Đồ án môn học Chương Điện tử công suất TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU HÌNH TIA BA PHA I – Nguyên lý cấu tạo làm việc Thyristor Cấu tạo nguyên lý làm việc Thyristor thiết bị gồm lớp bán dẫn P1, N1, P2 ,N2 tạo thành, xen kẽ lớp tiếp giáp J1, J2, J3 Cấu trúc ký hiệu thyristor: Nguyên lý làm việc : Đặt lên thyristor, UAK > 0, anốt nối vào cực dương, catốt nối vào cực âm nguồn điện áp, J1 J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 Trang Đồ án môn học Điện tử công suất + hệ số truyền điện tích transitor T1 + hệ số truyền điện tích transitor T2 Dịng lỗ Ip ( - ) Ip trung hòa N1 dương P2 I vượt qua J2 tạo nên miền không gian điện tích p Dịng điện tử Ie (1– N1 ) Ie trung hòa P2 I vượt qua J2 tạo nên miền khơng gian điện tích âm e Do J2 phân cực ngược ngăn chuyển dịch điện tử Gọi dòng qua J2 là: IJ2 = I + p I +I0 e I0 dòng rò Đặt I = IJ = Ip = Ie (do thyristor tổng thể) Do J2 phân cực ngược: + tức D1 dẫn khoảng này, điều mâu thuẫn với giả thiết.Vậy D2 dẫn khoảng Giả sử D3 dẫn D1, D2 khóa ta có : uD3 = 0; uD1 < 0; uD2 < Xét mạch điện uA, uD1, uD2 , uC theo định luật Kirshop : uD1 - uD3 + uC – uA = uD3 = uD1 = uA – uC Trên giản đồ khoảng [ ] ta thấy uD1 = uA – uC > tức D1 dẫn khoảng này, điều mâu thuẫn với giả thiết.Vậy D3 dẫn khoảng Như khoảng [ ] có D1 dẫn: Giả sử D1 dẫn D2, D3 khóa ta có: uD1 = 0; uD2 < 0; uD3 < Theo giản đồ ta thấy uD1 = uD2 = uB – uA < 0: phù hợp với giả thiết Theo giản đồ ta thấy uD1 = uD3 = uC – uA < 0: phù hợp với giả thiết SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 Trang 10 Đồ án môn học Điện tử cơng suất đó: p- số xung chỉnh lưu • Trị trung bình điện áp chỉnh lưu (điện áp tải) Ud = 2π / α +5π / ∫ α +π / ∫U m sin(ωt )d (ωt ) = U Khi 3 U m cos α = U cos α = U d cos α 2π 2π Ud ≤ • Như chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển làm việc chế độ nghịch lưu chuyển lượng nguồn Nó làm việc hai góc phần tư I IV • Trị trung bình dịng điện chỉnh lưu: Id = • Áp ngược lớn mà thyristor phải chịu: Urwm = U= Um • Dịng trung bình thyristor: IT1 = + Khi thiết kế ta phải chọn linh kiện cho: Uđm SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 Ku.URWM Id Ki.IT1 Trang 18 Đồ án mơn học Điện tử cơng suất Trong đó: Ku = 2,5 – 3,5: Hệ số an toàn áp Ki 1: Hệ số an tồn dịng • Trị hiệu dụng dịng điện nguồn: I1 = • Cơng suất tiêu thụ tải: Pd = Ud Id • Hệ số cơng suất nguồn chỉnh lưu: λ= • Pd U d I d = = cos α S 3UI1 2π Đặc tuyến điều khiển Trị trung bình điện áp chỉnh lưu U dα = phụ thuộc vào tham số tải dòng liên tục SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 U cos α không 2π Trang 19 Đồ án môn học Điện tử công suất 5.Chế độ chỉnh lưu nghịch lưu: • Khi thay đổi Ud âm Id > Cơng suất trung bình: P = Ud.Id • Nếu Ud > P > chỉnh lưu làm việc chế độ chỉnh lưu, cơng suất chuyển từ phía xoay chiều phía chiều • Nếu Ud < P < chỉnh lưu làm việc chế độ nghịch lưu, cơng suất chuyển từ phía chiều phía xoay chiều • Chế độ chỉnh lưu xảy khi: Ud.E > • Chế độ nghịch lưu xảy khi: Ud.E < 6.Góc an tồn SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 Trang 20 Đồ án môn học Điện tử cơng suất Góc an tồn: góc điện nhỏ phải có SCR chịu tác dụng áp nghịch để khơi phục khả khố cách an tồn ( γ ) γ = ω.tq Trong đó: tq thời gian ngắn - Khi tăng thời gian để khơi phục khả khóa giảm - Khi tăng đến giá trị đủ lớn để thyristor không cịn đủ thời gian khơi phục khả khóa mình, thyristor đóng khơng theo ý muốn, dịng điện tăng lớn, hỏng thiết bị, cần ngắt thiết bị bảo vệ Hiện tượng trùng dẫn Trong phần trước đây, chỉnh lưu phân tích với giả thiết bỏ qua cảm kháng nguồn áp Hệ trình chuyển mạch nhánh chứa thyristor diễn tức thời Trong thực tế, nguồn có cảm kháng làm dịng điện qua khơng thể thay đổi đột ngột Vì thế, tượng chuyển mạch nhánh chứa thyristor không diễn tức thời mà kéo dài khoảng thời gian, hình thành trạng thái nhánh chứa thyrisror dẫn điện Hiện tượng gọi tượng trùng dẫn (overlapping) tượng chuyển mạch (commutation) SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 Trang 21 Đồ án môn học Điện tử công suất a) Hiện tượng trùng dẫn chỉnh lưu điều khiển cầu pha: Hình vẽ tượng trùng dẫn chỉnh lưu cầu pha: SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 Trang 22 Đồ án môn học Điện tử công suất Giả thiết cho T1 T2 mở cho dòng chảy qua , iT13=id Khi θ=θ2 cho xung điều khiển mở T1 T2 Vì có có mặt LC nên dịng IT13 khơng thể giảm đột ngột từ id xuống , mà dịng iT24 khơng đột ngột tăng từ đến id Lúc thyristo mở cho dòng chảy qua, phụ tải bị ngắn mạch, ud =0, nguồn i2 bị ngắn mạch sinh dịng ngắn mạch ic Ta có phương trình: U2sinɵ = Xc(dic/dɵ) Chuyển gốc toạ độ từ sang θ2 ta có U2sin(ɵ+α) = Xc(dic/dɵ) ic = U2[cosα-cos(α+θ)] đặt: ic=i c1+ic2 với ic1=ic2=ic : ic1 làm tăng dòng T4 làm giảm dòng T3 ic2 làm tăng dòng T2 làm giảm dòng T1 SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 Trang 23 Đồ án môn học Điện tử công suất iT13 = id - U2[cosα-cos(α+θ)] kết thúc giai đoạn trùng dẫn trên, tức θ=μ, nên phương trình chuyển mạch có dạng: cosα-cos(α+θ) = xác định ΔUμ ΔUμ= = [cosα-cos(α+θ)] Vì ta được: ΔUμ= Khi Lc khác trị trung bình điện áp tải là: U’d=Ud Với: Ud= cosα b) Hiện tượng trùng dẫn sơ đồ chỉnh lưu pha hai nửa chu kì Hình vẽ biểu diễn tượng trùng dẫn chỉnh lưu pha hai nửa chu kì: SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 Trang 24 Đồ án môn học SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 Điện tử công suất Trang 25 Đồ án môn học Điện tử công suất Trong chương xét đến biến đổi trường hợp lý tưởng, mà không xét đến ảnh hưởng điện cảm Lc nguồn xoay chiều (điện trở nguồn xoay chiều bỏ qua nhỏ) Hiện tượng trùng dẫn xuất lớn hai Hiện tượng trùng dẫn làm ảnh hưởng tới đặc tính biến đổi Xét tượng trùng dẫn xảy sơ đồ chỉnh lưu pha hai chu kì -Điện cảm mạch tải L=∞, c với giả thiết dòng id xem đượn nắn thẳng id=Id thời gian đơn dẫn -Điện cảm Lc ≠ 0, gọi điện cảm chuyển mạch, cản trở đột biến dòng điện *Giả sử Ti mở, i1=I - Khi = = Π+α ta cho xung điều khiển mở T2, tiristor T2 mở lúc e22 > Kết T1 T2 mở dòng chảy qua Hai nguồn điện e21 e22 nối lại theo mạch e21-Lc – T1 - Lc – e22 SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 Trang 26 Đồ án môn học Điện tử công suất Với e21= U2sin ; e22= - sin - Dòng i2 tăng ên, dòng i1 giảm nhỏ i1+i2=Id=const Giả sử = i =0.T1 3, bị khóa, i2=Id +Như dòng tải Id chuyển tùe mạch T1 sang mạch T2 Q trình gọi q trình chuyển mạch Góc = 3- SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 gọi góc trùng dẫn Trang 27 Đồ án mơn học Chương Điện tử cơng suất TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆ VÀ CUỘN KHÁNG SAN BẰNG I- Mạch bảo vệ: Giới thiệu : Các phần tử bán dẫn công suất sử dụng ngày rộng rãi, có nhiều ưu điểm như: gọn nhẹ, làm việc với độ tin cậy cao, tác động nhanh, hiệu suất cao, dễ dàng tự động hoá… Tuy nhiên phần tử bán dẫn cơng suất khó tính tốn hay bị hư hỏng nhiều nguyên nhân khác Do cần phải bảo vệ tiristor, cần phải tôn trọng tỉ số giới hạn sử dụng nhà chế tạo định với phần tử - Điện áp ngược lớn - Giá trị trung bình lớn dòng điện - Nhiệt độ lớn thiết bị - Tốc độ tăng trưởng lớn dịng điện di dt - Thời gian khố toff SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 Trang 28 Đồ án môn học Điện tử công suất - Thời gian mở ton - Dịng điện kích thích - Điện áp kích Các phần tử bán dẫn công suất cần bảo vệ chống nhiều cố bất ngờ xảy gây nhiễu loạn nguy hiểm như: ngắn mạch tải, điện áp dòng điện Các phần tử bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ Trong làm việc với nhiệt độ nhiệt độ cho phép dù thời gian ngắn phá huỷ thiết bị Đối với bán dẫn Ge: TjM = 800 - 1000 Đối với bán dẫn Si: TjM = 1800 – 2000 Nếu phần tử bán dẫn khơng làm mát khả chịu dòng điện 30% - 50% Để cho thyristor làm việc tốt ta dùng quạt lám mát thyristor nhỏ Đối với thyristor có cơng suất lớn dùng nước dầu biến để làm mát Khi cho xung điều khiển vào van ban đầu có điểm lân cận tiếp giáp với J2 dẫn điện môi lan dần xuất vùng có điện trường lớn Về dịng điện, di lớn tốc độ lan truyền dịng điện mặt ghép J tạo dt vùng nóng chảy, mặt ghép J2 bị hỏng Có thể giảm nhỏ di cách đặt điện dt kháng bão hoà mạch anot tiristor Đặc điểm cuộn kháng, mach từ chưa bão hồ có điện kháng lớn, mạch từ bão hồ có điện kháng nhỏ Bảo vệ nhiệt cho van bán dẫn: a) Tổn thất công suất thyristor: P = U.I1V b) Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 Trang 29 Đồ án môn học Điện tử công suất Stn = ∆P ktnτ Trong đó: τ : độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường Lấy Tmt = 400C Chọn Tlv cánh tản nhiệt 800C Suy τ = Tlv – Tmt = 400C Kn : hệ số toả nhiệt đối lưu xạ Chọn Kn = W/m2.0C Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước cánh: a.b=10.10 (cm) Tổng diện tích tản nhiệt cánh: S = 12 10 10 = 2400 (cm2) = 0,24 (m2) Bảo vệ dòng điện cho van: Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ tải ngắn mạch tiristor, ngắn mạch đầu biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch chế độ nghịch lưu a) Chọn aptomat có: Idm = 1,1I1d Udm = 110 (V) Có tiếp điểm chính, đóng cắt tay nam châm điện Chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm = 2,5I1d SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 Trang 30 Đồ án môn học Điện tử công suất Dòng tải: Iqt = 1,5I1d b) Chọn cầu dao có dịng định mức: Iqt = 1,1I1d Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn sửa chữa hệ truyền động c) Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch tiristor ngắn mạch đầu chỉnh lưu: Nhóm 1CC: Dịng điện định mức mức dây chảy nhóm 1CC: I1CC = 1,1 I2 Nhóm 2CC: Dịng điện định mức mức dây chảy nhóm 2CC: I2CC = 1,1 Ihd Nhóm 3CC: Dịng điện định mức mức dây chảy nhóm 3CC: I3CC = 1,1 Id Vậy chọn cầu chảy nhóm: 1CC loại 60 (A), 2CC loại 40 (A), 3CC loại 70 (A) Bảo vệ điện áp cho van: - Bảo vệ q điện áp q trình đóng cắt tiristor thực cách mắc R-C song song với tiristor Chọn R1 = 5,1 ( Ω ), C1 = 0,25 ( µF ) SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 Trang 31 Đồ án môn học Điện tử công suất Mạch RC bảo vệ điện áp chuyển mạch - Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, ta mắc mạch R-C hình vẽ: Mạch RC bảo vệ điện áp từ lưới Chọn R2 = 12,5 ( Ω ), C1 = ( µF ) SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 Trang 32 ... cho chỉnh Chỉnh lưu pha, pha SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 Trang Đồ án môn học Điện tử công suất c) Pha chỉnh lưu( m): Số đoạn hình sin chu kì điện áp nguồn điện áp hay nguồn chỉnh lưu III- Bộ chỉnh lưu. .. QUỐC ÁNH-08D1 uD1 = uA – uC < iD1 = uD2 = uB – uC < iD2 = Trang 12 Đồ án môn học Điện tử công suất Hệ : - Áp chỉnh lưu có dạng ba xung chu kỳ áp nguồn BCL gọi chỉnh lưu ba xung Tần số hài áp chỉnh. .. Trang 24 Đồ án môn học SVTH: PHẠM QUỐC ÁNH-08D1 Điện tử công suất Trang 25 Đồ án môn học Điện tử công suất Trong chương xét đến biến đổi trường hợp lý tưởng, mà không xét đến ảnh hưởng điện cảm