Đề tài thiết kế và thi công bộ chỉnh lưu 1 pha kép - ĐH SPKT TPHCM

Nghiên cứu chi tiết đề tài thiết kế và thi công bộ chỉnh lưu 1 pha kép. Phân tích nguyên lý hoạt động, sơ đồ mạch điều khiển và kết quả thử nghiệm thực tế.

• Tác giả: Hoàng Ngọc Văn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện - Điện tử
• Đề tài: Thiết kế và thi công bộ chỉnh lưu 1 pha kép
• Loại tài liệu: Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế bộ chỉnh lưu 1 pha kép

Bộ chỉnh lưu 1 pha kép là hệ thống điện tử công suất chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC) với khả năng đảo chiều dòng điện tải. Thiết bị này sử dụng hai mạch chỉnh lưu cầu độc lập hoạt động xen kẽ theo chu kỳ, cho phép điều khiển góc kích SCR linh hoạt. Bộ chỉnh lưu kép 1 pha thường được ứng dụng trong các phòng thí nghiệm điện tử công suất, hệ thống điều khiển động cơ DC và nghiên cứu mạch công suất. Điểm đặc trưng của bộ chỉnh lưu kép là khả năng điều khiển chính xác dòng điện đầu ra thông qua xung điều khiển đồng bộ, đảm bảo hiệu suất chuyển đổi cao. Thiết kế bao gồm khối công suất (SCR, diode) và khối điều khiển (tạo xung, hồi tiếp).

1.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản

Nguyên lý hoạt động dựa trên sự phối hợp giữa hai mạch chỉnh lưu cầu 1 pha sử dụng SCR. Trong nửa chu kỳ dương, SCR1 dẫn dòng qua tải, trong nửa chu kỳ âm, SCR2 dẫn dòng theo chiều ngược lại. Xung điều khiển cấp cho các SCR được tạo ra bởi mạch tạo xung đồng bộ, đảm bảo góc kích phù hợp với yêu cầu điều khiển. Hệ thống hồi tiếp ổn định điện áp đầu ra bằng cách điều chỉnh góc kích dựa trên tín hiệu phản hồi. Tốc độ đáp ứng và độ chính xác phụ thuộc vào chất lượng mạch điều khiển và đặc tính SCR.

1.2. Ứng dụng trong giáo dục và nghiên cứu

Bộ chỉnh lưu 1 pha kép được sử dụng rộng rãi trong giảng dạy môn điện tử công suất tại các trường đại học kỹ thuật. Thiết bị giúp sinh viên trực quan hóa quá trình chỉnh lưu, khảo sát đặc tuyến V-A của SCR và phân tích hiệu suất mạch. Ngoài ra, bộ thí nghiệm này còn hỗ trợ nghiên cứu về điều khiển động cơ DC, hệ thống bù công suất phản kháng và phân tích sóng hài. Khả năng đảo chiều dòng điện giúp mô phỏng các chế độ vận hành thực tế của hệ thống điện công nghiệp.

II. Phân tích vấn đề trong thiết kế bộ chỉnh lưu 1 pha kép

Thiết kế bộ chỉnh lưu 1 pha kép gặp nhiều thách thức kỹ thuật như xung nhiễu tín hiệu, quá trình chuyển mạch không đồng bộ và hiện tượng sụt áp trên tải. Các vấn đề thường gặp bao gồm méo dạng sóng đầu ra do góc kích không đều, tổn hao công suất trên SCR khi hoạt động ở chế độ nghịch lưu, và khó khăn trong việc ổn định điện áp đầu ra trước sự thay đổi tải. Đặc biệt, mạch điều khiển cần đảm bảo xung kích đồng bộ chính xác để tránh hiện tượng ngắn mạch giữa các SCR. Ngoài ra, thiết kế cơ khí phải đáp ứng yêu cầu tản nhiệt hiệu quả cho các linh kiện công suất.

2.1. Ảnh hưởng của nhiễu tín hiệu

Nhiễu tín hiệu trong mạch điều khiển gây ra bởi các nguồn bên ngoài hoặc do sắp xếp bố trí linh kiện không hợp lý. Nhiễu có thể làm thay đổi góc kích SCR, dẫn đến méo dạng sóng đầu ra hoặc gây ra hiện tượng ngắn mạch. Để khắc phục, cần sử dụng các biện pháp che chắn tín hiệu, lọc nhiễu bằng tụ điện và bố trí mạch in hợp lý. Các mạch tạo xung cần có khả năng chống nhiễu cao, chẳng hạn sử dụng IC ổn định như 555 hoặc vi điều khiển với thuật toán lọc nhiễu.

2.2. Khó khăn trong điều khiển góc kích

Điều khiển góc kích SCR đòi hỏi độ chính xác cao để đảm bảo hiệu suất chuyển đổi tối ưu. Các phương pháp truyền thống sử dụng biến trở hoặc mạch RC gặp khó khăn trong việc điều chỉnh linh hoạt. Hơn nữa, sự không đồng bộ giữa xung kích và tín hiệu AC gây ra hiện tượng trùng dẫn, làm giảm tuổi thọ SCR. Giải pháp sử dụng vi điều khiển với thuật toán điều khiển vòng kín (PID) giúp cải thiện độ chính xác và ổn định. Hệ thống cần có cơ chế phát hiện lỗi để cảnh báo khi xảy ra sự cố.

III. Phương pháp thiết kế và thi công bộ chỉnh lưu 1 pha kép

Quy trình thiết kế bắt đầu từ việc xác định thông số kỹ thuật như điện áp vào, dòng tải tối đa và dải điều chỉnh góc kích. Khối công suất sử dụng hai cầu SCR 1 pha với diode tắt nhanh để đảm bảo quá trình chuyển mạch sạch. Khối điều khiển bao gồm mạch tạo xung sử dụng vi điều khiển ATmega328P, kết hợp với mạch hồi tiếp điện áp để ổn định đầu ra. Thi công bao gồm lắp ráp linh kiện trên mạch in, kiểm tra thông mạch và hiệu chỉnh thông số. Quá trình thử nghiệm bao gồm đo dạng sóng đầu ra, khảo sát đặc tuyến và đánh giá hiệu suất chuyển đổi.

3.1. Lựa chọn linh kiện và sơ đồ mạch

Lựa chọn SCR phụ thuộc vào dòng tải và điện áp định mức, thường sử dụng các linh kiện có dòng định mức 10A-20A và điện áp 600V-1200V. Diode tắt nhanh dùng để ngăn chặn dòng ngược, lựa chọn diode có thời gian phục hồi nhanh (trong vài micro giây). Mạch tạo xung sử dụng vi điều khiển kết hợp với IC 555 để tạo xung vuông điều khiển độ rộng (PWM). Hệ thống hồi tiếp sử dụng bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) để so sánh điện áp đầu ra với tham chiếu và điều chỉnh góc kích.

3.2. Quy trình thi công và kiểm tra

Thi công bắt đầu bằng việc thiết kế mạch in trên phần mềm chuyên dụng, sau đó tiến hành khắc và mạ đồng. Lắp ráp linh kiện theo sơ đồ mạch, đảm bảo các mối hàn chắc chắn và không có hiện tượng chạm mạch. Kiểm tra thông mạch bằng đồng hồ vạn năng trước khi cấp nguồn. Quá trình hiệu chỉnh bao gồm điều chỉnh biến trở để đạt góc kích mong muốn, đo dạng sóng bằng oscilloscope và đánh giá hiệu suất. Cuối cùng, tiến hành thử nghiệm tải bằng đèn hoặc động cơ DC để xác nhận hoạt động ổn định.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của bộ chỉnh lưu 1 pha kép

Bộ chỉnh lưu 1 pha kép là giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng đòi hỏi điều khiển chính xác dòng điện tải. Thiết kế thành công cho phép ứng dụng rộng rãi trong giáo dục, nghiên cứu và công nghiệp. Kết quả nghiên cứu chứng minh khả năng điều khiển linh hoạt, ổn định điện áp đầu ra và hiệu suất chuyển đổi cao. Hệ thống hồi tiếp tích hợp giúp nâng cao độ tin cậy, giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu và biến động tải. Bộ thí nghiệm này có thể chuyển giao cho các trường đại học, cơ sở dạy nghề và doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất.

4.1. Đánh giá hiệu quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã hoàn thành mục tiêu thiết kế và thi công bộ chỉnh lưu 1 pha kép tích hợp khối điều khiển và công suất. Thiết bị hoạt động ổn định trong dải tải 0-5A, điện áp đầu ra 0-300V DC. Quá trình thử nghiệm cho thấy sai số điều khiển góc kích dưới 2%, đáp ứng nhanh với thay đổi tải. Tài liệu hướng dẫn thực hành được biên soạn đầy đủ, hỗ trợ sinh viên tiếp cận nhanh chóng. Kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng trong phòng thí nghiệm điện tử công suất của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

4.2. Triển vọng ứng dụng trong tương lai

Trong tương lai, bộ chỉnh lưu 1 pha kép có thể được nâng cấp bằng cách tích hợp giao diện điều khiển qua máy tính hoặc điện thoại thông minh. Việc sử dụng các linh kiện công suất tiên tiến như IGBT sẽ cải thiện hiệu suất và giảm tổn hao. Hệ thống điều khiển có thể được mở rộng để hỗ trợ các chế độ hoạt động đa dạng như nghịch lưu, bù công suất phản kháng. Ngoài ra, nghiên cứu có thể mở rộng sang lĩnh vực năng lượng tái tạo, tích hợp bộ chỉnh lưu vào hệ thống điện mặt trời hoặc gió.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nƣớc: Hiện nay trong các xí nghiệp công nghiệp có khá nhiều các thiết bị điện – điện tử sử dụng nguồn điện một chiều đòi hỏi đảo chiều dòng điện trong quá trình hoạt động và điện áp có thể thay đổi được. Thiết bị cho phép thực hiện được hai yêu cầu kỹ thuật trên trong thực tế được chế tạo và sử dụng là bộ chỉnh lưu kép. Qua tìm hiểu thiết bị của các phòng thí nghiệm điện tử công suất nhập từ nước ngoài cũng như sản xuất trong nước của một số trường trên địa bàn Tp. Hồ Chí Minh, chỉ có các bộ chỉnh lưu cho phép dòng điện đi qua tải theo một chiều, và điện áp có chiều không đổi.

Vấn đề nghiên cứu, chế tạo các bộ chỉnh lưu khá đơn giản. Tuy nhiên, các thiết bị đào tạo thuộc chuyên ngành điện tử công suất trong chưa có bộ chỉnh lưu kép trong danh mục các thiết bị đào tạo của các công ty chế tạo đồ dùng dạy học trong và ngoài nước.2 Tính cấp thiết của đề tài: Môn điện tử công suất, thiết bị chuyển đổi điện tử công suất thuộc môn học chuyên ngành, được giảng dạy cho các ngành Kỹ thuật điện – điện tử; Công nghệ điều khiển và tự động hóa; Kỹ thuật điện tử truyền thông. Trong thực tế, các thiết bị chỉnh lưu kép 1 pha sử dụng rất phổ biến như điều chỉnh và đảo chiều động cơ 1 chiều, điều chỉnh đảo chiều dòng của nam châm điện trên bàn từ, cần trục điện vv… Để gắn lý thuyết với thực hành, giúp sinh viên mau tiếp cận với thực tế, việc thiết kế chế tạo bộ chỉnh lưu kép một pha dùng cho phòng thí nghiệm điện tử công suất để phục vụ cho môn thực hành điện tử công suất và dễ dàng chuyển giao là rất cần thiết.3 Mục tiêu của đề tài: Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế, thi công bộ chỉnh lưu 1 pha kép dùng trong phòng thí nghiệm điện tử công suất. Biên soạn bài thực hành về mạch chỉnh lưu 1 pha kép.4 Cách tiếp cận: Thu thập tài liệu từ sách khoa học kỹ thuật, các tạp chí và từ Internet, các nhà sản suất các linh kiện hỗ trợ cho nghiên cứu, chọn giải pháp phù hợp với điều kiện nghiên cứu và tình hình cung cấp các linh kiện.

Tìm hiểu một số thiết bị điều chỉnh đảo chiều động cơ DC trong thực tế. Thi công, kiểm nghiệm dựa trên một số thiết bị liên quan.5 Phƣơng pháp nghiên cứu: 1 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thiết kế, thi công mạch, hoạt động thử nghiệm, cân chỉnh.6 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Dựa trên lý thuyết về các mạch chỉnh lưu có điều khiển và các lý thuyết điều khiển đảo chiều động cơ điện DC có liên quan. Đề tài tập trung chính nghiên cứu và chế tạo bộ chỉnh lưu kép 1pha. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các nội dung về các mạch tạo xung điều khiển đồng bộ cho SCR; Mạch đảo chiều bộ chỉnh lưu và mạch công suất của bộ chỉnh lưu kép 1 pha.7 Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết các kiểu mạch tạo xung điều khiển đồng bộ cho SCR;.

- Thiết kế mạch chỉnh lưu kép 1 pha dùng cho phòng thí nghiệm điện tử công suất. - Nghiên cứu các phương pháp điều khiển bộ chỉnh lưu kép chỉnh lưu kép 1 pha phần điều khiển và phần công suất. - Tìm hiểu về các phương pháp hồi tiếp để ổn định sự hoạt động của tải. - Kết hợp mạch tạo xung điều khiển đồng bộ cho SCR với mạch hồi tiếp.

- Biên soạn bài thực hành về mạch chỉnh lưu kép 1 pha. 2 CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MẠCH TẠO XUNG, HỒI TIẾP VÀ CHỈNH LƢU KÉP I. PHƢƠNG PHÁP TẠO XUNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ CHO SCR 2.1 Giới thiệu chung SCR là linh kiện bán dẫn có điều khiển, về cấu trúc gồm 4 lớp bán dẫn. Để cho SCR dẫn điện cần phải có hai điều kiện kết hợp là được phân cực thuận và có xung điều khiển.

SCR thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu có điều chỉnh điện áp, còn được gọi là chỉnh lưu có điều khiển. Khi điều khiển SCR, điện áp kích lấy từ một mạch độc lập, không phụ thuộc vào điện áp nguồn trên Anode của SCR. Điều này dẫn đến SCR có thể được kích khi nó được phân cực thuận hay nghịch nên người ta gọi là điều khiển không đồng bộ. Trong thực tế các SCR phải được điều khiển đồng bộ với điện áp trên Anode.

Trong các mạch chỉnh lưu không điều chỉnh điện áp ra, các Diode không cần phải điều khiển. Mạch chỉnh lưu có điều chỉnh điện áp cần phải điều khiển lần lượt 1 hay nhiều SCR theo một thứ tự nhất định với góc kích  vừa ổn định vừa điều chỉnh được để thay đổi điện áp ra. Các SCR được kích lần lượt theo 1 thứ tự quy định như theo thứ tự chuyển mạch tự dẫn của các Diode trong sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển còn được gọi là chuyển mạch tự nhiên. Ngoài thứ tự vừa nói trên, trong 1 số sơ đồ cầu đối xứng có số pha lẻ ta phải kết hợp SCR theo thứ tự chuyển mạch tự nhiên với các xung kích đồng thời các SCR khác.

Để biết rõ SCR nào cần phải kích đồng thời và tại sao phải kích đồng thời 2 SCR ta hãy xét 3 sơ đồ sau đây : 1 1 + SCR1 + SCR1 u1 + M u1 + M SCR1 + Tải Tải u1 + + - N - N u2 D u2 SCR2 Tải 0 2 2 1) 2) 3) Hình 2. Thứ tự kích dẫn cho SCR.1, sơ đồ đánh số (1) đặc trưng cho 1Hpha điện áp đang dương.1 (2) đặc trưng cho 2 pha sơ đồ cầu hay đa giác không đối xứng. Sơ đồ số 3 đặc trưng cho 3 sơ đồ cầu hay đa giác đối xứng. Ở cả 2 sơ đồ (2) và (3) ta có 1 pha dương nối vào Anode SCR1, pha âm nối vào Catode của Diode D hay SCR2.

Việc kích SCR ở 2 sơ đồ (1) và (2) không có vấn đề gì khó khăn vì ở sơ đồ (1) chỉ có SCR1 là linh kiện khép kín mạch điện, ở sơ đồ (2), SCR1 sẽ khép kín mạch điện khi được kích còn diode D sẵn sàng khép kín mạch điện khi có dòng điện chạy qua. Muốn khép kín mạch điện (3) phải kích đồng thời SCR1 và SCR2 để cả hai cùng khép kín mạch. Do vậy ta phải kích các SCR sơ đồ cầu đối xứng có số pha lẻ theo thứ tự chuyển mạch tự nhiên của sơ đồ. Phải kích đồng thời để cho cả 2 SCR cùng khép kín mạch điện, đó là 1 SCR ở nhóm Catode chung và 1 SCR ở nhóm Anode chung.2 Các phần tử cơ bản sử dụng trong các mạch điều khiển SCR Trong các mạch điều khiển sử dụng nhiều phần tử, trong đó thông dụng nhất là OP – AMP.

Để tiếp thu được nguyên tắc tạo xung điều khiển đồng bộ cho SCR, trong phần này nhắc lại các mạch tích phân, vi phân trong đó tụ điện là một phần tử đóng vai trò quan trọng.1 Đặc tính nạp xả của tụ điện: 1 S R 2 + Icn C Uc Ui Icp Hình 2. Sơ đồ mạch nạp phóng của tụ điện. Tụ nạp: Khi bật công tắc ở vị trí 1, tụ sẽ nạp điện, điện áp nạp của tụ tăng theo hàm mũ e và được xác định theo công thức: Ucn (t) = Ui .1) Trong đó: - t: Là thời gian tụ nạp (S); - e : 2,71828; -  = R.C (s); -  : Được gọi là hằng số thời gian nạp điện của tụ điện và R là đơn vị Ohm, C đơn vị là farad; 4 - Ui : Là điện áp đầu vào. Dòng nạp của tụ điện: 1 Ui icn = C.C R U i Ui • Điện áp tụ nạp Uc (t) • • Dòng điện nạp ic (t) t 0  2 3 4 5 Hình 2.

Đặc tính nạp của tụ. Dòng điện và điện áp nạp của tụ điện có dạng hàm mũ như hình vẽ hình 2.3, khi thời gian tiến đến vô cùng thì Icn (t) và Uc (t) đạt đến giá trị ổn định, lúc đó e- t/ dần tới 0 và Icn = 0, Ucn = Ui. Tụ phóng: Khi bật công tắc vào vị trí 2 tụ phóng, điện áp của tụ khi phóng cũng giảm theo theo hàm mũ e.3) Dòng điện của tụ khi phóng: Ui icx (t) = C .4) R Dòng điện nạp, phóng của tụ điện cũng thay đổi theo hàm mũ e. Đồ thị của điện áp và dòng điện phóng của tụ điện như hình vẽ dưới, dòng điện phóng của tụ ngược chiều dòng điện nạp, khi đã phóng hết điện áp và dòng điện bằng 0, Icp = 0, Ucp = 0.

5 U i Điện áp tụ phóng Uc (t) t 0  2 3 4 5 Dòng điện tụ phóng ic (t) Hình 2. Đặc tính phóng của tụ điện.2 Mạch vi phân Dạng điện áp ra u0 chính là điện áp trên R vì vậy nó có dạng sóng của dòng iC nạp phóng của tụ điện (u0 = iC. ui ui C uo R  = RC t 0 R2 C u0 = i c R R1 + iC nạp t ui uo 0 R iC xả a) b) Hình 2. Mạch vi phân và dạng sóng điện áp ngõ vào, ra.5, a là mạch vi phân dùng RC và dùng OP-AMP, b là dạng sóng điện áp ngõ vào và ra của mạch.

Mạch tích phân Điện áp ra u0 chính là điện áp trên tụ C nên nó có dạng sóng của điện áp nạp phóng trên tụ điện. 6 R ui uo ui C  = RC t C 0 u0 R1 C nạp + C xả u0 t ui R 0 a) b) Hình 2. Mạch tích phân và dạng sóng điện áp ngõ vào, ra.3 Nguyên tắc tạo xung điều khiển đồng bộ cho SCR Để có được xung điều khiển đồng bộ với điện áp nguồn đặt vào anode SCR, góc kích  có thể điều chỉnh được, cần phải có mạch tạo xung theo sơ đồ khối như hình 2. +VCC uAC Khối So Khối Khối tạo khuếch đồng bộ sánh xung kích đại xung và cách ly ngõ ra Khối cách ly ngõ Điều chỉnh góc vào kích  Hình 2.

Sơ đồ khối mạch tạo xung điều khiển khiển đồng bộ. Các khối có chức năng nhƣ sau: a. Khối cách ly ngõ vào và ngõ ra: Hai khối này cách ly mạch điều khiển SCR với phần công suất của mạch chỉnh lưu có điện áp cao, không cho dòng từ phần công suất chảy vào phần điều khiển hay ngược lại.