Thiết kế thiết bị điện tử công suất

Ilv = (10 ¸ 30)% Iđmv ở đây chọn Ilv = 25% Iđmv ) Để có thể chọn được van cho làm việc với các thông số định mức cơ bản trên, chúng ta tra bảng thông số các van ( điôt, tiristo) chọn các van có thông số điện áp ngược (Unv), dòng điện định mức(Iđmv) lớn hơn gần nhất với thông số đã tính được ở trên. Theo cách đó có thể chọn ví dụ (tra từ bảng 8.4, 8.5): Điôt loại HD310/04-6 với các thông số định mức: Dòng điện định mức của van Iđmv = 300 A, Điện áp ngược cực đại của van Unv = 400 V, Độ sụt áp trên van DU = 1,6 V, Dòng điện dò Ir =15 mA, Hoặc tiristo loại ST303S04MFK3 có các thông số định mức: Dòng điện định mức của van Iđmv=300 A, Điện áp ngược cực đại của van Unv = 400 V, Độ sụt áp trên van DU = 2,2 V, Dòng điện dò Ir = 50 mA, Điện áp điều khiển Uđk = 3 V, Dòng điện điều khiển Iđk = 0,2 A. 8.4.2 Tính toán máy biến áp: Các đại lượng cần có cho tính toán một biến áp chỉnh lưu: 1. Điện áp chỉnh lưu không tải Udo = Ud + DU v + D Uba + DUdn (8 - 5) Trong đó: Ud - điện áp chỉnh lưu; DUv- sụt áp trên các van (trị số này được lấy từ các thông số của các van đã chọn ở trên) ; DUba = DU r + DUl - sụt áp bên trong biến áp khi có tải, bao gồm  sụt áp trên điện trở DUr và sụt áp trên điện cảm DUl những đại lượng này khi chọn sơ bộ vào khoảng (5 ¸ 10)% ; DUdn - sụt áp trên dây nối; DUdn = Rdn.Id =(r.l/S).Id . (8 – 6) 2. Xác định công suất tối đa của tải ví dụ với tải chỉnh lưu xác định Pdmax = Udo . Id (8 - 7) 3. Công suất biến áp nguồn cấp được tính Sba = ks . Pdmax (8 - 8) Trong đó: Sba - công suất biểu kiến của biến áp [W]; ks - hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực, có thể tra ở bảng 2 Pdmax - công suất cực đại của tải [W]. 4. Tính toán sơ bộ mạch từ Tiết diện trụ QFe của lõi thép biến áp được tính từ công suất: Trong đó: Sba - công suất biến áp tính bằng [W]; kQ - hệ số phụ thuộc phương thức làm mát; kQ= 4 ¸ 5 nếu là biến áp dầu; kQ = 5 ¸ 6 nếu là biến áp khô; m - số trụ của máy biến áp (biến áp ba pha có m=3,  mét pha có m-1); f - tần số nguồn điện xoay chiều f=50 Hz. Tiết diện của trụ gần đúng có thể tính theo công thức kinh nghiệm 5. Tính toán dây quấn biến áp. Thông số các cuộn dây cần tính bao gồm số vòng và kích thước dây. Thông số các cuộn dây quấn sơ cấp và các cuộn dây thứ cấp, nói chung cách tính dây sơ cấp và thứ cấp như nhau nên ở đây chỉ giới thiệu cách tính chung cho các cuộn dây. Số vòng dây của mỗi cuộn được tính (vòng) (8 - 11) Trong đó: W - số vòng dây của cuộn dây cần tính U - điện áp của cuộn dây cần tính [V]; B - từ cảm (thường chọn trong khoảng (1,0 ¸ 1,8) Tesla tuỳ thuộc chất lượng tôn). QFe - tiết diện lõi thép [cm2]. Nếu coi f = 50 Hz, chọn B = 1Tésla lúc đó gần đúng có thể tính (vòng) (8 - 12) Thay các thông số điện áp sơ cấp U1, thứ cấp U2 vào (8 - 11) hay (8 - 12) ta tính được số vòng dây sơ cấp W1 và thứ cấp W2 cần tính. Điện áp của các cuộn dây. - Điện áp cuộn dây thứ cấp được tính: (8 -13) Trong đó: Ud0 - tính từ (8 -5); kU - tra từ hệ số điện áp chỉnh lưu bảng 8.1. - Điện áp cuộn dây sơ cấp U1 bằng điện áp nguồn cấp. Tính dòng điện của các cuộn dây. Cách thứ nhất: Xác định dòng điện các cuộn dây bằng cách tra dòng điện sơ và thứ cấp theo bảng 8.2 Cách thứ hai: Đối với những chỉnh lưu có dòng điện xoay chiều đối xứng như các chỉnh lưu cầu, dòng điện được tính gián tiếp qua công suất phía sơ và thứ cấp. với: S1ba = ks1. Pdmax. (8 -16) S2ba = ks2. Pdmax. (8 -17) Trong đó: S1ba, S2ba - công suất phía sơ, thứ cấp biến áp. ks1, ks2 - các hệ số công suất phía sơ, thứ cấp của biến áp. Các hệ số này có thể tra theo bảng 8.2. Tính tiết diện dây dẫn: (mm2) (8 - 18) Trong đó: I - dòng điện chạy qua cuộn dây [A]; J - mật độ dòng điện trong biến áp thường chọn 2 ¸ 2,75 [A/mm2] (8 – 19) Nếu chọn dây quấn tròn thì đường kính dây được tính: Trong đó: d - đường kíng dây quấn. SCu – tiết diện dây quấn. Nếu chọn dây quấn chữ nhật, cần tra bảng kích thước dây (bảng 8.3a) để chọn kiểu và kích thước dây 6. Tính kích thước mạch từ Chọn sơ bộ các kích thước cơ bản của mạch từ Chọn hình dáng của trụ Nếu công suất nhỏ (dưới 10 KVA) người ta thường chọn trụ chữ nhật (hình  8.1) với các kích thước QFe = a . b. Trong đó a - bề rộng trụ, b - bề dầy trụ Nếu công suất lớn người ta chọn trụ nhiều bậc [......] Chọn lá thép: thường lá thép có các độ dày 0,35 mm và 0,5 mm Diện tích cửa sổ cần có: Qcs = Qcs1 + Qcs2 (8 -20) với: Qcs1 =klđ.W1.SCu1 Qcs2 =klđ.W2.SCu2 Trong đó: Qcs,- diện tích cửa sổ [mm2]; Qcs1,Qcs2 - phần do cuộn sơ cấp và thứ cấp chiếm chỗ [mm2]; W1, W2 - số vòng dây sơ, thứ cấp; SCu1, SCu2 - tiết diện dây quấn sơ, thứ cấp [mm2]; klđ - hệ số lấp đầy thường chọn 2,0 ¸ 3,0 Chọn kích thước cửa sổ. Khi đã có diện tích cửa sổ Qcs, cần chọn các kích thước cơ bản (chiều cao h và chiều rộng c với Qcs = c.h) của cửa sổ mạch từ. Các kích thước cơ bản này của lõi thép do người thiết kế tự chọn. Những số liệu đầu tiên có thể tham khảo chiều cao h và chiều rộng cửa sổ c được chọn dựa vào các hệ số phụ m=h/a; n = c/a; l = b/a. Kinh nghiệm cho thấy đối với lõi thép hình E thì m = 2,5; n = 0,5; l = 1¸ 1,5; là tối ưu hơn cả. Tuy nhiên những hệ số phụ này sau khi tính xong mạch từ có thể không hợp lý cho một số trường hợp, lúc đó người thiết kế cần thay đổi các chỉ số phụ cho để tính lại. Chiều rộng toàn bộ mạch từ C = 2c + x.a (x =2 nếu là biến áp một pha, x = 3 nếu là biến áp ba pha), chiều cao mạch từ H = h + z.a (z=1 nếu là biến áp một pha, z = 2 nếu là biến áp ba pha) Hình dáng kết cấu mạch từ thể hiện như hình 8.1 7. Kết cấu dây quấn: H×nh 8.1 S¬ ®å kÕt cÊu lâi thÐp biÕn ¸p Dây quấn được bố trí theo chiều dọc trụ, mỗi cuộn dây được quấn thành nhiều lớp dây. Mỗi lớp dây được quấn liên tục, các vòng dây sát nhau. Các lớp dây cách điện với nhau bằng các bìa cách điện. Cách tính các thông số này như sau: Số vòng dây trên mỗi lớp W1l: Khi dây quấn tiết diện tròn được tính (8 – 21) Trong đó: h - chiều cao cửa sổ, dn - đường kính dây quấn kể cả cách điện; hg - khoảng cách cách điện với gông có thể tham khảo chọn hg = 2.dn. Khi dây quấn tiết diện hình chữ nhật được tính: (8 – 22) Trong đó: bn - chều rộng của dây quấn chữ nhật kể cả cách điện. hg- khoảng cách cách đIện, khi dây quấn chữ nhât có kích thước lớn, thường chọn trong khoảng (2 - 10)mm. Số lớp dây Sld trong cửa sổ được tính bằng tỷ số, số vòng dây W của cuộn dây W1 hoặc W2 cần tính, trên số vòng dây trên một lớp W1l Bề dày của mỗi cuộn dây bằng tổng bề dày của các lớp dây d. sld cộng cách điện các lớp dây trong cuộn dây cần tính lớp cd.sld. Bdct = d. sld + cd.sld (8 -23) Trong đó: Bdct - bề dầy của cuộn dây cần tính, cd - bề dày của bìa cách điện. Bìa cách điện có các độ dày: 0,1; 0,3; 0,5;1,0; 2,0; 3,0 mm. dn - đường kính ngoài của dây (nếu dây quấn tiết diện hình chữ  nhật thì thay dn bằng an. Tổng bề dày các cuộn dây Bd Bd = Bd1 + Bd2 + ......+ cdt + cdn (8 -24) Trong đó: Bd1, Bd2 - bề dầy cuộn dây sơ và thứ cấp; cdt, cdn - bề dày cách điện trong cùng và ngoài cùng. Trước khi tính khôí lượng sắt và đồng cần kiểm tra xem cửa sổ đã chọn đã hợp lý chưa. Kích thước cửa sổ c,h chỉ đúng khi bề dầy các cuộn dây phải nhỏ hơn chiều rộng cửa sổ (Bd < c đối với biến áp một pha và 2Bd < c nếu là biến áp ba pha). Kích thước hợp lý giữa cuộn dây và trụ Dc = c -Bd với biến áp một pha và Dc = c - 2.Bd với biến áp ba pha trong khoảng (0,5 - 2) cm. Khoảng cách này cần thiết để đảm bảo cách điện và làm mát. Trong trường hợp ngược lại, bề dầy Bd các cuộn dây lớn hơn chiều rộng c của cửa sổ, chọn lại các kích thước cửa sổ c,h. 8. Khối lượng sắt. Khối lượng sắt bằng tích của thể tích VFe trụ và gông nhân với trọng lượng riêng của sắt mFe: MFe = VFe.mFe (kg) (8 -25) Trong đó: VFe - thể tích khối sắt [dm3]; VFe = 3a.b.h + 2C.a.b = QFe.(3h + 2C)- nếu là biến áp ba pha; VFe = 2a.b.h + C.a.b = QFe.(2h + C)- nếu là biến áp một pha; Với: QFe;a;b;c;h;C - là các kích thước của lõi thép được đổi thành dm. mFe = 7,85 kg/dm3 9. Khối lượng đồng. Khối lượng đồng bằng tích của thể tích VCu cuộn dây đồng cần tính nhân với trọng lượng riêng của đồng mCu: MCu = VCu.mCu (kg) (8 - 26) Trong đó: VCu - thể tích khối đồng của các cuộn dây và được tính [dm3]; VCu = SCu.l Trong đó: SCu - tiết diện dây dẫn [dm2]; l - chiều dài của các vòng dây [dm]; mCu = 8,9kg/dm3 Chiều dài dây quấn được tính bằng cách lấy chiều dài mỗi vòng nhân với số vòng dây trong cuộn. Các vòng trong cuộn dây có chu vi khác nhau cho nên chúng ta hay lấy chu vi trung bình để tính. Chiều dài trung bình của các vòng dây có thể tính gần đúng p. Dtb khi coi Dtb là đường kính trung bình của cuộn dây tròn, l = W.p. Dtb ( 8 - 27) Trong đó: Dtb - đường kính trung bình của cuộn dây và được tính: Dtb = (Dt + Dn)/2 Trong đó: Dt,Dn - đường kính trong và ngoài của cuộn dây. Đường kính trong của cuộn dây trong cùng được tính: - nếu trụ hình chữ nhật; Dt = DFe + 2cdt - nếu trụ tròn; ở đây: DFe - đường kính trụ sắt; cdt - cách điện trong cùng với lõi. Đường kính ngoài của cuộn dây được tính gần đúng: Dn = Dt + 2.(d + cd).sld Chó ý: với các cuộn dây bên ngoài, thì Dt của cuộn ngoài sẽ bằng Dn của cuộn trong. Nếu coi cuộn dây là khối hộp chữ nhật thì atb+ btb là chu vi trung bình của vòng dây chữ nhật. Như vậy chiều dài dây đồng tính theo công thức: l = W.( atb+ btb ). ( 8 - 28) Trong đó: atb = at + Bd/2 – chiều rộng trung bình của vòng dây; btb = bt + Bd/2 – chiều dài trung bình của vòng dây; at, bt - các kích thước trong của cuộn dây. 10. Tính tổng sụt áp bên trong biến áp. Điện áp rơi trên điện trở: (8 - 29) Trong đó: R1, R2 - điện trở thuần của các cuộn dây sơ và thứ cấp được tính: R = r.l/S Với: r = 0,0000172 W mm - điện trở suất của đồng; l, S - chiều dài và tiết diện của dây dẫn [mm, mm2]; Id - dòng điện tải một chiều [A]. Điện áp rơi trên điện kháng: DUx = mf. X.Id/p (8 - 30) Trong đó: mf - sè pha biến áp Trong đó: W2 - Số vòng dây thứ cấp biến áp. Rbk - Bán kính trong cuộn dây thứ cấp [m2]. h - Chiều cao cửa sổ lõi thép [m]. cd - Bề dầy các cách điện các cuộn dây với nhau (nếu là biến áp dòng nhỏ, giữa các cuộn dây được lót bằng bìa cách điện dày (0,3 ¸ 1) mm, còn đối với những biến áp dòng lớn, cần phải cách ly bằng các đũa phíp có các độ dày lớn hơn) [m]. Bd1, Bd2 - Bề dầy cuộn dây sơ và thứ cấp [m]. w = 314 rad. 11. Điện trở ngắn mạch máy biến áp 12. Tổng trở ngắn mạch máy biến áp: 13. Điiện áp ngắn mạch phần trăm của máy biến áp: 14. Dòng điện ngắn mạch máy biến áp: Những phép tính trên đây là những kích thước rất cơ bản của biến áp, cho những loại chỉnh lưu công suất trung bình và nhỏ. Khi thiết kế biến áp cho những loại chỉnh lưu có công suất lớn, biến áp cần tính toán chi tiết hơn ví dụ phương thức làm mát, cách điện ... khi đó biến áp cần được tính theo các tài liệu chuyên ngành thiết kế biến áp [...]. 8.4.3 Tính chọn các thiết bị bảo vệ: 1. Bảo vệ quá dòng điện Bảo vệ ngắn mạch và quá tải về dòng điện: dùng aptomat hoặc cầu chì. Nguyên tắc chọn các thiết bị này, là chọn theo dòng điện, với Ibv = (1,1¸1,3) Ilv. Dòng bảo vệ ngắn mạch của aptomat không vượt quá dòng ngắn mạch của máy biến áp. Khi làm việc van bán dẫn có sụt áp, do đó có tổn hao công suất DP = DU.Ilv. Tổn hao công suất này sinh nhiệt. Mặt khác van chỉ được làm việc tới nhiệt độ tối đa cho phép Tcp nào đó (các trị số thường gặp vào khoảng 1250C - xem cột 8 bảng 8.4 hay cột 12 bảng 8.5). Do đó chúng ta phải tìm cách bảo vệ quá nhiệt cho van bán dẫn. Muốn bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn là phải chọn đúng dòng điện van theo chế độ làm mát. Làm mát van hiện nay phổ biến người ta thường dùng cánh toả nhiệt. Diện tích bề mặt toả nhiệt có thể được tính gần đúng theo công thức: (8 - 36) Trong đó: Stn - diện tích bề mặt toả nhiệt [cm2 ]; DP - tổn hao công suất [ W ]; t - độ chênh nhiệt so với môi trường t = Tlv -Tmt Tlv -Tmt - nhiệt độ làm việc và nhiệt độ môi trường [oC ]; ktn - hệ số có xét tới điều kiện tỏa nhiệt (trong điều kiện làm mát tự nhiên không quạt cưỡng bức, thường chọn ktn =(6 ¸ 10).10-4 [W/cm2oC ]). C¸c kÝch th­íc c¬ b¶n nªn chän: a < 200 mm; b < 200 mm; h < 180 mm; ho = 5-15 mm; c = 3 ¸ 5 mm; z = 5 ¸ 12mm. H×nh 8.2 H×nh d¸ng vµ kÝch th­íc giíi h¹n cho c¸nh to¶ nhiÖt mét van b¸n dÉn Sau khi tính xong diện tích bề mặt toả nhiệt, tiến hành thiết kế (chọn) cánh toả nhiệt, sao cho đủ bề mặt đã tính. Cánh toả nhiệt phải đảm bảo đủ diện tích bề mặt tiếp xúc với không khí, đủ độ dầy cánh, đủ khoảng cách giữa các cánh. Những loại cánh toả nhiệt hiện nay có thể bán rẵn trên thị trường, hoặc thiết kế mới theo hình dáng tương tự như hình 8.2 Trường hợp cánh toả nhiệt quá lớn, cần phải thay đổi phương thức toả nhiệt, bằng cách thêm quạt làm mát cưỡng bức. Để cho van bán dẫn làm việc an toàn, nhiệt độ làm việc của van không vượt quá trị số cho phép, phương thức làm mát van có thể theo gợi ý sau: a. Làm mát chỉ bằng vỏ van bán dẫn Nếu công suất toả nhiệt khi van làm việc DP = U.Ihd < 20W, cho phép van làm việc với dòng điện tối đa tới 10% Iđm mà không cần cánh toả nhiệt. Cách chọn này có thể hiểu là vỏ van bán dẫn không đủ toả nhiệt khi cho làm việc với dòng điện lớn hơn 10% Iđm. Ví dụ: có loại van với Iđm =100A, DU=1V, van này cho phép làm việc không cánh toả nhiệt với dòng điện tối đa tới 10A, nhưng loại van với Iđm = 500A, DU=1V cho phép làm việc tối đa tới 20A (DP = 20W) mặc dù tính tỷ số phần trăm có thể là 10%. Iđm = 50A. b. Làm mát bằng cách gắn van bán dẫn lên cánh toả nhiệt Khi van bán dẫn được mắc vào cánh toả nhiệt bằng đồng hay nhôm, nhiệt độ của van được toả ra môi trường xung quanh nhờ bề mặt của cánh toả nhiệt. Sự toả nhiệt như thế này là nhờ vào sự chênh nhiệt giữa cánh toả nhiệt với môi trường xung quanh. Khi cánh toả nhiệt nóng lên, nhiệt độ xung quanh cánh toả nhiệt tăng lên làm cho tốc độ dẫn nhiệt ra môi trường không khí bị chậm lại. Với những lý do vì sự hạn chế của tốc độ dẫn nhiệt, khi van bán dẫn được làm mát bằng cánh toả nhiệt, mà chỉ nên cho van làm việc với dòng điện Ilv< 40%.Iđm và tổn hao trên van không vượt quá 100W. Ví dụ: van có Iđm =100A, DU=1Vcho phép làm việc với cánh toả nhiệt nhôm ở dòng điện tối đa 40A, trong khi đó loại van với thông số Iđm =500A, DU=1V không được phép làm việc tới 200A,vì công suất toả nhiệt DP = DU. I = 200W là quá lớn cho điều kiện toả nhiệt này. c. Làm mát cưỡng bức bằng quạt. Khi có quạt đối lưu không khí thổi dọc theo khe của cánh toả nhiệt, nhiệt độ xung quanh cánh toả nhiệt thấp hơn tốc độ dẫn nhiệt ra môi trường xung quanh tốt hơn, hiệu suất toả nhiệt cao hơn. Do đó cho phép làm việc với dòng điện tối đa tới 70%Iđm (Ilv< 70%Iđm). d. Làm mát bằng nước. Khi thiết kế hệ thống làm mát bằng nước hiệu suất trao đổi nhiệt tốt hơn, cho phép làm việc với dòng điện tối đa tới 90% Iđm. Quá trình làm mát bằng nước phải đảm bảo xử lý nước không dẫn điện. Bằng cách khử Ion trong nước, hoặc giảm độ dẫn điện của nước (tăng điện trở nước) theo nguyên tắc tăng chiều dài hay giảm tiết diện đường ống dẫn nước ta có thể coi độ dẫn điện của nước không đáng kể. Thường thường đối với các loại nguồn công suất, để giữ an toàn cho các van bán dẫn người ta thường hay thiết kế quạt làm mát cưỡng bức ngay cả trong trường hợp dòng tải không quá lớn so với dòng định mức của van. Với công suất toả nhiệt cỡ vào khoảng 100W/ van là cần có quạt làm mát cưỡng bức. H×nh 8.3 C¸c s¬ ®å m¾c song song van b¸n dÉna- m¾c song song trùc tiÕp; b- m¾c qua ®iÖn trë; c- m¾c qua cuén c¶m; d- m¾c qua hç c¶m. Trong trường hợp dòng điện làm việc quá lớn (so với dòng cho phép làm việc khi có xét tới điều kiện toả nhiệt), người ta phải tiến hành mắc song song các van bán dẫn. Các sơ đồ mắc song song các van có thể chọn một trong các sơ đồ trên hình 8 - 3. Khi mắc song song các van bán dẫn, dòng điện chay qua các van có thể được phân bố không đều bởi vì các đặc tính vôn-ampe của các van không hoàn toàn giống nhau. Trong các van có điều khiển còn chịu ảnh hưởng rất lớn của việc mở không đồng thời của các van. Dòng điện lệch nhau của hai van có thể được tính Trong đó: DU - hiệu sụt áp của các van khi cùng trị số dòng điện lớn I1; R2dg - điện trở động của van D2 tại điểm làm việc I1. Để giảm sự phân bố không đều trên, người ta có thể mắc nối tiếp với các van các điện trở (hình 8. 3b) việc sử dụng điện trở chỉ có ý nghĩa khi điện áp rơi trên điện trở là không đáng kể, nếu điện áp rơi trên điện trở lớn, tổn hao công suất lớn, làm cho hiệu suất của chỉnh lưu thấp. Để khắc phục nhược điểm này chúng ta có thể thay thế điện trở bằng các cuôn dây điện cảm (hình 8.3c). Thường các cuộn cảm này được chế tạo có lõi không khí. Ở sơ đồ hình 8.3d, cân bằng dòng điện các van được thực hiện tốt hơn khi cuộn kháng được chế tạo có lõi thép, với các cuộn dây mắc ngược đầu nhau. Sơ đồ này còn đặc biệt có ý nghĩa, khi sử dụng cho trường hợp các van điều khiển mở không đồng thời. 2. Bảo vệ quá điện áp cho thiết bị bán dẫn: Linh kiện bán dẫn nói chung và bán dẫn công suất nói riêng, rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp. Những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới van bán dẫn mà chúng ta cần có phương thức bảo vệ là: Điện áp đặt vào van lớn quá thông số của van. Xung điện áp do chuyển mạch van. Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều, nguyên nhân thường gặp là do cắt tải có điện cảm lớn trên đường dây. Xung điện áp do cắt đột ngột biến áp non tải. Để bảo vệ van khi làm việc dài hạn mà không bị quá điện áp, chúng ta cần chọn đúng các van bán dẫn theo điện áp ngược. a. Mắc nối tiếp van bán dẫn. Sau khi tính được trị số điện áp làm việc của van theo (8 - 2) và (8 - 3) tiến hành chọn van theo điện áp, trị số điện áp van được chọn phải lớn hơn trị số tính được từ (8 -3). H×nh 8.4 S¬ ®å m¾c nèi tiÕp c¸c van Trong trường hợp không có van có điện áp cao hơn, chúng ta phải tiến hành mắc nối tiếp các van. Khi mắc nối tiếp các van yêu cầu cần thiết phải chọn các van có đặc tính giống nhau, nhằm đảm bảo cho sự phân bố điện áp như nhau trên các van. Tuy vậy, sự phân bố điện áp trên các van không bằng nhau là thường gặp. Do đó, cần có các biện pháp phân bố lại điện áp khi các đặc tính của van không giống nhau. Các biện áp Êy mô tả trên hình 8.4. Thường gặp nhất trong thực tế, để phân bố đều điện áp khi mắc nối tiếp người ta hay mắc theo sơ đồ hình 8.4a. Sơ đồ này đơn giản dễ thực hiện. Ngoài sơ đồ này ra, chóng ta có thể phân bố điện áp bằng tụ như hình 8.4b,c. hoặc sử dụng các điôt ổn áp để phân bố điện áp. b. Bảo vệ xung điện áp khi chuyển mạch van bán dẫn. H×nh 8.5 B¶o vÖ thiÕt bÞ ®iÖn tö khái chäc thñng do xung ®iÖn ¸p. Bảo vệ xung điện áp do quá trình đóng cắt các van được dùng bằng các mạch R - C mắc song song với các van bán dẫn. Sơ đồ đơn giản của loại mạch này mô tả trên hình 8.5a. Khi có sự chuyển mạch, do phóng điện từ van ra ngoài tạo nên xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp van. Mạch R - C mắc song song với van bán dẫn tạo mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van. Có thể tính được các thông số của R và C theo [...] hoặc người ta có thể chọn gần đúng R = (5 ¸ 30) W, C = (0,5 ¸ 4)mF [ .. ]. c. Bảo vệ van bán dẫn khỏi đánh thủng do xung điện áp từ lưới. Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, chúng ta mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R - C, nhằm lọc xung như mô tả trên hình 8.5b. Khi xuất hiện xung điện áp trên đường dây, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số R,C phụ thuộc nhiều vào tải. Thông số tham khảo theo [..] R = (5 ¸ 20)W, C = 4mF. d. Bảo vệ van bán dẫn khỏi đánh thủng do cắt biến áp non tải. Để bảo vệ van do cắt đột ngột biến áp non tải, trong đa số các bộ biến đổi người ta thường mắc một mạch R-C ở đầu ra một chỉnh lưu cầu ba pha phụ bằng các điôt công suất bé, như mô tả trên hình 8.5c. Trị số tụ C trong trường hợp này có thể được tính: Trong đó: Im - Dòng điện từ hoá biến áp %; I2;U2 - Dòng điện, điện áp thứ cấp biến áp; KTU - Khả năng tăng điện áp cho phép của van, thường được  chọn KTU = 1,25 ¸ 1,5. Thông thường trị số tụ thường chọn trong khoảng 10 ¸ 200 mF. Biên độ điện áp xung khi đóng biến áp nhỏ hơn nhiều so với khi cắt do đó mạch trên cho phép bảo vệ quá điện áp trong cả hai trường hợp này. 8.5 Tính toán cuộn kháng lọc dòng điện đập mạch. 8.5.1 Khái quát về dòng điện đập mạch. Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu làm cho dòng điện tải cũng đập mạch theo, làm xấu đi chất lượng dòng điện một chiều, nếu tải là động cơ điện một chiều làm xấu quá trình chuyển mạch cổ góp của động cơ, làm tăng phát nóng của tải do các thành phần sóng hài. Thông thường chúng ta đánh giá ảnh hưởng của đập mạch dòng điện theo trị hiệu dụng của sóng hài bậc nhất, bởi vì sóng hài bậc nhất chiếm một tỷ lệ vào khoảng (2¸5)% dòng điện định mức của tải. Thành phần hài bậc nhất này lớn hay nhỏ phụ thuộc nhiều vào công suất tải Pd, phạm vi điều chỉnh điện áp chỉnh lưu... Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc thành phần dòng điện đập mạch được tính theo biểu thức: (8 - 39) Trong đó: LL - trị số điện cảm lọc đập mạch cần thiết [Henry]; Id.đm - dòng điện định mức của bộ chỉnh lưu [A]; w = 314 - tần số góc [1/s]; K = 1,2,3... - bội số sóng hài; m - số lần đập mạch trong mét chu kỳ; Ud.max - biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu [V]; I1*% - trị hiệu dụng của dòng điện sóng hài cơ bản lấy tỷ số theo dòng điện định mức của chỉnh lưu. Trị số này cho phép I1*% < 10%. Biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu Udn.max có thể được xác định theo công thức [...]. (8 - 40) Trong đó: Ud0 - điện áp chỉnh lưu cực đại [V]; a - góc điều khiển van bán dẫn [rad./s]. H×nh 8 -6 Quan hÖ gi÷a biªn ®é sãng bËc nhÊt víi gãc më van b¸n dÉn a Trong sơ đồ chỉnh lưu cầu và tia ba pha, thành phần sóng hài bậc nhất (K=1) có biên độ lớn nhất. Biên độ sóng hài bậc càng cao sẽ càng giảm, tác dụng của cuộn kháng lọc với các thành phần hài bậc cao này càng có hiệu quả hơn. Vì vậy tính điện cảm của cuộn kháng đối với các sơ đồ chỉnh lưu chỉ cần tính theo thành phần songs hài bậc nhất là đủ. Quan hệ giữa tỷ lệ của biên độ sóng hài theo trị trung bình điện áp chỉnh lưu với góc mở van bán dẫn a của các sơ đồ chỉnh lưu cầu và tia ba pha xây dựng theo công thức (8 - 40) mô tả trên hình 8 -6. Các đường cong 1,2 trên hình 8 -6 mô tả quan hệ = f(a) với K=1 cho các sơ đồ cầu ba pha điều khiển đối xứng và tia ba pha. Đối với sơ đồ chỉnh lưu điều khiển không đối xứng, khi góc điều khiển a nhỏ, thành phần sóng hài với K = 2 và K.m = 6 (đường 4 trên hình 8 -6), còn khi góc điều khiển bắt đầu từ a = 250 thành phần hài bậc nhất K = 1 (đường 3 trên hình 8 -6) có biên độ lớn hơn. Khi tính điện cảm cuộn kháng lọc dòng điện đập mạch, cần phải căn cứ vào mức độ cho phép của đập mạch dòng điện chỉnh lưu đối với tải ở trị số điện áp định mức và điện áp cực tiểu. Các bộ chỉnh lưu cầu điều khiển đối xứng, ở chế độ dòng điện và điện áp định mức thường có góc điều khiển a » 300. Trị số góc này cần có để đáp ứng khả năng bù sụt áp khi điện áp nguồn lưới giảm và sụt áp do tăng tải của bộ chỉnh lưu. Vì vậy góc mở ban đầu của các van bán dẫn có thể coi a0 = 300. Có thể tính được mức điện áp chỉnh lưu định mức của sơ đồ chỉnh lưu điều khiển đổi xứng có tại a0 = 300, trong sơ đồ chỉnh lưu điều khiển không đối xứng góc này có trị số a0 = 430. Trong các sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển, khi góc mở van bán dẫn càng tăng biên độ sóng hài càng cao. Do vậy khi tính điện cảm theo (8 - 39) và xác địng biên độ điện áp sóng hài theo (8 - 40) hay theo các đường cong hình 8 -6, chóng ta thường tính cho trường hợp góc mở van lớn nhất amax. Muốn có góc mở van lớn nhất amax chóng ta cần xác định được được điện áp cực tiểu Ud min theo yêu cầu về dải điều khiển điện áp của tải. Từ Ud min theo các công thức tính điện áp tải của chỉnh lưu trong bảng 8.1 cột 4 xác định được góc amax cần thiết. Từ amax tra đường cong trên hình 8 -6 (hay tính theo công thức 8 - 40) ta có được Udn.max. Thay Udn.max vào (8 - 39) ta tính được trị số điện cảm lọc cần thiết LL. Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc LckL cần mắc thêm để lọc thành phần dòng điện đập mạch được tính theo công thức: LckL = LL - Ld -LBA. (8 - 41) Trong đó: LckL - điện cảm cuộn kháng lọc cần mắc thêm; LL - điện cảm cần thiết để lọc thành phần sóng hài dòng điện I1*% < 10%; Ld - điện cảm của tải; LBA - điện cảm của máy biến áp. Chóng ta thường gặp tải là động cơ điện một chiều. Với tải là động cơ điện một chiều, điện cảm phần ứng của động cơ được tính gần đúng theo công thức: (8 - 42) Trong đó: Kd = 0,5 ¸ 0,6 - đối với đông cơ không có cuộn bù; Kd = 0,1 ¸ 0,25 - đối với động cơ có cuộn bù; ndm - tốc độ quay định mức của động cơ [Vòng/phút]; Udm - điện áp định mức của động cơ [V]; Idm - dòng điện định mức của dộng cơ [A]. Điện cảm của máy biến áp LBA được lấy từ thông số biến áp tính theo công thức (8 - 31a). Trường hợp biến áp có thông số của nhà chế tạo điện cảm có thể tính gần đúng theo công thức: Trong đó: un% - điện áp ngắn mạch phần trăm của máy biến áp; U2f - điện áp pha thứ cấp biến áp; w= 2pf - tần số góc của lưới công nghiệp; I2f - dòng điện pha thứ cấp biến áp. 8.5.2 Thiết kế cuộn kháng lọc (CKL) dòng điện đập mạch. Các thông số cần thiết cho thiết kế: -Điện cảm của cuộn kháng lọc tính theo (8 - 39) khi tải không điện cảm (thuần trở), theo (8 - 41) khi tải có điện cảm. -Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng Iđm (dòng điện này là dòng điện chỉnh lưu định mức). -Thành phần dòng điện xoay chiều cho phép của sóng hài bậc nhất (thường cho phép I~(1) < 10%.Iđm. Thông thường dây quấn cuộn kháng lọai này có tiết diện khá lớn, do vậy điện trở thuần của cuộn kháng nhỏ có thể bỏ qua. Vì vậy ZCKL = XCKL = w’. LCKL = 2pf.m.LCKL. ( 8 - 44). Trong đó: f - tần số điện áp nguồn cấp f = 50 Hz; m - số lần đập mạch của sơ đồ chỉnh lưu. Các bước tính toán. 1. Tính điện áp rơi trên cuộn kháng: DUCKL = ZCKL . I~(1). (8 -45) 2. Tính công suất cuộn kháng lọc: PCKL = DUCKL. I~(1). (8 -46) 3. Tính toán lõi thép cuộn kháng lọc. Tiết diện lõi thép cuộn kháng lọc: (8 -47) Trong đó: QFe - tiết diện lõi thép [cm2]; PCKL - công suất cuộn kháng [W]; f` = f.m . k = 5 ¸ 6 thường cuộn kháng loại này hay chế tạo băng cuộn kháng khô. Các kích thước cơ bản của lõi thép được chọn như chọn kích thước lõi thép biến áp khô. 4. Tính toán dây quấn cuộn kháng: Khi có thành phần dòng điện xoay chiều bậc nhất I~(1) chạy qua cuộn kháng lọc thì trong cuộn kháng xuất hiện một sức điện động tự cảm, trị số sức điện động này được tính: ECKL = 4,44.kdq.W.f’.f. = 4,44.kdq.W.f’.B.QFe. (8 -48) Trong đó: kdq - hệ số dây quấn, có thể chọn kdq = 1,1 ¸ 1,3; W - số vòng dây cuộn kháng lọc; f` - tần số dòng điện sau chỉnh lưu f` = 50.m; B - mật độ từ cảm của lõi thép, với B = 1,1 ¸ 1,8; Q`Fe - tiết diện hiệu quả lõi thép. Với giả thiết, bỏ qua sụt áp trên điện trở, sức điện động ECKL xấp xỉ sụt áp trên cuộn kháng DUCKL đã tính ở trên (ECKL = DUCKL ). Từ đó có thể tính được số vòng dây W của cuộn kháng lọc: (8 -49) Dây quấn cuộn kháng có tiết diện: Từ tiết diện SCu tra bảng kích thước dây quấn chọn được dây quấn cần thiết. Việc tính toán các thông số, kích thước còn lại của cuộn kháng tương tự như tính toán máy biến áp [..]. 8.6 Tính toán cuộn kháng hạn chế dòng điện gián đoạn. 8.6.1 Hiện tượng gián đoạn dòng điện. Đối với tải một chiều, dòng điện gián đoạn làm xấu đi rất nhiều chế độ làm việc bình thường cũng như chế độ quá độ của tải. Một trong những loại tải chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của sự gián đoạn dòng điện là động cơ điện một chiều. Động cơ điện một chiều làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn đặc tính cơ có chất lương rất xấu. Thiết kế cuộn kháng nhằm hạn chế vùng làm việc gián đoạn của dòng điện của động cơ điện một chiều cũng như các loại tải khác là cần thiết. Hiện tượng gián đoạn dòng điện chỉnh lưu xảy ra do năng lượng điện từ tích luỹ trong mạch không đủ lớn. Ở chế độ dòng điện gián đoạn góc dẫn của van trở nên nhỏ hơn 2p¤m, do điện áp xoay chiều đổi dấu nên dòng điện chạy qua van bán dẫn về 0 trước khi kích mở van kế tiếp. Nếu van mở tại thời điểm t0 nào đó tương ứng với góc mở van a0 = wt0 tính từ gốc toạ độ của đường cong điện áp hình sin, hoặc là góc mở van tính từ thời điểm điện áp bắt đầu dương. Từ sơ đồ thay thế của hệ thống chỉnh lưu - động cơ (CL - ĐC) [ .. ] ta có phương trình vi phân: (8 -50) Đặt: T = L/R - hằng số thời gian điện từ của mạch; j = arctg(wT) - góc pha của mạch. Giải phương trình (8 -50) ta được nghiệm của phương trình vi phân: (8 – 51) Trong đó: I0 - giá trị ban đầu của dòng điện trong mỗi khoảng van dẫn A ; Edc - sức điện động của động cơ V . Dòng điện phần ứng động cơ iư có dạng đập mạch, nên ta có thể phân tích thành phân một chiều và xoay chiều. Thành phần một chiều của dòng điện chỉnh lưu chính là thành phần tác dụng và được xác định bằng giá tri trung bình của iư trong mét chu kỳ. ( 8 - 52) Để hạn chế dòng điện gián đoạn, hay nói cách khác là muốn cho tải luôn làm việc ở chế độ dòng điện liên tục, với bất kỳ điện áp chỉnh lưu nào trong cả dải điều chỉnh điện áp, thì điện cảm của mạch phải đủ lớn. Do đó ta cần có thêm cuộn kháng mắc nối tiếp với tải một chiều để hạn chế vùng gián đoạn dòng điện. Động cơ điện điện một chiều có gián đoạn dòng điện dài nhất khi động cơ làm việc ở tốc độ cuối daỉ điều khiển (khi mà điện áp của bộ chỉnh lưu là thấp nhất). Như vậy khi góc mở van bán dẫn lớn nhất amax thì dòng điện tải bị gián đoạn dài nhất. Điện cảm cần thiết để hạn chế vùng dòng điện gián đoạnđược tính theo công thức [4]: (8 -53) Trong đó: Lgđ - điện cảm cần thiết để hajn chế dòng điện gián đoạn [H]. w` = 2p.f.m - tần số góc của dòng điện, với f = 50 Hz; Udo - điện áp không tải của chỉnh lưu; Idgh - dòng điện giới hạn nhỏ nhất, dòng điện này trong tính toán nên chọn xấp xỉ dòng điện không tải. Có thể chọn Idgh £0,05Iđm. kgh - hệ số phụ thuộc góc mở van bán dẫn. Hệ sè kgh được tính [...]: (8 – 54) Để đơn giản trong việc tính biểu thức (8 -54), quan hệ giữa kgh và góc mở van bán dẫn theo (8 -54) có thể xây dựng thành đồ thị như biểu diễn trên hình 8.7. Tóm lại, để tính được điện cảm của cuộn kháng hạn chế dòng điện gián đoạn chúng ta cần: Từ dải điều khiển điện áp (hay dải điều khiển tốc độ động cơ) xác định được góc mở van lớn nhất amax Thay vào (8 -54) (hoặc tra theo hình 8 -7) ta được hệ số kgh. Thay hệ số kgh vào (8 - 53) ta tính được trị số điện cảm cần thiết Lgđđể hạn chế vùng dòng điện gián đoạn. H×nh 8.7 Quan hÖ gi÷a hÖ sè kgh theo gãc më van a Hiệu số giữa điện cảm cần thiết Lgđ và điện cảm tải Ld sẽ là điện cảm của cuộn kháng mắc thêm vào mạch để hạn chế dòng điện gián đoạn. LCKgđ = Lgđ - Ld (8 - 55) 8.6.2 Thiết kế cuộn kháng hạn chế dòng điện gián đoạn. 1. Thông số cần có: Điện cảm của cuộn kháng tính theo (8 -55 ). Dòng điện định mức chạy qua cuộm kháng. Dòng điện này bằng dòng điện chỉnh lưu Iđm. Giá trị dòng điện gián đoạn giới hạn. Trình tự tính toán: 1.Tính tổng trở của cuộn kháng: ZCKgđ = RCK + 2p.f’LCKgđ. (8 -56) Vì dây quấn chịu dòng tải nên tiết diện dây lớn ta bá qua thành phần điển trở trong biểu thức tổng trở, lúc đó cuộn kháng được tính: ZCKgđ = 2p.f’LCKgđ. (8 -57) Trong đó: f’ = 2p.f.m = 314.m. 2. Tính công suất của cuộn kháng giới hạn dòng điện gián đoạn: PCKgđ = DUCK.Igh. (8 -58) Với: DUCK = Igh. ZCKgh. 3. Tính tiết diện lõi thép cuộn kháng. (8 -59) với: k = 5 ¸ 6, f’ = 50.m. 4. Tính số vòng dây cần có của cuộn kháng. Dòng điện gián đoạn có dạng là các xung dòng điện. Do đó khi chạy trong cuộn kháng làm xuất hiện một sức điện động tự cảm Egđ, sức điện động này được xác định theo công thức: Egđ = 4,44.kdq.W.f’.B.QFe. (8 -60) Từ (8 -60) ta có: (8 – 61) 5. Xác đinh điện cảm mạch chỉnh lưu nhằm giới hạn vùng dòng điện gián đoạn. Bảng 8.3 Sè pha Số lần đập mạch Điện cảm mạch chỉnh lưu Ld [Henry] Tia ba pha 3 3 Tia sáu pha có kháng cân bằng 3 6 Hai tia ba pha ngược nhau có kháng cân bằng. Theo sơ đồ tương đương 12 pha 3 12 Nối dây song song Nối dây nói tiếp Cầu ba pha điều khiển đối xứng 3 6 Thông sè một số dây đồng tròn Ý nghĩa các cột: d- đường kính thực của lõi đồng; SCu - tiết diện tính toán của lõi đồng; mCu- trọng lượng riêng một mét; R/m- điện trở một mét; Dn- đường kính ngoài kể cả cách điện trong khoảng Bảng 8.4 d mm SCu mm2 mCu  gam/m R/m  W/m Dn  mm 0,10 0,00785 0,0698 2,291 0,12 ¸ 0,13 0,11 0,095 0,0845 1,895 0,13 ¸ 0,14 0,12 0,01131 0,101 1,59 0,14 ¸ 0,15 0,13 0,01327 0,118 1,256 0,15 ¸ 0,16 0,14 0,01539 0,137 1,169 0,16 ¸ 0,17 0,15 0,01767 0,157 1,018 0,17 ¸ 0,18 0,16 0,02011 0,179 0,895 0,18 ¸ 0,2 0,17 0,0227 0,202 0,793 0,19 ¸ 0,21 0,18 0,02545 0,226 0,707 0,2 ¸ 0,22 0,19 0,02835 0,252 0,635 0,21 ¸ 0,23 0,2 0,03142 0,279 0,572 0,225 ¸ 0,24 0,21 0,03464 0,308 0,52 0,235 ¸ 0,25 0,23 0,04155 0,369 0,433 0,255 ¸ 0,28 0,25 0,04909 0,436 0,366 0,275 ¸ 0,3 0,27 0,05726 0,509 0,315 0,31 ¸ 0,32 0,29 0,06605 0,587 0,296 0,33 ¸ 0,34 0,31 0,07548 0,671 0,239 0,35 ¸ 0,36 0,33 0,08553 0,76 0,21 0,35 ¸ 0,38 0,35 0,09621 0,855 0,187 0,39 ¸ 0,41 0,38 0,1134 1,01 0,152 0,42 ¸ 0,44 0,41 0,132 1,11 0,13 0,45 ¸ 0,47 0,44 0,1521 1,35 0,113 0,49 ¸ 0,50 0,47 0,1735 1,54 0,0993 0,52 ¸ 0,53 0,49 0,1886 1,68 0,0914 0,54 ¸ 0,55 0,51 0,2043 1,82 0,084 0,56 ¸ 0,58 0,53 0,2206 1,96 0,0781 0,58 ¸ 0,60 0,55 0,2376 2,11 0,0725 0,60 ¸ 0,62 0,57 0,2552 2,27 0,0675 0,62 ¸ 0,64 0,59 0,2734 2,43 0,063 0,64 ¸ 0,66 0,62 0,3019 2,68 0,0571 0,67 ¸ 0,69 0,64 0,3217 2,86 0,0538 0,69 ¸ 0,72 0,67 0,3526 3,13 0,0488 0,72 ¸ 0,75 0,69 0,3729 3,32 0,0461 0,74 ¸ 0,77 0,72 0,4072 3,6 0,0423 0,78 ¸ 0,8 0,74 0,4301 3,82 0,04 0,8 ¸ 0,83 0,77 0,4657 4,14 0,037 0,83 ¸ 0,86 0,8 0,5027 4,47 0,0342 0,86 ¸ 0,89 0,86 0,5809 5,16 0,0297 0,92 ¸ 0,95 0,9 0,6362 5,66 0,027 0,96 ¸ 0,99 0,93 0,6793 6,04 0,0253 0,99 ¸ 1,02 0,96 0,7238 6,44 0,0238 1,02 ¸ 1,05 1,00 0,7854 6,98 0,0219 1,08 ¸ 1,11 1,04 0,8495 7,55 0,0202 1,12 ¸ 1,15 1,08 0,9161 8,14 0,0188 1,16 ¸ 1,19 1,12 0,9852 8,76 0,0175 1,20 ¸ 1,23 1,16 1,0568 9,40 0,0163 1,24 ¸ 1,27 1,20 1,131 10,10 0,0152 1,28 ¸ 1,31 1,25 1,2272 10,90 0,014 1,33 ¸ 1,36 1,30 1,327 11,8 0,0132 1,38 ¸ 1,41 1,35 1,4314 12,7 0,0123 1,43 ¸ 1,46 1,40 1,5394 13,7 0,0113 1,48 ¸ 1,51 1,45 1,6513 14,7 0,0106 1,53 ¸ 1,56 1,5 1,7672 15,7 0,00993 1,58 ¸ 1,61 1,56 1,9113 17 0,00917 1,64 ¸ 1,67 1,62 2,0612 18,3 0,0085 1,71 ¸ 1,73 1,68 2,217 19,7 0,00791 1,77 ¸ 1,79 1,74 2,378 21,1 0,00737 1,83 ¸ 1,85 1,81 2,573 22,9 0,00681 1,90 ¸ 1,93 1,88 2,776 24,7 0,00631 1,97 ¸ 2,00 1,95 2,987 26,5 0,00587 2,04 ¸ 2,07 2,02 3,205 28,5 0,00547 2,12 ¸ 2,14 2,10 3,464 30,8 0,00506 2,20v2,23 2,26 4,012 35,7 0,00437 2,36 ¸ 2,39 2,44 4,676 41,6 0,00375 2,54 ¸ 2,57 2,83 6,29 55,9 0,00278 3,05 7,306 65, 0,0024 3,28 8,45 75,1 0,00207 4,1 13,2 11,7 0,00123 4,5 15,9 14,2 0,0011 4,8 18,1 16,1 0,00096 5,2 21,24 18,9 0,00081 8.7. Thiết kế mạch điều khiển 8.7.1 Nguyên lý thiết kế mach điều khiển. Điều khiển Tiristo trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Nội dung của nguyên tắc này có thể mô tả theo giản đồ hình 8.8 như sau. Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anod của Tiristo, để có thể điều khiển được góc mở a của Tiristo trong vùng điện áp + anod, ta cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác, ta thường gọi là điện áp tựa là điện áp răng cưa Urc. Như vậy điện áp tựa cần có trong vùng điện áp dương anod. Dùng một điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm (t1,t4) điện áp tựa bằng điện áp điều khiển (Urc = Uđk), trong vùng điện áp dương anod, thì phát xung điều khiển Xđk. Tiristo được mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1,t4) cho tới cuối bán kỳ (hoặc tới khi dòng điện bằng 0) H×nh 8.8. Nguyªn lý ®iÒu khiÓn chØnh l­u. t t t t Sơ đồ khối mạch điều khiển. Để thực hiện được ý đồ đã nêu trong phần nguyên lý điều khiển ở trên, mạch điều khiển bao gồm ba khâu cơ bản trên hình 8.9. §ång pha So s¸nh T¹o xung H×nh 8.9. S¬ ®å khèi m¹ch ®iÒu khiÓn Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ khối hình 8.9 như sau: Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc (thường gặp là điện áp dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của Tiristo Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk = Urc). Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau, thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuếch đại. Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristo. Xung để mở Tiristor 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; cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực (nếu điện áp động lực quá lớn) Với nhiệm vụ của các khâu như vậy tiến hành thiết kế, tính chọn các khâu cơ bản của ba khối trên. Chi tiết về các mạch này sẽ giới thiệu chi tiết ở phần sau. 8.7.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý Hiện nay mạch điều khiển chỉnh lưu thường được thiết kế theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính như giới thiệu trên. Theo nhiệm vụ của các khâu như đã giới thiệu, tiến hành thiết kế, tính chọn các khâu cơ bản của ba khối trên, tốt nhất là nên chọn trong các sơ đồ đã có trong các giáo trình và tài liệu. Trong tài liệu này chỉ giới thiệu một số sơ đồ ví dụ cho người thiết kế làm tư liệu tham khảo để lựa chọn. Trên hình 8.10; 8.11; 8.12 giới thiệu một số khâu đồng pha, so sánh, tạo xung điển hình. Sơ đồ hình 8.10a là sơ đồ đơn giản, dễ thực hiện, với số linh kiện Ýt nhưng chất lượng điện áp tựa không tốt. Độ dài của phần biến thiên tuyến tính của điện áp tựa không phủ hết 1800. Do vậy, góc mở van lớn nhất bị giới hạn. Hay nói cách khác, nếu theo sơ đồ này điện áp tải không điều khiển được từ 0 tới cực đại mà từ một trị số nào đó đến cực đại. Để khắc phục nhược điểm về dải điều chỉnh ở sơ đồ hình 8.10a người ta sử dụng sơ đồ tao điện áp tựa bằng sơ đồ hình 8.10b. Theo sơ đồ này, điện áp tựa có phần biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kỳ điện áp. Do vậy khi cần điều khiển điện áp từ 0 tới cực đại là hoàn toàn có thể đáp ứng được. Với sù ra đời của các linh kiện ghép quang, chóng ta có thể sử dụng sơ đồ tạo điện áp tựa bằng bộ ghép quang như hình 8.10c. Nguyên lý và chất lượng điện áp tựa của hai sơ đồ hình 8.10b,c tương đối giống nhau. Ưu điểm của sơ đồ hình 8.10c ở chỗ 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 nhược điểm là việc mở, khoá các Tranzitor trong vùng điện áp lân cận 0 là thiếu chính xác làm cho việc nạp, xả tụ trong vùng điện áp lưới gần 0 không được như ý muốn. H×nh 8.10: Mét sè kh©u ®ång pha ®iÓn h×nh. a- dïng ®i«t vµ tô; b- dïng tranzitor vµ tô; c- dïng bé ghÐp quang; d- dïng khuÕch ®¹i thuËt to¸n. a. b. d. b. Ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều, chất lượng ngày càng cao, kích thước ngày càng gọn, ứng dụng các vi mạch vào thiết kế mạch đồng pha có thể cho ta chất lượng điện áp tựa tốt. Trên sơ đồ hình 8.10d mô tả sơ đồ tạo điện áp tựa dùng khuếch đại thuật toán (KĐTT). Để xác định được thời điểm cần mở Tiristo chóng ta cần so sánh hai tín hiệu Uđk và Urc. Việc so sánh các tín hiệu đó có thể được thực hiện bằng Tranzitor (Tr) như trên hình 8.11a. Tại thời điểm Uđk = Urc, đầu vào Tr lật trạng thái từ khoá sang mở (hay ngược lại từ mở sang khoá), làm cho điện áp ra cũng bị lật trạng thái, tại đó chúng ta đánh dấu được thời điểm cần mở Tiristo. Với mức độ mở bão hoà của Tr phụ thuộc vào hiệu Uđk ± Urc = Ub, hiệu này có một vùng điện áp nhỏ hàng mV, làm cho Tr không làm việc ở chế độ đóng cắt như ta mong muốn, do đó nhiều khi làm thời điểm mở Tiristo bị lệch khá xa 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 mV) ở đầu vào, đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi, nên việc ứng dụng KĐTT làm khâu so sánh là hợp lý. Các sơ đồ so sánh dùng KĐTT trên hình 8.11b,c rất thường gặp trong các sơ đồ mạch hiện nay. Ưu điểm hơn hẳn của các sơ đồ này là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Uđk = Urc. H×nh 8.11: S¬ ®å c¸c kh©u so s¸nh th­êng gÆp a- b»ng tranzitor; b- céng mét cæng ®¶o cña K§TT; c- hai cæng K§TT. Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristo như đã nêu ở trên, tầng khuếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng Tranzitor công suất, như mô tả trên hình 8.12a. Để có xung dạng kim gửi tới Tiristo, ta dùng biến áp xung (BAX), để có thể khuếch đại công suất ta dùng Tr, điôt D bảo vệ Tr và cuộn dây sơ cấp biến áp xung khi Tr khoá đột ngột. Mặc dù với ưu điểm đơn giản, nhưng sơ đồ này được dùng không rộng rãi, bởi lẽ hệ số khuếch đại của tranzitor loại này nhiều khi không đủ lớn, để khuếch đại được tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang. Tầng khuếch đại cuối cùng bằng sơ đồ darlington như trên hình 8.12b thường hay được dùng trong thực tế. ở sơ đồ này hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về khuếch đại công suất, khi hệ số khuếch đại được nhân lên theo thông số của các tranzitor. Trong thực tế xung điều khiển chỉ cần có độ rộng bé (cỡ khoảng (10 ¸ 200) ms), mà thời gian mở thông các tranzitor công suất dài (tối đa tới một nửa chu kỳ - 0.01s), làm cho công suất toả nhiệt dư của Tr quá lớn và kích thước dây quấn sơ cấp biến áp dư lớn. Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt Tr và kích thước dây sơ cấp BAX chóng ta có thể thêm tụ nối tầng như hình 8.12c. 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. H×nh 8.12: S¬ ®å c¸c kh©u khuÕch ®¹i. a- b»ng tranzitor c«ng suÊt; b- b»ng s¬ ®å darlington; c- s¬ ®å cã tô nèi tÇng. Đối với một số sơ đồ mạch, để giảm công suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mở, nhằm đảm bảo Tiristo mở một cách chắc chắn, người ta hay phát xung chùm cho các Tiristo. Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuếch đại, ta đưa chèn thêm một cổng và (&) với tín hiệu vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm như hình 8.13. Tõ so s¸nh & Tíi khuÕch ®¹i Tõ chïm xung H×nh 8.13: S¬ ®å phèi hîp t¹o xung chïm. Các sơ đồ tạo chùm xung có thể tham khảo trong [ 7 ]. Một số sơ đồ khâu tạo chùm xung mô tả trên hình 8.14. Vi mạch 555 tạo xung đồng hồ hình 8.14a cho ta chất lượng xung khá tốt và sơ đồ cũng tương đối đơn giản. Sơ đồ này thường hay gặp trong các mạch tạo chùm xung. H×nh 8.14: Mét sè s¬ ®å chïm xung. a.S¬ ®å dïng vi m¹ch 555; b. §a hµi b»ng K§TT; c. T¹o b»ng m¹ch K§TT c Trong thiết kế mạch điều khiển, thường hay sử dụng KĐTT. Do đó để đồng dạng về linh kiện, khâu tạo chùm xung cũng có thể sử dụng KĐTT, như các sơ đồ trên hình 8.14b,c. Tuy nhiên, ở đây sơ đồ dao động đa hài hình 8.14b có ưu điểm hơn về mức độ đơn giản, do đó được sử dụng khá rộng rãi trong các mạcg tạo xung chữ nhật. H×nh 8.15 M¹ch ®iÒu khgiÓn Tiristor a. m¹ch t¹o xung ®iÒu khiÓn ®¬n, b. m¹ch t¹o chïm xung ®iÒu khiÓn a. b. Sau khi chọn xong các khâu cơ bản, vẽ mạch hoàn chỉnh . Ví dụ: sơ đồ đồng pha chọn hình 8.10d, so sánh chọn hình 8.11b, sơ đồ khuếch đại chọn hình 8.12c, sơ đồ tạo chùm xung hình 8.14b, ta có sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển Tiristo mô tả trên hình 8.15 H×nh 8.16. Gi¶n ®å c¸c ®­êng cong m¹ch ®iÒu khiÓn. Khi đã có mạch điều khiển tiến hành giải thích hoạt động của toàn bộ mạch và hiệu chỉnh những chỗ chưa hợp lý. Hoạt động của mạch điều khiển hình 8.15 có thể giải thích theo giản đồ các đường cong trên hình 8.16 như sau: Điện áp vào tại điểm A (UA) có dạng hình sin, trùng pha với điện áp anod của Tiristo T, qua khuếch đại thuật toán (KĐTT) A1 cho ta chuỗi xung chữ nhật đối xứng UB. Phần áp dương của điện áp chữ nhật UB qua điôt D1 tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc. Điện áp âm của điện áp UB làm mở thông tranzitor Tr1, kết qủa là A2 bị ngắn mạch (với Urc = 0) trong vùng UB âm. Trên đầu ra của A2 chóng ta có chuỗi điện áp răng cưa Urc gián đoạn. Điện áp Urc được so sánh với điện áp điều khiển Uđk tại đầu vào của A3. Tổng đại số Urc + Uđk quyết định dấu điện áp đầu ra của KĐTT A3. Trong khoảng 0¸t1 với Uđk > Urc điện áp UD có điện áp âm. Trong khoảng t1¸t2 điện ápUđk và U rc đổi ngược lại, làm cho UD lật lên dương. Các khoảng thời gian tiếp theo giải thích điện áp UD tương tự. Mạch đa hài tạo chùm xung A4 cho ta chuỗi xung tần số cao, với điện áp UE trên hình 8.16. Dao động da hài cần có tần số hàng chục kHz ở đây chỉ mô tả định tính. Hai tín hiệu UD, UE cùng được đưa tới khâu AND hai cổng vào. Khi đồng thời có cả hai tín hiệu dương UD, UE (trong các khoảng t1¸t2, t4¸t5) chóng ta sẽ có xung ra UF. Các xung ra UF làm mở thông các tranzitor, kết quả là chúng ta nhận được chuỗi xung nhọn Xdk trên biến áp xung, để đưa tới mở Tiristo T. Điện áp Ud sẽ xuất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên, tại các thời điểm t2, t4 trong chuỗi xung điều khiển, của mỗi chu kỳ điện áp nguồn cấp, cho tới cuối bán kỳ điện áp dương anod. Hiện nay đã có nhiều hãng chế tạo ra các vi xử lý chuyên dụng để điều khiển tiristo, có thể tìm hiểu các loại vi xử lý này trong [8], nói chung các vi xử lý điều khiển tiristo rất tiện lợi, tuy nhiên những linh kiện loại này chưa được phổ biến lắm trên thị trường. 8.7.2 Tính toán các thông số của sơ đồ mạch điều khiển. Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuếch đại ngược trở lên. Công suất cho tầng khuyéch đại để tính là thông số của cực điều khiển Tiristo ( Uđk; Iđk). Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristo. Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển cần có: Điện áp điều khiển Tiristo Uđk; Dòng điện điều khiển Iđk; Tần sè xung fx; Độ rộng xung điều khiển tx; Mức sụt biên độ xung sx Độ mất đối xứng cho phép Da; Điện áp nguôn nuôi mạch điều khiển U. 1.Tính biến áp xung - Chọn vật liệu làm lõi (lõi biến áp ở đây có thể bằng lá thép kỹ thuật điện, hoặc thường làm bằng lõi pherit) -.Tính thể tích lõi thép cần có: Trong đó: m tb - độ từ thẩm trung bình m o = 4 . 10-6 (H/m); Q - tiết diện lõi sắt; l - chiều dài trung bình đường sức từ; Từ thể tích lõi sắt, tra bảng chọn được lõi có các kích thước cần thiết. - Tính thông số dây quấn biến áp xung: Số vòng dây quấn sơ cấp Số vòng dây quấn thứ cấp Tiết diện dây quấn được tính Đối với các loại biến áp xung để điều khiển Tiristo, vì độ rộng xung điện áp hẹp nên chúng ta có thể chọn mật độ dòng điện J khá lớn. Đường kính dây: d = Ö4S/p (8 - 67 ) 2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng. Sau khi lựa chọn xong các linh kiện của tầng khuếch đại cuối cùng chúng ta có các thông số cơ bản của mạch này. Điện áp nguồn nuôi xung Ux; Dòng điện colector Ic; Hệ số khuếch đại dòng điện của Tranzitor b; Điện trở vào của tầng khuếch đại được chọn: Trong đó: Uv - điện áp vào được lấy từ tầng so sánh đưa sang; Ib - dòng điện bazơ của Tranzitor khuếch đại với Ic là dòng điện sơ cấp biến áp xung Ic = Iđk/kbax. 3. Tính chọn tầng so sánh. Tầng so sánh cũng được tính trên cơ sở những linh kiện trong sơ đồ đã dược chọn. Nếu tầng so sánh được chọn là sơ đồ hình 8.8a, thì các điện trở hạn chế colector R3 và bazơ R1 được chọn: Nếu tầng so sánh được chọn là các sơ đồ hình 8.8b;c, thì các điện trở hạn chế đầu vào được tính: Uv, Iv - điện áp vào lấy từ khâu đồng pha (và điều khiển), dòng điện vào theo thông số của KĐTT, thông thường thông số dòng điện vào của các IC rất khó tra, nên người ta thường chọn các điện trở này vào khoảng (10¸50) kW 4. Tính các thông số của khâu đồng pha. Các thông số cơ bản của khâu đồng pha được tính, trên cơ sở chọn xong các linh kiện bán dẫn. Trong đại đa số các sơ đồ đồng pha (hình 8.8a;b;c;d), việc tạo điện áp tựa được tiến hành bằng cách nạp tụ theo mạch R - C. Thông số của các mạch R - C được tính theo Trc = R2.C ( 8 - 73 ) trong đó: R2,C - các thông số điện trớ và tụ điện trong mạch nạp tụ (trên các sơ đồ hình 8.8). Để cho các đường răng cưa có đỉnh nhọn tại cuối các bán kỳ, thì Trc nên chọn cỡ khoảng Trc = (0,003 ¸ 0,005) s. Từ trị số Trc vừa chọn, ta tiến hành tính chọn R2 và C bằng cách chọn trước C sau đó tính R2. Các thông số điện áp xoay chiều đồng pha được chọn khoảng (5 ¸ 10)V 8.8. Thiết kế tủ điện. Tủ điện thiết kế phải đảm bảo chất lượng cao về kỹ thuật, mỹ thuật công nghiệp. Chất lượng kỹ thuật của tủ điện được thể hiện ở các yêu cầu sau: Kích thước hợp lý so với các thiết bị cần lắp. Bố trí linh kiện hợp lý về không gian. Các linh kiện bố trí theo nguyên tắc trọng lượng nghĩa là những thiết bị nặng bố trí dưới thấp, những thiết bị nhẹ bố trí trên cao. Các thiết bị bố trí theo nguyên tắc toả nhiệt, nghĩa là những thiết bị toả nhiệt Ýt được bố trí dưới thấp còn những thiết bị toả nhiệt nhiều được bố trí trên cao. - Có các lỗ thông gió cần thiết: đa số các thiết bị điện tử công suất cần toả nhiệt nhiều nên thường phải bố trí quạt làm mát. Thiết bị cần làm mát nhất trong trường hợp này là các van bán dẫn, bởi vì các van bán dẫn toả nhiệt lớn và rất nhạy với nhiệt độ. Mạch điều khiển cần được bảo vệ tốt, tránh nhiệt độ cao, người ta thường bố trí cách ly với van và biến áp. Bố trí theo nguyên tắc chức năng, nghĩa là những thiết bị có chức năng giống nhau thường được bố trí gần nhau. Các thiết bị thao tác, đo lường, tín hiệu cần được bố trí ở mặt trước hoặc những vị trí thuận tiện Chất lượng mỹ thuật phải đảm bảo các yêu cầu: Hình dáng đẹp. Mầu sắc hài hoà không quá sặc sỡ, không quá tối, thường gặp mầu ghi sáng, trắng ngà, xanh nhạt....... Thiết bị bố trí ngay ngắn có hàng, có cột. Dây nối phải đặt trong máng dây hoặc được bó thành bó gọn ghẽ. M¹ch ®iÒu khiÓn chØnh l­u tia 3 pha M¹ch ®iÒu khiÓn chØnh l­u cÇu ba pha ®iÒu khiÓn ®èi xøng b»ng c¸ch ®Öm xung ®iÒu khiÓn M¹ch ®iÒu khiÓn chØnh l­u cµu ba pha b»ng chïm xung ®iÒu khiÓn S¬ ®å m¹ch ®iÒu khiÓn chØnh l­u cÇu ba pha ®iÒu khiÓn kh«ng ®èi xøng S¬ ®å m¹ch ®iÒu khiÓn chØnh l­u mét pha c¶ chu kú Tr2 Tr2 Tr3 Tr3 C2 C2