Tiểu luận học phần phân tích và thiết kế mạch DTCS. Thiết kế mạch phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu hình cầu một pha có D0

TIỂU LUẬN HỌC PHẦN: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ MẠCH DTCS Ngày nhận: Ngày 23 tháng 8 năm 2021 Ngày nộp: Ngày 26 tháng 8 năm 2021 Sinh viên: NGUYỄN QUANG THÀNH Giáo viên hướng dẫn: TRẦN XUÂN MINH THÁI NGUYÊN 8 - 2021 Mã SV : PY1151206548 NHÓM 6 ĐỀ TÀI: Thiết kế mạch phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu hình cầu một pha có D0 Câu 1: Giới thiệu sơ lược về vấn đề điều khiển bộ chỉnh lưu dùng thyristor, các phương phát xung điều khiển và lựa chọn phương phát phát xung điều khiển.

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ

Ngày nhận : Ngày 23 tháng 8 năm 2021 Ngày nộp : Ngày 26 t háng 8 n ăm 2021

Si nh viên : NGUYỄN QUANG THÀNH

Giáo viên hướng dẫn : TRẦN XUÂN MINH

THÁI NGUYÊN 8 - 20 21

Mã SV : PY1151206548

NHÓM 6

ĐỀ TÀI: Thiết kế mạch phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu hình cầu một pha có

D0

Câu 1: Giới thiệu sơ lược về vấn đề điều khiển bộ chỉnh lưu dùng thyristor, các

phương phát xung

điều khiển và lựa chọn phương phát phát xung điều khiển

1 Giới thiệu về vấn đề điều khiển bộ chỉnh lưu dùng thysistor

Các sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển được xây dựng dựa trên cơ sở sử dụng các dụng cụ bán dẫn công suất có điều khiển Việc khống chế

sự làm việc của các sơ đồ chỉnh lưu để tạo ra điện áp trên tải và điều chỉnh giá trị trung bình của điện áp này thông qua việc điều khiển thời điểm mở khóa của các van (trong sơ đồ chỉnh lưu, trừ một số sơ

đồ đặc biệt, phần lớn sơ đồ việc khóa các van được thực hiện bởi điện áp nguồn - chuyển mạch tự nhiên) Các dụng cụ bán dẫn công suất dùng trong các sơ đồ chỉnh lưu có thể là thyristor, triac, transistor,…, nhưng chủ yếu nhất là thyristor Để mở van chỉnh lưu,

dù thuộc loại nào thì cần có hai điều kiện: Điện áp thuận trên các điện cực chính của van (anot - katot hoặc góp - phát) và điện áp hoặc dòng điện điều khiển (thường gọi là tín hiệu điều khiển) trên cực điều khiển Điện áp trên các điện cực chính của các van trong các sơ đồ chỉnh lưu thông thường là do nguồn cung cấp xoay chiều tạo nên, còn tín hiệu điều khiển sẽ được một mạch điện khác tạo ra Mạch điện tạo ra các tín hiệu điều khiển các van của sơ đồ chỉnh lưu thường được gọi là mạch điều khiển hay hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu Một đặc điểm làm việc của bộ chỉnh lưu là trong thời gian một chu kỳ nguồn các van chỉ dẫn dòng một khoảng thời gian nhất định (thường bằng 1/m chu kỳ nguồn), trong khoảng thời gian van không dẫn dòng thì thường yêu cầu không có điện áp hoặc dòng điện trên cực điều khiển (một số trường hợp có thể có nhưng với cực tính ngược lại) Điều đó có nghĩa là tín hiệu điều khiển các van phải

có dạng là chuỗi các xung, độ dài tùy thuộc vào loại van chỉnh lưu được sử dụng, vì vậy mạch điều khiển chỉnh lưu cũng được gọi là mạch phát xung điều khiển chỉnh lưu Như đã nêu, các van chỉnh lưu có thể có nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất là thyristor, vì vậy trong nội dung này ta sẽ chỉ tập trung nghiên cứu về mạch phát xung điều khiển cho sơ đồ chỉnh lưu dùng thyristor

Điện áp điều khiển các thyristor phải đáp ứng được các yêu cầu cần thiết về công suất, biên độ, độ dốc mặt đầu cũng như thời gian tồn tại Các thông số cần thiết của tín hiệu điều khiển được cho sẵn trong các tài liệu tra cứu về van Do đặc điểm của thyristor là khi van đã mở thì việc còn tín hiệu điều khiển nữa hay không không ảnh hưởng đến dòng qua van, vì vậy để hạn chế công suất của mạch phát tín hiệu điều khiển và giảm tổn thất trên vùng điện cực điều khiển người thường tạo ra các tín hiệu điều khiển thyristor có dạng các xung hẹp Các xung điều khiển được tính toán về độ dài xung sao cho đủ thời gian cần thiết (với một độ dự trữ nhất định) để mở van với mọi loại phụ tải có thể có khi sơ đồ làm việc Thông thường độ dài xung nằm trong giới hạn từ 200 s đến 600 s (3,6  10,8o điện với tần số nguồn xoay chiều là 50 Hz)

Các hệ thống phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu có thể phân làm hai nhóm:

Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ: Đây là nhóm các hệ thống điều khiển mà các xung điều khiển xuất hiện trên điện cực điều khiển các thyristor đúng thời điểm cần mở van với giá trị xác định của góc điều khiển và lặp đi lặp mang tính chu kỳ với chu kỳ thường

là bằng chu kỳ nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu Nhóm hệ thống điều khiển này đang được sử dụng phổ biến nhất hiện nay Mục này chỉ nghiên cứu các hệ thống điều khiển thuộc nhóm này

Nhóm các hệ thống điều khiển không đồng bộ: Các hệ thống điều

khiển thuộc nhóm này tạo ra các xung điều khiển không tuân theo

giá trị góc điều khiển như đã nêu ở phần trước Các hệ thống điều

khiển này phát ra chuỗi xung điều khiển với tần số thường cao hơn

rất nhiều tần số nguồn xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và

trong quá trình làm việc tần số xung được tự động thay đổi để đảm

bảo giữ ổn định một đại lượng đầu ra nào đó, ví dụ như Ud hay Id

Để đạt được điều này thì người ta thực hiện khống chế tần số xung

điều khiển theo sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu ra thực tế của

đại lượng cần ổn định Như vậy các hệ thống phát xung loại này

buộc phải thực hiện ở dạng hệ thống có phản hồi, tức là hệ thống

kín Các hệ thống điều khiển này tương đối phức tạp và ở đây sẽ

không xét

1.1 Các hệ thống điều khiển đồng bộ

Các mạch phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu theo nguyên lý các hệ

thống điều khiển đồng bộ hiện nay vẫn được sử dụng phổ biến Bên

cạnh các mạch được xây dựng từ các linh kiện đơn lẻ hoặc tổ hợp,

các hệ thống điều khiển mới thường sử dụng các hệ vi xử lý để phát

xung điều khiển các bộ chỉnh lưu Các mạch phát xung sử dụng các

linh kiện rời được thiết kế dựa trên ba nguyên tắc:

- Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha

đứng;

- Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha

ngang;

- Hệ thống điều khiển chỉnh lưu dùng điot hai cực gốc (transistor

một tiếp giáp)

Trong thực tế, nguyên tắc khống chế pha ngang trước đây cũng

được sử dụng, nhưng hiện nay hầu như không còn được áp dụng,

mạch điều khiển dùng điot hai cực gốc hiện nay cũng chỉ còn tồn tại

ở một số hệ thống cũ, sử dụng phổ biến và chủ yếu hiện nay là các

mạch phát xung theo nguyên tắc khống chế pha đứng Các linh kiện

tổ hợp được sản xuất theo công nghệ vi điện tử dùng để phát xung

điều khiển cho bộ chỉnh lưu cũng được thiết kế theo nguyên tắc

khống chế pha đứng, các hệ thống điều khiển sử dụng linh kiện số

và các hệ thống điều khiển sử dụng hệ vi xử lý cũng được xây dựng

dựa trên nền tảng của nguyên tắc khống chế này

1.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO NGUYÊN TẮC KHỐNG

CHẾ PHA ĐỨNG

1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển theo nguyên tắc khống chế pha đứng Mạch phát xung điều khiển các bộ chỉnh lưu theo nguyên tắc pha đứng có thể phân chia thành

3 khối chức năng khác nhau như sơ đồ hình Trong đó gồm:

 Khối đồng bộ hóa và phát điện áp răng cưa (ĐBH&FSRC)

 Khối so sánh (SS)

 Khối gia công xung (GCX)

 ul: điện áp lưới (nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu

 urc: điện áp tựa thường có dạng hình răng cưa lấy từ đầu ra khối

ĐBH&FSRC

 uđk: điện áp điều khiển, đây là điện áp một chiều dùng để điều khiển giá trị góc 

 uđkT: điện áp điều khiển thyristor, là chuỗi các xung điều khiển lấy từ đầu ra hệ thống điều khiển (cũng là đầu ra của khối GCX) và được truyền đến điện cực điều khiển (G) và katot (K) của các thyristor

\

Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống điều khiển theo nguyên tắc pha đứng có thể tóm tắt như sau:

Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch lực bộ chỉnh lưu được đưa đến mạch đồng bộ hóa của khối ĐBH&FSRC và trên đầu ra của mạch đồng bộ nhận được các điện áp thường có dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và trùng pha hoặc lệch một góc pha xác định so với điện áp nguồn Điện áp này được gọi là điện áp đồng bộ và

ký hiệu là uđb Các điện áp đồng bộ được đưa vào mạch tạo điện áp tựa (điện áp tựa có thể có dạng hình răng cưa hoặc hinh sin, nhưng phổ biến nhất là dạng hình răng cưa, trong mục này chỉ nghiên cứu trường hợp điện

áp tựa dạng hình răng cưa) để khống chế sự làm việc của mạch điện này, kết quả là trên đầu ra mạch phát điện áp răng cưa nhận được một hệ thống các điện áp dạng hình răng cưa đồng bộ về tần số và góc pha với các điện

áp đồng bộ, được gọi là điện áp răng cưa và ký hiệu là urc Các điện áp răng cưa được đưa vào đầu vào khối SS, trên đầu vào khối SS còn có một tín hiệu khác là điện áp điều khiển một chiều điều chỉnh được (uđk) được đưa từ ngoài vào, hai tín hiệu này được mắc với cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch vào khối SS là ngược chiều nhau Khối SS làm nhiệm

vụ so sánh hai tín hiệu này và tại những thời điểm hai tín hiệu này có giá trị tuyệt đối bằng nhau thì đầu ra khối SS sẽ thay đổi trạng thái, tức là tạo ra một xung Như vậy khối SS là một mạch điện hoạt động theo nguyên tắc biến đổi tương tự-số Tín hiệu ra của mạch SS là dạng tín hiệu số: có hoặc không có Tín hiệu trên đầu ra khối SS là các xung xuất hiện với chu kỳ bằng chu kỳ của urc, nếu thời điểm bắt đầu xuất hiện của một xung nằm trong vùng sườn xung nào của urc thì sườn xung ấy của urc được gọi là sườn sử dụng Điều này có nghĩa rằng: Tại thời điểm |urc| = |uđk| ở phần sườn sử dụng trong một chu kỳ của điện áp răng cưa thì trên đầu ra khối SS

sẽ bắt đầu xuất hiện một xung điện áp Như vậy, có thể thay đổi thời điểm xuất hiện của xung đầu ra khối SS bằng cách thay đổi giá trị của uđk khi giữ nguyên dạng urc Trong một số ít trường hợp đặc biệt, khi các thyristor

có công suất rất bé và không yêu cầu cao về độ chính xác thời điểm mở van thì xung ra từ khối SS được đưa trực tiếp đến cực điều khiển của thyristor

để điều khiển mở thyristor Trong đa số các trường hợp thì tín hiệu ra khối

so sánh chưa đủ các yêu cầu cần thiết đối với tín hiệu điều khiển thyristor,

để có tín hiệu đủ yêu cầu cần phải thực hiện việc khuếch đại, thay đổi lại hình dạng của xung, v.v, , các nhiệm vụ này được thực hiện bởi một mạch điện gọi là mạch gia công xung (GCX), cuối cùng trên đầu ra khối GCX nhận được chuỗi xung điều khiển (uđkT) có đủ các thông số yêu cầu về công suất, độ dài, độ dốc mặt đầu, v.v, , và được truyền đến cực điều khiển thyristor để điều khiển mở thyristor Mặc dù phải qua các phần khác nhau của khối GCX nhưng thời điểm bắt đầu xuất hiện của xung không thay đổi, nên dù là truyền trực tiếp xung đầu ra khối SS đến cực điều khiển của thyristor hay phải qua khâu GCX thì thời điểm bắt đầu xuất hiện của các xung trên cực điều khiển của thyristor hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối SS Vậy thời điểm xuất hiện của tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển và katot của thyristor chính cũng là thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối SS, tức là khối SS đóng vai trò xác định giá trị góc điều khiển  Như đã nêu ở trên, có thể thay đổi thời điểm xuất hiện xung ra khối SS bằng cách thay đổi giá trị uđk Vậy, điều khiển giá trị uđk sẽ điều khiển được giá trị góc điều khiển  Trong sơ đồ chỉnh lưu sử dụng nhiều thyristor, để tạo ra các tín hiệu điều khiển khác nhau phục vụ cho nhiều van, trong hệ thống điều khiển thường áp dụng hai phương pháp:

- Phương pháp phát xung thứ nhất: Sử dụng nhiều mạch phát xung giống hệt nhau, trong mỗi mạch đều có các khối giống nhau và chúng chỉ khác nhau tín hiệu điện áp lưới (khác pha) đặt vào mạch đồng bộ Mỗi mạch phát xung được dùng để phát xung điều khiển cho một van hoặc một số van mắc nối tiếp hoặc song song Mạch điều khiển loại này được gọi là mạch (hệ thống) nhiều kênh, mỗi phần mạch phát xung cho một van được gọi là một kênh điều khiển - Phương pháp phát xung thứ hai: Sử dụng chung một mạch đồng bộ, một mạch tạo điện áp răng cưa, một khối so sánh, như vậy xung ở đầu ra khối SS thường có tần số gấp n lần tần số nguồn (n thường bằng q) Lúc đó để có n đường xung khác nhau với tần số bằng tần số nguồn thì trong khối GCX phải có thêm một mạch điện làm nhiệm vụ phân chia xung chuỗi xung đầu ra khối SS thành n chuỗi xung riêng biệt Mạch điều khiển loại này được gọi là mạch điều khiển một kênh (chỉ có một khối

so sánh) Loại mạch điều khiển này tuy phức tạp hơn nhiều so với loại nhiều kênh nhưng xung điều khiển ở các van có độ đối xứng cao (giá trị góc điều khiển các van giống nhau) nên thường được sử dụng khi có yêu cầu cao về chất lượng đối với bộ chỉnh lưu Trong thực tế, như đã nêu, việc xây dựng hệ thống điều khiển một kênh cho sơ đồ chỉnh lưu nhiều pha là khá phức tạp, nhưng việc yêu cầu sự giống nhau về giá trị góc điều khiển của các van, đặc biệt là hai van cùng một pha của chỉnh lưu cầu nhiều pha (thường là 3 pha), có thể sử dụng kết hợp cả hai phương pháp trên: với hai van cùng một pha sử dụng chung một mạch đồng bộ hóa và tạo điện áp răng cưa, một mạch so sánh (một kênh), các van của các pha khác nhau thì

sử dụng các mạch phát xung khác nhau

1.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO NGUYÊN TẮC KHỐNG CHẾ PHA NGANG

Trong hệ thống phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha ngang, để tạo xung điều khiển cho các van chỉnh

lưu trước tiên người ta tạo ra các tín hiệu điều khiển hình sin có tần

số bằng tần số xung điều khiển các thyristor, tức là bằng tần số nguồn cung cấp xoay chiều và có biên độ không đổi Các xung điều khiển các van sẽ được tạo ra tại các thời điểm bằng không và bắt đầu chuyển sang dương của các điện áp điều khiển hình sin vừa nêu Việc thay đổi giá trị góc điều khiển  được thực hiện bằng cách thay đổi góc pha của các điện áp điều khiển hình sin Như vậy đối với hệ thống điều khiển này thì việc trước tiên là phải tạo ra được hệ thống điện áp điều khiển dạng hình sin tần số bằng tần số nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu với biên độ không đổi và góc pha điều khiển được

Để thực hiện nhiệm vụ này, người ta sử dụng các sơ đồ cầu dịch pha dùng điện trở, tụ điện (cầu R-C) hoặc điện trở, điện cảm (cầu R-L) Khi đã có các điện áp điều khiển dạng hình sin như đã nêu, việc tạo

ra xung điều khiển cho các thyristor tại những thời điểm bằng không

và bắt đầu chuyển sang dương của các điện áp hình sin có thể thực hiện bằng nhiều sơ đồ khác nhau, đơn giản nhất là dùng các điot, ngoài ra ta có thể sử dụng các mạch biến đổi tương tự - số bằng mạch vi điện tử Tuỳ thuộc vào trường hợp cụ thể mà có thể sử dụng thêm các mạch sửa xung, khuếch đại xung, v.v…, tương tự như các mạch đã nêu trong hệ thống điều khiển theo pha đứng Như vậy, trong hệ thống phát xung này, việc thay đổi giá trị góc điều khiển (dịch pha xung điều khiển) được thực hiện bằng việc dịch pha điện

áp điều khiển, tức là dịch chuyển đường cong điện áp điều khiển theo trục ngang, vì vậy, mạch phát xung điều khiển loại này được gọi tên là mạch điều khiển theo nguyên tắc khống chế pha ngang

1.4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ CHỈNH LƯU SỬ DỤNG ĐIOT HAI CỰC GỐC

Mạch phát xung này tương đối đơn giản, xung ra có công suất đủ để điều khiển mở các thyristor công suất nhỏ Tuy nhiên, với sơ đồ trên thì chưa thể áp dụng để điều khiển bộ chỉnh lưu vì tần số xung phụ thuộc vào thông số các linh kiện trong sơ đồ, thời điểm xuất hiện xung đầu tiên phụ thuộc vào thời điểm đóng nguồn cung cấp cho mạch phát xung Với đặc điểm làm việc của sơ

đồ, có thể thấy rằng, nếu cung cấp cho sơ đồ bởi một nguồn điện áp dạng xung

mà tốt nhất là xung nguồn hình chữ nhật với tần số bằng tần số nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu, thời điểm đầu của mỗi xung nguồn trùng hoặc lệch một góc xác định so với thời điểm mở tự nhiên của van sẽ được điều khiển bởi mạch phát xung này thì thời điểm xuất hiện xung ra đầu tiên trong mỗi chu kỳ xung nguồn (cũng là chu kỳ nguồn cung cấp cho bộ chỉnh lưu) cũng sẽ lệch một góc xác định so với thời điểm mở tự nhiên đối với van chỉnh lưu và có thể điều chỉnh được nhờ điều chỉnh thông số sơ đồ hoặc dòng nạp tụ Trong thực

tế để tạo ra các xung nguồn dạng chữ nhật như đã nêu tương đối phức tạp, nhưng người ta có thể tạo ra các xung nguồn gần dạng hình thang một cách dễ dàng (sơ đồ sau), và dạng nguồn này cũng thường được sử dụng

Ta chọn phương pháp phát xung điều khiển theo NGUYÊN TẮC KHỐNG CHẾ PHA ĐỨNG

Câu 2: Thiết kế các khâu của mạch phát xung

Như đã biết, một kênh phát xung theo nguyên tắc khống chế pha đứng đầy

đủ thường có các phần mạch cơ bản: Đồng bộ hóa, tạo điện áp răng cưa, so sánh, sửa xung, phân chia xung (nếu cần), khuếch đại và truyền xung Để thiết kế trọn vẹn một kênh phát xung điều khiển một van (hệ thống nhiều kênh), hai hoặc nhiều van (hệ thống một kênh hoặc hệ thống ghép) ta sẽ tiến hành thiết kế từng phần mạch Tạm thời sẽ chỉnh thiết kế mạch phát xung cho hệ thống điều khiển nhiều kênh, các trường hợp khác người học tự tìm hiểu thêm

a Mạch đồng bộ hóa

Mạch đồng bộ hóa có thể sử dụng mạch phân áp hoặc máy biến áp, phổ biến nhất là máy biến áp Trong một số trường hợp điện áp đồng bộ cần lệch pha so với điện áp cấp cho mạch anôt - katôt các thyristor một góc pha nào đó (300

đối với chỉnh lưu hình tia và hình cầu ba pha), để thực hiện có thể sử chọn tổ nối dây máy biến áp cho phù hợp (hình 3.3a) hoặc sử dụng mạch dịch pha bằng các phần tử thụ động như mạch dùng điện trở và tụ điện (hình 3

Hình 3.3 Mạch đồng bộ hóa ba pha và các hình thức dịch pha tín

hiệu đồng bộ

Mạch tạo điện áp răng cưa

Có rất nhiều dạng mạch tạo điện áp răng cưa khác nhau đã và đang được sử dụng Nguyên lý chung là dựa vào quá trình phóng và nạp của tụ điện để có điện

áp dạng hình răng cưa, sườn xung điện áp răng cưa được sử dụng để định ra thời điểm xuất hiện xung điều khiển cần có độ tuyến tính cao và thường là giai đoạn nạp điện của tụ với việc điều khiển dòng nạp không đổi Có hai dạng sơ đồ mạch tạo điện áp răng cưa phổ biến là sơ đồ sử dụng các transistor (hình 3.4) và sơ đồ

sử dụng kết hợp cả transistor và khuếch đại thuật toán (hình 3.5)

Hình 3.4 Mạch tạo điện áp răng cưa ổn định dòng nạp tụ nhờ transistor

Trong sơ đồ hình 3.4, tụ C bắt đầu quá trình nạp điện ở thời điểm đầu nửa chu kỳ âm của uđb, bắt đầu phóng qua Tr1 tại thời điểm đầu nửa chu kỳ dương của uđb Còn đối với sơ đồ hình 3.5, tụ bắt đầu nạp điện ở thời điểm đầu nửa chu

kỳ dương của uđb, bắt đầu phóng qua Tr2 tại thời điểm đầu nửa chu kỳ âm của uđb Do điện áp răng cưa đầu ra sơ đồ hình 3.4 lấy trực tiếp trên tụ nên dòng đầu

ra (dòng vào mạch so sánh) ảnh hưởng nhiều đến quá trình nạp tụ nên dung lượng

tụ thường chọn khá lớn (thường trên 10 F) để đảm bào dòng nạp tụ lớn hơn 10 lần dòng đầu ra