Bài tập lớn điên tử công suất Đề Tài: Thiết kế contactor 3 pha dùng 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!
Trang 1Bài Tập Lớn Môn: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Đề tài : Thiết kế công tắc tơ điện tử 3 pha sử dụng 6 thyristor, tải RL,
Trang 2MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan về công tắc tơ điện tử 3 pha 4
1.1 tổng quan về công nghệ điều chỉnh điện áp xoay chiều: 4
1.1.1 Giới thiệu về mạch lực điều áp xoay chiều một pha 5
1.1.2 Giới thiệu về mạch lực điều áp xoay chiều ba pha: 6
CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT 15
2.1 Các phương án mạch động lực 15
2.1.1 Mạch lực cho công tắc tơ điện tử 6 Thyristor song song ngược 15
2.1.2 Mạch lực điều áp xoay chiều 3 pha dùng Thyristor và Điôt 16
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 16
2.3 Phân tích ưu, nhược điểm của các mạch công suất 17
2.4 Tính chọn van bán dẫn công suất cho sơ đồ mạch 18
2.4.1 Tính dòng điện mỗi pha của phụ tải 19
2.4.2 Chọn van theo chỉ tiêu dòng điện 19
2.4.3 Chọn van theo chỉ tiêu điện áp 20
2.5 Tính chọn phần tử bảo vệ 21
2.5.1 Bảo vệ quá điện áp cho van 21
2.5.2 Bảo vệ quá nhiệt cho van 22
2.5.3 Bảo vệ quá dòng : 24
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ CÁC YÊU CẦU ĐÃ ĐẶT RA 26
3.1 Những yêu cầu đã đạt được: 26
3.1 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
4.2 Phụ Lục Tham Khảo: 28
Trang 3Lới nói đầu:
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 chính, được ứng dụngrộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp hiện đại, trong các nhà máy sản xuất,các bộ biến đổi điện áp… Trong những năm gần đây, công nghệ chế tạo các phần
tử bán dẫn công suất đã có những tiến bộ vượt bậc và ngày càng trở nên hoàn thiệndẫn đến việc chế tạo các bộ biến đổi ngày càng nhỏ gọn, nhiều tính năng và sửdụng 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 công tắc tơ 3 pha điện tử
sử dụng thyristor để điều khiển đóng cắt động cơ 3 pha Đây là một đề tài có quy
mô và ứng dụng thực tế cao
Mục tiêu đề ra trong phần bài tập lớn này là :
Tìm hiểu về điều áp xoay chiều 3 pha
Nắm được hiểu biết về ứng dụng của Công tắc tơ điện tử 3 pha
Tính toán và chọn được loại Van phù hợn với thông số đề bài cho
Có tính toán chi tiết và chọn được mạch bảo vệ cho van
Nắm chắc nguyên lý hoạt động của mạch công tắc tơ xoay chiều 3 pha
sử dụng 6 thyristor
Mô phỏng hoạt động của mạch bằng phần mềm Matlab
Trang 4Chương 1: Tổng quan về công tắc tơ điện tử 3 pha
1.1 tổng quan về công nghệ điều chỉnh điện áp xoay chiều:
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 yêu cầu này, tuy nhiên việc điều chỉnh phải tiến hành qua hệ cơ khí
di chuyển chổi than trượt 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 điều chỉnh.
Điện tử công suất sử dụng các van bán dẫn để chế tạo các bộ phận điều áp xoay chiều có các đặc điểm như sau:
Điều áp xoay chiều dùng van bán dẫn có đầy đủ ưu điểm của những mạch công suất sử dụng kĩ thuật bán dẫn như: dễ điều chỉnh và tự động hóa, làm việc ổn định, phản ứng nhanh với các đột biến điều khiển,
độ tin cậy và tuổi thọ cao, kích thước gọn, dễ thay thế, thích hợp với quá trình hiện đại hóa, tập trung hóa công trình công nghệ…
Trang 5Hình 1.1 Một số công tắc tơ điện tử trong thực tế
Nhược điểm chung và cơ bản nhất của điều áp xoay chiều là điện
áp tải ra không sin hoàn chỉnh khi đưa toàn bộ điện áp nguồn ra tải, điều chỉnh càng sâu càng giảm điện áp ra, thì độ méo càng lớn, tức là thành phần sóng hài bậc cao (là bội số của tần số vào) cũng càng lớn Với những tải yêu cầu nghiêm ngặt về độ méo và thành phần sóng hài có thể không áp dụng được điều áp xoay chiều.
1.1.1 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 dùng các 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.
Hình 1.2 Sơ đồ mạch lực điều áp xoay chiều 1 pha
Trang 6Sơ đồ bộ biến đổi 1 pha gồm: 1 thyristor đấu song song ngược (T1
và T2) và được 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.
1.1.2 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 1.3 Sơ đồ mạch lực điều áp xoay chiều 3 pha a) Dạng phụ tải đấu hình sao b) Dạng phụ tải đấu hình tam giác
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 1.1a 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
Trang 7Sơ đồ hình 1.1b 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 1.1b.
Hình 1.4 Các kiểu sơ đồ của điều áp xoay chiều 3 pha tải đấu sao
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 1.2 a, 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 1.3 cho dạng điện áp trên một pha của tải là chung cho các sơ đồhình 1.3a; 1.2b 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
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 códòng và khoảng dẫn của tiristo sẽ bị giảm đến giới hạn nhở hơn 60 0
Một điểm cần lưu ý cho tất cả các bộ điều áp xoay chiều là khi điều chỉnh vớigóc điều khiển lớn hơn 0° thì dòng tải điện luôn ở chế độ gián đoạn, tức là luôn có
Trang 8những khoảng mà dòng tải bằng không, tải bị ngắt khỏi nguồn và không được cấpnăng lượng.
Sơ đồ hình 1.3a dùng van TRIAC là sơ đồ có ít van và cho phép điều chỉnhđiện áp ra tải đối xứng các pha, đồng thời hai nửa chu kỳ của một pha cũng đốixứng
Sơ đồ hình 1.3b dùng cách đấu hai thyristor trong tương đương với mộtTRIAC, loại này rất thông dụng trong thực tế và có tên là sơ đồ sáu tiristo đấu songsong ngược, có đặc điểm hoàn toàn tương tự sơ đồ 1.3a
Hai sơ đồ này đôi khi được sử dụng chỉ để đóng/ngắt nguồn ra tải, mà khôngđiều chỉnh điện áp và được gọi là bộ công – tắc – tơ điện tử
Các sơ đồ hình 1.3a, b; ứng dụng cho tải đấu sao hoặc tam giác đều được.Mạch điều khiển của các sơ đồ này đều đồng bộ theo điện áp pha của nguồn
Trên hình 1.3 cho dạng điện áp trên một pha của tải là chung cho các sơ đồhình 1.3a; 1.3b 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 sóng hài cơ bản ( bằng tần số nguồn điện, ở đây
là 50Hz) Như vậy khi điều chỉnh điện áp ra sâu, tương ứng góc điều khiển cànglớn, thì điện áp ra sẽ càng méo nhiều hơn
Nguyên tắc điều chỉnh của điều áp xoay chiều tương tự như trong chỉnh lưu
điều khiển, tức là điều chỉnh góc mở của van bán dẫn Xét từ phía mạch van, bộchỉnh lưu và điện áp xoay chiều có nhưng đặc điểm giống nhau: các van làm việcvới điện áp xoay chiều nên được khóa tự nhiên bằng điện áp nguồn và cũng chịucác ảnh hưởng của lưới điện đến van, kiểu điều khiển van cùng là dịch pha điểmxung so với pha nguồn xoay chiều, tức là sử dụng mạch điều khiển xung – pha
Điều áp xoay chiều bapha cho phép ứng dụng cho phụ tải đến hàng trăm kW
Trang 9Trường hợp tải đấu ba pha có dây trung tính, hoặc đấu tam giác mà mỗi cụmvan đấu nối tiếp với từng pha của phụ tải, thì các pha hoạt động độc lập với nhau,
do đó việc tính toán hoàn toàn tương tự như điện áp xoay chiều một pha
Hình 1.5 Đồ thị dạng điện áp với tải thuần trở (dạng điện áp pha A tải và phổ sóng hài với góc điều khiển khác nhau)
Khi tải có tính cảm kháng, hoạt động của sơ đồ bị ảnh hưởng mạch bởi góc φ của tải như đã xét ở mục 1.1, tức là cả phạm vi điều chỉnh và dạng điện áp ra đều không còn như trường hợp tải thuần trở Hình 1.4 là đồ thị minh họa cho tải cảm kháng với α = 30°, ta có thể so sánh với đồ thị khi tải thuần trở có cùng góc điều khiển ở hình 1.3 để thấy sự khác biệt giữa chúng Tuy nhiên tải RL dạng dòng điện
sữ không bị đột biến theo điện áp như tải thuần trở, vì vậy biên độ sóng hài cũng sẽgiảm đi, tức là dạng dòng tải ít méo hơn dạng điện áp tải
Trang 10Hình 1.6 Đồ thị dạng điện áp với tải RL
(Dạng điện áp và dòng điện tải với góc điều khiển khác nhau)
Sơ đồ hình 1.2c sử dụng van không đối xứng, mỗi nhánh gồm một thyristorđấu song song ngược với điôt Do các điốt là các van không điều khiển nên chúng
có thể dẫn tự động, làm cho phạm vi góc điều khiển cho thyristor tăng lên 120°mới có thể ngắt tải khỏi nguồn để cắt dòng tải Đồ thị hình 1.5 cho thấy với điện áptrên tải vẫn còn và nhìn theo trục hoành ta thấy cần tăng góc điều khiển thêm 30°nữa mới ngắt được điện áp ra tải Như vậy mạch điều khiển cần lưu ý điều này, vìmạch thông dụng thường chỉ có phạm vi điều chỉnh góc lớn nhất là 180°
Hình 1.7 Điều áp xoay chiều ba pha,sơ đồ thyristor và điện trở
(Dạng điện áp tải và góc điều khiển 180°)
Trang 11Dạng điện áp trên các pha tải vẫn đảm bảo đối xứng (giống nhau và lệch nhauđúng 120° điện), song điện áp của mỗi pha thì không đối xứng ở hai nửa chu kỳ.Điều này có thể thấy trên đồ thị hình 1.6, phổ sóng hài cho thấy nhiều hơn hai sơ
đồ trên, ngoài các sóng hài lẻ bậc 5 và 7… còn có thêm các sóng hài bậc chẵn 2, 4,8…
Hình 1.8 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.) 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
Trang 12Giá 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:
- Nếu α <φ, dòng tải và điện áp trên tải sẽ là hình sin vì lúc này các van điềudẫn điện trong một nửa chu kỳ và ở bất kỳ thời điểm nào cũng có ba pha dẫnđiện Do đó :
Trang 13Trong mỗi nửa chu kỳ sẽ có ba đoạn mà u ZA=u a , hai đoạn còn lại
Khi hai tiristo của pha α và pha b dẫn ta có:
Khi hia tiristo của pha α và pha c dẫn ta có :
Khi tiristo của pha α khóa: UZA = 0
Từ các phương trình trên ta rút ra được biểu thức tổng quát của dòng điện là:
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
Ứng dụng của contactor điện tử xoay chiều 3 pha sử dụng 6 thyristor mắc
Trang 16CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN MẠCH CÔNG SUẤT 2.1 Các phương án mạch động lực.
Ta có sơ đồ:
Hình 2.1 Sơ đồ contactor điện tử và ứng dụng
Mạch xoay chiều ba pha hiện nay trong thực tế thường gặp sơ đồ sau:
Hình 2.2: Sơ đồ điều áp xoay chiều 3 pha thyristor đấu song song ngược
Các loại này bao gồm tải đấu sao trung tính ( Hình 2.1 a), tải đấu sao không trung tính (Hình 2.1 b), tải đấu tam giác (Hình 2.1 c)
Trang 172.1.2 Mạch lực điều áp xoay chiều 3 pha dùng Thyristor và Điôt.
Đối với những tải không có yêu cầu về điều khiển đối xứng người ta có thể sử dụng sơ đồ cặp Thyristor –điốt
Hình 2.3: Sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha dùng Thyristor và Điôt
2.2 Chọn mạch lực điều áp xoay chiều 3 pha dùng 6 Thyristor song song
Trang 18Đối với các thiết bị có công suất trung bình và lớn, các dòng điện điều hòa
có vai trò quan trọng trong việc lựa chọn bộ điều áp Việc lựa chọn giới hạn bởi hai
sơ đồ 6 Thyristor
- Bộ điều áp ba pha
- Ba bộ điều áp một pha ghép tam giác
Sơ đồ ba bộ điều áp một pha nối tam giác không tốt đối với dòng điện tải sovới bộ điều áp ba pha, nhưng đối với dòng điện lưới lại tốt hơn Sơ đồ ba bộ điều
áp một pha nối tam giác một pha nối tam giác làm cho dòng điện pha có điều hòabâc ba và bội ba nhưng trong dòng điện dây chúng bị triệt tiêu Do vậy ta có thể điđến kết luận:
- Khi việc giảm các điều hòa dòng điện lưới đóng vai trò quan trọng thìthường chọn các sơ đồ ba bộ điều áp một pha nối tam giác
- Khi chất lượng điện áp trên tải quan trọng thì thường chọn bộ điều áp bapha Đó là trường hợp cung cấp cho các máy điện quay, bởi vì các máy điện quay
sẽ là việc xấu khi điện áp bậc ba hoặc bội ba Các điện áp này tạo nên hệ thống thứ
- Đặt sau tải cho phép nối hình tam giác ba nhóm Thyristor, làm giảm dòng
và cho phép giảm kích cỡ của Thyristor
- Đặt sau tải và có một cực chung cho tất cả các Thyristor, điều này làm choviệc điều khiển dễ dàng, nhất là khi thay thế 6 Thyristor bằng 3 triac
Khi vấn đề các điều hòa dòng điện không không quan trọng thì bộ điều áp bapha và các phương án của nó có lợi hơn phương án nối tam giác.ba bộ điều áp mộtpha
2.3 Phân tích ưu, nhược điểm của các mạch công suất
Mạch lực điều áp xoay chiều 3 pha dùng 6 Thyristor song song ngược