Đề tài Thiết kế bộ điều khiển kích từ cho máy phát điện xoay chiều có tham số sau: U= 400V, I= 300A, Ukt= 48V, Ikt= 3,5A

Lời nói đầu Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của các ngành khoa học kĩ thuật, các phát minh sáng chế đã và đang được áp dụng rộng rãi và phổ biến, nhiều thành tựư khoa học kĩ thuật đã đem lại cho nêng sản xuất những tiến bộ đột phá. Kỹ thuật điện tử và bán dẫn công suất lớn phát triển mạnh mẽ. Các thiết bị điện tử công suất có ưu điểm: có khả năng điều khiển rộng, có chỉ tiêu kinh tế cao, kích thước và trọng lượng thấp, độ tin cậy và độ chính xác cao.... ứng dụng của chúng vào vào việc biến đổi năng lượng và điều khiển điện áp và dòng điện xoay chiều thành một chiều và ngược lại . Được sự chỉ bảo của thầy giáo giảng dạy, em đã hoàn thành để tài: "Thiết kế bộ điều khiển kích từ cho máy phát điện xoay chiều có tham số sau: U= 400V, I= 300A, Ukt= 48V, Ikt= 3,5A. Trong quá trình làm bài sẽ còn nhiều thiếu sót nên em rất mong nhận được sự đánh giá, góp ý của thầy giáo để có thể hoàn thành tốt hơn bài tập này. Chương 1. Tổng quan về công nghệ 1.1. Phạm vi ứng dụng của công nghệ Để cung cấp nguồn cho tải một chiều cần thiết kế các bộ chỉnh lưu. Các bộ chỉnh lưu biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều. Các loại bộ biến đổi này có thể là chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu có điều khiển. Để giảm công suất vô công, người ta thường mắc song song ngược các tải một chiều một điốt( loại sơ đồ này gọi là sơ đồ có điốt ngược). Trong các sơ đồ chỉnh lưu có điốt ngược, khi có và không có điều khiển, năng lượng được chuyền từ phía lưới xoay chiều sang một chiều, nghĩa là các loại chỉnh lưu đó chỉ có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu nhận năng lượng từ lưới. Các bộ chỉnh lưu có điều khiển, không điốt ngược có thể trao đổi năng lượng theo cả hai chiều. Khi năng lượng truyền từ lưới xoay chiều sang tải một chiều, bộ nguồn làm việc ở chế độ chỉnh lưu nhận năng lượng từ lưới, khi năng lượng truyền theo chiều ngược lại( nghĩa là từ phía tải một chiều về lưới xoay chiều) thì bộ nguồn làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới. 1.2. Yêu cầu về công nghệ Thiết kế bộ điều khiển kích từ cho máy phát điện xoay chiều có tham số sau: U= 400V, I= 300A, Ukt= 48V, Ikt= 3,5A. Chương 2. Tính chọn van công suất 2.1. Giới thiệu các mạch công suất Trước đây khi đảo chiều người ta thường sử dụng hai công tắc tơ để đảo chiều dòng điện. Nhược điểm của việc sử dụng công tắc tơ để đảo chiều là thời gian chuyển mạch chậm. Muốn thời gian đảo chiều nhanh người ta thiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều. Sau đây là các mạch công suất của bộ chỉnh lưu có đảo chiều. 2.1.1. Chỉnh lưu hình tia không điều khiển Hình 1: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia không điều khiển 2.1.2. Chỉnh lưu hình tia có điều khiển Hình 2: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia có điều khiển Udi0: Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu không điều khiển 2.1.3. Chỉnh lưu hình tia 3 pha có diode V0 Hình 3: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha có diode V0 2.1.4. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng Hình 4: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng 2.1.5. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng Hình 5: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đói xứng 2.1.6. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng có diode V0 Hình 6: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng có diode V0 2.1.7. Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn Hình 7: Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu 2.1.8. Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển Hình 8: Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển 2.2. Phân tích các ưu nhược điểm của các mạch công suất So sánh giữa hai phương án điều khiển hoàn toàn và bán điều khiển ta thấy: - Đỉnh âm của máy điện áp chỉnh lưu bị cắt đỡ nhấp nhô hơn - Không thể làm việc ở chế độ nghịch lưu - Hiệu suất bộ biến đổi cao hơn Sau khi phân tích đánh giá về chỉnh lưu, từ các ưu nhược điểm của các sơ đồ chỉnh lưu, thì sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng là hợp lý hơn cả. Bởi lẽ ở công suất này để tránh mất đối xứng biến áp, nên sơ đồ thiết kế chọn là sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển đối xứng như hình vẽ sau: Hình 2.1: Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng 2.3. Tính chọn van công suất Khi tính toán van động lực ta cần dựa vào các yếu tố cơ ban sau: dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện tản nhiệt, điện áp làm việc. - Điện áp ngược của van Ulv = knv.U2 Với U2 = Ud /ku thay số vào ta được: Với: Ud =48 V knv = 2,45 ku= 2,34 Thay số vào ta được: Unv =kdtU . Ulv = 1,6 x 50,26 = 80,41 (V) - Dòng điện của van Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van. Id = 3,5 (A) Dòng điện hiệu dụng của van: Ilv = Ihd = khd .Id = 0,58 x 3,5 = 2,03 (A) Với các thông số làm việc của van ở trên, chọn điều kiện làm viêcj của van là có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện tích tỏa nhiệt, không quạt đối lưu không khí. Vậy thông số của van động lực là: Unv = 80,41 (V) Idlv = ki x Ilv = 4 x 2,03 = 8,12 (A) Tra bảng thộng số các van, ta chọn được van 2N4441: Dòng điện định mức của van Idmv = 12 A Điện áp ngược cực đại của van Unv = 120 V Điện sụt áp trên van ∆U = 3,0 V Dòng điện rò Ir = 2 mA Điện áp điều khiển Udk = 2,5 V Dòng điện điều khiển Idk = 0,06 A Thời gian chuyển mạch tcm = 15 µs 2.4. Tính toán máy biến áp chỉnh lưu Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây ∆/Y làm mát bằng không khí tự nhiên. Tính các thông số cơ bản: 1. Tính công suất biểu kiến của máy biến áp S = 48 x 3,5 = 168 VA 2. Điện áp sơ cấp máy biến áp Ul = 380(V) 3. Điện áp thứ cấp của máy biến áp Phương trình cân bằng điện áp khi có tải: Udo. Cosαmin = Ud + 2.∆Uv + ∆Udn + ∆Uba Trong đó: αmin = 100 là góc dự trữ khi có sự giảm điện lưới ∆Uv = 2,0 V là sự sụt áp trên Thyristor ∆Udn ≈ 0 là sự sụt áp trên đường dây nối ∆Uba = ∆Ur+ ∆Ux là sự sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp Chọn sơ bộ: ∆Uba = 6%.Ud = 6%.48 = 9,6 V Với phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có: Điện áp pha thứ cấp máy biến áp: 4. Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp 5. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp 6. Tiết diện sơ bộ trụ Trong đó: kQ: Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy kQ = 6 m: Số trụ của máy biến áp f: Tần số xoay chiều, ở đây f = 50 Hz Thay số ta được: 7. Đường kính trụ Chuẩn hóa đường kính theo tiêu chuẩn d = 3cm 8. Chọn loại thép các lá thép có độ dày 0,5mm Chọn mật độ từ cảm của trụ Bt = 1T 9. Chọn tỷ số , suy ra h = 2,3.d = 2,3.3 = 6,9 cm Ta chọn chiều cao trụ là 7 cm Tính toán dây quấn 10. Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp vòng Lấy tròn W1 = 4947 vòng 11. Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp vòng Lấy tròn W2 = 359 vòng 12. Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn J1 = J2 = 2,75 A/mm2 13. Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp Chọn dây dẫn tiết diện hình tròn, cách điện cấp B Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S1 = 0,077mm2 Kích thước dây dẫn có kể cách điện S1cđ = .0,1052 = 0,07 cm2 14. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp 15. Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp Chọn dây dẫn tiết diện hìmh tròn, cách điện áp cấp B Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S1 = 1,05 mm2 Kích thước dây dẫn có kể cách điện S1cđ = .0,5552 = 0,9676 cm2 16. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp Kết cấu dây dẫn sơ cấp Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo dọc trục 17. Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp vòng Trong đó: kc = 0,95 hệ số ép chặt h: chiều cao trụ hg : khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp Chọn sơ bộ khoảng cách điện gông là 1,5 cm 18. Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp lớp 19. Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp 20. Chọn ống dây quấn làm bằng vật liệu cách điện có bề dầy: S01 = 0,1 cm 21. Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp chọn cd01 = 1,0 cm 22. Đường kính trong cuă ống cách điện Dt = dFe + 2.cd01 - 2.S01 = 3+2.1-2.0,1 = 4,8 cm 23. Đường kính trong của ống cuộn sơ cấp Dt1 = Dt + 2.S01 = 4,8 + 2.0,1 = 5 cm 24. Chọn bề dầy giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd11 = 0,1 mm 25. Bề dầy cuộn sơ cấp Bd1 = 0,21.137 = 28 cm 26. Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp Dn1 = Dt1 + 2.Bd1 = 5+ 2.28 = 51 cm 27. Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp 28. Chiều dài dây quấn sơ cấp l1 = W1..Dtb = .4947.28 = 435,16 m 29. Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp: cd12 = 1,0 cm Kết cấu dây dẫn thứ cấp Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo dọc trục 30. Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp h1 = h2 = 7 cm 31. Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp vòng Trong đó: kc = 0,95 hệ số ép chặt h: chiều cao trụ Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông là 1,5 cm 32. Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp lớp 33. Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp 34. Đường kính trong của cuộn sơ cấp Dt2 = Dn1 + 2.S01 = 51 + 2.0,1 = 51,2 cm 35. Chọn bề dầy giữa hai lớp dây của cuộn sơ cấp: cd11 = 0,1 mm 36. Bề dầy cuộn thứ cấp Bd2 = 1,11.11 = 12,21 cm 37. Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp Dn2 = Dt2 + 2.Bd2 = 51,2 + 2.12,21 = 75,62 cm 38. Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp 39. Chiều dài dây quấn thứ cấp l2 = W2.π.Dtb2 = π.259.63,41 = 515,7 m 40. Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp: cd12 = 2,0 cm Tính kích thước mạch từ 41. Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ Qtb = 2.(1,6.10,5+1,1.0,95+0,7.8,5+0,6.7,5+0,4.6,5+0,7.4) = 86,2 cm2 42. Tiết diện hiệu quả của trụ QT =khq.Qbt = 0,95.86,2 = 81,89 cm2 43. Tổng chiều dày của bậc thang dt = 2.(1,6+1,1+0,7+0,6+0,4+0,7) = 10,2 cm 44. Tổng chiều dài các bậc thang Bậc 1 lá Bậc 2 lá Bậc 3 lá Bậc 4 lá Bậc 5 lá Bậc 6 lá Để đơn giản trong việc chế tạo gông từ, ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có kích thước sau: Chiều dày gông bằng chiều dài của trụ: b = dt = 7 cm Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ: a = 7 cm Tiết diện gông: Qbg = a x b = 49 cm2 45. Tiết diện hiệu quả của gông Qg = khq.Qbg = 0,95.49 = 46,55 cm2 46. Số lá thép dùng trong một gông lá 47. Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ 48. Mật độ từ cảm trong gông 49. Chiều rộng của cửa sổ c = 2.(1 + 1,33 + 1,35) + 2 = 11,37 cm 50. Tính khoảng cách giữa hai tâm trụ c' = 11,37 + 7 = 18,37 cm 51. Chiều rộng của mạch từ C = 2.11,37 + 3.7 = 43,74 cm 52. Chiều cao mạch từ H = 7 + 2.3 = 13 cm Tính khối lượng sắt và đồng 53. Thể tích của trụ VT = 3.81,89.7 = 1719,69 cm3 54. Thể tích của gông Vg = 2.46,55.43,47 = 4072,19 cm3 55. Khối lượng của trụ Mg = Vg.mFe = 1,71969.7,85 = 13,49 Kg 56. Khối lượng của gông MT =VT.mFe = 4,07219.7,85 = 31,9 Jg 57. Khối lượng của sắt MFe = MT + Mg = 31,9 + 13,49 = 45,46 Kg 58. Thể tích của đồng VCu = 3.(S1L1 + S2L2) = 3.(0,21.435,16.10-4 + 1,04.515,7.10-4) = 0,1883 dm3 59. Khối lượng của đồng MCu = VCu . mCu = 0,1883.8,9 = 1,676 Kg Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực 2.4. Chọn thiết bị bảo vệ 2.4.1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn Khi van bán dẫn làm việc, có dòng điện chạy qua, trên van có sụt van ∆U, do đó có tổn hao công suất ∆P. Tổn hao này sinh ra nhiệt, đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác, van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép (Tcp), nếu quá nhiệt độ cho phép các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, phải chọn và thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lí. Tính toán cách tản nhiệt: Thông số cần có: + Tổn thất công suất trên Thyristor: ∆P = ∆U.Ilv = 2,0.1,45 = 2,9 W + Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: STN = ∆p/Km.τ Trong đó: ∆p: tổn hao công suất W t: độ chênh nhiệt độ so với môi trường Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 400C Nhiệt độ làm việc cho phép của Thyristor Tcp = 1250C Chọn nhiệt độ trên cánh tỏa nhiệt Tlv = 800C τ = Tlv - Tmt = 400C Km hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Chọn Km = 8 W/m2 0C Vậy STN = 2,9/8.40 = 0,009 m2 Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh a x b = 3 x 4 = 12 cm2 Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh STN = 12.2.12 = 288 cm2 2.4.2. Bảo vệ quá dòng điện cho van Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch khi quá tải và ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. Chọn 1 aptomat có: Dòng điện làm việc chạy qua aptomat: Dòng điện aptomat cần chọn: Idm = 1,1.0,07 = 0,08 A Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Thyristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu Icc = 1,1.I2 = 1,1.2,04 = 2,224 A 2.4.3. Bảo vệ quá điện áp cho van Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Thyristor. Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá trình điện áp giữa Anod và Catod của Thyristor. Khi có mạch R-C mắc song song với Thyristor tọa ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Thyristor không bị quá điện áp. Theo kinh nghiệm R1= (530)Ω; C1 = (0,254) µF Chọn theo tài liệu: R1 = 5,1 Ω; C1 = 0,25 µF +Để bảo vệ van do cắt đột biến áp áp non tải, người ta mắc một mạch R-C ở đầu ra của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bằng diode công suất bé. Thông thường giá trị tự chọn trong khoảng 10200 µF Theo tài liệu: R3 = 470Ω; C3 = 10µF Chọn giá trị điện trở R4 = 1,4(KΩ) Chương 3. Thiết kế mạch điều khiển 3.1. Giới thiệu vác khâu điều khiển cần thiết Để mạch động lực hoạt động thì cần có mạch điều khiển. Trong mạch điều khiển gồm các khâu sau: - Khâu đồng pha: có nhiệm vụ tạo ra điện áp Urc thượng gặp là điện áp răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của Thyristor. - Khâu so sánh: nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều khiển, có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Udk, tìm thời điểm với điện áp này bằng nhau (Udk = Urc). Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xun ở đầu ra để gửi sang tầng khuyếch đại. - Khâu tạo xung: có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor. Xung để mở Thyristor cần phải: sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo yêu cầu Thyristor mở tức thời khi có xung điều khiển; đủ độ rộng; đủ công suất; cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực( khi điện áp quá lớn). - khâu khuyếch đại: với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor, tầng này thường được thiết kế bằng Tranzitor công suất. 3.2. Tính toán các khâu điều khiển Viêch tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuyếch đại ngược trở lên Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu chung để mở Thyristor. 3.2.1. Tính biến áp xung - Chọn vật liệu làm bằng lõi thép Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hóa có: ∆B = 0,3 T, ∆H = 30 A/m, không có khe hở không khí. - Tỷ số biến áp xung: thường m = 23, chọn m = 3 - Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Udk = 2,5 V - Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1= m.U2 = 3.2,5 = 7 V - Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk = 0,06 A - Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I1 = I2/m = 0,06/3 = 0,02 A - Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: µtb = ∆B/µ0. ∆H = 8.103 Thể tích của lõi thép cần có: V = Q.L = (µtb. µ0. tx. sx. U1. I1)/ ∆B2 Thay số vào ta được: V = ( 8.103. 1,25.10-6. 100.10-3. 0,5. 7. 0,02)/0,32 = 3,47.10-6 m3 = 0,9 cm3 Chọn mạch từ OA-25/40-5 có thể tích V = Q.l = 0,375.10,2 = 3,38 cm3, với thể tích đó ta có kích thước mạch từ như sau: a = 7,5 mm; b = 5mm; Q = 0,375 cm3 = 37,5 cm3; Qcs = 4,9 cm2; d = 25 mm; D = 40 mm. Chiều dài trung bình mạch từ l = 10,2 cm. Số vòng quấn dây sơ cấp biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ: U1 = w1.Q. dB/dt = w1.Q. ∆B/tx w1 = U1.tx/∆B.Q = 9.100.10-3/0,3.37,5 = 80 vòng Số vòng dây thứ cấp: W2 = w1/m = 80/3 = 27 vòng Tiết diện dây quấn thứ cấp: S1 = I1/J1 = 66,6.10-3/6 = 0,0112 mm2 Chọn mật độ dòng điện J1 = 6 (A/mm2) - Đường kính dây quấn sơ cấp: Chọn d1 = 0,12mm, S1 = 0,0113mm2 Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = I2/J2 = 0,2/4 = 0,05mm2 Chọn mật độ dòng điện J2 =4 A/mm2 Đường kính dây quấn thứ cấp: Chọn dây có đường kính d2 =0,27 mm, S2 = 0,0575 mm2 Kiểm tra hệ số lấp đầy: Như vậy, của sổ đủ diện tích cần thiết 3.2.2. Tính tầng khuyếch đại cuối cùng Chọn Tranzitor công suất Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số: Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn Si Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: UCBO = 40 V Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO = 4 V Dòng điện lớn nhất của Colecto có thể chịu đựng Icmax = 500 mA Công suất tiêu tán của Colecto: Pc = 1,7 W Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1 = 1750C Hệ số khuyếch đại: β = 50 Dòng làm việc của Colecto: Ic3 = 33,3 A Dòng làm việc của Bazơ: IB3 = Ic3/ β = 33,3/50 = 0,66 mA Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E = +12 V ta mắc thêm điện trở R10 nối tiếp với cực Emito của Tr3 R10 = (E-U1)/I1 = 92 Ω Tất cả các diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số: - Dòng điện định mức: Idm = 10 A - Điện áp ngược lớn nhất: UN = 25 V - Điện áp để cho diode mở thông: Um = 1 V 3.2.3. Chọn cổng AND Toàn bộ mạch điện phải dùng 6 cổng AND nên ta chọn hai IC 4081 họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng NAD, có các thông số: Nguồn nuôi IC: Vcc = (318) V, ta chọn: Vcc = 12 V Nhiệt độ làm việc: -400C800C Điện áp ứng với logic: "1": 24,5 V Dòng điện nhỏ hơn 1mA Công suất tiêu thụ P = 2,5 mW/1 cổng 3.2.4. Chọn tụ C3 và R9 Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng đưa vào Bazơ của Tranzitor Tr3, chọn R9 thỏa mãn diều kiện: Trong đó: U = 12 V; Ib3 = 2mA< 10mA Chọn C3.R9 = tx =100. Suy ra C3 = tx/R9 C = 100/6,8.103 = 0,014µF. Chọn C3 = 0,0 µF 3.2.5. Tính chọn bộ tạo xung chùm Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuyếch đại thuật toán, do đó ta chon 6 IC loại TL084 do hãng Texas Instruments chế tạo, mỗi IC này có 4 khuyếch đại thuật toán. Thông số củ TL048: Điện áp nguồn nuôi: Vcc = ± 18 V, chọn Vcc = ± 12 V Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: ± 30 V Nhiệt độ làm việc: T = -25850C Công suất tiêu thụ: P = 680 mW = 0,68 W Tổng trở đầu vào: Rin = 106MΩ Dòng điện đầu ra: Ira = 30 pA Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du/dt = 13 V/µs Mạch tạo chùm xung có tần số: fx = 1/2tx = 1/2.100 = 5 kHz hay tru kỳ của xung trùm. T = 1/f = 200 µs; ta c ó: T = 2.R8C2.ln( 1+2.R8/R7) Chọn R6 = R7 = 33 kΩ thì T = 2,2.R8.C2 = 200 µs Vậy: R8.C2 = 90 µs Chọn tụ C2 = 0,1 µF có điện áp U = 16 V; R8 = 0,9Ω. Đểm thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn R8 là biến trở 1 kΩ. 3.2.6. Tính chọn tầng so sánh Khuyếch đại thuật toán đã chọn loại TL084 Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc = ± 12 V. Thì điện áp vào A3 là Uv = 12 V. Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1 mA Chọn R4 = R5 > Uv/Iv = 12/1.10-3 = 12 kΩ Do đó ta chọn R4 = R5 = 15 kΩ khi có dòng vào A3: Ivmax = 12/(15.109) = 0,8 mA 3.2.7. Tính chọn khâu đồng pha Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C1, mặt khác để đảm bảo điện áp tụ có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được Tr = R3.C1 = 0,005s. Chọn tụ C1 = 0,1 µs thì điện trở R3 = Tr/C1 = 0,005/0,1.10-6 Vậy R3 = 50.103 Ω = 50 kΩ Để thuận tiện ch điều chỉnh khi lắp ráp mạch R3, thường chọn là biến trở lớn hơn 50 kΩ chọn Tranzito Tr1 loại A564 có các thông số: Tranzito loại NPN làm bằng Si Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: UCBO = 25 V Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO = 7 V Dòng điện lớn nhất của Colecto có thể chịu đựng Icmax = 100 mA Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: Tcp = 1500C Hệ số khuyếch đại: β = 250 Dòng cực đại của Bazơ: IB3 =Ic /β = 100/250 = 0,4 mA Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào Bazơ Tranzito Tr1 được chọn như sau: Chọn R2 thỏa mãn điều kiện: R2 > UNmax/IB = 12/0,4.10-3 = 30 kΩ Chọn R2 = 30 kΩ Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: UA = 9 V Điện trở R1 để hạn chế dòng điện khuyếch đại thuật toán A1, thường chọn R1 sao cho dòng vào khuyếch đại thuật toán IV < 1 mA. Do đó: R1 > UA/IV = 9/1.10-3 = 9 kΩ. Chọn R1 = 10 kΩ 3.2.8. Tạo nguồn nuôi Thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi, chọn kiểu biến áp 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 5 cuộn dây, một cuộn sơ cấp và bốn cuộn thứ cấp. Cuộn thứ cấp thứ nhất Cấu tạo ra nguồn điện áp ± 12 V để cấp cho nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Nguồn này được cấp bởi ba cuộn dây thứ cấp. Hai chỉnh lưu tia 3 pha để tạo điện áp nguồn nuôi đối xứng cho IC. Điện áp đầu ra của ổn áp chọn 12V. Điện áp vào của IC ổn áp chọn 20V. Điện áp thứ cấp các cuộn chọn là: Chọn U21 = 14V Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và 7912, các thông số chung của vi mạch này như sau: Điên áp đầu vào: UV = 735 V Điện áp đầu ra: IC 7812 có Ura = 12V IC 7912 có Ura = -12V Dòng điện đầu ra: Ira = 01 A Tụ điện C1, C2 dùng để lọc phần song hài bậc cao. Chọn tụ C1 = C2= C3= C4= 470 µF; U = 35 V Cuộn thứ cấp thứ 2: Tạo nguồn nuôi cho biến áp xung, cấp xung điều khiển cho các Thyristor + 12V. Do mức độ sụt xung cho phép tương đối lớn lên nguồn này không cần ổn áp. Mỗi khi phát xung điều khiển công suất xung đáng kể, nên cần tạo cuộn dây này riêng rẽ với cuộn dây cấp nguồn IC, để tránh gây sụt áp nguồn nuôi IC. Cuộn thứ cấp thứ 3,4 là các cuộn dây đồng pha. Các cuộn dây này cần lấy trung thực điện áp hình sin của lưới, tốt nhất nên quấn biến áp riêng. Tuy nhiên, theo kinh nghiệm có thê quấn chung với biến áp nguồn nuôi cũng có thể được. 3.2.9. Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi IC: U21 = 14V Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL084 sử dụng làm khuyếch đại thuật toán ta chọn hai IC TL084 để tạo 6 kênh điều khiển và 2 cổng AND. PIC = 8.0,68 = 5,12 W Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Thyristor Px = 6.UNX.Idk = 6.3.0,2 = 3,6 W Điện áp ba pha thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi biến áp xung ; chọn 5V Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây đồng pha U3,4 = 5V Dòng điện chạy qua cuộn dây đồng pha chọn 10mA Công suất các cuộn dây đồng pha Pdf = 6. Udf.Idf = 6.50.0,1 = 0,3 W Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi PN = Pdf + PIC + Px PN = 0,3 + 5,12 + 3,6 = 9,02 W Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy: S = 1,05.PN = 1,05.9,02 = 9,471 VA Dòng điện sơ cấp máy biến áp: I1 = S/3.U1= 9,471/3.220 ≈0,01435 A Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức: Ta chọn chuẩn hóa tiết diện trụ theo bảng Qt = 1,63 cm2 Kích thước mạch từ là thép dày σ = 0,5 mm Số lượng lá thép: 68 lá a = 12 mm b = 16 mm h = 30 mm hệ số ép chặt kc = 0,85 Chọn mật độ từ cảm B= 1T ở trụ ta có số vòng dây sơ cấp: vòng Chọn mật độ dòng điện J1 = I2 = 2,75 A/mm2 Tiết diện dây quấn sơ cấp: W11 = 0,0052 mm2 Đường kính dây sơ cấp: W12 = 0,081 mm Số vòng dây quấn thứ cấp W21 vòng Số vòng dây quấn thứ cấp W22 vòng Số vòng dây quấn thứ cấp W23 vòng Đường kính dây quấn các cuộn thứ cấp vì kích thước nhỏ không đáng kể chọn 0,26 mm. Các thông số còn lại của biến áp nguồn nuôi được tính như đã giới thiệu Tính chọn diode cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi: - Dòng điện hiệu dụng qua diode: - Điện áp ngược lớn nhất mà diode phải chịu: - Chọn diode có điện áp ngược lớn nhất: Un = ku.UNmax = 2.34,3 = 68,6 V Chọn diode loại KII208A có các thông số: - Dòng điện định mức: Idm = 1,5 A - Điện áp ngược cực đại của diode: UN = 100 V 3.3. Ghép nối thành sơ đồ hoàn chỉnh KẾT LUẬN Qua thời gian thực hiện thiết kế môn học với đề tài " Thiết kế bộ điều khiển kích từ cho máy phát điện xoay chiều có tham số sau: U=400V, I=300A, Ukt=48V, Ikt=3,5A" đã giúp em hiểu rõ hơn những vấn đề lý thuyết và thực tế liên quan đến đề tài nhằm củng cố đã học trên lớp. Được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo phụ trách bộ môn, các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tự động công nghiệp....với sự cố gắng của bản thân em đã cơ bản hoàn thành đề tài và đã giải quyết được những vấn đề sau: - Tổng quan về công nghệ - Tính chọn mạch công suất - Tính chọn các thiết bị bảo vệ - Thiết kế mạch điều khiển Mặc dù làm việc nghiêm túc và cố gắng trong suốt thời gian thực hiện đề tài song do thời gia hạn chế nên đề tài này khong tránh khỏi những thiếu sót nhất định, em mong được sự chỉ bảo của các thầy, các cô và các ban. Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày 16 tháng 05 năm 2011 Sinh viên thực hiện Vũ Ngọc Dũng