LỜI CẢM ƠN Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn tới Thầy Nguyễn Đình Hùng trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em suốt thời gian nghiện cứu hoàn thành đồ án Em xin bày tỏ lòng cảm ơn tới thầy cơ, cán thuộc Khoa điện – điện tử Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên trang bị kiến thức tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học tập nghiện cứu Cảm ơn gia đình, bạn bè quan tâm, động viên giúp đỡ em tinh thần vật chất trình học tập thực đề tài Hưng Yên, ngày 28 tháng năm 2017 Tác giả Lê Thị Vân Anh Page LỜI CẢM ƠN GIỚI THIỆU CHUNG Lý chọn đề tài Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiện cứu đồ án Tóm tắt nội dung đồ án 4 Phương pháp nghiện cứu CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung biến đổi phụ thuộc 1.2 Mạch chỉnh lưu pha khơng có điều khiển 1.2.1 Mạch chỉnh lưu hình tia pha nửa chu kỳ không điều khiển 1.2.2 Mạch chỉnh lưu hình cầu pha khơng điều khiển 1.2.3 Mạch chỉnh lưu hình tia pha nửa chu kỳ có điều khiển 1.2.4 Mạch chỉnh lưu hình cầu pha có điều khiển 11 1.3 Mạch chỉnh lưu bán điều khiển 12 1.3.1 Mạch chỉnh lưu hình cầu pha bán điều khiển catot chung 12 1.3.2 Mạch chỉnh lưu hình cầu pha bán điều khiển mắc đối 14 1.4 Biến đổi điện áp xoay chiều 16 1.4.1 Giới thiệu chung biến đổi điện áp xoay chiều 16 1.4.2 Một số sơ đồ phương pháp biến đổi điện áp xoay chiều 16 1.4.3 Mạch điều áp xoay chiều pha 18 1.5 Một số phương pháp điều chỉnh biến đổi phụ thuộc 24 1.5.1 Các yêu cầu mạch điều khiển 24 1.5.2 Các nguyên tắc điều khiển 24 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ ĐUN THÍ NGHIỆM 27 BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ THUỘC 27 2.1 Phân tích ý tưởng thiết kế 27 2.2 Thiết kế mặt giao diện mô đun điều khiển mô đun công suất 28 2.3 Thiết kế, tính chọn mạch cơng suất 30 2.4 Thiết kế, tính chọn mạch điều khiển 35 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý 35 2.4.2 Khối phát xung chủ đạo TCA 785 36 2.4.3 Khối phát xung chùm 40 2.4.4 Khối chộn xung 43 2.4.5 Khối mạch khuếch đại 45 2.4.6 Sơ đồ mạch nguồn điều khiển 48 2.4.7 Vẽ sơ đồ board mạch điện 50 2.4.8 Sản phẩm hoàn thiện 51 Page CHƯƠNG III: KHẢO SÁT, KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM Error! Bookmark not defined 3.1 Khảo sát biến đổi AC – DC Error! Bookmark not defined 3.1.1 Khảo sát mạch chỉnh lưu hình tia pha nửa chu kỳ khơng điều khiển Error! Bookmark not defined 3.1.2 Khảo sát mạch chỉnh lưu hình tia pha nửa chu kỳ khơng điều khiển Error! Bookmark not defined 3.1.3 Khảo sát mạch chỉnh lưu hình cầu pha khơng điều khiển Error! Bookmark not defined 3.1.4 Khảo sát mạch chỉnh lưu hình tia pha nửa chu kỳ điều khiển hồn toàn .Error! Bookmark not defined 3.1.5 Khảo sát mạch chỉnh lưu hình tia pha nửa chu kỳ điều khiển hoàn toàn Error! Bookmark not defined 3.1.6 Khảo sát mạch chỉnh lưu hình cầu pha điều khiển hồn toàn Error! Bookmark not defined 3.1.7 Khảo sát mạch chỉnh lưu hình cầu pha bán điều khiển mắc A chung Error! Bookmark not defined 3.1.8 Khảo sát mạch chỉnh lưu hình cầu pha bán điều khiển mắc K chung Error! Bookmark not defined 3.2 Khảo sát biến đổi AC-AC Error! Bookmark not defined 3.2.1 Khảo sát mạch điều áp xoay chiều pha dùng Thyristor Error! Bookmark not defined 3.2.2 Khảo sát mạch điều áp xoay chiều pha dùng Triac Error! Bookmark not defined CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 59 4.1 Kết đạt 59 4.2 Hạn chế 59 4.3 Hướng phát triển đề tài 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 Page GIỚI THIỆU CHUNG Lý chọn đề tài Hiện điện tử công suất lĩnh vực quan trọng hệ thống điện, điện tử Do môn học điện tử công suất trường đại học cao đẳng dạy nghề ngày trọng Trong vấn đề mà cần quan tâm thiết bị dùng để đào tạo thực hành hay thí nghiệm sử dụng trường hạn chế nhiều số lượng chất lượng Đặc biệt vấn đề giá thành thiết bị thực tập thí nghiệm điện tử cơng suất cao tính đặc thù cơng suất cơng nghệ Để góp phần cải thiện vấn đề nhóm đồ án nhận đề tài thiết kế, chế tạo mơ đun thí nghiệm điện tử cơng suất Với mục đích chế tạo thiết bị đáp ứng phần lĩnh vực thực hành thí nghiệm mơn điện tử cơng suất Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiện cứu đồ án Trên sở định hướng giáo viên hướng dẫn nhóm chúng em tập chung nghiện cứu chế tạo mô đun công suất biến đổi AC-DC pha ba pha biến đổi AC-AC pha theo mẫu thiết bị có hãng Lucasnule Đồng thời chế tạo mô đun điều khiển biến đổi phụ thuộc pha ba pha Tóm tắt nội dung đồ án Nội dung đồ án gồm bốn chương: CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI CHƯƠNG II: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ ĐUN THÍ NGHIỆM BỘ BIẾN ĐỔI PHỤ THUỘC CHƯƠNG III: KHẢO SÁT, KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN Phương pháp nghiện cứu Để hoàn thành nội dung đồ án nhóm nghiện cứu áp dụng phương pháp sau - Khảo sát, đánh giá thiết bị có - Tìm phân tích tài liệu - Sử dụng phương pháp thực nghiệm - Trao đổi kinh nghiệm kiến thức với thầy cô chuyên gia ĐTCS Page CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung biến đổi phụ thuộc Chức hệ thống điều khiển biến đổi biến đổi tín hiệu điều khiển thành xung điều khiển tương ứng cho việc điều khiển mở phần tử bán dẫn công suất Bộ biến đổi phụ thuộc bao gồm mạch chỉnh lưu mạch điều áp xoay chiều Ở đề tài em giao nghiện cứu mạch chỉnh lưu pha mạch điều áp xoay chiều pha Với mạch điều áp xoay chiều pha có hai loại mạch sử dụng thyristor triac 1.2 Mạch chỉnh lưu pha khơng có điều khiển 1.2.1 Mạch chỉnh lưu hình tia pha nửa chu kỳ không điều khiển a Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ mạch chỉnh lưu pha nửa chu kỳ gồm hai loại: trực tiếp cách ly mô tả hình vẽ D D id u2 ud R u(t) u2 a id ud R b Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu pha nửa chu kỳ không điều khiển tải R b Nguyên lý làm việc - Giả sử mạch làm việc chế độ xác lập, điện áp phía sau thứ cấp u  2.U2.sint(v) , Diode dẫn điện điện áp sụt khơng - Trong chu kỳ đầu  t   , u2  0, van D phân cực thuận, nên van D dẫn điện.Ta có: uD = 0, u  u d , i D  i d  u2 R -Trong chu kỳ sau   t  2 u2  0, van D bị phân cực ngược, nên van D khơng dẫn điện Ta có: uD = u2  0, utải = 0, i D  i d  - Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự Page c Giản đồ dòng điện, điện áp u2 t t t t ud id uD Hình 1.2: Dạng sóng dòng điện, điện áp mạch chỉnh lưu pha nửa chu kỳ không điều khiển tải R d Một số Các biểu thức mạch - Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu xác định theo biểu thức: Ud  2   2.U 2U sin tdt    0,45U - Giá trị trung bình dòng điện chỉnh lưu xác định theo biểu thức:  u U 2.U Id  d  2U sin tdt  d   R 2 R R  R - Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA là: I2  2  2U sin t   dt  0   R    U2 2R   Id - Dòng điện hiệu dụng qua sơ cấp máy biến áp Do tải trở nên U2 có dạng sóng i2, khai triển chuỗi Fourier i2 gồm thành phần chiều thành phần sóng hài AC i2 = Id + i~ Nếu bỏ qua sức từ động sóng hài bậc cao ta viết Page n1i.1 = n2.(i2 - id) Nếu gọi m  U n1 : tỷ số máy biến áp ta có:  U n2 i1 = m(i2 - id) I1  2 2  i1 d  m  2   ( i  I ) d   I d2 d   1,21.m.I d  d  2  0  - Dòng điện trung bình qua diode D:  I DAV  U 2.U 2U sin tdt  d   Id  2 R R  R - Điện áp ngược lớn đặt lên đầu diode D khóa: U Dm  2U 1.2.2 Mạch chỉnh lưu hình cầu pha khơng điều khiển a Sơ đồ nguyên lý id i1 u1 i2 D1 u2 u u2 -u2 u2 D2 Rd ud  2 3 t  2 3 t  2 3 t ud D3 D4 uD1; uD4 Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu iD2; iD3 hình cầu pha khơng điều khiển tải R  2 3 t Hình 1.4: Dạng sóng dòng điện, điện áp mạch chỉnh lưu hình cầu pha khơng điều khiển tải R Page b Nguyên lý làm việc Giả sử mạch làm việc chế độ xác lập, điện áp phía thứ cấp u2 = U2sin  t(v), coi diode dẫn điện, điện áp sụt khơng Volt - Trong nửa chu kỳ đầu  t = đến , điện áp u2 dương, cặp van D1 D4 phân cực thuận, nên dẫn điện Còn cặp van D2 D3 bị phân cực ngược nên không dẫn điện Khi ta có: uD1 = uD4 = 0; uD2 = uD3 = - u2  0; ud = u2  0; iD1 = iD4= id; iD2 = iD3 = - Trong nửa chu kỳ sau  t =  đến 2, điện áp - u2 dương, cặp van D1 D4 bị phân cực ngược, nên khơng dẫn điện Còn cặp van D2 D3 phân cực thuận nên dẫn điện Khi ta có: uD2 = uD3 = 0; uD1= uD4 = u2  0; ud = - u2  0; iD2 = iD3 = id ; iD1 = iD4 = - Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự c Một số Các biểu thức mạch -Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu xác định theo biểu thức: Ud    2U sin tdt  2.U   0,9U -Giá trị trung bình dòng điện chỉnh lưu xác định theo biểu thức: Id   ud U 2.U  2U sin tdt  d   R 2 R R  R -Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA xẽ là:   2U sin t    dt  1,1.I d I2    0  R  - Dòng điện hiệu dụng qua sơ cấp máy biến áp I1  I2 m (m  U1 : tỷ số máy biến áp) U2 -Dòng điện trung bình qua diode D: ID  Id -Điện áp ngược lớn đặt lên đầu diode D khóa: U Dm  2U Page 1.2.3 Mạch chỉnh lưu hình tia pha nửa chu kỳ có điều khiển a Sơ đồ nguyên lý sơ đồ mạch điều khiển T u u2 R u1 u2 D0 L a t t uG u t¶i Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu hình tia pha có điều khiển tải R+L t t t uT iT Hình 1.6: Dạng sóng dòng điện, điện áp mạch chỉnh lưu hình tia pha có điều khiển tải R+L b Nguyên lý làm việc: - Giả sử mạch làm việc chế độ xác lập, cuộn cảm tải Ld =  , điện áp phía thứ cấp u2 = U2 sin  t - Trong khoảng  t = đến , có u2 > 0, uT > 0, nhiện T chưa dẫn, chưa có xung điều khiển mở Khi ta có: uT1 = u2; uD0 = 0; utải = 0; iD0 = iT = itải= - Đến thời điểm  t = , phát xung điều khiển mở van T, lúc T có đủ hai điều kiện kích mở nên dẫn điện Ta có: Page uT = 0; uD0 = -u2; utải= u2> 0; iD0 = 0; iT = itải - Đến thời điểm  t = , u2 = có xu hướng âm Lúc van T bị phân cực ngược nên khoá và, - u2 = có xu hướng dương dần, kết hợp sđđ e cuộn cảm tạo làm van D0 dẫn điện Như khoảng  t =  đến 2, ta có: uT = u2 < 0; utải = 0; itải= iD0; iT = - Đến thời điểm  t= 2, u2 = có xu hướng dương dần, van T đặt điện áp thuận nhiện van T chưa dẫn , chưa có xung điều khiển kích mở, D0 dẫn sđđ e cuộn cảm tải tạo Như khoảng  t= 2 đến 2 +  , ta có: uT = u2 > 0; utải = uD0; itải = iD 0; iT = - Đến thời điểm  t = 2 +  , phát xung điều khiển mở van T, lúc T dẫn điện, D0 khố Ta có: uT = 0; utải = u2> 0; uD0= -u2; iT = itải; iD0= - Các chu kỳ sau nguyên lý hoạt động tương tự c Một số biểu thức tính tốn - Điện áp trung bình tải  Ud  2   2U sin tdt  2.U (1  cos  ) 2 - Dòng điện trung bình qua Thyristor  IT    I d dt  I d  2  2 - Dòng điện trung bình qua Diode D0: I D0  2 2   I d dt    I d 2 - Điện áp thuận lớn van T: UTng max  2.U Điện áp ngược lớn van T D0: U Tth max U D0th max  2.U Page 10 Page 46 Trên sở thông số cho datasheet em thiết kế sơ đồ khuếch đại hình vẽ Hình2.5: Sơ đồ mạch khuếch đại dùng phần tử cách ly quang Page 47 2.4.6 Sơ đồ mạch nguồn điều khiển Mạch điều khiển cấp nguồn cho TCA785, IC 74LS08N, NE555, rơle mạch phân áp khuếch đại với dòng tiêu thụ nhỏ vài trăm mA Nên ta thiết kế sơ đồ mạch cấp nguồn với cầu dioode 1A, mạch ổn áp dùng IC7812T với dòng làm việc lớn 1A Với thơng số chi tiết cho datasheet: Page 48 Page 49 Hình2.6: Sơ đồ mạch nguồn điều khiển 2.4.7 Vẽ sơ đồ board mạch điện Hình2.7: Sơ đồ bố trí linh kiện Board mạch Page 50 2.4.8 Sản phẩm hoàn thiện Hình2.8: Hình ảnh mơ đun điều khiển biến đổi phụ thuộc Page 51 Hình2.9: Hình ảnh mơ đun công suất biến đổi phụ thuộc Page 52 Chương 3: KẾT QUẢ KHẢO SÁT VÀ THẢO LUẬN Khảo sát biến đổi AC-DC 3.1 3.1.1 Khảo sát mạch chỉnh lưu hình tia pha khơng điều khiển a> Sơ đồ mạch điện K A A 24V~ C L1 B U1 C V1 Rs 1W C0 B D1 M1 50V V2 M2 50V- R 300W Ud N O A0 B0 b> Vận hành - Cấp nguồn ~220V vào đầu L1 N - Lắp ráp mạch điện theo sơ đồ hình vẽ - Bật cơng tắc nguồn Q - Dùng đồng hồ máy sóng đo thu kết sau: U1 = 25 (V) Ud = 11,2 (V) - Dạng sóng dòng điện điện áp tải thu được: 3.1.2 Khảo sát mạch chỉnh lưu hình cầu pha không điều khiển Page 53 a> Sơ đồ mạch điện A 24V~ A C L1 B U1 C Rs 1W C0 D3 K D1 B V1 M1 50V M2 50V- N O R 300W Ud V2 D6 D4 A0 D Rs 1W D0 B0 b> Vận hành - Cấp nguồn ~220V vào đầu L1 N - Lắp ráp mạch điện theo sơ đồ hình vẽ - Bật công tắc nguồn Q - Dùng đồng hồ máy sóng đo thu kết sau: U1 = 25 (V) Ud = 22 (V) - Dạng sóng dòng điện điện áp tải thu được: Page 54 3.1.3 Khảo sát mạch chỉnh lưu hình tia pha có điều khiển a> Sơ đồ mạch điện A K 24V~ A C Rs 1W L1 B U1 V1 C C0 M1 50V B T1 V2 M2 50V- R 300W Ud L 100mH N O B0 A0 b> Vận hành - Cấp nguồn ~220V vào đầu L1 N - Lắp ráp mạch điện theo sơ đồ hình vẽ - Kết nối mạch điều khiển với mạch lực : Mạch điều khiển Mạch động lực G1 Cực điều khiển T1 A1 Anot T1 K1 Katôt T1 - Bật công tắc nguồn Q - Dùng máy sóng đo thu kết sau: Page 55 3.1.4 Khảo sát mạch chỉnh lưu hình cầu pha có điều khiển a> Sơ đồ mạch điện A C L1 B U1 C C0 V1 M1 50V R 300W Ud V2 L 100mH M M2 50V- N A0 T4 O Rs 1W T3 24V~ A T6 K T1 B D Rs 1W D0 B0 b> Vận hành - Cấp nguồn ~220V vào đầu L1 N - Lắp ráp mạch điện theo sơ đồ hình vẽ - Nối cực G,A,K tương ứng bên mạch điều khiển với thyritor bên mạch động lực - Bật công tắc nguồn Q - Dùng máy sóng đo thu kết sau: Page 56 Page 57 Page 58 CHƯƠNG IV KẾT LUẬN 4.1 Kết đạt Sau thời gian nghiện cứu nhóm chúng em đạt nội dung sau: - Củng cố kiến thức biến đổi công suất nguyên tắc điều khiển Chế tạo thành công biến đổi công suất khối điều khiển - Khảo sát, đánh giá kết mạch biến đổi công suất AC-DC AC-AC - Xây dựng phiếu thí nghiệm áp dụng cho sản phẩm 4.2 Hạn chế - Do điều khiển thiết bị tương tự nên góc điều khiển chưa xác - Dải điều chỉnh hẹp 4.3 Hướng phát triển đề tài - Hồn thiện khối phản hồi - Xây dựng mơ đun giao tiếp máy tính Page 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyến Bính, Điện tử cơng suất, Nhà xuất khoa học kĩ thuật Hà Nội – 2000 [2] Trần Văn Thịnh, Tính tốn thiết kế thiết bị điện tử công suất , Nhà xuất Giáo dục – 2005 [3] Lê Văn Doanh – Nguyễn Thế Công – Trần Văn Thịnh, điện tử công suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật – 2005 [4] Nguyễn Đình Hùng, Đề cương b giảng điện tử cơng suất, Trường ĐHSP kỹ thuật Hưng Yên -2008 [5] Nguyễn Đình Hùng, Thí nghiệm điện tử cơng suất, Trường ĐHSP kỹ thuật Hưng Yên -2008 Webside tham khảo: http://www.datasheetcatalog.com http://www.dientuvietnam.com http://www.google.com.vn http://www.cơđiệntử.info http://www.diendandientu.com.vn http://www.tự động hoá.com.vn Page 60