Đồ án Về nguồn điện phân môn điện tử công suất

MỤC LỤC Chương 1 Giới thiệu chung về công nghệ điện phân . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chương 2 Phân tích – lựa chọn phương án . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Chương 3 Tính toán thiết kế mạch lực . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Chương 4 Tính toán mạch điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Chương 5 Lập bảng trị số các phần tử và linh kiện . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Chuương 6 Chạy mô phỏng bằng máy tính PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Chương 7 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Chương 8 Tài liệu tham khảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Các số liệu cho trước : Điện áp tải : Ud = 400 V Dòng điện tải : Id = 10000 A Thời gian tăng áp: 2 giờ ( từ 20% điện áp định mức tới điện áp định mức ) Chương 1 Giới thiệu chung về công nghệ điện phân 1. Vai trò của ngành điện phân. Trong ngành luyện kim nói chung, luyện kim bằng phương pháp điện phân chiếm 1 vai trò hết sức quan trọng. Tuyệt đại đa số các kim loại khi luyện hoăc tinh luyện đều cần thiết dùng phương pháp điện phân. Luyện kim loại kiềm và kiềm thổ hầu như phải dùng phương pháp điện phân, vì các kim loại này có hoạt tính lớn nên khó hoàn nguyên bằng con đường hỏa luyện. Trong thiên nhiên chúng tồn tại ở dạng muối như NaCl, KCl,… hoặc qua sơ chế thành NaOH, KOH…, chúng đều là các chất điện ly nên có thể điện phân trực tiếp. Luyện kim bằng phương pháp điện phân có ưu điểm chính: + Có thể luyện được những kim loại mà phương pháp hỏa luyện không thể luyện được. + Có thể luyện được những quặng nghèo, quặng Õit… đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn phương pháp khác. + Dễ dàng thu hồi kim loại quý lẫn trong quặng. + Cho sản phẩm kim loại có độ nguyên chất cao. 2.Lý thuyết quá trình điện phân. a) Hệ thống điện hóa : b)Dung dịch điện ly. Dung dịch điện ly gồm: + Thành phần cơ bản: gồm muối và hợp chất chứa ion của kim loại cùng 1 số hóa chất khác. + Thành phần phụ gia: chất đệm và chống thụ động Anôt. Chức năng của chất đệm là giữ cho thành phần của dung dịch luôn ổn định khi điện phân, tốc độ của kim loại về Catot cũng nhỏ khi thoát ra cũng phải ổn định . Đồng thời chất đệm chống thụ động Anot. Phân loại dung dịch điện ly: có 2 loại chính là: + Dung dịch nước + Dung dịch muối nóng chảy. Dựa vào đó cũng có các công nghệ điện phân khác nhau như: + Điện phân trong dung dịch nước: luyện kẽm, tinh luyện Cu,Ni,Pb… + Điện phân trong muối nóng chảy: Sản xuất Nhôm, Magie, các kim loại đắt, hiếm… c. Một số đặc điểm của dung dịch điện phân: - Có độ dẫn điện cao giúp giảm tổn thất và làm cho quá trình diễn ra đồng đều. - Độ pH phù thuộc chất điện phân. - Nhiệt độ dung dịch không vượt quá nhiệt độ sôi. 3. Các quá trình điện cực. Quá trình Anot: Anot là điện cực nối với cực dương của nguồn điện 1 chiều.Khi điện phân, trên anot xảy ra quá trình điện hóa (oxi hóa) gọi là quá trình Anot và chia làm 2 loại: +Quá trình Anot tan. +Quá trình Anot không tan. Bản chất của các quá trình xảy ra trên Anot là quá trình Oxi hóa. Trường hợp Anot tan. Kim loại làm Anot bị Oxi hóa chuyển thành ion dương và tan vào trong dung dịch điện phân. Ví dụ: Cu – 2e à Cu2+ Các Cation kim loại sau đó đi về phía Catot và thực hiện hoàn nguyên trên bề mặt catot. Cơ chế của quá trình Anot tan gồm 3 giai đoạn chính: - Tách ion ra khỏi mạng tinh thể và chuyển điện tử vào mạng điện. - Hidrat hóa các Cation. - Khuếch tán các Cation vào trong dung dịch. Trường hợp Anot không tan Trên bề mặt Anot xảy ra quá trình Oxi hóa các Anion trong dung dịch: 4OH – – 4e à 2H2O + O2 2Cl – – 2e à Cl2 Quá trình Catot: Catot là điện cực nối với cực âm của nguồn điện 1 chiều, là nơi đặt vật mạ hoặc thu kim loại tinh chế, do quá trình hoàn nguyên kim loại diễn ra trên bề mặt catot. Bản chất của các quá trình catot chính là sự khử các Cation thành kim loại: MZ+ + z.e à M Hoặc hoàn nguyên Hydro: 2H + + 2e àH2 4. Sự kết tinh điện hóa .Quá trình kết tủa kim loại và các yếu tố ảnh hưởng. Trong công nghệ kết tủa kim loại Catot, cấu trúc tinh thể và hình dạng bên ngoài của kết tủa Catot có ý nghĩa rất lớn. Việc lấy được một kết tủa đặc, chắc, nhẵn theo yêu cầu phụ thuộc vào quá trình kết tinh điện hóa Catot. Quá trình kết tinh điện hóa 1 kim loại được xác định bởi quá trình tạo mầm và quá trình phát triển tinh thể. Kết tủa mịn hay thô, từ đó tạo ra mặt Catot nhẵn hay gồ ghề phụ thuộc vào tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển tinh thể. Để lấy được kết tủa chất lượng cao cần điều khiển được tốc độ đó bằng cách khống chế các nhân tố ảnh hưởng sau: Mật độ dòng điện và phân cực. Thành phần và nhiệt độ dung dịch. Chất hoạt tính bề mặt. Chủng loại các Catot mẫu. Sự tuần hoàn dung dịch. a) Xem xét sự ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch: Đây là yếu tố ảnh hưởng phức tạp vì có ảnh hưởng nhiều tới tính chất dung dịch. Tăng nhiệt độ sẽ cho phép dùng dung dịch có nồng độ cao hơn, tăng độ dẫn điễn của dung dịch, giảm nguy cơ thụ động Anot. Các yếu tố đó làm tăng mật độ dòng điện giới hạn nên cho phép điện phân với mật độ dòng cao hơn. Xem xét sự ảnh hưởng của tuần hoàn dung dịch Trong quá trình điện phân, nồng độ ion kim loại sát Catot bị nghèo đi, gây phân cực nồng độ quá lớn và nhiều bất lợi xảy ra như: không dùng được mật độ dòng cao, chất lượng điện phân thấp, gây cháy lớp mạ … Sự ảnh hưởng của mật độ dòng điện: Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ, mịn, chắc sít và đồng đều, do khi tăng mật độ dòng điện sẽ làm tăng khả năng tạo mầm,ngược lại, mật độ dòng thấp cho kết tủa to, thô. Tuy nhiên, mật độ dòng cao quá lại không tốt vì lớp kim loại dễ bị gai, bị cháy. Khi diện phân tại mật độ dòng giới hạn chỉ tạo thành bột kim loại, do đó, muốn nâng cao mật độ dòng điện cần nâng cao mật độ dòng giới hạn bằng cách tăng nhiệt độ, tăng nồng độ và đối lưu dung dịch. 5. Nguồn điện phân Khi tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng điện phân ở trên, ta thấy mật độ dòng là yếu tố quyết định. Để có được độ mịn, độ gắn bám tốt thì nguồn 1 chiều cấp cho bể điện phân phải có chất lượng thật tốt, cho dòng bằng phẳng và có thể điều chỉnh liên tục trong 1 giới hạn rộng, cấp được một mật độ dòng đủ lớn. Tính chất tải điện phân: Tải bể điện phân thuộc loại tải R-C-E, tuy nhiên điện trở trong của bể mạ nhỏ, do đó, hằng số thời gian phóng, nạp của tụ là rất nhỏ cho nên coi ảnh hưởng của tụ là không đáng kể. Sức điện động E trong bể mạ thường nhỏ nên chúng ta có thể bỏ qua. Từ đó có thể coi tải điện phân gần như thuần trở, nên muốn có một mật độ dòng lớn, có độ bằng phẳng cao theo yêu cầu thì điện áp nguồn 1 chiều cũng phải thật bằng phẳng. Đây chính là yêu cầu thiết kế nguồn điện phân Chương 2 Phân tích-lựa chọn phương án Nguồn 1 chiều cấp cho bể điện phân được yêu cầu có điện áp cao và dòng rất lớn, tới hàng chục ngàn Ampe. Sự ổn định, chất lượng dòng điện cấp cho bể là yếu tố quan trọng nhất, quyết định tới chất lượng sản phẩm điện phân. Nguồn điện 1 chiều nói chung có thể được cung cấp từ Ắcquy. Máy phát điện 1 chiều hay các bộ biến đổi… Phân tích các phương án chỉnh lưu có điều khiển. 3.4.1 Chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3 pha Sơ đồ nguyên lý : b) Nguyên lý hoạt động Hình vẽ dưới đây mô tả hoạt động của sơ đồ ứng với thời điểm phát xung ứng với góc α = 300, góc chuyển mạch =00. Tại các thời điểm đều có 2 van thông, một van ứng với nhóm Anot chung, một van ứng với nhóm Catot chung Đường đậm dưới là UKO, đường đậm ở giữa là UAO, đường đậm trên cùng là Ud Hình vẽ trên là đồ thị dòng điện qua van T1, T4 Dưới cùng là dạng dòng điện thứ cấp máy biến áp ia 3.4.2. Chỉnh lưu điều khiển không đối xứng cầu 3 pha a) Sơ đồ nguyên lý: b) Nguyên lí làm việc của sơ đồ Các hình vẽ dưới đây mô tả hoạt động của sơ đồ ứng với thời điểm phát xung ứng với góc α = 900, góc chuyển mạch =00. Với các diode thì góc mở luôn =00 Đường đậm dưới là UKO, đường đậm giữa là UAO, đường đậm trên cùng là Ud Hình vẽ trên là đồ thị dòng điện qua van T1, D1 Dưới cùng là dạng dòng điện thứ cấp máy biến áp ia Qua đồ thị ia ( đây là hàm không sin, không đối xứng) theo phân tích Furie thì ta tìm được ia và góc lệch pha giữa ua và ia là φba=α/2 3.4.3 Chỉnh lưu điều khiển 6 pha có cuộn kháng cân bằng a) Sơ đồ nguyên lý b) Nguyên lý hoạt động của sơ đồ Với góc mở chậm α = 600, góc chuyển mạch =00 3.5 So sánh các phương án và chọn phương án Nội dung CLDK đối xứng cầu 3 pha CLDK không đối xứng cầu 3 pha CLDK 6 pha có CKCB Dải điều chỉnh Ud 0≤α≤90 0≤α≤180 nên điều chỉnh chính xác 0≤α≤90 Lọc sóng điều hòa Ud, ia luôn đối xứng, nên thành phần sóng điều hòa không đổi nên bộ lọc đơn giản Ud, ia không đối xứng, nên thành phần sóng điều hòa thay đổi nên bộ lọc phức tạp Thiết kế cuộn kháng cân bằng rất phức tạp Số van sử dụng 6 thyristor 3 thyristor+3diode nên rẻ nhất, dễ điều khiển nhất 6 thyristor Dòng điện qua van Bằng 1/3 dòng điện tải Bằng 1/3 dòng điện tải Bằng 1/6 dòng điện tải Vì đồ án là thực hiện bộ chỉnh lưu cho nguồn điện phân nên chất lượng điện áp đóng vai trò quyết định tới chất lượng sản phẩm. Do đó yếu tố về chất lượng điện áp được đặt lên hàng đầu. Mà trong số các sơ đồ chỉnh lưu thì CLDK đối xứng cầu 3 pha cho ta chất lượng điện áp tốt nhất, do đó ta chọn phương án CLDK đối xứng cầu 3 pha cho việc thực hiện bộ nguồn chỉnh lưu cho nguồn điện phân Chương 3 Tính toán thiết kế mạch lực Yêu cầu thiết kế : Điện áp tải : Ud = 400 V Dòng điện tải : Id = 10000A I. Tính chọn van bán dẫn công suất Chọn chế độ làm việc định mức của van là chế độ công suất cực đại ( ứng với góc mở chậm α = 0 ) + Điện áp ngược cực đại đặt lên van : Ung max = U2 Mà Ud = Ud max = U2 = .Ud max = . 400 = 171 V < 220 V Cần phải sử dụng máy biến áp Ung max = . Ud max = . 400 = 418,88 ( V ) Điện áp ngược của Thyristor cần chọn : Ung v = KdtU Ung max =1,8418.88 = 754 V Trong đó KdtU là hệ số dự trữ điện áp,chọn bằng 1,8 + Dòng điện làm việc của van tính theo dòng hiệu dụng : Itbv = = Itbv max = = = 3333,3 A Chọn điều kiện làm việc của van là làm mát cưỡng bức bằng nước,ta có ở điều kiện van + đĩa van chuẩn + tốc độ nước = 8 m/s thì : Itb max = ( 0,6 0,7 ) Itb max thực Itb max thực = = = 5555,56 ( A ) Vậy các thông số để chọn van là : Ung v = 754 V và Itb max thực = 5555,56 A Chọn thyristor công suất DCR5980A18 do hãng Dynex Semiconductor chế tạo với các thông số do nhà sản xuất đưa ra như sau : +) Điện áp ngược cực đại : Ung max = 1800 V +) Dòng điện làm việc cực đại : Idmmax = 5985 A +) Dòng điện đỉnh cực đại : Ipik max = 8400 A +) Dòng điện xung điều khiển : Ig max = 500 mA +) Điện áp xung điều khiển : Ug max = 3,5 V +) Dòng điện rò : Irmax = 200 mA +) Sụt áp trên thyristor ở trạng thái bán dẫn : ∆Umax = 0,77 V +) Tốc độ biến thiên điện áp : du/dt = 1000 V/ μs +) Tốc độ biến thiên dòng điện : di/dt = 250 A/ μs +) Nhiệt độ làm việc cực đại : Tmax = 125C Tính toán máy biến áp lực. Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ, sơ đồ đấu dây . II.1. Tính sơ bộ máy biến áp. 1. Công suất biểu kiến máy biến áp: S=Ks Pd = kVA 2. Điện áp sơ cấp máy biến áp: =380 V 3. Điện áp pha thứ cấp máy biến áp : Phương trình cân bằng điện áp khi có tải: Ud0.cos αmin = Ud +2.∆UV + ∆Udn +∆UBA Với: αmin = 100 là góc dự trữ khi có sụt giảm điện áp lưới. ∆UV = 0,77 V: sụt áp trên van công suất. ∆Udn 0: sụt áp trên dây nối. - : sụt áp trên điện trở và điện kháng của MBA. Chọn sơ bộ: ∆UBA = ∆UR + ∆UX ≈ 6%.Ud0 = 0,06×400 = 24 V Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải, ta có: Ud0 = = = 428,98 V Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp : U2 = = 183,4 V 4. Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp : I2 = A 5. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp : I1 = = A Hệ số biến áp : kBA = = = 0,4826 II.2 Tính toán các thông số khác cho máy biến áp A. Mạch từ : Chọn mạch từ 3 trụ, tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức: QFe = Trong đó : KQ = 5 ứng với máy biến áp dầu m=3 : số trụ máy biến áp f = 50Hz: tần số nguồn xoay chiều QFe = cm2 đường kính trụ : D = B. Dây quấn : Số vòng dây mỗi pha máy biến áp: _ Sơ cấp : W1 = ( vòng ) _ Thứ cấp : W2 = ( vòng ) Tiết diện dây quấn : Do dòng điện trong các dây lớn nên ta phải chọn dây quấn song song Chọn mật độ dòng điện J1 = J2 = 2,75 A/mm2 _ Sơ cấp : Dòng hiệu dụng I1 = 3940,7 A tiết diện dây sơ cấp : S1 = Chọn tiết diện dây hình chữ nhật,chiều dày 5mm,chiều rộng bản : _ Thứ cấp : I2 = 8165 A tiết diện dây thứ cấp : S2 = Chọn tiết diện dây hình chữ nhật,chiều dày 5mm,chiều rộng bản : Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực Trong bộ chỉnh lưu phần tử kém có khả năng chịu được các biến động về điện áp và dòng điện và điện áp chính là các van bán dẫn . Vì vậy bảo vệ mạch lực cũng chính là bảo vệ các van bán dẫn khỏi các trạng thái : quá nhiệt,quá dòng và quá áp.Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ như sau : Bảo vệ quá nhiệt cho van : Khi làm việc,trên van bán dẫn có sụt áp,do đó có tổn hao công suất ∆P sinh ra nhiệt đốt nóng van Để van có thể hoạt động tốt, với dòng điện qua van rất lớn tới 5,56KA, ta cần phải làm mát cho van bằng hệ thống nước khử ion Bảo vệ quá xung điện áp cho van : Mạch bảo vệ quá xung áp dùng mạch RC mắc song song với van C R Đối với DCR5980A18, tốc độ tăng áp cho cho phép tương úng 1000V/ms Trị số điện trở tải Rt = Ud/Id = 400/10000 = 0,04W - Hệ số quá áp cho phép : k = Ungtt = Uvan = 754 V ; Ungcp = 1800 Þ k= = 2,387 Tra bảng với k = 2,387 ta được thông số : C* = 0,12 ; R*min = 1,9 ; R*max = 4,2 Cmin = = = 0,15mF Chọn thông số kinh nghiệm Cmin = 0,2mF Chọn R theo kinh nghiệm R = 50 W Nói chung các thông số mạch bảo vệ RC đều được chọn theo thông số kinh nghiệm : R = 20 ¸ 100W C = 0,1 ¸ 2mF ** Tính toán cuộn kháng lọc : Vì điện áp khởi động bằng 20% điện áp định mức rồi sau đó tăng dần lên tới điện áp định mức nên điện áp thay đổi từ Ukd đến Udm. Ứng với giá trị Ukđ ta sẽ được có được αkđ như sau: Tra đồ thị trang 56 sách Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất của Trần Văn Thịnh ta có : Trong đó K là bội số sóng hài, ở đây ta quan tâm nhất đến thành phần sóng hài bậc 1 m là số lần đập mạch trong một chu kì Udn max là biên độ sóng hài của điện áp chỉnh lưu Thay vào công thức tính điện cảm của cuộn kháng lọc thành phần dòng điện đập mạch ta được: Trong đó ω là tần số góc I1*% là trị hiệu dụng của dòng điện sóng hài cơ bản lấy tỉ số theo dòng điện định mức của chỉnh lưu. Cho phép lấy I1*% <10% Idm là dòng điện định mức của bộ chỉnh lưu Chương 4  TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN Việc tính toán mạch điều khiển xuất phát từ yêu cầu về xung mở cho Thyristor : Điện áp điều khiển : Uđk = 3.5 V Dòng điện điều khiển : Iđk = 500 mA Độ rộng xung điều khiển : tx = 4tm = 6 μs Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển : UN = 12 V 1. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển : Tạo điện áp tựa SS KĐ SX BBĐ ĐF Uđb UĐF Utựa Uss tải Uđk PH Uđ UPH 2. Chức năng của các khối : a) Khối đồng pha : Tạo tín hiệu điện áp đồng pha với điện áp đặt lên van công suất,đảm bảo dải điều chỉnh của góc α thỏa mãn 0 α 180 b) Khối tạo điện áp tựa : Tạo ra điện áp răng cưa từ điện áp đồng pha để đưa vào khâu so sánh c) Khối so sánh : So sánh giữa tín hiệu Utựa và Uđk để xác định thời điểm phát xung điều khiển vào van công suất ( xác định góc α ).Khi thay đổi giá trị của Uđk ta có thể thay đổi giá trị của góc α mong muốn d) Khâu khuếch đại và sửa xung : _ Tạo ra dạng xung chuẩn ( xung đơn,xung kép hoặc xung chùm ) _ Đảm bảo đủ công suất để mở ( khóa ) van một cách chắc chắn trong mọi chế độ làm việc của van Sơ đồ toàn bộ mạch điều khiển như sau : I. Khâu đồng pha : Sơ đồ của khâu đồng pha như sau : Từ sơ đồ này ta thấy điện áp đồng pha được lấy ra từ điện áp lưới thông qua MBA. Phần sơ cấp của MBA đồng pha được đấu tam giác còn phần thứ cấp đấu hình sao để điện áp đồng pha được dịch đi 30o điện so với điện áp lưới.điều này giúp ta xác định được thời điểm bắt đầu tính góc α chính là thời điểm điện áp đồng pha đi qua 0. Đồ thị minh họa : Khâu đồng pha có 2 mục tiêu quan trọng là: * Chuyển đổi điện áp lực thường có giá trị cao sang giá trị phù hợp với mạch điều khiển thường là điện áp thấp. * Cách ly hoàn toàn về điện giữa MĐK với mạch lực. Điều này đảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng như cho các linh kiện điều khiển II. Khâu tạo điện áp tựa : Khâu tạo điện áp tựa chính là khâu tạo điện áp răng cưa.Sơ đồ như sau : Nguyên lý hoạt động được minh họa qua đồ thị sau : * Hai KĐTT dùng LM339 vì OA loại này cho độ dốc xung ra gần như thẳng đứng. * Các điôt Đ1, Đ2 làm nhiệm vụ giữ cho độ chênh lệch điện áp giữa 2 cửa vào của OA1. Do các điôt này luôn có điện áp rơi thuận trên nó là 0,7V nên khi điện áp trên cửa 2 của OA1 lớn hơn 0,7V thì Đ1 thông và điện áp cửa 2 bằng 0,7V . U2max = 0,7V . + Khi điện áp trên cửa 2 nhỏ hơn -0,7V thì Đ2 thông và cũng giữ mức điện áp min trên cửa 2 là -0,7V. Như vậy với các điôt Đ1, Đ2 làm cho mức điện áp giữa 2 cửa OA1 luôn nằm trong khoảng từ -0,7V® 0,7V Ta có thể chọn 2 điôt này là 2 con 1N4150 thoả mãn yêu cầu bài toán * Chọn nguồn nuôi cho OA là E = + 15V , điện áp đồng pha Udp max = 10 = 14,14V * Tính các điện trở : +) Điện trở R1 được tính để hạn dòng qua diod D1 và D2.dòng qua diod tối đa là 1A Þ R1 > = 14,14 Ω Þ chọn R1 =10 kΩ +) Tính điện trở R3 : Chu kì điện áp xoay chiều đồng pha : T = 1/50 = 0,02 (s) Chọn C1 = 1μF.Hằng số thời gian phóng nạp của tụ : τ = R3 x C Để tụ nạp đầy điện trong khoảng thời gian T/2 thì phải có : τ = T/2 = 0,01 Þ R3 = 0,01 / 1.10-6 = 10 kΩ Vì Uop2 nằm dưới trục hoành nên khi Uđk tăng thì Ud giảm (điều khiển ngược), muốn quá trình là điều khiển thuận ta cho Uop2 qua một mạch cộng đầu vào không đảo để kéo đường điện áp răng cưa lên trên trục hoành Þ Urc = Uop2 + 12 V Ta chọn R4 = R5 = R6 = R7 = 10 kΩ III. Khâu so sánh : Đây là sơ đồ so sánh điện áp trên 2 cửa vào của op-amp.Khi Urc > Uđk thì Uss = -E 0.Ta có dạng đồ thị điện áp như sau : Khâu so sánh ta cũng dùng LM339 để tạo được sườn xung thẳng đứng R8 và R9 có tác dụng hạn chế dòng vào các cửa của op-amp Þ Chọn R8=R9=10 kΩ IV. Khối khuếch đại và sửa xung : Khâu tạo dao động : Sử dụng vi mạch 555 : Đồ thị thời gian UC(t) và Ura(t) Tụ C được nạp và phóng điện giữa 2 mức ngưỡng là UCC và UCC hằng số thời gian nạp là n = (Rx1+Rx2).C2 hằng số thời gian phóng là p = Rx2.C Chọn Rx1 = Rx2 thì ta có n = 2p Ta có n = tx = 6 μs Þ Chu kì dao động của xung ra là : T = tn + tp = 9 μs Tần số dao động của xung ra là : f = = 111,111 kHz Mà f = Þ (Rx1 + 2Rx2).C2 = 13 10-6 Chọn Rx1 = Rx2 = 47 Ω ta có C2 = 100 pF Khâu trộn xung : Sử dụng IC SN74HC08 gồm 4 cổng AND 2 đầu vào thuộc họ CMOS tốc độ cao để trộn tín hiệu Ux và điện áp ra của Timer 555 AND R13 D3 Udd Uss Ux Diod D3 chọn là loại 1N4150, có tác dụng cắt xung âm đi vào cổng AND Chọn R13 = 10 kΩ 3. Tính toán biến áp xung : Biến áp xung là loại biến áp đặc biệt,trong đó điện áp đặt lên phía sơ cấp có dạng xung chữ nhật mà không phải là điện áp hình sin.Điều này dẫn đến chế độ làm việc và phương pháp tính toán BAX rất khác so với các biến áp thường. _ Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có: DB = 0,3 T, DH = 30 A/m, không có khe hở không khí. + Tỷ số biến áp xung: chọn m = 3 + Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Uđk =3,5 V + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m. U2 = 3.3,5 = 10,5 V + Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk =500 mA + Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = I2 /m =0,5/3=0,167 A + Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: mtb =DB/m0.DH = 7,162.103 Trong đó: m0=4π.10-7 (H/ m) là độ từ thẩm của không khí + Thể tích của lõi thép cần có: V= Q.L = (mtb . m0 . tx . sx . Ul . Il )/ DB2 Thay số V= = 0,1052 10-6 m3 = 0,1052 cm3 Chọn mạch từ OA – 14/1703 có thể tích V = Q l = 0,045 4,86 = 0,2187 cm3 Ta có kích thước mạch từ như sau : d D a b Hình chiếu lõi biến áp xung a = 1,5 mm; b = 3 mm; Q = 0,045 cm2 = 16,2 mm2; Qcs = 1,54 cm2 d = 14 mm; D = 17 mm . Chiều dài trung bình mạch từ: l = 4,86 cm + Số vòng quấn dây sơ cấp biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ: U1 =w1 . Q. dB/dt = w1 . Q. DB/tx w1 = U1 tx / DB.Q = 47 vòng + Số vòng dây thứ cấp: W2 = w1 / m = 47/3 = 16 (vòng ) + Tiết diện dây quấn thứ cấp: S1 = I1 /J1 = 0,167 /6 = 0,028 mm2 Chọn mật độ dòng điện j1 = 6 ( A/mm2 ) + Đường kính dây quấn sơ cấp: d1 = = 0,189 mm Chọn d1 = 0,2 mm Þ S1 = 0,0314 mm2 + Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = I2 / J2 = 0,5/4 = 0,125 mm2 Chọn mật độ dòng điện J2 = 4 A/ mm2 + Đường kính dây quấn thứ cấp: d2 = = 0,398 mm Chọn dây có đường kính d2 =0,4 mm Þ S2 = 0,1257 mm2 + Kiểm tra hệ số lấp đầy: Klđ = = 0,0226 Như vậy, cửa sổ đủ diện tích cần thiết Khâu khuếch đại xung : _ Nhiệm vụ : khuếch đại xung điều khiển Ux để đủ công suất (dòng,áp) mở van thyristor.Ngoài ra biến áp xung còn có tác dụng để cách ly hoàn toàn giữa mạch điều khiển và mạch lực,đảm bảo an toàn cho các linh kiện của mạch điều khiển cũng như người sử dụng . _ Nguyên lí : Xung điều khiển Ux được đưa vào cực Bazơ của 2 transistor T1 và T2 ghép Darlington để khuếch đại. Khi có xung chùm đặt vào cực bazơ của T1 thì T1 mở cho dòng chảy từ nguồn nuôi chảy qua BAX , qua T1 đến mở bão hoà T2 để T2 dẫn dòng chính chảy qua BAX xuống đất. Như vậy điện áp trên cuộn sơ cấp BAX & dòng điện chảy qua nó cũng có dạng xung . Dòng điện này cảm ứng sang cuộn thứ cấp , và ở cuộn thứ cấp này cũng xuất hiện dòng xung chảy vào cực điều khiển Thysistor . Trong mạch trên Đ4 có tác dụng trả năng lượng tích luỹ trong cuộn cảm lại nguồn khi mà cuộn sơ cấp này đang dẫn dòng thì T1,T2 khoá lại -> bảo vệ Transistor T1 và T2 không bị quá dòng Ic cho phép. Diod D5 có tác dụng chống điện áp ngược đặt lên 2 cực B-E của transistor.điện trở R dùng để giải phóng điện tích tích tụ trên cực E của T2 khi T2 chuyển sang chế độ khóa R11 : Hạn chế dòng từ hóa biến áp xung.R11 được tính để đảm bảo dòng qua Trasistor không bao giờ vượt quá dòng Collector lớn nhất cho phép. D6 : cắt xung âm vào cực điều khiển G của thyristor D7 : làm giảm điện áp ngược đặt lên giữa Catôt và cực điều khiển của Thyristor,đảm bảo an toàn cho lớp tiếp giáp G-K khi Thyristor ở chế độ khóa * Tính chọn các thông số : VCC chọn bằng 18V. Ta chọn loại van bán dẫn BCX38A đã được chế tạo sẵn theo sơ đồ Darlington có các thông số như sau : Ic max = 800 mA UCE max = 60V UEB max = 10V Sụt áp trên UCE = 1,5V Điện trở R11 được chọn theo khả năng dẫn dòng tối đa cho phép của BCX38A : R11 > = 22,5 Ω Ngoài ra,R11 còn được chọn để đảm bảo điện áp trên cuộn sơ cấp BAX lớn hơn 10,5 V Þ R11 < = 36 Ω Chọn R11 = 33 Ω Các diod D4,D5,D6,D7 có thể chọn là loại 1N4150 V. Tính toán nguồn cung cấp cho mạch điều khiển : Nguồn cung cấp cho mạch điều khiển là nguồn điện áp một chiều, trị số điện áp và độ ổn định tuỳ thuộc từng khâu trong mạch. Chọn nguồn cung cấp cho các op-amp là 15V,được lấy từ chân ra của các vi mạch ổn áp 7815 và 7915.Sơ đồ như sau : 7815 : +15V C1 C2 +18V 7815 2 3 VIN VOUT 7915 : -15V C1 C2 -18V 7915 2 3 VIN VOUT Dòng điện tải cho phép của các IC này là 1,8 A (phải có tản nhiệt) nên đảm bảo cung cấp đủ công suất cho các của mạch điều khiển hoạt động Nguồn 12V được lấy từ 7812 : +12V C1 C2 +18V 7812 2 3 VIN VOUT Lưu ý : Để các IC ổn áp hoạt động bình thường phải tính chọn sao cho trong quá trình hoạt động điện áp đầu vào không cao quá trị số cho phép ( tính ở chế độ lưới điện cao nhất và mạch ổn áp không tải ) và cũng không được thấp hơn mức tối thiểu cần thiết ( tương ứng khi điện áp lưới điện thấp nhất và mang tải lớn nhất ) * Xác định công suất biến áp nguồn điều khiển Biến áp nguồn điều khiển có nhiều cuộn dây thứ cấp mà mỗi cuộn dây lại cấp điện cho một khu vực nào đó như : cuộn thứ cấp tạo điện áp đồng pha cuộn thứ cấp cấp nguồn cho khu vực tạo điện áp ổn áp cho mạch điều khiển Cuộn thứ cấp cấp nguồn cho tầng KĐCS Cuộn thứ cấp cấp nguồn cho khu vực tín hiệu hoá … Tuy nhiên cũng có thể một cuộn dây cấp cho đồng thời cho nhiều khu vực nếu nó không gây ảnh hưởng đến sự hoạt động của mạch nói chung.Ở đây chúng ta sử dụng 9 cuộn dây sơ cấp trong đó 6 cuộn tạo điện áp đồng pha và 3 cuộn để lấy điện áp đưa vào khu vực tạo nguồn áp 1 chiều cấp cho mạch điều khiển.Do có nhiều cuộn dây thứ cấp nên công suất phía thứ cấp thường lớn hơn sơ cấp , vì vậy thường dựa vào công suất này để tính toán máy biến áp. Điện áp một chiều lấy từ bộ chỉnh lưu sẽ cung cấp trực tiếp cho nguồn công suất ở phần KĐCS & cung cấp đầu vào cho các IC ổn áp * Tính toán phần đồng pha Dòng điện chảy trong cuộn thứ cấp của cuộn dây đồng pha : Idp= = = 0,001 A . Công suất cho sáu cuộn dây đồng pha : Pđp = 6.10.0,001= 0,06VA Đây chính là công suất cuộn thứ cấp có tải xoay chiều Þ P2 = 0,06VA * Tính công suất cho phần chỉnh lưu tạo điện áp một chiều ± 18V : + Điện áp ra : U = 18V + Dòng điện ra : Dòng điện ra tải của bộ chỉnh lưu Id sẽ bao gồm các dòng điện thành phần sau : - Dòng cung cấp cho IC ổn áp 7815, 7915 cỡ khoảng 1,8A - Dòng cung cấp cho IC ổn áp 7812 khoảng 1,5A - Dòng cung cấp cho nguồn công suất Mạch điều khiển gồm 6 biến áp xung,dòng điện chảy trong cuộn sơ cấp của mỗi BAX là 0,167 A.Tại 1 thời điểm bao giờ cũng có 2 van bán dẫn công suất làm việc nên I1 = 0,167 2 = 0,334 A Þ Id = 1,5 + 1,2 + 0,334 = 3,034 A Công suất ra tải của bộ chỉnh lưu : Pd = Ud.Id = 18.3,034 = 54,612 VA Þ åksđ.Pd = 1,05.54,612 = 57,3426 VA Vấn đề tính toán thời gian tăng áp Giá trị điện áp định mức : Uđm = 400 V Giá trị điện áp khởi động : Ukđ = 20% 400 = 80 V Góc a được điều chỉnh sao cho điện áp nguồn điện phân tăng từ Ukđ đến Uđm trong 2 giờ Áp dụng công thức : Uda = Udocosa Với Udo = U2 = .183,4= 429 V + góc a ứng với điện áp khởi động : Ukđ = 429 cosakđ = 80 Þ cos akđ = 0,1865 Þ a kđ = 79,25o + góc a ứng với điện áp định mức : Uđm = 429cosađm = 400 Þ cosađm = 0,9324 Þ ađm = 21,19o Quá trình thay đổi của góc điều khiển a sẽ được điều chỉnh bởi điện áp điều khiển. Khi Uđk tăng thì a giảm Þ điện áp ra tăng lên và ngược lại Þ quá trình là điều khiển thuận Ta sẽ tính điện áp điều khiển ứng với các góc điều khiển này Đồ thị điện áp răng cưa : Giá trị điện áp điều khiển lúc khởi động là : Uđkkđ = ( 180 - 79,25 ) = 6,7 V Giá trị điện áp khởi động ứng với tải định mức : Ukđ đm = ( 180 - 21,19 ) = 10,6 V Như vậy ta phải điều chỉnh Uđk tăng từ 6,7V đến 10,6V trong 2 giờ Thiết kế mạch tăng áp tự động Sử dụng khâu tích phân bậc 4,gồm 4 bộ tích phân nối tiếp nhau : Chọn Uv = 12V Giá trị R,C được chọn để Ura tăng từ 0V lên 10,6-6,7 = 3,9V trong 2 giờ Ta có : Ura op6 = = t Uv Þ Ura op7 = = = Þ Ura op8 = ÞUra = Để Ura = 3,9V sau t=7200s thì (RC)4 = 43084 Þ chọn C = 6800μF thì R = 634 kΩ Điện áp Ura được đưa vào mạch cộng không đảo với điện áp chuẩn 6,7V để được Utăng áp = 10,6 V sau 2 giờ R8,R9,R10,R12 chọn bằng 10 kΩ Kết quả chạy mô phỏng như sau : Tính toán khâu hồi tiếp điện áp . Để giữ được giá trị điện áp trên tải đúng giá trị yêu cầu ta phải thiết kế khâu hồi tiếp điện áp về khâu điều khiển để tự động điều chỉnh điện áp điều khiển tăng hoặc giảm khi điện áp tải thay đổi. Sơ đồ nguyên lý của khâu hồi tiếp điện áp như sau : Mạch lực Tải Điều khiển Hồi tiếp áp Khi điện áp ra tải tăng lên thì khâu hồi tiếp điện áp sẽ làm giảm điện áp điều khiển,tức là làm giảm góc α và ngược lại. Khâu hồi tiếp điện áp là 1 mạch trừ,có sơ đồ như sau : Biến trở RES1 và R13 được mắc thành bộ phân áp sao cho điện áp vào cửa dương của op-amp đúng bằng 10,6 V.Có thể chọn R13=1kΩ và RES1 = 10k Điện áp ra của mạch trừ được đưa vào cửa điều khiển của bộ so sánh . Chọn R15 = R14 = R13 ta có : Ura = U – Uhồi tiếp Giả sử ta cần giữ ổn định điện áp ra tải là 400V . Điện áp hồi tiếp lấy về nhờ bộ phân áp Uht = r2 = kUd (r1 , r2 là các điện trở bộ phân áp ) , k là hệ số hồi tiếp Khi Ud = 400V , điện áp hồi tiếp là Uht = 400k Điện áp ra Ura = U – 400k = 10,6 Khi điện áp Ud tăng một lượng DUd thì điện áp ra Ura = U – (400 + DUd)k = 10,6 – DUdk Điện áp điều khiển bị giảm 1 lượng DUd sẽ làm cho điện áp tải Ud bị giảm đi Trường hợp điện áp ra bị giảm một lượng DUd thì điện áp điều khiển : Udk = Ura = U – (400 - DUd)k = 10,6 + DUdk , tức là điện áp điều khiển được điều chỉnh tăng lên . Trường hợp điện áp tải Ud = 400V thì điện áp hồi tiếp luôn là Uht = 400k nên Udk = U- 400k = 10,6 V giữ nguyên giá trị điện áp điều khiển Ta phải chọn bộ phân áp hợp lý sao cho luôn luôn có được điều kiện sau: Uht < U để cho điện áp điều khiển không âm . Mặt khác U- Uht £ Udkđm để cho điện áp ra tải không vượt quá giá trị định mức. CHƯƠNG 5 BẢNG TRỊ SỐ TÍNH CÁC PHẦN TỬ VÀ LINH KIỆN TÊN PHẦN TỬ TRỊ SỐ LINH KIỆN TÊN R1 10kW Đ1 1N4150 R3 10kW Đ2 1N4150 R4,5,6,7 10kW Đ3 1N4150 Rx1,x2 47W Đ4 1N4150 R8,9,10 10kW Đ5 1N4150 R11 33W Đ6 1N4150 R12,13 10kW Đ7 1N4150 R14,15 1kΩ OP1,2,3,4,5,6,7,8,9 LM339 R16,17,1 10 kΩ Thyristor DCR5980A18 C1 1mF MOSFET IRF9540 C2 100pF Tr1,Tr2 BCX38A C3,C4,C5,C6 6800mF R 470 kΩ Chương 6 CHẠY MÔ PHỎNG BẰNG MÁY TÍNH PC Kết quả chạy mô phỏng bằng phần mềm TINA 7.0 Chương 7 KẾT LUẬN Đồ án môn học là một môn không thể thiếu được với sinh viên học kỹ thuật nói chung và đối với sinh viên học kỹ thuật điện nói riêng. Bởi vì nhờ quá trình làm đồ án, sinh viên không những hiểu biết về môn học đó mà còn có điều kiện tìm hiểu về các quá trình sản xuất trong thực tế, biết liên kết những môn khoa học với nhau và quan trọng nhất là giúp sinh viên quen với công việc sau này sẽ phải làm. Qua việc chạy mô phỏng mạch điều khiển bằng phần mềm chuyên dụng TINA 7.0 ta có một sốkết luận sau : + Mạch thiết kế chạy theo đúng yêu cầu thiêt kế tạo xung chùm + Tất cả các khâu đều phối chạy rất đúng yêu cầu kỹ thuật Như vậy là việc thiết kế nguồn điện phân đã hoàn tất và có khả năng được ứng dụng vào trong sản xuất công nghiệp với độ tin cậy cao Trong quá trình làm đồ án môn học em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TẠ DUY HÀ cùng các thầy giáo trong bộ môn ĐTCS đã giúp đỡ em hoàn thành được đồ án của mình Sinh viên Lê Thành Trung Chương 8 TÀI LIỆU THAM KHẢO Điện tử công suất - Nguyễn Bính Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất – Trần Văn Thịnh Kĩ thuật điện tử - Đỗ Xuân Thụ Điện tử tương tự - Nguyễn Trinh Đường (chủ biên) Kỹ thuật mạch điện tử - Phạm Minh Hà Điện tủ công suất – Võ Minh Chính ( chủ biên ) Bài tập điện tử công suất - Phạm Quốc Hải Phần mềm vẽ và mô phỏng mạch điện TINA 7.0