Bài tập lớn điện tử công suất (bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha sử dụng 6 thyristor)

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 Môn: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đề tài : Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha sử dụng 6

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 bài tập: N01

- Họ tên thành viên trong nhóm:

MỤC LUC

Chương 1: Tổng quan về bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha 3

1.1 Tổng quan về công nghệ điều chỉnh điện áp xoay chiều: 3

1.1.1Các bộ điều áp xoay chiều dùng để đóng ngắt hoặc thay đổi điện áp ra tải từ một nguồn xoay chiều cố định, trong đó tần số điện áp ra bằng điện áp nguồn 3

1.1.2 Giới thiệu về mạch lực điều áp xoay chiều một pha 3

1.1.3 Giới thiệu về mạch lực điều áp xoay chiều ba pha: 4

1.2 Một số ứng dụng của điều áp xoay chiều 3 pha 11

1.2.1 Công tắc tơ điện tử 11

1.3 Yêu cầu của 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 3 pha dùng 6 Thyristor song song ngược, Phụ tải đấu sao không dây trung tính 17

2.3 Phân tích ưu, nhược điểm của các mạch công suất 19

2.4 Tính chọn van bán dẫn công suất cho sơ đồ mạch 19

2.4.1Chọn van theo chỉ tiêu dòng điện 20

2.4.2 Chọn van theo chỉ tiêu điện áp 21

2.5 Tính chọn phần tử bảo vệ 22

2.5.1 Bảo vệ quá điện áp cho van 22

2.5.2 Bảo vệ quá nhiệt cho van 24

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ CÁC YÊU CẦU ĐÃ ĐẶT RA 26

3.1 Những yêu cầu đã đạt được: 26

3.2 Những điều chưa đạt được: 26

CHƯƠNG 4: PHỤ LỤC VÀ THAM KHẢO 27

4.1 Bảng phụ lục các hình và sơ đồ trong bài: 27

Sơ đồ contactor điện tử và ứng dụng 27

4.2 Phụ Lục Tham Khảo: 28

1 Thiết kế bộ điều ap xoay chiều 3 pha nguồn tham khảo ebook.vn 28

Giới thiệu:

Điện tử công suất là công nghệ biến đổi điện năng từ dạng này sang dạngkhác trong đó các phần tử bán dẫn công suất đóng vai trò trung tâm, được ứngdụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại Trong những năm gầnđây, công nghệ chế tạo các phần tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc

và ngày càng trở nên hoàn thiện dẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càngnhỏ gọn, nhiều tính năng và sử dụng ngày càng dễ dàng hơn

Trong các bộ biến đổi các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng nhưnhững van khóa bán dẫn, còn gọi là van bán dẫn, khi mở dẫn dòng thì nối tải vàonguồn, khi khóa thì không có dòng điện chạy qua Khác với các phần tử có tiếpđiểm các văn bản dẫn thực hiện đóng cắt dòng điện mà không gây nên tia lửa điệnkhông bị mài mòn theo thời gian Tuy có thể đóng cắt các dòng điện lớn nhưng cácphần tử bán dẫn công suất lại được điều khiển bởi các tín hiệu điện công suất nhỏ,tạo bởi các mạch điện tử công suất nhỏ.Quy luật nối tải vào nguồn phụ thuộc vàocác sơ đồ bộ biến đổi và phụ thuộc vào cách thức điều khiển các van trong bộ biếnđổi Như vậy quá trình biến đổi năng lượng được thực hiện với hiệu suất cao vì tổnthất trong bộ biến đổi chỉ là tổn thất trên các khóa điện tử, không đáng kể so vớicông suất điện Cần biến đổi Không những đạt được hiệu suất cao mà các bộ biếnđổi còn có khả năng cung cấp phụ tải nguồn năng lượng với các đặc tính theo yêucầu, đáp ứng các quá trình điều chỉnh, điều kiện trong một thời gian ngắn nhất, vớichất lượng phù hợp trong các hệ thống tự động

Nội dung bài tập lớn này tập trung tìm hiểu về bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3pha điện tử sử dụng thyristor để điều khiển đóng cắt động cơ 3 pha Đây là một đềtài có quy mô và ứng dụng thực tế cao Trong quá trình hoàn thành bài tập lớn mônhọc, em đã nhận được sự hướng dẫn của thầy Đặng Hồng Hải và các thầy cô trongtrường Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô đểbài tập lớn của chúng em được hoàn chỉnh hơn

Chương 1: Tổng quan về bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều 3 pha 1.1 Tổng quan về công nghệ điều chỉnh điện áp xoay chiều : 1.1.1 Các bộ điều áp xoay chiều dùng để đóng ngắt hoặc thay đổi điện

áp ra tải từ một nguồn xoay chiều cố định, trong đó tần số điện áp ra bằng điện áp nguồn.

Trong máy điện có thiết bị điện là biến áp tự ngẫu cho phép thực hiện yêucầu này, tuy nhiên việc điều chỉnh phải tiến hành qua hệ cơ khí di chuyển chổi thantrượt trên các vòng dây biến thế, vì vậy hệ này không bền, phản ứng chậm, nhưng

có ưu điểm cơ bản là điện áp ra tải luôn đảm bảo hình Sin trong toàn dải điềuchỉnh

Điện tử công suất sử dụng các van bán dẫn để chế tạo các bộ phận điều ápxoay chiều có các đặc điểm như sau:

Điều áp xoay chiều dùng van bán dẫn có đầy đủ ưu điểm của những mạchcông suất sử dụng kĩ thuật bán dẫn như: dễ điều chỉnh và tự động hóa, làm việc ổnđịnh, phản ứng nhanh với các đột biến điều khiển, độ tin cậy và tuổi thọ cao, kíchthước gọn, dễ thay thế, thích hợp với quá trình hiện đại hóa, tập trung hóa côngtrình công nghệ…

Nhược điểm chung và cơ bản nhất của điều áp xoay chiều là điện áp tải rakhông sin hoàn chỉnh khi đưa toàn bộ điện áp nguồn ra tải, điều chỉnh càng sâucàng giảm điện áp ra, thì độ méo càng lớn, tức là thành phần sóng hài bậc cao (làbội số của tần số vào) cũng càng lớn Với những tải yêu cầu nghiêm ngặt về độméo và thành phần sóng hài có thể không áp dụng được điều áp xoay chiều.

1.1.2 Giới thiệu về mạch lực điều áp xoay chiều một pha

-Để thay đổi điện áp xoay chiều, ngoài dùng máy biến áp, ta còn có thể dùngcác bộ thyristor đấu song song ngược

-Việc điều khiển thời điểm đóng mở thyristor sẽ tạo ra những xung áp trên tải lên bộ biến đổi được gọi là bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều

Sơ đồ mạch lực điều áp xoay chiều 1 pha:

Hình 1.1 Bộ điều áp xoay chiều 1 pha.

Sơ đồ bộ biến đổi 1 pha gồm: 1 thyristor đấu song song ngược (T1 và T2) vàđược mắc nối tiếp với tải Đối với bộ biến đổi có công suất nhỏ và trung bình( khoảng vài KW) có thể thay thế bộ thyristor bằng Triac.

Hình 1.2 Điều áp xoay chiều ba pha,sơ đồ thyristor và điện trở

1.1.3 Giới thiệu về mạch lực điều áp xoay chiều ba pha:

Bộ biến đổi xung áp 3 pha được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển nhệt độ các lò điện trở hoặc động cơ không đồng bộ ba pha Nếu bộ biến đổi xung áp ba pha được ghép từ ba bộ biến đổi 1 pha và có dây trung tính thì dòng qua mỗi pha

sẽ không phụ thuộc vào dòng của các pha khác

Khi bộ biến đổi xung áp 3 pha được đấu sao, không có dây trung tính, quá trình điện từ trong mạch hoàn toàn khác với sơ đồ trên hình trên vì quá trình dẫn dòng trong một pha phải tương thích với quá trình Dẫn dòng trong pha khác

Hình 1.3Điều á p xoay chiều 3 pha , các pha hoạt động độc lập

Một điểm cần lưu ý cho tất cả các bộ điều áp xoay chiều là khi điều chỉnhvới góc điều khiển lớn hơn 0 thì dòng tải điện luôn ở chế độ gián đoạn Tức là luôn

có những khoảng mà dòng tải bằng không tải bị ngắt khỏi nguồn và không đượccấp năng lượng

Sơ đồ hình 1.2a dùng van Triac là sơ đồ có ít van và cho phép điều chỉnhđiện áp ra tải đối xứng các pha, đồng thời 2 nửa chu kỳ của một pha cũng đốixứng

Sơ đồ hình 1.2b dùng cách đấu 2 thyristor trong tương đương với 1 Triac,loại này rất thông dụng trong thực tế và có tên là sơ đồ 6 Tiristor đấu song songngược có đặc điểm hoàn toàn tương tự sơ đồ 1.2b

Hình 1.4 Một số bộ điều áp xoay chiều 3 pha.

Hai sơ đồ này đôi khi được sử dụng chỉ để đóng ngắt nguồn ra tải, mà khôngđiều chỉnh điện áp được và được gọi là bộ công tắc tơ điện tử

Các sơ đồ hình 1.4a, b, c ứng dụng cho các giải đấu sao hoặc tam giác đềuđược Mạch điều khiển của các sơ đồ này đều đồng bộ theo điện áp pha của nguồn

Trên hình 1.4cho dạng điện áp trên một pha của tải là chung cho các sơ đồhình 1.4a; 1.4b và biên độ các sóng hài ở một góc điều khiển khác nhau, với tảithuần trở qua đồ thị sóng hài thấy xuất hiện các sóng hài có bậc lẻ, gần nhất là bậc

5 và bậc 7, mặt khác cũng cho thấy khi tăng góc điều khiển thì biên độ sóng hàibậc cao tăng nhanh đến xấp xỉ với sống hài cơ bản (Băng tần số nguồn điện, Ở đây

là 50Hz) Như vậy khi điều chỉnh điện áp ra sâu, tương ứng các điều khiển cànglớn, thì điện áp ra sẽ càng méo nhiều hơn

Hình điều áp xoay chiều 3 pha sau thyristor đấu song song ngược, tải thuầntrở đấu sao

(dạng điện áp pha A tải và phổ sóng hài với góc điều khiển khác nhau)

Trong thực tế chúng ta hay sử dụng bộ điều chỉnh xung áp ba pha ( điềukhiển động cơ không đồng bộ ba pha ) để điều khiển nhiệt độ của các lò điện trở

Nếu bộ biến đổi xung áp ba pha được ghép từ ba bộ biến đổi một pha và có dâytrung tính thì dòng qua mỗi pha sẽ không phụ thuộc vào dòng của các pha khác.

Các biểu thức tính toán về a, λ và φ tương tự như các sơ đồ một pha.

Khi ta tăng góc điều chỉnh a sẽ làm giảm thời gian dẫn dòng qua tiristo Ứng với một giá trị a bất kỳ thì dòng một pha sẽ giảm về không trước khi mở tiristo của

pha tiếp theo Như vậy sẽ xuất hiện một khoảng thời gian không có dòng vàkhoảng dẫn của tiristo sẽ bị giảm đến giới hạn nhở hơn 600

Hình 1.5 Sơ đồ điều áp 3 pha tải đấu sao không có dây trung tính

Khi bộ biến đổi xung áp ba pha được đấu theo hình sao mà không có dâytrung tính quá trình điện từ trong mạch sẽ hoàn toàn khác do quá trình dẫn dòngtrong một pha sẽ phải tương thích với quá trình dẫn dòng pha khác

Để đảm bảo lượng sóng hài là tối thiểu thì các góc mở của tiristo phải bằng

nhau (a), do đó mỗi van lần lượt được mở cách nhau một góc 60 0 và có khoẳng dẫnđiện ( λ )là giống nhau

Khi mỗi pha có một tiristo dẫn điện ,lúc này các tải của ba pha điều đượcđấu vào nguồn và tạo thành hệ ba pha đối xứng nhau ( giả thiết là các tải thuần trở

Z a=Z b=Z c=R)

Đường cong điện áp trên tải ( U ZA ) được xây dựng theo quy tắc sau :

- Khi cả ba tiristo của cả ba pha điều dẫn dòng thì điện áp U trên tải sẽ trùngvới điện áp của pha đó (U ZA=U a ,U ZB=U b , U ZC=U c¿.

- Khi chỉ có hai tiristo dẫn thì điện áp U trên tải sẽ bằng một nửa điện áp trêndây của hai pha mà có hia tiristo dẫn điện

Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải được tính theo công thức sau:

Trong đó thì U ZA là giá trị hiệu dụng và u ZA là giá trị tức thời

Do giá trị trong căn là giá trị bình phương nên:

Nhận thấy khi ≥ 60 o , bất kỳ thời điểm nào cũng chỉ có hai van dẫn vì đó điện

áp trên tải sẽ được tạo bởi các đường cong U ab

U ac

2 Khi tải mang tính trở khác sẽ có ba chế độ làm việc:

- Nếu α <φ, dòng tải và điện áp trên tải sẽ là hình sin vì lúc nàycác van điều dẫn điện trong một nửa chu kỳ và ở bất kỳ thời điểm nào cũng

có ba pha dẫn điện Do đó :

U ZA=U a=U m sin θ

i ZA=U m

Z a sin θ

- Nếu φ<α<α gh, a gh là giá trị mà vẫn còn tồn tại chế độ cả ba van thuộc

về ba pha vẫn dẫn điện Lúc này đường cong điện áp trên tải sẽ có dạng nhưhình

Trong mỗi nửa chu kỳ sẽ có ba đoạn mà u ZA=u a , hai đoạn còn lại

Khi tiristo của pha α khóa: u ZA=0

Từ các phương trình trên ta rút ra được biểu thức tổng quát của dòng điện là:

- n là số thứ tự của các đoạn trong mỗi nửa chu kỳ

- K ' n=√2 nếu điện áp là điện áp pha

- K '

n=√3 /2 nếu điện áp là điện áp dây

- β =(0, +π/6,-π/6) tùy thuộc vào số đoạn

- a n là giá trị ban đầu của góc θ

- Alà hằng số tích phân

Góc giới hạn được(a gh) tính a gh=arctg 2

- Nếu a gh<α<150 o thì đường cong điện áp sẽ tương ứng với hình dưới

Hình 1.6 Đồ thị dạng điện áp với tải thuần trở

Và mỗi nửa chu kỳ sẽ có hai đoạn mà U ZA=U AB

2 hoặc U ZA=U Ac

2 Đối với cácđoạn còn lại thì U ZA=0 và chế dộ này tương ứng với trạng thái chỉ có hai van củahai pha dẫn điện với góc điều khiển lớn nhất là 150o .

Hình 1.7 Đồ thị dạng điện áp với tải RL

1.2 Một số ứng dụng của điều áp xoay chiều 3 pha

1.2.1 Công tắc tơ điện tử

Công tắc tơ là thiết bị dùng để đóng ngắt phụ tải điện Đây là loại khí cụđiện sử dụng lực hút của cuộn dây khi có dòng điện đi qua( nam châm điện) để dichuyển bộ phận cơ khí, kéo theo các tiếp điểm cho tiếp xúc với nhau để nối nguồnđiện vào tải Khi phải đóng, ngắt các tải dòng điện lớn thường xảy ra hiện tượngđánh lửa ăn mòn trên bề mặt tiếp xúc, giảm đáng kể thời gian sử dụng thiết bị, mặtkhác do có di chuyển cơ học dẵn đến thời gian tác động chậm, nên không thể làmviệc với tần suất đóng/ngắt lớn Đây là nhược điểm cơ bản của công tắc tơ điện từ

Để khắc phục các nhược điểm trên cần thay hệ tiếp điểm cơ khí bằng hệkhông tiếp điểm, tức là phải sử dụng van điện tử, như vật vừa loại trừ hiện tượngđánh lửa vừa tăng khả năng về tốc độ và tần suất đóng/ngắt cũng như tuổi thọ củathiết bị Ứng dụng này của điều áp xoay chiều được gọi là công tắc tơ điện tử

Hình 1.8: Sơ đồ điều áp xoay chiều 3 pha thyristor đấu song song ngược

Công tắc tơ điện tử 1 pha được ứng dụng cho hệ tự động chuyển đổi nguồnvới công suất không lớn và công nghệ hàm tiếp xúc xoay chiều

Công tắc tơ điện tử 3 pha được ứng dụng cho vùng công suất lớn hoặc chophụ tảu 3 pha như đóng/ngắt và đảo chiều động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặplại

Do mục đích của công tắc tơ điện tử chỉ dùng để đóng/ngắt tải với nguồn màkhông có yêu cầu điều chỉnh điện áp, nên các van luôn được phát xung mở ngay ởđầu mỗi nửa chu kì của điện áp nguồn Khi được cấp nguồn, điện áp trên tải là đầy

đủ điện áp hình sin của lưới, do đó không còn vấn đề về sóng hài như khi điềuchỉnh điện áp, vì vật công tắc tở điện tử không bị các hạn chế như vớt điều áp xoaychiều thông thường

Như vậy mạch điều khiển công tắc tơ điện tử có 2 nhiệm vụ chính là:

+) Hoặc phát xung với góc min để cấp toàn bộ điện áp nguồn cho tải

+) Hoặc không phát xung( ngắt xung điều khiển van) để tất cả các van khóalàm tải hoàn toàn bị cắt khỏi nguồn điện Do đó sơ đồ điều khiển cũng đơn giảnhơn nhiều so với mạch cần điều chỉnh điện áp.

1.2.2 Mạch đơn giản

Dòng điều khiển mở thyristor lấy chính từ nguồn xoay chiều, còn lệnh đóng/ngắt thực hiện nhờ các tiếp điểm s,s1 và s2 Khi các tiếp điểm này hở, không cóđường tạo dòng điều khiển Ig và do UGK= 0 nên các van đều khóa

Để các van dẫn, các tiếp điểm phải được đóng kín(Thông thường chúng làtiếp điểm của cùng 1 rơle điều khiển)

Lúc đó, ở nửa chu kì khi điện áp T1 dương, dòng điện đi từ điểm dươngnguồn qua tiếp điểm S1 – D1 – R1-cực G CỦA T1 – katôt T1- qua Rtải rồi về điểm

âm nguồn, như vậy đã có dòng vào cực điều khiển T1 nên làm thyristor dẫn Nửachu kì sẽ đi qua S2 – R2 – Gate T2- katôt T2 và về nguồn, đến lượt thyristor T2 dẫn

Ở nửa chu kì khi điện áp trên T1 dương, dòng điện đi từ điểm dương qua DZ1

– R1 – cực G của T1 – katôt T1 – qua Rtải rồi về điểm âm nguồn, như vậy đã có dòngvào cực điều khiển T1 nên làm thyristor T1 dẫn Nửa chu kì sau khi nguồn đảo dấu,dòng điều khiển cho T2 sẽ qua Rtải – DZ2 – S – R1 – Gate T2 – katôt T2 và về nguồn ,đến lượt thyristor T2 dẫn

Trong cả 2 trường hợp đều có dòng điều khiển

Trong đó Um là biên độ điện áp nguồn

Điện trở R1, R2 có tác dụng hạn chế dòng điều khiển dòng điều khiển cựcđại vì khi tiếp điểm S đóng lúc điện áp nguồn là nhất thì dòng điều khiển là lớnnhất Tuy nhiên, nếu điểm này lấy quá lớn sẽ ảnh hưởng tới điểm van dẫn, vì khimạch đã hoạt đọng cần cho van mở ngay ở đầu mỗi chu, mà thời điểm mở phụthuộc vandan cho thấy R1 càng lớn thì góc mà ở đó van bắt đầu dẫn cũng càng lớn

có nghĩa van mở càng chậm so với điểm qua không của điện ap nguồn

Các điôt ổn áp có tác dụng hạn chế điện áp đặt lên cực điều khiển khi tiếpđiểm vừa đóng ở thời điểm điện áp nguồn có thể gây hỏng cực điều khiển.

Sơ đồ kiểu này có ửu điểm rất đơn giản, hoạt đọng tin cậy với mọi loại tảinhưng cũng có nhược điểm

+) Vẫn phải dùng tiếp điểm S, tuy dòng điều khiển van nhỏ nên không ảnhhưởng nhiêu đến độ bền các tiếp điểm, nhưng tần suất đóng/ngắt của mạch vẫn bịhạn chế bởi khả năng của chính rơle điều khiển

1.3 Yêu cầu của công nghệ điều chỉnh điện áp xoay chiều

- Điều áp xoay chiều làm việc với nguồn vào là điện áp xoay chiều, tức làgiống như mạch chỉnh lưu, vì vậy các van được sử dụng như nguyên tắcđiều khiển có nhiều điểm tương tự như ở mạch chỉnh lưu

- Do tải đòi hỏi dòng điện xoay chiều nên van bán dẫn có thể dùng ở đâylà:

Ghép hai van chỉ cho dẫn 1 chiều, bằng cách đấu song song ngược nhau, lúc

đó mỗi van đảm nhận một chiều của dòng tải Bằng cách này có thể ghép 2Thyristor với nhau hoặc 1 Thyristor với 1 Điôt