Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển theo nguyên lý arccos cho phần ứng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Đồ án môn học:  Điện tử công suất Lời nói đầu Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật ngày càng đáp ứng những nhu cầu về tính hiện đại và tự động hóa trong mọi nghành công nghiệp.Bước tiến vượt bậc của khoa học kỹ thuật là sự ra đời của công nghệ bán dẫn, nó là một yếu tố không thể thiếu trong ngành công nghiệp tự động hóa.Việc ứng dụng của nó rất rộng rãi trên nhiều lĩnh vực đặc biệt trong lĩnh vực điện tử công suất nó được ứng dụng để chế tạo các linh kiện điện tử góp phần tạo nên những mạch điều khiển ứng dụng trong điều khiển động cơ. Điện tử công suất phục vụ rất hiệu quả cho truyền động điện đặc biệt là điều khiển động cơ.Cũng nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn nữa về những ứng dụng quan trong trong điều khiển động cơ, đặc biệt là động cơ điện một chiều được sử dụng ngày càng rộng rãi trong cuộc sống, các sinh viên nghành Điện chúng tôi tham gia làm đồ án môn học Điện tử công suất nhằm tìm hiểu kỹ hơn vấn đề này. Đồ án môn học “Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển theo nguyên lý arccos cho phần ứng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập” gồm có 6 chương: Chương 1:Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập Chương 2:Tổng quan về bộ chỉnh lưu cầu một pha Chương 3:Tính chọn mạch động lực Chương 4:Tính chọn mạch bảo vệ và cuộn kháng san bằng Chương 5:Thiết kế mạch điều khiển theo nguyên lý ARCCOS Chương 6:Mô phỏng Với sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy PGS.TS Đoàn Quang Vinh và các thầy cô trong bộ môn, tôi đã hoàn thành đồ án của mình với sự học hỏi và mở mang kiến thức. Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ tôi hoàn thành nhiệm vụ của mình! Đà nẵng, ngày 22 tháng 12 năm 2008 Sinh viên thực hiện Sinh viên thực hiện:   1 Đồ án môn học:  Điện tử công suất Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP 1.Đặc tính cơ của động cơ điện 1.1 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Đặc điểm của động cơ kích từ độc lập là dòng điện kích từ và từ thông động cơ không phụ thuộc dòng điện phần ứng.Sơ đồ nối dây như hình vẽ: . U æ Uæ IKT Iư  CKT E  a,  RKT Rf  I KT  E CKT  UKT  Rf RKT b, Hình 1.1 a:Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ song song b:Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập Khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi thì mạch kích từ thường mắc song song với mạch phần ứng, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ song song. Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập. Phương trình đặc tính cơ: Theo sơ đồ hình 1.1 ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần ứng như sau: Uư = Eư + (Rư + Rt)Iư trong đó: Uư : điện áp phần ứng Eư : sức điện động phần ứng Rư : điện trở của mạch phần ứng Rt : điện trở phụ trong mạch phần ứng Iư : dòng điện mạch phần ứng Với Rư = rư + rcf + ri + rct rư : điện trở cuộn dây phần ứng rcf : điện trở cuộn cực từ phụ rb : điện trở cuộn bù rct : điện trở tiếp xúc của chổi điện Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được xác định theo biểu thức (1-1) Trong đó: Eu = pN 2ð a Öù = K Öù (1-2) Sinh viên thực hiện:   2 Đồ án môn học:  Điện tử công suất p: số đôi cực từ chính N: số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng a: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng Ö: từ thông kích từ dưới một cực từ ù: tốc độ góc pN 2ð a Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì: E ö = K cÖn 60 9.55  (1-3) Vì vậy : pN 60a Từ đó ta có: K c = K c = pN 60 a K 9.55 : Hệ số sức điện động của động cơ = 0.105K U u Ru + R f K Ö K Ö Đây là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ. (1-4) Mặt khác mômen điện từ Mđt của động cơ tỉ lệ với từ thông và dòng điện phần ứng được xác định bởi: Mđt = K Ö Iư (1-5) M dm K Ö thay giá trị Iư vào (1-4) ta được: U u R + R K Ö ( K Ö )  (1-6) Nếu bỏ qua các tổn thất trong động cơ, gồm tổn thất ma sát trong ổ trục, tổn thất cơ do tự quạt mát và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ coi như bằng mômen điện từ, ta ký hiệu là M. Nghĩa là Mđt = Mcơ = M. U u R + R K Ö ( K Ö )  (1-7) Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Nếu bỏ qua ảnh hưởng của phản ứng phần ứng , từ thông của động cơ Ö = const thì các phương trình đặc tính cơ điện (1-4) và phương trình đặc tính cơ (1-7) là tuyến tính. Đồ thị của chúng được biểu diễn trên hình là những đường thẳng. Sinh viên thực hiện:   3: Hệ số tỉ lệ phụ thuộc cấu tạo của động cơ K = 2ð n n = Eu = Ön − × Iu Suy ra: Iu = − u f2 M dt − u f2 M Đồ án môn học: ω ωo ωdm  ω ωo ωdm  Điện tử công suất Iâm  Inm  I  M âm  M nm Hình 1.2 a:Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập b:Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Theo các đồ thị trên, khi Iư = 0 hoặc M = 0 ta có: U u K Ö ùo : được gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ Khi ùo =0 ta có: I ö = U R ö + R f = I nm  (1-9) Và M = K ÖI nm = M nm (1-10) Inm , Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch. Mặt khác, phương trình đặc tính (1-4), (1-7) cũng có thể được viết ở dạng: ù = U u K Ö − R K Ö .I u = ùo − Äù (1-11) U u K Ö R ( K Ö )  2 .M = ùo − Äù (1-12) trong đó: U u K Ö Äù = Äù được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M . 1.1.2 Xét ảnh hưởng các tham số đến đặc tính cơ: Từ phương trình đặc tính cơ (1-7) ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ: từ thông động cơ Φ, điện áp phần ứng Uư và điện trở phần ứng động cơ.Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó. Sinh viên thực hiện:   4 = ùo (1-8) + R .ù R = Ru f o = .I ö = .M R R (KÖ)2 KÖ Đồ án môn học:  Điện tử công suất 1.1.2.1 Ảnh hưởng của điện trở phần ứng Giả thiết Uư = Uđm = const và Ö = Öđm = const Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng như hình 1.1 và 1.2 thì sẽ làm thay đổi được điện trở tổng của mạch này. Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng: ùo = U dm K Ö dm = const Độ cứng của đặc tính cơ: 2 Ru + R f Khi Rt càng lớn, â càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên âTN = − ( K Ö dm ) Ru 2  (1-13) âTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đường đặc tính có điện trở phụ. Như vậy khi thay đổi điện trở phụ Rf ta được một họ đặc tính biến trở có dạng như hình vẽ: ù ùo  TN(Rn) Rf Rf  1 2 Rf M c Rf  3 4  M Hình 1.3: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng Ứng với một phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ cơ càng giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản. 1.1.2.2 Ảnh hưởng của điện áp phần ứng: Giả thiết từ thông Φ=Φdm=const, điện trở phần ứng Rư = const. Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Udm , ta có: Sinh viên thực hiện:   5( K Ö dm ) ÄM Äù Đồ án môn học:  Điện tử công suất Tốc độ không tải: ùox =  U x K Ö dm  = var Độ cứng đặc tính cơ: â = − ( K Ö dm ) Ru 2  = const Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên. ù ùo ù01  TN  Uâm U1 ù02 ù03 ù04  M c  U2 U3 U4  M(I) Hình 1.4: Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm áp đặt vào phần ứng động cơ Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động. Ảnh hưởng của từ thông: Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm =const , không nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng,tức Rư = const.Bằng cách thay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ ta sẽ làm thay đổi từ thông . Trong trường hợp này: Tốc độ không tải: ùox = U dm K Ö x = var Độ cứng đặc tính cơ: â = − ( K Ö x ) Ru 2  = var Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ thông giảm thì ùox tăng, còn â sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với ùox tăng dần và độ của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. Sinh viên thực hiện:   6 Đồ án môn học: Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thông:  Điện tử công suất Dòng điện ngắn mạch: I nm = U dm Ru = const Mômen ngắn mạch: M nm = K Ö x I nm = var Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông được biểu diễn như hình ù ù02 ù01 Ö 2  ù ù02 ù01  Ö 2 ù0 Ö1 ù0 Ö1 Ö dm  TN  M c  Ö ñm , TN Inm I M nm2 M nm1 M nm M Hình 1.5: Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập Với dạng mômen của phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên 1.2 Tổng quan về điều chỉnh -Động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm so với các động cơ khác, không những có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch điều khiển đơn -Để điều chỉnh tốc độ động cơ điện có 3 phương pháp: +Điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ +Điều chỉnh điện trở phụ mắc thêm vào phần ứng +Điều chỉnh từ thông động 1.2.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng: Từ phương trình đặc tình cơ tổng quát: ù = U u K Ö − Ru ∑ (K Ö)2  M ⇒ ù=ùo-Äù Ta thấy rằng khi thay đổi Ruf thì ù0 = const còn Ä ù thay đổi , vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh có cùng ù0 và dốc dần khi Ruf càng lớn với tải như nhau thì tốc độ càng thấp: Sinh viên thực hiện:   7 Đồ án môn học:  Điện tử công suất Ckt  Uư  Rkt  -  ùdm ù1  ù ù0  TN Rưf1 Ikt  RF ù2  Rưf2 . Iư E a, 0  b, Mc M Hình 1.6 : a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Rưf b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Rưf Như vậy:0ù1>ù2>…, nhưng nếu ta tăng Rưf đến một giá trị nào đó thì sẽ làm cho M ≤ Mc và như thế động cơ sẽ không quay được và động cơ làm việc ở chế độ ngắn mạch, ù=0.Từ lúc này, ta có thay đổi Rưf thì tốc độ vẫn bằng 0, nghĩa là không điều chỉnh tốc độ động cơ được nữa, do đó phương pháp điều chỉnh này là phương pháp điều chỉnh không triệt để. 1.2.2 .Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ĐMdl bằng cách thay đổi từ thông kích từ của động cơ: Từ phương trình đặc tích cơ tổng quát: ù = U u K Ö − Ru ∑ (K Ö)2  M ⇒ ù=ùo-Äù Ta thấy rằng khi thay đổi Ö thì ùo và Äù đều thay đổi , vì vậy ta sẽ được đặc tính điều chỉnh dốc dần ( độ cứng â càng giảm) và cao hơn các đường đặc tính cơ tự nhiên khi Ö càng nhỏ, với tải như nhau thì tốc độ càng cao khi giảm từ thông Uu -  ù02 ù ù0 Ikt  Ckt Ö  Rkt  ù01 ù0dm ù2 ù1  Ö2  Ö1  Ödm Iu  E  a)  0  Mc  b)  Mn2 Mn1 M Hình 1.7 :a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Ö b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Ö Sinh viên thực hiện:   8 Đồ án môn học:  Điện tử công suất Như vậy : Ö đm > Ö 1> Ö 2>… thì ùdm < ù1 < ù2 <…, nhưng nếu giảm Ö quá nhỏ thì có thể lam cho tốc độ động cơ lớn quá giới hạn cho phép , hoặc làm cho điều kiện chuyển mạch bị xấu đi do dòng phần ứng tăng cao , hoặc để đảm bảo chuyển mạch bình thường thì cần phải giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ làm cho mômen cho phép trên trục động cơ giảm nhanh, dẫn đển động cơ bị quá tải. 1.2.3.Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng của động cơ: Từ phương trình đặc tích cơ tổng quát: ù = U u Ru K Ö (K Ö)2  M ⇒ ù=ùo-Äù Ta thấy rằng khi thay đổi Uư thì ùo thay đổi còn Äù =const, vì vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau.Nhưng muốn thay đổi Uư thì phải có bộ nguồn một chiều thay đổi được điện áp ra , thường dùng các bộ biến đổi. ù ù0dm  ùdm Uudm BBĐ Uu  Mc ù1 ù2 Mc  Uu1> 0 M Uu= 0 E -Uudm Iu -ùudm + a) b) Hình 1.8 : a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Uư b) Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMđl bằng cách thay đổi Uư Các bộ biến đổi có thể là: Bộ biến đổi máy điện :dùng máy phát một chiều(F),máy khuếch đài (MĐKĐ); bộ biến đổi từ:mạch khuyếch đại từ(KĐT) một pha ,ba pha:bộ biến đổi điện tử bán dẫn: các bộ chỉnh lưu (CL) dùng thyristor, các bộ băm điện áp(BĐA) dùng thyristor, transistor… Sinh viên thực hiện:   9 − Uu1< 0 Ckt Ikt Đồ án môn học: Chương 2: TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA id  Điện tử công suất iT1 i  A T11 1 T2  ud  L E2 U T4 B  T3  R iT4 Hình 2.1 Sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển cầu một pha 2.1. Nguyên lí làm việc: u= 2 Usinè Trong nửa chu kỳ đầu : 0 ≤ è1 ≤ ð, u > 0 cực dương tại A, cực âm tại B. Hai Thyristor T1 và T3 đang ở trạng thái sẵn sàng dẫn điện vì chưa có xung kích khởi đưa vào cực điều khiển. Tại thời điểmè1 = á1( 0 ≤ è1 ≤ ð) ta đưa xung kích khởi vào T1 và T3 làm cho T1, T3 mở lúc này trong mạch có dòng điện id qua tải qua T3 trở về nguồn,lúc này ud=u. Tại thời điểm è = ð thì u = 0, nhưng hai Thyristor T1, T3 vẫn mở vì tải là phần ứng của động cơ điện một chiều nên coi như có cuộn cảm mắc nối tiếp với tải. Trong quá trình T1 và T3 mở thì cuộn cảm L tích luỹ năng lượng e = - L di dt nên khi u < 0 thì T1 và T3 vẫn còn dẫn điện qua tải đó là ứng với lúc cuộn cảm bắt đầu hoàn trả năng lượng về nguồn . Trong nửa chu kỳ sau: ð ≤ è 2 ≤ 2ð, tính cực dương tại B, cực âm tại A.HaiThyristor T2 và T4 cũng đang ở trạng thái chờ mở cho dòng chảy qua. Tại thời điểm: θ2= ð+θ1 = ð+á (á góc điều khiển) ta đưa xung kích khởi vào mở T2 và T4 → T2 và T4 dẫn còn T1, T3 khoá. Vì vậy trong mạch xảy ra quá trình trên và lặp lại liên tục.Vì có điện cảm L trong mạch tải nên thực tế dòng liên tục id = Id. Khi T1,T3 mở ta có: 2 ⋅U sin è = R ⋅ id + E + X L di dè Sinh viên thực hiện:   10 Đồ án môn học: ↔ 2U sinè = Ri d + E + X  di âi dt  Điện tử công suất ↔ I D ð á 2U sinè = ð á i d + ð á dè + ð I∫ di âi ↔ U di = R ⋅ I d + E Trong đó: Udi = Udiocosá; Udio = 2U m ð ; U m = 2U Nên  R 2 2U ð → I d = S ; Id :là dòng chỉnh lưu(dòng trong mạch tải) Dạng sóng điện áp chỉnh lưu: ud ud á 0 è1 ð è2 2ð è u i d i v1,3 i v2,4  I d  I d  I d  è è è i è Hình 2.2: Dạng sóng điện áp chỉnh lưu Sinh viên thực hiện:   11 1 ð+á R ð+á E ð+á X ∫ ∫ ∫ ÂI cosá Udi = U di − E Đồ án môn học:  Điện tử công suất 2.2. Hiện tượng trùng dẫn: Như đã trình bày ở trên, chúng ta chỉ đề cập đến nguyên lý hoạt động của các bộ biến đổi trong trường hợp lí tưởng, tức là không xét đến ảnh hưởng của điện kháng Lk của nguồn điện xoay chiều.Khi xét đến cuộn kháng Lk của nguồn thì trong mạch sẽ không xảy ra hiện tượng chuyển mạch tức thời.Hiện tượng trùng dẫn là hiện tượng cả 4 Thyristor đều dẫn. Giả sử tại thời điểm è1, T1,T3 mở cho dòng chảy qua iT1,3 = Id; Khi è = è 2 cho xung điều khiển mở T2,T4. vì sự có mặt của Lk nên dòng iT1,3 không thể giảm đột ngột từ Id về 0, mà dòng iT2,4 cũng không thể tăng đột ngột từ 0 đến Id. Lúc này cả 4 Thyristor đều mở (cùng dẫn)→ phụ tải bị ngắn mạch, Ud=0, nguồn cũng bị ngắn mạch sinh ra dòng điện ngắn mạch(ik ) dik dè Nếu chuyển gốc toạ độ từ 0 sang è 2 , ta có: 2U sin (è + á ) = X k dik dè → ik = I km ⎡cos á − cos (è + á )⎤ = 2U X k ⎣ ⎦ I km = U km ù Lk Đặt ik = ik1 + ik 2 , với ik1 = ik 2 = ik 2 ik1 làm tăng dòng trong T4, làm giảm dòng trong T3; ik2 làm tăng dòng trong T2, làm giảm dòng trong T1; ik 2,4 = 2U 2 X k ⎣ ⎦ ik1,3 = I d − 2U 2 X k ⎣ ⎦ Kết thúc giai đoạn trùng dẫn tức là khi è = ì ; iT1,3= 0 nên phương trình chuyển mạch có dạng: cosá − cos ( ì + á ) = Xác định ÄU ì : 2 X k I d 2U () ÄU ì = ì ð ∫ 2U sin (è + á ) ⋅ dè = 2U 2 ð ⎡cos á − cos (è + á )⎦ (**) Từ (*) và (**) ta có: ÄU ì = 2 X k I d ð Với U d = 2 2U ð cosá Sinh viên thực hiện:   122U sin è = X k Ta có phương trình: ⎡cos á − cos ( )⎤ ⎣ ⎦ ⎡cosá − cos ( )⎤ ⎡cosá − cos (è + á )⎤ * 1 0 ⎣ ⎤ Đồ án môn học: Khi Lk ≠ 0 trị trung bình điện áp : U d ' = U d −  ð  2 X k ⋅ I d  i d  Điện tử công suất L K  V 1  i K2  V 2  L u  E V 4  i K1  V 3 R Hình 2.3 Sơ đồ mạch động lực hiện tượng trùng dẫn Sinh viên thực hiện:   13 Đồ án môn học: d  Điện tử công suất 0  è1  ð  è2  è3  2ð  è á i d i v1  i v2 0  á I d  ì è Hình 2.4: Sơ đồ hiện tượng trùng dẫn Sinh viên thực hiện:   14 Đồ án môn học:  Điện tử công suất Chương 3: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC Mạch động lực bao gồm : Máy biến áp và chọn Thyristor. 3.1Chọn Thyristor 3.1.1.Điện áp ngược lớn nhất trên Thyristor Máy biến áp công suất nhỏ nên sụt áp trên điện trở tương đối lớn, khoảng 4%, sụt áp trên điện kháng ít hơn khoảng 1,5%. Điện áp sụt trên hai Thyristor nối tiếp là 2V.Do có cuộn kháng san bằng nên sụt áp khoảng 0.8 %. Vậy điện áp chỉnh lưu không tải là: Ud0 = Ud + ÄUv + ÄUba + ÄUdn Trong đó: Ud =110V – điện áp chỉnh lưu ÄUv = 2V – sụt áp trên các van ÄUba = ÄUr + ÄUL – sụt áp bên trong mba khi có tải, bao gồm sụt áp trên điện trở (ÄUr) và sụt áp trên điện cảm (ÄUL), những đại lượng này khi chọn sơ bộ vào khoảng (5 ÷ 10)%. Ở đây ta chọn 7% và 5% ÄUr = 0,07 x 110 = 7,7V ÄUL = 0,05 x 110 = 5,5V ⇒ ÄUba = 7,7 + 5,5 = 13,2V l S Vậy ÄUd0 = 110 + 2 + 13,2 + 0 = 125,2V Giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp MBA : Ta có : 2 2 ð Trong thiết kế ta phải tính cho trường hợp lớn nhất Ud=max Để Ud max thì cos á =1 ⇒ á =0o Giả sử ban đầu góc mở á =0o (cos á = 1 ) thì Thyristor dẫn như một điode ta có: 2 2 U 2 Suy ra : U2 = = = 140V 2 2 2 2 Tỷ số máy biến áp : m = U 2 U1 140 220 Điện áp ngược lớn nhất đặt trên mỗi Thyristor : U im = 2U 2 = 2.140 = 198V Dòng chỉnh lưu : Id = Iưđm = 2,35 (A) Sinh viên thực hiện:   15ÄUdn – sụt áp trên dây nối: ÄUdn = Rdn.Id = ñ. .I d Xem ÄUdn~0 U 2cosá Ud = Udo = = = 0, 636 Đồ án môn học: Giá trị trung bình của dòng chảy qua mỗi Thyristor :  Điện tử công suất IT = I d 2,35 2 2 Giá trị hiệu dụng của dòng chảy qua thứ cấp máy biến áp : I2 = Id = 2,35 (A) Giá trị hiệu dụng của dòng chảy qua pha sơ cấp máy biến áp : I1 = m.I2 = 0,636. 2,35 = 1,5 (A) 3.1.2 Chọn Thyristor : Dựa vào dòng trung bình qua mỗi Thyristor và điện áp ngược lớn nhất trên mỗi Thyristor để chọn Thyristor: Chọn Thyristor có hệ số dự trữ dòng Ki = 1,2 và hệ số dự trữ điện áp Ku = 1,6 Vậy Tiristor chọn phải chịu được : Điện áp ngược lớn nhất : Ungmax= Ku . Uim = 1,6. 198 = 316,8 V - Dòng trung bình qua mỗi Thyristor : Itb = K1. IT = 1,2 . 1,175 = 1,41 A Từ các thông số Unv = 316,8V; Iđm = 1,41A theo bảng p.2 trang 212 sách “Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất” . ta chọn 4 Thyristor loại TCR22-6 có các thông số sau: 3.2 Tính chọn biến áp lực : 3.2.1 Mạch từ : Công suất phía sơ cấp MBA S1 = U1 . I1 = 220 . 1,5 = 330 VA Công suất phía thứ cấp MBA S2 = U2 . I2 = 140 . 2,35 = 329 VA Công suất trung bình của MBA S= S1 + S2 330 + 329 2 2 Sinh viên thực hiện:   16Điện áp ngược cực đại của van Unmax = 400(V) Dòng điện định mức của van Iđmmax = 1.5(A) Đỉnh xung dòng điện Ipikmax = 160(A) Dòng điện của xung điều khiển Igmax = 200( A) Điên áp của xung điều khiển Ugmax = 0.8(V) Dòng điện rò Irmax = 200 ( ì A) Sụt áp max của thyristo ở thời điểm dẫn Ä Umax = 1,7(V) Tốc độ thay đổi điện áp du = 25(V/s) dt Thời gian chuyển mạch tcm =40 vs Nhiệt độ làm việc max cho phép Tmax = 1250c = = 1,175 A = = 329,5 VA Đồ án môn học:  Điện tử công suất Chọn mạch từ 2 trụ, tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức kinh nghiệm: Q=k S c. f  (cm2) Suy ra : Q = 6 327,5 1.50  = 15, 4 (cm2) Trong đó : S : Công suất biểu kiến MBA. c : Số pha f : Tần số nguồn điện xoay chiều. k- là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát.( chọn k=6 vì là biến áp khô) Mạch từ có dạng được trình bày trên hình vẽ, dùng tôn Silic, có đường kính được chuẩn hóa là d=4,5 cm, sử dụng loại thép Э330, các lá thép có độ dày là 0,5 mm, chọn mật độ từ cảm là B = 1 Tesla. 3.2.2 Dây quấn : * Số vòng dây của mỗi cuộn : Sơ cấp : n1 = U1 4, 44. f .Q.Bm 220  −4 Thứ cấp : n2 = 644. 140 220 = 381 vòng * Chọn mật độ dòng điện : J1 = J2 = 2,7A/mm2 Đường kính dây dẫn phía thứ cấp : d1 = 4S1 ð  = 4.I1 ð J1 4.1,5 3,14.2, 7 Đường kính dây dẫn phía sơ cấp : d 2 = 4.I 2 ð J 2 4.2,35 3,14.2, 7 * Chọn dây : Dựa vào các thông số trên, tra bảng tìm được tiết diện dây với thông số sau : d1 = 0,86mm ; S1 = 0,5809 mm2 ; mcu = 5,16g/m ; ä1= 0,0297 (Ù/m) ; Dn=0,92-0,95 mm d2 = 1,08mm ; S2 = 0,9161 mm2 ; mcu = 8,14g/m ; ä2= 0,0188 (Ù /m) ; Dn=1,16-1,19 mm * Thông số của dây quấn: Dây quấn sơ cấp : Đường kính trụ: 4.Q 4.15, 4 ð ð Chuẩn hoá đường kính trụ theo tiêu chuẩn d = 4,5cm Chọn loại thép: ∃ 330 các lá thép có độ dày 0,5 mm Sinh viên thực hiện:   17= = 644 vòng 4, 44.50.15, 4.10 .1 = = 0,84mm = = 1, 08mm d = = = 4,5cm Đồ án môn học: Chọn mật độ từ cảm của trụ Bt =1,1 T  Điện tử công suất Chọn tỷ số m= h d ,suy ra h=2,3.4,5=10,35 cm Ta chọn chiều cao trụ là h=12 cm=120mm Ta chọn mạch từ có độ cao có kích thước như hình vẽ sau: 165mm 60mm  70mm  120mmm 45mm  45mm  30mm * Số vòng dây của mỗi cuộn : Sơ cấp : n1 = U1 4, 44. f .Q.Bm 220  −4 Thứ cấp : n2 = 585. 140 220 = 373 vòng * Chọn mật độ dòng điện : J1 = J2 = 2,7A/mm2 Đường kính dây dẫn phía thứ cấp : Sinh viên thực hiện:   18 = = 585 vòng 4, 44.50.15, 4.10 .1,1 Đồ án môn học:  Điện tử công suất d1 =  4S1 ð  =  4.I1 ð J1  4.1,5 3,14.2, 7 3.3 Kết cấu dây quấn sơ cấp Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí dọc theo chiều dọc trục Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp của cuộn sơ cấp: W11= h − 2hg d n = 120 − 2.0,95 0,95 = 124 vòng Với h - chiều cao trụ dn - dường kính dây quấn kể cả cách điện hg - khoảng cách điện với gông có thể tham khảo chọn,h g= dn=0,95 mm (ứng với dây dẫn sơ cấp được chọn) Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp: n11 = n1 W11 585 124 Chọn số lớp n11= 5 lớp.Như vậy có 585 vòng chia thành 5 lớp, chọn 4 lớp đầu vào có 122 vòng, vòng thứ 5 có 585-4.122= 85 vòng. Giữa hai lớp đặt 1 lớp cách điện dày 0,1mm. Bề dày dây cuốn sơ cấp e1 = K (d1+ 0,1) = 5(0,95 + 0,1) = 5,25 mm Bán kính trung bình của dây quấn sơ cấp r1tb = 4,5 + 5,25/2 = 7,125 mm Chiều dài dây quấn sơ cấp l1 = 2ðr1tb . 10-3n1 = 2 . 3,14 . 7,125 . 10-3 .585 = 26,2 m 0 R1 = ä1l1 (1+0,004 . 75) = 0,0297.26,2(1+0,004 . 75) =3,11 Ù 3.4 Kết cấu dây dẫn thứ cấp Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí dọc theo chiều dọc trục Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp của cuộn thứ cấp: W21= h − 2hg d n = 120 − 2.1,19 1,19 = 98 vòng Với h - chiều cao trụ dn - dường kính dây quấn kể cả cách điện hg - khoảng cách điện với gông có thể tham khảo chọn,h g= dn=1,19 mm (ứng với dây dẫn thứ cấp được chọn) Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn thứ cấp: n21 = n2 W21 373 98 Chọn số lớp n21=4 lớp.Như vậy có 373 vòng chia thành 4 lớp, chọn 3 lớp đầu vào có 96 vòng, vòng thứ có 373-4.96= 85 vòng. Giữa hai lớp đặt một lớp cách điện dày 0,1mm Sinh viên thực hiện:   19= = 0,84mm = = 4, 7 lớp Điện trở của dây dẫn ở nhiệt độ 75 C = = 3,8 lớp Đồ án môn học:  Điện tử công suất Bề dày của dây quấn thứ cấp e2 = K (d2+ 0,1) = 5(1,19 + 0,1) = 5,16 mm Bán kính trung bình của dây quấn thứ cấp r2tb = 4,5 +5,16/2 = 7,08 mm Chiều dài dây quấn thứ cấp l2 = 2ðr2tb . 10-3.n2 = 2 . 3,14 .7,08 . 10-3 .373 = 16,58 m Điện trở của dây dẫn ở nhiệt độ 750C R2 = ä2l2 (1+0,004 . 75) = 0,0188.16,58.(1+0,004 . 75) = 0,405Ù Giữa dây quấn sơ cấp và thứ cấp để một khoảng cách 8 mm. Điện áp rơi trên điện kháng 3 XI d ð Trong đó điện kháng trên máy biến áp được quy về thứ cấp như sau: ⎛ r ⎝ h  ⎠ ⎣⎝ 3 ⎠ ⎦ −7 X BA  ⎝ 70 ⎠ ⎣⎝ 3 ⎠ ⎦ Điện cảm của máy biến áp là: X ba 0,15 ù 314 Sụt áp trên điện kháng máy biến áp: 3 3 ð ð * Điện áp rơi trên điện trở khi điện trở của sơ cấp đã quy về phía thứ cấp : 2 ⎢ ⎝ n1 ⎠ ⎦ ⎢ ⎝ 585 ⎠ ⎥ * Điện áp chỉnh lưu khi đầy tải : Ud = Udo - ÄUr - ÄUx - ÄUFe = 125,2– 3,92– 0,34 - 1,5 = 119,44 (V) Trong đó: ÄUFe - tổn thất điện áp trên lõi thép * Hiệu suất của thiết bị chỉnh lưu : ç = U d .I S 119, 44.2,35 329,5 Vậy máy biến áp sử dụng tốt. * Tổng trở ngắn mạch : Z n = R 2 + X 2 = 2 2 = 1, 675( Ù) Trong đó , R= ÄU r I 3,92 2,35 * Dòng điện ngắn mạch : Sinh viên thực hiện:   20ÄU x = X BA = 8ð 2 .n22 .⎜ 2tb ⎟ . ⎢⎜ ⎟ .10 ⎥ .ù.10 ⎞ ⎡⎛ e + e ⎞ −3 ⎤ 0,1 + 1 2 = 8.3.14 .373 .⎜ ⎟ . ⎢⎜ ⎟ .10 ⎥ .314.10−7 = 0,15Ù 2 2 ⎛ 7, 08 ⎞ ⎡⎛ 5, 25 + 5,16 ⎞ −3 ⎤ 8 + = 4, 77.10−4 (H) LBA= = ÄU x = X BA I = .0,15.2,35 = 0.34V ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ 2 ⎛ n2 ⎞ ⎛ 373 ⎞ ÄU r = ⎢ R2 + R1 ⎜ ⎟ ⎥ I d = ⎢0, 405 + 3,11⎜ ⎟ ⎥ .2,35 = 3,92 (V ) ⎣ ⎥ ⎦⎣ = = 85,1% (1, 668) + ( 0,15) = = 1, 668Ù Đồ án môn học:  Điện tử công suất In =  U 2 Z n  140 1, 675 Sinh viên thực hiện:   21= = 83,58( A) Đồ án môn học:  Điện tử công suất Chương 4: TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆ VÀ CUỘN KHÁNG SAN BẰNG 4.1 Tính cuộn kháng cân bằng : Cuộn kháng san bằng được mắc nối tiếp với phần ứng của động cơ điện một chiều nhằm mục đích giảm bớt độ nhấp nhô của điện áp chỉnh lưu dẫn đến động cơ làm việc ổn định hơn. Thành phần sóng đa hài của dòng chỉnh lưu không vượt quá 15% dòng định mức. Gía trị của cuộn kháng san bằng được chọn nhằm hạn chế biên độ của các sóng đa hài này. Ishài ≤ 15% Iđm = 15%*2,35 = 0,3525(A) Lúc động cơ làm việc góc mở á = 0. điện áp chỉnh lưu được khai triển thành chuỗi Fourier với chu kỳ là 2L: ud 0  0'  è 2L Hình 4.1 Nếu chuyển gốc toạ độ sang O’ thì Ud = 2U 2 cosè là một hàm chẵn có chu kỳ là 2L. Trường hợp này : L = ð 2  , chỉ số đập mạch p = 2 khai triển Fourier của Ud : 2 L a ðè 2ðè L nðè L Với  an = L L ∫ U d (è)⋅ cos L dè; n = 0,1 2.... Với n = 0 ta có : ð a0 = 2 ð ∫ 2U 2 cosè dè = 4 2U 2 ð Do đó : a0 2  = 2 2 ð  U 2 = U d ð n = 1 ta có : a = 2 ð ∫ 2U 2 cosè dè = 4 2U 2 3ð Sinh viên thực hiện:   22U d = 0 + a1 ⋅ cos + a2 ⋅ cos + ⋅ ⋅ ⋅ + an ⋅ cos nðè 2 0 , 4 0 4 0 Đồ án môn học:  Điện tử công suất Nếu dừng lại ở hai số hạng đầu thì biểu thức giải tích của Ud là : U d ≈ 2 2 ð ⎛ 2 ⎞  ⎝ 3 ⎠ Điện cảm L sinh ra suất điện động tự cảm : e = −L di dt mỗi khi có sự biến thiên của dòng điện tải. Ta có : U d =  ⎝ 3 ⎠ Phương trình mạch tải: Ud + e = E + R.id ↔ L di dt + Rid = 2 2 ð ⎛ 2 ⎞  ⎝ 3 ⎠ Ta nhận thấy rằng dòng điện tải id biến thiên quanh giá trị trung bình của nó. Vậy: Id = Id +ia R.id = RId +Ria Trong đó : ia là thành phần xoay chiều. Ta có phương trình mạch tải : U d + U a = E + RI d + Ria + L dia dt Với U d = E + RI d U a = Ria + L  dia dt Do thường là : Ria << L dia dt di dt Đối với trường hợp đang xét thì : U d = 2 2U 2 ð U a = 4 2U 2 3ð di dt 1 4 2U 2 3ð 1 4 2U 2 L 3ð Trị hiệu dụng của dòng ia : 1 2ù sin 2ùt I a = 1 L ⋅ 4 2U 2 2 ⋅ 3ð ⋅ 2ù ;mặt khác Ia ≤ 15%Iđm = 0,3525 nên : Sinh viên thực hiện:   231 + cos 2è U 2 ⎜ ⎟ 1 + cos 2è ⎜ ⎟ = U d a 2 2U 2 ⎛ 2 ⎞ + U 1 + cos 2è U 2 ⎜ ⎟ − E nên U a = L a cos 2ùt = L a L ∫ → ia = ⋅ cos 2ùtdt ; với ùt = è . → ia = ⋅ ⋅ Đồ án môn học:  Điện tử công suất 1 L  ⋅  4 2U 2 2 ⋅ 3ð ⋅ 2ù  ≤ 0,3525 → L ≥ 2U 2 2U 2  2 = 2 ⋅132,03 6 ⋅ 3,142 ⋅ 0,3525⋅ 50 = 0,2533(H) L: tổng điện cảm của dây san bằng, và giá trị phụ tải và máy biến áp : Trong đó : L = Lsb + Lư + Lmba ⋅ n Với ã : hệ số phụ thuộc kiểu động cơ : ã = 0,2. 2p : số cực từ; 2p = 4 → p = 2; ndm = 1500 v/phút. 0,2 ⋅110 2 ⋅ 2,35⋅1500  = 0,0031(H) X 0,57 ù 314 Lsb=L-Lba-Lu=0,2533-0,0018-0,0031=0,2484H 4.2 Tính chọn mạch bảo vệ : Các phần tử bán dẫn công suất được sử dụng ngày càng nhiều do có những ưu điểm như gọn nhẹ, làm việc tin cậy, tác động nhanh, hiệu suất cao, dễ thực hiện tự động hoá.. Tuy nhiên, các phần tử bán dẫn công suất cũng đòi hỏi các điều kiện khắc khe. Trước hết là phải tôn trọng những trị số giới hạn sử dụng do nhà sản xuất đề ra đối với từng phần tử như sau : · Điện áp ngược lớn nhất · Trị trung bình cho phép đối với dòng điện · Nhiệt độ lớn nhất của mặt ghép · Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của điện áp du dt · Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của dòng điện di dt · Thời gian khoá toff Các phần tử bán dẫn công suất cần được bảo vệ để chống lại những sự cố xảy ra, những nhiễu loạn nguy hiểm như ngắn mạch tải, quá điện áp hoặc quá dòng điện. 4.2.1 Công suất tổn thất và làm mát : Khi Thyristor mở cho dòng chảy qua, công suất tổn thất bên trong sẽ đốt nóng nó. Mặt ghép là nơi bị đốt nóng nhiều nhất, người ta dùng kí hiệu Tj để chỉ nhiệt độ mặt ghép, Tjm để chỉ nhiệt độ lớn nhất cho phép. Đối với bán dẫn Ge : Tjm = 800 ÷ 1000C Sinh viên thực hiện:   24= 3ð ⋅ 2ðf ⋅ 0,3525 6ð 0,3525f p ⋅ I âm âm Læ = L æ = = = 0,0018 LBA= Đồ án môn học:  Điện tử công suất Đối với bán dẫn Si : Tjm = 1500 ÷ 2000C Công suất tổn thất trong thiết bị bán dẫn kí hiệu là ÄP(W) . Thường được chia thành tổn thất chính ( ÄP1 ) và tổn thất phụ ( ÄP2 ). Tổn thất chính do dòng điện gây nên. Tổn thất phụ bao gồm tổn thất chuyển trạng thái(từ khoá sang mở và ngược lại) và tổn thất trong mặt ghép. Thường tổn thất phụ không vượt quá 5% của tổn thất ÄP. Vì vậy có thể xem như ÄP ≈ ÄP1 4.2.2 Ngắn mạch đầu ra ở thiết bị chỉnh lưu Thyristor và bảo vệ ngắn mạch, quá tải bằng dây chảy : Khi một thiết bị bán dẫn bị chọc thủng thì nó chỉ như một dây dẫn điện. Thyristor hoặc diode thường bị chọc thủng khi chuyển mạch vì khi ấy chúng phải chịu điện áp ngược lớn nhất. Van nào bị chọc thủng thì dòng qua nó là lớn nhất. Để bảo vệ Thyristor và diode tránh được dòng điện phá hoại, người ta thường dùng dây chảy tác động nhanh(khoảng vài ms). Loại dây chảy này làm bằng bạc lá, đặt trong vỏ bằng sứ có chứa cát thạch anh hoặc nước cất. Hoạt động của dây chảy chia thành hai giai đoạn. Giai đoạn 1: từ khi dòng điện sự cố tác động đến khi xuất hiện hồ quang thq. Trong giai đoạn này dây chảy bị nóng và mềm ra. Giai đoạn 2 : từ khi xuất hiện hồ quang đến khi cắt xong dòng điện sự cố tc, trong giai đoạn này điện áp hồ quang tăng dần và do đó dòng điện sự cố giảm dần đến 0. i khi khäng duìng dáy chaíy khi duìng dáy chaíy t I thq II tc Hình 4.2 Các thông số đặc trưng cho dây chảy là : Điện áp định mức và dòng điện định mức. Không nên đặt dây chảy vào mạch điện có điện áp cao hơn điện áp của dây chảy. Dòng điện định mức của dây chảy phải bằng hoặc lớn hơn dòng điện bảo vệ nó, nhưng không lớn hơn 10%. Bảo vệ riêng biệt từng Thyristor được sử dụng trong trường hợp khi một Thyristor bị chọc thủng vẫn yêu cầu thiết bị biến đổi tiếp tục làm việc. Nếu có N Thyristor ghép song song mà một Thyristor bị chọc thủng thì dòng tải chia đều cho N - 1 Thyristor còn lại. Khi chọn dòng điện định mức cho dây chảy cần lưu ý điều này. Sinh viên thực hiện:   25 Đồ án môn học:  Điện tử công suất Có nhiều cách đặt dây chảy để bảo vệ thiết bị biến đổi bán dẫn. · Đặt nối tiếp với từng Thyristor · Đặt ở từng pha của cuộn dây thứ cấp máy biến áp · Đặt nối tiếp với nhóm Thyristor ghép song song · Đặt ở đầu ra của thiết bị biến đổi · Đặt ở phía sơ cấp máy biến áp Đối với sơ đồ của trường hợp thiết kế ta đặt : · Đặt ở sơ cấp máy biến áp, vị trí 1 · Đặt ở thứ cấp máy biến áp, vị trí 2 · Đặt nối tiếp với từng Thyristor, vị trí 3 a. Dây chảy ở vị trí 1: U1 = 220 VAC; I1 = 1,5A; Chọn hệ số dự trữ lúc khởi động ki = 2; để chọn dây chảy. I1dc = 2.1,5 = 3 (A); b. Dây chảy ở vị trí 2 : U2 = 140VAC; I2 = 2,35A; Chọn hệ số dự trữ điện lúc khởi động là ki = 2 I2dc = 2.2,35 = 4,7(A); c. Dây chảy ở vị trí 3 : Uđm = 110 VDC; IT = 1,175A; Chọn hệ số dự trữ điện lúc khởi động là ki = 2 I3dc = 2.1,175 = 2,35(A); V 1  V 2  R 1  2 3  L V 4  V 3  E Hình 4.3: Sơ đồ nối dây chảy vào mạch động lực 4.2.3 Bảo vệ quá điện áp : Thyristor cũng rất nhạy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp định mức, gọi là quá điện áp. Nguyên nhân gây ra quá điện áp : 4.2.3.1 Nguyên nhân nội tại : Khi khoá Thyristor bằng điện áp ngược, các điện tích đổi ngược hành trình, tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn(khoảng 10 ÷ 100ìs). Sự biến thiên của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm của Sinh viên thực hiện:   26 Đồ án môn học:  Điện tử công suất đường dây nguồn dẫn đến các Thyristor (luôn có). Quá điện áp này là tổng của điện áp làm việc và L ⋅ di dt nói trên. 4.2.3.2 Nguyên nhân bên ngoài : Những nguyên nhân này xảy ra ngẫu nhiên như khi có sét đánh, khi cầu chì bảo vệ nhảy, khi đóng cắt m.b.a nguồn. Cắt máy biến áp nguồn tức là cắt dòng điện từ hoá m.b.a, bầy giờ năng lượng từ trường tích luỹ trong lõi sắt từ, chuyển thành năng lượng điện trường chứa trong các tụ điện ký sinh,rất nhỏ, giữa dây quấn sơ cấp và thứ cấp của 1 1 2 2 Để bảo vệ quá điện áp người ta thường dùng mạch RLC, bảo vệ riêng từng Thyristor. Người ta thường chọn điện áp định mức của Thyristor là U ≥ 1,2Uim. Trị số này vẫn nhỏ hơn nhiều so với trị cực đại của các quá điện áp kể trên. Quá điện áp có tốc độ tăng trưởng du dt lớn. Đạo hàm điện áp sinh ra dòng điện chảy qua tụ C, đến giữa anốt và catốt của Thyristor i = C du dt . Điện cảm L hạn chế biên độ của dòng điện này. Khi kích mở Thyristor, tụ C sẽ phóng điện qua Thyristor, điện trở R hạn chế dòng điện này. Các linh kiện bảo vệ có thể tính toán bằng công thức, nhưng thực tế người ta dùng các trị số kinh nghiệm. C = 0,01 ÷ 1ìF; R = 10 ÷ 1000Ù; L = 50 ÷100ìH; Sinh viên thực hiện:   27m.b.a ( LI 2 = CU 2 ). Điện áp này có thể lớn gấp 5 lần điện áp làm việc. Đồ án môn học:  Điện tử công suất Sơ đồ sau giới thiệu bộ biến đổi có các phần tử bảo vệ quá áp và quá dòng : R  R V  C  V  C dáy chaíy R  D dáy chaíy  V  C R  R V  C  C Bäübiãún âäøicoïbaío vãûquaïaïp, quaïdoìng Hình 4.4: Sơ đồ bộ biến đổi có bảo vệ quá dòng và quá áp Sinh viên thực hiện:   28 Đồ án môn học:  Điện tử công suất Chương 5: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN THEO NGUYÊN LÝ ARCCOS Để cho mạch động lực hoạt động đúng yêu cầu có thể điều chỉnh tốc độ động cơ ta sử dụng mạch điều khiển đóng mở Thyristor và đồng thởi thay đổi góc kích mở á . Thyristor mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dương đặt trên anốt và xung áp dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi Thyristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng, dòng điện chảy qua Thyristor do thông số mạch động lực quyết định. Mạch điều khiển có các chức năng sau đây : Điều khiển được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt anốt và catốt của Thyristor. Tạo ra các xung đủ điều kiện mở được Thyristor ( xung điều khiển thường có biên độ từ 2 ÷ 10V, độ rộng xung tx = 20÷100µs đối với thiết bị chỉnh lưu). Cấu trúc của mạch điều khiển một Thyristor : ucm : điện áp điều khiển, điện áp một chiều. ur : điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thể của nó, đồng bộ với điện áp anốt - catốt của Thyristor. Hiệu điện áp ucm - ur được đưa vào khâu so sánh 1(ss), làm việc như một trigơ. Khi ucm - ur = 0 thì trigơ lật trạng thái, ở đầu ra của nó ta nhận được một chuỗi xung dạng “sin chữ nhật”. Khâu 2 là đa hài một trạng thái ổn định, khâu 3 là khâu khuếch đại xung, khâu 4 là khâu biến áp xung. Bằng cách tác động vào ucm có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển, tức là điều chỉnh được góc á Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển một Thyritor : ucm  1 SS  2 >1  3  4 ur 5.1 Nguyên lý điều khiển Arccos U2  á  uAK Udk ð  2ð  uS  ùt Hình 5.1:Đồ thị dạng điện áp Sinh viên thực hiện:   29 Đồ án môn học:  Điện tử công suất Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp: - Điện áp đồng bộ us vượt trước điện áp uAK Thyristor một góc  ð 2  : us= Um.cos ù t - Điện áp điều khiển Uđk là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ theo hai chiều âm và dương. Nếu đặt us vào cổng đảo và uđk vào cổng không đảo của khâu so sánh thì khi us = uđk ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái. uđk = Umcosá Do đó:  ⎟ ⎝ U m ⎠ Khi: Uđk = 0 thì á = ð 2 Uđk = Um Uđk = -Um á =0 á = ð Như vậy khi cho Uđk biến thiên từ Um đến –Um , ta có thể điều chỉnh được góc á biến thiên từ 0 đến ð. Trên hình vẽ đường nét đứt thể hiện điện áp anot, catot của Thyristor từ điện áp này người ta tạo ra us. Trong sơ đồ chỉnh lưu điện áp phụ thuộc góc điều khiển theo quy luật udá = U d 0 cos á ,do đó với điện áp tựa dạng côsin thì điện áp chỉnh lưu sẽ phụ thuộc tuyến tính vào Uđk. Đây là một ưu điểm của dạng điện áp tựa này. 5.2 Cấu tạo chức năng các khối. Tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuếch đại ngược trở lên. Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor.Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển. Sinh viên thực hiện:   30Điện áp ngược cực đại của van Unmax = 400(V) Dòng điện định mức của van Iđmmax = 1.5(A) Đỉnh xung dòng điện Ipikmax = 160(A) Dòng điện của xung điều khiển Igmax = 200( ì A) Điên áp của xung điều khiển Ugmax = 0.8(V) Dòng điện rò Irmax = 200 ( ì A) Sụt áp max củaThyristo ở thời điểm dẫn Ä Umax = 1,7(V) Tốc độ thay đổi điện áp du = 25(V/s) dt Thời gian chuyển mạch tcm =40 vs Nhiệt độ làm việc max cho phép o Tmax = 1250 C á = arccos ⎜ ⎛ U dk ⎞ Đồ án môn học:  Điện tử công suất 5.2.1 Khâu khuếch đại xung. Thông thường các phần tử trên mạch động lực làm việc dưới điện áp cao trong khi mạch điều khiển lại hoàn toàn nằm dưới điện áp thấp.Vì vậy để đảm bảo an toàn cho mạch điều khiển và người sử dụng , mạch điều khiển phải được cách ly về điện với mạch động lực.Chức năng cách ly được thực hiện ở tầng khuyếch đại xung cuối cùng,là khâu truyền xung đến cực điều khiển của van .Có hai biện pháp thường được sử dụng , đó là cách ly nhờ biến áp xung hoặc cách ly nhờ các phần tử quang (photocoupler) Khâu khuếch đại xung gồm hai phần tử cơ bản là Tranzistor và phần tử ghép quang nhằm thực hiện các chức năng. Tạo xung mở Thyristor theo chu kỳ, tức là khâu khuếch đại xung sẽ tạo ra xung có biên độ dủ lớn để dưa đến các Thyristor trong mạch động lực. Tạo sự phù hợp giữa điện áp của mạch tạo xung và cực điều khiển. Phân phối xung đến các Thyristor. Vcc° R1  ° Vcc R2 C  R3  R4  D2  G T D1 Hình 5.7 Sơ đồ cấu tạo khâu khuếch đại xung Ở đây ta dùng phần tử ghép quang thay cho biến áp xung vì các thông số thiết kế tương đối nhỏ. Khâu khuếch đại gồm hai phần: · Mạch sơ cấp là mạch phát tia sáng dùng diode phát quang (LED) · Mạch thứ cấp là mạch nhận biết tia sáng dùng photo-tranzistor, photo- Darlington transistor, hoặc photo-thyristor,photo-triac Mạch sơ cấp và mạch thứ cấp cách li hoàn toàn với điện trở cách ly khoảng 1011Ù Chọn loại TLP 632 do Nhật Bản chế tạo có các thông số: IF = 5mmA, CTR = IC/IF = 50 ÷ 200% (tỷ số truyền dòng),VCEO = 55 V (hình vẽ sơ đồ nối chân) Sinh viên thực hiện:   31 Đồ án môn học:  Điện tử công suất Chọn nguồn cung cấp cho photo-transistor là Vcc = E = +12V.Với nguồn E=12V,dòng mạch sơ cấp IF = 5mmA nên ta phải mắc thêm điện trở R1 nối tiếp với cực emitor của Transistor T: R1 = E I F 12 5.10−3 Xét điện trở trên photo-transistor, ta chọn R1= 2,2 kΩ :Điện trở hạn chế dòng colector Mạch thứ cấp photo-transistor: Chọn dòng làm việc IC =200% IF=10mmA>Igmax=200( ì A) là dòng cần thiết để mở thyristor.Với dòng IC ta hoàn toàn có thể mở được thyristor theo yêu cầu.Chọn nguồn cung cấp cho photo-transistor là Vcc = E = +12V nên cần phải mắc thêm điện trở R2 để hạn chế dòng vào Transistor của mạch thứ cấp: R2 = E I C 12 10.10−3 Để giảm nhỏ dòng vào cực điều khiển ta chọn điện trở hạn chế dòng điều khiển R4= 22Ω Hoạt động của sơ đồ: Khi xuất hiện tín hiệu vào Ue (Tín hiệu ra của khâu so sánh,xung sin chữ nhật) Ue ở mức “ 1” (cao) thì Tranzistor mở bảo hoà. Ue ở mức “ 0” (thấp) thì Tranzistor bị khóa lại. R1= 2,2 kΩ :Điện trở hạn chế dòng colector R4= 22Ω:Điện trở hạn chế dòng điều khiển D1: Triệt tiêu xung âm vào cực B D2:ngăn chặn xung áp âm có thể có Chọn : R3= 1 kΩ:Điện trở hạn chế dòng vào cực B Tranzisto C = 100nF ,tụ lọc Tín hiệu vào ue là một tín hiệu logic( xung sin chữ nhật).Khi ue bằng “1” thì transistor T mở bão hoà, khi ue = “0” thì Transistor bị khoá. 5.2.2. Khâu so sánh. Khâu so sánh sử dụng khuếch đại thuật toán OA2 Khi Udk=us thì cho tín hiệu phát xung ,ta có : cos á = U s U s.max U dk U s ,max ở đầu ra của khâu so sánh ta nhận được chuỗi xung hình chữ nhật . Sinh viên thực hiện:   32= = 2400Ù =2,4 kΩ = = 1200Ù =1,2 kΩ ⇒ á = arccos( ) Đồ án môn học: * OA2  Điện tử công suất R  ° +Vcc - Ud OA2 +  U2  U1  US U1 Ur ° -Vcc U2 ð 2ð è 0 (a) U2 +Usat U2 -a  a -Usat (b) Ud  0 -Usat  (c) è Hình 5.5 Phần so sánh tín hiệu trong khâu so sánh a, Đặc tính vào ra khâu so sánh b, So sánh tín hiệu c, So sánh tín hiệu cùng dấu Chế độ tuyến tính: U2 = A.Ud (A = 104 ÷105 là hệ số khuếch đại điện áp) Để thực hiện chế độ này ta phải có: U d ≤ U sat A Chế độ bão hòa : U d > U sat A , Usat = U2 U d > −  U sat A  , -Usat = U2 Ở đây ta so sánh hai tính hiệu cùng dấu Ud = Ur - U1 Nên khi Ur < U1 thì Ud < U0 , U2 = -Usat Ur > U1 thì Ud > U0 , U2 = Usat Ở đầu ra của khâu so sánh này ta nhận được một chuỗi xung chữ nhật dương và âm kế tiếp nhau. Có thể dùng một diode ở đầu ra khâu so sánh để loại đi xung âm. Điện trở giảm dòng đưa vào cổng đảo theo trên điện áp U1 lớn nhất: Sinh viên thực hiện:   33 Đồ án môn học:  Điện tử công suất Có  U1max =  12 RCù  = 8,15 V Vậy R = U1max I max = 4, 7 K Ù 0,47ìF  ° +V 10K 2 7 3OA1 4 6 4,7K  2 OA2 3  7 4  6 12K Udk  4,7K °  - Hình 5.6 Sơ đồ cấu tạo khâu so sánh V 5.2.1. Khâu đồng pha. Trong các bộ biến đổi phụ thuộc các Thyritor được điều khiển mở bởi các xung tại các thời điểm, chậm pha so với điểm chuyển mạch tự nhiên một góc á, gọi là góc điều khiển. Điểm chuyển mạch tự nhiên có thể là các điểm điện áp nguồn qua không hay các điểm điện áp nguồn cắt nhau.Vì vậy khâu đầu tiên trong hệ thống điều khiển là khâu đồng pha.Khâu này bao gồm: · Máy biến áp đồng pha. · Bộ nguồn nuôi một chiều. · Khâu tích phân tạo điện áp tựa đồng bộ us vượt trước uAK một góc  ð 2 Bộ nguồn nuôi một chiều : Nguồn nuôi là nguồn một chiều cung cấp cho các khâu trong mạch điều khiển.Nguồn điện áp một chiều dùng trong các mạch tạo xung điều khiển thường là nguồn điện áp ổn định trước những dao động bất thường của lứơi điện xoay chiều, vì vậy phải sử dụng các mạch ổn áp.Trong sơ đồ ta dùng vi mạch ổn áp 7812 và 7912, các thông số chung của vi mạch này: Điện áp đầu vào : Uv =7÷35 V Điện áp đầu ra : IC 7812 có Ura = 12V IC 7912 có Ura = -12V Sinh viên thực hiện:   34 Đồ án môn học: Dòng điện dầu ra : Ira= 0÷1 A  Tới khâu tích phân  Điện tử công suất BAÂF D1  + -  C1  7812 +12V C3 D2  D3  + -  C2  7912  C4 -12V Hình 5.2 Sơ đồ biến áp đồng pha và nguồn nuôi Máy biến áp đồng pha: Tính toán máy biến áp đồng pha: Số liệu : U1 = 220 V U2 = 12 V I1 = I2 = 2A Công suất máy biến áp : Tỷ số biến áp: K=  S = 12 × 2 = 24 (VA) U 2 220 U1 12 Tính chọn mạch từ. Tra bảng II_2 sách điện tử công suất Nguyễn Bính ta chọn E20.12 có kích thước: Sinh viên thực hiện:   35 Ổn áp Vin (V) Vout (V) Line Regulation (mV) Load Regulation (mV) Icc (mA) ΔIcc (mA) ISC (mA) ISD (mA) 7812 14/35 11.5/12.5 120 120 6.0 0.8 750 7912 -14/-35 -11.5/-12.5 120 120 3.0 500 = = 18,33 Đồ án môn học:  Điện tử công suất H  h  b  a 2 c A Hình 5.3 Mạch từ của máy biến áp đồng pha Với:  a = 20 mm h = 50 mm  b = 20 mm H = 70 mm  c = 12 mm A = 80 mm Tiết diện trụ giữa: Tính số vòng dây:  Q = 4,36 cm2 Sơ cấp: n1 = U1 4, 44 fbmax = 2066 vòng Thứ cấp:  n2 =  n1 k  2066 18,33 Đường kính dây sơ cấp: d1 = 4I1 ð .J1  = 0,9 mm Chọn mật độ dòng điện : J1 = J2 = 2,7A/mm2 Đường kính dây sơ cấp: d2 = ÄS2 ð  = 0,12 mm Chọn tụ lọc: C1 = C2 = 470 ì F C3 = C4=0,1 ì F 5.2.2 Khâu tích phân: Tín hiệu đầu vào của khâu OA1 là : uv = Umsinùt Sinh viên thực hiện:   36 = = 113 vòng Đồ án môn học: *OA1  R  Điện tử công suất C U  Us ° +Vcc - OA1 +  0 UV  ð  2ð  è Uv ° -Vcc Us Hình 5.4 Phần tạo hàm cosin trong khâu so sánh Tín hiệu đầu ra của khâu OA1 là : OA1 có nhiệm vụ tạo hàm cosin nhanh pha hơn điện áp đặt lên hai đầu anot, catot một góc . Nguyên lý tạo ra hàm cosin như sau: 2 Giả sử OA1 là mạch khuếch đại thuật toán lý tưởng nên: Ta có: Rd = ∞ , I = 0, U+ = U - = 0 = C (R rất lớn nên i1 =i2) R dt = C ⇒ = −C R dt R dt U s = − Giả sử C0 =0 thì:  1 RC  U U m RCù Chọn t = 0 , Um = 12V Chọn R = R1 + R2 với R1 = R2 = 5k Ù C = 0,47ìF Các điện áp us và Udk (điện áp điều khiển một chiều )là hai đại lượng vào của khâu so sánh. Mỗi kênh điều khiển phải dùng 2 khuếch đại thuật toán, do đó ta chọn 4 IC loại TL081 do hãng TexasInstruments chế tạo, mỗi IC này là 1 khuếch đại thuật toán có sơ đồ nối chân :(hình vẽ) Sinh viên thực hiện:   37 UV − U − du UV − U − d (U − − Us) UV dUs ∫ U m sin ùt = RCmù cos ùt + C0 cos ùt = U dk max cos ùt us = Đồ án môn học:  V+cc  Điện tử công suất 8  7  6  5 _ + 1  2  3 V-cc 4 Sinh viên thực hiện:   38 Đồ án môn học: Chương 6:MÔ PHỎNG 6.1 Cấu tạo sơ đồ mô phỏng  Điện tử công suất Sinh viên thực hiện:   39 Đồ án môn học: 6.2 Hình dạng sóng ra:  Điện tử công suất Sinh viên thực hiện:   40 Đồ án môn học: Hình dạng của sóng điện áp và dòng điện  Điện tử công suất Sinh viên thực hiện:   41