Đồ án Thiết kế bộ biến đổi xoay chiều một chiều tự động duy trì điện áp ra theo lượng đặt trước

LỜI NÓI ĐẦU Ngày với việc phát triển mạnh mẽ ứng dụng khoa học kỹ thuật công nghiệp, đặc biệt công nghiệp điện tử thiết bị điện tử có cơng suất lớn chế tạo ngày nhiều Và đặc biệt ứng dụng vào ngành kinh tế quốc dân đời sống hàng ngày phát triển mạnh mẽ Tuy nhiên để đáp ứng nhu cầu ngày nhiều phức tạp cơng nghiệp ngành điện tử cơng suất ln phải nghiên cứu để tìm giải pháp tối ưu Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hoá - đại hoá Nhà nước, nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào sản xuất Do địi hỏi phải có thiết bị phương pháp điều khiển an tồn, xác Đó nhiệm vụ ngành điện tử công suất cần phải giải Chính đồ án mơn học điện tử công suất yêu cầu cấp thiết cho sinh viên TĐH Nó kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp sinh viên, điều kiện sinh viên ngành TĐH tự tìm hiểu nghiên cứu kiến thức điện tử cơng suất Với chương trình đào tạo nhà trường với yêu cầu khoa em phân công thiết kế đồ án môn học điện tử công suất có đề tài: “Thiết kế BBĐ xoay chiều chiều tự động trì điện áp theo lượng đặt trước” Đồ án gồm chương: Chương Thiết kế sơ đồ mạch động lực Chương Thiết kế mạch điều khiển Chương Tính chọn thiết bị Chương Xây dựng quan hệ Chương Thuyết minh nguyên lý toàn hệ thống Sau phần tính tốn, thiết kế đồ án mơn học em CHƯƠNG THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC Đặt vấn đề Trong kỹ thuật điện nhiều trường hợp yêu cầu biến đổi nguồn điện áp xoay chiều thành nguồn điện áp chiều điều chỉnh điện áp chiều đầu Để thực việc người ta có nhiều cách khác nhau, ví dụ dùng tổ hợp động - máy phát, dùng chỉnh lưu phổ biến có hiệu suất cao sử dụng sơ đồ chỉnh lưu phần tử bán dẫn Các sơ đồ chỉnh lưu (bộ biến đổi xoay chiều – chiều) biến đổi ứng dụng tính chất dẫn dịng chiều phần tử điện tử bán dẫn để biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp chiều cách trực tiếp Hiện phần tử điện tử không dùng sơ đồ chỉnh lưu có kích thước lớn, hiệu suất thấp Các phần tử chủ yếu sử dụng thyristor điơt bán dẫn Các sơ đồ chỉnh lưu có nhiều dạng khác ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau, ví dụ để điều chỉnh tốc độ động chiều, cung cấp điện áp chiều cho thiết bị mạ điện, điện phân, cung cấp điện áp chiều cho thiết bị điều khiển, đèn phát trung tâm cao tần… Các sơ đồ chỉnh lưu dùng từ công suất nhỏ đến công suất lớn 1.2 Chọn biến đổi Bộ nguồn chỉnh lưu thường phân loại theo cách sau: * Theo cách nối dây : Mạch chỉnh lưu hình tia, hình cầu * Theo số pha: Mạch chỉnh lưu pha, pha, pha * Theo cách điều khiển: Không điều khiển, có điều khiển, bán điều khiển Với yêu cầu đề tài có số phương án sau: 1.2.1 Sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha a Sơ đồ nguyên lý BA máy biến áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, BA có nhiệm vụ sau: Tạo hệ thống điện áp xoay chiều hai pha khơng có lưới điện cơng nghiệp BA có cuộn sơ cấp đặt điện áp nguồn xoay chiều pha u1, hai cuộn dây thứ cấp W21 W22 có số vịng đấu hình Như W21 W22 ta có điện áp u21 u22 thoả mãn quan hệ u21 = u22, hệ thống điện áp xoay chiều hai pha cần thiết T1 i21 i1 BA * ° U21 W21 Ud * U1 W1 iT1 * Ld Ed Rd id W22 ° U22 T2 i22 iT2 Đảm bảo cách ly điện mạch động lực sơ đồ chỉnh lưu với nguồn điện áp xoay chiều số trường hợp cần thiết để đảm bảo an toàn cho người vận hành sửa chữa Giá trị điện cảm tản BA tham gia làm giảm tối đa tăng dòng qua van mở van làm hạn chế giá trị diT/dt để bảo vệ van, sử dụng máy biến áp để cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu khơng cần phải đưa điện cảm vào mạch nguồn mà cần lựa chọn máy biến áp có giá trị điện áp ngắn mạch phần trăm lớn ( uN % = – 10 % ) Các Thyristor T1, T2 biến điện áp xoay chiều thành chiều - Ed, Ld, Rd phần tử phụ tải b Giản đồ dòng điện, điện áp phần tử Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia pha ứng với trường hợp tải Ld = ∞ ud (nét đậm) u u22 u21 v1 v2  v3 t v3 t 2    iT1 v2 Id v1  2 iT2 v1 t Id  2 i1 t Id/kba v1  2 2u21 uT1 u21 v1 v3 v2 2  c Các biểu thức tính tốn bản: Ud =udo cos  ; udo = ( 2  )u2 = 0,9u2 U2 – giá trị hiệu dụng điện áp pha bên thư cấp BA t ITtb = Id UTth max =UTng max = 2 u2, I2 = Id Id , I1 = Kba 1.2.2 Sơ đồ chỉnh lưu cầu pha dùng thyristor + Sơ đồ nguyên lý BA u1 T1 Rd T3 u2 ud Ld Ed T2 T4 Trong đó: - BA máy biến áp pha cung cấp điện áp cho mạch chỉnh lưu - W1 cuộn dây sơ cấp có điện áp sơ cấp u1 - W2 cuộn dây thứ cấp có điện áp thứ cấp u2 - Các Thyritor T1,T2 T3,T4 làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều thành điện áp môt chiều, van phân làm nhóm : +T1,T3 đấu Katot chung +T2,T4 đấu Anot chung - Ed, Ld, Rd phần tử phụ tải Giản đồ điện áp dịng điện hình 1.2 b Giản đồ điện áp dũng điện u u2 ud(nét đậm) -u2 á v3 v2 v1 đ 2đ ùt iT1= iT2 Id ùt iT3= iT4 v1 Id ùt i1 Id/kba đ 2đ uT1 = uT2 v3 v2 v1 ùt 2đ đ c Các đại lượng tính sau Ud = Udo Cosá ,Với Udo = 0,9U2 ùt Uthmax =Ungmax = U2 IT = Id/ Nhận xét Với sơ đồ hình tia pha, việc điều khiển van dẫn tương đối đơn giản Tuy nhiên việc chế tạo máy biến áp có cuộn dây thứ cấp giống hệt nhau, cuộn dây làm việc có nửa chu kỳ làm cho việc chế tạo máy biến áp phức tạp với hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn, mặt khác điện áp ngược van dẫn phải có trị số lớn Với sơ đồ chỉnh lưu hình cầu pha có chất lượng điện áp hồn tồn giống với sơ đồ hình tia pha (ở biến áp trung tính) Hình dạng đường cong điện áp, dòng điện tải, dòng điện van bán dẫn điện áp van tiêu biểu gần tựa Trong sơ đồ dòng điện chạy qua van giống hệt nhau, điện áp ngược van phải chịu nhỏ UNV = u2 * Nói chung sơ đồ chỉnh lưu hình cầu pha có nhiều ưu điểm hơn, nhược điểm khắc phục dễ dàng Sơ đồ đáp ứng yêu cầu phụ tải đề tài, chọn sơ đồ 1.3 Thiết kế sơ đồ mạch động lực • iT1 ° i1 BAi1i2 CK C R T1 • iT3 T3 • C R Rd • * * u1i1 ° u2 i iT4 T4 ud L d iT2• • R C T2 R E d id C a Giới thiệu sơ đồ • • Trong sơ đồ này: - BA- máy biến áp cung cấp, với sơ đồ cầu pha dùng không dùng máy biến áp - Các van điều khiển T1 đến T4 dùng để biến điện áp xoay chiều thành chiều Bốn van phân thành nhóm: Nhóm katơt chung gồm T1 T3, nhóm anơt chung gồm T2 T4 - Ed, Ld, Rd phần tử phụ tải - u1, u2 điên áp cuộn dây sơ cấp (điện áp lưới) điện áp cuộn thư cấp - i1, i2 dòng điên cuộn dây sơ cấp (dòng điện lưới) dòng điện thứ cấp - Mạch bảo vệ RC - Cuộn kháng CK b Nguyên lý làm việc sơ đồ * Ta xét nguyên lý làm việc sơ đồ trường hợp giả thiết phụ tải có Ld = ∞ xem sơ đồ làm việc xác lập trước thời điểm ta bắt đầu xét Với đồ thị điện áp nguồn va giá trị góc điều khiển hình vẽ, ta có ngun lý làm việc sơ đồ sau: Giả thiết khoảng lân cận phía trước thời điểm  t = v1 = Thì sơ đồ van T3 T4 dẫn dòng Tại  t = v1 = van T1 T2 đồng thời có tín hiệu điều khiển, lúc điện áp van thuận (uT1 = uT2 = u2) van mở Hai van T1 T2 mở nên sụt áp chúng giảm khơng ta có: ud = u2 , uT3 = uT4 = - u2 Và  t = v1 = u2 > tức T3,T4 bị đặt điện áp ngược khoá lại Tại thời điển (  t = v1) sơ đồ có van T1 T2 dẫn dịng, van T1 T2 làm việc thì: ud = u2 ; iT3 = iT4 = ; uT1 = uT2; uT3 = uT4 = -u2; iT1= iT2 = id = Id Đến  t = đ u2 = bắt đầu chuyển xang nửa chu kỳ âm nên tác động ngược với chiều dịng qua T1 T2 , đồng thời T3 T4 lúc có điện áp thuận , T3 T4 chưa mở chưa có tín hiệu điều khiển, mà T1 T2 tiếp tục dẫn dòng s.đ.đ tự cảm sinh Ld dòng tải có xu hướng giảm Do T1 T2 mở nên biểu thức điện áp dòng điện phần tử sơ đồ giữ nguyên Tại  t = v2 = đ +á T3 T4 đồng thời có tín hiệu điều khiển, van có điện áp thuận nên T3 T4 mở Hai van T3 T4 mở nên sụt áp chúng giảm không ta có: ud = - u2 ; uT1 = uT2 = u2; Và  t = v2 = đ +á u2< 0, tức T1 T2 bị đặt điện áp ngược khoá lại Từ thời điểm (  t = v2) sơ đồ có van T3 T4 dẫn dịng, van T3 T4 làm việc thì: ud = - u2 ; iT1 = iT2 = ; uT1 = uT2 = u2 ; uT3 = uT4 = 0; iT3= iT4 = id = Id Đến  t = 2đ u2 = bắt đầu chuyển xang nửa chu kỳ dương tác động ngược với chiều dòng qua T3 T4, đồng thời T1 T2 có điện áp thuận T1 T2 chưa mở chưa có tín hiệu điều khiển, nên s.đ.đ tự cảm sinh Ld làm T3 T4 tiếp tục dẫn dòng Đến  t = v3 = 2đ + T1 T2 đồng thời có tín hiệu điều khiển T1 T2 lại làm, T3 T4 bị đặt điện áp ngược khoá lại Từ thời điểm sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc từ  t = v1 Giai đoạn  t = đến v1 suy từ giai đoạn  t = 2đ đến v3 tính chất lặp lại sơ đồ làm việc, ta thấy hồn tồn phù hợp với giả thiết ban đầu T3 T4 dẫn dòng c.Giản đồ điện áp mạch động lực ud (nét đậm) u -u2 u2 v1 v2  v3 t 2    iT1=iT2 v1 Id v2  v3 2 t iT3=iT4 v1 v2  Id v3 t v3 t 2 i1 v1 Id/kb  v2 2 uT1=uT2 v1  v2 2 d Các biểu thức Ud = Udo Cosá ,Với Udo = 0,9U2 10 v3 t Nhà sản xuất: JOSH Loại vỏ(chân): ISO216 (I) Loại: NPN ICmax = 0,1 (A) Pdmax = (W) uCEOmax = 200  = 40 Ic = 10 mA VCE = 10 Chọn máy biến áp đồng bộ(MBAĐB) Ta chọn MBAĐB MBA pha có: u2 = 12 (V); I2 = 0,05 (A)  S = u2 I2 = 12 0,05 = 0,6 (VA) Chọn cos  = 0,8  P = S cos  = 0,6 0,8 = 0,48 (W) 37 CHƯƠNG XÂY DỰNG CÁC QUAN HỆ CƠ BẢN 4.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống Ud Uv Uc đ KTG KBBĐ • (–) (–) R∑ Id ă Trong đó: ucđ: điện áp chủ đạo uv: điện áp vào tầng khuếch đại trung gian KTG: hệ số tầng khuếch đại trung gian KBBĐ: hệ số khuếch đại biến đổi ud: điện áp tải R  : tổng trở biến đổi ă : hệ số phản hồi âm điện áp Từ sơ đồ cấu trúc ta có: ud = (ucđ - ă ud) KTG KBBĐ - R  Id 4.2 Xác định hệ số khuếch đại biến đổi Để xác định hệ số khuếch đại biến đổi ta xác định quan hệ f(uđk), sau tuyến tính hố đoạn đặc tính làm việc đặc tính hệ số góc Hệ số góc KBBĐ KBBĐ = U d U dk Ta lại có: Hàm truyền biến đổi: WBBĐ(P) = KBBĐ e p = K BBD  TBBD P Từ mạch tạo xung điều khiển - giản đồ điện áp vào mạch so sánh D -Urc B A C đ 38 -Uđk Ud = Xét hai tam giác đồng dạng Ä 0AB đồng dạng Ä 0CD  A AB  0C CD   = Chọn U dk    Urcmax   Urcmax uđk urcmax = 10 (v) Cho chạy khoảng (0 ữ  ) ta bảng sau với: ud = udo cosá = 239,03 cosá; uđk =     12 10   5 12 uđk 0,83 1,67 2,5 3,3 4,2 ud 239,03 230,88 207,00 169,02 119,5 61,86 Ud(v) Đường đặc tính ud = f(uđk) 239,03 230,88 220 A A’ 207 169,02 119,5 61,86 1,83 B 0,83 1,67 2,5 39 3,3 4,2 B’ Uđk(v) Ud(v) 239,03 230,88 207 169,02 119,5 61,86 á/12 á/6 á/4 á/3 40 á/12 á/2 Uđk(v) 4,2 3,3 2,5 1,67 0,83 đ/12 đ/6 đ/4 41 đ/3 5đ/12 đ/12 Theo đề tài,dải điều chỉnh điện áp D: 120 : Ta có: udmax = 220 (v) udmin = 220 = 1,83 (v) 120 Vậy ta có: Äud =udmax – udmin = 220 – 1,83 = 218,16 (v) Tương ứng ta có: uđkmax = 1,3 (v) uđkmin = 4,9 (v) Äuđk =uđkmax – uđkmin = 4,9 – 1,3 = 3,6 (v)  Tuyến tính hố đoạn đặc tính làm việc AB cách vẽ đường thẳng trung gian ddoaanj phi tuyến AB ta đoạn A’B’ hình vẽ Vậy ta có: KBBĐ = Ud 218,16 = 60,6  U dk 3, Ta chọn KBBĐ = 60 Vậy hàm truyền biến đổi là: WBBĐ = 60   BBD P 4.3 Xác định hệ số khuếch đại trung gian uv u cđ KTG KBBĐ (–) (–) R∑ Id Ta có: ur = ud = U cd KTG K BBD R I t    KTG K BBD   KTG K BBD = uy/c – Äu(It) 42 • ud Trong đó: uy/c = U cd kTG K BBD   KTG K BBD Äu = R I t   KTG K BBD Từ yêu cầu đề tài ta có: [Äu]max = U dm St 220.0, 05 = = 0,096 (v) D(1  St ) 120(1  0, 05) Để đảm bảo yêu cầu ta có: Äu(Iđm) = Äu = 0,096 (v) Ta có phương trình sau: R I dm = 0,096   KTG K BBD (1) *Tìm Ta có: uv = ucđ - ud ≤ uvbh Mà với IC Uvbh ≈ 0,4 mV  á= U cd 12 = = 0,054 Ud 220 Lấy ucđ = 12 (v) KBBĐ = 60 Tìm R∑  R∑ = RT + ZBA + RCK RT = ZBA = UT = = 0,13 (Ω) I dm 15 U N% U1dm 8.380 = = 2,9 (Ω) 100 I1dm 100.10, 47 RCK = 0,06 (Ω)  R∑ = 0,13 + 2,9 + 0,06 = 3,09 (Ω) Thay vào (1) ta được: R I dm = 0,096   KTG K BBD  3, 09.15 = 0,096  0, 054.KTG 60  KTG = 148,7 Ta chọn KTG = 149 43 4.4 Xây dựng đặc tính tĩnh Ta có quan hệ u(t) I(t) sau: u(t) = U cd K TG K BBD   KTG K BBD - R  I t   KTG K BBD * Xác định điểm thuộc đồ thị Khi I(t) = Iđm ; u(t) = uđm Ta có: uđm = R  I dm U cd KTG K BBD    KTG K BBD   KTG K BBD (U dm  ucđmax = (220  = R  I t ).(1   KTG K BBD )   KTG K BBD KTG K BBD 3, 09.15 ).(1  0, 054.149.60)  0, 054.149.60  11, 91 (v) 149.60 Khi It =  ut = uy/c  uy/cmax = U cdmax K TG K BBD 11,91.149.60 =  220,1 (v)   KTG K BBD  0, 054.149.60 Ta vẽ điểm A: ( , 220,1 ) B: (15 , 220 ) Thay I = Iđm uđmmin = uđm/D = 220/120 = 1,83 vào ta được: (U dk  ucđmin = (1,83  =  R  I t ).(1   KTG K BBD )   KTG K BBD KTG K BBD 3, 09.15 ).(1  0, 054.149.60)  0, 054.149.60  0,1 (v) 149.60 It = 0; ut = uy/cmin uy/cmin = U cdmin K TG K BBD 0,1.149.60   1,85 (v)   KTG K BBD  0, 054.149.60 Ta tìm điểm: C (0 , 1,85 ) D (15 , 1,83 ) 44 Vậy ta có quan hệ: ut = f(It) sau: Ut(v) 220,1 A ÄU B 220 1,85 1,83 C D 15 Iđm 45 1,2 Iđm It(A) 4.5 Kiểm tra chất lượng tĩnh hệ thống St% = St%max = U y/c  U dm U y/c 100  U 100 U y/c U 100 U y / c  U dm 1,85  1,83 100  1, 08  1, 08 % < [St]   U y/cmin U y / c 1,85 Vậy chế độ tĩnh hệ thống ta vừa thiết kế đảm bảo yêu cầu đề CHƯƠNG THUYẾT MINH NGUYÊN LÝ TOÀN HỆ THỐNG 46 Giới thiệu sơ đồ a Mạch động lực Bộ biến đổi xoay chiều – chiều sử dụng sơ đồ hình cầu pha gồm 4thyristor Biến áp chỉnh lưu cung cấp điện áp cho BBĐ Cuộn kháng san có tác dụng cải thiện dòng sau chỉnh lưu nhờ cảm kháng XL = ù L Aptômat bảo vệ cố phần tử đóng cắt hệ thống Tải R, L, E b Mạch điều khiển Đây khối có chức tạo xung điều khiển van biến đổi xoay chiều – chiều theo yêu cầu công nghệ hay điều chỉnh điện áp đầu BBĐ phù hợp với phụ tải * Khối đồng hoá phát sóng cưa Khối đồng hố có nhiệm vụ tạo đồng pha điện áp nguồn với thời điểm phát xung Khối phát sóng cưa có nhiệm vụ tạo điện áp cưa có tần số với tần số điện áp lưới * Khối so sánh So sánh urc uđk để định thời điểm phát xung điều khiển * Khối sửa xung Khối có chức nhận xung từ khâu so sánh gia công để tạo gia công để tạo xung có độ rộng, biên độ đủ lớn theo yêu cầu * Mạch khuếch đại mạch truyền xung Mạch có chức khuếch đại xung từ khâu sửa xung để có cơng suất đủ lớn truyền đến thyristor qua mạch truyền xung dùng máy biến áp xung * Mạch khuếch đại trung gian Mạch có nhiệm vụ tổng hợp tín hiệu ucđ áuf khâu phản hồi âm áp để tạo tín hiệu điều khiển * Khâu phản hồi có nhiệm vụ tạo tín hiệu phản hồi để ổn định điện áp lên tải Thuyết minh sơ đồ nguyên lý a Qúa trình khởi động 47 Đóng aptơmat cấp nguồn cho biến đổi đồng thời cấp nguồn cho mạch điều khiển Tương ứng với giá trị điện áp chủ đạo đặt ta có điện áp xoay chiều qua MBA, qua BCL đưa điện áp DC cung cấp cho tải Qúa trình khởi động kết thúc hệ thống làm việc với chế độ đặt b Nguyên lý điều chỉnh điện áp *Nguyên lý điều chỉnh điện áp Muốn điều chỉnh điện áp tải ta điều chỉnh điện áp ucđ, điện áp điều chỉnh nhờ khâu phân áp biến trở trượt Xuất phát từ biểu thức đầu vào IC3 uVIC3 = ucđ - ă ut (1) Trong đó: ă hệ số phản hồi âm điện áp tải Gỉa sử phụ tải tăng Id tăng làm sụt áp tải tăng (chủ yếu sụt áp MBA)  ud giảm, để tăng ud ta tăng ucđ Từ phương trình (1) ta có ucđ tăng  uVIC3 tăng lên theo chiều dương làm cho IrIC3 tăng lên theo chiều âm  Tr mở lớn  sụt áp R10 tăng  uđk giảm xuống  góc mở giảm  ud tăng lên ứng với ucđ đặt Trường hợp ngược lại tải giảm xuống ud tăng  ta giảm ucđ  uvIC3 giảm xuống đặt vào đầu vào IC3 nên urIC3 tăng lên làm Tr mở bé nên sụt áp R10 giảm xuống  uđk tăng lên góc mở tăng lên đồng thời ud giảm xuống đến giá trị ucđ tương ứng Do ta điều chỉnh điện áp cho tải nhờ điều chỉnh ucđ 48 49 u1 * * * R2 R1 -ucc D1 +ucc R2 R1 -ucc D1 +ucc WR1 R3 WR1 R3 Tr1 Tr1 +ucc +ucc -ucc + -ucc Ic1 _ C1 + IC1 _ C1 -ucc -ucc 7915 -ucc +ucc + IC2 _ + IC2 _ 7815 R5 R4 R5 R4 R6 R6 Tr5 R17 -ucc D2 C2 R7 D2 C2 R7 Tr2 R8 Tr2 R8 R16 R9 R9 D7 D7 IC6 R12 Tr3 Tr3 -ucc + _ +ucc Tr4 * Tr4 * D9 * D9 * D9 * D9 * R14 R13 D8 D8 D8 D8 WR3 +ucc UdkT4 UdkT3 UdkT2 UdkT1 R T2 T4 R Rd C C BA ATM * * WR2 ld u1 Ed T3 R T1 R C C u uđb urc v1 đ uđk,urc t urcma 2đ 3đ urc v1 – U t đ v1' 2đ v2 v2' 3đ urss t v1 v1' v2 v2' uc2 t v1 v2 v1' V2' usx v1 v2 t v1 v2 t uđkTi 50 ud (nét đậm) u -u2 u2 v1 v2  v3 t 2    iT1=iT2 v1 Id v2  v3 2 t iT3=iT4 v1 v2  Id v3 t v3 t 2 i1 v1 Id/kb  v2 2 uT1=uT2 v1  v2 2 51 v3 t