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

Trùng dẫn trong mạch chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển 1.3 Nhận xét Chương II : TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN VAN 2.1.. Với đề tài: “ Thiết kế mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha có điều khiển”.Để cù

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Chương I : TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU TIA 3 PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN

1.1 Vấn đề cơ bản của chỉnh lưu

1.2 Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển

1.Tải thuần trở

2 Tải thuần cảm (mạch RL)

3 Trùng dẫn trong mạch chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển 1.3 Nhận xét

Chương II : TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN VAN

2.1 Tính toán thông số cơ bản

2.2 Tính chọn van mạch lực

2.3 Van được chọn cho mạch lực

Lời mở đầu

Việt Nam là một quốc gia đang trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa mạnh mẽ để phát triển Để đáp ứng cho chu trình đó, không thể không phát triển các 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 hỏng thiệt bị, thậm chí thiệt hại về con người là rất cao.Chỉnh lưu là vấn đề cơ bản của các hệ thống điện tự động Với đề tài: “ Thiết kế mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha

có điều khiển”.Để cùng mọi người hiểu rõ hơn về chỉnh lưu nói chung, và mạch chỉnh lưu hình tia nói riêng, ta phải tìm hiểu bài qua 2 nội dung và được chia thành 2 chương như sau:

- Chương 1: Tổng quan về chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển

- Chương 2: Tính toán và lựa chọn van

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU TIA 3 PHA

CÓ ĐIỀU KHIỂN

1.1 Vấn đề cơ bản của chỉnh lưu

Chỉnh lưu là một thiết bị điện tử công suất được sử dụng để biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều Ta có sơ đồ cấu trúc 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 pha theo yêu cầu của mạch van Đồng thời còn có chức năng bảo vệ tải khi có bất 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 cách nào đó

để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu

c) Lọc san phẳng nhằm đảm bảo điện áp hay dòng điện một chiều cấp

ra tải là bằng phẳng theo yêu cầu

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

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

a) 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

b) Các tham số cơ bản của mạch chỉnh lưu

1 Về phía tải.

U d – giá trị trung bình của điện áp nhận được ngay sau mạch van chỉnh lưu:

U d= 1

T∫

0

T

u d (t ) dt = 1

2 π∫

0

2 π

u d (θ) dθ

I d – giá trị trung bình của dòng điện từ mạch van cấp ra:

I d= 1

0

2 π

i d (θ ) dθ

P d=U d I d – là công suất một chiều mà tải nhận được từ mạch chỉnh lưu

2 Về phía van.

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

3 Về phía nguồn.

Xét về máy biến áp

Ta có công suất biểu kiến của biến áp:

S ba=S1+S2

2 =k sđ P d

Trong đó:

S1=U1 I1

i =1

m

U 2 i I 2 i

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

U0

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 trị trung 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

c) 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 có catot 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 a nốt chung và chỉ dẫn khi thế ở catot âm hơn thế ở a nốt chung

1.2 Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển

1.Tải thuần trở

Hình 1.2 Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha tải thuần trở

Hình 1.3 Chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha

Đồ thị điện áp Ud của mạch chỉnh lưu dùng tiristo thể hiện trên hình 1.3 với góc điều khiển ¿30 ° Đây là góc đặc biệt

a) Nếu ≥ 30° , điện áp Ud sẽ có đoạn bằng 0 , vì vậy khi tải thuần trở, dòng điện tải i d sẽ gián đoạn, tức là có những đoạn id =0 , và dòng điện qua van luôn kết thúc khi điện áp pha về 0 Đồ thị Ud có dạng như hình 1.4

U dα= 1

0

2 π

U d (θ) dθ=¿ 3

2 π∫

α

π

√2U2sinθdθ=3√2

2 π U2 ¿ ¿

I d=U d

R d , I Dth=I d

3 , I Dhd= I d

√ 3

Hình 1.4.α >30 °

b) Nếu α <30 °, dạng điên áp Ud ở hình 1.5 Ta thấy rằng điện áp Ud luôn lớn hơn 0 Như vậy với tải thuần trở , dòng điện id sẽ luôn tồn tại và chảy liên tục qua tải, vì vậy dạng dòng này gọi là dòng điện liên tục Ở đây quy luật điện áp

Ud khác đi , không tuân theo biểu thức như với α ≥ 30 ° vừa có Với lưu ý rằng ba van sẽ thay nhau dẫn trong một chu kì, nên mỗi van dẫn một khoảng bằng 2π /

3

U dα= 3

α+30 °

α+30 °+120 °

√2U2sinθdθ= 3 √ 6

2 π U2cosα=U do cosα

Hình 1.5.α <30 °

Như vậy, với mạch chỉnh lưu ba pha hình tia, quy luật điện áp U dα phụ thuộc vào chế độ dòng

2 Tải thuần cảm (mạch RL)

a) Sơ đồ mạch van:

Hình 1.6 Sơ đồ mạch van tia 3 pha tải RL b) Biểu thức điện áp nguồn:

u a=√2U2sin (θ)

u b=√2U2sin (θ−120 °)

u c=√2 U2sin ⁡(θ−240 °)

Mạch này bắt buộc phải sử dung biến áp để có điểm trung tính đưa ra tải Điểm tính góc điều khiển không còn là điểm 0 của điện áp nguồn mà chậm pha hơn 30 điện tương tự điểm giao nhau giữa các điển áp pha nguồn theo chiều dương Xung điều khiển các van lệch nhau 120 điện

c) Đồ thị:

Hình 1.7 đồ thị điện áp nguồn và sau chỉnh lưu, dòng điện sau chỉnh lưu

Góc điều khiển giới hạn:

sin[30 °−(α gh−φ)]=sin ⁡[30 °+(α gh−φ)]e

−2 π

Với :Q= X d

R d ; φ=arctan X d

R d

Ở đấy ta phụ thuộc vào góc điều khiển giới hạn α gh để biết quy luật dẫn của mạch

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 nguồn xoay 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 đoạn bằng không Điện áp U d cũng có những khoảng gián đoạn nên không có trung dẫn

Nếu  = α gh ta có chế độ dòng giới hạn Nghĩa là khi dòng quan van này vừa

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

Giá trị trung bình U dα:

U dα=U d 0 cosα−∆ U❑

Trong đó:

U d 0=1.17 U2

∆ U❑ =3 X a I d

2 π : sụt áp trên tải (nếu có) Dòng trung bình qua tải

I d=U dα

R d

Dòng trung bình qua van:

I tbv=I d

3

Điện áp ngược max:

U ng max=U dây max=√6 U2

3 Trùng dẫn trong mạch chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển

Quy luật điện áp :

Ta thấy có ba khoảng chuyển mạch trong một chu kì lưới điện 2π.

với pha a, vì vậy ở đoạn này u dN=u d=(u a+u c)/2

Tương tự như vậy ta có :

u dN=u d=(u a+u b)/2

u dN=(u b+u c) /2

Hình 1.8 Đồ thị àm việc khi có trùng dẫn ở chình lưu hình tia ba

pha có điều khiển

Quy luật dòng điện :

 Van mở ra :

i mở (θ )= √3

2 X a

u 2 m[cosα−cos(α +θ)]

i khóa (θ )=i d− ¿i mở (θ )

Biểu thức xác định góc :

cos α−cos(α+γ )= 2 X a I d

√3 U 2 m

Sụt áp do chuyển mạch :

∆ U γ=3 X a I d

2 π

Điện áp chỉnh lưu :

U dα=1,17 U2cosα− 3 X a I d

2 π

1.3 Nhận xét :

So với chỉnh lưu 1 pha:

+Chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện một chiều tốt hơn +Biên độ điện áp đập mạch tốt hơn

+Thành phần sóng hài bậc cao bé hơn

+Việc điều khiển các van bán dẫn cũng tương đối đơn giản hơn

Chương II : TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN VAN

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

Yêu cầu: thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển, với Ud=110V,

Pd=5kW,E d=55 V

2.1 Tính toán thông số cơ bản

a) Dòng điện tải có công thức :

P d=U d I d(W )

¿ >I d=P d

U d=

5.103

b) Giá trị điện trở R

R d=U d

I d =

110

c) Góc điều khiển thyristor

Điện áp công nghiệp thường rơi vào khoảng 220/380V, tần số lưới 50-60Hz Theo yêu cầu thiết kế ta có:

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 U 2 = 380V:

cosα= U d

U d 0=

110

550 2223

¿ >α=75° 40 '(góc điềukhiển thyristor)

- Nếu điện áp nguồn 3 pha U 2 = 220V:

cosα= 50

117

¿ >α=64 ° 42'

d) Điện áp ngược trên van:

U ng max=√6 U2

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:

I tbv=I d

45,45

Vậy dòng qua van sẽ được tính theo biểu thức:

I v>K Iv∗I tbv

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

¿ >I maxv=2∗15,15=30,3( A)

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:

- Nếu điện áp lưới xoay chiều là 380  440 V:

2.3 Van được chọn cho mạch lực

Từ các số liệu trên ta chọn ra thyristor cần dung là: MIMMK40A160B

Với các thông số được thể hiện dưới bảng Datasheet sau :

ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS T C =25°C unless otherwise specified

I T(AV) TC =85 , 180° conduction, half sine wave; 40 A

I T(RMS) as AC switch; 100 A

T J =4 5

A

I TSM

T J =4 5

T J =4 5 , t=10ms (50Hz), sine, V R =V RRM ;

715

T J =45 , t=10ms (50Hz), sine, V R =0;

T J =45 , t=8.3 ms (60Hz), sine, V R =0;

3.61

K A 2 s

T J =45 , t=10ms (50Hz), sine, V R =V RRM ;

T J =45 , t=8.3 ms (60Hz), sine, V R = V RRM ;

2.56

MIMMK40A160B

1600V 40A thyristor Module

RoHS Compliant

Features

· Isolation voltage 3500 V~

· Industrial Standard Package

· High Surge Capability

· Glass Passivated Chips

· Simple Mounting

· Electrically Isolated by DBC Ceramic

Applications

· DC Motor Control and Drives

· Battery Charges

· Welders

· Power Converters

· Lighting Control

· Heat and Temperature Control

Advantages

· Space and weight savings

· Improved temperature and power cycling

dV/dt T J =130 , exponential to 67% rated V DRM 500 V/us

ELECTRICAL CHARACTERISTICS T C =25°C unless otherwise specified

V TO

r t

gate pulse =10V, 100us;

P GM(AV) f=50Hz, T J =125°C; 2.5 W

I GM

t p ≤5ms, T J =125°C;

V GT

V

I GT

mA

V GD

V AK =V DRM , T J =125

di/dt T J = 25 , V D =0.67V DRM , I TM =345A,

I g = 500mA, tr< 0.5 µs, tp > 6 µs

specified

R THCS Mounting surface smooth,flat and greased,per junction 0.12 K/W

Terminal connection torque(M5)