ĐỒ án môn học điện tử CÔNG SUẤT đề tài TÍNH TOÁN, mô PHỎNG MẠCH CHỈNH lưu BA PHA KHÔNG điều KHIỂN với tải r l

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KĨ THUẬT CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN MƠN HỌC ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT ĐỀ TÀI: TÍNH TỐN, MƠ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU BA PHA KHƠNG ĐIỀU KHIỂN VỚI TẢI R - L Giáo viên hướng dẫn : TS DƯƠNG ĐÌNH TÚ Sinh viên thực : TRẦN HUY HOÀNG (205752021610030) Nghệ An, tháng 11 năm 2022 Tieu luan MỤC LỤC CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Phân tích mạch điện .3 1.2 Tính tốn điện áp tải dòng điện tải 1.3 Công suất biểu kiến nguồn CHƯƠNG TÍNH TỐN, MƠ PHỎNG MẠCH CHỈNH LƯU BA PHA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN VỚI TẢI R-L 10 2.1 Bài toán đặt .10 2.2 Tính tốn đại lượng theo yêu cầu .10 2.3 Mô mạch chỉnh lưu không điều khiển tải R-L PSIM 12 Cách bước vẽ mạch điện PSIM 12 Mô mạch điện phần mềm PSIM .17 2.4 Tính tốn thơng số PSIM .20 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 Tieu luan MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mạch chỉnh lưu ba pha không điều khiển với tải R - L Hình 1.2 Mạch chỉnh lưu ba pha không điều khiển với tải R - L Hình 1.3 (a) dạng sóng điện áp nguồn điện áp tải.(b) dạng sóng dịng điện diode tải .7 Hình 1.4 Mạch chỉnh lưu ba pha không điều khiển với tải R - L Hình 1.5 Dòng chỉnh lưu ba pha đầu lọc 10 Hình 1.6 Bộ lọc cho sóng hài dịng ac 11 Hình 1.2.1 Dạng sóng điện áp tải 11 Hình 1.2.2 Dạng sóng dịng điện tải .12 Hình 2.3.1 Hình ảnh khởi động psim .15 Hình 2.3.2 Hình ảnh tạo file psim 15 Hình 2.3.3 Cách lấy linh kiện điện tử psim 16 Hình 2.3.4 Cách lấy linh kiện điện tử công cụ psim 16 Hình 2.3.5 Cách lấy linh kiện điện tử toolbar psim .17 Hình 2.3.6 Lấy linh kiện điện tử hình psim .17 Hình 2.3.7 Đi dây cho linh kiện psim 18 Hình 2.3.8 Điền thông số cho linh kiện .19 Hình 2.3.9 Mạch điện vẽ hoàn chỉnh psim 19 Hình 2.3.10 Đặt tên cho mạch điện .20 Hình 2.3.11 Dạng sóng điện áp nguồn pha .20 Hình 2.3.12 Dạng sóng dịng điện tải 21 Hình 2.3.13 Dạng sóng điện áp tải .21 Hình 2.3.14 Dạng sóng dịng điện van chuyển mạch 21 Hình 2.3.14 Dạng sóng điện áp van chuyển mạch 22 Hình 2.4.1 Đưa dạng sóng tính giá trị trung bình 23 Hình 2.4.2 Đưa dạng sóng tính giá trị trung bình 23 Hình 2.4.3 Đưa dạng sóng tính giá trị hiệu dụng 24 Hình 2.4.4 Đưa dạng sóng tính giá trị diode 25 Hình 2.4.4 Đưa dạng sóng tính giá trị nguồn 26 Tieu luan CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Phân tích mạch điện Chỉnh lưu cầu ba pha thường sử dụng có u cầu cơng suất cao khả tận dụng cao công suất máy biến áp Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha trình bày hình 1.1 Các diode đánh số cho chúng dẫn góc 2π/3 Tải R - L Hình 1.1 Mạch chỉnh lưu ba pha không điều khiển với tải R - L Mạch chỉnh lưu ba pha không điều khiển với tải điện trở cuộn cảm mắc nối tiếp D1 D3 + D5 V n 480 Io a V b V R 25 c Thông số mô phỏng: Thời gian mô : 0.04 s; Thơng số cịn lại : mặc định L D4 D6 D2 50m - Hình 1.2 Mạch chỉnh lưu ba pha không điều khiển với tải R - L Tieu luan Uo Mạch cầu pha sử dụng diode, pha nguồn điện nối với điểm cặp diode Cực âm diode nối với tạo nên cực dương điện áp chiều ngõ cực dương diode bên nối lại làm cực âm áp chiều ngõ Nguồn xoay chiều pha : ua =um sin ωt ub =um sin(ωt ¿ −2 π )¿ uc =u m sin(ωt ¿ +2π )¿ Khi phân tích nguyên lý hoạt động mạch chỉnh lưu pha không điều khiển với tải điện trở-cuộn cảm, cần xem xét ảnh hưởng điện cảm tải lên q trình dịng điện mạch.Trước đây, nghiên cứu ảnh hưởng cuộn cảm tụ điện gây thành phần xuất mạch điện Cuộn cảm thành phần tích luỹ lượng có dịng điện i (t ) chạy qua nó: w ( t )= L i ( t ) Hình 1.3 (a) dạng sóng điện áp nguồn điện áp tải.(b) dạng sóng dịng điện diode tải Tieu luan – Nguyên lý hoạt động Dòng điện diode với tải điện trở Các diode dẫn theo cặp (6,1), (1,2), (2,3), (3,4), (4,5), (5,6), (6,1) Theo định luật Kirchhoff’s diode nửa cầu (D1, D3, D5) bật thời điểm Diode bật có anode kết nối với điện áp pha lớn thời điểm Chỉ diode nửa cầu (D2, D4, D6) bật thời điểm Diode bật có cathode kết nối với điện áp pha nhỏ thời điểm Điện áp đầu tải điện áp dịng nguồn Ví dụ, bật D1 D2, điện áp đầu Vac Hơn nữa, đi-ốt bật xác định điện áp hai dây cao thời điểm Ví dụ, Vac điện áp dịng cao nhất, đầu Vac Có sáu cách kết hợp điện áp dây (ba pha lấy hai pha lần) Xét chu kỳ nguồn 360 , trình chuyển đổi điện áp cao hai dây phải diễn sau 360/6 = 60 o Tần số điện áp đầu 6w, w tần số nguồn ba pha Như D1 D4, D3 D6, D5 D2 bật thời điểm Điện áp tải điện áp dây nguồn Dòng điện diode dẫn điện giống dòng điện tải Để xác định cường độ dòng điện pha nguồn, định luật Kirchhoff áp dụng nút a, b c Ia = id1 - id4 (1.1) Ib = id3 - id6 (1.2) Ic = id5 - id2 (1.3) Vì diode dẫn phần ba thời gian, dẫn đến ta có dịng điện diode I D ,avg= I , avg I D ,rms = (1.4) I , rms √3 (1.5) Tieu luan I s , avg= √ I , rms (1.6) Công suất biểu kiến nguồn ba pha : S= √3 V s , rms I s ,rms (1.7) Điện áp ngược cực đại đi-ốt điện áp cực đại hai dây Dạng sóng điện áp đi-ốt D1 thể Hình Khi D1 dẫn điện, điện áp khơng Khi tắt D1, điện áp đầu Vab bật D3 Vac bật D5 Hình 1.4 Mạch chỉnh lưu ba pha không điều khiển với tải R - L Điện áp đầu tuần hoàn định nghĩa : V ( t ) = Vm,L-L sin( ωt) cho π 2π ≤ ωt ≤ 3 Với chu kỳ π /3 nhằm mục đích xác định hệ số chuỗi Fourier Các hệ số cho số hạng sin từ tính đối xứng, cho phép chuỗi Fourier cho điện áp đầu biểu thị V ( t ) =V + ∞ ∑ n=6,12,18 … V n cos ( n ω0 t + π ) (1.8) Giá trị trung bình DC điện áp đầu : U0= π 2π ∫ V m ,L−L sin ( ωt ) = π 3 V m , L−L =0.955 V m , L− L (1.9) π Tieu luan Trong Vm,L-L điện áp đỉnh pha-pha nguồn ba pha, V L-L, rms Biên độ điện áp xoay chiều : Un= V m , L− L π ( n2−1 ) n = 6, 12 , 18 … (1.10) Vì điện áp đầu tuần hồn với chu kỳ 1/6 điện áp nguồn xoay chiều nên sóng hài đầu có thứ tự 6k , k 1, 2, Một lợi chỉnh lưu ba pha so với chỉnh lưu pha đầu vốn giống điện áp chiều sóng hài tần số cao có biên độ thấp cho phép lọc hoạt động hiệu Trong nhiều ứng dụng, tải có điện cảm nối tiếp dẫn đến dòng tải dòng điện chiều Đối với dòng tải chiều, dòng đi-ốt dòng điện xoay chiều thể Hình Chuỗi Fourier dịng điện pha a dòng điện xoay chiều i a ( t )= ( ) √3 1 1 I cos ω t− cos ω0 t+ cos ω0 t − cos 11 ω0 t+ cos 12ω 0−… (1.11) π O 11 13 Hình 1.5 Dịng chỉnh lưu ba pha đầu lọc Tieu luan Bao gồm số hạng tần số hệ thống điện xoay chiều hài bậc 6k ∓ 1, k 1, 2, 3, Vì dịng điện hài gây cố hệ thống xoay chiều, nên lọc thường cần thiết để ngăn sóng hài xâm nhập vào hệ thống điện xoay chiều Sơ đồ lọc điển hình hiển thị Hình Bộ lọc cộng hưởng sử dụng để cung cấp đường dẫn tới mặt đất cho sóng hài thứ năm thứ bảy, hai sóng hài thấp có biên độ mạnh Sóng hài bậc cao giảm lọc thơng cao Các lọc ngăn dịng điện hài truyền qua hệ thống điện xoay chiều Các thành phần lọc chọn cho trở kháng tần số hệ thống điện lớn Hình 1.6 Bộ lọc cho sóng hài dịng AC 1.2 Tính tốn điện áp tải dòng điện tải Như vậy, điện áp tải mạch chỉnh lưu pha với tải R - L biểu thị phương trình (1.9) có dạng sóng hình Tieu luan Hình 1.2.1 Dạng sóng điện áp tải Điện áp tải xác định dựa vào phương trình (1.9) Uo= π V m, L− L π Điện áp sóng hài : Un= V m , L− L π ( n −1 ) n = 6, 12 , 18 … Dịng điện tải có dạng sóng sau Hình 1.2.2 Dạng sóng dịng điện tải Dịng điện tải trung bình xác định: 10 Tieu luan (1.10) 2.2 Tính tốn đại lượng theo u cầu Đối với tham số cho, tính tốn giá trị cần thiết: (a) Giá trị trung bình điện áp tải U0 = 3U m π ( ) ( 480 ) = √π = 648,22 (V) (b) Giá trị trung bình dịng điện tải xác định từ Biểu thức I0 = UO 648,22V = 25 R = 25,92 (A) (c) Giá trị hiệu dụng dòng điện nguồn : I s ,rms = √2 ( I o ,rms ) = √ (25,9) = 21,2 A 3 (d) Giá trị trung bình giá trị hiệu dụng dịng điện diode : Io = 25,92 I D ,avg = I D ,rms = o√,3rms = √3 = 14,969 A I = 8,64 A 25,92 (e) Công suất biểu kiến nguồn : S = √ (U s ,rms)( I s ,rms ) = √ (480)(21,2) = 17,6 kV (f) Biên độ sóng hài dịng điện tải phân tích dịng điện theo chuỗi Fourier Vì điện áp đầu tuần hồn với chu kỳ 1/6 điện áp nguồn xoay chiều nên sóng hài đầu có thứ tự 6k , k 1, 2, Một lợi chỉnh lưu ba pha so với chỉnh lưu pha đầu vốn giống điện áp chiều sóng hài tần số cao có biên độ thấp cho phép lọc hoạt động hiệu I6 = V6 Z6 =( V n= V m , L−L π ( n −1 ) ) √ R +( ωL ) 2 =( V 6= ( √ 480 ) π ( 62−1 ) √25 +[ ( 377 ) 0,05 ] 2 12 Tieu luan )= 37,041 115,830 ) = 0,32 A I ,rms = 0,32 = 0,23 A √2 Số hạng AC số hạng AC khác nhỏ nhiều so với số hạng DC bỏ qua 2.3 Mơ mạch chỉnh lưu không điều khiển tải R-L PSIM Cách bước vẽ mạch điện PSIM - Bước 1: Khởi động phần mềm PSIM Hình 2.3.1 Hình ảnh khởi động PSIM - Bước 2: Vào file → New để tạo file Vào file → Save để lưu lại file mô phỏng, đặt tên file 13 Tieu luan Hình 2.3.2 Hình ảnh tạo file PSIM - Thực lấy linh kiện để mô mạch Có cách để lấy linh kiện: + Cách 1: Vào Elements để lấy linh kiện, ví dụ lấy SCR vào Elements → Power → Switches → Thyristor Hình 2.3.3 Cách lấy linh kiện điện tử PSIM + Cách 2: Lấy linh kiện phía hình: 14 Tieu luan Hình 2.3.4 Cách lấy linh kiện điện tử công cụ PSIM + Cách 3: Vào View → Library Browser để chọn thư viện linh kiện Sau gõ tên linh kiện chọn linh kiện cần lấy Hình 2.3.5 Cách lấy linh kiện điện tử toolbar PSIM - Các linh kiện bao gồm: Nguồn xoay chiều pha, diode, điện trở, cuộn cảm, đất, đồng hồ đo dòng điện điện áp 15 Tieu luan Hình 2.3.6 Lấy linh kiện điện tử hình PSIM - Vào Edit Place → Wire chọn biểu tượng Wire công cụ để dây cho mạch điện sau: Hình 2.3.7 Đi dây cho linh kiện PSIM - Tiến hành đặt tên điền thông số cho linh kiện 16 Tieu luan Ví dụ, để đặt tên điền thông số cho nguồn xoay chiều đầu vào, Click đúp vào biểu tượng nguồn đầu vào, đặt tên điền thơng số, tích vào Display để hiển thị tên giá trị, sau nhấn vào biểu tượng Close để kết thúc - Lưu ý điện áp nguồn cho giá trị hiệu dụng U s ,rms = 480 V, nên điền vào giá trị Peak Amplitude (biên độ, cực đại), phải nhân giá trị hiệu dụng với √ 2/3 theo biểu thức: 480∗√ ( 2/3 ) Nhưng toán đặt điện áp dây 480 V , f = 60 Hz nên không cần áp dụng biểu thức mà ghi trực tiếp lên - Đối với điện trở, cuộn cảm, giá trị có đơn vị mili (Ơm, Henry, Fara) sau đại lượng có thêm chữ m viết liền, cịn đơn vị micro (Ơm, Henry, Fara) sau đại lượng có thêm chữ u viết liền - Ví dụ cuộn cảm có giá trị 30 μF, điền vào 30 u Hình 2.3.8 Điền thông số cho linh kiện - Sau điền đầy đủ tên giá trị cho linh kiện, nhận mạch điện sau: 17 Tieu luan Hình 2.3.9 Mạch điện vẽ hồn chỉnh PSIM - Vào Edit Place → Text đặt tên cho mạch điện Mạch thiết kế hoàn chỉnh sau : Hình 2.3.10 Đặt tên cho mạch điện 18 Tieu luan - Thực xác định trực tiếp SIMVIEW giá trị tính tốn câu (trừ giá trị tức thời) Kết luận xem việc mô có phù hợp với kết tính tốn khơng Mô mạch điện phần mềm PSIM, thực nhiệm vụ sau: dạng sóng dịng điện điện áp van chuyển mạch Giải thích lại xuất dạng sóng vậy? (a) Đưa dạng sóng điện áp nguồn pha : Hình 2.3.11 Dạng sóng điện áp nguồn pha (b) Dạng sóng dịng điện tải điện áp tải : - Dạng sóng dịng điện tải Hình 2.3.12 Dạng sóng dịng điện tải - Dạng sóng điện áp tải 19 Tieu luan Hình 2.3.13 Dạng sóng điện áp tải (c) Dạng sóng dòng điện điện áp van chuyển mạch : - Dạng sóng dịng điện van chuyển mạch Hình 2.3.14 Dạng sóng dịng điện van chuyển mạch - Dạng sóng điện áp van chuyển mạch 20 Tieu luan Hình 2.3.14 Dạng sóng điện áp van chuyển mạch Giải thích lại xuất dạng sóng vậy? Ta có sức điện động xoay chiều biên độ, tần số lệch pha góc 120 độ xét mặt thời gian 1/3 chu kì Chỉ diode nửa cầu (D1,D3, D5) bật thời điểm.Diode bật có anode kết nối với điện áp pha lớn thời điểm Chỉ diode nửa cầu (D2, D4, D6) bật thời điểm Diode bật có cathode kết nối với điện áp pha nhỏ thời điểm Như D1 D4, D3 D6, D5 D2 bật thời điểm điện áp tải điện áp dây nguồn với tổ hợp điện áp dây tạo nên trình chuyển đổi 60° chu kỳ 360° Dòng điện diode với tải RL Các diode dẫn theo cặp (6,1), (1,2), (2,3), (3,4), (4,5),(5,6), (6,1) ghép lại ta có hình dạng sóng hình dưới, tác động L làm cho dòng điện phẳng nhiều 2.4 Tính tốn thơng số PSIM (a) Giá trị trung bình điện áp tải 21 Tieu luan Hình 2.4.1 Dưa dạng sóng tính giá trị trung bình X1 X2 Δ Average Time 5.00000e-02 6.66800e-02 1.66800e-02 Uo 6.78822e+02 6.78813e+02 -8.57576e-03 6.48252e+02 a 1.17070e-09 1.96999e+00 1.96999e+00 7.87693e-04 U , avg = 3U m π ( ) ( 480 ) = √π = 648,22 (V) - Giá trị trung bình điện áp tải đo :U , avg = 648,251 (V) (b) Giá trị trung bình dịng điện tải xác định từ Biểu thức Hình 2.4.2 Dưa dạng sóng tính giá trị trung bình I avg = U0 648,22V = 25 R = 25,92 (A) 22 Tieu luan X1 X2 Δ Average Time 5.00100e-02 6.66800e-02 1.66700e-02 Io 2.60002e+01 2.60021e+01 1.87600e-03 2.59291e+01 a 1.47749e+00 1.96999e+00 4.92494e-01 3.45006e-04 - Giá trị trung bình dịng điện tải bảng đo : I ,avg = 25,92 (A) (c) Giá trị hiệu dụng dòng điện nguồn : I s ,rms = √2 ( I o ,rms ) = √ (25,9) = 21,2 (A) 3 Hình 2.4.3 Dưa dạng sóng tính giá trị hiệu dụng X1 X2 Δ RMS Time 4.99924e-02 6.66600e-02 1.66676e-02 Is -3.36189e-07 -2.95430e-07 4.07591e-08 2.11688e+01 a -1.12131e+00 -9.84997e-01 1.36315e-01 2.77100e+02 - Giá trị hiệu dụng dòng điện nguồn I s ,rms = 21.16 (A) (d) Giá trị trung bình giá trị hiệu dụng dịng điện diode : 23 Tieu luan Hình 2.4.4 Dưa dạng sóng tính giá trị Diode I D ,avg = I D ,rms Io 25,92 = = 8,64 (A) I 25,92 = o√,3rms = √3 = 14,969 (A) X1 X2 Δ Trung bình Hiệu dụng Time 5.00100e-02 6.66800e-02 1.66700e-02 I(D1) 0.00000e+00 0.00000e+00 0.00000e+00 8.64823e+00 1.49753e+01 - Xác định giá trị trung bình dịng điện qua diode : I D ,avg = 8,640 (A) - Xác định giá trị hiệu dụng dòng điện qua diode : I D ,rms = 14,975 (A) (f) Công suất biểu kiến nguồn : S = √ (U s ,rms)( I s ,rms ) = √ (480)(21,2) = 17,6 (kVA) Giải thích : Vì dịng điện phase nên ta tính cơng suất biểu kiến nguồn phase xong nhân cho √ , 24 Tieu luan Hình 2.4.4 Dưa dạng sóng tính giá trị nguồn Ta có cơng suất biểu kiến nguồn phase : S = (U L− L, rms)( I s ,rms ) = (480)(21,2) = 10.176 (kVA) Từ áp dụng cho dòng điện phase nhân phase cho √ Ta có : S3− phase= √ (U s ,rms)( I s ,rms ) = √ (10.176) = 17,6 (kVA) (c) Biên độ sóng hài dịng điện tải phân tích dịng điện theo chuỗi Fourier: Vì điện áp đầu tuần hoàn với chu kỳ 1/6 điện áp nguồn xoay chiều nên sóng hài đầu có thứ tự 6k , k 1, 2, Một lợi chỉnh lưu ba pha so với chỉnh lưu pha đầu vốn giống điện áp chiều sóng hài tần số cao có biên độ thấp cho phép lọc hoạt động hiệu I6 = V6 Z6 I ,rms = =( V n= V m , L−L π ( n −1 ) ) √ R +( ωL ) 2 =( V 6= ( √2 480 ) π ( 62−1 ) √25 +[ ( 377 ) 0,05 ] 2 )=( 37,041 115,830 ) = 0,32 A 0,32 = 0,23 A √2 Số hạng AC số hạng AC khác nhỏ nhiều so với số hạng DC bỏ qua 25 Tieu luan TÀI LIỆU THAM KHẢO Võ Minh Chính (Chủ biên), Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2004 Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất: Lý thuyết – Thiết kế - Ứng dụng, Tập 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2006 Trần Xuân Minh, Đỗ Trung Hải, Điện tử công suất, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2016 Daniel W Hart, Power Electronics , Tata McGraw-Hill, 2011 Muhammad H Rashid, Power Electronics Handbook, Elsevier, Inc, 2018 Muhammad H Rashid, Narendra Kumar, Ashish R Kulkarni, Power Electronics: Devices, circuits, and applications, Fourth Edition, Pearson, 2014 26 Tieu luan ... Sơ đồ chỉnh l? ?u cầu ba pha trình bày hình 1.1 Các diode đánh số cho chúng dẫn góc 2π/3 Tải R - L Hình 1.1 Mạch chỉnh l? ?u ba pha khơng điều khiển với tải R - L Mạch chỉnh l? ?u ba pha không điều khiển. .. khơng điều khiển với tải R - L Hình 1.2 Mạch chỉnh l? ?u ba pha không điều khiển với tải R - L Hình 1.3 (a) dạng sóng điện áp nguồn điện áp tải. (b) dạng sóng dịng điện diode tải ... CHỈNH L? ?U BA PHA KHƠNG ĐIỀU KHIỂN VỚI TẢI R- L 10 2.1 Bài toán đặt .10 2.2 Tính tốn đại l? ?ợng theo yêu cầu .10 2.3 Mô mạch chỉnh l? ?u không điều khiển tải R- L PSIM