đồ án chỉnh lưu động cơ điều khiển

đồ án chỉnh lưu động cơ điều khiển

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT THEO SƠ

ĐỒ THIẾT KẾ TRONG ĐỒ ÁN

 Các vấn đề chung về bộ biến đổi công suất yêu cầu:

Mạch chỉnh lưu có công dụng chuyển đổi điện AC thành điện DC Trong công nghiệp còn sử dụng mạch chỉnh lưu có điều khiển để làm thay đổi công suất của tải theo yêu cầu Mạch chỉnh lưu có điều khiển thường áp dụng cách thay đổi góc kích của SCR và được ứng dụng để điều chỉnh tự động cho các

mạch sau: Nạp accu, hàn điện, mạ điện, điện phân, điều khiển động cơ DC,

truyền động điện …

Tuy trong công nghiệp đôi khi còn sửdụng các mạch chỉnh lưu không có điều khiển ( Diode ), nhưng trường hợp này có thể được xem là trường hợp của SCR với góc kích được điều khiển bằng 0 độ

Nói đến chỉnh lưu là nói đến giá trị điện DC, tức là quan tâm đến giá trị trung bình của các đại lượng điện của chúng Tuy nhiên ta cũng cần quan tâm đến đại lượng hiệu dụng để so sánh và ứng dụng trong việc điều khiển tải AC

1 Sơ đồ cầu một pha:

Chỉnh lưu cầu một pha trong lĩnh vực điện tử công suất, ta chỉ quan tâm đến

sơ đồ mạch và phương pháp điều khiển Việc tính toán hoàn toàn thực hiện giống như mạch chỉnh lưu dạng cầu, và nếu chúng ta bỏ qua các giá trị của dòng

áp trên linh kiện chỉnh lưu ( Diode hay SCR ) thì hoàn toàn có thể sử dụng các công thức tính toán của mạch toàn kỳ Chỉ khác trong khi tính toán các đại

lượng điện đặt lên các linh kiện.

Có hai cách đấu mạch van: sơ đồ Thyristor mắc catot chung và sơ đồ Thyristor mắc thẳng hàng.

 Chỉnh lưu cầu bán điều khiển Thyristor mắc catot chung

Nhóm catot chung là các Thyristor nên chúng được mở ở các thời điểm α

của nó Nhóm anot chung là van diode 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 α →Π: T1 Đ2 dẫn ud = u2

+Trong khoảng Π→(Π +α): T1 Đ1 dẫn, do ở Π Đ1 mở tự nhiên làm Đ2 khóa: ud = 0

+Trong khoảng(Π+α)→2Π: T2 Đ1 dẫn, T2 được phát xung mở ở điểm (Π+α) và dẫn làm cho T1 khóa ud = -u2

+Trong khoảng 2Π→(2Π+α): T2 Đ2 dẫn, Đ2 mở tự nhiên ở điểm 2Πlàm cho Đ1 khóa ud = 0

Qua đây ta thấy có hai đoạn có hiện tượng dẫn thẳng hàng của hai van: T1 Đ1 và T2 Đ2, do đó ở những đoạn này tải bị ngắn mạch nên ud= 0 (các đoạn còn lại ud bám theo điện áp nguồn) Như vậy dòng Id vẫn liên tục, song dòng i2 đi đứt đoạn do dòng tải Id chảy quẳn qua hai van thẳng hàng mà không về nguồn Điều này là có lợi về khía cạnh năng lượng, vì năng lượng không bị trả về nguồn

mà giữ lại trong tải.

Chỉnh lưu bán điều khiển có thyristor đấu catot chung và đồ thi

Dạng điện áp ud trở lại giống như chỉnh lưu điều khiển với tải thuần trở, do vậy quy luật ud là:

d

U I

 Cấu tạo và ký hiệu của diode

- Cấu tạo: Diode bán dẫn là loại linh kiện bán dẫn có một miền tiếp giáp P -N, có

2 cực ra nối với 2 chất bán dẫn P và N, được đặt trong một vỏ bằng thuỷ tinh

Hình 2.8

A A

K K

K A

sự phụ thuộc của dòng điện qua diode và điện

áp ngoài theo đặc tuyến hình 2.9.

Bằng thực nghiệm người ta xác định đượcB: Sau khi Ud tăng vượt qua điện áp thềm U γ (tương ứng với Utx ) thì dòng Ia sẽ tăng theo hàm số mũ:

d I e I

(2.4) Với: q = 1,6.10 -19 culông; K = 1,38.10 -23 J/ 0 k

T: Nhiệt độ tuyệt đối; Is: Dòng nghịch bão hoà Ud: Điện áp trên diode (V) ở nhiệt độ bình thường (25 0 C), thì:

P1** P2

P2 P2

mV Ud s

Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng đánh thủng lớp tiếp giáp là do các hạt dẫn được sinh ra nhiều xung quanh tiếp giáp, dưới hai dạng là đánh thủng về điện (gồm đánh thủng Zenel và đánh thủng dây chuyền) và đánh thủng về nhiệt.

Nói chung hiện tượng đánh thủng phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh, vào trị số dòng điện ngược và điều kiện toả nhiệt.

Điện áp đánh thủng của diode Ge nhỏ hơn của diode Si.

b SCR

 Cấu tạo và kí hiệu

SCR (Silicon Controlled Rectifier: Bộ chỉnh lưu bằng Silic có điều khiển) là loại linh kiện được chế tạo bằng 4 lớp bán dẫn xếp xen kẽ nhau P1-N1-P2-N2, chúng tạo thành 3 mặt ghép P -N (J1,J2,J3).

SCR được xem như gồm 2 transisto PNP và NPN ghép với nhau, sơ đồ tương đương và ký hiệu của SCR như hình 5.5

 Nguyên lý hoạt động

IA

SCR

diode thường

IG=0

IG1>0 IG2>IG1

U đt

Vùng 2

Vùng 3 Vùng 4

0

- Khi phân tích nguyên lý hoạt động của SCR cần phải kết hợp cả cấu tạo,

sơ đồ tương đương và các điện áp UAK, UGK tác động lên các cực làm thay đổi dòng IA , có thể kết hợp đường đặc tuyến đã có để phân tích.

- Sử dụng dạng đặc tuyến đã được xác định Hình 5.6 ta phân tích hoạt động của SCR theo các vấn đề sau:

- Khi SCR phân cực ngược UAK<0, đặc tuyến ở đoạn 1 gọi là vùng chắn ngược

+ Đặc tính ở đoạn này có thể coi SCR như 2 diode ngược mắc nối tiếp (J2 phân cực thuận, J1 và J3 phân cực ngược) Dòng IA qua SCR là dòng ngược của diode có giá trị rất nhỏ.

+ Nếu tăng điện áp ngược đến một giá trị nào đó (Uđt) thì các tiếp giáp J1

và J3 lần lượt bị đánh thủng, dòng ngược SCR tăng đột ngột và sẽ làm hỏng SCR.

- Khi SCR phân cực thuận UAK>0

+ UAK>0 còn nhỏ (< mức điện áp mở UF) lúc này J1 và J3 được phân cực thuận, J2 phân cực ngược và như vậy SCR tương đương như một diode mắc phân cực ngược Dòng IA vẫn có giá trị rất nhỏ là dòng ngược của J2 Đặc tuyến là đoạn 2 gọi là vùng chắn thuận.

+ Trường hợp cực G để hở (IG = 0): Khi UAK tăng đến giá trị điện áp mở UF0 làm cho J2 đánh thủng, lúc này J2 coi như nối tắt, dòng IC0 trong SCR đủ lớn làm cho Transistor tương đương T1 và T2 dẫn và lập tức chuyển sang trạng thái dẫn bão hoà và SCR chuyển sang trạng thái mở Khi SCR mở, nội trở của nó bị giảm xuống, sụt áp giữa A và K giảm xuống còn giá trị UT gọi là điện áp dẫn thuận tương ứng như của diode (≈ 0,7V), dòng điện tương ứng lúc này là dòng duy trì

IH Phương pháp kích mở SCR bằng cách tăng dần UAK gọi là phương pháp kích mở bằng điện áp thuận.

+ Trường hợp IG ≠ 0: Dòng IG do UGK>0 cung cấp cùng với dòng ngược vốn

có IC0 trong SCR làm cho T2 cùng T1 dẫn mạnh thêm, làm cho SCR có thể mở ngay khi điện áp UAK đang còn nhỏ hơn nhiều so với điện áp UF0 kích mở khi IG = 0 Dòng IG càng lớn thì mức điện áp kích mở UF càng nhỏ Tuy nhiên vẫn phải bảo đảm cho UAK đủ lớn để phân cực thuận cho T1 và T2 Đặc tuyến trường hợp này thuộc vùng 3 gọi là vùng điện trở âm.

+ Khi SCR ở trạng thái mở hoàn toàn, điện trở của nó có giá trị rất nhỏ và dòng điện IA có giá trị lớn phụ thuộc chủ yếu vào nguồn UAK và điện trở ngoài Đặc tuyến trường hợp này thuộc vùng 4 gọi là vùng dẫn thuận.

→ Giảm dòng IA < IH gọi là dòng ghim, bằng cách giảm UAK < UH.

→ Đặt một xung âm vào cực cổng G làm tắt Q2→IC2 (IB1) giảm nhanh → Q2 và SCR tắt.

→ Tắt nguồn cung cấp

Là trị số dòng điện thuận lớn nhất qua SCR mà nó có thể chịu đựng liên tục, quá trị số này SCR sẽ bị hỏng Khi SCR đã dẫn điện UAK khoảng 0,7÷1V nên có thể tính dòng điện thuận qua SCR theo công thức:

D

cc A

Là trị số điện áp ngược lớn nhất có thể đặt vào giữa 2 cực A, K mà SCR chưa bị đánh thủng, nếu vượt qua trị số này SCR sẽ bị phá huỷ UNGmax thường khoảng 100V đến 1000V.

+ Dòng điện kích thích cực tiểu: IGmin

Để SCR dẫn trong trường hợp UAK nhỏ thì phải có dòng kích cho cực cổng

G Dòng IGmin là trị số dòng kích nhỏ nhất đủ để điều khiển SCR dẫn điện và dòng này phụ thuộc vào công suất của SCR, nếu công suất của SCR càng lớn thì IGmin càng lớn Thông thường IGmin từ 1 đến vài chục mA.

SCR được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển như dùng làm khoá điều khiển trong các mạch điện công suất lớn, sử dụng trong các mạch chỉnh lưu, nghịch lưu có điều khiển

đó tính toán chọn số vòng dây cuộn sơ cấp và thứ cấp là:

Số vòng dây quận sơ cấp: Np = 1100

Số vòng dây quận thứ cấp: Ns= 36

-Chức năng: Biến đổi điện áp lưới xoay chiều 220V xuống còn 6V đầu ra cấp cho bộ chỉnh lưu đáp ứng yêu cầu đầu ra của mạch

2.Thiết kế mạch công suất:

-Cấu tạo:

+ Các Thysistor T1, T2.+ Các Điốt D1và D2 .+ Tải R,L

-Chức năng: mạch chỉnh lưu bán điều khiển cầu 1 pha chuyển đổi dòng điện xoay chiều 1 pha thành dòng điện 1 chiều

Mạchlực

BA

3.Thiết kế mạch bảo vệ:

Sơ đồ mạch lực có mạch bảo vệ:

Trong quá trình mạch hoạt động, xuất hiện điện áp ngược trên các van và

có công suất phản kháng do tải trả về nguồn, do đó để bảo vệ các van và bảo

vệ nguồn ta phải thiết kế mạch bảo vệ cho mạch.

a,Bảo vệ quá điện áp cho van:

Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng ngắt các van được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với các van Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích

tụ trong cac lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong

khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điên ngược gây

ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa Anod và Katod của các van Khi có mạch R-C mắc song song với các van tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên các van không bị quá điện áp

Mạch R-C bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch

 Chọn thông số các linh kiện:

-Điện áp ngược van: Ungmax = U = 10(V).

-Chọn tụ điện có điện dung C=0,4μF

-Điện trở R=6Ω

b,Bảo vệ điện áp phản kháng từ lưới điện

-Để bảo vệ điện áp phản kháng trả về nguồn ta sử dụng mạch R-C song song với tải tạo mạch phóng khi có công suất phản kháng.

-Mạch R-C tạo mạch phóng không cho điện áp phản kháng trả về nguồn, bảo vệ nguồn cấp cho mạch.

-Đồng thời mạch còn có vai trò san phẳng dòng điện tại đầu ra qua tải.

 Chọn thông số cho mạch:

-Tụ điện: C=20F.

-Điện trở: 6 Ω

4,Tính toán các thông số cho mạch

 Nguồn đầu vào U=~220V, Tải R = 10 Ω,tính cảm kháng của tải là L=0,1H

- Dòng cực đại qua van: Imax = I = 0.85 (A).

- Dòng điện trung bình van: ITBV=Id/2=0,3A.

- Điện áp ngược van phải chịu: Ungmax = U2 = 10(V).

Từ các thông số trên ta chọn thyristor T6-10:

+Itb=10A +Udk=3V + Ungmax=100V

Khâu cảm ứng dùng phần tử cảm ứng điện áp Voltage Sensor.

-Cấu tạo gồm 1 ngõ vào âm và 1 ngõ vào dương

-Nguyên lý hoạt động: Khi điện áp ngõ vào của Sensor có sự thay đổi sẽ xuất hiện tín hiệu đầu ra Tín hiệu đầu ra khuếch đại lên so với tín hiệu đầu vào G0

lần Dùng để cảm ứng khi có dòng điện dương cấp tới Thyristor để nó có khả năng

mở tự nhiên nhưng chưa dẫn, nó chỉ dẫn khi có đồng thời cả xung kích mở góc α

-Cực + và – của cảm biến lần lượt nối với anốt và catốt của Thyristor

-Sơ đồ đấu nối:

-Đồ thị điện áp:

2, Khâu so sánh (Sử dụng IC KĐTT)-Tạo tín hiệu đồng bộ:

Uv

Ur

Khuếch đại thuật toán (KĐTT) ngày nay được sản xuất dưới dạng các IC tương tự (analog) Có từ "thuật toán" vì lần đầu tiên chế tạo ra chúng người ta sử dụng chúng trong các máy điện toán Do sự ra đời của khuếch đại thuật toán mà các mạch tổ hợp analog đã chiếm một vai trò quan trọng trong kỹ thuật mạch điện

tử Trước đây chưa có khuếch đại thuật toán thì đã tồn tại vô số các mạch chức năng khác nhau Ngày nay, nhờ sự ra đời của khuếch đại thuật toán số lượng đó đã giảm xuống một cách đáng kể vì có thể dùng khuếch đại thuật toán để thực hiện các chức năng khác nhau nhờ mạch hồi tiếp ngoài thích hợp Trong nhiều trường hợp dùng khuếch đại thuật toán có thể tạo hàm đơn giản hơn, chính xác hơn và giá thành rẻ hơn các mạch khuếch đại rời rạc (được lắp bằng các linh kiện rời )

Ta hiểu khuếch đại thuật toán như một bộ khuếch đại lý tưởng : có hệ số khuếch đại điện áp vô cùng lớn K → ∞, dải tần số làm việc từ 0→ ∞, trở kháng vào cực lớn Zv → ∞, trở kháng ra cực nhỏ Zr → 0, có hai đầu vào và một đầu ra Thực tế người ta chế tạo ra KĐTT có các tham số gần được lý tưởng

Hình 7.5a là ký hiệu của KĐTT : Đầu vào (+) gọi là đầu vào không đảo P(positive), đầu vào (-) gọi là đầu vào đảo N (negative), (VS+) điện áp nguồn dương, (VS-) điện áp nguồn âm và một đầu ra (VOut)

VOut=A(V1-V2) = A.Ed ; Với Ed=(V1-V2).

Trong đó A là độ lợi vòng hở của op-amp

-Vì A rất lớn nên theo công thức trên VOut rất lớn

-Khi Ed nhỏ, VOut được xác định Khi Ed vượt quá một trị số nào đó thì

VOut đạt đến trị số bão hòa và được gọi là VSat Trị số của Ed tùy thuộc vào mỗi op-amp và có trị số vào khoảng vài chục μV

- Khi Ed âm, mạch đảo pha nên VOut =-VSat

- Khi Ed dương, tức V1>V2 thì VOut =+VSat

-Ðiện thế ngõ ra bão hòa thường nhỏ hơn điện thế nguồn từ 1 volt đến 2 volt Ðể ý là: |+VSat| có thể khác |-VSat|

Như vậy ta thấy điện thế Ed tối đa là:

 So sánh mức zerô không đảo:

Điện thế ngõ vào (-) được dùng làm điện thế chuẩn và Ei là điện thế muốn đem

so sánh với điện thế chuẩn, Ei được đưa vào ngõ vào (+)

-Khi Ei> Vref =0 thì Vout=+Vsat

-Khi Ei< Vref =0 thì Vout=-Vsat

Thí dụ khi Ei có dạng tam giác thì dạng sóng ngõ ra Vout có dạng như hình sau:

t0

Urb,Đồ thị điện áp vào-ra:

• Ei là điện áp đầu ra khâu cảm biến nối với cực P của KĐTT Cực N của KĐTT nối đât Ei sẽ được so sánh với 0

• Ur là đầu ra khâu so sánh, được đưa đến khâu tạo xung

+Khi Ei>0, Ud>0, đầu ra có điện áp Ur=const>0

+Khi Ei<=0,Ud=0, do đó đầu ra Ur=0

3,Khâu tạo xung điều khiển góc mở.

a,Khái quát phần tử điều khiển pha:

-Enable: Tín hiệu cho phép.

-Đầu ra nối với cực điều khiển Thyristor

Khi xuất hiện đồng thời xung đồng bộ và xung cho phép, tại góc mở α, ở đầu

ra xuất hiện xung lên dương kích để kích mở Thyristor

b,Sử dụng điều khiển góc mở Thyristor

Để điều khiển pha mở Thyristor, đối với góc mở ta dùng nguồn 1 với giá trị ứng với góc mở α Xung cho phép ta dùng xung step Xung đồng bộ được lấy từ khối so sánh-tạo tín hiệu đồng bộ

mở ở 300 và 2100 ta đặt giá trị điện áp nguồn 1 chiều là +30V

4,Bộ điều khiển hoàn chỉnh.

không đảo của KĐTT trong khâu so sánh Nếu Ucu>0, đầu ra khâu so sánh được giá trị Udb=const>0 Nếu Ucu<0, đầu ra khâu so sánh có giá trị Udb=0

-Thời điểm có xung Udb tới điều khiển góc mở α là thời điểm bắt đầu α=0 Đồng thời có xung cho phép cấp đến cực cho phép của phần tử điều khiển pha, tại góc mở α, đầu ra của phần tử điều khiển pha xuất hiện xung kích mở Thyristor với

độ rông xung đặt trước

Công việc tiếp tục cho tới các chu kì tiếp theo

I Mô phỏng mạch khi không có mạch bảo vệ:

Đồ thị điện áp và dòng điện qua tải:

Đồ thị điện áp và dòng điện của mạch:

III Nhận xét, kết luận:

-Điện áp và dòng điện đầu khi có mạch bảo vệ là dòng điện liên tục, bắt đầu lên

từ không và đạt giá trị ổn định không đổi

-Giá trị điện áp đầu vào và đầu ra là: Uv=~220V, Ud=6V, Id=0,6A

-Đò thị điện áp trên các van cũng có sự khác nhau:

+Khi không có mạch bảo vệ, điện áp trên các van gián đoạn, về giá trị 0.+Khi có mạch bảo vệ, điện áp trên các van không bị gián đoạn, khi ổn định điên áp trên các van có hình sin

Mạch chỉnh lưu là mạch điều chỉnh điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều Nó thuận lợi hơn so với việc sử dụng biến áp hoặc kết nối các nguồn 1 chiều lại với nhau

ở chỗ có thể biến đổi đồng thời cả dòng điện và điện áp đầu vào theo điện áp và dòng điện thích hợp phù hợp với yêu cầu của tải