Thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu công suất một pha bán điều khiển Thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu công suất một pha bán điều khiển Thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu công suất một pha bán điều khiển Thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu công suất một pha bán điều khiển Thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu công suất một pha bán điều khiển Thiết kế, chế tạo bộ chỉnh lưu công suất một pha bán điều khiển
Khái quát chung về điện tử công suất
1.1.1 Khái niệm điện tử công suất Điện tử công suất là lĩnh vực kĩ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng các linh kiện bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch vào quá trình biến đổi điện năng
1.1.2 Nhiệm vụ về điện tử công suất
Các thiết bị sản xuất sử dụng nhiều loại năng lượng điện khác nhau, bao gồm điện một chiều và điện xoay chiều, với các mức điện áp và tần số đa dạng Để điều khiển hoạt động của các thiết bị này, việc điều chỉnh nguồn năng lượng điện cung cấp là rất quan trọng Do đó, biến đổi và điều khiển năng lượng điện trở thành nhiệm vụ hàng đầu trong tự động hoá sản xuất.
Trong các bộ biến đổi, các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng như những khóa bán dẫn hay còn gọi là các van bán dẫn
Van bán dẫn có khả năng đóng cắt dòng điện mà không tạo ra tia lửa điện và không bị mài mòn theo thời gian Tín hiệu điều khiển van bán dẫn có công suất rất nhỏ và tuân theo quy luật điều khiển riêng, giúp giảm tổn hao và nâng cao hiệu suất hoạt động.
Bộ biến đổi bán dẫn công suất có khả năng cung cấp nguồn năng lượng cho phụ tải theo yêu cầu, đáp ứng nhanh chóng các quá trình điều chỉnh và điều khiển trong hệ thống tự động với chất lượng ổn định Đây là một đặc điểm nổi bật mà các bộ biến đổi tiếp điển không thể thực hiện được.
1.1.3 Ứng dụng của điện tử công suất Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại Có thể kể đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau…Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn.
Khái niệm về chỉnh lưu công suất
Mạch chỉnh lưu là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điên xoay chiều thành nguồn điện một chiều nhằm cung cấp cho phụ tải điện một chiều
Tùy theo số pha của nguồn điện xoay chiều phía đầu vào mạch chỉnh lưu mà có thể chia thành mạch chỉnh lưu 1 pha, 3 pha hay nhiều pha
Khi dòng điện xoay chiều chạy giữa dây pha và dây trung tính, mạch chỉnh lưu được gọi là sơ đồ hình tia Ngược lại, nếu dòng điện xoay chiều chạy giữa các dây pha, mạch chỉnh lưu sẽ được gọi là sơ đồ hình cầu.
Sơ đồ chỉnh lưu có thể được phân loại dựa trên loại linh kiện sử dụng: sơ đồ không điều khiển chỉ sử dụng diode, trong khi sơ đồ điều khiển hoàn toàn sử dụng toàn bộ thyristor Ngoài ra, sơ đồ bán điều khiển là sự kết hợp giữa thyristor và diode.
1.2.3 Luận dẫn của van công suất trong các mạch chỉnh lưu
1) Trường hợp mạch chỉnh lưu hình tia a) Sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển Để đơn giản cho việc nguyên cứu nghiên lý làm việc của sơ đồ chỉnh lưu hình tia, trước tiên ta xét sơ đồ không điều khiển và nghiên cứu sơ đồ đấu các K chung
Nghiên cứu cho thấy trong chế độ dòng qua tải liên tục, khi bỏ qua quá trình chuyển mạch, tại bất kỳ thời điểm nào, bộ chỉnh lưu luôn có một van dẫn dòng nối với điện áp pha dương nhất Trong hệ thống điện áp m pha, mỗi pha sẽ lần lượt có điện áp dương trong khoảng thời gian 1/m chu kỳ, do đó mỗi van trong sơ đồ sẽ dẫn dòng trong khoảng 1/m chu kỳ trong suốt một chu kỳ điện áp nguồn.
Ta giả thiết rằng sụt áp trên Diode hay Thyristor khi mở (dẫn dòng) bằng không
Thời điểm mà điện áp trên van bằng không và bắt đầu chuyển sang dương đánh dấu sự mở của van (Diode) Thời điểm này, được gọi là thời điểm mở tự nhiên, là lúc Diode trong sơ đồ chỉnh lưu bắt đầu hoạt động.
Thời điểm mở tự nhiên của van công suất trong sơ đồ chỉnh lưu 3 pha xảy ra khi điện áp của pha nối van bằng không và bắt đầu chuyển sang dương với một góc độ điện 𝛼 Giá trị của 𝛼 được xác định là 0.
Mỗi diode trong sơ đồ bắt đầu mở tại thời điểm mở tự nhiên và sẽ khóa lại khi có van tiếp theo mở Điện áp chỉnh lưu lặp lại m lần trong một chu kỳ nguồn xoay chiều Trong sơ đồ chỉ lưu hình tia m pha với các van nối anot chung, khi hoạt động ở chế độ dòng liên tục và bỏ qua chuyển mạch, sẽ có một van dẫn dòng với pha có điện áp âm nhất tại bất kỳ thời điểm nào Thời điểm mở tự nhiên của các van chậm hơn thời điểm điện áp của pha mắc với van bằng không và chuyển sang âm một góc độ điện bằng 𝛼.
Trong trường hợp này các van chỉnh lưu là các Thyristor Như đã biết để chuyển
Thyristor từ trạng thái khóa sang trạng thái mở cần phải có đủ 2 điều kiện:
• Điện áp giữa A và K phải dương (thuận)
• Có tín hiệu điều khiển đặt vào cực G
Với đặc điểm đã nêu, sơ đồ cho phép điều khiển thời điểm mở của các van trong một giới hạn nhất định Cụ thể, trong khoảng thời gian có điện áp thuận, từ thời điểm mở tự nhiên cho đến nửa chu kỳ sau đó, tín hiệu điều khiển sẽ được truyền đến van vào thời điểm cần thiết, và điều này áp dụng cho tất cả các van trong sơ đồ.
Khi truyền tín hiệu điều khiển đến van chậm tại một góc độ điện α, tất cả các van trong sơ đồ sẽ mở chậm hơn so với thời điểm mở tự nhiên Điều này dẫn đến sự khác biệt trong đường cong điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều so với sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển, làm thay đổi giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu Chúng ta có thể điều chỉnh thành phần một chiều của điện áp trên tải bằng cách thay đổi thời điểm mở van, tức là thay đổi giá trị góc α Trong sơ đồ chỉnh lưu, góc mở chậm của van α được gọi là góc điều khiển Để van có thể mở khi có tín hiệu điều khiển, thời điểm truyền tín hiệu phải nằm trong khoảng điện áp trên van, phù hợp với mỗi nửa chu kỳ điện áp nguồn Khi sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển hoạt động với α = 0°, nó tương đương với sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển.
Sơ đồ chỉnh lưu hình tia m với các van nối anốt chung hoạt động tương tự như sơ đồ các van nối K chung, nhưng thời điểm mở tự nhiên của các van trong sơ đồ này được xác định khác biệt.
2) Trường hợp mạch chỉnh lưu hình cầu a) Sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển
Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu yêu cầu ít nhất hai van dẫn dòng để có dòng qua phụ tải, với một van ở nhóm K chung và một van ở nhóm A chung Trong chế độ dòng liên tục, khi bộ chỉnh lưu cầu m pha hoạt động, luôn có hai van dẫn dòng: một van ở nhóm K nối với pha có điện áp dương nhất và một van ở nhóm A nối với pha có điện áp âm nhất Thời điểm mở tự nhiên của các van nhóm K được xác định tương tự như các van trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia cùng số pha với van nối anốt chung Đối với các van nhóm A, thời điểm mở cũng được xác định như vậy Trong một chu kỳ nguồn xoay chiều, mỗi van dẫn dòng khoảng thời gian bằng 1/m chu kỳ, và sự chuyển mạch chỉ diễn ra giữa các van trong cùng một nhóm, độc lập với nhóm còn lại Điện áp chỉnh lưu lặp lại q lần trong một chu kỳ, với q = m khi m lẻ và q = 2m khi m chẵn.
Trong sơ đồ chỉnh lưu cầu, việc điều khiển điện áp chỉnh lưu trên phụ tải một chiều được thực hiện bằng cách điều chỉnh thời điểm mở của các van, chậm hơn so với thời điểm mở tự nhiên một góc độ điện bằng Tín hiệu điều khiển được sử dụng tương tự như trong sơ đồ hình tia, và mức độ thay đổi lớn nhất của góc điều khiển phụ thuộc vào mạch chỉnh lưu cùng với đặc tính của tải.
1.2.4 Cấu trúc mạch chỉnh lưu và các thông số cơ bản
1) Cấu trúc mạch chỉnh lưu
Các mạch chỉnh lưu có nhiều loại và hình dáng đa dạng, nhưng về cơ bản, cấu trúc trong bộ biến đổi thường bao gồm các 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: Dùng để đo dòng điện, điện áp, công suất
Mạch điều khiển là một thành phần thiết yếu trong các bộ chỉnh lưu có điều khiển, đóng vai trò quyết định đến độ chính xác, sự ổn định và chất lượng của bộ chỉnh lưu.
Phụ tải trong hệ thống điện thường bao gồm động cơ điện một chiều, máy phát điện một chiều, cuộn dây của máy điện xoay chiều, cuộn hút nam châm điện, và các tải có sức điện động E Ngoài ra, phụ tải cũng có thể là các thiết bị chiếu sáng hoặc điện trở tạo nhiệt Dưới đây là sơ đồ cấu trúc của một bộ chỉnh lưu.
Máy biến áp Khối chỉnh lưu
Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu
2) Các thông số cơ bản
Các mạch chỉnh lưu một pha
1.3.1 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển
1) Xét trường hợp tải thuần trở a) Sơ đồ nguyên lý b) Nguyên lý làm việc và dạng sóng dòng diện, điện áp trong mạch
Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng và điện áp cấp vào mạch chỉnh lưu:
Trong ẵ chu kỳ sau π< ωt < 2π, khi đú u 2
0, van D bị phân cực ngược nên van D không dẫn điện Ta có: u D u 2 0, u d 0, i D i d 0
Các chu kỳ tiếp theo hoạt động theo nguyên lý tương tự Trong mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển, các biểu thức liên quan đến tải thuần trở được áp dụng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:
Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu:
I R R Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA:
Hình 1.2 Sơ đồ chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ.
Hình 1.3 Dạng sóng dòng điện, điện áp mạch chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ với tải thuần trở
Dòng điện trung bình qua diode D:
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên 2 đầu diode D khi khóa:
2) Xét trường hợp tải R + E a) Sơ đồ nguyên lý b) Nguyên lý làm việc và dạng sóng dòng điện, điện áp trong mạch
Diode D chỉ cho dòng điện qua tải khi u 2 E , dòng i d chỉ tồn tại trong khoảng 1 2 và góc 1 là 2 nghiệm của phương trình sau: u 2 2 sinU 2 1 E
Khi diode D dẫn dòng thì biểu thức của dòng điện qua tải: 2 sin 2 d
Trước thời điểm 1, khi u2 < E, diode D bị phân cực ngược và không dẫn điện, dẫn đến không có dòng điện qua tải và qua van diode, tức là iD = id = 0 Do đó, điện áp trên tải u d = E, trong khi điện áp rơi trên van diode là 0.
Trong khoảng 1 2 khi đó u 2 E nên diode dẫn cho dòng điện chạy qua tải
, điện áp trên tải u d u 2 , điện áp rơi trên van u D 0 Đến khi
Hình 1.4 Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ không điều khiển tải R+E
Hình 1.5 Dạng sóng chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ không điều khiển tải R+E
Khi điện áp E được áp dụng, diode D ở trạng thái phân cực ngược và không dẫn điện, dẫn đến không có dòng điện qua tải và qua diode, tức là iD = id = 0 Do đó, điện áp trên tải uD bằng E, trong khi điện áp rơi trên diode là 0.
UD u E U E c) Công thức tính các thông số trong mạch chỉnh lưu Điện áp ngược cực đại đặt lên diode D khi khóa:
UDm U E Dòng điện trung bình chảy qua tải:
Giá trị dòng điện hiệu dụng qua thứ cấp máy biến áp và qua tải khi chuyển gốc tọa độ 1 góc /2 đến O , có dạng:
Điện áp trung bình trên tải: d d
Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ không điều khiển bao gồm hai phần: a) Sơ đồ không có diode và b) Sơ đồ có diode Sự khác biệt giữa hai sơ đồ này thể hiện rõ trong cách mà điện áp và dòng điện được chỉnh lưu.
Khi diode dẫn dòng trong mạch thì cuộn cảm sinh ra một sđđ tự cảme L di d
Mỗi khi có sự biến thiên về dòng điện, theo định luật Ohm, ta có thể diễn đạt dưới dạng phương trình mạch điện: u = Ri + L(di/dt) Dòng điện chạy qua tải i d bao gồm hai thành phần: dòng điện cơ bản i cb và dòng điện tắt dần theo hàm mũ.
Dòng điện i cb được xác định: cb 2 2 sin i U
Dòng điện i td là hàm mũ tắt dần theo thời gian:
Pt L tg itd Ae Ae Ae
Trong đó: sin ; cos ; 2 2 ; arc d ; ; d d d
Như vậy dòng điện tải: d 2 2 sin tg i U Ae
Hệ số A được xác định từ sơ kiện đóng mạch có điện cảm id 0 0 Thay vào biểu thức i d ở trên ta được: d 2 2 sin sin R X i U e
Khi , dòng i d 0; Lúc đó diode D khóa lại và ta có quan hệ:
Khi biết góc φ, có thể xác định được góc tắt dòng λ bằng phép tính gần đúng của phương trình siêu việt trên
Trên hình 1.6 ta thấy trong khoảng 0 < θ < dòng điện i d tang từ do cuộn cảm L sinh ra Sđđ e có chiều ngược lại 𝑢 , lúc này cuộn cảm L tích lũy năng lượng
Trong khoảng 𝜃 < 𝜃 < 𝜃, dòng i d suy giảm và Sđđ e tác động cùng chiều với 𝑢, khiến cuộn cảm L hoàn lại năng lượng về nguồn Do đó, diode D vẫn tiếp tục dẫn trong khoảng từ 𝜋 < 𝜃 < 𝜃 khi điện áp 𝑢 < 0 cho đến khi năng lượng được giải phóng hoàn toàn Thực tế, với tải L hoặc R+L, người ta thường sử dụng một diode hoàn năng lượng 𝐷 đấu song song ngược với tải để bảo vệ diode và duy trì dòng điện tải trong nửa chu kỳ âm.
Khi điện thế tại điểm B vượt điểm C khoảng 0,7V thì 𝐷 mở cho dòng tải i d chảy qua 𝐷 ; i d i D 0 Diode D o ngắn mạch 2 đầu tải; u d 0
Diode D chỉ cho dòng điện chảy qua trong khoảng 0 < θ < π Trong khoảng π < θ <
2π dòng tải i d do cuộn cảm L cung cấp, nó giải phóng năng lượng được tích lũy vào mạch
R-L-𝐷 Nếu dùng cuộn cảm lớn có thể duy trì dòng i d trong toàn chu kỳ
1.3.2 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kì không điều khiển
1) Xét với tải thuần trở a) Sơ đồ nguyên lý b) Nguyên lý làm việc và dạng sóng dòng điện, điện áp
Giả sử mạch làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng và ddienj áp đặt vào cuộn sơ cấp máy biến áp là hình sin
Khi đó phía thứ cấp máy biến áp xuất hiện 2 điện áp u 21 và u 22 bằng nhau về giá trị hiệu dụng nhưng ngược nhau về pha
Trong nửa chu kỳ dương của điện áp u21, diode D được phân cực thuận, cho phép dòng điện iD1 chạy qua tải với giá trị iD1 = iuD, d = u21, và iD1 = 0 Ngược lại, trong nửa chu kỳ âm của điện áp u21, diode D bị phân cực ngược, dẫn đến tình trạng khóa lại với iD2 = 0 và uD2 = u22 - u21 Khi điện áp u22 dương, diode D lại được phân cực thuận, cho phép dòng điện iD2 chạy qua tải với giá trị iD2 = iuD, d = u22.
,u D 2 0 Còn u 21 âm, nên 𝐷 bị phân cực ngược, khóa lại do vậyi D 1 0, u D 1 u 21 u 22
Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ không điều khiển với tải thuần trở. i d
Hình 1.8 Dạng sóng mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ không điều khiển với tải R.
Như vậy cả 2 nửa chu kỳ 𝐷 và 𝐷 lân phiên đóng mở, cung cấp điện cho tải trong cả chu kỳ c) Công thức tính toán trong mạch
Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu trên tải:
Giá trị trung bình của dòng điện tải:
Giá trị trung bình của dòng điện chảy qua mỗi diode:
Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp:
Điện áp ngược lớn nhất đặt trên mỗi van diode: max 2 2 2
2) Xét trường hợp tải R+E a) Sơ đồ nguyên lý
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu hình tia một pha 2 nửa chu kỳ không điều khiển với tải R+E
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ không điều khiển với tải R+E.
Hình 1.10 Dạng sóng mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ không điều khiển với tải
R+E. b) Nguyên lý làm việc và dạng sóng dòng điện, điện áp
Khi mạch hoạt động ở chế độ xác lập lý tưởng với 0 < E < U2 = U21 = U22, và điện áp đầu vào cuộn sơ cấp máy biến áp là dạng sóng hình sin, thì phía thứ cấp của máy biến áp sẽ xuất hiện.
2 điện áp u 21 và u 22 bằng nhau về giá trị hiệu dụng như ngược nhau về pha:
21 2 sin ;2 22 2 sin2 u U t u U t Khi đó nguyên lý của mạch có thẻ mô tả như sau:
Trong khoảng 0 1 , khi đó không có van nào dẫn nên:
2 1 0 d D D i i i , u d E, u D 1 u 21 E, u D 2 u 22 E Trong khoảng 1 2 , khi đó D 1 dẫn, D 2 khóa nên:
, i D 2 0, u u d 21 , u D 1 0, u D 2 u 22 u 21 Trong khoảng 2 3 , khi đó không có van nào dẫn nên:
2 1 0 d D D i i i , u d E, u D 1 u 21 E, u D 2 u 22 E Trong khoảng 3 4 , khi đó D 2 dẫn, D 1 khóa nên:
, u d u u 22 , D 2 0, u D 1 u 21 u 22 Trong khoảng 4 2 , khi đó không có van nào dẫn nên:
1 21 u D u E, u D 2 u 22 E Các chu kỳ tiếp theo lặp lại tương tự c) Biểu thức tính toán
Dòng điện trung bình chảy qua tải:
ta xác định được biểu thức như trên
Giá trị trung bình của dòng điện đi qua mỗi diode:
Dòng điện hiệu dụng qua nửa cuộn thứ cấp của máy biến áp được xác định khi chuyển gốc tọa độ một góc Việc tính toán dòng điện này là quan trọng để hiểu rõ hơn về hiệu suất và hoạt động của máy biến áp trong các ứng dụng điện.
Điện áp trung bình trên tải d d
U I R E Điện áp ngược lớn nhất đặt trên mỗi van diode: max 2 2 2
1.3.3 Mạch chỉnh lưu hình cầu một pha không điều khiển
1) Xét tải thuần trở a) Sơ đồ nguyên lý 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 =√2 𝑈 sint(v)
Trong nửa chu kỳ đầu từ 𝜔t = 0 đến 𝜋, điện áp 𝑢 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.
Hình 1.11 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển với tải R.
Hình 1.12 Dạng sóng dòng và áp trong mạch chỉnh lưu với tải R. điện chạy qua tải Khi đó ta có: u D 1 = u D 2 = 0; I D 4 = I D 3 = 0; u D 4 = u D 3 = - u2 0; u D u 2 0; iD 1 = I D 2 = I D
Trong nửa chu kỳ sau từ t = đến 2, điện áp u2 dương khiến cặp van D1 và D2 bị phân cực ngược và không dẫn điện Ngược lại, cặp van D4 và D3 phân cực thuận, cho phép dòng điện đi qua tải Kết quả là uD4 = uD3 = 0, uD1 = uD2 = u2 ≤ 0, và uD = -u2 ≥ 0.
Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự c) Các công thức tính toán trong mạch
Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu
Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu
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
U :là tỉ số máy biến dòng) Dòng điện trung bình qua diode D
I I Điện áp ngược lớn nhất đặt lên 2 đầu diode D khi khóa
2) Xét với tải R + E a) Sơ đồ nguyên lý b) Nguyên lý làm việc
Trong khoảng 0 < θ < π, khi u2 > 0, điện thế tại điểm A lớn hơn tại điểm B Khi u2 < E, không có dòng điện chảy trong mạch tải và tất cả các diode đều bị khóa.
Khi u2 > E thì D1 và D2 mở cho dòng điện chảy qua, ta có: 1 2 2 sin 2 d D D
Dòng điện chảy qua tải tồn tại đến khi u2 < E, lúc đó D1 và D2 khóa lại
Trong khoảng 2, khi đó u2 < 0, điện thế tại điểm B dương hơn A khi nào
V B E thì D3 và D4 mở cho dòng điện chảy qua, ta có: 4 3 2 sin 2 d D D
Các chu kỳ sau hoạt động tương tự c) Các công thức tính toán trong mạch
Trị điện áp ngược cực đại đặt lên diode D khi khóa
UDm U E Dòng điện trung bình chảy qua tải:
Giá trị dòng điện hiệu dụng qua thứ cấp máy biến áp và qua tải khi chuyển gốc tọa độ 1 góc
Hình 1.13 Mạch chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển với tải R+E u d
Hình 1.14 Dạng sóng dòng và áp trong mạch chỉnh lưu với tải R+E
Điện áp trung bình trên tải: d d
3) Xét với tải R+L với L = a) Sơ đồ nguyên lý b) Nguyên lý làm việc và dạng sóng dòng điện, điện áp trong mạch
Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, xét điều kiện lý tưởng và điện áp phía thứ cấp:
Trong nửa chu kỳ đầu từ t 0 đến , điện áp u2 dương khiến cặp van D1 và D2 được phân cực thuận và dẫn điện, trong khi cặp van D3 và D4 bị phân cực ngược và không dẫn điện cho dòng điện qua tải.
Trong nửa chu kỳ sau từ t đến 2, điện áp – u2 dương khiến 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 đi qua tải.
U U ; U D 1 U D 2 U 2 0 ; U d U 2 0 ; i D 4 i D 3 i d ; i D 1 i D 2 0 Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự c) Các công thức tính toán trong mạch
Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:
Hình 1.15 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển với tải R+L.
Hình 1.16 Dạng sóng dòng và áp trong mạch chỉnh lưu với tải R+L
Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu:
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
U : là tỷ số máy biến dòng) Dòng điện trung bình qua diode D:
I I Điện áp ngược lớn nhất đặt lên 2 đầu diode khi khóa:
1.3.4 Mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển
1) Xét với tải R a) Sơ đồ nguyên lý
Hình 1.17 Sơ đồnguyên lý mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển với tải R. i d
Hình 1.18 Dạng sóng mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển với tải 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 2 sinU2 t và góc điều khiển
Trong khoảng thời gian từ t = 0 đến , có U2 > 0 và UT > 0, nhưng van T vẫn chưa dẫn do chưa có xung điều khiển mở Khi đó, ta có uT = u2, uD = 0, iT = iD = 0 Tại thời điểm t = , phát xung điều khiển mở van T, lúc này van T đủ điều kiện kích mở và dẫn điện, với uD = u2, uT = 0, iT = iD Đến thời điểm t = , u2 = 2U2sin(t), u2 = 0 và có xung hướng âm, khiến van T bị phân cực ngược và khóa lại, do đó trong khoảng từ t = đến 2, ta có uT < u2, uD = 0, iT = iD = 0 Tại thời điểm t = 2, u2 = 0 và có xu hướng dương dần, van T nhận điện áp thuận nhưng vẫn chưa dẫn do chưa có xung điều khiển mở Trong khoảng từ t = 2 đến 2 + , ta có uT = u2, uD = 0, iT = iD = 0 Cuối cùng, tại thời điểm t = 2 + , phát xung điều khiển mở van T, lúc này van T dẫn điện với 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
Dòng điện hiệu dụng qua Thyristor
Điện áp thuận lớn nhất trên van T: max 2 2
UTng U Điện áp ngược lớn nhất trên van T: max 2 2
3) Xét với tải R+L (L) a) Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu hình tia một pha nửa chu kỳ có điều khiển với tải R+L có
D0 với L = ∞ được thể hiện qua Hình 1.19 b) Nguyên lý làm việc
Giả sử mạch đang làm việc ở chế độ xác lập, lý tưởng cuộn cảm tải Ld = ∞, u 2 2U 2 sint và góc điều khiển
Trong khoảng t 0đến, có u 2 > 0, và u T > 0, tuy nhiên T vẫn chưa dẫn, do chưa có xung điều khiển mở Khi đó ta có: u T = u 2 ; u D 0
= 0; u d = 0; i D 0 = i T = i d = 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: u 2 = 0; u D 0 = -u 2 ; u d = u 2 >
Thông số yêu cầu
Mạch chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển có thông số tải với điện áp trung bình đầu ra một chiều đạt 110 V và dòng điện trung bình đầu ra là 30 A.
Sơ đồ khối
2.2.2 Chức năng của từng khối
• Máy biến áp: Để cung cấp điện áp phù hợp cho toàn bộ mạch và tải
• Khối điều khiển: Tạo ra xung điều khiển lệch pha nhau 180 độ, điều khiển góc mở của thyristor
• Khối chỉnh lưu : Biến đổi dòng điện,điện áp xoay chiều sang dòng điện, điện áp một chiều
• Khối tải : Là tải một chiều.
Tính toán các thông số của mạch điện
2.3.1 Tính toán, chế tạo máy biến áp
1) Tính toán các thông số cơ bản
• Các số liệu cho trước: Điện áp đầu vào cuộn sơ cấp U1 = 220 V Điện áp trung bình trên tải Ud = 110 V
Dòng điện trung bình trên tải Id = 30 A
Do ta lựa chọn mạch chỉnh lưu cầu một pha nên ta có
Máy biến áp Khối chỉnh lưu
Hình 2.1 Sơ đồ khối Điện áp hiệu dụng ở thứ cấp MBA
U2 = 1.1×Ud = 1.1×110 = 121 V Dòng điện hiệu dụng qua cuộn thứ cấp MBA
I2 = 1.1×Id = 1.1×30 = 33 A Công suất cuộn thứ cấp MBA
P2 = U2×I2 = 121×33 = 3993 VA Công suất cuộn sơ cấp MBA
2) Tính chọn lõi thép MBA
Lõi thép là phần mạch từ của máy biến áp (MBA), đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn từ thông chính Khi thiết kế lõi thép, cần chú ý đến việc giảm thiểu tổn hao sắt từ và sử dụng vật liệu một cách tiết kiệm Đồng thời, lõi thép cũng là nơi gắn kết nhiều bộ phận như dây quấn, giá đỡ dây dẫn, và trong một số loại MBA còn có nắp máy để dễ dàng sửa chữa Quan trọng hơn, lõi thép phải chịu được lực cơ học lớn trong trường hợp ngắn mạch dây quấn Để đáp ứng các yêu cầu này, tôn được sử dụng làm vật liệu chính cho lõi thép.
SILIC các lạnh có cấu trúc tinh thể ổn định, mang lại tính dẫn từ thông đẳng hướng Nhờ đó, suất tổn hao của loại tôn này giảm từ 2 đến 2.5 lần so với tôn cán nóng.
Tôn cán lạnh giúp giảm trọng lượng và kích thước của MBA, tạo thuận lợi cho việc vận chuyển Mặc dù giá thành của tôn cán lạnh có phần cao, nhưng việc giảm tổn hao và trọng lượng máy khiến việc sử dụng tôn silic cán lạnh vẫn mang lại hiệu quả kinh tế Chúng tôi lựa chọn tôn silic cán lạnh với độ dày 0.5mm.
Hình 2.2 mô tả hình dạng và kích thước của lõi thép máy biến áp, trong đó bao gồm các thông số quan trọng: a là bề rộng trụ giữa, b là chiều cao của lõi thép, c là bề rộng của lõi thép biến áp, và a/2 là chiều rộng cửa sổ của lõi thép.
Thiết diện thực tế của lõi thép: ci tt
S kS trong đó, S là thiết diện lõi thép: S ci = a×c cm 2 , k = 0.9 với lá thép có bề dày bằng 0.5mm
Công suất biến áp theo thiết diện thực:
Hình 2.2 Kích thước lõi thép.
Từ Bảng 2.1 ta chọn lõi thép loại EI-80S có bề rộng trụ giữa là: a = 80 mm =8 cm
Bề rộng của lõi thép biến áp là: c = 79.53
3) Tính chọn dây quấn MBA
Dây quấn là phần tủ dẫn điện chính trong
MBA, do đó khi thiêt kế ta phải đảm được các yêu cầu:
Yêu cầu về điện; Có tinh dẫn điện tốt, chịu được dòng điện cao khi xảy ra sự cố
Yêu cầu cơ học: Dây quấn không bị biến dạng hoặc hư hỏng trước lực cơ học do dồng điện ngắn mạch gây ra
Khi làm việc trong điều kiện bình thường hoặc trong trường hợp ngắn mạch, dây quấn cần duy trì nhiệt độ an toàn để tránh làm hỏng lớp cách điện Nhiệt độ quá cao có thể khiến lớp cách điện nóng lên, mất tính đàn hồi, trở nên giòn và giảm khả năng cách điện.
Yêu cầu trong chế tạo bao gồm việc thiết kế kết cấu đơn giản, tiết kiệm nguyên vật liệu, rút ngắn thời gian sản xuất, giảm chi phí và đảm bảo hiệu quả vận hành.
• Tính toán số vòng dây
Do ta lựa chọn sử dụng tôn silic cán lạnh, nên cảm ứng từ có giá tri
B = 1.5 T Điện áp trên 1 vòng dây b b c d c b a e b
Hình 2.3 Kích thước lõi thép EI.
Bảng 2.1 Thông số lõi thép EI (mm).
Số vòng dây cuộn sơ cấp
Số vòng dây cuộn thứ cấp
• Tính toán thiết diện dây dẫn
MBA có công suất: P 1 = 4392.3 VA, nên ta có mật độ dòng điện
J = 2.5 A/ mm 2 Thiết diện dây quấn sơ cấp
J 7.986 mm 2 Thiết diện dây quấn thứ cấp
J 13.2 mm 2 Chọn dây cáp điện theo tiêu chuẩn (tiêu chuẩn IEC 60439)
Bảng 2.1 Bảng chọn tiết diện dây dẫn theo dòng điện
Dựa trên dòng điện định mức đã tính toán và bảng tham khảo, ta xác định được dây quấn sơ cấp có tiết diện là 6 mm², trong khi dây quấn thứ cấp có tiết diện là 10 mm² Đường kính của dây quấn sơ cấp được tính là 2.1 mm.
3.14 = 3.2 mm Đường kính dây quấn thứ cấp d2 = 2 2
2 3.14= 4.1 mm 2.3.2 Tính toán, chọn van công suất
Khi tính chọn thiết bị, cần xem xét các yếu tố cơ bản như dòng tải, điều kiện tỏa nhiệt và điện áp làm việc Các thông số cơ bản của van được xác định, trong đó điện áp ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu là 121,171.1V.
Un U V trong đó Unmax: Điện áp ngược lớn nhất đặt trên diode và thyristor
Dòng điện làm việc hiệu dụng của van là:
IDRMS = ITRMS √ Id = 0.707×30 = 21.21 A trong đó IDRMS, ITRMS: Dòng điện hiệu dụng của diode và thyristor
Dòng điện làm việc trung bình của van là:
Với các thông số làm việc đã nêu, van cần được chọn với điều kiện làm việc có cánh tản nhiệt và không sử dụng quạt đối lưu không khí Các thông số quan trọng cần xem xét bao gồm điện áp ngược, dòng điện làm việc hiệu dụng và dòng điện làm việc trung bình của van.
Trong bài viết này, chúng ta xác định công thức I k I A với điều khiển làm việc trên Ilv 10 30 % Idmv, trong đó Ilv được chọn là 25% Idmv Hệ số dự trữ điện áp KdtU được chọn là 1.6 và hệ số dự trữ dòng điện ki được chọn là 4.
Từ các loại thông số trên ta chọn 2 Thyristor loại SHI00F21A và diode loại
Thyristor loại SHI00F21A có các thông số sau:
• Điện áp ngược cực đại: Unmax = 300 V
• Dòng điện làm việc cực đại: Idmmax = 100 A
• Dòng điện đỉnh cực đại: Ipicmax = 2000 A
• Dòng điện xung điều khiển: Ig = 150 mA
• Điện áp xung điều khiển: Ug = 2.5 V
• Dòng điện duy trì: Ih = 200 mA
• Dòng điện dò: Ir = 30 mA
• Sụt áp trên Thyristor ở trạng thái dẫn: 𝛥Umax = 1.9 V
• Đạo hàm điện áp: du/dt = 200 V/s
• Thời gian chuyển mạch (mở và khúa): tcm = 15 às
• Nhiệt độ làm việc cực đại: Tmax = 125 ℃
Diode loại MDR100A30 có các thông số sau:
• Dòng điện chỉnh lưu cực đại: Imax = 100 A
• Điện áp ngược của diode: Un = 300 V
• Đỉnh xung dòng điện: Ipic = 1600 A
• Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của diode: ∆U = 1.2 V
• Dòng điện thử cực đại: Ith = 310 A
• Nhiệt độ cho phép: Tcp = 150℃
2.3.3 Tính toán, chọn phần tử bảo vệ
1) Bảo vệ quá dòng điện
Các nguyên nhân gây quá dòng điện cho van:
• 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 là:
=> Vậy chọn cầu chì loại 40 (A)
Bảo vệ quá nhiệt: Thyristor làm việc với dòng điện tối đa Imax = 21.21A chịu một tổn hao trên van là (P1) và khi chuyển mạch (P2) Tổng tổn hao sẽ là:
Tổn hao công suất này sinh ra nhiệt
Van chỉ hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ tối đa 150 độ C, vì vậy cần bảo vệ van bằng cách lắp đặt van bán dẫn trên cánh tỏa nhiệt.
Khi van bán dẫn được kết nối với cánh tỏa nhiệt bằng đồng hoặc nhôm, nhiệt độ của van sẽ được tỏa ra môi trường xung quanh thông qua bề mặt của cánh tỏa nhiệt Quá trình tỏa nhiệt này phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa cánh tỏa nhiệt và môi trường Khi cánh tỏa nhiệt nóng lên, nhiệt độ xung quanh cũng tăng theo, dẫn đến việc tốc độ dẫn nhiệt ra không khí bị giảm Diện tích bề mặt tỏa nhiệt cần được tính toán để đảm bảo hiệu quả tỏa nhiệt.
Tổn hao công suất: P = 40.3 W. Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường: = Tlv – Tmt
Chọn Tlv = 80 0 C, chọn nhiệt độ môi trường: Tmt = 25 0 C
Ktn: Hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt (trong điều khiện làm mát tự nhiên không quạt cưỡng bức)
2) Bảo vệ quá điện áp cho thiết bị bán dẫn
Linh kiện bán dẫn, đặc biệt là các loại bán dẫn, rất nhạy cảm với sự biến đổi của điện áp Để bảo vệ van, cần chú ý đến những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến hoạt động của chúng.
- Điện áp đặt vào van lớn quá thông số của van
- Xung điện áp do chuyển mạch van
- Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều, nguyên nhân thường gặp là do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây
Xung điện áp có thể xảy ra khi cắt đột ngột các biến áp non tải Để bảo vệ van hoạt động lâu dài khỏi tình trạng quá điện áp, việc lựa chọn các van bán dẫn phù hợp với điện áp ngược là rất quan trọng.
Hình 2.4 Hình dạng cánh tản nhiệt cho thyristor.
Bảo vệ xung điện áp trong quá trình đóng cắt các van được thực hiện bằng cách sử dụng mạch R-C mắc song song với các van bán dẫn Khi chuyển mạch xảy ra, phóng điện từ van tạo ra xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp của van Mạch R-C này giúp tạo ra vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van Các thông số của mạch thường được chọn là R từ 5 đến 30 Ω và C từ 0.5 đến 4 µF.
2.3.4 Tính toán, chọn phần tử mạch điều khiển
1) Các yêu cầu, đặc điểm của mạch điều khiển
- Mạch điều khiển phải làm việc tin cậy
- Cấp xung điều khiển đúng thời điểm
- Độ rộng và độ lớn của xung điều khiển tối thiểu phải bằng độ rộng và độ lớn của xung cho trong datasheet của linh kiện
- Phải thỏa mãn tính đối xứng giữa các pha
2) Các nguyên tắc điều khiển bộ biến đổi
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 thẳng đứng tuyến tính
- Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha thẳng đứng “arccos”
- Hệ thống điều khiển chỉnh lưu dùng diode 2 cực gốc (Trasistor một tiếp giáp)
Sơ đồ nguyên lý mạch điện
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý
Hình 2.13 Sơ đồ kết nối MOC 3020.
Hình 2.14 Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của MOC 3020.
2.4.2 Nguyên lý làm việc toàn mạch
IC TCA 785 (có tích hợp các khâu dồng pha, so sánh, tạo xung, sửa xung, khuyếch đại) tạo ra 2 xung điều khiển đến kích mở cho Thyristor TYN1880 (T1 và T2)
Chân 11 của TCA là chân nhận điện đáp điều khiển (từ 0 đến 11V) để thay dổi góc kích mở của Thyristor từ 0 đến 180 độ
Mạch lực ta dùng mạch cầu chỉnh lưu bán điều khiển
Giả sử ta đạt một điện áp diều khiển có thể thay đổi từ 0 đến 11V vào chân 11 của
IC TCA785, ở chân 14 và 15 của IC TCA785 sẽ xuất ra một chuỗi xung có thể thay đổi từ
Nguyên lí hoạt động của mạch lực:
+ Giả sử ở một bán kỳ ta có điện áp dương đặt vào AC_IN2, điện áp âm là ở AC_IN1
Mạch điều khiển sẽ phát sinh một xung với góc anpha tùy thuộc vào điện áp điều khiển, nhằm kích mở T2 Dòng điện sẽ đi từ AC_IN2, qua tải, và qua T2 trở về âm nguồn.
Trong bán kỳ còn lại, AC_IN1 mang điện dương trong khi AC_IN2 mang điện âm Lúc này, mạch điều khiển sẽ phát ra một xung để kích mở T1 Dòng điện sẽ chảy từ AC_IN1 qua D8, đi qua tải, tiếp theo là T1 và cầu chì, rồi trở về AC_IN2.
+ Vậy dòng điện có một chiều cố định từ DC_OUT2 về DC_OUT1 và có thể điều chỉnh được từ 0 đến 110V DC.