Đồ án Thiết kế bộ nguồn liên tục UPS chỉnh lưu

§Ò bµi: ThiÕt kÕ bé nguån cÊp ®iÖn liªn tôc UPS, phÇn chØnh l­u víi c¸c tham sè sau: §iÖn ¸p nguån: 220 VAC+10%,-10%, 50Hz. C«ng suÊt: 15KVA. §iÖn ¸p ra: 220 VAC+/-1%. ¾c quy: axist lo¹i kÝn, thêi gian l­u ®iÖn 10 phót. Ch­¬ng I : Giíi thiÖu chung vÒ UPS Cung cÊp n¨ng l­îng ®iÖn cho nh÷ng t¶i nh¹y c¶m Sù cè nguån n¨ng l­îng ®iÖn Sù cè trong c¸c nguån n¨ng l­îng ®iÖn cã thÓ xÈy ra trong qu¸ tr×nh l¾p ®Æt trang thiÕt bÞ hoÆc ë ®Çu vµo hÖ thèng (qu¸ t¶i, nhiÔu, mÊt c©n b»ng pha, sÊm sÐt, …). Nh÷ng sù cè nµy cã thÓ g©y ra nh÷ng hËu qu¶ kh¸c nhau. VÒ mÆt lý thuyÕt: HÖ thèng ph©n phèi n¨ng l­îng ®iÖn t¹o ra mét ®iÖn ¸p h×nh sin v¬i biªn ®é vµ tÇn sè thÝch hîp ®Ó cung cÊp cho thiÕt bÞ ®iÖn (400V-50Hz ch¼ng h¹n). Trong thùc tª, nh÷ng sãng h×nh sin ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn cïng tÇn sè bÞ ¶nh h­ëng trong ph¹m vi kh¸c nhau bëi nh÷ng sù cè cã thÓ xuÊt hiÖn trong hÖ thèng. §èi víi hÖ thèng cung cÊp ®iÖn: Cã thÓ bÞ sù cè hoÆc gi¸n ®o¹n cung cÊp ®iÖn v×: HiÖn t­îng nhiÔm ®iÖn ë bÇu khÝ quyÓn (th­êng kh«ng tr¸nh khái). §iÒu nµy cã thÓ ¶nh h­ëng ®Õn ®­êng d©y ngoµi trêi hoÆc c¸p ch«n, ch¼ng h¹n: SÊm sÐt lµm ®iÖn ¸p t¨ng ®ét ngét trong hÖ thèng cung cÊp ®iÖn S­¬ng gi¸ cã thÓ lµm cho ®­êng d©y bÞ ®øt Nh÷ng hiÖn t­îng ngÉu nhiªn, ch¼ng h¹n: Cµnh c©y r¬i g©y g¾n m¹ch hoÆc ®øt d©y §øt c¸p do ®µo ®Êt Sù h­ háng trong hÖ thèng cung cÊp Nh÷ng thiÕt bÞ dïng ®iÖn cã thÓ ¶nh h­ëng ®Õn hÖ thèng cung cÊp L¨p ®Æt c«ng nghiÖp, ch¼ng h¹n: §éng c¬ g©y ra ®iÖn ¸p r¬i vµ nhiÔm RF trong qu¸ tr×nh khëi ®éng. Nh÷ng thiÕt bÞ g©y « nhiÔm: lß luyÖn kim, m¸y hµn, … g©y ra ®iÖn ¸p r¬i vµ nhiÔm RF Nh÷ng hÖ thèng ®iÖn tö c«ng suÊt cao Thang m¸y, ®Ìn huúnh quang Nh÷ng sù cè ¶nh h­ëng ®Õn viÖc cung cÊp n¨ng l­îng ®iÖn cho thiÕt bÞ cã thÓ ph©n thµnh c¸c lo¹i sau: LÖch ®iÖn ¸p Ngõng ho¹t ®éng T¨ng ®ét ngét ®iÖn ¸p Thay ®æi tÇn sè XuÊt hiÖn sãng hµi NhiÔu tÇn sè cao… Sù cè cã thÓ g©y ra nh÷ng hËu qu¶ nghiªm träng, ®Æc biÖt lµ lµm gi¸n ®o¹n viÖc cung cÊp ®iÖn, nhÊt lµ hÖ thèng d÷ liÖu cña m¸y tÝnh. Gi¶i ph¸p dïng UPS §iÒu cÇn chó ý tr­íc hÕt cña nh÷ng sù cè vµ hËu qu¶ cña nã vÒ ph­¬ng diÖn: An toµn cho con ng­êi An toµn cho thiÕt bÞ, nhµ x­ëng Môc tiªu vËn hµnh kinh tÕ Tõ ®ã ph¶i t×m c¸ch lo¹i chóng ra. Cã nhiÒu gi¶i ph¸p kü thuËt kh¸c nhau cho vÊn ®Ò nµy, nh÷ng gi¶i ph¸p nµy ®­îc so s¸nh trªn c¬ së cña hai tiªu chuÈn sau ®Ó ®¸nh gi¸: Liªn tôc cung cÊp ®iÖn ChÊt l­îng cung cÊp ®iÖn Nh÷ng chøc n¨ng cña UPS Ho¹t ®éng nh­ mét giao diÖn gi÷a hÖ thèng cung cÊp ®iÖn vµ nh÷ng t¶i nh¹y c¶m. UPS cung cÊp cho t¶i mét n¨ng l­îng ®iÖn liªn tôc, chÊt l­îng cao, kh«ng phô thuéc mäi t×nh tr¹ng cña hÖ thèng cung cÊp. UPS t¹o ra mét ®iÖn ¸p cung cÊp tin cËy Kh«ng bÞ ¶nh h­ëng cña nh÷ng sù cè cña hÖ thèng cung cÊp, ®Æc biÖt khi hÖ thèng cung cÊp ngõng ho¹t ®éng. Ph¹m vi sai sè cho phÐp tuú theo yªu cÇu cña nh÷ng thiÕt bÞ ®iÖn tõ nh¹y c¶m (ch¼ng h¹n: GALAXY-sai sè cho phÐp cña biªn ®é %, tÇn sè %) UPS cã thÓ cung cÊp ®iÖn ¸p tin cËy, ®éc lËp vµ liªn tôc th«ng qua c¸c kh©u trung gian: Acquy vµ chuyÓn m¹ch tÜnh. øng dông cña UPS trong thùc tÕ HiÖn nay nhu cÇu øng dông UPS trong c¸c lÜnh vùc tin häc, viÔn th«ng, ng©n hµng lµ rÊt lín. Sè l­îng UPS ®­îc sö dông gÇn b»ng 1/3 sè l­îng m¸y tÝnh ®ang ®­îc sö dông. Cã thÓ lÊy mét vµi vÝ dô vÒ c¸c thiÕt bÞ sö dông UPS, ®ã lµ nh÷ng m¸y tÝnh, viÖc truyÒn d÷ liÖu vµ toµn bé thiÕt bÞ ë mét tr¹ng th¸i nµo ®ã lµ rÊt quan träng vµ kh«ng cho phÐp ®­îc mÊt ®iÖn. UPS ®­îc sö dông trong ngµnh hµng kh«ng ®Ó ®¶m b¶o sù th¾p s¸ng liªu tôc cña ®­êng b¨ng s©n bay… Nãi tãm l¹i UPS lµ mét nguån ®iÖn dù phßng nã cã mÆt ë mäi chç mäi n¬i, nh÷ng n¬i ®ßi hái cao vÒ yªu cÇu cÊp ®iÖn liªn tôc. Ch­¬ng II: tÝnh to¸n vµ lùa chän bé ¾c quy cho nguån UPS Giíi thiÒu chung vÒ ¾c quy. TÝnh to¸n vµ lùa chän cho ¾c quy. C¨n cø vµo ®Çu ra cña bé chØnh l­u ®éc lËp nguån dßng ®iÖn, ta cã thÓ chän ®­îc ®iÖn ¸p ®Çu vµo ®Æt lªn ¾cquy. D¹ng ®iÖn ¸p ra cña bé nghÞch l­u ®éc lËp nguån dßng ®iÖn cã d¹ng: Ta cã: U===0,47Ed Víi U=220V=> Ed=220/0,47=468V. NÕu sö dông mét nguån lín 468V cã mét ­u ®iÓm lµ dßng tiªu thô sÏ nhá nh­ng kÝch th­íc cña bé chØnh l­u sÏ lµ rÊt lín, cång kÒnh. §Ó kh¾c phôc ®iÒu nµy ta chØ sö dông mét nguån ¸p trung b×nh Ed=120VDC ®Ó cung cÊp cho ¨cquy vµ chØnh l­u. Sau khi qua bé chØnh l­u sÏ sö dông mét m¸y biÕn ¸p ®Ó n©ng ®iÖn ¸p lªn 220V xoay chiÒu phï hîp víi t¶i. ¾cquy ®­îc chän lµ lo¹i ¨cquy 12. Nh­ vËy ta cÇn m¾c 120/12=10 ¾c quy m¾c nèi tiÕp nhau. T×nh to¸n dung l­¬ng cña ¾c quy. Víi yªu cÇu vÒ c«ng suÊt cña UPS lµ 15KVA, U=220V ta cÇn sö dông m¸y biÕn ¸p. NÕu coi hiÖu suÊt cña m¸y biÕn ¸p lµ 95% th× hiÖu suÊt phÝa s¬ cÊp cña m¸y biÕn ¸p nghÞch l­u lµ: SnghÞch l­u=(KVA) Do tæn hao cña c¸c van c«ng suÊt cña bé biÕn ®æi lµ kh«ng ®¸ng kÓ do ®ã ta cã thÓ coi c«ng suÊt ®Çu vµo vµ ®Çu ra cña bé nghÞch l­u lµ nh­ nhau. Dßng ®iÖn cÇn thiÕt ®Ó l¹p cho ¾c quy lµ: Id=(A) Th«ng th­êng khi chän ¨cquy ph¶i chän dung l­îng lín h¬n 2 lÇn dung l­îng ®Þnh møc. VËy ®Ó ®¶m b¶o cho ¨cquy kh«ng bÞ háng ta cÇn chän dung l­îng cña ¾cquy lµ 262A.h Do trong bé ¾c quy cã néi trë trong do ®ã ®iÖn ¸p ®Çu ra cña bé chØnh l­u ®­îc tÝnh nh­ sau: Ucl=Ud+Ut Trong ®ã: Ucl: ®iÖn ¸p ®Çu ra bé chØnh l­u. Ud: ®iÖn ¸p ®Æt trªn hai ®Çu ¾c quy. Ud=120VDC Ut: ®iÖn ¸p tæn hao do néi trë cña ¾c quy. Víi lo¹i ¨cquy 12V ta tra ®­îc néi trë trong cña ¨cquy lµ r=0,09. VËy néi trë trong cña bé ¨cquy lµ R=0,09*12=1,08 §iÖn ¸p ®Çu ra cña bé chØnh l­u lµ: Ucl=120+131.1,08=262VDC. Ph­¬ng ph¸p n¹p ¨c quy vµ ph­¬ng thøc ®iÒu khiÓn n¹p. 1. Ph­¬ng ph¸p n¹p cho ¾c quy. Cã ba ph­¬ng ph¸p n¹p ¾c qui lµ + Ph­¬ng ph¸p dßng ®iÖn. + Ph­¬ng ph¸p ®iÖn ¸p. + Ph­¬ng ph¸p dßng ¸p. a) Ph­¬ng ph¸p n¹p ¾c qui víi dßng ®iÖn kh«ng ®æi. §©y lµ ph­¬ng ph¸p n¹p cho phÐp chän ®­îc dßng n¹p thÝch hîp víi mçi lo¹i ¾c qui, b¶o ®¶m cho ¾c qui ®­îc no. §©y lµ ph­¬ng ph¸p sö dông trong c¸c x­ëng b¶o d­ìng söa ch÷a ®Ó n¹p ®iÖn cho ¾c qui hoÆc n¹p sö ch÷a cho c¸c ¾c qui bÞ Sunfat ho¸. Víi ph­¬ng ph¸p nµy ¾c qui ®­îc m¾c nèi tiÕp nhau Nh­îc ®iÓm cña ph­¬ng ph¸p n¹p víi dßng ®iÖn kh«ng ®æi lµ thêi gian n¹p kÐo dµi vµ yªu cÇu c¸c ¾c qui ®­a vµo n¹p cã cïng dung l­îng ®Þnh møc. §Ó kh¾c phôc nh­îc ®iÓm thêi gian n¹p kÐo dµi, ng­êi ta sö dông ph­¬ng ph¸p n¹p víi dßng ®iÖn n¹p thay ®æi hai hay nhiÒu nÊc Ph­¬ng ph¸p n¹p víi ®iÖn ¸p kh«ng ®æi. Ph­¬ng ph¸p nµy yªu cÇu c¸c ¾c qui ®­îc m¾c song song víi nguån n¹p. HiÖu ®iÖn thÕ cña nguån n¹p kh«ng ®æi. Ph­¬ng ph¸p n¹p víi ®iÖn ¸p kh«ng ®æi cã thêi gian n¹p ng¾n, dßng n¹p tù ®éng gi¶m theo thêi gian.Tuy nhiªn dïng ph­¬ng ph¸p nµy ¾c qui kh«ng ®­îc n¹p no. V× vËy n¹p víi ®iÖn ¸p kh«ng ®æi chØ lµ ph­¬ng ph¸p n¹p bæ xung cho ¾c qui trong qu¸ tr×nh sö dông. Ph­¬ng ph¸p n¹p dßng ¸p. §©y lµ ph­¬ng ph¸p tæng hîp cña hai ph­¬ng ph¸p trªn. Nã tËn dông ®­îc nh÷ng ­u ®iÓm cña mçi ph­¬ng ph¸p. §èi víi ¾c qui axit: §Ó b¶o ®¶m thêi gian n¹p còng nh­ hiÖu suÊt n¹p th× ta tiÕn hµnh n¹p theo hai giai ®o¹n. Giai ®o¹n 1: n¹p víi dßng ®iÖn kh«ng ®æi cho tíi khi dung l­îng ¾cquy b»ng 95% dung l­îng ®Þnh møc. Giai ®o¹n 2: n¹p víi ¸p kh«ng ®æi cho tíi khi ¾cquy no th× dõng. KÕt luËn : V× ¾c qui lµ t¶i cã tÝnh chÊt dung kh¸ng kÌm theo søc ph¶n ®iÖn ®éng cho nªn khi ¾c qui ®ãi mµ ta n¹p theo ph­¬ng ph¸p ®iÖn ¸p th× dßng ®iÖn trong ¾c qui sÏ tù ®éng d©ng nªn kh«ng kiÓm so¸t ®­îc sÏ lµm s«i ¾c qui dÉn ®Õn háng hãc nhanh chãng. V× vËy trong vïng n¹p chÝnh ta ph¶i t×m c¸ch æn ®Þnh dßng n¹p cho ¾c qui. Khi dung l­îng cña ¾c qui d©ng lªn ®Õn 90% lóc ®ã nÕu ta cø tiÕp tôc gi÷ æn ®Þnh dßng n¹p th× ¾c qui sÏ s«i vµ lµm c¹n n­íc. Do ®ã ®Õn giai ®o¹n nµy ta l¹i ph¶i chuyÓn chÕ ®é n¹p ¾c qui sang chÕ ®é æn ¸p. ChÕ ®é æn ¸p ®­îc gi÷ cho ®Õn khi ¾c qui ®· thùc sù no. Khi ®iÖn ¸p trªn c¸c b¶n cùc cuÈ ¾c qui b»ng víi ®iÖn ¸p n¹p th× lóc ®ã dßng n¹p sÏ tù ®éng gi¶m vÒ kh«ng, kÕt thóc qu¸ tr×nh n¹p. 2. Ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn n¹p ¨cquy S¬ ®å khèi cña m¹ch ®iÒu khiÓn n¹p ¨cquy theo hai giai ®o¹n Ch­¬ng III: tÝnh to¸n vµ lùa chän m¹ch chØnh l­u ChØnh l­u ®iÒu khiÓn ®èi xøng s¬ ®å cÇu 3 pha S¬ ®å nguyªn lý S¬ ®å gåm 6 Tiristor ®­îc chia lµm hai nhãm: Nhãm Katot chung : T1, T3, T5 Nhãm Anot chung : T2, T4, T6 Gãc më a ®­îc tÝnh tõ giao ®iÓm cña c¸c nöa h×nh sin Gi¸ trÞ trung b×nh cña ®iÖn ¸p trªn t¶i Tõ c«ng thøc trªn ta thÊy khi , chän gãc pha ®Çu VËy (V) Nh­ vËy ta ph¶i sö dông m¸y biÕn ¸p ®Ó h¹ ®iÖn ¸p tõ 380V xuèng 76V. Gi¸ trÞ trung b×nh cña dßng ch¹y qua 1 Tiristor lµ: Gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ng­îc mµ Tiristor ph¶i chÞu C«ng suÊt biÕn ¸p NhËn xÐt : Víi s¬ ®å chØnh l­u cÇu 3 pha cã ®iÒu khiÓn th× ®iÖn ¸p ra Ud Ýt ®Ëp m¹ch ( trong mét chu k× ®Ëp m¹ch 6 lÇn ) do ®ã vÊn ®Ò läc rÊt ®¬n gi¶n, ®iÖn ¸p ng­îc lªn mçi van nhá, c«ng suÊt biÕn ¸p nhá nh­ng m¹ch phøc t¹p nhiÒu kªnh ®iÒu khiÓn. 2. §­êng ®Æc tÝnh biÓu diÔn II. ChØnh l­u cÇu 3 pha b¸n ®iÒu khiÓn S¬ ®å nguyªn lý Trong s¬ ®å nµy sö dông 3 Tiristor ë nhãm Katot chung vµ 3 Diot ë nhãm Anot chung. Gi¸ trÞ trung b×nh cña ®iÖn ¸p trªn t¶i Trong ®ã : Ud1 lµ thµnh phÇn ®iÖn ¸p do nhãm Katot chung t¹o nªn Ud2 lµ thµnh phÇn ®iÖn ¸p do nhãm Anot chung t¹o nªn VËy Tõ c«ng thøc trªn ta thÊy khi , chän gãc pha ®Çu lµ VËy (V) Nh­ vËy ta còng ph¶i sö dông m¸y biÕn ¸p ®Ó h¹ ®iÖn ¸p l­íi tõ 380V xuèng 131V Gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ng­îc mµ Tiristor ph¶i chÞu Gi¸ trÞ trung b×nh cña dßng ch¶y trong Tiristor vµ §ièt C«ng suÊt biÕn ¸p NhËn xÐt : Tuy ®iÖn ¸p chØnh l­u chøa nhiÒu sãng hµi nh­ng chØnh l­u cÇu 3 pha kh«ng ®èi xøng cã qu¸ tr×nh ®iÒu chØnh ®¬n gi¶n , kÝch th­íc gän nhÑ h¬n. §­êng ®Æc tÝnh biÓu diÔn III. ChØnh l­u ®iÒu khiÓn cÇu mét pha kh«ng ®èi xøng 1. S¬ ®å nguyªn lý Trong s¬ ®å nµy, gãc dÉn dßng ch¶y cña Tiristor vµ cña ®ièt kh«ng b»ng nhau. Gãc dÉn cña ®ièt lµ : Gãc dÉn cña Tiristor lµ : Gi¸ trÞ trung b×nh cña ®iÖn ¸p t¶i Do ®ã Gi¸ trÞ trung b×nh cña dßng t¶i Dßng qua Tiristor Dßng qua §ièt Gi¸ trÞ hiÖu dông cña dßng ch¹y qua s¬ cÊp m¸y biÕn ¸p NhËn xÐt : S¬ ®å chØnh l­u ®iÒu khiÓn 1 pha kh«ng ®èi xøng cã cÊu t¹o ®¬n gi¶n, gän nhÑ , dÔ ®iÒu khiÓn , tiÕt kiÖm van . ThÝch hîp cho c¸c m¸y cã c«ng suÊt nhá vµ võa. 2. §­êng ®Æc tÝnh biÓu diÔn KÕt luËn : Qua ph©n tÝch 3 ph­¬ng ¸n trªn ta nhËn thÊy, ph­¬ng ph¸p chØnh l­u 1 pha cã ­u ®iÓm lµ gän nhÑ, tiÕt kiÖm ®­îc linh kiÖn, van tuy nhiªn chÊt l­îng ®iÖn ¸p chØnh l­u kh«ng cao b»ng s¬ ®å chØnh l­u cÇu 3 pha. Do yªu cÇu cña ®Çu bµi lµ thiÕt kÕ nguån ®iÖn liªn tôc víi chÊt l­îng ®iÖn ¸p cao do ®ã ta quyÕt ®Þnh chän s¬ ®å chØnh l­u cÇu 3 pha. Trong 2 ph­¬ng ¸n chØnh l­u cÇu 3 pha ta chän ph­¬ng ¸n chØnh l­u cÇu 3 pha kh«ng ®èi xøng víi nh÷ng ­u ®iÓm sau: Sö dông 3 van thyristor, 3 ®ièt, tiÕt kiÖm h¬n nªn gi¶m gi¸ thµnh cho bé biÕn ®æi. S¬ ®å ®iÒu khiÓn ®¬n gi¶n. §Çu ra cña bé biÕn ®æi kh«ng cã yªu cÇu cao vÒ mÆt sãng hµi. Ch­¬ng 4 : nguyªn lý ®iÒu khiÓn vµ mét sè kh©u ®iÒu khiÓn Nguyªn lý thiÕt kÕ m¹ch ®iÒu khiÓn. §iÒu khiÓn thyristor trong s¬ ®å chØnh l­u hiÖn nay th­êng gÆp lµ ®iÒu khiÓn theo nguyªn t¾c th¼ng ®øng tuyÕn tÝnh. Néi dung cña nguyªn t¾c nµy cã thÓ m« t¶ theo gi¶n ®å h×nh d­íi ®©y: Khi ®iÖn ¸p xoay chiÒu h×nh sin ®Æt vµo anod cña thyristor, ®Ó cã thÓ ®iÒu khiÓn ®­îc gãc më cña thyristor trong vïng ®iÖn ¸p+anod, ta cÇn t¹o mét ®iÖn ¸p tùa d¹ng tam gi¸c, ta th­êng gäi lµ ®iÖn ¸p tùa hay ®iÖn ¸p r¨ng c­a Urc. Nh­ vËy ®iÖn ¸p tùa cÇn cã trong vïng ®iÖn ¸p d­¬ng anod. Dïng mét ®iÖn ¸p mét chiÒu U®k so s¸nh víi ®iÖn ¸p tùa. T¹i thêi ®iÓm (t1,t4) ®iÖn ¸p tùa b»n ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn (Urc=U®k), trong vïng ®iÖn ¸p d­¬ng anod, th× ph¸t xung ®iÒu khiÓn X®k. Thyristor ®­îc më t¹i thêi ®iÓm cã xung ®iÒu khiÓn (t1,t4) cho tíi cuèi b¸n kú (hoÆc tíi khi dßng ®iÖn b»ng 0). S¬ ®å khèi m¹ch ®iÒu khiÓn §Ó thùc hiÖn ®­îc ý ®å ®· nªu trong phÇn nguyªn lý ®iÒu khiÓn ë trªn, m¹ch ®iÒu khiÓn bao gåm ba kh©u c¬ b¶n trªn h×nh vÏ sau: NhiÖn vô cña c¸c kh©u trong s¬ ®å ®iÒu khiÓn. Kh©u ®ång pha cã nhiÖn vô t¹o ®iÖn ¸p tùa Urc (th­êng gÆp lµ ®iÖn ¸p d¹ng r¨ng c­a tuyÕn tÝnh) trïng pha víi ®iÖn ¸p anod cña thyristor. Kh©u so s¸nh cã nhiÖn vô so s¸nh gi÷a ®iÖn ¸p tùa víi ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn U®k, t×m thêi ®iÓm hai ®iÖn ¸p nµy b»ng nhau (U®k=Urc). T¹i thêi ®iÓm hai ®iÖn ¸p nµy b»ng nhau, th× ph¸t xung ë ®Çu ra ®Ó göi sang tÇng khuyÕch ®¹i. Kh©u t¹o xung cã nhiÖn vô t¹o xung phï hîp ®Ó më thyristor. Xung ®Ó më Thyristor cã yªu cÇu: S­ên tr­íc dèc th¼ng ®øng §ñ ®é réng víi ®é réng xung lín h¬n thêi gian më cña thyristor §ñ c«ng suÊt C¸ch ly m¹ch ®iÒu khiÓn víi m¹ch lùc ThiÕt kÕ s¬ ®å nguyªn lý. HiÖn nay m¹ch ®iÒu khiÓn chØnh l­u th­êng ®­îc thiÕt kÕ theo nguyªn t¾c th¼ng ®øng tuyÕn tÝnh nh­ giíi thiÖu trªn. Theo nhiÖm vô cña c¸c kh©u nh­ ®· giíi thiÖu, tiÕn hµnh thiÕt kÕ, tÝnh chän c¸c kh©u c¬ b¶n cña ba khèi trªn. Kh©u ®ång pha t¹o ®iÖn ¸p tùa (1.a) (1.b) S¬ ®å h×nh (1.a) lµ s¬ ®å ®¬n gi¶n, dÔ thùc hiÖn, víi sè linh kiÖn Ýt nh­ng chÊt l­îng ®iÖn ¸p tùa kh«ng tèt. §é dµi cña phÇn biÕn thiªn tuyÕn tÝnh cña ®iÖn ¸p tùa kh«ng phñ hÕt 1800. Do vËy, gãc më van lín nhÊt bÞ giíi h¹n. Hay nãi c¸ch kh¸c, nÕu theo s¬ ®å nµy ®iÖn ¸p t¶i kh«ng ®iÒu khiÓn ®­îc tõ 0 tíi cùc ®¹i mµ tõ mét trÞ sè nµo ®ã ®Õn cùc ®¹i. §Ó kh¾c phôc nh­îc ®iÓm vÒ d¶i ®iÒu chØnh ë s¬ ®å h×nh (1.a) ng­êi ta sö dông s¬ ®å tao ®iÖn ¸p tùa b»ng s¬ ®å h×nh (1.b). Theo s¬ ®å nµy, ®iÖn ¸p tùa cã phÇn biÕn thiªn tuyÕn tÝnh phñ hÕt nöa chu kú ®iÖn ¸p. Do vËy khi cÇn ®iÒu khiÓn ®iÖn ¸p tõ 0 tíi cùc ®¹i lµ hoµn toµn cã thÓ ®¸p øng ®­îc. Ngµy nay víi sù ra ®êi cña c¸c linh kiÖn ghÐp quang, chóng ta cã thÓ sö dông s¬ ®å t¹o ®iÖn ¸p tùa b»ng bé ghÐp quang nh­ h×nh (1.c) d­íi ®©y. Nguyªn lý vµ chÊt l­îng ®iÖn ¸p tùa cña hai s¬ ®å h×nh (1.b) vµ (1.c) t­¬ng ®èi gièng nhau. ¦u ®iÓm cña s¬ ®å h×nh (1.c) ë chç kh«ng cÇn biÕn ¸p ®ång pha , do ®ã cã thÓ ®¬n gi¶n h¬n trong viÖc chÕ t¹o vµ l¾p ®Æt. GHEP QUANG C R2 R1 D Ura +E Uv (1.c) C¸c s¬ ®å trªn ®Òu cã chung nh­îc ®iÓm lµ viÖc më, kho¸ c¸c Tranzitor trong vïng ®iÖn ¸p l©n cËn 0 lµ thiÕu chÝnh x¸c lµm cho viÖc n¹p, x¶ tô trong vïng ®iÖn ¸p l­íi gÇn 0 kh«ng ®­îc nh­ ý muèn. Ngµy nay c¸c vi m¹ch ®­îc chÕ t¹o ngµy cµng nhiÒu, chÊt l­îng ngµy cµng cao, kÝch th­íc ngµy cµng gän, øng dông c¸c vi m¹ch vµo thiÕt kÕ m¹ch ®ång pha cã thÓ cho ta chÊt l­îng ®iÖn ¸p tùa tèt. Trªn s¬ ®å h×nh (1.d) m« t¶ s¬ ®å t¹o ®iÖn ¸p tùa dïng khuyÕch ®¹i thuËt to¸n (K§TT). (1.d) Kh©u so s¸nh §Ó x¸c ®Þnh ®­îc thêi ®iÓm cÇn më Tiristo chóng ta cÇn so s¸nh hai tÝn hiÖu U®k vµ Urc. ViÖc so s¸nh c¸c tÝn hiÖu ®ã cã thÓ ®­îc thùc hiÖn b»ng Tranzitor (Tr) nh­ trªn h×nh (2.a). T¹i thêi ®iÓm U®k = Urc, ®Çu vµo Tr lËt tr¹ng th¸i tõ kho¸ sang më (hay ng­îc l¹i tõ më sang kho¸), lµm cho ®iÖn ¸p ra còng bÞ lËt tr¹ng th¸i, t¹i ®ã chóng ta ®¸nh dÊu ®­îc thêi ®iÓm cÇn më Tiristo. Víi møc ®é më b·o hoµ cña Tr phô thuéc vµo hiÖu U®k ± Urc = Ub, hiÖu nµy cã mét vïng ®iÖn ¸p nhá hµng mV, lµm cho Tr kh«ng lµm viÖc ë chÕ ®é ®ãng c¾t nh­ ta mong muèn, do ®ã nhiÒu khi lµm thêi ®iÓm më Tiristo bÞ lÖch kh¸ xa so víi ®iÓm cÇn më t¹i U®k = Urc. K§TT cã hÖ sè khuyÕch ®¹i v« cïng lín, chØ cÇn mét tÝn hiÖu rÊt nhá (cì mV) ë ®Çu vµo, ®Çu ra ®· cã ®iÖn ¸p nguån nu«i, nªn viÖc øng dông K§TT lµm kh©u so s¸nh lµ hîp lý. C¸c s¬ ®å so s¸nh dïng K§TT trªn h×nh (2.b) vµ 2.c) rÊt th­êng gÆp trong c¸c s¬ ®å m¹ch hiÖn nay. ¦u ®iÓm h¬n h¼n cña c¸c s¬ ®å nµy lµ cã thÓ ph¸t xung ®iÒu khiÓn chÝnh x¸c t¹i U®k = Urc. Kh©u khuyÕch ®¹i xung Víi nhiÖm vô t¹o xung phï hîp ®Ó më Tiristo nh­ ®· nªu ë trªn, tÇng khuyÕch ®¹i cuèi cïng th­êng ®­îc thiÕt kÕ b»ng Tranzitor c«ng suÊt, nh­ m« t¶ trªn h×nh (3.a). §Ó cã xung d¹ng kim göi tíi Tiristo, ta dïng biÕn ¸p xung (BAX), ®Ó cã thÓ khuyÕch ®¹i c«ng suÊt ta dïng Tr, ®i«t D b¶o vÖ Tr vµ cuén d©y s¬ cÊp biÕn ¸p xung khi Tr kho¸ ®ét ngét. MÆc dï víi ­u ®iÓm ®¬n gi¶n, nh­ng s¬ ®å nµy kh«ng ®­îc dïng kh«ng réng r·i, bëi lÏ hÖ sè khuyÕch ®¹i cña tranzitor lo¹i nµy nhiÒu khi kh«ng ®ñ lín, ®Ó khuyÕch ®¹i ®­îc tÝn hiÖu tõ kh©u so s¸nh ®­a sang. R Uv Tr BAX +E D 3.a. TÇng khuyÕch ®¹i cuèi cïng b»ng s¬ ®å darlington nh­ trªn h×nh (3.b) th­êng hay ®­îc dïng trong thùc tÕ. ë s¬ ®å nµy hoµn toµn cã thÓ ®¸p øng ®­îc yªu cÇu vÒ khuyÕch ®¹i c«ng suÊt, khi hÖ sè khuyÕch ®¹i ®­îc nh©n lªn theo th«ng sè cña c¸c tranzitor. R Uv Tr BAX +E D Tr1 3.b. Trong thùc tÕ xung ®iÒu khiÓn chØ cÇn cã ®é réng bÐ (cì kho¶ng (10 ¸ 200) ms), mµ thêi gian më th«ng c¸c tranzitor c«ng suÊt dµi (tèi ®a tíi mét nöa chu kú - 0.01s), lµm cho c«ng suÊt to¶ nhiÖt d­ cña Tr qu¸ lín vµ kÝch th­íc d©y quÊn s¬ cÊp biÕn ¸p d­ lín. §Ó gi¶m nhá c«ng suÊt to¶ nhiÖt Tr vµ kÝch th­íc d©y s¬ cÊp BAX chóng ta cã thÓ thªm tô nèi tÇng nh­ h×nh (3.c). Theo s¬ ®å nµy, Tr chØ më cho dßng ®iÖn ch¹y qua trong kho¶ng thêi gian n¹p tô, nªn dßng hiÖu dông cña chóng bÐ h¬n nhiÒu lÇn. R Uv Tr BAX +E D Tr1 C D 3.c. §èi víi mét sè s¬ ®å m¹ch, ®Ó gi¶m c«ng suÊt cho tÇng khuyÕch ®¹i vµ t¨ng sè l­îng xung kÝch më, nh»m ®¶m b¶o Tiristo më mét c¸ch ch¾c ch¾n, ng­êi ta hay ph¸t xung chïm cho c¸c Tiristo. Nguyªn t¾c ph¸t xung chïm lµ tr­íc khi vµo tÇng khuyÕch ®¹i, ta ®­a chÌn thªm mét cæng vµ (&) víi tÝn hiÖu vµo nhËn tõ tÇng so s¸nh vµ tõ bé ph¸t xung chïm nh­ h×nh vÏ. H×nh sÏ vÏ sau. Mét sè kh©u ph¸t xung chïm ®iÓn h×nh Vi m¹ch 555 t¹o xung ®ång hå cho ta chÊt l­îng xung kh¸ tèt vµ s¬ ®å còng t­¬ng ®èi ®¬n gi¶n. S¬ ®å nµy th­êng hay gÆp trong c¸c m¹ch t¹o chïm xung. 4 8 6 7 4 2 1 3 5 555 +U R1 R2 C1 C2 Ura Trong thiÕt kÕ m¹ch ®iÒu khiÓn, th­êng hay sö dông K§TT. Do ®ã ®Ó ®ång d¹ng vÒ linh kiÖn, kh©u t¹o chïm xung còng cã thÓ sö dông K§TT, nh­ c¸c s¬ ®å vÏ d­íi ®©y. A1 A2 C R2 R1 R3 R4 A R1 R2 C R3 Ch­¬ng V: Lùa chän, tÝnh to¸n m¹ch lùc vµ m¹ch ®iÒu khiÓn tèi ­u I. Lùa chän m¹ch lùc Qua ph©n tÝch c¸c m¹ch chØnh l­u mét pha mét nöa chu kú, 3 pha kh«ng ®èi xøng vµ m¹ch 3 pha ®èi xøng quyÕt ®Þnh chän m¹ch chØnh l­u 3 pha kh«ng ®èi xøng v× s¬ ®å nµy cã nhiÒu ­u ®iÓm vµ phï hîp víi yªu cÇu cña c«ng nghÖ. TÝnh to¸n chän van thyristor TÝnh chän dùa vµo c¸c yÕu tè c¬ b¶n dßng t¶i, ®iÒu kiÖn to¶ nhiÖt,®iÖn ¸p lµm viÖc, c¸c th«ng sè c¬ b¶n cña van ®­îc tÝnh nh­ sau : +)§iÖn ¸p ng­îc lín nhÊt mµ Thyristor ph¶i chÞu : Unmax=Knv.U2 =Knv .=.262 = 1,05.262=275 (V). Trong ®ã : Knv = Ku= +)§iÖn ¸p ng­îc cña van cÇn chän : Unv = KdtU . Un max =1,8 . 275=495 Trong ®ã : KdtU - hÖ sè dù tr÷ ®iÖn ¸p ,chän KdtU =1,8 . +) Dßng lµm viÖc cña van ®­îc tÝnh theo dßng hiÖu dông : Ilv = Ihd = Khd .Id = ==43,66 (A) Chän ®iÒu kiÖn lµm viÖc cña van lµ cã c¸nh to¶ nhiÖt vµ ®Çy ®ñ diÖn tÝch to¶ nhiÖt ; Kh«ng cã qu¹t ®èi l­u kh«ng khÝ ,víi ®iÒu kiÖn ®ã dßng ®Þnh møc cña van cÇn chän : I®m =Ki . Ilv =3,2 . 43,66 = 140 (A) (Ki lµ hÖ sè dù tr÷ dßng ®iÖn vµ chän Ki =3,2) tõ c¸c th«ng sè Unv ,I®mv ta chän 3 Thysistor lo¹i HTS150/06VG1 do Mü s¶n xuÊt cã c¸c th«ng sè sau : §iÖn ¸p ng­îc cùc ®¹i cña van : Un = 600 (V) Dßng ®iÖn ®Þnh møc cña van : I®m =150 (A) §Ønh xung dßng ®iÖn : Ipik =2450 (A) Dßng ®iÖn cña xung ®iÒu khiÓn : I®k =0,15 (A) §iÖn ¸p cña xung ®iÒu khiÓn : U®k =1,4 (V) Dßng ®iÖn rß : Ir =25 (mA) Sôt ¸p lín nhÊt cña Thyristor ë tr¹ng th¸i dÉn lµ : DU = 2,0 (V) Tèc ®é biÕn thiªn ®iÖn ¸p : =200 (V/ms) Tèc ®é biÕn thiªn dßng ®iÖn :=180 (A/ms) Thêi gian chuyÓn m¹ch : tcm = 25 (ms) NhiÖt ®é lµm viÖc cùc ®¹i cho phÐp :Tmax=125 oC TÝnh to¸n chän thiÕt bÞ b¶o vÖ van thyristor c«ng suÊt Trong qu¸ tr×nh van ho¹t ®éng th× van ph¶i ®­îc lµm m¸t ®Ó van kh«ng bÞ ph¸ háng vÒ nhiÖt v× vËy ta ®· tÝnh to¸n chÕ ®é lµm m¸t cô thÓ cho van råi. Tuy nhiªn, van còng cã thÓ bÞ háng khi van ph¶i chÞu tèc ®é t¨ng dßng, t¨ng ¸p qu¸ lín.Nh­ng v× dßng chØ t¨ng khi qua thyistor trong thêi gian rÊt ng¾n 13s nªn van cã thÓ chÞu ®­îc. §Ó tr¸nh hiÖn t­îng qu¸ ¸p trªn van dÉn ®Õn háng van ta ph¶i cã nh÷ng biÖn ph¸p thÝch hîp ®Ó b¶o vÖ van. BiÖn ph¸p b¶p vÖ van th­êng dïng nhÊt lµ m¾c m¹ch R, C song song van ®Ó b¶o vÖ qu¸ ¸p vµ m¾c nèi tiÕp cuén kh¸ng ®Ó h¹n chÕ tèc ®é t¨ng dßng. T R C C¸c thiÕt bÞ b¸n dÉn nãi chung còng nh­ Tiristor rÊt nh¹y c¶m víi ®iÖn ¸p vµ tèc ®é biÕn thiªn ®iÖn ¸p ( ) ®Æt lªn nã . C¸c nguyªn nh©n g©y nªn qu¸ ¸p th× chia thµnh hai lo¹i : - Nguyªn nh©n bªn ngoµi : Do c¾t ®ét ngét m¹ch ®iÖn c¶m,do biÕn ®æi ®ét ngét cùc tÝnh cña nguån, khi cÇu ch¶y b¶o vÖ ®øt hoÆc khi cã sÊm sÐt. - Nguyªn nh©n bªn trong ( néi t¹i ) : Khi van chuyÓn tõ tr¹ng th¸i më sang tr¹ng th¸i kho¸, do sù ph©n bè kh«ng ®Òu ®iÖn ¸p trong c¸c van m¾c nèi tiÕp. ë ®©y ta quan t©m ®Õn viÖc b¶o vÖ qu¸ ®iÖn ¸p do c¸c nguyªn nh©n bªn trong g©y ra. i t Nguyªn nh©n qu¸ ®iÖn ¸p trªn van lµ do sù suÊt hiÖn dßng ®iÖn ng­îc ch¶y qua mçi van khi nã chuyªnr tõ tr¹ng th¸i më sang tr¹ng th¸i kho¸. Dßng ®iÖn ng­îc nµy suy gi¶m rÊt nhanh do vËy sÏ suÊt hiÖn sù qu¸ ®iÖn ¸p §Ó kh¾c phôc hiÖn t­îng qu¸ ®iÖn ¸p nµy ta dïng m¹ch R-L-C nh­ng do m¹ch ®· cã tÝnh chÊt ®iÖn c¶m nªn ta chØ cÇn dïng m¹ch R-C ®Êu song song nh­ h×nh vÏ. Khi van khãa dßng ®iÖn ng­îc sÏ chuyÓn tõ van sang m¹ch b¶o vÖ. TÝnh to¸n chän §ièt c«ng suÊt +) Dßng ®iÖn chØnh l­u cùc ®¹i ch¶y qua ®ièt lµ: +)§iÖn ¸p ng­îc lín nhÊt mµ §ièt ph¶i chÞu : Unmax=Knv.U2 =Knv .=.262 = 1,05.262=275 (V). Tõ c¸c th«ng sè trªn ta chän 3 §i«t lo¹i S5020PF do Mü s·n xuÊt cã c¸c th«ng sè sau: §iÖn ¸p nguîc cña ®ièt : Un = 800 (V) Dßng ®iÖn ®Þnh møc cña van : I®m =50 (A) §Ønh xung dßng ®iÖn : Ipik =800 (A) Dßng ®iÖn rß : Ir =2 (mA) Tæn hao ®iÖn ¸p ë tr¹ng th¸i më cña ®ièt : DU = 2,8 (V) NhiÖt ®é lµm viÖc cùc ®¹i cho phÐp :Tmax=200 oC ThiÕt kÕ lùa chän m¸y biÕn ¸p chØnh l­u +)Chän m¸y biÕn ¸p 3 pha 3 trô s¬ ®å ®Êu d©y D/Y lµm m¸t b»ng kh«ng khÝ tù nhiªn . +)TÝnh c¸c th«ng sè c¬ b¶n : 1-TÝnh c«ng suÊt biÓu kiÕn cña M¸y biÕn ¸p : 2-§iÖn ¸p pha s¬ cÊp m¸y biÕn ¸p : Up =380 (V) 3-§iÖn ¸p pha thø cÊp cña m¸y biÕn ¸p (V) 4-Dßng ®iÖn hiÖu dông s¬ cÊp cña m¸y biÕn ¸p : I2 === 107 (A) 5-Dßng ®iÖn hiÖu dông s¬ cÊp m¸y biÕn ¸p : I1 = KbaI2 = .I2 = . 107 = 36,88 (A) II. Lùa chän m¹ch ®iÒu khiÓn Qua ph©n tÝch ë trªn ta quyÕt ®Þnh chän m¹ch ®iÒu khiÓn gåm c¸c kh©u sau Kh©u ®ång bé t¹o ®iÖn ¸p tùa r¨ng c­a Chän s¬ ®å Kh©u so sanh Chän s¬ ®å Kh©u khuyÕch ®¹i xung Kh©u ph¸t xung T¹o ra chïm xung cã tÇn sè rÊt cao (ë ®©y ta chän tÊn sè b»ng 10Khz). Chïm xung nµy ®­îc ®­a vµo cæng AND ®Ó t¹o ra xung ®iÒu khiÓn më c¸c thyristor. Víi c¸c thèn sè sau ®©y ®Ó cã thÓ t¹o ®­îc xung chïm cã tÇn sè kho¶n 10Khz TÇn sè xung ra xã thÓ ®­îc ®iÒu chØnh nhê thay ®æi gi¸ trÞ cña R,C b)S¬ ®å nèi cña CD4093: Vi m¹ch nµy bao gåm 4 Trig¬ Schmitt. Ta dïng nã ®Ó t¹o ra xung ch÷ nhËt cã tÇn sè 10kHZ.M¹ch t¹o xung ®ã nh­ sau: §å thÞ quan hÖ gi÷a VDD, VT+, VT-: Trong ®ã VT+, VT- lµ hai ng­ìng lËt cña trig¬. Theo ®ã tÇn sè xung sÏ quyÕt ®Þnh bëi tÝch R.C. Tra b¶ng c¸c th«ng sè cña CD4093 ta cã VDD=5V,VT+=3.3V,VT-=1.8V Ta sÏ ®Æt ®iÖn ¸p VDD vµo ®Çu ®iÒu khiÓn(CONTROL) cña trig¬. VËy f= ===10000Hz Tõ ®ã :R.C==8,08.10 Chän R=100 vµ C=0.808F. *Trong s¬ ®å ta chËp hai ®Çu control vµ ®Çu cßn l¹i nh­ h×nh vÏ ®Ó t¹o m¹ch dao ®éng.§Ó m¹ch nµy dao ®éng ®­îc th× ta ph¶i cÊp nguån cho m¹ch vµo ch©n VDD , VSS vµ nh­ vËy víi c¸c th«ng sè thÝch hîp ta sÏ cã m¹ch dao ®éng t¹o xung cã tÇn sè 10kHz. m¹ch ®iÒu khiÓn toµn hÖ thèng