Đề tài mạch chỉnh lưu cầu một pha

Trong trường hợp này, mạch làm việc ở chế độ cung cấp liên tục, dòng qua phụ tải hầu như không đổi và bằng giá trị trung bình của nó lạ.. Xát định điện áp chỉnh lưu không tải: Bộ biến đ

Phần một:

TONG QUAN MACH CHINH LUU CÀU MỘT PHA

1.Sơ đồ:

Chỉnh lưu cầu một pha

2.Nguyên lý hoạt động:

Trong sơ đồ có 4 Tiristor duoc điều khiển bằng các xung dong tuong tng ig, ip, lạ, lạ Mạch chỉnh lưu dược cung cấp một điện áp xoay chiều qua máy biến áp với điện áp

U2 = Unmsin ot (v)

Các xung điều khiển này có cùng chu kỳ với u; nhưng xuất hiện sau up

Các xung i¿¡ và i¿ xuất hiện sau u¿ một góc a

Các xung iy va ig xuất hiện sau uz một gÓc 7 +0

Các Trisisto này sẽ tự động khoá lại khi u; =0

Phụ tải được biểu diễn bằng một sức phản điện động E, điện trở R và điện cảm L

Ta chỉ xét mạch này khi L rất lớn và E nhỏ hơn giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu Trong trường hợp này, mạch làm việc ở chế độ cung cấp liên tục, dòng qua phụ

tải hầu như không đổi và bằng giá trị trung bình của nó lạ

Tương ứng với góc mở ta có hai chế độ làm việc của mạch chỉnh lưu là:

-_ Khiœ<z/2 và E<0 mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu

-_ Khiœ>z/2và E>0 mạch làm việc chế độ nghịch lưu phụ thuộc

Ta chỉ xét trường hợp mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc điều khiển œ < x /2

và E>0

* Hoat dong:

Trong nửa chu kỳ đầu của điện áp chỉnh lưu (0 < wt <2), U,> 0, các Tiristor T¡ và T› phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở

Tại thời điểm œ= 0¡ = ot; ta cho xung điều khiển mo T, va T3 : Ug = U2

Dòng điện di tir A qua T, đến tái rồi qua Tạ về B

Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) Uạ= Uạ = Uz„sin @t (v)

Khi T¡ và Tạ mở cho dòng chảy qua ta có phương trình đề xát định dòng điện qua tải:

Ldi/dt + R.i¿ + E= U¿ = U;„sin wt (v)

Tại lúc góc pha bằng r, U¿ = 0 nhưng T; và T; vẫn chưa bị khóa vì dòng qua chúng

vẫn còn lớn hơn 0

Trong nửa chu kỳ sau của điện áp chỉnh luu (a < @t< 27), U2 < 0, các Tiristor T› và

Tạ phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở

Tại thời điểm 0 = 0= @tạ= 2+ a ta cho xung điều khiển mở Tạ và Tạ : Uạ = -U;,

Dòng điện đi từ B qua T; đến tải rồi qua T về A

Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tai ) Ug = -U2 = -U>,,sin at (Vv)

Sự mở T› và Tạ làm cho Uy = Up v a Um = Ua Do do dién áp trên T; và T› là: Uri = Ua — Um = Un- Up =U <0

Ur3 = Un — Ug = U,a- Ug = U2 <0

Do đó làm cho T; và T; tắt một cách tự nhiên

3 Biểu thức xác định dòng và áp:

Do điện cảm có giá tri rất lớn nên dong qua tai ig la dong lién tuc, ig = lạ

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

1 Tl+a@

U, == [Un sin a.t.da.t = au cosa 2m

Do ơ <z /2 nên Ủạ luôn dương

Giá trị trung bình dòng qua tải ( dòng chỉnh lưu):

¡_Úa—E

“RR

4 Dạng đường cong điện áp và dòng chỉnh lưu:

Ua

lạ lạ

0

lụ

ig

lụ

5 Hiện tượng trùng dẫn:

Thực tế khi xét đến điện cảm L¿ ( trên cuộn dây thứ cấp MBA), ta có thể biểu diễn mạch như sau:

T4 m3

Do có điện cảm Lạ, nên tại góc œ, khi ta cho xung điều khiển mở T; và T„ dòng điện

qua T; và Tạ làia,iạ không thể giảm đột ngột từ lụ xuống 0, và dòng qua T; và T, cũng không thể tăng đột ngột từ 0 đến lạ Hiện tượng mở đồng thời cả bốn Tiristor như vậy gọi là hiện tượng trùng dẫn

Lúc này cả 4 Tiristor đều mở cho dòng chảy qua, phụ tải bị ngắn mạch, Uạ = 0, nguồn e; cũng bị ngắn mạch sinh ra dòng ngắn mach i,

X di

do

9

>i, = 200 sn 0.4.0 =

x, a

Ta có phương trình: /2U, sin 8 =

v 2m

- Hiện tượng trùng dẫn làm cho điện thế tại hai điển M và N bằng nhau và dòng chỉnh lưu ig=0

- Hiện tượng trùng dẫn bắt dầu từ góc œ và kéo dài đến khi ir¡s giảm đến 0 tại m+ơ

Dat i, = ig tigg VỚI lại = ig = i,/2

i,, lam tang dong trong T, va lam giam dong trong T;

ig lam tang dong trong T> va lam giảm dong trong T;

inn g = v2U; [cosa —cos(z +a)

ra 2x,

in, = T„[cosơ —cos(z + a)] (A)

Khi kết thúc giai đoạn trùng dẫn, tức là khi Ô=u, 1r¡s = 0, phương trình chuyển mạch

2X1, a) 42U,

có dạng: cosø — cos(Ø + #) =

Xát định sụt ápchinh lưu trung bình AUh đo hiện tượng trùng dẫn gây ra:

42U,

AUg= ` [\2sin(9+ø)4ð = [cosz—cos(z+ø)| (2)

a 0

Thay (2) vào phương trình (2) ta có được:

2X,I

Au = 2*d

a 2 z *

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu khi kê đên hiện tượng trùng dân:

Ư”¿= Ua— Auu

2X1

Z

2N2U, Trong đó: U,= 12U; cosa

Z

Dạng đường cong dòng và áp khi trùng dẫn:

„ Phần hai:

TĨNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC

Tính chọn mạch động lực dùng trong sơ đồ với các thông số:

Điện áp một chiều của động cơ: Eưđm = 110 VDC

Dòng điện định mức: lưđm =2.35 A

Hệ số dự trit dong dién ( chon) : Ku= 1,6

Hệ số dự trữ điện áp ( chọn) : Ki=1.3 ( Ki = 1,1 +1,6)

rm 12

ume

Mạch động lực

1Tính chọn bộ biến đối:

1 Xát định điện áp chỉnh lưu không tải:

Bộ biến đổi điện áp chỉnh lưu Thysisto cần có giá trị điện áp không tải đảm bảo

cung cấp cho phần ứng của động cơ một chiều hoạt động

a Điện áp chỉnh lưu không tải được tính như sau:

Uso = (Uam + 4%U dn + 1,5%U am + 0,8%U am + AUn) (1)

Trong do:

Uam : dién ap chinh luu cue dai Uan = Eudm = 110 V

4%Uam : Sut ap trén dién tro MBA

1,5%Uam : sụt áp trên điện kháng MBA

AU, : sụt áp trên 2 Tiristor nối tiếp AU, x2 V

Thay các trị số vào phương trình (1) ta được:

Ug = (110 + 0,04.110 + 0,015.10 + 0,08.110 + 2) = 118,93 V

Vậy điện áp chỉnh lưu khong tai Uy = 118,93 V

b.Giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp MBA

_ M2U, —COSØ

Ta có: U,

is

voi a=0

z,„ _ z.11893

Do đó tỉ số MBA là: m = Uz/U¡= 132,1/220 = 0,6

d Điện áp ngược lớn nhât môi Tiristor phải chịu:

U,, = V2U,, = V2.132,1 =186,8V im

2 Xát định dòng chỉnh lưu và dong trong mdi pha cla MBA :

a Dong chinh luu trung binh:

Dòng điện chỉnh lưu trung bình cũng chính là dòng trong phần ứng của động cơ điện:

Iy = Iu = 2,35 A

b Dòngđiện chỉnh lưu trung bình chảy trong mỗi Tiristor:

I, = Iy/2 = 2,35/2 = 1,175 A

c Gia tri hiéu dung của dòng điện chảy trong pha thứ cấp MBA:

b=lu=2,35 A

d Giá trị hiệu dụng của dòng điện chảy trong pha sơ cấp MBA:

I, = ml, = 0,6.2,35 = 1,41 A 2.Chon Tiristor:

Dựa vào các thông số:

Hệ số dự trữ điện áp: Ku= 1,6

Hệ số dự trữ dòng điện: Ki = 1,3

Yêu cầu về mặt kỹ thuật các Tiristor phải chịu được :

Điện áp ngược lớn nhất : Ung= Ku.Ujm =1,6.186,8 = 299 V

Dong dién trung binh I), = Ki-Ip = 1,3.1,175 = 1,5275 A

Theo bang L3 ĐTCS ta chọn loại Tiristor có các thông sé sau:

(A) | ŒKV) | @) | (w) | (A) — (V) | (A/ms) | (ws/Hs)

3 Tính chọn máy biến áp:

a Mạch từ:

- Công suất biêu kiến của MBA:

S=U.[= 132,1.2,35 =310,4W

MBA một pha, ta chon mach tir 1 tru: c= 1, tần số : f= 50Hz

-Tiết diện trụ tính toán theo công thức kinh nghiệm:

Ss

Q=k of Máy biến áp khô nên k = 6

310,4 1.50 Dựa vào bảng “ Máy biến áp công suất nhỏ” ta chọn MBA có công suất 390 W - 50Hz Với các thông số sau:

_ Bề dày lá thép: 0,35 mm

_ Chiêu dài trung bình đường sức: 27,4 em

_ Trọng lượng thép từ: 4040g = 4,04 kg

_ Sô lượng lá thép: 160 lá

Mạch từ có dạng như hình vẽ với các kích thước như sau:

a(mm) | h(mm) | c(mm) | C(mm) | H(mm) | B(mm)

C

Cc

các kích thước co ban tiết diện trụ Trụ :

_ Tiết diện thô = cxB = 3,2.6,4 = 20,48 cm’

_ Tiết diện hiệu quả = 0,95.20,48 = 19,5 em

— Trọng lượng tru = 7,5.0,195.1,2 = 1,75 kg

Quy lat ( Quylass):

_ Tiét dién thé = axB = 3,2.6,4 = 20,48 cm’

_ Tiết diện hiệu quả = 0,95.20,48 = 19,5 cm

_ Trong luong tru = 7,5.0,195.1,6 = 2,3 kg

Tw cam:

_ Trong các trụ chọn Bm= 1,1 T

_ Trong các quy lat chọn B°„ = 1,I.19,5/19,5 =1.I T

b Chọn dây quấn:

-Số vòng dây mỗi pha:

4.44./.0.B„ 4.44.50.19,5.1.1.10

4,44.f.0.B,, _ 4,44.50.19,5.1,1.104

Chọn mật độ dòng điện: J, = J,=2,75 A/mm’

Đường kính phía dây quấn sơ cấp:

a- J45_ [41 _ [ 4141 — 0.8mm

' z mJ, 3142/75 `

Đường kính phía dây quấn thứ cấp:

4S, _ [41, _ [ 4.235

d, = 2 Via = Vas, = =1,04mm \314.2,75

Chon day:

Dua vao bang II.3_(tr 82-DTCS) thong sé day dan tiét dién tron, ta chon day dan

sơ cấp và thứ cấp MBA có các thông số như sau:

d;= 0,8 mm; S¡ = 0,5027 mm’; 4,47 g/m; p; = 0,0342 Q/m

d,=1 404 mm; S; = 0,8495 mmÊ:; 7,55 g/m; pạ = 0,0202 O/m

Óng dây quấn:

Bán kính ống dây: r=, a = 36mm

Vậy ta lồng vào trụ một ống làm bằng vật liệu cách điện dày 2mm Vậy bán kính

trong dây quân của trụ là: 36 + 2 = 38 mm

+Dây quấn sơ cấp:

- Dây quân sơ câp gồm 462 vòng

Đề đảm bảo cách điện ta chia dây quan so cap lam 8 lớp: (7 x 60 + 42 vòng)

- Giữa hai lớp ta dat một lớp giấy cách điện dày 0,1 mm bằng bìa

- Bề dày dây quấn SƠ "cấp

=d).n+ 0,1.7 = 0,8.8 + 0,7 =7,1 mm

- Ban kinh trung bình của dây quấn sơ cấp:

Tip = 38 + 7,1/2 = 41,55 mm

- Chiều dài day quan sơ cấp:

lị =211riw.10.nị = 2.3,14 41,55.10.462 = 120,6 m

- Điện trở của dây quấn ở 75°C:

Rị = p¡.li(1+0,004 75) = 0,0342.120,6.(1+0,004.75) = 3,160 +Dây quấn thứ cấp:

- Dây quấn thứ cấp gồm 278 vòng Chia làm 6 lớp ( 5x 48 + 38 vòng )

- Giữa hai lớp đặt một lớp giây cách điện dày 0,lmm bằng bìa

-Bé day day quan thir cap:

@ = d;.n + 0,1.5 = 1,04.6 + 0,5 = 6,74 mm

- Bán kính trung bình của dây quấn thứ cấp:

Toph =38 +7,l +6,74/2+2= 54,47 mm

- Chiều đài dây quấn thứ cấp:

lị =2IL.ray.10Ì.nạ = 2 3,14.45,05.10” 238 = 95,15 m

- Điện trở của dây quan thứ cấp 6 75°C:

Ro = p2.b(1+0,004 75) = 0,0202.95,15.(1+0,004.75)= 2,4,70

c Điện áp rơi trên điện khang:

AU,=X.l/m

Với X là điện kháng tản trên trụ., được tính như sau:

vy.5zm r a4 it la 107

X= 8.3,142.4622, 1801107

80

3

Vậy AU; = X.la /7= 3,7.2,35 /3,14= 2,76 V

d Điện áp rơi trên điện trở:

AU, = [RztRi(nz/n,)Ÿ].l¿

= [2,47 + 3,16.(278/462)? ].2.35 = 8,5 V

e Điện áp chính lưu khi đầy tải:

Ú =U,, - AU, - AU, - AU

= 118,93 — 8,5 — 2,76 — 1,5 = 106,17 V

£ Tổn thất trong sắt từ có xét đến 15% tổn thất phụ:

P = 1,15.1,3.(1,75.1,1 + 2,34.1,1) = 6,73 W

j Hiệu suất cúa thiết bị chính lưu:

7 U, 1, +P+AU,.1, +150,

_ 118,93.2,35 + 6,73 +8,5.2,35 + 1,5.2,35

ø Tổng trớ ngắn mạch:

Z, =X? +R, = 3,7? +3,6° =5,2Q Voi Ry=R2+ Ri(n /m)’= 3,6 Q

h Dòng điện ngắn mạch:

I, = U2/Z, = 132,1/5,2=254A

4 Cu6n khang can bang L,:

Cuộn kháng cân bằng có tác dụng hạn chế đến mức thấp nhất dòng điện tuần hoàn, cản trở sự đột biến của dòng điện để MBA và các Tiristor làm việc tốt hơn, không

bị nặng nề

Giả sử góc mở ơ bằng 0, đề Iạ; đạt giá trị lớn nhất, lúc đó nguồn U¿ bị ngắn mạch sinh ra dòng điện ngắn mạch:

Th=1¢=25,4A Lúc đó, ta có phương trình cân bằng sức điện động:

đi, 5

= A2U, sinØg

Xo

Lấy tích phân hai về:

112 Xglj;=— fv2u, sin 6.d0

7%

Vay gia tri trung binh

Với Xo = Low

Tea = 2%.Tg = 2% 2,35 = 0,047 A

_ V2.132,1

v= 0,047.3,14 =1265,00

Vay, 1= °=12552 Tay @ 314

Mặt khác : Lụ_2.Lụ, + Lụ,

Với: L„=X„/@=3,7/314=0/012H

Dođó: Ly =(Lạ—L„)/2=(4-0,012)/2=1,2H

Š.Tính bộ lọc LC:

Bộ lọc là thiết bị nối giữa nguồn chỉnh lưu và phụ tải điện một chiều Bộ lọc có

chức năng ngăn chặn thành phần xoay chiều của điện áp và dòng chỉnh lưu Trong mạch chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ, ta thiết kế bộ lọc có nhiệm vụ chủ yếu là

hạn chế thành phan song hài bậc một và chi cho dòng một chiều đi qua

Đối với mạch chỉnh lưu công suất lớn, ta dùng bộ lọc LC gồm: Một tụ điện C nối song song với phụ tải và một điện cảm L mắt nói tiếp với phụ tải Sơ đồ bộ lọc được bồ trí như mạch sau:

1L

—anms 4

B6 loc L,C Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu có thể được khai triển thành chuỗi Fourier

Nêu ta chỉ quan tâm tới hai sô hạng đâu tiên thì điện áp đâu ra của bộ chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có dạng như sau:

242U,

I

U, = +a, 42U, cos2ø

Trong đó:

+ Up la gia tri hiệu dụng của điện áp phía thứ cấp MBA

+ a,=4/3n=0,425

Nếu giả thuyết đối với sóng hài tan sé thap ma X, >> Xc thi dong xoay chiéu chay qua L và C sẽ quyết định bởi Xạ, khi đó ta có thể viết:

2U,

I, = aA, _ (2+2,5)%1, =0.064

Điện áp nhâp nhô:

AU, = Lon = Ý2a,U,

2C 4ø@°LC

Tỷ số nhấp nhô:

_ AU a,

2U 4@°LC

4ø@ˆK,

Với hệ số nhấp nhô cho trước: Krc = 6% =0,06 và aạ= 0,425

a,V2U, _ 0,425./2132,1

> l= 2øl„ = eo" 2.314.006 2/1177

~6

Vậy ta chọn :L= 2,I1H

C= 8,51 HE

Phần ba:

TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆ:

Đối với chỉnh lưu bán dẫn, khi tính toán cũng như trong vận hành ta phải đảm bảo vấn đề bảo vệ quá dòng và quá áp cho các thiết bị trong mạch

Thiết bị bán dẫn có van bán dẫn có kích thước nhỏ ( lớp tiếp giáp), nhiệt dung

bé và mật độ dòng điện qua mặt tiếp giáp p-n lớn nên rất nhạy với quá tải về dòng Hằng số thời gian phát nóng của một bản Silic trong van công suất chỉ cỡ vài phần trăm giây Do đó khâu bảo vệ dòng điện đòi hỏi phải tác động nhanh

Mặt khác, van bán dẫn cũng rất nhạy đối với quá điện áp, chỉ cần tồn tại một điện áp ngược lớn hơn giá trị cho phép trong khoảng 1 - 2 us ciing có thé chọc thủng mặt tiếp giáp p-n

1 Bảo vệ quá dòng điện:

Hai nguyên nhân gây quá dòng điện: Ngắn mạch và quá tải

a Ngắn mạch:

Đây là trường hợp có sự cố tạo ra dòng điện quá lớn như ngắn mạch trên tải, trên dây dẫn thứ cấp của MBA ( ngắn mạch bên ngoài), ngắn mạch các pha do chọc thủng van bán dẫn ( ngắn mạch bên trong), do đột biến nghịch lưu

b Quá tải:

Hiện tượng quá tải xuất hiện trong trong thời gian làm việc xát lập hoặc quá độ Giá trị không lớn lắm và cho phép ton tai trong thoi gian lau

Để bảo vệ quá dòng cho các Tiristor, ta dùng các dây chảy tác động nhanh Loại dây chảy làm bằng chì hoặc bằng bạc lá được đặt trong vỏ sứ có chứa cát thạch anh hoặc nước cắt

Các giai đoạn hoạt động của dây chảy

Hoạt động của dây chảy có thể chia làm hai giai đoạn

như sau:

Giai đoạn 1: từ t= 0 đến khi bắt đầu xuất hiện hồ quang

Giai đoạn 2; từ t = tạ đến khi kết thúc (t = t,)

Dòng điện khi chạy qua dây chảy sẽ sinh ra một nhiệt lượng Q = i Rt

Để bảo vệ quá dòng cho bộ biến đồi, ta chọn và đặt dây chảy tại các vị trí như sau: (3 vị trí )

Vi tri 1: Dat tai ngd vao cla MBA

VỊ trí 2: Dat tai ngd ra cua MBA

Vị trí 3: Đặt nối tiếp với mỗi Tiristor một dây chảy

Vi tri đặt dây chảy như hình vẽ sau: