Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, việc ứng dụng các giải pháp khoa học kỹ thuật và tự động hóa vào quy trình sản xuất đóng vai trò thiết yếu nhằm thay thế sức lao động thủ công, gia tăng năng suất và bảo đảm chất lượng sản phẩm. Tại các nhà máy, xí nghiệp, hệ thống dây chuyền tự động hóa đòi hỏi nguồn điện cung cấp phải có độ ổn định và độ tin cậy vận hành cao. Trong đó, việc điều chỉnh chính xác điện áp đầu ra của máy phát điện đồng bộ thông qua hệ thống kích từ là yêu cầu kỹ thuật then chốt giúp duy trì sự làm việc ổn định của toàn bộ mạng lưới thiết bị tiêu thụ điện.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cầu ba pha ứng dụng điều khiển kích từ máy phát điện đồng bộ" do sinh viên Nguyễn Ngọc Trúc thực hiện (ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Đoài) tập trung giải quyết bài toán tính toán, thiết kế và mô phỏng hệ thống biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều có điều khiển nhằm cấp nguồn cho cuộn kích từ của máy phát điện đồng bộ.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể trong văn bản gồm:

  1. Phân tích và lựa chọn phương pháp điều khiển kích từ phù hợp cho máy điện đồng bộ.
  2. Tính toán, thiết kế mạch lực cho bộ chỉnh lưu cầu ba pha với thông số phụ tải cuộn kích từ định mức: điện áp $U_{đm} = 220\text{ V}$, dòng điện $I_{đm} = 500\text{ A}$.
  3. Tính toán, thiết kế mạch điều khiển phát xung kích mở cho các van bán dẫn trong bộ chỉnh lưu cầu ba pha.
  4. Mô phỏng, kiểm chứng và đánh giá kết quả dạng sóng làm việc của hệ thống trên phần mềm chuyên dụng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống kích từ máy phát điện đồng bộ ba pha và bộ biến đổi điện áp chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng sử dụng van Thyristor (SCR).
  • Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống biến đổi công suất với nguồn cấp xoay chiều ba pha từ lưới $380\text{ V} - 50\text{ Hz}$, biến áp hạ áp và chỉnh lưu cấp dòng một chiều cho tải kích từ có công suất định mức tương ứng với $U_{đm} = 220\text{ V}$ và $I_{đm} = 500\text{ A}$. Thời gian thực hiện đồ án từ ngày 18/03/2024 đến ngày 18/05/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật

Nghiên cứu dựa trên các nền tảng lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật điện và điện tử công suất:

  • Nguyên lý máy điện đồng bộ: Cấu trúc phần cảm (tạo từ trường chính bằng dòng một chiều qua cuộn kích từ đặt ở rotor) và phần ứng (dây quấn ba pha đặt lệch nhau $120^\circ$ trong không gian ở stator). Phân loại rotor cực ẩn (dùng cho tuabin hơi, tuabin khí tốc độ cao đến $3000\text{ vòng/phút}$) và rotor cực lồi (dùng cho tuabin nước thủy điện tốc độ thấp, đường kính lớn). Các phương thức kích từ gồm hệ thống kích từ trực tiếp (dùng máy phát một chiều qua vành trượt, chổi than) và hệ thống kích từ xoay chiều không chổi than (kết hợp máy phát kích từ xoay chiều đầu trục và bộ chỉnh lưu quay).
  • Đặc tính máy phát điện đồng bộ: Khảo sát đặc tính ngoài $U = f(I)$ khi hệ số công suất $\cos\varphi$, tần số $f$ và dòng kích từ $I_{kt}$ không đổi đối với các loại tải trở, tải cảm và tải dung; khảo sát đặc tính điều chỉnh $I_{kt} = f(I)$ nhằm giữ điện áp đầu cực không đổi ở giá trị định mức.
  • Lý thuyết van bán dẫn công suất Thyristor (SCR): Cấu trúc bán dẫn 4 lớp (PNPN) với 3 tiếp giáp PN, hoạt động như một công tắc chuyển mạch đơn hướng có điều khiển bằng cực cổng (Gate), có khả năng chịu dòng điện và điện áp lớn.
  • Lý thuyết chỉnh lưu cầu ba pha: So sánh giữa sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng (điều khiển hoàn toàn bằng 6 Thyristor) và sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng (bán điều khiển gồm một nhóm Thyristor và một nhóm Diode). Tác giả lựa chọn sơ đồ cầu ba pha đối xứng nhằm bảo đảm tính đối xứng của máy biến áp nguồn, chất lượng điện áp ra bằng phẳng với độ đập mạch nhỏ ($5,7%$) và dải điều chỉnh góc mở rộng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật: Áp dụng hệ thống công thức giải tích điện tử công suất để tính chọn thông số dòng điện, điện áp của van Thyristor; tính toán kích thước mạch từ, số vòng dây, tiết diện dây dẫn sơ cấp/thứ cấp và các thông số ngắn mạch của máy biến áp lực; tính toán các thông số mạch bảo vệ R-C, thiết bị đóng cắt Aptomat, cầu chì tác động nhanh và thiết kế chi tiết từng tầng chức năng của mạch điều khiển xung.
  • Phương pháp mô phỏng số: Thiết lập mô hình hệ thống chỉnh lưu có điều khiển trên hai phần mềm chuyên ngành là PSIM và MATLAB/Simulink; khảo sát dạng sóng điện áp, dòng điện đầu ra tải, dòng điện qua van và tín hiệu điều khiển tại các góc kích mở $\alpha = 0^\circ, 30^\circ, 60^\circ, 90^\circ$.

Nguồn dữ liệu và tiêu chuẩn linh kiện

Dữ liệu tính toán dựa trên các tham số kỹ thuật chuẩn hóa của vật liệu và linh kiện công nghiệp:

  • Thép kỹ thuật điện $\exists330$ cán nguội độ dày $0,5\text{ mm}$, mật độ từ cảm $B_t = 1\text{ T}$.
  • Dây dẫn bằng đồng trần bọc cách điện cấp B, mật độ dòng điện máy biến áp khô $J = 2,75\text{ A/mm}^2$.
  • Van Thyristor công suất xuất xứ từ Mỹ ($U_n = 500\text{ V}, I_{đmv} = 950\text{ A}$).
  • Mạch từ biến áp xung dùng vật liệu sắt Peril HM dạng xuyến tròn mã hiệu OA-25/40-5.
  • Vi mạch khuếch đại thuật toán TL084 của hãng Texas Instruments, vi mạch logic CMOS 4081, transistor chuyển mạch xung 2SC9111, diode chỉnh lưu tín hiệu 1N4009 và thiết bị đóng cắt Aptomat của hãng Fuji.

Thiết kế và tính toán kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh gồm mạch lực, hệ thống bảo vệ và mạch phát xung điều khiển:

1. Tính chọn van bán dẫn mạch lực

  • Điện áp ngược cực đại đặt lên van: $U_{n\max} = 230,38\text{ V}$. Với hệ số dự trữ điện áp $K_{dtU} = 1,8$, điện áp ngược yêu cầu của van là $U_{nv} = 414,684\text{ V}$.
  • Dòng điện hiệu dụng làm việc qua van: $I_{lv} = I_d / \sqrt{3} = 500 / \sqrt{3} = 288,675\text{ A}$.
  • Lựa chọn 6 van Thyristor do Mỹ sản xuất có các thông số: Điện áp ngược cực đại $U_n = 500\text{ V}$, dòng điện định mức $I_{đmv} = 950\text{ A}$, đỉnh xung dòng điện $I_{pik} = 10000\text{ A}$, điện áp điều khiển $U_{đk} = 3,0\text{ V}$, dòng điện điều khiển $I_{đk} = 0,3\text{ A}$, dòng điện rò $I_r = 45\text{ mA}$, sụt áp thuận lớn nhất $\Delta U_v = 2,9\text{ V}$, tốc độ tăng áp $du/dt = 400\text{ V/\mu s}$, thời gian chuyển mạch $t_{cm} = 80\text{ \mu s}$, nhiệt độ làm việc cực đại cho phép $T_{\max} = 125^\circ\text{C}$.

2. Tính toán máy biến áp chỉnh lưu

  • Nguồn cấp sơ cấp: $U_1 = 380\text{ V}, f = 50\text{ Hz}$.
  • Góc dự trữ suy giảm lưới: $\alpha_{\min} = 10^\circ$; Sụt áp trên van: $\Delta U_v = 2,9\text{ V}$; Sụt áp máy biến áp sơ bộ: $\Delta U_{ba} = 13,2\text{ V}$ ($6% U_{đm}$).
  • Điện áp không tải yêu cầu: $U_{d0} = 242,687\text{ V}$. Điện áp hiệu dụng pha thứ cấp: $U_2 = 103,71\text{ V}$.
  • Dòng điện hiệu dụng thứ cấp: $I_2 = 0,816 \times I_d = 408\text{ A}$. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp: $I_1 = 111,35\text{ A}$.
  • Công suất biểu kiến tính toán: $S_{MBA} = 44429\text{ VA} \approx 44,43\text{ kVA}$.
  • Mạch từ: Trụ tròn đường kính chuẩn hóa $d = 12\text{ cm}$, chiều cao trụ $h = 28\text{ cm}$, tiết diện trụ $Q_{Fe} = 103,26\text{ cm}^2$.
  • Dây quấn sơ cấp: Số vòng $W_1 = 166\text{ vòng}$ (bố trí 5 lớp), tiết diện dây $S_1 = 42,48\text{ mm}^2$ (chập 2 dây tiêu chuẩn $21,24\text{ mm}^2$), mật độ dòng điện thực tế $J_1 = 2,62\text{ A/mm}^2$.
  • Dây quấn thứ cấp: Số vòng $W_2 = 45\text{ vòng}$ (bố trí 2 lớp), tiết diện dây $S_2 = 148,7\text{ mm}^2$ (chập 7 dây tiêu chuẩn $21,24\text{ mm}^2$), mật độ dòng điện thực tế $J_2 = 2,74\text{ A/mm}^2$.
  • Thông số ngắn mạch quy đổi thứ cấp: Điện trở $R_{BA} = 0,0083\ \Omega$, điện kháng $X_{BA} = 0,061\ \Omega$, tổng trở ngắn mạch $Z_{BA} = 0,062\ \Omega$, điện cảm $L_{BA} = 0,2\text{ mH}$, tổng sụt áp $\Delta U_{BA} = 29,42\text{ V}$, điện áp ngắn mạch phần trăm $U_n% = 24,22%$, dòng điện ngắn mạch xác lập $I_{2nm} = 6580,6\text{ A}$.

3. Thiết bị bảo vệ mạch lực

  • Tản nhiệt van: Tổn hao công suất nhiệt trên một van $\Delta P = 837,16\text{ W}$. Diện tích tản nhiệt tính toán $S_{TN} = 0,2324\text{ m}^2$. Chọn bộ tản nhiệt 12 cánh kích thước $10\text{ cm} \times 10\text{ cm}$, tổng diện tích làm mát $0,24\text{ m}^2$ với chế độ làm mát đối lưu tự nhiên kết hợp bức xạ.
  • Bảo vệ quá dòng: Chọn Aptomat Fuji 3 pha đóng cắt phía sơ cấp ($U_{đm} = 380\text{ V}, I_{đm} = 80\text{ A}$, dòng chỉnh định ngắn mạch $I_{nm} = 168,75\text{ A}$, dòng chỉnh định quá tải $I_{qt} = 101,25\text{ A}$). Sử dụng cầu chì tác động nhanh gồm: nhóm 1cc bảo vệ thứ cấp biến áp loại $500\text{ A}$ ($I_{1cc} = 448,8\text{ A}$), nhóm 2cc bảo vệ từng nhánh van loại $350\text{ A}$ ($I_{2cc} = 317,54\text{ A}$), nhóm 3cc bảo vệ đầu ra tải loại $630\text{ A}$ ($I_{3cc} = 550\text{ A}$).
  • Bảo vệ quá điện áp: Mạch R-C song song từng van Thyristor ($R_1 = 5,1\ \Omega, C_1 = 0,25\ \mu\text{F}$); mạch R-C lọc xung điện áp từ lưới ($R_2 = 12,5\ \Omega, C_2 = 4\ \mu\text{F}$); mạch cầu diode 3 pha phụ tải R-C bảo vệ cắt biến áp non tải ($R_3 = 470\ \Omega, C_3 = 10\ \mu\text{F}, R_4 = 1,4\text{ k}\Omega$).

4. Mạch điều khiển phát xung

  • Yêu cầu xung kích: $U_{đk} = 3\text{ V}, I_{đk} = 0,3\text{ A}$, tần số xung chùm $f_x = 3\text{ kHz}$, độ rộng xung $t_x = 160\ \mu\text{s}$, độ mất đối xứng cho phép $\Delta\alpha \le 4^\circ$, nguồn nuôi $U = \pm 12\text{ V}$, mức sụt biên độ xung $S_x = 0,15$.
  • Biến áp xung: Tỉ số biến áp $m = 3$, sơ cấp $U_1 = 9\text{ V}, I_1 = 0,1\text{ A}$, thứ cấp $U_2 = 3\text{ V}, I_2 = 0,3\text{ A}$. Lõi xuyến Peril HM OA-25/40-5 ($a = 7,5\text{ mm}, b = 5\text{ mm}, Q = 37,5\text{ mm}^2, d = 25\text{ mm}, D = 40\text{ mm}$). Dây quấn sơ cấp $W_1 = 128\text{ vòng}$ ($d_1 = 0,15\text{ mm}$), thứ cấp $W_2 = 43\text{ vòng}$ ($d_2 = 0,31\text{ mm}$), hệ số lấp đầy cửa sổ $K_{ld} = 0,011$.
  • Tầng khuếch đại cuối: Transistor NPN 2SC9111 ($U_{CBO} = 40\text{ V}, I_{C\max} = 500\text{ mA}, \beta = 50, I_{C3} = 100\text{ mA}, I_{B3} = 2\text{ mA}$), điện trở cực phát $R_{10} = 30\ \Omega$, diode bảo vệ 1N4009 ($I_{đm} = 10\text{ mA}, U_n = 25\text{ V}, U_{th} = 1\text{ V}$).
  • Tầng logic và điều chế: 2 vi mạch logic CMOS 4081 (chứa 4 cổng AND/IC, điện áp nuôi $12\text{ V}$), điện trở bazơ $R_9 = 6\text{ k}\Omega$.
  • Tầng tạo chùm xung và so sánh: 6 vi mạch khuếch đại thuật toán TL084 của Texas Instruments (mỗi IC tích hợp 4 Op-Amp, nguồn nuôi $\pm 12\text{ V}, du/dt = 13\text{ V/\mu s}$). Mạch tạo dao động xung chùm có chu kỳ $T = 334\ \mu\text{s}$ ($f_x = 3\text{ kHz}$) với $R_6 = R_7 = 33\text{ k}\Omega$, tụ $C_2 = 0,1\ \mu\text{F} - 16\text{ V}$, biến trở điều chỉnh $R_8 = 2\text{ k}\Omega$ (tính toán $1,518\text{ k}\Omega$). Tầng so sánh dùng điện trở đầu vào $R_4 = R_5 = 15\text{ k}\Omega$. Khâu đồng pha tuyến tính có hằng số thời gian $T_r = R_3 C_1 = 0,005\text{ s}$.
Hạng mục thiết bị / Thông số Giá trị thiết kế / Mã hiệu linh kiện Ghi chú kỹ thuật
Điện áp / Dòng tải định mức ($U_{đm} / I_{đm}$) $220\text{ V} / 500\text{ A}$ Tải cuộn kích từ máy điện đồng bộ
Van bán dẫn mạch lực 6 Thyristor (USA): $500\text{ V} - 950\text{ A}$ Mạch chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng
Máy biến áp lực ($S_{MBA} / U_1 / U_2$) $44,43\text{ kVA} / 380\text{ V} / 103,71\text{ V}$ Biến áp khô, lõi thép $\exists330$, $d = 12\text{ cm}$
Số vòng dây MBA ($W_1 / W_2$) $166\text{ vòng} / 45\text{ vòng}$ Sơ cấp 5 lớp, thứ cấp 2 lớp
Thiết bị bảo vệ đóng cắt Aptomat Fuji $380\text{ V} - 80\text{ A}$ ($I_{nm} = 168,75\text{ A}$) Đặt tại phía sơ cấp máy biến áp
Cầu chì tác động nhanh (1cc / 2cc / 3cc) $500\text{ A} / 350\text{ A} / 630\text{ A}$ Bảo vệ thứ cấp, nhánh van và đầu ra
Biến áp xung mạch điều khiển Lõi xuyến OA-25/40-5 ($W_1 = 128, W_2 = 43$) Tỉ số biến áp $m = 3$
Vi mạch Op-Amp / Vi mạch Logic 6 IC TL084 / 2 IC CMOS 4081 Nguồn nuôi mạch điều khiển $\pm 12\text{ V}$
Transistor khuếch đại xung / Diode 2SC9111 ($I_{C\max} = 500\text{ mA}$) / 1N4009 Chế độ xung điều khiển cực cổng van

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quát về hệ thống kích từ máy điện đồng bộ

Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết tổng quan về cấu tạo, nguyên lý làm việc của máy điện đồng bộ ba pha, phân tích cấu tạo lõi thép và dây quấn của stator cùng hai dạng rotor cơ bản (rotor cực ẩn và rotor cực lồi). Tác giả phân tích chi tiết hai phương pháp kích từ chính: kích từ trực tiếp dùng máy phát một chiều truyền thống qua hệ thống vành trượt - chổi than và kích từ xoay chiều không chổi than sử dụng máy phát điện xoay chiều đầu trục kết hợp cầu chỉnh lưu quay gắn đồng trục.

Nội dung chương đi sâu vào việc khảo sát đặc tính ngoài $U = f(I)$ và đặc tính điều chỉnh kích từ $I_{kt} = f(I)$, chỉ rõ mức độ sụt giảm điện áp khi tải có tính cảm do phản ứng phần ứng dọc trục khử từ, từ đó khẳng định vai trò của việc điều chỉnh dòng kích từ để ổn định điện áp đầu cực máy phát. Phần tiếp theo giới thiệu cấu trúc van Thyristor (SCR), phân loại các dòng Thyristor thông dụng và phân tích cấu trúc tổng quát của bộ chỉnh lưu (gồm biến áp lực, mạch van, mạch điều khiển, mạch lọc san bằng, khối hỗ trợ).

Chương 1 so sánh hai sơ đồ mạch: chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng và chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng. Sơ đồ cầu ba pha đối xứng có quan hệ điện áp ra $U_d = U_{d0}\cos\alpha = \frac{3\sqrt{6}}{\pi}U_2\cos\alpha$, dòng trung bình trên van $I_{tb} = I_d / 3$, điện áp ngược cực đại $U_{ng\max} = \sqrt{6}U_2$, công suất máy biến áp $S_{ba} = 1,05 P_d$, độ đập mạch nhỏ ($5,7%$). Tác giả kết luận lựa chọn sơ đồ cầu ba pha có điều khiển đối xứng để áp dụng cho thiết kế nhằm tránh gây mất đối xứng cho máy biến áp và lưới điện.

Chương 2: Thiết kế mạch lực chỉnh lưu cầu ba pha

Chương 2 tập trung tính toán chi tiết toàn bộ mạch lực của hệ thống. Dựa trên thông số tải kích từ $U_{đm} = 220\text{ V}, I_{đm} = 500\text{ A}$, tác giả tính chọn 6 van Thyristor định mức $U_n = 500\text{ V}, I_{đmv} = 950\text{ A}$.

Quá trình tính toán máy biến áp lực được thực hiện tuần tự qua các bước:

  1. Xác định điện áp chỉnh lưu không tải $U_{d0} = 242,687\text{ V}$ với góc dự trữ $\alpha_{\min} = 10^\circ$, sụt áp van $\Delta U_v = 2,9\text{ V}$, sụt áp máy biến áp $\Delta U_{ba} = 13,2\text{ V}$.
  2. Tính điện áp pha thứ cấp $U_2 = 103,71\text{ V}$, dòng điện thứ cấp $I_2 = 408\text{ A}$, dòng sơ cấp $I_1 = 111,35\text{ A}$, công suất biểu kiến $S_{MBA} = 44429\text{ VA}$.
  3. Tính toán kết cấu mạch từ: Đường kính trụ chuẩn hóa $d = 12\text{ cm}$, chiều cao trụ $h = 28\text{ cm}$, tiết diện trụ sắt $Q_{Fe} = 103,26\text{ cm}^2$, sử dụng tôn silic cán nguội $\exists330$ dày $0,5\text{ mm}$, từ cảm $B_t = 1\text{ T}$.
  4. Tính toán dây quấn: Cuộn sơ cấp có $W_1 = 166\text{ vòng}$ quấn 5 lớp ($S_1 = 42,48\text{ mm}^2, J_1 = 2,62\text{ A/mm}^2$); cuộn thứ cấp có $W_2 = 45\text{ vòng}$ quấn 2 lớp ($S_2 = 148,7\text{ mm}^2, J_2 = 2,74\text{ A/mm}^2$).
  5. Xác định thông số ngắn mạch: Điện trở cuộn dây $R_{BA} = 0,0083\ \Omega$, điện kháng tản $X_{BA} = 0,061\ \Omega$, điện áp ngắn mạch phần trăm $U_n% = 24,22%$, dòng điện ngắn mạch $I_{2nm} = 6580,6\text{ A}$.

Chương này cũng tính toán và lựa chọn đầy đủ các thiết bị bảo vệ mạch động lực bao gồm: Cánh tản nhiệt 12 cánh kích thước $10\text{ cm} \times 10\text{ cm}$ làm mát cho van với diện tích $0,24\text{ m}^2$; Aptomat Fuji $80\text{ A} - 380\text{ V}$; ba nhóm cầu chì tác động nhanh ($500\text{ A}, 350\text{ A}, 630\text{ A}$); các mạch lọc R-C bảo vệ quá điện áp chuyển mạch van ($5,1\ \Omega - 0,25\ \mu\text{F}$), bảo vệ xung sét/xung lưới ($12,5\ \Omega - 4\ \mu\text{F}$) và mạch cầu diode phụ kèm tải RC bảo vệ cắt biến áp non tải ($470\ \Omega - 10\ \mu\text{F}$).

Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha

Chương 3 xây dựng sơ đồ nguyên lý và tính toán từng phần tử cấu thành một kênh điều khiển hoàn chỉnh cho bộ chỉnh lưu cầu ba pha theo nguyên tắc đồng pha - biên độ (tính toán ngược từ tầng khuếch đại công suất trở về trước):

  • Biến áp xung: Sử dụng lõi xuyến Peril HM OA-25/40-5, tính toán số vòng sơ cấp $W_1 = 128\text{ vòng}$ ($d_1 = 0,15\text{ mm}$), số vòng thứ cấp $W_2 = 43\text{ vòng}$ ($d_2 = 0,31\text{ mm}$) với tỉ số biến áp $m = 3$.
  • Tầng khuếch đại công suất cuối cùng: Sử dụng transistor NPN 2SC9111, tính chọn điện trở hạn chế bazơ $R_9 = 6\text{ k}\Omega$, điện trở cực phát $R_{10} = 30\ \Omega$ và diode bảo vệ 1N4009.
  • Tầng logic AND: Chọn 2 IC họ CMOS 4081 (chứa 4 cổng AND trên một vỏ) hoạt động ở nguồn nuôi $+12\text{ V}$ để phối hợp tín hiệu xung chùm và tín hiệu điều khiển góc mở.
  • Tầng tạo chùm xung và so sánh: Sử dụng 6 IC TL084 của hãng Texas Instruments. Khâu dao động tạo chuỗi xung chùm tần số $f_x = 3\text{ kHz}$ ($T = 334\ \mu\text{s}$) được tính chọn với tụ $C_2 = 0,1\ \mu\text{F}$, biến trở $R_8 = 2\text{ k}\Omega$, điện trở $R_6 = R_7 = 33\text{ k}\Omega$. Tầng so sánh tín hiệu điều khiển và điện áp răng cưa dùng điện trở đầu vào $R_4 = R_5 = 15\text{ k}\Omega$.
  • Khâu đồng pha và tạo điện áp răng cưa: Thiết kế mạch nạp tụ $C_1$ với hằng số thời gian nạp tuyến tính $T_r = R_3 C_1 = 0,005\text{ s}$ đồng bộ theo nửa chu kỳ điện áp lưới xoay chiều.

Chương 4: Mô phỏng, đánh giá kết quả đạt được

Chương 4 thiết lập sơ đồ mô phỏng hệ thống chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển trên hai công cụ phần mềm:

  • Mô phỏng trên PSIM: Thiết lập mạch lực chỉnh lưu cầu 6 Thyristor, khối phát xung Alpha Controller, khối điều khiển và các khối Simulation Control. Khảo sát và trích xuất dạng sóng điện áp ngõ ra $U_{ra}$, dòng điện tải $I_{ra}$ cùng tín hiệu điều khiển xung tại các góc mở van $\alpha = 0^\circ, 30^\circ, 60^\circ, 90^\circ$.
  • Mô phỏng trên MATLAB/Simulink: Xây dựng mô hình kiểm chứng, ghi nhận dạng sóng dòng điện chạy qua các Thyristor, dạng sóng điện áp vào xoay chiều $U_{vao}$, dòng điện nguồn và điện áp tải $U_{ra}$ ở các góc điều khiển $\alpha = 0^\circ, 30^\circ, 60^\circ, 90^\circ$.
  • Đánh giá kết quả: Đồ thị mô phỏng phản ánh đúng quy luật lý thuyết: Khi góc điều khiển $\alpha \le 60^\circ$, điện áp tải $U_d$ liên tục và có giá trị trung bình giảm dần theo hàm $\cos\alpha$; khi $\alpha > 60^\circ$ với tải có thành phần cảm nhỏ, dạng sóng điện áp bắt đầu xuất hiện đoạn gián đoạn về 0. Kết quả mô phỏng xác nhận tính chính xác của các thông số mạch lực và mạch điều khiển đã tính toán.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Hoàn thành đầy đủ hồ sơ tính toán thiết kế kỹ thuật cho bộ nguồn chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển đối xứng đáp ứng đúng yêu cầu tải cuộn kích từ máy điện đồng bộ ($U_{đm} = 220\text{ V}, I_{đm} = 500\text{ A}$).
  • Xác định chính xác thông số lựa chọn 6 van bán dẫn Thyristor ($500\text{ V} - 950\text{ A}$), thiết kế máy biến áp lực 3 pha kiểu khô công suất $44,43\text{ kVA}$ ($380\text{ V} / 103,71\text{ V}$, lõi sắt trụ $d = 12\text{ cm}, h = 28\text{ cm}$) cùng đầy đủ thông số dây quấn sơ cấp ($166\text{ vòng}$), thứ cấp ($45\text{ vòng}$) và các thông số ngắn mạch ($R_{BA} = 0,0083\ \Omega, X_{BA} = 0,061\ \Omega, Z_{BA} = 0,062\ \Omega$).
  • Xây dựng sơ đồ hệ thống bảo vệ toàn diện gồm: Aptomat đóng cắt Fuji $80\text{ A} - 380\text{ V}$, 3 nhóm cầu chì cắt nhanh ($500\text{ A}, 350\text{ A}, 630\text{ A}$), cánh tản nhiệt diện tích $0,24\text{ m}^2$, các mạch R-C dập xung quá điện áp cho van và bảo vệ cắt tải.
  • Thiết kế mạch điều khiển đồng pha - răng cưa phát chùm xung $3\text{ kHz}$ với các thông số linh kiện chuẩn xác: biến áp xung xuyến OA-25/40-5 ($W_1 = 128, W_2 = 43$), transistor xung 2SC9111, IC TL084 và CMOS 4081.
  • Kiểm chứng thành công dạng sóng điện áp và dòng điện thông qua mô phỏng trên PSIM và MATLAB ở các chế độ góc mở $\alpha = 0^\circ, 30^\circ, 60^\circ, 90^\circ$.

Đóng góp kỹ thuật

Đồ án đã cung cấp một quy trình tính toán thiết kế giải tích chi tiết từ mạch động lực, máy biến áp lực đến từng mắt xích trong mạch điều khiển phát xung và mạch bảo vệ chuyên dụng cho hệ thống kích từ công suất trung bình. Phương pháp kết hợp kiểm chứng đa nền tảng (cả PSIM và MATLAB/Simulink) giúp khẳng định độ tin cậy của mô hình tính toán lý thuyết trước khi triển khai chế tạo phần cứng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản đồ án thể hiện một số phạm vi giới hạn kỹ thuật:

  • Hạn chế: Đồ án mới dừng lại ở bước tính toán lý thuyết giải tích và mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm máy tính (PSIM, MATLAB), chưa tiến hành thi công chế tạo mô hình phần cứng thực tế và chưa thực hiện đo đạc thực nghiệm trực tiếp trên máy phát điện đồng bộ thật. Mạch điều khiển được thiết kế theo phương pháp tương tự (Analog) sử dụng Op-Amp và IC số rời rạc, chưa tích hợp vi điều khiển số hoặc bộ điều khiển tự động điều chỉnh điện áp (AVR) khép kín vòng phản hồi dòng/áp.
  • Hướng phát triển: Nghiên cứu tích hợp vòng điều khiển tự động điều chỉnh điện áp (AVR) số hóa sử dụng vi điều khiển/DSP hoặc PLC để tự động ổn định điện áp đầu cực máy phát khi tải biến động; tiến hành chế tạo thử nghiệm mô hình thực tế và đánh giá các chỉ tiêu chất lượng điện năng thực tế trên lưới.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện tử công suất khi làm đồ án môn học Điện tử công suất, đồ án Truyền động điện hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến chỉnh lưu công suất lớn.
  • Các kỹ sư thiết kế hệ thống nguồn điều khiển kích từ máy phát điện hoặc các bộ nguồn DC công suất cao ứng dụng van Thyristor.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Quy trình từng bước tính toán kết cấu máy biến áp lực công suất lớn (từ tính mạch từ, chọn mật độ dòng, bố trí lớp dây quấn đến tính tổng trở ngắn mạch) và phương pháp tính chọn chi tiết mạch điều khiển phát xung chùm sử dụng IC TL084 kết hợp biến áp xung xuyến.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng thay vì sơ đồ không đối xứng?
Sơ đồ cầu ba pha đối xứng (điều khiển hoàn toàn) được lựa chọn vì tạo ra điện áp ra có chất lượng tốt, độ đập mạch nhỏ ($5,7%$), dạng dòng điện vào đối xứng giúp khai thác tối đa công suất biến áp và không gây hiện tượng mất đối xứng dòng điện phía máy biến áp nguồn như sơ đồ bán điều khiển.

2. Thông số định mức của cuộn kích từ và van Thyristor được chọn trong đồ án là bao nhiêu?
Cuộn kích từ có thông số định mức là điện áp $U_{đm} = 220\text{ V}$ và dòng điện $I_{đm} = 500\text{ A}$. Tác giả đã tính chọn 6 van Thyristor xuất xứ từ Mỹ có điện áp ngược cực đại $U_n = 500\text{ V}$ và dòng điện định mức $I_{đmv} = 950\text{ A}$ (với hệ số dự trữ điện áp $K_{dtU} = 1,8$ và dòng hiệu dụng làm việc $I_{lv} = 288,675\text{ A}$).

3. Máy biến áp lực được tính toán có thông số công suất và kết cấu như thế nào?
Máy biến áp 3 pha kiểu khô có công suất biểu kiến tính toán $S_{MBA} = 44429\text{ VA}$ ($\approx 44,43\text{ kVA}$), điện áp $380\text{ V} / 103,71\text{ V}$. Lõi thép kỹ thuật điện $\exists330$ có đường kính trụ $d = 12\text{ cm}$, chiều cao trụ $h = 28\text{ cm}$. Cuộn sơ cấp gồm 166 vòng (5 lớp dây đồng $42,48\text{ mm}^2$), cuộn thứ cấp gồm 45 vòng (2 lớp dây đồng $148,7\text{ mm}^2$).

4. Mạch điều khiển tạo xung sử dụng những linh kiện chính nào?
Mạch điều khiển sử dụng 6 IC khuếch đại thuật toán TL084 của hãng Texas Instruments, 2 IC logic CMOS 4081 (cổng AND), transistor xung 2SC9111, diode 1N4009 và biến áp xung dùng lõi xuyến Peril HM OA-25/40-5 ($W_1 = 128\text{ vòng}, W_2 = 43\text{ vòng}$) để tạo ra chùm xung kích tần số $3\text{ kHz}$ có biên độ $3\text{ V}$ và dòng $0,3\text{ A}$.

5. Kết quả mô phỏng trên PSIM và MATLAB phản ánh điều gì về dạng sóng điện áp ra?
Kết quả mô phỏng ở các góc mở $\alpha = 0^\circ, 30^\circ, 60^\circ, 90^\circ$ cho thấy khi góc mở tăng, giá trị trung bình của điện áp một chiều giảm dần theo hàm $\cos\alpha$. Dạng sóng điện áp duy trì liên tục ở các góc $\alpha \le 60^\circ$ và chuyển sang dạng gián đoạn ở góc $\alpha = 90^\circ$, phù hợp chính xác với lý thuyết chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Ngọc Trúc đã giải quyết hoàn chỉnh nhiệm vụ tính toán, thiết kế hệ thống nguồn chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển đối xứng sử dụng Thyristor nhằm cấp nguồn cho cuộn kích từ máy phát điện đồng bộ $220\text{ V} - 500\text{ A}$. Toàn bộ các khâu tính toán mạch lực, máy biến áp công suất $44,43\text{ kVA}$, hệ thống bảo vệ đa tầng và mạch điều khiển phát xung chùm $3\text{ kHz}$ đều được thực hiện chi tiết với thông số linh kiện rõ ràng. Kết quả kiểm chứng trên hai phần mềm mô phỏng PSIM và MATLAB đã chứng minh tính đúng đắn của các tính toán lý thuyết, đóng góp một tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao trong lĩnh vực điện tử công suất ứng dụng.