Đang tải... (xem toàn văn)
Sach HD thiết kế tác giả pham quoc hai Sach HD thiết kế tác giả pham quoc hai Sach HD thiết kế tác giả pham quoc hai Sach HD thiết kế tác giả pham quoc hai Sach HD thiết kế tác giả pham quoc hai Sach HD thiết kế tác giả pham quoc hai Sach HD thiết kế tác giả pham quoc hai Sach HD thiết kế tác giả pham quoc hai Sach HD thiết kế tác giả pham quoc hai
PHAM QUOC HAI Hướng,đấn thiết kế — Đi (ng suốt - "4000019667 _ NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT PHAM QUOC HAI HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT cà NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT Hà Nội - 2009 LOI NOI DAU Điện tử công suất ngày càng có vị trí không thể thiếu được trong các hệ thông sản xuấi, nhất là trong lĩnh vực tự động hóa Vì vậy yêu cầu đào tạo kỹ su điện đồi hỏi sinh viên phải nằm được kiến thức cơ bản của điện lử công suất Cuốn sách “Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất” nhằm phục vụ cho mục dich nay và nằm trong bộ sách về các vấn đề lý thuyết và thực hành điện tử công suất do bộ môn Tự động hóa, khoa Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội thực hiện Cuốn sách gam 3 chương đề cập những vấn đề sau: M WwW O RN OD Chỉnh lưu Điều chỉnh điện áp xoay chiều Băm xung một chiêu Nghịch lưu độc lập và biến tân Mô phỏng kiểm nghiệm mạch thiết kế ĐỂ giúp người đọc nắm được các chỉ tiết trong thiết kế, trong mỗi đề mục chính đều có tính toán cụ thê với tổng số hơn 100 thí dụ và cuối mỗi chương đưa ra nhiều sơ đỗ nguyên lý tổng thể Mặt khác, để khẳng định khá năng hoạt động của mạch thiết kế, trong nhiều thí đụ có đưa vào kết quả chạy mô phỏng mạch Đáy cũng là một yêu cầu đối với các kỹ thuật viên: biết sử dụng công cụ mô - phỏng trên mãy tinh để kiểm chứng thiết kế Do đó chương 3 của cuỗn sách dành cho hướng dẫn tôm tắt cách đùng một số phân mêm thông dụng trong nghiên cứu mạch điện tứ công suất Phân cuối là phụ lục tra cứu các linh kiện bản dẫn và các phân tử liên quan đến mạch điện, điện tử và điện tử công suất Cuốn sách là kết quả tích lấy kinh nghiệm nhiều năm hoạt động trong lĩnh vực điện tử công nghiệp của tập thể bộ môn Tự động hóa mà tác giả được đại điện thực hiện Vì thể tắc giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô của bộ môn đã đóng góp công sức lớn cũng như động viên tác giả dé hoan thành cuỗn sách này Cuốn sách chắc không thể tránh khỏi có những sai sót, tác giả cảm ơn mọi ý kiến đóng góp cho cuỗn sách của bạn đọc và xin gửi về địa chỉ: bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tác giả Chuong I CHỈNH LƯU 4.1 CÁC THAM SỐ CỦA CHỈNH LƯU VÀ YÊU CÀU KỸ THUẬT 1.1.1 Cấu trúc chỉnh lưu Bộ chỉnh lưu (BCL) dùng để biến dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều cấp cho tải Lĩnh vực ứng dung cha BCL rat rong rãi vì chủng loại tải dùng dong điện một chiều rất đa dạng Đó là các động cơ điện một chiều, cuộn hút nâm châm điện, rơie điện từ, bể mạ điện, thiết bị điện phân Tuyệt đại đa số các thiết bị điện tử cũng hoạt động ở điện áp một chiều nên để lấy năng lượng từ lưới điện xoay chiều cũng phải thông qua mạch chỉnh lưu Vì vậy có thé nói BCL là loại mạch điện tử công suất thông dụng trong thực tế Sơ đồ cấu trúc của BCL (hình 1.1) thường bao gồm các khâu sau đây DỊ~ BAL U2~ MY Ud LSB Taix Ig MBE KHT Hình 1.1 Sơ đỗ cầu trúc bộ chính lưu BAL- biếná áp lực có chức năng chuyển cấp điện áp và số pha chuẩn của lưới điện sang gid tri điện áp và số pha thích hợp với mạch chỉnh lưu- tải Nếu cả điện áp và số pha nguồn đã phù hợp với tải có thể không cần dùng BA lực khi sử dụng sơ đỗ đấu van kiểu cầu; trường hợp dùng so 43 đấu van hình tỉa luôn bắt buộc phải có BA MV - mạch van, các van bán dẫn được đấu theo một kiểu sơ đỗ nào đó, ở đây trực tiếp thực hiện quá trình biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Vì vậy đây là khâu không thể thiếu được trong MCL MĐK - mạch điều khiển Khi MV sử dụng van bán dẫn điều khiển được (như thyristor) sẽ có mạch này để thực hiện việc cho van din dòng vào các thời điểm cần thiết nhằm khống chế năng lượng đưa ra tải Khi ding van didt sẽ không có mạch này Tùy thuộc van sử dụng mà các chỉnh lưu được phân thành ba loại sau: e Nếu các van đều là thyristor thì gọi là chỉnh lưu điều khiển « Nếu van được đùng là điệt, gọi là chỉnh lưu không điều khiển, « Nếu mạch van dùng cả điôt và thyristor, gọi là chỉnh lưu bản điều khiển LSB - mạch lọc san bằng Khâu này nhằm đảm bảo điện áp bay dòng điện ra bằng phẳng theo mong muốn của tải Nếu điện áp sau MV đã đạt yêu cầu, có thể bỏ khâu LSB HT- khối hỗ trợ, gỗm các mạch giúp thee déi va dam bao BCL boạt động bình thường, thí dụ như mạch tin hiệu, mạch đo Tường điện áp và dòng điện, mạch bảo vệ, nguồn một chiều én định cho mạch điều khiển và không chế Nhiệm vụ của người thiết kế là xuất phát từyêu cầu kỹ thuật cụ thể của BCI đểxây đựng sơ đồ cấu trúc các khâu chức năng cần có Từ đó tiến hành triển khai tính toán tỉ mi từng khâu để có một BCL boàn chỉnh, Trong chương này sẽ trình bày chỉ tiết trình tự thiết kế BC 1, trước tiên người thiết kế phải có hiển biết những vẫn đề cơ bán trong thiết kế BCL được để cập trong các mục đầu tiên dưới day 4.1.2, Các tham số của mạch chỉnh lưu Để phần tích và đánh giá BCL, thường dựa vào những tham số chính sau: 1 Điện áp nguồn xoay chiều định mức: Uám @) 2 Tân số điện áp nguồn định mức: f (Ho) và phạm vi biến thiên của nó _ 3 Phạm vị biển thiên điện Áp nguồn Uimin,Vlimax hoặc độ biển thiên điện ấp tương đối so với điện áp định mức: Độ tăng dign dp: a, = Độ giảm điện áp: bụ = em ~ Dinh 2 4, Điện áp đầu ra một chiều định mức: Uaám (V), sóng hải cơ bản của điệnéấp một $ Phạm vị điều chỉnh điện áp ra: LÍandn; Lamax trung bình (hoặc không 6 Đồng điện tải định mức của bộ chỉnh lưu: lám,, 7 Phạm vi biến thiên đồng điện tải: lạmin: lamax § Biên độ đập mạch điện áp ra: Utmax (day là biên độ chiều ở đầu ra theo khai triển Furier) 9 Hệ số đập mạch điện áp ra: Kees = U um là tỉ số giữa biên độ sóng bài cơ bản và thành phần 6 đổi) của điện áp ra Hệ số này cảng nhỏ thì điện áp ra càng phẳng hơn, 10 Nội trở của bộ chỉnh lưu: rô, đ 11 Điện trở động của chỉnh lưa: Tạm dy , (H số giữa độ biến thiên điện áp ra do sự đột a biển về đông điện tái gây ra) d 12 Hiệonu suất bộ chỉ.nh lưu: n= =P,v trong đó P4 là công suất nhận được phía một chiều, còn Py là công suất tiêu thự lấy từ nguồn điện xoay chiều 1.1.3, Yêu cầu kỹ thuật cân cho thiết kế Để có thể thiết kế một BCL hoàn chỉnh, cần biết trước các số liệu và yêu cầu kỳ thuật sau, 1.3.1.1 Các số liệu và yêu cầu của nguồn xoay chiều cấp eho BCL 1 Giá trị định mức của điện áp xoay chidu: Uam (V) 2 Số pha nguồn lỆ 3 Tân số hưới (Hz) 4 Độ đao động điện áp nguỗn: AU 5, Đệ dao động tần số AE 6, Độ mất đổi xứng giữa các pha 7 Độ méo điện áp nguồn 8 Sut 4p đột biến lớn nhất, AUma và thời gian tồn tại sụt áp nềy: Í4Umax 1.3.1.2 Các số liệu và yêu cầu từ phía tải của chỉnh bro ‡ 1 Điện áp ra tải định mức (giá trị trung bình): Ủaám 2 Phạm vì điều chỉnh điện áp ra và độ trơn điều chỉnh 3, Phạm vi biến thiên của dòng điện tÃi: lmin + bmax 4, Qui luật thay đổi dòng điện tải (nhanh, chậm, đột biến ) 5 Độ dao động điện áp ra cho phép AUacp khi điện áp nguồn thay đối trọng phạm vì tối đa 6 Nội trở nguồn chỉnh lưu hay AUj khi đồng tải biến thiên từ lumin + loan 7 Tổng sai số điện áp ra cho phép dưới tác động của tắt cá các yếu tố ảnh hướng đến nó 8, Điện trở động của nguồn (hay đặc tính tần số) — 9 Điều kiện môi trường làm việc của bộ chỉnh lưu: nhiệt độ, độ âm, độ rung, độ va đập 10 Độ tin cậy của bộ chỉnh lưu, hệ sẽ dự phòng 11 Độ chính xác điều chỉnh 1⁄2 Phương pháp làm mất 13 An toàn lao động (đầu ra chỉnh lưu được nổi vô hay phải cách lï vô), 14 Vấn để bảo vệ quá áp cho tải 15 Cáo mạch tín hiệu hoá cần có _ 16, Thời gian khởi động nhỏ nhất, lớn nhất, 17, Các yêu cầu về kích thước và trọng lượng thiết bị 18 Phương thức theo dõi và kiểm tra điện áp và dòng điện ra tải 19 Hiệu suất của thiết bị 20 Hệ số đập mạch điện ắp (hay dòng điện) ra tải cho phép, Ngoài ra còn có những đòi hỏi không được để cập trong yêu cầu kỹ thuật Song người thiết kế bất buộc phải thực hiện (như bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ các sự cố, phần chỉ thị trạng thái thiết bị ) Mặt khác nhiều khi người thiết kế phải tự xác định hoặc tự đưa ra một số tham số theo kinh nghiệm mà người đặt hàng không nắm được do không hiểu hết các vấn đề kỹ thuật đặt ra 1.2 NHỮNG YẾU TÓ ÄNH HƯỚNG TỚI THAM SỐ CHỈNH LƯU Bộ chỉnh lưu công suất thường làm việc trong lưới điện công nghiệp nên phải chịu ảnh hướng của các phụ tải khác cùng chung nguẫn với nó, hay những biến động do hệ thống cùng cấp điện đem tới Mặt khác tải cũng có ảnh hưởng đáng kế tới BCL Vì vậy cần biết điều này để có thể tiên liệu các giải pháp phủ hợp khi thiết ké 1.2.1 Ảnh hưởng của điện áp nguồn trên thực tế ở nhiều -20% Dé dao động Điện áp nguồn thường có độ dao động qui chuẩn là +5%, tuy nhiên khu vực có độ đao động điện áp lớn hơn nhiều và có thể lên tới +10% va lưu Ngoài ra còn có điện áp này ảnh hưởng trực tiếp và rõ rệt đến điện ấp ra của mạch chỉnh tác động thêm của các yếu tổ sau: 1 Sụt áp trên đây dẫn nguồn 2 Biến áp nguồn cung cấp thường cho phép sai số về các mức điện áp ra 3 Các mạch chỉnh lưu có nội trở nhất định, khi nguồn biến động dẫn đến điện áp ra thay đổi làm dòng t đ ả i i ện áp ra biến thiên, vì vậy sụt áp trên nội trở sẽ thay đổi và tác động trở lại 4 Dòng tải thay đổi làm điện trở dây dẫn thay đãi VÌ vậy ngay cả khi điện áp nguồn ôn định, không thay đổi thi các yếu tế trên đã làm điện ắp ra sai lệch từ 3% đến 15% Nếu cộng thêm ảnh hưởng của nguồn thì sai số này lên tới 10% đến 20% Khi sử hiệ d n ụn t g hêm cá s c ự s m a ạ i c l h ệch ch đ ỉ iệ n n h áp lưu ra, b m a ặt ph k a h , ác độ còn mắt làm đố t i ăng xứ đ n ộ g đậ c p ủa mạ đ c i h ệ n áp nguồn sẽ làm xuất Với c d á ụ c ng b c ộ ấp c đ h i ỉ ệ n n h áp lư n u guồ c n ôn c g ao s h u ơ ấ n t d l é ớn giả (2 m ch 1 ỉ 00 phí kW về ) dâ l y aidẫ ở n, xa trạm biến thể, cần cố gắng sử Khi các bộ chỉnh lưu làm việc trong một mạng cấp điện có các động cơ điện công suất lớn cần chú ý ảnh hưởng của chúng Lúc các động cơ này khởi động sẽ làm xuất hiện Sụt áp trên mạng có thể lên tới 20% Độ sụt áp này có thể làm cho bộ chỉnh lưu ngừng hoạt động do tác động của mạch báo vệ hay các phẩn tử khổng chế (như rơle, công-tấc-tơ bị nhả ra) Như vậy ta cân thiết kế mạch tác động trễ để chống hiện tượng này: Còn khi các động cơ đang chạy mà dừng sẽ gây ra các xung điện 4p trong thời gian ngắn (thường không quá vài giây), tuy 8 nhiên nó có thể phá hông các phần từ nhậy áp như các van bán dẫn, tụ điện, hoặc đánh thủng cách điện giữa các cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp Vì vậy khi thiết kế cần tỉnh đến nó để chọn các phần tử có đủ độ dự trữ về điện áp 1.3.2 Ảnh hưởng của tần số và đạng điện áp nguồn 'Tần số nguồn cung cấp ảnh hướng lớn đến chỉ tiêu về trọng lượng và kích thước bộ chính lưu, Đa số các bộ chính lưu lâm việc với tần số 5Ø Hœ tuy nhiền cũng có một số lâm việc với tan sé 400 Hz, có khi tới I- 2 kHz Nếu so sánh hai bộ chính lưu có cừng cáo chỉ tiêu kỹ thuật thì chỉnh lưu làm việc với Ần số 408 Hz có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn 3 - 4 lần so với loại làm việc ở tần số 50 Hz Về bộ lọc còn giảm đi tới vải chục lần Tuy nhiên bộ chỉnh lưu ở tan số cao hơn có tôn hao công suất và sụt áp trên dây dẫn lớn hơn, còn tự lọc ở tÂn số cao cũng có tốn thất cao hơn (và phải giảm độ đập ruạch chợ phép trên chúng) Nếu nguỗn xoay chiều có độ méo đưới 5 + 6% thì có thể coi nguồn là hình sin Khi độ móo lớn hơn sẽ làm chỉ số của dụng cụ đo lưỡng (kế cả đo trị số hiệu dụng và trang bình) bị sai lệch nhiều Điều này thường xuất hiện khí nguồn yến hoặc tròng mạng có nhiều các thiết bị sử dụng van thyristor hoặc các khuếch đại từ 4.2.3 Ảnh hướng của dòng điện tải Bất cứ một bộ chỉnh lưu nảo cũng đền có nội trở, do đó khi đồng điện tái biển thiên sẽ làm điện áp ra bị thay đỗi, Vì vậy cần cố gắng giảm nội trở của bộ chỉnh lưu Dây dẫn tử chỉnh lưu đến tái cũng ảnh hưởng lớn đến nội trở chung, nhất là với các tái có điện áp làm việc thấp và đồng tái lại lớn, trọng những trường hợp này cần đặt bộ chính lưu gần tối đa với tải Nếu dòng tải có khả năng biến đổi đột ngột sẽ làm tăng nội trở động của mạch chính lưu, Đặc biệt khi có mạch lọc LC vá lại rơi vào chế độ mã tần số các xung dòng điện bằng tần sô dao động riêng của mạch LC sẽ dẫn đến điện trở động lớn hơn rất nhiều so với nội trở tĩnh Ngoài ra mạch lọc loại nây cũng sẽ lầm xuất hiện các biến động điện áp khi đóng và ngất tải, 1.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ Trong bệ chỉnh lưu cổ khá nhiều phần tử chịu ảnh hưởng của nhiệt độ: tụ hoá, điện trở và nhất là các linh kiện bán dẫn như điột, transistor, thyristor Dé dam bao bé chinh lưu hoạt động tìn cậy và lâu dải phải tính đến toàn bộ các yếu tổ về nhiệt như; nhiệt độ môi trường, nhiệt độ cục bộ, độ phát nhiệt trên các phần tử sao cho các linh kiện và các phần từ không làm việc ở gẦn mức giới hạn cho phép về nhiệt Thông thường các linh kiện có độ dự trữ tối thiểu sau: « Điện trở phải có độ dự trữ 1,5 về công suất phất nhiệt « Tụ điện phải có độ dự trữ 1,7 về điện áp » Van bán đẫn phải có độ dự trữ Í,7 về điện áp Với môi trường nhiệt đới cần tăng hệ số dự trữ cao hơn nữa *x 3.3 CÁC MẠCH CHỈNH LƯU CƠ BẢN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG 1.3.1 Các sơ đề chỉnh lưu chính Số lượng sơ đỗ mạch chỉnh lưu khá đa dạng, song chủ yếu là một số mạch cơ bản xem trên hình 1.2, các tham số cơ bán để đánh giá chúng và làm cơ sở để tính toán phân tích và thiết kế xem trong bảng 1.1 Các mạch chỉnh lưu cơ bán gồm 9 sơ đỗ sau: 1 Chỉnh hru một pha một nửa chủ kỳ (chỉnh lưu hình tỉa một pha), hình 1.24 oft 2 Chỉnh lưu một pha có điểm trung tính (chính lưu hình tia hai pha), hình 2b ge Chỉnh hru hink tia ba pha, hình 12c 4, Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển, hình 1.2d, &s Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển, hình 1.2e 6 Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng (đấu song song hai mạch chỉnh hưu hình tia ba pha), hinh 12g 7 Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển có thyristor đấu thẳng hàng, hình 1.2h 8 Chính lưu câu một pha bán điều khiển với thyristor đấu katôt chung, hinh 1.2 L RQ 9, Chih lu cau ba pha ban diée khién céc thyristor đấu katốt chung, hình 1.2k st D2 []Ra oT + [Ìns ah HZ 773 [re + zD+ ‘D2 o a eRBAÐ2 ins a, 4 9 *® hộ Hình 1.2 Các sơ đồ chỉnh lưu cơ bản Trong các sơ đỗ trên không trình bây mạch chỉnh lưu không điểu khiển, vì chỉ cÂn thay toàn bộ van thyristor bằng điốt là có mạch loại này; trong khi mục đích chính của chỉnh lưu là điều chỉnh được công suất ra tai theo yêu cầu thì chỉnh lưu điệt không đáp ứng được Tuy nhiên khi tính toán, cần lưu ý rằng chỉnh lưu mang cùng tên thì dù là không điều khiển (đùng toàn 10 điêt), chỉnh lưu điều khiển (dùng toàn thyristor), hoặc chỉnh lưu bán điều khiển đều dùng chung một bảng tham số của kiểu đó, sự khác nhau chỉ thể hiện ở: e Chỉnh lưu điôt không cho phép điều chỉnh điện áp ra © Chỉnh lưu điều khiển và bán điều khiển cho phép điều chỉnh điện áp ra, song với qui luật khác nhau Tuy nhiên, khi điều chỉnh lớn nhất có thể, thì hai loại điều khiển cũng chỉ đạt được điện áp ra bằng với chỉnh lưu điôt Chính vì điều này mà trong bảng 1.1 không có sự phân biệt về chính lưu điều khiển hay không điều khiển Để có thể hiểu sự hoạt động của các chỉnh lưu này, cần tham khảo các tải liệu lý thuyết liên quan Do đó dưới đây chỉ đưa ra các nhận xét cơ bản về các mạch chỉnh lưu nhằm làm co sở cho việc lựa chọn phương án mạch lực, và một số đồ thị làm việc đặc trưng mà không đi vào phân tích chỉ tiết 1.3.2 Các dạng tải của chỉnh lưu Tải cho chỉnh lưu có 3 dạng thường gặp sau: 1.3.2.1 Tải thuần trở Rd, hình 1.3a Dạng tải này được sử dụng để phân tích nguyên lý làm việc và tính toán các tham số của mạch chỉnh lưu trong bảng 1.1 Dạng dòng điện tải ig hoàn toàn giống với dạng điện áp nhận được ua Trong thực tế ít gặp tải thuần trở 1.3.2.2 Tải có tính cảm kháng (RdLđ), hình 1.3b Đặc điểm của tải dạng này là làm dạng dòng tải ia không giống dang Ap ug, nếu điện cảm đủ lớn sẽ làm đòng điện trở nên bằng phẳng, nên ở các hình vẽ dưới đây đồ thị dòng tải sẽ vẽ thing cho đơn giản Sơ với tải Ra thì tai này gặp nhiều hơn, như các cuộn dây nam châm, cuộn kích từ máy phát điện xoay chiễu, kích từ động cơ điện một chiều Unc ig Đặc I Uac la — lug [] Re — Ra — Rd a) MV b) | MV lứa ° MV lg La Ld Eq Hình 1.3 Các dạng tài của chính lưu Tải vừa có RaLa vừa có sức điện động E4 (gọi là tải RLE), hình 1.3c Đây là dạng tải gặp nhiều nhất trong thực tế, như: bể điện phân, bế mạ, ácqui, sức điện động phần ứng của động cơ điện một chiểu Đặc điểm có dạng tải này có nhiều điểm chung với tâi RaLa, nhất là khi dòng điện tải phẳng, tuy nhiên Ea sẽ ảnh hướng đến trị số dòng tải vì thường có chiều chống lại điện áp chỉnh lưu ud Nhìn chung, với các dạng tải trên của chỉnh lưu nêu trên, trong quá trình điều chỉnh điện áp ra sẽ xây ra hai trường hợp đối với đòng điện tải: L Dang tai iä bị giản đoạn, lúc cỏ lúc mắt, làm cho năng lượng không được cấp thường xuyên cho tải, do vậy là không thuận lợi Trường hợp này hay gặp ở tải thuần trở hoặc tải có điện cảm La nhỏ il