Cấu trúc chỉnh lưu... Vì vậy đây là khâu không thể thiếu được trong MCL.. Khi dùng van điôt sẽ khôngcó mạch này... Phạm vi biến thiên dòng điện tải: Idmin, Idmax.. Phư
Trang 1LỜI MỞ ĐẦU
Trong quá trình sản xuất, truyền động điện là một trong những khâu quan trọng đểtạo ra năng suất lao động lớn Điều đó càng được thể hiện rõ nét trong các dâychuyền sản xuất , trong các công trình xây dựng hiện đại , truyền động điện đóngvai trò quan trọng trong việc nâng cao năng xuất lao động và chất lượng sản phẩm.Vì thế các hệ thống truyền động điện luôn được quan tâm nghiên cứu để nâng caochất lượng sản xuất
Khi nói đến truyền động điện thì người ta quan tâm đến là các động cơ điện và việcđiều khiển các động cơ điện một cách chính xác và đạt kết quả như mong muốn
Do có nhiều ưu điểm cả về kinh tế và kỹ thuật nên các động cơ điện ngày càngđược sử dụng phổ biến trong nền kinh tế quốc dân cũng như sản xuất cho đời sốnghàng ngày Vì vậy việc điều khiển các động cơ điện là một trong những vấn đềquan trọng
Dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Đặng Hồng Hải em đã hoàn thành bài tập lớn môn Điện tử công xuất của mình với đề tài “ Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba
pha tải R-L-E , điện áp một chiều U d = 110 V ,công xuất một chiều P d = 5 Kw ,
E d = 50 V.
Song thời gian và sự hiểu biết còn hạn chế nên trong quá trình thiết kế không tránhkhỏi thiếu sót Vì vậy em rất mong được sự giúp đỡ, chỉ bảo của thầy để phần thiếtkế của em hoàn thiện hơn
Em xin trân thành cảm ơn !
Sinh viên : Trần Đức Mười
Trang 2Mục lục Trang
Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ MẠCH CHỈNH LƯU
1.1 CÁC THAM SỐ CHỈNH LƯU VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT 2
1.1.1 Cấu trúc chỉnh lưu 2
1.1.2 Các tham số của mạch chỉnh lưu 3
1.1.3 Yêu cầu kĩ thuật dành cho thiết kế 4
1.2 NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI THAM SỐ CHỈNH LƯU 6
1.2.1 Ảnh hưởng của điện áp nguồn 6
1.2.2 Ảnh hưởng của tần số và dạng điện áp nguồn 7
1.2.3 Ảnh hưởng của dòng điện tải 7
1.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ 8
1.3 CÁC MẠCH CHỈNH LƯU CƠ BẢN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG 8
1.3.1 Các sơ đồ chỉnh lưu chính 8
1.3.2 Các dạng tải của chỉnh lưu 10
1.3.3 Chỉnh lưu cầu ba pha 13
Chương 2 TÍNH TOÁN MẠCH CÔNG SUẤT 2.1 TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ 16
2.1.1 Phân tích chọn mạch chỉnh lưu 16
2.1.2 Các công thức tính toán 22
2.2 TÍNH CHỌN VAN ( THYSISTOR )
23 2.2.1 Ý nghĩa của việc tính chọn thiết bị van 23
2.2.2 Tính chọn thiết bị van 23
Trang 3Data sheet……… ……… 26
Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ MẠCH CHỈNH LƯU
1.1 CÁC THAM SỐ CHỈNH LƯU VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT
1.1.1 Cấu trúc chỉnh lưu.
Bộ chỉnh lưu (BCL) dùng để biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện mộtchiều cho tải Lĩnh vực ứng dụng của BCL rất rộng rãi vì chủng loại tải dùng dòngđiện một chiều rất đa dạng Đó là các động cơ điện một chiều , cuộn hút nam châmđiện, rơle điện từ, bể mạ điện, thiết bị điện phân… Tuyệt đại đa số các thiết bị điệntử cũng hoạt động ở điện áp một chiều nên để lấy năng lượng từ lưới điện xoaychiều cũng phải thông qua mạch chỉnh lưu Vì vậy có thể nói BCL là loại mạchđiện tử công suất thông dụng trong thực tế Sơ đồ cấu trúc của BCL (hình 1.1)thường bao gồm các khâu sau đây
Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc bộ chỉnh lưu
BAL – biến áp lực có chức năng chuyển cấp điện áp và số pha chuẩn củalưới điện sang giá trị điện áp và số pha thích hợp với mạch chỉnh lưu – tải Nếu cảđiện áp và số pha nguồn đã phù hợp với tải có thể không cần dùng BA lực khi sử
Trang 4dụng sơ đồ đấu van kiểu cầu; trường hợp dùng sơ đồ đấu van hình tia luôn bắtbuộc phải có BA.
MV – mạch van, các van bán dẫn được đấu theo một kiểu sơ đồ nào đó, ởđây trực tiếp thực hiện quá trình biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điệnmột chiều Vì vậy đây là khâu không thể thiếu được trong MCL
MĐK – mạch điều khiển Khi MV sử dụng van bán dẫn điều khiển được(như thyristor) sẽ có mạch này để thực hiện việc cho van dẫn dòng vào các thờiđiểm cần thiết nhằm khống chế năng lượng đưa ra tải Khi dùng van điôt sẽ khôngcó mạch này Tùy thuộc van sử dụng mà các chỉnh lưu được phân thành ba loạisau:
Nếu các van đều là thyristor thì gọi là chỉnh lưu điều khiện
Nếu van được dùng là điôt, gọi là chỉnh lưu không điều khiển
Nếu mạch van dùng cả điốt và thyristor, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển.LSB – mạch lọc san bằng Khâu này nhằm đảm bảo điện áp hay dòng điện rabằng phẳng theo mong muốn của tải Nếu điện áp sau MV đã đạt yêu cầu, có thểbỏ khâu LSB
HT – khỏi hỗ trợ, gồm các mạch giúp theo dõi và đảm bảo BCL hoạt độngbình thường, thí dụ như mạch tín hiệu, mạch đo lường điện áp và dòng điện, mạchbảo vệ, nguồn một chiều ổn định cho mạch điều khiển và khống chế…
Nhiệm vụ của người thiết kế là xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật cụ thể của BCLđể xây dựng sơ đồ cấu trúc các khâu chức năng cần có Từ đó tiến hành triển khaitính toán tỉ mỉ từng khâu để có một BCL hoàn chỉnh Trong chương này sẽ trìnhbày chi tiết trình tự thiết kế BCL, trước tiên người thiết kế phải có hiểu biết nhữngvẫn đề cơ bản trong thiết kế BCL được đề cập trong các mục đầu tiên dưới đây
1.1.2 Các tham số của mạch chỉnh lưu.
Đê phân tích và đánh giá BCL, thường dựa vào những tham số chính sau:
1 Điện áp nguồn xoay chiều định mức: U1đm (V)
2 Tần số điện áp nguồn định mức: f (Hz) và phạm vi biến thiên của nó
Trang 53 Phạm vi biến thiên điện áp nguồn U1min , U1max hoặc độ biến thiên điện áp tươngđối so với điện áp định mức:
Độ tăng điện áp: a1 = (U1max - U1dm)/U1dm
Độ giảm điện áp: b1 = (U1dm – U1min)/ U1dm
4 Điện áp đầu ra một chiều định mức: Udđm (V)
5 Phạm vi điều chỉnh điện áp ra: Udmin; Udmax
6 Dòng điện tải định mức của bộ chỉnh lưu: Idđm
7 Phạm vi biến thiên dòng điện tải: Idmin, Idmax
8 Biên độ đập mạch điện áp ra: U1max (đây là biên độ sóng hài cơ bản của điện ápmột chiều ở đầu ra theo khai triển Furier)
9 Hệ số đập mạch điện áp ra:
Kdm = U1max/U0 là tỉ số giữa biên độ sóng hài cơ bản và thành phần trung bình(hoặc không đổi) của điện áp ra Hệ số này càng nhỏ thì điện áp ra càng phẳng hơn
10 Nội trở của bộ chỉnh lưu: r = ∆Ud/∆Id
11 Điện trở động của chỉnh lưu: rd = dUd/dId, (tỉ số giữa độ biến thiên điện áp ra dosự đột biến về dòng điện tải gây ra)
12 Hiệu suất bộ chỉnh lưu: µ = Pd/Pv, trong đó Pd là công suất nhận được phía mộtchiều, còn Pv là công suất tiêu thụ lấy từ nguồn điện xoay chiều
1.1.3 Yêu cầu kĩ thuật dành cho thiết kế.
Để có thể thiết kế một BCL hoàn chỉnh, cần biết trước các số liệu và yêu cầu kỹthuật sau
1.1.3.1 Các số liệu và yêu cầu của nguồn xoay chiều cấp cho BCL.
1 Giá trị định mức của điện áp xoay chiều: Uđm (V)
2 Số pha nguồn
3 Tần số lưới (Hz)
Trang 64 Độ dao động điện áp nguồn: ∆U.
5 Độ sao động tần số ∆f
6 Độ mất đối xứng giữa các pha
7 Độ méo điện áp nguồn
8 Sụt áp đột biến lớn nhất: ∆Umax và thời gian tồn tại sụt áp này: t∆Umax
1.1.3.2 Các số liệu và yêu cầu từ phía tải của chỉnh lưu.
1 Điện áp ra tải định mức (giá trị trung bình): Udđm
2 Phạm vi điều chỉnh điện áp ra và độ trơn điều chỉnh
3 Phạm vi biến thiên của dòng điện tải: Itmin ÷ Itmax
4 Quy luật thay đổi dòng điện tải (nhanh, chậm, đột biến…)
5 Độ dao động điện áp ra cho phép ∆Uracp khi điện áp nguồn thay đổi trong phạm
vi tối đa
6 Nội trở nguồn chỉnh lưu hay ∆Ura khi dòng tải biến thiên từ Itmin ÷ Itmax
7 Tổng sai số điện áp ra cho phép dưới tác động của tất cả các yếu tố ảnh hưởngđến nó
8 Điện trở động của nguồn (hay đặc tính tần số)
9 Điều kiện môi trường làm việc của bộ chỉnh lưu: nhiệt độ, độ ẩm, độ rung, độ vađập…
10 Độ tin cậy của bộ chỉnh lưu, hệ số dự phòng
11 Độ chính xác điều chỉnh
12 Phương pháp làm mát
13 An toàn lao động (đầu ra chỉnh lưu được nối vỏ hay phải cách li vỏ)
14 Vấn đề bảo vệ quá áp cho tải
15 Các mạch tín hiệu hóa cần có
Trang 716 Thời gian khởi động nhỏ nhất, lớn nhất.
17 Các yêu cầu về kích thước và trọng lượng thiết bị
18 Phương thức theo dõi và kiểm tra điện áp và dòng điện ra tải
19 Hiệu suất của thiết bị
20.Hệ số đập mạch điện áp (hay dòng điện) ra tải cho phép
Ngoài ra còn có những đòi hỏi không được đề cập trong yêu cầu kĩ thuậtsong người thiết kế bắt buộc phải thực hiện (như bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ các sựcố, phần chỉ thị trạng thái thiết bị…) Mặt khác nhiều khi người thiết kế phải tự xácđịnh hoặc tự đưa ra một số tham số theo kinh nghiệm mà người đặt hàng khôngnắm được do không hiểu hết các vấn đề kỹ thuật đặt ra
1.2 NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI THAM SỐ CHỈNH LƯU.
Bộ chỉnh lưu công suất thường làm việc trong lưới điện công nghiệp nênphải chịu ảnh hưởng của các phụ tải khác cùng chung nguồn với nó, hay nhữngbiến động do hệ thống cung cấp điện đem tới Mặt khác tải cũng có ảnh hưởngđáng kể tới BCL Vì vậy cần biết điều này để có thể tiên liệu các giải pháp phù hợpkhi thiết kế
1.2.1 Ảnh hưởng của điện áp nguồn.
Điện áp nguồn thường có độ dao động qui chuẩn là ±5%, tuy nhiên trên thựctế ở nhiều khu vực có độ dao động điện áp lớn hơn nhiều và có thể lên tới +10% và-20% Độ dao động điện áp này ảnh hưởng trực tiếp và rõ rệt đến điện áp ra củamạch chỉnh lưu Ngoài ra còn có tác động them của các yếu tố sau:
1 Sụt áp trên dây dẫn nguồn
2 Biến áp nguồn cung cấp thường cho phép sai số về các mức điện áp ra
3 Các mạch chỉnh lưu có nôi trở nhất định, khi nguồn biến động đến điện áprat hay đổi làm dòng tải biến thiên, vì vậy sụt áp trên nội trở sẽ thay đổi vàtác động trở lại điện áp ra
4 Dòng tải thay đổi làm điện trở dây dẫn thay đổi
Trang 8Vì vậy ngay cả khi điện áp nguồn ổn định, không tahy đổi thì các yếu tố trênđã làm điện áp sai lệch từ 3% đến 15% Nếu cộng them ảnh hưởng của nguồn thìsai số này lên tới 10% đến 20%.
Khi sử dụng các mạch chỉnh lưu ba pha, độ mất đối xứng của điện áp nguồnsẽ làm xuất hiện them sự sai lệch điện áp ra, mặt khác còn làm tăng độ đập mạch
Với các bộ chỉnh lưu công suất lớn (≥ 100 kW) lại ở xa trạm biến thế, cần cốgắng sử dụng cấp điện áp nguồn cao hơn để giảm chi phí về dây dẫn
Khi các bộ chỉnh lưu làm việc trong một mạng cấp điện có các động cơ điệncông suất lớn cần chú ý ảnh hưởng của chúng Lúc các động cơ này khởi động sẽlàm suất hiện sụt áp trên mạng có thể lên tới 20% Độ sụt áp này có thể làm cho bộchỉnh lưu ngừng hoạt động do tác động của mạch bảo vệ hay các phần tử khốngchế (như rơle, công-tắc-tơ bị nhả ra) Như vậy ta cần thiết kế mạch tác động trễ đểchống hiện tượng này Còn khi các động cơ đang chạy mà dừng sẽ gây ra các xungđiện apstrong thời gian ngắn (thường không quá vài giây), tuy nhiên nó có thể pháhỏng các phần tử nhạy áp như các van bán dẫn, tụ điện, hoặc đánh thủng cách điệngiữa các cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp Vì vậy khi thiết kế cần tính đếnnó để chọn các phần tử có đủ độ dự chữ về điện áp
1.2.2 Ảnh hưởng của tần số và dạng điện áp nguồn.
Tần số nguồn cung cấp ảnh hưởng lớn đến chỉ tiêu về trọng lượng và kíchthước bộ chỉnh lưu.Đa số các bộ chỉnh lưu làm việc với tần số 50 Hz; tuy nhiêncũng có một số làm việc với tần số 400 Hz, có khi tới 1-2 kHz Nếu so sánh hai bộchỉnh lưu có cùng các chỉ tiêu kỹ thuật thì chỉnh lưu làm việc với tần 400 Hz cókích thước và trọng lượng nhỏ hơn 3-4 lần so với loại làm việc ở tần số 50 Hz Vềbộ lọc còn giảm đi tới vài chục lần Tuy nhiên bộ chỉnh lưu ở tần số cao hơn có tổnhao công suất và sụt áp trên dây dẫn lớn hơn, còn tụ lọc ở tần số cao cũng có tổnthất cao hơn (và phải giảm độ đập mạch cho phép trên chúng)
Nếu nguồn xoay chiều có dộ méo dưới 5÷6 % thì có thể coi là nguồn hìnhsin Khi độ méo lớn hơn sẽ làm chỉ số của dụng cụ đo lường ( kể cả đo trị số hiệudụng và trung bình) bị sai lệch nhiều Điều này thường xuất hiện khi nguồn yếuhoặc trong mạng có nhiều các thiết bị sử dụng van thyristor hoặc các khuếch đạitừ
Trang 91.2.3 Ảnh hưởng của dòng điện tải.
Bất cứ một bộ chỉnh lưu nào cũng đều có nội trở, do đó khi dòng điện tảibiến thiên sẽ làm điện áp ra bị thay đổi Vì vậy cần cố gắng giảm nội trở của bộchỉnh lưu Dây dẫn từ chỉnh lưu đến tải cũng ảnh hưởng lớn đến nội trở chung,nhất là với các tải có điện áp làm việc thấp và dòng tải lại lớn, trong những trườnghợp này cần đặt bộ chỉnh lưu gần tối đa với tải
Nếu dòng tải có khả năng biến đổi đột ngột sẽ làm tăng nội trở động củamạch chỉnh lưu Đặc biệt khi có mạch lọc LC và lại rơi vào chế độ mà tần số cácxung dòng điện bằng tần số dao động của mạch LC sẽ dẫn đến điện trở động lớnhơn rất nhiều so với nội trở tĩnh Ngoài ra mạch lọc loại này cũng sẽ làm xuất hiệncác biến động điên áp khi đóng và ngắt tải
1.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ.
Trong bộ chỉnh lưu có khá nhiều phần tử chịu ảnh hưởng của nhiệt độ: tụhóa, điện trở và nhất là các linh kiện bán dẫn như điôt, transistor, thyristor…Đểđảm bảo bộ chỉnh lưu hoạt động tin cậy và lâu dài phải tính đến toàn bộ các yếu tốvề nhiệt như: nhiệt độ môi trường, nhiệt độ cục bộ, độ phát nhiệt trên các phầntử…sao cho các linh kiện và các phần tử không làm việc ở gần mức giới hạn chophép về nhiệt Thông thường các linh kiện có độ dự trữ tối thiểu sau:
Điện trở phải có độ dự trữ 1,5 về công suất phát nhiệt
Tụ điện phải có độ dự trữ 1,7 về điện áp
Van bán dẫn phải có độ dự trữ 1,7 về điện áp
Với môi trường nhiệt đới cần tăng hệ số dự trữ cao hơn nữa
1.3 CÁC MẠCH CHỈNH LƯU CƠ BẢN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG.
1.3.1 Các sơ đồ chỉnh lưu chính.
Số lượng sơ đồ mạch chỉnh lưu khá đa dạng, song chủ yếu là một số mạch
cơ bản xem trên hình 1.2, các tham số cơ bản để đánh giá chúng và làm cơ sở đểtính toán phân tích và thiết kế xem trong bảng 1.1 Các mạch chỉnh lưu cơ bản gồm
9 sơ đồ sau:
1 Chỉnh lưu một pha một nữa chu kỳ (chỉnh lưu hình tia một pha), hình 1.2a
Trang 102 Chỉnh lưu một pha có điểm trung tính (chỉnh lưu hình tia hai pha), hình 1.2b.
3 Chỉnh lưu hình tia ba pha, hình 1.2c
4 Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển, hình 1.2d
5 Chỉnh lưu cầu bap ha điều khiển, hình 1.2e
6 Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cảm cân bằng (đấu song song hai mạch chỉnh lưu hình tia ba pha), hình 1.2g
7 Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển có thyristor đấu thẳng hàng, hình 1.2h
8 Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển với thyristor đấu katôt chung, hình 1.2i
9 Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển các thyristor đấu katôt chung, hình 1.2k
Hình 1.2 Các sơ đồ chỉnh lưu cơ bản
Trong các sơ đồ trên không trình bày mạch chỉnh lưu không điều khiển, vìchỉ cần thay toàn bộ van thyristor bằng điôt là có mạch đoạn này; trong khi mục
Trang 11đích chính của chỉnh lưu là điều chỉnh được công suất ra tải theo yêu cầu thì chỉnhlưu điôt không đáp ứng được Tuy nhiên khi tính toán, cần lưu ý rằng chỉnh lưumang cùng tên thì dù là không điều khiển (dùng toàn điôt), chỉnh lưu điều khiển(dùng toàn thyristor), hoặc chỉnh lưu bán điều khiển đều dùng chung một bảngtham số của kiểu đó, sự khác nhau chỉ thể hiện ở:
Chỉnh lưu điôt không cho phép điều chỉnh điện áp ra
Chỉnh lưu điều khiển và bán điều khiển cho phép điều khiển điện áp ra,song với qui luật khác nhau Tuy nhiên, khi điều chỉnh lớn nhất có thể, thìhai loại điều khiển cũng chỉ đạt được điện áp ra bằng với chỉnh lưu điôt.Chính vì điều này mà trong bảng 1.1 không có sự phân biệt về chỉnh lưuđiều khiển hay không điều khiển
Để có thể hiểu sự hoạt động của các chỉnh lưu này, cần tham khảo các tàiliệu lý thuyết liên quan Do đó dưới đây chỉ đưa ra các nhận xét cơ bản về cácmạch chỉnh lưu nhằm làm cơ sở cho việc lựa chọn phương án mạch lực, và một sốđồ thị làm việc đặc trưng mà không đi vào phân tích chi tiết
1.3.2 Các dạng tải của chỉnh lưu.
Tải cho chỉnh lưu có 3 dạng thường gặp như sau:
1.3.2.1 Tải thuần trở Rd, hình 1.3a.
Dạng này được sử dụng để phân tích nguyên lý làm việc và tính toán cáctham số của mạch chỉnh lưu trong bảng 1.1 Dạng dong điện tải id hoàn toàn giốngvới dạng điện áp nhận được ud Trong thực tế ít gặp tải thuần trở
1.3.2.2 Tải có tính cảm kháng (RdLd), hình 1.3b.
Đặc điểm của tải dạng này là làm dạng dòng tải id không giống áp ud, nếuđiện cảm đủ lớn sẽ làm dòng điện trở lên bằng phẳng, nên ở các hình vẽ dưới đâyđồ thị dong tải sẽ vẽ thẳng cho đơn giản So với tải Rd thì tải này gặp nhiều hơn,như các cuộn dây nam châm, cuộn kích từ máy phát điện xoay chiều, kích từ động
cơ điện một chiều…
Trang 12Hình 1.3 Các dạng tải của chỉnh lưu.
Tải vừa có RdLd vừa có sức điện động Ed (gọi là tải RLE), hình 1.3c Đây làdạng tải gặp nhiều nhất trong thực tế, như: bể điện phân, bể mạ, ácqui, sức điệnđộng phần ứng của động cơ điện một chiều… Đặc điểm của dạng tải này có nhiềuđiểm chung với tải RdLd, nhất là khi dòng điện tải phẳng, tuy nhiên Ed sẽ ảnhhưởng đến trị số dòng tải vì thường có chiều chống lại điện áp chỉnh lưu ud
Nhìn chung, với các dạng tải trên của chỉnh lưu trên, trong quá trìnhđiều chỉnh điện áp ra sẽ xảy ra hai trường hợp đối với dòng điện tải:
1 Dòng tải id bị dán đoạn, lúc có lúc mất làm cho năng lượng không được cấp
thường xuyên cho tải, do vậy là không thuận lợi Trường hợp này hay gặp ở tảithuần trở hoặc tải có điện cảm Ld nhỏ
2 Dòng tải id liên tục chảy, tải luôn được nhận năng lượng, và do đó là thuận lợi
hơn Trường hợp này xảy ra khi điện cảm Ld đủ lớn vì dòng tải liên tục là chế độ
mong muốn nên thường tính toán để có chế độ này
Trang 13Bảng 1.1 Tham số của các mạch chỉnh lưu cơ bản.
Chú thích bảng 1.1:
Udo – trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu điôt hay chỉnh lưu điều khiển khi α= 0
U2 – trị số hiệu dụng của điện áp pha cuộn thứ cấp biến áp nguồn