Bài viết đưa ra đề xuất chế tạo thiết bị thí nghiệm điện tử công suất để đáp ứng nhu cầu đào tạo tại trường đồng thời cải tiến những hạn chế của các công ty trong và ngoài nước. Mời các bạn cùng tham khảo bài viết để nắm chi tiết hơn nội dung nghiên cứu.
ISSN 2354-0575 NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM CÁC MẠCH CHỈNH LƯU KHƠNG VÀ CĨ ĐIỀU KHIỂN VỚI MẠCH MỘT PHA VÀ BA PHA Nguyễn Viết Ngư, Nguyễn Đình Hùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 12/10/2017 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 10/11/2017 Ngày báo xét duyệt đăng: 19/11/2017 Tóm tắt: Các ứng dụng điện tử công suất sử dụng phổ biến nhiều lĩnh vực đào tạo, công nghiệp, viễn thông,…vv Hiện thiết bị đào tạo, nghiên cứu lĩnh vực điện tử công suất khoa ĐiệnĐiện tử, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên trang bị chủ yếu thiết bị dự án có giá thành cao, số lượng thiết bị cịn hạn chế khơng đáp ứng đủ mục tiêu đào tạo nghiên cứu Khoa Sản phẩm nghiên cứu báo có chất lượng tương đương sản phảm dự án, lại có giá thành rẻ nhiều, góp phần làm tăng số lượng thiết bị để phục vụ đào tạo nghiên cứu khoa học Khoa Từ khóa: Điện tử cơng suất, Một pha, Ba pha Mở đầu Hiện giới với tảng khoa học công nghệ giáo dục phát triển mạnh, nên có nhiều cơng ty, tập đồn Lucas- nulle Đức; Edipon Tây Ban Nha… tham gia sản xuất thiết bị giáo dục nói chung, thiết bị dạy nghề nghiên cứu ứng dụng nói riêng Trong phải kể đến lĩnh vực điện tử công suất, lĩnh vực khai thác sử dụng mạnh mẽ thập niên gần Đối với quốc gia phát triển mạnh thiết bị giáo dục nghề nghiệp Đức, Anh, Hàn Quốc, Tây Ban Nha, Đài Loan thiết bị đào tạo điện tử công suất chế tạo với nhiều loại hình khác để đáp ứng nhu cầu học tập nghiên cứu Tuy nhiên giá thành cao nhiều nội dung chưa phù hợp với điều kiện đào tạo nước ta Thiết bị giáo dục nước ta nói chung cịn nhiều thử thách công ty hay trung tâm nghiên cứu thiết bị giáo dục quan tâm nhiều khoảng 10 năm trở lại Nước ta có số cơng ty sản xuất thiết bị giáo dục Cty CPTB Tân phát, Công ty CPTBGD dạy nghề Việt Nam, Công ty TNHH thiết bị đào tạo phát triển công nghệ Ngọc Huy, Công ty TBGD Hồng Đức, Hải Hà… đầu tư phát triển thiết bị thí nghiệm - thực hành điện tử công suất Với thiết bị chế tạo nước đáp ứng tiêu chí kinh tế, nhiên tính ứng dụng đào tạo đáp ứng yêu cầu bản, tính khái quát chưa cao, cịn hạn chế tiêu chuẩn an tồn Hơn tài liệu hướng dẫn kèm theo sơ sài, thiếu đồng hạn chế nội dung thí nghiệm Khoa học & Cơng nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Đứng trước tình hình nhóm nghiên cứu đưa đề xuất chế tạo thiết bị thí nghiệm điện tử cơng suất để đáp ứng nhu cầu đào tạo trường đồng thời cải tiến hạn chế cơng ty ngồi nước Phân tích ý tưởng thiết kế thiết bị thí nghiệm Sau phân tích tìm hiểu số thiết bị thí nghiệm ngồi nước, nhóm nghiên cứu nhận thấy đặc điểm chung riêng mơ hình thí nghiệm từ đưa xu hướng chế tạo thiết bị thí nghiệm phù hợp với nội dung yêu cầu theo chương trình đào tạo hành Trường ĐHSP Kỹ thuật Hưng Yên Theo mơ hình trên, phát triển thiết bị thí nghiệm nhóm nghiên cứu đánh giá cao mơ hình dạng mơ đun hãng Lusca-Nulle khả linh hoạt, tích hợp thuận lợi sử dụng bảo quản Tuy nhiên để người học tư nhiều lắp ráp, nhóm nghiên cứu có định hướng phát triển thiết bị yêu cầu người học phải tự nối tín hiệu đồng tín hiệu điều khiển, đồng thời tạo hướng mở rộng kết nối thiết bị thí nghiệm với thiết bị khác 2.1 Thiết kế, tính tốn lựa chọn mạch công suất phần tử bảo vệ 2.1.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch công suất Mạch công suất thiết kế đảm bảo thí nghiệm mạch chỉnh lưu pha, ba pha khơng có điều khiển đáp ứng yêu cầu có điểm đo dịng, đo áp, bảo vệ q dịng cầu chì Từ đặc điểm yêu cầu nhóm nghiên cứu thiết kế mạch cơng suất Hình 1: Journal of Science and Technology 31 ISSN 2354-0575 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch cơng suất 2.1.2 Tính tốn lựa chọn phần tử cơng suất Theo kết khảo sát phịng thí nghiệm điện tử cơng suất thiết bị thí nghiệm ngồi nước, nhóm nghiên cứu nhận thấy thiết bị thí nghiệm điện tử cơng suất thường chế tạo làm việc với giá trị dòng điện khoảng 1A đến 2A, điện áp thiết bị làm việc với giá trị 45ACV, 47ACV hay 220ACV [1-4] Từ phân tích nhóm nghiên cứu lựa chọn phương án thiết kế bo mạch công suất làm việc dài hạn đảm bảo với dòng điện trung bình qua tải lớn Id = 1,5A điện áp ba pha lớn cấp vào mạch có giá trị hiệu dụng U2 = 220V Trong thực tập van cơng suất phải chịu dịng điện lớn mạch tia pha nửa chu kỳ, dịng qua van dịng qua tải Như ta chọn dòng điện làm việc van theo trường hợp Với điều kiện làm mát tự nhiên sử dụng cánh tản nhiệt dịng làm việc van cơng suất tính chọn sau: IDAV = ITAV = 4×Id = 4×1,5 = 6(A) Điện áp van chọn theo mạch chỉnh lưu ba pha van phải chịu điện áp lớn là: UDngmax = UTngmax = U2 = 220 = 538 (V) Từ phần tính tốn thiết bị có sẵn thị trường nhóm nghiên cứu chọn van diode 6A10 van thyritstor BT151 2.1.3 Tính chọn bảo vệ q dịng bảo vệ nhiệt a Tính tốn bảo vệ q dịng cho van bán dẫn cơng suất Thiết bị thí nghiệm làm việc với điện áp thấp dòng nhỏ nên thiết kế riêng biệt để khảo 32 sát đặc tính van cơng suất, khơng kết nối với phần tử RC hay bảo vệ hạn chế dòng độ mà thiết kế bảo vệ q dịng tản nhiệt cho van cơng suất Theo thiết kế phần bảo vệ dòng cho van cơng suất đặt hai vị trí nguồn vào đầu tải, nhiên mạch công suất thí nghiệm với mạch khác nên dịng cầu chì chọn bảo vệ phải đảm bảo: I F = (1, ' 1, 3) # Id = (1, ' 1, 3) # 1, = (1, 65 ' 1, 95) A UF $ U2 = 220V Như ta chọn loại cầu chì tác động nhanh có điện áp làm việc U = 250V dịng làm việc định mức 2A b Tính tốn tản nhiệt độ cho van bán dẫn cơng suất Vì mạch hoạt động tần số thấp điện áp rơi van giao động khoảng từ 1,4V đến 1,75V nên bỏ qua tổn hao đóng cắt tổn hao điện trở vi phân gây lên, tổn hao van cơng suất xác định TP TP = TU.Id = 1,4.1,5 = 2,1W; Stn = K x tn Trong đó: Tổn hao công suất: TP = 2,1 W, Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường: x = TJ – Tmt Có TJ = 175oC, chọn nhiệt độ mơi trường: Tmt = 25oC & x = = 175 - 25 = 150 oC Ktn = (6-10).10-4 W/cm20C: Hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt Chọn Ktn = 8.10-4 W/cm20C Stn = 2,1/(8.10-4.150) = 17 cm2 Như ta chọn cánh tản nhiệt nhơm có tổng diện tích bề mặt 17 cm2 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 2.1.4 Thiết kế, tính tốn lựa chọn mạch điều khiển 2.1.4.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Hình Thể phần Phụ lục Tính tốn mạch dao động tạo xung chùm Tần số xung chọn f = 4KHZ thơng số mạch tạo xung dao động xác định: Chu kỳ xung chùm: 1 T = f = 4000 = 0, 25ms 2.1.4.2 Phân tích tính chọn phần tử mạch điều khiển a Phân tích lựa chọn khối phát xung chủ đạo Mạch phát xung chủ đạo sử dụng nhiều phương pháp khác mạch tạo dao động dùng UJT, mạch dùng IC khuếch đại thuật toán hay mạch dùng IC tích hợp Qua tìm hiểu nghiêm cứu nhóm tác giả lựa chọn sử dụng điều khiển dùng IC tích hợp TCA785 hãng Simens chế tạo sử dụng để điều khiển thiết bị chỉnh lưu, thiêt bị điều chỉnh dòng xoay chiều Xung chùm thường có dạng đối xứng nên Ton = Toff = 0,125ms b Tính tốn phần tử tạo giao động thông số IC TCA785 Tụ tạo xung cưa: C10 = 500pF (min), nF (max) Thời điểm phát xung đầu chân 14; 15 (Hình 2): V R C (1) tTr = 11V 9.K 10 ref Dòng nạp tụ: I10 = Vref K R9 Vref K.t Điện áp tụ C10: V10 = R C 10 (2) (3) Điện áp nguồn ni: US = 15V Dịng điện tiêu thụ: IS = 10mA Dòng điện ra: I = 50mA Biên độ điện áp lớn xung cưa: U-RC = (US-2)V Điện trở mạch tạo điện áp max cưa: R9 = (20 ' 500) kX Điện áp điều khiển: U11 = - 0, ' _US - i V Dòng điện đồng bộ: IS = 200 ( nA), Tụ điện: C10 = 0,5 - 1( nF), Tần số xung ra: f = (10 ' 500) Hz 2.1.4.3 Tính toán, lựa chọn khối phát xung chùm Để đảm bảo tính đối xứng độ làm việc ổn định mạch tải có tính cảm lớn ta thường chọn xung điều khiển có dạng xung chùm Đặc điểm xung chùm thường có tần số cao so với tín hiệu đồng thường có tần số khoảng từ 1,8 đến 5KHZ Để phát xung chùm ta dùng nhiều phương pháp khác dùng mạch đa hài, mạch dùng KĐTT hay dùng IC tích hợp, … để đảm bảo nhóm nghiên cứu thiết kế mạch phát xung dùng NE555 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Ton = 0, 69 R10 C5 = 0, 125 10 -3 & R10 C5 = 0, 25 10 -3 -4 0, 69 = 7, 10 Chọn C = 0.1μF suy 7, # 10 -4 = 72 (KX ) & R10 = 0, 10 -6 Tương tự ta xác định R3 Toff Toff = 0, 69 R10 C3 = 0, 125 10 -3 & R3 C5 = 0, 125 10 -3 = 7, 10 -4 0, 69 Mà C = 0.1μF suy ra: 7, 10 -4 = 72 (KX ) & R3 = 0, 10 -6 Để đảm bảo độ xác không bị ảnh hưởng sai số linh kiện tra thay điện trở R10 R3 thành biến trở tinh chỉnh có giá trị 100K 2.1.4.4 Tính chọn khối trộn xung Để đảm bảo xung điều khiển làm việc đồng với điện áp nguồn công suất ta phải trộn xung chùm tần số cao với xung điều khiển đồng Khi nhóm nghiên cứu phân tích thiết kế lựa chọn cổng AND (IC74LS08N) làm phần tử trộn xung 2.1.4.5 Tính chọn khối mạch khuếch đại Khối khuếch đại có nhiệm vụ cách ly phần điều khiển với mạch lực đồng thời khuếch đại tín hiệu dịng điều khiển Mạch khuếch đại thường sử dụng hai phương pháp biến áp xung hay phần tử quang Trong phạm vi nghiện cứu thí nghiệm với công suất nhỏ để đảm bảo xung phát có độ xác cao nên nhóm nghiên cứu chọn phần tử quang làm thiết bị khuếch đại 2.1.4.6 Tính chọn phần tử mạch nguồn điều khiển Mạch điều khiển cấp nguồn cho TCA785, IC 74LS08N, NE555, rơle mạch phân áp khuếch đại với dòng tiêu thụ nhỏ vài trăm mA Nên ta thiết kế sơ đồ mạch cấp nguồn với cầu dioode 1A, mạch ổn áp dùng IC7812T với dòng làm việc lớn 1A Journal of Science and Technology 33 ISSN 2354-0575 2.2 Lắp ráp hoàn thiện sản phẩm 2.2.1 Mơ đun cơng suất sau hồn thiện 2.3 Khảo sát tín hiệu mạch điều khiển Hình Hình ảnh khảo sát kiểm tra thiết bị phịng thí nghiệm ĐTCS khoa Đ-ĐT Hình Hình ảnh sản phẩm mô đun công suất 2.2.2 Mô đun điều khiển mạch chỉnh lưu sau hoàn thiện 2.3.1 Khảo sát đánh giá mạch chỉnh lưu hình tia ba pha không điều khiển tải R 2.3.1.1 Sơ đồ mạch điện [5] Thể Hình 2.3.1.2 Kết khảo sát mối quan hệ dòng điện điện áp mạch, sử dụng phần mềm PSIM [6-7] Bảng So sánh kết khảo sát sản phảm nghiên cứu (SPNC) với sản phảm hãng Lucasnulle (LN) TT U2 (V) Ud (V) I2 (A) Id (A) IFAV IFRMS (A) (A) SP NC 48,5 53 0,32 0,55 0,2 0,32 Hãng LN 48 53 0,32 0,55 0,2 0,32 Kết khảo sát quan hệ dạng sóng U2; Ud; Id thể Hình Hình Hình ảnh sản phẩm mơ đun điều khiển Hình Sơ đồ mạch điện 34 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Hình Kết khảo sát quan hệ dạng sóng U2; Ud; Id 2.3.2 Khảo sát đánh giá mạch chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển tải R 2.3.2.1 Sơ đồ mạch điện [5] Hình Sơ đồ mạch điện Bảng So sánh kết khảo sát sản phảm nghiên cứu (SPNC) với sản phảm hãng Lucas- nulle (LN) α (Rad) r/6 r/3 r/2 2r/3 5r/3 Ud (V) 52,8 44,7 31,6 15,7 3,43 SPNC Ud (V) 53 45 32 16 3,45 Hãng LN Từ kết khảo sát Bảng Bảng cho thấy, thông số đo thiết bị sản phẩm nghiên so với thông số đo thiết bị hãng LN tương đương Qua chứng tỏ chất lượng thiết bị nhóm nghiên cứu tương tương với chất lượng thiết bị hãng LN, có giá thành rẻ nhiều Hình Kết khảo sát quan hệ dạng sóng U2 ; Ud ; Id α = r/6 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology 35 ISSN 2354-0575 Kết luận Nhóm tác giả tìm hiểu, phân tích so sánh đặc điểm số thiết bị thí nghiệm điện tử cơng suất hãng nước, nhận thấy giá thành thiết bị hãng sản xuất có giá thành cao Từ nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu chế tạo thành công mô đun điều khiển mô đun công suất biến đổi AC-DC Kết thí nghiệm so sánh với thiết bị hãng Lucasnulle tương đương nhau, sản phẩm nhóm nghiên cứu có giá thành thấp nhiều Sản phẩm đề tài ứng dụng việc giảng dạy cho học phần thí nghiệm điện tử cơng suất học phần thí nghiệm truyền động điện khoa Điện - Điện tử, trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Hưng Yên Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Bính, Điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật, năm 2000 [2] Võ Minh Chính, Điện tử cơng suất, NXB Khoa học kỹ thuật, năm 2007 [3] Nguyễn Trọng Linh, Điện tử công suất, Tài liệu dịch tác giả Ashfaq Ahmed, năm 2004 [4] Trần Văn Thịnh, Thiết bị điện tử công suất, Lưu hành NB - ĐHBKHN, năm 2000 [5] Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm điện tử cơng suất hãng Lucas- nulle- EPE10 [6] Richmond, User Manual PSIM Version 4.0, January 1999 [7] Richmond, User Manual PSIM Version 9.0, March 2010 STUY AND IMPLEMENTATION OF EXPERIMENTAL EQUIPMENT CONTROLLED AND UNCONTROLLED RECTIFY CIRCUIT FOR SINGLE AND THREE PHASES Abstract: Power electronic is widely used in many applications such as education, industiry, telecommunication Today, in Faculty of Electronic and Electrical Engineering - Hung Yen university of Technology and Education, training and research equipments including power electronics are primasily supported by projects, but so expensive and shortage of tranning and research puspose However, the experimental equipments of papers are as quality as the supporsed devices by porject More over, these devices are so cheap and distributed for tranning and research in electronic and electrical engineering Keywords: Electronic Power, Single Phase, Three Phase 36 Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 PHỤ LỤC Hình Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Khoa học & Công nghệ - Số 16/Tháng 12 - 2017 Journal of Science and Technology 37 ... giả lựa chọn sử dụng điều khiển dùng IC tích hợp TCA785 hãng Simens chế tạo sử dụng để điều khiển thiết bị chỉnh lưu, thiêt bị điều chỉnh dòng xoay chiều Xung chùm thường có dạng đối xứng nên... thông số đo thiết bị sản phẩm nghiên so với thông số đo thiết bị hãng LN tương đương Qua chứng tỏ chất lượng thiết bị nhóm nghiên cứu tương tương với chất lượng thiết bị hãng LN, có giá thành... sát tín hiệu mạch điều khiển Hình Hình ảnh khảo sát kiểm tra thiết bị phòng thí nghiệm ĐTCS khoa Đ-ĐT Hình Hình ảnh sản phẩm mô đun công suất 2.2.2 Mô đun điều khiển mạch chỉnh lưu sau hoàn thiện