đề tài đồ án : Thiết kế mạch chỉnh lưu tia 2 pha tải RLEd.

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công suất em đã được giao thực hiện đề tài: Thiết kế mạch chỉnh lưu tia 2 pha tải RLEd. Với sự hướng dẫn tận tình của thầy: Nguyễn Ngọc Khoát em đã tiến hành nghiên cứu,thiết kế đề tài và hoàn thành đúng thời hạn được giao. Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn chế nên không thể tránh khỏi sai sót kính mong thầy cô, và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài của em được hoàn thiện hơn.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đề tài:

Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Ngọc Khoát

Sinh viên thực hiện:

Lớp : D13 TDH&DKTBCN1

Hà Nội, tháng… năm 2021

Mục Lục

Trang

LỜI MỞ ĐẦU

.Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng 1 vai trò rấtquan trọng trong quá trình công nghiệp hoá đất nước Sự ứngdụng của điện tử công suất trong các hệ thống truyền động điện

là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc dễ dàng

tự động hoá cho các quá trình sản xuất Các hệ thống truyền độngđiều khiển bởi điện tử công suất đem lại hiệu suất cao Kích thước,diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều so với các hệ truyền độngthông thường như: Khuếch đại từ, máy phát - động cơ

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện

tử công suất em đã được giao thực hiện đề tài: Thiết kế mạch chỉnh lưu tia 2 pha tải RLEd

Với sự hướng dẫn tận tình của thầy: Nguyễn Ngọc Khoát em đãtiến hành nghiên cứu,thiết kế đề tài và hoàn thành đúng thời hạnđược giao

Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực

tế có hạn chế nên không thể tránh khỏi sai sót kính mong thầy cô,

và các bạn đóng góp ý kiến để đề tài của em được hoàn thiệnhơn

Em xin chân thành cảm ơn

CHƯƠNG I: KIẾN THỨC TỔNG QUÁT

1. Giới thiệu về tải RLEd.

Tải RLEd được cấu tạo từ ba thành phần chính là R, L, và Ed Với R là điện trở, L là điện cảm và sức điện động Ed Trong thực tế thì Ed thường đặc trưng cho phụ tải như động cơ điện 1 chiều, ắc quy hay s.đ.đ hóa Dễ dàng nhận thấy khi mạch van chưa hoạt động đã có nguồn ud = Ed

1.1. Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của điện trở

R

1.1.1 Đặc điểm của điện trở.

Trong điện tử và điện từ học, điện trở của một vật là đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của vật đó Đại lượng

nghịch đảo của điện trở là điện dẫn hay độ dẫn điện, và đặc trưng

cho khả năng cho dòng điện chạy qua Điện trở có một số tính chất tương tự như ma sát trong cơ học Đơn vị SI của điện trở

là ohm (Ω), còn của điện dẫn là siemens (S) (trước gọi là "ohm" và

ký hiệu bằng ℧)

Điện trở của một vật chủ yếu phụ thuộc vào chất liệu làm

dẫn điện như kim loại thì có điện trở thấp và điện dẫn cao Mối

Tuy nhiên, điện trở và điện dẫn không chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật liệu mà còn thay đổi theo hình dạng và kích thước của vật

Ví dụ, một dây dẫn dài và mảnh có điện trở lớn hơn dây dẫn ngắn

và dày Mọi vật đều cản trở dòng điện ở mức độ nhất định,

trừ chất siêu dẫn có điện trở bằng không

Hình 1.1 Kí hiệu của điện trở trên sơ đồ mạch điệnVới một số linh kiện, như máy biến

áp, diode hay pin, U và I không hoàn toàn tỉ lệ thuận với nhau Đôikhi tỉ số U/I vẫn có ích, và được gọi là điện trở dây cung hay điện trở tĩnh, bởi chúng tương ứng với nghịch đảo độ dốc của một dây cung giữa gốc tọa độ và đặc tuyến V–A Trong những trường hợp khác, đạo hàm dU dI thường được sử dụng; đại lượng này được gọi

là điện trở vi sai.

1.2. Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cuộn

cảm L

1.2.1 Đặc điểm cấu tạo của điện cảm L.

điện tử thụ động tạo từ một dây dẫn điện với vài vòng quấn, sinh

ra từ trường khi có dòng điện chạy qua Cuộn cảm có một độ tự

Hình 1.2: Kí hiệu của cuộn cảm

1.3. Tổng quan về tải chỉnh lưu RLEd

RLEd là dạng tải khá phổ biến của mạch chỉnh lưu Phía một chiều có tồn tại sức điện động Ed thường đặc trưng cho phụ tải như động cơ điện 1 chiều, ắc quy hay suất điện động hóa,

Dễ dàng nhận thất ngay cả khi mạch van chưa hoạt động thì vẫn có

ud=Ed

Hình 1.5 Sơ đồ mạch RLEd

Vì trong mạch tải có điện cảm 1 chiều Ld nên sẽ có hai chế độ dòng điện

• Chế độ dòng điện gián đoạn khi dòng tải có đoạn bằng

0 (nhưng ở đoạn này điện áp ud ≠ 0 và bằng Ed )

• Chế độ dòng liên tục, lúc đo điện áp ud luôn bám theo điện áp nguồn, do vật sẽ không có đoạn ud = Ed (Ed

không xuất hiện trong dạng điện áp ud ) Quy luật điện

áp sẽ tuân theo quan hệ đơn giản

U dα=U d0 cos α Còn dòng điện tải:

I d=U dα

R d

Đây cũng là chế độ mong muốn

1.4. Giới thiệu chung về mạch chỉnh lưu

Hình 1.6: Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu

- Trong sơ đồ này, máy biến áp làm hai nhiệm vụ chính là:

o Chuyển từ điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu của tải Tùy theo tải mà máy biến áp có thể tăng áp hoặcgiảm áp

o Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêucầu cảu mạch van Thông thường số pha của lưới lớnnhất là 3, song mạch van có thể cần số pha là 6 hoặc 12

- Mạch van ở đây là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách nào đó để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu.Mạch lọc nhằm đảm bảo điện áp ( hoặc dòng điện) một chiều cấpcho tải là bằng phẳng theo yêu cầu

1.4.2 Phân loại

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

• Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: một pha, hai pha, ba pha, 6 pha v v

• Phân loại theo van bán dẫn trong mạch van

Hiện nay chủ yếu là dùng 2 loại van là Diode và Thyristor, vì thế có ba loại mạch sau:

o Mạch van dùng toàn diode, được gọi là chỉnh lưu không điều khiển

o Mạch van dùng toàn thyristor, gọi là chỉnh lưu có điều khiển

o Mạch van chỉnh lưu dùng cả hai loại diode và thyristor, gọi

là chỉnh lưu bán điều khiển

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

o Sơ đồ hình tia: ở sơ đồ này số lượng van sẽ bằng số lượng pha nguồn cấp cho mạch van Tất cả các van đều đấu chung 1 đầu nào đó với nhau hoặc anot hoặc catot chung

o Sơ đồ cầu: ở sơ đò này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van Trong đó một nửa số van mắc chung nhay catot, nửa kia chung nhau anot

1.5. Các thông số cơ bản của Thyristor

1.5.1 Đặc điểm cấu tạo

• Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ 4 lớp p-n-p-n, tạo ra

đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth,max.Điện

và dòng qua thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định Phương pháp này trong thực tế không được áp dụng do

nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng tăng được điện áp đến giá trị Uth,max Hơn nữa như vậyxảy ra trường hợp thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước

xung dòng điện có giá trị nhất định vào các cực điều khiển

và cathode Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức

-cathode lớn hơn một giá trị nhất định gọi là dòng duy trì (Idt) thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà

không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển Điều nàynghĩa là có thể điều khiển mở các thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực

mà thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện

trở tương đương mạch anot – catot tăng cao) nếu dòng điện

thyristor vẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi điện áp

nhất định để các lớp tiếp giáp hồi phục hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình

1.5.2 Đặc tính vôn – ampe của Thyristor

• Đặc tính vôn – ampe của một thyristor gồm hai phần Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp UAK >0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược tương ứng với

trường hợp UAK < 0

Hình 1.8: Đặc tính vôn – ampe của thyristor

khi hở mạch cực điều khiển, thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp

bán dẫn của thyristor hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực

ngược, lớp tiếp giáp J2 phân cực thuận, như vậy thyristor sẽ

thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Khi Uak tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượng thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn Giống như ở đoạn đặc tính ngược của diode quá trình đánh thủng là không thể đảo ngược được, nghĩa là thyristor đã bị hỏng

lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là

giá trị rất lớn Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Cho đến khi Uak tăng đạt đến giá trị điện áp

thuận lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương

qua thyristor và giá trị sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở tải ở mạch ngoài Nếu khi đó dòng qua thyristor có giá trị lớn hơn một mực dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì, Idt, thì khi đó thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận của diode

và cathode thì quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện áp thuận đạt giá trị lớn nhất Nói chung nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với Uak nhỏ hơn

1.6. Phân tích sơ đồ tia 2 pha.

Đồ thị điẹn áp ud của mạch chỉnh lưu tia 2 pha có điều khiển được thể hiện như hình dưới đây với góc điều khiển α = 30 ° Đây là góc đặc biệt

Hình 1.9 Sơ đồ mạch chỉnh lưu tia 2 pha điều khiển

Hình 1.10 Đồ thị điện áp và dòng điện chỉnh lưu tia 2 pha tải

R góc α = 30 °Theo đồ thị ta nhận được:

U dα= 1 2π

∫

Với tải trở cảm dạng dòng điện id tương tự dạng điện áp

Ud, và ta thấy dòng điện sẽ có đoạn bằng 0 (id = 0) trong toàn dải điều chỉnh α

Với tải trở cảm sẽ có hai chế độ dòng điện:

- Chế độ dòng điện gián đoạn:

Hình 1.11 Chế độ dòng điện gián đoạnTrong trường hợp này ta nhận thấy dường như tải được cấp bởi hai mạch chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ, hoạt động kế tiếp nhau từng nửa chu kỳ một

- Chế độ dòng liên tục

Hình 1.12 Chế độ dòng điện liên tục

Ở chế độ này, khi van T1 dẫn dòng id chảy qua T1 kéo dài

và chưa kịp tắt thì van T2 đã được phát xung mở, dòng id

lại chuyển qua đường R2 và tăng lên Đến lượt mình, dòng này chưa kịp tắt thì van T1 đã được phát xung mở trở lại ở θ = (2π+α) Như vậy không có giai đoạn id = 0 Tacó:

Dạng dòng điện id là liên tục và mỗi van dẫn khoảng λ =

π Ở trạng thái xác lập có quy luật

Chương II Nghiên cứu tính toán thiết kế

→ Điện áp trung bình trên tải khi α = 0

U d0=0,9U2

↔U d0=0,9 ×258,3

2.1.1 Tính toán thông số máy biến áp

Công suất máy biến áp S ba=1,48 Pd=1,48× 3,23=4,78(kW )

2.1.2 Chọn van Thyristor

Với các thông số về dòng và áp, ta chọn Thyristor T6 - 10( theo bảng 2.2.1 trang 433 sách hướng dẫn điện tử công suất), có các thông số sau:

• Dòng trung bình tối đa cho phép qua van là: Itb = 10 (A)

• Điện áp ngưỡng: U0 = 1,00 (V)

• Dòng điện rò khi van ở trạng thái khóa: Irò = 3 (mA)

• Cấp điện áp tối đa mà van chịu được Umax = 1-16

• Thời gian phục hồi tính chất khóa của van: tph = 2-5

• Giá trị tốc độ tăng dòng di/dt = 1-4(A/µs)

• Sụt áp thuận cho van ∆U = 2,1 (V)

• Dòng điều khiển Iđk = 70 (mA)

• Điện áp điều khiển nhỏ nhất đảm bảo mở van Uđk = 3(V)

2.2. Tính chọn mạch RC bảo vệ quá áp cho van thyristor

Bảo vệ quá điện áp do trong quá trình đóng cắt các thyristor được bảo vệ bằng cách mắc R-C song song với thyristor Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện tạo ra suất điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, làm cho quá điện áp giữa anot và katot trên thyristor Khi có R-C mắc song song với thy tạo ra mạchvòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên thyristor không bị quá điện áp

Hình 2.1 mạch bảo vệ Thyristor

Ta chọn thông số R1 và C1 như sau: R1 = 5-30 (Ω)

C1 = 0,25 (μF)Bảng thông số giá trị linh kiệnLinh kiện Thông số Số lượng

Chương III Tính toán thiết kế mạch điều

khiển

3. Cấu trúc tổng quát mạch điều khiển

Thyristor chỉ được mở khi cho dòng điện có điện áp dương đặt lên cực anode và có xung điện áp dương đặt vào cực điều khiển, sau khi Thyristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng nữa, dòng điện chạy qua Thyristor do thông số của mạch động lực quyết định và Thyristor sẽ khóa khi dòng điện chạy qua

nó bằng 0, muốn mở lại thì cần cấp xung điều khiển lại

Do đó, với điện áp hình sin, tùy thuộc vào thời điểm cấp xung điều khiển mà ta có thể khống chế được dòng điện Thyristor

Để thực hiện được các đặc điểm này ta có thể dùng 2 nguyên tắc sau:

• Nguyên tắc điều khiển ngang

• Nguyên tắc điều khiển dọc

Hiện nay điều khiển Thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu, người ta thường dùng nguyên tắc điều khiển dọc, nên em sử dụng phương pháp này để thiết kế mạch điều khiển

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển dọc

Sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh họa như hình Ở đây, Utựa tạo

ra điện áp tựa có dạng cố định ( thường là dạng răng cưa), theo chu kì do nhịp đồng bộ của Udb Khâu so sánh (SS) xác định thời điểm cân bằng của hai điện áp Utựa và Uđk để phát động khâu tạo xung TX Như vậy trong nguyên tắc này thời điểm phát xung hay góc mở van thay đổi do sự thay đổi của trị số Uđk

Hình 3.2: Đồ thị minh họa nguyên tắc điều khiển dọc

3.1. Cấu trúc mạch điều khiển

Mạch điều khiển gồm sáu khâu Mỗi khâu đều có chức năngriêng biệt được ghép

lại với nhau nhằm thực hiện nhiệm vụ chung

Sơ đồ tổng quát cho một kênh điều khiển :

Hình 3.3: Cấu trúc mạch điều khiển

3.1.1 Khâu tạo điện áp đồng pha

• Để tạo nhịp không bị phụ thuộc vào điện áp lưới cần xác địnhchính xác điểm qua 0 của lưới điện, đấy là dạng xung chữ nhật nhờ sử dụng khuếch đại thuật toán làm khâu phát hiệnđiểm chuyển đổi dấu của điện áp nguồn

Hình 3.4 Mạch xung nhịp đồng bộ hai nửa chu kỳMạch chỉnh lưu kiểu hai nửa chu kỳ có điểm giữa (tia hai pha) dùng diode D1, D2 và tải cho chỉnh lưu này là điện trở R0 Điện áp chỉnh lưu Ucl này được đưa tới cửa (+) của khuếch đại thuật toán OA1 để so sánh với điện áp ngưỡng Ung lấy từ P1, điện áp đồng bộ

sẽ tuân theo quan hệ sau:

Tương tự nếu Ucl < Ung thì Udb âm và Udb =-Ubh

Các thông số từng linh kiện của mạch sẽ được tính ở khâu tạo điện áp tựa

3.1.2 Khâu tạo điện áp tựa

Ở khâu tạo điện áp răng cưa, ta sử dụng mạch tạo răng cưa hai nửa chu kỳ bằng OA

Hình 3.5 Tạo điện áp răng cưa hai nửa chu kỳ bằng OATính chọn linh kiện:

• Chọn OA loại TL082 chứa hai OA trong một vỏ IC

• Thời gian tụ C phóng chính là thời gian tương ứng phạm vi góc điều khiển α, 168 ° quy đổi sang thời gian là:

 Ungmax = 2 √2U dp=2.1,414 11=31V Chọn diode loại 1N4002 với tham số Itb = 1A; Ungmax = 100V Điện trở tải chọn R0 =1kΩ

 Mạch so sánh tạo xung đồng bộ chọn R1=15kΩ;

• Để có phạm vi điều khiển 168 ° , có nghĩ là góc điều khiển nhỏ nhất phải là α min=0.5 (180 °−168°)=6 °; điện áp ngưỡng sẽ bằng:

o Ung = √2U dp sin α min=1,626V Tuy nhiên sụt áp trên diode chỉnh lưu thì ngưỡng này sẽ giảm đi 0,7V Do đó Ung sẽ

Bảng 3: Chọn linh kiện khâu tạo điện áp tựa

STT Tên linh kiện Số

3.1.3 Khâu tách xung

Để thực hiện mạch tách xung có thể dùng phần tử khác như

IC logic, các OA, điều này tùy thuộc vào mạch thiết kế cụ thể sẽthuận lợi khi áp dụng phần tử nào là hợp với tổng thể mạch điều khiển

Tốt nhất cho mạch tách xung là dùng OA để phân biệt chính xác hai nửa chu kỳ điện áp lưới khi nó qua điểm không.

Hình 3.6 Mạch tách xung dùng OA

Bảng 3.2 Bảng chọn linh kiện khâu tách xung

STT Tên Linh Kiện Số Lượng Thông số

Thực hiện nhiệm vụ so sánh điện áp tựa với điện

áp điều khiển để phát động tạo xung có độ rộng thích hợp điều khiển tới van

Hình 3.7 Mạch so sánhChọn R8 = R 9 = 10kΩ

Công thức xác định điện áp điều khiển như sau:

3.1.5 Khâu tạo xung chùm

Dạng xung chùm là dạng thông dụng nhất khi mở van vì cho phép mở tốt van lực trong mọi trường hợp, với mọi dạng tải và nhiều sơ đồ chỉnh lưu khác nhau Xung chùm thực chất là chùm các xung tần số cao gấp nhiều lần lưới điện (6-12kHz) Độ rộng của một chùm xung có thể được hạn chế khoảng (100 – 130) độ điệnm về nguyên tắc nó phải kết thúc khi điện áp trên van lực mà

nó điều khiển đổi sang dấu âm