cách nối dây : Mạch chỉnh lưu hình tia, hình cầu

* Theo số pha: Mạch chỉnh lưu 1 pha, 2 pha, 3 pha

* Theo cách điều khiển: Không điều khiển, có điều khiển, bán điều khiển

Với yêu cầu của đề tài có một số phương án sau:

1.2.1 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha.

a Sơ đồ nguyên lý.

BA là máy biến áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, BA có nhiệm vụ như sau:

Tạo ra hệ thống điện áp xoay chiều hai pha không có trong lưới điện công

nghiệp BA có một cuộn sơ cấp được đặt điện áp nguồn xoay chiều một pha u1,

hai cuộn dây thứ cấp là W21 và W22 có số vòng bằng nhau và được đấu như hình

1 Như vậy trên W21 và W22 ta có các điện áp u21 và u22 thoả mãn quan hệ u21 =

u22, đây là hệ thống điện áp xoay chiều hai pha cần thiết

Đảm bảo sự cách ly về điện giữa mạch động lực của sơ đồ chỉnh lưu với nguồn

điện áp xoay chiều trong một số trường hợp cần thiết để đảm bảo an toàn cho

người vận hành và sửa chữa

Giá trị điện cảm tản của BA tham gia làm giảm tối đa tăng của dòng qua

van khi mở van làm hạn chế được giá trị diT/dt để bảo vệ van, vì vậy khi đã sử

dụng máy biến áp để cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu thì không cần phải đưa điện

cảm vào mạch nguồn mà chỉ cần lựa chọn máy biến áp có giá trị điện áp ngắn

mạch phần trăm lớn ( uN % = 7 – 10 % )

Các Thyristor T1, T2 biến điện áp xoay chiều thành một chiều

- Ed, Ld, Rd các phần tử phụ tải

b Giản đồ dòng điện, điện áp của các phần tử

Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha ứng với trường hợp tải Ld = ∞

U22

iT2 i22

c Các biểu thức tính toán cơ bản:

- BA là máy biến áp một pha cung cấp điện áp cho mạch chỉnh lưu

- W1 là cuộn dây sơ cấp có điện áp sơ cấp u1

- W2 là cuộn dây thứ cấp có điện áp thứ cấp u2

- Các Thyritor T1,T2 T3,T4 làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều thành điện

áp môt chiều, 4 van này được phân làm 2 nhóm : +T1,T3 được đấu Katot chung

+T2,T4 được đấu Anot chung

b Giản đồ điện áp và dũng điện

c Các đại lượng được tính như sau

Ud = Udo Cosá ,Với Udo = 0,9U2

ùt0

i

1

ùt0

v1

-u2

Uthmax =Ungmax = 2U2

IT = Id/ 2

Nhận xét.

Với sơ đồ hình tia 2 pha, việc điều khiển các van dẫn ở đây tương đối đơn

giản Tuy nhiên việc chế tạo máy biến áp có 2 cuộn dây thứ cấp giống hệt nhau,

mỗi cuộn dây chỉ làm việc có 1 nửa chu kỳ làm cho việc chế tạo máy biến áp

phức tạp với hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn, mặt khác điện áp ngược của các

van dẫn phải có trị số lớn nhất

Với sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 1 pha có chất lượng điện áp ra hoàn toàn

giống với sơ đồ hình tia 1 pha (ở biến áp trung tính) Hình dạng các đường cong

điện áp, dòng điện tải, dòng điện các van bán dẫn và điện áp của một van tiêu

biểu gần tựa nhau Trong 2 sơ đồ dòng điện chạy qua van giống hệt nhau, nhưng

điện áp ngược van phải chịu nhỏ hơn UNV = 2u2

* Nói chung sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha có nhiều ưu điểm hơn, các

nhược điểm có thể khắc phục dễ dàng Sơ đồ này có thể đáp ứng được yêu cầu

phụ tải như đề tài, vì thế chọn sơ đồ này

1.3 Thiết kế sơ đồ mạch động lực.

a Giới thiệu sơ đồ

Trong sơ đồ này:

- BA- là máy biến áp cung cấp, với sơ đồ cầu một pha thì có thể dùng hoặc

không dùng máy biến áp

- Các van điều khiển T1 đến T4 dùng để biến điện áp xoay chiều thành một

chiều Bốn van này được phân thành 2 nhóm: Nhóm katôt chung gồm T1 và T3,

nhóm anôt chung gồm T2 và T4

- Ed, Ld, Rd là các phần tử của phụ tải

- u1, u2 là điên áp trên cuộn dây sơ cấp (điện áp lưới) và điện áp cuộn thư

cấp

- i1, i2 là dòng điên cuộn dây sơ cấp (dòng điện lưới) và dòng điện thứ cấp

- Mạch bảo vệ RC

- Cuộn kháng CK

b Nguyên lý làm việc của sơ đồ.

* Ta xét nguyên lý làm việc của sơ đồ trong trường hợp giả thiết phụ tải có

Ld = ∞ và xem rằng sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm ta bắt đầu xét

Với đồ thị điện áp nguồn va giá trị góc điều khiển như trên hình vẽ, ta có

nguyên lý làm việc của sơ đồ như sau:

* *

Rd

Ld

Edid

T1 1

T3 1

T4 1

T2 1

Giả thiết trong khoảng lân cận phía trước thời điểm t = v1 = á Thì trong

sơ đồ 2 van T3 và T4 đang dẫn dòng Tại t = v1 = á thì 2 van T1 và T2 đồng thời

có tín hiệu điều khiển, lúc đó điện áp trên 2 van này đều thuận (uT1 = uT2 = u2) do

vậy cả 2 van đều mở Hai van T1 và T2 mở nên sụt áp trên chúng giảm về bằng

không và ta có: ud = u2 , uT3 = uT4 = - u2 Và tại t = v1 = á thì u2 > 0 tức là T3,T4

bị đặt điện áp ngược và khoá lại Tại thời điển này (t = v1) trong sơ đồ có 2

van T1 và T2 dẫn dòng, khi 2 van T1 và T2 làm việc thì:

ud = u2 ; iT3 = iT4 = 0 ; uT1 = uT2; uT3 = uT4 = -u2; iT1= iT2 = id = Id

Đến t = đ thì u2 = 0 và bắt đầu chuyển xang nửa chu kỳ âm nên nó tác

động ngược với chiều dòng qua T1 và T2 , đồng thời T3 và T4 lúc này có điện áp

thuận , nhưng T3 và T4 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, vì vậy mà T1 và

T2 tiếp tục dẫn dòng bởi s.đ.đ tự cảm sinh ra trong Ld do dòng tải có xu hướng

giảm

Do T1 và T2 vẫn mở nên các biểu thức điện áp và dòng điện trên các phần

tử của sơ đồ vẫn giữ nguyên như trên

Tại t = v2 = đ +á thì T3 và T4 đồng thời có tín hiệu điều khiển, trên 2 van

đang có điện áp thuận nên T3 và T4 cùng mở Hai van T3 và T4 mở nên sụt áp

trên chúng giảm về bằng không và ta có:

ud = - u2 ; uT1 = uT2 = u2;

Và tại t = v2 = đ +á thì u2< 0, tức là T1 và T2 bị đặt điện áp ngược và khoá lại

Từ thời điểm này (t = v2) trong sơ đồ chỉ có 2 van T3 và T4 dẫn dòng, khi 2 van

T3 và T4 làm việc thì:

ud = - u2 ; iT1 = iT2 = 0 ; uT1 = uT2 = u2 ; uT3 = uT4 = 0; iT3= iT4 = id = Id

Đến t = 2đ thì u2 = 0 và bắt đầu chuyển xang nửa chu kỳ dương và nó tác

động ngược với chiều dòng qua T3 và T4, đồng thời trên T1 và T2 có điện áp

thuận nhưng T1 và T2 vẫn chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, nên s.đ.đ tự

cảm sinh ra trong Ld vẫn làm T3 và T4 tiếp tục dẫn dòng

Đến t = v3 = 2đ + á thì T1 và T2 đồng thời có tín hiệu điều khiển và T1 và

T2 lại cùng làm, T3 và T4 bị đặt điện áp ngược và khoá lại Từ thời điểm này sơ

đồ lặp lại trạng thái làm việc như từ t = v1

Giai đoạn t = 0 đến v1 có thể suy ra từ giai đoạn t = 2đ đến v3 do tính

chất lặp lại khi sơ đồ làm việc, ta thấy rằng nó hoàn toàn phù hợp với giả thiết

ban đầu là T3 và T4 dẫn dòng

v2

Id

v1

v10

2

v1

2 

v2

v2

v3v3

Uthmax =Ungmax = 2U2

IT = Id/ 2

CHƯƠNG 2.THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

* Ở chương trước chúng ta đã nghiên cứu sự hoạt động của sơ đồ mạch

động lực bộ biến đổi có điều khiển dùng các thyristor Để các van của bộ chỉnh

lưu có thể mở tại các thời điểm mong muốn thì ngoài điều kiện hiện tại thời

điểm đó ta vẫn phải có điện áp thuận đặt lên A, K thì trên điện cực điều khiển

(tín hiệu điều khiển) Để có tín hiệu điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu mở

van đã nêu, người ta sử dụng một mạch điện tạo ra các tín hiệu đó được gọi là

mạch điều khiển hay hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu Điện áp điều khiển của

các thyristor phải đáp ứng được các yêu cầu cần thiết về công suất, cũng như

thời gian tồn tại Do đặc điểm của thyristor là khi van đã mở thì việc còn tín hiệu

điều khiển hay không điều khiển ảnh hưởng đến dòng qua van, vì vậy để hạn

chế công suất của mạch phát tín hiệu người ta thường tạo ra các tín hiệu điều

khiển thyristor có dạng các xung, do đó mạch điều khiển còn được gọi là mạch

phát xung điều khiển

* Các hệ thống phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu hiện đang sử dụng có thể

phân ra làm 2 nhóm:

+ Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ

+ Nhóm các hệ thống điều khiển không đồng bộ

Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ được sử dụng phổ biến nhất hiện

nay Đây là nhóm các hệ thống điều khiển mà các xung điều khiển xuất hiện

trên điện cực điều khiển các thyristor đúng thời điểm cần mở van và lặp đi lặp

lại mang tính chất chu kỳ với chu kỳ thường bằng chu kỳ mạch xoay chiều cung

cấp cho sơ đồ chỉnh lưu

* Các hệ thống điều khiển đồng bộ thường được sử dụng hiện nay bao

gồm:

+ Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha đứng

+ Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha ngang

+ Hệ thống điều khiển chỉnh lưu dùng điôt 2 cực gốc

2.1 Phân tích, lựa chọn phương án điều khiển bộ biến đổi

1 Mạch điều khiển bộ chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha ngang

a Nội dung phương pháp:

Để tạo xung điều khiển cho các van chỉnh lưu trước trên người ta tạo ra

các tín hiệu điều khiển hình sin có tần số bằng tần số xung điều khiển các

thyristor tức là bằng tần số nguồn cung cấp xoay chiều và có biên độ không đổi

Có xung điều khiển các van sẽ được tạo ra tại các thời điểm bằng không và bắt

đầu chuyển sang dương của các điện áp điều khiển hình sin đã nêu Việc thay

đổi giá trị góc điều khiển được thực hiện bằng cách thay đổi góc pha của các

điện áp điều khiển hình sin

Như vậy đối với hệ thống điều khiển này thì việc trước tiên ta phải tạo ra

được bộ điện áp điều khiển hình sin với biên độ không đổi và góc pha điều

khiển được Để thực hiện nhiệm vụ này, hiện nay người ta sử dụng các sơ đồ cầu

dịch pha dùng điện trở, tụ điện (cầu R – C) hoặc điện trở, điện cảm (cầu R – L)

Khi đã có dạng điện áp điều khiển hình sin như đã nêu thì việc tạo ra các xung

điều khiển cho các thyristor tại những thời điểm bằng không và bắt đầu chuyển

sang dương của các điện áp hình sin có thể thực hiện bằng nhiều sơ đồ khác

nhau, đơn giản nhất là dùng các điôt, ngoài ra có thể sử dụng mạch biến đổi

tương tự, số bằng vi mạch Sau khi đã có các xung xuất hiện đúng thời điểm cần

thiết thì tuỳ thuộc vào dạng và công suất xung đã có và xung yêu cầu cần có mà

ta có thể sử dụng các mạch của xung và khuếch đại xung

* Một hệ thống điều khiển theo pha ngang thường bao gồm 5 khối cơ bản

sau:

+ Khối 1: Khối đồng bộ hoá phát xung răng cưa (đồng bộ hoá và phát sóng

răng cưa)

+ Khối 2: Khối dịch pha

+ Khối 3: Khối tạo xung

+ Khối 4: Khối khuếch đại xung

+ Khối 5: Khối điện áp điều khiển được đưa vào

Khối đồng bộ hoá thường tạo ra điện áp hình sin có lệch pha cố định so với

điện áp tựa

Khối dịch pha có nhiệm vụ thay đổi góc mở á của điện áp theo tác động

của điện áp điều khiển xung điều khiển được tạo ra ở khâu tạo xung vào thời

điểm khi điện áp dịch pha qua điểm không Xung này nhờ khâu khuếch đại xung

tăng đủ công suất gửi tới cực điều khiển của van Như vậy góc mở á hay thời

điểm phát xung mở của van thay đổi được là do sự tác động của điện áp điều

khiển làm cho điện áp dịch pha di chuyển theo chiều ngang của trục thời gian

Vì vậy ta gọi phương pháp này là phương pháp khống chế theo pha ngang

* Ưu nhược điểm của phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu theo nguyên

tắc khống chế pha ngang: phương pháp này có ưu điểm là hệ thống hoạt động ổn

định, thực hiện dễ dàng song nhược điểm là phạm vi thay đổi góc mở á không

rộng, rất nhạy với sự thay đổi dạng của điện áp nguồn, khó tổng hợp nhiều tín

hiệu điều khiển nên rất ít được sử dụng

b Hệ thống điều khiển dùng điôt hai cực gốc (còn gọi là tranzitor một

tiếp giáp UJT).

* Nội dung của phương pháp điều khiển điôt hai cực gốc

Phương pháp này tạo ra các xung nhờ việc so sánh giữa điện áp răng cưa

xuất hiện theo chu kỳ nguồn xoay chiều với việc điều chỉnh sự mở của điôt hai

cực gốc (tranzito một tiếp giáp UJT)

* Ưu nhược điểm của phương pháp:

Phương pháp này có ưu điểm là: Mạch tương đối đơn giản, xung ra đủ để

mở các thyristor có công suất nhỏ

Nhược điểm của phương pháp này là: góc mở á có phạm vi điều chỉnh hẹp,

vì ngưỡng mở của tranzitor một tiếp giáp UJT phụ thuộc vào điện áp lưới mạch

thường đưa ra những xung điều khiển gây tổn thất phụ trong mạch điều khiển

c Hệ thống điều khiển theo nguyên tắc khống chế pha đứng.

* Sơ đồ khối hệ điều khiển theo pha đứng:

Khối 1 khối 2 khối 3 khối 4 khối 5

- Khối 1: Khối đồng bộ hoá

- Khối 2: Khối tạo ra điện áp tựa, tạo ra điện áp dưới dạng sóng răng cưa

- Khối 3: Khối so sánh, so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển

- Khối 4: Khối tạo xung

- Khối 5: Khối phân chia xung

+ u1 – là điện áp lưới(nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu

+ urc – là điện áp tựa thường có dạng hình răng cưa lấy từ đầu khối ĐBH –

+ uđk – là điện áp điều khiển, đây là điện áp một chiều được đưa từ ngoài và

để điều khiển giá trị góc á

+ uđKt – là điện áp điều khiển thyristor, là chuỗi các xung điều khiển lấy từ

đầu ra hệ điều khiển( cũng là đầu ra khối tạo xung), và được truyền đến điện cực

điều khiển( G) và katot(K) của thyristor

* Nguyên lý cơ bản của hệ điều khiển theo nguyên tắc khống chế pha đứng

Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực bộ chỉnh lưu được đưa đến

mạch đồng bộ hoá của khối 1 và trên đầu ra của mạch đồng bộ ta có các điẹn áp

thường có dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ

đồ chỉnh lưu và trùng pha hoặc lệch pha một góc pha xác định so với điện áp

nguồn Điện áp này được gọi là điện áp đồng bộ và được ký hiệu là: uđb.

Các điện áp đồng bộ được đưa vào mạch phát điện áp răng cưa để khống

chế sự làm việc của mạch điện này kết quả là trên đầu ra mạch phát điện áp răng

cưa ta có một hệ thống các điện áp dạng hình răng cưa đồng bộ về tần số, về góc

pha các điện áp đồng bộ Được gọi là điện áp răng cưa urc Các điện áp răng cưa

được đưa vào khối so sánh và ở đó còn một tín hiệu khác nữa là điện aps điều

khiển, điều chỉnh được và người ta đưa từ ngoài vào, hai tín hiệu này đợc mắc

vào cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch vào khối so sánh là ngợc

chiều nhau Khối so sánh làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này và tại những

thời điểm hai tín hiệu này có giá trị tuyệt đối bằng nhau thì đầu ra của khối so

sánh sẽ thay đổi trạng thái Như vậy khối so sánh là một mạch điện hoạt động

theo nguyên tắc biến đổi tương tự – số Do tín hiệu ra của mạch so sánh là dạng

tín hiệu số nên chỉ có hai giá trị có hoặc không Tín hiệu trên đầu ra khối so sánh

là các xung xuất hiện với chu kỳ bằng chu kỳ của urc Nếu thời điểm bắt đầu của

một xung nằm trong vùng sườn xung nào của urc thì sườn xung ấy của urc được

gọi là sườn sử dụng Điều này có nghĩa rằng: tại thời điểm u rc  u dk ở phần

sườn sử dụng trong một chu kỳ của điện áp răng cưa thì trên đầu ra khối so sánh

sẽ bắt đầu xuất hiện một xung điện áp Từ đó ta thấy: có thế thay đổi thời điểm

xuất hiện của xung đầu ra khối so sánh bằng cách thay đổi giá trị của uđk khi

giữa nguyên dạng urc Trong một số trường hợp thì xung ra từ khối so sánh được

đưa đến điện cực điều khiển của thyristor, nhưng trong đa số các trường hợp thì

tín hiệu ra khối so sánh chưa đủ các yêu cầu cần thiết đối với tín hiệu điều khiển

thyristor Để có tín hiệu đủ yêu cầu người ta thực hiện việc khuếch đại, thay đổi

lại hình dạng của xung v v Các nhiệm vụ này được thực hiện bởi một mạch

điện gọi là mạch tạo xung( TX), cuối cùng trên đầu ra khối tạo xung ta có chuỗi

xung điều khiển (uđkT), có đủ các thông số yêu cầu về công suất, độ dài, độ dốc

mặt đầu của xung …v v Nhưng thời điểm bắt đầu xuất hiện của các xung thì

hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối so sánh Vậy thời

điểm xuất hiện của tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển và katot của

thyristor cũng chính là thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối so sánh, tức là khối

so sánh đóng vai trò xác định giá trị góc điều khiển á

* Ưu nhược điểm của phương pháp:

Hệ thống này có nhược điểm là khá phức tạp song có những ưu điểm nổi

bật: Khoảng điều chỉnh góc mở á là rộng, ít phụ thuộc vào sự thay đổi của điện

áp nguồn, dễ tự động hoá Mỗi chu kỳ điện áp anot của thyristor chỉ có một

xung đưa đến mở nên giảm tổn thất trong mạch điều khiển Do đó phương pháp

này được sử dung rông rãi

* Tóm lại: Từ các phân tích trên ta thấy rằng phương pháp điều khiển chỉnh

lưu theo nguyên tắc khống chế pha đứng là ưu điểm hơn cả Vì vậy ở đây ta

chọn phương pháp này để điều khiển chỉnh lưu Để cấp xung điều khiển cho bộ

chỉnh lưu hình cầu một pha ta thiết mạch điều khiển gồm hai kênh tạo xung, hai

kênh tạo xung này giống hệt nhau chỉ khác nhau tín hiệu điện áp lưới

Sau đây ta thiết kế cho một kênh tạo xung, kênh còn lại tương tự

2.2.Sơ đồ khối mạch tạo xung và thiết kế sơ đồ nguyên lý cho các khối.

Sơ đồ khối mạch tạo xung theo phương pháp khống chế pha đứng như ta đã

phân tích ở trên

1 Khối đồng bộ hoá và phát xung răng cưa.

a Mạch đồng bộ hoá.

Để tạo ra điện áp đồng bộ đảm bảo yêu cầu đặt ra, người ta thường sử dụng

hai kiểu mạch đơn giản là:

Mạch phân áp bằng các điện trở hoặc bằng điện trở kết hợp với điện dung

hay điện cảm

Kiểu mạch đồng bộ này ít được sử dụng vì có sự liên hệ trực tiếp về điện

giữa mạch động lực và mạch điều khiển bộ chỉnh lưu

Người ta sử dụng một máy biến áp có công suất nhỏ thường là biến áp

hạ áp để tạo ra điện áp đồng bộ Điện áp lưới u1 được đặt vào cuộn sơ cấp còn

bên thứ cấp ta lấy ra điện áp đồng bộ uđb Trong thực tế người ta chủ yếu sử

dụng mạch đồng bộ dùng máy biến áp cách ly về điện giữa mạch động lực và

mạch điều khiển

Kiểu mạch này có ưu điểm: an toàn mạch điều khiển, phối hợp với biên

độ đầu ra dễ, tổn hao ít, số lượng uđb tuỳ ý

Do các yêu cầu công nghệ em chọn kiểu mạch đồng bộ dùng máy biến áp

b Mạch phát sóng răng cưa.

- Mạch phát sóng răng cưa có thể dùng một số sơ đồ sau:

+ Sơ đồ dùng D – R – C và tranzitor

+ Sơ đồ dùng D – R – C và tranzitor nạp cho tụ bởi dòng không đổi

+ Sơ đồ dùng vi mạch khuếch đại thuật toán

Mạch D – R – C có nhược điểm là điện áp trên đầu ra khách nhiều so với

dạng đường điện áp răng cưa lý tưởng, và biên độ điện áp răng cưa thì lại có đặc

điểm là phụ thuộc nhiều vào biên độ điện áp đồng bộ nên ít dùng

Mạch D – R – C nạp cho tụ bằng nguồn một chiều có ưu điểm hơn so

với sơ đồ mạch D – R – C Song ngày nay nó ít được sử dụng vì chất lượng điện

áp ra kém, độ dài sườn xung sử dụng của điện áp răng cưa nhỏ hơn 180 0 điện

Ưu điểm nổi trội là mạch D – IC – C (điôt - KĐTT – tụ) Sơ đồ này có

dung lượng điện áp ra hầu như không phụ thuộc vào tải mắc ở đầu ra mạch phát

sóng răng cưa, dung lượng tụ chỉ cần nhỏ( khoảng 220 nF) nên chọn tụ dễ dàng

và sườn để so sánh dạng tuyến tính nhất trong các sơ đồ đã nêu, độ dài sườn

trước đạt 180 0 điện Mặt khác tụ phóng rất nhanh nên an toàn tranzitor và điện

áp rất gần với dạng răng cưa lý tưởng

Sơ đồ gồm có máy biến áp đồng bộ hoá BAĐ để tạo ra điện áp đồng bộ

uđb Phần mạch tạo điện áp răng cưa sử dụng điôt, tranzitor, các điện trở, tụ điện

và ở đây để tạo ra dòng nạp tụ ổn định ta ứng dụng tính chất đặc biệt của các bộ

khuếch đại thuật toán vi điện tử

* Nguyên lý làm việc:

Trong sơ đồ này ta sử dụng khuếch đại thuật toán IC ghép với tụ C tạo

thành một mạch tích phân, nguyên lý hoạt động của khâu này như sau: giả thiết

tranzitor khoá thì tụ C được nạp điện bởi dòng đâu ra của IC, dòng nạp tụ được

xác định:

ic = -i1 + iv-

Nếu IC lý tưởng thì điện trở vào của nó bằng vô cùng, dẫn đến dòng vào iv

-và iv+ bằng không, do vậy ic = -i1, mặt khác i1 = -ucc / (WR + R) = I = const

Điều này có nghĩa là khi tranzitor khoá thì tụ C được nạp bởi dòng không

đổi có giá trị I

Vậy ta có: từ t = 0 thì uđb = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương,

đẫn đến D mở nên mạch phát gốc tranzitor bị đặt điện áp ngược Tranzitor khoá,

tụ C được nạp điện bởi dòng không đổi Điện áp trên tụ tăng dần theo qui luật

IC – +

tuyến tính Đến t = đ và bắt đầu chuyển sang âm D khoá, tranzitor mở nên tụ

C phóng điện nhanh qua tranzitor đến điện áp bằng không và giữ nguyên giá trị

bằng không và bắt đầu chuyển sang dương, D lại mở, tranzitor lại khoá, tụ C lại

được nạp như từ t = 0

Với giả thiết IC là lý tưởng thì hệ số khuếch đại là vô cùng lớn, vậy nếu

IC đang ở chế đố khuếch đại tuyến tính thì điện áp giữa hai đầu vào được xem là

bằng không(uv = 0) Từ sơ đồ ta có: urc = uc + uv = uc Tức là điện áp răng cưa

đầu ra của sơ đồ bằng điện áp trên tụ C Đồ thị điện áp răng cưa như trên hình

vẽ Do điện áp răng cưa đầu ra của IC nên có nội trở rất nhỏ vì vậy dạng điện áp

ra hầu như không phụ thuộc vào tải mắc ở đầu ra mạch phát sóng răng cưa

2 Khối so sánh.

Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện cùng chu kỳ với chu kỳ của điên

áp răng cưa và điều khiển được thời điểm xuất hiện của mỗi xung ta sử dụng các

mạch so sánh Có nhiều mạch so sánh khác nhau nhưng phổ biến nhất hiện nay

là các sơ đồ dùng tranzitor và KĐTT bằng vi điện tử Trong các sơ đồ so sánh

thường coa 2 tín hiệu vào là điện áp răng cưa lầy từ đầu ra mạch

ĐBH-FSRC(urc) và điện áp điều khiển một chiều (uđk).Hai điệ áp này được mắc sao

cho tác dụng của chúng đối với đầu vào mạch so sánh là ngược nhau.Có 2 cách

nối các điện áp này trên đầu vào mạch so sánh là:

+ Nối nối tiếp urc và uđk gọi là tổng hợp nối tiếp

+ Nối song song qua các điện trở tổng hợp gọi là tổng hợp song song

Ta xét một số sơ đồ thường dùng sau:

Sơ đồ dùng Tranzitor tổng hợp nối tiếp(hình 1.9)

uđk

urc

R

ucc c

urssTr

Mạch này cho kết quả chính xác nhưng nếu có nhiều tín hiệu đầu vào thì gặp

khó khăn khi đó ta phải tổng hợp về một tín hiệu rồi mới so sánh nên ít được sử

urss

TrR

2

R1

uđk

urc

R

D

IC - +

+ucc

-ucc

urss

+ucc

R5

R4

=4

IC - +

-ucc

R3

Ta chọn sơ đồ dùng IC khuếch đại thuật toán tổng hợp song song để thiết kế

mạch vì nó có ưu điểm là cho kết quả chính xác, đầu ra thu được dạng xung điện

áp

Nguyên lý làm việc của mạch như sau:

+ Trong khoảng ùt = 0 đến t1thì u  rc u dk nên điện áp đặt vào IC là

uv= -uđk- urc<0,vì điện áp đưa tới đầu vào đảo nên ura>0 do đó xung ra là xung

dương

+ Trong khoảng ùt = t1 đến t2thì u  rc u dk nên điện áp đặt vào IC là uv= -uđk

-urc>0,vì điện áp đưa tới đầu vào đảo nên ura<0 do đó xung ra là xung âm

Quá trình cứ lặp đi lặp lại như vậy ở đầu ra xuất hiện một dãy xung làm điện áp

tựa để thay đổi góc mở á.Quá trình được biểu diễn bằng giản đồ điện áp như

Từ nguyên lý hoạt động của khâu so sánh ta thấy rằng khi giá trị của uđk

thay đổi để thay đổi góc á thì độ rộng xung ra thay đổi theo, không đảm bảo yêu

cầu công nghệ.Vì vậy ta sẽ đưa vào hệ thống điều khiển một mạch điện có tác

dụng đưa ra xung có độ dài không đổi mặc dù đầu vào thay đổi gọi là mạch sửa

xung Các mạch sửa xung hoạt động theo nguyên tắc khi có các xung vào với độ

dài khác nhau mạch vẫn cho ra các xung có độ dài giống nhau theo yêu cầu và

giữ nguyên thời điểm bắt đầu xuất hiện của mỗi xung Phụ thuộc vào từng

trường hợp cụ thể mà mạch chỉnh sửa xung có thể có kết cấu tương đối phức tạp

hoặc rất đơn giản, ví dụ có trường hợp mạch sửa xung chỉ là một mạch R – C

ghép giữa khâu so sánh và mạch khuếch đại xung Sau đây ta xét sơ đồ sửa xung

lựa chọn cho hệ thống điều khiển

Giản đồ mạch sửa xung

+ucc

R7

Tr2

uv

ursxD

* Nguyên lý hoạt động.

Tại thời điểm t < t1 thì D2 khóa nên cực gốc Tr2 có thể là dương đặt

vào nhờ có R8 định thiên nên Tr2 mở bão hoà Sụt áp trên Tr2 rất nhỏ uTr2  0

nên ura  0 Tụ C2 nạp theo đường từ +uV  R6  C2  Tr2  -uV Tụ C2 nạp

đầy đến giá trị uc2 = uV

Tại thời điểm t = t1 có xung âm xuất hiện ở đầu vào của khối này Tụ

C2 phóng điện theo đường từ +C2  +uV  -uV  D2  -C2 Lúc này, cực gốc

của Tr2 bị đặt điện áp ngược nên có gía trị | uc2| < 2| ucc| nên Tr2 khoá lại Khi C2

phóng hết nhưng chưa đúng thời điểm mở, đầu vào có xung dương xuất hiện để

mở Tr2 nên ura = 0

Tại thời điểm t = t2 đầu vào xuất hiện xung dương quá trình lặp lại như

ban đầu

4 Mạch khuếch đại xung.

Để khuếch đại xung ta có thể dùng tranzitor hay thyristor Các mạch

dùng thyristor thường đòi hỏi công suất xung đầu ra lớn

Trong thực tế người ta dùng tranzitor để giảm sự phức tạp của tầng

khuếch đại, trong trường hợp người ta dùng 2 tranzitor mắc nối tiếp tương

đương với 1 tranzitor có hệ số khuếch đại dòng  = 1+ 2 ; 1, 2 là hệ số

khuếch đại của Tr3 và Tr4

Khi chưa có xung vào Tr3 va Tr4 chưa làm việc nên chưa có dòng chạy qua cuộn

sơ cấp BAX, nên không có xung Điện áp điều khiển uđk trên đầu ra của cuộn thứ

cấp BAX

•

°

W2

K

uđkT

G

D4

*

*

BAX

Tr3

+ ucc

D3

W1

uv

Tr4

Gỉa sử tại một thời điểm nào đó, trên đầu ra mạch sửa xung có tín hiệu

điều khiển dẫn đến có xung ra Dẫn đến Tr3 và Tr4 đều mở, giả thiết mở bão hoà

nên cuộn sơ cấp được đặt điện áp +ucc nên xuất hiện dòng điện chạy trong cuộn

sơ cấp của BAX, theo chiều +ucc  sơ cấp  Tr4  mát Dòng này tăng dần và

có dấu như hình vẽ  cuộn thứ cấp BAX xuất hiện một xung có cực tính như

hình vẽ và xung ra qua D truyền đến cực điều khiển của T để mở T

Đồ thị điện áp khi tbh  txv Đồ thi điện áp khi tbh < txv

* Nguyên lý hoạt động

Nếu ta gọi thời gian tồn tại của một xung điện áp vào là txv, thời gian tồn tại của

một xung điện áp ra là txr, thời gian tính từ lúc đóng một nguồn điện áp một

chiều không đổi có giá trị bằng ucc cho đến lúc từ thông lõi thép máy biến áp

xung đạt giá trị bão hoà Với giả thiết là không hạn chế về thời gian có nguồn

vào phía thứ cấp BAX vẫn mắc vào điện cực điều khiển thyristor là tbh Với sơ

đồ khuếch đại này có thể xảy ra hai trường hợp khác nhau:

Trường hợp 1: Khi tbh  txv

Từ khi t = 0 ữ t < t1 chưa có xung vào nên 2 Tr3 và Tr4 khoá  uđk= 0

Tại t = t1 xuất hiện một xung điện áp vào dương nên Tr3 và Tr4 đều mở(giả thiết

là mở bão hoà) Trên cuộn sơ cấp BAX đột nhột được đặt điện áp bằng ucc nên

xuất hiện dòng qua w1 của BAX tăng dần và có chiều đi từ phía có dấu (*) đến

không có dấu (*) Trên cuộn thứ cấp xuất hiện một xung điện áp có cực tính

dương ở phía dấu (*) Xung trên cuộn thứ cấp đặt thuận lên D4 và truyền qua D4

đến điện cực điều khiển và katot của thyristor

Đến t = t1 + txv thì mất xung vào, hai Tr3 và Tr4 đều khoá lại dòng qua

cuộn sơ cấp giảm về bằng không, do sự giảm của dòng cuộn sơ cấp BAX, nên từ

thông trong lõi thép BAX biến thiên theo hướng ngược lại lúc Tr3 và Tr4 mở dẫn

t1

t1'

t1 '

t2'

t2

t2

t1'

2 '

t

tt

xr= tbh

uđkT

uv

t2'

t2 '

t

t

t2

t2

tbh

txr

txvt

xv

đến trong cuộn dây BAX xuất hiện xung điện áp với cực tính ngược lại Xung

trên cuộn thứ cấp làm D4 khoá lại nên uđKt = 0

Trên sơ đồ ta sử dụng D3 và D5 để bảo vệ cho các tranzitor và cuộn dây BAX

tránh được các xung điện áp rất lớn khi đột ngột mất xung điều khiển

Trường hợp 2: tbh < txv

Từ khi t = 0 ữ t < t1 thì chưa có xung vào nên Tr3 và Tr4 đều khoá nên

không có dòng chạy qua cuộn sơ cấp BAX dẫn đến chưa có xung điều khiển

thyristor nên uđkT = 0

Tại t = t1 xuất hiện một xung vào dương nên Tr3 và Tr4 đều mở (giả thiết

là mở bão hoà) dẫn đến trên cuộn sơ cấp BAX đột ngột đặt điện áp bằng ucc dẫn

đến xuất hiện dòng điện chạy qua cuộn w1 tăng dần từ phía dấu (*) đến không có

dấu (*) dẫn đến trên cuộn thứ cấp xuất hiện một xung điện áp có chiều từ (*) về

không có dầu (*), xung nayfg đặt thuận lên D4 nên D4 dẫn xung đến cực G và K

của thyristor

Đến t = t1 + tbh thì mạch từ BAX bị bão hoà, từ thông lõi thép BAX

không biến đổi nữa, xung điện áp cảm ứng trên các cuộn dây mất, xung ra mất,

uđKt = 0

Đến t = t1 + txv thì mất xung vào nên Tr3 và Tr4 khoá lại, dòng qua w1

giảm về bằng không do sự giảm dòng nay mà từ thông lõi thép biến thiên theo

hướng ngược lại lúc tranzitor mở Các cuộn dây BAX xuất hiện các xung điện

áp có cực tính ngược lại Các xung này cũng được loại bỏ nhờ D3 và D5 Như

vậy trong trường hợp này thì độ dài xung ra bằng thời gian bão hoà của BAX:

urcma x

urc

t



đv

1 '

– Uđkv2

'3đv

V2'

urc

v2

v2

v2

v1

v1

2.3 Phân tích chọn tín hiệu phản hồi và thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch tổng

hợp khuếch đại.

Để điều chỉnh và ổn định điện áp đầu ra cho tải ta cần phải thiết ké mạch

khuếch đại trung gian Tín hiệu điều khiển được đưa tới khối so sánh Tại đây

tín hiệu này được so sánh với điện áp răng cưa và tạo xung điều khiển Tín hiệu

đầu ra của mạch này được tổng hợp từ tín hiệu ucđ lấy từ nguồn tiêng có thể điều

chỉnh được giá trị ucđ (nhờ khâu phân áp) Với sơ đồ mạch điều khiển này ta lựa

chọn mạch vòng phản hồi âm điện áp Với tín hiệu phản hồi âm điện áp (–ă.ud )

được lấy trên điện trở phân áp ở đầu ra bộ chỉnh lưu

+ ucc

R10

uđk

R12

Tr

R11

R13

– ă.ud