ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề Tài : Thiết kế chỉnh lưu cầu pha điều khiển theo nguyên lý “arccos” cấp nguồn cho phần ứng động điện chiều kích từ vói thơng số : Uư đm = 110V Iư đm = 12A Nội Dung : + + + + + + Tổng quan Tiristor Tổng quan chỉnh lưu cầu pha Các nguyên tắc điều khiển chỉnh lưu Tính chọn mạch động lực , mạch lọc , mạch bảo vệ Thiết kế mạch điều khiển Bản vẽ A Sinh viên thực hiện: Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS ĐOÀN QUANG VINH TRANG ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Phần : TỔNG QUAN TIRISTOR Cấu tạo: Tiristor thiết bị gồm có bốn lớp bán dẫn P1,N1,P2,N2 tạo thành xen kẻ lớp tiếp giáp J1,J2,J3 P1 nối với cực gọi Anốt(+): A N2 nối với cực gọi Katốt(-): K P2 nối với cực gọi Gate: Cổng điều khiển (G) Nguyên lí làm việc: Nếu ta đặt vào Anốt điện áp dương, Katốt nối vào cực âm nguồn, J J3 phân cực thuận, J2 bị phân cực ngược Gần toàn điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J2 Điện trường nội Ei J2 có chiều từ N1 sang P2.Điện trường tác động chiều với Ei, nên vùng chuyển tiếp vùng cách điện mở rộng ra, khơng có dịng điện chảy qua Tiristor bị đặt điện áp a Mở Tiristor : Nếu cho xung điện áp dương U g tác động vào cực G(dương so với K), điện tử từ N2 sang P2 Lúc Tirsitor hình thành hai dòng điện  Dòng điện điều khiển số điện tử sau đến P chúng chảy vào nguồn Ug, dòng điều khiển chảy theo mạch G - J3 - K - G  Còn phần lớn điện tử chịu sức hút điện trường tổng hợp mặt ghép J2 , lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng tăng tốc, động lớn lên, bẻ gãy liên kết nguyên tử, tạo nên điện tử tự Số điện tử giải phóng lại tham gia bắn phá nguyên tử Si vùng chuyển tiếp Kết hình thành ngày nhiều điện tử chảy vào N 1, qua P1 đến cực dương nguồn điện ngoài, gây nên tượng dẫn điện ạt Bắt đầu từ điểm xung quanh cực G phát triển toàn mặt ghép với tốc độ khoảng 1cm/100µs Điện trở thuận tiristor khoảng 100kΩ.Khi cịn trạng thái khoá, trở thành 0,01kΩ tiristor mở cho dòng chảy qua Một phương pháp mở Tiristor đơn giản trình bày hình Ig ≥ Igst thường lấy: Khi ấn vào K1, Tiristor mở Người ta Ig = (1,1÷1,2)Igst TRANG ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Điện trở R1 tính theo cơng thức: E R1 = (1,1 ÷ 1,2)I gst Trong Igst giá trị dịng điện điều khiển ghi sổ tay tra cứu Tiristor R2= 100÷1000Ω Khi Tristor khóa mà đặt Tiristor điện áp UAK> 0, Tiristor tình trạng sẵn sàng mở cho dịng chảy qua, cịn đợi lệnh- tín hiệu Ig cực điều khiển Điều kiện mở : + UAK > 1V + Ig ≥ Igst Thời gian mở (ton) thời gian cần thiết để thiết lập dòng điện chảy Tiristor, tính từ thơi điểm phóng dịng I g vào cực điều khiển Thời gian Tiristor mở kéo dài khoảng 10µs b Khố Tiristor: Một mở diện tín hiệu điều khiển I g khơng cịn cần thiết Để khố Tiristor có hai cách:  Giảm dịng điện làm việc xuống giá trị dịng trì IH là:  Đặt điện áp ngược lên Tiristor Khi đặt điện áp ngược lên Tiristor UAK, hai mặt ghép J1 J3 bị phân cực ngược, J2 phân cực thuận Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính UAK, P1, N1, P2 đổi chiêu di chuyển, tạo nên dòng điện ngược chảy từ catốt anốt; cực âm nguồn điện A P1 E N1 P2 G N2 K i Ing to t1 t2 t Từ to đến t1 : dịng điện ngược lớn, sau J1 J3 trở nên cách điện Cịn lại điện tử bị giữ lại hai mặt ghép J1 J3, tượng khuếch tán làm chúng dần hết J2 khơi phục lại tính chất mặt ghép điều khiển Thời gian khố(toff) tính từ bắt đầu xuất dòng điện ngược t dòng điện ngược 0(t2) Đây khoảng thời gian mà sau đặt điện áp thuận lên tiristor, tiristor không mở, toff kéo dài khoảng vài chục µs Trong trường hợp không đặt Tiristor điện áp thuận Tiristor chưa bị khố, khơng gây ngắn mạch nguồn Ta có cơng thức: Tiristor mở + UAK < → Tiristor khoá TRANG ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT E E Rt R1 R1 A C T1 K1 G1 Hinh 2.a R2 uc B C T2 G2 Hinh 2.b Trên hình 2a, việc khoá Tiristor điện áp ngược thực cách ấn vào nút ấn K1 Trên hình 2b cho phép khố Tiristor cách tự động Trên hình 2a, Tiristor mở có dịng chảy từ : +E → Rt→ T t→ -E đồng thời có dịng chảy từ :+E qua R1 qua tụ C chảy qua T âm E.Tụ Cđược nạp điện đến giá trị E Lúc cực tính tụ C hình vẻ Muốn khố Tiristor, cần ấn nút K áp dương tụ C đặt lên Catốt Tiristor → khố Tiristỏ Trên hình 2b, giả thiết cho xung điện áp dương đặt vào G 1, Tiristor T1 mở, xuất hai dòng điện: dòng điện thứ theo mạch: +E - R - T1 - E, dòng điện thứ hai chảy theo mạch:+E - R - C -T1 - E Tụ C nạp điện đến giá trị E,bản cực dương B, cực âm A Bây cho xung điện áp dương tác động vào G tiristor T2 mở, đặt điện điểm B vào cực catốt T Như T1 bị đặt điện áp UC= -E T1 bị khoá lại T2 mở lại xuất hai i dòng điện: dòng thứ chảy theo mạch: +E →R2→T2→-E, dòng điện thứ hai chảy theo mạch: + E →R1 →C→T2→-E I Tụ C nạp điện ngược lại u u H z TRANG 4 uch ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT đến giá trị E, cực dương A, cực âm ỏ B, chuẩn bị để khoá T2 ta cho xung mở T1 Đặc tính Von-ampe Tiristor: đặc tính von-ampe Tiristor gồm đoạn: Đoạn ứng với trạng thái khoá Tiristor, có dịng điện rị chảy qua Tiristor Khi tăng U đến Uch (điện áp chuyển trạng thái), bắt đầu trình tăng nhanh chóng dịng điện, Tiristor chuyển sang trang thái mở Đoạn ứng với giai đoạn phân cực thuận J Trong giai đoạn lượng tăng nhỏ dòng điện ứng với lượng giảm lớn điện áp đặt Tiristor Đoạn hai gọi đoạn điện trở âm Đoạn ứng với trạng thái mở Tiristor Khi ba mặt ghép dẫn điện Dòng điện chảy qua Tiristor bị hạn chế điện trở mạch Điện áp rơi tiristro nhỏ, khoảng 1V tiristor giữ trạng thái mở chừng i cịn lớn dịng trì IH Đoạn ứng với trạng thái Tiristor bị đặt điện áp ngược nhỏ, khoảng vài chục mA Nếu tăng U đến U z dịng điện ngược tăng lên mãnh liệt, mặt ghép bị đánh thủng, tiristor bị hỏng U Những điều cần lưu ý : a Tốc độ tăng trưởng điện áp du : dt T1 ic CT T2 Hình Nếu điện áp đặt lên Tiristor tăng với tốc độ lớn(khoảng vài chục vơn µs) tiristor chuyển từ trạng thái khố sang trạng thái mở I g = 0.Điều giải thích sau: mơ tiristor cặp transistor: Transistor có cấu trúc p-n-p cịn Transistor có cấu trúc n-p-n Khi Tiristor bị đặt điện áp thuận U AK = U, J2 bị phân cực ngược Thực tế trở thành vùng cách điện Người ta xem J tụ điện CT Bây ta có sơ đồ tương đương hình Vì J1 J3 bị phân cực thuận nên gần toàn điện áp nguồn đặt lên J2, tức đặt hai cực C T, viết: ic = C T ⋅ du dt Dòng ic tỉ lệ thuận với độ tăng trưởng U Dòng i c dòng bazơ Transistor 2, giữ vai trò dòng điều khiển I g Như Tiristor mở cho dịng chảy qua ngồi mong muốn TRANG ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Một mạch RC mắc song song với Tiristor tránh tượng mở khơng mong muốn nói Những tiristor sản xuất gần có khả chịu du cao, khoảng 2000V/µs, cho phép loại bỏ mạch bảo vệ RC dt b Tốc độ tăng trưởng dòng điện: Khi cho xung mở Tiristor, khơng phải tồn diện tích mặt ghép J2 dẫn điện đồng thời Ban đầu, điểm lân cận cực G dẫn điện lan dần với tốc độ truyền lan khoảng 1cm/100µs.Xuất vùng có mật độ lớn dịng điện Nếu di/dt lớn tốc độ truyền lan dòng điện mặt ghép J2 gây nên vi vùng nóng chảy, mặt ghép J2 bị hỏng Người ta giảm nhỏ di/dt cách đặt điện kháng bão hoà mạch anốt tiristor Những tiristor sản xuất ngày cho phép di/dt khoảng 1000A/µs Phần : CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA Xét Sơ đồ chỉnh lưu cầu pha tải R,L,Eư a.Sơ đồ nguyên lí làm việc: u = Usinθ Trong chu kỳ đầu : ≤ θ1 ≤ π, u > cực dương A, cực âm B Hai tiristor T1 T3 trạng thái sẵn sàng dẫn điện chưa có xung kích khởi đưa vào cực điều khiển Tại thời điểm θ1 = α1( ≤ θ1 ≤ π) ta đưa xung kích vào T1 T3 làm cho T1, T3 mở lúc mạch tải có dịng điện i d qua tải qua T3 trở nguồn, lúc Ud = U Tại thơi điểm θ = π U = 0, hai tiristor T 1, T3 mở tải phần ứng động điện chiều nên coi có cuộn cảm mắc nối tiếp với tải Trong qúa trình T1 T3 mở cuộn cảm L tích luỹ lượng e= - L TRANG di nên u < dt ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT T1,T3 cịn dẫn điện qua tải ứng với lúc cuộn cảm bắt đầu hoàn trả lượng nguồn Trong chu kỳ sau: π ≤ θ ≤ 2π, tính cực dương B, âm A.Hai tiristor T2 T4 cúng trạng thái chờ mở cho dòng chảy qua Tại thời điểm: θ = : π+ θ1 = π+α(α góc điều khiển) ta đưa xung kích khởi vào mở T2 T4 → T2 T4 mở T1, T3 ngắt Vì mạch xảy trình lặp lại liên tục.Vì có điện cảm L mạch tải nên thực tế dòng liên tục id = Id Khi T1,T3 mở ta có: ⋅ U sin θ = R ⋅ i d + E + L ↔ 2U sin θ = Ri d + E + X ↔ di âi dt di dt ID π+ α R π+α E π+ α X 2U sin θ = i d + ∫ dθ + ∫ di âi ∫ ∫ π π α π α πI α ÂI ↔ U di = R ⋅ I d + E Trong đó: Udi = Udiocosα; Udio = 2U m ; U m = 2U π 2U cos α π U −E → I d = di ; Id dòng chỉnh lưu(dòng mạch tải) R Nên Udi = Dạng sóng điện áp chỉnh lưu: TRANG ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ud ud id π 2π θ π θ iT1,3 θ iT1,3 Id Id θ Id θ id Id iT2,4 2π iT2,4 θ θ Id Id θ i2 b Hiện tượng trùng dẫn: trên, đề θ Nhưđến trình bày ởhoạt động cập nguyên lí biến đổi trường hợp lí tưởng, tức khơng xét đến ảnh hưởng điện kháng Lk nguồn điện xoay chiều Khi xét đến cuộn kháng Lk nguồn mạch không xảy tượng chuyển mạch tức thời Hiện tượng trùng dẫn tượng tiristor dẫn Giả sử thời điểm θ1, T1,T3 mở cho dòng chảy qua, iT1,3 = Id; Khi θ = θ cho xung điều khiển mở T2,T4 có mặt Lk nên dịng iT1,3 khơng thể giảm đột ngột từ I d 0, mà dòng iT2,4 tăng đột ngột từ TRANG ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT đến Id Lúc bốn tiristor mở (cùng dẫn)→ phụ tải bị ngắn mạch, Ud=0, nguồn bị ngắn mạch sinh dòng điện ngắn mạch(ik) U sin θ = X k Ta có phương trình: di k dθ Nếu chuyển gốc toạ độ từ sang θ , ta có: U sin ( θ + α ) = X k di k dθ → i k = I km [ cos α − cos( θ + α ) ] = I km = U km ωL k 2U [ cos α − cos( θ + α ) ] Xk Đặt i k = i k1 + i k , với i k1 = i k = ik ik1 làm tăng dòng T4, làm giảm dòng T3; ik2 làm tăng dòng T2, làm giảm dòng T1; i k 2, = 2U [ cos α − cos( θ + α ) ] 2X k i k1, = I d − 2U [ cos α − cos( θ + α ) ] 2X k Kết thúc giai đoạn trùng dẫn tức θ = µ ; iT1,3= nên phương trình chuyển mạch có dạng: cos α − cos( µ + α ) = Xác định ∆U µ : 2X k I d 2U ( *) 2U 1µ [ cos α − cos( θ + α ) ]( * *) ∆U µ = ∫ 2U sin ( θ + α ) ⋅ dθ = π0 π 2X k I d Từ (*) (**) ta có: ∆U ϖ = π 2U Ud = cos α Với π 2X ⋅ I Khi Lk ≠ trị trung bình điện áp tải : U d ' = U d − k d π id LK V1 iK2 V2 L u TRANG E V4 iK1 V3 R ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT d θ1 π θ2 θ3 2π θ α id iv1 iv2 Id θ µ α Phần : CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN Để điều chỉnh pha xung điều khiển có nguyên tắc : +Dịch chuyển theo chiều ngang +Dịch chuyển theo chiều đứng tuyến tính +Dịch chuyển theo chiều đứng phi tuyến(ARCCOS) Với chỉnh lưu pha chu kì ta thực theo nguyên tắc điều khiển dịch chuyển theo chiều đứng arccos Sơ đồ khối gồm: Unguồn TRANG 10 Đồng pha So sánh KĐ xung Uđk ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Như cho uc biến thiên từ - Uc.max đến Uc.max π α biến thiên từ đến * Trong sơ đồ chỉnh lưu ta chọn sơ đồ điều chỉnh kênh kiểu ARCCOS Trong sơ đồ có sử dụng khâu tíchnphân OA1 khâu so sánh OA2 Tín hiệu đầu vào OA1 là: u1=Umsinθ Tín hiệu OA1 la: u2= − Um Um ∫ R sin θdt = ωCR cosθ C Các điện áp u2và uc (điện áp điều khiển )là hai đại lượng vào khâu so sánh OA2 Chọn Uc.max= Um = 10 V ωCR Khi uc=u2 ta có : U c cos α = U c max đầu khâu so sánh ta nhận chuổi xung hình chữ nhật α Nhờ mạch R,C D ta có nhữnh xung dương điều khiển ,chậm sau v(t) góc TRANG 12 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hoạt động sơ đồ : Điện áp xoay chiều cấp cho điều khiển thông qua máy biến áp.MBA biến điện áp xuống u1 khoảng 18 đến 20V điện áp chỉnh lưu hai nửa chu kỳ ốt D1,D2,D3.Các ổn áp vi mạch 7812, 7912 tạo điện áp +12V, -12V để cung cấp cho khuyếch đại thuật toán OA1,OA2.Các tụ điện C1 đến C4 làm nhiệm vụ lọc điên áp Các phần tử OA1,C5và điệ trở R1 đển R4 tao nên tạo điện áp đồng pha, điện áp u1 qua đồng pha tạo u2 ,u2 lệch pha so với u1 góc π Điện áp u2 (cịn gọi điện ap tựa ur) đưa vào so sánh OA2 để so sánh với điện áp điều khiển uc Tại thời điểm mà u2+uc=0 điện áp khâu so sánh thay đổi trạng thái (+12V hoăc –12V) điện áp u3 so sánh có dạng xung “sin chữ nhật” Tụ điện C6 điện trở R7 tạo nên khâu tích phân biến điện áp dạng xung vuông u3 thành điện áp xung nhọn u4 Điện áp u4 dùng để kính mở Tranzitor Tranzitior mở ,dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp máy biến áp xung (2 cuộn sơ cấp) , sinh dòng áp bên cuộn sơ cấp để đưa vào kích khởi Thiristor TRANG 13 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Các điốt D5,D6 dùng để hoan trả giải phóng lượng phản kháng.D4 tránh cho xung âm đặt lên Tranzitor.D7 không cho xung âm đặt lên hai cực GK Thiristor Phần :TÍNH TỐN MẠCH ĐỘNG LỰC Tính chọn mạch động lực với sơ đồ thơng số sau: Điện áp động cơ: Uư=110VDC u1 Dịng điện Iư=12A Hệ số dự trữ điện áp:Ku=1.6 T u2 Hệ số dự trữ dòng điện :K=1.2 T N L B T A T ud R E id M I TÍNH CHỌN BỘ BIẾN ĐỔI : XÁC ĐINH ĐIỆN ÁP CHỈNH LƯU KHÔNG TẢI VÀ ĐIỆN ÁP RA CỦA MBA: a Điện áp chỉnh lưu khơng tải: Bộ biến đổi chỉnh lưu Thyristor cần có giá trị điện áp không tải đảm bảo cấp cho phần ứng động điện chiều Điện áp chỉnh lưu khơng tải tính sau: Ud=[Cu* Ud+4%Udmax+1.5% Udmax+ UdFmax]/b(3) Trong đó: b= 0.95:hệ số dao động Cu =1.06 :là hệ số dự trữ sụt áp Udmax:điện áp chỉnh lưu cực đại Udmax=Uưđm=110V 4% Udmax:tổn thất điện trở động gây 1.5% Udmax: tổn thất điện cảm động gây UdFmax=2:Điện áp sụt Thyristor : Thế số vào (3) ta : Ud=(1.06*110+0.04*110+0.015*110+2)/0.95=131V Vậy điện áp chỉnh lưu không tải :Ud=131V b Giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp MBA: TRANG 14 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Ta có : Ud= U m cos α ,với α=0 π π d U Suy ra: U2= 2 = 3.14 *131 =145.4V 2 c Tỷ số MBA: U 145.4 m= U = 220 = 0.66 d Điện áp ngược lớn Thyristor phải chịu : U im = 2U = *145.4 = 205.6 KV XÁC ĐỊNH DÒNG ĐIỆN CHỈNH LƯU ,DÒNG ĐIỆN MỖI PHA CỦA MBA a Dòng điện chỉnh lưu : Dòng điện chỉnh lưu nchính dịng điện chảy phần ứng động nên Id=Iư=12A b Giá trị trung bình dịng điện chảy Thyristor : Io=Id/2=12/2=6A c Giá trị hiệu dụng dòng điện chảy pha thứ cấp MBA: I2=Id=12A d Giá trị hiệu dụng dòng điện chảy pha sơ cấp MBA: I1=mI2=0.66*12=7.92A CHỌN THYRISTOR : Ta có: Hệ số dự trử điện áp:Ku=1.6 Hệ số dự trử dòng điện :K=1.2 Chon Thyristor chịu được: - Điện áp ngược lớn nhất:Ung=Ku*Uim=1.6*205.6=329V - Dòng điện trung bình: Itb=K*Io=1.2*6=7.2A Theo bảng phụ lục trang 32 ĐTCS-Nguyễn Bính ta chọn Thyristor T.25 Liên Xô (cũ) chế tạo có thơng số kỷ thuật sau: Itb (A) 25 Uim (KV) 0.04 - ∆U (V) toff (µs) 70-250 ig (A) 0.3 4.TÍNH CHỌN MBA a: Mạch từ - Công suất biểu kiến MBA: S1= U1*I1=220*7.92=1742.4(W) S2= U2*I2=145.4*12= 1744.8(W) S=(S1+S2)/2=1743.6(W) MBA pha ,ta chọn mạch từ trụ ,C=2 trụ,f=50Hz - Tiết diện tính tóan theo cơng thức kinh ngiệm : TRANG 15 Ug (V) di/dt (A/µs) 10-70 du/dt (V/µs) 20-500 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT S Cf Q= k* MBA khô nên chọn k=6 Suy : Q=6 1743.6 = 25.05 ( cm2) * 50 Với công suất S=1743.6 W Theo trang 693 ĐTCS-LVD tần số 50Hz , bề dày 0.35 mm.Ta chọn MBA có thơng số sau : a (mm) h (mm) c (mm) C (mm) H (mm) B (mm) 40 100 40 160 140 50 C H h c a c a12 Tiết diện trụ * Trụ : Tiết diện thô = c*B=4*5=20cm2 Tiết diện hiệu quả:=0.95*20=19cm2 Trọng lượng trụ :=7.5*0.19*2*1=2.85Kg * Quylat: Tiết diện thô:=a*B=4*5=20 cm2 Tiết diện hiệu quả:=0.95*20=19cm2 Trọng lượng Quylat:=7.5*0.19*1.6*1=2.28Kg * Từ cảm Trong trụ chọn:Bm=1.1T TRANG 16 B ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 19 Trong Quylat chọn:B’m=1.1* 19 =1.1T b Dây quấn : Số vòng dây fa: U 220 = 360 vòng 4.44 * 50 * 25.05 * 1.1 * 10 − 145.4 = = 238 vòng 4.44 * 50 * 25.05 * 1.1 * 10 − Sơ cấp : n1= 4.44 fQB = m U2 Thứ cấp: n2= 4.44 fQB m Chọn mật độ dòng điện J1=J2=2.5A/mm2 Đường kính phiá dây quân sơ cấp: d1= 4S1 4I * 7.92 = = = 2mm π π * J1 3.14 * 2.5 Đường kính phái dây quân thứ cấp: d2= 4S 4I * 12 = = = 2.47 mm π π * J2 3.14 * 2.5 *Chọn dây quấn: Theo bảng Phụ lục trang 695 ĐTCS- LVD : “Thông số dây dẫn tiết diện tròn”: d1=2mm S=3.205mm2 mcu=28.5g/m , R/m=0.00547Ω/m , d1n=2.12 mm d2=2.47mm S=4.676mm2 mcu=41.6g/m , R/m=0.00375Ω/m , d2n=2.54 mm *Ống dây quấn: Bán kính ống dây quấn: rt= c2 + B2 40 + 50 = = 32mm 4 Vậy ta lồng vào trụ ống làm vật liệu cách điện dày 1mm có bán kính 32mm Suy bán kính dây quấn sơ cấp là:33mm *Dây quấn sơ cấp : Chiều cao trụ : 100mm , đường kính dây quấn sơ cấp : 2.12mm  số vòng dây tối đa lớp : truc r 100 = 47.12 vòng 2.12 e1 a e2 h Mặt cắt dây quấn trụ TRANG 17 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Dây quấn sơ cấp gồm 360 vòng chia làm lớp(7*47+31) -Giữa lớp đặt lớp cách điện 0.1mm bìa -Bề dày dây quấn sơ cấp : e1=d1*n+0.1*8=2.1*8+0.8=17.76 mm Bán kính trung bình dây quấn sơ cấp : r1tb=rt+e1/2=33+(17.76/2)=41.88mm Chiều dài dây quấn sơ cấp : l1=2*π* r1tb*n1*10-3=2*3.14*41.88*360*10-3=94.68 m Điện trở dây quấn sơ cấp 75oC là: R1=ρ1l1(1+0.004*75)=0.00547*94.68*1.3=0.67Ω *Dây quấn thứ cấp: Chiều cao trụ : 100mm , đường kính dây quấn thứ cấp : 2.54mm  số vòng dây tối đa lớp : 100 = 40 vòng 2.54 Dây quấn thứ cấp gồm 238 vòng chia làm lớp(5*40+38) -Giữa lớp đặt lớp cách điện 0.1mm bìa - Giữa dây quấn sơ cấp dây quấn thứ cấp để khoảng cách α =8mm -Bề dày dây quấn sơ cấp : e2=d2*n+0.1*6=2.54*6+0.6=15.3mm Bán kính trung bình dây quấn thứ cấp : r2tb=rt+e2/2+e1+a=33+15.3/2+17.76+8=66.41mm Chiều dài dây quấn thứ cấp : l2=2*π* r2tb*n2*10-3=2*3.14*66.41*238*10-3=99.3 m Điện trở dây quấn thứ cấp 75oC là: R2=ρ2l2(1+0.004*75)=0.00375*99.3*1.3=0.484 Ω * Điện áp rơi điện kháng: ∆Ux = XI d π X :là điện kháng tồn trụ tính sau: e + e2 r (a + )ω10 −7 2h X=8π n2 Trong đó: α =8 mm khoảng cách dây quấn sơ cấp thứ cấp: r +r 41.88 + 61.41 = 51.645 mm r= 1tb 2tb = 2 Suy ra: X=8*3.142*2382(51.645/100)*(0.008+(0.01776+0.0153)/3)*314*10-7 X=1.37 Ω Vây : ∆Ux=1.37*3*12/3,14=15.7 V Điện áp rơi điện trở: ∆Ur=[R2+R1*(n2/n1)2]Id=RId ∆Ur=[0.484+0.67*(238/360)2]*12=9.3 V * Điện áp chỉnh lưu đầy tải: TRANG 18 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Ud=Udo-∆Ux-∆Ur-∆UFe =131-15.7-9.3-2=104V * Tổn thất sắt từ có tính đến 15% tổn thất phụ : P=1.3*nf(MT*BT2+Mg*Bg2) =1.3*1.15*(2.85*1.1+2.28*1.1)=8.43 W * Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu : Ud Id η= U d I d + P + ∆U r I d + I d η= 104 * 12 = 90 % 104 * 12 + 8.43 + 9.3 * 12 + * 12 * Tổng trở ngắn mạch: Zn= X + R ∆U r 9.3 Với R= I = 12 = 0.775 Ω d Suy Zn= 1.37 + 0.775 = 1.574Ω ` *.Dòng điện ngắn mạch: U 145.4 In= Z = 1.574 = 92Α n TÍNH CUỘN KHÁNG CÂN BẰNG : LCB Mục đích cuộn kháng cân Lcb nhằm hạn chế đến mức thấp dịng điện tuần hồn, cản trở đột biến để MBA Thyristor làm việc tốt hơn, khơng bị nặng nề Giả sử góc mở α1=α2=0,để Icc đạt đến giá trị lớn ,thì lúc nguồn U2 bị ngắn mạch sinh dòng điện ngắn mạch: In=Icc=92 A Lúc ta có phương trình cân suất điện động : Xo dic12 = 2U sin θ dθ Tích phân vế ta được: X I c12 = π π ∫ 2U sin θdθ Vậy giá trị trung bình: I c12 = Với TRANG 19 πX o 2U ⇒ X o = 2U I c12π Xo=Loω Ic12=2%Id=0.02*12=0.24 A ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Suy Xo= * 145.4 = 272.86Ω 0.24 * 3.14 ⇒ Lo = X o 272.86 = = 0.87Η ω 314 Mà Lo=2Lcb+LBA Với LBA=XBA/ω=1.37/314=0.00436 H Suy ra: Lcb=(Lo-LBA)/2=(0.87-0.00436)/2=0.433H Vậy Lcb =0.433H II.TÍNH CHỌN BỘ LỌC LC: Bộ lọc thiết bị nối nguồn chỉnh lưu phụ tải điện chiều.Chức lọc cho dòng điện có số qua mà biên độ khơng bị suy giảm ,đồng thời làm giảm mạch dịng điện tần số khác Đối với mạch chỉnh lưu cơng suất lớn ta dùng lọc LC gồm có tụ điện C mắc song song với phụ tải điện cảm mắc nối tiếp với phụ tải;(hình vẽ) Bộ lọc có chức làm giảm nhỏ thành phần xoay chiều điện áp dòng điện chỉnh lưu Mà cụ thể mạch chỉnh lưu pha hai chu kỳ ta thiết kế lọc có nhiệm vụ chủ yếu hạn chế thành phần sóng hài bậc cao cho dòng điện chiều qua L ud C Động Bộ lọc LC Điện áp đầu chỉnh lưu triển khai thành chuổi Fourier Nếu lấy số hạng đầu theo khai triển Furier ,điện áp đầu chỉnh lưu pha chu kỳ có dạng sau: ud= TRANG 20 2 U2 + π 3π 2U cos 2θ = U d + a n 2U cos 2θ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Trong đó: U2 giá trị hiệu dụng điện áp thứ cấp MBA an = = 0.425 3π Nếu giả thiết sóng hài tần số thấp mà XL>>XC dịng điện xoay chiều chảy qua L C định XL viết : Im= a n 2U nω L n=2 với chỉnh lưu pha chu kỳ Điện áp nhấp nhô: ∆U= Tỷ số nhấp nhô: Im a 2U = n 2 V nωC n 2ω LC ∆U kCL= 2U Vậy Với : LC = = an n ω LC an n ω k LC kLc=0.01 Syu : LC = 0.425 = 107.7 * 10 − 2 * 314 * 0.01 Vậy ta chọn: L=433mH Thì : C=250 µF Phần : TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆ Đối với chỉnh lưu bán dẫn tính tốn vận hành ta phải đặc biệt lưu ý đến vấn đề bảo vệ dòng điện điện áp Vì van bán dfẫn có kích thước nhỏ ,nhiệt dung bé nhiệt đọ dòng điện qua mặt tiếp giáp p_n lớn nên nhạy với tải dịng.Hằng số thời gian phát nóng Silic van cơng suất lớn có vài phần trăm giây Do khâu bảo vệ địi hỏi phải có độ tác động nhanh cao Mặt khác van bán dẫn nhạy với điện áp Chỉ cần tồn mọt điện áp ngược lớn gia trị cho phép khoảng vài µs,mặt tiếp giáp p_n bị chọc thủng điện 1.BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN : TRANG 21 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Có loại q dịng điện là: ngắn mạch tải: a) Ngắn mạch: Dùng để trường hợp cố tạo dòng điện lớn ngắn mạch tải ,trên dẫn thứ cấp MBA (ngắn mạch ngoài),ngắn mạch pha chọc thủng van (ngắn mạch ),do đột biến nghịch lưu b) Quá tải : Xuất thời gian làm việc xác lập hay độ Nó có giá trị không lớn cho phép tồn lâu dài Vì để bảo vệ Thyristor tránh dòng điện phá hoại ,ta dùng dây chảy tác động nhanh Loại dây chảy làm dây chì làm bạc đặt vỏ sứ có chứa cát thạch anh Hoạt động dây chảy chia làm giai đoạn (hình vẽ) -Giai đoạn :giai đoạn chảy từ t=0 đến bắt đầu xuất hiệnhồ quang -Giai đoan :là giai doạn hồ quang bắt đầu t=thq đến kh cắt xong dòng điện cố t=tc;giai đoan ,điện áp hồ quang tăng dần dịng điện cố giảm dần Khi không dùng dây chảy i Khi dùng dây chảy thq Hình X.9 tc t Dòng điện chạy qua dây chảy sinh nhiệt lượng Q=i2Rt Để bảo vệ điện áp cho biến đổi ta chọn đặt dây chảy vị trí sau: -Vị trí 1:Đặt ngỏ vào MBA -Vị trí 2:Dặt ngỏ MBA -Vị trí 3:Mắc nối tiếp với Thyristor dây chảy.(hình vẽ) TRANG 22 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 2.BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP : Thyristor nhạy với điện áp lớn so với điện áp định mức ta gọi điện áp Có loại nguyên nhân gây điện áp : a) Nguyên nhân nội : Khi khoá Thyristor điện áp ngược ,các điện tích đổi ngược hành trình tạo dịng điện ngược khoảng thời gian ngắn(khoảng10-100µs).Sự biến thiên nhanh chóng dịng điện ngược sức điện động cảm ứng lớn ,trong điện cảm ln ln có ,của đường dây nguồn dẫn đến Thyristor Quá điện áp tổng điện áp làm việc L di nói dt b) Nguyên nhân bên : Những nguyên nhân thường xảy ngẩu nhiên có sét đánh ,khi cầu chì nhảy ,khi đóng ,cắt MBA nguồn , Cắt MBA nguồn tức cắt dịng điện từ hố MBA, lượng từ trường tích luỹ lõi sắt từ, chuyển thành lượng điện trường tụ điện kí sinh ,rất nhỏ dây quấn sơ cấp thứ cấp MBA (1/2LI2=1/2CU2).Điện áp lớn gấp lần điện áp làm việc Để bảo vệ điện áp người ta dùng mạch RLC bảo vệ riêng Thyristor (hình vẽ) Người ta thường chọn điện áp đinh mức Thyristor U ≥ 1.2Uim.Trị số nhỏ nhiều so với điện áp nói Các điện áp có tốc độ tăng trưởng du lớn Đạo hàm điện áp sinh dịng điện chảy qua tụ C, đấu dt anơt catôt Thyristor , i=C du Điên cảm L hạn chế dịng điện chảy dt Khi kích mở Thyristor ,tụ điện C phóng điện qua Thyristor ,điện trở R hạn chế dòng điện Các linh kiện bảo vệ tính tốn cơng thức ,nhưng thực tế người ta ưa dùng trị số thực nghiệm : TRANG 23 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUT C = 0.01 ữ 1àF R = 10 ữ 1000 L = 50 ữ 100à Ta cng cú th dùng mạch RC để bảo vệ áp cho biến đổi: R T C R u1 u2 C Các mạch bảo vệ -Mạch RC đấu song song với Thyristor nhằm bảo vệ điện áp tụ điện tích chuyển mạch gây nên -Mạch RC đấu pha thứ cấp MBA để bảo vệ điện áp cắt không tải MBA gây nên Thông số RC phụ thuộc vào mức độ điện áp xảy ,tốc độ biến thiên dòng điện chuyển mạch ,điện cảm đường dây ,dòng điện từ hố MBA Việc tính tốn thơng số R,C địi hỏi phải tốn nhiều thời gian có tài liệu ,mà taqif liệu hướng dẫn phương pháp xác định thơng số R,C đồ thị giải tích Nưng thơng số tốn q nhỏ nên việc xá định theo dồ thị khó xác Do ta chọn mạch RLC để bảo vệ ,với thơng số theo thực nghiệm tìm Phần : TÍNH TỐN MẠCH ĐIỀU KHIỂN Để cho mạch động lực hoạt động yêu cầu điều chỉnh tốc độ động ta sử dụng mạch điều khiển đóng mở tiristor đồng thởi thay đổi góc kích mở α Tiristor mở cho dịng điện chảy qua có điện áp dương đặt anốt xung áp dương đặt vào cực điều khiển Sau tiristor mở xung điều khiển khơng cịn tác dụng, dịng điện chảy qua tiristor thơng số mạch động lực định + Mạch điều khiển có chức sau : Điều khiển vị trí xung điều khiển phạm vi nửa chu kỳ dương điện áp đặt anốt catốt tiristor Tạo xung đủ điều kiện mở tiristor( xung điều khiển thường có biên độ từ ÷ 10V, rng xung tx = 20ữ100às i vi thit b chỉnh lưu) + Cấu trúc mạch điều khiển tiristor : ucm : điện áp điều khiển, điện áp chiều ur : điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều biến thể nó, đồng với điện áp anốt - catốt tiristor TRANG 24 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hiệu điện áp ucm - ur đưa vào khâu so sánh1(ss), làm việc trigơ Khi ucm - ur = trigơ lật trạng thái, đầu ta nhận chuổi xung dạng “sin chữ nhật” Khâu đa hài trạng thái ổn định, khâu khâu khuếch đại xung, khâu khâu biến áp xung Bằng cách tác động vào ucm điều chỉnh vị trí xung điều khiển, tức điều chỉnh góc α Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển tiristor : SS ucm >1 ur THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN: Dùng sơ đồ điều khiển kênh kiểu “arccos” sử dụng khâu tích phân OA1 , khâu so sánh OA2 (Bảng vẽ A3) Khâu tạo điện áp đồng bộ: Tín hiệu đầu vào khâu OA1 là: u1 = Umsinωt Tín hiệu đầu khâu OA1 là: u2 = - Um Um ∫ R sin ωtdt = ωRC cos ωt C Khâu so sánh: Đầu khâu tích phân đầu vào khâu so sánh, đem so sánh với tín hiệu điều khiển ucm(điện áp điều khiển) Các điện áp u2 ucm hai đại lượng đầu vào khâu so sánh Chọn UCmax= Um = 10V ωRC Khi ucm = u2 ta có : U cm cosα = U C max Ở đầu khâu so sánh ta nhận chuỗi xung chữ nhật TRANG 25 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Khuếch đại xung biến áp xung : +E R1 iL L Dr iDr F D2 BAX Rg Th R2 C Ic Ue Ue T1 T2 t T Hoạt động sơ đồ : Tín hiệu vào uc tín hiệu lơgíc Khi uc = “1” transistor mở bão hồ Khi uc = “0” transistor bị khố lại Điện trở R1 hạn chế dịng colectơ, điốt Dr hạn chế điện áp cực colectơ emitơ Điốt D2 ngăn chặn xung áp âm có transistor bị khố, Rg hạn chế dịng điều khiển R2 điện trở ảnh hưởng đến biên độ sườn xung Thoạt đầu uc = “0”, iL = iC = 0; UCE = E; iDr = Giả thiết t = 0, uc = “1” transistor mở Điện cảm L khơng cho i c đạt E giá trị bảo hồ I C = R mà dịng ic tăng từ từ theo qui luật hàm mũ −t  L E  1 − e τ  với τ = IL = IC =  R1 R1    E Sau khoảng thời gian 5τ, ic = Ic = R Bên thứ cấp biến áp xung BAX xuất xung điện áp R2 để mở tiristor Th Khi t = T1, uc = “0”, iL đạt giá trị: iL(T1) = ic(T1) = −T E  1 − e τ R1     = I < E , transistor T bị khoá, ic =  R1  Nếu khơng có điốt Dr lượng W = L.I sinh điện áp cực C,E transistor Qúa điện áp đạt tới khoảng 100V, phá huỷ transistor T Điốt Dr loại trừ tượng điện áp nói trên, vừa U CE = VC - VE = 0, V Dr mở cho dịng chảy qua, làm ngắn mạch hai điểm C E, U CE = 0,2V +E TRANG 26 ... số vào (3) ta : Ud= (1. 06 *11 0+0.04 *11 0+0. 015 *11 0+2)/0.95 =13 1V Vậy điện áp chỉnh lưu không tải :Ud =13 1V b Giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp MBA: TRANG 14 ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT Ta có : Ud=... iv1 iv2 Id θ µ α Phần : CÁC NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN Để điều chỉnh pha xung điều khiển có nguyên tắc : +Dịch chuyển theo chiều ngang +Dịch chuyển theo chiều ? ?ứng tuyến tính +Dịch chuyển theo chiều. .. e1=d1*n+0 .1* 8=2 .1* 8+0.8 =17 .76 mm Bán kính trung bình dây quấn sơ cấp : r1tb=rt+e1/2=33+ (17 .76/2)= 41. 88mm Chiều dài dây quấn sơ cấp : l1=2*π* r1tb*n1 *10 -3=2*3 .14 * 41. 88*360 *10 -3=94.68 m Điện trở dây quấn sơ cấp