Thiết kế bộ chỉnh lưu có điều khiển 3 pha dùng cho máy hàn

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 dùng cho máy hàn: - Điện áp dây đầu vào: 440VAC, f = 50Hz Điện áp chiều: Udcmax = 75VDC Dòng tải: Imax = 200A SINH VIÊN MSV NGUYỄN ĐỨC HẠNH DƯƠNG ĐỨC THUẦN LỚP ĐTĐ60Đ 82990 H TĐH60Đ 85061 H NHIỆM VỤ Nhóm trưởng 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 công nghiệp Điện – Điện tử HẢI PHÒNG - 5/2021 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 dùng cho máy hàn” Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ bảo tận tình thầy Vũ Ngọc Minh trình làm tập lớn môn học với đề tài Mặc dù dành nhiều cố gắng không tránh khỏi sai sót định, em mong góp ý, bảo thầy CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MÁY HÀN VÀ CHỈNH LƯU 1.1 Giới thiệu chung máy hàn Khái niệm hàn điện Hàn điện công nghệ phổ biến kỹ thuật đại ngành đóng tàu , ngành xây dựng ,ngành chế tạo máy móc….Hàn điện áp dụng phổ biến đơn vị sản xuất nhỏ Máy hàn loại máy móc dùng để nối chi tiết với thành liên kết không tháo rời được, mang tính liên tục cách đưa chỗ nối tới trạng thái nóng chảy, thơng qua việc sử dụng hai yếu tố nhiệt áp lực, kết hợp hai yếu tố Khi hàn, sử dụng khơng sử dụng vật liệu phụ bổ sung Cấu tạo phân loại máy hàn điện tử 1.1.1.1 Phân loại a Theo chế độ hàn người ta chia làm loại • Kiểu thường: dịng điện khống chế theo dạng hình thang: có điểm tăng dịng, trì giảm dần khơng • Kiểu có xung: dòng khống chế điều chế tần số Độ rộng chu kỳ thay đổi cho phù hợp với vật b Phân loại theo kiểu máy : có loại • Máy dùng chỉnh lưu diode • Máy dùng chỉnh lưu thyristor • Máy inveter c Phân loại theo dịng hàn: có loại • • • • Máy hàn DC Inveter AC ->DC ->AC ->DC Thyristor AC ->DC Máy hàn AC ->DC ->AC Các loại máy hàn có cấu tạo nguyên lý hoạt động khác nhau, nhiên chúng có cấu tạo chung, sau: • Nguồn điện vào: tùy vào dịng máy hàn công nghiệp máy hàn dân dụng mà sử dụng điện áp 220V 380V • Mỏ hàn kẹp mass: phận quan trọng tất dịng máy hàn điện • Bộ biến dịng inverter: tối ưu hóa việc sử dụng lượng giúp tiết kiệm sử dụng điện hiệu • Bình khí van điều áp thường có máy hàn mig máy hàn tig - nơi chứa khí bảo vệ điều chỉnh khí • Một số phận khác phận làm mát, hệ thống nút điều khiển, dây dẫn… Hình Thành phần máy hàn TIG Nguyên lý làm việc chung máy hàn Máy hàn điện tử hoạt động cách tạo dòng điện thiết lập điện cực vonfram phơi nung nóng chảy thành phần kim loại Khi kim loại nung nóng điện cực bảo vệ khỏi tác nhân khơng khí xung quanh dịng khí trơ qua mỏ hàn Khi mà dịng điện tăng, từ thông tăng, hiệu điện giảm ngược lại ( thiết bị hàn có tự cảm riêng ) Để điều chỉnh cường độ dòng điện tăng giảm ta tiến hành thay đổi vị trí lõi từ ( máy hàn có lõi từ di động) Hình Sơ đồ nguyên lý máy biến áp có lõi từ di động Các yêu cầu làm việc - Nguồn hàn phải đảm bảo dòng hồ quang chế độ mồi chế độ hồ quang ổn định - Đảm bảo an toàn làm việc chế độ làm việc chế độ ngắn mạch làm việc - Nguồn hàn phải có cơng suất lớn - Nguồn hàn phải có khả điều chỉnh dòng hàn - Đường đặc tính ngồi nguồn hàn phải đáp ứng phương pháp hàn cụ thể hàn tự động đường đặc tính ngồi phải cứng 1.2 Giới thiệu chung nghịch lưu 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 địi 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 điôt tiristor, có ba loại mạch sau: + Mạch van dùng toàn điốt, gọi chỉnh lưu khơng điều khiển + Mạch van dùng tồn 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 điôt 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: 1.2.1.1 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 1.2.1.2 Về phía van Itbv – giá trị trung bình dịng 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 1.2.1.3 Về phía nguồn Thể cơng 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 cơng 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 10 13Chỉnh 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 16 Sơ đồ tia ba pha đồ thị điện áp a Nếu α ≥ 30°, điện áp ud có đoạn 0, tải thuồn trở, dòng 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) 22 Hình 17 Đồ thị điện áp Ud b Nếu α < 30°, dạng điện áp Ud hình 15b Ta thấy điện áp u d 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 Không tuân 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 14Chỉnh lưu cầu pha dùng Tiristo Hình 18 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 23 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 19 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 dịng liên tục dòng gián đoạn 60° Vậy: Nếu α ≤ 60° ta có quy luật: Ud∝ = Ud0 cosα = 2,34U2.cosα (PT 3) 24 Nếu α > 60° dịng điện gián đoạn Điện áp chỉnh lưu nhận (xem đồ thị ud với giai đoạn T1T6 là: (PT 4) 25 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU PHA (MẠCH CHỈNH LƯU CẦU PHA) 2.1 Tính tốn thông số mạch Chọn mạch van: Theo đề bài: Ud = 440 V; Ud lớn nên ta chọn sơ đồ cầu → Như mạch chỉnh lưu cầu pha có điều khiển 15Tính tốn góc điều khiển α Nguồn pha có điện áp dây 440 (V) → điện áp pha nguồn: Upha = U2 = = 254 (V) Udα = Udc = 2,34U2 → cosα = -0,12 → α = 97° 16Tính tốn dịng trung bình van Itbv = = ≈ 67 (A) 17Tính 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 7MBR75SD060 với thơng số định mức: - Dịng điện định mức van: Idm = 75 (A) Điện áp ngược cực đại van: Unv = 800 (V) Đỉnh xung dòng điện : Itsm = 525 (A) Dòng điện xung điều khiển : Iđk =0,15 (A) Điện áp xung điều khiển : Uđk =10 (V) Thời gian chuyển mạch: tcm = 300 () Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép :Tmax= 1250C 26 DATASHEET 7MBR75SD0600 27 2.3 Tính 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 tơn trọng tỉ số giới hạn sử dụng nhà chế tạo định với phần tử - Điện áp ngược lớn Giá trị trung bình lớn dòng điện Nhiệt độ lớn thiết bị Tốc độ tăng trưởng lớn dòng điện Thời gian khóa Toff Thời gian mở Ton Dịng điện kích thích Điện áp kích 28 Các phần tử bán dẫn công suất cần bảo vệ chống nhiều cố xảy gây nhiễu loạn nguy hiểm như: Ngắn mạch tải, điện áp dòng điện 18Bảo vệ dòng 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: Dòng điện làm việc chạy qua aptomat: Ilv = = 154,72 A Cơng suất biến áp nguồn cấp tính : Sba = kS Pdmax = kS×Udo×Id = 1,34 × 254 x 200 = 68072 (W) Trong : ks : Hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực(ks = 1,345) Pdmax : Công suất cực đại tải [W] Dòng điện aptomat cần chọn : Idm= 1,1×Ilv =1,1×154,72= 170,92 (A) Có tiếp điểm ,có thể đóng cắt tay nam châm điện Chỉnh định dịng ngắn mạch : Inm = 2,5×Ilv = 386,8 (A) Dịng q tải : Iqt =1,5×Ilv = 232,08 (A) + Chọn cầu dao có : dịng định mức :Iqt =1,1.Ilv = 170,92 (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 19Bảo vệ điện áp cho van Bảo vệ q 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 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 29 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 thng : R1 =(5ữ30) ; C1 = (0,25ữ4)àF Bo v 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 30 2.4 Mạch động lực Hình 20 Mơ mạch động lực PSIM 31 2.5 Mạch tạo xung điều khiển cho Tiristo Hình 21 Mơ mạch tạo xung điều khiển cho Tiristo PSIM 32 CHƯƠNG MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM PSIM 3.1 Điện áp pha đầu vào Hình 22 Đồ thị điện áp pha đầu vào 3.2 Điện áp tải Hình 23 Đồ thị điện áp tải 33 Hình 24 Giá trị trung bình điện áp tải 3.3 Dịng điện tải Hình 25 Đồ thị dịng điện tải 34 Hình 26 Giá trị trung bình địng điện tải 3.4 Điện áp xung điều khiển Hình 27 Điện áp điều khiển nhóm van lẻ 35 Hình 28 Điện áp điều khiển nhóm van chẵn Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy: - Giá trị trung bình điện áp tải xấp xỉ 75(V), giá trị trung bình dịng điện xấp xỉ 200 (A) → Thoả mãn yêu cầu đặt 36 ... yếu dùng hai loại van điơt tiristor, có ba loại mạch sau: + Mạch van dùng toàn điốt, gọi chỉnh lưu khơng điều khiển + Mạch van dùng tồn tiristor, gọi chỉnh lưu có điều khiển + Mạch chỉnh lưu dùng. .. diode • Máy dùng chỉnh lưu thyristor • Máy inveter c Phân loại theo dịng hàn: có loại • • • • Máy hàn DC Inveter AC ->DC ->AC ->DC Thyristor AC ->DC Máy hàn AC ->DC ->AC Các loại máy hàn có cấu... Bình khí van điều áp thường có máy hàn mig máy hàn tig - nơi chứa khí bảo vệ điều chỉnh khí • Một số phận khác phận làm mát, hệ thống nút điều khiển, dây dẫn… Hình Thành phần máy hàn TIG Nguyên