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 1BỘ 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 2THIẾT 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 3CẢM 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 4TÓM 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 5MỤC 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 62.3 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 74.1.2.2.1 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 84.2.2.2.2 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 9DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
PEC : Power Electronics Controller
Bộ điều khiển điện tử công suất
Trang 10DANH 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 11Hình 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 12Hình 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 13Do 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 14thực 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 15Module 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 16Hình 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 17ngược 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 18danh 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 23Cấu 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 24Điện 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 25Với 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 262.2.3 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 27là 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 28trị 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 30Hình 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).dt
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 33Hình 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 34Trong 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 35UAC , 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 38Khi 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 39Hình 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 40Hình 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