Đề tài thiết kế bộ chỉnh lưu hình cầu 1 pha kép để điều khiển tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập có đảo chiều

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC HỌC PHẦN: ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU HÌNH CẦU PHA KÉP ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP CĨ ĐẢO CHIỀU Người hướng dẫn: TS GIÁP QUANG HUY Sinh viên thực hiện: Số thẻ sinh viên: Nhóm HP / Lớp: Ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG: 1.1.1 Khái niệm: 1.1.2 Cấu tạo động điện chiều: 1.1.3 Phân loại động điện chiều: 1.1.4 Nguyên lý động điện chiều: 1.2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU: 1.2.1 Đặc tính động điện: 1.2.2 Sơ đồ nối dây động điện chiều kích từ độc lập: 1.2.3 Đặc tính tự nhiên: 1.2.4 Đặc tính nhân tạo: 10 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAY ĐỔI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU: 10 1.3.1 Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng: 10 1.3.2 Thay đổi từ thơng kích từ động cơ: 11 1.3.3 Thay đổi điện áp phần ứng động cơ: 12 1.4 KẾT LUẬN CHUNG: 13 CHƯƠNG 2: CHỈNH LƯU HÌNH CẦU PHA ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN 14 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG: 14 2.1.1 Khái niệm: 14 2.1.2 Phân loại: 14 2.1.3 Đặc điểm điện áp dòng điện chỉnh lưu: 14 2.2 CHỈNH LƯU HÌNH CẦU PHA ĐIỀU KHIỂN HỒN TỒN 15 2.2.1 Sơ đồ mạch nguyên lý: 15 2.2.2 Nguyên lý làm việc: 16 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 2.2.3 Điện áp dòng điện chỉnh lưu: 17 2.2.4 Hiện tượng trùng dẫn: 17 2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHỈNH LƯU: 18 2.3.1 Khái niệm chung: 18 2.3.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: 19 2.3.3 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos: 19 2.4 BỘ CHỈNH LƯU CẦU PHA KÉP ĐIỀU KHIỂN HOÀN TOÀN: 20 2.4.1 Sơ đồ nguyên lý: 20 2.4.2 Nguyên lý hoạt động: 20 2.4.3 Phương pháp điều khiển hai biến đổi mắc song song ngược: 21 2.5 KẾT LUẬN CHUNG: 25 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐỘNG LỰC 26 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG: 26 3.1.1 Sơ đồ khối mạch động lực: 26 3.1.2 Chức khối: 26 3.2 TÍNH TỐN MẠCH ĐỘNG LỰC: 26 3.2.1 Tính chọn Thyristor: 26 3.2.2 Tính tốn máy biến áp chỉnh lưu: 28 3.2.3 Thiết kế lọc: 31 3.3 KẾT LUẬN CHUNG: 32 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 33 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG: 33 4.1.1 Sơ đồ khối điều khiển thyristor: 33 4.1.2 Yêu cầu mạch điều khiển: 33 4.1.3 Nhiệm vụ mạch điều khiển: 34 4.1.4 Nguyên tắc điều khiển: 34 4.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG TỪNG KHÂU: 35 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 4.2.1 Khâu đồng pha: 35 4.2.2 Khâu so sánh: 36 4.2.3 Khâu tạo xung chùm: 36 4.2.4 Khâu khuếch đại: 38 4.2.5 Sơ đồ mạch điều khiển: 39 4.3 TÍNH TỐN THÔNG SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN: 39 4.3.1 Tính biến áp xung: 40 4.3.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng: 40 4.3.3 Chọn cổng AND: 41 4.3.4 Chọn tụ C3 R9: 41 4.3.5 Tính chọn tạo xung chùm:\ 42 4.3.6 Tính chọn tầng so sánh: 43 4.3.7 Tính chọn khâu đồng pha: 43 4.3.8 Tạo nguồn nuôi: 44 4.3.9 Tính tốn máy biến áp nguồn nuôi đồng pha: 45 4.3.10 Chọn Diode cho chỉnh lưu: 46 4.4 KẾT LUẬN CHUNG: 46 CHƯƠNG 5: MẠCH BẢO VỆ VÀ KẾT LUẬN 47 5.1 GIỚI THIỆU CHUNG: 47 5.2 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN: 48 5.2.1 Bảo vệ dòng điện tải: 48 5.2.2 Bảo vệ dòng điện ngắn mạch: 48 5.3 BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP: 49 5.4 SƠ ĐỒ MẠCH BẢO VỆ CỦA MẠCH ĐỘNG LỰC: 52 5.5 KẾT LUẬN CHUNG: 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1: Hình ảnh động điện chiều Hình 2: Cấu tạo động điện chiều Hình 3: Sơ đồ nối dây động điện chiều kích từ độc lập Hình 4: Hình ảnh đặc tính – điện Hình 5: Hình ảnh đặc tính Hình 6: Đặc tính điều chỉnh tốc độ cách thay đổi Rf 10 Hình 7: Đặc tính điều chỉnh tốc độ cách thay đổi 𝜙 11 Hình 8: Đặc tính điều chỉnh tốc độ cách thay đổi Uư 12 Hình 1: Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu pha điều khiển hồn tồn 16 Hình 2: Sơ đồ đồ thị u, i chỉnh lưu cầu pha có điều khiển 16 Hình 3: Hiện tượng trùng dẫn chỉnh lưu cầu pha 17 Hình 4: Đồ thị dạng sóng xảy tượng trùng dẫn 17 Hình 5: Sơ đồ khối điều khiển thyristor 18 Hình 6: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính 19 Hình 7: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos 19 Hình 8: Sơ đồ chỉnh lưu cầu pha kép điều khiển hồn tồn 20 Hình 9: Sơ đồ hai chinh lưu mắc song song ngược 21 Hình 10: Giản đồ dòng điện điều khiển đảo chiều tuyến tính phụ thuộc 22 Hình 11: Mạch trừ sử dụng OPAMP 23 Hình 12: Giản đồ dịng điện điều khiển đảo chiều khống chế độc lập 24 Hình 1: Sơ đồ khối mạch động lực 26 Hình 2: Sơ đồ mạch lọc LC 31 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Hình 1: Sơ đồ khối điều khiển thyristor 33 Hình 2: Sơ đồ mạch khâu đồng pha 35 Hình 3: Sơ đồ dạng sóng UA, UB, UC 35 Hình 4: Sơ đồ mạch khâu so sánh 36 Hình 5: Sơ đồ dạng sóng UA, UB, UC,UD 36 Hình 6: Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm 36 Hình 7: Sơ đồ mạch tạo xung chùm dùng khuếch đại thuật toán 37 Hình 8: Sơ đồ dạng sóng UE 37 Hình 9: Sơ đồ mạch khâu khuếch đại 38 Hình 10: Sơ đồ mạch điều khiển thyristor 39 Hình 11: Giản đồ đường cong mạch điều khiển 39 Hình 12: Sơ đồ chân IC 4081 41 Hình 13: Sơ đồ chân IC TL084 42 Hình 14: Sơ đồ mạch tạo nguồn nuôi 44 Hình 1: Hình ảnh giai đoạn dây chảy 49 Hình 2: Sơ đồ bảo vệ thiết bị biến đổi dùng cầu chì 49 Hình 3:Sơ đồ bảo vệ dùng mạch RLC 50 Hình 4: Hình ảnh dùng mạch RC để bảo vệ áp 51 Hình 5: Sơ đồ mạch bảo vệ mạch động lực 52 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG: 1.1.1 Khái niệm: Động điện chiều loại máy điện chiều biến điện dòng chiều thành Khi máy điện chiều làm việc chế độ động cơng suất đầu vào công suất điện cơ, công suất đầu cơng suất Hình 1: Hình ảnh động điện chiều 1.1.2 Cấu tạo động điện chiều: Động điện chiều phân thành hai thành phần gồm: phần tĩnh phần động Hình 2: Cấu tạo động điện chiều 1- Thép, 2- Cực với cuộn kích từ, 3- Cực phụ với cuộn dây, 4- Hộp ổ bi, 5Lõi thép, 6- Cuộn phần ứng, 7- Thiết bị chổi, Cỗ góp, 9- Trục, 10- Nắp hộp đấu dây Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 1.1.3 Phân loại động điện chiều: Động điện chiều phân loại theo kích từ thành loại sau:  Động điện chiều kích từ độc lập: Phần ứng phần kích từ cung cấp từ hai nguồn riêng lẻ  Động điện chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ mắc song song với phần ứng  Động điện chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với phần ứng  Động điện chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có hai cuộn dây kích từ, cuộn mắc song song với phần ứng, cuộn mắc nối tiếp với phần ứng 1.1.4 Nguyên lý động điện chiều: Động điện chiều hoạt động dựa tác dụng từ trường lên khung dây dẫn có dịng điện chạy qua đặt từ trường Khi hoạt động động điện chiều biến điện dòng điện chiều thành 1.2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU: 1.2.1 Đặc tính động điện: Đặc tính động điện quan hệ tốc độ quay mômen động cơ: M = f(ω) 1.2.2 Sơ đồ nối dây động điện chiều kích từ độc lập: Động điện chiều kích từ độc lập: nguồn chiều cấp cho phần ứng cấp cho kích từ độc lập Hình 3: Sơ đồ nối dây động điện chiều kích từ độc lập Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy Phương trình cân điện áp: Uư = Eư +(Rư + Rf).Iư  Sức điện động phần ứng động cơ: Eư = Kϕω  Momen điện từ động cơ: M = KϕIư  Phương trình đặc tính - điện: 𝜔= 𝑈ư 𝑅ư + 𝑅𝑓 − 𝐼 Kϕ Kϕ Hình 4: Hình ảnh đặc tính – điện  Phương trình đặc tính cơ: 𝜔= 𝑈ư 𝑅ư + 𝑅𝑓 − 𝑀 Kϕ (Kϕ)2 Hình 5: Hình ảnh đặc tính 1.2.3 Đặc tính tự nhiên: Đặc tính tự nhiên: đặc tính có tham số định mức không sử dụng thêm thiết bị phụ trợ khác Mỗi động có đặc tính tự nhiên Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy  Phương trình đặc tính – điện tự nhiên: 𝜔= 𝑈ư 𝑅ư − 𝐼 Kϕ Kϕ  Phương trình đặc tính tự nhiên: 𝑈ư 𝑅ư 𝜔= − 𝑀 Kϕ (Kϕ)2 1.2.4 Đặc tính nhân tạo: Đặc tính nhân tạo đặc tính có tham số khác định mức có điện trở phụ mạch phần ứng động Mỗi động có nhiều đặc tính nhân tạo  Phương trình đặc tính cơ: 𝜔= 1.3 𝑈ư 𝑅ư + 𝑅𝑓 − 𝑀 Kϕ (Kϕ)2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAY ĐỔI TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU: 1.3.1 Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng: Từ phương trình đặc tính cơ: 𝜔= 𝑈ư 𝑅ư + 𝑅𝑓 − 𝑀 Kϕ (Kϕ)2 Ta thấy thay đổi Rf 𝜔𝑜 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 cịn Δ𝜔 thay đổi, ta đường đặc tính điều chỉnh có 𝜔𝑜 dốc dần Rf lớn, với tải tốc độ thấp Hình 6: Đặc tính điều chỉnh tốc độ cách thay đổi Rf Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 10 4.2.5 Sơ đồ mạch điều khiển: Hình 10: Sơ đồ mạch điều khiển thyristor Hình 11: Giản đồ đường cong mạch điều khiển 4.3 TÍNH TỐN THƠNG SỐ MẠCH ĐIỀU KHIỂN: Mạch điều khiển tính xuất phát từ u cầu mở Thyristor, ta có thơng số để tính mạch điều khiển:  Điện áp điều khiển Thyristor: 𝑈đ𝑘 = V  Dòng điện điều khiển Thyristor: 𝐼đ𝑘 = 𝐼𝑔 = 0,18 A Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 39  Thời gian mở Thyristor: 𝑡𝑚 = 10 𝜇s  Độ rộng xung điều khiển: 𝑡𝑥 = × 𝑡𝑚 = 20 𝜇s  Tần số xung điều khiển: 𝑓𝑥 = 𝑡𝑥 = 25 kHz  Độ đối xứng cho phép: ∆𝛼 = 4°  Điện áp nuôi mạch điều khiển: U = ±12V  Mức sụt biên độ xung: 𝑠𝑥 = 0,15 4.3.1 Tính biến áp xung: Chọn vật liệu làm lõi sắt ferit HM, lõi có dạng hình xuyến làm việc phần đặc tính từ hóa có ∆𝐵 = 0,3T, ∆𝐻 = 30A/m khơng có khe hở khơng khí  Tỉ số biến áp: chọn m =  Điện áp thứ cấp MBA xung: 𝑈2 = 𝑈đ𝑘 = V  Điện áp đặt lên cuộn thứ cấp MBA áp xung: 𝑈1 = m × 𝑈2 = × = 9V  Dòng điện thức cấp MBA xung: 𝐼2 = 𝐼đ𝑘 = 0,18A  Dòng điện sơ cấp MBA xung: 𝐼1 = 𝐼2 𝑚 = 0,18 = 0,06A 4.3.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng: Chọn Tranzitor công suất loại 2SC911 Tranzitor loại NPN vật liệu bán dẫn silic  Điện áp Collector Bazo hở mạch Emitter: 𝑈𝐶𝐵𝑂 = 40V  Điện áp Emitter Bazo hở mạch Collector: 𝑈𝐸𝐵𝑂 = 4V  Dịng điện lớn mà Collector chịu đựng: 𝐼𝑚𝑎𝑥 = 500 mA  Công suất tiêu tán Collector: 𝑃𝑐 = 1,7 W  Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp: 𝑇1 = 175° 𝐶  Hệ số khuếch đại: 𝛽 = 50  Dòng điện Collector max: IC3max = 0,5 A  Dòng điện làm việc Collector: 𝐼𝐶3 = 𝐼1 = 0,06 𝐴  Dòng điện làm việc Bazơ: 𝐼𝐵3 = 𝐼𝐶3 𝛽 = 0,06 50 = 1,2 mA Ta thấy với loại Thyristor chọn có cơng suất điều khiển bé: 𝑈đ𝑘 = V, 𝐼đ𝑘 = 0,18 A Do ta cần tầng khuếch đại đủ công suất điều khiển Tranzitor Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 40 Chọn nguồn cấp cho biến áp xung E = 15 V, với nguồn E = 15 V ta phải mắc thêm điện trở 𝑅10 nối tiếp với cực Emitter T3 Ta có: IC3 = I1 ≈ IE 𝑅10 = 𝐸 − 𝑈1 15 − = = 100 𝛺 𝐼1 0,06 Tất Diode mạch điều khiển dùng loại 1N4009 có tham số:  Dịng điện định mức 𝐼đ𝑚 = 10 𝑚𝐴  Điện áp ngược lớn 𝑈𝑛 = 25 𝑉  Điện áp cho Diode mở thơng 𝑈𝑚 = 𝑉 4.3.3 Chọn cổng AND: Tồn mạch điều khiển phải dùng cổng AND nên ta chọn IC 4081 họ CMOS Hình 12: Sơ đồ chân IC 4081 Mỗi IC 4081 có cổng AND Các thông số cổng AND là:  Nguồn nuôi IC: 𝑉𝑐𝑐 = ÷ 18𝑉, ta chọn 𝑉𝑐𝑐 = 12𝑉  Nhiệt độ làm việc: 𝑇𝑙𝑣 = −40 ÷ 80 oC  Điện áp ứng với mức logic “1”: ÷ 4,5 𝑉  Dịng điện: 𝐼 < 1𝑚𝐴  Công suất tiêu thụ: 𝑃 = 2,5 (nW/1 cổng) 4.3.4 Chọn tụ C3 R9: Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ Transistor T3, chọn R9 thỏa mãn điều kiện: Điện trở 𝑅9 ≥ 𝑈 𝐼𝐵3 = 12 1,2 × 10−3 = 10 𝑘𝛺 Chọn C3 cho 𝐶3 × 𝑅9 ≤ 𝑡𝑥 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 41 𝑡𝑥 20 × 10−6 ⇒ 𝐶3 ≤ = = 0,002 𝜇𝐹 𝑅9 10 × 103 4.3.5 Tính chọn tạo xung chùm: Mỗi kênh điều khiển phải dùng khuếch đại thuật tốn, ta chọn IC loại TL084 hãng TexasInstrument, IC có khuếch đại thuật tốn Hình 13: Sơ đồ chân IC TL084 Thông số IC TL084:  Điện áp nguồn nuôi: 𝑉𝑐𝑐 = ± 18𝑉 chọn Vcc = ± 12𝑉  Hiệu điện hai đầu vào: ± 30𝑉  Nhiệt độ làm việc: T = −25 ÷ 850 𝐶  Công suất tiêu thụ: P = 0.68 W  Tổng trở đầu vào: 𝑅𝑖𝑛 = 106 MΩ  Dòng điện đầu ra: 𝐼𝑟𝑎 = 30 𝑝𝐴  Dòng điện đầu vào: 𝐼𝑣 = 𝑚𝐴  Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: Mạch tạo xung chùm có tần số 𝑓 = 𝑇 = 2×𝑡𝑥 𝑑𝑢 𝑑𝑡 = 13 (𝑉/𝜇𝑠) = 25 𝑘𝐻𝑧,hay chu kì xung chùm: = 40 µ𝑠 𝑓 Ta có chu kỳ dao động: 𝑇 = × 𝑅8 × 𝐶2 × 𝑙𝑛 (1 + Sinh viên thực hiện: 2×𝑅6 𝑅7 ) Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 42 Chọn R6 = R7 = 33 kΩ T = 2×R8×C2×ln3 = 40 às Vy ta cú: R8ìC2=18,2 às Chn t C2 = 0,01 µF suy R8 = 1820 Ω Để thuận tiện cho lắp mạch ta chọn R8 biến trở 2kΩ 4.3.6 Tính chọn tầng so sánh: Mỗi kênh điều khiển có khuếch đại thuật tốn đóng vai trị tầng so sánh ta chọn loại IC TL084 Trong nguồn ni Vcc = ± 12V, điện áp vào A3, Uv = 12V Dịng điện vào hạn chế để Ilv < mA R4 = R5 > 𝑈𝑣 𝐼𝑙𝑣 = 12 1×10−3 = 12 kΩ Do ta chọn R4 = R5 =15 kΩ, dịng điện vào A3: Ilv-max = 12 15×103 = 0,8 mA 4.3.7 Tính chọn khâu đồng pha: Điện áp tụ hình thành nạp tụ C1, mặt khác để đảm bảo phạm vi điều khiển rộng góc điều khiển α = ÷ 180º số thời gian tụ nạp được: 𝜏 = 𝑅3 × 𝐶1 = 0,005 𝑠 Chọn tụ C1 = 0,1 𝜇𝐹 điện trở R3 = 0,005 0,1×10−6 = 50𝑘Ω Để thuận tiện cho việc điều chỉnh lắp ráp mạch R3 thường chọn biến trở R3 lớn 10 𝑘Ω để điều chỉnh Chọn tranzitor T1 loại A564 có thơng số: Tranzitor loại PNP làm Si Điện áp Emitter Bazơ lúc mạch Collector: UEBO = 7V Dịng điện lớn có Collector chịu được: IC-max = 100 mA Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp: TCP = 150º Hệ số khuếch đại : β = 250 Dòng cực đại bazơ : IB1 = 𝐼𝑐 𝛽 = 100 250 = 0,4 mA Điện trở để hạn chế dòng điện vào Bazơ Tranzitor T1 chọn sau: Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 43 Chọn R2 thõa mãn điều khiển: R2 ≥ 𝑉𝑐𝑐 𝐼𝐵 = 12 0,4×10−3 = 30 kΩ Chọn điện áp đồng pha: UA = 15V Điện trở R1 để hạn chế dòng điện vào khuếch đại vào khuếch đại thuật tốn A1 thường chọn R1 cho dịng vào khuếch đại thuật tốn: Iv < mA Do đó: R1 ≥ 𝑈𝐴 𝐼𝑣 = 15 10−3 = 15 kΩ Chọn R1 = 15 kΩ 4.3.8 Tạo nguồn nuôi: Ta cần tạo nguồn điện áp U = ± 12V để cấp cho máy biến áp xung nuôi IC, điều chỉnh dòng điện, tốc độ điện áp đặt tốc độ Ở mạch cầu pha, ta có: 𝑈= 2√2 𝑈 𝜋 Điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi là: U2 = 𝑈 2√2 𝜋 = 12 2,34 = 13,3 V, ta chọn U2 = 15V Hình 14: Sơ đồ mạch tạo nguồn ni Để ổn định điện áp nguồn nuôi ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 7912, thông số chung vi mạch là:  Điện áp đầu vào: UV = ÷ 35V  Điện áp đầu ra: Ura = 12V với IC 7812  Điện áp đầu ra: Ura = -12V với IC 7912  Dịng điện đầu Ir = ÷ 1A Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 44 Tụ điện C4, C5 dùng để lọc thành phần song hài bậc cao Chọn C4 = C5 = C6 = C7 = 470 µF 4.3.9 Tính tốn máy biến áp nguồn nuôi đồng pha: Ta thiết kế máy biến áp dùng cho ba việc tạo điện áp đồng pha tạo nguồn nuôi cho tất mạch điều khiển bao gồm công suất cung cấp cho mạch đồng pha cung cấp nguồn nuôi cho IC TL084 tạo 16 khuếch đại thuật toán Chọn kiểu MBA pha trụ, trụ có dây, cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp Điện áp lấy thứ cấp MBA làm điện áp đồng pha, lấy thứ cấp nguồn ni: U2 = U2đp = 15 (V) Dịng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha: I2đp = IA1max = 1(mA) Công suất MBA cung cấp cho việc tạo nên áp đồng pha: 𝑃đ𝑝 = × 𝐼2đ𝑝 × 𝑈2đ𝑝 = × 15 × 10−3 = 0,06 (𝑊) Công suất tiêu thụ IC TL084 sử dụng làm khuếch đại thuật tốn 𝑃4𝐼𝐶 = × 0,68 = 2,72 𝑊 Công suất MBA xung cấp cho cực điều khiển Thyristor 𝑃𝑋 = × 𝑈đ𝑘 × 𝐼đ𝑘 = × × 0,18 = 4,32 (𝑊 ) Tổng công suất máy biến áp cung cấp: 𝑃𝛴 = 𝑃đ𝑝 + 𝑃8𝐼𝐶 + 𝑃𝑋 = 0,06 + 2,72 + 4,32 = 7,1 (𝑊 ) Cơng suất MBA có kể đến 5% tổn, hao máy: 𝑆 = 1,05 × 𝑃𝛴 = 1,05 × 7,1 = 7,455 (𝑉𝐴) Dòng điện sơ cấp MBA: 𝐼1 = 𝑆 7,455 = = 0,034 (𝐴) 𝑈1 220 Dòng điện thứ cấp MBA: 𝐼2 = 𝑆 7,455 = = 0,5 (𝐴) 𝑈2 15 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 45 4.3.10 Chọn Diode cho chỉnh lưu: Dòng điện hiệu dụng qua diode : 𝐼𝐷 = 𝐼2 √2 = 0,5 √2 = 0,35 (𝐴) Chọn diode có dịng định mức : 𝐼𝐷đ𝑚 = 𝑘𝑖 × 𝐼Đ = 10 × 0,35 = 3,5 (𝐴) Điện áp ngược lớn mà diode phải chịu: 𝑈𝑛𝑔𝑚𝑎𝑥 = √2 × 𝑈2 = √2 × 15 = 21,2 (𝑉) Vậy chọn điôt loại KYZ 70 có thơng số sau :  Dịng điện định mức : 𝐼đ𝑚 = 20 𝐴  Điện áp ngược cực đại diode: 𝑈𝑁 = 50 𝑉 4.4 KẾT LUẬN CHUNG: Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 46 CHƯƠNG 5: MẠCH BẢO VỆ VÀ KẾT LUẬN 5.1 GIỚI THIỆU CHUNG: Đối với chỉnh lưu bán dẫn tính tốn vận hành ta phải đặc biệt lưu ý đến vấn đề bảo vệ q dịng điện q điện áp Vì van bán dẫn có kích thước nhỏ, nhiệt dung bé nhiệt độ dòng điện qua mặt tiếp giáp PN lớn nên nhạy với q tải dịng Hằng số thời gian phát nóng silic van cơng suất lớn có vài phần trăm giây Do đó, khâu bảo vệ địi hỏi phải có độ tác động nhanh cao Mặt khác van bán dẫn nhạy với điện áp Chỉ cần tồn điện áp ngược lớn giá trị cho phép khoảng vài µs,mặt tiếp giáp PN bị chọc thủng điện 5.2 BẢO VỆ QUÁ NHIỆT: Khi làm việc với dòng điện chạy qua, van có sụt áp, có tổn hao cơng suất ∆P sinh nhiệt đốt nóng van bán dẫn Cách khắc phục dùng cánh tản nhiệt: Hình 1: Hình ảnh tản nhiệt thực tế Tổn thất cơng suất Thyristor: ∆𝑃 = ∆𝑈 × 𝐼𝑙𝑣 = × 18,98 = 37,96 (𝑊) Diện tích bề mặt tản nhiệt: 𝑆𝑚 = ∆𝑃 𝐾𝑚 × 𝜏 Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 47 Trong đó: ∆U: sụt áp lớn Thyristor Ilv: dịng điện làm việc Thyristor ∆P: tổn hao cơng suất 𝜏: độ chênh lệch nhiệt độ với môi trường Chọn nhiệt độ môi trường 40oC, nhiệt độ làm việc tối đa Thyristor 125oC Chọn nhiệt độ cánh tản nhiệt 80oC nên 𝜏 = 80 − 40 =40oC Km: hệ số tỏa nhiệt đối lưu xạ Chọn Km = W/m2.oC 37,96 = 0,118625 (𝑚2 ) × 40 Chọn loại cánh tản nhiệt cánh kích thước cánh 10 cm Tổng diện tích tản 𝑆𝑚 = nhiệt cánh là: S= × × 10 × 10 = 1200 cm2 = 0,12 m2 5.3 BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN: Có loại q dịng điện là: q tải ngắn mạch 5.3.1 Bảo vệ dòng điện tải: Dùng để trường hợp cố tạo đồng điện lớn ngắn mạch tải, dẫn thứ cấp MBA (ngắn mạch ngoài), ngắn mạch pha đo chọc thủng van (ngắn mạch ), đột biến nghịch lưu 5.3.2 Bảo vệ dòng điện ngắn mạch: Xuất thời gian làm việc xác lập hay q độ Nó có giá trị khơng lớn cho phép tồn lâu dài Vì để bảo vệ thyristor tránh dịng điện phá hoại, ta dùng dây chảy tác động nhanh Loại dây chảy làm chì làm bạc đặt vỏ sứ có chứa cát thạch anh Hoạt động dây chảy chia làm giai đoạn:  Giai đoạn l: giai đoạn chảy từ t = đến bắtt đầu xuất hồ quang  Giai đoan 2: giai doạn hồ quang bắt đầu t = thq đến cắt xong dòng điện cố t = tc Giai đoạn này, điện áp hồ quang tăng dần dịng điện cố giảm dần Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 48 Hình 2: Hình ảnh giai đoạn dây chảy Dòng điện chạy qua dây chảy sinh nhiệt lượng Q = i2Rt Để bảo vệ điện áp cho biến đổi ta chọn dây chảy vị trí sau:  Vị trí 1: Đặt ngỏ vào MBA  Vị trí 2: Đặt ngỏ MBA  Vị trí 3: Mắc nối tiếp với thyristor dây chảy Hình 3: Sơ đồ bảo vệ thiết bị biến đổi dùng cầu chì 5.4 BẢO VỆ QUÁ ĐIỆN ÁP: Thyristor nhạy với điện áp lớn so với điện áp định mức ta gọi điện áp, có nguyên nhân gây điện áp: Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 49  Nguyên nhân nội tại: Khi khóa thyristor điện áp ngược ,các điện tích đổi ngược hành trình tạo dịng điện ngược khoảng thời gian ngắn (10-100µs) Sự biến thiên nhanh chóng dịng điện sinh sức điện động cảm ứng lớn, điện cảm ln có, đường dây nguồn dẫn đến thyristor Quá điện áp tổng điện áp làm việc 𝐿 𝑑𝑖 𝑑𝑡  Nguyên nhân bên ngoài: Những nguyên nhân thường xảy ngẫu nhiên có sét đánh, cầu chì nhảy, đóng, cắt MBA nguồn Cắt MBA nguồn tức cắt dịng điện từ hóa MBA, lượng từ trường tích lũy lõa sét từ, chuyển thành lượng điện trường tụ điện kí sính nhỏ dây quấn sơ cấp thứ cấp MBA Điện áp lớn gấp lần điện áp làm việc Để bảo vệ điện áp người ta dùng mạch bảo vệ RLC bảo vệ riêng thyristor Hình 4:Sơ đồ bảo vệ dùng mạch RLC Người ta thường chọn điện áp định mức Thyristor U > 1,2Uim Trị số nhỏ nhiều so với điện áp Các điện áp có tốc độ tăng trưởng 𝑑𝑢 𝑑𝑡 lớn Đạo hàm điện áp sinh dòng điện chảy qua tụ C, đấu anode cathode thyristor, i=𝐶 𝑑𝑢 𝑑𝑡 Điện cảm L hạn chế dịng điện chảy 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, thực tế người ta ưa dùng trị số thực nghim: C = 0,01 ữ 1àF R = 10 ữ 1000 Sinh viờn thc hin: L = 50 ữ 100àH Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 50 Ta dùng mạch RC để bảo vệ áp cho biến đổi: Hình 5: Hình ảnh dùng mạch RC để bảo vệ áp 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 ra, tốc độ biến thiên dịng 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 tài liệu hướng dẫn phương pháp xác định thông số R,C đồ thị giải tích Nhưng thơng số tốn q nhỏ nên việc xác định theo đồ thị khó xác Do đó, ta chọn mạch RLC để bảo vệ, với thơng số theo thực nghiệm tìm Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 51 5.5 SƠ ĐỒ MẠCH BẢO VỆ CỦA MẠCH ĐỘNG LỰC: Hình 6: Sơ đồ mạch bảo vệ mạch động lực 5.6 KẾT LUẬN CHUNG: Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “Điện tử công suất, Lý thuyết – Thiết kế - Ứng dụng” Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Cơng, Trần Văn Thịnh [2] Giáo trình “Truyền động điện tự động” Ths Khương Cơng Minh [3] Giáo Trình “Điện tử cơng suất”Ths Khương Cơng Minh [4] Tính tốn thiết kế “Thiết bị điện tử công suất” Trần Văn Thịnh Sinh viên thực hiện: Hướng dẫn: TS Giáp Quang Huy 53