MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Hiện nhiều thiết bị biến đổi công suất đề xuất để phục vụ yêu cầu ngày cao sống ĐTCS giúp cho việc sử dụng điện cách hiệu quả, linh kiện điện tử công suất sử dụng trình biến đổi điều khiển công suất: hiệu cao tổn hao thấp lò cao tần, truyền tải điện DC Các thiết bị ĐTCS cải tiến phát triển để nâng cao hiệu suất việc sử dụng lượng ĐTCS đóng vai trị quan trọng mơ hình cơng nghệ thiết kế để điều khiển lượng Dòng điện điện áp đặc tính đóng ngắt linh kiện bán dẫn liên tục hoàn thiện, phạm vi ứng dụng ngày mở rộng chiếu sáng, nguồn, điều khiển động cơ, tự động hóa cơng nghiệp, giao thơng, lưu trữ lượng, truyền tải điện xa Hiệu suất cao đặc điểm điều khiển chặt chẽ giúp cho ĐTCS có lợi nhiều điều khiển động so với hệ thống điều khiển điện điện tử trước Ngoài ĐTCS ứng dụng truyền tải điện DC (VHDC), trạm biến đổi công suất, hệ thống truyền tải AC mềm dẻo flexible ac transmission system (FACTS), bù công suất static-var compensators (SVC) Trong truyền tải sử dụng biến đổi DC/AC, lọc tích cực, biến đổi tần số Cuộc cách mạng ĐTCS bắt đầu vào năm 1948 với việc phát minh silicon transistor phịng thí nghiệm Bell Telephone Laboratories Bardeen, Bratain, and Schockley Phần lớn công nghệ điện tử tiên tiến ngày dựa phát minh này, mơ hình microelectronics phát triển từ linh kiện bán dẫn Cuộc cách mạng thứ hai bắt đầu với việc phát triển Thyristor công nghiệp hãng General Electric Company vào năm 1958 Đây khởi đầu kỷ nguyên ĐTCS Từ đến có nhiều linh kiện bán dẫn công nghệ biến đổi đề xuất ứng dụng Sử dụng biến đổi công suất hệ thống điện, giao thông, luyện kim lĩnh vực công nghiệp khác tạo đà phát triển kinh tế lớn Ví dụ Mỹ có 70% lượng điện sử dụng biến đổi từ biến đổi công suất Kỹ thuật biến đổi ngành khoa học trẻ đạt thành công lớn, nhiên ngày nhiều tốn đặt phía trước, địi hởi phát triển lý thuyết lẫn thực tế kỹ thuật biến đổi Chương 1: Khái quát chỉnh lưu 1.1 1.1.1 Các vấn đề chung chỉnh lưu Cấu trúc mạch chỉnh lưu Chỉnh lưu q trình biến đổi lượng dịng điện xoay chiều thành lượng dòng điện chiều Chỉnh lưu thiết bị điện tử công suất sử dụng rộng rãi thực tế Sơ đồ cấu trúc thường mạch chỉnh lưu hình Hình Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu Trong sơ đồ có máy biến áp làm hai nhiệm vụ là: a Chuyển từ điện áp quy chuẩn lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu tải Tùy theo tải mà máy biến áp có thẻ tằng áp b giảm áp Biến đổi số pha nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu mạch van Thông thường số pha lưới lơn pha Song mạch van cần số pha 6,12,… Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện mạch van địi hỏi số pha lưới điện bỏ máy biến áp Mạch van van bán dẫn mắc với theo cách để tiến hành trình chỉnh lưu Mạch lọc nhằm đảm bảo điện áp(hoặc dòng điện) chiều theo cấp cho tải phẳng theo yêu cầu 1.1.2 Phân loại Chỉnh lưu phân loại theo số cách sau đây: Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: pha, hai pha, ba pha, pha,… Phân loại theo loại van bán dẫn mạch Hiện chủ yếu dùng hai loại van điơt tiristo, có ba loại mạch sau: • Mạch van dùng tồn điơt, gọi chỉnh lưu khơng điều khiển • Mạch van dùng toàn tiristo, gọi chỉnh lưu điều khiển • Mạch van dùng hai loại điơt tiristo, gọi chỉnh lưu bán điều khiển Phân loại theo sơ đồ mắc van với Có hai kiểu mắc van: a) Sơ đồ hinh tia: Ở sơ đồ số lượng van số pha nguồn cấp cho mạch van Tất van đấu chung đầu với b) catôt chung, anôt chung Sơ đồ cầu: Ở sơ đồ số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van Trong nửa số van mắc chung catôt , nửa lại mắc chung anôt Như vậy: Khi gọi mạch chỉnh lưu người ta dùng ba dấu hiệu để cụ thể mạch Thí dụ chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển, có nghĩa mạch chỉnh lưu dùng kiểu mắc van theo sơ đồ cầu, nguồn cấp cho mạch van ba pha, dùng van có điơt tiristo 1.1.3 Các tham số mạch chỉnh lưu Các tham số dùng để đánh giá tiêu kỹ thuật phân tích thiết kế mạch chỉnh lưu, gồm có ba nhóm tham số đây: Về phía tải (1.2) Ud – Giá trị trung bình điện áp nhận sau mạch van chỉnh lưu: T 1 U d = ∫ U d (t ) dt = T 2π 2π ∫U d (θ ) dθ (1.1) Id – giá trị trung bình dòng điện từ mạch van cấp ra: Id = 2π 2π ∫I d (θ ) dθ (1.2) Pd=Ud.Id công suất chiều mà tải nhận từ mạch chỉnh lưu Về phía van Itbv-giá trị trung bình dịng điện chảy qua van mạch van Ungmax-điện áp ngược cực đại mà van phải chịu làm việc Về phía nguồn Thể công suất xoay chiều lấy từ lưới điện, thong thường sử dụng theo công suất biểu kiến biến áp: S + S2 Sba = = k sd Pd Trong đó: S1 = U1 I1 (1.3) (1.4) m S = ∑ U 2i I i i =1 (1.5) Các giá trị U1,I1,U2i, I2i trị số hiệu dụng điện áp dòng điện phía sơ cấp thứ cấp máy biến áp Do phía thứ cấp có nhiều cuộn dây, nên phải tổng cộng công suất tất m cuộn dây 1.2 1.2.1 Một số mạch chỉnh lưu Chỉnh lưu hình tia hai pha b) Hình 2: Chỉnh lưu hình tia pha a) Ở mạch điôt Đ1, Đ2 đấu theo kiểu catơt chung, chúng làm việc theo luật dẫn anơt điơt Đ1 nối với U2’, cịn anơt điơt Đ2 nối với điện áp U2” Vì khoảng(0÷2π), điơt Đ1 dẫn U2’U2’ Do điện áp chỉnh lưu Ud có hai dạng hình 2.b với Ud=U2’ 0÷2π Ud=U2” π ÷2π Theo đồ thị Ud(θ) ta thấy dạng Ud có hai đoạn giống nhau, tức chu ky lặp lại Ud π mà 2π nên: Ud = π π ∫ 2U sin θ dθ = 2 U = 0, 9U π (1.6) Và: Id = Ud Rd Dịng trung bình qua van: I tbv = Id (1.7) Mạch chỉnh lưu sử dụng nhiều dải cơng suất nhỏ đến vài Kw thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp sụt áp đường tải có van 1.2.2 Chỉnh lưu cầu pha a) b) Hình Chỉnh lưu cầu pha Mạch chỉnh lưu gồm van Đ1 ÷ Đ2 đấu thành hai nhóm (hình 3.a): Đ1Đ3 nhóm catơt chung, Đ2Đ4 nhóm anơt chung Nguồn xoay chiều đưa vào mạch van lấy trực tiếp từ lưới điện thông qua biến áp Trong nửa chu kỳ đầu: (0÷π), điện áp U2>0 với cực tính khơng ngoặc sơ đồ Ta thấy với nhóm anơt chung Đ1Đ3 anơt Đ1là dương anơt Đ3 Đ= dẫn Cịn nhóm Đ2Đ4 catơt Đ2 âm catơt Đ4 Đ2 dẫn Như nửa chu kỳ đầu Đ1Đ2 dẫn Tương tự nửa chu kỳ sau (π ÷2π) điện áp U2Ua, Ub nên điôt Đ3 dẫn, suy Ud=Uc Điện áp tải Ud lấy điện áp dương nguồn, theo đồ thị hình 4.b Ud ta có: 180o Ud = 2π / 30∫o Id = 2U sin θ = U = 1,17U 2π Ud Rd (2.0) Dòng điện qua van tồn 1/3 chu kỳ điện áp nguồn Vì I tbv = Id (2.1) Điện áp ngược van điện áp dây cực đại: U ng max = U d max = 6U (2.2) Chỉnh lưu hình tia ba pha có đặc điểm tương tự chỉnh lưu hình tia hai pha 1.2.4 Chỉnh lưu cầu pha Mạch gồm nhóm, điơt Đ1, Đ3, Đ5 đấu kiểu catơt chung(Hình 5), nên hoạt động theo luận dẫn 1, thế: Đ1 dẫn khoảng θ1÷ θ3 Ua dương nhất, Đ3 dẫn khoảng θ3÷ θ5 Ub dương nhất, Đ5 dẫn khoảng θ5÷ θ7 Uc dương Các điôt Đ2, Đ4, Đ6 đấu kiểu atơt chung nên: Đ2 dẫn khoảng θ2÷ θ4 Uc âm Đ4 dẫn khoảng θ4÷ θ6 Ua âm Đ6 dẫn khoảng θ6÷ θ8 Ub âm a) b) Hình 5: Chỉnh lưu cầu ba pha 10 Điện áp trung bình nhận tải: 90o Ud = (U a − U b )dθ = ∫ 2π / 30o 2π = 90o ∫ U 30o 2m sin θ − U m sin(θ − 120o) dθ U = 2,34U π 1.2.5 (2.3) Chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển a) b) 11 Hình 6: Chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển Nhóm catơt chung tiristo nên chung mở thời điểm α Nhóm anơt chung van điôt nên chúng mở tự nhiên theo điện áp nguồn: Đ1 mở U2 bắt đầu âm, Đ2 mở U2 bắt đầu dương Do dẫn van chu kỳ lưới là: Trong khoảng π +(π+α): T1Đ1 dẫn θ1 mở tự nhiên làm θ2 khóa Trong khoảng (π+α)+2 π: T2Đ1 dẫn T2 phát xung mở điểm (π+α) dẫn làm T1 khóa Trong khoảng 2π+(2π+α): T2Đ2 dẫn, Đ2 mở tự nhiên điểm 2π U dα = U d Điện áp dây: Dòng tải: + cos α + cos α = 0,9U 2 U I d = dα Rd Trị số trung bình dịng qua van dẫn: 1.2.6 (2.4) (2.5) Id/2 Chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển a) 12 b) Hình 7: Chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển Ưu điểm: điều khiển thyristor cách trực tiếp mà không cần cách ly biến áp xung Điều áp dụng sơ đồ làm vịêc với điện áp thấp, ví dụ nguồn hàn hồ quang chiều Với sơ đồ có ưu dùng van nhiên nhược điểm sơ đồ số lần dập mạch điện áp chỉnh lưu phụ thuộc vào góc điều khiển α Cơng thức tính tốn : - Điện áp chỉnh lưu nhận : Ud = U (1 + Cosα ) = 1,17U (1 + Cosα ) 2Π =2,34 + cos α - Điện áp ngược đặt lên van : U ng max = 6U = 2,45U - Dòng điện trung bình qua tải : 13 Id = Ud Rd - Dịng điện trung bình qua van : I tbv = Id - Dòng điện thứ cấp máy biến áp : Π 5Π 2 I2 = i dθ + Π Π ∫ 2Π + α 3Π ∫ +α i = 0,816 I d - Công suất máy biến áp : S= 3U I + 3U I = 1,05 Pd - Điện áp ngược đặt lên van : U ng max = 6U = 2,45U - Trị số dịng trung bình cuộn thứ cấp MBA : I2 = Id 14 Chương 2: Tính tốn mạch cơng suất 2.1 Tính tốn tham số Thông số chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển: Ud=110VDC, Pd=5KW, E=24VDC tải RLE Ta lựa chọn mạch điều khiển mạch chỉnh lưu cầu pha bán điều khiển với thyristo đấu katơt chung Hình 8: Chỉnh lưu cầu pha điều khiển • Id = Dịng điện dây: Pd 5000 = = 45, 45( A) Ud 110 15 • Điện áp pha cuộn thứ cấp: U2 = Ud 110 = = 122, 22(V ) 0,9 0,9 Ud=0,9U2 → • I tbv = Dịng trung bình qua van: I d 45, 45 = = 22, 73( A) 2 →Vậy chọn van với trị số dòng điện cỡ: I tb max = I tbv = 2.22,73 = 45, 46( A) • Điện áp ngược cực đại van: U ng max = 1, 41U = 1, 41.122, 22 = 139, 33(V ) → Vậy chọn van chịu điện áp khoảng: U v max = 4U ng max = 4.139,33 = 557,32(V ) 2.2 Chọn van bán dẫn Như với yêu cầu thực tế thông số mạch ta chọn van động lực: Thyristor IRG4PC50FD với Itbmax=70A, Uvmax=600V 16 Chương 3: Mô matlab 3.1 Sơ đồ mạch 3.1.1 Khối nguồn 17 3.1.2 Khối mạch lực 18 3.1.3 Khối phát xung 19 3.1.4 Khối thị 20 3.2 Kết mô Hình 9: Scope thị UAC, XUNG, UDC, IDC • • • • Đường đặc tính thứ 1: Điện áp nguồn xoay chiều Đường đặc tính thứ 2: Phát xung thyristoe Đường đặc tính thứ 3: Điện áp chiều UDC Đường đặc tính thứ 4: Dịng điện chiều IDC 21 Hình 10: Scope1 thị UAC, IAC, UT1, IT1 • • • • Đường đặc tính thứ 1: Điện áp nguồn xoay chiều Đường đặc tính thứ 2: Dịng điện nguồn xoay chiều Đường đặc tính thứ 3: Điện áp van UT1 Đường đặc tính thứ 4: Dòng điện van IT1 22 Kết luận - Được hướng dẫn tận tình thầy Đặng Hồng Hải giúp đỡ bạn, em hoàn thành xong BTL Tuy nhiên kiến thức cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi sai sót mong thầy bạn góp ý để BTL - hoàn chỉnh Em xin chân thành cám ơn thầy! 23 Tài liệu tham khảo 1) Phạm Quốc Hải Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất Nhà xuất Khoa 2) học kỹ thuật, 2009 Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất Nhà 3) xuất Khoa học kỹ thuật, 2004 Giáo trình Điện tử cơng suất, nhà xuất giáo dục 24