chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công suất chúng em đã được giao thực hiện đề tài: “Thiết kế mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển điều chỉnh tốc độ động

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

Ngày Tháng Năm 2019

Giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn 1

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 5

1.1 Khái niệm về điện tử công suất 5

1.2 Nhiệm vụ về điện tử công suất 5

1.3 Ứng dụng về điện tử công suất 5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

2.1 Khái niệm về chỉnh lưu công suất 11

2.2 Luật dẫn của van công suất trong các mạch chỉnh lưu 11

2.3 Cấu trúc mạch chỉnh lưu,các thông số cơ bản 12

2.4 Các mạch chỉnh lưu một pha 13

2.4.1 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển 13

2.4.2 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ không điều khiển 15

2.4.3 Mạch chỉnh lưu hình cầu1 pha không điều khiển 17

2.4.4 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển 18

2.4.5 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ có điều khiển 20

2.4.6 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha có điều khiển hoàn toàn 21

2.4.7 Mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển 23

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH 27

3.1 Các thông số yêu cầu 27

3.2 Lựa chọn sơ đồ mạch chỉnh lưu 27

3.3 Tính toán các thông số của mạch điện 27

3.3.1 Tính toán, chọn van công suất 27

3.3.2.Tính toán,chọn phần tử bảo vệ 29

3.3.3 Lựa chọn, tính toán, chọn phần tử mạch điều khiển 29

3.3.4.Tính toán,chọn phần tử cách ly 37

3.4 Sơ đồ khối 39

3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch điện 40

3.5.1 Sơ đồ nguyên lý 40

3.6 Sơ đồ mạch in 41

3.7 Ảnh sản phẩm 42

KẾT LUẬN 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng một vai trò rất quan trọng trong quátrình công nghiệp hoá đất nước Sự ứng dụng của điện tử công suất trong các hệ thốngtruyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc dễ dàng tựđộng hoá cho các quá trình sản xuất Các hệ thống truyền động điều khiển bởi điện tửcông suất đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều so với các

hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát - động cơ

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công suất chúng

em đã được giao thực hiện đề tài: “Thiết kế mạch chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển

điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều dùng TCA 785”.

Với sự hướng dẫn của cô : Nguyễn Thị Vân Anh, chúng em đã tiến hành nghiên

cứu và thiết kế đề tài

Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn nên khôngthể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cô đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn Nhóm sinh viên thực hiện :

1.Nguyễn Hồng Phường

2 Phạm Trung Hiếu

3 Nguyễn Tuấn Anh

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Khái niệm về điện tử công suất

- Để có khái niệm tổng quát về điện tử công suất,cần phải nhắc lại ba lĩnh vực cơ bảncủa ngành Kỹ thuật điện đó là : điện tử,điều khiển và năng lượng điện Lĩnh vực điện tửnghiên cứu các dụng cụ bán dẫn,các mạch tích hợp sử dụng cho việc truyền tải và xử lýthông tin Lĩnh vực điều khiển nghiên cứu các quá trình,phân tích và tổng hợp các bộđiều khiển nhằm ổn định chế độ làm việc của hệ thống Lĩnh vực năng lượng nghiên cứu

và giải quyết vấn đề liên quan đến các hệ thống phát điện,truyền tải,phân phối và sử dụngđiện năng

- Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và điều khiển,ngày càng nhiều thiết

bị điện tử được sử dụng trong hệ thống truyền tải,biến đổi sử dụng điện năng Hệ thốngthiết bị điện tử này không hoạt động ở chế độ khuếch đại mà hoạt động theo nguyên lýđóng-cắt và được gọi là thiết bị điện tử công suất Như vậy điện tử công suất là ứng dụngcủa kỹ thuật điện tử,điều khiển vào hệ thống năng lượng điện

1.2 Nhiệm vụ về điện tử công suất

Nhiệm vụ chính của điện tử công suất là biến đổi hệ thống năng lượng điện từ dạng nàysang dạng khác bao gồm các dạng biến đổi dưới đây:

• Xoay chiều (AC-Alternating Current) thành một chiều (DC-DirectCurrent): AC-DC

• Một chiều thành một chiều: DC-DC

• Một chiều thành xoay chiều: DC-AC

• Xoay chiều thành xoay chiều: AC-AC

1.3 Ứng dụng về điện tử công suất

a.Các bộ chỉnh lưu có điều khiển

Là loại biến đổi AC-DC được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ thống điều khiển

truyền động điện động cơ điện một chiều, hệ thống cung cấp nguồn điện một chiều, hệ thống mạ và nạp điện

Dưới đây là một ứng dụng của bộ chỉnh lưu trong hệ thống tự động ổn định tốc độ quay động cơ điện một chiều Sơ đồ khối được trình bày như Hình 1.1

Hình1.1 Sơ

tự động ổn định tốc độ quay động cơ điện 1 chiều

Bộ chỉnh lưu làm nhiệm vụ của cơ cấu điều chỉnh cho đối tượng là động cơ điện mộtchiều Khi tải của động cơ thay đổi hoặc điện áp nguồn thay đổi, momen và tốc độ quaytrên trục của động cơ thay đổi theo Cảm biến tốc độ chuyển đổi tốc độ động cơ thành tínhiệu điện là một hàm phụ thuộc vào tốc độ Điện áp tín hiệu được khuếch đại đến mức đủlớn đưa vào điều chế góc mở SCR trong bộ chỉnh lưu để điện áp một chiều được điềuchỉnh giữ cho tốc độ động cơ ổn định Việc điều chỉnh tốc độ quay có thể thưc hiện bằngcách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng, mạch kích thích và có thể thực hiện trên cả haimạch

Theo quan điểm kỹ thuật điều khiển hệ thống tự động ổn định tốc độ quay trên Hình1.1 là một hệ điều chỉnh tốc độ mạch vòng kín được biểu diễn trên hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh mạch vòng kínTrên sơ đồ cấu trúc các đại lượng được biểu diễn dưới dạng toán tử Laplace trong đóX(s) là giá trị đặt, Y(s) là giá trị thực của quá trình, E(s) là độ sai lệch giữa giá trị đặt và

giá trị thực, U(s) tác động điều chỉnh, C(s) và O(s) là hàm truyền của bộ điều chỉnh vàđối tượng trong miền toán tử.

b Điều chỉnh dòng điện và điện áp một chiều

Sơ đồ khối hệ thống tự động ổn định tốc độ quay của động cơ điện một chiều bằng bộbiến đổi DC-DC được trình bày trên Hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ khối bộ tự động ổn định tốc độ quay động cơ điện một chiều

Nguồn cung cấp cho hệ thống là nguồn điện một chiều Uo Khi tải hoặc điện áp nguồnthay đổi làm momen và tốc độ quay trên trục động cơ thay đổi Tín hiệu ra của cảm biếntốc độ làm thay đổi tần số đóng cắt của bộ biến đổi DC-DC làm điện áp trung bình đặttrên động cơ thay đổi giữ cho tốc độ quay của động cơ ổn định trong phạm vi làm việcnhất định

c Điều chỉnh dòng điện và điện áp xoay chiều

Các bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong các

hệ thống tạo nhiệt của nung, sấy Các bộ điều chỉnh này còn được sử dụng trong việcđiều chỉnh tốc độ quay của động cơ điện xoay chiều Tuy nhiên, việc sử dụng các bộ điềuchỉnh trong truyền động điện động cơ điện xoay chiều có chất lượng không cao nên ítđược sử dụng cho các loại tải công suất lớn

Nếu có sự thay đổi trạng thái của buồng sấy hoặc điện áp nguồn cung cấp nhiệt độtrong buồng thay đổi làm tín hiệu ra của cảm biến nhiệt độ thay đổi theo góc mở của cácThyristor trong bộ điều chỉnh thay đổi để điện áp và dòng đi qua phần tử đốt thay đổi giữ

cho nhiệt độ trong buồng sấy ổn định Các bộ điều chỉnh có thể áp dụng cho mạch mộtpha và ba pha, được trình bày trên Hình 1.4

Hình 1.4 Bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp một pha

d Bộ biến đổi ngược

Các bộ biến đổi ngược DC-AC (nghịch lưu) dùng để biến đổi hệ thống dòng điện vàđiện áp một chiều cố định thành hệ thống dòng điện và điện áp xoay chiều có tần số ổnđịnh Các bộ biến đổi ngược thường được sử dụng trong các hệ thống năng lượng gió,năng lượng mặt trời dùng để biến đổi hệ thống năng lượng điện một chiều hoặc điện xoaychiều không ổn định thành hệ thống năng lượng điện xoay chiều có tần số và biên độ ổnđịnh Sơ đồ khối của hệ thống cung cấp điện không gián đoạn sử dụng bộ biến đổi ngượcđược mô tả trên Hình 1.5

Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống cung cấp điện không gián đoạnNguồn điện xoay chiều lấy từ lưới điện xoay chiều sau khi được chỉnh lưu vừa nạp

xoay chiều có tần số ổn định Khi mất điện lưới năng lượng được nạp từ ắc quy cung cấpcho tải.

e Biến tần

Là bộ biến đổi AC-AC dùng để biến đổi hệ thống dòng điện và điện áp xoay chiều từtần số này sang tần số khác Có hai loại biến tần: trực tiếp và gián tiếp được sử dụngtrong hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ điện xoay chiều Sơ đồ hệ thống điềukhiển truyền động điện động cơ điện xoay chiều sử dụng biến tần giao tiếp được trìnhbày trên hình 1.6

Hình 1.6 Sơ đồ khối ổn định tốc độ quay động cơ điện xoay chiều

Hệ thống điện áp xoay chiều U1 có tần số cố định được biến đổi thành hệ thống điện

áp xoay chiều U2 có tần số thay đổi dùng để tự động ổn định tốc độ quay động cơ khi tải

và điện áp lưới thay đổi

g Các bộ biến đổi trong hệ thống truyền tải điện năng

Các bộ biến đổi công suất lớn còn được sử dụng trong hệ thống truyền tải điện năngnhư các hệ thống bù hệ số cosφ, điều khiển hệ thống năng lượng, và truyền tải điện mộtchiều cao áp được trình bày như trên Hình 1.7

Hình 1.7 Truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC)

Hệ thống truyền tải điện một chiều cao áp có thể điều khiển được hướng truyền nănglượng bằng cách thay đổi chế độ làm làm việc của các bộ biến đổi ở hai đầu đường dây từchế độ chỉnh lưu sang chế độ nghịch lưu Tuy nhiên hệ thống truyền tải năng lượng này

có hệ thống thiết bị điều khiển và biến đổi phức tạp, đắt tiền mới chỉ sử dụng ở một sốnước công nghiệp phát triển

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Khái niệm về chỉnh lưu công suất

a.Khái niệm

Mạch chỉnh lưu là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện mộtchiều nhằm cung cấp cho phụ tải điện một chiều

b.Phân loại

 Theo số pha: một pha, ba pha, m pha

 Theo loại van: diode hoặc thyristor

 Mạch chỉ dùng toàn diode là chỉnh lưu không điều khiển

 Mạch chỉ dùng toàn Thyristor là chỉnh lưu có điều khiển

 Một nửa thyristor, một nửa diode là chỉnh lưu bán điều khiển

 Phân loại theo sơ đồ mắc: Anode chung hoặc Cathode chung

2.2 Luật dẫn của van công suất trong các mạch chỉnh lưu

Hình 1.8 trình bày nhóm nối Cathode chung

Hình 2.1 Nhóm nối chung Cathode

Điện áp anode của diode nào dương hơn thì diode ấy dẫn Khi đó điện thế điểm A bằng điện thế anode dương nhất

Hình 2.2 Nhóm nối chung AnodeĐiện áp cathode van nào âm hơn hơn thì diode ấy dẫn Khi đó điện thế điểm K bằngđiện thế anode âm nhất.

2.3 Cấu trúc mạch chỉnh lưu,các thông số cơ bản

Trong thực tế các mạch chỉnh lưu có nhiều loại và khá đa dạng về hình dáng cũng nhưtính năng Tuy nhiên về cơ bản cấu trúc trong bộ biến đổi thường có các bộ phận sau:

- Biến áp nguồn nhằm biến đổi điện áp từ cao xuống thấp hoặc ngược lại

- Van công suất chỉnh lưu, các van này có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoay chiềuthành nguồn một chiều

- Mạch lọc nhằm lọc và san phẳng dòng điện hay điện áp nguồn để mạch chỉnh lưu cóchất lượng tốt hơn

- Mạch đo lường trong bộ chỉnh lưu thường dùng để đo dòng điện, điện áp

- Mạch điều khiển là bộ phận rất quan trọng trong các bộ chỉnh lưu có điều khiển, nóquyết định độ chính xác, ổn định và chất lượng bộ chỉnh lưu

- Phụ tải của mạch chỉnh lưu thường là phần ứng động cơ điện một chiều, kích từ máyđiện một chiều, xoay chiều, cuộn hút nam châm điện, các tải có sức điện động E, đôi khitải là các đèn chiếu sáng hay các điện trở tạo nhiệt vv

- Hình 1.10 trình bày cấu trúc của một bộ chỉnh lưu

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của bộ

- Trong nửa chu ký sau π ≤ ωt≤ 2 π khi đó u2 ≤0, van D bị phân cự ngược nên van

D không dẫn điện Ta có uD = u2 ≤0, ud = 0,iD = id = 0

- Các chu kì tiếp theo nguyên lý hoạt động tương tự Từ nguyên lý làm việc xây dựng được dạng sóng dòng điện và điện áp trong mạch như hình vẽ 1.11

- Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA:

- Dòng điện trung bình qua diode D:

2.4.2 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ không điều khiển

- Ở nửa chu kỳ âm của điện áp u21 , diode D1 bị phân cực ngược nên khóa lại Khi

đó u22 dương , nên D2 được phân cực thuận cho dòng điện chạy qua tải nên iD2 = id, ud =

u22, uD2 = 0 Còn u22 âm, nên D2 bị phân cực ngược, khóa lại do vậy iD1 = 0 , uD1 = u21 – u22

Như vậy cả 2 nửa chu kỳ D1 và D2 luân phiên đóng mở, cung cấp điện cho tải trong cả chu kỳ Từ nguyên lý làm việc ta xây dựng được dạng sóng dòng điện và điện áptrong mạch như hình vẽ 1.12

c Công thức tính toán trong mạch

- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu trên tải:

- Dòng hiệu dụng sơ cấp máy biến áp:

Khi van dẫn ta có, dòng điện tức thời qua thứ cấp máy biến áp:

i2 = i21 = √2 U2

Nhận thấy dòng điện qua thứ cấp máy biến áp là dòng điện hình sin, nên suy ra i1 =m.i2 ; Với m là tỷ số máy biến dòng

Vậy giá trị hiệu dụng của dòng điện sơ cấp máy biến áp được xác định:

- Điện áp ngược lớn nhất đặt trên mỗi van diode:

Ungmax = 2√2 U2

2.4.3 Mạch chỉnh lưu hình cầu1 pha không điều khiển

a Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng

* Tải thuần trở

Hình 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu toàn bán kỳ và dạng điện áp ra trên tải

b Nguyên lý làm việc

Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, xét điều kiện lý tưởng và điện ápphía thứ cấp u2 = √2U2sinωt (v)

- Trong nửa chu kỳ đầu ωt = 0 đến π, điện áp u2 dương, khi đó cặp van D1 và D2

được phân cực thuận, nên dẫn điện Còn cặp van D4 và D3 bị phân cực ngược nên khôngdẫn điện cho dòng điện chạy qua tải Khi đó ta có: uD1 = uD2 = 0;uD4 = uD3 = - u2≤0; ud = u2

≥0; iD1 = iD2= id; iD4 = iD3 = 0

- Trong nửa chu kỳ sau ωt = π đến 2π, điện áp - u2 dương, khi đó cặp van D1 và D2

bị phân cực ngược, nên không dẫn điện Còn cặp van D4 và D3 phân cực thuận nên dẫnđiện cho dòng điện qua tải Khi đó ta có:

- Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA khi đó xẽ là:

* Trường hợp tải thuần trở

Hình 2.7 Mạchh chỉnh lưu một pha dùng SCR và dạng điện áp ra trên tải thuần trở R

b Nguyên lý làm việc

- Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng, điện áp phía thứ cấp u2 =

- Trong khoảng ωt = 0 đến α, có u2 > 0, và uT > 0, tuy nhiên T vẫn chưa dẫn, do chưa có xung điều khiển mở Khi đó ta có:

- Điện áp ngược lớn nhất trên van T:

√2U2sin ωtdt= 0,9U2 cos α

- Dòng điện trung bình qua Thyristor :

π + α

I dωt = I d

2.4.7 Mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển

• Mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển hai SCR mắc K chung.

a Sơ đồ nguyên lý

* Tải R + L ; L = ∞ ; xét chế độ làm việc xác lập và lý tưởng.

Hình 2.11 Mạch cầu một pha bán điều khiển dùng hai SCR mắc K chung

b Nguyên lý làm việc

Hình 2.12 Dạng sóng điện áp và dòng điện

- Trên sơ đồ nguyên lý ta thấy nhóm mắc catot chung là các thyritstor được mở vào thời điểm ωt = α khi được kích xung điều khiển Nhóm anot chung là các van diode chúng mở theo quy luật tự nhiên, phụ thuộc vào điện áp nguồn: D1 mở khi u2 bắt đầu âm;

D2 mở khi u2 bắt đầu dương Do vậy quá trình làm việc của các van rong một chu kỳ điện lưới là:

+ Trong khoảng:α -> π thì van T1 và D2 dẫn

+ Trong khoảng: π -> π +α thì van T1 và D1 dẫn

+ Trong khoảng:π +α -> 2π thì van T2 và D1 dẫn

+ Trong khoảng: 2π -> 2π +α thì van T2 và D2 dẫn

Quá trình các chu kỳ sau được lặp lại tương tự

- Qua đây ta thấy khi mạch làm việc có hai đoạn có hiện tượng dẫn thẳng hàng củahai van: T1 và D1; van T2 và D2 Do đó khoảng thời gian này điện áp trên tải bị ngắn mạch

ud = 0 (v) Các đoạn khác ud bám theo điện áp nguồn Như vậy dòng điện qua tải id vẫn liên tục còn dòng điện qua máy biến áp nguồn thì gián đoạn Điều này có lợi về mặt nănglượng vì năng lượng không cần lấy từ nguồn mà vẫn duy trì được trong tải