Thiết kế bộ chỉnh lưu điều khiển kích từ cho máy phát

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH 1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 ĐỀ TÀI TÌM HIỂU 2 Chương 1 3 HỆ THỐNG KÍCH TỪ MÁY PHÁT 3 1.1. ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3 1.1.1. Khái niệm chung 3 1.1.2. Nguyên lý làm việc 3 1.2. HỆ THỐNG KÍCH TỪ MÁY PHÁT 4 1.2.1. Tổng quan về hệ thống kích từ 4 1.2.2. Vận hành máy phát điện 5 Chương 2 7 CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN 7 2.1. TỔNG QUÁT CHUNG 7 2.2. PHƯƠNG ÁN CHÍNH 7 Chương 3 10 TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC 10 3.1. TÍNH TOÁN CHỌN VAN LỰC 10 3.1.1. Điện áp ngược của van 10 3.1.2. Dòng điện trên van 10 3.2. TÍNH TOÁN BIẾN ÁP LỰC 11 3.2.1. Tính toán sơ bộ mạch từ máy biến áp 12 3.2.2. Tính toán dây quấn 13 3.2.3. Tiết diện cửa sổ máy biến áp 14 3.2.4. Kết câu dây quấn máy biến áp 16 3.2.5. Tính các thông số máy biến áp 18 3.2.6. Xác định góc mở cực tiểu và cực đại 20 Chương 4 21 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 21 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH 2 4.1. CẤU TRÚC MẠCH ĐIỀU KHIỂN 21 4.2. SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 23 4.2.1 Sơ đồ 23 4.2.2 Nguyên lý hoạt động 25 4.3. CÁC KHÂU ĐIỀU KHIỂN 25 4.3.1. Khâu đồng pha 25 4.3.2. Khâu tạo điện áp răng cưa 28 4.3.3. Khâu so sánh 30 4.3.4. Khâu tạo xung chùm 32 4.3.5. Cổng AND 33 4.3.6. Khâu khuyếch đại xung và biến áp xung. 34 4.3.7. Khối nguồn 37 Chọn linh kiện bán dẫn 38 Chương 5 39 KẾT QUẢ SAU MÔ PHỎNG 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH 1 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp. đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều. Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hang ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh mẽ. Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì ngành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hóa hiện đại hóa của đất nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất. Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn , chính xác. Đó là nhiêm vụ của ngành điện tử công suất cần phải giải quyết. Để giải quyết được vấn đề này thì đất nước ta cần phải có đội ngũ thiết kế đông đảo và tài năng. Sinh viên ngành ĐCN trong tương lai không xa sẽ đứng trong hàng ngũ này, do đó mà cần phải tự trang bị cho mình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng,. Chính vì vậy đồ án môn học Điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên của ngành ĐCN. Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của sinh viên, và cũng là điều kiện để sinh viên ngành ĐCN tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về Điện tử công suất. Mặc dù vậy, với sinh viên năm thứ ba vẫn còn dang ngồi trong ghế nhà trường thì kinh nghiệm thực tế còn chưa có nhiều, do đó cần phải có sự hướng dẫn giúp đỡ của thầy , cô giáo. Qua đây cho em xin gửi lời cảm ơn tới thầy NGUYỄN DUY MINH đã tận tình chỉ dẫn, giúp nhóm em hoàn thành tốt đồ án môn học này. Hà nội, ngày 19 tháng 5 năm 2015 Nhóm sinh viên thực hiện Nhóm 5 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH 2 ĐỀ TÀI TÌM HIỂU Thiết kế mạch chỉnh lưu có điều khiển hệ thống kích từ máy phát:   (V)   (A) Phạm vi điều chỉnh (V) 90 30    ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH 3 Chương 1 HỆ THỐNG KÍCH TỪ MÁY PHÁT 1.1. ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 1.1.1. Khái niệm chung Máy đồng bộ là máy điện xoay chiều có hai dây quấn, một dây quấn nối với lưới điện có tần số là f1 không đổi, còn dây quấn thứ hai được kích thích bằng dòng điện một chiều (f2 = 0). Động cơ đồng bộ được sử dụng khá rộng rãi, có công suất trung bình và lớn, có yêu cầu ổn định tốc độ cao. Động cơ đồng bộ thường dung cho máy bơm, quạt gió, các hệ thống truyền động của nhà máy luyện kim và cũng được sử dụng làm động cơ sơ cấp trong các tổ máy phát – động cơ công suất lớn. động cơ đồng bộ có độ ổn định tốc độ cao, hệ số  và hiệu suất lớn, vận hành có độ tin cậy cao. Mạch stato của nó tương tự như của động cơ không đồng bộ mạch roto có cuộn kích từ để sinh ra từ trường trong máy và các cuộn dây khởi động (kiểu lồng sóc và kiểu dây quấn). 1.1.2. Nguyên lý làm việc Dưới tác động của từ trường do dòng kích từ gây ra lên từ trường quay của stato tạo nên momen, momen quay với tốc độ đồng bộ. Từ trường quay trong khe hở không khí kéo theo roto sẽ quay với tốc độ đồng bộ. Khi đóng stato động cơ đồng bộ vào lưới điện xoay chiều có tần số f1 không đổi, động cơ sẽ làm việc với tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ:   =    Trong đó:   : Tần số của lưới điện, p: Số cặp cực từ. ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH 4 Trong phạm vi momen cho phép    , đặc tính cơ là tuyệt đối cứng, nghĩa là độ cứng đặc tính cơ  ∞. Khi momen vượt quá giá trị   thì tốc độ động cơ sẽ mất dần đồng bộ. 1.2. HỆ THỐNG KÍCH TỪ MÁY PHÁT 1.2.1. Tổng quan về hệ thống kích từ Chức năng cơ bản của hệ thống kích từ là cung cấp dòng một chiều cho cuộn dây tạo từ trường của máy điện đồng bộ. Hệ thống kích từ được điều khiển và bảo vệ nhằm đáp ứng công suất kháng cho hệ thống thông qua sự điều khiển điện áp bằng cách điều khiển dòng điện kích từ. Hệ thống kích từ sử dụng máy phát xoay chiều như là nguồn năng lượng kích từ của máy phát chính. Thường máy kích từ có cùng trục đối với trục Turbine, máy phát. Điện áp xoay chiều ở ngõ ra của bộ kích từ được hỉnh lưu có điều khiển hoặc không điều khiển để tạo ra dòng một chiều cần cho từ trường của máy phát. Chức năng điều khiển bao gồm việc điều chỉnh điện áp, phân bố công suất, nâng cao tính ổn định của hệ thống. Chức năng bảo vệ là đảm bảo được khả năng của máy điện đồng bộ, hệ thống kích từ và các thiết bị khác không được vượt quá giới hạn cho phép. Các yêu cầu cơ bản là hệ thống kích từ cung cấp và tự điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát đồng bộ để duy trì điện áp ở đầu ra cũng như giữ cho điện áp đầu ra biến thiên trong phạm vi cho phép lien tục của máy phát, các yêu cầu này có thể hình dung từ đường cong điện áp của máy phát. Độ dự trữ cho tốc độ biến thiên của nhiệt độ, hư hỏng thiết bị, quá tải định mức khẩn cấp …cần được quản lý công suất định mức trong trạng thái xác lập. Thông thường định mức bộ kích từ biến thiên từ    kW/MVA của định mức máy phát. ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH 5 Ngoài hệ thống kích từ phải có khả năng đáp ứng quá độ bất ổn định với từ trường cưỡng bức phù hợp với máy phát một cách tức thời và ngắn hạn. Khả năng của máy phát xem như đươc giới hạn bởi các yếu tố:  Hư cách điện rotor ở điện áp kích từ cao.  Nóng rotor ở dòng điện kích từ lớn  Nóng stator do dòng quá tải ở phần ứng lớn.  Lõi bị nóng trong suốt thời gian vận hành ở trạng thái thiếu kích từ và sinh nhiệt do mật độ từ trường cao (V/Hz).  Giới hạn nhiệt có đặc tính độc lập với thời gian.  Khả năng quá tải ngắn hạn của máy phát có thể mở rộng từ    giây.  Qua nhiều năm phát triển hệ thống kích từ có nhiều dạng, chúng có thể được chia làm ba loại cơ bản dựa trên nguồn năng lượng mà bộ kích từ sử dụng:  Hệ thống kích từ một chiều.  Hệ thống kích từ xoay chiều.  Hệ thống kích từ tĩnh. 1.2.2. Vận hành máy phát điện Quá trình mở máy chia làm hai giai đoạn: Khởi động không đồng bộ và đưa vào đồng bộ. Trong giai đoạn thứ nhất: Sau khi dây quấn stator được nối vào lưới điện ba pha được tạo ra sẽ tác động lên dây quấn khởi động (hay là lồng sóc khởi động đặt trong roto của máy) gây nên momen quay đưa tốc độ động cơ lên gần tốc độ đồng bộ. Trong giai đoạn thứ hai, dòng kích từ sẽ đưa vào roto, động cơ sẽ tự kéo vào đồng bộ và lồng sóc khởi động hết tác dụng. Để hạn chế dòng điện, có thể dung giảm điện áp bằng biến áp tự ngẫu hoặc dung cuộn kháng. Người ta rất ít dùng điện trở phụ để hạn chế dòng điện vì tổn thất năng ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH 6 lượng lớn và chỉ tiêu chất lượng khởi động không tốt. Với động cơ công suất nhỏ và ở điện áp thấp thì có thể cho phép sử dụng điện trở phụ để hạn chế dòng điện. Trong giai đoạn khởi động không đồng bộ, dây quấn kích thích ở roto không được hở mạch vì sức điện động cảm ứng tạo thành có thể chọc thủng cách điện. Để đáp ứng sự sử dụng tốt nhất của hệ thống kích từ, cần biết đầy đủ khả năng đáp ứng của máy phát ngắn hạn miễn không vượt quá giới hạn cho phép. Hệ thống kích từ sẽ giúp cho việc điều khiển điện áp có hiệu quả và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Nó sẽ có khả năng cho đáp ứng của độ bất ổn định một cách nhanh chóng để nâng cao quá độ ổn định và điều chỉnh từ trường của máy phát để nâng cao độ ổn định tĩnh. ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH 7 Chương 2 CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN Nguồn điện một chiều cấp cho động cơ điện một chiều có thể lấy được từ nhiều cách khác nhau. Lấy trực tiếp từ máy phát điện một chiều hoặc có thể dùng bộ biến đổi một chiều. Trong thực tế, bộ biến đổi một chiều có thể dễ dàng thiết kế nhờ các mạch chỉnh lưu sử dụng các van bán dẫn. Hơn nữa, các mạch chỉnh lưu sử dụng van điều khiển còn có thể dễ dàng điều khiển được theo yêu cầu của từng loại tải. Do các ưu điểm đó, ta thiết kế nguồn một chiều thông qua các mạch chỉnh lưu điện áp xoay chiều lấy từ lưới điện. Dưới đây là một số mạch chỉnh lưu cơ bản và hay được sử dụng. 2.1. TỔNG QUÁT CHUNG Để có thể kích mở và vận hành điều chỉnh tốc độ của máy phát điện một cách chính xác chúng ta cần một hệ thống kích từ sử dụng chỉnh lưu có điều khiển. mạch chỉnh lưu này cần thỏa mãn các thông số yêu cầu của đề bài và các chỉ tiêu như : đảm bảo về mặt kỹ thuật, dễ vận hành và đảm bảo yêu cầu về mặt kinh tế. Thông qua chỉnh lưu, dòng điện một chiều được cấp cho cuộn kích từ và điều chỉnh được nhằm mục đích điều chỉnh tốc độ máy phát. Ta có :     lớn hơn 30V nên ta chọn mạch chỉnh lưu cầu để sử dụng trong hệ thống kích từ.  Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển. Không nhất thiết phải có biến áp nguồn. Tuy nhiên do số lượng van gấp đôi hình tia nên sụt áp trong mạch van cũng từng gấp đôi. Do đó không phù hợp với tải cần có dòng lớn những điện áp nhỏ.  Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển Cho phép có thể đấu thẳng vào lưới điện bap ha, độ dập mach nhỏ 5%. Nó có thể sử dụng máy biến áp thì gây méo lưới điện ít hơn các loại trên. Đồng thời công suất mạch chỉnh lưu này có thể lên tới vài trăm KW.Nhưng mạch này có sụt áp trên van gấp đôi sụt áp trong mạch sơ đồ hình tia. 2.2. PHƯƠNG ÁN CHÍNH Lại xét:         nhỏ hơn 5Kw nên chúng ta sử dụng loại chỉnh lưu một pha. ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH 8 Dựa vào các nhận xét trên và thỏa mãn yêu cầu kinh tế nên chúng ta chọn chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển mắc Katot chung (bởi vì mạch này có giá thành rẻ hơn, tiết kiệm năng lượng, thiết kế mạch lực đơn giản hơn và thích hợp hơn với với phạm vi điều chỉnh điện áp ra tải không quá lớn) Hình 2.1: Sơ đồ và đồ thị dạng xung của mạch Nhóm catôt chung là các tiristo nên chúng được mở ở các thời điểm α của nó. Nhóm anôt chung là van điôt nên chúng luôn mở tự nhiên theo điện áp nguồn : Đ1 mở khi   bắt đầu âm ; Đ  mở khi   bắt đầu dương. Do vậy sự dẫn của các van trong chu kỳ lưới là :  Trong khoảng α ÷ π:   Đ  dẫn  Trong khoảng π ÷ (π + α) :   Đ  dẫn do ở π ,   mở tự nhiên làm   khóa  Trong khoảng (π + α) ÷ 2π :   Đ  dẫn ,   được phát xung mở ở điểm (π+ α) và dẫn làm cho   khóa .  Trong khoảng 2π ÷ (2π + α) :   Đ  dẫn , Đ  mở tự nhiên ở điểm 2π . Công thức: [...]... SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH Chương 4 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Sau khi thiết kế mạch lực ta nhận thấy cần có hệ thống đúng để điều khiển mạch lực nói trên Mạch điều khiển này phải đáp ứng được nhu cầu cần thực hiện của mạch điều khiển. Có hai hệ thống điều khiển là hệ đồng bộ và hệ không đồng bộ Hệ đồng bộ: Trong hệ này góc điều khiển mở, van ∝ luôn được xác định xuất phát từ một thời điểm cố định của điện... mạch điều khiển phải có khâu thực hiện nhiệm vu gọi là khâu đồng bộ để đảm bảo mạch điều khiển hoạt động theo nhịp của điện áp lực Hệ không đồng bộ: Trong hệ này ∝ không xác định theo điện áp lực mà được tính dựa vào trạng thái của tải chỉnh lưu và góc điều khiển đồng bộ Tuy nhiên để bộ chỉnh lưu hoạt động bình thường bắt buộc phải thực hiện điều khiển theo mạch vòng kín Hiện nay đại đa số mạch chỉnh lưu. .. thực hiện các nhiệm vụ chính sau: 1 Phát xung điều khiển (xung để mở van) để các van lực theo đúng pha với góc điều khiển ∝ cần thiết 2 Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển ∝ 𝑚𝑖𝑛 +∝ 𝑚𝑎𝑥 tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải của mạch lực 3 Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu như chế độ khởi động, chế độ nghịch lưu, các chế độ dòng điện lien tục... với điện áp điều khiển (Udk là điện áp một chiều) 21 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH DX là khâu tạo xung KĐX là khâu khuếch đại xung để đưa đến diều khiển đóng mở thyristor KĐX có tính chất cách ly nên dùng biến áp xung Góc điều khiển α thay đổi là do điện áp điều khiển Udk thay đổi Khi Udk = 0 ÷ URcmax thì α = 0 ÷ 180 Yêu cầu chung đối với mạch điều khiển Mạch điều khiển chỉnh lưu cần thực... thường bắt buộc phải thực hiện điều khiển theo mạch vòng kín Hiện nay đại đa số mạch chỉnh lưu điều khiển theo sơ đồ đồng bộ vì khâu đồng bộ có ưu điểm hoạt động cố định, dễ thực hiện CẤU TRÚC MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.1 Ngày nay mạch điều khiển thường dùng được thiết kế theo kiểu thẳng đứng (dọc), điều khiển đồng bộ Sơ đồ cấu trúc có dạng sau: ĐF là khâu đồng pha để tạo điện áp đồng pha, có tính chất cách... tăng dòng điều khiển là 0,1A/ 𝜇𝑠  Độ rộng xung điều khiển đủ cho dòng qua van kịp vượt trị số dòng điện duy trì 𝐼 𝑑𝑡 của nó, để khi ngắt xung van vẫn giữ được trạng thái dẫn 22 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH  Có dạng phù hợp với sơ đồ chỉnh lưu và tính chất tải Có bốn dạng xung điều khiển phổ biến là xung đơn, xung kép, xung rộng và xung chum Để có thể thiết kế mạch chỉnh lưu dùng van... ngắt xung điều khiển khi sự cố, thong báo các hiện tượng không bình thường của lưới và bản than bộ chỉnh lưu 9 Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van lực phù hợp để mở chắc chắn van, có nghĩa là phải thỏa mãn các yêu cầu:  Đủ công suất thể hiện ở điện áp và dòng điện điều khiển 𝑈 𝑑𝑘 , 𝐼 𝑑𝑘  Có sườn xung dốc đứng để mở van chính xác vào thời điểm quy định, thường tốc độ tăng áp điều khiển phải... đối xứng xung điều khiển tốt, không vượt quá 10 ÷ 30 điện, tức là góc điều khiển với mọi van không được lệch quá giá trị trên 5 Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động cả về giá trị điện áp và tần số 6 Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt 7 Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1ms 8 Thực hiện các yêu cầu về bảo vệ bộ chỉnh lưu từ phía điều khiển nếu cần,... Khi tín hiệu đồng bộ âm tụ C được nạp và ngược lại khi tín hiệu răng cưa Tín hiệu này được so sánh với tín hiệu điều khiển được lấy ra từ khâu phản hồi Bộ 𝐼𝑐0𝐴4 là mạch đa hài tạo ra dao động xung chùm có tần số cao với mục đích giảm kích thước của máy biến áp xung Tín hiệu cao tần trộn với tín hiệu khi so sánh rồi tiếp tục kết hợp với tín hiệu phân phối nhằm tạo ra tín hiệu cho từng Thyritor riêng... xét kỹ lưỡng hơn các đặc điểm điều khiển loại van này 4.2 SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.2.1 Sơ đồ 23 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH 24 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH 4.2.2 Nguyên lý hoạt động Tín hiệu xoay chiều sau khi đi qua biến áp nguồn được chỉnh lưu bởi 2 điốt Đ1 và Đ2 Điện áp sau chỉnh lưu so sánh với điện áp chuẩn 𝑈0 để tạo tín hiệu đồng bộ trùng với thời điểm điện áp