Thiết kế, chế tạo bộ biến đổi AC DC

TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊNKhoa Điện – Điện Tửo0oCỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập Tự do Hạnh phúcĐỒ ÁN MÔN HỌCNhóm sinh viên thực hiện : 1. Vũ Quang Đạt2. Lê Văn DuânNgành đào tạo : Điện tử công nghiệpTên đề tài :Thiết kế, chế tạo bộ biến đổi ACDC (chỉnh lưu)Số liệu cho trước:Các thiết bị hiện có trên phòng thí nghiệmTải của bộ biến đổi plasma có thông số U_d= 660v;I_d=4ANội dung cần hoàn thành:Tổng quan về bộ biến đổi ACDC có điều khiển dung các bán dẫn công suất và lựa chọn sơ đồ đáp ứng yêu cầu của đề tàiCác dạng tải đối với sơ đồ đã lựa chọnThiết kế, tính toán và chế tạo bộ biến đổi ACDC theo sơ đồ lựa chọnSản phẩm của đề tài phải đảm bảo kỹ thuật, mỹ thuậtQuyển thuyết minh thể hiện nội dung của đề tàiGIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:Trần Quang PhúNgày giao đề:DĐ: 0962227070Ngày hoàn thành:Email: tranquangphu.utehygmail.comHưng Yên, ngày 10 tháng 2 năm 2017CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNGNHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………….………………MỤC LỤCCHƯƠNG 14TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ MẠCH CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT41.1 Khái quát chung về điện tử công suất4 1.1.1 Khái niệm về điện tử công suất4 1.1.2 Nhiệm vụ về điện tử công suất4 1.1.3 Ứng dụng của điện tử công suất41.2 Khái niệm về chỉnh lưu công suất9 1.2.1 Khái niệm9 1.2.2 Phân loại9 1.2.3 Luật dẫn của van công suất trong các mạch chỉnh lưu9 1.2.4 Cấu trúc m chỉnh lưu, các thông số cơ bản101.3 Các mạch chỉnh lưu một pha11 1.3.1 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển11 1.3.2 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kì không điều khiển13 1.3.3 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không điều khiển13 1.3.4 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển14 1.3.5 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ có điều khiển15 1.3.6 Mạch chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển hoàn toàn15 1.3.7 Mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển16CHƯƠNG 219TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA192.1 Các thông số yêu cầu192.2 Lựa chọn sơ đồ mạch chỉnh lưu192.3 Tính toán các thông số của mạch điện19 2.3.1 Tính toán, chế tạo máy biến áp19 2.3.2 Tính toán, chọn van công suất20 2.3.3 Tính toán, chọn phần tử bảo vệ21Hình 2.1. Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ.21 2.3.4 Tính toán, chọn phần tử mạch điều khiển21 2.3.5 Tính toán, chọn phần tử cách ly292.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điện31 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý31 2.4.2 Phân tích sơ đồ nguyên lý31 2.4.3 Nguyên lý làm việc toàn mạch342.5 Lắp ráp mạch điện35 2.5.1 Mạch in35 2.5.2 Sơ đồ linh kiện35 2.5.3 Hình ảnh mạch điện thực tế35CHƯƠNG 336KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ363.1 Nội dung khảo sát36 3.1.1 Tín hiệu điều khiển36 3.1.2 Điện áp đầu ra363.2 Đánh giá36TÀI LIỆU THAM KHẢO38CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ MẠCH CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT1.1 Khái quát chung về điện tử công suất 1.1.1. Khái niệm về điện tử công suấtĐể có khái niệm tổng quát về điện tử công suất, cần phải nhắc lại ba lĩnh vực cơ bản của ngành kỹ thuật điện đó là: điện tử, điều khiển và năng lượng điện. Lĩnh vực điện tử nghiên cứu các dụng cụ bán dẫn, các mạch tích hợp sử dụng cho mạch truyền tải và xử lý thông tin. Lĩnh vực điều khiển nghiên cứu các quá trình, phân tích và tổng hợp các bộ điều khiển nhằm ổn định chế độ làm việc của hệ thống . Lĩnh vực năng lượng nghiên cứu và giải quyết các vấn đề liên quan đến các hệ thống phát điện, truyền tải, phân phối và sử dụng điện 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 thống thiết bị điện tử này không hoạt động ở chế độ khuếch đại mà hoạt động theo nguyên lý đóng cắt và được gọi là thiết bị điện tử công suất. Như vậy, điện tử công suất là ứng dụng của kỹ thuật điện tử, điều khiển vào hệ thống năng lượng điện. 1.1.2 Nhiệm vụ về điện tử công suấtNhiệm vụ chính của điện tử công suất là biến đổi hệ thống năng lượng điện từ dạngnày sang dạng khác bao gồm các dạng biến đổi dưới đây:• Xoay chiều (ACAlternatingCurrent) thành một chiều(DCDirect Current):ACDC.•Một chiều thành một chiều: DCDC.•Một chiều thành xoay chiều: DCAC.•Xoay chiều thành xoay chiều: ACAC. 1.1.3 Ứng dụng của điện tử công suất1)Các bộ chỉnh lưu có điều khiểnLà loại biến đổi ACDC được sử dụng rất rộngrãi 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.Bộ chỉnh lưu làm nhiệm vụ của cơ cấu điều chỉnh cho đối tượng là động cơ điện một chiều. Khi tải của động cơ thay đổi hoặc điện áp nguồn thay đổi, momen và tốc độ quay trên trục của động cơ thay đổi theo. Cảm biến tốc độ chuyển đổi tốc độ động cơ thành tín hiệu điện là một hàm phụ thuộc vào tốc độ. Điện áp tín hiệu được khuếch đại đến mức đủ lớn đưa vào điều chế góc mở SCR trong bộ chỉnh lưu để điện áp một chiều được điều chỉnh giữ cho tốc độ động cơ ổn định. Việc điều chỉnh tốc độ quay có thể thưc hiện bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng, mạch kích thích và có thể thực hiện trên cả hai mạch. Theo quan điểm kỹ thuật điều khiển hệ thống tự động ổn định tốc độ quay trên Hình1 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 kín.Trên sơ đồ cấu trúc các đại lượng được biểu diễn dưới dạng toán tử Laplace trong đó X(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 và đối tượng trong miền toán tử.2)Điều chỉnh dòng điện và điện áp một chiềuSơ đồ khối hệ thống tự động ổn định tốc độ quay của động cơ điện một chiều bằng bộ biến đổi DCDC 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 nguồn thay đổi làm momen và tốc độ quay trên trục động cơ thay đổi. Tín hiệu ra của cảm biến tốc độ làm thay đổi tần số đóng cắt của bộ biến đổi DCDC làm điện áp trung bình đặt trên động cơ thay đổi giữ cho tốc độ quay của động cơ ổn định trong phạm vi làm việc nhất định.3) Điều chỉnh dòng điện và điện áp xoay chiềuCác 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 việc điều chỉnh tốc độ quay cảu động cơ điện xoay chiều. Tuy nhiên, việc sử dụng các bộ điều chỉnh trong truyền động điện động cơ điện xoay chiều có chất lượng không cao nên ít được 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 độ trong buồng thay đổi làm tín hiệu ra của cảm biến nhiệt độ tahy đổi theo góc mở của các Thyristor 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 một pha và ba pha, được trình bày trên Hình 1.4. Hình 1.4. Bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp một pha.4) Bộ biến đổi ngượcCác bộ biến đổi ngược DCAC (nghịch lưu) dùng để biến đổi hệ thống dòng điện và điện áp một chiều cố định thành hệ thống dòng điện và điện áp xoay chiều có tần số ổn định. 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 xoay chiều không ổn định thành hệ thống năng lượng điện xoay chiều có tần số và biên độ ổn định. Sơ đồ khối của hệ thống cung cấp điện không gián đoạn sử dụng bộ biến đổi ngược được mô tả trên Hình 1.1.5 Hình 1.5. Sơ đồ khối hệ thống cung cấp điện không gián đoạn.Nguồn điện xoay chiều lấy từ lưới điện xoay chiều sau khi được chỉnh lưu vừa nạp cho ắc quy vừa được lọc phẳng cung cấp cho bộ nghịch lưu DCAC thành nguồn điện xoay chiều có tần số ổn định. Khi mất điện lưới năng lượng được nạp từ ắc quy cung cấp cho tải .5) Biến tầnLà bộ biến đổi ACAC dùng để biến đổi hệ thống dòng điện và điện áp xoay chiều từ tần số này sang tần số khác. Có hai loại biến tần: trực tiếp và gián tiếp được sử dụng trong hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ điện xoay chiều. Sơ đồ hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ điện xoay chiều sử dụng biến tần giao tiếp được trình bày 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.6) Các bộ biến đổi trong hệ thống truyền tải điện năngCác bộ biến đổi công suất lớn còn được sử dụng trong hệ thống truyền tải điện năng như các hệ thống bù hệ số cosφ, điều khiển hệ thống năng lượng, và truyền tải điện một chiều cao áp được trình bày như trên Hình 1.1.7. 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 năng lượng bằng cách thay đổi chế độ làm vieecjcuar các bộ biến đổi ở hai đầu đường dây từ chế 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 số nước công nghiệp phát triển.1.2 Khái niệm về chỉnh lưu công suất 1.2.1 Khái niệmMạch chỉnh lưu là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều nhằm cung cấp cho phụ tải điện một chiều. 1.2.2 Phân loạiTheo số pha: một pha, ba pha, m pha ...Theo loại van: diode hoặc thyristorMạch 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 1.2.3 Luật dẫn của van công suất trong các mạch chỉnh lưuNhóm nối chung Cathode:Hình 1.8 trình bày nhóm nối Cathode chung. Hình 1.8. 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 nhấtNhóm nối chung Anode:Hình 1.9 trình bày nhóm nối Anode chung. Hình 1.9. Nhóm nối chung Anode.Điện áp cathode van nào âm hơn hơn thì diode ấy dẫn.Khi đó điện thế điểm K bằng điện thế anode âm nhất. 1.2.4 Cấu trúc m chỉnh lưu, các thông số cơ bảnTrong thực tế các mạch chỉnh lưu có nhiều loại và khá đa dạng về hình dáng cũng như tính năng. Tuy nhiên về cơ bản cấu trúc trong bộ biến đổi thường có các bộ phậnsau:+ 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 chiều thành nguồn một chiều.+ Mạch lọc nhằm lọc và san phẳng dòng điện hay điện áp nguồn để mạch chỉnh lưu có chất lượng tốt hơn.+Mạch đo lường trong bộ chỉnh lưu thườngdùng để đo dòng điện, điện áp.+ Mạch điều khiển là bộ phận rất quan trọng trong các bộ chỉnh lưu có điều khiển,nó quyết định độ chính xác, ổn định và chất lượng bộ chỉnhlưu.+ Phụ tải của mạch chỉnh lưu thường là phần ứng động cơ điện một chiều, kích từ máy điện một chiều, xoay chiều, cuộn hút nam châm điện, các tải có sức điện động E, đôi khi tải là các đèn chiếu sáng hay các điện trở tạo nhiệt...vv. Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu.1.3 Các mạch chỉnh lưu một pha 1.3.1 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiểnTải thuần trở R Ở bán kỳ dương diode cho dòng qua tải, Uo=Ui . Bán kỳ âm diode khóa không cho dòng qua tải Uo = 0. Gía trị điện áp chỉnh lưu trung bình : Utb=0,45Ui với Ui trị hiệu dụng của điện áp vào. Hình 1.11. Sơ đồ chỉnh lưu bán kỳ và dạng điện ra trên tải.Tải điện trở và điện cảm (R + L): Vì tải có tính cảm nên sẽ sinh ra sức điện động tự cảm e ngược với chiều biến thiên của dòng điện: e = L.didt, tức là nó có xu hướng chống lại sự tăng hoặc giảm dòng điện sinh ra nó. Trên hình ta thấy rằng, trong 1 dòng id tăng từ từ (vì nó chống lại sự tăng của dòng điện vào), cuộnkhoảng 0 2 dòng vào giảm dần, sức điện động   1cảm L tích lũy năng lượng. Trong khoảng MBA Chỉnh lưu Lọc Phản hồi Điều khiền Tải một chiều Ui R Uo 0 uO Uimax Utb t uO iR ĐH Tôn Đức Thắng Phòng TCCN Bài giảng điện tử công suất Huỳnh Tấn Đệ Trang 10 tự cảm e sinh một dòng điện cùng chiều với dòng vào (chống lại sự giảm của dòng vào) vì vậy dù ui đổi chiều nhưng vẫn có dòng qua tải. Trong thực tế đối với mạch tải R + L người ta dùng một diod Dr mắc song song với tải để dẫn dòng tự cảm hoàn trả năng lượng, vừa để duy trì được dòng điện tải trong nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn vừa 1bảo vệ diode. Dòng điện i đạt giá trị cực đại tại 1 Hình1.12. Sơ đồ chỉnh lưu bán kỳ tải R + L và dạng điện áp, dòng điện ra trên tải.1.3.2 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kì không điều khiển Hình1.13. Sơ đồ chỉnh lưu toàn bán kỳ và dạng điện áp ra trên tải.Với mạch chỉnh lưu hình tia dùng diode điện áp ra trung bình: Utb = 0,45.Ui. Dòng trung bình qua tải I_tb=u_tbR=0.45 U_iRSơ đồ hình tia có nhược điểm là điện áp ngược đặt lên Diode lớn gấp đôi nên ít được dùng 1.3.3 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không điều khiển Hình 1.14. Sơ đồ chỉnh lưu toàn bán kỳ và dạng điện áp ra trên tảiVào bán kỳ dương D2 và D4 dẫn, dòng điện chạy từ nguồn dương (+) (chân số 1) qua D2 đến tải R qua D4 và về nguồn âm () (chân số 3). Vào bán kỳ âm D3 và D1 dẫn, dòng điện chạy từ nguồn dương (chân số 3) qua D3 đến tải R qua D1 và về nguồn (chân số 1). 1.3.4. Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển. Trường hợp tải thuần trở: Hình 1.15. Mạchh chỉnh lưu một pha dùng SCR và dạng điện áp ra trên tải thuần trở R.Vào bán kỳ dương đoạn từ 0 SCR dẫn vì đã có xung kích vào cực G. Vào bán kỳ đến xung kích vào cực G. Đoạn từ âm SCR được phân cực nghịch nên SCR ngưng dẫn. Như vậy, tùy thuộc vào vị trí góc mở mà dạng sóng điện áp ra thây đổi.Điện áp ra trung bình trên tải: U_tb=0.45 (1+cos⁡α)2×U_in gọi là góc mở tính từvới thời điểm điện áp đổi chiều từ âm sang dương, tức lúc U = 0.Trường hợp tải R + L: Do tải mang tính cảm nên đường cong dòng điện id kéo dài ra khỏi khi mà điện áp Ui đã chuyển sang nửa chu kỳ âm Hình 1.16. Dạng điện áp và dòng điện trên tải R + L khi chỉnh lưu bán kỳ bằng SCR . là góc tính từ gốc toa độ đến điểm dòng điện iR giảm về 0, gọi là góc tắt dòng 1.3.5 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ có điều khiển Hình 1.17. Mạch chỉnh lưu hình tia có điều khiển và dạng sóng ngõ raVới U_in=U_ABta có điện áp trung bình lối ra:U_tb=0.45 (1+cos⁡α)2×U_inTa có thể kích theo thứ tự từng SCR một, nhưng cũng có thể kích đồng thời hai SCR vì lúc đó một trong hai SCR bị phân cực ngược do đó không bị ảnh hưởng bởi xung kích. 1.3.6 Mạch chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển hoàn toànMạch chỉnh lưu hình cầu có điều khiển. Hình 1.18. Sơ đồ chỉnh lưu cầu dùng SCR.Dạng diện áp ra cũng giống trường hợp chỉnh lưu hình tia nhưng biên độ gấp đôi. Điện áp trung bình lối ra U_tb=0.9U_in (1+cos⁡α)2Ngoài sơ đồ chỉnh lưu cầu như ở trên, còn có các mạch chỉnh lưu gọi là không đối xứng với việc thay hai SCR bằng hai diod. Hình 1.19: Mạch chỉnh lưu cầu không đối xứng.Giá trị điện áp trung bình trong chỉnh lưu không đối xứng cũng như trường hợp đối xứng U_tb=0.9U_in (1+cos⁡α)2 , tuy nhiên mạch điều khiển đơn giản, dễ sử dụng và giá thành hạ. 1.3.7 Mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển Sơ đồ nguyên lý: Hình 1.20 a sơ đồ cùng cực tính 1.20b. sơ đồ ngược cực tính acùng cực tính b ngược cực tínhHình 2.4: Giản đồ các đường cong điện áp, dòng điện tải(Ud, Id) dòng điện các van bán dẫn của các sơ đồ 2.3a và 2.3b.Nguyên lý làm việc:Sơ đồ nối cùng cực tính:Tại 1 cấp xung điều khiển T1, T1 sã mở cho dòng điện chạy qua từ A qua T1 qua tải về D1 về B.Đến  điện áp đổi dấu (A âm, B dương) ,T1 khóa. Nếu tải điện cảm dòng điện tải là đường thẳng. Năng lượng của cuộn dây sẽ được tích lũy xả qua D2 tới D1 điện áp tải trong vùng   2 là bằng 0.Đến 2 cấp xung điều khiển T2, T2 dẫn. Từ 2  2 dòng tải là dòng điện của 2 van T2 và D2. Đến 2 điện áp đổi dấu (B âm, A dương) D2 khóa, D1 mở để năng lượng của cuộn dây xả qua D1 về T2.2  3 mở thông D1, T2 điện áp tải bằng 0. Kết quả là chuyển mạch các van bán dẫn có điều khiển được thực hiện bằng việc mở các van kế tiếp. Các van được dẫn thông trong nửa chu kỳ.Ta có đường cong dòng điện và điện áp tải như hình 2.4aSơ đồ nối ngược cực tính:Tại 1 cấp xung điều khiển T1 với A dương, T1 sẽ mở cho dòng điện chạy qua từ A qua T1 qua tải về D1 về B. T1 và D1 dẫn từ (1   ).Đến  điện áp đổi dấu (A âm, B dương) ,D2dẫn làm khóa T1 năng lượng của cuộn dây sẽ được tích lũy xả qua D1 và D2.Đến 2 cấp xung điều khiển T2 với A âm, T2phân cực thuận nên t2 mở làm khóa D1 cho dòng điện chạy từ B qua D2 qua tải về T2 về A.. Đến 2 điện áp đổi dấu (B âm, A dương) T2 phân cực ngược nên T2 bị khóa.Ta có đường cong dòng điện và điện áp tải như hình 2.4bCHƯƠNG 2TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA2.1 Các thông số của tảiUd = 660 VId = 4 A2.2 Lựa chọn sơ đồ mạch chỉnh lưuNhư ta đã biết để điều chỉnh công suất của tải thì ta phải lựa chọn mạch lực để điều khiển. Tùy thuộc vào yêu cầu điều chỉnh, công suất tải ta đưa ra phương án chọn mạch lực điều khiển tải hợp lý, phù hợp với yêu cầu đề tài đưa ra. Ở đây chọn mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển bởi các lý do :Sơ đồ mạch lực, mạch điều khiển đơn giản.Không cần sử dụng bộ chuyển đổi nguồn ba pha.Điện áp ra sau khi chỉnh lưu tương đối ổn định, có tính liên tục.Đáp ứng được yêu cầu của đề.2.3 Tính toán các thông số của mạch điện2.3.1 Tính toán, chế tạo máy biến áp Điện áp đầu vào U¬1 = 220 V Điện áp đầu ra Ud = 660 V Dòng điện đầu ra Id4= 4A Do ta lựa chọn mạch chỉnh lưu cầu nên ta có U2= 1.1×Ud=1.1×660= 726 VP2=U2×I2=726×4=2904 VAP1=1.1×P2=1.1×=2904VAMà P1= U1×I1 => I1= P1U1 = 2904220 =13.2 ADiện tích trụ cuốn dây : Shi=1.2×√P1=1.2×√2904= 64.6 cm2 Stt=1.1×Shi=1.1×54.6=71.06 cm2Chọn chiều rộng trụ quấn dây a=7 cm > chiều dày trụ quấn dây là b=Stta=8.5 cmSố lá thép X=((b×10))0.5 = (8.5×10)0.5 =170 láSố vòng dây trên một vôn (n) là : n= 45Shi = 4554.6 = 0.82 vòngvônSố vòng dây cuộn sơ cấp N1=n×U1=0.82×220=180 vòngSố vòng dây cuộn thứ cấp N2=n×(U2+10%U2)=0.82×(660+66)=595 vòngTiết diện dây quấn cuộn sơ cấp S1=I1J = 9.412.5 = 3.8 mmTiết diện dây quấn cuộn thứ cấp S2=I2J = 32.5 = 1.2 mmĐường kính dây dẫn cuộn sơ cấp D1=√((4×S1)π) = √((4×3.764)3.14) = 2.2 mmĐường kính dây dẫn cuộn thứ cấp D2=√((4×S2)π) = √((4×1.2)3.14) = 1.2 mm2.3.2 Tính toán, chọn van công suấtCó U2= 660 V > Ulv=√2×U2=√2×660=933.3 VĐiện áp để chọn diode thyristor là :UD=UT=kdt×Ulv max=1.8× 933.3=1680.08 Vkdt : hệ số dự trữ điện ápCó Idm=I2=4 AIlv=Ihd=khd×I2=1√2 × 3 = 2.82 AIlvdm=ki × Ilv =4 × 2.82=11.28 Aki : hệ số dự trữ dòng điện IAV T,D= I22 = 42 =2 AIRMS= 1.3 × IAV=1.3× 2 =2.6 ATừ các thông số trên ta có thể chọn được thyristor sauThyristor :TYN 1225 2.3.3 Tính toán, chọn phần tử bảo vệCác nguyên nhân gây quá dòng điện cho van: Quá dòng dài hạn. Ngắn mạch đầu ra Ngắn mạch bản thân van.Hình 2.1 Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ.Chọn cầu chì: Dùng dây chảy tác động nhanh (nhóm 1CC) để bảo vệ ngắn mạch các thyristor. Dòng điện định mức của dây chảy nhóm 1CC là:I1CC= 1,1.Ilv = 1,1×2.12 =2 ,33 (A) Chọn cầu chảy nhóm 1CC loại 3 (A)2.3.4 Tính toán, chọn phần tử mạch điều khiểnMạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor:Điện áp điều khiển: Uđk= Ug= 1,5(V) Dòng điện điều khiển: Iđk= 15 (mA)Độ rộng xung điều khiển t¬x= 100 ( )Mức độ sụt biên độ xung: Sx= 0,1Độ mất đối xứng cho phép: = 40Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: Unguồn= 15 (V)Vì mạch lực sử dụng Thyristor Diode,vì vậy chúng em lựa chọn TCA 785 để điều khiển sự đóngngắt của Thyristor Diode.IC TCA 785 (có tích hợp các khâu đồng pha, so sánh, tạo xung, sửa xung ,khuyếch đại) tạo ra 2 xung điều khiển đến kích mở cho Thyristor BT151 ( T1 và T2). Vi mạch TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch điều khiển: Tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa, so sánh và tạo xung ra. TCA 785 do hang Simen chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiêt bị điều chỉnh dòng xoay chiều. Đặc trưng:Dẽ phát hiện việc chuyển qua điểm không.phạn vi ứng dụng rộng rãiCó thể dung làm chuyển mạch điẻm không.Tương thích LSL.Có thể hoạt động 3 pha (3 IC).Dòng điện ra 250 mA.Miền dốc dòng lớn. Dải nhiệt độ rộngNhiệm vụ:Tạo ra xung điều khiển mở thyristor với góc mở α giảm dần để tăng điện áp tải đến điện áp phóng điện.a.Kí hiệu Kí hiệu các chân của TCA 785 được thể hiện trong hình 2.2Hình 2.2 Sơ đồ chân TCA 785b. Chức năngChânKí hiệuChức năng1GNDChân nối đất2 Đầu ra 2 đảo3QUDầu ra U4 Đầu ra 1 đảo5VSYNCTín hiệu đồng bộ 6ITín hiệu cấm7QZĐầu ra z8VREFĐiện áp chuẩn9R9Điện áp tạo xung răng cưa10C10Tụ tạo xung răng cưa11V11Điện áp điều khiển12C12Tụ tạo độ rộng xung13LTín hiệu điều khiển xung ngắn, xung rộng14Q1Đầu ra 115Q2Đầu ra 216VSĐiện áp nguồn nuôic. Dạng tín hiệu Dạng tín hiệu của TCA 785 được thể hiện trong hình 2.3 Hình 2.3 Dạng tín hiệu của TCA 785d. Sơ đồ cấu tạo Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo TCA 785e. Các thông số của TCA 785Thông sốGiá trị minGiá trị tiêu biểu(F= 50 HZ. VS=5V)Giá trị maxĐơn vịDòng tiêu thụ IS4,56,510MAĐiện áp vào điều khiển , chân 11trở kháng vàoV11R110,215V10MAXVkΩMạch tạo răng cưaDòng nạp tụBiên độ răng cưaĐiện trở mạch nạpThời gian sườn ngăn của xung răng cưaI10V10R9tP103801000VS2300μAVKΩMsTín hiệu cấm vào, chân 6CấmCho phépV6IV6H43.33.32.5VVĐộ rộng xung ra, chân 13Xung hẹpXung rộngV13H3.52.53.52.5VVXung ra chân 14,15Điện áp mức caoĐiện áp mức thấpĐộ rộng xung hẹpĐộ rộng xung rộng V14V15V14V15tPVS130.320530VS2.50.830620VS1.0240760VVμsμsnFĐiện áp điều khiểnĐiện áp chuẩnGóc điều khiển ứng với điệnáp chuẩnVREFαrsef2.83.12x1043.45x104V1K Tính toán các phần tử bên ngoàiXung răng cưa:Ta có f = 50Hz => T = 1f = 20ms=>1 chu kì xung răng cưa : T1 = 10ms.Sườn lên : 9.5 msSườn xuống : 0.5ms Chọn tụ răng cưa: C10 500pF (min) 1 F (max)Thời điểm phát xung: tTr = Dòng nạp tụ: I10 = Điện áp trên tụ: V10 = TCA 785 do hãng SIEMEN chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiết bị chỉnh dòng điện áp xoay chiều.Có thể điều chỉnh góc từ 00 đến 1800 điện. Thông số chủ yếu của TCA là: Điện áp nguồn nuôi: US= 15V Dòng điện tiêu thụ: IS= 10mA Điện áp ra: I= 50mA Điện áp răng cưa: U¬RC max= (US 2) VĐiện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9= (20 500) Điện áp điều khiển: U11 = 0,5 (US – 2) VDòng điện đồng bộ: IS = 200 ( A)Tụ điện: C10 = 0,5 ( F)Tần số xung ra: f = (10 500) HzChọn giá trị ngoài thực tế: C10 = 104, C12 = 473 ,R9 = 33kΩ. Biến trở VR1= 10kΩ. Điện áp điều khiển chọn VR2 = 50kΩ. Khâu đồng pha chọn Rđồng pha = 1mΩf. Nguyên lí làm việc của TCA 785TCA 785 là một vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch điều khiển: “tề đầu” điện áp đồng bộ tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạo xung ra. Nguồn nuôi qua chân 16. Tín hiệu đồng bộ đượclấy qua chân số 5 và số 1. Tín hiệu điều khiển được đưa vào chân 11. Một bộ nhận biết điện áp 0 sẽ kiểm tra điện áp lấy vào chuyển trạng thái và sẽ chuyển tín hiệu này đến bộ phận đồng bộ. Bộ phận đồng bộ này sẽ điều khiển tụ C10; Tụ C10 sẽ được nạp đến điện áp không đổi (quyết định bởi R9). Khi điện áp V10 đạt đến điện áp V11 thì một tín hiệu sẽ được đưa vào khâu logic. Tuỳ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển V11, góc mở α có thể thay đổi từ 0 đến 180o. Với mỗi nửa chu kì song một xung dương xuất hiện ở Q1, Q2 . Độ rộng trong khoảng 3080μs. Độ rộng xung có thể kéo dài đến 180o thông qua tụ C12. Nếu chân 12 nối đất thì sẽ có xung trong khoảng α đến 180o.Nguyên lí hoạt động của khâu tạo xung điều khiển Thyristor được thể hiện trong hình 2.5 Hình 2.5 Khâu tạo xung của TCA 785Điện áp lưới sau khi qua máy biến áp được hạ xuống 12VAC đưa vào chân số 5 và chân số 1 qua điện trở R. Tín hiệu điều khiển Vdk được đưa vào chân 11 so sánh với điện áp răng cưa tạo bởi tụ C10 cho ta xung điều khiển thyristor có góc mở α tăng dần ở đầu ra chân 14 và 15. Khi xảy ra ngắn mạch chân 16 nhận được tín hiệu cấm, tại chân 14 và 15 không còn tín hiệu đầu ra.2.3.5 Tính toán, chọn phần tử cách lyCó rất nhiều phương án cho khâu cách ly đó có thể dung phần tử cách ly quang biến áp xung hay với mạch công suất nhỏ chỉ cần dùng diot để chống ngược dòngTrong phạm vi đề tài là ứng dụng với tải công suất trung bình và nhỏ để đáp ứng được tính gọn nhẹ và gái thành của mạch phương án sử dụng cách ly quang được chúng em quyết định sử dụng vì khá hiệu quả giá thành rẻ gọn nhẹ và cách ly an toàn giữa mạch lực và mạch điều khiển từ các thông số trên chúng em quyết định sử dụng MOC 3020 để thực hiện khâu cách ly nàyHình 2.6 là một số sơ đồ kết nối MOC 3020 trong datasheet: Hình 2.6 Một số sơ đồ kết nối MOC 3020Hình 2.7 là sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của MOC 3020 Hình 2.7 Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của MOC 3020. 2.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điện2.4.1 Sơ đồ nguyên lýSơ đồ nguyên lý của mạch được thể hiện qua hình 2.8 Hình 2.8 Sơ đồ mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển2.4.2 Phân tích sơ đồ nguyên lý1)Khối nguồna) Chức năngBiến đổi dòng xoay chiều điện áp 15V thành dòng một chiều cấp cho chân vào của TCA785.b) Nguyên lý hoạt độngDòng điện 15V xoay chiều qua cầu chỉnh lưu 1A làm biến đổi từ dòng xoay chiều thành dòng một chiều.Khi qua IC ổn áp 7815 sẽ cho dòng điện có điện áp 15V ổn định.Sau khối chỉnh lưu cầu điện áp 15v được cho qua tụ 1000µF để san phẳng điện áp tạo điện áp ổn định cho IC ổn áp 7815 và mắc song với một tụ gốm để loại bỏ thành phần sóng hài của điện áp xoay chiều sau IC 7815 ta mắc song song với một led để báo mạch điều khiển có nguồn.2) Khối điều khiểna) Nhiệm vụTạo ra xung điều khiển mở thyristor với góc mở α giảm dần để tăng điện áp tải đến điện áp phóng điện.b) Nguyên lý hoạt độngNguồn nuôi qua chân 16. Tín hiệu đồng bộ đượclấy qua chân số 5 và số 1. Tín hiệu điều khiển được đưa vào chân 11. Một bộ nhận biết điện áp 0 sẽ kiểm tra điện áp lấy vào chuyển trạng thái và sẽ chuyển tín hiệu này đến bộ phận đồng bộ. Bộ phận đồng bộ này sẽ điều khiển tụ C10; Tụ C10 sẽ được nạp đến điện áp không đổi (quyết định bởi R9). Khi điện áp V10 đạt đến điện áp V11 thì một tín hiệu sẽ được đưa vào khâu logic. Tuỳ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển V11, góc mở α có thể thay đổi từ 0 đến 180o. Với mỗi nửa chu kì song một xung dương xuất hiện ở Q1, Q2 . Độ rộng trong khoảng 3080μs. Độ rộng xung có thể kéo dài đến 180o thông qua tụ C12. Nếu chân 12 nối đất thì sẽ có xung trong khoảng α đến 180o.Điện áp lưới sau khi qua máy biến áp được hạ xuống 12VAC đưa vào chân số 5 và chân số 1 qua điện trở R. Tín hiệu điều khiển Vdk được đưa vào chân 11 so sánh với điện áp răng cưa tạo bởi tụ C10 cho ta xung điều khiển thyristor có góc mở α tăng dần ở đầu ra chân 14 và 15. Khi xảy ra ngắn mạch chân 16 nhận được tín hiệu cấm, tại chân 14 và 15 không còn tín hiệu đầu ra.3) Khối cách lyDùng để ngăn cách giữa phần điều khiển và phần công suất. Tạo ra sự đảm bảo an toàn trong mạch, với một số trường hợp dùng nó có thể tránh nhiễu cho vi điều khiển khi điều khiển các relay từ.4) Khối mạch lực Gồm 2 Thyristor 2 Diode mắc theo sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển Giản đồ dòng điện, điện áp của khối được thể hiện trong hình 2.9Hình 2.9 Giản đồ dòng điện, điện áp của khối mạch lực2.4.3 Nguyên lý làm việc toàn mạchIC TCA 785 (có tích hợp các khâu dồng pha, so sánh, tạo xung, sửa xung ,khuyếch đại) tạo ra 2 xung điều khiển đến kích mở cho Thyristor TYN 1225 ( T1 và T2).Chân 11 của TCA là chân nhận điện đáp điều khiển ( từ 0 đến 11V) để thay dổi góc kích mở của Thyristor từ 0 đến 180 độ.Mạch lực ta dùng mạch cầu chỉnh lưu bán điều khiển.Giả sử ta đạt một điện áp diều khiển có thể thay đổi từ 0 đến 11V vào chân 11 của IC TCA785, ở chân 14 và 15 của IC TCA785 sẽ xuất ra một chuỗi xung có thể thay đổi từ 0 đến 180 độ. Nguyên lí hoạt động của mạch lực:+ Giả sử ở một bán kì ta có điện áp + đặt vào AC_IN2, diện áp âm là ở AC_IN1. Lúc này ở mạch điều khiển sẽ tạo ra một xung (với góc anpha tuỳ vào điện áp điều khiển) tới kích mở T2. Dòng điện có chiều từ AC_IN2 qua cầu chì, qua D7, qua tải, qua T2 về âm nguồn.+ Ở bán kì còn lại thì AC_IN1 là + và AC_IN2 là âm. Lúc này ở mạch điều khiển sẽ xuất ra một xung tới kích mở T1. Dòng điện có chiều từ AC_IN1 qua qua D8, qua tải, qua T1, qua cầu chì về AC_IN2.2.5 Lắp ráp mạch điện2.5.1 Mạch in Hình 2.10 Hình ảnh mạch in của mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển2.5.2 Hình ảnh mạch điện thực tế CHƯƠNG 3KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ3.1 Nội dung khảo sát3.1.1 Tín hiệu điều khiển3.1.2 Điện áp đầu ra U= 660 V I =4 A3.2 Nhận xétVì điều kiện thời gian không cho phép và một số lý do khác nên em đã sử dụng van công suất không giống như với tính toán trong lý thuyết. Nếu cho chạy mạch thì thì các van sẽ bị đánh thủng. Việc này đã được sự đồng ý của thầy giáo hướng dẫn đồ án.Kết luậnSau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu sách tham khảo cùng với sự nỗ lực của các thành viên trong nhóm, chúng em đã hoàn thành đề tài: “ Thiết kế và chế tạo bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển điều khiển ’’ với những yêu cầu đặt ra.Bên cạnh đó, trong thời gian thực hiện đề tài, do với trình độ kiến thức còn có hạn nên không tránh khỏi những sai sót. Do đó chúng em rất mong sẽ nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy, cô giáo và các bạn để đề tài của chúng em ngày một được hoàn thiện hơn.Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè và thầy cô trong khoa ,đặc biệt là thầy TRẦN QUANG PHÚ, đã nhiệt tình chỉ bảo và trực tiếp hướng dẫn chúng em trong việc hoàn thành đồ án.Hưng Yên, ngày tháng năm 2017 Nhóm sinh viên thực hiện đồ án: TÀI LIỆU THAM KHẢOĐiện tử công suấtNguyễn Viết NgưGiáo trình truyền động điệnĐỗ Công ThắngNguyễn Phương Thảowww.alldatasheet.comwww.tailieu.vnwww.hoiquandientu.com

TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN Khoa Điện – Điện Tử o0o - CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc *** - ĐỒ ÁN MÔN HỌC Nhóm sinh viên thực : Vũ Quang Đạt Lê Văn Duân Ngành đào tạo : Điện tử công nghiệp Tên đề tài :Thiết kế, chế tạo biến đổi AC/DC (chỉnh lưu) Số liệu cho trước: - Các thiết bị có phịng thí nghiệm - Tải biến đổi plasma có thơng số = 660v; Nội dung cần hoàn thành: Tổng quan biến đổi AC/DC có điều khiển dung bán dẫn công suất lựa chọn sơ đồ đáp ứng yêu cầu đề tài Các dạng tải sơ đồ lựa chọn Thiết kế, tính tốn chế tạo biến đổi AC/DC theo sơ đồ lựa chọn Sản phẩm đề tài phải đảm bảo kỹ thuật, mỹ thuật Quyển thuyết minh thể nội dung đề tài GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Trần Quang Phú Ngày giao đề: DĐ: 0962227070 Ngày hoàn thành: Email: tranquangphu.utehy@gmail.com Hưng Yên, ngày 10 tháng năm 2017 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… …………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………… MỤC LỤC CHƯƠNG .4 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ MẠCH CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT 1.1 Khái quát chung điện tử công suất .4 1.1.1 Khái niệm điện tử công suất 1.1.2 Nhiệm vụ điện tử công suất 1.1.3 Ứng dụng điện tử công suất .4 1.2 Khái niệm chỉnh lưu công suất .9 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Phân loại 1.2.3 Luật dẫn van công suất mạch chỉnh lưu 1.2.4 Cấu trúc m chỉnh lưu, thông số 10 1.3 Các mạch chỉnh lưu pha 11 1.3.1 Mạch chỉnh lưu hình tia pha nửa chu kỳ khơng điều khiển .11 1.3.2 Mạch chỉnh lưu hình tia pha hai nửa chu kì khơng điều khiển 13 1.3.3 Mạch chỉnh lưu hình cầu pha khơng điều khiển 13 1.3.4 Mạch chỉnh lưu hình tia pha nửa chu kỳ có điều khiển 14 1.3.5 Mạch chỉnh lưu hình tia pha hai nửa chu kỳ có điều khiển .15 1.3.6 Mạch chỉnh lưu cầu pha có điều khiển hồn tồn 15 1.3.7 Mạch chỉnh lưu pha bán điều khiển 16 CHƯƠNG 19 TÍNH TỐN VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA 19 2.1 Các thông số yêu cầu .19 2.2 Lựa chọn sơ đồ mạch chỉnh lưu 19 2.3 Tính tốn thông số mạch điện 19 2.3.1 Tính tốn, chế tạo máy biến áp .19 2.3.2 Tính tốn, chọn van cơng suất 20 2.3.3 Tính tốn, chọn phần tử bảo vệ 21 Hình 2.1 Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ 21 2.3.4 Tính tốn, chọn phần tử mạch điều khiển .21 2.3.5 Tính tốn, chọn phần tử cách ly 29 2.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điện .31 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý .31 2.4.2 Phân tích sơ đồ nguyên lý .31 2.4.3 Nguyên lý làm việc toàn mạch 34 2.5 Lắp ráp mạch điện 35 2.5.1 Mạch in 35 2.5.2 Sơ đồ linh kiện 35 2.5.3 Hình ảnh mạch điện thực tế 35 CHƯƠNG 36 KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ 36 3.1 Nội dung khảo sát 36 3.1.1 Tín hiệu điều khiển 36 3.1.2 Điện áp đầu 36 3.2 Đánh giá 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO .38 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ MẠCH CHỈNH LƯU CƠNG SUẤT 1.1 Khái qt chung điện tử cơng suất 1.1.1 Khái niệm điện tử công suất Để có khái niệm tổng qt điện tử cơng suất, cần phải nhắc lại ba lĩnh vực ngành kỹ thuật điện là: điện tử, điều khiển lượng điện Lĩnh vực điện tử nghiên cứu dụng cụ bán dẫn, mạch tích hợp sử dụng cho mạch truyền tải xử lý thông tin Lĩnh vực điều khiển nghiên cứu trình, phân tích tổng hợp điều khiển nhằm ổn định chế độ làm việc hệ thống Lĩnh vực lượng nghiên cứu giải vấn đề liên quan đến hệ thống phát điện, truyền tải, phân phối sử dụng điện Với phát triển nhanh chóng kỹ thuật điện tử điều khiển, ngày nhiều thiết bị điện tử sử dụng hệ thống truyền tải, biến đổi sử dụng điện Hệ thống thiết bị điện tử không hoạt động chế độ khuếch đại mà hoạt động theo nguyên lý đóng - cắt gọi thiết bị điện tử công suất Như vậy, điện tử công suất ứng dụng kỹ thuật điện tử, điều khiển vào hệ thống lượng điện 1.1.2 Nhiệm vụ điện tử cơng suất Nhiệm vụ điện tử công suất biến đổi hệ thống lượng điện từ dạngnày sang dạng khác bao gồm dạng biến đổi đây: • Xoay chiều (AC-AlternatingCurrent) Current):AC-DC •Một chiều thành chiều: DC-DC •Một chiều thành xoay chiều: DC-AC •Xoay chiều thành xoay chiều: AC-AC thành chiều(DC-Direct 1.1.3 Ứng dụng điện tử công suất 1) Các chỉnh lưu có điều khiển Là loại biến đổi AC-DC sử dụng rộngrãi hệ thống điều khiển truyền động điện động điện chiều, hệ thống cung cấp nguồn điện chiều, hệ thống mạ nạp điện Dưới ứng dụng chỉnh lưu hệ thống tự động ổn định tốc độ quay động điện chiều Sơ đồ khối trình bày Hình 1.1 Hình 1.1 Sơ đồ khối tự động ổn định tốc độ quay động điện chiều Bộ chỉnh lưu làm nhiệm vụ cấu điều chỉnh cho đối tượng động điện chiều Khi tải động thay đổi điện áp nguồn thay đổi, momen tốc độ quay trục động thay đổi theo Cảm biến tốc độ chuyển đổi tốc độ động thành tín hiệu điện hàm phụ thuộc vào tốc độ Điện áp tín hiệu khuếch đại đến mức đủ lớn đưa vào điều chế góc mở SCR chỉnh lưu để điện áp chiều điều chỉnh giữ cho tốc độ động ổn định Việc điều chỉnh tốc độ quay thưc cách thay đổi điện áp mạch phần ứng, mạch kích thích thực hai mạch Theo quan điểm kỹ thuật điều khiển hệ thống tự động ổn định tốc độ quay Hình1 hệ điều chỉnh tốc độ mạch vịng kín biểu diễn Hình 1.2 Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh mạch vịng kín Trên sơ đồ cấu trúc đại lượng biểu diễn dạng toán tử Laplace X(s) giá trị đặt, Y(s) giá trị thực trình, E(s) độ sai lệch giá trị đặt giá trị thực, U(s) tác động điều chỉnh, C(s) O(s) hàm truyền điều chỉnh đối tượng miền tốn tử 2)Điều chỉnh dịng điện điện áp chiều Sơ đồ khối hệ thống tự động ổn định tốc độ quay động điện chiều biến đổi DC-DC trình bày Hình 1.3 Hình 1.3 Sơ đồ khối tự động ổn định tốc độ quay động điện chiều Nguồn cung cấp cho hệ thống nguồn điện chiều Uo Khi tải điện áp nguồn thay đổi làm momen tốc độ quay trục động thay đổi Tín hiệu cảm biến tốc độ làm thay đổi tần số đóng cắt biến đổi DC-DC làm điện áp trung bình đặt động thay đổi giữ cho tốc độ quay động ổn định phạm vi làm việc định 3) Điều chỉnh dòng điện điện áp xoay chiều Các điều chỉnh dòng điện điện áp xoay chiều sử dụng rộng rãi hệ thống tạo nhiệt nung, sấy Các điều chỉnh sử dụng việc điều chỉnh tốc độ quay cảu động điện xoay chiều Tuy nhiên, việc sử dụng điều chỉnh truyền động điện động điện xoay chiều có chất lượng khơng cao nên sử dụng cho loại tải cơng suất lớn Nếu có thay đổi trạng thái buồng sấy điện áp nguồn cung cấp nhiệt độ buồng thay đổi làm tín hiệu cảm biến nhiệt độ tahy đổi theo góc mở Thyristor điều chỉnh thay đổi để điện áp dòng qua phần tử đốt thay đổi giữ cho nhiệt độ buồng sấy ổn định Các điều chỉnh áp dụng cho mạch pha ba pha, trình bày Hình 1.4 Hình 1.4 Bộ điều chỉnh dòng điện điện áp pha 4) Bộ biến đổi ngược Các biến đổi ngược DC-AC (nghịch lưu) dùng để biến đổi hệ thống dòng điện điện áp chiều cố định thành hệ thống dịng điện điện áp xoay chiều có tần số ổn định Các biến đổi ngược thường sử dụng hệ thống lượng gió,năng lượng mặt trời dùng để biến đổi hệ thống lượng điện chiều điện xoay chiều không ổn định thành hệ thống lượng điện xoay chiều có tần số biên độ ổn định Sơ đồ khối hệ thống cung cấp điện không gián đoạn sử dụng biến đổi ngược mơ tả Hình 1.1.5 Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống cung cấp điện không gián đoạn Nguồn điện xoay chiều lấy từ lưới điện xoay chiều sau chỉnh lưu vừa nạp cho ắc quy vừa lọc phẳng cung cấp cho nghịch lưu DC-AC thành nguồn điện xoay chiều có tần số ổn định Khi điện lưới lượng nạp từ ắc quy cung cấp cho tải 5) Biến tần Là biến đổi AC-AC dùng để biến đổi hệ thống dòng điện điện áp xoay chiều từ tần số sang tần số khác Có hai loại biến tần: trực tiếp gián tiếp sử dụng hệ thống điều khiển truyền động điện động điện xoay chiều Sơ đồ hệ thống điều khiển truyền động điện động điện xoay chiều sử dụng biến tần giao tiếp trình bày hình 1.6 Hình 1.6 Sơ đồ khối ổn định tốc độ quay động điện xoay chiều Hệ thống điện áp xoay chiều U1 có tần số cố định 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 tải điện áp lưới thay đổi 6) Các biến đổi hệ thống truyền tải điện Các biến đổi cơng suất lớn cịn sử dụng hệ thống truyền tải điện hệ thống bù hệ số cosφ, điều khiển hệ thống lượng, truyền tải điện chiều cao áp trình bày Hình 1.1.7 Hình 1.7 Truyền tải điện chiều cao áp (HVDC) Hệ thống truyền tải điện chiều cao áp điều khiển hướng truyền lượng cách thay đổi chế độ làm vieecjcuar biến đổi hai đầu đường dây từ chế độ chỉnh lưu sang chế độ nghịch lưu Tuy nhiên hệ thống truyền tải lượng có hệ thống thiết bị điều khiển biến đổi phức tạp, đắt tiền sử dụng số nước công nghiệp phát triển 1.2 Khái niệm chỉnh lưu công suất 1.2.1 Khái niệm Mạch chỉnh lưu thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện chiều nhằm cung cấp cho phụ tải điện chiều 1.2.2 Phân loại  Theo số pha: pha, ba pha, m pha  Theo loại van: diode thyristor  Mạch dùng toàn diode chỉnh lưu không điều khiển  Mạch dùng tồn Thyristor chỉnh lưu có điều khiển  Một nửa thyristor, nửa diode chỉnh lưu bán điều khiển  Phân loại theo sơ đồ mắc: Anode chung Cathode chung 10 Tạo xung điều khiển mở thyristor với góc mở α giảm dần để tăng điện áp tải đến điện áp phóng điện a.Kí hiệu Kí hiệu chân TCA 785 thể hình 2.2 Hình 2.2 Sơ đồ chân TCA 785 b Chức Chân 10 11 12 Kí hiệu GND 13 L 14 15 16 c Dạng tín hiệu Chức Chân nối đất Đầu đảo Dầu U Đầu đảo Tín hiệu đồng Tín hiệu cấm Đầu z Điện áp chuẩn Điện áp tạo xung cưa Tụ tạo xung cưa Điện áp điều khiển Tụ tạo độ rộng xung Tín hiệu điều khiển xung ngắn, QU VSYNC I QZ VREF R9 C10 V11 C12 xung rộng Đầu Đầu Điện áp nguồn ni Q1 Q2 VS Dạng tín hiệu TCA 785 thể hình 2.3 24 Hình 2.3 Dạng tín hiệu TCA 785 d Sơ đồ cấu tạo 25 Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo TCA 785 e Các thông số TCA 785 Giá trị Giá trị tiêu Giá Thông số trị Đơn vị biểu(F= 50 max HZ Dòng tiêu thụ IS Điện áp vào điều khiển , V11 chân 11trở kháng vào Mạch tạo cưa R11 Dòng nạp tụ I10 4,5 0,2 10 26 VS=5V) 6,5 15 10 V10 MA V MAX kΩ 1000 μA Biên độ cưa V10 Điện trở mạch nạp R9 80 VS-2 V 300 KΩ Thời gian sườn ngăn tP Ms xung cưa Tín hiệu cấm vào, chân Cấm V6I 3.3 Cho phép V6H Độ rộng xung ra, chân 3.3 13 V13 3.5 2.5 Xung hẹp H 2.5 V V 2.5 3.5 V V Xung rộng Xung chân 14,15 Điện áp mức cao V14/V VS-13 VS-2.5 VS V Điện áp mức thấp 15 0.3 0.8 1.0 V Độ rộng xung hẹp V14/V 20 30 μs Độ rộng xung rộng 15 530 620 40 μs/n 760 F 3.1 3.4 V 2x10-4 5x10-4 1/K tP Điện áp điều khiển Điện áp chuẩn VREF 2.8 Góc điều khiển ứng với αrsef điện áp chuẩn * Tính tốn phần tử bên ngồi -Xung cưa: Ta có f = 50Hz => T = 1/f = 20ms =>1 chu kì xung cưa : T1 = 10ms Sườn lên : 9.5 ms Sườn xuống : 0.5ms 27 Chọn tụ cưa: C10 500pF (min) Thời điểm phát xung: 1F (max) tTr = Dòng nạp tụ: I10 = Điện áp tụ: V10 = TCA 785 hãng SIEMEN chế tạo sử dụng để điều khiển thiết bị chỉnh lưu, thiết bị chỉnh dịng điện áp xoay chiều Có thể điều chỉnh góc từ 00 đến 1800 điện Thơng số chủ yếu TCA là: - Điện áp nguồn nuôi: US= 15V - Dòng điện tiêu thụ: IS= 10mA - Điện áp ra: I= 50mA - Điện áp cưa: URC max= (US- 2) V Điện trở mạch tạo điện áp cưa: R9= (20500) Điện áp điều khiển: U11 = - 0,5 (US – 2) V Dòng điện đồng bộ: Tụ điện: Tần số xung ra: IS = 200 (A) C10 = 0,5 (F) f = (10 500) Hz Chọn giá trị thực tế: C10 = 104, C12 = 473 ,R9 = 33kΩ Biến trở VR1= 10kΩ - Điện áp điều khiển chọn VR2 = 50kΩ - Khâu đồng pha chọn Rđồng pha = 1mΩ f Nguyên lí làm việc TCA 785 TCA 785 vi mạch phức hợp thực chức mạch điều khiển: “tề đầu” điện áp đồng tạo điện áp cưa đồng bộ, so sánh tạo xung Nguồn ni qua chân 16 Tín hiệu đồng đượclấy qua chân số số Tín hiệu điều khiển đưa vào chân 11 Một nhận biết điện áp kiểm tra điện áp lấy vào chuyển trạng thái chuyển tín hiệu đến phận đồng Bộ phận đồng điều khiển tụ C10; Tụ C10 nạp đến điện áp không đổi (quyết định R9) Khi điện áp V10 đạt đến điện 28 áp V11 tín hiệu đưa vào khâu logic Tuỳ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển V11, góc mở α thay đổi từ đến 180o Với nửa chu kì song xung dương xuất Q1, Q2 Độ rộng khoảng 3080μs Độ rộng xung kéo dài đến 180o thơng qua tụ C12 Nếu chân 12 nối đất có xung khoảng α đến 180o Ngun lí hoạt động khâu tạo xung điều khiển Thyristor thể hình 2.5 Hình 2.5 Khâu tạo xung TCA 785 Điện áp lưới sau qua máy biến áp hạ xuống 12VAC đưa vào chân số chân số qua điện trở R Tín hiệu điều khiển V dk đưa vào chân 11 so sánh với điện áp cưa tạo tụ C 10 cho ta xung điều khiển thyristor có góc mở α tăng dần đầu chân 14 15 Khi xảy ngắn mạch chân 16 nhận tín hiệu cấm, chân 14 15 khơng cịn tín hiệu đầu 2.3.5 Tính tốn, chọn phần tử cách ly Có nhiều phương án cho khâu cách ly dung phần tử cách ly quang biến áp xung hay với mạch công suất nhỏ cần dùng diot để chống ngược dòng Trong phạm vi đề tài ứng dụng với tải cơng suất trung bình nhỏ để đáp ứng tính gọn nhẹ gái thành mạch phương án sử dụng cách ly quang chúng em định sử dụng hiệu giá thành rẻ gọn nhẹ cách ly an toàn mạch lực mạch điều khiển từ thông số chúng em định sử dụng MOC 3020 để thực khâu cách ly Hình 2.6 số sơ đồ kết nối MOC 3020 datasheet: 29 Hình 2.6 Một số sơ đồ kết nối MOC 3020 Hình 2.7 sơ đồ khối sơ đồ nguyên lý MOC 3020 Hình 2.7 Sơ đồ khối sơ đồ nguyên lý MOC 3020 2.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điện 30 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ nguyên lý mạch thể qua hình 2.8 Hình 2.8 Sơ đồ mạch chỉnh lưu pha bán điều khiển 2.4.2 Phân tích sơ đồ nguyên lý 1)Khối nguồn a) Chức Biến đổi dòng xoay chiều điện áp 15V thành dòng chiều cấp cho chân vào TCA785 b) Nguyên lý hoạt động Dòng điện 15V xoay chiều qua cầu chỉnh lưu 1A làm biến đổi từ dòng xoay chiều thành dòng chiều.Khi qua IC ổn áp 7815 cho dịng điện có điện áp 15V ổn định.Sau khối chỉnh lưu cầu điện áp 15v cho qua tụ 1000µF để san phẳng điện áp tạo điện áp ổn định cho IC ổn áp 7815 mắc song với tụ gốm để loại bỏ thành phần sóng hài điện áp xoay chiều sau IC 7815 ta mắc song song với led để báo mạch điều khiển có nguồn 2) Khối điều khiển a) Nhiệm vụ Tạo xung điều khiển mở thyristor với góc mở α giảm dần để tăng điện áp tải đến điện áp phóng điện 31 b) Nguyên lý hoạt động Nguồn nuôi qua chân 16 Tín hiệu đồng đượclấy qua chân số số Tín hiệu điều khiển đưa vào chân 11 Một nhận biết điện áp kiểm tra điện áp lấy vào chuyển trạng thái chuyển tín hiệu đến phận đồng Bộ phận đồng điều khiển tụ C10; Tụ C10 nạp đến điện áp không đổi (quyết định R9) Khi điện áp V10 đạt đến điện áp V11 tín hiệu đưa vào khâu logic Tuỳ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển V11, góc mở α thay đổi từ đến 180 o Với nửa chu kì song xung dương xuất Q1, Q2 Độ rộng khoảng 3080μs Độ rộng xung kéo dài đến 180o thông qua tụ C12 Nếu chân 12 nối đất có xung khoảng α đến 180o Điện áp lưới sau qua máy biến áp hạ xuống 12VAC đưa vào chân số chân số qua điện trở R Tín hiệu điều khiển V dk đưa vào chân 11 so sánh với điện áp cưa tạo tụ C 10 cho ta xung điều khiển thyristor có góc mở α tăng dần đầu chân 14 15 Khi xảy ngắn mạch chân 16 nhận tín hiệu cấm, chân 14 15 khơng cịn tín hiệu đầu 3) Khối cách ly Dùng để ngăn cách phần điều khiển phần công suất Tạo đảm bảo an toàn mạch, với số trường hợp dùng tránh nhiễu cho vi điều khiển điều khiển relay từ 4) Khối mạch lực - Gồm Thyristor & Diode mắc theo sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển - Giản đồ dòng điện, điện áp khối thể hình 2.9 32 -u2 upha Iđk u2 t utải t uT1 (uT4) t t uT2 (uT3) t Hình 2.9 Giản đồ dòng điện, điện áp khối mạch lực 2.4.3 Nguyên lý làm việc toàn mạch - IC TCA 785 (có tích hợp khâu dồng pha, so sánh, tạo xung, sửa xung ,khuyếch đại) tạo xung điều khiển đến kích mở cho Thyristor TYN 1225 ( T1 T2) - Chân 11 TCA chân nhận điện đáp điều khiển ( từ đến 11V) để thay dổi góc kích mở Thyristor từ đến 180 độ - Mạch lực ta dùng mạch cầu chỉnh lưu bán điều khiển Giả sử ta đạt điện áp diều khiển thay đổi từ đến 11V vào chân 11 IC TCA785, chân 14 15 IC TCA785 xuất chuỗi xung thay đổi từ đến 180 độ - Nguyên lí hoạt động mạch lực: + Giả sử bán kì ta có điện áp + đặt vào AC_IN2, diện áp âm AC_IN1 Lúc mạch điều khiển tạo xung (với góc anpha tuỳ vào điện áp điều khiển) tới kích mở T2 Dịng điện có chiều từ AC_IN2 qua cầu chì, qua D7, qua tải, qua T2 âm nguồn 33 + Ở bán kì cịn lại AC_IN1 + AC_IN2 âm Lúc mạch điều khiển xuất xung tới kích mở T1 Dịng điện có chiều từ AC_IN1 qua qua D8, qua tải, qua T1, qua cầu chì AC_IN2 2.5 Lắp ráp mạch điện 2.5.1 Mạch in Hình 2.10 Hình ảnh mạch in mạch chỉnh lưu pha bán điều khiển 34 2.5.2 Hình ảnh mạch điện thực tế 35 CHƯƠNG KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1 Nội dung khảo sát 3.1.1 Tín hiệu điều khiển 3.1.2 Điện áp đầu - U= 660 V - I =4 A 3.2 Nhận xét Vì điều kiện thời gian không cho phép số lý khác nên em sử dụng van công suất không giống với tính tốn lý thuyết Nếu cho chạy mạch thì van bị đánh thủng Việc đồng ý thầy giáo hướng dẫn đồ án 36 Kết luận Sau thời gian nghiên cứu, tìm hiểu sách tham khảo với nỗ lực thành viên nhóm, chúng em hoàn thành đề tài: “ Thiết kế chế tạo chỉnh lưu cầu pha có điều khiển điều khiển ’’ với yêu cầu đặt Bên cạnh đó, thời gian thực đề tài, với trình độ kiến thức cịn có hạn nên khơng tránh khỏi sai sót Do chúng em mong nhận ý kiến đóng góp thầy, cô giáo bạn để đề tài chúng em ngày hoàn thiện Chúng em xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè thầy cô khoa ,đặc biệt thầy TRẦN QUANG PHÚ, nhiệt tình bảo trực tiếp hướng dẫn chúng em việc hoàn thành đồ án Hưng Yên, ngày tháng năm 2017 Nhóm sinh viên thực đồ án: 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO Điện tử cơng suất-Nguyễn Viết Ngư Giáo trình truyền động điện-Đỗ Cơng Thắng-Nguyễn Phương Thảo www.alldatasheet.com/ www.tailieu.vn/ www.hoiquandientu.com/ 38 ... lượng cách thay đổi chế độ làm vieecjcuar biến đổi hai đầu đường dây từ chế độ chỉnh lưu sang chế độ nghịch lưu Tuy nhiên hệ thống truyền tải lượng có hệ thống thiết bị điều khiển biến đổi phức tạp,... đốt thay đổi giữ cho nhiệt độ buồng sấy ổn định Các điều chỉnh áp dụng cho mạch pha ba pha, trình bày Hình 1.4 Hình 1.4 Bộ điều chỉnh dịng điện điện áp pha 4) Bộ biến đổi ngược Các biến đổi ngược... tính Tuy nhiên cấu trúc biến đổi thường có phậnsau: + Biến áp nguồn nhằm biến đổi điện áp từ cao xuống thấp ngược lại + Van cơng suất chỉnh lưu, van có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoay chiều