2. Tính toán thông số mạch động lực
2.7. Thiết kế máy biến áp cấp nguồn cho chỉnh l−u
+ Công suất biểu kiến của máy biến áp:
S = KS.Pd = KS. P
η =
= 1,05. 5000
0,85 = 6176,44 kVA + Ph−ơng trình cân bằng điện áp khi có tải:
Ud0 = Ud + 2. ΔUV + ΔUdn + ΔUBA trong công thức trên:
UV
Δ : sụt áp trên van bán dẫn, ΔUV = 1,1 V
dn
U
Δ : sụt áp trên dây nối, lấy sơ bộ bằng không. UBA
Δ : sụt áp trên máy biến áp khi có tải, chọn sơ bộ ΔUBA = 6%Ud Thay vμo công thức ta có:
Ud = 816,49 + 2.1,1 + 0 + 6.816,49/100 = 867,68 V + Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp khi có tải:
U2 = d0 u U K = 867,68 3. 6 π = 370,94 V
+ Dòng điện thứ cấp máy biến áp: I2 = 2
3 Id = 2
3 .29,5 = 24,08 A + Dòng điện sơ cấp máy biến áp:
I1 = 2 1 U U I2 = 370,94 380 .24,08 = 23,51 A 2.7.1. Tính sơ bộ kích th−ớc mạch từ:
+ Thiết diện sơ bộ của mạch từ: QFe = kQ
.
BA
S m f trong công thức trên:
kQ : hệ số phụ thuộc vμo ph−ơng thức lμm mát, lấy kQ = 6 m : số trụ của máy biến áp, m = 3
f : tần số dòng điện xoay chiều, f = 50 Hz thay số ta có:
QFe = 6 6176,44
3.50 = 38,50 cm
2
+ Đ−ờng kính trụ của máy biến áp: d = 4.QFe
π =
4.38,50
π = 7,00 cm = 70 mm
chuẩn hoá theo kích th−ớc: d = 80 mm. + Chọn thép 3404 dμy 0,5 mm
Chọn mật độ từ thông trong lõi thép BT = 1,00 T + Chọn hệ số hình dáng:
h d
β= = 2,3
từ đó ta có: h = 2,3.d = 2,3.8 = 18,4 cm. Chuẩn hoá chiều cao trụ h = 18 cm. 2.7.2. Tính toán dây quấn:
+ Số vòng dây một pha sơ cấp của máy biến áp: w1 = 1 4,44. . F e. T U f Q B = 4 380 4,44.50.38,5.10 .1,00− = = 444,6 vòng lấy w1 = 445 vòng
+ Số vòng dây trên một pha thứ cấp máy biến áp: w2 = 2 1 U U w1 = 370,94 380 .445 = 434,4 vòng lấy w = 435 vòng.
+ Chọn mật độ dòng điện trong máy biến áp
Chọn chế độ lμm mát của máy biến áp lμ lμm mát bằng đối l−u tự nhiên, máy biến áp đ−ợc thiết kế theo kiểu máy biến áp khô. Vì vậy ta có thể chọn mật độ dòng điện trong dây quấn máy biến áp:
J1 = J2 = 2,75 A/mm2 + Thiết diện dây quấn máy máy biến áp:
S1 = 1 1 I J = 23,51 2,75 = 8,55 mm 2
Chọn dây dẫn hình chữ nhật, chuẩn hoá theo kích th−ớc dây tiêu chuẩn. Thiết diện chuẩn hoá ch−a có cách điện:
S1C = 8,745 mm2
Thiết diện dây có cách điện:
S1 = 8,00.1,12 = 8,96 mm2 + Mật độ dòng điện trong cuộn dây sơ cấp:
J1 = 1 1C I S = 23,51 8,745 = 2,69 A/mm 2
+ Thiết diện dây quấn thứ cấp máy biến áp: S2 = 2 2 I J = 24,08 2,75 = 8,76 mm 2
Chọn dây dẫn hình chữ nhật, chuẩn hoá theo kích th−ớc dây tiêu chuẩn. Thiết diện chuẩn hoá ch−a có cách điện:
S2C = 8,745 mm2 Thiết diện dây có cách điện:
S2 = 8,00.1,12 = 8,96 mm2 + Mật độ dòng điện trong dây quấn thứ cấp:
J2 = 2 2C I S = 24,08 8,745 = 2,75 A/mm 2
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