Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

các biến áp còn lớn hơn nhiều. Khi chế tạo biến áp động lực, các cuộn dây thứ cấp phải đấu sao, có dây trung tính phải lớn hơn dây pha vì theo sơ đồ động lực thì dây trung tính chịu dòng điện tải. 2.2.6 Chỉnh lưu cầu ba pha. + chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. * Sơ đồ động lực: 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 Tiristor T1, T3, T5 tạo thành một chỉnh lưu tia ba pha cho điện áp dương tạo thành nhóm Anốt còn tia Tiristor T2, T4, T6 là một chỉnh lưu tia ba pha cho điện áp âm tạo thành nhóm Katốt, 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 Tiristor chúng ta cấp hai điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm Anốt và một xung ở nhóm Katốt). Ví dụ tại thời điểm θ1 cần mở Tiristor: T1 của pha phía Anốt, chúng ta cấp xung cho T1, đồng thời cấp xung cho Tiristor T4, của pha B ở phía Katốt. các thời điểm tiếp theo cũng tương tự, cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng tuân thủ theo thứ tự pha khi chúng ta cấp cấp đúng 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 được chạy từ A về B. Hình 2.7a Hình 2.7b: Giản đồ các đường cong Khi góc mở van nhỏ trong mỗi khoảng dẫn của một van của nhóm này (Anốt hay Katốt) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho nhau. Điều này có thể thấy rằng trong khoảng t1 ÷ t3 như hình (7b). Tiristor T1 nhóm Anốt dẫn nhưng trong nhóm Katốt 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 khóa. Điện áp được tính như sau: Ud = Ud0.cosα (2 - 5) Trong đó: Ud0 là điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển và bằng: Ud0 = 2,34. U2f Sự phức tạp của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng là cần phải mở đồng thời 2 van theo đúng thứ tự pha, do đó gây không ít khó khăn khi chê tạo, vận hành và sửa chữa. + chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng. * Sơ đồ động lực: D 1 T 1 D 2 D 3 T 2 T 3 A B C Z d Hình 2.8a Hình 2.8b: Giản đồ các đường cong Loại chỉnh lưu này được cấu tạo từ nhóm (Anốt hoặc Katốt) có điều khiển và một nhóm không điều khiển như mô tả trên (H2.8a). Trên (H2.8b) mô tả giản đồ nguyên lý tạo điện áp chỉnh lưu. Các Tiristor được dẫn từ điểm có xung mở cho đến khi mở Tiristor của pha kế tiếp. Ví dụ: Tiristor T1 dẫn từ t1 (thời điểm phát xung mở T1) tới t3 (thời điểm phát xung điều khiển mở T2). Trong trường hợp điện áp tải gián đoạn Tiristor được dẫn từ thời điểm có xung mở cho đến khi điện áp dây đổi dấu. Các Diod tự động dẫn khi điện áp đặt lên chúng thuận chiều. Ví du: Diod D1 phân cực thuận trong khoảng t4 ÷ t6 và nó sẽ mở cho dòng điện chạy từ pha B về pha A. Trong khoảng t4 ÷ t5 và từ pha C về pha A trong khoảng t5 ÷ t6. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng có dòng điện và điện áp tải liên tục khi góc mở các Tiristor nhỏ hơn 600, khi góc mở tăng lên và thành phần điện cảm của tải nhỏ, dòng điện và điện áp sẽ gián đoạn. Theo dạng sóng điện áp tải, trị số điện áp trung bình trên tải bằng 0 khi góc mở đạt tới 1800. Người ta có thể coi điện áp trung bình trên tải là kết quả của tổng hai điện áp chỉnh lưu tia ba pha. Utb = = (2 – 6) Điều khiển các Tiristor trong chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng dễ dàng hơn, nhưng các điều hòa bậc cao của tải và của nguồn lớn hơn. Khác với chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng,trong sơ đồ này việc điều khiển các van bán dẫn được thực hiện đơn giản hơn. Ta có thể coi mạch điều khiển của bộ chỉnh lưu này như điều khiển một chỉnh lưu tia ba pha. Hiện nay chỉnh lưu cầu ba pha là sơ đồ có chất lượng điện áp tốt nhất, hiệu suất sử dụng biến áp tốt nhất Tuy vậy đây cũng là sơ đồ phức tạp nhất. 2.2.7 Chỉnh lưu tia sáu pha: * Sơ đồ động lực: Hình 2.9a Hình 2.9b: Giản đồ các đường cong điện áp tải Sơ đồ chỉnh lưu tia sáu pha được cấu tạo bởi sáu van dẫn nối tới biến áp ba pha với sáu cuộn dây thứ cấp, trên mỗi trụ biến áp có hai cuộn giống nhau và ngược lại. Điện áp các pha dịch nhau 600 như mô tả trên H2.9b. Dạng sóng điện áp tải được điề khiển ở phần dương hơn các điện áp pha với đập mạch bậc sáu. Với dạng sóng như trên, chất lượng điện áp một chiều được coi là tốt nhất. Theo dạng sóng điện áp ra phần đậm nét trên giản đồ H2.9b chúng ta thấy rằng mỗi van dẫn trong khoảng 1/6 chu kỳ. So với các sơ đồ khác, thì ở chỉnh lưu tia sáu pha có dòng điện chạy qua van bán dẫn bé nhất. Do đó, sơ đồ chỉnh lưu tia sáu pha có ưu điểm khi dòng tải rất lớn (chỉ cần có van nhỏ có thể chế tạo bộ nguồn với dòng tải lớn (chỉ cần có van nhỏ có thể chế tạo bộ nguồn với dòng tải lớn). Tuy nhiên, biến áp ba pha sáu cuộn dây thứ cấp chế tạo phức tạp hơn, do đó sơ đồ này ít dùng trong thực tế. 2.3.Lựa chọ sơ đồ thiết kế. Qua giới thiệu và phân tích các bộ chỉnh lưu ở chương II, ta thấy rằng tải mạ điện đòi hỏi chất lượng điện áp và dòng điện bằng phẳng. Hơn nữa có U, I lớn nên công suất biến áp lớn. Nếu chọn bộ chỉnh lưu một pha thì sẽ gây mất đối xứng công suất trên lưới, ảnh hưởng đến các hộ tiêu dùng khác. Do vậy nên chọn bộ chỉnh lưu ba pha. Căn cứ vào những đặc điểm nêu trên chúng ta có thể chọn bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng. D 1 T 1 D 2 D 3 T 2 T 3 A B C R d 2CC 2CC 1CC 1CC 1CC 1CC 1CC 1CC Hình 2.10: Sơ đồ mạch động lực CHƯƠNG III THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC Các thông số cơ bản của mạch động lực cần tính toán là: - Các van động lực. - Máy biến áp động lực. - Cuộn kháng trong mạch động lực. - Tính toán các thiết bị đóng cắt và bảo vệ. 3.1 Tính chọn van động lực. Các van động lực được chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là: dòng điện tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện tản nhiệt và điện áp làm việc. Các thông số cơ bản của van động lực được tính như sau: Ta có: Ud = 9 (V), Id = 300 (A), U1 = 220/380 (V), f = 50 (Hz ) Tra bảng 1.1 tài liệu hướng dẫn thiết kế điện tử công suất của Trần Văn Thịnh ta được: Ku = 2,34 Knv = 2,45 Chọn Kdtu = 1,7 Điện áp ngựợc của van được tính: Ulv = Knv . U2 (3 - 1) Với U2 = Ud/Ku, thay Ud, Ku vào ta được: U2 = = 3,84 (V) Dòng điện làm việc của van: Ulv = Knv . U2 = 2,45 . 3,84 = 9,41 (V) Để có thể chọn van theo điều kiện điện áp làm việc hợp lý thì điện áp ngược của van cần chọn phải lớn hơn điện áp làm việc qua một hệ số dự trữ, như vậy ta có: Unv = Khd.Ulv = 1,7 . 9,41 = 15,60 (V) Dòng điện của van được chọn theo dòng hiệu dụng của sơ đồ đã chọn (Ilv = Ihd). Dòng điện làm việc được tính: Ilv = Khd. Id (3 - 2) Trong đó:Ilv, Ihd, Id là dòng điện làm việc, dòng điện hiệu dụng của van và dòng điện tải. Khd: là hệ số xác định dòng điện hiệu dụng. Tra bảng 1.2 tài liệu hướng dẫn thiết kế điện tử công suất của Trần Văn Thịnh ta được: Khd = 0,58 Thay số ta có: Ilv = 0,58 . 300 = 174 (A) Với các thông số làm việc ở trên ta chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tỏa nhiệt đủ điều kiện bề mặt có quạt gió làm mát với đối lưu không khí. Với điều kiện làm mát như vậy cho phép van làm việc tới 60% Iđm, tức là Iđm >1,6Ilv (chọn Iđm = 1,8 Ilv). Iđmv = 1,8.Ilv = 1,8 . 174 = 313,2 (A) Vậy với các thông số của van động lực đã tính: Unv = 15,60 (V) Iđmv = 313,2 (A) Tra bảng p.1 tài liệu thiêt kế điện tử công suất của Trần Văn Thịnh ta chọn loại Diod có kí hiệu A437D với các thông số sau: + Dòng điện định mức của van: Iđmv = 600 (A) + Điện áp cực đại của van: Unv = 400 (V) + Độ sụt áp trên van: ∆U = 1,8 (V) Tra bảng p.2 tài liệu thiết kế điện tử công suất của Trần Văn Thịnh ta chọn loại Tiristor có kí hiệu C501A với các thông số sau: + Dòng điện định mức của van: Iđmv = 550 (A) + Điện áp cực đại của van: Unv = 100 (V) + Độ sụt áp trên van: ∆U = 1,5 (V) + Điện áp điều khiển: Uđk = 3,5 (V) + Dòng điện điều khiển: Iđk = 150 (mA) 3.2 Tính toán máy biến áp. Để tính máy biến áp chúng ta cần các đại lượng sau: * Điện áp chỉnh lưu không tải: Udo = Ud + ∆Uv + ∆Uba + ∆Udn (3 – 3) Trong đó: Ud: điện áp chỉnh lưu, Ud = 9 (V) ∆Uv: sụt áp trên các van ∆Uv = ∆UD + ∆UT = 1,8 + 1,5 = 3,3 (V) ∆Uba = ∆Ur + ∆Ul Với: ∆Ur: sụt áp trên điện trở ∆Ul: sụt áp trên điện cảm Chọn ∆Uba sơ bộ vào khoảng (5 ÷ 10)% Ud ∆Uba = 0,72 (V) Sụt áp trên dây nối: ∆Udn = Rdn . Id = p Id (3 – 4) Giả thiết đủ điện được thiết kế đặt gần tải, do vậy chiều dài dây nối nhỏ. Hơn nữa dòng tải lớn nên chọn tiết diện dây nối p lớn, như vậy ∆Udn không đáng kể có thể bỏ qua. Vậy: Udo = Ud + ∆Uv + ∆Uba Udo = 9 + 3,3 + 0,72 = 13,02 (V) * Xác định công suất tối đa của tải Pdmax = Udo. Id (3 – 5) Pdmax = 13,02 . 300 = 3906 (W) * Công suất biến áp nguồn cấp được tính Sba = Ks . Pdmax (3 – 6) Trong đó: Sba: công suất biểu kiến của biến áp Ks: hệ số công suất theo sơ đồ mạch lực (tra bảng 1.2 sách thiết kế điện tử công suất của Trần Văn Thịnh) Ks = 1,05 Thay số ta có được: Sba = 1,05 . 3906 = 4101,3 (VA) = 4,1013 (KVA) * Tính toán các thông số điện áp và dòng điện của các cuộn dây. - Điện áp cuộn dây + Điện áp cuộn dây thứ cấp: U2 = = = 5,56 (V) + Điện áp cuộn sơ cấp bằng điện áp nguồn cấp U1 = 220 (V) Dòng điện của cuộn dây: I = (3 – 7) + Dòng điện cuộn sơ cấp I1 = = = 6,21 (A) + Dòng điện cuộn thứ cấp I2 = = = 245,88 (A) S1ba, S2ba:công suất phía sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp S1ba = S1ba = Sba = 4101,3 (A) * Tính toán các thông số cơ bản của biến áp động lực - Tính toán sơ bộ mạch từ: Qfe = KQ (3 – 8) Trong đó: KQ: hệ số phụ thuộc phương thức làm mát Chọn KQ = 6 với máy biến áp khô m = 3: số trụ máy biến áp f = 50 Hz: tần số nguồn xoay chiều Vậy Qfe = 6. = 31,37 (cm2) * Tính toán dây quấn máy biến áp, số vòng và kích thước dây - số vòng dây của mỗi cuộn được tính W = (3 – 9) + Số vòng dây quấn sơ cấp W1 = Trong đó: W1: vòng dây của cuộn sơ cấp U1: điện áp cuộn sơ cấp, U1 = 220V B: từ cảm chọn (chọn B = 1T) Thay số ta có: W1 = = 315,90 (vòng) Chọn W1 = 315 (vòng) + Số vòng dây quấn thứ cấp W2 = Trong đó: W2: vòng dây của cuộn thứ cấp U2: điện áp cuộn thứ cấp, U2 = 5,56 V B: từ cảm chọn (chọn B = 1T) Thay số ta có: W2 = = 7,98 (vòng) Chọn W2 = 7 (vòng) Tiết diện dây được tính theo mật độ dòng điện cho phép: J = 2 ÷ 2,75 A/mm2, chọn J = 2,5 A/mm2 - Tiết diện dây dẫn Scu = (3 – 10) + Tiết diện dây sơ cấp Scu1 = = = 2,48 (mm2) + Tiết diện dây thứ cấp Scu2 = = = 98,35(mm2) Như vậy, với tiết diện như trên ta chọn dây có tiết diện hình chữ nhật Tra bảng p.5 tài liệu thiết kế điện tử công suất của Trần Văn Thịnh ta được kích thước của dây như sau: - Ở cuộn sơ cấp: Scu1 = 2,48 (mm2) → chọn Scu1 = 2,84 (mm2) Với a1 = 1,23 (mm) b1 = 2,44 (mm) Chọn cách điện hai phía của dây là 0,4 (mm) ta được: a1 = 1,63 (mm) b1 = 2,84 (mm) - Ở cuộn thứ cấp ta có: Scu2 = 98,35 (mm2) Vì Scu2 lớn nên ta dùng hai dây chập lại để quấn. Khi đó Scu2 = = 49,17 (mm2) → chọn Scu2 = 50,60 (mm2) Với a2 = 3,80 (mm) b2 = 13,50 (mm) Chọn cách điện hai phía của dây là 0,96 (mm) ta được: a2 = 4,76 (mm) b2 = 14,46 (mm) * Tính kích thước mạch từ: Chọn sơ bộ các kích thước cơ bản của mạch từ: - Chọn hình dáng trụ: Với công suất nhỏ (dưới 10 KVA) ta thường chọn trụ hình chữ nhật với các kích thước Qfe = a . b (trong đó a là bề rộng trụ, b là bề dày trụ). - Diện tích cửa sổ cần có: Qcs = (Qcs1 + Qcs2).2 (3 – 11) Với Qcs1 = K1d W1 Scu1 Qcs2 = K2d W2 Scu2 Trong đó: Qcs: diện tích cửa sổ Qcs1, Qcs2: diện tích cuộn sơ cấp và thứ cấp W1, W2: số vòng dây sơ cấp và thứ cấp Scu1, Scu2: tiết diện dây sơ cấp và thứ cấp klđ: hệ số lấp đầy thường chọn klđ = 2,0 ÷ 3,0 (chọn klđ = 3) Thay số ta có: Qcs1 = 3.315.2,84 = 2683,8 (mm2) Qcs2 = 3.7.50,60.2 = 2125,2 (mm2) Vậy: Qcs = (2683,8 + 2125,5)2 = 9618 (mm2) Chọn kích thước cửa sổ: Kết cấu mạch từ được biểu diễn như hình vẽ: Hình 3.1: Sơ đồ kết cấu lõi thép biến áp. Chọn kích thước cửa sổ:chiều cao h và chiều rộng cửa sổ c được chọn dựa vào các hệ số phụ thuộc m = h/a; l = b/a; n = c/a. Kinh nghiệm cho thấy đối với lõi thép thì m = 2 ÷ 4; l = 0,5 ÷ 1,5; n = 0,5 ÷ 2,5. Chọn m = 2,5; l = 1,1. Chiều rộng toàn bộ mạch từ C = 2c + xa (với máy biến áp ba pha chọn x = 3), chiều cao H = h + za (với máy biến áp ba pha chọn z = 2). Ta có:Qfe = a.b = 31,37 (cm2) Qcs = c.h = 9618 (mm2) l = b/a = 1,1 (cm) Giải các phương trình trên ta được: a = 5,34 (cm), b = 5,87 (cm). h = m.a = 2,5.5,34 = 13,35 (cm) c = Qcs/h = = 7,20(cm) + Chiều rộng toàn bộ mạch từ: C = 2.7,20 + 3.5,34 = 30,42 (cm) + Chiều cao toàn bộ mạch từ: H = 13,35 + 2.5,34 = 25,09 (cm) + Kết cấu dây quấn được bố trí theo chiều dọc trụ và ở đây ta sử dụng dây quấn chữ nhật nên quấn theo chiều dày a. Khi quấn dây giữa trụ với cuộn dây, gông trên và gông dưới của cuộn ta đặt lớp cách điện: chọn cách điện bìa cách điện có độ dày 2 mm nên khi quấn dây chữ nhật được tính: Wl = (3 – 12) Trong đó: Wl: số vòng dây mỗi lớp h: chiều cao cửa sổ cd’: khoảng cách từ gông đến dây quấn bn’: chiều rộng của dây quấn chữ nhật kể cả cách điện + Số vòng dây mỗi lớp ở cuộn sơ cấp: Khoảng cách từ gông đến dây quấn sơ cấp cd’ = 2 mm Wl1 = == 45,60 (vòng) => chọn Wl1 = 45 (vòng) + Số vòng dây mỗi lớp ở cuộn thứ cấp: Khoảng cách từ gông đến dây quấn thứ cấp cd’ = 15 mm Wl2 = == 7,15 (vòng) => chọn Wl1 = 7 (vòng) + Số lớp dây cuộn sơ cấp: Sld1 = = = 7 (lớp) + Số lớp dây cuộn thứ cấp: Sld2 = = = 1 (lớp) + Bề dày dây quấn sơ cấp: Bd1 = a1.Sld1 + cd. Sld1 Trong đó: cd: bề dày của bìa cách điện, chọn cách điện có bề dày 1mm a1: kích thước dây quấn sơ cấp Sld1: số lớp dây cuộn sơ cấp Bd1 = 1,63.7 + 1.7 = 18,41 (mm) + Bề dày dây quấn thứ cấp: Bd2 = a2.Sld2 + cd. Sld2 Trong đó: cd: bề dày của bìa cách điện, chọn cách điện có bề dày 1mm a2: kích thước dây quấn thứ cấp Sld2: số lớp dây cuộn thứ cấp Bd2 = 2.4,76. 1 + 1.1 = 10,52 (mm) + Tổng bề dày của cuộn dây: Bd = Bd1 + Bd2 + cd1 + cd’n = 18,41 + 10,52 + 2 +2 Bd = 32,93 (mm) + Đường kính trong của cuộn sơ cấp và thứ cấp là: Dt = + 2.cdt (chọn cdt = 4 mm) Dt = + 2. 4 = 83,85 (mm) + Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp: Dn1 = Dt + 2(a1 + cd).Sld1 = 83,85 + 2.(1,63 + 1).7 Dn1 = 120,67 (mm) + Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp: Dn2 = Dt + 2(a2 + cd).Sld2 = 83,85 + 2.(2.4,76.1 + 1).1 Dn2 = 104,39 (mm) + Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp: Dtb1 = (Dt + Dn1)/2 = (83,85 + 120,67)/2 = 102,26 (mm) + Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp: Dtb2 = (Dt + Dn2)/2 = (83,85 + 104,39)/2 = 93,87 (mm) + Chiều dài dây quấn sơ cấp: l1 = W1. π. Dtb1 = 315.3,14.102,26 = 99661,72 (mm) + Chiều dài dây quấn thứ cấp: l2 = W2. π. Dtb2 = 7.3,14.93,87 = 2063,26 (mm) - Khối lượng sắt và đồng sử dụng: + Khối lượng sắt: Mfe = Vfe. Mfe (3 – 13) Trong đó: Vfe: thể tích khối lượng sắt Vfe = 3.a.b.h + 2.C.a.b = Qfe.(3h + 2C) = 31,37.(3.13,35 + 2.30,42) = 3164,92 (cm3) mfe = 7,85 (kg/dm3) Vậy: Mfe = 3164,92.10-3.7,85 = 24,84 (kg) + Khối lượng đồng: Mcu = Vcu. Mcu (3 – 13) Trong đó: Vcu: thể tích khối lượng đồng, Vcu = Scu. L mcu = 8,9 (kg/dm3) Thể tích đồng cuộn sơ cấp: Vcu1 = Scu1.l1 = 2.84.99661,72 = 0,28. 106 (mm3) = 0,28 (dm3) Thể tích đồng cuộn thứ cấp: Vcu2 = Scu1.l2 = 2.50,60.2063,26 = 0,21. 106 (mm3) = 0,21 (dm3) Khối lượng đồng ở cuộn sơ cấp: Mcu1 = Vcu1. mcu = 0,28.8,9 = 2,49 (kg) Khối lượng đồng ở cuộn thứ cấp: Mcu2 = Vcu2. mcu = 0,21.8,9 = 1,87 (kg) Tổng khối lượng đồng ở cuộn sơ cấp và thứ cấp là: Mcu = (Mcu1 + Mcu2).3 = (2,49 + 1,87).3 = 13,08 (kg) * Tổng sụt áp bên trong máy biến áp: - Điện áp rơi trên điện trở ΔUr = .Id (3 – 14) R1,R2 là điện trở thuần của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp R1 = ρ.= = 0,60 (Ω) R2 = ρ.= = 0,0007 (Ω) ΔUr = .300 = 0,3 (V) - Điện áp rơi trên điện kháng: ΔUx = mf .Xn. Id /π Trong đó: mf là số pha biến áp (mf = 3) Xn = 8. π2.W22. (3 - 15) Với: W2: số vòng dây thứ cấp biến áp Rbk: bán kính trong cuộn dây thứ cấp (m2) Rbk = Dtb2 /2 = = 46,93 (mm2) = 46,93.10-4 (m2) h: chiều cao cửa sổ lõi thép (m) cd: bề dày cách điện các cuộn dây với nhau (m) Bd1, Bd2: bề dày cuộn dây sơ cấp và thứ cấp (m) ω = 314 (rad) thay số vào ta được: Xn = 8.3,142.72 Xn = 0,00076 (Ω) Vậy: ΔUx = 3.0,00076.300/2 = 0,342 (V) Tổng điện sụt áp bên trong biến áp: ΔUx = = = 0,45 (V) Điện trở ngắn mạch máy biến áp: Rnm = R2 + R1 = 0,0007 + .0,60 = 0,001 (Ω) Tổng trở ngắn mạch máy biến áp: Znm = = = 0,0013 (Ω) Điện áp ngắn mạch phần trăm của máy biến áp: Unm% = .100 = .100 = 5,75% Dòng điện ngắn mạch máy biến áp: Inm = = = 4276,92 (A) 3.3 Tính toán thiết kế cuộn kháng. 3.3.1 Xác định góc mở cực tiểu, cực đại. Chọn góc mở cực tiểu αmin = 100 với αmin là dự trữ ta có thể bù được sự giảm áp lưới. - Khi góc mở nhỏ nhất α = αmin thì điện áp trên tải lớn nhất Udmax = Udo. khi đó dải điều khiển thong số Ud, Id đầu ra của chỉnh lưu là lớn nhất. Khi góc mở lớn nhất thì điện áp trên tải là nhỏ nhất. Udmin = Udo. Lấy Udmin = 10% Uddm = 0,9 (V) Nên Udo. = 0,9 => cosαmax = -0,86 =>αmax = 149,50 Vậy αmax = 149,50 ứng với điện áp trên tải nhỏ nhất. 3.3.2 Tính cuộn kháng lọc dòng điện đập mạch. Khi góc mở càng tăng thì biên độ thành phần sóng hài bậc cao càng lớn có nghĩa là sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu làm cho dòng điện tải cũng đập mạch theo, làm xấu đi chất lượng dòng điện một chiều. Để hạn chế sự đập mạch này ta phải mắc nối tiếp với tải một cuộn kháng lọc đủ lớn. Để trị hiệu dụng của thành phần sóng hài I1* % < 10% Iđm. Lấy I1* % = 5% Iđm. Thông thường chúng ta đánh giá ảnh hưởng của đập mạch dòng điện theo trị hiệu dụng của sóng hài bậc nhất, bởi vì sóng hài bậc nhất chiếm một tỷ lệ khoảng (2 ÷ 5)% dòng điện định mức của tải. Thành phần sóng hài bậc nhất này lớn hay nhỏ phụ thuộc nhiều vào công suất của tải Pd, phạm vi điều chỉnh điện áp chỉnh lưu… Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc thành phần dòng điện đập mạch được tính theo biểu thức: LL = (3 – 16) Trong đó: LL: trị số điện cảm lọc đập mạch cần thiết (Henry) Idđm: dòng điện định mức của bộ chỉnh lưu (A) ω = 314: tần số góc (l/s) K = 1,2,3… bội số sóng hài m: số lần đập mạch trong một chu kỳ. Udnmax: biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu (V) Il*: trị hiệu dụng của dòng điện sóng hài cơ bản lấy tỷ số theo dòng điện định mức của chỉnh lưu. Trị số này cho phép Il* < 10% Biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu Udnmax có thể được xác định. = (3 – 17) Trong đó: Ud0: điện áp chỉnh lưu cực đại (V) α: góc điều khiển van bán dẫn (rad/s) Thay số ta được: = = -0,18 Vậy trị số điện cảm của cuộn kháng lọc là: LL = = -0,0059 (H) = -5,9 (mH) Biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu có thể xác định theo đường cong (hình 1.35 tài liệu thiết kế điện tử công suất của Trần Văn Thịnh trang 56) khi xác định được góc mở lớn nhất. Từ đường cong (hình 1.35 tài liệu thiết kế điện tử công suất của Trần Văn Thịnh trang 56) xác định được quan hệ giữa biên độ sóng hài với góc mở van bán dẫn ứng với thành phần sóng hài bậc nhất K = 1, đối với chỉnh lưu cầu không đối xứng ứng với đường cong 3, từ đó ta tra được = 0,48. Vậy trị số điện cảm của cuộn kháng lọc là: LL = = 0,015 (H) = 15 (mH) 3.3.3 Tính toán cuộn kháng hạn chế dòng điện gián đoạn. Hiện tượng gián đoạn điện chỉnh lưu xảy ra do năng lượng điện từ tích luỹ trong mạch không đủ lớn để duy trì tính liên tục của dòng điện khi điện áp nguồn lưới đổi dấu. Đối với tải mạ điện có vùng gián đoạn khi làm việc ở cuối giải điều khiển ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Do vậy góc mở van bán dẫn lớn nhất thì dòng điện tải bị gián đoạn nhiều nhất. Vì vậy khi tính toán để hạn chế dòng điện gián đoạn ta tính cho trường hợp góc mở van là lớn nhất. Giá trị điện cảm cần thiết để hạn chế vùng dòng điện gián đoạn được tính theo công thức: Lgđ = (H) (3 – 18) Trong đó: W = 2.π.f.m: tần số góc của dòng điện m = 6: tần số đập mạch trong một chu kỳ f = 50 Hz Ud0: điện áp không tải của chỉnh lưu Idgh: dòng điện giới hạn nhỏ nhất, có thể chọn = 0,04Iđm Kgh: hệ số phụ thuộc vào góc mở van bán dẫn Kgh = = 0,094sinα = 0,094.sin149,5 = = 0,094.sin149,5 = 0,048 XBA = 0,00076 (Ω) Vậy: Lgđ = = 0,027.10-3 (H) Lgđ = 0,027 (mH) Vì giá trị điện cảm cần thiết để hạn chế vùng dòng điện gián đoạn rất nhỏ hơn LL nên ta tính toán theo cuộn kháng lọc LL. 3.3.4 Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc. các thông số ban đầu: Lck = 15 (mH) Iđm = 300 (A) Igh = 0,04.Iđm = 12 (A) + Tổng trở cuộn kháng: Thông thường dây quấn loại này có tiêt diện khá lớn do vậy điện trở thuần của cuộn kháng rất bé có thể bỏ qua. Do đó: Zck = 2.π.f.m.Lck = 2.3,14.50.6.15.10-3 = 28,26 (Ω) - Công suất cuộn kháng giới hạn dòng điện gián đoạn: Pck = ΔUck.Igh (3 – 19) ΔUck = Igh.Zck Thế ΔUck vào công thức trên ta được: Pck = Igh2. Zck = 122.28,26 = 4069,44 (W) - Tiết diện lõi thép cuộn kháng: Qfe = k (3 – 20) Trong đó: k: hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát với cuộn khô chọn k = 6, f’ = f.m = 50.6 = 300 (Hz). Vậy: Qfe = 6. = 22,1 (cm2) Tính số vòng dây của cuộn kháng: Dòng điện gián đoạn có dạng là các xung điện. Do đó khi chạy qua trong cuộn kháng làm xuất hiện một sức điện động tự cảm Egđ, sức điện động này được xác định theo công thức: Egđ = 4,44.kdq.W.f’.B.Qfe (3 – 21) Từ đó ta có số vòng dây của cuộn kháng sẽ là: W = = (Bỏ qua sụt áp trên điện trở Egđ = ΔUck) Trong đó: kdq: hệ số dây quấn, chọn kdq = 1,2 Egđ: sức điện động tự cảm trong cuộn dây Egđ = ΔUck = Igh.Zck = 12.28,26 = 339,12 (V) f’: tần số dòng điện sau chỉnh lưu, f’ = f.m = 50.6 = 300 (Hz) Qfe: tiết diện lõi thép cuộn kháng Qfe = 22,1 (cm2) = 22,1.10-4 (m2) B: mật độ tự cảm của lõi thép, B = 1,5T Thay số vào ta được: W = = 64 (vòng) - Chọn mật độ dòng điện chạy qua cuộn kháng, J = 2,75 A/mm2 - Tiết diện dây quấn cuộn kháng: Sck = = = 109,1 (mm2) Từ Sck ta tính được chọn dây dẫn bằng đồng tiết diện chữ nhật cách điện cấp B. Vì dây tiêt diện lớn nên ta có thể chập hai sợi để quấn dây với tiết diện chuẩn là: Sck = 58,60 (mm2) với ack = 4,1 (mm), bck = 14,50 (mm) Chọn cách điện 2 phía của dây là 0,96 mm ack =5,06 (mm), bck = 15,46 (mm) - Tính kích thước mạch từ của cuộn kháng lọc: Chọn hình dáng trụ có dạng chữ nhật, chọn tôn có bề dày 0,35 mm loại ' 330A. Hình 3.2: Sơ đồ kết cấu mạch từ cuộn kháng lọc. + Diện tích cửa sổ mạch từ cần có: Qcs = klđ.W.Sck k: hệ số lấp đầy, chọn k = 2 Qck = 2.64.2.58,60 = 15001,6 (mm2) Chọn kích thước cửa sổ:chiều cao h và chiều rộng cửa sổ c được chọn dựa vào các hệ số phụ thuộc m = h/a; l = b/a; n = c/a. Kinh nghiệm cho thấy đối với lõi thép ' thì m = 2 ÷ 4; l = 0,5 ÷ 1,5; n = 0,5 ÷ 2,5. Chọn m = 3; l = 1,1. Chiều rộng toàn bộ mạch từ C = 2c + xa ,chiều cao H = h + za Ta có:Qfe = a.b = 22,1 (cm2) Qcs = c.h =15001,6 (mm2) = 150,016 (cm2) l = b/a = 1 (cm) Giải các phương trình trên ta được: a = 4,7 (cm), b = 4,7 (cm). h = m.a = 3.4,7 = 14,1 (cm) c = Qcs/h = = 10,64(cm) + Chiều rộng toàn bộ mạch từ: C = 2c + xa = 2.10,64 + 2.4,7 = 30,68 (cm) + Chiều cao toàn bộ mạch từ: H = h + za = 14,1 + 4,7 = 18,8 (cm) + Kết cấu dây quấn được bố trí theo chiều dọc trục, kiểu hình ống nhiều lớp, dây dẫn chữ nhật. Số vòng dây mỗi lớp được xác định như sau: Wl = (3 – 22) Trong đó: Wl: số vòng dây mỗi lớp h: chiều cao cửa sổ L0: khoảng cách từ gông đến dây quấn, chọn L0 = 1cm bck: chiều rộng của dây quấn chữ nhật kể cả cách điện Thay số ta được: W1 = = = 7,8 (vòng) => (chọn W1 = 7 vòng) + Số lớp dây: Sld = = = 9,14 (lớp) =>chọn Sld = (10 lớp) + Bề dày cuộn dây: Bdck = ack.Sld + cđ. Sld Trong đó: cđ: bề dày của bìa cách điện, chọn cách điện có bề dày 0,4mm ack: kích thước cuộn dây có kể đến cách điện Sld: số lớp dây Bdck = 5,06.2.10 + 0,4. 10 = 105,2 (mm) + Bề dày của cuộn dây kể cả cách điện trong lõi: Chọn khoảng cách điện giữa dây quấn với lõi là a01 = 2 mm Bdck = 105,2 + 2 = 107,2 (mm) + Đường kính trong của cuộn dây: Dt = + 2.cdt (chọn cdt = 4 mm) Dt = + 2.0,4 = 7,45 (cm) + Đường kính ngoài của cuộn dây: Dn = Dt + 2(ack + cđ).Sld = 7,45 + 2.10,72 = 28,89 (cm) Dn = 28,89 (cm) + Đường kính trung bình của cuộn dây: Dtb = (Dt + Dn)/2 = (7,45 + 28,89)/2 = 18,17 (cm) + Chiều dài dây quấn: l = W. π. Dtb =64.3,14.18,17 = 3651,5 (cm) = 365,15 (dm) - Khối lượng sắt và đồng sử dụng: + Khối lượng sắt: Mfe = Vfe. Mfe Trong đó: Vfe: thể tích khối lượng sắt Vfe = 2.a.b.h + C.a.b = Qfe.(2h + C) = 22,1.(2.14,1 + 30,68) = 1301,25 (cm3) mfe = 7,85 (kg/dm3) Vậy: Mfe = 1301,25.10-3.7,85 = 10,2 (kg) + Khối lượng đồng: Mcu = Vcu. Mcu Trong đó: Vcu: thể tích khối lượng đồng Vcu = Sck.l = 2.58,60.10-4.365,15= 4,28 (dm3) Vậy: Mcu = Vcu. mcu = 4,28.8,9 = 38 (kg) 3.4 Tính chọn thiết bị bảo vệ cho mạch động lực. 3.4.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn. Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất ΔP = ΔU. Ilv. Tổn hao này sinh ra nhiệt, mặt khác van chỉ làm việc với nhiệt độ tối đa cho phép (Tcp) nào đó. Do đó chúng ta phải tìm cách bảo vệ quá nhiệt cho van bán dẫn. Như vậy khi chọn bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn ta phải chọn đúng dòng điện van theo chế độ làm mát van. Hiện nay phổ biến người ta thường dung làm mát bằng cách tản nhiệt có đủ bề mặt tản nhiệt và có quạt làm mát cưỡng bức đối lưu không khí, khi đó bề mặt tản nhiệt có thể tính gần đúng theo yêu công thức: Stn = (3 – 23) Trong đó: Stn: diện tích bề mặt tản nhiệt (cm2) ΔP: tổn hao công suất (W) τ: độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường, τ = tlv - tmt tlv, tmt: nhiệt độ làm việc và nhiệt độ môi trường (0C) ktn: hệ số xét đến điều kiện tản nhiệt (trong điều kiện làm mát tự nhiên và quạt cưỡng bức, chọn ktn = 10.10-4 (W/cm2 0C)) - Chọn nhiệt độ môi trường làm việc là: tmt = 40 (0C) Vì nhiệt độ làm việc cho phép của van tcp = tmax = 125 (0C), do đó ta chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt van tlv = 80 (0C). Do đó độ chênh lệch nhiệt so với môi trường là: τ = tlv - tmt = 80 – 40 = 40 (0C) Với diện tích bề mặt tản nhiệt cho van như trên ta tiến hành thiết kế cánh tản nhiệt cho van - Diện tích bề mặt tản nhiệt cho Diod: StnD = = = 0,783 (m2) Với ΔPD = ΔUD.Ilv = 1,8.174 = 313,2 (W) - Diện tích bề mặt tản nhiệt cho Tiristor: StnT = = = 0,652 (m2) Với ΔPT = ΔUT.Ilv = 1,5.174 = 261 (W) Vì tổn hao công suất trên Diod lớn hơn Tiristor nên diện tích bề mặt tản nhiệt cho Diod lớn hơn Tiristor, do đó chỉ cần thiết kế cánh tản nhiệt cho Diod và có kết cấu sau: Hình 3.3: Hình chiếu cánh tản nhiệt. Chọn cánh tản nhiệt có 20 gân (n = 20), với a < h < b ta chọn: a = 16 cm: bề rộng cánh tản nhiệt b = 18 cm: chiều dài cánh tản nhiệt h= 10 cm: chiều cao cánh tản nhiệt e = 1,2 cm: khoảng cách từ bề mặt đáy đến chân mỗi gân d = 0,8 cm: khoảng cách giữa hai gân kề nhau c = 0,3 cm: bề dày mỗi gân Như vậy ta có các diện tích bề mặt toả nhiệt như sau: S1 = n.c.b = 20.0,3.18 = 108 (cm2) S2 = 2.e.b = 2.1,2.18 =43,2 (cm2) S3 = 2.e.a = 2.1,2.16 = 38,4 (cm2) S4 = (n-1).d.b = (20-1).0,8.18 = 273,6 (cm2) S5 = 2.n.(h-e).c = 2.20.(10-1,2).0,3 = 105,6 (cm2) Scánh = 2.n.b.(h-e) = 2.20.18.(10-1,2) = 6336 (cm2) Smặt = a.b = 16.18 = 288 (cm2) Vậy tổng diện tích bề mặt toả nhiệt của 1 cánh tản nhiệt là: S∑D = S1 + S2 + S3 + S4 + S5 + Scánh + Smặt S∑D =108 + 43,2 + 38,4 + 273,6 + 105,6 + 6336 + 288 S∑D = 7192,8 (cm2) = 0,71928 (m2) Ở đây ta thiết kế hai cánh tản nhiệt đặt hai bên bề mặt của Diod đảm bảo đủ diện tích bề mặt toả nhiệt cho Diod với mỗi bên có diện tích bề mặt toả nhiệt là 0,71928 (m2). 3.4.2 Bảo vệ quá dòng cho van. Để bảo vệ ngắn mạch và quá tải dòng ta thường dung cầu chì hoặc Aptomat để bảo vệ. + Aptomat dùng để đóng cắt mạch lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch Tiristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp. - Chọn Aptomat có thông số định mức như sau: Iđm = 1,1.I1 = 1,1.10,76 = 11,84 (A) Uđm = 220 (V) => chọn Aptomat loại EA52-G của Nhật Bản chế tạo có dòng định mức: Iđm = 15 (A) và điện áp định mức Uđm = 220 (V). Có 3 tiếp điểm chính có thể đóng cắt bằng tay hay bằng nam châm điện. - Chỉnh lưu dòng ngắn mạch: Inm = 2,5.I1 = 2,5.10,76 = 26,9 (A) - Dòng quá tải: Iqt = 1,5.I1 = 1,5.10,76 = 16,14 (A) + Chọn cầu dao có dòng định mức: Iđm = 1,5.I1 = 1,5.10,76 = 16,14 (A) Cầu dao để chọn khoảng cách an toàn cho người công nhân khi sửa chữa hệ truyền động. + Dùng cầu chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Tiristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu. Nhóm 1CC Dòng điện định mức cầu chảy nhóm 1CC I1CC = 1,1.Ilv = 1,1.174 = 191,4 (A) Nhóm 2CC Dòng điện định mức cầu chảy nhóm 2CC I2CC = 1,1.Id = 1,1.300 = 330 (A) Chọn cầu chảy kiểu πH – 2 với dòng định mức 1CC loại 400 A, 2CC loại 600 A. 3.4.3 Bảo vệ quá tải điện áp cho van. Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt các Tiristor được thể hiện bằng cách mắc R – C song song với Tiristor. Khi có sự chuyển mạch do phóng điện từ van ra ngoài tạo nên xung điện áp trên bề mặt vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van nên Tiristor không bị quá điện áp. Có thể tính được các thông số của R và C theo tài liệu chuẩn hoặc người ta có thể chọn gần đúng R = (5 ÷ 30) Ω và C = (0,5 ÷ 4) μF Hình 3.4 - Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, chung ta mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R – C, nhằm lọc xung điện áp. Khi xuất hiện xung điện áp trên đường dây, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm ngoài lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số R, C phụ thuộc nhiều vào tải, có thể chọn R = 20 Ω và C = 4 μF. * Sơ đồ các thiết bị bảo vệ được biểu diễn như sau: Hình 3.6: Sơ đồ các thiết bị bảo vệ. CHƯƠNG IV : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Tiristor chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp đặt lên Anôt và có tín hiệu dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi Tiristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng nữa. Dòng điện chạy qua Tiristor do thông số mạch động lực quyết định. Lợi dụng đặc điểm này người ta điều khiển Tiristor bằng phương pháp xung. 4.1 Chức năng mạch điều khiển. - Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên Anốt của Tiristor. - Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở được Tiristor. - Xung điều khiển thường có biên độ từ (2 ÷ 10) V - Dòng điều khiển nhỏ hơn 1 A - Độ rộng xung tx > 10 μs 4.2 Nguyên tắc điều khiển. Thực chất của bộ điều khiển điện áp xoay chiều là điều khiển Tiristor. Tiristor chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi điện áp đặt lên Anốt dương và có xung điều khiển. Xung điều khiển được điều chỉnh trong một dải Anốt dương 0 ÷ π. Có hai nguyên tắc điều khiển: điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng và điều khiển dịch chuyển theo phương nằm ngang. Ở đây ta chỉ dùng nguyên tắc thứ nhất vì nguyên tắc này được sử dụng rộng rãi nhất. Trong nguyên tắc điều khiển thẳng đứng có hai phương pháp: 4.2.1 Phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Để thực hiện phương pháp này, người ta dùng hai điện áp để so sánh với nhau. Điện áp tựa Urc có dạng hình răng cưa và điện áp điều khiển Uđk một chiều có thể điều chỉnh được giá trị. Trong vùng điện áp dương Anốt tạo một điện áp tựa Urc có hình răng cưa trùng pha với điện áp Anốt của Tiristor. Dùng một điện áp một chiều điều chỉnh được so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm điện áp điều khiển bằng điện áp tựa, cho phát xung điều khiển. Tiristor được mở từ thời điểm có xung điều khiển cho đến cuối bán kỳ. Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý điều khiển theo phương pháp thẳng đứng tuyến tính. 4.2.2 Điều khiển bằng phương pháp thẳng đứng cosin. Ở phương pháp này, người ta tạo điện áp tựa có hình dạng cosin và dùng điện áp một chiều để so sánh. Tại thời điểm hai điện áp bằng nhau phát xung điều khiển (H 4.2). Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý điều khiển theo phương pháp thẳng đứng cosin 4.3 Cấu trúc mạch điều khiển. Sơ đồ mạch điều khiển gồm có 3 khâu như hình vẽ. Hình 4.3: Sơ đồ khối mạch điều khiển Tiristor. Khâu đồng pha (ĐF): có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa (thường gặp là điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp Anốt của Tiristor. Khâu so sánh (SS): nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều khiển, 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 bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại. Khâu tạo xung khuếch đại: có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor. Xung để mở Tiristor có yêu cầu: sườn dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu cầu Tiristor mở tức thời khi có xung điều khiển, đủ độ rộng, đủ công suất, cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn). 4.4 Thiết kế các khâu trong mạch điều khiển. 4.4.1 Khâu đồng pha. * Sơ đồ khâu đồng pha dùng Diod và tụ điện: W 1 W 2 R 1 D 1 U AT A B D 2 -E R 2 C U rc + - + - Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý khâu đồng pha dùng Diod và tụ điện. Hình 4.5: Đồ thị điện áp của sơ đồ đồng pha dùng Diod và tụ điện. Nguyên lý hoạt động: Khi điện áp tại A dương sẽ có dòng điện chạy theo đường A – R1 – D1 – 0. Vì D1 thông nên VB = V0. Vì B dương hơn C nên D2 thông VB = VC => VC = V0. Khi đó Urc = 0. Khi điện áp điểm A đổi dấu, D1 khoá, tụ sẽ nạp điện theo đường C – D2 với công thức Ic = khi đó điện áp răng cưa tăng theo Công thức: Urc = = Trong đó: T = R2C là hằng số thời gian. Tụ sẽ nạp đến khi nào D2 phân cực thuận. Để Urc tuyến tính thì hằng số thời gian T = R2C >> 1/f (f là tần số điện áp UAT). Tụ sẽ nạp đến thời điểm t1, Urc = -E. Tụ C bắt đầu phóng điện theo mạch vòng C – W2 – R1 – D2 – C (lúc này D2 đã thông). Thời gian phóng điện phụ thuộc vào R1 và C. Đến thời điểm D2, tụ C phóng điện hoàn toàn. Khi điện áp nguồn chuyển sang âm, tụ C có khả năng bị nạp ngược để đảm bảo rằng sau thời điểm t2 trong chu kỳ âm của điện áp nguồn Urc = 0 và tụ C nạp điện theo quy luật như cũ thì theo kinh nghiêm thực tế: Nhận xét: Ưu điểm của sơ đồ này là kết cấu đơn giản, rẻ tiền nhưng nhược điểm lớn là đỉnh điện áp tựa không phải là điểm cuối của bán kỳ dương Anốt (2π) Tiristor chỉ được điều khiển từ 0 ÷ t1 < 2π. Từ t1 ÷ 2π, không điều khiển được. Các Diod có điện áp rơi khác nhau, do đó trong hệ thống nhiều kênh sẽ không bảo đảm tính đối xứng của các xung phát ra. Vì vậy, sơ đồ đồng pha dùng Diod – tụ điện chỉ dùng cho hệ có yêu cầu chính xác điều khiển không cao lắm. * Sơ đồ khâu đồng pha dùng Tranzitor và tụ điện: Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý khâu đồng pha dùng Tranzitor và tụ. Hình 4.7: Đồ thị điện áp của sơ đồ đồng pha dùng Transitor và tụ. Nguyên lý hoạt động: Ở nửa chu kỳ dương điện áp UAT, điện áp A dương, B dương, D1 thông, Transitor không có thiên áp hoặc thiên áp dương nên Tranzitor khoá, tụ C sẽ nạp với hằng số thời gian T = (R2 + R3).C >> 1/f qua điện trở R2, R3 bởi nguồn E. Urc = Khi bắt đầu điện áp A chuyển sang âm, B âm, D1 khoá, điện áp ra trên bazơ của Tranzitor âm nên Tranzitor thông, tụ sẽ phóng điện qua R3 và Tranzitor. Để đảm bảo sườn sau của điện áp răng cưa có độ dốc lớn thì R3 phải có giá trị nhỏ để hằng số thời gian phóng Tf = R3.C nhỏ cho nên người ta mắc song song với R3 một Diod D2. Nhận xét: Ưu điểm của sơ đồ này là khoảng 0 ÷ t1 có thể đạt dược đến 1800 và điện áp UA chỉ cần nhỏ, sơ đồ này đơn giản và tin cậy. Nhược điểm của sơ đồ này là có thể bị trôi điểm t1 do Tranzitor rất nhạy cảm với nhiệt độ. * Sơ đồ khâu đồng pha dùng khuếch đại thuật toán: Hình 4.8: Sơ đồ đồng pha dùng khuếch đại thuật toán. Hình 4.9: Đồ thị điện áp sơ đồ đồng pha dùng khuếch đại thuật toán. Nguyên lý hoạt động: A1 làm nhiệm vụ lật dấu khi điện áp A bằng 0. Khi điện áp A dương thì điện áp B âm và bằng nguồn nuôi A1. Khi B âm, thì Diod D thông và Tr bị khoá, tụ C được nạp với hằng số thời gian R3C cho đến khi điện áp bằng điện áp nguồn nuôi A2. Điều kiện để Urc tuyến tính T = R3C >> 1/f. Khi điện áp A âm, B dương, D khoá thì Tr thông, tụ C lập tức phóng điện qua Tr. Vì điện trở CE của Tr rất bé nên sườn sau của xung điện áp răng cưa rất rốc (gần như thẳng đứng). Ở chu kỳ sau quá trình lặp lại như cũ. Nhận xét: Ưu điểm của sơ đồ này là điện áp răng cưa đẹp đảm bảo độ đồng pha với điện áp nguồn. Do đó, tạo điều kiện để mở Tiristor một cách chính xác. Nhược điểm của sơ đồ này là giá thành rất cao. * Sơ đồ khâu đồng pha dùng bộ ghép quang: Hình 4.10: Sơ đồ đồng pha dùng bộ ghép quang Transitor và tụ. Hình 4.11: Đồ thị điện áp khâu đồng pha dùng Transitor quang-tụ điện. Nguyên lý hoạt động: Khi điện áp UAT dương thì Diod D thông dòng điện sẽ chạy qua R1 – D xuống đất còn DQ phân cực ngược không phát quang nên TQ khoá, tụ C nạp qua R2 với hằng số thời gian T = R2C cho đến khi nào bằng điện áp nguồn E. Khi điện áp UAT đổi dấu chuyển sang âm, DQ phân cực thuận có dòng qua và phát quang làm TQ dẫn, tụ bị ngắn mạch và xả đến khi điện áp bằng 0. Vì điện trở TQ nhỏ nên tụ phóng điện gần như tức thời nên sườn sau của điện áp răng cưa rất dốc (gần như thẳng đứng). Nhận xét: Ưu điểm của sơ đồ này là đơn giản, gọn, dễ lắp đặt, điện áp răng cưa đẹp đảm bảo độ đồng pha, điều khiển Tiristor chính xác, giá thành của sơ đồ này rẻ. Nếu như ở khâu so sánh bắt buộc ta dùng khâu khuếch đại thuật toán thì sơ đồ này có độ chính xác thấp hơn so với các sơ đồ khác. 4.4.2 Khâu so sánh. Có hai phương pháp so sánh: so sánh nối tiếp và so sánh song song. * Sơ đồ so sánh nối tiếp: mắc nối tiếp điện áp tựa (đồng pha) và điện áp điều khiển, khi tổng đại số hai điện áp đổi dấu thì phát xung điều khiển. Hình 4.12: Sơ đồ so sánh nối tiếp bằng Transitor. Hình 4.13: Đồ thị điện áp khâu so sánh nối tiếp bằng Transitor. Nguyên lý làm việc: Khi Tr mở thì Ura = 0 khi đó B âm. Khi Tr khoá thì điện áp Ura bằng điện áp nguồn và điện áp ở B dương. Từ 0 ÷ t1: Uđk > Ura nên B dương. Sau t1, Ura > Uđk nên B âm dẫn đến Tr thông => Urc = 0. Từ 2π ÷ t2 quá trình lặp lại như trước. Nhận xét: Nhược điểm của sơ đồ này là nếu cần điều khiển một lúc nhiều điện áp tựa bởi một điện áp Uđk mà có một chiết áp thì sẽ bị nhiễm từ pha này sang pha kia, cho nên sơ đồ này ít được dùng trong thực tế * Sơ đồ so sánh song song: đấu song song điện áp tựa và điện áp điều khiển, khi hai điện áp này bằng nhau thì phát xung điều khiển. Hình 4.14: Sơ đồ so sánh mắc song song dùng Transitor. Nguyên lý làm việc: Thường chọn R1 = R2 Nếu Urc > Uđk, B âm, Tr khoá, Ura bằng điện áp nguồn. Sơ đồ này có dạng điện áp ra giống như sơ đồ mắc nối tiếp. Nhận xét: Nhược điểm của sơ đồ này là điện áp ở B so với 0 (trung tính) phụ thuộc rất nhiều vào trị số R1 và R2. Khi R1 và R2 thay đổi thì điện áp của điểm B sẽ khác 0 vì Uđk = Urc hay điểm t1, t2 khâu sau sẽ thiếu chính xác. Để khắc phục nhược điểm trên, hiện nay người ta dùng sơ đồ so sánh bằng khuếch đại thuật toán bởi hệ số khuếch đại vô cùng lớn. Hình 4.15: Sơ đồ so sánh mắc song sánh dùng khuếch đại thuật toán. Nguyên lý làm việc: Nếu R1 = R2, Urc = Uđk thì điện áp ở B bằng 0. Nếu Urc > Uđk thì B có dấu của điện áp Urc Nếu Urc < Uđk thì B có dấu của điện áp Uđk và điện áp Ura ngược dấu với B. Hình 4.16: Đồ thị điện áp khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán. Từ đồ thị ta thấy, trong vùng 0 ÷ t1, Uđk > Urc điểm B có điện áp dương với đầu vào khuếch đại là âm nên điện áp ra Ura bằng âm nguồn. Từ t1 ÷ π, Urc > Uđk nên điểm B có điện áp âm với điện áp ra ngược dấu với B và bằng dương nguồn. Từ 2π ÷ t2 quá trình lặp lại như cũ. Nhận xét: Mạch so sánh dùng khuếch đại thuật toán có ưu điểm là có độ chính xác cao, tác động nhanh, ổn định nhiệt tốt, độ trôi điểm 0 nhỏ, thời gian quá độ ngắn. Vì vậy sơ đồ này có ưu điểm hơn hẳn các sơ đồ trên. 4.4.3 khâu tạo xung. Khâu này có nhiệm vụ tạo ra xung điều khiển. Xung điều khiển phải có sườn trước dốc thẳng đứng để Tiristor mở tức thời và xung điều khiển phải có đủ công suất và độ rộng để mở Tiristor một cách tin cậy trong mọi chế độ làm việc của tải trong toàn dải điều chỉnh của hệ. R Tr D +E Uv BAX (a) BAX Uv +E D Tr 2 R Tr 1 (b) Tr 1 R Tr 2 D +E Uv BAX D (c) Hình 4.17 a. Sơ đồ khâu khuếch đại bằng Tranzitor công suất. b. Sơ đồ khâu khuếch đại bằng sơ đồ darlington. c. Sơ đồ có tụ nối tầng. - Với nhiệm vụ tạo xung chùm phù hợp để mở Tiristor như đã nêu ở trên, tầng khuếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng Tranzitor công suất (như hình 4.17a). Để có xung dạng răng cưa tới Tiristor, ta dùng biến áp xung BAX để có thể khuếch đại công suất ta dùng Tr, Diod D bảo vệ Tr và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi tr khoá đột ngột. Mặc dù với ưu điểm đơn giản, nhưng sơ đồ này dược dùng không rộng rãi, bởi lẽ hệ số khuếch đại của Tranzitor loại này nhiều khi không đủ lớn, để khuếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang - Tầng khuếch đại cuối cùng bằng sơ đồ darlington (như hình 4.17b) thường hay được dùng trong thực tế. Sơ đồ darlington hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về khuếch đại công suất, khi hệ số khuếch đại được nhân lên theo thông số của các Tranzitor. - Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé (cỡ khoảng (10 ÷ 200) μs), mà thời gian để mở các Tranzitor công suất dài (tối đa tới một nửa chu kỳ - 0,01s), làm cho công suất toả nhiệt dư của Tr quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp xung dư lớn. Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt Tr và kích thước dây sơ cấp BAX có thể thêm tụ nối tầng (như hình 4.17c). Theo sơ đồ này, Tr chỉ mở cho dòng điện chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ, nên dòng hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần. 4.5 Tính và chọn mạch điều khiển. 4.5.1 Chọn mạch điều khiển. * Chọn mạch đồng pha. Từ những phân tích trên, ta chọn sơ đồ đồng pha dùng khuếch đại thuật toán vì sơ đồ này có ưu điểm là điện áp răng cưa đẹp đảm bảo độ đồng pha với điện áp nguồn, do đó tạo điều kiện để mở Tiristor một cách chính xác. * Khâu so sánh. Ở khâu này ta chọn bộ khuếch đại thuật toán vì nó làm việc có độ chính xác cao, tác động nhanh và ổn định nhiệt tốt. Một đầu vào là tín hiệu ra khâu so sánh và một đầu vào từ bộ phát xung là hai Tranzitor nối tầng và máy BAX (hình 4.17b) sơ đồ mạch điều khiển ba pha nay đủ được vẽ (hình 4.18). Hình 4.18: Sơ đồ kênh điều khiển Hình 4.19: Giản đồ các đường cong mạch điều khiển. * Hoạt động của sơ đồ: - Điện áp vào tại thời điểm A (UA) có dạng hình sin, trùng với điện áp Anốt của Tiristor T qua khuếch đại thuật toán (KĐTT A1) cho ta chuỗi xung chữ nhật đối xứng UB. Phần điện áp dương của chuỗi xung chữ nhật UB qua Diod D1 tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc. Điện áp âm của điện áp UB làm mở thông Tranzitor Tr1, kết quả là A2 bị ngắn mạch (với Urc = 0) trong vùng UB âm. Trên đầu ra của A2 chúng ta có chuỗi điện áp răng cưa Urc giãn đoạn. Điện áp Urc được so sánh với điện áp điều khiển Uđk tại đầu vào của A3. Tổng đại số Urc + Uđk quyết định dấu điện áp đầu ra của KĐTT A3. Trong khoảng 0 ÷ t1 điện áp Uđk > Urc điện áp UD có điện áp âm. Trong khoảng t1 ÷ t2 điện áp Uđk và Urc đổi ngược lại, làm cho UD lật lên dương. Trong khoảng t2 ÷ t3 ÷ t4, với Uđk > Urc điện áp UD có điện áp âm. Trong khoảng t4 ÷ t5 với Uđk < Urc điện áp UD có điện áp dương. Trong các khoảng khác quá trình xảy ra tương tự. Tại thời điểm điện áp UD có điện áp âm nên không có dòng điên chạy qua Tr2 và Tr3. Trong khoảng điện áp UD có điện áp dương có dòng chạy qua Tr2 và Tr3, lúc này có dòng iL chạy qua sơ cấp máy BAX. Dòng iL không tăng đột ngột mà biến thiên theo quy luật hàm mũ. Sau một khoảng thời gian, dòng iL đạt đến giá trị E/R7. Tại các thời điểm t2 và t5 điện áp âm UD làm cho tr2 và tr3 khoá. Lúc này năng lượng cuộn dây máy biến áp xung xả qua Diod D2 vì vậy iL giảm từ từ về 0, sự biến thiên của iL làm xuất hiện một xung điều khiển bên phía thứ cấp máy biến áp xung (tại thời điểm t1, t2, t3, t4, t5). Điện áp Ud sẽ xuất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển dương t1, t4 của mỗi chu kỳ điện áp nguồn cấp cho tới cuối bán kỳ điện áp dương Anốt. 4.6 Tính toán các thông số của mạch điều khiển. Việc 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 Tiristor. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển cần có: Điện áp điều khiển Tiristor: Uđk = 3,5 (V) Dòng điện diều khiển Tiristor: Iđk = 150 (mA) Độ rộng xung điều khiển Tiristor: tx = 600 (μs) Mức sụt biên độ xung: Sx = 30% Tần số xung: fx = = Độ mất đối xứng cho phép: Δα = 3 ÷ 40 Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = ±12(V) 4.6.1 Tính biến áp xung. Chọn vật liệu làm lõi sắt từ là thép 330 kiểu sắt từ dạng hình chữ để máy biến áp xung làm việc tốt khi ở chế độ bão hoà, ta chọn mật độ tự cảm trong lõi thép ΔB = 0,7, cường độ từ trường ΔH = 50 A/m (theo tài liệu điện tử công suất của Nguyễn Bính) Tỷ số biến áp xung thường m = 2 ÷ 3, chọn m = 3 Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Uđk = 3,5 (V) Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m.U2 = 3.3,5 = 10,5 (V) - Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Iđk = 0,15 (A) Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = I2/m = 0,15/3 = 0,05 (A) Độ từ thẩm bình thường tương đối của lõi sắt: μtb = = = 3,5.103 (H/m) Trong đó: μ0 = 4.10-6 (H/m) Thể tích của lõi thép cần có: V = Q.L. V = V = 2,7.10-6 (m3) = 2,7 (cm3) Chọn mạch từ có thể tích V = 9,22 (cm3) với thể tích đó ta có các kích thước mạch từ như sau: (Tra bảng B II.2 trang 246 sách điện tử công suất của Nguyễn bính) Chọn Q = 0,92 (cm2) và các kích thước lõi sắt từ như sau: L = 10,03 (cm); a = 1,2 (cm); h = 3 (cm); c = 1,2 (cm) C = 4,8 (cm); H = 4,2 (cm); b = 1 (cm) a b c C h H a/2 a/2 Hình 4.20: Sơ đồ kết cấu lõi thép máy biến áp xung. + Số vòng dây cuộn sơ cấp máy biến áp xung: W1 = Trong đó: U1: điện áp sơ cấp máy biến áp tx: độ rộng xung điều khiển Q: tiết diện lõi k: hệ số lấp đầy, chọn k = 0,7 W1 = = 139,75 (vòng) => chọn W1 = 139 (vòng) + Số vòng dây cuộn thứ cấp máy biến áp xung: W2 = = = 46,33 (vòng) => chọn W2 = 46 (vòng) + Tiết diện dây cuộn sơ cấp máy biến áp xung:. S1 = = = 0,02 (mm2) Chọn dây có tiết diện chuẩn là 0,02011 (mm2) có đường kính dây là 0,16 mm. 4.6.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng. R7 là điện trở hạn chế dòng điện khi lõi máy biến áp xung bão hoà, lúc đó yêu cầu dòng chạy qua cuộn sơ cấp W1 là I1max phải nhỏ hơn dòng colectơ của Tr3 cho phép. Khi biến áp xung bão hoà: E = Imax.R7 Khi làm việc bình thường: E = U1 + I1.R7 Imax = = = 0,4 (A) Giá trị điện trở hạn chế: R7 = = = 30 (Ω) Chọn Tranzitor theo dòng điện IC3 của Tranzitor Tr3 được coi là dòng qua cuộn sơ cấp của máy biến áp xung: IC3 = I1 = 0,05 (A). Chọn Tranzitor công suất Tr3 loại 2SC730 do nhật Bản sản xuất 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 Emitơ: UCBO = 40 (V) + Điện áp giữa Emitơ và bazơ khi hở mạch colector: UEBO = 4 (V) + Dòng điện lớn nhất ở colector có thể chịu được: Imax = 400 (mA) + Công suất tiêu tốn ở colector: PC = 1,03 (W) + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: Tj = 175 (0C) + Dòng điện làm việc của colector: IC3 = I3 = 0,05 (A) = 50 (mA) + Hệ số khuếch đại: b = 50. + Dòng điện làm việc của bazơ: IB3 = = = 8 (mA) Dòng bazơ của Tr3 khi làm việc bình thường chính là dòng qua colector của Tr2. Chọn Tranzitor Tr3 loại 2SC47 do Nhật Bản sản xuất có các thông số sau: + Điện áp giữa colector và bazơ khi hở mạch Emitơ: UCBO = 40 (V) + Điện áp giữa Emitơ và bazơ khi hở mạch colector: UEBO = 5 (V) + Dòng điện lớn nhất ở colector có thể chịu được: ICmax = 300 (mA) + Công suất tiêu tốn ở colector: PC = 600 (mW) + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: Tj = 150 (0C) + Dòng điện làm việc của colector: IC2 = IB3 = 8 (mA) + Hệ số khuếch đại: b = 50. + Dòng điện làm việc của bazơ Tr2: IB2 = = = 0,16 (mA) + Tất cả các Diod trong mạch điều khiển dùng loại 1N4007. 4.6.3 Tính chọn mạch tạo xung. Điện trở R6 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào bazơ của Tr3, chọn R6 thoả mãn điều kiện: R6 ³ = = 4,5 (KΩ), chọn R6 = 10 (KΩ) Chọn Iv = 2 (mA) là dòng ra sau KĐTT A3. 4.6.4 Tính chọn tầng so sánh. Mỗi kênh điều khiển phải dùng 3 khuếch đại thuật toán. Do đó ta chọn 6 IC loại TL084, mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán. Thông số của TL084: + Điện áp nguồn nuôi: UCC = ±12 (V), chọn UCC = ±9 (V) + Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: U = ±30 (V) + Công suất tiêu thụ: P = 680 (mW) = 0,68 (W) + Dòng điện đầu ra: Ira = 30 (pA) + Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: = 13 (V/μs) * Sơ đồ chân IC TL084. + - - + + - - + 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 U cc Hình 4.21: Sơ đồ chân IC TL084. Chọn R4 = R5 > = = 9 (KΩ) Trong đó nguồn nuôi cung cấp UCC = ±9 (V) thì điện áp đầu vào A3 là Uv = 9 (V). Dòng điện đầu vào được hạn chế: Ilv < 1 (mA) Do đó ta chọn R4 = R5 = 12 (KΩ) Khi đó dòng vào A3: Imax = = 0,75.10-4 (A) = 0,75 (mA) 4.6.5 Tính chọn khâu đồng pha. Chọn tụ C1 = 0,1 (μF) thì điện trở R3 = = = 50.103 (Ω) Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch R3 thường chọn là biến trở lớn hơn 50 (KΩ), chọn R3 = 80 (KΩ). Chọn Tranzitor loại pnp, làm bằng Si. Chọn Tranzitor Tr loại 2SA530 có các thông số: + Điện áp giữa colector và bazơ khi hở mạch Emitơ: UCBO = 50 (V) + Điện áp giữa Emitơ và bazơ khi hở mạch colector: UEBO = 5 (V) + Dòng điện lớn nhất ở colector có thể chịu được: ICmax = 100 (mA) + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: Tj = 175 (0C) + Dòng điện làm việc của bazơ: IB1= = = 2 (mA) + Hệ số khuếch đại: b = 50 + Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazơ của Tranzitor Tr1 được chọn như sau: chọn R2 sao cho: R2 ³ = = 4,5 (KΩ) chọn R2 = 10 (KΩ) 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 khuếch đại thuật toán Iv £ 1 mA. Do đó: R1 ³ = = 9 (KΩ) => chọn R1 = 10 (KΩ) 4.7. Sơ đồ của hệ thống. (Hình 4.22) Hình 4.22: Sơ đồ của hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Điện tử công suất – Nguyễn Bính. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. 2. Giáo trình điện tử công suất – Trần Trọng Minh. Nhà xuất bản giáo dục. 3. Mạ điện – Nguyễn Khương. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. 4. Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất – Trần Văn Thịnh. Nhà xuất bản giáo dục. 5. Bài giảng điện tử công suất của thầy Thân Văn Thông.