BỘ CHỈNH LƯU KÉP 3 PHA THREE - PHASE DUAL CONTROLLED RECTIFIER

BỘ CHỈNH LƯU KÉP PHA THREE - PHASE DUAL CONTROLLED RECTIFIER Hoàng Ngọc Văn Khoa Điện – Điện Tử TÓM TẮT Trong thực tế, thiết bị chỉnh lưu kép ba pha sử dụng phổ biến dùng để điều chỉnh điện áp đảo chiều động điện chiều công suất lớn, điều chỉnh đảo chiều dòng nam châm điện bàn từ, cần trục điện vv Trước việc đảo chiều thường sử dụng công tắc tơ, rơ le Việc sử dụng công tắc tơ đóng ngắt có tiếp điểm để đóng ngắt trực tiếp dòng điện lớn phát sinh hồ quang điện, việc đóng ngắt diễn chậm Việc sử dụng chỉnh lưu kép khắc phục nhược điểm Ngoài chỉnh lưu kép sử dụng phương pháp điều khiển chung cho phép làm việc chế độ chỉnh lưu làm việc chế độ nghịch lưu Trong chỉnh lưu kép pha, việc đảo chiều thực thông qua đóng ngắt mạch cấp xung điều khiển cho SCR, không đóng ngắt trực tiếp mạch tải Bài báo giới thiệu phương pháp tạo xung điều khiển đồng cho SCR, phương pháp điều khiển chỉnh lưu kép, giới thiệu mạch điều khiển mạch công suất, mô hình kết vận hành thử nghiệm chỉnh lưu kép pha Từ khóa: Điều khiển đồng bộ, xung điều khiển cho SCR, chỉnh lưu kép ABSTRACT In industrial applications, three-phase dual controlled rectifiers are widely used for controlling voltage value and direction conversion of high power DC motors; controlling and current direction conversion of electromagnet of electric bridge crane For former method, the direction conversion is usually used by contactor or relay The use of contactor for directly switching high current devices will release electric arc and have low switching frequency The application of dual rectifiers will help to overcome the disadvantage as mentioned above In addition, the dual controlled rectifier with common control method allows to work in two mode including rectification and inversion For three-phase dual controlled rectifiers, the direction conversion is implemented by switching thyristor's firing pulse control circuit only, not by switching load circuit This paper introduces thyristor's synchronous controller, thyristor's dual synchronous controller, control circuit, load circuit and experimental results of three-phase dual controlled rectifier Keyword: Synchronous control, firing pulse, dual rectifier I MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Hiện xí nghiệp công nghiệp có nhiều thiết bị điện, điện tử sử dụng nguồn điện chiều đòi hỏi đảo chiều dòng điện trình hoạt động điện áp thay đổi Thiết bị cho phép thực hai yêu cầu kỹ thuật thực tế chế tạo sử dụng chỉnh lưu kép Qua tìm hiểu thiết bị phòng thí nghiệm điện tử công suất nhập từ nước sản xuất nước số trường địa bàn Tp Hồ Chí Minh, có chỉnh lưu cho phép dòng điện qua tải theo chiều Tuy nhiên, thiết bị đào tạo thuộc chuyên ngành điện tử công suất chưa có chỉnh lưu kép danh mục thiết bị đào tạo công ty chế tạo đồ dùng dạy học nước 1.2 Tính cấp thiết đề tài Môn điện tử công suất thuộc môn học chuyên ngành, giảng dạy cho ngành Kỹ thuật điện – điện tử; Công nghệ điều khiển tự động hóa; Kỹ thuật điện tử truyền thông Trong thực tế, thiết bị chỉnh lưu kép pha sử dụng phổ biến điều chỉnh điện áp đảo chiều động chiều, điều chỉnh đảo chiều dòng nam châm điện bàn từ, cần trục điện vv… Để gắn lý thuyết với thực hành, giúp sinh viên mau tiếp cận với thực tế, việc thiết kế chế tạo chỉnh lưu kép ba pha dùng cho phòng thí nghiệm điện tử công suất để phục vụ cho môn thực hành điện tử công suất dễ dàng chuyển giao cần thiết II TỔNG QUAN VỀ MẠCH TẠO XUNG VÀ CHỈNH LƯU KÉP 2.1 Giới thiệu chung điều khiển SCR Để cho SCR dẫn điện cần phải có hai điều kiện kết hợp phân cực thuận có xung điều khiển Trong mạch chỉnh lưu có điều chỉnh điện áp cần phải điều khiển hay nhiều SCR theo thứ tự định với góc kích  vừa ổn định vừa thay đổi Các SCR kích theo thứ tự quy định theo thứ tự chuyển mạch tự dẫn Diode sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển gọi chuyển mạch tự nhiên Trong thực tế SCR phải điều khiển đồng với điện áp nguồn, nghĩa SCR có bán kỳ dương điện áp nguồn Anode (phân cực thuận) phải điều khiển (kích) 2.2 Nguyên tắc tạo xung điều khiển đồng cho SCR Để có xung điều khiển đồng với điện áp nguồn đặt vào Anode SCR, góc kích  điều chỉnh được, cần phải có mạch tạo xung theo sơ đồ khối hình 2.1 A +12V LED K +12V US A C P Tạo SCRT TF xung A2 12 +12V V U A’ ’ A’ ’ R I T A TF F UAC UAC V R Hình 2.1 Sơ đồ khối chi tiết mạch tạo xung điều khiển khiển đồng Các khối có chức sau: a Khối cách ly ngõ vào ngõ ra: Hai khối cách ly mạch điều khiển SCR với phần công suất mạch chỉnh lưu có điện áp cao, không cho dòng từ phần công suất vào phần điều khiển hay ngược lại Khối cách ly ngõ vào thường máy biến áp có nhiệm vụ cách ly, tạo nguồn nuôi cung cấp cho mạch điều khiển lấy tín hiệu điện áp đồng b Khối đồng bộ: Khối có chức tạo điện áp cưa, cưa chu kỳ cưa chu kỳ sơ đồ pha dùng SCR kích đồng thời Xung cưa so sánh với điện áp điều chỉnh UP khối so sánh phía sau, kết hợp với mạch tích phân để tạo điện áp cưa đồng US Khối đồng phần tử phát SCR phân cực thuận kích hoạt cho mạch tạo xung hoạt động c Khối so sánh: Khối so sánh điện áp cưa US với điện áp điều chỉnh UP gọi điện áp đặt hay điện áp tựa, điện áp điều chỉnh Chức khối so sánh điều chỉnh góc kích  d Khối tạo xung: Xung điện áp sau khối so sánh thường có độ rộng lớn, kích góc  = 00 xung có độ rộng π, xung không thích hợp với việc kích SCR kích bỏ xung điều khiển SCR tiếp tục dẫn dòng tải IA lớn dòng trì IH Chức khối tạo xung giảm độ rộng xung để giảm phát nóng linh kiện giảm tiêu hao e Khối khếch đại xung: Để xung có biên độ lớn, dòng đủ mạnh cần có mạch khuếch đại xung kết hợp với khối cách ly ngõ Để hiểu rõ nguyên tắc hoạt động khối, ta sử dụng giản đồ thời gian hoạt động tương ứng minh họa hình 2.2 Điện áp xoay chiều UAC cấp cho ngõ vào biến áp cách ly TF1, sơ đồ hình 2.1 đồng pha với điện áp xoay chiều cấp cho trở tải RT mắc SCR Sơ đồ biến đổi dạng sóng Sin điện áp vào lấy điểm thành xung vuông góc có độ rộng tương ứng, sử dụng để ngắt khóa K, cho phép dòng I (nguồn dòng) nạp cho tụ C Tương ứng với bán kỳ dương điện áp vào, tụ C có xung dạng cưa dạng tuyến tính Bộ so sánh A1 thực so sánh điện áp cưa với với điện áp đặt Up Khi điện áp cưa lớn điện áp đặt, so sánh tạo xung dương ngõ qua khối lại để điều khiển SCR Như vậy, thay đổi điện áp đặt Up, làm dịch chuyển thời điểm kích cho SCR Giá trị Up quy ước tương ứng với đại lượng góc kích  Giá trị  = 00, tương ứng với Up = 0V, SCR mở toàn 100% theo bán kỳ dương Quan hệ  và UP theo công thức sau: =  UP , người ta lấy Usmax = Upmax U S max (2.1) Kết với việc tăng giảm điện áp điều chỉnh UP, thay đổi góc kích , điều khiển mở SCR tương ứng với vị trí pha điện áp lưới, làm thay đổi tương ứng điện áp ngõ tải Phương pháp gọi điều khiển pha hay kiểm soát pha (phase control) Trên hình 2.3 sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung điều khiển đồng pha kép 10 π 2π t π 2π t US Up URT  50% ON Hình 2.2 Giản đồ xung điều khiển đồng pha cho SCR +12V S1 REV FW STOP 4148 +12V 4007 3k3 2k 100k A1015 TP1.1 1k TL082 TP1.2 8k2 15k DN2 1k5 100p 22j63 100p 1k 14 15 16 11 +12V A 104j 2.1 4148 13 4148 4148 10k 22j63 DN3 1k 1.4 DT3 100k 1k 3k3 2k 10k 1k 4148 10 CD4528 -12V 22j63 33k 1.1 TP1.4 12 1k 10k + C1815 C1815 1k TP1.5 TP1.3 10k 1k DN1 A1015 8k2 1k 100p 1k 1k DN4 4007 DT6 4148 1k 2.4 +12V -12V 22j63 33k 15k - C1815 C1815 TL082 1k5 + 4148 4007 +12V DN5 DN6 15k 100k A1015 8k2 1k TL082 1k5 + D2 100p 22j63 - C1815 C1815 14 15 16 11 100p 1k 33k +12V B 104j 1k A1015 8k2 1k 100p 1k 1k 4148 10k 100p 15k DT2 4007 DN7 DN8 1k 1.6 4148 1k DT5 -12V 2.3 13 22j63 TL082 1k5 + 22j63 33k 4148 - C1815 C1815 1k 3k3 2k 10k 100k 10k 4148 CD4528 -12V 22j63 D1 1.3 4148 10 12 1k 1k 3k3 2k 10k 1k 2.6 +12V 4148 +12V 4007 100k A1015 8k2 1k 15k DN10 TL082 1k5 + 10k 22j63 - C1815 C1815 14 15 16 11 10 12 100p 1k +12V C 104j 100k A1015 8k2 1k 100p 1k 1k 22j63 33k 10k 10k 22j63 TL082 1k5 + 15k - C1815 C1815 1k 4148 DT1 4148 4148 13 100p 10k DN11 4007 DN12 1k 1.2 4148 1k 2.2 +12V -12V VR 2.5 DT4 3k3 2k 10k 1k 1.5 4148 CD4528 -12V 22j63 33k 1k 1k 3k3 2k 10k 1k DN9 10k +12V Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung điều khiển đồng kép pha III HỆ THỐNG CHỈNH LƯU KÉP 3.1 Cấu hình chỉnh lưu kép Bộ chỉnh lưu kép có khả điều khiển dòng điện qua tải theo hai chiều, bao gồm hai chỉnh lưu đơn ghép lại Bộ chỉnh lưu I điều khiển dòng điện qua tải theo chiều dương chỉnh lưu II điều khiển dòng qua tải theo chiều âm Vì sơ đồ sử dụng hai chỉnh lưu dùng SCR nên để điều khiển hai chỉnh lưu này, dùng phương pháp điều khiển chung phương pháp điều khiển riêng id BCL II BCL I  Ud1 RT UAC Ud2  UAC Hình 3.1 Sơ đồ khối chỉnh lưu kép 3.2 Mạch công suất Mạch tải thiết kế gồm chỉnh lưu cầu pha điều khiển toàn phần Để tránh cố không mong muốn trình thí nghiệm, ta chọn phương pháp điều khiển riêng Việc đảo chiều dòng điện chỉnh lưu kép thực cách thay đổi mạch kích cho SCR Để đóng ngắt mạch đảo chiều ta sử dụng công tắc S1, đóng ngắt nguồn DC 12V cung cấp cho mạch khuếch đại xung biến áp cách ly ngõ Khi công tắc S1 vị trí REV, nguồn DC 12V cấp cho mạch khuếch đại xung biến áp xung kích cho SCR chỉnh lưu I Khi công tắc S1 vị trí FW, nguồn DC 12V cấp cho mạch khuếch đại xung biến áp xung kích cho SCR chỉnh lưu II Trên hình 3.3 sơ đồ mạch chỉnh lưu kép pha, chỉnh lưu I gồm SCR1.1 – SCR1.6, chỉnh lưu II gồm SCR2.1 – SCR2.6 Khi I hoạt động, II ngắt, dòng điện chạy qua tải từ sang Khi II hoạt động, I ngắt dòng điện chạy qua tải từ sang Giải thích số ký hiệu: SCR1.1 – SCR1.6 có nghĩa số đầu chỉnh lưu I, số hai số thứ tự SCR từ tới Tương tự A BC chỉnh lưu II SCR1.4 SCR1.1 BCL I SCR1.3 SCR1.6 SCR1.5 SCR1.2 BCL II RT SCR2.4 SCR2.1 SCR2.6 SCR2.3 SCR2.2 SCR2.5 Hình 3.3 Mạch công suất chỉnh lưu cầu pha kép Bộ thí nghiệm chỉnh lưu pha kép cho phép điều khiển mạch chỉnh lưu tia pha kép hình 3.4 nguyên tắc làm việc tương tự SCR A 2.1 BCL.II SCR2.3 B SCR2.5 C RT 0’ SCR1.4 BCL.I SCR1.6 SCR1.2 Hình 3.4 Mạch công suất chỉnh lưu tia pha kép IV MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ VẬN HÀNH 4.1 Hình vẽ mặt nạ chỉnh lưu Mặt nạ chỉnh lưu làm phíp đỏ dày 3mm, kích thước 400 x 297mm mặt in lụa chi tiết phần tử hình vẽ: Hình 4.1 Hình vẽ mặt nạ thí nghiệm 4.2 Hình dáng thực tế chỉnh lưu Hộp đặt thiết bị làm tôn dầy 1mm, sơn tĩnh điện, kích thước hộp 390 x 258 x 75mm Kích thước hộp thí nghiệm phù hợp với khung thí nghiệm phòng thực tập điện tử công suất Trong hộp lắp đặt khối điều khiển khối công suất gắn chốt đế nhựa Khối công suất gồm nhôm tản nhiệt, có gắn SCRBT151 cách ly với vỏ Hình dáng thực khối hình 4.2 10 Hình 4.2 Hình dáng thực tế chỉnh lưu kép pha 4.3 Vận hành chỉnh lưu b Kết thí nghiệm: Sau lắp ráp cân chỉnh vận hành chỉnh lưu, ta có dạng xung điểm kiểm tra từ TPA1 đến TPA4 Hình 4.3 Tín hiệu điểm TPA1 – TPA4 α =00 Dạng sóng điện áp tải trở tải R hình vẽ sau: 11 Hình 4.4 Dạng sóng điện áp tải trở α = 00 mạch cầu pha (S1 vị trí REV) Hình 4.5 Dạng sóng điện áp tải trở α = 00 mạch cầu (S1 vị trí FW) 12 V KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết Luận Tác giả thiết kế chế tạo thành công chỉnh lưu kép pha Mô hình kiểm tra vận hành phòng thí nghiệm Qua kiểm nghiệm chạy thử cho thấy, tất thông số đạt yêu cầu kỹ thuật, tín hiệu điểm Test Point phần tính toán thiết kế Thiết bị sử dụng cho phòng thực hành điện tử công suất Ngoài thiết bị chế tạo chuyển giao cho sở đào tạo khác Sản phẩm đề tài mô hình dạy học, có tính khoa học hàn lâm cao có tính ứng dụng thực tế Hướng phát triển - Có thể nghiên cứu thiết kế chế tạo chỉnh lưu đảo chiều phần chuyển đổi công tắc thay điều khiển số Có thể kết hợp mạch chỉnh lưu kép giao tiếp điều khiển từ máy tính 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Bính Điện tử công suất Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà nội - 1997 Tác giả CYRIL W.LANDER ( Người dịch Lê Văn Doanh ) Điện tử công suất điều khiển tốc độ động điện Nhà xuất khoa học kỹ thuật-1997 Lưu Phú-Lê Phi Yến- Nguyễn Như Anh Kỹ thuật điện tử Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Tp HCM-1998 Phạm Minh Hà Kỹ thuật mạch điện tử Nhà xuất Khoa Học Và Kỹ Thuật Hà Nội-2005 Hoàng Ngọc Văn Giáo trình điện tử công suất Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM-2007 Hoàng Ngọc Văn Giáo trình thực hành điện tử công suất, Trường ĐHSPKT Tp Hồ Chí Minh Thông tin liên hệ tác giả: Họ tên: Hoàng Ngọc Văn Đơn vị: Khoa Điện – Điện Tử, trường ĐHSPKT Tp Hồ Chí Minh Điện thoại: 0903776424 Email: vanhn@hcmute.edu.vn Chuyên ngành (hướng nghiên cứu): Điện tử công suất 14 [...]... 4.2 Hình dáng thực tế bộ chỉnh lưu kép 3 pha 4 .3 Vận hành bộ chỉnh lưu b Kết quả thí nghiệm: Sau khi lắp ráp cân chỉnh và vận hành bộ chỉnh lưu, ta có dạng xung ở các điểm kiểm tra từ TPA1 đến TPA4 Hình 4 .3 Tín hiệu tại các điểm TPA1 – TPA4 khi α =00 Dạng sóng điện áp trên tải trở và tải R như các hình vẽ sau: 11 Hình 4.4 Dạng sóng điện áp trên tải trở khi α = 00 của mạch cầu 3 pha (S1 ở vị trí REV)... hàn lâm cao nhưng có tính ứng dụng thực tế 2 Hướng phát triển - Có thể nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ chỉnh lưu đảo chiều trong đó phần chuyển đổi công tắc thay thế bằng điều khiển số Có thể kết hợp mạch chỉnh lưu kép giao tiếp điều khiển từ máy tính 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Nguyễn Bính Điện tử công suất Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà nội - 1997 2 Tác giả CYRIL W.LANDER ( Người dịch Lê Văn Doanh )... suất và điều khiển tốc độ động cơ điện Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật-1997 3 Lưu Phú-Lê Phi Yến- Nguyễn Như Anh Kỹ thuật điện tử Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia Tp HCM-1998 4 Phạm Minh Hà Kỹ thuật mạch điện tử Nhà xuất bản Khoa Học Và Kỹ Thuật Hà Nội-2005 5 Hoàng Ngọc Văn Giáo trình điện tử công suất Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM-2007 6 Hoàng Ngọc Văn Giáo trình thực hành điện tử công suất, Trường... sóng điện áp trên tải trở khi α = 00 của mạch cầu 3 pha (S1 ở vị trí REV) Hình 4.5 Dạng sóng điện áp trên tải trở khi α = 00 của mạch cầu 3 (S1 ở vị trí FW) 12 V KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 1 Kết Luận Tác giả đã thiết kế và chế tạo thành công bộ chỉnh lưu kép 3 pha Mô hình đã được kiểm tra và vận hành tại phòng thí nghiệm Qua kiểm nghiệm và chạy thử cho thấy, tất cả các thông số đều đạt yêu cầu kỹ... Ngọc Văn Giáo trình thực hành điện tử công suất, Trường ĐHSPKT Tp Hồ Chí Minh Thông tin liên hệ tác giả: Họ tên: Hoàng Ngọc Văn Đơn vị: Khoa Điện – Điện Tử, trường ĐHSPKT Tp Hồ Chí Minh Điện thoại: 09 037 76424 Email: vanhn@hcmute.edu.vn Chuyên ngành chính (hướng nghiên cứu): Điện tử công suất 14