Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

Thiết kế bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu Tiristor

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 2

CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Giới thiệu đề tài 1

1.2 Sơ đồ thay thế tương đương 1

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 3

2.1 Tính toán mạch chỉnh lưu cầu 1 pha 3

2.2 Tính toán mạch chỉnh lưu cầu 3 pha 3

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 4

3.1 Thiết kế hệ thống Driver cho điều khiển Tiristor 4

3.1.1 Cấu trúc chung 4

3.1.2 Khâu đồng bộ 4

3.1.3 Khâu tạo điện áp tựa 5

3.1.4 Khâu so sánh 6

3.1.5 Khâu tạo xung chùm 6

3.2 Tổng hợp bộ điều khiển cho mạch chỉnh lưu cầu 3 pha sử dụng van Tiristor 7

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB 11

4.1 Sơ đồ tổng quan thiết kế mô phỏng bộ nguồn dòng 11

4.2 Thông số mô phỏng 13

4.3 Kết quả mô phỏng 13

4.3.1 Giá trị điện áp đầu ra chỉnh lưu 13

4.3.2 Điện áp điều khiển 14

4.3.3 Dòng điện thực và dòng điện đặt 14

KẾT LUẬN 16

TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ mạch lực nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng 1

Hình 1.2 Sơ đồ thay thế chỉnh lưu cầu 3 pha tạo nguồn dòng 2

Hình 3.1 Cấu trúc của hệ thống driver cho các bộ biến đổi điều khiên Tiristor 4

Hình 3.2 Biến áp đồng pha cho chỉnh lưu 3 pha đấu ∆/Y 5

Hình 3.3 Điện áp tựa dạng răng cưa sườn lên 5

Hình 3.4 Mạch so sánh 6

Hình 3.5 Biểu đồ phát xung chùm cho chỉnh lưu cầu ba pha 7

Hình 3.6 Khâu tạo xung chùm có độ rộng (π – α) 7

Hình 3.7 Mạch vòng điều khiển dòng điện của hệ chỉnh lưu Tiristor 9

Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng 11

Hình 4.2 Hệ thống driver thiết kế cho van chỉnh lưu Tiristor 11

Hình 4.3 Sơ đồ mạch lực 12

Hình 4.4 Sơ đồ mô phỏng tải nguồn xung 12

Hình 4.5 Điện áp đầu ra chỉnh lưu 13

Hình 4.6 Tín hiệu điện áp điều khiển 14

Hình 4.7 Tín hiệu dòng điện thực ra tải 14

Hình 4.8 Dạng sóng dòng điện thực ra tải 15

CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu đề tài

Lò nấu thép trung tần được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam, với dải công suất nhỏ từ 100 đến 750kW, công suất lớn cỡ 1 đế 10MW Bộ biến đổi thường dùng cấu trúc chỉnh lưu Tiristor cầu 3 pha, cùng với một cuộn kháng một chiều, tạo nên nguồn dòng, nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng song song, tần số từ 500Hz đến 2400Hz

Sơ đồ mạch lực nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng được mô tả trên hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ mạch lực nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng Nghịch lưu cộng hưởng nguồn dòng để tạo ra dòng điện gần sin với tần số tương đối cao Nghịch lưu cộng hưởng có ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực gia nhiệt cảm ứng, nấu luyện thép cảm ứng, trong đó dòng điện cảm ứng trong các vật liệu sắt từ cung cấp năng lượng làm tăng nhiệt độ của vật, không cần đến sự tiếp xúc giữa nguồn nhiệt với vật bị nung nóng Nghịch lưu cộng hưởng chính là nguồn cung cấp năng lượng với hiệu suất cao trong các thiết bị tôi cao tần, lò nấu thép cảm ứng, thiết bị quấy thép đang nóng chảy

1.2 Sơ đồ thay thế tương đương

Sơ đồ thay thế tương đương bộ chỉnh lưu cầu ba pha tạo nguồn dòng được mô tả trong hình 1.2

Trong đó, nguồn e(t) là đầu ra của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha có nguồn điện áp vào 220V/500Hz, góc mở α = 300

Hình 1.2 Sơ đồ thay thế chỉnh lưu cầu 3 pha tạo nguồn dòng a) Sơ đồ khối, b) Mạch điện

tương đương

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN MẠCH LỰC

2.1 Tính toán mạch chỉnh lưu cầu 1 pha

Giá trị trung bình điện áp đầu ra mạch chỉnh lưu cầu pha nguồn điện áp đầu vào

2 220

U  V , tần số f  500Hzđược xác định trong công thức 2.1

2

0.9 cos( ) 0.9 220 cos 171.5( )

6

d

Giá trị dòng điện trung bình ra tải xác định trong công thức 2.2

3

300 10

1749( ) 171.5

t d d

P

U



Như vậy dòng điện qua van được xác định từ giá trị dòng điện trung bình ra tải trong công thức 2.3

1749

875( )

2 2

d v

I

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên mỗi van Tiristor được tính từ công thức 2.4

2

1, 41 1, 41.220 310( )

ng

Với f = 500Hz tra bảng 2.2.7 trang 440 tài liệu (1) ta chọn van T930S với dòng trung bình I tb 930 ,A Umax 1600 ,V du 550( /V s),di 250( /A s)

2.2 Tính toán mạch chỉnh lưu cầu 3 pha

Giá trị điện áp đầu vào mạch chỉnh lưu cầu 3 pha là điện áp hình sin, điện áp

2 220

U  V , tần số f  50Hz

Giá trị điện áp ngược lớn nhất đặt lên van được tính toán theo công thức 2.5

max 2.45 2 2.45 220 539( )

ng

Giá trị dòng điện qua van xác định qua công thức 2.6

1749

583( )

3 3

Id

Với f  50Hz ta tra bảng 2.2.1 trang 436 tài liệu (1) ta chọn van T828N với

600 , 828 , 300( / )

di

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1 Thiết kế hệ thống Driver cho điều khiển Tiristor

3.1.1 Cấu trúc chung

Hình 3.1 Cấu trúc của hệ thống driver cho các bộ biến đổi điều khiên Tiristor

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống driver điều khiển cho các bộ biến đổi phụ thuộc theo nguyên tắc điều khiển được chỉ trên Hình 3.1 Trong các bộ biến đổi phụ thuộc các Tiristo được điều khiển mở bởi các xung tại các thời điểm, chậm pha so với điểm chuyển mạch tự nhiên một góc α, gọi là góc điều khiển Điểm chuyển mạch tự nhiên có thể là các điểm điện áp nguồn qua không (chỉnh lưu cầu một pha) hoặc các điểm điện áp nguồn cắt nhau (chinh lưu ba pha) Vì vậy khâu đầu tiên trong hệ thống điều khiển là khâu đồng pha, khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo ra hệ thống điện áp tựa, đồng bộ với điện áp lưới, nghĩa là cho phép xác định giá trị đầu của góc điều khiển α

Đối với chỉnh lưu cầu 3 pha, giá trị trung bình điện áp đầu ra 2 6sin( ) cos( )

6

m d



do đó giá trị góc điều khiển α thay đổi trong khoảng giá trị từ 00

đến 900

3.1.2 Khâu đồng bộ

Khâu đồng bộ có 2 chức năng chính:

- Đảm bảo quan hệ về góc pha cố định với điện áp của van lực nhằm xác định điểm gốc để tính góc điều khiển α

- Hình thành điện áp có dạng phù hợp làm xung nhịp cho hoạt động của khâu tạo điện

áp tựa phía sau nó

Để thực hiện chức năng đồng bộ, nhóm đã sử dụng máy biến áp 3 pha đấu ∆/Y, sơ đồ được mô tả trong hình 3.2

Hình 3.2 Biến áp đồng pha cho chỉnh lưu 3 pha đấu ∆/Y

3.1.3 Khâu tạo điện áp tựa

Điện áp điều khiển được biến đổi thành góc điều khiển α tại khâu so sánh nhờ so sánh với điện áp tựa Dạng điện áp tựa mà nhóm sử dụng là điện áp xung răng cưa sườn lên Giá trị α được xác định trong công thức 3.1

,

,

r

c m

u t

U



Điện áp tựa dạng răng cưa sườn lên được mô tả trong hình 3.3

Hình 3.3 Điện áp tựa dạng răng cưa sườn lên

Trong mạch điều khiển chỉnh lưu dùng dạng răng cưa đi lên sẽcho quan hệ giữa điện

áp răng cưa và góc điều khiển α tỉ lệ thuận (nghĩa là điện áp điều khiển lớn thì góc mở α lớn) Mặt khác ta cũng biết rằng quan hệ giữa góc điều khiển α và điện áp đầu ra chỉnh lưu nhận được lại tuân theo qui luật tỉ lệ nghịch U d U cos d0   (nghĩa là α tăng thì U d giảm) Như vậy tương ứng với việc tăng điện áp điều khiển sẽ dẫn đến giảm điện áp chỉnh lưu, điều này nhiều khi không thuận lợi cho hệ thống điều khiển vòng kín

3.1.4 Khâu so sánh

Khâu này có chức năng so sánh điện áp điều khiển với điện áp tựa dạng răng cưa sườn lên để định góc mở α Khâu so sánh có thể thực hiện bằng khuếch đại thuật toán

Mạch so sánh có thể sử dụng là mạch so sánh một cổng hoặc mạch so sánh hai cổng

Sơ đồ cấu trúc mạch so sánh được mô tả trong hình 3.4

Hình 3.4 Mạch so sánh (a) Một cổng (b) Hai cổng

3.1.5 Khâu tạo xung chùm

Dạng xung chùm là dạng thông dụng nhất vì cho phép mở tốt van lực trong mọi trường hợp, với mọi dạng tải và nhiều sơ đồ chỉnh lưu khác nhau Xung chùm thực chất là một chùm các xung có tần số cao gấp nhiều lần tần số lưới Độ rộng xung của một chùm xung có thể được hạn chế trong khoảng (100 – 130) độ điện, về nguyên tắc nó phải kết thúc khi điện

áp trên van lực mà nó điều khiển đối dấu sang âm

Biểu đồ phát xung chùm cho chỉnh lưu cầu ba pha được mô tả trong hình 3.5

Hình 3.5 Biểu đồ phát xung chùm cho chỉnh lưu cầu ba pha

Để tạo được xung chùm có độ rộng (π – α), sơ đồ được thể hiện qua hình 3.6

Hình 3.6 Khâu tạo xung chùm có độ rộng (π – α)

3.2 Tổng hợp bộ điều khiển cho mạch chỉnh lưu cầu 3 pha sử dụng van Tiristor

Theo tính toán ở trên, ta thay thế mạch nghịch lưu cộng hưởng thành bởi nguồn sức điện động e(t) có tần số cao

Điện áp trung bình đầu ra chỉnh lưu cầu 3 pha được xác định qua công thức 3.2

2

6 sin( ) cos( ) 6

m d



Mối quan hệ giữa góc mở α của Tiristor với điện áp điều khiển theo (3.3), khi điện áp tựa có dạng sườn răng cưa đi lên

,

dk

c m

u U

Hệ số Kr,m thể hiện sự phụ thuộc vào điện áp điều khiển udk để hệ thống hoạt động ổn định trong toàn dải điều chỉnh được xác định như trong công thức 3.4

,

.sin

m

r m

c m

p



 

Với U2m là giá trị đỉnh của điện áp dây đặt vào mạch chỉnh lưu U2m 380 2( )V

Chọn giá trị điện áp đỉnh của xung răng cưa Uc,m = 10V, giá trị K r m, được tính như trong công thức 3.5

,

6 sin 380 2 .sin 161, 22

10 6

m

r m

c m

p

 

Mối quan hệ giữa điện áp xung và điện áp điều khiển xác định trong phương trình 3.6

 

  , , 161, 22 161, 22

( )

1 1 0, 001667 1

1

2.6.50

d DCX

dk

s



(3.6)

Với T là chu kì điện áp lưới, p là độ đập mạch của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha, p = 6 Hằng số thời gian

3

2 0, 43771.10

0, 001282 0,3413

d d d

L T R



Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp đầu ra chỉnh lưu xác định trong công thức 3.7

1 0,3413 1 0, 001282 1 0, 001282

d i

G s

Ta sử dụng bộ điều khiển GPI có cấu trúc theo (3.8)

Trong đó điểm không của bộ điều chỉnh GPI(s) được lựa chọn bằng điểm cực của đối tượng Gi(s) nghĩa là 2

0, 001282

d

z d

d

L

R

Hình 3.7 Mạch vòng điều khiển dòng điện của hệ chỉnh lưu Tiristor

Hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện được tổng hợp như trong phương trình 3.9

i  i i G s G s E G s (3.9)

Từ đó, mối liên hệ giữa dòng điện ra với dòng điện đặt và giá trị điện áp được xác định trong phương trình 3.10

d d

Coi thành phần sức điện động E là nhiễu và được triệt tiêu nhờ vào thành phần tích phân của bộ điều chỉnh dòng điện, ta có hàm truyền của hệ kín được viết lại như (3.11)

*

2

2

2

2

rm

d p d

d k

rm

d p d

K p

R T T

G s G s G s i

G s

K p

Đây là dạng hàm truyền bậc 2 có dạng

2

n

G s





Từ (3.11) và (3.12), xác định được các tham số của hàm truyền đạt như (3.13)

2

2 rm n

d p d

n

K p

R T T p

T











(3.13)

2

  từ công thức trên, xác định được giá tham số bộ điều khiển T p trong công thức (3.14)

161, 22.0, 02

1.5744

rm

K T

Như vậy, hàm truyền đạt (3.15) của bộ điều khiển dòng diện được xác định bằng cách thay các tham số T T p, zvào phương trình (3.8)

  1 1 0, 001282

1,5744

z PI

p

G s

Đánh giá ảnh hưởng của nhiễu do nguồn sức điện động E tác động lên mạch vòng dòng điện với các tham số đã xác định

Hàm truyền đạt giữa sức điện động và dòng điện đầu ra được tính toán xác định trong biểu thức (3.16)

     

* 0

1 2

2

d

d d

i s

T

G s

p



     

(3.16)

Hàm truyền đạt (3.17) xác định bằng cách thay các giá trị tham số đã biết vào (3.16)

  0, 0048836 3 2 2,932

2,137.10 0, 002949 1.001 1

d

G s

s



 

0

lim d 0

s sG s

  như vậy ta có thay đổi của nguồn sức điện động E không ảnh hướng tới dòng điện đầu ra

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB

4.1 Sơ đồ tổng quan thiết kế mô phỏng bộ nguồn dòng

Mô hình tổng quan các khối trong thiết kế được mô tả trong hình 4.1

Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng

Hệ thống driver cho van chỉnh lưu Tiristor 1 và 4 được mô tả trong hình 4.2

Hình 4.2 Hệ thống driver thiết kế cho van chỉnh lưu Tiristor

Sơ đồ mạch lực được minh họa trong hình 4.3

Hình 4.3 Sơ đồ mạch lực

Hệ thống tải nguồn xung e t( ) được mô tả trong hình 4.4

4.2 Thông số mô phỏng

- Chế độ mô phỏng: Hệ thống được mô phỏng ở chế độ liên tục

- Thời gian mô phỏng: t1s

- Giá trị điện áp đặt được xác định ở 2 giá trị đặt I 30A trong khoảng thời gian

0 0.5

t  s và I 50A trong khoảng thời gian t0.5 1 s, lượng đặt dòng điện thay đổi từ

30 50A ở thời điểm t0.5s

- Tham số mô phỏng:

Điện áp nguồn: 380 / 50V Hz

Giá trị điện cảm: L d 1 H

Giá trị điện trở: R d 0.01 

Điều khiển theo phương pháp xung chùm với độ rộng xung 20e5 s

Tham số bộ điều khiển cài đặt: K p1.65,K I 0.015,K d 0

4.3 Kết quả mô phỏng

4.3.1 Giá trị điện áp đầu ra chỉnh lưu

Giá trị điện áp chỉnh lưu khi có tác động của nguồn e(t) được mô tả trên hình 4.5

Hình 4.5 Điện áp đầu ra chỉnh lưu

4.3.2 Điện áp điều khiển

Dạng tín hiệu của giá trị điện áp điều khiển được thể hiện trên hình 4.6

Hình 4.6 Tín hiệu điện áp điều khiển

4.3.3 Dòng điện thực và dòng điện đặt

Kết quả đáp ứng dòng điện thực được thể hiện trên hình 4.7

Dạng sóng dòng điện theo 2 giá trị đặt được thể hiện qua hình 4.8

Hình 4.8 Dạng sóng dòng điện thực ra tải

KẾT LUẬN

Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, nhóm chúng em đã thu được những kết quả sau:

- Thiết kế được bộ nguồn dòng dùng chỉnh lưu cầu 3 pha ổn định được dòng điện bám theo giá trị đặt yêu cầu

- Mô phỏng kiểm chứng bằng phần mềm MATLAB

Những vấn đề còn tồn tại:

- Thiết kế bộ điều khiển chưa đạt như mong muốn

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TS Vũ Hoàng Phương đã tận tình

hướng dẫn, chỉ bảo giúp chúng em hoàn thành đề tài này

Em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Anh

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương, 2014 Giáo trình thiết kế điều khiển cho các

bộ biến đổi điện tử công suất

2 Phạm Quốc Hải, 2009 Hướng dẫn thiết kế Điện tử công suất KH&KT

3 Trần Trọng Minh Giáo trình Điện tử công suất Nhà xuất bản Giáo dục

4 PGS Nguyễn Doãn Phước, 2002 Lý thuyết điều khiển tuyến tính KH&KT