Đề tài Thiết kế nguồn mạ một chiều

g rộng rãi nhất. Các bộ biến đổi dùng trong quá trình điện phân có thể cho ra các điện áp như : 3V, 6V, 12V, 24V, 30V, 50V. Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện áp cho phù hợp. Với bộ biến đổi (mạch chỉnh lưu) có rất nhiều : chỉnh lưu một pha, chỉnh lưu ba pha, chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển… Ngày nay, thường ít dùng chỉnh lưu nửa chu kì và chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính, mặc dù hai loại này có sơ đồ nguyên lí mạch đơn giản nhưng chất lượng điện áp một chiều quá xấu, hiệu suất sử dụng máy biến áp thấp, công suất chỉnh lưu nhỏ chỉ dùng nạp ác quy, do đó không được dùng trong những mạch cần công suất lớn như mạ điện. Ta không xét đến trong thiết kế này. Trong yêu cầu của đồ án là thiết kế nguồn mạ điện áp thấp và dòng khá lớn nên có thể đưa ra một số phương án như sau: + Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển + Chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng + Chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng + chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng 2.2.1. Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển. 1. Sơ đồ nguyên lý Hình 2.5. Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha đối xứng 2.Hoạt động của sơ đồ: Trong nửa chu kỳ đầu thế tại điểm A mang dấu “+”, còn thế ở điểm B mang dấu “ - ”. Nếu đồng thời có tín hiệu điều khiển cho cả hai van bán dẫn T1 và T3, thì hai van mở cho dòng chạy qua (đối với tải thuần trở hoặc đối với tải có tính chất điện cảm). Còn đối với tải có chứa sức điện động E thì phải đồng thời có hai điều kiện trên và phải có thế tại A có giá trị lớn hơn sức điện động E thì hai van bán dẫn T1 và T3 mới cho dòng qua. Đến nửa chu kỳ sau, điện áp tại A và B đổi dấu, thế tại A có dấu “ - ”, còn thế tại B có dấu “ + ”. Nếu có xung điều khiển cho cả hai van T2 và T4 thì các van này sẽ mở (đối với tải thuần trở hoặc đối với tải có tính chất điện cảm). Nếu trong tải có thành phần sức điện động E thì phải có thêm điều kiện UB ³ E thì hai van bán dẫn T2 và T4 mới cho dòng đi qua, để đặt điện áp lưới lên tải. Với điện áp một chiều trên tải có chiều trùng với nửa bán kỳ trước . a.Khi tải thuần trở R : Với - Khi : cho xung điều khiển mở T1, T2 và Ud= - U2, hai tiristor sẽ khoá tự nhiên khi . - Khi , cho xung điều khiển mở T3, T4 và Ud=U2 . + Dòng qua tải là dòng gián đoạn. + Giá tri trung bình của điện áp tải : (2.1) + Giá trị trung bình dòng tải : (2.2) + Giá trị trung bình dòng qua tiristor : (2.3) + Dạng sóng cơ bản : Hình 2.6. Dạng điện áp và dòng điện khi tải thuần trở b. Khi tải R+L. - Khi L đủ lớn thì dòng điện id sẽ là dòng liên tục, id=Id . Phương trình mạch tải : (2.4) (2.5) (2.6) Giá trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp : (2.7) + Dạng sóng cơ bản : Hình 2.7. Dạng dòng điện và điện áp khi tải là L và R Ưu nhược điểm của sơ đồ : + Ưu điểm : Chỉnh lưu cầu một pha cho chất lượng điện áp tương đối tốt, dòng điện qua van không quá lớn, tổng điện áp rơi trên van nhỏ. Điện áp ngược đặt lên mỗi van trong sơ đồ nhỏ . + Nhược điểm : Không dùng được cho tải có công suất lớn, nếu dùng gây ra hiện tượng công suất bị lệch pha. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha dòng tải chảy qua hai van nối tiếp, vì vậy tổn thất điện áp và công suất trên van sẽ lớn. Thành phần đa hài bậc cao lớn. Sơ đồ cầu một pha chỉ ứng dụng với yêu cầu điện áp chỉnh lưu cao và dòng tải nhỏ. 2.2.2. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng: 1. Sơ đồ nguyên lý. Hình 2.8. Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu ba pha đối xứng. Sơ đồ cầu chỉnh lưu ba pha gồm 6 Tiristor chia làm hai nhóm: Nhóm Catốt chung gồm ba Tiristor T1,T3, T5 tạo thành một chỉnh lưu tia ba pha cho điện áp dương. Nhóm Anốt chung gồm ba Tiristor T2,T4, T6 tạo thành một chỉnh lưu tia ba pha cho điện áp âm. - Góc dẫn dòng của mỗi tiristor là: l = 2p/3. Giá trị cực đại của ud1 và ud2 lệch nhau góc p/3 Như vậy sơ đồ cầu ba pha có thể coi như là hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha mắc ngược nhau. Điện áp các pha : . Điện áp các pha thứ cấp của máy biến áp là ua, ub, uc; góc mở a được tính từ lúc giao điểm của các nửa hình sin. 2. Hoạt động của sơ đồ: - Theo nguyên tắc hoạt động của sơ đồ chỉnh lưu cầu; Tại mỗi thời điểm cần phải mở van bán dẫn cho dòng chạy qua tải, chúng ta phải cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm Anốt, một xung ở nhóm Catốt). Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân thủ đúng theo thứ tự pha. - Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua + Khi cho xung điều khiển mơ T1. Tiristor này mở vì . Sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì . Lúc này T6 và T1 cho dòng đi qua. Điện áp ra trên tải : + Khi cho xung điều khiển mở T2. Tiristor này mở vì T6 dẫn dòng, nó đặt U2b lên catốt T2 mà . Sự mở của T2 làm cho T6 khoá lại một cách tự nhiên vì . - Các xung điều khiển lệch nhau được lần lượt đưa đến các cực điều khiển của các tiristor theo thứ tự 1, 2, 3,4, 5, 6, 1,…..Trong mỗi nhóm, khi 1 tiristor mở thì nó sẽ khoá ngay tiristor trước nó, như trong bảng sau : Thời điểm Mở Khoá q1 = p/6 + a q2 = 3p/6 + a q3 = 5p/6 + a q4 = 7p/6 + a q5 = 9p/6 + a q6 = 11p/6 + a T1 T2 T3 T4 T5 T6 T5 T6 T1 T2 T3 T4 Bảng 2.1. Thời điểm đóng mở của các tiristor. + Dạng sóng cơ bản Hình 2.9. Dạng của dòng điện và điện áp ( 2.8 ) - Giá trị điện áp ngược lớn nhất trên mỗi van : ( 2.9 ) - Dòng điện trung bình chạy qua van : ( 2.10 ) 3. Ưu nhược điểm của sơ đồ : + Ưu điểm : - số xung áp chỉnh lưu trong 1 chu kỳ lớn, vì vậy độ đập mạch của điện áp chỉnh lưu thấp, chất lượng điện áp cao. - không làm lệch pha lưới điện. + Nhược điểm : - sử dung số van lớn, giá thành thiết bị cao - sơ đồ này chỉ dùng cho tải công suất lớn, dùng tải nhỏ và điện áp chỉnh lưu đòi hỏi độ bằng phẳng. Do dòng tải dùng trong mạ điện có hệ số lớn, nên không áp dụng được phương pháp này, vì các van không chịu được dòng tải lớn. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng. Sơ đồ nguyên lý Đặc điểm của sơ đồ là: Một nhóm sử dụng ba Tiristor còn nhóm kia sử dụng ba điốt. Có thể coi sơ đồ đang xét tương đương với hai sơ đồ ba pha hình tia nối tiếp nhau, làm việc độc lập trên cùng một phụ tải. Hình 2.10. Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu ba pha không đối xứng Hoạt động của sơ đồ Khi làm việc, các điôt chuyển mạch tự nhiên, còn các tiristor chuyển mạch tại các góc điều khiển a. Khi , điện áp ud luôn lớn hơn 0. Nhưng khi sẽ xuất hiện các giai đoạn hai van mắc thẳng hàng dẫn đồng thời. Trong khoảng  : T5 và D6 cho dòng tải id = Id chảy qua. D6 đặt điện thế ub lên anot D2 . Khi điện thế catot D2 là uc bắt đầu nhỏ hơn ub , điôt D2 mở, dòng tải id = Id chảy qua D2 và T5 , ud = 0 . Khi cho xung điều khiển mở T1. Trong khoảng  : T1 và D2 cho dòng tải Id chảy qua. D2 đặt điện thế uc lên anot D4. Khi điện thế catot D4 là ua bắt đầu nhỏ hơn uc , điôt D4 mở. Dòng tải Id chảy qua D4 và T1, ud = 0. Góc mở , về nguyên tắc, có thể biến thiên từ . Điện áp chỉnh lưu có thể điều chỉnh được từ giá trị lớn nhất đến 0. Hình 2.11. Dạng của dòng điện và điện áp qua tải Các thông số cơ bản là thành phần điện áp tải do nhóm catot chung tạo ra, còn là thành phần điện áp tải do nhóm anot chung tạo ra. Giá trị tức thời của điện áp tải : Giá trị trung bình của điện áp tải : Trong đó : (2.11) 3. Ưu nhược điểm của sơ đồ : + Ưu điểm : - Việc kích mở các van điều khiển trong chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng dễ dàng hơn, sơ đồ điều khiển đơn giản, rẻ tiền (kinh tế). - Nếu tải thuần trở sẽ luôn cho dòng liên tục. - Chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng cho chất lượng điện áp tốt nhất, hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt Sba = 1,047Pd. + Nhược điểm : - Hai van cùng mở lên tổn hao công suất lớn. - Nhưng điện áp chỉnh lưu chứa nhiều thành phần sóng hài, các điều hoà bậc cao của tải và của nguồn lớn, cần phải lọc điện áp trước khi đưa tới tải. 2.2.4. Chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng 1. Sơ đồ nguyên lý Hình 2.12. Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha dung cuộn kháng cân bằng Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng, được biểu diễn như trên sơ đồ, bao gồm máy biến áp động lực, có cuộn kháng cân bằng La Trên mỗi trục của lõi sắt máy biến áp đặt ba cuộn dây, 1 cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp. Các cuộn dây thứ cấp tạo ra hai hệ thống điện áp 3 pha lệch pha 1800 điện. Máy biến áp có hai hệ thống thứ cấp a ,b ,c và a’ ,b’ ,c’. Các cuộn dây trên mỗi pha a và a’; b và b’;c và c’ có số vòng như nhau nhưng có cực tính ngược nhau. Hệ thống dây cuốn thứ cấp máy biến áp có điểm trung tính riêng biệt P và Q. P, Q được nối với nhau qua cuộn kháng cân bằng. Cuộn kháng cân bằng có cấu tạo như máy biến áp tự ngẫu. + Hệ thống thứ nhất cấp nguồn cho các tiristor T1, T3, T5. + Hệ thống thứ hai cấp nguồn cho các tiristor T2, T4, T6. Việc phân phối xung điều khiển mở các tiristor cần phải tuân thủ thứ tự sau đây : 1, 2, 3, 4, 5, 6. Các tiristor chia làm 2 nhóm catot chung, làm việc độc lập. + Nhóm thứ nhất gồm T1, T3, T5 tạo ra thành phần điện áp tải . + Nhóm thứ hai gồm T2, T6, T4 tạo ra thành phần điện áp tải . Do cuộn kháng cân bằng có tác dụng hấp thu hiệu điện áp của và . Vậy điện áp đặt trên tải là : Tại bất kì thời điểm nào cũng có 2 tiristor dẫn dòng : 1 của nhóm thứ nhất và 1 của nhóm thứ hai. + Góc dẫn dòng của mỗi tiristor là: + Giá trị cực đại của và lệch nhau .Hiệu của và là khác 0. 3. Các thông số cơ bản : + Giá trị trung bình của điện áp : (2.12) (2.13) + Do có điện cảm L trong mạch tải nên thực tế id = Id. + Giá trị trung bình của dòng điện qua các van là : (2.14) + Giá trị hiệu dụng của dòng chảy trong mỗi cuộn dây thứ cấp MBA: (2.15) + Công suất máy biến áp : (2.16) Trong đó : + Công suất cuộn kháng cân bằng là : SLa = 0,057Pd . + Giá trị trung bình của dòng điện trong cuộn kháng : Hình 2.13. Dạng điện áp chỉnh lưu Ud và điện áp trên cuộn kháng cân bằng 3. Ưu nhược điểm của sơ đồ : + Ưu điểm : - Dòng điện áp ra có độ bằng phẳng cao, có độ đập mạch lớn. - Dòng trung bình qua van nhỏ bằng 1/6 dòng qua tải, ta thấy chất lượng điện áp chỉnh lưu coi như là tốt nhất, dòng bằng phẳng hơn, có ý nghĩa với tải cảm lớn. Trong trường hợp đó ta có thể dùng van mhỏ nhưng vẫn có thể tạo ra bộ nguồn với dòng tải lớn. + Nhược điểm : - Số van sử dụng lớn giá thành cao. - Máy biến áp phức tạp có số cuộn thứ cấp nhiều, việc chế tạo máy biến áp với sáu pha thứ cấp ngược nhau 1800 là hết sức khó khăn, cộng thêm việc chế tạo cuộn kháng cân bằng lên càng tăng thêm tính phức tạp cho công việc chế tạo và bảo quản. 2.2.5. Chọn mạch công suất phù hợp Điều quan trọng nhất trong công nghệ mạ là chất lượng sản phẩm mạ, chất lượng lớp mạ còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố. Điều khiển chất lượng mạ phải khống chế đồng thời cả dung dịch mạ lẫn cách thức mạ, nhưng quan trọng nhất vẫn là dải mật độ dòng điện thích hợp vì nó tạo điều kiện điện phân có phân cực lớn, do đó màu tinh thể mới được sinh ra dễ dàng hơn. Lớp mạ là do vô vàn các tinh thể hợp lại, tinh thể càng nhỏ mịn thì lớp mạ càng tốt. Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn, sít chặt đồng đều. Vậy để nâng cao chất lượng mạ đòi hỏi chất lượng dòng điện một chiều với mật độ cao, độ ổn định lớn và chất lượng điện áp tốt. Nếu chọn chỉnh lưu cầu một pha, tuy chất lượng điện áp tương đối tốt nhưng mật độ không cao, biên độ đập mạch lớn, thành phần đa hoà bậc cao lớn, hiệu suất sử dụng máy biến áp xấu và công suất chỉnh lưu nhỏ nên không đáp ứng yêu cầu của mạ vậy không chọn sơ đồ này. Chỉnh lưu tia sáu pha cũng không chọn vì việc chế tạo máy biến áp với sáu pha thứ cấp có hai cuộn lệch nhau 1800 và cuộn kháng cân bằng là hết sức khó khăn. Nên chọn chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng, sơ đồ này cho điện áp chỉnh lưu có chất lượng cao, nhưng điều phức tạp ở chỗ là điều khiển đồng thời cả hai van bán dẫn nên gây không ít khó khăn khi vận hành điều khiển và sửa chữa. Vì thế mà em chọn sơ đồ cầu điều khiển không đối xứng là phù hợp nhất, sơ đồ này cho chất lượng điện áp tốt nhất, việc điều khiển đơn giản, sử dụng công suất của máy biến áp tốt, đáp ứng yêu cầu đòi hỏi của công nghệ mạ. Với máy biến áp nguồn là máy biến áp ba pha, phía sơ cấp đấu tam giác, còn phía thứ cấp đấu sao. . Tính chọn van động lực Hai thông số cần quan tâm nhất khi chọn van bán dẫn cho chỉnh lưu là điện áp và dòng điện. Các van động lực được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là: dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc. Các thông số cơ bản của van động lực được tính như sau: Điện áp ngược của van: 1. Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu (V) Trong đó: Unmax , U2, Ud : Điện áp ngược max của van, điện áp xoay chiều,điện áp tải. knv, ku: các hệ số điện áp ngược và điện áp tải. Sơ đồ mạch động lực. Hình 2.14. Sơ đồ mạch động lực - Để có thể chọn van theo điện áp hợp lý, thì điện áp ngược của van cần chọn phải lớn hơn điện áp làm việc, qua một hệ số dự trữ điện áp kdtU. kdtU thường được chọn trong khoảng(1,62). Chọn kdtU = 1,8 Dòng điện làm việc của van: Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van Ilv = Ihd. Theo công thức Trong đó: Ihd, Id - Dòng điện hiệu dụng của van và dòng điện tải; khd - Hệ số xác định dòng điện : (khi a<) (khi a>) Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ diện tích toả nhiệt, có quạt thông gió. Như vậy Iđmv cần chọn là: Iđmv = ki.Ilv = 1,6.Ilv = 1,6. 144,3= 230,88 (A). Chọn ki = 1,6 (Ilv = 60%.Idm): Hệ số dự trữ dòng điện. +) Từ các thông số Unv = 56,55 (V)và Iđmv = 230,88(A) ta chọn: Theo Bảng p.2 Thông số Diode công suất (sách tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất của Trần Văn Thịnh) ta chọn 3 Diốt loại 400R40 có: Dòng điện định mức của van: Iđmv = 400 (A). Điện áp ngược của van: Unv = 400 (V). Đỉnh xung dòng điện lớn nhất: Ipik = 7800 (A). Dòng điện rò: Ir = 15 (mA). Sụt áp trên van: (V). Nhiệt độ cho phép: Tcp = 2000C. Theo Bảng p.2 Thông số Tiristor công suất (sách tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất của Trần Văn Thịnh) ta chọn 3 Tiristor loại T727012524DN có: Dòng điện định mức của van: Iđmv = 400(A). Điện áp ngược của van: Unv = 100 V). Đỉnh xung dòg điện lớn nhất: Ipik = 6000 (A). Dòng điều khiển: Ig = 150 (mA). Điện áp điều khiển: Ug = 3 (V). Dòng điện rò: Ir = 15 (mA). Sụt áp trên van: (V). Tốc độ biến thiên của điện áp: = 200 (V/s). Thời gian chuyển mạch: tcm= 60 (ms). Nhiệt độ cho phép: Tcp = 1250C. Tính toán máy biến áp Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây ∆/Y làm mát bằng không khí tự nhiên. Các thông số cơ bản của máy biến áp Máy biến áp dùng cho mạch chỉnh lưu thường có độ dự trữ công suất lớn vì dòng thứ cấp rất lớn, cách điện phải đạt yêu cầu, nhất là phải chú ý đến các vấn đề cách điện vì dòng thứ cấp rất lớn phát sinh ra nhiệt nhiều. Đồng thời máy biến áp ta sử dụng trong việc mạ điện phải kín. Vì trong khi mạ hơi của các muối dùng để mạ, hay các chất phụ gia và chất xúc tác… có tính ôxy hoá cao do đó ta phải có vỏ để bảo vệ máy biến áp bằng cách thiết kế thùng dầu để cho máy biến áp vào. Điện áp sơ cấp máy biến áp U1 = 380 (V) 2. Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp Phương trình cân bằng điện áp khi có tải: Trong đó: amin = 100: Góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới. (V): Là tổng điện áp sụt trên van. : Sụt áp trên điện trở và điện kháng của máy biến áp và ta chọn. 5% ÷ 10% Ud Chọn sơ bộ: 5% Ud = 5%.30 = 1,5 (V). Ta đặt máy biến áp cách bể mạ khoảng 5m và chọn dây nối bằng đồng. Chọn mật độ dòng điện trong dây dẫn là J = 2,4 (A/mm2). DUdn = Rdn.Id Trong đó: Rdn = rCu.l/Sdn (rCu = 0,0000172 W/mm điện trở suất của đồng ở nhiệt độ bình thường). Vậy Þ DUdn = 0,0008.250 = 0,2 (V). Điện áp thứ cấp của máy biến áp: Trong đó: Udo - Điện áp không tải máy biến áp [V]. ku - Hệ số điện áp chỉnh lưu, ku = 2,34 3. Dòng điện thứ cấp của máy biến áp Trong đó: I2 - Dòng điện thứ cấp của máy biến áp. Id - Dòng điện định mức của tải. 4. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp: Trong đó: I1 - Dòng điện sơ cấp của máy biến áp. kba - Hệ số của máy biến áp. kba = U2/U1. U1, U2 - Điện áp sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp. 5. Công suất tối đa của máy biến áp: Pdmax = Ud0. Id = 35,8. 250 = 8950(w). Trong đó: Pdmax - Công suất tối đa của tải (W). Udo - Điện áp không tải máy biến áp (V). Id - Dòng điện tải (A). 6. Công suất biểu kiến của máy biến áp: Sba = ks. Pdmax = 1,05. 8,95 = 9,3975(kVA). Trong đó: ks = 1,05: Hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực 2.4.2. Tính sơ bộ mạch từ. 1.Tiết diện sơ bộ của trụ: Trong đó: kQ = 4÷6: Phương thức làm mát bằng dầu. Chọn kQ = 5. m: Số trụ của máy biến áp. m = 3 f = 50 (Hz): Tần số xoay chiều. 2. Đường kính trụ Chuẩn hóa đường kính trụ theo tiêu chuẩn d=8 (cm) 3.Chọn loại thép Chọn loại thép330 có độ dày 0,5 mm; Chọn mật độ từ cảm trong trụ: B = 1,2 (T). 4.Chọn tỉ số: m =. Suy ra : h = 2,5.d =17,75 (cm) Ta chọn chiều cao của trụ là 20 (cm) Trong đó: m- Hệ số, để trụ thiết kế đạt yêu cầu thường chọn m = 2,5. h- Chiều cao của trụ. 2.4.3. Tính toán dây quấn. 1. Số vòng dây mỗi pha sơ cấp của máy biến áp: (vòng) Lấy tròn W1 = 360 (Vòng). Trong đó W1 - Số vòng dây của cuộn dây cuộn sơ cấp cần tính U1 - Điện áp của cuộn dây cần tính (V); B - Mật độ từ cảm chọn B = 1,2 T. QFe - Tiết diện lõi thép [cm2]. 2.Số vòng dây mỗi pha thứ cấp của máy biến áp: (vòng). Lấy tròn W2 =15 (Vòng). 3.Chọn sơ bộ mật độ dòng điện của máy biến áp: Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp dầu nên chọn J1 = J2 = 2,65 (A/mm2). 4.Tiết diện dây dẫn sơ cấp của máy biến áp: Đường kính dây dẫn. Chọn dây dẫn tiết diện tròn. chọn d1 =2 (mm) Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn cách điện (chọn cách điện loại B) Lấy d1 = 2 (mm). S1cd = 3,464(mm2) 5.Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn dây sơ cấp: 6.Tiết diện dây dẫn thứ cấp của MBA: Chọn dây dẫn có tiết diện hình chữ nhật theo cách điện loại B. Vì tiết diện dây lớn nên ta chập 3 sợi làm một. Chuẩn hoá tiết diện dây dẫn: S2 = 3 x 25,68 (mm2). Kích thước dây dẫn kể cả cách điện: S2 = 3. 3,8 .7,1(mm2). 7.Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn dây thứ cấp: + Kết cấu dây dẫn sơ cấp Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục. 8.Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp: (vòng) Trong đó: kC = 0,95: Hệ số ép chặt. h: Chiều cao trụ. hg = d1: Khoảng cách từ gông tới cuộn sơ cấp. Chọn W11 = 93 (vòng). 9.Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp: (lớp). 10.Chọn số lớp: n11 = 4 lớp. Như vậy có 360 vòng dây chia thành 4 lớp, vậy mỗi lớp có 90 vòng. 11.Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp. 12.Chọn ống dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dầy: S01 = 0,1 cm. 13.Khoảng cách cách điện của cuộn sơ cấp với trụ: a01 = 1 cm. 14.Đường kính trong của ống cách điện: Dt = dfe + 2.a01 - 2.S01 = 8 + 2.1 - 2.0,1 = 10,2 (cm). 15.Đường kính trong của cuộn sơ cấp: Dt1 = Dt + 2.S01 = 10,2 + 2.0,1 = 10,4 (cm). 16.Chọn giấy cách điện giữa 2 lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd11 = 0,1 cm. 17.Bề dầy cuộn sơ cấp Bd1 = (d1 + cd11). n11 = (0,2 + 0,1). 4 = 1,2 (cm). 18.Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp: Dn1 = Dt1 + 2. Bd1 = 10,4 + 2. 1,2 = 12,8 (cm). 19.Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp: 20.Chiều dày dây quấn sơ cấp: l1 = W1. p. Dtb1 = 360.p.0,116 = 131,2 (m). + Kết cấu dây dẫn thứ cấp. 1.Chọn bề dày cách điện giữa cuộn thứ cấp và sơ cấp là: a12 = 1 cm. 2.Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp: h1 = h2 = 19,6 (cm). 3.Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn thứ cấp: (vòng). Chọn W12 = 9 (vòng). 4.Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn thứ cấp: (lớp). Chọn số lớp n12 = 2 lớp. Lớp đầu chọn 6 (vòng), lớp ngoài chọn 3(vòng) 5.Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp: (cm). 6.Đường kính trong của cuộn thứ cấp: Dt2 = Dn1 + 2.a12 = 12,8 + 2.1 = 14,8 (cm). 7.Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây của cuộn thứ cấp: cd22 = 0,3 cm. 8.Bề dầy cuộn thứ cấp: Bd2= (a2 + cd22). n12 = (3,8 + 3)2 = 13,6 (mm). 9.Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp: Dn2 = Dt2 + 2. Bd2 =12,88 + 2.0,73 = 42 (cm). 10.Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp: Dtb2 = (cm). 11.Chiều dài dây quấn thứ cấp: l2 = W2. p. Dtb2 = p. 15.0,284 = 13,4(m). 12.Đường kính trung bình của các cuộn thứ cấp và sơ cấp: D12 = (cm). => r12 = (cm). 13.Chọn khoảng cách giữa 2 cuộn thứ cấp: cd22 =2 (cm). 2.4.4. Tính các thông số của máy biến áp. 1.Điện trở của cuộn sơ cấp của máy biến áp ở 750C. R1 = r75. (W). Trong đó: r75 = 0,02135 (Wmm2/m) khối lượng riêng của đồng ở 750C. 2.Điện trở của cuộn thứ cấp của máy biến áp ở 750C. R2 = r75. (W). 3.Điện trở của máy biến áp qui đổi về thứ cấp. (W). 4.Sụt áp trên điện trở của máy biến áp. (V). 5.Điện kháng qui đổi máy biến áp về thứ cấp. =>XBA =1,04.10-3 (W). 6.Điện cảm qui đổi máy biến áp về thứ cấp. LBA = (H). 7.Sụt áp trên điện kháng của máy biến áp. (V). Với: Rtd = .XBA = .1,04.10-3 =0,99.10-3 (W). 8.Sụt áp trên máy biến áp. (V). 9.Tổng trở ngắn mạch qui đổi. (W). 10.Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp. Pn = 3. RBA. = 3. 5,26.10-3. 204,12 = 657,3 (w). 11.Điện áp ngắn mạch tác dụng. 12.Điện áp ngắn mạch phản kháng. 13.Điện áp ngắn mạch phần trăm%. 14.Dòng điện ngắn mạch xác lập. (A). 15.Hiệu suất của máy biến áp: 2.4.5. Tính toán cuộn kháng lọc. 1. Xác định cuộn kháng lọc. Khi góc mở tăng thì biên độ sóng hài bậc cao càng lớn, nghĩa là sự đập mạch của điện áp, dòng điện càng tăng. Sự đập mạch làm xấu chất lượng của dòng điện một chiều. Để hạn chế sự đập mạch này người ta mắc nối tiếp với tải một cuộn kháng lọc đủ lớn để Im £ 0,1 Id. Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, cuộn kháng lọc còn có tác dụng hạn chế sự gián đoạn của dòng điện. Điện kháng lọc được tính khi góc mở: a = amax= 850. Ta có: Ud + u~ = E + Ruå.i~ + L. Cân bằng hai vế: U = R.i~ + L. vì R.i~ << L. nên U = L. Trong các thành phần xoay chiều bậc cao. Thì thành phần sóng bậc k = 1 có mức độ lớn nhất gần đúng bằng: U~ = U1m. sin(6q + j). Nên I = L. Lấy = 6 là số xung đập mạch trong một chu kì điện áp. Và (V). Thay số: (H). Điện cảm của cuộn kháng lọc: Lk = L - 2.LBA = 2,6.10-4 -2.3,31.10-6 = 2,53.10-4 (H). 2.5.Tính chọn van và các phần tử bảo vệ van Thiết bị đóng cắt từ xa. Để đóng cắt tải và điều khiển từ xa ta sử dụng một công tắc tơ ba pha bố trí phía sơ cấp của máy biến áp. Dựa vào số liệu dòng điện và điện áp của tải mạ: Dòng điện sơ cấp của máy biến áp: I1 = 8,2 A. Điện áp dây: U1 = 380 V. Ta chọn 1 công tắc tơ xoay chiều ba pha có các thông số sau: Iđm = 13 A ; Uđm=380V 2.5.2. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn. Khi làm việc, dòng chạy qua van có sự sụt áp, do đó có tổn hao công suất DP, sinh ra nhiệt đốt nóng các van bán dẫn. Mặt khác các van chỉ làm việc dưới nhiệt độ cho phép nào đó Tcp. Nếu vượt quá nhiệt độ cho phép thì van sẽ bị phá hỏng. Vậy để van làm việc an toàn thì ta phải thiết kế và chọn hệ thống toả nhiệt hợp lý. Tổn thất công suất trên một Tiristor: DPT = DUT.Ilv = 1,4.144,3 = 202,02 (W). Tổn thất công suất trên một Diôd: DPD = DUD.Ilv = 0,85. 144,3 = 122,66(W). Diện tích bề mặt cánh toả nhiệt: Sm = (m2). Trong đó: DP: tổn thất trên van lớn nhất. t: Độ chênh nhiệt độ so với môi trường. Tmt = 400C, Nhiệt độ làm việc cho phép của van là: TcpD = 1800C còn TcpT = 1500C, nên chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt Tlv = 1000C. Þ t = 1000 - 400C = 600C km: Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ, chọn km = 16 (w/m2.0C). Vậy ta chọn loại cánh toả nhiệt có 15 cánh, kích thước mỗi cánh: a x b = 9x9 Tổng diện tích cánh toả nhiệt: S = 15.2.9.9 = 2430 (cm2) = 0,2430 (m2). Bảo vệ quá dòng cho các van bán dẫn. 1.Aptomat: dùng để đóng cắt mạch động lực, tự bảo vệ khi ngắn mạch và quá tải van, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch chế độ nghịch lưu. - Chọn Aptomát 3 pha đặt ở đầu cuộn sơ cấp: Dòng điện làm việc chạy qua atomat Iđm = 1,1(A) Vậy ta chọn Aptomat có dòng 20 (A); Uđm = 220 (V). + Chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm = 2,5. Ilv = 2,5.14,28 = 35,7 (A). + Dòng điện quá tải: Iqt = 1,5. Ilv = 1,5.14,28= 21,42 (A) 2.Chọn cầu chì: cầu chì có dây chảy tác động nhanh, để bảo vệ ngắn mạch các van bán dẫn, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu, ngắn mạch sau cuộn thứ cấp. +) Chọn nhóm cc1: Dòng định mức dây chảy nhóm cc1: Icc1 = 1,1. I2 = 1,1. 204,1 = 224,51 (A). +) Chọn nhóm cc2: Dòng định mức dây chảy nhóm cc2: Icc2 = 1,1. Ilv = 1,1. 144,3= 158,73 (A). +) Chọn chóm cc3: Dòng định mức dây chảy nhóm cc3: Icc3 = 1,1. Id = 1,1. 250 = 275 (A). Vậy ta chọn cầu chì cho các nhóm như sau: 1cc loại 250 (A). 2cc loại 200 (A). 3cc loại 300 (A). 2.5.4. Bảo vệ quá điện áp cho các van: Giống như hầu hết các thiết bị bán dẫn, tiristor rất nhạy với điện áp cao với sự quá điện áp trong thời gian rất ngắn cũng có thể làm hỏng van. Những yếu tố điện áp ảnh hưởng lớn nhất tới van cần bảo vệ là: 1.Điện áp đặt vào lớn quá thông số của van. 2.Xung điện áp do chuyển mạch van. Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều, nguyên nhân thường gặp là do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây. Để bảo vệ van khi làm việc dài hạn mà không bị quá điện áp chúng ta phải chọn các van theo điện áp ngược cực đại Umax đặt lên van. Bảo vệ quá điện áp: Do quá trình đóng cắt các van bán dẫn được thực hiện bằng cách mắc R - C song song với van. Khi có sự chuyển mạch các điện 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 là do quá điện áp giữa Anôd và Catôd của các van bán dẫn. Khi có mạch R - C mắc song song với các van sẽ tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên trên van không bị quá điện áp. Chọn thông số R, C theo kinh nghiệm : R1 = (5 ¸ 30) W. Vậy ta chọn R1 = 15 (W). C1 = (0,25 ¸ 4) mF. Vậy ta chọn C1 = 0,47(mF). Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện ta sủ dụng các mạch lọc mắc như hình vẽ. Nhờ các mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên đường dây. Hình 2.15a. Mạch bảo vệ quá điện khi chuyển mạch Hình.2.15b. Mạch bảo vệ xung điện áp từ lưới Vậy chọn R, C theo kinh nghiệm: R2 = 12,5 (W); C2 = 4,0 (mF). Chương 3. Thiết kế mạch điều khiển 3.2. Khái quát về điều khiển tiristor Tiristor chỉ cho dòng chạy qua khi có điện áp dương đặt trên cực Anôd và có xung điều khiển đặt vào cực điều khiển. Sau khi tiristor mở thì xung điều khiển không còn tác dụng nữa. Khi đó dòng chạy qua Tiristror do thông số của mạch động lực quyết định và Tiristor sẽ khoá lại khi dòng điện qua nó bằng không (điện áp đặt vào cực Anôd đổi dấu). Muốn mở lại Tiristor ta phải cung cấp xung điều khiển. Do đó với điện áp lưới hình sin, tuỳ thuộc vào thời điểm cấp xung điều khiển mà ta có thể khống chế dòng điện qua Tiristor, hay nói cách khác là ta có thể điều chỉnh góc mở a của Tiristor trong vùng điện áp dương Anôd bằng cách tạo ra điện áp tựa răng cưa Urc. Dùng một điện áp điều khiển một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa răng cưa Urc, tại thời điểm Uđk = Urc, trong vùng điện áp dương Anot phát xung điều khiển Xđk, lúc này Tiristor được mở. Để thực hiện được những công việc trên ta có thể dùng các nguyên tắc điều khiển sau: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Nguyên tắc điều khiển theo phương nằm ngang. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccos. Ngày nay, điều khiển Tiristor trong sơ đồ chỉnh lưu người ta thường dùng nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính để thiết kế mạch điều khiển. Mạch điều khiển là một bộ phận quan trọng của bộ chỉnh lưu Tiristor, dùng mạch điều khiển để tạo ra các xung điều khiển có độ rộng thích hợp, thay đổi thời điểm phát xung điều khiển Tiristor của mạch chỉnh lưu. Do vậy Mạch điều khiển đóng vai trò chủ yếu quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ chỉnh lưu. 3.3. Sơ đồ cấu trúc của mạch điều khiển Hình 3.1.Sơ đồ các khâu mạch điều khiển Khâu đồng pha Khâu so sánh Khâu phát xung Ung Uđk Urc Mạch điều khiển gồm các khối cơ bản sau: Trong đó: - Nguồn nuôi: Có nhiệm vụ tạo ra điện áp thích hợp cho các phần tử tích cực của mạch điều khiển (IC,...) và tạo ra điện áp xoay chiều đồng pha với điện áp lưới để đưa vào khâu đồng pha. Khâu đồng pha: Tạo ra tín hiệu tựa răng cưa, có pha trùng với pha của điện áp đưa vào cực Anôd của Tiristor. Khâu so sánh: Có nhiệm vụ so sánh điện áp tựa răng cưa Urc với điện áp điều khiển Uđk. tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau Urc = Uđk, thì phát xung điều khiển ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại. Như vậy muốn thay đổi thời điểm phát xung mở van thì ta có thể thay đổi điện áp điều khiển. Khâu phát xung: Có nhiệm vụ tạo ra những xung điều khiển có điện áp và công suất đủ lớn để có thể mở các van bán dẫn vào thời điểm cần thiết. Xung mở Tiristor có yêu cầu sườn trước dốc, thẳng đứng. Để đảm bảo yêu cầu Tiristor mở tức thời khi có xung điều khiển (thường gặp loại xung này là xung kim hay xung chữ nhật) đủ độ rộng với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở Tiristor, cách ly mạch điều khiển với mạch động lực, đủ công suất. 3.4. Các nguyên tắc điều khiển. 3.4.1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Theo nguyên tắc này cần dùng hai điện áp: - Điện áp đồng bộ Urc, có dạng răng cưa, đồng bộ với điện áp đặt trên Anod-Catod Tiristor. - Điện áp điều khiển Uđk, là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được. Tổng đại số của Urc+Uđk được đưa đến đầu vào của một khâu so sánh. Như vậy, bằng cách làm biến đổi Uđk người ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều khiển được góc . Khi Uđk= 0 ta có . Khi Uđk < 0 ta có . Giữa và Uđk có quan hệ như sau: . Người ta lấy Uđk = Urc Nhận xét: Đây là sơ đồ tạo điện áp tựa đơn giản dùng mạch R-C, quan hệ giữa góc mở và điện áp điều khiển là tuyến tính. t t t Uđf t 0 0 Urc Uđk Xđk Ud Hình 3.3. Dạng điện áp của nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính 3.4.2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos Theo nguyên tắc này người ta cũng dùng hai điện áp: Điện áp đồng bộ uđb vượt trước điện áp anod-catod Tiristor một góc bằng (nếu uAK=Asinthì uđf = Bcos). Điện áp điều khiển uđk là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ theo hai hướng (dương và âm). Hình 3.4. Dạng điện áp của nguyên tắc điều khiển arccos. t t t Uđf t 0 0 Uacos Uđk Xđk Ud Tổng đại số Uđf + Uđk được đưa đến đầu vào của khâu so sánh. Khi Uđf + Uđk = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh. Uđk + B.cos = 0 Do đó Người ta lấy B = Uđk. Khi Uđf = 0 thì . Khi Uđf = Uđk thì Khi Uđf = -Uđk thì . Nhận xét: Khi cho uđk biến thiên từ -Uđk tới +Uđk thì biến thiên từ 0 . Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “ arccos” phức tạp hơn nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính do phải dùng khâu tạo hàm cos, nhưng phương pháp này lại cho chất lượng điện áp tựa tốt, phủ kín hoàn toàn 1800, do đó được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao. Thực tế điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính được dùng phổ biến hơn, vì cấu tạo mạch đơn giản. Đây cũng là phương án được lựa chọn trong bản đồ án này. 3.4.3. Nguyên tắc điều khiển nằm ngang Nguyên tắc này tạo ra một điện áp dịch pha (Udp) so với điện áp Anôd của Tiristor một góc là p/2. Khi điện áp đổi dấu trong vùng điện áp dương của Tiristor thì phát xung điều khiển. Hình 3.5. Sơ đồ điều khiển nằm ngang t3 Uf 0 0 0 U Urc t t t 3p 2p p t5 t4 t2 t1 Xđk t Ud Tại thời điểm điện áp dịch pha đổi dấu trong vùng điện áp dương Anôd thì phát xung điều khiển Xđk. Tiristor được mở từ thời điểm có xung điều khiển t1, t4 cho tới cuối bán kỳ (hoặc tới khi dòng điện bằng 0). - Nhận xét: Nguyên tắc này rất ít được sử dụng vì khi thiết kế chế tạo rất phức tạp. 3.5. Lựa chọn sơ đồ các khâu 3.5.1. Chọn khâu đồng pha. Khâu đồng pha dùng Tranzitor và tụ. a. Sơ đồ khâu. .E . . . . R1 R2 D Tr C ura Hình.3.6. Mạch điện của khâu đồng pha dùng tụ và Tranzior A B b. Hoạt động của sơ đồ: Ở nửa chu kỳ dương uA(+), uB(-) nên có dòng qua A - R1 - D - B. Điện áp đặt lên cực Bazơ của Tranzto mang giá trị dương, tranzito bị phân cực ngược, do đó Tranzito bị khoá. Tụ C được nạp điện từ nguồn E qua R2 theo qui luật: uC(t) = E(1- e-t/RC) Điện áp ra ura = uC(t). - Ở nửa chu kỳ âm, điện áp đổi dấu nên điện thế tại A mang dấu âm (-) còn điện thế tại B mang dấu dương (+). Khi cực Bazơ của Tranzito có giá trị bằng không và đổi dấu, thì tụ C bắt đầu phóng điện qua Tranzito, lúc này Tranzito phân cực thuận còn Diôt D bị phân cực ngược nên Diôt D bị khoá. Hình 3.7.Tín hiệu ra của khâu đồng pha dùng tụ và Tranzitor t Uđf t 0 0 Đối với sơ đồ này để có được urc tuyến tính, thì hằng số thời gian t cần phải thỏa mãn: t = C.R2 ≥ T c. Ưu nhược điểm của sơ đồ + Ưu điểm : Điện áp tuyến tính phủ hết nửa chu kỳ điện áp dương. Tiêu thụ dòng và áp nhỏ. Cấu tạo đơn giản, tin cậy. +Nhược điểm : - Việc mở, khoá tranzito trong vùng lân cận không là thiếu chính xác. Làm việc nạp, xả của tụ trong vùng đó không được như ý muốn. Khâu đồng pha dùng bộ ghép quang. a. Sơ đồ khâu. Hình 3.8. Sơ đồ khâu đồng pha dùng bộ ghép quang . ura . . . . R1 R2 D0 Tr C - E D Uv A B b. Hoạt động của sơ đồ Ở nửa chu kỳ dương điện thế ở A mang dấu dương VA(+), còn thế tại B mang dấu âm VB(-), Diôt D bị phân cực ngược, Diôt D0 phân cực thuận, do đó có dòng chạy qua A - R1 - D0 - B. Lúc này D0 phát sóng, Tranzito không dẫn, tụ C nạp điện áp từ +E - R2 -C. Thời gian nạp tụ phụ thuộc vào tích số R2C. Đến nửa chu kỳ sau điện thế tại A và B đổi dấu, lúc này VA(-), VB(+) dòng điện qua Diôt D còn Diôt D0 bị khóa, Tranzito phát quang dẫn, tụ C phóng điện qua Tranzito. c. Ưu nhược điểm của sơ đồ + Ưu điểm : - Không phải dùng máy biến áp đồng pha, nên việc chế tạo và nắp giáp đơn giản hơn, kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ. - Cách ly nguồn xoay chiều với mạch điều khiển. + Nhược điểm : - Việc mở khoá Tranzitor trong vùng điện áp lân cận không thiếu chính xác Nói chung các sơ đồ trên ít dùng do chất lượng điện áp tựa không tốt, do các linh kiện điện tử có sụt áp nhất định nên vùng biến thiên tuyến tính của điện áp tựa không phủ hết 1800. Do đó góc mở van bị giới hạn, tức là điện áp tải không điều chỉnh được từ 0 tới cực đại. Khâu đồng pha dùng khuếch đại thuật toán. a. Sơ đồ khâu : ura . . R2 . . R1 D Tr C + -AA R3 + - A B A1 A2 Hình 3.9. Sơ đồ khâu đồng pha dùng khuếch đại thuật toán b. Hoạt động của sơ đồ Nửa chu kỳ đầu điện thế ở A mang dấu dương “+”, qua khuếch đại thuật toán A1 một chuỗi xung hình chữ nhật UB qua Diốt D tới khuếch đại thuật toán A2 tích phân thành điện áp răng cưa Urc, do Tranzito phân cực ngược nên tụ C nạp điện áp. Nửa chu kỳ sau, điện thế ở A đổi dấu, lúc này thế ở A mang dấu âm “-“ dòng điện qua khuếch đại thuật toán A1, Diốt D lúc này bị phân cực ngược nên bị khóa không cho dòng chạy qua. Tranzito mở, làm ngắn mạch khuếch đại thuật toán A2 và tụ C, tụ C xả năng lượng qua Tranzito, nên điện áp răng cưa hạ về không trong vùng điện áp UB âm. Như vậy ở đầu ra của khuếch đại thuật toán A2 chúng ta thu được các xung điện áp răng cưa Urc. Hình 3.10. Sơ đồ tín hiệu điện áp ra của khâu đồng pha dùng khuếch đại thuật toán t t 0 0 U t Ung 0 t UA UB Ura 0 c. Ưu điểm của sơ đồ: - Tác động nhanh, các sườn xung răng cưa dốc, độ chính xác cao. - Cho chất lượng điện áp tốt. Kết luận: Qua phân tích một số sơ đồ tạo xung răng cưa, ta thấy nếu chọn sơ đồ dùng Tranzito và tụ,và sơ đồ đồng pha dùng bộ ghép quang thì việc mở, khoá Tranzito không được chính xác tại vùng điện áp không và việc xả, nạp của tụ C trong vùng này không được như ý muốn nên chúng ta không chọn. Vậy với sơ đồ đồng pha dùng khuếch đại thuật toán có ưu điểm tác động nhanh, gọn nhẹ, độ chính xác cao nên được ứng dụng nhiều trong thiết kế mạch đồng pha. Chọn khâu so sánh. Để xác định được thời điểm cần mở tiristor chúng ta cần so sánh điện áp ra của khâu đồng pha Urc với điện áp điều khiển Uđk. Khi Uđk=Urc thì phát xung điều khiển mở transitor. Các khâu so sánh thông dụng là: Khâu so sánh thực hiện bằng Tranzitor. a. Sơ đồ khâu : . . ura . . R2 R3 D Tr R1 Hình.3.11. Sơ đồ so sánh dùng Transistor a) . .E q1 q2 q3 q4 Urc Uđk 0 Ura t t 0 Hình.3.12. Điện áp ra so sánh dùng Transistor Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: Để xác định góc mở của Tiristor, chúng ta cần so sánh hai tín hiệu Uđk và Urc, việc so sánh hai tín hiệu có thể thực hiện bằng Tranzito Khi hai điện áp tựa răng cưa Urc và điện áp điều khiển Uđk đưa vào cực Bazơ của Tranzito cùng cực tính dương thì Diốt D cho dòng qua, Tranzito bị khoá lại. Khi điện áp răng cưa đổi chiều và tăng giá trị lớn hơn thì Tranzito Tr dẫn còn Diốt D bị khoá lại lúc đó điện áp ra Ura = 0. Như vậy Tranzito sẽ mở hoặc khoá lại theo tín hiệu so sánh. Khi điện áp răng cưa bằng điện áp điều khiển (Urc = Uđk), Tranzitor lật trạng thái từ khoá sang mở, (hoặc từ mở sang khoá), làm điện áp cũng lật trạng thái, thì ta nhận được một xung ra (xung điều khiển, khi Tranzito mở). c. Ưu nhược điểm của khâu. Ưu điểm : Sơ đồ đơn giản, dễ ghép mạch. Nhược điểm: Hiệu đại số có một vùng điện áp nhỏ cỡ mV, làm cho Tranzito không làm việc ở chế độ đóng cắt như mong muốn, làm thời điểm mở Tiristor bị lệch khá xa so với điểm cần mở tại thời điểm Uđk = Urc. Khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán. a. Sơ đồ khâu. ura Hình 3.13.Sơ đồ tạo so sánh khác dấu dùng khuếch đại thuật toán . . . . R2 . R1 - + +E -E Uđk Urc U t 0 0 t q1 q2 q3 q4 Uđk Urc Ura Hình 3.14. Sơ đồ tín hiệu ra khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán b. Hoạt động của sơ đồ: Điện áp tựa răng cưa Urc được so sánh với điện áp điều khiển Uđk tại đầu vào của khuếch đại thuật toán. Tổng đại số của điện áp tựa răng cưa Urc và điện áp điều khiển Uđk quyết định dấu điện áp ra của khuếch đại thuật toán. Khi thì điện áp ra Ura 0). Khi thì điện áp ra Ura > 0. (Uđk > 0, Urc < 0). Độ rộng xung bắt đầu từ lúc Uđk = Urc đi đến cuối bán kỳ của điện áp dương Anôd của Tiristor. - So sánh hai tín hiệu cùng dấu.. . . . R1 - + +E -E Urc Uđk . Ura Hình.3.15. Sơ đồ tạo so sánh cùng dấu dấu dùng khuếch đại thuật toán R2 Trong sơ đồ sơ này ta thấy khi điện áp điều khiển Uđk giảm thì góc mở a nhỏ tức là điện áp ra trên ‎tải lớn. Quan hệ giữa điện áp điều khiển và điện áp tải là quan hệ ngược, không phù hợp với quy luật điều khiển thuận chiều. Do đó người ta thường dùng thêm một điện áp dương Udc để dịch điện áp răng cưa Urc phía trên trục hoành, ta có giản đồ điện áp ra như sau: Hình.3.16. Sơ đồ so sánh hai tín hiệu khác dấu có điện áp Udc dùng khuếch đại thuật toán. ura . . . R2 . R1 - + +E -E Uđk Urc R3 Udc 0 0 t q1 q2 q3 q4 Uđk Urc Ura t Khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại vô cùng lớn. Chỉ cần một thay đổi nhỏ của tín hiệu vào (cỡ mV) thì ở đầu ra sẽ có điện áp thay đổi lớn. Nên việc chọn khuếch đại thuật toán làm khâu so sánh là hợp lý nhất. Kết luận: Sơ đồ so sánh dùng khuếch đại thuật toán có ưu điểm hơn là dùng Tranzito: có độ nhạy cao, cho điện áp ra nhảy cấp thẳng đứng, độ chính xác cao, ổn định nhiệt, tín hiệu ra không bị méo. Nên trong sơ đồ mạch điều khiển ta chọn bộ so sánh dùng khuếch đại thuật toán. 3.5.3. Chọn sơ đồ khuếch đại tạo xung. Nhiệm vụ của khâu khuếch đại tạo xung là tạo ra xung có độ rộng vừa phải, khuếch đại cho xung có đủ biên độ cần thiết để mở Tiristor. Đầu vào của khâu này lấy từ khâu so sánh có dạng xung vuông, có độ rộng xung lớn. Nó làm phát nóng tầng khuếch đại, tầng khuếch đại được thực hiện bằng các Tranzito. Như vậy sẽ xuất hiện điểm trôi tại điểm 0, làm cho khâu khuếch đại mất ổn định, hơn nữa làm bão hoà máy biến áp xung. Như vậy trước khi đưa tín hiệu vào tầng khuếch đại phải đưa tín hiệu vào khâu tạo xung. 1. Tầng khuếch đại được thiết kế bằng Tranzitor công suất. a. Sơ đồ động lực: Hình.3.17. Sơ đồ khuếch đại bằng Tranzitor công suất . . R D1 Tr D2 .E b. Hoạt động của sơ đồ: Khi có điện áp từ khâu so sánh đưa sang, Tranzitor sẽ mở thông (Tranzitor phân cực thuận) và có dòng chạy qua cuộn sơ cấp của máy biến áp xung, cảm ứng sang cuộn thứ cấp một sức điện động bằng điện áp nguồn +E, sinh ra một dòng điện mở Tiristor. Lúc đó dòng điện có giá trị: ic = E/R. Dòng ic tăng dần về 0, dòng ic cảm ứng sang thứ cấp dưới dạng xung điều khiển. Với loại sơ đồ này thì dòng điều khiển không lớn lắm. Diốt D1 bảo vệ Tranzitor và cuộn sơ cấp của máy biến áp xung khi Tranzitor khoá đột ngột. Máy biến áp xung dùng để tạo ra xung có dạng kim gửi tới Tiristor. c. Ưu nhược điểm. + Ưu điểm: Mạch đơn giản. + Nhược điểm: Hệ số khuếch đại không đủ lớn để khuếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang nên sơ đồ này không được sử dụng rộng rãi. Tầng khuếch đại tạo xung bằng sơ đồ Darlingtơn a. Sơ đồ khuếch đại .E Hình 3.18. Sơ đồ Darlingtơn . Tr1 D2 D1 R . Tr2 b. Hoạt động của sơ đồ Tranzito Tr1 làm việc ở chế độ khuếch đại, còn Tranzito Tr2 làm việc ở chế độ tạo xung. Khi có xung nhọn đặt vào cực Bazơ của Tranzito Tr2, một xung điện áp dương làm Tranzito Tr2 bão hoà. Cuộn sơ cấp của biến áp xung cho dòng đi qua làm cảm ứng sang cuộn thứ cấp, Biến áp xung tạo ra xung có sườn trước dốc thẳng đứng, quá trình tạo đỉnh xung là nguồn điện một chiều +E cấp cho cuộn sơ cấp của biến áp xung làm từ thông F trong biến áp xung bão hoà. Khi có xung âm từ khâu so sánh đặt vào cực Bazơ của Tranzito Tr1, thì Tr1 bị khoá làm cho Tranzito Tr2 khoá theo, kết thúc quá trình phát xung cho Tiristor. Trong các tầng khuếch đại cuối cùng có mắc biến áp xung với mục đích: - Dễ dàng tạo ra biên độ xung phù hợp với yêu cầu. - Cách ly về điện giữa mạch điều khiển và mạch động lực. - Dễ dàng thay đổi cực tính của xung ra. - Dễ tạo lập mạch phản hồi. - Dễ phân bổ các xung đi tới các kênh điều khiển. Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé khoảng 10 ÷ 200ms, mà thời gian mở thông các Tranzito công suất dài (tối đa là một nửa chu kỳ cho tới 0,01ms), làm cho công suất toả nhiệt dư của Tranzito quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp của biến áp xung dư lớn. Để giảm nhỏ công suất toả nhịêt của Tranzito và kích thước dây quấn sơ cấp của máy biến áp xung chúng ta mắc thêm tụ C để lối tầng. Sơ đồ này Tranzito chỉ cho dòng chạy qua trong thời gian tụ C nạp, dòng hiệu dụng bé, Diốt D có tác dụng lọc bớt phần âm. 3.5.4. Lựa chọn sơ đồ các khâu và hoàn chỉnh sơ đồ mạch điều khiển Chọn mạch điều khiển cho sơ đồ chỉnh lưu cầu không đối xứng nên chúng ta chọn khâu đồng pha dùng khuếch đại thuật toán, khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán (so sánh không cùng dấu) và khâu tạo xung dùng hai Tranzito mắc theo kiểu Darlingtơn có tụ nối tầng để khuếch đại tín hiệu. 1. Sơ đồ mạch điều khiển Hình 3.19. Tín hiệu ra của các khâu trong mạch điều khiển t t t t t t t UC UB UA UC+ Udc 0 t1 t2 t3 t4 Uđk UD Xđk Ud 2. Giải thích hoạt động của mạch điều khiển. Điện áp đặt vào điểm A(UA) có dạng hình sin, có pha trùng với pha của điện áp đặt vào cực Anôd của Tiristor. Điện áp UA đi qua R1 để giảm dòng đến tầng khuếch đại thuật toán A1 mắc theo kiểu không tải cho điện áp ra ở B (UB) là một chuỗi xung hình chữ nhật đối xứng. Phần điện áp dương của UB qua Diốt D1 tới khâu tích phân gồm tụ C1, R3 và khuếch đại thuật toán A2 tạo ra điện áp răng cưa ở đầu ra UC. Điện áp răng cưa uRC được xác định theo công thức: Trong đó: nên Q0: Trị số điện tích trên tụ tại thời điểm bắt đầu lấy tích phân. Trong trường hợp này do UB = const trong khoảng thời gian lấy tích phân nên . Vậy . Khi UB mang giá trị âm, Tranzito Tr1 mở thông, Diốt D1 bị khoá lại, kết quả là tụ C1 xả năng lượng hết cho lần tiếp theo và khuếch đại thuật toán A2 bị ngắn mạch, lúc này điện áp tựa răng cưa Urc = 0 trong khoảng thời gian UB âm. Như vậy ở đầu ra của khuếch đại thuật toán A2 ta thu được điện áp răng cưa bị gián đoạn và mang giá trị âm. Điện áp răng cưa sau khi được tạo ra ở C được địên trở R7 và R8 nâng lên thêm một điện áp Udc để kéo Urc lên phần dương, còn điện trở R5 và biến trở R10 có nhiệm vụ điều chỉnh điện áp điều khiển Uđk để thay đổi góc mở a. Điện áp Urc + Udc = Urc’ được so sánh với điện áp điều khiển Uđk tại đầu vào của khuếch đại thuật toán A3. Tổng đại số Urc’ + Uđk quyết định dấu của điện áp ra của khuếch đại thuật toán A3 ở vị trí D. Trong khoảng thời gian từ 0 ÷ t1 thì (Urc > 0, Uđk 0) làm cho điện áp UD lật lên dương. Do điện áp Urc’ là tuần hoàn lên trong các khoảng thời gian tiếp theo cũng tương tự. Phần dương của điện áp UD ở đầu ra của bộ so sánh qua C2 và R9 tạo ra xung điều khiển hình kim, được xác định theo công thức: , xung điều khiển này qua R6 để giảm dòng rồi đưa tới tầng khuếch đại cuối cùng. Điện áp Ud sẽ xuất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển trong phần điện áp dương đặt vào Anôd của Tiristor, cho tới cuối bán kỳ điện áp dương. 3.6. Tính toán các thông số mạch điều khiển + Điện áp điều khiển Tiristor: Uđk = 3 (V) + Dòng điện điều khiển Tiristor: Iđk = 150 (mA) + Thời gian mở Tiristor: tm = 100 (mS) + Độ rộng xung điều khiển: tx = 2,5tm = 250 (mS) + Tần số xung điều khiển: fx = 1/2tx = 2 (kHz) + độ mất đối xứng cho phép Da = 40 + Mức sụt biên độ xung: Sx = 0,15 Bảng 3.1.Các thông số về yêu cầu mở xung tiristor Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuếch đại ngược trở lên. Công suất cho tầng khuếch đại để tính chính là thông số của cực điều khiển Tiristor. Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển: Tính toán biến áp xung. Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên đặc tính từ hoá: có từ cảm , không có khe hở không khí. Tỉ số biến áp xung, thường lấy m = 2 ¸ 3, ta chọn m = 3. Điện áp thứ cấp của máy biến áp xung: U2= Uđk = 3 (V) Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp của máy biến áp xung: U1 = m.U2 = 3.3 = 9 (V). Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Iđk = 0,15 (A). Dòng điện sơ cấp biến áp xung: Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: Trong đó: : là độ từ thẩm của không khí. - Thể tích của lõi thép: . chọn thể tích: V=2,132 (cm3) - Sơ đồ hình chiếu của biến áp xung: A = 4 (mm); b = 6,5 (mm); Q = a.b = 0,26 (cm2); D = 22 (mm); D =30 (mm). Chiều dài trung bình của mạch từ: l =8,2 (cm) d D b a Hình 3.20. Sơ đồ hình chiếu của biến áp xung +) Số vòng dây sơ cấp của biến áp xung. Theo định luật cảm ứng điện từ: (vòng) Chọn 289 (vòng) +) Số vòng dây ở cuộn thứ cấp của biến áp xung: (vòng). +) Tiết diện dây dẫn sơ cấp: (mm2). Chọn mật độ dòng điện cho cuộn thứ cấp J1= 6(A/mm2) Chuẩn hoá tiết diện lấy: S1= 0,095 (mm2) có kể cách điện. +) Đường kính dây quấn sơ cấp: (mm). Chọn d1= 0,11(mm). Đường kính dây kể cả cách điện d1cđ = 0,13 (mm). +) Tiết diện dây quấn thứ cấp biến áp xung: (mm2). Chọn mật độ dòng điện J2 = 4 (A/mm2). +) Đường kính dây quấn thứ cấp: (mm). Chọn d2= 0,23(mm). Đường kính dây kể cả cách điện: d2cđ = 0,255 (mm). +) Kiểm tra lại hệ số lấp đầy: Kết luận: cửa sổ đủ diện tích cần thiết. Tính các thông số của tầng khuếch đại cuối cùng: - Chọn Tranzito công suất Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số sau: Tranzito loại NPN, vật liệu bán dẫn Si. Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emitơ: UCBO = 40 (V). Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO = 4 (V). Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu được: ICmax = 500 (mA). Công suất tiêu tán ở Colecto: PC = 1,7 (W). Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1 = 1750C. Hệ số khếch đại: Dòng điện làm việc của Colecto: IC3 = I1 = 50 (mA). Dòng điện làm việc của Bazơ: - Ta thấy rằng với loại Tiristor đã chọn có công suất khá nhỏ: Uđk =3 (V); Iđk = 0,15 (A) lên dòng Colecto - Bazơ của Tranzito Tr3 bé. Trong trường hợp này ta có thể không cần Tranzito Tr2 mà vẫn đủ công suất điều khiển Tiristor. - Chọn nguồn cung cấp cho biến áp xung: E = +12 (V); có kể đến sụt áp trong cuộn dây của biến áp xung. - Tất cả Diốt sử dụng trong mạch điều khiển dùng loại 1N4009 có các tham số sau: Dòng điện định mức: Iđm = 10 (A). Điện áp ngược lớn nhất: UN = 25 (V). Điện áp cho điốt mở thông: Um = 1 (V). - Chọn R6, R9 và tụ C2. Chọn: Chọn tụ: thì điện trở Chọn R9 =11,5 (KW) Điện trở R6 đưa vào tầng khuyếch đại, dùng để giảm dòng điện đưa vào cực vào Bazơ Tr3, chọn : (kW). Trong đó: Uv: là điện áp bằng với điện áp ra của tầng so sánh, lấy (V) (lấy khi khuếch đại thuật toán A3 gần bão hoà); IB3: dòng qua cực Bazơ của Tranzito Tr3: IB3 =1 (mA). Vậy chọn R6 = 10 (kW). Chọn IC thuật toán. Mỗi kênh điều khiển dùng 3 khuếch đại thuật toán, do đó toàn bộ mạch điều khiển ta chọn 3 IC loại TL084, mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán. Thông số của IC TL084: Điện áp nguồn nuôi: ; chọn Hiệu điện thế hai đầu vào: . Nhiệt độ làm việc: . Công suất tiêu thụ: P = 680 (mW) = 0,68 (W). Tổng trở đầu vào: Rv = 106 (mW). Dòng điện đầu ra: Ira = 30 (pA). Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: (V/mS). Sơ đồ chân IC TL084: Tính chọn bộ so sánh. Khuếch đại thuật toán IC đã chọn là: ICTL084. Chọn Trong đó: Uv: Điện áp lấy từ khâu đồng pha chọn: . Dòng điện vào khâu so sánh bị hạn chế: . Do đó chọn: . Khi đó dòng điện vào A3 lớn nhất: . Tính chọn khâu đồng pha. Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1, để đảm bảo điện áp tựa có trong chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian nạp tụ: T = R3.C1 = 0,01 (s). Chọn tụ: C1 = 0,1 (mF) thì: . Chọn: . Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi nắp ráp mạch, R3 thường chọn là biến trở lớn hơn 100 (kW). Chọn Tranzito Tr1 loại A564 có các thông số: Tranzito loại PNP, làm bằng Si. Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emitơ: UCBO= 25(v) Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO= 7(v) Dòng điện lớn nhất ở colecto có thể chịu được: Iemax= 100 (mA) Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: Tcp=1500C. Hệ số khếch đại: Dòng cực đại của Bazơ: Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào vào cực Bazơ của Tranzito Tr1, R2 được chọn như sau: Chọn R2 sao cho: . Chọn R2 = 30 (kW). Chọn điện áp xoay chiều đồng pha UA = 9 (V). Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán A1, thường chọn R1 sao cho dòng điện vào khuếch đại thuật toán nhỏ hơn 1(mA). Do đó: . Chọn R1 =10 (kW).