›
›

Tài liệu Điện tử công suất

doc 22 trang vanle 7850
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tài liệu Điện tử công suất", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • doctai_lieu_dien_tu_cong_suat.doc

Nội dung text: Tài liệu Điện tử công suất

  1. Trang 1 ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  2. Trang 2 Phần một: TỔNG QUAN MẠCH CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA 1.Sơ đồ: M T1 T2 + E U1 U2 R L T4 T3 N Chỉnh lưu cầu một pha. 2.Nguyên lý hoạt động: Trong sơ đồ có 4 Tiristor đựơc điều khiển bằng các xung dòng tương ứng it1, it2, it3, it4. Mạch chỉnh lưu dược cung cấp một điện áp xoay chiều qua máy biến áp với điện áp U2 = U2msin ωt (v). Các xung điều khiển này có cùng chu kỳ với u2 nhưng xuất hiện sau u2. Các xung it1 và it3 xuất hiện sau u2 một góc α. Các xung it2 và it4 xuất hiện sau u2 một góc π +α. Các Trisisto này sẽ tự động khoá lại khi u2 =0. Phụ tải được biểu diễn bằng một sức phản điện động E, điện trở R và điện cảm L. Ta chỉ xét mạch này khi L rất lớn và E nhỏ hơn giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu. Trong trường hợp này, mạch làm việc ở chế độ cung cấp liên tục, dòng qua phụ tải hầu như không đổi và bằng giá trị trung bình của nó Id. Tương ứng với góc mở ta có hai chế độ làm việc của mạch chỉnh lưu là: - Khi α π /2 và E > 0 mạch làm việc chế độ nghịch lưu phụ thuộc. Ta chỉ xét trường hợp mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc điều khiển α 0. *.Hoạt động: Trong nửa chu kỳ đầu của điện áp chỉnh lưu (0 0, các Tiristor T1 và T3 phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở. Tại thời điểm α = θ1 = ωt1 ta cho xung điều khiển mở T1 và T3 : Ud = U2. Dòng điện đi từ A qua T1 đến tải rồi qua T3 về B. GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  3. Trang 3 Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) Ud = U2 = U2msin ωt (v). Khi T1 và T3 mở cho dòng chảy qua ta có phương trình để xát định dòng điện qua tải: Ldi/dt + R.id + E = U2 = U2msin ωt (v). Tại lúc góc pha bằng π, U 2 = 0 nhưng T1 và T3 vẫn chưa bị khóa vì dòng qua chúng vẫn còn lớn hơn 0. Trong nửa chu kỳ sau của điện áp chỉnh lưu (π < ωt< 2π), U 2 < 0 , các Tiristor T2 và T4 phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở. Tại thời điểm θ = θ2= ωt2 = π + α ta cho xung điều khiển mở T2 và T4 : Ud = -U2. Dòng điện đi từ B qua T2 đến tải rồi qua T4 về A. Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) Ud = -U2 = -U2msin ωt (v). Sự mở T2 và T4 làm cho UN = UB v à UM = UA . Do đó điện áp trên T1 và T3 là: UT1 = UA – UM = UA - UB = U1 < 0. UT3 = UN – UB = UA - UB = U2 < 0. Do đó làm cho T1 và T3 tắt một cách tự nhiên. 3. Biểu thức xác định dòng và áp: Do điện cảm có giá tri rất lớn nên dòng qua tải id là dòng liên tục, id = Id. Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu: 1  2 U U sin.t.d.t U cos d 2m 2m   Do α < π /2 nên Ud luôn dương. Hay: Ud = R.Id + E. Giá trị trung bình dòng qua tải ( dòng chỉnh lưu): U d E Id = R 4. Dạng đường cong điện áp và dòng chỉnh lưu: Ud Ud π π+α 2π π 2π θ1 θ2 θ θ α IT1,3 IT1,3 Id Id θ θ IT2,4 IT2,4 Id Id θ θ i2 id Id GVHD Đoàn Quang Vinh θ SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2θ id Id θ θ Chỉnh lưu Nghịch lưu phụ thuộc
  4. Trang 4 5. Hiện tượng trùng dẫn: Thực tế khi xét đến điện cảm L c ( trên cuộn dây thứ cấp MBA), ta có thể biểu diễn mạch như sau: M + 1 T1 T2 E Lc 1 R eL 1 T4 T3 L N Do có điện cảm Lc, nên tại góc α, khi ta cho xung điều khiển mở T 2 và T4 dòng điện qua T1 và T3 l à it1, it3 không thể giảm đột ngột từ I d xuống 0, và dòng qua T2 và T4 cũng không thể tăng đột ngột từ 0 đến I d . Hiện tượng mở đồng thời cả bốn Tiristor như vậy gọi là hiện tượng trùng dẫn. Lúc này cả 4 Tiristor đều mở cho dòng chảy qua, phụ tải bị ngắn mạch, U d = 0, nguồn e2 cũng bị ngắn mạch sinh ra dòng ngắn mạch ic. X .di Ta có phương trình: 2U sin. c c 2 d. 2U  2U i 2m sin.d. 2m cos cos s   X 2 X 2 - Hiện tượng trùng dẫn làm cho điện thế tại hai điển M và N bằng nhau và dòng chỉnh lưu id = 0 GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  5. Trang 5 - Hiện tượng trùng dẫn bắt dầu từ góc α và kéo dài đến khi iT1,3 giảm đến 0 tại π+α Đặt ic = ic1+ic2 với ic1 = ic2 = ic/2 ic1 làm tăng dòng trong T4 và làm giảm dòng trong T3 ic2 làm tăng dòng trong T2 và làm giảm dòng trong T1 2U 2 iT 2,4 cos cos  2X c iT1,3 I d cos cos  (A) Khi kết thúc giai đoạn trùng dẫn, tức là khi θ=μ, i T1,3 = 0, phương trình chuyển mạch 2X I có dạng: cos cos  c d (1) 2U 2 Xát định sụt ápchỉnh lưu trung bình ΔUμ do hiện tượng trùng dẫn gây ra: 1  2U U 2 sin  .d 2 cos cos   (2) 0 Thay (2) vào phương trình (2) ta có được: 2X I  2 d Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu khi kể đến hiện tượng trùng dẫn: U’d = Ud – Δuμ 2X I U 2 d d 2 2U Trong đó: U 2 cos d Dạng đường cong dòng và áp khi trùng dẫn: Ud θ1 θ2 2π θ μ Id id iT1 iT2 θ GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  6. Trang 6 Phần hai: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC. Tính chọn mạch động lực dùng trong sơ đồ với các thông số: Điện áp một chiều của động cơ: Eưđm = 110 VDC Dòng điện định mức: Iưđm = 2.35 A Công suất động cơ: Pđm = 160W Hệ số dự trữ dòng điện ( chọn) : Ku= 1,6. Hệ số dự trữ điện áp ( chọn) : Ki=1,3. ( Ki = 1,1 1,6). T1 T2 Z 220V U2 T4 T3 Mạch động lực 1Tính chọn bộ biến đổi: 1. Xát định điện áp chỉnh lưu không tải: Bộ biến đổi điện áp chỉnh lưu Thysisto cần có giá trị điện áp không tải đảm bảo cung cấp cho phần ứng của động cơ một chiều hoạt động. a. Điện áp chỉnh lưu không tải được tính như sau: Udo = (Udm + 4%Udm + 1,5%Udm + 0,8%Udm + ∆Urt) (1) Trong đó: Udm : điện áp chỉnh lưu cực đại. Udm = Eưdm = 110 V 4%Udm : sụt áp trên điện trở MBA. GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  7. Trang 7 1,5%Udm : sụt áp trên điện kháng MBA. ∆Urt : sụt áp trên 2 Tiristor nối tiếp ∆Ur 2 V. Thay các trị số vào phương trình (1) ta được: Ud = (110 + 0,04.110 + 0,015.10 + 0,08.110 + 2) = 118,93 V Vậy điện áp chỉnh lưu không tải Ud = 118,93 V. b.Giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp MBA. 2U Ta có: U 2 cos d với α = 0. .U d .118,93 Suy ra U 2 132,1V 2 2 2 2 Do đó tỉ số MBA là: m = U2/U1= 132,1/220 = 0,6 d. Điện áp ngược lớn nhất mỗi Tiristor phải chịu: U im 2U 2 2.132,1 186,8V 2. Xát định dòng chỉnh lưu và dòng trong mỗi pha của MBA : a. Dòng chỉnh lưu trung bình: Dòng điện chỉnh lưu trung bình cũng chính là dòng trong phần ứng của động cơ điện: Id = Iư = 2,35 A b. Dòngđiện chỉnh lưu trung bình chảy trong mỗi Tiristor: Io = Id/2 = 2,35/2 = 1,175 A c. Giá trị hiệu dụng của dòng điện chảy trong pha thứ cấp MBA: I2 = Id = 2,35 A d. Giá trị hiệu dụng của dòng điện chảy trong pha sơ cấp MBA: I1 = mI2 = 0,6.2,35 = 1,41 A 2.Chọn Tiristor: Dựa vào các thông số: Hệ số dự trữ điện áp : Ku = 1,6. Hệ số dự trữ dòng điện: Ki = 1,3. Yêu cầu về mặt kỹ thuật các Tiristor phải chịu được : Điện áp ngược lớn nhất : Ung = Ku.Uim =1,6.186,8 = 299 V Dòng điện trung bình Itb = Ki.I0 = 1,3.1,175 = 1,5275 A Theo bảng I.3 ĐTCS ta chọn loại Tiristor có các thông số sau: Mã hiệu Itb Uim ΔU toff Ig Ug di/dt du/dt (A) (KV) (V) (μs) (A) (V) (A /μs) (μs/μs) KY(2Y)-201KЛ 2 0,3 2 35 0,35 5,3 40 50 3. Tính chọn máy biến áp: a. Mạch từ: - Công suất biểu kiến của MBA: S = U.I = 132,1.2,35 = 310,4 W. MBA một pha, ta chọn mạch từ 1 trụ: c = 1, tần số : f = 50Hz. -Tiết diện trụ tính toán theo công thức kinh nghiệm: GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  8. Trang 8 S Q k c. f Máy biến áp khô nên k = 6. 310,4 Do đó: Q 6 14,95cm 2 1.50 Dựa vào bảng “ Máy biến áp công suất nhỏ” ta chọn MBA có công suất 390 W - 50Hz Với các thông số sau: _ Bề dày lá thép: 0,35 mm _ Chiều dài trung bình đường sức: 27,4 cm _ Thể tích thép từ: 510cm2 _ Trọng lượng thép từ: 4040g = 4,04 kg _ Số lượng lá thép: 160 lá. Mạch từ có dạng như hình vẽ với các kích thước như sau: a(mm) h(mm) c(mm) C(mm) H(mm) B(mm) 32 80 32 128 112 64 C c c a a/2 H h B các kích thước cơ bản tiết diện trụ Trụ : _Tiết diện thô = cxB = 3,2.6,4 = 20,48 cm2. _ Tiết diện hiệu quả = 0,95.20,48 = 19,5 cm _ Trọng lượng trụ = 7,5.0,195.1,2 = 1,75 kg Quy lat ( Quylass): _ Tiết diện thô = axB = 3,2.6,4 = 20,48 cm2. _ Tiết diện hiệu quả = 0,95.20,48 = 19,5 cm _ Trọng lượng trụ = 7,5.0,195.1,6 = 2,3 kg Từ cảm: _Trong các trụ chọn Bm= 1,1 T _Trong các quy lat chọn B’m = 1,1.19,5/19,5 =1.1 T b. Chọn dây quấn: -Số vòng dây mỗi pha: GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  9. Trang 9 U1 220 + Sơ cấp: n1 4 462 vòng 4,44. f .Q.Bm 4,44.50.19,5.1,1.10 U 2 132,1 + Thứ cấp: n2 4 278 vòng 4,44. f .Q.Bm 4,44.50.19,5.1,1.10 2 Chọn mật độ dòng điện: J1 = J2 = 2,75 A/mm . Đường kính phía dây quấn sơ cấp: 4S1 4I1 4.1,41 d1 0,8mm .J1 3,14.2,75 Đường kính phía dây quấn thứ cấp: 4S 2 4I 2 4.2,35 d 2 1,04mm .J 2 3,14.2,75 Chọn dây: Dựa vào bảng II.3_(tr 82-ĐTCS) thông số dây dẫn tiết diện tròn, ta chọn dây dẫn sơ cấp và thứ cấp MBA có các thông số như sau: 2 d1 = 0,8 mm; S1 = 0,5027 mm ; 4,47 g/m; ρ1 = 0,0342 Ω/m 2 d2 = 1,04 mm; S2 = 0,8495 mm ; 7,55 g/m; ρ2 = 0,0202 Ω/m Ống dây quấn: 322 642 Bán kính ống dây: r 36mm 4 Vậy ta lồng vào trụ một ống làm bằng vật liệu cách điện dày 2mm.Vậy bán kính trong dây quấn của trụ là: 36 + 2 = 38 mm +Dây quấn sơ cấp: - Dây quấn sơ cấp gồm 462 vòng. Để đảm bảo cách điện ta chia dây quấn sơ cấp làm 8 lớp: ( 7 x 60 + 42 vòng). - Giữa hai lớp ta đặt một lớp giấy cách điện dày 0,1 mm bằng bìa. - Bề dày dây quấn sơ cấp: e1 = d1.n + 0,1.7 = 0,8.8 + 0,7 = 7,1 mm. - Bán kính trung bình của dây quấn sơ cấp: r1tb = 38 + 7,1/2 = 41,55 mm - Chiều dài dây quấn sơ cấp: -3 -3 l1 = 2Π.r1tb.10 .n1 = 2.3,14. 41,55.10 .462 = 120,6 m - Điện trở của dây quấn ở 75oC: R1 = ρ1.l1(1+0,004. 75) = 0,0342.120,6.(1+0,004.75) = 3,16Ω +Dây quấn thứ cấp: - Dây quấn thứ cấp gồm 278 vòng. Chia làm 6 lớp ( 5x 48 + 38 vòng ). GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  10. Trang 10 - Giữa hai lớp đặt một lớp giấy cách điện dày 0,1mm bằng bìa. - Bề dày dây quấn thứ cấp: e2 = d2.n + 0,1.5 = 1,04.6 + 0,5 = 6,74 mm - Bán kính trung bình của dây quấn thứ cấp: r2tb = 38 + 7,1 + 6,74/2 + 2 = 54,47 mm - Chiều dài dây quấn thứ cấp: -3 -3 l1 = 2Π.r2tb.10 .n2 = 2. 3,14.45,05.10 .238 = 95,15 m. - Điện trở của dây quấn thứ cấp ở 75oC: R2 = ρ2.l2(1+0,004. 75) = 0,0202.95,15.(1+0,004.75) = 2,4,7Ω c. Điện áp rơi trên điện kháng: ∆Ux = X.Id / π Với X là điện kháng tản trên trụ., được tính như sau: 8 2 n 2 .r e e X 1 a 1 2 ..10 7 h 3 8.3,142.4622 41,55 54,47 7,1 6,74 X . .10 3. 32 .10 3.314.10 8 80.10 3 2 3 48,01.10 3 X 8.3,142.4622. .36,6.10 3.314.10 7 = 3,7 Ω 80.10 3 Vậy ∆Ux = X.Id / π = 3,7.2,35 / 3,14 = 2,76 V. d. Điện áp rơi trên điện trở: 2 ∆Ur = [R2+R1(n2/n1) ].Id = [ 2,47 + 3,16.(278/462)2 ].2,35 = 8,5 V e. Điện áp chỉnh lưu khi đầy tải: U = Udo - ∆Ur - ∆Ux - ∆Ufe = 118,93 – 8,5 – 2,76 – 1,5 = 106,17 V f. Tổn thất trong sắt từ có xét đến 15% tổn thất phụ: P = 1,15.1,3.(1,75.1,1 + 2,34.1,1) = 6,73 W j. Hiệu suất của thiết bị chỉnh lưu: U .I  d d U d .I d P U r .I d 1,5.I d 118,93.2,35  .100% 90,24% 118,93.2,35 6,73 8,5.2,35 1,5.2,35 g. Tổng trở ngắn mạch: 2 2 2 2 2 Z n X Rd 3,7 3,6 5,2 Với Rd = R2 + R1(n1 /n2) = 3,6 Ω h. Dòng điện ngắn mạch: In = U2/Zn = 132,1 / 5,2 = 25,4 A 4 Cuộn kháng cân bằng Lc: Cuộn kháng cân bằng có tác dụng hạn chế đến mức thấp nhất dòng điện tuần hoàn, cản trở sự đột biến của dòng điện để MBA và các Tiristor làm việc tốt hơn, không bị nặng nề. Giả sử góc mở α bằng 0, để I cc đạt giá trị lớn nhất, lúc đó nguồn U 2 bị ngắn mạch sinh ra dòng điện ngắn mạch: GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  11. Trang 11 In = I cc = 25,4 A Lúc đó, ta có phương trình cân bằng sức điện động: di X c1,2 2U sin 0 dt 2 Lấy tích phân hai vế: 1  / 2 X I 2U sin.d 0 c1,2 2 0 Vậy giá trị trung bình 1 I c1,2 2U 2 X 0 2U 2 Suy ra: X 0 I c1,2 Với X0 = L0ω Ic1,2 = 2%.Id = 2% .2,35 = 0,047 A 2.132,1 X 1265,9 0 0,047.3,14 X 1265,9 Vậy: L 0 4H 0  314 Mặt khác : L0 = 2.Lcb + Lba Với : Lba = Xba /ω = 3,7 / 314 = 0,012 H Do đó: Lcb = ( L0 – Lba) / 2 = ( 4 – 0,012 )/2 = 1,2 H 5.Tính bộ lọc LC: Bộ lọc là thiết bị nối giữa nguồn chỉnh lưu và phụ tải điện một chiều. Bộ lọc có chức năng ngăn chặn thành phần xoay chiều của điện áp và dòng chỉnh lưu. Trong mạch chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ, ta thiết kế bộ lọc có nhiệm vụ chủ yếu là hạn chế thành phần sóng hài bậc một và chỉ cho dòng một chiều đi qua. Đối với mạch chỉnh lưu công suất lớn, ta dùng bộ lọc LC gồm: Một tụ điện C nối song song với phụ tải và một điện cảm L mắt nối tiếp với phụ tải. Sơ đồ bộ lọc được bố trí như mạch sau: L Ud C DC Bộ lọc L,C Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu có thể được khai triển thành chuỗi Fourier. Nếu ta chỉ quan tâm tới hai số hạng đầu tiên thì điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có dạng như sau: 2 2U U 2 a 2U cos 2t d  n 2 GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  12. Trang 12 Trong đó: + U2 là giá trị hiệu dụng của điện áp phía thứ cấp MBA . + an = 4 / 3π = 0,425. Nếu giả thuyết đối với sóng hài tần số thấp mà XL >> XC thì dòng xoay chiều chảy qua L và C sẽ quyết định bởi XL, khi đó ta có thể viết: a 2U I n 2 2  2,5 %I 0,06A cm 2L d Điện áp nhấp nhô: I 2a U U cm n 2 c 2C 4 2 LC Tỷ số nhấp nhô: U C an K LC 2U 4 2 LC an Suy ra LC 2 4 K LC Với hệ số nhấp nhô cho trước: KLC = 6% = 0,06 và an = 0,425 0,425 ta có: LC 17,96.10 6 4.(314) 2 .0,06 a 2U 0,425. 2132,1 L n 2 2,11H 2I cm 2.314.0,06 17,96.10 6 và C 8,51.10 6 F 8,51F 2,11 Vậy ta chọn : L = 2,11 H C = 8,51 μF. GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  13. Trang 13 Phần ba: TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆ: Đối với chỉnh lưu bán dẫn, khi tính toán cũng như trong vận hành ta phải đảm bảo vấn đề bảo vệ quá dòng và quá áp cho các thiết bị trong mạch. Thiết bị bán dẫn có van bán dẫn có kích thước nhỏ ( lớp tiếp giáp), nhiệt dung bé và mật độ dòng điện qua mặt tiếp giáp p-n lớn nên rất nhạy với quá tải về dòng. Hằng số thời gian phát nóng của một bản Silic trong van công suất chỉ cỡ vài phần trăm giây. Do đó khâu bảo vệ dòng điện đòi hỏi phải tác động nhanh. Mặt khác, van bán dẫn cũng rất nhạy đối với quá điện áp, chỉ cần tồn tại một điện áp ngược lớn hơn giá trị cho phép trong khoảng 1 - 2 μs cũng có thể chọc thủng mặt tiếp giáp p-n. 1. Bảo vệ quá dòng điện: Hai nguyên nhân gây quá dòng điện: Ngắn mạch và quá tải. a. Ngắn mạch: Đây là trường hợp có sự cố tạo ra dòng điện quá lớn như ngắn mạch trên tải, trên dây dẫn thứ cấp của MBA ( ngắn mạch bên ngoài), ngắn mạch các pha do chọc thủng van bán dẫn ( ngắn mạch bên trong), do đột biến nghịch lưu. b. Quá tải: Hiện tượng quá tải xuất hiện trong trong thời gian làm việc xát lập hoặc quá độ. Giá trị không lớn lắm và cho phép tồn tại trong thời gian lâu. Để bảo vệ quá dòng cho các Tiristor, ta dùng các dây chảy tác động nhanh. Loại dây chảy làm bằng chì hoặc bằng bạc lá được đặt trong vỏ sứ có chứa cát thạch anh hoặc nước cất. i imax ich t t t hq c Các giai đoạn hoạt động của dây chảy. GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  14. Trang 14 Hoạt động của dây chảy có thể chia làm hai giai đoạn như sau: Giai đoạn 1: từ t = 0 đến khi bắt đầu xuất hiện hồ quang. Giai đoạn 2; từ t = thq đến khi kết thúc ( t = tc). Dòng điện khi chạy qua dây chảy sẽ sinh ra một nhiệt lượng Q = i2Rt. Để bảo vệ quá dòng cho bộ biến đổi, ta chọn và đặt dây chảy tại các vị trí như sau: ( 3 vị trí ). Vị trí 1: Đặt tại ngõ vào của MBA. Vị trí 2: Đặt tại ngõ ra của MBA. Vị trí 3: Đặt nối tiếp với mỗi Tiristor một dây chảy. Vị trí đặt dây chảy như hình vẽ sau: 1 2 3 T1 T2 Z T4 T3 Các vị trí đặt dây chảy. 2. Bảo vệ quá điện áp: Có hai nguyên nhân gây quá điện áp: Nguyên nhân nội tại và nguyên nhân bên ngoài. a. Nguyên nhân nội tại: Do sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn .Khi ta khoá các Tiristo bằng điện áp ngược các điện tích đổi ngược hành trình, tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn. i t u2 t Dòng và áp do sự tích tụ điện tích. GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  15. Trang 15 Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm của đường dây nguồn dẫn đến các Tiristor, làm cho giữa Anot và Catot của Tiristor xuất hiện quá điện áp. a. Nguyên nhân bên ngoài: Các nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như cắt không tải một MBA trên đường dây, khi một cầu chì bảo vệ bị chảy, khi bị sét đánh Để bảo vệ quá áp, ta thường dùng mạch RC như sau: - R,C đấu song song với Tiristor nhằm bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên. T C R Bảo vệ quá áp cho Tiristor khi chuyển mạch - RC đấu giữa hai pha thứ cấp MBA để bảo vệ quá điện áp do cắt không (dòng từ hoá) tải MBA gây nên. R U1 U2 C Bảo vệ quá áp cho Tiristor khi cắt không tải MBA Thông số của R và C phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra, tốc độ biến thiên của dòng chuyển mạch, điện cảm trên đường dây, dòng điện từ hoá MBA. Ta chọn thông số của R và C bằng cách dùng đồ thị giải tích, sử dụng những đường cong chuẩn. *. Tính R,C bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích gây nên: - Hệ số quá điện áp: K = Uimp / (Ku.Uim) Với Uimp : là giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngược đặt trên Tiristor một cách không chu kỳ. Tra theo sổ tay ĐTCS ta có Uimp = 300 V. Uim: là giá trị cực đại của điện áp ngược thực tế đặt trên Tiristor. Uim = 186,8 V. Ku: là hệ số dự trữ điện áp. Ku = 1,6. Ta tính được K = 300/ (1,6.186,8) = 1,67. * * * - Xát định các thông số trung gian: C min(K), R max(K), R min(K). * * Dựa vào hình X-9 ĐTCS, với K = 1,67 ta có C min(K) = 0,85; R min(K) = 0,75 * R max(K) = 1,75 . di Tính khi chuyển mạch. dt max Khi chuyển mạch ta có phương trình: di Lba. 2U sin dt max 2 GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  16. Trang 16 di 2U 2 2.132,1 3 -3 Suy ra max 15,57.10 A/ s = 15,57.10 A / μs dt Lba 0.012 di - Xát định điện lượng tích tụ Q f dt Bằng cách sử dụng đường cong trong sổ tay tra cứu, theo hình X.10 -3 ( tr 258-ĐTCS-Nguyễn Bính) với Id = 2,35 A, di /dt = 15,.10 A / μs Ta tra được Q = 15 A / μs - Xát định R ,C: * 2Q.C min 2.15.0,75 Cmin(K) = 0,12 μF U im 186,8 * Lba .U im * Lba .U im R min R R max 2.Q 2Q 0,012.186,8.10 3 0,012.186,8.10 3 0,75 R 1,75 2.15.10 6 2.15.10 6 6,5 ≤ R ≤ 15 (Ω) Ta chọn: C = 0,12 μF. R = 10 Ω. (*) Tính R,C bảo vệ quá áp do cắt MBA không tải gây nên: Cắt MBA không tải tức là cắt dòng điện từ hoá MBA. Sự việc cắt MBA không xảy ra một cách không chu kỳ. Việc tính toán R,C được tính theo các bước sau: _ Xát đinh hệ số quá điện áp ( đã xát định ở phần trên ) k = 1,67. _ Xát định các thông số trung gian: dựa vào các đường cong trong hình X.11(tr260-ĐTCS_Nguyễn Bính) : Với k = 1,67 ta tra được: * * * C min = 0,25; R min =1,4; R max = 2,7. - Tính giá trị lớn nhất của năng lượng từ trong MBA khi cắt. I s.o.m S Với MBA một pha: WT1 . 2I  Trong đó: Isom: giá trị cực đại của dòng từ hoá quy sang thứ cấp. Is: giá trị hiệu dụng dòng định mức thứ cấp. Với Is.o.m =2 Is.o. và Iso = 0.03 Is S: công suất biểu kiến MBA. I som S 0.03.S 0,03.390 Suy ra: WT1 . 0.04ws 2I   314 390 _ Giá trị hiệu dụng của dòng tải định mức: Is = 2,95A 132,1 GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  17. Trang 17 _ Xát định R,C: *. Xát định C: * 2WT1.C min 2.0,04.0,25 6 Cmin 2 2 0,53.10 F = 0,5 μF. U sm 2.132,1 Ta chọn C = 0,5μF. *. Xát định R: * U sm * U sm R min < R < R max I som I som 1,4.2.132,1 < R <2,7. 2.132,1 2.0,03.2,35 2.0,03.2,35 2623 < R < 5059 Ta chọn: R= 3840 Ω Phần bốn: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 1. Khái niệm chung: Tiristor chỉ mở cho dòng chảy qua khi có điện áp dương đặt vào anot và xung áp dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi Thyrissto mở thì xung điều khiển không còn tác dụng và dòng điện chảy qua Tiristor do thông số của mạch động lực quyết định.Để điều khiển sự mở của Tiristor theo đúng thời điểm yêu cấu thì trong mạch ta phải thiết kế hệ thống mạch điều khiển.Hệ thống mạch điều khiển thiết bị biến đổi chỉnh lưu là tổ hợp các linh kiện điện từ, điện tử đóng vai trò rất quan trọng trong các thiết bị biến đổi. Mạch điều khiển có các chức năng sau: _ Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên anot_caôt của Tiristor. _ Tạo ra các xung đủ điều kiện mở được Tiristor. Đối với hệ thống điều khiển chỉnh lưu, mạch điều khiển cần đáp ứng có các yêu cầu sau: - Tạo ra dãy xung có công suất và độ rộng xung đủ để mở Tiristorr tuỳ theo yêu cầu của Tiristor.( Xung trong thiết bị chỉnh lưu thường có biên độ từ 2 đến 10V, độ rộng xung tx = 20 100μs.) - Phải dịch pha xung điều khiển so với điện áp nguồn do đó yêu cầu thay đổi trị số điện áp ra. Muốn dịch pha phải có đồng pha do Tiristorr làm việc ở mạch AC. Để dịch pha xung điều khiển có 3 nguyên tắc: + Dịch chuyển theo chiều ngang + Dịch chuyển theo chiều đứng tuyến tính + Dịch chuyển theo chiều đứng phi tuyến tính ( ARCCOS). Với bộ biến đổi chỉnh lưu một pha hai nửa chu kì này ta thực hiện theo nguyên tắc điều khiển dịch chuyển theo chiều đứng ARCCOS. 1.Sơ đồ khối và chức năng các khối. Mạch điều khiển dịch chuyển theo nguyên tắc chiều đứng ARCCOS gồm những khối sau: GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  18. Trang 18 1 2 3 4 Th Ucm SS >1 - 111 Ur 111 Chức năng các khối như sau: -Ucm : Điện áp điều khiển, điện áp một chiều. -Ur : Điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thể của nó, đồng bộ với điện áp anot_catot của Tisistor. - Hiệu điện áp Ucm – Ur được đưa vào khâu so sánh 1, làm việc như một trigơ, khi -Ucm – Ur = 0 thì trigơ lật trạng thái, ở đầu ra của nó ta nhận được một chuỗi xung dạng " sin chữ nhật ". - Khâu 2 là khâu đa hài một trạng thái ổn định - Khâu 3 là khâu khuếch đại xung. - Khâu 4 là khâu biến áp xung. Bằng cách tác động vào Udk có thể điều chỉnh được vị trí xung vào điều khiển Thyrsisto, tức là điều chỉnh góc mở α. Theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS ta dùng 2 điện áp: - Điện áp đồng bộ ( điện áp tựa) u s vượt trước điện áp anod-catod Tiristorr một góc π/2. (Nếu UAK = Umsinωt thì us = Umcosωt) Điện áp điều khiển u cm là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ theo 2 hướng (dương và âm) Trên hình vẽ,đường nét đứt là điện áp đồng bộ với điện áp anod-catod Tiristorr. Từ điện áp đồng bộ này người ta tạo ra điện áp ur. ur u u r r uc uc ωt uudkdk α ωt ur+udk Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS Nếu đặt us vào cổng đảo và ucm và cổng không đảo của khâu so sánh thì khi us = ucm ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái: Umcosα = ucm u Do đó: α = Arccos(cm ) U m Khi ucm = Um thì α = 0. Khi ucm = 0 thì α = π /2. Khi ucm = -Um thì α = 0. GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  19. Trang 19 Như vậy, khi điều chỉnh cho u cm biến thiên từ -U m đến U m thì ta có thể điều chỉnh được góc α biến thiên từ 0 đến π. 3*.Thiết kế mạch điều khiển: Trong sơ đồ chỉnh lưu này, ta dùng sơ đồ điều khiển một kênh theo kiểu ARCCOS. +12 V 47k 7812 0.47 22 GG 0.1uF 1.2 330k K v 0A1 0A2 10k 4.7k 100uF 4.7k U2 U3 1k 470uF π12k 2π Udk 4.7k ωt ~ + 470uF + u27912 -12 V Sơ đồ mạch điều khiển một kênh ARCCOS ucm ωt u3 ωt uGK ωt Các dạng điện áp trong sơ đồ Sơ đồ gồm một khâu tích phân OA1, một khâu so sánh OA2. 1. Khâu đồng bộ ( tích phân) OA1: Tín hiệu đầu vào của OA1 là U1 = Um sin ωt. 1 U m U m Tín hiệu đầu ra của OA1 là U2 = sint.dt cost . C R .C.R GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  20. Trang 20 R C R U1 Us R OA1 OA2 Vdk R 1 U U U dt db s CR 1 Um Ta chọn ucmax = = 10 V CR Khi ucm = u2 ta có cosα = ucm / umax. 2. Khâu so sánh OA2: Tín hiệu đầu ra Us của khâu đồng bộ được đưa đến đầu vào của khâu so sánh và đem so sánh với Udk. Khi Us = Udk thì ở đầu ra của khâu so sánh, ta nhận được chuỗi xung chữ nhật. Nhờ mạch R,C và Diot D ta có những xung dương điều khiển chậm sau v(t) một góc α. 3. Khuếch đại xung, BAX: Tín hiệu vào Uc là tín hiệu logic, Khi Uc = "1" thì Transistor mở bão hoà, khi Uc = "0" thì Transistor bị khoá. Điện trở R hạn chế dòng colectơ, Diot D hạn chế quá điện áp trên các cực colectơ- emitơ, Diot D2 ngăn chặn xung âm có thể có khi Transistor bị khoá, Rg hạn chế dòng điều khiển, R2 điều chỉnh biên độ và sườn xung ra Hoạt động của sơ đồ: Ban đầu khi Uc = "0" iL = iC = 0, UCE = E, iD = 0. Giả sử khi t = 0, Uc = "1", T mở, điện cảm L ngăn không cho iC đạt ngay giá trị bão hoà của nó là IC = E / R1 và dòng iC tăng trưởng chậm theo quy luật hàm mũ. GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  21. Trang 21 E R1 A F iL D2 R Th Dr BAX R2 iDr C iC R Uc T K Khâu biến áp xung. E t L  iL = iE = 1 e với  R1 R1 Sau khoảng thời gian 5 , IC ~ iC = E /R1. Bên thứ cấp BAX xuất hiện 1 xung điện áp trên R2 để mở Trisito. Khi t = T1, UC = "0" bấy giờ iL đạt giá trị E t  iL( T1) = iC(T1) = 1 e =Io< E /R1. Transito T bị khoá iC = 0. R1 1 2 Nếu không có Diot D hoàn năng lượng W = .L.Io sẽ sinh ra điện áp trên các cực C, 2 E của Transito gây quá điện áp vì khi UCE = VC thì Dr sẽ cho dòng chạy qua làm ngắn mạch điểm C và F nên UCE = E + 0,8 V. Khi đó: - từ t = T1 trở đi iL suy giảm theo quy luật: t ' iL = Ioe  với  ' = 1 / R' Trong đó R' là điện trở của cuộn cảm L và điện trở thuận của Dr Chọn Transito T_25_600V. Số hiệu: Ig = 0,3 A. Eg = 5V . tỷ số BAX tường là m = U1 / Ux = 23, ta chọn m = 3.  điện áp đặt trên cuộn sơ cấp BAX: U1 = m.Ux = 3.5 = 15 V. Dòng sơ cấp BAX: I1 = I2 /m = 0,3 / 3 = 0,1 A. Chọn Transito làm việc ở tầng khuếch đại xung: T – П605. UCE = 40 V.; Icmax = 1,5 A; β = 20 60 lần. GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2
  22. Trang 22 .Tài liệu tham khảo; 1. Điện tử công suất-Nguyễn Bính-2001 2. . GVHD Đoàn Quang Vinh SVTH Đinh Tấn Toàn Lớp 01D2