thiết kế và chế tạo bộ biến đổi điện áp ac-dc có dải điện áp từ 0v đến 200v

Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng: Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện áptrên mạch phần ứng thì dòng điện, moment sẽ không

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

.

Ngày Tháng Năm 2013

Giáo Viên Hướng Dẫn

Nhận xét của giáo viên phản biện

Ngày Tháng Năm 2013

Giáo viên phản biện

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Số liệu cho trước:

- Các tài liệu, giáo trình chuyên môn.

- Trang thiết bị, máy móc trong phòng thực hành, thí nghiệm.

Nội dung cần tiến hành:

1 Giới thiệu cấu tạo, nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều.

2.Giới thiệu về mạch chỉnh lưu và các linh kiện ĐTCS thông dụng.

3.Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều công suất 200W 4.Lập kế hoạch và thực hiện các báo cáo theo đúng tiến độ.

5.Quyển thuyết minh và các bản vẽ Folie mô tả đầy đủ nội dung của đề tài.

Giáo viên hướng dẫn

Lê Minh Tâm

Lời nói đầu

Trong giai đoạn công nghiệp hóa,hiện đại hóa nền kinh tế đất nước,ngàycàng có nhiều thiết bị bán dẫn công suất hiện đại được sử dụng rộng rãi trong tất cảcác lĩnh vực sản xuất,phục vụ đời sống con người Một trong những ứng dụng củaĐiện tử công suất là điều khiển tốc độ động cơ điện đây là lĩnh vực quan trọng vàngày một phát triển Hiện nay các nhà sản xuất không ngừng cho ra đời các sản phẩm

và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất và các thiết bị điều khiển đi kèm.Xuất phát từ những nhu cầu thực tiễn, bộ môn Điện tử công suất- Truyền động điện đãđược giảng dạy rộng rãi ở các trường đại học, cao đẳng trong cả nước nhằm đáp ứngnhu cầu về điều khiển, đo lường và điều chỉnh các dây truyền công nghiệp

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công suất chúng

em đã được giao thực hiện đề tài: “Thiết kế và chế tạo bộ biến đổi điện áp AC – DC có

dải điện áp từ 0V÷ 220V”.

Với đề tài được giao, chúng em đã vận dụng kiến thức của mình để tìm hiểu vànghiên cứu các cơ sở lý luận về lý thuyết, đặc biệt chúng em tìm hiểu sâu vào tínhtoán thiết kế phục vụ cho việc hoàn thiện sản phẩm đáp ứng với yêu cầu đề ra Dưới

sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của cô Lê Minh Tâm cùng với sự cố gắng nỗ lực của

các thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành xong đồ án của mình Tuy nhiên

do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót khi thực hiện đồ

án này Vì vậy chúng em rất mong sẽ nhận được nhiều ý kiến đánh giá, góp ý của thầy

cô giáo, cùng bạn bè để đề tài được hoàn thiện hơn

Chúng em xin trân thành cảm ơn.!

CHƯƠNG I

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

1.1 Giới thiệu chung về động cơ điện 1 chiều:

Như ta đã biết máy phát điện một chiều có thể dùng làm máy phát điện hoặcđộng cơ điện Động cơ điện một chiều là thiết bị quay biến đổi điện năng thành cơnăng Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Động cơ điện mộtchiều được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải Động cơ điệnmột chiều gồm những loại sau đây:

- Động cơ điện một chiều kích từ song song

- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

1.1.1 Cấu tạo động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều gồm có 2 phần : Phần tĩnh (stator) và phần động (rôtor)

1.1 Hình ảnh cụ thể bên trong của động cơ điện một chiều

Dây quấn phần ứng là phần sinh ra s.đ.đ và có dòng điện chạy qua Thường làm bằngdây đồng có bọc cách điện.Trong máy điện nhỏ thường dùng dây có tiết diện tròn,trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật Dây quấn đượccách điện với rãnh của lõi thép.

c Cổ góp:

Cổ góp hay còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều dùng để đổi chiều dòng điện xoaychiều thành một chiều cỏ góp gồm có nhiều phiến đồng hình đuôi nhạn cách điện vớinhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một hình trụ tròn Đuôi vànhgóp có cao hơn lên một ít để để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào cácphiến góp được dễ dàng

d Các bộ phận khác:

- Trục máy: Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi Trục máy thườnglàm bằng thép Cacbon tốt

1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều:

A

B

Hình 1:Sơ đồ nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều

Khi cho điện áp 1 chiều U đặt vào 2 chổi than A và B trong dây quấn phần ứng

có dòng điện Iư các thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực điện

từ Fđt tác dụng làm cho rotor quay, chiều lực từ được xác định theo quy tắc bàn taytrái Khi phần ứng quay được nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ nhau do cóphiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ

có chiều quay không đổi Khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứngsức điện động Eư chiều của s.đ.đ xác định theo quy tắc bàn tay phải

Ở động cơ điện một chiều sức điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư còngọi là sức phản điện động

Phương trình cân bằng điện áp: U= Eư+Rư.Iư

mà chỉ phụ thuộc vào điện áp và điện trở mạch kích từ

Hình2 : Sơ đồ nối dây động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

1.4 Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện kích từ độc lập

Đặc tính cơ là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen (M) của động cơ

Ứng với chế độ định mức (điện áp, tần số, từ thông ) động cơ vận hành ở chế độ địnhmức với đặc tính cơ tự nhiên (Mđm , wđm)

Đặc tính cơ nhân tạo của động cơ là đặc tính khi ta thay đổi các thông số nguồn haynối thêm điện trở phụ, điện kháng vào động cơ

Để đánh giá, so sánh các đặc tính cơ người ta đưa ra khái niệm độ cứng đặc tính cơ 

được tính như sau

 lớn (đặc tính cơ cứng) tốc độ thay đổi ít khi M thay đổi

 nhỏ (đặc tính cơ mềm) tốc độ giảm nhiều khi M tăng

đặc tính cơ tuyệt đối cứng

1.4.1.Sơ đồ nguyên lý:

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý động cơ điện 1 chiều

Khi nguồn điện 1 chiều có công suất lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thườngmắc song song với mạch phần ứng

Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạchkích từ mắc vào 2 nguồn một chiều độc lập

+

R K

U



.  (4)Phương trình (4) biểu diễn mối quan hệ n= f(Iư) gọi là phương trình đặc tính cơ điện.Mặt khác: M= M= K.Ф.Iư (5): là mômen điện từ của động cơ

K K

R K

U

e

u e

    là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiềukích từ độc lập

K

R K

2

) (    = 0   

trong đó: 0 : tốc độ không tải lý tưởng

2

) (  

dm

R R

giảm Nếu Rf càng lớn thì tôcf độ động cơ càng giảm đồng thời dòng ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng và điều chỉnh tốc độ động

cơ ở phía dưới tốc độ cơ bản

 Trường hợp thay đổi U< U đm

 Ảnh hưởng của từ thông:

Muốn thay đổi  ta thay đổi dòng kích từ Ikt khi đó tốc độ không tải

Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từtrục động cơ đến cơ cấu máy sản suất

Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện Phương pháp này làm giảm tính phức tạpcủa cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh Vì vậy, ta khảo sát sự điều chỉnh tốc

độ theo phương pháp thứ hai

Ngoài ra cần phân biệt điều chỉnh tốc độ với sự tự động thay đổi tốc độ khi phụ tảithay đổi của động cơ điện

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn

so với các loại động cơ khác Không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng

mà cấu trúc mạch động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lại đạt chấtlượng điều chỉnh cao trong dãy điều chỉnh tốc độ rộng

1.5.1.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá hệ thống điều chỉnh tốc độ:

Khi điều chỉnh tốc độ của hệ thống truyền động điện ta cần chú ý và căn cứ vào cácchỉ tiêu sau đây để đánh giá chất lượng của hệ thống truyền động điện:

a Hướng điều chỉnh tốc độ:

Hướng điều chỉnh tốc độ là ta có thể điều chỉnh để có được tốc độ lớn hơn hay béhơn so với tốc độ cơ bản là tốc độ làm việc của động cơ điện trên đường đặc tính cơ tựnhiên.

b.Phạm vi điều chỉnh tốc độ (dãy điều chỉnh):

Phạm vi điều chỉnh tốc độ D là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất nmax và tốc độ bé nhất nmin

mà người ta có thể điều chỉnh được tại giá trị phụ tải là định mức: D = nmax/nmin

Trong đó:

- nmax: Được giới hạn bởi độ bền cơ học

- nmin: Được giới hạn bởi phạm vi cho phép của động cơ, thông thường người ta chọn

d Độ bằng phẳng hay độ liên tục trong điều chỉnh tốc độ:

Trong phạm vi điều chỉnh tốc độ, có nhiều cấp tốc độ Độ liên tục khi điều chỉnhtốc độ  được đánh giá bằng tỉ số giữa hai cấp tốc độ kề nhau:

Trong đó: ni : Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ i

ni + 1: Tốc độ điều chỉnh ở cấp thứ ( i + 1 )

Với ni và ni + 1 đều lấy tại một giá trị moment nào đó

 tiến càng gần 1 càng tốt, phương pháp điều chỉnh tốc độ càng liên tục Lúc này haicấp tốc độ bằng nhau, không có nhảy cấp hay còn gọi là điều chỉnh tốc độ vô cấp

  1 : Hệ thống điều chỉnh có cấp

e Tổn thất năng lượng khi điều chỉnh tốc độ:

Hệ thống truyền động điện có chất lượng cao là một hệ thống có hiệu suất làm việccủa động cơ  là cao nhất khi tổn hao năng lượng Pphụ ở mức thấp nhất

f Tính kinh tế của hệ thống khi điều chỉnh tốc độ:

Hệ thống điều chỉnh tốc độ truyền động điện có tính kinh tế cao nhất là một hệthống điều chỉnh phải thỏa mãn tối đa các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống Đồng thời hệthống phải có giá thành thấp nhất, chi phí bảo quản vận hành thấp nhất, sử dụng thiết

bị phổ thông nhất và các thiết bị máy móc có thể lắp ráp lẫn cho nhau

1.5.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng:

Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện áptrên mạch phần ứng thì dòng điện, moment sẽ không thay đổi Để tránh những biếnđộng lớn về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên phương pháp điều chỉnh tốc

độ bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được áp dụng cho động cơmột chiều kích từ độc lập

Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều ápnhư: máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ… Các bộ biếnđổi trên dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều và điềuchỉnh giá trị sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Ta có tốc độ không tải lý tưởng: n0 = Uđm/KEđm. Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Khi thay đổi điện áp đặt lên phần ứng của động cơ thì tốc độ không tải lý tưởng sẽthay đổi nhưng độ cứng của đường đặc tính cơ thì không thay đổi

Như vậy: Khi ta thay đổi điện áp thì độ cứng của đường đặc tính cơ không thayđổi Họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với đường đặc tính cơ tự nhiên:

M K

K

R R K

U n

M E

f u E

M E

R R

K K dn

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng thực chất làgiảm áp và cho ra những tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản ncb Đồng thời điều chỉnh nhảycấp hay liên tục tùy thuộc vào bộ nguồn có điện áp thay đổi một cách liên tục vàngược lại.

Theo lý thuyết thì phạm vi điều chỉnh D =  Nhưng trong thực tế động cơ điệnmột chiều kích từ độc lập nếu không có biện pháp đặc biệt chỉ làm việc ở phạm vi chophép: Umincp =

phần ứng động cơ sẽ giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ nên được dùng nhiềutrong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb

 Ưu điểm: Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể điều chỉnh

tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải lý tưởng

bản và chi phí vận hành cao

1.5.3 Điều chỉnh tốc độ bằng các thay đổi từ thông:

Hình 5: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh momentđiện từ của động cơ M = KMIư và sức điện động quay của động cơ

Eư = KEn Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyêngiá trị định mức

Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả các máy điện công suất trung bình, người

ta thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay đổi từ thông do tổn hao

E ư

U kt

công suất nhỏ Đối với các máy điện công suất lớn thì dùng các bộ biến đổi đặc biệtnhư: máy phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, bộ biến đổi van…

Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông Nếu tăng từ thông thì dòng điệnkích từ Ikt sẽ tăng dần đến khi hư cuộn dây kích từ Do đó, để điều chỉnh tốc độ chỉ cóthể giảm dòng kích từ tức là giảm nhỏ từ thông so với định mức Ta thấy lúc này tốc

độ tăng lên khi từ thông giảm: n = .

E

K U

Mặt khác ta có: Moment ngắn mạch Mn = KM In nên khi giảm sẽ làm cho Mn

giảm theo

Độ cứng của đường đặc tính cơ:

Khi  giảm thì độ cứng  cũng giảm, đặc tính cơ sẽ dốc hơn Nên ta có họ đườngđặc tính cơ khi thay đổi từ thông như sau:

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều chỉnh đượctốc độ vô cấp và cho ra những tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản

Theo lý thuyết thì từ thông có thể giảm gần bằng 0, nghĩa là tốc độ tăng đến vôcùng Nhưng trên thực tế động cơ chỉ làm việc với tốc độ lớn nhất:

độ tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ góp động cơ không thể đổi chiều dòngđiện và chịu được hồ quang điện Do đó, động cơ không được làm việc quá tốc độ chophép

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông có thể điều

chỉnh tốc độ vô cấp và cho những tốc độ lớn hơn n Phương pháp này được dùng để

điều chỉnh tốc độ cho các máy mài vạn năng hoặc là máy bào giường Do quá trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn thất năng lượng ít, mang

tính kinh tế

1.5.4 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng:

Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phầnứng có thể được dùng cho tất cả động cơ điện một chiều Trong phương pháp này điệntrở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động cơ theo sơ đồ nguyên lý nhưsau:

Hình 7: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ

trên mạch phần ứng.

Ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Khi thay đổi giá trị điện trở phụ Rf ta nhận thấy tốc độ không tải lý tưởng: và độcứng của đường đặc tính cơ:

sẽ thay đổi khi giá trị Rf thay đổi Khi Rf càng lớn,  càng nhỏ nghĩa là đường đặc tính

cơ càng dốc Ứng với giá trị Rf = 0 ta có độ cứng của đường đặc tính cơ tự nhiên đượctính theo công thức sau:

M K

K

R R K

U n

M E

f u E

U n

dm E

dm M E

R R

K K

Ta nhận thấy TN có giá trị lớn nhất nên đường đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng lớnhơn tất cả các đường đặc tính cơ có đóng điện trở phụ trên mạch phần ứng Vậy khithay đổi giá trị Rf ta được họ đặc tính cơ như sau:

Hình 8:Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng.

Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứngđược giải thích như sau: Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ n1 ta đóngthêm Rf vào mạch phần ứng Khi đó dòng điện phần ứng Iư đột ngột giảm xuống, còntốc độ động cơ do quán tính nên chưa kịp biến đổi Dòng Iư giảm làm cho momentđộng cơ giảm theo và tốc độ giảm xuống, sau đó làm việc xác lập tại tốc độ n2 với n2 >

n1

Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ n < ncb Trên thực

tế không thể dùng biến trở để điều chỉnh nên phương pháp này sẽ cho những tốc độnhảy cấp tức độ bằng phẳng  xa 1 tức n1 cách xa n2, n2 cách xa n3…

Khi giá trị nmin càng tiến gần đến 0 thì phạm vi điều chỉnh:

D = ( 213)Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm Đồng thời dòng điện ngắnmạch In và moment ngắn mạch Mn cũng giảm Do đó, phương pháp này được dùng để

TN

R f1 R

M, I

0 < R f1 < R f2 < R f3

n cb > n 1 > n 2 > n 3

hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản Và tuyệt đối không đượcdùng cho các động cơ của máy cắt kim loại

Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên

mạch phần ứng chỉ cho những tốc độ nhảy cấp và nhỏ hơn ncb

Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho cần

trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép

Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào càng

lớn, đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi phụ tải thayđổi càng kém Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao phụcàng tăng

1.6 Đảo chiều quay ĐCĐ một chiều

1.6.1 Khái quát chung:

Chiều quay của động cơ điện một chiều phụ thuộc vào chiều của mô men, để thayđổi chiều của mô men ta có thể dùng hai phương pháp sau

-Đổi chiều quay bằng cách đổi chiều dòng điện trong phần ứng

-Đổi chiều quay bằng cách đổi chiều từ thông, cụ thể là chiều dòng điện kích từ.Đổi chiều quay của động cơ điện lúc đang quay về nguyên tắc cũng có thể thực hiệnđược bằng cả hai phương pháp trên, tuy nhiên trên thực tế chỉ được dùng phươngpháp đổi chiều dòng điện phần ứng Iư , còn phương pháp đổi chiều quay động cơbằng cách đổi chiều dòng kích từ không được sử dụng vì cuộn kích từ có nhiềuvòng dây do đó hệ số tự cảm Lt rất lớn và việc thay đổi chiều dòng điện kích từ dẫnđến sự xuất hiện sức điện động tự cảm rất cao, gây quá điện áp đánh thủng cáchđiện của dây quấn kích thích Ngoài ra, dùng phương pháp đảo chiều từ thông thìkhi từ thông qua trị số không có thể làm tốc dộ tăng quá, không tốt

Ta có đặc tính cơ của động cơ khi đảo chiều quay :



0

- 0

Hình9: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi đảo chiều quay

a Phương pháp điều khiển riêng:

-Nguyên lý : Trong phương pháp này, khi xung điều khiển được cấp cho bộ chỉnhlưu này thì bộ kia không được cấp xung điều khiển

-Ưu điểm : Làm việc an toàn, không có dòng điện cân bằng chạy qua các van

-Nhược điểm : Có thời gian trễ khi điều khiển bộ này sang bộ kia do đó dòng điện động cơ bằng không, mạch điều khiển phức tạp hơn

b Phương pháp điều khiển chung:

Nguyên lý : Xung điều khiển được cấp đồng thời cho cả hai bộ chỉnh lưu nhưngphải đảm bảo một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu, còn bộ kia làm việc ở chế độnghịch lưu và điện áp chỉnh lưu trung bình của của hai bộ chỉnh lưu là

như

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

CHƯƠNG II

TÌM HIỂU VỀ CÁC MẠCH CHỈNH LƯU

I.Khái quát chung

1.Khái niệm về chỉnh lưu:

Mạch chỉnh lưu một pha có công dụng chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC(có nghĩa

là chuyển đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều).

2.Ứng Dụng và đặc điểm:

Trong công nghiệp thì mạch chỉnh lưu có điều khiển dùng để làm thay đổi công suất của tải theo những yêu cầu khác nhau.Mạch chỉnh lưu có điều khiển thường được áp dụng cách thay đổi góc kích của SCR và ứng để điều chỉnh tự động cho các mạch như :Nạp ắcqui,hàn điện,mạ điện,điện phân,điều khiển động cơ DC,Truyền thông điện…

Tuy nhiên trong công nghiệp đôi khi còn sử dụng các mạch chỉnh lưu không có điều khiển (Diode),nhưng trường hợp này có thể xem là trường hợp của SCR với góc kích được điều khiển bằng không (α=0º).

Nói đến chỉnh lưu là nói đến giá trị điện DC,tức là quan tâm tới giá trị trung bình các đại lượng điện của chúng.Tuy nhiên ta cũng cần quan tâm đến đại lượng hiệu dụng để so sánh và ứng dụng trong điều khiển tải AC.

3.Phân loại các sơ đồ chỉnh lưu.

Tùy theo số pha của ngườn điện xoay chiều phía đầu vào của chỉnh lưu là một pha,ba pha mà chỉnh lưu có thể là một pha,ba pha hoặc n-pha.

Nếu dòng điện xoay chiều chạy giữa dây pha và dây trung tính thì chỉnh lưu đó gọi là sơ đồ hình tia.Nếu dòng điện xoay chiều chạy giữa các dây pha với nhau thì chỉnh lưu đó gọi là sơ

đồ cầu.

Nếu sơ đồ chỉnh lưu chỉ sử dụng toàn diode thì sơ đồ chỉnh lưu gọi là không điều khiển.nếu

sơ đồ sử dụng toàn Thyristor thì sơ đồ gọi là điều khiển hoàn toàn.Nếu sơ đồ kết hợp cả Thyristor và diode thì sơ đồ sẽ là bán điều khiển.

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

3.1 GIỚI THIỆU CÁC MẠCH CHỈNH LƯU

3.1.1 MẠCH CHỈNH LƯU HÌNH TIA MỘT PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN

1) Chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển

a)Sơ đồ nguyên lý :

Hình 3.1: sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ

 Giới thiệu sơ đồ

cho mạch chỉnh lưu có nhiệm

vụ biến đổi điện áp xoay chiều U 1 thành điện áp U 2 có trị số yêu cầu

- T : Van chỉnh lưu của điều khiển

- Rd, Ld, Ed : Phụ tải một chiều

- D0 : Diode không

- u1, i1, u2, i2 : Điện áp và dòng điện cuộn sơ cấp và thứ cấp của MBA

- ud, id : Điện áp và dòng điện chỉnh lưu

- uT, iT : Điện áp và dòng điện của Thyristor

- uD0, iD0 : Điện áp và dòng điện của Diode D0.

b)Nguyên lý làm việc

21

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

Hình 3.2: Dạng sóng dòng điện và điện áp chỉnh lưu hình tia nửa chu kỳ có điều khiển

Giả thuyết Ld=∞ mạch đã làm việc xác lập tại thời điểm xét: ωt= 0t= 0

Sơ đồ làm việc với góc điều khiển α Đồ thị điện áp như hình vẽ

+/ Tại ωt= 0t= θ1 = α => Thyristor có tín hiệu điều khiển => U2 đang dương và T đặtđiện áp thuận => đủ hai điều kiện để mở => T mở uT Khi đó ta có Ud = u2>0 uD0 = -

u2=-ud<0 => D0 khóa => iT=id(Ld=∞) Vậy ud=u2, iT=id=Id, uT=0, uD0 = -u2

+/ Đến ωt= 0t= π thì u2=0 và chuyển sang (-), dòng tải có xu hướng giảm => trong Ld

xuất hiện sức điện động tự cảm có xu hướng duy trì dòng qua tải Mặt khác u2=0 và bắtđầu chuyển sang (-) Mặt khác điện áp trên D0=0 và bắt đầu chuyển sang (+) => D0 mở

=> uD0=0, uT=u2<0 => bị đặt điện áp ngược => khóa lại Do đó: ud=0, iT=0, uT=u2, iD0=

id=Id, uD0=0 Do dẫn dòng cho đến thời điểm: ωt= 0t=θ2 = 2π+α => truyền xung điều khiển

22

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

tiếp theo đến T, T mở và sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc như ωt= 0t=θ1 trở đi Vậy ωt= 0t=0 ÷

θ1, suy ra dựa vào tính chất lặp lại của sơ đồ chỉnh lưu, nghĩa là giống đoạn ωt= 0t=2π ÷ θ2.+/ Điện áp chỉnh lưu trung bình:

1 ) ( 2

t td U

t d

1 ) ( ) ( 2

1 2 0

Qua Diode không D0: I D tb i D t d t I d

( 2

I

+/ Điện áp ngược cực đại đặt lên van: U ngmax  2U2

2)Chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ có điều khiển

a)Sơ đồ nguyên lý:

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kì có điều khiển

 Giới thiệu sơ đồ

+ MBA: máy biến áp cung cấp tạo ra điện áp phù hợp cho tải đồng thời điện

cảm của máy biến áp có vai trò ngăn cản sự tăng trưởng dòng quá lớn

23

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

+ T1, T2: Các thyristor, chia thành 2 nhóm: K chung, A chung có vai tròchỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều

+ D0 là điode không, có tác dụng chống điện áp ngược trên tải và tạo điềukiện thuận lợi cho các van T1, T2 chuyển mạch

+ Rd, Ld, E d: Tương ứng với điện trở, điện cảm, và sức điện động của tải

+ u1, u2: điện áp cuộn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp

_ Sơ đồ làm việc xác lập trước thời điểm xét

_ Các van làm việc với góc điều khiển 

_ Giả thiết trong vùng lân cận phía trước: t   1 => Trong sơ đồ, có D0 đang dẫndòng

24

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

+ Tại t   1, van T1 có tín hiệu điều khiển, điện áp trên van này đang thuận (uT1

=u2 ) => van T1 mở => sụt áp trên T1=0; uT1=0; u d u2; u T2  u2 => T2 khóa =>chỉ có T1 dẫn dòng i T1 i d I d, i T2  0; u d u2

+ Đến t  thì u2  0 bắt đầu chuyển sang âm diode D0 dẫn dòng điệnkhép kín dòng điện tải do sức điện động của cuộn cảm u d  0 ,u T1 u2  0 ,i D0 I d

+ Đến t   2 tới 2π thì u2 <0 => T1, D0 bị dặt điện áp ngược và T2 bị đặt điện áp thuận và có tín hiệu điều khiển nên T2 dẫn dòng bởi suất điện động tự cảm sinh

ra trong L d, vì vậy các biểu thức dòng và áp là:

2 1 2

2

2 0 ;i I ;u 0 ,u u u

u d    T  d T  T  + Đến t  2  tới  3 thì u2  0 và chuyển sang dương nhưng T1 chưa cóxung điều khiển, diode D0 dẫn dòng điện để khép kín dòng điện tải do sức điện độngcủa cuộn cảm u d  0 , u T1u2  0, ii Do I d,….và qúa trình sẽ lặp lại như trên

d R

E U

+ Dòng điện trung bình và hiệu dụng của van:

2

; 2

d T

d Ttb

I I

I

+ Điện áp cực đại của van ( điện áp thuận và ngược): U Thmax U ngmax  2U2

Từ các số liệu trên ta có thể chọn các van bán dẫn công suất có các số liệu sau:

Dòng điện định mức của van: I Vdm  (  2 2 , 5 )I T

Điện áp cực đại của van: U Vmax  ( 1 , 7  2 )U thmax

3.1.2 MẠCH CHỈNH LƯU HÌNH CẦU MỘT PHA BÁN ĐIỀU KHIỂN

a) Sơ đồ nguyên lý

25

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

b)

Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu bán điều khiển

 Giới thiệu sơ đồ

- U2 : điện áp thứ cấp máy biến áp

-T1, T2 : thyristor chỉnh lưu

-D1 , D2 :điôt chỉnh lưu

- Rd, Ld, Ed : Phụ tải một chiều

- ud, id : Điện áp và dòng điện chỉnh lưu

- uT, iT : Điện áp và dòng điện của Thyristor

- uD0, iD0 : Điện áp và dòng điện của Diode D0.

b)Nguyên lý hoạt động

26

2 D

F

d L d

R

T

D 1

B

A

2 T 1

2 U

d d

R

2 T

1 D

A

B L

U2

T1

D2 E

0 1

I­(L=

d

 2

  I­(L=

0 1

I­(L=0)

 2



KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

a) Cùng cức tính b) Khác cực tính

Hình 3.6: Dạng sóng điện áp và dòng điện của tải và điện áp

 Đối với mạch chỉnh lưu bán điều khiển cùng cực tính

Tại 1 cấp xung điều khiển T1, T1 sã mở cho dòng điện chạy qua từ A qua T1qua tải về D1 về B

Đến  điện áp đổi dấu (A âm, B dương) ,T1 khóa Nếu tải điện cảm dòng điệntải là đường thẳng Năng lượng của cuộn dây sẽ được tích lũy xả qua D2 tới D1 điện áptải trong vùng   2 là bằng 0

Đến 2 cấp xung điều khiển T2, T2 dẫn Từ 2  2 dòng tải là dòng điện của

2 van T2 và D2 Đến 2 điện áp đổi dấu (B âm, A dương) D2 khóa, D1 mở để nănglượng của cuộn dây xả qua D1 về T2

2  3 mở thông D1, T2 điện áp tải bằng 0 Kết quả là chuyển mạch các vanbán dẫn có điều khiển được thực hiện bằng việc mở các van kế tiếp Các van được dẫnthông trong nửa chu kỳ

 Đối với mạch chỉnh lưu bán điều khiển khác cực tính

Tại 1 cấp xung điều khiển T1 với A dương, T1 sẽ mở cho dòng điện chạy qua từ Aqua T1 qua tải về D1 về B T1 và D1 dẫn từ (1   )

27

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

Đến  điện áp đổi dấu (A âm, B dương) ,D2dẫn làm khóa T1 năng lượng củacuộn dây sẽ được tích lũy xả qua D1 và D2

Đến 2 cấp xung điều khiển T2 với A âm, T2phân cực thuận nên t2 mở làmkhóa D1 cho dòng điện chạy từ B qua D2 qua tải về T2 về A Đến 2 điện áp đổi dấu(B âm, A dương) T2 phân cực ngược nên T2 bị khóa

+ Điện áp trung bình trên tải:

1 

.+ Điện áp thuận và ngược đặt lên Thyristor và Điot

uD(thuận)= uD(ngược) = 2 U2

uT(thuận)= uT(ngược) = 2 U2

3.1.3 MẠCH CHỈNH LƯU HÌNH CẦU MỘT PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN

a) Sơ đồ nguyên lý:

Hình 3.7: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn

 Giới thiệu sơ đồ:

_ BA: là biến áp cùg cấp đối với sơ đồ một pha có thể dùng hoặc không dùngmáy biến áp

_ Các van diều khiển T1 ,T2 ,T3 ,T4 dùng để biến điện áp xoay chiều thành 1 chiều, và van được phân thành 2 nhóm: nhóm Catot chung (T1,T3), nhóm Anot chung (

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

_ i1, i2 là dòng điện cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp

ta có: U d U2, U T3 U T4  U2 và thời điểm t v1   thì U2>0 nên T3,T4 bị khóa

Từ thời điểm này trong sơ đồ chỉ có 2 van dẫn dòng Khi 2 van T1,T2 làm việc thì:

2

U

U d  , U T1 U T2  0, U T3 U T4  U2, I T1 I T2 I d, I T3 I T4  0.Đến t  thì U2=0 và bát đầu chuyển sang nửa chu kì âm nó tác dụng ngược chiềuqua dòng T1,T2; T3,T4 đồng thời có tín hiệu điều khiển và điện áp thuận nên T3,T4

cùng mở vì chưa có tín hiệu điều khiển Vì vậy mà T1,T2 vẫn tiếp tục dẫn dòng bởisuất điện động tự cảm sinh ra trong L d do dòng tải có xu hướng giảm.( Do T1,T2 vẫn

mở nên các biểu thức điện áp không thay đổi).Tại tv2    , T3,T4 đồng thời có tínhiệu điều khiển và điện áp thuận nên T3,T4 cùng mở, sụt điện áp trên T3,T4 giảm vềbằng 0; U d  U2, U T1 U T2 U2 và tại thời điểm t   thì U2<0 nên van T1,T2 bịkhóa; T3,T4 dẫn dòng

29

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

Hình 3.8: Dạng sóng dòng điện và điện áp của chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

Đến tv3  2    thì T1,T2 đồng thời có tín hiệu điều khiển và T1,T2 cùng dẫn

2 sin

+ Dòng qua máy biến áp cũng bằng dòng qua van ( khi van mở )

+ Giá trị dòng hiệu dụng thứ cấp máy biến áp:

1

+ Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van: U ngmaxv  2U2

+ Dòng làm việc của van tính theo giá trị trung bình:

d

d d

2 2

+ Công suất điện áp: S ba  1 23P d

3.1.4 MẠCH CHỈNH LƯU HÌNH TIA BA PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN

a) Sơ đồ nguyên lý:

Hình 3.9 : sơ đồ nguyên lý mạch chinh hình tia ba pha có điều khiển

31

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

1 U m

u 

) 3

2 sin(

4 sin(

*Nhịp V1: khoảng thời gian từ  1    2

Tại  1 điện áp đặt lên u1 > 0, có xung kích

1 3

3

1 2

2

u u

u

u u

u

v

v

T1 mở, T2, T3 đóng, lúc này:

+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u1 : ud = u1

+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van

3

2 1

1

0

u u

u

u u

u

v v

32

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

T2 mở, T1, T3 đóng

+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u2: ud = u2

+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 2:

id = Id = i2

+Dòng điện qua T1, T3 bằng 0: i1 = i3 = 0

Trong nhịp V2: uV3 từ âm chuyển lên 0, khi uV3 = 0 thì T3 mở, lúc này uV2 = u2 – u3

= 0 và bắt đầu âm nên T2 đóng, kết thúc nhịp V2, bắt đầu nhịp V3

2

3 1

1

0

u u

u

u u

u

v v

T3 mở, T1, T2 đóng

+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u3: ud = u3

+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 3:

id = Id = i3

+Dòng điện qua T1, T2 bằng 0: i1 = i2 = 0

Trong nhịp V3: uV1 từ âm chuyển lên 0, khi uV1 = 0 thì T1 mở, lúc này uV3 = u3 – u1

= 0 và bắt đầu âm nên T3 đóng, kết thúc nhịp V3, bắt đầu nhịp V1

Trong mạch ,dạng sóng của dòng điện phụ thuộc vào tải, tải thuần trở dòng điện id

cùng dạng sóng ud ,khi điện kháng tải tăng lên ,dòng điện càng trở nên bằng phẳnghơn ,khi Ld tiến tới vô cùng dòng điện id sẽ không đổi, id = Id

-Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

6 3

sin 2

3

2 6

6 0

U d

U dt

u T

-Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu:

-Dòng qua máy biến áp cũng bằng dòng qua van ( khi van mở )

- Độ nhấp nhô của dòng tải điện :

3.1.5 MẠCH CHỈNH LƯU HÌNH CẦU BA PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN

1 Chỉnh lưu cầu hình ba pha bán điều khiển

a) Sơ đồ nguyên lý :

33

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

Hình 3.11 : Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh hình cầu ba pha bán điều khiển

b) Nguyên lý hoạt động :

Hình 3.12: Dạng sóng điện áp và dòng điện của tải và điện áp

Trong khoảng 0 đến : T5 và D6 cho dòng tải id =Id chảy qua D6 đặt điện thế u2b lên anôt D2

34

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

Khi , điện thế catôt D2 là u2c bắt đầu nhỏ hơn u2b , điôt D2 mở ,dòng tải id=Id chảy qua D2 và T5 ,ud =0

Khi cho xung điều khiển mở T1

Trong khoảng đến : T1 và D2 cho dòng tải Id chảy qua D2 đặt điện thế u2c lên anôt

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha gồm 6 thiristo chia thành hai nhóm

- Nhóm catôt chung : T1 ,T3 và T5

- Nhóm anôt chung : T2 ,T4 và T6

Điện áp các pha thứ cấp máy biến áp :

Góc mở được tính từ giao điểm của các nửa hình sin

b) Nguyên lý hoạt động :

Giả thiết T5 và T6 đang cho dòng chảy qua VF = u2c ,VG= u2b khi cho xung điều khiển mở T1 thyristor này mở vì u2a>0 Sự mở của T1 là cho T5 bị khóa lại một cách tự nhiên vì u2a > u2c lúc này T6 và T1 cho dòng chảy qua Điện áp trên tải :

ud = uab = u2a – u2b

khi cho xung điều khiển mở T2 , thyristor này mở vì ki T6 dẫn dòng ,

nó đặt u2b lên anôt T2 mà u2b>u2c sự mở của T2 làm T6 bị khóa lại một cách tự nhiên vì

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TĐĐ

Điện áp ngắn mạch : uc= ub – ua =

Dòng ngắn mạch ic được xác định bởi phương trình :

dòng điện chảy trong T1 là : iT1 = Id – ic

dòng điện chảy trong T3 là : iT3 = ic

điện áp tải ud:

Giá trị trung bình điện áp tải bị giảm đi một lượng là

37