Đồ án Xây dựng bộ chỉnh lưu cầu một pha tiristor có công suất P = 1kW, điện áp U = 220V có bộ lọc điện, cấp điện cho động cơ một chiều để điều chỉnh tốc độ bằng điện áp

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 300, các đƣờng cong Ud, Id liên tục hình 1.8b, khi góc mở lớn hơn 30 0 điện áp và dòng điện tải gián đoạn (đƣờng cong Ud, Id trên hình 1.8c). Hình 1.9 Đường cong điện áp khi góc mở 600 a- Tải thuần trở, b.- Tải điện cảm Khi tải điện cảm (nhất là điện cảm lớn) dòng điện, điện áp tải là các đƣờng cong liên tục, nhờ năng lƣợng dự trữ trong cuộn dây đủ lớn để duy trì dòng điện khi điện áp đổi dấu, nhƣ đƣờng cong nét đậm trên hình 1.9b (tƣơng tự nhƣ vậy là đƣờng cong Ud trên hình 1.8b). Trên hình 1.9 mô tả một ví dụ so sánh các đƣờng cong điện áp tải khi góc mở 600 tải thuần trở hình 1.9a và tải điện cảm hình 1.9b. Trị số điện áp trung bình của tải sẽ đƣợc tính nhƣ 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 đƣợc tính: Trong đó: Udo = 1,17.U2f. điện áp chỉnh lƣu tia ba pha khi van là điốt. t a. A B C A U t b. A B C A U ) 5 1 ( 3 sin 1 3 Udo Ud - 12 - U2f - điện áp pha thứ cấp biến áp. Nhận xét: So với chỉnh lƣu một pha, chỉnh lƣu tia ba pha có chất lƣợng 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 trƣờng hợp này cũng tƣơng đối đơn giản. 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, nếu ở đây biến áp đƣợc 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 đƣợc đấu sao ( ), có dây trung tính phải lớn hơn dây pha vì theo sơ đồ hình 1.8a dây trung tính chịu dòng điện tải. 1.2.2. Chỉnh lƣu cầu ba pha đối xứng. Sơ đồ chỉnh lƣu cầu ba pha đối xứng hình 1.10a có thể coi nhƣ hai sơ đồ chỉnh lƣu tia ba pha mắc ngƣợc chiều nhau, nhóm anod (NA) ba Tiristor T1, T3, T5 tạo thành một chỉnh lƣu tia ba pha cho điện áp dƣơng, nhóm catod (NK) T2, T4, T6 tạo thành một chỉnh lƣu tia cho điện áp âm, hai chỉnh lƣu này ghép lại thành cầu ba pha. Theo hoạt động của chỉnh lƣu cầu ba pha đối xứng, dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở Tiristor đòi hỏi cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm NA, một xung ở nhóm NK). Ví dụ tại thời điểm t1 trên hình 1.11b cần mở Tiristor T1 của pha A phía NA cấp xung X1, đồng thời tại đó cấp thêm xung X4 cho Tiristor T4 của pha B phía NK. Các thời điểm tiếp theo cũng tƣơng tự. Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân thủ theo đúng thứ tự pha. - 13 - Hình1.10 Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng. a- sơ đồ động lực, b-giản đồ các đường cong điện áp cơ bản, c, d – Điện áp tải khi góc mở = 600 c. Ud Uf A B C A t t A B C A X1 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 Ud Uf I5 0 b. I4 I3 I1 UT1 I2 I6 X5 X2 X3 X6 X4 X2-3 X4-5 X6-1 X4-5 X5-2 X3-6 X4 X1-4 t t t t t t t t t Ud Uf A B C A d. t t T2 R L a. NK NA T4 T6 T1 T3 T5 A B C - 14 - Khi cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ đƣợc chạy từ pha có điện áp dƣơng hơn về pha có điện áp âm hơn. Ví dụ trong khoảng t1 t2 pha A có điện áp dƣơng hơn, pha B có điện áp âm hơn, dòng điện đƣợc chạy từ A về B qua T1, T4. Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một van của nhóm này (NA hay NK) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho nhau. Điều này có thể thấy rõ trong khoảng t1 t3 nhƣ trên hình 1.10b Tiristor T1 nhóm NA dẫn, nhƣng trong nhóm NK T4 dẫn trong khoảng t1 t2 còn T6 dẫn tiếp trong khoảng t2 t3. Điện áp ngƣợc các van phải chịu ở chỉnh lƣu cầu ba pha sẽ bằng 0 khi van dẫn và bằng điện áp dây khi van khoá. Ta có thể lấy ví dụ cho van T1 (đƣờng cong cuối cùng của hình 1.10b) trong khoảng t1 t3 van T1 dẫn điện áp bằng 0, trong khoảng t3 t5 van T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp ngƣợc UBA, đến khoảng t5 t7 van T5 dẫn T1 sẽ chịu điện áp ngƣợc UCA. Khi điện áp tải liên tục, nhƣ đƣờng cong Ud trên hình 1.10b trị số điện áp tải đƣợc tính theo công thức (1 - 4). Khi góc mở các tiristor lớn lên tới góc 600 và thành phần điện cảm của tải quá nhỏ, điện áp tải sẽ bị gián đoạn nhƣ các đƣờng nét đậm trên hình 1.10d(cho trƣờng hợp góc mở các Tiristor =900 với tải thuần trở). Trong các trƣờng hợp này dòng điện chạy từ pha này về pha kia là do các van bán dẫn có phân cực thuận theo điện áp dây đặt lên chúng (các đƣờng nét mảnh trên giản đồ Ud của các hình 1.10b, c, d), cho tới khi điện áp dây đổi dấu, các van bán dẫn sẽ có phân cực ngƣợc nên chúng tự khoá. - 15 - Bảng 1.1 Thứ tự mở các Tiristo trong chỉnh lưu cầu 3 pha. Thời điểm Mở Khóa 1 6 T1 T5 2 3 6 T2 T6 3 5 6 T3 T1 4 7 6 T4 T2 5 9 6 T5 T3 6 11 6 T6 T4 Sự phức tạp của chỉnh lƣu cầu ba pha đối xứng nhƣ đã nói trên là cần phải mở đồng thời hai tiristor theo đúng thứ tự pha, do đó gây không ít khó khăn khi chế tạo, vận hành và sửa chữa. Để đơn giản hơn ngƣời ta có thể sử dụng điều khiển không đối xứng. 1.2.3. Chỉnh lƣu cầu 3 pha không đối xứng. Loại chỉnh lƣu này đƣợc cấu tạo từ một nhóm (NA hoặc NK) có điều khiển và một nhóm không điều khiển nhƣ mô tả trên hình 1.11a. Trên hình 1.11b mô tả giản đồ điện áp chỉnh lƣu (đƣờng cong trên cùng), sóng điện áp tải Ud (đƣờng cong nét đậm thứ hai trên hình 1.11b), khoảng dẫn các van bán dẫn T1, T2, T3, D1, D2, D3. Các Tiristor đƣợc dẫn từ thời điểm có xung mở cho đến khi mở Tiristor của pha kế tiếp. Ví dụ T1 dẫn từ t1 (thời điểm phát xung mở T1) tới t3 (thời điểm phát xung mở T2). Trong trƣờng hợp điện áp tải gián đoạn Tiristor đƣợc dẫn từ thời điểm có xung mở cho đến khi điện áp dây đổi dấu. Các điốt tự động dẫn khi điện áp đặt lên chúng thuận chiều. Ví dụ D1 phân cực thuận trong khoảng t4 t6 và nó sẽ mở cho dòng điện chạy từ pha B về pha A trong khoảng t4 t5 và từ pha C về pha A trong khoảng t5 t6. Chỉnh lƣu cầu ba pha không đối xứng có dòng điện và điện áp - 16 - tải liên tục khi góc mở các tiristor nhỏ hơn 600, khi góc mở tăng lên và thành phần điện cảm của tải nhỏ, dòng điện và điện áp sẽ gián đoạn. Hình 1.11 Chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng. a- sơ đồ động lực, b- giản đồ các đường cong điện áp. Theo dạng sóng điện áp tải, trị số điện áp trung bình trên tải bằng 0 khi góc mở đạt tới 1800. Ngƣời ta có thể coi điện áp trung bình trên tải là kết quả của tổng hai điện áp chỉnh lƣu tia ba pha. D1 T1 L R a. D2 D3 T2 T3 X1 X2 X3 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 Ud A B C A Uf IT1 0 IT2 IT3 ID1 ID2 ID3 t t t t t t t b. - 17 - )cos1( 2 3 )cos1( 2 33 maxmax dayftb UUU (1- 6) Điều khiển các tiristor trong chỉnh lƣu cầu ba pha không đối xứng dễ dàng hơn, nhƣng các điều hoà bậc cao của tải và của nguồn lớn hơn. Khác với chỉnh lƣu cầu ba pha đối xứng, trong sơ đồ này việc điều khiển các van bán dẫn đƣợc thực hiện đơn giản hơn. Ta có thể coi mạch điều khiển của bộ chỉnh lƣu này nhƣ điều khiển một chỉnh lƣu tia ba pha. Chỉnh lƣu cầu ba pha hiện nay là sơ đồ có chất lƣợng điện áp tốt nhất, hiệu suất sử dụng biến áp tốt nhất. Tuy vậy đây cũng là sơ đồ phức tạp. 1.3. CHỈNH LƢU KHI CÓ ĐIỐT NGƢỢC. Dƣới đây là sơ đồ chỉnh lƣu hai nửa chu kỳ với biến áp có điểm trung tính khi có điốt mắc song song ngƣợc. Hình 1.12 Sơ đồ chỉnh lưu hai nửa chu kỳ có diode ngược a- Sơ đồ động lực; b- Giản đồ đường cong. Nhƣ đã nêu ở trên, khi chỉnh lƣu làm việc với tải điện cảm lớn (L = H), năng lƣợng của cuộn dây tích luỹ sẽ đƣợc xả ra khi điện áp nguồn đổi dấu. t 0 t1 t2 t3 Ud Id I1 I2 t t t t ID p1 p2 p3 UT1 U1 T1 U2 T2 D R L U2 a. b. - 18 - Nhƣ mô tả trên hình 1.12, khi điện áp nguồn đổi dấu điốt D đặt ngƣợc điện áp lên các tiristor (trong các khoảng 0 t1, p1 t2, p2 t3), nên các tiristor bị khoá, điện áp tải bằng 0. Dòng điện chạy qua các tiristor I1, I2 chỉ tồn tại trong khoảng (t1 p1, t2 p2, t3 p3) khi tiristor đƣợc phân cực thuận. Khi điện áp đổi dấu, năng lƣợng của cuộn dây tích lũy xả qua điốt, để tiếp tục duy trì dòng điện Id trong mạch tải. Hình 1.13 Chỉnh lưu tia ba pha có điốt xả năng lượng. a- Sơ đồ; b- Giản đồ các đường cong điện áp, dòng điện. Hình 1.13 là chỉnh lƣu tia ba pha có điốt ngƣợc với tải có điện cảm lớn, dòng điện tải giả thiết là đƣờng thẳng. Trong các khoảng tiristor dẫn (t1 p2, t2 p3, t3 p4), dòng điện tải là dòng điện chạy qua tiristor, điện áp tải (đƣờng nét đậm của đƣờng cong trên cùng) trùng với điện áp pha. Khi điện áp đổi dấu, trong các khoảng p1 t1, p2 t2, p3 t3 năng lƣợng của cuộn dây L xả qua điốt xả D, khi đó các tiristor khoá điện áp tải bằng 0, dòng điện tải là dòng điện chạy qua điốt. T1 B T2 C T3 A R L a. D b. Ud 0 Id ID I1 I2 I3 t1 t2 t3 t4 p1 p1 p1 p1 t t t t t t - 19 - Nhƣ vậy, mặc dù tải có điện cảm lớn, dòng điện tải liên tục (gần với đƣờng thẳng), nhƣng điện áp tải có dạng gián đoạn nhƣ tải thuần trở. Điều đó có nghĩa là năng lƣợng của cuộn dây điện cảm đã tích luỹ khi điện áp dƣơng đƣợc xả qua điốt lên tải trong thời gian điện áp đổi dấu. 1.4. TỔNG KẾT CHƢƠNG 1. Trong chƣơng 1 chúng ta nghiên cứu các bộ chỉnh lƣu có điều khiển, các bộ chỉnh lƣu đó đều có các ƣu, nhƣợc điểm riêng. Trong đề tài nghiên cứu của em sẽ đi sâu và nghiên cứu, thiết kế bộ chỉnh lƣu cầu một pha có điểu khiển đối xứng với công suất khoảng 1kw, có cuộn kháng lọc điện cấp điện cho động cơ một chiều để điều chỉnh tốc độ theo phƣơng pháp điều chỉnh điện áp. Trình tự thiết kế sẽ đƣợc trình bày chi tiết trong chƣơng sau. - 20 - CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƢU CẦU MỘT PHA CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. 2.1. THIẾT KẾ TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC. Giả sử ta thiết kế bộ chỉnh lƣu cầu một pha cho động cơ điện một chiều có các thông số sau: Uđm = 200 V; nđm = 1000 vòng/phút; P = 1kW; đm = 0,85; số đôi cực là p= 2. 2.1.1. Tính toán van động lực. Giả sử góc mở nhỏ nhất của bộ chỉnh lƣu là α = 100 Điện áp ra sau bộ chỉnh lƣu là : Ud = 22 .U2.cos = 22 .220.cos 10 0 195 ( V ) Vì van là một thiết bị rất quan trọng trong mạch lực. Trong quá trình làm việc,van rất nhạy với sự thay đổi của nhiệt độ,điện áp và dòng điện. Hai thông số để chọn van là điện áp và dòng điện. Điện áp ngƣợc lớn nhất đặt trên van: VUUng 311220.2.2 2max . Chọn Ungmax = 311 (V). Điện áp ngƣợc mà van chịu đƣợc là: Ungv = kdtU.Ungmax = 1,6 . 311 = 497 (V). kdtU : Hệ số dự trữ điện áp chọn kdtU = 1,6. Chọn Ungv = 500 (V). Để cho van bán dẫn làm việc an toàn, nhiệt độ làm việc của van không vƣợt quá trị số cho trƣớc, vì vậy cần có phƣơng thức làm mát cho van. Có ba phƣơng pháp làm mát là: Làm mát bằng gió tự nhiên: - 21 - Khi van bán dẫn đƣợc làm mắc vào cánh toả nhiệt bằng đồng hay bằng nhôm, nhiệt độ của van đƣợc toả ra môi trƣờng xung quanh nhờ bề mặt của cánh toả nhiệt. Sự toả nhiệt nhƣ trên là nhờ vào sự chênh lệch giữa cách tản nhiệt với môi trƣờng xung quanh khi cách tản nhiệt nóng lên, nhiệt độ xung quanh cánh tản nhiệt tăng lên làm cho tốc độ ra không khí bị chậm lại với những lí do vì hạn chế của tốc độ dẫn nhiệt khi van bán dẫn đƣợc làm mát bằng cánh toả nhiệt mà chỉ nên cho van làm việc với dòng điện. Ilv = 25% iđm Làm mát bằng thông gió cƣỡng bức: Khi có quạt đối lƣu không khí thổi dọc theo khe của cánh tản nhiệt nhiệt độ xung quanh cánh tản nhiệt thấp hơn tốc độ dẫn nhiệt ra môi trƣờng tốt hơn, hiệu suất cao hơn. Do đó cho van làm việc với dòng điện. Ilv = 35%iđm Làm mát bằng nƣớc: Khi làm mát bằng nƣớc hiệu suất trao đổi nhiệt tốt hơn, cho phép làm việc với dòng điện Ilv = 90% iđm. Quá trình làm mát bằng nƣớc phải đảm bảo xử lý nƣớc không dẫn điện. Bằng cách khử ion trong nƣớc hoặc giảm độ dẫn điện của nƣớc ( tăng điện trở nƣớc) theo nguyên tắc chiều dài hay giảm tiết diện đƣờng cong ống dẫn nƣớc ta có thể coi độ dẫn điện của nƣớc không đáng kể. Ta chọn chế độ làm việc của van là có cánh tản nhiệt và có đủ diện tích tản nhiệt, không có quạt đối lƣu không khí, với điều kiện này đó dòng điện định mức của van là: Ilv = 25% iđm Trong đó: AIkII dhdhdlv 63,3 195 1000 . 2 1 . (do trong sơ đồ cầu 1 pha, hệ số dòng điện hiệu dụng: khd = 2 1 ) - 22 - Do đó: Iđmv = Ilv.Ki = 3,63 . 3,2 = 11,62 (A) Chọn hệ số dự trự dòng điện Ki = 3,2 . Vì vậy ta phải chọn van chịu đƣợc dòng điện là 12 (A) Từ các thông số tính toán ở trên ta chọn đƣợc 4 Tiristor loại S8015L có các thông số: Điện áp ngƣợc cực đại của van : Umax = 800 (V) Dòng điện định mức của van : Iđm = 15 (A) Dòng điện đỉnh cực đại : Ipikmax = 150 A Dòng điện cực đại của xung điều khiển : Igmax =30 mA Điện áp cực đại của xung điều khiển : Ugmax = 2 V Dòng điện rò : Ir = 4 mA Sụt áp lớn nhất của Tiristo ở trạng thái dẫn : Umax =1.7V Tốc độ biến thiên điện áp: du/dt = 100 V/ s Thời gian chuyển mạch (mở và khóa) Tcm = 35 s Nhiệt độ làm việc lớn nhất : Tmax =110 0 C 2.2. TÍNH TOÁN CUỘN KHÁNG LỌC ĐIỆN. 2.2.1. Xác định góc mở cực tiểu và cực đại. Chọn góc mở cực tiểu min= 10 o . Với góc mở min là dự trữ để có thể bù đƣợc sự giảm điện áp lƣới. Khi góc mở nhỏ nhất = min thì điện áp trên tải là lớn nhất. Ud max = Udo . Cos min = Ud đm và tƣơng ứng tốc độ động cơ sẽ lớn nhất nmax = nđm. Khi góc mở lớn nhất = max thì điện áp trên tải là nhỏ nhất . Ud min = Udo . Cos max và tƣơng ứng tốc độ động cơ sẽ nhỏ nhất nmin. Ta có: - 23 - max = arcos do d U U min = arcos 2 min .9,0 U U d Trong đó Ud min đƣợc xác định nhƣ sau. D = min max n n = uudmd uudmddm RIU RIU .min Ud min = uudmd RIDU D ..1. 1 min Ud min = dtBAuudm RRRIDU D ..1cos..9,0. 1 min2 = dtBAuudm RRRIU ..120cos..9,0. 20 1 min2 Thay số: Với Ru = 0,5(1- ) udm udm I U = 0,5 (1- 0,85) 35.5 220 = 16,5 (V) 0008,3.35,5.120cos.220.9,0. 20 1 U mindmin Ud min = 16,5 V Thay số vào (4.3) ta đƣợc: max = arcos do d U U min = arcos 220.9,0 5,16 = 85,22 0 2.2.2. Xác định các thành phần của sóng hài. Điện áp tức thời trên tải khi Thyristor T1 và T3 dẫn Ud = CosU ..2 2 Với = .t Điện áp tức thời trên tải điện Ud không sin và tuần hoàn với chu kì = P 2 = 2 2 = - 24 - Trong đó P = 2 là số xung đập mạch trong một chu kì điện áp lƣới. Khai triển chuỗi Furier của điện áp Ud: kbka k a U nn o d .2sin..2cos. 12 ).2(. 12 kkSinUnm k ao Trong đó a = 0 2cos. 2 dkU d = dkU 2cos.)cos(.2 2 0 2 an = cos. 1)2( 2 .. 22 22 k U bn= 0 2sin. 2 dkU d = dkU 2sin.)cos(.2 2 0 2 = sin. 1)( )2( .. 2.2 22 k U Ta có 2 oa = 2. 2.2 U . cos Vậy ta có biên độ của điện áp: Uk.n = 22 nn ba Uk.n = 2. 2. 2.2 U . 222 2 )2(cos 1)2( 1 Sink k Uk.n = doU. 2.2 . 22 2 )2(1 1)2( 1 tgk k Vậy ta có: - 25 - Ud n km SinUCosU )2( 22 12 2.2.3. Xác định điện cảm của cuộn kháng. Từ phân tích trên ta thấy rằng khi góc mở càng tăng, biên độ thành phần sóng hài bậc cao càng lớn, có nghĩa là đập mạch của điện áp, dòng điện càng tăng lên. Sự đập mạch này làm xấu chế độ chuyển mạch của vành góp, đồng thời gây ra tổn hao phụ dƣới dạng nhiệt trong động cơ. Để hạn chế sự đập mạch này ta phải mắc nối tiếp với động cơ một cuộn kháng lọc đủ lớn để Im 0,1.Iƣ đm . Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, cuộn kháng lọc còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn . Điện kháng lọc đƣợc tính khi góc mở = max. Ta có: Uƣ + U~ = E + Ru .Id + Ru .i~ + L dt di~ Cân bằng hai vế ta đƣợc: U~ = R.i~ +L. dt di vì R.i~ << L. dt di nên U~ = L. dt di Trong các thành phần xoay chiều bậc cao, thì thành phần sóng bậc k=1 có mức độ lớn nhất gần đúng ta có: U~ = Um.Sin(2 + ) nên: I = dtU L ~ 1 = )2( ...2. 1 1 Cos Lf U m = Im.Cos(2 + 1) Vậy Im = Lf U m ...2.2 1 0,1 Iƣđm Suy ra L dm m If U .1,0...2.2 1 - 26 - = 2 là số xung đập mạch trong một chu kì điện áp. Trong đó: U1m = 2. max 22 2 max 21 12 cos tg U do U1m = 2. otg 22,8541 14 22,85cos.220.9,0 2 0 = 76,87 V Thay số: L = 62,11.1,0..50.2.2 87,76 = 0,1053 H = 105,3 mH Điện cảm mạch phần ứng ta có: Lƣc = Lƣ+ 2.LBA = đmđm đm In U ..2.2 60. + 2.0 Lƣc = 62,11.1000.2.2 60.220 25.0 = 0,0226 H = 22,6 mH Điện cảm cuộn kháng lọc . Lk = L – Lƣc = 105,3 – 22,6 = 82,7 mH 2.2.4. Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc. Các thông số ban đầu: Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc Lk= 82,7 mH Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng Im = 11,62 A Biên độ dòng điện xoay chiều bậc 1 I1m = 10% Iđm= 1,162 A Các bƣớc tính toán: 1. Do dòng điện cuộn kháng lớn và điện trở bé do đó ta có thể coi tổng trở của cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng của cuộn kháng. - 27 - Zk = Xk = 2. .m.f.Lk = 2. .2.50.82,7.10 -3 = 51,96 2. Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc . UK = Z . 2 I dm1 = 51,96. 2 162,1 = 42,69 V 3. Công suất của cuộn kháng lọc . Sk = UK. 2 I dm1 = 42,69 . 2 162,1 = 35,08 VA 4. Tiết diện cực từ chính của cuộn kháng lọc . Q = kQ . 50.2 08.35 .5 . fm Sk = 2,96 cm 2 KQ là hệ số phụ thuộc phƣơng thức là mát, khi làm mát bằng không khí tự nhiên kQ = 5 . Chuẩn hoá tiết diện trụ theo kích thƣớc có sẵn: Chọn Q = 3 cm2 5. Với tiết diện trụ Q = 3 cm2 Chọn loại thép 330A, tấm thép dày 0,35 mm a= 17 mm; b= 18 mm 6. Chọn mật độ từ cảm trong trụ: BT = 0,8 T b L/2 L h H c a/2 a Hình 2.1 Kết cấu mạch từ của cuộn kháng. - 28 - 8. Ta có dòng điện chạy qua cuộn kháng: iT = Id + i1mCos(2 + 1) Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng: Ik= 2 2 2 12 2 162,1 62.11 2 m d I I =11,65 A 9. Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng: J = 2,75A/mm2 10. Tiết diện dõy dẫn qua cuộn khỏng: S1= 75,2 65.11 J I k = 4,24 mm 2 Chọn dây dẫn tiết diện hình tròn, cách điện cấp B, chọn Sk =4,24 mm 2 với kích thƣớc dây có đƣờng kính là d = 1,35 mm Tính lại mật độ dòng: j = 747,2 24,4 65,11 k k S I A/mm 2 11. Chọn tỷ số lấp đầy: Klđ = cs k Q Sw. = 0,7 12. Diện tích cửa sổ: Qcs= 7,0 24,4.283. ld k k Sw = 17,14 cm 2 13. Tính kích thƣớc mạch từ: Qcs = c . h Chọn m = 3 a h Suy ra h = 3 . a = 3 . 17 = 51 mm c = 1,5 14,17 h Qcs = 3,4 cm = 34 mm 14. Chiều cao mạch từ: H = h + a = 51 + 17 = 68 mm 15. Chiều dài mạch từ: C = 2.c + 2.a = 2.34 + 2.17 = 102 mm 16. Chọn khoảng cách từ gông tới cuộn dây: hg = 2 mm - 29 - 17. Tính số vòng trên một lớp: w1= d hh g.2 = 35 vòng 18. Tính số lớp dây quấn: n1 = 8 35 283 1w w lớp 19. Chọn khoảng cách cách điện giữa dây quấn với trụ: a01 = 3 mm. Cách điện giữa các lớp: cd1 = 0,1mm 20. Bề dầy cuộn dây: Bd = (d + cd1 ). n1 =(1,35+ 0,1). 9 =13,5 mm 21. Tổng bề dầy cuộn dây: Bd = Bd + a01 = 13,5+ 3 =16,5 mm 22. Chiều dài của vòng dây trong cùng: l1 = 2(a+b)+2. a01 = 2(17 + 18)+2. .3 = 88,85 mm 23. Chiều dài của vòng dây ngoài cùng: l2 = 2(a + b) + 2 .(a01 + Bd ) = 2.(17 + 18) + 2 (3 + 13,5)=173.7 mm 24. Chiều dài trung bình của một vòng dây: ltb = (l1 + l2 ) / 2 = (88,85+ 173,7) / 2 = 131,3 mm 25. Điện trở của dây quấn ở 750C: R= 75 . ltb w/sk = 0,02133.219,1.10 -3 .283/4,24 = 0,3119 với 75 =0,02133 ( .mm 2 /m) là điện trở suất của đồng ở 75o c 26. Thể tích sắt: Vfe = 2.a.b.h + 2. a/2.b.l = a.b.(2h+1) = 0,073 dm 3 27. Khối lƣợng sắt: Mfe = Vfe . mfe = 0,57 Kg - 30 - Trong đó mfe là khối lƣợng riêng của sắt mfe =7,85 kg/dm 3 28. Khối lƣợng đồng: M cu = V cu . m cu = s k ltb.. w. m cu =1,4 Kg. Trong đó: mcu =8,9 kg/dm 3 là khối lƣợng riêng của đồng. 2.3. TÍNH CHỌN THIẾT BỊ BẢO VỆ MẠCH ĐỘNG LỰC. Sơ đồ mạch động lực khi có các thiết bị bảo vệ. Hình 2.2. Sơ đồ mạch động lực khi có thiết bị bảo vệ 2.3.1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn. Khi van bán dẫn làm việc, có dòng điện chạy qua, trên van có sụt áp U, do đó có tổn hao công suất p. Tổn hao này sinh nhiệt, đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác, van bán dẫn chỉ đƣợc phép làm việc dƣới nhiệt độ cho phép (Tcp), nếu quá nhiệt độ cho phép các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lí. Tính toán cánh tản nhiệt: - 31 - Thông số cần có: + Tổn thất công suất trên 1 Tiristor: p = U. Ilv =3,63. 1,7 = 6,2 w + Diện tích bề mặt toả nhiệt: STN = p/km . Trong đó: p - tổn hao công suất W - độ chênh nhiệt độ so với môi trƣờng Chọn nhiệt độ môi trƣờng Tmt =40 0 c. Nhiệt độ làm việc cho phép của Tiristor Tcp =110 0 c. Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt Tlv =70 0 c = Tlv - Tmt = 70 0 c - 40 0 c = 30 0 c Km hệ số toả nhiệt bằng đối lƣu và bức xạ. Chọn Km = 8 w/m 2 . 0 C vậy STN = 0,0258 m 2 Chọn loại cánh toả nhiệt có 6 cánh, kích thƣớc mỗi cánh: a x b =4 x 6 (cm x cm). Tổng diện tích toả nhiệt của cánh: S = 6.2.4.6=288 cm2 2.3.2. Bảo vệ quá dòng điện cho các van bán dẫn. + Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch khi quá tải và ngắn mạch tiristor, ngắn mạch đầu ra độ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp ngắn mạch ở chế độ nghịch lƣu. + Chọn 1 apomat có Dòng điện làm việc chạy qua aptomat. Vì bộ chỉnh lƣu nối trực tiếp với nguồn điện xoay chiều 220V không qua máy biến áp vậy ta chọn loại aptomat có các thông số nhƣ sau: - 32 - Dòng điện aptomat cần chọn Idm = 10 A In = 4 A Udm =220 V Có 2 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện. Chỉnh định dòng ngắn mạch Inm =2,5 Ilv = 2,5.3,63 = 9,075 A Dòng quá tải Iqt =1,5. Ilv = 1,5. 3,63 = 5,445 A Từ thông số trên chọn aptomat SA11B do hãng Fuji chế tạo, có thông số Iđm= 10A, Uđm = 220 V. Chọn cầu dao có dòng định mức Iqt = 1,1. Ilv = 1,1.3,63 = 4 A Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ thống truyền động và dùng để đóng, cắt bộ nguồn chỉnh lƣu khi khoảng cách từ nguồn cấp tới bộ chỉnh lƣu đáng kể Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Tiristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lƣu. Dòng điện cầu chì: Icc = Ihd .1,1 = 1,1.3,63 = 4 A. Chọn cầu chì Idc = 5A 2.3.2. Bảo vệ quá điện áp cho các van bán dẫn. Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Tiristor đƣợc thực hiện bằng cách mắc R- C song song với Tiristor. Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngƣợc trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngƣợc gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa Anod và catod của Tiristor. Khi có mạch R- C mắc song song với Tiristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Tiristor không bị quá điện áp - 33 - Hình 2.3 .Mạch R_C bảo vệ quá điện áp do chuyển mạch. Theo kinh nghiệm R2 = (5 30 ) ; C2 = (0,25 4) F Chọn theo tài liệu [1]: R2 = 10 ; C2= 0,25 F Bảo vệ xung điện áp từ lƣới điện ta mắc mạch R-C, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần nhƣ nằm lại hoàn toàn trên điện trở đƣờng dây. Trị số RC đƣợc chọn theo tài liệu [1]: R1= 12,5 ;C1 = 4 F. 2.4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN. Nhiệm vụ của mạch điều khiển là tạo ra các xung vào ở những thời điểm mong muốn để mở các Tiristor của bộ chỉnh lƣu trong mạch động lực. Mạch điều khiển đƣợc tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristo, các thong số cơ bản để tính mạch điều khiển. Điện áp điều khiển Tiristor: Udk =20 V Dòng điện điều khiển Tiristor: Idk =0,2A Thời gian mở Tiristor: tm =35s Độ rộng xung điều khiển tx = 2.tm = 70 ( s)- tƣơng đƣơng khoảng 1,5 o điện. Độ mất đối xứng cho phép =20 Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U= 15 V Mức sụt biên độ xung: sx = 0,15 - 34 - 2.4.1. Các yêu cầu đối với mạch điều khiển. Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong bộ biến đổi tiristor vì nó đóng vai trò chủ đạo trong việc quyết định chất lƣợng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Yêu cầu của mạch điều khiển có thể tóm tắt trong những điểm chính sau: Yêu cầu có thể lắp ráp với các bộ điều chỉnh. Yêu cầu về độ rộng của xung. Yêu về độ lớn của xung. Yêu cầu về độ dốc sƣờn trƣớc của xung. Yêu cầu về sự đối xứng của xung. Yêu cầu về độ tin cậy. Yêu cầu về lắp ráp vận hành. Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ hơn để tiristor không tự mở khi dòng rò tăng. Xung điều khiển ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao động điện áp nguồn. Cần khử đƣợc nhiễu cảm ứng để tránh mở nhầm. Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh . Dễ lắp và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập. 2.4.2. Nguyên lý hoạt động của mạch. a. Nguyên lí điều khiển. Điều khiển Tiristor trong sơ đồ chỉnh lƣu hiện nay có nhiều phƣơng pháp khác nhau, thƣờng 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 2.4. Khi điện áp xoay chiều hình sin (Uđf) đặt vào anod của Tiristor. Để có thể điều khiển đƣợc góc mở của Tiristor trong vùng điện áp dƣơng anod, cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác (thƣờng gọi điện áp tựa là điện áp răng cƣa Urc). 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 - 35 - áp dƣơng anod, thì phát xung điều khiển (Xđk) Tiristor đƣợc mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1,t4) cho tới cuối bán kì (hoặc tới khi dòng điện bằng 0). Hình 2.4. Nguyên lí điều khiển chỉnh lưu. b. Sơ đồ khối mạch điều khiển. Để thực hiện đƣợc ý đồ đã nêu trong phần nguyên lí điều khiển ở trên, mạch điều khiển bao gồm ba khâu cơ bản trên hình 2.5. Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối hình 1.19 nhƣ sau: Khâu đồng pha: có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc (thƣờng gặp là điện áp dạng răng cƣa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của Tiristor. Khâu so sánh: nhận tín hiệu điện áp răng cƣa và điện áp điều khiển, có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk = Urc). Tại thời điểm hai điện áp bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại. Uđf Urc Uđk Ud Xđk t1 t2 t3 t4 t5 t t t t - 36 - Hình 2.5. Sơ đồ khối mạch điều khiển. Khâu tạo xung: có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor. Xung để mở Tiristor có yêu cầu: sƣờn trƣớc dốc thẳng đứng (hình 2.6), để đảm bảo yêu cầu Tiristor mở tức thời khi có xung điều khiển (thƣờng gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật); đủ độ rộng (với độ rộng xung lớn 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). Hình 2.6. Hình sạng xung điều khiển Tiristor. Với nhiệm vụ của các khâu nhƣ vậy tiến hành thiết kế, tính chọn các khâu cơ bản của ba khối trên. Chi tiết tính toán, lựa chọn thiết bị cho các mạch này em xin đi chi tiết ở từng phần sau. 2.4.3. Lựa chọn khâu khuyếch đại và tạo xung. Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor nhƣ đã nêu ở trên, tầng khuếch đại cuối cùng thƣờng đƣợc thiết kế bằng Tranzitor công suất, nhƣ mô tả trên hình 2.7a. Để có xung dạng kim gửi tới Tiristor, ta dùng biến áp xung (BAX), để có thể khuếch đại công suất Tr2 loại công suất, điốt D bảo vệ Tr và cuộn dây tx Xđk t tx Xđk t Đồng pha So sánh Tạo xung Uđk - 37 - sơ cấp biến áp xung khi Tr khoá đột ngột. Mặc dù với ƣu điểm đơn giản, nhƣng sơ đồ này đƣợc dùng không rộng rãi, bởi lẽ hệ số khuếch đại của tranzitor loại này nhiều khi không đủ lớn, để khuếch đại đƣợc tín hiệu từ khâu so sánh đƣa sang. Hình 2.7 Sơ đồ các khâu khuếch đại và tạo xung. a- bằng tranzitor công suất; b- bằng sơ đồ darlington; c- sơ đồ có tụ nối tầng. Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé (cỡ khoảng (10 200) s), mà thời gian mở các tranzitor công suất dài (tối đa tới một nửa chu kì - 0.01s), làm cho công suất toả nhiệt dƣ của Tr quá lớn và kích thƣớc dây quấn sơ cấp biến áp xung dƣ lớn. Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt Tr và kích thƣớc dây sơ cấp BAX có thể thêm tụ nối tầng nhƣ hình 2.7c. 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. Uv Tr1 BAX c. D Tr2 D0 Uv Tr1 BAX b. D Tr2 D0 R Uv Tr BAX +E D a. - 38 - Trƣờng hợp không dùng biến áp xung chúng ta có thể dùng một linh kiện điện tử có chức năng tƣơng tự nhƣ biến áp xung để tạo xung điều khiển. Ghép quang tạo ra xung điều khiển có chất lƣợng tốt với khoảng thời gian khá dài, chất lƣợng điện áp và dòng điện của xung điều khiển quyết định bởi nguồn E. Với ƣu điểm là ta chỉ cần dùng 1 transisto khuếch đại chứ không cần dùng 2 transisto mắc darlington, chi phí cho ghép quang và 1 transisto sẽ nhỏ hơn so với sơ đồ darlington với biến áp xung. Khâu khuếch đại và tạo xung dùng ghép quang có sơ đồ nhƣ trong hình 2.8. Hình 2.8 Sơ đồ khâu khuếch đại và tạo xung dùng ghép quang Điện trở R12 dùng để hạn chế dòng điện đƣa vào Bazơ của Tranzitor Q2, chọn R12 = 100 kΩ, điện trơ R13 = 1kΩ. Chọn tụ nối tầng C1= 0,47µF, Ic ghép quang là PC817 của hãng SHARP sản suất. Tất cả các diod trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4007 có tham số: Dòng điện định mức : Idm = 1 A Điện áp ngƣợc lớn nhất : UN = 25 V, Điện áp để cho diod mở thông : Um = 0,6 V Chọn transisto là loại C828 làm việc ở chế độ xung có các thông số: - 39 - Tranzitor loại NPN, vật liệu bán dẫn là Si . Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: UCBO = 30 V Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO = 7 V Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng :Icmax = 100 mA. Công suất tiêu tán ở colecto : Pc = 400 mW = 0,4 W Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T1 =150 0 C Hệ số khuếch đại : = 100 Dòng làm việc của colecto : Ic3 = I1 =50 mA. Dòng làm việc của Bazơ : IB3 = Ic3 / =50/100 = 0,5 mA 2.4.3. Lựa chọn khâu so sánh. Muốn xác định đƣợc thời điểm mở tiristor, tiến hành so sánh hai tín hiệu Uđk và Urc. Việc so sánh các tín hiệu đó có thể đƣợc thực hiện bằng Tranzitor (Tr) nhƣ trên hình 2.9a. Tại thời điểm Uđk = Urc ở đầu vào, Tr lật trạng thái từ khoá sang mở (hay ngƣợc lại từ mở sang khoá), làm cho điện áp ra cũng bị lật trạng thái, tại đó xác định đƣợc thời điểm cần mở tiristor. Mức độ mở bão hoà của Tr phụ thuộc vào tổng đại số Uđk Urc = Ub, tổng đại số này có một vùng điện áp nhỏ hàng mV, làm cho Tr không làm việc ở chế độ đóng cắt nhƣ mong muốn, do đó nhiều khi làm thời điểm mở tiristor bị lệch so với điểm cần mở tại Uđk = Urc. KĐTT có hệ số khuếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ (cỡ V) ở đầu vào, đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi, việc ứng dụng KĐTT làm khâu so sánh là hợp lí. Các sơ đồ so sánh dùng KĐTT trên hình 2.9b,c rất thƣờng gặp trong các sơ đồ mạch hiện nay. Ƣu điểm hơn hẳn của các sơ đồ KĐTT là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Uđk = Urc. - 40 - Hình 2.9 Sơ đồ các khâu so sánh thường gặp. a- bằng tranzitor; b- cộng một cổng đảo của KĐTT; c- hai cổng KĐTT. Điện áp răng cƣa đƣa vào cửa đảo của A3 Điện áp điều khiển đƣa vào cửa cộng của A3 Nếu Urc>Uđk đầu ra của A3 là xung âm Nếu Urc>Udk đầu ra của A3 là xung dƣơng Khi đó đầu ra của A3 có chuỗi xung vuông liên tiếp nhƣ hình 2.10. Hình 2.10. Sơ đồ và giản đồ điện áp khâu so sánh sử dụng KĐTT. Phần tử chính của khâu so sánh là A3 loại TL084 do hãng Texas Intruments chế tạo có các thông số sau: Điện áp nguồn nuôi: Vcc = ± 18V chọn Vcc = ± 15V b. A 3 Ura R2 R1 Uđk Urc R1 Urc R2 Uđk -E R 3 a. Tr Ura A Ura R1 R2 2 c. Uđk Urc + + - - Uđk UD Uc A3 -E +E Ur c U ®k R 8 R 9 D - 41 - Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: ± 30 V Nhiệt độ làm việc: T = -25 ÷ 850 C Công suất tiêu thụ: P = 680 mW = 0,68 W Tổng trở đầu vào: Rin = 10 6 Ω Dòng điện đầu ra: Ira = 30 pA Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du/dt = 13V/µs Chọn R8 = R9 =100k 13 1 14 2 3 4 5 6 7 12 11 10 9 8 - - - - + + + + Ucc Hình 2.11. Sơ đồ chân IC TL084. 2.4.4. Lựa chọn khâu đồng pha và tạo điện áp răng cƣa. Sơ đồ hình 2.12a là sơ đồ đơn giản, dễ thực hiện, với số linh kiện ít nhƣng chất lƣợng điện áp tựa không tốt (hình 2.12b). Khi điện áp UA > 0 điốt D1 dẫn làm cho tụ C ngắn mạch nên URC = 0, khi UA < 0 D1, D2 khoá tụ C nạp với hằng số thời gian nạp tụ R2.C. Tụ còn nạp chừng nào URC < UA . Từ thời điểm URC > UA tụ bắt đầu xả. Khi nào tụ xả hết điện áp URC = 0. 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 điều khiển theo sơ đồ này, điện áp tải không điều khiển đƣợc từ 0 tới cực đại mà từ một trị số nào đó đến cực đại. - 42 - Hình 2.12. Khâu đồng pha dùng điốt và tụ điện. Để khắc phục nhƣợc điểm về dải điều chỉnh ở sơ đồ hình 2.12a ngƣời ta sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng sơ đồ hình 2.13a. Khi điện áp UA > 0 tranzitor Tr khoá, tụ C nạp. Khi UA < 0 tranzitor dẫn, tụ C xả tạo thành điện áp răng cƣa nhƣ hình 2.13c. 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 tới cực đại là hoàn toàn có thể đáp ứng đƣợc. Với sự ra đời của các linh kiện ghép quang, có thể sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng bộ ghép quang nhƣ hình 2.13b. Nguyên lí và chất lƣợng điện áp tựa của hai sơ đồ hình 2.13a,b tƣơng đối giống nhau. Đƣờng cong điện áp minh hoạ cho hình 2.13b tƣơng tự nhƣ hình 2.13c nhƣng điện áp Urc nằm phía trên trục hoành (vì ở đây sử dụng tranzitor npn). Ƣu điểm của sơ đồ hình 2.13b là không cần biến áp đồng pha, do đó có thể đơn giản hơn trong việc chế tạo và lắp đặt. Các sơ đồ trên đều có chung nhƣợc 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 đồng pha lân cận 0 không đƣợc nhƣ ý muốn. Ngày nay các vi mạch đƣợc chế tạo ngày càng nhiều, chất lƣợng ngày càng cao, kích thƣớc ngày càng gọn, ứng dụng các vi mạch vào thiết kế mạch đồng pha có thể cho chất lƣợng điện áp tựa tốt. a. UA URC b. U1 U2 R1 A -E R2 D2 D1 B Urc C C t - 43 - Hình 2.13 Khâu đồng pha dùng tranzitor. a. dùng tranzitor, b. dùng bộ ghép quang, c. đường cong điện áp Trên hình 2.14a là sơ đồ tạo điện áp tựa dùng khuếch đại thuật toán (KĐTT), b là đƣờng cong điện áp minh hoạ hoạt động của sơ đồ bên. Hình 2.14 Khâu đồng pha dùng KĐTT. a- sơ đồ; b- các đường cong điện áp các khâu. Điện áp tụ đƣợc hình thành do sự nạp của tụ C1, mặt khác để bảo đảm điện áp tụ có trong một nửa chu kỳ điện áp lƣới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp đƣợc Tr = R3. C1 = 0,005 s Chọn tụ C1 = 0,1 ( F) thì điện trở R3 = Tr/ C1 = 0,005 / 0,1. 10 -6 Ghép quang C R2 R1 D Ura +E Uv b. UA URC c. t U A U1 a. U2 R2 R1 D Tr -E Ura C - 44 - Vậy: R3 = 50. 10 3 =50 k Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch R3. Thƣờng chọn là biến trở lớn hơn 50 k là 100 k , chọn Tranzito Tr loại C828. Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào bazơ tranzito Tr đƣợc chọn nhƣ sau: Chọn R2 thoả mãn điều kiện: R2 UN Max/IB 15/0,5. 10 -3 = 30 k Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: UA =24V. Điện trở R1 để hạn chế dòng điện đi vào khuếch đại thuật toán A1, thƣờng chọn R1 sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán Iv < 1mA. Do đó R1 > UA/I v = 24/ 1.10 -3 = 24 K . Chọn R1 = 27 k ). 2.4.6. Tính toán khối nguồn nuôi. Biến áp nguồn nuôi là loại biến áp có điểm giữa, hạ áp từ điện áp 220V xoay chiều xuống các mức điện áp 24. Sau khi đƣợc hạ điện áp ta cho qua mạch chỉnh lƣu và ổn áp để tạo ra điện áp cấp nguồn cho IC khuếch đại thuật toán và IC ghép quang. Chọn biến áp nguồn nuôi và biến áp đồng pha là biến áp 3A của KDK Việt Nam sản xuất, đầu ra của biến áp là 24 - 0 -24. Công suất P = U . I = 24 . 3 = 72W Cầu chỉnh lƣu loại RS57L với dòng định mức 5A. Để đảm bảo chất lƣợng điện áp cho ic luôn ổn định ta sử dụng IC ổn áp LM7815 và LM7915. Điện áp 220VC/50Hz đƣợc đƣa tới cuộn sơ cấp của biến áp T1, điện áp lấy ra trên cuộn thứ cấp có giá trị 24V đƣợc nắn thành điện áp một chiều bằng chỉnh lƣu cầu, sau đó đƣa vào chân IN của LM7815 và LM7915. Tụ C1, C2 , C7 , C8 , C9 có vai trò là các tụ lọc nguồn. - 45 - IC ổn áp 7812: đầu vào U = 48V đầu ra U = +15V IC ổn áp 7912: đầu vào U = 48V đầu ra U = -15V IC ổn áp 7805: đầu vào U = 15V đầu ra U = 5V Tụ lọc phẳng điện áp : C1 = C2 = C7 = C8 = C9 = 470µF; 50V Tụ lọc sóng hài bậc cao : C3 = C4 = C5 = C6 = 10nF; 50V 5V -15V 15V + C9 470uF IN COM OUT U3 LM7805 + C1 470uF + C2 470uF + C8 470uF + C7 470uF C3 1uF C4 1uF C5 1uF C6 1uF IN COM OUT U1 LM7815 IN COM OUT U2 LM7915 D1 BRIDGE T1 2to1CT 50 Hz V1 -220/220V Hình 2.15 Sơ đồ khối nguồn nuôi sử dụng IC ổn áp. Khi tính toán lựa chọn các khâu trong mạch điều khiển xong ta tiến hành ghép các khâu lại với nhau thành một mạch mở tiristo hoàn chỉnh. +VR2 100k 50% V12 -15V V13 15V -15V V14 T1 1to1 V7 15V V6 15V V5 -15V V3 -15V SCR1 S8015L E 5V V2 15V V1 -15V + C1 0.47uF + C2 0.471uF Tr1 NPN + + D1 1N4007+ Tr2 D3 1N4007 D2 1N4007 U1 PC817 VR1 100k 60% R9 22k R10 22k 2 2 k R1 R12 100k 1 0 0 k R8 100k R7 R4 100k R3 100k 100k R2 1 0 0 k R6 R13 1k Hình 2.16. Sơ đồ một kênh điều khiển mở tiristo. - 46 - Để đơn giản và thuận tiện cho việc lắp ráp mạch in ta chọn chung điện trở của mạch điều khiển là loại 100 kΩ, các linh kiện khác vẫn nhƣ trong tính toán ở phần trên. Sau khi tính toán và lựa chọn xong các thiết bị và linh kiện của mạch điều khiển ta sẽ có đƣợc sơ đồ chỉnh lƣu cầu một pha có điều khiển nhƣ hình 2.17. L1 1uH 5TO1 2N6238 2N6238 2N6238 2N6238 50 Hz -220/220V 1 N 4 0 0 7 1 N 4 0 0 7 + 0.1uF 50 Hz -24/24V T4 1to1 + TL084 15V -15V 1N4007 + TL084 15V -15V ECG241 + 0.1uF + TL084 15V -15V 5V + 0.1uF ECG241 U7 OP4N25 5V 1N4007 1N4007 5V U6 OP4N25 ECG241 5V -15V 15V + TL084 + 0.1uF ECG241 -15V 15V + TL084 1N4007 -15V 15V + TL084 T2 1to1 50 Hz -24/24V 50 Hz -24/24V T1 1to1 + TL084 15V -15V 1N4007 + TL084 15V -15V ECG241 + 0.1uF + TL084 15V -15V 5V ECG241 U2 OP4N25 5V 1N4007 1N4007 5V U3 OP4N25 ECG241 + 0.1uF 5V -15V 15V + TL084 + 0.1uF ECG241 -15V 15V + TL084 1N4007 -15V 15V + TL084 T3 1to1 50 Hz -24/24V + 0.1uF 1 N 4 0 0 7 1 N 4 0 0 7 0.5k 50k 100k 100k 50k 50k 5 0 k 50k 80k 80k 5 0 k 50k 50k 100k100k 100k 100k 50k 50k 5 0 k 80k 80k 50k 5 0 k 50k 50k 100k 100k 50k Hình 2.17 Sơ đồ tổng thể mạch điều khiển và động lực - 47 - CHƢƠNG 3. LẮP RÁP BỘ CHỈNH LƢU CẦU MỘT PHA VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM. 3.1. LỰA CHỌN LINH KIỆN 3.1.1. Linh kiện mạch điều khiển Mạch điều khiển chỉnh lƣu cầu một pha bao gồm 4 tiristo đƣợc điều khiển bằng 4 mạch mở tiristo riêng biêt, các tính toán và lựa chọn đã đƣợc nêu chi tiết ở chƣơng 2 sau đây là thống kê linh kiện mạch điều khiển. Bảng 2.1. Tổng linh kiện của mạch điều khiển Tên linh kiện Số lƣợng(chiếc) IC khuếc đại thuật toán TL084 5 IC ghép quang PC817 4 Điện trở 100 kΩ 40 Điện trở 22 kΩ 3 Biến trở 100 kΩ 1 Điốt 1N4007 12 Transisto C828 8 Tụ hóa 470 µF – 50V 5 Tụ hóa 0.47µF – 50V 4 Tụ hóa 0.1µF – 50V 4 Tụ gốm 10nF 4 Cầu chỉnh lƣu 5A 1 Biến áp 220/24 ( 3A ) 1 Tản nhiệt nhôm ( loại nhỏ) 3 Dƣới đây là hình ảnh của một số linh kiện trong mạch điều khiển. Các linh kiện nhƣ điện trở, tụ điện và điốt không còn mới mẻ vì thế em xin giới thiệu về IC khuyếch đại thuật toán TL084 và IC ghép quang PC817. - 48 - a, b, Hình 3.1. Linh kiện mạch điều khiển a- IC TL084 và b- IC ghép quang PC817. 3.1.2. Linh kiện mạch động lực Mạch động lực bao gồm van động lực và các thiết bị bảo vệ van. Việc tính toán và lựa chọn thiết bị đƣợc trình bày chi tiết tại chƣơng 2 dƣới đây là thống kê số lƣợng linh kiện mạch động lực Bảng 2.1. Tổng linh kiện của mạch động lực Tên thiết bị Số lƣợng( chiếc) Van bán dẫn Tiristo S8015L 4 Áptômát SA11B 1 Cầu chì 5A 4 Điện trở R1 = 12.5 1 Điện trở R2 = 10 4 Tụ điện C1= 4 F 1 Tụ điện C2= 0,25 F 4 Tản nhiệt nhôm 4 Cuộn kháng lọc điện 1 Hình 3.2. Một tiristo trong mạch động lực. - 49 - 3.2. CHẾ TẠO MẠCH IN. Trong thực tế có rất nhiều phần mềm làm mạch in, thông dụng nhất là hai phần mềm Circuit maker và phần mềm Orcad. Dƣới đây là mạch điều khiển một kênh đƣợc thiết kế trên phần mềm vẽ mạch in Orcad. Hình 3.3. Mạch in của mạch điều khiển một tiristo. Sau khi in mạch ta ghép bốn mạch mở vào để tạo ra mạch điều khiển cầu một pha. Hình 3.4. Mạch in của mạch nguồn và điện áp điều khiển - 50 - Hình 3.5. Mạch in của mạch động lực Khi vẽ mạch xong tiếp đến là in và tẩy rửa mạch in bằng dung dịch FeCl3. 3.3. LẮP RÁP HỆ THỐNG. Sau khi mạch in đƣợc hoàn thành tiếp đó là công việc lắp ráp các linh kiện điện tử vào trong mạch. Việc hàn các linh kiện phải rất cẩn trọng bởi vì nhiệt độ của mỏ hàn nếu quá nóng sẽ dẫn tới chết linh kiện hoặc sai số lớn. Hình 3.6. Mạch điều khiển 2 tiristor T1 và T3 (T2 và T4) đã thi công. - 51 - Hình 3.7. Mạch nguồn và điện áp điều khiển đã thi công xong. Khi hoàn thành tất cả các khâu từ điều khiển đến nguồn nuôi và động lực, việc cuối cùng là lắp ráp bộ chỉnh lƣu thành một khối thống nhất trên một bảng mạch. Hình 3.8. Bộ chỉnh lưu được lắp ráp hoàn chỉnh. - 52 - 3.4. KẾT QUẢ ĐO LƢỜNG Tiến hành cấp nguồn cho bộ chỉnh lƣu và kiểm tra chất lƣợng dạng điện áp ra bằng máy hiện sóng Oscilloscope. Hình 3.9. Dạng điện áp ra của bộ chỉnh lưu. Khi thực hiện thí nghiệm điều chỉnh điện áp bộ chỉnh lƣu, kết quả đạt đƣợc trong dải điện áp rất rộng ứng với góc mở nhỏ nhất và lớn nhất. 3.5. NHẬT XÉT CHUNG Sau quá trình nghiên cứu và lắp mạch, mô hình vật lý của bộ chỉnh lƣu cầu một pha tisitor đã thu đƣợc các kết quả nhƣ sau : Dải điện áp điều chỉnh rộng, chất lƣợng điện áp ổn đinh. Vì sử dụng nhiều phần tử IC chuyên dụng nên mạch họat động ổn định, khả năng chống nhiễu và hiệu suất của mạch khá cao. Dạng điện áp ra của bộ chỉnh lƣu cũng đã đáp ứng đƣợc yêu cầu của đề tài. Trên thực tế có rất nhiều bộ chỉnh lƣu một pha vơi chất lƣợng điện một chiều cũng không khá hơn nhiều nhƣng giá thành còn khá cao. Mạch điều khiển hoạt động ổn định, để nâng tải thì ta cần tính toán lựa chọn van bán dẫn - 53 - lớn hơn, phù hợp với yêu cầu của tải. Theo tính toán chi phí cho bộ chỉnh lƣu này chỉ mất khoảng 60% so với bộ cùng công suất trên thị trƣờng. Trên thực tế sai số của linh kiện điện trở, tụ điện là không nhỏ. Để khắc phục điều này ta tiến hành mắc nối tiếp, song song, các linh kiện để có thể đạt đƣợc đúng giá trị nhƣ đã tính toán, thiết kế. - 54 - KẾT LUẬN Sau ba tháng nghiên cứu và thực hiện đề tài dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn cùng với sự cố gắng nỗ lực của bản thân, em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình theo đúng kế hoạch đƣợc giao. Qua thời gian làm đồ án tốt nghiệp em đã nắm vững hơn về cách phân tích một công việc thiết kế, cách đặt vấn đề cho bài toán thiết kế. Giúp cho em có cách xử lý sát thực hơn và biết cách kết hợp với những kiến thức đã đƣợc học để tính toán và chọn ra phƣơng án tối ƣu cho thiết kế. Trong đề tài này em đã thực hiện đƣợc những vấn đề nhƣ sau: Nghiên cứu tổng quan về các bộ chỉnh lƣu có điều khiển. Tính toán và xây dựng thành công mô hình thực nghiệm bộ chỉnh lƣu cầu một pha. Ứng dụng và rèn luyện đƣợc kĩ năng vẽ mạch in bằng phần mềm Orcad và rửa mạch in thủ công bằng tay. Tuy nhiên, do thời gian và kinh nghiệm có hạn nên bên cạnh những kết quả đã đạt đƣợc, đề tài chƣa thực hiện đƣợc một số vấn đề nhƣ sau : Mạch đƣợc làm thủ công bằng tay do đó sẽ không thể tránh khỏi sai số, linh kiện trên thực tế không thể đáp ứng đúng giá trị nhƣ trong tính toán. Mạch thiết kế và lắp ráp chƣa thật tối ƣu. Nếu tích hợp trên một vỉ mạch thì sản phẩm bộ ngƣợc lƣu sẽ gọn nhẹ, kinh tế, và có giá trị thẩm mỹ cao hơn. Dù đã cố gắng hoàn thành đồ án này với cƣờng độ làm việc cao, kỹ lƣỡng và có sự hƣớng dẫn rất cụ thể của quý thầy cô nhƣng do hiểu biết còn hạn chế và chƣa có kinh nghiệm thực tiễn nên chắc chắn đồ án này còn có nhiều thiếu sót và bất cập. Vì vậy, em rất mong sự sửa chữa và đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để em đƣợc rút kinh nghiệm và bổ sung thêm kiến thức. - 55 - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn (2004), Điện tử công suất, Nhà xuất bản xây dựng. [2]. Lê Văn Doanh –Nguyễn Thế Công –Trần Văn Thịnh (2005), Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. [3]. TS. Trần Văn Thịnh (2008), Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất, Nhà xuất bản giáo dục. [4]. Nguyễn Bính (2000), Điện tử công suất, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. [5]. Dƣơng Minh Trí (2007), Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn, Nhà xuất bản trẻ. [6]. TS. Đỗ xuân Thụ (2002), Kĩ thuật điện tử, Nhà xuất bản giáo dục. [7]. Lê Văn Doanh (1997), Điện tử công suất và điều khiển động cơ điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. [8]. Diễn đàn Điện Tử Việt Nam (www.dientuvietnam.net). [9]. Diễn đàn Sinh viên Bách Khoa (www.svbkol.org). [10]. Datasheet của các Linh kiện Điện tử (www.datasheetcatalog.com). - 56 - MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. CÁC BỘ CHỈNH LƢU CÓ ĐIỀU KHIỂN. ............................... 2 1.1. CHỈNH LƢU MỘT PHA. ...................................................................... 2 1.1.1. Chỉnh lƣu một nửa chu kỳ. .............................................................. 2 1.1.2. Chỉnh lƣu cả chu kì với biến áp có điểm trung tính. ....................... 3 1.1.3. Chỉnh lƣu cầu một pha đối xứng. .................................................... 5 1.1.4. Chỉnh lƣu cầu một pha không đối xứng. ......................................... 6 1.2. CHỈNH LƢU BA PHA. ......................................................................... 9 1.2.1. Chỉnh lƣu tia ba pha. ....................................................................... 9 1.2.2. Chỉnh lƣu cầu ba pha đối xứng. .................................................... 12 1.2.3. Chỉnh lƣu cầu 3 pha không đối xứng. ........................................... 15 1.3. CHỈNH LƢU KHI CÓ ĐIỐT NGƢỢC. .............................................. 17 1.4. TỔNG KẾT CHƢƠNG 1. ................................................................... 19 CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƢU CẦU MỘT PHA CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU. ................................................................................ 20 2.1. THIẾT KẾ TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC. ................................. 20 2.1.1. Tính toán van động lực. ................................................................ 20 2.2. TÍNH TOÁN CUỘN KHÁNG LỌC ĐIỆN......................................... 22 2.2.1. Xác định góc mở cực tiểu và cực đại. ........................................... 22 2.2.2. Xác định các thành phần của sóng hài. ......................................... 23 2.2.3. Xác định điện cảm của cuộn kháng. ............................................. 25 2.2.4. Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc.................................................... 26 2.3. TÍNH CHỌN THIẾT BỊ BẢO VỆ MẠCH ĐỘNG LỰC. .................. 30 2.3.1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn. .................................... 30 2.3.2. Bảo vệ quá dòng điện cho các van bán dẫn. ................................ 31 2.3.2. Bảo vệ quá điện áp cho các van bán dẫn. ..................................... 32 2.4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN. ............................... 33 - 57 - 2.4.1. Các yêu cầu đối với mạch điều khiển. .......................................... 34 2.4.2. Nguyên lý hoạt động của mạch. .................................................... 34 2.4.3. Lựa chọn khâu khuyếch đại và tạo xung....................................... 36 2.4.3. Lựa chọn khâu so sánh. ................................................................. 39 2.4.4. Lựa chọn khâu đồng pha và tạo điện áp răng cƣa. ........................ 41 2.4.6. Tính toán khối nguồn nuôi. ........................................................... 44 CHƢƠNG 3. LẮP RÁP BỘ CHỈNH LƢU CẦU MỘT PHA VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM. ................................................................................................ 47 3.1. LỰA CHỌN LINH KIỆN .................................................................... 47 3.1.1. Linh kiện mạch điều khiển ............................................................ 47 3.1.2. Linh kiện mạch động lực............................................................... 48 3.2. CHẾ TẠO MẠCH IN. ......................................................................... 49 3.3. LẮP RÁP HỆ THỐNG. ....................................................................... 50 3.4. KẾT QUẢ ĐO LƢỜNG ...................................................................... 52 3.5. NHẬT XÉT CHUNG ........................................................................... 52 KẾT LUẬN ................................................................................................. 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 55