Giới thiệu chung về ăcquy và các chế độ nạp: A. Giới thiệu chung về ắc qui: Ăc-qui là loại bình điện hoá học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm nguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện như động cơ điện, như bóng đèn, làm nguồn nuôi cho các linh kiện điện tử . Các tính năng cơ bản của ăc-quy: -Sức điện động lớn, ít thay đổi khi phóng nạp điện. -Sự tự phóng điện bé nhất. -Năng lượng điện nạp vào bao giờ cũng bé hơn năng lượng điện mà ăcquy phóng ra . -Điện trở trong của ăc-quy nhỏ. Nó bao gồm điện trở của các bản cực ,điện trở dung dịch điện phân có xét đến sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa các bản cực. Thường trị số điện trở trong của ăc-quy khi đã nạp điện đầy là 0.001Ω đến 0.0015Ω và khi ăc-quy phóng điện hoàn toàn là 0.02Ω
55 trang |
Chia sẻ: banmai | Lượt xem: 2189 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đề án - Giới thiệu chung về ăcquy và các chế độ nạp, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
phổ
biến và rộng rãi hơn.
1. Cấu tạo của Ăcqui:
Các bộ phận chủ yếu của ăc-quy a-xit gồm:
-Các lá cực dương làm bằng Pb2 được ghép song song với nhau thành
một bộ chùm cực dương.
-Các lá cực âm làm bằng Pb được ghép song song với nhau thành một bộ
chùm cực âm.
Bộ chùm cực âm và chùm cực dương đặt xen kẽ nhau theo kiểu cài
rănglược, sao cho cứ lá cực âm rồi đến một lá cực dương .
-Lá cách đặt giữa các lá cực âm và lá cực dương để tránh hiện tượng chập
mạch giữa các điện cực khác dấu.
-Vỏ bình điện ăcquy thường làm bằng cao su cứng (êbonit) đúc thành
hinh hộp , chịu được khí nóng lạnh, va chạm mạnh và chịu a-xit. Dưới đáy
bình có các đế cao để dắt các lá cực lên, khi mùn của chất hoạt động rụng
xuống thì đọng dưới rãnh đế như vậy tránh được hiện tượng chập mạch giữa
các điện cực do mùn gây ra. Nắp đậy ăc-quy cũng làm vỏ cao su cứng, nắp
có các lỗ để đổ dung dịch điện phân vào bình và đầu cực luồn qua . Nút đậy
để dung dịch khỏi đổ ra.
-Cầu nối bằng chì để nối tiếp các đầu cực âm của ngăn ăc-quy này với
cực dương của ngăn ăc-quy tiếp theo.
2. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc quy:
ắc qui là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch: nó tích trữ năng
lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng.
Quá trình ắc qui cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình phóng điện,
quá trình ắc qui dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện.
Kí hiệu hoá học biểu diễn ắc qui axit có dung dich điện phân là axit H2SO4
nồng độ d = 1,1 ÷ 1,3 % bản cực âm là Pb và bản cực dương là PbO2 có
dạng :
(- ) Pb ⏐ H2SO4 d = 1,1 ÷ 1,3 ⏐ PbO2 ( + )
Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui axit :
phóng
PbO2 + 2H2SO4 + Pb 2PbSO4 + 2H2O
nạp
Thế điện động E = 2,1 V.
Nhận xét : Từ những điều đã trình bầy ở trên ta nhận thấy trong quá trình
phóng-nạp nồng độ dung dịch điện phân là thay đổi. Khi ắc quy phóng điện
nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi ắc quy nạp điện nồng độ dung
dịch điện phân tăng dần. Do đó ta có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện
phân để đánh giá trạng thái tích điện của ắc quy.
3. Đặc tính của ắc qui:
Đặc tính nạp của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa sức
điện động, điện áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị
số dòng điện nạp không thay đổi .
Từ đồ thị đặc tính nạp ta có các nhận xét sau :
- Trong khoảng thời gian từ tn = 0 đến tn = tgh thì sức điện động, điện áp ,
nồng độ dung dịch điện phân tăng dần.
- Tới thời điểm ts trên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các bọt khí (còn
gọi là hiện tượng" sôi " ) lúc này hiệu điện thế giữa các bản cực của ắc qui
đơn tăng đến 2,4 V. Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới
2,7 V và giữ nguyên. Thời gian này gọi là thời gian nạp no, nó có tác dụng
cho phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực được biến đổi tuần
hoàn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của ắc qui.
- Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc qui kéo dài từ 2 ÷ 3 h trong suốt
thời gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của ắc qui và nồng độ dung dịch
điện phân không thay đổi. Như vậy dung lượng thu được khi ắc qui phóng
điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ắc qui.
- Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ắc qui, nồng độ dung
dịch điện phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là khoảng
nghỉ của ắc qui sau khi nạp.
- Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc
qui. Dòng điện nạp định mức đối với ắc qui là In = 0,1Q10 .
B. Các phương pháp nạp ắc qui tự động:
Có ba phương pháp nạp ắc qui là: +Phương pháp dòng điện.
+Phương pháp điện áp.
+Phương pháp dòng áp.
1. Phương pháp nạp ắcqui với dòng điện không đổi:
Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mỗi
loại ắc qui, bảo đảm cho ắc qui được no. Đây là phương pháp sử dụng trong
các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho ắc qui hoặc nạp sửa chữa
cho các ắcqui bị Sunfat hoá. Với phương pháp này ắc qui được mắc nối tiếp
nhau và phải thoả mãn điều kiện :
Un ≥ 2,7.Naq
Trong đó: Un - điện áp nạp
Naq - số ắc quy đơn mắc trong mạch
Trong quá trình nạp sức điện động của ắc qui tăng dần lên, để duy trì
dòng điện nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R. Trị số giới
hạn của biến trở được xác định theo công thức :
n
aqn
I
NU
R
0,2−=
Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng điện không đổi là thời
gian nạp kéo dài và yêu cầu các ắc qui đưa vào nạp có cùng dung lượng định
mức. Để khắc phục nhược điểm thời gian nạp kéo dài, người ta sử dụng
phương pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc. Trong
trường hợp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng ( 0,3 ÷ 0,6 ).Q10
tức là nạp cưỡng bức và kết thúc ở nấc một khi ắc qui bắt đầu sôi. Dòng điện
nạp ở nấc thứ hai là 0,1.Q10 .
2. Phương pháp nạp với điện áp không đổi:
Phương pháp này yêu cầu các ắc qui được mắc song song với nguồn nạp.
Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng (2,3 ÷ 2,5) V cho
mỗi ngăn đơn. Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp
ngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời gian. Tuy nhiên dùng phương pháp
này ắc qui không được nạp no. Vì vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là
phương pháp nạp bổ sung cho ắc qui trong quá trình sử dụng.
3. Phương pháp nạp dòng áp:
Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. Nó tận dụng
được những ưu điểm của mỗi phương pháp. Đối với yêu cầu của đề bài là
nạp ắc quy tự động tức là trong quá trình nạp mọi quá trình biến đổi và
chuyển hoá được tự động diễn ra theo một trình tự đã đặt sẵn thì ta chọn
phương án nạp ắc qui là phương pháp dòng áp.
Đối với ắc qui axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì
trong khoản thời gian tn= 8h tương ứng với 75÷80 % dung lượng ắc qui ta
nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1.Q10. Vì theo đặc tính nạp của ắc qui
trong đoạn nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp, sức điện động
tải ít thay đổi, do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp. Sau thời
gian 8 h ắc qui
bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi thời gian nạp được
10 h thì ắc qui bắt đầu no, ta nạp bổ sung thêm 2 ÷ 3 h.
Các quá trình nạp ắc qui tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi
nạp ổn áp với điện áp bằng điện áp trên 2 cực của ắc qui, lúc đó dòng nạp sẽ
từ từ giảm về không.
Vì ắc qui là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho
nên khi ắc qui đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong
ắc qui sẽ tự động dâng nên không kiểm soát được sẽ làm sôi ắc qui dẫn đến
hỏng hóc nhanh chóng. Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn
định dòng nạp cho ắc qui.
Khi dung lượng
của ắc qui dâng
lên đến 80% lúc đó
nếu ta cứ tiếp tục
giữ ổn định dòng
nạp thì ắc qui sẽ sôi
và làm cạn nước.
Do đó đến giai
đoạn này ta lại
phải chuyển chế
độ nạp ắc qui sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi ắc qui
đã thực sự no. Khi điện áp trên các bản cực của ắc quy bằng với điện áp nạp
thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình nạp.
Tuỳ theo loại ắc qui mà ta nạp với các dòng điện nạp khác nhau ,với ắc
qui axit : dòng nạp In = 0,1Q10 ; nạp cưỡng bức với dòng điện nạp In =
0,2.Q10 .
State of Charge 12 Volt battery Volts per Cell
100% 12.7 2.12
Battery Charging: Battery Charging takes place in three basic stages: Bulk, Absorption and
Float
Bulk Charge – Giai đoạn dầu tiên trong quá trình nạp acquy. Dòng
điện được cấp với một giá trị an toàn lớn nhất cho tới khi điện áp của
acquy đạt 80-90% điện áp khi nạp đầy. Điện áp nạp trong giai đoạn này
có thể từ 10.5 dến 15 volts, không có một điện áp nạp xác điịnh trong
giai đoạn nạp cưỡng bức nhưng có giới hạn do dòng diện cực đại mà
acquy co thể chịu được.
Absorption Charge: Giai đoạn thứ hai của quá trình nạp ba giai
đoạn. Điện áp nạp được giữ không đổi và dòng điện được giẩm từ từ
khi nội trở acquy tăng trong quá trình nạp. Trong suốt giai đoạn này
điện áp ra của bộ nguồn nạp là cực đại khoảng tù 14.2 dến 15.5 volts.
Float Charge: Giai đoạn thứ ba. Sau khi acquy đựoc nạp no điện áp
nạp được giảm xuống khoảng từ 12.8 đến 13.2 volts để giảm sự sinh
khí và tăng tuổi thọ acquy. ở giai đoạn này nên nạp với diện áp phân
đoạn “Trickle charge”. Điện áp này có thể tạo ra bằng kĩ thuật PWM -
Điều biến độ rộng xung-Nếu acquy được sử dụng làm hệ thống dự
phòng “backup power systems” tức là ít khi phai xả thì điện áp nạp nổi
nên vào khoảng từ 13.02 to 13.20 volts.
90% 12.5 2.08
80% 12.42 2.07
70% 12.32 2.05
60% 12.20 2.03
50% 12.06 2.01
40% 11.9 1.98
30% 11.75 1.96
20% 11.58 1.93
10% 11.31 1.89
0 10.5 1.75
Chargers: ở đa số các gara oto hay các khach hàng các bộ nguồn nạp
chủ yếu là bộ nguồn nạp 1 giai đoạn (Bulk charge), và có rất ít(nếu
có)sự điều chỉnh diện áp. Các bộ nguồn này tót cho các nguồn pin hay
acquy đã cạn kiệt (nạp nhanh) nhưng không tốt cho quá trình nạp lâu
dài. Trong số các bộ nguồn có thể điều chỉnh được có loại điều chỉnh
dược điện áp, ví dụ như của hãng Iota Engineering and Todd giữ cho
diện áp trên acquy là không đổi. Nếu các bộ nguồn này phù hợp với
acquy thì chúng sẽ giữ cho acquy không bị hang do nạp không đúng
cách.
What taper charge really means is that as the battery gets charged up,
the voltage goes up, so the amps out of the charger goes down. They
charge OK, but a charger rated at 20 amps may only be supplying 5
amps when the batteries are 80% charged. To get around this,
Statpower (and maybe others?) have come out with "smart", or multi-
stage chargers. These use a variable voltage to keep the charging amps
much more constant for faster charging.
Charge controllers
A charge controller is a regulator that goes between the solar panels and
the batteries. Regulators for solar systems are designed to keep the
batteries charged at peak without overcharging. Meters for Amps (from
the panels) and battery Volts are optional with most types.
Most of the modern controllers have automatic or manual equalization
built in, and many have a LOAD output. There is no "best" controller
for all applications - some systems may need the bells and whistles of
the more expensive controls, others may not.
Battery Charging Voltages and Currents:
Hầu hết các ácquy nước nên được nạp không quá C/8 nếu nạp lâu dài.
"C/8" is the battery capacity at the 20-hour rate divided by 8. ví dụ một
acquy 220Ah là khoảng 26A. Acquy khô không được nạp quá C/20 hay
5% dung lượng.
Với acquy axit diện áp đầu ra của bộ nạp la 15 V tức mỗi ngăn sẽ đuợc
nạp vói điện áp là 2.5V, Sau đó phải chuyển sang chế độ “trickle
charge”. Chú ý rằng ở giai đoạn này accquy axit phải có bọt khí (hiện
tượng sôi) thì mới chắc chắn rằng acquy đã no. Điện áp nạp nổi cho
acquy axit nên vào khoảng 2.15 đến 2.3V/ngăn, hay khoảng 12.9 đến
13.8 volts cho acquy 12V. nếu nhiệt độ cao (trên 850F) thì nên giảm
xuống còn khoảng 2.10 Volts/Ngăn.
Bulk charge 13.2V-15V (2.5V/cell) (37A)
Absorption Charge 14.2V-15V (I Giảm nhanh)
Fload charge 12.9-13.8V (2.15-2.3V/cell)
Phần II
Phân tích tính toán và lựa chọn sơ đồ
I. Chỉnh lưu điều khiển đối xứng sơ đồ cầu 3 pha
1. Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ gồm 6 Tiristor được chia làm hai nhóm:
- Nhóm Katot chung : T1, T3, T5
- Nhóm Anot chung : T2, T4, T6
Góc mở α được tính từ giao điểm của các nửa hình sin
Giá trị trung bình của điện áp trên tải
απθθπ
απ
απ
cos63sin2
2
6 2
6
5
6
2
UdUU d == ∫
+
+
Từ công thức trên ta thấy maxdd UU = khi cos 0 .9α = (10% để dự
phòng khi điện áp lưới giảm lưới )
Khi đó ta có
m ax
2 0, 9 .3 6
dUU π=
Thay giá trị max 15dU V= ta có 2 7 .12U = V
Điên áp các pha thứ cấp của máy biến áp là:
1 0 , 0 7 sin
21 0, 0 7 sin ( )
3
21 0, 0 7 ( )
3
a
b
c
U
U
U
θ
πθ
πθ
=
= −
= +
Giá trị trung bình của dòng thứ cấp máy biến áp.
maxmax2 3
2
dII =
Từ số liệu ban đầu thay AI d 90max = có 2 m ax / 8 3 7 , 5I C A= =
Giá trị trung bình của dòng chạy qua 1 Tiristor là:
max
max 12,53
d
TBV
II A= =
Giá trị điện áp ngược mà Tiristor phải chịu
max 2 max6 15,73ng d
U U U Vπ= = =
Công suất biến áp
max max 205,43ba d d
S U I VAπ= =
Nhận xét : Với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển thì điện áp ra Ud ít
đập mạch ( trong một chu kì đập mạch 6 lần ) do đó vấn đề lọc rất đơn giản,
điện áp ngược lên mỗi van nhỏ, công suất biến áp nhỏ nhưng mạch phức tạp
nhiều kênh điều khiển.
2. Đường đặc tính biểu diễn
II. Chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển
1. Sơ đồ nguyên lý
Trong sơ đồ này sử dụng 3 Tiristor ở nhóm Katot chung và 3 Diot ở
nhóm Anot chung.
Giá trị trung bình của điện áp trên tải
21 ddd UUU −=
Trong đó : Ud1 là thành phần điện áp do nhóm Katot chung tạo
nên
Ud2 là thành phần điện áp do nhóm Anot chung tạo
nên
πθθπ
απθθπ
απ
απ
απ
απ
2
63sin2
2
3
cos
2
63sin2
2
3
2
6
11
6
7
22
2
6
11
6
7
21
UdUU
UdUU
d
d
==
==
∫
∫
−
−
−
−
Vậy )cos1(2
63 2 απ +=
UU d
Ta nhận thấy maxdd UU = khi cos 0,9α =
khi đó ta có
max
2
2 6,75
1,9.3 6
dUU Vπ= =
Điện áp thứ cấp máy biến áp
9 , 55 sin
29, 5 5 sin ( )
3
29, 5 5 sin ( )
3
a
b
c
U
U
U
θ
πθ
πθ
=
= −
= +
Giá trị trung bình của dòng chảy trong Tiristor và Diot
max
max max 12,53
d
TBV diot
II I A= = =
Giá trị dòng điện ngược lớn nhất
max 2 max6 15.73ng d
U U U Aπ= = =
Công suất biến áp
max max 205,43ba d d
S U I VAπ= =
Nhận xét :Tuy điện áp chỉnh lưu chứa nhiều sóng hài nhưng chỉnh lưu cầu 3
pha không đối xứng có quá trình điều chỉnh đơn giản , kích thước gọn nhẹ
hơn.
2. Đường đặc tính biểu diễn
III. Chỉnh lưu điều khiển cầu một pha không đối xứng
1. Sơ đồ nguyên lý
Trong sơ đồ này, góc dẫn dòng chảy của Tiristor và của điốt không bằng
nhau.
Góc dẫn của điốt là : απλ +=D
Góc dẫn của Tiristor là : απλ −=T
Giá trị trung bình của điện áp tải
∫ +== π
α
απθθπ )cos1(
2sin21 22
UdUU d
2
max
1.9 2
d
UU π=
Do đó
max
2
.15 15,7
1,9 2 1,9 2
dUU Vπ π= = =
Giá trị trung bình của dòng tải
t
d
d Z
UI =
Dòng qua Tiristor
π
απθπ
π
α 22
1 −== ∫ ddT IdII
Dòng qua Điốt
∫+ +== απ
α π
απθπ 22
1
ddD IdII
Giá trị hiệu dụng của dòng chạy qua sơ cấp máy biến áp
π
αθπ
π
α −== ∫ 11 22 dd IdII
Nhận xét : Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển 1 pha không đối xứng có cấu tạo đơn
giản, gọn nhẹ , dễ điều khiển , tiết kiệm van . Thích hợp cho các máy có
công suất nhỏ và vừa.
2. Đường đặc tính biểu diễn
II.5 Chỉnh lưu tia ba pha.
II.5.1 Nguyên lý
Hình 1.8. Chỉnh lưu tia ba pha
a.
b. Sơ đồ động lực; b- Giản đồ đường các cong khi góc mở α =
300 tải
c. thuần trở; c- Giản đồ các đường cong khi α = 600 các đường
cong gián đoạn.
Khi biến áp có ba pha đấu sao ( Υ ) trên mỗi pha A,B,C ta nối một van
như hình 1.8a, ba catod đấu chung cho ta điện áp dương của tải, còn trung
tính biến áp sẽ là điện áp âm. Ba pha điện áp A,B,C dịch pha nhau một góc
là 1200 theo các đường cong điện áp pha, chúng ta có điện áp của một pha
dương hơn điện áp của hai pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ ( 1200
T1
B T2
C T3
A
RL
Ud
Id
UT1
t1 t2 t3 t4
I1
I2
I3
Ud
t
Id
t1 t2
t
t
t t
t
t
t t
t
b.
0
c.
). Từ đó thấy rằng, tại mỗi thời điểm chỉ có điện áp của một pha dương hơn
hai pha kia.
Nguyên tắc mở thông và điều khiển các van ở đây là khi anod của van
nào dương hơn van đó mới được kích mở. Thời điểm hai điện áp của hai pha
giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của các van bán dẫn. Các Tiristior
chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc thông tự nhiên
(như vậy trong chỉnh lưu ba pha, góc mở nhỏ nhất α = 00 sẽ dịch pha so với
điện áp pha một góc là 300).
Theo hình 1.8b,c tại mỗi thời điểm nào đó chỉ có một van dẫn, như vậy
mỗi van dẫn thông trong 1/3 chu kỳ nếu điện áp tải liên tục ( đường cong
I1,I1,I3 trên hình 1.8b), còn nếu điện áp tải gián đoạn thì thời gian dẫn thông
của các van nhỏ hơn. Tuy nhiên trong cả hai trường hợp dòng điện trung
bình của các van đều bằng 1/3.Id. Trong khoảng thời gian van dẫn dòng điện
của van bằng dòng điện tải, trong khoảng van khoá dòng điện van bằng 0.
Điện áp của van phải chịu bằng điện dây giữa pha có van khoá với pha có
van đang dẫn. Ví dụ trong khoảng t2 ÷ t3 van T1 khoá còn T2 dẫn do đó van
T1 phải chịu một điện áp dây UAB, đến khoảng t3 ÷ t4 các van T1, T2 khoá,
còn T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp dây UAC.
Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ
thuộc góc mở của các Tiristor. Nếu góc mở Tiristor nhỏ hơn α ≤ 300, các
đường cong Ud, Id liên tục, khi góc mở lớn hơn α > 300 điện áp và dòng
điện tải gián đoạn (đường cong Ud, Id trên hình 1.8c).
Hình 1.9. Đường cong điện áp tải khi góc mở α = 600
với a.- tải thuần trở, b.- tải điện cảm.
Khi tải điện cảm (nhất là điện cảm lớn) dòng điện, điện áp tải là các
đường cong liên tục, nhờ năng lượng dự trữ trong cuộn dây đủ lớn để duy trì
dòng điện khi điện áp đổi dấu, như đường cong nét đậm trên hình 1.9b
(tương tự như vậy là đường cong Ud trên hình 1.8b). Trên hình 1.9 mô tả
t t
a. b.
A B C A A B C A
một ví dụ so sánh các đường cong điện áp tải khi góc mở α = 600 tải thuần
trở hình 1.9a và tải điện cảm hình 1.9b
Trị số điện áp trung bình của tải sẽ được tính như công thức (1 - 4) nếu
điện áp tải liên tục, khi điện áp tải gián đoạn (điển hình khi tải thuần trở và
góc mở lớn) điện áp tải được tính:
Trong đó; Udo = 1,17.U2f. điện áp chỉnh lưu tia ba pha khi van la diod.
U2f - điện áp pha thứ cấp biến áp.
II.5.2 Ưu nhược điểm:
So với chỉnh lưu một pha, thì chỉnh lưu tia ba pha có chất lượng điện
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 trong trường hợp này cũng
tương đối đơn giản. Với việc dòng điện mỗi cuộn dây thứ cấp là dòng một
chiều, nhờ có biến áp ba pha ba trụ mà từ thông lõi thép biến áp là từ thông
xoay chiều không đối xứng làm cho công suất biến áp phải lớn (xem hệ số
công suất bảng 2), nếu ở đây biến áp được chế tạo từ ba biến áp một pha thì
công suất các biến áp còn lớn hơn nhiều. Khi chế tạo biến áp động lực các
cuộn dây thứ cấp phải được đấu Υ với dây trung tính phải lớn hơn dây pha vì
theo sơ đồ hình 1.8a thì dây trung tính chịu dòng điện tải. Nhưng ta cũng
thấy rằng tại mối thời điểm dòng điện qua tải và chỉ qua một van bán dẫn
nên tổn hao trên van sẽ ít.
Kết luận :
Qua phân tích ta thấy dòng điện tải lớn hơn nhiều so với điện áp, điều
này làm tăng tổn hao trên dây dẫn và dặc biệt là trên hệ thống các van.
Vì lý do này ma ta phảI giảm thiểu số van trên mỗi nhánh của mạch
chỉnh lưu. Như vậy sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha sẽ là phương án lựu chọn
tối ưu nhất trong trường hợp này.
Sơ đồ chỉnh lưu tia có ưu điểm là điện áp ra có chất lượng khá tốt, điều
khiển dễ dàng, tổn hao trên van nhỏ. Tuy nhiên sơ đồ này có nhược
điểm là nếu tải công suất lớn sẽ làm lệch điện áp nguồn lưới, song do
trong trường hợp này tải có công suất không lớn lắm nên nhược điểm
này có thể không cần xem trọng.
)51(
3
sin1
3
Udo
Ud −⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ α−π+=
I. Tính chọn van mạch lực.
Tính chọn van dựa vào các yếu tố cơ bản là dòng tải, điều kiện toả nhiệt,
điện áp làm việc, các thông số cơ bản của van được tính như sau:
+ Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu:
= maxmax dnlv nv
u
U
U K
K
Với mạch chỉnh lưu tia 3 pha
2
3 6
2
do
u
f
UK
U π= =
6=nvK
max
max
2.
VËy .15 31, 4 ( )
3
d
nlv nv
u
U
U K V
K
π= = =
Để van làm việc an toàn ta phải chọn van có hệ số dự trữ điện áp 1,6dtuK ≥
( ). 1,8.31,4 56,52nv dtu nlvmaxU K U V⇒ = = =
Trị số dòng điện làm việc:
lvmax hd hd max
1
I =I =K .I .37,5 21,65
3
= =
Do trị số dòng điện không qua lớn ta chọn điều kiện làm việc của van là có
cánh toả nhiệt không có quạt dối lưu không khí. Với điều kiịen này thì dòng
diện định mức của van là:
®m i lvmaxI =K I =4.21,65=86.6 ( )V
Với iK là hệ số hệ số dòng điệ làm việc an toàn, ở đây chọn iK =4 tức là:
lvmax ®mI 25%I=
Vậy ta phảI chọn van có các thông số thoả mãn yêu cầu sau:
nv
®m
U 56,52 V
I 86.6 A
≥
≥
Loại SH100F21A với các thông số định mức
- Điện áp ngược cực đại của van: Un = 300V
- Dòng điện định mức của van : Iđm = 100 A
- Đỉnh xung dòng điện : Ipik = 2000A
- Dòng điện max của xung điều khiển : Iđk = 150mA
- Điện áp của xung điều khiển : Uđk = 2,5V
- Dòng điện rò : Ir = 30mA
- Sụt áp lớn nhất của Tiristor ở trạng thái dẫn : UΔ =1.9V
- Tốc độ biến thiên điện áp : 200 /dU V s
dt
=
- Thời gian chuyển mạch : tcm = 15 sμ
- Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép Tmax = 125 0C
II. Mạch bảo vệ Tiristor :
T
R C
Để bảo vệ van ta dùng mạch RC đấu song song với van nhằm bảo vệ quá
áp do tích tụ điện khi chuyển mạch gây nên.
Các thiết bị bán dẫn nói chung cũng như Tiristor rất nhạy cảm với điện áp và
tốc độ biến thiên điện áp (
dt
du ) đặt lên nó .
Các nguyên nhân gây nên quá áp thì chia thành hai loại :
- Nguyên nhân bên ngoài : Do cắt đột ngột mạch điện cảm,do biến đổi đột
ngột cực tính của nguồn, khi cầu chảy bảo vệ đứt hoặc khi có sấm sét.
- Nguyên nhân bên trong ( nội tại ) : Khi van chuyển từ trạng thái mở sang
trạng thái khoá, do sự phân bố không đều điện áp trong các van mắc nối tiếp.
ở đây ta quan tâm đến việc bảo vệ quá điện áp do các nguyên nhân bên trong
gây ra.
i
t
Nguyên nhân quá điện áp trên van là do sự suất hiện dòng điện ngược chảy
qua mỗi van khi nó chuyênr từ trạng thái mở sang trạng thái khoá. Dòng
điện ngược này suy giảm rất nhanh do vậy sẽ suất hiện sự quá điện áp
dt
diLU qda =
Để khắc phục hiện tượng quá điện áp này ta dùng mạch R-L-C nhưng do
mạch đã có tính chất điện cảm nên ta chỉ cần dùng mạch R-C đấu song song
như hình vẽ.
Khi van khóa dòng điện ngược sẽ chuyển từ van sang mạch bảo vệ.
III. TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP
1. Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
Ta có phương trình cân bằng điện áp:
do min d ba dnU cos =U + U + Uα Δ Δ
Trong đó mincosα : Góc dự trữ khi có sự suy giảm điện áp lưới
Ud: Điện áp chỉnh lưu
vUΔ : Sụt áp trên các van
ba r lU U UΔ = Δ + Δ : sụt áp bên trong máy biến áp khi có tảI,
bao gồm sụt áp trên điện trở rUΔ và sụt áp trên điện cảm lUΔ . Những đại
lượng này sơ bộ vào khoảng (5 10)%÷
Chọn sơ bộ ba dU 6%.U 6%.15 0.9 ( )VΔ = = =
dnUΔ : Sụt áp trên dây nối
dn dn d dU R .I ( l/S)I 0 ( )VρΔ = = ≈
Như vậy d v dn bado o o
U +2 U + U + U 15 2.1,9 0 0.9
U 20 ( )
cos10 cos10
V
Δ Δ Δ + + += = =
Điện áp thứ cấp máy biến áp: ( )do2f
u
U 20
U 17.1
k 3 6 / 2
Vπ= = =
2. Xác định công suất tối đa của tải:
dmax do dP =U .I 20.37,5 750 ( )W= =
3. công suất biến áp nguồn cấp và trị số dòng điện hiệu dụng sơ cấp,
thứ cấp máy biến áp:
dmax
ba s
P 750
S = k 1,345. 1186,77 ( )
0.85
Wη = =
Trong đó: Sba : công suất biểu kiến của biến áp (VA)
ks : hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực ks = 1,345 chỉnh
lưu tia ba pha
Pdmax : công suất cực đại của tải (W)
η : Hiệu suất máy biến áp, chọn sơ bộ là 85%
- Dòng điện hiệu dụng thứ cấp:
( )2 d1 1I I 37,5 21,65 A
3 3
= = =
- Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp:
( )2f1 ba 2 2
1f
U 17,1
I K I .I .21,65 1,683 A
U 220
= = = =
4. Tính toán sơ bộ mạch từ
4.1. Tính sơ bộ tiết diện trụ:
ba
Fe Q
S
Q k .
m.f
=
Trong đó:
Qk : Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy
m : Số trụ của máy biến áp
f : Tần số điện áp lưới, ở đây f=50Hz
Thay số ta được:
2
Fe
1186,77
Q 6. 16,88 (cm )
3.50
= =
4.2. Đường kính trụ:
( )4. 4.16,88d 4,6 cm
3.14
FeQ
π= = =
Chuẩn hoá đường kính trụ theo tiêu chuẩn d = 5 cm
4.3. Chọn loại thép:
Chọn loại 330∃ các lá thép có độ dày là 0.5 mm.
Chọn mật độ từ cảm là BT = 1 (T)
4.4. Chọn hệ số hình dáng:
hm 2,3
d
= =
Ta có d = 4.6 cm ⇒ h = 10,58 cm
Như vậy ta chọn chiều cao trụ là 11 cm
5. Tính toán dây quấn biến áp:
5.1. Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp:
( )1fa1 4
Fe T
U 220
W 587 vßng
4,44.f.Q .B 4,44.50.16,88.10 .1−
= = =
5.2. Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp:
( )22 1
1
17.1
W .W .587 46 vßng
220
fa
fa
U
U
= = =
5.3. Chọn sơ bộ mật độ dòng điện ở các cuộn dây máy biến áp:
Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô chọn J1=J2=1 A/mm2
5.4. Tiết diện dây quấn sơ cấp máy biến áp:
21
1
1
I 1,683
S = 0,612 (mm )
J 2,75
= =
Chuẩn hoá S1 = 0,6362 mm2 đường kính d=0,9 mm, kể cả cách
điện là d1= 0,97 mm
5.5. Tính lại mật độ dòng điện cuộn sơ cấp:
11
1
I 1.683
J 2.645 (A)
S 0,6362
= = =
5.6. Tiết diện dây quấn thứ cấp máy biến áp:
222
2
I 21,65
S = 7.873 (mm )
J 2,75
= =
Chuẩn hoá S2 = 8,11 mm2 , kích thước dây dẫn có kể cả cách điện là
a2.b2 = 2,24 3,8× mm
5.7. Tính lại mật độ dòng điện cuộn thứ cấp:
222
2
I 21,65
J 2,67 (A/mm )
S 8,11
= = =
6. Tính kích thước mạch từ
Chọn hình dáng của của trụ là chữ nhật với các kích thước QFe = a.b
trong đó a- bề rộng, b- bề dày
Chọn lá thép có độ dày 0,5 mm
- Diện tích cửa sổ cần tính
Qcs = Qcs1 + Qcs2
với Qcs1 = k . W1.SCu1 = 3.587.0,6362 = 1120.4 (mm2 )
Qcs2 = k. W2.SCu2 = 3.46.8,11 = 1119,2 (mm2 )
Qcs = 1120,4+1119,2 = 2239,6 (mm2 )
Trong đó:
Qcs1, Qcs2 - diện tích do cuộn sơ cấp và thứ cấp chiếm chỗ (mm2 )
Qcs - diện tích cửa sổ (mm2 )
W1 , W2 - số vòng dây sơ cấp, thứ cấp
SCu1 , SCu2 - tiết diện dây quấn sơ, thứ cấp (mm2 )
k- số pha máy biến áp k = 3
- Chọn kích thước cửa sổ
Khi đã có diện tích cửa sổ Qcs , cần chọn các kích thước cơ bản ( chiều
cao h và chiều rộng c với Qcs = ch ) của cửa sổ mạch từ. Các kích
thước có thể chọn dựa vào hệ số phụ sau m = h/a, n = c/a, l = b/ a.
Thường thì chọn
m = 2 ÷4 , n = 0,5 ÷ 2,5, l = 0,5 ÷ 1,5.
Chiều rộng toàn bộ mạch từ là C = 2c+xa = 2c+3a ( x- số trụ biến áp,
x = 3 máy biến áp ba pha)
Chiều cao mạch từ H = h+za = h+2a ( za- kích thước gông từ, z= 2
máy biến áp ba pha )
Ta có QFe = ab = 16,88 (cm2 )= a2
( )⇒ = = =16,88 4,1 Cma b
chọn m = 2,5 nên h = 2,5a = 10,3 cm
Từ Qcs = 2239,6 mm2 = ch ⇒ = = =2239,6 21,74 mm
103
csQc
h
=2,2cm
Như vậy C = 2.2,2 + 3. 4,1 = 16,7 cm = 167 mm
H = 10,3 + 2.4,1 = 18,5 cm = 185 mm
6. Kết cấu dây quấn sơ cấp:
Dây quấn được bố trí theo chiều dọc trụ, mỗi cuộn dây được quấn
thành nhiều lớp dây. Mỗi lớp dây được quấn liên tục, các vòng dây sát
nhau. Các lớp dây cách điện với nhau bằng bìa cách điện.
- Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp
( )− −= = =1l
1
2. 10,25 2.1,5
W 0,95. 71 vßng
0,097
g
c
h h
k
d
Trong đó:
d1: Đường kính dây quấn sơ cấp kể cả cách điện
kc = 0,95 - hệ số ép chặt
h - chiều cao trụ
hg - khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp chọn hg = 1,5 cm
- Tính sơ bộ sơ lớp dây ở cuộn sơ cấp
= = =11
1l
W 587
8.2
W 71l
n lớp
Chọn số lớp dây là n1l = 9 lớp. Như vậy có 587 vòng chia thành 9 lớp,
chọn 8 lớp 65 vòng lớp ngoài cùng 67 vòng.
- Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp chọn cd01 = 1cm
- Chọn bề dày giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp cd11 = 0,1 mm
- Bề dày cuộn sơ cấp
Bd1 = (d1 + cd11 ) n1l = (0.97 +0,1 ).8 = 8,56 mm
- Chiều dài dây quấn sơ cấp
L1= W1 .Dtb.π
Dtb - đường kính trung bình của cuộn dây sơ cấp
Dtb1 = (Dt1 +Dn1 )/2 = 6,528 cm
Dt1 = a + 2.cd01 = 4,1 + 2. 1= 6,1 cm
Dn1 = Dt1 + 2.Bd1 = 6,1 + 2.0,856 = 6,956 cm
vậy L1 = 587.3,14. 6,528 = 120,3 m
7. Kết cấu dây quấn thứ cấp
-Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuôn dây thứ cấp:
−= = =g2l
2
h-2h 10,25 2.1,5
W . 0,95. 18
b 0.38c
k vòng
Với b2 là chiều rộng của dây cuốn thứ cấp
- Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn thứ cấp:
= = =22
2
46
2,5
18l l
W
n
W lớp
Vậy chọn số lớp dây là 3 lớp. Hai lớp đầu mỗi lớp 15 vòng, lớp ngoài
cùng là 16 vòng
- Chọn bề dày cách điện giữa sơ cấp và thứ cấp là cd12 = 1 cm
- Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây cuộn thứ cấp cd22 = 0,1 mm
- Bề dày cuộn thứ cấp
Bd2 = ( a2 + cd22 )n2l = (2,24 + 0,1 ).3 = 7,02 mm
- Chiều dài dây quấn thứ cấp
L2 = W2 .Dtb2 .π = 46. 8,23. 3,14 = 1188.74 cm = 11.89 m
Dtb2 = (Dt2 + Dn2 )/2 = 8,23 cm
Dt2 = Dn1 + 2.cd12 = 6,956 + 2. 1 = 8.956 cm
Dn2 = Dt1 + 2.Bd2 = 6,1 + 2.0,702 = 7,504 cm
- Tổng bề dày cuộn dây
Bd = Bd1 + Bd2 + cd01 + cd12 = 8.56 + 7,02 + 1 + 1 = 17.58 mm
8. Tính lại kích thước mạch từ
Vì trụ hình vuông nên tiết diện trụ bằng tiết diện gông và tiết diện
hiệu quả của trụ cà gông là
( )= = = 2T hqQ k .16,88 0,95.16,88 16, 036 cm
Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ:
−= = =1 4
1
220
1,053
4,44. .W . 4,44.50.587.16,036.10
fa
T
T
U
B T
f Q
Số là thép dùng trong một gông là:
= = =b 41n 82
0,5 0.5
lá
- Chiều rộng của sổ:
c = 2.Bd + cd22 = 2.17,58 + 0,1 = 35,26 mm = 3,526 cm
- Chiều rộng mạch từ:
C = 2.c + 3.a = 2.3,526 + 3.4,1 = 19,35 cm
- Chiều cao mạch từ:
H = 10,3 + 2.4,1 = 18,5 cm
9. Tính các thông số máy biến áp:
- Điện trở cuộn sơ cấp ở 75o C
1
1
1
120,3
. 0,02133. 4
0,6362
L
R
S
ρ= = = Ω
- Điện trở cuộn thứ cấp ở 75o C
2
2
2
11,89
. 0,02133. 0,03
8,11
L
R
S
ρ= = = Ω
- Điện trở máy biến áp quy đổi về thứ cấp
2
22
2 1
1
46
0,03 4.( )
587
0,05
ba
ba
W
R R R
W
R
⎛ ⎞= + = +⎜ ⎟⎝ ⎠
= Ω
- Sụt áp trên điện trở máy biến áp
. 0,05.37,5 1.87R ba dU R I VΔ = = =
- Điện khang máy biến áp quy đổi về thứ cấp
2 2 71 2
28 103
bk
ba
R Bd Bd
X W cd
h
π ω −+⎛ ⎞ ⎡ ⎤= +⎜ ⎟ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎝ ⎠
2 2 3 3 74,478 8,56 7,028 46 0,1.10 .10 .314.10
10,3 3
0,036( )
ba
ba
X
X
π − − −+⎛ ⎞ ⎡ ⎤= +⎜ ⎟ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎝ ⎠
= Ω
- Điện cảm máy biến áp:
3baX 0,036L 0,115.10 (H)
314ω
−= = =
- Sụt áp trên diện kháng máy biến áp
3
. . .0,036.37,5 1,28x ba d
m
U X I Vπ πΔ = = =
- Sụt áp trên máy biến áp
2 2 2 21,87 1,28
2,26
ba r x
ba
U U U
U V
Δ = Δ + Δ = +
Δ =
- Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp
2 2 2 20,05 0,036 0,06ba ba baZ R X= + = + = Ω
- Điện áp ngắn mạch tác dụng
- 2
2
. 0,05.37,5
.100 .100 12,5%
15
ba
nr
R I
U
U
= = =
- Điện áp ngắn mạch phản kháng
2
2
. 0,036.37,5
.100 .100 9%
15
ba
nx
X I
U
U
= = =
- Điện áp ngắn mạch phần trăm
2 2 15,4%n nr nxU U U= + =
- Dòng điện ngắn mạch xác lập
2
2
15
250
0,06nm ba
U
I A
Z
= = =
- Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp
2 2
23. . 3.0,05.37,5 211Wnm baP R IΔ = = =
THIẾT KẾ CUỘN KHÁNG LỌC:
1. Xác định góc mở cực tiểu và cực đại:
Góc mở nhỏ nhất tương ứng khi điện áp lưới giảm xuống giá trị là Umin.
2. Xác định các thành phần sang hài
Trong sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha thành phần sang hài bậc nhất (k=1) có
biên dộ lớn nhất. Biên độ hài bậc càng cao càng nhỏ dần, tác dụng của
cuộn kháng lọc với các thành phần bậc cao này càng cao. Vì vậy ta
chỉ cần tính toán cuộn kháng lọc đối với thành phần sang hài bậc một
mà thôi. Ta tính trị số điện cảm cuộn kháng lọc khi maxα α=
Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc được tính theo công thức:
dnmax
L *
1 d®m
U
L
2KmwI %I
=
Trong đó:
LL: trị số điện cảm lọc đập mạch cần thiết (H)
Id đm : dòng điện định mức của bộ chỉnh lưu ( A)
I1* : trị số hiệu dụng của dòng điện sóng hài cơ bản lấy tỷ số
theo dòng điện định mức của chỉnh lưu. I1*< 10%Id
Chọn I1* = 0.09Id = 0,09.37.4=3,375 (A)
K = 1: bội số sóng hài bậc một
M = 3: Số lần đập mạch trong một chu kì
w = 314: Tần số góc [1/s]
Udnmax: Biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu tính
theo công thức:
dnmax 2 2 2
2 2
d0
U 2 cos
. 1+K .m .tg
U K .m -1
α α= (1)
Ud0 = 15 V- điện áp chỉnh lưu cực đại
maxα α= : góc mở lớn nhất (tức là khi điện áp đầu ra của bộ
chỉnh lưu là nhỏ nhất Umin = 12V)
dmin
max
dmax
U 12
cos cos 0.8
U 15
α α⇒ = = = =
Thay vào (1) được: dnmaxU 7.4 V=
Vậy lL =0,044.10-3 (H) < LBA
Vậy ta không cần mắc thêm cuộn kháng lọc nữa.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
CHƯƠNG IV
TÍNH TOÁN MẠCH
ĐIỀU KHIỂN
IV.1 NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ MACH ĐIỀU KHIỂN.
Điều khiển Tiristor trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay thường gặp là
điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Nội dung của nguyên
tắc này có thể mô tả theo giản đồ hình 3.1 như sau.
Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anod của Tiristor, để có
thể điều khiển được góc mở α của Tiristor trong vùng điện áp (+) anod,
ta cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác, ta thường gọi là điện áp tựa là
điện áp răng cưa Urc. Như vậy điện áp tựa cần có trong vùng điện áp
dương anod.
Dùng một điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa. Tại thời
điểm (t1,t4) điện áp tựa bằng điện áp điều khiển (Urc = Uđk), trong vùng
điện áp dương anod thì phát xung điều khiển Xđk. Tiristor được mở từ
thời điểm có xung điều khiển (t1,t4) cho tới cuối bán kỳ (hoặc tới khi
dòng điện bằng 0)
Udf
Urc
Udk
Ud
Xdk
t1 t2 t3 t4 t5
t
Hình 3.1: Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu.
IV.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển.
Để thực hiện được ý đồ đã nêu trong phần nguyên lý điều khiển ở
trên, mạch điều khiển bao gồm ba khâu cơ bản sau:
Sơ đồ khối mạch điều khiển
Với sơ đồ khối này nhiệm vụ của các khâu như sau:
Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc (thường gặp là
điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của Tiristor.
Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp
điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk = Urc).
Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửi
sang tầng khuyếch đại.
Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tirisor. Xung
để mở Tirístor có yêu cầu: sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo yêu
cầu Tiristor mở tức thời khi có xung điều khiển (thường gặp loại xung
này là xung kim hoặc xung chữ nhật); đủ độ rộng với độ rộng xung lớn
T
Đồng pha So sánh Khuếch đại
dkU
hơn thời gian mở của Tiristor; đủ công suất; cách ly giữa mạch điều
khiển với mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn).
Với nhiệm vụ của các khâu như vậy tiến hành thiết kế, tính chọn
các khâu cơ bản của ba khối trên.
IV.3 Giới thiệu về linh kiện điều khiển.
IV.3.1 Tạo xung răng cưa
Sơ đồ 1:Dùng diode và tụ (Ta mô phỏng dạng điện áp tựa trên phàn mềm
Electronic WorkBench 6.2)
Nguyên lý tạo xung răng cưa:
Khi A+ thì D1 thông suy ra ϕ B(thế ở điểm B) ϕ0; ϕB dương hơn ϕC
suy ra D2 thông do đó ϕC=ϕB=ϕ0.
Khi A- thì D1 và D2 khoá tụ nạp.
Qua thời gian θ1 ϕBC âm hơn ϕB D2 thuận tụ bắt đầu xả theo hướng
0→A→B→C đến khi Urc= 0 và giữ nguyên đến 2π
Đây là sơ đồ đơn giản, dễ thực hiện, với 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, nếu theo sơ đồ này điện áp tải không điều khiển được từ 0 tới
cực đại mà từ một trị số nào đó đến cực đại.
• Sơ đồ 2:Dùng Transistor và tụ
0
Ua
RA
-E
R
D2
D1
B
Urc
C
Nguyên lý tạo xung răng cưa:
Khi thế ở điểm A dương hơn thế ở điểm B (ϕA>ϕB) thì Transistor
khoá và tụ C nạp với hằng số thời gian T=R2.C; khi (ϕB>ϕA) Transistor dẫn
suy ra tụ xả theo hướngTransistor cho tới Urc=0.
Để khắc phục nhược điểm về dải điều chỉnh ở sơ đồ 1 người ta sử
dụng sơ đồ tao điện áp tựa bằng sơ đồ 2 Theo sơ đồ này, điện áp tựa có
phần biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kỳ điện áp. Do vậy khi cần
điều khiển điện áp từ 0 tới cực đại là hoàn toàn có thể đáp ứng được.
• Sơ đồ 3:Dùng bộ ghép quang
Nguyên lý tạo xung răng cưa:
Khi A- âm hơn B diode (D) mở diode quang tắt khoáTransistor ( bộ
ghép quang khoá) làm tụ nạp đến giá trị Urc.
Khi A+ dương hơn B diode (D) khoá diode quang sáng mở Transistor ( bộ
ghép quang dẫn làm tụ xả qua diode quang đến khi Urc = 0.
A R1
R2
-E
U2U1
C
D
Tr
Ura
B
A
Urc
GHEP
QUANG
C
R
2
R
1
D
+E
Uv
Ưu điểm của sơ đồ này ở chỗ không cần biến áp đồng pha , do đó
có thể đơn giản hơn trong việc chế tạo và lắp đặt.
• Sơ đồ 4:Dùng khuếch đại thuật toán
Nguyên lý tạo xung răng cưa:
Khi ϕA dương qua khuếch đại thuật toán hơn ϕB âm làm cho
Transistor khoá đồng thời diode D1 dẫn khối hai tạo thành một mạch tích
phân khi đó tụ C1 nạp đến điện áp Urc . Khi ϕA âm thì ϕB dương D1 khoá
Transistor dẫn tụ xả qua Transistor đến khi Urc = 0.
IV.3.2 Chọn khâu đồng pha
Các sơ đồ (1÷3) đều có chung nhược điểm là việc mở, khoá các
Tranzitor trong vùng điện áp lân cận 0 là thiếu chính xác làm cho việc
nạp, xả tụ trong vùng điện áp lưới gần 0 không được như ý muốn.
Ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều, chất lượng
ngày càng cao, kích thước ngày càng gọn, ứng dụng các vi mạch vào
thiết kế mạch đồng pha có thể cho ta chất lượng điện áp tựa tốt. Do đó ta
quyết định cho khâu đồng pha dùng khuếch đại thuật toán.
IV.3.3 Chọn khâu so sánh
Để xác định được thời điểm cần mở Tiristor chúng ta cần so sánh
hai tín hiệu Uđk và Urc. Việc so sánh các tín hiệu đó có thể được thực
A1 A2
R1
A
R2
Urc
R3
C1
C
D1
B
Tr
U1
Udf
Urc
UB t
t
t
hiện bằng Tranzitor và khuếch đạI thuật toán. Tại thời điểm Uđk = Urc,
đầu đầu ra của bộ so sánh lật trạng thái.
• So sánh dùng Transitor
Tại thời điểm Uđk = Urc, đầu vào Tr lật trạng thái từ khoá sang mở
(hay ngược lại từ mở sang khoá), làm cho điện áp ra cũng bị lật trạng
thái, tại đó chúng ta đánh dấu được thời điểm cần mở Tiristor.
Với mức độ mở bão hoà của Tr phụ thuộc vào hiệu Uđk ± Urc =
Ub, hiệu này có một vùng điện áp nhỏ hàng mV, làm cho Tr không làm
việc ở chế độ đóng cắt như ta mong muốn, do đó nhiều khi làm thời điểm
mở Tiristor bị lệch khá xa so với điểm cần mở tại Uđk = Urc.
• So sánh dung khuếch đại thuật toán
KĐTT có hệ số khuyếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất
nhỏ (cỡ μV) ở đầu vào, đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi, nên việc ứng
dụng KĐTT làm khâu so sánh là hợp lý. Các sơ đồ so sánh dùng KĐTT
rất thường gặp trong các sơ đồ mạch hiện nay. Ưu điểm hơn hẳn của các
sơ đồ này là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Uđk = Urc. Đó là
lý do ta chọn KĐTT so sánh.
Ura
θ2 θ1
0
Urc Udk
R1
Urc
R2
Udk
-E
R3
Tr
Ura
A3
Ura
R2
Udk
R1
Urc
b.
Urc
Udk
Ura
0
θ1 θ2 π
IV.3.4 Khâu tạo xung khuếch đại
• Sơ đồ dùng tranzitor công suất
Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor như đã nêu ở trên,
tầng khuyếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng Tranzitor công
suất, như trên hình a. Để có xung dạng kim gửi tới Tiristor, ta dùng biến
áp xung (BAX), để có thể khuyếch đại công suất ta dùng Tr, diode 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 được dùng không rộng rãi, bởi lẽ hệ
số khuyếch đại của tranzitor loại này nhiều khi không đủ lớn, để khuyếch
đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang.
Sơ đồ dùng darlington
Tầng khuyếch đại cuối cùng
bằng sơ đồ darlington như trên hình
bên thường hay được dùng trong thực
tế. ở sơ đồ này hoàn toàn có thể đáp
ứng được yêu cầu về khuyếch đại
công suất, khi hệ số khuyếch đại được
nhân lên theo thông số của các
tranzitor.
R
Uv
Tr
BAX
+E
D
Tr1
R
Uv
Tr
BAX
+E
D
θ1 θ2 θ3
iB
iC
iX
• Sơ đồ có tụ nối tầng
Trong thực tế xung điều khiển
chỉ cần có độ rộng bé (cỡ khoảng (10
÷ 200) μs), mà thời gian mở thông 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 dư lớn.
Để giảm nhỏ công suất toả
nhiệt Tr và kích thước dây sơ cấp BAX chúng ta có thể thêm tụ nối tầng .
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.
Từ phần giới thiệu trên ta chọn được sơ đồ điều khiển trang bên:
R
Uv
Tr
BAX
+E
D
Tr1C
D
SƠ ĐỒ MỘT KÊNH ĐIỀU KHIỂN TRISTOR
T
RE
Tr2
Tr1
R4
Udk
A1 A2
R1
A
R2
Ur
R3
C1
C
D1
B
U
D2
A R6
C3
R5
Uv
BAX
+E
D3
UA
Udk
UB
t
t30°
Ua
Hoạt động của mạch điều khiển được giải thích theo giản đồ các
đường cong trên như sau:
Điện áp vào tại điểm A (UA) có dạng hình sin, trùng pha với điện
áp anod của Tiristor T, qua khuyếch đại thuật toán (KĐTT) A1 cho ta
chuỗi xung chữ nhật đối xứng UB. Khi (UA) dương qua khuếch đại
thuật toán (UB) Phần áp dương của điện áp chữ nhật UB qua diod D1 tới
A2 tích phân thành điện áp tựa Urc. Khi (UA) âm điện áp âm của điện áp
UB làm mở thông tranzitor Tr1, kết qủa 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 gián 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 với Uđk > Urc điện áp UD có điện áp âm. Trong
khoảng t1÷t2 điện áp Uđk và U rc đổi ngược lại, làm cho UD lật lên
dương.
Điện áp dương UD qua Transistor công suất đến máy biến áp xung
tao ra xung áp đủ điều kiện để mở Tristor.
Điện áp Ud sẽ xuất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển
đầu tiên, tại các thời điểm t2, t4 trong chuỗi xung điều khiển, của mỗi
chu kỳ điện áp nguồn cấp, cho tới cuối bán kỳ điện áp dương anod.
Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Electronic Workbenchs 6.2
:
Điện áp đồng pha tại đầu vào của KTT A1: :
Điện áp tại B: :
Điện áp tựa tại C và điện áp điều khiển: ::
Điện áp ra sau khi so sánh
Điện áp chỉnh lưu của 1 pha sau khi qua Tiristor: :
III.4 Tính toán các thông số của sơ đồ mạch điều khiển.
Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển có:
Loại SH100F21A với các thông số định mức
- Điện áp ngược cực đại của van: Un = 300V
- Dòng điện định mức của van : Iđm = 100 A
- Đỉnh xung dòng điện : Ipik = 2000A
- Dòng điện max của xung điều khiển : Iđk = 150mA
- Điện áp của xung điều khiển : Uđk = 2,5V
- Dòng điện rò : Ir = 30mA
- Sụt áp lớn nhất của Tiristor ở trạng thái dẫn : UΔ =1.9V
- Tốc độ biến thiên điện áp : 200 /dU V s
dt
=
- Thời gian chuyển mạch : tcm = 15 sμ
- Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép Tmax = 125 0C
- Độ rộng xung điều khiển tx= 45 (μs)
- Mức sụt biên độ xung Sx =0,30
- Độ mất đối xứng cho phép Δα.
- Điện áp nguôn nuôi mạch điều khiển U = ±12(V).
IV.4.1.Tính biến áp xung
- Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM có thông số sau:
ΔB = 0,3(T); ΔH = 30(A/m)
Chọn tỷ số máy biến áp xung: m=3
- Điện áp thứ cấp MBAX: U2=Uđk=2,5(V)
- Dòng điện thứ cấp MBAX: I2=Iđk= 150(mA)
- Điện áp sơ cấp MBAX: U1=m.Uđk=7,5(V)
- Dòng điện sơ cấp MBAX: I1=Iđk/m=50(mA)
- Chọn lõi sắt dạng hình xuyến, thể tích lõi thép cần có:
)cm(563,0
3,0
10.05.0.5,7.3,010.45.10.25,1.10.8
B
I.U.s.t..
l.QV 3
2
6663
2
1xx0tb ==Δ
μμ==
−−
Trong đó: μ tb - độ từ thẩm trung bình.
3
6
0
tb 10.830.10.25,1
3,0
H.
B ==Δμ
Δ=μ −
μ o = 1,25 . 10-6 (H/m);
Q - tiết diện lõi sắt;
l - chiều dài trung bình đường sức từ;
Từ thể tích lõi sắt, tra bảng chọn được lõi MBAX có các kích thước.
Tra sách kỹ thuật biến đổi điện năng
ta có thông số của MBAX
d = 20 mm; D= 25 mm, a = 2,5 mm
Q = 0,125 cm2, V = 0,888 cm3,
Qcs= 3,14 cm2.
25mm
20mm
5mm
- Tính thông số dây quấn biến áp xung:
Số vòng dây quấn sơ cấp
90
3,0.10.125,0
10.45.5,7
B.Q
t.U
W
4
6
x
1 ==Δ= −
−
(vòng)
Số vòng dây quấn thứ cấp
30
3
90
3
W
W 12 === (vòng)
- Tiết diện dây quấn được tính
Đối với các loại biến áp xung để điều khiển Tiristor, vì độ rộng xung
điện áp hẹp nên chúng ta có thể chọn mật độ dòng điện J khá lớn bằng 6 và
4.
)mm(218,0dmm0375,0
4
15,0
J
I
S
)mm(103,0
S.4
dmm0083,0
6
05,0
J
I
S
2
2
2
2
2
1
1
2i
1
=⇒===
=Π=⇒===
Chọn dây dẫn sơ cấp có đường kính 0,11 mm
Chọn dây quấn thứ cấp có đường kính 0,23 mm
Kiểm tra hệ số lấp đầy:
0067,0
d
w.dw.d
4
d
w.Sw.S
k
2
1
2
21
2
1
2
1111
ld =+=
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ +π
+=
Như vậy cửa sổ mạch từ đủ diện tích cần thiết.
IV.4.2.Tính tầng khuyếch đại cuối cùng.
Sau khi lựa chọn xong các linh kiện của tầng khuyếch đại cuối cùng
chúng ta có các thông số cơ bản của mạch:
- Điện áp nguồn nuôi xung: Ecc=+12(V);
chọn điện trở RE để phân áp cho BAX
).(90
05,0
5,712
I
UE
R
1
1
E Ω=−=−=
Ta chọn )(82RE Ω=
)391( −
- Chọn khuếch đại Tr2 loại 2SC911 có thông số sau:
Uce=40(V); Ube0=4(V); Icmax=500(mA); Pc=1,7(W); T0=1750; β=50.
Dòng làm việc colectơ: IC2 = 50(mA)
Dòng làm việc bazơ: IB2 = 50/50 =1(mA).
Chọn tất cả các Diod trong mạch điều khiển loại 1N4009 có các tham số:
- Dòng điện định mức : Idm = 10 (mA)
- Điện áp ngược lớn nhất: UN = 25 (V)
- Điện áp để mở thông cho Diod : Um = 1(V)
- Điện trở vào tần khuếch đại:
)k(12
10.1
12
I
U
R
3
2B
v
6 Ω=== −
Trong đó: Uv - điện áp vào được lấy từ tầng so sánh đưa sang;
IB2 - dòng điện bazơ của Tranzitor khuyếch đại
Chọn tụ C3: C3.R6= tx=45.10-6(s)
⇒ C3= ==
−
3
6
6
x
10.12
10.45
R
t
3,75(nF)
Chọn theo giá trị quy chuẩn C3= 3,9 nF
IV.4.3 Tính chọn tầng so sánh.
- Khuếch đại thuật toán TL084
Chọn )k(12
10.1
12
I
U
RR
3
v
v
54 Ω==>= −
Chọn theo giá trị quy chuẩn R4 = R5 = 15 kΩ
Trong đó nguồn nuôi VCC = ±12 V Thì điện áp vào A3≈ 12 V
Dòng điện vào được hạn chế Iv < 1mA
IV.4.4 Tính các thông số của khâu đồng pha.
Trong sơ đồ đồng pha, việc tạo điện áp tựa được tiến hành bằng cách
nạp tụ theo mạch R - C. Để đảm bảo điện áp tựa có trong một nửa chu kỳ
điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được tính theo
Trc = R2.C
Trong đó: R2,C - các thông số điện trở và tụ điện trong mạch nạp tụ
Chọn: Trc=0,01; chọn tụ: C1=0,1(μF) ⇒ R2=100(kΩ).
Chọn Transistor T1 loại: A564 pnp có các thông số:
Ubc0=25V; UBE0=7V; Icmax=100mA; T0=1500c; β=250
Dòng cực đại của Bazơ :
)mA(4,0
250
100I
I maxCmaxB ==β=
Để hạn chế dòng vào cực Bazơ
.Chọn R2: )k(30
10.4,0
12
I
U
R
3
B
maxN
2 Ω==≥ −
Chọn R2 = 30 kΩ
Chọn điện áp đồng pha : UA = 9 V
Điện trở để hạn chế dòng đi vào khuyếch đại thuật toán A1, ta chọn R1
sao cho dòng đi vào khuyếch đại thuật toán Iv < 1 mA. Ta có
)k(9
10.1
9
I
U
R
3
v
A
1 Ω==≥ −
Chọn R1 = 10 kΩ
-Xác định biên độ điện áp tựa Urc1max theo công thức viết cho mạch tích phân
))0.(u)t.(u(
1
dtu
1
u 1rc1rc
t
0
b1rc −τ=τ= ∫
Điện áp ub = 12 V , t = 0,01 s , τ = 0,01 s
Urc1max = 0,01.12/0,01 = 12 V
IV.4.5 Máy biến áp đồng pha và nguồn nuôi
Dùng biến áp 3 pha , 3 trụ , nối Y-Y, ở thứ cấp đấu 2 cuộn dây: Một
cuộn cho khâu đồng pha, Ta tạo nguồn nuôi điện áp Vcc = ± 12 V để cấp
cho các thiết bị sau: 03 Máy biến áp xung, 07 IC loại TL084 để có KTT, 03
Rơle trung gian.
Dùng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha với 6 Diod, Ta tạo điện áp thứ cấp
máy biến áp nguồn nuôi là U2ba = 9 V đưa vào mạch chỉnh lưu cầu và mạch
đồng pha.
Điện áp sau bộ chỉnh lưu cầu ;
Udo = 2,34.U2ba = 2,34.9 = 21,06 V
Nguồn nuôi IC cần điện áp đặt vào từ 7-35 V do đó ta đặt vào 21,06 V là
thoả mãn. Khi đó điện áp đầu ra là ± 12 V.
Ura = 12 V với IC 7812
Ura = -12 V với IC 7912
Dòng điện đầu ra : Ira = 0 - 1 A
Tụ điện C4, C5, C6, C7 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao.
D
2
D
4
D
6
D
1
D
3 D
5
A
B
C
BAN
LM 7912
LM 7812
C4 C5
C6 C7
+12V
0V
-12V
Dong pha
Chọn C4 = C5 = C6 = C7 = 470 μF.
• Dòng điện cấp cho đồng pha Idf = 1mA, vậy công suất cấp cho đồng pha:
Pdf = 3. Udf. Idf = 3.0,001 =0,003 (W)
• Công suất nguồn nuôi BAX
PBAX = =bax1bax1 I.U.3 3.(7,5.0,05) = 1,125 (W)
• Công suất nguồn nuôi 7IC TL084 làm khuyếch đại thuật toán với mỗi IC
tiêu thụ PIC = 0,68 W
P7IC =7. PIC =7.0,68 = 4,76 (W)
• Công suất nguồn đồng pha cho 3 rơ le trung gian với mỗi rơle có công
suất 0,72 W
P3r = =rP.3 3.0,72 = 2,16 (W)
• Công suất tổng của máy biến áp kể cả tổn thất 10% trong máy biến áp là:
S∑ = 1,1(PBAX + P7IC+ P3r +Pdp + Pdf) =1,1.(1,125 + 4,76 + 2,16 +
0,003 ) = 8,85(W)
1-Tiết diện trụ QFe của lõi thép biến áp được tính từ công suất:
Trong đó :
Sba - công suất biến áp tính bằng [W];
kQ - hệ số phụ thuộc phương thức làm
mát;
kQ = 6 nếu là biến áp khô;
m - số trụ của máy biến áp( có m=3)
f - tần số nguồn điện xoay chiều f=50
Hz. Chọn theo chuẩn trong bảng Q = 1,63 cm2 máy biến áp có các
thông số sau:
a b c h H Qfe
12mm 16mm 12mm 30mm 42mm 1,63cm2
)cm(46,1
50.3
85,8
.6
f.m
S
kQ 2baQFe ===
Lá thép dày 0,2 mm ,số lượng lá 68
. Giá trị dòng điện chạy trong mỗi pha thứ cấp MBA
I2 )A(33,0
9.3
85,8
U.m
S
2
ba ===
Giá trị dòng điện chạy trong mỗi pha sơ cấp MBA
I1 )A(0134,0
220..3
85,8
U.m
S
1
ba ===
• Số vòng dây của cuộn sơ cấp được tính
6080
1.63,1.50.44,4
10.220
B.Q.f.44,4
10.U
W
4
Fe
4
1 ≈== (vòng)
• Số vòng dây của cuộn thứ cấp được tính
2496080.
220
9
w.
U
U
W 1
1
2
2 === (vòng)
• Tính tiết diện dây dẫn cuộn sơ cấp:
)mm(0049,0
75,2
0134,0
J
I
S 211Cu ≈==
b
hH
c
C
a c
Chọn dây có đường kính d = 0,10 mm có tiết diện S = 0,00785 mm2 để
đảm bảo độ bền cơ.
• Tính tiết diện dây dẫn cuộn thứ cấp:
)mm(12,0
75,2
33,0
J
I
S 2
2
2Cu ≈==
Chọn dây có đường kính d = 0,41 mm có tiết diện đồng S = 0,132 mm2
Diện tích đồng trong cửa sổ:
Qcu1 = 22cd11 10,0.6080.4
dw
4
π=π =47,73 (mm2).
Qcu2 = 22cd22 41,0.249.4
dw
4
π=π = 32,85 (mm2)
Qcu = 2(47,73 + 2. 32,8 )= 226,9 (mm2)
Kích thước cửa sổ:
Qcs = c.h = 12x30=360 ( mm2).
Vậy biến áp với kích thước đã chọn là hoàn tàn thoả mãn.
• Tính chọn Diod cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi
- Dòng điện hiệu dụng qua Diod:
)(233,0
2
33,0
2
2
. A
II DHD ===
- Điện áp ngược lớn nhất mà Diod phải chịu:
)V(229.6U.6U 2maxN ===
- Chọn Diod có dòng định mức :
)A(33,2233,0.10I.kI D.HDidm ==>
- Chọn Diod có điện áp ngược:
)V(4422.2U.kU maxNun ==>
Chọn Diod loại KΠ208A có các thôn số:
- Dòng điện định mức: Idm = 5 A
- Điện áp ngược cực đại: UN = 100 V
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- deangioithieuchungveacquyvacacchedonap.pdf