Báo cáo đồ án điện tử công suất

Báo cáo đồ án điện tử công suất chi tiết. Tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, kỹ sư điện. Tải ngay báo cáo mẫu chất lượng cao!

• Tác giả: Trần Hưng Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Điện Lực
• Chuyên ngành: Điện Tử Công Suất
• Đề tài: Hệ Chỉnh Lưu Điều Khiển - Động Cơ Một Chiều
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• 1. CHƯƠNG 1: HỆ CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
• 1.1. Giới thiệu mạch chỉnh lưu cầu một pha
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH LỰC
• 2.1. Tính chọn van bán dẫn
• 2.1.1. Tính chọn van theo dòng điện
• 2.1.2. Tính chọn van theo điện áp
• 2.2. Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu
• 2.3. Thiết kế cuộn kháng lọc
• 2.3.1. Xác định góc mở cực tiểu và cực đại
• 2.3.2. Xác định điện cảm cuộn kháng lọc
• 2.3.3. Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc
• 2.4. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực
• 2.4.1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn
• 2.4.2. Bảo vệ quá dòng điện cho van bán dẫn
• 2.4.3. Bảo vệ quá điện áp cho van bán dẫn
• 3. CHƯƠNG 3: Thiết kế mạch điều khiển
• 3.1. Tính toán các thông số của mạch điều khiển
• 3.1.1. Tính biến áp xung
• 3.1.2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng
• 3.1.3. Chọn tụ C2 và R6
• 3.1.4. Tính chọn tầng so sánh
• 3.1.5. Tính chọn khâu đồng pha
• 3.1.6. Tạo nguồn nuôi
• 3.1.7. Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha
• 4. CHƯƠNG 4: Mô phỏng đánh giá kết quả bằng phần mềm
• 4.1. Khâu đồng pha
• 4.2. Khâu tạo điện áp răng cưa
• 4.3. Khâu so sánh
• 4.4. Khâu khuyếch đại và biến áp xung
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LỜI NÓI ĐẦU

Tóm tắt

I. Tổng quan đồ án Điện tử Công suất chỉnh lưu động cơ DC

Đồ án Điện tử Công suất về hệ thống chỉnh lưu và động cơ một chiều (DC) là một chủ đề nền tảng và cốt lõi trong lĩnh vực kỹ thuật điện và tự động hóa. Hệ thống này, thường được gọi là hệ CL-Đ (Chỉnh lưu - Động cơ), thực hiện chức năng biến đổi điện năng xoay chiều (AC) từ lưới điện thành điện năng một chiều (DC) có thể điều chỉnh được. Mục tiêu chính là cung cấp nguồn cho phần ứng của động cơ một chiều kích từ độc lập, qua đó thực hiện việc điều khiển tốc độ động cơ DC một cách chính xác và hiệu quả. So với các phương pháp điều khiển truyền thống, hệ thống sử dụng bộ biến đổi AC-DC bán dẫn mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như hiệu suất cao, tác động nhanh, kết cấu gọn nhẹ, và dễ dàng tích hợp vào các hệ thống tự động hóa công nghiệp. Các linh kiện công suất chủ chốt như Thyristor (SCR) hoặc Diode công suất đóng vai trò như những công tắc điện tử, cho phép điều chỉnh giá trị điện áp trung bình ra tải bằng phương pháp điều khiển góc kích alpha. Đồ án này không chỉ tập trung vào lý thuyết mà còn đi sâu vào việc tính toán, thiết kế và mô phỏng toàn bộ hệ thống, từ mạch lực chịu tải chính đến mạch điều khiển tạo tín hiệu kích, tạo thành một giải pháp hoàn chỉnh và có tính ứng dụng cao.

1.1. Giới thiệu hệ chỉnh lưu điều khiển và động cơ một chiều

Hệ thống chỉnh lưu điều khiển - động cơ một chiều là một hệ truyền động điện kinh điển, có nhiệm vụ biến đổi năng lượng điện để điều khiển các thông số cơ học của động cơ. Cốt lõi của hệ thống là bộ biến đổi AC-DC, cụ thể trong đồ án này là mạch chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển. Bộ biến đổi này nhận điện áp xoay chiều từ máy biến áp và nắn thành điện áp một chiều cung cấp cho phần ứng động cơ. Giá trị điện áp một chiều này có thể thay đổi được bằng cách điều chỉnh thời điểm kích mở các van bán dẫn công suất, điển hình là Thyristor (SCR). Nguyên lý cơ bản dựa trên việc thay đổi điện áp phần ứng để điều chỉnh tốc độ, trong khi giữ từ thông kích từ không đổi. Ưu điểm của phương pháp này là dải điều chỉnh tốc độ rộng và đặc tính cơ của động cơ giữ được độ cứng, giúp ổn định tốc độ tốt khi tải thay đổi.

1.2. Vai trò của Thyristor SCR trong mạch chỉnh lưu

Thyristor (SCR) là linh kiện bán dẫn công suất giữ vai trò trung tâm trong các mạch chỉnh lưu có điều khiển. Khác với Diode chỉ cho dòng điện đi qua một chiều khi được phân cực thuận, Thyristor cần thêm một điều kiện nữa để dẫn điện: một xung dương đặt vào cực điều khiển (Gate). Thời điểm xuất hiện xung này trong nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn sẽ quyết định góc mở alpha (α). Bằng cách thay đổi góc alpha từ 0 đến 180 độ, giá trị điện áp trung bình trên tải sẽ thay đổi tương ứng. Đây chính là cơ chế của phương pháp điều khiển pha. Khi Thyristor đã được kích dẫn, nó sẽ tiếp tục dẫn cho đến khi dòng điện qua nó giảm xuống dưới giá trị dòng duy trì (Ih) hoặc khi điện áp Anode-Cathode bị phân cực ngược. Chính khả năng "khóa" và "mở" có kiểm soát này đã làm cho Thyristor trở thành linh kiện lý tưởng cho các ứng dụng điều khiển công suất lớn.

II. Thách thức cốt lõi khi thiết kế đồ án chỉnh lưu DC

Việc thực hiện một báo cáo đồ án điện tử công suất hoàn chỉnh đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật đòi hỏi sự tính toán chính xác và hiểu biết sâu sắc. Thách thức lớn nhất nằm ở việc thiết kế đồng bộ và chính xác hai thành phần chính: mạch lực và mạch điều khiển. Đối với mạch lực, việc lựa chọn van bán dẫn (Thyristor, Diode) không chỉ dựa trên dòng điện và điện áp định mức mà còn phải xem xét đến điều kiện tản nhiệt và các cơ chế bảo vệ. Các sự cố như quá dòng, quá áp có thể phá hủy linh kiện công suất ngay lập tức. Thêm vào đó, điện áp sau chỉnh lưu luôn tồn tại các thành phần sóng hài bậc cao, gây ra tổn hao phụ và ảnh hưởng xấu đến cổ góp của động cơ. Điều này đòi hỏi phải thiết kế một mạch lọc đầu ra (LC, C) hiệu quả để làm phẳng dòng điện. Về phía mạch điều khiển, thách thức nằm ở việc tạo ra các xung kích có độ rộng, biên độ và thời điểm chính xác để mở Thyristor, đồng thời phải đảm bảo tính đối xứng và đồng bộ với điện áp lưới. Bất kỳ sai lệch nào trong mạch điều khiển cũng có thể dẫn đến hoạt động sai của mạch lực, gây mất ổn định cho toàn hệ thống.

2.1. Vấn đề bảo vệ quá dòng và quá áp cho van bán dẫn

Bảo vệ các linh kiện công suất là yêu cầu bắt buộc trong thiết kế mạch lực. Quá áp có thể xuất phát từ lưới điện hoặc do quá trình chuyển mạch của chính các linh kiện bán dẫn. Để khắc phục, các mạch R-C (snubber) thường được mắc song song với Thyristor (SCR) để dập tắt các đỉnh điện áp đột ngột. Vấn đề quá dòng nguy hiểm hơn, thường xảy ra khi ngắn mạch tải hoặc khởi động động cơ. Giải pháp bảo vệ bao gồm sử dụng cầu chì tác động nhanh (fast-acting fuse) và aptomat. Dựa trên tài liệu gốc, việc tính toán và lựa chọn các thiết bị bảo vệ được thực hiện chi tiết, ví dụ như chọn aptomat NF30-CS và các nhóm cầu chì 3A, 5A dựa trên dòng làm việc tính toán. Đây là bước quan trọng để đảm bảo tuổi thọ và độ tin cậy của hệ thống.

2.2. Yêu cầu về đồng bộ và tạo xung cho mạch điều khiển

Mạch điều khiển là bộ não của hệ thống, có nhiệm vụ tạo ra các xung kích chính xác để điều khiển mạch lực. Một trong những yêu cầu quan trọng nhất là đồng bộ pha. Mạch điều khiển phải xác định được chính xác thời điểm điện áp lưới đi qua điểm 0 để làm mốc tính toán cho điều khiển góc kích alpha. Khâu đồng pha thường sử dụng biến áp và mạch so sánh để tạo ra tín hiệu vuông đồng bộ với lưới. Từ tín hiệu này, các khâu tiếp theo như tạo điện áp răng cưa, so sánh với điện áp điều khiển (tín hiệu đặt tốc độ), và khuếch đại xung sẽ hoạt động. Bất kỳ sự trôi pha hay nhiễu nào trong khâu đồng pha đều dẫn đến góc kích α bị sai lệch, gây ra dòng một chiều trong biến áp lực hoặc làm hệ thống hoạt động không ổn định.

III. Hướng dẫn thiết kế mạch lực cho bộ chỉnh lưu động cơ

Thiết kế mạch lực là bước nền tảng, quyết định khả năng chịu tải và độ bền của toàn bộ đồ án. Quá trình này bao gồm ba phần chính: lựa chọn van công suất, thiết kế máy biến áp, và tính toán cuộn kháng lọc. Việc chọn van bán dẫn, cụ thể là Thyristor (SCR), phải dựa trên hai thông số quan trọng: dòng điện hiệu dụng và điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu đựng. Theo tài liệu phân tích, với động cơ công suất 170W, dòng phần ứng 3A, thyristor 2N4201 (Idmv = 5A, Udmv = 500V) được lựa chọn với hệ số dự trữ an toàn. Tiếp theo, máy biến áp lực cần được tính toán để cung cấp đủ công suất biểu kiến và điện áp thứ cấp phù hợp. Các thông số như tiết diện lõi thép, số vòng dây sơ cấp và thứ cấp đều được tính toán chi tiết để đảm bảo hiệu suất và tránh bão hòa từ. Cuối cùng, để giảm độ nhấp nhô của dòng điện phần ứng, việc thiết kế một cuộn kháng lọc là bắt buộc. Điện cảm của cuộn kháng được tính toán để hạn chế thành phần sóng hài, đặc biệt là khi hệ thống hoạt động ở góc mở lớn, giúp bảo vệ động cơ và cải thiện đặc tính cơ của động cơ.

3.1. Phương pháp tính chọn Thyristor và Diode công suất

Việc lựa chọn Thyristor (SCR) và Diode công suất phải tuân thủ nguyên tắc an toàn về dòng và áp. Dòng điện làm việc của van được tính dựa trên dòng điện hiệu dụng qua van trong sơ đồ cụ thể. Với mạch chỉnh lưu cầu 1 pha, dòng hiệu dụng qua mỗi van bằng Id / sqrt(2). Tài liệu gốc tính toán ra Ihd = 2,12A. Sau khi nhân với hệ số dự trữ do điều kiện tản nhiệt (kI = 2), dòng định mức của van cần chọn là Idmv = 4,24A. Về điện áp, điện áp ngược lớn nhất van phải chịu là Ulv = sqrt(2) * U2. Tương tự, sau khi nhân với hệ số dự trữ điện áp (kdtU = 2), điện áp định mức cần chọn là Udmv = 361,41V. Từ các thông số này, Thyristor 2N4201 với Idmv = 5A và Udmv = 500V là một lựa chọn hoàn toàn phù hợp.

3.2. Quy trình tính toán và thiết kế máy biến áp lực

Máy biến áp không chỉ hạ áp mà còn cách ly giữa lưới điện và tải. Quá trình thiết kế bắt đầu bằng việc xác định công suất biểu kiến Sba = ks * Pdmax. Sau đó, điện áp thứ cấp U2 được tính toán dựa trên điện áp yêu cầu của động cơ, có tính đến sụt áp trên van và trên chính biến áp. Từ các thông số công suất và điện áp, các bước tiếp theo bao gồm: tính toán tiết diện trụ lõi thép (QFe), xác định số vòng dây sơ cấp (w1) và thứ cấp (w2), và tính tiết diện dây dẫn. Mỗi bước đều cần được chuẩn hóa theo các tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo máy biến áp hoạt động ổn định, không quá nhiệt và có hiệu suất cao. Việc tính toán chi tiết kết cấu dây quấn và kích thước mạch từ như trong tài liệu gốc là minh chứng cho một thiết kế chuyên nghiệp.

IV. Bí quyết thiết kế mạch điều khiển chỉnh lưu tối ưu nhất

Mạch điều khiển đóng vai trò quyết định đến chất lượng điều khiển của toàn hệ thống. Một mạch điều khiển tốt phải tạo ra các xung kích tin cậy, đồng bộ và có khả năng điều chỉnh góc kích một cách tuyến tính. Cấu trúc của mạch điều khiển thường bắt đầu từ khâu đồng pha, sử dụng một biến áp phụ để lấy tín hiệu điện áp lưới. Tín hiệu này sau đó được đưa qua mạch phát hiện điểm không (zero-crossing detector) để tạo ra một chuỗi xung đồng bộ. Tiếp theo là khâu tạo điện áp răng cưa, được reset tại mỗi điểm không. Điện áp răng cưa này được so sánh với một điện áp điều khiển DC (Uđk) – tín hiệu đại diện cho tốc độ mong muốn. Thời điểm mà điện áp răng cưa bằng với Uđk chính là thời điểm tạo ra xung kích. Xung này sau đó được khuếch đại và cách ly thông qua biến áp xung trước khi đưa đến cực Gate của Thyristor (SCR). Việc sử dụng các khuếch đại thuật toán như TL084 cho các khâu so sánh và tạo điện áp tựa là một lựa chọn phổ biến nhờ độ chính xác và ổn định cao.

4.1. Thiết kế khâu đồng pha và tạo điện áp răng cưa

Khâu đồng pha là trái tim của việc điều khiển góc kích alpha. Nhiệm vụ của nó là tạo ra một tín hiệu tham chiếu thời gian, đồng bộ tuyệt đối với điện áp nguồn AC. Trong thiết kế được phân tích, khâu này sử dụng biến áp và một khuếch đại thuật toán (A1) hoạt động như một mạch so sánh để tạo ra một sóng vuông có sườn lên/xuống trùng với thời điểm điện áp lưới qua 0. Tín hiệu vuông này điều khiển một transistor (Tr1) để xả/nạp một tụ điện (C1), qua đó tạo ra một điện áp dạng răng cưa tuyến tính. Độ dốc của điện áp răng cưa được quyết định bởi hằng số thời gian nạp (R3C1), ảnh hưởng trực tiếp đến dải điều khiển tốc độ động cơ DC.

4.2. Nguyên lý hoạt động khâu so sánh và biến áp xung

Sau khi có điện áp răng cưa đồng bộ, khâu so sánh (sử dụng KĐTT A2) sẽ so sánh nó với điện áp điều khiển Uđk. Khi điện áp răng cưa vượt qua Uđk, đầu ra của KĐTT sẽ thay đổi trạng thái, tạo ra một sườn xung. Sườn xung này chính là tín hiệu logic để kích hoạt tầng khuếch đại cuối cùng. Tầng này thường là một transistor công suất nhỏ, có nhiệm vụ cung cấp đủ dòng để điều khiển cuộn sơ cấp của biến áp xung. Biến áp xung thực hiện hai chức năng quan trọng: cách ly điện áp cao của mạch lực và điện áp thấp của mạch điều khiển, đồng thời phối hợp trở kháng để truyền năng lượng xung một cách hiệu quả nhất đến cực Gate của Thyristor. Việc tính toán số vòng dây và chọn lõi ferit cho biến áp xung là rất quan trọng để đảm bảo xung ra có biên độ và độ rộng đủ để kích mở Thyristor một cách chắc chắn.

V. Cách mô phỏng và đánh giá kết quả đồ án động cơ DC

Trước khi thi công mạch thực tế, mô phỏng là một bước không thể thiếu để kiểm tra, đánh giá và hiệu chỉnh thiết kế. Các phần mềm chuyên dụng như mô phỏng Matlab Simulink hay mô phỏng Proteus cung cấp một môi trường mạnh mẽ để xây dựng lại toàn bộ hệ thống, từ sơ đồ nguyên lý của mạch lực đến các khối chức năng của mạch điều khiển. Quá trình mô phỏng cho phép quan sát các dạng sóng điện áp, dòng điện tại bất kỳ điểm nào trong mạch, điều mà rất khó thực hiện trên mạch thật. Kỹ sư có thể kiểm tra xem dạng sóng điện áp răng cưa có tuyến tính không, xung kích có được tạo ra đúng thời điểm hay không, và dòng điện qua động cơ có được làm phẳng bởi cuộn kháng lọc hay không. Dựa trên tài liệu phân tích, các kết quả mô phỏng đồ thị điện áp đồng pha, điện áp răng cưa, và xung ra từ biến áp xung đã xác nhận rằng các khâu trong mạch điều khiển hoạt động đúng như lý thuyết tính toán. Mô phỏng cũng giúp phát hiện sớm các lỗi thiết kế tiềm ẩn, giảm thiểu rủi ro và chi phí khi chế tạo sản phẩm thực tế.

5.1. Sử dụng Matlab Simulink để phân tích hệ thống

Mô phỏng Matlab Simulink là công cụ lý tưởng cho các hệ thống điện tử công suất và điều khiển. Người dùng có thể kéo-thả các khối chức năng từ thư viện Simscape Electrical như nguồn AC, máy biến áp, chỉnh lưu cầu (Universal Bridge), động cơ DC, và các khối điều khiển. Điều này cho phép xây dựng mô hình hệ thống một cách trực quan. Ưu điểm lớn của Simulink là khả năng phân tích chính xác các thông số hệ thống, quan sát dạng sóng và thực hiện các phân tích phổ để đánh giá thành phần sóng hài. Kỹ sư có thể dễ dàng thay đổi các tham số như góc kích α, giá trị tải của động cơ để xem xét đáp ứng của hệ thống trong các điều kiện vận hành khác nhau, từ đó tinh chỉnh các bộ điều khiển để đạt được hiệu suất tối ưu.

5.2. Đánh giá kết quả mô phỏng so với tính toán lý thuyết

Mục tiêu cuối cùng của mô phỏng là xác nhận các tính toán lý thuyết. Sau khi chạy mô phỏng, các kết quả thu được như giá trị trung bình của điện áp ra, dạng sóng dòng điện qua tải, biên độ và độ rộng xung điều khiển cần được so sánh với các giá trị đã tính toán trong các chương thiết kế. Ví dụ, đồ thị từ khâu so sánh phải cho thấy xung được tạo ra tại đúng thời điểm giao nhau giữa điện áp răng cưa và điện áp điều khiển. Đồ thị điện áp ra tải phải có dạng đặc trưng của mạch chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển. Sự tương đồng giữa kết quả mô phỏng và lý thuyết là một bằng chứng mạnh mẽ cho thấy bản thiết kế là chính xác và khả thi để tiến hành thi công mạch thực tế.

VI. Kết luận và hướng phát triển cho đồ án điện tử công suất

Đồ án "Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển cho phần ứng của động cơ một chiều kích từ độc lập" đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra. Từ việc phân tích lý thuyết, lựa chọn linh kiện, tính toán chi tiết cho mạch lực và mạch điều khiển, đến việc xác nhận lại bằng mô phỏng Matlab Simulink, đồ án đã chứng minh một giải pháp toàn diện và khả thi cho bài toán điều khiển tốc độ động cơ DC. Hệ thống sử dụng Thyristor (SCR) và phương pháp điều khiển pha là một giải pháp kinh điển, hiệu quả và có chi phí hợp lý cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và vi điều khiển, nhiều hướng phát triển mới có thể được áp dụng để nâng cao chất lượng và hiệu suất của hệ thống. Các cải tiến có thể tập trung vào việc số hóa mạch điều khiển, sử dụng các linh kiện công suất hiện đại hơn, hoặc tích hợp các thuật toán điều khiển thông minh để cải thiện khả năng ổn định tốc độ và tiết kiệm năng lượng, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng lớn hơn trong tương lai.

6.1. Đánh giá ưu và nhược điểm của giải pháp thiết kế

Ưu điểm lớn nhất của giải pháp sử dụng chỉnh lưu có điều khiển bằng SCR là sự đơn giản, độ tin cậy cao và khả năng chịu được dòng và áp lớn. Mạch điều khiển analog, mặc dù cổ điển, nhưng dễ hiểu và dễ sửa chữa. Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống này là chất lượng điện áp ra chưa cao, còn chứa nhiều sóng hài, đòi hỏi mạch lọc đầu ra cồng kềnh. Hệ số công suất của hệ thống thấp, đặc biệt khi hoạt động với góc kích lớn. Ngoài ra, hệ thống chỉ hoạt động ở chế độ chỉnh lưu, không có khả năng hãm tái sinh, tức là không thể trả năng lượng ngược về lưới khi động cơ hoạt động ở chế độ hãm.

6.2. Hướng nghiên cứu Sử dụng IGBT và điều khiển số

Để khắc phục các nhược điểm trên, hướng phát triển tương lai có thể tập trung vào hai lĩnh vực chính. Thứ nhất, thay thế Thyristor (SCR) bằng các linh kiện đóng cắt hiện đại hơn như IGBT hoặc MOSFET công suất. Các linh kiện này có tần số đóng cắt cao hơn nhiều, cho phép sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) để tạo ra điện áp ra có chất lượng tốt hơn, giảm đáng kể kích thước bộ lọc và cải thiện hệ số công suất. Thứ hai, thay thế mạch điều khiển analog bằng điều khiển số sử dụng vi điều khiển (MCU) hoặc DSP. Điều khiển số mang lại sự linh hoạt vượt trội, cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển phức tạp như PID để ổn định tốc độ chính xác hơn, dễ dàng giao tiếp với các hệ thống giám sát và có thể thực hiện các chức năng cao cấp như đảo chiều động cơ DC và hãm tái sinh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: HỆ CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN - ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU Hệ chỉnh lưu điều khiển - động cơ một chiều (CL-Đ) thực hiện điều khiển động cơ theo nguyên lý thay đổi điện áp phần ứng. Ở đây bộ biến đổi là chỉnh lưu bán dẫn, biến đổi trực tiếp điện năng xoay chiều thành một chiều không qua khâu trung gian nào, do đó nó nhiều ưu điểm như kết cấu nhẹ, không đòi hỏi nền móng, không gây tiếng ồn, hiệu suất cao, hệ số khuếch đại công suất lớn, độ tác động nhanh cao, thuận tiện cho việc tự động hoá. Sơ đồ nguyên lý Hình trên đưa ra một sơ đồ nguyên lý đơn giản củ a hệ CL-Đ không đảo chiều, gồm bộ chỉnh lưu một pha có các van tiristo T 1, T2, T3, T4 nối hình cầu, máy biến áp BA một pha và cuộn kháng lọc CK cấp điện cho phần ứng của động cơ kích từ độc lập Đ. Bộ chỉnh lưu tạo ra điện áp một chiều Ud có cực tính không đổi như trên hình vẽ.

Dòng điện một chiều Iư cũng chỉ có thể chảy theo m ột chiều (thu ận chiều van bán d ẫn), nên h ệ này đượ c gọi là hệ không đảo chiều, hoặc h ệ không thuận nghịch. Giới thiệu mạch chỉnh lưu cầu một pha Hình 1. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha Nguyên tắc điều khiển các thyristor ở đây là: trong nửa chu kỳ (UAB > 0) điện áp anot của thyristor T1 dương (catot T2 âm), nếu có xung điều khiển cho cả hai van T1, T2 đồng thời thì các van này sẽ được dẫn để đặt điện áp lưới lên tải. Điện áp tải một chiều còn trùng với điện áp xoay chiều chừng nào các thyristor còn dẫn (khoảng dẫn của các thyristor phụ thuộc vào tính chất của tải).

Đến nửa chu kỳ sau, điện áp đổi dấu (UAB < 0) anot của thyristor T3 dương (catot T4 âm), nếu có xung điều khiển cho cả hai van T3, T4 đồng thời thì các van này sẽ được dẫn để đặt điện áp lưới lên tải, với điện áp một chiều trên tải có chiều trùng với nửa chu kỳ trước. Chỉnh lưu cầu một pha được sử dụng rộng rãi trong thực tế, nhất là với cấp điện áp ra từ 10V trở lên. Dòng tải có thể lên tới 100 A. Về ưu điểm: - Không nhất thiết cần có biến áp nguồn.

Về nhược điểm: - Sụt áp trong mạch van lớn. - Số lượng van dẫn gấp đôi sơ đồ hình tia - Không phù hợp cho tải có dòng ra lớn nhưng điện áp ra nhỏ. 6 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH LỰC Thông số động cơ P = 170W; Uu = 115V; Iu = 3A; p = 2; nđm = 955v/p. Hiệu suất động cơ: 170 = = 0,4 115.3 Điện trở phần ứng động cơ: U 115 Ru = 0,5.(1− 0,49) = 9,72  Idm 3 Điện cảm phần ứng động cơ: U dm.

Tính chọn van bán dẫn Hai thông số cần quan tâm nhất khi chọn van bán dẫn cho chỉnh lưu là điện áp và dòng điện, các thông số còn lại là những thông số tham khảo khi lựa chọn. Khi đã đáp ứng được hai thống số cơ bản trên các thống số còn lại có thể tham khảo theo gợi ý sau: - Loại van nào có sụt áp nhỏ hơn sẽ có tổn hao nhiệt ít hơn. - Nhiệt độ cho phép của van nào cao hơn thì khả năng chịu nhiệt tốt hơn. - Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơn, công suất điều khiển thấp hơn.

- Loại van nào có thời gian chuyển mạch bé hơn sẽ nhạy hơn. Tuy nhiên, trong đó số các van bán dẫn, thời gian chuyển mạch thường tỷ lệ nghịch với tổn hao công suất. Các van động lực được lựa chọn dựa vào các yếu tố: dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện tỏa nhiệt và điện áp làm việc. Tính chọn van theo dòng điện Dòng điện làm việc của van thường được chọn theo dòng điện chạy qua tải thường xác định là dòng hiệu dụng theo sơ đồ đã chọn.

Dòng điện hiệu dụng chạy qua van bán dẫn là: I 3 I hd =k hd. I d = d = =2,12 (A 2 2 Trong đó: Ihd, Id - Dòng hiệu dụng của van và dòng điện tải; khd – Hệ số xác định dòng điện hiệu dụng, với sơ đồ cầu một pha 1 khd =. 2 Để van bán dẫn có thể làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, cần phải chọn và thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lí. Theo điều kiện tỏa nhiệt đã được chọn, tiến hành tính thông số dòng điện định mức của van cần chọn đó.

Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tỏa nhiệt và đầy đủ diện tích tỏa nhiệt, có quạt đối lưu không khí, với điều kiện đó dòng điện định mức của van cần chọn: I dmv =k I .2,12 = 4, 24A Trong đó: kI là hệ số xét tới điều kiện tỏa nhiệt vankI( = 2). Tính chọn van theo điện áp Điện áp ngược của van bán dẫn được tính: U lv =k nvU2 Với U 2 =U d / kU thay vào ta được: U 115 U lv = knv. = 180,71V kU 0,9 8 Trong đó: Ud, U2, Ulv – điện áp tải, điện áp nguồn xoay chiều, điện áp ngược của van. knv, kU – các hệ số điện áp ngược và điện áp tải, với sơ đồ cầu một pha knv = 2 ; kU = 0,9 Để có thể chọn van theo điện áp hợp lí, thì điện áp ngược của van cần chọn phải lớn hơn điện áp lầm việc qua một hệ số dự trữ kdtU: Điện áp định mức của van bán dẫn được chọn: U dmv =k dtU.180,71 = 361,41 V Trong đó: kdtU – hệ số dự trữ điện áp thường chọn kdtU > 1,6.

Trong bài ta chọn kdtU = 2. Thyristor mắc vào lưới điện xoay chiều 50 Hz nên thời gian chuyển mạch của thyristor ảnh hưởng không lớn đến việc chọn thyristor. Từ các thông số trên ta chọn thyristor loại 2N4201 có các thông số: Điện áp ngược cực đại của van:U dmv = 500V Dòng điện định mức của van:I dmv = 5A Đỉnh xung dòng điện: I pik = 100A Dòng điện của xung điều khiển: I dk = 0,1A Điện áp của xung điều khiển:U dk = 2V Dòng điện tự giữ: I h =3 mA Dòng điện rò: I r =2 mA Sụt áp lớn nhất của thyristor khi dẫn: U =2,6V 9 dU Tốc độ biến thiên điện áp: =250 V / s dt Thời gian chuyển mạch:tcm = 20 s Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép:Tmax = 100C o 2. Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu Chọn máy biến áp một pha làm mát bằng không khí tự nhiên.

Tính các thông số cơ bản: 1. Công suất biểu kiến của máy biến áp: Sba =ks.3 = 424,35VA Trong đó: Sba – Công suất biểu kiến của máy biến áp (VA). ks – hệ số công suất theo sơ đồ mạch lực, với sơ đồ cầu một pha ks =1,23 Pdmax – Công suất cực đại của tải (W). Điện áp sơ cấp của máy biến áp: U1 =380V 3.

Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp: (Điện áp chỉnh lưu không tải) U do. U v +  Udn +  U ba Trong đó:  min = 10o – góc dự trữ khi có sự suy giảm điện áp lưới. U =2,6 V - là sụt áp trên thyristor. U dn  0 - là sụt áp trên dây nối.

10 U ba = U r + U x - là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp. Những đại lượng này khi chọn sơ bộ vào khoảng U d - điện áp chỉnh lưu. Chọn sơ bộ: U ba = 5%.115= 5,75 V Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có: U d + 2.2,6 + +0 5,75 U do = = = 128,5 V cos min cos10o Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp: U do 128,52 U2 p = = = 142,8 V ku 0,9 Trong đó: kU – hệ số điện áp chỉnh lưu. Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp: 2 2 I2 = I =.

Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp: U2 142,8 I1 = kba I2 =. Tính toán sơ bộ mạch từ: Tiết diện trụ của lõi thép biến áp tính theo công thức: Sba QFe = k Q cm2 m. f Trong đó: 11 Sba – Công suất biểu kiến của máy biến áp (VA). kQ – hệ số phụ thuộc phương thức làm mát.

kQ = 4  5 nếu là biến áp dầu; kQ =5 6 nếu là biến áp khô; m - là số pha của máy biến áp. f - là tần số nguồn điện xoay chiều f = 50 Hz. Tiết diện trụ của lõi thép biến áp khô với f = 50 Hz tính theo công thức: 424,35 QFe =6 =17,48 cm 2 1.50 Đường kính trụ: 4.17,48 d= = = 4,72cm   Chuẩn hóa đường kính trụ theo tiêu chuẩn d = 5 cm. Chọn loại thép E330 các lá thép có độ dày 0,5 mm Chọn mật độ từ cảm của trụBt =1T h Chọn tỷ số m= = 2,3 h= 2,3.5= 11,5cm d Ta chọn chiều cao trụ là 12 cm.

Tính toán dây quấn biến áp Thông số các cuộn dây cần tính bao gồm số vòng dây và kích thước dây. Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp: U1 380 w1 = = 4− = 979,2 vòng 4,44.1 12 `Lấy tròn w1 = 980 vòng. Trong đó: W1 – số vòng dây của cuộn sơ cấp. U1 – điện áp của cuộn sơ cấp.

f - là tần số nguồn điện xoay chiều f = 50 Hz. QFe – tiết diện lõi thép (cm2). Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp: U2 142,8 w2 = w= .980= 368,2vòng U 1 1 380 `Lấy tròn w2 = 368 vòng. Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọnJ1 =J2 2,75 = 2 A/ mm Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp: I 1 0,92 S1 = = = 0,33 mm 2 J1 2,75 Trong đó: I1 – dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp (A).

J1 – mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp thường chọn2  2,75[ 2 A / mm Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B. Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: = S1 1,72 2 mm 13 Kích thước dây dẫn có kể cách điện:S1cd =a1.2,1 mm 2 Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp: I 0,92 J1 = 1 = = 0,54 / 2 A mm S1 1,72 Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp: I 2 2,45 S2 = = = 0,89mm 2 J 2 2,75 Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B. Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: = S2 1,72 2 mm Kích thước dây dẫn có kể cách điện:S2 cd =a2.