Bài tập lớn điện tử công suất THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA

Bài tập lớn điện tử công suất . Đề tài Đề 34 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA Yêu cầu Thông số kỹ thuật Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha Nguồn cấp U1= 400V Động cơ Ud= 380V P=7,5kW

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

BÀI TẬP LỚN

HỌC PHẦN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đề tài: Đề 34 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ

ĐIỆN XOAY CHIỀU BA PHA

Thiết kế bộ điều chỉnh điện

áp xoay chiều ba pha

Nguồn cấp U1= 400V Động cơ Ud= 380V P=7,5kW

TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ

Mục lục

Chương 1 Tổng quan về công nghệ

1.1 Giới thiệu về công nghệ điều áp xoay chiều

1.2 Phạm vi ứng dụng của công nghệ

Chương 2 Chọn mạch công suất

2.1 Các mạch công suất điều áp xoay chiều 3 pha:

- Mạch điều áp dùng thyristor mắc song song ngược, tải đấu sao không dây trung tính

- Mạch điều áp dùng 1 thyristor mắc song song ngược với 1 diode, tải đấu sao không dây trung tính

- Mạch điều áp dùng Triac, tải đấu sao có dây trung tính

2.2 Phân tích ưu nhược điểm các mạch

2.3 Chọn mạch công suất phù hợp : Mạch điều áp dùng Thyristor mắc song

song ngược, tải đấu sao không có dây trung tính

2.4 Tính chọn các linh kiện bán dẫn

- Tính chọn Thyristor phù hợp2.5 Tính chọn thiết bị bảo vệ

- Bảo vệ tốc độ tăng dòng

- Bảo vệ quá áp

Chương 3 Mô phỏng mạch công suất

3.1 Trình bày cấu trúc sơ đồ mạch công suất

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ1.Giới thiệu về công nghệ điều áp xoay chiều

1.1 Bộ điều áp xoay chiều

1.1.1 Định Nghĩa

Bộ biến đổi xung áp xoay chiêu là thiết bị dùng để điều chỉnh điện áp xoaychiều ra tải từ một nguồn áp xoay chiều

1.1.2 Phân loại

Điều áp xoay chiều được phân loại theo một số cách sau đây:

-Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van:

+Điều áp xoay chiều một pha

+Điều áp xoay chiều hai pha

+Điều áp xoay chiều ba pha

-Phân loại theo van bán dẫn trong mạch

+Mạch dùng thyristor, gọi là chỉnh lưu điều khiên

+Mạch dùng triac

+Mạch dùng thyristor và diot, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển

*Mạch sử dụng Thyristor là mạch cơ bản và phổ biến nhất

U 2 , f1

U 1 , f1

Bộ biến đổi xung áp xoay chiều

1.2.2 Đặc tuyến Volt-Ampere của Thyritor

Hình 1.2: đặc tính vôn-ampe của Thyristor

Đặc tính vôn –ampe của một Thyristor gòm hai phần( hình1 2) Phần thứnhất nằm trong góc phần tư thứ I gọi là đặc tính thuận tương ứng với trường hợpđiện áp U AK>0; phần thứ hai nắm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược,tương tứng với trường hợp U AK<0.

1.2.3 Các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển Thyristor

Quan hệ giữa điện áp trên cực điều khiển và catot với dòng điện đi vào cựcđiều khiển các định các yêu cầu đối với tín hiệu điều khiển Thyristor Với cùngmột loại Thyristor nhà sản xuất sẽ cung cấp một họ đặc tính điều khiển như hình1.3

Hình 1.3: yêu cầu đối với xung điều khiển của Thyristor

Trên đó, có thể thấy được đặc tính giới hạn về điện áp và dòng điện nhở nhấtứng với một nhiệt độ môi trường nhất định mà tín hiệu điều khiển phải đảm bảo đểchắc chắn mở được một Thyristor Dòng điều khiển đi qua tiếp giáp p-n giữa cựcđiều khiển và catot cũng là phát nóng tiếp giáp này Vì vậy tín hiệu điều khiểncũng phải bị hạn chế về công suất công suất giới hạn của tín hiệu điều khiển phụthuộc độ rộng cảu xung điều khiển tín hiệu điều khiển là một xung có độ rộngcàng ngắn thì công suất cho phép có thẻ càng lớn

a.Giá trị trung bình cho phép chạy qua Thyristor, I v

Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua Thyristor với điều kiệnnhiệt đọ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của Thyristor không vượt quá một quá trịcho phép Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua Thyristor còn phụ thuộc vàođiều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường Thyristor có thể được gắn lên các bộ tảnnhiệt tiêu chuẩn và làm mát tự nhiên Ngoài ra Thyristor có thể được làm mắtcưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải nhiệt lượng tỏa ra nhanh hơn Vấn

đề làm mát van bán dẫn sẽ được để cập pử phần sau, tuy nhiên có thể lựa chọndòng điện theo cá điều kiện làm mát theo kinh nghiệm sau:

-Làm mát tự nhiên

-làm mát cưỡng bức bằng quạt gió

-làm mát cưỡng bức bằng nước

b Điện áp ngược cho phép lớn nhất,U ngmax

Đây là giá trị điện áp ngược lơn nhất cho phép đặt lên Thyristor Trong cácứng dụng phải dảm bảo rằng, tại bắt kỳ thời điểm nào điện áp giữa anot-catot U AK

luôn nhở hơn hặc bằng U ngmax Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhất định vềđiện áp, nghĩa là phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớnnhất của điện áp trên cơ sở đó

c.Thời gian phục hồi tính chất khóa Thyristor t r

Đây là thời gian tối thiều phải đặt điện áp âm lên giữa anot-catot củaThyristor sau khi dòng anot-catot đã về bằng không trước khi lại có thể có điện ápdương mà Thyristor vẫn khóa Thời gian phục hồi t r là một thong số rất quan trọngcủa Thyristor, nhất là trong các bộ nghịch lưa phụ thuộc hoặc nghịc lưa độc lập,trong đó phải luôn đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khóa bằng 1,5 đến 2lần t r

d.Tốc độ tăng điện áp cho phép du dt

Thyristor được sử dụng như một phần tử có điều khiển, nghĩa là mặc dùđược phân cực thuận (U AK> 0 ¿ nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới chophép dòng điện chạy qua.Khi thyristor được phân cực thuận, phần lớn điện áp rơitrên lớp tiếp giáp J2 như được chỉ ra ở hình 1.5

Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nê độ dày của nó nở ra, tạo ra vùngkhông gian nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua Vùng không gian này cóthể coi như một tụ điện có điện dung C J 2 Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn,dòng điện của tụ có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển Kếtquả là thyristor có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G

e.Tốc độ tăng dòng cho phép di/dt.

Khi thyristor bắt đầu mở, không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bándẫn của nó đều dẫn dòng đồng đều Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm,gần với cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộtiết diện Nếu tốc độ tăng dòng quá lớn, có thế dẫn đến mật độ dòng điện ở cácđiểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể dẫn đến hỏngcục bộ,từ dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn

Tốc độ tăng dòng cũng phân biệt thyristor tần số thấp, có di/dt cỡ 50 đến100A/μss, với các thyristor tần số cao di/dt cỡ 500 đến 2000A/μss Trong các ứngsụng phải luôn đảm bảo tốc độ tăng dòng cho phép Điều này đạt được nhờ mắcnối tiếp các van bán dẫn với các cuận kháng trị số nhỏ Cuận kháng có thể có lõi

không khí hoặc lõi ferit Có thể dùng những xuyến ferit lồng lên thanh dẫn để tạocác điện khác giá trị khác nhau, tùy theo số lượng xuyến sử dụng Xuyến ferit tạonên các điện kháng có tính chất của cuận kháng bão hòa Khi dòng điện qua thanhdẫn nhỏ, điện kháng sẽ có giá trị lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng Khi dòng điệnlớn, cuộn kháng bị bão hòa, điện cảm gần như bằng không Như vậy cuộn khángkiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức qua thanh dẫn

CHƯƠNG 2: CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT

2.1 Các mạch công suất điều áp xoay chiều 3 pha

2.1.1 Mạch điều áp dùng thyristor mắc song song ngược, tải đấu sao không dây trung tính

Hình 2 1

Hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha nối sao không dây trungtính là sự hoạt động tổng hợp của các pha Việc điều chỉnh điện áp bộ điều áp 3 phakhông dây trung tính phụ thuộc vào góc α

Trường hợp tổng quát sẽ có 6 đoạn điều khiển và 6 đoạn điều khiển không đốixứng, đối xứng khi cả 3 Thyristor dẫn, không đối xứng khi 2 Thyristor dẫn

Việc xác định điện áp phải căn cứ vào chương trình làm việc của các Thyristor.Giả thiết rằng tải đối xứng và sơ đồ điều khiển đảm bảo tạo ra các xung mở và góc mởlệch nhau 120o

Khi đóng hoặc mở 1 Thyristor của một pha nào đó sẽ làm thay đổi dòng của 2pha còn lại, ta lưu ý rằng trong hệ thống điện áp 3 pha hoặc chỉ qua 2 pha Không cótrường hợp chỉ có 1 pha dẫn dòng

Khi dòng chảy qua cả 3 pha thì điện áp trên mỗi pha đúng bằng điện áp pha

Khi dòng chảy qua cả 2 pha thì điện áp trên pha tương ứng bằng 1/2 điện ápdây

2.1.2 Mạch điều áp dùng thyristor mắc song song ngược với diode, tải đấu saokhông dây trung tính

Trên sơ ta nhận thấy mỗi pha có một Thyristor đc thay thế bằng 1 điốt Không códây trung tính làm cho giá trị trung bình của tổng dòng điện pha của tải và điện áptrên cực của nó luôn bằng không

-Sự hoạt động của sơ đồ:

Ta ký hiệu: Va, Vb, Vc là điện áp nguồn

V’a, V’b, V’c là điện áp pha của tảiCác Thyristor được mở 1 góc α lần lượt lệch nhau 120 độ

Ba dòng điện Ia, Ib , Ic giống nhau ở một phần ba chu kỳ nhưng ở nửa chu

kỳ âm khác với nửa chu kỳ dương, do vậy điện áp V’a, V’b, V’c và của cácThyristor vì có điốt nên không có các giá trị âm

Nếu tải thuần trở, có ba chế độ làm việc liên tiếp sau đây khi α từ 0 đến 7 π6 Khi 0 < α < π2 : ba hoặc hai linh kiện dẫn

Hình 2 2

Khi π2 < α < 3 π2 : ba, hai hoặc không có linh kiện dẫn Khi 3 π2 < α < 7 π6 : hai hoặc không có linh kiện dẫn

2.1.2 Mạch điều áp dùng Triac, tải đấu sao có dây trung tính

Hình 2.3 Điện áp trên Pha A khi góc alpha từ 0 đến 7 π

6

Triac về nguyên lý điều khiển giống hệt các cặp thyristor mắc song songngược.

So với sơ đồ này thì các Triac làm độc lập với nhau Ta có thể thực điềukhiển riêng biệt từng pha, tải có thể đối xứng hoặc không đối xứng Do đó điệp áptrên các van bán dẫn nhỏ hơn vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha Cácvan đấu ở trung tính nên số điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha Các vanđấu ở điện trung tính có tồn tại dòng điện điều hoà bậc cao, khi góc mở các vankhác không có dòng tải gián đoạn và loại sơ đồ nối này chỉ thích hợp với các loạitải 3 pha có 4 đầu dây ra

Hình 2.4 Điện áp mỗi pha hoạt động độc lập

2.2 Phân tích ưu nhược điểm các mạch

Các sơ đồ ko trung tính( Mạch 1, 2) có nhiều điểm khác so với sơ đồ có trung tính( Mạch 3) Ở đây dòng điện chạy giửa các pha với nhau, nên đồng thời phải cấp xung điều khiển cho hai Thyristor của hai pha một lúc Việc cung cấp xung điều khiển như thế, đôi khi gắp khó khăn trong mạch, ngay cả việc đổi thứ tự pha nguồn lưới cũng có thể làm cho sơ đồ không hoạt động

Ở mạch 2 điện áp trên các pha của tải ngoài các thành phần cơ bản còn có cảcác điều hòa bậc chẵn và lẻ, trừ điều hòa bậc ba và bội ba Tiêu thụ công suất phản kháng ngay cả khi tải thuần trở Nên mặc dù có cấu tạo và điều khiển đơn giản hơnnhưng phức tạp về mặt tính toán

Ở mạch 3 Tải đấu sao có trung tính có ưu điểm là sơ đồ giống hệt ba mạch điều áp một pha điều khiển dịch pha theo điện áp lưới, do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha Nhược điểm của sơ

đồ này là trên dây trung tính có tồn tại dòng điện điều hòa bậc cao, khi góc mở của van khác 0 có dòng tải gián đoạn và loại sơ đồ nối này chỉ thích hợp với loại tải ba pha có bốn đầu dây ra Triac là van bán dẫn duy nhất cho phép dòng điện chảy theo

cả hai chiều Tuy nhiên loại van này thường có công suất nhỏ và giá thành tương đối cao

Chọn loại thyristor T10-20 cấp điện áp 12 với I tbmax=20 A và U ng max=1200 V, và tham

số điều khiển U g=3V, I g=75mA, nên điện trở tương đương của cực điều khiển là:

0,075(A)

3(V)

6 (mA)

200(V/s)

40 (A/

μss )

70 (

μss )

2.5 Tính chọn thiết bị bảo vệ

Mạch bảo vệ van gồm các phần tử L a, R, C tham số của Thyristor T10-20 có

I tbmax=20 A ,U ng max=1200 V, du/dt là cấp 4, du/dt là cấp 2: du/dt = 200 V/μss; di/dt = 40A/μss

Bảo vệ tốc độ tăng dòng:

Giả sử điện áp lưới không ổn định mà dao động trong khoảng ±10%, vậy U 2 max

lúc này sẽ tương đương:

U 2 max=√2.1,1 230=√2 1,1.230=357,8(V )

Hình 2.5 Mạch bảo vệ quá dòng thyristor

- Vì tải thuần trở nên cần có điện cảm La bảo vệ tốc độ tăng dòng qua thyristor

Tốc độ tăng dòng cho phép phụ thuộc vào điện áp đặt lên van và chỉ đúng với trị sốtra cứu nếu điện áp trên van khi làm việc nhỏ hơn 67% điện áp lớn nhất cho phép.Trường hợp này điện áp lớn nhất khi làm việc

U 2 max = 357,8 V, điện áp tối đa cho phép đặt lên van 1200V, vậy có quan hệ:

U 2 max

U ng max=

357,8

1200=0,2981<0,67

-Vậy tốc độ tăng dòng cho phép được lấy bằng trị số tra cứu di/dt = 40 A/μss

Từ đây có trị số điện cảm La để bảo vệ bằng:

Hình 2.6 Mạch RC bảo vệ quá điện áp của Thyristor

Hệ số quá áp khi làm việc:

Giả sử điện áp lưới không ổn định mà dao động trong khoảng ±10%, vậy U2max lúcnày sẽ tương đương:

K= U ng max

U 2max =

975,8 357,8=2,72Với K = 2,72 có C* = 0,13; R min=1,8(Ω); R max=3,9(Ω)

Dòng qua tải, cũng chính là dòng qua van, có giá trị tức thời lớn nhất bằng:

I thy max=U 2.max

Z =

357,8

25 =14,312 ASuy ra tốc độ giảm dòng nhanh nhất khi van khóa lại:

Bảng thông số:

Cuộn cảm L = 10 (μsH)

Tụ điện C = 0,99 (nF¿Điện trở R =15(Ω)

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MẠCH CÔNG SUẤT

3.1 Trình bày cấu trúc sơ đồ mạch công suất

Ta phân tích sự hoạt động của sơ đồ qua các trường hợp sau với tải R:

Mạch hoạt động theo quy luật chung:

- Trường hợp 3 van dẫn: Mỗi pha có 1 van dẫn => Utải = Unguồn

- Trường hợp 2 van dẫn: Có 2 pha có van dẫn và 1 pha không van nào dẫn => điện

áp pha tải = 1/2 điện áp dây nguồn và có 1 pha không có điện áp

-Trường hợp không có van dẫn: Toàn bộ tải bị ngắt khỏi nguồn (Utải = 0)

Các trường hợp dẫn của van phụ thuộc vào góc điều khiển α

•Với 0≤ α ≤60

HÌnh 3 1

Trong vùng này có hai trạng thái kế tiếp nhau đó là 3 van dẫn và 2 van dẫn

Giai đoạn 3 van dẫn dài 60° ÷ α

Giai đoạn 2 van dẫn bằng chính α

Góc dẫn van λ =(180°−α)

Van ngắt khi điện áp nguồn bằng không.

Giá trị hiệu dụng của dòng điện áp ra tải

Điện áp ra tải không còn đoạn bằng điện áp nguồn mà chỉ có thể =12điện ấp dây

Giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải

Van không dẫn liên lục mà dẫn thành 2 giai đoạn xen giữa một khoảng nghỉ.

Van ngắt dòng mỗi khi điện áp dây nguồn vê 0V

Giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải

Điện áp đặt đưa vào bộ điều khiển, điện áp ra điều khiển góc mở thytistor đểđiều chỉnh điện áp đặt vào động cơ Tốc độ động cơ có tỉ lệ với bình phương điện ápnên khi điện áp thay đổi thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi.

3.3 Sơ đồ hoàn chỉnh và chạy thử trên PSIM:

HÌnh 3 4

Chạy thử với trường hợp góc alpha bằng 30 độ:

Chạy thử với trường hợp góc alpha bằng 80 độ:

Chạy thử với trường hợp góc alpha bằng 100 độ:

HÌnh 3 5

HÌnh 3 6

HÌnh 3 7

3.4 Nhận xét và đánh giá kết quả:

-Mạch công suất hoạt động

-Điện áp sau khi điều khiển góc mở alpha đã được điều chỉnh

-Đồ thị điện áp hiển thị đúng với các trường hợp khác nhau

3.5 Kết luận:

Trong quá trình làm đồ án chúng em đã thực hiện các công việc sau :

- Sử dụng thành thạo phần mềm mô phỏng PSIM

- Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của mạch điều áp xoay chiều ba pha

- Giới thiệu phương pháp điều khiển mạch điều áp xoay chiều ba pha

- Thiết kế mạch lực và mạch điều khiển điều áp xoay chiều ba pha

- Mô phỏng mạch điều khiển điều áp xoay chiều ba pha bằng phần mềm PSIM

Tuy nhiên, do thời gian có hạn nên chúng em chưa thể hoàn thành phần cứng của mạch điều khiển này và một số kết quả mô phỏng chỉ mang tính tương đối so với

lý thuyết đã học

Vì vậy, sau khi hoàn thành đồ án này chúng em sẽ tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện đề tài này Mục đích của chúng em là phát triển đề tài này ứng dụng vàogiảng dạy và học tập, từ đó giúp sinh viên nắm bắt và hiểu rõ hơn trong việc mô phỏng mạch điện tử công suất