chương 1 em đã giới thiệu về: - Khái niệm lò điện trở 11 - Phân loại lò điện trở - Nguyên lý lò điện trở - Cấu tạo chính của lò điện trở. Trong chương 2 em sẽ làm rõ một số bộ biến đổi điện tử công suất tiêu biểu. 12 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN 1.6 Tổng quan về chỉnh lưu 1.1 Cấu trúc mạch chỉnh lưu Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều. Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế.
Sơ đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh lưu như trên hình 2. 1: cấu trúc mạch chỉnh lưu Trong sơ đồ có máy biến áp làm hai nhiệm vụ chính là: a) Chuyển từ điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu của tài. Tuỳ theo tải mà máy biến áp có thể là tăng áp hoặc giảm áp. b) Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu của mạch van.
Thông thường số pha của lưới lớn nhất là 3, song mạch van có thể cần số pha là 6, 12. Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp vs lưới điện và mạch van đòi hỏi số pha như lưới điện thì có thể bỏ máy biến áp. Mạch van ở đây là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách nào đó để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu. Mạch lọc nhằm đảm bảo điện áp ( hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải là bằng phẳng theo yêu cầu.1 Phân loại chỉnh lưu Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây: 13 a) Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: một pha, hai pha, ba pha, 6 pha v.
b) Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch vạn. Hiện nay chủ yếu dùng hai loại van là diode và thyristor, vì thế có ba loại mạch sau: ● Mạch van dùng toàn diode, được gọi là chỉnh lưu không điều khiển. ● Mạch vẫn dùng toàn thyristor, gọi là chỉnh lưu điều khiển. ● Mạch chỉnh lưu dùng cả hai loại diode và thyristor, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển.
c) Phân loại theo sơ đồ mắc các van với nhau. Có hai kiểu mắc van: - Sơ đồ hình tia: Ở sơ đồ này số lượng van sẽ bằng số pha nguồn cấp cho mạch van. Tất cả các van đều đấu chung một đầu nào đó với nhau - hoặc catôt chung, hoặc anôt chung. - Sơ đổ cầu: Ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van.
Trong đó một nửa số van mắc chung nhau catot, nửa kia lại mắc chung nhau anot. Như vậy, khi gọi tên một mạch chỉnh lưu, người ta dùng ba dấu hiệu trên để chỉ cụ thể mạch đó. Thí dụ: chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển, có nghĩa là mạch chỉnh lưu này dùng kiểu mắc van theo sơ đồ cầu, nguồn cấp cho mạch van là ba pha, và dùng 6 van có cả điot và thyristor.2 Tổng quan về thyristor Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp p-n: J1,J2,J3. Thyristor có ba cực: anot A, catot K, cực điều khiển G như hình sau: Hình 2.
2: cấu trúc bán dẫn (a) và ký hiệu của van thyristor (b). 14 Thyristor có đặc tính giống như Diod, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạy qua theo một chiều, từ anot sang katot, và cản trở dòng chạy theo chiều ngược lại. Tuy nhiên khác với Diod, để Thyristor có thể dẫn dòng, ngoài điều kiện U AK>0 còn cần thêm điều kiện cực G của thyristor được kích hoạt. Do đó thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt với Diod là phần tử không điều khiển được.3 Phân tích một số mạch chỉnh lưu cơ bản 1.1 Mạch chỉnh lưu 1 pha có điểm giữa, tải thuần trở, có điều khiển Hình 2.
3: Sơ đồ mạch chỉnh lưu 1 pha có điểm giữa, tải thuần trở, có điều khiển Hình 2. 4: Đồ thị mạch chỉnh lưu 1 pha có điểm giữa, tải thuần trở, có điều khiển Hình 2.4 là đồ thị minh họa chỉnh lưu điều khiển hình 2. Với lưu ý góc α của các thyristor phải bằng nhau α1= α2= α. Sự sai lệch giữa chúng được đánh giá bằng độ mất đối xứng.
Mạch điều khiển có nhiệm vụ đảm bảo độ mất đối xướng không vượt quá 1˚ đến 2˚ điện. Theo đồ thị ta có: 15 (1 + cosα ) UDα=UD0 2 Với UD0=0,9U2 Với tải thuần trở, dạng dòng điện id tượng tự dạng điện áp Ud, ta thấy dòng điện sẽ có đoạn bằng 0 (id=0) trong toàn dải điều chỉnh α. Do vậy dòng điện này được gọi là dòng điện gián đoạn. Mạch chỉnh lưu này được sử dụng nhiều trong dải công suất nhỏ đến vài Kw, nó thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp do sự sụt áp trên đường ra tải chỉ có 1 van.
Nhược điểm là mạch bắt buộc phải có biến áp để đổi số pha.2 Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển a, Tải thuần trở b, Tải trở cảm Hình 2. 5: Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển 16 a, Tải thuần trở b, Tải trở cảm Hình 2. 6: Đồ thị mạch chỉnh lưu cầu 1 pha, tải trở cảm, có điều khiển Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha thyristor cho trên (hình 2.6) với tải đặc trưng là thuần trở hoặc tải trở cảm. Điểm khác biệt chủ yếu của 2 sơ đồ là dạng điện áp trên van.6), ví dụ đối với van T1, nếu van T3 dẫn thì điện áp trên T1 bằng T4.
Như vậy với tải trở cảm thì khi các van thay nhau dẫn trong mỗi nửa chu kì thì điện áp trên van chỉ là U1. Với tải thuần trở, trong khoảng 0< θ < α và π< θ < π + α không có van nào dẫn cả. Khi đó phải giả thiết rằng nếu van không dẫn thì điện trở tương đương giữa anot và catot có giá trị lớn nhất nhưng hữu hạn và bằng nhau. Khi đó ta thấy van T1,T3 và T4,T2 như các điện trở nối tiếp nhau nằm dưới điện áp U2, do đó trên mỗi van sẽ có điện áp bằng 1 nửa U2.
a) Với tải thuần trở R=10Ω, góc mở 30° (hình 2.7a) Ta có đồ thị tại thời điểm góc điều khiển bằng 30°. 7: đồ thị mạch chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển với tải thuần trở (R=10Ω) 17 Nhận xét: do tại thời điểm 30° mới có xung mở van, nên điện áp trên tải mới có. Tải thuần trở nên dòng điện trên tải (IR) cùng pha với điện áp (UR), 2 van T1 và T2 dẫn ở nửa chu kì dương, van T3 T4 dẫn ở nửa chu kỳ âm. b) Với tải RL, góc mở 30°, L=0.
8: đồ thị mạch chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển, tải trở cảm (R=10Ω, L=0.8mH) Nhận xét: - Ở nửa chu kỳ dương: ở chu kỳ đầu tiên khi chưa có tín hiệu kích thì URL=0V. Khi có tín hiệu kích thì T1 T4 dẫn nên URL=U1. - Ở nửa chu kỳ âm: tải mang tính cảm vừa bị ngắt điện nên giải phóng năng lượng phát dòng duy trì cho van T1 T2. Do đó T1 và T2 dẫn điện nên áp tải bằng với áp nguồn URL<U1<0.
Dòng tải trễ pha so với điện áp nên không về 0 ở cuối chu kỳ dương. Nếu L nhỏ thì sau khi tải phát hết năng lượng thì URL=0V, cho đến khi có tín hiệu điều khiển tiếp theo.4 Kết luận chương 2: - Trong chương 2 ta đã tiến hang phân tích một số mạch chỉnh lưu cơ bản. - Qua các mạch đã phân tích và yêu cầu của đề tài, ta lựa chọn mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn. - Tại chương 3, ta sẽ tiền hành tính toán, lựa chọn các van mạch lực cho bộ biến đổi đã lựa chọn.
18 CHƯƠNG 3: TÌNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH LỰC Yêu cầu bài toán: Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn cho lò điện trở, công suất lò P=12kW, dòng định mức Iđm=180A, nguồn cấp xoay chiều 1 pha 220v/50hz.7 Giới thiệu chung về mạch lực Mạch lực bao gồm các khối cơ bản: a) Biến áp lực (BAL): - Biến điện áp xoay chiều có biên độ cần thiết với điện áp phù hợp của tải. 19 - Cách ly nguồn chỉnh lưu (CL) với lưới điện xoay chiều. b) Chỉnh lưu điều khiển (CLĐK): có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha thành điện áp một chiều có biên độ phù hợp với tải. c) Khâu lọc: gồm điện kháng L và tụ điện C, nhằm san phẳng điện áp ra của khâu CLĐK (vốn có biên độ điện áp nhấp nhô) thành điện áp một chiều phẳng phù hợp với yêu cầu của tải.
Khâu lọc phải thiết kế sao cho tiêu thụ công suất nhỏ nhất. d) Khâu phản hồi điện áp: lấy một phần nhỏ điện áp tải đưa trở về mạch điều khiển để ổn áp. Muốn vậy điện áp phản hồi phải là phản hồi âm. 1: sơ đồ mạch lực Phân tích các phần tử có trong mạch: - Nguồn điện xoay chiều 1 pha (AC supply) đi qua biến áp (MBA) cung cấp điện áp cho cầu chỉnh lưu.
- Van lực: 4 van thyristor được cấu thành 2 nhóm: các van T1 T3 đấu chung katot, các van T2 T4 đấu chung anot. Cực G lấy tín hiệu điều khiển góc mở van trong mạch. - Phần tử bảo vệ RC (R1C1, R2C2, R3C3, R4C4) : bảo vệ quá áp nguồn khi ngắt biến áp. - Tải RL: tải có tính cảm lớn, dòng điện ở chế độ liên tục.
- Ud và Id là điện áp và dòng điện qua tải.8 Tính toán lựa chọn phần tử trong mạch 1.1 Tính chọn van mạch lực. Khi chọn van cần quan tâm tới hai chỉ tiêu chính: - Chỉ tiêu về dòng điện, ở đây thường phải tính được trị số dòng điện trung bình lớn nhất chạy qua van, mặt khác cũng cần quan tâm đến dạng dòng điện, giá trị dòng điện đỉnh, dòng điện quá tải… tùy theo trường hợp cụ thể. - Chỉ tiêu về điện áp, chủ yếu là điện áp ngược tối đa đặt lên van trong quá trình làm việc. Sau đó phải giải quyết vấn đề tản nhiệt, làm mát cho van.
Điện áp ngược trên van được tính: Ung max = Ulv = knv.U d (3-2) Với U2 = => Ulv = ku ku Trong đó: knv là hệ số điện áp ngược, ku là hệ số điện áp tải Đối với sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha ta có: knv = √ 2, ku = 0,9 => Ung max = √ 2 * 66.