Đề tài Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển dùng cho mạ điện

› Bộ biến đổi sử dụng biến áp tự ngẫu Sơ đồ: Hình 1.4 : Sơ đồ sử dụng biến áp tự ngẫu Nhận xét : Với sơ đồ sử dụng máy biến áp tự ngẫu thì tổn hao sẽ lớn hơn khi ta dùng bộ biến đổi mặt khác ta gặp khó khăn trong quá trình tự động hoá bởi lẽ muốn thay đổi liên tục điện áp trên tải ta cần thay đổi số vòng dây thứ cấp của biến áp tự ngẫu bằng cách dùng chổi than tiếp xúc trượt với dây dẫn. Chính điều này làm phát sinh tia lửa điện trong quá trình làm việc, làm hư hỏng phần dây dẫn tiếp xúc với chổi than. › Bộ biến đổi sử dụng điều áp xoay chiều Sơ đồ: Hình 1.5 : Sơ đồ sử dụng điều áp xoay chiều Nhận xét : Với sơ đồ sử dụng điều áp xoay chiều ta nhận thấy có nhược điểm : Nếu góc mở giữa hai van liên tiếp trong một chu kỳ không bằng nhau thì sẽ xuất hiện một điện áp trung bình một chiều, chính điện áp này sẽ gây ra quá dòng trong máy biến áp, có thể phá hỏng cách điện của máy biến áp cả về nhiệt lẫn cơ. › Bộ biến đổi sử dụng chỉnh lưu có điều khiển Sơ đồ : Hình 1.6 : Sơ đồ sử dụng điều áp xoay chiều - + Nhận xét : Sơ đồ này nếu đem so sánh với sơ đồ sử dụng biến áp tự ngẫu thì ta thấy có những ưu điểm nổi bật : Thiết bị gọn nhẹ, tác động nhanh, dễ tự động hoá, dễ điều khiển và ổn định dòng áp đồng thời đã khắc phục được nhược điểm mà điều áp xoay chiều mắc phải như đã nêu ở trên vì điện áp đưa vào biến chỉnh lưu là hình sin nên dòng điện trung bình trong một chu kỳ luôn bằng 0. CHƯƠNG 2 LùA CHäN S¥ §å CHØNH L¦U Do yêu cầu trong nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp là thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu với điện áp đưa vào chỉnh lưu là xoay chiều 3 pha nên dưới đây em chỉ đề cập đến các sơ đồ chỉnh lưu 3 pha . 2.1 : Chỉnh lưu tia 3 pha a) Sơ đồ nguyên lý: Hình 2.1 : Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha b) GIải thích hoạt động của sơ đồ : Chỉnh lưu tia 3 pha có cấu tạo từ một biến áp 3 pha với thứ cấp đấu sao có trung tính. Ba tiristo nối cùng cực tính để nối với tải, ba đầu còn lại của van bán dẫn nối tới các pha thứ cấp biến áp. Tải được nối giữa đầu nối chung của van bán dẫn với trung tính. Tại thời điểm hai điện áp pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của cá van bán dẫn. Các tiristo chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc thông tự nhiên như vậy chỉnh lưu tia 3 pha góc mở nhỏ nhất là = 0o dịch pha so với điện áp một góc 30o . Do ba van đấu chung catot nên tại một thời điểm chỉ có một van dẫn đó là van đấu với pha có điện áp dương hơn hai pha còn lại và thời điểm cấp xung cho van trước đó thì điện áp pha tương ứng phải dương hơn so với trung tính. Vì vậy tuỳ thuộc vào giá trị góc mở mà điện trên tải Ud có thể liên tục hoặc gián đoạn : Khi 30o thì điện áp Ud liên tục Khi > 30o thì điện áp Ud gián đoạn Xét trường hợp = 30o : Tại thời điểm = 1 = 30o cấp xung điều khiển cho tiristo T1 , vì lúc này ua là dương nhất nên T1 dẫn bỏ qua điện áp rơi trên tiristo thì điện áp trên tải bằng điện áp nguồn, đến thời điểm = 2 = 1500 cấp xung điều khiển cho tiristo T2 lúc này ub > ua nên T2 dẫn thông cho đến khi mở tiristo T3 tại thời điểm 3 đồng thời T1 bị khoá một cách tự nhiên. Khi T2 dẫn, điện áp ngược đặt lên tiristo T1 là điện áp dây giữa pha a và pha b có trị số là U2f. Xét tương tự cho thời điểm tiristo T3 dẫn. c) Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha : › Điện áp tải : khi khi › Dòng điện trung bình trên mỗi van : › Điện áp ngược mà mỗi van phải chịu đựng : › Công suất của máy biến áp UBA : UBA = 1,35 Pdmax d) Giản đồ các đường cong trong trường hợp , tải điện trở : e) Nhận xét : Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha thì việc điều khiển van tương đối đơn giả , số lượng van ít nên kinh tế hơn. Tuy nhiên chất lượng điện áp một chiều không cao do tần số đập mạch nhỏ, hiệu suất sử dụng biến áp kém, số lượng van ít nên dòng qua van lớn gây sụt áp đáng kể đối với tải có điện áp nhỏ và dòng điện lớn . Do vậy chỉnh lưu tia 3 pha thường được chọn khi công suất tải không quá lớn so với biến áp nguồn cấp và khi tải có yêu cầu chất lượng điện áp một chiều không quá cao . 2.2 : Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng a) Sơ đồ nguyên lý : b) Giải thích hoạt động của sơ đồ : Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng có thể coi như hai sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha mắc ngược chiều nhau : › Nhóm T1 , T3 , T5 mắc theo kiểu catot chung tạo thành một chỉnh lưu tia 3 pha cho điện áp dương › Nhóm T4 , T6 , T2 mắc theo kiểu anot chung tạo thành một chỉnh lưu tia 3 pha cho điện áp âm Giả thiết tại thời điểm xét thì hai tiristo T5 , T6 đang đẫn : › Khi cấp xung điều khiển mở tiristo T1, T1 mở được là do , T1 mở làm cho tiristo T5 bị khoá lại một cách tự nhiên (vì ). Lúc này T6 và T1 dẫn cho dòng chảy qua. Khi đó điện áp trên tải sẽ là : › Khi cấp xung điều khiển mở tiristo T2 , T2 mở được vì lúc này điện áp là âm nhất, T2 mở làm cho T6 khoá lại một cách tự nhiên. Tương tự ta cấp xung điều khiển cho các tiristo còn lại theo đúng thứ tự pha. Vì chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng được coi như là hai nhóm chỉnh lưu tia 3 pha mắc ngược chiều nhau hợp thành vì vậy điện áp ngược trên mỗi van ta xét tương tự như trong trường hợp chỉnh lưu tia 3 pha. c) Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng : › Điện áp tải : khi khi › Dòng điện trung bình trên mỗi van : › Điện áp ngược mà mỗi van phải chịu đựng : › Công suất máy biến áp SBA : SBA = 1,05 Pdmax d) Giản đồ đường cong trong trường hợp , tải điện trở : e) Nhận xét : Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng cho ta chất lượng điện áp một chiều tốt do tần số đập mạch trong một chu kỳ lớn, hiệu suất sử dụng máy biến áp cao tuy nhiên số lượng van sử dụng lớn nên giá thành thiết bị cao, gặp khó khăn trong việc điều khiển van. Nhìn chung sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng dùng cho trường hợp tải có công suất lớn nhưng dòng tải nhỏ hoặc trường hợp tải có yêu cầu hoàn trả năng lượng về lưới. 2.3 : Chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng a) Sơ đồ nguyên lý : b) Giải thích hoạt động của sơ đồ : Sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng bao gồm một máy biến áp động lực 3 pha , cuộn kháng cân bằng , 6 tiristo chia làm hai nhóm T1 ,T3 , T5 và T4 , T6 , T2 › Máy biến áp có hai hệ thống dây quấn thứ cấp a ,b, c và a’,b’,c’ . Các cuôn dây trên mỗi pha a và a’ , b và b’, c và c’ có số vòng dây như nhau nhưng cực tính thì ngược nhau › cung cấp nguồn cho nhóm tiristo T1 , T3 , T5 tạo ra thành phần điện áp › cung cấp nguồn cho nhóm tiristo T4 , T6 , T2 tạo ra thành phần điện áp Do đó : () › Nhờ có cuộn kháng cân bằng Lcb mà sáu tiristo được chia thành hai nhóm van đấu theo sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha làm việc độc lập, song song với nhau qua việc xét hoạt động từng nhóm van (tương tự như trong chỉnh lưu tia 3 pha) cho ta các dạng sóng điện áp ud1 , ud2. Từ biểu thức () ta xác định được ud . c) Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng : › Điện áp tải : › Dòng điện trung bình trên mỗi van : › Điện áp ngược mà mỗi van phải chịu đựng › Công suất máy biến áp : SBA = 1,26 Pdmax d) Giản đồ đường cong trong trường hợp , tải điện trở : e) Nhận xét : Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha cho ta chất lượng điện áp tốt do tần số đập mạch trong một chu kỳ lớn, dòng điện qua mỗi van chỉ bằng dòng điện tải nên rất dễ dàng trong việc chọn van nhất là trong trường hợp dòng tải lớn tuy nhiên do phải sử dụng hai hệ thống dây quấn thứ cấp nên việc chế tạo máy biến áp sẽ phức tạp hơn và phải làm thêm cuộn kháng cân bằng. Nhìn chung chỉnh lưu tia sáu pha thường được chọn khi tải có dòng điện quá lớn mà theo sơ đồ cầu 3 pha ta sẽ gặp khó khăn trong việc chọn van. Qua phân tích, so sánh những ưu nhược điểm của 3 sơ đồ chỉnh lưu đồng thời liên hệ với số liệu trong đồ án tốt nghiệp cho tải mạ điện có Id = 1200 A và Ud = 16 V ta thấy việc lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu tia có cuộn kháng cân bằng là hợp lý. Ch­¬ng 3 TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ m¹ch ®éng lùc 3.1 : Sơ đồ nguyên lý mạch lực Sơ đồ gồm có : › Aptomat Ap : Dùng để đống cắt nguồn, tự động bảo vệ khi quá tải, ngắn mạch đầu ra của bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp . › Công tắc tơ K : Dùng để đóng cắt thường xuyên mạch điện tải trong quá trình làm việc . › Máy biến áp chỉnh lưu : Dùng để biến đổi điện áp lưới thành điện áp thích hợp cấp cho chỉnh lưu . › Bộ chỉnh lưu : Biến đổi điện áp xoay chiều từ thứ cấp máy biến áp chỉnh lưu thành điện áp một chiều cung cấp cho tải . › Cuộn kháng cân bằng Lcb : Dùng để hạn chế dòng cân bằng chạy qua hai nhóm van đồng thời biến sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha thành hai nhóm chỉnh lưu tia 3 pha lầm việc độc lập, song song với nhau. › Điện trở sun Rs : Dùng để đo dòng điện làm việc › Mạch R1C1 : Dùng để bảo vệ quá điện áp do nguồn xoay chiều gây ra › mạch R2C2 : Dùng để bảo vệ quá điện áp trong quá trình đống cắt tiristo 3.2 Tính chọn van động lực Các van động lực được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản đó là : sơ đồ động lực được lựa chọn, dòng điện tải, điện áp làm việc, điều kịên toả nhiệt. Các thông số của van động lực được tính như sau: 3.2.1 Điện áp ngược mà tiristo phải chịu trong quá trình làm việc : Ta có: Cho nên : (V) Trong đó : › : điện áp ngược của van g › : điện áp pha thứ cấp máy biến áp › : điện áp trên tải › : hệ số điện áp ngược › : hệ số điện áp tảig Để van làm việc được tốt và an toàn thì ta nhân với một hệ số dự trữ : Unv = Thường thì : ta chọn Vậy : Unv (V) 3.2.2 Dòng làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng qua van Từ sơ đồ mạch động lực đã chọn ta có : (A) Trong đó : › : dòng điện hiệu dụng của van › : dòng điện tải › : hệ số xác định dòng điện hiệu dụng 3.3.3 Chọn van động lực : Với các van bán dẫn thì sụt áp trên các van thường là (V), do đó với dòng điện ở trên thì tổn thất công suất trên mỗi van là rất lớn. Vì vậy để van bán dẫn có thể làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt thì ngoài quá trình thông gió tự nhiên ta phải lắp thêm cánh tản nhiệvới diện tích đầy đủ để làm mát cho van. Với điều kiện làm mát đã chọn ta lấy dòng điện làm việc của van bằng 35% dòng điện định mức của van : (A). Từ các thông số , đã tính ở trên ta chọn van động lực như sau: Chọn 6 tiristo loại TF915 – 01Z với các thông số định mức: › Điện áp ngược cực đại của van : Un = 100 (V) › Dòng điện định mức của van : Iđm =1500 (A) › Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 17000 (A) › Dòng điện của xung điều khiển : Iđk = 200 (mA) › Điện áp của xung điều khiển : Uđk = 3,0 (V) › Dòng điện rò: Ir = 60 (mA) › Sụt áp lớn nhất của Tiristo ở trạng thái dẫn là : DU = 1,7 (V) › Tốc độ biến thiên điện áp : = 300 (V/ms) › Tốc độ biến thiên của dòng điện : =400 (A/ms) › Thời gian chuyển mạch : tcm = 30 (ms) › Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : Tmax = 125 (oC) 3.3 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu 1. Điện áp pha sơ cấp máy biến áp: điện áp sơ cấp máy biến áp bằng điện áp của nguồn cấp: U1 = Ud =380 (V). 2. Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp : Phương trình cân bằng điện áp khi có tải : Udo .cos amin = Ud + DUv + DUdn + DUba +DUck Trong đó : › amin = 100 là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lưới. › Uv : Là sụt áp trên van bán dẫn tiristo DUv = 1,7 (V) › DUdn : Là sụt áp trên dây nối , lấy DUdn=0 (V) › DUba = DUr + DUx là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp khi có tải Chọn sơ bộ : DUba = 20% * Ud = 20% * 16= 3,2 (V) › DUck : là sụt áp trên cuộn kháng Chọn sơ bộ : DUck = 10% * Ud = 10% * 16 = 1,6 (V) Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có : (V) 3. Điện áp pha thứ cấp pha máy biến áp : (V) 4. Công suất tác dụng tối đa của máy biến áp : (W) 5. Công suất biểu kiến của máy biến áp : kS : là hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực. Với mạch chỉnh lưu tia 6 pha thì kS = 1,26 Vậy : (KVA) 6. Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp : (A) 7. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp : (A) 8. Tiết diện sơ bộ trụ: Tiết diện của trụ QFe của lõi thép máy biến áp được xác định theo công suất của máy biến áp : (cm2) Trong đó : Sba : công suất máy biến áp (VA) kQ: là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát Với máy biến áp khô kQ = 5 ¸ 6. Ta chọn kQ = 6 . m : là số trụ của máy biến áp f : là tần số nguồn điện xoay chiều , ở đây f = 50 (Hz). Thay số ta được : (cm2) 9. Đưòng kính trụ : (cm) Chuẩn hoá đường kính trụ theo phụ lục XVII.1 sách Thiết kế máy điện (TKMĐ) của tác giả Trần Khánh Hà và Nguyễn Hồng Thanh ta có : d = 12,5 (cm) Chọn loại thép làm trụ là 3408 với các lá thép có độ dày 0,35 mm và chọn mật độ từ cảm trong trụ BT = 1,65 (T). 10. Gọi h là chiều cao của trụ, m là tỷ lệ giữa chiều cao của trụ và đường kính trụ. Ta chọn : Þ (cm). 11. Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp . (vòng) Lấy W1 = 113 (vòng) 12. Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp : (vòng) Lấy W2 = 5 (vòng) Trong đó: W : số vòng dây của cuộn dây cần tính (vòng). U : điện áp của cuộn dây cần tính (V) BT : từ cảm trong trụ (T) QFe : tiết diện lõi thép (cm2) Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp . S1 = = (mm2) Với tiết diện như đã tính ta chọn dây dẫn sơ cấp máy biến áp là dây dẫn có tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B , chọn mật độ dòng điện J1 = 3A/mm2 Chuẩn hoá tiết diện theo phụ lục VI.2 sách TKMĐ : Lấy S1 = 5,085 (mm2) Kích thước dây dẫn sơ cấp có kể cách điện: a1 = 1,06 (mm); b1 = 5 (mm) Ta chọn dây quấn sơ cấp quấn theo kiểu đồng tâm. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp . J1= = (A/mm2) Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp . S2 = = (mm2) Dây dẫn thứ cấp có tiết diện rất lớn do đó ta phải chập hai dây dẫn có tiết diện hình chữ nhật lại với nhau , kết cấu dây quấn thứ cấp theo kiểu đồng tâm kiểu xoắn. Ta chọn hai dây dẫn có cùng tiết diện là 58,5 (mm2) Vậy tổng tiết diện của hai dây dẫn là: (mm2). Kích thước của một dây dẫn có kể cách điện : a2 = 5,3 (mm) ; b2 = 11,2 (mm) Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp : J2= (A/mm2) Với dây quấn sơ cấp ta chọn kết cấu dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục. 19. Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp : (vòng) Trong đó : kc : là hệ số ép chặt , chọn kc = 0,92 h : là chiều cao trụ . hg : là khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp. Chọn sơ bộ hg= 1,5 (cm) Vậy : (vòng) Chọn = 49 (vòng/lớp). 20. Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp : (lớp) Chọn số lớp n1 = 3 (lớp) Như vậy có 113 vòng chia thành 3 lớp, 2 lớp có 49 vòng và 1 lớp có 15 vòng 21. Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp : h1 = (cm) 22. Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dầy: S01= 0,1 (cm). 23. Chọn khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp : a01= 0,75 (cm) . 24. Đường kính trong của ống cách điện : Dt= dFe + 2 * a01- 2 * S01 = 12,5 + 2 *0,75 – 2 * 0,1 = 13,8 (cm) 25. Đường kính trong của cuộn sơ cấp : Dt1= Dt + 2 * S01 = 13,8 + 2 * 0,1 = 14 (cm) Chọn bề dầy giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp : cd11= 0,1 (mm) 26. Bề dầy cuộn sơ cấp : Bd1= (a1+ cd1) * n1 = (1,06 + 0,1) * 3 = 3,48 (mm) = 0,35 (cm) 27. Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp : Dn1= Dt1+2 * Bd1 = 14 + 2 * 0,35 = 14,7 (cm) 28. Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp : Dtb1= = (cm) 29. Chiều dài dây quấn sơ cấp . l1 = p * W1*Dtb= p * 113 * 14,35 * 10-2 = 50,94 (m) Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp : h1= h2 = 19,57 (cm) 30. Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp : W12 == (vòng) Chọn W12= 22 (vòng) 31. Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp : (lớp) Vậy cuộn thứ cấp chỉ có một lớp dây quấn gồm 5 vòng dây 32. Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp : h2 = = (cm) 33.Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp : a12 = 1,0 (cm) 34. Đường kính trong của cuộn thứ cấp: Dt2 = Dn1+ 2 * a12 = 14,7 + 2 * 1,0 = 16,7 (cm) 35.Bề dầy cuộn sơ cấp : Bd2 = 2 * (a2 + cd2 )= 2 * (5,3 + 0) = 10,6 (mm) = 1,06 (cm) cd2 : bề dầy cách điện giữa hai cuộn dây thứ cấp. Ở đây cd2 = 0 vì cuộn dây thứ cấp chỉ có một lớp dây 36. Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp : Dn2= Dt2+ 2 * Bd2= 16,7 + 2 * 1,06 = 18,82 (cm) 37. Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp : Dtb2= = (cm) 38. Chiều dài dây quấn thứ cấp : l2 = pW2Dtb2 = p * 5 * 16,67 * 10-2 = 2,63 (m) 39. Đường kính trung bình các cuộn dây : D12= = (cm) 40. Chọn khoảng cách giữa hai cuộn thứ cấp : a22 = 2 (cm) Với đường kính trụ d = 12,5 cm, ta có số bậc là 6 trong nửa tiết diện trụ, chiều dày và kích thước mỗi trụ tra từ phụ lục XVII.1 sách TKMĐ ta có: Bậc 1 Bậc 2 Bậc 3 Bậc 4 Bậc 5 Bậc 6 Chiều dày mỗi bậc (mm) 18 16 6 6 7 6 Chiều rộng mỗi bậc (mm) 120 105 95 85 65 40 Số lá thép trên mỗ bậc 51 46 17 17 20 17 Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ : Qbt = 2 *(18 * 120 + 16 * 105+ 6 * 95 + 6 * 85 + 7 * 65 + 6 * 40) = 11420 (mm2) = 114,2 (cm2) 42. Tiết diện hiệu quả của trụ : QT = khq * Qbt = 0,92 * 114,2 = 105,6 (cm2) 43. Tổng chiều dày các bậc thang của trụ . dt = 2 * (1,8 + 1,6 + 0,6 + 0,6 + 0,7 + 0,6 ) = 11,8 (cm) Để đơn giản trong việc chế tạo gông từ, ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có các kích thước sau : 44. Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ : b = dt =11,8 (cm) 45. Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ : a = 12 (cm) 46. Tiết diện gông : Qbg= a x b = 11,8 * 12 = 141,6 (cm2) 47. Tiết diện hiệu quả của gông : Qg= khqQbg = 0,92 * 141,6 = 130,27 (cm2) 48. Số lá thép dùng trong một gông : (lá) 49. Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ : (T) 50. Mật độ từ cảm trong gông : Bg = BT* = 1,44 * (T) 51. Chiều rộng cửa sổ mạch từ : c = 2 * (a01 + Bd1 + a12 + Bd2) + a22 = 2 * (0,75 + 0,35 + 1,5 + 1,06) + 2 = 9,32 (cm) 52. Tính khoảng cách giữa hai tâm trục : c’ = c + d = 9,32 + 12,5 = 21,82 (cm) 53. Chiều rộng mạch từ : L= 2 *c +3 * d = 2 * 9,32 + 3 *12,5 = 56,14 (cm) 54. Chiều cao mạch từ : H = h + 2 * a = 30 + 2 * 12 = 54 (cm) 55. Thể tích của trụ : VT = 3 * QT * h = 3 * 114,2 *30 = 10278 (cm3) 56. Thể tích của gông : Vg = 2 * Qg * L = 2 * 141,6 * 56,14 = 15899 (cm3) 57. Khối lượng của trụ : MT = VT * mFe = 10278 *10-3 * 7,85 = 80,68 (Kg) 58. Khối lượng của gông : Mg = Vg* mFe = 155899 *10-3 *7,85 = 124,81 (Kg) 59. Khối lượng của sắt : MFe = MT + Mg = 80,68 + 124,81 = 206 (Kg) 60. Thể tích đồng : VCu = 3 * (S1 * l1 + S2 * l2) = 3 * (5,085 *10- 6 * 59,94 + 117 * 10 -6 * 2,63) = 1700 * 10-6 (m3) = 1700 * 10-3 (dm3) 61. Khối lượng của đồng : MCu = VCu * mCu = 1700 * 10-3 * 8,9 = 15,13 (Kg) 62. Điện trở của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75 0 C : (W) : điện trở suất của đồng ở 75 oC r75 = ro * (1 + * q) = 0,0175 * (1 + 0,0043* 75) = 0,0231 (Wmm2/m). ro = 0,0175 (W.mm2/m) : là điện trở suất của đồng ở 0oC = 0,0043 (oC -1) : là hệ số nhiệt điện trở 63. Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp ở 750C : W) 64. Điện trở của máy biến áp qui đổi về thứ cấp : (W) 65. Sụt áp trên điện trở máy biến áp : DUr = RBAId = 1,16 *10-3 1200 = 1,16 (V) 66. Điện kháng máy biến áp qui đổi về thứ cấp : XBA= 8 * p2* (W2)2 ** w *10-7 = 8 * p2 * 52 ** 314 * 10-6 = 2,54*10-3 (W) 67. Điện cảm máy biến áp qui đổi về thứ cấp : LBA = = ( mH) 68. Sụt áp trên điện kháng máy biến áp : DUx = * XBA* Id = * 2,54 * 10-3 * 1200 = 2,91 (V) 69. Sụt áp trên máy biến áp : (V) 70. Điện áp giữa hai cực của bể mạ khi góc mở amin= 100 : U= Ud0*Cosamin - DUV - DUBA – Uck = 22,85 * cos100 – 1,7 – 3,13 – 1,6 = 16,07 (V) 71. Tổng trở ngắn mạch qui đổi về thứ cấp : (W) 72. Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp : DPn = 3 * RBA* I22 = 3 *0,97 *10-3 *3462 = 348 (W) DP% = *100 = * 100 = 1,3 ( % ) 73. Tổn hao có tải có kể đến 15% tổn hao phụ : P0 = 1,3 * nf * (MT* BT2 + Mg* Bg2) = 1,3 * 1,15 * (80,68 *1,442 + 124,81 *1,162) = 501 (W) DP % = * 100 = ( % ) 74. Điện áp ngắn mạch tác dụng : Unr = = ( % ) 75. Điện áp ngắn mạch phản kháng : Unx = = ( % ) 76. Điện áp ngắn mạch phần trăm : % 77. Dòng điện ngắn mạch xác lập : (A) 78. Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại : (A) 79. Kiểm tra máy biến áp thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên của dòng chuyển mạch : Giả sử chuyển từ mạch T1 sang T3 ta có phương trình . 2.LBA * = U2b – U2a = max= = 2,6 * 10 6 (A/s) max = 2,6 (A/ms) < cp = 400 (A/ms) Vậy máy biến áp thiết kế sử dụng tốt. 3.4 Tính cuộn kháng cân bằng Trong quá trình làm việc do luôn tồn tại một dòng cân bằng icb chảy qua hai nhóm van vì vậy ta cần phải tính toán giá trị điện kháng Lcb để đảm bảo Icbcf % Idm Đi từ công thức : ta có : Trong đó : : là hệ số phụ thuộc sơ đồ chỉnh lưư Với sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng lấy : = 0,7 : Giá trị biên độ của điện áp thứ cấp máy biến áp : Số pha cuộn kháng cân bằng : Tần số cuộn kháng cân bằng (rad/s) : là giá trị trung bình của dòng điện cân bằng icb : là giá trị dòng điện cho phép đi qua cuộn kháng cân bằng Lấy Icbcf % * Idm=% * 1200=120 (A) : giá trị điện cảm máy biến áp : là giá trị điện cảm nhỏ nhất phải chọn đối với cuộn kháng cân bằng Vậy : (mH) 3.5 Tính toán bảo vệ mạch động lực 3.5.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn Khi tải làm việc thì có dòng điện chạy qua van, trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất DP, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcf nào đó , nếu quá nhiệt độ này thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Do đó để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý như đã nói ở trên ta tính toán cánh tản nhiệt cho mỗi van bán dẫn 1. Công suất tổn thất trên mỗi tiristo : DP = DU * Ilv = 1,7 * 490 = 833 (W) 2. Tổng diện tích bề mặt toả nhiệt được tính theo công thức: Trong đó: DP : là tổn hao công suất (W). km : là hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Với phương thức làm mát như đã chọn . Ta lấy : km = 10 (W/m2.0C) : độ chênh lệch nhiệt độ của cánh tản nhiệt so với môi trường. 3. Chọn nhiệt độ môi trường: Tmt = 400 C. 4. Nhiệt độ làm việc cho phép của tiristo : Tcf = 1250 C. 5. Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt: Tlv = 900 C. Þ t = Tlv - Tmt = 900C - 400 C = 500C Vậy : (m2) 3.5.2 Bảo vệ quá dòng điện cho van Để bảo vệ quá dòng cho van ta có thể sử dụng Aptomat tác động nhanh. a) Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động ngắt mạch điện khi xảy ra sự cố quá tải và ngắn mạch các van bán dẫn, ngắn mạch đầu ra độ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp Dòng điện định mức cần thiết của Aptomat : Iđm = 1,1 * Ilv = ( A ) Chọn dòng điện định mức của Aptomat là Iđm = 60 (A). Điện áp định mức của Aptomat: Điện áp dây trên cuộn sơ cấp của máy biến áp động lực là 380 (V). Do đó ta chọn Aptomat có điện áp định mức: Uđm = 600 (V). Aptomat có 3 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện. Chỉnh định dòng ngắn mạch và dòng quá tải cho Aptomat: +) Dòng điện ngắn mạch: Inm = 2,5* Ilv = (A) +) Dòng quá tải: Iqt = 1,5* Ilv = ( A ) Vậy ta chọn Aptomat của hãng LG loại ABE 103A với các thông số như sau Iđm = 60A Uđm = 600V 3 cực Ngoài ra đẻ đóng cắt thừơng xuyên mạch điện tải ta mắc thêm một công tắc tơ K Dòng định mức của công tắc tơ K : Iđm = 1,3 * Ilv = (A) Ta chọn công tắc tơ xoay chiều do Liên Xô chế tạo ký hiệu KTB 223 có các thông số định mức : › Dòng điện định mức : Iđm = 150 (A) › Điện áp định mức : Uđm = 380 ( V) › Dòng điện ngắt giới hạn : Ing = 1100 (A) ›Tần số đóng cắt : 150 (lần / 1giờ) 3.5.3 Bảo vệ quá điện áp cho van a) Bảo vệ quá điện áp do nguồn xoay chiều gây ra : Mắc mạch R1C1 đấu giữa các pha thứ cấp của máy biến áp, điều này là cần thiết bởi vì trong quá trình làm việc thường xuất hiện những nguyên nhân ngẫu nhiên như là : đóng cắt máy biến áp nguồn, đóng cắt các phụ tải chung nguồn với chỉnh lưu, có sét đánh Theo kinh nghiệm ta chọn : R1= ( ) C1= b) Bảo vệ quá điện áp trong quá trình đóng cắt tiristo : Được thực hiện bằng cách mắc mạch R2C2 song song với tiristo. Điều đó được giải thích như sau : khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược tạo ra một sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm gây nên quá áp giữa anot va catot của tiristo Theo kinh nghiệm ta chon: R2= ( ) C2= cH¦¥NG 4 tÝNH TO¸N Vµ THIÕT KÕ M¹CH §IÒU KHIÓN 4.1 Nguyên lý thiết kế mạch điều khiển Tiristo chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt lên Anot và xung áp dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi Tiristor mở thì xung điều khiển không còn tác dụng, dòng chảy qua Tiristor do thông số của mạch động lực quyết định. Điều khiển Tiristor trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau, thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Giản đồ nguyên lý điều khiển chỉnh lưu: U®f Urc U®k Ud X®k t1 t2 t3 t4 t5 Hình 4.1.Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu t t t t - Nguyên lý điều khiển: Khi điện áp xoay chiều hình sin ( Uđf ) đặt vào anot của Tiristo. Để có thể điều khiển được góc mở a của Tiristor trong vùng điện áp dương Anot, cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác ( thường gọi điện áp tựa là điện áp răng cưa Urc ). Dùng 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 anot thì phát xung điều khiển (Xđk). Tiristo được mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1,t4 ) cho tới cuối bán kì ( hoặc tới khi dòng điện bằng 0). Trên hình vẽ t1 t2 , t4 t5 là khoảng thời gian tiristo dẫn. 4.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển Qua phân tích nguyên lý điều khiển ở trên ta có thể xây dựng sơ đồ khối của mạch điều khiển gồm 3 khâu cơ bản như sau : Khâu đồng pha Khâu so sánh Kh âu t ạo xung Hình 4.2. Sơ đồ khối mạch điều khiển Udk 4.2.1 Khâu đồng pha Có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc (thường gặp là điện áp tựa dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp Anot cuả Tiristo. 4.2.2 Khâu so sánh Nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều khiển, có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển, để tìm ra thời điểm hai điện áp này bằng nhau ( Urc=Uđk ). Tại thời điểm đó thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuyếch đại. 4.2.3 Khâu tạo xung Có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristo. Xung để mở Tirsto có yêu cầu: › Sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo yêu cầu tiristo 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 hơn thời gian mở của Tiristo) › Đủ công suất. tx Xđk t tx Xđk t › Cách li giữa mạch điều khiển với mạch động lực(nếu điện áp động lực quá lớn). Hình 4.3 : Hình dạng xung điều khiển tiristo 4.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 4.3.1 Khâu đồng pha: Để có thể tạo ra điện áp răng cưa trong khâu đồng pha có thể dùng : a) Dùng diot và tụ điện : Hình 4.4 : Sơ đồ mạch điện và tín hiệu ra của khâu đồng pha dùng diot › Nguyên lý hoạt động của sơ đồ : Khi điện áp UA > 0, diot D1 , D2 dẫn làm ngắn mạch tụ C nên Urc = 0 Khi điện áp UA < 0, diot D1, D2 khoá tụ C được nạp với hằng số thời gian R2C, tụ được nạp cho đến khi | Urc | < | UA | Từ thời điểm | Urc | > | UA | tụ bắt đầu xả cho đến khi Urc = 0 Sơ đồ này có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện sử dụng ít linh kiện nhưng góc mở van lớn nhất bị giới hạn tức là điện áp tải không điều khiển được từ 0 tới cực đại mà từ một trị số nào đó tới cực đại Để khắc phục nhược điểm này người ta sử dụng sơ đồ dùng tranzito cho khâu đồng pha b) Dùng Tranzito: GHEP QUANG C R2 R1 D Urc +E Uv b. UA Urc c. t U A U1 a. U2 R2 R1 D Tr -E Urc C Hình4.5 : Sơ đồ mạch điện và tín hiệu ra của khâu đồng pha dùng tranzito a) Dùng tranzito pnp b) Dùng bộ ghép quang › Nguyên lý làm việc: Khi điện áp UA > 0, tranzito (Tr) khóa, tụ C nạp Khi UA < 0, tranzito dẫn, tụ C xả tạo thành điện áp răng cưa như hình vẽ. Với sơ đồ này điện áp tựa có phần biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kì điện áp. Do vậy, khi cần điều khiển điện áp từ 0 đến cực đại là hoàn toàn có thể thực hiện được. Nhưng sơ đồ có nhược điểm là việc mở và khóa các tranzito trong vùng điện áp lân cận 0 là thiếu chính xác làm cho việc nạp và xả tụ trong vùng điện áp đồng pha lân cận 0 không được như ý muốn. Vì vậy cùng với xu thế phát triển, ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều, chất lượng ngày càng cao, kích thước gọn hơn.Việc ứng dụng các vi mạch vào thiết kế mạch đồng pha cho chất lượng điện áp tựa tốt hơn. c) Dùng khuyếch đại thuật toán (KĐTT) : b. UA t UB t Urc t A C U1 a. - - A1 D1 R1 A2 R2 R3 C1 Urc Tr B Hình 4.6 : Sơ đồ mạch điện và tín hiệu ra của khâu đồng pha dùng KĐTT › Nguyên lý làm việc: Khi điện áp UA > 0 thì điện áp đầu ra của KĐTT A1 là UB bão hoà dương làm cho diot D1 dẫn đồng thời khoá tanzito T1 khi đó tụ điện C1 được nạp Khi điện áp UA < 0 thì điện áp đầu ra của KĐTT A1 là UB bão hoà âm làm cho diot D1 khoá đồng thời mở thông tranzito T1 khi đó tụ điện C1 bị ngắn mạch nên UC = 0 4.3.2 Khâu so sánh Thực hiện so sánh hai tín hiệu điện áp Uđk và Urc để tìm được thời điểm Uđk = Urc , việc so sánh đó có thể thưc hiện bằng : › Khâu so sánh sử dụng tranzito › Khâu so sánh sử dụng KĐTT Ở đây ta chọn KĐTT vì KĐTT có hệ số khuyếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ (cỡ ) ở đầu vào thì đầu ra đã có điện áp xấp xỉ bằng điện áp nguồn nuôi chính điều đó đã làm cho sơ đồ sử dụng KĐTT có ưu điểm hơn hẳn sơ đồ dung tranzito đó có thể phát xung điều khiển chính xác tại thời điểm Uđk = Urc › Sơ đồ mạch điện Hình 4.7 : Sơ đồ các khâu so sánh thường gặp a- Dùng tranzito; b,c- Dùng KĐTT b. A3 Ura R2 R1 Uđk Urc R1 Urc R2 Uđk -E R3 a. Tr Ura A Ura R1 R22 c. Uđk Urc + + - - › Nguyên lý hoạt động của sơ đồ Khi Urc > Udk thì điện áp đầu ra UD bão hoà âm Khi Urc < Udk thì điện áp đầu ra UD bão hoà dương Để thuận tiện cho việc điêu khiển sau này thì giữa khâu đồng pha và khâu so sánh ta đặt một bộ cộng điện áp 4.3.3 Khâu khuyếch đại Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristo, tầng khuyếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng Tranzito công suất giống như hình 4.8a Để xung có dạng kim gửi tới Tiristo, ta dùng biến áp xung (BAX) để có thể khuyếch đại công suất, Diot D bảo vệ Tranzito và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi Tranzito khóa đột ngột. Uv Tr1 BAX b. D Tr2 D0 R Uv Tr BAX +E D a. Hình 4.8 : Các sơ đồ của khâu khuyếch đại a-Bằng tranzito công suất; b- Bằng sơ đồ darlington; › Ưu điểm của sơ đồ này: đơn giản. › Nhược điểm: Hệ số khuyếch đại của Tranzito loại này nhiều khi không đủ lớn để khuyếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang. Để có thể tăng hệ số khuyếch đại lên nhằm đáp ứng nhu cầu về khuyếch đại công suất ta có thể sử dụng sơ đồ khuyếch đại hình 4.8b Với sơ đồ này, hệ số khuyếch đại được nhân lên theo thông số của các Tranzito. 4.4 Sơ đồ mạch điều khiển 4.5 Giản đồ đường cong các khâu điều khiển *Hoạt động của sơ đồ: Điện áp vào tại điểm A (UA) có dạng hình sin, trùng pha với điện áp Anot của Tiristo T1, qua khuyếch đại thuật toán ( KĐTT ) A1 cho chuỗi xung chữ nhật đối xứng UB. Phần dương của điện áp chữ nhật UB đi qua Diot D1 tới KĐTT A2 tích phân thành điện áp tựa UC ( Urc ). Phần âm của điện áp UB làm mở Tranzito Tr1. Kết quả là A2 bị ngắn mạch (với Urc=0) trong vùng UB âm. Trên đầu ra của A2 chúng ta có chuỗi điện áp răng cưa Urc gián đoạn. Để thuận tiện cho việc điều khiển sau này điện áp UC sau đó được đưa qua bộ cộng A3, điện áp đầu ra bộ cộng là UC, được so sánh với điện áp điều khiển Udk tại đầu vào của KĐTT A4 : Trong khoảng thời gian từ 0t1 : Uđk < UC, thì điện áp đầu ra KĐTT A4 UD bão hoà âm Trong khoảng thời gian từ t1t2 điện áp Uđk > UC, làm cho UD lật lên dương Trong các khoảng thời gian tiếp theo ta giải thích tương tự, điện áp UD có dạng xung chữ nhật không đối xứng, phần xung dương của điện áp UD được đưa vào một đầu cổng AND (đầu còn lại là tín hiệu lấy từ mạch bảo vệ ngắn mạch), sau khi qua cổng AND ta nhận được một xung dương UE gián đoạn. Mỗi một xung này qua cực bazơ của tranzito Tr2 làm Tr2 mở nên có dòng chạy từ E+ qua cuộn sơ cấp máy biến áp xung qua Tr2 xuống đất, đồng thời biến áp xung sẽ sinh ra một từ thông ở cuộn thứ cấp tạo ra bên thứ cấp các xung UF, các xung này sẽ được đưa tới các cực để mở tiristo. Khi xung tắt Tr2 bị khoá, điện áp trên biến áp xung giảm đột ngột, cuộn dây biến áp xung xuất hiện sức điện động cảm ứng ngược dấu lúc đó các điôt D2, D3 thông và dập tắt sức điện động để bảo vệ tranzito và cuộn dây máy biến áp xung. Điện áp Uđk được lấy từ điện áp phản hồi của nguồn mạ thông qua một mạch phân áp sau đó được so sánh với một điện áp Uđ, tín hiệu đầu ra của khâu này chính là điện áp Uđk. Tín hiệu điện áp của khâu bảo vệ ngắn mạch có được nhờ một điện trở sun đặt nối tiếp với tải mạ điện, vì điện áp này nhỏ nên ta cho qua một mạch lặp sau đó đưa qua mạch khuyếch đại trước khi đưa vào mạch so sánh với một điện áp Uđ, trong trường hợp làm việc bình thường tức là điện áp của khâu bảo vệ ngắn mạch nhỏ hơn thì đầu ra của KĐTT A8 bão hoà dương có tín hiệu logic 1 đi vào strigơ SR kết quả đầu ra của strigơ cũng có mức logic 1 đi vào một đầu của cổng AND, trường hợp ngắn mạch trên tải khi đó điện áp khâu bảo vệ ngắn mạch lớn hơn điện áp Uđ ta giải thích ngược lại. Sau khi khắc phục được sự cố ngắn mạch ta ấn nút R khi đó trên đầu ra của strigơ có tín hiệu logic 1 đi vào cổng AND qua mạch khuyếch đại phát xung mở tiristo đưa hệ thống trở lại làm việc như bình thường. 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, ở mỗi chu kỳ điện áp nguồn cấp) cho tới cuối nửa chu kỳ điện áp dương Anot. 4.6 Tính toán các thông số của mạch điều khiển Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristo như là : yêu cầu về công suất , yêu cầu về mức độ tác động Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuyếch đại ngược trở lên * Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển : › Điện áp điều khiển Tiristo : Ug = Uđk = 3,0 (V) › Dòng điện điều khiển : Ig = Iđk = 200 (mA) › Thời gian chuyển mạch Tiristo : tcm = 30 (ms) › Độ rộng xung lấy bằng 4 lần thời gian chuyển mạch : tx = 4 * 30 = 120 (ms) › Tần số xung điều khiển : fx = = 4 (KHz) › Độ mất đối xứng cho phép : Da = 40 › Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển : ±12 (V) › Mức sụt biên độ xung : sx = 0,15 4.6.1 Tính chọn biến áp xung (BAX) . 1. Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM . Lõi có dạng hình xuyến , làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có : DB = 0,3 (T) , DH = 30 ( A/m ) và không có khe hở không khí. 2. Tỷ số biến áp lấy m = 4 3. Điện áp thứ cấp BAX : U2 = Udk = 3 V 4. Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp BAX : U1 = m U2 = = 12 (V) 5. Dòng điện thứ cấp BAX : I2 = Iđk = 0,20 (A) 6. Dòng điện sơ cấp BAX : I1 = I3 / m = 0,2/ 4 = 0,05 (A) 7. Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt : tb = = (H/m)  : độ từ thẩm của không khí =1,25.10-6 8. Thể tích của lõi thép cần có: V = QL = = = (m3) = 1,2 (cm3) trong đó: Q: là tiết diện lõi sắt l : là chiều dài của đường sức từ Chọn mạch từ : OA-22/ 30-5 Có thể tích lõi thép : V= Ql = 0,28,2 = 1,64 (cm3 ). Với thể tích mạch từ đó ta có kích thước mạch từ sau : Hình 4.9 : Hình chiếu lõi biến áp xung a = 4 mm b = 5 mm Q = 0,2 cm2 = 20 mm2 QCS = 3,82 cm2 = 382 mm2 d = 22 mm D = 30 mm l = 8,2 cm 9. Số vòng dây quấn sơ cấp của BAX: Theo định luật cảm ứng điện từ U1 = w1 QDB/tx (vòng) 10. Số vòng dây quấn thứ cấp của BAX: W2 = (vòng) 11. Tiết diện dây sơ cấp : S1 = (mm2 ) chọn J1 = 6 (A/mm2) 12. Đường kính dây quấn sơ cấp: d1 = = (mm) Chọn dây có đường kính: d1 =0,11 mm .Tra bảng VI.1 tài liệu : đường kính kể cả cách điện d1cđ = 0,132 mm 13. Tiết diện dây thứ cấp : S2 = (mm2 ) chọn J2=4 (A/mm2) 14. Đường kính dây quấn thứ cấp d2 = == 0,26 (mm) Chọn dây có đường kính : d2 =0,31 mm . Tra bảng VI.1 tài liệu : đường kính kể cả cách điện d2cđ = 0,345 mm 15. Kiểm tra hệ số lấp đầy rãnh hình xuyến Klđ = Vậy hệ số Klđ tương đối thấp cần thiết cho quá trình tỏa nhiệt và quấn dây. 4.6.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng mạch điều khiển : Chọn Tranzito công suất Tr3 loại BC846ALT1 làm việc ở chế độ xung, có các thông số : › Tranzito loại npn, vật liệu bán dẫn là Si › Điện áp giữa Colecto và Bazo khi hở mạch Emito : UCBO = 65 (V) › Điện áp giữa Emito và Bazo khi hở mạch Colecto : UEBO =4 (V) › Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng : Icmax = 500 (mA) › Công suất tiêu tán ở Colecto: Pc = 2,5 (W) › Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1 = 175 (0C) › Hệ số khuyếch đại: β = 200 › Dòng làm việc của Colecto : Ic3 = I1= 83 (mA) › Dòng làm việc của Bazo: IB3 = Ic3 /b = 83/200 = 0,415 (A) 4.6.3 Chọn các Diod Để bảo vệ các thiết bị đóng cắt không tiếp điểm cho dòng xung nhọn chạy qua và ngăn cản xung âm Trong sơ đồ ta dùng tất cả cùng loại Diod 1N4009 với các thông số sau: Dòng định mức Iđm = 10 A Điện áp ngược max Ung = 25V Điện áp để cho mở thông Um= 1V 4.6.4 Tính chọn cổng AND Hình 4.10 : Sơ đồ chân IC 4081 Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng 6 cổng AND nên ta chon 2 IC 4081 họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng AND với các thông số : › Nguồn nuôi IC : Vcc = 318 V. Ta chọn Vcc = 12 V › Dải nhiệt độ làm việc : -40oC 80oC › Dòng điện vào nhỏ hơn 1mA › Công suất tiêu thụ trên mỗi cổng : P = 2,5 mW/ 1cổng 4.6.5 Chọn điện trở R9 : Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazo của Tranzito Tr2 , chọn R9 thoả mãn điều kiện: R9 ³ U/Ib3 = 10/(0,41510-3 ) = 24,1 (kW) ; Chọn R9 = 25 ((kW) 4.6.6 Tính chọn khâu so sánh: › Khuyếch đại thật toán đã chọn loại : TL084 Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc = ± 12 V, thì điện áp vào A4 là Uv = 10 V › Dòng điện vào được hạn chế ở mức : Iv< 1 (mA) Vì vậy ta có : R7 = R8 > Uv / Iv = 10/ 10-3 = 10 (kW)  Ta chọn R7 =R8 = 12 (kW) Do đó dòng điện vào A4 là : Iv4 = 10/ (12103) = 0,83 (mA) Hình 4.10 : Sơ đồ chân IC TL 084 4.6.7 Tính chọn mạch cộng : Ta có : Chọn R4 = R5 = R6 . Vậy : Uđ = UD – UC = 10 (V) Dòng điện vào A3 được hạn chế để : Iv < 1mV Do đó cần chọn : R4 > (K) Ta chọn : R4 = R5 = R6 = 12 (K) Khi đó dòng điện vào A3 : Iv3 = 4.6.8 Tính chọn khâu đồng pha: a) Điện áp tựa được hình thành do nạp tụ C trong một nửa chu kỳ do đó : UC = UB = UC = 10 (V) . Do vậy : R3C1 = 10-2 Chọn C1 = 0,1 () . Vậy : (K) Để truận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp, ta chọn R3 có giá trị 120 K gồm một điện trở 90 K và một biến trở có phạm vi điều chỉnh 30 K b) Chọn Tranzito Tr1 loại PNP làm bằng silic mã hiệu A564 có các thống số sau : › Điện áp giữa Colectơ và Bazơ khi hở mạch: UCBO = 25 (V). › Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch Colectơ: UBEO = 7 (V) › Dòng lớn nhất mà Colectơ có thể chịu đựng được: ICmax = 100 (mA). › Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: Tcp = 150oC › Hệ số khuyếch đại : b = 250. › Dòng cực đại của Bazơ: c) Tính chọn điển trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào Bazơ Tranzitor Tr1 được chọn như sau : R2 > (K) Ta chọn R2 = 30 (kW). d) Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào KĐTT A1 , thường chon R1 sao cho dòng vào KĐTT : Iv < 1mA. Do đó : (K) R1 = 12 (K) Ở đây điện áp chọn UA = 10 (V) 4.6.9 Tính toán máy biến áp dùng cho việc tạo nguồn nuôi và làm khâu đồng pha : Thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi , chọn kiểu máy biến áp 3 pha 3 trụ , trên mỗi trụ có 5 cuộn dây,một cuộn sơ cấp và 4 cuộn thứ cấp . Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn nuôi mạch điều khiển a) Cuộn thứ cấp thứ nhất a1,b1,c1: Cần tạo ra nguồn điện áp ±12 V (có ổn áp) để cấp cho nuôi IC, điện áp đặt trong phản hồi dòng điện và điện áp, bộ tạo xung răng cưa , điện áp lấy ra để làm điện áp so sánh. Nguồn này được cấp bởi ba cuộn dây thứ cấp a1,b1,c1. Chỉnh lưu cầu ba pha để tạo điện áp nguồn nuôi đối xứng cho IC. Điện áp đầu ra của của ổn áp chọn 12 V. Điện áp đầu vào của IC ổn áp chọn 20 V. Điện áp thứ cấp các cuộn dây a1,b1,c1 là: U21 = 20/ = 8,55 (V) Chọn U21= 9 (V) Để ổn định đầu ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và 7912 các thông số chung của vi mạch này. › Điện áp đầu vào : UV = 7÷35 (V) › Điện áp đầu ra: IC 7812 có Ura =12 (V) IC 7912 có Ura = -12 (V) › Dòng điện đầu ra : Ira = 0 ÷ 1 A Tụ điện C1 , C2 , C3 , C4 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao. Chọn C1= C2 =C3 =C4 = 470 (mF) ; U= 35 V b) Cuộn thứ cấp thứ hai a2,,b2,c2 : Tạo nguồn nuôi cho biến áp xung , cấp xung điều khiển cho các Tiristor (+12 V) . Mỗi khi phát xung điều khiển công suất xung đáng kể , nên cần chế tạo cuộn dây này riêng rẽ với cuộn dây cấp nguồn IC , để tránh gây sụt áp nguồn nuôi IC. c) Cuộn thứ cấp thứ ba và thứ tư (a3, b3 ,c3 ,a4, b4 ,c4): Là các cuộn dây đồng pha. Các cuộn dây này cho phép lấy điên áp hình sin của lưới điện cấp cho khâu đồng pha › Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi IC : U21= 9 (V) 1.Công suất tiêu thụ ở 7 IC TL084 và 2 IC 4081 : PIC = 70,68 + 62,510-3 = 4,78 (W) 2. Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Tiristo : Px = 6 Udk Idk = 6 30,2 = 3,6 (W) 3. Điện áp pha thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi biến áp xung a2,b2,c2 U22 = (V) Chọn U22 = 6 (V) 4. Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây đồng pha (a3,b3,c3 ; a4,b4 ,c4) U23 = U24 = 10 (V) 5. Dòng điện chạy qua cuộn dây đồng pha chọn 1 mA . Vậy công suất các cuộn dây đồng pha : Pdf = 6Udf Idf = 610 0,001 = 0,06 (W) 6. Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi: PN = PIC + Px + Pdf PN = 4,78 + 3,6 + 0,06 = 8,44 ( W) 7. Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy: S = 1,05 PN = 1,05 8,44 = 8,86 ( VA). 8. Dòng điện sơ cấp máy biến áp: I1 = (A) 9. Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức: QT = kQ = 5 ( cm2) Trong đó : kQ = 5 : hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. m = 3 : số trụ của biến áp. f = 50 : tần số điện áp lưới. ta chuẩn hoá tiết diện trụ theo bảng 5-5 TL4 ta chọn lõi thép từ dạng chữ E loại dày 0,35 mm có kích thước như sau : a = 16 mm , b = 10 mm , h = 20 mm , Q = 1,31 cm2 Hình 4.12: Kích thước mạch từ máy biến áp 10. Chọn mật độ từ cảm ở trong trụ B = 1,5 T , ta có số vòng dây sơ cấp (vòng) 11. Chọn mật độ dòng điện trong cuộn dây sơ cấp: J1= J2 = 2,75 (A/mm2) 12. Tiết dây quấn sơ cấp: S1= = (mm2) 13. Đường kính dây quấn sơ cấp: d1= = (mm) Để đảmbảo độ bề cơ ta chọn d = 0,12 (mm) . Khi đó tra theo phụ lục VI.1 TL sách TKMĐ đường kính kể cả cách điện : d1cd = 0,142 (mm) 14. Số vòng dây của cuộn dây thứ cấp W21: (vòng) 15. Số vòng dây của cuộn dây thứ cấp W22: (vòng) 16. Số vòng dây của cuộn dây thứ cấp W23: (vòng) 17. Tiết diện của dây quấn thứ cấp : S21 = (mm2) 18. Đường kính dây quấn thứ cấp W21 (mm) Để đảm bảo độ bề cơ ta chọn d21 = 0,31 (mm) . Tra theo phụ lục VI.1 sách TKMĐ đường kính kể cả cách điện d21cd = 0,345 (mm) 19. Tiết diện dây quấn thứ cấp W22 : S22 = (mm2) 20. Đường kính dây quấn thứ cấp W22 : (mm) Để đảm bảo độ bền cơ ta chọn d22 = 0,33 (mm) . Tra theo phụ lục VI.1 sách TKMĐ đường kính kể cả cách điện d22cd = 0,365 (mm) 21. Tiết diện dây quấn thứ cấp W23 , W24 : S23 = S24 = (mm2) 22. Đường kính dây quấn thứ cấp W23 , W24 : (mm) Để đảm bảo độ bền cơ ta chọn d23 = d24 = 0,1 (mm) . Tra theo phụ lục VI.1 sách TKMĐ đường kính kể cả cách điện d23cd = d24cd = 0,122 (mm) 23. Chọn hệ số lấp đầy : kld = 0,7 Với: 24. Vậy chiều rộng của sổ: c = = (mm) Chọn c = 8 (mm). 25. Chiều dài mạch từ: L = (mm) 26. Chiều cao mạch từ H = (mm) 4.4.9 Tính chọn Diod cho bộ chỉnh lưu nguồn ngoài : 1. Dòng điện hiệu dụng qua Diod: ID.HD = = 0,15 (A) 2. Điện áp ngược cực đại mà Diod phải chịu: UNmax = U21 = 9 = 22,04 (V) 3. Chọn Diod có dòng định mức: Idm ³ Ki ID.HD = 100,15 =1,5 (A) 4. Chọn Diod có điện áp ngược lớn nhất: Un = ku UNmax= 222,04 = 44,08 (V) Với thông số trên ta chọn Diod loại KII 208A có các thông số: › Dòng điện định mức: Idm = 1,5 A › Điện áp ngược cực đại của Diod: UN = 100 V ch­¬ng 5 x©y dùng hÖ thèng æn ®Þnh ®iÖn ¸p vµ b¶o vÖ ng¾n m¹ch Để ổn định điện áp trên tải mạ ta cần điều khiển góc mở tiristo một cách liên tục, điều này được thực hiện nhờ một mạch hồi tiếp lấy tín hiệu sau chỉnh lưu Uphu rồi đưa vào khâu so sánh tín hiệu. Khâu so sánh thực chất là dùng một điện áp đặt để so sánh với tín hiệu nhận được từ mạch phản hồi qua sai lệch thu được ta đưa vào Uđk để thay đổi góc mở tiristo qua đó thay đổi điện áp trên tải mạ phù hợp với điện áp mà ta mong muốn Hình 5.1 : Sơ đồ mạch phản hồi điện áp Ngoài ra trong quá trình làm việc vì một lý do nào đó mà dòng điện trên tải lớn hơn dòng điện ngưỡng. Khi đó ta cần lấy tín hiệu phản hồi dòng trên tải Uphi dêm so sánh với tín hiệu điện áp ngưỡng Ung. Khi Uphi > Ung thì có tín hiệu phản hồi Uping tác động vào Uđk để khoá tiristo . Hình 5.2 : Sơ đồ khâu bảo vệ ngắn mạch 5.1 : Xây dựng đặc tính của hệ thống ổn định điện áp và bảo vệ ngắn mạch . 5.1.1 : Phương trình của hệ hở : Uđk (1) Trong đó : () Đặc tính của hệ hở đi qua điểm định mức ( Iđm , Uđm) và điểm không tải (0 , Udohmax) . Vậy : (V) 5.1.2 : Phương trình của hệ kín : Từ sơ đồ cấu trúc ta có : U Uđk = Uđ - Uphu (2) Uphu = kphu Ud (3) Thay (2) , (3) vào (1) ta có : Ud = (Uđ – kphu Ud ) kCL – Id RΣ Uđ - Trong đó : Udohmax / Uđkmax = 20,08 / 10 = 2,008 Lấy Uphu = 9,8 (V) Uphu / Ud = 9,8 / 16 = 0,6125 Như vậy ứng với các giá trị Uđ khác nhau sẽ cho ta các đường đặc tính của hệ kín khác nhau . Xét trường hợp : Uđ = Uđmax =10 (V) Khi đó điện áp không tải lớn nhất : Udokmax = Uđmax (V) Điều này chứng tỏ ta cần phải thêm một khâu khuyếch đại trung gian ktg đặt trước Uđk : H ình 5.3 : Sơ đồ mạch phản hồi điện áp khi có thêm khâu khuyếch đại trung gian Hệ số khuyếch đại được chọn như sau : ktg = Uđkmax / ( Uđmax – Uphu ) Khi đó phương trình đặc tính của hệ kín : Ud = Uđ - Vẽ 3 đường đặc tuyến của hệ kín ứng với các giá trị Uđ khác nhau : 10 (V) , 8 (V) , 5 (V) , 3(V) , 1(V) : Hình 5.4 : Các đường đặc tính hệ kín - hệ hở của hệ thống 5.2: Tính chọn các khâu trong phản hồi điện áp và khuyếch đại trung gian 5.2.1 : Mạch phản hồi điện áp Hình 5.5 : Sơ đồ mạch phản hồi điện áp Chọn : R10 = 100 (), 2 () ; R11 = 160 (), 2 () 5.2.2 : Khâu khuyếch đại trung gian UđkUđ - Chọn : R12 , R13 , R14 , R15 sao cho : Khi đó : Uđk Uđ - Uphu ) Chọn : R12 = R13 = 10 () ; R14 = R15 = 500 () 5.2.3 : Tính chọn khâu bảo vệ ngắn mạch Hình 5.6 : Sơ đồ khâu bảo vệ ngắn mạch Chọn sun là loại 1200A / 75mV Chọn hệ số khuyếch đại của KĐTT A7 là 100 Vây : R17 / R16 = 100 Đồng thời chọn R16 sao cho dòng đi vào KĐTT A7 nhỏ hơn 1mA : R16 > 75mV / 1mA = 75 () Chọn R16 = 100 () ; R17 = 10 () Để hạn chế dòng điện đi vào KĐTT A8 nhỏ hơn 1mA ta chọn : R18 = R19 > 7,5V / 1mA = 7,5 (k) Chọn ; R18 = R19 = 15 (k) Trong đó R19 gồm một điện trở 12 k và một biến trở có phạm vi điều chỉnh 3 k kÕt luËn Tuy thời gian làm đồ án không nhiều và chưa có điều kiện đi sâu vào thực tế nhưng với sự chỉ bảo của các thầy cô trong bộ môn đặc biệt là TS.NGUYỄN TRUNG SƠN đã rất nhiệt tình, tận tâm hướng dẫn em hoàn thành đồ án, để qua đó em có thể tích luỹ cho mình một vốn hiểu biết nho nhỏ về công nghệ mạ điện, về bộ nguồn chỉnh lưu nhưng quan trọng nhất là thầy đã giúp em có một cái nhìn tổng quan, biết cách đặt vấn đề, biết phân tích so sánh để tìm ra phương án phù hợp. Đây là điều rất bổ ích, cần thiết cho một người kỹ sư sau này! Sau hơn ba tháng thiết kế đồ án tốt nghiệp bản thân cũng đã nỗ lực nhiều song em biết mình vẫn còn những điều chưa thông thạo và hiểu biết thấu đáo, cho nên nếu có điều kiện em mong các thầy cô chỉ dạy nhiều hơn. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn đặc biệt là thầy NGUYỄN TRUNG SƠN đã động viên, tạo điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này! tµi liÖu tham kh¶o 1. Tác giả : Trần Minh Hoàng TL1 : “ Mạ điện ” Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật ; Hà Nội 2001 2. Tác giả : Trần Văn Thịnh TL2 : “ Hướng dẫn thiết kế tính toán thiết bị điều khiển ” Nhà xuất bản giáo dục 3. Tác giả : Lê Văn Doanh _ Nguyễn Thế Công _ Trần Văn Thịnh TL3 : “ Điện tử công suất lý thuyết - Thiết kế - ứng dụng ” Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật 4. Tác giả : Nguyễn Bính TL4 : “ Điện tử công suất lớn và ứng dụng Thyristo ” Nhà xuất bản đại học và trung học chuyên nghiệp ; Hà Nội 1985 5. Tác giả : Bùi Đình Tiếu TL5 : “ Giáo trình truyền động điện ” Nhà xuất bản giáo dục 6. Tác giả : Vũ Gia Hanh _Trần Khánh Hà _ Phan Tử Thụ _Nguyễn Văn Sáu TL6 : “ Máy điện 2 ” Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 7. Tác giả : Phạm Văn Bình _ Lê Văn Doanh TL7 : “ Máy biến áp : lý thuyết, vận hành, bảo dưỡng, thử nghiệm” Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 8. Tác giả : Nguyễn Hồng Quang TL8 : “ Sổ tay lựa chọn và tra cứu thiết bị thừ 0,4 đến 500 KV ” Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2007 MỤC LỤC CHƯƠNG I: Tổng quan về mạ điện và giới thiệu các bộ nguồn một chiều 1.1 Khái niệm cơ bản về mạ điện Trang 3 1.2 Giới thiệu các bộ nguồn một chiều Trang 12 CHƯƠNG II Tổng quan về các bộ chỉnh lưu Tiristo ba pha 2.1 Chỉnh lưu tia ba pha Trang14 2.2 Chỉnh lưu cầu ba pha Trang 17 2.3 Chỉnh lưu tia sáu pha Trang 11 CHƯƠNG III Tính chọn mạch động lực 3.1 Tính chọn van động lực Trang 26 3.2 Tính chọn máy biến áp cho mạch động lực Trang 29 3.3 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực Trang 52 CHƯƠNG IV Tính chọn mạch điều khiển 4.1 Nguyên lý thiết kế mạch điều khiển Trang 57 4.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển Trang 58 4.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý Trang 59 4.4 Tính toán các thông số mạch điều khiển...............................Trang 66 CHƯƠNG 5 5.1 Thiết kế hệ kín ổn định đi ện áp cho bể mạ ............................Trang 76 5.2 T ính v à thi ết kh âu b ảo vệ ng ắn m ạch .........................Trang 78 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ BỘ NGUỒN CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN DÙNG CHO TẢI MẠ ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS.NGUYỄN TRUNG SƠN SINH VIÊN THƯC HIỆN : NGUYỄN TÙNG LÂM LỚP : THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ 4 – K48