1. Trang chủ
  2. » Luận Văn - Báo Cáo

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH ĐỒNG BỘ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR, TRIAC

87 265 4

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 87
Dung lượng 8,44 MB
File đính kèm luan van tot nghiep.rar (8 MB)

Nội dung

Thiết kế và chế tạo thành công mô hình thí nghiệm biến đổi điện áp xoay chiều và chỉnh lưu có điều khiển ( bán phần và toàn phần ) bao gồm : Module điều khiển đồng bộ Module cách li : cách li quang và cách li biến áp xung. Module công suất : Triac , Thyristor, Diode. Module tải : điện trở công suất, cuộn cảm, đèn. Module nguồn : nguồn xoay chiều và nguồn 1 chiều. Xây dựng các mô hình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm biến đổi điện áp xoay chiều dùng Triac và Thyristor Mô hình thí nghiệm chỉnh lưu có điều khiển (bán phần và toàn phần) dùng Thyristor và Diode Viết chương trình điều khiển hoạt động của thiết bị cho vi điều khiển

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM MẠCH KÍCH ĐỒNG BỘ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR, TRIAC

Họ và tên sinh viên : NGUYỄN THÀNH NHÂN

VÕ THÀNH LUÂN Ngành : CƠ ĐIỆN TỬ

Niên Khóa : 2013 - 2017

Tháng 6 năm 2017

Trang 2

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MẠCH KÍCH ĐỒNG BỘ ỨNG DỤNG

ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR, TRIAC

Giảng viên hướng dẫn :Th.S Nguyễn Đăng Khoa

Tháng 6 năm 2017

Trang 3

CẢM TẠ

Em xin trân trọng cảm ơn tất cả quý thầy cô ở trường Đại học Nông Lâm TP.HồChí Minh và quý Thầy Cô trong khoa Cơ Khí - Công Nghệ đã trang bị cho em nhữngkiến thức quý báu cũng như đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Cơ Điện Tử đã giúp đỡchúng em nhiệt tình trong thời gian thực hiện đề tài

Em cũng xin bày tỏ sự biết ơn chân thành đối với thầy Nguyễn Đăng Khoa đãtận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm Luận văn tốt nghiệp

Đặc biệt, em xin cảm ơn quý thầy cô trong hội đồng đã dành thời gian nhận xét

và góp ý để luận văn của em hoàn thiện hơn

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến những người thân cũng như bạn bè đãđộng viên, ủng hộ và luôn tạo cho em mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trìnhhoàn thành luận văn

TPHCM, ngày 18 tháng 06 năm 2017

Sinh viên thực hiện

NGUYỄN THÀNH NHÂN

VÕ THÀNH LUÂN

Trang 4

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu “Thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm mạch kích đồng bộ ứng dụng điều khiển Thyristor, Triac” được thực hiện tại trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh, thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2017

Kết quả của đề tài bao gồm :

Thiết kế và chế tạo thành công mô hình thí nghiệm biến đổi điện áp xoay chiều và chỉnh lưu có điều khiển ( bán phần và toàn phần ) bao gồm :

Module điều khiển đồng bộ

Module cách li : cách li quang và cách li biến áp xung

Module công suất : Triac , Thyristor, Diode

Module tải : điện trở công suất, cuộn cảm, đèn

Module nguồn : nguồn xoay chiều và nguồn 1 chiều

Xây dựng các mô hình thí nghiệm

Mô hình thí nghiệm biến đổi điện áp xoay chiều dùng Triac và Thyristor

Mô hình thí nghiệm chỉnh lưu có điều khiển (bán phần và toàn phần) dùng Thyristor và Diode

Viết chương trình điều khiển hoạt động của thiết bị cho vi điều khiển

Trang 5

MỤC LỤC

Trang

CẢM TẠ ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CÁC CHỬ VIẾT TẮT viii

DANH SÁCH CÁC HÌNH ix

CHƯƠNG 1.MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích đề tài 2

CHƯƠNG 2.TỔNG QUAN 4

2.1 Triac và Thyristor 4

2.1.1 Triac(Triode Alternative Current) 4

2.1.1.1 Khái niệm 4

2.1.1.2 Đặc điểm 4

2.1.1.3 Đặc tuyến và phương pháp điều khiển 5

2.1.1.4 Ứng dụng 6

2.1.2 Thyristor(Thyratron và Transistor) 6

2.1.2.1 Khái niệm 6

2.1.2.2 Cấu tạo 7

2.1.2.3 Nguyên lí hoạt động 8

2.1.2.4 Đặc tuyến và sơ đồ điều khiển 9

2.2 Phương pháp điều khiển điện áp xoay chiều 10

2.2.1 Điều khiển bằng Thyristor 10

2.2.1.1 Sơ đồ cấu trúc 10

2.2.1.2 Nguyên tắc điều khiển 11

2.2.1.3 Kết luận 12

2.2.2 Điều khiển bằng Triac 12

2.2.3 Sơ đồ mạch lực biến đổi điện áp xoay chiều 14

Trang 6

2.3 Phân tích bộ biến đổi điện áp 16

2.4 Phân tích bộ chỉnh lưu 18

2.4.1 Chỉnh lưu điều khiển bán phần 19

2.4.2 Chỉnh lưu điều khiển toàn phần 22

2.4.2.1 Trường hợp tải là thuần trở R 22

2.4.2.2 Trường hợp tải thuần trở R mắc nối tiếp tải cảm RL 23

2.5 Khảo sát mô hình thí nghiệm VIELINA 26

2.5.1 Sơ đồ mạch điều khiển 26

2.5.2 Sơ đồ mạch cách li 26

2.5.3 Sơ đồ moduel công suất 27

2.5.4 Sơ đồ moduel tải 28

2.6 Đề xuất nhiệm vụ đề tài 28

CHƯƠNG 3.NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

3.1Vật liệu 30

3.2 Nội dung của đề tài 30

3.3 Phương pháp điều khiển 31

3.3.1 Phương pháp lí thuyết 31

3.3.2 Phương pháp điều khiển 31

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32

4.1 Thiết kế mô hình thí nghiệm bộ biến đổi AC-AC 32

4.1.1 Module điều khiển (Control moduel) 33

4.1.1.1 Lưu đồ thuật toán 34

4.1.1.2 Sơ đồ của moduel điều khiển 34

4.1.1.3 Nguyên lí hoạt động 35

4.1.1.4 Kết quả 35

4.1.2 Module cách li ( Isolated module) 39

4.1.2.1 Cách li quang( Opto- coupler) 39

4.1.2.1.1 Sơ đồ cách li quang 39

4.1.2.1.2 Nguyên lí hoạt động 40

4.1.2.1.3 Kết quả 40

4.1.2.2 Cách li dùng biến áp xung ( Isolation transformer ) 41

Trang 7

4.1.2.2.1 Sơ đồ cách li biến áp xung 41

4.1.2.2.2 Nguyên lí hoạt động 41

4.1.2.2.3 Kết quả 42

4.1.3 Module công suất( Capaticy module ) 43

4.1.3.1 Sơ đồ module công suất 43

4.1.3.2 Nguyên lí hoạt động 43

4.1.3.3 Kết quả 44

4.1.4 Module tải ( Load module) 44

4.1.4.1 Sơ đồ module tải 44

4.1.4.2 Kết quả 45

4.1.5 Module nguồn (Power supply module) 45

4.1.5.1 Sơ đồ module nguồn 45

4.1.5.2 Kết quả 46

4.2 Xây dựng mô hình thí nghiệm 46

4.2.1 Mô hình thí nghiệm biến đổi điện áp xoay chiều dùng Thyristor, Triac 46

4.2.1.1 Sơ đồ điều khiển đồng bộ pha cho Triac 46

4.2.1.1.1 Thiết bị sử dụng 47

4.2.1.1.2 Tiến hành thí nghiệm 47

4.2.1.1.3 Kết quả đạt được 47

4.2.1.2 Sơ đồ điều áp xoay chiều dùng 2 Thyristor mắc song song ngược 53

4.2.1.2.1 Thiết bị sử dụng 54

4.2.1.2.2 Tiến hành thí nghiệm 54

4.2.1.2.3 Kết quả đạt được 54

4.2.2 Mô hình thí nghiệm chỉnh lưu 57

4.2.2.1 Mô hình thí nghiệm chỉnh lưu điều khiển bán phần 57

4.2.2.1.1 Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển bán phần 57

4.2.2.1.2 Thiết bị sử dụng 57

4.2.2.1.3 Tiến hành thí nghiệm 58

4.2.2.1.4 Kết quả đạt được 58

4.2.2.2 Mô hình thí nghiệm chỉnh lưu điều khiển toàn phần 60

4.2.2.2.1 Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần 60

Trang 8

4.2.2.2.2 Thiết bị sử dụng 61

4.2.2.2.3 Tiến hành thí nghiệm 61

4.2.2.2.4 Kết quả nhận được 61

CHƯƠNG 5.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

5.1 Kết luận 65

5.2 Kiến nghị 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 67

Trang 9

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PEC : Power Electronics Controller

Bộ điều khiển điện tử công suất

Trang 10

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1 Cấu trúc (a) và ký hiệu Triac (b) 4

Hình 2.2 Đặc tuyến của Triac 5

Hình 2.3 Một số phương pháp mở thông Triac 6

Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển Triac 6

Hình 2.5 Hình dạng Thyristor 7

Hình 2.6 Cấu tạo Thyristor 7

Hình 2.7 Đặc tuyến Thyristor 9

Hình 2.8 Sơ đồ điều khiển Thyristor 10

Hình 2.9 Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor 11

Hình 2.10 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” 11

Hình 2.11 Sơ đồ điều khiển Triac 12

Hình 2.12 Sơ đồ mạch lực biến đổi điện áp xoay chiều 14

Hình 2.13 Đồ thị minh họa nguyên lí làm việc của hình đối với tải trở 15

Hình 2.14 Sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha 16

Hình 2.15 Giản đồ tín hiệu bộ biến đổi điện áp xoay chiều tải trở R 17

Hình 2.16 Giản đồ tín hiệu bộ biến đổi điện áp xoay chiều tải trở RL 18

Hình 2.17 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 19

Hình 2.18 Sơ đồ chỉnh lưu bán phần 19

Hình 2.19 Giản đồ tín hiệu mạch chỉnh lưu điều khiển bán phần với tải R 20

Hình 2.20 Sự phụ thuộc giữa điện áp chỉnh lưu bán phần với giá trị góc điều khiển 21

Hình 2.21 Giản đồ tín hiệu mạch chỉnh lưu điều khiển bán phần với tải RL 21

Hình 2.22 Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần 22

Hình 2.23 Giản đồ tín hiệu mạch chỉnh lưu toàn phần với tải R 23

Hình 2.24 Giản đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần với tải RL dòng tải liên tục 24

Hình 2.25 Giản đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần với tải RL dòng tải gián đoạn 25

Hình 2.26 Sơ đồ điều khiển đồng bộ SCR , Triac dùng TCA785 26

Hình 2.27 Sơ đồ mạch cách li 26

Trang 11

Hình 2.28 Sơ đồ module công suất 27

Hình 2.29 Sơ đồ module tải 28

Hình 4.1 Sơ đồ mô hình thí nghiệm thực tế 32

Hình 4.2 Sơ đồ khối mô hình thí nghiệm 33

Hình 4.3 Sơ đồ khối module điều khiển 33

Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán mạch điều khiển 34

Hình 4.5 Sơ đồ điều khiển nguyên lí 34

Hình 4.6 Sơ đồ điều khiển thực tế mặt trước 35

Hình 4.7 Sơ đồ điều khiển thực tế mặt sau 36

Hình 4.8 Xung điều khiển góc kích (0- 2π) trên oscilloscope) trên oscilloscope 37

Hình 4.9 Xung điều khiển góc kích (0- π) trên oscilloscope) trên oscilloscope 37

Hình 4.10 Xung điều khiển góc kích (π) trên oscilloscope - 2π) trên oscilloscope) trên oscilloscope 38

Hình 4.11 Xung kích tạo ra trước khi vào vi điều khiển 38

Hình 4.12 Sơ đồ cách li quang dùng Opto Moc 3020 39

Hình 4.13 Sơ đồ cách li quang dùng Opto Moc 3020 thực tế mặt trước 40

Hình 4.14 Sơ đồ cách li quang dùng Opto Moc 3020 thực tế mặt sau 40

Hình 4.15 Sơ đồ cách li dùng biến áp xung 41

Hình 4.16 Sơ đồ cách li dùng biến áp xung mặt trước 42

Hình 4.17 Sơ đồ cách li dùng biến áp xung mặt sau 42

Hình 4.18 Sơ đồ module công suất 43

Hình 4.19 Sơ đồ module công suất thực tế 44

Hình 4.20 Sơ đồ module tải 44

Hình 4.21 Sơ đồ module tải thực tế 45

Hình 4.22 Sơ đồ module nguồn 45

Hình 4.23 Sơ đồ module nguồn thực tế 46

Hình 4.24 Sơ đồ điều khiển đồng bộ pha cho Triac 46

Hình 4.25 Tín hiệu dạng sóng hiển thị tại điểm TP1 48

Hình 4.26 Tín hiệu dạng sóng hiển thị tại điểm TP2 48

Hình 4.27 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R 49

Hình 4.28 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R 49

Hình 4.29 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL 50

Trang 12

Hình 4.30 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL 50

Hình 4.31 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R 51

Hình 4.32 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R 52

Hình 4.33 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL 52

Hình 4.34 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL 53

Hình 4.35 Sơ đồ điều khiển 2 Thyristor mắc song song ngược 53

Hình 4.36 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R 55

Hình 4.37 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R 55

Hình 4.38 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL 56

Hình 4.39 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R 56

Hình 4.40 Sơ đồ điều khiển chỉnh lưu bán phần tải R 57

Hình 4.41 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R 58

Hình 4.42 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R 59

Hình 4.43 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL 59

Hình 4.44 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL 60

Hình 4.45 Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần tải R 60

Hình 4.46 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R 62

Hình 4.47 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải R 62

Hình 4.48 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL 63

Hình 4.49 Đồ thị dạng sóng điện áp trên tải RL 63

Trang 13

Do yêu cầu của nền công nghiệp cũng như nhu cầu đời sống thì các bộ biến đổi(AC-AC, AC-DC) còn phải đáp ứng được rất nhiều yêu cầu ngày càng khắt khe, nhưkích thước phải nhỏ, mật độ công suất phải lớn, độ tin cậy cao.

Khảo sát bộ biến đổi AC –AC

Mạch xoay chiều có thể điều chỉnh thay đổi áp hiệu dụng cấp đến tải bằng cáchdùng cặp SCR mắc song song ngược chiều hay Triac

Đây là phương pháp điều khiển công suất tác dụng cấp đến tải Mạch điều khiểncông suất này chỉ thay đổi áp hiệu dụng cấp đến tải nhưng không điều chỉnh thay đổitần số

Bộ biến đổi này được ứng dụng để điều chỉnh thay đổi tốc độ động cơ khôngđồng bộ, điều khiển nguồn nhiệt trong công nghiệp, điều khiển độ sáng của bóng đèn,điều khiển đầu điều áp dưới tải của các máy biến áp

Khảo sát bộ biến đổi AC –DC ( chỉnh lưu)

Chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, nghĩa là biếnđổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều trên tải Sự biến đổi đó được

Trang 14

thực hiện nhờ các thiết bị bán dẫn Chỉ cho dòng điện đi qua theo một chiều nhấtđịnh như: Diod, Thyristor…

Thực tế thì sinh viên cần phải hiểu rõ nguyên lí và cách thức hoạt động của các

bộ điều áp để vận hành và sửa chữa các bộ điều áp này Dựa trên những yêu cầu thực

tế ngày nay trong lĩnh vực điện tử công suất Từ đó đề xuất tên đề tài là “ Thiết kế, chếtạo mô hình thí nghiệm mạch kích đồng bộ ứng dụng điều khiển Thyristor, Triac” vớimụch đích để hiểu rõ các nguyên lí điều khiển điện áp duy tri hay là phương phápchỉnh lưu có điều khiển

Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em đã được nhận đề tài “ Thiết kế,

chế tạo mô hình thí nghiệm mạch kích đồng bộ ứng dụng điều khiển Thyristor, Triac” Sau thời gian nghiên cứu chúng em đã chế tạo thành công mô hình thí nghiệm

đáp ứng được cơ bản yêu cầu của đề tài chúng em đã cố gắng tìm hiểu kĩ về các phương

án công nghệ sao cho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật , vừa đảm bảo yêu cầukinh tế Với hy vọng đồ án điện tử công suất này là một bản thiết kế kĩ thuật có thể ápdụng được trong thực tế nên chúng em đã cố gắng mô tả cụ thể , tỉ mỉ và tính toán cụ thểcác thông số em nhiều hơn của các sơ đồ mạch

1.2 Mục đích của đề tài

Khảo sát một số phương pháp biến đổi AC sang AC

Khảo sát phương pháp biến đổi điện áp xoay chiều

Khảo sát phương pháp chỉnh lưu có điều khiển

Với việc khảo sát một số mô hình thí nghiệm đã có, từ đó thiết kế lên một mô hìnhthí nghiệm điều khiển đồng bộ Triac, Thyristor gồm các module thí nghiệm

Module điều khiển dùng cầu Diode, PC817, LM358 và board vi điều khiển aruduino

Trang 15

Module cách li gồm cách li quang dùng các Opto cách li và cách li dùng biến ápxung

Module công suất gồm 2 Triac, 4 Thyristor và 2 Diode

Module tải gồm các tải R L và tải đèn đùng để so sánh tác động của tải đối với bộđiều khiển

Xây dựng các chương trình điều khiển cho nguyên lí biến đổi áp AC-AC, nguyên líbiến đổi áp AC-DC với các mạch chỉnh lưu điều khiển bán phần và điều khiển toàn phần.Sản phẩm của đề tài được ứng dụng cho sinh viên ngành cơ điện tử và điều khiển tựđộng cũng như khối ngành điện điện tử để làm rõ nguyên lí hoạt động của các mạch chỉnhlưu có điều khiển cũng như trạng thái kích của Triac và Thyristor đối với các tải R và RL

Trang 16

Hình 2.1 Cấu trúc (a) và ký hiệu Triac (b) 2.1.1.2 Đặc điểm

Cấu trúc bán dẫn của Triac có thể mô tả bằng 2 cấu trúc 4 lớp tiếp xúc bán dẫn

Ta và Tb Trong trường hợp nối T2 với nguồn “+” và T1 với nguồn ”-“, G với “+”,nửa Ta của Triac làm việc như một Thyristor thông thường Nếu phân cực nguồn

Trang 17

ngược lại, điện tử từ N3 sẽ phóng vào P2, gây ra quá trình thác lũ do va chạm làm dẫn

Hình 2.2 Đặc tuyến của Triac

 Phương pháp điều khiển

Triac điều khiển mở có thể bằng xung dương (đi vào cực G) hoặc xung âm (Đi ra cực G) Do khó khăn tạo được nguồn kích xung âm, không thực tế nên do đó trong các mạch thực tế đều dùng kích xung dương

Tổ hợp điện áp trên các chân điều khiển Triac

+ Nếu G(+), B2 (+) hoặc G(-), B2 (+) khi đó dòng điện chạy từ B2 sang B1

+ Nếu G(-), B2 (-) hoặc G(+), B2 (-) khi đó dòng điện chạy từ B1 sang B2

Chú ý :

+ Để điều khiển mở được Triac thì dòng điều khiển phải lớn hơn dòng điều khiển

Trang 18

danh định của Triac, mỗi loại Triac có dòng điều khiển danh định khác nhau Do

đo tải phải có công suất > dòng kích mở của Triac

+ Nguồn một chiều không đóng mở được Triac vì không có điểm 0 và Triac sẽ mở mãi

 Các phương pháp mở thông Triac

Hình 2.3 Một số phương pháp mở thông Triac

a Cấp xung dương cho cực G của Triac, nguồn dương cho cực T2 và nguồn âm

cho cực T1 của Triac

b Cấp xung dương cho cực G của Triac, nguồn dương cho cực T1 và nguồn âm

cho cực T2 của TriacNgoài ra còn một số phương pháp như :

Phương pháp mở bằng nguồn ngoài Phương pháp mở bằng dòng điện nguồn 24VAC

 Sơ đồ điều khiển Triac

Hình 2.4 Sơ đồ điều khiển Triac 2.1.1.4 Ứng dụng

Trang 19

 Dùng cho điều khiển bóng đèn, bơm, quạt

 Điều khiển tốt với những tải thuần trở và gây tổn hao với những tải cảm

2.1.2 Thyristor (Thyratron và Transistor)

Thyristor có thể xem như tương đương hai BJT gồm một BJT loại NPN và một BJT loại PNP ghép lại như hình vẽ sau:

Hình 2.6 Cấu tạo Thyristor

Trang 20

 Các phương pháp mở và khóa Thyristor

Khi được phân cực thuận, Uak>0, Thyristor có thể mở bằng hai cách Thứ nhất, có thể tăng điện áp anode-cathodecho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uthmax.Điện trở tương đương trong mạch anode-cathode sẽ giảm đột ngột và dòng qua thyristor

sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định Phương pháp này trong thực tế không được áp dụng

do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng tăng được điện áp đếngiá trị Uthmax Hơn nữa như vậy xảy ra trường hợp Thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước

Phương pháp thứ hai, được áp dụng trong thực tế, là đưa một xung dòng điện có giátrị nhất định vào các cực điều khiển và cathode Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyểntrạng thái của Thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anode-cathode nhỏ Khi đó nếu dòng qua anode-cathode lớn hơn một giá trị nhất định gọi làdòng duy trì (Idt) Thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến

sự tồn tại của xung dòng điều khiển Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các Thyristorbằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển cóthể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà Thyristor là một phần tử đóng cắt, khốngchế dòng điện

2.1.2.3 Nguyên lí hoạt động

Khi nối Anode với cực “+” và Cathode với cực “-” của nguồn một chiều, J1 và J3được phân cực thuận và J2 phân cực ngược Kết quả là gần như toàn bộ điện thế nguồnđặt lên lớp tiếp xúc J2 Nếu tác động vào cực G một điện thế dương so với K (tín hiệuxung kích) thì Thysistor nhận năng lượng đủ lớn của điện trường tổng cộng Các điệntrường này sẽ ion hóa các nguyên tử bán dẫn, tạo ra các điện tử mới (thứ thác lũ điện

tử được tạo ra trong lớp tiếp xúc J2 và chảy vào N1, sau đó qua P1 để tới cực A tạothành dòng qua Thyristor Thyristor làm việc trong chế độ này là chế độ mở, có điệntrở thuận nhỏ và dòng dẫn I lớn

Để đưa Thyristor về trạng thái cấm (khóa), cần tiến hành theo 2 cách sau:

 Giảm dòng I xuống giá trị duy trì dẫn

 Đảo chiều thế phân áp U hoặc tạo thế phân cực ngược cho Thyristor

Trang 21

 Một số đặc điểm cần lưu ý khi sử dụng Thyristor:

 Mỗi loại Thyristor chế tạo có các đặc trưng khác nhau, cần lựa chọn loại thích hợp với yêu cầu sử dụng:

 Dòng điện định mức In: (tùy loại) ~ A ÷ 1000A

 Dòng điện rò ~ mA

 Điện áp ngược cực đại Uin.max : ( Tùy loại) vài trăm Volt ÷ vài kV

 Dòng điện điều khiển IG

 Tốc độ tăng dòng điện dI/dt: A/µs

 Tốc độ tăng điện áp dV/dt: V/µs

 Thời gian khóa: vài chục µs

 Thời gian mở: vài µs

 Quá trình chuyển từ mở sang cấm không xảy ra tức thời Nếu khi Thyristor chưacấm hẳn mà đã xác lập thế U để UA-K dương, sẽ làm đoản mạch nguồn và hỏngThyristor

2.1.2.4 Đặc tuyến và sơ đồ điều khiển

 Đặc tuyến

Hình 2.7 Đặc tuyến Thyristor

Trang 22

 Sơ đồ điều khiển

Hình 2.8 Sơ đồ điều khiển Thyristor

 Ứng dụng

Thiết kế cách mạch chỉnh lưu điểu khiển bán phần và toàn phần

Thay đổi cường độ dòng điện

2.2 Phương pháp điều khiển điện áp xoay chiều

2.2.1 Điều khiển bằng Thyristor

Thyristor chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt lên anôt và xungđiện áp dương đặt lên cực điều khiển Sau khi Thyristor đã mở thì xung điều khiển khôngcòn tác dụng, dòng điện chảy qua Thyristor do thông số của mạch động lực quyết định

2.2.1.1 Sơ đồ cấu trúc

Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor

Mạch điều khiển có các chức năng sau:

Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp trên anôt- catôt của Thyristor

Tạo ra được các xung có đủ điều kiện mở được Thyristor Xung điều khiển thường

có biên độ từ 2 đến 10V, độ rộng xung tx= 20-100μs đối với thiết bị chỉnh lưu hoặc cặp s đối với thiết bị chỉnh lưu hoặc cặp Thyristor đấu song song ngược

Độ rộng xung được xác định theo biểu thức:

t x= I dt di dt

Trong đó:

Idt là dòng duy trì của Thyristor;

di/dt là tốc độ tăng trưởng của dòng tải

Trang 23

Cấu trúc của một mạch điều khiển Thyristor gồm 3 khâu chính sau đây:

- Khâu đồng bộ (ĐB): tạo tín hiệu đồng bộ với điện áp anôt-catôt của Thyristor cần

mở Tín hiệu này là điện áp xoay chiều, thường lấy từ biến áp có sơ cấp nối song song vớiThyristor cần mở

- Khâu so sánh-tạo xung (SS-TX): làm nhiệm vụ so sánh giữa điện áp đồng bộthường đã được biến thể với tín hiệu điều khiển một chiều để tạo ra xung kích mởThyristor

- Khâu khuếch đại xung (KĐ): tạo ra xung mở có đủ điều kiện để mở Thyristor

Hình 2.9 Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor

Khi thay đổi giá trị điện áp một chiều Uđk thì góc mở α sẽ thay đổi

2.2.1.2 Nguyên tắc điều khiển

Sử dụng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” như hình 2 để thực hiện điềuchỉnh vị trí đặt xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên Thyristor

Theo nguyên tắc này, ở khâu so sánh có hai điện áp đặt vào:

- Điện áp đồng bộ sin, sau khi ra khỏi khâu ĐB được tạo thành tín hiệu cos

- Điện áp điều khiển là áp một chiều có thể biến đổi được

Hình 2.10 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”

b Udk

Udk

Uc

Udb

Uđk

Uđb

Trang 24

Điện áp uđb= Um sinωt thì: Ut thì: Uc = Um cosωt thì: Ut

Giá trị α được tính theo phương trình sau: Umcosα = Uđk

2.2.2 Điều khiển bằng Triac

Khác với SCR, Triac tắt trong một khoảng thời gian rất ngắn lúc dòng điện tải đi quađiểm O Nếu mạch điều khiển của Triac có tải là điện trở thuần thì việc ngắt mạch không

có gì khó khăn Nhưng nếu tải là một cuộn cảm thì vấn đề làm tắt triac trở nên khó khăn

vì dòng lệch pha trễ

Triac có thể điều khiển cho mở dẫn dòng bằng cả xung dương (dòng đi vào cực điềukhiển) lẫn xung âm (dòng đi ra khỏi cực điều khiển) Tuy nhiên xung dòng điều khiển âm

có độ nhạy kém hơn, nghĩa là để mở được Triac sẽ cần một dòng điều khiển âm lớn hơn

so với dòng điều khiển dương Vì vậy trong thực tế để đảm bảo tính đối xứng của dòngđiện qua Triac thì sử dụng dòng điện dương là tốt hơn cả

Hình 2.11 Sơ đồ điều khiển Triac

Trang 25

Với mạch điện ở trên, ta có thể sử dụng điện áp nhỏ để điều khiển các thiết bị cao

áp Ví dụ, sử dụng vi điều khiển để điều khiển bóng đèn 220V hoặc các thiết bị khác chạy

ở điện áp cao.

Khi điện áp 5V được đặt vào chân 1&2 của opto-coupler, mạch zero-crossing đượcbuilt-in trong MOC3020 sẽ tự động phát hiện khi sóng hình sin của điện áp xoay chiều điqua điểm 0 để mở thông 2 chân 4&6 Khi chân 4&6 thông sẽ dẫn dòng vào cực GATEcủa Triac và Triac sẽ bắt đầu dẫn dòng chính giữa 2 chân 2&1, đèn sáng

Bây giờ khi ta thực hiện tắt đèn, điện áp 0V được đặt vào 2 chân 1&2, chân 6&4không thông dẫn đến không có dòng vào cực GATE của Triac Trac ngừng dẫn dòng giữa2&1, đèn tắt

Lợi ích của mạch đóng cắt bằng Triac:

Sử dụng đóng cắt các mạch điện xoay chiều

Không tạo tiếng ồn

Không gây nhiễu sóng hài

An toàn điện do được cách li giữa khối điều khiển và khối công suất bằng opto

Có thể sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu việc đóng cắt nhanh (fast switching)

Trang 26

2.2.3 Sơ đồ mạch lực biến đổi điện áp xoay chiều

Trên các hình 2.12 là các sơ đồ mạch lực bộ biến đổi xoay chiều - điện áp xoaychiều một pha (bộ biến đổi điện áp pha một pha)

Hình 2.12 Sơ đồ mạch lực biến đổi điện áp xoay chiều

a Sơ đồ dùng 2 Thyristor mắc song song ngược

b Sơ đồ dùng 2 Diode và 2 Thyristor

c Sơ đồ dùng 1 Triac

d Sơ đồ dùng 1 Thyristor và 4 Diode

e Sơ đồ dùng 1 Thyristor và 1 Diode

Để hiểu rõ nguyên lý làm việc của bộ biến đổi ta xét nguyên lý hoạt động củamột số sơ đồ trong trường hợp đơn giản nhất là khi tải thuần trở

Từ các đồ thị ung, uđkT1, uđkT2 có thể mô tả vắn tắt nguyên lý làm việc của sơ đồnhư sau: Từ ωt thì: Ut = 0 đến ωt thì: Ut = ψ (ψ được gọi là góc điều chỉnh hay điều khiển của bộbiến đổi xoay chiều - xoay chiều), điện áp nguồn ung dương đặt điện áp thuận lên T1 vàngược lên T2, do T1 chưa có tín hiệu điều khiển nên T1 chưa mở, như vậy cả hai van

T1 và T2 đều khóa, dòng quả tải bằng không (it = 0), điện áp trên tải cũng bằng không(ut = Rt i = 0) Đến thời điểm ωt thì: Ut = ψ, xuất hiện tín hiệu điều khiển trên cực điều khiểncủa T1 (có uđkT1), T1 mở và xuất hiện dòng điện tải (it = u ng/Rt ) và điện áp trên tải ut

= ung (bỏ qua sụt áp trên T1 mở) Đến ωt thì: Ut = ψ, ung giảm về bằng không và bắt đầuchuyển sang nửa chu kỳ âm, nên it = 0 và có xu hướng đổi chiều, do thyristor chỉ dẫndòng theo một chiều nên T1 khóa lại, T2 chưa có tín hiệu điều khiển nên chưa mở, tức

Trang 27

là cả hai van T1,T2 đều khóa, dòng và áp trên tải đều bằng không Đến ωt thì: Ut = ψ+ π) trên oscilloscope, van

T2 có tín hiệu điều khiển và lúc này uT2= –ung > 0, dẫn đến T2 mở, lại xuất hiện dòngqua tải và điện áp trên tải (it=ung /Rt , ut=ung) Đến ωt thì: Ut = 2π) trên oscilloscope điện áp nguồn lại bằngkhông và bắt đầu đổi sang nửa chu kỳ dương, có xu hướng chống lại dòng qua T2

và đặt thuận lên T1, van T2 khóa lại, còn T1 vẫn khóa Đến ωt thì: Ut = 2π) trên oscilloscope+ ψ, T1 có tín hiệuđiệu khiển, T1 lại mở và sơ đồ lạp lại trạng thái làm việc như từ ωt thì: Ut = ψ Đồ thị điện áp

và dòng điện trên tải được biểu diễn trên hình 2.13d (u nét đậm, i nét mảnh)

Hình 2.13 Đồ thị minh họa nguyên lí làm việc của hình với tải thuần trở

Từ đồ thị điện áp trên tải, có thể rút ra: Với việc điều khiển cho các van mở chậmhơn thời điểm mở tự nhiên một góc điều khiển ψ làm cho điện áp trên tải bị mất đi một phần trong mỗi nửa chu kỳ so với điện áp nguồn, kết quả là điện áp trên tải vẫn là điện áp xoay chiều cùng tần số với điện áp nguồn nhưng dạng khác hình sin và có giá

Trang 28

trị hiệu dụng khác (nhỏ hơn) điện áp nguồn Góc điều khiển φ tăng thì giá trị hiệu dụng điện áp trên tải giảm, giới hạn thay đổi của ψ là từ 00 đến 1800 tương ứng điện

áp trên tải thay đổi từ Ung đến không Với việc điều chỉnh trơn được giá trị ψ, cho phép điều chỉnh trơn được điện áp đầu ra của bộ biến đổi, kể cả khi bộ biến đổi đầy tải Mặt khác, từ đồ thị co thể thấy, điện áp trên tải khác điện áp nguồn khi dòng qua tải gián đoạn (có các khoảng bằng không)

2.3 Phân tích bộ biến đổi điện áp

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều sử dụng để điều khiển giá trị hiệu dụng điện ápxoay chiều Việc điều khiển diễn ra liên tục và cho đáp ứng nhanh Hiện tượng chuyểnmạch giữa các linh kiện không xảy ra vì dòng điện qua tải có dạng xoay chiều Do đódòng giảm về 0 trước khi đổi chiều

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thường gặp ở dạng 1 pha và 3 pha Bộ biến đổiđiện áp xoay chiều sử dụng để điều khiển bếp điện, lò điện, điều khiển ánh sáng,truyền động cầu trục, máy quạt, máy bơm, các dụng cụ điện Điều khiển nguồn cấpcho các bể mạ, thiết bị hàn

Sơ đồ biến đổi điện áp xoay chiều một pha trình bày trên hình Các ThyristorSCR1 - SCR2 tạo thành công tắc xoay chiều được vận hành theo phương pháp điềukhiển pha Cặp công tắc này có thể thay bằng một Triac

Hình 2.14 Sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha

Trang 29

 Trường hợp tải là thuần trở R

Biểu thức điện áp trung bình trên tải thuần trở được tính như sau :

UAC là điện áp xoay chiều cấp cho sơ đồ

UZ , IZ là điện áp trên tải và dòng trên tải

USCR1 , ISCR1 là điện áp và dòng điện trên SCR1

 Trường hợp tải là thuần trở kết hợp với tải cảm RL

Biểu thức điện qua tải thuần cảm

Trang 30

Hình 2.16 Giản đồ tín hiệu bộ biến đổi điện áp xoay chiều tải trở RL

Trong đó

UAC là điện áp xoay chiều cấp cho sơ đồ

UZ , IZ là điện áp trên tải và dòng trên tải

USCR1 , ISCR1 là điện áp và dòng điện trên SCR1

2.4 Phân tích bộ chỉnh lưu

Bộ chỉnh lưu công suất thực hiện biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điệnmột chiều Bộ chỉnh lưu được sử dụng rộng rãi để cung cấp nguồn một chiều công suấtlớn cho các thiết bị công nghiệp như động cơ điện một chiều công suất tới MW, mạchkích từ máy phát điện, nguồn điện một chiều cho các máy hàn, mạ điện, nạp điện,nguồn cho các bộ biến tần và hàng loạt các ứng dụng khác

Những thông số có ý nghĩa quan trọng để đánh giá chỉnh lưu bao gồm:

 Điện áp tải: Ud = (t).dt

Trang 31

 Dòng điện tải: Id = Udc/Rd

 Dòng điện chạy qua ngắt điện: IND = Id/m

 Điện áp ngược của ngắt điện: UN= Umax

 Công suất biến áp: SBA = = kad.Ud

Hình 2.17 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 2.4.1 Chỉnh lưu điều khiển bán phần

Mạch chỉnh lưu điều khiển bán phần dạng đối xứng được trình bày trên hình 2.17Các Thyristor SCR1 và SCR2 tạo thành nhóm Anode, còn các diode D1 và D2 tạothành nhóm Cathode

Hình 2.18 Sơ đồ chỉnh lưu bán phần

Trang 32

 Trường hợp tải thuần trở R

Biểu thức điện áp qua tải thuần trở:

Hình 2.19 Giản đồ tín hiệu mạch chỉnh lưu điều khiển bán phần với tải R

Trong đó:

UAC , IAC là điện áp và đong điện xoay chiều cấp cho sơ đồ

UDC và IDC là điện áp trên tải và dòng chỉnh lưu qua tải

USCR1, ISCR1 là điện áp và dòng điện trên Thyristor SCR1

UD1, ID1 là điện áp và dòng điện trên Diode D1

Trang 33

Hình 2.20 Sự phụ thuộc giữa điện áp chỉnh lưu bán phần với giá trị góc điều khiển

 Trường hợp tải là thuần trở mắc nối tiếp với tải cảm RL

Phụ thuộc vào tham số góc điều khiển, giá trị R, L và giá trị hiệu dụng của điện ápnguồn dòng qua tải có thể có giá trị liên tục hoặc gián đoạn

Biểu thức điện áp qua tải RL

Trang 34

Trong đó:

UAC , IAC là điện áp và đong điện xoay chiều cấp cho sơ đồ

UDC và IDC là điện áp trên tải và dòng chỉnh lưu qua tải

USCR1, ISCR1 là điện áp và dòng điện trên Thyristor SCR1

UD1, ID1 là điện áp và dòng điện trên Diode D1

 Nhận xét

Do tác dụng của diode D1 và D2, điện áp tạo ra trên tải không âm Do vậy, bộ chỉnhlưu cầu điều khiển bán phần không được sử dụng khi tải đòi hỏi hoạt động trong chế độnghịch lưu có hoàn trả năng lượng về nguồn xoay chiều Vì thế đối với tải RL điện áp racũng giống như điện áp trên tải R

2.4.2 Chỉnh lưu điều khiển toàn phần

Hình 2.22 Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần

Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần dạng đối xứng được trình bày trên hình 2.22Các Thyristor SCR1 và SCR2 tạo thành nhóm Anode, còn Thyristor SCR3 và SCR4 tạohành nhóm Cathode

2.4.2.1 Trường hợp tải là thuần trở R

Biểu thức điện áp qua tải thuần trở

Trang 35

UAC , IAC là điện áp và dòng điện xoay chiều cấp cho sơ đồ cầu

UDC là điện áp chỉnh lưu qua tải

USCR1, ISCR1 là điện áp và dòng điện trên Thyristor SCR1

ISCR2 là dòng điện trên Thyristor SCR 2

2.4.2.2 Trường hợp tải thuần trở R mắc nối tiếp tải cảm RL

Phụ thuộc vào tham số góc điều khiển, giá trị R, L và giá trị hiệu dụng của điện áp nguồn dòng qua tải có thể có giá trị liên tục hoặc gián đoạn

Biểu thức điện áp qua tải RL

Trang 36

 Trường hợp dòng qua tải liên tục

Hình 2.24 Giản đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần với tải RL dòng tải liên tục

Trong đó

UAC , IAC là điện áp và dòng điện xoay chiều cấp cho sơ đồ cầu

UDC là điện áp chỉnh lưu qua tải

USCR1, ISCR1 là điện áp và dòng điện trên Thyristor SCR1

ISCR2 là dòng điện trên Thyristor SCR 2

Trang 37

 Trường hợp dòng quan tải gián đoạn

Hình 2.25 Giản đồ chỉnh lưu điều khiển toàn phần với tải RL dòng tải gián đoạn

Trong đó

UAC , IAC là điện áp và dòng điện xoay chiều cấp cho sơ đồ cầu

UDC, IDC là điện áp trên tải và dòng chỉnh lưu qua tải

USCR1, ISCR1 là điện áp và dòng điện trên Thyristor SCR1

ISCR2 là dòng điện trên Thyristor SCR 2

 Nhận xét

Trang 38

Khi có thay đổi về góc độ giữa điện thế và dòng điện, Tần số thời gian và thời giancủa mạch điện củng thay đổi tùy thuộc vào giá trị của L và R

2.5 Khảo sát mô hình thí nghiệm VIELINA

2.5.1 Sơ đồ mạch điều khiển

Hình 2.26 Sơ đồ điều khiển đồng bộ SCR , Triac dùng TCA785

Qua việc khảo sát mô hình thí nghiệm VIELINA tạo xung đồng bộ và so sánhđiện áp dựa trên việc dùng TCA785 có một số ưu nhược điểm là :

Ưu điểm

Có thể tạo ra 2 xung đồng bộ cùng lúc hiển thị nữa chu kì

Sơ đồ nối TCA 785 đơn giản

Tao ra xung đồng bộ cả trên dòng điện xoay chiều

Nhược điểm

Mạch tạo xung khá phức tạp

Không tạo được xung đồng bộ toàn chu kì để kích Triac

Xung đồng bộ trước khi vào cách li cần phải qua diode

2.5.2 Sơ đồ mạch cách li

Trang 39

Hình 2.27 Sơ đồ mạch cách li

Khảo sát mạch cách li của mô hình thí nghiệm VIELINA dùng Opto để cách liquang và cách li biến áp xung có một số ưu nhươc điểm :

Ưu điểm

Kết hợp hai ngõ vào trên mạch cách li dùng biến áp xung

Sơ đồ chân đơn giản thuận lợi cho việc hàn gắn linh kiện

Linh kiện đơn giản dễ tìm kiếm

Nhược điểm

Mạch vào biến áp xung khá phức tạp

Xung vào cách li quang cần phải qua diode

Cần cấp 12V cho cả 2 cách li

2.5.3 Sơ đồ module công suất

Trang 40

Hình 2.28 Sơ đồ module công suất

Thông qua việc khảo sát module công suất bao gồm 5 Diode , 5 Thyristor , 1 Triac , 1 Transitor và 1 Mosfet có một số ưu nhược điểm

Ưu điểm

Công suất được chia ra từng phần cho từng bài thí nghiệm

Thuận tiện cho việc xây dựng các bài thí nghiệm

Nhược điểm

Tốn nhiều kinh phí cho việc mua linh kiện

2.5.4 Sơ đồ module tải

Hình 2.29 Sơ đồ module tải

Qua việc khảo sát module tải gồm 3 tải đèn 4 tải R 3 tải L và 1 động cơ có một số

ưu nhược điểm

Ưu điểm

Tải được chia ra từng phần cho từng bài thí nghiệm

Thuận tiện cho việc xây dựng các bài thí nghiệm

Nhược điểm

Ngày đăng: 26/09/2019, 20:22

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w