Tài liệu Đề tài Điện tử công suất pdf

Mạch điều khiển cho Tiristor cũng có nhiều cách khác nhau như dùng các linh kiện rời như tụ, điện trở, transtor… tạo thành mạch, cũng có thể dùng các IC chuyên dụng như TCA785…hoặc dùng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

***KHOA ĐIỆN***

BÀI TẬP ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Hà Nội - 10/2009

nghiệp công nghiệp Theo dạng nguồn cấp xoay chiều có thể phân ra điều áp xoay chiều 1 pha hay điều áp xoay chiều 3 pha.

Để thực hiện được việc điều áp có rất nhiều phương pháp khác nhau như dùng điện trở hạn chế, dùng biến áp tự ngẫu Đặc điển của 2 phương pháp này là đơn giản, điện

áp ra là hình sin chuẩn, điều chỉnh dải điện áp ra trơn Tuy nhiên với những tải có công suất lớn thì việc điều chỉnh là rất khó khăn do dễ hỏng chổi than Vì vậy trong thực tế hiện nay người ta không dùng phương pháp đó nữa mà dùng mạch Triac hoặc Tiristor Nhưng do chất lượng của Triac hiện nay chưa đáp ứng được nhu cầu của các nhà máy, xí nghiệp nên mạch dùng Tiristor vẫn đang được cùng rất phổ biến Do đó

để điều áp ta sẽ dùng mạch Tiristor gồm 2 Tiristor mắc song song ngược nhau

Mạch điều khiển cho Tiristor cũng có nhiều cách khác nhau như dùng các linh kiện rời như tụ, điện trở, transtor… tạo thành mạch, cũng có thể dùng các IC chuyên dụng như TCA785…hoặc dùng các mạch khuếch đại đại thuật toán (OA)…

Dựa vào yêu cầu của đề bài “ Tính toán, thiết kế mạch điều khiển mạch điều áp xoay chiều ba pha” nhóm chúng em sẽ thiết kế mạch điều khiển bằng OA và một số linh kiện điện tử khác

2.1.Nguồn điện.

Nguồn điện là một yêu cầu không thể thiếu đối với bất kỳ một mạch điện nào Đối với các mạch điều khiển thì đòi hỏi nguồn điện phải có độ tin cậy, độ ổn định cao về điện áp và đảm bảo đủ công suất Để đảm bảo điều đó ta sẽ dùng mạch chỉnh lưu điện xoay chiều thành điện 1 chiều sau đó qua các IC ổn áp, lọc Điện áp ra sẽ được đưa vào để cấp năng lượng cho mạch hoạt động

2.2 Điốt.

2.2.1.Cấu tạo

Được cấu tạo từ 2 lớp vật liệu bán dẫn p, n ghép lại với nhau

Điện cực nối với p gọi là Anốt (A)

Điện cực nối với n gọi là Katốt (K)

- Un : Điện áp ngược cực đại

- Idm : Dòng điện làm việc max

- Cực nối với P1 là Anốt (A)

- Cực nối với N2 là Katốt (K)

- Cực nối với P2 là Gate (G) (Cực cổng hay cực điều khiển)

- Phân cực ngược cho T

- Giảm dòng điện xuống dưới mức dẫn của T

Sau khi T bị khóa muốn mở T trở lại thì phải thực hiện lại việc mở T ở trên

2.3.3 Thông số cơ bản.

- Un : Điện áp ngược max

- Idm: Dòng điện làm việc cực dại

-Ug : Điện áp xung điều khiển

-Ig : Dòng điện xung điều khiển

Kí hiệu Un(V) Idm(A) Ug(V) Ig(A) ∆U(V) dU/dt(V/s) Ih(A) T( 0 C)

2.4 Khuếch đại thuật toán.

2.4.1 Sơ lược cấu tạo

Là một mạch khuếch đại một chiều nối tầng trực tiếp với hệ số khuếch đại rất cao.

1 bộ khuếch đại có 5 chân:

V+: Đầu vào không đảo

V−: Đầu vào đảo

Vout: Đầu ra

VS+: Nguồn cung cấp điện dương

VS−: Nguồn cung cấp điện âm

2.4.2 Hoạt động

Đầu vào vi sai của mạch khuếch đại gồm có đầu vào đảo và đầu vào không đảo, và mạch khuếch đại thuật toán thực tế sẽ chỉ khuếch đại hiệu số điện thế giữa hai đầu vào này Điện áp này gọi là điện áp vi sai đầu vào Trong hầu hết các trường hợp, điện áp đầu ra của mạch khuếch đại thuật toán sẽ được điều khiển bằng cách trích một tỷ lệ nào đó của điện áp ra để đưa ngược về đầu vào đảo Tác động này được gọi

là hồi tiếp âm Nếu tỷ lệ này bằng 0, nghĩa là không có hồi tiếp âm, mạch khuếch đại được gọi là hoạt động ở vòng hở

2.4.3 Thông số cơ bản

-Udm: Điện áp nguồn cung cấp

-P : Công suất tiêu thụ

- Zi : Tổng trở đầu vào

-SR: Tốc độ tăng áp (Slew Rate)

-Ios : Dòng điện ra ngắn mạch (Output Short-Circuit)

III MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1 Yêu cầu chung

Mạch điều khiển là phần rất quan trọng trong mạch điều áp, nó quyết định chất lượng

bộ biến đổi

Hệ điều khiển phải phát xung khi thỏa mãn 2 điều kiện:

0 0

AK

U I

>

>

Để thay đổi điện áp ra của mạch động lực ta chỉ cần thay đổi góc mở α

Mạch điều khiển phải thực hiện được các nhiệm vụ sau:

- Đảm bảo góc mở từ αmin ⇒ αmax tương ứng với sự thay đổi điện áp ra của mạch lực

- Có độ đối xứng tốt không vượt quá 10-30 điện

- Đảm bảo hoạt động tin cậy, ổn định khi có sự thay đổi của điện áp xoay chiều

- Xung phải có đủ công suất để đảm bảo xung mở được T

3.2 Cấu trúc mạch điều khiển

3.2.1 Các hệ điều khiển

Có 2 hệ điều khiển:

- Điều khiển không đồng bộ: Van là T và D

- Điều khiển đồng bộ : Van chỉ có T

3.2.2 Nguyên tắc điều khiển

Thường có 2 nguyên tắc điều khiển : thẳng đứng tuyến tính, thẳng đứng accos

3.2.2.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính:

Khi điện áp xoay chiều hình sin ( điện áp đồng pha Udf) đặt vào A của T Để điều khiển góc mở α trong vùng điện áp dương của T cần tạo ra 1 điện áp tựa dạng xung răng cưa ( Urc) Dùng điện áp điều khiển (Udk) là điện áp 1 chiều so sánh với Urc Tại điển Udk=Urc trong vùng điện áp dương cảu A thì phát xung điều khiển (Xdk) T sẽ mở

tử góc α đến cuối bán kì hoặc là đến khi dòng bằng không

3.2.2.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Accos:

Tương tự như trên nhưng tại thời điểm Udk=Urc bộ so sánh sẽ lật trạng thái

Giả sử urc=Umcosωt=Umcosθ, chon tại thời điểm ωt=0 là thời điểm chuyển mạch tự nhiên thì khi θ=α ta có

Umcosα=Udk ⇒ arccos dk

m

U U

3.2.3 Sơ đồ khối mạch điều khiển

Dựa vào đề bài và nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính ta lập được sơ đồ khối sau:

+ Khâu đồng pha (DF)Tạo điện áp trùng pha với điện áp thứ cấp của biến áp mạch lực và cách ly giữa điện

áp cao phía mạch lực và mạch điều khiển điện áp thấp

+ Tạo điện áp tựa ( điện áp răng cưa Urc)Tạo điện áp răng cưa có chu kì làm việc theo chu kỳ của điện áp đồng pha

+ Khâu so sánh (SS)

So sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau

để phát xung điều khiển tức là xác định góc mở α

+ Khâu dạng xung (DX)Tạo ra xung phù hợp để mở chắc chắn van chỉnh lưu, hiện nay người ta thường sử dụng xung chùm

+ Khâu khuếch đại xung (KĐX)Thường dùng biến áp xung nhằm khuếch đại tín hiệu xung và cách ly giữa mạch lực

và mạch điều khiển

3.3 Tính toán mạch điều khiển

3.3.1 Khâu đồng pha

+Sơ đồ nguyên lý:

- Điện áp đồng pha được so sánh với U0 Tại thời điểm bằng nhau của 2 điện áp đó thì đổi dấu điện áp ra của OA.

Chọn góc duy trì và khóa năng lượng là θ=50

Điện áp đặt vào cực dương của bộ so sánh là:

15.VR 2,9650

3.3.2 Khâu tạo điện áp răng cưa (U rc )

+ Sơ đồ nguyên lý

- Điện áp đồng bộ được đưa vào cửa đảo của OA

- Khi Udb<0 , khi đó D3 dẫn, tụ C1 nạp điện, điện áp trên tụ bằng điện áp đầu ra của OA

- Điện áp trên tụ được nạp tuyến tính đến giá trị UDZ1 và giữ nguyên ở giá trị đó

- Khi Udb>0 thì D3 khóa nên dòng qua D3 bằng 0 Tụ phóng điện, điện áp trên tụ C1 giảm tuyến tính về 0 Nhờ có Dz mà điện áp trên tụ giữ ở giá trị 0.(Nguồn E làm trung hòa điện áp giữa 2 bản cực của tụ)

Chọn Dz loại: 1N4740A có Udz=10V, I=25mA

Với tần số công nghiệp f = 50 Hz thì một nửa chu kỳ T = 10 ms Chọn R3 và C1, sao cho tụ nạp đến điện áp Udz = 10V, trong thời gian tn = 9,5 ms thì tp = 0,5 ms

Ta có :

4 3

10

1,05.109,5.10−

Chọn điốt có dòng điện định mức : I=10.I3=40mA

Điện áp ngược định mức : U=15V

Chọn : 1N4001 có Ung=100V

Idm=1AKhi Udb>0:

Tụ C1 phóng điện với dòng phóng

p

E I

1

3 6

Tín hiệu ra OA3 ( Mô phỏng bằng Multisim 10.0.1)

Để kích T người ta không cho trực tiếp xung này vào cực G mà phải tạo ra 1 xung kim để giảm công suất BAX Để tạo ra nó trước hết phải tạo ra xung chùm

+ Khuếch đại và biến áp xung (BAX)

Sơ đồ:

Hai tín hiệu X1, X4 được đưa vào 2 Transistor Q1, Q2 mắc theo kiểu Darlington.

- D3, D4 : ngăn chặn xung điện áp âm có thể có khi khóa van

- R11, R12 : hạn chế dòng vào Transistor Darlington

- D1, D2 : Điốt hoàn năng lượng

- BAX1, BAX2 là 2 biến áp xung để cách ly mạch điều khiển và mạch động lực và tạo xung kim

- T1, T4 là 2 T mắc vào pha A của nguồn 3 pha

+ Tính toán

Chọn D1, D2, D3, D4 là 1N4007

Q1, Q2 chọn 2N6038 có các thông số sau:

Uce=60VIc=4AIb=0,1A

Vì chỉ yêu cầu thiết kế mạch điều khiển nên chọn 1 T bất kì để tiện tính toán biến áp xung

Chọn T1, T4 loại 2N1599 có

Điện áp ngược cực đại : U=400V

Dòng điện dịnh mức: Idm=1,6A

Dòng điện đỉnh xung : I=15A

Điện áp điều khiển : Ug=3V

Dòng điện điều khiển : Ig=10mA

+ Chỉnh lưu nguồn xoay chiều cung cấp cho mạch điều khiển

Để đơn giản và chất lượng điện áp tương đối tốt ta sẽ chỉnh lưu cầu 1 pha và cho tín hiệu sau chỉnh lưu qua IC 7815, 7915 để cấp cho mạch

IC 7915 có Uin=17,7-35V

Uout= -15VIout=0-1A

3.4 Nguồn cung cấp cho mạch và BAX

3.4.1.Nguồn cấp khâu đồng pha

Để lấy trung thực tín hiệu hình sin của điện áp lưới nên ta sẽ chọn 3 MBA 1 pha, đầu vào của mỗi máy biến áp là 1 pha A, B hoặc C của điện áp lưới 3 pha mắc hình sao, đầu ra của mỗi MBA có 3 đầu ra ( biến áp có điểm giữa)

Sơ đồ ( Chỉ vẽ pha A)

Theo trên chọn điện áp xoay chiều đồng pha (xcdf) Uxcdf = 12V

Điện áp 1 chiều sau cuộn dây đồng pha (1cdf):

10,8

10,8 10

0,123

5,6.10 220

Chọn dây tiêu chuẩn d=0,2mm.

Dòng điện qua điốt:

3.4.2 Biến áp xung (BAX)

Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM, lõi có dạng hình xuyến làm việc trên 1 phần của đặc tính từ hóa có ∆B=0,3T, ∆H=30A/m, không có khe hở không khí

Chọn tỉ số BAX: k=1

Điện áp thứ cấp BAX là U2=3+1,1 = 4,1V

Điện áp sơ cấp BAX là U2=4,1V

Dòng thứ cấp BAX là I2=10mA

Công suất Sbax=4,1.10.10-3=0,041W

Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi săt là:

6 6

0

0,3 30 7, 2.10

1, 25.10

tb

B H

Chọn điốt mắc song song với BAX là 1N4001

3.4.3 Biến áp nuôi mạch điều khiển

Vì là mạch điều áp 3 pha nên ta có tổng cộng 16 OA, 9 AND, 6 BAX

AX 16.0,68 0,0025.9 6.0,041 11,15

t OA AND B

Chọn MBA có đầu vào U1=220V

Chọn MBA có đầu ra U2=24V

Công suất của MBA kể đến hao tổn 5% trong MBA

0, 059

0,021 2,75

2

0,54

0, 2 2,75

s

π

Chọn dây tiêu chuẩn d=0,6mm

Dòng điện qua điốt :

Các dạng tín hiệu cơ bản tại các điểm quan trọng:

1- Tín hiệu SIN điện áp lưới pha A

2- Tín hiệu xung đồng bộ

3- Tín hiệu xung răng cưa

4- Tín hiệu điện áp điều khiển

5- Tín hiệu xung đồng bộ

6- Tín hiệu máy phát xung chùm

7,8- Tín hiệu xung vuông của điện áp lệch pha nhau 1800 điện

9,10- Tín hiệu qua sau công AND (trước BAX)

11,12-Tín hiệu xung kim sau BAX ( dùng để kích vào cực G của Thiristor)

Đây chỉ là tín hiệu trên 1 pha của điện áp xoay chiều 3 pha 2 pha còn lại cũng thiết kế tương tự do đó tín hiệu ra cũng như trên chỉ

Kết luận

Sau một thời gian học tập trên lớp dưới sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo

Nguyễn Đăng Toàn, và tham khảo nhiều tài liệu khác Cho đến nay nhóm

chúng em đã hoàn thành bài tập trong một thời gian ngắn nhất có thể Nhưng do thời gian và kiến thức có hạn nên còn nhiều sai sót Chúng em mong được sự góp ý của thầy để chúng em hoàn thành tốt hơn trong những bài tập sau

Chúng em xin thành cảm ơn!

Hà nội 16/10/2009

Tài liệu tham khảo

2 Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất Trần Văn Thịnh

3 Một số đồ án điện tử công suất

4 Website:

- http://alldatasheet.com/

- http://www.dientuvietnam.net/