ĐỒ ÁN MÔN HỌC
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
SVTT: NGUYỄN ANH DŨNG
MỤC LỤC Lời nói đầu .......................................................................................................................... 4 CHƯƠNG I........................................................................................................................ 5 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU............................................. 5 I.ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ...................................................................................... 5 2.Cấu tạo của động cơ điện một chiều. ............................................................................... 5 3. Phân loại máy điện.......................................................................................................... 7 Sơ đồ ................................................................................................................................... 7 4 Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều .................................................................. 8 II. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ VÀ ĐẢO CHIỀU ................................................ 8 1) Phương trình đặc tính cơ ................................................................................................ 8 Uư : Điện áp phần ứng......................................................................................................... 8 P : Số cực từ chính .............................................................................................................. 8 Mômen điện từ Mđt =K.θ.Iư .............................................................................................. 9 2. Các phương pháp thay đổi tốc độ ................................................................................... 9 a) Phương pháp thay đổi từ thông θ ,thay đổi dòng kích từ Ikt .Với một phụ tải Mc nhất định .Khi θ giảm tốc độ động cơ tăng lên.......................................................................... 9 b) Thay đổi điện áp phần ứng ............................................................................................. 9 3.Vấn đề đảo chiều............................................................................................................ 11 4) Một số yêu cầu kỹ thuật khác ....................................................................................... 11 a) Độ trơn .......................................................................................................................... 11 b) Dải điều chỉnh tốc độ.................................................................................................... 11 c) Chống mất kích từ......................................................................................................... 12 CHƯƠNG 2 ...................................................................................................................... 12 CÁC PHƯƠNG ÁN TỔNG THỂ..................................................................................... 12 I .LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐÔNG CƠ............................... 12 3. Chỉnh lưu cầu một pha.................................................................................................. 16 CHƯƠNG 3 ...................................................................................................................... 19 PHÂN TÍCH SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH THIẾT KẾ ............................................. 19 I.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH LỰC......................................................... 19 1.Sự hoạt động của sơ đồ cầu 1 pha như sau .................................................................... 19 II.PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN RIÊNG...................................................................... 24 CHƯƠNG IV .................................................................................................................... 26 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC ..................................................................... 26 I. TÍNH CHỌN TIRISTO ................................................................................................. 26 Ký hiệu...................................................................................................................... 27 II. TÍNH TOÁN MBA CHỈNH LƯU ............................................................................... 28 1.Tính toán thông số của MBA :....................................................................................... 28 2.Kết cấu dây quấn thứ cấp............................................................................................... 31 III. TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ CHO MẠCH ĐỘNG LỰC........................ 32 1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn ..................................................................... 32 2.Bảo vệ quá dòng điện của van ....................................................................................... 33
3.Bảo vệ quá điện áp cho van ........................................................................................... 34 CHƯƠNG V ..................................................................................................................... 35 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ...................................................... 35 I.YÊU CẦU ĐỐI VỚI MẠCH ĐIỀU KHIỂN ................................................................. 35 II. NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN. ................................................ 35 Nhiệm vụ của mạch điều khiển......................................................................................... 35 Nguyên tắc điều khiển. ..................................................................................................... 36 Sơ đồ khối mạch điều khiển. .......................................................................................... 38 1) Khối đồng pha .............................................................................................................. 39 2) Khâu so sánh ................................................................................................................ 39 Sơ đồ khâu so sánh............................................................................................................ 39 3) Khâu tạo xung............................................................................................................... 40 III. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN .................................. 42 Tính máy biến áp xung ..................................................................................................... 42 2. Tính khâu khuếch đại xung........................................................................................... 44 3.Chọn tụ C2 và R6........................................................................................................... 45 4.Chọn các khuất thuật toán.............................................................................................. 45 5.Tính tầng so sánh ........................................................................................................... 46 6.Chọn khâu đồng pha ...................................................................................................... 46 7.Tao nguôn nuôi .............................................................................................................. 47 8.Tính toán máy BA nguồn nuôi và đồng pha .................................................................. 48
Lời nói đầu
Việc sự dụng động cơ điện trong sản xuất và đời sống là rất rộng rãi , đặc biệt là động cơ điện chiều bởi vì động cơ điện 1 chiều có rất nhiều ưu điểm so vơi động cơ xoay chiều . Nhưng gắn liền với việc sử dụng động cơ điện 1 chiều là quá trình điều chỉnh, đảo chiều tốc độ của động cơ sao cho phù hợp với yêu cầu của thực tế
Là 1 sinh viên của khoa Điện và bộ môn Tự Động Hoá được trang bị với những kiến thức về nhiều môn học trong đó có môn điện tử công suât, qua các bài giảng của các thầy cô và quá trình tìm hiểu em đã hoàn thành bản đồ án này.
Đây là mảng đề tài khá rộng, với khối lượng công việc lớn và mới mẻ đối với chúng em cho nên em đã gặp một số khó khăn trong qúa trình thiết kế, song được sự hướng dẫn tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn, đặc biệt là thầy giáo Phạm Quốc Hải và sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn cùng lớp, nên em đã hoàn thành bản đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quí báu đó. Tuy nhiên do hạn chế về thời gian cũng như về trình độ của bản thân, nên không tránh khỏi còn nhiều chỗ thiếu sót, em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo và các bạn để em hoàn thiện hơn bản đồ án này.
Trong bản đồ án này em xin trình bày một số nội dung sau : Chương 1 : Giới thiệu Chung về động cơ điện một chiều. Chương 2 : Các phương án tổng thể. Chương 3: Phân tích sự hoạt động của mạch thiết kế. Chương 4 : Thiết kế và tính toán mạch lực Chương 5 : Tính toán và thiết kế mạch điều khiển.
Sinh viên thiết kế Đinh anh Dũng
CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
I.ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều Trong nền sản xuất hiện đại , động cơ một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng . Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt , khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải . Chính vì vậy mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép , hầm mỏ, giao thông vận tải ... mà điều quan trọng là các nghành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều . Bên cạnh đó, động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất định của nó như so với máy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn chế tạo và bảo quản cổ góp điện phức tạp hơn ( dễ phát sinh tia lửa điện )... nhưng do những ưu điểm của nó nên động cơ điện một chiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản suất . Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay vào khoảng 10000 KW , điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000 V . Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng của vật liệu , nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những động cơ có công suất lớn hơn ...
2.Cấu tạo của động cơ điện một chiều.
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính : phần tĩnh và phần động. 2.1.Phần tĩnh hay stato. Đây là đứng yên của máy , bao gồm các bộ phận chính sau: a, Cực từ chính : là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ . Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt . Trong động cơ điện nhỏ có thể dùng thép khối . Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông . Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơn
cách điện trước khi đặt trên các cực từ . Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau. b, Cực từ phụ : Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều . Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông. c, Gông từ : Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy điện lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy. d, Các bộ phận khác. Bao gồm:
-
- Nắp máy : Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang. Cơ cấu chổi than : Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặy lên cổ góp. Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.
2.2 Phần quay hay rôto. Bao gồm những bộ phận chính sau : a, Lõi sắt phần ứng : Dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto. b, Dây quấn phần ứng. Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ có công suất dưới vài kW thường dùng dây có tiết diện
tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit. c, Cổ góp : Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng. d, Các bộ phận khác.
- Cánh quạt : Dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thường chế tạo theo kiểu bảo vệ, ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy , khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cực từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy.
- Trục máy : Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục
máy thường làm bằng thép cacbon tốt.
3. Phân loại máy điện
Động cơ điện một chiều phân loại theo cách kích thích từ thành động cơ điện kích hích độc lập, động cơ điện kích thích song song ,kích thích nối tiếp,kích thích hỗn hợp
Trên thực tế đặc tính của động cơ kích từ độc lập và kích thích song
song là giống nhau nên khi cần công suất lớn người ta thường dùng động cơ kích từ độc lập để có thể điều chỉnh dòng điện kích thích được thuận tiện do đó mà điều chỉnh tốc độ dễ dàng và kinh tế hơn mặc dù nó đòi hỏi có dòng bên ngoài.
Trong đồ án này ta xét đến động cơ điện một chiều kích từ độc lập
U
E
Rf
U
CKT
Rkt
Ikt
Ukt
Sơ đồ
Khi mà nguồn một chiều có công suất không quá lớn thì mạch phần
ứng và mạch từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên gọi là động cơ điện một chiều kích từ độc lập
4 Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều
Khi cho điện áp U vào hai chổi than A,B trong dây quấn phần ứng sinh
ra dòng điện Iư .Các thanh dẫn ab,cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu tác dụng của lực Fđt tác dụng làm cho Roto quay ,khi phần ứng quay nửa vòng thì vị trí các thanh dẫn ab,cd đổi chỗ cho nhau do đó các phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi,khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư ,chiều quay xác định theo quy tắc bàn tay trái
Phương trình phần ứng Uư = Eư +Rư.Iư
II. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ VÀ ĐẢO CHIỀU
U
E
Rf
I
U
CKT
Rkt
Ikt
Ukt
..
.
1) Phương trình đặc tính cơ
NP . a .2 π
K
=
NP . .2 . a π P : Số cực từ chính
K = ωθωθ Uư = Eư +(Rư +Rf)Iư Uư : Điện áp phần ứng Eư : Suất điện động phần ứng Rư ,Rf : Điện trở phần ứng,điện trở phụ trong mạch phần ứng Iư : Dòng điện mạch phần ứng Rư =rư +rct +rb +rtc rư : Điện trở cuộn dây phần ứng rct : Điện trỏ cực từ phụ rb : Điện trở cuộn bù rtx : Điện trở tiếp xúc chổi điện Eư =
R
(
)
(
+
−
R u
IR ). f
u
f
I
=
=
ω
=
−
u
R u K
K
E u K . θ
. θ
θ
U K θ Mômen điện từ Mđt =K.θ.Iư
N : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng θ : Từ thông kích từ dưới một cực từ Wb ω : Tốc độ góc (Rad/s) Eư = Ke . n.θ U +
M dt θ.K
Suy ra Iư =
. M
ω =⇒
−
Nếu bỏ qua tổn thất coi mômen điện từ bằng mômen cơ đầu trục
(
R + f 2θ ).
(1) Mđt =Mcơ =M R U u u . K θ K
Mômen phụ thuộc vào từ thông và dòng phần ứng
Từ phương trình (1) suy ra : để thay đổi tốc độ động cơ ta có thể dùng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Uư ,từ thông θ tức là thay đổi dòng kích từ Ikt và thay đổi điện trở phần ứng Rư ,Rf
M =K.θ.Iư .do đó muốn đảo chiều động cơ tức là đảo chiều mômen
M ta có thể dùng phương pháp đảo chiều từ thông (tức là đảo chiều dòng kích từ Ikt ) hoặc là đảo chiều dòng điện phần ứng Iư
n
nodm
dmθ
Iu
M(Iu)
2. Các phương pháp thay đổi tốc độ
a) Phương pháp thay đổi từ thông θ ,thay đổi dòng kích từ Ikt .Với một phụ tải Mc nhất định .Khi θ giảm tốc độ động cơ tăng lên Error! Khi kích thích dòng khác nhau đặc tính cơ nhận được khác nhau và độ dốc khác nhau.Giao điểm mômen cản Mư =f(Iư) với các đường trên cho biết tốc độ xác lập ứng với thông số khác nhau của từ thông . b) Thay đổi điện áp phần ứng - Để điều chỉnh điện áp phần ứng đông cơ điện một chiều cần có thiết bị
LK
BBĐ
R
R
b
I
.
=ω
−
u
ud K
K
nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập , các bộ chỉnh lưu điều khiển các thiết bị này có chức năng biến đổi lượng xoay chiều thành một chiều có suất điện động Eb điều chỉnh được là nhờ tín hiệu Uđk
+ Φ
dm
dm
- Phương trình đặc tính cơ của hệ thống như sau: E b Φ
- Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng của đặc tính cơ cũng không thay đổi còn tốc độ không tải lý tưởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để
=
−
ωω 0
max
max
=
−
ωω 0
min
min
dmM β dmM β
- Để xác định dải điều chỉnh tốc độ ta thấy rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng với điện áp định mức và từ thông cũng giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động , khi mômen tải là định mức thì giá trị lớn nhất va nhỏ nhất của tốc độ là
Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh
phải có mômen ngắn mạch là:
Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm
Trong đó : KM hệ số quá tải về mômen, do họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với nhau nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết:
M
M
M
K
ω
=
−
−
(
)
(
) 1
nm
dm
M
min
min
1 dm = ββ
M
−
1
−
ω 0
max
dm
D
=
=
dm β M
βω max 0 M K
1
−
M
K
−
(
) 1
M
dm β
ωomax ωmax
ωđk1
ω0min
ωđk2
ωmin
Mnmmin
Mđm
* Phạm vi điều chỉnh phụ thuộc tuyến tính vào β
3.Vấn đề đảo chiều Chiều quay động cơ phụ thuộc vào chiều quay mômen có thể dùng hai phương pháp .Hoặc thay đổi chiều dòng phần ứng Iư hoặc đổi chiều từ thông (đổi chiều dòng kích từ Ikt).
Nếu dùng phương pháp đảo chiều dòng kích từ .Khi máy đang quay thì do hệ số điện cảm của cuộn dây kích thích lớn (do có nhiều vòng dây) nên khi thay đổi dòng kích thích Ikt thì xuất hiện suất điện động cảm ứng rất cao gây ra điện áp làm đánh thủng cách điện dây quấn kích thích .
Do đó để đảo chiều quay động cơ ta chon phương pháp đảo chiều
dòng phần ứng Iư
4) Một số yêu cầu kỹ thuật khác
=
γ
a) Độ trơn
, i ωω +i 1
ω i 1+ ω i là tốc độ ổn định của động cơ đạt được ở cấp i ,i+1 γ 1→ tức là hệ truyền động có thể ổn định ở mọi vị trí trong toàn dải điều chỉnh b) Dải điều chỉnh tốc độ Là phạm vi điều chỉnh – là tỉ số giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ làm việc ứng với mômen tải đã cho
Trong đó :
max
=D
ω ω
min
minω bị chặn bởi yêu cầu về mômen khởi động ,khả năng quá
u
=
Trong đó : maxω bị hạn chế bởi độ bền động cơ và độ bền của vành góp tải và sai số tốc độ làm việc cho phép. c) Chống mất kích từ Khi mở máy phải đảm bảo chống mất kích từ mà nguyên nhân là do ngắn mạch kích thích
EU − R u
0=θ và do đó Iư =0) thì lập tức ngắt nguồn cấp cho phần ứng tức Uư = 0.
U R u Do U không đổi và Rư rất nhỏ (điện trở cuộn dây phần ứng) nên Iư rất lớn làm cháy dây quấn và vành góp Cách khắc phục điều này là phải có bộ phận nhận biết được mất kích từ ( Khi đó Iư không lớn và tránh được sự cố trên.
Vì khi đó Eư = 0 nên Iư =
CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG ÁN TỔNG THỂ
I .LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐÔNG CƠ Nói chung ta có thể tiến hành điều chỉnh tốc độ động cơ theo 2 phương pháp chủ yếu như đã nêu ơ trên : Điều chỉnh điện áp phần ứng và điều chỉnh từ thông φ
Để lựa chọn được một phương án thích hợp với yêu cầu “ Cấp điện cho đông cơ điện 1 chiều kích từ độc lập có đảo chiều theo nguyên tắc điều kiển riêng “ ta cần phải lựa chọn 1 phương án điều chỉnh tốc độ và sơ đồ mạch lực phù hợp
• Phương pháp điều chỉnh từ thông φ . Phương pháp điều chỉnh từ thông φ có thể thay đổi tốc độ được một cách liên tục và kinh tế nhưng chỉ có thể điều chỉnh được tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức và bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí • Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng . Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng có thể điều chỉnh tốc độ 1 cách liên tục và dễ dàng thực hiện bằng cách thay đổi góc điều kiển α . Mặt khác phương pháp này trong quá trình điều
kiển thay đổi tốc độ thì không tiêu hao năng lương và momen của đông cơ không đổi .
Tải
CL II
Nhân xét : Từ những phân tích ở trên ta lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ của đông cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng II. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC. Để thay đổi và đảo chiều của động cơ điện 1 chiều chúng ta buộc phải thiết kế các bộ chỉnh lưu đảo chiều với sơ đồ nguyên lý như sau .
+ Nếu công suất của mạch cung cấp lớn hơn 5 ÷ 7 kW ta sử dụng
+ Nếu công suất của mạch cần cung cấp nhỏ hơn 5 ÷ 7 kW ta sử dụng
Dựa vào công suất cung cấp cho tải mà ta lựa chọn mạch chỉnh lưu là một pha hay mạch chỉnh lưu 3 pha .Thông thường theo kinh nghiêm ta có : mạch chỉnh lưu 3 pha mạch chỉnh lưu 1 pha
- Công suất mạch phần ứng :
Pư = 600.5 = 3000W = 3kW < 5 ÷ 7 kW nên ta sử dụng mạch
chỉnh lưu 1 pha để cung cấp cho phần ứng.
- Công suất mạch phần cảm :
Pcảm = 400.0,6 = 240W = 0,24kW < 5 ÷ 7 kW nên ta sử dụng
mạch chỉnh lưu 1 pha để cung cấp cho phần cảm.
T
U1
U2
L
R
• Các sơ đồ chỉnh lưu 1 pha
1. Chỉnh lưu một nửa chu kỳ .
Với sơ đồ này sóng điện áp ra một chiều bị gián đoạn trong một nửa
chu kỳ khi điện áp anốt của van bán dẫn âm , do đó khi sử dụng sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ chất lượng điện áp tải xấu . Điện áp tải trung bình lớn nhất trên tải Udo = 0,45U2
Vì chất lượng điện áp xấu nên hiệu suất của máy biến áp cũng thấp .
T1
U2
R
L
U1
U2
T2
Sba = 3,09.Ud.Id +Ưu điểm - Là loại chỉnh lưu có nguyên lý đơn giản ít van +Nhược điểm - Chất lượng điện áp xấu - Hiệu suất sử dụng máy biến áp thấp 2. Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính
Dạng dòng ,áp trên tải và điện áp ngược trên van T1 trong trường
a
Ud
2?
o i d
I d
I d
i T1
I d
i T1
U d
o
2 ?
hợp tải điện cảm lớn
• Xét với tải RL , điện cảm lớn để lọc dòng và áp có chất lượng tốt - Biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau, ở mỗi nửa chu kỳ có một van dẫn cho dòng chảy qua - Khi θ = α cho phát xung mở T1 , T1 dẫn do điện áp đầu anot dương và có xung mở . Khi θ = π , điện áp trên anot = 0 nhưng do có cuộn cảm L nên vẫn còn dòng điện Id nên T1 chưa khoá , T1 tiếp tục dẫn cho đến khi θ = π + α , phát xung mở T2 thì T1 bị khoá và T2 dẫn . T1 khoá không phải dòng đã về 0 mà là do T2 dẫn . T2 lại dẫn cho đến khi θ = 2π + α , T1 được phát xung mở , T1 dẫn và T2 bị khoá lại. Quá trình cứ như vậy cho đến khi điện áp tải đập mạch có tần số bằng 2 lần tần số điện áp xoay chiều . Với α : là góc điều khiển mở . + Điện áp trung bình trên tải
.2 U2.sinαdα =
22 π
2 π2
+απ ∫ α
Ud = .U2.cosα = Udo.cosα
22 π
Udo = .U2 = 0,9.U2 :
• Điện áp chỉnh lưu không điều khiển khi tải là thuần trở . + Điện áp ngược trên van là lớn
Id
θ
Unv = 2 2 U2 Tải có điện cảm lớn nên dòng tải liên tục id = Id Mỗi van dẫn thông một nửa chu kỳ + Dòng hiệu dụng qua van (chính là dòng hiệu dụng qua máy biến áp).
2 π 2 . dI d
= Ihd = = 0,71.Id
∫
2
0
1 2 π + Hệ số đập mạch Kđm = 0,67. + Công suất máy biến áp Sba = 1,48.UdId
• Nhận xét :
+ Ưu điểm : - So với chỉnh lưu một nửa chu kỳ thì chỉnh lưu hình tia có điện
áp với chất lượng tốt hơn - Dòng qua van không quá lớn - Điều khiển van đơn giản + Nhược điểm - Chế tạo máy biến áp phải có 2 cuộn giống nhau mỗi cuộn làm việc 1nửa chu kỳ
- Chế tạo biến áp phức tạp - Hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn - Điện áp ngược trên van là lớn .
U d
a
0
2 ?
I d
i d
I d
i T1T2
I d
i T3T4
U T1
o
2 ?
I d
3. Chỉnh lưu cầu một pha
i 2
Các đặc tính điện áp tải , dòng qua tải , dòng qua van và điện áp ngược trên van trong trường hợp tải RL , R đủ lớn để đảm bảo dòng qua tải là liên tục được biểu diễn trên hình vẽ
- Mạch có T1 , T3 chung Katot T2 , T4 chung Anot
Nửa chu kỳ đầu U2 > 0 , Anot của T1 dương , Katot của T2 âm . Nếu
có xung điều khiển mở đồng thời T1 và T2 thì cả hai van này được mở thông và đặt điện áp lưới lên tải Ud = U2 . Điện áp tải một chiều bằng điện áp xoay chiều (Ud = U2) cho đến khi nào T1 , T2 còn dẫn .(Khoảng dẫn của các van phụ thuộc vào tải ) .
αcos
.2
U
sin
. d θθ
Nửa chu kỳ sau, điện áp đổi dấu , anot của T3 dương và katot T4 âm , nếu có xung điều khiển mở đồng thời T3,T4 thì các van này được mở thông và Ud = - U2 , với điện áp một chiều có cùng chiều với nửa chu kỳ trước + Giá trị trung bình của tải
2
2U .
22 2
2 2 π
+απ ∫ α
= Ud = = Udo cosα.
2 θ
Udo : điện áp trung bình tải trong chỉnh lưu cầu không điều khiển . + Dòng qua máy biến áp cũng bằng dòng qua van (khi van mở) . + Giá trị hiệu dụng dòng thứ cấp biến áp
2 2 π
+απ ∫ dI α
I2 = = Id
Id
2 θ
+ Điện áp ngược lớn nhất van phải chịu Unv = 2 U2 + Dòng làm việc của van tính theo giá trị trung bình
1 2 π
2
+απ ∫ dI α
= IT = = 0.71 Id
+ Hệ số đập mạch kđm = 0,67 + Công suất biến áp Sba = 1,23Pd Nhận xét : Chất lượng điện áp của chỉnh lưu cầu một pha giống như chỉnh lưu hình tia . Hình dạng đường cong điện áp , dòng tải , dòng qua van bán dẫn , hệ số đập mạch như trong chỉnh lưu hình tia . + Ưu điểm :
- Điện áp ngược trên van nhỏ hơn một nửa so với chỉnh lưu hình tia
Unv= 2 U2.
- Máy biến áp chế tao đơn giản hơn , và có hiệu suất cao hơn so với chỉnh lưu hình tia . + Nhược điểm : - Số van nhiều hơn - Điều khiển van T1 ,T2 và nhóm T3 , T4 phải đồng thời nên khó
khăn hơn.
Nhận xét chung
Từ các phân tích trên ta lựa chọn mạch lực là mạch chỉnh lưu điều
khiển cầu một pha. Do yêu cầu cấp điện cho động cơ có đảo chiều theo nguyên tắc điều kiển riêng nên ở đây ta lựa chọn sơ đồ cầu 1 pha đối xứng vì sơ đồ cầu 1 pha không đối xứng có hệ số cosϕ cao hơn nhưng không đảo chiều dòng điện ra tải .
Vậy ta lựa chọn sơ đồ mạch lực cung cấp cho phần ứng và phần cảm
’
’
Ru
T2
T1
T2
T1
Lu
’
’
T3
T4
T3
T4
Eu
của động cơ như sau: Sơ đồ mạch lực cung cấp cho phần ứng .
T1
RF
Sơ đồ mạch lực cung cấp cho phần cảm.
T3
D4
D2
CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH SỰ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH THIẾT KẾ
I.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH LỰC .
Mạch lực bao gồm 2 sơ đồ cầu hoạt động độc lập riêng rẽ : bộ chỉnh
Do vậy khi bình thường 1 bộ hoạt động ơ chế độ chỉnh lưu thì sơ đồ
lưu I chạy thì bộ chỉnh lưu II không chạy , ngược lại bộ chỉnh lưu II chạy thì bộ chỉnh lưu I nghỉ . mạch lực lúc này là sơ đồ cầu 1 pha .
1.Sự hoạt động của sơ đồ cầu 1 pha như sau :
Tải ta coi tải là RLE , cuộn cảm L được thêm vào để lọc điện áp và dòng .
a) Mạch hoạt động khi La = o + θ = α phát xung mở T1 , T2 T1T2 dẫn T3 , T4 khoá Điện áp ra tải Ud = U2 + θ = π + α phát xung mở T3 , T4 T1 , T2 khoá ; T3 , T4 dẫn (mở) Điện áp ra tải Ud = - U2 + Điện áp trung bình tải
Ud = U2cosα
2.2 U
22 π + Điện áp ngược lớn nhất trên van + Dòng liên tục nên id =Id + Phương trình mạch tải
.
Unv =
2 2U sinθ =R.id +XL .
di dt
απ +
απ +
2 U
sin
απ + X
. d θθ
=
+
+
απ + d θ
2
. iR d
. di d
L
+E
∫
∫
∫
∫
1 π
1 π
1 π
E π
α
α
α
α
+απ
I
θ
=
Ud =RId +E + Dòng hiệu dụng thứ cấp máy biến áp
2 dI d
d
I2 =
∫
1 π
α
UD
0
θ
2π
I D
ID
I T3
I T1
b) Trùng dẫn
απθ
+
=
Trong máy biến áp có cuộn dây nên có điện cảm La nên trong mạch sẽ xẩy ra hiện tượng trùng dẫn. Giả sử T1 ,T2 đang mở cho dòng chảy qua iT1 = iT2 =Id Khi Vì có La nên dòng iT1,iT2 không giảm đột ngột về 0 và dòng iT3,iT4 cũng không tăng đột ngột từ 0 đến Id Lúc này cả 4 van cùng mở thông cho dòng chảy qua ,phụ tải bị ngắn mạch ud =0 Nguồn e2 bị ngắn mạch sinh ra dòng ngắn mạch ic
phát xung mở T3,T4
sin
(
X
)
X
=
θ
. ω
2 2 U
a
= a
L a
di a d θ
U
U
2
2
sin(
(cos
cos(
))
α
) + αθ
=
−
+ αθ
Phương trình
.2 X
.2 X
c
θ ∫ 0
ic =
c ic = ic1 + ic2 , ic1 = ic2 = 0,5.ic ic1 : làm tăng dòng trong T4 và làm giảm dòng trong T2 Ic2 : làm tăng dòng trong T3 và làm giảm dòng trong T1
cos
=
α
−
( cos
)θα ( ) +
i T
4,3
U .2 2 X .2 c
U
.2
2
cos
I
=
−
α
−
( cos
)αθ ( ) +
i T
2,1
d
X
.2
c
Đặt
.2
cos
cos
α
−
=
( ) μα +
,μθ = . IX dc 2.2 U
Khi kết thúc giai đoạn trùng dẫn tức khi thì iT1,2 = 0
μUΔ
μ
2
U
U
.2
sin.
cos
Δ
=
+
=
−
α
) ( d θαθ
( . cos
)αμ ( ) +
2
μ
Ta thấy so với không trùng dẫn đặc tính điện áp sụt một phần và đó là sụt áp gây ra do trùng dẫn
∫
.2 U π
d
U
Δ
=
μ
2 .2 π 0 .2 . c IX π
khi đó giá trị trung bình điện áp trên tải là
.2
.2
d
d
. U
.
cos
=
−
α
2
2.2 π
. IX c απ
. IX ’ = Ud - c π ’ = R.Id +E
Ud
Ud
Sự hoạt động của mạch trong quá trình ta đảo chiều động cơ
Trong quá trình ta đảo chiều động cơ ta cần 1 bộ điều kiển lôgic để thực
hiện các bước đảo chiều như sau :
Giả sử ta chuyển từ sự làm việc của bộ chỉnh lưu I sang bộ chỉnh lưu II
Ta cần thực hiện thứ tự các bước như sau
1. Ngắt xung điều khiển bộ chỉnh lưu I 2. Đo dòng chạy qua tải để xác định dòng điện về không 3. Sau khi phát hiện dòng về không phải dữ trữ 1 thời gian trễ τ > tph đủ để đảm bảo thyristor đã khoá chắc khi đó mới phát xung để điều khiển van kia
4. Phát xung điều kiển cho các van ở bộ chỉnh lưu II
Nếu suất điện động Ed chưa đảo chiều ,thì không được chạy bộ chỉnh lưu II với α < 900 vì lúc đó suất điện động Ed và Id cùng chiều nhau , trường hợp nay dễ gây sập nghịch lưu do dòng điện rất lớn .Do đó bắt đầu phải điều khiển α ở bộ chỉnh lưu II lớn hơn 900 , lúc đó bộ chỉnh lưu II làm viêc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc . a) Chế độ nghịch lưu phụ thuộc trong sơ đồ cầu 1 pha như sau :
Trong đông cơ điện một chiều có sức phản điện động ,trong điều kiện
nào đó nó có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu - là chế độ biến đổi năng lượng dòng một chiều phía tải thành dòng điện xoay chiều cấp trở lại lưới điện, chế độ làm việc như vậy chính là khi ta hãm tái sinh để tiết kiệm năng lượng .
Để sức điện động E phát năng lượng trở lại lưới điện thì dòng và áp phải
ngược chiều nhau Ud và Id ngược nhau
Do dòng điện chỉ chảy theo một chiều từ A đến K của thyristor nên ta
0
α
<→>
điều chỉnh sao cho
dU
π 2
tức là điện áp trên tải thay đổi cực tính và ngược - Chiều dòng như cũ - Đảo chiều sức điện động Ed - Ở trong chế độ chỉnh lưu với góc mở là α thì Ud =Ud0.cosα. Nên nếu
0>
vậy ở chế độ chỉnh lưu ,dòng trong
− dUE
chiều van .Do đó để duy trì dòng chảy qua van từ A đến K của van thì ta phải đảo chiều Ed và đảm bảo dUE > mạch được duy trì bởi Ud – E > 0 thì trong chế độ nghịch lưu phụ thuộc dòng được duy trì bởi
Trong chế độ nghịch lưu lưới điện nhận năng lượng từ phía tải
>α
Điều kiện hoạt động chế độ nghịch lưu phụ thuộc
Π 2 - Đảo chiều Ed - Đảm bảo
dUE >
Ud
μ
α
0
θ
2π
-
Xét dạng điện áp trên tải . Trong mạch có điện cảm biến áp nên nó có quá trình trùng dẫn với góc trùng dẫn μ
Xét T1,T2 đang dẫn , αθ = phát xung mở T3 ,T4 ,UA > UK nên có dòng
qua van và T1,T2 vẫn còn dẫn từ đó 4 van cùng dẫn trong khoảng μ .
.2
U
( )θ
Sau đó T1 ,T2 khoá và T3,T4 mở
2 sin.
μαθ
+
=
Điện áp ngược trên van T1 ,T2 Unv = U = θ 2
−=
=
+
+
đến πθ = vì
đến πθ = tức là trong khoảng thời gian
)
−
<
+ offθμαπ
(
)
>
−
Điện áp ngược chỉ xuất hiện trên van trong khoang từ sau đó điện áp trên T1 ,T2 lại là thuận (UA > UK ) Như vậy trong một chu kỳ làm việc mỗi van chỉ chịu điện áp ngược trong khoảng từ ( μαπσ ) μαθ khoảng thời gian này khá nhỏ . ( (ứng với thời gian phục hồi Thyristor) Nếu
+ offθμαπ
o
10=θ
Thyristor sẽ tự mở trở lại không cần dòng điều khiển (mở tự nhiên ) Khi đó trong mạch cả hai nguồn cùng phát năng lượng khi đó Id rất lớn gây sự cố sập nghịch lưu . Do đó để an toàn phải có
)
−<→
+
( offθμπα
off thường ) Vậy góc mở α phải thoả mãn trong nghịch lưu phụ thuộc là
)
<
−<
+
( offθμπα
Π 2
Chọn ( ứng với toff =555 sμ thì có thể khoá van Thyristor thông
II.PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN RIÊNG
Để thực hiện quá trình đảo chiều cho động cơ ta cần có 1 bộ điều
b1
b1
1
b2
b2
2L
i Ld
khiển Lôgic. Sơ đồ của bộ điều khiển Lôgic như sau :
Khi điều khiển riêng hai bộ biến đổi làm việc riêng rẽ nhau, tại một thời điểm chỉ phát xung điều khiển vào một bộ biến đổi còn một bộ bién đổi kia bị khoá do chưa có xung điều khiển. Hệ có hai bộ biến đổi là BĐ1và BĐ2 với các mạch phát xung điều khiển tương ứng là FX1 và FX2 . Trật tự hoạt động của bộ phát xung này được quy định bởi các tín hiệu lôgic b1 và b2. Quá trình hãm và đảo chiều được mô tả bằng đồ thị thời gian. Trong khoảng thời gian từ 0 -> t1 bộ BĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu với α1 < π/2 còn bộ BĐ2 thì khoá . Tại t1 phát lệnh đảo chiều bởi iLĐ góc điều khiển α1 tăng đột biến lớn hơn π/2 dòng điện phần ứng giảm về không lúc này các xung để khoá bộ BĐ1 . Thời điểm t2 được xác định bởi cảm biến dòng điện SI1. Trong khoảng thời gian trễ t= t3 – t2 bộ BĐ1 bị khoá hoàn toàn, dòng điện phần ứng bị triệt tiêu. Tại t3 sđđ E vẫn còn dương, tín hiệu lôgic b2 kích cho FX2 mở BĐ2 với góc α > π/2 và sao cho dòng điện phần ứng không vượt quá giá trị cho phép động cơ được hãm tái sinh. Nếu nhịp điệu giảm α2 phù hợp với quán tính của hệ thì có thể duy trì dòng điện hãm và dòng điện khởi động ngược không đổi , điều này được thực hiện bởi các mạch vòng điều chỉnh tự động dòng điện của hệ thống trên sơ đồ của khối lôgic LOG , iLĐ , iL1 , iL2 là các tín hiệu lôgic đầu vào b1,b2 là các tín hiệu lôgic đầu ra để khoá các bộ phát xung điều khiển.
iLĐ = 1 phát xung điều khiển mở BĐ1. iLĐ = 0 phát xung điều khiển mở BĐ2. i1L (i2L) = 1 có dòng điện chảy qua bộ BĐ1 và BĐ2
b1(b2) = 1 khoá bộ phát xung FX1 và FX2.
.
+
=
__ i LD
__ i 1
L
i 2
L
b 1
i
.
=
+
b 2
LD
__ i 2
L
i 1
L
Từ mạch lôgic trên ta có:
Nhận xét:
R24
+E
R23
UI
R22
A5
-E
• Hệ truyền động van đảo chiều điểu khiển riêng có ưu điểm là làm việc an toàn ,không có dòng điện cân bằng chảy giữa các bộ biến đổi nên không cần thiết kế cuộn kháng cân bằng ,song cần một khoảng thời gian trễ trong đó dòng điện động cơ bằng không.
• Do nguyên tắc điều khiển riêng dùng hai bộ biến đổi làm việc độc lập, trong một thời điểm thì chỉ có một bộ BĐ làm việc còn bộ BĐ kia phải chắc chắn khoá( có nghĩa là dòng điện qua bộ BĐ này phải bằng “0”). Ta sẽ dùng xenxơ dòng điện để nhận biết có dòng điện chạy qua bộ BĐ hay không. xenxo dòng này ta dùng điện trở shunt .điện trở này khi có dòng qua nó thì một điện áp cỡ 60 mV lấy ra ở đầu ra .tín hiệu này qua bộ khuyếch đại thuật toán để khuyếch đại điện áp này
• Ta dùng một khâu thuật toán so sánh LM311: tín hiệu dòng điện qua
xenxơ được hạ trên một điện trở RS tạo ra tín hiệu điện áp Vi.
V0 =5V đối với Vi > 0 V0 =0V đối với Vi < 0
Đầu ra chân 7 mắc với nguồn nuôi +5V qua điện trở kéo lên 1kΩ. Đất của bộ so chân 1 được mắc vào đầu nối đất của mạch. Cách mắc này dẫn đến đầu ra có các trạng thái khả dĩ là 0 và 5V .Lôgic của mạch là: Nếu V0 = 5V nghĩa là bộ BĐ đó có dòng điện chạy qua. Nếu V0 = 0V có nghĩa là bộ BĐ đó không có dòng điện chạy qua .
• Do mạch điểu khiển riêng cần có thời gian tạo trễ nên ta chọn bộ tạo
+U
8
4
R1
7
3
Ura
555
R2
6
5
C1
C2
1
2
a.
trễ là mạch 555
Góc phục hồi offθ =10o thời gian phục hồi T off =555 sμ T = R1.C1 = 555.10-6 chọn R1 = 470 Ω và C1 = 1,5 Fμ CHƯƠNG IV THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC
I. TÍNH CHỌN TIRISTO
Khi lựa chọn van ta dựa vào 2 thông số cơ bản quan trọng nhất là dòng điên qua van và điện áp ngược lớn nhất mà van chịu được , các thông số cơ bản của van được tính như sau : + Điện áp ngược đặt lên van :
Ulv = Ung.max = knv . U2 = knv . Udm / ku
Trong đó :
knv , ku lần lượt là hệ số điện áp ngược và hệ số điện áp của mạch lực Đối với sơ đồ cầu 1 pha thì : knv = 1,41 ; ku = 0,92 Uđm là điện áp cung cấp cho phần ứng : Uđm = 600V
600 9,0
= 940V Do đó : Ung.max = 1,41.
Ilv = Ihd = khd.Iđm
Ihd là dòng điện hiệu dụng qua van Khd là hệ số hiệu dụng ứng với sơ đồ cầu 1 pha khd = 0,71 Iđm là dòng điện qua tải ( cung cấp cho phần ứng )
+ Dòng điện làm việc của van cần có Trong đó : Do đó : Ilv = 0,71.5 = 3,55 A
Để sơ đồ làm việc tin cậy ta cần phải lưa chọn các van có độ dữ trữ ,
do đó ta chọn thông số của van :
+ Điện áp ngược của van cần chọn Ung-v = kdt-U . Ung-max
Với Kdt =1,6 ÷ 2 là hệ số dữ trữ điện áp , chọn kdt -U = 1,6
Do đó :
Ihd-v = kdt-I .Ilv
Ungmax = 1,6.940 = 1504V ≈ 1,5 kV + Dòng điện hiệu dụng của van được chọn Với kdt-i là hệ số dữ trữ dòng điện , chọn kdt-I = 4
Ihd-v = 4.3,55 = 14,2 A
Do đó : - Dựa vào 2 thông số Ihd-v và Ung.max ta lựa chọn van có số liệu như bảng sau
Ký hiệu
du dt 1000
T35-N- 1800 BOF
Un (V) 1800 Ug Ig Ihd (V) (A) (A) 35 0,12 1,4 Ih (A) 0,2 Ir (A) 0,02 ΔU (V) 2 (V/s) TC (μs) 120 Tmax (0C) 125
Trong đó : - Điện áp ngược van - Dòng hiệu dụng van - Dòng xung điều khiển - Điện áp xung điều khiển - Dòng điện giữ - Dòng điện dò : Un = 1800 (V) : Iđm = 35 (A) : Iđk max = 120(mA) : Uđk max = 2 (V) : Ih max = 200 (mA) : Ir max =20 (mA)
(2
V
)
=
max
sV )/ 1000 (
=
- Độ sụt áp lớn nhất :
U Δ dU dt
- Tốc độ thay đổi điện áp :
- Thời gian chuyển mạch : tcm = 120( sμ ) - Nhiệt độ làm việc cho phép :Tmax =125 0C
II. TÍNH TOÁN MBA CHỈNH LƯU
Mạch điện phần ứng là mạch chỉnh lưu cầu 1 pha nên ta cần thiết kế MBA 1 pha . Ta lựa chọn MBA có mạch từ là hình chữ E ( có 1 trụ ) được làm mát bằng các lá tản nhiệt . 1.Tính toán thông số của MBA :
1. Điện áp sơ cấp của MBA là điện áp lưới : U1 = 220 V 2. Điện áp thứ cấp của MBA - Phương trình cân bằng điện áp khi có tải :
Ud0.cosαmin = Ud + 2ΔUv + ΔUba +ΔUdn
Trong đó
U
U
U
αmin = 100 góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới .
Δ+
dn
ba
d
U
=
do
U v cos
Δ+ α
min 36
600
(87,649
V
)
U
=
=
do
02.2 + ++ 0 cos 10
ΔUv = 1,6(v) sụt áp trên tiristor ΔUdn = 0 sụt áp trên dây nối ΔUba = ΔUr + ΔUx : sụt áp trên điện trở và điện kháng MBA. Chọn sơ bộ ΔUba = 6%.Ud = 6% . 600 = 36(V) Từ phương trình cân băng điện áp tải ta có: .2 Δ+
3. Công suất biểu kiến của MBA Sba = ks.Pd-max
Trong đó : + ks : Hệ số công suất theo sơ đồ , với sơ đồ cầu 1 pha : ks = 1,23 + Pd-max Công suất của phụ tải lúc cực đại
Pd-max = Udo.Id = 649,87.5=3249,35 W
Do đó : Sba = 1,23.3249,35 =3996,885VA
do
U
(07,722
V
)
=
=
=
2
U k
87,649 9,0
u
Điện áp pha thứ cấp :
I
I
I
(5
A )
=
=
2
dm
2
k
I
I
I
.
.
5.
(41,16
A )
=
=
=
=
ba
2
2
1
1
U U - Tính toán từ mạch
Dòng điện hiệu dung thứ cấp MBA: = d Dòng điện hiệu dụng sơ cấp MBA: 07,722 220
Chọn mạch từ hình chữ Ε được ghép từ những lá tôn Silic loại 310 có
Bề dày tôn : 0,35mm Tổn hao là : 1,7 W/kg Tỷ trọng : d = 7,8kg/dm3
- Chọn loại thép 330 các lá thép có độ dày 0,5 mm - Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ B =1(T) * Tính trụ Tiết diện trụ sơ bộ của trụ T được tính theo công thức:
S ba . fm
QFe = kQ.
Trong đó :
= 53,64cm2 Thay số : QFe = 6. Sba là công suất pha của máy biến áp KQ Hệ số phụ thuộc vào phương pháp làm mát với MBA làm mát không khí : kQ = 6 m la số trụ của MBA :m =1 3996,885 50.1
5,1<
Ta có : QFe = a.b = 53,64
b a
Trong quá trình thiết kế ta thường chọn : 1<
b a
= 1,49 Ta chọn : a= 6cm ; b = 8,94cm khi đó
= 0,5 => c = 0,5a = 3cm Và n =
c a h a
= 2,5 => h = 2,5a = 15cm m =
b
Chọn chiều cao trụ h = 15(cm)
hH
Hình 1 sơ đồ kết cấu máy biến áp
- Tính toán dây quấn
220
74,184
≈
=
=
Số vòng dây mỗi pha sơ cấp MBA:
w 1
4
−
.44,4
.
10.64,53.50.44,4
1.
U 1 Fe BQf . T 1 Lấy w1 = 185 (vòng ) Số vòng dây mỗi pha thứ cấp MBA:
2
.
185
607
19,
w
=
=
=
(vòng)
2
w . 1
07,722 220
U U
1
(vòng)
Lấy w2 = 608 (vòng)
2
(97,5
)
S
mm
=
=
=
1
41,16 75,2
- Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong MBA với dây dẫn bằng đồng MBA khô chọn :
1
J1 = J2 = 2,75(A/mm2) Tiết diện dây dẫn sơ cấp MBA: I 1 J
).
Chọn dây dẫn tiết diện hình tròn , cách điện cấp B
2
2
S
(818,1
mm
)
=
=
=
2
- Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S1 = 6,29(mm2 - Đường kính dây dẫn d1 = 2,83mm - Đường kính dây dẫn kể cả cách điện dn1 = 2,95mm
5 75,2
2
Tiết diện dây dẫn thứ cấp MBA: I J
Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B .
- Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S2 = 1,9113(mm2). - Đường kính dây dẫn d2 = 1,56mm - Đường kính dây dẫn kể cả cách điện dn2 = 1,65mm - Kết cấu dây quấn sơ cấp :
Thực hiện dây quấn theo kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trụ Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp :
h
.2 h
−
w
g k .
95,0.
4,46
=
=
=
11
e
15 59,0 − 295 ,0
b 1
(vòng)
Lấy w1l = 46 vòng
Trong đó : ke = 0,95 hệ số ép chặt
02,4
=
=
=
h : chiều cao trụ hg : khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp hg = 2.dn1 = 2.2,95 = 0,59cm
n 11
185 46
11
46.
,0
(28,14
cm
)
=
=
=
h 1
(lớp) - Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp: w 1 w
295 95,0
e
Chọn lớp n11 = 4lớp. Như vậy có 185 vòng chia làm 4 lớp , chọn 3 lớp đầu 46 vòng , lớp thứ 4 có 197 – 3 . 46 = 47 (vòng) Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp : .11 bw k
2
2
2 a +
2 6 +
Chọn ống quấn làm bằng vật liệu cách điện lót giữa trụ và dây quấn có bề dầy : d01=0,3 (mm) Chọn lớp cách điện giữa các lớp dây quấn có bề dày cd1 = 0,1mm
+ 2. 0,03= 10,82 cm + 2.d01= Dt1 =
- Đường kính của cuộn dây trong cùng 94,8 b - Đường kính của cuộn dây ngoài cùng
Dn1 + 2( dn1 + cd1 )n1 = 10,82 + 2( 0,295+0,01).4 = 13,26cm
82,10
26,13
n 1
- Đường kính của trung bình của cuộn dây sơ cấp
D + t D 1 2
+ 2
= = 12,04cm Dtb-1 =
- Chiều dài dây quấn sơ cấp
L1 = II.Dtb-1.w1 = 3,14.12,04.185 =6994,036cm
2.Kết cấu dây quấn thứ cấp
- Chọn chiều dài cao của cuộn dây thứ cấp h2 = h1 = 14,28cm
−
28,14
33,0
h 2
h .2 g
95,0.
3,80
k .
=
=
=
Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp :
w 2
l
e
− 165,0
b 2
(vòng)
Lấy w1l = 80 vòng
Trong đó : ke = 0,95 hệ số ép chặt
h : chiều cao trụ hg : khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp hg = 2.dn2 = 2.0,165 = 0,33mm
6,7
=
=
=
n l 2
608 80
21
(lớp) - Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp: w 2 w
Chọn lớp n21 = 8 lớp. Như vậy có 608 vòng chia làm 8 lớp , chọn 7 lớp đầu 560 vòng , lớp thứ 8 có 608 – 7 . 80 = 49 (vòng) Chọn ống quấn làm bằng vật liệu cách điện lót giữa trụ và dây quấn có bề dầy : d02 = 0,3 (mm) Chọn lớp cách điện giữa các lớp dây quấn có bề dày cd2 = 0,1mm
- Đường kính của cuộn dây trong cùng
Dt2 = Dn1+ 2.d02 = 13,32m
- Đường kính của cuộn dây ngoài cùng
Dn2=Dt2 + 2( dn2 + cd2 )n2 = 13,32+ 2(0,165+0,01).8 = 16,12cm
D
32,13
12,16
n
2
- Đường kính của trung bình của cuộn dây sơ cấp
D + 2 t 2
+ 2
= = 14,72cm Dtb-2=
- Chiều dài dây quấn sơ cấp
L2 = II.Dtb-2.w2 = 3,14.14,72.608 = 281022,24cm = 2810m
• Kiểm tra điều kiện của cựa sổ
- Chiều dày của dây quấn sơ cấp và thứ cấp khi quấn lên trụ :
D = ( d01+ d02 ) + (dn1 + cd1)w1+ ( d02 + cd02).w2 = 0,3+ 0,3 + ( 2,95+ 0,1).4 + ( 1,65 + 0,1).8 = 26,8mm
- Khe hỏ không khí giữa dây quấn và mạch từ
E = C- D = 3- 2,505 = 0,495 cm => đủ để làm mát và cách điện
Như vậy kích thước của lõi thép mà ta thiết kế là phù hợp.. III. TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ CHO MẠCH ĐỘNG LỰC 1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn
Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp , do đó có tốn
hao công suất Δp ,tốn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn .
Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng . Để cho van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý .
+Tổn thất công suất trên 1 Tiristor ΔP=ΔU.Ilv = 2.3,55 = 7,1(W)
Trong đó : ΔU Sụt áp trên van : ΔU = 2 (V) Ilv Dòng làm việc chạy qua van Ilv = 3,55A
- Ta biết rằng nếu ΔP < 20W thì van có thể làm việc với dòng điện tối đa là 10%Iđm mà không cần cánh tản nhiệt .Nhưng vì Ilv >10%Iđm ( 3,55 > 10%.35) nên ta phải thiết kế cánh tản nhiệt gắn lên van để toả nhiệt cho các van
S
=
P Δ τ.mk
- Tổng diện tích bề mặt toả nhiệt :
Trong đó :
Δp : tổn hao công suất (W) T: độ chênh lệch so với môi trường Tmt = 400C Nhiệt độ làm việc cho phép của Tcp=1250C
Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt Tlv=800C
T=Tlv-Tmt =80 – 40 = 400C
Km :Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ Chọn Km=8 (w/m2. 0C)
2
2
,0
0221875 (
)
875,221
m
cm
=
=
=
S m
1,7 40.8
Vậy:
Chọn loại cánh toả nhiệt có 10 cánh Kích thước mỗi cánh a.b= 5.5(cm2) Tổng diện tích toả nhiệt của cánh S=10.2.5.5 = 250(cm2)
2.Bảo vệ quá dòng điện của van
Dùng 1 aptômát để đóng ngắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắt mạch Tiristor, ngắt mạch đầu ra độ biến đổi, ngắt mạch thứ cấp MBA ngắt mạch ở chế độ nghịch lưu.Chọn 1 áptômát dựa vào các thông số sau:
+ Điện áp định mức : Udm =220V + Dòng điện làm việc định mức : Iđm = 1,1.I1 = 1,1. 16,41 = 18,051A + Chỉnh định dòng ngắn mạch : Inm = 2,5. I1 = 1,5.16.41 = 41,025A + Dòng quá tải : Iqt = 1,5. Iđm = 1,5. 16,41 = 24,615A
Vậy ta chọn 1 áptômát có :
Loại Uđm (A) Iđm( A) Inm (A) Iqr (A)
LK 220 20 45 25
5.1,1
(5,5
I
I .1,1
=
=
=
CC 1
lv
55,3.1,1
(095,3
I .1,1
I
=
=
2
hd
CC
- Chọn 1 cầu giao để tạo khe hở an toàn khi sử chữa hệ truyền động. - Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Tiristor ngắn
5.5
A )
k
I
=
=
=
3
mm
DC
CC
dm
−
mạch đầu ra của bộ CL. + Nhóm 1CC : Dòng điện định mức dây chảy nhóm 1cc A ) + Nhóm 2CC : Dòng điện định mức dây chảy nhóm 2cc A ) = + Nhóm 3CC : Dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc , dùng để
bảo vệ động cơ trong trường hợp mở máy : I . (25 Vậy chọn cầu chảy nhóm 1CC, 2CC và 3CC có Iday chảy theo bảng sau :
1CC 6 2CC 4 3CC 25 Nhóm Idc (A)
3.Bảo vệ quá điện áp cho van
Bảo vệ quá điện áp : do quá trình đónh cắt các Tiristor được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Tiristor .Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn ,sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anod và catod của Tiristor .
C
R
Khi có mạch R-C mắc song song với Tiristor tạo ra mạch vòng phóng
điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Tiristor không bị quá điện áp . Theo kinh nghiệm R1 = ( 20 -> 100 ) Ω C1 = ( 0,1-> 2) μF
Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện . ta mắc mạch R-C như mạch lọc này
mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây .
Chọn R1= 40 (Ω)và C1= 0,8μF
CHƯƠNG V TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN I.YÊU CẦU ĐỐI VỚI MẠCH ĐIỀU KHIỂN
0,1A/μ,
Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi Tiristo vì nó đóng vai trò chủ đạo trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy của BBĐ. Yêu cầu của mạch điều khiển có thể tóm tắt trong 6 điểm chính sau: + Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển. + Yêu cầu về độ lớn xung điều khiển. + Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung (càng cao thì việc mở càng
diDK ≥ dt
tốt thông thường ).
+ Yêu cầu về sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển. + Yêu cầu về độ tin cậy. . Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ để Tiristor không tự mở khi dòng
.Xung điều khiển ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao động điện
. Cần khử được nhiễu cảm ứng để tránh mở nhầm. + Yêu cầu về lắp ráp vận hành. . Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh. . Dễ lắp lẫn và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập.
+ Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ
+ Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở tiristor độ rộng xung tx <
t
x =
I dt di dt
rò tăng. áp nguồn. II. NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN. Nhiệm vụ của mạch điều khiển Là tạo ra các xung vào ở những thời điểm mong muốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lưu. - Tiristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dương đặt trên Anốt và có xung áp dương đặt vào cực điều khiển không còn tác dụng gì nữa. - Chức năng của mạch điều khiển : dương của điện áp đặt trên anốt – katốt của tiristor. 10μs. Biểu thức độ rộng xung:
Trong đó: Iđt là dòng duy trì của tiristor. di/dt : tốc độ tăng trưởng của dòng tải.
Đối tượng cần điều khiển được đặc trưng bởi đại lượng điều khiển là góc α. Nguyên tắc điều khiển.
Mạch điều khiển tiristor có thể phân loại theo nhiều cách. Song các mạch điều khiển đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha và theo đó ta có hai nguyên lý khống chế “ngang” và khống chế “đứng”. - Khống chế “ngang “ là phương pháp tạo góc α thay đổi bằng cách dịch chuyển điện áp ra hình sin theo phương ngang so với điện áp tựa.
+ Nhược điểm của phương pháp khống chế này là góc α phụ thuộc vào dạng điện áp và tần số lưới, do đó độ chính xác của góc điều khiển thấp. - Khống chế “đứng” là phương pháp tạo góc α thay đổi bằng cách dịch chuyển điện áp chủ đạo theo phương thẳng đứng so với điện áp tựa răng cưa. + Phương pháp khống chế “đứng” có độ chính xác cao và khoảng điều khiển rộng ( từ 0 -> 1800 ). + Có hai phương pháp điều khiển “đứng “: . across . tuyến tính
• Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính
dk
π.
α =
Tổng đại số của Ur + Uđk đưa đến đầu vào của một khâu so sánh. Bằng cách làm biến đổi Uđk ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra tức là điều chỉnh được góc α.
U U
rmax
Khi Uđk = 0 ta có α = 0. Khi Uđk < 0 ta có α > 0. Quan hệ giữa α và Uđk như sau:
• Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “acrcoss”.
+ Điện áp đồng bộ Ur vượt trước điện áp anốt – catốt một góc bằng
+ Điện áp điều khiển được Uđk là điện áp một chiều có thể điều chỉnh
Nguyên tắc này dùng hai điện áp: π/2 (Nếu UAK = A.sinwt thì Ur = B.coswt ) được biên độ theo hai hướng (dương và âm). Trên hình vẽ đường nét đứt là điện áp anốt – catốt tiristor, từ điện áp này người ta tạo ra Ur . Tổng đại số Ur + Uđk được đưa đến đầu vào của khâu so sánh . Khi Ur + Uđk = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh : Uđk + B.cosα = 0
Do đó α = arccos(-Uđk/B) Thường lấy B = Uđk max Khi Uđk = 0 thì α =π/2 Khi Uđk = - Uđk max thì α= 0
Như vậy khi cho Uđk biến thiên từ - Uđk max đến + Uđkmax thì α biến thiên từ 0 đến π. Nguyên tắc này được sử dụng trong cscs thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao. Nhận xét: Theo yêu cầu thiết kế mạch điều khiển ta thấy nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính là phù hợp, ta chọn nguyên tắc điều khiển này. Phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính
Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anod của Tiristo, để có thể điều khiển được góc mở α của Tiristo trong vùng điện áp + anod, ta cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác, ta thường gọi là điện áp tựa là điện áp răng cưa Urc. Như vậy điện áp tựa cần có trong vùng điện áp dương anod.
Dùng một điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm (t1,t4) điện áp tựa bằng điện áp điều khiển (Urc = Uđk), trong vùng điện áp dương anod, thì phát xung điều khiển Xđk. Tiristo được mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1,t4) cho tới cuối bán kỳ (hoặc tới khi dòng điện bằng 0)
Sơ đồ nguyên lý điều khiển chỉnh lưu
Udf
t
Urc
Udk
t
Xdk
t
Ud
t
t1
t2
t3
t4
t5
Sơ đồ khối mạch điều khiển.
Để thực hiện được ý đồ đã nêu trong phần nguyên lý điều khiển ở trên,
Đồng pha
So sánh
Tạo xung
mạch điều khiển bao gồm ba khâu cơ bản trên hình 3
Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối hình 3 như sau:
+ Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc (thường gặp là điện
áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của Tiristo
+ Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk = Urc). Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại.
+ Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristo. Xung để mở Tiristor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu cầu Tiristo mở tức thời khi có xung điều khiển (thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật); đủ độ rộng với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của Tiristo; đủ công suất; cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn)
Tr
R2
C1
A
R1
B
D1
R3
C
A1
A2
U1
Ur
1) Khối đồng pha
Ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều, chất lượng ngày càng cao, kích thước ngày càng gọn, ứng dụng các vi mạch vào thiết kế mạch đồng pha có thể cho ta chất lượng điện áp tựa tốt, điều khiển góc mở lớn góc mở có thể đạt tới 1800. Trên sơ đồ mô tả sơ đồ tạo điện áp tựa dùng khuếch đại thuật toán (KĐTT).
R5
R5
Urc
Ur
A3
R4
R4
A3
Udk
Udk
Ura
Ur
2) Khâu so sánh
c.
b.
Sơ đồ khâu so sánh
Để xác định được thời điểm cần mở Tiristo chúng ta cần so sánh hai tín hiệu Uđk và Urc. Việc so sánh các tín hiệu đó có thể được thực hiện bằng Tranzitor nhưng Tranzitor không làm việc ở chế độ đóng cắt như ta mong muốn, do đó nhiều khi làm thời điểm mở Tiristo bị lệch khá xa so với điểm cần mở tại Uđk = Urc.Để khắc phục điều này ta dùng khuyếch đại thuật toán
.KĐTT có hệ số khuyếch đại rất lớn nên chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ ở đầu vào ta đã có điện áp đầu ra ở nguồn nuôi .Ưu điểm của nó là có thể phát xung chính xác tại Uđk=Ura 3) Khâu tạo xung
Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristo như đã nêu ở trên, tầng khuếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng Tranzitor công suất, như mô tả trên hình 6a. Để có xung dạng kim gửi tới Tiristo, ta dùng biến áp xung (BAX), để có thể khuếch đại công suất ta dùng Tr, điôt D bảo vệ Tr và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi Tr khoá đột ngột. Mặc dù với ưu điểm đơn giản, nhưng sơ đồ này được dùng không rộng rãi, bởi lẽ hệ số khuếch đại của tranzitor loại này nhiều khi không đủ lớn, để khuếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang.
Tầng khuếch đại cuối cùng bằng sơ đồ darlington như trên hình 6b thường hay được dùng trong thực tế. ở sơ đồ này hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về khuếch đại công suất, khi hệ số khuếch đại được nhân lên theo thông số của các tranzitor.
+E
BAX
BAX
+E
D2
D2
Tr1
Tr1
R6
R6
Tr2
Uv
Uv
b.
a.
BAX
+E
D2
Tr1
C2
R6
D
Tr2
Uv
c.
Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé (cỡ khoảng (10 ÷ 200) μs), mà thời gian mở thông các tranzitor công suất dài (tối đa tới một nửa chu kỳ - 0.01s), làm cho công suất toả nhiệt dư của Tr quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp dư lớn. Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt Tr và kích thước dây sơ cấp BAX chúng ta có thể thêm tụ nối tầng như hình 6c. Theo sơ đồ này, Tr chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ, nên dòng hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần.
Sơ đồ các khâu khuếch đại.
a- bằng tranzitor công suất; b- bằng sơ đồ darlington; c- sơ đồ có tụ nối tầng.
+E
3 .Sơ đồ mạch điều kiển
Tr1
R2
C1
D2
R1
A
D1
B
R3
R5
Ur
C2
A2
R6
A1
U1
A3
R4
Udk
Ura
Tr2
BA
R7
- Từ những phân tích ở trên ta có sơ đồ của mạch điều kiển :
4. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ điều khiển:
Điện áp vào tại điểm A (UA) có dạng hình sin, trùng pha với điện áp anod của Tiristo T, qua khuếch đại thuật toán (KĐTT) A1 cho ta chuỗi xung chữ nhật đối xứng UB. Phần áp dương của điện áp chữ nhật UB qua điôt D1 tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc. Điện áp âm của điện áp UB làm mở thông tranzitor Tr1, kết qủa là A2 bị ngắn mạch (với Urc = 0) trong vùng UB âm. Trên đầu ra của A2 chúng ta có chuỗi điện áp răng cưa Urc gián đoạn.
Điện áp Urc được so sánh với điện áp điều khiển Uđk tại đầu vào của A3. Tổng đại số Urc + Uđk quyết định dấu điện áp đầu ra của KĐTT A3. Trong khoảng 0 ÷ t1 với Uđk > Urc điện áp UD có điện áp âm. Trong khoảng t1 ÷ t2 điện áp Uđk và Urc đổi ngược lại, làm cho UD lật lên dương. Các khoảng thời gian tiếp theo giải thích điện áp UD tương tự.
Các xung ra UF làm mở thông các tranzitor, kết quả là chúng ta nhận
được chuỗi xung nhọn Xdk trên biến áp xung, để đưa tới mở Tiristo T.
III. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Mạch điều kiển được tính xuất phát từ yều cầu về xung mở Tiristor ,
do đó ta có các thông số cơ bản để tính mạch điều kiển : + Điện áp điều kiển Tiristor : Uđk = 1,4V + Dòng điện điều kiển Tiristor : Iđk = Ig = 0,12A + Thời gian mở Tiristor : tm = 120ms + Độ rộng của xung điều kiển :tx = 167ms + Tần số xung điều kiển fx = 3kHz + Độ mất đối xứng cho phép : Δα = 40 + Điện áp nuôi mạch điều khiển U = 12V + Mức sụt biên độ xung : sx = 0,15
Tính máy biến áp xung
Chọn vật liệu làm lõi là Fẻit HM , lõi có dạng hình xuyến làm việc trên q fần của đặc tính từ hóa có ΔB = 0,3T ;ΔH = 30A/m không có khe hở không khí
+ Tỉ số biến áp xung chọn m –3 + Điện áp thữ cấp của MBA xung : U2 = Uđk = 1,4V + Điện áp đặt lên cuộn thứ cấp MBA xung :
U1 = mU2 = 3,14 = 4,2V
=
+Dòng điện thứ cấp của MBA xung : I2 = Iđk = 0,12A + Dòng điện sơ cấp của MBA xung : I1 = 2.I2/m = 2. 0,12/3 = 0,08A + Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi thép
6
−
3,0 10.25,1.30
Δ
B Δ μH . 0
= 8.103 μtb =
Với μ0 = 1,25.10-6 (H/m) là độ từ thẩm của không khí
Thể tích của lõi thép cần có :
V = Q.l = (μtb.μ0.tx.sx.U1.I1)/ΔB2
Thay số :
V= 8.103.1,25.10-6.0,15.167.4,2.0,08)/0,32 = 0,4676.10-6m3 = 0,4676.10-3cm3
a
d
D
Dựa vào bảng tra cứu ta lựa chọn được mạch từ có thể tích V= 0,645cm3 và kích thước cụ thể như sau: Q =0,1cm2, l = 6,45cm ; a = 2,5mm ; b = 4mm ; d =20mm ;
QW
- Số vòng dây sơ cấp máy biến áp xung : - Theo định luật cảm ứng điện từ
= 1
dB dt
6 −
8,233
=
=
U1 = W1Q
6
txU 1 BQ Δ
B Δ tx .2,4 167 10. − 10.1,0.3,0 Chọn w1 = 234 vòng
78
=
(vòng) W1 =
W 1 m
1
0067
,0
=
=
(vòng) W2 = - Số vòng dây thứ cấp 234 3
= Chọn mật độ dòng điện J1= 6 (A/mm2) - Tiết diện dây cuốn thứ cấp I J
08,0 6
1
(mm2) S1 =
,0.4
,0
092
=
=
+ Đường kính dây cuốn thứ cấp
4 1 S Π
0067 π
2
03,0
=
=
(mm) d2 =
12,0 4
2
(mm2) S2 = Chọn d = 0,1 (mm) - Tiết diện dây cuốn thứ cấp I J
95,1
=
=
Chọn mật độ dòng điện J2 = 4(A/mm2) + Đường kính dây cuốn thứ cấp
4 2 S π
03,0.4 π
(mm) d2 =
Chọn dây có đường kính d2 = 1,95 (mm)
- Kiểm tra lại hệ số lấp đầy
2
2
.
.
.
.
2 234.1,0
1
2
1
1
2
747,0
1
=
=
=
<
2 78.95,1 2
2
+ 20
WdWd + 2 d
)
.( π
WSWS + 1 2 d 4
Klđ =
Như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết .
+E
BAX
D2
Tr1
R6
Uv
R7
2. Tính khâu khuếch đại xung
Chọn Tranzito công suất loại Tr3 loại 2SC9111 Tranzito loại npn vật liệu bán dẫn là Si.
6,1
=
=
+ Điện áp giữa colecto và bazơ khi hở mạch Emitơ UCB0 = 40 (V) . + Điện áp giữa Emito và bazơ khi hở mạch Colecto UEB0 = 4 (V) . + Dòng điện lớn nhất mà colecto có thể chịu đựng Imax = 500 (mA) . + Công suất tiêu tán ở colecto Pc = 1,7 (W) . + Nhiệt độ lớn nhất của mặt tiếp giáp T1 = 1750C . + Hệ số khuyếch đại β = 50 + Dòng điện làm việc của colecto Ic3 = I1= 0,08 (mA)
08,0 50
cI β
(mA) + Dòng điện làm việc của bazơ Ib =
Ta thấy rằng trong hai loại Tiristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé
Uđk = 2,0 (V) Iđk = 0,1 (A)
Do đó ta chỉ cần 1 tầng khuyếch đại cũng đủ công suất điều khiển Tranzito - Chọn nguồn cấp cho biến áp xung E = 12(V) , với nguồn E =12 (V) ta
12
2,4
1
5,92
=
=
phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực Emito của Ir3 , R1 .
UE − I
− 08,0
1
(Ω) R7 =
Tất cả các Diod trong mạch điều khiẻn đều dùng loại 1N4009 có tham số .
Iđm = 10 (mA) + Dòng điện định mức Un = 25 (V) + Điện áp ngược lớn nhất + Điện áp để cho Diod mở thông Um = 1(V)
3.Chọn tụ C2 và R6
- Điện trở R6 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazờ của Transistor
25,281
=
=
=Ω
k 8,2 Ω
Ir2 ta chọn R9 thoã mãn điều kiện:
3
−
5,4 10.2.8,0
U I
3
B
R6 ≥
9
−
10.6,55
(
F
)
6,55
nF
=
=
=
Chọn R6 = 3kΩ Chọn C2 sao cho C2.R6 ≤ tx
t x R
6
167 3 10.3 Chọn C2 = 33nF
=> C2 ≤
4.Chọn các khuất thuật toán
- Mỗi kệnh điều kiển phải dùng 4 khuyếch đại thuật toán , do đó ta chọn 8 IC loại TL084 do hãng texas instrument , mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán
(13
)
/
V
s μ
=
- Thông số của IC TL084 :
du dt
12
11
10
9
8
14
+ Điện áp nguồn nuôi : VCC = ± 18V, Chọn VCC = ±12V + Hiệu điện thế giữa 2 đầu vào : ± 30V + Nhiệt độ làm việc : T = - 25÷85 C0 + Công suất tiêu thụ P = 0,68W + Tổng trở đầu vào : Rmin = 106 Ω + Dòng điện đầu ra : Ira = 30pA + Dòng điện đầu vào : Iv = 1mA + Tốc độ biến thiên điện áp cho phép :
- +
- +
+ -
+ -
3
5
6
7
1
2
4 Ucc
.S¬ ®å ch©n IC TL084
Sơ đồ chân IC TL084 : 13
R5
Ur
R4
A3
Udk
Ur
5.Tính tầng so sánh
- Mỗi kênh điều kiển có 1 khuyếch đại thuận toán đóng vai trò tầng so
dk
12
=
=
k Ω
sánh ta chọn loại IC TL084 như trên
3
−
12 10.1
U I
r
- Chọn R4 = R5 >
mA8,0
- Trong đó nguồn nuôi VCC = ± 12V , thì điện áp vào A3 Ur = 12V dòng điện vào hạn chế Ilv < 10-3A do đó ta chọn R4 = R5 = 15kΩ khi đó dòng vào A3 :
3 =
12 10.15
Tr
R2
C1
A
R1
B
D1
R3
C
A1
A2
U1
Ur
Ilv-max =
10
k Ω
=
=
6.Chọn khâu đồng pha Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C1 , mặt khác để đảm bảo phạm vi điều kiển rộng thì góc điều kiển α = 0 ÷ 1800 thì hằng số thơì gian tụ nạp được : Tr = R3.C1 = T/2 = 1/2f = 0,01s
01,0 6 −
10.1
1
Tr C Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch R3 thườngg chọn biến trở R3 lớn hơn 10kΩ để điều chỉnh
Chọn C1 = 1μF thì điện trở R3 =
- Chon Tranzitor T1 loại A564 có các thông số: + TRanzitor loai pnp làm bvằng Si + Điện áp giữa Emitor và Bazơ lúc hỏ mạch colector :UEB0 =7V + Dòng điện lớn nhất mà colector có thể chịu được : IC-max = 100mA + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : TCP = 1500
4,0
A
=
=
+ Hệ số khuyếch đại β = 250
100 250
I C β
U
max
30
k Ω
=
=
+ Dòng cực đại của Bazơ : IB3 =
3
−
12 10.4,0
N − I
B
+ Điện trở để hạn chế dòng điện đi vào bazơ Tranzitor Tr1 được chọn như sau : Chọn R2 thoã mãn điều kiện : R2 ≥
A
=
k 9 Ω=
Chọn R2 = 30kΩ Chọn điện áp đồng pha : UA= 9V Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuyếch ddaij thuật toán A1 thường chọn R1 sao cho dòng vào khuyếch đại thuật toán : Ir < 1mA. Do đó
3
−
9 10.1
U I
r
R1 >
Chọn R1 = 10 kΩ
7.Tao nguôn nuôi Ta cần chọn nguồn nuôi ± 12V để cấp cho BAX nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện tốc độ , điện áp đặt tốc độ . Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng điốt, điện áp từ cấp MBA nguồn nuôi :
= 12- 4 = 8V
Ura = - 12V với IC 7912.
(88,8
)
U
V
=
=
2
8 8,0
Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 và 7912, các thông số chung của vi mạch này: Điện áp đầu vào : UV = 7 ÷ 35V. Điện áp đầu ra : Ura = 12V với IC 7812 Dòng điện đầu ra : IR = 0 ÷ 1A. Sụt áp nhỏ nhấttrên IC 7812 là ΔU = 4V Ud
+12V
7812
Ta chọn U2 = 9V. Tụ điện C4 , C5 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao. Chọn C4 = C5 = C6 = C7 =470μF.
.
C4
C6
220~
0
8.Tính toán máy BA nguồn nuôi và đồng pha
Ta thiết kế MBA dùng cho cả 3 việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi cho tất cả các mạch điều kiển bao gồm công suất cung cấp cho 8 mạch đồng pha và cung cấp nguồn nuôi cho 8 IC TL084 tạo ra 32 khuyếch đại thuật toán. Chọn kiểu MBA 1 pha 1 rụ, trên mỗi trụ có 2 cuộn dây : 1 cuộn sơ cấp và 1 cuộn thứ cấp.
Điện áp lấy ra ở thứ cấp MBA làm điện áp đồng pha , lấy ra thứ cấp
của nguồn nuôi : U2 = U2đp = UN = 9(V).
- Dòng điện thứ cấp MBA đồng pha : I2đp = IA1-max = 1(mA)
P8IC = 8.0,68 = 5,44W
Px = 8. Uđk . Iđk = 8.1,4.0,12 = 1,344(W)
- Công suất của MBA cung cấp cho việc tạo nên áp đồng pha Pđp = 8.I2-dp .U2-đp = 8.9.1.10-3 = 0,072( W) - Công suất tiêu thụ ở 8IC TL 084 sử dụng làm khuyếch thuật toán . - Công suất BA xung cấp cho cực 8 điều khiển Tiristor - Tổng công suất của MBA cung cấp :
PΣ = Pđp + P8IC + PX PΣ = 0,072 + 5,44 +1,344 = 6,856(W) - Công suất của MBA có kể đến 5% tổn thất trong máy :
S = 1,05.PΣ = 1,05 .6,856 = 7,1988 (VA)
,7
=
- Dòng điện thứ cấp MBA :
1988 9.6
S U .6 2
= 0,133(A) I2 =
- Dòng điện sơ cấp MBA:
=
,7 1988 220.3
S U .3 1
= 0,011(A) I1 =
S
.
,7.6
(32,1
)
k
2cm
=
=
=
Q T
Q
50.3
fm .
- Tiết diện trụ của MBA được tính theo công thức kinh nghiệm: 1988
Trong đó : kQ = 6 : hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. m = 3 : số trụ của MBA f = 50 : tần số điện áp lưới.
- Ta chọn lõi thép hình chữ E , có độ từ cảm B = 1T có kích thước như
b
hH
c
c
a
C
hình vẽ :
b < 1,5 . Ta chọn a = 1cm ; b a
5,2=
Ta có : QFe = a.b = 1,32cm2 Trong quá trình thiết kế ta thường chọn 1 <
5,0=
=> h = 2,5.1 = 2,5 cm Và m = =1,32cm h a
c a
=> c = 0,5.1 = 0,5 cm n =
220
1
75
07,5
w
=
=
=
- Chọn mật độ từ cảm B = 1T ở trong trụ ta có số vòng dây sơ cấp :
1
4
−
4,44.50.1.
1,32.10
U 4,44.f.B.Q
Fe
(vòng)
Chọn w1 = 7508 ( vòng)
2
0,004(mm
)
=
=
=
S 1
0,011 2,75
I 1 J
1
- Chọn mật độ dòng điện J1 = J2 = 2,75A/mm2. - Ta có tiết diện dây quấn sơ cấp :
- Chọn dây dẫn tròn , tiết diện theo qui chuẩn : S1 = 0,00785mm2 - Đường kính thực của lõi dây quấn sơ cấp : d1 = 0,1mm
2
7508 .
3 07,1
w
.
=
=
- Đường kính có kể cách điện là D1 = 0,12mm. - Số vòng dây thứ cấp :
2
= w 1
U U
9 220
1
(vòng)
Chọn w1 = 308 ( vòng)
2
2
S
0,048(mm
)
=
=
=
2
I J
0,133 2,75
2
- Chọn mật độ dòng điện J1 = J2 = 2,75A/mm2. - Ta có tiết diện dây quấn thứ cấp :
- Chọn dây dẫn tròn , tiết diện theo qui chuẩn : S2 = 0,095mm2 - Đường kính thực của lõi dây quấn sơ cấp : d2 = 0,11mm - Đường kính có kể cách điện là D2 = 0,14mm. - Chiều dài mạch từ :
L = 2c +3a =2.0,5 +3.1 = 4cm
- Chiều cao mạch từ
094,0
=
H = 2a + h =2.1 + 2,5 = 4,5 cm
133,0 41,1
= ( A) IĐ =
- Chọn các điốt cho bộ chỉnh lưu - Dòng điện hiệu dụng qua điốt 2I 2 - Chọn điốt có dòng định mức
(22
9.6
)
V
=
=
IĐ-đm = ki.IĐ = 10.0,094 = 0,94 A ( ki = 10 hệ số dữ trữ về dòng )
Ung-max = - Điện áp ngược lớn nhất mà điốt phải chịu U .6 2
- Chọn điốt có điện áp ngược lớn nhất
UĐ ng-max = ku.Ung-max = 2.22 = 44 (V) Với ku = 2 hệ số dữ trữ về điện áp Chọn điốt loại : kY Z70 có Ung-max = 50 (V) ; Iđm = 20 (A)
1. Điện tử công suất - Nguyễn Bính ( Nhà xuất bản KHKT) 2. Truyền Động Điện - Nguyễn Văn Liễn ( Nhà xuất bản KHKT )
Tài Liệu tham khảo
3. Máy Điện – Tập 1,2,3 – Nguyễn Khánh Hà - Vũ Gia Hanh ( Nhà xuất bản KHKT )
4. Tài Liệu Hướng Dẫn Thiết Kế ĐTCS - Phạm Quốc Hải
