Khái niệm về điện tử công suất
Để hiểu rõ về điện tử công suất, cần xem xét ba lĩnh vực chính của Kỹ thuật điện: điện tử, điều khiển và năng lượng điện Điện tử tập trung vào nghiên cứu các dụng cụ bán dẫn và mạch tích hợp phục vụ cho việc truyền tải và xử lý thông tin Lĩnh vực điều khiển phân tích và tổng hợp các bộ điều khiển nhằm đảm bảo sự ổn định trong hoạt động của hệ thống Cuối cùng, lĩnh vực năng lượng giải quyết các vấn đề liên quan đến 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 và biến đổi điện năng Các thiết bị này hoạt động theo nguyên lý đóng-cắt, không phải ở chế độ khuếch đại, và được gọi là thiết bị điện tử công suất Do đó, điện tử công suất là ứng dụng của kỹ thuật điện tử và điều khiển trong hệ thống năng lượng điện.
Nhiệm vụ về điện tử công suất
Nhiệm vụ chính của điện tử công suất là chuyển đổi hệ thống năng lượng điện từ dạng này sang dạng khác, bao gồm các loại biến đổi năng lượng khác nhau.
• Xoay chiều (AC-Alternating Current) thành một chiều (DC-Direct Current): AC-DC.
• Một chiều thành một chiều: DC-DC.
• Một chiều thành xoay chiều: DC-AC.
• Xoay chiều thành xoay chiều: AC-AC.
Ứng dụng về điện tử công suất
a.Các bộ chỉnh lưu có điều khiển
Biến đổi AC-DC là thiết bị quan trọng được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển động cơ điện một chiều, cung cấp nguồn điện một chiều, cũng như trong các ứng dụng mạ và nạp điện.
Bộ chỉnh lưu được ứng dụng trong hệ thống tự động ổn định tốc độ quay của động cơ điện một chiều, như thể hiện trong sơ đồ khối ở Hình 1.1.
Hình 1.1 Sơ đồ khối bộ tự động ổn định tốc độ quay động cơ điện 1 chiều
Bộ chỉnh lưu đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều Khi tải hoặc điện áp nguồn thay đổi, momen và tốc độ quay của động cơ cũng sẽ thay đổi Cảm biến tốc độ chuyển đổi tốc độ quay thành tín hiệu điện, và tín hiệu này được khuếch đại để điều chế góc mở SCR trong bộ chỉnh lưu, từ đó điều chỉnh điện áp một chiều nhằm giữ cho tốc độ động cơ ổn định Việc điều chỉnh tốc độ có thể thực hiện bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng, mạch kích thích, hoặc cả hai mạch.
Theo quan điểm kỹ thuật, hệ thống tự động ổn định tốc độ quay được mô tả như một hệ điều chỉnh tốc độ mạch vòng kín, như thể hiện trong hình 1.2.
Hệ thống điều chỉnh mạch vòng kín được mô tả qua sơ đồ cấu trúc, trong đó các đại lượng được biểu diễn bằng toán tử Laplace Cụ thể, X(s) đại diện cho giá trị đặt, Y(s) là giá trị thực của quá trình, và E(s) thể hiện độ sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực Hệ thống này chủ yếu 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 một chiều 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 điện một chiều Uo, và khi tải hoặc điện áp nguồn thay đổi, momen và tốc độ quay của động cơ cũng sẽ thay đổi Tín hiệu từ cảm biến tốc độ sẽ điều chỉnh tần số đóng cắt của bộ biến đổi DC-DC, giúp thay đổi điện áp trung bình trên động cơ, từ đó duy trì tốc độ quay ổn định trong một phạm vi làm việc nhất định.
Các bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp xoay chiều rất phổ biến trong các hệ thống tạo nhiệt như nung và sấy Chúng cũng được áp dụng để điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điện xoay chiều Tuy nhiên, do chất lượng không cao, việc sử dụng các bộ điều chỉnh này trong truyền động điện cho động cơ điện xoay chiều ít được áp dụng cho các loại tải công suất lớn.
Sự thay đổi trạng thái của buồng sấy hoặc điện áp nguồn cung cấp nhiệt độ có thể làm tín hiệu ra của cảm biến nhiệt độ biến đổi, dẫn đến sự điều chỉnh góc mở của các Thyristor trong bộ điều chỉnh Điều này giúp thay đổi điện áp và dòng điện đi qua phần tử đốt, giữ cho nhiệt độ trong buồng sấy ổn định Các bộ điều chỉnh này có thể được áp dụng cho cả mạch một pha và ba pha, như được trình bày trong Hình 1.4.
Hình 1.4 Bộ điều chỉnh dòng điện và điện áp một pha d Bộ biến đổi ngược
Bộ biến đổi ngược DC-AC (nghịch lưu) chuyển đổi dòng điện và điện áp một chiều cố định thành dòng điện và điện áp xoay chiều ổn định Chúng thường được ứng dụng trong các hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời để biến đổi năng lượng điện một chiều hoặc điện xoay chiều không ổn định thành 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 với bộ biến đổi ngược được minh họa trong Hình 1.5.
Hệ thống cung cấp điện không gián đoạn bao gồm nguồn điện xoay chiều từ lưới điện, được chỉnh lưu và nạp cho ắc quy Nguồn điện này được lọc phẳng và cung cấp cho bộ nghịch lưu DC-AC, biến đổi thành nguồn điện e.
Bộ biến tần AC-AC là thiết bị chuyển đổi dòng điện và điện áp xoay chiều từ tần số này sang tần số khác, bao gồm hai loại: trực tiếp và gián tiếp Chúng thường được áp dụng trong hệ thống điều khiển truyền động điện cho động cơ xoay chiều Hình 1.6 minh họa sơ đồ hệ thống điều khiển truyền động điện sử dụng biến tần giao tiếp.
Hình 1.6 Sơ đồ khối ổn định tốc độ quay động cơ điện xoay chiều
Hệ thống điện áp xoay chiều U1 với tần số cố định được chuyển đổi thành hệ thống điện áp xoay chiều U2 có tần số thay đổi nhằm tự động ổn định tốc độ quay của động cơ khi có sự thay đổi về tải và điện áp lưới Các bộ biến đổi trong hệ thống truyền tải điện năng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Các bộ biến đổi công suất lớn đóng vai trò quan trọng trong hệ thống truyền tải điện năng, bao gồm các ứng dụng như bù hệ số cosφ, điều khiển hệ thống năng lượng và truyền tải điện một chiều cao áp, như thể hiện trong Hình 1.7.
Hình 1.7 Truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC)
Hệ thống truyền tải điện một chiều cao áp cho phép điều chỉnh hướng truyền năng lượng thông qua việc thay đổi chế độ hoạt động của các bộ biến đổi ở hai đầu đường dây Mặc dù mang lại nhiều lợi ích, nhưng hệ thống này đòi hỏi thiết bị điều khiển và biến đổi phức tạp, tốn kém, và hiện chỉ được áp dụng tại một số quốc gia công nghiệp phát triển.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.1 Khái niệm về chỉnh lưu công suất
Luật dẫn của van công suất trong các mạch chỉnh lưu
Hình 1.8 trình bày nhóm nối Cathode chung.
Hình 2.1 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 nhất
Hình 2.2 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.
Cấu trúc mạch chỉnh lưu,các thông số cơ bản
Các mạch chỉnh lưu rất đa dạng về hình dáng và tính năng, nhưng về cơ bản, cấu trúc của bộ biến đổi thường bao gồm một số bộ phận chính.
- 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 thường dùng để đo dòng điện, điện áp.
Mạch điều khiển đóng vai trò quan trọng trong các bộ chỉnh lưu có điều khiển, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác, ổn định và chất lượng của thiết bị.
Phụ tải của mạch chỉnh lưu chủ yếu bao gồm phần ứng của động cơ điện một chiều, kích từ máy điện một chiều, cuộn hút nam châm điện, và các tải có sức điện động E Ngoài ra, đôi khi phụ tải còn bao gồm các đèn chiếu sáng hoặc các điện trở tạo nhiệt.
- Hình 1.10 trình bày cấu trúc của một bộ chỉnh lưu.
Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của bộ
Các mạch chỉnh lưu một pha
2.4.1 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển a Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng
Hình 2.4 Sơ đồ chỉnh lưu và dạng sóng điện áp và dòng điện b Nguyên lý làm việc
- Giả Sử mạch làm việc ở chế độ xác lập , lý tưởng và điện áp cấp vào mạch chỉnh lưu: u2= U2.sin t (v)
Trong nửa chu kỳ đầu (0 < t < T/2), khi điện áp u2 > 0, diode D được phân cực thuận và dẫn điện, với các thông số uD = 0, u2 = ud và iD = id Ngược lại, trong nửa chu kỳ sau (T/2 < t < T), khi u2 = 0, diode D bị phân cực ngược và không dẫn điện, dẫn đến uD = u2 = 0, ud = 0 và iD = id = 0.
Các chu kỳ tiếp theo hoạt động theo nguyên lý tương tự, từ đó xây dựng được dạng sóng dòng điện và điện áp trong mạch, như thể hiện trong hình vẽ 1.11 c Các biểu thức cho dòng và áp cũng được xác định dựa trên nguyên lý này.
- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu :
- Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA:
- Dòng điện trung bình qua diode D:
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên 2 đầu diode D khi khóa:
UDngmax 2.4.2 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ không điều khiển a Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng
Hình 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu và dạng điện áp ra trên tải b Nguyên lý làm việc
Trong chế độ xác lập lý tưởng của mạch, khi điện áp đặt vào cuộn sơ cấp của máy biến áp là hình sin, hai điện áp u21 và u22 ở phía thứ cấp sẽ có giá trị hiệu dụng bằng nhau nhưng ngược pha.
Trong nửa chu kỳ dương của điện áp u21, diode D1 được phân cực thuận cho phép dòng điện chạy qua tải, dẫn đến iD1 = id, ud = u21 và uD1 = 0 Ngược lại, khi u22 âm, diode D2 bị phân cực ngược và khóa lại, do đó iD2 = 0 và uD2 = u22 – u21.
Trong nửa chu kỳ âm của điện áp u21, diode D1 bị phân cực ngược và không dẫn điện Khi đó, điện áp u22 dương làm cho diode D2 dẫn điện, cho phép dòng điện chạy qua tải với iD2 = id và uD2 = 0 Ngược lại, khi u22 âm, D2 bị phân cực ngược và không dẫn điện, dẫn đến iD1 = 0 và uD1 = u21 – u22.
Cả hai nửa chu kỳ D1 và D2 luân phiên đóng mở, cung cấp điện cho tải trong toàn bộ chu kỳ Dựa trên nguyên lý làm việc, ta có thể xây dựng dạng sóng của dòng điện và điện áp trong mạch, như thể hiện trong hình vẽ 1.12 c Công thức tính toán trong mạch cũng được áp dụng để phân tích hiệu suất hoạt động.
- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu trên tải:
- Giá trị trung bình của dòng điện tải:
- Dòng hiệu dụng sơ cấp máy biến áp:
Khi có van dẫn, dòng điện tức thời qua thứ cấp của máy biến áp được biểu diễn bằng công thức i2 = i21 Dòng điện này là dòng điện hình sin, từ đó suy ra rằng i1 bằng m.i2, trong đó m là tỷ số của máy biến dòng.
Vậy giá trị hiệu dụng của dòng điện sơ cấp máy biến áp được xác định:
- Điện áp ngược lớn nhất đặt trên mỗi van diode:
Ungmax 2.4.3 Mạch chỉnh lưu hình cầu1 pha không điều khiển a Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng
Hình 2.6 Sơ đồ chỉnh lưu toàn bán kỳ và dạng điện áp ra trên tải b Nguyên lý làm việc
Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, xét điều kiện lý tưởng và điện áp phía thứ cấp u2 = U2sint (v).
Trong nửa chu kỳ đầu từ t = 0, điện áp u2 dương khiến cặp van D1 và D2 được phân cực thuận và dẫn điện, trong khi cặp van D4 và D3 bị phân cực ngược và không dẫn điện Kết quả là uD1 = uD2 = 0, uD4 = uD3 = -u20, ud = u20 và iD1.
Trong nửa chu kỳ sau t = 2, điện áp u2 có giá trị dương, dẫn đến cặp van D1 và D2 bị phân cực ngược và không dẫn điện Ngược lại, cặp van D4 và D3 được phân cực thuận, cho phép dòng điện chạy qua tải Khi đó, ta có các giá trị: uD4 = uD3 = 0, uD1 = uD2 = u20, ud = -u20, iD4 = iD3 = id, và iD1 = iD2 = 0.
Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự c Các biểu thức dòng và áp
- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu :
- Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu :
Id = = - Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA khi đó xẽ là:
- Dòng hiệu dụng qua mỗi van diode:
- Dòng điện hiệu dụng qua sơ cấp máy biến áp:
I1 = m.I2 ( m = : Là tỷ số máy biến dòng )
-Dòng điện trung bình qua diode D:
IDAV - Điện áp ngược lớn nhất đặt lên 2 đầu diode D khi khóa:
UDngmax 2.4.4 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển a Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng
* Trường hợp tải thuần trở
Hình 2.7 Mạchh chỉnh lưu một pha dùng SCR và dạng điện áp ra trên tải thuần trở R b Nguyên lý làm việc
- Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng, điện áp phía thứ cấp u2
=U2 sint và góc điều khiển
- Trong khoảng t = 0 đến , có u2 > 0, và uT > 0, tuy nhiên T vẫn chưa dẫn, do chưa có xung điều khiển mở Khi đó ta có: uT = u2; ud = 0; iT = id= 0.
- Đến thời điểm t = , phát xung điều khiển mở van T, lúc này T có đủ hai điều kiện kích mở nên dẫn điện Ta có:
Tại thời điểm t = 2, điện áp u2 bằng 0 và có xu hướng tăng dần Mặc dù van T đã được cấp điện áp thuận, nhưng vẫn chưa dẫn do thiếu xung điều khiển kích mở Do đó, trong khoảng thời gian từ t = 2 đến t = 2+, ta có các giá trị: uT = u2, ud = 0 và iT = id = 0.
- Đến thời điểm t = 2 + , phát xung điều khiển mở van T, lúc này T dẫn điện Ta có: ud = u2; uT = 0; iT = id
- Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự. c Một số biểu thức tính toán
- Điện áp trung bình trên tải :
- Dòng điện trung bình qua tải và Thyristor :
= ITAV = = (1 + cos ) - Dòng điện hiệu dụng qua Thyristor :
- Điện áp thuận lớn nhất trên van T:
UTh max - Điện áp ngược lớn nhất trên van T:
2.4.5 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ có điều khiển a Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng
Hình 2.8 Mạch chỉnh lưu hình tia có điều khiển và dạng sóng b Nguyên lý làm việc
- Giả sử L = , điện áp phía sau thứ cấp u21 = - u22 = U2 sin t, xét mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng.
- Trong khoảng 0 , khi đó không van nào dẫn nên: id = iT1 = iT2 = 0; ud = 0; uT1 = u21; uT2 = u22
- Trong khoảng , khi đó van T1 dẫn còn T2 khóa nên: id = iT1 = ; iT2 = 0; ud = u21; uT1 = 0; uT2 = u22 – u21
- Trong khoảng , khi đó không van nào dẫn nên: id = iT1 = iT2 = 0; ud = 0; uT1 = u21; uT2 = u22
- Trong khoảng , khi đó van T2 dẫn còn T1 khóa nên: id = iT2 = ; iT1 = 0; ud = u22; uT2 = 0; uT1 = u21 – u22
- Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự c Các biểu thức trong mạch
- Điện áp trung bình trên tải :
- Dòng điện trung bình qua tải:
= = (1 + cos ) - Điện áp thuận và ngược lớn nhất trên van T:
UTngmax =UTh max 2.4.6 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha có điều khiển hoàn toàn a Sơ đồ nguyên lý
Hình 2.9 Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn b Nguyên lý làm việc
Hình 2.10 Dạng sóng dòng điện và điện áp
- Giả sử Ld = , điện áp phía thứ cấp u2 =U2 sin t, góc điều khiển Xét mạch đang làm việc ở chế độ xáclập Khi van dẫn sụt áp trên nó bằng không.
- Trong khoảng 0 < < khi đó van T3; T4 dẫn còn T1 và T2 khóa nên: id = iT3 = iT4; iT1= iT2= 0; ud = - u2; uT1 = uT2 = u2; uT3 = uT4 = 0.
- Trong khoảng < khi đó van T1; T2 dẫn còn T3 và T4 khóa nên: id = iT1 = iT2; iT3= iT4= 0; ud = u2; uT4 = uT3 = -u2; uT2 = uT1 = 0.
- Trong khoảng khi đó van T3; T4 dẫn còn T1 và T2 khóa nên: id = iT3 = iT4; iT1= iT2= 0; ud = - u2; uT1 = uT2 = u2 ; uT3 = uT4 = 0.
Các chu kỳ tiếp theo lặp lại tương tự. c Các biểu thức trong mạch
- Điện áp trung bình trên tải:
- Dòng điện trung bình qua Thyristor :
ITAV = - Điện áp thuận, điện áp ngược cực đại trên Thyristor :
U * Tải R + L ; L = ; xét chế độ làm việc xác lập và lý tưởng.
Hình 2.11 Mạch cầu một pha bán điều khiển dùng hai SCR mắc K chung. b Nguyên lý làm việc
Hình 2.12 Dạng sóng điện áp và dòng điện
Trên sơ đồ nguyên lý, nhóm thyristor mắc catot chung được kích hoạt vào thời điểm t = khi nhận được xung điều khiển Trong khi đó, nhóm van diode mắc anot chung sẽ mở theo quy luật tự nhiên, phụ thuộc vào điện áp nguồn; cụ thể, D1 sẽ mở khi điện áp u2 bắt đầu chuyển sang giá trị âm.
D2 mở khi u2 bắt đầu dương Do vậy quá trình làm việc của các van rong một chu kỳ điện lưới là:
+ Trong khoảng: -> thì van T1 và D2 dẫn.
+ Trong khoảng: -> + thì van T1 và D1 dẫn.
+ Trong khoảng: + -> 2 thì van T2 và D1 dẫn.
+ Trong khoảng: 2 -> 2 + thì van T2 và D2 dẫn.
Quá trình các chu kỳ sau được lặp lại tương tự.
Khi mạch làm việc có hai đoạn dẫn thẳng hàng của các van T1, D1 và T2, D2, điện áp trên tải bị ngắn mạch (ud = 0) Trong các đoạn khác, điện áp tải (ud) theo sát điện áp nguồn Dòng điện qua tải (id) vẫn liên tục, trong khi dòng điện qua máy biến áp nguồn thì gián đoạn Điều này mang lại lợi ích về mặt năng lượng, cho phép duy trì năng lượng trong tải mà không cần lấy từ nguồn.
- Điện áp trung bình trên tải :
- Dòng trung bình qua một van bán dẫn :
IT = ID - Dòng điện hiệu dụng chảy qua van diode và thiristor :
- Dòng điện hiệu dụng chảy qua thứ cấp máy biến áp:
- Điện áp ngược và điện áp thuận lớn nhất rơi trên van thyritstor :
• Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha bán điều khiển mắc đối xứng a Sơ đồ nguyên lý
Hình 2.13 Mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển mắc đối xứng b Nguyên lý làm việc
Trong sơ đồ, các diode tự mở ở các nửa chu kỳ: D1 mở khi u2 âm và D2 mở khi u2 dương Các thyristor được kích hoạt theo góc xung, trong khi các van được khóa theo nhóm: khi D1 dẫn thì T1 khóa, khi T1 dẫn thì D1 khóa, và tương tự cho D2 và T2 Do đó, trong một chu kỳ điện áp lưới, các van được dẫn trong các khoảng thời gian nhất định.
Các chu kỳ sau quá trình lặp lại tương tự
Hình 2.14 Dạng sóng điện áp và dòng c Các biểu thức tính toán
- Điện áp trung bình trên tải :
- Dòng trung bình qua một van thyritstor dẫn :
- Dòng trung bình qua một van diode dẫn :
- Dòng điện hiệu dụng chảy qua van diode và thiristor:
- Dòng điện hiệu dụng chảy qua thứ cấp máy biến áp:
- Điện áp ngược và điện áp thuận lớn nhất rơi trên van thyritstor và diode :
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH 27 3.1 Các thông số yêu cầu
Tính toán các thông số của mạch điện
3.3.1 Tính toán, chọn van công suất
Khi chọn van bán dẫn cho chỉnh lưu, hai thông số quan trọng nhất cần chú ý là điện áp và dòng điện Các thông số khác chỉ mang tính chất tham khảo trong quá trình lựa chọn.
Khi đã đáp ứng được hai thông số cơ bản trên các thông số còn lại có thể tham khảo theo gợi ý sau:
- Loại van nào có sụt áp dư nhỏ hơn sẽ có tổn hao nhiệt ít hơn.
- Dòng điện rò của loại van nào nhỏ hơn thì chất lượng tốt hơn.
- Nhiệt độ cho phép của loại van nào cao hơn thì khả năng chịu nhiệt tốt hơn.
- Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơn, công suất điều khiển thấp hơn.
Van bán dẫn có thời gian chuyển mạch ngắn hơn và độ nhạy cao hơn Tuy nhiên, trong hầu hết các loại van bán dẫn, thời gian chuyển mạch thường tỷ lệ nghịch với tổn hao công suất.
Các van động lực được lựa chọn dựa trên các yếu tố cơ bản như dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện tỏa nhiệt và điện áp làm việc Các thông số cơ bản của van động lực bao gồm điện áp ngược và điện áp làm việc, được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Để chọn van phù hợp với điện áp, điện áp ngược của van phải lớn hơn điện áp làm việc được tính theo công thức Ulv = × U2 = × 220 = 311.12 V, với một hệ số dự trữ điện áp ku.
Uđm = ku × Ulv = 1.8 × 933.4 80.6 A k u thường được chọn trong khoảng 1.6-2.0 Ở đây chọn k u là 1.8. b.Tính dòng điện của van:
- Dòng điện làm việc của van dược chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van theo sơ đồ đã chọn (Ilv = IRMS).
- Dòng điện hiệu dụng được tính:
Để đảm bảo van bán dẫn hoạt động an toàn và tránh hiện tượng chọc thủng nhiệt, việc lựa chọn và thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lý là rất quan trọng Dựa trên điều kiện tỏa nhiệt đã được xác định, cần tiến hành tính toán thông số dòng điện định mức của van.
Dòng điện định mức của van (Iđmv) nên được lựa chọn dựa trên các gợi ý sau: trong trường hợp không có cánh tỏa nhiệt và tổn hao trên van áp dưới 20W, có thể chọn dòng điện làm việc lên tới 10% của Iđmv.
>l0), khi có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt cho phép van làm việc tới 40% Iđmv
Khi Iđmv lớn hơn 2,5 lần Ilv và có cánh tỏa nhiệt đủ diện tích bề mặt cùng với quạt thông gió, van có thể hoạt động tới 70% Iđmv (Iđmv lớn hơn 1,4 lần Ilv) Trong điều kiện làm mát bằng nước, van có thể hoạt động gần 100% Iđmv.
Do quá trình thông gió tự nhiên kém hiệu quả, khi tổn hao trên van ∆Pv ∆Uv.Ilv đạt khoảng 100 W/van trở lên, hiện tượng đối lưu không khí xung quanh cánh tỏa nhiệt diễn ra chậm, dẫn đến nhiệt độ tỏa ra môi trường không kịp thời.
Vì vậy ta chọn làm mát khi có cánh tỏa nhiệt với đủ diện tích bề mặt cho phép van làm việc 40%Iđmv (Iđmn >2.5Ilv).
- Dòng điện định mức của van cần chọn :
Từ những thông số trên chọn thysirtor TYN1225
Datasheet TYN1225 (xem phần phụ lục)
- Về phần diode chọn diode HER508
- Ngắn mạch bản thân van.
Chọn cầu chì: Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các thyristor
- Dòng điện định mức của dây chảy nhóm 1CC là:
=> Vậy chọn cầu chì nhóm 1CC loại 1.25 (A)
Với điện áp sau lọc có độ nhấp nhô 1 chu kì xung răng cưa : T1 = 10ms.
TCA 785, được sản xuất bởi hãng SIEMENS, là một thiết bị quan trọng trong việc điều khiển các hệ thống chỉnh lưu và điều chỉnh dòng điện xoay chiều Thời điểm phát xung được xác định bởi tTr, trong khi dòng nạp tụ là I10 và điện áp trên tụ là V.
Có thể điều chỉnh góc từ 0 0 đến 180 0 điện Thông số chủ yếu của TCA là:
- Điện áp nguồn nuôi: US= 15V
- Dòng điện tiêu thụ: IS= 10mA
- Điện áp răng cưa: URC max= (US- 2) V Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9= (20500) Điện áp điều khiển: U11 = - 0,5 (US – 2) V
Dòng điện đồng bộ: IS = 200 (A)
Tần số xung ra: f = (10 500) Hz
Chọn giá trị ngoài thực tế: C10 = 104, C12 = 473, R9 = 33kΩ
- Điện áp điều khiển chọn VR2 = 50kΩ
- Khâu đồng pha chọn Rđồng pha = 1mΩ k Nguyên lí làm việc của TCA 785
Vi mạch TCA 785 thực hiện bốn chức năng chính trong mạch điều khiển, bao gồm tạo điện áp đồng bộ, so sánh và phát xung Nguồn nuôi được cấp qua chân 16, trong khi tín hiệu đồng bộ được lấy từ chân 5 và 1 Tín hiệu điều khiển được đưa vào chân 11 Bộ nhận biết điện áp 0 kiểm tra điện áp đầu vào và chuyển tín hiệu đến bộ phận đồng bộ, điều khiển tụ C10 nạp đến điện áp không đổi do R9 quyết định Khi điện áp V10 đạt V11, tín hiệu sẽ được đưa vào khâu logic, cho phép góc mở α thay đổi từ 0 đến 180 độ Mỗi nửa chu kỳ, một xung dương xuất hiện ở Q1 và Q2 với độ rộng từ 30-80μs, có thể kéo dài đến 180 độ nhờ tụ C12.
Nếu chân 12 nối đất thì sẽ có xung trong khoảng α đến 180 o
Điện áp lưới sau khi qua máy biến áp được hạ xuống 12VAC và đưa vào chân số 5 và chân số 1 qua điện trở R Tín hiệu điều khiển Vdk tại chân 11 được so sánh với điện áp răng cưa từ tụ C10, tạo ra xung điều khiển thyristor với góc mở α tăng dần ở đầu ra chân 14 và 15 Trong trường hợp xảy ra ngắn mạch, chân 16 nhận tín hiệu cấm, dẫn đến việc không còn tín hiệu đầu ra tại chân 14 và 15.
3.3.4.Tính toán,chọn phần tử cách ly
Có nhiều phương án cho việc cách ly, bao gồm việc sử dụng phần tử cách ly quang biến áp xung Đối với mạch công suất nhỏ, chỉ cần sử dụng diode để ngăn chặn dòng điện ngược.