TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH BẢO VỀ QUÁ ÁP SỬ DỤNG SCR

Thiết kế rơ le điện tử bảo vệ quá áp và thấp áp thỏa mãn các thông số kỹ thuật sau:Điện áp vào cần khống chế 6≤U_V≤9V.Thời gian trễ có thể điều chỉnh từ 5 đến 10 giây.Phần tử so sánh và tạo thời gian trễ dùng vi mạch thuật toán.Phần từ thừa hành dùng SCR mắc qua biến áp xung,điều khiển máy cắt điện có thông số cuộn cắt : 200VDC5A; R_K=40Ω;L_K=10H.Nguồn mạch lực E=200V,nguồn nuôi mạch rơ le E_C=12V

Đề tài Thiết kế rơ le điện tử bảo vệ quá áp và thấp áp thỏa mãn các thông số kỹ thuật sau: Điện áp vào cần khống chế 6 ≤ U V ≤ 9V.Thời gian trễ có thể điều chỉnh từ 5 đến 10 giây.Phần tử so sánh và tạo thời gian trễ dùng vi mạch thuật toán.Phần từ thừa hành dùng SCR mắc qua biến áp xung,điều khiển máy cắt điện có thông số cuộn cắt : 200VDC-5A;R K=40 Ω;LK=10 H Nguồn mạch lực E=200V,nguồn nuôi mạch

rơ le E C=12V

-

MỤC LỤC CHƯƠNG 1:CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1.Sơ đồ khối các khâu của mạch bảo vệ rơle.

1.2.Sơ đồ nguyên lý mạch bảo vệ rơle.

1.3.Nguyên lý hoạt động.

CHƯƠNG 2: CÁC BƯỚC TÍNH TOÁN

2.1 Tính khâu tạo thời gian trễ.

2.2Khâu thừa hành dùng Tiristor mắc qua biến áp xung 2.3 mạch vào của sơ đồ mạch bảo vệ

CHƯƠNG3: THIẾT KẾ NGUỒN NUÔI 220V-50HZ 3.1 Thiết kế mạch ổn áp có khâu điều chỉnh

3.2 Thiết kế biến áp cho nguồn nuôi

Chương 1

1.1.Sơ đồ khối các khâu của mạch bảo vệ rơle.

1.2.Sơ đồ nguyên lý mạch bảo vệ rơle.

1.3.Nguyên lý hoạt động.

Điện áp vào nằm trong khoảng U ng 1 ≤U v ≤ U ng 2 :

U ng 1=6 V ;Ung 2=9V

=>OA1,OA2 bão hòa dương làm cho điốt D1,D2 đều khóa => U A>U ng 3 dẫn đến

OA3 bão hòa âm => U ra 3 ≈ 0.Khi đó tụ điện áp trên tụ C không được nạp U C ≈ 0 và

U C<Ung 4 : OA4 bão hòa âm không có dòng chạy qua cực gốc BJT làm cho BJT

khóa,không có dòng chạy qua biến áp,tiristor không dẫn.mạch làm việc ổn định

Khi xảy ra sự cố khiến cho điốt D1 hoặc D2 dẫn khi đó điện áp U A<U ng 3.khi đó OA3

bão hòa dương U ra 3=U+bh¿ ¿

tụ C được nạp điện U C=Ubh+ ¿¿

=> U C>Ung 4 =>OA4 bão hòa

dương khi đó BJT dẫn,có dòng chạy qua cuộn sơ cấp biến áp xung làm xuất hiện dòng điện chạy trong cuộn thứ cấp,khi đó tiristor dẫn,làm xuất hiện sự cố trong mạch => cuộn K cắt

Với giả thiết U A=8 V;U ng 3=5 V;U ng 4=9 V;U bh+ ¿ =10,5V ¿

Chương 2 Các bước tính toán.

2.1 Tính khâu tạo thời gian trễ.

Sử dụng khuếch đại thuật toán với sơ đồ :

Giả thiết : OA1,OA2 sử dụng các nguồn đơn cực

Đồ thị thời gian minh họa nguyên lý làm việc :

Khi OA3 bão hòa âm thì U C ≈ 0 => U C<Ung 4 : OA4 bão hòa âm U ra 4=0

Tại thời điểm t1 xảy ra sự cố khiến cho U A ≤ U ng 3 khiến cho OA3 lật trạng thái chuyển

sang bão hòa dương U ra 3=U+bh¿ ¿

Tụ C được nạp điện,điện áp U C tăng dần theo quy luật

hàm mũ

Khi U C=Ung 4 tại t2 thì OA4 lật trạng thái chuyển sang bão hòa dương

Thời gian trễ ∆ t=t2−t1

U C = U Cxl=UCtd=Ubh+ ¿ ¿

+ A.e RC−t

Với sơ kiện U C(+0)=UC(−0)=0

U C (+ 0)=0=Ubh+ ¿ +A¿

=>A=−Ubh+ ¿ ¿

U C=Ubh+ ¿ (1−e

−t

RC) ¿

Ở thời điểm t2 có U C=Ung 4  U bh+ ¿.(1−e

−∆t RC

) ¿=U ng 4

=>1−e

−∆ t

RC

=U ng 4

U bh+ ¿

¿ => e−RC ∆ t

=¿1 −UU ng 4

bh

+ ¿

¿ =>−∆ tRC =ln¿ ¿ Vậy ∆ t=−RC ln¿ ¿

Với U b h+ ¿ =E c−1,5=12−1,5=10,5 V ¿

U ng 4=9 V

C=22 μFF

+ Tại thời điểm t1=5 s :

=>∆ t=−RC ln¿ ¿

¿>5=−R 22 10−6 ln(1− 9

10,5)

22.10−6 ln(1− 9

10,5)

=116,7kΩΩ

+Tại thời điểm t2=10 s :

=>∆ t=−RC ln¿ ¿

¿>10=−R 22 10−6 ln(1− 9

10,5)

22.10−6 ln(1− 9

10,5)

=233,5 kΩΩ

Chọn triết áp VR4 loại 470kΩ

Tụ C chuẩn loại 22µF

2.2Khâu thừa hành dùng Tiristor mắc qua biến áp xung.

Sơ đồ nguyên lý :

Số liệu cần E C=12V,E lực=200 V

Chọn tiristor TS435 có :

U G=3 V,I G=80 mA,T X=2T on=2.100=200

Chọn biến áp xung loại 813E187 có tiết diện lõi Q = 0,225cm2 = 22,5 mm2

Các bước tính toán :

1.tính R đkΩ=U G

I G =

3

80 10−3=37,5 Ω 2.chọn R18 theo loại tiristor 51Ω

3.tính R17

R17+R BA= R18 R đkΩ

R18−R đkΩ

= 51.37,5 51−37,5=141,6 V 4.chọn E đkΩ=2UG=2.3=6 V

5.tính E đkΩ 0=EđkΩ R18+R17+R BA

R18 =

51+141,6

51 =22,7 V 6.tính số vòng dây biến áp xung

n1=(1,2÷ 1,3) E C T X

Q B s =1,2.

12.200 22,5.0,2=640vòng

n2=n1 E đkΩ 0

E C =640.

22,7

12 =1210vòng 7.chọn tiết diện dây quấn theo độ bền cơ học

d = 0,2 mm

điện trở dây quấn sơ cấp và thứ cấp biến áp xung :

r1=3.0,572=1,716 Ω

r2=6.0,572=3,432Ω

8.tính điện trở quy đổi máy biến áp

R BA=r2+(n2

n1)

2

r1=3,432+¿

9.Tính R17

R17=(R3+R BA)−R BA=141,6−9,565=132 Ω

Chọn điện trở chuẩn :130Ω

10.tính C1 theo điều kiện

C1≥ 20 T x

R17.(n2

n1)2

=20 200

132.(1210640 )2

=8,4 µF

Chọn tụ C1=10 µF

11.chọn R16 theo điều kiện

3.R16.C1<0,02 s =>R16< 0,02

3.8,4 10−6=793,6 Ω

Chọn điện trở R16=750 Ω

12.tính dòng cực góp BJT

I C= E C

R17.(n1

n2)2

132.(1210640 )2

¿0,324 A=I CS

13.chọn BJT có

I Cmax ≥ 2 I CS=2.0,324=0,649 A

U Cmax ≥2 E C=2.12=24 V

Chọn BJT chuẩn loại 2N3053 : I Cmax=0,7 A,U Cmax=40 V

Có được β=¿50-250

14.tính dòng cực gốc bão hòa

I BS=I CS

β =

0,324

50 =6,48 mA

15.lấy dự trữ

I B=(1,3÷ 2) I BS=1,3.6,48=8,4 mA

16.tính R14

R14=U bh+ ¿ −U D 1−U BE

3 I B =

10,5−0,7−0,7

3.8,4 10−3 =415 Ω¿ Chọn điện trở chuẩn R14=470 Ω

17.tính R15

R15=U BE

2 I B=

0,7

2.8,4 10−3=41,6 Ω

Chọn điện trở chuẩn R15=43Ω

18.chọn điện trở R19 theo điều kiện

E lực

I ađm

1 =200 Ω≤ R19

≤ E l ´ư c

I H

= 200 20.10−3=10 kΩΩ Chọn điện trở chuẩn R19=9,1kΩΩ

19.chọn C2 theo điều kiện

τ K=L K

R K

=10

40=0,25

τ K R K

R192 =

0,25.40

¿ ¿

Chọn C2=100 µF

2.3 mạch vào của sơ đồ mạch bảo vệ

+Chọn dòng qua các phân áp 1mA

I pa=1 mA

=>(R8+R9¿= E C

10−3=

12

10−3=12kΩΩ điện áp U A=8 V

R8= 8

10−3=8kΩ

R9=12−8=4 kΩ

Chọn điện trở chuẩn : R8=8,2 kΩ

=>R9=12−8,2=3,8 kΩ

Tra điện trở chuẩn R9=3,9 kΩ

Vậy U A= 12

8,2+3,9.8,2=8,13 V

+ Với R10,R11,VR3 tính toán tương tự ta có :

R10+R11+VR 3= 12

10−3=12 kΩΩ Chọn điện trở chuẩn cho R10=5,1 kΩΩ,R11=5,6 kΩΩ

=>VR3=12-5,1-5,6=0,3kΩ

Chọn Triết áp VR3 :1kΩ

=>U ng 3 min= E C

R10+R11+VR3 R10= 12

5,1+5,6+1.5,1=5,23 V

=>U ng 3 max= E C

R10+R11+VR3 .(VR 3+R11)= 12

5,1+5,6+1.(5,6+1)=6,7 V + Với R1,R3,VR1 tính toán tương tự ta có :

R1+R3+VR 1= 12

10−3=12 kΩΩ Chọn điện trở R1=8,2kΩΩ,R3=2kΩΩ

=>VR1=12-5,1-5,6=0,3kΩ

Chọn Triết áp VR1 :2,2kΩ

VR 1 ',VR 1 '' là khi triết áp được vặn ở mức trên và dưới của VR1 Điện áp U ng 1=9V = E C

R1+R3+VR 1.(R 1+VR1

')= 12 8,2+2+2,2.(8,2+VR 1

'

)

=>VR 1 '=9.(8,2+2+2,2)

12 −8,2=1,1 kΩΩ

VR 1 ''=1,1 kΩΩ

+ Với R2,R4,VR2 tính toán tương tự ta có :

R2+R4+VR2= 12

10−3=12kΩΩ Chọn điện trở R2=5,6 kΩΩ,R4=4,3 kΩΩ

=>VR2=12-5,6-4,3=2,1kΩ

Chọn Triết áp VR2 :2,2kΩ

VR 2 ',VR 2 '' là khi triết áp được vặn ở mức trên và dưới của VR2

Điện áp U ng 2=6 V = E C

R2+R4+VR 2.(R 2+VR 2

')= 12 5,6+4,3+2,2.(5,6+VR2

'

)

=>VR 2 '=6 (5,6+4,3+2,2)

12 −5,6=0,45 kΩΩ

VR 2 ''=2,2−0,45=1,75 kΩΩ

Chọn điện trở R5,R6,R7 :

R5= U V

10−3= 8

10−3=8 kΩΩ Chọn điện trở chuẩn R5=8,2 kΩΩ

R6=U ng2

10−3=

9

10−3=9 kΩΩ

Chọn điện trở chuẩn R6=9,1 kΩΩ

R7=U ng 1

10−3=

6

10−3=6 kΩΩ

Chọn điện trở chuẩn R7=6,2 kΩΩ

+Với R12, R13

=>(R12+R13¿= E C

10−3=

12

10−3=12 kΩ Ω điện áp U ng 4=9 V

R12= 9

10−3=9kΩ

R13=12−9=3 kΩ

Chọn điện trở chuẩn : R12=9,1 kΩ

=>R13=12−9,1=2,9 kΩ

Tra điện trở chuẩn R13=3 kΩ

Vậy U ng 4= 12

9,1+ 3.9,1=9V

Loại 0,125W và 0,5W (sai số ±1%)

Bảng Triết áp lựa chọn trong mạch :

Điốt sử dụng trong mạch :

sử dụng trong mạch:

STT Điện trở Thông số

STT Triết áp Thông số

STT Tụ thông s ´ô

Mạch sử dụng SCR ( tiristor công suất ) loại TS435 có thông số :

U G=3 V; I G=80 mA; t on=100

Mạch sử dụng BJT (tranzitor lưỡng cực ) loại 2N3053 :

U cemax=40 V; U cmax=0,7 A;β = 50-250

Chương 3 Thiết kế nguồn nuôi

.

Thiết kế nguồn nuôi cho rơ le :

+ Điện một pha 220V-50Hz

+ Nguồn nuôi E C=12V

3.1 Thiết kế mạch ổn áp có khâu điều chỉnh

Sơ đồ nguyên lý :

I2

R4

R1 R2 R3

VR Rt

R

R

UZ

D1÷D4

Ud C UiTB

BA

U1 U2

BJT2 U0

Số liệu cần :

U =12V; I =44 mA;U =11,5V; U =12,5V

1.Phạm vi điện án vào để mạch làm việc ổn định

U imin=1,5U0=1,5.12=18 V

U imax=2U0=2.12=24 V

2.Điện áp trung bình

U itb=1

2(U imin+Uimax)=1

2(18+24 )=21 V 3.Chọn Tranzitor BJT1 theo điều kiện :

I C 1max ≥ 2 I0=2.44=88 mA

U C 1 max ≥ 2.(U itb−U0)=2.(21−12)=18 V

P C 1 max ≥2 I0.(U itb−U0)=2.44 10−3 (21−12)=0,792 W

Chọn Tranzitor loại bóng ngược N-P-N BC108 có các thông số :

I C 1max=0,1 A

U C 1 max=20 V

P C 1 max=0,3W

β1=110

4.Chọn Điốt rơ le :

U Z ≈ U0

2 =

12

2 =6 V

Chọn Điốt ổn áp công suất nhỏ KC162A

U Z=6,2 V ;I Z=10 mA

5.Tình dòng qua phân áp R3−VR−R4

I R ≈ I0

100=

44.10−3

100 =0,44 mA

6.Tính tổng trở cầu phân áp

R ∑=(R3+VR+R4)=U0

I R=

12 0,44 10−3=27 kΩ Ω

7.Tính các điện trở trong cầu phân áp

R4=(UZ+0,7)

U 0 max R ∑=6,2+ 0,7

12,5 .27000=14,9 kΩ Ω

R4+VR=(UZ+0,7)

U 0 min R ∑=6,2+0,7

11,5 .27000=16,2 kΩ Ω

=>VR=(R4+VR)– R4=16,2−14,9=1,3 kΩΩ

R3=R∑−(VR+ R4)=27−16,2=10,8 kΩΩ

Chọn điển trở chuẩn :

R3=11 kΩΩ =>P R 3=K at R3 I R2=2.11 103.¿

VR=1,3 kΩΩ =>P R 3=K at R3 I R2=2.1,3 103.¿

R4=15 kΩΩ =>P R 3=K at R3 I R2=2.15 103.¿

8.Chọn dòng cực gốc Tranzitor BJT2

I B 2 ≈ I0

100=

44 10−3

100 =4,4 µA

9.Tính dòng cực phát của BJT2

I E 2= I Z

(2÷ 3)=

10

2 =5 mA

10.Tính hệ số khuếch đại yêu cầu của BJT2

I E 2 5.10−3

11.Chọn Trazitor BJT2 theo điều kiện

β=β2≈1100

I CEmax ≥ 2 I E 2=2.5=10 mA

U CEmax ≥ 2.(U0+UBE−UZ)=2.(12+0,7−6,2)=13 V

P C 1 max ≥2 I E 2 (U0+U BE−UZ)=2.5 10−3.(12+0,7−6,2)=0,065W

Chọn BJT2 loại Dalingtơn TIP121 có các thông số :

β2=1000

I CEmax=5 A

U CE 0 max=80 V

P C 1 max=65W

12.Tính dòng qua R2

I R 2=IZ−I E 2=10−5=5 mA

13.Tính điện trở R2

R2=U0−UZ

I R 2 =

12−6,2

5 10−3 =387 Ω

=>R2=470 Ω =>P R 2=K at R2 I R 22 =2.470.¿

14.Tính dòng qua điện trở R1

I R 1=IB 1−I C 2=I E 2+ I0

β1=5+

44

110=5,4 mA

15.Tính R1

R1=U itb−U0−U BE

I R 1 =

21−12−0,7 5,4 10−3 =1,5 kΩΩ

=>R1=1,5 kΩΩ =>P R 1=K at R1 I R 12 =2.1,5 103.¿

16.Khoảng điện áp ổn định thực tế ở đầu ra

U 0 min=(U Z+0,7) R3+VR+ R4

VR+R4 =(6,2+0,7 ).

11+1,3+15 1,3+15 =11,55 V

U 0 max=(U Z+0,7) R3+VR+R4

VR+R4 =(6,2+0,7 ).

11+1,3+15

15 =12,55 V

3.2 Thiết kế biến áp cho nguồn nuôi

1.Công suất máy biến áp

S BA=∑K Sđ P d+∑P2+∆ P d

Trong đó :

K Sđ: Hệ số sơ đồ

P d : Công suất phụ tải

∑K Sđ P d : Tổng công suất các cuộn thứ cấp có tải là chỉnh lưu

∑P2 : Tổng công suất các cuộn thứ cấp có tải không phải là chỉnh lưu

∆ P d : Tổng tổn hao trên các van chỉnh lưu

U d=Uitb=21 V

I d=¿