Nghiên cứu, chế tạo bộ chỉnh lưu cho lò nấu thép dùng bán dẫn công suất (P = 15 KW, Udm = 500 V, Id = 30 A)

cấp cho mạch nghịch lưu cộng hưởng. Vì thế, ngoài các đặc trưng năng lượng như hiệu suất và hệ số công suất, chất lượng của chỉnh lưu còn được đánh giá bởi tính chất của điện áp và dòng điện một chiều ở cửa ra, trong đó hệ số hài và hệ số đập mạch là các chỉ tiêu quan trọng. + Với các đặc thù của lò nấu thép là phụ tải luôn thay có sự dao động, quá trình làm việc dễ gây sự cố, nện bộ chỉnh lưu phải được thiết kế làm việc ổn định, tin cậy để duy trì công suất đặt cho phụ tải và lập tức ngừng làm việc khi có sự cố. mặt khác công nghệ nấu thép cần có công suất nung chảy lớnvà điều chỉnh vô cấp công suất đầu ra. Để có thể điều chỉnh vô cấp công suất nung chảy, bộ chỉnh lưu đóng vai trò là nguồn cung cấp, bổ sung năng lượng cho mạch dao động nện điện áp ra của bộ chỉnh lưu phải được điều chỉnh vô cấp từ 0 ÷ maxdU . Chính vì vậy dòng điện lắp đặt của bộ chỉnh lưu phải được tính chọn đảm bảo cho chỉnh lưu làm việc ổn định trong trường hợp nặng nề nhất với điện áp ra cao nhất đảm bảo công suất yêu cầu. Tuy nhiên trong nấu luyện thép cũng có giai đoạn cần công suất rất nhỏ, khi đó bộ chỉnh lưu làm việc ở chế độ điện áp ra rất nhất. Điều này đòi hỏi cần phải khắc phục hiện tượng biên động và hàm lượng các hài bậc cao thường khi điện áp ra thấp nhất. + Một vấn đề nữa đặt cần khắc phục đó là trong thực tế điện cảm, điện trở của nguồn xoay chiều cung cấp luôn tồn tại, và làm giảm chất lượng cảu chỉnh lưu so với kết quả tính toán trong trường hợp lý tưởng. Mặc dù điện trở thuận chỉ dẫn đến sụt áp có thể bỏ qua do giá trị nhỏ, nhưng điện cảm gây nên hiện tượng chuyển mạch và làm cho điện áp ra sau chinh lưu giảm đi một lượng so với tính toán trong trường hợp lý tưởng và từ đó làm giảm công suất ra của bộ chỉnh lưu. Trong quá trình làm việc, điện áp lưới có thể dao động tăng, giảm trong một 20 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. phạm vi nhất định. Do vậy phải tính toán để bộ chỉnh lưu có thể đáp ứng được các vấn đề trên. + Trên cơ sở những phân tích được trình bầy ở trên ta có thể thấy rằng đối với bộ chỉnh lưu của lò nấu thép, trong một chu kỳ điện áp tải ra có 6 lần thay đổi, hay nói cách khác là điện áp tải ra có tần số bằng 6 lần tần số điện áp nguồn cung cấp và có chu kỳ đập mạch không thay đổi bằng 6 pi . Điện áp ra trong mỗi chu kỳ đập mạch là một đoận của các điện áp áp dây tượng ứng. Trong mỗi thời điểm luôn có hai thyristor ở hai nhánh cầu được mở và thời gian mở của mỗi nhánh cầu gián cách nhau 060 , dòng điện tải là dòng điện chạy từ pha nay sang pha kia. Như vậy có một yêu cầu nhất định đối với mạch tạo xung đó là gián cách thời gian xung mạch phải bằng 060 , đồng thời có biện pháp bảo vệ sự cố ngắn mạch giữa các pha khi thyristor bi hỏng cách điện. 1.3.3 Yêu cầu kỹ thuật về bảo vệ quá dòng, quá áp: Thiết bị lò nấu thép cảm ứng trung tần, do phụ tải dao động và trong quá trình làm việc có thể dẫn đến phía một chiều phát sinh hiện tượng ngắn mạch. Mặt khác trong quá trình làm việc thiết bị không thể tránh khỏi sự hỏng hóc của cá thyristor và các dụng cụ khác do các nguyên nhân khác nhau. Vì vậy, để đảm bảo độ tin cậy của thiết bị, đảm bảo dòng điện trung tần vượt trước điện áp một góc β nhất định, cần thiết phải có bảo vệ quá dòng, quá áp. Bảo vệ quá dòng, quá áp có hai nhiệm vụ, đó là: duy trì sự ổn định dòng điện, điện áp (công suất) ở một giá trị đặt nhất định và khi trị số dòng điện, điện áp trung tần vượt quá trỉ số chỉnh định, boả vệ lập tức tác động ngắt nguồn cung cấp cho chỉnh lưu để đảm bảo an toàn cho thiết bị. Ngoài dung các thiết bị bảo vệ thong thường như cầu chì, áptômát,….vv; thiết bị phải được thiết kế các mạch bảo vệ quá dòng điện, điện áp với các chức năng cụ thể sau: + Khống chế (kiềm chế) dòng điện, điện áp: giả sử vì một lý do nào đó làm cho dòng điện hoặc điện áp cấp ra quá lớn so với giá trị đặt, mạch khống chế dòng 21 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. điện, khống chế điện áp sẽ tác động lên bộ chỉnh lưu giảm điện áp một chiều cấp cho nghịch lưu, từ đó duy trì điện áp cấp ra tải ở giá trị đã đăt. Khi tín hiệu vượ quá trị số đặt sẽ đi vào bộ xúc phát chỉnh lưu, sau khi tổng hợp với các tín hiệu khác, làm xung súc phát của chỉnh lưu dịch về phía sau (tăng góc khống chế), điện áp cấp cho chỉnh lưu sẽ giảm đi, do đó sẽ khống chế được sự gia tăng điện áp cấp cho tải. + Bảo vệ quá dòng, quá điện áp: khi phu tải chỉnh lưu xuất hiện sự cố đoản mạch, tốc độ tăng của dòng điện ra của chỉnh lưu rất nhanh, ngược lại khi cuộn cảm ứng có sự cố hở mạch, điện áp cấp ra phía tải sẽ xảy ra qua áp. Do vậy trị số dòng điện hoặc điện áp vượt quá trị số chỉnh định. Đối với tình trạng này, khâu kiềm chế dòng điện, điện áp không có năng lực bảo vệ nữa, khi đó phải dung khâu bảo vệ quá dòng, quá điện áp. Khâu bảo vệ quá dòng quá điện áp lấy tín hiệu dòng điện từ đầu nguồn vào hoặc lấy tín hiệu áp từ đầu ra của biến tần đi qua mạch khoá xung làm cho bộ súc phát cưỡng chế, để góc α khống chế nhanh chóng dịch tới vị trí 150 0 , mạch điện chỉnh lưu lập tức ngừng cấp điện áp ra, do đó nhanh chóng khử được dòng đoản mạch hoặc quá điện áp. 1.4 Kết luận chương 1: Chương 1 trình bầy các nội dung sau: + Tổng quan về lò điện cảm ứng . + Nguyên lý làm việc chung của lò nấu thép cảm ứng. + Các Yêu cầu kỹ thuật của Lò nấu thép cảm ứng trung tần. Chương 1 là cơ sở quan trọng để các chưong tiếp theo phận tích tổng hợp thuật toán điều chỉnh và xây dựng các mạch động lực, điền khiển của thiết bị. 22 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Chương 2 PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MẠCH CHỈNH LƯU CẦU BA PHA 2.1 Khái quát chung về thyristor và chế độ làm việc: 2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: a. Cấu tạo: 23 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Thyristor còn gọi là SCR (Sillcon – Controlled – Rectifier) là nhóm các chuyển mạch bán dẫn. Cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn đặt tên là P1, N1, P2, N2 và ba chuyển tiếp P–N lần lượt là J1, J2, J3 lân cận nhau. Quá trình chuyển trạng thái xảy ra theo nguyên lý thác lũ nhờ tương tác giữa các chuyển tiếp P–N. Anốt a được nối với P2, K được nối với N1, cực điều khiển G được nối với P1 (hình 2.1a). Thyristor chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái dẫn khi điện áp anốt vượt quá một giá trị dương lớn hơn không nào đó, được gọi là điện áp chuyển mạch và chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái khoá khi dòng điện nhỏ hơn một giá trị dương, được gọi là dòng duy trì. Bằng cách thay đổi dòng điện cấp cho cực G có thể điều chỉnh được giá trị điện áp chuyển mạch nêu trên. Do thyristor mở theo nguyên lý thác lũ (động tử được phun từ hai phía của chuyển tiếp P–N). Vì vậy muốn chuyển thyristor sang trạng thái khoá ta phải triệt tiêu các động tử tự do, nhưng việc triệt tiêu các động tử tự do nói trên gặp rất nhiều khó khăn. Biện pháp đơn giản là nguyên lý khử cưỡng bức dòng anốt được dung phổ biến hơn cả đối với thyristor thông thường. 24 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. 25 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn N1 P1 N2 P2K J3 J2 A G J1 Ua G Ia A K a) Cấu trúc tương đương b) Kí hiệu 2Q I GIB1=IC2+IG K I C1 =I B2 I A =I E2 A G c) Mạch tương đương Hình 2.1: Cấu trúc, kí hiệu và mạch tương đương của thyristor 1Q kc II =1 Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. b. Nguyên lý làm việc và tính chất chuyển mạch của thyristor: Có thể mô tả mô hình mạch điện tương đương của Thyristor gồm 2 Transistor Q1 và Q2 như trong hình 2.1c. Gọi α1 và α2 là hệ số truyền đạt dòng của Q1 và Q2. Khi đặt điện áp U lên hai đầu A và K của Thyristor, các mặt tiếp giáp J1 và J3 phân cực thuận, còn mặt tiếp giáp J2 phân cực ngược (J2 mặt tiếp giáp chung của Q1 và Q2). Do đó dòng chảy qua J2 là IJ2 Có biểu thức như sau: IJ2 = α1 Ie1 + α2Ie2 + IT + GI ; IT: Là dòng điện rò qua J2 Nhưng vì Q1 và Q2 ghép thành một tổng thể ta có: Ie1 = Ie2 = IJ2 = AI Do đó IJ2 = AI = α1 I + α1 I + IT+ GI Suy ra => AI = )(1 21 αα +− + GT II (1) Do J2 phân cực ngược nên hạn chế dòng chảy qua nó, dẫn đến α1 và α2 cùng có giá trị nhỏ AI ~ IT, cả hai transistor ở trạng thái ngắt. Từ biểu thức (1) ta thấy rằng dòng điện AI chảy qua Thyristor chẳng những phụ thuộc vào IT mà còn phụ thuộc GI . Theo sơ đồ tương đương của SCR (H.2.1c) ta có thể giải thích như sau: - Dòng IC2 chảy vào cực B của Q1 làm cho Q1 dẫn và IC1 tăng, tức IB2 cũng tăng (IC1 = IB2) khiến Q1 dẫn mạnh kết quả là IC1 tăng và cứ tiếp diễn như thế. Hiện 26 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Hình 2.2: Hệ số truyền đạt dòng điện α 1,0 0 1,0 Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. tượng này gọi là hồi tiếp dương về dòng điện, tạo điều kiện làm tăng trưởng nhanh dòng điện chảy qua Thyristor. - Dòng Ie1 tăng làm cho α1 tăng (H2.2), còn tăng Ie2 làm cho α2 tăng. Cuối cùng thực hiện điều kiện (α1 và α2) tiến đến 1, cả hai transistor chuyển sang trạng thái mở, lúc này nội trở giữa A và K của SCR rất nhỏ. - Vậy muốn làm cho Q1, Q2 chuyển từ trạng thái ngắt chuyển sang trạng thái bão hòa (hay muốn mở Thyristor) chỉ cần làm tăng IB2. Để làm được việc này người ta thường cho một dòng điều khiển Iđk = GI chảy vào cực khiển của Thyristor, đúng theo chiều IB1 trên H2.1c. 2.1.2. Đặc tính Volt - Ampe và các tham số chủ yếu của thyristor: a) Đặc tínhVolt - Ampe: Hình 2.3: Đặc tính Volt-Ampe của Thyristor Trong đó: Ucm0: điện áp chuyển mạch cực đại Udt : điện áp đánh thủng IA : dòng điện qua Thyristor 27 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. + Ta nhận thấy rằng nếu để hở mạch cực G, hay cho IG= 0, thì Thyristor trở thành Điăc, có đặc tính như trên hình 2.3 ứng với IG=0. Trong trường hợp này dòng điện áp chuyển mạch có giá trị lớn nhất bằng Ucm0. + Nếu tăng dòng điều khiển lên giá trị IG1>0, dòng Anốt cũng tăng dần nhưng có giá trị nhỏ cho đến khi tổng α1+α2=1. Cứ như thế, tăng dòng điều khiển IG lên thí điện áp chuyển mạch giảm tương ứng. Khi IG tăng đến một giá trị tới hạn nào đó (IGbh) thì Thyristor chuyển sang trạng thái dẫn hay điện áp Anốt lúc này bằng 0. Sau đó dù có tăng dòng điều khiển lên nữa thì đặc tính Volt-Ampe không thay đổi nữa. + Như vậy để đảm bảo mở chắc chắn cho mọi Thyristor với cùng một loại dòng điều khiển thì IGbh 1.5IGbh ). b) Các tham số chủ yếu của Thyristor: + Điện áp thuận cực đại(U thmax): là giá trị điện áp dương cực đại đặt lên 2 cực A và K của Thyristor mà không phá hỏng nó. Nếu điện áp vượt quá ngưỡng này Thyristor sẽ hỏng. + Điện áp ngược cực đại(Ungmax): là giá trị điên áp âm giới hạn đặt vào 2 cực A và K của Thyristor mà không bị đánh thủng, nếu vượt quá ngưỡng trên, Thyristor sẽ hỏng. + Điện áp định mức(Uđm): là giá trị điện áp cho phép đặt lên Thyristor theo chiều thuận và ngược. + Điện áp rơi: là điện áp đo được trên 2 cực A và K của Thyristor khi ở trạng thái đang mở. + Điện áp và dòng điện điều khiển( dkU và dkI ): là giá trị điện áp nhỏ nhất đặt vào 2 cực A-K và dòng điện nhỏ nhất đặt vào cực G để có thể mở được Thyristor. + Thời gian mở Thyristor (Ton): là khoảng thời gian tính từ lúc bắt đầu có xung điều khiển IG đến khi dòng điện Anốt đạt giá trị xác lập Ia = U0/Ra (hoặc=0,9Ia). 28 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. + Thời gian khóa Thyristor (Toff): được tính từ lúc dòng anốt bắt đầu đổi dấu đến khi điện tích được tiêu tán hoàn toàn, hay Ia = IT. Đó là khoảng thời gian cần thiết để thyristor hồi phục tính cách điện của nó. + Tốc độ tăng trưởng điện áp thuận cho phép (du/dt): Là giá trị lớn nhất của tốc độ tăng áp trên Anốt mà Thyristor không chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái mở. + Tốc độ tăng trưởng dòng thuận cho phép (di/dt): Là giá trị lớn nhất của tốc độ tăng dòng trong quá trình mở Thyristor. 2.1.3. Thyristor làm việc với vai trò chỉnh lưu điều khiển: + Ta xét chỉnh lưu điều khiển đơn giản nhất (chỉnh lưu điều khiển 1 pha, 1 bán kì) để thấy rõ vai trò của Thyristor trong chỉnh lưu và điều khiển điện áp. + Sơ đồ chỉnh lưu một pha một bán kỳ tải thuần trở được trình bầy trong hình 2.5, biểu đồ dòng điện và điện áp giải thích nguyên lý làm việc của nó được trình bầy trong hình 2.5. 29 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn u d T U ai 1 i 2 u 1 Hình 2.4: Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển một pha một bán chu kì TRu 2 Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. * Nguyên lý làm việc: + Trong thời gian bán kỳ dương của điện áp nguồn, điện thế anốt của thyristor dương so với katốt, khi đó thyristor được gọi là phân cực thuận. Sau khi cấp xung mở cho cực điều khiển vào thời điểm ứng với góc pha ωt1 = α, Thyristor mở và toàn bộ điện áp nguồn u2 đặt trên điện trở tải. Lúc này dòng điện khép mạch có giá trị bằng ud/R. Khi điện áp nguồn đổi dấu, vào thời điểm ứng với ωt2 = pi , điện thế anốt của Thyristor trở lên âm so với katốt nên Thyristor chuyển sang trạng thái 30 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn αα Um -Um u 2 u T i T u a U m U m /R ωt ωt ωt ωt pi 2 Hinh 2.5: Biểu đồ dòng điện và điện áp ωt 1 1t Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. khóa. Sau thời điểm này toàn bộ điên áp nguồn đặt lên Thyristor, còn dòng điện và điện áp tải đều bằng không. + Thyristor trong điều kiện điện thế anốt âm so với katốt được gọi là phân cực ngược. Trong khoảng thời gian kể từ lúc điện áp nguồn bắt đầu dương đến thời điểm t1, khi cấp xung mồi cho thyristor được gọi là thời gian giữ chậm, góc 1α = ωt1 ứng với thời gian giữ chậm t1, được gọi là góc mở. + Khi thay đổi góc α thì trị trung bình điên áp trên tải hay điện áp ra thay đổi theo. Quan hệ giữa điện áp ra trung bình với góc mở α dược gọi là đặc tính điều chỉnh của chỉnh lưu hay đặc tính điều khiển của chỉnh lưu. Điện áp ra trung bình được xác định theo định nghĩa là: Ud = T 1 ∫T Tu 0 dtt)( . Trong một chu kỳ biến thiên điện áp ra chỉ khác không trong khoảng α ≤ ωt ≤ pi nên ta có. dcU = pi2 1 . dttU m )sin(ω pi α ∫ = pi2 mU [- cos tω ] piα = pi2 mU (1+ cos tω ). (2.1) Biểu thức 2.1 và biểu đồ điện áp trên hình 2.5 cũng cho thấy nếu thay đổi α từ 0 đến pi điện áp ra giảm tử pi mU đến 0. Điện áp ra trung bình sau chỉnh lưu có giá trị lớn nhất khi α = 0 và bằng dmU = pi mU Điện áp ra trung bình tương đối của chinh là tỷ số giữa điện áp rat rung bình hiện hành và điện áp ra lớn nhất. dtbU = pi mU = 2 1 αCos+ Trị hiệu dụng hay trị trung binh bình phương của điện áp ra là: 31 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. dhdU = ( ) 2/1 0 2 2 1    ∫ dttSinU mpi ωpi = 2/1 0 )21( 4    −∫ tdtCosU m ωωpi pi = 2 mU 2/1 ) 2 2(1    +− α αpi pi Sin Ưu điểm: - Điện áp ra đập mạch nhỏ do vậy mà chất lượng điện áp tốt. - Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt do dòng điện chạy trong van đối xứng - Điện áp ngược trên van lớn nhưng do Udo=2,34U2 nên nó có thể được sử dụng với điện áp khá cao. 2.2 Nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu câu ba pha: Đối với lò cảm ứng trung tần giữa mạch chỉnh lưu và mạch nghich lưu được lắp điện kháng có điện cảm lớp nhằm duy trì dòng điện ổn định, liên tục. Do vậy ta xét nguyên lý làm việc của sơ đồ trong trường hợp điện cảm lớn. Mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển hoàn toàn có sơ đồ nguyên lý trình bầy trên hình 2.6, trong đó cả 6 van đều là thyristor được chia thành hai nhóm: nhóm katốt chung gồm 1T , 3T , 5T ; nhóm anốt chung gồm 2T , 4T và 6T . 32 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của bộ chỉnh lưu cầu ba pha. Biểu đồ điện áp, dòng điện trên các thyristor giải thích nguyên lá làm việc của sơ đồ trong trường hợp α = 060 được trình bầy trên hình 2.7. Giả sử thyristor 6T và 5T đang dẫn và ở chế độ xác lập thì sau khi mở 1T vào thời điểm ωt = 6 pi + α , sẽ xảy quá trình chuyển dòng t ừ 5T sang 1T . Sau khi mở 1T katốt của 5T được nối với pha A của nguồn, còn anốt của nó được nối với pha C. Vì điện thế của katốt (được nối với pha A) dương hơn điện thế của anốt (được nối với pha C) nên 5T bị khóa bởi điện áp anốt âm. Nếu coi các van là lý tưởng, tức là thời gian chuyển mạch của chúng băng không, thì 5T khóa và 1T mở tức thời, do đó dòng tải chuyển tức thời từ 5T sang 1T 33 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn 1T 4T 3T 6T 2T 5T U ~ 380/220 50Hz du di A B C Tải Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. . Sau thời điểm này dòng điện tải chuyển từ cặp thyristor 5T - 6T sang cặp thyristor 6T - 1T , điện áp du trên tải bằng điện áp dây abu . Tương tự như vậy, mở thyristor 2T vào thời điểm ứng với ωt = 2 pi +α , sẽ dẫn đến khóa 6T giống như khóa 5T sau khi mở 1T . Sau thời điểm ứng với ωt = 2 pi +α , dòng tải chuyển từ cặp van 6T - 1T sang cặp van 1T - 2T và do đó điện áp trên tải bằng điện áp dây acu . Trong các giai đoạn tiếp theo xảy ra hoàn toàn tương tự. Nếu đánh số các thyristor như trên hình 2.6, thì trình tự dẫn dòng của chúng sẽ là: 12, 23, 34, 45, 56, 61…Trên cơ sở những phân tích được trình bầy ở trên, có thể thấy rằng trong một chu kỳ điện áp tải ra có 6 lần thay đổi, hay nói cách khác là điện áp tải ra co tần số bằng 6 lần tần số điện áp nguồn cung cấp và có chu kỳ đập mạch là một đoạn của điện áp dây tương ứng. Các xung điều khiển lêch nhau nhau 3 pi lần lượt được đưa đến các cực điều khiển của các thyristor theo thứ tự như sau: Các thời điểm mở khóa ωt = π/6 +α 1T 5T ωt = 3π/6 +α 2T 6T ωt = 5π/6 +α 3T 1T ωt = 7π/6 +α 4T 2T ωt = 9π/6 +α 5T 3T ωt = 11π/6 +α 6T 4T 34 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Trị trung bình của điện áp ra được xác định theo biểu thức: dU = ∫ + + α pi α pi ω pi 2 6 )( 3 tduab = pi 33 mU .Cosα = pi 63 2U .Cosα Trong đó: dU , 2U tương ứng là điện áp ra của chỉnh lưu và điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn. Như vậy khi thay đổi góc α , sẽ thay đổi được điện áp ra. Điện áp trung bình đầu ra lớn nhất: maxdU = pi 63 2U , khi α = 0; và mindU = 0, khi α = 2 pi . Trị hiệu dụng của điện áp ra sau chỉnh lưu ( dhdU ) sẽ là: dhdU =    + α pi 2 4 33 2 13 CosU m Dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha nay sang pha kia, do đó tại mỗi thời điểm nhất thiết phải có 2 thyristor ở hai nhánh cầu cùng làm việc (một ở nhóm katốt chung, một ở nhóm anốt chung) mới cấu thành mạch thong, trong mỗi nhóm khi một thyristor mở nó sẽ khóa ngay thyristor dẫn dòng trước nó. Trị trung bình của dòng điện ra: dI = dttiT T d∫ 0 )(1 Trị hiệu dụng của dòng điện ra: dhdI = 2/1 0 2 )(1    ∫T d dttiT Công suất ra trung bình: dP = dU . dI . Trường hợp trùng dẫn do điện cảm nguồn cL ≠ 0: 35 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Ở trên ta xét trường hợp điện cảm nguồn cL = 0 (bao gồm điện cảm đường dây và máy biến áp nguồn); Tuy nhiên trong thực tế cL ≠ 0, nên xảy ra hiện tượng trùng dẫn và điện áp ra bi sụt giảm đi một lượng là ∆ µU . Do trùng dẫn cho nên giá trị trung bình của điện áp ra bị giảm đi một lượng ∆ µU xác định theo công thức sau: ∆ µU = pi2 3 26U [ ])( αµα +− CosCos = pi dc IX3 Điện áp ra trong mỗi chu kỳ đập mạch là một đoạn của các điện áp dây tương ứng. Nếu điện áp ba pha được biểu điễn tương ứng là: au = mU sin ωt, bu = mU sin( ωt - 3 2pi ), cu = mU sin( ωt + 3 2pi ). Thì điện áp dây tương ứng là: abu = au - bu = 3 mU sin( ωt + 6 pi ), bcu = bu - cu = 3 mU sin( ωt - 2 pi ), cau = cu - au = 3 mU sin( ωt + 6 5pi ). Trị trung bình của điện áp ra có thể được xác định trong giai đoạn từ ωt = 6 pi +α đến ωt = 6 pi +α + 3 pi = 2 pi +α , và theo biểu thức: dU = 3 pi ∫+ + αpi αpi 2/ 6/ abu d(ωt) = 3 pi mU∫ + + αpi αpi 2/7 6/ 3 sin( ωt + 6 pi )d(ωt) = pi mU33 cosα . 36 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Điện áp trung bình lớn nhất khi α = 0 và là: dmU = pi mU33 , Và điện áp ra quy đổi là : nU = dm d U U = cosα . Trị hiệu dụng của điện áp ra là : dhdU = )()6 (sin3 2 3 2/ 6/ 22 tdtUm ω pi ω pi αpi αpi ∫+ + + = 3 mU α pi 2cos 4 33 2 1 + 2.3 Phân tích và tổng hợp thuật toán điều khiển mạch chỉnh lưu câu ba pha dung thyristor: 2.3.1 Khái quát về mạch điều khiển thyristor: a. Mạch điều khiển thyristor có các chức năng sau: + Điều khiển được thời điểm phát xung mở các thyristor trong phạm vi nửa bán kỳ dương của điện áp đặt trên anốt-katốt thyristor. + Tạo ra được các dãy xung đủ điều kiện để mở thyristror: đảm bảo đủ công suất, biên độ, bề rộng xung cần thiết, các dãy xung này phải đồng bộ với điện áp nguồn vào và có pha (tức góc α ) điều chỉnh được theo yêu cầu của mạch chỉnh lưu (thường từ 0 đến pi ). Nguyên lý xây dựng mạch điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha trình bầy trong sơ đồ hình 2.6. b. Các yêu cầu về độ lớn của xung điều khiển: + Mỗi thyristor đều có một đặc tính là quan hệ giữa điện áp đặt trên cực khiển và dòng điện chạy vào cực khiển quan hệ giữa điện áp đặt trên cực điều khiển và dòng điện chạy vào cực khiển. Quan hệ đó được trình bầy trong hình 2.7 dưới đây : + Do sai về thông số chế tạo và điều kiện làm việc cho thyristor mặc dù cùng loại cũng có đặc tính dkU = f( dkI ) khác nhau. 37 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. + Với mỗi loại thyristor các đặc tính này dao động giữa hai đặc tính (1) và (2) về yêu câu độ lớn của điện áp và dòng điện điều khiển. Hình 2.7. Đặc tính điều khiển của thyristor Có 3 yêu cầu chủ yếu sau về dòng điện và điện áp điều khiển: + Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị điều khiển. + Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo cho tất cả các thyristor cùng loại làm việc được. + Tổn hao công suất trung bình ở cực điiều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép. Trên hình vẽ ta nhận thấy yêu cầu đối với mạch điều khiển là phải taộ ra được tín hiệu điều khiển nặm trong vùng (I). c. Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển: Thông thường động rông xung điều khiển lớn hơn 5 µs ( xt = 5 ÷ 10 µs đối với thyristor làm việc ở tần số cao và xt = 50 ÷ 200 µs với thyristor làm việc ở tần số thấp ) và tăng độ rộng xung khiển sẽ cho phép giảm nhỏ xung khiển ( như hình vẽ ). Khi mạch tải có điện cảm lớn thì dòng tải tăng chậm nên ta phải tăng độ rộng xung của xung khiển. Độ rộng xung khiển được tính theo biểu thức: 38 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn t x =1000µs t x =100 µs (2) (1) I II 0 U dk I dk Đường giới han công suât điều khiển Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. xt = Idt . di/dt Trong đó: Idt : dòng duy trì của thyristor. di/dt : Tốc độ tăng dòng tải. d. Yêu cầu về độ rộng sườn trước của xung khiển: + Độ dốc sườn trước của xung khiển càng cao thì việc mở thyristor càng dễ và càng đúng theo mong muốn. Thông thường yêu cầu độ dốc sường trước của xung khiển là: dt dI dk ≥ 0,1 A/ sµ . + Độ dốc sườn trước cảu xung càng cao thì hiện tượng đốt nóng cục bộ càng giảm làm tă ng tuổi thọ của thyristor. 2.3.2 Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng arccos: * Để đáp ứng được các yêu cầu nêu trên, cấu trúc mạch điều khiển bao gồm một số khối chức năng như trình bầy trong hình 2.8. Hoạt động của toàn mạch và của khối được minh họa băng biểu đồ trong hình 2.9. 39 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn 1 dkU dbU cosU 2 3 Thyristor Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển Thyristor. Trong đó: + dkU là điện áp điều khiển, điện áp một chiều. + dbU là điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thế của nó, đồng bộ với điện áp anốt - katốt của thyristor được đưa vào khâu tích phân (1) tạo điện áp tựa cosin. Đầu ra của khâu tích phân là điện áp tựa cosin của điện áp đồng bộ. Điện áp tựa cần có tần số và biên độ ổn định. + Điện áp dkU và cosU được đưa vào khâu so sánh (2). Khâu so sánh có nhiệm vụ nhận các điện áp dkU , cosU , tìm thời điểm khi dkU - cosU = 0 thì phát xung gửi sang khâu tạo xung (3). + Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor. Xung để mở thyristor có yêu câu: sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu cầu thyristor mở tức thời khi có xung điều khiển (thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật); đủ độ rộng xung (với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của thyristor); đủ công suất; cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nêu điện áp mạch động lực quá lớn ) thông qua biến áp xung. 2.4 Thiết kế sơ đồ nguyên lý: Bằng cách tác động vào dkU , có thể điều chỉnh được thời điểm cấp xung mở, cũng chính là điiều chỉnh được góc mở α . Điều khiển Thyristor trong sơ đồ chỉnh 40 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. lưu hiện nay co nhiều phương pháp khác nhau, đối với bài toán này chọn nguyên tắc điều khiển là thẳng đứng tựa arrccos để thực hiện việc điều chỉnh thời điểm cấp xung trong nửa bán kỳ dương của điện áp nguồn đặt lên thyristor. Phương pháp điều khiển này tạo ra được mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp ra sau chỉnh lưu với góc mở α . Tức là khi ta điều chỉnh tăng góc mở α thì điện áp ra sau chỉnh lưu cung tăng theo và ngược lại. Nội dung của nguyên tắc này có thể mô tả theo giảm đồ trình bầy trên hình 2.9. Hình 2.9: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “ arccos”. Nguyên tắc điều khiển thẳng “ arccos ” được thể hiện trên hình 2.9. Theo nguyên tắc này người ta dung hai điện áp - Điện áp đồng bộ su vượt trước AKu = mU sinω t của thyristor một góc bằng 2/pi su = mU cos ω t - Điện áp điều khiển cmu là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biện độ theo hai chiều (dương và âm). Nếu đặt điện áp su vào cổng đảo và điện áp cmu vào cổng không đảo của khâu so sánh thì khi 2 điện áp su = cmu , ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái : 41 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn ω t α U AK Udb Udk U dk U a U db pi pi2 Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. mU cos ω t = cmu Do đó α = arcos( u cm U u ) - Khi cmu = mU thì α = 0 - Khi cmu = 0 thì α = 2 pi - Khi cmu = - mU thì α = π. Như vậy, khi điều chỉnh cmu từ giá trị cmu = + mU đến giá trị cmu = - mU ta có thể điều chỉnh được góc α từ 0 đến π . 42 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Chương 3 XÂY DỰNG BỘ CHỈNH LƯU CÂU BA PHA Xuất phát từ nguyên lý làm việc, các yêu câu kỹ thuật cà thuật toán điều khiển của thiết bị, ta xây dựng được sơ đồ khối chức năng của thiết bị chỉnh lưu cầu ba pha dùng thyristor như trình bầy trên hình 3.1 Trong đó: Mạch động lực đấu nối thyristor. Mạch điều khiển gồm: mạch tạo xung, mạch giao tiếp. 3.1 Xây dựng mạch động lực: Để có thể xây dựng và tính chọn các phần tử trên mạch động lực ta cần phải xác định trước một số thông số cơ bản của thiết bị như thế nào: + Thông số về nguồn điện cung cấp (điện áp, tần số); + Khối lượng kim loại nấu chảy tối đa / mẻ nấu (dung lượng lò); + Thời gian nấu chảy / mẻ nấu; + Hệ số công suất tối thiểu, suất tiêu hao điện năng / tấn sản phẩm… Trên cơ sở đó, ta tính chọn được công suất cần thiết của thiết bị và các phần tử các khối chức năng. 3.1.1 Cơ sở tính toán công suất thiết bị: Quá trình biến đổi và truyền năng lượng từ nguồn đến phụ tải xảy ra hai giao đoạn và nhờ hai khối cơ bản 3.1.2 Tính toán, xây dựng mạch chỉnh lưu: 3.1.2.1 Tính chọn thyristor : 43 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Để xác định công suất lắp đặt thyristor và tính chọn các thiết bị bảo vệ cũng như các thiết bị phụ trợ khác; cần tính chọn dòng điện trung bình, dòng điện hiệu dụng, dòng điện cực đại và các điện áp ngược lớn nhất đặt lên nó. Dòng điện lắp đặt của thyristor phụ thuộc góc mở hoặc khóa, vì thế công suất lắp đặt cảu thyristor phải được tính trong trường hợp nặng nề nhất và trong trường hợp này bộ chỉnh lưu làm việc với điện áp và dòng điện cao nhất. Hai thông số cần quan tâm nhất khi chọn thyristor cho chỉnh lưu là điện áp và dòng điện, các thông số còn lại có thể tham khảo stheo các chú ý sau: + Loại thyristor nào có sụt áp Δu nhỏ hơn sẽ tổn hao nhiệt ít hơn. + Dòng điện rò của các loại thyristor nào nhỏ hơn thì chất lượng tốt hơn. + Nhiệt độ cho phép của loại thyristor nào cao hơn thì khả năng chịu nhiệt tốt hơn. + Điện áp và dòng điện điều khiển của loại thyristor nào nhỏ hơn, công suất điều khiển thấp hơn. + Loại thyristor nào có thời gian chuyển mạch bé hơn sẽ nhạy hợn. Các thông cơ bản đươc tính như sau: * Điện áp ngược lớn nhất đặt lện thyristor : maxngU = 6 2U [3.1] Với 2U = AKU điện áp đặt lện thyristor. Để có thể chọn thyristor theo điện áp được tính từ công thức 3.5, qua một hệ số dự trự dtuk . ngU = dtuk . maxngU [3.2] Thông thường hay chọn dtuk = 1,6 ÷ 2. Dòng điện làm việc của thyristor được chọn theo dòng đỉnh cực đại, dòng điện làm việc đình mức và dòng điện hiệu dụng chạy qua van. Dòng điện đỉnh cực đại và hiệu dụng được tinhd theo công thức 3.7: mI = dk . dI [3.3] 44 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Trong đó: mI , dI - Dòng điện cực đại của thyristor và dòng điện tải; dhdI - Dòng điên hiệu dụng và dòng điện tải của thyritor; dk , hdk - Hệ số dự trữ về dòng điện (thương được chọn dk = 1,2 ÷ 2) và hệ số xác định dòng điện hiệu dụng của sơ đồ chỉnh lưu (ở sơ đồ này hdk = 3 1 ). Để thyristor có thể làm việc an toàn, không bị đánh thủng về nhiệt độ, cần phải chọn và thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lý. Theo điều kiện tỏa nhiệt đã được chọn, tiến hành tính thông số dòng điện định mức của thyristor cần có. Dòng điện định mức của thyristor dmI chọn theo công thức sau: + Khi không có cánh tản nhiệt và tổn hao trên van < 20W, được chọn dòng điện làm việc tới 10% dmI , tức là dmI ≥ 10 lvI . + Khi có cánh tản nhiệt có đủ diện tích bề mặt được chọn dòng điện làm việc tới 40% dmI , tức là dmI ≥ 2,5 lvI . + Khi có cánh tản nhiệt có đủ diện tích bề mặt và có quạt thông gió được chọn dòng điện làm việc tới 70% dmI , tức là dmI ≥ 1,4 lvI . + Khi có điều kiện làm mát bằng nước được chọn dòng điện làm việc tới 90% dmI , tức là dmI ≥ 1,1 lvI . Vì quá trình thông gió tự nhiên không được tốt lắm, do đó khi tổn hao trên thyristor Δ TP = Δ TU . lvI cỡ khoảng 100W / thyristor trở lên,việc đối lưu không khí tự nhiệ xung quanh cánh tản nhiệt xảy ra chậm, nhiệt độ tỏa ra mội trờng không kịp. Vì vậy khi này phải có quạt làm mát cưỡng bức. Khi thyristor mở cho dòng chạy qua, công suất tổn thất bên trong sẽ đôt nóng chúng, các mặt ghép là nơi bị đốt nóng nhiều nhất. Gọi gT là nhiệt độ mặt ghép; maxgT là nhiệt độ lớn nhất cho phép. Đối với bán dẫn Ge: maxgT = 080 c ÷ 0100 c; 45 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Đối với bán dẫn Si: maxgT = 0150 c ÷ 0200 c. Công suất tổn hao, ký hiệu Δ TP được chia thành tổn thất chính Δ TP1 do dòng điện làm việc gây nên và tổn thất phụ Δ TP2 do chuyển trạng thái khóa sang mở và ngược lại. Tổn thấy phụ thường nhỏ không vượt quá 5% Δ TP , vì vậy có thể xem Δ TP = Δ TP1 = Δ TU . lvTI . Tổn hao công suất này sinh nhiệt, trong khi thyristor chỉ làm việc tới nhiệt độ tối đa cho phép, vì vậy pải tìm cách bảo vệ nhiệt cho thyristor. Muốn bảo vệ quá nhiệt cần phải chọn đúng dòng điện theo chế độ làm mát. Diện tích bề mặt tản nhiệt được tính gần đúng theo công thức: tnS = τ.tnk P∆ [3.4] Trong đó: tnS - Diện tích tỏa nhiệt, cm 2 ; ΔP - Tổn hao công suất, W; τ - Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường τ = lvT - mtT ; tnk - Hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt, thường chọn tnk = 6 ÷ 10. 410− , w/cm 2 0 c. * Tính chọn loại thyristor đối với bài toán: Xác định công suất lắp đặt và tính chọn thyristor cho bộ chỉnh lưu công suất 15 kw, nguồn điện lưới công nghiệp ba pha 380/220V – 50 Hz . Điện áp ngược cực đại tặt lện thyristor: TngU max = 6 2U = 6 .220 ≈ 539 V Điện áp ngược của thyristor cần chọn: dmTU = dtuk . TCLngU max = 1,8. 539 ≈ 970 V. Chọn góc mở cực tiểu minα = 010 , với góc mở này là dự trữ để có thể bù được sự giảm của điện áp lưới. Điện áp ra của chỉnh lưu lớn nhất: 46 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. dmTU = pi 63 . 2U cos minα = pi 63 220cos 010 = 506,8 ≈ 507 V. Dòng điện tải: dI = mU P = 507 10.15 3 = 29,6 A ≈ 30 A. Dòng điện đỉnh cực đại của thyristor: mI = dk . dI = 1,4. 30 ≈ 42 A Dòng điện làm việc của thyristor: lvI = hdk . dhdI = 3 1 .30 ≈ 18 A Chọn điều kiện làm việc của thyristor là có cánh tản nhiệt và đầy đủ diện tích tản nhiệt, làm mát bằng quạt, dòng điện đình mức của thyristor chỉ cần được chọn: dmTI = 1,4. lvTI = 1,4. 18 ≈ 25,2 A. Từ các thông số trên (tra bảng) ta chọn 6 thyristor loại N029RH10 có các thông số kỹ thuật như sau: • Điện áp ngược cực đại nU : 1000V; • Dòng điện làm việc cực đại dmI = 30 A; • Dòng điện đỉnh cực đại pikI : 500 A; • Dòng điện xung điều khiển gI : 100mA; • Điện áp xung điều khiển gU : 3V; • Dòng điện tự giữ hI : 160 mA; • Dòng điện rò rI : 5 mA; • Sụt áp trên thyristor ở trạng thái dẫn ΔU: 1,93 V; • Tốc độ tăng trưởng theo điện áp dt du : 200 s V ; • Thời gian chuyển mạch cmt : 20µs; • Nhiệt đọ làm việc cực đại maxT : 125 0 c. 47 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. 3.2 X ây dựng mạch điều khiển: 3.2.1 Xây dựng sơ đồ nguyên lý: Nhiệm vụ của mạch điều khiển là; tạo xung để mở 6 thyristor, ở mỗi thời điểm phải cấp xung mở đồng thời hai thyristor (một thyrisotr ở nhóm katốt chung và một thyristor ở nhóm anốt chung ) các xung giãn cách theo thời gian băng 60 0 , điều chỉnh vô cấp điện áp ra và tự động điều chỉnh điện áp ra để ổn định dòng điện và điện áp tải. Như vây khi điều chỉnh, phải đồng thời cấp xung điều khiển cho hai thyristor ở cả hai nhóm. Nếu ta coi xung cần mở thyristor là xung chính thì phải có một xung đệmở nhóm van kia. Việc cấp xung đệm cũng cần phải đúng thú tự pha. Việc đệm xung điền khiển có thẻe thực hiện băng hai cách: Cách thứ nhất là cấp xung chính cho van nhóm này thì cấp xung đệm cho van ở nhóm kia.; Cách thứ hai là cấp xung với động rộng đủ lớn suốt từ thời điểm có lệnh mở van cho đến khi điện áp anốt bắt đầu âm. Thứ tự dẫn và cấp xung điều khiển của các thyristor luân phiên nhau theo thứ tự pha. Theo thứ tự dẫn của các thyristor đã trình bầy ở phần nguyên lý làm việc (mục 2.2 ) các xung điều khiển được cấp: 1T - 6T ; 2T - 1T ; 3T - 2T ; 4T - 3T ; 5T - 4T ; 6T - 5T ; 6T - 1T …vv. Trên cơ sở thuật toán và sơ đồ khối chức năng đã phân tích và tổng hợp ở chương 2, sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung điển khiển theo cách thứ nhất ( cho thyristor 1T và 4T ) được trình bầy ở hình 3.6 48 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Hình 3.7 sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung điển khiển. Trong đó điện áp đồng bộ dbU được lấy từ biến áp đồng bộ. dkU là điện áp điều khiển, nó là tín hiệu đã tổng hợp giữa tín hiệu đặt và tín hiệu phản hồi đưa về từ mạch phản hồi dòng điện. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ hình 3.7 được giải thích bằng giản đồ điện áp được trình bây trên hình 3.8. Điện áp vào điểm A là điện áp đồng bộ - điện áp dạng sin, qua mạch tích phân dùng khuếch đại thuật toán cho điện áp dang cosin của điện áp sin đồng bộ (tức là điện áp đầu ra của mạch tích phân vượt trước điện áp đầu vào một góc là 2 pi ). Sơ đồ mạch được trình bầy trên hình 3.8 dưới đây: 49 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Hình 3.8 Sơ đồ tạo điện áp Vcos. Điện áp Vcos này được đưa qua bộ khuếch đại thuật toán để loại đi một sườn của điện áp áp Vcos. Mục đích là tại một thời điển chỉ có duy nhất một điển giao giữa dkU = dbU , nên việc mở thyristor sẽ đúng theo mong muốn. Sơ đồ được trình bầy ở hình vẽ 3.9: Hình 3.9 Sơ đồ tạo điện áp Vsync. 3.2.1 Lựa chọn khối đồng bộ: 50 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Khối đồng bộ có chức năng tạo điện áp đồng bộ với điện áp anốt - katốt của các thyristor từ điện áp nguồn. Để điều khiển 6 thyristor mở với góc α, cần phải có hệ điện áp 6 pha làm điện áp đồng bộ với điện áp đặt lện anốt - katốt để mở các thyristor. Từ phần nguyên lý làm việc thấy rằng góc α được tính từ giáo điểm của các điện áp của nguồn nuôi và điện áp đặt lện anốt - katốt để mở các thyristor là điện áp dây ( abU , acU , bcU …) Nên phương án tốt nhất là có hệ điện áp đồng bộ vượt trước hệ điện áp lưới một góc bằng 3 pi . Yêu cầu này được thỏa mãn nếu sử dụng một máy biến áp một pha cho mỗi pha, như vậy thì ta phải sử dụng ba máy bién áp cho ba pha và sẽ đấu nối như sau: Hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của ba biến áp đều đấu nối theo sơ đồ hình sao “ Y ”, hoặc cũng có thể dung một máy biến áp ba pha có cuộn dây sơ cấp đấu nối theo sơ đồ hình sao “ Y ”. Điểm trung tính được đấu nối với điểm “0” của điện áp điều khiển. Nếu ta gọi aU , bU và cU là tương ứng là điện áp mỗi pha của lưới điện (đấu vào một đầu của cuộn dây sơ cấp cảu máy biến áp đồng bộ ), thì điến áp đồng bộ vượt trước điện áp nguồn nuôi (lấy từ thứ cấp máy biến áp đồng bộ) tương ứng với các pha a, b và c là raU , rbU và rcU . Các điện áp đồng bộ raU , rbU và rcU để tạo xung mở các thyristor tương ứng cho các pha a, b và c. Sơ đồ đấu nối dây và đồ thị véc tơ điện áp được trình bầy trên hình 3.2 51 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Hình 3.2 Sơ đồ nối dây của ba biến áp đồng bộ. * Tính toán máy biến áp đồng bộ: b L/2 L hH c a/2 a H×nh 1.31 KÕt cÊu m¹ ch tõ cuén kh¸ ng Chọn vật liệu làm lõi là các lá thép kỹ thuật. Chọn loại thép 333A, tấmƎ thép dầy 0,35mm. Kích thước các chiều như sau: a = mm b = mm L = 1,6 mm h = 2,4 mm + Máy biến áp cần thiết kế có các thông số kỹ thuật sau: - Điện áp vào 1u = 220 V, - Điện áp ra 2u = 15 V, 52 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. - Tỷ số biến áp: 2 1 w w = 1 2 n n = 15 220 ≈ 15 + Phương trình điện áp cuộn sơ cấp: 1U = 4,44. f. 1w . mφ [3.5] Trong đó: 1U - điện áp đầu vào cuộn sơ cấp; f - tần số điện áp; 1w - số vong của cuộn sơ cấp; mφ - từ thông cực đại sinh ra bởi cuộn dây sơ cấp, và mφ được tính theo công thức sau: mφ = mB . eS [3.6] Trong đó: mB - Cảm ứng từ; eS - Diện tích thép. Thông thường lấy mB = 1 T(tecla), và ta chọn diện tích thép có giá trị là: eS = a.b = 3 cm 2 . Theo công thức gần đúng (kinh nghiệm), ta tính được số vòng/ 1v là: 0w = eS 45 , trong đó eS tính bằng cm 2 Nên 0w = 3 45 = 15 vòng / 1v. - Tính số vòng cuộn sơ cấp: 1w = 220. 0w = 220.15 = 3300 vòng. - Tính số vòng cuộn thứ cấp: 02w = 15. 0w = 15.15 = 225 vòng. Nếu tính đến xụt áp do quá tải thì cuộn thứ cấp 02w ta phải cộng thêm 15%, tức là ta phải cộng them vào cuộn 02w số vòng là: 53 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. 2w = 100 15 . 02w + 02w =100 15 225 + 225 = 260 (vòng). + Tính diện tích đồng của cuộn sơ cấp (được coi như chiếm một nửa diện tích của cửa sổ ): CuS = 2 0S . 0k [3.7] Trong đó: CuS - Diện tích đồng, cm 2 ; 0S - Diện tích của cửa sổ, cm 2 ; 0k - Hệ số điền đầy cửa sổ của dây đồng. Trong đó nếu quấn bằng tay thì 0k ≤ 0,4 Vì quấn bằng tay nên phải xét đến các yếu tố sau: - Thứ nhất là: có tính đến bề dầy của các lớp giấy cách điện giữa các lớp dây đồng với nhau - Thứ hai là: tính đến trường diện tích thực tế của đây đồng khi quấn bằng tay, và chắc chắn là sẽ lớn hơn so với trường hợp quấn bằng máy quấn dây. Căn cứ vào cả hai lý do đã nêu ở trên ta đi chọn 0k = 0,3. Tính diện tích của cửa sổ : 0S = 2 L . h = 0,8 . 2,4 ≈ 20 mm 2 = 2 cm 2 Ta có: diện tích w1S = w2S = 2 3 = 1,5 cm 2 Suy ra: diện tích đồng w1CuS = w2CuS = w1S . 0k = 1,5 . 0,3 = 0,45 cm 2 Tính diện tích của một sợi dây đồng : dayS = w CuS Trong đó: 54 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. dayS - Diện tích của một sợi dây đồng ; CuS - Diện tích đồng ; W - Số vòng dây. - Tính diện tích cua một sợi dây của cuộn sơ cấp: 1 wday S = 1 w w 1Cu S = 3300 100.45,0 = 3300 45 ≈ 0,0136 mm 2 . Mặt khác: 1 wday S = π . 21R = 0,0136 mm 2 . Suy ra bán kính của sợi dây đồng dùng để quấn cuộn sơ cấp là: 21R = pi 0136,0 = 14,3 0136,0 ≈ 0,0043 mm, hay 1R ≈ 0,066 mm Vậy chọn loại dây đồng có đường kính 1d = 0,15 mm, để quấn cuộn sơ cấp của máy biến áp. - Tương tự như trên ta tính đường kính dây cho cuộn thứ cấp: 2 wdayS = 2 w w 2Cu S = 260 100.45,0 = 260 45 ≈ 0,173 mm 2 . Mặt khác: dayS = π . 22R = 0,173 mm 2 . Suy ra bán kính của sợi dây đồng dùng để quấn cuộn thứ cấp là: 22R = pi 173,0 = 14,3 173,0 ≈ 0,055 mm, hay 1R ≈ 0,234 mm Vậy chọn loại dây đồng có đường kính 2d = 0,45 mm, để quấn cuộn thứ cấp của máy biến áp. Làm phép kiểm tra lại xem việc tính toán trên có hợp lý không? Ta có: - Diện tích dây dẫn cuộn sơ cấp: 1 wdayS = 4 . 21dpi = 4 15,0.14,3 2 ≈ 0,0176 mm 2 55 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Diện tích đồng của 1w : 1 wCuS = 0,0176 . 3300 = 58,1 mm 2 ≈ 0,581 cm 2 - Diện tích dây dẫn cuộn thứ cấp: 2 wdayS = 4 . 22dpi = 4 45,0.14,3 2 ≈ 0,158 mm 2 Diện tích đồng của 2w : 2 wCuS = 0,158. 260 = 41,1 mm 2 ≈ 0,411 cm 2 Vậy tổng diện tích đồng của 2 cuộn 1w và 2w là: 1 wCuS + 2 wCuS = 0,581 + 0,411 ≈ 1 cm 2 Cuối cùng ta chọn: - Cuộn sơ cấp: 1d = 0,15 mm , 1w = 3300. - Cuộn thứ cấp: 2d = 0,45 mm, 2w = 260. Đánh giá điện: Có mật độ dòng cho phép ( với máy biến áp cỡ nhỏ ) J = 3 2mm A - Dòng điện chạy trong Sơ cấp đạt: 1wI = 0,0113. 3 = 0,034 A. - Dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp đạt: 2wI = 0,071. 3 = 0,213 A. * Tính công suất biến áp: BAS = 0,034. 220 = 7,48 VA. 3.2.2 Lựa chọn khâu so sánh: Muốn xác định được thời điểm mửo thyristor, tiến hành so sánh hai tín hiệu dkU và rcU . Tại thời điểm dkU = rcU ở đầu vào của khâu so sánh, thì ở đầu ra điện áp cũng bị lật trạng thái, tại đó xác định được thời điểm cần mở thyristor. Khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu vô cùng nhỏ ( cỡ µV ) ở đầu vào, đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi, việc ứng dụng khuếch đại thuật toán làm khâu so sánh là hợp lí. Ưu điểm hơn hẳn cảu khối so 56 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. sánh dung khuếch đại thuật toán là có thể phát xung điều khiển chính xác tại thời điểm dkU = rcU . Như hình vẽ 3.4 Hình 3.4 Sơ đồ khâu so sánh. 3.2.3 Chọn khâu tạo chùm xung điều khiển : Đối với một sơ đồ mạch, để giảm công suất cho tầng khuếch đại, tăng số lượng xung mở ( nhằm đảm bảo thyristor mở mọt cách chắc chắn khi thyristor chất lượng xấu ) và đệm xung điều khiểncủa chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng, người ta hay phát xung chum cho các thyristor. Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuếch đại, ta đưa chèn them mọt cổng VÀ (AND) tín hiệu vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm như hình 3.5 57 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Hình 3.5 Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm. 3.2.4 Tính chọn khối chia xung: Khối chia xung tạo ra hai dãy xung chữ nhật lêch pha nhau 180 0 từ các dãy các xung động bộ và xung ra của khối tạo xung. Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý khối chia xung. 3.2.5 Tính chọn khâu khuếch đại: Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở thyristor như đã nêu ở trên, tang khuếch đại cuối cùng thường được thiết kế theo sơ đồ Darlington dùng tranzistor công suất. Để có xung dạng kim đưa tới cực khiển của thyristor, ta dung biến áp xung, Điốt D bảo vệ tranzistor và cuộn day sơ cấp của biến áp xung khi tranzistor mở đột ngột. Sơ đồ hình 3.7 hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về khuếch đại công suất, khi hệ số khuếch đại được nhân lên theo thong số của hai tranzitor trong sơ đồ Darlington. 1Q và 2Q đóng cắt điện áp phía sơ cấp của biến áp xung. Trong thực tế, xung điều khiển chỉ cầm có bề rộng nhỏ (cỡ khoảng 10 ÷ 200µs), mà thời gian mở các tranzistor công suất lớn (tối đa tới một nửa chu kỳ ≈ 001s), làm cho công suất tỏa nhiệt dư của tranzitor quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp của biến áp xung dư lớn. Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt trên tranzistor và kích thước dây sơ cấp cảu biến áp xung ta dung thêm tụ 1C nối tầng. Và khi đó tranzistor chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian mở tụ, 58 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. nên dòng hiệu dụng của chúng nhỏ hơn nhiều lần. Ngoài ra, việc sử dụng biến áp xung còn có tác dụng cách ly tĩnh điện. Sau khi được khuếch đại, các xung này được cấp cho cực khiển của các thyristor. Hình 3.7 Sơ đồ khối khuếch đại xung. * Nguyên lý làm việc của Sơ đồ hình 3.7 như sau: Tín hiệu vào txU là một tín hiệu lôgic. Khi txU = ‘ 1 ’ thì tranzitor 1Q và 2Q mở bão hòa. Khi txU = ‘ 0 ’ thì hai tranzitor bị khóa lại. Điốt Schottky 1D hạn trế quá điện áp trên các cực colêctơ – êmitơ của tranzistor 1Q và 2Q . Điốt 3D ngăn chặn xung áp âm có thể có khi tranzitor bị khóa. 2R hạn trế dòng điều khiển. 3R là điện trở ảnh hưởng đến biện độ và sườn xung ra. Ban đầu, txU = ‘ 0 ’ : Li = Ci = 0, CEU = E , 1Di = 0. Giả thiết, tại thời điểm t = 0, txU = ‘ 1 ’ , hai Tranzistor mở. Điện cảm L không cho Ci đạt ngay trị bão hòa của nó là CI . Dòng Ci chỉ có thể tăng trưởng từ từ theo quy luật hàm mũ. 59 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. Sau khoảng thời gian khoảng 5τ, Ci = CI . Bên thứ cấp của biến áp xung xuất hiện một xung điện áp trên 3R để mở thyristor. Khi t = 1T , txU = ‘ 0 ’, lúc này Li đạt gia trị: Li ( 1T ) = Ci ( 1T ) = CI ( 1- τ 1T e − ) = 0I < CI , Hai tranzistor bị khóa, Ci = 0. Nếu không có điốt 1D thì năng lượng W = 2 1 L . 20I sẽ sinh ra quá điến áp trêm các cực C và E của tranzitor. Quá điện áp này có thể đạt đến khoảng 100V, phá hủy transistor. Điốt 1D laọi trừ hiện tượng quá điện áp nói trên, bởi vì vừa khi CEU = CV = EV = 0,8 V thì 1D mở cho dòng chạy qua, nó làm ngắn mạch cuộn sơ cấp của biến áp xung, do đó CEU = E + 0,8V. Từ t = 1T trở đi, Li suy giảm theo quy luật: Li = 0I τ τ '− e , với τ’ = 'R L Trong đó R’ là điện trở của của cuộn cảm L và điện trở thuận của 1D . * Tính toán biến áp xung: Trong thực tế tính toán, người ta thường bỏ qua điện cảm tản của biến áp xung Các thông số cơ bản yêu cầu về xung điều khiển cảu thyristor đã chọn. + Điện áp xung điều khiển gU = 3V; + Dòng điện xung điều khiển gI : 100mA = 0,1A; + Độ rộng xung điều khiển chọn Xt = 2. mt = 160µs ( mt = 80µs, thời gian mở của thyristor ); + Tần số xung Xf = 2 1 . Xt = 3,125 kHz; + Độ mất đối xứng cho phép: Δα = 4 0 ; + Mức độ sụt biệ độ xung: XS = 0,15; 60 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. + Điện áp nguồn nuôi mạch khiển: U = ± 12V. Chọn vât liệu làm lõi là sắt ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hóa, có: ΔB = 0,3T, ΔH = 30 A/m, không có khe hở không khí + Tỷ số biến áp xung là: BAk = 2 1 w w = 1,5. + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp biến áp xung: 1U = gU . BAk = 3.1,5 = 4,5 V. + Dòng điện sơ cấp biến áp xung: 1I = BA g k I = 5,1 1,0 = 0,067A. Tính thể tích lõi thép cần có: V = Q. L = 2 110 ..... B IUSt XXtb ∆ µµ [3.8] Trong đó: tbµ - Độ từ thẩm trung bình, tbµ = H B ∆ ∆ .0µ = 30.10.25,1 3,0 6− = 8.10 3 H/m; 0µ - Độ từ thẩm của không khí, 0µ = 1,25.10 6− H/m Q - Tiết diện lõi sắt; L - Chiều dài trung bình của đường sức từ; 1U , 1I - Điện áp và dòng điện cuộn sơ cấp biến áp xung; Thay số vào công thức [3.8] để tính thể tích lõi sắt: V = Q.L = 2 110 0 ..... . B IUSt H B XX ∆ ∆ ∆ µ µ = HB IUSt XX ∆∆ . ... 11 = 30.3,0 067,0.5,4.15,0.160 = = 0,804.10 6− m 3 = 0,804 cm 3 Từ thể tích lõi sắt tra bảng 1.5 – Trang 120 giáo trình [2] Chọn mạch từ OA – 20/25-6,5 có thể tích V = Q.L = 0,162.7,1 = 1,15 cm 2 61 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. d D a b H×nh 1.37 .H×nh chiÕu lâi biÕn ¸p xung . Với thể tích đó ta có kích thước mạch từ như sau: a = 2,5 mm; b = 6,5 mm; d = 20mm; D = 25mm; Q = 0,162 cm 2 = 16,2 mm 2 ; csQ = 3,14 cm 2 Chiều dài trung bình mạch từ: l = 7,1 cm + Số vòng cuộn dây sơ cấp: 1w = BQ tU X ∆. .1 = 3,0.2,16 160.5,4 = 150 vòng. 62 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. KẾT LUẬN Sau một thời gian nghiên cứu và thục hiện, tôi đã hoàn thành được đồ án tốt nghiện của mình đúng thời hạn và đạt được yêu cầu đề ra đó là: Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển cho bộ chỉnh lưu cầu ba pha bao gồm: mạch công suất, mạch nguồn và khối xử lý trung tâm. Tuy nhiện, do thời gian có hạn và nhiều hạn chế, đặc biệt là trong vấn đề bảo vệ nên trong nội dung không tránh khỏi những thiếu sót. một lần nưa tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến chận thành của các thầy cô giáo cũng như độc giả để tôi có thể hoàn thiện hơn ý tưởng cảu mình. Cuối cùng, tôi cũng xin chận thành cảm ơn sự hưỡng dẫn và giúp đõ tận tình của thầy giáo, Đại tá - tiến sỹ Nguyễn Văn Thuấn cũng như các thầy giáo trong bộ 63 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. môn Kỹ thuật điện – khoa kỹ thuật điều khiển và toàn thể các ban trong lớp để tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp cuả mình. Xin chận thành cảm ơn! 64 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn Đồ án tốt nghiệp Lớp: TBĐ-ĐT 3. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Thuấn. Điện tử công suất. Nhà xuất bản Học Viện Kỹ Thuật Quận Sự, 2003. [2] 65 GV hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thuấn