Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát

iểm của các đường cong điện áp (phần dương ) là góc thông tự nhiên. Như vậy góc thông tự nhiên lệch pha dịch pha so với tọa độ 300. Góc mở của Thyristor được tính từ góc thông tự nhiên. Khi Anod của van nào dương hơn van đó mới được kích mở. Thyristor chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc thông tựï nhiên. Với điện áp tải liên tục mỗi van dẫn thông trong 1/3 chu kỳ. Dòng điện trung bình của các van đều bằng (1/3)Id. Từ đồ thi ta có nhận xét : khi góc mở α < 300 thì dòng điện liên tục và ngược lại. b.Các thông số cơ bản : -Giá trị điện áp tải trung bình : Khi α <300 : d d0U U .cosα = α Khi α >300: ( )0 d d0 1 cos 30 U U . 3α + α += -Giá trị dòng điện tải trung bình : dd d UI R α= -Dòng điện trung bình qua van : dtbv II 3 = -Điện áp ngược lớn nhất trên van : ngmax 2U 6.U= -Hệ số công suất lớn nhất : sk 1,34= ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 66 -Công suất của máy biến áp : BA s d d d dS k .U .I 1,34.U .I= = -Số lần đập mạch trong một chu kỳ : dmf 3= *Trường hợp tải có tính cảm : Hình I.15 Giản đồ thời gian điện áp, dòng điện áp tải, dòng điện các van, điện áp của Thyristor T1 khi góc mở α=300, L= ∞. Các thông số cơ bản : -Trị số trung bình của điện áp tải : 2 2 3 6 . . 1,17. . 2.d f U U cos U cosα απ= = -Công suất biến áp : SBA = 1,34.Ud.Id -Điện áp ngược đặt lên van : =ngmax 2fU 6U c.Nhận xét : ud i IT1 IT2 IT3 Id uT1 ;1 β4 β1 β2 β3 ;2 ;3 ;4 0 0 0 θ θ θ uA uB uc Ud ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 67 So với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia ba pha có chất lượng dòng diện một chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn, việc điều khiển các van bán dẫn cũng tương đối đơn giản. Với dòng điện mỗi cuộn day thứ cấp là dòng một chiều, nhờ có biến áp ba pha ba trụ mà từ thông lõi thép máy biến áp là từ thông xoay chiều không đối xứng làm cho công suất biến áp phải lớn. Nếu ở đây biến áp được chế tạo từ ba máy biến áp một pha thì công suất còn lớn hơn nhiều. Khi chế tạo biến áp động lực có cuộn dây phải được đấu sao với dây trung tính phải lớn dây pha vì dây trung tính chịu dòng điện tải. I.3.5 Chỉnh lưu tia sáu pha. a.Sơ đồ : Hình I.16 Sơ đồ mạch động lực chỉnh lưu tia sáu pha Sơ đồ chỉnh lưu tia sáu pha được cấu tạo bởi sáu van bán dẫn nối với biến áp ba pha có sáu cuộn dây thứ cấp. Trên mỗi trụ biến áp có hai cuộn dây giống nhau và ngược pha. Điện áp các pha dịch pha nhau một goc 600. Dạng sóng điện áp tải ở đây là phần dương hơn của các điện áp pha. Với dạng sóng như trên hình I.18 ta nhận thấy chất lượng điện áp một chiều được coi là tốt nhất. A1 B1 C1 T6 T5 T4 T1 T2 T3 Ld Z Ud Id A+ B+ C+ A - B- C- u 0 θ1 B- A+ C- B+ A- C+ B- A+ C- ud θ2 θ3 θ4 θ5 θ6 θ7 θ8 θ9 θ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 68 Hình I.17 Giản đồ các đường cong điện áp. b.Các thông số của sơ đồ : -Giá trị trung bình của điện áp tải khi tải điện cảm : 2 3 d 2f 3 2f 6 U 2U sin t.d t 2 3 2 = U cos π+α π = ω ωπ απ ∫ -Giá trị trung bình của dòng chảy trong các van : dtb I I 6 = -Giá trị điện áp ngược đặt lên mỗi van : NV 2fU 2 2U= -Công suất máy biến áp : SBA = 1,26Ud.Id c.Nhận xét : Theo dạng sóng điện áp ra chúng ta thấy rằng mỗi van bán dẫn dẫn thông trong khoảng 1/6 chu kỳ. So với các sơ đồ khác thì ở chỉnh lưu tia sáu pha dòng điện chạïy trong các van bán dẫn bé nhất . Do đó sơ đồ chỉnh lưu tia sáu pha rất có ưu điểm khi dòng tải lớn. Tuy nhiên với biến áp ba pha sáu cuộn dây thứ cấp chế tạo phức tạp hơn. Do đó sơ đồ này ít được sử dụng trong thực tế. I.3.6 Chỉnh lưu cầu ba pha. *Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng. C B E F A LR T1 T2 T3 D1 D2 D3 Ud Hình I.18 Sơ đồ mạch động lực chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 69 Loại này chỉnh lưu được cấu tạo từ một nhóm NA hoặc NK có điều khiển và một nhóm không điều khiển như mô tả trên hình I.22 Hoạt động của sơ đồ : Tại θ1 cấp xung điều khiển mở T1 , điện áp pha A dương hơn pha B và pha C nhưng pha B âm hơn nên Thyristor T1 và Diod D2 dẫn cho dòng chảùy qua tải trong khoảng θ1 ÷ β1 . Đến β1 do điện áp pha C âm hơn nên T1 và D3 dẫn cho đến θ2 . Tại θ2 cấp xung điều khiển mở T2 , điện áp pha B dương hơn pha A và pha C nhưng pha C âm hơn nên T1 và D3 dẫn. Đến β2 do điện áp pha A âm hơn nên T2 và D3 dẫn cho đến θ3. Tương tự như vậy : θ3 ÷ β3 , T3 và D1 dẫn. θ4 ÷ β4 , T3 và D2 dẫn. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng có dòng điện và điện áp tải liên tục khi góc mở các van bán dẫn 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 ở trên trị số điện áp trung bình trên tải bằng không khi góc mở đạt tới 1800. Có thể coi điện áp trên tải là tổng của hai điện áp chỉnh lưu tia ba pha. ud θ3 θ1 θ2 θ4 β1 β2 β3 β4 0 u IT1 Id i uA uC uB θ θ θ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 70 Hình I.19 Giản đồ các đường cong điện áp tải, dòng điện tải, dòng điện các van. b.Thông số của sơ đồ : -Giá trị trung bình của điện áp trên tải : d 2f 2f 3 6 1 cos 1 cos U U 2,34U 2 2 + α + α= =π -Điện áp ngược đặt lên van bán dẫn : UN = 2f6U -Công suất biến áp : SBA = 1,05.Ud.Id và công suất máy biến áp giống như ở sơ đồ điều khiển đối xứng. c.Nhận xét : So với cầu ba pha điều khiển đối xứng thì trong sơ đồ này việc điều khiển các van bán dẫn được thực hiện đơn giản hơn. Ta có thể coi mạch điều khiiển của bộ chỉnh lưu này như điều khiển một chỉnh lưu tia ba pha. Tuy nhiên điện áp chỉnh lưu chứa nhiều thành phần sóng hài. Chỉnh lưu cầu ba pha hiện nay là sơ đồ có chất lượng điện áp tốt nhất , hiệu suất sử dụng biến áp cao nhất nhưng cũng là sơ đồ phức tạp nhất. I.3.7 Chọn sơ đồ thiết kế. Qua trình bày ở trên ta chọn sơ đồ mạch động lực là sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đố xứng bởi vì nó phù hợp hơn so với các sơ đồ chỉnh lưu khác. Với nguồn cấp cho kích từ lấy trực tiếp từ đầu ra của máy phát chính, đó là ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 71 điện xoay chiều chính ta phải chỉnh lưu thành điện một chiều, sau đó đưa vào kích từ là kợp lý nhất về cả hai phương diện kỹ thuật và kinh tế. Các thông số kỹ thuật tốt nhất trong các sơ đồ chỉnh lưu, vận hành đơn giản, giá thành không cao lắm. Chẳng hạn chúng ta sử dụng các sơ đồ băm áp một chiều tuy có thể điều chỉnh tần số đóng ngắt cao, điện áp ra gần như bằng phẳng nhưng giá thành đầu tư cao. Đặc biệt là phải có nguồn một chiều để cung cấp cho bộ nguồn băm áp này nên nó làm cho hệ thống phức tạp hơn. Ngoài ra việc với một bộ nguồn chỉnh lưu cho kích từ của máy phát sẽ dễ dàng hơn cho việc thiết kế và chế tạo. Theo yêu cầu thiết kế mạch ổn định điện áp cho máy phát công suất 12kVA, tần số 50Hz, điện áp ra máy phát 400V. Đây là máy có cấp công suất không lớn nên để đơn giản cho hệ thống kích từ sẽ không dùng máy phụ cấp nguồn cho kích từ mà ta sẽ lấy trực tiếp điện áp đầu ra của máy phát qua biến áp qua chỉnh lưu và làm nguồn cấp cho hệ thống kích từ. Các thông số của mạch kích từ Uktđm = 65V, Iktđm = 8,8A, Pktđm = 572W. CHƯƠNG II TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC Như kết luận ở chương I (phần II) ta chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng . Bao gồm có sáu van bán dẫn : 3 Diod và 3 Thyristor. II.1 Sơ đồ mạch động lực : • • • • • • • • • • • • • • A B C AT CD R2 C2 R2 C2 C2R2 BA a b c ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 72 Hình II.1 Sơ đồ mạch động lực các thiết bị bảo vệ. II.2 Tính chọn các thông số của mạch động lực. Các thông số của máy phát điện đồng bộ P = 12kVA, U = 400V, f = 50Hz. Các thông số của mạch kích từ : Uktđm = 65V, Iktđm = 8,8A, Pktđm = 572W. II.2.1 Chọn van động lực : Các van động lực được chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là dòng điện, sơ đồ đã chọn, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc. Theo yêu cầu thiết kế cho điện áp tải Ud = Uktđm = 65V. dòng điện tải Id = Iktđm = 8,8A. Để van bán dẫn có thể làm việc an toàn không bị chọc thủng về nhiệt ta nên chọn hệ thống tỏa nhiệt hợp lý. Vì máy phát điện làm việc trong một thời gian dài cho nên ta chọn phương pháp tỏa nhiệt có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện tích bề mặt, không cần quạt làm mát ( không cần làm mát cưỡng bức). Van động lực cần chọn có thông số : -Điện áp ngược của van lớn nhất phải chọn : 2.nmax nvU k U= 2 d u UU k = với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng : [ ]6 2,45 7nvk = = [ ]3. 6 2,34 7uk π= = ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 73 Như vậy : 65. 2, 45. 68,05 ( ) 2,34 d nmax nv u UU k V k = = = -Điện áp ngược của van cần chọn : . 2.68,05 136,1 ( )nv dtU nmaxU k U V= = = Trong đó : kdtU = 2 hệ số dự trữ điện áp. -Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng : . 0,58.8,8 5,1 ( )lv hd hd dI I k I A= = = = Trong đó : khd = 0,58 hệ số xác định dòng điện. -Với điều kiện làm mát như trên thì dòng định mức của van cần chọn : ( )10 40 %.lv dmvI I= ÷ . . 4.5,1 20, 4 ( )dmv i lvI k I A= = = Trong đó : ki = 4 là hệ số dự trữ dòng điện. Từ các thông số Unv và Iđmv ta chọn 3 Thyristor giống nhau có thông số loại HT25/04OG2. Có các thông số như sau : -Điện áp ngược cực đại của van : Unv = 400V. -Dòng điện làm việc cực đại : Iđm = 25A. -Dòng điện đỉnh cực đại : Ipik = 400A. -Dòng điện xung điều khiển : Ig = 50mA. -Điện áp xung điều khiển : Ug = 2,5V. -Dòng điện rò : Ir = 10mA. -Sụt áp cực đại trên van khi mở : ΔU = 1,8V. -Đạo hàm điện áp : dU/dt = 200V/s. -Nhiệt độï làm việc cực đại : Tmax = 1250C. Và chọn ba Diod giống nhau loại HD25/02-4 có các thông số như sau : -Dòng điện chỉnh lưu cực đại : Imax = 25A. -Điện áp ngược của Diod : Un = 200V. -Đỉnh xung dòng điện : Ipik = 300A -Tổn hao điện áp ở trạng thái mở Diod: ΔU = 1,4V. -Nhiệt độ cho phép : Tcp = 1800C. II.2.2 Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu. 1. Điện áp chỉnh lưu khi có tải : ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 74 min.do d V dn baU cos U U U Uα = + Δ + Δ + Δ [7] Trong đó : αmin = 100 là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lưới. ΔUV : tổn thất điện áp trên các van bán dẫn. ΔUV = ΔUTmax + ΔUD = 1,8 +1,4 = 3,2V. ΔUdn : Tổn thất điện áp ở dây nối. Coi ΔUdn = 0. ΔUba : sụt áp bên trong máy biến áp khi có tải. Thường chọn ΔUba = (5÷10)%. Vậy ΔUba = 5%.Ud = 5%.25 = 1,25V. Vậy : 0 min 65 3, 2 0 1, 25 70,52 ( ) 10 d V dn ba do U U U UU V cos cosα + Δ + Δ + Δ + + += = = 2. Công suất tối đa của tải : . 70,52.8,8 620,6 ( )dmax do dP U I W= = = 3. Công suất biến áp nguồn cấp : . 1,05.620,6 661,6 ( )ba s dmaxS k P VA= = = 4. Điện áp pha sơ cấp máy biến áp : U1p = U1 = 400V. 5. Điện áp pha thứ cấp máy biến áp : 2 2 70,52 30,15 ( ) 3. 6 do f u UU U V k π = = = = 6. Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp : 2 2. .8,8 7,19 ( ) 3i d I k I A= = = Trong đó : [ ]2 7 3i k = 7. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp : 21 2 2 1 30,15. . .7,19 0,54 ( ) 400ba UI k I I A U = = = = II.2.3 Tính chọn các thiết bị bảo vệ : 1. Bảo vệ quá dòng điện cho van. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 75 Áptômat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch khi quá tải và ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp. Aptômat phải có Iđm = 1,1.Id1 = 1,1. 3 .0,54 = 1,03(A). Chỉnh định dòng ngắn mạch : 12,5. 2,5. 3.0,54 2,34 ( )nm dI I A= = = Dòng quá tải : 11,6. 1,6. 3.0,54 1,5 ( )qt dI I A= = = Cầu dao có dòng định mức : 1,03 ( )dm dmApI I A= = Cầu chảy : dùng cầu chảy tác động nhanh bảo vệ ngắn mạch Thyristor. Nhóm 1cc : dòng điện định mức nhóm dây chảy 1cc : 1 21,1. 1,1.7,19 7,91 ( )ccI I A= = = Nhóm 2cc : dòng điện định mức nhóm dây chảy 2cc : 2 1,1. 1,1.5,1 5,261 ( )cc hdI I A= = = Nhóm 3cc : dòng điện định mức nhóm dây chảy 3cc : 3 1,1. 1,1.8,8 9,7 ( )cc dI I A= = = Như vậy ta chọn : +1 Aptômat loại Hi-Mec 30AF loại ABE30a có thông số : Điện áp cách điện định mức : Ucđ = 490V. Điện áp xung định mức : Uimp = 6kV. Điện áp phục vụ tối đa định mức : Ue = 460V. Dòng điện định mức ở 400C : Iđm = 3A. +1 cầu dao có dòng định mức : Iđm ≥ 2A. + Cầu chẩy nhóm : 1cc có Iđm ≥ 8A. 2cc có Iđm ≥ 6A. 3cc có Iđm ≥ 10A. 2. Bảo vệ quá điện áp cho van : Để bảo vệ quá điện áp cho van do quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Thyristor và Diod. Hình II.2 Mạch bảo vệ quá điện áp cho van. R1 C1 TA R1 C1 DA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 76 Khi có sự chuyển mạch do phóng điện từ van ra ngoài tạo nên xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp p-n. Mạch R-C mắc song song với van bán dẫn tạo thành mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van. Theo kinh nghiệm R1 = (5 ÷ 30)Ω ; C1 = (0,25 ÷ 4)μF. Chọn theo tài liệu [7] : R1 = 5,5(Ω) và C1 = 0,25μF. 3.Bảo vệ van bán dẫn khỏi đánh thủng do xung điện áp từ lưới. Chúng ta mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R-C nhằm lọc xung. Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như hoàn toàn nằm lại trên điện trở đường dây. Trị số R2, C2 được chọn theo tài liệu [7] : R2 = 12,5Ω và C2 = 4μF. Hình II.3 Mạch bảo vệ van tránh xung điện áp từ lưới. 4. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn. Khi van bán dẫn làm việc có dòng điện chạy qua , trên van có sụt áp , do đó có tổn hao công suất ΔP, tổn hao này sinh nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác , van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép (Tcp). Nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn ta phải chọn hệ thống toả nhiệt hợp lý. Tổn thất công suất trên 1 Thyristor : . 1,8.5,1 9,18 ( )lvP U I wΔ =Δ = = Diện tích bề mặt toả nhiệt : 29,18 0,029 ( ) . 8.40m m PS m k τ Δ= = = Trong đó : km = 8 (w/m2.0C) là hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. 080 40 40lv mtT T Cτ = − = − = độ chênh nhiệt . Tmt = 400C nhiệt độ môi trường. Nhiệt độ làm việc cực đại của van là 1250C. Do đó chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt là : Tlv = 800C Vậy Sm = 0,029(m2 ) = 290(cm2). Chọn loại cánh toả nhiệt có 6 cánh , kích thước mỗi cánh : • • • • • R2 C2 R2 C2 C2 R2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 77 a×b = 5×5(cm×cm). Với a là chiều cao cánh toả nhiệt, b là chiều rộng cánh toả nhiệt. Tổng diịen tích toả nhiệt của cánh : S = 6.2.5.5 = 300(cm2). CHƯƠNG III THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 78 III.1 Mạch điều khiển Thyristor đơn giản. Hình III.1 Điều khiển Thyristor bằng sơ đồ đơn giản. Nguyên lý điều khiển của mạch hình III.1a : Khi điện áp nguồn cấp đổi dấu ( dương Anod của Thyristor ) tụ C được nạp qua D-VR , tơi đủ ngưỡng thông Thyristor tại t1 Thyristor được mở từ t1 đến π . Tuy nhiên việc mở thông Thyristor tại t1 phụ thuộc vào đặc tính của Thyristor . Đặc tính này sẽ thay đổi trong qúa trình sử dụng. Để khắc phục nhược điểm trên ta dùng sơ đồ III.1c. Nguyên lý như sau : khi điện áp nguồn cấp đổi dấu tụ C nạp đến ngưỡng thông Tranzitor đơn nối (UJT), tụ C phóng điện qua UJT và UJT dẫn có dòng điện chạy vào cực điều khiển của Thyristor , Thyristor được dẫn từ t1 tới π. Điểm t1 trên hình III.1d do • • U1 T Ud ZT D VR C i1 U t t1 U2 π Uc ZT • • U1 T Ud D i1 VR C UJT R1 R2 D0 U t t1 U2 π Uc UUJT Hình d Hình c c3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 79 ngưỡng thông của UJT quyết định. ĐIện áp này ít có khả năng thay đổi hơn so với trường hợp III.1a. III.2 Nguyên lý thiết kế mạch điều khiển. Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi chỉnh lưu, vì nó đóng vai trò chủ yếu quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Nhiệm vụ của nó là biến đổi các tín hiệu điều khiển thành các xung hoặc chùm xung đưa vào cực điều khiển của Thyristor . Thyristor sẽ mở cho dòng chảy qua khi có điện áp dương Anod _Catod và có xung dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi Thyristor đã mở xong thì xung điều khiển không còn tác dụng nữa. Dòng chảy qua Thyristor do thông số của mạch lực quyết định. Hiện nay trong tực tế người ta thường dùng nguyên tắc điều khiển "đứng". là phương pháp tạo góc α thay đổi bằng cách dịch chuyển điện áp điều khiển theo phương thẳng đứng so với điện áp răng cưa. Tại tời điểm điện áp điều khiển bằng điêïn áp răng cưa thì bộ so sánh sẽ tạo ra xung tam giác (hoặc vuông), xung này sẽ qua bộ khuếch đại và tạo xung điều khiển cần thiết để mở Thyristor . Trong nguyên tắc này được chia làm hai loại sau : +Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. +Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng cosin. *Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Khi điện áp xoay chiều hình sin đăït vào Anod của Thyristor , để có thể điều khiển được góc mở α của Thyristor trong vùng điện áp dương Anod cần tạo một điện áp tựa tam giác (điện áp răng cưa Urc). Dùng một điện áp một chiều Uđk so sánh với Urc ( tai t1 ; t4 ). Khi đó Uđk = Urc trong vùng điện áp dương Anod thì phát xung điều khiển Xđk. Thyristor được mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1, t4) cho tới cuối bán kỳ (hoặc khi dòng điện đếùn không). Urc Udf t t Uđk Xđk ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 80 Hình III.2 Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu. Như vậy bằng cách làm thay đổi Uđk người ta có thể điềøu chỉnh được thời điểm mở Thyristor , do đó điều chỉnh được điện áp ra.Nhược điểm của phương pháp này là điều khiển không được chính xác, nhưng cũng có ưu điểm là việc tạo điện áp tựa Urc dễ dàng. * Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng cosin. Người ta tạo điêïn áp tựa là điện áp dịch pha so với điện áp lưới một góc 600 (đối với lưới điện ba pha), điện áp dịch pha ấy là điện áp cos. Dùng một điện áp một chiều so sánh với điện áp tựa cos, tại thời điểm điện áp tựa bằng điện áp điều khiển trong vùng điện áp dương Anod thì phát xung để mở Thyristor . U t Uđk t t Urc Hình III.3 Nguyên lý điều khiển thẳng đứng cosin ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 81 Ưu điểm của phương pháp này cho ta kết quả Ud = f(Uđk) là tuyến tính, điều này nâng cao độ chính xác khi điều khiển và do đó có lợi cho việc điều chỉnh hệ thống. Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là việc tạo điện áp tựa có dạng cosin là rất khó khăn, hơn nữa vì Urc có dạng hình cos nên điều khiển kém nhạy và có thể mất điều khiển tại vùng đó. Qua phân tích hai phương pháp điều khiển trên, ta thấy mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng. Tuy nhiên với đồ án này ta sẽ chọn nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính đểû thực hiện cấp xung mở Thyristor. III.3 Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu. Hình III.4 Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu. Mạch điều khiển bao gồm ba khâu cơ bản như trên hình III.3. Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối như sau : Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điệ áp tựa Urc trùng pha với điện áp Anod của Thyristor . Khâu so sánh sẽ nhận tín hiệu điện áp răng cưa Urc và điện áp điều khiển Uđk. Có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp răng cưa Urc và điện áp điều khiển Uđk , tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại. Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor . Đồng pha So sánh Tạo xung UĐK tx Xđk t tx Xđk t ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 82 Hình III.5 Hình dạng xung điều khiển Thyristor . Yêu cầu của xung để mở Thyristor : -Sườn trước dốâc thẳng đứng như trên hình III.4 để đảm bảo yêu cầu Thyristor mở tức thời khi có xung điều khiển. -Đủ độ rộng (với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của Thyristor ). -Đủ công suất. -Cách ly giữa mạch động lực và mạch điều khiển. III.4 Thiết kế sơ đồ nguyên lý. Yêu cầu đối với mạch điều khiển : -Mạch điều khiển làm bộ nguồn chỉnh lưu. -Dải diều khiển của tải lớn, không cần đảo chiều, điều khiển liên tục. -Điều kiện làm việc của thiết bị là chế độ làm việc dài hạn, nhiệt độ làm việc bình thường. III.4.1 Giới thiệu một số sơ đồ trong các khâu. 1.Khâu đồng pha. *Dùng Diod và tụ điện. +Hoạt động của sơ đồ như sau : Khi điện áp UA > 0 có dòng điện chạy qua R1, D1 , D2 khi đó điện thế tại ba điểm B,C, O bằng nhau. Như vậy điện áp Urc = 0. Urc A B D1 UAT - E R2D2 R1 0 C1 t 0 2π 3π Urc UAT t 0 U π θ Hình III.6: Khâu đồng pha dùng Diod và tụ điện. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 83 Khi điện áp UA < 0 thì D1, D2 đều khóa, tụ C đựơc nạp theo đường R2 - C Với điện áp âm ở bản cực trên, điện áp âm ở bản cực đưới (hình III.6). Tụ nạp cho đến khi điện áp âm của tụ bằng điện áp âm của A(thời điểm θ trên giản đồ đường cong điện áp). Khi điện áp của tụ âm hơn điêïn áp của A thì tụ xả qua Diod D2 tạo nên điện áp răng cưa (Urc ≠ 0). Sơ đồ này đơn giản, dễ thực hiện, số linh kiện ít nhưng chất lượng điện áp tựa không tốt. Độ dài của phần biến thiên tuyến tính của điện áp tựa không phủ hết 1800. Do vậy góc mở van lớn nhất bị giới hạn hay nói cách khác theo sơ đồ này điện áp tải không thể điều khiển từ không cho đến cực đại mà từ một trị số nào đó cho đến cực đại.. *Khâu tạo điện áp tựa dùng Tranzitor và tụ điện. +Hoạt động của sơ đồ như sau : Khi điện áp UAO > 0 có dòng điện chạy qua R1,D1 Tranzitor bị khóa và tụ C1 được nạp theo đường R2-C với bản cực duơng ở dươí , bản cực trên âm như hình vẽ. - E 0 t t UA π 2 π 3π Urc U 0 Urc C C1 D1 UAT R2 R1 0 Tr A B + - Hình III.7 Khâu đồng pha dùng Tranzitor và tụ điện. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 84 Khi UAO < 0 thì Tranzitor dẫn , tụ C1 xả theo đường C1+ - Tr - C1- tạo nên điện áp tựa Urc. Khi tụ xả hết Urc = 0. Chu kỳ sau lặp lại tương tự. Ưu điểm điều khiển trong suốt dải từ (00 ÷ 1800). Sơ đồ này đơn giản nên được dùng khá phổ biến hiện nay. Nhược điểm củùa sơ đồ này là dùng máy biến áp đồng pha chế tạo khó khăn . *Khâu tạo điện áp tựa dùng bộ ghép quang. +Hoạt động của sơ đồ : Khi UAT > 0 thì D dẫn , Diod quang DQ khóa làm cho Tranzitor quang TrQ khóa , tụ nạp theo đường E - R2 - C, với bản cực dương ở trên âm ở dưới như hình III.8., hằng số thời gian T = R2.C Khi UAT < 0 thì D khóa, Diod quang DQ dẫn làm cho Tranzitor quang TrQ dẫn , tụ sẽ xả tạo điện áp răng cưa Urc Sơ đồ này và sơ đồ khâu đồng pha dùng Tranzitor và tụ có chất lượng điện áp tựa tương đối giống nhau. Nhưng sơ đồ này ưu điểm hơn ở chỗ không cần biến áp đồng pha , do đó đơn giản hơn trong việc chế tạo và lắp đặt. *Khâu tạo điện áp tựa dùng khuếch đại thuật toán. A U t t UA 2π 3π Urc 0 0 Urc DQ UAT R +E TrQ + - R2 D C1 π Hình III.8 Khâu đồng pha dùng bộ ghép quang. U R R D A A Urc R C Tr + + 0 C A B 0 t U UAT 2π 3π t UB 0 π ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 85 +Hoạt động của sơ đồ : Điện áp vào tại điểm A (UA)có dạng hình sin qua khuếch đại thuật toán A1 cho ta chuỗi xung chữ nhật đối xứng UB. Khi UB > 0 thì Tranzitor khóa , Diod D1 phân cực thuận mở cho dòng điện chạy qua khâu tích phân A2 tạo ra điện áp Urc. Khi UB < 0 Diod D1 phân cực ngược nên bị khóa , lúc này Tranzitor thông , tụ C1 xả hết .Kết quả là A2 bị ngắn mạch (với Urc = 0 ). Trên đầu ra của A2 chúng ta có chuỗi điện áp răng cưa Urc gián đoạn. Nhận xét : ở đây dùng vi mạch cho nên sơ đồ này có chất lượng điện áp tựa tốt, kích thước gọn nhẹ. Qua phân tích các sơ đồ của khâu đồng pha tạo điện áp tựa ở trên, ta nhận thấy nên chọn khâu đồng pha dùng bộ ghép quang. Với bộ ghép quang việc lắp đặt và chế tạo đơn giản , dễ dàng hơn. Đặc biệt không phải sử dụng biến áp đồng pha nhưng chất lượng điện áp tựa vẫn khá tốt. Hơn nữa hiện nay bộ ghép quang này cũng được chế tạo hợp bộ nên rất thuận tiện và đơn giản khi sử dụng chúng. Chẳng hạn bộ ghép quang 4N35 . Hình III.10 Tổng quan bộ ghép quang 4N35. 2.Khâu so sánh *Khâu so sánh dùng Tranzitor. DQ TQ Ura -E Urc Uđk R1 R3 B + Tr 0 U Uđk Uα - Uđk Urc θ1 θ2 θ3 θ4 t ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 86 +Nguyên tắc hoạt động : Theo hình vẽ ta thấy điện áp vào có dạng răng cưa được so sánh với Uđk , tại các điểm θ1, θ3 điện áp răng cưa bằng điện áp điều khiển. Tại đó ta phát xung điều khiển Thyristor . -Từ 0 ÷ θ1 : | Uđk | > | Urc | và UB > 0 làm Tranzitor Tr khóa, điện áp ra raU E= − . -Từ θ1 ÷ θ2 : | Uđk | < | Urc | và UB < 0 làm Tranzitor Tr dẫn, điện áp ra 0raU = . Việc so sánh bằng Tranzitor có nhược điểm tại θ1, θ3 điện áp biến thiên như hình vẽ chỉ đúng trong trường hợp lý thuyết. Còn trong thực tế nó là đường xiên vì có một vùng gần 0 làm việc ở chế độ khuếch đại. Khi đó tại tời điểm phát lệnh mở Thyristor là t1 nhưng Thyristor sẽ thực sự mở sau t1 . Do đó thởi điểm mở Thyristor thiếu chính xác. Để khắc phục nhược điểm mở Thyristor ở trên, với sự ra đời của khuếch đại thuật toán thì khuếch đại thuật toán được dùng làm khâu so sánh trong các mạch điều khiển rất phổ biến. *Khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán. (a) (b) t1 R1 R2 A3 +Ung Ura -Ung -Urc Uđk -Uđk Ura R1 R2 A3 +Ung -Ung -Urc 0 t U Uđk Urc θ1 θ2 Ura t θ3 0 θ4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 87 (c) (a): Cộng một cổng đảo của khuếch đai thuật toán. (b): Hai cổng của khuếch đại thuật toán. (c): Đường cong điện áp. +Nguyên tắc hoạt động : Cả hai sơ đồ đều có nguyên lý giống nhau. -Từ thời điểm 0 ÷ θ1 : | Uđk | > | Urc | thì Ura = - Ung. - Từ θ1 ÷ θ2 : | Uđk | < | Urc | thì Ura = + Ung. -Tại các thời điểm : | Uđk | = | Urc | thì Ura = 0. Hai sơ đồ nàycó ưu điểm hơn hẳn sơ đồ III.11 là có thể phát xung điều khiển chính xác tại : Uđk = Urc . Qua phân tích các sơ đồ của mạch so sánh ta chọn khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán, cụ thể chọn sơ đồ III.12b. Bởi vì với sơ đồ này chúng ta có thể phát xung điều khiển Thyristor một cách chính xác tại Uđk = Urc. 3.Khâu tạo xung khuếch đại. *Sơ đồ khâu tạo xung khuếch đại dùng Tranzitor công suất. Xđk Ic θ1 θ2 θ3 θ4 t t UV U 0 0 R1 R2 +E D1 D2 Tr TBAX ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 88 Hình III.13 Khâu tạo xung khuếch đại bằng Tranzitor công suất. Nhiệm vụ : khâu tạo xung khuếch đại là tạo xung phù hợp để mở Thyristor , tầng khuếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng Tranzitor công suất. Để có xung gửi tới Thyristor ta dùng biến áp xung (BAX), Tranzitor công suất (Tr) để khuếch đại công suất, Diod (D) để bảo vệ Tr và cuộn dây sơ cấp BAX khi Tr khóa đột ngột. Sơ đồ này đơn giản nhưng ít được dùng rộng rãi. Bởi vì hệ số khuếch đại của Tranzitor loại này nhiều khi không đủ lớn, để khuếch đại tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang. * Tạo xung khuếch đại bằng sơ đồ Dalington. Hình III.14 Tạo xung khuếch đại sơ đồ Dalington. Sơ đồ này đã khắc phục được nhược điểm của sơ đồ III.13 nên nó thường được sử dụng trong thực tế, nó có thể đáp ứng được yêu cầu về khuếch đại công suất, hệ số khuếch đại được nhân lên theo thông số của Tranzitor. Tuy nhiên lại có nhược điểm ccông suất tỏa nhiệt của Tranzitor quá lớn và kích thước máy biến áp xung lớn. Để giảm nhỏ công suất tỏa nhiệt của Tranzitor và kích thước dây sơ cấp biến áp xung ta thêm tụ nối tầng. *Khâu khuếch đại tạo xung bằng sơ đồ có tụ nối tầng. R2 +E D1 D2 Tr2 UV R1 T BAX Tr1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 89 Hình III.15 Sơ đồ tạo xung khuếch đại có tụ nối tầng. Theo sơ đồ này, Tranzitor chỉ mở cho dòng chạy qua trong khoảng thời gian nạp tụ nên dòng hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần. Qua trên ta chọn khâu tạo xung khuếch đại hình III.15 là sơ đồ tạo xung khuếch đại có tụ nối tầng. Bởi vì sơ đồ này có ưu điểm hơn các sơ đồ khác như dòng hiệu dụng qua Tranzitor bé, công suất tỏa nhiệt của Tranzitor không lớn, kích thước dây sơ cấp biến áp xung bé hơn. III.4.2 Xây dựng mạch điều khiển. Với yêu cầu điều khiển có chất lượng tốt ta chọn khâu đồng pha hình III.8 tức là dùng bộ ghép quang. Với khâu đồng pha dùng bộ ghép quang sẽ rất đơn giản và thuận tiện cho lắp ráp. Không cần tính toán máy biến áp đồng pha. R2 +E D2 D3 Tr2 UV R1 TBAX Tr1 C D1 ic(tu)ï θ1 θ2 θ3 θ4 Xđk t t t UV U 0 0 t t 0 0 0 ib ic(Tr) i Xđk ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 90 Khâu so sánh chọn sơ đồ cộng hai cổng đảo khuếch đại thuật toán hình III.12b vì với sơ đồ này có ít nhiễu nhất đối với các kênh khác. Hơn nữa tín hiệu vào hai cổng độc lập nên không xảy ra hiện tượng mạch giả. Tầng tạo xung khuếch đại dùng sơ đồ tụ nối tầng hình III.15. Với sơ đồ này sẽ giảm được dòng đưa vào bộ khuếch đại. Ta có sơ đồ điều khiển một kênh như sau : Hình III.16 Sơ đồ một kênh mạch điều khiển Thyristor. Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ III.18 : A B DQ UAT R1 1 + TrQ R2 D C1 Urc Uđk R3 R2 A +Ung -Ung R5 + D2 D3 Tr2 R4 TBAX Tr1 C D1 U'A U t t UAT 2π 3π Urc 0 0 π t t t UB Uđk ib Xđk 0 0 0 t1 t2 t3 t4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 91 Hình III.17 Giản đồ các đường cong dòng điện và điện áp. Giải thích hoạt động : khâu đồng pha cho ta điện điện áp UA' . Đó là điện áp Urc dương. Điện áp tựa này được so sánh với điện áp điều khiển đưa vào Uđk . Hai tín hiệu này giao nhau tại t1, t2 , t3 , t4. Từ 0 ÷ t1 : điện áp tựa Urc nhỏ hơn điện áp điều khiển Uđk . Điện áp ra sẽ là Ura = +Ubh (điện áp bão hòa dương). Từ t1 ÷ t2 : Urc lớn hơn Uđk . Điện áp ra sẽ nhận giá trị dấu của Urc. Vì tín hiệu Urc đưa vào cổng trừ (-) của khuếch đại thuật toán nên tín hiệu ra sẽ đảo dấu. Tương tự như vậy, các chu kỳ kế tiếp lặp lại ta có điện áp UB. Ở đây chúng ta sử dụng bóng ngược (Tranzitor ) cho nên khi UB đổi dấu từ âm sang dương thì sẽ có dòng ib (trên hình vẽ bỏ qua chu kỳ đầu tiên). Khi UB mang dấu dương, bên trái tụ mang dấu dương. Lúc này tụ C sẽ được nạp. Khi UB đổi dấu dương sang âm, tụ C xả năng lượng qua Diod D. Do đó có dòng ib và dòng ic tương ứng với các xung điều khiển đưa vào để kích mở Thyristor . Tuy nhiên theo yêu cầu điều khiển Thyristor là phải điều khiển Thyristor mở ở phần dương điện áp UAT. Nhưng ở đây thời điểm mở Thyristor không đúng vì thời điểm mở Thyristor tại t1 lại không thực hiện được. Trong khi đó có lệnh mở Thyristor tại t2 và t4. Muốn có xung điều khiển mở Thyristor tại t1 và t3 ta phải ra lệnh tại sườn xuống của UB. Có nhiều cách để thay đổi UB, ở đây ta mắc thêm vào mạch điều khiển một khuếch đại đảo vào sau UB (hoặc sử dụng khuếch đại đảo logic vì UB là sóng vuông). Khi đó ta sẽ có dòng ib tại sườn xuống của UB nên có xung điều khiển kích mở Thyristor tại t1 và t3. Đối với việc điều chỉnh : khi thay đổi Uđk thì ta thay đổi được điện áp kích từ và dòng điện kích từ. Nguyên lý điều chỉnh điện áp là khi thay đổi Uđk từ 0 đến Ubh thì độ rộng của điện áp kích từ Ukt sẽ tăng từ 0 đến π hay điện áp kích từ sẽ tăng từ 0 đến Uktmax. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 92 Hình III.18 Giản đồ các đường cong dòng điện, điện áp và điện áp tải. U t t UAT 2π 3π Urc 0 0 π t t t UB Uđk ib Xđk 0 0 0 t1 t2 t3 t4 t UD 0 0 t Ud R d L d T A T B T C D A D B D C A P A C B A C B M FĐ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 93 Hình III.19 Sơ đồ mạch điều chỉnh kích từ tổng quát. III.5 Tính chọn 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 mở xung Thyristor . Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển : . +Điện áp điều khiển Thyristor : Ug = Uđk = 2,5(V). +Dòng điện điều khiển Thyristor : Ig = Iđk = 0,05(A). ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 94 III.5.1 Tính chọn biến áp xung. Chọn vật liệu làm lõi sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hóa có mật độ từ cảm bé, không có khe hở không khí. +Tỷ số biến áp xung : thường máy biến áp m = 2 ÷ 3. Chọn m = 3. +Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung : U2 = Uđk = 2,5(V). + Điện áp cuộn sơ cấp máy biến áp xung : U1 = m.U2 = 3.2,5 = 7,5(V). +Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung : I2 = Iđk = 0,05(A). +Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung : I1 = I2/m = 0,05/3 = 0,017(A). III.5.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng. Chọn Tranzitor công suất Tr2 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số : +Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn là Si. +Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch là : UCBO = 40V. +Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch là : UEBO = 4V. +Dòng điện lớn nhất ở Colectơ có thể chịu đựng : ICmax = 500mA. +Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tmax = 1750C. +Hệ số khuếch đại : β = 50. +Dòng làm việc của Colectơ : IC2 = I1 = 0,05.1000 = 50mA. +Dòng làm việc của Bazơ : IB2 = IC2/β = 50/50 = 1mA. Ta thấy rằng với loại Thyristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé Uđk = 2,5V và Iđk = 0,05A nên dòng Colectơ - Bazơ của Tr2 khá bé. Chọn nguồn cấp cho biến áp xung : E = UN = +12V. Ta phải mắc thêm điện trở R7 nối tiếp với cực Emitơ của Tr2. 17 1 ( ) 12 7,5 265 ( ) 0,017 E UR I − −= = = Ω Tất cả các Diod trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số : +Dòng điện định mức : Iđm = 1,0A. +Điện áp ngược lớn nhất : UNmax = 25V. +Điện áp để cho Diod mở thông : Um = 1V. Chọn tụ C2 và R6 . Điện trở R6 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ của Tr2, chọn R6 thỏa mãn điều kiện : ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 95 6 2 12 12 ( ) 0, 001B UR K I ≥ = = Ω Tụ C2 được chọn phụ thuộc vào độ rộng xung điều khiển. Nó được tính : 2 6. xC R t= từ đó tính ra 2 6 ( )xtC F R μ= III.5.3 Chọn tầng so sánh. Mỗi kênh điều khiển phải dùng hai khuếch đại thuật toán, ta chọn loại TL084 do hãng TexasInstrument chế tạo. Mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán. Thông số của TL084 : +Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ±18V. Chọn điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển : UN = E = ±12V. +Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : ±30V. +Nhiệt độ làm việc : Tlv = -25 ÷ 850C. +Công suất tiêu thụ : P = 680(mW) = 0,68W. +Tổng trở đầu vào : Rin = 106MΩ. +Dòng điện đầu ra : Ira = 30pA. +Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : 13 ( / )dU V s dt μ= Dòng điện vào tốt nhất nên chọn nhỏ hơn 3mA. Vì tín hiệu ở tầng so sánh đưa sang tối đa là 3mA sau khi khuếch đại nó sẽ đủ công suất để cho Tranzitor mở bão hòa. Ở đây chọn dòng vào IV = 1mA. Khuếch đại thuật toán đã chọn TL084. Chọn 3 4 3 12 12 ( ) 1.10 V V UR R K I − = > = = Ω Hình III.20 Sơ đồ chân IC TL084 14 7 6 54321 10 9 8 13 12 11 - Vcc +Vcc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 96 Trong đó với nguồn nuôi Vcc = ±12V thì điện áp vào A1 là UV ≈ 12V. Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1mA. Do đó ta chọn R3 = R4 = 15KΩ. Khi đó dòng vào A1 cực đại sẽ là : 3 12 0,8 ( ) 15.10 V Vmax UI mA R = = = Chọn 5 3 12 12 ( ) 1.10 V ht V UR R K I − = = = = Ω Tương tự như trên nên ta chọn R5 = Rht = 15KΩ. III.5.4 Tính chọn khâu đồng pha. Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C. Mặt khác để đảm bảo điện áp tụ có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được Tr = R2.C = 0,005s. Chọn tụ C = 0,1μF. thì điện trở R2 = Tr/C = 0,005/0,1.10-6 = 50.103Ω. Vậy R2 = 50KΩ. Điện áp ra bão hòa của khuếch đại thuật toán : Ubh = ±E ± 1 = ± 11V. Chọn bộ ghép quang DQ - TQ loại 4N35 có các thông số sau : Điện thế cách điện : 3350V. Điện thế : Vcc = 30V. Dòng điện qua Diod quang lớn nhất là : Imax = 10mA. Chọn dòng làm việc chạy qua Diod quang : IDQ = 3mA. Vậy R1 = UV/IDQ = 30,15/3.10-3 = 10,05KΩ. III.5.5 Tạo nguồn nuôi. Tính chọn máy biến áp tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ, trên mỗi trụ có bốn cuộn dây gồm một cuộn sơ cấp và ba cuộn thứ cấp. *Cuộn cấp thứ nhất. Tạo ra nguồn điện áp ±12V (có ổn áp) để cấp cho nuôi IC , các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ, điện áp. Nguồn này được cấp bởi cuộn dây thứ cấp a1,b1, c1. Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng Diod , điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi : U2 = 12/2,34 = 5,13V, ta chọn U2 = 9V. Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 và 7912. Thông số chung của vi mạch này : +Điện áp đầu vào : UV = 7 ÷ 35V. +Điện áp đầu ra : Ura = 12V với IC 7812 và Ura = - 12V với IC 7912. +Dòng điện đầu ra : Ira = 0 ÷ 1A. Tụ C4, C5 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao. Chọn : C4 = C5 = C6 = C7 = 470μF. *Cuộn cấp thứ hai. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 97 a2, b2, c2 tạo nguồn nuôi cho biến áp xung, cấp xung điều khiển cho các Thyristor (+12V). Do mức độ sụt xung cho phép tương đối lớn cho nên nguồn này không cần ổn áp. Cần chế tạo cuộn dây này riêng rẽ cới cuộn dây cấp nguồn cho IC để tránh gây sụt áp nguồn nuôi. *Cuộn cấp thứ ba. a3, b3, c3 là cuộn dây cấp điện cho bộ chỉnh lưu cầu ba pha để lấy tín hiệu âm điện áp cung cấp cho khâu phản hồi điện áp. Đối với nguồn cấp cho khâu đồng pha ta có thể sử dụng trực tiếp điện áp thứ cấp của biến áp chỉnh lưu đưa vào khâu đồng pha. 7812 7912 +12V -12V 12 400V∼ C4 C5 C6 C7 O c2 b2 a2 c1 b1 a1 C B A RV1 C' ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 98 Hình III.21 Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn nuôi mạch điều khiển. III.6 Tính chọn khâu phản hồi. III.6.1 Sơ đồ khâu phản hồi dòng. III.22 Khâu phản hồi dòng. • • • − RV1 Uđặt U R8 R9 R11 A3 Uđk A B C Ri Ri Ri RV3 Uph.I DZ2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 99 Hình III.22 Sơ đồ mạch cộng đảo. Khâu đồng pha tạo ra điện áp răng cưa Urc tại nút A là U'A . Tín hiệu ra của khâu này cùng pha với tín hiệu vào. Điện áp răng cưa được gởi qua khâu so sánh A2. Tại đây A2 thực hiện phép so sánh giữa điện áp răng cưa Urc và điện áp điều khiển Uđk. Nguyên lý ổn định điện áp trong sơ đồ được mô tả như sau : Điện áp điều khiển Uđk được lấy từ mạch cộng đảo A3 bởi ba tín hiệu Uđặt, Uph.U và Uph.I. Hệ thống ổn định điện áp ở đầu cực máy phát xoay chiều không máy phụ. Đại lượng cần điều chỉnh là điện áp đầu cực máy phát xoay chiều Umf vàø dòng điện Imf. Giá trị chủ đạo của Uđk được phát từ biến trở RV1, đó là giá trị Uđặt có nguồn cung cấp +E được lấy từ nguồn +12V và 0 của vi mạch ổn áp 7812 qua điện trở R8. Xác định giá tri tín hiệu điều khiển : . .( )dk dat ph U ph IU K U U U= − − + Trong đó : K : Hệ số điện trở. Uđặt : Điện áp lấy từ chiết áp RV1 qua R8. Uph.U : Điện áp phản hồi tỷ lệ với điện áp máy phát được lấy từ chiết áp RV2 qua R9. Uph.I : Điện áp phản hồi dòng được lấy từ chiết áp RV3 qua điện trở R10. Khi phụ tải của máy phát giảm thì điện áp cuỉa máy phát Umf tăng lên. Lúc này nhiệm vụ của mạch ổn định điện áp là phải giảm dòng kích từ (Ikt) tức là giảm Ukt hoặc giảm Uđk để điện áp của máy phát giảm về mức ổn định cho phép. Với sơ đồ mạch điều khiển được thiết kế có phản hồi âm điện áp, dương dòng điện thì khi Umf tăng dẫn đến Uph.U tăng và Uph.I giảm (có ngắt nên Uph.I = 0) ta có : Uđk = -K(Uđặt - Uph.U). Mà Uph.U tăng nên dẫn đến Uđk giảm kéo theo Ukt giảm và Umf giảm về mức ổn định. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 100 Ngược lại, khi phụ tải của máy phát tăng lên làm cho Umf giảm và Imf tăng thì mạch điều khiển cần phải tự động tăng Uđk để tăng Ukt dẫn đến tăng Umf đến mức ổn định điện áp. Như vậy nguyên lý ổn áp ở đây là điện áp của máy phát giảm (Umf giảm ) dẫn đến Uph.U giảm , đồng thời Uph.I tăng ( có phản hồi dòng). Cho ta Uđk tăng và làm cho điện áp máy phát tăng đến điện áp ổn định. Ta có sơ đồ khối của mạch ổn định điện áp như sau : Hình III.23 Sơ đồ khối hệ thống ổn định điện áp máy phát. III.6.2 Tính chọn khâu phản hồi dòng và phản hồi áp. Ta có : 8 9 10. . 11 11 11 ( . . . )dk dat ph U ph I R R RU U U U R R R = − − + Khi điện áp đầu cực máy phát Umf có giá trị nằm trong khoảng 0,95.Ufđm<Umf<1,05.Ufđm. thì khâu phản hồi dòng điện không làm việc vì trong vùng điện áp này điện áp ra U1 của bộ chỉnh lưu phản hồi dòng nhỏ không đủ làm dẫn thông Diod ổn áp DZ2 ta có : 8 9 . 11 11 ( . . )dk dat ph U R RU U U R R = − − Trị số điện áp đặt : Uđặt = KCA.(+UN) = KCA.12 (V) Với KCA < 1. Dòng điện pha định mức là Ifđm = 17,32(A). Nên chọn biến dòng có I1đm>1,1.Ifđm = 1,1.17,32 = 19,05(A). a.Tính khâu phản hồi dòng : *Chọn máy biến dòng : Như vậy chọn máy biến dòng hạ thế kiểu đúc Êpôxy loại CT-0,6 do công ty thiết bị đo điện (EMIC) chế tạo BD1 trong [11] có các thông số như sau : -Điện áp định mức : Uđm = 0,6(kV) = 600(V). -Dòng điện sơ cấp định mức : I1đm = 50(A). Điều khiển Cuộn KT MFĐ UĐK ph.u ph.i Ukt Umf Uđặt ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 101 -Dòng điện thứ cấp định mức : Iđm = 5(A). -Công suất định mức ở cấp chính xác 0,5 : Sđm = 2,5(VA). Điện áp ra của bộ chỉnh lưu cầu phản hồi dòng : . . .CLi i fdm bd clU K I K K= Trong đó : Kbd = 5 50 = 0,1 : Hệ số biến dòng. Kcl = 2,34 : Hệ số chỉnh lưu cầu ba pha. Chọn : Ki = 1,2 : Hệ số phản hồi dòng. Vậy . . . 1, 2.17,32.0,1.2,34 4,86 ( )CLi i fdm bd clU K I K K V= = = Điện áp xoay chiều trước chỉnh lưu là : 4,86 2,08 ( ) 2,34 CLi s cl UU V K = = = Dòng điện thứ cấp máy biến dòng : 2 5 5. 17,321. 1,732 ( ) 50 50fdm I I A= = = Giá trị điện trở Ri : 2 2,08 1, 2 ( ) 1,732 s i UR I = = = Ω *Chọn Diod ổn áp : Chọn Diod ổn áp DZ2 mã 1N7469 có các thông số sau : -Công suất định mức : Pđm = 500(mW). -Điện áp ổn áp của DZ2 : UZ2 = 4,3(V). RV1 = 10(kΩ). Chọn 6 Diod của bộ chỉnh lưu phản hồi dòng : Điện áp ngược lớn nhất : UND = 6 .4,86 = 11,9(V). +Chọn 6 Diod loại 1N4009 có các thông số như sau : -Dòng điện định mức : IđmD = 10(mA). - Điện áp ngược lớn nhất : UND = 25 (V). -Điện áp rơi trên Diod : UD = 1(V). b.Tính chọn khâu phản hồi áp : *Chọn máy biến áp phản hồi có công suất bé với : -Điện áp phía sơ cấp : U1 = 400(V). -Điện áp phía thứ cấp : U2 = 4,5(V). Điện áp ra của bộ chỉnh lưu cầu phản hồi áp là : UCL = KCL.U2 = 2,34.4,5 = 10,53(V). Trên thực tế thì điện áp dây đầu cực máy phát lớn nhất có thể đạt 440V. Khi đó điện áp pha lớn nhất đạt được là : 440. .230,94 254,03 ( ) 400 dmax fmax fdm ddm UU U V U = = = ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 102 Điện áp đầu ra lớn nhất của bộ chỉnh lưu phản hồi áp là : 2 254,03. . .4,5.2,34 11,58 ( ) 230,94 fmax CLmax CL fdm U U U K V U = = = Chọn Diod : Điện áp ngược lớn nhất : UND = 6 .4,86 = 11,9(V). Như vậy chọn 6 Diod của bộ chỉnh lưu phản hồi áp loại 1N4009 có các thông số như sau : -Dòng điện định mức : IđmD = 10(mA). - Điện áp ngược lớn nhất : UND = 25 (V). -Điện áp rơi trên Diod : UD = 1(V). *Chọn chiết áp RV2 để đơn giản ta chọn RV2 = RV1 = 10(kΩ). Dòng điện cực đại qua chiết áp RV2 : Imax = 3 2 11,58 1,16 ( ) 10.10 CLmax V U mA R = = Chọn dòng điện làm việc qua chiết áp RV2 là : IV2 = 0,95(mA). Chọn A3 là khuếch đại thuât toán TL084 . *Tính các điện trở R8, R9, R10, R11. Khi làm việc ở chế độ định mức thì : Ud = Ukt = 65(V). Udo = 70,52(V). Ta tính được 65 0,922 70,52 d do Ucos U α = = = Điện áp điều khiển định mức : Uđk = Ubh.cosα = 11.0,922 = 10,14(V). Và khi máy phát làm việc ở chế độ định mức thì : 11 11 . 8 9 ( . . )ktdm dat ph U R RU U U R R = − − Chọn Uđặt = 10,5(V). Uph.U = 1,8(V). R11 = 60(kΩ). Từ phương trình trên ta có quan hệ : 11 98 11 . 9 . . . . dat ph U dkdm R R UR R U R U = − Chọn R11 = 60(kΩ) và chọn R9 = 3(kΩ). Tính được R8 = 24,36(kΩ). Chọn R8 = 26(kΩ). Tính R10 : Hệ số quá tải dòng cho phép của đầu cực máy phát : Kqt = Kimax = 1,5. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 103 Điện áp của phản hồi dòng lớn nhất là : Uimax = Kimax.Ifđm.Kbd.Ri.KCL = = 1,5.17,32.0,1.1,2.2,34 = 7,3(V). Chọn dòng vào khuếch đại thuật toán A3 là : IA3 = 1(mA). Vậy : .Im10 3 3 7,3 7,3 ( ) 10 ph ax A U R k I − ≥ = = Ω Chọn điện trở R10 = 30 (kΩ). Ta có sơ đồ hệ thống ổn định điện áp máy phát như sau : TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thiết kế máy điện - Trần Khánh Hà - Nguyễn Hồng Thanh. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2001 [2] Máy điện I - Vũ Gia Hanh - Trần Khánh Hà - Phan Tử Thụ Nguyễn Văn Sáu. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 104 Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 1998 [3] Máy điện II - Vũ Gia Hanh - Trần Khánh Hà - Phan Tử Thụ Nguyễn Văn Sáu. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2001 [4] Máy điện II - Trần Khánh Hà. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 1997 [5] Công nghệ chế tạo máy điện và máy biến áp - Nguyễn Đức Sỹ Nhà xuất bản giáo dục 1995 [6] Điện tử công suất - Lê Văn Doanh - Nguyễn Thế Công Trần Văn Thịnh. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2004 [7] Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất - Trần Văn Thịnh - 2004 [8] Khí cụ điện - Phạm Văn Chới - Bùi Tín Hữu - Nguyễn Tiến Tôn. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2004 [9] 1000 Tranzitor quốc tế - Nguyễn Thế Cường. Viện khoa học Việt Nam _Hà Nội 1987. [10] Thiết kế cấp điện - Ngô Hồng Quang - Vũ Văn Tẩm. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội 2005. [11] Electric measuring instrument company (EMIC). MỤC LỤC Trang Lời nói đầu 1 Phần I : Giới thiệu về máy phát điện xoay chiều 3 I. Định nghĩa và công dụng 3 II. Đặc điểm và cấu tạo 3 II.1 Đặc điểm 4 II.2 Cấu tạo 5 III. Các đặc tính của máy phát đồng bộ 8 III.1 Đặc tính không tải 9 III.2 Đặc tính ngắn mạch và tỷ số ngắn mạch 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 105 III.3 Đặc tính ngoài và độ thay đổi điện áp máy phát 12 III.4 Đặc tính điều chỉnh 13 III.5 Đặc tính tải 13 III.6 Tổn hao và hiệu suất của máy điện đồng bộ 15 Phần II : Thiết kế tính toán điện từ và thiết kế kết cấu 17 Chương I. Tính toán và xác định kích thước chủ yếu 17 Chương II. Tính toán kích thước Stator, dây quấn Stator và khe hở không khí. 20 Chương III.Tính toán cực từ Rôtor 30 Chương IV. Tính toán mạch từ 32 Chương V. Tham số của dây quấn Stator ở chế độ định mức 37 Chương VI. Tính toán dây quấn kích từ và tham số mạch kích từ 42 Chương VII. Tính khối lượng, tính tổn hao và tính toán nhiệt 49 Chương VIII. Tính toán kết cấu 55 Phần III : Thiết kế sơ đồ và tính toán mạch ổn định điện áp 60 Chương I. Khái quát về hệ kích từ máy điện đồng bộ 60 I.1 Đại cương 61 I.2 Các loại hệ kích từ máy điện đồng bộ 61 I.3 Giới thiệu các sơ đồ chỉnh lưu thường gặp 65 Chương II. Tính chọn thiết bị mạch động lực 81 II.1 Sơ đồ mạch động lực 81 II.2 Tính chọn các thông số của mạch động lực 82 II.2.1 Chọn van động lực 82 II.2.2 Chọn máy biến áp chỉnh lưu 83 II.2.3 Chọn các thiết bị bảo vệ 84 Chương III. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ổn định điện áp máy điện đồng bộ 87 III.1 Mạch điều khiển Thyristor đơn giản 87 III.2 Nguyên lý thiết kế mạch điều khiển 88 III.3 Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu 90 III.4 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 91 III.4.1 Giới thiệu một số sơ đồ trong các khâu. 91 III.4.2 Xây dựng mạch điều khiển. 100 III.5 Tính chọn thông số mạch điều khiển . 105 III.5.1 Tính chọn biến áp xung. 105 III.5.2 Tính chọn tầng khuếch đại cuối cùng. 105 III.5.3 Tính chọn tầng so sánh. 106 III.5.4 Tính chọn khâu đồng pha. 107 III.5.5 Tạo nguồn nuôi. 108 III.6 Tính chọn khâu phản hồi. 110 III.6.1 Sơ đồ khâu phản hồi dòng. 110 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 106 III.6.2 Tính chọn khâu phản hồi dòng và phản hồi áp. 112 Tài liệu tham khảo 117