bài tập lớn điện tử công suất đề tài thiết kế bộ điều khiển chỉnh lưu có đảo chiều

Tùy theo yêu cầu về chất lượng điều chỉnh mà có thể sử dụng các sơ đồsau.1.2.1 Phương pháp đảo chiêu dòng kích từ của động cơ- Là phương pháp thay đổi chiều dòng điện trong cuộn dây kích

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT

NAMKHOA 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: 2023- 2024

Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển chỉnh

lưu có đảo chiều

HOÀNG VĂN ĐỨC 96286 ĐTT63ĐH Nhóm trưởng

NGUYỄN XUÂN LÂM 97381 TĐH63ĐH Thành viên

HOÀNG TRUNG KIÊN 95018 ĐTT63ĐH Thành viên

Giảng viên hướng dẫn: VŨ NGỌC MINH

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 1

1.1 Chỉnh lưu có đảo chiều là gì? 1

1.2 Các phương pháp đảo chiều 1

1.2.1 Phương pháp đảo chiều dòng kích từ của động cơ 1

1.2.2 Đảo chiều dòng phần ứng bằng tiếp điểm 3

1.2.3 Đảo chiều dòng phần ứng nhờ bộ biến đổi kép 3

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT 11

2.1 Giới thiệu các mạch công suất đã biết 11

2.1.1 Chỉnh lưu hình tia 3 pha 15

2.1.2 Chỉnh lưu hình cầu 3 pha 15

2.1.3 Chỉnh lưu tia 6 pha 16

2.2 Phân tích ưu điểm nhược điểm 16

2.3 Chọn mạch công suất phù hợp 17

-Từ những phân tích và do yêu cầu chỉnh lưu có đảo chiều nên ta chọn phương án Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng

2.4 Chọn các van bán dẫn công suất 19

2.4.1 Chọn van theo chỉ tiêu dòng điện 19

2.4.2 Chọn van theo chỉ tiêu điện áp 20

2.4.3 Chọn van theo vấn đề thoát nhiệt làm mát 20

2.5 Chọn các phần tử bảo vệ 21

2.5.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn 21

- Tổn thất trên 1 Tiristor

- Tính toán cách tỏa nhiệt

2.5.2 Bảo vệ dòng điện của van 11

Chỉnh định dòng ngắn mạch 15

Dòng quá tải 15

Chọn cầu chì có mạch định mức 16

2.5.3 Bảo vệ điện áp cho van 16

- Chọn giá trị trở 17

2.6 Chọn máy biến áp 19

- Chọn MBA 3 pha trụ sơ đồ đấu dây 19

- Tính các thông số cơ bản 20

a) Tính công suất biểu kiến của MBA 20

b) Điện áp pha sơ cấp của MBA 21

c) Điện áp pha thứ cấp của MBA 21

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG MẠCH CÔNG SUẤT

3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển

3.2 Phương pháp điều khiển 23

3.3 Kết quả mô phỏng 24

3.4 Nhận xét , đánh giá 24

KẾT LUẬN 24

MỞ ĐẦU

Chương 1 Tổng quan về công nghệ

1.1 Tổng quan về động cơ điện 1 chiều

1.1.1 Phân loại

Động cơ điện một chiều chia làm nhiều loại theo sự bố trí của cuộn kích

từ :

 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

 Động cơ điện một chiều kích từ song song

 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

π /2 < α < π thì hệ thống chỉnh lưu đọng cơ sẽ làm việc ở chế độ đảochiều

- Các bộ chỉnh lưu đảo chiều dùng cho động cơ điện một chiều cần quaytheo cả hai chiều với chế độ làm việc ở cả 4 góc điều chỉnh

Tùy theo yêu cầu về chất lượng điều chỉnh mà có thể sử dụng các sơ đồsau.

1.2.1 Phương pháp đảo chiêu dòng kích từ của động cơ

- Là phương pháp thay đổi chiều dòng điện trong cuộn dây kích từcủa động cơ

- Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một bộ đảochiều hoặc bằng cách thay đổi cấu trúc mạch điện Khi dòng điệnchạy qua cuộn dây kích từ theo chiều khác nhau, nó sẽ tạo ra mộttrường từ khác nhau, dẫn đến việc động cơ quay theo chiều khácnhau

- Phương pháp này được sử dụng để điều khiển hướng quay của động

cơ trong các ứng dụng khác nhau

1.2.2 Đảo chiều dòng phần ứng bằng tiếp điểm

- Là phương pháp thay đổi chiều kết nối của phần ứng trongmạch điện bằng cách sử dụng một tiếp điểm

- Khi tiếp điểm được đóng, nó sẽ thay đổi chiều kết nối củaphần ứng, dẫn đến việc thay đổi dòng điện chạy qua phần ứng

và tạo ra một trường từ khác nhau

- Phương pháp này được sử dụng để điều khiển hướng quay củađộng cơ trong các ứng dụng khác nhau, nhưng hiện nay đã ít

được sử dụng do sự phát triển của các phương pháp điều khiểnđiện tử.

1.2.3 Đảo chiều dòng phần ứng nhờ bộ biến đổi kép

- Là phương pháp sử dụng một bộ biến đổi kép để thay đổi chiềudòng điện chạy qua phần ứng

- Bộ biến đổi kép bao gồm hai transistor được kết nối với nhau

để tạo ra một đường dòng điện có thể được điều khiển bằngmột tín hiệu điều khiển Khi tín hiệu điều khiển được đưa vào,transistor đầu tiên sẽ mở và transistor thứ hai sẽ đóng, dẫn đếnchiều dòng điện chạy qua phần ứng thay đổi

- Khi tín hiệu điều khiển được đảo ngược, transistor đầu tiên sẽđóng và transistor thứ hai sẽ mở, dẫn đến chiều dòng điện chạyqua phần ứng thay đổi một lần nữa

- Phương pháp này được sử dụng trong các ứng dụng điều khiểnđộng cơ và các mạch điện tử khác

Nhận xét:

- Để đấu 2 mạch chính với nhau cấp ra một tải có 2 kiểu là : kiểu đáuchéo số 8 và đấu song song ngược

- Có 2 phương pháp điều khiển đảm bảo mạch hoạt động bình thường

là phương pháp điều khiển chung và phương pháp điều khiển riêng

 Phương pháp điều khiển chung

- Lúc này cả 2 mạch chỉnh lưu cùng được phát xung điều khiển,nhưng luôn khác chế độ nhau: một mặt chế độ chỉnh lưu ( xác định dấu củađiện áp một chiều ra tải cũng là chiều quay đang cần có ) mạch kia là chế

độ nghịch lưu ( là quá trình chuyển năng lượng điện áp từ phía dòng mộtchiều sang dòng xoay chiều ) Vì hai mạch cùng dấu cho một tải nên giá trịtrung bình của chúng phải gần bằng nhau:

Biểu thức này chính là luật phối hợp điều khiển của phương pháp này

- Tuy nhiên luật này mới chỉ đảm bảo sự cân bằng về giá trị một chiều,còn giá trị tức thời của điện áp chỉnh lưu hai mạch là khác nhau Ud1  Ud2

Sự chênh lệch điện áp giữa chúng làm xuất hiện một dòng điện quẩn giữahai mạch van mà không qua tải.

- Để hạn chế dòng điện này cần phải dùng thêm cuộn kháng Lcb mắcnối mạch chỉnh lưu với tải Như thế làm tăng công suất đặt và giáthành hệ thống Tuy nhiên phương pháp điều khiển này cho phépđiều chỉnh nhanh tối đa

* Phương pháp điều khiển riêng

- Khi điều khiển riêng hai bộ biến đổi làm việc riêng rẽ nhau, tại một

thời điểm chỉ phát xung điều khiển vào một bộ biến đổi còn một bộ biếnđổi còn một bộ biến

đổi kia bị khóa do chưa có xung điều khiển Hệ có hai bộ biến đổi làBĐ1 và BĐ2 với các mạch phát xung điều khiển tương ứng là FX1 và FX2.Trật tự hoạt động của bộ phát xung này được quy định bởi các tín hiệulôgic b1 và b2 Quá trình hãm và đảo chiều được mô tả bằng đồ thị thờigian Trong khoảng thời gian từ 0 -> t1 bộ BĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu

1 </2 còn bộ BĐ2 thì khóa Tại t1 phát lệnh đảo chiều bởi iLĐ góc điềukhiển 1 tăng đột biến lớn hơn /2 dòng điện phần ứng giảm về 0 lúc nàycác xung để khóa bộ BĐ1 Thời điểm t2 được xác định bởi cảm biến dòngđiện SI1 Trong khoảng thời gian trễ t= t3 - t2 bộ BĐ1 bị khóa hoàn toàn,dòng điện phần ứng bị triệt tiêu Tại t3 sđđ E vẫn còn dương, tín hiệu lôgicb2 kích cho FX2 mở BĐ2 với góc  >/2 và sao cho dòng điện phần ứngkhông vượt quá giá trị cho phép động cơ được hãm tái sinh Nếu nhịp điệugiảm 2 phù hợp với quán tính của hệ thì có thể duy trì dòng điện hãm vàdòng điện khởi động ngược không đổi, điều này được thực hiện bởi cácmạch vòng điều chỉnh tự động dòng điện của hệ thống trên sơ đồ của khốilôgic LOG, iLĐ , iL1 , iL2 là các tín hiệu lôgic đầu vào b1, b2 là các tín hiệuđầu ra để khóa các bộ phát xung điều khiển

iLĐ = 1 phá xung điều khiển mở BĐ1

đó dòng điện động cơ bằng không

Do nguyên tắc điều khiển riêng dùng bộ biến đổi làm việc độc lập, trongmột thời điểm thì chỉ có một bộ BĐ làm việc còn bộ BĐ kia phải chắc chắnkhóa ( có nghĩa là dòng điện qua bộ BĐ này phải bằng “0”) Ta sẽ dùngsensor dòng điện để nhận biết có dòng điện chạy qua bộ BĐ hay không.

Chương 2 Tính toán chọn mạch công suất

2.1Gới thiệu các mạch công suất đã biết.

2.1.1 Chỉnh lưu hình tia 3 pha

- Mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha là mạch điện dùng để biến đổi điện

xoay chiều thành điện một chiều

- Mạch này được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, nhưmáy tính, tivi, điều hòa không khí, máy giặt, tủ lạnh, v.v Nó giúp cho cácthiết bị này hoạt động ổn định hơn và tiết kiệm điện năng hơn

2.1.2 Chỉnh lưu hình cầu 3 pha

- Mạch chỉnh lưu hình cầu 3 pha là mạch điện được sử dụng để biếnđổi điện áp xoay chiều 3 pha thành điện áp một chiều

- Mạch này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp,như trong các hệ thống điều khiển động cơ và các hệ thống điện nănglượng mặt trời

- Mạch chỉnh lưu hình cầu 3 pha bao gồm 6 bóng điốt, được kết nốithành 3 cặp bóng điốt đối xứng Khi điện áp xoay chiều 3 pha được đưavào mạch, các bóng điốt sẽ lần lượt dẫn điện, biến đổi điện áp xoay chiềuthành điện áp một chiều

2.1.3 Chỉnh lưu hình tia 6 pha

- Mạch chỉnh lưu hình tia 6 pha là mạch điện được sử dụng đểchuyển đổi điện xoay chiều thành điện một chiều Nó được sử dụng trongcác ứng dụng công nghiệp và điện lực

- Mạch này được thiết kế để cung cấp điện cho các thiết bị điện

tử như động cơ, máy nén khí và các thiết bị khác Nó cũng được sử dụng

để cung cấp điện cho các hệ thống điện dân dụng và công nghiệp

- Mạch chỉnh lưu hình tia 6 pha được thiết kế để cung cấp điệnmột chiều ổn định và có hiệu suất cao Nó được sử dụng rộng rãi trongcác ứng dụng công nghiệp và điện lực

2.2 Phân tích ưu nhược điểm.

2.2.1 Chỉnh lưu hình tia 3 pha

- Có khả năng hoàn trả năng lượng về lưới tốt nhất khi tải có tính chấtcảm kháng.

*Nhược điểm:

- Có độ phức tạp cao, khó lắp đặt và bảo trì

- Gây ra nhiễu sóng điện từ

- Chi phí đầu tư ban đầu cao

- Có thể gây ra hiện tượng hư hỏng các thiết bị điện

2.2.2 Chỉnh lưu hình cầu 3 pha

*Ưu điểm:

- Điều chỉnh điện áp đầu ra ổn định

- Điều chỉnh dòng điện đầu ra ổn định

- Không gây nhiễu sóng

- Hiệu suất cao, độ bền cao

- Dễ dàng bảo trì

*Nhược điểm:

- Chi phí đầu tư ban đầu cao hơn so với mạch chỉnh lưu 1 pha

- Có thể gây ra hiện tượng rung lắc và nhiễu sóng

- Có thể gây ra hiện tượng mất cân bằng điện áp

2.2.3 Chỉnh lưu hình tia 6 pha

*Ưu điểm:

- Giảm độ rộng của đầu ra, giảm độ méo hài

- Giảm độ giật, giảm độ rung, giảm độ nhiễu

*Nhược điểm:

- Chi phí đầu tư ban đầu cao hơn so với mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha

- Gây mất công suất

- Khó khăn trong việc thiết kế và lắp đặt

- Cả dòng điện và điện áp ra tải đều không sin

2.3 Chọn mạch công suất phù hợp

Động cơ có:

Udm =400 V , ndm =3000v/p , P =25kW

1.1Lựa chọn sơ đồ thiết kế

- Sau khi phân tích đánh giá về chỉnh lưu và từ các ưu điểm của các sơ

đồ chỉnh lưu với tải và các động cơ điện một chiều có công suất vừa phảithì ta dùng chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng là hợp lý hơn cả bởi lẽ

ở công suất này để tránh lệch tải điện áp , không thể thiết kế theo sơ đồ mộtpha, sơ đồ tia ba pha sẽ làm mất đối xứng điện áp nguồn Nên trong đồ ánnày ta chọn sơ đồ thiết kế chọn là sơ đồ cầu ba pha

- Các thông số cơ bản còn lại của động cơ

25000 10% 10% 6, 25( )

U2a,U2b,U2c sức điện động thứ cấp máy biến áp nguồn

E : sức điện động của động cơ

R, L :điện trở, điện cảm trong mạch

R = 2.Rba + Ru + Rk + Rdt

L = 2.Lab + Lu + Lk

Rba, Lba : điện trở, điện cảm của MBA qui đổi về thứ cấp

Rk, Lk : điện trở và điện cảm cuộn kháng lọc

Rdt : điện trở mạch phần ứng động cơ được tính :

2.4 Chọn Tiristor

- Tính chọn dựa vào các yếu tố cơ bản của dòng tải , sơ đồ đã chọn ,điều khiển toả nhiệt , điện áp làm việc , các thông số cơ bản của van đượctính như sau :

Trong đó kdtU : hệ số dự trữ điện áp chọn kdtU = 1,8

- Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng điện dòng hiệu dụng:

( trong sơ đồ cầu ba pha )

- Chọn điều khiển làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ điệntích toả nhiệt không có quạt đối lưu không khí, với điều kiện đó dòng địnhmức của van cần chọn Iđm = Ki Ilv =3,2 2 = 6,4 (A)

(Ki là hệ số dự trữ dòng điện và chọn Ki =3,2)

- Chọn điều khiển làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ điệntích toả nhiệt không có quạt đối lưu không khí, với điều kiện đó dòng địnhmức của van cần chọn

từ các thông số Unv , Iđmv ta chọn thyristor T221N

Điện áp ngược cực đại của van 1200(V)

Dòng điện định mức của vantb 221(A)

Dòng kích hoạt cổng max 200(mA)

Sụt áp lớn nhất của tiristor ở trạng thái dẫn U = 1,74(V)

Tốc độ biến thiên điện áp 1000( / )

Dòng điện tự giữ 200mA

Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép Tmax =12000C

2.5 Chọn các phần tử bảo vệ

Hình 1 Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ

2.5.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho van bán dẫn

Cảm biến nhiệt độ: Sử dụng cảm biến nhiệt độ để đo nhiệt độ của van bándẫn Cảm biến này có thể là một phần của vi mạch điều khiển hoặc đượctích hợp trực tiếp vào van bán dẫn Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng an toàn,cảm biến sẽ kích hoạt hành động bảo vệ

Giới hạn dòng điện: Thiết kế mạch điều khiển để giới hạn dòng điện đi quavan bán dẫn Khi dòng điện vượt quá mức cho phép, mạch sẽ giảm dònghoặc ngắt nguồn điện vào van

Bảo vệ nhiệt độ ngưỡng: Tích hợp các thiết bị bảo vệ nhiệt độ ngưỡng vàomạch điều khiển Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng được đặt trước, các thiết bịnày sẽ ngắt nguồn điện vào van hoặc thực hiện các biện pháp khác để làmgiảm nhiệt độ

Tản nhiệt hiệu quả: Đảm bảo rằng van bán dẫn được lắp đặt trong một môitrường có tản nhiệt tốt và có đủ không gian để gió lưu thông Sử dụng cácthiết bị tản nhiệt như tản nhiệt bằng nhôm hoặc đồng để làm mát van

Kiểm soát quạt làm mát: Nếu có, kiểm soát quạt làm mát để tăng cường lưuthông không khí và làm mát van bán dẫn khi cần thiết

+Tổn thất công suất trên 1 Tiristor

P=U.Iđm=1,74.6,4=11,136(W)Diện tích bề mặt toả nhiệt:

S= ΔPP

k m τ

p : tổn hao công suất (W)

T:độ chênh lệch so với môi trường Tmt = 400C

Nhiệt độ làm việc cho phép của Tcp=1250C

+Tính toán cách toả nhiệt

Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt

Tlv=800C

T=Tlv-Tmt =80 – 40 = 400C

Km :Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ

Chọn K =RT tj= 0,120 125 = 15(C/W 0C)

 Dài 110mm

 Rộng 43mm

 Dày 17mm

Hình :nhôm tản nhiệt 8 cánh

Tổng diện tích cánh tỏa nhiệt:

S = ( 110.43.17).2= 16,082(cm2)

2.5.2 Bảo vệ dòng điện của van

Van tiristor là một loại van điển tử được sử dụng để điều khiển dòngđiện Để đảm bảo dòng điện của van , bạn có thể sử dụng các biện phápsau

Sử dụng bảo vệ quá dòng : Bảo vệ quá dòng sẽ ngắt dòng điện khi nóvượt quá giới hạn được thiết lập Điều này sẽ giúp bảo vệ van tiristor khỏi

bị hư hỏng do quá tải

Sử dụng bảo vệ quá áp : Bảo vệ quá áp sẽ ngắt dòng điện khi áp suấtvượt quá giới hạn được thiết lập Điều này sẽ giúp bảo vệ van tiristor khỏi

bị hư hỏng do áp

Sử dụng bảo vệ quá nhiệt: Bảo vệ quá nhiệt sẽ ngắt dòng điện khidòng điện vượt qua giới hạn được thiết lập Điều này giusp giúp bảo vệvan tiristor khỏi bị hư hỏng do nhiệt

Vậy chọn cầu chảy nhóm 1CC, 2CC giống nhau đều là loại cầu chì

JQX-13FL(LY2) Relay Trung Gian Rone 220V , 10A , 8 Chân

hình : Cầu chì2.5.3 Bảo vệ điện áp cho van

Bảo vệ quá điện áp : do quá trình đónh cắt các Tiristor được thực hiệnbằng cách mắc R-C song song với Tiristor Khi có sự chuyển mạch cácđiện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điệnngược trong khoảng thời gian ngắn ,sự biến thiên nhanh chóng của dòngđiện ngược ,gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làmcho quá điện áp giữa anod và catod của Tiristor Khi có mạch R-C mắcsong song với Tiristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trìnhchuyển mạch nên Tiristor không bị quá điện áp

Có : R=(5 ->10)Ω

C1=(0,25-> 4)F

Mạch RC bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch