Toàn văn Đồ án: Thiết kế Mạch Chỉnh Lưu Cầu 3 Pha Có Điều Khiển

Đồ án mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển. Tài liệu gồm lý thuyết, tính toán mạch lực, thiết kế mạch điều khiển và kết quả mô phỏng PSIM chi tiết.

• Chuyên ngành: Electrical Engineering
• Đề tài: Đồ Án Mạch Chỉnh Lưu Cầu 3 Pha Có Điều Khiển
• Loại tài liệu: Graduation Project

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Mạch Chỉnh Lưu Cầu 3 Pha Có Điều Khiển

Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển là một hệ thống truyền động điện hiện đại được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để biến đổi điện năng xoay chiều thành điện năng một chiều có thể điều chỉnh được. Đây là một trong những công nghệ quan trọng nhất trong lĩnh vực điều khiển truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập. Hệ thống này sử dụng các van bán dẫn Thyristor để điều khiển dòng điện và điện áp đầu ra, giúp tối ưu hóa hiệu suất làm việc của động cơ. Ứng dụng chính của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bao gồm các hệ thống truyền động trong các máy sản xuất, hệ thống nâng hạ, và các ứng dụng công nghiệp yêu cầu điều khiển tốc độ động cơ chính xác và ổn định.

1.1. Khái Niệm Mạch Chỉnh Lưu Cầu 3 Pha

Chỉnh lưu cầu 3 pha là một loại mạch chỉnh lưu được cấu tạo từ 6 van bán dẫn Thyristor sắp xếp theo cấu trúc cầu trong ba pha. Các van này hoạt động theo một trình tự xác định, giúp chuyển đổi dòng điện 3 pha thành dòng điện một chiều. Ưu điểm chính của cấu trúc này là cho phép điều khiển hoàn toàn độ lớn của điện áp đầu ra thông qua việc điều chỉnh góc phát xung (angle triggering) của các Thyristor.

1.2. Vai Trò Của Van Thyristor Trong Mạch

Van Thyristor đóng vai trò là các công tắc điều khiển chính trong mạch chỉnh lưu cầu 3 pha. Các van này có khả năng chịu dòng điện lớn và có thể bật/tắt nhanh chóng theo tín hiệu điều khiển. Mỗi Thyristor được kích hoạt bằng một xung chùm tại một thời điểm cụ thể trong chu kỳ điện áp, cho phép điều chỉnh chính xác góc dẫn và do đó điều chỉnh được điện áp đầu ra của mạch.

II. Cấu Trúc Và Nguyên Lý Hoạt Động Mạch Động Lực

Mạch động lực của hệ thống chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển bao gồm các thành phần chính như máy biến áp 3 pha, các van Thyristor được bảo vệ, và các thiết bị bảo vệ mạch. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc điều chỉnh góc phát xung của các Thyristor để kiểm soát khoảng thời gian dẫn của chúng. Khi điện áp 3 pha từ lưới điện đi qua máy biến áp, nó được cấp cho các van Thyristor sắp xếp theo cấu trúc cầu. Mỗi van bán dẫn sẽ dẫn điện khi nhận được xung kích hoạt, cho phép dòng điện chảy qua tải. Bằng cách thay đổi thời điểm phát xung, ta có thể điều chỉnh được giá trị trung bình của điện áp và dòng điện đầu ra, từ đó điều khiển tốc độ quay của động cơ một chiều.

2.1. Các Thành Phần Chính Của Mạch Động Lực

Máy biến áp ba pha giảm điện áp lưới xuống mức thích hợp để cấp cho các Thyristor. Các van Thyristor (thường 6 van trong cấu trúc cầu) được bố trí theo 3 pha với hai chiều dẫn điện. Bộ lọc điện cảm (reactor) được đặt trước hoặc sau mạch chỉnh lưu để mềm hoá dòng điện, giảm thành phần điều hòa. Các thiết bị bảo vệ bao gồm quạt tản nhiệt, mạch bảo vệ quá điện áp R-C, và các bộ bảo vệ quá nhiệt độ cho van bán dẫn.

2.2. Quy Trình Chỉnh Lưu 3 Pha

Quá trình chỉnh lưu diễn ra theo trình tự xác định: tại mỗi thời điểm, hai van Thyristor ở các pha khác nhau sẽ dẫn điện đồng thời, tạo thành một đường dẫn cho dòng điện từ lưới ba pha đến tải. Thứ tự dẫn này tuần hoàn theo từng chu kỳ điện áp. Bằng điều khiển góc phát xung (từ 0° đến 180°), ta có thể thay đổi điện áp đầu ra từ giá trị cực đại cho đến 0, từ đó điều khiển được tốc độ và moment quay của động cơ.

III. Thiết Kế Mạch Điều Khiển Chỉnh Lưu Cầu 3 Pha

Mạch điều khiển của hệ thống chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển được thiết kế với cấu trúc nối tầng, gồm nhiều khâu xử lý tín hiệu khác nhau. Mục đích chính là tạo ra các xung chùm (pulse burst) có chính xác cao để kích hoạt các van Thyristor tại những thời điểm thích hợp. Mạch điều khiển bao gồm khâu đồng pha nhận tín hiệu từ lưới điện, khâu tạo điện áp răng cưa để so sánh với tín hiệu điều khiển, khâu so sánh để tạo xung kích hoạt, khâu phát xung chùm để phân bổ xung đến các van khác nhau, và cuối cùng là khâu khuếch đại xung để tăng dòng điều khiển trước khi cấp cho cầu dẫn Thyristor.

3.1. Các Khâu Chính Của Mạch Điều Khiển

Khâu đồng pha (Synchronization) nhận tín hiệu điện áp từ lưới 3 pha để đồng bộ hoá tần số và pha của các xung điều khiển. Khâu tạo điện áp răng cưa (Ramp Generator) tạo ra một tín hiệu hình sóng răng cưa tuyến tính để so sánh với tín hiệu điều khiển từ người vận hành. Khâu so sánh (Comparator) so sánh tín hiệu điều khiển với điện áp răng cưa để xác định thời điểm phát xung. Khâu phát xung chùm chia các xung thành 6 nhóm, mỗi nhóm cấp cho một van Thyristor tương ứng.

3.2. Khâu Khuếch Đại Xung Và Bảo Vệ

Khâu khuếch đại xung sử dụng transistor công suất (như TIP41C kết hợp với C945) để khuếch đại dòng điều khiển từ các mạch logic lên mức đủ để kích hoạt cầu dẫn Thyristor (gate driver). Khâu này cần được thiết kế để cung cấp đủ dòng gate (thường 0.5-2A) và có độ trễ nhỏ nhất. Cần bổ sung các mạch bảo vệ như diode snubber để bảo vệ transistor khỏi quá áp khi ngắt mạch.

IV. Tính Toán Thiết Kế Và Mô Phỏng Hệ Thống

Tính toán thiết kế cho mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bao gồm việc xác định các thông số kỹ thuật của máy biến áp, lựa chọn loại Thyristor phù hợp, tính toán các thông số của các linh kiện trong mạch điều khiển, và thiết kế các mạch bảo vệ. Các tính toán cần dựa trên công suất định mức của hệ thống, dòng điện định mức, và điện áp đầu vào. Mô phỏng PSIM (Power Simulator) là công cụ quan trọng để kiểm chứng thiết kế, cho phép quan sát sóng điện áp đầu ra, dòng điện, và hiệu suất của hệ thống trước khi sản xuất thực tế. Thông qua mô phỏng, ta có thể điều chỉnh các thông số để đạt được hiệu suất tối ưu và kiểm tra phần ứng của hệ thống dưới các điều kiện tải khác nhau.

4.1. Tính Toán Thông Số Máy Biến Áp Và Lựa Chọn Thiết Bị

Công suất máy biến áp được xác định dựa trên công suất định mức của động cơ một chiều (khoảng 1.1-1.2 lần công suất động cơ để đảm bảo lề an toàn). Tỉ số biến áp được tính để đảm bảo điện áp phía sau máy biến áp phù hợp với điện áp định mức của Thyristor. Lựa chọn loại Thyristor dựa vào dòng điện định mức (ICM) và điện áp giãn dòng (VRRM) phải lớn hơn các giá trị tối đa trong hệ thống. Các thiết bị bảo vệ như Aptomat, ngắt mạch và các bộ lọc L-C phải được lựa chọn để bảo vệ toàn hệ thống.

4.2. Kết Quả Mô Phỏng Và Tối Ưu Hóa

Mô phỏng PSIM cho phép quan sát các dạng sóng điện áp đầu ra ở các góc phát xung khác nhau, từ đó xác định khả năng điều khiển điện áp từ 0V đến Udc max. Kết quả mô phỏng cho thấy sóng điện áp đầu ra là DC có gợn sóng, với nội dung điều hòa phụ thuộc vào góc phát xung. Từ đó, ta có thể điều chỉnh các thông số như hệ số khuếch đại, thời gian phản ứng của hệ thống để đạt được đặc tính điều khiển mong muốn, đảm bảo động cơ hoạt động ổn định và hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện Trên Hình 1.12c biểu diễn quan hệ từ thông và dòng kích từ, ta thấy từ thông tỷ lệ tuyến tính với dòng kích từ ở vùng tuyến tính (kμ là hệ số không đổi), khi vào vùng cận bão hòa và bão hòa kμ suy giảm. Xét về đặc tính cơ khi điều chỉnh giảm từ thông (TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN.11) Trong đó: ψf*= ψf /ψfN Ta thấy khi điều chỉnh giảm từ thông, tốc độ không tải lý tưởng tăng và độ sụt tốc độ tăng theo. Như vậy đặc tính cơ sẽ dốc, rất mềm so với đặc tính điều chỉnh điện áp, khả năng sinh mô men được giới hạn bởi đường nét đứt (M max~1/ω).12a là nguyên lý cấu trúc mạch lực điều chỉnh từ thông, Hình 1.12b biểu diễn đặc tính cơ khi điều khiển từ thông và Hình 1.12c là đặc tính quan hệ giữa dòng kích từ và từ thông.

Ta thấy khi giảm từ thông tốc độ tăng nhưng khả năng sinh mô men động cơ suy giảm nhiều, vì vậy giảm từ thông thường dùng để chạy nhanh không tải hoặc chạy với tải nhỏ. Vùng điều khiển giảm từ thông về thực tế có thể thiết kế đạt 4:1, nó phụ thuộc vào phần cơ của động cơ như ổ bi, vành góp chổi than hoặc khả năng chống lực ly tâm của bối dây phần ứng. Ta nhận thấy khi giảm từ thông công suất động cơ không đổi và khả năng sinh mô men suy giảm tỷ lệ nghịch với độ suy giảm từ thông. Nguyên lý điều khiển kết hợp điện áp và từ thông Phần lớn các hệ truyền động động cơ một chiều thực hiện điều khiển cả điện áp và từ thông.

Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển được trình bày trên Error: Reference source not found, trong đó có hai bộ biến đổi cho mạch phần ứng và bộ biến đổi cho mạch kích từ. Tuỳ theo yêu cầu từng loại công nghệ mà việc phối hợp giữa hai kênh điều khiển điện áp và từ thông sẽ có đặc điểm khác nhau, thông thường có hai loại chính như sau:  Điều khiển hai vùng kế tiếp nhau,  Điều khiển đồng thời giữ dòng phần ứng không đổi hoặc điều khiển tham số công nghệ 16 Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện Hình TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN.13: Nguyên lý mạch lực truyền động điều khiển hai thông số điện áp và từ thông Điều khiển hai vùng kế tiếp nhau: Nguyên lý điều chỉnh hai vùng kế tiếp nhau được phân chia rõ ràng: Vùng điều khiển điện áp: Ua từ 0→UaN từ thông được giữ không đổi ở giá trị định mức. Khả năng sinh mô men của động cơ là không đổi, công suất tăng tuyến tính với tốc độ.

Tại giá trị điện áp định mức, động cơ làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên, ta có tốc độ cơ bản là tốc độ không tải lý tưởng trên đặc tính cơ tự nhiên ωcb=UaN/kψN. Vùng điều khiển giảm từ thông: Khi điều chỉnh điện áp đạt giá trị định mức, ta điều chỉnh giảm từ thông, từ giá trị định mức đến giá trị từ thông cực tiểu ψfN→ψfmin, tốc độ động cơ sẽ tăng từ giá trị tốc độ cơ bản đến giá trị cực đại. Công suất truyền động không đổi, mô men động cơ suy giảm tỉ lệ nghịch với tốc độ M~1/ω. Đặc tính điều chỉnh được trình bày trên Hình 1.14 Hình TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN.14: Đặc tính điều khiển hai vùng kế tiếp nhau 17 Chương 1.

Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện Bảng TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN.1: Khái quát các phương pháp điều khiển động cơ một chiều 1.3 Hệ điều khiển truyền động động cơ một chiều Bộ biến đổi máy điện gồm: Động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại (MĐKĐ),  Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu tiristo (CLT),  Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA). Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như:  Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ)  Hệ truyền động chỉnh lưu tiristo - động cơ (T-Đ)  Hệ truyền động xung áp- động cơ (XA-Đ) 18 Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện 1.1 Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ) Hệ truyền động F-Đ là hệ truyền động có độ biến đổi điện là máy phát điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát này thường do động cơ sơ cấp không động bộ ba pha ĐK quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi.

Để có thể hình dung hơn về hoạt động của máy phát động cơ về hệ truyền độn F-Đ. Hình TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN.15: Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ) Dựa theo sơ bên trên, động cơ chấp hành trên có thể làm việc ở chế độ điều chỉnh cả hai phía: kích thích máy phát F và kích thích động cơ Đ, đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích thích máy phát, hãm động năng khi dòng kích thích máy phát bằng 0, hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc đảo chiều dòng kích từ, hãm ngược ở cuối giai đoạn hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việc với momen có tính chất thế năng… Hệ F-Đ có đặc tính cơ điền đầy cả 4 góc phần tư của mặt phẳng.  Ở góc phần tư thứ I và thứ III, tốc độ quay và momen quay của động cơ luôn cùng chiều nhau, sức điện động máy phát và động cơ có chiều xung đối với nhau công suất điện từ của máy phát và động cơ. Suy ra năng lượng được vận chuyển từ nguồn tới máy phát tới động cơ và đến tải.

 Vùng hãm tái sinh nằm ở góc phần tư thứ II và IV, lúc này với dòng điện chảy ngược động cơ về máy phát làm cho momen quay ngược chiều với tốc độ quay. Công suất điện từ của máy phát, công suất điện từ và công suất cơ học của động cơ là: Pf = ErI < 0 19 Chương 1. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện 1.2 Hệ truyền động xung áp- động cơ (XA-Đ) Hình TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN.16: Nguyên lý băm xung một chiều (BXMC) Nguyên lý cơ bản của băm xung một chiều được mô tả trên hình 1. Giữa nguồn một chiều E và tải Rt là van Tr làm việc như một khóa điện tử, hoạt động của BXMC là cho van đóng cắt với quy luật:  Trong khoảng thời gian 0 – t0 cho van dẫn (khoá Tr đóng mạch), điện áp Ut sẽ cho giá trị bằng điện áp nguồn Ut = E.

 Từ t0 đến T, van Tr không dẫn (mạch hở), tải bị ngắt khỏi nguồn Ut = 0. Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải sẽ nhận được là: 0t (TRUYỀN 1 t U t = ∫ Edt = 0 E=γE ĐỘNG T 0 T ĐIỆN.12) Biểu thức cho thấy có thể điều chỉnh điện áp ra tải bằng cách thay đổi tham số γ. Việc điều chỉnh điện áp ra bằng cách “băm” điện áp một chiều E thành các “xung” điện áp ở đầu ra nên thiết bị này có tên gọi là “ Băm xung một chiều - BXMC”. Trong đó:  t0 là thời gian van Tr dẫn;  γ là độ rộng xung điện áp chính là tham số điều chỉnh  T là chu kỳ đóng cắt của van.

Có hai phương pháp chính cho phép thay đổi tham số γ là :  Thay đổi thời gian t1, còn giữ chu kỳ T không đổi, như vậy ta dùng cách thay đổi độ rộng của xung điện áp ra tải trong quá trình điều khiển chỉnh, nên cách này được gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung PWM. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện  Thay đổi chu kỳ T, giữ thời gian t 1 không đổi. Cách này ngược lại với phương pháp trên, độ rộng xung điện áp ra tải được giữ nguyên, mà chỉ thay đổi tần số lặp lại của xung này, vì vậy được gọi là phương pháp xung - tần. Phương pháp này không thuận lợi khi phải điều chỉnh điện áp trong một dải rộng, vì tần số biến thiên nhiều sẽ làm thay đổi mạnh giá trị trở kháng khi mạch có chứa các điện cảm hoặc tụ điện nên khó tính toán thiết kế, nhất là các hệ thống điều chỉnh kín vì lúc đó mạch thuộc hệ có tham số biến đổi.

Ta thấy rằng khoá Tr chỉ làm việc đúng như một van bán dẫn, vì vậy băm xung một chiều có nhiều ưu điểm :  Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi là không đáng kể so với các bộ biến đổi liên tục do tổn hao ở van bán dẫn là nhỏ.  Độ chính xác cao và ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường vì yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khoá Tr mà không phải giá trị điện trở phần tử điều chỉnh như những bộ điều chỉnh liên tục kinh điển.  Kích thước gọn và nhẹ. Tuy nhiên BXMC cũng có những nhược điểm là »  Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính điều chỉnh.

 Tần số đóng cắt lớn sẽ gây nhiễu cho các thiết bị xung quanh. Các bộ băm xung một chiều được phân thành BXMC không đảo chiều và BXMC có đảo chiều dòng tải.3 Hệ truyền động chỉnh lưu tiristo - động cơ (T-Đ) Hệ T-Đ là hệ thống chỉnh lưu điều khiển – động cơ một chiều thực hiện điều khiển động cơ theo nguyên lý thay đổi điện áp phần ứng. Khi ta dùng các bộ chỉnh lưu có điều khiển hay là các bộ chỉnh lưu dùng thyristor để làm bộ nguồn một chiều cung cấp cho phần ứng động cơ điện một chiều như các phần trước ta đã giới thiệu, ta có điện áp chỉnh lưu của hệ là : (TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN. Giới thiệu chung về các hệ thống truyền động điện Vậy ta có phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của hệ chỉnh lưu T – Đ không đảo chiều là : (TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN.14) (TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN.15) (TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN.

cos α ω0 = Kφ dm là tốc độ không tải lý tưởng, vì lúc đó ở vùng dòng điện gián đoạn, hệ sẽ có thêm một lượng sụt áp nên đường đặc tính điều chỉnh đốc hơn, tốc độ không tải lý tưởng thực ω0 sẽ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng giả tưởng ω’ 0 như hình (1. Vậy khi thay đổi góc điều khiển α = 0 → π thì E d0 thay đổi từ Ed0 đến -Ed0 và ta sẽ được một họ đặc tính cơ song song với nhau nằm ở nữa bên phải của mặt phẳng toạ độ [ω, I] hoặc [ω, M]. (TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN.