BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN HỌC CƠ SỞ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MƠN HỌC: CƠ SỞ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT HK 211 NGÀY NỘP: 31/12/2021 Giảng viên hướng dẫn: ThS.Nguyễn Bảo Anh Sinh viên thực Trần Tuấn Khải (nhóm trưởng) Mai Phạm Thanh Bình Đinh Ngọc Thiện Đỗ Ngọc Thọ Võ Duy Thuận Mã số sinh viên 1913786 1910839 1915282 1915339 1912163 Thành phố Hồ Chí Minh – 2021 Điểm số MỤC LỤC Bộ chỉnh lưu ba pha điều khiển toàn phần 1.1Nguyên lý hoạt động 1.2Tính tốn lý thuyết 1.3Mô mạch Psim Bộ điều khiển điện áp xoay chiều pha 2.1Nguyên lý hoạt động 2.1.1 Trường hợp góc điều khiển α > φ 2.1.2 Trường hợp góc điều khiển α < φ 10 2.2Tính tốn lý thuyết 11 2.3Mô mạch Psim 12 Bộ biến đổi điện áp chiều dạng giảm áp 15 3.1Nguyên lý hoạt động 15 3.2Tính tốn lý thuyết 17 3.2.1 Chế độ dòng liên tục 17 3.2.2 Chế độ dòng gián đoạn 18 3.3Mô mạch Psim 18 Bộ nghịch lưu ba pha điều khiển toàn phần 21 4.1Nguyên lý hoạt động 21 4.2Tính tốn lý thuyết 23 4.3Mô mạch Psim 27 Bảng đánh giá đóng góp Bài: Bộ chỉnh lưu ba pha điều khiển toàn phần Sinh viên Mã số sinh viên % Điểm Mai Phạm Thanh Bình 1910839 20 Trần Tuấn Khải 1913786 20 Đinh Ngọc Thiện 1915282 20 Đỗ Ngọc Thọ 1915339 20 Võ Duy Thuận 1912163 20 Bộ chỉnh lưu ba pha điều khiển toàn phần 1.1 Nguyên lý hoạt động Chỉnh lưu cầu pha có điều khiển sử dụng rộng rãi máy đổi điện công suất cao lượng điện tử Nó cấu trúc với hai mạch pha, chỉnh lưu xung nối tiếp với loại SCR 1/3/5 gọi nhóm dương chúng kích thời gian nửa chu kỳ dương điện áp pha SCR 2/4/6 kích thời gian nửa chu kỳ âm Sơ đồ nguyên lý mạch: Việc tạo xung kích điều khiển cầu pha phức tạp, mạch kích cần tuân thủ theo nguyên tắc sau: - Thyristor cột khơng dẫn lúc dẫn đến ngắn mạch - Thyristor hàng dẫn kích dẫn điện áp pha nguồn gắn lớn nhất, thyristor hàng dẫn điện áp pha nguồn gắn tương ứng nhỏ - Dòng qua tải phải đảm bảo liên tục nên thời điểm có thyristor dẫn Do chuyển mạch có thyristor kích lặp lại 1.2 Tính tốn lý thuyết Các thơng số đầu vào: Nguồn pha: 400 V (áp dây) – 50 Hz - Nguồn pha: 230 V – 50 Hz - Nguồn chiều: 300 V - Xét mạch xác lập R = Ω, E = 120 V, L = (10+M/10) mH = (10+86/10) = 18.6 mH Giả sử mạch có tải với L đủ lớn để dịng tải id xem phẳng - Trị trung bình áp chỉnh lưu 𝑈𝑑 (𝛼) = 𝜋 𝜋 𝜋 +𝛼+ 𝜋 +𝛼 ∫ 𝜋 +𝛼 𝜋 𝜋 +𝛼 𝑣𝑎𝑐 𝑑𝜃 = ∫ Với V trị trung bình áp pha 𝑉 = - 𝜋 √3 𝑉𝑚 sin (𝜃 + ) 𝑑𝜃 = 𝑉𝑚 √2 , 𝜃 = 𝜔𝑡 Dòng trung bình qua tải 𝐼𝑑 = - 𝑈𝑑 − 𝐸 𝑅 Điện áp khóa áp ngược cực đại SCR 𝑈𝑠1 = √6𝑉 - Dòng điện qua nguồn điện áp pha a: 𝑖𝑎 = 𝑖 𝑇1 − 𝑖 𝑇4 Khi T1 kích: ia = id Khi T4 kích: ia = -id Vậy IaMax = Id IaMin = -Id 3√6 𝜋 Vcos𝛼 (V) Trị hiệu dụng dòn điện qua nguồn dịng tải khơng đổi: - 𝑖𝑎 𝑟𝑚𝑠 = √ 2𝜋 2 ∫ 𝑖𝑎 𝑑𝜃 = √ 𝐼𝑑 2𝜋 1.3 Mô mạch Psim Mạch mô Psim: Bảng số liệu đo đạc: 𝛼 15° 30° 45° 60° 75° 90° Ud (V) 521.11 466.82 379.76 267.88 156.18 126.84 Id (A) 80.23 69.33 52.07 29.62 7.19 0.19 Us1 (V) 565.67 565.68 565.68 565.68 565.68 565.37 Ia (A) 65.54 56.65 42.61 24.38 6.69 1.73 IaMax (A) 81.79 71.88 55.55 33.84 11.7 4.02 IaMin (A) -81.79 -71.89 -55.55 -33.84 -11.74 -4.02 Bảng lý thuyết tính toán : 𝛼 15° 30° 45° 60° 75° 90° Ud (V) 521.78 467.82 381.97 270.09 153.66 120 Id (A) 80.35 69.56 52.39 30.02 6.73 Us1 (V) 565.68 565.68 565.68 565.68 565.68 565.68 Ia (A) 65.61 56.80 42.77 24.51 5.49 IaMax (A) 80.35 69.56 52.39 30.02 6.73 IaMin (A) -80.35 -69.56 -52.39 -30.02 -6.73 Ảnh dạng sóng góc kích 60: Giản đồ Ud – Upha Giản đồ Us1 – Upha Giản đồ Id – Ia Giản đồ Ud – Id Bảng đánh giá đóng góp Bài: Bộ điều khiển điện áp xoay chiều pha Sinh viên Mã số sinh viên % Điểm Mai Phạm Thanh Bình 1910839 20 Trần Tuấn Khải 1913786 20 Đinh Ngọc Thiện 1915282 20 Đỗ Ngọc Thọ 1915339 20 Võ Duy Thuận 1912163 20 Bộ điều khiển điện áp xoay chiều pha 2.1 Nguyên lý hoạt động Ta xét hai trường hợp với góc φ = arctg(ωL/R) Sơ đồ nguyên lý mạch: 2.1.1 Trường hợp góc điều khiển α > φ Hình bên dạng sóng mạch biến đổi điện áp xoay chiều tải RL, góc kích mơ mạch 120 độ – Ở bán kỳ dương: + Ở đầu bán kỳ chưa xuất góc kích dịng tải áp tải không + Khi xuất xung kích vào chân G1 thyristor D1 đóng, điện áp tải với điện áp nguồn Vo = Vs Do tải có tính cảm nên dịng điện tăng từ khơng đến vị trí cực đại sau giảm, cuối bán kỳ dương dịng điện lớn – Ở bán kỳ âm: + Đầu chu kỳ âm thyristor D1 bị áp ngược nên ngưng dẫn, tải có tính cảm nên phát lượng trì D1 tiếp tục dẫn, Vo = Vs < Dòng điện giảm cuộn cảm xả hết lượng, lúc dòng áp tải + Đến D2 có xung kích chân kích G2 D2 đóng, Vo = Vs Io = Is Dòng điện tải tăng từ đến giá trị cực đại giảm 0, dòng điện liên tục qua điểm 2.1.2 Trường hợp góc điều khiển α < φ Khi có xung kích G1 thyristor D1 đóng ta có điện áp tải điện áp nguồn Dòng điện tải tăng từ đến cực đại giảm 0, dòng liên tục qua điểm Trường hợp góc kích α < φ nên xuất xung kích G2 lúc D1 cịn dẫn, thyristor D2 khơng thỏa mãn điều kiện đóng điện Kết có thyristor D1 dẫn dịng tải dòng chiều Do tải RL thiết bị động cơ, động hoạt động theo nguyên lý cảm ứng điện từ Dòng ngõ mạch dịng chiều khơng biến thiên làm cho động gia tăng nhiệt độ cuộn dây Và dẫn đến cháy động Do với tải RL ta cần quan tâm đến góc kích α, để khắc phục điều người ta sử dụng biện pháp sau Ưu điểm biện pháp xuất tình trạng dòng điện chiều thyristor thay phiên dẫn áp tải với áp nguồn điều khiển + Mở rộng góc kích, nhược điểm điều khiển SCR hoạt động liên tục, SCR cần kích xung ngắn tự trì trạng thái dẫn nên khơng khả thi 10 Dòng điện tăng khoảng thời gian 𝑇1 tương ứng 𝑖𝑑 biến thiên từ 𝑖𝑑,𝑚𝑖𝑛 đến 𝑖𝑑,𝑚𝑎𝑥 , suy ra: ∆𝑖𝑑= 𝑖𝑑,𝑚𝑎𝑥 -𝑖𝑑,𝑚𝑖𝑛 = 𝑈− 𝐸 𝐿 𝑇1 𝑇 𝑈− 𝐸 𝑇 𝐿 Do =D=𝑇1 f => ∆𝑖𝑑= 𝑖𝑑,𝑚𝑎𝑥 -𝑖𝑑,𝑚𝑖𝑛 = => 𝑖𝑑,𝑚𝑎𝑥 = 𝐼𝑑 + => 𝑖𝑑,𝑚𝑖𝑛 = 𝐼𝑑 - 𝐷 𝑓 ∆𝑖𝑑 ∆𝑖𝑑 3.2.2 Chế độ dịng gián đoạn - Tính thời gian mạch dẫn qua công thức: 𝑈 𝐿 𝐸 𝑅 𝑡2 = 𝜏ln[ (𝑒 𝑇1 /𝜏 − 1) + 1] ; 𝜏 = - Điện áp trung bình ngõ ra: 𝑇 𝑇−𝑡2 𝑇 𝑇 𝑈𝑑 = U + E 𝑡 = D.U + E.(1 - 2) 𝑇 - Dịng trung bình ngõ vào Is, dịng trung bình ngõ 𝐼𝑑 tính tương tự chế độ dịng liên tục; 𝑖𝑑,𝑚𝑖𝑛 = 0( Vì dịng gián đoạn), 𝑖𝑑,𝑚𝑎𝑥 = ∆𝑖𝑑 3.3 Mô mạch Psim Mạch mô dùng phần mềm PSIM 18 Thông số mạch: U=300V, R = Ω, E = 120 V, L = (1+M/20) mH, f = 10 kHz ; (chọn M=86) → L= 5.3 mH Bảng số liệu đo đạc: 𝛾 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75 0.9 ̅𝑑 (V) 𝑈 124.126 131.492 134.917 179.94 224.962 269.985 𝑖̅𝑑 (A) 0.097 0.382 12.002 21.004 30.005 𝑖̅𝑠 (A) 0.051 0.175 1.387 7.235 15.778 27.016 𝑖𝑑,𝑚𝑎𝑥 (A) 0.504 1.004 3.701 12.678 21.53 30.257 𝑖𝑑,𝑚𝑖𝑛 (A) 0 2.3 11.319 20.467 29.746 Bảng tính tốn lý thuyết: 𝛾 0.15 0.3 0.45 0.6 0.75 0.9 ̅𝑑 (V) 𝑈 120.47 121.841 135 180 225 270 𝑖̅𝑑 (A) 0.094 0.368 12 21 30 𝑖̅𝑠 (A) 0.038 0.149 1.35 7.2 15.75 27 𝑖𝑑,𝑚𝑎𝑥 (A) 0.509 1.019 3.764 13.019 22.274 31.528 𝑖𝑑,𝑚𝑖𝑛 (A) 0 2.236 10.981 19.726 28.472 19 * Dạng sóng 𝜸= 0.45: U – nguồn DC, Ud – Điện áp ngõ ra, Vk – Điện áp kích cho T Is – dòng từ nguồn, Id – dòng ngõ ra, Vk – Điện áp kích cho T 20 Bảng đánh giá đóng góp Bài: Bộ nghịch lưu ba pha điều khiển toàn phần Sinh viên Mã số sinh viên % Điểm Mai Phạm Thanh Bình 1910839 20 Trần Tuấn Khải 1913786 20 Đinh Ngọc Thiện 1915282 20 Đỗ Ngọc Thọ 1915339 20 Võ Duy Thuận 1912163 20 Bộ nghịch lưu ba pha điều khiển toàn phần 4.1 Nguyên lý hoạt động Bộ nghịch lưu có chức chuyển đổi lượng từ nguồn điện chiều không đổi sang dạng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều, đại lượng điều khiển ngõ điện áp có dạng pha ba pha Các ứng dụng nghịch lưu truyền động điện cho động điện xoay chiều, nguồn UPS, lò cảm ứng trung tần, hàm trung tần, ballast điện tử, hệ thống FACT hệ thống điện Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu ba pha gồm nguồn chiều sáu IGBT (mỗi IGBT có gắn thêm diode để dẫn điện theo chiều ngược lại) nối với tải RL ba pha đấu hình: Phương pháp điều khiển: phương pháp điều biên (six step) 21 Các khóa bán dẫn dẫn nửa chu kỳ, khóa nằm nhánh (T1-T4, T3T6, T5-T2) kích ngược pha Các khóa T1, T3, T5 kích lệch pha góc 2π/3 22 4.2 Tính tốn lý thuyết 23 Trị hiệu dụng áp pha: 𝑉𝑝ℎ𝑎 = 𝑉𝐴𝑛 2𝜋 𝑉𝑑 2𝑉𝑑 √ = √ ∫ 𝑣𝐴𝑛 (𝜔𝑡 )𝑑 (𝜔𝑡 ) = ( ∗( ) ∗4+ ∗( ) ∗2 2𝜋 2𝜋 3 3 𝑉𝑝ℎ𝑎 = 𝑉𝐴𝑛 2𝜋 √2 = √ ∫ 𝑣𝐴𝑛 (𝜔𝑡 )𝑑 (𝜔𝑡 ) = 𝑉 2𝜋 𝑑 Phần tích Fourier điện áp pha, biên độ sóng hài bậc n áp pha: 𝑉𝑝(𝑛) = 4𝑉𝑑 √3𝑛𝜋 𝑠𝑖𝑛 𝑛𝜋 Và áp tải chứa thành phần hài bậc lẻ (n = 1, 3, 5, …) Ngồi với n bội áp pha nên hài lân cận có bậc n = 1, 5, 7, 11, … Trị hiệu dụng dòng tải hài bậc n: 𝐼𝑝(𝑛),𝑟𝑚𝑠 4𝑉𝑑 𝑛𝜋 𝑠𝑖𝑛 = = √6𝑛𝜋 √𝑅2 + (2𝜋𝑛𝑓𝐿)2 √𝑅2 + (2𝜋𝑛𝑓𝐿)2 𝑉𝑝(𝑛),𝑟𝑚𝑠 ∞ ∑ 𝐼𝑝,𝑟𝑚𝑠 = √𝐼𝑝(𝑛),𝑟𝑚𝑠 𝑛=1,5,7,11,… Trị hiệu dụng dòng nguồn: 𝐼𝑑,𝑟𝑚𝑠 = √ ∗ 𝐼𝑝,𝑟𝑚𝑠 Bỏ qua tổn hao khóa bán dẫn, ta có: 𝑃𝑑 = 𝑃𝑜 𝑉𝑑 ∗ 𝐼̅𝑑 = 3𝐼𝑝,𝑟𝑚𝑠 𝑅2 ➔Trị trung bình dịng nguồn: 3𝐼𝑝,𝑟𝑚𝑠 𝑅 𝐼̅𝑑 = 𝑉𝑑 24 Xét hoạt động mạch khoảng ta có: Khoảng I II III IV V VI id -iB iA -iC iB -iA iC Xét id khoảng II, có dịng nguồn dịng pha A Mà mạch pha A mạch độ cấp RL nên ta có thời mạch là: 𝜏= 𝐿 𝑅 Và thời gian độ: 𝑡𝑞đ = 3𝜏 = 𝐿 𝑅 Với f đủ nhỏ mạch khoảng đạt trạng thái xác lập: 𝑡= 𝑇 𝐿 = > 𝑡𝑞đ = 6𝑓 𝑅 𝑓< 𝑅 18𝐿 Lúc này: 25 𝑖𝑑,𝑚𝑎𝑥 𝑉 𝑑 = √𝑅 + (2𝜋𝑓𝐿)2 𝑖𝑑,𝑚𝑖𝑛 𝑉 𝑑 = √𝑅 + (2𝜋𝑓𝐿)2 Trường hợp f lớn, mạch khơng có đủ thời gian để đạt trạng thái xác lập, xét pha A (theo khoảng): Trong khoảng T/6, mạch mạch độ RL cấp nên dịng có dạng: 𝑖𝐴 (𝑡) = 𝑖𝐴,𝑥𝑙 + 𝐾𝑒 −𝑅 𝑡 𝐿 Sơ kiện: giá trị đầu khoảng n (n = I-VI) giá trị cuối khoảng n-1 𝑇 𝑖𝐴,(𝑛) (0+ ) = 𝑖𝐴,(𝑛−1) ( ) Đặt: 𝑉𝑑 𝑉𝑑 −𝑅 𝑇 3 𝐼1 = ; 𝐼2 = ; 𝑝 = 𝑒 𝐿 ∗6 √𝑅2 + (2𝜋𝑓𝐿)2 √𝑅2 + (2𝜋𝑓𝐿)2 Ta hệ phương trình: 𝑇 𝐼2 − 𝐴 = 𝐼1 − 𝑝𝐹 (𝑖𝐴,(𝐼𝐼) (0+ ) = 𝑖𝐴,(𝐼) ( )) 26 𝑇 𝐼1 − 𝐵 = 𝐼2 − 𝑝𝐴 (𝑖𝐴,(𝐼𝐼𝐼) (0+ ) = 𝑖𝐴,(𝐼𝐼) ( )) −𝐼1 − 𝐶 = 𝐼1 − 𝑝𝐵 −𝐼2 − 𝐷 = −𝐼1 − 𝑝𝐶 −𝐼1 − 𝐸 = −𝐼2 − 𝑝𝐷 𝐼1 − 𝐹 = 𝐼1 − 𝑝𝐸 Giải phương trình ta suy hệ số A, B, C, D, E, F 𝑖𝑑 (𝑡) = 𝑖𝐴,(𝐼𝐼) (𝑡) = 𝐼2 − 𝐴𝑒 Và: 𝑇 𝑖𝑑,𝑚𝑎𝑥 = 𝑖𝐴,(𝐼𝐼) ( ) 𝑖𝑑,𝑚𝑖𝑛 = 𝑖𝐴,(𝐼𝐼) (0+ ) 4.3 Mô mạch Psim Các thông số đầu vào: - Nguồn chiều: 300VDC - R = 20 Ω - L = 28.6 mH Mạch mô Psim: 27 −𝑅 𝑡 𝐿 Bảng số liệu: Số liệu đo đạc: f 10Hz 20Hz 30Hz 40Hz 50Hz 60Hz ̃𝐴𝑁 (rms)(V) 𝑈 141.351 141.42 141.4 141.4146 141.42 141.464 𝐼̃𝑎 (rms)(A) 6.9154 6.7579 6.5899 6.4022 6.1927 5.9699 𝐼̅𝑑 (AV)(A) 9.5654 9.1908 8.69 8.2804 7.6382 7.1288 𝐼𝑑,𝑚𝑎𝑥 (A) 10 9.975 9.8923 9.7068 9.4 9.0554 𝐼𝑑,𝑚𝑖𝑛 (A) 5.0483 4.9902 4.8157 4.4446 3.98 3.4829 Bảng tính tốn lý thuyết: f 10Hz 20Hz 30Hz 40Hz 50Hz 60Hz ̃𝐴𝑁 (rms)(V) 𝑈 141.421 141.421 141.421 141.421 141.421 141.421 𝐼̃𝑎 (rms)(A) 6.8996 6.7538 6.5876 6.4 6.1919 5.9682 𝐼̅𝑑 (AV)(A) 9.5209 9.1228 8.6793 8.192 7.6679 7.1238 𝐼𝑑,𝑚𝑎𝑥 (A) 9.9599 9.8423 9.6554 9.6232 9.3252 9.0221 𝐼𝑑,𝑚𝑖𝑛 (A) 4.98 4.9212 4.8277 4.3981 3.7764 3.3555 28 Ảnh dạng sóng f = 50Hz 29 30 31 Nhận xét: Áp pha không phụ thuộc vào tải mà phụ thuộc vào giá trị nguồn cấp DC nên áp dễ dàng điều chỉnh Tuy nhiên với u cầu áp q lớn khơng có nguồn DC đủ lớn để cấp cho mạch Mạch sử dụng khóa bán dẫn có tổn hao nên xem cơng suất bảo tồn Giá trị tính tốn giống với đo đạc 32 ... rộng rãi máy đổi điện cơng suất cao lượng điện tử Nó cấu trúc với hai mạch pha, chỉnh lưu xung nối tiếp với loại SCR 1/3/5 gọi nhóm dương chúng kích thời gian nửa chu kỳ dương điện áp pha SCR... nguồn điện chiều không đổi sang dạng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều, đại lượng điều khiển ngõ điện áp có dạng pha ba pha Các ứng dụng nghịch lưu truyền động điện cho động điện. .. chân G1 thyristor D1 đóng, điện áp tải với điện áp nguồn Vo = Vs Do tải có tính cảm nên dịng điện tăng từ khơng đến vị trí cực đại sau giảm, cuối bán kỳ dương dịng điện lớn – Ở bán kỳ âm: + Đầu