Thiết kế mạch chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn

Đồ án thiết kế mạch điện tử công suất, chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển hoàn toàn sử dụng 4 thyristor. File báo cáo có đầy đủ các phần như đặc tính tải, tính chọn mạch lực, mạch điều khiển, thiết kế và thông số mô phỏng đầy đủ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA ĐỒ ÁN MƠN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề tài: Giảng viên hướng dẫn : Phạm Thị Thùy Linh Sinh viên thực hiện: Lớp : D13 TDH&DKTBCN1 Hà Nội, tháng… năm 2021 Mục Lục Trang LỜI MỞ ĐẦU Chương I Kiến thức tổng quát GIỚI THIỆU VỀ VAN THYRISTO VÀ MẠCH CHỈNH LƯU 1.1 Giới thiệu chung thyristor 1.1.1 Cấu tạo 1.1.2 Đặc tính vơn – ampe Thysistor: .5 1.2 Giới thiệu chung mạch chỉnh lưu 1.2.1 Giới thiệu chung mạch chỉnh lưu .7 1.2.2 Phân loại Chương II Nghiên cứu tính tốn thiết kế mạch lực 11 Thiết kế mạch lực 11 2.1 Tính tốn mạch lực .11 2.1.1 Tính tốn điện áp chỉnh lưu khơng tải .11 2.1.2 Tính tốn thông số máy biến áp 11 2.2 Tính tốn thơng số van mạch lực 12 2.2.1 Chọn van Thyristor 12 2.3 Tính chọn mạch RC bảo vệ q áp cho van thyristor 12 Chương III Tính tốn thiết kế mạch điều khiển 14 Cấu trúc tổng quát mạch điều khiển 14 Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển dọc 14 Hình 3.2: Đồ thị minh họa nguyên tắc điều khiển dọc 15 3.1 Cấu trúc mạch điều khiển 15 Mạch điều khiển gồm sáu khâu Mỗi khâu có chức riêng biệt ghép lại với nhằm thực nhiệm vụ chung 15 Hình 3.3: Cấu trúc mạch điều khiển 15 3.1.1 Khâu tạo điện áp tựa .15 3.1.2 Khâu so sánh 17 3.1.3 Khâu tạo xung đơn 18 3.1.4 Khâu khuếch đại xung 18 3.1.5 Khâu hạn chế gia tốc điện áp 19 CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG .20 Giới thiệu phần mềm 20 5.2 Kết mô 23 5.2.1 Khâu tạo điện áp tựa 23 5.2.2 Khâu so sánh 23 5.2.3 Khâu xung đơn 24 5.2.4 Khâu khuếch đại xung 24 5.2.7 Đồ thị dòng điện điện áp tải 25 Tài liệu tham khảo : 26 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, điện tử công suất đóng vai trị quan trọng q trình cơng nghiệp hố đất nước Sự ứng dụng điện tử công suất hệ thống truyền động điện lớn nhỏ gọn phần tử bán dẫn việc dễ dàng tự động hố cho q trình sản xuất Các hệ thống truyền động điều khiển điện tử công suất đem lại hiệu suất cao Kích thước, diện tích lắp đặt giảm nhiều so với hệ truyền động thông thường như: Khuếch đại từ, máy phát - động Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, nội dung mơn học Điện tử cơng suất em giao thực đề tài: Thiết kế mạch chỉnh lưu cầu pha điều khiển hoàn toàn tải trở Với hướng dẫn tận tình cô: Phạm Thị Thùy Linh em tiến hành nghiên cứu,thiết kế đề tài hoàn thành thời hạn giao Trong trình thực đề tài khả kiến thức thực tế có hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót kính mong thầy cơ, bạn đóng góp ý kiến để đề tài em hoàn thiện Chương I Kiến thức tổng quát 1.GIỚI THIỆU VỀ VAN THYRISTO VÀ MẠCH CHỈNH LƯU 1.1 Giới thiệu chung thyristor 1.1.1 Cấu tạo Thysistor phấn tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dân P-N-PN, tạo ba tiếp giáp p-n Thysistor có ba cực : Anot A(Anode), Katot K(Cathode) , cực điều khiển G(Gate) biểu diển hình vẽ: Hình Cấu tạo thyristor 1.1.2 Đặc tính vơn – ampe Thysistor: Đặc tính vôn – ampe thyristor gồm hai phần Phần thứ nằm góc phần tư thứ I đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện áp UAK >0; phần thứ hai nằm góc phần tư thứ III, gọi đặc tính ngược tương ứng với trường hợp U AK < Hình 1.1 Đặc tính vơn – ampe thyristor  Có cách để mở thyristor Khi phân cực thuận, Uak>0, thyristor mở hai cách Thứ nhất, tăng điện áp anode-cathode đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth,max.Điện trở tương đương mạch anode-cathode giảm đột ngột dòng qua thyristor hoàn toàn mạch xác định Phương pháp thực tế không áp dụng nguyên nhân mở không mong muốn lúc tăng điện áp đến giá trị Uth,max Hơn xảy trường hợp thyristor tự mở tác dụng xung điện áp thời điểm ngẫu nhiên, không định trước Phương pháp thứ hai, áp dụng thực tế, đưa xung dịng điện có giá trị định vào cực điều khiển cathode Xung dòng điện điều khiển chuyển trạng thái thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp mức điện áp anode-cathode nhỏ Khi dịng qua anode-cathode lớn giá trị định gọi dịng trì (Idt) thyristor tiếp tục trạng thái mở dẫn dịng mà khơng cần đến tồn xung dịng điều khiển Điều nghĩa điều khiển mở thyristor xung dòng có độ rộng xung định, cơng suất mạch điều khiển nhỏ, so với công suất mạch lực mà thyristor phần tử đóng cắt, khống chế dịng điện Một thyristor dẫn dịng trở trạng thái khóa (điện trở tương đương mạch anot – catot tăng cao) dòng điện giảm xuống, nhỏ giá trị dòng trì, Tuy nhiên để thyristor trạng thái khóa, với trở kháng cao, điện áp anot-catot trở lại dương (UAK > 0), cần phải có thời gian định để lớp tiếp giáp hồi phục hồn tồn tính chất cản trở dịng điện 1.2 Giới thiệu chung mạch chỉnh lưu 1.2.1 Giới thiệu chung mạch chỉnh lưu - Chỉnh lưu q trình biến đổi lượng dịng điện xoay chiều thành lượng dòng chiều - Chỉnh lưu thiết bị điện tử công suất sử dụng rộng rãi thực tế Sơ đồ cấu trúc thường gặp mạch chỉnh lưu sau: Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu - Trong sơ đồ này, máy biến áp làm hai nhiệm vụ là: o Chuyển từ điện áp quy chuẩn lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu tải Tùy theo tải mà máy biến áp tăng áp giảm áp o Biến đổi số pha nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu cảu mạch van Thông thường số pha lưới lớn 3, song mạch van cần số pha 12 - Mạch van van bán dẫn mắc với theo cách để tiến hành trình chỉnh lưu - Mạch lọc nhằm đảm bảo điện áp ( dòng điện) chiều cấp cho tải phẳng theo yêu cầu 1.2.2 Phân loại Chỉnh lưu phân loại theo số cách sau đây: - Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: pha, hai pha, ba pha, pha v v - Phân loại theo van bán dẫn mạch van Hiện chủ yếu dùng loại van Diode Thyristor, có ba loại mạch sau: o Mạch van dùng toàn diode, gọi chỉnh lưu không điều khiển o Mạch van dùng tồn thyristor, gọi chỉnh lưu có điều khiển o Mạch van chỉnh lưu dùng hai loại diode thyristor, gọi chỉnh lưu bán điều khiển - Phân loại theo sơ đồ mắc van với Có hai kiểu mắc van o Sơ đồ hình tia: sơ đồ số lượng van số lượng pha nguồn cấp cho mạch van Tất van đấu chung đầu với anot catot chung o Sơ đồ cầu: sơ đò số lượng van nhiều gấp đơi số pha nguồn cấp cho mạch van Trong nửa số van mắc chung nhay catot, nửa chung anot Hình 1.3 Chỉnh lưu khơng điều khiển Hình 1.4 Chỉnh lưu điều khiển 1.2.3 Phân tích sơ đồ chỉnh lưu cầu pha điều khiển hoàn tồn với tải trở Hình 1.5 Mạch chỉnh lưu cầu pha có điều khiển Nhận xét , thời điểm 300 có xung mở van , nên điện áp tải có , với tải trở , dòng điện tải pha với điện áp , hai van T2, T1, dẫn với chu kì dương , hai van T3,T4 dẫn chu kì âm Như vậy, với mạch chỉnh lưu pha sơ đồ cầu có điều khiển, ta đưa cơng thức tính tốn thơng số mạch sau:  Điện áp trung bình tải là: o 0,9  Trị số trung bình dịng tải là: o Id =  Cơng suất tính toán máy biến áp nguồn o  Điện áp ngược lớn van phải chịu o Ungmax = 1,41U2  Trị số trung bình dịng điện qua van o Iv = 10 chuyển mạch, điện tích tụ lớp bán dẫn phóng ngồi tạo dịng điện ngược khoảng thời gian ngắn, biến thiên nhanh chóng dòng điện tạo suất điện động cảm ứng lớn điện cảm, làm cho điện áp anot katot thyristor Khi có R-C mắc song song với thy tạo mạch vịng phóng điện tích q trình chuyển mạch nên thyristor khơng bị điện áp Hình 2.1 mạch bảo vệ Thyristor Ta chọn thông số R1 C1 sau: R1 = 5-30 (Ω) C1 = 0,25 (μF) Stt Tên thiết bị Thyristor T86N Điện trở bảo vệ Tụ bảo vệ Tụ lọc nguồn Điện trở tải Số lượng Thông số Itb = 10 (A) 4 1 Udk = 1,4 (V) 30 Ω 0.25 μF 1000 10 Ω 14 Chương III Tính tốn thiết kế mạch điều khiển Cấu trúc tổng quát mạch điều khiển Thyristor mở cho dòng điện có điện áp dương đặt lên cực anode có xung điện áp dương đặt vào cực điều khiển, sau Thyristor mở xung điều khiển khơng tác dụng nữa, dòng điện chạy qua Thyristor thông số mạch động lực định Thyristor khóa dịng điện chạy qua 0, muốn mở lại cần cấp xung điều khiển lại Do đó, với điện áp hình sin, tùy thuộc vào thời điểm cấp xung điều khiển mà ta khống chế dòng điện Thyristor Để thực đặc điểm ta dùng nguyên tắc sau: - Nguyên tắc điều khiển ngang - Nguyên tắc điều khiển dọc Hiện điều khiển Thyristor sơ đồ chỉnh lưu, người ta thường dùng nguyên tắc điều khiển dọc, nên em sử dụng phương pháp để thiết kế mạch điều khiển Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển dọc Sơ đồ cấu trúc đồ thị minh họa hình Ở đây, Utựa tạo điện áp tựa có dạng cố định ( thường dạng cưa), theo chu kì nhịp đồng Udb Khâu so sánh (SS) xác định thời điểm cân hai điện áp Utựa Uđk để phát động khâu tạo xung TX Như nguyên tắc thời điểm phát xung hay góc mở van thay đổi thay đổi trị số Uđk 15 Hình 3.2: Đồ thị minh họa nguyên tắc điều khiển dọc 3.1 Cấu trúc mạch điều khiển Mạch điều khiển gồm sáu khâu Mỗi khâu có chức riêng biệt ghép lại với nhằm thực nhiệm vụ chung Sơ đồ tổng quát cho kênh điều khiển : Khâu tạo điện áp đồng Khâu tạoKhâu so Điện áp tựaSánh Khâu tạo dạng xung Khâu khuếch đại xung Khâu tạo điện áp điều khiển Hình 3.3: Cấu trúc mạch điều khiển 3.1.1 Khâu tạo điện áp tựa 16 Sử dụng mạch tạo điện áp cưa phi tuyến hai nửa chu kỳ Hình 3.4 Sơ đồ khâu tạo điện áp cưa phi tuyến hai nửa chu kỳ - Với nguồn E = 15V, điện áp cưa cực đại cần Ucmax = 6V, tần số điện áp lưới 50Hz, phạm vi góc điều khiển 162 Khoảng phóng điện cho tụ θp = ωtp = Do theo đồ thị ta có góc với tần số 50Hz chu kỳ 20ms tương ứng 360, quy đổi θp sang thời gian = 1ms Theo đồ thị cưa suy t1 = 0,5 ms, t2 = 9,5 ms thời gian tạo cưa làm việc (t2 – t1 ) = ms Chọn tụ C = 0,47µF = Chọn R3 = 36 kΩ Chọn điện áp đồng pha có giá trị hiệu dụng 10V, ta có: Chọn T loại BC107: Icmax = 100mA; Uce = 45V; β = 110; có: Ic = Lấy dòng bazo bão hòa là: Lấy θ2 = có: 17 Chọn R2 = 62 kΩ suy ra: Linh Kiện Diode 1N4002 Transistor NPN Số lượng Thông số Ungmax = 100 V Imax = A Icmax = 100mA BC107 Uce = 45V Tụ Β = 110 Điện dung: 0,47µF Điện áp: 10V R1 = 5.6 kΩ Điện trở R2 = 62 kΩ R3 = 36 kΩ Bảng 3.1 Bảng chọn linh kiện khâu tạo điện áp cưa 3.1.2 Khâu so sánh Chức năng: so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa để xác định thời điểm phát xung điều khiển => xác định góc điều khiển α Khâu so sánh thực phần tử transistor, hay khuếch đại thuật toán OA Ta sử dụng phần tử OA cho phép đảm bảo độ xác cao dùng OA chuyên dụng coparator, có giá thành hạ, không cần chỉnh định phức tạp So sánh dùng OA kiểu hai cửa: Hình 3.5: Mạch so sánh Linh Kiện Số Lượng Thông số 18 Điện trở R3 = R4 = 10 kΩ OPAM TL082 Bảng 3.2 Bảng chọn linh kiện khâu so sánh 3.1.3 Khâu tạo xung đơn Xung đơn xung điều khiển có độ rộng ngắn, thường 100 µs Xung thích hợp với mạch chỉnh lưu tải trở mặc tải có tính cảm kháng trị số điện cảm nhỏ Đôi dùng cho tải sức điện động cần có khâu hạn chế góc điều khiển phù hợp dễ điều chỉnh trơn, không bị tượng nhảy điện áp Hình 3.6 Mạch tạo xung đơn 3.1.4 Khâu khuếch đại xung Sử dụng phương pháp khuếch đại xung sử dụng biến áp xung, phương pháp thông dụng dễ cách ly mạch lực mạch điều khiển, nhiên tính chất vi phân máy biến áp không cho phép truyền xung rộng vài ms 19 Hình 3.7 Sơ đồ mạch khuếch đại xung 3.1.5 Khâu hạn chế gia tốc điện áp Trong trình điều khiển điện áp biến thiên qua nhanh làm dòng tải đột biến gây tổn hại cho tải Để tránh tượng 20 ta đặt khâu hạn chế tốc độ tang điện áp, sử dụng khâu trễ tụ điện Hình 3.8 Khâu hạn chế gia tốc điện áp CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG Giới thiệu phần mềm Phần mềm sử dụng để mô phần mềm PSIM PSIM phần mềm mô thiết kế đặc biệt để mô mạch điện tử công suất, hệ truyền động điện Thư viện PSIM phong phú đa dạng với khả mô nhanh, giao diện thân thiện, dễ sử dụng phân tích dạng sóng tốt, PSIM cơng cụ mơ mạnh mẽ cho việc phân tích biến đổi điện tử cơng suất, thiết kế vịng điều khiển kín, nghiên cứu hệ thống truyền động điện Khi bạn khởi động chương trình PSIM Schematic chạy đầu tiên, vào File ≫ New giao diện sau: 21 Hình 4.1: Giao diện hình mơ PSIM Phần chuẩn (Standard) gồm File, Edit, View , Subcircuit, Element, Simulate, Option, Window, Help Mọi thao tác PSIM thực từ chuẩn Thanh bao gồm công cụ hay dùng, New , Save, Open… lệnh thường dùng Wire (nối dây), Zoom, Run Simulation (chạy mô phỏng)… Thanh linh kiện thường dùng điện trở, cuộn cảm, tụ điện, thyristor… Sau mô xong mạch lực mạch điều khiển, vào Simulate ≫ Simulation Control Một biểu tượng đồng hồ ra, đặt vào vị trí tùy ý trang vẽ, hộp thoại Time Step bước thời gian tính tốn, Total Time tổng thời gian bạn muốn chương trình chạy mơ phỏng, đơn vị giây Đó thông số quan trọng Việc đặt Time Step Total Time cần phù hợp với mạch Time Step nhở mơ xác đường đồ thị mịn, nhiên chọn Time Step nhỏ Total Time lớn thời gian chạy lâu Chọn xong thông số mô phỏng, bạn chạy mô cách: Simulate ≫ Run Simulation Chương trình PSIM Simulation chạy sau SIMVIEW tự động chạy cửa sổ chương trình SIMVIEW Nếu không ra, bạn vào Simulate ≫ Run SIMVIEW Cửa sổ SIMVIEW với hộp thoại, hộp thoại có đại lượng hiển thị, bạn muốn hiển thị đồ thị chọn đại lượng ấn Add, sau OK Tên đại lượng để mặc định, bạn nên đặt lại tên theo ý để dễ theo dõi cách click đúp đặt lại tên phần tử PSIM Schematic Cần lưu ý là, đại lượng có giá trị khác nhau, hiển thị 22 hệ trục tọa độ khơng nhìn thấy đồ thị đại lượng nhỏ, để quan sát đầy đủ, bạn hiển thị đồ thị hệ khác cách: Screen ≫ Add Screen Muốn thêm hay bớt đồ thị screen nào, bạn click chuột vào khu vực screen đó, dấu màu đỏ góc bên phải screen, đánh dấu screen chọn, sau dùng lệnh Screen ≫ Add/Delete Curve 4.1 Mô mạch lực mạch điều khiển a Cài đặt thông số Cài đặt thông số cho Simulation Control: - Time Step: 1E-0.05 - Total Time: 0.08 23 24 5.2 Kết mơ 4.2.1 Khâu tạo điện áp tựa Hình 4.2 Đồ thị khâu tạo xung đồng xung cưa 4.2.2 Khâu so sánh Hình 4.3 Đồ thị khâu so sánh 25 4.2.3 Khâu xung đơn Hình 4.4 Đồ thị khâu xung đơn 4.2.4 Khâu khuếch đại xung Hình 4.5 Đồ thị khâu khuếch đại xung 26 4.2.7 Đồ thị dịng điện điện áp tải Hình 4.6 Đồ thị điện áp tải góc điều khiển α = 30 27 Tài liệu tham khảo : Phân tích giải mạch điện tử cơng suất : Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi Nhà xuất Khoa học kĩ thuật Hà Nội ,1997 Điện tử công suất lý thuyết, thiết kế, ứng dụng : Lê Văn Doanh Nhà xuất khoa học kỹ thuật Điện tử cơng suất : Nguyễn Bính Nhà xuất Giáo dục ,2000 Truyền động điện : Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền Nhà xuất Khoa học kĩ thuật Hà Nội ,2000 28 ... anot Hình 1. 3 Chỉnh lưu khơng điều khiển Hình 1. 4 Chỉnh lưu điều khiển 1. 2.3 Phân tích sơ đồ chỉnh lưu cầu pha điều khiển hoàn toàn với tải trở Hình 1. 5 Mạch chỉnh lưu cầu pha có điều khiển Nhận... .5 1. 2 Giới thiệu chung mạch chỉnh lưu 1. 2 .1 Giới thiệu chung mạch chỉnh lưu .7 1. 2.2 Phân loại Chương II Nghiên cứu tính toán thiết kế mạch lực 11 Thiết kế mạch lực 11 2 .1. .. chọn mạch RC bảo vệ áp cho van thyristor 12 Chương III Tính tốn thiết kế mạch điều khiển 14 Cấu trúc tổng quát mạch điều khiển 14 Hình 3 .1: Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển dọc 14