Thiet ke thiet bi dien tu cong suat 95900

TRƯờNG ĐạI HọC BáCH KHOA Hà NộI Bộ MÔN THIếT Bị ĐIệN - ĐIệN Tử tài liệu hớng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất (Dành cho sinh viên chuyên ngành Thiết bị điện - Điện tử) Biên soạn: Trần văn thịnh Hà nội, năm 2000 Mục đích yêu cầu: Trong năm gần với việc phát triển ngày mạnh mẽ lĩnh vực khoa học, ứng dụng chúng vào công nghiệp nói chung công nghiệp điện tử nói riêng, thiết bị điện tử có công suất lớn đà đơc chế tạo ngày nhiều, đặc biệt ứng dụng vào ngành kinh tế quốc dân đời sống, làm cho yêu cầu hiểu biết thiết kế loại thiết bị cần thiết kỹ s ngành điện Để giúp cho sinh viên kỹ ứng dụng kiến thức lý thuyết đà học môn học thiết bị điện tử công suất vào việc thiết kế nguồn công suất hoàn chỉnh, thiết kế thiết bị điện tử công suất (TK), đặt mục đích hoàn thiện lý thuyết nâng cao kỹ ứng dụng làm mục đích Mỗi sinh viên đợc nhận đề tài thiết kế độc lập cho mình, có trách nhiệm hoàn thành nội dung đợc đề theo nhiệm vụ TK, với nội dung sinh viên phải thiết kế thành thiết bị hoàn chỉnh để ứng dụng thực tế sản xuất Nội dung TK Thuyết minh sơ qua công nghệ tải mà nguồn cấp điện Chọn sơ đồ mạch động lực Thiết kế, tính chọn thiết bị mạch ®éng lùc (bao gåm chän van b¸n dÉn, tÝnh to¸n thông số định mức bản, tính toán máy biÕn ¸p hay cuén kh¸ng nÕu cã, tÝnh chän c¸c thiết bị đóng cắt bảo vệ .) Thiết kế tính chọn mạch điều khiển Thiết kế kết cấu (tủ điện) 8.1 Tóm tắt lý thuyết Để cấp nguồn cho tải chiều, cần thiết kế chỉnh lu với mục đích biến đổi lợng điện xoay chiều thành chiều Các loại biến đổi chỉnh lu không điều khiển chỉnh lu có điêu khiển Với mục đích giảm công suất vô công, ngời ta thờng mắc song song ngợc với tải chiều điôt (loại sơ đồ đợc gọi sơ đồ có điôt ngợc) Trong sơ đồ chỉnh lu có điôt ngợc, có điều khiển, lợng đợc truyền tõ phÝa líi xoay chiỊu sang mét chiỊu, nghÜa lµ loại chỉnh lu làm việc chế độ chỉnh lu Các chỉnh lu có điều khiển, không điôt ngợc trao đổi lợng theo hai chiều Khi lợng truyền từ lới xoay chiều sang tải chiều, nguồn làm việc chế độ chỉnh lu, lợng truyền theo chiều ngợc lại (nghĩa từ phía tải chiều lới xoay chiều) nguồn làm việc chế độ nghịch lu trả lợng lới Theo d¹ng ngn cÊp xoay chiỊu, chóng ta cã thĨ chia chỉnh lu thành hay ba pha Các thông số quan trọng sơ đồ chỉnh lu là: dòng điện điện áp tải; dòng điện chạy cuộn dây thứ cấp biến áp; số lần đập mạch chu kỳ Dòng điện chạy cuộn dây thứ cấp biến áp chiều, hay xoay chiều, phân loại thành sơ đồ có dòng điện biến áp chiều hay, xoay chiều Số lần đập mạch chu kỳ quan hệ tần số sóng hài thấp điện áp chỉnh lu với tần số điện áp xoay chiều Theo hình dạng sơ đồ chỉnh lu, với chuyển mạch tự nhiên phân loại chỉnh lu thành loại sơ đồ sau Chỉnh lu nửa chu kỳ T U1 U2 R L Hình 8.1 Sơ ®å chØnh lu mét nưa chu kú ë s¬ ®å chỉnh lu nửa chu kỳ hình 8.1 sóng điện áp chiều bị gián đoạn nửa chu kỳ điện áp anod van bán dẫn âm, sử dụng sơ đồ chỉnh lu mét nưa chu kú, chóng ta cã chÊt lỵng điện áp xấu, trị số điện áp tải trung bình lớn đợc tính: Udo = 0,45.U2 (8 -1) Với chất lợng điện áp xấu cho ta hƯ sè sư dơng biÕn ¸p xÊu: Sba = 3,09.Ud.Id (8 -2) Đánh giá chung loại chỉnh lu nhận thấy, loại chỉnh lu bản, sơ đồ nguyên lý mạch đơn giản Tuy chất lợng kỹ thuật nh: chất lợng ®iƯn ¸p mét chiỊu; hiƯu st sư dơng biÕn ¸p xấu Do loại chỉnh lu đợc ứng dụng thực tế Khi cần chất lợng điện áp hơn, ngời ta thờng sử dụng sơ đồ chỉnh lu chu kỳ theo phơng án sau Chỉnh lu chu kỳ với biến áp có trung tÝnh T1 U2 U1 U2 R L T2 H×nh 8.2 Sơ đồ chỉnh lu chu kỳ với biến áp có trung tính Theo hình dạng sơ đồ, biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau, nửa chu kỳ có van dẫn cho dòng điện chạy qua Cho nên hai nửa chu kỳ sóng điện áp tải trùng với điện áp cuộn dây có van dẫn Trong sơ đồ điện áp tải đập mạch hai nửa chu kỳ, với tần số đập mạch hai lần tần số điện áp xoay chiều Hình dạng đờng cong điện áp, dòng điện tải (Ud, Id), dòng điện van bán dẫn I1, I2 điện áp van T1 mô tả hình 8.3a tải thuàn trở hình 8.3b tải ®iƯn c¶m lín Ud Id Ud t t1 p1 t2 I1 p2 t3 p3 Id t t1 I1 t2 t3 t I2 UT1 I2 t t t t t UT1 Hình 8.3 Các đờng cong điện áp, dòng điện tải, dòng điện b c van điện áp Tiristo T1 Điện áp trung bình tải, tải trở dòng điện gián đoạn ®ỵc tÝnh: Ud = Udo.(1+cos)/2 (8 -3) víi: - Udo: Điện áp chỉnh lu không điều khiển Udo = 0,9.U2  Gãc më cđa c¸c Tiristo Khi tải điện cảm lớn dòng điện, điện áp tải liên tục, lúc điện áp chiều đợc tính: Ud = Udo.cos (8 -4) Trong sơ đồ chỉnh lu loại sơ đồ có điện áp ngợc van phải chịu lớn U nv =2 2U Mỗi van dẫn thông nửa chu kỳ, dòng điện mà van bán dẫn phải chịu tối đa 1/2 dòng điện tải , trị hiệu dụng dòng điện chạy qua van Ihd = 0,71.Id So víi chØnh lu nưa chu kú, th× loại chỉnh lu có chất lợng điện áp tốt Dòng điện chạy qua van không lớn, tổng điện áp rơi van nhỏ Đối với chỉnh lu có điều khiển, sơ đồ hình 8.2 nói chung việc điều khiển van bán dẫn tơng đối đơn giản Tuy việc chế tạo biến áp có hai cuộn dây thứ cấp giống nhau, mà cuộn làm việc có nửa chu kỳ, làm cho việc chế tạo biến áp phức tạp hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn, mặt khác điện áp ngợc van bán dẫn phải chịu có trị số lớn nhât Chỉnh lu cầu mét pha T4 U2 T2 R T1 T3 L H×nh 8.4 Sơ đồ chỉnh lu cầu pha điều khiển đối xứng Hoạt động sơ đồ khái quát mô tả nh sau Trong nửa bán kỳ điện áp anod Tiristo T1 dơng (+) (lúc catod T2 âm (-)), có xung điều khiển cho hai van T1,T2 đồng thời, van đợc mở thông để đặt điện áp lới lên tải, điện áp tải chiều điện áp xoay chiều chừng Tiristo dẫn (khoảng dẫn Tiristo phụ thuộc vào tính chất tải) Đến nửa bán kỳ sau, điện áp đổi dấu, anod Tiristo T3 dơng (+) (catod T4 âm (-)), có xung điều khiển cho hai van T3,T4 đồng thời, van đợc mở thông, để đặt điện áp lới lên tải, với điện áp chiều tải có chiều trùng với nửa bán kỳ trớc Chỉnh lu cầu pha hình 8.4 có chất lợng điện áp hoàn toàn giống nh chỉnh lu chu kỳ với biến áp có trung tính, nh sơ đồ hình 8.2 Hình dạng đờng cong điện áp, dòng điện tải, dòng điện van bán dẫn điện áp van tiêu biểu gần tơng tự nh hình 8.3a.b Trong sơ đồ dòng điện chạy qua van giống nh sơ đồ hình 8.2, nhng điện áp ngợc van phải chịu nhỏ Unv = 2.U2 Việc điều khiển đồng thời Tiristo T1,T2 T3,T4 thực nhiều cách, cách đơn giản sử dụng biến ¸p xung cã hai cuén thø cÊp nh h×nh 8.5 53210 53210 Điều khiển Tiristo sơ đồ hình 8.4, nhiều gặp khó khăn cho mở van điều khiển, công suất xung không đủ lớn Để tránh việc mở đồng thời van nh trên, mà chất lợng điện áp chừng mực đáp ứng đợc, ngời ta sử dụng chỉnh lu cầu pha điều khiển không đối xứng T1 (T3) D Mach dieu khien T2 (T4) D Hinh 8.5 Phơng án cÊp xung chØnh lu cÇu mét pha ChØnh lu cÇu pha điều khiển không đối xứng thực hai phơng án khác nh hình 8.6 Giống hai sơ đồ là: chúng có hai Tiristo hai điôt; lần cấp xung điều khiển cần xung; điện áp chiều tải có hình dạng ( xem hình 8.7a,b) trị số giống nhau; đờng cong điện áp tải có phần điện áp dơng nên sơ đồ không làm việc với tải có nghịch lu trả lợng lới Sự khác hai sơ đồ đợc thể rõ rệt làm việc với tải điện cảm lớn, lúc dòng điện chạy qua van điều khiển không điều khiển khac D2 D1 R U T1 T2 T1 T2 D1 D2 L R L b Hình 8.6 Sơ đồ chỉnh lu cầu pha điều khiển không đối xứng Trên sơ đồ hình8.6a (với minh hoạ đờng cong hình 8.7a) điện áp anod T1 dơng catod D1 âm có dòng điện tải chạy qua T1, D1 đến điện áp đổi dấu (với anod T2 dơng) mà cha có xung mở T2, lợng cuộn dây tải L đợc xả qua D2, T1 Nh việc chuyển mạch van không điều khiển D1, D2 xảy điện áp bắt đầu đổi dấu Tiristo T1 bị khoá có xung mở T2, kết chuyển mạch van có điều khiển đợc thùc hiƯn b»ng viƯc më van kÕ tiÕp Tõ nh÷ng giải thích thấy rằng, van bán dẫn đợc dẫn thông nửa chu kỳ (các điôt dẫn từ đầu đến cuối bán kỳ điện áp âm catod, Tiristo đợc dẫn thông thời điểm có xung mở bị khoá việc mở Tiristo ë nưa chu kú kÕ tiÕp) VỊ trÞ sè, dòng điện trung bình chạy qua van Itb = (1/2 ) Id, dòng điện hiệu dụng van Ihd = O,71 Id Theo sơ đồ hình 8.6 b (với minh hoạ đờng cong hình 8.7b), điện áp lới đặt vào anod catod van bán dẫn thuận chiều có xung điều khiển, việc dẫn thông van hoàn toàn giống nh sơ đồ hình 8.6a Khi điện áp đổi dấu lợng cuộn dây L đợc xả qua điôt D1, D2, van đóng vai trò điôt ngợc Chính mà Tiristo tự ®éng kho¸ 53210 53210 5 ®iƯn áp đổi dấu Từ đờng cong dòng điện van hình 8.7b thấy rằng, sơ đồ dòng điện qua Tiristo nhỏ dòng điện qua điôt Ud Ud t t1 t2 Id t3 t t1 t2 Id t3 t t IT1 IT1 t t IT2 IT2 t t ID1 ID1 t t ID2 ID2 t t Giảna b.áp, Hình 8.7 đồ đờng cong điện dòng điện tải (Ud, Id), dòng điện van bán dẫn sơ đồ a- hình 8.6a; b- hình 8.6b Nhìn chung loại chỉnh lu cầu pha có chất lợng điện áp tơng đơng nh chỉnh lu chu kỳ với biến áp có trung tính, chất lợng điện chiều nh nhau, dòng điện làm việc van nhau, nên việc ứng dụng chúng tơng đơng Mặc dù chỉnh lu cầu pha có u điểm chỗ: điện áp ngợc van bé hơn; biến áp dễ chế tạo có hiệu suất cao Thế nhng chỉnh lu cầu pha có số lợng van nhiều gấp hai lần, làm giá cao hơn, sụt áp van lớn gấp hai lần, chỉnh lu cầu điều khiển đối xứng việc điều khiển phức tạp Các sơ chỉnh lu pha cho ta điện áp với chất lợng cha cao, biên độ đập mạch điện áp lớn, thành phần hài bậc cao lớn điều không đáp ứng đợc cho nhiều loại tải Muốn có chất lợng điện áp tốt phải sử dụng sơ đồ có số pha nhiều Chỉnh lu tia ba pha Khi biến áp có ba pha đấu ( ) pha A,B,C ta nèi mét van nh h×nh 8.8a, ba catod đấu chung cho ta điện áp dơng tải, trung tính biến áp điện áp âm Ba pha điện áp A,B,C dịch pha góc 120 theo đờng cong điện áp pha, có điện áp pha dơng điện áp hai pha khoảng thời gian 1/3 chu kú ( 120 ) Tõ ®ã thÊy rằng, thời điểm có điện áp pha dơng hai pha Nguyên tắc mở thông điều khiển van anod van dơng van đợc kích mở Thời điểm hai điện áp hai pha giao đợc coi góc thông tự nhiên van bán dẫn Các Tiristior đợc mở thông với góc mở nhỏ thời điểm góc thông tù nhiªn (nh vËy chØnh lu ba pha, gãc më nhá nhÊt  = 00 sÏ dÞch pha so với điện áp pha góc 300) L Ud A T1 B T2 C T3 R Ud Id t t1 I1 t2 t3 t t4 t1 t2 t3 t4 I1 t t I2 I2 t t I3 I3 t t t t UT1 b c H×nh 8.8 ChØnh lu tia ba pha a Sơ đồ động lực; b- Giản đồ đờng cong góc mở = 300 tải trở; c- Giản đồ đờng cong = 600 đờng cong gián đoạn Theo hình 8.8b,c thời điểm có van dẫn, nh van dẫn thông 1/3 chu kỳ điện áp tải liên tục ( đờng cong I1,I1,I3 hình 8.8b), điện áp tải gián đoạn thời gian dẫn thông van nhỏ Tuy nhiên hai trờng hợp dòng điện trung bình van 1/3.Id Trong khoảng thời gian van dẫn dòng điện van dòng điện tải, khoảng van khoá dòng điện van Điện áp van phải chịu điện dây pha có van khoá với pha có van dẫn Ví dụ khoảng t2 t3 van T1 khoá T2 dẫn van T1 phải chịu điện áp dây UAB, đến khoảng t3 t4 van T1, T2 khoá, T3 dẫn lúc T1 chịu điện áp dây UAC Khi tải trở dòng điện điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ thuộc góc mở Tiristo Nếu góc mở Tiristo nhỏ 300, ®êng cong Ud, Id liªn tơc, gãc më lín 300 điện áp dòng điện tải gián đoạn (đờng cong Ud, Id hình 8.8c) A B C A A B C t a A t b Hình 8.9 Đờng cong điện áp tải góc mở với a.- tải trở, b.- tải điện cảm 600 Khi tải điện cảm (nhất điện cảm lớn) dòng điện, điện áp tải đờng cong liên tục, nhờ lợng dự trữ cuộn dây đủ lớn để trì dòng điện điện áp đổi dấu, nh đờng cong nét đậm hình 8.9b (tơng tự nh đờng cong Ud hình 8.8b) Trên hình 8.9 mô tả ví dụ so sánh đờng cong điện áp tải góc mở 600 tải trở hình 8.9a tải điện cảm hình 8.9b Trị số điện áp trung bình tải đợc tính nh công thức (1 - 4) điện áp tải liên tục, điện áp tải gián đoạn (điển hình tải trở góc mở lớn) điện áp tải đợc tính: Trong ®ã; Udo = 1,17.U2f ®iƯn ¸p chØnh lu tia ba pha van la điôt Ud= Udo +sin [ ( π3 − α )] (1 −5 ) U2f - điện áp pha thứ cấp biến áp So với chØnh lu mét pha, th× chØnh lu tia ba pha có chất lợng điện chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn, việc điều khiển van bán dẫn trờng hợp tơng đối đơn giản Với việc dòng điện cuộn dây thứ cấp dòng chiều, nhờ có biến áp ba pha ba trụ mà từ thông lõi thép biến áp từ thông xoay chiều không đối xứng làm cho công suất biến áp phải lớn (xem hệ số công suất bảng 2), biến áp đợc chế tạo từ ba biến áp pha công suất biến áp lớn nhiều Khi chế tạo biến áp động lực cuộn dây thứ cấp phải đợc đấu với dây trung tính phải lớn dây pha theo sơ đồ hình 8.8a dây trung tính chịu dòng điện tải Chỉnh lu tia sáu pha: A T1 * B T2 C T3 A C* B A* C B* * * R t L A* T4 B* T5 C* T6 Hình 8.10 Chỉnh lu tia sáu pha a.- Sơ đồ động lực; b.- đờng cong điện áp tải Sơ đồ chỉnh lu tia ba pha có chất lợng điện áp tải cha thật tốt Khi cần chất lợng điện áp tốt sử dụng sơ đồ nhiều pha Một sơ đồ chỉnh lu tia sáu pha Sơ đồ động lực mô tả hình 8.10a Sơ đồ chỉnh lu tia sáu pha đợc cấu tạo s¸u van b¸n dÉn nèi tíi biÕn ¸p ba pha với sáu cuộn dây thứ cấp, trụ biến áp có hai cuộn giống ngợc pha Điện áp pha dịch góc 60 nh mô tả hình 8.10b Dạng sóng điện áp tải phần dơng4hơn53210của điện áp pha với đập mạch bậc sáu Với dạng sóng điện áp 4nh trên, ta thấy chất lợng điện áp chiều đợc coi tốt Theo dạng sóng điện áp (phần nét đậm giản đồ hình 8.10b) thấy van bán dẫn dẫn thông khoảng 1/6 chu kỳ So với sơ đồ khác, chỉnh lu tia sáu pha dòng điện chạy qua van bán dẫn bé Do sơ đồ chỉnh lu tia sáu pha có ý nghĩa dòng tải lớn Trong trờng hợp cần có van nhỏ chế tạo nguồn với dòng tải lớn ChØnh lu cÇu ba pha ChØnh lu cÇu ba pha điều khiển đối xứng Sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng hình 8.11a coi nh hai sơ đồ chỉnh lu tia ba pha mắc ngợc chiều nhau, ba Tiristo T1,T3,T5 tạo thành chỉnh lu tia ba pha cho điện áp (+) tạo thành nhóm anod, T2,T4,T6 chỉnh lu tia cho ta điện áp âm tạo thành nhóm catod, hai chỉnh lu ghép lại thành cầu ba pha Theo hoạt động chỉnh lu cầu ba pha điều khiển ®èi xøng, dßng ®iƯn A T2 T1 T4 T3 T6 T5 R L B C A Uf Uf t1 t2 t3 t4 t5 t6 A B C A C4 A5 t7 Ud Ud I1 X1 I3 X3 Uf I5 X5 X2 X4 A I2 I4 X6 I6 Ud B 11 Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng động lực, b- giản đồ đờng cong bản, c, d - điện áp tải góc mở = 600 = chạy qua tải dòng điện chạy từ pha pha kia, thời ®iĨm cÇn më Tiristo chóng ta cÇn cÊp hai xung ®iỊu khiĨn ®ång thêi (mét xung ë nhãm anod (+), mét xung ë nhãm catod (-)) VÝ dơ t¹i thêi điểm t1 hình 8.11b cần mở Tiristo T1 pha A phÝa anod, chóng ta cÊp xung X1, ®ång thời cấp thêm xung X4 cho Tiristo T4 pha B phía catod thời điểm tơng tự Cần ý thứ tự cấp xung điều khiển cần tuân thủ theo ®óng thø tù pha Khi chóng ta cÊp ®óng c¸c xung điều khiển, dòng điện đợc chạy từ pha có điện áp dơng pha có điện áp âm Ví dụ khoảng t1 t2 pha A có điện áp dơng hơn, pha B có điện áp âm hơn, với việc mở thông T1, T4 dòng điện dợc chạy từ A B Khi góc mở van nhỏ điện cảm lớn, khoảng dẫn van nhóm (anod hay catod) có hai van nhóm đổi chỗ cho Điều thấy rõ khoảng t1 t3 nh hình 8.11b Tiristo T1 nhóm anod dÉn, nhng nhãm catod T4 dÉn kho¶ng t1 t2 T6 dẫn tiếp khoảng t2 t3 Điện áp ngợc van phải chịu chỉnh lu cÇu ba pha sÏ b»ng van dÉn điện áp dây van khoá Ta có thĨ lÊy vÝ dơ cho van T1 (®êng cong ci hình 8.11b) khoảng t1 t3 van T1 dẫn điện áp 0, khoảng t3 t5 van T3 dẫn lúc T1 chịu điện áp ngợc UBA, đến khoảng t5 t7 van T5 dẫn T1 chịu điện áp ngợc UCA Khi điện áp tải liên tục, nh đờng cong Ud hình 8.11b trị số điện áp tải đợc tính theo công thức (8 -4) Khi góc mở Tiristo lớn lên tới góc 600 thành phần điện cảm tải nhỏ, điện áp tải bị gián đoạn nh đờng nét đậm hình 8.11d (khi góc mở Tiristo =900 với tải trở) Trong trờng hợp dòng điện chạy từ pha pha kia, van bán dẫn có phân cực thuận theo điện áp dây đặt lên chúng (các đờng nét mảnh giản đồ Ud hình vẽ 8.11b, c, d), điện áp dây đổi dấu, van bán dẫn có phân cực ngợc nên chúng tự khoá Sự phức tạp chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng nh đà nói cần phải mở đồng thời hai van theo thứ tự pha, gây không khó khăn chế tạo vận hành sửa chữa Để đơn giản ngời ta sử dụng điều khiển không đối xứng Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển không đối xứng Loại chỉnh lu đợc cấu tạo từ nhóm (anod catod) điều khiển nhóm không điều khiển nh mô tả hình 8.12a Trên hình 8.12b mô tả giản đồ nguyên lý tạo điện áp chỉnh lu (đờng cong cùng), sóng điện áp tải Ud (đờng cong nét đậm thứ hai hình8.12b), khoảng dẫn van bán dẫn T1,T2,T3,D1,D2,D3 Các Tiristo đợc dẫn thông từ thời điểm có xung më cho ®Õn më Tiristo cđa pha kÕ tiếp Ví dụ T1 mở thông từ t1 (thời điểm phát xung mở T1) tới t3 (thời điểm phát xung mở T2) Trong trờng hợp điện áp tải gián đoạn Tiristo đợc dẫn từ thời điểm có xung mở điện áp dây