DẪN NHẬP
Đặt vấn đề
Điện tử công suất hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại, bao gồm truyền động điện, giao thông đường sắt, nấu luyện thép, gia nhiệt cảm ứng và điện phân nhôm Những tiến bộ trong công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn công suất đã giúp tạo ra các bộ biến đổi ngày càng nhỏ gọn, đa chức năng và dễ sử dụng hơn, góp phần nâng cao hiệu quả trong các quá trình sản xuất công nghiệp và dân dụng.
Trong cả ngành công nghiệp và dân dụng, việc điều khiển điện áp xoay chiều rất phổ biến Các ứng dụng bao gồm ổn áp xoay chiều sử dụng thyristor, điều chỉnh điện áp đầu vào của biến áp để giảm hoặc tăng áp, cũng như điều khiển động cơ không đồng bộ cho việc khởi động và điều chỉnh tốc độ.
Việc điều khiển điện áp xoay chiều 3 pha ngày càng trở nên phổ biến trong các ứng dụng như điều khiển động cơ và chiếu sáng Bằng cách điều chỉnh góc kích cho Thyristor hoặc TRIAC, giá trị điện áp ra có thể được thay đổi một cách hiệu quả Ứng dụng linh kiện bán dẫn trong việc điều khiển điện áp là một lĩnh vực mới, mang lại nhiều lợi ích như tốc độ chuyển mạch nhanh, tính khoa học cao và chi phí thấp, đồng thời giúp ổn định quá trình làm việc của thiết bị một cách dễ dàng hơn.
1.2 Lý do chọn đề tài
Hiện nay, việc điều khiển điện áp xoay chiều 3 pha được ứng dụng phổ biến trong khởi động mềm, điều khiển chiếu sáng và các thiết bị điện tử công suất nhỏ và trung bình Các thiết bị như Variac đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 2 áp là loại linh kiện thường gặp tổn thất lớn và có giá thành cao, không hiển thị hoặc bảo vệ Hiện nay, với sự phát triển của linh kiện bán dẫn như Thyristor và TRIAC, giá trị điện áp tức thời có thể được điều chỉnh và tích hợp một cách hiệu quả.
DC, hiển thị điện áp, dòng điện và bảo vệ khi có sự cố
Hiện nay, Variac 3 pha LIOA S3-4310 đang được sử dụng rộng rãi trên thị trường và trong các phòng thí nghiệm Thiết bị có điện áp ngõ vào 380V, điện áp ngõ ra từ 0 đến 450V và dòng điện ngõ ra 10A Tuy nhiên, loại Variac này không có chức năng hiển thị, bảo vệ và hồi tiếp, trong khi các Variac có các tiêu chí kỹ thuật tương tự thường có giá thành cao hơn.
Từ những phân tích ở trên nhóm nghiên cứu quyết định thực hiện đề tài:
”Nghiên cứu bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp” với các tiêu chí kỹ thuật như sau:
Điện áp 3 pha (điện áp ra từ 0-300 VAC)
Nguồn DC riêng, điều chỉnh điện áp từ 0-400 VDC
Bảo vệ quá dòng và quá áp
Dòng điện và điện áp ngõ ra sẽ hiển thị trên LCD 20x4
Hồi tiếp điện áp ngõ ra được sử dụng để điều chỉnh độ rộng xung điều khiển, nhằm bù trừ sự thay đổi áp suất ra do biến đổi tải.
Linh kiện bán dẫn (SCR, diode)
Tải trở ( R ) và tải cảm ( L )
Trong nghiên cứu này, nhóm đã chia nhỏ bộ Variac thành các khối chức năng như Khối tạo xung kích, Khối công suất, Khối cảm biến, Khối hồi tiếp và Khối hiển thị Sau khi hoàn thiện từng khối, nhóm đã kết nối chúng để tạo thành bộ Variac bán dẫn ba pha với hệ thống hồi tiếp hoàn chỉnh Cuối cùng, nhóm đã thực hiện mô phỏng dạng sóng các tải công suất trên phần mềm PSIM và tiến hành đo đạc trên mô hình thực tế.
Nghiên cứu và phát triển bộ phát xung điều khiển SCR
Thiết kế mạch đo dòng và áp hiển thị trên LCD sử dụng PIC 16F877A
Thực hiện mô phỏng trên phần mềm PSIM để có kết quả xây dựng mô hình
Xây dựng và thi công mô hình hoàn chỉnh có thể hoạt động tốt có thể ứng dụng trong giảng dạy và thương mại
1.6 Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay, nghiên cứu về mô hình Variac bán dẫn còn hạn chế và chưa được phát triển rộng rãi Một ví dụ điển hình là đề tài "Nghiên Cứu Bộ Variac Bán Dẫn Một pha" của Trần Viết Tiến và Đào Trung Hiếu, sinh viên Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh (khóa 2010 – 2014) Trong nghiên cứu này, tác giả đã áp dụng mạch tạo xung kích để kích SCR, tuy nhiên chỉ thực hiện được một pha với điện áp từ 0-220VAC và hiển thị dòng điện cùng điện áp trên LED 7 đoạn, cho thấy những hạn chế trong khả năng ứng dụng của đề tài.
1 pha, không có hồi tiếp.
Hiện nay, đề tài này vẫn còn mới mẻ, với hầu hết các vấn đề liên quan chỉ dừng lại ở những mô hình đơn giản Việc ứng dụng trong ngành công nghiệp vẫn chưa được nghiên cứu một cách sâu sắc.
Nhóm sinh viên nghiên cứu quyết định chỉ chọn một trong ba ngõ ra DC để hiển thị dòng điện và điện áp ngõ ra trên tải, đồng thời thu hồi thông tin từ điện áp ngõ ra này.
Tương tự với ngõ ra AC, chỉ chọn một ngõ ra để hiển thị dòng điện trên tải
Dòng điện ngõ ra giới hạn 5A
Điện áp AC thay đổi từ 0 đến 300VAC
Điện áp DC thay đổi từ 0 – 400VDC
Do đây là một đề tài khá mới nên trong thời gian thực hiện đồ án nhóm thực hiện đề tài gặp nhiều khó khăn ở nguồn tài liệu
Nhóm thực hiện đề tài sử dụng các phương pháp chủ yếu:
Phương pháp tham khảo tài liệu điện tử công suất của các thầy
Tham khảo tài liệu nghiên cứu của các anh chị năm trước làm đồ án để lại
Phương pháp thực nghiệm được áp dụng song song với việc đọc tài liệu, giúp chúng em sử dụng các phương pháp đo đạc để kiểm tra và so sánh kết quả thực tế với lý thuyết.
So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng để rút ra các kết luận trong việc ứng bộ Variac này cho các ứng dụng thực tế
Sinh viên được sự hướng dẫn tận tình từ các thầy trong khoa, đặc biệt là thầy Đỗ Đức Trí, người đã theo dõi và hỗ trợ trong suốt quá trình thực hiện đồ án.
1.9 Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Trong những năm gần đây việc nghiên cứu bộ Variac bán dẫn đã và đang được thực hiện ngày càng nhiều hơn
Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và công nghệ đã thúc đẩy Việt Nam hội nhập và tiếp nhận những thành tựu mới, đặc biệt trong ngành công nghiệp điện tử Các thiết bị điện tử công suất ngày càng được sản xuất và ứng dụng mạnh mẽ trong đời sống hàng ngày Để hỗ trợ sinh viên củng cố và nâng cao kiến thức chuyên ngành, đề tài này xây dựng các thiết bị và mô hình tham khảo cho sinh viên khoa Điện-Điện tử, tạo tiền đề cho các thế hệ sinh viên sau có thêm tài liệu nghiên cứu và học tập.
Bộ variac bán dẫn sẽ làm cho đa dạng hóa các bộ nguồn và góp phần đáp ứng yêu cầu của thiết bị
- Chương 1:Dẫn nhập Đặt vấn đề nghiên cứu, lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng, phương pháp nghiên cứu và tính thực tiễn của đề tài
- Chương 2:Cơ sở lý thuyết
Cơ sở lý thuyết về mạch kích SCR, các phương pháp tạo xung kích
- Chương 3:Xây dựng mô hình
Sơ đồ khối của mô hình, thi công mô hình theo sơ đồ khối
- Chương 4: Kết quả nghiên cứu
Dạng sóng điện áp ngõ ra trên các loại tải trong mô phỏng trên phần mềm PSIM và khi chạy thử nghiệm mô hình thực tế
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Nội dung nghiên cứu
Nhóm thực hiện đề tài đã chia nhỏ bộ Variac thành các khối chức năng như Khối tạo xung kích, Khối công suất, Khối cảm biến, Khối hồi tiếp và Khối hiển thị Sau khi hoàn thiện từng khối, nhóm đã ghép nối chúng để tạo thành bộ Variac bán dẫn ba pha có hồi tiếp hoàn chỉnh Đồng thời, họ cũng tiến hành mô phỏng dạng sóng các tải công suất trên phần mềm PSIM và thực hiện đo lường trên mô hình thực tế.
Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu và phát triển bộ phát xung điều khiển SCR
Thiết kế mạch đo dòng và áp hiển thị trên LCD sử dụng PIC 16F877A
Thực hiện mô phỏng trên phần mềm PSIM để có kết quả xây dựng mô hình
Xây dựng và thi công mô hình hoàn chỉnh có thể hoạt động tốt có thể ứng dụng trong giảng dạy và thương mại.
Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay, nghiên cứu về mô hình Variac bán dẫn vẫn còn hạn chế và chưa phát triển rộng rãi Một ví dụ điển hình là đề tài “Nghiên Cứu Bộ Variac Bán Dẫn Một pha” của Trần Viết Tiến và Đào Trung Hiếu, sinh viên trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh khóa 2010 – 2014 Trong đề tài này, tác giả đã áp dụng mạch tạo xung kích để kích SCR, tuy nhiên chỉ đạt được một pha với điện áp 0-220VAC và hiển thị dòng điện cùng điện áp trên màn hình LED 7 đoạn Đề tài này vẫn còn nhiều hạn chế trong khả năng ứng dụng.
1 pha, không có hồi tiếp.
Hiện nay, đề tài này vẫn còn mới mẻ, với hầu hết các nghiên cứu chỉ dừng lại ở mô hình đơn giản Việc ứng dụng trong công nghiệp vẫn chưa được nghiên cứu một cách sâu sắc.
Giới hạn đề tài
Nhóm sinh viên nghiên cứu đã chọn một trong ba ngõ ra DC để hiển thị dòng điện và điện áp ngõ ra trên tải, cùng với hồi tiếp từ điện áp ngõ ra trên tải cho ngõ ra DC đó.
Tương tự với ngõ ra AC, chỉ chọn một ngõ ra để hiển thị dòng điện trên tải
Dòng điện ngõ ra giới hạn 5A
Điện áp AC thay đổi từ 0 đến 300VAC
Điện áp DC thay đổi từ 0 – 400VDC.
Phương pháp nghiên cứu
Do đây là một đề tài khá mới nên trong thời gian thực hiện đồ án nhóm thực hiện đề tài gặp nhiều khó khăn ở nguồn tài liệu
Nhóm thực hiện đề tài sử dụng các phương pháp chủ yếu:
Phương pháp tham khảo tài liệu điện tử công suất của các thầy
Tham khảo tài liệu nghiên cứu của các anh chị năm trước làm đồ án để lại
Chúng em áp dụng phương pháp thực nghiệm bên cạnh việc đọc tài liệu, nhằm đo đạc và kiểm nghiệm kết quả thực tế so với lý thuyết.
So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng để rút ra các kết luận trong việc ứng bộ Variac này cho các ứng dụng thực tế
Các em nhận được sự hướng dẫn tận tình từ các thầy trong khoa, đặc biệt là thầy Đỗ Đức Trí, người đã theo dõi và hỗ trợ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án.
1.9 Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Trong những năm gần đây việc nghiên cứu bộ Variac bán dẫn đã và đang được thực hiện ngày càng nhiều hơn
Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và công nghệ toàn cầu đã thúc đẩy Việt Nam hội nhập và tiếp nhận các thành tựu mới, đặc biệt trong ngành công nghiệp điện tử Các thiết bị điện tử công suất ngày càng được sản xuất nhiều và ứng dụng mạnh mẽ trong đời sống và công nghiệp Để hỗ trợ sinh viên củng cố và nâng cao kiến thức chuyên ngành, đề tài này xây dựng các thiết bị, mô hình tham khảo cho sinh viên khoa Điện-Điện tử, đồng thời tạo nguồn tài liệu quý giá cho các thế hệ sinh viên sau này trong nghiên cứu và học tập.
Bộ variac bán dẫn sẽ làm cho đa dạng hóa các bộ nguồn và góp phần đáp ứng yêu cầu của thiết bị
- Chương 1:Dẫn nhập Đặt vấn đề nghiên cứu, lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng, phương pháp nghiên cứu và tính thực tiễn của đề tài
- Chương 2:Cơ sở lý thuyết
Cơ sở lý thuyết về mạch kích SCR, các phương pháp tạo xung kích
- Chương 3:Xây dựng mô hình
Sơ đồ khối của mô hình, thi công mô hình theo sơ đồ khối
- Chương 4: Kết quả nghiên cứu
Dạng sóng điện áp ngõ ra trên các loại tải trong mô phỏng trên phần mềm PSIM và khi chạy thử nghiệm mô hình thực tế
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Bố cục đề tài
- Chương 1:Dẫn nhập Đặt vấn đề nghiên cứu, lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng, phương pháp nghiên cứu và tính thực tiễn của đề tài
- Chương 2:Cơ sở lý thuyết
Cơ sở lý thuyết về mạch kích SCR, các phương pháp tạo xung kích
- Chương 3:Xây dựng mô hình
Sơ đồ khối của mô hình, thi công mô hình theo sơ đồ khối
- Chương 4: Kết quả nghiên cứu
Dạng sóng điện áp ngõ ra trên các loại tải trong mô phỏng trên phần mềm PSIM và khi chạy thử nghiệm mô hình thực tế
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổngquanvềbộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ( AC-AC) ba pha
2.1.1 Giới thiệu về linh kiện bán dẫn Thyristor (SCR)
SCR (Silicon Controlled Rectifier) thường dùng trong các mạch điều khiển với tải công suất vừa và nhỏ
Thyristor còn được gọi là SCR bao gồm 4 lớp bán dẫn P, N ghép nối tiếp xen kẽ nhau và được đưa ra 3 chân: A, K, G
Hình 2.1 Cấu tạo của SCR 2.1.1.2 Ký hiệu SCR
Hình 2.2 Ký hiệu của SCR
2.1.1.3 Nguyên lý hoạt động của SCR
Hình 2.3 Sơ đồ tương đương của SCR
- Khi VG = 0: Q1 ngưng dẫn nên IC1 = IB2 = 0 vì thế Q2 cũng ngưng dẫn nên SCR ngưng dẫn IA = 0 và VAK = VCC
Khi điện áp VG lớn hơn 0,7V, transistor Q1 dẫn điện, dẫn đến dòng IC1 và IB2 khác 0, làm cho transistor Q2 cũng dẫn điện Dòng IC2 bằng IB1, khiến IB1 được kích thích với dòng lớn hơn, nhanh chóng đạt trạng thái bão hòa Lúc này, điện áp VAK của SCR chỉ giảm khoảng 1V, trong khi dòng điện qua SCR vẫn duy trì.
- Khi phân cực ngược SCR (cực A có điện thế âm hơn cực K) thì SCR sẽ không dẫn điện mà chỉ có dòng rỉ không đáng kể
Vậy: SCR dẫn điện theo một chiều từ A đến K khi tác động VA >> VG >
2.1.2 Giớithiệubộ điều chỉnh điện áp xoay chiều (AC-AC)
Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều, hay còn gọi là bộ điều áp xoay chiều, có chức năng biến đổi điện áp xoay chiều về độ lớn và dạng sóng, trong khi tần số vẫn được giữ nguyên không thay đổi.
Điều áp xoay chiều được sử dụng phổ biến trong việc điều khiển hệ thống chiếu sáng và đốt nóng, cũng như trong khởi động mềm và điều chỉnh tốc độ cho quạt gió hoặc máy bơm.
2.1.3 Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha
2.1.3.1 Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều một pha tải R α t t
Hình 2.4: Đồ thị dạng sóng điện áp vào, dòng điện và điện áp trên tải R
Mạch điện này bao gồm nguồn điện áp xoay chiều 1 pha dạng sin với biểu thức U=U m sinωt, được kết nối nối tiếp với tải R thông qua một công tắc xoay chiều bán dẫn Công tắc xoay chiều này bao gồm hai SCR mắc đối song song, v1 và v2, và trong trường hợp công suất nhỏ, có thể thay thế chúng bằng triac.
Trong khoảng góc (0, α) dòng qua tải bị ngắt ta có:It = 0, Ut = 0
Trên thyristor v1 xuất hiện điện áp khóa vì:Uv1 = U - Ut > 0
Tại góc X = α, xung kích IG1 được đưa vào cổng điều khiển của v1, dẫn đến việc v1 đóng do áp khóa Dòng điện khép kín qua mạch (u, v1, R) tạo ra các phương trình mô tả trạng thái của v1 trong khoảng thời gian v1 dẫn (α ≤ X ≤ π).
Uv1 = 0 = -Uv2 iv1 = It, iv2 = 0
Tại thời điểm X = π, dòng qua v1 triệt tiêu, lúc đó dòng qua tải bằng 0, ta có trạng thái 0 Phương trình mô tả trạng thái 0: iv1 = iv2 = It = 0
Điện áp đặt lên v2 trong khoảng thời gian ứng với X > π có giá trị dương nên việc kích vào cổng điều khiển của v2 trong khoảng thời gian (π+ α < X < 2π) sẽ làm v2 đóng :
Tại vị trí X = 2π dòng qua v2 bị triệt tiêu nên v2 bị ngắt Mạch trở về trạng thái 0
Khi góc điều khiển α thay đổi trong phạm vi (0, π), điện áp tải có trị hiệu dụng biến thiên trong khoảng (0, U)
Trị hiệu dụng dòng qua tải:It = Ut/R
Dòng điện trung bình qua SCR:
Trị hiệu dụng dòng qua SCR Dễ dàng ta suy ra :
2.1.3.2 Bộ điều chỉnh điện áp một pha tải R + L
Hình 2.5: Đồ thị dạng sóng điện áp vào, dòng điện và điện áp trên tải R+L
Giá trị hiệu dụng điện áp trên tải R+L được cho bởi biểu thức:
Với là góc dẫn và là góc tắt của SCR và TRIAC
Góc tới hạn α TH là góc điều khiển xác định ranh giới giữa chế độ dòng điện gián đoạn và dòng điện liên tục trong tải RL Góc này được tính toán dựa trên một hệ thức cụ thể.
Trường hợp α > φ: Dòng điện tải bị gián đoạn
Trường hợp α < φ: Dòng tải liên tục Điện áp tải không điều khiển được
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều hoạt động như một công tắc đóng liên tục, với điện áp tải tương đương với điện áp nguồn xoay chiều có trị hiệu dụng là U Xung kích cho linh kiện được cung cấp dưới dạng chuỗi xung, bắt đầu từ vị trí góc điều khiển cho đến khi kết thúc nửa chu kỳ tương ứng của điện áp nguồn xoay chiều Đối với trường hợp phụ tải có cảm kháng, cần lưu ý một số điểm quan trọng.
Khi kích SCR bằng xung điện áp thì góc kích α phải ở trong khoảng cách từ arctg 𝐿𝜔
𝑅 đến π để có điện áp ra thay đổi từ trị cực đại bằng Um / Z đến 0 khi α = π
Để tránh trường hợp nguy hiểm α < φ ta kích SCR bằng xung rộng ứng với góc lớn hơn φ = arctg 𝐿𝜔
Tránh dùng xung hẹp kích SCR trong bộ đóng ngắt bán dẫn, nên dùng xung chùm
Dòng qua phụ tải là dòng không liên tục, không đáp ứng yêu cầu của các thiết bị cần dòng dạng sin, như động cơ không đồng bộ công suất lớn và máy biến áp.
Trường hợp công suất lớn bộ điều chỉnh chỉ sử dụng được tải thuần điện trở như: bếp điện, lò nung dùng điện trở…
2.1.4 Bộ điều chỉnh điệnáp xoay chiều ba pha Để điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha, có thể sử dụng ba sơ đồ sau:
- Sơ đồ 1: Điều áp ba pha với 6 SCR nối thành 3 nhóm, mỗi nhóm gồm 2 SCR đấu song song ngược đầu liên hệ giữa nguồn và tải
Sơ đồ này tương đương 3 bộ điều áp một pha nối sao
- Sơ đồ 2: Nối tam giác 3 bộ điều áp một pha
- Sơ đồ 3: Nối hỗn hợp 3 SCR và 3 Diode ( điều khiển bán phần)
So sánh ba sơ đồ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha cho thấy sơ đồ 1 yêu cầu xung kích rộng, trong khi sơ đồ 2 chỉ cần xung điều khiển hẹp hơn nhưng lại gặp nhược điểm khi các SCR nối tam giác phải chịu điện áp phân cực ngược lớn hơn so với sơ đồ 1 Sơ đồ 3 chỉ có khả năng điều khiển một bán kỳ mỗi pha Vì vậy, nhóm đã tập trung nghiên cứu các đặc điểm này trong đề tài.
Nguyễn Ngọc Vinh Trang 12 đã chọn sơ đồ 1 để điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha, sử dụng điều áp ba pha với 6 SCR được nối thành 3 nhóm, mỗi nhóm gồm 2 SCR đấu song song ngược đầu giữa nguồn và tải.
2.1.5 Bộ điều chỉnh điệnáp xoay chiều ba pha nối sao tải thuần trở
Bộ biến đổi dòng điện 3 pha phổ biến nhất bao gồm 6 SCR được kết nối theo từng cặp song song ngược (SA, S’A), (SB, S’B), (SC, S’C) và được lắp đặt giữa nguồn điện 3 pha với điện áp pha vA, vB, vC, cũng như tải đấu sao hoặc tam giác Thiết bị này tương đương với 3 bộ biến đổi điện áp xoay chiều 1 pha, do đó nguyên lý hoạt động của nó cũng tương tự.
Bộ điều chỉnh điện áp 3 pha kết nối với tải thuần trở theo hình sao cho phép xác định điện áp trên từng cực pha phụ tải là v’A, v’B, v’C và dòng điện các pha là iA, iB, iC Dòng điện trên dây trung tính được tính theo công thức iN = iA + iB + iC.
Giả thiết nguồn 3 pha đối xứng, dòng điện mỗi pha là iP vA = 2 sin θ; vB = 2 sin(θ - 2𝜋
3 ) (2.11) Các SCR được mở từ một phần sáu chu kì theo thứ tự SA, S’C, SB, S’A, SC, S’B
Chế độ 1: 0 < α
