Đang tải... (xem toàn văn)
LỜI MỞ ĐẦU1MỤC LỤC2ĐỀ BÀI4CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU41.1 Bộ điều áp xoay chiều41.1.1 Định Nghĩa41.1.2 Phân loại41.1.3 ứng dụng51.2 Thyristor.51.2.1Cấu tạo, ký hiệu Thyristor51.2.2.Đặc tuyến VoltAmpere của Thyritor51.2.3. Mở, khóa Thyristor71.2.4. Các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển Thyristor91.2.5. Các thông số cơ bản của Thyristor101.2.6.Một số hình ảnh thực tế về thyristor131.3. Giới thiệu mạch điều áp xoay chiều ba pha131.3.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thốngđiều chỉnh điện áp131.3.2 Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha13CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH LỰC202.1 Giới thiệu và thiết kế mạch lực202.2 Tính toán mạch lực21CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG263.1 Yêu cầu chung của mạch điều khiển:263.2. Mạch điều khiển263.2.1. Khâu đồng pha273.2.2. Khâu tạo điện áp răng cưa293.2.3. Khâu so sánh313.2.4. Khâu tạo xung chùm323.2.5. Chọn cổng AND333.2.6. Khâu khuyếch đại và biến áp xung343.4. Sơ đồ nguyên lý một kênh điều khiển373.5. Sơ đồ mạch lực và mạch điều khiển383.6. Giản đồ điện áp ba pha39CH ƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ NHẬN XÉT42Tài liệu tham khảo43
Đồ Án Điện Tử Công Suất LỜI MỞ 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. Đặc biệt là 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 phải luôn nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao công nghệ bằng cách đưa công nghệ điều khiển tự động 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 mà nghành điện tử công suất cần phải giải quyết. - Để giải quyết được vấn đề này, nhà nước ta cần có đội ngũ thiết kế đông đảo và đủ năng lực. Sinh viên ngành Tự động hóa tương lai không xa sẽ đứng trong đội ngũ này, do đó cần phải tự trang bị cho mình một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng. Chính vì vậy, đồ án môn học Điện tử công suất là yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên tự động hóa. Đó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên và cũng là điều kiện cho sinh viên tự tìm hiểu, nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất. - Mặc dù vậy, do kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên vẫn cần đến sự giúp đỡ và hướng dẫn của thầy giáo. Qua đây, em xin được gởi lời cám ơn đến cô Nguyễn Thị Điệp tận tình chỉ dẫn để em có thể hoàn thành đề án này. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hoàn Lê Ngọc Hưng Nguyễn Văn Mạnh GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Page 1 Đồ Án Điện Tử Công Suất MỤC LỤC GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Page 2 Đồ Án Điện Tử Công Suất ĐỀ BÀI Thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha với tải thuần trở công suất 20kW; điện áp nguồn ba pha 380/220V, tần số 50Hz. CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU 1.1 Bộ điều áp xoay chiều 1.1.1 Định Nghĩa Bộ biến đổi xung áp xoay chiêu là thiết bị dùng để điều chỉnh điện áp xoay chiều ra tải từ một nguồn áp xoay chiều. 1.1.2 Phân loại Điều áp xoay chiều được phân loại theo một số cách sau đây: -Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: +Điều áp xoay chiều một pha +Điều áp xoay chiều hai pha +Điều áp xoay chiều ba pha -Phân loại theo van bán dẫn trong mạch +Mạch dùng thyristor, gọi là chỉnh lưu điều khiên +Mạch dùng triac +Mạch dùng thyristor và diot, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Page 3 Bộ biến đổi xung áp xoay chiều Đồ Án Điện Tử Công Suất 1.1.3 ứng dụng Điều áp xoa chiều ứng dụng tương đối hạn chế trong thực do có nhược điểm là trong toàn giải điều chỉnh có dạng điện áp và dòng điện không sin. Vì vậy chủ yếu được sử dụng với các tải mang tính thuần trở. Chủ yếu sủ dụng để điều khiển công suất tiêu thụ của cá tải như lò nướng điện trở, bếp điện, điều khiển chiếu sáng cho sân khấu quảng cáo, điều khiển vận tốc động cơ không đồng bộ công suất vừa và nhỏ ( máy quạt gió, máy bơm, máy xay), điều khiển động cơ vạn năng (dụng cụ điện cầm tay, máy trộn, máy sấy). bộ biến đổi xoay chiều còn được dùng trong các hệ thông bù nhuyễn công suất phản kháng 1.2 Thyristor. 1.2.1 Cấu tạo, ký hiệu Thyristor Hình 1.1.thyristor. a:cấu trúc bán dẫn, b:ký hiệu Thyristor có cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn p-n-p-n ghép lại tạo thành, tạo ra ba lớp tiếp giáp p-n: J1, J2,J3. Thyristor có 3 cực là anot A, katot K và cực điều khiển G gọi là A-K-G. Thyristor là Diode có điều khiển , bình thường khi được phân cực thuận, Thyristor chưa dẫn điện, khi có một điện áp kích vào chân G => Thyristor dẫn cho đến khi điện áp đảo chiều hoặc cắt điện áp nguồn Thyristor mới ngưng dẫn 1.2.2. Đặc tuyến Volt-Ampere của Thyritor Đặc tính vôn –ampe của một Thyristor gòm hai phần( hình1. 2). Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ I gọi là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp >0; GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Page 4 Đồ Án Điện Tử Công Suất phần thứ hai nắm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương tứng với trường hợp <0. Hình 1.2: đặc tính vôn-ampe của Thyristor a.Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không(IG=0) Khi dòng vào cực điều khiển của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch từ cực điều khiển Thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với hai trường hợp phân cực điện áp giữa anot- catot. Khi điện áp <0 theo cấu tạo bán dẫn của Thyristor, hai tiếp giáp J1,J3 điều được phân cực, lớp J2 phân cực thuận, như vậy Thyristor sẽ giống 2 diot mắc nối tiếp bị phân cực ngược. qua Thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dong rò. Khi tăng đạt đến một giá trị điện áp lớp nhất sẽ xảy ra hiện tượng Thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn . giống như đặc tính ngược của diot, quá trình bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược được, nếu có giảm điện áp xuống dưới thì dòng điện cũng không giảm dược về mức dòng rò, Thyristor đã bị hỏng Khi điện áp anot-catot theo chiều thuận, >0, lúc đầu cững chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương dương mạch anot-catot vẫn có giá trị rất lớn. khi đó tiếp giáp J1,J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược. Cho đến khi tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớp nhất sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch anot-catot GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Page 5 Đồ Án Điện Tử Công Suất đột ngột giảm, dòng điện chạy qua Thyristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài. Nếu khi đó dòng qua Thyristor lớn hơn một mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì , thì khi đó Thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở diot. Đoạn đặc tính thuận đặc trung bởi tính chất dòng có thể có giá trị lớn nhưng điện áp rơi trên anot-catot hỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện. b. Trường hợp có dòng điện vào cực điều khiển (IG>0) Nếu có dòng điện đưa vào giữa cực điều khiển và catot, quá trình chuyển điểm cà làm việc trên đường đặc tính thuận sx xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất . Điều này được mô tả trên hình 2 bằng những đường nét đứt, ứng với các giá trị dòng điều khiển khác nhau, IG1, IG2,IG3…nói chung, nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với nhỏ hơn. Quá trình xảy ra trên đường đặc tính ngược xẽ không có gì khác so với trường hợp dòng điều khiển bằng 0. 1.2.3. Mở, khóa Thyristor Thyristor có đặc tính giống như diot, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạy qua theo một chiều, từ anot đến catot, va cản trở dòng chayjq ua theoc hiều ngược lại. tuy nhiên khác với diot, để Thyristor có thể dẫn dòng, ngoài điều kiện phải có điện áp >0 còn cần thêm một số điều kiện khác . Do đó Thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt với diot là phần tử không điều khiển được. a.Mở khóa Thyristor Khi được phân cực thuận, >0, Thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ nhất, có thể tăng áp anot-catot cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất , điện trở tương đương trong mạch anot-catot sẽ giảm đột ngột và dong qua Thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phương pháp này trong thực tế không được áp dụng so nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng có thể tăng được điên áp đến giá trị, vả lại như vậy sẽ xảy ra trường hợp Thyristor tự mở ra dưới tác dụng của xung điện áp một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước. GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Page 6 Đồ Án Điện Tử Công Suất Phương pháp thứ hai, phương pháp được áp dụng thực tế, là đưa xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển ca catot. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái Thyristor từ trỏ kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anot- catot nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anot-catot lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì( thì Thyristor sẽ tiếp tục ở trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung điều khiển. Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các Thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà Thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dong điện. b. Khóa Thyristor Một Thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa( điện trở tương đương mạch anot-catot tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị dòng duy trì . Tuy nhiên để Thyristor vẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi điện áp anot-catot lại dương(), cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình. Khi Thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, >0, hai lớp tieps giáp J1, J3 phân cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân cực ngược. vì vậy mà dòng điện có thể chạy qua ba lớp tiếp giáp J1,J2,J3. Để khóa Thyristor lại cần giảm dòng anot-catot về dưới mức dòng duy trì() bằng cách hoặc là đổi chiều dòng điện hoặc áp một điện áp nguợc lến giữa nanot va catot của Thyristor. Sau khi dòng về bằng không phải đặt một điện áp ngược lên anot-catot(<0) trong một khoảng thời gian tối thiểu gọi là thời gian phục hồi , chỉ sau đó Thyristor mới có thể cản trở dòng điện theo cả hai chiều. trong thời gian có một dòng điện ngược chạy giũa catot va anot. Dòng điện ngược này di chuyển cá điện tích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạp điện cho tụ điện tương đương của hai tiếp giáp J1,J3 được phục hồi. Thời gian phục hội phụ thuộc vào lượng lượng điện tích di chuyển ra ngoài cấu trúc bán dẫn của Thyristor và nạp điện cho tieeos giáp J1,J3 đến điện áp ngược tại thời điểm đó. Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trong của Thyristor. Thời gian phục hồi các ddnhj dải tần số làm việc của Thyristor. Thời gian phục hồi có giá trị cỡ 5-50 đối với các Thyristor tần số cao và cỡ 50-200đối với các Thyristor tần số thấp. GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Page 7 Đồ Án Điện Tử Công Suất 1.2.4. Các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển Thyristor Quan hệ giữa điện áp trên cực điều khiển và catot với dòng điện đi vào cực điều khiển các định các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển Thyristor. Với cùng một loại Thyristor nhà sản xuất sẽ cung cấp một họ đặc tính điều khiển như hình 1.3 Hình 1.3: yêu cầu đối với xung điều khiển của Thyristor Trên đó, có thể thấy được đặc tính giới hạn về điện áp và dòng điện nhở nhất ứng với một nhiệt độ môi trường nhất định mà tín hiệu điều khiển phải đảm bảo để chắc chắn mở được một Thyristor. Dòng điều khiển đi qua tiếp giáp p-n giữa cực điều khiển và catot cũng là phát nóng tiếp giáp này. Vì vậy tín hiệu điều khiển cũng phải bị hạn chế về công suất. công suất giới hạn của tín hiệu điều khiển phụ thuộc độ rộng cảu xung điều khiển. tín hiệu điều khiển là một xung có độ rộng càng ngắn thì công suất cho phép có thẻ càng lớn. GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Page 8 Đồ Án Điện Tử Công Suất Hinh 1.4: sơ đồ khuếch đại cung điều khiển Thyristor Khóa Thyristor T được điều khiển bởi một xung có độ rộng nhất định, đóng cắt điện áp phía sơ cấp biến áp xung. Xung điều khiển đưa đến cực điều khiển của Thyristor ở phía bên cuận thứ cấp. như vậy mạch lực được cách ly hoàn toàn với mạch điều khiển bởi biến áp xung. Điện trở R hạn chế dòng qua tranzito và xác định nội trở của nguồn tín hiệu điều khiển. diot D1 ngắn mạch cuận sơ cấp biến áp xung khi tranzito T khóa lại để chống quá áp trên T. diot D2 ngăn xung âm vào cực điều khiển. diot D3 mắc song song với cực điều khiển và có thể song song với tụ C có tác dụng giảm quá áp trên tiếp giáp G-K khi Thyristor bị phân cực ngược. 1.2.5. Các thông số cơ bản của Thyristor Các thông số cơ bản là các thông số dựa vào đó ta cáo thể lựa chọn một Thyristor cho một ứng dụng cụ thể nào đó. a.Giá trị tring bình cho phép chạy qua Thyristor, Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor với điều kiện nhiệt đọ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của Thyristor không vượt quá một quá trị cho phép. Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vào điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường. Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm mát tự nhiên. Ngoài ra Thyristor có thể được làm mắt cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải nhiệt lượng tỏa ra nhanh hơn. Vấn đề làm mát van bán dẫn sẽ được để cập pử phần sau, tuy nhiên có thể lựa chọn dòng điện theo cá điều kiện làm mát theo kinh nghiệm sau: -Làm mát tự nhiên -làm mát cưỡng bức bằng quạt gió -làm mát cưỡng bức bằng nước b. Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Đây là giá trị điện áp ngược lơn nhất cho phép đặt lên Thyristor. Trong các ứng dụng phải dảm bảo rằng, tại bắt kỳ thời điểm nào điện áp giữa anot-catot luôn nhở hơn GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Page 9 Đồ Án Điện Tử Công Suất hặc bằng . Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên cơ sở đó. c.Thời gian phục hồi tính chất khóa Thyristor Đây là thời gian tối thiều phải đặt điện áp âm lên giữa anot-catot của Thyristor sau khi dòng anot-catot đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp dương mà Thyristor vẫn khóa. Thời gian phục hồi là một thong số rất quan trọng của Thyristor, nhất là trong các bộ nghịch lưa phụ thuộc hoặc nghịc lưa độc lập, trong đó phải luôn đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khóa bằng 1,5 đến 2 lần . d.Tốc độ tăng điện áp cho phép Thyristor được sử dụng như một phần tử có điều khiển, nghĩa là mặc dù được phân cực 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 như được chỉ ra ở hình 1.5 Hình 1.5. Hiệu ứng tác dụng như dòng điều khiển. Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nê độ dày của nó nở ra, tạo ra vùng không gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua. Vùng không gian này có thể coi như một tụ điện có điện dung . Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của tụ có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển. Kết quả là thyristor có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G. GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Page 10 [...]... khiển, điện áp ra điều khiển góc mở thytistor để điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ Tốc độ động cơ có tỉ lệ với bình phương điện áp nên khi điện áp thay đổi thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi 1 .3. 2 Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha Các bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều dùng để chỉnh giá trị điện áp xoay chiều với hiệu suất cao Để điều chỉnh điện áp pha có thể sử dụng ba sơ đồ Bộ điều p xoay chiều chủ... mạch đồng pha Đầu ra của mạch đồng pha có các điện áp thường là dạng hình sin, cùng tần số và có thể lệch pha một góc xác định so với điện áp nguồn, gọi là điện áp đồng pha Các điện áp đồng pha được đưa vào mạch phát điện áp răng cưa Đầu ra của điện áp răng cưa được GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Page 25 Đồ Án Điện Tử Công Suất đưa vào đầu vào của khâu so sánh Tại đó còn có một tín hiệu khác là điện áp phản... 0.02 0. 03 0.04 0.05 0. 03 0.04 0.05 Time (s) Vdp1 15 10 5 0 -5 -10 -15 0 0.01 0.02 Time (s) Hình 3. 3 Đồ thị điện áp đồng pha GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Page 27 Đồ Án Điện Tử Công Suất GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Page 28 Đồ Án Điện Tử Công Suất 3. 2.2 Khâu tạo điện áp răng cưa Hình 3. 4 Sơ đồ khâu tạo điện áp răng cưa - Nguyên lý làm việc: Điện áp V có dạng hình sin qua khuếch đại thuật toán 1 cho ta chuỗi xung... trong mạch điều khiển, ngay cả khi việc đổi thứ tự pha nguồn cũng có thể làm cho sơ đồ không hoạt động c Sơ đồ đấu sao không trung tính Hình 1.9: Sơ đồ đấu sao không trung tính GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Page 14 Đồ Án Điện Tử Công Suất Hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha nối sao không dây trung tính là sự hoạt động tổng hợp của các pha Việc điều chỉnh điện áp bộ điều áp 3 pha không dây... của điện áp ra tải GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Page 18 Đồ Án Điện Tử Công Suất CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH LỰC 2.1 Giới thiệu và thiết kế mạch lực a Giới thiệu mạch lực Các bộ điều áp xoay chiều (ĐAXC) dùng để đóng ngắt hay thay đổi điện áp xoay chiều ra tải từ một nguồn xoay chiều cố định, trong đó tần số điện áp ra bằng tần số điện áp nguồn ĐAXC dùng van bán dẫn có đầy đủ ưu điểm của những mạch công suất... hướng dẫn thiết kế điện tử công suất, ta có điện tích tích lũy trong van là: Q=45A, vậy: -Tụ C Chọn C =0,99nF GVHD: Ths.Nguyễn Thị Điệp Page 23 Đồ Án Điện Tử Công Suất -Điện trở R Vì =+R, cần chọn điện trở bảo vệ trong phạm vi 4