Thiết kế và thi công bộ chỉnh lưu 1 pha kép - NCKH ĐH Sư phạm Kỹ thuật

Tài liệu chi tiết về thiết kế và thi công bộ chỉnh lưu 1 pha kép. Bao gồm tổng quan lý thuyết, sơ đồ mạch, nguyên lý và hướng dẫn thực hành.

• Người hướng dẫn: GVC. Th. 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 (Sơ đồ & Nguyên lý)
• Loại tài liệu: Công trình nghiên cứu khoa học cấp trường
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái Niệm và Định Nghĩa Bộ Chỉnh Lưu 1 Pha Kép

Bộ chỉnh lưu 1 pha kép là một thiết bị điện tử công suất có khả năng chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, đồng thời cho phép đảo chiều dòng điện. Đây là nâng cấp của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha truyền thống, được tích hợp hai cầu chỉnh lưu hoạt động song song. Chức năng chính của bộ chỉnh lưu kép bao gồm chuyển đổi dòng điện, điều khiển toàn phần và tạo khả năng đảo chiều dòng điện một cách linh hoạt. Thiết bị này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như điều khiển động cơ DC, sạc pin, và các hệ thống điều khiển công suất. Mục đích thiết kế bộ chỉnh lưu 1 pha kép là cung cấp một giải pháp hiệu quả để kiểm soát độ lớn và hướng của dòng điện trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.

1.1. Cấu Trúc Cơ Bản của Bộ Chỉnh Lưu Kép

Bộ chỉnh lưu 1 pha kép bao gồm hai cầu chỉnh lưu được kết nối song song, mỗi cầu gồm bốn thyristor (SCR). Cấu trúc này cho phép hai chế độ hoạt động: khi cầu thứ nhất hoạt động, dòng điện chuyển đổi theo một hướng; khi cầu thứ hai hoạt động, dòng điện đảo chiều. Khối điều khiển bao gồm mạch tạo xung, mạch hồi tiếp và mạch so sánh để điều khiển SCR một cách đồng bộ và chính xác.

1.2. Ứng Dụng và Lợi Ích

Bộ chỉnh lưu kép 1 pha được ứng dụng trong điều khiển động cơ DC, hệ thống sạc pin, và các thiết bị công nghiệp yêu cầu kiểm soát dòng điện hai chiều. Lợi ích chính bao gồm khả năng điều khiển toàn phần, hiệu suất cao, độ tin cậy cao và khả năng đảo chiều dòng điện mượt mà mà không cần thiết bị cơ học bổ sung.

II. Nguyên Lý Hoạt Động Mạch Chỉnh Lưu 1 Pha Kép

Nguyên lý hoạt động của bộ chỉnh lưu 1 pha kép dựa trên việc điều khiển thyristor (SCR) thông qua xung kích dẫn đồng bộ. Khi nhận được xung điều khiển, các thyristor được kích dẫn theo thứ tự xác định, cho phép dòng điện chạy qua tải. Góc kích dẫn (α) có thể thay đổi từ 0° đến 180°, giúp điều chỉnh điện áp trung bình ở tải. Khi góc kích dẫn α tăng, điện áp trung bình giảm; khi α giảm, điện áp tăng. Mạch hồi tiếp giám sát dòng điện và điều chỉnh xung kích dẫn để duy trì dòng điện ở mức mong muốn. Cách ly ngõ ra bằng optocoupler đảm bảo an toàn điện cho mạch điều khiển. Chế độ đảo chiều dòng điện được thực hiện bằng cách chuyển đổi giữa hai cầu chỉnh lưu, từ đó thay đổi hướng dòng điện qua tải mà không gây gián đoạn.

2.1. Mạch Tạo Xung Điều Khiển Đồng Bộ

Mạch tạo xung điều khiển đồng bộ tạo ra các xung kích dẫn có pha đồng bộ với điện áp nguồn. Mạch so sánh so sánh sóng dự báo (ramp signal) với tín hiệu điều khiển để tạo ra xung kích dẫn. Mạch vi phân và mạch tích phân giúp định hình dạng sóng tín hiệu. IC 4528 được sử dụng để tạo ra xung chân vàng với độ rộng xung được điều chỉnh.

2.2. Mạch Hồi Tiếp và Điều Khiển PID

Mạch hồi tiếp nhận tín hiệu dòng điện từ tải và so sánh với tín hiệu tham chiếu. Bộ điều khiển PID xử lý sai số và tạo ra tín hiệu điều khiển để điều chỉnh góc kích dẫn. Hệ thống vòng kín đảm bảo dòng điện ở tải luôn ổn định và tuân theo giá trị tham chiếu đặt trước.

III. Sơ Đồ Khối và Thành Phần Chính của Hệ Thống

Sơ đồ khối bộ chỉnh lưu 1 pha kép bao gồm ba phần chính: khối nguồn, khối điều khiển và khối công suất. Khối nguồn cung cấp điện áp xoay chiều 220V cho hệ thống. Khối điều khiển bao gồm mạch tạo xung, mạch so sánh, mạch hồi tiếp và bộ điều khiển PID, tất cả được tích hợp trên một bo mạch in. Khối công suất chứa hai cầu chỉnh lưu, mỗi cầu gồm bốn thyristor (SCR) loại TYN612 hoặc tương đương. Mạch cấp nguồn ổn định cung cấp ±15V và +5V cho các mạch điều khiển. Cảm biến dòng điện loại LEM LA 25 được sử dụng để đo lường dòng điện tải. Tụ lọc giảm gợn sóng ở tải. Relay điện từ được sử dụng để chuyển đổi giữa hai cầu chỉnh lưu khi cần đảo chiều dòng điện.

3.1. Khối Điều Khiển và Mạch Điều Chỉnh

Khối điều khiển được thiết kế để tạo ra xung kích dẫn chính xác với pha đồng bộ và góc kích dẫn có thể điều chỉnh. Mạch nạp/phóng tụ điện tạo ra sóng dự báo tuyến tính. Mạch so sánh sử dụng IC LM393 để so sánh tín hiệu đầu vào với sóng dự báo, tạo ra xung kích dẫn. Cách ly ngõ ra bằng optocoupler TLP250 đảm bảo an toàn cho thyristor.

3.2. Khối Công Suất và Cầu Chỉnh Lưu

Khối công suất tích hợp hai cầu chỉnh lưu hoàn chỉnh. Mỗi cầu có bốn thyristor TYN612 được sắp xếp theo cấu hình cầu Graetz. Tụ lọc 4700µF/63V được kết nối song song với tải để giảm gợn sóng. Diode tự do được kết nối giữa hai cầu để bảo vệ thyristor khỏi điện áp ngược. Relay điện từ chuyển tải giữa hai cầu khi cần đảo chiều dòng điện.

IV. Thiết Kế Thi Công và Hướng Dẫn Sử Dụng

Quá trình thiết kế bộ chỉnh lưu 1 pha kép bao gồm các bước: xác định thông số kỹ thuật, thiết kế mạch điều khiển, thiết kế khối công suất, và lắp ráp toàn bộ hệ thống. Các thông số kỹ thuật chính bao gồm điện áp đầu vào 220V AC, dòng điện tải tối đa 10A, điện áp tải DC từ 0 đến 200V, và tần số nguồn 50Hz. Quá trình thi công sử dụng bo mạch in đơn lớp hoặc bo mạch in hai lớp để đảm bảo độ tin cậy. Hàn linh kiện được thực hiện bằng kỹ thuật hàn sóng hoặc hàn bằng tay để đảm bảo chất lượng. Kiểm tra và hiệu chuẩn được thực hiện trên bệ thí nghiệm trước khi đưa vào sử dụng. Hướng dẫn sử dụng cung cấp chi tiết cách vận hành, các phép đo lường, các sửa chữa thường gặp và biện pháp an toàn điện. Tài liệu hướng dẫn thực hành được biên soạn chi tiết để hỗ trợ sinh viên và giảng viên sử dụng thiết bị một cách hiệu quả.

4.1. Quy Trình Thiết Kế và Lựa Chọn Linh Kiện

Thiết kế bộ chỉnh lưu 1 pha kép bắt đầu từ tính toán công suất và lựa chọn thyristor thích hợp. Thyristor TYN612 được chọn vì có dòng điện xung đạt cao, giãn cách cách điện tốt, và giá thành hợp lý. Mạch điều khiển được thiết kế sử dụng IC TTL/CMOS tiêu chuẩn để đảm bảo độ tin cậy. Cảm biến LEM LA 25 được sử dụng để đo lường dòng điện chính xác trong phạm vi ±25A.

4.2. Hướng Dẫn Vận Hành và An Toàn Điện

Khi vận hành bộ chỉnh lưu kép 1 pha, cần bật nguồn điều khiển trước, sau đó bật nguồn công suất. Điều chỉnh potentiometer để điều khiển góc kích dẫn và dòng điện tải. Giám sát điện áp và dòng điện bằng voltmeter và ammeter được gắn trên bộ thí nghiệm. Biện pháp an toàn bao gồm sử dụng khiên bảo vệ, tắt nguồn trước khi thay đổi kết nối, và tuân thủ các quy định an toàn điện trong phòng thí nghiệm.

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. Sơ đồ số ìn đối xứng. Sơ đồ số 3 đặc trưng cho (2) đặc trưng cho 2 pha sơ đồ cầu hay đa giác không h 3.

3 1 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 t R2 C u0 = icR R1 + iC nạp t ui uo 0 t 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.