Thiết kế bộ điều khiển tải giả cụm tải 30kw

Thiết kế bộ điều khiển tải giả cụm 30kW sử dụng mạch điều khiển BuckBoost converter, phương án 2: sử dụng mạch chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng sử dụng Thyristor để điều khiển

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ ĐỀ TÀI Thiết kế điều khiển tải giả-cụm tải 30kW GVHD: SINH VIÊN THỰC HIỆN: HÀ NỘI,2021 MỤC LỤC CHƯƠNG Tìm hiểu chung 1 Đặt vấn đề Khái niệm Các phương án lựa chọn thiết kế mạch chuyển đổi CHƯƠNG Mạch chỉnh lưu Khái niệm 2 Phân loại CHƯƠNG Phương án sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển kết hợp buck-boost converter Giới thiệu Tổng quan chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển Mạch buck-Boost converter Đánh giá CHƯƠNG Phương án hai sử dụng mạch chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng Giới thiệu Tổng quan chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng Tổng quan thyristor Nguyên lý hoạt động Đặc tính Volt-Ampe thyristor 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO………….……………………………………………………30 Lời cảm ơn Lời đầu tiên, nhóm em xin cảm ơn tới thầy Hồng Anh giao đề tài, hướng dẫn cung cấp tài liệu cho chúng em thực đề tài cách chỉnh chu Nhóm em xin chân thành cảm ơn tới thầy Nguyễn Duy Đỉnh đưa lời khuyên phương án thiết kế mạch công suất Trong q trình làm đồ án thiết kế, nhóm em gặp nhiều khó khăn khác nhau, nhiên giúp đỡ bạn bên nhóm đồ án tốt nghiệp, nhóm em hồn thành đồ án giao thời gian quy định Em xin gửi lời cảm ơn đến bạn Trần Ngọc Diệu bạn Phạm Đức Thắng đưa lời góp ý giá trị cho nhóm em CHƯƠNG Tìm hiểu chung Đặt vấn đề Điện nguồn lượng thiếu sinh hoạt, sản xuất, phát triển kinh tế Ngày nay, với tiến khoa học cơng nghệ, người ta tạo nguồn điện nhiều cách khác từ nguồn lượng khác thủy điện, nhiệt điện, hạt nhân, lượng mặt trời, điện gió, v.v… để đáp ứng nhu cầu người Nhưng đa số nguồn cung cấp điện sản xuất dòng điện xoay chiều để giúp cho việc truyền tải điện xa Do hệ thống cung cấp điện đa phần cung cấp dòng điện xoay chiều nên thiết bị sử dụng dòng điện xoay chiều AC chiếm tỷ lệ cao Từ đó, thấy dịng điện xoay chiều AC có vai trị vơ quan trọng đời sống sinh hoạt, sản xuất ngày Bên cạnh đó, khơng chiếm tỷ lệ cao thiết bị điện xoay chiều AC thiết bị điện chiều DC giữ vai trò to lớn việc phục vụ cầu người Tuy nhiên, tất thiết bị điện chiều DC để sử dụng bắt buộc cần phải có thiết bị trung gian để chuyển đổi dòng điện xoay chiều AC thành dịng điện chiều DC Qua đó, thấy việc thiết kế, chế tạo mạch chuyển đổi dòng điện xoay chiều AC thành dòng điện chiều DC vô quan trọng Khái niệm Mạch chuyển đổi dòng điện xoay chiều AC thành dòng điện chiều nhận điện áp xoay chiều đầu vào thông qua tổ hợp linh kiện phù hợp cho dịng điện chiều có điện áp mong muốn Các phương án lựa chọn thiết kế mạch chuyển đổi - Mạch chuyển đổi bao gồm chỉnh lưu CHƯƠNG Mạch chỉnh lưu Khái niệm Mạch chỉnh lưu mạch điện – điện tử chứa linh kiện điện tử có tác dụng biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều Các mạch chỉnh lưu lắp diode bán dẫn, thyristor, đèn chỉnh lưu thủy ngân kỹ thuật khác Bộ biến đổi dòng điện xoay chiều AC thành dòng điện chiều DC cung cấp cho nhiều phụ tải chiều khác như:  Các động điện chiều  Hệ thống cung cấp kích từ cho máy điện đồng bộ, máy phát điện động  Các trình cơng nghiệp điện hóa u cầu nguồn chiều dịng điện lớn mạ, điện phân, xử lý hóa học bề mặt, anot hóa…  Các hệ thống nạp điện cho acquy  Các nguồn chiều cho thiết bị điều khiển, viễn thông  Trong hệ thống truyền tải điện chiều với công suất lớn Ngồi ra, chỉnh lưu cịn khâu biến đổi lượng điện đầu vào lấy từ lưới điện biến đổi bán dẫn khác biến tần Vì vậy, chỉnh lưu biến đổi có vai trị quan trọng lĩnh vực biến đổi điện Phân loại Chỉnh lưu phân loại theo số pha nguồn xoay chiều đầu vào: chỉnh lưu pha, ba pha n pha Nếu dòng xoay chiều đầu vào chạy dây pha dây trung tính chỉnh lưu gọi chỉnh lưu tia Nếu dòng xoay chiều đầu vào chạy dây pha với chỉnh lưu gọi chỉnh lưu cầu Chỉnh lưu gọi không điều khiển, có điều khiển, bán điều khiển tùy thuộc theo sơ đồ dùng toán diode hay dùng thyristor dùng hai loại van CHƯƠNG Phương án sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển kết hợp buck-boost converter Giới thiệu Để chuyển đổi dòng điện xoay chiều AC ba pha thành dịng điện chiều DC, ban đầu, nhóm đề suất dùng mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển để đáp ứng nhu cầu Đồng thời, nhóm đề suất việc sử dụng Buck-Boost converter để giảm-tăng điện áp đầu nhằm đáp ứng việc thay đổi điện áp đầu cho phù hợp với mục đích sử dụng Tổng quan chỉnh lưu cầu ba pha khơng điều khiển Hình 1: Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển Chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển cấu tạo từ diot: D1, D3, D5 mắc chung catot; D2, D4, D6 mắc chung anot Thứ tự đánh dấu van sờ đồ có ý nghĩa quan trọng phù hợp với thứ tự vào làm việc van sau 60o, với điều kiện điện áp pha đầu vào cung cấp theo thứ tự pha A, B, C Sơ đồ dùng với máy biến áp khơng, tùy thuộc vào u cầu có cần phải phối hợp mức điện áp hay khơng Để phân tích làm việc sơ đồ ta phải sử dụng hai quy tắc xác định van dẫn dòng cho van anot chung van catot chung Ta có sơ đồ nguyên lý làm việc mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển sau: Hình 2: Sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển  Trong khoàng từ đến 60o, điện áp giai đoạn cuối C cao nên cực dương D5 nhiều phần dương điện áp dòng điện ⇒ D5 mở  Từ 60o đến 180o, giai đoạn cuối A trở thành nhiều phần dương; D1 thuận chiều D1 mở  Tại 180o giai đoạn cuối A điện áp xuống điện áp giai đoạn cuối B Bây điện áp giai đoạn cuối B nhiều phần dương, đặt D3 mở  Ở 300o, điện áp giai đoạn cuối C trở lại đa phần dương, đặt D5 mở  Tương tự, tình trạng diode số chẵn xác định từ hình cách tìm đa phần âm giai đoạn cuối điện áp Từ đến 120o, đầu chót B đa phần âm, từ 120o đến 2400, đầu chót C đa phần âm; từ 2400 đến 3600, đầu chót A đa phần âm Kết tổng kết sau: Giai đoạn đến 60O 60o đến 120o 120o đến 180o 180o đến 240o 240o đến 300o 300o đến 360o Điện áp dương cao C A A B B C Điện áp âm cao B B C C A A Diode mở Số lẻ Số chẵn D5 D6 D1 D6 D1 D2 D3 D2 D3 D4 D5 D4 Mạch buck-Boost converter Hình 3: Mạch Buck-Boost converter Mạch tạo điện áp trái dấu, với đầu vào DC (âm dương) điện áp đầu trái dấu với điện áp đầu vào có trị tuyệt đối lớn nhỏ điện áp đầu vào Sơ đồ nguyên lý sau: Hình 4: Sơ đồ ngun lý Khi cơng tắc đóng, điện áp vào Vin khiến dòng qua cuộn dây tăng lên Lúc dòng cấp cho tải dòng tụ phóng Khi cơng tắc mở, điện áp vào Vin bị ngắt Dòng qua cuộn dây giảm dần khiến điện áp tăng lên Điện áp nạp vào tụ đồng thời mở thông diode D dẫn dịng phóng từ cuộn dây cấp nguồn cho tải Đánh giá Mục đích phương pháp biến đổi điện áp xoay chiều AC ba pha thành điện áp chiều DC thông qua mạch chỉnh lưu cầu ba pha khơng điều khiển điều khiển giá trị điện áp đầu thông qua Buck-Boost converter cho phù hợp với nhu cầu sử dụng Sau trình tìm hiểu mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển BuckBoost converter, Buck-Boost cho giá trị điện áp cụ thể tương ứng với giá trị điện áp đầu vào Đồng thời, mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển thay đổi giá trị điện áp chiều đầu mong muốn Vì vậy, phương án khơng phù hợp với u cầu đề mà phải tìm phương án giải khác Hình 11: Đường đặc tuyến điện áp thuận qua diode Khi Diode (loại Si) phân cực thuận, điện áp phân cực thuận < 0,6V chưa có dịng qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt = 0,6V có dịng qua Diode sau dịng điện qua Diode tăng nhanh sụt áp thuận giữ giá trị 0,6V 4.4.4 Phân cực ngược cho diode Khi phân cực ngược cho Diode tức cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P), tương tác điện áp ngược, miền cách điện rộng ngăn cản dòng điện qua mối tiếp giáp, Diode chiu điện áp ngược lớn khoảng 1000V diode bị đánh thủng 4.4.5 Phân loại diode         Diode Zener Diode thu quang (Photo Diode) Diode phát quang (Light Emiting Diode: LED) Diode Varicap (Diode biến dung) Diode xung Diode tách sóng Diode nắn điện (Diode chỉnh lưu) Diode cầu 13 4.5 Tính tốn thiết kế mạch chỉnh lưu 4.5.1 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu Hình 12: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu Mạch chỉnh lưu thiết kế sơ đồ Trong phần tử Q1, Q2, Q3 thyristor; DDL1, DDL2, DDL3 diode Header P1 nối nguồn xoay chiều pha, header P2, P3, P4 nối với mạch kích thyristor, header P5 nối với tải Các cặp phần tử RC dùng để bảo vệ điện áp, phần tử từ F1 đến F7 aptomat dùng để bảo vệ q dịng điện 14 Hình 13: Mơ mạch chỉnh lưu cầu ba pha khơng đối xứng matlab Hình 14: Dạng điện áp chỉnh lưu sơ đồ chỉnh lưu ba pha khơng đối xứng với 𝜋 góc điều khiển 𝛼 = 15 4.5.2 Tính chọn thyristor diode Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu tính sau: 𝑈𝑑 = 𝑈𝑑0 + cos(𝛼) Trong đó: Ud0 giá trị trung bình lớn α góc mở thyristor 𝑈𝑑0 = 2,34 𝑉2 Nếu V2 = 220 (V) góc mở thyristor 𝛼 áp chỉnh lưu tính sau: = 𝜋 giá trị trung bình điện 𝜋 + cos( ) = 480,3149 (𝑉) 𝑈𝑑 = 2,34.220 Điện áp ngược van 𝑈𝑙𝑣 = 𝑘𝑛𝑣 𝑈2 Với 𝑈2 = 𝑈𝑑 480,3149 = = 205,2628 (𝑉) 𝐾𝑢 2,34 Trong đó: Ud : Điện áp tải van U2 : Điện áp nguồn xoay chiều van ku : Hệ số điện áp tải knv : Hệ số điện áp ngược Ulv : Điện áp ngược van 16 𝑈𝑙𝑣 = √6 × 205,2628 = 502,789 (𝑉) Để chọn van theo điện áp hợp lý điện áp ngược cần chọn phải lớn điện áp làm việc 𝑈𝑛𝑣 = 𝑘𝑑𝑡𝑢 × 𝑈𝑙𝑣 = 1,8 × 502,789 = 905,02 (𝑉) Trong đó: 𝑘𝑑𝑡𝑢 : hệ số dự trữ (𝑘𝑑𝑡𝑢 =1,5÷ 1,8) Dòng điện làm việc van chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van 𝐼𝑙𝑣 = 𝐼ℎ𝑑 Dòng điện hiệu dụng 𝐼ℎ𝑑 = 𝑘ℎ𝑑 × 𝐼𝑑 Trong đó: 𝑘ℎ𝑑 : Hệ số xác định dòng điện hiệu dụng.( 𝑘ℎ𝑑 =0,58) 𝐼ℎ𝑑 : Dòng điện hiệu dụng van 𝐼𝑑 : Dịng điện tải Với thơng số làm việc trên, chọn điều kiện làm việc van có cánh tản nhiệt với đủ diện tích bề mặt, cho phép van làm việc tới 40% 𝐼𝑑𝑚𝑣 𝐼𝑑𝑚𝑣 = 𝑘𝑖 × 𝐼𝑙𝑣 = 1,4 × 78,95 = 110,53(𝐴) PT 4.1 Vậy thông số van là: 𝑈𝑛𝑣 = 905,02(V) 𝐼𝑑𝑚𝑣 = 110,53(A) Vậy ta chọn THYRISTOR WPT132-16 (132A-1600V) (https://dientucongsuat.vn/wpt132-16) 17 Diode(https://vietnamese.alibaba.com/product-detail/b200-2-russian-dioderectifier-diode-for-generator-b200-21600295082660.html?spm=a2700.7724857.normal_offer.d_title.500d3453HvAyJ w) Hình 15: Thyristor WPT132-16 Hình 16: Diode B200-2 18 4.5.3 Tính chọn Aptomat bảo vệ dịng Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực ,tự động cắt mạch tải ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu biến đổi - Chọn aptomat cho phía nguồn Chọn Aptomat cho thyristor: Dịng điện làm việc thyristor Ilv = 78,95 (A) nên chọn 2cc loại Aptomat LS MCCB 3P (ABN203c 100A) Hình 17: Aptomat Lioa 3P - Chọn aptomat cho tải: Dòng làm việc tải Id = 136,12 (A) nên chọn 3cc loại Aptomat LS MCCB 3P (ABN203c 150A) (https://dtech.vn/abn203c-150aaptomat-ls-mccb-3p-150a-30ka-p-372.htm) - Hình 18: Aptomat LS MCCB 3P (ABN203c 150A) 19 4.5.4 Tính chọn mạch Snubber circuit Hình 19: Mạch bảo vệ điện áp cho thyristor Bảo vệ điện áp cho trình đóng cắt Thyristor thực cách mắc R-C song song với Thyristor.Khi có chuyển mạch ,các điện tích tích tụ lớp bán dẫn phóng ngồi tạo dịng điện ngược khoảng thời gian ngắn ,sự biến thiên nhanh chóng dịng điện ngược gây suất điện động cảm ứng lớn điện cảm làm cho điện áp Anot Catot Thyristor.Khi có mạch mắc R-C song song với Thyristor tạo mạch vịng phóng điện tích q trình chuyển mạch nên Thyristor khơng bị q điện ỏp Thụng thng : R =(5ữ30) ; C = (0,25ữ4)àF Ta chọn R = 5,1 Ω C = 0,25 µF Hình 20: Mạch bảo vệ điện áp từ nguồn 20 Bảo vệ điện áp từ nguồn ta mắc mạch R-C ,nhờ có mạch lọc mà đỉnh xung gần nằm lại hoàn toàn điện trở đường dây Ta chọn R =12,5 Ω C = µF 4.6 Tính tốn thiết kế mạch phát xung Thyristor 4.6.1 Sở đồ nguyên lý mạch kích thyristor Tín hiệu điều khiển mở thyristor vi điều khiển nhỏ, không đủ lớn để kích mở, nên cần thơng qua mạch kích để khuếch đại tín hiệu lên Sơ đồ nguyên lý thiết kế Error! Reference source not found Hình 21: Mạch phát xung mở thyristor Nguyên lý hoạt động: Thời điểm kích mở thyristor tính tốn STM32 mạch điều khiển Khi đó, tín hiệu phát xung điều khiển phát với tần số 8kHz Tín hiệu điều khiển khóa transistor, đóng cắt điện áp phía sơ cấp biến áp xung Xung điều khiển đưa đến cực điều khiển G thyristor phía cuộn thứ cấp biến áp xung Như mạch lực cách ly hoàn toàn với mạch điều khiển biến áp xung Chức linh kiện:  Các điện trở R6, R11 phía cực B transistor có nhiệm vụ hạn chế dòng phân cực vào cực này, diode zener D5 tượng tự hạn điện áp vào cực B  Điện trở R4 có nhiệm vụ hạn dịng vào cực C transistor, diode D1, D2 có nhiệm vụ điều hướng dòng điện hạn chế điện áp cực C cực E transistor  Diode D3 có chức chặn xung áp âm có thyristor bị khóa  Điện trở R3 hạn chế dịng điều khiển 21  Điện trở R5 điều khiển biên độ sườn xung  Tụ C1 hạn chế việc điện áp bị ngắt đột ngột 4.6.2 Tính chọn biến áp xung Điện áp phía sơ cấp 8V, điện áp bên thứ cấp mong muốn 4V Áp dụng cơng thức: 𝑈 × 108 𝑁= 4×𝑆×𝐹×𝐵 Trong đó: - N số vịng dây S diện tích trụ F tần số điện áp B mật độ từ thông U điện áp Từ yêu cầu cơng thức ta tính số cuộn dây bên sơ cấp 32 vịng, số cuộn dây phía thứ cấp 16 vịng Hình 42: Lõi ferit EE16 Với lõi biến áp, chọn lõi Ferit EE16 Hình 22 22 4.6.3 Tính chọn linh kiện khác a) Tính chọn linh kiện phía sơ cấp biến áp xung Với transistor chọn loại KD718 với số thông số quan trọng sau: SYMBOL VCBO VCEO VEBO IC IB PC TJ TSTG hFE PARAMETER Collector-BaseVoltage Collector-EmitterVoltage Emitter-BaseVoltage CollectorCurrent-Continuous BaseCurrent-Continuous CollectorPowerDissipation@TC=25°C JunctionTemperature StorageTemperatureRange DCCurrentGain VALUE 120 120 10 80 150 -55~150 Min:55 Max:160 Bảng 1: Một vài thông số quan trọng transistor UNIT V V V A A W °C °C Đặc tính transistor điều khiển dịng Để transistor kích bão hịa dịng IC phải lớn dòng IB số lần định, gọi hệ số khuếch đại dòng điện β, datashet hệ số đề cập hFE Hình 43: Phía sơ cấp biến áp xung Áp dụng cơng thức 𝐼𝑐 = ℎ𝐹𝐸 × 𝐼𝐵 23 Ta chọn hFE = 55, chọn trường hợp transistor có hệ số khuếch đại nhỏ để tính tốn Với IC dòng điện qua tải R4 (chọn R4 = 220Ω), ta tính dịng IB 𝐼𝐵 = 𝐼𝐶 36 = = 0,654(𝑚𝐴) ℎ𝐹𝐸 55 Giá trị IB dịng điện qua điện trở R6 Để 𝐼𝑐 ≥ 𝐼𝐶𝑠𝑎𝑡 𝐼𝐵 ≥ 0,654𝑚𝐴 Điện trở 𝑅6 ≤ 𝑉𝐷𝐾 − 𝑉𝐵𝐸𝑠𝑎𝑡 3,3 − 1,5 = = 2,75(𝑘Ω) 𝐼𝐵 0,654 Vậy chọn 𝑅6 = 2,2kΩ 𝑅11 >>R6 Thường chọn 𝑅11 lớn gấp 10 – 20 lần 𝑅6 nên chọn 𝑅11 = 22kΩ Các diode zener chọn loại 3,3V diode thường loại 1V4700 b) Tính chọn linh kiện phía thứ cấp biến áp xung Với thyristor lựa chọn, ta có thơng số xung điều khiển kích mở thyristor sau: SYMBOL IGM VGM IGT VGT PARAMETER VALUE Peak gate current 5A Peak gate voltage 5V Gate trigger current 3mA Gate trigger voltage 0,6V Bảng 4: Một vài thông số quan trọng thyristor Với thông số thyristor vậy, ta chọn điện áp kích mở thyristor 4V 24 Hình 44: Phía thứ cấp biến áp xung Ta có IG= (VĐK – VGT)/ R3 Chọn IG = 15mA ta tính R3 = 220 Ω Các linh kiện khác R5 ,C1 lựa chọn giá trị Hình 24 4.7 Tính tốn thiết kế ACDET: 4.7.1: Nguyên lý Khối ACDET mạch phát điểm pha điện áp, từ tính tốn thời gian thích hợp để phát xung điều khiển mở thyristor Nó ứng dụng op-amp so sánh Sơ đồ nguyên lý thiết kế hình Trong A1 A2 nối với hai đầu cuộn dây thứ cấp mba 220-12V Đầu vào sóng sin (Vin) nối với đầu không đảo op-amp, đầu đảo opamp nối đất để làm điện áp tham chiếu Điện áp đầu vào sau so 25 sánh với điện áp tham chiếu Chân INT1 nối với ngắt vi điều khiển Khi điện áp đầu không đảo lớn điện áp tham chiếu, đầu op-amp chuyển trạng thái lên mức cao, vi điều khiển phát điểm pha điện áp này, từ tính tốn góc mở Alpha thyristor theo cài đặt người dùng 4.7.2: Lựa chọn linh kiện cho khối ACDET Sử dụng IC khuếch đại thuận tốn uA741 Thơng số kỹ thuật: - Dải nhiệt độ hoạt động: 0-77 độ C - Hiệu điện cung cấp: 5V-40V - Phạm vi điện áp đầu vào chế độ chung ~12V Ưu điểm: - Dải điện áp đầu vào lớn - Bảo vệ ngắn mạch - Không cần bù tần số 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T V Thịnh, in Thiết kế điện tử công suất [2] "Thiết kế điện tử công suất" [3] "Programmable Electronic AC Loads" [4] A L.-C P H.-F AC [5] "Smart Load for a Hybrid Microgrid Testbed" 27