Điện tử công suất thiết kế mạch chỉnh lưu

CHƯƠNG 1 Giới thiệu chung về ắc-quy.Ăc-quy là loại bình điện hoá học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm nguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện như động cơ điện, như bóng đèn, làm

CHƯƠNG 1 Giới thiệu chung về ắc-quy.

Ăc-quy là loại bình điện hoá học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm

nguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện như động cơ điện, như bóng đèn,

làm nguồn nuôi cho các linh kiện điện tử.v.v…

Các tính năng cơ bản của ăc-quy:

.Sức điện động lớn ,ít thay đổi khi phóng nạp điện

1. Cấu tạo của ăc-quy :

Các bộ fận chủ yếu của ăc-quy a-xit gồm:

-Các lá cực dương làm bằng

PbO 2

cực dương

được ghép song song với nhau thành một bộ chùm

-Các lá cực âm làm bằng Pb được ghép song song với nhau thành một bộ chùm cực âm

Bộ chùm cực âm và chùm cực dương đặt xen kẽ nhau theo kiểu cài răng

lược ,sao cho cứ lá cực âm rồi đến một lá cực dương

-Lá cách đặt giữa các lá cực âm và lá cực dương để tránh hiện tượng chập mạch giữacác điện cực khác dấu

-vỏ bình điện ăc-quy thường làm bằng cao su cứng ( êbonit ) đúc thành hinh hộp,chịu được khí nóng lạnh ,va chạm mạnh và chịu a-xit.Dưới đáy bình có

các đế cao để dắt các lá cực lên ,khi mùn của chất hoạt động rụng xuống thì

đọng dưới rãnh đế ,như vậy tránh được hiện tượng chập mạch giữa các điện cực domùn gây ra.Nắp đậy ăc-quy cũng làm vỏ cao su cứng ,nắp có các lỗ để đổ điện dịchvào bình và đầu cưc luồn qua Nút đậy để điện dịch khỏi đổ ra

-Cầu nối bằng chì để nối tiếp các đầu cực âm của ngăn ăc-quy này với cực

1dương của ngăn ăc-quy tiếp theo.

2. Quá trình biến đổi năng lượng của ăc-quy :

Ăc-quy là nguồn có tính chất thuận nghịch ,nó tích trữ và giải fóng năng lượng dưới dạng điện năng Quá trình ăc-quy cung cấp điện năng cho mạch ngoài gọi là quá trìnhfóng điện ,quá trình ăc-quy được dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện.Trên thị trường hiện nay dùng fổ biến là ăc-quy a-xit.Loại ăc-quy này có bản cực dương là đi-ô-xít chì ( PbO 2) ,các bản cực âm là chì ( Pb ), dung dịch điện fân là a-xit sunfuaric ( H 2 SO 4 )

Phản ứng hoá học biểu diễn quá trình chuyển hoá năng lượng của ăc-quy :

PbO2 + Pb + 2 H 2 SO 4 ( H 2 O ) ↔

2 PbSO 4

+ 4 H 2 O

a.Quá trình nạp điện cho ăc-quy :

Khi đổ dung dịch a-xit sunfuric vào các ngăn của bình thì trên các bản cực sẽ sinh ramột lớp mỏng chì sunfat PbSO4 :

→đầu cực 1 ăc-quy →chùm bản cực 1→qua dung dịch điện fân→bản cực 2→đầu cực

2 của ăc-quy →cực âm nguồn một chiều

Dòng điện sẽ làm cho dung dịch điện fân fân ly:

Khi nạp ăc-quy ,lúc đầu điện thế tăng dần từ 2V÷2,4V Nếu vẫn tiếp tục nạp

giá trị này nhanh chóng tăng lên 2,7V và giữ nguyên.Thời gian này gọi là thời gian nạp no ,nó có tác dụng làm cho fân tử các chất tác dụng ở sâu bên trong lòng bản cực

được biến đổi hoàn toàn ,nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng fóng điện của ăc-quy.Trong sử dụng thời gian nạp no của ăc-quy

thường kéo dài khoảng 2h÷3h , trong khoảng thời gian này hiệu điện thế của ăc-quy

và nồng độ dung dịch điện fân không thay dổi.Sau khi ngắt mạch nạp , điện áp ,sức điện động , nồng độ dung dịch điện fân của ăc-quy giảm xuống và ổn định, dây gọi làthời gian nghỉ của ăc-quy sau khi nạp

Có thể nạp điện cho ăc-quy với dòng điện cố định hoặc nạp ở điện thế không đổi Nạp ở dòng điện cố định sẽ nhanh nhưng tốn năng lượng hơn chế độ nạp ở điện thếkhông đổi

b.Quá trình fóng điện ở ăc-quy :

Trong quá trình fóng điện của ăc-quy , xảy ra các fản ứng hoá học sau:

H + và aniôn SO

2−4 , đồng thời quá trình fóng điện cũng tạo ra nước trongdung dịch , do đó nồng độ của dung dịch giảm dần và sức điện động của ăc-quy giảmdần

Quá trình fóng điện của ăc-quy cũng có thể chia làm hai giai đoạn :ở giai đoạn đầu điện áp ,sức điện động , nồng độ dung dịch điện fân của ăc-quy giảm chậm,đây gọi làgiai đoạn fóng ổn định hay thời gian fóng điện cho fép của ăc-quy Trong giai đoạn tiếp theo ,điện áp ăc-quy sẽ giảm rất nhanh

3. Các thông số cơ bản của ăc-quy :

a.Sức điện động của ăc-quy :

Sức điện động của ăc-quy chì fụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện fân Người tathường sử dụng công thức kinh nghiệm : Eo = 0.85 + δ (V)

Eo : sức điện động tĩnh của ăc-quy đơn

δ: nồng độ dung dịch điện fân ở 15 0 c (g/ cm 3 )

-Sức điện động trong quá trình fóng điện của ăc-quy : Ep = Up + Ip.Rp

Up là điện áp đo trên các cực của ăc-quy khi fóng điện

Rn là điện trở trong của ăc-quy b.Dung lượng của ăc-quy ( C ):

Dung lượng fóng là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng của ăc-quycho fụ tải : Cp = Ip.Tp

Tp là thời gian fóng điện

Dung lượng nạp là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng của ăc-quy :

Cn = In.Tn

Tn là thời gian fóng điện

không điều khiển nếu dùng van chỉnh lưu là diode , chỉnh lưu có điều khiển nếu dùngvan chỉnh lưu là tiristo , và chỉnh lưu bán điều khiển nếu van chỉnh lưu dùng cả diodelẫn tiristo

Với các số liệu cho trước như sau:

Điện áp định mức của ăc-quy nằm trong khoảng 5V đến 50V

Dòng nạp định mức ăc-quy là 50A

Dòng nạp min của ăc-quy là 10A

Công suất nguồn nạp nhỏ hơn 10kw nên chọn bộ biến đổi là bộ chỉnh lưu một pha

Ta có thể dùng các sơ đồ sau :

Chỉnh lưu một pha 2 nửa chu kỳ có điều khiển

Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển đối xứng

Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển không đối xứng

A Các phương án thiết kế mạch chỉnh lưu :

1 Chỉnh lưu một pha 2 nửa chu kỳ có điều khiển:

Trong sơ đồ này ,máy biến áp fải có hai

cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt T1

nhau ,ở mỗi nửa chu kỳ khi có xung tới

điều khiển mở tiristo có một van dẫn cho

dòng điện chạy qua

Điện áp đập mạch trong cả hai nửa chu

kỳ với tần số đập mạch bằng hai lần tần

số điện áp xoay chiều Hình dáng các T2

đường cong điện áp và dòng điện tải

(Ud,Id ) cho trên hình vẽ

Điện áp trung bình trên tải thuần trở

được tính theo công thức :

Ud = Udo(1 + cos α ) 2

Với Udo là điện áp chỉnh lưu khi

không điều khiển và bằng

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van : Unmax = 2 U 2

Mỗi van dãn thông trong một nửa chu kỳ , do vậy dòng điện mà van bán dẫn fảichịu tối đa là bằng 1/2 dòng điện tải

I

Trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua van I hd = d

* Nhận xét : trong sơ đồ này , dòng điện chạy qua van không quá lớn Khi van dẫn ,điện áp rơi trên van nhỏ.Việc điều khiển các van bán dẫn ở đây tương đối đơn giản Tuy vậy ,việc chế tạo biến áp có hai cuộn dây thứ cấp giống nhau , mà mỗi cuộn chỉ làm việc trong nửa chu kỳ ,làm cho việc chế tạo máy biến áp phức tạp hơn

và hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn , mặt khác điện áp ngược của các van bán dẫnfải chịu có trị số rất lớn

2 Chỉnh lưu cầu một fa có điều khiển một fa đối xứng:

Trong nửa chu kỳ đầu , lúc U2 > E điện áp anod của tiristo T1 dương

lúc đó catod của T2 âm , nếu có xung điều

khiển cả hai van T1 ,T2 đồng thời ,thì các

lưới lên tải , T1 , T2 sẽ dẫn đến khi U2 <

Trong nửa chu kỳ sau , khi U2 > E , điện

áp anod của tiristo T3 dương

lúc đó catod của T4 âm , nếu có

xung điều khiển cả hai van T3 ,T4

đồng thời ,thì các van

này sẽ được mở thông để đặt điện áp

lưới lên tải

Điện áp trung bình đặt lên tải:

Ud = Udo(1 + cos α ) 2

với Udo = 0,9U2

Dòng trung bình chạy qua tiristo : Itb = Id/2

D1

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van : Unmax = U2

* Nhận xét : So với sơ đồ trên ,ở sơ đồ này điện áp ngược lớn nhất đặt lên van chỉbằng một nửa,biến áp dễ chế tạo và có hiệu suất cao hơn Tuy nhiên , sơ đồ này nhiều khi gặp khó khăn trong việc mở các van điều khiển , nhất là khi công suất xung không đủ lớn

3 Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển không đối xứng :

Ở nửa chu kỳ đầu , khi u2 > E , nếu có

xung tới mở tiristo T1 , xuất hiện dòng

u2 > E , nếu có xung điều khiẻn mở tiristo

thì T2 và D2 thông, cho phép dòng qua tải

Điện áp trung bình đặt lên tải:

Ud = Udo(1 + cos α ) 2

với Udo = 0,9U2

Với Udo là điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van

U 2

R T

⊗Uba = ⊗Ur + ⊗ UL là sụt áp trên điện trở

và điện kháng máy biến áp

-Tính sụt áp trên máy biến áp : Máy biến áp

công suất cữ chục KVA thuộc loại MBA

E

- Sụt áp trên van khi van dẫn : lấy sụt áp trên mỗi van khoảng 1,7V

.Dòng định mức qua tiristo : I mT = 91,3.1,8 = 164,3A

Với điều kiện làm mát tự nhiên thì dòng làm việc của tiristo chỉ bằng một fần ba

dòng cho fép qua nó Do đó , dòng cho fép qua tiristo là : 164,3.3 = 492,9A

Ta chọn loại tiristo NLC510E có các thông số như sau :

Imax = 550A ; Un = 500V ; ⊗Uv = 1,5V ; Igmax = 150mA ; Ugmax = 6,5V

Bảo vệ quá áp cho tiristo :

Trong quá trình hoạt động van có thể fải chịu các xung điện áp rất lớn so với điện áp

mà van có thể chịu được Các xung điện áp đó có thể là do các nguyên nhân sau :

- Xung điện áp do quá trình chuyển mạch van

- Xung điện áp từ fía lưới xoay chiều mà nguyên nhân thường gặp là do tải có điệncảm lớn trên đường dây

- Xung điện áp do cắt đột ngột máy biến áp non tải

T

Để bảo vệ van khỏi các xung điện áp ta dùng mạch RC

mắc song song với tiristo như hình bên Khi có xung điện

áp trên bề mặt tiếp giáp của van , mạch RC mắc song song

với van bán dẫn tạo mạch vòng fóng điện tích tránh sự quá R C

áp trên van

Theo kinh nghiệm người ta thường chọn các thông số RC có giá trị :

R = 10∧ ; C = 1µF

2 Tính toán MBA cho mạch chỉnh lưu :

* Tính công suất MBA :

Điện áp chỉnh lưu không tải :

b

e

(1 + cos α ) 2

c D

(1 + cos α ) 2

Sb a m.f

- Điện áp cuộn sơ cấp : U1 =220 V

- Dòng chạy trong cuộn thứ cấp : I 2 = I T = 91,3A

-Dòng chạy trong cuộn sơ cấp : I1 = S ba / U1 = 6,76 / 220 = 30,7A

* Tính toán dây quấn :

-Số vòng cuộn sơ cấp : W1

=

U1 4,44 f.Qfe.Btrong đó : Qfe là tiết diện trụ Qfe = Kq =

6

với : m là số trụ MBA

= 49,3cm 2

Kq là hệ số fụ thuộc fương thức làm mát Chọn loại tôn có B = 1,5 T

676 0 2.50

4.S1 /

π

- Chọn các lá thép có độ dày là 0,4mm

- Theo các công thức kinh nghiệm như sau :

b/a = 1,5 ; c/a =2 ; h/a = 2,5 ; e/a = 0,5 (Sách hướng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất )

→ a = 5,7cm ; b = 8,6cm ; c = 11,5cm ; h = 14,3 cm ; e = 2,87 cm

→ D = 2a + c =22,96 cm ; H = h + 2e = 20cm

* Tính kết cấu dây quấn :

-Số vòng dây của mỗi lớp :

với sơ cấp : Wl1 = h/d1 = 143/3,77 ≈ 38 vòng với thứ cấp : Wl2 = h/d2 = 143/6,5 = 22 vòng

Vậy số lớp cuộn dây sơ cấp : N1 = W1/Wl1 =134/38 ≈ 4 lớp

Số lớp cuộn dây thứ cấp : N2 = W2/Wl2 = 40/22 = 2lớp

-Bề dày mỗi cuộn dây

Sơ cấp : B1 = d1.N1 + cd N1 = 3,77.4 +0,1.4 = 15,48mmThứ cấp : B2 = 6,5.2 + 0,1.2 = 13,2 mm

Trong đó cd là chiều dày lớp cách điện ( cd = 0,1mm )

- Tổng bề dày các cuộn dây :

= + 0,1 = 10,42cm

Dn1 = Dt1 + (d1 + cd).N1 = 10,42 + (0,377 + 0,01).4

= 11,97cm Dtb1 = (10,42 + 11,97 ) / 2 = 11,2cm l1 = W1 π Dtb1 = 134 π 11,2 = 4712 ,5cm

l1 là chiều dài dây quán sơ cấpchiều dài dây quấn thứ cấp l2 được tính như sau:

l2 = W2 π Dtb2 = 40 π 11,08 = 1391,65cm

trong đóDt,Dn là đường kính trong và ngoài của cuộn dây (sơ và thứ cấp )

Dtb là đường kính trung bình của cuộn dây (sơ và thứ cấp )

Vcu = Scu1.l1 + Scu2.l2 =11,2.47125 + 33,2.13916,5 = 0,99dm 3

Vậy m cu = 0.99.8,9 = 8,9kg

*Tính sụt áp bên trong MBA :

chọn dây sơ cấp có đường kính d1 = 4,1mm và điện trở trên một đơn vị chiều dài

Giới thiệu chung về mạch điều khiển :

* Mạch điều khiển có các chức năng sau :

- Điều khiển được vị tri xung trong fạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lênanod và catod của tiristo

- Tạo được các xung đủ điều kiện mở được tiristo

( xung điều khiển thường có biiên độ từ 2V dến 10V ,độ rộng xung thường từ 20µsđến 100µs)

Độ rộng xung được xác định theo biểu thức sau : t

x

=

Idt

di / dt

Idt là dòng duy trì của tiristo

* Cấu trúc của một mạch điều khiển như sau :

Uc

Trong đó :

- ĐF : khâu tạo điện áp đồng fa

- Urc : điện áp răng cưa

- Uc : là điện áp điều khiển

- khâu 1 : khâu so sánh điện áp giữa Uc và Urc , khi Uc – Urc = 0 thì trigơ lật trạng thái

- khâu 2 : khâu tạo xung chùm

- khâu 3 : là khâu khuyếch đại xung

- khâu 4 : khâu biến áp xung

Bằng cách điều chỉnh Uc ta có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điềuchỉnh được góc α

Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của mạch điều khiển :

< Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển :

Điện áp hình sin sau khi qua MBA để tạo điện áp đồng fa , được đưa vào bộ chỉnh lưu cầu một fa và qua khâu so sánh A1 để tạo điện áp dạng xung hình chữ nhật UI Do có sự fóng nạp của tụ C1 , ở đầu ra của A2 có điện áp dạng răng cưaUII

UII sau đó được so sánh với điện áp điều khiển Uđk qua khâu A4 tạo điện áp xung chữ nhật Điện áp này qua diode D13 chỉ còn lại các xung dương UIV Thờiđiểm fát xung của A4 được điều chỉnh nhờ thay đổi điện áp Uđk Do đó góc điều khiển α có thể thay đổi khi điều chỉnh Uđk

Khâu A3 và diode D2 tạo xung chùm có điện áp dương UIII Độ rộng của các xung này tuỳ thuộc vào giá trị R4 và C2 được xác định dựa trên yêu cầu của tiristocần điều khiển

Các điện áp UIV và UIII qua fần tử AND và được đưa vào khâu khuyếch đạixung và biến áp xung để tạo các xung có công suất đủ lớn để mở các tiristo

Khối phản hồi dòng điện ( bao gồm các khâu A5 và A7 ) tự động điều chỉnh dòng điện ổn định khi nó thay đổi trong quá trình nạp ăc-quy và tạo giá trị dòngnạp ban đầu theo yêu cầu của ăc-quy

Khối phản hồi áp (khâu A10 ) tự động điều chỉnh điện áp khi điện áp thay đổi

Điện áp fản hồi được so sánh với điện áp đặt trên biến trở VR1

Khi điện áp fản hồi Uf nhỏ hơn điện áp đặt ( bằng 93%Uđm của ăc-quy ) thì ởđầu ra của A6 xuất hiện xung âm làm khoá K2 và mở K1 cho fép ăc-quy vẫn nạptheo dòng

Khi Uf lớn hơn điện áp đặt thì ở đầu ra của A6 xuất hiện xung dương làm K2

mở và K1 đóng , lúc này ăc-quy chuyển sang chế độ nạp theo áp

Trong lúc nạp theo áp , khi điện áp nạp đạt giá trị 113%Uđm thì quá trình nạpđược ngắt nhờ khâu bảo vệ quá áp ( gồm khâu A9 , tranzito T4 và rơle RH )

< Dạng điện áp của các khâu trong mạch điều khiển như sau :

θ 1

Điện trở R2 nhằm hạn chế dòng qua tranzito T1

Diode Dz mắc song song tụ C1 nhằm khống chế điện áp ra UII không vượt quá

→ UII = − 1

R3.C 1

.UI.t = −Ubh.t

R3.C1

- Điện áp bão hoà : Ubh = E – 2 = 15 – 2 = 13V

- thời gian nạp cho tụ C1 là : tn = T/2 – 2.θ1/ω

U II

Thời gian nạp cho tụ C1 là:

tn = 0,02 − 2

0,048 = 0,0097 s 2

UII = −

Ubh.tn R3.C1

trong đó : Uof = UIImax

t là thời gian fóng điện của C1

- chọn diode Dz loại BZ23-C15 có điện áp ngược cực đại = 14,75 V

- chọn tranzito loại C828 có các thông số Uce = 30 V; Ice = 300mA ;

< Nguyên lý hoạt động : khâu A3 thực

hiện so sánh 2 điện áp Ur và Uc , tạo

chuỗi xung chữ nhật ở đầu ra

Ur = k.U III1 trong đó k = R6/( R5 + R6)

< Xác định chu kỳ xung ra :

Tụ C2 được nạp từ điện áp Ubh qua R4

Chọn điện áp trên tụ lúc bắt đầu nạp là

Khâu so sánh điện áp :

< A4 thực hiện so sánh điện áp răng cưa của UII

- khi Uđk > UII thì Ud = Uđk – UII > 0

ở đầu ra của A4 có xung dương +Ubh =13V

- khi Uđk < UII thì Ud = Uđk – UII < 0

ở đầu ra của A4 có xung âm – Ubh = -13V

U VII + E

Rf2

R32 R13

đi qua , do đó ăc-quy ở chế độ nạp theo dòng

Khi Uf1 > Uvr1 : ở đầu ra khâu so sánh xuất hiện xung dương làm K2 mở và K1 khoá ,do đó ăc-quy ở chế độ nạp theo áp

; Udo

= π (1 + cos

α )

; Udk = Urc max

α − θ 1

π − 2 θ 1

.khi dòng nạp Id tăng , cần giảm Id → cần giảm Udo → cần tăng α→ Uđk fải

tăng lên , ngược lại khi Id giảm cần giảm Uđk

Đưa điện áp Us vào khâu khuyếch đại không đảo A5 , ta có :

Mặt khác : Uđk = -U V - Uđ

U = Us.(1 +R9 )

Vậy khi dòng nạp Id tăng ,điện áp fản hồi trên điện trở sun tăng → Uđk tăng

Ngược lại khi dòng nạp giảm thì Uđk giảm

- Nguyên tắc ổn áp tự động : khi điện áp nạp cho ăc-quy Ud tăng ,cần giảm Ud

Do đó góc α fải tăng lên , điện áp Uđk tăng và ngược lại khi Ud giảm thì Uđk

fải giảm

Đưa điện áp fản hồi qua khâu khuyếch đại đảo A8 ,sau đó trộn với lượng điện

áp đặt Uđ Ta có : U VIII = Uf1(1 + R12/R11) ; Uđk = - U VIII - Uđ

Vậy khi Uf1 giảm sẽ làm U VIII giảm nên Uđk giảm ,ngược lại khi Uf1 tăng thì

U

VIII

tăng nên Uđk tăng

< Tính toán chọn điện trở :

- Với khâu ổn dòng : Dùng 2 điện trở sun loại 50A_75mV mắc song song Ta

cần nạp cho 4 bình ăc-quy , mỗi bình có 6 ngăn ăc-quy đơn , mỗi ngăn ăc-quy

đơn có sức điện động ban đầu là 2V , điện trở trong của mỗi ăc-quy đơn là

nên Uđk = Urcmax.0,24 = -13.0,24 = -3,12V

Uđk = -U V - Uđ  điện áp đặt Uđ = 3,12 – 0,075.150 =

-8,13V Ta có R9/R7 = 150 chọn R7 = 10∧ ; R9 = 1,5k∧

αmin = θ1  Uđkmin = 0  Uđmax = - U V = -11,25V

 VR2 / ( VR2 + R8 ) = 11,25/15  chọn R8 = 4k ; Chọn R21 = R10 =

2