Đồ án môn học Điện tử công suất Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU HÌNH TIA BA PHA pot

a Định nghĩa: Lợi dụng tính chất dẫn điện 1 chiều của diode và thyristor để biến dòng điện vàn điện áp xoay chiều thành 1 chiều b Sơ đồ khối c Nguyên lý làm việc từng khối: Khối 1: Khối

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU HÌNH TIA BA PHA

I – Nguyên lý cấu tạo và làm việc Thyristor

1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Thyristor là một thiết bị gồm 4 lớp bán dẫn P1, N1, P2 ,N2 tạo thành, xen kẽ giữa các lớp này là các tiếp giáp J1, J2, J3 Cấu trúc và ký hiệu của thyristor:

Nguyên lý làm việc :

Đặt lên thyristor, UAK > 0, anốt nối vào cực dương, catốt nối vào cực âm của nguồn điện

áp, J1 và J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược

+ 1 là hệ số truyền điện tích của transitor T1

+ 2 là hệ số truyền điện tích của transitor T2

Do J2 phân cực ngược ngăn sự chuyển dịch của các điện tử cơ bản

Gọi dòng đi qua J2 là: IJ2 = 1Ip + 2Ie +I0

I0 là dòng rò

Đặt I = IJ = Ip = Ie (do thyristor là một tổng thể)

Do J2 phân cực ngược: 1 + 2 << 1 I = I0

Muốn thyristor dẫn: Phải làm cho 1 + 2 1

Giả sử bằng một cách nào đó tăng Ie lên một lượng Ie1

Nên thyristor dẫn.

Vậy để thyristor dẫn: Cho vào cực G một dòng Iđiền khiển ( Uđiều khiển)

Sao cho Iđiền khiển cùng chiều Ib2 Có nghĩa là Uđiều khiển = UGK 0

UAK 0

UGK 0

2 Đặc tính V- A của Thyristor

Iđiều khiển = 0 đặc tính tự nhiên

Đoạn I: UAK 0; J1 , J 3 phân cực thuận

J2 phân cực ngược

1 + 2 << 1 I = I0 Thyristor khóa

Tại A: Khi UAK = Uchuyển Do sự chuyển động mạnh của các “ + ” cũng như “ - ” gây hiện tượng phát xạ thứ cấp Ei > Eng J2 thuận

Đoạn II: Tương ứng rồi sự chuyển dịch J2 từ phân cực ngược phân cực thuận

J1, J2, J3 phân cực thuận

I tăng, U giảm Điện trở âm

Đoạn III: J1, J2, J3 phân cực thuận Thyristor dẫn

Dòng điện bị hạn chế bởi mạch ngoài

II- Thiết bị chỉnh lưu

1 Định nghĩa sơ đồ khối của thiết bị chỉnh lưu:

a) Định nghĩa: Lợi dụng tính chất dẫn điện 1 chiều của diode và thyristor để biến

dòng điện vàn điện áp xoay chiều thành 1 chiều

b) Sơ đồ khối

c) Nguyên lý làm việc từng khối:

Khối 1: Khối đóng cắt và bảo vệ

Thực hiện theo tín hiệu 0,1 (điều khiển logic), có 2 cách thực hiện

Cách1: Cách cứng dùng sơ đồ nối dây, rờ le, khi thay đổi công nghệ phải tháo ra lắp lại, trong sửa chữa cũng vậy, vì vậy mà tốn thời gian, tài chính

Cách2: Chương trình mềm, phần cứng cố định, chỉ thay đổi chương trình khi công nghệ thay đổi, tiết kiệm về thời gian cũng như kinh phí

Khối 2: Máy biến áp động lực

Biến đổi điện áp cho phù hợp với tải để cách ly và an toàn

Tạo trung tính cho chỉnh lưu hình tia, tạo pha cho chỉnh lưu nhiều pha

Hạn chế biên độ dòng ngắn mạch và hạn chế tốc độ tăng dòng điện, để bảo vệ vanTrong hệ thống điện lực máy biến áp động lực làm hạn chế dòng ngắn mạch, và góp phần giảm đường cong với dòng điện và điện áp lưới

Ngoài ra, do chỉnh lưu nên sinh ra sóng hài bậc cao, ta dùng bộ lọc cao tần để giảm

Khối 3: Bộ van (diode và thyristor)

Biến dòng xoay chiều thành một chiều, số lượng van phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu nguồn cung cấp, số van phụ thuộc vào pha và kì của chỉnh lưu, số pha càng lớn thì sốvan càng lớn

Khi cần điện áp cao và dòng điện lớn ta tiến hành ghép van (nối tiếp khi điện áp lớn, nối song song khi dòng lớn) chú ý dùng các điện trở để phân bố dòng và áp cho đều các van

Khối 4: Bộ lọc điện

Bộ lọc điện, hoạt động theo kiểu tích cực và thụ động

Theo kiểu thụ động đối với phần tử không nguồn R L C trong điện tử công suất dùng lọc sóng hài bậc cao

Theo kiểu tích cực đó là các phần tử có nguồn như vi xử lý vi điều khiển

Khối 5: Khối tải 1 chiều

Khối 6: Cảm biến đo lường

Đo giá trị thực của đại lượng cần điều khiển và làm tín hiệu phản hệ thống, sao cho đạt chỉ tiêu chất lượng động vàn tĩnh yêu cầu

Giá trị cần điều khiển: Điện áp trên tải, dòng điện, tốc đọ của động cơ, momen trên trục động cơ

Cảm biến đo lường làm việc theo nhiều nguyên tắc khác nhau: có chức năng biến mộtđại lượng vật lý đầu vào như nhiệt độ áp suất, dòng điện, tốc độ, độ sáng tối tạo ra 1 đại lượng điện xoay chiều

Đại lượng 1 chiều chuẩn hoá: khi điều khiển xa phải dùng dòng điện do điện áp đi xa sụt áp vì vậy ta phải biế dòng thành dòng đi xa

Chỉ tiêu chất lượng của 1 hệ điều khiển tự động: Có 2 loại là chỉ tiêu chất lượng động

và tĩnh

Khối 7: Các yếu tố điều khiển

Bộ điều khiển: - analog

- digital

Chức năng của bộ điều khiển: tổng hợp các tín hiệu điều khiển và khuếch đại sai lệchTạo hàm điều khiển để hệ thống đạt chỉ tiêu chất lượng yêu cầu

2.Yêu cầu kĩ thuật của bộ chỉnh lưu

Đảm bảo công suất tải Pd

Tính công suất tải S = (S1+S2)/2

S1 = m1*U1*I1

S2 = m2*U2*i2

M1, m2 ,U1 ,U2 , I1 ,I2 là số pha của sơ cấp thứ cấp, giá trị hiệu dụng của điện áp, dòng

sơ cấp thứ cấp và giá trị pha

Dùng các thông số trên để tính giá trị để chọn van, tính toán chọn nguồn kháng lọc

3 Phân loại

Tùy thuộc vào các quan điểm khác nhau mà có các cách phân loại khác nhau

a) Theo van: Chỉnh lưu diode, gọi là chỉnh lưu không điều khiển

Chỉnh lưu thyristor, gọi là chỉnh lưu điều khiển

b) Pha và nguồn xoay chiều cho chỉnh

Chỉnh lưu 1 pha, 3 pha

c) Pha của chỉnh lưu(m):

Số đoạn hình sin trong 1 chu kì điện áp nguồn của điện áp hay nguồn chỉnh lưu

III- Bộ chỉnh lưu hình tia ba pha không điều khiển

1 Sơ đồ :

Nguồn xoay chiều 3 pha: uA = UA sin

uB = Um sin ( – )

uC = Um sin ( + )

Linh kiện bán dẫn: 3 diode công suất D1, D2, D3

Tải một chiều dạng tổng quát RLE

2 Ký hiệu:

- Dòng tức thời qua linh kiện diode công suất iD1, iD2, iD3

- Điện áp trên linh kiện diode công suất uD1, uD2, uD3

- Điện áp và dòng điện tải ud, id

- Trị trung bình điện áp, dòng điện tải Ud, Id

- Trị hiệu dụng áp pha nguồn U

- Trị hiệu dụng dòng điện nguồn I1

- Biên độ điện áp pha nguồn Um

3 Giả thiết:

- Nguồn áp lý tưởng: nguồn xoay chiều ba pha cân bằng, đối xứng điện trở trong của nguồn bằng không

- Các linh kiện bán dẫn lý tưởng: Điện áp trên linh kiện khi dẫn bằng 0

- Tải L đủ lớn để dòng tải phẳng và liên tục

- Mạch ở trạng thái xác lập

4 Phân tích: Tại mỗi thời điểm chỉ có một linh kiện diode dẫn điện

a) Xác định khoảng đóng ngắt khoá diode

Để phân tích trình tự đóng ngắt các khoá diode ta dùng phép chứng minh phản chứng

Theo giản đồ ta thấy uD1 = 0 uD2 = uB – uA < 0: phù hợp với giả thiết

Theo giản đồ ta thấy uD1 = 0 uD3 = uC – uA < 0: phù hợp với giả thiết

Giản đồ điện áp, dòng điện chỉnh lưu và linh kiện

- Kết luận: linh kiện diode nào có điện áp tức thời lớn nhất sẽ dẫn

[ ] – diode D1 dẫn

[ + + + ] – diode D2 dẫn

[ + + + ] – diode D3 dẫn

trong đó: p- số xung chỉnh lưu

- Trị trung bình điện áp chỉnh lưu (điện áp tải)

Linh kiện bán dẫn: 3 thyristor T1, T2, T3

Tải một chiều dạng tổng quát RLE

- Dòng tức thời qua linh kiện thyristor iT1, iT2, iT3

- Điện áp trên linh kiện thyristor uT1, uT2, uT3

- Điện áp và dòng điện tải ud, id

- Trị trung bình điện áp, dòng điện tải Ud, Id

- Trị hiệu dụng áp pha nguồn U

- Trị hiệu dụng dòng điện nguồn I1

- Biên độ điện áp pha nguồn Um

1 Giả thiết

- Nguồn áp lý tưởng: nguồn xoay chiều ba pha cân bằng, đối xứng điện trở trong của nguồn bằng không

- Các linh kiện bán dẫn lý tưởng: Điện áp trên linh kiện khi dẫn bằng 0

- Tải L đủ lớn để dòng tải phẳng và liên tục

- Mạch ở trạng thái xác lập

3 Phân tích

- Góc điều khiển ( ): là góc trễ so với góc mà nếu ở vị trí đó các diode sẽ dẫn, độlớn của nó được tính từ thời điểm xuất hiện áp dương trên Thyristor đến khixuất hiện xung kích ở cổng điều khiển.

Giản đồ điện áp, dòng điện chỉnh lưu và linh kiện

trong đó: p- số xung chỉnh lưu

 Trị trung bình điện áp chỉnh lưu (điện áp tải)

5 / 6

0 / 6

 Như vậy bộ chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu

và chuyển năng lượng về nguồn Nó có thể làm việc ở hai góc phần tư I và IV

 Trị trung bình dòng điện chỉnh lưu:

5.Chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu:

 Khi thay đổi Ud có thể âm nhưng Id > 0 Công suất trung bình: P = Ud.Id

 Nếu Ud > 0 P > 0 bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ chỉnh lưu, công suất chuyển

từ phía xoay chiều về phía một chiều

 Nếu Ud < 0 P < 0 bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu, công suất chuyển

từ phía một chiều về phía xoay chiều

 Chế độ chỉnh lưu xảy ra khi: Ud.E > 0

 Chế độ nghịch lưu xảy ra khi: Ud.E < 0

6.Góc an toàn

Góc an toàn: là góc điện nhỏ nhất phải có khi SCR chịu tác dụng của áp nghịch để

khôi

phục khả năng khoá của nó một cách an toàn ( γ )

   tq

Trong đó: t q là thời gian ngắn nhất

- Khi tăng thời gian để khôi phục khả năng khóa giảm

- Khi tăng đến một giá trị đủ lớn để thyristor không còn đủ thời gian khôi phục khả năng khóa của mình, thyristor đóng không theo ý muốn, dòng điện tăng lớn, hỏng thiết bị, cần được ngắt bởi thiết bị bảo vệ

7 Hiện tượng trùng dẫn

Trong các phần trước đây, bộ chỉnh lưu được phân tích với giả thiết bỏ qua cảm kháng trong của nguồn áp Hệ quả là quá trình chuyển mạch giữa các nhánh chứa thyristor diễn ra tức thời Trong thực tế, nguồn có cảm kháng trong làm dòng điện qua nó không thể thay đổi đột ngột Vì thế, hiện tượng chuyển mạch giữa các nhánh chứa các thyristorkhông diễn ra tức thời mà kéo dài một khoảng thời gian, hình thành trạng thái các nhánh chứa thyrisror cùng dẫn điện Hiện tượng này được gọi là hiện tượng trùng dẫn (overlapping) hoặc hiện tượng chuyển mạch (commutation)

a) Hiện tượng trùng dẫn trong chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha:

Hình vẽ hiện tượng trùng dẫn của chỉnh lưu cầu 1 pha:

Giả thiết cho T1 và T2 đang mở cho dòng chảy qua , iT13=id

Khi θ=θ2 cho xung điều khiển mở T1 và T2 Vì có sự có mặt của LC nên dòng IT13 không thể giảm đột ngột từ id xuống 0 , mà dòng iT24 cũng không đột ngột tăng từ 0 đến id.Lúc này cả 4 thyristo đều mở cho dòng chảy qua, phụ tải bị ngắn mạch, ud =0, nguồn i2

cũng bị ngắn mạch sinh ra dòng ngắn mạch ic

Ta có phương trình:

2U2sinɵ = Xc(dic/dɵ)Chuyển gốc toạ độ từ 0 sang θ2 ta có

2U2sin(ɵ+α) = Xc(dic/dɵ)

ic = U2[cosα-cos(α+θ)]

đặt: ic=i c1+ic2 với ic1=ic2=ic : 2

ic1 làm tăng dòng trong T4 và làm giảm dòng trong T3

ic2 làm tăng dòng trong T2 và làm giảm dòng trong T1

b) Hiện tượng trùng dẫn trong sơ đồ chỉnh lưu một pha hai nửa chu kì.

Hình vẽ biểu diễn hiện tượng trùng dẫn trong chỉnh lưu một pha hai nửa chu kì:

Trong các chương trên chúng ta chỉ xét đến các bộ biến đổi trong trường hợp lý tưởng,

mà không xét đến ảnh hưởng của điện cảm Lc của nguồn xoay chiều (điện trở của nguồn xoay chiều có thể bỏ qua vì rất nhỏ) Hiện tượng trùng dẫn chỉ xuất lớn hơn hai Hiện tượng trùng dẫn làm ảnh hưởng tới đặc tính của bộ biến đổi

Xét hiện tượng trùng dẫn xảy ra trong sơ đồ chỉnh lưu một pha hai nữa chu kì

-Điện cảm mạch tải L=∞, c với giả thiết này dòng id xem như đượn nắn thẳng id=Id

trong thời gian đơn dẫn

-Điện cảm Lc ≠ 0, gọi là điện cảm chuyển mạch, nó cản trở sự đột biến của dòng điện

*Giả sử Ti mở, i1=I

- Khi = 2 = Π+α ta cho xung điều khiển mở T2, tiristor T2 mở vì lúc này e22 > 0 Kếtquả là T1 và T2 cùng mở khi dòng chảy qua Hai nguồn điện e21 và e22 được nối lại theo mạch e21-Lc – T1 - Lc – e22

Với e21= 2U2sin ; e22= - 2sin

- Dòng i2 tăng ên, còn dòng i1 giảm nhỏ đi vì i1+i2=Id=const Giả sử khi = 3, i1=0.T1

bị khóa, bây giờ i2=Id

+Như vậy dòng tải Id chuyển tùe mạch của T1 sang mạch của T2 Quá trình đó gọi là

quá trình chuyển mạch Góc = 3- 2 gọi là góc trùng dẫn

Chương 3 TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆ VÀ CUỘN KHÁNG SAN BẰNG

I- Mạch bảo vệ:

1 Giới thiệu :

Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng ngày càng rộng rãi, có nhiều ưu điểmnhư: gọn nhẹ, làm việc với độ tin cậy cao, tác động nhanh, hiệu suất cao, dễ dàng tựđộng hoá…

Tuy nhiên những phần tử bán dẫn công suất rất khó tính toán và cũng hay bị hưhỏng do nhiều nguyên nhân khác nhau

Do đó cần phải bảo vệ các tiristor, cần phải tôn trọng các tỉ số giới hạn sử dụng donhà chế tạo đã định với từng phần tử

- Điện áp ngược lớn nhất

- Giá trị trung bình lớn nhất đối với dòng điện

- Nhiệt độ lớn nhất đối với thiết bị

- Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của dòng điện dt di

- Thời gian khoá toff

Đối với bán dẫn Ge: TjM = 800 - 1000

Đối với bán dẫn Si: TjM = 1800 – 2000

Nếu phần tử bán dẫn không được làm mát thì khả năng chịu dòng điện chỉ còn30% - 50% Để cho các thyristor làm việc được tốt ta dùng quạt lám mát đối với cácthyristor nhỏ Đối với các thyristor có công suất lớn thì dùng nước hoặc dầu biến thế đểlàm mát

Khi cho xung điều khiển vào van thì ban đầu chỉ có những điểm lân cận tiếp giápvới J2 dẫn điện môi mới lan dần ra xuất hiện ở những vùng có điện trường lớn Về dòngđiện, nếu dt di lớn thì tốc độ lan truyền của dòng điện trong mặt ghép J2 có thể tạo nhữngvùng nóng chảy, mặt ghép J2 bị hỏng Có thể giảm nhỏ được dt di bằng cách đặt mộtđiện kháng bão hoà trong mạch anot của tiristor Đặc điểm của cuộn kháng, khi mach từchưa bão hoà thì có một điện kháng lớn, khi mạch từ bão hoà thì có điện kháng nhỏ

2 Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn:

a) Tổn thất công suất trên một thyristor:

P = U.I1V

b) Diện tích bề mặt tỏa nhiệt:

tn

tn

P S

3 Bảo vệ quá dòng điện cho van:

Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắnmạch tiristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắnmạch ở chế độ nghịch lưu

Dòng quá tải:

Iqt = 1,5I1d

b) Chọn cầu dao có dòng định mức:

Iqt = 1,1I1d

Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ truyền động

c) Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các tiristor ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu:

Vậy chọn cầu chảy nhóm:

1CC loại 60 (A), 2CC loại 40 (A), 3CC loại 70 (A)

4 Bảo vệ quá điện áp cho van:

- Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt tiristor được thực hiện bằng cách mắc R-Csong song với tiristor

Chọn R1 = 5,1 (), C1 = 0,25 (F)

Mạch RC bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch

- Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, ta mắc mạch R-C như hình vẽ:

Mạch RC bảo vệ quá điện áp từ lưới

Chọn R2 = 12,5 (), C1 = 4 (F)