Thiết kế chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển theo nguyên lý “arccos” cấp nguồn cho phần ứng động cơ điện 1 chiều kích từ

Nguyên lí làm việc: Nếu ta đặt vào Anốt một điện áp dương, Katốt nối vào cực âm của nguồn, thì J1 và J3 được phân cực thuận, J2 bị phân cực ngược.. Điện trường nội tại Ei của J2 có chiều

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Phần 1 : TỔNG QUAN TIRISTOR

1 Cấu tạo: Tiristor là một thiết bị gồm có bốn lớp bán dẫn P1,N1,P2,N2 tạo thành xen kẻ giữa các lớp này là các tiếp giáp J1,J2,J3

P1 được nối với bản cực gọi là Anốt(+): A

N2 được nối với bản cực gọi là Katốt(-): K

P2 được nối với bản cực gọi là Gate: Cổng điều khiển (G)

2 Nguyên lí làm việc: Nếu ta đặt vào Anốt một điện áp

dương, Katốt nối vào cực âm của nguồn, thì J1 và J3 được phân

cực thuận, J2 bị phân cực ngược Gần như toàn bộ điện áp

nguồn đặt lên mặt ghép J2 Điện trường nội tại Ei của J2 có chiều

từ N1 sang P2.Điện trường ngoài tác động cùng chiều với Ei, nên

vùng chuyển tiếp cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra,

không có dòng điện chảy qua Tiristor mặc dù nó bị đặt dưới

điện áp

a Mở Tiristor : Nếu cho một xung điện áp dương Ug tác động vào cựcG(dương so với K), các điện tử từ N2 sang P2 Lúc này trong Tirsitor hình thành haidòng điện

 Dòng điện điều khiển do một số ít điện tử sau khi đến P2 chúng chảyvào nguồn Ug, dòng điều khiển chảy theo mạch G - J3 - K - G

 Còn phần lớn điện tử chịu sức hút của điện trường tổng hợp của mặtghép J2 , lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng được tăng tốc, động năng lớn lên, bẻgãy các liên kết nguyên tử, tạo nên những điện tử tự do mới Số điện tử mới đượcgiải phóng này lại tham gia bắn phá các nguyên tử Si trong vùng chuyển tiếp Kếtquả hình thành ngày càng nhiều điện tử chảy vào N1, qua P1 và đến cực dương củanguồn điện ngoài, gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt Bắt đầu từ một điểm nào đó

ở xung quanh cực G rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép với tốc độ khoảng1cm/100s

Điện trở thuận của tiristor khoảng 100k.Khi còn ở trạng thái khoá, trởthành 0,01k khi tiristor mở cho dòng chảy qua

Một trong những phương pháp mở Tiristor đơn giản được trình bày trên hình 1

Ig = (1,11,2)Igst

Điện trở R1 được tính theo công thức:

R1 =

gst

I ) 2 , 1 1 , 1 (

E



Trong đó Igst là giá trị dòng điện điều khiển ghi trong sổ tay tra cứu Tiristor

R2= 1001000 Khi Tristor đang khóa mà đặt Tiristor dưới điện áp

UAK> 0, Tiristor ở tình trạng sẵn sàng mở cho dòng chảy qua, nhưng nó còn đợilệnh- tín hiệu Ig ở cực điều khiển

Điều kiện mở : + UAK > 1V

+ Ig ≥ Igst

Thời gian mở (ton) là thời gian cần thiết để thiết lập dòng điện chính chảytrong Tiristor, tính từ thơi điểm phóng dòng Ig vào cực điều khiển Thời gianTiristor mở kéo dài khoảng 10s

b Khoá Tiristor: Một khi đã mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển Ig

không còn cần thiết nữa Để khoá Tiristor có hai cách:

 Giảm dòng điện làm việc xuống dưới giá trị dòng duy trì IH hoặc là:

 Đặt một điện áp ngược lên Tiristor

Khi đặt một điện áp ngược lên Tiristor UAK, hai mặt ghép J1 và J3 bị phâncực ngược, J2 bây giờ được phân cực thuận Những điện tử trước thời điểm đảo cựctính UAK, đang ở tại P1, N1, P2 bây giờ đổi chiêu di chuyển, tạo nên dòng điệnngược chảy từ catốt về anốt; về cực âm của nguồn điện ngoài

Từ to đến t1 : dòng điện

ngược khá lớn, sau đó J1 và J3 trở nên cách điện Còn lại một ít điện tử bị giữ lạigiữa hai mặt ghép J1 và J3, hiện tượng khuếch tán sẽ làm chúng ít dần đi cho đếnhết và J2 khôi phục lại tính chất của mặt ghép điều khiển

Thời gian khoá(toff) tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược t0 cho đếnkhi dòng điện ngược bằng 0(t2) Đây là khoảng thời gian mà ngay sau đó nếu đặtđiện áp thuận lên tiristor, tiristor cũng không mở, toff kéo dài khoảng vài chục s.Trong bất kỳ trường hợp nào cũng không được đặt Tiristor dưới điện áp thuận khiTiristor chưa bị khoá, nếu không có thể gây ra ngắn mạch nguồn

Ta có công thức: Tiristor mở + UAK < 0  Tiristor khoá

Hinh 2.a Hinh 2.b

Trên hình 2a, việc khoá Tiristor bằng điện áp ngược được thực hiện bằngcách ấn vào nút ấn K1 Trên hình 2b cho phép khoá Tiristor một cách tự động Trênhình 2a, khi Tiristor mở thì có dòng chảy từ : +E  Rt T t -E đồng thời có dòngchảy từ :+E qua R1 qua tụ C chảy qua T về âm E.Tụ Cđược nạp điện đến giá trị E.Lúc đó cực tính của tụ C như hình vẻ Muốn khoá Tiristor, chỉ cần ấn nút K1 thì ápdương của tụ C sẽ đặt lên Catốt của Tiristor  khoá Tiristỏ

Trên hình 2b, giả thiết cho một xung điện áp dương đặt vào G1, Tiristor T1

mở, xuất hiện hai dòng điện: dòng điện thứ nhất theo mạch: +E - R1 - T1 - E, dòngđiện thứ hai chảy theo mạch:+E - R2 - C -T1 - E Tụ C được nạp điện đến giá trịE,bản cực dương ở B, bản cực âm ở A

Bây giờ nếu cho một xung điện áp dương tác động vào G2 tiristor T2 mở, nóđặt điện thế điểm B vào cực catốt của T1 Như vậy T1 bị đặt dưới điện áp UC= -E và

T1 bị khoá lại

T2 mở lại xuất hiện hai dòng điện: dòng thứ nhất chảy theo mạch: +E

R2T2-E, dòng điện thứ hai chảy theo mạch: + E R1

u ch

2 4

1

u z I H

điện ngược lại đến giá trị E, bản cực dương ở A, bản cực âm ỏ B, chuẩn bị để khoá

T2 khi ta cho xung mở T1

3 Đặc tính Von-ampe của Tiristor: đặc tính von-ampe của Tiristor gồm 4

đoạn:

Đoạn 1 ứng với trạng thái khoá của Tiristor, chỉ có dòng điện rò chảy qua

Tiristor Khi tăng U đến Uch (điện áp chuyển trạng thái), bắt đầu quá trình tăng

nhanh chóng của dòng điện, Tiristor chuyển sang trang thái mở.

Đoạn 2 ứng với giai đoạn phân cực thuận của J2 Trong giai đoạn này mỗimột lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp đặt trênTiristor Đoạn hai còn gọi là đoạn điện trở âm

Đoạn 3 ứng với trạng thái mở của Tiristor Khi này cả ba mặt ghép đã dẫn

điện Dòng điện chảy qua Tiristor chỉ còn bị hạn chế bởi điện trở mạch ngoài Điện

áp rơi trên tiristro rất nhỏ, khoảng 1V tiristor được giữ ở trạng thái mở chừng nào icòn lớn hơn dòng duy trì IH

Đoạn 4 ứng với trạng thái Tiristor bị đặt dưới điện áp ngược rất nhỏ, khoảng

vài chục mA Nếu tăng U đến Uz thì dòng điện ngược tăng lên mãnh liệt, mặt ghép

bị đánh thủng, tiristor bị hỏng

4 Những điều cần lưu ý :

a Tốc độ tăng trưởng điện áp du dt :

Nếu điện áp đặt lên Tiristor tăng với tốc độlớn(khoảng vài chục vôn trong một s) thì tiristor cũng có thể chuyển từ trạng tháikhoá sang trạng thái mở mặc dù Ig = 0.Điều đó được giải thích như sau: có thể môphỏng một tiristor bằng một cặp transistor: Transistor 1 có cấu trúc p-n-p cònTransistor 2 có cấu trúc n-p-n

Khi Tiristor bị đặt dưới điện áp thuận UAK = U, J2 bị phân cực ngược Thực

tế nó trở thành vùng cách điện Người ta có thể xem J2 như một tụ điện CT Bây giờ

ta có sơ đồ tương đương như hình 3 Vì J1 và J3 bị phân cực thuận nên gần như toàn

bộ điện áp nguồn được đặt lên J2, tức là đặt trên hai bản cực của CT, do đó có thểviết:

ic = CTdudt

Dòng ic tỉ lệ thuận với độ tăng trưởng của U Dòng ic cũng là dòng bazơ củaTransistor 2, giữ vai trò như dòng điều khiển Ig Như vậy Tiristor mở cho dòngchảy qua ngoài mong muốn

Một mạch RC mắc song song với Tiristor có thể tránh được hiện tượng mởkhông mong muốn nói trên Những tiristor sản xuất gần đây nhất có khả năng chịuđược dudt cao, khoảng 2000V/s, cho phép loại bỏ mạch bảo vệ RC.

b Tốc độ tăng trưởng dòng điện:

Khi cho xung mở Tiristor, không phải toàn diện tích mặt

ghép J2 dẫn điện đồng thời Ban đầu, chỉ những điểm lân cận cực G

dẫn điện rồi lan dần ra với tốc độ truyền lan khoảng

1cm/100s.Xuất hiện những vùng có mật độ lớn về dòng điện

Nếu di/dt lớn hơn tốc độ truyền lan của dòng điện trong mặt ghép

J2 thì có thể gây nên những vi vùng nóng chảy, mặt ghép J2 bị

hỏng Người ta có thể giảm nhỏ di/dt bằng cách đặt một điện

kháng bão hoà trong mạch anốt của tiristor Những tiristor sản xuất

ngày nay cho phép di/dt khoảng 1000A/s

Phần 2 : CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA

Xét Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha tải R,L,Eư

a.Sơ đồ và nguyên lí làm việc: u

= 2Usin

Trong nữa chu kỳ đầu : 0   1 , u > 0 cực dương tại A, cực âm tại B.Hai tiristor T1 và T3 đang ở trạng thái sẵn sàng dẫn điện vì chưa có xung kích khởiđưa vào cực điều khiển

Tại thời điểm  1= 1( 0   1 ) ta đưa xung kích đi vào T1 và T3 làm cho

T1, T3 mở lúc này trong mạch tải có dòng điện id qua tải qua T3 trở về nguồn, lúcnày Ud = U

Tại thơi điểm  =  thì U = 0, nhưng hai tiristor T1, T3 vẫn mở vì tải là phầnứng của động cơ điện một chiều nên coi như có cuộn cảm mắc nối tiếp với tải.Trong qúa trình T1 T3 mở thì cuộn cảm L tích luỹ năng lượng e= - Ldtdi nên khi u <

0 thì T1,T3 vẫn còn dẫn điện qua tải đó là ứng với lúc cuộn cảm bắt đầu hoàn trảnăng lượng về nguồn

Trong nữa chu kỳ sau:    2 2, tính cực dương tại B, âm tại A.Haitiristor T2 và T4 cúng đang ở trạng thái chờ mở cho dòng chảy qua

Tại thời điểm:  2= : + 1 = +( góc điều khiển) ta đưa xung kích khởivào mở T2 và T4  T2 và T4 mở còn T1, T3 ngắt

Vì vậy trong mạch xảy ra quá trình trên và lặp lại liên tục.Vì có điện cảm Ltrong mạch tải nên thực tế là dòng liên tục id = Id

Khi T1,T3 mở ta có:

2  U sin   R  id E  Ldtdi

E I R U

di

X d

E i

R sin U 2 1

dt

di X E Ri sin U 2

d di

I

I âi d

âi d

; Um 2 U

Nên Udi = 

2Ucos 2

R

E U

iT1,30

cuộn kháng Lk của nguồn thì trong mạch sẽ không xảy ra hiện tượngchuyển mạch tức thời Hiện tượng trùng dẫn là hiện tượng cả 4 tiristor đều dẫn

Giả sử tại thời điểm 1, T1,T3 mở cho dòng chảy qua, iT1,3 = Id;

Khi    2cho xung điều khiển mở T2,T4 vì sự có mặt của Lk nên dòng iT1,3

không thể giảm đột ngột từ Id về 0, mà dòng iT2,4 cũng không thể tăng đột ngột từ 0

đến Id Lúc này cả bốn tiristor đều mở (cùng dẫn) phụ tải bị ngắn mạch, Ud=0,nguồn cũng bị ngắn mạch sinh ra dòng điện ngắn mạch(ik).

kNếu chuyển gốc toạ độ từ 0 sang  2, ta có:

k km

k

k k

L

U

I

cos cos

X

U 2 cos

cos I

i

d

di X sin

2 k 1

k  

ik1 làm tăng dòng trong T4, làm giảm dòng trong T3;

ik2 làm tăng dòng trong T2, làm giảm dòng trong T1;

X 2

U 2 I

i

cos cos

X 2

U 2 i

k d

I X 2 cos

U 2

1 U

R

E u

i d

L

i K1

Phần 3 : CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN

Để điều chỉnh pha xung điều khiển có 3 nguyên tắc :

+Dịch chuyển theo chiều ngang

+Dịch chuyển theo chiều đứng tuyến tính

+Dịch chuyển theo chiều đứng phi tuyến(ARCCOS)

Với bộ chỉnh lưu 1 pha 2 nữa chu kì này ta thực hiện theo nguyên tắc điều khiển dịch chuyển theo chiều đứng arccos

Chức năng các khối:

- Đồng pha :tạo ra điên áp đồng pha với điên áp trên Thyristor

- So sánh : tạo ra thời điểm phát xung điều khiển khi có sự cân bằng giữa điên

áp vào và điên áp điều khiển một chiều

-KĐ xung :có nhiệm vụ chỉnh hình xung ,khuyếch đại xung đủ biên độ và độ rộng để mở Thyristor cầu điều khiển

Theo nguyên tắc này ta có 2 điên áp :

- Điên áp đồng bộ ur vượt trước uAK một góc /2(nếu uAK =Asin  thì ur=Acos)

- Điên áp điều khiển uc là điên áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ theo

2 hướng (dương và âm )

Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng « Arccos »

Trên hình vẽ ,đường nét đứt là điên áp anôt –catôt Thyristor Từ điên áp này người ta tạo ra ur

Tổng đại số ur+uc được đưa đến đầu vào của khâu so sánh

Khi ur+uc =0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sách

Khi uc=-Uc.max thì =0

Như vậy khi cho uc biến thiên từ - Uc.max đếnUc.max thì  biến thiên từ 0 đến

Hình IX.28

Trong sơ đồ có sử dụng một khâu tíchnphân OA1 và một khâu so sánh OA2

Tín hiệu đầu vào của OA1 là:

U C

m m

ở đầu ra của khâu so sánh ta nhận được chuổi xung hình chữ nhật

Nhờ mạch R,C và D ta có nhữnh xung dương điều khiển ,chậm sau v(t) một góc



Hoạt động của sơ đồ :

Điện áp xoay chiều được cấp cho bộ điều khiển thông qua máy biến áp.MBA biến điện áp xuống u1 khoảng 18 đến 20V và điện áp này được chỉnh lưu hai nửa chu kỳ bởi các đi ốt D1,D2,D3.Các ổn áp vi mạch 7812, 7912 tạo ra điện áp +12V, -12V để cung cấp cho khuyếch đại thuật toán OA1,OA2.Các tụ điện C1

Các điốt D5,D6 dùng để hoan trả giải phóng năng lượng phản kháng.D4 tránh cho xung âm đặt lên Tranzitor.D7 không cho xung âm đặt lên hai cực GK của Thiristor

a Điện áp chỉnh lưu không tải:

Bộ biến đổi chỉnh lưu Thyristor cần có giá trị điện áp không tải đảm bảo cấp cho phần ứng của động cơ điện một chiều

Điện áp chỉnh lưu không tải được tính như sau:

Ud=[Cu* Ud+4%Udmax+1.5% Udmax+ UdFmax]/b(3)

Trong đó:

b= 0.95:hệ số dao động

Cu =1.06 :là hệ số dự trữ sụt áp

Udmax:điện áp chỉnh lưu cực đại Udmax=Uưđm=110V

4% Udmax:tổn thất điện trở của động cơ gây ra

1.5% Udmax: tổn thất điện cảm của động cơ gây ra

UdFmax=2:Điện áp sụt trên 2 Thyristor :

Thế các số vào (3) ta được :

Ud=(1.06*110+0.04*110+0.015*110+2)/0.95=131V

Vậy điện áp chỉnh lưu không tải :Ud=131V

b Giá trị hiệu dụng của điện áp pha thứ cấp MBA:

131

* 14 3 2

T 3

A B

T 1

T 2

id

c Tỷ số MBA:

220

4 145

Chon Thyristor chịu được:

- Điện áp ngược lớn nhất:Ung=Ku*Uim=1.6*205.6=329V

- Dòng điện trung bình: Itb=K*Io=1.2*6=7.2A

Theo bảng phụ lục trang 32 ĐTCS-Nguyễn Bính ta chọn Thyristor T.25 do Liên Xô (cũ) chế tạo có các thông số kỷ thuật sau:

du/dt(V/s)

MBA 1 pha ,ta chọn mạch từ 1 trụ ,C=2 trụ,f=50Hz

- Tiết diện tính tóan theo công thức kinh ngiệm :

Q= k* Cf SMBA khô nên chọn k=6

50

* 2

6 1743

 ( cm2)

Với công suất S=1743.6 W Theo trang 693 ĐTCS-LVD và tần số 50Hz , bề dày 0.35 mm.Ta chọn MBA có các thông số sau :

a

(mm)

h(mm)

c(mm)

C(mm)

H(mm)

B(mm)

* Trụ :

Tiết diện thô = c*B=4*5=20cm2

Tiết diện hiệu quả:=0.95*20=19cm2

Trọng lượng trụ :=7.5*0.19*2*1=2.85Kg

* Quylat:

Tiết diện thô:=a*B=4*5=20 cm2

Tiết diện hiệu quả:=0.95*20=19cm2

Sơ cấp : n1= 360

10

* 1 1

* 05 25

* 50

* 44 4

220 44

* 05 25

* 50

* 44 4

4 145 44

Đường kính phiá dây quân sơ cấp:

J

I S

2 5 2

* 14 3

92 7

* 4

*

4 4

1

1 1

47 2 5 2

* 14 3

12

* 4

*

4 4

2

2 2

2 2 2

*Dây quấn sơ cấp :

Chiều cao trụ là : 100mm , đường kính dây quấn sơ cấp là : 2.12mm

 số vòng dây tối đa trong 1 lớp : 47 12

12 2

100

Dây quấn sơ cấp gồm 360 vòng chia làm 8 lớp(7*47+31)

-Giữa 2 lớp đặt 1 lớp cách điện 0.1mm bằng bìa

h

e1 a e2r

truc

Mặt cắt dây quấn trên một trụ

-Bề dày dây quấn sơ cấp :

e1=d1*n+0.1*8=2.1*8+0.8=17.76 mm

Bán kính trung bình dây quấn sơ cấp :

r1tb=rt+e1/2=33+(17.76/2)=41.88mmChiều dài dây quấn sơ cấp :

l1=2** r1tb*n1*10-3=2*3.14*41.88*360*10-3=94.68 mĐiện trở dây quấn sơ cấp ở 75oC là:

R1=1l1(1+0.004*75)=0.00547*94.68*1.3=0.67

*Dây quấn thứ cấp:

Chiều cao trụ là : 100mm , đường kính dây quấn thứ cấp là : 2.54mm

 số vòng dây tối đa trong 1 lớp : 40

54 2

100

Dây quấn thứ cấp gồm 238 vòng chia làm 6 lớp(5*40+38)

-Giữa 2 lớp đặt 1 lớp cách điện 0.1mm bằng bìa

- Giữa dây quấn sơ cấp và dây quấn thứ cấp để 1 khoảng cách  =8mm-Bề dày dây quấn sơ cấp :

e2=d2*n+0.1*6=2.54*6+0.6=15.3mm

Bán kính trung bình dây quấn thứ cấp :

r2tb=rt+e2/2+e1+a=33+15.3/2+17.76+8=66.41mmChiều dài dây quấn thứ cấp :

l2=2** r2tb*n2*10-3=2*3.14*66.41*238*10-3=99.3 mĐiện trở dây quấn thứ cấp ở 75oC là:

1 ) 10 3

(  

e e 

a h r

Trong đó: =8 mm là khoảng cách giữa dây quấn sơ cấp và thứ cấp:

2

41 61 88 41 2

2 1

mmSuy ra: X=8*3.142*2382(51.645/100)*(0.008+(0.01776+0.0153)/3)*314*10-7

* Điện áp chỉnh lưu khi đầy tải:

Ud=Udo-Ux-Ur-UFe

* Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu :

=U d I d P d U d r I d I d

I U

* 3 9 43 8 12

* 104

12

* 104

*.Dòng điện ngắn mạch:

In=   92 

574 1

4 145

2

n

Z U

5 TÍNH CUỘN KHÁNG CÂN BẰNG : LCB

Mục đích của cuộn kháng cân bằng Lcb là nhằm hạn chế đến mức thấp nhất dòng điện tuần hoàn, cản trở sự đột biến để MBA và Thyristor làm việc tốt hơn, không bị nặng nề

Giả sử góc mở 1=2=0,để Icc đạt đến giá trị lớn nhất ,thì lúc đó nguồn U2 bị ngắn mạch sinh ra dòng điện ngắn mạch:

In=Icc=92 ALúc đó ta có phương trình cân bằng suất điện động :

12

2 2

1

c

o o

c

I

U X

U X

Với Xo=Lo

Ic12=2%Id=0.02*12=0.24 ASuy ra Xo=  272 86 

14 3

* 24 0

4 145

* 2



o o

X L

Mà Lo=2Lcb+LBA

Với LBA=XBA/=1.37/314=0.00436 H

Suy ra: Lcb=(Lo-LBA)/2=(0.87-0.00436)/2=0.433H

Vậy Lcb =0.433H