Đồ án Thiết kế một bộ nguồn nạp ắc qui tự động dùng các linh kiện bán dẫn

c : Cn = In.tn trong đó : Cn - dung dịch thu được trong quá trình nạp ( Ah ) In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn ( A ) tn - thời gian nạp điện ( h ). I.5.Quá trình phóng và nạp của ác qui I.5.1 Đặc tính phóng của ắc qui Điểm cuối của quá trình phóng ÄE Ip=5,4 A(1,70V) t(h) Eaq Hình 1-2.Đặc tính phóng của ắc qui Khi phóng bằng một dòng điện Ip không đổi thì nồng độ dung dịch giảm theo đường thẳng vì số lượng chất tác dụng tham gia phản ứng và axit sunfuric được thay thế bằng nước trong mỗi giây đều bằng nhau . Nồng độ ban đầu giả sử bằng 1,27 g/cm3 , còn nồng độ cuối cùng phụ thuộc vào số lượng axit sunfuric tiêu tốn trong thời gian phóng và trữ lượng dung dịch trong bình tức là phụ thuộc vào kết cấu của bình ắc quy . Đường đặc tính của sức điện động tĩnh Eo tính theo Eo = 0,85 + S cũng có dạng như S nhưng nếu tính giá trị thực tế của sức điện động Eqq = Hp +Ip Rqq thì sức điện động Eqq sẽ nhỏ hơn sức điện động Eo một lượng bằng ÄE Raq - Điện trở trong của ắc quy Ip – Cường độ dòng điện phóng Up – Thế điện của ắc quy trong quá trình phóng ÄE – Mức chênh lệch sức điện động trong quá trình phóng hoặc nạp Sở dĩ có sự chênh lệch giữa Eqq và Eo là vì trong quá trình phóng điện nồng độ dung dịch chứa trong chất tác dụng của bản cực bị giảm đi do tốc độ khuếch tán dung dịch đến các bản cực chậm , làm cho nồng độ dung dịch thực tế ở trong lòng bản cực luôn thấp hơn nồng độ dung dịch chung trong từng ngăn . Nếu mạch ngoài của ắc quy hở ( không phóng điện ) thì do khuếch tán mà nồng độ dung dịch trong chất tác dụng và nồng độ dung dịch chung ở mỗi ngăn sẽ cân bằng nhau và thế hiệu của ắc quy cũng sẽ bằng sức điện động tĩnh Eo . Sức điện động thực tế Eqq và Up trong quá trình phóng điện thay đổi theo quy luật phức tạp . Ta có thể phân tích kỹ hơn quá trình phóng điện theo đặc tính trên như sau : sau khi đóng mạch phụ tải R cho ắc quy phóng điện do phản ứng hoá học mà nồng độ chung bị giảm đi , xảy ra sự chênh lệch về nồng độ tạo điều kiện cho việc khuếch tán lớp dung dịch mới vào bản cực , Nồng độ trong các bản cực ngày càng giảm đi , thì sự chênh lệch nồng độ và số lượng dung dịch khuếch tán vào trong các bản cực ngày càng tăng . Quá trinh này tiếp tục cho đến khi có sự cân bằng số lượng axit tiêu tốn trong phản ứng phóng điện . ÄE là hậu quả của quá trình đó . Qúa trình phóng điện chỉ thực hiện đến điểm A vì sau điểm này thế hiệu của ắc quy sẽ giảm đi rất nhanh .Thế hiệu của ắc quy ứng với điểm này được gọi là thế hiệu phóng cuối cùng . Khi thế hiệu ắc quy giảm đến thế hiệu phóng cuối cùng thì người ta thì người ta coi là ắc quy đã bị phóng hết điện . I.4.2 Đặc tính nạp của ác qui Quá trình nạp của ác qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của các sức điện động,điện áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp Đồ thị quá trình nạp: Hình 1-3.Đặc tính nạp cuả ắc qui Mỗi bình ác qui gồm nhiều ngăn ác qui đơn ghép thành ,có đầy đủ đặc tính tượng trưng cho cả bình ác qui.Do đó khi nghiên cứu quá trình nạp của ác qui ta chỉ cần xét trên một ngăn ác qui đơn Một ngăn ác qui đơn gồm có hai bản cực ,sau khi đổ dung dịch trên hai bản cực ác qui đơn xuất hiện một sức điện động E =1,95V.Nếu lúc này nối hai bản cực với một phụ tải thì ta thấy sức điện động giảm về không ,dòng điện I=0, chính tỏ ác qui chưa đủ khả năng làm nguồn cung cấp cho tải và cần phải có dòng một chiều từ bên ngoài cấp cho ác qui.Quá trình dùng dòng một chiều từ bên ngoài cấp cho ác qui gọi là quá trình nạp điện cho ác qui Nếu trong suốt quá trình nạp dòng điện không đổi In=5-10%Caq(Caq dung lượng của ác qui)thì quá trình nạp là tối ưu .Nạp với dòng điện trên suất điện động trên hai bản cực tăng từ từ 1,95V-2,65V Ta có biểu thức quan hệ giữa Un và E: Unaq=Eaq-In.Raq Giống như động cơ điện một chiều ,suất điện động tăng dần thì dòng nạp sẽ giảm dần .Nếu E=U thì I=a,lúc này chưa chắc ác qui đã no do đó muốn tiếp tục nạp cho ác qui thì ta phải tăng suất điện động để duy trì dòng nạp tránh tình trạng tăng U vì nếu đặt U quá cao thì dòng I sẽ cao.Dòng quá cao sẽ làm hỏng bản cực ,còn dòng quá nhỏ sẽ không đảm bảo . Trong quá trình nạp suất điện động của một ngăn đơn tăng dần từ 1,95V-2,65V đây là quá trình nạp hiệu dụng.Khi E=2,4 V dung dịch trong bình bốc nhiều bọt khí ra môI trường xung quanh .Hiện tượng này gọi là hiện tượng sôi.Cuối quá trình nạp hiệu dụng E=2,65V, ác qui đã gần no .Quá trình E tăng từ 1,95V-2,4V rất chậm hàng chục giờ.Còn từ 2,4V-2,65V rất nhanh Nếu kết thúc quá trình nạp hiệu dụng đem cung cấp cho tải thì ắc qui dùng không được lâu.Chính tỏ ắc qui thực sự no hẳn.Do vậy khi kết thúc quá trình nạp hiệu dụng ta tiếp tục cho ắc qui nạp thêm từ 2-3 giờ với dòng nạp bằng 2,5-5 dung lượng thì trong giai đoạn này suất điện động ắc qui tăng không đắng kể từ 2,65V-2,7V .Giai đoạn này gọi là giai đoạn nạp no.Lúc này nếu ngắt nguồn nạp thì điện áp trên một ngăn đơn ắc qui bằng 2,11V đây chính là điện áp danh định trên một ngăn của ắc qui Kết thúc quá trình này ta có thể mang ắc qui cung cấp cho phụ tải *Nhận xét: Nếu trong quá trình nạp ắc qui người vận hành dùng tay để điều chỉnh thì sẽ không đảm bảo được sự thay đổi của suất điện động để có được dòng nạp tối ưu.Do đó vấn đề dặt ra đối với người thiết kế là làm sao thiết kế được một bộ nguồn nạp ắc qui tự động thay đổi suất điện động phù hợp với Un,In.Tự động tăng dần các cấp điện áp nạp để dòng nạp đạt tối ưu bảo cho quá trình nạp ắc qui là tối ưu I.5.3Các phương pháp nạp ắc qui tự động. Từ việc nghiên cứu quá trình nạp điện cho ắc qui ta thấy có 2 phương pháp chính để nạp điện cho ắc qui: + Phương pháp dòng điện không đổi + Phương pháp điện áp không đổi + Phương pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi. Theo cách nạp này dòng điện nạp thường được giữ ở một trị số không đổi trong suốt thời gian nạp ( nạp một nấc ) . Trong trường hợp nạp vôi cho phép nạp hai nấc tức là được thay đổi cường độ dòng điện một lần . Vì dòng điện nạp mà Eaq trong khi nạp tăng dần nên , nên muốn giữ cho In = const , trong quá trình nạp phải tăng dần thế hiệu nạp Un . Để thực hiện được việc này nguồn điện nạp phải có nhiều nấc điện thế , nếu không phải mắc thêm một biến trở nối tiếp với ắc quy . Nếu tiến hành nạp 2 nấc thì nấc thứ nhất kết thúc khi thế hiệu của mỗi ắc quy đơn đặt 2,4V ( bắt đầu sủi bọt khí trong ắc quy ) sau đó chuyển sang nấc thứ hai với cường độ dòng điện nạp giảm đi và kết quá trình nạp ở cuối nấc này . Theo phương pháp này , tất cả ắc quy ( không lệ thuộc vào thế hiệu định mức ) được mắc nối tiếp với nhau và chỉ cần đảm bảo điều kiện : tổng số các ắc quy đơn trong mạch nạp không vượt quá giá trị Ung/2,7 ( Ung là thế hiệu của nguồn nạp hoặc thiết bị nạp điện ) . Một điều kiện nữa cũng nên đảm bảo là tất cả các ắc quy phải có điện dung như nhau nếu không sẽ phải chọn cường độ dòng điện nạp theo ắc quy có điện dung nhỏ nhất vì vậy ắc quy có điện dung lớn sẽ phải nạp rất lâu . Vì thế hiệu của mỗi ắc quy đơn lúc bắt đầu nạp chỉ bằng 2,0 V nên muốn khử điện áp dư biến trở phải có điện trở Naq: tổng số ắc quy đơn khi nối tiếp nhau trong mạch nạp Nạp bằng dòng điện không đổi là phương pháp nạp chủ yếu và tổng quát nhất , trong đó nạp một nấc là cơ bản , còn nạp hai nấc chỉ áp dụng khi cần rút ngắn thời gian nạp . Phương pháp này cho tuỳ ý chọn cường độ dòng điện nạp cho thích hợp với từng loại ắc quy . Tất cả các ắc quy mới trước khi đem vào sử dụng nói chung đều phải trải qua cách nạp này . Nhược điểm của phương pháp này là thời gian kéo dài và phải thường xuyên theo dõi , điều chỉnh cường độ dòng điện nạp. +Phương pháp nạp với điện áp không đổi. Trong cách nạp này tất cả các ắc quy được mắc song song với nguồn điện nạp ( máy phát điện , máy nạp riêng ) và đảm bảo thế hiệu của nguồn bằng 2,3 ¸2,5 V trên các ắc quy đơn . Để có thế nạp một lúc các ắc quy 6V và 12 V người ta lập mạng 3 dây 2x7,0 V hoặc 2x7,5V . Thế hiệu của nguồn nạp phải được giữ ổn định với độ chính xác đến 3% được theo dõi bằng các vôn kế . lúc đầu sẽ rất lớn sau đó khi Eaq tăng dần thì In giảm đi khá nhanh . +)Ưu: Có thời gian nạp ngắn , ít tốn công => nạp bổ sung . +)Nhược : Không nạp no được , có hại cho tuổi thọ của ắc quy . *Nhận xét: Từ việc phân tích ưu nhược điểm của mỗi phương pháp nạp ác qui và theo yêu cầu của đề bàilà nạp ác qui tự động theo một trình tự đã được định sẵn ta sẽ nạp ác qui kết hợp cả hai cách để tận dụng ưu điểm của mỗi phương pháp Ban đầu nạp với phương pháp dòng nạp không đổi .Sau một thời gian ắc qui bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Kết luận : - Vì ắc qui là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nên khi ắc qui đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong ắc qui sẽ tự động dâng nên không kiểm soát được sẽ làm sôi ắc qui dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng. Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dòng nạp cho ắc qui. Khi dung lượng của ắc qui dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn định dòng nạp thì ắc qui sẽ sôi và làm cạn nước. Do đó đến giai đoạn này ta lại phải chuyển chế độ nạp ắc qui sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi ắc qui đã thực sự no. Khi điện áp trên các bản cực cuẩ ắc qui bằng với điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình nạp. *Yêu cầu đầu bài nạp điện cho 4 bình ắc qui có dung lượng :2bình 420Ah/12v, 2 bình 260Ah/12v.Ta có cách mắc như sau: 420Ah/12v 260Ah/12v Từ những phân tích quá trình nạp ắc qui ở phần trên ta thấy quá trình nạp ắc qui muốn tự động hoá phải giảI quyết được các vấn đề +Bộ nguồn phải tự thay đổi điện áp :tăng dần điện áp trong quá trình nạp sao cho phù hợp với sự tăng suất điện động bởi vì trong quá trình nạp suất điện động tăng dần dẫn đến U cũng phải tăng sao cho dong nạp được giữ nguyên không đổi.Trong quá trình nạp hiệu dụng sự tăng phải đảm bảo cho In=7%Idmax thì quá trình nạp là tốt nhất .Trong quá trình nạp no suất điện động ắc qui tăng không nhiều để thực hiện quá trình nạp no người ta có 2 cách : -giữ Un không đổi ,khi E=Un thì In=0 quá trình nạp tự động kết thúc -nạp với dòng =1/2 In tối ưu và do Un,In không đổi sau 2-3 giờ ắc qui no dung dịch tiếp tục sôi ,bản cực nóng thì phải có mạch tự động ngắt (phải có rơle thời gian) với yêu cầu đó phải có kênh phản hồi âm dòng ,mạch điều khiển tự động thay đổi góc mở ỏ khi đó thay đổi U,In không đổi .Cách chuyển đổi từ In1tối ưu sang In2tối ưu phải có kênh chuyển ,khi U=2,65v chuyển sang điện áp chủ đạo khác phải có kênh thay đổi điện áp chủ đạo .Giai đoạn nạp no sau 2-3 giờ ngắt không nạp no nữa thì phải có rơle thời gian để ngắt .Khi ắc qui đói phải chuyển sang nạp hiệu dụng nên phải có kênh chuyển đổi logic Xuất phát từ số lượng bình phải nạp ,công suất mạch nạp ta thiết kế được bộ nguồn nạp ắc qui như trình bày ở các phần sau CHƯƠNG II PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN CHỈNH LƯU 1. Chỉnh lưu điều khiển đối xứng sơ đồ cầu 3 pha II.1.1Sơ đồ nguyên lý Hình 2-1.Sơ đồ nguyên lí cầu 3 pha điều khiển đối xứng Sơ đồ gồm 6 Tiristor được chia làm hai nhóm: Nhóm Katot chung : T1, T3, T5 Nhóm Anot chung : T2, T4, T6 Góc mở a được tính từ giao điểm của các nửa hình sin Giá trị trung bình của điện áp trên tải Trên thực tế người ta lấy cosỏ=30o Khi đó ta có Trong đó Udmax=Un=2.6.2,7=32,4V Suy ra U2=16V Điên áp các pha thứ cấp của máy biến áp là: Giá trị trung bình của dòng thứ cấp máy biến áp. Trong đó Idmax=2,7(420+260)=95,2A Chọn Idmax=100A Giá trị trung bình của dòng chạy qua 1 Tiristor là: Giá trị điện áp ngược mà Tiristor phải chịu Công suất biến áp Nhận xét : Với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển thì điện áp ra Ud ít đập mạch ( trong một chu kì đập mạch 6 lần ) do đó vấn đề lọc rất đơn giản, điện áp ngược lên mỗi van nhỏ, công suất biến áp nhỏ nhưng mạch phức tạp nhiều kênh điều khiển. II.1.2. Đường đặc tính biểu diễn Hình 2-2.Đường đặc tính sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng II.2 Chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển II.2.1Sơ đồ nguyên lý Hình 2-3.Sơ đồ nguyên lí cầu 3 pha điều khiển không đối xứng Trong sơ đồ này sử dụng 3 Tiristor ở nhóm Katot chung và 3 Diot ở nhóm Anot chung. Giá trị trung bình của điện áp trên tải Trong đó : Ud1 là thành phần điện áp do nhóm Katot chung tạo nên Ud2 là thành phần điện áp do nhóm Anot chung tạo nên Vậy Trên thực tế lấy cosỏ=30o khi đó ta có Điện áp thứ cấp máy biến áp Giá trị trung bình của dòng chảy trong Tiristor và Diot Giá trị dòng điện ngược lớn nhất Công suất biến áp Nhận xét :Tuy điện áp chỉnh lưu chứa nhiều sóng hài nhưng chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng có quá trình điều chỉnh đơn giản , kích thước gọn nhẹ hơn. II.2.2 Đường đặc tính biểu diễn u ud id ua Ia Hình 2-4.Đường đặc tính cầu 3 pha điều khiển không đối xứng II.3. Chỉnh lưu điều khiển cầu một pha không đối xứng II.3.1Sơ đồ nguyên lý Hình 2-5.Sơ đồ nguyên lí điều khiển cầu 1 pha không đối xứng Trong sơ đồ này, góc dẫn dòng chảy của Tiristor và của điốt không bằng nhau. Góc dẫn của điốt là : Góc dẫn của Tiristor là : Giá trị trung bình của điện áp tải Do đó Giá trị trung bình của dòng tải Dòng qua Tiristor Dòng qua Điốt Giá trị hiệu dụng của dòng chạy qua sơ cấp máy biến áp Nhận xét : Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển 1 pha không đối xứng có cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ , dễ điều khiển , tiết kiệm van . Thích hợp cho các máy có công suất nhỏ và vừa. II.3.2. Đường đặc tính biểu diễn Hình 2-6.Đường đặc tính sơ đồ cầu 1 pha không đối xứng II.4 Chỉnh lưu cầu 1 pha đối xứng II.4.1Sơ đồ nguyên lý Hình 2-7.Sơ đồ nguyên lí cầu 1 pha đối xứng II.4.2Đường đặc tính biểu diễn Các đặc tính điện áp tải , dòng qua tải , dòng qua van và điện áp ngược trên van trong trường hợp tải RL , R đủ lớn để đảm bảo dòng qua tải là liên tục được biểu diễn trên hình vẽ i 2 I d U T1 o 2 ? I d i T1T2 I d i d I d 0 a 2 ? i T3T4 U d Hình 2-8.Đường đặc tính sơ đồ cầu 1 pha đối xứng - Mạch có T1 , T3 chung Katot T2 , T4 chung Anot Nửa chu kỳ đầu U2 > 0 , Anot của T1 dương , Katot của T2 âm . Nếu có xung điều khiển mở đồng thời T1 và T2 thì cả hai van này được mở thông và đặt điện áp lưới lên tải Ud = U2 . Điện áp tải một chiều bằng điện áp xoay chiều (Ud = U2) cho đến khi nào T1 , T2 còn dẫn .(Khoảng dẫn của các van phụ thuộc vào tải ) . Nửa chu kỳ sau, điện áp đổi dấu , anot của T3 dương và katot T4 âm , nếu có xung điều khiển mở đồng thời T3,T4 thì các van này được mở thông và Ud = - U2 , với điện áp một chiều có cùng chiều với nửa chu kỳ trước + Giá trị trung bình của tải Ud = = = Udo cosa. Udo : điện áp trung bình tải trong chỉnh lưu cầu không điều khiển . + Dòng qua máy biến áp cũng bằng dòng qua van (khi van mở) . + Giá trị hiệu dụng dòng thứ cấp biến áp I2 = = Id =71A + Điện áp ngược lớn nhất van phải chịu Unv = U2 + Dòng làm việc của van tính theo giá trị trung bình IT = = = 0.71 Id=0,71.100=71A + Hệ số đập mạch kđm = 0,67 + Công suất biến áp Sba = 1,23Pd=1,23.3,1=3,8KVA + Ưu điểm : - Điện áp ngược trên van nhỏ - Máy biến áp chế tao đơn giản hơn , và có hiệu suất cao + Nhược điểm : - Số van nhiều hơn - Điều khiển van T1 ,T2 và nhóm T3 , T4 phải đồng thời nên khó khăn hơn. Kết luận Cả ba phương án dùng sơ đồ chỉnh lưu đối xứng cầu ba pha ,chỉnh lưu không đối xứng cầu ba pha và chỉnh lưu cầu 1 pha đối xứng đều có nhiều kênh điều khiển, nhiều Tiristor nên giá thành cao không kinh tế. Do yêu cầu của đầu bài, vì số kênh điều khiển ít nên ta chọn sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha đông đối xứng. Chúng có một số ưu điểm: - Hiệu suất sử dụng máy biến áp cao hơn một số sơ đồ như cầu 1 pha đối xứng. - Đơn giản hơn vì số lượng Tiristor giảm xuống chỉ còn 2 nên mạch điều khiển có ít kênh điều khiển hơn, bảo đảm kinh tế hơn. - Cùng một dải điều chỉnh điện áp một chiều thì cầu không đối xứng điều khiển chính xác hơn Qua phân tích trên ta chọn sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha không đối xứng dùng cho mạch lực mạch nạp ắcqui tự động . Phương án này vừa đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật vừa bảo đảm cho việc thiết kế. CHƯƠNG III THIẾT KẾ MẠCH LỰC Ta chọn phương án chỉnh lưu cho mạch nạp ác qui là sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng * Các thông số yêu cầu: Udmax =32,4V Idmax =33,3A P =3,1KW III.1.Tính chọn van mạch lực Điện áp ngược của van Ulv =knv.U2 U2 =Ud/ku + Với sơ đồ chỉnh lưu 1 pha: knv=.ku=0,9 Ulv=. Dòng điện làm việc Ilv=Ihd=khd.Id=100/=70,7A Ulv=kđt.Ulv=1,6.51=81,6V Iđm=kiIlv=4.70,7=282,2A *Từ các thông số trên ta có thể chọn: Ti loại ST303S04MFK3 có:Unmax =400V Iđm =300A Umax =1,8V Irmax =10mA Điot loại HD310 104-6 có:Unmax=400V Idmax=300A Umax=1,6V Irmax=1,5mA III.2.Mạch bảo vệ Tiristor : T R C Để bảo vệ van ta dùng mạch RC đấu song song với van nhằm bảo vệ quá áp do tích tụ điện khi chuyển mạch gây nên. Các thiết bị bán dẫn nói chung cũng như Tiristor rất nhạy cảm với điện áp và tốc độ biến thiên điện áp ( ) đặt lên nó . Các nguyên nhân gây nên quá áp thì chia thành hai loại : - Nguyên nhân bên ngoài : Do cắt đột ngột mạch điện cảm,do biến đổi đột ngột cực tính của nguồn, khi cầu chảy bảo vệ đứt hoặc khi có sấm sét. - Nguyên nhân bên trong ( nội tại ) : Khi van chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái khoá, do sự phân bố không đều điện áp trong các van mắc nối tiếp. ở đây ta quan tâm đến việc bảo vệ quá điện áp do các nguyên nhân bên trong gây ra. i t Nguyên nhân quá điện áp trên van là do sự suất hiện dòng điện ngược chảy qua mỗi van khi nó chuyênr từ trạng thái mở sang trạng thái khoá. Dòng điện ngược này suy giảm rất nhanh do vậy sẽ suất hiện sự quá điện áp Để khắc phục hiện tượng quá điện áp này ta dùng mạch R-L-C nhưng do mạch đã có tính chất điện cảm nên ta chỉ cần dùng mạch R-C đấu song song như hình vẽ. Khi van khóa dòng điện ngược sẽ chuyển từ van sang mạch bảo vệ. III.3 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn Khi làm việc với dòng điện có dòng điện chạy qua 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 Tcp nào đó, nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. 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. + Tính toán cánh tản nhiệt + Tổn thất công suất trên 1 Tiristo: Dp = DU. Ilv =1,8*70,7=127,26(w) + Diện tích bề mặt toả nhiệt: Sm =Dp/km .t Trong đó: Dp - tổn hao công suất (w) t - độ chênh lệch so với môi trường Chọn nhiệt độ môi trường Tmt =400 c. Nhiệt độ làm việc cho phép của Tiristo Tcp =1250 c. Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt Tlv =800 c t = Tlv - Tmt = 400 c Km hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Chọn Km = 8 [ w/m2 . 0 C ] vậy sm = =0,3976 (m2 ) Chọn loại cánh toả nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh a x b =13 x 13 (cm x cm). Tổng diện tích toả nhiệt của cánh S = 12.2.13.13=4056(cm2 ) Hình 3-1. Hình dáng và kích thước giới hạn cho cánh toả nhiệt một van bán dẫn III.4Tính toán máy biến áp chỉnh lưu Điện áp chỉnh lưu không tải Udo=Ud+Uv+Uba+Udn Ud điện áp chỉnh lưu Uv sụt áp trên các van Udn 0 sụt áp trên dây nối Uba=Ur+Ux là sụt áp điện trở và điện kháng máy biến áp Chọn sơ bộ Uba=6% Ud=0,06.32,4=1,944V Phương trình cân bằng điện áp khi có tải Udo.cosỏmin= Ud+2Uv+Uba+Udn min=100là góc dự trữ khi có suy giảm điện lưới Udo===38,5V Công suất tối đa của tải Pdmax=UdoId=38,5.100=3850W Công suất máy biến áp nguồn Sba=ks.Pdmax Sba công suất biểu kiến của máy biến áp Ks hệ số công suất theo mạch chỉnh lưu.Tra bảng Ks=1,23 Sba=1,23.3850=4,7KVA III.4.1Tính toán sơ bộ mạch từ Tiết diện QFe của lõi thép máy biến áp QFe=kq Kq hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát Chọn Kq=5(máy biến áp khô) M số trụ của máy biến áp Chọn m=1(máy biến áp 1 pha) F tần số nguồn điện xoay chiều Lấy f=50 QFe=5.48(cm2) Chọn a=6cm b=8cm Hình 3-2.Kết cấu mạch từ Tính toán dây quấn ,số vòng ,kích thước Điện áp các cuộn dây Điện áp thứ cấp U2= Ku hệ số điện áp chỉnh lưu.Tra bảng ku=0,9 U2==42,7V -Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp: I2=.Id=.100=81,65A -Dòng điện sơ cấp máy biến áp: I1===15,85A -Đường kính trụ: D===7,86cm Lấy d=8cm,độ dày lá thép :0,5mm Chọn tỷ số m=h=m.d=2,3.8=20cm (thông thường lấy m=2ữ2,5cm) Chọn chiều cao trụ =20cm Tính toán dây quấn Chọn lõi thép có tiết diện 50cm2làm bằng vật liệu sắt từ dày 0,5mm,lá thép dập hình chữ E và I +Tính số vòng trên vôn Wo===0,9vòng/vôn +Số vòng cuộn sơ cấp W1=U1.W0=220.0,9=198(vòng) +Số vòng cuộn thứ cấp W1=U2.Wo=42,7.0,9=39(vòng) Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp với dây dẫn bằng đồng ,máy biến áp khô: J1=J2=2,75A/mm2 +Tính dây quấn máy biến áp S1===5,76mm2 S2===29,69mm2 Đường kính dây dẫn d1===2,7mm chọn d1=3mm,đường kính kể cả cách điện D=0,5mm d2===6,14mm chọn d2=7mm, đường kính kể cả cách điện D=0.95(mm). Kết cấu dây quấn Hình 3-3.Kết cấu dây quấn Kết cấu dây quấn sơ cấp +Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp của cuộn sơ cấp k: hệ số ép chặt k=0.95. h: chiều cao của trụ. hg: khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp. d: đường kính dây. Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện đến gông: hg=1.5 cm. (vòng) +Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp (lớp) Chọn n1.1=5 lớp Chọn 198 vòng chia thành 5 lớp, mỗi lớp 40 vòng .+Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp . Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày S=0.1cm . Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp: a=1.0 cm. +Đường kính trong của ống cách điện. +. Đường kính trong của cuộn dây sơ cấp +. Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd=0.1(mm). + Bề dày cuộn sơ cấp +. Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp. +. Đường kính trung bình của cuộn dây sơ cấp: +. Chiều dài dây quấn sơ cấp. + Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp: cd=1.0(cm) Kết cấu dây quấn thứ cấp. +. Chọn sơ bộ chiều cao cột thứ cấp : +Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp. + Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp Chọn n=3 lớp. +. Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp +. Đường kính trong của cuộn dây thứ cấp . Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd=0.1(mm). . +Bề dày cuộn sơ cấp .+ Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp. .+ Đường kính trung bình của cuộn dây thứ cấp: .+ Chiều dài dây quấn thứ cấp. + Đường kính trung bình các cuộn dây. .Chọn khoảng cách giữa 2 cuộn thứ cấp: a=2.0(cm). +. Chiều rộng cửa sổ +Tính khoảng các giữa 2 tâm trục +. Chiều rộng mạch từ +Chiều cao mạch từ IV.4.2 Tính khối lượng của sắt và đồng . +Thể tích của trụ +Thể tích của gông +Khối lượng của trụ + Khối lượng của gông +. Khối lượng của sắt +. Thể tích của đồng +Khối lượng của đồng Mcu=Vcu.mcu=5,24*8,9=46,63(kg) Tính các thông số của máy biến áp IV.4.3 Tính các thông số của máy biến áp + Điện trở trong của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75C trong đó .+ Điện trở trong của cuộn thứ cấp máy biến áp ở 75C trong đó .+ Điện trở máy biến áp qui đổi về thứ cấp + Sụt áp trên điện trở máy biến áp +Điện áp trên tải có góc mở +Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp + Điện áp ngắn mạch tác dụng CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN IV.1Yêu cầu và nguyên tắc điều khiển IV.1.1Mục đích và yêu cầu - Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi Tiristor có vai trò quyết định đến chất lượng, độ tin cậy của bộ biến đổi. Mạch điều khiển rất đa dạng, nhưng với hệ thống mạch lực cụ thể của mạch nạp cần có một hệ điều khiển thích ứng. Với mạch này, hệ điều khiển sẽ phát xung mở 2Tiristor T1 và T2. Các Tiristor sẽ mở khi thoả mãn đồng thời 2 điều kiện : + Một điện áp dương đủ lớn đặt lên 2 cực của Tiristor theo hướng từ Anôt đến Katốt. + Xung điện áp dương đưa vào cực điều khiển phải đủ lớn (biên độ, độ rộng) Để làm thay đổi điện áp ra tải chỉ cần thay đổi thời điểm phát xung điều khiển, tức là thay đổi góc mở của các van. Ưu điểm của Tiristor là chỉ cần dòng và áp điều khiển nhỏ nhưng có thể chịu được dòng và áp rất lớn chảy qua. Hệ thống mạch điều khiển phải đáp ứng được các yêu cầu: + Phát xung điều khiển chính xác và đúng thời điểm mà người thiết kế đã tính toán sẵn. + Các xung điều khiển phát ra phải đủ lớn về biên độ và độ rộng để mở các van. + Xung điều khiển phải có độ đối xứng cao và đảm bảo được phạm vi điều chỉnh góc mở. + Dạng xung được điều chỉnh thích hợp và tác động nhanh. + Đảm bảo hoạt động tốt, độ tin cậy cao khi điện áp nguồn thay đổi giá trị biên độ . Ngoài ra hệ thống điều khiển phải có nhiệm vụ ổn định dòng điện ra tải và bảo vệ hệ thống khi xảy ra sự cố quá dòng hay ngắn mạch tải. IV.1.2.Nguyên tắc điều khiển. Để điều chỉnh góc mở của các Tiristor trong nửa chu kì điện áp dương ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển : Thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng arccos. +Nguyên tắc điều chỉnh thẳng đứng tuyến tính Theo nguyên tắc này ta dùng hai điện áp : - Điện áp đồng bộ , có dạng răng cưa, đồng bộ với điện áp đặt trên Anốt và Katốt của Tiristor, kí hiệu là Ur . Điện áp điều khiển là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh được biên độ, kí hiệu là Uc Dạng