nội dung chính của đồ án là thiết kế bộ nguồn thỏa mãn các yêu cầu của phụ tải. Để cấp nguồn cho tải một chiều thỏa mãn các yêu cầu đã cho, cần thiết kế bộ chỉnh lưu có điều khiển. với yêu cầu thiết kế bộ nguồn áp một chiều có một số phương án lựa chọn bộ biến đổ như sau
MỤC LỤC Số trang Lời nói đầu Chương 1: Thiết kế sơ đồ mạch động lực 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Chọn biến đổi 4 1.3 Thiết kế sơ đồ mạch động lực 11 a Sơ đồ nguyên lý 11 b Giới thiệu thiết bị mạch động lực 11 c Giản đồ điện áp dòng điện mạch động lực 12 d Nguyên lý làm việc 13 Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển 2.1 Phân tích, chọn lựa phương án điều khiển biến đổi 15 16 2.1.1 Phương pháp điều khiển theo nguyên tắc khống chế pha ngang 16 2.1.2 Phương pháp điều khiển theo phuong pháp pha dọc 17 2.2 Thiết kế khối sơ đồ 20 2.2.1 Mạch đồng hóa 20 2.2.2 Mạch phát xung cưa 21 2.2.3 Mạch so sánh 23 2.2.4 Mạch sửa xung 25 2.2.5 Mạch khuếch đại xung 27 2.2.6 Phân tích, chọn tín hiệu phản hồi thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch tổng hợp khuếch đại 30 2.2.7 Phân tích thiết kế nguồn ni 31 Chương 3: Tính chọn thiết bị 32 3.1 Tính chọn link kiện – thiết bị động lực 32 3.1.1 Tính tốn máy biến áp chỉnh lưu 31 3.1.2 Tính chọn thơng số van bán dẫn 34 3.1.3 Tính chọn cuộn kháng san 35 -1- 3.1.4 Tính chọn thiết bị bảo vệ 36 3.2 Tính chọn thiết bị mạch điều khiển 37 3.2.1 Tính biến áp xung 38 3.2.2 Tính tầng khuếch đại cuối 39 3.2.3 Tính chọn thiết bị mạch sửa xung 39 3.2.4 Tính chọn mạch so sánh 40 3.2.5 Tính chọn thiết bị khâu tạo điện áp cưa 40 3.2.6 Tính chọn biến áp đồng pha 41 3.2.7 Tính chọn diot dùng mạch điều khiển 41 Chương 4: Xây dựng mạch ổn áp 42 4.1 Hệ điều tốc có phản hồi âm điện áp 42 4.2 Mơ hình tốn học trạng thái động điện chiều 42 4.3 Bộ chỉnh lưu bán dẫn thyristor 44 4.4 Xác định hệ số khuếch đại điều khiển điện áp theo Giải điều chỉnh điện áp D sai lệch tĩnh St -2- 46 LỜI NÓI ĐẦU Những năm gần kỹ thuật điện tử bán dẫn công suất lớn phát triển mạnh mẽ Các thiết bị điện tử cơng suất có ưu điểm khả điều khiển rộng, có tiêu kinh tế cao, kích thước trọng lượng thấp, độ tin cậy xác cao ứng dụng chúng vào việc biến đổi điều khiển điện áp, dòng điện xoay chiều thành chiều ngược lại ngày sâu rộng Do mà thiết bị điện tử điều khiển có mặt hầu hết lĩnh vực sống Với chương trình đào tạo nhà trường, yêu cầu BM em phân công đồ án môn học Điện Tử Công Suất với đề tài:"Thiết kế biến đổi xoay chiều - chiều tự động trì điện áp theo lượng đặt " Nội dung thuyết minh gồm chương Chương Thiết kế sơ đồ mạch động lực Chương Thiết kế mạch điều khiển Chương Tính chọn thiết bị Chương Xây dựng hệ ổn định điện áp Với cố gắng thân em đã hoàn thành đồ án Song với hạn chế kiến thức nên đồ án khơng khỏi nhữnh thiếu sót Rất mong đóng góp ý kiến thầy giáo Em xin chân thành cảm ơn! -3- Ch¬ng Thiết kế sơ đồ mạch động lực 1.1 Đặt vấn đề Nội dung đồ án thiết kế nguồn thoả mÃn yêu cầu phụ tải Để cấp nguồn cho tải chiều thoả mÃn yêu cầu đà cho, cần thiết kế chỉnh lu có điều khiển Với yêu cầu thiết kế nguồn ¸p mét chiỊu cã mét sè c¸c ph¬ng ¸n lùa chän bé biÕn ®ỉi nh sau 1.2 Chän bé biÕn đổi Bộ nguồn chỉnh lu thờng đợc phân loại theo cách nh sau: * Theo cách nối dây: Mạch chỉnh lu hình tia, hình cầu * Theo số pha: M¹ch chØnh lu pha, pha, pha * Theo cách điều khiển: Không điều khiển, có điều khiển, bán điều khiển Với chỉnh lu cầu pha có số phơng án sau: a, Sơ đồ chỉnh lu cầu pha dùng thyristor + Sơ đồ nguyên lý:(hình 1.1) BA u1 T1 Rd T3 u2 ud T2 T4 Ld Ed Hình 1.1 Trong đó: - BA máy biến áp pha cung cấp điện áp cho mạch chỉnh lu -4- - W1 cuộn dây sơ cấp có điện áp sơ cấp u1 - W2 cuộn dây thứ cấp có điện áp thứ cấp u2 - Các Thyritor T1,T2 T3,T4 làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều thành điện áp môt chiều, van đợc phân làm nhóm : +T1,T3 đợc ®Êu Katot chung +T2,T4 ®ỵc ®Êu Anot chung - Ed, Ld, Rd phần tử phụ tải Giản đồ điện áp dòng điện nh hình 1.2 Gin điện áp dòng điện u u2 α α -u2 α v3 v2 v1 π ud(nét đậm) 2π ωt iT1= iT2 Id iT3= iT4 ωt v1 Id ωt i1 Id/kba π uT1 = uT2 v2 v1 2π π -5- ωt v3 2π ωt + C¸c biểu thức - Ud=Ud0 cos ; Ud0 0,9.U2 U2 giá trị hiệu dụng điện ¸p bªn thø cÊp BA - ITtb =Id /2; IT =Id / - UTthmax = UTngmax= U2 - I2 = Id ; I1 = Id / kba b, Mạch chỉnh lu hình cầu pha bán điều khiển (Có cách mắc) * Cách thứ + Sơ ®å nguyªn lý BA u1 T1 T2 u2 Rd u D1 d Ld D2 Trong sơ đồ Thyritor đợc bố trí nhóm van mắc Katot chung,2 Diot đợc bố trí nhóm van mắc Anot chung Các biểu thức -6- - Ud =Ud0 (1+cosα)/2 ; ITtb =Id/2 ; IT = Id/ - UTthmax= U2; UTngmax= U2 ; - IDtb = Id/2 ; ID = Id / ; UDngmax= U2 Trong hai u sơ đồ giá trị hiệu dụng dòng điện cuộn dây thứ cấp u sơ cấp giống ud(đợc nét xác định -u2 đậm) biểu thøc: I2 =Idv1 (π-α)/π v2 ; I1 = Iv23/ kba t * Đồ thị biểu diễn đờng cong điện áp chỉnh lu,dòng van, điện áp van T1và D1, dòng điện cuộn dây sơ cấp nh sau: Giản đồI điện áp dòng điện i d ωt T iT2 Id ωt iD1 Id ωt iD2 Id ωt i1 Id/kba ωt uT1 ωt UD1 -7- ωt * C¸ch thø hai + Sơ đồ nguyên lý: ATM BA u1 T1 Rd D1 u2 u Ld d T2 D2 Ed Trong sơ đồ van tên đợc bố trí nhóm van, T1 D1 mắc Katot chung, T2 D2 đợc bố trí nhóm van mắc Anot chung Các biểu thức -8- - Ud=Ud0 (1+cosα)/2 - ITtb =Id(π-α)/2π ; IT =Id (π-α)/2π - UTthmax= U2; UTngmax= U2 u - IDtb = Id(π+α)/2π ; ID = Id (π+α)/2π u2 -u2 α - UDngmax= U2 ud(nét đậm) *Đồ thị biểu diễn đờngv congđiện v3 áp chỉnh lu,dòng v van,điện áp van nh sau: dây sơ cấp T1và D1, dòng điện cuộn t i iT2 Id ωt T Giản đồ điện áp Ivà dòng điện d ωt iD1 Id ωt iD2 Id ωt i1 Id/kba ωt uT1 ωt uD1 -9- t Nhận xét: Qua mạch chỉnh lu vừa trình bày ta thấy: + mạch chỉnh lu hình cầu pha dùng T có u điểm đơn giản , T đợc chọn điện áp thấp, mạch điều khiển đơn giản, áp có phần âm nên phù hợp cho tải cần đảo chiều Nhng có số nhợc điểm số lần đập mạch q =2 nên điện áp nhấp nhô nhiều công suất không lớn phù hợp cho tải có chất lợng điện áp không cao, cần có xung chùm để điều khiển 2T nên khó khăn cần mở đồng thời van + mạch chỉnh lu cầu dùng 2T 2D: Mạch có chất lợng điện áp đầu tơng đối tốt dòng điện qua tải đợc trì liên tục, phần điện áp âm nên phù hợp với tải - 10 - ⇒ LBA = LBA = U N2 R BA − ⇒ I dm w2 U N2 RBA 17, 62 0,92 − = − I dm w w2 122.3,142 3,142 LBA = 4,425 10-4 (H) 3.1.2 Tính chọn thông số van bán dẫn Các van động lực đợc chọn dựa vào yếu tố điện áp dòng điện, thông số khác số tham khảo lựa chọn bảng tra Theo đầu ta có Ud = 220 V, Id= 12A + Điện áp cực đại làm viƯc Ud Ulv =knv.U2= knv k ( knv, ku lµ hệ số u điện áp ngợc hệ số điện áp tải ,với sơ đồ cầu pha ta cã knv = , ku= 0,9) 220 Thay vµo biÓu thøc ta cã U lv = 0,9 = 345(V ) + Dòng điện cực đại làm việc Ilv= Ihd = khd.Id (khd hệ số dòng điện hiệu dụng,với mạch cầu pha ta có khd= Thay vµo biĨu thøc ta cã I lv = ) 12 = 8.486( A) Với thông số ta chọn điều kiện làm việc van có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện tích toả nhiệt có quạt thông gió.Khi ta tính + Điện áp ngợc van Unv = kdtU Ulv (kdtU hệ số dự trữ điện áp thờng chọn kdtU >1,6 ta chän kdtU=2) Ta cã Unv=2.345 = 690(V) + Dòng điện định mức qua van, với điều kiện làm mát đà chọn Ilv=25%Iđmv ta có Iđmv = Ilv = 4.8,486=33,9(A) Từ thông số Unvvà Iđmv ta chọn Thyritor loại NO18RH08 WEST sản xuất có thông số sau: - Điện áp ngợc cực đại van: Un= 800(V) - Dòng điện định mức van: Iđm= 40(A) - 39 - - Dòng điện xung điều khiển: Iđk= 100(mA)=0,1(A) - Điện áp xung điều khiển: Uđk= 3,0(V) Chọn Điot có thông số sau: KÝ hiÖu HD310/0 4-6 Imax (A) 40 UN (V) iPik(A) 400 340 ∆U (V) 1,6 Ith (A) Ir (A) 94 15 mA Tcp (0C) 180 3.1.3 TÝnh chän cuén kháng san Cuộn kháng đợc mắc nối tiếp với tải chỉnh lu có nhiệm vụ ngăn chặn dòng điện xoay chiều bậc cao từ biến đổi sang tải nhờ cảm kháng XL = wL Ngoài góp phần trì dòng điện qua tải liên tục biến đổi làm việc chế độ gián đoạn Cuộn kháng đợc chọn phải đảm bảo yêu cầu sau: - Đảm bảo cho chỉnh lu làm việc liên tục giới hạn cho phép - Hạn chế dòng xoay chiều bậc cao 2U 12 - Cảm kháng L = = Lt+ LCK mwI Trong đó: - m =1 tần số đập mạch điện áp chỉnh lu chu kì nguồn xoay chiều với sơ đồ hình cầu mét pha - w = 314 lµ vËn tèc gãc điện áp nguồn - I0 = 5% Iđm dòng không tải lí tởng - U12 biên độ sóng hài điện áp chỉnh lu +α − +α U12 = ∫π U12 = ( −270 sin wt π (U cos wt + cos wt ) dwt π / +α −π / +α − sin wt cho α = π - 40 - π / +α −π / +α ) U12 = (−270 sin wt π 3π / π /2 − sin wt 3π / π /2 ) = 170,4(V ) VËy ta cã: 170,4 L = = 0,307( H ) ∑ 1.314.0,05.50 ⇒ LCK = L − Lt = 0,307 − 0,014 = 0,293( H ) + Điện trở cuộn kháng U 220 dm RCK = 2% I = 0, 02 12 = 0,366 dm + Điện áp rơi điện trë cn kh¸ng: ∆U đCK = I dm RCK = 12.0,366 = 4,392(V ) + Điện áp rơi điện cảm cuộn kháng U XCK = I dm LCK = 12.2π 0, 293 = 22, 08(V ) 3.1.4 Tính chọn thiết bị bảo vệ a Chọn aptomat Ta dùng Aptomat để đóng cắt mạch động lực, tự động đóng cắt mạch tải ngắn mạch Thyritor, ngn mạch đầu chỉnh lu S 3542 ba - Dòng điện làm việc chạy qua Aptomat: Ilv = U = 220 = 16,1 A Vậy dòng điện định mức cần chon Iđm1,1.Ilv=1,1.16,1=17,71A Uđm U1=220V - Dòng ngắn mạch: Inm=2,5Ilv=2,5.16,1 = 44,275A - Dòng tải: Iqt =1,5Ilv =1,5 16,1 = 24,15A Ta chän aptomat cã c¸c thông số sau: - Kiểu aptomat SA32B Fuji sản xuất - Dòng điện định mức: 32A - Điện áp định mức: 220V - Số lợng cực: - 41 - là: b Tính RC bảo vệ áp cho thyristor Có nguyên nhân gây áp: - Nguyên nhân nội (xảy trình chuyển đổi trạng thái làm việc van Đây tích tụ điện tích lớp bán dẫn.) - Nguyên nhân bên ngoài: xảy thờng xuyên nh đóng cắt không tải MBA có sét đánh đờng dây Mạch RC đợc mắc song song với van để tránh đợc tợng không mong muốn bảo vệ đợc áp nhiều nguyên nhân gây Theo luật đóng mở điện áp tăng đột biến biến thiên liên tục thời điểm xảy độ qua tụ C mà có tốc độ tăng trởng điện áp lớn giữ đợc điện áp anot thyristo không bị tăng đột ngột so với Katot thyristor Các thông số RC trờng hợp đà đợc tối u hoá máy tính điện tử Ngêi ta ®· lËp mét sè quan hƯ cho phép ta xác định giá trị tối u RC Theo hình 1-74 (sách kỹ thuật biến đổi trang 94) ta cã: UA = UTngmax = U®m= 220 =311,1 (V) Up = Ud0 = 239,97 (V) VËy ta có UA/Up = 311,1/239,97 = 1,29 Gần ta xác định đợc F = 0,6 G = 0,48 H = 0,78 I 100 mµ C = 2LBA ( U F )= 4,425.10-4 ( 239,97 0,6 )2 = 4,259 10-4 (F) P TÝnh R R = 2G L 4,425.10 −4 = 2.0,48 = 0,978Ω C 4,259.10 − VËy R =0,978 Ω - 42 - 3.2 TÝnh chän c¸c thiết bị mạch điều khiển Việc tính toán mạch điều khiển đợc tính từ tầng khuếch đại ngợc trở lên.Mạch điều khiển đợc tính xuất phát từ yêu cầu xung mở van.các thông số để tính mạch điều khiển ã Dòng điện xung điều khiển: Iđk= 150(mA)=0,15(A) ã Điện áp xung điều khiển: Uđk=2,5(V) ã Thời gian mở van: tm=80às ã Độ rộng xung điều khiển:tx=2.tm=160 às ã Tần số xung điều khiển: fx=3kHz ã Độ đối xứng cho phép: =40 ã Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển:Ucc=12V ã Mức sụt biên độ xung:sx=0,15 3.2.1 TÝnh biÕn ¸p xung + Chän vËt liƯu làm lõi sắt Ferit HM,lõi có dạng hình xuyến,làm việc phần đặc đặc tính từ hoá cã: ∆B=0,3T,∆H=30A/m,kh«ng cã khe hë kh«ng khÝ + Tû sè biến áp xung thờng chọn m=2 ữ 3, chọn m=3 + Điện áp thứ cấp máy biến áp xung: U2=Uđk=2,5(V) + Điện áp sơ cấp máy biến áp xung: U1=m.U2=3.2,5=7,5(V) + Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung: I2=Iđk=0,15(A) + Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung: I1=I2/m=0,15/3=0,05(A) B +Độ từ thẩm trung bình tơng đối lõi sắt:àtb= H =8.103 o Trong à0 1,25.10-6(H/m) ®é tõ thÈm cđa kh«ng khÝ - 43 - ThĨ tích lõi thép cần có: V=Q.L= àtb à0 t x s x U1 I1 8.103.1,25.10 −6160.10 −6.0,15.7,5.0,05 = = 1.10 −6 m3=1cm3 ∆B 0,32 (tra B) Tõ thÓ tÝch ta chọn mạch từ OA-20/25-6,5 tích V = Q.L = 0,162.7,1 =1,15cm3 Víi thĨ tÝch ®ã ta cã kÝch thíc m¹ch tõ nh sau: a=2,5mm; b=6,5mm; Q=0,162cm2; Qcs=3,14cm2; d=20mm; D=25mm; chiều dài mạch từ L=7,1cm + Số vòng dây quấn sơ cấp máy biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ: U1=w1.Q.B/tx Suy W1= U1t x 7,5.160.10−6 = = 246,9 (vßng) chän w1=247 vßng B.Q 0,3.0,162.10 + Số vòng dây thứ cấp máy biến áp xung: W2=W1/m=247/3=82,3 vòng Chọn W2=82 vòng + Tiết diện dây quấn sơ cấp:S1=I1/J1=0,05/6=8,3.10-3mm2 (chọn mật độ dòng điện J1=6A/mm) S1 = + Đờng kính dây quấn sơ cÊp: d1= π 4.8,3.10−3 = 0,1 mm 3,14 + TiÕt diện dây quấn thứ cấp: S2=I2/J2=0,15/4=0,038mm2 (chọn mật độ dòng điện J2=4A/mm) + Đờng kính dây quấn thứ cấp: d2= + Kiểm tra hệ số lấp đầy: klđ= 4S2 = π 4.0,038 = 0,22 mm 3,14 S1.W1 + S W2 0,0083.247 + 0,038.82 = = 0,016 Qcs 314 Nh cửa sổ đủ diện tích cần thiết 3.2.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng: Ta chọn Transitor công suất loại 2SC9111 làm việc chế độ xung có thông số sau: - 44 - + Transitor loại npn,vật liệu bán dẫn Silíc + Điện áp Colector Bazơ hở mạch Emito:UCB0=40V + Điện áp Emito Bazơ hở mạch Colector:UEB0=4V + Dòng ®iƯn lín nhÊt ë Colector cã thĨ chÞu ®ùng:ICmax=500mA + Công suất tiêu tán Colector:PC=1,7W + Nhiệt độ lứn mặt tiếp giáp:T=1750C + Hệ số khuếch đại: =50 + Dòng điện làm việc Colector: Ic=I1=0,05A=50mA + Dòng điện làm việc Bazơ : I B= Ic/ β =50/50=1mA Chän nguån cÊp cho biÕn ¸p xung :U cc=+15V,Ta phải mắc thêm điện trở R nối tiếp với cực Emito Tr để hạn chế dòng :R= E − U1 12 − 7,5 = = 90Ω I1 0,05 Tất Điot mạch điều khiển dùng loại 1N4009 có tham số : + Dòng điện định mức + Điên áp ngợc lớn : Iđm=10A : UN=25V + Điện áp diot mở thông : Um=1V 3.2.3 Chọn thiết bị mạch sửa xung + Chọn Transitor công suất loại 2SC9111 làm việc chế độ xung có thông số nh Vậy R7≥Ucc/ IB=15/1.10-3=15KΩ R8≥Ucc/ IC=15/50.10-3=0,3KΩ - 45 - V× R6 dïng để hạn chế dòng điện đa vào cực Bazơ nên chän R6 = R8 Ta thÊy thêi gian tån t¹i cđa xung b»ng thêi gian phãng cđa tơ tx=160µS Mµ tơ phãng chđ u qua R6 nªn chän C2 R6= tx=160µS Suy C2= tx/ R6=160/0,3.10-3 =0,53 µS 3.2.4 Tính chọn mạch so sánh Chọn khuếch đại thuật toán lo¹i TL 084 Chän R4=R5≥Uv/Iv Víi Uv≈Ucc=15V, Iv≈IB=1mA Thay sè ta có: R4=R515/1.10-3=15 K 3.2.5 Tính chọnt thiết bị khâu tạo điện áp ca Điện áp ca đợc hình thành phóng nạp tụ C1.Để đảm bảo điện áp ca có nửa chu kỳ điện áp lới tuyến tính số thời gian nạp tụ đợc chọn là: = R3.C1=0.005S Chọn tụ C1=0,1àF R3= / C1=0,005/0,1.10-6=50K Để thuận tiện cho việc điều chỉnh lắp mạch ta thờng chọn WR50K + Chọn Tr1 loại A564 có thong số sau: + Transitor loại pnp,vật liệu bán dẫn Silíc + Điện áp Colector Bazơ hở mạch Emito: UCB0=25V + Điện áp Emito Bazơ hở mạch Colector: UEB0=7V + Dòng điện lớn Colector chịu đựng: ICmax=100mA + Công suất tiêu tán Colector:PC=1,7W + Nhiệt độ lứn mặt tiếp giáp:T=1500C + Hệ số khuếch đại: =250 + Dòng điện làm việc cực đại Bazơ: - 46 - IBmax= Icmax/ =100/250=0,4.mA Điện trở R1để hạn chế dòng điện vào cực Bazơ Tr 1nên chọn R1thoả mÃn điều kiện: R1Ucc/IBmax=15/0,4.10-3=37,5 K Chọn R1=38 K Chọn điện áp xoay chiều đồng pha U2=12V Điện trở R2 để hạn chế dòng điện vào KĐTT thờng chọn R2 cho dòng điện vào KĐTT