Bài tập : Điện tử công suất BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ***KHOA ĐIỆN*** BÀI TẬP ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề bài Tính toán, thiết kế mạch điều khiển mạch điều áp xoay chiều ba pha Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đăng Toàn Nhóm sinh viên thực hiện : Hoàng Đình Nam Đậu Văn Phúc Nguyễn Văn Thiên Hoàng Anh Tuấn Phạm ngọc Vượng Lớp : ĐH Điện 3 K2 Hà Nội - 10/2009 I. GIỚI THIỆU CHUNG Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009 Bài tập : Điện tử công suất Mạch điều áp là một trong những mạch được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy xí nghiệp công nghiệp. Theo dạng nguồn cấp xoay chiều có thể phân ra điều áp xoay chiều 1 pha hay điều áp xoay chiều 3 pha. Để thực hiện được việc điều áp có rất nhiều phương pháp khác nhau như dùng điện trở hạn chế, dùng biến áp tự ngẫu. Đặc điển của 2 phương pháp này là đơn giản, điện áp ra là hình sin chuẩn, điều chỉnh dải điện áp ra trơn. Tuy nhiên với những tải có công suất lớn thì việc điều chỉnh là rất khó khăn do dễ hỏng chổi than. Vì vậy trong thực tế hiện nay người ta không dùng phương pháp đó nữa mà dùng mạch Triac hoặc Tiristor. Nhưng do chất lượng của Triac hiện nay chưa đáp ứng được nhu cầu của các nhà máy, xí nghiệp nên mạch dùng Tiristor vẫn đang được cùng rất phổ biến. Do đó để điều áp ta sẽ dùng mạch Tiristor gồm 2 Tiristor mắc song song ngược nhau. Mạch điều khiển cho Tiristor cũng có nhiều cách khác nhau như dùng các linh kiện rời như tụ, điện trở, transtor… tạo thành mạch, cũng có thể dùng các IC chuyên dụng như TCA785…hoặc dùng các mạch khuếch đại đại thuật toán (OA)… Dựa vào yêu cầu của đề bài “ Tính toán, thiết kế mạch điều khiển mạch điều áp xoay chiều ba pha” nhóm chúng em sẽ thiết kế mạch điều khiển bằng OA và một số linh kiện điện tử khác. II. SƠ LƯỢC 2.1.Nguồn điện. Nguồn điện là một yêu cầu không thể thiếu đối với bất kỳ một mạch điện nào. Đối với các mạch điều khiển thì đòi hỏi nguồn điện phải có độ tin cậy, độ ổn định cao về điện áp và đảm bảo đủ công suất. Để đảm bảo điều đó ta sẽ dùng mạch chỉnh lưu điện xoay chiều thành điện 1 chiều sau đó qua các IC ổn áp, lọc. Điện áp ra sẽ được đưa vào để cấp năng lượng cho mạch hoạt động. 2.2. Điốt. 2.2.1.Cấu tạo Được cấu tạo từ 2 lớp vật liệu bán dẫn p, n ghép lại với nhau Điện cực nối với p gọi là Anốt (A) Điện cực nối với n gọi là Katốt (K) 2.2.2. Hoạt động Khi phân cực thuận cho D (cực dương của nguồn điện nối với A, cực âm nối với K) thì sẽ có dòng điện chạy qua nó. Ngược lại Khi phân cực ngược cho D (cực dương của nguồn điện nối với K, cực âm nối với A) thì sẽ không có dòng điện chạy qua nó. Chú ý: Khi được phân cực thuận mà U AK chưa lớn đến giá trị mở cảu D thì D vẫn chưa cho dòng chạy qua, thương U AK >1V. 2.2.3. Thông số cơ bản. Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009 Bài tập : Điện tử công suất - U n : Điện áp ngược cực đại - I dm : Dòng điện làm việc max - U∆ : Sụt áp trên D khi nó dẫn 2.2.4. Một số điốt công suất. Kí hiệu U n (V) I dm (A) U∆ (V) 1N1159 200 20 1,2 KY740/200 200 20 1,1 1N2282 300 20 1,5 SKN20/04 400 20 1,55 1N2284 500 20 1,5 SKN20/08 800 20 1,55 CR20-100 1000 20 1,1 SKR20/12 1200 20 1,55 D20PM18C 1800 20 1,55 2.3.Tiristor 2.3.1. Cấu tạo Được cấu tạo từ 4 lớp bán dẫn P1, N1, P2, N2 ghép sát nhau theo thứ tự đó. Và đưa ra 3 cực: - Cực nối với P1 là Anốt (A) - Cực nối với N2 là Katốt (K) - Cực nối với P2 là Gate (G) (Cực cổng hay cực điều khiển) Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009 Bài tập : Điện tử công suất 2.3.2. Hoạt động + Mở Tiristor (T) Khi phân cực thuận cho T thì nó sẵn sàng mở. Khi có xung kích đủ công suất (đủ U, I) vào cực G của T thì T mở ngay lập tức và cho phép dòng chạy qua từ A ⇒ K. Sau đó thì xung điều khiển không có tác dụng cho đến khi T bị khóa lại.( Không thể dùng xung để điều khiển việc đóng T). + Khóa Tiristor Để khóa T có 2 cách sau: - Phân cực ngược cho T - Giảm dòng điện xuống dưới mức dẫn của T Sau khi T bị khóa muốn mở T trở lại thì phải thực hiện lại việc mở T ở trên. 2.3.3. Thông số cơ bản. - U n : Điện áp ngược max - I dm : Dòng điện làm việc cực dại -Ug : Điện áp xung điều khiển -Ig : Dòng điện xung điều khiển - ∆U : Sụt áp khi dẫn - dU/dt : Tốc độ tăng điện áp - Ih : Dòng điện tự giữ - T : Nhiệt độ làm việc cực đại. 2.3.4. Một số Tiristor Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009 Bài tập : Điện tử công suất Kí hiệu Un(V) Idm(A) Ug(V) Ig(A) ∆U(V) dU/dt(V/s) Ih(A) T( 0 C) 2N5719 80 200m 0.6 20µ 1,4 100 2m 100 2N2688A 200 350m 0.7 20µ 1,2 200 500µ 155 EC103D 400 0.8 0.8 200µ 1,7 40 5m 100 C122D 400 8 1.5 25m 1,8 500 30m 100 SKT10/100 1000 10 3 100m 1,6 500 150m 125 C501D 400 550 3.5 150m 1,5 200 250m 125 C411P 1000 800 5 300m 2 200 250m 125 2.4. Khuếch đại thuật toán. 2.4.1. Sơ lược cấu tạo Là một mạch khuếch đại một chiều nối tầng trực tiếp với hệ số khuếch đại rất cao. 1 bộ khuếch đại có 5 chân: V + : Đầu vào không đảo V − : Đầu vào đảo V out : Đầu ra V S+ : Nguồn cung cấp điện dương V S− : Nguồn cung cấp điện âm Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009 Bài tập : Điện tử công suất 2.4.2. Hoạt động Đầu vào vi sai của mạch khuếch đại gồm có đầu vào đảo và đầu vào không đảo, và mạch khuếch đại thuật toán thực tế sẽ chỉ khuếch đại hiệu số điện thế giữa hai đầu vào này. Điện áp này gọi là điện áp vi sai đầu vào. Trong hầu hết các trường hợp, điện áp đầu ra của mạch khuếch đại thuật toán sẽ được điều khiển bằng cách trích một tỷ lệ nào đó của điện áp ra để đưa ngược về đầu vào đảo. Tác động này được gọi là hồi tiếp âm. Nếu tỷ lệ này bằng 0, nghĩa là không có hồi tiếp âm, mạch khuếch đại được gọi là hoạt động ở vòng hở. 2.4.3. Thông số cơ bản -Udm: Điện áp nguồn cung cấp -P : Công suất tiêu thụ - Zi : Tổng trở đầu vào -SR: Tốc độ tăng áp (Slew Rate) -Ios : Dòng điện ra ngắn mạch (Output Short-Circuit) 2.4.4. Một số loại OA Kí hiệu Udm(V) P(mW) Zi(MΩ) SR(V/s) Ios(mA) TL084 12-18 4×680 10 6 16 40 TL082 12-18 2×15 10 6 13 40 2.5.Biến áp xung BAX là 1 máy biến áp nhưng có thể hoạt động ở tần số rất cao. Nó dùng để tạo ra xung kim và cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực. Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009 Bài tập : Điện tử công suất III. MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1. Yêu cầu chung Mạch điều khiển là phần rất quan trọng trong mạch điều áp, nó quyết định chất lượng bộ biến đổi. Hệ điều khiển phải phát xung khi thỏa mãn 2 điều kiện: 0 0 AK U I > > Để thay đổi điện áp ra của mạch động lực ta chỉ cần thay đổi góc mở α Mạch điều khiển phải thực hiện được các nhiệm vụ sau: - Đảm bảo góc mở từ min axm α α ⇒ tương ứng với sự thay đổi điện áp ra của mạch lực. - Có độ đối xứng tốt không vượt quá 1 0 -3 0 điện - Đảm bảo hoạt động tin cậy, ổn định khi có sự thay đổi của điện áp xoay chiều. - Xung phải có đủ công suất để đảm bảo xung mở được T 3.2. Cấu trúc mạch điều khiển 3.2.1. Các hệ điều khiển Có 2 hệ điều khiển: - Điều khiển không đồng bộ: Van là T và D - Điều khiển đồng bộ : Van chỉ có T 3.2.2. Nguyên tắc điều khiển Thường có 2 nguyên tắc điều khiển : thẳng đứng tuyến tính, thẳng đứng accos. 3.2.2.1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: Khi điện áp xoay chiều hình sin ( điện áp đồng pha U df ) đặt vào A của T. Để điều khiển góc mở α trong vùng điện áp dương của T cần tạo ra 1 điện áp tựa dạng xung răng cưa ( U rc ). Dùng điện áp điều khiển (U dk ) là điện áp 1 chiều so sánh với U rc . Tại điển U dk =U rc trong vùng điện áp dương cảu A thì phát xung điều khiển (X dk ). T sẽ mở tử góc α đến cuối bán kì hoặc là đến khi dòng bằng không 3.2.2.2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Accos: Tương tự như trên nhưng tại thời điểm U dk =U rc bộ so sánh sẽ lật trạng thái. Giả sử urc=U m cosωt=U m cosθ, chon tại thời điểm ωt=0 là thời điểm chuyển mạch tự nhiên thì khi θ=α ta có U m cosα=U dk ⇒ arccos dk m U U α = Khi U dk =U m thì α=0 U dk =0 thì 2 π α = U dk =-U m thì α=π Như vậy với việc điều chỉnh U dk từ -U m đến U m ta có thể điều chỉnh góc mở từ 0 π ⇒ Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009 Bài tập : Điện tử công suất 3.2.3. Sơ đồ khối mạch điều khiển Dựa vào đề bài và nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính ta lập được sơ đồ khối sau: + Khâu đồng pha (DF) Tạo điện áp trùng pha với điện áp thứ cấp của biến áp mạch lực và cách ly giữa điện áp cao phía mạch lực và mạch điều khiển điện áp thấp. + Tạo điện áp tựa ( điện áp răng cưa Urc) Tạo điện áp răng cưa có chu kì làm việc theo chu kỳ của điện áp đồng pha. + Khâu so sánh (SS) So sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau để phát xung điều khiển tức là xác định góc mở α + Khâu dạng xung (DX) Tạo ra xung phù hợp để mở chắc chắn van chỉnh lưu, hiện nay người ta thường sử dụng xung chùm. + Khâu khuếch đại xung (KĐX) Thường dùng biến áp xung nhằm khuếch đại tín hiệu xung và cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển. 3.3. Tính toán mạch điều khiển 3.3.1. Khâu đồng pha +Sơ đồ nguyên lý: Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009 Bài tập : Điện tử công suất - Điện áp đồng pha được so sánh với U 0 . Tại thời điểm bằng nhau của 2 điện áp đó thì đổi dấu điện áp ra của OA. - Điện áp U 0 : 0 . 1 E U VR VR = Với VR là phần biến trở phía như hình vẽ. Khi U df > U 0 : U db =E Khi U df < U 0 : U db =-E + Tính toán. D1, D2 là 2 điot chỉnh lưu thành điện áp 1 chiều. chọn điện áp 1 chiều U df =24V. Điện trở R1 làm tải chọn R1=10kΩ R2 hạn chế dòng vào OA. Thông thường I OA <1mA nên 2 3 24 24 10 − = = = Ω df OA U R k I Chọn R2=22kΩ Chọn góc duy trì và khóa năng lượng là θ=5 0 Điện áp đặt vào cực dương của bộ so sánh là: 24 2 sin 5 2,96 = = P U V Chọn VR1=50kΩ Ta có : 0 E .VR U VR1 15 .VR 2,96 50 VR 9,87k = = = Ω Đặt VR1 ở mức 40kΩ Chọn OA là TL084 có các thông số sau. E=15V P=680/1 cổng T=25-85 0 C Z in =10 12 Ω Tín hiệu ra OA1 ( Mô phỏng bằng Multisim 10.0.1) Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009 Bài tập : Điện tử công suất 3.3.2. Khâu tạo điện áp răng cưa (U rc ) + Sơ đồ nguyên lý. - Điện áp đồng bộ được đưa vào cửa đảo của OA. - Khi Udb<0 , khi đó D3 dẫn, tụ C1 nạp điện, điện áp trên tụ bằng điện áp đầu ra của OA. - Điện áp trên tụ được nạp tuyến tính đến giá trị U DZ1 và giữ nguyên ở giá trị đó. - Khi Udb>0 thì D3 khóa nên dòng qua D3 bằng 0. Tụ phóng điện, điện áp trên tụ C1 giảm tuyến tính về 0. Nhờ có Dz mà điện áp trên tụ giữ ở giá trị 0.(Nguồn E làm trung hòa điện áp giữa 2 bản cực của tụ). +Tính toán Khi Udb<0: Bình thường thiết kế VR2>>R3 nên ta có thể bỏ qua dòng qua VR2. Nên I 3 =I c . Ta có: ( ) ra c c 1 1 U U U 0 . c c c I i dt i dt t C C C = = + = = ∫ ∫ (Vì U c (0)=0) Chọn Dz loại: 1N4740A có Udz=10V, I=25mA Với tần số công nghiệp f = 50 Hz thì một nửa chu kỳ T = 10 ms. Chọn R3 và C1, sao cho tụ nạp đến điện áp Udz = 10V, trong thời gian tn = 9,5 ms thì tp = 0,5 ms. Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009 [...]... Chúng em mong được sự góp ý của thầy để chúng em hoàn thành tốt hơn trong những bài tập sau Chúng em xin thành cảm ơn! Hà nội 16/10/2009 Tài liệu tham khảo 1 Giáo trình điện tử công suất 2 Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất 3 Một số đồ án điện tử công suất 4 Website: - http://alldatasheet.com/ - http://www.dientuvietnam.net/ Nguyễn Bính Trần Văn Thịnh Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3... tập : Điện tử công suất Các dạng tín hiệu cơ bản tại các điểm quan trọng: Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009 Bài tập : Điện tử công suất Chú thích : 1- Tín hiệu SIN điện áp lưới pha A 2- Tín hiệu xung đồng bộ 3- Tín hiệu xung răng cưa 4- Tín hiệu điện áp điều khiển 5- Tín hiệu xung đồng bộ 6- Tín hiệu máy phát xung chùm 7,8- Tín hiệu xung vuông của điện áp lệch pha nhau 1800 điện 9,10-... điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009 Bài tập : Điện tử công suất Công suất của MBA kể đến hao tổn 5% trong MBA S=Pt+0,05Pt=1,05Pt=1,05.11,15 =11,71W Điện áp 1 chiều : U 2 = 0,9.U 2 xc = 0,9.24 = 21, 6V Dòng điện chạy qua cuộn dây thứ cấp I2 = Pt 11, 71 = = 0,54 A U 2 21, 6 Dòng điện sơ cấp MBA : I1 = 24 0,54 = 0, 059 A 220 Tiết điện trụ của MBA tính theo công thức: Qt = kQ S m f Trong đó: KQ=6 : hệ... điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009 Bài tập : Điện tử công suất Điện áp ngược cực đại : U=400V Dòng điện dịnh mức: Idm=1,6A Dòng điện đỉnh xung : I=15A Điện áp điều khiển : Ug=3V Dòng điện điều khiển : Ig=10mA Sụt áp : ∆U=1,1V Thời gian mở : tm=0,8µs Thời gian đóng td=10µs Độ rộng xung điều khiển : tx=1,6µs Dòng thứ cấp BAX là I2=10mA Điện áp thứ cấp BAX là U2=3+1,1 = 4,1V Chọn BAX có tỉ số... 2400 Sơ đồ mạch điều khiển Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009 Bài tập : Điện tử công suất Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009 Bài tập : Điện tử công suất Kết luận Sau một thời gian học tập trên lớp dưới sự chỉ bảo tận tình của thầy giáo Nguyễn Đăng Toàn, và tham khảo nhiều tài liệu khác Cho đến nay nhóm chúng em đã hoàn thành bài tập trong một thời gian ngắn nhất có... chiều 3 pha 16/10/2009 Bài tập : Điện tử công suất Tín hiệu ra OA3 ( Mô phỏng bằng Multisim 10.0.1) Để kích T người ta không cho trực tiếp xung này vào cực G mà phải tạo ra 1 xung kim để giảm công suất BAX Để tạo ra nó trước hết phải tạo ra xung chùm + Khuếch đại và biến áp xung (BAX) Sơ đồ: Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009 Bài tập : Điện tử công suất Hai tín hiệu X1, X4 được đưa... tập : Điện tử công suất 3.3.3 Khâu so sánh + Sơ đồ nguyên lý So sánh điện áp Urc và Udk, điểm cân bằng của 2 điện áp này là thời điểm mở T Khi Urc>Udk : điện áp ra khâu so sánh :Uss=E Khi Urc0: Tụ C1 phóng điện với dòng phóng Ip = E VR - Điện áp trên tụ giảm . Bài tập : Điện tử công suất BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ***KHOA ĐIỆN*** BÀI TẬP ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề bài Tính toán, thiết. tập : Điện tử công suất Điện áp ngược cực đại : U=400V Dòng điện dịnh mức: Idm=1,6A Dòng điện đỉnh xung : I=15A Điện áp điều khiển : Ug=3V Dòng điện điều