Đồ án Thiết kế bộ cung cấp nguồn liên tục ups, phần chỉnh lưu với các thông sô

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN : THIẾT KẾ BỘ CUNG CẤP NGUỒN LIÊN TỤC UPS, PHẦN CHỈNH LƯU VỚI CÁC THÔNG SÔ : - Điện áp nguồn 3.380 - Công suất :15KVA - Tần số ra 50hz Mục lục Lời nói đầu………………………………………………………………2 Chương 1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ………………………3 1.Khái niệm về UPS …………..3 2. Phân loại UPS …………………………………………...4 3.Các thành phần của UPS………………………………………6 4.Nhiệm vụ và yêu cầu kĩ thuật đối với bộ chỉnh lưu…………...7 Chương 2 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN…………….8 I.Giới thiệu các phương án………………………………………...8 II.Kết luận và lựa chọn………………………………………….... Chương 3 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC…………. I.Thiết kế mạch lực……………………………………………….. II.Tính toán mạch lực…………………………………………….. III.Tính chọn van và bảo vệ van…………………………………. IV.Chọn các thiết bị khác………………………………………… Chương 4 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN.. I.Yêu cầu đối với mạch điều khiển……………………………….. II.Nhiệm vụ của mạch điều khiển………………………………… III.THiết kế mạch điều khiển……………………………………… IV.Tính toán mạch điều khiển…………………………………….. Bảng thông số các linh kiện dùng trong thiết kế ……………………. Mô phỏng………………………………………………………………... Kết luận …………………………………………………………………. Tài liệu tham khảo……………………………………………………… Lời nói đầu Ngày nay trong các nhà máy công nghiệp hiện đại ,các thiết bị điện tử công suất ngáy càng được sử dụng nhiều.Việc thay thế các phần tử động có tiếp điểm và kích thước lớn bằng các phần tử tĩnh không có tiếp điểm,kích thước nhỏ,công suất lớn đã làm cho các thiết bị máy móc công nghiệp phát triển lên một tầm cao mới . Đó là nhiêm vụ của điện tử công suất. Sinh viên nghành tự động hoá không thể không biết về điện tử công suất nên việc học điên tử công suất là hết sức cần thiết.Trong quá trình học tập ở trên lớp do thời gian có hạn nên không thể tìm hiểu được nhièu về môn học quan trọng này,chính vì vậy làm đồ án môn học sẽ đã chúng em hiểu thêm được rấ nhiều về môn học cũng như các bài toán thực tế. Trong quá trình làm đồ án này em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn: . Thầy đã giúp đỡ và hướng dẫn rất tận tình giúp em hoàn thành được đồ án này. Mặc dù em đã cố gắng rất nhiều ,song không thể tránh khỏi thiếu sót và sai lầm nhất định.Em rất mọng nhận được sự góp ý và chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong bộ môn.Em xin trân thành cảm ơn. Hà Nội ngày 20 tháng 5 năm 2006 Sinh viên thực hiện Trần Văn Dũng CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN LIÊN TỤC UPS 1.Khái niệm về UPS và các ứng dụng của UPS trong thực tế: UPS (Uninterruptible Power System) là thiết bị cung cấp điện năng cho phụ tải một cách liên tục. Khi mạng điện lưới hoạt động bình thường thì UPS dựa vào điện năng mạng lưới, thông qua bộ biến đổi và điều tiết cung cấp điện xoay chiều cho phụ tải một cách ổn định, ít can nhiễu. Khi điện lưới bị mất, UPS sử dụng điện năng tích trữ trong ắcquy, thông qua bộ nghịch biến (invertor, có tài liệu gọi là bộ đảo điện) để cung cấp điện năng xoay chiều cho phụ tải một cách liên tục. Ứng dụng của UPS: UPS được sử dụng ở những nơi đòi hỏi phải được cung cấp điện một cách liên tục như: Các hệ thống máy tính công nghiêp ( hệ thống điều khiển số , điều khiển giám sát ,rô bốt ), hệ thống vô tuyến viễn thông ( tổng đài điện thoại , hệ thống ra đa quân sự ) ,hệ thống chiếu sáng (trong đường hầm ,sân bay , toà nhà công cộng ),trong y tế và công nghiệp … Trong mạng lưới điện có rất nhiều nguyên nhân có thể gây mất điện đột xuất như:sét đánh vào đường dây,vào trạm phân phối điện,máy phát điện;Cành cây rơi vào gây ngắn mạch và đứt dây;Sự hư hỏng trong hệ thống cung cấp;… Và yêu cầu đặt ra là tải phải được cung cấp một cách liên tục nếu gián đoạn sẽ dẫn đến những hậu quả không thể lường trước được do đó dẫn đến sự ra đời của bộ cung cấp nguồn liên tục UPS. 1 Phân loại UPS: Từ yêu cầu của các thiết bị về mức độ nguồn điện liên tục và chất lượng, UPS được phân thành các dòng sản phẩm chính về công nghệ như sau:UPS Offline đơn thuần, UPS Offline công nghệ Line-interactive, UPS Online, UPS tĩnh, UPS quay. a, UPS ofline ~ = = ~ = F acquy chỉnh lưu/nạp nghịch lưu Lọc Tải Trong quá trình vận hành bình thường ,nguồn lưới cung cấp trực tiếp cho tải thong qua bộ lọc F mà không qua nghịch lưu. Không đáp ứng được với các phụ tải như:các trung tâm máy tính,tổng đài điện thoại,và không điều chỉnh được tần số. b,UPS online: ~ = = ~ acquy chỉnh lưu/nạp Nghịch lưu TẢI Hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi kép: từ AC sang DC sau đó chuyển ngược DC sang AC. Do đó nguồn điện cung cấp cho tải hoàn toàn do UPS tạo ra đảm bảo ổn định cả về điện áp và tần số. Điều này làm cho các thiết bị được cung cấp điện bởi UPS hầu như cách ly hoàn toàn với sự thay đổi của lưới điện. Vì vậy, nguồn do UPS online tạo ra là nguồn điện sạch (lọc hầu hết các sự cố trên lưới điện), chống nhiễu hoàn toàn. Điện áp ra hoàn toàn hình SIN. c,UPS tĩnh: Sử dụng những bộ chuyển đổi tĩnh thực hiện chức năng nghịch lưu. ~ = = ~ acquy HTCC1 HTCC2 Chỉnh lưu/nạp nghịch lưu tải d, HTCC1 UPS quay:Dùng máy điện quay để thực hiện chức năng nghịch lưu.l ~ = ~ = acquy = ~ M G M G HTCC2 chỉnh lưu Bộ nạp nghịch lưu điều khiển chuyển mạch tĩnh 3.Các thành phần của UPS: Hệ thống cung cấp -HTCC1: Đường vào bình thường cung cấp cho Chỉnh lưu-nạp -HTCC2: Cung cấp cho chuyển mạch tĩnh,có tần số trùng HTCC1; HTCC2 có thể trùng HTCC1 Bộ chỉnh lưu-nạp Dùng để biến đổi áp xoay chiều thành 1 chiều để cung cấp cho bộ chỉnh lưu và nạp ắcquy. Ắc quy -Là nguồn dự trữ năng lượng điện cung cấp cho bộ nghịch lưu khi mất điện hoặc chất lượng điện suy giảm. d)Bộ Nghịch lưu - Nghịch lưu từ một chiều sang xoay chiều từ bộ Chỉnh Lưu hoặc ắcquy với tần số xác định. e)Chuyển mạch tĩnh -Chuyển tải của UPS từ bộ Nghịch lưu sang HTCC2 mà không làm gián đoạn cung cấp điện cho tải. Việc này xảy ra khi Nghịch lưu ngừng hoạt động hoặc bảo dưỡng UPS. 4.Nhiệm vụ và yêu cầu kĩ thụât đối với bộ chỉnh lưu: Nhiệm vụ:Biến điện áp từ xoay chiều sang một chiều để: Cung cấp cho nghịch lưu Nạp thường trực cho acquy Yêu cầu kĩ thuật: Điện áp nguồn:3.380 VAC; tần số:f=50hz Công suất: 15KVA Thời gian lưu điện 10 phút. CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 1.Giới thiệu các phương án: Xuất phát từ yêu cầu của đề bài là biến đổi điện áp từ điện áp xoay chiều sang điện áp 1 chiều thì ta có thể sử dụng nhiều phương án khác nhau bao gồm chỉnh lưu có điều khiển hoặc không điều khiển,tuy nhiên do yêu cầu cung cấp điện nên ta lựa chọn các phương án sau: 1.1 Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng: Giá trị trung bình của điện áp trên tải Giá trị trung bình của dòng điện qua tải: Giá trị trung bình của dòng chạy qua 1 Tiristor là: Giá trị điện áp ngược mà Tiristor phải chịu GIá trị dòng thứ cấp máy biến áp: I2=1,11Id Công suất biến áp c.Nhận xét Ưu điểm : Chỉnh lưu cầu được sử dụng rộng rãi trong thực tế nhất là với điện áp từ 10V trở nên,dòng tải có thể lên tới một trăm ampe.Một ưu điểm của nó so với chỉnh lưu hình tia la không cần dùng biến áp nguồn và 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 diện áp và công suất trên van sẽ lớn. Sơ đồ cầu một pha hợp với những tải vừa và nhỏ 1.2 Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha hình tia: Giá trị trung bình của điện áp trên tải Giá trị trung bình của dòng chạy qua tảI là: Giá trị trung bình của dòng chạy qua 1 Tiristor là: Giá trị điện áp ngược mà Tiristor phải chịu GIá trị dòng thứ cấp máy biến áp: I2=0,58Id Công suất biến áp Ưu và nhược điểm của chỉnh lưu tia 3 pha Ưu điểm : so với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp một chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn. Nhược điểm : sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp ra tải chưa thật tốt lắm, khi cần chất lượng điện áp ra tốt hơn thì dùng sơ đồ nhiều pha hơn. 3.Chỉnh lưu điều khiển đối xứng sơ đồ cầu 3 pha Sơ đồ gồm 6 Tiristor được chia làm hai nhóm: Nhóm Katot chung : T1, T3, T5 Nhóm Anot chung : T2, T4, T6 Góc mở a được tính từ giao điểm của các nửa hình sin Giá trị trung bình của điện áp trên tải Giá trị trung bình của dòng điẹn qua tải Giá trị trung bình của dòng chạy qua 1 Tiristor là: Giá trị điện áp ngược mà Tiristor phải chịu GIá trị dòng thứ cấp máy biến áp: I2=0,816Id Công suất biến áp Nhận xét : Ưu điểm: Cho phép ta đấu thẳng vào lưới điện ba pha. Số lần đập mạch lớn n=6 lần, độ đập mạch rất nhỏ. Nếu sử dụng máy biến áp thì công suất cũng chỉ xấp xỉ công suất tải,đồng thời gây méo lưới điện ít hơn so với các sơ đồ chỉnh lưu khác,do đo sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha được ứng dụng nhiều trong thực tế với dải công suất rộng từ nhỏ đến hàng nghìn kW. Nhược điểm: Sụt áp trên van gấp đôi so với sơ đò hình tia cùng loại vì luôn có hai van dẫn để đưa dòng tải nên sẽ không phù hợp với cấp điện áp tải dưới 10V. 4.Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển: Sơ đồ nguyên lý: Trong sơ đò này ta sử dụng 3 tiristor ở nhóm katot chugn và 3 diode ở nhóm anot chung Giá trị chung bình điện áp ra trên tải là Ud=Ud1+Ud2 Với: Ud1 là thành phần điện áp do nhóm katot chung tạo ra Ud2 là thành phần điện áp do nhóm Anot chugn tạo ra. Ud1=32π7π/6-α11π6-α2 U2 sinϴdϴ=36 U2.cosα2π Ud2=32ππ/65π62 U2 sinϴdϴ=36 U22π Vậy Ud= 36 U2.(1+cosα)2π. Giá trị điện áp ngược mà tiristor phải chịu là Ungmax=6 U2=π3.Udmax Giá trị trung binhfcuar dòng chảy trong tiristor và diode Itbv=Idiode= Id3 Công suất máy biến áp Sba= π3.Udmax.Idmax Dường đặc tính biểu diễn : Nhận xét : Sơ đồ cầu bán điều khiển có đầy đủ các tính chát của sơ đồ cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn Ngoài ra sơ đò cầu 3 pha bán diều khiển còn có ưu điểm : -kích thước nhỏ gọn và mạch điều khiên đơn giản hơn. -Đơn giản về cả mạch lực và mạch điều khiển. -Cho phép đấu trực tiếp mạch điều khiển với mạch lực khi các thiristor chung katot; -Giá thành rẻ hơn -Tiết kiệm năng lượng hơn (hệ số cosφ cao hơn chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn).Điều này là do có những giai đoạn dòng tải sẽ chảy quẩn qua hai van mắc thẳng hàng mà không về nguồn,tức là năng lượng được giữ lại trong tải mà không mất về nguồn. Kết luận : Qua việc phân tích ưu nhược điểm của các sơ đồ chỉnh lưu như trên ta thấy sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển đáp ứng được yêu cầu đặt ra về chất lượng điện áp,hơn thê nũa vì nguồn ở đây là nguồn 3 pha nên ưu tiên sơ đồ cầu 3 pha,do chỉ sử dụng 3 thiristor nên giá thành giảm, thiết kế đơn giản,tổn hao nhỏ. Do đó ta lựa chọn sơ đồ :”Chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển” CHƯƠNG2: TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC 2.1 TÍNH TOÁN CHỌN CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐỘNG LỰC 2.1.1 TÍNH TOÁN CHỌN VAN MẠCH LỰC Khi cần tính toán chọn van mạch lực cho chỉnh lưu thì ta phải quan tâm tới 2 yếu tố quan trọng là điện áp và dòng điện.Dòng điện mà ta quan tâm ở đây là trị số dòng trung bình hay dòng lớn nhất chảy qua van,còn về điện áp thì ta quan tâm đến điện áp ngược tối đa đặt lên van trong quá trình làm việc. 1,Chọn van theo chỉ tiêu điện áp ngược: Van được chọn phải thỏa mãn điều kiện sau : Uv>Kuv *Ungmax Trong đó Kuv là hệ số đự trữ cho van,thương lấy trong khoảng từ 1.7>2.2 do thực tế điện áp lưới không ổn định,mặt khác có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến lưới điện,ở đây ta chọn Kuv=2 . Ta có Ungmax=6 *U2 =2.45*U2 Ta chọn góc điều khiển α=30 và do chọn phương án đấu thẳng mạch chỉnh lưu vào lưới điện nên có được U2=220V vì vậy ta tính được : Ungmax=2.45*220=539 V. Do đó Uv > 2*539=1078 V. Như vậy điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode va thiristor là 1078V. 2, Chọn van theo chỉ tiêu dòng làm việc: Iv>Klv*Itbv với Ittbv là odngf trung bình chảy qua van và Klv là hệ số dự trữ dòng qua van. Điện áp chỉnh lưu với sơ đồ cầu ba pha bán điều khiển Ud= 36 U2.(1+cosα)2π = 36 *220.(1+cos 30)2π =480 V. Dòng điện chỉnh lưu Id= PdUd = 15000480 =31,25 A. Ở đây ta chọn hiệu suất làm việc đạt 100% để tính dòng cực đại. Do các van đều dẫn trong khoảng 1/3 chu kì nên dòng trung bình qua van là : Itbtiris=Itbdio= Id3 ≈11 A. Mặt khác ta có Klx= 1.5 ÷ 2 ta chọn Klv= 2 do đó Dong làm việc qua thiristor và diode lần lượt là Itiristor=Idiode= 22 A. Dựa vào 2 thông số điện áp nguộc và dòng điện qua tiristor ta chọn được tiristor có kí hiệu SC20C120 với các thông số của van được chọn như sau : Un max (V) Idm max(A) Ipik max(A) Ig max(A) Ug max(V) Ith max(A) Itr max(A) ΔU max(V) dU/dt Tmax 1200 25 370 0.1 3 100m 5m 1.8 300 125 Diode mà ta chọn thỏa mãn yêu cầu là loại ARS257 với các thông số như sau Un max (V) Idm max(A) Ipik max(A) ΔU max(V) Ith max(A) Itr max(A) Tmax 1200 25 100 1.8 380 5u 175 Trong đó : Un điện áp ngược cực đại Imax dòng điện cực đại Ipik Đỉnh dòng xung ΔU tổn hao điện áp ỏ trạng thái mở Ith dòng điện thử cực đại Ỉ Dòng điện rò ở nhiệt độ 25 độ Tcp nhiệt độ cho phép. Ở mạch chỉnh lưu này ta đã đấu thẳng mạch chỉnh lưu vào lưới điện nên không cần phải dùng máy biến áp, vì chỉ có mạch chỉnh lưu công suất lớn sẽ ảnh hưởng không tốt đến chỉ tiêu cosφ chung của lưới điện nhưng mạch này ta sử dụng với công suất không cao, nên việc không dùng máy biến áp là chấp nhận được . 2.1.2 TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ 1/ Bảo vệ quá dòng điện: Để bảo vệ ngắn mạch và quá tải về dòng điện ta dùng aptomat hoặc cầu chì .Nguyên tắc chọn các thiết bị này là chọn đòng điện ,với Ibv=(1,1>1,3)Ilv.Dòng bảo vệ ngắn mạch của aptomat không vượt quá dòng ngắn mạch của máy biến áp. Khi van làm việc thì dòng chạy qua van sẽ gây ra tổn hao dưới dạng nhiệt ΔP=ΔU*Idm làm nóng van gây hỏng hóc,do van chỉ làm việc ỏ nhiệt độ tói đa la Tcp do đó phai tìm cách bảo vệ van.Muốn bảo vệ quá nhiệt cho van thì phải chọn đung dòng điện qua van theo chế đọ là mát,phổ biến hieenjnaylaf dùng cánh tản nhiệt,diện tích cánh tản nhiệt được tính theo công thức sau: Stn =ΔP/(Ktn *TΔ) Trong đó Stn = diện tích bề mặt tản nhiệt [cm2] ∆P Tổn hao công suất [W] T∆ =Tlv –Tmt độ chênh nhiệt độ so với môi trường Ktn hệ số có xét tới điều kiện tản nhiệt trong điều kiện làm mát tự nhiên không có quat cưỡng bức thường chọn Ktn = (6 ÷10)*10-4 [W/cm2]. Tính toán cánh tản nhiệt cho Tiristor: Tổn hao công suất trên một Tiristor ∆P = ∆U*Ilv= 1.8*22 = 39.6 [W] Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv=80 T∆ = 80 – 40 = 40 ở đây ta chọn nhiệt độ môi trường bằng Tmt = 40oC Và hệ số Ktn=8 dẫn đến diện tích tản nhiệt tính được là: Stn = 39.6/(8*40) ≈ 0.124 [m2 ] = 0.124*100 = 12.4 cm2 Chọn cánh tản nhiệt có diện tổng diện tích toả nhiệt là 13 cm2 ta chọn van có 13 cánh tản nhiệt diện tích mỗi cánh là 1*1 (cm*cm) như vậy tổng diện tích tản nhiệt là 13 cm2 Tính toán tản nhiệt cho Diode: Ở đây giá trị Tcp của Diode vào khoảng 1750C Cách tính là tương tự như Tiristor thay số ta được chọn sụt áp trên Diode ∆U = 1.8 Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv=80 Stn = (22*1.8)/ [8*(80 – 40)] = 0.124 [m2] ≈ 12,5 cm2 Ta chọn van tản nhiệt có 6=13 cánh diện tích mỗi cánh là 1*1 (cm*cm) tổng diện tích toả nhiệt thu được vừa bằng 13 [cm2] 2/ Bảo vệ quá điện áp cho thiết bị bán dẫn: Các van bán dẫn rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp và những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới điện áp van bán dẫn đó là: điện áp đặt vào van vượt quá thông số của van Xung điện áp do chuyển mạch của van Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều do khi cắt tải có điện cảm trên đường dây Xung điện áp do cắt đột ngột máy biến áp non tải nhưng ở đây em không dùng máy biến áp nên không tính toán đến nguyên nhân này Như vậy trước hết ta phải chọn các van có trị số được chọn lớn hơn trị số tính được trường hợp không có van có điện áp lớn hơn ta mắc nối tiếp các van trong trường hợp này ta đã chọn được van nên không tính đến phương án này, để bảo vệ các van bán dẫn trong trường hợp xung điện áp do chuyển mạch của van ta dùng mạch R – C mắc song song với van bán dẫn sơ đồ đơn giản của loại này là: T1 C R Trị số của RC được chọn dựa trên thực nghiệm R=12.5Ω,C=4µF Để bảo vệ xung điện áp từ lưới ta mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R – C nhằm lọc xung , ~ C R C R C R 2.3/ TÍNH TOÁN ẮC QUY ĐÁP ỨNG CHO MẠCH KHI CÓ SỰ CỐ CỦA LƯỚI: Với công suất P=15KVA ,Thời gian lưu diện là 10’=1/6h. Trên thị trương thì acqui axit thông dụng và có chất lượng ổn định nên loại acqui ta sử dụng là acqui axit 12V có 6 ngăn mỗi ngăn 2V,khi acqui phóng đến ngưỡng điện áp thấp nhất là 1.8V/ngăn,diện áp của bình tới thiểu là 6*1.8=10.8 V. Số acqui tối thiểu là 480/10.8=45 bình.Điện áp một chiều tối thiểu là 10.8*45=486 V Ở chế dộ định mức điện áp sẽ là 12*45=540 (V). Dòng diện phóng của acqui là : Ip=P/U=28 (A) Dung lượng acqui là Att=Ip*t=28*1/6=4.7 Ah Như vậy ta có thẻ chọn loại 7,5 Ah. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI Để có thể mô phỏng sơ đồ ta có thể dùng nhiều phần mềm khác nhau như matlab ,psim ở đây em sử dụng phần mềm mô phỏng mạch psim.Sơ dồ mô phỏng : Kết quả mô phỏng như sau : CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.1/ Yêu cầu chung của mạch điều khiển: Mạch điều khiển phải thực hiện được các nhiệm vụ chính sau: Phát xung điều khiển (xung để mở van) đến các van theo đúng pha và với góc điều khiển cần thiết Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển αmin ÷ αmax tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải của mạch lực Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu như chế độ khởi động chế độ nghịch lưu, chế độ dòng liên tục hay gián đoạn Có độ đối xứng điều khiển tốt, không vượt quá 1º ÷ 3º điện tức là góc điều khiển với mọi van không vượt quá giá trị cho ở trên Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy cao khi lưới điện xoay chiều dao động về giá trị điện áp và tần số Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt độ tác động của mạch điều khiển nhanh < 1ms 4.2/ Cấu chúc của mạch điều khiển: Có hai hệ điều khiển cơ bản là hệ đồng bộ và hệ không đồng bộ a/ Hệ đồng bộ: Góc điều khiển mở van α luôn được xác định xuất phát từ một thời điểm cố định của điện áp mạch lực vì vậy trong mạch điều khiển (MĐK) có một khâu thực hiện nhiệm vụ này gọi là khâu đồng bộ hay khâu đồng pha để đảm bảo MĐK hoạt động theo nhịp của điện áp lực b/ Hệ không đồng bộ: Trong hệ này góc α không xác định theo điện áp lực mà tính dựa vào trạng thái của tải chỉnh lưu và vào gó điều khiển của lần phát xung mở van ngay trước đó dẫn đến MĐK này không cần khâu đồng bộ nhưng để bộ chỉnh lưu hoạt động bình thường bắt buộc phải thực hiện điều khiển theo mạch vòng kín không thể thực hiện với mạch hở So sánh hai hệ này ta thấy hệ đồng bộ có nhược điểm nhậy nhiễu lưới điện vì có khâu đồng bộ liên quan đến điện áp lực nhưng có ưu điểm hoạt động ổn định và dễ thực hiện ngược lại hệ không đồng bộ chống nhiễu lưới điện tốt hơn nhưng kém ổn định hiện nay đại đa số các mạch chỉnh lưu thực hiện theo hệ đồng bộ 4.3/ Nguyên tắc điều khiển trong hệ đồng bộ a/ Nguyên tắc điều khiển kiểu ngang sơ đồ cấu trúc như sau: Khâu đồng bộ thường tạo ra điện áp hình sin có góc lệch pha cố định so với điện áp lực.Khâu dịch pha có nhiệm vụ thay đổi góc pha của điện áp ra theo tác động của điện áp điều khiển Uđk.Xung điều khiển được tạo thành ở khâu tạo xung khi điện áp dịch pha qua điểm 0 xung này nhờ khâu khuyếch đại xung tăng đủ công suất để gửi tới cực điều khiển của van như vậy góc điều khiển α hay thời điểm phát xung mở van thay đổi được nhờ sự tác đông của Uđk làm điện áp dịch pha di chuyển theo chiều ngang của trục thời gian b/ Nguyên tắc điều khiển dọc: Ở đây Utựa tạo ra điện áp tựa có dạng cố định thường dạng dăng cưa đôi khi hình sin theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của hiệu điện thế đồng bộ, khâu so sánh xác định điểm cân bằng của hai điện áp tựa và điện áp điều khiển để phát động khâu tạo xung như vậy trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi do sự thay đổi trị số của Udk theo chiều dọc của trục biên độ đa số mạch điều khiển trong tực tế sử dụng nguyên tắc này 4.4/ Lựa chọn và tính toán các khâu của mạch điều khiển: a/ Khâu đồng bộ: Ta có một số khâu đồng bộ điển hình sau Hình đầu là sơ đồ đơn giản với số linh kiện ít song chất lượng điện áp tựa không tốt, độ dài của phần biến thiên tuyến tính của điện áp tựa không phủ hết 1800 do vậy điện áp tải không điều khiển được từ 0 tới cực đại mà từ một giá trị nào đó đến cực đại sơ đồ tiếp theo khắc phục được nhược điểm trên nhưng với sự ra đời của các linh kiện gép quang người ta có thể sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng bộ gép quang có sơ đồ như sau: Song cả ba sơ đồ trên đều có chung nhược điểm là việc mở và khoá các Tranzito trong vùng điện áp lận cận 0 là thiếu chính xác mặt khác ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều chất lượng càng tốt và lại khắc phục các nhược điểm trên ta dùng các khuyếch đại thuật toán (KĐTT) với sơ đồ mhư hình dưới đây . b/ Khâu so sánh: Để xác định thời điểm cần mở Tiristo chúng ta cần so sánh hai tín hiệu Uđk và Urc việc so sánh được thực hiện bằng Tranzito Tr vơi sơ đồ cho sau đây: Tại thời điểm Udk = Urc đầu vào của Tranzito lật trạng thái khoá sang mở hay ngược lại làm cho điện áp ra cũng bị lật trạng thái do vậy ta đánh dấu được thời điểm cần mở Tiristo song mức độ bão hoà của Tr phụ thuộc vào hiệu Uđk - Urc = Ub có giá trị cỡ vài mV do đó nhiều khi Tr không làm việc ở chế độ mong muốn Việc dùng khuyếch đại thuật toán ở khâu so sánh là hợp lý vì KĐTT có hệ số khuyếch đại vô cùng lớn chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ cỡ μV ở đầu vào thì đầu ra có điện áp nguồn nuôi các sơ đồ KĐTT sau rất thường găp trong sơ đồ mạch hiện nay: Ưu điểm của các sơ đồ này là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Udk = Urc c/ Khâu khuyếch đại xung: Tầng khuyếch đại cuối cùng được thiết kế bằng Tranzito công suất để có xung dạng kim gửi tới Tiristo ta dùng biến áp xung BAX để có khuyếch đại công suất ta dùng Tr, Diode D bảo vệ Tr và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi Tr khoá đột ngột dưới đây là sơ đồ Tranzito công suất Mặc dù có ưu điểm là đơn giản nhưng sơ đồ này không được dùng rộng rãi bởi lẽ hệ số khuyếch đại của Tranzito loại này nhièu khi không đủ lớn để khuyếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang Trong thực tế hay dùng sơ đồ Darlington cho dưới đây Hệ số khuyếch đại của sơ đồ này được nhân lên theo thông số các Tranzito sơ đồ này hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu về khuyếch đại công suất nhưng xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé cỡ 10 ÷ 200 μs mà thời gian mở các Tranzito 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 khắc phục điều này ta thêm tụ nối tầng và được sơ đồ như sau (trang bên) 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 . 4.5/ Sơ đồ nguyên lý toàn bộ của mạch điều khiển: Ở trên là toàn bộ mạch điều khiển với các khâu chọn như sau: Khâu đồng pha dùng khuyếch đại thuật toán (KĐTT) tiếp đến là khâu so sánh là cộng một cổng đảo của KĐTT sơ đồ khuyếch đại dùng sơ đồ có tụ nối tầng và cuối cùng là khâu tạo xung chùm ở đây ta chọn đa hài bằng KĐTT Kết quả mô phỏng thực hiện trên psim : Điện áp vào U1 hình sin khi qua KĐTT A1 cho ta điện áp dạng xung vuông Ub đối xứng phần áp dương của điện áp Ub qua diode tới KĐTT A2 tích phân thành điện áp tựa Urc điện áp âm của Ucn làm thông Tr1 kết quả là A2 bị ngắn mạch nên 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.Nếu Udk+Urc>0 thì điện áp sau OP3 la +Es,nếu Udk+Urc<0 thì điện áp sau OP3 là –Es.Sau đó điện áp Ud được đua qua khâu tích phân tạo thành xung kim và được đua dến biến áp xung,điều khiển đóng cắt van. 4.6/ Tính toán các thông số của mạch điều khiển: Mạch điều khiển được tính toán từ yêu cầu mở xung thiristor.Các thông số cơ bản để tính toán mạch điều khiển -Điện áp điều khiển thiristor: Udk= 3,0 V. -Đong điện ddieuf khiển tiristor : Idk=0.1A. Thời gian mở tiristor : Tm=80µs Độ rộng xung điều khiển là Tx=2*Tm=160µs tương dương với khoảng 3 độ. Tần số xung điều khiển la fx=3kHz. Độ mất đối xứng cho phép là Δα=4 độ. Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển là Udk= ± 12V. Mức độ sụt biên độ xung là Sx=0.15 1Tính toán biến áp xung: Chọn vật liệu sắt Ferit HM có đặc tính ∆B = 0.3 T còn ∆H = 30A/m không có khe hở không khí tỷ số biến áp xung chọn là m = 3 và lõi có dạng hình xuyến Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung bằng U2 = Uđk = 3 V như vậy điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung U1 = U2*3 = 9V dòng điện thứ cấp biến áp xung I2 = Iđk = 0.1 A dẫn đến dòng điện sơ cấp biến áp xung I1/3 = 0.1/3 = 0.033 A Độ từ thẩm trung bình của lõi sắt là: μtb = ∆B/(∆H*μ0) = 0.3/(30*1.25*10-6) = 8000 ở đây lấy μ0 = 1.25*10-6 (H/m) là độ từ thẩm của không khí Thể tích của lõi thép cần có là: V = Q*l = μtb*μ0*Tx*Sx*U1*I1/∆B2 ≈ 0.729*10-6 (m3) ở đây ta lấy Tx = 160 μs và Sx = 0.15.Tra Bảng ta được loại lõi hình trụ có kí hiệu là 1811 (đường kính trong là 11mm2,đường kính ngoài là 18mm2) Do đó ta tính được: W1=U1*TsΔB*Sba =9*160*10^-60.3*0.187*10^-4 =258 (vòng),số vòng dây cuộn thứ cấp là W2=W1/3=86 (vòng). b/ Tính tầng khuyếch đại cuối cùng: Ta có I1=Ic3=0.033 A.Do đó chọn Trnazito công suất Tr3 là 2SC911 làm việc ở chế độ xung có các thông số : Tranzito loại npn làm bằng Si Điện áp giữa Colector và Bazơ khi hở mạch Emitor là U1 = 40 V Điện áp giữa Emitor và Bazơ khi hở Colector bằng U2 = 4 V ICMAX = 500 mA và PC = 1.7W nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp T1 = 175 0C hệ số khuyếch đại β = 50 dòng làm việc của Colector là IC = 50mA như vậy IB = 50/50 = 1 mA trong trường hợp này ta không cần đến transistor Tr2 vì điện áp và dòng ddieuf khiển khá bé nên dòng colector-Bazo của transistor Tr3 khá bé.Điện trở R10=(E-U1)/I1=90Ω Tất cả các diode đều được chọn là laoij 1N4009 Dòng điện định mức Idm=10A. Điện áp ngược dịnh mức Un=25 V. C, chọn tụ C3 và R9 : Ta có xugn tạo ra sau khâu vi phân là xung kim có độ rông xung la tx,do các transistor chỉ làm việc khi mà có xung kim này đưa vào cực B nên để giảm nhiệt tỏa ra trên transitor người ta thường chon tx=1.8 R9*C3. Mặt khác đảm bảo dòng vào Colector để mở transistor thì R9≥ 2*EsIb=24000Ω=24kΩ. Do đó C3=Tx1.8*R9= 0.004µF. D, Chọn tầng so sánh: R4,R5 có tác dụng hạn chế dòng vào opam.Điều kiện Iv≤ 1mA Ta đã chọn KĐTT TL 084 phải chọn điện trở thoả mãn điều kiện R 4 = R5 ≥ Uv/Iv = 12/1*10-3 = 12 kΩ như vậy chọn R4 = R5 = 15 kΩ Khi đó dòng vào A3 lớn nhất là I3max = 12/15000 = 0.8 mA. e/ Chọn khâu đồng pha:Điện áp trên tụ điện khi mà diode D1 mở thông dẫn dòng Uc1=EsR3*C1 *t.Ta phải đảmbảo sao cho trong khoảng thời gian nửa chu kì ện áp trên chưa đạt được giá trị Es.Mà chu kì điện áp lưới là T=1/f=0.02s.Do đó R3*C1=0.01. Chọn C1 = 1 μF thì R3 = 10 kΩ nhưng để thuận tiện cho việc điều chỉnh ta thường chọn biến > 10 kΩ do đó ta chọn Tranzito Tr1 loại A564 có các thông số như sau Điện áp của Bazơ và Colector khi hở mạch Emitor U1 = 25 V Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch Colectơ là U2 = 7 V Dòng điện lớn nhất Colectơ có thể chịu được Icmax = 100 mA Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp Tcp=1500 C Hệ số khuếch đại b = 250 Dòng cực đại của Bazơ = IB=IC /b =100/250 =0,4(mA) Điện trở R2 để hạn chế dòng đi vào Tr1 được chọn phải thoả mãn điều kiện như sau R2 ≥ Uv/IB = 12/(0.4*10-3) = 30 kΩ như vậy chọn R2 = 30 kΩ chọn điện áp xoay chiều đồng pha là UA = 9 V như vậy điện trở R1 = để hạn chế dòng điện đi vào KĐTT A1 thoả mãn điều kiện sao cho dòng vào khuyếch đại thuật toán Iv < 1 mA do đó R1 > UA/Iv = 9/10-3 = 9 kΩ Ta chọn R1 = 10 kΩ.