Mô phỏng ứng dụng Thyristor trong điều khiển động cơ điện xoay chiều

Nghiên cứu này mô phỏng ứng dụng của thyristor trong điều khiển động cơ điện xoay chiều bằng công cụ simulink trong ngôn ngữ lập trình matlab. Simulink trong ngôn ngữ lập trình matlab là công cụ rất mạnh dùng để mô phỏng các phần tử công suất, mạch điện ứng dụng và được sử dụng nhiều trong các trung tâm nghiên cứu.

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Natural Sci 2015, Vol 60, No 4, pp 9-16 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn DOI: 10.18173/2354-1059.2015-0002 MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG THYRISTOR TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU Nguyễn Trọng Dũng1, Nguyễn Chính Cương1, Hồ Tuấn Hùng1 Lại Khắc Hồng2 Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, Viện Vật lí Kĩ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tóm tắt Nghiên cứu mơ ứng dụng thyristor điều khiển động điện xoay chiều công cụ simulink ngôn ngữ lập trình matlab Simulink ngơn ngữ lập trình matlab công cụ mạnh dùng để mô phần tử công suất, mạch điện ứng dụng sử dụng nhiều trung tâm nghiên cứu Bài báo khảo sát đặc tính đóng, mở thyristor điều khiển mạch tải trở, mạch tải cảm (động điện xoay chiều) thyristor Điều ứng với điều khiển nửa chu kì điều khiển chu kì nguồn cấp Các kết cho thấy, việc sử dụng thyristor để điều khiển động điện xoay chiều có ý nghĩa lớn việc nâng cao công suất hoạt động động Các kết sử dụng giảng dạy điện tử công suất cho sinh viên khoa Vật lí trường đại học sư phạm Ngồi ra, thơng số đầu vào khác cho kết khác từ giải thích chế đóng, mở thyristor Từ khố: Mơ phỏng, simulink, thyristor, cơng suất, động điện xoay chiều Mở đầu Trong công đổi đất nước cơng nghiệp hố đại hoá, vấn đề áp dụng khoa học kĩ thuật vào quy trình sản xuất vấn đề cần thiết Cùng với phát triển số ngành: điện tử, công nghệ thông tin, ngành khoa học kĩ thuật, điều khiển tự động hoá phát triển vượt bậc Trong đó, hoạt động tự động hố quy trình sản xuất phổ biến ngày Nó thay cho sức lao động người làm tăng suất sản xuất Các phần tử công suất điện trở, cuộn cảm, điốt (diode), thyristor, gto, mosfet, ideal switch, igbt,… sử dụng mạch điện tử ứng dụng góp phần làm tăng hiệu suất khả tự động hóa động điện xoay chiều [1, 2] Bài báo mô ứng dụng thyristor điều khiển động điện xoay chiều công cụ simulink ngơn ngữ lập trình matlab Các kết nghiên cứu khảo sát, phân tích thơng qua đặc trưng Vôn – Ampe thyristor với tải động điện xoay chiều cho kết xác, thơng qua thay đổi độ lệch pha tín hiệu điều khiển nguồn cấp để điều chỉnh công suất động Kết nghiên cứu phù hợp với thực nghiệm sử dụng giảng dạy điện tử công suất cho sinh viên khoa Vật lí trường đại học sư phạm Ngày nhận bài: 22/10/2014 Ngày nhận đăng: 5/2/2015 Tác giả liên lạc: Nguyễn Trọng Dũng, địa e-mail: dungntsphn@gmail.com Nguyễn Trọng Dũng, Nguyễn Chính Cương, Hồ Tuấn Hùng Lại Khắc Hồng Nội dung nghiên cứu 2.1 Phương pháp nghiên cứu Công cụ mô phỏng: Simulink công cụ ngôn ngữ lập trình matlab dùng để mơ phỏng, phân tích linh kiện mạch điện tử với môi trường giao diện đồ họa Ngồi ra, simulink cịn ngơn ngữ lập trình giúp cho người sử dụng dễ dàng di chuyển qua lại giao diện đồ hoạ ngôn ngữ lập trình, tạo điều kiện thuận lợi cho q trình mơ [3] Thyristor: Thyristor linh kiện bán dẫn silic có điều khiển, cấu tạo gồm lớp bán dẫn loại P, N xếp theo kiểu P-N-P-N (gọi SCR) tạo ba lớp tiếp giáp P-N: J1, J2, J3 Trong đó, ba cực bán dẫn gắn trực tiếp với lớp như: Cực anot (A) gắn với lớp bán dẫn loại P, cực catot (K) gắn với lớp bán dẫn loại N cực điều khiển (G) gắn với lớp bán dẫn loại P, thể Hình (Ngồi ra, thyristor phân tích thành transistor mắc nối tiếp, transistor thuận transistor ngược (Hình 1b) coi thyristor diode có điều khiển (Hình 1c) Hình Sơ đồ cấu tạo thyristor (1a), sơ đồ tương đương (1b), kí hiệu (1c), hình dạng (1d) Khi ta nối thyristor vào mạch điện Hình 2a, kết hợp với sơ đồ Hình 1b ta thấy, có dịng điện nhỏ IG đặt vào cực điều khiển G thyristor, dòng điện IG tạo dòng cực thu IC1 lớn Mặt khác: IC1 lại dịng IB2 transistor PNP T2 lại tạo dòng thu IC2 lại lớn IC1 trước… Hiện tượng tiếp diễn hai transistor trở nên bão hòa Dịng bão hịa qua transistor dịng anot thyristor, dòng điện phụ thuộc vào UA điện trở tải RA Cơ chế hoạt động thyristor cho thấy dịng IG khơng cần lớn thời gian tồn ngắn Khi thyristor dẫn điện, ta bỏ dịng IG thyristor tiếp tục dẫn điện Để ngắt dịng qua thyristor ta ngắt nguồn VAK (hoặc giảm điện áp VAK cho dịng điện qua thyristor có giá trị nhỏ đến giá trị (gọi dịng điện dịng trì Idt) 10 Mơ ứng dụng thyristor điều khiển động điện xoay chiều (a) (b) Hình Mạch nối thyristor đơn giản (a) đường đặc trưng Von-Ampe (b) Hình 2b đường đặc trưng Von-Ampe thyristor, giá trị nằm góc phần tư thứ I tương ứng với điện áp UAK > gọi đặc tính thuận cịn giá trị nằm góc phần tư thứ III tương ứng với điện áp UAK < gọi đặc tính ngược Khi dịng điện vào cực điều khiển thyristor 0, hay hở mạch cực điều khiển, thyristor cản trở dòng điện ứng với hai trường hợp phân cực điện áp anot catot Khi điện áp UAK < theo cấu tạo bán dẫn thyristor hai tiếp giáp J1, J3 phân cực ngược, lớp tiếp giáp J2 phân cực thuận, thyristor giống hai diode mắc nối tiếp bị phân cực ngược Qua thyristor có dịng điện nhỏ chạy qua, gọi dịng rị, thyristor trạng thái đóng Khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp lớn UAK = Ung.max theo chiều ngược, xảy tượng thyristor bị đánh thủng, dịng điện tăng lên lớn Giống đoạn đặc tính ngược diode q trình đánh thủng khơng thể đảo ngược được, nghĩa thyristor bị hỏng Khi tăng điện áp anot-catot theo chiều thuận, UAK > 0, lúc đầu có dịng điện nhỏ chạy qua, gọi dòng rò Điện trở tương đương mạch anot-catot có giá trị lớn Khi tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Cho đến Uak tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn UAK = Uth.max theo chiều thuận xảy tượng điện trở tương đương mạch anot-catot đột ngột giảm, dịng điện chạy qua thyristor giá trị bị giới hạn điện trở tải mạch ngoài, thyristor trạng thái mở Nếu dịng qua thyristor có giá trị lớn mức dòng tối thiểu, gọi dòng trì, Idt, thyristor dẫn dịng đường đặc tính thuận, giống đường đặc tính thuận diode Khi đặt vào cực điều khiển dòng IG > trình chuyển điểm làm việc đường đặc tính thuận, trạng thái mở, xảy sớm với Uth < Uth.max mô tả đường nét đứt, ứng với giá trị dòng điều khiển khác IG1, IG2, IG3, Nói chung, dịng điều khiển lớn điểm chuyển đặc tính làm việc xảy với UAK nhỏ Để nghiên cứu, khảo sát đặc tính đóng, mở thyristor điều khiển động điện xoay chiều cơng cụ simulink ngơn ngữ lập trình matlab cách thay đổi thông số đầu vào trường hợp tải trở tải cảm (động điện xoay chiều) với thyristor Kết thu phù hợp với thực nghiệm ứng dụng vào thực tiễn [4, 5] 11 Nguyễn Trọng Dũng, Nguyễn Chính Cương, Hồ Tuấn Hùng Lại Khắc Hồng 2.2 Kết mơ 2.2.1 Khảo sát đặc tính đóng, mở thyristor Để khảo sát đặt tính đóng, mở thyristor sử dụng mạch điện Hình Trong mạch này, để khảo sát dịng mở (IG) ảnh hưởng IG lên trạng thái đóng-mở Thyristor, ta sử dụng điện áp điều khiển tín hiệu hình sin với biên độ V tần số 50 Hz 100 Hz Hình Sơ đồ khảo sát đặc tính đóng, mở thyristor Đặt thông số đầu vào như: nguồn cấp AC 12 V/50 Hz, tín hiệu điều khiển AC 2V với tần số (50 Hz; 200 Hz), điện trở R = 10 (Ω) thyristor với thông số Bảng Bảng Thông số thyristor Thyristor Ron (W) Lon (H) Vf (V) Rs (Ω) Cs (F) 0.001 0.8 20 4.10-6 Kết mô thể Hình Trong đó, đường đồ thị tương ứng: Điện áp nguồn cấp (đồ thị 1) – Điện áp điều khiển (đồ thị 2) – Dòng điện chạy qua thyristor (đồ thị 3) – Điện áp cực AK thyristor (đồ thị 4) - Điện áp điện trở R (đồ thị 5) Kết mô cho thấy điện áp mở thyristor ~ 1V (thể đồ thị 1, 3) Khi thyristor mở, có dịng điện chạy qua tải với điệp áp UAK = 0.8V (đồ thị 4) Khi thyristor mở, ta thay đổi điện áp đặt vào cực điều khiển G khơng làm ảnh hưởng tới trạng thái mở thyristor dịng điện mạch (Hình 5, đồ thị 3) Thyristor chuyển trạng thái đóng có điện áp ngược đặt vào hai cực A-K mà không phụ thuộc vào điện áp đặt vào cực điều khiển G (đồ thị 1, 2) Khi thyristor trạng thái mở, ta thay đổi điện áp đặt lên cực G khơng ảnh hưởng tới trạng thái thyristor dòng điện chạy mạch (Hình 5, đồ thị 3) hay tần số điện áp điều khiển không ảnh hưởng đến trạng thái đóng-mở thyristor Khi thyristor trạng thái đóng khơng có dịng điện chạy qua tải điệp áp UAK thyristor điệp áp nguồn cấp (đồ thị 4) Với mạch có thyristor có dịng điện chạy qua mạch ứng với nửa chu kì dương nguồn cấp Khi 12 Mơ ứng dụng thyristor điều khiển động điện xoay chiều đó, cơng suất tiêu thụ tải điều khiển cách thay đổi thời điểm kích mở thyristor theo thời gian nửa chu kì dương nguồn cấp Khi thời điểm kích mở dịch dần phía đầu nửa chu kì dương nguồn cấp công suất tiêu thụ ngày lớn Khi thời điểm kích mở dịch dần phía cuối nửa chu kì dương nguồn cấp cơng suất tiêu thụ ngày nhỏ Để điều khiển chu kì nguồn cấp sử dụng thyristor mắc ngược chiều (hoặc sử dụng mạch cầu thyristor) Hình Sơ đồ tín hiệu điều khiển với tần số 50 Hz Hình Sơ đồ tín hiệu điều khiển với tần số 100 Hz 2.2.2 Điều khiển động điện xoay chiều Hình Sơ đồ mơ mạch điều khiển động điện xoay chiều thyristor 13 Nguyễn Trọng Dũng, Nguyễn Chính Cương, Hồ Tuấn Hùng Lại Khắc Hồng Hình sơ đồ mô mạch điều khiển động điện xoay chiều thyristor Các thơng số đặt vào sơ đồ mạch sau: Nguồn cấp AC 220 V/50 Hz, tín hiệu điều khiển nguồn xung V/50 Hz, thyristor có thơng số Bảng 1, động điện xoay chiều phân tích tương đương với đoạn mạch R-L Hình Tín hiệu điều khiển pha với nguồn cấp Hình Tín hiệu điều khiển chậm pha ¼ chu kì so với nguồn cấp Hình kết mơ với động điện xoay chiều có cơng suất 1.000 W (R = 48,4 Ω L = 0,02 H), tín hiệu điều khiển pha với nguồn cấp (Hình 7) chậm pha ¼ chu kì so với nguồn cấp (Hình 8) Trong đó, đường đồ thị tương ứng: Điện áp nguồn cấp (đồ thị 1) – Điện áp điều khiển (đồ thị 2) – Dòng điện qua thyristor (đồ thị 3) – Điện áp qua cực AK thyristor (đồ thị 4) – Điện áp đặt hai đầu động điện xoay chiều (đồ thị 5) Quan sát Hình Hình ta thấy mạch điều khiển với nửa chu kì dương nguồn cấp (đồ thị 1, 5) Khi tín hiệu điều khiển chậm pha ¼ chu kì so với điện áp nguồn cấp động điện xoay chiều bắt đầu hoạt động Thời gian tính thời điểm kích mở thyristor hết nửa chu kì dương nguồn cấp (đồ thị 2, 5) Do đó, cơng suất tiêu thụ động điều khiển thời điểm kích mở thyristor Với sơ đồ Hình 6, cơng suất tiêu thụ động đạt từ 0% tới 50% Hình công suất tiêu thụ động giảm từ 50% xuống 25% Hình Ngồi ra, cịn có dịng điện đột biến xuất (ở động điện xoay chiều mở, đóng thyristor) với giá trị khác tùy vào điện áp nguồn cấp thời điểm kích mở (ở đồ thị thứ 3) Dòng điện đột biến cảm kháng động điện xoay chiều sinh Do đó, lắp mạch thực tế người ta phải chọn thyristor có dịng q tải phù hợp Hình sơ đồ mô mạch điều khiển động điện xoay chiều thyristor mắc ngược chiều Mạch mô với thơng số như: nguồn cấp AC 220 V/50 Hz, tín hiệu điều khiển nguồn xung V/100 Hz thyristor với thông số Bảng Động điện xoay chiều phân tích tương đương với đoạn mạch R-L 14 Mơ ứng dụng thyristor điều khiển động điện xoay chiều Hình Sơ đồ mơ mạch điều khiển động điện xoay chiều thyristor Hình 10 Tín hiệu điều khiển pha với nguồn cấp Hình 11 Tín hiệu điều khiển chậm pha 1/2 chu kì với nguồn cấp Hình 10 Hình 11 kết mô mạch điều khiển động điện xoay chiều với công suất 1.000 W (tương ứng với R = 48,4 Ω, L = 0,02 H) với tín hiệu điều khiển pha với nguồn cấp (Hình 10) chậm pha 1/2 chu kì so với nguồn cấp (Hình 11) Trong đó, đường đồ thị tương ứng: Điện áp nguồn cấp (đồ thị 1) – Điện áp điều khiển (đồ thị 2) – Dòng điện chạy qua thyristor (đồ thị 3) Dòng điện chạy qua thyristor (đồ thị 4) – Điện áp động (đồ thị 5) 15 Nguyễn Trọng Dũng, Nguyễn Chính Cương, Hồ Tuấn Hùng Lại Khắc Hoàng Kết Hình 10 Hình 11 cho thấy mạch điện Hình thyristor cung cấp dịng điện cho động điện xoay chiều theo nửa chu kì khác nguồn cấp Thyristor ứng với nửa chu kì dương (Hình 10, đồ thị 5) thyristor ứng với nửa chu kì âm (Hình 10, đồ thị 5) Bằng cách phối hợp thyristor ta điều khiển động hoạt động hai nửa chu kì nguồn cấp Mặt khác, tín hiệu điều khiển lệch pha so với nguồn cấp cơng suất tiêu thụ động giảm xuống Động hoạt động từ thời điểm bắt đầu có xung điều khiển kết thúc nửa chu kì tín hiệu nguồn cấp (Hình 11) Bằng cách thay đổi thời điểm mở thyristor ta điều khiển công suất động từ 0% tới 100% như: Trên Hình 10 động hoạt động với cơng suất 100% Hình 11 động hoạt động với cơng suất 50% Tóm lại, với mạch có thyristor công suất tiêu thụ động điện xoay chiều tương ứng với công suất từ 0% đến 50% cịn thyristor tương ứng với cơng suất từ 0% đến 100% Kết luận Qua q trình mơ ứng dụng thyristor điều khiển động điện xoay chiều thu kết sau: - Xây dựng thành cơng sơ đồ khảo sát đặc tính đóng, mở thyristor trường hợp tải trở tải cảm (động điện xoay chiều) cơng cụ simulink ngơn ngữ lập trình Matlab - Khảo sát thành công ứng dụng thyristor điều khiển động điện xoay chiều với hai trường hợp cụ thể: Điều khiển nửa chu kì (điều khiển công suất động đạt từ 0% tới 50%) điều khiển hai nửa chu kì (điều khiển cơng suất động đạt từ 0% tới 100%) - Kết thu đem vào ứng dụng thực tiễn nhằm làm tăng hiệu suất sử dụng động điện xoay chiều - Với sơ đồ thiết kế ta dùng để khảo sát đặc tính thyristor ứng dụng cơng tác giảng dạy nhằm giúp cho sinh viên dễ dàng tiếp cận với nghiên cứu lĩnh vực điện tử công suất TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] V A K Temple, 1989 Advances in MOS controlled thyristor technology and capability Power Conversion, pp 544-554 K H Liu and F C Lee, 1986 Zero-Voltage Switching Technique In DC/DC Converters IEEE Power Electronics Specialists Conference Record, pp 58-70 Nguyễn Phùng Quang, 2006 Matlab Simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động Nxb Khoa học Kĩ thuật, Hà Nội Bùi Minh Chính, Trần Trọng Minh, Phạm Quốc Hải, 2008 Điện tử công suất Nxb Khoa học Kĩ thuật, Hà Nội Trần Sum, 1999 Tự động điều khiển, Nxb Giao thông Vận tải ABSTRACT Simulation of thyristor application in AC motor control This study simulated the application of thyristor in AC motor control using the tool simulink in matlab programming language Simulink in matlab programming language is a powerful tool which is used to simulate the power element and circuit applications and it is used in many other research applications This study examined the opening and closing characteristics of the thyristor in control of a pure resistance load and a pure inductance load (AC motors) by one or two thyristors This corresponds with the control of the half cycle and whole cycle of the power supply The results showed that the use of one or two thyristors to control AC motors significantly improves the operational performance of the engines These results can be used in teaching electronics to physics students at Teacher Training Universities Because the various input parameters yield different results, the opening and closing mechanism of the thyristor can be explained Keywords: Simulation, simulink, thyristor, capacity, AC motors 16 ... 14 Mô ứng dụng thyristor điều khiển động điện xoay chiều Hình Sơ đồ mô mạch điều khiển động điện xoay chiều thyristor Hình 10 Tín hiệu điều khiển pha với nguồn cấp Hình 11 Tín hiệu điều khiển. .. thành cơng ứng dụng thyristor điều khiển động điện xoay chiều với hai trường hợp cụ thể: Điều khiển nửa chu kì (điều khiển cơng suất động đạt từ 0% tới 50%) điều khiển hai nửa chu kì (điều khiển cơng... dụng mạch cầu thyristor) Hình Sơ đồ tín hiệu điều khiển với tần số 50 Hz Hình Sơ đồ tín hiệu điều khiển với tần số 100 Hz 2.2.2 Điều khiển động điện xoay chiều Hình Sơ đồ mô mạch điều khiển động