..........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU HÌNH TIA BA PHA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU A TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU PHA HÌNH TIA: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia pha: A B C T1 a T2 b T3 c R E L Hình 1.1: Sơ đồ chỉnh lưu tia pha Hình1.2: Sơ đồ dạng sóng tia pha Trang Sơ đồ chỉnh lưu pha: Gồm máy biến áp pha có thứ cấp n ối Y o, pha Thyristor nối với tải hình 1.1 - Điều kiện cấp xung điều khiển chỉnh lưu: • Thời điểm cấp xung điện áp pha tương ứng phải dương so với trung tính • Khi biến áp đấu hình (Y)trên pha A,B,C n ối van.3 catod đ ấu chung cho điện áp dương tải ,còn trung tính biến áp, ện áp âm Ba pha dịch góc 120o theo đường cong điện áp pha ,có ện áp pha dương điện áp pha khoảng thời gian 1/3 chu kì • Nếu có Thyristor khác dẫn ện áp pha t ương ứng ph ải d ương h ơn pha Vì phải xét đến thời gian cấp xung • Góc mở tự nhiên: α • Góc mở xác định từ lúc điện áp đặt lên van tương ứng chuy ển từ âm đ ến (từ đóng sang khoá) bắt đầu đặt xung điều ển vào • Điện áp gây nên q trình chuyển mạch: điện áp dây ≤α vb > vc va vb > vc > va vb có giá trị lớn nên T2 mở cho dòng chạy vb − E R θ < θ < θ1 v c > v a > v b i3 = , T3 mở; T1, T2 khố; vc − E R Trong đó: R: điện trở động E: suất điện động phản kháng động c Id = ud − E R Dòng trung bình: I1 = I = I = 2π 5π ∫π I d dθ = Id b Xét góc mở α≠0: Giả thiết tải: R, L,Eu , chuyển mạch tức thời Điện áp pha thứ cấp máy biến áp: u1 = U m sinθ Trang u = U m sin(θ − u3 = U m sin(θ + - 2π ) 2π ) Nhịp V1: khoảng thời gian từ θ1 → θ T ại θ1 điện áp đặt lên u1> 0, có xung kích khởi: T1 mở, đó: u v1 = u v = u − u1 < u = u − u < v3 T1 mở, T2, T3đóng, lúc này: • • • Điện áp chỉnh lưu điện áp u1 : ud = u1 Dòng điện chỉnh lưu dòng điện qua van 1: id = Id = i1 Dòng điện qua T2, T3 0: i = i3 = Trong nhịp V1: uV2 từ âm chuyển lên 0, uV2 = T2 mở, lúc này: uV1 = u1 – u2 = bắt đầu âm nên T1đóng, kết thúc nhịp V1, bắt đầu nhịp V2 - Nhịp V2: từ θ → θ3 u v = u v1 = u1 − u u = u − u v3 T2 mở, T1, T3 đóng: • Điện áp chỉnh lưu điện áp u2: ud = u2 • Dòng điện chỉnh lưu dòng điện dòng điện qua van 2: i d = Id = i2 • Dòng điện qua T1, T3 0: i = i3 = Trong nhịp V2: uV3 từ âm chuyển lên 0, uV3 = T3 mở, lúc này: uV2 = u2 – u3 = bắt đầu âm nên T2đóng, kết thúc nhịp V2, bắt đầu nhịp V3 Trang - Nhịp V3: từ θ3 → θ uv = uv1 = u1 − u3 u = u − u v2 T3 mở, T1, T2 đóng: • Điện áp chỉnh lưu điện áp u3: u d = u3 • Dòng điện chỉnh lưu dòng điện dòng điện qua van 3: i d = Id = i3 • Dòng điện qua T1, T2 0: i = i2 = Trong nhịp V3: uV1 từ âm chuyển lên 0, uV1 = T1 mở, lúc uV3 = u3 – u1 = bắt đầu âm nên T3đóng, kết thúc nhịp V3, bắt đầu nhịp V1 Trong mạch ,dạng sóng dòng điện phụ thuộc vào tải, tải thu ần tr dòng điện id dạng sóng ud ,khi điện kháng tải tăng lên ,dòng điện trở nên phẳng hơn, Ld tiến tới vơ dòng điện id khơng đổi, id = Id Trị trung bình điện áp tải: Ud = 3π 5π +α ∫ 2.U sin θ dθ = π +α 6U cos α = 1,17U cosα 2π Trong đó: α: Góc mở Thyristor Trùng dẫn: e a = U sinθ eb = U sin(θ − 2π ) Trang ec = 2.U sin(θ + 2π ) Giả sử T1đang cho dòng chạy qua, iT1 = Id Khi θ =θ2 cho xung điều khiển mở T2 Cả Thyristor T1 T2đều cho dòng chảy qua làm ngắn mạch nguồn e a eb Nếu chuyển gốc toạ độ từ θ sang e a = U sin(θ + 5π + α) eb = U sin(θ + π +α) θ2 ta có: Điện áp ngắn mạch: U c = eb − e a = U sin(θ + α ) Dòng điện ngắn mạch xác định phương trình: U sin(θ + α ) = X c di c dt Do đó: ic = U [ cos α − cos(θ + α )] X c Nguyên tắc điều khiển Thyristor : Khi anod Thyristor d ương Thyristor kích mở Thời ểm pha giao coi góc thông tự nhiên Thyristor Các Thyristor mở v ới góc m nh ỏ Tại thời điểm có Thyristor dẫn ,như dòng điện qua tải liên tục, t dẫn 1/3 chu kì.còn ện áp tải gián đo ạn th ời gian dẫn Thyristor nhỏ Tuy nhiên, TH dòng ện trung bình Thyristor 1/3 I d khoảng thời gian Thyristor dẫn dòng Trang điện Thyristor dòng điện tải Dòng điện Thyristor khoá = Đi ện áp Thyristor phải chịu điện dây pha có Thyristor khố với pha có Thyristor dẫn Khi tải trở dòng điện điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ thu ộc vào góc mở Thyristor: • Nếu α≤ 30 →Ud , Id liên tục • Nếu α> 30 →Ud , Id gián đoạn Ud α Id Id Ud T2 t t1 I1 t2 t3 t4 Hình 1.3: Giản đồ đường cong α = 30otải trở t I2 t I3 t UT1 t Ud Ud Id T2 Id t α I1 t I2 t I3 t UT1 t Trang Hình1.4: Giản đồ đường cong góc mở = 60o Hình 1.5 + + + Nhận xét: So với chỉnh lưu pha: • • • • Chỉnh lưu tia pha có chất lượng điện chiều tốt Biên độ điện áp đập mạch tốt + Thành phần sóng hài bậc cao bé + Việc điều khiển van bán dẫn tương đối đơn giản + + + mà từ thông lõi thép biến+áp từ thông xoay chiều không đối xứng làm cho công N2 J1 Ei lực, J2J3 suất biến áp phải lớn Khi chế tạo biến áp động cuộn dây thứ cấp ph ải Dòng điện cuộn thứ cấp dòng điện chiều ,do biến áp pha trụ G đấu sao(Y) ,có dây trung tính phải lớn dây pha dây trung tính ch ịu dòng tải K N1 Tổng quan Thyristor: P2 a Cấu tạo: Là dụng cụ bán dẫn gồm lớp bán đẫn loại P N ghép xen kẽ vàP1có cực anốt, catốt cực điều khiển riêng G Kí hiệu : A b Nguyên lý hoạt động: A K G Khi Thyristor nối với nguồn chiều E > tức cực dương đặt vào anốt cực âm đặt vào catốt, tiêp giáp J 1, J3 phân cực thuận miền J2 phân cực ngược, gần toàn điện áp đặt lên mặt ghép J 2, điện trường nội E1 J2 có chiều từ N1 hướng tới P2 Điện trường tác động Trang R1 Rt Hình 1-6a T K +E chiều với E1, vùng chuyển tiếp vùng cách điện mở rộng ra, khơng có dòng điện chạy qua R2 tiristor đặt điện áp d ương • Mở Thyristor : Nếu cho xung điện áp dương U g tác động vào cực G (dương so với K ) electron từ N chạy sang P2 Đến số chúng chảy nguồn Ug hình thành dòng điều khiển I g chảy theo mạch G1 - J3 - K - G , -E phần lớn điện tử sức hút cuả điện trường tổng hợp mặt J lao vào vùng chuyển tiếp chúng tăng tốc có động l ớn b ẻ g ảy liên kết nguyên tử Si, tạo nên ện tử t ự m ới S ố ện t lại tham gia bắn phá nguyên tử Si khác vùng chuy ển ti ếp K ết qu ả c phản ứng dây chuyền làm xuất nhi ều ện twr ch ạy vào vung N1 qua P1 đến cực dương nguồn điện ngoài, gây nên tượng đẫn ện ạt làm cho J2 trở thành mặt ghép dẫn điện diểm sung quanh cực phát triển toàn mặt ghép v ới tốc độ lan truy ền kho ảng 1m/100 µs Trang Một biện pháp đơn giản để mở Thyristor trình bày hình vẽ Khi đóng mở K, Ig > Igst T mở ( Ig≈ (1,1 ÷1,2 ) Igst ) G= E (1,1 − 1,2) I gst Ig: Giá trị dòng điều khiển ghi sổ tay tra cứu Thyristor R2 = 100÷ 1000(Ω) Trang 10 V = Q.l = µ tb µ t x S x U I ∆B 8.103.1, 25.10 −6.360.10 −6.0,18.4, 2.0, 05 = 1, 512−6 (m3 ) = 1,512 cm3 0,32 ( Thay số ta có : V= ) Trang 78 Theo bảng tài liệu ĐIỀU KHIỂN SỐ MÁY ĐIỆN-LÊ VĂN DOANH Ta ch ọn m ạch t tích V=1,4(cm3) Ta có: V =0,645 cm3, a= 4,5mm; b= 6mm; d= 12mm; D =21mm;l= 5,2cm; Q= 0,27cm2=27mm2 ; Hình –14 Lỏi máy biến áp xung + Số vòng dây quấn sơ cấp máy biến áp xung: Theo định luậtt cảm ứng điện tử: U1 = W1.Q ⇒ W1 = dB ∆B = W1.Q dt tx t x U1 360.10−6.4, = = 187(vong ) Q.∆B 0, 27.0,3.10−6 + Số vòng dây thứ cấp: W2 = W1 187 = = 62(vong ) m + Tiết diện dây quấn thứ cấp: S1 = I1 50.10−3 = = 0, 0083 mm J1 ( Chọn mật độ dòng điện: ) J1 = A / mm + Đường kính dây quấn sơ cấp: d1 = 4.S1 4.0, 0083 = = 0,1(mm) π π + Tiết diện dây quấn tứ cấp S2 = I 150.10−3 = = 0, 0375(mm ) J2 Chọn mật độ dòng điện: J = A / mm2 + Đường kính dây quấn thứ cấp: Trang 79 d2 = 4.S2 4.0, 0375 = = 0, 2(mm) π π + Kiểm tra hệ số lấp đầy: K ld = S1.W +S2 W2 d12 W + d 2 W 0,12.187 + 0, 22.62 = = = 0, 03 d 122 d2 π + ÷ Tính tầng khếch đại cuối : Chọn Tranzitor 2SC9111 làm việc chế độ xung , có thông s ố sau : Tranzitor loại N-P-N , vật liệu bán dẫn silic Điện áp colectơ bazơ hở mạch emitơ là: UCBO = 40 V Điện áp emitơ bazơ hở mạch colectơ là: UEBO = V Dòng điện lớn colectơ chịu đựng: Cơng suất tiêu tán colectơ: ICmax = 500 mA PC = 1,7 W Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp: T1 = 1750C Dòng làm việc colectơ: Dòng làm việc bazơ : IC3 = I1 = 50 mA IB3 = I C 50 = =1 β 50 mA Ta thấy với loại thyristor chọn có cơng suất điều khiển bé: U dk = 1,4, Idk = 150 mA = 0,15 A, nên dòng colectơ–bazơ tranzitor Tr3 bé, trường hợp ta khơng cần tranzitor Tr2 mà có cơng suất điều khiểntranzitor Chọn nguồn cấp cho máy biến áp xung : E = +18 V Với nguồn E = 18 V ta phải mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực emitơ Tr3 R10 = =276Ω ; Tất điôt mạch điều khiển dùng loại 1N4009 , có tham s ố : - Dòng điện định mức: Idm = 10 mA - Điện áp ngược lớn nhất: UN = 25 V Trang 80 - Điện áp điốt mở thông: Um = V ; Trang 81 Chọn cổng AND: Toàn mạch điều khiển phải dùng cổng AND nên ta chọn IC 4081 họ CMOS Mổi IC 4081 có cổng AND Các thơng số cổng AND là: - Nguồn nuôi IC: Vcc = ÷ 18V , ta chọn Vcc = 18 V - Nhiệt độ làm việc: tlv = - 550C ÷ 125 0C - Điện áp ứng với mức logic “1”: ÷ 4,5 V - Dòng điện : I < mA - Công suất tiêu thụ : P = 2,5 nW/1 cổng 14 +Vcc 13 12 11 10 AND AND AND AND Hình 4-15 3: Sơ đ4ồ chân c5ủa IC 4081 Chọn tụ C3 R9: Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào bazơ tranzitor Tr3 Chon R9 thoả mãn điều kiện : R9 ≥ =4k7Ω Ta chọn R9 = 4k7 Ω Chọn C3.R9 = tx = 360 µs , suy C3 = tx R9 C = =7.65nF Chọn C3 = 8nF Trang 82 Tính chọn tạo xung chùm: Mổi kênh điều khiển phải dùng bốn khếch đại thuật tốn , ta chọn IC loại TL 084 hãng Texas Intruments chế tạo IC có khếch đại tốn Các thông số TL 084 : - Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 18 V - Hiệu điện hai đầu vào : U = ± 30 V - Nhiệt độ làm việc : t = - 65 ÷ 1500C - Cơng suất tiêu thụ : P = 680 mW = 0,68 W - Tổng trở đầu vào : Rin = 106 MΩ - Dòng điện đầu : Ira = 30 pA Trang 83 - Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du dt = 13 V/µs; Trang 84 + _ + _ _ 11 _ ++ Trang 85 Hình 4-16 :Sơ đồ chân IC TL084 Mạch tạo xung chùm có tần số f = chùm: T = f 2.t x = 1,389 kHz, hay chu kỳ xung = 719 µs R6 R7 4kΩ Ta có: T = 2R8.C2.Ln( + ) Chọn R6 = R7 = 33 kΩ , T =2,2 R8.C2 = 719 µs Vậy ta có : R8.C2 = 327µs Chọn tụ C2 = 0,1 µF , có điện áp U = 18 V suy R8 = 3,27 Ω Để thuận tiện cho việc điều chỉnh lắp mạch , ta chọn R biến trở Tính chọn khâu so sánh : Khếch đại thuật toán chọn loại TL 084 Chọn R4 = R5 > = 18 kΩ Trong nguồn ni Vcc = ± 18 V điện áp vào A3 UV ≈ 18 V Dòng điện vào hạn chế để Ilv < mA Do ta chọn R4 = R5 = 22 kΩ , dòng điện vào A3 là: Ivmax = = 0,8 mA Tính chọn khâu đồng pha: Điện áp tựa hình thành nạp tụ C1 Mặt khác để bảo đảm điện áp tựa có chu kỳ điện áp lưới tuyến tính s ố th ời gian tụ nạp Tr = R3.C1 = 0,005 s Chọn tụ C1 = 0,1 µF , điện trở R3 = Tr 0,005 = C1 0,1.10 −6 = 50.103 Ω Vậy R3 = 50 kΩ Để thuận tiện cho việc điều chỉnh lắp ráp mạch, R thường chọn biến trở lớn 100 kΩ Chọn tranzitor Tr1 loại A564 có thơng số sau: - Tranzitor loại P-N-P , làm silic Trang 86 - Điện áp colectơ bazơ hở mạch emitơ : UCBO = 25 V - Điện áp emitơ bazơ hở mạch colectơ : UEBO = V - Dòng điện lớn colectơ chịu đựng : ICmax = 100 mA - Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp : Tcp = 1500C - Hệ số khếch đại : β = 250 - Dòng điện làm việc cực đại bazơ : IB3 = I C 100 = β 250 = 0,4 mA Điện trở R2 để hạn chế dòng điện vào bazơ tranzitor Tr1 , chọn sau : Chọn R2 cho R2 ≥ U N max 18 = IB 0,4.10 −3 = 45 kΩ Chọn R2 = 50 kΩ Chọn điện áp xoay chiều đồng pha : UA = V Điện trở R1 để hạn chế dòng điện vào khếch đại thuật tốn A1, thường chọn R1 cho dòng vào khếch đại thuật tốn IV < mA Do : R1 ≥ UA = I V 1.10 −3 = kΩ ; Chọn R1 = 10 kΩ ; Tính nguồn nuôi: Ta cần tạo nguồn điện áp U ± 18 V để cấp cho máy biến áp xung ni IC, điều chỉnh dòng điện , tốc độ điện áp đặt tốc độ Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều ển dùng 12 điôt đ ể tạo điện áp – 18 V, + 18 V hình 3-16 Điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi : U2 = 18 2,34 = 7,7 V , ta chọn U2 = V Trang 87 Việc xây dựng nguồn ổn áp chiều thyristor có nhược điểm chọn tính tốn phức tạp đòi hỏi phải có kỹ thuật chun mơn cao Sự đời sử dụng rộng rãi thực tế C7 7818 7918 vi mạch ổn áp họ 7818 7918 cho phép đơn giản hố q trình , 470 µF C6 Vi mạch IC 7818 thường có ba chân, chân đầu vào, chân đầu chân n ối 470 µF đất -18 V 470 µF V hình dáng bên ngồi th ứ tự Do có nhiều0hãng sản xuất lo+18 ại IC chân có khác Vì để ổn định điện áp nguồn nuôi, ta dùng hai vi mạch ổn áp 7818 7918, thông số chung vi mạch sau: - Điện áp đầu vào: UV = ÷ 35 V - Điện áp ra: Với IC 7818 Ura = + 18 V Với IC 7918 Ura = - 18 V - Dòng điện đầu : Ira = ÷ A Tụ điện C4 , C5 , C6 , C7 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao Chọn C4 = C5 = C6 = C7 = 470 µF ; U = 35 V Trang 88 C5 Hình 4-17 : Sơ đồ ngun lý tạo nguồn ni ± 18 V Tính tốn máy biến áp nguồn nuôi đồng pha: - Ta thiết kế máy biến áp dùng cho việc tạo điện áp đồng pha tạo nguồn nuôi Chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ , mổi trụ có ba cu ộn dây , cuộn sơ cấp hai cuộn thứ cấp - Điện áp lấy thứ cấp máy biến áp làm điện áp đồng pha , làm điện áp nguồn nuôi U2 = U2đph = UN = V ; - Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha I2đph = mA ; - Công suất nguồn nuôi cấp cho máy biến áp xung Pđph = 6.U2đph.I2đph = 6.9.1.10-3 = 0,054 W ; - Công suất tiêu thụ IC TL 084 sử dụng làm khếch đại thuật toán , ta chọn IC TL 084 để tạo cổng AND PIC = 4.PIC = 4.0,68 = 2.72 W ; - Công suất máy biến áp xung cấp cho cực điều ển thyristor Px = 6.Udk.Idk = 6.1,4.0,15 = 1,26 W ; - Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi PN = Pđph + PIC + Px PN = 0,054 +2,72 + 1,26 = 4,034 W ; - Công suất máy biến áp có kể đến 5% tổn thất máy S = 1,05(Pđph + PN) = 1,05(0,054 + 4,034) = 4,2924 VA ; - Dòng điện thứ cấp máy biến áp I2 = S 4, 2924 = = 0, 079 6.U 6.9 A ; Trang 89 - Dòng điện sơ cấp máy biến áp I1 = S 4, 2924 = = 0, 0065 3.U1 3.220 A ; - Tiết diện trụ máy biến áp tính theo công thức kinh nghiệm; QT = K Q S 4, 2924 = =1, 015cm m f 3.50 KQ = Trong đó: hệ số phụ thuộc phương thức làm mát m = số trụ máy biến áp; f = 50 tần số điện áp lưới Chuẩn hóa tiết diện trụ theo tài lieu:”ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT VÀ ĐI ỀU KHI ỂN ĐỘNG CƠ (LÊ VĂN DOANH DỊCH): QT = 1, 63cm δ = 0, 5mm - Kích thước mạch thép dày: - Số lượng thép 68 lá; a = 12 mm; b = 16 mm ; h = 30 mm - Hệ số ép chặt Ke = 0,85 - Chọn mật độ tự cảm B=1 T trụ, ta có số vòng dây sơ cấp: W1 = U1 220 = = 6080 4, 44 f B.QT 4, 44.50.1.1, 63.10 −4 (vòng) - Chọn mật đọ dòng điện: J1 = J = 2, 75 A / mm - Tiết diện dây quấn sơ cấp: S1 = S 4, 2924 = = 0, 0023mm 3.U1.J 3.220.2, 75 - Đường kính dây quấn sơ cấp: Trang 90 4.S1 4.0, 0023 = = 0, 05mm π π d1 = Chọn d1= 0,1 mm để đảm bảo độ bề Đường kính kể cách ện : d1cd = 0,12mm - Số vòng dây thứ cấp: W2 = W1 U2 = 6080 = 249 U1 220 vòng - Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = S 4, 2924 = = 0, 03mm 6.U J 6.9.2, 75 - Đường kính dây quấn thứ cấp: d2 = 4.S 4.0, 03 = = 0, 2mm π π Dường kính kể cách điện là: d2cd=0,31mm - Chọn hệ số lấp đầy: Klđ=0,7 Với: - π ( d1cd W1 + d cd W2 ) kld = c.h Chiều rộng cửa π π ( d1cd W1 + d cd W2 ) ( 0,12 2.6080 + 0, 312.249 ) c= = = 8,3mm kld h 0, 7.30 Chọn c= 12mm - Chiều dài mạch từ: L = 2c + 3a = 2.12 + 3.12 = 60mm - Chiều cao mạch từ: H = h + 2a = 30 + 2.12 = 54mm Trang 91 10 Tính chọn điôt cho chỉnh lưu nguồn nuôi : - Dòng điện hiệu dụng qua điơt IDhd = I 0, 079 = = 0, 056 2 A - Điện áp ngược lớn mà điốt phải chịu UNmax = 6.U = 6.9 = 22 V - Chọn điơt có dòng định mức Idm ≥ KI.IDdm = 10.0,1 = A - Chọn điơt có điện áp ngược lớn Un = Ku.UNmax = 2.22 = 44 V Vậy chọn điơt loại 1N4007 có thơng số sau : Dòng điện định mức : Idm = A Điện áp ngược cực đại điôt : UN = 1000 V Trang 92 ... u v2 T3 mở, T1, T2 đóng: • Điện áp chỉnh lưu điện áp u3: u d = u3 • Dòng điện chỉnh lưu dòng điện dòng điện qua van 3: i d = Id = i3 • Dòng điện qua T1, T2 0: i = i2 = Trong nhịp V3: uV1 từ... 3 u v = u v1 = u1 − u u = u − u v3 T2 mở, T1, T3 đóng: • Điện áp chỉnh lưu điện áp u2: ud = u2 • Dòng điện chỉnh lưu dòng điện dòng điện qua van 2: i d = Id = i2 • Dòng điện qua T1, T3... u = u − u < v3 T1 mở, T2, T3đóng, lúc này: • • • Điện áp chỉnh lưu điện áp u1 : ud = u1 Dòng điện chỉnh lưu dòng điện qua van 1: id = Id = i1 Dòng điện qua T2, T3 0: i = i3 = Trong nhịp V1: