Bài tập lớn điên tử công suất Đề Tài: Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha sử dụng 6 thyristor Bài tập lớn này đã hoàn chỉnh về mặt tính toán, chọn lựa thiết bị cũng như nguyên lý làm việc của một contactor điện tử. Mong sinh viên có thể tham khảo để phục vụ tốt nhất cho môn học!
Bài tập lớn Mơn: ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Đề tài: Thiết kế điều chỉnh điện áp xoay chiều pha sử dụng thyristor, tải RL, Ut=100-400 VAC, P=35 KV - Môn học: Điện Tử Công Suất Mã học phần: 13350 Nhóm học phần: N04 Nhóm tập: N01 Họ tên thành viên nhóm: Họ tên Mã sinh viên MỤC LUC Chương 1: Tổng quan điều chỉnh điện áp xoay chiều pha .3 1.1 Tổng quan công nghệ điều chỉnh điện áp xoay chiều: 1.1.1Các điều áp xoay chiều dùng để đóng ngắt thay đổi điện áp tải từ nguồn xoay chiều cố định, tần số điện áp điện áp nguồn 1.1.2 Giới thiệu mạch lực điều áp xoay chiều pha 1.1.3 Giới thiệu mạch lực điều áp xoay chiều ba pha: 1.2 Một số ứng dụng điều áp xoay chiều pha 11 1.2.1 Công tắc tơ điện tử 11 1.3 Yêu cầu công nghệ điều chỉnh điện áp xoay chiều 14 1.3.1 Một số Thyristor 15 1.3.2 Phạm vi ứng dụng: 15 1.3.3 Nguyên tắc điều chỉnh 16 CHƯƠNG II: TÍNH CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT .17 2.1 Các phương án mạch động lực 17 2.2 Chọn mạch lực điều áp xoay chiều pha dùng Thyristor song song ngược, Phụ tải đấu khơng dây trung tính .17 2.3 Phân tích ưu, nhược điểm mạch công suất 19 2.4 Tính chọn van bán dẫn cơng suất cho sơ đồ mạch 19 2.4.1Chọn van theo tiêu dòng điện .20 2.4.2 2.5 Chọn van theo tiêu điện áp 21 Tính chọn phần tử bảo vệ 22 2.5.1 Bảo vệ điện áp cho van .22 2.5.2 Bảo vệ nhiệt cho van 24 CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ CÁC YÊU CẦU ĐÃ ĐẶT RA .26 3.1 Những yêu cầu đạt được: 26 3.2 Những điều chưa đạt được: .26 CHƯƠNG 4: PHỤ LỤC VÀ THAM KHẢO 27 4.1 Bảng phụ lục hình sơ đồ bài: 27 Sơ đồ contactor điện tử ứng dụng 27 4.2 Phụ Lục Tham Khảo: 28 Thiết kế điều ap xoay chiều pha nguồn tham khảo ebook.vn .28 Giới thiệu: Điện tử công suất công nghệ biến đổi điện từ dạng sang dạng khác phần tử bán dẫn cơng suất đóng vai trị trung tâm, ứng dụng rộng rãi hầu hết ngành công nghiệp đại Trong năm gần đây, công nghệ chế tạo phần tử bán dẫn cơng suất có tiến vượt bậc ngày trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo biến đổi ngày nhỏ gọn, nhiều tính sử dụng ngày dễ dàng Trong biến đổi phần tử bán dẫn cơng suất sử dụng van khóa bán dẫn, gọi van bán dẫn, mở dẫn dịng nối tải vào nguồn, khóa khơng có dịng điện chạy qua Khác với phần tử có tiếp điểm văn dẫn thực đóng cắt dịng điện mà khơng gây nên tia lửa điện khơng bị mài mịn theo thời gian Tuy đóng cắt dịng điện lớn phần tử bán dẫn công suất lại điều khiển tín hiệu điện cơng suất nhỏ, tạo mạch điện tử công suất nhỏ.Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vào sơ đồ biến đổi phụ thuộc vào cách thức điều khiển van biến đổi Như trình biến đổi lượng thực với hiệu suất cao tổn thất biến đổi tổn thất khóa điện tử, khơng đáng kể so với cơng suất điện Cần biến đổi Không đạt hiệu suất cao mà biến đổi cịn có khả cung cấp phụ tải nguồn lượng với đặc tính theo u cầu, đáp ứng q trình điều chỉnh, điều kiện thời gian ngắn nhất, với chất lượng phù hợp hệ thống tự động Nội dung tập lớn tập trung tìm hiểu điều chỉnh điện áp xoay chiều pha điện tử sử dụng thyristor để điều khiển đóng cắt động pha Đây đề tài có quy mơ ứng dụng thực tế cao Trong q trình hồn thành tập lớn mơn học, em nhận hướng dẫn thầy Đặng Hồng Hải thầy cô trường Chúng em mong nhận ý kiến đóng góp thầy cô để tập lớn chúng em hoàn chỉnh Chương 1: Tổng quan điều chỉnh điện áp xoay chiều pha 1.1 Tổng quan công nghệ điều chỉnh điện áp xoay chiều: 1.1.1Các điều áp xoay chiều dùng để đóng ngắt thay đổi điện áp tải từ nguồn xoay chiều cố định, tần số điện áp điện áp nguồn Trong máy điện có thiết bị điện biến áp tự ngẫu cho phép thực yêu cầu này, nhiên việc điều chỉnh phải tiến hành qua hệ khí di chuyển chổi than trượt vịng dây biến thế, hệ khơng bền, phản ứng chậm, có ưu điểm điện áp tải đảm bảo hình Sin tồn dải điều chỉnh Điện tử cơng suất sử dụng van bán dẫn để chế tạo phận điều áp xoay chiều có đặc điểm sau: Điều áp xoay chiều dùng van bán dẫn có đầy đủ ưu điểm mạch cơng suất sử dụng kĩ thuật bán dẫn như: dễ điều chỉnh tự động hóa, làm việc ổn định, phản ứng nhanh với đột biến điều khiển, độ tin cậy tuổi thọ cao, kích thước gọn, dễ thay thế, thích hợp với q trình đại hóa, tập trung hóa cơng trình cơng nghệ… Nhược điểm chung điều áp xoay chiều điện áp tải khơng sin hồn chỉnh đưa tồn điện áp nguồn tải, điều chỉnh sâu giảm điện áp ra, độ méo lớn, tức thành phần sóng hài bậc cao (là bội số tần số vào) lớn Với tải yêu cầu nghiêm ngặt độ méo thành phần sóng hài khơng áp dụng điều áp xoay chiều 1.1.2 Giới thiệu mạch lực điều áp xoay chiều pha -Để thay đổi điện áp xoay chiều, ngồi dùng máy biến áp, ta cịn dùng thyristor đấu song song ngược -Việc điều khiển thời điểm đóng mở thyristor tạo xung áp tải lên biến đổi gọi điều chỉnh xung áp xoay chiều Sơ đồ mạch lực điều áp xoay chiều pha: Hình 1.1 Bộ điều áp xoay chiều pha Sơ đồ biến đổi pha gồm: thyristor đấu song song ngược (T1 T2) mắc nối tiếp với tải Đối với biến đổi có cơng suất nhỏ trung bình ( khoảng vài KW) thay thyristor Triac Hình 1.2 Điều áp xoay chiều ba pha,sơ đồ thyristor điện trở 1.1.3 Giới thiệu mạch lực điều áp xoay chiều ba pha: Bộ biến đổi xung áp pha ứng dụng rộng rãi điều khiển nhệt độ lị điện trở động khơng đồng ba pha Nếu biến đổi xung áp ba pha ghép từ ba biến đổi pha có dây trung tính dịng qua pha khơng phụ thuộc vào dòng pha khác Khi biến đổi xung áp pha đấu sao, dây trung tính, q trình điện từ mạch hồn tồn khác với sơ đồ hình q trình dẫn dịng pha phải tương thích với q trình Dẫn dịng pha khác Hình 1.3Điều áp xoay chiều pha , pha hoạt động độc lập Một điểm cần lưu ý cho tất điều áp xoay chiều điều chỉnh với góc điều khiển lớn dịng tải điện chế độ gián đoạn Tức ln có khoảng mà dịng tải khơng tải bị ngắt khỏi nguồn không cấp lượng Sơ đồ hình 1.2a dùng van Triac sơ đồ có van cho phép điều chỉnh điện áp tải đối xứng pha, đồng thời nửa chu kỳ pha đối xứng Sơ đồ hình 1.2b dùng cách đấu thyristor tương đương với Triac, loại thông dụng thực tế có tên sơ đồ Tiristor đấu song song ngược có đặc điểm hồn tồn tương tự sơ đồ 1.2b Hình 1.4 Một số điều áp xoay chiều pha Hai sơ đồ sử dụng để đóng ngắt nguồn tải, mà không điều chỉnh điện áp gọi công tắc tơ điện tử Các sơ đồ hình 1.4a, b, c ứng dụng cho giải đấu tam giác Mạch điều khiển sơ đồ đồng theo điện áp pha nguồn Trên hình 1.4cho dạng điện áp pha tải chung cho sơ đồ hình 1.4a; 1.4b biên độ sóng hài góc điều khiển khác nhau, với tải trở qua đồ thị sóng hài thấy xuất sóng hài có bậc lẻ, gần bậc bậc 7, mặt khác cho thấy tăng góc điều khiển biên độ sóng hài bậc cao tăng nhanh đến xấp xỉ với sống hài (Băng tần số nguồn điện, Ở 50Hz) Như điều chỉnh điện áp sâu, tương ứng điều khiển lớn, điện áp méo nhiều Hình điều áp xoay chiều pha sau thyristor đấu song song ngược, tải trở đấu (dạng điện áp pha A tải phổ sóng hài với góc điều khiển khác nhau) Trong thực tế hay sử dụng điều chỉnh xung áp ba pha ( điều khiển động không đồng ba pha ) để điều khiển nhiệt độ lò điện trở Nếu biến đổi xung áp ba pha ghép từ ba biến đổi pha có dây trung tính dịng qua pha khơng phụ thuộc vào dịng pha khác Các biểu thức tính tốn a, λ φ tương tự sơ đồ pha Khi ta tăng góc điều chỉnh a làm giảm thời gian dẫn dòng qua tiristo Ứng với giá trị a dịng pha giảm không trước mở tiristo pha Như xuất khoảng thời gian khơng có dòng khoảng dẫn tiristo bị giảm đến giới hạn nhở Hình 1.5 Sơ đồ điều áp pha tải đấu khơng có dây trung tính Khi biến đổi xung áp ba pha đấu theo hình mà khơng có dây trung tính q trình điện từ mạch hồn tồn khác q trình dẫn dịng pha phải tương thích với q trình dẫn dịng pha khác Để đảm bảo lượng sóng hài tối thiểu góc mở tiristo phải (a), van mở cách góc có khoẳng dẫn điện ( λ )là giống Khi pha có tiristo dẫn điện ,lúc tải ba pha điều đấu vào nguồn tạo thành hệ ba pha đối xứng ( giả thiết tải trở ) Đường cong điện áp tải () xây dựng theo quy tắc sau : - Khi ba tiristo ba pha điều dẫn dịng điện áp U tải trùng với điện áp pha ( - Khi có hai tiristo dẫn điện áp U tải nửa điện áp dây hai pha mà có hia tiristo dẫn điện Giá trị hiệu dụng điện áp tải tính theo cơng thức sau: Trong giá trị hiệu dụng giá trị tức thời Do giá trị giá trị bình phương nên: == = Trong giá trị tức thời điện áp pha; giá trị tức thời điện áp dây Thay gí trị ta tính được giá trị hiệu dụng điện áp pha: = ,0>Chỉ tiêu dòng điện >>Chỉ tiêu điện áp Từ bảng ta suy Bảng tham số tính tốn cho điều áp xoay chiều pha Sơ đồ / Tham số / / (độ điện) Phụ tải đấu khơng dây trung tính 0.45 1.5 150° Phụ tải đấu có dây trung tính Phụ tải đấu tam giác 0.45 1.73 180° 0.45 1.73 180° 18 2.4.1Chọn van theo tiêu dòng điện Theo sổ tay tra cứu chọn van theo nguyên tắc: = Trong đó: - :dịng trung bình van chọn - :hệ số dự trữ dòng điện cho van Với tải ổn định dịng qua van 100A cần có = 1,2÷1,4 Với tải dịng điện lớn, phát nhiệt van mạnh, thường phải giảm dịng qua nên cần tăng hệ số dự trữ lên = 1,5÷2 Với van thường xuyên phải làm việc chế độ tải cần = 2÷4 Nếu làm việc nơi có mơi trường khắc nhiệt, khó thay van phải chọn hệ số dự trữ từ đến Các van chịu dòng lớn làm việc chế độ ngắn hạn thi chọn từ 0,8 đến Với kiện để phù hợp với thông số đề nên ta chọn: = 1,2 Phải chọn Thyristor chịu dịng trung bình: Chọn tiêu dịng van dựa vào trị số trung bình theo Bảng tham số tính tốn cho điều áp xoay chiều pha Itbv = 0,45.It = 0,45 36,08 = 16,23 (A) Vậy cần chọn van thyristor với trị số dòng điện cỡ: Itbmax = 2Itbv = 16,23 = 32.46 (A) 2.4.2 Chọn van theo tiêu điện áp Chỉ tiêu chọn áp theo Bảng tham số tính tốn cho điều áp xoay chiều pha, ta có: Uvanmax = 1,5.Upha = 1,5 19 Vậy cần chọn thyristor chịu điện áp khoảng: Uthy = 2Uvanmax = 2.487,9 = 975,8 (V) Ta chọn loại NO44RH12 với thông số sau: Itb = 45A Umax= 1200V Uđk = 3V Iđk = 100mA Nhiệt độ vỏ van tương ứng chế độ dịng trung bình tối đa cho phép: 85C Ta có tham số điều khiển: U g = 3; Ig = 100 mA, nên điện trở tương đương cực điều khiển: Rg = = = 30 (Ω) Dòng điều khiển max: Ig max = (10 ÷ 20).0,1 = (1 ÷ 2) A, chọn Ig max = 2A, R1 = (Rg + Rtải) = Với R1 điện trở hạn chế Độ trễ mở van: R∑ = R1 + Rg + Rtải = 245,77 + 30 + 6,37 = 282,14 (Ω) van = arcsin ( ) = arcsin ( ) = 4.98O 2.5 Tính chọn phần tử bảo vệ Việc bảo vệ mạch lực chủ yếu bảo van bán dẫn khỏi hai trạng thái: dòng điện áp 2.5.1 Bảo vệ điện áp cho van Bảo vệ điện áp cho van: mắc R-C song song với Thyristor Linh kiện bán dẫn nói chung linh kiện bán dẫn cơng suất nói riêng, nhạy cảm với thay đổi điện áp Những yếu tố ảnh hưởng lớn tới van bán dẫn mà ta cần có phương pháp bảo vệ là: 20 - Điện áp đặt vào van lớn thông số van - Xung điện áp chuyển mạch van - Xung điện áp từ phía từ phía lưới điện xoay chiều, nguyên nhân thường gặp cắt tải có điện cảm lớn đường dây Xung điện áp cắt đột ngột máy biến áp non tải Để bảo vệ cho van làm việc dài hạn khơng bị q điện áp ta phải chọn van bán dẫn theo điện áp ngược Hình 2.3 Bảo vệ điện bảo vệ xung điện áp cho van Để bảo vệ điện áp xung điện áp q trình đóng cắt van bán dẫn thực cách mắc R-C song song với thyristor Khi có cố chuyển mạch, điện tích lớp bán dẫn phóng ngồi tạo dịng điện ngược khoảng thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng dịng điện ngược gây sức điện động cảm ứng lớn điện cảm, làm cho điện áp anot catot van.Khi có R-C mắc song song với van, tạo mạch vịng phóng điện tích q trình chuyển mạch nên van khơng bị q điện áp 400 = 565,7 (V) Tính theo cơng thưc gần ta có : - Coi dẫn đến tham số d = - Lưới điện có điện cảm 5µH - δ = 0,964 , R = 2.0,964 21 = 625.( C= = 5,12 = 0,512µF R = 1,928 = 1,928 = 6,025 (ῼ ) Chọn tụ C có giá trị 0,512 µF R có giá trị 6,025 (ῼ ) 2.5.2 Bảo vệ nhiệt cho van Thyristor làm việc với dòng điện tối đa Imax = 32,46A chịu tổn hao van (P1) chuyển mạch (P2) Tổng tổn hao là: P = P1 +P2 P1 = U.Ilv = 1,6.32,46 = 51,936W Tổn hao công suất sinh nhiệt Mặt khác van làm việc tới nhiệt độ tối đa cho phép T = 850C Do phải bảo vệ van cách gắn van bán dẫn lên cánh toả nhiệt Khi van bán dẫn mắc vào cánh toả nhiệt đồng nhôm, nhiệt độ van toả môi trường xung quanh nhờ bề mặt cánh toả nhiệt Sự toả nhiệt nhờ vào chênh lệch nhiệt cánh toả nhiệt mơi trường xung quanh Khi cánh toả nhiệt nóng lên, nhiệt độ xung quanh cánh toả nhiệt nóng lên Nhiệt độ xung quanh cánh toả nhiệt tăng lên Làm cho tốc độ dẫn nhiệt mơi trường khơng khí bị chậm lại Diện tích bề mặt toả nhiệt tính: Stn = Tổn hao công suất: P = 51,936W Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường: = Tlv – Tmt Có Tlv = 850C, chọn nhiệt độ mơi trường: Tmt = 350C = 85 - 35= 50 0C Ktn: Hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt Chọn Ktn = 8.10-4 W/cm2 0C Stn = = 1298.4 cm2 22 Hình 2.4 Tản nhiệt cánh cho Van Vậy ta chọn loại cánh tản nhiệt có cánh, Chọn a = 25cm, b= 20cm, h=10cm Diện tích đế : S1= a.b = 25.20=500cm2 Diện tích cánh : S2= 6.b.h = 6.20.10 =1200cm2 Tổng diện tích cánh tản nhiệt: S=S1 + S2 = 500+1200=1700 cm2 Vậy cánh tản nhiệt ta chọn đủ diện tích bề mặt để bảo vệ nhiệt độ cho van bán dẫn CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ CÁC YÊU CẦU ĐÃ ĐẶT RA 3.1 Những yêu cầu đạt được: Tìm hiểu mạch lực điều áp xoay chiều pha, sơ đồ Hiểu nguyên lý làm việc cách điều chỉnh điệp áp mạch Nắm vứng cơng thức tính tốn Tính thơng số van chọn loại van bán dẫ hợp lý 23 3.2 Những điều chưa đạt được: - Chưa mơ Matlab q trình làm việc mạch - Chưa có thực nghiệm kiểm chứng thực tế - Các tham số tính tốn để chọn van chưa chi tiết CHƯƠNG 4: PHỤ LỤC VÀ THAM KHẢO 4.1 Bảng phụ lục hình sơ đồ bài: STT TÊN HÌNH 1.1 Bộ điều áp xoay chiều pha 1.2 Điều áp xoay chiều ba pha,sơ đồ thyristor 1.3 1.4 1.5 điện trở Điều áp xoay chiều pha , pha hoạt động độc lập Một số điều áp xoay chiều pha Sơ đồ điều áp pha tải đấu TRÍCH XUẤT Ảnh mạng điện tử công suất Phạm Quốc Hải TRANG điện tử cơng suất Nguyễn Bính điện tử công suất Phạm Quốc Hải điện tử công suất 24 khơng có dây trung tính Phạm Quốc Hải 1.6 Đồ thị dạng điện áp với tải trở 10 1.7 Đồ thị dạng điện áp với tải RL 1.8 Sơ đồ điều áp xoay chiều pha thyristor đấu song song ngược Các loại bao gồm: tải đấu trung tính ( Hình 2.1 a), tải đấu khơng trung tính (Hình 2.1 b) điện tử công suất Phạm Quốc Hải điện tử công suất Phạm Quốc Hải điện tử cơng suất Nguyễn Bính điện tử công suất Phạm Quốc Hải điện tử công suất Phạm Quốc Hải điện tử cơng suất Nguyễn Bính 16 điện tử công suất Phạm Quốc Hải 23 2.1 2.2 Mạch lực điều áp xoay chiều pha thyristor đấu song song ngược 2.3 Bảo vệ điện bảo vệ xung điện áp cho van 2.4 Tản nhiệt cánh cho Van 11 12 16 21 25 4.2 Phụ Lục Tham Khảo: Thiết kế điều áp xoay chiều pha nguồn tham khảo ebook.vn Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất Phạm Quốc Hải (2009) Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật Điện tử công suất – Bài Tập – Bài giải - Ứng Dụng thầy Nguyễn Bính Giáo trình điện tử công suất tác giả Trần Trọng Minh 26 ... đồ bài: STT TÊN HÌNH 1.1 Bộ điều áp xoay chiều pha 1.2 Điều áp xoay chiều ba pha, sơ đồ thyristor 1 .3 1.4 1.5 điện trở Điều áp xoay chiều pha , pha hoạt động độc lập Một số điều áp xoay chiều pha. .. quan điều chỉnh điện áp xoay chiều pha .3 1.1 Tổng quan công nghệ điều chỉnh điện áp xoay chiều: 1.1.1Các điều áp xoay chiều dùng để đóng ngắt thay đổi điện áp tải từ nguồn xoay chiều. .. đóng góp thầy để tập lớn chúng em hoàn chỉnh Chương 1: Tổng quan điều chỉnh điện áp xoay chiều pha 1.1 Tổng quan công nghệ điều chỉnh điện áp xoay chiều: 1.1.1Các điều áp xoay chiều dùng để đóng