Thiết kế, thi công máy phát điện cao thế 30 kV dùng bộ chuyển đổi Fly-Back

Bài báo đề cập đến việc thiết kế và thi công máy phát điện cao thế 30 kV sử dụng bộ chuyển đổi Fly-back. Mạch được thiết kế bao gồm máy phát chuyển mạch tần số cao cấp nguồn cho điện áp đầu vào sơ cấp của máy biến áp Fly-back. Nguồn điện đầu vào được chuyển thành điện áp cao ở phía thứ cấp của máy biến áp Fly-back. Bộ chỉnh lưu nửa sóng được chế tạo cho dòng điện một chiều điện áp cao (HVDC). Bộ chia điện áp điện trở cũng được thiết kế và chế tạo để đo HVDC. Hơn nữa, đặc tính dạng sóng điện áp đầu ra của máy phát đề xuất được so sánh với dạng sóng của HVDC từ mạch Cockroft – Walton. Kết quả so sánh cho thấy sự phù hợp tốt với sự khác biệt nhỏ.

Giới thiệu

Trong công nghệ điện áp cao, việc thiết kế và thi công máy phát điện HVDC có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp như chế tạo máy phát điện nhân cao áp Cockroft-Walton, mạch thu và chuyển mạch điện tích Van Der Graff, v.v.. Cockroft-Walton và Van Der Graff mạch được biết đến rộng rãi vì chúng không phức tạp. Tuy nhiên, cả hai phương pháp đều có hiệu suất thấp trong một số điều kiện hoạt động của mạch. Bên cạnh đó, chúng khá đắt tiền và cần không gian rộng rãi. Với những điểm yếu này, mạch chuyển mạch là một giải pháp thay thế thú vị vì nó có ưu điểm là chi phí thấp và sử dụng ít không gian hơn. Để cung cấp mạch chuyển mạch, phải thiết kế bộ điều khiển mạch điện tử. Hơn nữa, nó cũng có thể tạo ra điện áp cao đủ để nghiên cứu hiệu ứng điện áp cao. Sơ đồ chuẩn phát điện HVDC thông qua mạch chuyển mạch được thể hiện trên hình 1. Theo hình 1, sơ đồ bao gồm (1) Máy phát điện một chiều (2) bộ điều khiển độ rộng xung chuyển mạch (3) công tắc bán dẫn và (4) bộ chỉnh lưu. Điều này tự hình thành như một bộ chuyển đổi DC-DC. Thiết kế và thi công máy phát điện cao áp 30 kV sử dụng bộ chuyển đổi Fly-back được trình bày trong phần sau.

image 27
Hình 1 Sơ đồ phát điện HVDC thông qua mạch chuyển mạch
image 28
Hình 2 Bộ chuyển đổi nguồn Fly-back
image 29
Hình 3 Mô hình mô phỏng

Bộ chuyển đổi Flyback

Bộ chuyển đổi nguồn Fly-back là bộ chuyển đổi nguồn DC-DC như trong hình 2. Bộ chuyển đổi này tạo ra điện áp chuyển mạch bằng cách sử dụng MOSFET chuyển mạch. Điện áp chuyển mạch được đưa vào máy biến áp Flyback sơ cấp để tăng mức điện áp cuộn thứ cấp của máy biến áp theo tỷ lệ N1:N2. Điện áp thứ cấp của máy biến áp Fly-back được thực hiện là HVDC thông qua bộ chỉnh lưu nửa sóng. Ưu điểm của bộ chuyển đổi nguồn Fly-back là cách ly bộ phận điều khiển chuyển mạch và bộ phận đầu ra với đặc tính cuộn cảm hấp thụ. Phần đầu ra của mạch chỉnh lưu bao gồm một điện trở, một diode và một tụ điện.

Mô phỏng bộ chuyển đổi năng lượng Fly-back

Theo hình 2, đáp ứng mạch có thể được mô phỏng bằng mô hình hóa như trong hình 3. MOSFET được gán làm một công tắc bán dẫn. Tỷ lệ của máy biến áp Fly back là 6:30.000. Tỷ lệ giữa điện trở nối tiếp biểu thị tổn thất và độ tự cảm (R/XL) là 0,1%. Hơn nữa, tụ lọc điện áp (Cl) là 0,5 µF. Điện trở đầu ra (Ro) là 50 MΩ. Điện áp cuộn dây dương và cuộn dây âm của máy biến áp Fly-back được đo bằng điện áp ra tại các điểm a, b và o. Theo mô phỏng của mô hình ở hình 3, đáp ứng điện áp được thể hiện ở hình 4 và 5.

image 30
Hình 4 Điện áp nguồn (Vs) và điện áp sơ cấp (Va)
image 31
Hình 5 Điện áp thứ cấp (Vb) và điện áp đầu ra (Vo)

Kết quả trên hình 4 cho thấy MOSFET làm việc với tần số cao, điện áp ở cuộn sơ cấp dao động theo xung do MOSFET ở trạng thái đóng và mở, mạch từ cuộn sơ cấp của máy biến áp gồm một cuộn cảm, một điện trở và một một tụ điện lạc. Trong hình 5, điện áp thứ cấp là sóng vuông và điện áp đầu ra là HVDC.

Thiết kế và thi công phần chuyển mạch máy phát điện cao áp

image 32
Hình 6 Chuyển mạch điều khiển xung của máy phát điện áp cao
image 33
Hình 7 Mạch tạo xung tần số điều khiển

Mạch điều khiển cổng trong MOSFET

Theo hình 6, mạch điều khiển cổng được cấu tạo bằng mạch xung điều khiển, bao gồm nguồn điện một chiều 12V, IC LM555, chiết áp 4,7 kΩ và 2,2 kΩ, diode 1N4007, tụ điện 4700 µF, 20 nF và 10 nF như hình vẽ. hình 7. Nguyên lý của mạch tạo xung là xác định chu kỳ làm việc và tần số theo hằng số thời gian của mạch. Chúng phụ thuộc vào điện trở và điện dung của mạch. Đối với mạch này, điện dung không đổi. Vì vậy, chu kỳ hoạt động của mỗi xung có thể được điều chỉnh từ điện trở 4,7 kΩ và tần số có thể được điều chỉnh từ điện trở 2,2 kΩ tương ứng. Điện áp xung tạo ra ở đầu ra thứ 3 của IC LM555,

Đối với IC 555, nó có thể cung cấp xung đầu ra tối đa 200 mA [1]. Xung được tạo ra có thể cung cấp dòng điện điều khiển cổng của MOSFET (bộ điều khiển cổng) và nó có thể hỗ trợ kéo dòng điện nhất thời khi MOSFET hoạt động như một công tắc ở tần số cao. Do đó, cặp bóng bán dẫn khớp được thêm vào bên trong mạch điều khiển cổng như trong hình 6 và 8. Trở kháng 1kΩ giới hạn xung dòng điện và diode (1N4148) điều khiển dòng xung hiện tại.

image 34
Hình 8. Cặp bóng bán dẫn phù hợp
image 35
Hình 9 So sánh cả hai xung (tỷ lệ: 5 Volt/Div, 5 µs/Div).

Hình 8 cho thấy một mạch bán dẫn là bóng bán dẫn lưỡng cực NPN (2N3904) và PNP (2N3906) thành một dựa trên việc chia sẻ điện áp. Bóng bán dẫn NPN được sử dụng để khuếch đại dòng cơ sở dương và bóng bán dẫn PNP được sử dụng để khuếch đại dòng cơ sở âm. Dòng cơ sở của mạch trong Hình 10 là xung dương. Nó đã được mở rộng với phiên bản beta (ß) của bóng bán dẫn NPN, là NPN bộ phát hiện tại (IE1). Nó dựa trên mối quan hệ giữa phương trình (1) và (2). Xung dòng phát của NPN điều khiển cực cổng.

image 36
Biểu thức 1
image 37
Biểu thức 2

Trong đó:

  • IC1 là dòng thu của NPN (mA)
  • Ib1 là dòng cơ sở của NPN (mA)
  • IE1 là dòng phát của NPN (mA)
  • ß là mức tăng dòng cơ sở của NPN (2N3904)

Sau khi thiết kế và xây dựng mạch tạo xung (từ IC 555) và mạch bán dẫn ghép đôi, tín hiệu xung điện áp đầu ra của cả hai có thể được so sánh như trong hình 9

Công tắc Mosfet và mạch Snubber

Theo mạch ở hình 6, MOSFET (IRF 840) hoạt động như một chất bán dẫn loại chuyển mạch. MOSFET có một điểm đặc biệt là có thể đáp ứng tần số IGBT cao hơn ở chế độ chuyển mạch. Ngoài ra, mạch còn gồm một điện trở 100Ω và một diode UF 4008. Công tắc MOSFET kết hợp trong mạch Snubber được thể hiện trên Hình 10.

image 38
Hình 10 Công tắc MOSFET và mạch Snubber
image 39
Hình 11 Điện áp sơ cấp của máy biến áp fly back (thang đo: 2 Volt/Div, 5 µs/Div)

Trong hình 10, độ tự cảm của máy biến áp Fly-back, được mắc nối tiếp với MOSFET, làm giảm tốc độ thay đổi dòng điện (di/dt) khi bật MOSFET. Diode của mạch Snubber sẽ truyền năng lượng tích trữ trong cuộn cảm sang điện trở khi MOSFET tắt. Kỹ thuật này làm giảm tổn thất chuyển mạch.

Điện áp sơ cấp của máy biến áp Fly-back

Sau khi thiết kế và xây dựng mạch chuyển mạch xung của máy phát cao áp, có thể đo được dạng sóng điện áp ở phía sơ cấp của máy biến áp Fly-back như hình 11. Kết quả điện áp trên hình 11 phù hợp với kết quả mô phỏng trên hình 4.

Thiết kế và thi công phần cao áp máy phát điện

Mạch thiết kế của máy phát HVDC 30 kV được thể hiện trên Hình 12, gồm ba phần sau, với hệ số an toàn là 2 để thiết kế tọa độ thiết bị.

  1. Bộ chia điện áp điện dung 60 kV, chứa C1 bằng 1 pF và C2 bằng 0,3 μF. Điện áp giảm 300.000 lần kể cả thiết bị bảo vệ quá áp (OPD) tại C2.
  2. Bộ chỉnh lưu nửa sóng chứa một diode điện áp cao phân cực ngược 120 kV (D) và một tụ lọc 60 kV (C) 0,5 μF.
  3. Bộ chia điện trở 60 kV, có R1 là 50 MΩ và R2 là 167 Ω. Điện áp giảm 300.000 lần kể cả OPD ở R2.
image 40
Hình 12 Phần điện áp cao của máy phát điện HVDC
image 41
Hình 13 Dạng sóng điện áp thứ cấp (thang đo: 5 Volt/Div, 5 µs/Div).

Phép đo điện áp cao thông qua bộ chia điện áp điện dung và điện trở có thể được hiển thị ở cuộn thứ cấp điện áp cao của máy biến áp Fly-back và đầu ra HVDC của máy phát điện như trên hình 13 và 14 tương ứng.

image 42
Hình 14 Dạng sóng điện áp đầu ra của máy phát (tỷ lệ: 5 Volt/Div, 5 µs/Div).

Kết quả đo ở hình 13 và 14 phù hợp với kết quả mô phỏng ở hình 5. Điện áp đo được nhân với tỷ số chia là 300.000 thì thu được điện áp thứ cấp là 36 kV và điện áp ra là 27 kV. Điện áp ra đo được của máy phát nhỏ hơn phía thứ cấp của máy biến áp Fly-back do sụt áp trên điện trở trong của diode cao áp bao gồm cả ảnh hưởng của tải của bộ chia điện trở cao áp. Vì vậy, để nâng điện áp ra của máy phát lên 30 kV thì điện áp trong mạch chuyển mạch của máy phát cao áp phải tăng nguồn điện từ 12 lên 15 V.

So sánh HVDC từ Fly back Convertor và Mạch nhân Cockroft-Walton

Để so sánh dạng sóng HVDC do mạch tạo ra bằng bộ biến đổi nguồn Fly-back với các máy phát cao áp khác, người ta ứng dụng máy phát cao áp 30 kV Cockroft – Walton như hình 15.

image 43
Hình 15 Mạch nhân áp Cockroft-Walton
image 44
Hình 16 (a) Điện áp đầu ra của Cockroft-Walton
(b) Điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi flyback
(tỷ lệ: 5 Volt/Div, 5 ms/Div).

Trên hình 15, lắp ráp một máy biến áp cao áp 220V/12kV (50 Hz), tụ điện 60 kV (C1,C2,C3,C4) 0,5 µF, diode cao áp phân cực ngược 120 kV và một bộ chia điện áp tỷ số 300.000 lần. . Hơn nữa, dạng sóng điện áp của mạch Cockroft – Walton và của mạch biến đổi Fly-back 30 kV được so sánh như trên hình 16. Theo hình 16 và thang thời gian (5 ms/Div), người ta thấy rằng Dạng sóng điện áp đầu ra của mạch máy phát cao áp có bộ chuyển đổi Fly-back có độ gợn sóng nhỏ hơn mạch kia do điện áp tần số cao (kHz) được cấp vào bộ chỉnh lưu nửa sóng. Điều này có nghĩa là tụ điện chỉnh lưu có thể được sạc liên tục và trơn tru. Mặt khác đối với mạch nhân điện áp Cockroft – Walton, điện áp cao 50 Hz được cấp vào bộ chỉnh lưu nửa sóng. Ngoài ra, điểm quan trọng là hiện tượng sụt áp trên điện trở trong của 4 điốt cao áp. Những điều này dẫn đến độ gợn sóng cao ở đầu ra. Vấn đề này chính là nhược điểm của mạch nhân điện áp Cockroft – Walton.

Phần kết luận

Mạch tạo dòng điện một chiều điện áp cao có mạch biến đổi nguồn Fly-back được thiết kế và thi công. Nó có thể tạo ra dòng điện một chiều điện áp cao 30 kV với độ gợn sóng thấp. Nó cũng có thể được tạo ra bởi các vật liệu được mua trong nước. Giá thành xây dựng không đắt, thích hợp sử dụng trong nghiên cứu kỹ thuật điện áp cao.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Ads Blocker Image Powered by Code Help Pro

Vui lòng bỏ chặn quảng cáo!

Chúng tôi đã phát hiện ra rằng bạn đang sử dụng tiện ích mở rộng để chặn quảng cáo.  Hãy ủng hộ chúng tôi bằng cách vô hiệu hóa các trình chặn quảng cáo này.

Powered By
100% Free SEO Tools - Tool Kits PRO
Chat Zalo

0914969904

error: Đừng cố copy bạn ơiiii :((