mạch nguồn 1 chiều giới thiệu về bộ nguồn 1 chiều

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (409.82 KB, 29 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGUỒN 1 CHIỀU...2

1.1. Giới thiệu chung về bộ chỉnh lưu...2

1.2. Phân loại mạch chỉnh lưu...3

1.3. Giới thiệu về Thyristor...4

1.4.Đặc tính Vơn-Ampe của Thyristor...5

1.5. Các thơng số cơ bản của Thyristor...7

1.6. Phân tích sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha cấp cho tải...8

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH LỰC...11

2.1 Thiết kế mạch động lực...11

2.2 Tính chọn van Thyristor...11

2.3 Tính tốn mạch bảo vệ...12

2.4 Bảng liệt kê các thiết bị trong mạch lực:...13

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN...14

3.1 Yêu cầu chung của mạch điều khiển...14

3.2 Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiển...14

3.3 Thiết kế mạch điều khiển...15

3.2.1 Khâu đồng pha...15

3.2.2 Khâu tạo điện áp tựa...16

3.2.3 Khâu so sánh...17

3.2.4 Khâu tạo xung...18

3.2.5 Khâu khuếch đại và biến áp lực...19

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG...22

4.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng PSIM...22

4.2 Sơ đồ mạch động lực và các phần tử bảo vệ...24

4.2 Sơ đồ nguyên lý 1 kênh điều khiển...24

4.3 Mô phỏng khâu đồng pha:...25

4.4 Mô phỏng khâu tạo điện áp răng cưa...25

4.5 Mô phỏng khâu so sánh...25

4.6 Mô phỏng khâu tạo xung...25

4.7 Khâu khuếch đại xung...26

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...27

5.1. Nội dung đã tìm hiểu...27

5.2 Những hạn chế chưa làm được...27

5.3 Phương hướng phát triển...28

Tài liệu tham khảo...29

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGUỒN 1 CHIỀU1.1. Giới thiệu chung về bộ chỉnh lưu

Bộ chỉnh lưu là bộ biến đổi biến đổi dòng điện xoay chiều sang dòng điện một chiều. Cấu trúc của bộ chỉnh lưu

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

Hình 1.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu

Biến áp: chuyển từ cấp điện áp quy chuẩn 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 là 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 lớn nhất của lưới là 3, hoặc có thể cần số pha là 6,12 …

Mạch van: là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách nào đó để tiến hành quá

trình chỉnh lưu.

Mạch lọc: nhằm đảm bảo điện áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải là bằng phẳng

theo yêu cầu.

1.2. Phân loại mạch chỉnh lưu

Phân loại theo số pha nguồn cấp cho van

1 pha, 2 pha , 3 pha, 6 pha…

Phân loại theo van bán dẫn trong mạch

Mạch van dùng diot là chỉnh lưu không điều khiển Mạch van dùng thyristor là chỉnh lưu có điều khiển

Mạch van kết hợp diot và thyristor là chỉnh lưu bán điều khiển.

Phân loại theo sơ đồ mắc van trong mạch

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.(anot chung hoặc catot chung)

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

Sơ đồ cầu: ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đơi số pha nguồn cấp cho mạch

van.Trong đó một nửa số van mắc chung catot, nửa kia lại mắc anot chung.

1.3. Giới thiệu về Thyristor

Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp p-n: J1, J2, J3. Thyristor có ba cực Anode (A), Cathode (K), cực điều khiển (G – Gate)

Hình 1.2 Kí hiệu Thyristor

Hình 1.3: Cấu trúc bán dẫn của Thyristor

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

1.4.Đặc tính Vơn-Ampe của Thyristor

Hình 1.4: Đặc tính vơn-ampe của thyristor Đặc tính Vơn-Ampe của một Thyristor gồm hai phần:

Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp UAK > 0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp: UAK < 0.

Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng không (IG = 0) Khi dòng vào cực điều khiển của Thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển Thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa Anode-Cathode.

Khi điện áp UAK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của Thyristor, hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp J2 phân cực thuận, như vậy Thyristor sẽ giống như hai diode mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua Thyristor sẽ chỉ có một dịng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Khi UAK tăng đạt đến một giá trị điện áp lớn nhất Ung.max sẽ xảy ra hiện tượng Thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn. Giống như ở đoạn đặc tính ngược của diode, lúc này nếu có giảm điện áp UAK xuống dưới mức Ung.max thì dịng điện cũng khơng giảm được về mức dịng rò. Thyristor đã bị hỏng.

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

Khi tăng điện áp Anode-Cathode theo chiều thuận, UAK > 0, lúc đầu cũng chỉ có một dịng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Điện trở tương đương mạch Anode-Cathode vẫn có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược. Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth.max, sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch Anode-Cathode đột ngột giảm, dòng điện chạy qua Thyristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngồi. Nếu khi đó dịng qua Thyristor lớn hơn một mức dòng tối thiểu, gọi là dịng duy trì Idt, thì khi đó Thyristor sẽ dẫn dịng trên đường đặc tính thuận. Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dẫn dịng và phụ thuộc vào giá trị của phụ tải nhưng điện áp rơi trên AnodeCathode nhỏ và hầu như không phụ thuộc vào giá trị của dịng điện.

Trường hợp có dòng điện vào cực điều khiển (IG > 0) Nếu có dịng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển (G) và Cathode, quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, có Uth < Uth.max. Điều này được mơ tả trên hình 1.2 bằng những đường nét đứt, ứng với giá trị dòng điều khiển khác nhau IG1, IG2, IG3,... nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn. Trong thực tế đối với mỗi loại Thyristor sẽ được chế tạo bởi một dòng điều khiển định mức Iđk đm.

Điều kiện mở khóa van Thyristor.

Thyristor chỉ cho phép dịng chạy qua theo một chiều, từ Anode đến Cathode, và không được chạy theo chiều ngược lại. Điều kiện để Thyristor có thể dẫn dịng, ngồi điều kiện phải có điện áp UAK > 0 còn phải thỏa mãn điều kiện là điện áp điều khiển dương. Do đó Thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển.

Mở van Thyristor

Khi được phân cực thuận, UAK > 0, Thyristor có thể mở bằng hai cách. Thứ nhất, có thể tăng điện áp Anode-Cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth.max, điện trở tương đương trong mạch Anode-Cathode sẽ giảm đột ngột và dòng qua Thyristor

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

sẽ hoàn toàn do mạch ngồi xác định. Phương pháp này trên thực tế khơng được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn.

Phương pháp thứ hai là đưa một xung dịng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và Cathode. Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của Thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp Anode-Cathode nhỏ. Khi đó nếu dịng qua Anode-Cathode lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dịng duy trì (Idt) thì Thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dịng mà khơng cần đến sự tồn tại của xung dòng điểu khiển. Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các Thyristor bằng các xung dịng có độ rộng xung nhất định, do đó cơng suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà Thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dịng điện.

Khóa van Thyristor

Khố Thyristor Một Thyristor đang dẫn dịng sẽ trở về trạng thái khóa (điện trở tương đương mạch Anode-Cathode tăng cao) nếu dịng điện giảm về khơng. Tuy nhiên để Thyristor vẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi điện áp Anode-Cathode lại dương (UAK 0), cần phải có một thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hồn tồn tính chất cản trở dòng điện của Thyristor. Khi Thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, hai lớp tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân cực ngược. Vì vậy mà dịng điện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J1, J2, J3. Để khóa Thyristor lại cần giảm dịng Anode-Cathode về khơng bằng cách hoặc là đổi chiều dòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa Anode và Cathode của Thyristor. Sau khi dịng về bằng khơng phải đặt một điện áp ngược lên Anode-Cathode (UAK 0) trong một khoảng thời gian tối thiểu lúc này Thyristor sẽ khóa. Trong thời gian phục hồi có một dịng điện ngược chạy giữa Cathode và Anode. Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của Thyristor. Thời gian phục hồi xác định dải tần số làm việc của Thyristor. Thời gian phục hồi có giá trị cỡ 5 ÷ 10s đối với các Thyristor tần số cao và cỡ 50 ÷ 200s đối với các Thyristor tần số thấp.

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

1.5. Các thông số cơ bản của Thyristor

- Giá trị dịng trung bình cho phép chạy qua Thyristor, Iv - Điện áp ngược cho phép lớn nhất, Ung.max

- Thời gian phục hồi tính chất khóa của Thyristor, tr (s) - Tốc độ tăng điện áp cho phép

- Tốc độ tăng dịng cho phép

1.6. Phân tích sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha cấp cho tải

Hình 1.5Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha cấp cho tải - BA là máy biến áp dùng để cấp nguồn cho mạch chỉnh lưu.

- Các thyristor T1, T2, T3, T4 là van để đóng cắt

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

- Rd, Ld, Ed là các phần tử phụ tải của bộ chỉnh lưu.

Nguyên lý hoạt động:

Hình 1.1 Đồ thị điện áp, dịng điện Với  là góc điều khiển.

Ở nửa chu kì dương khi chưa có góc kích thì điện áp tải = 0V, khi xuất hiện góc kích ở cực G làm T1 và T2 dẫn . Khi đó dòng điện đi từ nguồn dương qua T1, qua tải, qua T2 sau đó quay về nguồn âm.

Ở chu kì âm T1 và T2 ngưng dẫn và T3 và T4 chưa được kích nên mở V0V. Đến khi có xung điều khiển kích dẫn T3, T4 thì dịng điện đi từ nguồn qua T3, qua tải, qua T4 và quay lại nguồn.

Các biểu thức tính tốn cơ bản

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

U2: điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn UTh.ngmax: điện áp ngược đặt lên thyristor. Itbv: dòng điện qua van

It: dòng điện ra tải.

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MẠCH LỰC

2.1 Thiết kế mạch động lực

Hình 2.1 Mạch lực chỉnh lưu cầu 1 pha tải động cơ

Chức năng của các phần tử trong sơ đồ:

-Biến áp cấp nguồn cho mạch. -Van thyristor là van động lực.

-R và C mạch bảo vệ van quá điện áp -Tải điện trở

2.2 Tính chọn van ThyristorChọn van theo chỉ tiêu điện áp:

Điện áp ngược lớn nhất mà thyritor phải chịu:

ng

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Để chọn van theo điện áp hợp lý thì điện áp ngược của van cần chọn phải lớn hơn điện áp

Để bảo vệ xung điện áp do q trình đóng cắt các van được dùng bằng các mạch R-C mắc song song với van bán dẫn như ở sơ đồ mạch lực, khi đó sự chuyển mạch do phóng điện từ van ra ngoài tạo xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp van.

Hệ số quá áp khi làm việc: k=1,6

Ta đồ thị 1.22 ở sách hướng dẫn thiết bị điện tử công suất

Theo sơ đồ thay thế ở giai đoạn chuyển mạch giữa 2 van sẽ có tốc độ tăng dịng lớn nhất sẽ tương ứng với điện áp bằng biên độ điện áp dây:

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

Dùng đồ thị hình 1.28 theo tốc độ giảm dòng và dòng điện trung bình có điện tích lũy trong van là: Q=1,3Aμs, vậy:s, vậy:

Cần chọn điện trở bảo vệ trong phạm vi 44< R < 78 vậy chọn R=50.

2.4 Bảng liệt kê các thiết bị trong mạch lực:

ST T

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN3.1 Yêu cầu chung của mạch điều khiển

-Phát xung điều khiển đến các van lực theo đúng thứ tự pha và theo đúng góc điều khiển α cần thiết.

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

-Đảm bảo phạm vi điều khiển αmin ÷ αmax tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải của mạch lực.

-Cho phép bộ điều áp làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải u cầu. -Góc điều khiển mọi van khơng được lệch quá (1 ÷ 3)o điện.

-Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả về giá trị điện áp và tần số.

-Có khả năng chống nhiễu cơng nghiệp tốt.

-Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1ms.

-Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van phù hợp để mở chắc chắn van.

3.2 Cấu trúc tổng quát của mạch điều khiểnNguyên tắc điều khiển ngang

Nguyên tắc điều khiển ngang là sơ đồ cấu trúc như hình 3.1. Khâu đồng bộ thường tạo ra điện áp hình sin có góc lệch pha cố định so với điện áp lực. Khâu dịch pha có nhiệm vụ thay đổi góc pha của điện áp ra dưới tác dộng của điện áp điều khiển Uđk.Xung điều khiển được tạo thành ở khâu tạo xung vào thời điểm khi điện áp dịch pha Udf qua điểm 0. Xung này nhờ khâu khuếch đại xung được tăng đủ công suất được gửi tới cực điều khiển của van. Như vậy góc điều khiển α hay thời điểm phát xung mở van thay đổi được nhờ sự tác động của Uđk làm điện áp Udf di chuyển theo chiều ngang của trục thời gian.

Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc theo nguyên tắc điều khiển ngang

Nguyên tắc điều khiển dọc

Nguyên tắc điều khiển dọc là sơ đồ cấu trúc như hình 3.2. Khâu đồng bộ thường tạo ra điện áp hình sin có góc lệch pha cố định so với điện áp lực. Khâu Utựa tạo ra điện áp có đạng cố định (thường có dạng răng cưa, đơi khi có dạng hình sin) theo chu kỳ do nhịp

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

đông bộ của Uđb. Khâu so sánh xác định điểm cân bằng của điện áp Utựa và Uđk để phát động khâu tạo xung. Như vậy trong nguyên tắc điều khiển dọc thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi do sự thay đổi trị số của Uđk so với điện áp Utựa di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ.

Hình 3.2. Sơ đồ cấu trúc theo nguyên tắc điều khiển dọc

Lựa chọn nguyên tắc mạch điều khiển theo nguyên tắc điều khiển dọc trong đồ án này.

3.3 Thiết kế mạch điều khiển3.2.1 Khâu đồng pha

- Khâu đồng bộ có nhiệm vụ: Chuyển đổi điện áp lực có giá trị cao xuống giá trị thấp phù hợp với mạch điều khiển.

- Cách ly hoàn toàn về điện áp giữa mạch lực và mạch điều khiển. Điều này đảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng như các linh kiện điện tử.

Chọn máy biến áp có: U1 = 220V, U2 = 15V

Ta dùng mạch kết hợp chỉnh lưu với khuếch đại thuật tốn: mạch này khá thơng dụng trong thực tế.

Sơ đồ khâu đồng pha:

Hình 3.2: Sơ đồ khâu đồng pha

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Chọn điện áp xoay chiều 220V từ mạch lực qua biến áp TI4 có số hệ số Kba = 30.

Điện trở R 1 để hạn chế dòng điện đi vào khuyếch đại thuật tốn A 1 ,thường chọn R1

sao cho dịng vào khuyếch đại thuật toán I v < 1 mA.

3.2.2 Khâu tạo điện áp tựa

Khâu tạo xung răng cưa: Khâu này tạo điện áp răng cưa cấp cho khâu so sánh, đảm bảo cho vùng điều khiển đủ rộng để đáp ứng yêu cầu về vùng điều khiển, độ chình xác và tính ổn định trong điều khiển xung.

Mục đích của khâu điện áp răng cưa là tạo ra điện áp răng cưa từ điện áp đồng pha để đưa

Chọn diode ổn áp DZ1 là loại: BZX79A10 có UDZ = 18 V. Nguồn ni OA: 12 V

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

Hình 3.3 Sơ đồ khâu tạo điện áp tựa

3.2.3 Khâu so sánhChức năng:

So sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa (dạng răng cưa) để định thời điểm phát xung điều khiển, thơng thường đó là thời điểm khi hai điện áp này bằng nhau. Nói cách khác đây là khâu xác định góc điều khiển. Khâu so sánh có thể thực hiện bằng các phần tử như Transistor hay khuếch đại thuật toán OA.

So sánh dùng khuếch đại thuật tốn:

Ưu điểm:

-Cho phép đảm bảo độ chính xác cao.

-Có giá thành thấp, khơng cần chỉnh định phức tạp.

-Tổng trở vào của OA rất lớn nên không gây ảnh hưởng đến các điện áp đưa vào so sánh nó có thể tách biệt hồn tồn chúng để khơng tác động sang nhau.

-Tầng vào của OA cũng là loại khuếch đại vi sai, mặt khác số tầng nhiều (có thể lên đến một triệu). Vì thế độ chính xác rất cao, độ trễ khoảng vài μs, vậy:s.

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

-Sườn xung dốc đứng nếu so với tần số f = 50 Hz. So sánh kiểu hai cửa:

-Hai điện áp cần so sánh được đưa tới hai cực của OA.

-Điện áp điều khiển đưa vào cực (+), điện áp tựa đưa vào cực (-)

Điện áp răng cưa có giá trị max = 5V sau khi được tạo thành từ khâu tạo dao động và răng cưa được đưa vào khâu so sánh và được so sánh với điện áp Udk để tạo thành điện áp Uss1. Điện áp điều khiển vào khâu so sánh là điện áp một chiều có thể điều chỉnh giá trị trong khoảng -5V đến +5V.

Hình 3.4. Sơ đồ khâu so sánh

3.2.4 Khâu tạo xung

Có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor. Xung để mở thyristor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu cầu thyristor mở tức thời khi có xung điều khiển (thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật); đủ độ rộng (với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của thyristor); đủ công suất; cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn).

1 đầu sử dụng các cổng logic not kết hợp tụ điện và điện trở với R=1,2k

C=0,1u

</div>