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

Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu em nhận thấy những đặc điểm vượt trội hẳn so với các bộ biến đổi khác của bộ điều áp xoay chiều ba pha sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PW

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BA PHA BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG do em tự

thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Đỗ Mạnh Cường Các số liệu và kết quả

là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Em xin cảm ơn

Hà Nội, ngày 28 tháng 04 năm 2017

Sinh viên thực hiện:

LỜI NÓI ĐẦU

Sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kĩ thuật bán dẫn công suất lớn như: Triac, Tranzito công suất, Thyristor v.v cùng với sự hoàn thiện mạch điều khiển chúng tạo nên sự thay đổi sâu sắc và sự phát triển vượt bậc của kĩ thuật biến đổi điện năng Vai trò của lĩnh vực điện tử công suất ngày càng quan trọng trong sản xuất cũng như trong đời sống con người Ở Việt Nam quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đang phát triển mạnh mẽ, do đó đặt ra yêu cầu cấp thiết cần có những kỹ sư, nhà nghiên cứu khoa học tìm hiểu nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này Tuy còn tương đối mới mẻ ở nước ta, nhưng những khái niệm về bộ biến đổi công suất lớn đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới Chính vì những lợi ích to lớn của bộ biến đổi công suất lớn đã được kiểm chứng trong thực tế cũng như thực trạng là ở Việt Nam lĩnh vực này còn chưa được đầu tư nghiên cứu đúng mức Trong quá trình làm

Đồ án tốt nghiệp của em dưới sự hướng dẫn của thầy TS Đỗ Mạnh Cường em đã nỗ lực

cố gắng nghiên cứu và tìm hiểu các bộ biến đổi công suất hiện nay Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu em nhận thấy những đặc điểm vượt trội hẳn so với các bộ biến đổi khác của bộ điều áp xoay chiều ba pha sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

Sau quá trình tìm hiểu nghiên cứu cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy Đỗ

Mạnh Cường em đã rút ra kết luận đánh giá Em xin gửi lời cảm ơn đến nhà trường

cũng như viện Điện đã tạo điều kiện cho em hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp và em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Đỗ Mạnh Cường đã giúp đỡ tận tình chỉ bảo hướng dẫn em hoàn thành bản Đồ án tốt nghiệp này Vì lĩnh vực của đồ

án này còn mới nên không thể tránh khỏi những sai sót, thiếu sót nên e rất mong nhận được sự đóng góp chỉ bảo của các thầy cô, nhà nghiên cứu để bài Đồ án của

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 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY MẠ TÔN 2

1.1 Quy trình sản xuất mạ kẽm tôn cuộn 2

1.2 Bộ gia nhiệt điện trở 5

1.3 Yêu cầu công nghệ cho bộ điều áp xoay chiều 6

Chương 2 ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP CHO BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU 8

2.1 Điều áp xoay chiều ba pha sử dụng thyristor……… …….8

2.2 Quan hệ giữa góc điều khiển và công suất tải ………10

2.3 Ưu nhược điểm của điều áp xoay chiều ba pha dùng thyristor………17

2.4 Các ứng dụng quan trọng của điều áp xoay chiều ……….18

Chương 3 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 của mạch 24

3.3 Sơ đồ dòng chảy của mạch điện 25

3.4 Thiết kế, tính toán thông số mạch 28

Chương 4 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PWM 32

5.3 Mô phỏng mạch ba pha 51

KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình vẽ chương 1:

Hình 1.1 Sơ đồ dây chuyền sản xuất tôn……… 2

Hình vẽ chương 2: Hình 2.1 Điều áp xoay chiều 1 pha dùng thyristor……… ……9

Hình 2.1 Đồ thị điện áp ra……… …….9

Hình 2.3 Cấu trúc điều áp 3 pha với tải thuần trở đấu sao……….………10

Hình2.4 Sơ đồ dẫn dòng khi cả 3 pha cùng dẫn……….11

Hình 2.5 Sơ đồ dẫn dòng khi chỉ có 2 van dẫn……… 11

Hình 2.6 Đồ thị điện áp pha A của tải, góc dẫn thyristor(180o )……….13

Hình 2.7 Đồ thị điện áp pha A của tải với 0 0 90 60    ………14

Hình 2.8 Đồ thị điện áp pha A của tải với 0 0 150 90    ……… 15

Hình 2.9 Đồ thị mô tải mối quan hệ giữa công suất và 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 bộ biến đổi sử dụng 3 chuyển mạch……… …22

Hình 3.4 Cấu trúc mạch Buck với bốn chuyển mạch……….23

Danh mục hình vẽ

Hình 3.9 Sơ đồ dòng chảy trong nửa chu kỳ âm khi SW2 thông……… 27

Hình vẽ chương 4: Hình 4.1 Đáp ứng điện áp khi cấp một tín hiệu điều khiển………32

Hình 4.2 Đáp ứng có dạng chữ S………33

Hình 4.3 Đáp ứng quá độ của một khâu quán tính bậc nhất có trễ……….33

Hình 4.4 Cấu trúc mạch vòng kín ……… 34

Hình vẽ chương 5: Hình 5.1 Mạch điều khiển vòng hở của bộ biến đổi……… 35

Hình 5.2 Khâu tạo tín hiệu xung tam giác có biên độ 0 – 5 V, tần số sóng mang f= 600Hz……… 35

Hình 5.3 Đồ thị điện áp đầu ra của bộ biến đổi tải RL……… 36

Hình 5.4 Phân tích phổ sóng hài khi đặt điện áp điều khiển là 3,5V (70%)……… 37

Hình 5.5 Đồ thị dòng điện ra tải với tải RL(R=5,8 L=0,0114)……… 38

Hình 5.6 Đồ thị giữa điện áp và dòng điện ra 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 ở phía đầu vào……… 39

Hình 5.9 Khối Ramp điện áp và giữ điện áp ở mức 1,5V(30%) và 3,5V (70%)……… 40

Hình 5.10 Đồ thị biểu diễn mức ramp điện áp (30% và 70%) và đồ thị phát xung cho SW1………40

Hình 5.11 Đồ thị biểu diễn mức điện áp ra 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 phỏng khi lắp thêm bộ lọc đầu vào và đầu ra……… 42

Hình 5.15 Điện áp đầu ra sau khi lọc……….43

Hình 5.16 Đồ thị dòng điện đầu vàokhi mắc thêm bộ lọc ………43

Hình 5.17 Phân tích phổ sóng hài của dòng điện đầu vào Ta thấy thành phần THD chỉ còn 1,06% 44

Hình 5.18 Mô phỏng mạch vòng kín phản hồi điện áp với Uđk =2.5V……… 44

Hình 5.19 Giá trị điện áp hiệu dụng ở đầu ra bộ biến đổi khi Uđk=2.5V……… 45

Hình 5.20 Điện áp đầu ra của bộ biến đổi khi Uđk=2.5V……… 45

Hình 5.21 Điện áp đầu ra của bộ biến đổi khi Uđk=2.5V(khi đã phóng to)………46

Hình 5.22 Mô phỏng mạch vòng kín phản hồi điện áp với Uđk =3.5V……… 46

Hình 5.23 Giá trị điện áp hiệu dụng ở đầu ra khi đặt điện áp điều khiển 3,5V (154 Vrms)……… 47

Hình 5.24 Giá trị điện áp ở đầu ra khi đặt điện áp điều khiển 3,5V (154 Vrms)……… 47

Hình 5.25 Giá trị điện áp ở đầu ra khi đặt điện áp điều khiển 3,5V (154 Vrms)(phóng to)………48

Hình 5.26 Tín hiệu điều khiển và tín hiệu sóng mang tam giác………48

Hình 5.27 Tín hiệu đầu ra của bộ PI……… 49

Hình 5.28 Mạch lực bộ điều áp xoay chiều ba pha……… 49

Hình 5.29 Phát xung SPWM……….50

Hình 5.30 Tín hiệu điều khiển và tín hiệu sóng mang………51

Hình 5.31 Điện áp đầu ra ở pha A……… 53

Hình 5.32 Điện áp đầu ra ở pha A……… 53

Hình 5.33 Điện áp đầu ra ở cả 3 pha ……….54

Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 2.1 Mối quan hệ giữa công suất ra tải và góc điều khiển……… 16

Bảng 3.1 Quá trình đóng cắt của các van……… …22

Bảng 3.2 Datasheet của IGBT STGF30H60DF……….29

Bảng 5.1 Bảng số liệu giữa tỷ số điều chế và hệ số công suất đầu vào……… 42

DANH MỤC VIẾT TẮT

FAC Phase Angle Control

PWM AC Choper Pulse Width Modulation AC Choper

SHE PWM Selective Harmonic Elimination

PWM

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kĩ thuật bán dẫn công suất lớn như: Triac, Tranzito công suất, thyristor.v.v cùng với sự hoàn thiện mạch điều khiển chúng tạo nên sự thay đổi sâu sắc và sự phát triển vượt bậc của kĩ thuật biến đổi điện năng Vai trò của lĩnh vực điện tử công suất ngày càng quan trọng trong sản xuất cũng như trong đời sống con người Ở Việt Nam quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đang phát triển mạnh mẽ, do đó đặt ra yêu cầu cấp thiết cần có những kĩ sư, nhà nghiên cứu khoa học tìm hiểu nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này Tuy còn tương đối mới mẻ ở nước ta, nhưng những khái niệm về bộ biến đổi công suất lớn đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới Chính vì những lợi ích to lớn của bộ biến đổi công suất lớn đã được kiểm chứng trong thực tế cũng như thực trạng là ở Việt Nam lĩnh vực này còn chưa được đầu tư nghiên cứu đúng mức Trong quá trình làm

Đồ án tốt nghiệp của em dưới sự hướng dẫn của thầy TS Đỗ Mạnh Cường em đã nỗ lực

cố gắng nghiên cứu và tìm hiểu các bộ biến đổi công suất hiện nay Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu em nhận thấy những đặc điểm vượt trội hẳn so với các bộ biến đổi khác của bộ điều áp xoay chiều ba pha sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

Sau quá trình tìm hiểu nghiên cứu cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy Đỗ Mạnh Cường em đã rút ra kết luận đánh giá Em xin gửi lời cảm ơn đến nhà trường cũng như viện Điện đã tạo điều kiện cho em hoàn thành bản đồ án tốt nghiệp và em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Đỗ Mạnh Cường đã giúp đỡ tận tình chỉ bảo hướng dẫn em hoàn thành bản Đồ án tốt nghiệp này Vì lĩnh vực của đồ

án này còn mới nên không thể tránh khỏi những sai sót, thiếu sót nên e rất mong nhận được sự đóng góp chỉ bảo của các thầy cô, nhà nghiên cứu để bài Đồ án của

em hoàn thiện hơn, em xin cảm ơn!

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY MẠ TÔN

Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế, công nghiệp xây dựng, việc sử dụng tôn trong các công trình xây dựng được sử dụng là rất nhiều Do đó việc sản xuất tôn được rất nhiều nhà sản xuất trong nước đưa vào sản xuất Cùng với sản xuất tôn với mẫu mã mới, đẹp và chất lượng cũng rất được quan tâm, chú ý Để đảm bảo chất lượng và sự bền vững cho tôn, ngày nay nhiều nhà sản xuất áp dụng công nghệ mạ kẽm cho tôn

Chương 1 Tổng quan về nhà máy mạ tôn

Bước 1 Kiểm tra nguyên liệu đầu vào

• Cân cuộn tôn đen, ghi và lưu các số liệu như: Trọng lượng cuộn lý thuyết (của nhà sản xuất) và thực tế (trọng lượng khi đem cân), trọng lượng bao bì, quy cách và loại tôn (tôn cứng hay tôn mềm) vào sổ theo dõi chất lượng tôn đen

• Kiểm tra chất lượng tôn đen

- Kiểm tra sơ bộ: quy cách, nguồn gốc xuất xứ

- Tháo bỏ bao bì và kiểm tra bên trong nguyên liệu, đối với vác cuộn không đạt tiêu chuẩn như bị méo, bị giãn biên, giãn bụng, rỉ sét nặng

- Trong quá trình mạ phải thường xuyên theo dõi chất lượng tôn đen (mức độ dầu mỡ, giãn biên, giãn bụng, đứt nối giữa cuộn…)

- Cấp nguyên liệu liên tục vào dây chuyền

Sau khi nguyên liệu đã đạt tiêu chuẩn để mạ, nguyên liệu được đưa vào thiết bị xả cuộn

và nối vào cuộn cũ để cấp tôn liên tục cho dây chuyền

Bước 2 Tẩy dầu mỡ và rỉ sét (làm sạch bề mặt tôn)

Trước khi tôn đưa vào mạ phải qua công đoạn tẩy dầu mỡ và rỉ sét, công đoạn này gồm 4 phần:

- Dùng hóa chất tẩy dầu mỡ: Trước tiên bang tôn được đi qua 1 bể nhúng có nồng độ

từ 23-40 điểm, được kích hoạt nhiệt độ bằng hơi nước đạt từ 600C-800C, sau đó qua 2 buồng phun Buồng phun được phun bằng hệ thống bơm nước áp lực cao kết hợp với 1 hàm lượng nhỏ chất tẩy dầu kéo từ bể nhúng qua, phun lên cả 2 mặt của băng tôn và dùng cặp trục chà bằng cước để tầy sạch phần dầu mỡ trên bề mặt tôn

- Sau khi đã đi qua hai buồng phun, băng tôn tiếp tục qua 1 buồng phun nước nóng ở nhiệt độ từ 600C-800C để rửa sạch dầu mỡ cùng hóa chất trên băng tôn Kết thúc công việc tẩy dầu mỡ, băng tôn được đi vào 1 bể dung dịch HCL với nồng độ từ 10%-12% tùy theo mức độ rỉ sét của tôn để tiến hành tẩy rỉ sét

- Qua ba vị trí tẩy rửa trên, lúc này băng tôn tiếp tục đi qua 1 bể nước để tráng rửa thành phần axit còn lại, sau đó qua 1 buồng phun bằng nước nóng rồi lại qua 1 bể nước để tráng rửa lần cưới và được vắt khô bằng 1 cặp trục cao su trước khi qua công đoạn sấy

- Công đoạn sau cùng: Băng tôn đi qua hệ thống sấy khô trước khi chuyển sang hệ thống trữ tôn (looper)

- Gia nhiệt băng tôn trước khi xuống chảo mạ Sau khi tẩy rửa sạch sẽ bề mặt, băng tôn được đưa qua 1 lò sấy nhiệt trực tiếp nhằm mục đích nâng nhiệt độ băng tôn lên khoảng 2000C để tránh sự mất nhiệt gây hại cho chảo mạ

Bước 3 Quá trình mạ kẽm

Đây là công đoạn quan trọng nhất của dây chuyển

Băng tôn sau khi đạt đến nhiệt độ 1800C-2000C sẽ đi qua ngăn chứa dung dịch (Ammonium Chloride và một số kim loại khác như Antimon, Alummium, ) để tẩy sạch

bề mặt lần cuối, làm tăng độ sáng bóng của bề mặt kẽm và cơ tính của lớp mạ kẽm Sau đó băng tôn đi qua ngăn chứa kẽm và cuối cùng là đi qua cụm thiết bị dao gió

để hoàn tất quá trình mạ kẽm Độ dày mỏng của lớp mạ kẽm được kiểm soát thông qua cụm thiết bị dao gió này

Bước 4 Quá trình làm nguội

Khi băng tôn được mạ phủ một lớp kẽm theo yêu cầu, lúc này băng tôn còn nóng và được làm nguội nhờ hệ thống ống gió và quạt làm nguội gắn ở phía trên dàn làm nguội Sau khi qua công đoạn làm nguội bằng gió, lúc này nhiệt độ của băng tôn vẫn còn khá cao

Vì vậy băng tôn được chạy qua 1 bể nước làm nguội để giảm nhiệt độ xuống khoảng

Chương 1 Tổng quan về nhà máy mạ tôn

Bước 5 Xử lý cơ tính thép sau khi mạ

Sau khi quá trình làm nguội, băng thép mạ được chuyển qua thiết bị Skinpass Mill

và Tensionleveller Tại đây, băng tôn mạ được xử lý cán bề mặt bóng loáng và nắn phẳng trước khi chuyển sang công đoạn phủ hóa chất antifingher bảo vệ bề mặt

Bước 6 Thụ động hóa bề mặt (Antifinger)

Sau khi được làm nguội và rửa sạch bằng bể nước, băng tôn được vắt khô bằng 1 cặp trục cao su và tiếp tục qua bể thụ động hóa, tại đây băng tôn được nhúng trong bể dung dịch cromat với nống độ từ 3-7 điểm (3%-7%), nhiệt độ từ 550C-650C Băng tôn đã được mạ kẽm khi đi qua bể thụ động hóa được phủ 1 lớp chromate vô định hình trên bề mặt tôn để tăng khả năng chống gỉ cho bề mặt tôn, sau đó được vắt khô nhờ cặp trục cao

su trước khi qua công đoạn làm khô

Trong quá trình mạ tôn, để đảm bảo tôn trước khi đi vào bể kẽm nóng chúng ta phải gia nhiệt cho băng tôn một cách chính xác nhiệt độ đặt ra Ở công ty TNHH Ống thép Hòa Phát sử dụng 16 buồng gia nhiệt với tổng công suất lên đến 400kW Buồng gia nhiệt điện trở do công ty TNHH Ống thép Hòa Phát sử dụng có cấu tạo cơ bản như sau :

- Vỏ buồng gia nhiệt là một khung cứng vững, chủ yếu để chịu tải trọng trong quá trình làm việc của buồn gia nhiệt, mặt khác vỏ cũng dùng để giữ lớp cách nhiệt rời và đảm bảo sự kín hoàn toàn hoặc tương đối giảm sử hao tổn nhiệt ra môi trường

- Lớp lót buồng điện trở gồm hai phần chính: vật liệu chịu lửa và vật liệu cách nhiệt Phần cách nhiệt nằm giữa lớp vỏ và vật liệu chịu lửa, mục đích nhằm giảm tổn thất nhiệt

- Dây nung được cấu tạo là dây nung kim loại

Để đảm bảo sự chính xác về nhiệt độ của bộ gia nhiệt chúng ta cần có một bộ biến đổi có thể thay đổi được giá trị điện áp theo mong muốn do vậy bộ điều áp xoay chiều ba pha được dùng cho hệ thống gia nhiệt

1.3 Yêu cầu công nghệ cho bộ điều áp xoay chiều

Yêu cầu công nghệ đặt ra là bộ điều áp xoay chiều phải đảm bảo điện áp đầu ra chính xác tương ứng với nhiệt độ yêu cầu, điều này cực kỳ quan trọng trong chất lượng của sản phẩm

Các bộ gia nhiệt phải đảm bảo vận hành theo chu trình khép kín để giảm thiểu tổn thất nhiệt

Thiết lập kiểm soát tự động, điều khiển chính xác nhiệt độ tương ứng với điện áp với mức sai số cho phép, vận hành linh hoạt

Bộ điều áp có hiệu suất càng cao càng tốt, bởi vì bộ gia nhiệt có tổng công suất rất lớn nên các thành phần sóng hài sinh ra khi điều chỉnh bộ điều áp phải được kiểm soát, nếu không sẽ gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng của điện lưới

Đảm bảo tính kinh tế

Ngày nay với sự phát triển của các thiết bị chuyển mạch như IGBT, GTO… đã thúc đầy việc nghiên cứu và khả năng sử dụng của bộ điều áp xoay chiều Qua bộ điêu áp xoay chiều điện áp đầu ra sẽ có giá trị hiệu dụng thay đổi nhưng tần số cơ bản vẫn được giữ nguyên và dạng điện áp ra sẽ gần với điện áp hình sin

Ngày nay trong các ứng dụng cũng như các nghiên cứu thì các bộ điều áp xoay chiều

3 pha gồm các kiểu cấu trúc sau:

- Cấu trúc dùng thyristor điều khiển bằng phương pháp điều khiển góc pha

- Cấu trúc dùng IGBT điều khiển bằng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM Cuộc cách mạng đầu tiên trong ĐTCS bắt đầu vào năm 1948 với việc phát minh ra silicon transistor tại phòng thí nghiệm Bell Telephone Laboratories bởi Bardeen, Bratain,

Chương 1 Tổng quan về nhà máy mạ tôn

được đề xuất và ứng dụng Ngày nay, công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã đạt được những tiến bộ vượt bậc với việc cho ra đời những phần tử kích thước nhỏ gọn, có khả năng đóng cắt dòng điện lớn, chịu được điện áp cao và giảm tổn hao công suất Cùng với đó là các tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực lý thuyết điều khiển và các phần tử điều khiển ví dụ như các chip vi xử lý, vi điều khiển, DSP 16 bit, 32 bit, … nhanh và mạnh hơn trước rất nhiều Những nền tảng quan trọng đó đóng vai trò quyết định đến sự phát triển của lĩnh vực điện tử công suất, góp phần tạo ra nhiều chủng loại

bộ biến đổi với những ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống Điện tử công suất đã và đang phát triển mạnh mẽ và trải rộng trong hầu khắp các lĩnh vực Với dải công suất trải rộng từ nhỏ (vài W đến vài trăm W) đến lớn và rất lớn (vài trăm kW đến vài chục MW) Điện tử công suất được ứng dụng rộng khắp từ các thiết bị cầm tay, dân dụng đến các thiết bị công nghiệp

Các bộ biến đổi trên có thể cho đầu ra giá trị điện áp mong muốn Tuy nhiên phương pháp điều áp xoay chiều cũ dùng Thyristor với phương pháp điều khiển góc pha đã bộc lộ nhiều khuyết điểm như góc mở chậm, hệ số công suất đầu vào thấp, tồn tại các thành phần sóng hài bậc thấp, hiệu suất không cao …

Chính vì vậy, qua quá trình phân tích, tìm hiểu các ưu nhược điểm để đưa ra giải pháp là cần một bộ biến đổi có khả năng khắc phục được các nhược điểm cố hữu của bộ biến đổi cũ do đó em thấy Bộ điều áp xoay chiều ba pha sử dụng phương pháp điều chế

độ rộng xung (PWM three-phase AC Chopper) đã giải quyết được các nhược điểm của bộ biến đổi cũ Do đó trong bản đồ án tốt nghiệp này, em xin trình bày quá trình “Nghiên cứu, thiết kế bộ điều áp xoay chiều ba pha sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM” và phương pháp điều khiển của bộ biến đổi



Như vậy, để thay đổi công suất ra tải, ta có thể thay đổi R hoặc t U Tuy nhiên, t

trong thực tế, người ta thường chọn cách thay đổi U để thay đổi công suất ra tải t

2.1 Phương án điều áp xoay chiều sử dụng Thyristor

Khi có sẵn một nguồn xoay chiều, để có thể thay đổi điện áp ra tải, ta có thể dùng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều (ĐAXC) dùng van bán dẫn Việc điều chỉnh điện áp ra tải dựa theo nguyên tắc tương tự như ở các bộ chỉnh lưu tức là thay đổi điểm mở của van so với điểm qua không của điện áp nguồn, vì vậy còn gọi là phương pháp điều khiển góc pha hay có tên gọi khác là phương pháp xén pha (Phase angle control PAC)

Do điot chỉ có thể dẫn dòng theo một chiều mà điện áp ra tải là điện áp xoay chiều nên trong mạch điều áp này người ra thường sử dụng TRIAC hoặc sử dụng 2 van Thyristor mắc song song ngược

Chương 2 Đề xuất các giải pháp cho bộ điều áp xoay chiều

Hình 2.1 Điều áp xoay chiều 1 pha dùng thyristor

Các van T1, T2 lần lượt dẫn dòng theo 1 chiều xác định nên dòng qua cặp thyristor đấu song song ngược này là dòng xoay chiều Các van thyristor được phát xung điều khiển lệch nhau góc 180 độ điện để đảm báo dòng qua cặp van hoàn toàn đối xứng

Ta có dạng đồ thị điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều dùng thyristor

Hình 2.1 Đồ thị điện áp ra

Trong thực tế công nghiệp, các mạch điều áp xoay chiều thưởng sử dụng là các mạch điều áp xoay chiều ba pha, tải mắc hinh sao (Y) hoặc tải hình tam giác (Δ) Quá trình làm việc của mạch điều áp xoay chiều ba pha phức tạp hơn so với mạch một pha vì

ở đây các pha ảnh hưởng mạnh sang nhau và nó còn tùy thược vào yếu tố như sơ đồ đấy van, góc điều khiển cụ thể, tính chất tải… Hình sau là một ví dụ sơ đồ ĐAXC ba pha dùng Thyristor với tải thuần trở đấu sao Đây cũng là cấu trúc điều áp được sử dụng nhiều

và rộng rãi nhất Ngoài ra còn có các sơ đồ đấu tam giác, đấu hỗn hợp nhưng trong bản đồ

án này sẽ không nói sâu

Hình 2.3 Cấu trúc điều áp 3 pha với tải thuần trở đấu sao

2.2 Quan hệ giữa góc điều khiển và công suất tải

Khi phân tích hoạt động của sơ đồ ta cần xác định rõ xem trong các giai đoạn sẽ có bao nhiêu van dẫn và nhờ các quy luật dưới đây ta có thể có được biểu thức điện áp của từng giai đoạn

Dưới đây là các quy luật dẫn dòng của van trong mạch điều áp xoay chiều ba pha:

• Trường hợp cả bap ha cùng dẫn (mỗi pha có một van dẫn) thì toàn bộ điện áp ba pha nguồn đều nối ra tải (Utải = Unguồn)

Chương 2 Đề xuất các giải pháp cho bộ điều áp xoay chiều

Hình2.4 Sơ đồ dẫn dòng khi cả 3 pha cùng dẫn

• Nếu chỉ có 2 pha có van dẫn thì 1 pha nguồn bị ngắt ra khỏi tải, do đó điện áp đưa ra tải là điện áp dây nào có van đang dẫn (Utải = ½ Udây)

Hình 2.5 Sơ đồ dẫn dòng khi chỉ có 2 van dẫn

• Không thể có trường hợp chỉ có 1 pha dẫn dòng

Dựa vào quy luật dẫn dòng của van trong từng giai đoạn mà ta có thể xây dựng được

đồ thị điện áp ra của mạch điều áp xoay chiều 3 pha Tiếp theo, từ những biểu thức điện

áp của từng giai đoạn đó ta có thể tính toán được các đại lượng cần tính như điện áp, dòng điện, công suất …

Ta xét hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha dùng sáu thyristor đấu song song ngược, tải thuần trở đấu hình sao ở trên và dựng đồ thị quan hệ giữa công suất tải và góc α:

Công suất tải là: P3I2R trong đó I là trị số hiệu dụng của dòng điện tải Dòng điện này biến thiên theo hai trong ba quy luật dẫn dòng của van như sau:

• Nếu mỗi pha có một van dẫn (hay toàn mạch có ba van dẫn):

sin( )3

đm U i

• Nếu chỉ có hai van dẫn (hay toàn mạch có hai van dẫn):

sin( )2

đm U i

Trong đó: - Uđm là biên độ điện áp dây

- là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện ở giai đoạn đang xét Tuỳ thuộc vào góc điều khiển mà các giai đoạn có ba van dẫn hoặc hai van dẫn cũng thay đổi theo Ta thấy có ba khoảng điều khiển chính:

1) Khoảng dẫn của van ứng với 0 0

60

0 



 Trong phạm vi này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau như đồ thị dưới đây:

Chương 2 Đề xuất các giải pháp cho bộ điều áp xoay chiều

Hình 2.6 Đồ thị điện áp pha A của tải, góc dẫn thyristor(180o   )

Góc dẫn của van là (1800), valve ngắt khi điện áp pha nguồn bằng không (đối với tải thuần trở)

Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P

   (1) 2) Khoảng dẫn của van ứng với 0 0

90

60 





- Vùng điều khiển này luôn chỉ có 2 van dẫn và không phụ thuộc vào góc điều khiển 

- Van trong cùng nhóm (chẵn hoặc lẻ) thay nhau dẫn, valve sau dẫn khi valve trước mới khóa lại Lúc đó góc dẫn của valve là 0

Chương 2 Đề xuất các giải pháp cho bộ điều áp xoay chiều

Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và góc điều khiển α:

- Van không dẫn liên tục mà dẫn thành hai giai đoạn xen giữa một khoảng nghỉ

- Van ngắt dòng mỗi khi điện áp dây nguồn về 0

Ta có đồ thị điện áp ra như ở dưới:

Hình 2.8 Đồ thị điện áp pha A của tải với  90 0 1500Dựa vào đồ thị ta có thể xác định được biểu thức liên quan giữa công suất ra tải P và gọc điều khiển α

Chương 2 Đề xuất các giải pháp cho bộ điều áp xoay chiều

Bảng 2.1 Mối quan hệ giữa công suất ra tải và góc điều khiển

Hình 2.9 Đồ thị mô tải mối quan hệ giữa công suất và góc điều khiển

Nhận xét:

- Công suất đưa ra tải là lớn nhất khi góc điều khiển α=0 nhưng với α=30o thì công suất ra tải cũng xấp xỉ khi α=0

- Công suất càng giảm khi góc điều khiển càng lớn

Trong mạch điều áp xoay chiều ba pha sáu thyristor đấu song song ngược tải thuần trở đấu tam giác, dạng điện áp từng pha cũng vậy Tuy nhiên, do tải đấu tam giác nên khi mạch có ba van dẫn thì điện áp rơi trên điện trở tải là điện áp dây, khi mạch có hai van

dẫn thì điện áp rơi trên điện tải giữa hai dây đó là điện áp dây còn điện áp rơi trên hai điện trở còn lại bằng một nữa điện áp dây

2.3 Ưu nhược điểm của điều áp xoay chiều ba pha dùng Thyristor

• Các sơ đồ điều áp xoay chiều nói chung đều đơn giản, do đó cho hiệu quả cao trong quá trình điều chỉnh điện áp xoay chiều

• Dạng điện áp ra phụ thuộc nhiều vào góc điều khiển và tính chất của tải Dạng điện

• Có thể cải thiện đáng kể đặc tính của điều áp xoay chiều nếu sử dụng các van điều khiển hoàn toàn Khi đó việc điều chỉnh sẽ áp dụng phương pháp điều chế độ rộng xung ở mỗi nửa chu kỳ điện áp lưới

Nhược điểm chung và cơ bản nhất của điều áp xoay chiều là điện áp ra tải không sin trong toàn dải điều chỉnh, điều chỉnh càng sâu – càng giảm điện áp ra thì độ méo càng lớn, tức là thành phần sóng hài bậc cao (là bội của tần số cơ bản) cũng càng lớn Với những tải yêu cầu nghiêm ngặt về độ méo và thành phần sóng hài hay yêu cầu cao khi nối với lưới có thể không ứng dụng được điều áp xoay chiều

2.4 Các ứng dụng quan trọng của điều áp xoay chiều

Các ứng dụng quan trọng của điều áp xoay chiều

• Một là đối với tải thuần trở, VD như điều chỉnh điện áp cấp cho sợi đốt của các lò điện

Chương 2 Đề xuất các giải pháp cho bộ điều áp xoay chiều

• Hai là khi quá trình điều chỉnh chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn hoặc trong một phạm bi hẹp Các bộ khởi động mềm động cơ không đồng bộ thuộc loại này, trong đó do thời gian khởi động chỉ diễn ra một vài giây nên độ méo điện áp có thể chấp nhận được Sau khi đã khởi động có thể cần điều chỉnh tốc độ hoặc mô men của động cơ trong một dải hẹp nhờ điều chỉnh điện áp xoay chiều, khi đó độ méo điện áp là không lớn lắm

• Điều áp xoay chiều còn có ứng dụng trong các bộ chỉnh lưu điều khiển phía sơ cấp máy biến áp Hai trường hợp đặc trưng cho các ứng dụng này Một là, trong các chỉnh lưu cao áp, trong đó phần một chiều yêu cầu điện áp rất cao (50-100 kV), nhưng dòng điện lại rất nhỏ ( cỡ 0,5 – 2 A), như trong phần nguồn cho các bộ lọc bụi tĩnh điện Khi đó điều chỉnh phía thứ câp sẽ bất lợi và nguy hiểm vì điện áp khá cao Giải pháp tốt hơn là điều chỉnh phía sơ cấp máy biến áp với điện áp thấp và dòng điện không lớn lắm Hai là, ngược lại trường hợp trên, một số nguồn chỉnh lưu yêu cầu dòng rất lớn ( cỡ 10000 –

100000 A) nhưng điện áp lại nhỏ ( cỡ 10 – 24 V) Khi đó điều chỉnh phía thứ cấp cũng bất lợi vì van phải mắc song song để chịu được dòng điện lớn Do đó giải pháp điều chỉnh phía sơ cấp với dòng điện tương đối nhỏ sẽ có lợi hơn

• Điều chỉnh ánh sáng đèn sợi đốt và ổn định độ phát quang của hệ chiếu sáng

• Điều chỉnh và ổn định nhiệt độ các lò điện trở bằng cách tự động khống chế công suất điện đưa ra lò

• Điều áp xoay chiều cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng

bộ, nhưng chỉ phù hợp với phụ tải của động cơ dạng quạt gió hoặc máy bơm li tâm với phạm vi điều chỉnh không lớn Điều áp xoay chiều thích hợp với các chế độ như khởi động, đóng – ngắt nguồn cho động cơ điện xoay chiều

• Độ méo hài tổng THD (Total Harmonic Distortion)

• Hệ số công suất đầu vào IPF (Input Powerfactor)

Ở bộ điều áp xoay chiều sử dụng phương pháp điều khiển góc pha có độ méo hài tổng thể lớn, hệ số công suất đầu vào thấp nên chất lượng không cao Do đó kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM được áp dụng

Các phát triển gần đây trong lĩnh vực điện tử công suất làm cho khả năng cải thiện chất lượng điện năng Bộ điều áp xoay chiều có thể thay thế bằng bộ điều áp xoay chiều PWM có hiệu suất tổng thể tốt hơn và các vấn đề trên có thể được cải thiện nếu bộ điều khiển được thiết kế để hoạt động ở chế độ băm xung Trong trường hợp này, điện áp cung cấp đầu vào được băm thành các đoạn và mức điện áp đầu ra được quyết định bằng cách điều khiển chu kỳ đóng cắt của bộ phát xung Các lợi ích thu được bao gồm dạng sóng sin gần nhất, yếu tố công suất đầu vào tốt hơn, đáp ứng nhanh hơn, loại bỏ các sóng hài bậc

Chương 3 Bộ điều áp xoay chiều sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

• Độ gọn nhẹ

• Điện áp điều khiển nhỏ

Những lợi ích của bộ điều áp sử dụng phương pháp PWM có những ưu điểm hơn so với phương pháp điều khiển góc pha ở những khía cạnh sau:

• Cải thiện hệ số công suất tải do tần số chuyển mạch cao

• Dải điều khiển rộng về mặt góc mở bất kể yếu tố công suất tải

• Các sóng hài bậc thấp được loại bỏ so với phương pháp điều khiển góc pha

• Các thành phần sóng hài có thể được điều khiển thông qua thay đổi tần số đóng cắt của bộ tạo xung

Có 3 cấu trúc khác nhau cho bộ điều áp xoay chiều PWM

3.1.1 Cấu trúc với hai chuyển mạch

Hình 3.1 Cấu trúc mạch Buck với hai chuyển mạch

Ở cấu trúc này, chuyển mạch được mắc thành sơ đồ cầu Ưu điểm của cấu trúc này

là IGBT chỉ luôn làm việc ở chế độ nên không có điện áp ngược đặt lên IGBT Các van đi

ốt có nhiệm vụ hình thành nên dòng chảy trong mỗi nửa chu kỳ Với cấu trúc này thiết kế mạch điều khiển cũng dễ dàng hơn Tuy nhiên nhược điểm là ngoài 2 chuyển mạch cần nhiều van điot (8 van)

3.1.2 Cấu trúc với ba chuyển mạch

Đối với cấu trúc 3 chuyển mạch quá trình dẫn dòng qua các van sẽ phức tạp hơn, nên việc thiết kế mạch điều khiển cũng sẽ khó khăn hơn

Hình 3.2 Cấu trúc mạch Buck với ba chuyển mạch

Chương 3 Bộ điều áp xoay chiều sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

Trạng thái chuyển mạch: 0 - mở, 1- đóng

Bảng 3.1 Quá trình đóng cắt của các van

Hình 3.3 Khâu phát xung cho bộ biến đổi sử dụng 3 chuyển mạch

3.1.3 Cấu trúc với bốn chuyển mạch

Với cấu trúc này xét trong nửa chu kỳ dương van S6 và S8 sẽ thay nhau dẫn Còn trong nửa chu kỳ âm thì các van S7 và S9 sẽ thay nhau dẫn Có thể thấy mạch này cần nhiều van điều khiển nhất cho nên cấu trúc mạch điều khiển cũng sẽ phức tap nhất

Hình 3.4 Cấu trúc mạch Buck với bốn chuyển mạch

Tóm lại, sau khi xem xét 3 cấu hình ta có thể thấy cấu hình với 2 chuyển mạch được lựa chọn bởi những ưu điểm của nó so với 2 cấu hình còn lại Vừa tránh được hiện tượng IGBT phải chịu điện áp ngược mà việc thiết kế khâu phát xung cũng đơn giản hơn rất nhiều

3.2 Nguyên lý hoạt động của mạch