Thiết kế chế tạo mạch chỉnh lưu cầu bán điều khiển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊNKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC 3 ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Tên đề tài:Thiết kế ,tính toán và chế tạo mạch chỉnh lưu cầu một pha bá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 3

ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

VÀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Tên đề tài:Thiết kế ,tính toán và chế tạo mạch chỉnh lưu cầu

một pha bán điều khiển

Sinh viên thực hiện: Hoàng Văn Chưởng Mã SV:

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TÔNG QUAN VỀ MẠCH CHỈNH LƯU MỘT PHA 7

1.1 Mạch chỉnh lưu một pha không điều khiển 7

1.2 Mạch chỉnh lưu một pha điều khiển hoàn toàn 9

1.3 Mạch chỉnh lưu một pha bán điều khiển 11

1.4 Lựa chọn thiết kế 13

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA BÁN ĐIỀU KHIỂN .14

2.1 Mạch công suất 14

2.2 Thiết kế tính chọn các linh kiện cho mạch điều khiển 16

2.2.1 Giới thiệu về các phương pháp điều khiển 16

2.2.2 TCA 785 20

2.2.3 MOC 3020 26

2.2.4 Mạch nguồn 27

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH 29

3.1 Mạch điều khiển 29

3.2 Mạch board 30

3.3 Kết quả thực hành 34

LỜI KẾT

PHIẾU ĐÁNH GIÁ QÚA TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN

1 Năng lực chung (Ý thức thực hiện và khả năng làm việc nhóm)

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

……… ………

………

………

……… ………

………

………

……… ………

……… ………

……… ………

……… ……

2 Năng lực chuyên môn( Kiến thức lý thuyết, khả năng thực hành) ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

……….………

Điểm kết luận: ………….

Hưng yên, ngày … tháng … năm 20…. NGƯỜI ĐÁNH GIÁ KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN Tên đồ án: ………

Sinh viên thực hiện: ……….

………

Lớp:………

E_mail: ………ĐT:………

Giáo viên hướng dẫn:………

E_mail:………ĐT:………

Kế hoạch thực hiện chi tiết: TT NỘI DUNG TG (TUẦN) ĐỊA ĐIỂM TG T.HIỆN PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ 1 Tìm hiểu - Các sản phẩm đã được ứng dụng trong thực tế - Phân tích yêu cầu của đề tài - Thu thập các thông tin có liên quan - Các kiến thức cần có để phục vụ nghiên cứu đề tài - Thiết kế sơ đồ khối thiết bị (Báo cáo giáo viên hướng dẫn) 1 Thư viện Từ ngày: …………

đến ngày: …………

- Phân công nhóm trưởng - Cả nhóm cùng tham gia tìm hiểu và thảo luận nhóm - Lập kế hoạch thực hiện 2 1 Hoàn thiện sơ đồ khối thiết bị Và phân tích chức năng các khối (viết tay) 2 Chọn lựa giải pháp thực hiện 3 Phương pháp ghép nối giữa các 2 Phòng đồ án Khoa Điện – Từ ngày: …………

đến ngày: …………

Thảo luận nhóm

Phân công mỗi người phụ trách

khối với nhau.

5 Tính toán và lựa chọn các tham

số của mạch điện (giá trị linh

kiện, loại linh kiện sử dụng, điện

3 1 Khảo sát mạch điện của thiết bị

trên chương trình mô phỏng

Electricworkben, Proteurs…)

Viết báo cáo kết quả khảo sát

(Báo cáo và giáo viên hướng

dẫn tư vấn kỹ thuật)

2 Lắp ráp trên mạch bo test

(Breadboard) và khảo sát theo

từng khối chức năng (Điện áp

nguồn cung cấp, dòng điện, điện

áp thành phần, và các tham số

khác )

3 Hiệu chỉnh các tham số theo

các giá trị tính toán

4 Viết thuyết minh báo cáo kết

quả sau khi khảo sát tực tế

(Báo cáo và giáo viên hướng

4 1 Thiết kế mạch in (nếu cần)

2 Làm mạch in

3 Lắp ráp

4 Kiểm tra mạch + Hiệu chỉnh

5 Viết báo cáo sau khi kiểm tra

hướng dẫn tư vấn kỹ thuật)

Hưng yên, ngày …… tháng …… năm 20…

Người lập

Lời nói đầu

Ngày nay, điện tử công suất đã và đang đóng 1 vai trò rất quan trọng trong quátrình công nghiệp hoá đất nước Sự ứng dụng của điện tử công suất trong các hệthống truyền động điện là rất lớn bởi sự nhỏ gọn của các phần tử bán dẫn và việc dễdàng tự động hoá cho các quá trình sản xuất Các hệ thống truyền động điều khiển bởiđiện tử công suất đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặt giảm đi rất nhiều

so với các hệ truyền động thông thường như: khuếch đại từ, máy phát - bóng đèn

Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, trong nội dung môn học Điện tử công suất vàtruyền động điện chúng em đã được giao thực hiện đề tài:

Với sự hướng dẫn của Thầy: ĐỖ THÀNH HIẾU, chúng em đã tiến hành

nghiên cứu và thiết kế đề tài

Trong quá trình thực hiện đề tài do khả năng và kiến thức thực tế có hạn nênkhông thể tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cô đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiệnhơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện:

1 HOÀNG VĂN CHƯỞNG

2 VƯƠNG DUY BA

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠCH CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA 1.1 Mạch chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển

+Sơ đồ nguyên lí

Nguyên lý làm việc:

Giả sử Ld = ∞ điện áp phía thứ cấp u2 = √2 U2 sin ω t Xét mạch đang làmviệc ở chế độ xác lập Khi van dẫn sụt áp trên nó bằng 0

Trước thời điểm ω t= 0 đến  cặp van D1 và D2 phân cực thuận dẫn điện khiđó,van D3 và D4 phân cực ngược nên đóng.Ta có: uD2 = uD1 = 0;uD3= uD4=-u2 ; ud = u2

>0; iD2 = iD1 = itải ; iD3 = iD4 = 0

Trong nửa chu kì sau ω t=  đến 2,điện áp -u2 dương cặp van D1 và D2 phâncực ngược nên không dẫn ,khi đó van D3 và D4 phân cực thuận nên cho dòng điệnchạy qua tải

Ta có: uD3 = uD4 = 0;uD1= uD2=u2 <0; ud = -u2 >0; iD3 = iD4 = itải ; iD1 = iD2 = 0

Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự như trên

+Một số biểu thức tính toán:

Điện áp trung bình trên tải:

Utải =

1

π ∫0

π

√2U2 sin ω t.d ω t = 2

Dòng điện trung bình qua Diode

ID = ∫0

-Không điều chỉnh được điện áp mong muốn

1.2 Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn

+Sơ đồ nguyên lí

Nguyên lý làm việc:

Giả sử Ld = ∞ điện áp phía thứ cấp u2 = √2 U2 sin ω t với góc điều khiển

α Xét mạch đang làm việc ở chế độ xác lập Khi van dẫn sụt áp trên nó bằng 0

Trong khoảng 0< ω t < α , cặp van T3 và T4 dẫn điện,van T1 và T2 đóng.Tacó: uT2 = uT1 = u2 ;uT3= uT4=0 ; ud = -u2 >0; iT4 = iT3 = itải ; iT2 = iT1 = 0.

Trong khoảng α < ω t < α + cặp van T1 và T2 dẫn điện,van T3 và T4đóng.Ta có: uT3 = uT4 = -u2 ;uT2= uT1=0 ; ud = u2 ; iT1 = iT2 = itải ; iT3 = iT4 = 0

Trong khoảng α + < ω t < α +2 cặp van T3 và T4 dẫn điện,van T1 và T2đóng.Ta có: uT3 = uT4 = u2 ;uT2= uT1=0 ; ud = -u2 ; iT3 = iT4 = itải ; iT1 = iT2 = 0

Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự như trên

Dòng điện trung bình qua Thyristor:

Điện áp thuận, điện áp ngược trên thyristor:

uT(thuận) = uT(ngược) = √2 U2

1.3 Mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển (Ka tốt mắc chung)

Sơ đồ nguyên lý:

Giả sử Ld = ∞ điện áp phía thứ cấp u2 = √2 U2 sin ω t với góc điều khiển

α Xét mạch đang làm việc ở chế độ xác lập Khi van dẫn sụt áp trên nó bằng 0.Trước thời điểm ω t= v1 cặp van T1 và T3 dẫn điện khi đó ta có: uT2 = uT3 = 0;utải=-u2 ; uT1 = uT4 = u2; iT2 = iT3 = itải ; iT1 = iT4 = 0.Đến thời điểm ω t= v1 cấp xung điềukhiển mở cặp van T1 và T4 lúc này cặp van T1 và T4 sẽ dẫn điện, cặp van T2 và T3 bịphân cực ngược nên không dẫn điện, khi đó ta có: uT1 = uT4 = 0; utải = u2; uT2 = uT3 = -u2; iT1= iT4= itải; iT2 = iT3 = 0

Đến thời điểm ω t = , u2 = 0 có xu hướng âm dần và - u2 = 0 có xu hướngdương dần Tuy nhiên điện áp nguồn lúc này tác động ngược chiều với chiều dẫndòng của dòng điện qua tải, cho nên suất điện động cảm ứng do Ld tạo ra cho cặp vanT1 và T4 tiếp tục dẫn điện, còn cặp van T2 và T3 chưa dẫn do chưa có xung điều khiểnkích mở Lúc này ta có: uT1= uT4= 0; utải = u2 < 0; uT2 = uT3 = - u2 > 0; iT1 = iT4= itải; iT2 =iT3= 0.Đến thời điểm ω t =+ α phát xung điều khiển mở cặp van T2 và T3, lúcnày cặp van T2 và T3 sẽ dẫn điện còn cặp van T1 và T4 bị phân cực ngược nên khôngdẫn điện Ta có: uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4 = u2 < 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0.Đến thời điểm ω t =2, u2= 0 và có xu hướng dương dần, còn - u2 = 0 có xuhướng âm dần, tuy nhiên cặp van T2 và T3 sẽ tiếp tục dẫn do suất điện động của cuộncảm tải tạo ra để chống lại sự biến thiên của dòng điện Cặp van T1 và T4 chưa dẫnđiện do chưa có xung điều khiển kích mở ta có:

uT2= uT3 = 0; uT1 = uT4= u2 > 0; utải = - u2; iT2 = iT3 = itải; iT1= iT4= 0

Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự như trên.

Dòng điện trung bình qua Thyristor:

Điện áp thuận, điện áp ngược trên thyristor:

uT(thuận) = uT(ngược) = √2 U2

Giản đồ dòng điện, điện áp:

Một số biểu thức tính toán:

Điện áp trung bình trên tải:

Dòng điện trung bình qua Thyristor:

Điện áp thuận, điện áp ngược trên thyristor:

uT(thuận) = uT(ngược) = √2 U2

1.4 Lựa chọn mạch thiết kế

-Qua các phương án trên,chúng em quyết điịnh lựa chọn thiết kế bộ chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển vì các yếu tố sau:

+Mạch có giá thành thấp và hiệu quả

+Dễ dàng chế tạo,nguyên lí đơn giản vận hành dễ dàng hơn mạch chỉnh lưu hoàn toàn

+Có thế điều chỉnh điện áp theo yêu cầu

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA

BÁN ĐIỀU KHIỂN 2.1 Mạch công suất

Các thông số của bóng đèn điện như sau:

kkđ : Hệ số dòng khởi động Dòng chọn van:

kI : Hệ số dòng dự trữĐiện áp ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu là:

Ungmax= Knvan U2= Knvan

Ung max= 650V ; Iđm= 7,5A ; Ug = 1,5V : Ig max = 15mATx= 100µs ; Sx = 0,1

Ungmax T= UngmãxD= √ 2U2= √ 2.220=311,13(V )

Uchon= Ungmax.ku=311,13.1,7=528,9( A )

Tương tự như thông số của Thyristor

Uchọn=Ungc max.ku=311,13.1,7=528,9(V)Ichọn=kI.Klv=2,5.1,968=4,92(A)

Chọn diode công suất 1N5406 :

Chịu Ungcmax =600v, URMS=400V, Imax=10A

Chọn cầu chì

Dùng cầu chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu,dòng điện định mức của dây chảy nhóm 2CC là:

I2CC = 1,1.Id = 1,1.1,23 = 1,353 (A)

⇒ Chọn cầu chảy nhóm 2CC loại 2 (A)

2.2 Thiết kế và tính chọn các linh kiện cho mạch điều khiển

2.2.1 Giới thiều về các phương pháp điều khiển

Các nguyên tắc điều khiển thường được sử dụng hiện nay bao gồm

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

Nhưng thực tế hiện nay người ta hay dùng nguyên tắc điều khiển

thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng ARCCOS Sau đây ta

nghiên cứu 2 loại

a, Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

-Nguyên tắc được thể hiện như hình vẽ sau:

Trong đó

Us: là điện áp răng cưa đồng bộ với điện áp UAK của thyristor và

thường được đặt vào cổng đảo khâu so sánh

Uc: là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được và thường được đặt

vào cổng không đảo khâu so sánh

Hai tín hiệu Us và Uc được đưa vào khâu so sánh, nên mỗi khi Us = Uc

thì đầu ra so sánh lật trạng thái khi đó tạo ra được một xung điều khiển

Như vậy bằng cách thay đổi Uc ta điều chỉnh được thời điểm phát xung

hay chính là thay đổi được góc kích xung α Giữa α và Uc có mối quan

hệ sau

Thường lấy Ucm = Usm

Từ biểu thức ta thấy khi thay đổi Uc từ Usm đến 0V thì góc α thay đổi từ α =

 đến α = 0

b,Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”

- Theo nguyên tắc này được thể hiện hình vẽ sau:

Trong đó

Us: là điện áp đồng bộ vượt trước điện áp UAK của thyristor một

góc /2 và thường được đặt vào cổng đảo khâu so sánh

Uc: là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được và thường được

đặt vào cổng không đảo khâu so sánh

Hai tín hiệu Us và Uc được đưa vào khâu so sánh, nên mỗi khi Us =

Uc thì đầu ra so sánh lật trạng thái khi đó tạo ra được một xung

điều khiển Như vậy bằng cách thay đổi Uc ta điều chỉnh được thời

điểm phát xung hay chính là thay đổi được góc kích xung α Giữa

α và Uc có mối quan hệ sau:

Thường lấy Ucm = Usm

Từ biểu thức ta thấy khi thay đổi Uc từ -Usm đến Usm thì góc α thay

đổi từ α =  đến α = 0

-Trong đồ án này chúng em sử dụng phương pháp điều khiển tuyến tính.

Phương án 1: Sử dụng mạch gồm các khâu sau:

- Khâu đồng pha

- Khâu tạo điện áp răng cưa

Khâu so sánh

- Khâu tạo xung chùm.

- Khâu trộn xung

- Khâu khuếch đại và biến áp xung

 Ưu điểm: Giá thành rẻ

 Nhược điểm:

- Mạch phức tạp phải thông qua nhiều khâu

- Chất lượng điều khiển không cao

Phương án 2: Dùng IC tích hợp TCA 785

Đối với việc điều khiển điện áp một chiều ta có thể sử dụng vi mạch tích hợpTCA 785 để đơn giản mạch điều khiển

Ưu điểm:

- Mạch đơn giản, ít khâu điều khiển

- Tạo ra điện áp đối xứng

- Chất lượng điện áp ra như mong muốn

Nhược điểm :Giá thành đắt

Khối cách ly Bộ chỉnh lưuKhối nguồn

Vi mạch TCA 785 là vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạchđiều khiển: Tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa, so sánh và tạo xung ra TCA

785 do hang Simen chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiêt bịđiều chỉnh dòng xoay chiều

- Mạch thiết kế đơn giản, thi công nhanh dễ điều khiển và hiệu chỉnh

- Hoạt động tin cậy

- Dải điều chỉnh và góc điều khiển rộng

Giới thiệu về cấu tạo nguyên lý của TCA 785

a Kí hiệu:

Hình 3.2.2.1: Sơ đồ chân

Sơ đồ cấu tạo

Dạng sóng dòng điện:

Các thông số của TCA 785:

Thông số Giá trị

min

Giá trị đặctrưng(F= 50

HZ VS=5V)

Giá trịmax

Đơnvị

Điện áp vào điều khiển ,

chân 11trở kháng vào

V11R11

MAX

VkΩMạch tạo răng cưa

Dòng nạp tụ

Biên độ răng cưa

Điện trở mạch nạp

Thời gian sườn ngăn của

xung răng cưa

I10V10R9

μAAVKΩ

VS-130.320530

VS-2.50.830620

VS1.0240760

VVμAsμAs/nFĐiện áp điều khiển

3.45x10-4

V1/K

Nguyên ký làm việc của vi mạch TCA 785

TCA 785 là một vi mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của một mạch điều

khiển điện áp đồng bộ tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh và tạo xung ra Nguồnnuôi qua chân 16 Tín hiệu đồng bộ được lấy qua chân số 5 và số 1 Tín hiệu điềukhiển được đưa vào chân 11 Một bộ nhận biết điện áp 0 sẽ kiểm tra điện áp lấy vàochuyển trạng thái và sẽ chuyển tín hiệu này đến bộ phận đồng bộ Bộ phận đồng bộnày sẽ điều khiển tụ Cx2(chân 10) Tụ Cx2 sẽ được nạp đến điện áp không đổi Khiđiện áp V10 đạt đến điện áp V11 thì một tín hiệu sẽ được đưa vào khâu logic Tuỳthuộc vào biên độ điện áp điều khiển V11, góc mở α có thể thay đổi từ 0 đến 180o.Với mỗi nửa chu kì song một xung dương xuất hiện ở Q1, Q2 Độ rộng trong khoảng30-80μAs

Độ rộng xung có thể kéo dài đến 180o thông qua tụ Cx3 (chân 12)

Nếu chân 12 nối đất thì sẽ có xung trong khoảng α đến 180o

Nguyên lí hoạt động của khâu tạo xung điều khiển:

Khâu tạo xung điều khiển

Điện áp lưới đưa vào chân số 5 và chân số 1 qua điện trở R5 Tín hiệu điềukhiển Vdk được đưa vào chân 11 so sánh với điện áp răng cưa tạo bởi tụ Cx2 (chân 10)cho ta xung điều khiển thyristor có góc mở α tăng dần ở đầu ra chân 14 và 15 Khi

xảy ra ngắn mạch chân 16 nhận được tín hiệu cấm, tại chân 14 và 15 không còn tínhiệu đầu ra.

Từ yêu cầu thực tiễn ta chọn IC TCA 785 do hãng SIMEN sản xuất cùng cáclinh kiện đi kèm sau: Cx3= 104, Cx3= 473, R9= 33kΩ ,R5= 1MΩ,VR1= VR2= 10kΩ

TCA 785 do hãng SIEMEN chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bịchỉnh lưu, thiết bị chỉnh dòng điện áp xoay chiều

Có thể điều chỉnh góc α từ 00 đến 1800 điện Thông số chủ yếu của TCA là:

- Điện áp nguồn nuôi: US= 15V

- Dòng điện tiêu thụ: IS= 10mA

- Điện áp ra: I= 50mA

- Điện áp răng cưa: URC max= (US- 2) V

Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9= (20 ¿ 500) k Ω

Điện áp điều khiển: U11 = - 0,5 ¿ (US – 2) V

Dòng điện đồng bộ: IS = 200 ( μ A)

Tụ điện: C10 = 0,5 ( μ F)

Tần số xung ra: f = (10 ¿ 500) Hz

Chọn giá trị ngoài thực tế: C10=0,1(µF); C12 = 4,7nF ; R9 = 33kΩ

Biến trở điều chỉnh xung răng cưa: VR1= 10kΩ

Biến trở điều chỉnh chân 11(điện áp điều khiển):VR2 = 10kΩ

Khâu đồng pha chọn R8 = 1MΩ

2.2.3 MOC 3020

.Sơ đồ, câú tạo của cách ly quang

Chọn loại MOC 3020

Yêu cầu: đối với MOC 3020

- Input diode:

 Dòng điện vào (DC) là 50(mA)

 Năng lượng tổn hao ở 250 là : 100mW

- Output (max)

 Điện áp vào điều khiển : 250V

 Dòng vào điều khiển : 1,5A

 Dòng ra điều khiển (50Hz ≤ f ≤ 60Hz)

T = 250: I = 100mA

T = 700: I = 50mA Igt U