Chỉnh lưu tiristor và ứng dụng điều khiển dòng kích từ của máy phát điện

Luận Văn Tốt Nghiệp Trờng đại học vinh Khoa vật lÝ - khóa luận tốt nghiệp tên đề tài: chỉnh lu tiristor ứng dụng điều khiển dòng kích từ máy phát điện Giáo viên hớng dẫn: Dơng Kháng Sinh viên thực hiện: Bùi Công Bình Lớp: 43B Lý Vinh, th¸ng 5/2006 -o0o Lời nói đầu: Sau thời gian nghiên cứu, thực đề tài với giúp đỡ ban chủ nhiệm khoa Vật Lý với quý thầy cô đặc biệt quan tâm hớng dẫn tận tình thầy giáo Dơng Kháng Nên em đà hoàn thành đề tài thời gian Mặc dù đà có nhiều cố gắng song có hạn chế kiến thức nh kinh nghiệm nghiên cứu khoa học nên chắn không tránh khỏi Sinh viên thực hiện: Bùi Công Bình 43B Lý Luận Văn Tốt Nghiệp thiếu sót Vậy mong đợc góp ý, phê bình quý thầy cô bạn sinh viên để đề tài cuả em đợc hoàn thiện tốt phong phú Cuối em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Dơng Kháng tập thể thầy cô giáo khoa Vật Lý đà giúp đỡ em trình thực đề tài này! Ngời viết Bùi Công Bình Lý chọn đề tài: Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển mÃnh mẽ Tiristor đời đà chiếm vị trí quan trọng ngành khoa häc ®iƯn tư Tõ ®êi nã ®· không ngừng ngày đợc hoàn thiện Tiristor thiết bị bán dẫn công suất điều khiển đà đợc sử dụng rộng rÃi ngành kỹ thuật điện Ngày Tiristor thiết bị biến đổi dùng Tiristor đà sâu vào nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nh thiết bị chỉnh lu dùng công nghiệp luyện kim, công nghiệp hoá học, công nghệ hàn, truyền tải điện Các thiết bị nghịch lu biến tần dùng truyền động điện xoay chiều, thiết bị điều chỉnh xung áp dùng kỹ nghệ hoá học Tiristor công suất nhỏ kết hợp với Tranzitor vi mạch đợc dùng thiết bị đo lờng, điều khiển thiết bị dùng sinh hoạt hàng ngày Với đặc tính u việt tầm quan trọng ứng dụng thiết bị nên đà chọn đề tài nghiên cứu: Sinh viên thực hiện: Bùi Công Bình 43B Lý Luận Văn Tốt Nghiệp Chỉnh lu Tiristor ứng dụng điều khiển dòng kích từ máy phát điện Nội dung đề tài bao gồm hai phần chính: - Nghiên cứu chỉnh lu Tiristor - ứng dụng Tiristor để điều khiển dòng kích từ máy phát điện Mục lục phần mở đầu Lời nói đầu Lý chọn đề tài nội dung chơng i: đốit bàn dẫn chỉnh lu bán dẫn I.I Trình bày cấu tạo, nguyên lý đặc tuyến Vôn - Ampe I.I.1 Cấu tạo điốt bán dẫn I.I.2 Nguyên lý I.I.3 Đăc tuyến Vôn - Ampe điốt bán dẫn I.II Chỉnh lu điốt pha nửa chu kú I.III ChØnh lu mét pha hai nöa chu kú I.IV ChØnh lu cÇu mét pha I.V ChØnh lu ba pha hình tia I.VI Chỉnh lu cầu ba pha chơng ii: Tiristor chỉnh lu có điều khiển II.I Cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc tuyến Vôn - Ampe Tiristor II.I.1 Cấu tạo kí hiệu Tiristor II.I.2 Nguyên lý làm việc Tiristor II.I.3 Đặc tuyến Vôn - Ampe Tiristor II.II Các thông số Tiristor II.III Các mạch khống chế dùng Tiristor II.III.1 Mạch chỉnh lu cã khèng chÕ kiĨu pha xung II.III.2 M¹ch khèng chÕ pha 900 II.III.3 M¹ch khèng chÕ pha 1800 II.IV ChØnh lu Tiristor mét pha II.IV.1 ChØnh lu Tiristor mét pha nöa chu kú II.IV.2 hØnh lu Tiristor mét pha hai nöa chu kú II.V ChØnh lu Tiristor ba pha II.V.1 ChØnh lu ba pha h×nh tia II.V.2 ChØnh lu cầu ba pha chơng iii: số ứng dụng Tiristor III.I Sơ đồ đếm quay vòng III.II Sơ đồ hạn chế dìng điện tải III.III Sơ đồ bảo vệ ngắn mạch tự động đóng mạch III.IV Sơ đồ ổn áp xoay chiều pha III.V Sơ đồ tự động điều chỉnh nhiệt độ III.VI Sơ đồ báo động III.VII Sơ đồ điều khiển tốc độ động III.VIII Sơ đồ lắp mạch phát khói khí III.Ix Sơ đồ điều chỉnh tốc độ quạt nóng Sinh viên thực hiện: Bùi Công Bình 43B Lý Luận Văn Tốt Nghiệp chơng iv: ứng dụng Tiristor để điều khiển dòng kích từ máy phát điện động IV.I Cấu tạo máy phát điện đồng IV.II Nguyên lý làm việc máy phát điện đồng IV.III Thí nghiệm thực hành IV.III.1 Mục đích nhiệm vụ thực hành IV.III.2 Thí nghiệm lắp ráp kết luận tài liệu tham khảo Chơng I: điốt bán dẫn chỉnh lu bán dẫn I Trình bày cấu tạo, nguyên lý đặc tuyến Vôn Ampe: Ampe: Cấu tạo điốt bán dẫn: Điốt bán dẫn đợc cÊu t¹o tõ mét chun tiÕp p – Ampe: n A P N K Nguyên lý: a Mặt ghép p Ampe: n cha có điện trờng Khi cho hai đơn tinh thể bán dẫn tạp chất loại n p tiếp xúc công nghệ với Các tợng vật lý xảy mặt tiếp xúc xét mô hình lí tởng mặt ghép p Ampe: n cha có điện áp đặt vào Giả thiết nhiệt độ phòng, nguyên tử tạp chất đà bị ion hoá hoàn  toµn (nn = N D ; Pp = N A ) Các tợng xảy mặt tiếp xúc mô tả tóm tắt nh sau: Do chênh lệch lớn nồng độ (n n >> np, Pp >> Pn) t¹i vïng tiÕp xóc cã hiƯn tợng khuếch tán Ikt từ p sang n Tại vùng lân cận I hai bên mặt tiếp xúc xuất lớp điện tích khối ion tạp chất tạo ra, nghèo hạt dẫn đa số có điện trở lớn Do đồng thời xuất hiƯn ®iƯn trêng néi bé híng tõ vïng N (líp ion N P ) sang vïng P (líp ion N A ) gọi điện trờng tiếp xúc Etx Hay nói cách khác Sinh viên thực hiện: Bùi Công Bình 43B Lý Luận Văn Tốt Nghiệp xuất hàng rào hay hiệu điện tiếp xóc U tx BỊ dµy cđa líp nghÌo l0 phơ thuộc vào nồng độ tạp chất Nếu NA = ND l0 đối xứng qua miền tiếp xúc lon = l0p: thờng NA >>ND nên lon >> lop Điện trờng Etx cản trở chuyển động dòng khuếch tán gây chuyển động gia tốc hạt thiểu số qua miền tiếp xúc có chiều ngợc lại với dòng khuếch tán Quá trình tiếp diễn đến trạng thái cân động: Ikt = Itr dòng điện qua tiếp xúc p Ampe: n Hiệu điện tiếp xúc có giá trị xác lËp: Utx = P n KT KT ln( P )  ln( n ) q Pn q np b.MỈt ghép p Ampe: n có điện trờng ngoài: Trạng thái cân động nêu bị phá vỡ đặt tiếp xúc p Ampe: n điện trờng Có hai trờng hợp xảy ra: Hình 1: MỈt ghÐp p – Ampe: n cha cã điện trờng a Mô hình cấu trúc chiều b Phân bố nồng độ hạt theo phơng x c Vùng điện tích khối lớp nghèo d Hiệu tiếp xúc hay hàng rào nơi tiếp xúc e Kí hiệu quy ớc điốt bán dẫn Sinh viên thực hiện: Bùi Công Bình 43B Lý Luận Văn Tốt Nghiệp Hình 2: Mặt ghép p Ampe:n a.Phân cực thuận b.Phân cực ngợc - Khi điện trờng (Eng) ngợc chiều với Etx Khi Eng chủ yếu đặt lên vùng nghèo xếp chồng với Etx nên cờng độ trờng tổng cộng vùng lo giảm làm chuyển động khuếch tán Ikt tăng ngời ta gọi tợng phun đa sè qua miỊn tiÕp xóc p – Ampe: n đợc mở Dòng điện trôi Etx gây gần nh giảm không đáng kể nồng độ hạt dÉn thiĨu sè nhá Khi ®ã ®é réng vïng nghÌo giảm so với l0 - Khi Eng chiều với Etx tác động xếp chồng điện trờng vùng nghèo, dòng Ikt giảm tới không, dòng Itr có tăng chút nhanh đến giá trị bÃo hoà gọi dòng điện ngợc bÃo hoà tiếp xúc p Ampe: n Bề rộng vùng nghèo tăng lên so với trạng thái cân ngời ta gọi phân cực ngợc cho tiếp xúc p Ampe: n Đặc tuyến Vôn Ampe: Ampe điốt bán dẫn: Đặc tuyến Vôn Ampe: Ampe bao gåm hai nh¸nh: - Nh¸nh thuËn (1) - Nh¸nh ngợc (2) Sinh viên thực hiện: Bùi Công Bình 43B Lý Luận Văn Tốt Nghiệp Hình 3: Đặc tuyến Vôn Ampe: Ampe điốt bán dẫn - Dới điện áp U > điốt đợc phân cực thuận điện giảm xuống gần không Khi U tăng, lúc đầu dòng tăng từ từ, sau U lớn khoảng 0,1V dòng tăng nhanh - Dới diện áp U < Điốt bị phân cực ngợc Khi |U| tăng dòng điện ngợc tăng từ từ, |U| > 0,1V dòng điện ngợc dừng lại giá trị vài chục mA Do di chuyển hạt điện tích thiểu số làm nên Nếu tiếp tục tăng | U| điện tích thiểu số di chuyển dễ dàng Tốc độ di chuyển tỉ lệ thuận với điện trờng tổng hợp Động W = mv2 chúng tăng lên Khi |U| = Uz W = W0 (năng lợng giải thoát điện tử 1,1 ev) điện tích thiểu số va chạm, bẽ gẫy đợc liên kết nguyên tử Si vùng chuyển tiếp làm xuất điện tử tự Đến lợt điện tử chịu tác động điện trờng tổng hợp lại bắn phá nguyên tử Si Kết phản ứng dây chuyền làm cho dòng điện ngợc tăng ạt Dòng điện phá hỏng điốt Vì để bảo vệ ®ièt ngêi ta thêng cho chóng lµm viƯc díi ®iƯn ¸p U = (0,7  0,8)Uz ii ChØnh lu ®ièt pha nửa chu kì: Sơ đồ chỉnh lu pha nửa chu kì: Sinh viên thực hiện: Bùi Công Bình 43B Lý Luận Văn Tốt Nghiệp Hình 4: Sơ đồ chỉnh lu pha nửa chu kì Trong sơ đồ chỉnh lu điốt pha nửa chu kì dòng i chảy qua cuộn thứ cấp biến áp, qua điốt, qua tải Điện áp thứ cấp có giá trị: u2 = U2sin ωt = U2sin θ Ho¹t động: Trong nửa chu kì đầu : < < điện áp U2 dơng Điốt D mở cho dòng chạy qua Nếu xét điện áp rơi điốt ud = ta cã: ud = R.i = U2sin θ i= 2U sin θ R i vµ ud cïng pha víi Trong nưa chu k× sau: øng víi π < θ < π , u2 âm, điốt D bị khoá Ta có: i = 0, ud = Điốt D phải chịu điện áp ngợc với giá trị cực đại Unm = U2 - Trị trung bình điện áp chỉnh lu bằng: Ud = π 2U 2 U sin θ.dθ   2π π = 0,45 U2 - TrÞ trung bình dòng tải đợc xác định: Id = U d  U R π R - Trị hiệu dụng dòng thứ cấp máy biến áp bằng: Sinh viên thực hiện: Bùi Công Bình 43B Lý 10 Luận Văn Tốt Nghiệp I = I2 = π U sin θ U ( )dθ  2π R 2R iii ChØnh lu điốt pha hai nửa chu kì: Để sử dơng chØnh lu mét pha hai nưa chu k× th× ngn ta cã thĨ lÊy ë m¸y biÕn ¸p thø cấp có điểm Sơ đồ chỉnh lu pha hai nửa chu kì: Hình 5: Sơ đồ chỉnh lu pha hai nửa chu kì Trong khoảng < , u21 dơng, u22 âm, D1 mở cho dòng chảy qua D2 bị khoá Ta có : i21 = iD1 = id = 2U sin θ R uD2 = u22 – Ampe: u21 = - 2 sin θ Unm = - 2 U2 Trong kho¶ng π  θ  π , u21 âm, u22 dơng, D2 mở, D1 khoá - Trị trung bình điện áp chỉnh lu : Sinh viên thực hiện: Bùi Công Bình 43B Lý 11 Luận Văn Tốt NghiÖp Ud = 2π 2π π u d dθ = 2 U sin θ.dθ  U2  π0 π - TrÞ trung bình dòng tải : Id = Ud R =2 U2 R - Trị trung bình dòng chạy qua điốt : ID = 2U I sin θ.dθ  d  2π R - Trị hiệu dụng dòng thứ cấp m¸y biÕn ¸p : I21 = I22 = π 2U U π ( sin θ) dθ   I d  2π R 2R - Trị tức thời dòng thứ cấp : i1 = i21 – Ampe: i22 = π 2U sin θ = I d sin θ R iv Chỉnh lu cầu: Ta xét mạch chỉnh lu cầu đơn giản sau : Sơ đồ: Sinh viên thực hiện: Bùi Công Bình 43B Lý 12 ... quan trọng ứng dụng thiết bị nên đà chọn đề tài nghiên cứu: Sinh viên thực hiện: Bùi Công Bình 43B Lý Luận Văn Tốt Nghiệp Chỉnh lu Tiristor ứng dụng điều khiển dòng kích từ máy phát điện Nội dung... Tốt Nghiệp chơng iv: ứng dụng Tiristor để điều khiển dòng kích từ máy phát điện động IV.I Cấu tạo máy phát điện đồng IV.II Nguyên lý làm việc máy phát điện đồng IV.III Thí nghiệm thực hành IV.III.1... đặt lên Tiristor theo chiều ngợc mà Tiristor không hỏng Dới tác động điện áp này, dòng điện ngợc có giá trị từ 10mA đến 20mA Khi đặt điện áp ngợc lên Tiristor cần nhớ giảm dòng điện điều khiển