[Đồ Án Điện Tử] Thiết Kế Máy Phát 3 Pha - Bộ Ổn Dòng phần 7 docx

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 67 So với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia ba pha có chất lượng dòng diện một chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn, việc điều khiển các van bán dẫn cũng tương đối đơn giản. Với dòng điện mỗi cuộn day thứ cấp là dòng một chiều, nhờ có biến áp ba pha ba trụ mà từ thông lõi thép máy biến áp là từ thông xoay chiề u không đối xứng làm cho công suất biến áp phải lớn. Nếu ở đây biến áp được chế tạo từ ba máy biến áp một pha thì công suất còn lớn hơn nhiều. Khi chế tạo biến áp động lực có cuộn dây phải được đấu sao với dây trung tính phải lớn dây pha vì dây trung tính chịu dòng điện tải. I.3.5 Chỉnh lưu tia sáu pha. a.Sơ đồ : Hình I.16 Sơ đồ mạch động lực chỉnh lưu tia sáu pha Sơ đồ chỉnh lưu tia sáu pha được cấu tạo bởi sáu van bán dẫn nối với biến áp ba pha có sáu cuộn dây thứ cấp. Trên mỗi trụ biến áp có hai cuộn dây giống nhau và ngược pha. Điện áp các pha dịch pha nhau một goc 60 0 . Dạng sóng điện áp tải ở đây là phần dương hơn của các điện áp pha. Với dạng sóng như trên hình I.18 ta nhận thấy chất lượng điện áp một chiều được coi là tốt nhất. A 1 B 1 C 1 T 6 T 5 T 4 T 1 T 2 T 3 L d Z U d I d A + B + C + A - B - C - u 0 θ 1 B - A + C - B + A - C + B - A + C - u d θ 2 θ 3 θ 4 θ 5 θ 6 θ 7 θ 8 θ 9 θ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 68 Hình I.17 Giản đồ các đường cong điện áp. b.Các thông số của sơ đồ : -Giá trị trung bình của điện áp tải khi tải điện cảm : 2 3 d2f 3 2f 6 U2Usint.dt 2 32 = U cos π +α π = ωω π α π ∫ -Giá trị trung bình của dòng chảy trong các van : d tb I I 6 = -Giá trị điện áp ngược đặt lên mỗi van : NV 2f U22U= -Công suất máy biến áp : S BA = 1,26U d .I d c.Nhận xét : Theo dạng sóng điện áp ra chúng ta thấy rằng mỗi van bán dẫn dẫn thông trong khoảng 1/6 chu kỳ. So với các sơ đồ khác thì ở chỉnh lưu tia sáu pha dòng điện chạïy trong các van bán dẫn bé nhất . Do đó sơ đồ chỉnh lưu tia sáu pha rất có ưu điểm khi dòng tải lớn. Tuy nhiên với biến áp ba pha sáu cuộn dây thứ cấp chế tạo phức tạp hơn. Do đó sơ đồ này ít được sử dụng trong thực tế. I.3.6 Chỉnh lưu cầu ba pha. *Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng. C B E F A L R T 1 T 2 T 3 D 1 D 2 D 3 U d Hình I.18 Sơ đồ mạch động lực chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 69 Loại này chỉnh lưu được cấu tạo từ một nhóm NA hoặc NK có điều khiển và một nhóm không điều khiển như mô tả trên hình I.22 Hoạt động của sơ đồ : Tại θ 1 cấp xung điều khiển mở T 1 , điện áp pha A dương hơn pha B và pha C nhưng pha B âm hơn nên Thyristor T 1 và Diod D 2 dẫn cho dòng chảùy qua tải trong khoảng θ 1 ÷ β 1 . Đến β 1 do điện áp pha C âm hơn nên T 1 và D 3 dẫn cho đến θ 2 . Tại θ 2 cấp xung điều khiển mở T 2 , điện áp pha B dương hơn pha A và pha C nhưng pha C âm hơn nên T 1 và D 3 dẫn. Đến β 2 do điện áp pha A âm hơn nên T 2 và D 3 dẫn cho đến θ 3 . Tương tự như vậy : θ 3 ÷ β 3 , T 3 và D 1 dẫn. θ 4 ÷ β 4 , T 3 và D 2 dẫn. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng có dòng điện và điện áp tải liên tục khi góc mở các van bán dẫn nhỏ hơn 60 0 . Khi góc mở tăng lên và thành phần điện cảm của tải nhỏ, dòng điện và điện áp sẽ gián đoạn. Theo dạng sóng điện áp tải ở trên trị số điện áp trung bình trên tải bằng không khi góc mở đạt tới 180 0 . Có thể coi điện áp trên tải là tổng của hai điện áp chỉnh lưu tia ba pha. u d θ 3 θ 1 θ 2 θ 4 β 1 β 2 β 3 β 4 0 u I T1 I d i u A u C u B θ θ θ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 70 Hình I.19 Giản đồ các đường cong điện áp tải, dòng điện tải, dòng điện các van. b.Thông số của sơ đồ : -Giá trị trung bình của điện áp trên tải : d2f 2f 36 1cos 1cos UU 2,34U 22 + α+α == π -Điện áp ngược đặt lên van bán dẫn : U N = 2f 6U -Công suất biến áp : S BA = 1,05.U d .I d và công suất máy biến áp giống như ở sơ đồ điều khiển đối xứng. c.Nhận xét : So với cầu ba pha điều khiển đối xứng thì trong sơ đồ này việc điều khiển các van bán dẫn được thực hiện đơn giản hơn. Ta có thể coi mạch điều khiiển của bộ chỉnh lưu này như điều khiển một ch ỉnh lưu tia ba pha. Tuy nhiên điện áp chỉnh lưu chứa nhiều thành phần sóng hài. Chỉnh lưu cầu ba pha hiện nay là sơ đồ có chất lượng điện áp tốt nhất , hiệu suất sử dụng biến áp cao nhất nhưng cũng là sơ đồ phức tạp nhất. I.3.7 Chọn sơ đồ thiết kế. Qua trình bày ở trên ta chọn sơ đồ mạch động lực là sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đố xứng bởi vì nó phù hợp hơn so với các sơ đồ chỉnh lưu khác. Với nguồn cấp cho kích từ lấy trực tiếp từ đầu ra của máy phát chính, đó là ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 71 điện xoay chiều chính ta phải chỉnh lưu thành điện một chiều, sau đó đưa vào kích từ là kợp lý nhất về cả hai phương diện kỹ thuật và kinh tế. Các thông số kỹ thuật tốt nhất trong các sơ đồ chỉnh lưu, vận hành đơn giản, giá thành không cao lắm. Chẳng hạn chúng ta sử dụng các sơ đồ băm áp một chiều tuy có thể điều chỉnh tầ n số đóng ngắt cao, điện áp ra gần như bằng phẳng nhưng giá thành đầu tư cao. Đặc biệt là phải có nguồn một chiều để cung cấp cho bộ nguồn băm áp này nên nó làm cho hệ thống phức tạp hơn. Ngoài ra việc với một bộ nguồn chỉnh lưu cho kích từ của máy phát sẽ dễ dàng hơn cho việc thiết kế và chế tạo. Theo yêu cầu thiết kế mạ ch ổn định điện áp cho máy phát công suất 12kVA, tần số 50Hz, điện áp ra máy phát 400V. Đây là máy có cấp công suất không lớn nên để đơn giản cho hệ thống kích từ sẽ không dùng máy phụ cấp nguồn cho kích từ mà ta sẽ lấy trực tiếp điện áp đầu ra của máy phát qua biến áp qua chỉnh lưu và làm nguồn cấp cho hệ thống kích từ. Các thông số của mạch kích từ U ktđm = 65V, I ktđm = 8,8A, P ktđm = 572W. CHƯƠNG II TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC Như kết luận ở chương I (phần II) ta chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng . Bao gồm có sáu van bán dẫn : 3 Diod và 3 Thyristor. II.1 Sơ đồ mạch động lực : • • • • • • • •• • • • • • • A B C AT CD R 2 C 2 R 2 C 2 C 2 R 2 BA a b c ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 72 Hình II.1 Sơ đồ mạch động lực các thiết bị bảo vệ. II.2 Tính chọn các thông số của mạch động lực. Các thông số của máy phát điện đồng bộ P = 12kVA, U = 400V, f = 50Hz. Các thông số của mạch kích từ : U ktđm = 65V, I ktđm = 8,8A, P ktđm = 572W. II.2.1 Chọn van động lực : Các van động lực được chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là dòng điện, sơ đồ đã chọn, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc. Theo yêu cầu thiết kế cho điện áp tải U d = U ktđm = 65V. dòng điện tải I d = I ktđm = 8,8A. Để van bán dẫn có thể làm việc an toàn không bị chọc thủng về nhiệt ta nên chọn hệ thống tỏa nhiệt hợp lý. Vì máy phát điện làm việc trong một thời gian dài cho nên ta chọn phương pháp tỏa nhiệt có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện tích bề mặt, không cần quạt làm mát ( không cần làm mát cưỡng bức). Van động lực cần chọn có thông số : -Điện áp ngược của van lớn nhấ t phải chọn : 2 . nmax nv UkU = 2 d u U U k = với sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng : [ ] 62,457 nv k == [] 3. 6 2,34 7 u k π == ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 73 Như vậy : 65 . 2,45. 68,05 ( ) 2,34 d nmax nv u U Uk V k == = -Điện áp ngược của van cần chọn : . 2.68,05 136,1 ( ) nv dtU nmax UkU V = == Trong đó : k dtU = 2 hệ số dự trữ điện áp. -Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng : . 0,58.8,8 5,1 ( ) lv hd hd d I IkI A = == = Trong đó : k hd = 0,58 hệ số xác định dòng điện. -Với điều kiện làm mát như trên thì dòng định mức của van cần chọn : ( ) 10 40 %. lv dmv I I=÷ . .4.5,120,4() dmv i lv I kI A=== Trong đó : k i = 4 là hệ số dự trữ dòng điện. Từ các thông số U nv và I đmv ta chọn 3 Thyristor giống nhau có thông số loại HT25/04OG2. Có các thông số như sau : -Điện áp ngược cực đại của van : U nv = 400V. -Dòng điện làm việc cực đại : I đm = 25A. -Dòng điện đỉnh cực đại : I pik = 400A. -Dòng điện xung điều khiển : I g = 50mA. -Điện áp xung điều khiển : U g = 2,5V. -Dòng điện rò : I r = 10mA. -Sụt áp cực đại trên van khi mở : ΔU = 1,8V. -Đạo hàm điện áp : dU/dt = 200V/s. -Nhiệt độï làm việc cực đại : T max = 125 0 C. Và chọn ba Diod giống nhau loại HD25/02-4 có các thông số như sau : -Dòng điện chỉnh lưu cực đại : I max = 25A. -Điện áp ngược của Diod : U n = 200V. -Đỉnh xung dòng điện : I pik = 300A -Tổn hao điện áp ở trạng thái mở Diod: ΔU = 1,4V. -Nhiệt độ cho phép : T cp = 180 0 C. II.2.2 Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu. 1. Điện áp chỉnh lưu khi có tải : ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 74 min . do d V dn ba Ucos U U U U α =+Δ+Δ+Δ [7] Trong đó : α min = 10 0 là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lưới. ΔU V : tổn thất điện áp trên các van bán dẫn. ΔU V = ΔU Tmax + ΔU D = 1,8 +1,4 = 3,2V. ΔU dn : Tổn thất điện áp ở dây nối. Coi ΔU dn = 0. ΔU ba : sụt áp bên trong máy biến áp khi có tải. Thường chọn ΔU ba = (5÷10)%. Vậy ΔU ba = 5%.U d = 5%.25 = 1,25V. Vậy : 0 min 65 3,2 0 1,25 70,52 ( ) 10 d V dn ba do UUU U UV cos cos α +Δ +Δ +Δ + ++ === 2. Công suất tối đa của tải : . 70,52.8,8 620,6 ( ) dmax do d PUI W== = 3. Công suất biến áp nguồn cấp : . 1,05.620,6 661,6 ( ) ba s dmax SkP VA== = 4. Điện áp pha sơ cấp máy biến áp : U 1p = U 1 = 400V. 5. Điện áp pha thứ cấp máy biến áp : 22 70,52 30,15 ( ) 3. 6 do f u U UU V k π == = = 6. Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp : 2 2 8,87,19() 3 id I kI A== = Trong đó : [] 2 7 3 i k = 7. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp : 2 12 2 1 30,15 .7,190,54() 400 ba U I kI I A U == = = II.2.3 Tính chọn các thiết bị bảo vệ : 1. Bảo vệ quá dòng điện cho van. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 75 Áptômat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch khi quá tải và ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp. Aptômat phải có I đm = 1,1.I d1 = 1,1. 3 .0,54 = 1,03(A). Chỉnh định dòng ngắn mạch : 1 2,5. 2,5. 3.0,54 2,34 ( ) nm d I IA== = Dòng quá tải : 1 1,6. 1,6. 3.0,54 1,5 ( ) qt d I IA== = Cầu dao có dòng định mức : 1, 03 ( ) dm dmAp I IA = = Cầu chảy : dùng cầu chảy tác động nhanh bảo vệ ngắn mạch Thyristor. Nhóm 1cc : dòng điện định mức nhóm dây chảy 1cc : 12 1,1. 1,1.7,19 7,91 ( ) cc I IA== = Nhóm 2cc : dòng điện định mức nhóm dây chảy 2cc : 2 1,1. 1,1.5,1 5,261 ( ) cc hd II A=== Nhóm 3cc : dòng điện định mức nhóm dây chảy 3cc : 3 1,1. 1,1.8, 8 9, 7 ( ) cc d I IA== = Như vậy ta chọn : +1 Aptômat loại Hi-Mec 30AF loại ABE30a có thông số : Điện áp cách điện định mức : U cđ = 490V. Điện áp xung định mức : U imp = 6kV. Điện áp phục vụ tối đa định mức : U e = 460V. Dòng điện định mức ở 40 0 C : I đm = 3A. +1 cầu dao có dòng định mức : I đm ≥ 2A. + Cầu chẩy nhóm : 1cc có I đm ≥ 8A. 2cc có I đm ≥ 6A. 3cc có I đm ≥ 10A. 2. Bảo vệ quá điện áp cho van : Để bảo vệ quá điện áp cho van do quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Thyristor và Diod. Hình II.2 Mạch bảo vệ quá điện áp cho van. R 1 C 1 T A R 1 C 1 D A ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát. 76 Khi có sự chuyển mạch do phóng điện từ van ra ngoài tạo nên xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp p-n. Mạch R-C mắc song song với van bán dẫn tạo thành mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van. Theo kinh nghiệm R 1 = (5 ÷ 30)Ω ; C 1 = (0,25 ÷ 4)μF. Chọn theo tài liệu [7] : R 1 = 5,5(Ω) và C 1 = 0,25μF. 3.Bảo vệ van bán dẫn khỏi đánh thủng do xung điện áp từ lưới. Chúng ta mắc song song với tải ở đầu vào một mạch R-C nhằm lọc xung. Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như hoàn toàn nằm lại trên điện trở đường dây. Trị số R 2 , C 2 được chọn theo tài liệu [7] : R 2 = 12,5Ω và C 2 = 4μF. Hình II.3 Mạch bảo vệ van tránh xung điện áp từ lưới. 4. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn. Khi van bán dẫn làm việc có dòng điện chạy qua , trên van có sụt áp , do đó có tổn hao công suất ΔP, tổn hao này sinh nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác , van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép (T cp ). Nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn ta phải chọn hệ thống toả nhiệt hợp lý. Tổn thất công suất trên 1 Thyristor : .1,8.5,19,18() lv P UI wΔ=Δ = = Diện tích bề mặt toả nhiệt : 2 9,18 0,029 ( ) .8.40 m m P Sm k τ Δ === Trong đó : k m = 8 (w/m 2 . 0 C) là hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. 0 80 40 40 lv mt TT C τ =− =−= độ chênh nhiệt . T mt = 40 0 C nhiệt độ môi trường. Nhiệt độ làm việc cực đại của van là 125 0 C. Do đó chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt là : T lv = 80 0 C Vậy S m = 0,029(m 2 ) = 290(cm 2 ). Chọn loại cánh toả nhiệt có 6 cánh , kích thước mỗi cánh : • • • • • • R 2 C 2 R 2 C 2 C 2 R 2 [...]...ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát a×b = 5×5(cm×cm) Với a là chiều cao cánh toả nhiệt, b là chiều rộng cánh toả nhiệt Tổng diịen tích toả nhiệt của cánh : S = 6.2.5.5 = 30 0(cm2) CHƯƠNG III THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP 77 . I d A + B + C + A - B - C - u 0 θ 1 B - A + C - B + A - C + B - A + C - u d θ 2 θ 3 θ 4 θ 5 θ 6 θ 7 θ 8 θ 9 θ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn. điện áp pha B dương hơn pha A và pha C nhưng pha C âm hơn nên T 1 và D 3 dẫn. Đến β 2 do điện áp pha A âm hơn nên T 2 và D 3 dẫn cho đến θ 3 . Tương tự như vậy : θ 3 ÷ β 3 , T 3 và D 1 . : 2 2 8, 87, 19() 3 id I kI A== = Trong đó : [] 2 7 3 i k = 7. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp : 2 12 2 1 30 ,15 .7, 190,54() 400 ba U I kI I A U == = = II.2 .3 Tính chọn các