mạch chỉnh lưu 1pha nửa chu kỳ có đk tai r+e

CHƯƠNG I: MẠCH CHỈNH LƯU 1 PHA NỬA CHU KÌ CÓ ĐIỀU KHIỂN 1.1 Giới thiệu chung về mạch chỉnh lưu Mạch chỉnh lưu là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều thànhnguồn điện một chiều

LỜI NÓI ĐẦU

Điện tử công suất là một môn học hay và lý thú, cuốn hút được nhiều sinh viên theođuổi Là những sinh viên chuyên ngành tự động hóa, chúng em muốn được tiếp cận

và hiểu sâu hơn nữa bộ môn điện tử công suất.Vì vậy, đồ án môn học chế tạo sảnphẩm là điều kiện tốt giúp chúng em kiểm chứng được lý thuyết đã được học

Trong đồ án điện tử công suất lần này, chúng em đã được nhận đề tài

‘’MẠCH CHỈNH LƯU 1 PHA NỬ CHU KÌ CÓ ĐIỀU KHIỂN Sau thời gian

nghiên cứu, chúng em đã chế tạo thành công bộ điều khiển điện áp xoay chiều 1 phađáp ứng được cơ bản yêu cầu của đề tài

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, chúng em đã gặp một số vướng mắc về

lý thuyết và khó khăn trong việc thi công sản phẩm Tuy nhiên, chúng em đã nhận

được sự giải đáp và hướng dẫn kịp thời của thầy Nguyễn Đình Hùng, sự góp ý

kiến của các bạn sinh viên trong lớp Đựơc như vậy chúng em xin chân thành cảm

ơn và mong muốn nhận được nhiều hơn nữa sự giúp đỡ, chỉ bảo của thầy giáo vàbạn trong các đồ án sau này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm thực hiện: Phạm Văn Tuất Nguyễn Tuấn Vũ

MỤC LỤC:

LỜI NÓI ĐẦU 1

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN CÔNG VIỆC 4

CHƯƠNG I: MẠCH CHỈNH LƯU 1 PHA NỬA CHU KÌ CÓ ĐIỀU KHIỂN 5

1.1 Giới thiệu chung về mạch chỉnh lưu 5

1.2 Các nguyên tắc điều khiển mạch chỉnh lưu 8

1.2.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng (ARCOS) 8

1.2.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính 9

1.3 Các mạch chỉnh lưu ứng với các tải 10

1.3.1 Tải R 10

1.3.2 Tải R+L 12

1.3.3 Tải R+L(L¿∞) 13

1.3.4 Tải R+E 16

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ TÍNH TOÁN CHẾ TẠO MẠCH CHỈNH LƯU MỘT PHA NỬA CHU KÌ CÓ ĐIỀU KHIỂN 18

2.1Thiết kế sơ đồ khối 18

2.2.Phân tích tường khối trong sơ đồ 18

2.2.1 Khối nguồn 18

2.2.2 Khối động lực 19

2.2.3 Khối điều khiển 20

2.2.3 Khối cách ly 22

2.3 Tính toán và chọn linh kiện 24

2.3.1 Khối điều khiển 24

2.3.2 khối cách ly 28

2.3.3 Mạch công suất 30

2.4 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 31

2.5 Nguyên lý hoạt động 31

CHƯƠNG III :KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM 33

3.1 Khảo sát tín hiệu dạng sóng điện áp và dòng điện trên tải 33

3.1.2 Khảo sát với α=150 ° 34

3.1.3 Khảo sát với α=90 ° 35

3.1.4 Khảo sát với α=60 ° 36

3.1.5 Khảo sát với α=30 ° 37

3.1.6 Khảo sát với α=0 ° 38

3.2 Nhận xét 39

3.3 Lời kết 39

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN CÔNG VIỆC

-Nhận đồ án

-Đưa ra ý tưởng thực hiện

-Phân chia công việc

-Tìm hiểu bộ điều áp xoay chiều

-Tìm hiểu sơ đồ mạch lực mạch điều khiển

-Tìm kiếm linh kiện liên quan đến đồ án

-Đưa ra cơ sở lý thuyết của đô án

-Xây dựng sơ đồ khối

-Lựa chọn mạch lực, mạch điều khiển

CHƯƠNG I: MẠCH CHỈNH LƯU 1 PHA NỬA CHU KÌ CÓ ĐIỀU KHIỂN 1.1 Giới thiệu chung về mạch chỉnh lưu

Mạch chỉnh lưu là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều thànhnguồn điện một chiều nhằm cung cấp cho phụ tải điện một chiều.-

Tùy theo số pha của nguồn điện xoay chiều phía đầu vào mạch chỉnh lưu mà có thểchia ra thành mạch chỉnh lưu 1 pha, 3 pha hay m pha:

- Nếu dòng điện xoay chiều chạy giữa dây pha và dây trung tính, thì mạch chỉnh lưugọi là sơ đồ hình tia Còn nếu dòng điện xoay chiều chạy giữa các dây pha thì mạchchỉnh lưu gọi là sơ đồ hình cầu

* Đặc điểm chung của mạch chỉnh lưu hình tia m pha là:

Số van chỉnh lưu bằng số pha của nguồn xoay chiều

- Các van có số điện cực cùng tên nối chung, điện cực còn lại nối với nguồn xoaychiều Nếu điện cực nối chung là Katốt thì sơ đồ được gọi là Katốt chung, còn nếuđiện cực nối chung là Anốt ta có sơ đồ nối Anốt chung

- Hệ thống điện áp nguồn xoay chiều m phaphải có điểm trung tính, trung tínhnguồn là điện cực còn lại của điện áp chỉnh lưu

* Đặc điểm chungcủa mạch chỉnh lưu cầu m pha:

- Số van chỉnh lưu bằng 2 lần số pha của nguồn xoay chiều, trong đó có m van cóKatốt nối chung được gọi là nhóm van Katốt nối chung và trên sơ đồ ta kí hiệu bởichỉ số lẻ, m van còn lại có anốt nối chung nên gọi là nhóm van anốt chung và trên

-Kết hợpcác phương pháp và đặc điểmphân loại như trên một sơ đồ chỉnh

lưu chúng ta tàm thời phân loại theo sơ đồ cấu trúc phía sau:

Hình 1.1: Một số sơ đồ chỉnh lưu thường gặpTrong thực tế các mạch chỉnh lưu có nhiều loại và khá đa dạng về hình dángcũng như tính năng Tuy nhiên về cơ bản cấu trúc trong bộ biến đổi thường có các

bộ phận sau:

+ Biến áp nguồn nhằm biến đổi điện áp từ cao xuống thấp hoặc ngược lại.+ Van côngsuất chỉnh lưu, các van này có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoaychiều thành nguồn một chiều.

+ Mạch lọc nhằm lọc và san phẳng dòng điện hay điện áp nguồn để mạchchỉnh lưu có chất lượng tốt hơn

+ Mạch đo lường trong bộ chỉnh lưu thường dùng để đo dòng điện, điện áp,công suất

+ Mạch điều khiển là bộ phận rất quan trọng trong các bộ chỉnh lưu có điềukhiển,nó quyết định độ chính xác, ổn định và chất lượng bộ chỉnh lưu

+ Phụ tải của mạch chỉnh lưu thường là phần ứng động cơ điện một chiều, kích từmáy điện một chiều, xoay chiều, cuộn hút nam châm điện, các tải có sức điện động

E, đôi khi tải là các đèn chiếu sáng hay các điện trở tạo nhiệt vv

Dưới đây minhhọa sơ đồ cấu trúc của một bộ chỉnh lưu:

Hình 1.2:Sơ đồ cấu trúc của một bộ chỉnh lưu

1.2 Các nguyên tắc điều khiển mạch chỉnh lưu

1.2.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng (ARCOS)

Theo nguyên tắc này người ta dùng 2 điện áp:

- Điện áp đồng bộ UR vượt trước điện áp anot- catot thyristor một góc bằng π

/2 (nếu UAK = A sin ω thì UR = B.cos ω )

UC ± B.cos α = 0 do đó α = arccos( −

U C

B )Người ta lấy: B= UC max thì:

- Khi UC = 0 thì α = π

- Khi UC = UC max thì α = 0

Vậy khi cho UC biến thiên từ – UC max đến +UC max thì α biến thiên từ 0 ¿ π

Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcos được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưuđòi hỏi chất lượng cao

1.2.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Theo nguyên tắc này người ta dùng 2 điện áp.+ Điện áp đồng bộ (Ur có dạng răngcưa ) đồng bộ với điện áp trên A-K của thyristor+ Điện áp điều khiển (UC là điện

áp một chiều ) có thể điều chỉnh biên độ

Hình 1.4: Dạng đồ thị điện áp đồng bộDạng đồ thị điện áp đồng bộ Ur điện áp điều khiển UC được trình bày trên hình 1.4như vậy bằng cách thay đổi giá trị của UC ta có thể điều chỉnh được góc α.Khi UC = 0 ta có α = 0

Khi Uc < 0 ta có α > 0

Vậy ta có mối quan hệ giữa α và Uc như sau : α = π U c

U rmax

Nên ta lấy U cmax=U rmax

1.3 Các mạch chỉnh lưu ứng với các tải

1.3.1 Tải R

a Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng dòng điện,điện áp

b Nguyên lý làm việc:

-Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng, điện áp phía thứ cấp

u2 = √2 U2 sinωt và góc điều khiển α =

π/6

- Trong khoảngωt = 0 đến, có u2> 0, và uT> 0, tuy nhiên T vẫn chưa do chưa cóxung điều khiển mở

- Khi đó ta có:uT = u2; ud = 0; iT = id= 0 - Đến thời điểmωt =, phát xung điều

khiển mở van T, lúc này T có đủ haiđiều kiện kích mở nên dẫn điện Ta có:

ud = u2; uT = 0; iT = id

- Đến thời điểmωt =, u2 = 0 và có xu hướng âm Lúc này van T bị phân cựcngược nên khoá và Như vậy trong khoảngωt = đến 2, ta có:

uT = u2; ud = 0; iT = id= 0

- Đến thời điểmωt= 2, u2 = 0 và có xu hướng dương dần, van T được đặt điện áp

thuận tuy nhiên van T vẫn chưa dẫn , do chưa có xung điều khiển kích mở Nhưvậy trong khoảngωt= 2 đến 2 +α , ta có:

giả sử mạch làm việc lý tưởng

Trong khoảngωt = 0 đến, có u2> 0, và uT> 0, tuy nhiên T vẫn chưa dẫn, dochưa có xung điều khiển, khi đó: uT = u2; ud = 0; iT = id= 0 Đến thời điểmωt

= khi đó có xung điều khiển cấp vào cực G của thyristor T nên T dẫn cho dòng

điện chảy qua mạch, khi đó: ud = u2; uT = 0; iT = id Do tải có tính chất điện cảmnên đến thời điểmωt = khi đó van T không khóa mà tiếp tục dẫn đến thời điểm

ωt =(: góc tắt dòng) Góc tắt dòng này phụ thuộc vào giá trị của điện cảm, dòng

điệnqua tải và thời gian tích lũy năng lượng Từ thời điểmωt > đếnωt < 2+ khi đó van T không dẫn nên: uT = u2; ud = 0; iT = id= 0 Cho đến thời điểmωt

= 2 + lúc này lại có xung điều khiển cấp vào cực G của T nên T dẫn quá trìnhxẩy ra tương tự thời điểmωt = ở chu kỳ trước

-Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự

Trong mạch ta nhận thấy khi có điện áp tải dòng điện id không tăng đột biến

mà tăng dần từ không đến giá trị cực đại sau giảm dần về không Sự biến thiên

như vậy là do tác động của tải điện cảm sinh ra sức điện động e Ldi làm dòng điện chậm dt pha so với điện áp nguồn Điều này là cơ sở lý luận giả thích

tại sao thyristor T lại dẫn qua điểm =

c Một số biểu thức tính toán

- Dòng điện trung bình qua tải:

Dòng điện qua tải xuất hiện khi van T dẫn khi đó ta có:

L dαt dα idαid R 2.U2 sin ω t

- Trong khoảngωt = 0 đến, có u2> 0, và uT> 0, tuy nhiên T vẫn chưa dẫn,

do chưa có xung điều khiển mở Khi đó ta có:

uT = u2; uD0 = 0; ud = 0; iD0 =iT=id=0

- Đến thời điểmωt =, phát xung điều khiển mở van T, lúc này T có đủ hai điều kiện kích mở nên dẫn điện Ta có:

uT = 0; uD0 = -u2; ud= u2> 0; iD0 = 0; iT = id

- Đến thời điểmωt =, u2 = 0 và có xu hướng âm Lúc này van T bị phân

cực ngược nên khoá và, - u2 = 0 và có xu hướng dương dần, kết hợp sđđ e do cuộn cảm tạo ra làm van D0 dẫn điện Như vậy trong khoảngωt = đến 2, ta

có:

uT = u2< 0; ud = 0; id = iD0; iT = 0

- Đến thời điểmωt= 2, u2 = 0 và có xu hướng dương dần, van T được đặt điện áp thuận tuy nhiên van T vẫn chưa dẫn , do chưa có xung điều khiển kích mở, cònD0 vẫn dẫn do sđđ e ở cuộn cảm tải tạo ra Như vậy trong khoảngωt= 2 đến

uT = 0; ud = u2> 0; uD0= -u2; iT = id; iD0=0

- Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự

-Dòng điện hiệu dụngqua Diode D

Điện áp ngược lớn nhất trên van T và D

U Tng MAX=U DOng MAX√2 U2

1.3.4 Tải R+E

a Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng dòng điện, điện áp

b Nguyên lý làm việc

- Diode D chỉ cho dòng điện qua tải khiU2>E Dòng i dαchỉ tồn tại trong khoảngθ1:θ2

và θ1 là 2 nghiệm của phương trình sau:

là U D=0.Còn khi diode D bị khóa ta có phương trình:

u2=U D+E

(Lúc này coi R.i dα =0vì dòng điện qua tải rất nhỏ.)

Do đó điện áp đặt lên diode D là:U D=u2−E=√2U2sin θ−E

Về nguyên lý làm việc của mạch có thể mô tả chi tiết như sau:Giả sửmạch làm việc

ở chế độ xác lập, lý tưởng với 0<E<√ 2U2và điện áp cấpvào mạch chỉnh lưu là điện

áp hình sin u2=√2 U2sinθ Trước thời điểm θ 1 khi đó u2<E nên diode D bị phân cựcngược không dẫn, do đó không có dòng điện qua tải và qua van diodei dα=i D=0,điện

áp trên tảiu dα=0 điện áp rơi trên van u D=u2 Trong khoảng θ1<θ<θ2 khi đó u2>E nên

diode dẫn cho dòng điện chạy qua tảiiD=i dα=√2 U2sin θ

R , điện áp trên tải ud= u2, điện áp rơi trên van uD = 0 Đến khi2<< 2 lúc này u2< E nên diode D bịphân cực ngược không dẫn, do đó không có dòng điện qua tải và qua van diode iD =

id = 0, điện áp trên tải ud = 0, điện áp rơ trên van uD = u2

c Các công thức tính toán trong mạch

Điện áp ngược cực đại đặt lên diode D khi khóa:

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ TÍNH TOÁN CHẾ TẠO MẠCH CHỈNH LƯU MỘT

PHA NỬA CHU KÌ CÓ ĐIỀU KHIỂN 2.1Thiết kế sơ đồ khối

để loại bỏ thành phần sóng hài củađiện áp xoay chiều sau IC 7815 ta mắc song songvới một led để báo mạch điều khiển có nguồn

2.2.2 Khối động lực

Với yêu cầu của đề tài là thiết kế bộ điều áp xoay chiều cho động cơ (tải R+E)nên chúng em chọn sơ đồ dùng THYSISTOR để điều khiển vì sơ đồ dùng Thysistor

có những ưu điểm sau:

- Công suất tải là không lớn nên Triac đáp ứng đầy đủ về công suất đáp ứng

- Mạch điều khiển Thysistor đơn giản

- Giá thành rẻ, vận hành đơn giản

a Sơ đồ

Hình 2.3:Sơ đồ nguyên lý

b.Nguyên lý làm việc

Tín hiệu được đưa vào chân điều khiển G của Thysistor Thysistor có nhiệm

vụ điều khiển mở dẫn dòng từ đó ta nhận được giá trị điện áp trên tải tương ứng vớigóc mở của triac khi ta điều chỉnh biến trở V11 để điều chỉnh độ rộng xung vuôngtương ứng tải ở trên sơ đồ có thể đặt trước hoặc sau van đều được

Em xin trình bày với 2 thiristor mắc song song ngược (tương tự 1 triac)

Khi điện áp nguồn U1 đã đổi dấu mà cuộn dây điện cảm chưa xả hết năng lượng,

làm cho T1 vẫn dẫn từ π cho đến φ1 nếu T1 đang dẫn chứng tỏ T1 đang phân cực

thuận và điện áp Ua1a2>0.Khi T1 phân cực thuận chứng tỏ T2 phân cực ngược Do

đó trong vùng từ φ1 cho đến π nếu có phát xung điều khiển T2 thì T2 không dẫn

được Phần này em cũng đã trình bày ở trên Thứ 2 là do khi có điện cảm, dòng điệnkhông biến thiên đột ngột tại thời điểm mở tiristor,điện cảm càng lớn khi dòng điệnbiến thiên càng chậm Nếu độ rộng xung điều khiển hẹp, dòng điện khi có xungđiều khiển không đủ lớn hơn dòng điện duy trì,do đó van bán dẫn không tự giữdòng điện Kết quả không có dòng điện, van sẽ không mở Hiện tượng này sẽ thấy ởcuối và đầu chu kỳ điện áp, lúc đó điện áp tức thời đặt vào van bán dẫn nhỏ Khi kếtthúc xung điều khiển, dòng điện còn nhỏ hơn dòng duy trì nên van bán dẫn khoáluôn Chỉ khi nào điện áp mở ở van đủ lớn hơn dòng dòng điện duy trì, dòng điệnmới tồn tại trong mạch

Để khắc phục hiện tường này là tạo xung gián đoạn bằng chùm xung liên tiếp.Tuỳ theo tải có điện cảm lớn cỡ nào mà ta thiết kế chọn độ rộng xung cho hợp lý

2.2.3 Khối điều khiển

a.Phân tích

Điều khiển Thysistor trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay có rất nhiều phương pháp khácnhau thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính Theo nguyêntắc này để điều khiển góc mở α của Thysistor ta tạo ra một điện áp tựa dạng tamgiác (điện áp tựa răng cưa Urc) Dùng một điện áp một chiều Uđk để so sánh với điện

áp tựa Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau(Uđk= Urc) Trong vùng điện ápdương anot thì phát xung điều khiển cho tới cuối bán kỳ (hoặc tới khi dòng điệnbằng 0)

Để thực hiện ý đồ trên mạch điều khiển bao gồm 3 khâu cơ bản:



Tạo xung

và khuếch đại



Van động lực

Hình 2.4: Sơ đồ khối các khâu trong mạch điều khiển

* Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối như sau:

1 Khâu đồng bộ: Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa Urc tuyến tính trùng pha với điện

áp Anot (cực G) của Thyristor (triac)

2 Khâu so sánh: Nhận tín hiệu điện áp tựa và điện áp điều khiển Có nhiệm vụ so

sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk Tìm thời điểm hai điện áp bằngnhau(Uđk= Urc) Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xung điều khiển ởđầu ra để gửi sang tầng tạo xung và khuếch đại xung

3 Khâu tạo xung và khuếch đại xung: Có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mởThysistor Xung để mở Thysistor cần có các yêu cầu: Sườn trước dốc thẳng đứng đểđảm bảo mở Thysistor tức thời khi có xung điều khiển (Thường gặp là xung kimhoặc xung chữ nhật) đủ độ rộng (với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở củaThysistor) Cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực (nếu điện áp động lựcquá lớn) đủ công suất

b Nguyên lý hoạt động.

Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch điều khiển được đưa đến khối đồng pha.Đầu ra của khối này có điện áp thường là hình sin cùng tần số và có thể lệch phamột góc xác định so với điện áp nguồn Điện áp này gọi là điện áp đồng bộ Vđb Đầu ra của mạch phát điện răng cưa ta có các điện áp răng cưa đồng bộ về tần số vàgóc pha với điện áp đồng bộ Các điện áp này gọi là điện áp răng cưa Vrc Điện áprăng cưa Vrc được đưa vào đầu vào của khối so sánh Tại đó có một tín hiệu khácnữa là điện áp một chiều điều chỉnh lấy từ ngoài Hai tín hiệu này được mắc với cựctính sao cho tác động của chúng lên mạch so sánh là ngược chiều nhau Khối sosánh làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này Tại thời điểm hai tín hiệu này bằngnhau thì tín hiệu đầu ra khối so sánh là các xung xuất hiện với chu kỳ của Vrc Xungrăng cưa có hai sườn trong đó có một sườn mà tại đó thì đầu ra khối so sánh xuấthiện một xung điện áp thì sườn đó là sườn sử dụng Vậy ta có thể thay đổi thờiđiểm của xung xuất hiện tại đầu ra khối so sánh bằng cách thay đổi Vđk khi giữnguyên dạng của Vrc

Trong một số trường hợp xung ra khối so sánh được đưa ngay đến đầu cực củathiết bị cần điều khiển nhưng trong đa số các trường hợp thì tín hiệu ra khối so sánhchưa đủ yêu cầu cần thiết Người ta phải thực hiện việc khuếch đại thay đổi lại hìnhdáng xung Các nhiệm vụ này được thực hiên bởi một mạch gọi là mạch xung Đầu

ra của khối tạo xung và khuếch đại xung sẽ được một chuỗi xung điều khiển có đủ