Bài tập lớn môn điện tử công suất Đề Tài: Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển sử dụng thyristor Đây là bài tập lớn được thiết kế chính xác, giúp cho sinh viên hiểu được mạch điện tử công suất, cách chọn van bán dẫn. Chúc các em vượt qua môn!
Trang 1Bài tập lớn
Môn: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Đề tài : Thiết kế bộ điều chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển sử dụng thyristor
mắc catot chung, tải RL; Ud=50~100 VDC; Pd=5kW
- Môn học: Điện Tử Công Suất
- Mã học phần: 13350
- Nhóm học phần: N04
- Nhóm bài tập: 06
- Họ tên thành viên trong nhóm:
Trang 2
Lời nói đầu
Điện tử công suất là công nghệ biến đổi điện năng từ dạng này sang dạngkhác trong đó các phần tử bán dẫn công suất đóng vai trò trung tâm, được ứngdụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại Trong những năm gầnđây, công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc
và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càngnhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn
Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng nhưnhững van khóa bán dẫn, còn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vàonguồn, khi khóa thì không có dòng điện chạy qua Khác với các phần tử có tiếpđiểm các văn bản dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điệnkhông bị mài mòn theo thời gian Tuy có thể đóng cắt các dòng điện lớn nhưng cácphần tử bán dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ,tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ.Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vàocác sơ đồ bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biếnđổi Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổnthất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kể so vớicông suất điện Cần biến đổi Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biếnđổi còn có khả năng cung cấp phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêucầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều kiện trong một thời gian ngắn nhất, vớichất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động
Nội dung bài tập lớn này tập trung tìm hiểu về bộ điều chỉnh điện áp xoaychiều 3 pha điện tử sử dụng thyristor để điều khiển đóng cắt động cơ 3 pha Đây làmột đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế cao Trong quá trình hoàn thành bài tậplớn môn học, em đã nhận được sự hướng dẫn của thầy Đặng Hồng Hải và các thầy
cô trong trường Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của cácthầy cô để bài tập lớn của chúng em được hoàn chỉnh hơn
Trang 3MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan về chỉnh lưu 4
1.1 Tổng quan về chỉnh lưu cầu 4
1.1 Luật dẫn của Van: 6
1.1.1 Nhóm van mắc catot chung: 6
1.1.2 Nhóm van mắc anot chung: 6
1.2 Nguyên lý chung của chỉnh lưu: 7
1.2.1 Chỉnh Lưu cầu 1 pha: 7
1.2.2 Các thông số quan trọng của chỉnh lưu cầu 1 pha: 8
1.2.3 Ưu nhược điểm của chỉnh lưu cầu 1 pha 9
1.2.4 Một dạng sơ đồ khác của mạch chỉnh lưu cầu 1 pha: 9
1.2.5 Các tham số chính của mạch chỉnh các mạch chỉnh lưu cơ bản: 10
1.3 Tổng quan về chỉnh lưu câu 1 pha bán điều khiển sử dụng thyristor mắc chung catot: 11
1.3.1 Các thông số quan trọng của Chỉnh Lưu cầu 1 pha bán điều khiển mắc 13 1.3.2 Nguyên tắc điều chỉnh: 13
Chương 2: Tính toán và chọn mạch lực 15
2.1 Các thông số quan trọng để đánh giá chỉnh lưu cầu 1 pha 15
2.2 Với chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển mắc kiểu catot chung: 15
2.3 Tính toán các thông số của Van: 15
2.4 Chọn Van công suất: 16
2.4.1 Theo chỉ tiêu về dòng điện: 16
2.4.2 Theo chỉ tiêu về điện áp: 17
2.5 Tính chọn phần tử bảo vệ cho Van 18
2.5.1 Bảo vệ quá điện áp cho van 18
2.5.2 Bảo vệ quá nhiệt cho van 20
Trang 4Chương 1: Tổng quan về chỉnh lưu
1 Tổng quan về chỉnh lưu cầu
Hình 1.1 Chỉnh lưu cầu 1 pha trong thực tế
Chỉnh lưu là một mạch điện bao gồm các linh kiện điện - điện tử, dùng đểbiến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Mạch chỉnh lưu có thểđược sử dụng trong các bộ nguồn cung cấp dòng điện một chiều, hoặc trong cácmạch tách sóng tín hiệu vô tuyến điện trong các thiết bị vô tuyến Phần tử tích cựctrong mạch chỉnh lưu có thể là các điốt bán dẫn, các đèn chỉnh lưu thủy ngân hoặccác linh kiện khác
Khi chỉ dùng một điốt đơn lẻ để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều, bằng cáchkhóa không cho phần dương hoặc phần âm của dạng sóng đi qua mạch điện, thìmạch chỉnh lưu được gọi là chỉnh lưu nửa chu kỳ hay chỉnh lưu nửa sóng Trongcác bộ nguồn một chiều người ta hay sử dụng các mạch chỉnh lưu nhiều điốt (2hoặc 4 điốt) với các cách sắp xếp khác nhau để có thể biến đổi từ xoay chiều thànhmột chiều bằng phẳng hơn trường hợp sử dụng một điốt riêng lẻ Trước khi các
Trang 5điốt bán dẫn phát triển, người ta còn dùng các mạch chỉnh lưu sử dụng đèn điện từchân không, đèn chỉnh lưu thủy ngân, các dãy bán dẫn đa tinh thể seleni.
Các máy thu thanh vô tuyến đầu tiên, người ta gọi là các máy tinh thể, dùngmột sợi "râu mèo" hoặc một kim nhọn tiếp xúc nhẹ vào một điểm trên một khốitinh thể galena (sunphát chì) để tạo ra một điốt tiếp điểm, hoặc một bộ tách sóngtinh thể Trong hệ thống sấy đốt khí, các bộ phát hiện lửa có thể dùng Hai điện cựctrong một vỏ bọc kín có thể sản sinh ra dòng điện và có thể chỉnh lưu được mộtdòng điện xoay chiều, nhưng chỉ khi chúng nhìn thấy ngọn lửa
1.1
Luật dẫn của Van :
Mạch van để thực hiện quá trình chỉnh lưu có khá nhiều, tuy nhiên chúng đều tuân theo 2 kiểu mắc với nhau là mắc catot chung và mắc anot chung
1.1.1 Nhóm van mắc catot chung:
Van có khả năng dẫn là van có điện thế anot của nó dương nhất trong nhóm, tuy nhiên nó chi dẫn được nếu điện thế anot này dương hơn điện thế ở điểm mắc catot chung φKC.
1.1.2 Nhóm van mắc anot chung:
Van có khả năng dẫn là van có điện thế catot của nó âm nhất trong nhóm, tuy nhiên
nó chi dẫn được nếu điện thế catot này âm hơn điện thế ở điểm mắc anot chung
φAC.
Hình 1.2 Sơ đồ cách mắc van kiểu Anode chung và kathode chung
Trang 6Ta dùng 2 luật dẫn cảu van cơ bản như đã nêu trên để phân tích các mạchchỉnh lưu thông dụng, trong đó sẽ coi các van là lý tưởng, như vậy khi dẫn thì coinhư sụt áp trên van bằng 0.
1.2
Nguyên lý chung của chỉnh lưu:
Hình 1.3 Nguyên lý chung của chỉnh lưu
1.2.1 Chỉnh Lưu cầu 1 pha:
Mạch chỉnh lưu gồm 4 van DD1~DD4 đấu thành hai nhóm (): Đ1:Đ3 là nhóm catot chung, Đ2:Đ4 nhóm anot chung Nguồn xoay chiều đưa vào mạch van
có thể lấy trực tiếp từ lưới điện hoặc thông qua biến áp
Trong nửa chu kỳ đầu từ 0~π, điện áp U2 > 0 Ta thấy với nhóm catot chung Đ1:Đ3 thì anot D1 là dương hơn anot D3 vì vậy D1 sẽ dẫn Còn ở nhóm Đ2:Đ4 thìcatot D2 âm hơn catot D4 vì vậy D2 dẫn
Như vậy nửa chu kỳ đầu D1D2 dẫn Trong nửa chu kỳ sau, D3D4 dẫn
Hình 1.4 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha
Trang 7Hình 1.5 Dạng đồ thị điện áp và dòng điện sau khi chỉnh lưu của chỉnh lưu cầu 1
pha
1.2.2 Các thông số quan trọng của chỉnh lưu cầu 1 pha:
1 Điện áp tải Ud = 0,9U2
2 Dòng điện tải Id =Ud Rd
3 Dòng trung bình qua van Itbv = Id2
4 Điện áp ngược lớn nhất mà van chịu được Ungmax = 1,42.U2
5 Số lần đập mạch trong 1 chu kỳ m = 2
6 Hệ số Kđm = 0,67
Trang 8Chỉnh lưu cầu 1 pha được sử dụng khá rộng rãi trong thực tế, nhất là với điện áp trên 10V, dòng tải có thể đến 100A.
1.2.3 Ưu nhược điểm của chỉnh lưu cầu 1 pha
Ưu điểm: Có thể không cần biến áp như kiểu chỉnh lưu hình tia.
Nhược điểm: Có sụt áp do đi-ốt gây ra Chính vì vậy, mạch chỉnh lưu
cầu không thích hợp chỉnh lưu điện áp thấp dưới 10V khi dòng tải lớn
1.2.4 Một dạng sơ đồ khác của mạch chỉnh lưu cầu 1 pha:
Hình 1.6 Sơ đồ cầu chỉnh lưu dạng 1
Hình 1.7 Sơ đồ mạch cầu chỉnh lưu dạng 2
Trang 91.2.5 Các tham số chính của mạch chỉnh các mạch chỉnh lưu cơ bản:
Bảng 2.1 Tham số chính của các mạch chỉnh lưu cơ bản:
Udo - trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu;
U2 - trị số hiệu dụng của điện áp pha cuộn thứ cấp biến áp nguồn;
Itbv - trị số trung bình của dòng điện qua van;
I2, I1 - trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp biến ápnguồn;
Id - trị số trung bình dòng điện ra tải;
kba - hệ số máy biến áp nguồn;
d
a I X
1
d
a I X
2
d
a I X
2 3
d
a I X
3
d
a I X
2 3
d
a I X
4 3
Trang 10Sba – công suất tính toán máy biến áp nguồn;
Pd – công suất một chiều trên tải; Pd=Udo.Id;
DUg - sụt áp do hiện tượng trùng dẫn gây ra (Khi La ¹0);
kđm - hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu: kđm = ; trong đó U1m là biên
độ sóng hài cơ bản của điện áp chỉnh lưu theo khai triển Fourier
1.3 Tổng quan về chỉnh lưu câu 1 pha bán điều khiển sử dụng thyristor mắc
chung catot:
Nhóm catot chung là các thyristor nên chúng được mở ở các thời điểm α của
nó Nhóm anot chung là van đi-ôt nên chũng luôn mở tự nhiên theo điện áp nguồn: D1 mở khi U2 bắt đầu âm; D2 mở khi U2 bắt đầu dương Do vật sự dẫn của các vantrong chu kỳ dưới là:
Trang 11Hình 1.9 Dạng đồ khị sau khi chỉnh lưu bán điều khiển:
Hình 1.10 Dạng đồ thị của chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển với tải R-L:
Trang 121.3.1 Thông số quan trọng của Chỉnh Lưu cầu 1 pha bán điều khiển mắc
Ưu điểm: chính lưu cầu 1 pha bán điều khiển là điều khiển đơn giản thông qua
việc điều khiển góc mở α, tiết kiệm năng lượng hơn
1.3.2 Nguyên tắc điều chỉnh:
Điều kiện để van Thyristor mở cần đồng thời 2 điều kiện:
1 Điện áp trên van phải dương, nghĩa là UAK > 0
2 Có dòng điều khiển đủ lớn tác động vào cực điều khiển Điều kiện này ởDiode không có
của Thyristor theo như ý muôn Để thực hiện điều này, chúng ta dùng khảiniệm góc mở α, hay còn gọi là góc điều khiển
Góc điều khiển α là góc tính từ thời điểm mở tự nhiên đến thời điểmThyristor được phát xung vào cực điều khiển để mở van Thời điểm mở tựnhiên là điểm mà ở đó nếu van là diode thì nó bắt đầu dẫn
Với mạch chỉnh lưu 1 pha bán điều khiển sử dụng thyristor mắc chung catotthì ta có điều kiện về góc điều khiển giới hạn:
Trang 13 Với α < 30°, ta có chế độ dòng điện liên tục Đây là chế độ dòng điện mongmuốn, tốt cho tải và các thiết bị điện vận hành ổn định và bình thường Tanên điều khiển góc mở α < αgh để có được chế độ dòng điện liên tục này.
Trang 14Chương 2: Tính toán và chọn mạch lực2.1 Các thông số quan trọng để đánh giá chỉnh lưu cầu 1 pha
7 Điện áp tải Ud = 0,9U2
8 Dòng điện tải Id =Ud Rd
9 Dòng trung bình qua van Itbv = Id2
10.Điện áp ngược lớn nhất mà van chịu được Ungmax = 1,42.U2
2.3 Tính toán các thông số của Van:
Với các yêu cầu: Tải RL; Ud = 50 ~ 100 VDC; Pd = 5kW, ta có:
Góc mở giới hạn αgh = 30°
Vậy có nghĩa ta phải chọn góc mở α < αgh hay α < 30°
1 Điện áp tải Udα = 0,9U21+ cosαα
Trang 15 Với Ud∝ = 50 VDC, thay vào (1) ta được: Id = 500050 = 100 (A)
Với Ud∝ = 100 VDC, thay vào (1) ta được: Id = 5000100 = 50 (A)
4 Dòng trung bình qua van:
Ta chỉ dựa vào dòng trung bình qua van lớn nhất để phục vụ việc chọnvan sao cho phù hợp vậy:
Dòng trung bình qua van Itbv = Id2 = 1002 = 50 (A)
5 Điện áp ngược lớn nhất mà van chịu được:
Ở đây, ta cũng chọn hệ số sao cho Ungmax lớn nhất để phục vụ việc lựa chọn van hợp lý Vậy:
Điện áp ngược lớn nhất mà van chịu được là:
2.4 Chọn Van công suất:
Các van trong mạch chỉnh lưu công suất thường phải làm việc với dòng điệnlớn, điện áp cao, công suất phát nhiệt trên nó khá mạnh,vì vậy việc tính chọn vancần quan tâm trước tiên tới hai chỉ tiêu chính:
>>Chỉ tiêu về dòng điện.
>>Chỉ tiêu về điện áp.
2.4.1 Theo chỉ tiêu về dòng điện:
Theo sổ tay tra cứu chọn van theo nguyên tắc:
I v=k Iv.I tbv
Trong đó: -I v :dòng trung bình của van được chọn
-k Iv :hệ số dự trữ về dòng điện cho van
Trang 16Với tải ổn định và dòng qua van dưới 100A chỉ cần có k Iv = 1,2÷1,4.
Với tải dòng điện lớn, do sự phát nhiệt trên van mạnh, thường phải giảm dòng qua nó nên cần tăng hệ số dự trữ lên k Iv = 1,5÷2
Với van thường xuyên phải làm việc ở chế độ quá tải cần k Iv = 2÷4
Nếu làm việc ở nơi có môi trường khắc nhiệt, khó thay thế van thì phải chọn hệ số dự trữ từ 5 đến 8
Các van chịu dòng lớn nhưng làm việc ở chế độ ngắn hạn thi có thể chọn từ 0,8 đến 1
Với các dữ kiện để phù hợp với thông số đề bài nên ta chọn: k Iv = 1,2
Phải chọn Thyristor và đi-ốt ít nhất chịu được dòng trung bình
Vậy cần chọn van thyristor với trị số dòng điện cỡ:
I tbmax = 2I tbv = 2 50 = 100 (A) 2.4.2 Theo chỉ tiêu về điện áp:
Cần chọn thyristor và đi-ốt chịu điện áp khoảng gấp 2 lần Ungmax
Uthy = 2.Ungmax = 2.312,4 = 624,8 (V)
Theo như kết cấu mạch lực, ta phải chọn cả Thyristor và đi-ốt cần thiết cho mạch.Dựa vào kết quả tra cứu, ta có thể chọn:
Vậy: Thyristor chọn loại PGH1008AM do hãng Nihon Inter Electronics
Corporation sản suất với các thông số cơ bản phù hợp:
Itb =100A
Umax= 800V
Uđk = 2,5V (ở nhiệt độ ổn định 25°C)
Iđk = 100mA (ở nhiệt độ ổn định 25°C)
Nhiệt độ vỏ van tương ứng chế độ dòng trung bình tối đa cho phép: 125°C
Vậy: Đi-ốt chọn loại RHRU100120 của hãng Intersil Corporation với các
thông số cơ bản phù hợp:
Itb =100A
Umax= 1200V
Trang 17Nhiệt độ vỏ van tương ứng chế độ dòng trung bình tối đa cho phép: 175°CDatasheet của 2 van trên sẽ được đính kèm ở phần cuối.
2.5 Tính chọn phần tử bảo vệ cho Van
Việc bảo vệ mạch lực chủ yếu là bảo các van bán dẫn khỏi hai trạng thái:quá dòng và quá điện áp
2.5.1 Bảo vệ quá điện áp cho van
Bảo vệ điện áp cho van: mắc R-C song song với Thyristor
Linh kiện bán dẫn nói chung và linh kiện bán dẫn công suất nói riêng, rấtnhạy cảm với sự thay đổi của điện áp Những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới vanbán dẫn mà ta cần có phương pháp bảo vệ là:
thường gặp là do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây
Xung điện áp do cắt đột ngột máy biến áp non tải
Để bảo vệ cho van làm việc dài hạn không bị quá điện áp thì ta phải chọnđúng các van bán dẫn theo điện áp ngược
Hình 2.1 Bảo vệ quá điện và bảo vệ xung điện áp cho van.
Để bảo vệ quá điện áp của xung điện áp do quá trình đóng cắt các van bándẫn được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với thyristor Khi có sự cốchuyển mạch, các điện tích trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện
Trang 18ngược trong khoảng thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điệnngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, làm cho quá điện
áp giữa anot và catot của van.Khi có R-C mắc song song với van, tạo ra mạch vòngphóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên van không bị quá điện áp
0,564.U nguồn max
Trang 19Chương 3 Tổng kết và đánh giá3.1 Những yêu cầu đã hoàn thành:
pha bán điều khiển
3.2 Những điều còn thiếu sót:
- Chưa thực hiện mô phỏng quá trình làm việc của mạch chỉnh lưu cầu
- Chưa mô hình hóa sản phẩm thiết kế để đi tới hoạt động kiểm nghiệm thựctế
Trang 20Chương 4 Phụ lục và tham khảo 4.1 Bảng tra cứu các hình trong bài:
chung và kathode chung
Bài giảng điện tử côngsuất
khi chỉnh lưu của chỉnh lưu cầu 1
bán điều khiển với tải R-L:
Thiết kế điện tử côngsuất - Phạm Quốc hải
Trang 214.2 Tham khảo:
1 Bài giảng điện tử công suất Trừng đại học Hàng Hải Việt nam
2 Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất – Thầy Phạm Quốc Hải
mạng)