bộ chỉnh luu cầu 1 pha điều khiển

ĐTCS đã giúp cho việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả, các linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong quá trình biến đổi cũng như điều khiển công suất: hiệu quả cao và tổn hao th

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

Chương 1: Khái quát về chỉnh lưu 3

1.1 Các vấn đề chung về chỉnh lưu 3

1.1.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu 3

1.1.2 Phân loại 4

1.1.3 Các tham số cơ bản của mạch chỉnh lưu 4

1.2 Một số mạch chỉnh lưu 5

1.2.1 Chỉnh lưu hình tia hai pha 6

1.2.2 Chỉnh lưu cầu một pha 7

1.2.3 Chỉnh lưu hình tia ba pha 8

1.2.4 Chỉnh lưu cầu 3 pha 10

1.2.5 Chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển 12

1.2.6 Chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển 13

Chương 2: Tính toán mạch công suất 16

2.1 Tính toán các tham số 16

2.2 Chọn van bán dẫn 17

Chương 3: Mô phỏng trên matlab 18

3.1 Sơ đồ mạch 18

3.1.1 Khối nguồn 18

3.1.2 Khối mạch lực 19

3.1.3 Khối phát xung 20

3.1.4 Khối hiện thị 20

3.2 Kết quả mô phỏng 21

Kết luận 23

Tài liệu tham khảo 24

1

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay rất nhiều thiết bị biến đổi công suất được đề xuất để phục vụ những yêu cầu ngày càng cao của cuộc sống ĐTCS đã giúp cho việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả, các linh kiện điện tử công suất được sử dụng trong quá trình biến đổi cũng như điều khiển công suất: hiệu quả cao và tổn hao thấp trong lò cao tần, truyền tải điện DC Các thiết bị ĐTCS mới hiện nay được cải tiến phát triển để nâng cao hiệu suất hơn nữa việc sử dụng năng lượng

ĐTCS đóng vai trò quan trọng trong các mô hình công nghệ và được thiết kế để điều khiển năng lượng Dòng điện điện áp và đặc tính đóng ngắt của các linh kiện bán dẫn liên tục được hoàn thiện, phạm vi ứng dụng ngày càng được mở rộng như trong chiếu sáng, bộ nguồn, điều khiển động cơ, tự động hóa công nghiệp, giao thông, lưu trữ năng lượng, truyền tải điện đi xa Hiệu suất cao và đặc điểm điều khiển chặt chẽ đã giúp cho ĐTCS có lợi thế hơn nhiều trong điều khiển động cơ so với các hệ thống điều khiển cơ điện và điện tử trước đây Ngoài ra ĐTCS còn được ứng dụng trong truyền tải điện DC (VHDC), trạm biến đổi công suất, hệ thống truyền tải AC mềm dẻo flexible ac transmission system (FACTS), và bù công suất static-var compensators (SVC) Trong truyền tải sử dụng biến đổi DC/AC, bộ lọc tích cực, biến đổi tần số

Cuộc cách mạng đầu tiên trong ĐTCS bắt đầu vào năm 1948 với việc phát minh ra silicon transistor tại phòng thí nghiệm Bell Telephone Laboratories bởi Bardeen, Bratain, and Schockley Phần lớn công nghệ điện tử tiên tiến ngày nay dựa trên phát minh này, các mô hình microelectronics cũng được phát triển từ linh kiện bán dẫn này Cuộc cách mạng thứ hai bắt đầu với việc phát triển của Thyristor trong công nghiệp bởi hãng General Electric Company vào năm 1958 Đây là khởi đầu của kỷ nguyên mới của ĐTCS Từ đó đến nay có rất nhiều các linh kiện bán dẫn cũng như công nghệ biến đổi được đề xuất và ứng dụng

Sử dụng các bộ biến đổi công suất trong hệ thống điện, trong giao thông, trong luyện kim cũng như các lĩnh vực công nghiệp khác đã tạo đà phát triển kinh tế rất lớn Ví dụ ở Mỹ hiện nay có 70% năng lượng điện sử dụng được biến đổi từ các bộ biến đổi công suất Kỹ thuật biến đổi là ngành khoa học trẻ và đã đạt được thành công rất lớn, tuy nhiên ngày càng nhiều bài toán được đặt ra ở phía trước, nó đòi hởi sự phát triển hơn nữa cả về lý thuyết lẫn thực tế kỹ thuật biến đổi

Chương 1: Khái quát về chỉnh lưu

1.1 Các vấn đề chung về chỉnh lưu

1.1.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều

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

đồ cấu trúc thường của mạch chỉnh lưu như trên hình 1

Hình 1 Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu

Trong sơ đồ có máy biến áp làm hai nhiệm vụ chính là:

thích hợp với yêu cầu của tải Tùy theo tải mà máy biến áp có thẻ tằng áp hoặc giảm áp

b Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu của mạch van Thông thường số pha của lưới lơn nhất là 3 pha Song mạch van có thể cần số pha là 6,12,…

Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện và mạch van đòi hỏi số pha như lưới điện thì có thể bỏ máy biến áp

Mạch van ở đây là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách nào đó

để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu

3

Mạch lọc nhằm đảm bảo điện áp(hoặc dòng điện) một chiều theo cấp cho tải là bằng phẳng theo yêu cầu.

1.1.2 Phân loại

Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây:

1 Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: một pha, hai pha, ba pha,

6 pha,…

2 Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch

Hiện nay chủ yếu dùng hai loại van là điôt và tiristo, vì thế có ba loại mạch sau:

 Mạch van dùng toàn tiristo, gọi là chỉnh lưu điều khiển

 Mạch van dùng cả hai loại điôt và tiristo, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển

3 Phân loại theo sơ đồ mắc van với nhau Có hai kiểu mắc van:

a) Sơ đồ hinh tia: Ở sơ đồ này số lượng van sẽ bằng số pha nguồn cấp cho mạch van Tất cả các van đều đấu chung một đầu nào đó với nhau hoặc catôt chung, hoặc anôt chung

b) Sơ đồ cầu: Ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van Trong đó một nửa số van mắc chung nhau catôt , nửa kia lại mắc chung nhau anôt

Như vậy: Khi gọi một mạch chỉnh lưu người ta dùng ba dấu hiệu trên để chỉ cụ thểmạch đó Thí dụ chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển, có nghĩa là mạch chỉnh lưu này dùng kiểu mắc van theo sơ đồ cầu, nguồn cấp cho mạch van là ba pha, và dùng

6 van có cả điôt và tiristo

1.1.3 Các tham số cơ bản của mạch chỉnh lưu

Các tham số này dùng để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật trong phân tích hoặc thiết kế mạch chỉnh lưu, gồm có ba nhóm tham số chính như dưới đây:

Itbv-giá trị trung bình của dòng điện chảy qua 1 van của mạch van

Ungmax-điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc

S1 U I1 1 (1.4)

2 1 2 2

m

i i i



(1.5)Các giá trị U1,I1,U2i, I2i là trị số hiệu dụng của điện áp và dòng điện phía sơ cấp và thứ cấp máy biến áp Do phía thứ cấp có nhiều cuộn dây, nên phải tổng cộng công suất của tất cả m cuộn dây

5 (1.2)

1.2 Một số mạch chỉnh lưu

1.2.1 Chỉnh lưu hình tia hai pha

a) b)

Hình 2: Chỉnh lưu hình tia 2 pha

Ở mạch này các điôt Đ1, Đ2 đấu theo kiểu catôt chung, vì vậy chúng sẽ làm việc theo luật dẫn 1 trong đó anôt của điôt Đ1 nối với U2’, còn anôt của điôt Đ2 nối với điện áp U2” Vì vậy trong khoảng(0÷2π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong ), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong khoảng(π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong ÷2π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong ) thì điôt Đ2 dẫn do U2”>U2’ Do đó điện áp chỉnh lưu Ud sẽ có hai dạng ở hình 2.b với

Ud=U2’ ở 0÷2π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong

Ud=U2” ở π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong ÷2π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong

Theo đồ thị Ud(θ) ta thấy dạng Ud có hai đoạn giống nhau, tức chu ky lặp lại của Ud

chỉ là π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong mà không phải 2π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong nên:

d d

d

U I

R



Dòng trung bình qua van:

2

d tbv

I

(1.7) Mạch chỉnh lưu này được sử dụng nhiều trong dải công suất nhỏ đến vài Kw nó thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp vì sụt áp trên đường tải chỉ có một van

1.2.2 Chỉnh lưu cầu một pha

a) b)

Hình 3 Chỉnh lưu cầu một pha

lấy trực tiếp từ lưới điện hoặc thông qua biến áp

Trong nửa chu kỳ đầu: (0÷π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong ), điện áp U2>0 với cực tính không trong ngoặc trên sơ

đồ Ta thấy với nhóm anôt chung Đ1Đ3 thì anôt Đ1là dương hơn anôt Đ3 vì vậy Đ=

sẽ dẫn Còn nhóm Đ2Đ4 thì catôt Đ2 âm hơn catôt Đ4 vì vậy Đ2 dẫn

7

Như vậy nửa chu kỳ đầu Đ1Đ2 dẫn Tương tự trong nửa chu kỳ sau (π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong ÷2π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong ) điện áp U2<0 với cực tính đảo lại( trong dấu ngoặc) Nên Đ3Đ4 dẫn còn Đ1Đ2 khóa.

U I R





(1.8)Dòng điện qua mỗi điôt cũng chỉ tồn tại trong một nửa chu kỳ do đó:

2

d tbv

I

I 

Điện áp ngược: Ungmax  2 U2

(1.9)Chỉnh lưu cầu một pha được sử dụng rộng rãi trong thực tế, nhất là với cấp điện áp

ra từ 10V trở lên Dòng tải có thể lên tới một tram ampe

a)

Hình 4: Chỉnh lưu hình tia ba pha

Mạch van gồm ba điôt Đ1Đ2Đ3 mắc thành một nhóm (hình 4.a), ở đây là kiểu catốt chung, do vậy chúng sẽ hoạt động theo luật dẫn 1 Điện áp xoay chiều đưa vào mạch van là nguồn ba pha đối xứng Ua, Ub, Uc. Theo sơ đồ ta thấy anốt Đ1 đấu với

Ua, anốt Đ2 đấu với Ub, anốt Đ3 đấu với Uc Vì thế:

Trong khoảng θ1÷ θ2( tức từ 30°÷150°), iện áp Uđiện áp U a<Ub, Uc nên iôt điện áp U Đ1 dẫn, suy

U I

3

d tbv

I

I 

(2.1)Điện áp ngược trên van là điện áp dây cực đại:

U ngmax U dmax  6U2 (2.2)

Chỉnh lưu hình tia ba pha có đặc điểm tương tự chỉnh lưu hình tia hai pha

1.2.4 Chỉnh lưu cầu 3 pha

Mạch gồm 2 nhóm, các điôt Đ1, Đ3, Đ5 đấu kiểu catôt chung(Hình 5), nên hoạt độngtheo luận dẫn 1, vì thế: Đ1 dẫn trong khoảng θ1÷ θ3 khi Ua dương nhất, Đ3 dẫn trongkhoảng θ3÷ θ5 khi Ub dương nhất, Đ5 dẫn trong khoảng θ5÷ θ7 khi Uc dương nhất

Các điôt Đ2, Đ4, Đ6 đấu kiểu atôt chung nên:

Đ2 dẫn trong khoảng θ2÷ θ4 khi Uc âm nhất

Đ4 dẫn trong khoảng θ4÷ θ6 khi Ua âm nhất

Đ6 dẫn trong khoảng θ6÷ θ8 khi Ub âm nhất

b)

Hình 5: Chỉnh lưu cầu ba pha

Điện áp trung bình nhận được trên tải:

11

Hình 6: Chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển

Nhóm catôt chung là các tiristo nên chung được mở ở các thời điểm α của nó Nhóm anôt chung là các van điôt nên chúng luôn mở tự nhiên theo điện áp nguồn:

Đ1 mở khi U2 bắt đầu âm, Đ2 mở khi U2 bắt đầu dương Do vậy sự dẫn của các van trong chu kỳ lưới là:

Trong khoảng π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong +(π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong +α): T1Đ1 dẫn θ1 mở tự nhiên làm θ2 khóa

Trong khoảng (π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong +α)+2 π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong : T2Đ1 dẫn T2 điện áp Uược phát xung mở ở iểm điện áp U (π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong +α) và dẫn làm T1 khóa

Trong khoảng 2π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong +(2π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong +α): T2Đ2 dẫn, Đ2 mở tự nhiên ở điểm 2π), điôt Đ1 dẫn do U2’<U2” Còn trong

d

U I

R





(2.5) Trị số trung bình của dòng qua van dẫn: Id/2

1.2.6 Chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển

a)

13

b)

Hình 7: Chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển

Ưu điểm: là có thể điều khiển các thyristor một cách trực tiếp mà không cần cách

ly bằng biến áp xung Điều đó có thể áp dụng nếu như sơ đồ làm vịêc với điện ápthấp, ví dụ như một nguồn hàn hồ quang một chiều Với sơ đồ này có ưu thế làdùng ít van tuy nhiên nhược điểm của các sơ đồ này là số lần dập mạch của điện

áp chỉnh lưu phụ thuộc vào góc điều khiển 

Công thức tính toán :

- Điện áp chỉnh lưu nhận được :

Ud= 3 √ 6

2 Π U2( 1+Cosα )=1,17U2( 1+Cosα ) =2,34 1+cos α2

- Điện áp ngược đặt lên van :

Ungmax= √ 6U2=2,45U2

- Dòng điện trung bình qua tải :

Chương 2: Tính toán mạch công suất

2.1 Tính toán các tham số

Thông số chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển:

Ta lựa chọn mạch điều khiển là mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển với

thyristo đấu katôt chung

Hình 8: Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển

5000

45, 45( )110

Chương 3: Mô phỏng trên matlab

3.1 Sơ đồ mạch

3.1.1 Khối nguồn

3.1.2 Khối mạch lực

19

3.1.3 Khối phát xung

3.1.4 Khối hiện thị

3.2 Kết quả mô phỏng

Hình 9: Scope hiện thị UAC, XUNG, UDC, IDC

21

Hình 10: Scope1 hiện thị UAC, IAC, UT1, IT1

Kết luận

- Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Đặng Hồng Hải và sự giúp đỡ của các bạn, em đã hoàn thành xong BTL này Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót mong thầy và các bạn góp ý để BTL này được hoàn chỉnh hơn

- Em xin chân thành cám ơn thầy!

23

Tài liệu tham khảo

1) Phạm Quốc Hải Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2009

2) Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2004

3) Giáo trình Điện tử công suất, nhà xuất bản giáo dục