Đồ án điện tử công suất thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha

Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế.Sơ đồ cấu trúc thường gặp được của mạch chỉnh lưu như hình 1.1 Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu Tr

LỜI MỞ ĐẦU

Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng của các linh kiện bán dẫn công suất làm việc ở chố độ chuyển mạch và quá trình biến đổi điện năng

Ngày này, không chỉ riêng gì các nước phát triển ngay cả ở nước ta các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và trong lĩnh vự sinh hoạt Các xí nghiệp, nhà máy như xi măng, thủy điện, giấy, dệt, sợi, đóng tàu…đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện tử nói chung và điện tử công suất nói riêng Đó là mình chứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp này

Với mục tiêu công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, ngày càng có nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất Cũng với lỹ do đó, trong học kỳ này chúng

em được nhận đồ án môn học điện tử công suất với đề tài: “ Thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha”

Với hướng dẫn của Cô giáo: Nguyễn Thị Điệp, chúng em đã tiến hành nghiên

cứu và thiết kế đồ án Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế

có hạn nên không thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cô đóng góp ý kiến để đồ án của chúng em hoàn thiện hơn

Chúng em xin trân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Khắc Việt

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Hà Nội, tháng 6 năm 2015

MỤC LỤC

Đề tài: Thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha mắc trực tiếp vào lưới điện 3x380(V), 50Hz Mạch cấp cho phụ tải thuần trở; yêu cầu Ud = (100 - 200)V;

Id = 210 A; kđm = 0,1.

Chương I: Giới thiệu chung về bộ chỉnh lưu

Phần 1: Các vấn đề chung của bộ chỉnh lưu

1.1: Cấu trúc

a) Định nghĩa:

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế.Sơ đồ cấu trúc thường gặp được của mạch chỉnh lưu như hình 1.1

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu Trong sơ đồ máy biến áp làm 2 nhiệm vụ chính là:

- Chuyển từ điện áp của lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu của tải Tùy theo tải mà máy biến áp có thể tăng áp hoặc giảm áp

- Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu của mạch van Thông thường số pha của lưới lớn nhất là 3 Song mạch van có thể cần số pha là 6, 12… Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện và mạch van đòi hỏi số pha như lưới điện thì có thể bỏ máy biến áp

- Mạch van ở đây là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách nào đó để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu

- Mạch lọc nhằm đảm bảo biến áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải bằng phẳng theo yêu cầu

1.2: Phân loại

Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây:

a) Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: Một pha, hai pha, ba pha, sáu pha,

…

b) Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch

Hiện nay chủ yếu dùng hai loại van là điôt và thyristor, vì thế có ba loại mạch sau:

- Mạch van dùng toàn điôt được gọi là chỉnh lưu không điều khiển

- Mạch van dùng toàn thyristor được gọi là chỉnh lưu điều khiển

- Mạch chỉnh lưu dùng cả hai loại điôt và thyristor gọi là chỉnh lưu bán điều khiển c) Phân loại theo sơ đồ mắc các van với nhau

Có hai kiểu mắc van:

- Sơ đồ hình tia: Ở sơ đồ này số lượng van sẽ bằng số pha nguồn cấp cho mạch van Tất cả các van đều đấu chung một đầu nào đó với nhau hoặc catôt chung hoặc anôt chung

- Sơ đồ cầu: Ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van Trong đó một nửa số van mắc chung nhau catôt, nửa kia lại mắc chung nhau anôt Như vậy, khi gọi tên một mạch chỉnh lưu, người ta dùng ba dấu hiệu trên để chỉ cụ thể mạch đó

1.3: Luật dẫn van

Mạch van để thực hiện quá trình chỉnh lưu có khá nhiều, tuy nhiên chúng đề tuân theo hai kiểu mắc với nhau là mắc catôt chung và mắc anôt chung Vì thế chỉ cần nhận biết hai quy luật dẫn này, ta có thể phân tích toàn bộ các mạch van chỉnh lưu có trong thực tế

1.3.1: Nhóm van đấu catôt chung

Hình 1.2: Sơ đồ van đấu catôt chung Luật dẫn được phát biểu như sau:

Van có khả năng dẫn là van có điện thế anôt của nó dương nhất trong nhóm, tuy nhiên nó chỉ dẫn được nếu điện thế anôt này dương hơn điện thế ở điểm catôt chung

Ví dụ ở thời điểm hiện tại ta có:

>>…>

Và đồng thời > thì van sẽ dẫn Nếu coi sụt áp trên van bằng 0 thì khi D1 đã dẫn

ta thấy = Điều nãy dẫn đến điện áp trên các van còn lại sẽ âm:

= - = - < 0

………

= - = - < 0 Như vậy các van còn lại sẽ phải khóa, không dẫn được

1.3.2: Nhóm van đấu anôt chung

Hình 1.3: Sơ đồ van đấu anôt chung

Ở nhóm van đấu anôt chung có luật dẫn van: Van có khả năng dẫn là van có điện thế catôt âm nhất trong nhóm, nhưng nó chỉ dẫn được nếu điện thế này âm hơn điện thế điểm anôt chung

1.4: Ý nghĩa các thông số cơ bản của mạch chỉnh lưu

Các tham số dùng để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật trong phân tích hoặc thiết kế mạch chỉnh lưu, gồm có ba nhóm tham số chính như dưới đây:

1.4.1: Về phía tải

Ud – Giá trị trung bình của điện áp nhận được ngay sau mạch van chỉnh lưu:

Ud =

Id – Giá trị trung bình của dòng điện tử mạch van cấp ra:

Id =

Pd = Ud.Id là công suất một chiều mà tải nhận được từ mạch chỉnh lưu

1.4.2: Về phía van

Itbv – Giá trị trung bình của dòng điện chảy qua một van của mạch van

Ung max – Điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc

1.4.3: Về phía nguồn

Thể hiện bằng công suất xoay chiều lấy từ lưới điện, thông thường sử dụng theo công suất biểu kiến của biến áp:

Sba = = ksd.Pd Trong đó:

S1 = U1.I1

Ở đây các giá trị U1, I1, U2i, I2i là trị số hiệu dụng của biến áp và dòng điện pha

sơ cấp và thứ cấp máy biến áp Do phía thứ cấp có thế có nhiều cuộn dây, nên phải tổng công suất của tất cả m cuộn dây

Để đánh giá khả năng biến đổi công suất xoay chiều thành một chiều, công suất lấy từ lưới điện Sba được so sánh với công suất một chiều Pd mà tải nhận được qua hệ số

sơ đồ ksd Hệ số này càng gần 1 càng chứng tỏ mạch có hiệu suất biến đổi tốt hơn

Ngoài nhóm ba tham số trên còn có một tham số dùng để đánh giá sự bằng phẳng của điện áp một chiều nhận được, gọi là hệ só đập mạch kđm, được xác định theo biểu thức:

kđm = Trong đó U1m là biên độ sóng hài bậc 1 theo khai triển Fourier của điện áp chỉnh lưu và U0 là thành phần cơ bản cũng theo khai triển này U0 cũng chính là giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu, tức là U0 = Ud

Phần 2: Giới thiệu các loại van Thyristor

1.5: Cấu tạo và ký hiệu

Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba lớp tiếp giáp p-n: J1, J2, J3 Thyristor có ba cực: Anôt A, catôt K, cực điều khiển G như được biểu diễn trên hình

Hình 1.4: Cấu tạo và ký hiệu của Thyristor

1.6: Nguyên lý hoạt động

Khi Thyristor được nối với nguồn một chiều E > 0 tức cực dương đặt vào anốt cực âm đặt vào catốt thì tiếp giáp J1, J3 được phân cực thuận còn miền J2 phân cực ngược, gần như toàn bộ điện áp được đặt lên mặt ghép J2, điện trường nội tại E1 của J2

có chiều từ N1 hướng tới P2 Điện trường ngoài tác động cùng chiều với E1, vùng chuyển tiếp là vùng cách điện càng được mở rộng ra, không có dòng điện chạy qua thyristor mặc dù nó được đặt dưới 1 điện áp dương

1.6.1: Mở thyristor

Nếu cho một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G (dương so với K) thì các electron từ N2 chạy sang P2 Đến đây một số ít trong chúng chạy về nguồn Ug và hình thành dòng điều khiển Ig chảy theo mạch G1 – J3 – K – G, còn phần lớn điện tử dưới sức hút của điện trường tổng hợp có mặt J2 lao vào vùng chuyển tiếp này chúng được tăng tốc do đó có động năng rất lớn sẽ bẻ gãy các liên kết giữa các nguyên tử Si, tạo nên các điện tử tự do mới Kết quả của các phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện

càng nhiều điện tử chạy vào vùng N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt làm cho J2 trở thành mặt ghép dẫn điện bắt đầu từ một điểm nào đó ở xung quanh cực rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép với tốc độ lan truyền khoảng 1m/100

1.6.2: Khóa Thyristor

Để khóa thyristor có 2 cách:

- Giảm dòng điện làm việc I xuống giá trị dòng duy trì Idt Đặt một điện áp ngược lên thyristor UAK < 0, hai mặt J1, J3 phân cực ngược; J2 phân cực thuận Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính UAK < 0 đang có mặt tại P1, N1, P2 bây giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điện ngược chạy từ catốt về anốt và về cực âm của nguồn điện áp ngoài

- Lúc đầu quá trình từ t0 t1, dòng điện ngước khá lớn, sau đó J1, J3 trở nên cách điện Còn một ít điện tử được giữ lại giữa hai mặt ghép, hiện tượng khuếch tán sẽ làm chúng

ít dần đi cho đến hết và J2 khôi phục lại tính chất của mặt ghép điều khiển

- Thời gian khóa toff được tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược bằng 0 (t2) đây

là thời gian mà sau đó nếu đặt điện áp thuận lên thyristor thì thyristor vẫn không mở, toff kéo dài khoảng vài chục Trong bất kỳ trường hợp nào cũng không được đặt thyristor dưới điện áp thuận khi thyristor chưa bị khóa nếu không sẽ có nguy cơ ngắn mạch nguồn Theo hình sơ đồ ( hình 1.5a), việc khóa thyristor bằng điện áp ngược được thực hiện bằng cách đóng khóa K còn sơ đồ (hình 1.5b) cho phéo thyristor một cách tự động Trong mạch hình 1.5b khi mở thyristor này thì thyristor kia sẽ khóa lại

Giả thiết cho một xung điện áp dương đặt vào G1 T1 mở dẫn đến xuất hiện 2 dòng điện: Dòng thứ nhất chảy theo mạch: +E – R1 – T1 – -E, còn dóng thứ 2 chảy theo mạch +E – R2 – T1 – -E

- Tụ C được nạp điện đến giá trị E, bản cực dương ở B, bản cực âm ở A Bây giờ nếu cho một xung điện áp dương tác động vào G2 T2 mở nó sẽ đặt điện thế điểm B vào catot của T1 Như vậy là T1 bị đặt dưới điện áp Uc = - E và khi T1 bị khóa lại

- T2 mở lại xuất hiện 2 dòng điện: dòng thứ nhất chảy theo mạch: +E – R1 – T1 – -E. Còn dòng thức hai chày theo mạch +E – R2 – T1 – -E

- Tụ C được nạp ngược lại cho đến giá trị E, chuẩn bị khóa T2 khi ta cho xung mở T1

1.7: Đặc tính Vôn-ampe của Thyristor

Hình 1.6: Đặc tính Vôn-ampe của Thyristor

Đoạn 1 : Ứng với trạng thái khoá của Thyristor, chỉ có dòng điện rò chảy qua

Thyristor khi tăng U lên đến Uch (điện áp chuyển trạng thái), bắt đầu quá trình tăng nhanh chống của dòng điện Thyristor chuyển sang trạng thái mở

Đoạn 2 : Ứng với giai đoạn phân cực thuận của J2 Trong giai đoạn này mỗi

lượng tăng nhỏ của dòng điện ứng với mọt lượng giảm lớn của điện áp đặt lên Thyristor, đoạn này gọi là đoạn điện trở âm

Đoạn 3 : Ứng với trạng thái mở của Thyristor Khi này cả 3 mặt ghép đã trở

thàng đẫn điện Dòng chảy qua Thyristor chỉ còn bị hạn chế bởi điện trở mạch ngoài

Điện áp rãi trên Thyristor rất lớn khoảng 1V Thyristor được giử ở trạng thái mở chừng nào I còn lớn hơn dòng duy trì IH

Đoạn 4 : Ứng với trạng thái Thyristor bị đặt dưới điện áp ngược Dòng điện rất

lớn, khoảng vài chục mA Nếu tăng U đến Ung thì dòng điện ngược tăng lên nhanh chống, mặt ghép bị chọc thủng, Thyristor bị hỏng Bằng cách cho Ig lớn hơn 0 sẽ nhận được đặt tính Vôn-ampe với các Uch nhỏ dần đi

1.8: Các thông số cơ bản

1.8.1: Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor I v,tb

Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt

độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá một giá trị nhiệt độ cho phép Trong thực tế, dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc vào điều kiện làm mát và môi trường Có thể làm mát tự nhiên nhưng hiệu suất không cao, vì thế với yêu cầu cao hơn người ta làm mát cưỡng bức thyristor bằng quạt gió hoặc bằng nước, tuy nhiên điều này có thể khiến kích thước thiết bị tăng đáng kể, dùng cho các thiết bị có công suất lớn Nói chung có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát như sau:

• Làm mát tự nhiên: Dòng sử dụng cho phép tới một phần ba dòng cho phép Iv,tb

• Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió: Dòng sử dụng cho phép bằng hai phần ba dòng cho phép Iv,tb

• Làm mát cưỡng bức bằng nước: Có thể sử dụng đến 100% dòng Iv,tb

1.8.2: Điện áp ngược cho phép lớn nhất U ng,max

Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristor Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anôt-catôt UAK luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung max Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định về điện áp, nghĩa là Ung max phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 - 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ đó

1.8.3: Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor τ(μs)

Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anôt-catôt của thyristor sau khi dòng anôt-catôt đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp UAK dương

mà thyristor vẫn khóa τ là một thông số quan trọng của thyristor Thông thường phải đảm bảo thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 - 2 lần τ

1.8.4: Tốc độ tăng điện áp cho phép dU/dt (V/μs)

Thyristor là một phần tử bán dẫn có điều khiển, có nghĩa là dù được phân cực thuận (UAK > 0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng chạy qua Khi thyristor phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2 như hình vẽ

Hình 1.7: Hiệu ứng dU/dt tác dụng như dòng điều khiển

Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nên độ dày của nó mở ra, tạo ra vùng không gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua Vùng không gian này có thể coi như một tụ diện có điện dung Cj2 Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của tụ

có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển Kết quả là thyristor có thể

mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G

Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với thyristor tần số cao Ở thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 V/μs còn với các thyristor tần số cao dU/dt có thể lên tới 500 đến 2000 V/μs

1.8.5: Tốc độ tăng dòng cho phép dI/dt (A/μs)

Khi thyristor bắt đầu mở không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nó đều dẫn dòng đồng đều Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một vài điểm, gần với cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện Nếu tốc độ tăng dòng điện quá lớn có thể dẫn tới mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá nhanh dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn

Tốc độ tăng dòng cho phép ở các thyristor tần số thấp vào khoảng 50 ÷ 100A/μs, với các thyristor tần số cao dI/dt vào khoảng 500 ÷ 2000A/μs Trong các bộ biến đổi phải luôn có các biện pháp đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới giá trị cho phép Điều này đạt được nhờ mắc nối tiếp các phần tử bán dẫn với các điện kháng nhỏ, lõi không khí hoặc đơn giản hơn là các xuyến ferit lồng lên nhau Các xuyến ferit rất phổ biến vì cấu tạo đơn giản, dễ thay đổi điện cảm bằng cách thay đổi số xuyến lồng lên thanh dẫn Xuyến ferit còn có tính chất của cuộn cảm bão hòa, khi dòng qua thanh dẫn còn nhỏ điện kháng sẽ lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng Khi dòng đã lớn ferit bị bão hòa từ, điện cảm giảm gần như bằng không

1.9: Đưa ra một số hình ảnh thực tế của van thyristor