Thiết kế bộ chỉnh lưu có điều khiển 3 pha

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP ==========o0o========== BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã 13350 Học kỳ 2 – Năm học 2020 – 2021 Đề tài Thiết kế bộ ch.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP ==========o0o========== BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Mã: 13350 Học kỳ: – Năm học: 2020 – 2021 Đề tài: Thiết kế chỉnh lưu có điều khiển ba pha: - Điện áp dây đầu vào: 440VAC, f = 60Hz Điện áp chiều: Udc = 400VDC Công suất: Pd = 2,0KW Tính chất tải: động điện chiều SINH VIÊN MSV VŨ ĐỨC ĐÔNG ĐÀO ĐỨC HÀ HOÀNG HẢI NAM LỚP ĐTĐ60Đ 82772 H ĐTĐ60Đ 82868 H ĐTĐ60Đ 84095 H NHIỆM VỤ Nhóm trưởng Thành viên Thành viên Ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Chuyên ngành Điện tự động công nghiệp Giảng viên hướng dẫn: Bộ môn: Khoa: ThS Vũ Ngọc Minh Điện tự động cơng nghiệp Điện – Điện tử HẢI PHỊNG - 5/2021 ĐỀ TÀI BÀI TẬP LỚN Thiết kế chỉnh lưu có điều khiển ba pha: - Điện áp dây đầu vào: 440VAC, f = 60Hz Điện áp chiều: Udc = 400VDC Cơng suất: Pd = 2,0KW Tính chất tải: động điện chiều Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU Điện tử cơng suất lĩnh vực kỹ thuật đại, nghiên cứu ứng dụng linh kiện bán dẫn công suất làm việc chế độ chuyển mạch trình biến đổi điện Ngày nay, khơng riêng nước phát triển, nước ta thiết bị bán dẫn thâm nhập vào ngành công nghiệp lĩnh vực sinh hoạt Các xí nghiệp, nhà máy như: xi măng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi, đóng tàu… sử dụng ngày nhiều thành tựu công nghiệp điện tử nói chung điện tử cơng suất nói riêng Đó minh chứng cho phát triển ngành cơng nghiệp Với mục tiêu cơng nghiệp hố đại hố đất nước, ngày có nhiều xí nghiệp mới, dây chuyền sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán kỹ thuật kỹ sư điện kiến thức điện tử công suất Cũng với lý đó, học kỳ em nhận tập lớn môn học điện tử công suất với đề tài: “Thiết kế chỉnh lưu có điều khiển ba pha” Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ bảo tận tình thầy Vũ Ngọc Minh q trình làm tập lớn mơn học với đề tài Mặc dù dành nhiều cố gắng khơng tránh khỏi sai sót định, em mong góp ý, bảo thầy CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU 1.1 Giới thiệu chung Định nghĩa Chỉnh lưu biến đổi tĩnh cho phép chuyển đổi lượng nguồn với đại lượng xoay chiều thành nguồn khác với đại lượng chiều Hình Sơ đồ định nghĩa chỉnh lưu Chỉnh lưu có loại chính: + Chỉnh lưu khơng điều khiển: chuyển đổi chất đại lượng điện (xoay chiều chiều) + Chỉnh lưu có điều khiển: cho phép chuyển đổi chất đại lượng điện điều khiển dịng cơng suất (giá trị điện áp chiều đầu ra) Cấu trúc mạch chỉnh lưu Hình Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu Máy biến áp có nhiệm vụ là: Nhiệm vụ 1: Chuyển từ điện áp quy chuẩn lưới điện xoay chiều U sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu tải Tùy theo tải mà máy biến áp tăng áp giảm áp Nhiệm vụ 2: Biến đổi số pha nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu mạch van Thông thường số pha lưới lớn 3, song mạch van cần số pha 6, 12, Lưu ý: Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện mạch van đòi hỏi số pha lưới điện bỏ qua máy biến áp Mạch van có nhiệm vụ là: Mạch van van bán dẫn mắc với theo cách để tiến hành q trình chỉnh lưu Mạch lọc có nhiệm vụ: Mạch lọc nhằm đảm bảo điệm áp (hoặc dòng điện) chiều cấp cho tải phẳng theo yêu cầu Phân loại Chỉnh lưu phân loại theo số cách sau đây: Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: gồm có pha, hai pha, ba pha, pha, Phân loại theo loại van bán dẫn mạch van Hiện chủ yếu dùng hai loại van điơt tiristor, có ba loại mạch sau: + Mạch van dùng tồn điốt, gọi chỉnh lưu khơng điều khiển + Mạch van dùng toàn tiristor, gọi chỉnh lưu có điều khiển + Mạch chỉnh lưu dùng hai loại điối tiristor, gọi chỉnh lưu bán điều khiển Phân loại theo sơ đồ mắc van với Có hai kiểu mắc van: + Sơ đồ hình tia: Ở sơ đồ số lượng van số pha nguồn cấp cho mạch van Tất van đấu chung đầu với catot chung anot chung + Sơ đồ cầu: Ở sơ đồ số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van Trong nửa số van mắc chung catot, nửa lại mắc chung anot Như vậy, gọi tên mạch chỉnh lưu người ta dùng ba dấu hiệu để cụ thể mạch Ví dụ: Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển, có nghĩa mạch chỉnh lưu dùng kiểu mắc van theo sơ đồ cầu, nguồn cấp cho mạch van ba pha, dùng van có điơt tiristor Các tham số mạch chỉnh lưu Các tham số dùng để đánh giá tiêu kỹ thuật phân tích thiết kế mạch chỉnh lưu, gồm có ba nhóm tham số đây: 1.1.1.1 Về phía tải Ud – giá trị trung bình điện áp nhận sau mạch van chỉnh lưu: Ud = (t).dt = Id – giá trị trung bình dịng điện từ mạch van cấp ra: Id = Pd = Ud.Id công suất chiều mà tải nhận từ mạch chỉnh lưu 1.1.1.2 Về phía van Itbv – giá trị trung bình dòng điện chảy qua van mạch van Ung max – điện áp ngược cực đại mà van phải chịu làm việc Đây hai tham số giúp việc lựa chọn van phù hợp để không hỏng hoạt động mạch 1.1.1.3 Về phía nguồn Thể công suất xoay chiều lấy từ lưới điện, thông thường sử dụng theo công suất biểu kiến biến áp: Sba = = Ksd.Pd Trong đó: S1 = U1.I1 S2 = Ở giá trị U1, I1, U2i, I2i trị số hiệu dụng điện áp dịng điện phía sơ cấp thứ cấp máy biến áp Do phía thứ cấp có nhiều cuộn dây, nêm phải tổng cộng công suất tất m cuộn dây Để đánh giá khả biến đổi công xuất xoay chiều thành chiều, công suất lấy từ lưới điện S ba so sánh với công suất chiều P d mà tải nhận qua hệ số sơ đồ K sd Hệ số gần chứng tỏ mạch có hiệu suất biến đổi tốt Ngồi nhóm ba tham số cịn có tham số dùng để đánh giá phẳng điện áp chiều nhận được, gọi hệ số đập mạch K đm, xác định theo biểu thức: Kđm = Trong U1m biên độ sóng hài bậc theo khai triển Fourier điện áp chỉnh lưu U0 thành phần theo khai triển U giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu, tức U0 = Ud Luật dẫn van Mạch van để thực trình chỉnh lưu có nhiều, nhiên chúng tuân theo hai kiểu mắc với mắc catot chung mắc anot chung Vì thể cần nhận biết hai quy luật dẫn này, ta phân tích tồn mạch van chỉnh lưu có thực tế Nhóm van đấu catot chung Hình a, Van đấu catot chung ; b, Van đấu anot chung Hình a mạch van tất điốt có catot đấu với Luật dẫn phát biểu sau: Van có khả dẫn van có điện anot dương nhóm, nhiên dẫn điện anot dương điện điểm catot chung Ví dụ thời điểm ta có: > > > Và đồng thời > van dẫn Lúc đó, coi sụt áp van dẫn Đ1 dẫn ta thấy = Điều đẫn đến điện áp van lại âm: -= IH: Dịng diện trì UN: Điện áp ngược đánh thủng Ở góc phần tư thứ nhất: Dòng điện lớn, sụt áp nhỏ Tiristor phân cực - thuận Ở góc phần từ thứ ba: Dòng rò nhỏ, điện áp ngược lớn Tiristor phân cực ngược 17 1.2.1.7 Các thơng số kỹ thuật Dịng điện thuận cực đại: Đây trị số lớn dịng điện qua mà Tiristor chịu đựng liên tục, trị số Tiristor bị hư Khi Tiristor dẫn điện VAK khoảng 0,7V nên dòng điện thuận qua tính theo cơng thức: IA= Điện áp ngược cực đại: Đây điện áp ngược lớn đặt Anốt K mà Tiristor chưa bị đánh thủng, vượt qua trị số Tiristor bị phá hủy Điện áp ngược cực đại Tiristor thường khoảng 100V đến 1000V Dịng điện kích cực tiểu: I Gmin : Để Tiristor dẫn điện trường hợp điện áp VAK thấp phải có dịng điện kích cho cực G Tiristor Dịng IGmin trị số dịng kích nhỏ đủ để điều khiển Tiristor dẫn điện dịng IGmin có trị số lớn hay nhỏ tùy thuộc công suất Tiristor, Tiristor có cơng suất lớn IGmin phải lớn Thông thường IGmin từ 1mA đến vài chục mA Thời gian mở Tiristor: Là thời gian cần thiết hay độ rộng xung kích để Tiristor chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, thời gian mở khoảng vài µs Thời gian tắt: Theo nguyên lý Tiristor tự trì trạng thái dẫn điện sau kích Muốn Tiristor trạng thái dẫn chuyển sang trạng thái ngưng phải cho IG = cho điện áp VAK = để Tiristor tắt thời gian cho VAK = 0V phải đủ dài, không VAK tăng lên cao lại Tiristor dẫn điện trở lại Thời gian tắt Tiristor khoảng vài chục µs 1.2.1.8 Ứng dụng Tiristo Các thiết bị Tiristor sản xuất cho mục đích thương mại vào năm 1956 Một thiết bị Tiristor nhỏ kiểm sốt lượng lớn điện áp lượng Vì ứng dụng điều chỉnh ánh sáng, điều khiển công suất điện điều khiển tốc độ động điện Trước đây, Tiristor dùng cho đảo ngược dịng điện để tắt thiết bị Trên thực tế, có dịng điện trực tiếp nên khó sử dụng cho thiết bị Nhưng bây giờ, cách sử dụng tín hiệu cổng điều khiển bật tắt thiết bị mới, sử dụng Tiristor để bật tắt 18 hồn tồn Vì vậy, Tiristor sử dụng làm cơng tắc khơng thích hợp làm khuếch đại analog Một số ưu điểm Tiristor Có thể xử lý điện áp, dịng điện cơng suất lớn Có thể bảo vệ cầu chì Rất dễ bật Rất đơn giản để kiểm soát Chi phí thấp Nó điều khiển nguồn xoay chiều  - 1.3 Chỉnh lưu có điều khiển dùng Tiristo Khái niệm góc điều khiển α Mạch chỉnh lưu dùng van điốt đơn giản cấp tải điện áp xác định Ud = ksdU2, phụ thuộc vào sơ đồ mạch van điện áp nguồn U 2, không cho phép thay đổi giữ ổn định theo yêu cầu công nghệ tải Điều diôt tự dẫn tác động điện áp nguồn xoay chiều theo luật dẫn (mục 1.1.5) gọi mở tự nhiên Nếu thay đổi điôt tiristo ta điều khiển điểm dẫn van theo ý muốn, mở tiristo cần có đồng thời hai điều kiện: + Thứ nhất, điện áp van phải dương, U AK > 0, điều kiện hồn tồn điơt + Thứ hai, có dịng điều khiển đủ mạnh tác động vào cực điều khiển nó, điều kiện điơt khơng có Như sử dụng điều kiện thứ hai ta khống chế điểm mở tiristo theo ý muốn Để thể mạch điều này, người ta sử dụng khái niệm góc điều khiển (cịn gọi góc mở) ký hiệu α Quy ước góc sau: Góc điều khiển α góc tính từ thời điểm mở tự nhiên đến thời điểm tiristo phát xung vào cực điều khiển để mở van Thời điểm mở tự nhiên điểm mà van điơt bắt đầu dẫn Theo quy ước này, mạch chỉnh lưu pha, hai pha có điểm mở tự nhiên điểm qua nguồn xoay chiều Với mạch nhiều pha phụ thuộc vào sơ đồ cụ thể, thông thường điểm giao điện áp pha nguồn xoay chiều 19 Chỉnh lưu hình tia ba pha dùng tiristo Đồ thị điện áp Ud mạch chỉnh lưu thể hình 14 với góc điều khiển α = 30° Đây góc đặc biệt Hình 14 Sơ đồ tia ba pha đồ thị điện áp a Nếu α ≥ 30°, điện áp ud có đoạn 0, tải thuồn trở, dịng điện tải id gián đoạn, tức có đoạn i d = dịng điện qua van ln kết thúc điện áp pha Đồ thị u d có dạng hình 15a, theo có: (PT 1) 20 Hình 15 Đồ thị điện áp Ud b Nếu α < 30°, dạng điện áp Ud hình 15b Ta thấy điện áp u d ln lớn Như với tải trở, dòng điện i d tồn chảy liên tục qua tải, dịng gọi dịng điện liên tục Ở quy luật điện áp ud Khơng tn theo PT vừa có Với lưu ý ba van thay dẫn chu kỳ, nên van dẫn khoảng 2π/3, đó: (PT 2) Như vậy, với mạch chỉnh lưu ba pha hình tia, quy luật điện áp Udα phụ thuộc vào chế độ dòng: dòng gián đoạn tuân theo PT 1; dòng liên tục lại theo PT 10Chỉnh lưu cầu pha dùng Tiristo Hình 16 Sơ đồ chỉnh lưu cầu pha dùng Tiristo Để cấp điện cho tải cần phải đảm bảo có hai van dẫn: nhóm chẵn, nhóm lẻ 21 Như phát xung mở van cho hoạt động phải đồng thời cho hai tiristo cần dẫn Trên đồ thị hình 17 thể điều chỗ tiristo phát hai xung; xung xác định góc α, xung thứ hai đảm bảo thơng mạch tải Hình 17 Chỉnh lưu cầu ba pha với α = 30° Ở phải đảm bảo góc điều khiển van phải α = α2 = … = α6 = α Theo đồ thị ud (θ) ta thấy góc tới hạn θth dòng liên tục dòng gián đoạn 60° Vậy: Nếu α ≤ 60° ta có quy luật: Ud∝ = Ud0 cosα = 2,34U2.cosα (PT 3) 22 Nếu α > 60° dịng điện gián đoạn Điện áp chỉnh lưu nhận (xem đồ thị ud với giai đoạn T1T6 là: (PT 4) 23 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU PHA (MẠCH CHỈNH LƯU CẦU PHA) 2.1 Tính tốn thơng số mạch Chọn mạch van: Theo đề bài: Pd = (kW), U dây = 440V; Udây cao nên ta chọn sơ đồ cầu → Như mạch chỉnh lưu cầu pha có điều khiển 11 Tính tốn dịng điện sau chỉnh lưu 2000 Ta có: Pd = UdId = (kW) → Id = 400 = (A) 12 Tính tốn góc điều khiển α Nguồn pha có điện áp dây 440 (V) → điện áp pha nguồn: Upha = U2 = = 254 (V) Vì tải động điện chiều → chọn α ≤ 60° để đòng điện qua tải dòng liên tục Theo PT 3, ta có cơng thức: Udα = Udc = 2,34U2 sinα → sinα = = 0,67 → α ≈ 45° 13Tính tốn dịng trung bình van Itbv = = ≈ 1,67 (A) 14Tính tốn điện áp ngược cực đại đặt vào van Ung.max = U2 = 2.2 Tính chọn Tiristo Với thơng số vừa tính trên, chọn Tiristor loại T60N1000VOF với thông số định mức: - Dòng điện định mức van: Idm = 60 (A) Điện áp ngược cực đại van: Unv = 1000 (V) Điện áp xung điều khiển: Uđk = 1,4 (V) Dòng điện xung điều khiển: Iđk = 150 (mA) Độ sụt áp van: ∆U = 1,8 (V) 24 2.3 Mạch động lực Hình 18 Mơ mạch động lực PSIM 15Tính chọn thiết bị bảo vệ mạch động lực Các phần tử bán dẫn công suất ngày sử dụng ngày rộng rãi, có nhiều ưu điểm như: gọn nhẹ, làm việc với độ tin cậy cao, tác động nhanh, hiệu suất cao, dễ dàng tự động hóa, Tuy nhiên phần tử bán dẫn có cơng suất khó tính tốn hay bị hư hỏng nhiều nguyên nhân khác Do cần phải bảo vệ Tiristor, cần phải tôn trọng tỉ số giới hạn sử dụng nhà chế tạo định với phần tử - Điện áp ngược lớn Giá trị trung bình lớn dịng điện Nhiệt độ lớn thiết bị Tốc độ tăng trưởng lớn dịng điện Thời gian khóa Toff Thời gian mở Ton 25 - Dịng điện kích thích Điện áp kích Các phần tử bán dẫn cơng suất cần bảo vệ chống nhiều cố xảy gây nhiễu loạn nguy hiểm như: Ngắn mạch tải, điện áp dòng điện 2.3.1.1 Bảo vệ dịng điện cho van Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch tải ngắn mạch Tiristor, ngắn mạch đầu biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp ngắn mạch chế độ nghịch lưu Chọn aptomat có: Dịng điện làm việc chạy qua aptomat: Ilv = = 6,11A Công suất biến áp nguồn cấp tính : Sba = kS Pdmax = kS×Udo×Id = 1,345 × 2000 = 2690 (W) Trong : ks : Hệ số cơng suất theo sơ đồ mạch động lực(ks = 1,345) Pdmax : Cơng suất cực đại tải [W] Dịng điện aptomat cần chọn : Idm= 1,1×Ilv =1,1×6,11= 6,72 (A) Udm = 380 (V) Có tiếp điểm ,có thể đóng cắt tay nam châm điện Chỉnh định dòng ngắn mạch : Inm = 2,5×Ilv = 15.275 (A) Dịng tải : Iqt =1,5×Ilv = 9,165 (A) + Chọn cầu dao có : dịng định mức :Iqt =1,1.Ilv = 6,72 (A) Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn sửa chữa hệ thống truyền động dùng để đóng cắt nguồn chỉnh lưu khoảng cách từ nguồn cấp tới chỉnh lưu đáng kể + Dùng dây chảy: tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch Tiristor,ngắn mạch đầu chỉnh lưu 2.3.1.2 Bảo vệ điện áp cho van Bảo vệ điện áp cho q trình đóng cắt Tiristor thực cách mắc R-C song song với Tiristor Khi có chuyển mạch ,các điện tích tích 26 tụ lớp bán dẫn phóng ngồi tạo dịng điện ngược khoảng thời gian ngắn, biến thiên nhanh chóng dịng điện ngược gây suất điện động cảm ứng lớn điện cảm làm cho điện áp Anot Ktot Tiristor Khi có mạch mắc R-C song song vói Tiristor tạo mạch vịng phóng điện tích q trình chuyển mạch nên Tiristor không bị điện áp Thông thường : R1 =(5ữ30) ; C1 = (0,25ữ4)àF Theo ti liu : R1 =40 Ω ; C1 = 0,25µF Bảo vệ xung điều khiển từ lưới điện ta mắc mạch R-C nhờ có mạch lọc mà đỉnh xung gần nằm lại hoàn toàn điện trở đường dây Trị số R-C chọn : R2 =12,5Ω ; C2 = 4µF 2.4 Mạch tạo xung điều khiển cho Tiristo Hình 19 Mô mạch tạo xung điều khiển cho Tiristo PSIM 27 CHƯƠNG MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM PSIM 3.1 Điện áp pha đầu vào Hình 20 Đồ thị điện áp pha đầu vào 3.2 Điện áp tải Hình 21 Đồ thị điện áp tải Hình 22 Giá trị trung bình điện áp tải 28 3.3 Dịng điện tải Hình 23 Đồ thị dịng điện tải Hình 24 Giá trị trung bình địng điện tải 29 30 3.4 Điện áp xung điều khiển Hình 25 Điện áp điều khiển nhóm van lẻ Hình 26 Điện áp điều khiển nhóm van chẵn Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy: - Giá trị trung bình điện áp tải xấp xỉ 400 (V), giá trị trung bình dịng điện xấp xỉ (A) → Thoả mãn yêu cầu đặt 31 ... chỉnh lưu Chỉnh lưu có loại chính: + Chỉnh lưu khơng điều khiển: chuyển đổi chất đại lượng điện (xoay chiều chiều) + Chỉnh lưu có điều khiển: cho phép chuyển đổi chất đại lượng điện điều khiển dịng... tiristor, có ba loại mạch sau: + Mạch van dùng tồn điốt, gọi chỉnh lưu không điều khiển + Mạch van dùng toàn tiristor, gọi chỉnh lưu có điều khiển + Mạch chỉnh lưu dùng hai loại điối tiristor, gọi chỉnh. .. ta có quy luật: Ud∝ = Ud0 cosα = 2 ,34 U2.cosα (PT 3) 22 Nếu α > 60° dòng điện gián đoạn Điện áp chỉnh lưu nhận (xem đồ thị ud với giai đoạn T1T6 là: (PT 4) 23 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU PHA