Bài tập : Điện tử công suất

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
***KHOA ĐIỆN***
BÀI TẬP
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Đề bài
Tính toán, thiết kế mạch điều khiển mạch điều áp xoay chiều
ba pha
Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Đăng Toàn
Nhóm sinh viên thực hiện :
Hoàng Đình Nam
Đậu Văn Phúc
Nguyễn Văn Thiên
Hoàng Anh Tuấn
Phạm ngọc Vượng
Lớp : ĐH Điện 3 K2
Hà Nội - 10/2009
I. GIỚI THIỆU CHUNG
Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009
Bài tập : Điện tử công suất
Mạch điều áp là một trong những mạch được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy xí
nghiệp công nghiệp. Theo dạng nguồn cấp xoay chiều có thể phân ra điều áp xoay
chiều 1 pha hay điều áp xoay chiều 3 pha.
Để thực hiện được việc điều áp có rất nhiều phương pháp khác nhau như dùng điện
trở hạn chế, dùng biến áp tự ngẫu. Đặc điển của 2 phương pháp này là đơn giản, điện
áp ra là hình sin chuẩn, điều chỉnh dải điện áp ra trơn. Tuy nhiên với những tải có
công suất lớn thì việc điều chỉnh là rất khó khăn do dễ hỏng chổi than. Vì vậy trong
thực tế hiện nay người ta không dùng phương pháp đó nữa mà dùng mạch Triac hoặc
Tiristor. Nhưng do chất lượng của Triac hiện nay chưa đáp ứng được nhu cầu của các

>1V.
2.2.3. Thông số cơ bản.
Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009
Bài tập : Điện tử công suất
- U
n
: Điện áp ngược cực đại
- I
dm
: Dòng điện làm việc max
-
U∆
: Sụt áp trên D khi nó dẫn
2.2.4. Một số điốt công suất.
Kí hiệu U
n
(V) I
dm
(A)
U∆
(V)
1N1159 200 20 1,2
KY740/200 200 20 1,1
1N2282 300 20 1,5
SKN20/04 400 20 1,55
1N2284 500 20 1,5
SKN20/08 800 20 1,55
CR20-100 1000 20 1,1
SKR20/12 1200 20 1,55
D20PM18C 1800 20 1,55

-Ug : Điện áp xung điều khiển
-Ig : Dòng điện xung điều khiển
- ∆U : Sụt áp khi dẫn
- dU/dt : Tốc độ tăng điện áp
- Ih : Dòng điện tự giữ
- T : Nhiệt độ làm việc cực đại.
2.3.4. Một số Tiristor
Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009
Bài tập : Điện tử công suất
Kí hiệu Un(V) Idm(A) Ug(V) Ig(A) ∆U(V) dU/dt(V/s) Ih(A) T(
0
C)
2N5719 80 200m 0.6 20µ 1,4 100 2m 100
2N2688A 200 350m 0.7 20µ 1,2 200 500µ 155
EC103D 400 0.8 0.8 200µ 1,7 40 5m 100
C122D 400 8 1.5 25m 1,8 500 30m 100
SKT10/100 1000 10 3 100m 1,6 500 150m 125
C501D 400 550 3.5 150m 1,5 200 250m 125
C411P 1000 800 5 300m 2 200 250m 125
2.4. Khuếch đại thuật toán.
2.4.1. Sơ lược cấu tạo
Là một mạch khuếch đại một chiều nối tầng trực tiếp với hệ số khuếch đại rất cao.
1 bộ khuếch đại có 5 chân:
V
+
: Đầu vào không đảo
V
−
: Đầu vào đảo
V

6
13 40
2.5.Biến áp xung
BAX là 1 máy biến áp nhưng có thể hoạt động ở tần số rất cao. Nó dùng để tạo ra
xung kim và cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực.
Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009
Bài tập : Điện tử công suất
III. MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1. Yêu cầu chung
Mạch điều khiển là phần rất quan trọng trong mạch điều áp, nó quyết định chất lượng
bộ biến đổi.
Hệ điều khiển phải phát xung khi thỏa mãn 2 điều kiện:
0
0
AK
U
I
>
>
Để thay đổi điện áp ra của mạch động lực ta chỉ cần thay đổi góc mở α
Mạch điều khiển phải thực hiện được các nhiệm vụ sau:
- Đảm bảo góc mở từ
min axm
α α
⇒
tương ứng với sự thay đổi điện áp ra của
mạch lực.
- Có độ đối xứng tốt không vượt quá 1
0
-3

tử góc α đến cuối bán kì hoặc là đến khi dòng bằng không
3.2.2.2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Accos:
Tương tự như trên nhưng tại thời điểm U
dk
=U
rc
bộ so sánh sẽ lật trạng thái.
Giả sử urc=U
m
cosωt=U
m
cosθ, chon tại thời điểm ωt=0 là thời điểm chuyển mạch tự
nhiên thì khi θ=α ta có
U
m
cosα=U
dk

⇒
arccos
dk
m
U
U
α
=

Khi U
dk
=U

áp cao phía mạch lực và mạch điều khiển điện áp thấp.
+ Tạo điện áp tựa ( điện áp răng cưa Urc)
Tạo điện áp răng cưa có chu kì làm việc theo chu kỳ của điện áp đồng pha.
+ Khâu so sánh (SS)
So sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau
để phát xung điều khiển tức là xác định góc mở α
+ Khâu dạng xung (DX)
Tạo ra xung phù hợp để mở chắc chắn van chỉnh lưu, hiện nay người ta thường sử
dụng xung chùm.
+ Khâu khuếch đại xung (KĐX)
Thường dùng biến áp xung nhằm khuếch đại tín hiệu xung và cách ly giữa mạch lực
và mạch điều khiển.
3.3. Tính toán mạch điều khiển
3.3.1. Khâu đồng pha
+Sơ đồ nguyên lý:
Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009
Bài tập : Điện tử công suất
- Điện áp đồng pha được so sánh với U
0
. Tại thời điểm bằng nhau của 2 điện áp đó
thì đổi dấu điện áp ra của OA.
- Điện áp U
0
:
0
.
1
E
U VR
VR

24
10
−
= = = Ω
df
OA
U
R k
I
Chọn R2=22kΩ
Chọn góc duy trì và khóa năng lượng là θ=5
0
Điện áp đặt vào cực dương của bộ so sánh là:
24 2 sin 5 2,96
= =
P
U V
Chọn VR1=50kΩ
Ta có :
0
E
.VR U
VR1
15
.VR 2,96
50
VR 9,87k
=
=
= Ω

Bình thường thiết kế VR2>>R3 nên ta có thể bỏ qua dòng qua VR2. Nên I
3
=I
c
.
Ta có:
( )
ra c c
1 1
U U U 0 .
c
c c
I
i dt i dt t
C C C
= = + = =
∫ ∫
(Vì U
c
(0)=0)
Chọn Dz loại: 1N4740A có Udz=10V, I=25mA
Với tần số công nghiệp f = 50 Hz thì một nửa chu kỳ T = 10 ms. Chọn R3 và C1, sao
cho tụ nạp đến điện áp Udz = 10V, trong thời gian tn = 9,5 ms thì tp = 0,5 ms.
Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009
Bài tập : Điện tử công suất
Ta có :

4
3
.

3
15
3,75
4.10
E
R k
I
−
= = = Ω
Chon R3= 3,9kΩ
Chọn điốt có dòng điện định mức : I=10.I
3
=40mA
Điện áp ngược định mức : U=15V
Chọn : 1N4001 có U
ng
=100V
I
dm
=1A
Khi Udb>0:
Tụ C1 phóng điện với dòng phóng
p
E
I
VR
=
- Điện áp trên tụ giảm dần theo thời gian:
( )
ra c c

E
t
VR C
VR
VR k
−
−
− =
− =
= Ω
Chọn VR2=100kΩ đặt ở giá trị 75kΩ
Chọn OA là TL084 nguồn cấp U=15V
Tín hiệu ra OA2 ( Mô phỏng bằng Multisim 10.0.1)
Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009
Bài tập : Điện tử công suất
3.3.3. Khâu so sánh
+ Sơ đồ nguyên lý
So sánh điện áp Urc và Udk, điểm cân bằng của 2 điện áp này là thời điểm mở T
Khi Urc>Udk : điện áp ra khâu so sánh :Uss=E
Khi Urc<Udk : điện áp ra khâu so sánh :Uss=-E
+ Tính toán
D1: Nối đất xung âm ( Bỏ phần âm của xung)
D1: 1N4001
Chọn OA là TL084 có nguồn cấp E=15V
R4 để hạn chế dòng ra của bộ so sánh
Chọn R4=10kΩ
Tín hiệu của điện áp điều khiển( Mô phỏng bằng Multisim 10.0.1)
Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009
Bài tập : Điện tử công suất
Tín hiệu ra OA3 ( Mô phỏng bằng Multisim 10.0.1)

Thời gian mở : tm=0,8µs
Thời gian đóng td=10µs
Độ rộng xung điều khiển : tx=1,6µs
Dòng thứ cấp BAX là I2=10mA
Điện áp thứ cấp BAX là U2=3+1,1 = 4,1V
Chọn BAX có tỉ số k=1
Ta có :
2
1 2
3
2
15 4,1
1090
10.10
E U
R R
I
−
− −
= = = = Ω
Chọn R1=R2=1kΩ
15
R11 R12 = =150
0,1 0,1
U
= = Ω
Chọn R11=R12=220Ω
Độ sụt biên độ xung: sx=0,2
Tín hiệu ra sau BAX kích vào cực G của T1 ( Giảm xung chùm 1kHz để rõ tín hiệu
xung kim)

vào của mỗi máy biến áp là 1 pha A, B hoặc C của điện áp lưới 3 pha mắc hình sao,
đầu ra của mỗi MBA có 3 đầu ra ( biến áp có điểm giữa)
Sơ đồ ( Chỉ vẽ pha A)
Theo trên chọn điện áp xoay chiều đồng pha (xcdf) U
xcdf
= 12V
Điện áp 1 chiều sau cuộn dây đồng pha (1cdf):
1
0,9. 0,9.12 10,8
cdf xcdf
U U V
= = =
Dòng điện chạy qua cuộn dây đồng pha:
1
3
1
10,8
10,8
10
cdf
df
U
I mA
R
= = =
Công suất mỗi máy biến áp:
3
1
. 10,8.10.8.10 0,117
cdf df

Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009
Bài tập : Điện tử công suất
3
0,123
. 6. 0,2
3.50
t Q
S
Q k cm
mf
= = =
Vì tiết diện quá nhỏ nên ta chon theo tiết điện chuẩn
Qt=1,63
Lá thép dày
0,5mm
σ
=
Số lá thép 68 lá
a=12mm
b=16mm
h=30mm
Hệ số ép chặt : kc=0,85
Chọn mật độ từ thông B=1T
Số vòng dây cuộn sơ cấp:
1
1
3
220
6080
4,44. . . 4,44.50.1.1,63.10

π
−
= = =
Chọn dây tiêu chuẩn d=0,1mm
Số vòng dây thứ cấp :
2
12
W 6080. 332
220
= =
Vòng
Dòng điện thứ cấp :
Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009
Bài tập : Điện tử công suất
2 1
220 220
. .5,6 0,01
12 12
I I A= = =
3 2
2
2
0,01
3,73.10
2,75
I
s mm
J
−
= = =

. 5,4.10 54
. 2.30,55 61,1
u
dm i
ng k ng
I k I mA
U U V
=
= = =
= =
Chọn : 1N4001 có Idm=1A
Ung=100V
3.4.2. Biến áp xung (BAX)
Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM, lõi có dạng hình xuyến làm việc trên 1 phần
của đặc tính từ hóa có ∆B=0,3T, ∆H=30A/m, không có khe hở không khí.
Chọn tỉ số BAX: k=1
Điện áp thứ cấp BAX là U2=3+1,1 = 4,1V
Điện áp sơ cấp BAX là U2=4,1V
Dòng thứ cấp BAX là I2=10mA
Công suất S
bax
=4,1.10.10
-3
=0,041W
Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi săt là:
6
6
0
0,3
. .30 7,2.10

-6
.1,6.10
-6
.0,2.4,1.10
-3
)/0,3
2
=0,1312.10
-6
m
3
=0,1312cm
3
Chọn mạch từ OA-14/17-3 có Q=0,045, L=4,86
V=0,045.4,86=0,2178 cm
3
Ta có kích thước mạch từ như sau:
Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009
Bài tập : Điện tử công suất
a=1,5mm
b=3mm
d=14mm
D=17mm
Q
cs
=1,54cm
2
Số vòng dây sơ cấp và thứ cấp:
1
1 2

ld
K
−
= =
Thỏa mãn
Chọn điốt mắc song song với BAX là 1N4001
3.4.3. Biến áp nuôi mạch điều khiển
Vì là mạch điều áp 3 pha nên ta có tổng cộng 16 OA, 9 AND, 6 BAX
AX
16.0,68 0,0025.9 6.0,041 11,15
t OA AND B
P P P P W
= + + = + + =
Chọn MBA có đầu vào U1=220V
Chọn MBA có đầu ra U2=24V
Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009
Bài tập : Điện tử công suất
Công suất của MBA kể đến hao tổn 5% trong MBA
S=P
t
+0,05P
t
=1,05P
t
=1,05.11,15 =11,71W
Điện áp 1 chiều :
2 2
0,9. 0,9.24 21,6
xc
U U V

f=50Hz : tần số điện áp lưới
Suy ra :
3
11,71
. 6. 1,68
3.50
t Q
S
Q k cm
mf
= = =
Vì tiết diện quá nhỏ nên ta chon theo tiết điện chuẩn
Qt=1,63
Lá thép dày
0,5mm
σ
=
Số lá thép 68 lá
a=12mm
b=16mm
h=30mm
Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009
Bài tập : Điện tử công suất
Hệ số ép chặt : kc=0,85
Chọn mật độ từ thông B=1T
Số vòng dây cuộn sơ cấp:
1
1
3
220

Chọn dây tiêu chuẩn d=0,2mm
Số vòng dây thứ cấp :
2
24
W 6080. 664
220
= =
Vòng
2
2
2
0,54
0,2
2,75
I
s mm
J
= = =
4. 4.0,2
0,5
3,14
s
d mm
π
= = =
Chọn dây tiêu chuẩn d=0,6mm
Dòng điện qua điốt :
2
11,15
0,37

Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009
Bài tập : Điện tử công suất
Chú thích :
1- Tín hiệu SIN điện áp lưới pha A
2- Tín hiệu xung đồng bộ
3- Tín hiệu xung răng cưa
4- Tín hiệu điện áp điều khiển
5- Tín hiệu xung đồng bộ
6- Tín hiệu máy phát xung chùm
7,8- Tín hiệu xung vuông của điện áp lệch pha nhau 180
0
điện
9,10- Tín hiệu qua sau công AND (trước BAX)
11,12-Tín hiệu xung kim sau BAX ( dùng để kích vào cực G của Thiristor).
Đây chỉ là tín hiệu trên 1 pha của điện áp
xoay chiều 3 pha. 2 pha còn lại cũng thiết kế
tương tự do đó tín hiệu ra cũng như trên chỉ
có khác là tín hiệu pha B sẽ chậm một góc
120
0
, tín hiệu pha C sẽ chậm hơn pha A một
góc 240
0
.
Sơ đồ mạch điều khiển
Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009
Bài tập : Điện tử công suất
Mạch điều khiển điều áp xoay chiều 3 pha 16/10/2009