Thiết kế mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha có điều khiển

Thiết kế mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha có điều khiển, tài liệu đơn giản dễ hiểu cho những sinh viên năm đầu Thiết kế mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha có điều khiển, tài liệu đơn giản dễ hiểu cho những sinh viên năm đầu

M c l c ục lục ục lục

Lời mở đầu 2

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ CHỈNH LƯU 3

1.1 Các vấn đề cơ bản về chỉnh lưu 3

1.1.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu 3

1.1.2 Phân loại 3

1.1.3 Các tham số cơ bản của mạch chỉnh lưu 4

1.1.4 Luật dẫn của van 5

1.2 Các mạch chỉnh lưu 5

1.2.1 Tia 2 pha 6

1.2.2 Cầu 1 pha 8

1.2.3 Tia 3 pha 11

1.2.4 Cầu 3 pha 13

1.2.5 Chỉnh lưu bán điều khiển 15

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CHỌN LỰA MẠCH VAN 21

2.1 Tính toán thông số cơ bản 21

2.2 Tính chọn van mạch lực 22

2.3 Van được chọn cho mạch lực 22

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU TIA 3 PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN 23

3.1 Mô phỏng 23

3.2 Mạch lực 24

3.3 Khối hiển thị 24

Lời kết 27

Tài liệu tham khảo 28

Lời mở đầu

Việt Nam là một quốc gia đang trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóamạnh mẽ để phát triển Để đáp ứng cho chu trình đó, không thể không phát triểncác thiết bị điện, điện tử phục vụ cho hầu hết các ngành công nghiệp Hiểu được

cơ chế hoạt động và cách vận hành, sửa chữa thiết bị là đòi hỏi tối thiểu với mọi

kỹ sư điện

Điện – điện tử là một chuyên ngành phức tạp, bao gồm rất nhiều vấn đề,quy tắc nghiêm ngặt cần nhớ và tuân theo Nếu không khả năng làm hư hỏngthiệt bị, thậm chí thiệt hại về con người là rất cao.Chỉnh lưu là vấn đề cơ bản củacác hệ thống điện tự động Chính vì lý do này em đã chọn đề tài: “ Thiết kếmạch chỉnh lưu hình tia 3 pha có điều khiển” để cùng mọi người hiểu rõ hơn vềchỉnh lưu nói chung, và mạch chỉnh lưu hình tia nói riêng

Nội dung của tài liệu gồm 3 chương:

- Chương 1: Khái quát các vấn đề về chỉnh lưu

- Chương 2: Tính toán chọn van mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển

- Chương 3: Mô phỏng mạch chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ

CHỈNH LƯU1.1 Các vấn đề cơ bản về chỉnh lưu

1.1.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu

Chỉnh lưu là một thiết bị điện tử công suất được sử dụng để biến đổi nănglượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều Ta có sơ đồ cấutrúc thường gặp:

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu

Chức năng của các khối:

a) Khối biến áp: dùng để điều chỉnh điện áp từ lưới thành điện

áp phù hợp cấp cho tải Và biến đổi số pha của lười nguồi sang số phatheo yêu cầu của mạch van Đồng thời còn có chức năng bảo vệ tải khi cóbất kì sự thay đổi ở lưới cũng không ảnh hưởng đến tải

b) Mạch van là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cáchnào đó để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu

c) Lọc san phẳng nhằm đảm bảo điện áp hay dòng điện mộtchiều cấp ra tải là bằng phẳng theo yêu cầu

d) Mạch điều khiển (MĐK) Khi mạch van sử dụng van điềukhiển được sẽ có mạch này để điều khiển van dẫn dòng nhằm khống chếnăng lượng ra tải

e) Khâu hỗ trợ (KHT) gồm các mạch theo dõi và đảm bảo mạchchỉnh lưu hoạt động bình thường Thường là các thiết bị phản hồi giúpngười vận hành biết mạch chỉnh lưu đang hoạt động thế nào để điềuchỉnh

1.1.2 Phân loại

Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau:

1 Theo số pha nguồn cấp cho mạch van: 1 pha , 2 pha , 3 pha, 6 pha , v.v

2 Theo loại van bán dẫn:

Mạch toàn điôt là chỉnh lưu không điều khiển

Mạch toàn tiristo là chỉnh lưu có điều khiển

Mạch gồm cả điôt và tiristo là chỉnh lưu bán điều khiển

3 Phân loại theo sơ đồ mắc van:

Sơ đồ hình tia : thì số van bằng số pha nguồn cấp

Sơ đồ hình cầu: thì số van bằng 2 lần số pha nguồn cấp

1.1.3 Các tham số cơ bản của mạch chỉnh lưu.

I tbv - là giá trị trung bình của dòng điện chảy qua 1 van của mạch van

U ng max – điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc

Đây là 2 tham số giúp ta chọn van cho mạch van

Các giá trị U1, I1,U 2i , I 2 i tính theo giá trị hiệu dụng

Ta còn 1 tham số đánh giá sự bằng phẳng của điện áp 1 chiều nhận được,gọi là hệ số đập mạch k đm:

k đm=U 1m

Trong đó:

U 1 m là biên độ sóng hài bậc 1 theo khai triển Fourier của điện áp chỉnh lưu

và U0 là thành phần cơ bản cũng theo khai triển này , U0 cũng chính là giá trịtrung bình của điện áp chỉnh lưu, U0=U d

Hiệu suất của bộ chỉnh lưu : ¿P d

P v -P d công suất nhận được phía 1 chiều, P v

công suất tiêu thụ lấy từ nguồn xoay chiều

1.1.4 Luật dẫn của van

a) Nhóm van đấu catot chung:

Van có khả năng dẫn là van có thế a nốt là dương nhất trong số cac van cócatot chung và chỉ dẫn khi thế a nốt dương hơn thế ở catot chung

b) Nhóm van đấu a nốt chung:

Van có khả năng dẫn là van có thế ở catot là âm nhất trong số các van có anốt chung và chỉ dẫn khi thế ở catot âm hơn thế ở a nốt chung

1.2 Các mạch chỉnh lưu

Tải thực hiện là tải RL và coi nguồn có thành phần điện cảm L a Khi cóthành phần điện cảm L thì dạng dòng điện sẽ khác với điện áp ra do tính chấtcủa điện cảm L chống lại sự biến thiên của nguồn sinh ra nó Nên dòng điện I sẽbiến thiên chậm pha hơn so với điện áp nguồn 1 góc:

R d – dòng điện qua tải

X a=ω L a – thành phần điện cảm của nguồn xoay chiều

m – số pha nguồn cấp cho mạch van

Góc trùng dẫn  (tại đó thì có hiên tượng cả 2 van cùng dẫn):

Hình 1.2.1 Sơ đồ mạch van tia 2 pha tải RL

2 Biểu thức điện áp nguồn:

´

u2=√2 U2sin ⁡(θ)

u ' '2√2U2sin ⁡(θ−180 °)

3 Đồ thị:

Hình 1.2.2 Đồ thị điện áp nguồn, sau chỉnh lưu và dòng điện sau chỉnh lưu

Theo sơ đồ mạch van và đồ thị ta có:

Trong khảng từ : thì T1 được phát xung dẫn với điện áp u´2, T2 đangdẫn với điện áp u ' '2=> xảy ra hiện tượng trùng dẫn

Trong khoảng từ : T1 dẫn với điện áp u´2

Trong khoảng từ (+): T2 được phát xung dẫn với điện ápu ' '2, T1đang dẫn với điện áp u´2 => xảy ra hiện tượng trùng dẫn

Trong khảng từ (++)2: T2 dẫn với điện áp u ' '2

e

−θ−(π +α) Q

Với  được tính theo biểu thức:

sin (α +−φ )=sin ⁡(α−φ)e

ứng với 1 tải và góc điều khiển xác định

Giá trị điện áp ngược cực đại: U ng m ax=2√2 U2 1.1.16

Dòng trung bình qua van I tbv=I d

1.2.2 Cầu 1 pha

1 Sơ đồ mạch van:

Hình 1.2.3 Sơ đồ mạch van cầu 1 pha tải RL

2 Biểu thức điện áp nguồn:

u2 =√2 U2sin ⁡(θ)

3 Đồ thị:

Hình 1.2.4 đồ thị điện áp nguồn và sau chỉnh lưu, dòng điện sau chỉnh lưu

Về quy luật điều chỉnh ta có:

Trong khảng từ : thì T1,T2 được phát xung dẫn với điện áp(+ u2¿,T3,T4 đang dẫn với điện áp (−u2) => xảy ra hiện tượng trùng dẫn

Trong khoảng từ : T1,T2 dẫn với điện áp (+ u2¿

Trong khoảng từ (+): T3,T4 được phát xung dẫn với điện áp(−u2 ) ,T1,T2 đang dẫn với điện áp (+ u2¿ => xảy ra hiện tượng trùng dẫn

Trong khảng từ (++)2: T3,T4 dẫn với điện áp (−u2)

Các biểu thức tính cũng tương tự như mạch chỉnh lưu hình tia 2 pha ta có:

e

−θ−(π +α) Q

sin (α +−φ )=sin ⁡(α−φ)e

ứng với 1 tải và góc điều khiển xác định

Giá trị điện áp ngược cực đại: U ng max=√2 U2 1.1.26

Dòng trung bình qua van I tbv=I d

2 Biểu thức điện áp nguồn:

Nếu  < α gh ta có chế độ dòng liên tục Nghĩa là khi dòng qua van này chưa

về 0 thì van được phát xung dẫn ngay Có ảnh hưởng của điện cảm phía nguồnxoay chiều L a nên xảy ra hiện tượng trung dẫn trong khoảng 

Nếu  > α gh ta có chế độ dòng gián đoạn Nghĩa là dòng i d có những đoạnbằng không Điện áp U d cũng có những khoảng gián đoạn nên không có trungdẫn

Nếu  = α gh ta có chế độ dòng giới hạn Nghĩa là khi dòng quan van nàyvừa về 0 thì van kia được phát xung dẫn ngay Có ảnh hưởng của điện cảm phíanguồn xoay chiều L a nên xảy ra hiện tượng trung dẫn trong khoảng 

Điện áp ngược max:

Hình 1.2.7 Sơ đồ mạch van cầu 3 pha tải RL

2 Biểu thức điện áp nguồn:

u a=√2U2sin (θ)

u b=√2U2sin (θ−120 °)

u c=√2 U2sin ⁡(θ−240 °)

Mạch này không cần sử dụng biến áp mà có thể đấu trục tiếp vào lưới điện

3 pha Điểm mốc để tính góc điều khiển là điểm giao nhau của các điện áp phanguồn khi chúng ở nửa chu kỳ dương và nửa chu kỳ âm

3 Đồ thị:

Hình 1.2.8 đồ thị điện áp nguồn và sau chỉnh lưu, dòng điện sau chỉnh lưu

Có thể coi quy luật dẫn của mạch chỉnh lưu cầu giống với chỉnh lưu hìnhtia 3 pha chỉ khác lúc này ta có 2 mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha dẫn cho mỗi nửa

chu kỳ của điện áp nguồn Sụt áp gấp đôi so mới chỉnh lưu hình tia do có 2 vancùng tham gia dẫn dòng ra tải.

Góc điểu khiển giới hạn:

Điện áp ngược max:

U ng max=U dây max=√6 U2 1.2.7

Hình 1.2.9 sơ đồ mạch van bán điều khiển với tiristo mắc catot chung, tảiRL

Trong khoảng  + (+) : T1Đ1 dẫn, ở  là điểm mở tự nhiên của

Đ1 làm Đ2 khóa ngay => bị ngắn mạch tải

Trong khoảng +  2: T2Đ1 dẫn, T2 dẫn thì T1 khóa ngay

Trong khoảng 2  2+: T2Đ2 dẫn, Đ2 dẫn thì làm cho Đ1 khóangay => ngắn mạch tải

Như vậy thì dòng i d vẫn liên tục, dòng i2 bị đứt đoạn do dòng tải i d chảyquẩn qua 2 van thẳng hàng, không về nguồn => có lợi về mặt năng lượng vìnăng lượng không bị trả về nguồn

Dạng điện áp U d giống chỉnh lưu chỉnh lưu điều khiển với tải thuần trở:

2 Chỉnh lưu bán điều khiển mắc tiriso thẳng hàng

Hình 1.2.11 sơ đồ mạch van bán điều khiển mắc tiriso thẳng hàng tải RL

Hình 1.2.12 đồ thị dòng điện và điện áp

Theo sơ đồ mạch van ta thấy Đ1 mở khi u2 bắt đầu âm, Đ2 mở khi u2 bắt đầudương Tuy nhiên Đ1 dẫn thì T1 khóa và ngược lại, Đ2 dẫn thì T2 khóa và ngượclại Ta có quy luật dẫn van như sau:

Trong khoảng    : T1Đ2 dẫn

Trong khoảng  + (+) : T1Đ1 dẫn, ở  là điểm mở tự nhiên của

Đ1 làm T1 khóa ngay,T2 chưa mở nên Đ2 chưa khóa => bị ngắn mạch tải

Trong khoảng +  2: T2Đ1 dẫn, T2 dẫn thì Đ2 khóa ngay

Trong khoảng 2  2+: Đ1Đ2 dẫn, Đ2 dẫn thì làm cho T2 khóangay, T1 chưa mở nên Đ1 chưa khóa => ngắn mạch tải

Ta vẫn có những đoạn u d=0 nên ta có biểu thức U d giống như trên:

Tuy nhiên van dẫn không đều nhau ta có:

Tirsistor dẫn trong khoảng ( - )

Điot dẫn trong khoảng ( + )

Do đó ta có dòng trung bình qua van:

Hình 1.2.13 sơ đồ mạch van bán điều khiển cầu 3 pha

Khi làm việc các điot chuyển mạch tự nhiên còn tirsistor chuyển mạch tạigóc điều khiển  Khi  < 60, điện áp u d luôn lớn hơn 0 Nhưng khi  > 60 sẽxuất hiện các giai đoạn hai van mắc thẳng hàng dẫn đồng thời:

Quy luật điện áp U dα có thể suy ra từ lý luận mạch cầu tương đương với 2mạch chỉnh lưu hình tia nối tiếp:

Chỉnh lưu hình tia 3 pha điều khiển:

U dα=U d 0.tia cosα=1,17 U2cosα

Chỉnh lưu hình tia 3 pha không điều khiển:

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CHỌN LỰA MẠCH VAN

Tính toán thông số cơ bản và tính chọn van mạch lực

Yêu cầu: thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha tải RL, với Ud=110VDC,

c) góc điều khiển thyristor

điện áp công nghiệp thường rơi vào khoảng 220/380V, tần số lưới 60Hz Theo yêu cầu thiết kế ta có:

50-U d=U d 0 cosα

Với U d 0=1,17 U2 ( U2 là giá trị hiệu dụng của điện áp nguồn )

- Nếu điện áp nguồn U2 = 380V:

2.2 Tính chọn van mạch lực

a) Dòng điện lớn nhất chảy qua van:

Theo yêu cầu thiết kế, dòng điện trung bình qua van:

b) Điện áp đặt lên van

Ta có điện áp lớn nhất đặt lên van theo sơ đồ tia 3 pha:

U v>K Uv∗U ng max=K Uv∗√6 U2

KUv : hệ số dự trữ về điện áp cho van, ở đây ta chọn KUv = 2

- Nếu điện áp lưới xoay chiều là 220  240 V:

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU TIA 3 PHA CÓ

ĐIỀU KHIỂN

3.1 Mô phỏng

3.2 Mạch lực

3.3 Khối hiển thị

Hiển thị Iabc

Lời kết

Em xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Đặng Hồng Hải đã tận tình giúp đỡ,hướng dẫn chúng em qua các buổi học trên lớp.Nếu không có sự giúp đỡ củathầy thì bài tập của em rất khó có thể hoàn thành được Một lần nữa, em xinchân thành cảm ơn thầy

Tài liệu được thực hiện trong khoảng thời gian gần 3 tuần Lần đầu thựchiện nên còn bỡ ngỡ, dù đã rất cố gắng nhưng cũng không thể tránh khỏi sai sótcòn tồn tại Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý giá của thầy vàcác bạn trong lớp để kiến thức của em trong lĩnh vực này ngày càng hoàn thiệnhơn

Tài liệu tham khảo

- Điện tử công suất ( NXB khoa học và kỹ thuật )

- Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất ( NXB khoa học và kỹ thuật )