Đề tài Thiết kế bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều dùng thyristor

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện – điện tử thì các thiết bị ddieeenj – điện tử có công suất lớn được chế tạo ngày càng nhiều. Đặc biệt các ứng dụng của nó vào ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh mẽ. Tuy nhiên, để đáp ứng nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì ngành điện – điện tử luôn phải tìm ra các giải pháp tối ưu nhất. Đặc biệt với chủ trương CNH – HĐH của nhà nước, của nhà máy xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ kỹ thuật hiện đại vào trong sản xuất. Do đó, đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp làm việc an toàn chính xác. Và trong ngành kỹ thuật điện tử buộc phải sử dụng điện một chiều để phân cực cho transistor. Nhưng điện một chiều như pin, acquy và các máy phát một chiều quá tốn kém. Có một cáh đơn giản hiệu quả là chuyển điện xoay chiều đang có sẵn từ lưới điện thành điện một chiều và điều chỉnh được giá trị điện một chiều ở đầu ra. Để làm được bộ biến đổi điện xoay chiều thành điện một chiều( hay còn gọi là bộ chỉnh lưu) thì có rất nhiều cách như: dùng các hệ thống biến đổi van không điều khiển( diode ), có điều khiển( thyristor ). Các bộ biến đổi van có hiệu suất làm việc cao, kích thước trọng lượng nhỏ nên được ứng dụng ngày càng phổ biến và rộng rãi. Với bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều dung thyristor chúng em sẽ tìm hiểu về các chế độ khóa mở của thyristor để có thể tạo ra được nguồn điện áp một chiều ở đầu ra luôn dương. Đề tài này là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũng là điều kiện để cho sinh viên ngành kỹ thuật điện tử tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công nghiệp. Mặc dù vậy, với sinh viên còn đang ngồi trên ghế nhà trường thì kinh nghiệm thực tế còn chưa nhiều, do đó cần có sự hướng dẫn của thầy giáo. Qua đây, cho chúng em được gửi lời cảm ơn tới thầy Hồ Quang Hưng đã tận tình chỉ dẫn, giúp chúng em hoàn thành tốt đề tài này. Đề tài này hoàn thành không những giúp chúng em có thêm nhiều kiến thức hơn mà còn giúp chúng em làm việc với một phương pháp mới chủ động hơn, linh hoạt hơn và đặc biệt là phương pháp làm việc theo nhóm. Quá trình thực hiện đề tài là một thời gian thực sự bổ ích cho chúng em về mọi mặt. Thái Nguyên, ngày….tháng….năm…. Sinh viên Nhóm 5 ĐỒ ÁN KỸ THUẬT VIÊN TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU THÀNH MỘT CHIỀU DÙNG THYRISTOR. Giáo viên hướng dẫn: Thầy Hồ Quang Hưng. Sinh viên thưc hiện: Nhóm 5 Lê Đình Vượng Trần Thanh Tùng Nguyễn Văn Tùng Nguyễn xuân Toàn Nguyễn Thị Yến Yêu cầu: Thiết kế bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều dùng thyristor. I. GIỚI THIỆU VỀ THYRISTOR Cấu tạo, nguyên lý làm việc của thyristor. * Cấu tạo: P1 N1 P2 N2 A K G J1 J2 J3 * Kí hiệu: A K G + Thyristor gồm 4 khối bán dẫn khác loại xếp xen kẽ nhau do đó hình thành nên 3 lớp tiếp giáp P – N lần lượt là J1, J2, J3 và gồm có 3 điện cực là anôt A, katôt K và cực điều khiển G( lấy trên lớp bán dẫn P2 hoặc N1) trong đó có lớp bán dẫn P1, N1 được pha với nồng độ tạp chất cao hơn tới mức suy giảm, 4 khối bán dẫn khép lại đã tạo thành 2 transistor mắc nối tiếp trong đó một transistor thuận và một transistor ngược. + Cấu trúc của 2 transistor: P1 N1 P2 N2 P2 N1 A K G + Thyristor là diode có điều khiển, cấu trúc của 2 diode: A G K J1 J2 J3 + Sơ đồ tương đương của thyristor: Tr1 Tr2 A G K * Nguyên lý làm việc của thyristor: + khi Uak <0: J1, J3 phân cực thuận nên coi thyristor giống như 2 diode phân cực ngược mắc nối tiếp nhau. Vì vậy dòng qua đèn là dòng dò ngược có chiều từ A sang K( dòng có giá trị rất nhỏ gần như không đổi). Đến khi tăng điện áp lên một giá trị nhất định thi J1 và J3 lần lượt bị đánh thủng làm dòng điện ngược tăng lên đột ngột( nếu không có biện pháp ngăn chặn dòng ngược sẽ làm hỏng tải). + Khi Uak > 0: ● Khi chưa có xung tới cực G(Ig =0): lúc này J1, J3 phân cực thuận; J2 phân cực ngược. Vì vậy dòng qua thyristor là dòng điện ngược chạy qua tiếp giáp J2 nên nó có giá trị rất nhỏ. Khi tăng Uak đến một giá trị điện áp chuyển đổi Ucđ thuận nào đó thì J2 bị đánh thủng đèn chuyển từ khóa sang mở làm nội trở của đèn giảm mạnh và sụt áp trên 2 cực của đèn giảm => dòng qua đèn tăng nhanh ( đây gọi là phương pháp kích mở ở chế độ phân cực thuận). ● Khi có xung tới cực G (Ig # 0): dòng Ig # 0 sẽ cùng Uak > 0 làm J2 chuyển từ phân cực ngược sang phân cực thuận nên J2 mở sớm hơn và thyristor chuyển từ khóa sang mở sớm hơn. Việc tăng dần dòng điện khống chế Ig để mở thyristor gọi là phương pháp kích mở bằng dòng điện khống chế. * Đặc tuyến làm việc của thyristor: Uv Uv Ur to ╥ 2╥ 2╥ + to 3╥ to ╥ 2╥ + to 2╥ 3╥ 0 0 Đặc tuyến Volt – Ampe: I th Uak Dòng duy trì Điện áp đánh thủng thuận UBRF Dòng chắn thuận 0 Ung max Uđt - Có thể chia thành 4 vùng chính và 1 vùng chuyển tiếp. Đó là vùng dẫn thuận, vùng chắn thuận và giữa hai vùng này là một vùng quá độ( có điện trở âm) dòng qua thyristor tăng khi áp trên nó giảm thu được khi tác động điện áp giữa anôt và katôt là chiều thuận Uak = Ui ≥ o; tức là các diode P1N1, P2N2 dẫn bị ngăn cách bằng diode N1P2 khóa khi ở vùng chắn thuận. Cần chú ý ở đây có một giá trị điện áp ngưỡng đánh thủng Uđt thuận tức là khi tăng dần điện áp Uak trên thyristor tới lúc Uak = UBRF, thyristor sẽ chuyển từ vùng không dẫn điện sang vùng dẫn điện( ta gọi là phương pháp kích mở thyristor bằng điện áp thuận giữa anôt và katôt). Các vùng còn lại của đặc tuyến khi Uak < 0 giống như của một diode bán dẫn thông thường, đó là vùng chắn ngược( các diode P1N1; P2N2 khóa, diode N1P2 mở) và vùng dẫn ngược, diode P1N1 và sau đó P2N2 bị đánh thủng về điện. - Nếu cố định điện áp giữa A và K ở một giá trị Uak < UBRF0 ( ứng với lúc dòng Ig = 0) thyristor sẽ không dẫn điện cho tới lúc có một tác động dòng điện Ig # 0 lên cực G và thyristor sẽ mở theo phương pháp dùng dòng trên cực điều khiển G. Tuy nhiên, điều này chỉ thực hiện được theo chiều thuận, còn nếu thyristor đang mở không thể dung dòng hay áp cực G dập tắt nó được. Khi đó, ta phải dung biện pháp duy nhất là đặt Uak ≤ 0 lên thyristor. T1’’ T1’ T1 T0 (Iđk = 0) Uth Ucđ Uđt Ung max Iđt T Ith Ing 0 3. Các thông số cơ bản của thyristor: - Điện áp thuận cực đại( Uth.max): Là giá trị điện áp lớn nhất có thể đặt lên thyristor theo chiều thuận mà thyristor vẫn ở trạng thái mở. Nếu vượt quá giá trị này có thể làm hỏng thyristor. - Điện áp ngược cực đại( Ung.max): Là điện áp lớn nhất có thể đặt lên thyristor theo chiều ngược mà thyristor vẫn không hỏng. Dưới tác dụng của điện áp này, dòng điện ngược có giá trị Ing = (10 ÷ 20)mmA. Khi điện áp ngược đặt lên thyristor lưu ý phải giảm dòng điều khiển. - Điện áp định mức(Uđm): Là giá trị điện áp cho phép đặt lên thyristor theo chiều thuận và ngược. Thông thường Uđm = ½ U th.max. - Điện áp rơi trên thyristor: Là giá trị điện áp trên thyristor khi thyristor đang ở trạng thái mở. - Điện áp chuyển trạng thái(Uch): Ở giá trị điện áp này, khong cần có Iđk, thyristor cũng chuyển sang trạng thái mở. - Dòng điện định mức( Iđm): Là dòng điện có giá trị trung bình lớn nhất được phép chảy qua thyristor. - Điện áp và dòng điện điều khiển( U đk.min và I đk.min): Là giá trị nhỏ nhất của điện áp điều khiển đặt vào cực G – K và dòng điện điều khiển đảm bảo mở được thyristor. - Thời gian mở thyristor( ton): Là khoảng thời gian tính từ sườn trước xung điều khiển đến thời điểm dòng điện tăng đến 0,9 Iđm . - Thời gian khóa thyristor( toff): Là khoảng thời gian tính từ thời điểm I = 0 đến thời điểm lại xuất hiện điện áp thuận trên anôt mà thyristor không chuyển sang trạng thái mở. - Tốc độ tăng điện áp thuận cho phép( du/dt): Là giá trị lớn nhất của tốc độ tăng điện áp trên anôt mà thyristor không chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái mở. - Tốc độ tăng dòng thuận cho phép(di/dt): Là giá trị lớn nhất của tốc độ tăng dòng trong quá trình mở thyristor. 4. Các biện pháp mở thyristor: - Nhiệt độ: Nếu nhiệt độ thyristor tăng cao, số lượng điện tử tự do sẽ tăng lên, dẫn đến dòng điện dò I0 tăng lên. Sự tăng dòng này làm cho hệ số truyền điện tích α1, α2 tăng và thyristor được mở. Mở thyristor bằng phương pháp này không điều khiển được sự chạy hỗn loạn của dòng nhiệt nên thường được loại bỏ. - Điện thế cao: Nếu phân cực thyristor bằng một điện thế lớn hơn điện áp đánh thủng Uđt thì thyristor mở. Tuy nhiên, phương pháp này sẽ làm cho thyristor hỏng nên không được áp dụng. - Tốc độ tăng điện áp( du/dt): Nếu tốc độ tăng điện áp thuận đặt lên anôt và katôt thì dòng điện tích của tụ điện tiếp giáp có khả năng mở thyristor. Tuy nhiên dòng điện tích lớn này có thể phá hỏng thyristor và các thiết bị bảo vệ. Thông thường tốc độ tăng điện áp du/dt thì do nhà sản xuất quy định. - Dòng điều khiển cực G: Khi thyristor đã phân cực thuận ta đưa dòng điều khiển dương đặt vào hai cực G và K thì thyristor dẫn, dòng Ig càng tăng thì Uđt càng giảm. 5. Quá trình khóa thyristor: Khóa thyristor tức là trả nó về trạng thái ban đầu trước khi mở với đầy đủ các tính chất có thể điều khiển được nó. Có hai phương pháp khóa thyristor: + Giảm dòng điện thuận hoặc cắt nguồn cung cấp. + Đặt điện áp thuận lên thyristor. - Quá trình khóa thyristor: Khi đặt điện áp ngược lên thyristor tiếp giáp J1, J3 chuyển dịch ngược, còn J2 chuyển dịch thuận. Do tác dụng của điện trường ngoài, các lỗ trống trong lớp P2 chạy qua J3 về katôt và trong lớp N1 lỗ trống chạy qua J1 về anôt tạo nên dòng điện ngược chạy qua tải giai đoạn này từ t0 ÷ t1. Khi các lỗ trống bị tiêu tán hết thì J1 và J3( đặc biệt là J1) ngăn cản không cho điện tích tiếp tục chảy qua, dòng ngược bắt đầu giảm xuống, từ t1 ÷ t2 gọi là thời gian khóa thyristor. Thời gian khóa này thường dài gấp 8 ÷ 10 lần thời gian mở. Tm t2 t1 In Ip P1J1N1 J2P2 J3N2 + _ U R A K to Ith 0 6. Một số ứng dụng của thyristor: Thyristor được ứng dụng trong một số mạch như: + Được sử dụng trong các mạch điều khiển động cơ. + Mạch khóa mã. + Mạch báo động. + Mạch bảo vệ quá áp. + Mạch bảo vệ quá dòng. * Ví dụ: trong mạch bảo vệ quá dòng: - Nguyên lý hoạt động: + Điện áp AC trước khi vào cầu diode, ta nối khóa K1 thường đóng của relay( nghĩa là trạng thái bình thường của relay khi chưa có điện thì khóa K1 luôn đóng, nhưng khi có điện thì sẽ hút mở khóa K1 ra). + Nếu điện áp vào vượt quá điện áp chuẩn => diode zennơ Z1 thông => cực G của thyristor được kích dẫn => relay có điện => làm hút mở khóa K1 nối nguồn AC với cầu diode => làm mất điện. Tức là mạch hở ngắt khi có sự cố qua áp. 7. Sơ đồ nguyên lý của bộ biến đổi điện áp xoay chiều sang một chiều: * Sơ đồ nguyên lý của mạch: * Chức năng các khối: - Khối tạo xung: Có nhiệm vụ tạo ra điện áp răng cưa tuyến tính Urc trùng pha với điện áp anôt của thyristor. - Khối so sánh: Có nhiệm vụ so sánh điện áp răng cưa Urc với điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau( Urc = Uđk). Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xung ở đầu ra để đưa sang tầng khuyếch đại. - Khối khuyếch đại: Có nhiệm vụ khuyếch đại xung phù hợp để mở thyristor. Xung để mở thyristor có yêu cầu là sườn trước dốc thẳng đứng. Để đảm bảo yêu cầu để thyristor mở tức thời khi có xung điều khiển đủ rộng với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của thyristor đủ công suất. * Phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các khối trong sơ đồ: ● Khối tạo xung: + Cấu tạo: BA: máy biến áp D: diode Tr: transistor R1,R2,R3,R4: điện trở WR: biến trở dùng để điều chỉnh biên độ điện áp răng cưa cho phù hợp yêu cầu. C: tụ điện R4: hạn chế biên độ dòng phóng của tụ qua transistor mở để bảo vệ transistor. + Nguyên lý làm việc của mạch: Giả thiết rằng: Tại wt = 0 thì U2 = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương; tại wt = 0 điện áp trên tụ C đang bằng không( Uc = 0). Sau thời điểm wt = 0 thì U2 > 0( điểm a dương hơn điểm 0) nên trên D được đặt điện áp thuận, D sẽ mở dẫn đến có dòng điện từ cuộn thứ cấp biến áp đến R2 và D; nếu bỏ qua sụt áp rất nhỏ trên cuộn dây máy biến áp và trên D thì trên R2 được đặt điện áp bằng toàn bộ suất điện động thứ cấp biến áp tức là U2. Điện sụt trên R2 lúc này có thể dương đặt vào cực phát transistor, còn thế âm đặt vào vào cực gốc transistor; do vậy mạch gốc – phát transistor của transistor bị đặt điện áp ngược và transistor khóa. Transistor khóa thì tụ C được nạp( từ dương nguồn qua R3 qua WR qua tụ C về âm nguồn). Khi C được nạp thì điện áp tăng dần theo biểu thức: uc = Ucc ( 1 – e –t/τ ) với τ = ( R3 + WR). C: hằng số thời gian mạch nạp của tụ. Đến wt = ╥ thì điện áp đồng bộ U2 = 0 và bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ âm( điểm a âm hơn điểm 0). Van D bị đặt điện áp ngược và khóa lại. Do vậy, điện áp đồng bộ không còn tác độngđến mạch gốc – phát của transistor nữa, lúc này dưới tác động của nguồn cung cấp một chiều qua điện trở định thiên R1 trong mạch định thiên theo kiểu phân áp gồm R1 và R2 mà transistor mở. Transistor mở thì tụ ngừng nạp và phóng điện( từ dương tụ C qua transistor qua R4 và về âm tụ C). Người ta tính chọn các điện trở R1, R2 và transistor sao cho transistor mở bão hòa với điện trở tổng mạch cực góp là R3 + WR. Vậy tụ C sẽ ngừng phóng khi điện áp trên tụ giảm xuống bằng sụt áp điện áp bão hòa của transistor cộng với sụt áp trên R4 gây ra bởi dòng mở bão hòa của transistor: UR4 ≈ Ucc.R4/(R3 + WR). Sụt điện áp bão hòa trên một transistor mở rất nhỏ nên ta có thể bỏ qua, mặt khác do R4 rất nhỏ so với( R3 + WR) nên cũng có thể bỏ qua sụt áp trên R4( tương ứng UR4 = 0). + Giản đồ điện áp: Uđb Urc ╥ V1 2╥ 3╥ wt 0 Urc max UA UB UC t t Như vậy tụ C sẽ phóng đến điện áp bằng không( tại wt = v1) và do transistor vẫn mở nên điện áp trên tụ giữ nguyên giá trị bằng không cho đến thời điểm wt = 2╥. Tại wt = 2╥ thì U2 = 0 và lại bắt đầu chuyển sang nửa chu kỳ dương, D lại được đặt điện áp thuận nên lại mở và transistor lại khóa, như vậy tụ C lại được nạp tương tự như wt = 0 và sự làm việc của sơ đồ lặp lại như chu kỳ vừa xét. Điện áp răng cưa đầu ra cũng chính là điện áp trên tụ C và dạng điện áp ra Urc được cho trên hình vẽ. ● Khối so sánh: + Cấu tạo: + Giản đồ điện áp: t t 0 0 U Urc Uđk + Nguyên lý hoạt động: Tín hiệu ra từ khối tạo xung đưa qua điện trở R5, R6 vào IC khuyếch đại thuật toán A3. Tín hiệu đầu vào là hai tín hiệu răng cưa và điều khiển. Để xác định được thời điểm thyristor mở cần so sánh hai tín hiệu này. Ta dung IC khuyếch đại thuật toán A3 có hệ số khuyếch đại lớn nên chỉ một tín hiệu nhỏ ở đầu vào ta có điện áp ra ở nguồn nuôi. Nó phát xung chính xác ở thời điểm Uđk = Ura. Tín hiệu ở đầu ra được đưa sang tầng khuyếch đại. ● Khối khuyếch đại: + Cấu tạo: + Nguyên lý hoạt động: Để có thể khuyếch đại công suất ta dùng transistor, diode bảo vệ transistor và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi transistor khóa đột ngột; tầng khuyếch đại dalington khuyếch đại được công suất đủ lớn, hệ số khuyếch đại được nâng lên theo thông số của transistor. Tín hiệu được đưa vào qua tụ C, điện trở R để đưa đến transistor công suất mắc kiểu dalington để khuyếch đại tín hiệu lên công suất cần thiết đi đến đầu vào cuộn sơ cấp biến áp xung. + Giản đồ điện áp: U t t 0 0 * Nguyên lý hoạt động của cả mạch: - Điện áp vào tại A( UA) có hình sin trùng pha với điện áp ở cực anôt của thyristor( T ), qua IC khuyếch đâị thuật toán A1 cho ta chuỗi xung hình chữ nhật đối xứng( UB) , phần áp dương của điện áp chữ nhật UB qua diode D1 tới A2 tích phân thành điện áp răng cưa Urc; điện áp âm của UB làm mở thong transistor Tr1 làm A2 ngắn mạch( Urc = 0) trong vùng UB âm.Trên đầu ra của A2 chúng ta có chuỗi điện apsrawng cưa gián đoạn. - Điện áp Urc được so sánh với điện áp Uđk tại đầu vào của A3. Tổng Urc + Uđk quyết định dạng điện áp ở đầu ra của A3. Trong khoảng 0 ÷ t1 với Uđk > Urc điện áp UD có điện áp âm. Trong khoảng t1 ÷ t2 với Urc > Uđk điện áp UD lật lên điện áp dương. Các khoảng thời gian tiếp theo tương tự như vậy. - Các xung ra UF làm mở thông các transistor Tr2, Tr3 nên chúng nhận được chuỗi xung nhọn trên biến áp xung, để đưa tới mở thyristor. Giản đồ điện áp: Ua t Urc Ub Uc UD Ud Urc t t t 0 0 0 0 0 8. tính chọn linh kiện: a. Tính biến áp xung: Chọn vật liệu làm lõi sắt là Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hóa có: ∆B = 0,3( T) ∆h = 30( A/m) Và không có khe hở không khí. Tỉ số biến áp xung: thường m = 2 ÷3, chọn m = 3 Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Uđk = 3( V) Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m*U2 = 3*3 = 9 (V) Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: I2 = Iđk = 0,11( A) Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung: I1 = I2/m = 0,11/3 = 0,037( A) Độ từ thẩm trung bình của lõi sắt: μ tb = ∆B/μo.∆H = 0,3/1,25.10-6*30 = 8.103 Trong đó: μo = 1,25.10-6 ( H/m) là độ từ thẩm của không khí. Thể tích lõi thép cần có là: V =