Luận văn Nghiên cứu bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU BỘ VARIAC BÁN DẪN BA PHA CÓ HỒI TIẾP GVHD: ThS. ĐỖ ĐỨC TRÍ SVTH: NGUYỄN NGỌC VINH MSSV: 10101175 SVTH: NGUYỄN VĂN TÀI MSSV: 10101111 S K L 0 0 4 2 5 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 2/2016
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬCÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU BỘ VARIAC BÁN DẪN BA PHA CÓ HỒI TIẾP GVHD: THS. ĐỖ ĐỨC TRÍ SVTH: NGUYỄN NGỌC VINH MSSV: 10101175 SVTH: NGUYỄN VĂN TÀI MSSV: 10101111 Tp. Hồ Chí Minh – 02/2016
3. PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1. Thông tin sinh viên Họ và tên: Nguyễn Ngọc Vinh MSSV: 10101175 Tel: 01676 666 432 Email: ngocvinhspkt10@gmail.com Họ và tên: Nguyễn Văn Tài MSSV:10101111 Tel: 0973 330 809 Email: nguyenvantai1992@gmail.com 2. Thông tin đề tài Tên của đề tài: Nghiên cứu bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp. Mục đích của đề tài: Xây dựng mô hình Variac ba pha bán dẫn cung cấp nguồn điện ba pha phù hợp với nhiều loại tải khác nhau với giá trị hiệu dụng có thể thay đổi được. Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ môn Điện Tử Viễn Thông, Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Thời gian thực hiện: Từ ngày 01/09/2015 đến 01/01/2016 3. Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài - Nghiên cứu thi công mô hình Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp. - Hiển thị giá trị dòng điện, điện áp lên LCD. - Hồi tiếp điện áp ngõ ra khi tải thay đổi. 4. Lời cam đoan của sinh viên Chúng tôi – Nguyễn Văn Tài và Nguyễn Ngọc Vinh cam đoan ĐATN là công trình nghiên cứu của chúng tôi dưới sự hướng dẫn của thạc sỹ Đỗ Đức Trí. Các kết quả công bố trong ĐATN là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác. Tp.HCM, ngày 26 tháng 02 năm 2016 SV thực hiện đồ án Nguyễn Ngọc Vinh Nguyễn Văn Tài Tp.HCM, ngày 26 tháng 02 năm 2016 Xác nhận của Bộ Môn Giáo viên hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên và học hàm học vị)
4. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp Tp. Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 02 năm 2016 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Ngọc Vinh Lớp: 101011 MSSV: 10101175 Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Văn Tài Lớp: 101011 MSSV: 10101111 Tên đề tài: Nghiên cứu bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD Tuần 1 Nhận đồ án Tuần 2 Đọc tài liệu, tìm hiểu đề tài Tuần 3 Đọc tài liệu, tìm hiểu đề tài Tuần 4 Nghiên cứu thi công phần cứng Tuần 5 Nghiên cứu thi công phần cứng Tuần 6-9 Viết chương trình, nghiên cứu thi công phần cứng Tuần 10-14 Thi công mô hình Tuần 15 Chạy mô hình, lấy kết quả Tuần 16 Viết báo cáo ĐATN GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)
5. LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, nhóm thực hiện xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô giảng dạy tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là quý thầy cô khoa Điện - Điện Tử đã giảng dạy và cung cấp những kiến thức bổ ích tạo tiền đề quan trọng cho nhóm thực hiện đồ án này. Xin gửi lời cám ơn chân thành đếnThS.Đỗ Đức Trí đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài đã chọn. Nhóm cảm ơn sự giúp đỡ, động viên của các anh chị khóa trên và các bạn cùng khoá trong quá trình thực hiện đồ án cũng như trong suốt thời gian học tại Trường Đai học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh. Gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến cha mẹ, ông bà, người thân Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Nguyễn Ngọc Vinh
6. MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG Liệt kê hình i Chƣơng 1. DẪN NHẬP 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Lý do chọ đề tài 1 1.3.Đối tượng nghiên cứu 2 1.4.Nội dung nghiên cứu 2 1.5.Mục đích nghiên cứu 3 1.6. Tình hình nghiên cứu trong nước 3 1.7. Giới hạn đề tài 3 1.8. Phương pháp nghiên cứu 4 1.9. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4 1.10.Bố cục đề tài 5 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 2.1. Tổngquanvềbộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ( AC-AC) ba pha 6 2.1.1. Giới thiệu về linh kiện bán dẫn Thyristor (SCR) 6 2.1.1.1. Cấu tạo SCR 6 2.1.1.2. Ký hiệu SCR 6 2.1.1.3. Nguyên lý hoạt động của SCR 7 2.1.2. Giớithiệubộ điều chỉnh điện áp xoay chiều (AC-AC) 7 2.1.3. Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha 8 2.1.3.1. Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha tải R 8 2.1.3.2. Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha tải R+L 10 2.1.4. Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha 11 2.1.5. Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha nối sao tải thuần trở 12 2.1.6.Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha nối sao tải trở kháng 14 2.1.7. Các phương pháp điều khiển bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 15 2.1.7.1. Điều khiển pha thông thường 15 2.1.7.2. Điều khiển pha với quá trình chuyển mạch cưỡng bức 15 2.1.7.3. Điều khiển tỉ lệ thời gian 16 2.2. Tổng quan về chỉnh lưu AC - DC 17
7. 2.2.1. Khái niệm chỉnh lưu 17 2.2.2. Chỉnh lưu cầu 1 pha 17 2.3. Bộ tạo xung kích SCR 19 2.3.1. Giới thiệu chung về điều khiển SCR 19 2.3.2.Các thành phần trong mạch kích SCR 19 2.3.2.1. Mạch vi phân 19 2.3.2.2. Mạch tích phân 20 2.3.3. Nguyên tắc tạo xung điều khiển đồng bộ cho SCR 21 2.3.3.1. Phương pháp thẳng đứng tuyến tính 21 2.3.3.2. Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu điều khiển đồng bộ 22 2.3.3.3. Sơ đồ chi tiết và giản đồ xung bộ tạo tín hiệu điều khiển đồng bộ SCR 27 2.3.3.4. Điều khiển bằng xung chùm 28 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH 30 3.1. Yêu cầu của mô hình Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp 30 3.2. Phương án xây dựng mô hình Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp 30 3.3. Xây dựng mô hình Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp 30 3.3.1. Sơ đồ khối của mô hình 31 3.3.2. Chức năng từng khối 32 3.3.2.1. Nguồn điện 3 pha 32 3.3.2.2. Khối nguồn 33 3.3.2.3. Khối mạch kích SCR 34 3.3.2.4. Khối SCR 35 3.3.2.5. Cảm biến dòng - áp 36 3.3.2.6. Khối hiển thị LCD 37 3.3.2.7. Hồi tiếp 38 3.3.2.8. Bộ chỉnh lưu AC ra DC 38 3.3.3. Sơ đồ nguyên lý 40 3.3.3.1. Mạch kích SCR 40 3.3.3.2. Khối vi điều khiển PIC 16F877A 43 3.3.3.3. Khối nguồn 44 3.3.3.4. Khối đo áp AC 45 3.3.3.5. Khối đo áp DC 45 3.3.3.6. Khối đo dòng AC 46
8. 3.3.3.7. Khối đo dòng DC 47 3.3.3.8. Mạch hiển thị LCD 48 3.3.3.9. Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu 1 pha 48 3.3.3.10. Mạch hồi tiếp 49 3.3.4. Sơ đồ mạch in 50 3.3.4.1. Mạch in khối PIC 50 3.3.4.2. Mạch in khối cảm biến 51 3.3.4.2. Mạch in khối hồi tiếp 51 3.3.5. Thiết bị bảo vệ 52 3.3.5.1. Cấu tạo CB 52 3.3.5.2. Chọn CB bảo vệ 52 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 54 4.1. Kết quả mô phỏng trên phần mềm PSIM 55 4.1.1. Sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha tải trở kháng 55 4.1.2. Mô phỏng dạng sóng điện áp AC trên tải R + L 55 4.1.3. Mô phỏng dạng sóng dòng điện AC trên tải R + L 56 4.2. Kết quả đo thực nghiệm trên mô hình thực tế 56 4.2.1. Dạng sóng điện áp ngõ ra AC trên tải R + L 57 4.2.2. Dạng sóng dòng điện ngõ ra AC trên tải R + L 58 4.2.3. Dạng sóng điện áp ngõ ra DC 59 4.2.4. Kết quả khi có hồi tiếp 59 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 61 5.1. Đánh giá kết quả đã đạt được 61 5.2. Những vấn đề còn tồn đọng 61 5.3. Hướng phát triển 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 PHỤ LỤC 63
9. LIỆT KÊ HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2.1 Cấu tạo SCR 6 Hình 2.2 Ký hiệu SCR 6 Hình 2.3 Sơ đồ tương đương SCR 7 Hình 2.4: Đồ thị dạng sóng điện áp vào, dòng điện và điện áp trên tải R 8 Hình 2.5: Đồ thị dạng sóng điện áp vào, dòng điện và điện áp trên tải R+L 10 Hình 2.6: Bộ điều chỉnh điện áp 3 pha nối tải thuần trở hình sao 12 Hình 2.7:Chế độ 1 13 Hình 2.8: Bộ điều chỉnh điện áp 3 pha nối tải trở kháng hình sao 14 Hình 2.9: Dạng sóng điện áp và dòng điện khi điều khiển bằng phương pháp tỷ lệ thời gian trên tải thuần trở 16 Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng điện áp ngõ ra trên tải thuần trở 18 Hình 2.11: Mạch vi phân và dạng sóng điện áp ngõ vào ra 20 Hình 2.12: Mạch tích phân và dạng sóng điện áp vào ra 21 Hình 2.13: Phương pháp tuyến tính 22 Hình 2.14: Sơ đồ khối bộ tạo tín hiệu điều khiển đồng bộ 23 Hình 2.15: Mạch tạo tín hiệu đồng bộ và răng cưa dùng BJT 24 Hình 2.16: Mạch tạo tín hiệu đồng bộ và răng cưa dùng OP-AMP 24 Hình 2.17: Giản đồ xung tín hiệu đồng bộ và răng cưa 25 Hình 2.18: Sơ đồ khối so sánh 25 Hình 2.19: Sơ đồ khối khuếch đại xung và khối cách ly ngõ ra 26 Hình 2.20: Sơ đồ khối chi tiết bộ tạo tín hiệu điều khiển đồng bộ cho SCR 27 Hình 2.21: Giản đồ xung điều khiển đồng bộ pha cho SCR 27 Hình 2.22: Sơ đồ mạch tạo xung chùm 29 Hình 2.23: Giản đồ xung mạch tạo xung chùm 29 Hình 3.1: Sơ đồ khối của mô hình 31 Hình 3.2 : Nguồn điện 3 pha 32 Hình 3.3: Khối nguồn 33 Hình 3.4:Mạch kích SCR 34 Hình 3.5 : Khối SCR 35 Hình 3.6 : Khối cảm biến đo dòng và đo áp 36 Hình 3.7 : Khối hiển thị LCD dùng PIC 16F877A 37 Hình 3.8: Khối hồi tiếp 38
10. Hình 3.9: Khối chỉnh lưu AC ra DC 39 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch kích SCR 41 Hình 3.11 : Sơ đồnguyên lý vi điều khiển PIC 16F877A 43 Hình 3.12:Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 44 Hình 3.13:Sơ đồ nguyên lý mạch đo áp AC 45 Hình 3.14:Sơ đồ nguyên lý mạch đo áp DC 45 Hình 3.15:Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng AC 46 Hình 3.16:Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng DC 47 Hình 3.17:Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị LCD 48 Hình 3.18:Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu pha 48 Hình 3.19:Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp 49 Hình 3.20: Mạch in khối PIC 50 Hình 3.21: Mạch in khối cảm biến 51 Hình 3.22: Mạch in khối hồi tiếp 56 Hình 3.23 : CB LS BKN C10 56 Hình 4.1: Sơ đồ bộ biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha tải trở kháng 55 Hình 4.2: Mô phỏng dạng sóng điện áp ngõ ra trên tải R + L 56 Hình 4.3: Mô phỏng dạng sóng dòng điện ngõ ra trên tải R + L 56 Hình 4.4: Ảnh chụp tổng thể toàn bộ mô hình 57 Hình 4.5: Mặt nạ trước của mô hình 57 Hình 4.6: Dạng sóng điện áp ngõ ra AC trên tải R + L 58 Hình 4.7: Dạng sóng dòng điện ngõ ra AC trên tải R + L 58 Hình 4.8: Dạng sóng điện áp ngõ ra DC trên tải R 59 Hình 4.9: Dạng sóng điện áp ngõ ra AC trên tải R+L khi có hồi tiếp 60 Hình 4.10: Dạng sóng dòng điện ngõ ra AC trên tải R+L khi có hồi tiếp 60 ii
11. TÓM TẮT Trong công nghiệp và dân dụng việc điều khiển điện áp xoay chiều được sử dụng khá phổ biến. Việc điều khiển điện áp xoay chiều ba pha hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong việc điều khiển động cơ xoay chiều, điều khiển chiếu sáng bằng cách điều khiển góc kích cho Thyristor sẽ làm thay đổi giá trị điện áp ngõ ra. Đề tài tập trung nghiên cứu bộ tạo xung kích cho SCR, khi thay đổi góc kích SCR bằng biến trở thì góc mở của SCR thay đổi theo dẫn đến thay đổi giá trị điện áp ngõ ra cung cấp cho tải. Mạch tạo xung kích có thể điều chỉnh hoặc kích xung đơn cho các tải thuần trở hoặc kích xung chùm cho các loại tải có thành phần điện cảm. Giá trị hiệu dụng của dòng điện và điện áp ngõ ra trên tải được hiển thị lên LCD 20x4 thông qua cơ cấu đo dòng và đo áp dùng cảm biến dòng ACS712 và cảm biến áp. Ngõ ra xoay chiều được chỉnh lưu để tạo thêm ngõ ra một chiều cung cấp cho các tải một chiều. Mô hình dùng CB và cầu chì để bảo vệ quá tải và ngắn mạch.
12. Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp CHƢƠNG 1: DẪN NHẬP 1.1. Đặt vấn đề Điện tử công suất được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại. Có thể kể đến các ngành kỹ thuật mà trong đó có những ứng dụng tiêu biểu của các bộ biến đổi bán dẫn công suất như truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng, điện phân nhôm từ quặng mỏ, các quá trình điện phân trong công nghiệp hóa chất, trong rất nhiều các thiết bị công nghiệp và dân dụng khác nhau Trong những năm gần đây công nghệ chế tạo các linh kiện bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn. Trong công nghiệp và dân dụng việc điều khiển điện áp xoay chiều được sử dụng khá phổ biến như: ổn áp xoay chiều dùng thyristor,điều chỉnh áp đầu vào của biến áp dùng cho các ứng dụng giảm hay tăng áp, điều khiển động cơ không đồng bộ ( khởi động cơ và điều chỉnh tốc độ) Việc điều khiển điện áp xoay chiều 3 pha hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong việc điều khiển động cơ xoay chiều, điều khiển chiếu sáng bằng cách điều khiển góc kích cho Thyristor hay TRIAC sẽ làm thay đổi giá trị điện áp ra. Ứng dụng linh kiện bán dẫn vào việc điều khiển điện áp là lĩnh vực mới. Linh kiện có tốc độ chuyển mạch nhanh, có tính nguyên cứu khoa học cao, giá thành rẻ đồng thời cũng giúp việc ổn định quá trình làm việc của thiết bị trở nên dễ dàng hơn rất nhiều. 1.2. Lý do chọn đề tài Hiện nay việc điều khiển điện áp xoay chiều 3 pha hiện nay được ứng dụng rộng rãi trongviệc khởi động mềm, điều khiển chiếu sáng, điều khiển các thiết bị điện tử công suất nhỏ và trung bình Bằng các Variac (loại biến Nguyễn Ngọc Vinh Trang 1
13. Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp áp), loại này thường tổn thất lớn, giá thành cao, không hiển thị hoặc bảo vệ. Ngày nay với linh kiện bán dẫn sản xuất phổ biến như Thyristor hoặc TRIAC sẽ làm thay đổi giá trị điện áp tức thời, có thể tích hợp được điện áp DC, hiển thị điện áp, dòng điện và bảo vệ khi có sự cố. Hiện nay trên thị trường và các phòng thí nghiệm đã và đang sử dụng Variac 3 pha LIOA S3-4310. Có điện áp ngõ vào 380V, điện áp ngõ ra 0 - 450V, dòng điện ngõ ra10A . . . với loại Variac này không hiển thị, bảo vệ và hồi tiếp, còn Variac có các tiêu chí kỹ thuật như trên thì giá thành rất cao. Từ những phân tích ở trên nhóm nghiên cứu quyết định thực hiện đề tài: ”Nghiên cứu bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp” với các tiêu chí kỹ thuật như sau: Điện áp 3 pha (điện áp ra từ 0-300 VAC). Nguồn DC riêng, điều chỉnh điện áp từ 0-400 VDC. Bảo vệ quá dòng và quá áp. Dòng điện và điện áp ngõ ra sẽ hiển thị trên LCD 20x4. Hồi tiếp điện áp ngõ ra do tải thay đổi, để hiệu chỉnh độ rộng xung điều khiển và cho phép bù trừ sự thay đổi áp ra do tải thay đổi. 1.3. Đối tƣợng nghiên cứu IC số. Linh kiện bán dẫn (SCR, diode). Vi xử lý PIC 16F877A. Tải trở ( R ) và tải cảm ( L ). 1.4. Nội dung nghiên cứu Trong giới hạn của đề tài, nhóm thực hiện đề tài chia nhỏ các phần của bộ Variac thành các khối: Khối tạo xung kích, Khối công suất, Khối cảm biến, Khối hồi tiếp, khối hiển thị. Sau đó hoàn thiện các khối và ghép nối với nhau tạo thành bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp hoàn chỉnh. Mô phỏng dạng sóng các tải công suất trên phần mềm PSIM và đo trên mô hình thực tế. Nguyễn Ngọc Vinh Trang 2
14. Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp 1.5. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu và phát triển bộ phát xung điều khiển SCR. Thiết kế mạch đo dòng và áp hiển thị trên LCD sử dụng PIC 16F877A. Thực hiện mô phỏng trên phần mềm PSIM để có kết quả xây dựng mô hình. Xây dựng và thi công mô hình hoàn chỉnh có thể hoạt động tốt có thể ứng dụng trong giảng dạy và thương mại. 1.6. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc Hiện nay các mô hình nghiên cứu về Variac bán dẫn còn rất hạn chế, chưa phát triển rộng rãi. Chẳng hạn đề tài “Nghiên Cứu Bộ Variac Bán Dẫn Một pha” của tác giả Trần Viết Tiến và Đào Trung Hiếu sinh viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh khóa 2010 – 2014, trong đề tài này, tác giả đã sử dụng mạch tạo xung kích để kích SCR nhưng chỉ được 1 pha (điện áp 0-220VAC), hiển thị dòng điện và điện áp trên led 7 đoạn. Đề tài này còn hạn chế chỉ được 1 pha, không có hồi tiếp. Hiện nay đề tài này còn rất mới, hầu hết các vấn đề liên quan đến đề tài này đều dừng lại ở mô hình khá đơn giản, còn vấn đề sử dụng trong công nghiệp thì vẫn chưa nghiên cứu sâu. 1.7. Giới hạn đề tài Nhóm sinh viên nghiên cứu chỉ chọn một trong ba ngõ ra DC để hiển thị dòng điện, điện áp ngõ ra trên tải, hồi tiếp từ điện áp ngõ ra trên tải cho một ngõ ra DC. Tương tự với ngõ ra AC, chỉ chọn một ngõ ra để hiển thị dòng điện trên tải. Dòng điện ngõ ra giới hạn 5A. Điện áp AC thay đổi từ 0 đến 300VAC. Nguyễn Ngọc Vinh Trang 3
15. Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp Điện áp DC thay đổi từ 0 – 400VDC. 1.8. Phƣơng pháp nghiên cứu . Do đây là một đề tài khá mới nên trong thời gian thực hiện đồ án nhóm thực hiện đề tài gặp nhiều khó khăn ở nguồn tài liệu. . Nhóm thực hiện đề tài sử dụng các phương pháp chủ yếu:  Phương pháp tham khảo tài liệu điện tử công suất của các thầy.  Tham khảo tài liệu nghiên cứu của các anh chị năm trước làm đồ án để lại.  Phương pháp thực nghiệm: Song song với việc đọc tài liệu, chúng em còn dùng các phương pháp đo đạc để kiểm nghiệm kết quả thực tế so với lý thuyết. . So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng để rút ra các kết luận trong việc ứng bộ Variac này cho các ứng dụng thực tế. . Ngoài ra các em cũng được sự hướng dẫn tận tình của các thầy trong khoa và đặc biệt là thầy Đỗ Đức Trí đã theo dõi và giúp đỡ chúng em trong thời gian làm đồ án. 1.9. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài Trong những năm gần đây việc nghiên cứu bộ Variac bán dẫn đã và đang được thực hiện ngày càng nhiều hơn . Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và công nghệ trên thế giới, Việt Nam cũng đang từng ngày hội nhập và tiếp nhận những thành tựu mới của khoa học và công nghệ. Đặc biệt trong công nghiệp điện tử, các thiết bị điện tử công suất được sản xuất ngày càng nhiều, được ứng dụng trong công nghiệp và đời sống hằng ngày phát triển hết sức mạnh mẽ. Để giúp sinh viên có thể củng cố kiến thức, tổng hợp và nâng cao kiến thức chuyên ngành cũng như kiến thức ngoài thực tế. Đề tài còn xây dựng chế tạo thiết bị, mô hình để các sinh viên trong trường đặc biệt là sinh viên khoa Điện-Điện tử tham khảo, học hỏi tạo tiền đề nguồn tài liệu cho các sinh viên khóa sau có thêm nguồn tài liệu để nghiên cứu và học tập. Nguyễn Ngọc Vinh Trang 4
16. Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp Bộ variac bán dẫn sẽ làm cho đa dạng hóa các bộ nguồn và góp phần đáp ứng yêu cầu của thiết bị. 1.10. Bố cục đề tài - Chƣơng 1:Dẫn nhập Đặt vấn đề nghiên cứu, lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng, phương pháp nghiên cứu và tính thực tiễn của đề tài. - Chƣơng 2:Cơ sở lý thuyết Cơ sở lý thuyết về mạch kích SCR, các phương pháp tạo xung kích. - Chƣơng 3:Xây dựng mô hình Sơ đồ khối của mô hình, thi công mô hình theo sơ đồ khối. - Chƣơng 4: Kết quả nghiên cứu Dạng sóng điện áp ngõ ra trên các loại tải trong mô phỏng trên phần mềm PSIM và khi chạy thử nghiệm mô hình thực tế. - Chƣơng 5: Kết luận và hƣớng phát triển Nguyễn Ngọc Vinh Trang 5
17. Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Tổng quan về bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ( AC-AC) ba pha 2.1.1. Giới thiệu về linh kiện bán dẫn Thyristor (SCR) SCR (Silicon Controlled Rectifier) thường dùng trong các mạch điều khiển với tải công suất vừa và nhỏ. 2.1.1.1. Cấu tạo SCR Thyristor còn được gọi là SCR bao gồm 4 lớp bán dẫn P, N ghép nối tiếp xen kẽ nhau và được đưa ra 3 chân: A, K, G. A A P P N N N G G P P P N A : Anode (cực dương) . N K : Catode (cực âm) . G : Gate (cực cửa) . K K Hình 2.1 Cấu tạo của SCR 2.1.1.2. Ký hiệu SCR Hình 2.2 Ký hiệu của SCR Nguyễn Ngọc Vinh Trang 6
18. Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp 2.1.1.3. Nguyên lý hoạt động của SCR A Q2 RL RL P RG N N RG P P + G Q1 VCC _ + VCC N VDC _ VDC K Hình 2.3 Sơ đồ tương đương của SCR - Khi VG = 0: Q1 ngưng dẫn nên IC1 = IB2 = 0 vì thế Q2 cũng ngưng dẫn nên SCR ngưng dẫn IA = 0 và VAK = VCC. - Khi VG> 0,7V: Q1 dẫn nên xuất hiện dòng IC1 = IB2 khác 0 vì thế Q2 dẫn điện, mà dòng IC2 = IB1 nên lần này IB1 được kích với dòng lớn hơn để nhanh chóng đến trạng thái bảo hòa. Khi đó điện áp VAK của SCR giảm rất nhỏ khoảng 1V dòng điện qua SCR là: VCC 1 (2.1) I A RL - Khi phân cực ngược SCR (cực A có điện thế âm hơn cực K) thì SCR sẽ không dẫn điện mà chỉ có dòng rỉ không đáng kể. Vậy: SCR dẫn điện theo một chiều từ A đến K khi tác động VA >> VG > VK. 2.1.2. Giớithiệubộ điều chỉnh điện áp xoay chiều (AC-AC) - Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều gọi tắt là bộ điều áp xoay chiều thực hiện biến đổi điện áp xoay chiều về độ lớn và dạng sóng nhưng tần số không thay đổi. - Điều áp xoay chiều thường được ứng dụng trong điều khiển chiếu sáng và đốt nóng, trong khởi động mềm và điều chỉnh tốc độ quạt gió hoặc máy bơm Nguyễn Ngọc Vinh Trang 7
19. Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp 2.1.3. Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha 2.1.3.1. Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha tải R U SCR1 t SCR2 UR U R UR I t α Hình 2.4: Đồ thị dạng sóng điện áp vào, dòng điện và điện áp trên tải R Mạch gồm nguồn điện áp xoay chiều 1 pha dạng sin: U=Umsinωt mắc nối tiếp với tải R thông qua công tắc xoay chiều bán dẫn. công tắc xoay chiều gồm 2 SCR mắc đối song v1 và v2 và trong trường hợp công suất nhỏ có thể thay thế chúng bằng triac. Phân tích mạch: Trong khoảng góc (0, α) dòng qua tải bị ngắt ta có:It = 0, Ut = 0 Trên thyristor v1 xuất hiện điện áp khóa vì:Uv1 = U - Ut > 0 Tại thời điểm ứng với góc X= α, xung kích IG1 đưa vào cổng điều khiển của v1 trong điều kiện có áp khóa làm v1 đóng. Dòng điện khép kín qua mạch (u, v1, R), các phương trình mô tả trạng thái v1 trong thời gian v1 dẫn (α ≤ X ≤ π): Uv1 = 0 = -Uv2 iv1 = It, iv2 = 0 Ut = -Uv1 + U = U Ut = R.it (2.2) Nguyễn Ngọc Vinh Trang 8
20. Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp Tại thời điểm X = π, dòng qua v1 triệt tiêu, lúc đó dòng qua tải bằng 0, ta có trạng thái 0. Phương trình mô tả trạng thái 0: iv1 = iv2 = It = 0 Ut = U - R.it = UmSinX Uv2 = -U (2.3) Điện áp đặt lên v2 trong khoảng thời gian ứng với X > π có giá trị dương nên việc kích vào cổng điều khiển của v2 trong khoảng thời gian (π+ α < X < 2π) sẽ làm v2 đóng : Uv2 = 0, iv2 = -it Uv1 = -Uv2 = 0, iv1 = 0 It = U/R < 0 (2.4) Tại vị trí X = 2π dòng qua v2 bị triệt tiêu nên v2 bị ngắt. Mạch trở về trạng thái 0. Khi góc điều khiển α thay đổi trong phạm vi (0, π), điện áp tải có trị hiệu dụng biến thiên trong khoảng (0, U). Trị hiệu dụng dòng qua tải:It = Ut/R Hệ số công suất: (2.5) Dòng điện trung bình qua SCR: (2.6) Trị hiệu dụng dòng qua SCR. Dễ dàng ta suy ra : It (2.7) IVRMS = 2 Nguyễn Ngọc Vinh Trang 9
21. Đồ án tốt nghiệp Nghiên cứu bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp 2.1.3.2. Bộ điều chỉnh điện áp một pha tải R + L U SCR1 t UR-L R SCR2 I t U UR-L L Ф α t Ф α t α Ф Hình 2.5: Đồ thị dạng sóng điện áp vào, dòng điện và điện áp trên tải R+L Giá trị hiệu dụng điện áp trên tải R+L được cho bởi biểu thức:  sin 2 sin 2 (2.8) U Z U. 2 Với  là góc dẫn và  là góc tắt của SCR và TRIAC. Góc tới hạn TH là góc điều khiển mà dòng điện tải ở ranh giới giữa chế độ dòng điện gián đoạn và dòng liên tục. Với tải RL, góc tới hạn cho bởi hệ thức: .L (2.9) arctg TH R  Trường hợp α > φ: Dòng điện tải bị gián đoạn. Nguyễn Ngọc Vinh Trang 10
22. S K L 0 0 2 1 5 4