Thiết kế BBĐ xoay chiều một chiều tự động duy trì điện áp ra theo lượng đặt trước

Đồ án này gồm 6 chương: Chương 1. Thiết kế sơ đồ mạch động lực. Chương 2. Thiết kế mạch điều khiển. Chương 3. Tính chọn thiết bị. Chương 4. Xây dựng các quan hệ cơ bản. Chương 5. Thuyết minh nguyên lý toàn hệ thống. CHƯƠNG 1. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC 1. Đặt vấn đề Trong kỹ thuật điện rất nhiều trường hợp yêu cầu biến đổi nguồn điện áp xoay chiều thành nguồn điện áp một chiều và điều chỉnh điện áp một chiều đầu ra. Để thực hiện việc này người ta có nhiều cách khác nhau, ví dụ như dùng tổ hợp động cơ máy phát, dùng bộ chỉnh lưu... nhưng phổ biến nhất và có hiệu suất cao nhất là sử dụng các sơ đồ chỉnh lưu bằng các phần tử bán dẫn. Các sơ đồ chỉnh lưu (bộ biến đổi xoay chiều – một chiều) là các bộ biến đổi ứng dụng tính chất dẫn dòng một chiều của các phần tử điện tử bán dẫn để biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều một cách trực tiếp. Hiện nay các phần tử điện tử hầu như không được dùng trong các sơ đồ chỉnh lưu vì có kích thước lớn, hiệu suất thấp. Các phần tử chủ yếu được sử dụng hiện nay là các thyristor và các điôt bán dẫn. Các sơ đồ chỉnh lưu có nhiều dạng khác nhau và được ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau, ví dụ như là để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, cung cấp điện áp một chiều cho các thiết bị mạ điện, điện phân, cung cấp điện áp một chiều cho các thiết bị điều khiển, các đèn phát trung tâm và cao tần…. Các sơ đồ chỉnh lưu cũng được dùng từ công suất rất nhỏ đến công suất rất lớn. 1.2. Chọn bộ biến đổi. Bộ nguồn chỉnh lưu thường được phân loại theo các cách như sau: Theo cách nối dây : Mạch chỉnh lưu hình tia, hình cầu Theo số pha: Mạch chỉnh lưu 1 pha, 2 pha, 3 pha Theo cách điều khiển: Không điều khiển, có điều khiển, bán điều khiển Với yêu cầu của đề tài có một số phương án sau: 1.2.1. Sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha. a. Sơ đồ nguyên lý. BA là máy biến áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, BA có nhiệm vụ như sau: Tạo ra hệ thống điện áp xoay chiều hai pha không có trong lưới điện công nghiệp. BA có một cuộn sơ cấp được đặt điện áp nguồn xoay chiều một pha u1, hai cuộn dây thứ cấp là W21 và W22 có số vòng bằng nhau và được đấu như hình 1. Như vậy trên W21 và W22 ta có các điện áp u21 và u22 thoả mãn quan hệ u21 = u22, đây là hệ thống điện áp xoay chiều hai pha cần thiết.

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử có công suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều. Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh mẽ. Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì ngành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Đặc biệt với chủ trương công nghiệp hoá - hiện đại hoá của Nhà nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất. Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn, chính xác. Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử công suất cần phải giải quyết. Chính vì vậy đồ án môn học điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên TĐH. Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũng là điều kiện để cho sinh viên ngành TĐH tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất. Với chương trình đào tạo của nhà trường cùng với yêu cầu của khoa em được phân công thiết kế đồ án môn học điện tử công suất có đề tài: “Thiết kế BBĐ xoay chiều một chiều tự động duy trì điện áp ra theo lượng đặt trước”. Đồ án này gồm 6 chương: Chương 1. Thiết kế sơ đồ mạch động lực. Chương 2. Thiết kế mạch điều khiển. Chương 3. Tính chọn thiết bị. Chương 4. Xây dựng các quan hệ cơ bản. Chương 5. Thuyết minh nguyên lý toàn hệ thống. Sau đây là phần tính toán, thiết kế đồ án môn học của em. 1 CHƯƠNG 1. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC 1. Đặt vấn đề Trong kỹ thuật điện rất nhiều trường hợp yêu cầu biến đổi nguồn điện áp xoay chiều thành nguồn điện áp một chiều và điều chỉnh điện áp một chiều đầu ra. Để thực hiện việc này người ta có nhiều cách khác nhau, ví dụ như dùng tổ hợp động cơ - máy phát, dùng bộ chỉnh lưu nhưng phổ biến nhất và có hiệu suất cao nhất là sử dụng các sơ đồ chỉnh lưu bằng các phần tử bán dẫn. Các sơ đồ chỉnh lưu (bộ biến đổi xoay chiều – một chiều) là các bộ biến đổi ứng dụng tính chất dẫn dòng một chiều của các phần tử điện tử bán dẫn để biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều một cách trực tiếp. Hiện nay các phần tử điện tử hầu như không được dùng trong các sơ đồ chỉnh lưu vì có kích thước lớn, hiệu suất thấp. Các phần tử chủ yếu được sử dụng hiện nay là các thyristor và các điôt bán dẫn. Các sơ đồ chỉnh lưu có nhiều dạng khác nhau và được ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau, ví dụ như là để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, cung cấp điện áp một chiều cho các thiết bị mạ điện, điện phân, cung cấp điện áp một chiều cho các thiết bị điều khiển, các đèn phát trung tâm và cao tần…. Các sơ đồ chỉnh lưu cũng được dùng từ công suất rất nhỏ đến công suất rất lớn. 1.2. Chọn bộ biến đổi. Bộ nguồn chỉnh lưu thường được phân loại theo các cách như sau: * Theo cách nối dây : Mạch chỉnh lưu hình tia, hình cầu * Theo số pha: Mạch chỉnh lưu 1 pha, 2 pha, 3 pha * Theo cách điều khiển: Không điều khiển, có điều khiển, bán điều khiển Với yêu cầu của đề tài có một số phương án sau: 1.2.1. Sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha. a. Sơ đồ nguyên lý. BA là máy biến áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, BA có nhiệm vụ như sau: Tạo ra hệ thống điện áp xoay chiều hai pha không có trong lưới điện công nghiệp. BA có một cuộn sơ cấp được đặt điện áp nguồn xoay chiều một pha u 1 , hai cuộn dây thứ cấp là W 21 và W 22 có số vòng bằng nhau và được đấu như hình 2 1. Như vậy trên W 21 và W 22 ta có các điện áp u 21 và u 22 thoả mãn quan hệ u 21 = u 22 , đây là hệ thống điện áp xoay chiều hai pha cần thiết. Đảm bảo sự cách ly về điện giữa mạch động lực của sơ đồ chỉnh lưu với nguồn điện áp xoay chiều trong một số trường hợp cần thiết để đảm bảo an toàn cho người vận hành và sửa chữa. Giá trị điện cảm tản của BA tham gia làm giảm tối đa tăng của dòng qua van khi mở van làm hạn chế được giá trị di T /dt để bảo vệ van, vì vậy khi đã sử dụng máy biến áp để cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu thì không cần phải đưa điện cảm vào mạch nguồn mà chỉ cần lựa chọn máy biến áp có giá trị điện áp ngắn mạch phần trăm lớn ( u N % = 7 – 10 % ). Các Thyristor T 1, T 2 biến điện áp xoay chiều thành một chiều. - Ed, Ld, Rd các phần tử phụ tải. b. Giản đồ dòng điện, điện áp của các phần tử . Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia 2 pha ứng với trường hợp tải Ld = ∞ 3 T2 Rd T1 W1 Ld W21 Ud W22 Ed i21 iT1 id U21 U22 iT2 i22 i1 BA U1 * * * ° ° c. Các biểu thức tính toán cơ bản: U d =u do cos α ; u do = ( 2 2 π )u 2 = 0,9u 2 U 2 – giá trị hiệu dụng của điện áp một pha bên thư cấp BA. 4 0 u u d (nét đậm) u 22 u 21 v 1 v 2 v 3 2 π π ααα i T1 t ω v 3 v 2 I d v 1 0 2 π π i 1 i T2 0 v 1 π I d 2 π t ω t ω 2 π π I d /k ba v 1 0 0 t ω u T1 2u 21 u 21 v 1 π v 2 2 π v 3 t ω I Ttb = 2 Id U Tth max =U Tng max = 2 2 u 2 , I 2 = 2 Id , I 1 = Id Kba . 1.2.2. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha dùng 4 thyristor + Sơ đồ nguyên lý. Trong đó: - BA là máy biến áp một pha cung cấp điện áp cho mạch chỉnh lưu - W1 là cuộn dây sơ cấp có điện áp sơ cấp u 1 - W2 là cuộn dây thứ cấp có điện áp thứ cấp u 2 - Các Thyritor T1,T2 T3,T4 làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều thành điện áp môt chiều, 4 van này được phân làm 2 nhóm : +T1,T3 được đấu Katot chung +T2,T4 được đấu Anot chung - Ed, Ld, Rd là các phần tử phụ tải Giản đồ điện áp và dòng điện như hình 1.2 5 Rd Ld Ed udu1 T3 T1 T2 T4 BA u2 b. Giản đồ điện áp và dũng điện c. Các đại lượng được tính như sau Ud = Udo Cosá ,Với Udo = 0,9U2 6 ùt đ 2đ u 0 v 2 v 3 u 2 i T1= i T2 ùt0 ùt0 i 1 ùt0 v 1 -u 2 á á á u d (nét đậm) I d I d I d /k ba u T1 = u T2 ùt0 v 1 đ 2đ v 1 v 2 v 3 đ 2đ i T3= i T4 Uthmax =Ungmax = 2 U2 I T = I d / 2 Nhận xét. Với sơ đồ hình tia 2 pha, việc điều khiển các van dẫn ở đây tương đối đơn giản. Tuy nhiên việc chế tạo máy biến áp có 2 cuộn dây thứ cấp giống hệt nhau, mỗi cuộn dây chỉ làm việc có 1 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 của các van dẫn phải có trị số lớn nhất. Với sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 1 pha có chất lượng điện áp ra hoàn toàn giống với sơ đồ hình tia 1 pha (ở biến áp trung tính). Hình dạng các đường cong điện áp, dòng điện tải, dòng điện các van bán dẫn và điện áp của một van tiêu biểu gần tựa nhau. Trong 2 sơ đồ dòng điện chạy qua van giống hệt nhau, nhưng điện áp ngược van phải chịu nhỏ hơn U NV = 2 u 2 . * Nói chung sơ đồ chỉnh lưu hình cầu một pha có nhiều ưu điểm hơn, các nhược điểm có thể khắc phục dễ dàng. Sơ đồ này có thể đáp ứng được yêu cầu phụ tải như đề tài, vì thế chọn sơ đồ này. 7 1.3. Thiết kế sơ đồ mạch động lực. a. Giới thiệu sơ đồ Trong sơ đồ này: - BA- là máy biến áp cung cấp, với sơ đồ cầu một pha thì có thể dùng hoặc không dùng máy biến áp. - Các van điều khiển T 1 đến T 4 dùng để biến điện áp xoay chiều thành một chiều. Bốn van này được phân thành 2 nhóm: Nhóm katôt chung gồm T 1 và T 3 , nhóm anôt chung gồm T 2 và T 4 . - Ed, Ld, Rd là các phần tử của phụ tải. - u 1 , u 2 là điên áp trên cuộn dây sơ cấp (điện áp lưới) và điện áp cuộn thư cấp. - i 1 , i 2 là dòng điên cuộn dây sơ cấp (dòng điện lưới) và dòng điện thứ cấp. - Mạch bảo vệ RC. - Cuộn kháng CK. b. Nguyên lý làm việc của sơ đồ. * Ta xét nguyên lý làm việc của sơ đồ trong trường hợp giả thiết phụ tải có Ld = ∞ và xem rằng sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm ta bắt đầu xét. Với đồ thị điện áp nguồn va giá trị góc điều khiển như trên hình vẽ, ta có nguyên lý làm việc của sơ đồ như sau: 8 * * Rd L d E d id i T2 i T1 i 1 i T3 i T4 i 2 u 1 i 1 u 2 i 1 u d 1 T 1 1 T 3 1 T 4 1 T 2 1 BAi 1 • R R R R C C C C • • • • •• • ° ° CK Giả thiết trong khoảng lân cận phía trước thời điểm ω t = v 1 = á Thì trong sơ đồ 2 van T 3 và T 4 đang dẫn dòng. Tại ω t = v 1 = á thì 2 van T 1 và T 2 đồng thời có tín hiệu điều khiển, lúc đó điện áp trên 2 van này đều thuận (u T1 = u T2 = u 2 ) do vậy cả 2 van đều mở. Hai van T 1 và T 2 mở nên sụt áp trên chúng giảm về bằng không và ta có: u d = u 2 , u T3 = u T4 = - u 2 Và tại ω t = v 1 = á thì u 2 > 0 tức là T 3 ,T 4 bị đặt điện áp ngược và khoá lại. Tại thời điển này ( ω t = v 1 ) trong sơ đồ có 2 van T 1 và T 2 dẫn dòng, khi 2 van T 1 và T 2 làm việc thì: u d = u 2 ; i T3 = i T4 = 0 ; u T1 = u T2 ; u T3 = u T4 = -u 2 ; i T1 = i T2 = i d = I d Đến ω t = đ thì u 2 = 0 và bắt đầu chuyển xang nửa chu kỳ âm nên nó tác động ngược với chiều dòng qua T 1 và T 2 , đồng thời T 3 và T 4 lúc này có điện áp thuận , nhưng T 3 và T 4 chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, vì vậy mà T 1 và T 2 tiếp tục dẫn dòng bởi s.đ.đ tự cảm sinh ra trong Ld do dòng tải có xu hướng giảm. Do T 1 và T 2 vẫn mở nên các biểu thức điện áp và dòng điện trên các phần tử của sơ đồ vẫn giữ nguyên như trên. Tại ω t = v 2 = đ +á thì T 3 và T 4 đồng thời có tín hiệu điều khiển, trên 2 van đang có điện áp thuận nên T 3 và T 4 cùng mở. Hai van T 3 và T 4 mở nên sụt áp trên chúng giảm về bằng không và ta có: u d = - u 2 ; u T1 = u T2 = u 2 ; Và tại ω t = v 2 = đ +á thì u 2 < 0, tức là T 1 và T 2 bị đặt điện áp ngược và khoá lại. Từ thời điểm này ( ω t = v 2 ) trong sơ đồ chỉ có 2 van T 3 và T 4 dẫn dòng, khi 2 van T 3 và T 4 làm việc thì: u d = - u 2 ; i T1 = i T2 = 0 ; u T1 = u T2 = u 2 ; u T3 = u T4 = 0; i T3 = i T4 = i d = I d Đến ω t = 2đ thì u 2 = 0 và bắt đầu chuyển xang nửa chu kỳ dương và nó tác động ngược với chiều dòng qua T 3 và T 4 , đồng thời trên T 1 và T 2 có điện áp thuận nhưng T 1 và T 2 vẫn chưa mở vì chưa có tín hiệu điều khiển, nên s.đ.đ tự cảm sinh ra trong Ld vẫn làm T 3 và T 4 tiếp tục dẫn dòng. Đến ω t = v 3 = 2đ + á thì T 1 và T 2 đồng thời có tín hiệu điều khiển và T 1 và T 2 lại cùng làm, T 3 và T 4 bị đặt điện áp ngược và khoá lại. Từ thời điểm này sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc như từ ω t = v 1 . Giai đoạn ω t = 0 đến v 1 có thể suy ra từ giai đoạn ω t = 2đ đến v 3 do tính chất lặp lại khi sơ đồ làm việc, ta thấy rằng nó hoàn toàn phù hợp với giả thiết ban đầu là T 3 và T 4 dẫn dòng. 9 c.Giản đồ điện áp mạch động lực d. Các biểu thức cơ bản Ud = Udo Cosá ,Với Udo = 0,9U2 10 u T1 =u T2 0 u u d (nét đậm) -u 2 u 2 v 1 v 2 v 3 2 π π ααα i T1 =i T2 t ω v 3 v 2 I d v 1 0 2 π π i 1 i T3 =i T4 0 v 1 π I d 2 π t ω t ω 2 π π I d /k b a v 1 0 0 t ω π t ω v 3 v 2 v 1 2 π v 2 v 2 v 3 v 3 [...]... 2: Khối tạo ra điện áp tựa, tạo ra điện áp dưới dạng sóng răng cưa - Khối 3: Khối so sánh, so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển - Khối 4: Khối tạo xung - Khối 5: Khối phân chia xung + u1 – là điện áp lưới(nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu + urc – là điện áp tựa thường có dạng hình răng cưa lấy từ đầu khối ĐBH – FSRC 13 + uđk – là điện áp điều khiển, đây là điện áp một chiều được đưa... ta sử dụng hai loại IC là: IC 7815 và IC 7915 để tạo điện áp ± 15v = ± ucc Nguồn nuôi dùng biến áp hạ áp từ điện áp lưới xoay chiều xuống điện áp cần thiết rồi được chỉnh lưu thành dòng một chiều nhờ bộ chỉnh lưu cầu dùng 4 ddiot như hình vẽ Điện áp đầu ra được ổn định và lọc, san phẳng nhờ IC ổn áp và các tụ hoá(tụ lọc) một chiều Hai nguồn điện áp ra có giá trị ± 15v được mắc song song và có điểm trung... các điẹn áp thường có dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu và trùng pha hoặc lệch pha một góc pha xác định so với điện áp nguồn Điện áp này được gọi là điện áp đồng bộ và được ký hiệu là: uđb Các điện áp đồng bộ được đưa vào mạch phát điện áp răng cưa để khống chế sự làm việc của mạch điện này kết quả là trên đầu ra mạch phát điện áp răng cưa ta có một hệ thống... có chi phí mua sắm hợp lý sao cho tiết kiệm 3.1 Tính chọn thiết bị mạch động lực 1 Tính chọn máy biến áp động lực Máy biến áp để tạo ra điện áp phù hợp cho bộ biến đổi, do mạch động lực sử dụng sơ đồ cầu một pha nên ta dùng máy biến áp một pha với điện áp định mức phía sơ cấp là: u1 = 380 (v) * Điện áp thứ cấp MBA: + Phương trình cân bằng điện áp khi có tải: udo cos α min = ud + 2 ∆ uv + ∆ u dn + ∆... hợp song song để thiết kế mạch vì nó có ưu điểm là cho kết quả chính xác, đầu ra thu được dạng xung điện áp Nguyên lý làm việc của mạch như sau: + Trong khoảng ùt = 0 đến t1thì urc < udk nên điện áp đặt vào IC là uv= -uđk- urc 0 do đó xung ra là xung dương + Trong khoảng ùt = t1 đến t2thì urc > udk nên điện áp đặt vào IC là uv= -uđkurc>0,vì điện áp đưa tới đầu... dụng một máy biến áp có công suất nhỏ thường là biến áp hạ áp để tạo ra điện áp đồng bộ Điện áp lưới u1 được đặt vào cuộn sơ cấp còn bên thứ cấp ta lấy ra điện áp đồng bộ u đb Trong thực tế người ta chủ yếu sử dụng mạch đồng bộ dùng máy biến áp cách ly về điện giữa mạch động lực và mạch điều khiển Kiểu mạch này có ưu điểm: an toàn mạch điều khiển, phối hợp với biên độ đầu ra dễ, tổn hao ít, số lượng. .. tuyến tính thì điện áp giữa hai đầu vào được xem là bằng không(uv = 0) Từ sơ đồ ta có: urc = uc + uv = uc Tức là điện áp răng cưa đầu ra của sơ đồ bằng điện áp trên tụ C Đồ thị điện áp răng cưa như trên hình vẽ Do điện áp răng cưa đầu ra của IC nên có nội trở rất nhỏ vì vậy dạng điện áp ra hầu như không phụ thuộc vào tải mắc ở đầu ra mạch phát sóng răng cưa 2 Khối so sánh Để tạo ra một hệ thống các... cực gốc (còn gọi là tranzitor một tiếp giáp UJT) * Nội dung của phương pháp điều khiển điôt hai cực gốc Phương pháp này tạo ra các xung nhờ việc so sánh giữa điện áp răng cưa xuất hiện theo chu kỳ nguồn xoay chiều với việc điều chỉnh sự mở của điôt hai cực gốc (tranzito một tiếp giáp UJT) * Ưu nhược điểm của phương pháp: Phương pháp này có ưu điểm là: Mạch tương đối đơn giản, xung ra đủ để mở các thyristor... năng là điều chỉnh và tự động ổn định điện áp cho tải ta đi phân tích nguyên lý của khối này như sau: - Nguyên lý điều chỉnh điện áp Muốn điều chỉnh điện áp cho tải ta điều chỉnh điện áp u cđ, điện áp này điều khiển được nhờ khâu phân áp dùng biến trở con trượt Xuất phát từ biểu thức điện áp đầu vào IC3 như sau: uvIc3 = +ucđ - γ ud (*) Trong đó: γ - là hệ số phản hồi âm điện áp tải Gỉa sử khi phụ... gốc tranzitor bị đặt điện áp ngược Tranzitor khoá, tụ C được nạp điện bởi dòng không đổi Điện áp trên tụ tăng dần theo qui luật 17 tuyến tính Đến ω t = đ và bắt đầu chuyển sang âm D khoá, tranzitor mở nên tụ C phóng điện nhanh qua tranzitor đến điện áp bằng không và giữ nguyên giá trị bằng không và bắt đầu chuyển sang dương, D lại mở, tranzitor lại khoá, tụ C lại được nạp như từ ω t = 0 Với giả thiết