TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊNKhoa Điện – Điện Tửo0oCỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMĐộc lập Tự do Hạnh phúcĐỒ ÁN MÔN HỌCNhóm sinh viên thực hiện : 1. Vũ Quang Đạt2. Lê Văn DuânNgành đào tạo : Điện tử công nghiệpTên đề tài :Thiết kế, chế tạo bộ biến đổi ACDC (chỉnh lưu)Số liệu cho trước:Các thiết bị hiện có trên phòng thí nghiệmTải của bộ biến đổi plasma có thông số U_d= 660v;I_d=4ANội dung cần hoàn thành:Tổng quan về bộ biến đổi ACDC có điều khiển dung các bán dẫn công suất và lựa chọn sơ đồ đáp ứng yêu cầu của đề tàiCác dạng tải đối với sơ đồ đã lựa chọnThiết kế, tính toán và chế tạo bộ biến đổi ACDC theo sơ đồ lựa chọnSản phẩm của đề tài phải đảm bảo kỹ thuật, mỹ thuậtQuyển thuyết minh thể hiện nội dung của đề tàiGIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:Trần Quang PhúNgày giao đề:DĐ: 0962227070Ngày hoàn thành:Email: tranquangphu.utehygmail.comHưng Yên, ngày 10 tháng 2 năm 2017CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNGNHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………….……………………………………………………………………………….………………MỤC LỤCCHƯƠNG 14TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ MẠCH CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT41.1 Khái quát chung về điện tử công suất4 1.1.1 Khái niệm về điện tử công suất4 1.1.2 Nhiệm vụ về điện tử công suất4 1.1.3 Ứng dụng của điện tử công suất41.2 Khái niệm về chỉnh lưu công suất9 1.2.1 Khái niệm9 1.2.2 Phân loại9 1.2.3 Luật dẫn của van công suất trong các mạch chỉnh lưu9 1.2.4 Cấu trúc m chỉnh lưu, các thông số cơ bản101.3 Các mạch chỉnh lưu một pha11 1.3.1 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển11 1.3.2 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kì không điều khiển13 1.3.3 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không điều khiển13 1.3.4 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển14 1.3.5 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ có điều khiển15 1.3.6 Mạch chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển hoàn toàn15 1.3.7 Mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển16CHƯƠNG 219TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA192.1 Các thông số yêu cầu192.2 Lựa chọn sơ đồ mạch chỉnh lưu192.3 Tính toán các thông số của mạch điện19 2.3.1 Tính toán, chế tạo máy biến áp19 2.3.2 Tính toán, chọn van công suất20 2.3.3 Tính toán, chọn phần tử bảo vệ21Hình 2.1. Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ.21 2.3.4 Tính toán, chọn phần tử mạch điều khiển21 2.3.5 Tính toán, chọn phần tử cách ly292.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điện31 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý31 2.4.2 Phân tích sơ đồ nguyên lý31 2.4.3 Nguyên lý làm việc toàn mạch342.5 Lắp ráp mạch điện35 2.5.1 Mạch in35 2.5.2 Sơ đồ linh kiện35 2.5.3 Hình ảnh mạch điện thực tế35CHƯƠNG 336KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ363.1 Nội dung khảo sát36 3.1.1 Tín hiệu điều khiển36 3.1.2 Điện áp đầu ra363.2 Đánh giá36TÀI LIỆU THAM KHẢO38CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ MẠCH CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT1.1 Khái quát chung về điện tử công suất 1.1.1. Khái niệm về điện tử công suấtĐể có khái niệm tổng quát về điện tử công suất, cần phải nhắc lại ba lĩnh vực cơ bản của ngành kỹ thuật điện đó là: điện tử, điều khiển và năng lượng điện. Lĩnh vực điện tử nghiên cứu các dụng cụ bán dẫn, các mạch tích hợp sử dụng cho mạch truyền tải và xử lý thông tin. Lĩnh vực điều khiển nghiên cứu các quá trình, phân tích và tổng hợp các bộ điều khiển nhằm ổn định chế độ làm việc của hệ thống . Lĩnh vực năng lượng nghiên cứu và giải quyết các vấn đề liên quan đến các hệ thống phát điện, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng.Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và điều khiển, ngày càng nhiều thiết bị điện tử được sử dụng trong hệ thống truyền tải, biến đổi sử dụng điện năng. Hệ thống thiết bị điện tử này không hoạt động ở chế độ khuếch đại mà hoạt động theo nguyên lý đóng cắt và được gọi là thiết bị điện tử công suất. Như vậy, điện tử công suất là ứng dụng của kỹ thuật điện tử, điều khiển vào hệ thống năng lượng điện. 1.1.2 Nhiệm vụ về điện tử công suấtNhiệm vụ chính của điện tử công suất là biến đổi hệ thống năng lượng điện từ dạngnày sang dạng khác bao gồm các dạng biến đổi dưới đây:• Xoay chiều (ACAlternatingCurrent) thành một chiều(DCDirect Current):ACDC.•Một chiều thành một chiều: DCDC.•Một chiều thành xoay chiều: DCAC.•Xoay chiều thành xoay chiều: ACAC. 1.1.3 Ứng dụng của điện tử công suất1)Các bộ chỉnh lưu có điều khiểnLà loại biến đổi ACDC được sử dụng rất rộngrãi trong các hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ điện một chiều, hệ thống cung cấp nguồn điện một chiều, hệ thống mạ và nạp điện... Dưới đây là một ứng dụng của bộ chỉnh lưu trong hệ thống tự động ổn định tốc độ quay động cơ điện một chiều.Sơ đồ khối được trình bày như Hình 1.1.Bộ chỉnh lưu làm nhiệm vụ của cơ cấu điều chỉnh cho đối tượng là động cơ điện một chiều. Khi tải của động cơ thay đổi hoặc điện áp nguồn thay đổi, momen và tốc độ quay trên trục của động cơ thay đổi theo. Cảm biến tốc độ chuyển đổi tốc độ động cơ thành tín hiệu điện là một hàm phụ thuộc vào tốc độ. Điện áp tín hiệu được khuếch đại đến mức đủ lớn đưa vào điều chế góc mở SCR trong bộ chỉnh lưu để điện áp một chiều được điều chỉnh giữ cho tốc độ động cơ ổn định. Việc điều chỉnh tốc độ quay có thể thưc hiện bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng, mạch kích thích và có thể thực hiện trên cả hai mạch. Theo quan điểm kỹ thuật điều khiển hệ thống tự động ổn định tốc độ quay trên Hình1 là một hệ điều chỉnh tốc độ mạch vòng kín được biểu diễn trên Hình 1.2 Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh mạch vòng kín.Trên sơ đồ cấu trúc các đại lượng được biểu diễn dưới dạng toán tử Laplace trong đó X(s) là giá trị đặt, Y(s) là giá trị thực của quá trình, E(s) là độ sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực, U(s) tác động điều chỉnh, C(s) và O(s) là hàm truyền của bộ điều chỉnh và đối tượng trong miền toán tử.2)Điều chỉnh dòng điện và điện áp một chiềuSơ đồ khối hệ thống tự động ổn định tốc độ quay của động cơ điện một chiều bằng bộ biến đổi DCDC được trình bày trên Hình 1.3. Hình 1.3. Sơ đồ khối bộ tự động ổn định tốc độ quay động cơ điện một chiều.Nguồn cung cấp cho hệ thống là nguồn điện một chiều Uo. Khi tải hoặc điện áp nguồn thay đổi làm momen và tốc độ quay trên trục động cơ thay đổi. Tín hiệu ra của cảm biến tốc độ làm thay đổi tần số đóng cắt của bộ biến đổi DCDC làm điện áp trung bình đặt trên động cơ thay đổi giữ cho tốc độ quay của động cơ ổn định trong phạm vi làm việc nhất định.3) Điều chỉnh dòng điện và điện áp xoay chiềuCác bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tạo nhiệt của nung, sấy... Các bộ điều chỉnh này còn được sử dụng trong việc điều chỉnh tốc độ quay cảu động cơ điện xoay chiều. Tuy nhiên, việc sử dụng các bộ điều chỉnh trong truyền động điện động cơ điện xoay chiều có chất lượng không cao nên ít được sử dụng cho các loại tải công suất lớn. Nếu có sự thay đổi trạng thái của buồng sấy hoặc điện áp nguồn cung cấp nhiệt độ trong buồng thay đổi làm tín hiệu ra của cảm biến nhiệt độ tahy đổi theo góc mở của các Thyristor trong bộ điều chỉnh thay đổi để điện áp và dòng đi qua phần tử đốt thay đổi giữ cho nhiệt độ trong buồng sấy ổn định. Các bộ điều chỉnh có thể áp dụng cho mạch một pha và ba pha, được trình bày trên Hình 1.4. Hình 1.4. Bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp một pha.4) Bộ biến đổi ngượcCác bộ biến đổi ngược DCAC (nghịch lưu) dùng để biến đổi hệ thống dòng điện và điện áp một chiều cố định thành hệ thống dòng điện và điện áp xoay chiều có tần số ổn định. Các bộ biến đổi ngược thường được sử dụng trong các hệ thống năng lượng gió,năng lượng mặt trời dùng để biến đổi hệ thống năng lượng điện một chiều hoặc điện xoay chiều không ổn định thành hệ thống năng lượng điện xoay chiều có tần số và biên độ ổn định. Sơ đồ khối của hệ thống cung cấp điện không gián đoạn sử dụng bộ biến đổi ngược được mô tả trên Hình 1.1.5 Hình 1.5. Sơ đồ khối hệ thống cung cấp điện không gián đoạn.Nguồn điện xoay chiều lấy từ lưới điện xoay chiều sau khi được chỉnh lưu vừa nạp cho ắc quy vừa được lọc phẳng cung cấp cho bộ nghịch lưu DCAC thành nguồn điện xoay chiều có tần số ổn định. Khi mất điện lưới năng lượng được nạp từ ắc quy cung cấp cho tải .5) Biến tầnLà bộ biến đổi ACAC dùng để biến đổi hệ thống dòng điện và điện áp xoay chiều từ tần số này sang tần số khác. Có hai loại biến tần: trực tiếp và gián tiếp được sử dụng trong hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ điện xoay chiều. Sơ đồ hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ điện xoay chiều sử dụng biến tần giao tiếp được trình bày trên hình 1.6. Hình 1.6. Sơ đồ khối ổn định tốc độ quay động cơ điện xoay chiều.Hệ thống điện áp xoay chiều U1 có tần số cố định được biến đổi thành hệ thống điện áp xoay chiều U2 có tần số thay đổi dùng để tự động ổn định tốc độ quay động cơ khi tải và điện áp lưới thay đổi.6) Các bộ biến đổi trong hệ thống truyền tải điện năngCác bộ biến đổi công suất lớn còn được sử dụng trong hệ thống truyền tải điện năng như các hệ thống bù hệ số cosφ, điều khiển hệ thống năng lượng, và truyền tải điện một chiều cao áp được trình bày như trên Hình 1.1.7. Hình 1.7. Truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC).Hệ thống truyền tải điện một chiều cao áp có thể điều khiển được hướng truyền năng lượng bằng cách thay đổi chế độ làm vieecjcuar các bộ biến đổi ở hai đầu đường dây từ chế độ chỉnh lưu sang chế độ nghịch lưu. Tuy nhiên hệ thống truyền tải năng lượng này có hệ thống thiết bị điều khiển và biến đổi phức tạp, đắt tiền mới chỉ sử dụng ở một số nước công nghiệp phát triển.1.2 Khái niệm về chỉnh lưu công suất 1.2.1 Khái niệmMạch chỉnh lưu là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều nhằm cung cấp cho phụ tải điện một chiều. 1.2.2 Phân loạiTheo số pha: một pha, ba pha, m pha ...Theo loại van: diode hoặc thyristorMạch chỉ dùng toàn diode là chỉnh lưu không điều khiển.Mạch chỉ dùng toàn Thyristor là chỉnh lưu có điều khiển.Một nửa thyristor, một nửa diode là chỉnh lưu bán điều khiển Phân loại theo sơ đồ mắc: Anode chung hoặc Cathode chung 1.2.3 Luật dẫn của van công suất trong các mạch chỉnh lưuNhóm nối chung Cathode:Hình 1.8 trình bày nhóm nối Cathode chung. Hình 1.8. Nhóm nối chung Cathode.Điện áp anode của diode nào dương hơn thì diode ấy dẫn. Khi đó điện thế điểm A bằng điện thế anode dương nhấtNhóm nối chung Anode:Hình 1.9 trình bày nhóm nối Anode chung. Hình 1.9. Nhóm nối chung Anode.Điện áp cathode van nào âm hơn hơn thì diode ấy dẫn.Khi đó điện thế điểm K bằng điện thế anode âm nhất. 1.2.4 Cấu trúc m chỉnh lưu, các thông số cơ bảnTrong thực tế các mạch chỉnh lưu có nhiều loại và khá đa dạng về hình dáng cũng như tính năng. Tuy nhiên về cơ bản cấu trúc trong bộ biến đổi thường có các bộ phậnsau:+ Biến áp nguồn nhằm biến đổi điện áp từ cao xuống thấp hoặc ngược lại.+ Van công suất chỉnh lưu, các van này có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn một chiều.+ Mạch lọc nhằm lọc và san phẳng dòng điện hay điện áp nguồn để mạch chỉnh lưu có chất lượng tốt hơn.+Mạch đo lường trong bộ chỉnh lưu thườngdùng để đo dòng điện, điện áp.+ Mạch điều khiển là bộ phận rất quan trọng trong các bộ chỉnh lưu có điều khiển,nó quyết định độ chính xác, ổn định và chất lượng bộ chỉnhlưu.+ Phụ tải của mạch chỉnh lưu thường là phần ứng động cơ điện một chiều, kích từ máy 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. Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu.1.3 Các mạch chỉnh lưu một pha 1.3.1 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiểnTải thuần trở R Ở bán kỳ dương diode cho dòng qua tải, Uo=Ui . Bán kỳ âm diode khóa không cho dòng qua tải Uo = 0. Gía trị điện áp chỉnh lưu trung bình : Utb=0,45Ui với Ui trị hiệu dụng của điện áp vào. Hình 1.11. Sơ đồ chỉnh lưu bán kỳ và dạng điện ra trên tải.Tải điện trở và điện cảm (R + L): Vì tải có tính cảm nên sẽ sinh ra sức điện động tự cảm e ngược với chiều biến thiên của dòng điện: e = L.didt, tức là nó có xu hướng chống lại sự tăng hoặc giảm dòng điện sinh ra nó. Trên hình ta thấy rằng, trong 1 dòng id tăng từ từ (vì nó chống lại sự tăng của dòng điện vào), cuộnkhoảng 0 2 dòng vào giảm dần, sức điện động 1cảm L tích lũy năng lượng. Trong khoảng MBA Chỉnh lưu Lọc Phản hồi Điều khiền Tải một chiều Ui R Uo 0 uO Uimax Utb t uO iR ĐH Tôn Đức Thắng Phòng TCCN Bài giảng điện tử công suất Huỳnh Tấn Đệ Trang 10 tự cảm e sinh một dòng điện cùng chiều với dòng vào (chống lại sự giảm của dòng vào) vì vậy dù ui đổi chiều nhưng vẫn có dòng qua tải. Trong thực tế đối với mạch tải R + L người ta dùng một diod Dr mắc song song với tải để dẫn dòng tự cảm hoàn trả năng lượng, vừa để duy trì được dòng điện tải trong nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn vừa 1bảo vệ diode. Dòng điện i đạt giá trị cực đại tại 1 Hình1.12. Sơ đồ chỉnh lưu bán kỳ tải R + L và dạng điện áp, dòng điện ra trên tải.1.3.2 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kì không điều khiển Hình1.13. Sơ đồ chỉnh lưu toàn bán kỳ và dạng điện áp ra trên tải.Với mạch chỉnh lưu hình tia dùng diode điện áp ra trung bình: Utb = 0,45.Ui. Dòng trung bình qua tải I_tb=u_tbR=0.45 U_iRSơ đồ hình tia có nhược điểm là điện áp ngược đặt lên Diode lớn gấp đôi nên ít được dùng 1.3.3 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không điều khiển Hình 1.14. Sơ đồ chỉnh lưu toàn bán kỳ và dạng điện áp ra trên tảiVào bán kỳ dương D2 và D4 dẫn, dòng điện chạy từ nguồn dương (+) (chân số 1) qua D2 đến tải R qua D4 và về nguồn âm () (chân số 3). Vào bán kỳ âm D3 và D1 dẫn, dòng điện chạy từ nguồn dương (chân số 3) qua D3 đến tải R qua D1 và về nguồn (chân số 1). 1.3.4. Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển. Trường hợp tải thuần trở: Hình 1.15. Mạchh chỉnh lưu một pha dùng SCR và dạng điện áp ra trên tải thuần trở R.Vào bán kỳ dương đoạn từ 0 SCR dẫn vì đã có xung kích vào cực G. Vào bán kỳ đến xung kích vào cực G. Đoạn từ âm SCR được phân cực nghịch nên SCR ngưng dẫn. Như vậy, tùy thuộc vào vị trí góc mở mà dạng sóng điện áp ra thây đổi.Điện áp ra trung bình trên tải: U_tb=0.45 (1+cosα)2×U_in gọi là góc mở tính từvới thời điểm điện áp đổi chiều từ âm sang dương, tức lúc U = 0.Trường hợp tải R + L: Do tải mang tính cảm nên đường cong dòng điện id kéo dài ra khỏi khi mà điện áp Ui đã chuyển sang nửa chu kỳ âm Hình 1.16. Dạng điện áp và dòng điện trên tải R + L khi chỉnh lưu bán kỳ bằng SCR . là góc tính từ gốc toa độ đến điểm dòng điện iR giảm về 0, gọi là góc tắt dòng 1.3.5 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ có điều khiển Hình 1.17. Mạch chỉnh lưu hình tia có điều khiển và dạng sóng ngõ raVới U_in=U_ABta có điện áp trung bình lối ra:U_tb=0.45 (1+cosα)2×U_inTa có thể kích theo thứ tự từng SCR một, nhưng cũng có thể kích đồng thời hai SCR vì lúc đó một trong hai SCR bị phân cực ngược do đó không bị ảnh hưởng bởi xung kích. 1.3.6 Mạch chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển hoàn toànMạch chỉnh lưu hình cầu có điều khiển. Hình 1.18. Sơ đồ chỉnh lưu cầu dùng SCR.Dạng diện áp ra cũng giống trường hợp chỉnh lưu hình tia nhưng biên độ gấp đôi. Điện áp trung bình lối ra U_tb=0.9U_in (1+cosα)2Ngoài sơ đồ chỉnh lưu cầu như ở trên, còn có các mạch chỉnh lưu gọi là không đối xứng với việc thay hai SCR bằng hai diod. Hình 1.19: Mạch chỉnh lưu cầu không đối xứng.Giá trị điện áp trung bình trong chỉnh lưu không đối xứng cũng như trường hợp đối xứng U_tb=0.9U_in (1+cosα)2 , tuy nhiên mạch điều khiển đơn giản, dễ sử dụng và giá thành hạ. 1.3.7 Mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển Sơ đồ nguyên lý: Hình 1.20 a sơ đồ cùng cực tính 1.20b. sơ đồ ngược cực tính acùng cực tính b ngược cực tínhHình 2.4: Giản đồ các đường cong điện áp, dòng điện tải(Ud, Id) dòng điện các van bán dẫn của các sơ đồ 2.3a và 2.3b.Nguyên lý làm việc:Sơ đồ nối cùng cực tính:Tại 1 cấp xung điều khiển T1, T1 sã mở cho dòng điện chạy qua từ A qua T1 qua tải về D1 về B.Đến điện áp đổi dấu (A âm, B dương) ,T1 khóa. Nếu tải điện cảm dòng điện tải là đường thẳng. Năng lượng của cuộn dây sẽ được tích lũy xả qua D2 tới D1 điện áp tải trong vùng 2 là bằng 0.Đến 2 cấp xung điều khiển T2, T2 dẫn. Từ 2 2 dòng tải là dòng điện của 2 van T2 và D2. Đến 2 điện áp đổi dấu (B âm, A dương) D2 khóa, D1 mở để năng lượng của cuộn dây xả qua D1 về T2.2 3 mở thông D1, T2 điện áp tải bằng 0. Kết quả là chuyển mạch các van bán dẫn có điều khiển được thực hiện bằng việc mở các van kế tiếp. Các van được dẫn thông trong nửa chu kỳ.Ta có đường cong dòng điện và điện áp tải như hình 2.4aSơ đồ nối ngược cực tính:Tại 1 cấp xung điều khiển T1 với A dương, T1 sẽ mở cho dòng điện chạy qua từ A qua T1 qua tải về D1 về B. T1 và D1 dẫn từ (1 ).Đến điện áp đổi dấu (A âm, B dương) ,D2dẫn làm khóa T1 năng lượng của cuộn dây sẽ được tích lũy xả qua D1 và D2.Đến 2 cấp xung điều khiển T2 với A âm, T2phân cực thuận nên t2 mở làm khóa D1 cho dòng điện chạy từ B qua D2 qua tải về T2 về A.. Đến 2 điện áp đổi dấu (B âm, A dương) T2 phân cực ngược nên T2 bị khóa.Ta có đường cong dòng điện và điện áp tải như hình 2.4bCHƯƠNG 2TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA2.1 Các thông số của tảiUd = 660 VId = 4 A2.2 Lựa chọn sơ đồ mạch chỉnh lưuNhư ta đã biết để điều chỉnh công suất của tải thì ta phải lựa chọn mạch lực để điều khiển. Tùy thuộc vào yêu cầu điều chỉnh, công suất tải ta đưa ra phương án chọn mạch lực điều khiển tải hợp lý, phù hợp với yêu cầu đề tài đưa ra. Ở đây chọn mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển bởi các lý do :Sơ đồ mạch lực, mạch điều khiển đơn giản.Không cần sử dụng bộ chuyển đổi nguồn ba pha.Điện áp ra sau khi chỉnh lưu tương đối ổn định, có tính liên tục.Đáp ứng được yêu cầu của đề.2.3 Tính toán các thông số của mạch điện2.3.1 Tính toán, chế tạo máy biến áp Điện áp đầu vào U¬1 = 220 V Điện áp đầu ra Ud = 660 V Dòng điện đầu ra Id4= 4A Do ta lựa chọn mạch chỉnh lưu cầu nên ta có U2= 1.1×Ud=1.1×660= 726 VP2=U2×I2=726×4=2904 VAP1=1.1×P2=1.1×=2904VAMà P1= U1×I1 => I1= P1U1 = 2904220 =13.2 ADiện tích trụ cuốn dây : Shi=1.2×√P1=1.2×√2904= 64.6 cm2 Stt=1.1×Shi=1.1×54.6=71.06 cm2Chọn chiều rộng trụ quấn dây a=7 cm > chiều dày trụ quấn dây là b=Stta=8.5 cmSố lá thép X=((b×10))0.5 = (8.5×10)0.5 =170 láSố vòng dây trên một vôn (n) là : n= 45Shi = 4554.6 = 0.82 vòngvônSố vòng dây cuộn sơ cấp N1=n×U1=0.82×220=180 vòngSố vòng dây cuộn thứ cấp N2=n×(U2+10%U2)=0.82×(660+66)=595 vòngTiết diện dây quấn cuộn sơ cấp S1=I1J = 9.412.5 = 3.8 mmTiết diện dây quấn cuộn thứ cấp S2=I2J = 32.5 = 1.2 mmĐường kính dây dẫn cuộn sơ cấp D1=√((4×S1)π) = √((4×3.764)3.14) = 2.2 mmĐường kính dây dẫn cuộn thứ cấp D2=√((4×S2)π) = √((4×1.2)3.14) = 1.2 mm2.3.2 Tính toán, chọn van công suấtCó U2= 660 V > Ulv=√2×U2=√2×660=933.3 VĐiện áp để chọn diode thyristor là :UD=UT=kdt×Ulv max=1.8× 933.3=1680.08 Vkdt : hệ số dự trữ điện ápCó Idm=I2=4 AIlv=Ihd=khd×I2=1√2 × 3 = 2.82 AIlvdm=ki × Ilv =4 × 2.82=11.28 Aki : hệ số dự trữ dòng điện IAV T,D= I22 = 42 =2 AIRMS= 1.3 × IAV=1.3× 2 =2.6 ATừ các thông số trên ta có thể chọn được thyristor sauThyristor :TYN 1225 2.3.3 Tính toán, chọn phần tử bảo vệCác nguyên nhân gây quá dòng điện cho van: Quá dòng dài hạn. Ngắn mạch đầu ra Ngắn mạch bản thân van.Hình 2.1 Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ.Chọn cầu chì: Dùng dây chảy tác động nhanh (nhóm 1CC) để bảo vệ ngắn mạch các thyristor. Dòng điện định mức của dây chảy nhóm 1CC là:I1CC= 1,1.Ilv = 1,1×2.12 =2 ,33 (A) Chọn cầu chảy nhóm 1CC loại 3 (A)2.3.4 Tính toán, chọn phần tử mạch điều khiểnMạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor:Điện áp điều khiển: Uđk= Ug= 1,5(V) Dòng điện điều khiển: Iđk= 15 (mA)Độ rộng xung điều khiển t¬x= 100 ( )Mức độ sụt biên độ xung: Sx= 0,1Độ mất đối xứng cho phép: = 40Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: Unguồn= 15 (V)Vì mạch lực sử dụng Thyristor Diode,vì vậy chúng em lựa chọn TCA 785 để điều khiển sự đóngngắt của Thyristor Diode.IC TCA 785 (có tích hợp các khâu đồng pha, so sánh, tạo xung, sửa xung ,khuyếch đại) tạo ra 2 xung điều khiển đến kích mở cho Thyristor BT151 ( T1 và T2). Vi mạch TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch điều khiển: Tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa, so sánh và tạo xung ra. TCA 785 do hang Simen chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiêt bị điều chỉnh dòng xoay chiều. Đặc trưng:Dẽ phát hiện việc chuyển qua điểm không.phạn vi ứng dụng rộng rãiCó thể dung làm chuyển mạch điẻm không.Tương thích LSL.Có thể hoạt động 3 pha (3 IC).Dòng điện ra 250 mA.Miền dốc dòng lớn. Dải nhiệt độ rộngNhiệm vụ:Tạo ra xung điều khiển mở thyristor với góc mở α giảm dần để tăng điện áp tải đến điện áp phóng điện.a.Kí hiệu Kí hiệu các chân của TCA 785 được thể hiện trong hình 2.2Hình 2.2 Sơ đồ chân TCA 785b. Chức năngChânKí hiệuChức năng1GNDChân nối đất2 Đầu ra 2 đảo3QUDầu ra U4 Đầu ra 1 đảo5VSYNCTín hiệu đồng bộ 6ITín hiệu cấm7QZĐầu ra z8VREFĐiện áp chuẩn9R9Điện áp tạo xung răng cưa10C10Tụ tạo xung răng cưa11V11Điện áp điều khiển12C12Tụ tạo độ rộng xung13LTín hiệu điều khiển xung ngắn, xung rộng14Q1Đầu ra 115Q2Đầu ra 216VSĐiện áp nguồn nuôic. Dạng tín hiệu Dạng tín hiệu của TCA 785 được thể hiện trong hình 2.3 Hình 2.3 Dạng tín hiệu của TCA 785d. Sơ đồ cấu tạo Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo TCA 785e. Các thông số của TCA 785Thông sốGiá trị minGiá trị tiêu biểu(F= 50 HZ. VS=5V)Giá trị maxĐơn vịDòng tiêu thụ IS4,56,510MAĐiện áp vào điều khiển , chân 11trở kháng vàoV11R110,215V10MAXVkΩMạch tạo răng cưaDòng nạp tụBiên độ răng cưaĐiện trở mạch nạpThời gian sườn ngăn của xung răng cưaI10V10R9tP103801000VS2300μAVKΩMsTín hiệu cấm vào, chân 6CấmCho phépV6IV6H43.33.32.5VVĐộ rộng xung ra, chân 13Xung hẹpXung rộngV13H3.52.53.52.5VVXung ra chân 14,15Điện áp mức caoĐiện áp mức thấpĐộ rộng xung hẹpĐộ rộng xung rộng V14V15V14V15tPVS130.320530VS2.50.830620VS1.0240760VVμsμsnFĐiện áp điều khiểnĐiện áp chuẩnGóc điều khiển ứng với điệnáp chuẩnVREFαrsef2.83.12x1043.45x104V1K Tính toán các phần tử bên ngoàiXung răng cưa:Ta có f = 50Hz => T = 1f = 20ms=>1 chu kì xung răng cưa : T1 = 10ms.Sườn lên : 9.5 msSườn xuống : 0.5ms Chọn tụ răng cưa: C10 500pF (min) 1 F (max)Thời điểm phát xung: tTr = Dòng nạp tụ: I10 = Điện áp trên tụ: V10 = TCA 785 do hãng SIEMEN chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiết bị chỉnh dòng điện áp xoay chiều.Có thể điều chỉnh góc từ 00 đến 1800 điện. Thông số chủ yếu của TCA là: Điện áp nguồn nuôi: US= 15V Dòng điện tiêu thụ: IS= 10mA Điện áp ra: I= 50mA Điện áp răng cưa: U¬RC max= (US 2) VĐiện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9= (20 500) Điện áp điều khiển: U11 = 0,5 (US – 2) VDòng điện đồng bộ: IS = 200 ( A)Tụ điện: C10 = 0,5 ( F)Tần số xung ra: f = (10 500) HzChọn giá trị ngoài thực tế: C10 = 104, C12 = 473 ,R9 = 33kΩ. Biến trở VR1= 10kΩ. Điện áp điều khiển chọn VR2 = 50kΩ. Khâu đồng pha chọn Rđồng pha = 1mΩf. Nguyên lí làm việc của TCA 785TCA 785 là một vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch điều khiển: “tề đầu” điện áp đồng bộ tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạo xung ra. Nguồn nuôi qua chân 16. Tín hiệu đồng bộ đượclấy qua chân số 5 và số 1. Tín hiệu điều khiển được đưa vào chân 11. Một bộ nhận biết điện áp 0 sẽ kiểm tra điện áp lấy vào chuyển trạng thái và sẽ chuyển tín hiệu này đến bộ phận đồng bộ. Bộ phận đồng bộ này sẽ điều khiển tụ C10; Tụ C10 sẽ được nạp đến điện áp không đổi (quyết định bởi R9). Khi điện áp V10 đạt đến điện áp V11 thì một tín hiệu sẽ được đưa vào khâu logic. Tuỳ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển V11, góc mở α có thể thay đổi từ 0 đến 180o. Với mỗi nửa chu kì song một xung dương xuất hiện ở Q1, Q2 . Độ rộng trong khoảng 3080μs. Độ rộng xung có thể kéo dài đến 180o thông qua tụ C12. Nếu chân 12 nối đất thì sẽ có xung trong khoảng α đến 180o.Nguyên lí hoạt động của khâu tạo xung điều khiển Thyristor được thể hiện trong hình 2.5 Hình 2.5 Khâu tạo xung của TCA 785Điện áp lưới sau khi qua máy biến áp được hạ xuống 12VAC đưa vào chân số 5 và chân số 1 qua điện trở R. Tín hiệu điều khiển Vdk được đưa vào chân 11 so sánh với điện áp răng cưa tạo bởi tụ C10 cho ta xung điều khiển thyristor có góc mở α tăng dần ở đầu ra chân 14 và 15. Khi xảy ra ngắn mạch chân 16 nhận được tín hiệu cấm, tại chân 14 và 15 không còn tín hiệu đầu ra.2.3.5 Tính toán, chọn phần tử cách lyCó rất nhiều phương án cho khâu cách ly đó có thể dung phần tử cách ly quang biến áp xung hay với mạch công suất nhỏ chỉ cần dùng diot để chống ngược dòngTrong phạm vi đề tài là ứng dụng với tải công suất trung bình và nhỏ để đáp ứng được tính gọn nhẹ và gái thành của mạch phương án sử dụng cách ly quang được chúng em quyết định sử dụng vì khá hiệu quả giá thành rẻ gọn nhẹ và cách ly an toàn giữa mạch lực và mạch điều khiển từ các thông số trên chúng em quyết định sử dụng MOC 3020 để thực hiện khâu cách ly nàyHình 2.6 là một số sơ đồ kết nối MOC 3020 trong datasheet: Hình 2.6 Một số sơ đồ kết nối MOC 3020Hình 2.7 là sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của MOC 3020 Hình 2.7 Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của MOC 3020. 2.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điện2.4.1 Sơ đồ nguyên lýSơ đồ nguyên lý của mạch được thể hiện qua hình 2.8 Hình 2.8 Sơ đồ mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển2.4.2 Phân tích sơ đồ nguyên lý1)Khối nguồna) Chức năngBiến đổi dòng xoay chiều điện áp 15V thành dòng một chiều cấp cho chân vào của TCA785.b) Nguyên lý hoạt độngDòng điện 15V xoay chiều qua cầu chỉnh lưu 1A làm biến đổi từ dòng xoay chiều thành dòng một chiều.Khi qua IC ổn áp 7815 sẽ cho dòng điện có điện áp 15V ổn định.Sau khối chỉnh lưu cầu điện áp 15v được cho qua tụ 1000µF để san phẳng điện áp tạo điện áp ổn định cho IC ổn áp 7815 và mắc song với một tụ gốm để loại bỏ thành phần sóng hài của điện áp xoay chiều sau IC 7815 ta mắc song song với một led để báo mạch điều khiển có nguồn.2) Khối điều khiểna) Nhiệm vụTạo ra xung điều khiển mở thyristor với góc mở α giảm dần để tăng điện áp tải đến điện áp phóng điện.b) Nguyên lý hoạt độngNguồn nuôi qua chân 16. Tín hiệu đồng bộ đượclấy qua chân số 5 và số 1. Tín hiệu điều khiển được đưa vào chân 11. Một bộ nhận biết điện áp 0 sẽ kiểm tra điện áp lấy vào chuyển trạng thái và sẽ chuyển tín hiệu này đến bộ phận đồng bộ. Bộ phận đồng bộ này sẽ điều khiển tụ C10; Tụ C10 sẽ được nạp đến điện áp không đổi (quyết định bởi R9). Khi điện áp V10 đạt đến điện áp V11 thì một tín hiệu sẽ được đưa vào khâu logic. Tuỳ thuộc vào biên độ điện áp điều khiển V11, góc mở α có thể thay đổi từ 0 đến 180o. Với mỗi nửa chu kì song một xung dương xuất hiện ở Q1, Q2 . Độ rộng trong khoảng 3080μs. Độ rộng xung có thể kéo dài đến 180o thông qua tụ C12. Nếu chân 12 nối đất thì sẽ có xung trong khoảng α đến 180o.Điện áp lưới sau khi qua máy biến áp được hạ xuống 12VAC đưa vào chân số 5 và chân số 1 qua điện trở R. Tín hiệu điều khiển Vdk được đưa vào chân 11 so sánh với điện áp răng cưa tạo bởi tụ C10 cho ta xung điều khiển thyristor có góc mở α tăng dần ở đầu ra chân 14 và 15. Khi xảy ra ngắn mạch chân 16 nhận được tín hiệu cấm, tại chân 14 và 15 không còn tín hiệu đầu ra.3) Khối cách lyDùng để ngăn cách giữa phần điều khiển và phần công suất. Tạo ra sự đảm bảo an toàn trong mạch, với một số trường hợp dùng nó có thể tránh nhiễu cho vi điều khiển khi điều khiển các relay từ.4) Khối mạch lực Gồm 2 Thyristor 2 Diode mắc theo sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển Giản đồ dòng điện, điện áp của khối được thể hiện trong hình 2.9Hình 2.9 Giản đồ dòng điện, điện áp của khối mạch lực2.4.3 Nguyên lý làm việc toàn mạchIC TCA 785 (có tích hợp các khâu dồng pha, so sánh, tạo xung, sửa xung ,khuyếch đại) tạo ra 2 xung điều khiển đến kích mở cho Thyristor TYN 1225 ( T1 và T2).Chân 11 của TCA là chân nhận điện đáp điều khiển ( từ 0 đến 11V) để thay dổi góc kích mở của Thyristor từ 0 đến 180 độ.Mạch lực ta dùng mạch cầu chỉnh lưu bán điều khiển.Giả sử ta đạt một điện áp diều khiển có thể thay đổi từ 0 đến 11V vào chân 11 của IC TCA785, ở chân 14 và 15 của IC TCA785 sẽ xuất ra một chuỗi xung có thể thay đổi từ 0 đến 180 độ. Nguyên lí hoạt động của mạch lực:+ Giả sử ở một bán kì ta có điện áp + đặt vào AC_IN2, diện áp âm là ở AC_IN1. Lúc này ở mạch điều khiển sẽ tạo ra một xung (với góc anpha tuỳ vào điện áp điều khiển) tới kích mở T2. Dòng điện có chiều từ AC_IN2 qua cầu chì, qua D7, qua tải, qua T2 về âm nguồn.+ Ở bán kì còn lại thì AC_IN1 là + và AC_IN2 là âm. Lúc này ở mạch điều khiển sẽ xuất ra một xung tới kích mở T1. Dòng điện có chiều từ AC_IN1 qua qua D8, qua tải, qua T1, qua cầu chì về AC_IN2.2.5 Lắp ráp mạch điện2.5.1 Mạch in Hình 2.10 Hình ảnh mạch in của mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển2.5.2 Hình ảnh mạch điện thực tế CHƯƠNG 3KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ3.1 Nội dung khảo sát3.1.1 Tín hiệu điều khiển3.1.2 Điện áp đầu ra U= 660 V I =4 A3.2 Nhận xétVì điều kiện thời gian không cho phép và một số lý do khác nên em đã sử dụng van công suất không giống như với tính toán trong lý thuyết. Nếu cho chạy mạch thì thì các van sẽ bị đánh thủng. Việc này đã được sự đồng ý của thầy giáo hướng dẫn đồ án.Kết luậnSau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu sách tham khảo cùng với sự nỗ lực của các thành viên trong nhóm, chúng em đã hoàn thành đề tài: “ Thiết kế và chế tạo bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển điều khiển ’’ với những yêu cầu đặt ra.Bên cạnh đó, trong thời gian thực hiện đề tài, do với trình độ kiến thức còn có hạn nên không tránh khỏi những sai sót. Do đó chúng em rất mong sẽ nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy, cô giáo và các bạn để đề tài của chúng em ngày một được hoàn thiện hơn.Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè và thầy cô trong khoa ,đặc biệt là thầy TRẦN QUANG PHÚ, đã nhiệt tình chỉ bảo và trực tiếp hướng dẫn chúng em trong việc hoàn thành đồ án.Hưng Yên, ngày tháng năm 2017 Nhóm sinh viên thực hiện đồ án: TÀI LIỆU THAM KHẢOĐiện tử công suấtNguyễn Viết NgưGiáo trình truyền động điệnĐỗ Công ThắngNguyễn Phương Thảowww.alldatasheet.comwww.tailieu.vnwww.hoiquandientu.com
Trang 1TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG
2 Lê Văn Duân
Ngành đào tạo : Điện tử công nghiệp
Tên đề tài :Thiết kế, chế tạo bộ biến đổi AC/DC (chỉnh lưu)
Số liệu cho trước:
- Các thiết bị hiện có trên phòng thí nghiệm
- Tải của bộ biến đổi plasma có thông số = 660v;
Nội dung cần hoàn thành:
1 Tổng quan về bộ biến đổi AC/DC có điều khiển dung các bán dẫn công suất
và lựa chọn sơ đồ đáp ứng yêu cầu của đề tài
2 Các dạng tải đối với sơ đồ đã lựa chọn
3 Thiết kế, tính toán và chế tạo bộ biến đổi AC/DC theo sơ đồ lựa chọn
4 Sản phẩm của đề tài phải đảm bảo kỹ thuật, mỹ thuật
5 Quyển thuyết minh thể hiện nội dung của đề tài
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:
Email: tranquangphu.utehy@gmail.com
Hưng Yên, ngày 10 tháng 2 năm 2017
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
Trang 2NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
………
Trang 3MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 4
TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ MẠCH CHỈNH LƯU CÔNG SUẤT 4
1.1 Khái quát chung về điện tử công suất 4
1.1.1 Khái niệm về điện tử công suất 4
1.1.2 Nhiệm vụ về điện tử công suất 4
1.1.3 Ứng dụng của điện tử công suất 4
1.2 Khái niệm về chỉnh lưu công suất 9
1.2.1 Khái niệm 9
1.2.2 Phân loại 9
1.2.3 Luật dẫn của van công suất trong các mạch chỉnh lưu 9
1.2.4 Cấu trúc m chỉnh lưu, các thông số cơ bản 10
1.3 Các mạch chỉnh lưu một pha 11
1.3.1 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển 11
1.3.2 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kì không điều khiển 13
1.3.3 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không điều khiển 13
1.3.4 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển 14
1.3.5 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ có điều khiển 15
1.3.6 Mạch chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển hoàn toàn 15
1.3.7 Mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển 16
CHƯƠNG 2 19
TÍNH TOÁN VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA 19
2.1 Các thông số yêu cầu 19
2.2 Lựa chọn sơ đồ mạch chỉnh lưu 19
2.3 Tính toán các thông số của mạch điện 19
2.3.1 Tính toán, chế tạo máy biến áp 19
2.3.2 Tính toán, chọn van công suất 20
Trang 42.3.3 Tính toán, chọn phần tử bảo vệ 21
Hình 2.1 Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ 21
2.3.4 Tính toán, chọn phần tử mạch điều khiển 21
2.3.5 Tính toán, chọn phần tử cách ly 29
2.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điện 31
2.4.1 Sơ đồ nguyên lý 31
2.4.2 Phân tích sơ đồ nguyên lý 31
2.4.3 Nguyên lý làm việc toàn mạch 34
2.5 Lắp ráp mạch điện 35
2.5.1 Mạch in 35
2.5.2 Sơ đồ linh kiện 35
2.5.3 Hình ảnh mạch điện thực tế 35
CHƯƠNG 3 36
KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ 36
3.1 Nội dung khảo sát 36
3.1.1 Tín hiệu điều khiển 36
3.1.2 Điện áp đầu ra 36
3.2 Đánh giá 36
TÀI LIỆU THAM KHẢO 38
Trang 5CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ MẠCH CHỈNH LƯU
CÔNG SUẤT 1.1 Khái quát chung về điện tử công suất
1.1.1 Khái niệm về điện tử công suất
Để có khái niệm tổng quát về điện tử công suất, cần phải nhắc lại ba lĩnhvực cơ bản của ngành kỹ thuật điện đó là: điện tử, điều khiển và năng lượngđiện Lĩnh vực điện tử nghiên cứu các dụng cụ bán dẫn, các mạch tích hợp sửdụng cho mạch truyền tải và xử lý thông tin Lĩnh vực điều khiển nghiên cứucác quá trình, phân tích và tổng hợp các bộ điều khiển nhằm ổn định chế độlàm việc của hệ thống Lĩnh vực năng lượng nghiên cứu và giải quyết các vấn
đề liên quan đến các hệ thống phát điện, truyền tải, phân phối và sử dụng điệnnăng
Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và điều khiển, ngàycàng nhiều thiết bị điện tử được sử dụng trong hệ thống truyền tải, biến đổi
sử dụng điện năng Hệ thống thiết bị điện tử này không hoạt động ở chế độkhuếch đại mà hoạt động theo nguyên lý đóng - cắt và được gọi là thiết bịđiện tử công suất Như vậy, điện tử công suất là ứng dụng của kỹ thuật điện
tử, điều khiển vào hệ thống năng lượng điện
1.1.2 Nhiệm vụ về điện tử công suất
Nhiệm vụ chính của điện tử công suất là biến đổi hệ thống năng lượngđiện từ dạngnày sang dạng khác bao gồm các dạng biến đổi dưới đây:
• Xoay chiều (AC-AlternatingCurrent) thành một chiều(DC-DirectCurrent):AC-DC
•Một chiều thành một chiều: DC-DC
•Một chiều thành xoay chiều: DC-AC
•Xoay chiều thành xoay chiều: AC-AC
Trang 61.1.3 Ứng dụng của điện tử công suất
1) Các bộ chỉnh lưu có điều khiển
Là loại biến đổi AC-DC được sử dụng rất rộngrãi trong các hệ thống điềukhiển truyền động điện động cơ điện một chiều, hệ thống cung cấp nguồnđiện một chiều, hệ thống mạ và nạp điện Dưới đây là một ứng dụng của bộchỉnh lưu trong hệ thống tự động ổn định tốc độ quay động cơ điện một chiều
Sơ đồ khối được trình bày như Hình 1.1
Bộ chỉnh lưu làm nhiệm vụ của cơ cấu điều chỉnh cho đối tượng là động cơđiện một chiều Khi tải của động cơ thay đổi hoặc điện áp nguồn thay đổi,momen và tốc độ quay trên trục của động cơ thay đổi theo Cảm biến tốc độchuyển đổi tốc độ động cơ thành tín hiệu điện là một hàm phụ thuộc vào tốc
độ Điện áp tín hiệu được khuếch đại đến mức đủ lớn đưa vào điều chế góc
mở SCR trong bộ chỉnh lưu để điện áp một chiều được điều chỉnh giữ cho tốc
độ động cơ ổn định Việc điều chỉnh tốc độ quay có thể thưc hiện bằng cáchthay đổi điện áp trên mạch phần ứng, mạch kích thích và có thể thực hiện trên
cả hai mạch
Theo quan điểm kỹ thuật điều khiển hệ thống tự động ổn định tốc độ quaytrên Hình1 là một hệ điều chỉnh tốc độ mạch vòng kín được biểu diễn trênHình 1.2
Hình 1.1 Sơ đồ khối bộ tự động ổn định tốc độ quay động cơ điện một chiều.
Trang 7Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh mạch vòng kín.
Trên sơ đồ cấu trúc các đại lượng được biểu diễn dưới dạng toán tửLaplace trong đó X(s) là giá trị đặt, Y(s) là giá trị thực của quá trình, E(s) là
độ sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực, U(s) tác động điều chỉnh, C(s) vàO(s) là hàm truyền của bộ điều chỉnh và đối tượng trong miền toán tử
2)Điều chỉnh dòng điện và điện áp một chiều
Sơ đồ khối hệ thống tự động ổn định tốc độ quay của động cơ điện mộtchiều bằng bộ biến đổi DC-DC được trình bày trên Hình 1.3
Hình 1.3 Sơ đồ khối bộ tự động ổn định tốc độ quay động cơ điện một chiều.
Nguồn cung cấp cho hệ thống là nguồn điện một chiều Uo Khi tải hoặcđiện áp nguồn thay đổi làm momen và tốc độ quay trên trục động cơ thay đổi.Tín hiệu ra của cảm biến tốc độ làm thay đổi tần số đóng cắt của bộ biến đổiDC-DC làm điện áp trung bình đặt trên động cơ thay đổi giữ cho tốc độ quaycủa động cơ ổn định trong phạm vi làm việc nhất định
3) Điều chỉnh dòng điện và điện áp xoay chiều
Trang 8Các bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp xoay chiều được sử dụng rộng rãitrong các hệ thống tạo nhiệt của nung, sấy Các bộ điều chỉnh này còn được
sử dụng trong việc điều chỉnh tốc độ quay cảu động cơ điện xoay chiều Tuynhiên, việc sử dụng các bộ điều chỉnh trong truyền động điện động cơ điệnxoay chiều có chất lượng không cao nên ít được sử dụng cho các loại tải côngsuất lớn
Nếu có sự thay đổi trạng thái của buồng sấy hoặc điện áp nguồn cung cấpnhiệt độ trong buồng thay đổi làm tín hiệu ra của cảm biến nhiệt độ tahy đổitheo góc mở của các Thyristor trong bộ điều chỉnh thay đổi để điện áp vàdòng đi qua phần tử đốt thay đổi giữ cho nhiệt độ trong buồng sấy ổn định.Các bộ điều chỉnh có thể áp dụng cho mạch một pha và ba pha, được trìnhbày trên Hình 1.4
Hình 1.4 Bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp một pha.
4) Bộ biến đổi ngược
Các bộ biến đổi ngược DC-AC (nghịch lưu) dùng để biến đổi hệ thốngdòng điện và điện áp một chiều cố định thành hệ thống dòng điện và điện ápxoay chiều có tần số ổn định Các bộ biến đổi ngược thường được sử dụngtrong các hệ thống năng lượng gió,năng lượng mặt trời dùng để biến đổi hệthống năng lượng điện một chiều hoặc điện xoay chiều không ổn định thành
hệ thống năng lượng điện xoay chiều có tần số và biên độ ổn định Sơ đồ khốicủa hệ thống cung cấp điện không gián đoạn sử dụng bộ biến đổi ngược được
Trang 9Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ thống cung cấp điện không gián đoạn.
Nguồn điện xoay chiều lấy từ lưới điện xoay chiều sau khi được chỉnh lưuvừa nạp cho ắc quy vừa được lọc phẳng cung cấp cho bộ nghịch lưu DC-ACthành nguồn điện xoay chiều có tần số ổn định Khi mất điện lưới năng lượngđược nạp từ ắc quy cung cấp cho tải
5) Biến tần
Là bộ biến đổi AC-AC dùng để biến đổi hệ thống dòng điện và điện ápxoay chiều từ tần số này sang tần số khác Có hai loại biến tần: trực tiếp vàgián tiếp được sử dụng trong hệ thống điều khiển truyền động điện động cơđiện xoay chiều Sơ đồ hệ thống điều khiển truyền động điện động cơ điệnxoay chiều sử dụng biến tần giao tiếp được trình bày trên hình 1.6
Hình 1.6 Sơ đồ khối ổn định tốc độ quay động cơ điện xoay chiều.
Hệ thống điện áp xoay chiều U1 có tần số cố định được biến đổi thành hệthống điện áp xoay chiều U2 có tần số thay đổi dùng để tự động ổn định tốc độquay động cơ khi tải và điện áp lưới thay đổi
6) Các bộ biến đổi trong hệ thống truyền tải điện năng
Trang 10Các bộ biến đổi công suất lớn còn được sử dụng trong hệ thống truyền tảiđiện năng như các hệ thống bù hệ số cosφ, điều khiển hệ thống năng lượng,
và truyền tải điện một chiều cao áp được trình bày như trên Hình 1.1.7
Hình 1.7 Truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC).
Hệ thống truyền tải điện một chiều cao áp có thể điều khiển được hướngtruyền năng lượng bằng cách thay đổi chế độ làm vieecjcuar các bộ biến đổi ởhai đầu đường dây từ chế độ chỉnh lưu sang chế độ nghịch lưu Tuy nhiên hệthống truyền tải năng lượng này có hệ thống thiết bị điều khiển và biến đổiphức tạp, đắt tiền mới chỉ sử dụng ở một số nước công nghiệp phát triển
1.2 Khái niệm về chỉnh lưu công suất
1.2.1 Khái niệm
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
1.2.2 Phân loại
Theo số pha: một pha, ba pha, m pha
Theo loại van: diode hoặc thyristor
Mạch chỉ dùng toàn diode là chỉnh lưu không điều khiển
Mạch chỉ dùng toàn Thyristor là chỉnh lưu có điều khiển
Một nửa thyristor, một nửa diode là chỉnh lưu bán điều khiển
Phân loại theo sơ đồ mắc: Anode chung hoặc Cathode chung
Trang 111.2.3 Luật dẫn của van công suất trong các mạch chỉnh lưu
Hình 1.8 trình bày nhóm nối Cathode chung
Hình 1.8 Nhóm nối chung Cathode.
Điện áp anode của diode nào dương hơn thì diode ấy dẫn Khi đó điện thếđiểm A bằng điện thế anode dương nhất
Hình 1.9 trình bày nhóm nối Anode chung.
Hình 1.9 Nhóm nối chung Anode.
Điện áp cathode van nào âm hơn hơn thì diode ấy dẫn.Khi đó điện thếđiểm K bằng điện thế anode âm nhất
1.2.4 Cấu trúc m chỉnh lưu, các thông số cơ bản
Trong thực tế các mạch chỉnh lưu có nhiều loại và khá đa dạng về hìnhdáng cũng như tính năng Tuy nhiên về cơ bản cấu trúc trong bộ biến đổithường có các bộ phậnsau:
+ Biến áp nguồn nhằm biến đổi điện áp từ cao xuống thấp hoặc ngược lại.+ Van công suất chỉnh lưu, các van này có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoaychiều thành nguồn một chiều
Trang 12+ 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 thườngdùng để đo dòng điện, điện áp.+ 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 chỉnhlưu
+ Phụ tải của mạch chỉnh lưu thường là phần ứng động cơ điện một chiều,kích từ máy điện một chiều, xoay chiều, cuộn hút nam châm điện, các tải cósức điện động E, đôi khi tải là các đèn chiếu sáng hay các điện trở tạonhiệt vv
Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu.
1.3 Các mạch chỉnh lưu một pha
1.3.1 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển
Tải thuần trở R Ở bán kỳ dương diode cho dòng qua tải, Uo=Ui Bán kỳ âmdiode khóa không cho dòng qua tải Uo = 0 Gía trị điện áp chỉnh lưu trungbình : Utb=0,45Ui với Ui trị hiệu dụng của điện áp vào
Trang 13Hình 1.11 Sơ đồ chỉnh lưu bán kỳ và dạng điện ra trên tải.
Tải điện trở và điện cảm (R + L): Vì tải có tính cảm nên sẽ sinh ra sức điệnđộng tự cảm e ngược với chiều biến thiên của dòng điện: e = - L.di/dt, tức là
nó có xu hướng chống lại sự tăng hoặc giảm dòng điện sinh ra nó Trên hình
ta thấy rằng, trong 1 dòng id tăng từ từ (vì nó chống lại sự tăng của dòng điệnvào), cuộnkhoảng 0 2 dòng vào giảm dần, sức điện động 1cảm Ltích lũy năng lượng Trong khoảng MBA Chỉnh lưu Lọc Phản hồi Điều khiềnTải một chiều Ui R Uo 0 uO Uimax Utb t uO iR ĐH Tôn Đức Thắng - PhòngTCCN Bài giảng điện tử công suất Huỳnh Tấn Đệ Trang 10 tự cảm e sinh mộtdòng điện cùng chiều với dòng vào (chống lại sự giảm của dòng vào) vì vậy
dù ui đổi chiều nhưng vẫn có dòng qua tải Trong thực tế đối với mạch tải R +
L người ta dùng một diod Dr mắc song song với tải để dẫn dòng tự cảm hoàntrả năng lượng, vừa để duy trì được dòng điện tải trong nửa chu kỳ âm củađiện áp nguồn vừa 1bảo vệ diode Dòng điện i đạt giá trị cực đại tại 1
Trang 14Hình1.12 Sơ đồ chỉnh lưu bán kỳ tải R + L và dạng điện áp, dòng điện ra trên tải.
1.3.2 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kì không điều khiển
Hình1.13 Sơ đồ chỉnh lưu toàn bán kỳ và dạng điện áp ra trên tải.
Với mạch chỉnh lưu hình tia dùng diode điện áp ra trung bình: Utb = 0,45.Ui.Dòng trung bình qua tải
Sơ đồ hình tia có nhược điểm là điện áp ngược đặt lên Diode lớn gấp đôi nên
ít được dùng
1.3.3 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không điều khiển
Hình 1.14 Sơ đồ chỉnh lưu toàn bán kỳ và dạng điện áp ra trên tải
Vào bán kỳ dương D2 và D4 dẫn, dòng điện chạy từ nguồn dương (+) (chân
số 1) qua D2 đến tải R qua D4 và về nguồn âm (-) (chân số 3) Vào bán kỳ âm
Trang 15D3 và D1 dẫn, dòng điện chạy từ nguồn dương (chân số 3) qua D3 đến tải Rqua D1 và về nguồn (chân số 1).
1.3.4 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển
* Trường hợp tải thuần trở:
Hình 1.15 Mạchh chỉnh lưu một pha dùng SCR và dạng điện áp ra trên tải thuần trở R.
Vào bán kỳ dương đoạn từ 0- SCR dẫn vì đã có xung kích vào cực G.Vào bán kỳ đến xung kích vào cực G Đoạn từ âm SCR được phân cựcnghịch nên SCR ngưng dẫn Như vậy, tùy thuộc vào vị trí góc mở mà dạngsóng điện áp ra thây đổi.
Điện áp ra trung bình trên tải: gọi là góc mở tính từvới thời điểmđiện áp đổi chiều từ âm sang dương, tức lúc U = 0
Trường hợp tải R + L: Do tải mang tính cảm nên đường cong dòng điện idkéo dài ra khỏi khi mà điện áp Ui đã chuyển sang nửa chu kỳ âm
Trang 16Hình 1.16 Dạng điện áp và dòng điện trên tải R + L khi chỉnh lưu bán kỳ bằng SCR
là góc tính từ gốc toa độ đến điểm dòng điện iR giảm về 0, gọi là góc tắtdòng
1.3.5 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ có điều khiển
Hình 1.17 Mạch chỉnh lưu hình tia có điều khiển và dạng sóng ngõ ra
Với ta có điện áp trung bình lối ra:
Ta có thể kích theo thứ tự từng SCR một, nhưng cũng có thể kích đồng thờihai SCR vì lúc đó một trong hai SCR bị phân cực ngược do đó không bị ảnhhưởng bởi xung kích
Trang 171.3.6 Mạch chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển hoàn toàn
Mạch chỉnh lưu hình cầu có điều khiển
Hình 1.18 Sơ đồ chỉnh lưu cầu dùng SCR.
Dạng diện áp ra cũng giống trường hợp chỉnh lưu hình tia nhưng biên độ gấpđôi Điện áp trung bình lối ra
Ngoài sơ đồ chỉnh lưu cầu như ở trên, còn có các mạch chỉnh lưu gọi là khôngđối xứng với việc thay hai SCR bằng hai diod
Hình 1.19: Mạch chỉnh lưu cầu không đối xứng.
Giá trị điện áp trung bình trong chỉnh lưu không đối xứng cũng như trườnghợp đối xứng , tuy nhiên mạch điều khiển đơn giản, dễ sử dụng và giá thànhhạ
Trang 181.3.7 Mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển
2 U
d d
R
2 T
1 D
A
B L
U2
T1
D2 E
1
Trang 19Hình 2.4: Giản đồ các đường cong điện áp, dòng điện tải(Ud, Id) dòng điện các van bán dẫn của
Đến 2 cấp xung điều khiển T2, T2 dẫn Từ 2 2 dòng tải là dòngđiện của 2 van T2 và D2 Đến 2 điện áp đổi dấu (B âm, A dương) D2 khóa,D1 mở để năng lượng của cuộn dây xả qua D1 về T2
2 3 mở thông D1, T2 điện áp tải bằng 0 Kết quả là chuyển mạch các vanbán dẫn có điều khiển được thực hiện bằng việc mở các van kế tiếp Các vanđược dẫn thông trong nửa chu kỳ
Ta có đường cong dòng điện và điện áp tải như hình 2.4-a
Sơ đồ nối ngược cực tính:
Tại 1 cấp xung điều khiển T1 với A dương, T1 sẽ mở cho dòng điện chạyqua từ A qua T1 qua tải về D1 về B T1 và D1 dẫn từ (1 )
Đến điện áp đổi dấu (A âm, B dương) ,D2dẫn làm khóa T1 năng lượng củacuộn dây sẽ được tích lũy xả qua D1 và D2
Đến 2 cấp xung điều khiển T2 với A âm, T2phân cực thuận nên t2 mở làmkhóa D1 cho dòng điện chạy từ B qua D2 qua tải về T2 về A Đến 2 điện ápđổi dấu (B âm, A dương) T2 phân cực ngược nên T2 bị khóa
Ta có đường cong dòng điện và điện áp tải như hình 2.4-b
