Thiết kế mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha có điều khiển

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
Chương I : TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU TIA 3 PHA CÓ
ĐIỀU KHIỂN
1.1 Vấn đề cơ bản của chỉnh lưu
1.2 Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển
1.Tải thuần trở
2. Tải thuần cảm (mạch RL)
3. Trùng dẫn trong mạch chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển
1.3 Nhận xét

Chương II : TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN VAN
2.1. Tính toán thông số cơ bản
2.2. Tính chọn van mạch lực
2.3. Van được chọn cho mạch lực


Lời mở đầu
Việt Nam là một quốc gia đang trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa
mạnh mẽ để phát triển. Để đáp ứng cho chu trình đó, không thể không phát triển
các thiết bị điện, điện tử phục vụ cho hầu hết các ngành công nghiệp. Hiểu được
cơ chế hoạt động và cách vận hành, sửa chữa thiết bị là đòi hỏi tối thiểu với mọi
kỹ sư điện.
Điện – điện tử là một chuyên ngành phức tạp, bao gồm rất nhiều vấn đề,
quy tắc nghiêm ngặt cần nhớ và tuân theo. Nếu không khả năng làm hư hỏng
thiệt bị, thậm chí thiệt hại về con người là rất cao.Chỉnh lưu là vấn đề cơ bản của
các hệ thống điện tự động. Với đề tài: “ Thiết kế mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha
có điều khiển”.Để cùng mọi người hiểu rõ hơn về chỉnh lưu nói chung, và mạch
chỉnh lưu hình tia nói riêng, ta phải tìm hiểu bài qua 2 nội dung và được chia
thành 2 chương như sau:
- Chương 1: Tổng quan về chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển

- Chương 2: Tính toán và lựa chọn van

2


CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU TIA 3 PHA
CÓ ĐIỀU KHIỂN

1.1 Vấn đề cơ bản của chỉnh lưu
Chỉnh lưu là một thiết bị điện tử công suất được sử dụng để biến đổi năng
lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều. Ta có sơ đồ cấu
trúc thường gặp:

Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu
Chức năng của các khối:
a)
Khối biến áp: dùng để điều chỉnh điện áp từ lưới thành điện áp phù
hợp cấp cho tải. Và biến đổi số pha của lười nguồi sang số pha theo yêu cầu
của mạch van. Đồng thời còn có chức năng bảo vệ tải khi có bất kì sự thay
đổi ở lưới cũng không ảnh hưởng đến tải.
b)
Mạch van là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách nào đó
để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu.
c)
Lọc san phẳng nhằm đảm bảo điện áp hay dòng điện một chiều cấp
ra tải là bằng phẳng theo yêu cầu.
d)
Mạch điều khiển (MĐK) . Khi mạch van sử dụng van điều khiển
được sẽ có mạch này để điều khiển van dẫn dòng nhằm khống chế năng
lượng ra tải.

e)
Khâu hỗ trợ (KHT) gồm các mạch theo dõi và đảm bảo mạch chỉnh
lưu hoạt động bình thường. Thường là các thiết bị phản hồi giúp người vận
hành biết mạch chỉnh lưu đang hoạt động thế nào để điều chỉnh.
a) Phân loại
Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau:

3


1. Theo số pha nguồn cấp cho mạch van: 1 pha , 2 pha , 3 pha, 6 pha , v.v.
2. Theo loại van bán dẫn:




Mạch toàn điôt là chỉnh lưu không điều khiển.
Mạch toàn tiristo là chỉnh lưu có điều khiển.
Mạch gồm cả điôt và tiristo là chỉnh lưu bán điều khiển.

3. Phân loại theo sơ đồ mắc van:



Sơ đồ hình tia : thì số van bằng số pha nguồn cấp
Sơ đồ hình cầu: thì số van bằng 2 lần số pha nguồn cấp

b) Các tham số cơ bản của mạch chỉnh lưu.
1. Về phía tải.
– giá trị trung bình của điện áp nhận được ngay sau mạch van chỉnh lưu:

– giá trị trung bình của dòng điện từ mạch van cấp ra:
– là công suất một chiều mà tải nhận được từ mạch chỉnh lưu.
2. Về phía van.
- là giá trị trung bình của dòng điện chảy qua 1 van của mạch van.
– điện áp ngược cực đại mà van phải chịu được khi làm việc.
Đây là 2 tham số giúp ta chọn van cho mạch van
3. Về phía nguồn.
Xét về máy biến áp
Ta có công suất biểu kiến của biến áp:
Trong đó:

Các giá trị tính theo giá trị hiệu dụng.

4


Ta còn 1 tham số đánh giá sự bằng phẳng của điện áp 1 chiều nhận được, gọi
là hệ số đập mạch :

Trong đó:
là biên độ sóng hài bậc 1 theo khai triển Fourier của điện áp chỉnh lưu và là
thành phần cơ bản cũng theo khai triển này , cũng chính là giá trị trung bình của
điện áp chỉnh lưu, .
Hiệu suất của bộ chỉnh lưu : - công suất nhận được phía 1 chiều, công suất
tiêu thụ lấy từ nguồn xoay chiều.
c) Luật dẫn của van
a)
Nhóm van đấu catot chung:
Van có khả năng dẫn là van có thế a nốt là dương nhất trong số cac van có
catot chung và chỉ dẫn khi thế a nốt dương hơn thế ở catot chung.

b)

Nhóm van đấu a nốt chung:

Van có khả năng dẫn là van có thế ở catot là âm nhất trong số các van có a
nốt chung và chỉ dẫn khi thế ở catot âm hơn thế ở a nốt chung

1.2 Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển
1.Tải thuần trở

5


Hình 1.2. Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha tải thuần trở

Hình 1.3. Chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha

6


Đồ thị điện áp Ud của mạch chỉnh lưu dùng tiristo thể hiện trên hình 1.3 với
góc điều khiển . Đây là góc đặc biệt.
a) Nếu , điện áp Ud sẽ có đoạn bằng 0 , vì vậy khi tải thuần trở, dòng điện tải
i d sẽ gián đoạn, tức là có những đoạn id =0 , và dòng điện qua van luôn kết thúc
khi điện áp pha về 0. Đồ thị Ud có dạng như hình 1.4 .

Hình 1.4.

b) Nếu , dạng điên áp Ud ở hình 1.5. Ta thấy rằng điện áp Ud luôn lớn hơn 0 .
Như vậy với tải thuần trở , dòng điện id sẽ luôn tồn tại và chảy liên tục qua tải,

vì vậy dạng dòng này gọi là dòng điện liên tục. Ở đây quy luật điện áp Ud khác
7


đi , không tuân theo biểu thức như với vừa có. Với lưu ý rằng ba van sẽ thay
nhau dẫn trong một chu kì, nên mỗi van dẫn một khoảng bằng /3 .

Hình 1.5..

Như vậy, với mạch chỉnh lưu ba pha hình tia, quy luật điện áp phụ thuộc vào
chế độ dòng.

2. Tải thuần cảm (mạch RL)
a) Sơ đồ mạch van:

8


Hình 1.6. Sơ đồ mạch van tia 3 pha tải RL
b) Biểu thức điện áp nguồn:

Mạch này bắt buộc phải sử dung biến áp để có điểm trung tính đưa ra tải.
Điểm tính góc điều khiển không còn là điểm 0 của điện áp nguồn mà chậm pha
hơn 30 điện tương tự điểm giao nhau giữa các điển áp pha nguồn theo chiều
dương. Xung điều khiển các van lệch nhau 120 điện.

c) Đồ thị:

9

Hình 1.7. đồ thị điện áp nguồn và sau chỉnh lưu, dòng
điện sau chỉnh lưu
Góc điều khiển giới hạn:
1.2.1
Với :

;

Ở đấy ta phụ thuộc vào góc điều khiển giới hạn để biết quy luật dẫn của
mạch.
Nếu < ta có chế độ dòng liên tục. Nghĩa là khi dòng qua van này chưa về 0
thì van được phát xung dẫn ngay. Có ảnh hưởng của điện cảm phía nguồn xoay
chiều nên xảy ra hiện tượng trung dẫn trong khoảng .
Nếu > ta có chế độ dòng gián đoạn. Nghĩa là dòng có những đoạn bằng
không. Điện áp cũng có những khoảng gián đoạn nên không có trung dẫn

10


Nếu  = ta có chế độ dòng giới hạn. Nghĩa là khi dòng quan van này vừa về
0 thì van kia được phát xung dẫn ngay. Có ảnh hưởng của điện cảm phía nguồn
xoay chiều nên xảy ra hiện tượng trung dẫn trong khoảng .
Giá trị trung bình :
Trong đó:
: sụt áp trên tải (nếu có)
Dòng trung bình qua tải
Dòng trung bình qua van:
Điện áp ngược max:

3. Trùng dẫn trong mạch chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển
Quy luật điện áp :
Ta thấy có ba khoảng chuyển mạch trong một chu kì lưới điện 2π.


Đoạn : Van T3 chuyển mạch cho van T1. Vì T3 nối pha c , van T1 nối với
11


pha a, vì vậy ở đoạn này .
Tương tự như vậy ta có :


Đoạn , T1 chuyển mạch với T2, có:



Đoạn , T2 chuyển mạch với T3, có:

Hình 1.8. Đồ thị àm việc khi có trùng dẫn ở chình lưu hình tia ba
pha có điều khiển
Quy luật dòng điện :
 Van mở ra :

 Van đóng lại :
Biểu thức xác định góc :

12

Sụt áp do chuyển mạch :

Điện áp chỉnh lưu :

1.3 Nhận xét :
So với chỉnh lưu 1 pha:
+Chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện một chiều tốt hơn.
+Biên độ điện áp đập mạch tốt hơn.
+Thành phần sóng hài bậc cao bé hơn .
+Việc điều khiển các van bán dẫn cũng tương đối đơn giản hơn.

13


Chương II : TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN VAN

Tính toán thông số cơ bản và tính chọn van mạch lực
Yêu cầu: thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển, với U d=110V,
Pd=5kW,
2.1. Tính toán thông số cơ bản
a) Dòng điện tải có công thức :

b) Giá trị điện trở R

c) Góc điều khiển thyristor
Điện áp công nghiệp thường rơi vào khoảng 220/380V, tần số lưới 50-60Hz.
Theo yêu cầu thiết kế ta có:

Với ( U2 là giá trị hiệu dụng của điện áp nguồn )
-

Nếu điện áp nguồn U2 = 380V:

-

Nếu điện áp nguồn 3 pha U2 = 220V:

d) Điện áp ngược trên van:

14


2.2. Tính chọn van mạch lực
a) Dòng điện lớn nhất chảy qua van:
Theo yêu cầu thiết kế, dòng điện trung bình qua van:

Vậy dòng qua van sẽ được tính theo biểu thức:

KIv : hệ số dự trữ về dòng điện cho van, ở đây ta chọn KIv = 2

b) Điện áp đặt lên van
Ta có điện áp lớn nhất đặt lên van theo sơ đồ tia 3 pha:

KUv : hệ số dự trữ về điện áp cho van, ở đây ta chọn KUv = 2
-

Nếu điện áp lưới xoay chiều là 220  240 V:

-

Nếu điện áp lưới xoay chiều là 380  440 V:

2.3. Van được chọn cho mạch lực
Từ các số liệu trên ta chọn ra thyristor cần dung là: MIMMK40A160B
Với các thông số được thể hiện dưới bảng Datasheet sau :

15


MIMMK40A160B

1600V 40A thyristor Module
RoHS Compliant

Features
· Isolation voltage 3500 V~
· Industrial Standard Package
· High Surge Capability
· Glass Passivated Chips
· Simple Mounting
· Electrically Isolated by DBC Ceramic
Applications
· DC Motor Control and Drives
· Battery Charges
· Welders
· Power Converters
· Lighting Control
· Heat and Temperature Control
Advantages
· Space and weight savings

· Improved temperature and power cycling
ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS
Symbol

TC=25°C unless otherwise specified

Test Condition

VRRM /VDRM

Value

Unit

1600

V

IT(AV)

TC=85 , 180° conduction, half sine wave;

40

A

IT(RMS)

as AC switch;

100

A

TJ=4
5

, t=10ms (50Hz), sine, VR=0;

850

TJ=4
5

, t=8.3 ms (60Hz), sine, VR=0;

890

TJ=4
5

, t=10ms (50Hz), sine, VR=VRRM;

ITSM

A

715
TJ=45 , t=8.3 ms (60Hz), sine, VR= VRRM;

750

TJ=45 , t=10ms (50Hz), sine, VR=0;

3.61

TJ=45 , t=8.3 ms (60Hz), sine, VR=0;
I2t

3.3
TJ=45 , t=10ms (50Hz), sine, VR=VRRM;

2.56

TJ=45 , t=8.3 ms (60Hz), sine, VR= VRRM;

K A 2s

2.33
IDRM/IRRM

TJ=130 , VD=VR=1600V, gate open circuit;

16

15

mA

dV/dt

TJ =130 , exponential to 67% rated VDRM

500

V/us

VISOL

50Hz, all terminals shorted, t=1s, IISOL≤1mA ;

3500

V~

TJ

Max. junction operating temperature range

-40～125

TSTG

Max. storage temperature range

-40～125

ELECTRICAL CHARACTERISTICS
Symbol

TC=25°C unless otherwise specified

Max.

Unit

16.7% x p x IAV < I < p x IAV,TJ =130°C;

0.88

V

I > p x IAV , TJ =130°C;

0.91

V

16.7% x p x IAV < I < p x IAV,TJ =130°C;

5.9

mΩ

rt

I > p x IAV , TJ =130°C;

5.74

mΩ

IH

VAK= 6V, resistive load;

200

mA

IL

Anode supply =6V, resistive load=1Ω, gate
pulse =10V, 100us;

400

mA

VTM

ITM=141A, td=10 ms, half sine

1.81

V

PGM

tp≤5ms, TJ=125°C;

10

W

PGM(AV)

f=50Hz, TJ =125°C;

2.5

W

2.5

A

10

V

VTO

Test Condition

Min. Typ.

IGM
-VGT

tp≤5ms, TJ =125°C;
VA=6V, RA=1Ω, TJ =-40°C;

VGT

IGT

4

VA=6V, RA=1Ω;

2.5

VA=6V, RA=1Ω, TJ=125°C;

1.7

VA=6V, RA=1Ω, TJ=-40°C;

270

VA=6V, RA=1Ω;

150

VA=6V, RA=1Ω, TJ=125°C;

80

VGD
IGD
di/dt

V

mA

0.25

V

6

mA

150

A/us

VAK=VDRM, TJ=125
TJ= 25 , VD=0.67VDRM, ITM =345A,
Ig = 500mA, tr< 0.5 µs, tp > 6 µs

THERMAL AND MECHANICAL CHARACTERISTICS

TC=25°C unless otherwise

specified

Symbol

Test Condition

Rthjc

DC operation,per junction;

value
0.5

17

Unit
K/W


RTHCS
Md
Weight

Mounting surface smooth,flat and greased,per junction
Mounting torque(M5)
Terminal connection torque(M5)
Typical value

18

0.12

K/W

3 to 5

N·m

105

g


19