Đề tài Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện

sơ đồ làm việc với tải không nghịch lưu trả năng lượng về lưới. Nhìn chung, các loại chỉnh lưu cầu một pha có chất lượng điện áp tương đương như chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính, chất lượng điện một chiều như nhau, dòng điện làm việc của van bằng nhau nên việc ứng dụng chúng cũng tương đương nhau. Mặc dù chỉnh lưu cầu một pha có ưu điểm hơn ở chỗ: điện áp ngược trên van bé hơn, biến áp dễ chế tạo và có hiệu suất cao hơn. Thế nhưng chỉnh lưu cầu một pha có số van nhiều gấp hai lần làm giá thành cao hơn, sụt áp trên van lớn gấp hai lần nên đối với tải điện áp thấp hiệu suất bộ chỉnh lưu thấp, chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng thì việc điều khiển phức tạp hơn. 2.2.5 Chỉnh lưu tia ba pha. * Sơ đồ động lực: Máy biến áp nối sao trên mỗi pha A, B, C, ta nối một van như hình vẽ. B A T 1 T 2 T 3 Z d C Hình 2.6a Hình 2.6b: Giản đồ các đường cong * Nguyên lý hoạt động: Tại thời điểm t1 cấp xung điều khiển Tiristor T1 được dẫn tạo dòng tải. Tới giao điểm điện áp AB, đến t2 điện áp B dương hơn A nhưng Tiristor T2 chưa cấp xung điều khiển vẫn còn khóa, T1 dẫn tiếp đến t3. Tại t3 cấp xung điều khiển T2 điện áp lúc này B dương hơn A, lúc đó T2 dẫn tiếp sau giao điểm điện áp BC và dẫn cho đến t4 phát xung điều khiển T3 làm T3 dẫn. - Ứng với α < л/6 có Ud ,Id liên tục từ 0 ÷ t1, T1 khóa, điện áp van UT1 = UAC. Từ t1 ÷ t2: điện áp UT1 = 0 Từ t2 ÷ t3: T2 dẫn → UT1 = UAB Trị số điện áp Ud = 1,17 U2f .cosα - Ứng với α > л/6: Tại thời điểm t2, cấp xung điều khiển Tiristor T1, T1 dẫn từ t1 ÷ t2. Tại t2, UA đổi dấu IT1 = 0, T1 khóa Tại t2 cấp xung điều khiển T2, T2 dẫn điện áp van UT1 = UAB Tại t3 cấp xung điều khiển T3, T3 dẫn điện áp van UT1 = UAC, quá trình xảy ra tương tự. Điện áp tải bằng điện áp dây khi có một van mở. Trị số điện áp: Ud = [1+cos(л/6 + α)] (2 - 4) * Nhận xét chung sơ đồ: - Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ thuộc vào góc mở α nếu góc mở α của Tiristor nhỏ hơn α ≤ 300 thì các đường cong Ud, Id liên tục. Còn khi α > 300 thì các đường cong Ud, Id là gián đoạn. - So với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia ba pha có chất lượng điện một chiều tốt hơn, biên độ đập mạch tốt hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn, việc điều khiển các van bán dẫn trong trường hợp này cũng tương đối đơn giản. Dòng điện mỗi cuộn dây thứ cấp là dòng một chiều, do biến áp ba pha trụ mà từ thông lõi thép biến áp là từ thông xoay chiều không đối xứng làm cho công suất biến áp phải lớn. Nếu ở đây biến áp được chế tạo từ ba biến áp một pha thì công suất các biến áp còn lớn hơn nhiều. Khi chế tạo biến áp động lực, các cuộn dây thứ cấp phải đấu sao, có dây trung tính phải lớn hơn dây pha vì theo sơ đồ động lực thì dây trung tính chịu dòng điện tải. 2.2.6 Chỉnh lưu cầu ba pha. + chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng. * Sơ đồ động lực: Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng có thể coi như hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha mắc ngược chiều nhau, ba Tiristor T1, T3, T5 tạo thành một chỉnh lưu tia ba pha cho điện áp dương tạo thành nhóm Anốt còn tia Tiristor T2, T4, T6 là một chỉnh lưu tia ba pha cho điện áp âm tạo thành nhóm Katốt, hai chỉnh lưu này ghép lại thành cầu ba pha. Theo hoạt động của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng, dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia do đó tại mỗi thời điểm cần mở Tiristor chúng ta cấp hai điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm Anốt và một xung ở nhóm Katốt). Ví dụ tại thời điểm θ1 cần mở Tiristor: T1 của pha phía Anốt, chúng ta cấp xung cho T1, đồng thời cấp xung cho Tiristor T4, của pha B ở phía Katốt. các thời điểm tiếp theo cũng tương tự, cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng tuân thủ theo thứ tự pha khi chúng ta cấp cấp đúng xung điều khiển, dòng điện sẽ được chạy từ pha có điện áp dương hơn về pha có điện áp âm hơn. Ví dụ: trong khoảng t1 ÷ t2 pha A có điện áp dương hơn, pha B có điện áp âm hơn, với việc mở thông T1, T4 dòng điện được chạy từ A về B. Hình 2.7a Hình 2.7b: Giản đồ các đường cong Khi góc mở van nhỏ trong mỗi khoảng dẫn của một van của nhóm này (Anốt hay Katốt) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho nhau. Điều này có thể thấy rằng trong khoảng t1 ÷ t3 như hình (7b). Tiristor T1 nhóm Anốt dẫn nhưng trong nhóm Katốt T4 dẫn trong khoảng t1 ÷ t2 còn T6 dẫn tiếp trong khoảng t2 ÷ t3, điện áp ngược các van phải chịu ở chỉnh lưu cầu ba pha sẽ bằng 0 khi van dẫn và bằng điện áp dây khi van khóa. Điện áp được tính như sau: Ud = Ud0.cosα (2 - 5) Trong đó: Ud0 là điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển và bằng: Ud0 = 2,34. U2f Sự phức tạp của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng là cần phải mở đồng thời 2 van theo đúng thứ tự pha, do đó gây không ít khó khăn khi chê tạo, vận hành và sửa chữa. + chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng. * Sơ đồ động lực: D 1 T 1 D 2 D 3 T 2 T 3 A B C Z d Hình 2.8a Hình 2.8b: Giản đồ các đường cong Loại chỉnh lưu này được cấu tạo từ nhóm (Anốt hoặc Katốt) có điều khiển và một nhóm không điều khiển như mô tả trên (H2.8a). Trên (H2.8b) mô tả giản đồ nguyên lý tạo điện áp chỉnh lưu. Các Tiristor được dẫn từ điểm có xung mở cho đến khi mở Tiristor của pha kế tiếp. Ví dụ: Tiristor T1 dẫn từ t1 (thời điểm phát xung mở T1) tới t3 (thời điểm phát xung điều khiển mở T2). Trong trường hợp điện áp tải gián đoạn Tiristor được dẫn từ thời điểm có xung mở cho đến khi điện áp dây đổi dấu. Các Diod tự động dẫn khi điện áp đặt lên chúng thuận chiều. Ví du: Diod D1 phân cực thuận trong khoảng t4 ÷ t6 và nó sẽ mở cho dòng điện chạy từ pha B về pha A. Trong khoảng t4 ÷ t5 và từ pha C về pha A trong khoảng t5 ÷ t6. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng có dòng điện và điện áp tải liên tục khi góc mở các Tiristor nhỏ hơn 600, khi góc mở tăng lên và thành phần điện cảm của tải nhỏ, dòng điện và điện áp sẽ gián đoạn. Theo dạng sóng điện áp tải, trị số điện áp trung bình trên tải bằng 0 khi góc mở đạt tới 1800. Người ta có thể coi điện áp trung bình trên tải là kết quả của tổng hai điện áp chỉnh lưu tia ba pha. Utb = = (2 – 6) Điều khiển các Tiristor trong chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng dễ dàng hơn, nhưng các điều hòa bậc cao của tải và của nguồn lớn hơn. Khác với chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng,trong sơ đồ này việc điều khiển các van bán dẫn được thực hiện đơn giản hơn. Ta có thể coi mạch điều khiển của bộ chỉnh lưu này như điều khiển một chỉnh lưu tia ba pha. Hiện nay chỉnh lưu cầu ba pha là sơ đồ có chất lượng điện áp tốt nhất, hiệu suất sử dụng biến áp tốt nhất Tuy vậy đây cũng là sơ đồ phức tạp nhất. 2.2.7 Chỉnh lưu tia sáu pha: * Sơ đồ động lực: Hình 2.9a Hình 2.9b: Giản đồ các đường cong điện áp tải Sơ đồ chỉnh lưu tia sáu pha được cấu tạo bởi sáu van dẫn nối tới biến áp ba pha với sáu cuộn dây thứ cấp, trên mỗi trụ biến áp có hai cuộn giống nhau và ngược lại. Điện áp các pha dịch nhau 600 như mô tả trên H2.9b. Dạng sóng điện áp tải được điề khiển ở phần dương hơn các điện áp pha với đập mạch bậc sáu. Với dạng sóng như trên, chất lượng điện áp một chiều được coi là tốt nhất. Theo dạng sóng điện áp ra phần đậm nét trên giản đồ H2.9b chúng ta thấy rằng mỗi van dẫn trong khoảng 1/6 chu kỳ. So với các sơ đồ khác, thì ở chỉnh lưu tia sáu pha có dòng điện chạy qua van bán dẫn bé nhất. Do đó, sơ đồ chỉnh lưu tia sáu pha có ưu điểm khi dòng tải rất lớn (chỉ cần có van nhỏ có thể chế tạo bộ nguồn với dòng tải lớn (chỉ cần có van nhỏ có thể chế tạo bộ nguồn với dòng tải lớn). Tuy nhiên, biến áp ba pha sáu cuộn dây thứ cấp chế tạo phức tạp hơn, do đó sơ đồ này ít dùng trong thực tế. 2.3.Lựa chọ sơ đồ thiết kế. Qua giới thiệu và phân tích các bộ chỉnh lưu ở chương II, ta thấy rằng tải mạ điện đòi hỏi chất lượng điện áp và dòng điện bằng phẳng. Hơn nữa có U, I lớn nên công suất biến áp lớn. Nếu chọn bộ chỉnh lưu một pha thì sẽ gây mất đối xứng công suất trên lưới, ảnh hưởng đến các hộ tiêu dùng khác. Do vậy nên chọn bộ chỉnh lưu ba pha. Căn cứ vào những đặc điểm nêu trên chúng ta có thể chọn bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng. D 1 T 1 D 2 D 3 T 2 T 3 A B C R d 2CC 2CC 1CC 1CC 1CC 1CC 1CC 1CC Hình 2.10: Sơ đồ mạch động lực CHƯƠNG III THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC Các thông số cơ bản của mạch động lực cần tính toán là: - Các van động lực. - Máy biến áp động lực. - Cuộn kháng trong mạch động lực. - Tính toán các thiết bị đóng cắt và bảo vệ. 3.1 Tính chọn van động lực. Các van động lực được chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là: dòng điện tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện tản nhiệt và điện áp làm việc. Các thông số cơ bản của van động lực được tính như sau: Ta có: Ud = 9 (V), Id = 300 (A), U1 = 220/380 (V), f = 50 (Hz ) Tra bảng 1.1 tài liệu hướng dẫn thiết kế điện tử công suất của Trần Văn Thịnh ta được: Ku = 2,34 Knv = 2,45 Chọn Kdtu = 1,7 Điện áp ngựợc của van được tính: Ulv = Knv . U2 (3 - 1) Với U2 = Ud/Ku, thay Ud, Ku vào ta được: U2 = = 3,84 (V) Dòng điện làm việc của van: Ulv = Knv . U2 = 2,45 . 3,84 = 9,41 (V) Để có thể chọn van theo điều kiện điện áp làm việc hợp lý thì điện áp ngược của van cần chọn phải lớn hơn điện áp làm việc qua một hệ số dự trữ, như vậy ta có: Unv = Khd.Ulv = 1,7 . 9,41 = 15,60 (V) Dòng điện của van được chọn theo dòng hiệu dụng của sơ đồ đã chọn (Ilv = Ihd). Dòng điện làm việc được tính: Ilv = Khd. Id (3 - 2) Trong đó:Ilv, Ihd, Id là dòng điện làm việc, dòng điện hiệu dụng của van và dòng điện tải. Khd: là hệ số xác định dòng điện hiệu dụng. Tra bảng 1.2 tài liệu hướng dẫn thiết kế điện tử công suất của Trần Văn Thịnh ta được: Khd = 0,58 Thay số ta có: Ilv = 0,58 . 300 = 174 (A) Với các thông số làm việc ở trên ta chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tỏa nhiệt đủ điều kiện bề mặt có quạt gió làm mát với đối lưu không khí. Với điều kiện làm mát như vậy cho phép van làm việc tới 60% Iđm, tức là Iđm >1,6Ilv (chọn Iđm = 1,8 Ilv). Iđmv = 1,8.Ilv = 1,8 . 174 = 313,2 (A) Vậy với các thông số của van động lực đã tính: Unv = 15,60 (V) Iđmv = 313,2 (A) Tra bảng p.1 tài liệu thiêt kế điện tử công suất của Trần Văn Thịnh ta chọn loại Diod có kí hiệu A437D với các thông số sau: + Dòng điện định mức của van: Iđmv = 600 (A) + Điện áp cực đại của van: Unv = 400 (V) + Độ sụt áp trên van: ∆U = 1,8 (V) Tra bảng p.2 tài liệu thiết kế điện tử công suất của Trần Văn Thịnh ta chọn loại Tiristor có kí hiệu C501A với các thông số sau: + Dòng điện định mức của van: Iđmv = 550 (A) + Điện áp cực đại của van: Unv = 100 (V) + Độ sụt áp trên van: ∆U = 1,5 (V) + Điện áp điều khiển: Uđk = 3,5 (V) + Dòng điện điều khiển: Iđk = 150 (mA) 3.2 Tính toán máy biến áp. Để tính máy biến áp chúng ta cần các đại lượng sau: * Điện áp chỉnh lưu không tải: Udo = Ud + ∆Uv + ∆Uba + ∆Udn (3 – 3) Trong đó: Ud: điện áp chỉnh lưu, Ud = 9 (V) ∆Uv: sụt áp trên các van ∆Uv = ∆UD + ∆UT = 1,8 + 1,5 = 3,3 (V) ∆Uba = ∆Ur + ∆Ul Với: ∆Ur: sụt áp trên điện trở ∆Ul: sụt áp trên điện cảm Chọn ∆Uba sơ bộ vào khoảng (5 ÷ 10)% Ud ∆Uba = 0,72 (V) Sụt áp trên dây nối: ∆Udn = Rdn . Id = p Id (3 – 4) Giả thiết đủ điện được thiết kế đặt gần tải, do vậy chiều dài dây nối nhỏ. Hơn nữa dòng tải lớn nên chọn tiết diện dây nối p lớn, như vậy ∆Udn không đáng kể có thể bỏ qua. Vậy: Udo = Ud + ∆Uv + ∆Uba Udo = 9 + 3,3 + 0,72 = 13,02 (V) * Xác định công suất tối đa của tải Pdmax = Udo. Id (3 – 5) Pdmax = 13,02 . 300 = 3906 (W) * Công suất biến áp nguồn cấp được tính Sba = Ks . Pdmax (3 – 6) Trong đó: Sba: công suất biểu kiến của biến áp Ks: hệ số công suất theo sơ đồ mạch lực (tra bảng 1.2 sách thiết kế điện tử công suất của Trần Văn Thịnh) Ks = 1,05 Thay số ta có được: Sba = 1,05 . 3906 = 4101,3 (VA) = 4,1013 (KVA) * Tính toán các thông số điện áp và dòng điện của các cuộn dây. - Điện áp cuộn dây + Điện áp cuộn dây thứ cấp: U2 = = = 5,56 (V) + Điện áp cuộn sơ cấp bằng điện áp nguồn cấp U1 = 220 (V) Dòng điện của cuộn dây: I = (3 – 7) + Dòng điện cuộn sơ cấp I1 = = = 6,21 (A) + Dòng điện cuộn thứ cấp I2 = = = 245,88 (A) S1ba, S2ba:công suất phía sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp S1ba = S1ba = Sba = 4101,3 (A) * Tính toán các thông số cơ bản của biến áp động lực - Tính toán sơ bộ mạch từ: Qfe = KQ (3 – 8) Trong đó: KQ: hệ số phụ thuộc phương thức làm mát Chọn KQ = 6 với máy biến áp khô m = 3: số trụ máy biến áp f = 50 Hz: tần số nguồn xoay chiều Vậy Qfe = 6. = 31,37 (cm2) * Tính toán dây quấn máy biến áp, số vòng và kích thước dây - số vòng dây của mỗi cuộn được tính W = (3 – 9) + Số vòng dây quấn sơ cấp W1 = Trong đó: W1: vòng dây của cuộn sơ cấp U1: điện áp cuộn sơ cấp, U1 = 220V B: từ cảm chọn (chọn B = 1T) Thay số ta có: W1 = = 315,90 (vòng) Chọn W1 = 315 (vòng) + Số vòng dây quấn thứ cấp W2 = Trong đó: W2: vòng dây của cuộn thứ cấp U2: điện áp cuộn thứ cấp, U2 = 5,56 V B: từ cảm chọn (chọn B = 1T) Thay số ta có: W2 = = 7,98 (vòng) Chọn W2 = 7 (vòng) Tiết diện dây được tính theo mật độ dòng điện cho phép: J = 2 ÷ 2,75 A/mm2, chọn J = 2,5 A/mm2 - Tiết diện dây dẫn Scu = (3 – 10) + Tiết diện dây sơ cấp Scu1 = = = 2,48 (mm2) + Tiết diện dây thứ cấp Scu2 = = = 98,35(mm2) Như vậy, với tiết diện như trên ta chọn dây có tiết diện hình chữ nhật Tra bảng p.5 tài liệu thiết kế điện tử công suất của Trần Văn Thịnh ta được kích thước của dây như sau: - Ở cuộn sơ cấp: Scu1 = 2,48 (mm2) → chọn Scu1 = 2,84 (mm2) Với a1 = 1,23 (mm) b1 = 2,44 (mm) Chọn cách điện hai phía của dây là 0,4 (mm) ta được: a1 = 1,63 (mm) b1 = 2,84 (mm) - Ở cuộn thứ cấp ta có: Scu2 = 98,35 (mm2) Vì Scu2 lớn nên ta dùng hai dây chập lại để quấn. Khi đó Scu2 = = 49,17 (mm2) → chọn Scu2 = 50,60 (mm2) Với a2 = 3,80 (mm) b2 = 13,50 (mm) Chọn cách điện hai phía của dây là 0,96 (mm) ta được: a2 = 4,76 (mm) b2 = 14,46 (mm) * Tính kích thước mạch từ: Chọn sơ bộ các kích thước cơ bản của mạch từ: - Chọn hình dáng trụ: Với công suất nhỏ (dưới 10 KVA) ta thường chọn trụ hình chữ nhật với các kích thước Qfe = a . b (trong đó a là bề rộng trụ, b là bề dày trụ). - Diện tích cửa sổ cần có: Qcs = (Qcs1 + Qcs2).2 (3 – 11) Với Qcs1 = K1d W1 Scu1 Qcs2 = K2d W2 Scu2 Trong đó: Qcs: diện tích cửa sổ Qcs1, Qcs2: diện tích cuộn sơ cấp và thứ cấp W1, W2: số vòng dây sơ cấp và thứ cấp Scu1, Scu2: tiết diện dây sơ cấp và thứ cấp klđ: hệ số lấp đầy thường chọn klđ = 2,0 ÷ 3,0 (chọn klđ = 3) Thay số ta có: Qcs1 = 3.315.2,84 = 2683,8 (mm2) Qcs2 = 3.7.50,60.2 = 2125,2 (mm2) Vậy: Qcs = (2683,8 + 2125,5)2 = 9618 (mm2) Chọn kích thước cửa sổ: Kết cấu mạch từ được biểu diễn như hình vẽ: Hình 3.1: Sơ đồ kết cấu lõi thép biến áp. Chọn kích thước cửa sổ:chiều cao h và chiều rộng cửa sổ c được chọn dựa vào các hệ số phụ thuộc m = h/a; l = b/a; n = c/a. Kinh nghiệm cho thấy đối với lõi thép thì m = 2 ÷ 4; l = 0,5 ÷ 1,5; n = 0,5 ÷ 2,5. Chọn m = 2,5; l = 1,1. Chiều rộng toàn bộ mạch từ C = 2c + xa (với máy biến áp ba pha chọn x = 3), chiều cao H = h + za (với máy biến áp ba pha chọn z = 2). Ta có:Qfe = a.b = 31,37 (cm2) Qcs = c.h = 9618 (mm2) l = b/a = 1,1 (cm) Giải các phương trình trên ta được: a = 5,34 (cm), b = 5,87 (cm). h = m.a = 2,5.5,34 = 13,35 (cm) c = Qcs/h = = 7,20(cm) + Chiều rộng toàn bộ mạch từ: C = 2.7,20 + 3.5,34 = 30,42 (cm) + Chiều cao toàn bộ mạch từ: H = 13,35 + 2.5,34 = 25,09 (cm) + Kết cấu dây quấn được bố trí theo chiều dọc trụ và ở đây ta sử dụng dây quấn chữ nhật nên quấn theo chiều dày a. Khi quấn dây giữa trụ với cuộn dây, gông trên và gông dưới của cuộn ta đặt lớp cách điện: chọn cách điện bìa cách điện có độ dày 2 mm nên khi quấn dây chữ nhật được tính: Wl = (3 – 12) Trong đó: Wl: số vòng dây mỗi lớp h: chiều cao cửa sổ cd’: khoảng cách từ gông đến dây quấn bn’: chiều rộng của dây quấn chữ nhật kể cả cách điện + Số vòng dây mỗi lớp ở cuộn sơ cấp: Khoảng cách từ gông đến dây quấn sơ cấp cd’ = 2 mm Wl1 = == 45,60 (vòng) => chọn Wl1 = 45 (vòng) + Số vòng dây mỗi lớp ở cuộn thứ cấp: Khoảng cách từ gông đến dây quấn thứ cấp cd’ = 15 mm Wl2 = == 7,15 (vòng) => chọn Wl1 = 7 (vòng) + Số lớp dây cuộn sơ cấp: Sld1 = = = 7 (lớp) + Số lớp dây cuộn thứ cấp: Sld2 = = = 1 (lớp) + Bề dày dây quấn sơ cấp: Bd1 = a1.Sld1 + cd. Sld1 Trong đó: cd: bề dày của bìa cách điện, chọn cách điện có bề dày 1mm a1: kích thước dây quấn sơ cấp Sld1: số lớp dây cuộn sơ cấp Bd1 = 1,63.7 + 1.7 = 18,41 (mm) + Bề dày dây quấn thứ cấp: Bd2 = a2.Sld2 + cd. Sld2 Trong đó: cd: bề dày của bìa cách điện, chọn cách điện có bề dày 1mm a2: kích thước dây quấn thứ cấp Sld2: số lớp dây cuộn thứ cấp Bd2 = 2.4,76. 1 + 1.1 = 10,52 (mm) + Tổng bề dày của cuộn dây: Bd = Bd1 + Bd2 + cd1 + cd’n = 18,41 + 10,52 + 2 +2 Bd = 32,93 (mm) + Đường kính trong của cuộn sơ cấp và thứ cấp là: Dt = + 2.cdt (chọn cdt = 4 mm) Dt = + 2. 4 = 83,85 (mm) + Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp: Dn1 = Dt + 2(a1 + cd).Sld1 = 83,85 + 2.(1,63 + 1).7 Dn1 = 120,67 (mm) + Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp: Dn2 = Dt + 2(a2 + cd).Sld2 = 83,85 + 2.(2.4,76.1 + 1).1 Dn2 = 104,39 (mm) + Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp: Dtb1 = (Dt + Dn1)/2 = (83,85 + 120,67)/2 = 102,26 (mm) + Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp: Dtb2 = (Dt + Dn2)/2 = (83,85 + 104,39)/2 = 93,87 (mm) + Chiều dài dây quấn sơ cấp: l1 = W1. π. Dtb1 = 315.3,14.102,26 = 99661,72 (mm) + Chiều dài dây quấn thứ cấp: l2 = W2. π. Dtb2 = 7.3,14.93,87 = 2063,26 (mm) - Khối lượng sắt và đồng sử dụng: + Khối lượng sắt: Mfe = Vfe. Mfe (3 – 13) Trong đó: Vfe: thể tích khối lượng sắt Vfe = 3.a.b.h + 2.C.a.b = Qfe.(3h + 2C) = 31,37.(3.13,35 + 2.30,42) = 3164,92 (cm3) mfe = 7,85 (kg/dm3) Vậy: Mfe = 3164,92.10-3.7,85 = 24,84 (kg) + Khối lượng đồng: Mcu = Vcu. Mcu (3 – 13) Trong đó: Vcu: thể tích khối lượng đồng, Vcu = Scu. L mcu = 8,9 (kg/dm3) Thể tích đồng cuộn sơ cấp: Vcu1 = Scu1.l1 = 2.84.99661,72 = 0,28. 106 (mm3) = 0,28 (dm3) Thể tích đồng cuộn thứ cấp: Vcu2 = Scu1.l2 = 2.50,60.2063,26 = 0,21. 106 (mm3) = 0,21 (dm3) Khối lượng đồng ở cuộn sơ cấp: Mcu1 = Vcu1. mcu = 0,28.8,9 = 2,49 (kg) Khối lượng đồng ở cuộn thứ cấp: Mcu2 = Vcu2. mcu = 0,21.8,9 = 1,87 (kg) Tổng khối lượng đồng ở cuộn sơ cấp và thứ cấp là: Mcu = (Mcu1 + Mcu2).3 = (2,49 + 1,87).3 = 13,08 (kg) * Tổng sụt áp bên trong máy biến áp: - Điện áp rơi trên điện trở ΔUr = .Id (3 – 14) R1,R2 là điện trở thuần của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp R1 = ρ.= = 0,60 (Ω) R2 = ρ.= = 0,0007 (Ω) ΔUr = .300 = 0,3 (V) - Điện áp rơi trên điện kháng: ΔUx = mf .Xn. Id /π Trong đó: mf là số pha biến áp (mf = 3) Xn = 8. π2.W22. (3 - 15) Với: W2: số vòng dây thứ cấp biến áp Rbk: bán kính trong cuộn dây thứ cấp (m2) Rbk = Dtb2 /2 = = 46,93 (mm2) = 46,93.10-4 (m2) h: chiều cao cửa sổ lõi thép (m) cd: bề dày cách điện các cuộn dây với nhau (m) Bd1, Bd2: bề dày cuộn dây sơ cấp và thứ cấp (m) ω = 314 (rad) thay số vào ta được: Xn = 8.3,142.72 Xn = 0,00076 (Ω) Vậy: ΔUx = 3.0,00076.300/2 = 0,342 (V) Tổng điện sụt áp bên trong biến áp: ΔUx = = = 0,45 (V) Điện trở ngắn mạch máy biến áp: Rnm = R2 + R1 = 0,0007 + .0,60 = 0,001 (Ω) Tổng trở ngắn mạch máy biến áp: Znm = = = 0,0013 (Ω) Điện áp ngắn mạch phần trăm của máy biến áp: Unm% = .100 = .100 = 5,75% Dòng điện ngắn mạch máy biến áp: Inm = = = 4276,92 (A) 3.3 Tính toán thiết kế cuộn kháng. 3.3.1 Xác định góc mở cực tiểu, cực đại. Chọn góc mở cực tiểu αmin = 100 với αmin là dự trữ ta có thể bù được sự giảm áp lưới. - Khi góc mở nhỏ nhất α = αmin thì điện áp trên tải lớn nhất Udmax = Udo. khi đó dải điều khiển thong số Ud, Id đầu ra của chỉnh lưu là lớn nhất. Khi góc mở lớn nhất thì điện áp trên tải là nhỏ nhất. Udmin = Udo. Lấy Udmin = 10% Uddm = 0,9 (V) Nên Udo. = 0,9 => cosαmax = -0,86 =>αmax = 149,50 Vậy αmax = 149,50 ứng với điện áp trên tải nhỏ nhất. 3.3.2 Tính cuộn kháng lọc dòng điện đập mạch. Khi góc mở càng tăng thì biên độ thành phần sóng hài bậc cao càng lớn có nghĩa là sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu làm cho dòng điện tải cũng đập mạch theo, làm xấu đi chất lượng dòng điện một chiều. Để hạn chế sự đập mạch này ta phải mắc nối tiếp với tải một cuộn kháng lọc đủ lớn. Để trị hiệu dụng của thành phần sóng hài I1* % < 10% Iđm. Lấy I1* % = 5% Iđm. Thông thường chúng ta đánh giá ảnh hưởng của đập mạch dòng điện theo trị hiệu dụng của sóng hài bậc nhất, bởi vì sóng hài bậc nhất chiếm một tỷ lệ khoảng (2 ÷ 5)% dòng điện định mức của tải. Thành phần sóng hài bậc nhất này lớn hay nhỏ phụ thuộc nhiều vào công suất của tải Pd, phạm vi điều chỉnh điện áp chỉnh lưu… Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc thành phần dòng điện đập mạch được tính theo biểu thức: LL = (3 – 16) Trong đó: LL: trị số điện cảm lọc đập mạch cần thiết (Henry) Idđm: dòng điện định mức của bộ chỉnh lưu (A) ω = 314: tần số góc (l/s) K = 1,2,3… bội số sóng hài m: số lần đập mạch trong một chu kỳ. Udnmax: biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu (V) Il*: trị hiệu dụng của dòng điện sóng hài cơ bản lấy tỷ số theo dòng điện định mức của chỉnh lưu. Trị số này cho phép Il* < 10% Biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu Udnmax có thể được xác định. = (3 – 17) Trong đó: Ud0: điện áp chỉnh lưu cực đại (V) α: góc điều khiển van bán dẫn (rad/s) Thay số ta được: = = -0,18 Vậy trị số điện cảm của cuộn kháng lọc là: LL = = -0,0059 (H) = -5,9 (mH) Biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu có thể xác định theo đường cong (hình 1.35 tài liệu thiết kế điện tử công suất của Trần Văn Thịnh trang 56) khi xác định được góc mở lớn nhất. Từ đường cong (hình 1.35 tài liệu thiết kế điện tử công suất của Trần Văn Thịnh trang 56) xác định được quan hệ giữa biên độ sóng hài với góc mở van bán dẫn ứng với thành phần sóng hài bậc nhất K = 1, đối với chỉnh lưu cầu không đối xứng ứng với đường cong 3, từ đó ta tra được = 0,48. Vậy trị số điện cảm của cuộn kháng lọc là: LL = = 0,015 (H) = 15 (mH) 3.3.3 Tính toán cuộn kháng hạn chế dòng điện gián đoạn. Hiện tượng gián đoạn điện chỉnh lưu xảy ra do năng lượng điện từ tích luỹ trong mạch không đủ lớn để duy trì tính liên tục của dòng điện khi điện áp nguồn lưới đổi dấu. Đối với tải mạ điện có vùng gián đoạn khi làm việc ở cuối giải điều khiển ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Do vậy góc mở van bán dẫn lớn nhất thì dòng điện tải bị gián đoạn nhiều nhất. Vì vậy khi tính toán để hạn chế dòng điện gián đoạn ta tính cho trường hợp góc mở van là lớn nhất. Giá trị điện cảm cần thiết để hạn chế vùng dòng điện gián đoạn được tính theo công thức: Lgđ = (H) (3 – 18) Trong đó: W = 2.π.f.m: tần số góc của dòng điện m = 6: tần số đập mạch trong một chu kỳ f = 50 Hz Ud0: điện áp không tải của chỉnh lưu Idgh: dòng điện giới hạn nhỏ nhất, có thể chọn = 0,04Iđm Kgh: hệ số phụ thuộc vào góc mở van bán dẫn Kgh = = 0,094sinα = 0,094.sin149,5 = = 0,094.sin149,5 = 0,048 XBA = 0,00076 (Ω) Vậy: Lgđ = = 0,027.10-3 (H) Lgđ = 0,027 (mH) Vì giá trị điện cảm cần thiết để hạn chế vùng dòng điện gián đoạn rất nhỏ hơn LL nên ta tính toán theo cuộn kháng lọc LL. 3.3.4 Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc. các thông số ban đầu: Lck = 15 (mH) Iđm = 300 (A) Igh = 0,04.Iđm = 12 (A) + Tổng trở cuộn kháng: Thông thường dây quấn loại này có tiêt diện khá lớn do vậy điện trở thuần của cuộn kháng rất bé có thể bỏ qua. Do đó: Zck = 2.π.f.m.Lck = 2.3,14.50.6.15.10-3 = 28,26 (Ω) - Công suất cuộn kháng giới hạn dòng điện gián đoạn: Pck = ΔUck.Igh (3 – 19) ΔUck = Igh.Zck Thế ΔUck vào công thức trên ta được: Pck = Igh2. Zck = 122.28,26 = 4069,44 (W) - Tiết diện lõi thép cuộn kháng: Qfe = k (3 – 20) Trong đó: k: hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát với cuộn khô chọn k = 6, f’ = f.m = 50.6 = 300 (Hz). Vậy: Qfe = 6. = 22,1 (cm2) Tính số vòng dây của cuộn kháng: Dòng điện gián đoạn có dạng là các xung điện. Do đó khi chạy qua trong cuộn kháng làm xuất hiện một sức điện động tự cảm Egđ, sức điện động này được xác định theo công thức: Egđ = 4,44.kdq.W.f’.B.Qfe (3 – 21) Từ đó ta có số vòng dây của cuộn kháng sẽ là: W = = (Bỏ qua sụt áp trên điện trở Egđ = ΔUck) Trong đó: kdq: hệ số dây quấn, chọn kdq = 1,2 Egđ: sức điện động tự cảm trong cuộn dây Egđ = ΔUck = Igh.Zck = 12.28,26 = 339,12 (V) f’: tần số dòng điện sau chỉnh lưu, f’ = f.m = 50.6 = 300 (Hz) Qfe: tiết diện lõi thép cuộn kháng Qfe = 22,1 (cm2) = 22,1.10-4 (m2) B: mật độ tự cảm của lõi thép, B = 1,5T Thay số vào ta được: W = = 64 (vòng) - Chọn mật độ dòng điện chạy qua cuộn kháng, J = 2,75 A/mm2 - Tiết diện dây quấn cuộn kháng: Sck = = = 109,1 (mm2) Từ Sck ta tính được chọn dây dẫn bằng đồng tiết diện chữ nhật cách điện cấp B. Vì dây tiêt diện lớn nên ta có thể chập hai sợi để quấn dây với tiết diện chuẩn là: Sck = 58,60 (mm2) với ack = 4,1 (mm), bck = 14,50 (mm) Chọn cách điện 2 phía của dây là 0,96 mm ack =5,06 (mm), bck = 15,46 (mm) - Tính kích thước mạch từ của cuộn kháng lọc: Chọn hình dáng trụ có dạng chữ nhật, chọn tôn có bề dày 0,35 mm loại ' 330A. Hình 3.2: Sơ đồ kết cấu mạch từ cuộn kháng lọc. + Diện tích cửa sổ mạch từ cần có: Qcs = klđ.W.Sck k: hệ số lấp đầy, chọn k = 2 Qck = 2.64.2.58,60 = 15001,6 (mm2) Chọn kích