Bài tập lớn điện tử công suất (bộ chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển sử dụng thyristor mắc catot chung)

Bài tập lớn môn điện tử công suất Đề Tài: Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển sử dụng thyristor Đây là bài tập lớn được thiết kế chính xác, giúp cho sinh viên hiểu được mạch điện tử công suất, cách chọn van bán dẫn. Chúc các em vượt qua môn!

Bài tập lớn Mơn: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Đề tài: Thiết kế điều chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển sử dụng thyristor mắc catot chung, tải RL; Ud=50~100 VDC; Pd=5kW - Môn học: Điện Tử Công Suất Mã học phần: 13350 Nhóm học phần: N04 Nhóm tập: 06 Họ tên thành viên nhóm: Họ tên Mã sinh viên Lời nói đầu Điện tử công suất công nghệ biến đổi điện từ dạng sang dạng khác phần tử bán dẫn cơng suất đóng vai trị trung tâm, ứng dụng rộng rãi hầu hết ngành công nghiệp đại Trong năm gần đây, công nghệ chế tạo phần tử bán dẫn công suất có tiến vượt bậc ngày trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo biến đổi ngày nhỏ gọn, nhiều tính sử dụng ngày dễ dàng Trong biến đổi phần tử bán dẫn công suất sử dụng van khóa bán dẫn, cịn gọi van bán dẫn, mở dẫn dịng nối tải vào nguồn, khóa khơng có dịng điện chạy qua Khác với phần tử có tiếp điểm văn dẫn thực đóng cắt dịng điện mà không gây nên tia lửa điện không bị mài mịn theo thời gian Tuy đóng cắt dịng điện lớn phần tử bán dẫn cơng suất lại điều khiển tín hiệu điện công suất nhỏ, tạo mạch điện tử công suất nhỏ.Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ biến đổi phụ thuộc vào cách thức điều khiển van biến đổi Như trình biến đổi lượng thực với hiệu suất cao tổn thất biến đổi tổn thất khóa điện tử, không đáng kể so với công suất điện Cần biến đổi Không đạt hiệu suất cao mà biến đổi cịn có khả cung cấp phụ tải nguồn lượng với đặc tính theo yêu cầu, đáp ứng trình điều chỉnh, điều kiện thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp hệ thống tự động Nội dung tập lớn tập trung tìm hiểu điều chỉnh điện áp xoay chiều pha điện tử sử dụng thyristor để điều khiển đóng cắt động pha Đây đề tài có quy mơ ứng dụng thực tế cao Trong q trình hồn thành tập lớn môn học, em nhận hướng dẫn thầy Đặng Hồng Hải thầy cô trường Chúng em mong nhận ý kiến đóng góp thầy để tập lớn chúng em hoàn chỉnh MỤC LỤC Chương 1: Tổng quan chỉnh lưu 1.1 Tổng quan chỉnh lưu cầu .4 1.1 Luật dẫn Van: 1.1.1 Nhóm van mắc catot chung: 1.1.2 Nhóm van mắc anot chung: 1.2 Nguyên lý chung chỉnh lưu: 1.2.1 Chỉnh Lưu cầu pha: 1.2.2 Các thông số quan trọng chỉnh lưu cầu pha: .8 1.2.3 Ưu nhược điểm chỉnh lưu cầu pha 1.2.4 Một dạng sơ đồ khác mạch chỉnh lưu cầu pha: 1.2.5 Các tham số mạch chỉnh mạch chỉnh lưu bản: 10 1.3 Tổng quan chỉnh lưu câu pha bán điều khiển sử dụng thyristor mắc chung catot: .11 1.3.1 Các thông số quan trọng Chỉnh Lưu cầu pha bán điều khiển mắc 13 1.3.2 Nguyên tắc điều chỉnh: .13 Chương 2: Tính tốn chọn mạch lực 15 2.1 Các thông số quan trọng để đánh giá chỉnh lưu cầu pha 15 2.2 Với chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển mắc kiểu catot chung: 15 2.3 Tính tốn thơng số Van: 15 2.4 Chọn Van công suất: .16 2.4.1 Theo tiêu dòng điện: 16 2.4.2 Theo tiêu điện áp: .17 2.5 Tính chọn phần tử bảo vệ cho Van 18 2.5.1 Bảo vệ điện áp cho van 18 2.5.2 Bảo vệ nhiệt cho van .20 Chương 1: Tổng quan chỉnh lưu Tổng quan chỉnh lưu cầu Hình 1.1 Chỉnh lưu cầu pha thực tế Chỉnh lưu mạch điện bao gồm linh kiện điện - điện tử, dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều Mạch chỉnh lưu sử dụng nguồn cung cấp dòng điện chiều, mạch tách sóng tín hiệu vơ tuyến điện thiết bị vô tuyến Phần tử tích cực mạch chỉnh lưu điốt bán dẫn, đèn chỉnh lưu thủy ngân linh kiện khác Khi dùng điốt đơn lẻ để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều, cách khóa khơng cho phần dương phần âm dạng sóng qua mạch điện, mạch chỉnh lưu gọi chỉnh lưu nửa chu kỳ hay chỉnh lưu nửa sóng Trong nguồn chiều người ta hay sử dụng mạch chỉnh lưu nhiều điốt (2 điốt) với cách xếp khác để biến đổi từ xoay chiều thành chiều phẳng trường hợp sử dụng điốt riêng lẻ Trước điốt bán dẫn phát triển, người ta dùng mạch chỉnh lưu sử dụng đèn điện từ chân không, đèn chỉnh lưu thủy ngân, dãy bán dẫn đa tinh thể seleni Các máy thu vô tuyến đầu tiên, người ta gọi máy tinh thể, dùng sợi "râu mèo" kim nhọn tiếp xúc nhẹ vào điểm khối tinh thể galena (sunphát chì) để tạo điốt tiếp điểm, tách sóng tinh thể Trong hệ thống sấy đốt khí, phát lửa dùng Hai điện cực vỏ bọc kín sản sinh dịng điện chỉnh lưu dịng điện xoay chiều, chúng nhìn thấy lửa 1.1 Luật dẫn Van: Mạch van để thực q trình chỉnh lưu có nhiều, nhiên chúng tuân theo kiểu mắc với mắc catot chung mắc anot chung 1.1.1 Nhóm van mắc catot chung: Van có khả dẫn van có điện anot dương nhóm, nhiên chi dẫn điện anot dương điện điểm mắc catot chung φKC 1.1.2 Nhóm van mắc anot chung: Van có khả dẫn van có điện catot âm nhóm, nhiên chi dẫn điện catot âm điện điểm mắc anot chung φAC Hình 1.2 Sơ đồ cách mắc van kiểu Anode chung kathode chung Ta dùng luật dẫn cảu van nêu để phân tích mạch chỉnh lưu thơng dụng, coi van lý tưởng, dẫn coi sụt áp van 1.2 Nguyên lý chung chỉnh lưu: Hình 1.3 Nguyên lý chung chỉnh lưu 1.2.1 Chỉnh Lưu cầu pha: Mạch chỉnh lưu gồm van DD1~DD4 đấu thành hai nhóm (): Đ1:Đ3 nhóm catot chung, Đ2:Đ4 nhóm anot chung Nguồn xoay chiều đưa vào mạch van lấy trực tiếp từ lưới điện thông qua biến áp Trong nửa chu kỳ đầu từ 0~π, điện áp U2 > Ta thấy với nhóm catot chung Đ1:Đ3 anot D1 dương anot D3 D1 dẫn Cịn nhóm Đ2:Đ4 catot D2 âm catot D4 D2 dẫn Như nửa chu kỳ đầu D1D2 dẫn Trong nửa chu kỳ sau, D3D4 dẫn Hình 1.4 Mạch chỉnh lưu cầu pha Hình 1.5 Dạng đồ thị điện áp dòng điện sau chỉnh lưu chỉnh lưu cầu pha 1.2.2 Các thông số quan trọng chỉnh lưu cầu pha: Điện áp tải Ud = 0,9U2 Dòng điện tải Id = Dịng trung bình qua van Itbv = Điện áp ngược lớn mà van chịu Ungmax = 1,42.U2 Số lần đập mạch chu kỳ m = Hệ số Kđm = 0,67 Chỉnh lưu cầu pha sử dụng rộng rãi thực tế, với điện áp 10V, dịng tải đến 100A 1.2.3 Ưu nhược điểm chỉnh lưu cầu pha  Ưu điểm: Có thể khơng cần biến áp kiểu chỉnh lưu hình tia  Nhược điểm: Có sụt áp đi-ốt gây Chính vậy, mạch chỉnh lưu cầu khơng thích hợp chỉnh lưu điện áp thấp 10V dòng tải lớn 1.2.4 Một dạng sơ đồ khác mạch chỉnh lưu cầu pha: Hình 1.6 Sơ đồ cầu chỉnh lưu dạng Hình 1.7 Sơ đồ mạch cầu chỉnh lưu dạng 1.2.5 Các tham số mạch chỉnh mạch chỉnh lưu bản: Bảng 2.1 Tham số mạch chỉnh lưu bản: Tham số Udo Itbv Ungmax I2 I1 Sba U mđm kđm Một pha nửa chu kỳ 0,45U2 Id 1,14U2 1,57Id 1,21Idkba 3,09Pd - 1,57 Một pha có điểm 0,9U2 Id/2 2,83U2 0,58Id 1,11Idkba 1,48Pd X aId  0,67 Một pha sơ đồ cầu 0,9U2 Id/2 1,41U2 1,11Id 1,11Idkba 1,23Pd X aId  0,67 1,17U2 Id/3 2,45U2 0,58Id 0,47Idkba 1,35Pd X aId 2 0,25 Ba pha sơ 2,34U2 Id/3 2,45U2 0,816Id 0,816Idkba 1,05Pd đồ cầu X aId  0,057 Loại sơ đồ Ba pha hình tia Sáu pha hình tia 1,35U2 Id/6 2,83U2 0,29Id 0,58Idkba 1,56Pd X aId 2 0,057 Sáu pha có cuộn 1,17U2 Id/6 2,45U2 kháng cân 0,29Id 0,41Idkba 1,26Pd X aId 4 0,057 Bảng 2.1 Udo - trị số trung bình điện áp chỉnh lưu; U2 - trị số hiệu dụng điện áp pha cuộn thứ cấp biến áp nguồn; Itbv - trị số trung bình dịng điện qua van; Ungmax – điện áp ngược lớn van phải chịu làm việc; I2, I1 - trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp cuộn sơ cấp biến áp nguồn; Id - trị số trung bình dịng điện tải; kba - hệ số máy biến áp nguồn; Sba – cơng suất tính tốn máy biến áp nguồn; Pd – công suất chiều tải; Pd=Udo.Id; U - sụt áp tượng trùng dẫn gây (Khi La 0); U 1m = U d ; U1m biên kđm - hệ số đập mạch điện áp chỉnh lưu: k đm độ sóng hài điện áp chỉnh lưu theo khai triển Fourier 1.3 Tổng quan chỉnh lưu câu pha bán điều khiển sử dụng thyristor mắc chung catot: Nhóm catot chung thyristor nên chúng mở thời điểm α Nhóm anot chung van đi-ơt nên chũng ln mở tự nhiên theo điện áp nguồn: D1 mở U2 bắt đầu âm; D2 mở U2 bắt đầu dương Do vật dẫn van chu kỳ là:  Trong khoảng α~π: T1 D2 dẫn  Trong khoảng π ~ (π+α): T1 D1 dẫn π, mở tự nhiên làm khóa  Trong khoảng (π+α) ~ 2π: T2 D1 dẫn, T2 phát xung mở điểm (π+α) dẫn làm cho T1 khóa  Trong khoảng 2π ~ (2π+α): T2 D2 dẫn, D2 mở tự nhiên điểm 2π Hình 1.8 Cụm van bán dẫn nối cực tính 10 Hình 1.9 Dạng đồ khị sau chỉnh lưu bán điều khiển: Hình 1.10 Dạng đồ thị chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển với tải R-L: 11 1.3.1 Thông số quan trọng Chỉnh Lưu cầu pha bán điều khiển mắc catot chung: Góc mở α Điện áp tải Udα = 0,9U2 Dòng điện tải Id = Cịn lại thơng số khác giữ nguyên mạch chỉnh lưu câù pha Ưu điểm: lưu cầu pha bán điều khiển điều khiển đơn giản thông qua việc điều khiển góc mở α, tiết kiệm lượng 1.3.2 Nguyên tắc điều chỉnh:  Điều kiện để van Thyristor mở cần đồng thời điều kiện: Điện áp van phải dương, nghĩa UAK > Có dịng điều khiển đủ lớn tác động vào cực điều khiển Điều kiện Diode khơng có  Vậy, ta sử dụng điều kiện thứ để khống chế, điều khiển điểm mở Thyristor theo ý muôn Để thực điều này, dùng khải niệm góc mở α, hay cịn gọi góc điều khiển  Góc điều khiển α góc tính từ thời điểm mở tự nhiên đến thời điểm Thyristor phát xung vào cực điều khiển để mở van Thời điểm mở tự nhiên điểm mà van diode bắt đầu dẫn Với mạch chỉnh lưu pha bán điều khiển sử dụng thyristor mắc chung catot ta có điều kiện góc điều khiển giới hạn: Góc αgh = 30 Nghĩa việc điều khiển góc α, ta có chế độ dịng điện khác  Với α > 30, ta có chế độ dòng điện gián đoạn chế độ dòng điện chế độ không mong muốn  Với α = 30, ta có chế độ dịng điện cận gián đoạn Chế độ dịng điện khơng xấu chế độ dịng gián đoạn, chế độ khơng mong muốn  Với α < 30, ta có chế độ dòng điện liên tục Đây chế độ dòng điện mong muốn, tốt cho tải thiết bị điện vận hành ổn định bình thường Ta nên điều khiển góc mở α < αgh để có chế độ dòng điện liên tục 12 13 Chương 2: Tính tốn chọn mạch lực 2.1 Các thông số quan trọng để đánh giá chỉnh lưu cầu pha Điện áp tải Ud = 0,9U2 Dịng điện tải Id = Dịng trung bình qua van Itbv = 10.Điện áp ngược lớn mà van chịu Ungmax = 1,42.U2 11.Số lần đập mạch chu kỳ m = 12.Hệ số Kđm = 0,67 2.2 Với chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển mắc kiểu catot chung: Góc mở α Điện áp tải Udα = 0,9U2 Dòng điện tải Id = Cịn lại thơng số khác giữ nguyên mạch chỉnh lưu cầu pha 2.3 Tính tốn thơng số Van: Với yêu cầu: Tải RL; Ud = 50 ~ 100 VDC; Pd = 5kW, ta có:  Góc mở giới hạn αgh = 30 Vậy có nghĩa ta phải chọn góc mở α < αgh hay α < 30 Điện áp tải Udα = 0,9U2 Vậy:  Với Ud=50VDC: 50 = 0,9.220 => α = 60  Với Ud=100VDC: 100 = 0,9.220 => α = Vậy, góc điều chỉnh dao động khoảng từ 060 tương ứng với điện áp từ 50 ~ 100 VDC    Ta lại có: Pd = Ud.Id Từ đó: Id = = (1) Với Ud = 50 VDC, thay vào (1) ta được: Id = = 100 (A) Với Ud = 100 VDC, thay vào (1) ta được: Id = = 50 (A) Tải: Rd = (2)  Với = 50VDC, Id = 100 A, thay vào (2) ta có: o Rd = = = 0.5 Ω  Với = 100VDC, Id = 50 A, thay vào (2) ta có: o Rd = = = Ω 14 Dịng trung bình qua van:  Ta dựa vào dịng trung bình qua van lớn để phục vụ việc chọn van cho phù hợp vậy:  Dịng trung bình qua van Itbv = = = 50 (A) Điện áp ngược lớn mà van chịu được:  Ở đây, ta chọn hệ số cho Ungmax lớn để phục vụ việc lựa chọn van hợp lý Vậy:  Điện áp ngược lớn mà van chịu là:  Ungmax = 1,42.U2 = 1,42.220 = 312,4 (V) 2.4 Chọn Van công suất: Các van mạch chỉnh lưu công suất thường phải làm việc với dịng điện lớn, điện áp cao, cơng suất phát nhiệt mạnh,vì việc tính chọn van cần quan tâm trước tiên tới hai tiêu chính: >>Chỉ tiêu dịng điện >>Chỉ tiêu điện áp 2.4.1 Theo tiêu dòng điện: Theo sổ tay tra cứu chọn van theo nguyên tắc: = Trong đó: - :dịng trung bình van chọn - :hệ số dự trữ dòng điện cho van Với tải ổn định dòng qua van 100A cần có = 1,2÷1,4 Với tải dịng điện lớn, phát nhiệt van mạnh, thường phải giảm dòng qua nên cần tăng hệ số dự trữ lên = 1,5÷2 Với van thường xuyên phải làm việc chế độ tải cần = 2÷4 Nếu làm việc nơi có mơi trường khắc nhiệt, khó thay van phải chọn hệ số dự trữ từ đến Các van chịu dòng lớn làm việc chế độ ngắn hạn thi chọn từ 0,8 đến Với kiện để phù hợp với thông số đề nên ta chọn: = 1,2 15 Phải chọn Thyristor đi-ốt chịu dịng trung bình Vậy cần chọn van thyristor với trị số dòng điện cỡ: Itbmax = 2Itbv = 50 = 100 (A) 2.4.2 Theo tiêu điện áp: Cần chọn thyristor đi-ốt chịu điện áp khoảng gấp lần Ungmax Uthy = 2.Ungmax = 2.312,4 = 624,8 (V) Theo kết cấu mạch lực, ta phải chọn Thyristor đi-ốt cần thiết cho mạch Dựa vào kết tra cứu, ta chọn: Vậy: Thyristor chọn loại PGH1008AM hãng Nihon Inter Electronics Corporation sản suất với thông số phù hợp: Itb =100A Umax= 800V Uđk = 2,5V (ở nhiệt độ ổn định 25C) Iđk = 100mA (ở nhiệt độ ổn định 25C) Nhiệt độ vỏ van tương ứng chế độ dịng trung bình tối đa cho phép: 125C Vậy: Đi-ốt chọn loại RHRU100120 hãng Intersil Corporation với thông số phù hợp: Itb =100A Umax= 1200V Nhiệt độ vỏ van tương ứng chế độ dịng trung bình tối đa cho phép: 175C Datasheet van đính kèm phần cuối 2.5 Tính chọn phần tử bảo vệ cho Van Việc bảo vệ mạch lực chủ yếu bảo van bán dẫn khỏi hai trạng thái: dòng điện áp 2.5.1 Bảo vệ điện áp cho van Bảo vệ điện áp cho van: mắc R-C song song với Thyristor 16 Linh kiện bán dẫn nói chung linh kiện bán dẫn cơng suất nói riêng, nhạy cảm với thay đổi điện áp Những yếu tố ảnh hưởng lớn tới van bán dẫn mà ta cần có phương pháp bảo vệ là: - Điện áp đặt vào van lớn thông số van - Xung điện áp chuyển mạch van - Xung điện áp từ phía từ phía lưới điện xoay chiều, nguyên nhân thường gặp cắt tải có điện cảm lớn đường dây Xung điện áp cắt đột ngột máy biến áp non tải Để bảo vệ cho van làm việc dài hạn khơng bị q điện áp ta phải chọn van bán dẫn theo điện áp ngược Hình 2.1 Bảo vệ điện bảo vệ xung điện áp cho van Để bảo vệ điện áp xung điện áp q trình đóng cắt van bán dẫn thực cách mắc R-C song song với thyristor Khi có cố chuyển mạch, điện tích lớp bán dẫn phóng ngồi tạo dịng điện ngược khoảng thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng dịng điện ngược gây sức điện động cảm ứng lớn điện cảm, làm cho điện áp anot catot van.Khi có R-C mắc song song với van, tạo mạch vịng phóng điện tích q trình chuyển mạch nên van khơng bị q điện áp .220 = 311,13 (V) Tính theo cơng thưc gần ta có : - Coi dẫn đến tham số d = - Lưới điện có điện cảm 5µH 17 - δ = 0,964 , R = 2.0,964 = 625.( C= = 5,12 = 0,512µF R = 1,928 = 1,928 = 6,025 (ῼ ) Chọn tụ C có giá trị 0,512 µF R có giá trị 6,025 (ῼ ) Chương Tổng kết đánh giá 3.1 Những u cầu hồn thành:  Tìm hiểu mạch chỉnh lưu đặc biệt mạch chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển  Tính tốn thông số mạch chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển phù hợp với yêu cầu toán đặt  Chọn Thyristor loại Diode phù hợp với yêu cầu thiết kế ban đầu tốn 18  Nắm cơng thức nguyên lý hoạt động mạch lực chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển 3.2 Những điều thiếu sót: - Chưa thực mơ q trình làm việc mạch chỉnh lưu cầu - Chưa mô hình hóa sản phẩm thiết kế để tới hoạt động kiểm nghiệm thực tế Chương Phụ lục tham khảo 4.1 Bảng tra cứu hình bài: STT Tên hình Trích dẫn Trang 1.1 Chỉnh lưu cầu pha thực tế Google hình ảnh 1.2 Sơ đồ cách mắc van kiểu Anode Bài giảng điện tử công 19 chung kathode chung suất 1.3 Nguyên lý chung chỉnh lưu Bài giảng điện tử công suất 1.4 Mạch chỉnh lưu cầu pha Bài giảng điện tử công suất Dạng đồ thị điện áp dòng điện sau Bài giảng điện tử công chỉnh lưu chỉnh lưu cầu suất pha 1.5 1.6 Sơ đồ cầu chỉnh lưu dạng Bài giảng điện tử công suất 1.7 Sơ đồ mạch cầu chỉnh lưu dạng Bài giảng điện tử công suất 1.8 Cụm van bán dẫn nối cực tính Bài giảng điện tử cơng suất 10 1.9 Dạng đồ khị sau chỉnh lưu bán điều khiển: Bài giảng điện tử công suất 11 1.10 Dạng đồ thị chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển với tải R-L: Thiết kế điện tử công suất - Phạm Quốc hải 11 2.1 Bảo vệ điện bảo vệ xung điện áp cho van Thiết kế điện tử công suất - Phạm Quốc hải 17 4.2 Tham khảo: Bài giảng điện tử công suất Trừng đại học Hàng Hải Việt nam Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất – Thầy Phạm Quốc Hải Bài giảng điện tử công suất – Chương – Chỉnh lưu ( Tham khảo mạng) 20 ... chung chỉnh lưu Bài giảng điện tử công suất 1.4 Mạch chỉnh lưu cầu pha Bài giảng điện tử công suất Dạng đồ thị điện áp dòng điện sau Bài giảng điện tử công chỉnh lưu chỉnh lưu cầu suất pha 1.5 1.6... khị sau chỉnh lưu bán điều khiển: Bài giảng điện tử công suất 11 1.10 Dạng đồ thị chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển với tải R-L: Thiết kế điện tử công suất - Phạm Quốc hải 11 2.1 Bảo vệ điện bảo... 1.5 1.6 Sơ đồ cầu chỉnh lưu dạng Bài giảng điện tử công suất 1.7 Sơ đồ mạch cầu chỉnh lưu dạng Bài giảng điện tử công suất 1.8 Cụm van bán dẫn nối cực tính Bài giảng điện tử cơng suất 10 1.9 Dạng