Luận văn Thiết kê biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

Luận văn Thiết kê biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay cùng với việc phát trển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp nói chung và trong công nghiệp điện tử nói riêng thì các thiết bị điện tử có công suất lớn được chế tạo ngày càng nhiều.Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang phát triển hết sức mạnh mẽ.Qua đó con người đã khai thác triệt để những ưu điểm vốn có của các loại động cơ một chiều và xoay chiều phục vụ những nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực tự động hóa. Với đồ án này em đã nêu ra một khía cạnh nhỏ trong lĩnh vực điều khiển động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc. “Thiết kê biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ” Nội dung các chương mục như sau : Chương 1 : Tổng quan về công nghệ. Giới thiệu về động cơ không đồng bộ và các hệ thống biến tần. Chương 2 : Tính chọn mạch công suất. Mạch động lực, đi sâu vào nguyên lí làm việc của hệ thống thiết bị cũng như các phương pháp tính chọn mạch và bảo vệ mạch. Chương 3 : Thiết kế mạch điều khiển . Ứng dụng của kĩ thuật xung số để điều khiển hoạt động của mạch Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa điện đã tận tình chỉ bảo trong thời gian làm đề tài. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 1.1. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN- ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU Trong các hệ thống điều tốc biến tần cho cả 2 loại động cơ xoay chiều đồng bộ và không đồng bộ thì bộ biến tần là khâu quan trọng quyết định đến chất lượng của hệ thống truyền động. Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi công suất truyền động, vào hướng điều chỉnh mà có các loại biến tần và phương pháp khống chế biến tần khác nhau. Trong thực tế các bộ biến tần được chia làm hai nhóm: các bộ biến tần là biến tần trực tiếp và các bộ biến tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều. Trước đây, các hệ truyền động dùng biến tần trực tiếp do chất lượng điện áp đầu ra thấp nên thường dùng ở lĩnh vực công suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất được đặt lên hàng đầu. Ngày nay, với sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi điều khiển, phương pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lượng điện áp ra cao, giảm ảnh hưởng xấu đến lưới điện nên phạm vi ứng dụng đang ngày càng được mở rộng. Được ứng dụng nhiều nhất hiện nay vẫn là các hệ điều tốc biến tần dùng bộ biến tần gián tiếp, các bộ biến tần loại này có thể khống chế theo các phương pháp khác nhau: điều chế độ rộng xung (PWM); điều khiển vector; điều khiển trực tiếp mô men. Biến tần điều chế độ rộng xung (PWM) với việc điều khiển điện áp và tần số theo qui luật U1/f1 = Const dễ thực hiện nhất, đường đặc tính cơ biến tần của nó về cơ bản là tịnh tiến lên xuống, độ cứng cũng khá tốt, có thể thoả mãn yêu cầu điều tốc thông thường, nhưng khi tốc độ giảm thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm tản cuộn dây ảnh hưởng đáng kể đến mô men cực đại của động cơ, buộc phải tiến hành bù sụt điện áp cho mạch stator. Điều khiển Es/f1 = const là mục tiêu thực hiện bù điện áp thông dụng với U1/f1 = const, khi ở trạng thái ổn định có thể làm cho từ thông khe hở không khí không đổi (Фm = const), từ đó cải thiện được chất lượng điều tốc ở trạng thái ổn định. Nhưng đường đặc tính của nó vẫn là phi tuyến, khả năng quá tải về mômen quay vẫn bị hạn chế. Hệ thống truyền động điều khiển Er/f1 = const có thể nhận được đường đặc tính cơ tuyến tính giống như ở động cơ một chiều kích thích từ độc lập, nhờ đó có thể thực hiện điều tốc với chất lượng cao. Dựa vào yêu cầu tổng từ thông của toàn mạch rotor Фrm= const để tiến hành điều khiển có thể nhận được Er/f1=const. Trong trạng thái ổn định và trạng thái động đều có thể duy trì Er/f1=const là mục đích của điều tốc biến tần điều khiển vec tơ, đương nhiên hệ thống điều khiển của nó là khá phức tạp. Dựa trên kết quả từ 2 hạng mục nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hướng từ trường động cơ không đồng bộ” do F. Blaschke của hãng Siemens Cộng hoà Liên bang Đức đưa ra vào năm 1971, và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cơ cảm ứng” do P.C. Custman và A.A. Clark ở Mỹ công bố trong sáng chế phát minh của họ, qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành được hệ thống điều tốc biến tần điều khiển vector mà ngày nay đã trở nên rất phổ biến. 1.2. SƠ LƯỢC VỀ CÁC HỆ THỐNG BIẾN TẦN 1.2.1. Khái niệm. Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử thực hiện chức năng biến đổi tần số và điện áp một chiều hay xoay chiều nhất định thành dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển được nhờ khoá điện tử 1.2.2. Phân loại 1. Biến tần trực tiếp: Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được. Do quá trình biến đổi không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp, còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter). Như vậy điện áp xoay chiều U1(f1) chỉ cần qua một van là chuyển ngay ra tải với U2(f2). Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp chỉ sử dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp. Vì việc thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc và f1. Ví dụ f2 TA NA TB NB TC NC ~ U1, f1 B C · H1.3: Sơ đồ biến tần trực tiếp 2.Biến tần gián tiếp: Còn gọi là biến tần độc lập. Trong biến tần này đầu tiên điện áp được chỉnh lưu thành dòng một chiều. Sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay chiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay đổi f2 không phụ thuộc vào f1).Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần.Tuy nhiên việc ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kĩ thuật vi xử lí nên ta phát huy tối đa các ưu điểm của biến tần loại này và thường sử dụng nó hơn. Ví dụ : ÑKB U2, f2 ~ U1, f1 H1.4: Sơ đồ biến tần gián tiếp Chỉnh lưu Lọc Nghịch lưu H1.5: Sơ đồ khối Phân loại biến tần gián tiếp Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm hai loại sử dụng nghịch lưu dòng và nghịch lưu áp. a). Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng: Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào dạng dòng điện của nguồn, còn dạng áp trên tải tuỳ thuộc vào các thông số của tải quy định. b). Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp: Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp (nghĩa là điện trở nguồn bằng 0). Dạng của điện áp trên tải tuỳ thuộc vào dạng của điện áp nguồn, còn dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào thông số của mạch tải quy định. Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp sin hơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn. Bộ biến tần nguồn áp có hai bộ phận riêng biệt, đó là bộ phận động lực và bộ phận điều khiển Phần động lực gồm có các phần sau: - Bộ chỉnh lưu: có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều có tần số f1 thành dòng một chiều. - Bộ nghịch lưu: là bộ rất quan trọng trong bộ biến tần, nó biến đổi dòng điện một chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng điện xoay chiều có tần số f2. - Bộ lọc: là bộ phận không thể thiếu được trong mạch động lực cho phép thành phần một chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay chiều. Nó có tác dụng san bằng điện áp sau khi chỉnh lưu. Phần điều khiển: Là bộ phận không thể thiếu được, nó quyết định sự làm việc của mạch động lực, để đảm bảo các yêu cầu tần số, điện áp ra của bộ biến tần đều do mạch điều khiển quyết định. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT 2.1 một số phương án thực hiện 2.1.1 Biến tần trực tiếp Bộ biến tần trực tiếp là thiết bị biến đổi tần số vào sang tần số ra một cách trực tiếp mà không cần có sự can thiệp của một khâu trung gian nào. Bộ biến tần trực tiếp hay còn gọi là bộ biến tần phụ thuộc thường gồm các nhóm chỉnh lưu điều khiển mắc song song cho xung lần lượt 2 nhóm chỉnh lưu trên ta được dòng xoay chiều trên tải. Như vậy điện áp xoay chiều U1(f1) chỉ cần qua 1 van là chuyển ngay ra tải với U2(f2). ÑKB U2 f2 TA NA TB NB TC NC ~ U1, f1 A B C · · · H2.1. Biến tần trực tiếp 2.1.2. Biến tần 3 pha gián tiếp a. Biến tần dòng 3 pha gián tiếp H2.2 : Biến tần nguồn dòng sử dung tiristor Trên sơ đồ ta thấy : sơ đồ gồm cầu chỉnh lưu điều khiển I và cầu biến tần II. Trong sơ đồ biến tần mỗi thyistor được nối tiếp thêm một diôt. Trong mỗi nửa cầu có 3 tụ điện. Cầu chỉnh lưu thông qua điện cảm Ld cung cấp cho cầu biến tần dòng điện hằng Id. Các thysristor T1 và T6 đó cắt dòng điện một chiều Id thành 2 khối chữ nhật, một khối dương và một khối âm, mỗi khối kéo dài 1200 điện. Khối nọ cách khối kia 600 độ điện. Tại bất cứ thời điểm nào cũng chỉ có 2 thysristor cho dòng chảy qua. Các thyistor được điều khiển mở theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1…… Trên sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển cùng với cuộn cảm tạo nên nguồn dòng cấp cho nghịch lưu. Nghịch lưu ở đây là sơ đồ nguồn dòng song song. Hệ thống tụ chuyển mạch được cách ly với tải qua hệ thống diot cách ly. Dòng ra nghịch lưu có dạng xung hình chữ nhật, điện áp ra có dạng tương đối sin nếu phụ tải là động cơ. b. Biến tần áp ba pha gián tiếp H2.3. Biến tần áp gián tiếp dùng Tiristor Sơ đồ bao gồm cấu hình chỉnh lưu thyristor I, tụ điên C chứa năng lượng phản kháng, cầu diot II và cầu biến tần III. Tải là động cơ điện 3 pha không đồng bộ kiều lồng sóc. Các diot đấu song song ngược với các thyristor cho phép dòng điện tải trả được về nguồn, ở đây là tụ điện C, vì cầu chỉnh lưu I chỉ cho dòng chảy qua 1 chiều. Trong sơ đồ này mỗi thyristor dẫn dòng trong 1800 điện. Trong sơ đồ cầu biến tần, ngoài giai đoạn trùng dẫn,lúc nào cũng có 3 thyristor dẫn dòng( hai ở nhóm này và 1 ở nhóm kia). Khi thyristor thuộc nhóm anot chung mở thì dòng điện chảy từ nguồn dương vào tải, còn khi thyristor thuộc nhóm catot chung mở thì dòng điện chảy từ tải về nguồn âm. 2.2. phân tích ưu nhược điểm của các mạch công suất 1. Ưu nhược điểm của bộ biến tần trực tiếp và gián tiếp Biến tần trực tiếp: Ưu điểm: + Biến đồi trực tiếp điện lưới điện u1 có tần số cố định f1thành một điện áp u2 có tần số f2 với biên độ có thể thay đổi được. +Hiệu suất cao. +Cho phép hãm tái sinh năng lượng mà không cần có mạch điện phụ. +Có thể xây dựng với công suất lớn. Nhược điểm: +Sơ đồ mạch van phức tạp,số lượng van lớn. +Thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc vào f1. +Chỉ thực hiện trong giới hạn f2 ≤ f1. + Khó điều khiển ở tần số cận không vì khi đó tổn hao sóng hài trong động cơ khá lớn. + Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao. + Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin. Biến tần gián tiếp: Ưu điểm: +Thay đổi tần số f2 dễ dàng không phụ thuộc vào f1. +Thực hiện được trong dải rộng cả trên và dưới f1. + Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển khá cao. + Sóng điện áp đầu ra gần với hình sin. Nhược điểm: +Việc biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệu suất biến tần. 2. So sánh hai bộ biến tần gián tiếp nguồn áp và nguồn dòng. - Trong bộ biến tần nguồn dòng, khi hai khoá bán dẫn trong cùng một nhánh của bộ nghịch lưu cùng dẫn (do kích nhầm hoặc do chuyển mạch), dòng ngắn mạch qua hai khoá được hạn chế ở mức cực đại. Trong bộ biến tần nguồn áp, việc này có thể gây ra sự cố ngắn mạch làm hỏng khoá bán dẫn. Do đó có thể xem biến tần nguồn dòng làm việc tin cậy hơn biến tần nguồn áp. - Do mạch chỉnh lưu tạo nguồn dòng có thể hoạt động ở chế độ trả năng lượng về nguồn, bộ biến tần nguồn dòng có thể làm việc hãm tái sinh. Với bộ biến tần nguồn áp, việc hãm tái sinh muốn thực hiện cần thêm vào hệ thống một cầu chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn. -Trong trường hợp mất nguồn lưới khi đang hoạt động, bộ biến tần nguồn áp có thể hoạt động ở chế độ hãm động năng, nhưng bộ biến tần nguồn dòng không thể hoạt động ở chế độ này khi đó. - Bộ biến tần nguồn dòng được sử dụng cuộn kháng L khá lớn trong mạch chỉnh lưu tạo ra nguồn dòng, điều này làm đáp ứng quá độ của hệ thống chậm hơn so với bộ biến tần nguồn áp. - Khi hoạt động với nguồn cấp là DC bộ biến tần nguồn áp nhỏ gọn và rẻ tiền hơn so với biến tần nguồn dòng thường cồng kềnh do phải sử dụng cuộn kháng L lớn và các tụ chuyển mạch có giá trị cao. - Dải điều chỉnh biến tần nguồn dòng thấp hơn dải điều chỉnh của biến tần nguồn áp. 2.3. Chọn mạch công suất phù hợp Dựa vào ưu nhược điểm như trên ta lựa chọn bộ biến tần gián tiếp nguồn áp với cấu chúc như sau: 1) Bộ nghịch lưu áp 3 pha (có thể sử dụng BJT công suất, IGBT, GTO,...) ở đây ta dùng Mosfet. 2) Bộ chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha sử dụng Tiristor H2.4. Sơ đồ biến tần nguồn áp dùng Mosfet 2.4. TÍNH TOÁN MẠCH CÔNG SUẤT 2.4.1 Bộ nghịch lưu a) Sơ đồ nguyên lý: H2.5. Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu áp ba pha gián tiếp Hoạt động: Tụ C1 đảm bảo nguồn là nguồn áp và để tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải. Phương pháp điều khiển các van mosfet thông thường nhất là điều khiển cho góc mở của van là và . Ở đây ta xét góc dẫn với tải đấu sao, ta xác định điện áp trên tải trong từng khoản thời gian 600 (vì cứ 600 có một trạng thái chuyển mạch) với nguyên tắc van nào dẫn coi như thông mạch .Nhìn chung sơ đồ này có dạng một pha tải nối với hai pha đấu song song nhau .Do vậy điện áp 1 pha trên tải sẽ chỉ có hai giá trị là . Khi một pha đấu song song với 1 trong 2 pha còn lại hoặc khi một pha nối tiếp với nhánh song song còn lại.Với giả thiết tải đối xứng Nguyên tắc chuyển mạch : Cho góc mở của mosfet là 1800 và cứ 600 tiếp theo (kể từ khi mosfet trước đó được mở thì một mosfet khác mở). Như vậy trong cùng một thời gian có 3 mosfet mở : Bảng trạng thái đóng mở của các mosfet M 0 - 600 M1 1 1 1 0 0 0 M2 0 1 1 1 0 0 M3 0 0 1 1 1 0 M4 0 0 0 1 1 1 M5 1 0 0 0 1 1 M6 1 1 0 0 0 1 Xét quá trình chuyển mạch từ T5 sang T2 tương ứng với khoảng () sang ( ) . Trong khoảng thì T1,T5,T6 dẫn, chiều dòng điện qua tải được xác định như hình vẽ 2.6 (a.b,c,d,e,f) H 2.6.a H 2.6.b H 2.6.c H 2.6.d H 2.6.e H 2.6.f b) Dạng sóng mạch nghịch lưu: T4 io Uc Ub T5 T6 Ua T3 T1 T2 H2.7. Dạng sóng mạch nghịch lưu c)Tính chọn các phần tử trong mạch: + Các thông số của động cơ không đồng bộ roto lồng sóc: -Công suất định mức: Pdm = 7,5 Kw -Điện áp định mức: Ufdm = 220 V -Hệ số công suất: Cos= 0,78 -Hiệu suất: 0,8 Từ các thông số trên dễ dàng tính được các đại lượng cần thiết: -Dòng điện định mức: (A) (2.1) -Điện trở mỗi pha tải: (Ω) (2.2) Lt (H) (2.3) + Tính chọn Mosfet: Để lựa chọn được van ta cần tính được điện áp cực đại đặt lên van và dòng điện trung bình chảy qua van. Bộ biến tần điều chỉnh theo quy luật = Const, mà dải điều chỉnh tần số của động cơ là f= 0 - 120Hz Do đó ta có = (2.4) Vậy Umax .120= 528 (V) +) Tính toán các thông số điện áp ở chế độ điều chỉnh cực đại -Ta có điện áp cực đại trên một pha tải: Uma = Umax (2.5) -Điện áp đầu vào cực đại của bộ nghịch lưu: Udmax Umza .528.= 1120 (V) (2.6) - Điện áp cực đại đặt lên mỗi Mosfet: Ung = Udmax =1120 (V) (2.7) +) Tính toán các thông số dòng điện ở chế độ điều chỉnh cực đại Dòng điện hiệu dụng pha tải ở chế độ điều chỉnh cực đại Ihd (2.8) -Hệ số: cos (2.9) -Dòng trung bình qua Mosfet: IM (2.10) Thay số ta được: IM (A) - Chọn hệ số dự trữ dòng điện: ki = 1,8 Vậy cần chọn Mosfet chịu được dòng điện trung bình: ITBM = 1,8.IM = 1,8. 10,85 = 19,53 (A) Từ đó ta chọn: Mosfet SKM284F với thông số: IDmax=20 A UDSmax= 1500 V + Tính chọn điốt ngược: +) Điện áp: -Điện áp cực đại đặt lên điôt: Ungm = Udmax (2.11) -Chọn hệ số an toàn điện áp kud = 1,8 Vậy điôt ít nhất phải chịu được điện áp: Ulv = 1,8. (V) +) Dòng điện: -Dòng trung bình chảy qua điốt: ID (2.12) Thay số ta được: ID (A) -Chọn hệ số dự trữ dòng điện: ki = 3,2 Vậy cần chọn điốt ít nhất chịu được dòng trung bình: ITBD = 3,2.1,84 = 5,888 (A) Từ đó ta chọn điốt: Điôt BYX38 với thông số Idm= 6 A Ungm=2300 V 2.2.2 Bộ chỉnh lưu 1. Nguyên lý Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng có thể coi như hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha mắc ngược chiều nhau, ba Tiristo T1,T3,T5 tạo thành một chỉnh lưu tia ba pha cho điện áp (+) tạo thành nhóm anod, còn T2,T4,T6 là một chỉnh lưu tia cho ta điện áp âm tạo thành nhóm catod, hai chỉnh lưu này ghép lại thành cầu ba pha. Theo hoạt động của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng, dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở Tiristo chúng ta cần cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm anod (+), một xung ở nhóm catod (-)). Ví dụ tại thời điểm t1 trên hình 2.8b cần mở Tiristo T1 của pha A phía anod, chúng ta cấp xung X1, đồng thời tại đó chúng ta cấp thêm xung X4 cho Tiristo T4 của pha B phía catod các thời điểm tiếp theo cũng tương tự. Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân thủ theo đúng thứ tự pha. Khi chúng ta cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ được chạy từ pha có điện áp dương hơn về pha có điện áp âm hơn. Ví dụ trong khoảng t1 ¸ t2 pha A có điện áp dương hơn, pha B có điện áp âm hơn, với việc mở thông T1, T4 dòng điện dược chạy từ A về B. Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một van của nhóm này (anod hay catod) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho nhau. Điều này có thể thấy rõ trong khoảng t1 ¸ t3 như trên hình 2.8.b Tiristo T1 nhóm anod dẫn, nhưng trong nhóm catod T4 dẫn trong khoảng t1 ¸ t2 còn T6 dẫn tiếp trong khoảng t2 ¸ t3. Điện áp ngược các van phải chịu ở chỉnh lưu cầu ba pha sẽ bằng 0 khi van dẫn và bằng điện áp dây khi van khoá. Ta có thể lấy ví dụ cho van T1 (đường cong cuối cùng của hình 2.8b) trong khoảng t1 ¸ t3 van T1 dẫn điện áp bằng 0, trong khoảng t3 ¸ t5 van T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp ngược UBA, đến khoảng t5 ¸ t7 van T5 dẫn T1 sẽ chịu điện áp ngược UCA. Khi góc mở các Tiristo lớn lên tới góc a > 600 và thành phần điện cảm của tải quá nhỏ, điện áp tải sẽ bị gián đoạn như các đường nét đậm trên hình 2.8d (khi góc mở các Tiristo a =900 với tải thuần trở). Trong các trường hợp này dòng điện chạy từ pha này về pha kia, là do các van bán dẫn có phân cực thuận theo điện áp dây đặt lên chúng (các đường nét mảnh trên giản đồ Ud của các hình vẽ 2.8b, c, d), cho tới khi điện áp dây đổi dấu, các van bán dẫn sẽ có phân cực ngược nên chúng tự khoá. Sự phức tạp của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng như đã nói trên là cần phải mở đồng thời hai van theo đúng thứ tự pha, do đó gây không ít khó khăn khi chế tạo vận hành và sửa chữa. 2. Tính chọn Tiristor Dòng điện và điện áp tải chính là dòng điện và điện áp đầu vào của bộ nghịch lưu. Dòng trung bình bộ nghịch lưu tiêu thụ từ nguồn Iv (2.13) Trong đó: I0 : Là dòng điện cơ sở ( I0 ) (2.14) A (2.15) Q = tgφmax = (2.16) Thay số ta được: I0 (A) Q = A = 0,842 Khi đó: Iv (A) Vậy dòng điện tải và điện áp tải cực đại của bộ chỉnh lưu là: Ud = Udmax = 1120 (V) Idmax = Iv = 54,45 (A Điện áp Giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp máy biến áp: U2 (V) (2.17) Điện áp ngược cực đại trên mỗi Tiristor: Ungmax (V) (2.18) Chọn hệ số dự trữ về điện áp ku = 1,4 Vậy phải chọn Tiristor ít nhất chịu được điện áp ngược Unv = 1,4 . 1172,2 = 1641,17 (V) Dòng điện Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng Ilv Ihd (A) (2.19) Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện tích tản nhiệt, có quạt đối lưu không khí. Với điều kiện đó ta chọn hệ số dự trữ dòng điện ki = 2,5 Vậy cần chọn dòng định mức của van là: Idmv = 2,5 . Ilv = 2,5 . 31,43 = 78,59 (A) Với các thông số Unv , Idmv ta chọn Tiristor: T60N1000VOF có: Điện áp ngược cực đại của van : Un = 1300 V Dòng điện định mức của van : Idmmax = 90 A Dòng điện đỉnh cực đại : Ipik = 1400 A Dòng điện xung điều khiển : Ig = 150 mA Điện áp xung điều khiển : Ug = 1,4 V Dòng điện duy trì : Ih =0,2 A Dòng điện rò : Ir = 25 mA Sụt áp của Tiristor ở trạng thái dẫn : ΔU = 1,8 V Tốc độ biến thiên điện áp : du/dt = 1000 V/s Thời gian chuyển mạch : tcm = 180 μs Nhiệt độ làm việc cực đại : Tmax = 125 0C 3 .Tính toán máy biến áp chỉnh lưu Chọn máy biến áp ba pha ba trụ đấu Δ /Y làm mát bằng không khí tự nhiên. Tính các thông số cơ bản Phương trình cân bằng điện áp khi có tải: Ud0 = Ud + ΔUv + ΔUba + ΔUdn (2.20) Trong đó: Sụt áp trên các van : ΔUv = 2. ΔU (2.21) Sụt áp trên máy biến áp khi có tải chọn sơ bộ ΔUba = 6%Ud (2.22) sụt áp trên dây nối ΔUdn Thay số ta có : Ud0 V Công suất biểu kiến của biến áp S = ks.Pdmax =1,05.78,59.1190,8 = 98,26 (kVA) (2.23) Điện áp pha sơ cấp biến áp U1 = 380 V Vậy điện áp pha thứ cấp máy biến áp: U2 V (2.24) Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp: I2 A (2.25) Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp: I1 A (2.26) b) Tính sơ bộ mạch từ Tiết diện trụ được tính theo biểu thức kinh nghiệm: cm2 (2.27) Trong đó: k. : Hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát chọn k =6 S : Công suất biểu kiến của máy biến áp c : Số trụ f : Tần số nguồn xoay chiều Vậy ta tính được: cm2 Đường kính trụ d = = = 13,89 (cm) (2.28) Chọn d = 14 (cm) Chọn từ cảm B=1 Tesla c) Tính toán dây quấn Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp n1 (2.29) lấy n1 = 112 vòng Số vòng dây mỗi pha thứ cấp n2 (2.30) lấy n2 = 150 vòng Chọn mật độ dòng điện J1 = J2 = 2,75 A/mm2 Đường kính dây dẫn phía sơ cấp (chọn dây tiết diện tròn) d1 mm (2.31) Đường kính dây dẫn phía thứ cấp d2 mm (2.32) d) Tính toán mạch từ -Chọn trụ nhiều bậc -Diện tích cửa sổ cần có: Qcs = kld.n1.S1 + kld.n2.S2 (2.33) Chọn kld = 2 Vậy : Qcs=2.112.13,2 + 2.150.13,2 = 6916,8 mm2 Chọn loại thép lá thép có độ dày 0,5 Chọn tỉ số m suy ra h= 2,5.d = 2,5 . 11 = 27,5 cm Chọn h = 28 cm Chọn tỉ số n suy ra c = 0,5.11 =5,5 cm Chọn c =6 cm Chọn tỉ số l suy ra b = d =11 cm Chiều rộng toàn bộ mạch từ C = 2c + 3d = 45 cm Chiều cao mạch từ H = h + 2d = 50 cm +) Kết cấu dây quấn sơ cấp Số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp W1 = . kc=.0,95 = 59,5 (2.34) Chọn W1= 60 vòng Trong đó: dn1 :đường kính dây quấn sơ cấp kể cả cách điện hg :khoảng cách cách điện với gông, chọn hg = 2.dn1 Số lớp dây của cuộn sơ cấp N11 = (2.35) Chọn N11 = 2 lớp Như vậy 112 vòng chia thành 2 lớp,mỗi lớp có 56 vòng Chiều cao thực tế của cuộn dây sơ cấp h1= = =26,53 (cm) (2.36) Giữa hai lớp đặt một tờ giấy cách điện dày 0,1mm Bề dày của của cuộn dây sơ cấp: e1=N11.dn1 + 0,1.N11 =17,2 mm (2.37) Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày s01=0,1mm Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp a01 =1 cm Đường kính trong của ống cách điện Dt = d + 2a01 – 2s01 = 11 + 2.1 - 2.0,01 = 12,98 cm (2.38) Đường kính trong của cuộn sơ cấp Dt1 = d + 2s01 = 11 + 2.0,01 = 11,02 cm (2.39) Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp Dn1 = Dt1 + 2e1 = 11,02 + 2.1,72 = 14,46 cm (2.40) Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp Dtb1= = cm (2.41) Chiều dài dây quấn sơ cấp l1 m (2.42) Chọn bề dày cách điện giữa 2 cuộn sơ cấp e11 = 1 cm +) Kết cấu dây quấn thứ cấp Chọn chiều cao cuộn thứ cấp h2 = h1 = 26,53 Số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp W2 = . kc=.0,95 = 60 vòng (2.43) Chọn W2 = 60 vòng Trong đó: dn2 :đường kính dây quấn thứ cấp kể cả cách điện Số lớp dây của cuộn thứ cấp N12 =. Chọn N12 = 3 (2.44) Như vậy 150 vòng chia thành 3 lớp mỗi lớp có 50 vòng -Giữa hai lớp đặt một tờ giấy cách điện dày 0,1mm Bề dày của của cuộn dây thứ cấp: e2=N12.dn2 + 0,1.N12 =12,9 mm (2.50) Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày s02=0,1mm Khoảng cách từ trụ tới cuộn thứ cấp a02 =1 cm Đường kính trong của ống cách điện Dt = d + 2a02 – 2s02 = 11 + 2.1 - 2.0,01 = 12,98 cm (2.51) Đường kính trong của cuộn thứ cấp Dt2 = d + 2s02 = 11 + 2.0,01 = 11,02 cm (2.52) Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp Dn2 = Dt2 + 2e2 = 11,02 + 2.1,29 = 13,6 cm (2.53) Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp Dtb2= = cm (2.54) Chiều dài dây quấn sơ cấp l2 m (2.55) Chọn bề dày cách điện giữa 2 cuộn thứ cấp e22 = 1 cm Tính các thông số của máy biến áp Điện trở của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 750C R1= r.= 0,02133. = 0,133 (W) (2.56) r = 0,02133 Điện trở cuộn thứ cấp ở 750C R2= r.= 0,02133. = 0,101(W) Điện trở của máy biến áp qui đổi về thứ cấp RBA = R2 + R1= 0,101 + 0,133 =0,175 (W) (2.57) Sụt áp trên điện trở máy biến áp DUr = RBA.Idmax = 0,175 . 78,59 = 13,76 (V) (2.58) Điện kháng máy biến áp qui đổi về thứ cấp XBA= 8 .p2.(n2)2..w.10-7 (2.59) = 8 .p2.1502..314.10-7 = 0,143 (W) Điện cảm máy biến áp qui đổi về thứ cấp LBA = = = 0,455 (mH) (2.60) Sụt áp trên điện kháng máy biến áp DUx = XBA.Id = .0,143.78,59 = 10,73 (V) (2.61) Rdt =.XBA = 0,137 (W) (2.62) Sụt áp trên máy biến áp DUBA= = = 17 (V) (2.63) Tổng trở ngắn mạch qui đổi về thứ cấp ZBA = = = 0,232(W) (2.64) Tổn hao ngắn mạch trong máy biến DPn = 3.RBA .I22 = 3.0,175.64,162 = 2161,1 (W) (2.65) DP% = .100 = .100 = 2,19 % (2.66) Điện áp ngắn mạch tác dụng Unr= .100 = .100 = 2,45 % (2.67) Điện áp ngắn mạch phản kháng Unx = .100 = .100 = 1,55 % (2.68) Điện áp ngắn mạch phần trăm Un= == 2,89 (V) (2.69) Dòng điện ngắn mạch I2nm= = = 1282,2 (A) (2.70) 4. Tính toán mạch lọc Hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu: kdm (2.72) trong đó U1m là biên độ của sóng hài bậc một u1(θ ) (2.73) với Từ khai triển fourier ta có hệ số đập mạch: kdm (2.74) Ta nhận thấy rằng hệ số đập mạch phụ thuộc vào góc điều khiển α Khi điều chỉnh α sẽ làm cho hệ số này xấu đi.Chính vì thế để thỏa mãn yêu cầu của tải cần đưa thêm bộ lọc. Hiệu quả của bộ lọc được đánh giá bằng hệ số san bằng: ksb (2.75) Trong đó: kdmvao: hệ số đập mạch của bộ chỉnh lưu ksb luôn lớn hơn 1 và càng lớn thì lọc càng tốt Chọn mạch lọc C Tính chọn tụ C0: Ta có: C0 = (2.76) Thường nhận: ∆UC = 0,1Udmax Thay số ta được: C0 = (F) =367() Tụ phải chịu được điện áp: UC = Udmax =653,37 (V) 5 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực a) Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn Khi dòng điện chảy qua các van, sẽ có tổn hao công suất ∆P. Tổn hao này sẽ làm nóng các van. Trong khi đó các van bán dẫn chỉ được phép làm việc với một nhiệt độ cho phép Tcp, nếu vượt quá nhiệt độ này van sẽ bị hỏng. Chính vì vậy để đảm bảo an toàn cho các van, cũng như độ tin cậy của mạch ta cần thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý. Ta có: ∆P = ∆U.Ilv = 1,8 . 22,83 =41,094 (W) (2.77) Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: S (2.78) Trong đó: độ chênh lệch nhiệt độ của tản nhiệt so với môi trường (2.79) km hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ Giả thiết van làm việc trong môi trường có nhiệt độ Tmt = 350C Nhiệt độ cho phép của van Tmax = 1250C Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt là Tc = 800C Chọn: km = 8 ( W/m2.0C ) Vậy S m2 b) Bảo vệ quá dòng điện cho van Chọn aptomat đóng cắt mạch động lực, bảo vệ quá tải, ngắn mạch, có các thông số: Idm=1,1.Idn = 1,1 . 25,27 = 48,15 A Udm = 220 V Dòng ngắn mạch Inm = 2,5.Idn = 109 A Dòng quá tải Iqt = 1,5.Idn = 65,65 A Chọn cầu chì tác động nhanh bảo vệ ngắn mạch Tiristor, ngắn mạch đầu ra chỉnh lưu Nhóm 1: Icc1 = 1,1.I2 = 1,1.32,28 = 35,5 A Nhóm 2: Icc2 = 1,1.Ihd= 1,1.22,83 = 25,1 A Nhóm 3: Icc3 = 1,1.Idmax = 1,1.39,54 = 43,49 A Từ đó ta chọn được loại cầu chì thích hợp. Bảo vệ quá điện áp cho van Bảo vệ quá áp do chuyển mạch Trong quá trình chuyển mạch các Tiristor, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo thành dòng điện ngược biến thiên trong khoảng thời gian ngắn. Dòng điện biến thiên này tạo ra một sức điện động rất lớn làm quá áp Tiristor. Khi có mạch R-C mắc song song với Tiristor sẽ tạo thành mạch vòng phóng điện nên bảo vệ được Tiristor. H 2.9. Mạch bảo vệ quá áp do chuyển mạch Theo kinh nghiệm chọn R = (5) W ; C = (0,25 ) mF Bảo vệ van bán dẫn khỏi đánh thủng do xung điện áp từ lưới. H2.10. Mạch bảo vệ quá điện áp từ lưới Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, chúng ta mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R - C, nhằm lọc xung . Khi xuất hiện xung điện áp trên đường dây, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số R,C phụ thuộc nhiều vào tải. Chọn R = (5 - 20)Ω, C = 4 µF. CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1. CẤU TRÚC SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỔNG QUÁT 3.1.1. Mạch điều khiển chỉnh lưu Sơ đồ khối Điều khiển Tiristo trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Nội dung của nguyên tắc này có thể mô tả theo giản đồ như sau: Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anod của Tiristo, để có thể điều khiển được góc mở của Tiristo trong vùng điện áp + anod, ta cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác, ta thường gọi là điện áp răng cưa Urc. Như vậy điện áp tựa cần có trong vùng điện áp dương anod. Dùng một điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm (t1,t4) điện áp tựa bằng điện áp điều khiển (Urc = Uđk), trong vùng điện áp dương anod, thì phát xung điều khiển Xđk. Tiristo được mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1,t4) cho tới cuối bán kỳ (hoặc tới khi dòng điện bằng 0) Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối như sau: Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc (thường gặp là điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của Tiristo Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk = Urc). Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuyếch đại. Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristo. Xung để mở Tiristor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu cầu Tiristo mở tức thời khi có xung điều khiển (thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật); đủ độ rộng với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của Tiristo; đủ công suất; cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn) Với nhiệm vụ của các khâu như vậy tiến hành thiết kế, tính chọn các khâu cơ bản của ba khối trên. 3.1.2. Mạch điều khiển nghịch lưu Để điều khiển các Mosfet đóng mở theo yêu cầu, ta cần có mạch tạo xung chữ nhật có độ rộng theo yêu cầu và có thể thay đổi được tần số của xung ra.Yêu cầu được đặt ra là tín hiệu vào của mạch điều khiển là tín hiệu điện áp.Tín hiệu của mạch điều khiển là xung chữ nhật này là phải có tần số tỉ lệ tuyến tính với điện áp điều khiển (U ~ f). Nghĩa là khi điện áp điều khiển tăng lên thì tần số xung ra phải tăng lên hoặc ngược lại điện áp điều khiển giảm xuống thì tần số xung ra phải giảm xuống. Sơ đồ khối Nhiệm vụ của các khâu: - Khâu phát xung chủ đạo: là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển để đưa đến bộ phận phân phối xung. Khâu này đảm nhận điều chỉnh xung, ngoài ra nó còn có thể đảm nhận luôn chức năng khuyếch đại xung. - Khâu phân phối xung: làm nhiệm vụ phân phối các xung điều khiển vào khâu khuyếch đại xung. - Khâu khuyếch đại trung gian: có nhiệm vụ khuyếch đại xung nhận được từ bộ phận phân phối xung đưa đến đảm bảo kích thích mở van. 3.2. TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.2.1. Tính toán mạch điều khiển chỉnh lưu H3.1: Sơ đồ một kênh điều khiển chỉnh lưu cầu 3 pha Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển. + Điện áp điều khiển Tiristor: Udk =1,4 (v) + Dòng điện điều khiển Tiristor: Idk =0,15 (A) + Thời gian mở Tiristor: tm =180 (ms) + Trong mạch có sử dụng bộ tạo xung chùm cho phép sử dụng các xung có độ dài lớn nhưng vẫn đảm bảo kích thước máy biến áp xung gọn nhẹ. Bộ tạo xung kiểu này thích hợp cho những xung có độ rộng tx >600( dùng cho sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha). Chọn tần số xung điều khiển của bộ tạo xung chùm fx=5 (k Hz). Khi đó máy biến áp xung sẽ được tính với độ rộng xung: tx=200 (ms) + Độ mất đối xứng cho phép: Da=40 + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U= 12 (v ) + Mức sụt biên độ xung: sx = 0,15 Tính biến áp xung + Tính chọn Rg : Sụt áp trên Rg khoảng 1,5 (V) Vậy : Rg (Ω) + Tỷ số biến áp xung: thường m = 2¸3, chọn : m= 3 + Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = ku.Udk Chọn : ku = 1,5 Vậy : U2 = 1,5. 1,4 = 2,1 (V) + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m. U2 = 3. 2,1 = 6,3 (V) + Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk =0,15 (A) + Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 (A) (3.1) + 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. + Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: mtb 8.103 (H/ m) (3.2) Trong đó: m0=1,256.10-6 (H/ m) là độ từ thẩm của không khí Thể tích của lõi thép cần có: V= Q.l (3.3) Thay số ta được: V= 1,055.10-6 (m3 ) = 1,055 ( cm3 ). Chọn mạch từ có thể tích V= 1,4 (cm3 ). Với thể tích đó ta có kích thước mạch từ như sau: H3.2: Hình chiếu lõi biến áp xung a = 4,5 mm; b = 6 mm; Q = 0,27 cm2 = 27 mm2 d = 12 mm; D = 21 mm . Chiều dài trung bình mạch từ: l = 5,2 (cm) + Số vòng dây sơ cấp biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ: U1 =w1 . Q. = w1 . Q. (3.4) Suy ra: w1 = 156 (vòng) + Số vòng dây thứ cấp: w2 52 (3.5) + Tiết diện dây quấn thứ cấp: S1 = 0,008 (mm2 ) (3.6) Chọn mật độ dòng điện j1 =6 ( A/mm2 ) + Đường kính dây quấn sơ cấp: d1 = = 0,103 (mm) (3.7) + Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 0,0375 (mm2 ) (3.8) Chọn mật độ dòng điện J2 = 4 (A/ mm2 ) + Đường kính dây quấn thứ cấp: d2 = = 0,219 (mm) (3.9) b) Tính tầng khuếch đại cuối cùng H3.3: Tầng khuếch đại Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E = + 12 ( V) Dòng: IC = I1 = 0,05 A Điện áp đặt vào Tranzitor UCE = E-U1 = 12 – 6,3 = 5,7 V (3.10) Chọn Tranzitor Q2 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số: Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn là Si . + Điện áp giữa Colector và Bazơ khi hở mạch Emiter: UCBO =40(v) + Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colector: UEBO =4(v) + Dòng điện lớn nhất ở Colector có thể chịu đựng : Icmax = 500 (mA). + Công suất tiêu tán ở colector : Pc =1,7 (w) + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T2 =1750 C + Hệ số khuếch đại : b2 =50 + Dòng làm việc của colector : IC = I1 =0,05 (mA). + Dòng làm việc của Bazơ : IB 0,001 (A) Ta thấy rằng với loại Tiristo đã chọn có công suất điều khiển khá bé Udk=1,4 (v), Idk = 0,15 (A), nên dòng colector – Bazơ của Tranzito Q2 khá bé, trong trường hợp này ta có thể không cần Tranzito Q3 mà vẫn có đủ công suất điều khiển.Tuy nhiên nếu dòng IC càng nhỏ các xung càng ít mất đối xứng, vì vậy ta chọn sơ đồ mắc Dalington. Chọn Transistor Q3 là loại 2SC400 có các thông số : + Điện áp giữa Emito và Colector khi hở mạch Bazơ: UCEO =20(v) + Dòng điện lớn nhất ở Colector có thể chịu đựng : Icmax = 100 (mA). + Hệ số khuếch đại : b1 =30 Ta mắc thêm điện trở hạn chế R10 R10 156 (W) (3.11) Tất cả các điôt trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số: + Dòng điện định mức : Idm = 10 (A) + Điện áp ngược lớn nhất : UN = 25 (v), + Điện áp để cho điôt mở thông : Um = 1 (v) Chọn cổng AND Toàn bộ mạch điện phải dùng 6 cổng AND nên ta chọn hai IC 4081 họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng AND, các thông số: Nguồn nuôi IC: Vcc = 3¸9 (V), ta chọn: Vcc = 12 (V). Nhiệt độ làm việc: - 40o C ¸ 80o C Điện áp ứng với mức logic “1”: 2¸4,5 (V). Dòng điện nhỏ hơn 1mA Công suất tiêu thụ P = 2,5 (nW/1 cổng). H3.4: Sơ đồ chân IC4081 Chọn tụ C2 và điện trở R9 Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ của Tranzitor Q2. Khi Q3 và Q2 mắc Dalington ta có: IB (A) Chọn R9 thoả mãn điều kiện: R9 85,9(kW) (3.12) Chọn R9 = 86,6 (kΩ) C2. R9= tx = 200 ( ms). (3.13) Suy ra C2 2,3.10-3 ( mF) Chọn C2 = 2,2 (nF) c) Tính chọn bộ tạo xung chùm Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 6 IC loại TL 084 do hăng texasInstruments chế tạo, mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán. Thông số của TL084: Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 18 (V) chọn Vcc = ± 12 (V) Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : ± 30 (V) Nhiệt độ làm việc : T = -25¸ 850 C Công suất tiêu thụ : P = 680 (mW) = 0,68 (W) Tổng trở đầu vào : Rin= 106 ( MW) Dòng điện đầu ra : Ira = 30 ( pA). Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du/dt = 13 (V/ms) H3.5: Sơ đồ chân của IC TL084 H3.6: Sơ đồ mạch tạo chùm xung Mạch tạo chùm xung có tần số f= 5 ( kHz) hay chu kỳ của xung chùm T200 (ms); Ta có: T1= R81. C2. ln(1+2.) (3.14) Chọn: R6= R7= 33 (Ω) . thì: T1= 1,1 R81. C5 T2= 1,1 R82. C5 Vậy chu kỳ xung T= T1+T2 = 1,1 C5. (R81 + R82) =1,1.C5.R8 Chọn tụ C5 = 0,1ms có điện áp U = 16 (V) Khi đó R8= 2 (kW). d) Tính chọn khâu so sánh H3.7: Sơ đồ khâu so sánh Khuếch đại thuật toán đã chọn là loại TL 084 Chọn R4= R5 > (kΩ) Uv ,Iv - điện áp vào lấy từ khâu đồng pha (và điều khiển), dòng điện vào theo thông số của KĐTT. Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc =12 (V) Thì điện áp vào A3 là Uv » 12 (v). Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1 (m A). Do đó ta chọn R4= R5= 15 (kW) e) Tính chọn khâu đồng pha H3.8: Sơ đồ khâu đồng pha Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C1, mặt khác để bảo đảm điện áp tụ có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được Tr = R3. C1 = 0,005 (s) (3.15) Chọn tụ C1 = 0,1 (mF) thì điện trở R3 (Ω) Vậy: R3 = 50 (kW) Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch R3. Thường chọn là biến trở lớn hơn 50 kW. Chọn Tranzito Ql loại A564 có các thông số: Tranzito loại pnp làm bằng Si Điện áp giữa Colector và Bazơ khi hở mạch Emitor: UCBO =25(v) Điện áp giữa Emitor và Bazơ khi hở mạch Colector: UEBO =7(v) Dòng điện lớn nhất ở Colector có thể chịu đựng : 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(mA) (3.16) Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazơ tranzito Ql được chọn như sau: Chọn R2 thoả mãn điều kiện: R2 ³ » = 30 ( kW) 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 vào khuếch đại thuật toán Iv < 1mA. Do đó: R1 > 9 (kW) Chọn R1 = 10 ( kW). 3.2.2. Tính mạch điều khiển nghịch lưu 1. Khâu phát xung chữ nhật : Khâu phát xung chủ đạo dùng IC555 làm việc ở chế độ phi ổn để tạo ra dãy xung có tần số mong muốn a. Giới thiệu về IC555: H3.9: Cấu tạo IC555 Cấu tạo của vi mạch 555 như trên hình H3.9 gồm ba điện trở 5 K mắc nối tiếp từ VCC xuống mass tạo điện thế tham chiếu 2VCC/3 cho mạch so sánh 1(upper comp) và VCC/3cho mạch so sánh 2 (lower Comp) .Flip-Flop RS và transistor T1 ,T2 là các bộ phận chuyển mạch tạo xung ra .Các chân của IC 555 như sau: 1.Nối đất 2. Đầu vào Trigger 3.Xung đầu ra 4.Reset 5. Điện thế điều khiển 6. Chân ngưỡng 7. Chân xả. 8.+VCC b. Sơ đồ mạch phát xung chủ đạo: H3.10: Sơ đồ khâu phát xung chủ đạo Nguyên lý làm việc: Ở trạng thái ban đầu mới cấp điện điện áp trên tụ UC = 0. Do vậy điện áp tại chân 2 và 6 cũng bằng 0. Do vậy điện áp ra tại chân 3 ở mức cao (UC = 12 V) và ban đầu chân 7 ở mức thấp (=0 ) .Tụ C bắt đầu nạp điện từ +VCC qua R1,R2 . Điện áp trên tụ tăng dần . Khi điện áp trên tụ ≥ 2VCC/3 thì điện áp ở ngõ ra của chân 3 sẽ chuyển trạng thái về mức thấp, còn chân 7 sẽ ở mức cao. Lúc này tụ sẽ phóng điện, điện áp trên tụ sẽ giảm dần. Khi điện áp trên tụ < VCC/3 lúc này chân 3 sẽ đổi trạng thái về thấp ,còn chân 7 sẽ chuyển lên cao, tụ C lại nạp điện. Quá trình dao động cứ tiếp tục diễn ra như thế tạo ra xung chữ nhật ở đầu ra 3. + Dạng xung đầu ra và điện áp trên tụ C : VOut U UC c. Tính toán tần số xung ra của IC555 và các trigơ Vi mạch IC555 làm việc ở chế độ tự dao động, tần số dao động phụ thuộc vào sự phóng nạp của tụ C. Khi C nạp ta có phương trình : Ri += với i=C +a=a* với a= viết phương trình trên dưới dạng toán tử Laplace p(p) - (0) + a(p)= , với (0)= (p)= + (t)= E (1- ) + Khi t= thì = E Do đó =Cln2 =0.7C Khi C phóng điện ta có phương trình : = Khi t= (lấy T1 làm gốc thời gian phóng điện ) thì =, do đó =0.7C Vậy chu kỳ xung : T= + =0.7C (+) Tần số xung ra của vi mạch IC555: = = Vì cứ 6 xung ở đầu vào (xung CLOCK) lấy từ IC555 thì các trigơ có 1 xung, như vậy tần số xung ra của các trigơ cũng chính là tần số của điện áp xoay chiều trên tải. Muốn thay đổi tần số của tải thì phải thay đổi tần số xung của bộ phát xung chủ đạo IC555 tức là điều chỉnh giá trị C,,.Với tải là động cơ không đồng bộ roto lồng sóc yêu cầu điều chỉnh tần số từ 0-70HZ. Ta chọn giá trị của tụ C là 0.1 mf, giá trị của R1 được chọn sẽ tương ứng với tần số f = 70Hz và=0 : Þ R16 = 34014 W lấy R16 = 34 kW Giá trị điện trở được chọn tương ứng với f=0 Hz và R16= 34 kW khi đó R17 phải đạt vô cùng, trên thực tế điều đó là không thể. Vậy điều chỉnh R17 để tần số = 0 ta chỉ có thể điều chỉnh RC đến một giá trị nào đó để tần số gần bằng 0 rồi ngắt R17 khỏi mạch.Từ đó ta chọn R2 = 50kW 2. Khâu phân phối xung. Yêu cầu phân phối xung để điều khiển các mosfet kích mở theo luật: +Khi M1 dẫn thì M4 khóa, tức M1 có xung điều khiển thì M4 hoàn toàn không có xung điều khiển. + Khi M3 có xung thì M6 không có xung . + Khi M5 có xung thì M2 không có xung . Để tạo được phân phối xung như vậy ta dùng các Flip-Flop. Theo như phân tích trên ta dùng 3 Flip-Flop D để phân phối xung. Mỗi xung ra cách nhau 600 . Bảng chức năng của FF-D: Với : Qn+1 = D Bảng đầu vao kích của FF-D: Tại mọi thời điểm bộ nghịch lưu luôn có 3 mosfet mở, nên cần phải phân phối xung đến các mosfet phù hợp với yêu cầu .Trạng thái của FF-D cần có như sau: Từ đó ta thành lập bảng trạng thái của FF-D như sau : Dựa vào bảng trạng thái ta tìm được sự liên hệ giữa đầu ra và đầu vào của các FF-D theo phương pháp tối giản bằng bảng các nô T2 T5 T6 T3 T4 T1 H3.12: Sơ đồ khâu phân phối xung 3. Khâu khuếch đại a. Nguyên lý H3.12: Sơ đồ khâu khuếch đại Khối này có tác dụng cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực, ngăn không cho điện áp phía mạch động lực "tràn" vào mạch điều khiển gây nguy hiểm. Khối cách ly nhận tín hiệu từ ngõ ra của mạch điều khiển, sau đó khuếch đại lên điện áp có biên độ đủ lớn để kích mở Mosfet, đồng thời khi không có tín hiệu điều khiển thì tạo ra điện áp ngược đặt vào cực G của Mosfet để khóa. Nguyên lý hoạt động: Bình thường khi chưa có tín hiệu vào ngõ vào của bộ cách ly, Q4 bị phân cực ngược nên hoạt động ở chế độ khóa, làm cho dòng chảy qua R12 xuống Diod D0 bằng không nên coi như Diod D0 không hoạt động nghĩa là Q0 cũng đang nằm ở trạng thái khóa. Khi có tín hiệu mức độ cao tới khối điều khiển đưa qua R15 và kích mở cho T, lúc này dòng chảy qua R12 xuống T rồi qua D0 xuống mass, nghĩa là D0 hoạt động làm cho Q0 cũng hoạt động, lúc này sẽ có dòng chảy tới R13 chảy qua Q0, qua R14 tạo điện áp rơi trên R14 và điện áp này sẽ đưa vào cực G của Mosfet để mở. b.Tính chọn các phần tử của mạch khuếch đại xung -Để cho Mosfet mở chắc chắn ta chọn điện áp điều khiển UGS = 10 V -Ta chọn Transistor quang PT loại PC 817 có các thông số như sau: UCEMax = 35V; Hệ số truyền đạt 60%; Điện áp cách ly 5Kv. -Ta có thể coi điện áp rơi trên Transistor Q0 khi dẫn bão hòa là 0,2V điện áp rơi trên Diod D0 là 1,8V. -Nguồn nuôi có điện áp Vcc=12 V -Chọn transistor Q4 theo điều kiện IC1 = Iop = 10mA, VCE>VCC loại NPN -Công suất tiêu tán trên Q4 cực đại là : Pmax = VCET.IC1 = 12.10 = 120 (mW). (3.32) Vậy ta chọn loại 2SC828 có các thông số sau: VCB0 =30(V). VEB0 = 5(V). VCE0 = 30(V) IC =50 (mA). -Điện trở R12 được tính như sau: R12 (Ω) (3.33) Chọn R12 = 1 (kΩ) -Dòng điện cực nền của Q4 là: IB1 mA (3.34) Khi đó: Ta có: Suy ra: Chọn dòng qua R14: IR14 = IET0= 10 mA Khi đó: Vậy R13 = 0,3.R14 = 300 (Ω) 3.2.3. Tạo nguồn nuôi H3.13: Sơ đồ mạch tạo nguồn nuôi Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng điôt, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi: U2 5,1(v) ta chọn U2 =9(v) Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng vi mạch ổn áp 7812 và 7912 các thông số chung của 2 vi mạch này: Điện áp đầu vào: UV = 7¸35 (V). Điện áp đầu ra: Ura= 12(V) với IC 7812 và IC 7912 Dòng điện đầu ra: Ira = 0¸1 (A). Tụ điện C4, C5 dùng để lọc thành phần sóng dài bậc cao. Chọn C4= C5 =C6 =C7 = 470 (mF) ; U= 35 V a. Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha Ta thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biến áp 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 3 cuộn dây, một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp. Điện áp lấy ra ở thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha: U2= U2dph= UN = 9 (V). (3.35) Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha: I2dph= 1( m A) Công suất nguồn nuôi cấp cho biến áp xung: Pdph = 6. U2dph . I2dph = 6.9.1.10-3 = 0,054 (w) (3.36) Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL 084 sử dụng làm khuếch thuật toán ta chọn hai IC TL 084 để tạo 6 cổng AND. P81c = 8. PIC = 8.0,68= 5,12 (w) (3.37) Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Tiristo. Px = 6. Udk . Idk = 6.1,4.0,15= 1,26 (W) (3.38) Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi. PN = Pdph +P81c +Px (3.39) PN = 0,056 +5,12+ 1,26 = 6,436 ( W) Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy: S= 1,05 . (Pdph + PN ) = 1,05. ( 0,054+ 6,436) = 6,815( VA). (3.40) Dòng điện thứ cấp máy biến áp: I2 (A) (3.41) Dòng điện sơ cấp máy biến áp: I1 (A) (3.42) Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức kinh nghiệm: Qt= kQ. =1,28( cm2) (3.43) Trong đó: kQ= 6- hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. m= 3- số trụ của biến áp . f = 50- tần số điện áp lưới. Chuẩn hoá tiết diện trụ Qt= 1,63 (cm2). Kích thước mạch từ lá thép dày s = 0,5 (mm) Số lượng lá thép: 68 lá H3.13: Kích thước mạch từ biến áp a=12mm b=16mm h=30mm hệ số ép chặt kc= 0,85 . Chọn mật độ từ cảm B =1T ở trong trụ ta có số vòng dây sơ cấp: W1 = =6080 (ṿong) (3.44) Chọn mật độ dòng điện J1= J2= 2,75 (A/mm2) Tiết diện dây quấn sơ cấp: S1= = 0,0036 (mm2) (3.45) Đường kính dây quấn sơ cấp: d1= = 0,068 (mm) (3.46) Chọn d1= 0,1 mm để đảm bảo độ bền cơ. Đường kính có kể cách điện: dlcd = 0,12 (mm). Số vòng dây quấn thứ cấp: W2249 ( vòng) (3.47) Tiết diện dây quấn thứ cấp: S20,046 (mm2) (3.48) Đường kính dây quấn thứ cấp: d2= = 0,242 (mm) (3.49) Chuẩn hoá đường kính: d2 = 0,26 (mm) đường kính có kể đến cách điện: d2cd = 0,31 (mm) Chọn hệ số lấp đầy: kld= 0,7 . Với : kld= = 4,167 (mm) (3.50) Chọn c= 12mm. Chiều dài mạch từ: C= 2.c+3.a =2.12+3.12=60 (mm). (3.51) Chiều cao mạch từ: H= h+2.a = 30+ 2.12=54(mm). (3.52) Tính chọn điôt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi: Dòng điện hiệu dụng qua điôt: IDHD = = 0,089 (A) (3.53) Điện áp ngược lớn nhất mà điôt phải chịu: UNmax= . U2 = 22 (v) (3.54) Chọn điôt có dòng định mức: Idm³ Ki . IDHD =10.0,089=0,89 (A) (3.55) Chọn điôt có điện áp ngược lớn nhất: Un= ku. UNmax=2.22=44 (V) (3.56) Chọn điôt loại KII208A có các thông số: dòng điện định mức: Idm = 1,5 (A) điện áp ngược cực đại của điôt: UN=100 (v). Kết luận Sau một thời gian thực hiện đề tài, được sự hướng dẫn tận tình của thầy Đoàn Văn Tuân, em đã thực hiện đúng tiến độ đề tài của mình. Nhưng do kiến thức còn chưa vững và chắc chắn nên sẽ có một số lỗi trong bài làm, mong rằng thầy và các bạn góp ý thêm để em có thể hoàn thiện được đề tài của mình một cách tốt nhất. Em xin chân thành cảm ơn thầy và các bạn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Điện tử công suất. Nguyễn Bính.Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật – 1995. [2]. Điện tử công suất lý thuyết - thiết kế - ứng dụng tập 1.Lê văn Doanh – Nguyễn Thế Công – Trần văn Thịnh. Chủ biên: Lê văn Doanh. Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội.