Thiết kế bộ chỉnh lưu có điều khiển 3 pha dùng cho máy hàn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP ==========o0o========== BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã 13350 Học kỳ 2 – Năm học 2020 – 2021 Đề tài Thiết kế bộ ch.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

==========o0o==========

BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Mã: 13350 Học kỳ: 2 – Năm học: 2020 – 2021

Đề tài: Thiết kế bộ chỉnh lưu có điều khiển ba pha dùng cho máy

hàn:

- Điện áp dây đầu vào: 440VAC, f = 50Hz.

- Điện áp ra một chiều: Udcmax = 75VDC.

- Dòng tải: Imax = 200A.

Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Chuyên ngành Điện tự động công nghiệp

Giảng viên hướng dẫn: ThS Vũ Ngọc Minh

HẢI PHÒNG - 5/2021

MỤC LỤC MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU

Danh mục hình vẽ

MỞ ĐẦU

Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng củacác linh kiện bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch và quá trình biếnđổi điện năng

Ngày nay, không riêng gì ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta các thiết

bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vựcsinh hoạt Các xí nghiệp, nhà máy như: xi măng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi,đóng tàu… đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệpđiện tử nói chung và điện tử công suất nói riêng Đó là những minh chứng cho sựphát triển của ngành công nghiệp này

Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có nhiều xínghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ

sư điện những kiến thức về điện tử công suất Cũng với lý do đó, trong học kỳ

này em được nhận bài tập lớn môn học điện tử công suất với đề tài: “Thiết kế bộ chỉnh lưu có điều khiển ba pha dùng cho máy hàn”.

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của thầy Vũ NgọcMinh trong quá trình làm bài tập lớn môn học với đề tài trên

Mặc dù đã dành nhiều cố gắng nhưng cũng không tránh khỏi những sai sótnhất định, em mong được sự góp ý, chỉ bảo của thầy

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY HÀN VÀ CHỈNH LƯU

1.1 Giới thiệu chung về máy hàn

1 Khái niệm hàn điện

Hàn điện là một công nghệ phổ biến nhất trong kỹ thuật hiện đại ở cácngành đóng tàu , ngành xây dựng ,ngành chế tạo máy móc….Hàn điện cũng được

áp dụng phổ biến ở những đơn vị sản xuất nhỏ

Máy hàn là một loại máy móc dùng để nối các chi tiết với nhau thành liênkết không tháo rời được, mang tính liên tục bằng cách đưa chỗ nối tới trạng tháinóng chảy, thông qua việc sử dụng một trong hai yếu tố là nhiệt và áp lực, hoặckết hợp cả hai yếu tố đó Khi hàn, có thể sử dụng hoặc không sử dụng vật liệuphụ bổ sung

2 Cấu tạo và phân loại máy hàn điện tử

1.1.1.1 Phân loại

a Theo chế độ hàn người ta chia làm 2 loại

• Kiểu thường: dòng điện được khống chế theo dạng hình thang: có điểmtăng dòng, duy trì và giảm dần về không

• Kiểu có xung: cũng như trên nhưng dòng khống chế được điều chế mộttần số nào đó Độ rộng và chu kỳ cũng có thể thay đổi cho phù hợp với vật

b Phân loại theo kiểu máy : có 3 loại

• Máy dùng chỉnh lưu diode

• Máy dùng chỉnh lưu bằng thyristor

• Nguồn điện vào: tùy vào dòng máy hàn công nghiệp hoặc máy hàn dândụng mà sẽ sử dụng điện áp 220V hoặc 380V.

• Mỏ hàn và kẹp mass: đây là bộ phận quan trọng ở tất cả các dòng máy hànđiện

• Bộ biến dòng inverter: tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng giúp tiết kiệm

và sử dụng điện hiệu quả

• Bình khí và van điều áp thường có ở máy hàn mig và máy hàn tig - là nơichứa khí bảo vệ và điều chỉnh khí ra

• Một số bộ phận khác như bộ phận làm mát, hệ thống các nút điều khiển,dây dẫn…

Hình 1 Thành phần cơ bản của máy hàn TIG

3 Nguyên lý làm việc chung của máy hàn

Máy hàn điện tử hoạt động bằng cách tạo ra dòng điện được thiết lập giữađiện cực vonfram và phôi nung nóng chảy các thành phần kim loại Khi các kimloại được nung nóng thì điện cực này sẽ được bảo vệ khỏi tác nhân không khíxung quanh bằng một dòng khí trơ qua mỏ hàn Khi mà dòng điện tăng, từ thông

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý máy biến áp có lõi từ di động

4 Các yêu cầu khi làm việc

- Nguồn hàn phải đảm bảo dòng hồ quang cả ở chế độ mồi và chế độ hồquang ổn định

- Đảm bảo an toàn khi làm việc ở chế độ làm việc cũng như chế độ ngắnmạch làm việc

- Nguồn hàn phải có công suất lớn

- Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh được dòng hàn

- Đường đặc tính ngoài của nguồn hàn phải đáp ứng được từng phươngpháp hàn cụ thể ở đây là hàn tự động thì đường đặc tính ngoài phải cứng

1.2 Giới thiệu chung về nghịch lưu

5 Định nghĩa

Chỉnh lưu là các bộ biến đổi tĩnh cho phép chuyển đổi năng lượng của mộtnguồn với các đại lượng xoay chiều thành một nguồn khác với các đại lượng mộtchiều

Hình 3 Sơ đồ định nghĩa chỉnh lưu

Chỉnh lưu có 2 loại chính:

+ Chỉnh lưu không điều khiển: chỉ chuyển đổi bản chất các đại lượng điện(xoay chiều một chiều)

+ Chỉnh lưu có điều khiển: cho phép chuyển đổi bản chất các đại lượngđiện và điều khiển được dòng công suất (giá trị điện áp một chiều ở đầu ra).

6 Cấu trúc mạch chỉnh lưu

Hình 4 Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu

Máy biến áp có 2 nhiệm vụ chính là:

Nhiệm vụ 1: Chuyển từ điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều U1sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu của tải Tùy theo tải mà máy biến áp có thể

là tăng áp hoặc giảm áp

Nhiệm vụ 2: Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu củamạch van Thông thường số pha của lưới lớn nhất là 3, song mạch van có thể cần

Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây:

Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: gồm có một pha, hai pha,

ba pha, 6 pha,

Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch van

+ Mạch chỉnh lưu dùng cả hai loại điối và tiristor, được gọi là chỉnh lưubán điều khiển.

Phân loại theo sơ đồ mắc các van với nhau Có hai kiểu mắc van:

+ Sơ đồ hình tia: Ở sơ đồ này số lượng van sẽ bằng số pha nguồn cấp chomạch van Tất cả các van đều đấu chung một đầu nào đó với nhau hoặc catotchung hoặc anot chung

+ Sơ đồ cầu: Ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấpcho mạch van Trong đó một nửa số van mắc chung catot, nửa kia lại mắc chungnhau anot

Như vậy, khi gọi tên một mạch chỉnh lưu người ta dùng ba dấu hiệu trên đểchỉ cụ thể mạch đó Ví dụ: Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển, có nghĩa làmạch chỉnh lưu này dùng kiểu mắc van theo sơ đồ cầu, nguồn cấp cho mạch van

là ba pha, và dùng 6 van có cả điôt và tiristor

8 Các tham số cơ bản của mạch chỉnh lưu

Các tham số này dùng để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật trong phân tích hoặcthiết kế mạch chỉnh lưu, gồm có ba nhóm tham số chính như dưới đây:

Itbv – giá trị trung bình của dòng điện chảy qua 1 van của mạch van

Ung max – điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc

Đây là hai tham số giúp việc lựa chọn van phù hợp để không hỏng khihoạt động mạch

1.2.1.3 Về phía nguồn

Thể hiện bằng công suất xoay chiều lấy từ lưới điện, thông thường sửdụng theo công suất biểu kiến của biến áp:

Sba = = Ksd.PdTrong đó:

S1 = U1.I1

S2 =

Ở đây các giá trị U1, I1, U2i, I2i là trị số hiệu dụng của điện áp và dòng điệnphía sơ cấp và thứ cấp máy biến áp Do phía thứ cấp có thể có nhiều cuộn dây,nêm phải tổng cộng công suất của tất cả m cuộn dây

Để đánh giá khả năng biến đổi công xuất xoay chiều thành một chiều,công suất được lấy từ lưới điện Sba được so sánh với công suất một chiều Pd màtải nhận được qua hệ số sơ đồ Ksd Hệ số này càng gần 1 càng chứng tỏ mạch cóhiệu suất biến đổi tốt hơn

Ngoài nhóm ba tham số trên còn có một tham số dùng để đánh giá sự bằngphẳng của điện áp một chiều nhận được, gọi là hệ số đập mạch Kđm, được xácđịnh theo biểu thức:

Kđm = Trong đó U1m là biên độ sóng hài bậc 1 theo khai triển Fourier của điện ápchỉnh lưu và U0 là thành phần cơ bản cũng theo khai triển này U0 cũng chính làgiá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu, tức là U0 = Ud.

9 Luật dẫn của van

Mạch van để thực hiện quá trình chỉnh lưu có khá nhiều, tuy nhiên chúngđều tuân theo hai kiểu mắc với nhau là mắc catot chung và mắc anot chung Vìthể chỉ cần nhận biết hai quy luật dẫn này, ta có thể phân tích toàn bộ các mạchvan chỉnh lưu có trong thực tế

Hình 5 a, Van đấu catot chung ; b, Van đấu anot chung

Hình a là mạch van khi tất cả các điốt có catot đấu với nhau Luật dẫn của

nó được phát biểu như sau:

Van có khả năng dẫn là van có điện thế anot của nó dương nhất trongnhóm, tuy nhiên nó chỉ dẫn được nếu điện thế anot này dương hơn điện thế ởđiểm catot chung Ví dụ ở thời điểm hiện tại ta có:

> > >

Và đồng thời > thì van sẽ dẫn Lúc đó, nếu coi sụt áp trên van dẫn bằng

0 thì khi Đ1 đã dẫn ta thấy = Điều này đẫn đến điện áp trên các van còn lại sẽâm:

- = < 0

- = < 0Như vậy các van còn lại sẽ phải khóa, không dẫn được

1.2.1.4 Nhóm đấu anot chung

Ở nhóm đấu anot chung (hình b) có luật dẫn sau: Van có khả năng dẫn làvan có điện thế catot âm nhất trong nhóm, nhưng nó chỉ dẫn được nếu điện thếnày âm hơn điện thế điểm anot chung

1.3 Các van dẫn sử dụng trong mạch chỉnh lưu

10 Đặc điểm của van dẫn không điều khiển (Điôt)

1.3.1.1 Cấu tạo của Điôt

Diode là phần tử được cấu tạo bởi một lớp tiếp giáp bán dẫn p-n Diode cóhai cực, anot A là cục nối tiếp với lớp bán dẫn kiểu p, catot K là cục nối với lớpbán dẫn kiểu n Dòng điện chỉ chạy qua diode theo chiều từ A đến K khi điện ápdương Khi âm, dòng qua diode gần như bằng không

Hình 6 Cấu tạo của Điôt

Tiếp giáp bán dẫn p-n là bộ phận cơ bản trong cấu tạo của một diode Ởnhiệt độ môi trường, các điện tử tự do trong lớp bán dẫn n khi khuếch tán sanglớp bán dẫn kiểu p sẽ bị trung hóa bởi các ion dương ở đây Do các điện tíchtrong vùng tiếp giáp tự trung hòa lẫn nhau nên vùng này nghèo điện tích này chỉ

mở rộng ra đến là vùng có điện trở lớn Tuy nhiên vùng nghèo điện tích này chỉ

mở rộng ra đến một độ dày nhất định vì ở bên vùng n khi các điện tử di chuyển

đi sẽ để lại các ion dương, còn bên vùng p khi các điện tử di chuyển đến sẽ nhậpvào lớp các điện từ hóa trị ngoài cùng, tạo nên các ion âm Các ion này nằmtrong cấu trục tinh thể của mạng tinh thể silic nên không thể di chuyển được Kếtquả tạo thành như một tụ điện với các điện tích m ở phía lớp p và các điện tíchdương ở phía lớp n Các điện tích của tụ điện này tạo nên một điện trường E cóhướng từ vùng n sang vùng p, ngăn cản sự khuếch tán tiếp tục các điện tử từvùng n sang p Điện trường E cũng tạo nên điện thế rào cản với giá trị không đổi

ở một nhiệt độ nhất định, khoảng 0,65V đối với tiếp giáp p-n trên tinh thể silic ởnhiệt độ 25C

Hình 7 Sự tạo thành điện thế rào trong tiếp giáp p-n

Các diode công suất được chế tạo để chịu được một giá trị điện áp ngượcnhất định Điều này đạt được nhờ một lớp bán dẫn tiếp giáp với lớp p, có cấu tạogiống như lớp n, nhưng ít có các điện tử tự do hơn Khi tiếp giáp được đặt dướitác dụng của điện áp bên ngoài, nếu điện trường ngoài cùng chiều với điệntrường E thì vùng nghèo điện tích sẽ mở rộng sang vùng điện trở tương đươngcủa diode càng lớn và dòng điện sẽ không thể chạy qua Toàn bộ điện áp ngoài sẽrơi trên vùng nghèo điện tích Ta nói diode bị phân cực ngược

Hình 8 Phân cực ngược

Khi điện áp bên ngoài tạo ra điện trường có hướng ngược với điện trườngtrong E, vùng nghèo điện tích sẽ bị thu hẹ lại Nếu điện áp bên ngoài đủ lớn hơn

cỡ 0,65V, vùng nghèo điện tích sẽ thu hẹp đến bằng không và các điện tích có thể

di chuyển tự do qua cấu trúc tinh thể của diode Dòng điện chạy qua diode lúc đó

sẽ bị hạn chế do điện trở tải ở mạch ngoài và một phần điện trở trong diode bao

gồm điện trở của tinh thể bán dẫn giữ anot và catot, điện trở do phần kim loại nàydẫn ra ngoài và điện trở do tiếp xúc giữa phần kim loại và bán dẫn Ta nói diodeđược phân cực thuận.

Hình 9 Phân cực thuận

1.3.1.2 Điôt chỉnh lưu

Diode chỉnh lưu: Các diode này được sử dụng để chỉnh lưu nguồn xoaychiều đầu vào thành nguồn cung cấp Một diode chỉnh lưu hay diode nguồn làmột diode tiêu chuẩn có thông số dòng điện tối đa cao hơn nhiều

Hình 10 Điôt chỉnh lưu

1.3.1.3 Đặc tính Vôn – ampe của Điôt

Hình 11 Đặc tính Vôn – ampe của Điôt

Đặc tuyến được chia làm 3 vùng như sau:

- Vùng I gọi là vùng phân cực thuận, khi điện trường vượt qua giá trị điệntrường tiếp xúc () thì dòng thuận tăng nhanh theo điện trường thuận (

- Vùng phân cực ngược được chia làm 2 vùng: vùng II là vùng dòng điệnngược ( có giá trị rất nhỏ và tằn dần theo giá trị điện trường ngược

- Vùng III gọi là vùng đánh thủng: khi giá trị trường ngược đạt tới một gáitrị nào đó ( gọi là , cường độ điện trường quá lớn sẽ xảy ra hiện tượng

phóng điện giữa 2 điện cực đánh thủng tiếp giáp P-N lúc đó dòng điệnngược đột ngột tăng mạnh làm hỏng tiếp giáp.

1.3.1.4 Một số tham số kĩ thuật của Điôt

- Điện áp ngược cực đại – hay còn gọi là điện áp đánh thủng:

- Dòng điện thuận cực đại cho phép : là giá trị dòng điện thuận lớn nhất chophép chảy qua diode

- Công suất tiêu hao cực đại cho phép : là giá trị công suất lớn nhất trêndiode mà chưa làm hỏng diode do nhiệt

- Tần số giới hạn : là tần số lớn nhất của điện áp trên hai đầu diode hoặcdòng chảy qua diode mà diode vẫn đảm bảo tính chất van một chiều

- Điện dung tiếp giáp : là giá trị điện dung không mong muốn do diode cócấu tạo như một tụ điện Điện dung này sẽ làm hạn chế tần số tới hạn củadiode

11 Đặc điểm của van dẫn có điều khiển (Tiristor)

1 Cấu tạo của Tiristor (SCR)

Tiristor (SCR): Tiristor (tên ghép từ Thyratron và Transistor) được cấu tạo

từ 4 lớp bán dẫn p-np-n ( hình 10), có các điện cực ra A-nốt (A), Ka-tốt (K) vàđiện cực điều khiển (G) Tiristor có thể xem như tương đương hai BJT gồm mộtBJT loại NPN và một BJT loại PNP ghép lại

Hình 12 Cấu tạo và kí hiệu của Tiristo (SCR)

Hình 13 Cấu tạo p-n của Tiristo

Khi nối Anode với cực “+” và Kathode với cực “-” của nguồn một chiều, J1

và J3 được phân cực thuận và J2 phân cực ngược Kết quả là gần như toàn bộđiện thế nguồn đặt lên lớp tiếp xúc J2 Nếu tác động vào cực G một điện thếdương so với K (tín hiệu xung kích) thì Tiristor nhận năng lượng đủ lớn của điệntrường tổng cộng Các điện trường này sẽ ion hóa các nguyên tử bán dẫn, tạo racác điện từ mới (thứ cấp) Các điện từ thứ cấp nhận năng lượng và gây ion hóatiếp theo Kết quả là một thác lũ điện tử được tạo ra trong lớp tiếp xúc J2 và chảyvào N1, sau đó qua P1 để tới cực A tạo thành dòng qua Tiristor Tiristor làm việctrong chế độ này là chế độ mở, có điện trở thuận nhỏ và dòng dẫn I lớn

Để đưa Tiristor về trạng thái cấm (khóa), cần tiến hành theo 2 cách sau:

- Giảm dòng I xuống giá trị duy trì dẫn

- Đảo chiều thế phân áp U hoặc tạo thế phân cực ngược cho Tiristor

Một số đặc điểm chú ý khi sử dụng Tiristor:

Mỗi loại Tiristor chế tạo có các đặc trưng khác nhau, cần lựa chọn loại thíchhợp với yêu cầu loại sử dụng:

- Dòng điện định mức: (tùy loại) A 1000A

- Dòng điện dò: mA

- Điện áp ngược cực đại Uinmax : (tùy loại) vài trăm Volt -> vài KV

- Dòng điện điều khiển IG

- Tốc độ tăng dòng điện :

- Thời gian khóa: vài chục _Thời gian mở: vài s

- Quá trình chuyển từ mở sang không mở xảy ra tức thời Nếu Tiristor chưacấm hẳn mà đã xác lập thế U để UAK dương, sẽ làm đoản mạch nguồn vàhỏng Tiristor

1.3.1.5 Nguyên lý hoạt động

Hình 14 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của Tiristo

 Trường hợp cực G để hở hay VG = 0V

Khi cực G và VG = 0V có nghĩa là transistor T1 không có phân cực ở cực

B nên T1 ngưng dẫn Khi T1 ngưng dẫn IB1 = 0, IC1 = 0 và T2 cũng ngưng dẫn.Như vậy trường hợp này Tiristor không dẫn điện được, dòng điện qua Tiristor

là IA = 0 và VAK ≈ VCC

Tuy nhiên, khi tăng điện áp nguồn VCC lên mức đủ lớn là điện áp VAK tăngtheo đến điện thế ngập VBO (Beak over) thì điện áp VAK giảm xuống nhưdiode và dòng điện IA tăng nhanh Lúc này Tiristor chuyển sang trạng thái dẫnđiện, dòng điện ứng với lúc điện áp VAK giảm nhanh gọi là dòng điện duy trì

IH (Holding) Sau đó đặc tính của Tiristor giống như một diode nắn điện.Trường hợp đóng khóa K: VG = VDC – IGRG, lúc này Tiristor dễ chuyểnsang trạng thái dẫn điện Lúc này transistor T1 được phân cực ở cực B1 nêndòng điện IG chính là IB1 làm T1 dẫn điện, cho ra IC1 chính là dòng điện IB2nên lúc đó I2 dẫn điện, cho ra dòng điện IC2 lại cung cấp ngược lại cho T1 và

IC2 = IB1

Nhờ đó mà Tiristor sẽ tự duy trì trạng thái dẫn mà không cần có dòng IGliên tục