Đồ án chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển

Đồ án “Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển” này được thựchiện nhằm phục vụ việc học tập của học viên chuyên ngành Tênlửa – Pháo tàu với mong muốn có được một đồ án chuyên sâu về mạch “ C

ĐỒ ÁN (CHỈNH LƯU CẦU BA PHA BÁN ĐIỀU KHIỂN)

+

HỌC VIỆN HẢI QUÂN KTP20B

LỜI NÓI ĐẦU

Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứngdụng các linh kiện bán dẫn công suất làm việc chế độ chuyểnmạch vào quá trình điều khiển và biến đổi điện năng

Hiện nay, các thiết bị điện tử công suất chiếm hơn 30% trongcác dây chuyền và thiết bị hiện đại, đặc biệt trong trang bị kỹthuật Hải Quân Từ đó đã đặt ra yêu cầu học tập, nghiên cứu vàhiện đại hóa kiến thức về điện tử công suất đối với tất cả các kỹ

sư ngành Điện – Điện tử và Kỹ thuật điện

Đồ án “Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển” này được thựchiện bởi các học viên nhóm 6 – KTP20B – Tiểu đoàn 4 – Học ViệnHải Quân Đồ án được chia làm 4 chương Nội dung các chươnggồm:

- Chương I: Giới thiệu về bộ biến đổi điện tử công suất “Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển”.

- Chương II: Tính toán và thiết kế mạch lực, mạch bảo vệ.

- Chương III: Tính toán và thiết kế mạch điều khiển.

- Chương IV: Mô phỏng mạch trên phần mền PSYM.

Đồ án “Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển” này được thựchiện nhằm phục vụ việc học tập của học viên chuyên ngành Tênlửa – Pháo tàu với mong muốn có được một đồ án chuyên sâu

về mạch “ Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển”

Mặc dù đã có nhiều cố gắng song tài liệu và khả năng còn hạnchế nên không tránh khỏi những thiếu sót nhất định trong đồ

án Chúng tôi mong muốn và hoan nghênh sự đóng góp của bạnđọc

Ý kiến đóng góp xin gửi qua email: codonm63@yahoo.com

Đồ án “Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển” này được thực hiện bởi

Nhóm 6 – KTP20B:

- Ngô Minh Lành

- Nguyễn Duy Quang

- Phạm Viết Trọng

- Nguyễn Minh Vương

- Lê Văn Giầu

- Tạ Chí Tuyên

CÁC TÁC GIẢ

2

Trong quá trình hoạt động của mạch chỉnh lưu cầu ba pha bánđiều khiển luôn có những ưu và nhược điểm riêng Từ đó, đặt rayêu cầu cần phải thiết kế mạch sao cho hợp lý và tối ưu nhất đểđạt được hiệu suất cao nhất trong quá trinh hoạt động củamạch.

T2 T3

Mạch chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển với nguồn cấp vào là nguồn 3 pha xoay chiều, mỗi pha lệch nhau một góc 120 độ.Nguồn điện ba pha: Vbc

Vcn -Vbn-Van 30 Van

 Đây là nhóm van mở tự nhiên Trong mạch chỉnh lưu cầu

ba pha thì diode được mở tự nhiên khi điện áp tại catot củacác diode là âm nhất

- Cuộn cảm Ld có tác dụng nạp và phóng tại thời điểm có xungkích mở đưa vào cực điều khiển của các Thyristor

- Điện trở Rd có tác dụng ngăn dòng tự cảm phát sinh trongcuộn cảm Ld khi cuộn dây phóng điện đồng thời ngăn dòng điệnmột chiều trở về nguồn

4

Xét tại thời điểm 1, lúc này Ua có điện áp dương nhất sovới Ub và Uc, điện áp đặt lên anot T1 là dương nhất, nhưng vì

chưa có góc điều khiển  (Góc điều khiển α là góc tính từ

thời điểm mở tự nhiên đến thời điểm tiristo được phát xung vào cực điều khiển để mở van Thời điểm mở tự nhiên là điểm mà ở đó nếu van là điôt thì nó bắt đầu

Tại thời điểm 2, ta đưa xung kích mở vào cực điều khiểncủa T1 (=900) thì van T1 được mở, dòng điện đi theo chiều:

Ua  T1  Ld  Rd  D3  Uc

Đồng thời cuộn cảm Ld cũng được nạp với cực tính dương

ở phía trên T1 sẽ tiếp tục dẫn mặc dù lúc này điện áp của pha

Ua không phải là dương nhất so với hai pha còn lại Và D3 đã mở

tự nhiên tại thời điểm 1 vì tuân theo luật dẫn của nhóm van đấuanot chung (Van có khả năng dẫn là van có điện thế catốt âmnhất trong nhóm, nhưng nó chỉ dẫn được nếu điện thế này âmhơn điện thế điểm anôt chung) và đồng thời điện áp đặt lêncatot của D3 là âm nhất (Uc) nên D3 sẽ dẫn từ thời điểm 1 đến

3

Xét tại thời điểm 3 Lúc này, van T1 vẫn tiếp tục dẫn mặc

dù điện áp của pha Ua không phải là dương nhất và dẫn cho đếnkhi góc điều khiển  = 90 độ đồng thời điện áp của pha Ua là

âm nhất nên lúc này D3 bị khóa và D1 (3 đến 5) mở tự nhiên Khi

đó trong mạch sẽ xuất hiện các giai đoạn hai van mắc thẳnghàng dẫn đồng thời:

θ1÷θ2:T3Đ3 dẫn;

θ3÷ θ4:T1Đ1 dẫn;

θ5÷ θ6:T2Đ2 dẫn;

Và trong các giai đoạn này điện áp Ud = 0 vì góc điều khiển

 =90 độ (áp dụng công thức Ud = Ud0.cos với cos = 0) Vàdòng điện id chảy quẩn trong mạch mà không thể trả về nguồnnên năng lượng được giữ lại ở tải

Trong giai đoạn 3 đến 4, cuộn cảm Ld phóng điện với cực

tính dương ở phía dưới theo chiều:

(+)  Rd  D1  T1  (-)

6

* Trong giai đoạn này, T 1 dẫn được là nhờ vào cuộn cảm L d phóng năng lượng.

Xét tại thời điểm 4:

Khi đưa xung kích mở vào thì làm cho T1 bị khóa và T2 bắtđầu dẫn, dòng điện đi theo chiều:

Ub  T2  Ld  Rd  D1  Ua

Đồng thời lặp lại việc nạp điện cho cuộn cảm Ld với cựctính dương ở phía trên

Tại thời điểm 4 đến 6 thì T2 dẫn và thời điểm 3 đến 5 thì

D1 dẫn, tại thời điểm 5 đến 6 thì T2 và D2 dẫn đồng thời

Đối với T3 và D3 thì ta cũng giải thích tương tự như trên

Dưới đây là chiều của dòng điện trong các giai đoạn :

Trước thời điểm 1 : Uc  T3  Ld  Rd  D2  Ub

3 Giới thiệu các van được sử dụng.

Trong mạch chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển người ta

sử dụng hai loại van:

Đặc tính V-A ngõ ra: quan hệ giữa điện áp và dòng điện đi

qua hai cực anốt, catốt Đặc tính ngõ vào quan hệ giữa điện áp

và dòng cổng G (cổng điều khiển)

Đặc tính V -A ngõ ra gồm 3 nhánh:

+ Nhánh thuận (1): Thyristo ở trạng thái dẫn điện Độ sụt

áp giữa anốt – catốt nhỏ không đáng kể

+ Nhánh nghịch (3): ứng với trạng thái nghịch tương tự

như điốt

+ Nhánh khóa (2): ứng với trạng thái khóa Nếu dòng iG =

0 thì dạng nhánh khóa tương tự như nhánh nghịch Thay vì điệntrở rR thì ở đây là điện trở rD (differential block resistance).Tương tự ta có điện áp đóng uBO thay vì uBR Khi điện áp đạtđến giá trị uBO, Tiristo không bị phá hỏng mà sẽ bị đóng(chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái dẫn điện) Khi iGthay đổi, tùy thuộc vào độ lớn của iG mà giá trị của điện thếkhóa thay đổi theo (điện thế khóa giảm khi iG tăng) Hiện tượngTiristo dẫn điện do tác dụng điện áp vượt quá uBO (iG=0) là sự

cố gây ra do quá điện áp xuất hiện trên lưới

- Nhánh thuận: tương ứng với trạng thái dẫn điện Các

thông số quan trọng của nó là điện áp u(TO) (turn on) và điệntrở rF (differential forward resistance) được xác định tại mộtđiểm tĩnh nào đó của đặc tính

F F F

du r di



- Nhánh nghịch: tương ứng với trạng thái nghịch, Điốt

không dẫn điện Các thông số quan trọng của nó là điện trở rR(differential reverse resistance) xác định tại một điểm nào đócủa đặc tính V-A

R R R

du r di



và điện áp đánh thủng ở chiều nghịch u(Br) (Breaking) Sau khi điện áp vượt qua giá trị u(Br) thì giá trị uR giảm đi rất nhiều lần Giá trị dòng sau đó sẽ phụ thuộc chủ yếu vào điện áp

và điện trở mạch có chứa Điốt trong đó Nếu như dòng tăng quálớn Điốt sẽ bị hỏng

Trong mạch chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển, để

mở được van thyristor ta cần phải có hai điều kiện trên Tuy nhiên ta có thể điều chỉnh thời gian mở van bằng việc thay đổi góc điều khiển .

- Van diode : Để mở van diode, ta chỉ cần một điều kiện là

+ Đối với nhóm van diode đấu catot chung thì van có khảnăng dẫn là van có điện thế anot dương nhất trong nhóm,nhưng nó chỉ dẫn được nếu điện thế này dương hơn điện thếđiểm catot chung.

+ Đối với nhóm van diode đấu anot chung thì van có khảnăng dẫn là van có điện thế catot âm nhất trong nhóm, nhưng

nó chỉ dẫn được nếu điện thế này âm hơn điện thế điểm anotchung

Trong mạch chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển trong đồ án trên, vì mạch sử dụng nhóm van diode đấu anot chung nên nhóm van này chỉ mở tự nhiên khi có điện áp đặt lên catot của diode tương ứng là âm nhất.

3.3 Ưu, nhược điểm, công dụng.

- Đối với van thyristor:

+ Ưu điểm:

 Có thể điều khiển được thời điểm mở thyristor theo ýmuốn

 Thay đổi được điện áp cấp cho tải nhờ góc điều khiển

 theo công thức Ud = Ud0.cos

 Điện áp lấy ra không phụ thuộc vào sơ đồ mạch van

và điện áp nguồn U2.+ Nhược điểm:

 Tốc độ chuyển mạch chậm

 Tần số làm việc tương đối thấp

 Có hiện tượng quá nhiệt

+ Công dụng:

- Đối với van diode:

 Tốc độ chuyển mạch nhanh.

 Không bị quá nhiệt

 Tiêu hao công suất của nguồn thấp

 Có khả năng chịu được điện áp và dòng điện rất lớntrong thời gian dài

4 Tính toán, thiết kế sơ đồ mạch.

Mạch chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển được thiết kế từhai nhóm van là nhóm van thyristor đấu catot chung và nhómvan diode đấu anot chung Các van thyristor và diode tương ứngđược mắc thẳng hàng với nhau

Nguồn vào là nguồn ba pha Ua,Ub,Uc mỗi một pha đượcmắc với cặp thyristor và diode tương ứng Ngoài ra, ta còn phảimắc thêm cuộn cảm Ld và điện trở Rd

Ua Ub Uc

12

L d

Rd

D2 D3

T2 T3

Quy luật điện áp U dα có thể suy ra từ lý luận mạch cầu tươngđương hai mạch chỉnh lưu hình tia nối tiếp:

Chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển gồm Tl, T2, T3 cho điệnáp:

Udα = Ud0 tia.cosα =1,17U2cosα

Chỉnh lưu hình tia ba pha không điều khiển gồm Đ1 , Đ2 , Đ3cho điện áp:

Ud0 = Ud0 tia =1,17U2Vậy tổng lại :

Udα = Ud0 tia.cosα = Ud0 tia(1+cosα)= 1,17U2 (1+cosα)

Vì chỉnh lưu cầu có Ud0 = 2Ud0 tia = 2,34U2 nên quy đổi biểu

thức trên sang dạng cầu ta có:

Chương II Tính toán thiết kế mạch lực

1 Sơ đồ mạch lực của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển do nhóm thiết kế bao gồm các thành phần:

+ Mạch nguồn

+ Mạch công suất

+ Mạch bảo vệ

a) Mạch nguồn:

- Cấu tạo

+ Nguồn điện xoay chiều 3 pha, mỗi pha lệch nhau 120o; Uv =220v;

+ Máy biến áp 3 pha mắc hình sao với:

Số vòng dây quận sơ cấp: NpSố vòng dây quận thứ cấp: Ns

- Chức năng: cung cấp nguồn điện xoay chiều 3 pha với điện áp theoyêu cầu đến mạch công suất

b) Mạch công suất:

+ Gồm 1 điện trở và 1 tụ điện được mắc nối tiếp; mạch này được mắcsong song với tải.

+ Chức năng: tiếp nhận công suất phản kháng từ tải về nguồn, bảo vệcác linh kiện và nguồn

2 Tính toán các thông số

- Các thông số đã biết:

+ Điện áp đầu vào cuộn sơ cấp Up =Uv= 220V

+ Điện áp trên mạch công suất Udα=9VV

+ Chọn góc mở của Thysistor α= 9V0o

+ Chọn tải Rd=12Ω và Ld=0,1H

- Với mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển, ta có:

= 143 5

Ta chọn số vòng dây của cuộn sơ cấp: N1 = 143 vòng

số vòng dây của cuộn thứ cấp: N2 = 5 vòng

3 Kết luận

 Mạch lực cần thiết kế có các phần tử:

- Nguồn đầu vào là nguồn xoay chiều 3 pha có điện áp Uv=220V

- Máy biến áp nối hình sao 3 pha có Np=143; Ns=5

- Các Thysistor

- Xung mở của Thysistor có góc mở α= 9V0o; độ rộng xung Tx=120o

- Tải: Rd=12Ω và Ld=0,1H

- Mạch RC bảo vệ có Rbv= 100Ω; C= 100µF

 Cách nối dây:

-Nguồn đầu vào xoay chiều 3 pha được nối với cuộn sơ cấp của máy biếnáp 3 pha mắc hình sao;

- Cuộn sơ cấp của máy biến áp được nối với cực anot của Thyristor

T1,2,3;

- Tải được mắc song song với Thyristor và Diode;

- Xung điều khiển mở từ các bộ điều khiển được nối với cực điều khiển

Chương III Thiết kế mạch điều khiển

1 Giới thiệu trung về mạch điều khiển

Nhiệm vụ: Mạch điều khiển có nhiêm vụ xác định thời điểm mở và khóavan bán dẫn trong một chu kỳ chuyển mạch

- Nhiệm vụ của từng khâu:

+Khâu tạo tần số; có nhiệm vụ tạo điện áp tưa răng cưa (điện áp đồngpha) Uđp với tần số theo ý muốn người thiết kế Tần số này lớn hay bé là do khảnăng chịu tần số của van bán dẫn

+ Khâu so sánh: có nhiệm vụ xác định thời điểm điện áp tựa bằngđiện áp điều khiển Tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển thì phátlệnh mở hoặc khóa van bán dẫn

+ Khâu tạo xung, khuếch đại: có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mởvan bán dẫn Một xung được coi là phù hợp để mở van là xung có đủ côngsuất (đủ dòng điện và điện áp điều khiển), cách ly giữa mạch điều khiển vớimạch động lực được sử dụng

Theo sơ đồ khối trên ta có 2 điện áp :

- Điên áp đồng bộ ur vượt trước uAK một góc π2

- Điên áp điều khiển uc là điên áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ theo

2 hướng (dương và âm)

16

- Trên hình vẽ, đường nét đứt là điên áp anôt –catôt Thyristor Từ điên áp nàyngười ta tạo ra ur

- Tổng đại số ur + uc được đưa tới đầu vào của khâu so sánh

- Khi ur + uc = 0 ta nhận đc 1 xung đầu ra ở khâu so sánh

uc + Bcosα = 0 do đó α = -arccos = (-uc/B)

- Người ta lấy B = Ucmax nên

+ khi uc = 0 thì α = π2

+ khi uc = Ucmax thì α = π

+ khi uc = -Ucmax thì α = 0

- Như vậy khi uc biến thiên tư –Ucmax đến Ucmax thi α biến thiên từ 0 đến π

2 Thiết kế mạch điều khiển

Mạch điều khiển do nhóm thiết kế gồm 3 khâu :

+ Khâu cảm ứng-khuếch đại+ Khâu so sánh

+ Khâu khuếch đại

a) Khâu cảm ứng-khuếch đại:

Khâu cảm ứng dùng phần tử cảm ứng điện áp Voltage Sensor

-Cấu tạo gồm 1 ngõ vào âm và 1 ngõ vào dương

-Nguyên lý hoạt động: Khi điện áp ngõ vào của Sensor có sự thay đổi sẽ xuất hiện tín hiệu đầu ra Tín hiệu đầu ra khuếch đại lên so với tín hiệu đầu vào G0 lần Dùng để cảm ứng khi có dòng điện dương cấp tới Thyristor để nó có khả năng mở tự nhiên nhưng chưa dẫn, nó chỉ dẫn khi

-Cực + và – của cảm biến lần lượt nối với anốt và catốt của Thyristor.

-Sơ đồ đấu nối:

-Đồ thị điện áp:

b) Khâu so sánh (Sử dụng IC KĐTT)-Tạo tín hiệu đồng bộ:

 Mạch so sánh dùng KĐTT:

Ed là điện thế khác nhau giữa 2 ngõ vào và được định nghĩa :

Ed = (điện thế ngõ vào dương (+) – điện thế ngõ vào âm (-))

Do mạch không có hồi tiếp âm nên:

VOut=A(V1-V2) = A.Ed ; Với Ed=(V1-V2)

Trong đó A là độ lợi vòng hở của op-amp

Vì A rất lớn nên theo công thức trên VOut rất lớn

Khi Ed nhỏ, VOut được xác định Khi Ed vượt quá một trị số nào đó thì VOut đạt đến trị

số bão hòa và được gọi là VSat Trị số của Ed tùy thuộc vào mỗi op-amp và có

trị số vào khoảng vài chục μV.V.

- Khi Ed âm, mạch đảo pha nên VOut =-VSat

- Khi Ed dương, tức V1>V2 thì VOut =+VSat

Ðiện thế ngõ ra bão hòa thường nhỏ hơn điện thế nguồn từ 1 volt đến 2 volt Ðể

ý là

|+VSat| có thể khác |-VSat|

Như vậy ta thấy điện thế Ed tối đa là:

 So sánh mức zerô không đảo:

Điện thế ngõ vào (-) được dùng làm điện thế chuẩn và Ei là điện thế muốn đem

so sánh với điện thế chuẩn, Ei được đưa vào ngõ vào (+)

-Khi Ei> Vref =0 thì Vout=+Vsat

Khi Ei< Vref =0 thì Vout=-Vsat

Thí dụ khi Ei có dạng tam giác thì dạng sóng ngõ ra Vout có dạng như hình sau:

 Ứng dụng trong khâu so sánh của bộ điều khiển

+ Sơ đồ mạch:

+ Đồ thị điện áp vào-ra:

 Ei là điện áp đầu ra khâu cảm biến nối với cực P của KĐTT Cực N của KĐTT nối đât Ei sẽ được so sánh với 0

 Ur là đầu ra khâu so sánh, được đưa đến khâu tạo xung

+Khi Ei>0, Ud>0, đầu ra có điện áp Ur=const>0

+Khi Ei<=0,Ud=0, do đó đầu ra Ur=0

20

Ei

t0

Ur

c) Khâu tạo xung điều khiển góc mở

Khái quát phần tử điều khiển pha:

-Sync(synchronization): tín hiệu xung đồng bộ

-Alpha: giá trị góc α kích mở Thyristor

-Enable: Tín hiệu cho phép

-Đầu ra nối với cực điều khiển Thyristor

- Bộ điều khiển góc mở alpha được xác định bằng các yếu tố: tín hiệuxung đồng bộ; tín hiệu cho phép; góc mở α; độ rộng xung mở và tần số mở

- Để điểu khiển góc mở α của Thyristor, ta đưa vào bộ điều khiển 1 Uđb códạng xung vuông từ bộ so sánh

- Tín hiệu cho phép là xung step

- Góc mở α=9V00 của Thyristor được lấy từ nguồn áp 1 chiều có Um=9V0o

- Độ rộng xung và tần số mở được nhập trực tiếp vào bộ điều khiển góc