LỜI MỞ ĐẦU 1 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN 2 MỤC LỤC 3 Chương I: Giới thiệu chung về bộ chỉnh lưu 5 Phần 1: Các vấn đề chung của bộ chỉnh lưu 5 1.1: Cấu trúc 5 1.2: Phân loại 6 1.3: Luật dẫn van 6 1.3.1: Nhóm van đấu catôt chung 7 1.3.2: Nhóm van đấu anôt chung 8 1.4: Ý nghĩa các thông số cơ bản của mạch chỉnh lưu 8 1.4.1: Về phía tải 8 1.4.2: Về phía van 8 1.4.3: Về phía nguồn 8 Phần 2: Giới thiệu các loại van Thyristor 10 1.5: Cấu tạo và ký hiệu 10 1.6: Nguyên lý hoạt động 10 1.6.1: Mở thyristor 10 1.6.2: Khóa Thyristor 11 1.7: Đặc tính Vônampe của Thyristor 12 1.8: Các thông số cơ bản 13 1.8.1: Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor Iv,tb 13 1.8.2: Điện áp ngược cho phép lớn nhất Ung,max 13 1.8.3: Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor τ(μs) 14 1.8.4: Tốc độ tăng điện áp cho phép dUdt (Vμs) 14 1.8.5: Tốc độ tăng dòng cho phép dIdt (Aμs) 15 1.9: Đưa ra một số hình ảnh thực tế của van thyristor 15 1.10: Ứng dụng trong thực tế 16 Phần 3: Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha tải Rd, Ld, Ed 16 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC 19 2.1: Thông số chọn van 20 2.1.1: Điện áp ngược của van 20 2.1.2: Dòng điện làm việc của van 20 2.2: Các phần tử bảo vệ mạch động lực 21 2.2.1: Bảo vệ quá nhiệt cho van 21 2.2.2: Bảo vệ quá dòng 21 2.2.3: Bảo vệ quá áp cho Van 23 2.3: Xác định góc αmin, αmax 24 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 25 3.1: Yêu cầu mạch điều khiển chỉnh lưu 25 3.1.1: Lựa chọn xung điều khiển 25 3.1.2: Lựa chọn mạch điều khiển 26 3.2: Thiết kế mạch điều khiển 28 3.2.1: Khâu đồng pha. 28 3.2.2: Khâu tạo điện áp tựa: 30 3.2.3: Khâu so sánh 32 3.2.4: Khâu khuyếch đại và biến áp xung 34 3.3: Sơ đồ nguyên lý một kênh điều khiển 36 3.4: Sơ đồ nguyên lý mạch nhiều kênh điều khiển 36 CH ƯƠNG IV: KẾT LUẬN 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38
Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp LỜI MỞ ĐẦU Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng của các linh kiện bán dẫn công suất làm việc ở chố độ chuyển mạch và quá trình biến đổi điện năng. Ngày này, không chỉ riêng gì các nước phát triển ngay cả ở nước ta các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và trong lĩnh vự sinh hoạt. Các xí nghiệp, nhà máy như xi măng, thủy điện, giấy, dệt, sợi, đóng tàu…đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tử nói chung và điện tử công suất nói riêng. Đó là mình chứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp này. Với mục tiêu công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, ngày càng có nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất. Cũng với lỹ do đó, trong học kỳ này chúng em được nhận đồ án môn học điện tử công suất với đề tài: “ Thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha”. Với hướng dẫn của Cô giáo: Nguyễn Thị Điệp, chúng em đã tiến hành nghiên cứu và thiết kế đồ án. Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn nên không thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cô đóng góp ý kiến để đồ án của chúng em hoàn thiện hơn. Chúng em xin trân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Nguyễn Khắc Việt 1 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… Hà Nội, tháng 6 năm 2015 2 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp MỤC LỤC 3 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Đề tài: Thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha mắc trực tiếp vào lưới điện 3x380(V), 50Hz. Mạch cấp cho phụ tải thuần trở; yêu cầu U d = (100 - 200)V; I d = 210 A; k đm = 0,1. Chương I: Giới thiệu chung về bộ chỉnh lưu Phần 1: Các vấn đề chung của bộ chỉnh lưu 1.1: Cấu trúc a) Định nghĩa: Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều. Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế.Sơ đồ cấu trúc thường gặp được của mạch chỉnh lưu như hình 1.1 Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu Trong sơ đồ máy biến áp làm 2 nhiệm vụ chính là: - Chuyển từ điện áp của lưới điện xoay chiều U 1 sang điện áp U 2 thích hợp với yêu cầu của tải. Tùy theo tải mà máy biến áp có thể tăng áp hoặc giảm áp. - Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu của mạch van. Thông thường số pha của lưới lớn nhất là 3. Song mạch van có thể cần số pha là 6, 12… Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện và mạch van đòi hỏi số pha như lưới điện thì có thể bỏ máy biến áp. - Mạch van ở đây là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách nào đó để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu. - Mạch lọc nhằm đảm bảo biến áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải bằng phẳng theo yêu cầu. 4 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp 1.2: Phân loại Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây: a) Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: Một pha, hai pha, ba pha, sáu pha, … b) Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch Hiện nay chủ yếu dùng hai loại van là điôt và thyristor, vì thế có ba loại mạch sau: - Mạch van dùng toàn điôt được gọi là chỉnh lưu không điều khiển. - Mạch van dùng toàn thyristor được gọi là chỉnh lưu điều khiển. - Mạch chỉnh lưu dùng cả hai loại điôt và thyristor gọi là chỉnh lưu bán điều khiển. c) Phân loại theo sơ đồ mắc các van với nhau Có hai kiểu mắc van: - Sơ đồ hình tia: Ở sơ đồ này số lượng van sẽ bằng số pha nguồn cấp cho mạch van. Tất cả các van đều đấu chung một đầu nào đó với nhau hoặc catôt chung hoặc anôt chung. - Sơ đồ cầu: Ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van. Trong đó một nửa số van mắc chung nhau catôt, nửa kia lại mắc chung nhau anôt. Như vậy, khi gọi tên một mạch chỉnh lưu, người ta dùng ba dấu hiệu trên để chỉ cụ thể mạch đó. 1.3: Luật dẫn van Mạch van để thực hiện quá trình chỉnh lưu có khá nhiều, tuy nhiên chúng đề tuân theo hai kiểu mắc với nhau là mắc catôt chung và mắc anôt chung. Vì thế chỉ cần nhận biết hai quy luật dẫn này, ta có thể phân tích toàn bộ các mạch van chỉnh lưu có trong thực tế. 5 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp 1.3.1: Nhóm van đấu catôt chung Hình 1.2: Sơ đồ van đấu catôt chung Luật dẫn được phát biểu như sau: Van có khả năng dẫn là van có điện thế anôt của nó dương nhất trong nhóm, tuy nhiên nó chỉ dẫn được nếu điện thế anôt này dương hơn điện thế ở điểm catôt chung . Ví dụ ở thời điểm hiện tại ta có: >>…> Và đồng thời > thì van sẽ dẫn. Nếu coi sụt áp trên van bằng 0 thì khi D 1 đã dẫn ta thấy = . Điều nãy dẫn đến điện áp trên các van còn lại sẽ âm: = - = - < 0 …………………………………. = - = - < 0 Như vậy các van còn lại sẽ phải khóa, không dẫn được. 6 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp 1.3.2: Nhóm van đấu anôt chung Hình 1.3: Sơ đồ van đấu anôt chung Ở nhóm van đấu anôt chung có luật dẫn van: Van có khả năng dẫn là van có điện thế catôt âm nhất trong nhóm, nhưng nó chỉ dẫn được nếu điện thế này âm hơn điện thế điểm anôt chung . 1.4: Ý nghĩa các thông số cơ bản của mạch chỉnh lưu Các tham số dùng để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật trong phân tích hoặc thiết kế mạch chỉnh lưu, gồm có ba nhóm tham số chính như dưới đây: 1.4.1: Về phía tải U d – Giá trị trung bình của điện áp nhận được ngay sau mạch van chỉnh lưu: U d = I d – Giá trị trung bình của dòng điện tử mạch van cấp ra: I d = P d = U d .I d là công suất một chiều mà tải nhận được từ mạch chỉnh lưu. 1.4.2: Về phía van I tbv – Giá trị trung bình của dòng điện chảy qua một van của mạch van. U ng max – Điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc. 1.4.3: Về phía nguồn Thể hiện bằng công suất xoay chiều lấy từ lưới điện, thông thường sử dụng theo công suất biểu kiến của biến áp: S ba = = k sd .P d Trong đó: S 1 = U 1 .I 1 7 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Ở đây các giá trị U 1 , I 1 , U 2i , I 2i là trị số hiệu dụng của biến áp và dòng điện pha sơ cấp và thứ cấp máy biến áp. Do phía thứ cấp có thế có nhiều cuộn dây, nên phải tổng công suất của tất cả m cuộn dây. Để đánh giá khả năng biến đổi công suất xoay chiều thành một chiều, công suất lấy từ lưới điện S ba được so sánh với công suất một chiều P d mà tải nhận được qua hệ số sơ đồ k sd . Hệ số này càng gần 1 càng chứng tỏ mạch có hiệu suất biến đổi tốt hơn. Ngoài nhóm ba tham số trên còn có một tham số dùng để đánh giá sự bằng phẳng của điện áp một chiều nhận được, gọi là hệ só đập mạch k đm , được xác định theo biểu thức: k đm = Trong đó U 1m là biên độ sóng hài bậc 1 theo khai triển Fourier của điện áp chỉnh lưu và U 0 là thành phần cơ bản cũng theo khai triển này. U 0 cũng chính là giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu, tức là U 0 = U d . 8 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Phần 2: Giới thiệu các loại van Thyristor 1.5: Cấu tạo và ký hiệu Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba lớp tiếp giáp p-n: J 1 , J 2 , J 3 . Thyristor có ba cực: Anôt A, catôt K, cực điều khiển G như được biểu diễn trên hình. Hình 1.4: Cấu tạo và ký hiệu của Thyristor 1.6: Nguyên lý hoạt động Khi Thyristor được nối với nguồn một chiều E > 0 tức cực dương đặt vào anốt cực âm đặt vào catốt thì tiếp giáp J 1 , J 3 được phân cực thuận còn miền J 2 phân cực ngược, gần như toàn bộ điện áp được đặt lên mặt ghép J 2 , điện trường nội tại E 1 của J 2 có chiều từ N 1 hướng tới P 2 . Điện trường ngoài tác động cùng chiều với E 1 , vùng chuyển tiếp là vùng cách điện càng được mở rộng ra, không có dòng điện chạy qua thyristor mặc dù nó được đặt dưới 1 điện áp dương. 1.6.1: Mở thyristor Nếu cho một xung điện áp dương U g tác động vào cực G (dương so với K) thì các electron từ N 2 chạy sang P 2 . Đến đây một số ít trong chúng chạy về nguồn U g và hình thành dòng điều khiển I g chảy theo mạch G 1 – J 3 – K – G, còn phần lớn điện tử dưới sức hút của điện trường tổng hợp có mặt J 2 lao vào vùng chuyển tiếp này chúng được tăng tốc do đó có động năng rất lớn sẽ bẻ gãy các liên kết giữa các nguyên tử Si, tạo nên các điện tử tự do mới. Kết quả của các phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện 9 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp càng nhiều điện tử chạy vào vùng N 1 qua P 1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt làm cho J 2 trở thành mặt ghép dẫn điện bắt đầu từ một điểm nào đó ở xung quanh cực rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép với tốc độ lan truyền khoảng 1m/100. 1.6.2: Khóa Thyristor Để khóa thyristor có 2 cách: - Giảm dòng điện làm việc I xuống giá trị dòng duy trì I dt . Đặt một điện áp ngược lên thyristor U AK < 0, hai mặt J 1 , J 3 phân cực ngược; J 2 phân cực thuận. Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính U AK < 0 đang có mặt tại P 1 , N 1 , P 2 bây giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điện ngược chạy từ catốt về anốt và về cực âm của nguồn điện áp ngoài. Hình 1.5a Hình 1.5b - Lúc đầu quá trình từ t 0 t 1 , dòng điện ngước khá lớn, sau đó J 1 , J 3 trở nên cách điện. Còn một ít điện tử được giữ lại giữa hai mặt ghép, hiện tượng khuếch tán sẽ làm chúng ít dần đi cho đến hết và J 2 khôi phục lại tính chất của mặt ghép điều khiển. - Thời gian khóa t off được tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược bằng 0 (t 2 ) đây là thời gian mà sau đó nếu đặt điện áp thuận lên thyristor thì thyristor vẫn không mở, t off kéo dài khoảng vài chục . Trong bất kỳ trường hợp nào cũng không được đặt thyristor dưới điện áp thuận khi thyristor chưa bị khóa nếu không sẽ có nguy cơ ngắn mạch nguồn. Theo hình sơ đồ ( hình 1.5a), việc khóa thyristor bằng điện áp ngược được thực hiện bằng cách đóng khóa K còn sơ đồ (hình 1.5b) cho phéo thyristor một cách tự động. Trong mạch hình 1.5b khi mở thyristor này thì thyristor kia sẽ khóa lại. 10 [...]... mạch kích từ máy phát điện • Các hệ thống giao thông dùng điện một chiều • Công nghệ luyện kim màu, công nghệ hóa học • Thiết bị hàn điện một chiều, mạ kim loại, nạp điện acquy Phần 3: Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha tải Rd, Ld, Ed Hình 1.9: Mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha tải Rd, Ld, Ed Hình 1.10: Đồ thị điện áp dòng điện mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha tải Rd, Ld, Ed 15 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn... thyristor); đủ công suất; cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn) 3.2: Thiết kế mạch điều khiển 3.2.1: Khâu đồng pha Chọn máy biến áp có: U1 = 220V, U2 = 15V Ta dùng mạch kết hợp chỉnh lưu với khuếch đại thuật toán: mạch này khá thông dụng trong thực tế Sơ đồ khâu đồng pha: 26 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Hình 3.2: Sơ đồ khâu đồng pha Chọn điện áp... nuôi OA: 12 V Hình 3.4 Sơ đồ khâu tạo điện áp tựa 29 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Hình 3.5 Đồ thị điện áp răng cưa 30 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp 3.2.3: Khâu so sánh Điện áp răng cưa có giá trị max = 10V sau khi được tạo thành từ khâu tạo dao động và răng cưa được đưa vào khâu so sánh và được so sánh với điện áp U dk để tạo thành điện áp Uss1 Điện áp điều khiển... số K ba = 30 1 1 Điện trở R để hạn chế dòng điện đi vào khuyếch đại thuật toán A , thường chọn R1 v sao cho dòng vào khuyếch đại thuật toán I < 1 mA Do đó : R 1 U1 ≥ Iv = 12,67 1.10 −3 = 12,67 (k Ω 1 ) Chọn R = 15 (k 27 Ω ) Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Đồ thị mô phỏng: Hình 3.3: Đồ thị điện áp đồng pha 28 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp 3.2.2: Khâu tạo điện áp... bảo độ tác động nhanh cao nhất Ta có sơ đồ khối mạch điều khiển chỉnh lưu như sau: 24 Đồ án Điện Tử Công Suất Đồng Pha GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Răng cưa So sánh Phát xung dk Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu a) Khâu đồng pha: - Khâu đồng bộ có nhiệm vụ: Chuyển đổi điện áp lực có giá trị cao xuống giá trị thấp phù hợp với mạch điều khiển - Cách ly hoàn toàn về điện áp giữa mạch lực và mạch điều khiển... áp điều khiển vào khâu so sánh là điện áp một chiều có thể điều chỉnh giá trị trong khoảng -10V đến +10V Hình 3.6 Sơ đồ khâu so sánh 31 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Hình 3.7: Đồ thị điện áp so sánh giữa Urc và Uđk 32 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp 3.2.4: Khâu khuyếch đại và biến áp xung Chọn vật liệu làm lõi sắt Ferit HM Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên ∆B... ,khi điện kháng tải tăng lên ,dòng điện càng trở nên bằng phẳng hơn ,khi Ld tiến tới vô cùng dòng điện id sẽ không đổi, id = Id Các giá trị trung bình: - Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu: T Ud = 1 3 u d dt = T∫ 2π 0 π 2π + +α 6 3 ∫ U m sin θ dθ = π +α 6 3 6 U cos α 2π Đặt : giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu của bộ chỉnh lưu điều khiển với suy ra 17 α = 00 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD:... mA N Điện áp ngược lớn nhất : U = 25 V m Điện áp để cho điôt mở thông : U = 1 V Hình 3.8 Sơ đồ biến áp xung 34 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Hình 3.9 Đồ thị khâu biến áp xung và điện áp điều khiển 35 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp 3.3: Sơ đồ nguyên lý một kênh điều khiển 3.4: Sơ đồ nguyên lý mạch nhiều kênh điều khiển 36 ... Transistor và tụ điện - Dùng khuếch đại thuật toán và tụ điện c) Khâu so sánh: 25 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp • Chức năng: So sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa (dạng răng cưa) để định thời điểm phát xung điều khiển, thông thường đó là thời điểm khi hai điện áp này bằng nhau Nói cách khác đây là khâu xác định góc điều khiển Khâu so sánh có thể thực hiện bằng các phần tử như Transistor... dòng qua thanh dẫn còn nhỏ điện kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng Khi dòng đã lớn ferit bị bão hòa từ, điện cảm giảm gần như bằng không 1.9: Đưa ra một số hình ảnh thực tế của van thyristor 14 Đồ án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Hình 1.8: Hình dạng vài loại Thyristor thông dụng 1.10: Ứng dụng trong thực tế • Truyền động động cơ điện một chiều có điều khiển (công suất hàng MW) • Nguồn