Đồ án Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ một chiều kích từ độc lập đảm bảo yêu cầu tốc độ

Lời nói đầu Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các lĩnh vực khoa học, ứng dụng của điện tử công suất vào công nghiệp nói chung và công nghiệp điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử có công suất lớn đã được chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống, làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và thiết kế các loạI thiết bị này hết sức cần thiết đối với lạI kỹ sư ngành điện Cùng với sự phát triển của ngành điện tử công suất thì việc ứng dụng động cơ điện một chiều vào công nghiệp là hết sức quan trọng. Việc sử dụng động cơ điện một chiều với nhiều mục đích như để bảo đảm yêu cầu công nghệ của phụ tải Để hiểu rõ được vai trò của điện tử công suất và động cơ điện một chiều thì trong bản đồ án môn học này được sự hướng dẫn của thầy Đỗ Trọng Tín với nội dung : “ Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ một chiều kích từ độc lập đảm bảo yêu cầu tốc độ trơn, ổn định, chống quá tải và chống mất kích từ” Bản đồ án của em gồm Trong bản đồ án này mặc dù em đã cố gắng song với sự hiều biết và những kiến thức đã học còn hạn chế nên bản đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót.Em kính mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo và của các bạn để bản đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn Sinh viên Đào xuân Hùng …. 1 Chương I: Giới thiệu về động cơ một chiều I- Cấu tạo của động cơ một chiều - những phần chính của máy điện một chiều gồm stato với cực từ , roto với dây quấn và cổ góp với chổi điện a- stato: còn gọi là phần cảm gồm một lõi thép bằng thép đúc vừa là mạch từ vừa là vỏ máy + cực từ chính : có dây quấn kích từ lồng vào lõi sắt cực từ , lõi thép cực từ làm bằng thép kỹ thuật điện mỏng, các cuộn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và được nối nối tiếp với nhau + cực từ phụ : được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều , lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối, trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính b- roto: còn gọi là phần ứng gồm lõi thép và dây quấn phần ứng - lõi thép hình trụ làm bằng các lá thép kỹ thuật dày 0,5 mm, phủ sơn cách điện ghép lại và được dập lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấn phần ứng - cổ góp gồm các phiến góp làm bằng đồng được cách điện có dạng hình trụ gắn ở đầu trục roto - chổi điện làm bằng than graphit, các chổi tỳ chặt lên cổ góp nhờ lò xo và giá chổi điện gắn lên nắp máy II- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều - Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi than A,B trong dây quấn phần ứng sinh ra dòng điện Iư . Các thanh dẫn ab , cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực Fđt tác dụng làm cho roto quay , khi phần ứng quay nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau do đó các phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi , khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư chiều quay xác định theo qui tắc bàn tay trái Phương trình điện áp : U = Eư + Rư .Iư III- Phân loại về động cơ một chiều - Động cơ một chiều được dùng rất phổ biến trong công nghiệp giao thông vận tải và nói chung ở những thiết bị cần điều chỉnh 2 tốc độ quay liên tục trong một phạm vi rộng ( máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy tiện.) - cũng như máy phát, động cơ điện một chiều được phân loại theo kích thích từ thành các động cơ điện kích từ độc lập , kích thích song song, kích thích nối tiếp và kích thích hỗn hợp - Giới thiệu về động cơ kích từ độc lập E I Rf Uư Ikt Rkt Uư CKT Ukt Hình 1: sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập - Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau và lúc này động cơ được gọi là động cơ kích từ độc lập b- Phương trình đặc tính cơ phương trình đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập u fuu I K RR K U .Φ +−Φ=ω nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép của mômen cơ trên trục động cơ bằng mômen điện từ ta kí hiệu là M, nghĩa là Mđt = Mcơ = M thì ta có phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ( ) MK RR K U fuu .2Φ +−Φ=ω 3 - Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, φ = const thì các phương trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ là tuyến tính Trong đó: a NpK Π= 2 . ω : tốc độ góc , rad/s φ : từ thông kích từ dưới một cực từ Uư : điện áp phần ứng Rư : điện trở phần ứng Rf : điện trở phụ trong mạch phần ứng Iư : dòng điện trong mạch phần ứng Đồ thị mô tả phương trình đặc tính cơ ωđm ω0 ω Mđm M IV- Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng -Để điều chỉnh điện áp phần ứng đông cơ điện một chiều cần có thiết bị nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập , các bộ chỉnh lưu điều khiển các thiết bị này có chức năng biến đổi lượng xoay chiều thành một chiều có suất điện động Eb điều chỉnh được là nhờ tín hiệu Uđk BBĐ LK -Phương trình đặc tính cơ của hệ thống như sau: 4 u dm bud dm b I K RR K E .Φ +−Φ=ω - vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng của đặc tính cơ cũng không thay đổi còn tốc độ không tải lý tưởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp Uđk của hệ thống do đó có thể nói phương pháp điều chỉnh này là triệt để - Để xác định dải điều chỉnh tốc độ ta thấy rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng với điện áp định mức và từ thông cũng giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động , khi mômen tải là định mức thì giá trị lớn nhất va nhỏ nhất của tốc độ là: β ωω dmM−= max0max β ωω dmM−= min0min Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có mômen ngắn mạch là: Mnmmin = Mcmax = KM.Mđm Trong đó : KM: hệ số quá tải về mômen, do họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với nhau nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết: ( ) ( ) ( ) 1 1 1 11 max0 max0 minmin − − = − − = −=−= M dm dm M dm M dm dmnm K M MK M D K M MM βω β βω ββω * Phạm vi điều chỉnh phụ thuộc tuyến tính vào β 5 ωmin ω0min ωmax ωomax Mđm Mnmmin ωđk1 ωđk2 Chương II: Lựa chọn phương án điều chỉnh I- Lựa chọn phương án - Để cấp nguồn cho tải một chiều, chúng ta cần thiết kế các bộ chỉnh lưu với mục đích biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều. Các loại bộ biến đổi này có thể là chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu có điều khiển 1- Phương án 1: chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha: 2 1 3 T T L T R α Ud Id TB1 6 θ θ Bθ t1 t2 t3 t4 - Do suất điện động cảm ứng nên T1 vẫn dẫn điện cho đến thời điểm t2 - Khi đưa xung vào mở T2 thì sẽ xuất hiện một điện áp ngược đặt vào T1 làm T1 khoá lại và quá trình khoá T1 là quá trính khoá cưỡng bức - Từ thời điểm t2 ÷ t3 thì T2 dẫn điện , là khi chúng ta mở T3 dòng điện được san phẳng lúc này điện cảm sẽ thu toàn bộ những thành phần sóng điều hoà bậc cao nên nó sẽ duy trì cho dòng điện là không đổi - Giá trị điện áp ra trên tải: Ud = 1,17.U2.cosα Ungmax= 2,45. U2 Kđm = 0,25 Số lần đập mạch trong một chu kỳ là 3 74,0= ba d S P + ưu và nhược điểm của chỉnh lưu tia 3 pha *ưu điểm : so với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp 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 tương đối đơn giản *nhược điểm : sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp ra tải chưa thật tốt lắm, khi cần chất lượng điện áp ra tốt hơn thì dùng sơ đồ nhiều pha hơn. 7 2- phương án 2 : sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng 3 T T 1 2 4 T 6T T5 T 11 RLRα Uf θ Id Ud iT1 iT3 i BT5 i BT2 θ θ θ 8θ Điện áp trung bình trên tải απθθπ απ απ cos..63.sin..2 2 6 2 6 5 6 2 UdUU d == ∫ + + Điện áp ngược cực đại đặt lên van Ungmax=2,45U2 Số lần đập mạch trong 1 chu ky là 6 + ưu và nhược điểm của chỉnh lưu cầu 3 pha *ưu điểm : chất lượng điện áp tốt nhất, hệ số đập mạch tháp, thành phần sóng hài nhỏ, hiệu suất sử dụng biến áp tốt nhất  nhược điểm : cần phải mở đồng thời hi van theo đúng thứ tự pha nên rất phức tạp, nó gây khó khăn khi chế tạo vận hành và sửa chữa 3- phương án 3 : sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng D T 2D 6D T5 11 ~ T14 9 3 iT1 i BT2 i BT3 θ θ θ Id Uf θ α Ud θ θ 10 Hoạt động của sơ đồ : +trong khoảng 0÷θ1: T5 và D6 cho dòng tải id = id chảy qua D6 đặt điện thế U2b lên anôt D2 + khi θ > θ3 điện thế catôt D2 là U2c bắt đầu < U2b. Điốt D2 mở dòng tải id = Id chảy qua D2 và T5 , Ud = 0 *khi θ =θ2 cho xung điều khiển mở T1 - trong khoảng θ2÷ θ3: T1 và D2 cho dòng id chảy qua , D2 đặt điện thế U2c lên anôt D4 - khi θ ≥θ3 điện thế catot D4 là U2a bắt đầu < U2c điot D4 mở dòng tải chảy qua D4 và T1, Ud = 0 - góc mở α về nguyên tắc có thể biến thiên từ 0 ÷ π . Điện áp chỉnh lưu có thể điều chỉnh từ giá trị lớn nhất đến 0 Điện áp trung bình trên tải Ud=UdI-UdII Trong đó απθθπ απ απ cos.. 2 63.sin..2 2 3 2 6 6 6 2 UdUU dI == ∫ − − 11 απθθπ π π cos.. 2 63.sin..2 2 3 2 6 11 6 7 2 UdUU dII −== ∫ Thay vào ta có ợc cực đại đặt lên van 6 h điều khiển hơn so với sơ đồ cầu 3 pha nên ợc tốt như sơ đồ cầu 3 pha đối Chương III : Tính chọn mạch lực I-Tính toán máy = 600 V; Id = 220 A ta chọn MBA 3 pha 3trụ 1 Ta có : Udo = Ud + 2. Udv + Udn + ΔUba ΔUd = 600 V ΔUd = 1 V : sụt áp trên van ΔUba = ΔUR + ΔUX : sụt áp trên điện trở và điện kháng chọn Uba = 6%.Ud = 0,06.600 = 36 (V) Udo = 600 + 2.1 + 0 + 36 = 638 ( V ) )cos1.(. 2 63 2 απ += UU d Điện áp ngư Ungmax=2,45U2 Số lần đập mạch trong 1 chu ky là -Ưu nhược điểm của sơ đồ +Ưu điểm:sơ đồ có ít kên điều khiển dễ dàng hơn,đầu tư ít hơn +nhược điểm: điện áp ra không đư xứng,dải điều chỉnh điện áp không lớn lắm biến áp Từ các thông số cơ bản : Ud 1- điện áp pha sơ cấp MBA U = 220 (V) Δ Δ Trong đó : MBA Δ → 12 có : ( )αcos1 2 .63 2 +Π= U Udo với α = 400 → ( ) ( ) ( )V U U do 309 40cos163 638.2 cos163 .2 2 =+ Π=+ Π= α Vậy điệ áp thứ cấp MBA là : U2 = 309 (V) + Dòng điện thứ cấp máy biến áp I2: ( )AII d 180220.3 2 3 2 2 === + Dòng sơ cấp máy biến áp I1: ( )AI U UIKI ba 253180.220 309.. 2 1 2 21 ==== + Công suất biểu kiến máy biến áp: S = Ks.Pd = 1,05.Ud.Id = 1,05.600.220 = 139 (KVA) 2- tính toán mạch lực - Thiết diện trụ được tính theo công thức ( )23 183 50.3 10.139.6 . . cm fm SKQ baQFe === trong đó : 4,66,5 ÷=QK ta chọn 6=QK m = 3 : số trụ của máy biến áp f: tần số nguồn xoay chiều f = 50 Hz Để đảm bảo cho kích thước của máy biến áp được phù hợp đảm bảo yêu cầu công nghệ người ta thường chọn chiều dài a và chiều dày b sao cho 25,1= a b dựa vào tiết diện trụ QFe = a.b = 183 ( cm2) ta chọn a =11 ( cm) 13 b = 17 ( cm ) + chọn loại thép ∃310, các lá thép dày 0,35mm 110mm 170mm Chọn sơ bộ chiều cao trụ: h = 2,5.a = 2,5 .110 = 275 (mm) → chọn h = 280 (mm) + Số vôn/ vòng là: V/vòng = 4,44.BT.f.QFe.10-4 = 4,44.1.50.183. 10-4 = 4(V/vòng) → số vòng cuộn sơ cấp là : 55 4 220 1 ==W (vòng) số vôn/vòng của cuộn thứ cấp máy biến áp là 2 → số vòng cuộn dây thứ cấp là: 78 4 309 2 ==W (vòng) +Tính tiết diện dây dẫn: Chọn mật độ dòng điện: 2 . 2 . 1 /2 mmAJJ == +Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp: 14 ( )2. 1 1 1 1282 253 mm J IS === chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật bọc sợi thuỷ tinh có kích thước : a1.b1 = 4.16.2 (mm2) kính thước dây kể cả cách điện: S1cđ = 4,5.16,5.2(mm2) +Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp: ( )2. 2 2 2 902 180 mm J IS === chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật bọc sợi thuỷ tinh có kích thước : a2.b2 = 4.11.2 (mm2) kính thước dây kể cả cách điện: S2cđ = 4,5.11,5.2(mm2) Tính số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp c g k b hh W . .2 1 11 −= trong đó : hg: là độ dày của tấm fit cách điện giữa gông va dây quấn chọn hg = 1,2 (cm) kc = 0,95 : hệ số ép chặt h: chiều cao trụ Vậy: 15 1595,0. 65,1 2,1.228. .2 1 11 =−= −= cg kb hh W (vòng) Tính số lớp ở cuộn dây sơ cấp: 7,3 15 55 11 1 11 === W Wn (lớp) chọn số lớp n11 = 4 (lớp) Chọn 3 lớp đầu 14 vòng, lớp thứ 4 có số vòng là : 55 –3.14 = 13 ( vòng) + Giữa 2 lớp đặt một lớp giấy cách điện dày: cd11 = 0,1 (mm) + Bề dày cuộn sơ cấp Bd1 = (a1 + cd11).n11 = ( 4,5 + 0,1 ).4 = 18,4(mm Tính số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp c g k b hh W . .2 2 12 −= trong đó : hg: là độ dày của tấm fit cách điện giữa gông va dây quấn chọn hg = 1,2 (cm) kc = 0,95 : hệ số ép chặt h: chiều cao trụ Vậy: 2395,0. 1,1 2,1.228. .2 2 12 =−= −= cg kb hh W (vòng) Tính số lớp ở cuộn dây sơ cấp: 4,3 23 78 12 2 12 === W Wn (lớp) 16 chọn số lớp n12 = 4 (lớp) Chọn 3 lớp đầu 19 vòng, lớp thứ 4 có số vòng là : 78 –3.19 = 21 ( vòng) + Giữa 2 lớp đặt một lớp giấy cách điện dày: cd12 = 0,1 (mm) + Bề dày cuộn sơ cấp Bd2 = (a2 + cd12).n12 = ( 4,5 + 0,1 ).4 = 18,4(mm)  Kích thước lõi sắt Chọn khoảng cách giữa 2 trụ của MBA là : c = 1,5.a = 1,5.110 = 165(mm) + Tổng chiều dài trụ: l = 3.a + 2.c = 3.110 + 2.165 = 660 (mm) + Chọn gông từ - Để đơn giản ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có các kích thước sau: + Chiều dài của gông bằng chiều dầy của trụ: bg = b = 170(mm) + Chiều cao của gông bằng chiều rộng của trụ: ag = a = 110(mm) Tiết diện gông: Qg = ag.bg = 11,5.17,5 = 201,25(cm2) Tổng chiều cao của MBA: H = h + 2.a = 28,0 + 2.11,0 = 50 (cm) h ag a b h c 17 II Tính chọn van và bảo vệ van 1. Tính chọn van Van là 1 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 2 thông số để chọn van là điện áp và dòng điện Điện áp ngược lớn nhất đặt trên van: ( )VUUng 9,756309.6.6 2max === Chọn Ungmax = 757(V) → Điện áp ngược mà van chịu được là: Ungv = kdtU.Ungmax = 1,4.757 = 1000 (V) kdtU : hệ số dự trữ điện áp chọn kdtU = 1,4 -Để cho van bán dẫn làm việc an toàn, nhiệt độ làm việc của van không vượt quá trị số cho trước, vì vậy cần có phương thức làm mát cho van. Có 3 phương pháp làm mát là: + làm mát bằng gió tự nhiên - Khi van bán dẫn được làm mắc vào cánh toả nhiệt bằng đồng hay bằng nhôm, nhiệt độ của van được toả ra môi trường xung quanh nhờ bề mặt của cánh toả nhiệt. Sự toả nhiệt như trên là nhờ vào sự chênh lệch giữa cách tản nhiệt với môi trường 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 được làm mát bằng cánh toả nhiệt mà chỉ nên cho van làm việc với dòng điện Ilv = 25% iđm + Làm mát bằng thông gió cưỡng bức - - Khi có quạt đối lưu 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 trường tốt hơn, hiệu suất cao hơn. Do đó cho van làm việc với dòng điện - Ilv = 35%iđm 18 + Làm mát bằng nước: - - Khi làm mát bằng nước hiệu suất trao đổi nhiệt tốt hơn, cho phép làm việc với dòng điện Ilv = 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 chiều dài hay giảm tiết diện đường cong ống dẫn nước ta có thể coi độ dẫn điện của nước không đáng kể. *Ta chọn chế độ làm mát bằng thông gió tự nhiên. Trong chế độ này thì Ilv = 25% iđm trong đó: ( )AII dlv 33,733 220 3 === do đó Iđmv = Ilv.4 = 73,33.4 = 293,32 (A) vì vậy ta phải chọn van chịu được dòng điện là: Iđmv = kđtI.4 = 1,4.293,32 = 410,65 (A) Từ các thông số tính toán ở trên ta chọn được 3 Tiristor loại TΠ 500-10 có các thông số Umax = 1000 V Iđm = 500 A Igm = 400 mA Ugm = 8 V ΔUv =1V dU/dt =100V/μs di/dt = 20 A/μs Toff =120μs 2. Tính bảo vệ van  Bảo vệ dòng điện cho van + Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắt mạch Tiristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch đầu ra ở bộ nghịch lưu + Chọn Aptomat có: Iđm = 1,1.I1 = 1,1.253 = 278,3 (A) + Chỉnh định dòng ngắn mạch Inm = 2,5.I1 = 2,5.253 = 632,5 (A) + Dòng quá tải: Iqt = 1,5.I1 = 1,5.253 = 397,5 (A) 19  Bảo vệ quá điện áp cho van Tiristor cũng rất nhạy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp định mức, ta gọi là quá điện áp *Người ta chia làm 2 loại nguyên nhân gây ra quá điện áp: - Nguyên nhân nội tại: Đó là sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn. Khi khoá tiristor bằng điện áp ngược, các điện tích nói trên đổi ngược lại hàng trình tạo ra dòng điện trong khoảng thời gian rất ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm. Do vậy giữa anot và catot của tiristor xuất hiện quá điện áp. - Nguyên nhân bên ngoài: Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như khi cắt không tải một máy biến áp trên đường dây, khi có sấm sét..... Để bảo vệ quá điện áp , người ta thường dùng mạch RC như hình vẽ Mạch RC đấu song song với Tiristor nhằm bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên. Mạch RC đấu giữa các pha thứ cấp MBA là để bảo vệ quá điện áp do cắt không tải MBA gây nên * Các bước tính toán - Xác định hệ số quá điện áp theo công thức: 20 im pim Ub U k . .= - Xác định các thông số trung gian: C*min(k) , R*max(k), R*min(k) - Tính di/dt|max khi chuyển mạch - Xác định điện lượng tích tụ Q= f(di/dt), sử dụng các đường cong tra trong sổ tay tra cứu - Tính các thông số trung gian C = C*min imU Q2 R*min Q im 2 LU ≤ R ≤ R*max Q im 2 LU Trong đó L là điện cảm của mạch RLC 21 Trong mạch bảo vệ quá điện áp ta chọn R=80Ω C=0,25μF III/ Thiết kế cuộn kháng lọc - Lấy công suất cuộn kháng lọc SL= 5%Pd =0,05.600.200 =6600VA - Tiết diện cực từ chính của cuộn kháng lọc: QL=kQ )(74,48 50.2 66006 2' cmf SL == Chọn QL = 48(cm2) Trong đó kQ: hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, chọn kQ = 6 Để đáp ứng yêu cầu công nghệ người ta thường chọn sao cho bL/aL=1,2÷1,4 Do QL=bL.aL=48 cm2 nên ta chọn aL=6cm, bL= 8cm - Chọn chiều cao hL = 2,5.aL = 2,5.6 = 15(cm) - Chọn khoảng cách 2 trụ cL = 2aL = 2.6 = 12(cm) - Tổng chiều dài mạch từ L = 2.cL+2.aL = 2.12+2.6 = 36(cm) - Tổng chiều cao trụ H = h+a = 15+6 = 21 (cm) Chương IV Thiết kế và tính toán mạch điều khiển aL/2 bL cL h aL/2 22 I. 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 lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi . Yêu cầu của mạch điều khiển có thể tóm tắt trong 6 điểm chính sau: + yêu cầu về độ rộng của xung + Yêu về độ lớn của xung + Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung + Yêu cầu về sự đối xứng của xung + Yêu cầu về độ tin cậy - 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 được nhiễu cảm ứng để tránh mở nhầm + Yêu cầu về lắp ráp vận hành - Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh Dễ lắp và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập II. Nguyên lý chung của mạch điều khiển 1. Nhiệm vụ của 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 lưu trong mạch động lực. Tiristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dương đặt trên Anod và có xung áp dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi tiristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng gì nữa, dòng điện chảy qua tiristor do thông số của mạch động lực quyết định Mạch điều khiển có chức năng : - Điều chỉnh vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên Anod – Catod của Tiristor - Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở tiristor độ rộng xung tx > 10 μs Độ rộng xung được xác định theo biểu thức: tx= dtdi I dt / Trong đó Idt: dòng duy trì của Tiristor di/dt: tốc độ tăng trưởng của dòng tải 23 Đối tượng cần điều khiển được đặc trưng bởi góc α 2. Cấu trúc của mạch điều khiển Tiristor SS 1 Uđk - 1 2 3 4 T Hiệu điện áp uđk-urc được đưa vào khâu so sánh 1, làm việc như một trigơ Khi uđk-urc = 0 thì trigơ lật trạng thái, ở đầu ra của nó ta nhận được một chuỗi xung dạng ″sinus chữ nhật ” Khâu 2 là đa hài 1 trạng thái ổn định Khâu 3 là khâu khuyếch đại xung Khâu 4 là biến áp xung Bằng cách tác động vào uđk có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển, tức là điều chỉnh góc α 3. Nguyên tắc điều khiển Trong thực tế người ta thường dùng 2 nguyên tắc điều khiển: thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng “arccos” để thực hiện việc điều chỉnh vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên Tiristor a. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính U AK ω Urc ωt α α α Uđk + Urc t 0 0 Uđk 24 Theo nguyên tắc này, người ta thường dùng 2 điện áp: - Điện áp điều khiển Uđk là điện áp 1 chiều có thể điều chỉnh được biên độ - Điện áp đồng bộ Urc có dạng răng cưa,đồng bộ với điện áp Anod- Catod Tổng đại số của Urc + Uđk đưa đến đầu vào của một khâu so sánh. Bằng cách làm biến đổi Uđk ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra tức là điều chỉnh được góc α. Khi Uđk = 0 ta có α = 0. Khi Uđk 0. Quan hệ giữa α và Uđk như sau: max. . rc dk U Uπα = b. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” UAK Uđk Ur Uđk Uđk+Urc ωt α 0 Urc Theo nguyên tắc này cũng có 2 điện áp: - Điện áp đồng bộ Urc vượt trước điện áp Anod-Catod Tiristor một góc bằng π/2 ( Nếu UAK = Asinwt thì Ur = Bcoswt) - Điện áp điều khiển Uđk là điện áp 1 chiều có thể điều chỉnh được theo 2 hướng Trên hình vẽ đường nét đứt là điện áp anốt – catốt tiristor, từ điện áp này người ta tạo ra Urc . Tổng đại số Urc + Uđk được đưa đến đầu vào của khâu so sánh . Khi Urc + Uđk = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh : Uđk + B.cosα = 0 Do đó α = arccos(-Uđk/B) 25 Thường lấy B = Uđk max Khi Uđk = 0 thì α =π/2 Khi Uđk = - Uđk max thì α= 0 Như vậy khi cho Uđk biến thiên từ - Uđk max đến + Uđkmax thì α biến thiên từ 0 đến π. Nguyên tắc này được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao. Nhận xét: Theo yêu cầu thiết kế mạch điều khiển ta thấy nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính là phù hợp, ta chọn nguyên tắc điều khiển này. 4.Giới thiệu các khâu a)Khuyếch đại thuật toán EV- + + - S -EV p p M + 2 V- V d + M V + 1 + U + -E 1 OA E V1 Ud Vsat Vsat Chế độ làm việc  Chế độ tuyến tính V2 = A.ud; A = 104÷105 là hệ số khuếch đại điện áp. Để thực hiện chế độ này phải có ⎥ ud⎥ ≤ A Vsat 26  Chế độ bão hoà: ⎥ ud⎥ > A Vsat ; V2 = Vsat ⎥ ud⎥ < A Vsat ; V2 = -Vsat ứng dụng: OA được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điều khiển tự động: tạo hàm số, tạo các bộ điều chỉnh P, PI, PID, tạo các đa hài, các trigơ, các khâu so sánh, v.v.. b)Khâu tạo xung đồng bộ U1 Uđb E θ θ R 1 R T 1 D 0 +E 1 D R 3 đb U 0 i ~ c 1 U 2 i PT U1: điện áp nguồn xoay chiều Uđb: điện áp xung đồng bộ PT: transistor quang, phototransistor Trong nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn: 27 1 1 1 R Ui = , 2 2 R E i = , Uđb = 0 Trong nửa chu kỳ âm, điôt D1 dẫn dòng, D0 bị khoá, Uđb = E Sơ đồ này cho phép loại bỏ máy biến áp đồng bộ a) Khuyếch đại và biến áp xung e Th U BAXD g T C 2 r R 1L +E R 1 RD T2 T1 Ue t d)Khâu tạo điện áp răng cưa đồng bộ Urc C +E R Uđb Uđb Urc t t 28 Uđb- xung đồng bộ điểm không của điện áp nguồn xoay chiều Urc- điện áp răng cưa đồng bộ Urc = E.( 1- e-t/RC ) e- Khâu phát xung ” sinus chữ nhật” 0A -E +E + R1 R2 R3 C UC Ur U2 kVsat Vsat UC -Vsat T1 T2 t -kVsat Trong sơ đồ này OA thực hiện so sánh hai tính hiệu UC và Ur = B.Tính toán mạch điều khiển 1)Biến áp xung và khuyếch đại xung a) Khuyếch đại xung 29 R10 R11 R12 BAX T1 T2 D D D T +24 V  Với T chọn là loại TL 500-10 với các thông số : Ug=8(V) Ig=400(mA)  Biến áp xung chọn là loại có tỷ số biến đổi : 2 1 U U =1 Điện áp thứ cấp của máy biến áp xung U2 = Ug + 0,6 = 8,6 (V) Điện áp sơ cấp : U1=mU2=1.8,6=8,6(V) I1= 1 gI =0,04(A) (Dòng I1 chính là dòng đi vào cực C của T3)  Điện áp rơi trên điện trở R10: UR=E2-U1=15,4(V)  Giá trị điện trở R10 cần chọn : R10= 400 4,15 1 = I U R .103=56,22(Ω) (Chọn R10=60Ω )  Căn cứ vào dòng colectơ ta chọn bóng T3 loại KI-6U với các thông số kỹ thuật sau: IC E2 =3A UCE2 =60V β =100  Dòng điện badơ củaT3 là dòng qua đèn T2: IB1(T1)= 30 1,297)( 3 =β TIC =9,72(mA)  Dòng vào cực badơ của T2 là dòng ra của bộ so sánh . Dòng này có trị số thường nhỏ  Chọn Tranzito T2là loại C828 có các thông số kỹ thuật sau: UEC =40v Ic = 0,3A β =100  Dòng điện vào cực badơ của T2là : 30 IB(TB 2)= 10 40)2( =β TI B =4(mA) Như vậy hệ số khuếch đại của mạch là :β=10.10=100 lần  R11: điện trở tạo thiên áp cho T3 đảm bảo tạo ra một điện áp khoảng 0,65V mở bão hoà T3. Chọn R11=1K  Chọn các điôt D6,D8, D7 là loại D1011  R8 : điện trở hạn chế dòng vào cực badơ T2.Chọn R8=1K b)Tính biến áp xung Biến áp xung để truyền tín hiệu điều khiển có các đặc điểm sau:  Tạo được biên độ xung ra theo yêu cầu  Dễ thay đổi cực tính của xung ra  Cách ly về điện giữa mạch điều khiển và mạch lực *Chọn tỷ số biến áp xung n=1,2 *Chọn vật liệu sắt từ ∋330 ,lõi sắt từ có dạng hình chữ E làm việc rrên một phần của đặc tính từ hoá . ΔB=0,7Tesla ΔH=50A/m -Từ thẩm lõi sắt từ : μ= 50.10 7,0 6−=ΔH B oμ =1,4.10 4 -Vì mạch từ có khe hở nên phải tính từ thẩm trung bình .Sơ bộ ta chọn chiều dài trung bình của đường sức từ l=0,1m , khe hở lkh=10-5m. μtb= 4 5 10.4,1 1,010 1,0 + = + −μ ll l kh =5,8.103 -Thể tích lõi sắt từ: V=Q.l= 2 2..... B IUstxotb Δ μμ Tx: độ rộng xung ,chọn tx=600μs S: Mức độ sụt biên độ xung,S=0,15 I2':dòng điện thứ cấp quy đổi sang sơ cấp ,I2'= 2,1 35,0 =0,3A ⇒V= 2 473 )7.0( 3,0.12,9.15,0).10.6).(10.(4(10.8,5( −−π =6,18 cm3 Chọn loại BAX có thể tích V=9,22 cm2 có các thông số : 31 Q=0,92 cm2 l=10,03 cm a=1,2 cm c= 1,2 cm C=4,8 cm H=4,2 cm B=1 cm -Số vòng cuộn sơ cấp BAX: W1= 76,0).10.92,0.(7,0 )10.6.(12,9 .. . 4 4 − − =Δ KQB tU x =112 vòng -Số vòng cuộn dây thứ cấp BAX: W2= =12,9 112.7 86 vòng 2)Tính toán khối đồng pha 2-1w A B D1 D2 R1 a a’ +E R4 VR1 A1 -E +E R3 R2 UA UB θ θ Uref 32 θ θ Điện áp sau khi từ đầu ra a, a’ của biến áp đồng pha qua điôt D1,D2 ta được dạng điện áp tại A như hình vẽ, điện áp tại A sau khi so sánh với một điện áp chuẩn lấy trên R2 ta được dạng ra ở B là các xung chữ nhật Chọn E+ = 12. 2 .sinUU 1A.maxref θ=→ với UAmax = 12V chọn θ1 = 400 -> Uref = 12 2 .sin 2 1θ = 12 2 .sin 2 400 = 5,8(V) Ta có : 5,8.R RVR 12 5,8(V).VR RVR E 4 41 1 21 1 =+⇔ =+ ->VR1 = 1,08.R4 Để có thể điều chỉnh U ta chọn VR1 là biến trở loại 5KΩ, R4 là điện trở cố định 5KΩ Thường chọn điện trở R2 và R3 sao cho dòng vào khuyếch thuật toán IV<1mA. Chọn R2 = R3 = U/I =9/10-3 = 9(kΩ) Chọn R2 = R3 = 10kΩ. 3.Khâu tạo điện áp răng cưa 33 DZ CD3 VR2 +E C1 A2 -E +E R5 R6 RB7 UB UC 9 V θ θ θ2 θ1 Nguyên lý hoạt động của khâu tạo điện áp răng cưa : Mạch làm nhiệm vụ tạo điện áp răng cưa đưa vào cửa đảo của A3. Xung chữ nhật UB được đưa vào đầu đảo của A2 B Khi UB = - UB B.max , điôt D3 thông có dòng IC1= UC.max/R6 nạp cho tụ C1 qua R6 Khi UB = UB B.max , điôt D3 khoá, tụ C1 phóng điện theo đường +E -> VR2 -> R5 -> C1 -> A2 về âm nguồn -E + Tính chọn khâu răng cưa : Điện áp tựa được hình thành do sự nạp của tụ C1 , mặt khác để đảm bảo điện áp tựa có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì : + Thời gian tụ nạp )(22,240. 180 10. 180 1 1 msTT === θ +Thời gian tụ phóng; T2 = T - T1 = 40 - 2,22 = 37,78 (ms) Coi dòng qua tụ C1 không đổi 34 ( ) 3 1 3 3 11 1 1 10.05,4. 10.05,4 10.22,2 9 . CI T U C I T C I U C CC C C =→ Ω===→ = − chọn C1 = 1μF → IC = 4,05.103(A) ( )Ω=−== − 27210.05,4 112 3 max. 6 C B I UR chọn R6 = 300(Ω) khi tụ C1 phóng điện qua R5, VR2 ta chọn R5, VR2 sao cho T2 = 37,78(ms) Ta có: )(10.24,0 10.78,37 10.9 10.78,37 .9 10.78,37. C 90 . C 3 3 6 3 1 3 1 C 2 1 C 0 ACI I T I UU C C − − − − − ===→ −=→ −= Với UC = UDZ = 9V Mặt khác ( )Ω===+ − 3325 10.5010.24,0 1212 CI VRR Ta chọn R5 = 33KΩ còn VR2 là biến trở loại 10 KΩ 4. Khâu so sánh A3 -E +E Urc Uđk R8 R9 D Uđk UBD Uc θ 35 Điện áp răng cưa đưa vào cửa đảo của A3 Điện áp điều khiển đưa vào cửa cộng của A3 Nếu Urc>Uđk đầu ra của A3là xung âm Nếu Urc>Udk đầu ra của A3 là xung dương Khi đó đầu ra của A3 có chuỗi xung vuông liên tiếp .Phần tử chính của khâu so sánh là A3 loại TL084 do hãng Texas Intruments chế tạo . Chọn R8 = R9 =15kΩ 5)Khâu logic AND  Đầu ra của mạch AND là xung chùm có độ rộng của xung dùng ở mạch so sánh  chọn AND là vi mạch CMOSTC085 của Nhật có nguồn cấp 15V 6)Khâu phát xung chùm Khâu phát xung chùm dùng bằng vi mạch 555 ldo hãng Signetíc chế tạo, bao gồm khuếch đại thuật toán OA1, OA2 thực hiện chức năng so sánh, một trigơ, một transistor và điện trở, mỗi cái 5kΩ 36 +E 555 7 6 2 8 4 31 R10 R11 C2 Ura Vi mạch 555 gồm 8 chân. - Chân 1: Nối với cực âm của nguồn nuôi. - Chân 2: Kích lật trạng thái khi V = 2 3 2E thì V = 0 3 - Chân 3: Cổng ra V (min) = 0,1 (v). V max = E - 0,5 (v) ; I min = OA; I max = 0,2A. 3 3 3 3 - Chân 4: Khi V1 = 0 thì V = 0 nếu không cần khoá thì 1 nối với 8 3 - Chân 5: Lọc nhiễu thường có nối tự 0,01 Fμ đầu giữa chân 5 và 1 - Chân 6: Ngưỡng lật V = 6 3 2E thì V = 0. 3 - Chân 7: Chân phóng điện thường đấu với trị C của mạch ngoài - Chân 8: Nối với cực dương của nguồn nuôi E = 5 đến 18 (v) tiêu thụ dòng điện 0,7m A/1V nguồn nuôi. * Hoạt động của sơ đồ: - Giả thiết U c = 3 E ; S = "0" ; R = "1" ; U = "1" ; Z = "0" 3 T khoá; Tụ C nạp điện; U tăng theo hàm mũ c - Khi U = c 3 2E ; R = "0" ; Z = "1" ; U 3 = "0" T mở; Tụ C phóng điện qua. R và T 3điện áp trên tụ C giảm dần ⇒ 5,2 37 - Khi U = c 3 2E ; S = "0" ; U = 1; Z = 0 ; T khoá 3 Ta có chu kỳ ra: T = T1+ T2 = 0,693 (R24 + R25) Như ở trên ta chọn f = 1,25 kHz ⇒ T = 800 Sμ T1 = T2 R⇒ 24 = R25 = 15,6 (kω ) 7)Khối phản hồi và khối tạo điện áp điều khiển - + +E +E +E R1 R1 D2 +E C1 R1 FT D3 +E D1 - + R1 R1 - + R1 R1 +E R1 D4 R1 R2 R1 +E 8.Khối nguồn nuôi - Mạch điều khiển được cung cấp từ 1 máy biến áp nguồn 3 pha có chung lõi sắt với biến áp đồng pha. Trong đó: + Cuộn dây W1 là cuộn dây sơ cấp nối với nguồn xoay chiều 3 pha + Cuộn W2 cung cấp năng lượng để phát tín hiệu xung đồng bộ. W2 có điểm giữa nối đất Uaa' = Ubb' = Ucc' = 12v. + Cuộn W3 cung cấp điện cho bộ chỉnh lưu 3 pha đầu ra của mạch chỉnh lưu đưa đến vị trí vi mạch ổn áp để cuối cùng có điện áp ra = ± 12V + Cuộn W4 cung cấp cho bộ chỉnh lưu tạo điện áp ra E=12V. w1 0 D25 B b w21 12 C2 A w22 C5 b' 7812 C1 C4 a' D23 C C6 12 c' C3 a c D21 +12 38 * Khối ổn áp :  Vi mạch 7812: -đầu vào U=35V - đầu ra U=+12V  Vi mạch 7912:-đầu vào U=35V 39 -đầu ra U=-12V Tính biến áp nguồn : U2-1=17V I2-1=500mA U2-2=10V I2-2=1000mA U2-3=12-0-12V I2-3=100mA Tính công suất : P2-1=3.U2-1.I2-1=3.17.0,5=25,5W P2-2=3.U2-2.I2-2=3.10.1=30W P2-3=3U2-3.I2-3=3.24.0,1=7,2W Tổng công suất : P∑=P2-1+P2-2+P2-3=62,7W ⇒Chọn máy BA có P=65W Trên thực tế đối với loại MBA có công suất nhỏ ta có tiết diện lõi sắt : S=1,2 652,1=ΣS =9,6cm2 (S-thiết diện lõi sắt.) Theo sách điện tử công suất Bảng B2-2, chọn lõi thép từ III 32x40.Có các số liệu kỹ thuật sau: a=32 mm h=80 mm c=32 mm C=128 mm H=112 mm B=20 mm *Tính số vòng dây: _Số vòng vôn: 40 10....44,4 1 −= SBfW m Chọn teslaBm 1,1= 76,3 10.88,10.1,1.50.44,4 1 40 == −W vòng /V _Số vòng dây mỗi pha cuộn sơ cấp: W1=3,76.220=827 vòng/V _Số vòng dây mỗi pha cuộn thứ cấp: W2-1=3,76.17=64 vòng W2-2=3,17.10=38 vòng 40 W2-3=3,17.24=90 vòng *Tính thiết diện dây dẫn: Chọn mật độ dòng điện J=2,5 A/mm2 _Thiết diện dây dẫn sơ cấp: J Id . .4 1 1 Π= Trong đó: A U PI 095,0 380.3 7,62 .31 === mmd 22,0 1,1. 095,0.4 1 =Π= _Thiết diện dây dẫn thứ cấp: mm J Id mm J Id mm J Id 23,0 1,1. 1,0.4 . .4 71,0 1,1. 1.4 . .4 5,0 1,1. 5,0.4 . .4 32 32 22 22 12 12 =Π=Π= =Π=Π= =Π=Π= − − − − − − *Chọn dây: mmgammmd mmgammmd mmgammmd mmgammmd /443,0;/369,0;23,0 /443,0;/369,0;23,0 /0423,0;/6,3;72,0 /084,0;/82,1;51,0 1 32 22 12 Ω= Ω= Ω= Ω= − − − 41