báo cáo đồ án i thiết kế mô hình chỉnh lưu

Để đổi tên thiết kếNhấp chuột phải vào Simplorer trong cây dự án, và chon Rename trong menu lối tắtBạn cũng có thể nhấp đúp vào tên cần thay đổi rồi nhấn F2Nhập tên Minh_Hoa rồi ấn enter

111Equation Chapter 1 Section 1 ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀNỘI

TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ - -

BÁO CÁO ĐỒ ÁN I

Giảng viên: TS Nguyễn Vũ ThanhSinh viên thực hiện: Vũ Quang HuyMSSV: 20202136

Hà Nội, năm 2023

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG I:THIẾT KẾ MÔ HÌNH 4

CHƯƠNG II:CHỈNH LƯU 14

TH1: MÔ HÌNH CHỈNH LƯU HÌNH TIA BA PHA TẢI THUẦN TRỞ 15

TH2: MÔ HÌNH CHỈNH LƯU HÌNH TIA BA PHA TẢI TRỞ VÀ ĐIỆN CẢM 19

TH3:MÔ HÌNH CHỈNH LƯU HÌNH TIA BA PHA TẢI TRỞ, ĐIỆN CẢM VÀ TỤ 21

CHƯƠNG III:NGHỊCH LƯU 23

TH1: SO SÁNH TRƯỜNG HỢP THAY ĐỔI VAN (IGBT VÀ MOSFET) 24

TH2: SO SÁNH TRƯỜNG HỢP THAY ĐỔI TẢI 27

TH3: SO SÁNH TRƯỜNG HỢP THAY ĐỔI NGUỒN 29

TH4: BÁN CẦU 1 PHA THUẦN TRỞ (SỬ DỤNG 2 NGUỒN 1 CHIỀU) 34

TH5: BÁN CẦU 1 PHA SỬ DỤNG MỘT NGUỒN DC VÀ HAI TỤ 38

TH6: SƠ ĐỒ NGHỊCH LƯU CẦU 1 PHA 41

TH7: SƠ ĐỒ NGHỊCH LƯU MẠCH ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG 43

TH8: SƠ ĐỒ NGHỊCH LƯU CẦU 3 PHA 45

KẾT LUẬN 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, Điện tử công suất là một chuyên ngành kỹ thuật có vai trò đặc biệt quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực sản xuất công nghiệp và trong đời sống hàng ngày Các thiết bị Điện tử công suất tham gia vào hầu hết các quá trình, bắt đầu từ sản xuất ra điện đến truyền tỉa, phân phối, tiêu thụ điện năng Điện tử công suất góp phần điều khiển các quá trình biến đổi năng lượng từ điện sang điện, từ điện sang cơ, từ cơ sang điện, từ điện sang các dạng năng lượng khác, nhờ đó mà các quá trình hay các hệ thống thiết bị có thể hoạt động được một cách hiệu quả nhất

Để hiểu rõ hơn về các loại mạch trong Điện tử công suất, rất may mắn cho em vì đã được tiếp cận tới phần mềm Ansys Electronics Desktop, từ đó dễ dàng mô phỏng và hiểu rõ hơn các nguyên lý hoạt động của chúng Trong quá trình thực hiện đề tài và làm báo cáo, không tránh khỏi những sai sót, em rất mong thầy có thể góp ý để em cảithiện hơn.

Sinh viên thực hiện: Vũ Quang Huy

CHƯƠNG I:THIẾT KẾ MÔ HÌNH

THIẾT KẾ MÔ HÌNH CHỈNH LƯU

Thiết kế mô hình chỉnh lưu ba pha hình tia

Sau khi hoàn thành theo các bước dưới đây, ta sẽ thu được sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia không điều khiển (sử dụng các van diode) giống như hình Các tín hiệu đầu vào gồm điện áp xoay chiều 3 pha, diode, tụ điện là những thành phần lý tưởng, cuộc dây, điện trở, các đặc tính đầu ra của diode được xác định bởi 1 hàm số mũ.

Các bước để tạo mô hình

Ở đây, sử dụng phần mềm có tên là Ansys Electronic Desktop 2021 R1 Khi ta mở được ứng dụng:

Muốn thêm 1 dự án mới

Để đổi tên thiết kế

Nhấp chuột phải vào Simplorer trong cây dự án, và chon Rename trong menu lối tắt

Bạn cũng có thể nhấp đúp vào tên cần thay đổi rồi nhấn F2Nhập tên Minh_Hoa rồi ấn enter để hoàn tất thay đổi

Chọn, đặt và sắp xếp các thành phần trên trang lược đồ

Ở đây, bạn phải xác định được thành phần và số lượng thành phần các thiết bị cần sử dụng đến.

Trong bài này, ta sử dụng 3 nguồn E, 1 điện trở R, 1 cuộn cảm L, 1 tụ điện C và 3 diode

Trong cửa sổ Component Libraries Window chọn phần tử R: Resistor Phần tửR: Resistor được liệt kê trong mục Favorites theo mặc định.

Hoặc: Ta có thể truy cập một đường dẫn thay thế là nhấp vào biểu tượng “+” để mở rộng Simplorer Elements, sau đó tiếp tục nhấp vào biểu tượng “+” bên cạnh thư mụcBasic Elements > Circuit > Passive Elements Phần tử R: Resistor được liệt kê ở đó Mặt khác ta cũng có thể sử dụng Search ở góc dưới màn hình để tìm kiếm những phần tử.

Ta kéo thả những phần tử ra ngoài trang vẽ và sắp xếp chúng theo ý đồ của mô hình mô phỏng.

Ta đặt con trỏ trên các chân phần tử và đặt điểm đầu, các góc và điểm cuối của dây bằng cách nhấp và kéo.

Sau khi kết nối xong ta được sơ đồ như hình vẽ:

Do ở đây tải có điện trở và cuộc dây nên để dễ dàng tính toán, ta mắc thêm VM song song với điện trở và cuộn dây.

Xác định thuộc tính, thông số cho các thành phần

Các thành phần mà ta vừa đặt và kết nối vẫn có giá trị tham số mặc định của chúng, như được định nghĩa trong thư viện mô hình Bây giờ ta sẽ gán giá trị cho các thành phần để phù hợp cho yêu cầu bài mô phỏng.

Đầu tiên, là điện áp 3 pha nên ta sẽ xác định tất cả các nguồn là bộ tạo sin được điều khiển theo thời gian với độ lệch pha 120 độ so với nhau.

Với nguồn E1, nhấn đúp chuột vào nguồn E1 để mở ra hộp thoại Parameters của nóThay đổi Name thành E_a

Chọn Time Controller và đảm bảo rằng Sine được chọn trong danh sách thả xuống Giữ nguyên giá trị Phase 0 ở (không) độ Giữ tất cả các giá trị khác ở giá trị mặc định của chúng.

Thay đổi Type bằng cách nhấp vào nút Type, sau đó chọn Exponential Function từ trình đơn thả xuống để đặc tính đầu ra xác định theo hàm số mũ.

Giữ nguyên tất cả các giá trị khác và nhấp OK để áp dụng thay đổi.Xác định thông số của điện trở tải

Ta đổi tên thành R_Load và thay đổi giá trị thành 10 ohmXác định thông số của cuộn cảm tải

- Ta đổi tên thành L_Load và thay đổi giá trị thành 0.1 H- Kiểm tra Giá trị ban đầu và đặt giá trị thành 0 Xác định thông số của tụ lọc

- Ta đổi tên thành C_Loc và thay đổi giá trị thành 0.1 farad- Kiểm tra Giá trị ban đầu và đặt giá trị thành 0

Xác định các tùy chọn giải pháp và các thông số phân tích

Các thông số mô phỏng điều khiển quá trình mô phỏng Việc lựa chọn các tham số mô phỏng là quan trọng để mô phỏng thành công Có các thông số chung và mô phỏng mạch Các giá trị thu được trong quá trình mô phỏng cung cấp thông tin có giá trị về chất lượng của một kết quả mô phỏng.

Để thiết lập các tùy chọn giải pháp:

Nhấp chuột phải vào Analysis trong cửa sổ Project Manager, và chọn Add Solution Options từ menu tắt

Hộp thoại Solution Options được mở ra

Ta đổi tên thành TL, thay đổi Integration formula thành Euler, các thông số còn lại giữ nguyên rồi bấm OK

Nhấp chuột phải vào Analysis trong cửa sổ Project Manager, và chọn Solution>Setup>Add Transient từ menu lối tắt

Hộp thoại Transient Analysis Setup xuất hiện

Thay đổi tên thành TL1, nhấp vào Analysis Options và chọn TLNhấp OK để hoàn tất

sổ báo cáo Dữ liệu đầu ra cũng được lưu trong tệp sdb (Twin Buider Database).

Vẽ đồ thị kết quả mô phỏng mô hình chỉnh lưu

Trong phần này, bạn sẽ tạo các báo cáo biểu thị các kết quả đầu ra sau:Điện áp của các nguồn E_a.V, E_b.V, E_c.V

Điện áp của tụ lọc C_Loc.V

Điện áp của tải VM1.V (gồm điện trở và cuộn dây)

Bắt đầu bắng cách tạo một báo cáo hình chữ nhật 2D vẽ biểu đồ đầu ra của các nguồn điện áp ba pha

Nhấp chuột phải vào Results trong cây dự án và chọn Create Standard Report> Rectangular Plot từ trình đơn ngữ cảnh.

Một cửa sổ Báo cáo mới xuất hiện.

Trong Category, chọn Voltage Trong khi nhấn phím Ctrl, hãy chọn E_a.V, E_b.V và E_c.V trong danh sách Quantity Giữ nguyên tất cả các cài đặt khác.Nhấp vào nút New Report để tạo một báo cáo tương tự như sau:

Kết quả có tên trong XY Plot 1 xuất hiện trong cây Trình quản lý dự án.Không đóng hộp thoại New Report, hãy chọn C_Loc.V trong danh sách Nhấp vào New Report để tạo một báo cáo hiển thị điện áp làm mịn tụ điện

Kết quả có tên XY Plot 2 xuất hiện trong cây Trình quản lý dự ánKhông đóng hộp thoại New Report, hãy chọn VM1.V trong danh sáchNhấp vào New Report để tạo báo cáo hiển thị điện áp trên tải

THIẾT KẾ MÔ HÌNH NGHỊCH LƯU

Thiết kế mô hình nghịch lưu một pha nửa chu kỳ:

Vì bộ nghịch lưu có tác dụng là biến đổi từ nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều, vì vậy, để xây dựng lên mô hình mạch nghịch lưu, ta cần sử dụng nguồn một chiều Trong Component Libraries có 2 loại nguồn 1 chiều là Battery và Cell, ở đây chúngta sẽ sử dụng Battery

Các van sẽ được sử dụng ở phần này sẽ là IGBT và MOSFET

Sơ đồ sử dụng van IGBT:

Sơ đồ sư dụng van MOSFET:

CHƯƠNG II:CHỈNH LƯU

TRƯỜNG HỢP 1:

MÔ HÌNH CHỈNH LƯU HÌNH TIA BA PHA TẢI THUẦN TRỞ

SƠ ĐỒ MẠCH CHỈNH LƯU

Kết quả mô phỏng:Điện áp của 3 pha a, b, c:

Nhìn vào độ thị ta thấy:

Hệ thống điện áp ba pha bao gồm ba điện áp một pha, có cùng biên độ là 326V, cùng tần số là 50 HZ nhưng đều lệch pha nhau 1 góc , từ đó, mỗi chu ký của 1 pha điệnáp sẽ là 1/50 s = 0.02 s = 20 ms.

Do mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha không điều khiển là mạch biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha thành một chiều sử dụng 3 diode mắc ứng với mỗi pha của nguồn Cực âm của mỗi diode nối với nhau và nối với tải ngõ ra tạo hình một hình tia Tại mỗi thời điểm chỉ có một diode dẫn điện, không thể có hai hoặc ba diode đồng dẫn Xét đến đồ thị so sánh giữa dòng điện qua các diode và điện áp trên các nguồn:

Nguyên lý mạch điện như sau:

+ Từ góc 0 - 90 độ thì điện áp pha B là lớn nhất, diode D2 sẽ dẫn điện trong khoảng này vì điện áp đặt trên cực dương D2 lớn hơn các diode D1 và D3 Do đó khi D2 dẫn trong khoảng thời gian này và diode D1 D3 bị phân cực ngược Dòng điện qua D2, qua tải và về trung tính.

+ Từ góc 90 - 210 độ thì điện áp pha C là lớn nhất, D3 bắt đầu dẫn điện và D1, D2 bị phân cực ngược nên không dẫn.

+ Tương tự 120 độ sau đó D1 dẫn và D2, D3 ngưng dẫn Chu kỳ tiếp tục lặp lại mỗi diode dẫn điện trong khoảng thời gian T/3

Từ đó suy ra dòng điện trên tải là dòng điện của mỗi diode khi đang dẫn, dòng điện trong trường hợp này là dòng liên tục.

Còn đây là đồ thị so sánh giữa điện áp của tải và điện áp của nguồn:

Thì thấy điện áp chỉnh lưu có 3 xung, chu kỳ áp chỉnh lưu = T/3 với T là chu kỳ điện áp nguồn.

Đồ thị dòng điện trên tải R:

Ta thấy hình ảnh mô phỏng đúng so với lý thuyết:

Đồ thị dòng điện trên mỗi diode và đồ thị dòng điện trên tải RL

Dòng điện trên tải:

Nhận xét:

Khi có thêm tụ lọc thì dạng dòng điện ra của tải sẽ bằng phẳng hơn.

Để làm phẳng điện áp ngõ ra người ta sử dụng tụ lọc có giá trị đủ lớn mắc song song với tải Điện áp trên tải sẽ bằng điện áp trên tụ, khi điện áp giảm thì tụ điện sẽ xả điện.Nếu tụ có giá trị điện dung đủ lớn thì khi xác lập dòng điện và điện áp ngõ ra sẽ dạng là một đường thẳng.

Ở đây, ta dùng tụ có giá trị 0.01 farad

Kết luận chung:

Đã mô phỏng đúng và cho ta thấy được bộ chỉnh lưu đã biến đổi được từ điện áp xoay chiều sang điện áp 1 chiều.

CHƯƠNG III:NGHỊCH LƯU

Đồ án môn học

TRƯỜNG HỢP 1:

SO SÁNH TRƯỜNG HỢP THAY ĐỔI VAN (IGBT VÀ MOSFET)

Ta xây dựng hai sơ đồ mô phỏng trên cùng 1 trang Simplorer và đổi tên thành Thaydoivan, các thông số của các phần tử ta setup như sau:

Battery: 24VPULSE: 50Hz, Phase: 0Resistor: 1500 ohm

Các thông số mô phỏng, tùy chọn giải pháp và thông số phân tích ta setup như phần chỉnh lưu.

Bắt đầu phân tích:

Đồ thị của nguồn 1 chiều trên 2 sơ đồ:

Đồ án môn họcĐồ thị của tín hiệu đầu ra Pulse áp trên mỗi van:

Đồ thị của điện áp đầu ra trên tải:

Ta thấy hai dạng sóng đầu ra của cả 2 trường hợp sử dụng van IGBT và van MOSFET đều cho ta kết quả điện áp dạng sóng xung vuông điều hòa

Đồ án môn họcNguyên lý hoạt động của mạch:

Van đóng mở dạng xung vuông, với tần số 50HZ, góc pha 0 độ.

Điện áp từ nguồn Battery với dạng đồ thị gần như là phẳng dao động trong khoảng 24V, khi dòng điện đi từ nguồn đi qua van IGBT rồi qua tải rồi lại về nguồn, điện áp được đo qua van sẽ có dạng xung vuông, đóng cắt theo tần số 50Hz, từ đó, điện áp được đo trên 2 đầu điện trở cũng sẽ có dạng xung vuông như hình vẽ:

Thông số setup cho các phần từ:Battery1, Battery2, Battery3: 24V

PULSE1, PULSE2, PULSE3: 50Hz, Phase: 0Resistor1, Resistor2, Resistor3: 1500 ohmL2, L3: 1.5 H

C3: 0.15 farad

Đồ thị biểu diễn điện áp của ba nguồn Battery1, Battery2, Battery3:

Đồ án môn họcĐiện áp của nguồn Battery3 tăng dần từ điểm 0V rồi dần xác lập với giá trị xấp xỉ 24V do có sự xuất hiện của tụ điện (quá trình nạp năng lượng của tụ).

Vì setup thông số của các bộ PULSE 1,2,3 đều là 50Hz và góc pha là 0 nên các van sẽ mở như nhau:

Đồ thị điện áp trên 3 trường hợp có sự khác nhau, khi tải có thêm cuộn dây L, dạng sóng cho ra sẽ cong và gần giống với hình sin hơn, còn khi tải có R-L-C, thì điện áp đầu ra sẽ bớt nhấp nhô và có dạng phẳng (vì vậy còn gọi là trường hợp có tụ lọc).

Ta thấy tương tự như phần chỉnh lưu, ở nghịch lưu, khi thay đổi tải có những thông số phù hợp thì sẽ cho ra những dạng sóng ra phù hợp.

Với trường hợp nguồn 1 chiều, ta setup như của phần thay đổi van sử dụng IGBT, còn với nguồn xoay chiều, ta setup thông số cho nguồn như sau:

Đồ án môn họcE xoay chiều có điện áp lớn nhất là 220V, góc phase: 0, tần số 50 Hz

Đồ thị biểu diễn tín hiệu của PULSE 1, PULSE 2 là như nhau vì cũng tạo góc mở 0 với tần số50 Hz

Từ hai đồ thị trên ta thấy, dòng điện sẽ không thể dẫn được qua van vì khi van mở dẫn đến điện áp được đo 2 đầu van bằng 0, điện áp khi đó âm, mà van chỉ dẫn dòng khi điện áp đặt vào đầu van dương hơn Để nhìn rõ hơn, ta sẽ xem xét đồ thị kết hợp giữa tín hiệu van mở, điện áp vào và điện áp đầu ra trên tải dưới đây.

- Đối với nguồn xoay chiều khi ta thay đổi tần số của bộ Pulse điều khiển xung van bằng bội số lần của tần số điện áp xoay chiều (f = n.fđknguồn), n chẵn

Đồ án môn họcVới n=2 ta có đồ thị như hình bên dưới:

Với n=4:

Với n=20

Đồ án môn học-Với trường hợp n lẻ thì ta sẽ có dạng tín hiệu điện áp ra trên tải đối xứng nhau qua đường thằng đi qua điện áp lớn nhất ở tín hiệu đầu vào

Đồ án môn học

TRƯỜNG HỢP 4:

BÁN CẦU 1 PHA THUẦN TRỞ (SỬ DỤNG 2 NGUỒN 1 CHIỀU)

Trong trường hợp này, ta sử dụng tải thuần trở R.

Với 2 nguồn mắc nối tiếp nhau, 2 đầu còn lại của 2 nguồn nối với van và nối tiếp với tải và đivề điểm nối giữa 2 nguồn như hình vẽ:

Bộ điều khiển xung của 2 van ta setup thông số lệch pha nhau một góc 180 độĐồ thị điện áp của 2 nguồn:

Đồ án môn họcĐồ thị tín hiệu của 2 van:

Đồ thị điện áp trên tải:

Nhìn vào kết quả đồ thị điện áp ra trên tải, ta thấy được dạng đồ thị đang điều hòa nửa âm nửa dương, từ đó ta đã thấy được đã chuyển được từ dạng điện áp 1 chiều sang điện áp xoay chiều.

Đồ án môn học

Nguyên lý hoạt động của mạch:

Ta thấy 2 van mở lệch nhau 1 góc π, nên từ khoảng thời gian từ 0-π , dòng điện từ nguồn U1 sẽ đi qua được van IGBT1, lúc này van IGBT2 vẫn khóa nên sẽ không có dòng điện chạy quavan nên điện áp đo trên 2 đàu A B U =0, từ đó tải sẽ có dòng điện từ nguồn 1 đi qua và AB2

dạng U sẽ có dạng:AB

Đồ án môn họcTương tự, thì đến khoảng thời gian từ π đến 2π, van IGBT1 khóa, van IGBT2 mở, dòng điện của nguồn U2 được đi qua, giá trị của UBA2=UAB1 (do 2 nguồn có điện áp bằng nhau), mà UBA= - U nên điện áp trên tải lúc này sẽ là:AB

Từ đó theo phương pháp xếp chồng, ta sẽ có dạng điện áp chung đầu ra trên tải dạng:

Như vậy, từ dạng điện áp 1 chiều trên nguồn, đã chuyển được thành dạng điện áp xoay chiều biến đổi từ âm sang dương và ngược lại theo 1 chu kỳ nhất định (ở đây với tần số 50 Hz)

Đồ án môn học

TRƯỜNG HỢP 5:

BÁN CẦU 1 PHA SỬ DỤNG MỘT NGUỒN DC VÀ HAI TỤ

Xét với trường hợp bán cầu 1 pha sử dụng một nguồn DC và hai tụ với tải là thuần trở

Nguồn DC: 300V2 tụ C1 C2: 1,5 farahR1: 50 ohm

2 van IGBT mở xung lệch nhau 1 góc 180 độ, tần số 50Hz- Quá trình nạp hai tụ C1 C2:

Khi van IGBT1 mở, van IGBT2 khóa, dòng điện đi từ nguồn đến van IGBT1 qua R1, rồi qua tụ C2 rồi về nguồn Khi đó tụ C2 được nạp năng lượng

Ngược lại, khi van IGBT1 khóa, van IGBT2 mở thì tụ C1 được nạp.Đồ thị điện áp và dòng điện của 2 tụ C1 C2:

Đồ án môn họcDo 2 tụ mắc nối tiếp với nhau và cùng song song với nguồn nên điện áp lớn nhất được nạp cho 2 tụ là 150V

Dòng điện dẫn về 0 khi hai tụ được nạp đầy

Khi đó, 2 tụ điện sẽ đóng vai trò như là 2 nguồn điện mới với điện áp bằng U/2, khi 2 tụ đầy năng lượng sẽ diễn ra quá trình xả Quá trình nạp-xả diễn ra luân phiên liên tục và xảy ra rất nhanh.

Quá trình 2 tụ xả năng lượng sẽ giống như trường hợp 4: nghịch lưu bán cầu 1 pha sử dụng 2 nguồn.

Quá trình xả năng lượng của 2 tụ tương tự trường hợp 4(ở đây 2 tụ đóng vai trò như 2 nguồn 1 chiều)