Thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu công suất một pha bán điều khiển

Thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu công suất một pha bán điều khiển Thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu công suất một pha bán điều khiển Thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu công suất một pha bán điều khiển Thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu công suất một pha bán điều khiển Thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu công suất một pha bán điều khiển Thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu công suất một pha bán điều khiển

Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ MẠCH CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT 1.1 Khái quát chung điện tử công suất 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 1.2 Khái niệm chỉnh lưu công suất 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Phân loại 1.2.3 Luận dẫn van công suất mạch chỉnh lưu 1.2.4 Cấu trúc mạch chỉnh lưu thông số 1.3 Các mạch chỉnh lưu pha 1.3.1 Mạch chỉnh lưu hình tia pha nửa chu kỳ khơng điều khiển 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 16 1.3.4 Mạch chỉnh lưu hình tia pha nửa chu kỳ có điều khiển 20 1.3.5 Mạch chỉnh lưu hình tia pha hai nửa chu kỳ có điều khiển 23 1.3.6 Mạch chỉnh lưu cầu pha có điều khiển hoàn toàn 26 1.3.7 Mạch chỉnh lưu pha bán điều khiển 27 Chương 31 TÍNH TỐN, CHẾ TẠO MẠCH CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA BÁN ĐIỀU KHIỂN 31 2.1 Thông số yêu cầu 31 2.2 Sơ đồ khối 31 2.2.1 Sơ đồ 31 31 2.2.2 Chức khối 31 2.3 Tính tốn thơng số mạch điện 31 2.3.1 Tính toán, chế tạo máy biến áp 31 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử 2.3.2 Tính tốn, chọn van công suất 35 2.3.3 Tính tốn, chọn phần tử bảo vệ 36 2.3.4 Tính toán, chọn phần tử mạch điều khiển 38 2.3.5 Tính tốn, chọn phần tử cách ly 45 2.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điện 45 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý 45 2.4.2 Nguyên lý làm việc toàn mạch 46 2.5 Lắp ráp mạch điện 46 2.5.1 Mạch in 46 2.5.2 Sơ đồ bố trí linh kiện 47 2.5.3 Hình ảnh mạch điện thực tế 47 Chương 47 KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ 47 3.1 Nội dung khảo sát 47 3.1.1 Tín hiệu chân TCA785: chân 10, chân 11, chân 14, chân 15 47 3.1.2 Điện áp đầu ra: α = 0°, 30°, 90°, 150°, 180° 47 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, điện tử cơng suất đóng vai trị quan trọng q trình cơng nghiệp hố đất nước Sự ứng dụng điện tử cơng suất hệ thống truyền động điện lớn nhỏ gọn phần tử bán dẫn việc dễ dàng tự động hoá cho trình sản xuất Các hệ thống truyền động điều khiển điện tử công suất đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặt giảm nhiều so với hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát - động Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, nội dung môn học Điện tử công suất truyền động điện chúng em giao thực đề tài “Thiết kế, chế tạo chỉnh lưu công suất pha bán điều khiển” Với hướng dẫn thầy Trần Quang Phú, chúng em tiến hành nghiên cứu thiết kế đề tài Trong trình thực đề tài khả kiến thức thực tế có hạn nên khơng thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy đóng góp ý kiến để đề tài hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Đỗ Trọng Lưu Văn Trường Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử Chương TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ MẠCH CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT 1.1 Khái quát chung điện tử công suất 1.1.1 Khái niệm điện tử công suất Điện tử công suất lĩnh vực kĩ thuật đại, nghiên cứu ứng dụng linh kiện bán dẫn công suất làm việc chế độ chuyển mạch vào trình biến đổi điện 1.1.2 Nhiệm vụ điện tử công suất Các thiết bị sản xuất sử dụng loại lượng điện khác nhau, có loại dùng điện chiều, có loại dùng điện xoay chiều, mức điện áp khác nhau, tần số khác nhau, đặc biệt để điều khiển hoạt động thiết bị đó, ta cần điều khiển nguồn lượng điện cấp vào Như vậy, biến đổi điều khiển lượng điện nhiệm vụ hàng đầu tự động hoá sản xuất Trong biến đổi, phần tử bán dẫn cơng suất sử dụng khóa bán dẫn hay gọi van bán dẫn Khác với phần tử có tiếp điểm, van bán dẫn thực việc đóng cắt dịng điện mà không tạo tia lửa điện, không bị mài mịn theo thời gian, tín hiệu điều khiển van bán dẫn có cơng suất nhỏ phụ thuộc vào quy luật điều khiển van bán dẫn Vì có tổn hao nhỏ đạt hiệu suất cao Ngồi cịn có khả cung cấp cho phụ tải nguồn lượng với phụ tải theo yêu cầu, đáp ứng trình điều chỉnh, điều khiển thời gian ngắn với chất lượng phù hợp hệ thống tự động Đây đặc trưng biến đổi bán dẫn công suất mà biến đổi tiếp điển không thực 1.1.3 Ứng dụng điện tử công suất Điện tử công suất ứng dụng rộng rãi hầu hết ngành cơng nghiệp đại Có thể kể đến ngành kỹ thuật mà có ứng dụng tiêu biểu biến đổi bán dẫn công suất truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhơm từ quặng mỏ, q trình điện phân cơng nghiệp hóa chất, nhiều thiết bị công nghiệp dân dụng khác nhau…Trong năm gần công nghệ chế tạo phần tử bán dẫn cơng 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 1.2 Khái niệm chỉnh lưu công suất 1.2.1 Khái niệm Mạch chỉnh lưu thiết bị dùng để biến đổi nguồn điên xoay chiều thành nguồn điện chiều nhằm cung cấp cho phụ tải điện chiều Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử 1.2.2 Phân loại Tùy theo số pha nguồn điện xoay chiều phía đầu vào mạch chỉnh lưu mà chia thành mạch chỉnh lưu pha, pha hay nhiều pha Nếu dòng điện xoay chiều chạy dây pha dây trung tính, mạch chỉnh lưu gọi sơ đồ hình tia Cịn dịng điện xoay chiều chạy dây pha với mạch lưu gọi sơ đồ hình cầu Nếu sơ đồ chỉnh lưu dùng tồn diode gọi sơ đồ không điều khiển Nếu sơ đồ chỉnh lưu dùng tồn thyristor gọi sơ đồ hỉnh lưu có điều khiển hay điều khiển hồn tồn Cịn sơ đồ chỉnh lưu dùng thyristor diode gọi sơ đồ bán điều khiển 1.2.3 Luận dẫn van công suất mạch chỉnh lưu 1) Trường hợp mạch chỉnh lưu hình tia a) Sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển Để đơn giản cho việc nguyên cứu nghiên lý làm việc sơ đồ chỉnh lưu hình tia, trước tiên ta xét sơ đồ khơng điều khiển nghiên cứu sơ đồ đấu K chung Qua nghiên cứu người ta thấy rằng: chế độ dòng qua tải liên tục bỏ qua trình chuyển mạch thời điểm chỉnh lưu làm việc sơ đồ có van dẫn dịng, van nối với điện áp pha dương Mặt khác hệ thống điện áp m pha thời gian chu kỳ điện áp nguồn pha duong khoảng thời gian 1/m chu lỳ, mà van sơ đồ dẫn dòng khoảng 1/m chu kỳ thời gian chu kỳ điện áp nguồn Ta giả thiết sụt áp Diode hay Thyristor mở (dẫn dịng) khơng Như vậy, thời điểm mà điện áp van khơng có xu hướng chuyển sang dương thời điểm van (Diode) bắt đầu mở, thời điểm mà Diode sơ đồ chỉnh lưu bắt đầu mở gọi thời điểm mở tự nhiên van công suất sơ đồ chỉnh lưu Thời điểm mở tự nhiên van công suất sơ đồ chỉnh lưu pha van nối K chung chậm sau thời điểm điện áp pha nối van không bắt đàu chuyển sang dương góc độ điện 𝛼 , với 𝛼 xác định sau:      m Mỗi Diode sơ đồ bắt đầu mở thời điểm mở tự nhiên khóa lại thời điểm mở van Điện áp chỉnh lưu lặp lại m lần giống chu kỳ nguồn xoay chiều Trường hợp sơ đồ lưu hình tia m pha van nối anot chung, sơ đồ làm việc chế độ dòng liên tục bỏ qua chuyển mạch thời điểm sơ đồ có van mắc với pha có điện áp âm dẫn dòng Thời điểm mở tự nhiên van sơ đồ chậm sau thời điểm điện áp pha mắc với van khơng chuyển sang âm góc độ điện 𝛼 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử b) Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển Trong trường hợp van chỉnh lưu Thyristor Như biết để chuyển Thyristor từ trạng thái khóa sang trạng thái mở cần phải có đủ điều kiện: • Điện áp A K phải dương (thuận) • Có tín hiệu điều khiển đặt vào cực G Do đặc điểm vừa nêu mà sơ đồ ta điều khiển đươc thời điểm mở van giới hạn định Cụ thể khoảng thời gian có điều khiển mở thứ có điện áp thuận (từ thời điểm mở tự nhiên van sau thời điểm nửa chu kỳ), ta cần mở van thời điểm ta truyền tín hiệu điều khiển đến van thời điểm điều thực với tất van sơ đồ Như ta truyền tín hiệu điều khiển đến van chậm sau thời điểm mở tự nhiên góc độ điện α tất van sơ đồ mở chậm so với thời điểm mở tự nhiên góc độ điện  đường cong điện áp chỉnh lưu phụ tải chiều khác so với sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển, giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu thay đổi Vậy ta thay đổi thành phần chiều điện áp tải nhờ thay đổi thời điểm mở van, tức thay đổi giá trị góc , Trong sơ đồ chỉnh lưu giá trị góc mở chậm van  gọi góc điều khiển sơ đồ chỉnh lưu Từ điều kiện mở van nêu ta thấy muốn van mở có tín hiệu điều khiển thời điểm truyền tín hiệu đến van phải nằm khoảng điện áp van thuận ứng với nửa chu kỳ điện áp nguồn Trường hợp sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển làm việc với = 00 tương đương với trường hợp sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển Sự làm việc sơ đồ chỉnh lưu hình tia m pha van nối anốt chung hịan tồn tương tự, khác thời điểm mở tự nhiên van sơ đồ xác định khác với sơ đồ van nối K chung 2) Trường hợp mạch chỉnh lưu hình cầu a) Sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển Từ kết cấu sơ đồ chỉnh lưu hình cầu ta có nhận xét: Để có dịng qua phụ tải sơ đồ phải có hai van dẫn dịng, van nhóm K chung van cịn lại nhóm A chung Vậy với giả thiết sơ đồ làm chế độ dịng liên tục bỏ qua q trình chuyển mạch chỉnh lưu cầu m pha làm việc, thời điểm sơ đồ ln có hai van dẫn dịng van nhóm K chung nối với pha có điện áp dương pha nhóm A chung nối với pha có điện áp âm Thời điểm mở tự nhiên van nối K chung xác định van sơ đồ chỉnh lưu hình tia số pha với van nối anốt chung Còn thời điểm mở tự nhiên van nhóm A chung xác định van sơ đồ chỉnh lưu hình tia số pha van nối anốt chung Với đặc điểm làm việc sơ đồ chỉnh lưu cầu người ta nhận thấy rằng: Trong chu kỳ nguồn xoay chiều, van dẫn dòng khoảng thời gian 1/m chu kỳ sơ đồ hình tia, chuyển mạch dòng từ Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử van sang van khác diễn với van nhóm độc lập với nhóm van kia; chu kỳ nguồn xoay chiều điện áp chỉnh lưu lặp lại q lần giống nhau, với q = m m lẻ q = 2m m chẵn b) Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển Với sơ đồ chỉnh lưu cầu, để điều khiển điện áp chỉnh lưu phụ tải chiều người ta thực việc điều khiển cho van sơ đồ mở chậm thời điểm mở tự nhiên góc độ điện  nhờ sử dụng tín hiệu điều khiển giống sơ đồ hình tia giới hạn thay đổi lớn góc điều khiển  phụ thuộc vào mạch chỉnh lưu đặc tính tải 1.2.4 Cấu trúc mạch chỉnh lưu thông số 1) Cấu trúc mạch chỉnh lưu Trong thực tế mạch chỉnh lưu có nhiều loại đa dạng hình dáng tính Tuy nhiên cấu trúc biến đổi thường có phận sau: • Biến áp nguồn: Nhằm biến đổi điện áp từ cao xuống thấp ngược lại • Van cơng suất chỉnh lưu: Các van có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn chiều • Mạch lọc: Nhằm lọc san phẳng dịng điện hay điện áp nguồn để mạch chỉnh lưu có chất lượng tốt • Mạch đo lường: Dùng để đo dịng điện, điện áp, cơng suất • Mạch điều khiển: Là phận quan trọng chỉnh lưu có điều khiển, định độ xác, ổn định chất lượng chỉnh lưu • Phụ tải: Thường phần ứng động điện chiều, kích từ máy điện chiều, xoay chiều, cuộn hút nam châm điện, tải có sức điện động E, tải đèn chiếu sáng hay điện trở tạo nhiệt vv Dưới minh họa sơ đồ cấu trúc chỉnh lưu: Máy biến áp Khối chỉnh lưu Lọc Mạch điều khiển Mạch đo lường Tải chiều Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử 2) Các thông số Các đặc tính sơ đồ chỉnh lưu thơng qua nhóm thơng số Các thơng số cần thiết cho q trình thiết kế mạch chỉnh lưu, dùng để đánh giá chất lượng mạch chỉnh lưu ảnh hưởng tới lưới điện Thơng thường sơ đồ chỉnh lưu xem xét với thông số sau: 3) Thông số tải Giá trị điện áp trung bình nhận sau mạch chỉnh lưu (Ud) T Ud  1 ud  t  dt   T0 2 2  u   d d Dịng điện trung bình từ mạch chỉnh lưu cấp cho tải (Id) Id  2 2  i   d d Công suất chiều tải tiêu thụ (𝑃 ) Pd Ud Id 4) Thông số van bán dẫn Giá trị trung bình dịng điện chảy qua van: IVtb IVAV Giá trị hiệu dụng dòng điện chảy qua van: IVhd IVRMS Điện áp ngược cực đại mà van phải chịu làm việc: UVngmax Điện áp thuận cực đại mà van phải chịu làm việc: UVthmax 5) Thông số nguồn Giá trị hiệu dụng dòng điện chảy qua cuộn sơ cấp thứ cấp máy biến áp: I1 I2 Công suất biểu kiến sơ cấp thứ cấp máy biến áp S1  U I1 ; S  U I 6) Nhóm thông số đánh giá mạch điện Số lần đập mạch (mx): nhóm thơng số đánh giá chất lượng điện áp chỉnh lưu, số lần đập mạch lớn chất lượng mạch chỉnh lưu tốt Độ gợn sóng W% tỷ số điện áp trung bình chiều điện áp xoay chiều bậc sau chỉnh lưu Các thông số xác định ảnh hưởng mạch chỉnh lưu tới lưới điện: Sự ảnh hưởng đánh giá qua hệ số cosφ, φ góc thành phần sóng hài bậc dòng điện điện áp đầu vào chỉnh lưu Một thông số quan trọng khác ảnh hưởng đến lưới điện độ méo phi tuyến dòng đầu vào mạch chỉnh lưu Khi đánh giá độ méo phi tuyến cho phép xác định dùng lọc đầu vào mạch chỉnh Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử lưu, hay phải dùng sơ đồ chỉnh lưu nhiều pha để giảm thiểu ảnh hưởng chỉnh lưu đến lưới điện 1.3 Các mạch chỉnh lưu pha 1.3.1 Mạch chỉnh lưu hình tia pha nửa chu kỳ khơng điều khiển 1) Xét trường hợp tải trở a) Sơ đồ nguyên lý id U2 U1 D ud R Hình 1.2 Sơ đồ chỉnh lưu pha nửa chu kỳ b) Ngun lý làm việc dạng sóng dịng diện, điện áp mạch Giả sử mạch làm việc chế độ xác lập, lý tưởng điện áp cấp vào mạch chỉnh lưu: 𝑢 = √2𝑈 𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡 Trong ½ chu kỳ sau π< ωt < 2π, u2  0, van D bị phân cực ngược nên van D khơng dẫn điện Ta có: uD  u2  , ud  0, iD  id  Hình 1.3 Dạng sóng dịng điện, điện áp mạch chỉnh lưu pha nửa chu kỳ với tải trở Các chu kỳ nguyên lý hoạt động tương tự c) Các biểu thức mạch chỉnh lưu hình tia pha nửa chu kỳ khơng điều khiển với tải trở Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu: ud  2 2  sin  tdt  2U   0, 45U Giá trị trung bình dịng điện chỉnh lưu: Id  Ud 2U  R R Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA: Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử I2  U2   Id 2R Dịng điện trung bình qua diode D: I DAV   2 R  2U sin  tdt  Ud 2U   Id R R Điện áp ngược lớn đặt lên đầu diode D khóa: u E U Dm  2U 2) Xét trường hợp tải R + E a) Sơ đồ nguyên lý 2 ωt id ωt uD ωt E _ U1 R ud + D  ud id U2 u2 b) Nguyên lý làm việc dạng sóng dịng điện, điện áp mạch Diode D cho dòng điện qua tải u2  E , dòng id tồn khoảng 1 2 góc 1  2 ωt 2U  E Hình 1.4 Sơ đồ chỉnh lưu pha nửa chu kỳ không điều khiển tải R+E Hình 1.5 Dạng sóng chỉnh lưu pha nửa chu kỳ không điều khiển tải R+E nghiệm phương trình sau: u2  2U2 sin1  E Khi diode D dẫn dịng biểu thức dòng điện qua tải: id  2U2 sin  E R Trước thời điểm 1 u2 < E nên diode D bị phân cực ngược không dẫn, khơng có dịng điện qua tải qua van diode iD = id = 0, điện áp tải ud  E, điện áp rơi van: UD  u2  E  2U2 sin   E Trong khoảng id  iD  1  2 u2  E nên diode dẫn cho dòng điện chạy qua tải 2U2 sin  E , điện áp tải ud  u2 , điện áp rơi van uD  Đến R 10 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử Ta có Bảng 2.1 Thơng số lõi thép EI (mm) Stt = Sci /k = 79.53/0.9 = 88.3 cm b e b b c a d c b Hình 2.3 Kích thước lõi thép EI Từ Bảng 2.1 ta chọn lõi thép loại EI-80S có bề rộng trụ là: a = 80 mm =8 cm Bề rộng lõi thép biến áp là: c= Sci 79.53 = 9.94 cm  a 3) Tính chọn dây quấn MBA Dây quấn phần tủ dẫn điện MBA, thiêt kế ta phải đảm yêu cầu: Yêu cầu điện; Có tinh dẫn điện tốt, chịu dòng điện cao xảy cố Yêu cầu học: Dây quấn không bị biến dạng hư hỏng trước lực học dồng điện ngắn mạch gây Yêu cầu nhiệt: Khi làm việc điều kiện bình thường hay trường hợp ngắn mạch, khoảng thời gian định, dây quấn khơng có nhiệt độ qua cao dẫn đến việc lợp cách điện bị nóng, tính đàn hồi, hóa giịn dần tính cách điện u cầu chế tạo: Lám cho kết cấu đơn giản, tốn nguyên vật liệu, thời gian chế tạo ngắn, giá thành hạ phải đảm bảo mặt vận hành • Tính tốn số vịng dây Do ta lựa chọn sử dụng tôn silic cán lạnh, nên cảm ứng từ có giá tri B = 1.5 T Điện áp vòng dây 33 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử U1v = 55/(B× Sci ) = 55/(1.5×79.53) = 0.46 V/vòng Số vòng dây cuộn sơ cấp N1 = U1×U1v = 220×0.46 = 101 vịng Số vịng dây cuộn thứ cấp N2 = U2×U1v = 121×0.46 = 55.66 vịng • Tính tốn thiết diện dây dẫn MBA có cơng suất: P1 = 4392.3 VA, nên ta có mật độ dòng điện J = 2.5 A/ mm2 Thiết diện dây quấn sơ cấp s1  I1 19.965   7.986 mm2 J 2.5 Thiết diện dây quấn thứ cấp s2  I 33   13.2 mm2 J 2.5 Chọn dây cáp điện theo tiêu chuẩn (tiêu chuẩn IEC 60439) Bảng 2.1 Bảng chọn tiết diện dây dẫn theo dòng điện Dựa vào dòng điện định mức tính bảng ta chọn quấn sơ cấp có thiết diện là: s1 = ( mm2 ) Dây quấn thứ cấp có thiết diện là: s2 = 10 ( mm2 ) 34 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử Đường kính dây quấn sơ cấp d1 =  s1 7.986 = 2 = 3.2 mm 3.14 3.14 Đường kính dây quấn thứ cấp d2 =  13.2 s2 = 2 = 4.1 mm 3.14 3.14 2.3.2 Tính tốn, chọn van cơng suất Tính chọn dựa vào yếu tố dịng tải, điều khiện tỏa nhiệt, điện áp làm việc, thơng số van tính sau: Điện áp ngược lớn mà Thyristor phải chịu Unmax  2U2  121  171.1 V Unmax: Điện áp ngược lớn đặt diode thyristor Dòng điện làm việc hiệu dụng van là: IDRMS = ITRMS = √ Id = 0.707×30 = 21.21 A IDRMS, ITRMS: Dịng điện hiệu dụng diode thyristor Dịng điện làm việc trung bình van là: I DAV  I TAV  I d 30   15 A 2 Với thông số làm việc chọn điều khiện làm việc van có cánh tản nhiệt, khơng quạt đối lưu khơng khí Điện áp ngược, dịng điện làm việc hiệu dụng dịng điện làm việc trung bình van cần chọn là: U nv  K dtU U n max  1.6  171.1  276.8 V (chọn KdtU 1.6 2); I lvv  ki I lv   21.21  84.84 A I AVv  ki I AV   15  60 A với điều khiển làm việc Ilv  10  30 %I dmv , ta chọn Ilv = 25%Idmv đó: KdtU : hệ số dự trữ điện áp, chọn KdtU = 1.6 ki: hệ số dự trữ dịng điện, chọn ki = Từ loại thơng số ta chọn Thyristor loại SHI00F21A diode loại MDR100A30 Thyristor loại SHI00F21A có thơng số sau: 35 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử • Điện áp ngược cực đại: Unmax = 300 V • Dòng điện làm việc cực đại: Idmmax = 100 A • Dịng điện đỉnh cực đại: Ipicmax = 2000 A • Dịng điện xung điều khiển: Ig = 150 mA • Điện áp xung điều khiển: Ug = 2.5 V • Dịng điện trì: Ih = 200 mA • Dòng điện dò: Ir = 30 mA • Sụt áp Thyristor trạng thái dẫn: 𝛥Umax = 1.9 V • Đạo hàm điện áp: du/dt = 200 V/s • Thời gian chuyển mạch (mở khóa): tcm = 15 às ã Nhit lm vic cc i: Tmax = 125 ℃ Diode loại MDR100A30 có thơng số sau: • Dịng điện chỉnh lưu cực đại: Imax = 100 A • Điện áp ngược diode: Un = 300 V • Đỉnh xung dịng điện: Ipic = 1600 A • Tổn hao điện áp trạng thái mở diode: ∆U = 1.2 V • Dịng điện thử cực đại: Ith = 310 A • Nhiệt độ cho phép: Tcp = 150℃ 2.3.3 Tính tốn, chọn phần tử bảo vệ 1) Bảo vệ dòng điện Các nguyên nhân gây q dịng điện cho van: • Q dịng dài hạn • Ngắn mạch đầu • Ngắn mạch thân van Chọn cầu chì: Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch thyristor Dòng điện định mức dây chảy là: ICC= 1.1Id = 1.1×30 = 33 (A) => Vậy chọn cầu chì loại 40 (A) Bảo vệ nhiệt: Thyristor làm việc với dòng điện tối đa Imax = 21.21A chịu tổn hao van ( P1) chuyển mạch ( P2) Tổng tổn hao là: P = P1 + P2  P1 = U.Ilv = 1.9 x 21.21= 40.3 W 36 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử Tổn hao công suất sinh nhiệt Mặt khác van làm việc tới nhiệt độ tối đa cho phép T = 1500C Do phải bảo vệ van cách gắn van bán dẫn lên cánh toả nhiệt a b ho Khi van bán dẫn mắc vào cánh h h1 toả nhiệt đồng nhôm, nhiệt độ van toả môi trường xung quanh nhờ z bề mặt cánh toả nhiệt Sự toả nhiệt c nhờ vào chênh lệch nhiệt cánh toả Hình 2.4 Hình dạng cánh tản nhiệt cho thyristor nhiệt môi trường xung quanh Khi cánh toả nhiệt nóng lên, nhiệt độ xung quanh cánh toả nhiệt nóng lên Nhiệt độ xung quanh cánh toả nhiệt tăng lên Làm cho tốc độ dẫn nhiệt mơi trường khơng khí bị chậm lại Diện tích bề mặt toả nhiệt tính: Stn = P K tn  Tổn hao công suất: P = 40.3 W Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường:  = Tlv – Tmt Chọn Tlv = 800C, chọn nhiệt độ môi trường: Tmt = 250C   = 80 - 25 = 550C Ktn: Hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt (trong điều khiện làm mát tự nhiên khơng quạt cưỡng bức) Chọn Ktn = 10×10-4 W/cm2 0C  Stn = 40.3 = 732.72 cm2 4 10  10  55 2) Bảo vệ điện áp cho thiết bị bán dẫn Linh kiện bán dẫn nói chung bán dẫn nói riêng nhạy cảm với thay đổi điện áp Những yếu tố ảnh hưởng lớn tới van mà ta cần có phương thức bảo vệ là: - Điện áp đặt vào van lớn thông số van - Xung điện áp chuyển mạch van - Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều, nguyên nhân thường gặp cắt tải có điện cảm lớn đường dây - Xung điện áp cắt đột ngột biến áp non tải Để bảo vệ cho van làm việc dài hạn không bị điện áp, cần chọ van bán dẫn theo điện áp ngược 37 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử Bảo vệ xung điện áp q trình đóng cắt van dùng mạch R-C mắc song song với van bán dẫn Sơ đồ giản mạch mơ tả hình Khi có chuyển mạch, phóng điện từ van ngồi tạo nên xung điện áp bề mặt tiếp giáp van Mạch R-C mắc song song với van bán dẫn tạo mạch vòng phóng điện tích q độ q trình chuyển mạch van Thông số R C thường chọn theo thơng số sau: R = (5÷30) Ω; C = (0.5ữ4) àF C R T Hỡnh 2.5 S bo vệ q áp cho van 2.3.4 Tính tốn, chọn phần tử mạch điều khiển 1) Các yêu cầu, đặc điểm mạch điều khiển - Mạch điều khiển phải làm việc tin cậy - Cấp xung điều khiển thời điểm - Độ rộng độ lớn xung điều khiển tối thiểu phải độ rộng độ lớn xung cho datasheet linh kiện - Phải thỏa mãn tính đối xứng pha 2) Các nguyên tắc điều khiển biến đổi Các nguyên tắc điều khiển thường sử dụng bao gồm: - Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha thẳng đứng tuyến tính - Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha thẳng đứng “arccos” - Hệ thống điều khiển chỉnh lưu dùng diode cực gốc (Trasistor tiếp giáp) Nhưng thực tế người ta hay dùng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính thẳng đứng “arccos” Sau ta nguyên cứu loại a) Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính - Theo nguyên tắc thể hình 2.6: US: điện áp cưa đồng với điện áp UAK thyristor thường đặt vào cổng đảo khâu so sánh UC: điện áp chiều điều chỉnh thường đặt vào cổng không đảo khâu so sánh u us uc π α 2π ωt α Hình 2.6 Dạng sóng ngun tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Hai tín hiệu US UC đưa vào khâu so sánh, nên US = UC đầu so sánh lật trạng thái tạo xung 38 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử điều khiển Như cách thay đổi UC ta điều chỉnh thời điểm phát xung thay đổi góc kích xung α Giữa α UC có mối quan hệ sau:   UC U sm Thường lấy Usm = Ucm Từ biểu thức ta thấy thay đổi UC từ Usm đến 0V góc α thay đổi từ α = π đến α = b) Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” u us - Theo nguyên tắc thể hình 2.7: US: điện áp đồng vượt trước điện áp UAK thyristor góc π/2 thường đặt vào cổng đảo khâu so sánh UC: điện áp chiều điều chỉnh thường đặt vào cổng không đảo khâu so sánh uc π α 2π ωt Hình 2.7 Dạng sóng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” Hai tín hiệu US UC đưa vào khâu so sánh, nên US = UC đầu so sánh lật trạng thái tạo xung điều khiển Như cách thay đổi UC ta điều chỉnh thời điểm phát xung thay đổi góc kích xung α Giữa α UC có mối quan hệ sau:  UC    U sm    arccos  Thường lấy Usm = Ucm Từ biểu thức ta thấy thay đổi UC từ -Usm đến Usm góc α thay đổi từ α = π đến α = => Trong mạch chúng em sử dụng nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính để điều khiển biến đổi 3) Một số phương án lựa chọn mạch điều khiển a) Phương án 1: Sử dụng IC thuật tốn rời rạc thơng qua khâu: ĐF RC SS TX ĐK FX KĐ& BAX TẢI Hình 2.8Các khâu mạch điều khiển dùng IC thuật toán rời rạc 39 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử • Khâu đồng pha • Khâu tạo điện cưa • Khâu so sánh • Khâu tạo xung chùm • Khâu trộn xung • Khâu khuếch đại biến áp xung Các khâu thể qua hình 2.9: + Ưu điểm: − Giá thành rẻ + Nhược điểm: − Mạch phức tạp phải thơng qua nhiều khâu Hình 2.9 Sơ đồ cấu tạo TCA 785 − Chất lượng điều khiển không cao b) Phương án 2: Dùng IC tích hợp TCA 785 Đối với việc điều khiển điện áp chiều ta sử dụng vi mạch tích hợp TCA 785 để đơn giản mạch điều khiển + Ưu điểm: − Mạch đơn giản, khâu điều khiển − Tạo điện áp đối xứng − Chất lượng điện áp mong muốn + Nhược điểm : − Giá thành đắt  Kết luận: Từ việc so sánh ưu nhược điểm phương án ta chọn phương pháp (Sử dụng mạch tích hợp TCA 785) 4) Tính tốn, thiết kế mạch điều khiển Mạch điều khiển tính xuất phát từ yêu cầu xung mở Thyristor SHI00F21A: Điện áp điều khiển: Uđk= Ug= 2.5 (V) Dòng điện điều khiển: Iđk= 150 (mA) TCA 785 hãng SIEMEN chế tạo sử dụng để điều khiển thiết bị chỉnh lưu, thiết bị chỉnh dịng điện áp xoay chiều IC TCA 785 (có tích hợp khâu đồng pha, so sánh, tạo xung, sửa xung, khuyếch đại) tạo xung điều khiển đến kích mở cho Thyristor SHI00F21A ( T1 T2) 40 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử Vi mạch TCA 785 vi mạch phức hợp thực chức mạch điều khiển: Tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp cưa, so sánh tạo xung TCA 785 hang Simen chế tạo sử dụng để điều khiển thiết bị chỉnh lưu, thiêt bị điều chỉnh dòng xoay chiều a) Đặc trưng IC TCA785: • Dễ phát việc chuyển qua điểm khơng • phạn vi ứng dụng rộng rãi • Có thể dung làm chuyển mạch điẻm khơng • Tương thích LSL • Có thể hoạt động pha (3 IC) • Dịng điện 250 mA • Miền dốc dịng lớn • Dải nhiệt độ rộng b) Nhiệm vụ IC TCA785: Tạo xung điều khiển mở thyristor với góc mở α giảm dần để tăng điện áp tải đến điện áp phóng điện Hình 2.10 Hình ảnh, sơ đồ chân TCA 785 c) Chức Bảng 2.2 Chức chân TCA785 Chân Kí hiệu Chức GND Chân nối đất Q2 Đầu đảo QU Dầu U Q1 Đầu đảo VSYNC Tín hiệu đồng I Tín hiệu cấm QZ Đầu z 41 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử VREF Điện áp chuẩn R9 Điện áp tạo xung cưa 10 C10 Tụ tạo xung cưa 11 V11 Điện áp điều khiển 12 C12 Tụ tạo độ rộng xung 13 L 14 Q1 Đầu 15 Q2 Đầu 16 VS Điện áp nguồn ni Tín hiệu điều khiển xung ngắn, xung rộng d) Dạng tín hiệu chân TCA785 Dạng tín hiệu TCA 785 thể hình 2.11 Hình 2.11 Dạng tín hiệu TCA 785 42 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử e) Các thông số TCA 785 Bảng 2.3 Thông số TCA785 Giá trị Thơng số Dịng tiêu thụ Điện áp vào điều khiển, chân 11trở kháng vào Mạch tạo cưa Dòng nạp tụ Biên độ cưa Điện trở mạch nạp Thời gian sườn ngăn xung cưa Tín hiệu cấm vào, chân Cấm Cho phép Độ rộng xung ra, chân 13 Xung hẹp Xung rộng Xung chân 14,15 Điện áp mức cao Điện áp mức thấp Độ rộng xung hẹp Độ rộng xung rộng IS V11 R11 4,5 0,2 I10 V10 R9 tP 10 V6I V6H Giá trị tiêu Giá trị biểu(F= 50 max HZ VS=5V) 6,5 10 15 V10peak mA V kΩ 1000 VS-2 300 μA V kΩ ms 3.3 3.3 2.5 V V 80 Đơn vị V13 H 3.5 2.5 3.5 2.5 V V V14/V 15 V14/V 15 tP VS-13 0.3 20 530 VS-2.5 0.8 30 620 VS 1.0 40 760 V V μs μs/n F 2.8 3.1 2x10-4 3.4 5x10-4 V 1/K Điện áp điều khiển Điện áp chuẩn VREF 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 Chọn tụ cưa: 43 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử C10 500pF (min) Thời điểm phát xung: tTr = Dòng nạp tụ: V11.R9 C10 Vref K I10 = Điện áp tụ: V10 =  F (max) V ref K R9 V ref K t R C10 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 α từ 00 đến 1800 điện Thơng số chủ yếu TCA là: - Điện áp nguồn ni: US = 15V - Dịng điện tiêu thụ: IS = 10mA - Điện áp ra: I = 50 mA - Điện áp cưa: URC max = (US- 2) V Điện trở mạch tạo điện áp cưa: R9= (20  500) k  Điện áp điều khiển: U11 = – 0.5  (US – 2) V Dòng điện đồng bộ: IS = 200 (  A) Tụ điện: C10 = 0.5 µF Tần số xung ra: f = (10  500) Hz Chọn giá trị thực tế: C10 = 104, C12 = 473, R9 = 33 kΩ Biến trở VR1= 10kΩ Hình 2.12 Khâu tạo xung TCA 785 - 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: điện áp đồng bộ, 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 áp V11 tín hiệu đưa vào khâu logic Tuỳ thuộc vào biên độ điện áp 44 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử điều khiển V11, góc mở α thay đổi từ đến 180o Với nửa chu kì song xung dương xuất Q1, Q2 Độ rộng khoảng 30-80μs Độ rộng xung kéo dài đến 180o thơng 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 Vdk đưa vào chân 11 so sánh với điện áp cưa tạo tụ C10 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 Sơ đồ khối cấu trúc bên MOC3020 thể hình 2.14 2.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điện Hình 2.13 Sơ đồ kết nối MOC 3020 Hình 2.14 Sơ đồ khối sơ đồ nguyên lý MOC 3020 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý 45 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử 2.4.2 Nguyên lý làm việc tồn 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 TYN1880 (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 kỳ ta có điện áp dương đặt vào AC_IN2, điện 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 tải, qua T2 âm nguồn + Ở bán kì cịn lại AC_IN1 dương 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 + Vậy dịng điện có chiều cố định từ DC_OUT2 DC_OUT1 điều chỉnh từ đến 110V DC 2.5 Lắp ráp mạch điện 2.5.1 Mạch in Hình 2.4 Mạch in 46 Trường ĐHSPKT Hưng Yên Khoa Điện – Điện tử 2.5.2 Sơ đồ bố trí linh kiện Hình 2.5 Bố trí linh kiện 2.5.3 Hình ảnh mạch điện thực tế Chương KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1 Nội dung khảo sát 3.1.1 Tín hiệu chân TCA785: chân 10, chân 11, chân 14, chân 15 3.1.2 Điện áp đầu ra: α = 0°, 30°, 90°, 150°, 180° KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 1) Điện tử công suất – Nguyễn Bính 2) Điện tử cơng suất – Lê Văn Doanh 3) Điện tử công suất – Nguyễn Đình Hùng 4) Điện tử cơng suất lý thuyết thiết kế ứng dụng – Lê Văn Doanh 47 ... mạch chỉnh lưu cầu pha điều khiển hoàn toàn Điện áp thuận, điện áp ngược cực đại van: UTth max  UTng max  2U 1.3.7 Mạch chỉnh lưu pha bán điều khiển 1) Mạch chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển. .. tồn Cịn sơ đồ chỉnh lưu dùng thyristor diode gọi sơ đồ bán điều khiển 1.2.3 Luận dẫn van công suất mạch chỉnh lưu 1) Trường hợp mạch chỉnh lưu hình tia a) Sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển Để đơn... Khoa Điện – Điện tử Chương TÍNH TỐN, CHẾ TẠO MẠCH CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA BÁN ĐIỀU KHIỂN 2.1 Thông số yêu cầu Thông số tải mạch chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển (đối xứng): điện áp trung bình đầu