Đồ án Điện tử công suất (Bản đẹp)

Nội dung text: Đồ án Điện tử công suất (Bản đẹp)

1. Luận Văn Đồ ỏn: Điện tử cụng suất
2. Đồ án môn học điện tử công suất 1 Chương 1 Giới thiệu chung về ắc-quy. Ăc-quy là loại bình điện hoá học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm nguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện như động cơ điện, như bóng đèn, làm nguồn nuôi cho các linh kiện điện tử.v.v Các tính năng cơ bản của ăc-quy: .Sức điện động lớn ,ít thay đổi khi phóng nạp điện. .Sự tự fóng điện bé nhất. .Năng lượng điện nạp vào bao giờ cũng bé hơn năng lượng điện mà ăc-quy phóng ra . .Điện trở trong của ăc-quy nhỏ .Nó bao gồm điện trở của các bản cực ,điện trở dung dịch điện fâncó xét đén sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa các bản cực .Thường trị số điện trở trong của ăc-quy khi đã nạp điện đầy là 0.001 đến 0.0015 và khi ăc- quy fóng điện hoàn toàn là 0.02 đến 0.025. Có hai loại ăc-quy là: ăc-quy a-xit (hay ăc-quy chì) và ăc-quy kẽm (ăc-quy sắt kền hay ăc-quy cadimi-kền) .Trong đó ăc-quy a-xit được dùng fổ biến và rộng rãi hơn. 1.Cấu tạo của ăc-quy : Các bộ fận chủ yếu của ăc-quy a-xit gồm: -Các lá cực dương làm bằng PbO 2 được ghép song song với nhau thành một bộ chùm cực dương. -Các lá cực âm làm bằng Pb được ghép song song với nhau thành một bộ chùm cực âm. Bộ chùm cực âm và chùm cực dương đặt xen kẽ nhau theo kiểu cài răng lược ,sao cho cứ lá cực âm rồi đến một lá cực dương . -Lá cách đặt giữa các lá cực âm và lá cực dương để tránh hiện tượng chập mạch giữa các điện cực khác dấu. -vỏ bình điện ăc-quy thường làm bằng cao su cứng ( êbonit ) đúc thành hinh hộp ,chịu được khí nóng lạnh ,va chạm mạnh và chịu a-xit.Dưới đáy bình có các đế cao để dắt các lá cực lên ,khi mùn của chất hoạt động rụng xuống thì đọng dưới rãnh đế ,như vậy tránh được hiện tượng chập mạch giữa các điện cực do mùn gây ra.Nắp đậy ăc-quy cũng làm vỏ cao su cứng ,nắp có các lỗ để đổ điện dịch vào bình và đầu cưc luồn qua . Nút đậy để điện dịch khỏi đổ ra. -Cầu nối bằng chì để nối tiếp các đầu cực âm của ngăn ăc-quy này với cực dương của ngăn ăc-quy tiếp theo. 1
3. Đồ án môn học điện tử công suất 2 2.Quá trình biến đổi năng lượng của ăc-quy : Ăc-quy là nguồn có tính chất thuận nghịch ,nó tích trữ và giải fóng năng lượng dưới dạng điện năng .Quá trình ăc-quy cung cấp điện năng cho mạch ngoài gọi là quá trình fóng điện ,quá trình ăc-quy được dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện. Trên thị trường hiện nay dùng fổ biến là ăc-quy a-xit.Loại ăc-quy này có bản cực dương là đi-ô-xít chì (PbO 2 ) ,các bản cực âm là chì (Pb ), dung dịch điện fân là a-xit sunfuaric (H2SO 4 ) . Phản ứng hoá học biểu diễn quá trình chuyển hoá năng lượng của ăc-quy : PbO 2 + Pb + 2 H2SO 4 (H2O )  2 PbSO 4 + 4 H2O a.Quá trình nạp điện cho ăc-quy : Khi đổ dung dịch a-xit sunfuric vào các ngăn của bình thì trên các bản cực sẽ sinh ra một lớp mỏng chì sunfat PbSO 4 : PbO + H2SO 4 PbSO 4 + H2O Đem nối nguồn điện một chiều vào hai đầu của ăc-quy thì dòng một chiều sẽ được khép kín qua mạch ăc-quy và dòng đó đi theo chiều: cực dương nguồn một chiều đầu cực 1 ăc-quy chùm bản cực 1 qua dung dịch điện fân bản cực 2 đầu cực 2 của ăc-quy cực âm nguồn một chiều. Dòng điện sẽ làm cho dung dịch điện fân fân ly: 2 H2SO 4 H + SO 4 Catiôn H theo dòng điện đi về fía chùm bản cực nối với âm nguồn điện và tạo ra fản ứng tại đó: 2 H + PbSO 4 H2SO 4 + Pb 2 Các aniôn SO 4 chạy về fía chùm bản cực nối với cực điệnương của nguồn điện tạo ra fản ứng tại đó : PbSO 4 + 2H2O + cc 2H2SO 4 + PbO 2 Kết quả là ở các chùm bản cực được nối với bản cực dương của nguồn điện có chì điô-xit PbO 2 , ở chùm bản cực kia có chì Pb . Như vậy , hai loại chùm cực đã có sự khác nhau về cực tính . Khi nạp ăc-quy ,lúc đầu điện thế tăng dần từ 2V2,4V .Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng lên 2,7V và giữ nguyên.Thời gian này gọi là thời gian nạp no ,nó có tác dụng làm cho fân tử các chất tác dụng ở sâu bên trong lòng bản cực được biến đổi hoàn toàn ,nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng fóng điện của ăc-quy .Trong sử dụng thời gian nạp no của ăc-quy 2
4. Đồ án môn học điện tử công suất 3 thường kéo dài khoảng 2h3h , trong khoảng thời gian này hiệu điện thế của ăc-quy và nồng độ dung dịch điện fân không thay dổi.Sau khi ngắt mạch nạp , điện áp ,sức điện động , nồng độ dung dịch điện fân của ăc-quy giảm xuống và ổn định, dây gọi là thời gian nghỉ của ăc-quy sau khi nạp . Có thể nạp điện cho ăc-quy với dòng điện cố định hoặc nạp ở điện thế không đổi . Nạp ở dòng điện cố định sẽ nhanh nhưng tốn năng lượng hơn chế độ nạp ở điện thế không đổi. b.Quá trình fóng điện ở ăc-quy : Trong quá trình fóng điện của ăc-quy , xảy ra các fản ứng hoá học sau: Tại cực dương : H2SO 4 + PbO 2 + 2 H + 2e PbSO 4 + 2 H2O 2 Tại cực âm: Pb + SO 4 PbSO 4 + 2e Như vậy khi ăc-quy fóng điện , chì sunfat lại được hình thành ở hai chùm bản cực , làm cho các bản cực dần dần trở lại giống nhau còn dung dịch a-xit bị fân tích thành 2 catiôn 2 H và aniôn SO 4 , đồng thời quá trình fóng điện cũng tạo ra nước trong dung dịch , do đó nồng độ của dung dịch giảm dần và sức điện động của ăc-quy giảm dần . Quá trình fóng điện của ăc-quy cũng có thể chia làm hai giai đoạn :ở giai đoạn đầu điện áp ,sức điện động , nồng độ dung dịch điện fân của ăc-quy giảm chậm,đây gọi là giai đoạn fóng ổn định hay thời gian fóng điện cho fép của ăc-quy .Trong giai đoạn tiếp theo ,điện áp ăc-quy sẽ giảm rất nhanh . 3. Các thông số cơ bản của ăc-quy : a.Sức điện động của ăc-quy : Sức điện động của ăc-quy chì fụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện fân Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm : Eo = 0.85 +  (V) Eo : sức điện động tĩnh của ăc-quy đơn : nồng độ dung dịch điện fân ở 15 0 c (g/ cm3 ) . -Sức điện động trong quá trình fóng điện của ăc-quy : Ep = Up + Ip.Rp Up là điện áp đo trên các cực của ăc-quy khi fóng điện. Rp là điện trở trong của ăc-quy . -Sức điện động trong quá trình nạp điện của ăc-quy : En = Un – In.Rn Un là điện áp đo trên các cực của ăc-quy khi nạp điện. Rn là điện trở trong của ăc-quy . b.Dung lượng của ăc-quy ( C ): 3
5. Đồ án môn học điện tử công suất 4 Dung lượng fóng là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng của ăc-quy cho fụ tải : Cp = Ip.Tp Tp là thời gian fóng điện Dung lượng nạp là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng của ăc-quy : Cn = In.Tn Tn là thời gian fóng điện . 4
6. Đồ án môn học điện tử công suất 5 Chương 2 Thiết kế mạch chỉnh lưu. Bộ chỉnh lưu được thiết kế nhằm biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều. Theo dạng nguồn cấp xoay chiều,chúng ta chia các bộ chỉnh lưu thành một pha , ba pha hay n pha . Các bộ chỉnh lưu này có thể là chỉnh lưu không điều khiển nếu dùng van chỉnh lưu là diode , chỉnh lưu có điều khiển nếu dùng van chỉnh lưu là tiristo , và chỉnh lưu bán điều khiển nếu van chỉnh lưu dùng cả diode lẫn tiristo . Với các số liệu cho trước như sau: . Điện áp định mức của ăc-quy nằm trong khoảng 5V đến 50V. . Dòng nạp định mức ăc-quy là 50A . Dòng nạp min của ăc-quy là 10A. Công suất nguồn nạp nhỏ hơn 10kw nên chọn bộ biến đổi là bộ chỉnh lưu một pha . Ta có thể dùng các sơ đồ sau : . Chỉnh lưu một pha 2 nửa chu kỳ có điều khiển. . Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển đối xứng. . Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển không đối xứng . A .Các phương án thiết kế mạch chỉnh lưu : 1. Chỉnh lưu một pha 2 nửa chu kỳ có điều khiển: Trong sơ đồ này ,máy biến áp fải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt T1 nhau ,ở mỗi nửa chu kỳ khi có xung tới điều khiển mở tiristo có một van dẫn cho E R dòng điện chạy qua . Điện áp đập mạch trong cả hai nửa chu kỳ với tần số đập mạch bằng hai lần tần số điện áp xoay chiều . Hình dáng các đường cong điện áp và dòng điện tải T2 (Ud,Id ) cho trên hình vẽ . Điện áp trung bình trên tải thuần trở được tính theo công thức : Ud Id Ud Udo(1 cos ) 2 U,I Với Udo là điện áp chỉnh lưu khi E không điều khiển và bằng Ud 0,9U t 2 T1 T2 T1 5
7. Đồ án môn học điện tử công suất 6 là góc mở của các tiristo. Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van : Unmax 2 2 U2 Mỗi van dãn thông trong một nửa chu kỳ , do vậy dòng điện mà van bán dẫn fải chịu tối đa là bằng 1/2 dòng điện tải Id Trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua van Ihd 2 * Nhận xét : trong sơ đồ này , dòng điện chạy qua van không quá lớn . Khi van dẫn ,điện áp rơi trên van nhỏ.Việc điều khiển các van bán dẫn ở đây tương đối đơn giản .Tuy vậy ,việc chế tạo biến áp có hai cuộn dây thứ cấp giống nhau , mà mỗi cuộn chỉ làm việc trong nửa chu kỳ ,làm cho việc chế tạo máy biến áp phức tạp hơn và hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn , mặt khác điện áp ngược của các van bán dẫn fải chịu có trị số rất lớn. 2. Chỉnh lưu cầu một fa có điều khiển một fa đối xứng: Trong nửa chu kỳ đầu , lúc U2 > E điện áp anod của tiristo T1 dương lúc đó catod của T2 âm , nếu có xung điều khiển cả hai van T1 ,T2 đồng thời ,thì các T 1 T 3 van này sẽ được mở thông để đặt điện áp R lưới lên tải , T1 , T2 sẽ dẫn đến khi U2 E , điện E áp anod của tiristo T3 dương T 4 lúc đó catod của T4 âm , nếu có xung T 2 điều khiển cả hai van T3 ,T4 đồng Ud thời ,thì các van Id này sẽ được mở thông để đặt điện áp lưới lên tải. U,I Điện áp trung bình đặt lên tải: E t T3,T4 T1,T2 Ud Udo(1 cos ) 2 T1,T2 với Udo 0,9U2 Dòng trung bình chạy qua tiristo : Itb = Id/2 Id Dòng hiệu dụng chạy qua van : Ihd 2 Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van : Unmax U2 2 * Nhận xét : So với sơ đồ trên ,ở sơ đồ này điện áp ngược lớn nhất đặt lên van chỉ bằng một nửa,biến áp dễ chế tạo và có hiệu suất cao hơn . Tuy nhiên , sơ đồ này 6
8. Đồ án môn học điện tử công suất 7 nhiều khi gặp khó khăn trong việc mở các van điều khiển , nhất là khi công suất xung không đủ lớn . 3 . Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển không đối xứng : ở nửa chu kỳ đầu , khi u2 > E , nếu có T1 D2 xung tới mở tiristo T1 , xuất hiện dòng chạy qua T1 , D1 .ở nửa chu kỳ sau , khi E u2 > E , nếu có xung điều khiẻn mở tiristo U2 thì T2 và D2 thông, cho phép dòng qua tải R Điện áp trung bình đặt lên tải: T2 D1 Ud Udo(1 cos ) 2 với Udo 0,9U2 Với Udo là điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van Ud Unmax U2 2 Id Dòng hiệu dụng qua tiristo : U,I I I E T d 2 t Dòng hiệu dụng qua diode : T1,D1 T2,D2 T1,D1 I I D d 2 Dòng trung bình qua diode : I I tbD 2 d Dòng trung bình qua tiristo : I I tbT 2 d * Nhận xét : Ngoài những ưu điểm của sơ đồ cầu đối xứng thì ở sơ đồ cầu không đối xứng ,việc điều khiển mở các tiristo là đơn giản hơn . Mặt khác , sơ đồ này sử dụng một nửa số van là diode và một nửa số van là tiristo nên giá thành của van giảm . Vậy ta dùng sơ đồ chỉnh lưu cầu một fa có điều khiển không đối xứng để thiết kế nguồn nạp cho ăc-quy . 7
9. Đồ án môn học điện tử công suất 8 B . Tính toán mạch chỉnh lưu : 1 . Tính toán chọn van : -Dòng hiệu dụng qua tiristo T1 D2 I I T d 2 E -Dòng hiệu dụng qua diode U2 I I D d 2 R T2 D1 Khi 6 : 1 I 100 1 108(A) D 6 1 Ud I 100 1 91,3(A) Id T 6 - Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van U,I Unmax U2 2 E - Điện áp chỉnh lưu trung bình khi không tải  T2,D2 T1,D1 U 2 Id T1,D1 U 2 (1 cos ) do I T1  Mặt khác Udo Ud Uv Uba Trong đó : Uv là điện áp rơi trên van khi I D1  van dẫn Ud là điện áp trung bình trên tải I T2  Uba = Ur + UL là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp I D2  -Tính sụt áp trên máy biến áp : Máy biến áp công suất cữ chục KVA thuộc loại MBA  công suất nhỏ ,sụt áp trên điện trở khoảng 4%Ud , sụt áp trên cuộn kháng khoảng 1,5% Ud. Vậy Uba = 4%Ud + 1,5%Ud = 5,5%Ud - Sụt áp trên van khi van dẫn : lấy sụt áp trên mỗi van khoảng 1,7V Uv = 1,7.2 = 3,4V Udo Ud + 5,5%Ud + 3,4V = 1,055 Ud + 3,4 8
10. Đồ án môn học điện tử công suất 9 Udo . (1,055Ud 3,4) U2 66,84(V) (1 cos ) 2 (1 cos ) 2 Unmax U2 2 66,84 2 94,53(V) * Chọn van : hệ số dự trữ về áp Ku = 1,6 Hệ số dự trữ về dòng Ki=1,8 . Điện áp ngược của van có tính đến hệ số dự trữ : UN UNmax .Ku 94,53.1,6 151,25(V) Dòng định mức qua diode : IDm ID .1,8 108.1,8 194,4(A) Ta chọn loại diode 1N3976 có các thông số như sau : Imax = 250A ; Un = 200 V ; Uv = 0,6V .Dòng định mức qua tiristo : ImT 91,3.1,8 164,3A Với điều kiện làm mát tự nhiên thì dòng làm việc của tiristo chỉ bằng một fần ba dòng cho fép qua nó . Do đó , dòng cho fép qua tiristo là : 164,3.3 = 492,9A Ta chọn loại tiristo NLC510E có các thông số như sau : Imax = 550A ; Un = 500V ; Uv = 1,5V ; Igmax = 150mA ; Ugmax = 6,5V .  Bảo vệ quá áp cho tiristo : Trong quá trình hoạt động van có thể fải chịu các xung điện áp rất lớn so với điện áp mà van có thể chịu được . Các xung điện áp đó có thể là do các nguyên nhân sau : - Xung điện áp do quá trình chuyển mạch van - Xung điện áp từ fía lưới xoay chiều mà nguyên nhân thường gặp là do tải có điện cảm lớn trên đường dây - Xung điện áp do cắt đột ngột máy biến áp non tải . Để bảo vệ van khỏi các xung điện áp ta dùng mạch RC T mắc song song với tiristo như hình bên . Khi có xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp của van , mạch RC mắc song song với van bán dẫn tạo mạch vòng fóng điện tích tránh sự quá R C áp trên van . Theo kinh nghiệm người ta thường chọn các thông số RC có giá trị : R = 10 ; C = 1F 2. Tính toán MBA cho mạch chỉnh lưu : b * Tính công suất MBA : e Điện áp chỉnh lưu không tải : U U Uv U U do = d + ba = 2,1 +1,055 d H a h Udo = 2,1 + 1,055 . 50 = 54,95 (V) Pdo = Udo . Id = 54,95 . 100 = 5495 (W) c D 9
11. Đồ án môn học điện tử công suất 10 Công suất của MBA : S ba = Ks . Pdo = 1,23 . 5,495 = 6,76 KVA Trong đó Ks là hệ số công suất MBA . Lấy Ks= 1,23 ( Sách hướng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất ) * Tính thông số áp dòng của các cuộn dây: - Điện áp cuộn thứ cấp : Udo . (1,055Ud 2,2) U2 65,4(V) (1 cos ) 2 (1 cos ) 2 - Điện áp cuộn sơ cấp : U1 =220 V - Dòng chạy trong cuộn thứ cấp : I2 I T 91,3A -Dòng chạy trong cuộn sơ cấp : I1 S ba / U1 6,76 / 220 30,7A * Tính toán dây quấn : U1 -Số vòng cuộn sơ cấp : W1 4,44.f.Qfe.B Sba 6760 trong đó : Qfe là tiết diện trụ Qfe = Kq 6 49,3cm2 m.f 2.50 với : m là số trụ MBA Kq là hệ số fụ thuộc fương thức làm mát Chọn loại tôn có B = 1,5 T 220 W1 134 vòng 4,44.50.49,3.1,5.10 4 65,4 -Số vòng cuộn thứ cấp : W2 40 vòng 4,44.50.49,3.1,5.10 4 -Tiết diện dây sơ cấp : chọn J = 2,75A/mm 2 Scu1 I1/ J 30,7 / 2,75 11,2mm2 đường kính dây sơ cấp : d1 4.S1/ 3,77mm -Tiết diện dây thứ cấp : Scu2 I2 / J 91,3 33,2mm2 d2 4.S2 / 6,5mm * Tính kích thước mạch từ : mạch từ dùng tôn silic có trọng lượng riêng 7,5kg/dm 3 - Chọn trụ hình chữ nhật :diện tích Q=a.b=49,3cm 2 - Chọn các lá thép có độ dày là 0,4mm - Theo các công thức kinh nghiệm như sau : b/a = 1,5 ; c/a =2 ; h/a = 2,5 ; e/a = 0,5 (Sách hướng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất ) 10
12. Đồ án môn học điện tử công suất 11 a = 5,7cm ; b = 8,6cm ; c = 11,5cm ; h = 14,3 cm ; e = 2,87 cm D = 2a + c =22,96 cm ; H = h + 2e = 20cm * Tính kết cấu dây quấn : -Số vòng dây của mỗi lớp : với sơ cấp : Wl1 = h/d1 = 143/3,77 38 vòng với thứ cấp : Wl2 = h/d2 = 143/6,5 = 22 vòng Vậy số lớp cuộn dây sơ cấp : N1 = W1/Wl1 =134/38 4 lớp Số lớp cuộn dây thứ cấp : N2 = W2/Wl2 = 40/22 = 2lớp -Bề dày mỗi cuộn dây Sơ cấp : B1 = d1.N1 + cd .N1 = 3,77.4 +0,1.4 = 15,48mm Thứ cấp : B2 = 6,5.2 + 0,1.2 = 13,2 mm Trong đó cd là chiều dày lớp cách điện ( cd = 0,1mm ) - Tổng bề dày các cuộn dây : B = B1 + B2 + cd + cd n = 15,48 + 13,2 + 1 + 0,1 = 29,78mm Trong đó cd là chiều dày cách điện trong ( cd = 1mm) cd n là chiều dày cách điện ngoài ( cd n =0,1mm) * Tính khối lượng đồng và sắt : . Mfe Vfe.mfe; Vfe 2.h.a.b 2.D.a.b 3673,84cm3 Mfe 7,5.3673,84.10 3 27,5kg .Mcu Vcu.mcu;mcu 8,9kg / dm3 Vcu Scu1.l1 Scu2.l2 l1 W1. .Dtb ; Dtb=(Dt1 + Dn1)/2 2 2 2 2 Dt1 = a b cdt 5,7 8,6 0,1 10,42cm Dn1 Dt1 (d1 cd).N1 10,42 (0,377 0,01).4 11,97cm Dtb1 (10,42 11,97)/2 11,2cm l1 W1. .Dtb1 134. .11,2 4712,5cm l1 là chiều dài dây quán sơ cấp chiều dài dây quấn thứ cấp l2 được tính như sau: Dt2 10,42;Dn2 Dt (d2 cd).N2 11,74cm Dtb2 (10,42 11,74)/2 11,08cm l2 W2. .Dtb2 40. .11,08 1391,65cm trong đóDt,Dn là đường kính trong và ngoài của cuộn dây (sơ và thứ cấp ) Dtb là đường kính trung bình của cuộn dây (sơ và thứ cấp ) Vcu Scu1.l1 Scu2.l2 =11,2.47125 + 33,2.13916,5 = 0,99dm 3 Vậy m cu = 0.99.8,9 = 8,9kg *Tính sụt áp bên trong MBA : chọn dây sơ cấp có đường kính d1 = 4,1mm và điện trở trên một đơn vị chiều dài là ro = 0,00123/m. 11
13. Đồ án môn học điện tử công suất 12 Dây thứ cấp có d2 = 6,5mm ; ro = 0,000811/m - Điện trở dây quán ở 75 o C là : Sơ cấp : R1 = ( 1+ t)l1.ro = (1 + 0,004.75).47,125.0,00123 = 0,075 Thứ cấp : R2 = (1 + 0,004.75).13,9165.0,00811 = 0,015 - Sụt áp trên điện trở của MBA là : Ur = [R2 + R1.(W2/W2) 2 ].Id = 2,1V - Sụt áp trên điện kháng của MBA là : 3XId B1 B2 U = ; X 8 2 W22.(r /h)[cdo ].10 7 0,0167  3 trong đó cdo = 0,2mm là chiều dày cách điện các cuộn dây sơ và thứ cấp với nhau U = 0,0167.100/ = 0,53V Vậy tổng sụt áp trên MBA là : Uba = 0,53 + 2,1 = 2,63V 12
14. Đồ án môn học điện tử công suất 13 Chương 3 Thiết kế mạch điều khiển A. Giới thiệu chung về mạch điều khiển : * Mạch điều khiển có các chức năng sau : - Điều khiển được vị tri xung trong fạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên anod và catod của tiristo . - Tạo được các xung đủ điều kiện mở được tiristo ( xung điều khiển thường có biiên độ từ 2V dến 10V ,độ rộng xung thường từ 20s đến 100s) I Độ rộng xung được xác định theo biểu thức sau : t dt x di/ dt Idt là dòng duy trì của tiristo * Cấu trúc của một mạch điều khiển như sau : 1 2 3 4 Uc X S S ĐF Urc Trong đó : - ĐF : khâu tạo điện áp đồng fa - Urc : điện áp răng cưa - Uc : là điện áp điều khiển - khâu 1 : khâu so sánh điện áp giữa Uc và Urc , khi Uc – Urc = 0 thì trigơ lật trạng thái . - khâu 2 : khâu tạo xung chùm - khâu 3 : là khâu khuyếch đại xung - khâu 4 : khâu biến áp xung . Bằng cách điều chỉnh Uc ta có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điều chỉnh được góc 13
15. Đồ án môn học điện tử công suất 14 B. Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của mạch điều khiển :  Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển : Điện áp hình sin sau khi qua MBA để tạo điện áp đồng fa , được đưa vào bộ chỉnh lưu cầu một fa và qua khâu so sánh A1 để tạo điện áp dạng xung hình chữ nhật UI . Do có sự fóng nạp của tụ C1 , ở đầu ra của A2 có điện áp dạng răng cưa UII . UII sau đó được so sánh với điện áp điều khiển Uđk qua khâu A4 tạo điện áp xung chữ nhật . Điện áp này qua diode D13 chỉ còn lại các xung dương UIV. Thời điểm fát xung của A4 được điều chỉnh nhờ thay đổi điện áp Uđk . Do đó góc điều khiển có thể thay đổi khi điều chỉnh Uđk Khâu A3 và diode D2 tạo xung chùm có điện áp dương UIII . Độ rộng của các xung này tuỳ thuộc vào giá trị R4 và C2 được xác định dựa trên yêu cầu của tiristo cần điều khiển . Các điện áp UIV và UIII qua fần tử AND và được đưa vào khâu khuyếch đại xung và biến áp xung để tạo các xung có công suất đủ lớn để mở các tiristo . Khối phản hồi dòng điện ( bao gồm các khâu A5 và A7 ) tự động điều chỉnh dòng điện ổn định khi nó thay đổi trong quá trình nạp ăc-quy và tạo giá trị dòng nạp ban đầu theo yêu cầu của ăc-quy . Khối phản hồi áp (khâu A10 ) tự động điều chỉnh điện áp khi điện áp thay đổi . Điện áp fản hồi được so sánh với điện áp đặt trên biến trở VR1 . Khi điện áp fản hồi Uf nhỏ hơn điện áp đặt ( bằng 93%Uđm của ăc-quy ) thì ở đầu ra của A6 xuất hiện xung âm làm khoá K2 và mở K1 cho fép ăc-quy vẫn nạp theo dòng . Khi Uf lớn hơn điện áp đặt thì ở đầu ra của A6 xuất hiện xung dương làm K2 mở và K1 đóng , lúc này ăc-quy chuyển sang chế độ nạp theo áp . Trong lúc nạp theo áp , khi điện áp nạp đạt giá trị 113%Uđm thì quá trình nạp được ngắt nhờ khâu bảo vệ quá áp ( gồm khâu A9 , tranzito T4 và rơle RH ) .  Dạng điện áp của các khâu trong mạch điều khiển như sau : 14
16. Đồ án môn học điện tử công suất 15 1,5 1 2  U I Ubh 0  - Ubh U II  U đk Ubh 0  - Ubh U IV 0  U III  0  15
17. Đồ án môn học điện tử công suất 16 B. Hoạt động của các khâu trong mạch điều khiển : 1. Khâu tạo điện áp đồng fa và điện áp răng cưa : R2 DZ D9 D11 R1 + E D1 C1 R3 A 1 + E MBA + E  A2 D12 D10 R27 - E I I R28 - E  Nguyên lý hoạt động : MBA tạo điện áp đồng fa với điện áp đặt vào mạch lực . Điện áp hình sin sau khi qua chỉnh lưu được đưa vào khâu so sánh A1 tạo điện áp hình xung chữ nhật . Do có diode D1 nên chỉ có xung dương của điện áp UI được đưa vào nạp cho tụ C1. Khi có xung âm , D1 khoá ,T1 mở , tụ C1 fóng điện qua R2 , A1 . Do quá trình fóng nạp của tụ C1 nên ta có được điện áp ra của khâu A2 có dạng xung tam giác . Điện trở R2 nhằm hạn chế dòng qua tranzito T1 . Diode Dz mắc song song tụ C1 nhằm khống chế điện áp ra UII không vượt quá U DZ . - Trong quá trình nạp cho tụ C1 : UI dUII 1 t C1. UII UI.dt Uo R3 dt R3.C1 0 tại thời điểm bắt đầu nạp cho tụ C1 , điện áp trên tụ bằng 0 1 Ubh.t UII .UI.t R3.C1 R3.C1 - Điện áp bão hoà : Ubh = E – 2 = 15 – 2 = 13V - thời gian nạp cho tụ C1 là : tn = T/2 – 2.1/ - chọn điện áp dặt UR28 15V 1,5 Uđf = 22 2 sin sin1 22 2 16
18. Đồ án môn học điện tử công suất 17 30.00 20.00 Uđf 10.00 Output 1,5V 0.00 U I -10.00 -20.00 0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m 70.00m Time [s] 30.00 20.00 Uđf 10.00 Output 0.00 -10.00 U II -20.00 0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m 70.00m Time [s] 17
19. Đồ án môn học điện tử công suất 18 Thời gian nạp cho tụ C1 là: 0,02 0,048 tn 2. 0,0097 s 2 314 Ubh.tn UII R3.C1 chọn UII max = -Ubh = -13V R3.C1 = tn = 0,0097 chọn R3=10k C1 = 0,0097/10000 = 0,97F - Trong quá trình fóng của tụ C1 : 1 UII UI.t Uof R2.C1 trong đó : Uof = UIImax t là thời gian fóng điện của C1 t < 1/314 = 0,048/314 = 0,153ms 0,153 .10 3 R2 157,73 0,97.10 6 chọn R2 = 150  - chọn các điện trở R28 = 1k ; R29 = 9k - chọn diode : các diode D9 , D10 , D11 , D12 và D1 dùng loại D-1001 có các thông số I = 1A và Ung = 200 V. - chọn diode Dz loại BZ23-C15 có điện áp ngược cực đại = 14,75 V - chọn tranzito loại C828 có các thông số Uce = 30 V; Ice = 300mA ;  =30  100 - chọn IC thuật toán loại A741 có các thông số như sau : Zvào = 300k ; Zra = 60 ; En = 15V ; t = 55 o C  125 o C . 18
20. Đồ án môn học điện tử công suất 19 2. Khâu tạo xung chùm : R 4 + E A 3 C 2 - E R 5 U c R 6 U r  Nguyên lý hoạt động : khâu A3 thực hiện so sánh 2 điện áp Ur và Uc , tạo Uc chuỗi xung chữ nhật ở đầu ra . Ubh k.Ubh Ur k.UIII1 trong đó k = R6/( R5 + R6)  Xác định chu kỳ xung ra : Tụ C2 được nạp từ điện áp Ubh qua R4. Chọn điện áp trên tụ lúc bắt đầu nạp là Uc(0) = -k.Ubh  Ta có biểu thức tính thời gian nạp cho tụ là : 2.R6 R5 T1 = R4.C2.ln - Ubh R5 Chọn R5 = R6 = 1k : T1 = 1,1.R4.C2 Vì khi fóng và nạp điện cho tụ C2 thì dòng đều chạy qua R4 nên thời gian fóng T2 = T1 Vậy biểu thức tính chu kỳ xung ra : T = T1 + T2 = 2,2R4.C2  Chọn xung có độ rộng là 50s , chọn R4 = 100 : C2 = 0,45F 19
21. Đồ án môn học điện tử công suất 20 3.Khâu so sánh điện áp :  A4 thực hiện so sánh điện áp răng cưa của UII với điện áp điều khiển Uđk : U II - khi Uđk > UII thì Ud = Uđk – UII > 0 R18 ở đầu ra của A4 có xung dương +Ubh =13V A 4 - khi Uđk < UII thì Ud = Uđk – UII < 0 U đk R1 9 ở đầu ra của A4 có xung âm – Ubh = -13V . chọn R18 = R19 =1k 20.00 10.00 0.00 Output Uđk -10.00 -20.00 0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m 70.00m Time [s] 20
22. Đồ án môn học điện tử công suất 21 4.Khối fản hồi : R9 R21 - E R7 - E R10 A5 Us Rs UV R34 A7 + E U VII R8 - E VR2 + E - E + E R15 NOT VR1 A6 UVI R16 + E Uf R32 R13 Rf2 - E R33 A10 Rf1 U X + E R31 VR4 - E Nguyên lý hoạt động : - khâu fản hồi dòng : Điện trở sun Rs chuyển dòng fản hồi thành áp đặt vào khâu khuyếch đại không đảo A5 . - khâu fản hồi áp : Điện áp fản hồi đươch đưa vào so sánh với điện áp đặt Uvr1 . . Khi Uf1 Uvr1 : ở đầu ra khâu so sánh xuất hiện xung dương làm K2 mở và K1 khoá ,do đó ăc-quy ở chế độ nạp theo áp . - Nguyên tắc ổn dòng tự động : Udo E U2 2 1 Ta có : Id ; Udo (1 cos ) ; Udk Urc max Raq 2.1 .khi dòng nạp Id tăng , cần giảm Id cần giảm Udo cần tăng Uđk fải tăng lên , ngược lại khi Id giảm cần giảm Uđk . 21
23. Đồ án môn học điện tử công suất 22 R9 Đưa điện áp Us vào khâu khuyếch đại không đảo A5 , ta có : U Us.(1 ) . V R7 Mặt khác : Uđk = -U V - Uđ Vậy khi dòng nạp Id tăng ,điện áp fản hồi trên điện trở sun tăng Uđk tăng Ngược lại khi dòng nạp giảm thì Uđk giảm . - Nguyên tắc ổn áp tự động : khi điện áp nạp cho ăc-quy Ud tăng ,cần giảm Ud Do đó góc fải tăng lên , điện áp Uđk tăng và ngược lại khi Ud giảm thì Uđk fải giảm . Đưa điện áp fản hồi qua khâu khuyếch đại đảo A8 ,sau đó trộn với lượng điện áp đặt Uđ . Ta có : U VIII = Uf1(1 + R12/R11) ; Uđk = - U VIII - Uđ Vậy khi Uf1 giảm sẽ làm U VIII giảm nên Uđk giảm ,ngược lại khi Uf1 tăng thì U VIII tăng nên Uđk tăng .  Tính toán chọn điện trở : - Với khâu ổn dòng : Dùng 2 điện trở sun loại 50A_75mV mắc song song .Ta cần nạp cho 4 bình ăc-quy , mỗi bình có 6 ngăn ăc-quy đơn , mỗi ngăn ăc-quy đơn có sức điện động ban đầu là 2V , điện trở trong của mỗi ăc-quy đơn là 0,015 . Điện áp nạp cho 4 bình ăc-quy khi dòng nạp là 100A là : Un = In.Raq + E = 100.0.015.6.4 + 2.6.4 = 51,6V U 2 Ta có Un = U 2 (1 cos ) do Do đó góc = 44,36 o 1 Udk Urc max nên Uđk = Urcmax.0,24 = -13.0,24 = -3,12V 2.1 Uđk = -U V - Uđ điện áp đặt Uđ = 3,12 – 0,075.150 = -8,13V . Ta có R9/R7 = 150 chọn R7 = 10 ; R9 = 1,5k min = 1 Uđkmin = 0 Uđmax = - U V = -11,25V VR2 / ( VR2 + R8 ) = 11,25/15 chọn R8 = 4k ; VR2 = 11k Chọn R21 = R10 = R34 = 1k . - Với khâu so sánh A6 : chọn Rf1/( Rf1 + Rf2 ) = 11/50 Rf1 = 11k ; Rf2 = 39k Như vậy khi nạp cho ăc-quy có điện áp định mức là Ud = 50V ta để điện áp UVR1 ở mức : 93% .11 = 10,23V Khi điện áp trên ăc-quy vượt quá 93%Uđm thì ta có : Uf1 > 93%Uđm.Rf1/(Rf1+Rf2) = 10,23V ở đầu ra A6 xuất hiện xung dương ngắt K1 và mở K2 ăc-quy chuyển sang chế độ nạp áp 22
24. Đồ án môn học điện tử công suất 23 - Với khâu ổn áp nạp : điện áp nạp cho 4 ăc-quy khi ăc-quy được nạp no là 113% Un = 113%.51,6 = 58,31 V U 2 Un = U 2 (1 cos ) = 0,357rad =20,5 o do Uđk = -13.0,102 = -1,326V điện áp fản hồi lúc này là : Uf1 = 113%.51,6.11/50 = 12,83V Uđk = -Uf1 – Uđ điện áp đặt trên biến trở VR4 là: Uđ = -Uf1 – Uđk = - 11,504V Chọn VR4 / (R31+ VR4) =11,504/15 chọn R31 = 4k ; VR4 = 11 k . Chọn R32 = R33 = R13 = 1k . Ta dùng khoá chuyển mạch loại 4066B Quad Bilateral Switches . 5. Khâu biến áp xung : Khâu biến áp xung bao gồm khối khuyếch đại T2 , T3 mắc theo kiểu Darlington và máy biến áp xung tạo ra các xung điều khiển có công suất theo yêu cầu của van . Diode D6 ngăn chặn xung áp âm có thể En có khi van bị khoá . D7 chống điện áp âm đặt lên 2 cực RH G-K của tiristo R26 D8 hạn chế quá áp trên các cực colecto và D6 T emito của tranzito T2 , T3 D8 Điện trở R25 có tác dụng tạo một sụt áp D7 khoảng 0,4V điều khiển mở tranzito T3 lúc MBAX dòng ra đủ lớn và chuyển chúng từ mở T2 sang khoá nhanh hơn . Điện trở R26 hạn chế dòng ngắn mạch T3 của tranzito T3 . R25 Van cần điều khiển có các thông số : D5 Ug = 6,5V ; Ig = 150 mA giá trị dòng thứ cấp của biến áp xung : I2 = Ig = 150mA điện áp thứ cấp của BAX là : U2 = 6,5V + 0,6 = 7,1 V MBAX có tỉ số biến đổi là 2/1 điện áp sơ cấp của BAX là : U1 = 7,1.2 = 14,2V Dòng sơ cấp I1 = 150/2 = 75mA . điện trở R26 = ( En – U1)/I1 = ( 24 – 14,2 )/0,075 = 130  . Chọn tranzito T3 loại ST603 có các thông số cơ bản : Uce = 30V ; Ice = 800mA  = 30100 23
25. Đồ án môn học điện tử công suất 24 chọn tranzito T2 loại C828 có các thông số như sau : Uce = 30 V ;Ice = 300mA  = 30100 Ube3 Ube3 0,4 Điện trở R25 = 0,16k . Chọn điện trở R25 = 150 Ice2 Ice3 75 3 30 Chọn điện trở D5 , D6 , D7 , D8 loại D-1001 có các thông số : I = 1A ; Ung = 200V  Tính toán máy biến áp xung : Điện áp sơ cấp U1 = 7,1V Điện áp thứ cấp U2 = 14,2V Dòng sơ cấp I1 = 75mA ; Dòng thứ cấp I2 = 150mA . Chọn vật liệu lõi BAX là ferit làm việc trên một fần đặc tính từ hoá Bs = 0,45 T Độ từ thẩm  = 6000A/m Số vòng dây sơ cấp : W1 = U1.tx/Bs.S trong đó tx là chiều dài xung truyền qua BAX có giá trị tx = 50s = 50.10 6 s tiết diện của lõi ferit S = 1cm 2 = 10 4 m 2 số vòng sơ cấp : W1 = 16 vòng số vòng thứ cấp : W2 = 8 vòng tx 50.10 6 Giá trị dòng điện trung bình ở sơ cấp : I I 75 3,75mA tb1 1 T 20.10 3 tx 50.10 6 Giá trị dòng điện trung bình ở thứ cấp : I I 150 7,5mA tb2 2 T 20.10 3 Chọn mật độ dòng điện J = 2,5A/mm2 I1 Đường kính dây sơ cấp : d1 = 2 0,044mm J I2 Đường kính dây sơ cấp : d2 = 2 0,062mm J Chọn dây đồng có tiết đường kính:d1 = d2 = d = 0,1mm . E 6. Khâu bảo vệ quá áp cho ăc-quy : D3 Khâu bảo vệ quá áp cho ăc-quy ngừng quá RH Uf1 trình nạp cho ăc-quy khi điện áp nạp cho ăc- R22 quy lớn hơn 113%.Uđm . A9 T4 R24 Đặt UVR3 = 113%.50.Rf1/( Rf1+Rf2 ) =12,43V Như vậy khi điện áp nạp cho ăc-quy lớn hơn 113%.50 = 56,5V thì điện áp fản hồi R23 D4 24 E VR3
26. Đồ án môn học điện tử công suất 25 Uf1 > 56,5.11/50 = 12,43V ở đầu ra A9 xuất hiện xung dương mở tranzito T4 Rơle RH được cấp điện tiếp điểm RH ngắt mạch điều khiển tiristo bị ngắt quá trình nạp dừng . Ngược lại , khi Uf1 < UVR3 T4 khoá quá trình nạp cho ăc-quy hoạt động bình thường . Chọn biến trở VR3 = 15k . Chọn R22 = R23 = R24 = 1k . Diode D4 có tác dụng chống điện áp ngược đặt lên cuộn hút của Rơle RH . Diode D3 chống điện áp ngược đặt lên Ube của tranzito T4 . Chọn tranzito T4 loại C828 . Chọn diode loại D-1001 . 7. Khối tạo nguồn một chiều : Khối tạo nguồn một chiều cung cấp điện áp một chiều cho các khuyếch đại thuật toán hoạt động và cho các điện áp đặt đặt ở đầu vào các IC thực hiện nhiệm vụ so sánh điện áp . E Chọn IC ổn áp loại : 7815 . UA7815 có điện áp ngưỡng = 35V D21 C5 Dòng điện ra Io = 1,5A D22 C1 C3 điện áp ra : E = 15V . UA7915 có điện áp ngưỡng = -40V dòng điện ra Io = 1,5A C2 C4 Điện áp ra : - E = -15V D23 C6  Chọn tụ lọc fẳng C1 = 1000F ; C2 = D24 7915 500F ; C 3 = C4 = 100F -E chọn 2 tụ lọc nhiễu C5 = C6 = 0,1F  Chọn các diode loại D-1001 có các thông số : Itb = 800mA ; Ung = 100V 8. Tính máy biến áp cho mạch điều khiển:  Từ các số liệu đã tính toán cho mạch điều khiển , cần có 3 nguồn điện áp cung cấp cho các mạch sau: mạch tạo điện áp đồng fa ( W21 ), mạch tạo nguồn điện áp một chiều ổn định cung cấp cho các khuyếch đại thuật toán ( W23 ), mạch cung cấp điện áp một chiều cho khâu khuyếch đại xung và khâu bảo vệ quá áp cho ăc-quy ( W22 ) . - Với mạch tạo điện áp đồng fa : U21 = 22V , I21 =100mA . - Với mạch tạo nguồn điện áp một chiều ổn định cung cấp cho các khuyếch đại thuật toán : U23 = 32V , I23 = 500mA . - mạch cung cấp điện áp một chiều cho khâu khuyếch đại xung và khâu bảo vệ quá áp cho ăc-quy U22 = 24V , I22 = 500mA . Ta tính được công suất của các MBA nguồn : P21 = 22 . 0,1 = 2,2W 25
27. Đồ án môn học điện tử công suất 26 P22 = 32 . 0,5 = 16W P23 = 24 . 0,5 = 12W P = P21 + P22 + P23 = 2,2 + 16 + 12 = 30,2W Theo kinh nghiệm thực tế ta tính tiết diện lõi sắt từ theo công thức sau : S = 1,2 P 1,2 30,2 6,6cm 2 Dựa vào bảng tra MBA công suất nhỏ ta chọn lõi sắt có tiết diện S = 7,28cm 2 Ghép bằng lá thép loại III 20 40 có bề dày 0,35mm có các thông số sau : a = 20mm ; h = 50mm ; H = 70mm ; c = 20mm ; B = 40mm ; C = 80mm c a/2 H h a C thể tích của thép từ Q=125cm 2 ; trọng lượng thép từ G = 0,99kg . - tính số vôn/vòng dây của MBA : Uv = 4,44 . f .B . T . 10 4 trong đó f = 50Hz ; B = 1,1T ; tiết diện trụ : T = 2,28 Uv = 0,17 V/vòng dây số vòng của cuộn sơ cấp : W1 = 220/0,17 = 1294 vòng số vòng dây thứ cấp nguồn đồng fa : W21 = 22/0,17 130 vòng số vòng dây thứ cấp 22 : W22 = 24/0,17 142 vòng số vòng dây thứ cấp 23 : W23 = 32/0,17 188vòng - Dòng điện chạy trong cuộn sơ cấp : I1 = P/U1 = 30,2/220 = 0,14A với mật độ dòng điện j = 2,5A/mm 2 thì tiết diện dây sơ cấp là : s1 = 0,14/2,5 = 0,056mm 2 ta chọn dây có tiết diện s1 = 0,056mm 2 ; d = 0,31mm tiết diện dây thứ cấp 21 : S21 = I21/j = 0,1/2,5 = 0,04 mm 2 . ta chọn dây có tiết diện s2 = 0,0413mm 2 ; d = 0,23mm tiết diện dây thứ cấp 22 : S22 = I22/j = 0,5/2,5 = 0,2 mm 2 . ta chọn dây có tiết diện s3 = 0,2040mm 2 ; d = 0,51mm tiết diện dây thứ cấp 23 : S23 = I23/j = 0,5/2,5 = 0,2 mm 2 . ta chọn dây có tiết diện s4 = 0,2040mm 2 ; d = 0,51mm 26
28. Đồ án môn học điện tử công suất 27 27