Đồ án tốt nghiệp điều áp xoay chiều ba pha dùng IGBT

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Đỗ Mạnh Cường Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Em xin cảm ơn Hà Nội, ngày 28 tháng 04 năm 2017 Sinh viên thực hiện: Trần Văn Bắc LỜI NÓI ĐẦU Sự đời phát triển nhanh chóng kĩ thuật bán dẫn công suất lớn như: Triac, Tranzito công suất, Thyristor v.v với hoàn thiện mạch điều khiển chúng tạo nên thay đổi sâu sắc phát triển vượt bậc kĩ thuật biến đổi điện Vai trò lĩnh vực điện tử công suất ngày quan trọng sản xuất đời sống người Ở Việt Nam trình công nghiệp hóa đại hóa phát triển mạnh mẽ, đặt yêu cầu cấp thiết cần có kỹ sư, nhà nghiên cứu khoa học tìm hiểu nghiên cứu chuyên sâu lĩnh vực Tuy tương đối mẻ nước ta, khái niệm biến đổi công suất lớn nghiên cứu ứng dụng rộng rãi giới Chính lợi ích to lớn biến đổi công suất lớn kiểm chứng thực tế thực trạng Việt Nam lĩnh vực chưa đầu tư nghiên cứu mức Trong trình làm Đồ án tốt nghiệp em hướng dẫn thầy TS Đỗ Mạnh Cường em nỗ lực cố gắng nghiên cứu tìm hiểu biến đổi công suất Trong trình tìm hiểu nghiên cứu em nhận thấy đặc điểm vượt trội hẳn so với biến đổi khác điều áp xoay chiều ba pha sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM Sau trình tìm hiểu nghiên cứu với hướng dẫn tận tình thầy Đỗ Mạnh Cường em rút kết luận đánh giá Em xin gửi lời cảm ơn đến nhà trường viện Điện tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Đỗ Mạnh Cường giúp đỡ tận tình bảo hướng dẫn em hoàn thành Đồ án tốt nghiệp Vì lĩnh vực đồ án nên tránh khỏi sai sót, thiếu sót nên e mong nhận đóng góp bảo thầy cô, nhà nghiên cứu để Đồ án em hoàn thiện hơn, em xin cảm ơn! MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU iv DANH MỤC VIẾT TẮT v LỜI NÓI ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY MẠ TÔN 1.1 Quy trình sản xuất mạ kẽm tôn cuộn 1.2 Bộ gia nhiệt điện trở 1.3 Yêu cầu công nghệ cho điều áp xoay chiều Chương ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP CHO BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU 2.1 Điều áp xoay chiều ba pha sử dụng thyristor……………………………… …….8 2.2 Quan hệ góc điều khiển công suất tải ……………………………………10 2.3 Ưu nhược điểm điều áp xoay chiều ba pha dùng thyristor……………………17 2.4 Các ứng dụng quan trọng điều áp xoay chiều ……………………………….18 Chương BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG PWM 20 3.1 Các cấu trúc thường dùng 20 3.2 Nguyên lý hoạt động mạch 24 3.3 Sơ đồ dòng chảy mạch điện 25 3.4 Thiết kế, tính toán thông số mạch 28 Chương CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PWM 32 4.1 Các phương pháp điều khiển PWM 32 4.2 Thiết kế mạch vòng điều khiển điện áp 33 Chương KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CHO BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU PWM 36 5.1 Cấu trúc mạch điều khiển vòng hở 36 5.2 Cấu trúc mạch điều khiển vòng kín (có phản hồi điện áp) 46 5.3 Mô mạch ba pha 51 KẾT LUẬN .55 TÀI LIỆU THAM KHẢO .57 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình vẽ chương 1: Hình 1.1 Sơ đồ dây chuyền sản xuất tôn………………………………………………… Hình vẽ chương 2: Hình 2.1 Điều áp xoay chiều pha dùng thyristor………………………………… ……9 Hình 2.1 Đồ thị điện áp ra………………………………………………………… …….9 Hình 2.3 Cấu trúc điều áp pha với tải trở đấu sao……….………………………10 Hình2.4 Sơ đồ dẫn dòng pha dẫn………………………………………….11 Hình 2.5 Sơ đồ dẫn dòng có van dẫn………………………………………… 11 Hình 2.6 Đồ thị điện áp pha A tải, góc dẫn thyristor   (180o  ) ………………….13 Hình 2.7 Đồ thị điện áp pha A tải với   60  90 …………………………………14 Hình 2.8 Đồ thị điện áp pha A tải với   90  150 ……………………………… 15 Hình 2.9 Đồ thị mô tải mối quan hệ công suất góc điều khiển………………… 17 Hình vẽ chương 3: Hình 3.1 Cấu trúc mạch Buck với hai chuyển mạch…………………………………… 21 Hình 3.2 Cấu trúc mạch Buck với ba chuyển mạch……………………………… ……22 Hình 3.3 Khâu phát xung cho biến đổi sử dụng chuyển mạch………………… …22 Hình 3.4 Cấu trúc mạch Buck với bốn chuyển mạch…………………………………….23 Hình 3.5 Sơ đồ mạch điện……………………………………………………………… 23 Hình 3.6 Sơ đồ dòng chảy nửa chu kỳ dương SW1 thông…………………… 24 Hình 3.7 Sơ đồ dòng chảy nửa chu kỳ dương SW2 thông…………………… 25 Hình 3.8 Sơ đồ dòng chảy nửa chu kỳ âm SW1 thông……………………… 26 i Danh mục hình vẽ Hình 3.9 Sơ đồ dòng chảy nửa chu kỳ âm SW2 thông……………………… 27 Hình vẽ chương 4: Hình 4.1 Đáp ứng điện áp cấp tín hiệu điều khiển………………………………32 Hình 4.2 Đáp ứng có dạng chữ S…………………………………………………………33 Hình 4.3 Đáp ứng độ khâu quán tính bậc có trễ……………………….33 Hình 4.4 Cấu trúc mạch vòng kín ……………………………………………………… 34 Hình vẽ chương 5: Hình 5.1 Mạch điều khiển vòng hở biến đổi…………………………………… 35 Hình 5.2 Khâu tạo tín hiệu xung tam giác có biên độ – V, tần số sóng mang f= 600Hz………………………………………………………………………………… 35 Hình 5.3 Đồ thị điện áp đầu biến đổi tải RL………………………………… 36 Hình 5.4 Phân tích phổ sóng hài đặt điện áp điều khiển 3,5V (70%)…………… 37 Hình 5.5 Đồ thị dòng điện tải với tải RL(R=5,8 L=0,0114)………………………… 38 Hình 5.6 Đồ thị điện áp dòng điện tải (tải RL) (5*Iout)…………………… 38 Hình 5.7 Đồ thị dòng điện phía nguồn vào…………………………………………… 39 Hình 5.8 Phân tích phổ sóng hài phía đầu vào……………………………………… 39 Hình 5.9 Khối Ramp điện áp giữ điện áp mức 1,5V(30%) 3,5V (70%)……… 40 Hình 5.10 Đồ thị biểu diễn mức ramp điện áp (30% 70%) đồ thị phát xung cho SW1………………………………………………………………………………………40 Hình 5.11 Đồ thị biểu diễn mức điện áp tải………………………………………… 41 Hình 5.12 Power Factor Mensuarement Block………………………………………….41 Hình 5.13 Tạo khối Power Factor Mensuarement Block……………………………… 42 Hình 5.14 Mạch mô lắp thêm lọc đầu vào đầu ra…………………… 42 Hình 5.15 Điện áp đầu sau lọc…………………………………………………….43 Hình 5.16 Đồ thị dòng điện đầu vàokhi mắc thêm lọc ………………………………43 Hình 5.17 Phân tích phổ sóng hài dòng điện đầu vào Ta thấy thành phần THD 1,06% 44 ii Danh mục hình vẽ Hình 5.18 Mô mạch vòng kín phản hồi điện áp với Uđk =2.5V………………… 44 Hình 5.19 Giá trị điện áp hiệu dụng đầu biến đổi Uđk=2.5V……………… 45 Hình 5.20 Điện áp đầu biến đổi Uđk=2.5V……………………………… 45 Hình 5.21 Điện áp đầu biến đổi Uđk=2.5V(khi phóng to)………………46 Hình 5.22 Mô mạch vòng kín phản hồi điện áp với Uđk =3.5V………………… 46 Hình 5.23 Giá trị điện áp hiệu dụng đầu đặt điện áp điều khiển 3,5V (154 Vrms)…………………………………………………………………………………… 47 Hình 5.24 Giá trị điện áp đầu đặt điện áp điều khiển 3,5V (154 Vrms)……… 47 Hình 5.25 Giá trị điện áp đầu đặt điện áp điều khiển 3,5V (154 Vrms)(phóng to)…………………………………………………………………………………………48 Hình 5.26 Tín hiệu điều khiển tín hiệu sóng mang tam giác…………………………48 Hình 5.27 Tín hiệu đầu PI…………………………………………………… 49 Hình 5.28 Mạch lực điều áp xoay chiều ba pha…………………………………… 49 Hình 5.29 Phát xung SPWM…………………………………………………………….50 Hình 5.30 Tín hiệu điều khiển tín hiệu sóng mang……………………………………51 Hình 5.31 Điện áp đầu pha A……………………………………………………… 53 Hình 5.32 Điện áp đầu pha A……………………………………………………… 53 Hình 5.33 Điện áp đầu pha …………………………………………………….54 iii Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 2.1 Mối quan hệ công suất tải góc điều khiển………………………… 16 Bảng 3.1 Quá trình đóng cắt van…………………………………………… …22 Bảng 3.2 Datasheet IGBT STGF30H60DF………………………………………….29 Bảng 5.1 Bảng số liệu tỷ số điều chế hệ số công suất đầu vào………………… 42 iv Danh mục viết tắt DANH MỤC VIẾT TẮT FAC PWM AC Choper PWM SHE PWM Phase Angle Control Pulse Width Modulation AC Choper Pulse Width Modulation Selective Harmonic Elimination PWM SVM Space Vector Modulation SPWM Sin Pulse Width Modulation v Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Sự đời phát triển nhanh chóng kĩ thuật bán dẫn công suất lớn như: Triac, Tranzito công suất, thyristor.v.v với hoàn thiện mạch điều khiển chúng tạo nên thay đổi sâu sắc phát triển vượt bậc kĩ thuật biến đổi điện Vai trò lĩnh vực điện tử công suất ngày quan trọng sản xuất đời sống người Ở Việt Nam trình công nghiệp hóa đại hóa phát triển mạnh mẽ, đặt yêu cầu cấp thiết cần có kĩ sư, nhà nghiên cứu khoa học tìm hiểu nghiên cứu chuyên sâu lĩnh vực Tuy tương đối mẻ nước ta, khái niệm biến đổi công suất lớn nghiên cứu ứng dụng rộng rãi giới Chính lợi ích to lớn biến đổi công suất lớn kiểm chứng thực tế thực trạng Việt Nam lĩnh vực chưa đầu tư nghiên cứu mức Trong trình làm Đồ án tốt nghiệp em hướng dẫn thầy TS Đỗ Mạnh Cường em nỗ lực cố gắng nghiên cứu tìm hiểu biến đổi công suất Trong trình tìm hiểu nghiên cứu em nhận thấy đặc điểm vượt trội hẳn so với biến đổi khác điều áp xoay chiều ba pha sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM Sau trình tìm hiểu nghiên cứu với hướng dẫn tận tình thầy Đỗ Mạnh Cường em rút kết luận đánh giá Em xin gửi lời cảm ơn đến nhà trường viện Điện tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Đỗ Mạnh Cường giúp đỡ tận tình bảo hướng dẫn em hoàn thành Đồ án tốt nghiệp Vì lĩnh vực đồ án nên tránh khỏi sai sót, thiếu sót nên e mong nhận đóng góp bảo thầy cô, nhà nghiên cứu để Đồ án em hoàn thiện hơn, em xin cảm ơn! Chương Kết mô cho điều áp xoay chiều PWM Hình 5.13 Tạo khối Power Factor Mensuarement Block Lần lượt đặt điện áp điều khiển khác ta có bảng hệ số công suất đầu vào biến đổi Uđk (D) 1(0.2) 1.5(0.3) 2(0.4) 2.5(0.5) 3(0.6) 3.5(0.7) 4(0.8) 4.5(0.9) IPF 0.453 0.553 0.6367 0.711 0.778 0.84 0.897 0.95 Bảng 5.1 Bảng số liệu tỷ số điều chế hệ số công suất đầu vào Ta thấy hệ số công suất điện áp điều khiển nhỏ thấp lúc điện áp bị điều chỉnh sâu Hệ số công suất tăng tăng điện áp điều khiển (tăng tỷ số điều chế D) 43 Chương Kết mô cho điều áp xoay chiều PWM Hình 5.14 Mạch mô lắp thêm lọc đầu vào đầu Hình 5.15 Điện áp đầu sau lọc Nhận xét: Điện áp đầu sau lọc sin Tần số không đổi (50Hz) biên độ thay đổi 44 Chương Kết mô cho điều áp xoay chiều PWM Hình 5.16 Đồ thị dòng điện đầu vào mắc thêm lọc Hình 5.17 Phân tích phổ sóng hài dòng điện đầu vào Ta thấy thành phần THD 1,06% Nhận xét: Khi mắc thêm lọc làm cho dạng điện áp dòng điện sin Tuy nhiên xuất nhiễu loạn đo THD, điều việc cấu hình khối powergui chưa hợp lý 45 Chương Kết mô cho điều áp xoay chiều PWM 5.2 Cấu trúc mạch điều khiển vòng kín (có phản hồi điện áp) Nhược điểm cấu trúc điều khiển vòng hở giá trị điện áp đầu không bám với giá trị đặt Bởi vật cấu trúc điều khiển mạch vòng kín đưa để giải vấn đề Tong đồ án em chọn thiết kế điều chỉnh điện áp Hình 5.18 Mô mạch vòng kín phản hồi điện áp với Uđk =2.5V Sơ đồ mạch vòng kín, đặt giá trị điện áp điều khiển 2,5V điện áp đầu đạt 110V tương ứng, điều cho thấy điều khiển PI điều khiển bám với giá trị đặt Hình 5.19 Giá trị điện áp hiệu dụng đầu biến đổi Uđk=2.5V 46 Chương Kết mô cho điều áp xoay chiều PWM Hình 5.20 Điện áp đầu biến đổi Uđk=2.5V Hình 5.21 Điện áp đầu biến đổi Uđk=2.5V (khi phóng to) 47 Chương Kết mô cho điều áp xoay chiều PWM Hình 5.22 Mô mạch vòng kín phản hồi điện áp với Uđk =3.5V Hình 5.23 Giá trị điện áp hiệu dụng đầu đặt điện áp điều khiển 3,5V (154 Vrms) Nhận xét: Ta nhận thấy điện áp đầu đạt giá trị mong muốn 154V Điều cho thấy điều khiển đáp ứng với yêu cầu Tuy nhiên thời điểm ban đầu có độ điều chỉnh lớn 48 Chương Kết mô cho điều áp xoay chiều PWM Hình 5.24 Giá trị điện áp đầu đặt điện áp điều khiển 3,5V (154 Vrms) Hình 5.25 Giá trị điện áp đầu đặt điện áp điều khiển 3,5V (154 Vrms) (phóng to) 49 Chương Kết mô cho điều áp xoay chiều PWM Hình 5.26 Tín hiệu điều khiển tín hiệu sóng mang tam giác Hình 5.27 Tín hiệu đầu PI Nhận xét: Lúc đầu đầu PI không đáp ứng kịp, sau điều chỉnh để bám giá trị đặt 50 Chương Kết mô cho điều áp xoay chiều PWM 5.3 Mô mạch ba pha Hình 5.28 Mạch lực điều áp xoay chiều ba pha 51 Chương Kết mô cho điều áp xoay chiều PWM Hình 5.29 Phát xung SPWM Hình 5.30 Tín hiệu điều khiển tín hiệu sóng mang 52 Chương Kết mô cho điều áp xoay chiều PWM Hình 5.31 Điện áp đầu pha A Hình 5.32 Điện áp dây đầu UAB 53 Chương Kết mô cho điều áp xoay chiều PWM Hình 5.33 Điện áp đầu pha Nhận xét: Điện áp đầu pha có dạng chuỗi xung lệch 1200 54 Kết luận KẾT LUẬN Sau nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu, thiết kế điều áp xoay chiều ba pha sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM”, em hiểu thêm biến đổi công suất, biết thêm kiến thức cách xây dựng mô phần mềm mô Matlab • Sau điểm làm - Nêu nhược điểm phương pháp điều khiển góc pha - Nêu điểm mạnh phương pháp - Tính toán thông số, chọn van, xây dựng mạch vòng điều khiển - Mô phát xung mạch hở cho sơ đồ pha - Mô matlab xem xét đặc điểm dòng, áp, phân tích thành phần sóng hài, hệ số công suất đầu vào • - Sau điểm chưa làm đề xuất cho tương lai Do tài liệu tham khảo thời gian hạn chế nên chưa tìm xác thông số mạch vòng điều chỉnh (hàm truyền từ đầu đến đầu vào…) - Bộ điều khiển PI chưa tối ưu - Chưa xây dựng mạch vòng kín cho hệ ba pha - Do chưa có điều kiện nên chưa nghiên cứu thực nghiệm chưa làm mạch thật Chương Kết mô cho điều áp xoay chiều PWM Do điều kiện thời gian có hạn nên báo cáo đồ án nhiều thiếu sót hạn chế Em xin chân thành cảm ơn TS Đỗ Mạnh Cường người trực tiếp hướng dẫn, tận tình bảo giúp đỡ vấn đề khó khăn trình làm đề tài Bản thiết kế tốt nghiệp hoàn thành thiếu giúp đỡ thầy Em mong nhận góp ý từ phía thầy cô để đồ án trở nên hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 05 tháng năm 2017 Sinh viên thực Trần Văn Bắc 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “Improvement of Input Power Factor in PWM AC Chopper by Selecting the Optimal Parameters”, Apinan AURASOPON and Wanchai KHAMSEN [2] “HARMONIC ELIMINATION IN PWM AC CHOPPER” [3] “Designing Parameters in PWM Buck AC Chopper for Unity Input Power Factor”, Wanchai Khamsen, Apinan Aurasopon, Worawat Sa-ngiamvibool and Supaporn Kaittisin [4] “DESIGN OF A SINGLE PHASE AC-AC CONVERTER” Md Imtiaz Khan, Abdul Ahad, Kamrul Islam [5] Matlab – Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, thầy Nguyễn Phùng Quang [6] Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất, thầy Phạm Quốc Hải [7] Lý thuyết điều khiển, thầy Nguyễn Doãn Phước 57 ... mạch điều áp xoay chiều thưởng sử dụng mạch điều áp xoay chiều ba pha, tải mắc hinh (Y) tải hình tam giác (Δ) Quá trình làm việc mạch điều áp xoay chiều ba pha phức tạp so với mạch pha pha ảnh... đổi Chương Đề xuất giải pháp cho điều áp xoay chiều Chương ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP CHO BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU Điều áp xoay chiều pha có nhiều phương án, xem xét vài phương án phổ biến hay sử dụng... Phương án điều áp xoay chiều sử dụng Thyristor Khi có sẵn nguồn xoay chiều, để thay đổi điện áp tải, ta dùng điều chỉnh điện áp xoay chiều (ĐAXC) dùng van bán dẫn Việc điều chỉnh điện áp tải