Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cầu ba pha Ứng dụng Điều khiển kích từ máy phát Điện Đồng bộ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA ĐIỆN --- --- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI THIẾT KẾ BỘ NGUỒN CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ MÁY GVHD: Ths... Để hiểu

TỔNG QUÁT VỀ H Ệ THỐNG KÍCH TỪ MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ

Cấu t ạo và nguyên lí làm việc

-Máy điện đồng bộ gồm 2 phần chính là stator và rotor.

+ Stator → Phía ngoài: 1,2: Lõi thép, dây quấn stator

Hình 1 1.C ấ u t ạo máy điện đồ ng b ộ a) Stator (phần tĩnh)

 Stator của máy điện đồng bộ gồm lõi thép và dây quấn

- Làm từ lá thép kỹ thuậtđiện dày 0,35-0,5 mm, phủ cách điện.

- Mặt trong xẻ rãnh để đặt dây quấn.

- Ép lại thành hình trụ và đượ c ép vào vỏ bảo vệ.

- Trên stator chúng ta bố trí một hay nhiều pha dây quấn để có thể hình thành máy phát một pha hay nhiều pha.

- Với máy phát điện đồng bộ xoay chiều 3 pha, trên stator chúng ta bố trí ba bộ dây quấn lệch vị trí không gian 120 0

Hình 1 3 Dây qu ấ n Stator b) Rotor ( phần quay)

- Rotor của máy điện đồng bộ đượ c cấu tạo từ lõi thép và dây quấn.

Hình 1 4 Rotor máy điện đồ ng b ộ

- Lõi thép gồm phần thân rotor và các cực từ.

- Dây quấn rotor đượ c gọi là dây quấn kích từ và đượ c cấp điện một chiều nhờ hai vành trượ t.

- Rotor của máy điện đồng bộ có hai loại: cựcẩn và cực lồi ( phụ thuộc vào t ốc độ của máy)

+Làm bằng thép hợ p kim chất lượng cao, được đúc thành khối hình trụ, có rãnh để đặt dây quấn kích từ.

+Phần không phay rãnh tạo thành mặt cực từ Đườ ng kính rotor không quá 1,5m.

+Để tăng công suất → tăng chiều dài l của rotor(l ≈ 6,5m)

+ Đặt trong rãnh của rotor, dây đồng, tiết diện chữ nhật và đượ c quấn tạo thành các bối đồng tâm và cách điện vớ i nhau.

+ Hai đầu dây quấn kích từ nối với hai vành trượt đặtở đầu trục, thông qua chổi than để lấy điện một chiều từ ngoài làm nguồn kích từ.

+Rotor cựcẩn thườ ng có số đôi cực là 1, hoặc 2 nên tốc độ có thể tớ i 3000 v/p và động cơ sơ cấp thường là các tuabin khí, hơi.

+Cấp nguồn điện cho dây quấn rotor thườ ng là máy phát một chiều công suất từ 0,3% - 2% công suất của máy điện đồng bộ.

- Truyền động cho máy phát một chiều:

+Nối trục vớ i trục của máy điện đồng bộ.

+Có trục chung với máy điện đồng bộ (máy phát điện đầu tr ục).

- Số lượ ng cực từ lớn, dùng trong trườ ng hợp động cơ sơ cấp là các tuabin nướ c (thu ỷ điện) có tốc độ chậm.

Các máy công suất nhỏ và trung bình thường có rotor kích thước nhỏ, do đó lõi thép được chế tạo từ thép đúc, được gia công thành hình khối trụ hoặc lăng trụ với các cực từ trên bề mặt.

Rotor cực lồi được sử dụng trong các máy công suất lớn, với lõi thép được chế tạo từ các tấm thép dày từ 1 đến 6 mm Các tấm thép này được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ, đảm bảo hiệu suất hoạt động cao cho thiết bị.

+Cực từ đượ c ghép từ lá thép dày 1-1,5 mm, ghép cố định vớ i lõi nhờ bulông xuyên qua mặt cực hoặc đuôi hình chữ T.

+Dây quấn kích từ bằng dây đồng, quấn xung quanh cực từ, các vòng dây đượ c quấn cách điện vớ i nhau.

+Hai đầu nối với vành trượ tở một đầu trục, thông qua chổi than nối vớ i nguồn điện một chiều.

+Máy điện đồng bộ cực lồi có tốc độ thấp.

Đường kính rotor (D) có thể đạt tối đa 15 m, trong khi chiều dài của nó lại nhỏ Tỉ lệ giữa chiều dài và đường kính là 0,15 ÷ 0 Hệ thống vành trượt cùng với máy phát kích từ đầu trục cũng là những yếu tố quan trọng trong thiết kế này.

Để tạo ra trường kích thích một chiều trên phần cảm, cần cấp dòng một chiều vào dây quấn phần cảm được lắp trên rotor Khi rotor quay do động cơ sơ cấp, dòng một chiều được cung cấp qua hệ thống vành trượt và chổi than nhằm tránh tình trạng xoắn dây nối.

Các vành trượt được cấu tạo từ hai vòng hình trụ bằng đồng thau hoặc đồng đỏ, được lắp đặt đồng trục với rotor Chúng được cách điện với phần kim loại của trục quay nhờ vào các vật liệu cách điện.

- Tiếp xúc với hai vành trượ t là hai chổi than đượ c lắp cố định so vớ i trục quay rotor, dùng cấp điện vào cho dây quấn rotor.

Dây quấn rotor được tạo ra thông qua một quy trình công nghệ nhất định, nhằm hình thành các từ trường trên rotor Sau khi quấn xong, hai đầu dây sẽ được bố trí chạy bên trong trục quay và kết nối với các vành trượt bằng phương pháp hàn.

Để cung cấp nguồn một chiều cho phần cảm, cần sử dụng thêm một máy phát điện đầu trục Mối liên kết giữa máy phát chính và máy phát điện đầu trục được mô tả rõ ràng.

+Máy phát điện đầu trục cũng là máy phát điện xoay chiều ba pha.

Phần ứng của máy phát điện đầu trục được kết hợp đồng trục với phần cảm của máy phát chính, tạo thành một hệ thống đồng bộ Hệ thống này được quay nhờ vào động cơ nổ sơ cấp, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định và hiệu quả.

Phần cảm của máy phát đầu trục được bố trí cố định bên ngoài, tương tự như phần cứng của máy phát chính Nó nhận nguồn áp một chiều để tạo ra từ trường kích thích một chiều, đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống.

Khi phần cảm của máy phát đầu trục tạo ra từ trường kích thích, động cơ nổ sơ cấp quay phần ứng của máy phát Các pha dây quấn trên phần ứng máy phát đầu trục sẽ hình thành các sức điện động cảm ứng.

Điện áp 3 pha được tạo ra từ phần cứng của máy phát đầu trục và được chỉnh lưu qua mạch cầu diode bán dẫn, biến đổi thành nguồn một chiều Nguồn điện này sau đó được cấp vào dây quấn của phần cảm máy phát chính Cầu chỉnh lưu bao gồm 6 diode bán dẫn, được lắp trên dĩa cách điện và cố định đồng trục với phần cứng máy phát đầu trục cùng phần cảm của máy phát chính.

Khi điều chỉnh nguồn áp 3 pha từ máy phát đầu trục để cung cấp nguồn áp một chiều cho phần cảm của máy phát chính, việc cải thiện hiện tượng chỉnh lưu không phẳng là cần thiết Tần số của nguồn áp 3 pha từ máy phát đầu trục thường cao hơn tần số lưới điện thông thường.

Nguyên lý làm việc c ủa máy phát điện đồng b ộ ba pha

Tùy vào phương pháp cấp dòng kích thích một chiều vào dây quấn phần cảm, máy phát điện có thể được chia thành hai loại chính: máy phát kích từ trực tiếp và máy phát điện có máy phát kích từ đầu trục.

Hệ thống kích từ sử dụng nguồn điện một chiều cho toàn bộ quá trình vận hành thiết bị, trong đó dòng điện kích từ được điều chỉnh thông qua việc thay đổi điện áp đầu ra của máy kích thích một chiều Đối với các động cơ cỡ nhỏ, chúng thường được kéo để hoạt động hiệu quả.

Sơ đồ nguyên lý MFĐ ĐB loại kích từ trực tiếp cùng trục với hệ thống tua bin máy phát cho thấy cách thức hoạt động hiệu quả Ngoài ra, việc sử dụng bộ giảm tốc với chức năng tương tự cũng là một lựa chọn khả thi Đối với các thiết bị công suất lớn hơn, thường được kéo bởi một động cơ riêng biệt để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

Hệ thống kích thích xoay chiều kết hợp máy phát đồng bộ và hệ thống chỉnh lưu, bao gồm máy phát điện đồng bộ với hai phần chính là stato và roto Thiết bị này không hoạt động độc lập mà được lắp đặt cùng bộ chỉnh lưu quay trên trục, tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh.

Dòng điện kích xuất hiện tại phần cứng của thiết bị và được chuyển qua bộ chỉnh lưu, đi thẳng đến roto mà không cần qua bất kỳ mối tiếp xúc hay vòng nhận diện nào với chổi than Do đó, hệ thống này được gọi là hệ thống kích từ không chổi than.

Đặc tính ngoài và đặc tính điề u ch ỉnh

a) Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ

Đặc tính ngoài của máy phát điện thể hiện mối quan hệ giữa điện áp trên cực máy phát và dòng điện tải, được biểu diễn dưới dạng U = f(I) Điều này áp dụng khi tính chất tải giữ nguyên (cosφ = const), trong khi tần số và dòng điện kích từ máy phát không thay đổi.

- Từ phương trình điện áp:

Hình 1 8 Sơ đồ nguyên lý MFĐ ĐB loạ i không ch ổi than dùng máy phát đầ u tr ụ c

- Vẽ đồ thị điện áp máy phátứng vớ i các loại tải khác nhau: R, L, C

-Đồ thị quan hệ U =f (I) khi cosφ =const, Ikt =const và tần số không đổi.

Hình 1 9 Đồ th ị điệ n áp ứ ng v ớ i các lo ạ i t ả i

- Ta thấy khi phụ tải của máy phát điện tăng:

+Đối vớ i tải dung điện áp tăng.

+Đối vớ i tải cảm và trở, điện áp giảm (t ải cảm điện áp giảm nhiều hơn)

- Khi tải có tính chất cảm phảnứng phầnứng dọc trục khử từ làm từ thông tổng giảm do đó đặc tính ngoài dốc hơn tải điện trở

- Vớ i các loại tải khác nhau, để điện áp U =U đm khi tải định mức → phải thay đổi E0 bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ Ikt.

-Đường đặc tính ngoàiứng với điều chỉnh kích từ sao cho khi: I =I đm có U

-Độ biến thiên điện áp đầu cực của máy phát khi làm việc định mức so vớ i khi không tải xác định:

-Độ biến thiên điện áp ∆U% của máy phát đồng bộ có thể đạt đến vài chục phần trăm vì điện kháng đồng bộ X đb khá lớ n. b) Đặctính điều chỉnh

-Đường đặc tính điều chỉnh là quan hệ giữa dòng điện kích từ và dòng điện tải khi điện áp U không đổi và bằng định mức.

Hình 1 10 Đường đặc tính điề u ch ỉ nh

Giớ i thiệu thyristor

Thyristor, hay còn gọi là SCR (Silicon Controlled Rectifier), là một thiết bị bán dẫn nhiều lớp được làm từ silicon Thiết bị này yêu cầu một tín hiệu từ cổng để kích hoạt, và khi được bật, nó hoạt động như một diode chỉnh lưu Trong mạch điện, ký hiệu của thyristor cho thấy chức năng của nó như một diode chỉnh lưu có kiểm soát.

Hình 1 11 Sơ đồ nguyên lí c ủ a diode

Thyristor là một thiết bị bán dẫn 4 lớp (PNPN) với cấu trúc bao gồm 3 cặp PN liên tiếp, khác biệt so với diode (thiết bị bán dẫn 2 lớp PN) và transistor lưỡng cực (thiết bị chuyển mạch 3 lớp NPN hoặc PNP).

Hình 1 12 Sơ đồ nguyên lí c ủ a transistor

Giống như diode, thyristor là thiết bị dẫn điện theo một hướng duy nhất Tuy nhiên, thyristor có thể hoạt động như một công tắc mạch hở hoặc như một diode chỉnh lưu, tùy thuộc vào cách kích hoạt cổng (gate) của nó.

Chỉnh lưu điều khiển silic (SCR) là thiết bị bán dẫn công suất quan trọng, cùng với Triac, Diac và UJT, có khả năng hoạt động như bộ chuyển mạch xoay chiều nhanh chóng, giúp điều khiển điện áp và dòng điện xoay chiều lớn Thiết bị này rất hữu ích cho sinh viên điện tử trong việc điều khiển động cơ xoay chiều, đèn và điều khiển pha Các loại thyristor thông dụng bao gồm SCR, Triac, và Diac, mỗi loại đều có ứng dụng riêng trong các hệ thống điện.

Dựa trên khả năng bật và tắt, thyristor đượ c phân thành các loại sau:

-Thyristor điều khiển silic hoặc SCR

- Thyristor cổng tắt hoặc GTO

- Thyristor cực phát tắt hoặc ETOs

- Thyristor dẫn điện ngượ c hoặc RCT

- Thyristor Triode hai chiều hoặc TRIAC

- Thyristor MOS tắt hoặc MTO

-Thyristor điều khiển pha hai chiều hoặc BCT

- Thyristor chuyển đổi nhanh hoặc SCR

- Bộ điều chỉnh silicon đượ c kích hoạt bằng ánh sáng hoặc LASCR

- Thyristor kiểm soát FET hoặc FET-CTHs

- Thyristor tích hợ p cổng hoặc IGCT

Các thiết bị thyristor đầu tiên được sản xuất cho mục đích thương mại vào năm 1956 và có khả năng kiểm soát lượng lớn điện áp và năng lượng Chúng được ứng dụng trong điều chỉnh ánh sáng, điều khiển công suất điện và tốc độ động cơ điện Trước đây, thyristor chủ yếu được dùng để đảo ngược dòng điện nhằm tắt thiết bị, nhưng do dòng điện trực tiếp, việc sử dụng gặp khó khăn Hiện nay, nhờ tín hiệu cổng điều khiển, thyristor có thể được bật và tắt hoàn toàn, cho phép nó hoạt động như một công tắc hiệu quả hơn là một bộ khuếch đại analog.

1.2.4.Ưu điểm và nhược điểm của thyristor

 Một số ưu điểm của thyristor hay bộ chỉnh lưu điều khiển silic (SCR):

-Có thể xử lý điện áp, dòng điện và công suất lớn

-Có thể được bảo vệ bằng cầu chì

-Mạch kích hoạt cho bộ chỉnh lưu được điều khiển bằng silicon (SCR) rất đơn giản

-Rất đơn giản để kiểm soát

- Nó có thể điều khiển nguồn xoay chiều

 Một số nhược điểm của thyristor hay bộ chỉnh lưu điều khiển silic(SCR)

Bộ chỉnh lưu khiển silic (SCR) là thiết bị điều khiển công suất một chiều, hoạt động hiệu quả chỉ trong nửa chu kỳ dương của nguồn xoay chiều Điều này có nghĩa là thyristor chỉ có khả năng điều khiển nguồn một chiều.

-Trong mạch xoay chiều, nó cần phải được bật trên mỗi chu kỳ

-Không thể sử dụng ở tần số cao

-Dòng điện ở cổng (gate) không thể âm.

Bộ ch ỉnh lưu

Bộ chỉnh lưu (BCL) chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều để cung cấp cho các tải BCL có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm động cơ điện một chiều, cuộn hút nam châm điện, rơle điện từ, bể mạ điện và thiết bị điện phân Hầu hết các thiết bị điện tử hoạt động ở điện áp một chiều, do đó, việc lấy năng lượng từ lưới điện xoay chiều cần thông qua mạch chỉnh lưu Vì vậy, BCL được xem là loại mạch điện tử công suất phổ biến trong thực tế Sơ đồ cấu trúc của BCL thường bao gồm nhiều khâu khác nhau.

Hình 1 13 Sơ đồ c ấ u trúc b ộ ch ỉnh lưu

Biến áp lực (BAL) có vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi điện áp và số pha chuẩn của lưới điện sang giá trị phù hợp với mạch chỉnh lưu và tải Nếu điện áp và số pha nguồn đã tương thích với tải, có thể không cần sử dụng BAL khi áp dụng sơ đồ đấu van kiểu cầu Tuy nhiên, trong trường hợp sử dụng sơ đồ đấu van hình tia, việc có BAL là bắt buộc.

Mạch van, hay còn gọi là các van bán dẫn, được kết nối theo một sơ đồ cụ thể nhằm thực hiện quá trình chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Đây là một phần không thể thiếu trong MCL, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống.

Mạch điều khiển (MĐK) là thành phần quan trọng trong các mạch điện sử dụng van bán dẫn như thyristor, giúp điều khiển dòng điện vào các thời điểm cần thiết để kiểm soát năng lượng cung cấp cho tải Ngược lại, khi sử dụng van điôt, mạch điều khiển không cần thiết Các chỉnh lưu được phân loại thành ba loại khác nhau tùy thuộc vào loại van được sử dụng.

• Nếu các van đều là thyristor thì gọi là chỉnh lưu điều khiển.

• Nếu van được dùng là điôt, gọi là chỉnh lưu không điều khiển.

• Nếu mạch van dùng cả điôt và thyristor, gọi là chỉnh lưu bản điều khiển.

LSB, hay mạch lọc san bằng, có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo điện áp hoặc dòng điện ra ổn định theo yêu cầu của tải Nếu điện áp sau biến áp trung gian (MV) đã đạt tiêu chuẩn, khâu LSB có thể được loại bỏ.

Khối hỗ trợ HT bao gồm các mạch thiết yếu nhằm theo dõi và đảm bảo hoạt động bình thường của BCL Các mạch này bao gồm mạch tín hiệu, mạch đo lường điện áp và dòng điện, mạch bảo vệ, cùng với nguồn một chiều ổn định cho mạch điều khiển và khống chế.

1.3.2 Các tham số của mạch chỉnh lưu Để phân tích và đánh giá BCL, thườ ng dựa vào những tham số chính sau:

1.Điện áp nguồn xoay chiều định mức: U1đm (V).

2 Tần số điện áp nguồn định mức: f (Hz) và phạm vi biến thiên của nó.

3 Phạm vi biến thiên điện áp nguồn Uimin,Ulmax hoặc độ biến thiên điện áp tương đối so với điện áp định mức: Độ tăng điện áp: 1max 1

4 Điện áp đầu ra một chiều định mức: Udđm (V).

5 Phạm vi điều chỉnh điện áp ra: Udmin; Udmax.

6 Dòng điện tải định mức của bộ chỉnh lưu: Idđm.

7 Phạm vi biến thiên dòng điện tải: Idmin; Idmax.

8 Biên độ đập mạch điện áp ra: Ulmax (đây là biên độ sóng hài cơ bản của điện áp một chiềuở đầu ra theo khai triển Furier).

9 Hệ số đập mạch điện áp ra:

Hệ số này được tính bằng tỉ số giữa biên độ sóng hài cơ bản và thành phần trung bình (hoặc không UO đổi) của điện áp ra Khi hệ số này nhỏ, điện áp ra sẽ trở nên phẳng hơn.

10 Nội trở của bộ chỉnh lưu:

11 Điện trở động của chỉnh lưu:

 (tỉ số giữa độ biến thiên điện áp ra do sự đột biến về dòng điện tải gây ra).

12 Hiệu suất bộ chỉnh lưu: d v

  P , trong đó Pd là công suất nhận đượ c phía một chiều, còn Pv là công suất tiêu thụ lấy từ nguồn điện xoay chiều.

 Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha

Chỉnh lưu cầu ba pha là một sơ đồ quan trọng trong lĩnh vực chỉnh lưu, với ứng dụng thực tế rộng rãi nhờ vào chất lượng điện áp ra tốt và dòng đầu vào đối xứng Sơ đồ này tối ưu hóa công suất huy động từ lưới điện hoặc máy biến áp, và thường được sử dụng để kết nối trực tiếp với lưới điện ba pha mà không cần thiết bị trung gian như máy biến áp.

Chỉnh lưu cầu ba pha có thể được xem như một cấu trúc mắc nối tiếp của hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha Các sơ đồ chỉnh lưu nhiều pha được hình thành từ các kiểu kết nối khác nhau của sơ đồ nhiều pha cơ bản nhất.

1.3.3 Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứ ng

Hình 1 14 Sơ đồ ch ỉnh lưu cầu ba pha đố i x ứ ng

Bộ chỉnh lưu Thyristor hoạt động với chuyển mạch tự nhiên, cho phép điều khiển dòng điện một chiều Nguồn xoay chiều quyết định hoạt động của mạch, giúp chuyển mạch dòng điện giữa các phần tử lực Phần điều khiển là yếu tố quan trọng trong mạch chỉnh lưu, nơi các xung mở Thyristor được phát ra theo một trật tự nhất định.

Hình 1 15 b) Gi ản đồ các đường cong cơ bản khi α = 30º Hình 1 16 c,d) Điệ n áp t ả i khi góc m ở α = 60º và α = 90º

Trong hoạt động của chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng, dòng điện tải chạy từ pha này sang pha khác Để mở Thyristor tại mỗi thời điểm, cần cấp 2 xung điều khiển đồng thời: một xung từ nhóm NA và một xung từ nhóm NK.

Khi cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ chạy từ pha có điện áp dương hơn về pha có điện áp âm hơn, ví dụ trong khoảng t1 ÷ t2, pha A có điện áp dương hơn và pha B có điện áp âm hơn, dẫn đến dòng điện chạy từ A về B qua T1, T4 Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một van trong nhóm NA hoặc NK, sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho nhau Điều này được thể hiện rõ trong khoảng t1 ÷ t3, với T1 nhóm NA dẫn, trong khi T4 dẫn trong khoảng t1 ÷ t2 và T6 dẫn tiếp trong khoảng t2 ÷ t3 Điện áp ngược mà các van phải chịu ở chỉnh lưu cầu 3 pha sẽ bằng 0 khi van dẫn và bằng điện áp dây khi van khóa.

Khi điện áp tải liên tục, trị số điện áp tải đượ c tính theo công thức: Ud Ud0.cosα

Khi góc mở của các Thyristor vượt quá 60º và thành phần điện cảm của tải rất nhỏ, điện áp tải sẽ bị gián đoạn, như thể hiện trong hình 1-13d, trong trường hợp tải thuần trở Trong tình huống này, dòng điện giữa các pha được tạo ra do các van bán dẫn có phân cực thuận theo điện áp đặt lên chúng Khi điện áp dây đổi dấu, các van bán dẫn sẽ chuyển sang phân cực ngược và tự khóa lại.

Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng có độ phức tạp cao, yêu cầu mở đồng thời hai thyristor theo thứ tự pha chính xác Điều này gây ra nhiều khó khăn trong quá trình chế tạo, vận hành và bảo trì thiết bị.

Các van nhóm lẻ thay nhau dẫn cho điện ápở điểm Cathode chung UKC, các van nhóm chẵn thay nhau dẫn cho điện ápở điểm Anode chung UAC.

- Dòng trung bình trên van:

- Dòng điện áp ngượ c lớ n nhất:

- Công suất máy biến áp: ba 1,05 d

- Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp biến áp nguồn:

-Cho phép đấu thẳng vào lưới điện ba pha.

-Độ đập mạch rất nhỏ (5,7%).

- Công suất máy biến áp cũng chỉ xấp xỉ công suất tải, đồng thờ i gây méo lưới điện ít hơn các loại khác.

Sụt áp trên van gấp đôi sơ đồ hình tia xảy ra do có hai van dẫn dòng ra tải, dẫn đến việc không phù hợp với cấp điện áp ra tải dưới 10V.

Mạch điều khiển có các chức năng sau:

-Điều chỉnh đượ c vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp trên anôt- catôt của Thyristor.

THIẾ T K Ế MẠCH LỰ C CHỈNH LƯU CẦU BA PHA

Tính ch ọn Thyristor

Khi tính toán lựa chọn van, cần xem xét các yếu tố cơ bản như dòng tải, điều kiện tỏa nhiệt và điện áp làm việc Một trong những thông số quan trọng là điện áp ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu.

 Điện áp ngượ c của thyristor cần chọn:

Trong đó: K đtU – hệ số dữ trữ điện áp, chọn K đtU =1,8.

Dòng làm việc của van đượ c tính theo dòng hiệu dụng:

Khi chọn điều kiện làm việc cho van, cần đảm bảo có cánh tỏa nhiệt và diện tích tỏa nhiệt đầy đủ Ngoài ra, không nên có quạt đối lưu không khí; dưới những điều kiện này, dòng định mức của van cần được lựa chọn một cách chính xác.

(K i là hệ số dự trữ dòng điện và chọn K i=3,2).

Từ các thông số Unv, I đmv ta chọn 6 Thyristor loại do Mỹ sản xuất có các thông số sau: Điện áp ngượ c cực đại của van: Un P0V

Dòng điện định mức của van: Iđm v 0V Đỉnh xung dòng điện: Ipik 000A

Dòng điện củaxung điều khiển: Iđk=0,3 A Điện áp của xung điều khiển: U đk =3,0 V

Dòng điện rò: Ir E mA

Sụt áp lớ n nhất của Thyristorở trạng thái dẫn là: Δ U v  2, 9 V

Tốc độ biến thiên điện áp: dU 400 / V s dt  

Tốc độ biến thiên dòng điện: dI A / s dt  

Thờ i gian chuyển mạch: tcm s

Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax 5 O C

Tính toán MBA ch ỉnh lưu

2.2.1 Tính các thông số cơ bản:

Thông số cuộn kích từ:

- Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp:

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải: cos 2. do min d v dn ba

 min ° là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lướ i Δ U v  2, 9 V là sụt áp trên Thyristor Δ U dn  0 là sụt áp trên dây nối ba r x

     là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp.

Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có:

242,687 cos cos10 d v dn ba d min

- Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp biến áp nguồn:

1 Xác định công suất máy biến áp:

2 Tính công suất biểu kiến của máy biến áp:

3.Điện áp sơ cấp máy biến áp:

4.Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp:

2.2.2 Tính sơ bộ mạch từ (xác định kích thước cơ bản mạch từ )

5 Tiết diện sơ bộ trụ

Hệ số kQ phụ thuộc vào phương thức làm mát của máy biến áp, với kQ = 6 cho các loại máy biến áp thông thường Đối với biến áp dầu, kQ dao động từ 4 đến 5, trong khi biến áp khô có kQ từ 5 đến 6 Ngoài ra, số pha của máy biến áp được ký hiệu là m, với biến áp ba pha có m = 3 và biến áp một pha có m = 1 Tần số nguồn điện xoay chiều được xác định là f = 50Hz.

Chuẩn hóa đườ ng kính trụ theo tiêu chuẩn d cm.

7 Chọn loại thép∃330 các láthép có độ dày 0,5mm

Chọn mật độ từ cảm của trụ Bt =1 T

Ta chọn chiều cao của trụ là 28cm.

9 Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp :

10.Số vòng dây mỗi pha thứ cấp của máy biến áp :

11 Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp :

Vớ i dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn J1 =J2 =2,75 A/ 

12 Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp :

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B

Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: chập 2 dây tiêu chuẩn có kích thướ c 21,24 mm 2 : S1B,48 mm 2

Kích thướ c dây dẫn có kể cách điện

13 Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp:

14 Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp :

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B.

Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: chập 7 dây tiêu chuẩn có kích thướ c 21,24 mm 2 : S2 8,7 mm 2

Kích thướ c dây dẫn có kể cách điện: S 2cđ =a2.b2 =7,0 22 mm x mm

15 Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp:

2.2.4.Kết cấu dây dẫn sơ cấp

Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục

16.Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớ p của cuộn sơ cấp:

Hệ số ép chặt kc=0,95 được sử dụng để tính toán chiều cao trụ h và chiều rộng b của dây quấn chữ nhật, bao gồm cả lớp cách điện Khoảng cách hg từ gông đến cuộn dây sơ cấp cũng là yếu tố quan trọng trong thiết kế.

Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông là 1,5cm.

17.Tính sơ bộ số lớ p dâyở cuộn sơ cấp

Như vậy có 166 vòng chia thành 5 lớ p, chọn 4 lớp đầu vào có 34 vòng, lớ p thứ 5 có 166 – 34.4 0 vòng.

19 Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp

20 Chọnống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày: S01 =0,1cm

21 Khoảng cách từ trụ tớ i cuộn dây sơ cấp chọn: cd01 =1,0 cm

22.Đườ ng kính trong củaống cách điện:

23.Đườ ng kính trong của cuộn sơ cấp:

24 Chọn bề dày giữa 2 lớ p dâyở cuộn sơ cấp: cd11=0,1 mm

25 Bề dầy cuộn sơ cấp:

26.Đườ ng kính ngoài của cuộn sơ cấp:

27.Đườ ng kính trung bình của cuộn sơ cấp:

28 Chiều dài dây quấn sơ cấp:

29 Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp: cd12 =1,0 cm 2.2.5.Kết cấu dây quấn thứ cấp

30 Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp h1=h2 $,7 cm

31.Tính sơ bộ vòng dây trên 1 lớ p:

32.Tính sơ bộ số lớ p dây quấn thứ cấp:

33 Chọn số lớ p dâu quấn thứ cấp n12 =2 lớ p Chọn lớp đầu có 28 vòng, lớ p thứ 2 có 17 vòng.

34 Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp

35.Đườ ng kính trong của cuộn thứ cấp:

36 Chọn bề dầy cách điện giữa các lớ p dâyở cuộn thứ cấp: cd2 =0,1 mm

37 Bề dầy cuộn thứ cấp

38.Đườ ng kính ngoài của cuộn thứ cấp:

39.Đườ ng kính trung bình của cuộn thứ cấp:

40 Chiều dài dây quấn thứ cấp:

41.Đườ ng kính trung bình các cuộn dây

42 Chọn khoảng cách giữa 2 cuộn thứ cấp: cd22 ,m

2.2.6.Tính các thông số của máy biến áp

43.Điện trở của cuộn sơ cấp máy biến ápở 75℃

44.Điện trở cuộn thứ cấp máy biến ápở 75℃

45.Điện trở của máy biến áp quy đổi về thứ cấp:

46 Sụt áp trên điện trở máy biến áp: Δ U r  R BA d I  0, 0083 500 4,15(V) 

47.Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp:

W2 : Số vòng dây thứ cấp biến áp r : bán kính trong cuộn dây thứ cấp (m 2 ) h : chiều cao (m)

Bd1,Bd2 : Bề dày cuộn sơ cấp và thứ cấp (m)

48.Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp:

49 Sụt áp trên điện kháng máy biến áp :

50 Sụt áp trên máy biến áp :

51.Điện áp trên động cơ khi có góc mở   =  °

52 Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp:

53 Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp

54.Điện áp ngắn mạch tác dụng:

55.Điện áp ngắn mạch phản kháng :

55.Điện áp ngắn mạch phần trăm

56.Dòng điện ngắn mạch xác lập:

57 Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu :

Tính ch ọn các thiết b ị b ảo vệ m ạch động lực

2.3.1Sơ đồ mạch động lự c có các thiết bị bảo vệ

Hình 2 1.M ạch độ ng l ự c có các thi ế t b ị b ả o v ệ

2.3.2.Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn

Khi van bán dẫn hoạt động, dòng điện chạy qua gây sụt áp và tổn hao công suất, dẫn đến sinh nhiệt và làm nóng van Để đảm bảo an toàn cho van bán dẫn, cần hoạt động trong giới hạn nhiệt độ cho phép (Tcp), vì nếu vượt quá, van sẽ bị hỏng Do đó, việc chọn và thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lý là rất quan trọng để ngăn ngừa hiện tượng quá nhiệt.

Tính toán cách tản nhiệt:

+Tổn thất công suất trên 1 thyristor:   p U I lv  837,16 W

+Diện tích bề mặt tỏa nhiệt:  = ∆

 – độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trườ ng

Chọn nhiệt độ môi trườ ng Tmt @℃. Nhiệt độ làm việc cho phép của Thyristor là Tcp 5℃.

Chọn nhiệt độ trên cánh tỏa nhiệt Tlv ℃ lv mt 40

K m là hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ Chọn K m =8 W/m 2 ℃

Chọn loại cánh tỏa nhiệt có 12 cánh, kích thướ c mỗi cánh a x b x 10 (cm x cm).

Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh S TN 2.10.10$00 cm 2

2.3.3.Bảo vệ quá dòng điện cho van

Aptomat là thiết bị quan trọng dùng để đóng cắt mạch lực, tự động ngắt mạch khi xảy ra hiện tượng quá tải hoặc ngắn mạch Nó cũng có khả năng bảo vệ các mạch ngắn mạch đầu ra của độ biến đổi, cũng như ngắn mạch thứ cấp của máy biến áp và trong chế độ nghịch lưu.

Dòng điện làm việc chạy qua aptomat:

Dòng điện aptomat cần chọn:

Có 3 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện.

Chỉnh định dòng ngắn mạch :

Từ thống số trên, chọn aptomat do hãng Fuji chế tạo, có thông số

Cầu dao được sử dụng để tạo ra khe hở an toàn trong quá trình sửa chữa hệ thống truyền động Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đóng và cắt nguồn chỉnh lưu khi khoảng cách giữa nguồn cấp và bộ chỉnh lưu là đáng kể.

+Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các thyristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu

Nhóm 1cc: dòng điện định mức dây chảy nhóm 1cc:

Nhóm 2cc: dòng điện định mức dây chảy nhóm 2cc

I  I   A v Nhóm 3cc: dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc

Vậy chọn cầu chì nhóm: 1cc loại 500 (A)

2cc loại 350(A) 3cc loại 630 (A) 2.3.4.Bảo vệ quá điện áp cho van

Bảo vệ quá điện áp cho Thyristor trong quá trình đóng cắt được thực hiện bằng cách kết nối một mạch R-C song song với Thyristor Khi chuyển mạch xảy ra, các điện tích trong các lớp bán dẫn phóng ra, tạo ra dòng điện ngược trong thời gian ngắn, dẫn đến sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược Biến thiên này gây ra sức điện động cảm ứng lớn trong các điện cảm, làm tăng quá điện áp giữa Anot và Catot của Thyristor Tuy nhiên, với mạch R-C song song, quá trình phóng điện tích diễn ra, giúp Thyristor tránh được tình trạng quá điện áp.

Hình 2 2.M ạ ch R-C b ả o v ệ quá điệ n áp do chuy ể n m ạ ch

Hình 2 3.M ạ ch R-C b ả o v ệ điệ n áp t ừ lướ i

Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, ta sử dụng mạch R-C như hình 2-3 Mạch lọc này giúp giữ đỉnh xung gần như hoàn toàn trên điện trở của đường dây.

Trị số RC đượ c chọn: R2 ,5Ω; C2 =4

Hình 2 4.M ạ ch c ầu 3 pha dùng điôt tả i RC b ả o v ệ do c ắ t MBA non t ả i

Để bảo vệ van khỏi hiện tượng cắt đột biến áp non tải, người ta lắp đặt một mạch RC ở đầu ra của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha phụ với các điốt công suất nhỏ Giá trị tự chọn thường nằm trong khoảng từ 10 đến 200.

Chọn giá trị điện trở R4 =1,4 kΩ.

THI Ế T K Ế M ẠCH ĐIỀ U KHI Ể N CH ỈNH LƯU CẦ U BA PHA

Tính bi ế n áp xung

Chọn vật liệu lõi là sắt Peril HM, với lõi hình xuyến hoạt động trên một phần của đặc tính từ hoá Các thông số quan trọng bao gồm ∆ = 0.3 và ∆ = 30/, đồng thời không có khe hở không khí.

Tỉ số biến áp xung: thườ ng m=2 ÷ 3, chọn m=3 Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung : U 2  U đk  3,0( ) V Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung:

Dòng điện thứ cấp biến áp xung:

Dòng điện sơ cấp biến áp xung :

   Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt:

 là độ t ừ thẩ m của không khí.

Thể tích của lõi thép cần có:

Chọn mạch OA-25/40-5 với thể tích V=Q.l=0,375.10,2=3,83 cm³ Kích thước mạch được xác định như sau: a=7,5mm, b=5mm, Q=0,375cm², 7,5mm²; Qcs=4,9cm², d%mm, D@mm Chiều dài trung bình của mạch là l=1,2cm.

Hình 3 1 Hình chi ế u lõi bi ế n áp xung

Số vòng dây quấn sơ cấp biến áp xung:

Theo quy luật cảmứng từ : 1 1 1 x dB B

Số vòng dây thứ cấp:

Tiết diện dây quấn sơ cấp:

Chọn mật độ dòng điện : J1 =6 (A/mm 2 ) Đườ ng kính dây quấn sơ cấp:

Tiết diện dây quấn thứ cấp:

Chọn mật độ dòng điện : J2 =4(A/mm 2 ) Đườ ng kính dây quấn thứ cấp:

Kiểm tra hệ số lấp dây:

Như vậy, cửa số diện tích cần thiết:

B ả ng 1: B ả ng thông s ố các lo ạ i lõi thép xuy ế n tròn

Tính t ầ ng khu ếch đạ i cu ố i cùng

Chọn transistor công suất 2SC9111 hoạt động ở chế độ xung với các thông số chính: loại npn, vật liệu bán dẫn là Silicon Điện áp giữa cực Collectơ và cực Bazơ khi hở mạch Emitơ là U CBO = 40V, trong khi điện áp giữa cực Emitơ và cực Bazơ khi hở mạch Collectơ là U EBO = 4V.

Dòng điện lớ n nhấtở Colecto có thể chịu đựng: I cmax  500( mA )

Công suất tiêu tánở Colecto : P C  1,7( ) W

Dòng làm việc của Colecto : I c 3  I 1  100( mA )

Dòng làm việc của Bazơ : 3 3 / 100 2( )

Với loại Tiristor đã chọn có công suất điều khiển nhỏ, Uđk 3,0 V và Iđk 0,3 A, dòng collector-base của transistor cũng khá nhỏ Trong trường hợp này, có thể không cần sử dụng transistor mà vẫn đảm bảo đủ công suất điều khiển cho hệ thống.

Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E=+12 V ta phải mắc thêm điện trở

  nối tiếp vớ i cực emitor của 

Tất cả các diod trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số: + Dòng điện định mức :  đ = 10

+ Điện áp ngượ c lớ n nhất :   = 25

+ Điện áp để cho diod mở thông:   = 1

Toàn bộ mạch điện phải dùng 6 cổng

AND nên ta chọn hai IC 4081 họ CMOS.

Mỗi IC 4081 có 4 cổng AND (sơ đồ chân hình ), các thông số:

Nguồn nuôi IC:   = (3 ÷ 1 8)  , ta chọn   V.

Nhiệt độ làm việc: - 40℃ ÷ 80℃. Điện ápứng vớ i mức logic “l ”:2÷4,5

Dòng điện nhỏ hơn 1mA

Công suất tiêu thụ p =2,5 mW /l cổng.

Hình 3 2 Sơ đồ chân IC 8041

Ch ọn t ụ C 3 , điện trở R 9

Điện trở  9 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ của Tranzitor  , chọn  9 thoả mãn điều kiện:

Tính ch ọn b ộ t ạo xung chùm

Mỗi kênh điều khiển yêu cầu 4 khuếch đại thuật toán, vì vậy chúng ta chọn 6 IC TL084 của Texas Instruments, mỗi IC bao gồm 4 khuếch đại thuật toán Thông số kỹ thuật của TL084 bao gồm điện áp nguồn nuôi là ±18V và có thể chọn điện áp nguồn nuôi là ±12V.

Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : ±30

Cống suất tiêu thụ : P h0 mW =0,68 W

Tổng trở đầu vào : R in  10 ( 6)  M 

Dòng điện đầu ra : I ra  30 pA

Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : du/dt V/ 

Hình 3 3 Sơ đồ chân IC TL084

Mạch tạo chùm xung có tần số f x  1/2t x  3kHz hay chu kỳ của xung chùm

Chọn tụ C 2  0,1 F  có điện ápU 16  V;R 8  1,518  Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn R 8 là biến trở

Tính ch ọn t ầng so sánh

Khuếch đại thuật toán đã chọn loại TL084

Trong đó nếu nguồn nuôiV cc   12 V Thì điện áp vàoA 3 làU v  12 V. Dòng điện vào đượ c hạn chế để I lv  1 mA.

Do đó ta chọn R 4  R 5  15(k )  khi đó dòng vào A 3

Tính ch ọn khâu đồng pha

Điện áp của tụ điện C1 được hình thành nhờ quá trình nạp điện Để đảm bảo điện áp tụ có tính tuyến tính trong một nửa chu kỳ điện áp, hằng số thời gian nạp của tụ cần đạt giá trị T = R × C, với R là điện trở và C là điện dung, trong đó T phải lớn hơn hoặc bằng 0,005 giây.

Chọn tụ C 1  0,1( F)  thì điện trở R 3  T /C r 1  0,005/0,1 10   6

Vậy: R 3  50.10 3    50k Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạchR 3, thườ ng chọn là biến trở lớn hơn 50k  chọn Tranzito Tr 1 loại A564 có các thông số:

Tranzito loại pnp làm bằng Si Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: U CBO  25 V Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: U EBO  7 V

Dòng điện lớ n nhấtở Colecto có thể chịu đựng :I cmax  100 mA.

Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp đạt 150°C với hệ số khuếch đại là 250 Dòng cực đại của bazơ là I B3, tương ứng với I/c là 100/250, đạt 0,4 mA Điện trở R2 được chọn để hạn chế dòng điện đi vào bazơ của tranzito Tr1.

Chọn điện áp xoay chiều đồng pha là 9 V Điện trở R1 được sử dụng để hạn chế dòng điện vào khuếch đại thuật toán A1, thường được chọn sao cho dòng vào khuếch đại thuật toán Iv khoảng 1 mA.

Tạo ngu ồn nuôi

Thiết kế máy biến áp phục vụ cho việc tạo điện áp đồng pha và cung cấp nguồn nuôi, lựa chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ với mỗi trụ được trang bị năm cuộn dây, bao gồm một cuộn sơ cấp và bốn cuộn thứ cấp.

Hình 3 4 Sơ đồ nguyên lý t ạ o ngu ồ n nuôi m ạch điề u khi ể n

- Cuộn thứ cấp thứ nhất.

Cần thiết phải tạo ra nguồn điện áp ổn định 12 V để cung cấp cho IC và các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ cũng như điện áp đặt tốc độ Nguồn điện này được cung cấp bởi ba cuộn dây thứ cấp a, b, c.

Chỉnh lưu tia ba pha được sử dụng để tạo ra điện áp nguồn nuôi đối xứng cho IC, với điện áp đầu ra ổn áp được chọn là 12 V và điện áp vào của IC ổn áp là 20 V Điện áp thứ cấp của các cuộn dây a, b, c được xác định là 1 V.

Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi, chúng ta sử dụng hai vi mạch ổn áp 7812 và 7912 Các thông số chung của vi mạch này bao gồm điện áp đầu vào từ 7V đến 35V, trong đó IC 7812 cung cấp điện áp đầu ra là 12V.

IC 7912 có U ra   12 V Dòng điện đầu ra: I ra  0 1  A

Tụ điệnC ,C 1 2 dùng để lọc thành phàn sóng dại bậc cao.

Cuộn thú cấp thứ hai a, b, c 2 2 2 cung cấp nguồn nuôi cho biến áp xung và cấp xung điều khiển cho các tiristor (12 V) Vì mức độ sụt xung cho phép tương đối lớn, nguồn này không cần ổn áp Mỗi khi phát xung điều khiển công suất xung đáng kể, cuộn dây này cần được chế tạo riêng biệt với cuộn dây cấp nguồn IC để tránh gây sụt áp nguồn nuôi IC.

Cuộn thứ cấp thứ 3 và 4, bao gồm các cuộn dây đồng pha a, b, c, cần đảm bảo điện áp hình sin trung thực Để đạt được điều này, tốt nhất là quấn biến áp riêng cho các cuộn dây này Tuy nhiên, theo kinh nghiệm, việc quấn chung với biến áp nguồn nuôi cũng có thể thực hiện được.

Tính toán máy biến áp ngu ồn nuôi và đồng pha

1 Điện áp lấy raở thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi IC U : 21  14 V.

2 Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL 084 sử dụng làm khuếch thuật toán ta chọn hai IC TL 084 để tạo 6 kênh điều khiển và 2 cổng AND.

3 Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Tiristor.

4 Điện áp pha thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi biến áp xunga b c 2 , , 2 2.

5 Điện áp lấy raở thứ cấp cuộn dây đồng pha  a , 3 b ,c a , 3 3 4 b ,c U 4 4  3,4  5 V

6 Dòng điện chạy qua cuộn dây đồng pha chọn10 mA

7 Công suất các cuộn dây đồng pha df df df

8 Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi.

9 Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy:

10 Dòng điện sơ cấp máy biến áp:

11 Tiết diện trụ của máy biến áp đượ c tính theo công thức :

Trong đó: k Q  6 - hệ số phụ thuộc phương thức làm mát. m 3  - số trụ của biến áp f  50 - tần số điện áp lướ i.

Vì kích thướ c này quá nhỏ nên ta chọn chuẩn hoá tiết diện trụ theo bảng

Kích thướ c mạch từ lá thép dày  0,5 mm

Số lượ ng lá thép: 68 lá amm bmm h0mm hệ số ép chặtk c  0,85.

12 Chọn mật độ từ cảm B  1 T ở trong trụ ta có số vòng dây sơ cấp:

Hình 3 5 Kích thướ c m ạ ch t ừ bi ế n áp

13 Chọn mật độ dòng điện J 1  J 2  2,75 A / mm 2

Tiết diện dây quấn sơ cấp:

   Đườ ng kính day quấn sơ cấp:

Chọnd 1  0,1 mm để đảm bảo độ bền cơ Đườ ng kính có kể cách điện: d lcd  0,12 mm

14 Số vòng dây quấn thứ cấpW 21 :

15 Số vòng dây quấn thứ cấpW 22 :

16 Số vòng dây quấn thứ cấpW 23 :

17 Đườ ng kính dây quấn các cuộn thứ cấp vì kích thướ c nhỏ không đáng kể chọn 0,26 mm

Các thông số còn lại của biến áp nguồn nuôi được tính như đã giớ i thiệuở trên.

18 Tính chọn điốt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi:

+ Dòng điện hiệu dụng qua điốt:

+ Điện áp ngượ c lớ n nhất mà điốt phải chịu:

U  6.U  2,45.14 34,3 (V)  +Chọn điốt có dòng định mức: dm i DHD

Chọn điốt có điện áp ngượ c lớ n nhất: n u Nmax

Chọn điốt loại KII208A có các thông số:

+ Dòng điện định mức: I dm  1,5 A

+ Điện áp ngượ c cực đại của điốt:U N  100 V.

MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ KẾ T QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Vẽ m ạch ch ỉnh lưu cầu 3 pha

Ngoài màn hình desktop chọn:

Để mở PSIM 9.0.3, bạn có thể vào Start, chọn All Programs, sau đó tìm PSIM 9.0.3 (nếu bạn đã cài đặt với tên khác, hãy làm tương tự) Ngoài ra, bạn cũng có thể truy cập trực tiếp vào thư mục cài đặt của PSIM để mở chương trình.

-Để tạo cửa sổ làm việc mớ i :

+Nhưng nếu trên thanh ToolBar đã đượ c bật

Có thể chọn thì công việc này có thể thực hiện đượ c dễ dàng bằng cách nhấn vào biểu tượ ng

+ Để tiện cho việc vẽ mạch Ta nên bật tất cả các thanh công cụ và trạng thái như hình

Hình 4 2.B ậ t các thanh công c ụ và tr ạ ng thái.

Status Bar( Thanh trạng thái): cái này có thể không bật cũng đượ c, nó dùng để hiện trạng thái làm việc.

Bật thanh công cụ (Toolbar) để truy cập các công cụ hỗ trợ vẽ mạch Thanh công cụ phần tử (Element Toolbar) cũng nên được kích hoạt, vì nó bao gồm các thành phần thiết yếu như điện trở, cuộn cảm và đồng hồ đo, giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế mạch.

Recently Used Element List: Thanh này nằm kế thanh Toolbar, chứa các phần tử vừa sử dụng.

Hình 4 4.Recently Used Element List(Ph ần đượ c khoanh)

Bướ c 3.Tiến hành vẽ mạch.

Chọn các phần tử cho việc vẽ mạch.

+Chọn điện trở , cuộn dây, đồng hồ đo dòng, đồng hồ đo áp, Voltage Sensor, Comparator(bộ so sánh), Ground (mass) ở thanh Element Toolbar.

Hình 4 5.L ấ y linh ki ệ n t ừ Element Toolbar.

Lưu ý: Có thể chọn Voltage Sensor từ : Elements Other Sensors

+Anpha Controller: Elements  Other  Switch Controller  Anpha Controller.

+Lấy cầu Thyristor 3 pha: Elements  Power  Switches  3-ph ThyristorBridge.

+ Lấy nguồn xoay chiều 3 pha: ElementSourcesVoltage3-ph Sine.

Hình 4 8.L ấ y ngu ồ n xoay chi ề u 3 pha.

+Lấy Simulation Control để điều khiển việc vẽ sóng ngõ ra: Simulate  Simulation Control.

Ghép các phần tử lại với nhau để đượ c mạch.

Để xoay linh kiện theo chiều mong muốn, bạn chỉ cần nhấp chuột phải khi lấy linh kiện ra và trước khi đặt lên mạch Sau đó, bạn có thể nhấp chọn linh kiện và thực hiện thao tác xoay.

Edit  Rotate, hoặc chọn nó rồi nhấp vào biểu tượ ng trên thanh Toolbar.

+Nối dây các chân các phan tử lại vớ i nhau bằng cách chọn EditWire hoặc nhấp vào biểu tượ ng trên Toolbar.

+ Thay đổi giá trị cho các phần tử : ta nhấp đôi chuột phải vào linh kiện đó

Cụ thể ở mạch đang vẽ:

V(line-line-rms): 380 ( tuỳ chọn).

Frequency(tần số): nên chọn đồng bộ giữa các phần tử nếu nhập giá trị la

50(tương ứng 50 Hz) thì tần số của Alpha Controller cũng có giá trị là 50.

Hình 4 10.Thông s ố cho ngu ồ n 3 pha

Thông số cho Alpha Controller.

Frequency: chọn cùng giá trị Frequency của nguổn 3 pha.

Pulse Width:chọn giá trị sao cho độ rộng xung đủ cho triac hoạt động, ở mạch này ta phải chọn giá trị từ 60 đến 100 độ.

Thông số cho Simulation Control.

Total time: là kho ảng th ờ i gian hiển th ị sóng Mạch này ch ọn 0.04 (t ức là 0.04s).

Print time: kho ảng th ờ i gian b ắt đầu hiển th ị Ch ọn là 0 n ếu mu ốn th ấy đầy đủ quá trình đầu.

Các thong s ố còn lại nên để nguyên.

Hình 4 12.Thông s ố Simulation Control Thông số cho góc kích alpha, là giá trị của thông số Amplitude của nguồn

DC điều khiển Alpha Controller, thay đổi từ 0  120.

Khi chọn thông số cho Tải, cần chú ý đến điện trở R, cụ thể là giá trị Resistance (giá trị của trở) Có thể lựa chọn giá trị 100, tương đương với 100 Ôm, hoặc có thể chọn giá trị lớn hơn hoặc nhỏ hơn tùy theo yêu cầu của mạch.

Cuộn dây L có giá trị Inductance quan trọng, ảnh hưởng đến cảm kháng của cuộn Giá trị Inductance càng lớn, dòng tải sẽ càng ổn định và phẳng Ngược lại, nếu giá trị này nhỏ, dạng áp ra sẽ tương tự như mạch tải R.

Sau khi thực hiện các bướ c trên thì ta có mạchở hình bên dướ i:

Hình 4 13.M ạ ch hoàn ch ỉ nh

Bướ c 4 Mô phỏng mạch. Để mạch mô phỏng có nhiều cách,:

Nhấn vào biểu tượ ng trên Toolbar.

Sau khi hai cửa sổ xuất hiện, chúng ta chỉ cần tập trung vào cửa sổ Properties Ở bên trái, có các giá trị của đồng hồ đo mà ta có thể chọn bằng cách nhấp đúp hoặc chọn từng giá trị và nhấn Add Bên phải là danh sách các giá trị đã chọn, để loại bỏ chúng khỏi danh sách mô phỏng, ta chỉ cần nhấp đúp vào giá trị đó.

Chọn xong ta chỉ việc nhấn nút OK để phần mềm thực hiện việc vẽ dạng sóng mô phỏng.

Mạch cầu ch ỉnh lưu 3 pha dùng thyristor là gì

Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển sử dụng 6 thyristor để chuyển đổi điện áp xoay chiều 3 pha thành điện áp một chiều Bằng cách điều chỉnh thời gian đóng mở của các thyristor, giá trị trung bình của điện áp đầu ra có thể được kiểm soát.

Hình 4 15.M ạ ch ch ỉnh lưu cầu 3 pha có điề u khi ể n dùng thyristor

Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha sử dụng 6 thyristor, trong đó 3 thyristor phía trên nối chung cực âm với tải, và 3 thyristor bên dưới nối với cực dương cùng một đầu tải Mỗi pha của nguồn điện được kết nối với điểm giữa của mỗi cặp thyristor trên và dưới.

Mạch ch ỉnhlưu cầu 3 pha có điều khiển

4.3.1 Nguyên lí tạo xung kích.

Việc tạo xung kíchđiều khiển cầu 3 pha khá phức tạp, mạch kích cần tuân thủ theo các nguyên tắc sau:

Hai thyristor trong cùng một cột không thể dẫn điện cùng lúc để tránh tình trạng ngắn mạch Thyristor ở hàng trên chỉ dẫn được khi điện áp pha nguồn gắn trên nó đạt giá trị lớn nhất, trong khi đó, ba thyristor ở hàng dưới sẽ dẫn khi điện áp của pha nguồn gắn tương ứng là nhỏ nhất.

+Dòng qua tải phảiđảm bảo là liên tục nên tại bất kỳ thờ iđiểm nàocũng có

Hai thyristor cùng dẫn sẽ dẫn đến việc một thyristor được kích lặp lại trong quá trình chuyển mạch Theo phương trình điện áp của pha nguồn, thứ tự dẫn của các cặp thyristor sẽ là D4 + D1, D1 + D6, D6 + D3, D3 + D2, D2 + D5, D5 + D4 Để thiết kế mạch tạo xung kích, phần mềm Psim sẽ được sử dụng.

Thời điểm đưa xung kích điều khiển thyristor phụ thuộc vào giá trị điện áp tức thời của pha mắc với thyristor tương ứng Do đó, tín hiệu xung kích cần được thiết kế đồng bộ với tính chất này để đảm bảo hiệu quả hoạt động.

Điện áp 3 pha được chuyển đổi thành điện áp nhỏ thông qua bộ cảm biến điện áp, với ngõ vào kết nối 2 pha của nguồn Khi có pha nào lớn nhất, ngõ ra của cảm biến sẽ cho tín hiệu dương tại thời điểm đó.

Ngõ ra của cảm biến cung cấp giá trị tương tự, sau đó được đưa vào bộ so sánh có cực không đảo kết nối với GND Khi ngõ ra của cảm biến ở mức dương, ngõ ra của bộ so sánh sẽ ở mức 1.

Khi tín hiệu mức 1 được đưa vào chân cho phép (Enable) của khối tạo góc kích, một xung điều khiển sẽ được phát sinh sau khi đạt được góc alpha đã định trước Tại chân Alpha, điện áp một chiều sẽ được đặt, và giá trị điện áp này tương ứng với giá trị góc kích.

Hình 4 16 Các kh ố i chính trong m ạch điề u khi ể n

Mô ph ỏng

4.4.1 Mô phỏng trên Psim a) Mạch mô phỏng

Hình 4 17 M ạ ch mô ph ỏ ng trên Psim b) K ết quả mô phỏng

Hình 4 18 D ạng sóng ngõ ra điện áp và dòng điệ n khi góc b ằ ng 0

Hình 4 19 D ạng sóng ngõ ra điện áp và dòng điệ n khi góc b ằ ng 30

Hình 4 20 D ạng sóng ngõ ra điệ n áp và dòng điệ n khi góc b ằ ng 60

Hình 4 21 D ạng sóng ngõ ra điện áp và dòng điệ n khi góc b ằ ng 90

4.4.2 Mô phỏng trên Matlab a) Mạch mô phỏng

Hình 4 22 Kh ối điề u khi ể n

Hình 4 23 D ạng sóng Uđồng pha,Urang cua, Uđk

64Hình 4 24 M ạ ch mô ph ỏ ng trên Matlab

Hình 4 25 Dòng trên các thyristor

Ta thấy mỗi thyristor sẽ dẫnđiện trong khoảng thờ i gian 1/3 chu kỳ vàđiện áp tải có chu kỳ bằng 1/6 chu kỳ nguồn.

Hình 4 26 D ạ ng sóng c ủ a Uvao , dòng , Ura v ớ i góc 0 độ

Hình 4.27 minh họa dạng sóng của điện áp đầu vào Uvao, dòng điện và điện áp ra Ura với góc 30 độ Điện áp đầu vào lý tưởng dẫn đến dòng điện ra không đều do hiện tượng đập mạch, trong khi điện áp đầu ra biến đổi do quá trình đóng mở của các thyristor.

Hình 4 28 D ạ ng sóng c ủ a Uvao , dòng , Ura v ớ i 60

Khi góc mở bằng 60 độ thì dòng điện và điện áp giảm so vớ i mạch khi mở góc 30 và điện áp đầu ra đã bắt đầu giảm về 0.

Hình 4 29.D ạ ng sóng c ủ a Uvao , dòng , Ura v ớ i góc 90

Nh ận xét và k ết lu ận

- K ết quả mô phỏng trên Psim và Matlab đều ra kết quả tương tự nhau.

Đối với mạch có tải cảm với L = 0.1 và R, dòng điện sẽ trễ pha so với điện áp Điều này xảy ra do tính chất cảm của tải, khiến dòng điện tăng dần theo từng chu kỳ cho đến khi đạt trạng thái ổn định.

Khi góc kích đạt 90 độ, ta nhận thấy điện áp âm xuất hiện trên tải Hiện tượng này xảy ra do khi điện áp giảm về 0, thyristor ngừng dẫn, nhưng tải vẫn phát năng lượng, tạo ra dòng điện cùng chiều chạy qua hai thyristor và tải Do đó, điện áp trên tải tương đương với điện áp dây của nguồn và có giá trị nhỏ hơn 0.

- Dòng trên thyristor sẽ ngưng dẫn khi xảy ra một trong haiđiều kiện: cuộn cảm phát hếtnăng lượ ng hoặc khi có xung kích dẫn thyristor khác. Ưu điểm:

-Cho phép đấu thẳng vào lướ iđiện 3 pha.

- Công suất máy biến áp cũng chỉ sấp xỉ công suất tải.

-Đồng thời gây méo lưới điện ít hơn các loại sơ đồ chỉnhlưu khác

- Phù hợ p vớ i tải công suất lớ n Khi mắc song songngượ c có thể đảo chiều

Sụt áp trên van gấp đôi sơ đồ hình tia xảy ra do có hai van dẫn để đưa dòng ra tải, điều này khiến cho nó không phù hợp với cấp điện áp ra tải dưới 10V.