Đề tài Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển dùng cho mạ điện

ot chung tạo thành một chỉnh lưu tia 3 pha cho điện áp dương › Nhóm T4 , T6 , T2 mắc theo kiểu anot chung tạo thành một chỉnh lưu tia 3 pha cho điện áp âm Giả thiết tại thời điểm xét thì hai tiristo T5 , T6 đang đẫn : › Khi cấp xung điều khiển mở tiristo T1, T1 mở được là do , T1 mở làm cho tiristo T5 bị khoá lại một cách tự nhiên (vì ). Lúc này T6 và T1 dẫn cho dòng chảy qua. Khi đó điện áp trên tải sẽ là : › Khi cấp xung điều khiển mở tiristo T2 , T2 mở được vì lúc này điện áp là âm nhất, T2 mở làm cho T6 khoá lại một cách tự nhiên. Tương tự ta cấp xung điều khiển cho các tiristo còn lại theo đúng thứ tự pha. Vì chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng được coi như là hai nhóm chỉnh lưu tia 3 pha mắc ngược chiều nhau hợp thành vì vậy điện áp ngược trên mỗi van ta xét tương tự như trong trường hợp chỉnh lưu tia 3 pha. c) Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng : › Điện áp tải : khi khi › Dòng điện trung bình trên mỗi van : › Điện áp ngược mà mỗi van phải chịu đựng : › Công suất máy biến áp SBA : SBA = 1,05 Pdmax d) Giản đồ đường cong trong trường hợp , tải điện trở : e) Nhận xét : Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng cho ta chất lượng điện áp một chiều tốt do tần số đập mạch trong một chu kỳ lớn, hiệu suất sử dụng máy biến áp cao tuy nhiên số lượng van sử dụng lớn nên giá thành thiết bị cao, gặp khó khăn trong việc điều khiển van. Nhìn chung sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng dùng cho trường hợp tải có công suất lớn nhưng dòng tải nhỏ hoặc trường hợp tải có yêu cầu hoàn trả năng lượng về lưới. 2.3 : Chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng a) Sơ đồ nguyên lý : b) Giải thích hoạt động của sơ đồ : Sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng bao gồm một máy biến áp động lực 3 pha , cuộn kháng cân bằng , 6 tiristo chia làm hai nhóm T1 ,T3 , T5 và T4 , T6 , T2 › Máy biến áp có hai hệ thống dây quấn thứ cấp a ,b, c và a’,b’,c’ . Các cuôn dây trên mỗi pha a và a’ , b và b’, c và c’ có số vòng dây như nhau nhưng cực tính thì ngược nhau › cung cấp nguồn cho nhóm tiristo T1 , T3 , T5 tạo ra thành phần điện áp › cung cấp nguồn cho nhóm tiristo T4 , T6 , T2 tạo ra thành phần điện áp Do đó : () › Nhờ có cuộn kháng cân bằng Lcb mà sáu tiristo được chia thành hai nhóm van đấu theo sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha làm việc độc lập, song song với nhau qua việc xét hoạt động từng nhóm van (tương tự như trong chỉnh lưu tia 3 pha) cho ta các dạng sóng điện áp ud1 , ud2. Từ biểu thức () ta xác định được ud . c) Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng : › Điện áp tải : › Dòng điện trung bình trên mỗi van : › Điện áp ngược mà mỗi van phải chịu đựng › Công suất máy biến áp : SBA = 1,26 Pdmax d) Giản đồ đường cong trong trường hợp , tải điện trở : e) Nhận xét : Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha cho ta chất lượng điện áp tốt do tần số đập mạch trong một chu kỳ lớn, dòng điện qua mỗi van chỉ bằng dòng điện tải nên rất dễ dàng trong việc chọn van nhất là trong trường hợp dòng tải lớn tuy nhiên do phải sử dụng hai hệ thống dây quấn thứ cấp nên việc chế tạo máy biến áp sẽ phức tạp hơn và phải làm thêm cuộn kháng cân bằng. Nhìn chung chỉnh lưu tia sáu pha thường được chọn khi tải có dòng điện quá lớn mà theo sơ đồ cầu 3 pha ta sẽ gặp khó khăn trong việc chọn van. Qua phân tích, so sánh những ưu nhược điểm của 3 sơ đồ chỉnh lưu đồng thời liên hệ với số liệu trong đồ án tốt nghiệp cho tải mạ điện có Id = 1200 A và Ud = 16 V ta thấy việc lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu tia có cuộn kháng cân bằng là hợp lý. Ch­¬ng 3 TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ m¹ch ®éng lùc 3.1 : Sơ đồ nguyên lý mạch lực Sơ đồ gồm có : › Aptomat Ap : Dùng để đống cắt nguồn, tự động bảo vệ khi quá tải, ngắn mạch đầu ra của bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp . › Công tắc tơ K : Dùng để đóng cắt thường xuyên mạch điện tải trong quá trình làm việc . › Máy biến áp chỉnh lưu : Dùng để biến đổi điện áp lưới thành điện áp thích hợp cấp cho chỉnh lưu . › Bộ chỉnh lưu : Biến đổi điện áp xoay chiều từ thứ cấp máy biến áp chỉnh lưu thành điện áp một chiều cung cấp cho tải . › Cuộn kháng cân bằng Lcb : Dùng để hạn chế dòng cân bằng chạy qua hai nhóm van đồng thời biến sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha thành hai nhóm chỉnh lưu tia 3 pha lầm việc độc lập, song song với nhau. › Điện trở sun Rs : Dùng để đo dòng điện làm việc › Mạch R1C1 : Dùng để bảo vệ quá điện áp do nguồn xoay chiều gây ra › mạch R2C2 : Dùng để bảo vệ quá điện áp trong quá trình đống cắt tiristo 3.2 Tính chọn van động lực Các van động lực được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản đó là : sơ đồ động lực được lựa chọn, dòng điện tải, điện áp làm việc, điều kịên toả nhiệt. Các thông số của van động lực được tính như sau: 3.2.1 Điện áp ngược mà tiristo phải chịu trong quá trình làm việc : Ta có: Cho nên : (V) Trong đó : › : điện áp ngược của van g › : điện áp pha thứ cấp máy biến áp › : điện áp trên tải › : hệ số điện áp ngược › : hệ số điện áp tảig Để van làm việc được tốt và an toàn thì ta nhân với một hệ số dự trữ : Unv = Thường thì : ta chọn Vậy : Unv (V) 3.2.2 Dòng làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng qua van Từ sơ đồ mạch động lực đã chọn ta có : (A) Trong đó : › : dòng điện hiệu dụng của van › : dòng điện tải › : hệ số xác định dòng điện hiệu dụng 3.3.3 Chọn van động lực : Với các van bán dẫn thì sụt áp trên các van thường là (V), do đó với dòng điện ở trên thì tổn thất công suất trên mỗi van là rất lớn. Vì vậy để van bán dẫn có thể làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt thì ngoài quá trình thông gió tự nhiên ta phải lắp thêm cánh tản nhiệvới diện tích đầy đủ để làm mát cho van. Với điều kiện làm mát đã chọn ta lấy dòng điện làm việc của van bằng 35% dòng điện định mức của van : (A). Từ các thông số , đã tính ở trên ta chọn van động lực như sau: Chọn 6 tiristo loại TF915 – 01Z với các thông số định mức: › Điện áp ngược cực đại của van : Un = 100 (V) › Dòng điện định mức của van : Iđm =1500 (A) › Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 17000 (A) › Dòng điện của xung điều khiển : Iđk = 200 (mA) › Điện áp của xung điều khiển : Uđk = 3,0 (V) › Dòng điện rò: Ir = 60 (mA) › Sụt áp lớn nhất của Tiristo ở trạng thái dẫn là : DU = 1,7 (V) › Tốc độ biến thiên điện áp : = 300 (V/ms) › Tốc độ biến thiên của dòng điện : =400 (A/ms) › Thời gian chuyển mạch : tcm = 30 (ms) › Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : Tmax = 125 (oC) 3.3 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu 1. Điện áp pha sơ cấp máy biến áp: điện áp sơ cấp máy biến áp bằng điện áp của nguồn cấp: U1 = Ud =380 (V). 2. Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp : Phương trình cân bằng điện áp khi có tải : Udo .cos amin = Ud + DUv + DUdn + DUba +DUck Trong đó : › amin = 100 là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lưới. › Uv : Là sụt áp trên van bán dẫn tiristo DUv = 1,7 (V) › DUdn : Là sụt áp trên dây nối , lấy DUdn=0 (V) › DUba = DUr + DUx là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp khi có tải Chọn sơ bộ : DUba = 20% * Ud = 20% * 16= 3,2 (V) › DUck : là sụt áp trên cuộn kháng Chọn sơ bộ : DUck = 10% * Ud = 10% * 16 = 1,6 (V) Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có : (V) 3. Điện áp pha thứ cấp pha máy biến áp : (V) 4. Công suất tác dụng tối đa của máy biến áp : (W) 5. Công suất biểu kiến của máy biến áp : kS : là hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực. Với mạch chỉnh lưu tia 6 pha thì kS = 1,26 Vậy : (KVA) 6. Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp : (A) 7. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp : (A) 8. Tiết diện sơ bộ trụ: Tiết diện của trụ QFe của lõi thép máy biến áp được xác định theo công suất của máy biến áp : (cm2) Trong đó : Sba : công suất máy biến áp (VA) kQ: là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát Với máy biến áp khô kQ = 5 ¸ 6. Ta chọn kQ = 6 . m : là số trụ của máy biến áp f : là tần số nguồn điện xoay chiều , ở đây f = 50 (Hz). Thay số ta được : (cm2) 9. Đưòng kính trụ : (cm) Chuẩn hoá đường kính trụ theo phụ lục XVII.1 sách Thiết kế máy điện (TKMĐ) của tác giả Trần Khánh Hà và Nguyễn Hồng Thanh ta có : d = 12,5 (cm) Chọn loại thép làm trụ là 3408 với các lá thép có độ dày 0,35 mm và chọn mật độ từ cảm trong trụ BT = 1,65 (T). 10. Gọi h là chiều cao của trụ, m là tỷ lệ giữa chiều cao của trụ và đường kính trụ. Ta chọn : Þ (cm). 11. Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp . (vòng) Lấy W1 = 113 (vòng) 12. Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp : (vòng) Lấy W2 = 5 (vòng) Trong đó: W : số vòng dây của cuộn dây cần tính (vòng). U : điện áp của cuộn dây cần tính (V) BT : từ cảm trong trụ (T) QFe : tiết diện lõi thép (cm2) Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp . S1 = = (mm2) Với tiết diện như đã tính ta chọn dây dẫn sơ cấp máy biến áp là dây dẫn có tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B , chọn mật độ dòng điện J1 = 3A/mm2 Chuẩn hoá tiết diện theo phụ lục VI.2 sách TKMĐ : Lấy S1 = 5,085 (mm2) Kích thước dây dẫn sơ cấp có kể cách điện: a1 = 1,06 (mm); b1 = 5 (mm) Ta chọn dây quấn sơ cấp quấn theo kiểu đồng tâm. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp . J1= = (A/mm2) Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp . S2 = = (mm2) Dây dẫn thứ cấp có tiết diện rất lớn do đó ta phải chập hai dây dẫn có tiết diện hình chữ nhật lại với nhau , kết cấu dây quấn thứ cấp theo kiểu đồng tâm kiểu xoắn. Ta chọn hai dây dẫn có cùng tiết diện là 58,5 (mm2) Vậy tổng tiết diện của hai dây dẫn là: (mm2). Kích thước của một dây dẫn có kể cách điện : a2 = 5,3 (mm) ; b2 = 11,2 (mm) Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp : J2= (A/mm2) Với dây quấn sơ cấp ta chọn kết cấu dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục. 19. Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp : (vòng) Trong đó : kc : là hệ số ép chặt , chọn kc = 0,92 h : là chiều cao trụ . hg : là khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp. Chọn sơ bộ hg= 1,5 (cm) Vậy : (vòng) Chọn = 49 (vòng/lớp). 20. Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp : (lớp) Chọn số lớp n1 = 3 (lớp) Như vậy có 113 vòng chia thành 3 lớp, 2 lớp có 49 vòng và 1 lớp có 15 vòng 21. Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp : h1 = (cm) 22. Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dầy: S01= 0,1 (cm). 23. Chọn khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp : a01= 0,75 (cm) . 24. Đường kính trong của ống cách điện : Dt= dFe + 2 * a01- 2 * S01 = 12,5 + 2 *0,75 – 2 * 0,1 = 13,8 (cm) 25. Đường kính trong của cuộn sơ cấp : Dt1= Dt + 2 * S01 = 13,8 + 2 * 0,1 = 14 (cm) Chọn bề dầy giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp : cd11= 0,1 (mm) 26. Bề dầy cuộn sơ cấp : Bd1= (a1+ cd1) * n1 = (1,06 + 0,1) * 3 = 3,48 (mm) = 0,35 (cm) 27. Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp : Dn1= Dt1+2 * Bd1 = 14 + 2 * 0,35 = 14,7 (cm) 28. Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp : Dtb1= = (cm) 29. Chiều dài dây quấn sơ cấp . l1 = p * W1*Dtb= p * 113 * 14,35 * 10-2 = 50,94 (m) Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp : h1= h2 = 19,57 (cm) 30. Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp : W12 == (vòng) Chọn W12= 22 (vòng) 31. Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp : (lớp) Vậy cuộn thứ cấp chỉ có một lớp dây quấn gồm 5 vòng dây 32. Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp : h2 = = (cm) 33.Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp : a12 = 1,0 (cm) 34. Đường kính trong của cuộn thứ cấp: Dt2 = Dn1+ 2 * a12 = 14,7 + 2 * 1,0 = 16,7 (cm) 35.Bề dầy cuộn sơ cấp : Bd2 = 2 * (a2 + cd2 )= 2 * (5,3 + 0) = 10,6 (mm) = 1,06 (cm) cd2 : bề dầy cách điện giữa hai cuộn dây thứ cấp. Ở đây cd2 = 0 vì cuộn dây thứ cấp chỉ có một lớp dây 36. Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp : Dn2= Dt2+ 2 * Bd2= 16,7 + 2 * 1,06 = 18,82 (cm) 37. Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp : Dtb2= = (cm) 38. Chiều dài dây quấn thứ cấp : l2 = pW2Dtb2 = p * 5 * 16,67 * 10-2 = 2,63 (m) 39. Đường kính trung bình các cuộn dây : D12= = (cm) 40. Chọn khoảng cách giữa hai cuộn thứ cấp : a22 = 2 (cm) Với đường kính trụ d = 12,5 cm, ta có số bậc là 6 trong nửa tiết diện trụ, chiều dày và kích thước mỗi trụ tra từ phụ lục XVII.1 sách TKMĐ ta có: Bậc 1 Bậc 2 Bậc 3 Bậc 4 Bậc 5 Bậc 6 Chiều dày mỗi bậc (mm) 18 16 6 6 7 6 Chiều rộng mỗi bậc (mm) 120 105 95 85 65 40 Số lá thép trên mỗ bậc 51 46 17 17 20 17 Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ : Qbt = 2 *(18 * 120 + 16 * 105+ 6 * 95 + 6 * 85 + 7 * 65 + 6 * 40) = 11420 (mm2) = 114,2 (cm2) 42. Tiết diện hiệu quả của trụ : QT = khq * Qbt = 0,92 * 114,2 = 105,6 (cm2) 43. Tổng chiều dày các bậc thang của trụ . dt = 2 * (1,8 + 1,6 + 0,6 + 0,6 + 0,7 + 0,6 ) = 11,8 (cm) Để đơn giản trong việc chế tạo gông từ, ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có các kích thước sau : 44. Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ : b = dt =11,8 (cm) 45. Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ : a = 12 (cm) 46. Tiết diện gông : Qbg= a x b = 11,8 * 12 = 141,6 (cm2) 47. Tiết diện hiệu quả của gông : Qg= khqQbg = 0,92 * 141,6 = 130,27 (cm2) 48. Số lá thép dùng trong một gông : (lá) 49. Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ : (T) 50. Mật độ từ cảm trong gông : Bg = BT* = 1,44 * (T) 51. Chiều rộng cửa sổ mạch từ : c = 2 * (a01 + Bd1 + a12 + Bd2) + a22 = 2 * (0,75 + 0,35 + 1,5 + 1,06) + 2 = 9,32 (cm) 52. Tính khoảng cách giữa hai tâm trục : c’ = c + d = 9,32 + 12,5 = 21,82 (cm) 53. Chiều rộng mạch từ : L= 2 *c +3 * d = 2 * 9,32 + 3 *12,5 = 56,14 (cm) 54. Chiều cao mạch từ : H = h + 2 * a = 30 + 2 * 12 = 54 (cm) 55. Thể tích của trụ : VT = 3 * QT * h = 3 * 114,2 *30 = 10278 (cm3) 56. Thể tích của gông : Vg = 2 * Qg * L = 2 * 141,6 * 56,14 = 15899 (cm3) 57. Khối lượng của trụ : MT = VT * mFe = 10278 *10-3 * 7,85 = 80,68 (Kg) 58. Khối lượng của gông : Mg = Vg* mFe = 155899 *10-3 *7,85 = 124,81 (Kg) 59. Khối lượng của sắt : MFe = MT + Mg = 80,68 + 124,81 = 206 (Kg) 60. Thể tích đồng : VCu = 3 * (S1 * l1 + S2 * l2) = 3 * (5,085 *10- 6 * 59,94 + 117 * 10 -6 * 2,63) = 1700 * 10-6 (m3) = 1700 * 10-3 (dm3) 61. Khối lượng của đồng : MCu = VCu * mCu = 1700 * 10-3 * 8,9 = 15,13 (Kg) 62. Điện trở của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75 0 C : (W) : điện trở suất của đồng ở 75 oC r75 = ro * (1 + * q) = 0,0175 * (1 + 0,0043* 75) = 0,0231 (Wmm2/m). ro = 0,0175 (W.mm2/m) : là điện trở suất của đồng ở 0oC = 0,0043 (oC -1) : là hệ số nhiệt điện trở 63. Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp ở 750C : W) 64. Điện trở của máy biến áp qui đổi về thứ cấp : (W) 65. Sụt áp trên điện trở máy biến áp : DUr = RBAId = 1,16 *10-3 1200 = 1,16 (V) 66. Điện kháng máy biến áp qui đổi về thứ cấp : XBA= 8 * p2* (W2)2 ** w *10-7 = 8 * p2 * 52 ** 314 * 10-6 = 2,54*10-3 (W) 67. Điện cảm máy biến áp qui đổi về thứ cấp : LBA = = ( mH) 68. Sụt áp trên điện kháng máy biến áp : DUx = * XBA* Id = * 2,54 * 10-3 * 1200 = 2,91 (V) 69. Sụt áp trên máy biến áp : (V) 70. Điện áp giữa hai cực của bể mạ khi góc mở amin= 100 : U= Ud0*Cosamin - DUV - DUBA – Uck = 22,85 * cos100 – 1,7 – 3,13 – 1,6 = 16,07 (V) 71. Tổng trở ngắn mạch qui đổi về thứ cấp : (W) 72. Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp : DPn = 3 * RBA* I22 = 3 *0,97 *10-3 *3462 = 348 (W) DP% = *100 = * 100 = 1,3 ( % ) 73. Tổn hao có tải có kể đến 15% tổn hao phụ : P0 = 1,3 * nf * (MT* BT2 + Mg* Bg2) = 1,3 * 1,15 * (80,68 *1,442 + 124,81 *1,162) = 501 (W) DP % = * 100 = ( % ) 74. Điện áp ngắn mạch tác dụng : Unr = = ( % ) 75. Điện áp ngắn mạch phản kháng : Unx = = ( % ) 76. Điện áp ngắn mạch phần trăm : % 77. Dòng điện ngắn mạch xác lập : (A) 78. Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại : (A) 79. Kiểm tra máy biến áp thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên của dòng chuyển mạch : Giả sử chuyển từ mạch T1 sang T3 ta có phương trình . 2.LBA * = U2b – U2a = max= = 2,6 * 10 6 (A/s) max = 2,6 (A/ms) < cp = 400 (A/ms) Vậy máy biến áp thiết kế sử dụng tốt. 3.4 Tính cuộn kháng cân bằng Trong quá trình làm việc do luôn tồn tại một dòng cân bằng icb chảy qua hai nhóm van vì vậy ta cần phải tính toán giá trị điện kháng Lcb để đảm bảo Icbcf % Idm Đi từ công thức : ta có : Trong đó : : là hệ số phụ thuộc sơ đồ chỉnh lưư Với sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng lấy : = 0,7 : Giá trị biên độ của điện áp thứ cấp máy biến áp : Số pha cuộn kháng cân bằng : Tần số cuộn kháng cân bằng (rad/s) : là giá trị trung bình của dòng điện cân bằng icb : là giá trị dòng điện cho phép đi qua cuộn kháng cân bằng Lấy Icbcf % * Idm=% * 1200=120 (A) : giá trị điện cảm máy biến áp : là giá trị điện cảm nhỏ nhất phải chọn đối với cuộn kháng cân bằng Vậy : (mH) 3.5 Tính toán bảo vệ mạch động lực 3.5.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn Khi tải làm việc thì có dòng điện chạy qua van, trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất DP, 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 Tcf nào đó , nếu quá nhiệt độ này thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Do đó để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý như đã nói ở trên ta tính toán cánh tản nhiệt cho mỗi van bán dẫn 1. Công suất tổn thất trên mỗi tiristo : DP = DU * Ilv = 1,7 * 490 = 833 (W) 2. Tổng diện tích bề mặt toả nhiệt được tính theo công thức: Trong đó: DP : là tổn hao công suất (W). km : là hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Với phương thức làm mát như đã chọn . Ta lấy : km = 10 (W/m2.0C) : độ chênh lệch nhiệt độ của cánh tản nhiệt so với môi trường. 3. Chọn nhiệt độ môi trường: Tmt = 400 C. 4. Nhiệt độ làm việc cho phép của tiristo : Tcf = 1250 C. 5. Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt: Tlv = 900 C. Þ t = Tlv - Tmt = 900C - 400 C = 500C Vậy : (m2) 3.5.2 Bảo vệ quá dòng điện cho van Để bảo vệ quá dòng cho van ta có thể sử dụng Aptomat tác động nhanh. a) Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động ngắt mạch điện khi xảy ra sự cố quá tải và ngắn mạch các van bán dẫn, ngắn mạch đầu ra độ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp Dòng điện định mức cần thiết của Aptomat : Iđm = 1,1 * Ilv = ( A ) Chọn dòng điện định mức của Aptomat là Iđm = 60 (A). Điện áp định mức của Aptomat: Điện áp dây trên cuộn sơ cấp của máy biến áp động lực là 380 (V). Do đó ta chọn Aptomat có điện áp định mức: Uđm = 600 (V). Aptomat có 3 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện. Chỉnh định dòng ngắn mạch và dòng quá tải cho Aptomat: +) Dòng điện ngắn mạch: Inm = 2,5* Ilv = (A) +) Dòng quá tải: Iqt = 1,5* Ilv = ( A ) Vậy ta chọn Aptomat của hãng LG loại ABE 103A với các thông số như sau Iđm = 60A Uđm = 600V 3 cực Ngoài ra đẻ đóng cắt thừơng xuyên mạch điện tải ta mắc thêm một công tắc tơ K Dòng định mức của công tắc tơ K : Iđm = 1,3 * Ilv = (A) Ta chọn công tắc tơ xoay chiều do Liên Xô chế tạo ký hiệu KTB 223 có các thông số định mức : › Dòng điện định mức : Iđm = 150 (A) › Điện áp định mức : Uđm = 380 ( V) › Dòng điện ngắt giới hạn : Ing = 1100 (A) ›Tần số đóng cắt : 150 (lần / 1giờ) 3.5.3 Bảo vệ quá điện áp cho van a) Bảo vệ quá điện áp do nguồn xoay chiều gây ra : Mắc mạch R1C1 đấu giữa các pha thứ cấp của máy biến áp, điều này là cần thiết bởi vì trong quá trình làm việc thường xuất hiện những nguyên nhân ngẫu nhiên như là : đóng cắt máy biến áp nguồn, đóng cắt các phụ tải chung nguồn với chỉnh lưu, có sét đánh Theo kinh nghiệm ta chọn : R1= ( ) C1= b) Bảo vệ quá điện áp trong quá trình đóng cắt tiristo : Được thực hiện bằng cách mắc mạch R2C2 song song với tiristo. Điều đó được giải thích như sau : khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược tạo ra một sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm gây nên quá áp giữa anot va catot của tiristo Theo kinh nghiệm ta chon: R2= ( ) C2= cH¦¥NG 4 tÝNH TO¸N Vµ THIÕT KÕ M¹CH §IÒU KHIÓN 4.1 Nguyên lý thiết kế mạch điều khiển Tiristo chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt lên Anot và xung áp dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi Tiristor mở thì xung điều khiển không còn tác dụng, dòng chảy qua Tiristor do thông số của mạch động lực quyết định. Điều khiển Tiristor trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau, thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Giản đồ nguyên lý điều khiển chỉnh lưu: U®f Urc U®k Ud X®k t1 t2 t3 t4 t5 Hình 4.1.Nguyên lý điều khiển chỉnh lưu t t t t - Nguyên lý điều khiển: Khi điện áp xoay chiều hình sin ( Uđf ) đặt vào anot của Tiristo. Để có thể điều khiển được góc mở a của Tiristor trong vùng điện áp dương Anot, cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác ( thường gọi điện áp tựa là điện áp răng cưa Urc ). Dùng điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm (t1 , t4) điện áp tựa bằng điện áp điều khiển( Urc = Uđk ) trong vùng điện áp dương anot thì phát xung điều khiển (Xđk). Tiristo được mở từ thời điểm có xung điều khiển (t1,t4 ) cho tới cuối bán kì ( hoặc tới khi dòng điện bằng 0). Trên hình vẽ t1 t2 , t4 t5 là khoảng thời gian tiristo dẫn. 4.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển Qua phân tích nguyên lý điều khiển ở trên ta có thể xây dựng sơ đồ khối của mạch điều khiển gồm 3 khâu cơ bản như sau : Khâu đồng pha Khâu so sánh Kh âu t ạo xung Hình 4.2. Sơ đồ khối mạch điều khiển Udk 4.2.1 Khâu đồng pha Có nhiệm vụ tạo điện áp tựa Urc (thường gặp là điện áp tựa dạng răng cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp Anot cuả Tiristo. 4.2.2 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, để tìm ra thời điểm hai điện áp này bằng nhau ( Urc=Uđk ). Tại thời điểm đó thì phát xung ở đầu ra để gửi sang tầng khuyếch đại. 4.2.3 Khâu tạo xung Có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristo. Xung để mở Tirsto có yêu cầu: › Sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo yêu cầu tiristo mở tức thời khi có xung điều khiển (thường gặp loại xung này là xung kim hoặc xung chữ nhật). › Đủ độ rộng(với độ rộng xung lớn hơn thời gian mở của Tiristo) › Đủ công suất. tx Xđk t tx Xđk t › Cách li giữa mạch điều khiển với mạch động lực(nếu điện áp động lực quá lớn). Hình 4.3 : Hình dạng xung điều khiển tiristo 4.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 4.3.1 Khâu đồng pha: Để có thể tạo ra điện áp răng cưa trong khâu đồng pha có thể dùng : a) Dùng diot và tụ điện : Hình 4.4 : Sơ đồ mạch điện và tín hiệu ra của khâu đồng pha dùng diot › Nguyên lý hoạt động của sơ đồ : Khi điện áp UA > 0, diot D1 , D2 dẫn làm ngắn mạch tụ C nên Urc = 0 Khi điện áp UA < 0, diot D1, D2 khoá tụ C được nạp với hằng số thời gian R2C, tụ được nạp cho đến khi | Urc | < | UA | Từ thời điểm | Urc | > | UA | tụ bắt đầu xả cho đến khi Urc = 0 Sơ đồ này có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện sử dụng ít linh kiện nhưng góc mở van lớn nhất bị giới hạn tức là điện áp tải không điều khiển được từ 0 tới cực đại mà từ một trị số nào đó tới cực đại Để khắc phục nhược điểm này người ta sử dụng sơ đồ dùng tranzito cho khâu đồng pha b) Dùng Tranzito: GHEP QUANG C R2 R1 D Urc +E Uv b. UA Urc c. t U A U1 a. U2 R2 R1 D Tr -E Urc C Hình4.5 : Sơ đồ mạch điện và tín hiệu ra của khâu đồng pha dùng tranzito a) Dùng tranzito pnp b) Dùng bộ ghép quang › Nguyên lý làm việc: Khi điện áp UA > 0, tranzito (Tr) khóa, tụ C nạp Khi UA < 0, tranzito dẫn, tụ C xả tạo thành điện áp răng cưa như hình vẽ. Với sơ đồ này điện áp tựa có phần biến thiên tuyến tính phủ hết nửa chu kì điện áp. Do vậy, khi cần điều khiển điện áp từ 0 đến cực đại là hoàn toàn có thể thực hiện được. Nhưng sơ đồ có nhược điểm là việc mở và khóa các tranzito trong vùng điện áp lân cận 0 là thiếu chính xác làm cho việc nạp và xả tụ trong vùng điện áp đồng pha lân cận 0 không được như ý muốn. Vì vậy cùng với xu thế phát triển, ngày nay các vi mạch được chế tạo ngày càng nhiều, chất lượng ngày càng cao, kích thước gọn hơn.Việc ứng dụng các vi mạch vào thiết kế mạch đồng pha cho chất lượng điện áp tựa tốt hơn. c) Dùng khuyếch đại thuật toán (KĐTT) : b. UA t UB t Urc t A C U1 a. - - A1 D1 R1 A2 R2 R3 C1 Urc Tr B Hình 4.6 : Sơ đồ mạch điện và tín hiệu ra của khâu đồng pha dùng KĐTT › Nguyên lý làm việc: Khi điện áp UA > 0 thì điện áp đầu ra của KĐTT A1 là UB bão hoà dương làm cho diot D1 dẫn đồng thời khoá tanzito T1 khi đó tụ điện C1 được nạp Khi điện áp UA < 0 thì điện áp đầu ra của KĐTT A1 là UB bão hoà âm làm cho diot D1 khoá đồng thời mở thông tranzito T1 khi đó tụ điện C1 bị ngắn mạch nên UC = 0 4.3.2 Khâu so sánh Thực hiện so sánh hai tín hiệu điện áp Uđk và Urc để tìm được thời điểm Uđk = Urc , việc so sánh đó có thể thưc hiện bằng : › Khâu so sánh sử dụng tranzito › Khâu so sánh sử dụng KĐTT Ở đây ta chọn KĐTT vì KĐTT có hệ số khuyếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ (cỡ ) ở đầu vào thì đầu ra đã có điện áp xấp xỉ bằng điện áp nguồn nuôi chính điều đó đã làm cho sơ đồ sử dụng KĐ