Xem mẫu
- BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP.HỒ CHÍ MINH
Khoa công nghệ kỹ thuật điện
TIỂU LUẬN
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU VỀ MẠCH CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN MỘT
PHA
SINH VIÊN MSSV
NGUYỄN VĂN NGUYÊN 08108531
LÊ TUẤN ANH 08112281
LÊ VĂN LINH 08105681
NGUYỄN CÀNH TIẾN
NGUYỄN NGỌC ANH TUẤN
GVHD
TP.HỒ CHÍ MINH ngày 14 tháng2 năm 2011
1
- Phụ lục
Phần 1: Giới thiệu về SCR:
A.cấu tạo và đặc điểm.................................................................
B.nguyên lí hoạt động...................................................................
C.đặc tuyến volt-ampe của SCR...................................................
D.các thông số cua SCR................................................................
Phần 2:các vấn đề chung về chỉnh lưu:
1.khái niệm về chỉnh lưu..............................................................
2.ứng dụng và đặc điểm...............................................................
3.phân loại sơ đồ chỉnh lưu..........................................................
Phần 3.các sơ đồ chỉnh lưu một pha có điều khiển(góc kích =45độ)
1.chỉnh lưu một pha, bán kì...........................................................
2.chỉnh lưu toàn kì.........................................................................
3.chỉnh lưu cầu..............................................................................
4.chỉnh lưu cầu ko đố xứng`.........................................................
2
- Giới thiệu về SCR
A. Cấu tạo và đặc tính
SCR được cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn PNPN ( có 3 nối PN ) Như tên gọi ta thấy SCR là
một diode chỉnh lưu được kiểm soát bởi cổng silicium. Các tiếp xúc kim loại được tạo
ra các cực Anot A, catot K và cổng G.
Cấu tạo Mô hình tương đương
B. Nguyên lý hoạt động của SCR.
3
- Nếu ta mắc một nguồn điện một chiều VAA vào SCR, một dòng điện nhỏ IG kích vào
cực cổng G sẽ làm nối PN giữa cực cổng G và K dẫn phát khởi dòng lớn hơn nhiều.
nếu ta đổi chiều nguồn VAA sẽ không có dòng điện qua SCR cho dù có dòng diện kích
IG. như vậy ta có thể hiểu SCR như một diode như có thêm cực cổng G và để SCR dẫn
điện phải có dòng điện kích IG vào cực cổng.
Ta thấy SCR có thể coi như tương đương với hai transistor PNP và NPN liên kết nhau
qua ngõ nền và thu.
Khi có một dòng điện nhỏ I kích vào cực nền của transistor NPN T1 tức cổng G. dòng
điện IG sẽ tạo da dòng cực thu IC1 lớn hơn, mà IC1 lại là chính là dòng IB2 của transistor
PNP T2 nên tạo da dòng điện thu IC2 lại lớn hơn trước …hiện tượng này cứ tiếp tục nên
cả hai transistor nhanh chóng trở nên bão hòa. Dòng bảo hòa qua hai transistor chính là
dòng anod của SCR dòng điện này tùy thuộc vào VÂ và điện trở tải RA.
Cơ chế hoạt động như trên của SCR cho thấy dòng IG không cần lớn và chỉ cần tồn tại
trong thời gian ngắn. khi SCR đã dẫn điện , nếu ta ngắt bỏ IG thì SCR vẫn tiếp tục dẫn
điện , nghĩa là ta không thể ngắt SCR bằng cực cổng, đây cũng là một nhược điểm của
SCR so với transistor
Ta chỉ có thể SCR bằng cách cắt nguồn VAA hoặc giảm VAA sao cho dòng điện qua SCR
nhỏ hơn một trị số nào đó ( tùy thuộc vào từng SCR ) gọi là dòng điện duy trì.
C. Dặc tuyến volt – Ampere của SCR
Đặc tuyến này trình bày sự biến thiên của dòng điện anod IA theo điện thế anod – catod
VAK với dòng điện cổng IG coi như thông số.
4
- Khi SCR được phân cực nghịch ( điện thế anod âm hơn điện thế catod ), chỉ có một
dòng điện rỉ rất nhỏ chạy qua SCR.
Khi SCR được phân cực thuận , nếu ta nối tắt hoặc để hở nguồn VGG (IG=0) , khi VAK
còn nhỏ chỉ có một dòng điện chạy qua SCR ( trong thực tế người ta coi như SCR
không dẫn điện ) , nhưng khi VAK đạt đến một trị số nào đó ( tùy thuộc vào từng SCR)
gọi là điện thế quay về VBO thì điện thế VAK tự động sụt suống khoảng 0,7V như diode
thường. dòng điện tương ứng bây giờ chính là dòng điện duy trì IH . từ bây giờ , SCR
chuyển sang trạng thái dẫn điện và có đặc tuyến gần giống như diode thường.
Nếu ta tăng nguồn VGG để tạo dòng điện kích IG, ta thấy điện thế quay về nhỏ hơn và
khi dòng kích IG càng lớn, điện thế VBO càng nhỏ.
D. Các thông số của SCR
Dòng thuận tối đa: là dòng điện anod IA trung bình lớn nhất mà SCR có thể
a)
chịu đựng được liên tục. trong trường hợp dòng lớn, SCR phải được giải nhiệt đầy
đủ. Dòng thuận tối đa tùy thuộc vào từng SCR, có thểtuwf vài trăm mA đến hàng
trăm A.
Điện thế ngược tối đa: Đây là điện thế phân cực nghịch tối đa mà xảy ra
b)
sự hủy thác
Dòng chốt: Là dòng thuận tối thiểu đẻ giữ SCR ở trạng thái dẫn điện sau
c)
khi SCR từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn. Dòng chốt thường lớn hơn dòng
duy trì chút ít
Dòng cổng tối thiểu: Như đã thấy, khi điện thế VAK lớn hơn VBO thì SCR
d)
sẽ chuyễn sang trạng thái dẫn điện mà không cần dòng kích IG. tuy nhiên trong ứng
dụng, thườg người ta phải tạo ra một dòng cổng để SCR dẫn điện ngay.tùy theo mỗi
SCR.
Thời gian mở: Để tắt SCR, người ta giảm điện thế VAK suống 0volt, tức
e)
dòng anod cũng bằng 0. thế nhưng ta hạ điện thế anod xuống 0 rồi tăng lên ngay thì
SCR vẫn dẫn điện mặc dù không có dòng kích. Thời gian tắt SCR là thời gian từ lúc
điện thế VAK suống 0 đến lúc lên cao trở lại mà SCR không dẫn trở lại. thời gian này
lớn hơn thời gian mở, thường khoảng vài chục µ s . Như vậy SCR là linh kiện chậm,
hoạt động ở tần số thấp
Tốc độ tăng điện thế dv/dt: ta có thể làm SCR dẫn điện bằng cách tăng
f)
điện thế anod lên đến điện thế quay về VBO hoặc bằng cách dùng dòng kích cực
cổng. một cách khác là tăng điện thế anod nhanh tức dv/dt lớn mà bản thân điện thế
anod không cần lớn.
Tốc độ tăng dòng thuận tối đa di/dv: Đây là trị số tối đa của tốc độ tăng
g)
dòng anod. Trên trị số này SCR có thể bị hư. Lý do là khi SCR chuyển từ trạng thái
ngưng sang trạng thái dẫn, hiệu thế giữa anod và catod còn lớn trong lúc dòng điện
anod tăng nhanh khiến công suất tiêu tán tức thời có thể quá lớn. khi SCR bắt đầu
dẫn, công suất tiêu tán tập trung ở gần vùng cổng nên vùng này dễ bị hư hỏng. khả
năng chịu đựng của di/dt tùy thuộc vào mỗi SCR
5
- I.Các vấn đề chung của chỉnh lưu.
1.Khái niệm về chỉnh lưu:
Mạch chỉnh lưu một pha có công dụng chuyển đổi điện áp AC thành
điện áp DC(có nghĩa là chuyển dổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn
điện một chiều).
2.Ứng Dụng và đặc điểm:
Trong công nghiệp thì mạch chỉnh lưu có điều khiển dùng đ ể làm thay
đổi công suất của tải theo những yêu cầu khác nhau.Mạch chỉnh lưu có
điều khiển thường được áp dụng cách thay đổi góc kích của SCR và ứng
để điều chỉnh tự động cho các mạch như :Nạp ắcqui,hàn điện,mạ
điện,điện phân,điều khiển động cơ DC,Truyền thông điện…
Tuy nhiên trong công nghiệp đôi khi còn sử dụng các m ạch ch ỉnh l ưu
không có điều khiển (Diode),nhưng trường hợp này có thể xem là trường
hợp của SCR với góc kích được điều khiển bằng không (α=0º).
Nói đến chỉnh lưu là nói đến giá trị điện DC,tức là quan tâm tới giá trị
trung bình các đại lượng điện của chúng.Tuy nhiên ta cũng cần quan tâm
đến đại lượng hiệu dụng để so sánh và ứng dụng trong điều khi ển t ải
AC.
3.Phân loại các sơ đồ chỉnh lưu.
Tùy theo số pha của ngườn điện xoay chiều phía đầu vào của ch ỉnh l ưu
là một pha,ba pha,n-pha mà chỉnh lưu có thể là một pha,ba pha hoặc n-pha.
Nếu dòng điện xoay chiều chạy giữa dây pha và dây trung tính thì ch ỉnh
lưu đó gọi là sơ đồ hình tia.Nếu dòng điện xoay chiều chạy giữa các dây
pha với nhau thì chỉnh lưu đó gọi là sơ đồ cầu.
Nếu sơ đồ chỉnh lưu chỉ sử dụng toàn diode thì sơ đồ chỉnh lưu gọi là
không điều khiển.nếu sơ đồ sử dụng toàn Thyristor thì sơ đồ gọi là điều
khiển hoàn toàn.Nếu sơ đồ kết hợp cả Thyristor và diode thì sơ đồ sẽ là
bán điều khiển.
II.Các sơ đồ chỉnh lưu một pha có điều khiển (với α=45º)
.Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha,chỉnh lưu bán kỳ.
1.Tải R (Thuần trở).
- Sơ đồ mạch và dạng song ngõ vào ra.
6
- - Cách hoạt động:
Khi V i >0 (Bán kỳ dương) và tại góc kích α=45º,SCR dẫn,ta có dòng iL
qua tải tạo nên điện áp ở hai đầu của tải v L = iL RL
Khi V i
- π
π
1
t 0+TP
1
∫V (− cos ωt π ) =
sin ωtdωt = (− cos π + cos )
Vm Vm
∫ v(t ) dt = 2π
V AV = λ
2π 2π
m
4
T λ 4
p t0
4
π
Vm
V AV = (1 + cos )
2π 4
+ Dòng trung bình qua tải.
π
V AV VM
I AV = R = 2πR (1 + cos 4 )
L L
+ Công suất trung bình trên tải.
P AV = V AV I AV
+ Điện thế hiệu dụng.
2π 2π 2π
1 2 1 − cos 2ωt
1 12
∫ ( sin ωt )
∫v VM ∫
dωt = dωt = dωt
2
V RMS = 2
VM
iac
2π 2π 2π π
2
π π
4 4 4
1
π π π
2
VM
sin 2 sin 2
2π
VM 2π
2 2
V 1 4= 1 − 4 + 4
ωt − 2 sin 2ωt π 2π −
= = +
M
4π 4π 2π 4π
3 2 2
4
+ Dòng điện hiệu dụng.
1
π
2
VM
sin
1/ 2
VM π
π
sin 4
2π
1 − 4 +
I RMS = 1 − 23π + =
4
2π 2 2π 2π
2 RL
+ Công suất hiệu dụng của tải.
π π
sin
2 2
V V
1 − 4 + 4
P RMS = I RMS RL = =
2 RMS M
2 R L 2 R L 2π 2π
- Tính toán cho linh kiện công suất( Với α ≤ π∕2)
+ Dòng qua đỉnh mỗi SCR.
I M _!SCR = I M _ tai
+ Dòng trung bình qua mỗi SCR.
I AV _!SCR = I AV _ tai
+ Điện áp ngược cực đại đặt trên mỗi SCR.
VRM _ 1SCR = VV _ nguon
8
- 2.Tải L (Tải thuần trở)
Đây là bài toán không có trong thực tế,nhưng chúng ta đi vào kh ảo sát
dạng này để có thể dề dàng tính toán được cho tải R-L.Trong khi các bài
toán thực tế thường giá trị L được chọn là vô cùng lớn(thực ra là đủ lớn
đối tần số tín hiệu),tuy nhiên ở đây ta khao sát một cách tổng quát nhất đề
rồi sẽ đi đến xét ri6ng những trường hợp cụ thể.
- Sơ đồ mạch.
- Tính toán các đại lượng.
+ Phương trình dòng tức thời qua cuôn cảm.
di
v L = VM sin t = L
dt
VM
sin ωtdωt
di =
Lω
9
- VM 2π V λ
i( t ) =
Lω ∫
sin ω tdω t = M cos − cos ω t
Lω 4
π
4
+ Tính dòng tải trung bình.
2π
( β − α ) cos π + sin π − sin β
1 VM V
= ∫ ( cos π4 − cos ω t ) dω t = M
I LDC
2π π Lω 2π Lω 4 4
4
+ Chú ý:
ππ π π
VM
Khi β = π : I LDC = π cos 4 − 4 cos 4 + sin 4
2πLω
Thí dụ:Cho mạch chỉnh lưu có Vi = 100V : f = 50 Hz : L = 20mH : có góc kích
π 5π
α = 45 0 = ; β = 300 0 = .Tính dòng trung bình qua tải.
4 3
Bài làm
Từ đó ta có thể tính được:
5π π ππ 5π
100 2
I LDC = 3 − 4 cos 4 + sin 4 − sin 3 = 21.6(A)
( )
2( 3.14) 20.10 ( 314)
−3
3.Tải R-L (Tải trở cảm)
Ta có sơ đồ sau:
10
- - Khi tải là cảm kháng Z L (L,R)
Tương tự như trên ,nhưng giải phức tạp hơn.Ta có phương trình vi phân.
Ldi + Ri = VM sin ωt
dt
Giải phương trình ta có nghiệm tổng quát của phương trình
VM (ωt − )
π
−R
( sin ωt − φ ) + sin φ − π e Lω 4
i( t ) = 0 < ωt < β
4
Z
β < ωt < 2π
=0
Lω R
Với sin φ = ; cos φ =
Z Z
Liên hệ giữa góc kích và góc tắt.
Tại góc tắt dòng i ( t 2 ) = 0 phương trình trên cho ta có:
π
R
π β−
sin ( β − φ ) + sin φ − e Lω 4 = 0
4
π R β −π
⇔ sin ( β − φ ) = sin − φ e Lω 4
4
2π R . 2π
R
⇒ sin ( β − φ ) e Lω = sin
β
− φ e Lω 3
3
R π
π .
R
sin ( β − φ ) e
β
= sin − φ e Lω 4
Lω
4
+ Điện thế trung bình của tải:
2π
π
VM
1
∫ VM sin ωtdωt = 2π cos 4 − cos β
V LDC =
2π π
4
+ Dòng điện trung bình qua tải:
π
VM
cos − cos β
I LDC =
2π
4
π
V
+ Khi β = π : VLDC = M 1 + cos kết quả như trường hợp của tải R L .
2π 4
π π
V
+ Khi β = + 2π : VLDC = M cos (dẫn liên tục).
πR
4 4
- Diode dập (Free wheeling diode)
Để tránh dòng cảm ứng kéo dài khi SCR ngưng ,ta dùng diode dập dòng
cảm ứng như hình vẽ dưới.Ta có điện thế và dòng điện chấm dứt ở cu ối
bán kỳ,dòng cảm ứng sẽ chạy qua diode.Ta có dòng qua diode.
11
- π π
+π =π
π 4
VM
4 1 + cos
ID = I LDC =
2π 2πR 4 2π
Điều kiện để có dòng qua diode là cực đại thì:
π π π
1 + cos 4 − 4 + π sin 4 V
dI D
= M =0
π 2π 2πR
d
4
π π π
1 + cos = + π sin
4 4 4
II.Chỉnh lưu toàn kỳ.
1.Tải R(thuần trở)
-Với tải RL thuần.Ta có mạch điện như sau:
- Tính toán cho tải.
được điện thế của tải.
+ Tính trung bình
2π
π
VM
1
∫ VM sin ωtdωt = π
V AV = 1 + cos
ππ 4
4
V
+Dòng trung bình qua tải. IVA = R
AV
L
+ Điện thế hiệu dụng qua tải:
12
- 1 1
π π π π
2 2
VM
sin 2 sin 2
V RMS
1 − 4 + 4 = 1 − 4 + 4
⇒
V RMS
2 π 2π π 2π
V L max
+ Dòng điện hiệu dụng qua tải.
1
π π 2
VM
sin 2
1 − 4 + 4
=
I RMS
π 2π
2 RL
+ Công suất trung bình qua tải.
π π π π
sin 2 sin 2
2
= I RMS R L = V M 1 − 4 +
P
4 ⇒ RMS 1 − 4 + 4
2
PRMS
2 RL π 2π π 2π
PL max
- Tính toán linh kiện công suất
+ Dòng đỉnh qua mỗi SCR
I M _ 1SCR = I M _ tai
+ Dòng trung bình qua mỗi SCR.
I AV _ tai
I AV _ 1SCR =
2
+ Điện áp ngược cực đại trên mỗi SCR.
VRM _ 1SCR = 2VM _ nguon
2.Tải L(Tải thuần trở)
- Sơ đồ mạch và dạng sóng sau:
13
- - Tính toán các đại lượng.
Cách tính tương tự như ở trường hợp chỉnh lưu bán kỳ,ta có các kết
quả sau:
+ Dòng trung bình qua tải.
π π π
VM
β − 4 cos 4 − sin β − sin 4
I LDC =
πLω
+ Chú ý:
Khi β = π (không liên tục)
π π π
VM
π − 4 cos 4 + sin 4
I LDC =
πLω
π
Khi β = + π (dẫn lien tục)
4
π π
V
I LDC = M π cos + 2 sin
πLω 4
4
3.Tải R-L (Tải trở cảm)
- Sơ đồ mạch.
14
- π
3.1.Trường hợp dẫn không liên tục β < +π
4
Giải tương tự như chỉnh lưu bán kỳ,ta có các kết quả sau:
+ Dòng i ( t )
VM π Lω ωt − 4
π
R
i( t ) = sin ( ωt − φ ) + sin φ − e
4
Z
+ Hệ thức liên hệ giữa góc kích va góc tắt:
π
R
π β−
sin ( β − φ ) = sin − φ e Lω 4
4
+ Trị số trung bình hiệu điện thế và dòng điện:
π
VM
cos − β
V LDC =
π
4
π
VM
cos − cos β
=
I LDC
πR
4
π
3.2.Trường hợp dẫn liên tục β = +π
4
- Ta có trị trung bình.
π
VM
V LDC = cos
π 4
π
VM
=
I LDC cos
πR 4
3.3.Hiện tượng trùng dẫn.
Ta chỉ xét khi dòng qua tải liên tục trong mạch ch ỉnh lưu một pha toàn kỳ
có điều kiện tải R-L>do dòng ra liên tục nên lúc SCR của bán kỳ này
chuẩn bị tắt và SCR của bán kỳ kia lại bắt đầu dẫn khi đó xảy ra hi ện
tượng trùng dẫn và dạng song như hình vẽ(với α = 45° )
- Diode dập trong mạch chỉnh lưu toàn kỳ.
Khi có Diode dập dẫn dòng cảm ứng ,góc tắt sẽ là β = π .Dòng qua diode
π π π
dập trong khoảng từ π đến π + hay π + − π = ,Vậy có:
4 4 4
π π
π
V
I D = 4 I AV = 4 M 1 + cos
π π Rπ 4
Điều kiện để dòng diode cực đại là:
15
- π π π
1 + cos 4 − 4 sin 4
dI D dI V
= 0 ⇒ D = M =0
π π πR π
d d
4 4
4.Tải R-L-E
Tải R,L và Vdc cho sẵn
- Trường hợp này góc kích phải.
V V
π π
≥ sin −1 dc và α = ≤ π − sin −1 dc
α= V V
4 4
M M
- Dòng tức thời i(t).
16
- π
V
VM −ωt
i( t ) = sin ( ωt − φ ) − dc + Ke τ < ωt < β
Khi
4
Z R
Khi β < ωt < 2π
=0
- Dòng trung bình :
V AV − Vdc
I AV =
R
π
2V
V AV = M cos
π 4
π π
Khi α = ( α > ): VLDC < 0 Ta có:SCR không hoạt động được.
4 2
Trong trường hợp tải là động cơ DC,thì Vdc chính là sức điện động của
động cơ.Động cơ sẽ hoàn trả năng lượng tích lũy troang động cơ vào
mạch điện AC khu vực.Đúng hơn,trường hợp này động cơ DC(máy điện
DC) trở thành máy phát điện và bộ chỉnh lưu (bộ biến đổi) hoạt động
nghịch lưu (Inverter)
π
- Tóm lại ta có:Với góc kích α = thì là nghịch lưu.
4
III.Sơ đồ cầu một pha.
1.tải R
Sơ đồ cấu tạo và dạng sóng như sau:
17
- π
Ta có khi θ = θ1 ;i1,3>0,T1,T3 dẫn � ud = u2 θ=
( Với )
4
π
;i2,4>0, T2,T4 dẫn � ud = u2
Khi θ = π +
4
Nên dòng id là dòng gián đoạn
Trị trung bình điện áp trên tải ud
π
1 π
2 sin θ dθ
ud = 2u2
với( α =
(1 + cosα )
, )
ud =
π
π 4
π
4
Trị trung bình dòng điện trên tải
ud
id =
R
Trị trung bình dòng qua mỗi SCR
id
iτ =
2
Điện áp ngược cực đại trên mỗi SCR
uτ max = − 2u2
2.Chỉnh lưu cầu điều khiển toàn phần.
Sơ đồ cấu tạo và dạng sóng như sau
18
- 3.Chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng:
Sơ đồ mạch và dạng sóng:
19
- 20
nguon tai.lieu . vn
