THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠCH KÍCH THYRISTOR TRONG THIẾT BỊ CHỈNH LƯU

Header Page of 126 Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG…………… LUẬN VĂN THIẾT KẾ MƠ HÌNH MẠCH KÍCH THYRISTOR TRONG THIẾT BỊ CHỈNH LƯU Footer Page of 126.GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang Header Page of 126 Luận văn tốt ngiệp PHẦN B SVTH Nguyễn Văn Hiền NỘI DUNG Chương GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ THYRISTOR I - Cấu tạo – Ngun lý làm việc Thyristor - Cấu tạo Thyristor gọi SCR (Sillcon – Controlled – Rectifier) loại linh kiện lớp P – N đặt xen kẽ Để tiện việc phân tích lớp bán dẫn người ta đặt P1, N1, P2, N2, lớp bán dẫn hình thành chuyển tiếp từ xuống J1, J2, J3 Sơ đồ cấu trúc, ký hiệu, sơ đồ tương đương cấu tạo thyristor trình bày H1 H.I.1a H.I.1b H.I.1c H.I.1d A : Anốt K : catốt G : Cực điều khiển J1, J3 : Mặt tiếp giáp phát điện tích J2 : Mặt tiếp giáp trung gian H.I.1a : Sơ đồ ký hiệu SCR H.I.1b : Sơ đồ cấu trúc bốn lớp SCR H.I.1c : Sơ đồ mơ tả cấu tạo SCR H.I.1d : Sơ đồ tương đương SCR Ngun lý làm việc thyristor: Có thể mơ Thyristor hai transistor Q1, Q2 H.I.1d Transistor Q ghép kiểu PNP, Q2 kiểu NPN Gọi 1, 2 hệ số truyền điện tích Q1và Q2 Khi đặt điện áp U lên hai đầu A &K Thyristor, mặt tiếp giáp J1 & J3 chuyển dịch thuận, mặt tiếp giáp J2 chuyển dịch ngược ( J2 mặt tiếp giáp chung Q1 & Q ) Do dòng chảy qua J2 IJ2 IJ2 = 1 Ie1 + 2Ie2 + Io I0 : Là dòng điện rò qua J2 Footer Page of 126.GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang Header Page of 126 Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền Nhưng Q1 & Q2 ghép thành tổng thể ta có: Ie1 = Ie2 = IJ2 = I Do IJ2 = I = 1 I + 2 I + Io Suy => I = Io / [1-( 1 + 2 )] (1) Do J2 chuyển dịch ngược nên hạn chế dòng chảy qua nó, dẫn đến 1, 2 điều có giá trị nhỏ, I  Io, hai transistor trạng thái ngắt Từ biểu thức (1) ta thấy dòng điện chảy qua Thyristor phụ thuộc vào hệ số truyền điện tích 1 & 2 Mối quan hệ  dòng emiter trình bày H.I.2 Như 1 + 2 tăng dần đến I tăng nhanh Theo sơ đồ tương đương SCR H.I.1d ta giải thích sau: - Dòng IC1 chảy vào cực B Q2 làm cho  Q2 dẫn IC2 tăng, tức IB1 tăng (IC2 = IB1) khiến Q1 dẫn mạnh -> IC1 tăng tiếp diễn Hiện tượng gọi hồi tiếp dương dòng, tạo điều kiện làm tăng trưởng nhanh dòng điện chảy qua Thyristor Ie - Dòng Ie1 tăng làm cho 1 tăng (H.I.2), tăng Ie2 làm cho 2 tăng Cuối H.I.2 thưc điều kiện (1 + 2) -> 1, hai transistor chuyển sang trạng thái mở, lúc nội trở A K SCR nhỏ Vậy muốn làm cho Q1, Q từ trạng thái ngắt chuyển sang trạng thái bão hồ (hay muốn mở Thyristor) cần làm tăng IB2 Để làm việc người ta thường cho dòng điều khiển Iđk chảy vào cực cổng Thyristor, theo chiều IB2 H.I.1d Footer Page of 126.GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang Header Page of 126 Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền II Đặc tuyến Volt - Ampere Thyristor: H.I.3 H.I.3 Đặc tuyến Volt - Ampere Thyristor Ith max : Giá trị cực đại dòng thuận U th : Điện áp thuận U ng : Điện áp ngược U dt : Điện áp đánh thủng Ing : Dòng ngược Io : Dòng rò qua Thyristor Idt : Dòng trì u: Điện áp rơi Thyristor Để giải thích ý nghĩa vật lý đường đặc tuyến Volt - Ampere Thyristor, người ta chia làm bốn đoạn đánh số la mã H.I 3b - Đoạn ( I) ứng với trạng thái ngắt Thyristor Trong đoạn (1 + 2 ) < 1, có dòng rò qua Thyristor I  Io, việc tăng giá trị U có ảnh hưởng đến giá trị dòng I Khi U tăng đến giá trị Uch (điện áp chuyển mạch) bắt dầu q trình tăng trưởng nhanh chóng dòng điện,Thyristor chuyển sang trang thái mở -Đoạn (II) ứng với giai đoạn chuyển dịch thuận mặt tiếp giáp J2 (Q1, Q chuyển sang trạng thái bão hồ) Ở giai đoạn này, lượng tăng nhỏ dòng điện ứng với lượng giảm lớn điện áp Đoạn gọi đoạn điện trở âm -Đoạn (III) ứng với trạng thái mở Thyristor Trong đoạn mặt tiếp giáp J1, J2, J3 điều chuyển dịch thuận, giá trị điện áp nhỏ tạo dòng điện lớn Lúc dòng điện thuận bị hạn chế điện trở mạch ngồi, điện áp rơi Thyristor nhỏ Thyristor giữ trạng thái mở chừng dòng Ith lớn dòng trì Idt Footer Page of 126.GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang Header Page of 126 Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền - Đoạn (IV) ứng với trạng thái Thyristor ta đặt điện áp ngược lên (cực dương lên catốt, cực âm lên Anod) Lúc J1, J3 chuyển dịch ngược, J2 chuyển dịch thuận, khả khố J3 yếu nên nhánh ngược đặc tính Volt-Ampere chủ yếu định khả khố mặt tiếp giáp J1, có dạng nhámh ngược đặc tính diod thường Dòng điện Ing có giá trị nhỏ Ing  Io Khi tăng U ng đến giá trị Uđt (điện áp đánh thủng) J1 bị chọc thủng Thyristor bị phá hỏng Vì để tránh hư hỏng cho Thyristor ta khơng nên đặt điện áp ngược có giá trị gần Uđt lên Thyristor Nếu cho giá trị khác dòng điều khiển Iđk nhận họ đường đặc tính Volt-Ampere Thyristor (H.I.4) Đoạn (I) đường đặc tính Volt-Ampere bị rút ngắn lại điện áp Uch nhỏ tăng dần giá trị Uđk Khi dòng điều khiển tương đối lớn Iđk3 (H.I.4) đường đặc tính nắn gần thẳng giống nhánh thuận đặc tính Diod, nói với giá trị Iđk (1 + 2) mặt tiếp giáp J2 chuyển dịch thuận nhanh chóng H.I.4 Footer Page of 126.GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang Header Page of 126 Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền III Các thơng số chủ yếu Thyristor Điện áp thuận cực đại (Uth.max): Là giá trị điện áp lớn đặt lên Thyristor theo chiều thuận mà Thyristor trạng thái mở Nếu vượt q giá trị làm hỏng Thyristor Điện áp ngược cực đại (U ng max): Là điện áp lớn dặt lên Thyristor theo chiều ngược mà Thyristor khơng hỏng Dưới tác động điện áp này, dòng điện ngược có giá trị Ing = (10 - 20)mmA Khi điện áp ngược đặt lên Thyristor lưu ý phải giảm dòng điều khiển (H I 5) Ung Ung.max (10-20)mA Iđk=0 Iđk1=100mA Iđk2=1A Ing Iđk < Iđk1 < Iđk2 H.I.5 Điện áp định mức (Uđm): giá trị điện áp cho phép đặc lên Thyristor theo chiều thuận ngược Thơng thường U đm = 2/3 Uth max Điện áp rơi Thyristor: Là giá trị điện áp Thyristor Thyristor trạng thái mở Điện áp chuyển trạng thái (Uch): Ở giá trị điện áp này, khơng cần có Iđk, Thyristor chuyển sang trạng thái mở Dòng điện định mức (Iđm): Là dòng điện có giá trị trung bình lớn phép chảy qua Thyristor Điện áp dòng điện điều khiển (Uđkmin, Iđkmin): Là giá trị nhỏ điện áp điều khiển đặt vào G - K dòng điện điều khiển đảm bảo mở Thyristor Thời gian mở Thyristor (Ton): Là khoảng thời gian tính từ sườn trước xung điều khiển đến thời điểm dòng điện tăng đến 0,9 Iđm Thời gian khố Thyristor (Toff ): Footer Page of 126.GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang Header Page of 126 Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền Là khoảng thời gian tính từ thời điểm I = đến thời điểm lại xuất điện áp thuận Anod mà Thyristor khơng chuyển sang trạng thái mở 10 Tốc độ tăng điện áp thuận cho phép (du/ dt): Là giá trị lớn tốc độ tăng áp Anod mà Thyristor khơng chuyển từ trạng thái khố sang trạng thái mở 11 Tốc độ tăng dòng thuận cho phép (di/ dt): iá trị lớn tốc độ tăng dòng q trình mở Thyristor IV Mở Thyristor: + Các biện pháp mở Thyristor: a) Nhiệt độ: Nếu nhiệt độ Thyristor tăng cao, số lượng điện tử tự tăng lên, dẫn đến dòng điện rò Io tăng lên Sự tăng dòng làm cho hệ số truyền điện tích 1, 2 tăng Thyristor mở Mở Thyristor phương pháp khơng điều khiển chạy hỗn loạn dòng nhiệt nên thường loại bỏ b ) Điện cao: Nếu phân cực Thyristor điện lớn điện áp đánh thủng U đt Thyristor mở Tuy nhiên phương pháp làm cho Thyristor bị hỏng nên khơng áp dụng c ) Tốc độ tăng điện áp (du/dt): Nếu tốc độ tăng điện áp thuận đặt lên Anod Catot dòng điện tích tụ điện tiếp giáp có khả mở Thyristor Tuy nhiên dòng điện tích lớn phá hỏng Thyristor thiết bị bảo vệ Thơng thường tốc độ tăng điện áp du/dt nhà sản xuất qui định d) Dòng điều khiển cực G Khi Thyristor phân cực thuận ta đưa dòng điều khiển dương đặt vào hai cực G & K Thyristor dẫn, dòng IG tăng Uđt giảm Footer Page of 126.GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang Header Page of 126 Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền V Khố Thyristor: Khố Thyristor tức trả trạng thái ban đầu trước mở với đầy đủ tính chất điều khiển Có hai phuơng pháp khố Thyristor : - Giảm dòng điện thuận cắt nguồn cung cấp - Đặt điện áp ngược lên Thyristor + Q trình khố Thyristor: Khi đặt điện áp ngược lên Thyristor (H.I.7a ) tiếp giáp J1, J3 chuyển dịch ngược, J2 chuyển dịch thuận Do tác dụng điện trường ngồi, lỗ trống lớp P2 chạy qua J3 Catot lớp N1 lổ trống chạy qua J1 Anod tạo nên dòng điện ngược chạy qua tải, giai đoạn từ to -t1 ( H.I.7b ) Khi lỗ trống bị tiêu tán hết J1 & J3 (chủ yếu J1) ngăn cản khơng cho điện tích tiếp tục chảy qua, dòng ngược bắt đầu giảm xuống, từ t1 - t2 gọi thời gian khố Thyristor Thời gian khố thường dài gấp - 10 lần thời gian mở P1J1 N J2P J3 N Ith A Ip In K tm _ U H.I.7a + R Footer Page of 126.GVHD Nguyễn Xuân Khai t0 t1 H.I.7b t2 t Trang Header Page of 126 Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền VI Một số sơ đồ Thyristor: Sơ đồ chủ yếu dùng Thyristor mạch chiều Sau hiểu biết đặc tính Thyristor ta nghiên cưú số sơ đồ chủ yếu để kiểm chứng lại đặc tính phương diện thực hành H.I.9 H I.9 giới thiệu cơng tắc tơ chiều đơn giản dùng để điều khiển bóng đèn 12 Volt,100mmA Nếu cần thiết ta thay tải khác vào vị trí bóng đèn, trường hợp tải cảm kháng cần phải nối song song Diod D1 để tránh cho mạch khỏi cố sức điện động cảm ứng gây Khi đóng cắt mạch Thyristor dùng mạch chịu dòng điện Anod đến 2A đóng (thơng mạch) dòng điện điều khiển bé cỡ vài trăm miliAmpere Dòng điện điều khiển cấp qua điện trở bảo vệ R1 nút ấn S1 Điện trở R2 nối cực khiển Catot dùng để nâng cao độ ổn định mạch điện Khi nhấn S1 mạch đóng điện, Thyristor mở nút S1 hở mạch trì trạng thái mở Muốn cho Thyristor ngưng dẫn ta nhanh chóng đưa dòng điện Anod trở khơng cách nhấn nút S2 Footer Page of 126.GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang Header Page 10 of 126.Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền H.I.10 giới thiệu phương pháp ngắt Thyristor Thực vậy, T trang thái mở, tụ C1 nạp từ nguồn qua điện trở R3 Khi ta ấn S2 lại, cực dương tụ nối mass áp tụ làm cho Anod T trở thành âm, điều gây đảo ngược phân cực T làm cho ngắt Tụ C1 phóng nhanh đủ để giữ cho anod âm vài phần triệu giây, đảm bảo cho T ngưng dẫn Cần ý S2 giữ trạng thái đóng sau dòng tải ngắt, tụ nạp ngược thơng qua tải, cần chọn tụ khơng phân cực tụ Mylar tụ Polyester H.I.11 Một phương pháp khác khố T tụ H.I.11 Ở đây, người ta dùng T2 phụ để thay cho nút ấn H.I.10 Thyristor T1 ngắt cách mở T2 khoảng thời gian ngắn nhờ xung điện điều khiển nhỏ chảy qua nút ấn S2 dòng Anod cấp qua R3 có giá trị nhỏ dòng trì H.I.12 giới thiệu sơ đồ Thyristor nối theo mạch dao động dùng để điều khiển hai bóng đèn riêng biệt LP1 & LP2 Giả sử T1 mở T2 ngắt tụ C1 (loại khơng có cực tính) nạp với cực tính dương phía LP2 Khi ấn S2, mạch chuyển trạng thái, T2 mở tác dụng cực điều khiển T1 bị T2 khố lại tác dụng tụ C1 Đồng thời tụ nạp theo chiều ngược lại Khi tụ nạp đầy, trạng thái mạch thay đổi ta ấn nút S1 T2 ngắt nhờ tụ C1 Trạng thái dao đơng lặp lặp lại Footer Page 10 of 126 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang 10 Header Page 45 of 126.Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền CHƯƠNG IV THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR I Một số u cầu mạch điều khiển: u cầu độ lớn điện áp dòng điều khiển: - Giá trị lớn khơng vượt q trị số cho phép sổ tay tra cứu - Giá trị nhỏ phải đảm bảo mở Thyristor loại điều kiện làm việc - Tổn hao cơng suất trung bình cực khiển phải nhỏ giá trị cho phép u cầu độ rộng xung điều khiển: Dựa vào đặc tính Volt - Ampere Thyristor ta thấy thời gian tồn xung điều khiển phải đảm bảo cho dòng qua Thyristor tăng từ đến Ithmax Thơng thường độ rộng xung điều khiển khơng nhỏ 5Ms Nếu tăng độ rộng xung điều khiển cho phép giảm nhỏ biên độ xung điều khiển u cầu độ dốc sườn trước xung: Độ dốc sườn trước xung cao việc mở Thyristor tốt độ nóng cục Thyristor giảm, mà đặc biệt mạch có nhiều Thyristor mắc nối tiếp song song Thơng thường u cầu độ dốc sườn trước dãy xung điều khiển : diđk/dt >= 0.1 (A/Ms) u cầu độ tin cậy: Mạch điều khiển phải đảm bảo làm việc tin cậy hồn cảnh như: nhiệt độ, nguồn tín hiệu nhiễu tăng v.v… Do u cầu: - Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ để Thyristor khơng tự mở dòng rò tăng - Xung điều khiển phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao động điện áp nguồn, nhiễu … - Cần khử nhiễu cảm ứng (ở khâu so sánh, khối cách ly ngõ ) để tránh mở nhầm u cầu lắp ráp vận hành: - Thiết bị dễ thay thế, dễ lắp ráp điều chỉnh - Các khối mạch có khả làm việc độc lập II Các khối mạch điều khiển Thyristor: Ta có sơ đồ khối sau: Footer Page 45 of 126 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang 45 Header Page 46 of 126.Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền Khối nguồn: có nhiệm vụ cung cấp nguồn lượng cho khối cách ly ngõ lấy từ lưới điện xoay chiều có tần số f = 50 Hz Khối cách ly ngõ vào ra: Hai khối làm nhiệm vụ cách ly mạch điều khiển Thyristor với phần cơng suất mạch chỉnh lưu khơng dòng từ phần cơng suất chảy vào phần điều khiển hay ngược lại Các khối thường sử dụng MBA để cách ly Khối đồng : Có nhiệm vụ tạo đồng tín hiệu, có hai cách đồng chính, là: Đồng Cosin Đồng cưa + Đồng Cosin: Điện áp đưa vào mạch tích phân, làm cho dạng sóng lệch góc 90 o lấy điện áp so sánh với điện áp điều khiển Ta có sơ đồ dồng Cosin H.IV.1a đồ thị điện áp H.IV.1b H.IV.1a H.IV.1b Tạo đồng Cosin khoảng từ đến 180o,Uđk Uđb đơn trị (chỉ cắt điểm) u cầu ứng với giá trị t có giá trị U Phương pháp đơn giản có độ tin cậy khơng cao + Đồng cưa: Footer Page 46 of 126 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang 46 Header Page 47 of 126.Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền Phương pháp đồng cưa dùng mạch chức tạo điện áp cưa để so sánh với điện áp điều chỉnh khối so sánh phía sau Phương pháp dùng rộng rải mạch điều khiển Thyristor Đồng dùng tụ Diod: Ta có sơ đồ ngun lý H.IV.2a đồ thị thời gian H IV.2b H.IV.2a H.IV.2b UAC : điện áp xoay chiều đồng pha với điện áp A-K SCR UDC : Nguồn điện áp chiều UC = U đb : Điện áp đồng lấy - Khi UAC > D 1, D phân cực ngược, tụ C nạp từ nguồn UAC qua R1 - Khi UC = U AC (tại t2) tụ C phóng điện qua D2 R2 - Khi UAC < 0: D1 dẫn, giá trị áp tụ C U AC D1 khố - Khi IAC - IDC = (tại t1) tụ C bắt đầu nạp lặp lại chu kỳ - Góc kích  nằm khoảng t1 đến t2 xác định  = arcsin( UAC(t1)/UACmax)  Ưu điểm: Mạch đơn giản linh kiện, góc điều chỉnh  từ 10ođến 150o  Nhược điểm: Dễ bị sai lệch khó chỉnh định số thời gian nạp tụ xác Cần phải có mạch xác định điểm ban đầu, tổn hao cơng suất lớn - Đồng dùng Tụ - Transistor: Ta có sơ đồ ngun lý H.IV.3a đồ thị điện áp H.IV.3b sau: H.IV.3a H.IV.3b - Khi UAC > : Transistor T1 bị bảo hồ UC = U (U sụt áp T1 ) - Khi UAC < T1 ngắt, tụ C nạp từ nguồn UDC qua R1 R3 - Ta có tnạp = (R1 + R2 ) CLn (1- UC / UDC) Footer Page 47 of 126 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang 47 Header Page 48 of 126.Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền  = ( R1 + R3 ) CLn (1 - U đk / UDC) Chọn R1 >> R3 cho tnạp >> t xã U đk : Điện áp điều khiển  Ưu nhược điểm: + Mạch đơn giản linh kiện, góc  thay đổi đủ rộng, tổn hao cơng suất khơng lớn + Phải chỉnh định số thời gian tụ kênh phức tạp có tượng trơi xung mở theo tần số Khối so sánh: Làm nhiệm vụ so sánh điện áp đồng (răng cưa) với điện áp điều khiển U đk Để so sánh khối dùng mạch khuếch đại thuật tốn Transistor Trong trường hợp transistor điện áp cưa đưa vào cực khiển để so sánh với Uđk cực phát Có linh kiện chun dùng vào chức Transistor tiếp giáp (UJT: the unijunction Transistor), hay transistor tiếp giáp lập trình (PUT) 5.Khối tạo dạng xung: Có nhiệm vụ sửa dạng xung đầu so sánh cho có độ rộng biên độ thích hợp với Thyristor cần kích Có thể chọn dòng kích lớn, điện áp kích nhỏ ngược lại phải đảm bảo cơng suất tiêu tán nhỏ cơng suất cho phép Độ rộng xung định thời gian dòng qua Thyristor đạt đến giá trị dòng cài (tra sổ tay nghiên cưú ứng với loại Thyristor sử dụng ) Trong thực tế mạch tạo xung thường sử dụng mạch vi phân tín hiệu xung vng từ so sánh đưa qua vi phân R-C biến đổi thành gai vi phân có độ rộng cần thiết Sau qua diod chặn thành phần gai âm Ta có mạch tạo xung H.IV.4a giản đồ xung H.IV.4b H.IV.4a H.IV.4b - Gọi tx độ rộng xung : tx =  = C ( R1 // R2 ) - Chọn C = 0.47 - 0.1 MF - Chọn R1 R2 độ rộng xung tx thích hợp III Tính tốn chọn MBA pha: 1.Xác định tiết diện thực lõi sắt ( So): Footer Page 48 of 126 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang 48 Header Page 49 of 126.Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền So = ( 0.9  0.93 ) S (mm2) Với S = a* b, chọn a = 3mm, b = 5mm Suy S = 5*3 = 15 mm Vậy So = 0.9 * 15 = 13.5 ( mm2) Cơng suất dự tính Pdt kích thước mạch từ So Pdt = U I2 Chọn U = 220 V, f = 50 Hz U2 = 15 V, I2 = 1A Vậy Pdt = 15 *1 = 15 (VA ) 2.Tính số vòng dây volt : W B K 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 64 56 50 45 41 Chọn B = 0.7 (Tesla), suy K = 64 Vậy W = 64/13.5 = 4.7 vòng /Volt Chọn W = vòng/ Volt 1.2 37.5 1.3 34.5 1.4 32.4 1.5 30 Xác định số vòng dây cuộn sơ cấp thứ cấp MBA: W1, W2 + Số vòng dây cuộn sơ cấp W1 = W* U = 5*220 =1100 vòng +Số vòng dây cuộn thứ cấp W2 = W (U2 + u2) u2 độ dự trù điện áp tra theo bảng sau: P(VA ) 100 200 300 500 750 1000 1200 1500 >1500 J(A/mm ) 4.5 3.9 2.5 2.5 2.5 2,5 Chọn u2 = 4.5% Vậy W2 = * (15 + 4.5%) = 75.225 vòng Chọn W2 = 100 vòng Xác định tiết diện dây quấn: - Tiết diện dây quấn sơ cấp: S  P  u J ( mm ) Chọn hiệu suất MBA:  = 0.85  0.9 Mật độ dòng J chọn theo đây: P ( VA )  50 50  100 100  200 200  250 500 1000 J ( A /mm ) 3.5 2.5 2 Chọn J = (A / mm ) Vậy S1 = 15 / (0.9*220*4) = 0.019 mm  0.02 (mm2) + Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = I2/J = 1/4 = 0.25 ( mm 2) + Đường kính dây sơ cấp: Footer Page 49 of 126 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang 49 Header Page 50 of 126.Luận văn tốt ngiệp d SVTH Nguyễn Văn Hiền  1.13 S1  1.13 0.02  0.16mm + Đường kính dây thứ cấp: d  1.13 S  1.13 0.25 Kiểm tra khoảng trống chứa dây: - Số vòng dây sơ cấp cho lớp dây: W1lớp Chọn loại dây đồng có tráng ê-may ecd = 0.03  0.08 mm d1cd = d1 + ecd = 0.16 + 0.03 = 0.19 (mm) Chọn L = 50 mm W Vậy 1lop  L d 1  11cd 50   262 ,16 (vong / lop ) 19 Chọn W1lơp = 260 vòng/lớp - Số lớp dây cuộnsơ cấp N lop  W W  lop 1100 260  23 lop Chọn N1lớp = lớp - Bề dày cuộn sơ cấp: 1 =( d 1cd * Nlớp ) + ecd ( N 1lớp - 1) 1 = ( 0.19 * ) + 0.03 (4 - 1) = 0.85 (mm) - Số vòng dây thứ cấp cho lớp dây: d2cd = d2 + ecd = 0.56 + 0.03 = 0.59 mm W2lớp = (L/d 2cd) - = 50 / 0.59 - = 83.7 Vòng / lớp Chọn W2lớp = 85 vòng/lớp - Số lớp dây cuộn thứ cấp: N2lơp = W2 / W2lơp = 100 / 85 = 1,18 (lớp) Chọn N 2lớp = lớp - Bề dày cuộn thứ cấp: 2 = (d 2cd * N2lớp) + ecd (N2lớp -1) 2 = (0.59 * 2) +0.03 ( 2-1) = 1.21(mm) - Bề dày tồn cuộn dây quấn T = (1.1 - 1.25) ( ek + 1 + 2 +12 +en ) chọn ek = 1, e12 = 0.3, en = 0.5 => T = 1.1 ( + 0.85 +3 +0.3 + 1.21 + 0.5 ) = 4.25(mm) IV Tính chọn nguồn chỉnh lưu DC cung cấp cho mạch điều khiển Thyristor: Footer Page 50 of 126 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang 50 Header Page 51 of 126.Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền H.IV.7a H.IV.7b Mạch chỉnh lưu tồn kỳ bốn Diod D 1,D2,D 3,D4,được cung cấp nguồn xoay chiều từ lưới điện 220V có tần số f = 50 Hz, hạ áp xuống phía thứ cấp U2 H.IV.7a + Ngun lý hoạt động mạch: Giả sử bán kỳ đầu dương: Dòng điện từ A qua D1, qua phụ tải R, qua D trở B Vậy bán kỳ D 1,D3 dẫn, D D4 ngắt Bán kỳ sau: Dòng điện từ B qua D2 qua R qua D4 trở A Dạng sóng chỉnh lưu H.IV.7b - Điện áp trung bình tải: u DC  2   u m Sin  t   u m  2  u  9u - Điện áp hiệu dụng tải: V rms 2   m  u Sin  td  t  u m  u - Dòng điện trung bình tải: I DC  u R DC L   u R m  L u R L - Chọn diod cho mạch chỉnh lưu với thơng số sau: + Dòng đỉnh Ip >= Im + Dòng trung bình Iavg >= IDC / + Điện áp ngược đỉnh Ing.max >= Um Do ta chọn bốn Diode loại N4007 + Chọn tụ C = 470MF V Tính chọn máy biến áp xung cho mạch điều khiển: Biến áp xung mạch có nhiệm vụ cách ly điện cao với cực điều khiển Trình tự tính tốn sau: - Chọn vật liệu sắt từ  330 với lõi có dạng E,I làm việc phần đặc tính từ hố: - Chọn B = 0.7 T để tránh lõi biến áp xung bị bão hồ Footer Page 51 of 126 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang 51 Header Page 52 of 126.Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền - Tra bảng chọn H = 50 A/m (có khe hở ) - Từ thẩm lõi sắt từ  B 0.7 4   1.4 *10 7 H0 4 10 50 - Chọn sơ : l = 0.1 m lkh = 0.01 mm = 10-5m (chiều dài khe hở ) -Từ thẩm trung bình sắt từ  tb  l l lkh    10 5   * 10 4 * 10 - Thể tích lõi sắt từ : V   Q *l  V  ' tb *  * tx * S * E * I B Q : tiết diện lõi sắt tx = 500Ms : Độ rộng xung S = 12% : Độ sụt tốc độ E = 12v : Nguồn cung cấp I'2= 0.3 A : Dòng thứ cấp qui đổi sơ cấp 7 6 *10 * *  10 * 500 10 0.15 * 12 * 0.3  V  13,32 cm 2 Vậy tiết diện lõi sắt Q = V / L = 13.32 / 0.1 = 1.332 cm2 Dựa vào bảng 5.5 sách "Điện tử cơng suất lớn (Nguyễn Bính)" ta chọn lõi E,I (12 x 6) Q = 1.63 cm2 a = 1.2 cm c = 1.2 cm b = 1.35 cm h = cm H = 4.2 cm B = 1.6 cm C = 4.8 cm H.IV.9 Footer Page 52 of 126 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang 52 Header Page 53 of 126.Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền - Số vòng dây cuộn sơ cấp MBA Etx  W  BKQ K = 0.76 : Hệ số lắp đầy 12 * 500 *10 Suyra W  6  69 4 0.7 * 0.76 * 1.63 *10 Chọn tỉ lệ 1:1 nên W2 = W1 = 69 vòng - Đường kính dây quấn sơ cấp đường kính dây quấn thứ cấp d  d  13 I ' J Chọn mật độ dòng điện J = 5A/ mm (do MBA làm việc ngắn hạn lặp lại) Suyra d  d  13  27 mm Chọn d1 = d2 = 0.2 mm Với J mật độ dòng điện VI Sơ đồ ngun lý tính tốn linh kiện cho mạch điều khiển pha dùng Thyristor: Sơ đồ ngun lý: Như chúng em giới thiệu chương II, mạch điều khiển Thyristor có nhiều loại, mạch có ưu nhược điểm khác Vậy em định chọn mạch điều khiển Thyristor điện áp để thi cơng vì: + Mạch đơn giản, gọn nhẹ cần thay đổi biến trở VR để thay đổi góc kích  + Mạch làm việc ổn định, nguy hiểm + Giá thành tương đối rẻ, có tính thực tế cao H.IV.10 Kết nối mạch điều khiển với mạch chỉnh lưu sau: a) Kết nối mạch pha: Footer Page 53 of 126 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang 53 Header Page 54 of 126.Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền H.IV.11 H.IV.12 H.IV.11 mạch chỉnh lưu pha chu kì, H.IV.12 mạch chỉnh lưu pha hai nửa chu kì H.IV.13 H.IV.14 H.IV.13 sơ đồ chỉnh lưu cầu pha bất đối xứng, H.IV.14 sơ đồ chỉnh lưu cầu pha đối xứng, b) Kết nối mạch ba pha: Footer Page 54 of 126 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang 54 Header Page 55 of 126.Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền H.IV.15 Các điểm ghi số 1, 2, 3, chữ G mạch điều khiển điểm nối vào điểm chữ số ghi sơ đồ chỉnh lưu tuơng ứng Với mạch điều khiển chỉnh lưu trên, thời gian, kiến thức kinh tế có hạn, nên em thi cơng ba modul mạch điều khiển ba sơ đồ chỉnh lưu sơ đồ chỉnh lưu pha chu kỳ, chỉnh lưu cầu pha khơng đối xứng chỉnh lưu cầu ba pha khơng đối xứng Tính tốn linh kiện cho mạch điều khiển ( H.IV.10) Chọn D 1, D2 diode loại N4007 D2 = 15 V , I2 = 500mA Chọn xung ngõ G có: UG = 10 V IG = 150 mA R7 = UG / IG = 20 / 150*10 -3+ R7 = 66 Do Q 3,Q4 làm việc chế độ bão hồ nên áp A VA = UG = 10V Ta có Vcc = VA ( R4 + R5) / R4 Chọn R4 = R5 = 10 K  Vcc = 10*2 =20 VDC Vậy điện áp thứ cấp MBA + Tính tầng khuếch đại Q1,Q2 Chọn điện cực E Q1 ,Q2 ( so với đất ) VE1 = 1V Giả sử Q1, Q có VBE = 0.6 V Do đó: VB1 = VE1 + VBE1 = + 0.6 = 1.6V Chọn VCE1 = VCE2 = V Footer Page 55 of 126 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang 55 Header Page 56 of 126.Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền Tacó VC1 = VCE1 + VE1 = +1 = V VE2 = VB2 - VBE2 = - 0.6 =4.4 V (VB2 = VC1) VC2 = VE2 + VCE2 = 4.4 + = 8.4 V Chọn dòng qua chân C Q1 là: IC1 = 50 mA ,  = 120 Suy R2 = ( Vcc -Vc1 ) / IC1 = (20 -5 )/50mA = 300  Chọn : R2 = 330  Chọn dòng qua chân C Q2 là: IC2 = 100mA,  = 100  R  V cc V I c1  20   136 (  ) 100 mA Chọn : R3 = 220  + Cơng suấtcực đại rơi cực C Q1 Q2 là: PC1 = IC1 * VC1 = 50mA * 5V =250 mW PC2 = IC2 * VC2 = 100mA * 8.4V =840 mW Như ta chọn Q1,Q có thơng số sau: Chọn Q 2SC828 (loại NPN) có: Ic =50 mA  = 130  520 mA IB = 50 /120 = 0.42 mA Pc = 400 mW VCBO = 30 V VEBO = V Tj =150 oC Chọn Q 2SD468 Ic =1 mA  = 85  240 mA IB = /100 = 10 mA Pc = 900 mW VCBO = 25 V VEBO = 5V Tj = 150 oC Theo sơ đồ tương đương UJT thay hai Transistor khác loại ta chọn: Q3 loại 2SA1015 (PNP) có: Ic = -150 mA  = 70  240 mA Pc = 400 mW VCBO = -50 V VEBO = -5 V Tj =125 oC Q4 loại 2SC1815 (NPN) có: Ic = 150 mA Footer Page 56 of 126 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang 56 Header Page 57 of 126.Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền  = 70  700 mA Pc = 400 mW VCBO = 50 V VEBO = V Tj =125 oC Chọn điện trở giới hạn R1 = 4.7K  ,5W C = 0.1 F,600V Chọn biến trở điều chỉnh VR = 10 K  + Tính chọn R6 Uđk = IB1*VR + VBE1 + IE1 R6 Xem IE1 IC1 = 50V Uđk = 5V Trường hợp biến trở VR giá trị Max tức VR = 10K : u R6  dk V BE1  I B1V R1 8.5  0.6  0.42mA*10k   74 50 mA I C1 Trường hợp biến trở VR vị trí tức VR =0  R  u dk V BE I  I B1V R1 C1    42 mA * k   158  50 mA Từ hai trường hợp chọn R6 = 220  ,R9 = R10 = 15  VR2 =10 K  Với giá trị tính tốn mạch điều khiển vẽ lại sau: H.IV.10 Thiết kế mạch in cho mạch điều khiển (H.IV.10) Sơ đồ mạch in chúng em thiết kế sau: Footer Page 57 of 126 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang 57 Header Page 58 of 126.Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền Tiến hành lắp ráp mạch: Sau thực cơng tác cho mạch chạy thử Testboard, chuẩn bị linh kiện mạch in, cơng tác lắp ráp tiến hành sau: -Vẽ mạch in ngâm mạch vào hố chất -Dùng Ohm kế để kiểm tra đường nối mạch in -Tiến hành ráp hàn chân linh kiện -Tiến hành hàn dây cấp nguồn thơng qua MBA, hạ áp phía thứ cấp 15VDC - Thử mạch điều chỉnh cần thiết - Lắp ráp mạch vào vỏ hộp - Hồn chỉnh phần lại VII.Sơ đồ ngun lý mạch điều khiển ba pha hình tia hay ba pha bất đối xứng dùng Thyristor: Cách tính chọn linh kiện cho mạch điều khiển loại tương tự mạch điều khiển pha, ta có sơ đồ ngun lý (H.VII) Như để điều khiển mạch chỉnh lưu cầu pha bất đối xứng ta dùng mơdul để điều khiển Còn mạch chỉnh lưu ba pha hình tia hay mạch chỉnh lưu cầu ba pha bất đối xứng ta phải sử dụng ba modul để điều khiển VIII Hướng phát triển đề tài: Vì lý thời gian kinh tế có hạn em giới hạn thi cơng ba modul khơng có sử dụng máy biến áp xung Để điều khiển mạch chỉnh lưu cầu pha ba pha đối xứng dùng Thyristor ta phải thi cơng tất sáu modul có sử dụng máy biến áp xung để cách ly điện áp ngõ vào ngõ mạch điều khiển Footer Page 58 of 126 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang 58 Header Page 59 of 126.Luận văn tốt ngiệp SVTH Nguyễn Văn Hiền PHẦN C KẾT LUẠN Đề tài ' THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MỘT MƠ HÌNH MẠCH KÍCH THYRISTOR TRONG THIẾT BỊ CHỈNH LƯU CĨ ĐIỀU KHIỂN " đề tài vừa mang tính lý thuyết, vưà có ý nghĩa thực tiễn sản xuất Vì tập luận án trình bày phương pháp mở, khố Thyristor số mạch điều khiển với mạch chỉnh lưu dùng Thyristor pha ba pha Dưới hướng dẫn cuả thầy “Nguyễn Xn Khai” với tâm nỗ lực thân, chúng em hồn thành nhiệm vụ giao Qua tập luận án này, giúp em bước đầu tập sự, làm quen với cơng việc người kỹ sư, đồng thời biết cách thực việc thiết kế mơ hình mạch điều khiển Thyristor điện áp Tuy nhiên thời gian, trình độ kinh nghiệm có hạn nên tập luận án nhiều thiếu sót Sau cùng, để kết thúc trang cuối tập luận án này, em xin gởi đến thầy Nguyễn Xn Khai thầy khoa Điện - Điện Tử lời cảm ơn chân thành tận tình giúp đỡ em hồn thành tập luận án thời hạn TPHCM 3- 2000 Sinh Viên Thực Hiện Nguyễn Văn Hiền Footer Page 59 of 126 GVHD Nguyễn Xuân Khai Trang 59 ... chỉnh lưu cầu pha dùng Thyristor: Chỉnh lưu cầu pha dùng Thyristor với phụ tải trở: Sơ đồ ngun lý H.II 3a đồ thị dòng áp H.II 3b a) Sự hoạt động mạch biến thiên điện áp dòng điện chỉnh lưu: Trong. .. Mạch chỉnh lưu cầu mơt pha khơng đối xứng: Sơ đồ mạch ngun lý hoạt động: Trong sơ đồ H.II.5a sử dụng hai Thyristor T1 T2, hai diod D'1 D'2 Việc thay Thyristor diod giảm giá thành mạch chỉnh lưu. .. Các Thyristor mở lúc t = , t =  U = Dòng điện Thyristor khơng (ở mạch trở dòng điện pha điện áp) Thyristor tắt cách tự nhiên Trong thời gian Thyristor mở ( =<  =<  ) điện áp chỉnh lưu