Thiết kế bộ điều khiển chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn nguồn 24v, tần số 50hz, tải trở r=27omh,25w ( hoặc tự chọn nguồn, tải thích hợp) ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều

Lời nói đầu Ngày nay điện tử công suất là ngành không thể thiếu được trong nền công nghiệp đangtừng bước hiện đại hóa của nước ta và trên thế giới.Chính vì vậy môn học “điện tử công suất

Lời nói đầu

Ngày nay điện tử công suất là ngành không thể thiếu được trong nền công nghiệp đangtừng bước hiện đại hóa của nước ta và trên thế giới.Chính vì vậy môn học “điện tử công suất

” đã được đưa vào giảng dạy ở tất cả các trường đại học kĩ thuật có khối chuyên ngànhđiện.Trong thời gian theo học trường Đại học Điện Lực chúng em có may mắn được học vàđược các thầy trong nhóm bộ môn điện tử công suất hướng dẫn đồ án điện tứ công suất Môn đồ án điện tử công suất đã đem đến cho chúng em thêm những hiểu biết thực tế

để có thể tự mình thiết kế 1 bộ biến đổi điện tử công suất.Nhóm chúng em được nhận đồ ánvới đề tài: “ Thiết kế bộ điều khiển chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn Nguồn 24v,tần số 50Hz, tải trở R=27omh,25W ( hoặc tự chọn nguồn, tải thích hợp) Ứng dụng điềukhiển tốc độ động cơ 1 chiều”

Có thể nói đây là 1 lĩnh vực rất quan trọng trong ngành điện tử công suất bởi động cơ

1 chiều đang là 1 thiết bị hết sức quan trọng không thể thiếu trong nền công nghiệp hiệnnay.Em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Điệp đã tận tình chỉ bảo để em có thể hoànthành bản đồ án này

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

Lời nói đầu 1

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ CHỈNH LƯU 3

1.1 Khái niệm, cấu trúc , phân loại mạch chỉnh lưu 3

1.2 Giới thiệu về van Thysistor 5

1.3 Phân tích một số mạch chỉnh lưu 1 pha , ứng dụng nó vào thực tế 6

1.4 Phân tích hiện tượng trùng dẫn của mạch 11

CHƯƠNG 2 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC 14

2.1 Tính chọn van cho mạch lực 14

2.2 Tính toán máy biến áp 15

2.3 Tính toán các thiết bị bảo vệ mạch lực 15

2.3.1 Bảo vệ quá dòng 15

2.3.2 Bảo vệ quá áp cho van điều khiển 16

2.4 Tính toán Bộ Lọc 16

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 18

3.1 Sơ đồ khối của mạch điều khiển 18

3.2 Thiết kế mạch điều khiển 19

3.2.1 Khâu đồng pha và tạo điện áp đồng bộ 19

3.2.2 Khâu tạo điện áp răng cưa 20

3.2.3 Khâu so sánh 22

3.2.4 Khâu tạo xung chùm 23

3.2.5 Bộ trộn xung 24

3.2.6 Khuếch đại xung 25

CHƯƠNG 4 : ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 28

4.1Cấu tạo chung của động cơ điện một chiều: 28

4.2 Đặc tính cơ động cơ điện một chiều 30

CHƯƠNG 5 : MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN 33

5.1 Sơ đồ 33

5.2 Đồ thị 35

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU VỀ CHỈNH LƯU

a) Khái niệm : Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành

năng lượng điện một chiều

b) Cấu trúc :

Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế , có

sơ đồ cấu trúc như hình trên , trong sơ đồ có máy biến áp làm 2 nhiệm vụ chính là :

 Chuyển đổi điện áp lưới U1 sang điện áp U2 , thích hợp với yêu cầu của tải

 Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha tùy thuộc yêu cầu của mạch lực

Trong trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện và mạch van đòihỏi số pha như lưới điện thì có thể bỏ qua máy biến áp

Mạch van ở đấy là mạch van bán dẫn được mắc theo một cách nào đó để có thể tiếnhành quá trình chỉnh lưu

Mạch lọc nhàm đảm bảo điện áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải có hệ sốđập mạch đúng yêu cầu

c) Phân loại : Chỉnh lưu được chia theo một số cách như sau

 Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: có một pha, hai pha , ba pha , 6pha .v.v

 Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch van : hiện tại chủ yếu dùng 2 loại van làDiode và Thysistor :

 Chỉnh lưu không điều khiển (mạch dùng toàn Diode)

 Chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn (mạch dùng toàn Thysistor)

 Chỉnh lưu bán điều khiển (kết hợp cả Diode với Thysistor)

 Phân loại theo sơ đồ mắc các van với nhau có cầu , tia

Các mạch chỉnh lưu không điều khiển

Các mạch chỉnh lưu điều khiển

1.2 Giới thiệu về van Thysistor

a) Cấu tạo : Thysistor là phấn tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dân p-n-p-n, tạo ra ba

tiếp giáp p-n Thysistor có ba cực : anot A, katot K , và cực điều khiển G được biểudiển như hình vẽ

b) Kí hiệu T

c) Đặc tính vôn – ampe của Thysistor

Hiện tượng đóng mạch xảy ra khi : Thysistor đặt ở trạng thái khóa áp thuận (có nghĩa

là UAK>0) Và khi có xung IGK > 0 đặt vào cổng GK Mạch tương đương 2 transistor mắc

đối Collector và Base vơi nhau , Xung Ig làm 2 tran bảo hòa nhanh chóng , khi Thysistor đãdẫn thì trạng thái nó tương đương Diode , nên dòng Ig không cần thiết nữa Hiện tượng ngắtmạch gồm 2 giai đoạn :

 Giai đoạn 1 giai đoạn làm dòng thuận bị triệt tiêu bằng cách thay đổi điện trở hoặcđấu điện áp âm vào

 Giai đoạn 2 là giai đoạn phục hồi tính năng khóa của Thysistor , Thysistor cần có 1thời gian t ph an toàn để phục hồi tính năng đóng mở của mình

a) Chỉnh lưu 1pha , 1 nữa chu kì , không điều khiển , tải trở

Nhìn chung , mạch chỉnh lưu này có các chỉ tiêu kĩ thuật thấp nên chỉ thích hợp với tải nhỏ(đến một vài ampe)

b) Chỉnh lưu một pha 2 nữa chu kì có điểm giữa , tải trở

Mạch chỉnh lưu này được sử dụng nhiều trong dải công suất nhỏ đến vài KW, nó thích hợpvới chỉnh lưu điện áp thấp vì sụt áp trên đường ra tải chỉ có một van Nhược điểm của mạch

là bắt buộc phải có biến áp biến đổi số pha Hơn nữa một số thông số về độ đập mạch làkhông tốt

c) chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển

Chỉnh lưu cầu một pha được sử dụng rộng rãi trong thực tế , nhất là điện áp trên 10V , dòngtải có thể lớn đến một vài trăm ampe, Ưu điểm cảu mạch là có thể không dùng máy biến áp ,Nhược điểm là hai diode tham gia vào quá trình dẫn dòng ra tải , như vậy sụt áp trên 2 van làlớn , không thích hợp cho tải yêu cầu áp dưới 10V mà dòng tải lại lớn

d) Phân tích mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn( yêu cầu bài toán) , với các tải khác nhau

Đồ thị , dòng điện , điện áp trên tải , giả sử góc điều khiển bằng 300 như sau :

Nhận xét , tại thời điểm 300 mới có xung mở van , nên điện áp trên tải mới có , với tải thuầntrở , dòng điện trên tải cùng pha với điện áp , hai van T2, T1, dẫn cùng với nhau ở nữa chu

kì dương , hai van T3,T4 cùng dẫn ở nữa chu kì âm

 Với tải RL , góc mở 30 0 , giá trị L = 6mH, R=2Ω), chế độ dòng liên tục

Đồ thị điện áp , dòng điện thu được trên tải như sau

 Với L=0.6mH, R=2Ω) , chế độ dòng trên tải là gián đoạn

Khi nguồn điện không là lý tưởng , thì ngay trên nguồn tồn tại La ≠0 , chính giá trịcủa La làm cho tồn tại 1 góc trùng dẫn , mà tại thời điểm này các van cùng dẫn , trong giaiđoạn chuyển mạch trùng dẫn điện áp biến thiên theo quy luật bằng trung bình các điện áppha nguồn có van tham gia chuyển mạch , với chỉnh lưu cầu 1 pha thì ta thầy U2 = - U2’nên điện áp trên tải lúc này sẽ bằng không , La càng lớn thì khoảng bằng 0 càng lâu , nhìnvào đồ thị dưới đây ta sẽ thấy

 Với tải RLE (R= 2Ω),L=+∞, E=120V,α=30 0 )

Đồ thị điện áp ra tải , dòng điện trên các van T1, T2, T3, T4 như hình dưới

Với α=1250 , E = -120V, thấy ngay mạch ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc , điện áp trêntải chủ yếu là phần âm , được kết quả thu được như hình vẽ sau (mạch có tính tới hiện tượngtrùng dẫn)

Ở chế độ nghịch lưu , khi α>900, để có Udα <0 , và nhận năng lượng ; E <0 có chiềutrùng với chiều dòng id để trở thành nguồn phát năng lượng, điện áp Ud chủ yếu ở giai đoạn

âm , cần đặc biệt chú ý ở thời gian phục hồi tính chất khóa của van , là khoảng thời gian điện

áp âm sau khi van khóa

Với yêu cầu của đề tài như sau :

Đề tài:

 Thiết kế bộ điều khiển chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn Nguồn 24V,tần số 50Hz, tải trở R=27Ω,25W ( hoặc tự chọn nguồn, tải thích hợp)

 Ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều

Ta chọn tải và nguồn thích ứng để phù hợp với yêu cầu của đề tài như sau :

 Từ yêu cầu bài toán :Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàntoàn , tải thuần trở Nguồn 220VAC/50Hz, Yêu cầu Ud(30-99)V, Id =8A, kđm =0,05

 Tải động cơ điện một chiều công suất 792W

Ta thấy chọn như vậy sẽ thích hợp với mạch chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn cầu mộtpha , vì đối với tải với công suất < 5kW người ta thường dùng mạch chỉnh lưu cầu một pha

CHƯƠNG 2 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC

Từ yêu cầu bài toán :Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn , tảithuần trở Nguồn 220VAC/50Hz, Yêu cầu Ud(30-99)V, Id =8A, kđm = 0,05

Phân tích : Công suất đưa ra tải khá nhỏ Pd = 99× 8 = 792(W) và cần điều chỉnh điện áp ra ,nêu cần dùng chỉnh lưu có điều khiển loại 1 pha là thích hợp nhất

+ Điện áp Ud đưa ra tải nói chung là thấp hơn điện áp lưới (bé hơn 2 lần ) , tốt nhất nên cómáy biến áp , để tăng khả năng điều khiển (độ phân giải )

+ Hệ số đập mạch yêu cầu đầu ra là kđm= 0,05 , so với yêu cầu là dùng chỉnh lưu cầu 1 pha

có điều khiển kđm= 0,67 , do đó cần có bộ lọc , với dòng tải yêu cầu không lớn , có thể dùnglọc tụ hoặc lọc LC kết hợp , điều này phải tính toán cụ thể chúng ta mới biết được

2.1 Tính chọn van cho mạch lực

Thông số cần quan tâm khi chọn van là điện áp và dòng điện , nên chọn các van có càng bé càng tốt , dòng điện rò trên van càng nhỏ càng tốt , nhiệt độ cho phép càng lớncàng tốt ,công suất điều khiển càng bé càng tốt ,…

Điện áp ngược trên van được tính :

Ungmax = Ulv = knv U2 với U2 = Ud/ku => Ulv knv Ud

ku



Trong đó knv là hệ số điện áp ngược , ku là hệ số điện áp tải

Đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha ta có :

knv= 2, ku =0,9 => Ungmax = 2×99 : 0,9 = 155,56(V)

Dòng điện cực đại trên van:

Ilv = Id / 2 = 4 (A) do một nhóm van chỉ dẫn 1/2 chu kì

Hệ số dự trữ điện áp , dòng điện cho van , hệ số dự trữ điện áp kdtU = (1,6 - 2), với dòng điện

bé (<100A), tải ổn định , không chịu quá tải nhiều kdtI = (1,2 – 1,4 )

Nên ta có Ungmaxthucte = Ungmax × kdtU = 155,56 × 1,8 = 280,01 (V)

Ilvmaxthucte = Ilv × kdtI = 4 × 1,3 = 5,2(A)

Từ những số liệu vừa tính toán được ta chọn 4 thysistor có thông số như sau 16RCF30A cócác thông số như sau : UnMax(V) (U ngược max)

Iđmmax (A) (I định mức max) Ipickmax(A)(I đỉnh max)

Ig - Dòng điện xung điều khiển Ug - Điện áp xung điều khiển

‡U - Sụt áp trên Tiristor ở trạng thái dẫn Tmax - Nhiệt độ làm việc

cực đại

2.2 Tính toán máy biến áp

Điện áp chỉnh lưu không tải Udo = Ud + Uv + Uba + Udn

Trong đó:

 Ud - điện áp chỉnh lưu;

 ‡Uv- sụt áp trên các van (trị số này được lấy từ các thông số của các van đã chọn ởtrên) ;

 ‡Uba = ‡U r + ‡Ul - sụt áp bên trong biến áp khi có tải, bao gồm sụt áp trên điện trở

‡Ur và sụt áp trên điện cảm ‡Ul những đại lượng này khi chọn sơ bộ vào khoảng (5tới 10)%

 ‡Udn = Rdn.Id =(ρ.l/S).Id xem như rất nhỏ

 Udo = 99+2×2,3 + 0,05Udo => Udo= 109,05V

Công suất tối đa với tải chỉnh lưu P max = Udo × Id = 109,05 × 8 = 872,4(W)

Công suất biểu kiến biến áp nguồn được tính Sba = ks × Pmax = 1,23 × 872,4 = 1073,07 (W)

2.3 Tính toán các thiết bị bảo vệ mạch lực

2.3.1 Bảo vệ quá dòng

 Dòng sau biến áp I2 = Id × 1,11 = 8 × 1.11 = 8,9(A)

 có thể dùng cầu chì hoặc aptomat để bảo vệ Iap= kdt × I2 = 1,1 × 8,9 = 9.79A Chọnloại aptomat chịu dòng 10A

 Đối với van điều khiển ta dùng cầu chì , mục đích rẻ và tác động nhanh

Icc  Ilvmaxthucte = 5,2 (A)

2.3.2 Bảo vệ quá áp cho van điều khiển

Các van bán dẫn rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp và những yếu tố ảnh hưởng lớnnhất tới điện áp van bán dẫn đó là:

- Điện áp đặt vào van vượt quá thông số của van

- Xung điện áp do chuyển mạch của van

- Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều do khi cắt tải có điện cảm trên đường dây

- Xung điện áp do cắt đột ngột máy biến áp non tải nhưng ở đây em không dùng máy

biến áp nên không tính toán đến nguyên nhân này

Như vậy trước hết ta phải chọn các van có trị số được chọn lớn hơn trị số tính đượctrường hợp không có van có điện áp lớn hơn ta mắc nối tiếp các van trong trường hợp này ta

đã chọn được van nên không tính đến phương án này, để bảo vệ các van bán dẫn trongtrường hợp xung điện áp do chuyển mạch của van ta dùng mạch R – C mắc song song vớivan bán dẫn sơ đồ đơn giản của loại này là:

Chọn theo kinh nghiệm thực tế thì điện trở R1 = chục đến trăm Ohm Tụ C1 chọn từ0,1µF tới 2µF , phải có đồ thị đặc tính cụ thể của van mới tính chọn đươc chính xác

2.4 Tính toán Bộ Lọc

Mục đích của việc tính toán bộ lọc là xác định các trị số cần thiết của điện cảm tụđiện lọc sao cho thỏa mản hệ số kđm thỏa mản yêu cầu , các cuộn cảm thì mình phải tự quấndây nên có được thông số chính xác rất là khó khăn , với tải là thuần trở Rd=Ud/Id = 99/8

=12,4Ω là nhỏ nên ta chỉ cần dùng bộ lọc bằng tụ điện C , tụ được đấu song song với điện

I định mức max 35A

Ug - Điện áp xungđiều khiển 2V

Ig - Dòng điện xungđiều khiển 40mA

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Nhiệm vụ của mạch điều khiển:

 Phát xung điều khiển cho các van đúng thời điểm và đúng góc α cần thiết

 Dạng cung để điểu khiển cho van là xung chùm

 Đảm bảo phân phối xung điều khiển cấp cho các van đúng thời điểm , không để xảy

ra ngắn mạch sự cố có thể phá hủy van

 Phát xung điều khiển có tần số lớn và có thể khuếch đại công suất xung điều khiển đểđảm bảo đù dòng mở van

Yêu cầu của mạch điều khiển.

 Đảm bảo phạm vi điều chỉnh trong khoảng αmin ÷ αmax và tính đối xứng của xung điềukhiển (các van có sai lệch giá trị α<10 ÷ 30 )

 Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả vềgiá trị điện áp và tần số

3.2 Thiết kế mạch điều khiển.

3.2.1 Khâu đồng pha và tạo điện áp đồng bộ.

 Khâu điện áp đồng pha Udf thực chất là mạch chỉnh lưu diode hình tia 2 pha

 Khâu đồng bộ thực hiện bằng khuếch đại thuật toán OP1

 Điện áp đồng pha được đưa vào cửa dương của khuếch đại thuật toán là

1 0

Với U1 là điện áp nguồn đấu tam giác Do đó điện áp đồng pha cùng pha với

điện áp đặt lên van lực

 Chọn khuếch đại thuật toán

o Ta chọn loại LM301A có các thông số:

du/dt = 10 (V/µs) Zra = 75 Ω

Điện áp rơi là 1,9 V

o Chọn nguồn cung cấp cho OPAM là 12V Do đó Ubh = 12 – 1,9 =10,1 (V)

 Chọn diode Ungmax = 2 Udp =

2 Diode chọn loại 1N4002 có các hệ số Itb= 1A Ungmax = 100V

3.2.2 Khâu tạo điện áp răng cưa.

a, Chức năng: Khâu này sẽ hoạt động theo nhịp của khâu đồng pha và tạo nên điện áp có

3 1

Điện áp tăng tuyến tính với độ dốc cao cho đến Uz1 thì ngừng

 Khi Udb >0 , D3 khóa lại chỉ còn nguồn E tham gia vào mạch, tương tự điện áp giảmtuyến tính theo phương trình:

Điều chỉnh VR2 có thể đưa Urc về 0 khi vừa hết nửa chu kỳ

( Đoạn Udb < 0 càng ngắn thì dạng Urc càng giống tam giác vuông )

o Chọn diode loại 1N4002 và OPAM loại LM301A như trên.

o Nguồn cung cấp cho OPAM là 12 (V) và 0(V)

 Chọn diode Zenner BZX79A10 có UZ = 10V

 Tính chọn R3 ,R4 ,VR2 , C1

o Khi điện áp Udb âm thì Ura tăng tuyến tính đến gián trị của diode Zenner và khi

Udb dương thì Ura giảm tuyến tình Ta sẽ chọn C, R4 + VR2 sao cho quá trìnhgiảm này sẽ giảm về 0 khi Udb chuyển trạng thái từ dương sang âm

o Đoạn Udb dương tương ứng với 170

3.2.3 Khâu so sánh.

a, Chức năng.

 So sánh 2 điện áp răng cưa và điện áp điều khiển với nhau

 Điểm cân bằng giữa chúng chính là điểm xác định góc α

b, Nguyên lý.

Điện áp răng cưa V2 được đưa vào cửa đảo của OA3 để so sánh với điện áp điều khiển (Uđk)

ở cửa không đảo của OA3

- Khi URC>Uđk, điện áp ở đầu ra của OA3 (u4) có dạng xung âm hình chữ nhật

- Khi URC>Udk, u4 có dạng xung dương hình chữ nhật

3.2.4 Khâu tạo xung chùm.

o Chọn tần số của xung chùm là 10kHz thì chu kỳ của xung là T= 10-4 (s)

o Chọn R1 = R2 = 9,1 kΩ

o Chọn C = 10nF chọn tụ C2 = 100nF