2. Tính toán thông số mạch động lực
2.7.3. Kết cấu dây quấn sơ cấp
Chọn kết cấu dây quấn đồng tâm, bố trí đều dọc theo trụ. + Số vòng dây trên một lớp dây quấn:
w11 = 1 2. g h h b − .kC trong công thức trên:
h : chiều cao trụ
hg : khoảng cách từ gông đến cuộn sơ cấp, hg = 1,5 cm kC : hệ số ép chặt. thay số ta có: w11 = 18 2.1,5.0,95 0,8 − = 18,75 vòng Lấy w11 = 18 vòng.
Số lớp của cuộn dây sơ cấp: n11 = 1 11 w w = 445 18 = 24,7 lớp
Chọn kết cấu của cuộn sơ cấp gồm 25 lớp, trong đó 24 lớp đầu, mỗi lớp có 18 vòng, lớp thứ 25 có 13 vòng.
+Chiều caos thực tế của cuộn dây sơ cấp: h1 = 11. 1
0,95 w b
= 18.0,8
0,95 = 15,16 cm
+ Chọn ống quấn dây cách điện giữa cuộn sơ cấp vμ lõi thép có bề dμy lμ: S01 = 0,1 cm
+ Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp: a01 = 1,0 cm +Đ−ờng kính trong của ống cách điện:
D1 = d + 2.a01 - 2.S01 =
= 7 + 2.1,0 - 2.0,1 = 8,8 cm + Đ−ờng kính trong của cuộn dây sơ cấp:
Dt1 = D1 + 2.S01 =
= 8,8 + 2.0,2 = 9 cm
+ Chọn bề dμy giữa hai lớp của cuộn dây sơ cấp lμ: cd1 = 0,1 mm + Bề dμy cuộn dây sơ cấp:
Bd1= (a1 + cd1).n11 =
= (1,12 + 0,1).25 = 30,5 mm = 3,05 cm + Đ−ờng kính ngoμi của cuộn dây sơ cấp:
Dn1 = Dt1 + 2.Bd1 =
= 9 + 2.3,05 = 15,1 cm + Đ−ờng kính trung bình của cuộn dây sơ cấp:
D = Dt1+Dn1
= 9+15,1
= 12,05 cm + Chiều dμi của dây quấn sơ cấp:
l1 = w1. π.Dtb1 = 445.3,14.12,05 =
= 16846 cm = 168,46 m
+ Chọn bề dμy cách điện cuộn dây sơ cấp vμ thứ cấp lμ: cd01 = 1,0 cm 2.7.4. Kết cấu cuộn dây thứ cấp:
+ Do cuộn dây thứ cấp vμ cuộn dây sơ cấp giống nhau nên kết cấu của cuộn dây thứ cấp giống nh− cuộn dây sơ cấp, chỉ khác lμ lớp ngoμi cùng của cuộn dây thứ cấp chỉ có 3 vòng. Do cấp cách điện của cả hai cuộn dây chọn nh−
nhau nên tất cả các thông số ta giữ nguyên: chiều dμy, chiều cao…
+ Đ−ờng kính trong của cuộn dây thứ cấp: Dt2 = Dn1 + 2.cd01 =
= 15,1 + 2.1 = 17,1 cm + Đ−ờng kính ngoμi của cuộn dây thứ cấp:
Dn2 = Dt1 + 2.Bd2 = Dt2 + 2.Bd1 = 17,1 + 3,05 = 20,15 cm + Đ−ờng kính trung bình của cuộn dây thứ cấp:
Dtb2 = 2 2 2 t n D +D = 17,10 20,15 2 + = = 18,63 cm
+ Chiều dμi của cuộn dây thứ cấp:
l2 = w2. π.Dtb2= 435.3,14.18,63 = = 22726,43 cm = 227,26 m + Đ−ờng kính trung bình của cả hai cuộn dây:
D12 = 1 2 2 t n D +D = 9 20,15 2 + = 14,58 cm ⇒ a12 = D12/2 = 14,58/2 = 7,29 cm + Chọn khảon cách cuộn dây hai trụ kế tiếp a22 = 2 cm 2.7.5. Tính toán kích th−ớc mạch từ:
+ Với đ−ờng kính trụ lμ d = 80 mm ta có trụ 4 bậc. + Thiết diện của trụ bậc thang:
Qbt = 2.(5.40 + 6.55 + 9.65 + 14.75) = = 4330 mm2 = 43,30 cm2 + Thiết diện hiệu quả của trụ máy biến áp:
Hình 3.17 : Hình dáng cắt ngang trụ máy biến áp + Tổng chiều dμy các bậc thang của trụ:
d1 = 2.(5 + 6 + 9 + 14) = = 68 mm = 6,8 cm + Số các lá thép trong một bậc: - Bậc 1: n1 = 16 0,5.2 = 64 lá - Bậc 2: n2 = 9 0,5.2 = 36 lá - Bậc 3 : n3 = 6 0,5.2 = 24 lá - Bậc 4 : n4 = 5 0,5.2 = 20 lá.
+ Chế tạo gông từ có kích th−ớc bằng chiều rộng của trụ: Chiều dμy gông: b = d = 6,8 cm
Chiều cao của gông bằng chiều cao của lá thép ngoμi cùng của trụ máy biến áp: a = 7,5 cm
+ Thiết diện của gông:
Qg1 = a.b = 7,5.6,8 = 51 cm2 + Thiết diện hiệu quả của gông:
Qg = khq.Qg1 = 0,95.51 = 48,45 cm2 + Số lá thép trong một gông:
ng = b/0,5 = 68/0,5 = 136 lá. + Tính chính xác nật độ từ cảm trong trụ:
BT = 1 1 4,44. . . T U f w Q = 4 380 4,44.50.445.41,14.10− = 0,94 T + Mật độ từ cảm trong gông: Bg = BT. T g Q Q = 0,94. 41,14 48,45 = 0,80 T + Chiều rộng cửa sổ của lõi thép:
c = 2.(a01 + Bd1 + a12 + Bd2) = 2.(1 + 3,05 + 1 + 3,05) =16,2 cm + Khoảng cách giữa tâm của hai trụ:
c’ = c + d = 16,2 + 8 = 24,2 cm + Chiều rộng mạch từ:
L = 2.c + 3.d = 2.24,2 + 3.8 =72,4 cm + Chiều cao của mạch từ:
2.7.6. Tính khối l−ợng sắt vμ đồng + Thể tích của trụ máy biến áp: + Thể tích của trụ máy biến áp:
VT = 3.QT.h = 3.41,14.18 = 2221,56 cm3 = 2,222 dm3 + Thể tích của gông: Vg = 2.Qg.L = 2.48,45.40,2 = 3895,38 cm3 = 3,896 dm3 + Khối l−ợng của trụ: MT = VT.mFe = 2,222.7,85 = 14,45 kg Hình 3.18:
Mg = Vg.mFe = 3,896.7,85 = 30,58 kg + Trọng l−ợng của sắt trong máy biến áp:
MFe = MT + Mg = 14,45 + 30,58 = 45,03 kg + Thể tích đồng trong máy biến áp:
VCu = 3.(S1.L1 + S2.L2) =
= 3.(8,745.10-4.168,46.10 + 8,745.10-4 .227,26.10) = = 10,38 dm3
+ Khối l−ợng đồng trong máy biến áp:
MCu = 10,38.8,9 = 72,38 kg 2.7.7. Tính các thông số của máy biến áp:
+ Điện trở của dây quấn sơ cấp ở 750C: R1 = 1 1 l S ρ = 0,02133.168,46 8,745 = 0,149 Ω
trong đó điện trở xuất của đồng ở 750C lμ; ρ = 0,02133 Ω.m/mm2. + Điện trở dây quấn thứ cấp máy biến áp:
R2 = 2 2 l S ρ = 0,02133.227,26 8,745 = 0,0504 Ω + Điện trở dây quấn máy biến áp qui đổi về thứ cấp:
RBA = R1. 2 2 1 w w ⎛ ⎞⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜⎝ ⎠ + R2 = 0,411. 2 435 445 ⎛ ⎞⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜⎝ ⎠ + 0,55 = = 0,088 Ω
+ Sụt áp trên điện trở dây quấn máy biến áp:
r
U
Δ = RBA.Id = 0,228.29,5 = 6,75 V + Điện kháng máy biến áp qui đổi về thứ cấp:
XBA = 2 ( )2 12 1 2 7 2 12 8. . . .10 3 d d qd r B b w a h π ⎛⎜ ⎞ ⎛⎟⎟⎜ + ⎞⎟ω − ⎜ ⎟ ⎜ + ⎟ ⎜ ⎟ ⎝⎟⎜ ⎟⎠ ⎜⎜⎝ ⎠ = 0,173 Ω
+ Sụt áp trên điện kháng máy biến áp:
x
U
Δ =3
π XBA.Id = 3
π. 0,861.29,5 = 11,06 V
+ Sụt áp trên máy biến áp:
BA
U
Δ = ΔUr2+ΔUx2 = = 12,95 V
+ Điện áp ngắn mạch tác dụng:
Unr = RBA.Id = 2,98 % +Điện cảm máy biến áp qui đổi về thứ cấp LBA = ωBA X = 314 176 , 0 = 0,00056 (H) = 0,56 (mH) + Sụt áp trên điện kháng máy biến áp
ΔUx = π 3 XBA.Id = 13,35 (V) Rdt = π 3 .XBA = 0,168 (Ω) +Điện áp ngắn mạch phản kháng Unx = 2 2 . U I xBA .100 = 45 , 185 176 , 0 . 84 , 64 .100 = 6,15 % +Điện áp ngắn mạch phần trăm Un= Unr2 +Unx2 = 2,972 + 6,152 = 6,83 (V) + Dòng điện ngắn mạch xác lập I2nm= BA Z U2 = 370,94 0,187 = 1983,62 A +Hiệu suất thiết bị chỉnh l−u . η = S I Ud. d = 5000 .100% 6176,44 = 80,95 %
Ch−ơng 4
Thiết kế mạch điều khiển vμ mạch phản hồi
Mô phỏng mạch nghịch l−u bằng pesim
A. Giới thiệu về phần mềm pesim
Những nét cơ bản về phần mềm PESIM PESIM lμ viết tắt của: Power Electronics Simulation
Phần mền mô phỏng điện tử công suất PESIM của hãng Lab-Volt lμ một công cụ mạnh cho nghiên cứu vμ học tập về điện tử công suất.
Trong phần mên PESIM gồm có ba phần: + Ch−ơng trình thiết kế mạch: Schematic + Ch−ơng trình mô phỏng: Simulator + Ch−ơng trình phân tích: ViewSim
Quá trinh mô phỏng trên PESIM đ−ợc tiến hμnh theo ba b−ớc nh− trên giản đồ sau:
Hình 4.1: Sơ đồ khối quá trình mô phỏng trên PESIM
Một mạch điện thông th−ờng gồm có các phần sau t−ơng đ−ơng với bốn khối:
+ Khối mạch động lực (Power circuit) + Khối mạch điều khiển (Control circuit) + Khối hệ cảm biến (Sensor)
+ Khối điều khiển chuyển mạch (Switch controler)
Mạch động lực lμ các van bán dẫn công suất, các phần tử RLC công suất, các máy biến áp điện lực, cuộn kháng san bằng. Mạch điều khiển bao gồm các phần tử đ−ợc thể hiện theo sơ đồ khối, bao gồm các phần tử tuyến tính, phi tuyến, các mạch logic…Các mạch cảm biến sẽ đo thông số của mạch lực để
cung cấp cho mạch điều khiển. Mạch điều khiển thông qua khối điều khiển chuyển mạch sẽ cấp tín hiệu điều khiển chuyển mạch của các van bán dẫn của mạch động lực.
Hình 4.2: Sơ đồ khối mạch điện trên PESIM
Các linh kiên sử dụng cho việc mô phỏng mạch nghịch l−u PWM Các phần tử mạch lực
+ Nguồn điện ba pha:
Nguồn ba pha hình sin đ−ợc lấy trong th− viện nguồn cung cấp của PESIM. Các thông số đặt cho nguồn ba lμ điện áp dây, tần số điện áp vμ pha ban đầu của hệ thống điện áp ba pha.
+ Chỉnh l−u diode:
Chỉnh l−u cầu diode ba pha đ−ợc lấy từ th− viện các phần tử chuyển mạch. Thông số đặt cho chỉnh l−u lμ điện áp rơi trên diode.
+ Tụ lọc nguồn điện một chiều:
Tụ điện đ−ợc lấy từ th− viện RLC. Thông số đặt cho tụ điện lμ
điện dung. Điện dung của tụ điện đ−ợc đặt với hai phần: phần số vμ phần chữ. Phần chữ thể hiện −ớc của Fara: p/picoFara, u/microFara, m/miliFara…
+ Phần tử chuyển mạch:
Phần tử chuyển mạch lμ các van bán dẫn, trong mạch ta sử dụng IGBT lμm phần tử chuyển mạch. IGBT đ−ợc lấy từ th− viện phần tử đóng cắt.
Thông số đặt cho phần tử nμy lμ điện áp rơi trên IGBT khi dẫn thông vμ điện áp rơi trên diode ng−ợc khi dẫn thông.
+ Cuộn kháng lọc:
Cuộn kháng đ−ợc lấy trong th− viện RLC của PESIM. Thông số đặt cho cuộn kháng lμ điện cảm của cuộn kháng. Thông số đặt gồm có hai phần: phần số vμ phần chữ. Phần số lμ giá trị của điện cảm, phần chữ lμ đơn vị của giá trị đó. Phần chữ thể hiên các −ớc của Henri: p/picoHenri, u/microHenri, m/miliHenri….
+ Tụ lọc: T−ơng tự nh− tụ lọc điện một chiều. + Tải của bộ nghịch l−u:
Tải của bộ nghịch l−u lμ tải điện trở. Điện trở đ−ợc lấy trong th−
viện RLC. Thông số đặt cho điện trở lμ giá trị của điện trở. Thông số đặt cho điện trở cũng gồm có hai phần: phần số vμ
phần chữ. Phần chữ thể hiện các bội vμ −ớc của Ohm: M/MegaOhm, k/kiloOhm, m/miliOhm…
Các phần tử mạch điều khiển + Bộ biến đổi dòng áp:
Bộ biến đổi dòng áp biến tín hiệu dòng thμnh tín hiệu áp. Bộ biến đổi đ−ợc lấy từ th− viện nguồn áp. Thông số đặt cho bộ biến đổi dòng áp lμ hệ số khuyếch đại. thông th−ờng ta đặt bằng 1.
+ Phần tử cộng:
Phần tử cộng sẽ tiến hμnh phép toán cộng hai đầu vμo về giá trị điện áp mμ không quan tâm đến dạng tín hiệu đầu vμo lμ số hay t−ơng tự. + Phần tử nhân:
Phần tử nhân sẽ tiến hμnh nhân hμi tín hiệu đầu vμo về giá trị điện áp mμ không quan tâm đến dạng tín hiệu đầu vμo lμ số hay t−ơng tự.
+ Nguồn điện áp một chiều:
Nguồn điện một chiều đ−ợc lấy trong th− viện nguồn điện của PESIM. Thông số đặt cho nguồn điện một chiều lμ điện áp vμ thời gian xuất hiện điện áp Time start. Thông th−ờng ta đặt thời gian lμ 0.
+ Nguồn điện xoay chiều một pha:
Nguồn điện xoay chiều một pha đ−ợc lấy trong th− viện nguồn điện của PESIM. Thông số đặt cho nguồn điện xoay chiều một pha lμ biên độ điện áp, tần số, điện áp trôi một chiều DC offset vμ thời gian xuất hiện của điện áp xoay chiều Time start. Thông th−ờng ta đặt Time start = 0.
+ Hμm arcos:
Hμm arccos đ−ợc lấy từ th− viện các phần tử điều khiển của PESIM. Thông số quan trọng của hμm nμy lμ điện áp đầu vμo, thông số nμy có giá trị biên độ điện áp không v−ợt quá điện áp 1V. Khi đặt điện áp đầu vμo lμ một hμm cos, chẳng hạn 1cos(ωt ), thì giá trị đầu ra lμ ωt .
+ Hμm cos:
Hμm cos đ−ợc lấy trong th− viện của PESIM. Hμm cos có nhiệm vụ cosin giá trị góc. Đặc điểm quan trọng của hμm cos lμ giá trị đầu ra lμ cosin của một góc nên biên độ của điện áp ra có giá trị bằng 1. Muốn tăng biên độ đầu ra ta phải dùng thêm bộ khuyếch đại.
+ Hμm sin:
Hμm sin có nhiệm vụ lấy sin giá trị góc. Đặc điểm của hμm sin t−ơng tự nh− hμm cos
+ Bộ khuyếch đại thuật toán:
Bộ khuyếch đại thuật toán có tác dụng nh− bộ khuyếch đại thuật toán thông th−ờng. Đặc điểm quan trọng của bộ khuyếch đại thuật toán lμ điện áp nuôi. Điện áp nuôi có thể lμ điện áp đối xứng hoặc không đối xứng.
+ Bộ đảo:
Tác dụng của bộ đảo nh− một bộ dảo thông th−ờng. Đặc điểm quan trọng cần chú ý lμ điện áp ra của bộ đảo chỉ có một trong hai giá trị lμ 0V vμ 1V. Muốn sử dụng điện áp cao hơn phải cói thêm bộ khuyếch đại điện áp.
+ Bộ chuyển đổi 2/3:
Bộ biến đổi nμy biến đổi toạ độ hai thông số sang toạ độ ba thông số. Chú ý quan trọng khi dùng bộ nμy lμ đây không phải lμ
bộ biến đổi dq/abc mμ lμ bộ biến đôi αβ /abc. Muốn có bộ biến đổi dq/abc ta phải có thêm bộ chuyển đổi dq/αβ .
+ Bộ chuyển đổi 3/2:
Tác dụng ng−ợc lại với bộ biến đổi 3/2 vμ cũng không phải lμ bộ biến đôi abc/dq. Muốn có bộ biến đổi abc/dq ta phải có thêm mạch biến đổi abc/αβ
+Máy biến dòng điện:
Thông số đạt cho máy biến dòng điện lμ hệ số khuyếch đại. Ta đặt hệ số khuyếch đại của máy biến dòng điện bằng 1.
+ Phần tử đóng mở:
Phần tử nμy có nhiệm vụ điều khiểm quá trình chuyển mạch của van bán dẫn khi có tín hiệu kích mở.
B. thiết kế mạch điều khiển vμ mạch phản hồi
4.1. Những vấn đề chung về mạch điều khiển vμ mạch phản hồi
Mạch điều khiển vμ mạch phản hồi lμ một phần vô cùng qua trong trong bất cứ một hệ thống điều khiển nμo. Mạch điều khiển có chức năng điều khiển các phần tử của mạch lực, còn mạch phản hồi có chức năng điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều khiển phù hợp với yêu cầu đ−ợc xác định tr−ớc.
Trong bộ nghịch l−u thiết kế thì mạch điều khiển có chức năg lμ đóng mở các IGBT để tạo địên áp đầu ra mong muốn. Còn mạch phản hồi có chức năng kiểm soát đầu ra theo một qui luật đặt tr−ớc. Mạch phản hồi tạo ra cho hệ thống điều khiển một hệ điều khiển kín, khi điều khiển theo hệ kín thì độ chính xác cũng nh− độ ổn định cao hơn khi điều khiển theo hệ hở không có mạch phản hồi. Mạch phản của bộ nghịch l−u đó lμ phản hồi dòng điện. Phản hồi dòng điện có tác dụng kiển soát dòng điện ra của bộ nghịch l−u luôn ở trong một phạm vi cho phép hoặc biến đổi theo qui luật đặt tr−ớc. Sơ đồ khối của bộ điều chỉnh dòng điện vμ tần số nh− hình vẽ (hình 4.1).
Hình 4.3 : Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển
Tín hiều đặt thông th−ờng lμ tín hiệu một chiều, còn tín hiều điều khiển bộ nghịch l−u lμ tín hiệu xoay chiều, do vậy phải có bộ chuyển đổi từ tín hiệu đặt một chiều thμnh tín hiệu đặt xoay chiều cho bộ nghịch l−u. Trng mạch ta có hai thμnh phần đặt đó lμ: dòng điện vμ tần số. Vì vậy ta sẽ lần l−ợt phân tích vμ
thiết kế hai thμnh phần nμy. 4.1.1. Mạch đặt tần số
Tín hiệu đặt tần số lμ tín hiệu một chiều, để đơn giản ta xét tín hiệu đặt tần lμ tín hiệu áp, khi tín hiệu lμ tín hiệu dòng ta có thể qui về tín hiệu áp bằng bộ chuyển đổi nguồn dòng thμnh nguồn áp.