tiểu luận điện tử CÔNG SUẤT đề tài THIẾT kế MẠCH CHỈNH lưu một PHA có điều KHIỂN sử DỤNG THYRISTOR

HỌC VIỆN KĨ THUẬT MẬT MÃ KHOA KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MẠCH CHỈNH LƯU MỘT PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG THYRISTOR MÔN THUYẾT TRÌNH: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Giáo viên hướng d

HỌC VIỆN KĨ THUẬT MẬT MÃ KHOA

KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

TÊN ĐỀ TÀI THIẾT KẾ MẠCH CHỈNH LƯU MỘT PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG

THYRISTOR

MÔN THUYẾT TRÌNH: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Giáo viên hướng dẫn: Đặng Văn Hải Sinh viên thực hiện:

2 Phạm Đức Dũng

3 Chu Văn Chung

Hà Nội, 20 tháng 10 năm 2022

MỤC LỤC

CHƯƠNG III: CHỈNH LƯU MỘT PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG THYRISTOR 16

26

- Biết cách thiết kế và tính toán các phần tử trong mạch

Do thời gian có hạn và trình độ bản thân còn nhiều hạn chế nên đồ án không tránh khỏi những thiếu sót rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo trong khoa, cụ thể là bộ môn điện tử công suất.

Chúng em xin chân thành cảm ơn.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Ứng dụng cơ bản nhất của mạch chỉnh lưu là trích xuất thành phần điện một chiều hữu dụng từ nguồn xoay chiều Thực ra hầu hết các ứng dụng điện tử sử dụng nguồn điện một chiều, nhưng nguồn cung cấp lại là dòng điện xoay chiều Vì thế các mạch chỉnh lưu được sử dụng bên trong mạch cấp nguồn của hầu hết các thiết bị điện tử Các mạch chỉnh lưu cũng được ứng dụng trong mạch tách sóng các tín hiệu vô tuyến điều biến biên độ Tín hiệu có thể cần hoặc không cần khuếch đại trước khi tách sóng Nếu tín hiệu nhỏ quá, phải sử dụng các diode có điện áp rơi rất thấp Trong trường hợp này các tụ và điện trở tải phải lựa chọn cẩn thận cho phù hợp Trị số tụ điện thấp quá sẽ làm cho sóng cao tần lọt sang đầu ra Chọn cao quá, nó có thể nạp đầy và giữ nguyên điện áp đã được nạp.

Đối với đề tài của chúng tôi cần quan tâm tới hai nội dung chính đó là:

1 Nguyên lý làm việc của Thyristor.

2 Cách mạch chỉnh lưu có điều khiển hoạt động.

3 Tất cả công thức tính toán các phần tử trong mạch để thiết kế trên các ứng dụng mô phỏng.

Ngoài ra đề tài này của chúng tôi có thể cho học sinh hiểu nghiên cứu và thực hành, vận dụng những điều đã nói ở trên thì cần phải có một mô hình thực hành và nội dung đề tài của tôi là xây dựng mô hình thực hành đó.

Bản thuyết minh đề tài sau đây của chúng tôi là những trình bày về quá trình tham gia chế tạo mô hình đó Bản thuyết minh được chia thành nhiều chương:

Chương I: Giới thiệu chung về Thyristor.

Chương II: Đặc tính cơ và mạch chỉnh lưu có điều khiển

Chương III: Chỉnh lưu một pha có điều khiển sử dụng Thyristor Chương IV: Kết cấu của mô hình.

Chương V: Nội dung các bài thực hành.

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ

từ trên xuống dưới là J 1 , J 2 , J 3

Sơ đồ cấu trúc, kí hiệu, sơ đồ tương đương và cấu tạo của thyristor được trình bày H1

2 Nguyên lý làm việc của thyristor:

Có thể mô phỏng một Thyristor bằng hai transistor Q 1 , Q 2 như H.I.1d Transistor Q 1

ghép kiểu PNP, còn Q 2 kiểu NPN.

Gọi α 1 , α 2 là hệ số truyền điện tích của Q 1 và Q 2 Khi đặt điện áp U lên hai đầu A và K của thyristor, các mặt tiếp giáp J 1 và J 3 chuyển dịch thuận, còn mặt tiếp giáp J 2 chuyển dịch ngược (J 2 mặt tiếp giáp chung của Q 1 và Q 2 ) Do đó dòng chảy qua J 2 là I j2

Do J 2 chuyển dịch ngược nên hạn chế dòng chảy qua nó, dẫn đến α 1 , α 2 cùng đều có giá trị nhỏ, I ≈ I 0 cae hai Transistor ở trạn thái ngắt.

Từ biểu thức (1) ta thấy rằng dòng điện chảy qua Thyristor phụ thuộc vào hệ số truyền điện tích α 1 và α 2 Mối quan hệ giữa α và dòng emiter được trình bày ở H.I.2 Như vậy

khi α 1 + α 2 tăng dần đến 1 thì I tăng rất nhanh Theo sơ đồ tương đương của SCR H.I.1d

ta có thể giải thích như sau:

- Dòng I c1 chảy vào cực b của Q 2 làm cho Q 2

dẫn và I c2 tăng, tức I b1 cũng tăng (I c2 =I b1 ) Khiến Q 1 dẫn mạnh -> I c1 tăng và cứ tiếp diễn như thế Hiện tượng này gọi là hồi tiếp dương

về dòng điện chảy qua transistor.

- Dòng I e1 tăng làm cho α 1 tăng (H.I.2), còn tăng I e2 làm cho α 2 tăng Cuối cùng thực hiện được điều kiện ( α 1 + α 2 ) -> 1, cả hai transistor chuyển sang trạng thái mở, lúc này nội trở giưa A và K của SCR rất nhỏ

Vậy muốn làm cho Q 1 , Q 2 từ trạng thái ngắt chuyển sang trại thái bao hòa ( hay muốn mở Thyristor) chỉ cần làm tăng I b2 Để làm được việc này người ta thường cho một dòng điều khiển I dk chảy vào cực tổng của Thyristor, đúng theo I b2 trên H.I.1d.

II Đặc tuyến volt – ampere của Thyristor

Để giải thích được ý nghĩa vật lý của đường đặc tuyến Volt – Ampere thyristor , người

ta chia ra làm bốn đoạn đánh số la mã như H.I.3b

- Đoạn (I) ứng với trạng thái ngắt của Thyristor Trong đoạn này (α 1 +α 2 )<1, có dòng rò qua Thyristor I≈I 0 , việc tăng giá trị U ít có ảnh hưởng đến giá tị dòng I khi U tăng đến giá trị U ch (điện áp chuyển mạch) thì bắt đầu quá trình tăng trưởng nhanh chóng của dòng điện, Thyristor chuyển sang trạng thái mở.

- Đoạn (II) ứng với gia đoạn chuyển dịch thuận của mạch tiếp giáp J 2 (Q 1 , Q 2

chuyển sang trạng thái bão hòa) ở giai đoạn này, mỗi một lượng tăng nhỏ dòng điện ứng với một giảm lớn của điện áp Đoạn này đoạn này được gọi là điện trở âm.

- Đoạn (III) ứng với trạng thái mở của Thyristor Trong đoạn này cả 3 mặt tiếp giáp J 1 , J 2 , J 3 điều đã chuyển dịch thuận, một giá trị điện áp nhỏ mạch có thể thay đổi

nếu ta ấn nút S 1 Khi đó T 2 ngắt nhờ tụ C 1 Trang thái dao động này có thể lặp đi lặp lại mãi mãi.

chảy qua cuộn dây phần ứng bố trí trong mạch có hai tiếp điểm, dòng điện đó cảm ứng

ra từ trường trong cuộn dây nên làm cho các tiếp điểm mở ra Khi tiếp điểm mở dòng điện bị ngắt và từ trường cũng bị mất theo Kết quả là các tiếp điểm lại đóng dòng điện chảy qua cuộn dây, hiện tượng như trên cứ thế lặp đi lặp lại.

Một tải như ậy được xem như một công tắc đóng mở theo chu kì với tốc độ rất nhanh Khi tải trên được nối vào mạch H.I.13a tín hiệu báo động chỉ được phát ra nếu

S 1 đóng Do tải có điện cảm nên khi sử dụng với mạch Thyristor ta cần nối song song với một diode D 1 cản dịu.

III các thông số chủ yếu của Thyristor

1 điện áp thuận cực đại (U th max ):

Là giá trị điện áp lớn nhất có thể đặt lên Thyristor theo chiều thuận mà Thyristor vẫn ở trạng thái mở nếu vượt quá giá trị này có thể làm hỏng Thyristor.

2 Điện áp ngược cực đại (U ng max )

Là điện áp lớn nhất có thể đặt lên Thyristor theo chiều ngược mà Thyristor vẫn không hỏng Dưới tác động của điện áp này, dòng điện ngược có giá trị Ing = (10-20) mmA Khi điện áp ngược đặt lên Thyristor lưu ý phải giảm dòng điều khiển (H.I.15)

3 Điện áp định mức (U đm ):

Là giá trị điện áp cho phép đặt lên trên Thyristor theo chiều thuận và ngược Thông thường U đm = 2/3 U th max

4 Điện áp rơi trên Thyristor:

Là giá trị điện áp trên Thyristor khi Thyristor đang ở trạng thái mở.

5 Điện áp chuyển trạng thái (U ch ):

Ở giá trị điện áp này, không cần có I đk , Thyrisotr cũng chuyển sang trạng thái mở.

6 Dòng điện định mức (I đm ):

Là dòng điện có giá trị trung bình lớn nhất được phép chảy qua Thyristor.

7 Điện áp và dòng điện điều khiển (U đkmin , I đkmin ):

Là giá trị nhỏ nhất của điện áp điều khiển đặt vào G – K và dòng điện điều khiển đảm bảo mở được Thyristor.

8 Thời gian mở Thyristor (T on ):

Là khoảng thời gian tính từ sườn trước xung điều khiển đến thời điểm dòng điện tăng đến 0,9 I dm

9 Thời gian khóa Thyristor (T off )

Là thời gian tính từ thời điểm I=0 đến thời điểm lại xuất hiện điện áp thuận trên Anod mà Thyristor không chuyển sang trạng thái mở.

10 Tốc độ tăng dòng thuận cho phép(d u /d t )

Là giá trị lớ nhất của tốc đọ tăng áp tren Anod mà Thyristor không chuyển trạng thái khóa sang trạng thái mở.

11 Tốc độ tăng dòng thuận cho phép (d i /d t )

Là giá trị lơn nhất của tốc độ tăng dòng trong quá trình mở Thyristor.

a, Điện thế cao:

Nếu phân cực Thyristor bằng một điện thế lớn điện áp đánh thủng Udt thì Thyristor được mở Tuy nhiên phương pháp này sẽ làm cho Thyritor bị hỏng nên không được áp dụng.

b, Tốc độ tăng điẹn áp (du/dt)

Nếu tốc độ tăng điện áp thuận đặt lên Anod và Catot thì dòng điện tích của tụ điện tiếp giáp có khẳ năng mở Thyristor Tuy nhiên dòng điện điện tích lớn này có thể phá hỏng

Thyristor và các thiêys bị bảo vệ Thông thường tốc độ tăng điện áp du/dt thi do

Giảm dòng điện thuận hoặc cắt nguồi cung

cấp Đặt điện áp ngược lên Thyristor.

+ quá trình khóa Thyristor:

Khi đặt điện áp ngược lên Thyristor (H.I.7a)

Tiếp giáp J 1 , J 3 chuyển dịch ngược, còn J 2 chuyển dịch thuận do tác dụng của điện trường ngoài, các lỗ trống trong lớp P 2 chạy qua J 3 về catot và trong lớp

N 1 lỗ trống chạy qua J 1 về anod tạo nên dòng điên ngược chạy qua tải, giai đoạn này từ t 0 -t 1 (H.I.7b) Khi các lỗ trống bị tiêu tán hết thì J 1 và J 3 (chủ yếu

J 1 ) ngăn xuống, từ t 1 -t 2 gọi là thời gian khóa Thyristor.

Thời gian kháo này thường dài gấp 8-10 lần thời gian mở.

Do U,R kt không đổi nên I kt = Rkt không đổi

Do đó φ không đổi biểu thức(1) có dạng:

U Ru

Ke φ

=a=n ; Ke Km φ 2 =b ⟶ n=a-bm.

U

đặc tớnh có n 0 =a = ke.φ tốc độ của động cơ khi không tải M e = M

=o M e : mô men cản của máy công cụ, đặc tớnh cơ thay đổi.

U

a = ke.φ thay đổi b không đổi

- Đặc tớnh cơ thay đổi điện trở mạch phần ứng a không đổi.

Ru

b = kekm φ 2 thay đổi.

R u1 < R u2 <R u3

b Động cơ kớnh từ nối tiếp

Do I = I u = I ktn cũng tỷ lệ với

I u

Nếu φ tỷ lệ với I ktn cũng tỷ lệ với I u

Ta có : φ = φ u k.I u ta thay vào mômen thì ta có.

K m

Đặc tớnh: + không cho phép động cơ một chiều kích từ nối tiếp chạy không tải hoặc nối tải (M ↦ 0 ) vì khi đó tốc độ động cơ rất lớn Nhưng về mặt cơ không cho phép vì ổ bi hoặc trục bạc chỉ chịu được tốc độ nhất định, dễ gõy cháy ổ bi.

+ Không được dùng đai truyền đối với động cơ khi nối tiếp vì đai truyền làm tốc độ động cơ tăng lên.

II Mạch chỉnh lưu điều khiển.

1 Nguyên lý hoạt động :

Tín hiệu đồng pha được lấy từ BA đồng pha sau chỉnh lưu có dạng đập mạch

õm Đập mạch õm này qua R 1 được cộng tín hiệu với một phõn áp dương U 0 do ta đặt một phõn áp R 2 và R 3 tạo ra Vì vậy tín hiệu đập mạch được đẩy nên được một đoạn

U 0 (U B ) Tín hiệu cộng này được đưa vào T 1 Tại những điểm đập mạch bị đẩy lên (+)

nólàm T 1 mở, làm thế tại C=0 Khi hết đoạn đập mạch bị đẩy lên dương, đến phần âm làm T 1 khoỏ lên thế tại

C = + nguồn Vậy từ tín hiệu đập mạch õm qua T 1 ta nhận được một xung vuông tại C Xung vuông này được đưa vào T 2 (thuận) Tại những điểm xung vuông ở đất làm T 2

mở, tụ C 1 được nạp đoạn xung vuông dương T 2 khoá, lúc này C 1 xả theo đường : + C 1

→ T 2 → VR → R 7 → (- 12) qua nguồn về đất Vậy là tại D ta nhận được một xung răng cưa Xung răng cưa này được đưa vào so sánh với tín hiệu chủ đạo do khõu tổng hợp tín hiệu đưa ra Tại những thời điểm xung răng cưa lớn hơn U cđ đầu ra khõu so sánh

ta nhận được là 0 Tại những điển xung răng cưa nhỏ hơn U cđ đầu ra so sánh ta nhận được +12 Vậy là đầu ra khõu so sánh ta nhận được xung vuông có độ rộng thay đổi được nhờ thay đổi U cđ Xung vuông này được đưa qua tụ nối tiếp C 2 Đõy là tụ vi phõn vì vậy đầu ra ta nhận được một xung kim Xung kim này được đưa vào khõu khuếch đại và cách ly để đi điều khiển Thyristor.

2 Nguyên lý phản hồi âm tốc độ.

Ở đõy ta sử dụng một khõu cộng tín hiệu điều khiển để tổng hợp đặt và tín hiệu

động cơ như mong muốn Nếu vì một lý do nào đó mà làm cho tốc độ của động cơ bị giảm xuống khi đó làm cho U ph do phát tốc phát ra giảm khi đó làm cho U dk tăng thì làm cho góc mở của Thyristor giảm khi đó điện áp đặt lên động cơ tăng kéo theo tốc

độ động cơ tăng lên.

Nếu vì một lý do nào khác làm cho tốc đọ động cơ tăng lên thì làm cho U ph do phát tốc phát ra cũng tăng lên khi đó theo công thức trên thì làm cho U dk giảm xuống Khi U dk giảm xuống thì làm cho góc mở của Thyristor tăng lên khi đó điện áp đặt lên động cơ giảm xuống đồng thời kéo theo tốc độ của động cơ giảm xuống Quá trình cứ như vậy làm cho tốc độ của động cơ được tự động giữ ổn định như mong muốn Khi

tốc độ động cơ sơ cấp được ổn định thì tức là tần số điện áp máy phát được ổn định đõy là một yêu cầu của đề tài của tôi cần giải quyết.

CHƯƠNG III: CHỈNH LƯU MỘT PHA CÓ ĐIỀU

KHIỂN SỬ DỤNG THYRISTOR

I Chỉnh lưu một pha điều khiển

Chỉnh lưu một pha điều khiển ngày càng được phạm vi ứng dụng rộng lớn Như trên hình 3-1, chỉnh lưu một pha điều khiển có thể phân chia thành hai nhóm lớn:

(i) Các cấu trúc hoạt động với tần số chuyển mạch thấp, còn được biết với cái tên chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch tuần tự.

(ii) Những sơ đồ mạch làm việc với tần số cao, còn được gọi điều chỉnh hệ số công suất (power factor corrector - PFC).

Thời gian gần đây, xuất hiện nhiều quan tâm đến việc kiểm soát sóng hài bậc cao ở phía dòng điện xoay chiều cấp cho chỉnh lưu Đây chính là nguyên nhân chủ yếu cho sự phát triển các hệ thống điều chỉnh hệ số công suất (PFC) Những sơ đồ mạch này sử dụng transistor công suất, làm việc với tần số cao để cải thiện chất lượng dạng sóng dòng điện xoay chiều, từ đó nâng cáo hệ số công suất Chỉnh lưu hệ số công suấ cao được chia thành loại tái tạo và không tái tạo.

Hình 3-1: Phân loại chỉnh lưu một pha điều khiển

1 Chỉnh lưu điều khiển chuyển mạch tuần tự

a, Chỉnh lưu một pha nửa sóng

Sơ đồ chỉnh lưu một pha nửa sóng điều khiển sử dụng một thyristor

để điều chỉnh điện áp cấp cho tải được trình bày trên hình 3-2.

Hình 3-2: Chỉnh lưu một pha nửa sóng điều khiển

Thyristor sẽ dẫn khi điện áp v AK dương và có xung dòng điện i G đặt vào cực điều khiển Điều chỉnh giá trị điện áp đầu ra cấp cho tải được thực hiện bằng cách thay đổi góc điều khiển α của xung dòng i G Góc điều khiển α được tính từ thời điểm có điện áp v AK > 0 (chuyển mạch tự nhiên) Trong trường hợp trên hình 3-2, góc α được tính từ vị trí bắt đầu cấp điện đầu vào v s Cùng trên

hình chúng ta thấy dạng sóng của dòng điện i d hoàn toàn trùng khớp với dạng sóng điện áp v L Trong chế độ tải điện trở, thyristor chuyển sang điều kiện không dẫn, trạng thái ngắt, khi điện áp của tải và do đó dòng điện đạt giá trị

Khi Thyristor mở (dẫn điện) điện áp rơi trên điện cảm:

Nếu v s – v R > 0, từ công thức 3-2 có thể thấy dòng điện tải tăng, trường hợp ngược lại dòng điện tải giảm khi v s – v R < 0.

Dòng điện có thể được xác định theo:

Từ biểu thức 3-3, giải theo phương pháp đồ thị ta có thể thấy rằng dòng điện i d

= 0 khi diện tích phần A 1 và A 2 bằng nhau (v s = v R ) điều này cho thấy

thyristor vẫn dẫn điện mặc dù v s < 0 (do có điện áp trên L).

Khi tải gồm điện cảm và nguồn áp (điện cảm tích cực) được nối với bộ

chỉnh lưu, như trình bày trên hình 3-3b Thyristor sẽ mở khi có xung dòng i G

vào cực điều khiển khi v s > E d Tương tự như trương hợp R-L, Thyristor vẫn

giữ nguyên trạng thái dẫn cho đến khi A 1 = A 2 Khi Thyristor tắt (khóa) điện

áp trên tải v d = E d

b, Chỉnh lưu hai pha nửa sóng

Sơ đồ trên hình 2-13, sử dụng điểm giữa cuộn thứ cấp máy biến áp chia điện áp thứ cấp thành v 1 và v 2 Các điện áp này lệch pha 180 o , và nhận điểm giữa làm điểm trung tính Dòng điện qua các thyristor T 1 và T 2 vào lúc điện áp tương ứng v 1 và v 2 dương, khép mạch qua tải và trở về điểm trung tính.

Hình 3-4: Chỉnh lưu hai pha nửa sóng có điều khiển tải R

Như trên sơ đồ trong hình 3-4, Thyristor T 1 có thể được bật trong toàn bộ

thời gian khi v 1 > 0, xung điều khiển trễ một góc α quyết định thời điểm bật T 1

Trạng thái bật của mỗi Thyristor được thể hiện trên đồ thị hình 3-4 Các van

tiếp tục dẫn trong chu kỳ của mình cho đến khi điện áp ngược xuất hiện trên

van.

Giá trị điện áp trên tải được tính theo biểu thức

Dòng điện xoay chiều i s bằng i T1 (N 2 /N 1 ) khi T 1 dẫn và i T2 (N 2 /N 1 ) khi T 2

dẫn, trong đó N 2 /N 1 là tỉ số vòng dây cuộn thứ cấp và sơ cấp.

Ảnh hưởng của hệ số thời gian tải liên tục T L = L / R với tải bình thường đối với

độ gợn sóng id (t) / i R (t) / iR khi góc mở α = 0 được thể hiện trên hình 3-5 Độ gợn

sóng của dòng tải giảm khi hệ số thời gian tải liên tục tăng, và nếu L → ∞,

dòng điện được lọc phẳng hoàn toàn.