Tổng quan mạch chỉnh lưu cầu một pha

2 Đối với mạch chỉnh lưu công suất lớn, ta dùng bộ lọc LC gồm: Một tụ điện C nốisong song với phụ tải và một điện cảm L mắt nối tiếp với phụ tải.. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điệ

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Các xung điều khiển này có cùng chu kỳ với u2 nhưng xuất hiện sau u2

Các xung it1 và it3 xuất hiện sau u2 một góc α

Các xung it2 và it4 xuất hiện sau u2 một góc π +α

Các Trisisto này sẽ tự động khoá lại khi u2 =0

Phụ tải được biểu diễn bằng một sức phản điện động E, điện trở R và điện cảm L

Ta chỉ xét mạch này khi L rất lớn và E nhỏ hơn giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu.Trong trường hợp này, mạch làm việc ở chế độ cung cấp liên tục, dòng qua phụ tải hầunhư không đổi và bằng giá trị trung bình của nó Id

Tương ứng với góc mở ta có hai chế độ làm việc của mạch chỉnh lưu là:

- Khi α < π /2 và E < 0 mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu

- Khi α > π /2 và E > 0 mạch làm việc chế độ nghịch lưu phụ thuộc

Ta chỉ xét trường hợp mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc điều khiển α < π /2 và

E > 0

*.Hoạt động:

Trong nửa chu kỳ đầu của điện áp chỉnh lưu (0 < ωt < π), U2 > 0, các Tiristor T1 và T3

phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở

Tại thời điểm α = θ1 = ωt1 ta cho xung điều khiển mở T1 và T3 : Ud = U2.

Dòng điện đi từ A qua T1 đến tải rồi qua T3 về B

U2U1

LM

N

Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) Ud = U2 = U2msin ωt (v).

Khi T1 và T3 mở cho dòng chảy qua ta có phương trình để xát định dòng điện qua tải:

Ldi/dt + R.id + E = U2 = U2msin ωt (v)

Tại lúc góc pha bằng π, U2 = 0 nhưng T1 và T3 vẫn chưa bị khóa vì dòng qua chúng vẫncòn lớn hơn 0

Trong nửa chu kỳ sau của điện áp chỉnh lưu (π < ωt< 2π), U2 < 0 , các Tiristor T2 và T4

phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở

Tại thời điểm θ = θ2= ωt2 = π + α ta cho xung điều khiển mở T2 và T4 : Ud = -U2.

Dòng điện đi từ B qua T2 đến tải rồi qua T4 về A

Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) Ud = -U2 = -U2msin ωt (v)

Sự mở T2 và T4 làm cho UN = UB v à UM = UA Do đó điện áp trên T1 và T3 là:

UT1 = UA – UM = UA - UB = U1 < 0

UT3 = UN – UB = UA - UB = U2 < 0

Do đó làm cho T1 và T3 tắt một cách tự nhiên

3 Biểu thức xác định dòng và áp:

Do điện cảm có giá tri rất lớn nên dòng qua tải id là dòng liên tục, id = Id

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

α

cos

2 sin

4 Dạng đường cong điện áp và dòng chỉnh lưu:

GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2

Ud

θ

2ππ

Lúc này cả 4 Tiristor đều mở cho dòng chảy qua, phụ tải bị ngắn mạch, Ud = 0, nguồn e2

2 2

d

di X

α

cos cos

2

sin 2

2

2 2

M

N

Đặt ic = ic1+ic2 với ic1 = ic2 = ic/2

ic1 làm tăng dòng trong T4 và làm giảm dòng trong T3

ic2 làm tăng dòng trong T2 và làm giảm dòng trong T1

( ) [ α − π + α ]

2

2 24

( ) [ α − π + α ]

2 cos

0

U d

I X

Phần hai:

TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC.

Tính chọn mạch động lực dùng trong sơ đồ với các thông số:

Điện áp một chiều của động cơ: Eưđm = 110 VDC

T2 T1

Z

Mạch động lực

1Tính chọn bộ biến đổi:

1 Xát định điện áp chỉnh lưu không tải:

Bộ biến đổi điện áp chỉnh lưu Thysisto cần có giá trị điện áp không tải đảm bảo cung

cấp cho phần ứng của động cơ một chiều hoạt động.

a Điện áp chỉnh lưu không tải được tính như sau:

Udo = (Udm + 4%Udm + 1,5%Udm + 0,8%Udm + ∆Urt) (1)

Trong đó:

Udm : điện áp chỉnh lưu cực đại Udm = Eưdm = 110 V

4%Udm : sụt áp trên điện trở MBA

1,5%Udm : sụt áp trên điện kháng MBA

∆Urt : sụt áp trên 2 Tiristor nối tiếp ∆Ur ≈ 2 V

Thay các trị số vào phương trình (1) ta được:

Ud = (110 + 0,04.110 + 0,015.10 + 0,08.110 + 2) = 118,93 V

Vậy điện áp chỉnh lưu không tải Ud = 118,93 V

b.Giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp MBA

93 , 118 2 2

Yêu cầu về mặt kỹ thuật các Tiristor phải chịu được :

Điện áp ngược lớn nhất : Ung = Ku.Uim =1,6.186,8 = 299 V

Dòng điện trung bình Itb = Ki.I0 = 1,3.1,175 = 1,5275 A

Theo bảng I.3 ĐTCS ta chọn loại Tiristor có các thông số sau:

Do đó: 14 , 95 2

50 1

4 , 310

_Tiết diện thô = cxB = 3,2.6,4 = 20,48 cm2

_ Tiết diện hiệu quả = 0,95.20,48 = 19,5 cm

_ Trọng lượng trụ = 7,5.0,195.1,2 = 1,75 kg

Quy lat ( Quylass):

_ Tiết diện thô = axB = 3,2.6,4 = 20,48 cm2

_ Tiết diện hiệu quả = 0,95.20,48 = 19,5 cm

220

44 ,

U

10 1 , 1 5 , 19 50 44 , 4

1 , 132

44 ,

hH

tiết diện trụ các kích thước cơ bản

Chọn mật độ dòng điện: J1 = J2 = 2,75 A/mm2.

Đường kính phía dây quấn sơ cấp:

mm J

I S

75 , 2 14 , 3

41 , 1 4

4 4

1

1 1

π π

Đường kính phía dây quấn thứ cấp:

mm J

I S

75 , 2 14 , 3

35 , 2 4

4 4

2

2 2

π π

Chọn dây:

Dựa vào bảng II.3_(tr 82-ĐTCS) thông số dây dẫn tiết diện tròn, ta chọn dây dẫn

sơ cấp và thứ cấp MBA có các thông số như sau:

+Dây quấn sơ cấp:

- Dây quấn sơ cấp gồm 462 vòng

Để đảm bảo cách điện ta chia dây quấn sơ cấp làm 8 lớp: ( 7 x 60 + 42 vòng)

- Giữa hai lớp ta đặt một lớp giấy cách điện dày 0,1 mm bằng bìa

- Bề dày dây quấn sơ cấp:

- Dây quấn thứ cấp gồm 278 vòng Chia làm 6 lớp ( 5x 48 + 38 vòng )

- Giữa hai lớp đặt một lớp giấy cách điện dày 0,1mm bằng bìa

- Bề dày dây quấn thứ cấp:

- Điện trở của dây quấn thứ cấp ở 75oC:

1

2 1

2

10 3

8 3

3 3

2 2

10 314 10 32 3

74 , 6 1 , 7 10 2

47 , 54 55 , 41 10 80

462 14 , 3

3

3 2

10 80

10 01 , 48 462 14

Vậy ∆Ux = X.Id / π = 3,7.2,35 / 3,14 = 2,76 V

d Điện áp rơi trên điện trở:

∆Ur = [R2+R1(n2/n1)2].Id

= [ 2,47 + 3,16.(278/462)2 ].2,35 = 8,5 V

e Điện áp chỉnh lưu khi đầy tải:

U = Udo - ∆Ur - ∆Ux - ∆Ufe

r d

d

d d

I I

P I U

I U

5 , 1 U

.

+

∆ + +

=

η

% 24 , 90

% 100 35 , 2 5 , 1 35 , 2 5 , 8 73 , 6 35 , 2 93 , 118

35 , 2 93 , 118

= +

+ +

= +

Giả sử góc mở α bằng 0, để Icc đạt giá trị lớn nhất, lúc đó nguồn U2 bị ngắn mạchsinh ra dòng điện ngắn mạch:

In = I cc = 25,4 ALúc đó, ta có phương trình cân bằng sức điện động:

θ

sin

2 22

, 1

dt

di

X c = Lấy tích phân hai vế:

∫

Π

0 2 2

, 1

0 1 2 sin θ θ

I

X c

Vậy giá trị trung bình

2 0 2

,

1 1 2U X

2 0

2

c I

U X

π

= Với X0 = L0ω

Ic1,2 = 2%.Id = 2% 2,35 = 0,047 A

14 , 3 047 , 0

1 , 132 2

Đối với mạch chỉnh lưu công suất lớn, ta dùng bộ lọc LC gồm: Một tụ điện C nốisong song với phụ tải và một điện cảm L mắt nối tiếp với phụ tải Sơ đồ bộ lọcđược bố trí như mạch sau:

L

Bộ lọc L,C

Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu có thể được khai triển thành chuỗi Fourier

Nếu ta chỉ quan tâm tới hai số hạng đầu tiên thì điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưumột pha hai nửa chu kỳ có dạng như sau:

t U

+ U2 là giá trị hiệu dụng của điện áp phía thứ cấp MBA

cm 2 2 , 5 % 0 , 06 2

LC

U a C

4

425 ,

cm

06 , 0 314 2

1 , 132 2 425 , 0 2

10 96 ,

Vậy ta chọn : L = 2,11 H

C = 8,51 μF

Phần ba:

TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆ:

Đối với chỉnh lưu bán dẫn, khi tính toán cũng như trong vận hành ta phải đảmbảo vấn đề bảo vệ quá dòng và quá áp cho các thiết bị trong mạch

Thiết bị bán dẫn có van bán dẫn có kích thước nhỏ ( lớp tiếp giáp), nhiệt dung bé

và mật độ dòng điện qua mặt tiếp giáp p-n lớn nên rất nhạy với quá tải về dòng.Hằng số thời gian phát nóng của một bản Silic trong van công suất chỉ cỡ vài phầntrăm giây Do đó khâu bảo vệ dòng điện đòi hỏi phải tác động nhanh

Mặt khác, van bán dẫn cũng rất nhạy đối với quá điện áp, chỉ cần tồn tại một điện

áp ngược lớn hơn giá trị cho phép trong khoảng 1 - 2 μs cũng có thể chọc thủng mặttiếp giáp p-n

1 Bảo vệ quá dòng điện:

Hai nguyên nhân gây quá dòng điện: Ngắn mạch và quá tải

a Ngắn mạch:

Đây là trường hợp có sự cố tạo ra dòng điện quá lớn như ngắn mạch trên tải,trên dây dẫn thứ cấp của MBA ( ngắn mạch bên ngoài), ngắn mạch các pha do chọcthủng van bán dẫn ( ngắn mạch bên trong), do đột biến nghịch lưu

Các giai đoạn hoạt động của dây chảy.

Hoạt động của dây chảy có thể chia làm hai giai đoạn

như sau:

Giai đoạn 1: từ t = 0 đến khi bắt đầu xuất hiện hồ quang

Giai đoạn 2; từ t = thq đến khi kết thúc ( t = tc)

Dòng điện khi chạy qua dây chảy sẽ sinh ra một nhiệt lượng Q = i2Rt

Để bảo vệ quá dòng cho bộ biến đổi, ta chọn và đặt dây chảy tại các vị trí như sau: ( 3 vị trí )

Vị trí 1: Đặt tại ngõ vào của MBA

Vị trí 2: Đặt tại ngõ ra của MBA.

Vị trí 3: Đặt nối tiếp với mỗi Tiristor một dây chảy

Vị trí đặt dây chảy như hình vẽ sau:

Các vị trí đặt dây chảy.

2 Bảo vệ quá điện áp:

Có hai nguyên nhân gây quá điện áp: Nguyên nhân nội tại và nguyên nhân bênngoài

a Nguyên nhân nội tại:

Do sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn Khi ta khoá các Tiristo bằng điện

áp ngược các điện tích đổi ngược hành trình, tạo ra dòng điện ngược trong khoảngthời gian rất ngắn

Dòng và áp do sự tích tụ điện tích.

Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rấtlớn trong các điện cảm của đường dây nguồn dẫn đến các Tiristor, làm cho giữaAnot và Catot của Tiristor xuất hiện quá điện áp

a Nguyên nhân bên ngoài:

Các nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như cắt không tải một MBA trênđường dây, khi một cầu chì bảo vệ bị chảy, khi bị sét đánh…

Để bảo vệ quá áp, ta thường dùng mạch RC như sau:

- R,C đấu song song với Tiristor nhằm bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khichuyển mạch gây nên

Bảo vệ quá áp cho Tiristor khi chuyển mạch

- RC đấu giữa hai pha thứ cấp MBA để bảo vệ quá điện áp do cắt không (dòng từhoá) tải MBA gây nên

C R

Bảo vệ quá áp cho Tiristor khi cắt không tải MBA

Thông số của R và C phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra, tốc độ biến thiêncủa dòng chuyển mạch, điện cảm trên đường dây, dòng điện từ hoá MBA

Ta chọn thông số của R và C bằng cách dùng đồ thị giải tích, sử dụng những đườngcong chuẩn

* Tính R,C bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích gây nên:

- Hệ số quá điện áp: K = Uimp / (Ku.Uim)

di

ba

/ 10 57 , 15 012 0

1 , 132 2

Bằng cách sử dụng đường cong trong sổ tay tra cứu, theo hình X.10

( tr 258-ĐTCS-Nguyễn Bính) với Id = 2,35 A, di /dt = 15,.10-3 A / μs

Ta tra được Q = 15 A / μs

- Xát định R ,C:

Cmin(K) = 0,12

8,186

75,0.15.2

im

U

C Q

μF

Q

U L R

R Q

U L

2

.

2

.

max

* min

6

3 6

3

10 15 2

10 8 , 186 012 , 0 75 , 1 10

15 2

10 8 , 186 012

(*) Tính R,C bảo vệ quá áp do cắt MBA không tải gây nên:

Cắt MBA không tải tức là cắt dòng điện từ hoá MBA

Sự việc cắt MBA không xảy ra một cách không chu kỳ Việc tính toán R,C được tínhtheo các bước sau:

_ Xát đinh hệ số quá điện áp ( đã xát định ở phần trên ) k = 1,67

_ Xát định các thông số trung gian: dựa vào các đường cong trong hình ĐTCS_Nguyễn Bính) :

Với k = 1,67 ta tra được:

C* min = 0,25; R*

min =1,4; R*

max = 2,7

- Tính giá trị lớn nhất của năng lượng từ trong MBA khi cắt

S I

I s o m

2

T1 =Trong đó:

Isom: giá trị cực đại của dòng từ hoá quy sang thứ cấp

390 03 , 0 03 0 2

ω ω

σ

_ Giá trị hiệu dụng của dòng tải định mức: Is = 2 , 95A

1 , 132

1,132.2

25,0.04,0.2

1,4 2 0 , 03 2 , 35

1 , 132 2

< R <2,7 2 0 , 03 2 , 35

1 , 132 2

2623 < R < 5059

Ta chọn: R= 3840 Ω

Phần bốn:

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

1 Khái niệm chung:

Tiristor chỉ mở cho dòng chảy qua khi có điện áp dương đặt vào anot và xung ápdương đặt vào cực điều khiển Sau khi Thyrissto mở thì xung điều khiển không còntác dụng và dòng điện chảy qua Tiristor do thông số của mạch động lực quyếtđịnh.Để điều khiển sự mở của Tiristor theo đúng thời điểm yêu cấu thì trong mạch taphải thiết kế hệ thống mạch điều khiển.Hệ thống mạch điều khiển thiết bị biến đổichỉnh lưu là tổ hợp các linh kiện điện từ, điện tử đóng vai trò rất quan trọng trongcác thiết bị biến đổi Mạch điều khiển có các chức năng sau:

_ Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện

áp đặt trên anot_caôt của Tiristor

_ Tạo ra các xung đủ điều kiện mở được Tiristor

Đối với hệ thống điều khiển chỉnh lưu, mạch điều khiển cần đáp ứng có các yêucầu sau:

- Tạo ra dãy xung có công suất và độ rộng xung đủ để mở Tiristorr tuỳ theo yêu cầucủa Tiristor.( Xung trong thiết bị chỉnh lưu thường có biên độ từ 2 đến 10V, độ rộngxung tx = 20 ÷100μs.)

- Phải dịch pha xung điều khiển so với điện áp nguồn do đó yêu cầu thay đổi trị sốđiện áp ra Muốn dịch pha phải có đồng pha do Tiristorr làm việc ở mạch AC

Để dịch pha xung điều khiển có 3 nguyên tắc:

+ Dịch chuyển theo chiều ngang

+ Dịch chuyển theo chiều đứng tuyến tính

+ Dịch chuyển theo chiều đứng phi tuyến tính ( ARCCOS)

Với bộ biến đổi chỉnh lưu một pha hai nửa chu kì này ta thực hiện theo nguyên tắc điềukhiển dịch chuyển theo chiều đứng ARCCOS

1.Sơ đồ khối và chức năng các khối.

Mạch điều khiển dịch chuyển theo nguyên tắc chiều đứng ARCCOS gồm nhữngkhối sau:

Chức năng các khối như sau:

- Ucm : Điện áp điều khiển, điện áp một chiều

- Ur : Điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thể của nó, đồng bộ với điện ápanot_catot của Tisistor

- Hiệu điện áp Ucm – Ur được đưa vào khâu so sánh 1, làm việc như một trigơ, khi

- Ucm – Ur = 0 thì trigơ lật trạng thái, ở đầu ra của nó ta nhận được một chuỗi xungdạng " sin chữ nhật "

- Khâu 2 là khâu đa hài một trạng thái ổn định

- Khâu 3 là khâu khuếch đại xung

- Khâu 4 là khâu biến áp xung

>1 111111

Bằng cách tác động vào Udk có thể điều chỉnh được vị trí xung vào điều khiểnThyrsisto, tức là điều chỉnh góc mở α.

Theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS ta dùng 2 điện áp:

- Điện áp đồng bộ ( điện áp tựa) us vượt trước điện áp anod-catod Tiristorr một gócπ/2 (Nếu UAK = Umsinωt thì us = Umcosωt)

Điện áp điều khiển ucm là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ theo 2hướng (dương và âm)

Trên hình vẽ,đường nét đứt là điện áp đồng bộ với điện áp anod-catod Tiristorr Từđiện áp đồng bộ này người ta tạo ra điện áp ur.

Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS

Nếu đặt us vào cổng đảo và ucm và cổng không đảo của khâu so sánh thì khi us = ucm ta

sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái:

Khi ucm = 0 thì α = π /2

Khi ucm = -Um thì α = 0

Như vậy, khi điều chỉnh cho ucm biến thiên từ -Um đến Um thì ta có thể điều chỉnh đượcgóc α biến thiên từ 0 đến π

3*.Thiết kế mạch điều khiển:

Trong sơ đồ chỉnh lưu này, ta dùng sơ đồ điều khiển một kênh theo kiểu ARCCOS

1.2

22 7812

0A1 0.47

100uF 0A2

0.1uF

4.7k

470uF 470uF

Sơ đồ gồm một khâu tích phân OA1, một khâu so sánh OA2

1 Khâu đồng bộ ( tích phân) OA1:

Tín hiệu đầu vào của OA1 là U1 = Um sin ωt

R C

U dt t R

U C

sin

1

R

R

OA1 C

OA2

Tín hiệu đầu ra Us của khâu đồng bộ được đưa đến đầu vào của khâu so sánh và đem

so sánh với Udk Khi Us = Udk thì ở đầu ra của khâu so sánh, ta nhận được chuỗi xungchữ nhật Nhờ mạch R,C và Diot D ta có những xung dương điều khiển chậm sau v(t)một góc α

3 Khuếch đại xung, BAX:

t e R

E

1 1

t e R

E

1 1

=Io< E /R1 Transito T bị khoá iC = 0

Uc

BAXE

T

ThF

C

iL

iDr

iC

Tín hiệu vào Uc là tín hiệu logic, Khi Uc = "1" thì Transistor mở bão hoà,

khi Uc = "0" thì Transistor bị khoá

Điện trở R hạn chế dòng colectơ, Diot D hạn chế quá điện áp trên các cực emitơ, Diot D2 ngăn chặn xung âm có thể có khi Transistor bị khoá, Rg hạn chế dòng điều khiển, R2 điều chỉnh biên độ và sườn xung ra

colectơ-Hoạt động của sơ đồ:

Ban đầu khi Uc = "0" iL = iC = 0, UCE = E, iD = 0

Giả sử khi t = 0, Uc = "1", T mở, điện cảm L ngăn không cho iC đạt ngay giá trị bão hoàcủa nó là IC = E / R1 và dòng iC tăng trưởng chậm theo quy luật hàm mũ