Thiết kế bộ điều áp xoay chiều một pha

Đến đây, một số ít điện tử chảy vào cực G và hình thànhdòng điều khiển Ig chạy theo mạch G – J3 – K – G còn phần lớn điện tử chịusức hút của điện trường tổng hợp của mặt ghép J2 lao vào

MỤC LỤC

Hình 1.1: a Cấu tạo của tiristor.

b Kí hiệu của tiristor.

mở rộng ra không có dòng điện chạy qua tiristor mặc dù nó bị đặt dưới điện áp.

Hình 1.2: Đặc tính Volt-ampe của tiristor.

• Mở tiristor:

Cho một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G (dương so với K), cácđiện tử từ N2 sang P2 Đến đây, một số ít điện tử chảy vào cực G và hình thànhdòng điều khiển Ig chạy theo mạch G – J3 – K – G còn phần lớn điện tử chịusức hút của điện trường tổng hợp của mặt ghép J2 lao vào vùng chuyển tiếpnày, tăng tốc, động năng lớn bẻ gãy các liên kết nguyên tử Silic, tạo nên điện

tử tự do mới Số điện tử mới được giải phóng tham gia bắn phá các nguyên tửSilic trong vùng kế tiếp Kết quả của phản ứng dây chuyền làm xuất hiện nhiềuđiện tử chạy vào N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây nên

Hình 1.3: Sự biến thiên của dòng điện i(t) trong quá trình tiristor khóa.

t1 t2 t0

T I

hiện tượng dẫn điện ào ạt, J2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ một điểm

ở xung quanh cực G rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép

Điện trở thuận của tiristor khoảng 100KΩ khi còn ở trạng thái khóa, trởthành 0,01Ω khi tiristor mở cho dòng chạy qua

Tiristor khóa +UAK > 1V hoặc Ig > Igst thì tiristor sẽ mở Trong đó Igst là dòngđiều khiển được tra ở sổ tay tra cứu tiristor

ton: Thời gian mở là thời gian cần thiết để thiết lập dòng điện chạy trongtiristor, tính từ thời điểm phóng dòng Ig vào cực điều khiển Thời gian mởtiristor kéo dài khoảng 10µs

• Khóa tiristor: Có 2 cách:

(Holding Current)

- Đặt một điên áp ngược lên tiristor Khi đặt điện áp ngược lên tiristor:

UAK <0, J1 và J3 bị phân cực ngược, J2 phân cực thuận, điện tử đảo chiềuhành trình tạo nên dòng điện ngược chảy từ katot về anot, về cực âm củanguồn điện ngoài

Tiristor mở +UAK <0 → tiristor khóa

Thời gian khóa toff : là thời gian từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược(t0) đến dòng điện ngược bằng 0 (t2), toff kéo dài khoảng vài chục µs

• Xét sự biến thiên của dòng điện i(t) trong quá trình tiristor khóa:

Từ t0 đến t1 dòng điện ngược lớn, sau đó J1, J3 trở nên cách điện Do hiện tượng khuếchtán một ít điện tử giữa hai mặt J1 và J3 ít dần đến hết J2 khôi phục tính chất của mặt ghépđiều khiển

3. Ứng dụng:

Tiristor được sử dụng trong các bộ nguồn đặc biệt: trong mạch chỉnh lưu, bộ băm vàtrong bộ biến tần trực tiếp hoặc các bộ biến tần có khâu trung gian một chiều

( III ) : T2 âm

( I ) : T1 dương Trạng thái dẫn Ig2 > Ig1

Ig = 0 : Trạng thái khóa I

có tác dụng như 2 SCR đấu song song ngược

Hình 2.1: a Cấu tạo của triac.

• Kí hiệu của triac.

Triac được chế tạo trên cùng một đơn tinh thể gồm hai cực và chỉ có một cực điều khiển

2. Nguyên lý làm việc:

T1 là gần với cực điều khiển G

Ở góc phần tư thứ nhất (I): UT2 > UT1 còn (III) thì ngược lại.

Điện áp UB0 là giá trị điện áp mở đưa triac từ trạng thái bị khóa sang dẫn khí không códòng điều khiển Ig = 0 Khi có dòng điều khiển Ig, triac sễ mở với điện áp đặt vào nhỏhơn

Triac chỉ bị khóa khi Ig = 0 và điện áp đặt vào nhỏ hơn ngưỡng UB và mở theo chiềunày hoặc chiều khác tùy theo cực tính của dòng điện điều khiển

• Có 4 cách để mở triac:

- Ở góc phần tư thứ nhất (I):

Cách I+: Dòng, áp cực điều khiển dương

Cách I-: Dòng, áp cực điều khiển âm

- Ở góc phần tư thứ ba (III):

Cách III+: Dòng, áp cực điều khiển dương

Cách III-: Dòng, áp cực điều khiển âm

Triac có ưu điểm là mạch điều khiển đơn giản nhưng công suất giới hạn nhỏ hơntiristor

3. Ứng dụng:

Triac dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, trong mạch chỉnh lưu, Ngoài ra, triac còng dùng để điều chỉnh ánh sáng điện, nhiệt độ lò

CHƯƠNG II: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.

I. TRÌNH TỰ THIẾT KẾ:

Khi phân tích một bộ điều áp xoay chiều nên tiến hành theo trình tự sau:

1. Phân tích chế độ làm việc của tải, tìm hiểu các căn cứ thiết kế

- Đặc điểm của tải:

+ Công suất tải

+ Điện áp và dòng điện bằng hay khác điện áp nguồn lưới

+ Chế độ làm việc dài hạn, ngắn hạn hay ngắn hạn lặp lại

+ Dải điều khiển công suất

Tuy nhiên, điều chỉnh cơ bản này hiện nay ít được dùng, do hiệu suất thấp (nếu Zf làđiện trở) hay cosφ thấp (nếu Zf là điện cảm) Người ta có thể dùng biến áp tự ngẫu đểđiều chỉnh điện áp U2 như trên hình 2.1b Điều chỉnh bằng biến áp tự ngẫu có ưu điểm là

có thể điều chỉnh điện áp U2 từ 0 đến trị số bất kỳ, lớn hay nhỏ hơn điện áp vào Nếu cầnđiện áp ra có điều chỉnh, mà vùng điều chỉnh có thể lớn hơn điện áp vào, thì phương ánphải dùng biến áp là tất yếu Tuy nhiên sử dụng biến áp tự ngẫy để điều chỉnh khó thựchiện khi dòng tải lớn, đặc biệt là không điều chỉnh liên tục được, do chổi than khó chế tạo

để có thể chỉ tiếp xúc trên một vòng dây của biến áp

Hai giải pháp điều áp xoay chiều trên hình 2.1a,b có chung ưu điểm là điện áp hìnhsin, đơn giản Có chung nhược điểm là quán tính điều chỉnh chậm và không điều chỉnhkhi dòng tải lớn Sử dụng sơ đồ bán dẫn để điều chỉnh xoay chiều, có thể khắc phục đượcnhững nhược điểm vừa nêu trên

Hình 2.1: Các phương án điều áp một pha

Hình 2.2 Sơ đồ điều áp xoay chiều bằng van bán dẫn

a 2 tiristo song song ngược b triac c.1 tiristo và 1 diod d 4 diod và 1tiristo

Việc điều khiển hai Tiristo song song ngược ( hình 2.2a) đôi khi có chất lượng điềukhiển không tốt lắm, đặc biệt khi cần điều khiển đối xứng điện áp, nhất là khi cung cấpcho tải, mà tải đòi hỏi thành phần điện áp đối xứng điện áp khi điều khiển là do linh kiệnmạch điều khiển Tiristo gây nên sai số

Điện áp và dòng điện không đối xứng cung cấp cho tải, sẽ làm cho tải có thành phầndòng điện một chiều, các cuộn dây bị lão hóa, phát nóng và bị cháy Vì vậy, việc kiểm trađịnh kỳ, hiệu chỉnh lại mạch là việc nên thường xuyên làm đối với sơ đồ mạch này Tuyvậy, đối với dòng điện tải lớn thì dây là sơ đồ tối ưu hơn cả cho việc lựa chọn

Để khắc phục nhược điểm vừa nêu trên về việc ghép hai Tiristo song song ngược,Triac ra đời và có thể mắc theo sơ đồ hình 2.2b

Sơ đồ này có ưu điểm là: các đường cong điện áp ra gần như mong muốn như hình 2.3a,

nó còn có ưu điểm hơn về việc lắp ráp Ở đây, chỉ có một van bán dẫn Sơ đồ mạch nàyhiện nay được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp Tuy nhiên, Triac hiện nay đượcchế tạo với dòng điện không lớn (I< 400A), nên với những dòng điện tải lớn cần phảighép song song các Triac, lúc đó sẽ phức tạp hơn về lắp ráp và điều khiển song song.Những tải có dòng điện trên 400A thì ít dùng

Đa số các trường hợp điều áp xoay chiều, điện áp tải điều khiển trong vùng thấp hơnđiện áp nguồn, các van bán dẫn được nối trực tiếp với nguồn Trong trường hợp này, điện

áp tải thường được điều khiển trong dải từ 0 đến điện áp nguồn cấp

Một số loại tải có điện áp tối đa của tải khác với thông số điện áp nguồn cấp Trongtrường hợp đó, biến áp để phối hợp thông số điện áp nguồn cấp với thông số điện áp tối

đa của tải theo sơ đồ 2.3 cần được đưa vào

Hình 2.3: Điều áp xoay chiều với điện áp tải nhỏ hơn điện áp nguồn cấp.

Biến áp được sử dụng trên hình 2.3 có thể là biến áp tự ngẫu hoặc biến áp cách ly.Biến áp cách ly thường được chọn hơn vì biến áp cách ly có thêm chức năng bảo vệ xungđiện áp từ lưới

Khi tải không có yêu cầu cao về tải đối xứng, nhất là khi điều khiển các điện trở lò sấyhay đèn sợi đốt, người ta có thể sử dụng sơ đồ điều khiển không đối xứng một Điot mộtTiristo như hình 2.4

Hình 2.4: Điều áp xoay chiều không đối xứng.

a. Sơ đồ b Đường cong điện áp và dòng điện.

Ở đây, chúng ta chỉ điều khiển một nửa chu kỳ điện áp, còn nửa chu kỳ không điềukhiển Trường hợp này có thể điều khiển ¼ công suất trở lên Tuy nhiên, nếu công suấttải lớn sẽ gây mất đối xứng nguồn cấp, làm xấu đi chất lượng nguồn

a b

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH LỰC.

I TÍNH CHỌN THÔNG SỐ MẠCH LỰC VÀ BẢO VỆ:

Mạch động lực và bảo vệ của sơ đồ điều áp xoay chiều hiện nay thường gặp là hai sơ

đồ trên hình 3.1

Hình 3.1: Các sơ đồ điều áp xoay chiều điển hình bằng linh kiện bán dẫn.

a.Bằng Tiristo b.Bằng Triac.

Thông số các van bán dẫn T1, T2, T và các Aptomat bảo vệ dòng điện AT được lựa chọn thông qua thông số dòng điện tải

• Ý nghĩa của việc chọn linh kiện-thiết bị:

Trong kỹ thuật việc tính chọn thiết bị điện có ý nghĩa rất quan trọng,nó quyết định cóđưa hệ thống vào làm việc hay không.Nếu chọn thiết bị có công suất lớn hơn yêu cầu sẽgây lãng phí về thiết kế dẫn tới giá thành cao.Còn nếu chọn thiết bị có công suất nhỏ hơnyêu cầu thì dẫn đến hệ thống luôn làm việc trong trạng thái quá tải làm giảm tuổi thọ của

hệ thống hoặc phá hỏng hệ thống.Việc tính chọn thiết bị thiếu chính xác thì hệ thống làmviệc kém chất lượng hoặc không làm việc.Vì vậy tính chọn thiết bị phải thỏa mãn các yêucầu sau:

-Về mặt kỹ thuật: phải đảm bảo yêu cầu công nghệ và các thông số phù hợp với thiếtbị,đảm bảo ho hệ thống làm việc ổn định lâu dài và dặc biệt là độ tin cậy cao

ATU1

T1

ATU1

T

ZT

-Về mặt kinh kế: các thiết bị được chọn trong khoảng thỏa mãn các yêu cầu kỹthuật,phải đảm bảo có chi phí mua sắm hợp lý sao cho tiết kiệm.

1. Tính toán thông số để lựa chọn van:

Dòng điện quyết định chế độ làm việc của van bán dẫn cần chọn và dòng điện bảo vệcủa Aptomat là dòng điện cực đại của tải Dòng điện cực đại của tải được tính khi góc mởvan nhỏ nhất Thường góc mở van nhỏ nhất là chế độ làm việc khi α=0, lúc này tải códòng điện hình sin chạy qua

Dòng điện tải có thể được tính:

Khi thông số đã cho là điện áp U, điện trở tải RT và điện cảm XT.

Từ các trị số IT , ta tính được dòng điện làm việc hiệu dụng chạy qua các van bán dẫn.Trong sơ đồ hình 3.1a, dòng điện chạy qua các Tiristo IT1 , IT2 được tính:

2

.U1

Van bán dẫn được chọn căn cứ vào các thông số dòng điện và điện áp vừa mới tính

được từ các biểu thức trên

2. Cách chọn van động lực:

Hai thông số cần quan tâm nhất khi chọn van bán dẫn cho chỉnh lưu là điện

áp và dòng điện, các thông số còn lại là những thông số tham khảo khi lựa chọn

Khi đã đáp ứng được hai thông số cơ bản trên các thông số còn lại có thể

tham khảo theo gợi ý sau:

Loại van nào có sụt áp ΔU nhỏ hơn sẽ có tổn hao nhiệt ít hơn

Dòng điện rò của loại van nào nhỏ hơn thì chất lượng tốt hơn

Nhiệt độ cho phép của loại van nào cao hơn thì khả năng chịu nhiệt tốt hơn

Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơn, công suất điều

khiển thấp hơn

Loại van nào có thời gian chuyển mạch bé hơn sẽ nhạy hơn Tuy nhiên

trong đa số các van bán dẫn thời gian chuyển mạch thường tỷ lệ nghịch với tổn hao công suất.Các van động lực được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là: dòng tải, sơ

đồ đã chọn, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc

Trước tiên, chọn chế độ làm mát cho van bán dẫn Căn cứ chế độ làm mát mà chọn

van.Sau khi chọn xong chế độ làm mát van, tính trị số định mức của van cần chọn Tra

bảng thông số van chọn được van cần thiết

3. Tính chọn Tiristor.

Triac được chọn cần thỏa mãn các yêu cầu sau :

Tải trở có công suất 100W.

Dòng điện tải It = = =0,45(A)

Chọn theo điều kiện dòng điện :

Giá trị dòng trung bình phải ứng với dòng tải của hệ thống

ITtb

≥

Ki.ITtb max

b. Chọn theo điều kiện điện áp

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên Tiristor là:

(v/s)

Rđk=(

Rđk : điện trở tương đương của mạch điều khiển

c. Tính chọn R-C bảo vệ quá áp cho Triac trong mạch động lực:

• Có 2 loại nguyên nhân gây ra quá điện áp:

+ Nguyên nhân nội tại: (xảy ra trong quá trình chuyển đổi của các van) Đây là sự tích

Các thông số R-C trong trường hợp này đã dược tối ưu hóa, bằng máy tính điện tửngười ta đã lập ra một số quan hệ cho phép ta xác định giá trị tối ưu của R và C

uP = udo = 239,03 (v)Vậy ta có:

+ Bảo vệ ngắn mạch,quá tải:

Sử dụng Aptômat (AT) để đóng cắt mạch lực, bảo vệ khi quá tải và ngắn

mạch Triac, ngắn mạch đầu ra của bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp

Trường hợp điện áp nguồn cấp không trùng với điện áp tối đa của tải, chúng ta cần có

một biến áp để phối hợp điện áp cho hợp lý, công suất biến áp ở đây được tính theo công

suất tải

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.

I. NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN:

Về nguyên lý, trong mạch điều áp xoay chiều, van bán dẫn được mắc vào lưới điện xoay chiều hoàn toàn giống như chỉnh lưu

Trường hợp mạch động lực được chọn là hai Tiristo mắc song song ngược như sơ đồ hình 3.1a, chúng ta cần có hai xung điều khiển trong mỗi chu kỳ Mạch điều khiển có thể

sử dụng sơ đồ hoàn toàn giống điều khiển trong mỗi chu kỳ Với mỗi Tiristo một mạch điều khiển độc lập Khi sử dụng sơ đồ mạch điều khiển chỉnh lưu cho điều áp xoay chiều,

có thể xuất hiện khả năng là: hai Tiristo điều khiển không đối xứng, do các linh kiện của hai mạch điều khiển không hoàn toàn giống hệt nhau

Đối với những tải cần điều khiển đối xứng, đòi hỏi hai Tiristo mở dối xứng, lúc này cần các kênh điều khiển Tiristo có góc mở càng ít khác nhau càng tốt Mong muốn là chúng hoàn toàn giống nhau Nhưng sự giống nhau này chỉ có thể đạt đến một chừng mực nào đó

Nguyên lý điều khiển Tiristo ở đây như trong điều khiển chỉnh lưu, nghĩa là ở mỗi nửachu kỳ điện áp, cần tạo điện áo tựa trùng pha điện áp nguồn cấp như hình 4.1

Trong điều khiển chỉnh lưu mỗi kênh điều khiển một nửa chu kỳ, điện áp tựa xuất hiệngián đoạn Mỗi nửa chu kỳ có một điện áp tựa đồng pha điện áp dương anot của Tiristo Điều áp xoay chiều cần có điện áp tựa liên tiếp cả hai nửa chu kỳ

Khi so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển, ở mỗi nửa chu kỳ đều có điện áp tựa bằng điện áp điều khiển trong vùng biến thiên tuyến tính của điện áp tựa (tại các điểm t1,

t2, t3, t4,… ) Kết quả là chúng ta có các xung điều khiển Xđk liên tiếp ở mỗi nửa chu kỳ

II. SƠ ĐỒ KHỐI MẠCH ĐIỀU KHIỂN.

Mạch điều khiển gồm sáu khâu Mỗi khâu đều có chức năng riêng biệt được ghép lại với nhau nhằm thực hiện nhiệm vụ chung

Sơ đồ tổng quát cho một kênh điều khiển :

1. Khâu tạo điện áp đồng pha

- Có nhiệm vụ tạo điện áp đồng bộ với điện áp lưới Từ điện áp đồng bộ này ta xácđịnh được điểm gốc để tính góc điều khiển α Ngoài nhiệm vụ đó khâu đồng bộ còn cóhai chức năng sau :

+ Giảm áp : tức là giảm điện áp lực có giá trị lớn ở đầu vào và lấy giá trị điện

áp có giá trị phù hợp để điều khiển

+ Cách ly : cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực đảm bảo an toàn cho

mạch điều khiển khi lưới có sự cố

Người ta thường thiết kế khâu đồng pha bằng biến áp xung hoặc phần tử quang

Opto

2. Khâu tạo điện áp tựa

- Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa (Uđp) dạng thích hợp sao cho trong mỗi nửa chu kỳcủa điện áp cần chỉnh lưu đều có dạng điện áp ra theo quy luật giống nhau

- Có 2 loại điện áp tựa:

+ Dạng răng cưa ( răng cưa sườn trước, răng cưa sườn sau )

+ Dạng hình sin: Dạng hình sin cho điện áp chỉnh lưu tuyến tính với điện áp điều khiển nhưng có nhược điểm là phụ thuộc vào lưới điện và bị nhiễu theo nguồn Trong

Khâu tạo điện

Áp đồng pha

Khâu khuếch đại xung

Khâu tạo dạng xung

Khâu so sánh

Khâu tạo điện

Áp tựa

Khâu tạo điện

áp điều khiển

thực tế người ta hay dùng điện áp tựa dạng hình răng cưa hơn

+ Điện áp đồng bộ khi qua khâu tạo điện áp tựa thì điện áp đó sẽ có dạng răng cưa.Đây là dạng điện áp dùng để so sánh với điện áp điều khiển

3. Khâu so sánh

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

4. Khâu tạo xung

Vì xung dương sau khối so sánh là một xung vuông có độ rộng kéo dài từ khi

xuất hiện cho đến hết nửa chu kì đang xét của điện áp chỉnh lưu, xung này chưa thíchhợp để mở thysistor Do vậy khâu tạo xung này có nhiệm vụ:

+ Chế biến xung ra thành dạng thích hợp cho việc mở thysistor ( dạng xung kim

đơn hoặc xung chùm)

+ Khuếch đại đủ công suất mở thysistor

+ Chia xung cấp cho các thysistor

5. Khâu khuyếch đại xung

Có nhiệm vụ khuyếch đại để đảm bảo về:

+ Độ lớn của xung

+ Công suất xung điều khiển

+ Cách ly mạch lực với mạch điều khiển

6 Khâu tạo điện áp điều khiển

- Đây là một khâu rất quan trọng trong mạch điều khiển Nó tạo ra điện áp điều

khiển để so sánh với điện áp tựa Khâu tạo điện áp điều khiển còn có nhiệm vụ

ngắt mạch khi trong mạch xảy ra sự cố ngắn mạch

III. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ:

Hiện nay, mạch điều khiển chỉnh lưu thường được thiết kế theo nguyên tắc thẳng đứngtuyến tính như giới thiệu trên