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 các sơ đồ chỉnh lưu có điốtngược, khi có và không có điều khiển, năng lượng được chuyền từ phía lưới xoaychiều sang một chiều, nghĩa là các loại chỉnh lưu đó chỉ có thể làm việc ở

Lời nói đầu

Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của các ngànhkhoa học kĩ thuật, các phát minh sáng chế đã và đang được áp dụng rộng rãi và phổbiến, nhiều thành tựư khoa học kĩ thuật đã đem lại cho nêng sản xuất những tiến bộđột phá Kỹ thuật điện tử và bán dẫn công suất lớn phát triển mạnh mẽ Các thiết bịđiện 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 củachúng vào vào việc biến đổi năng lượng và điều khiển điện áp và dòng điện xoaychiều 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, U kt = 48V, I kt = 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 nghệ1.1 Phạm vi ứng dụng của công nghệ

Để cung cấp nguồn cho tải một chiều cần thiết kế các bộ chỉnh lưu Các bộchỉnh lưu biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều Các loại bộ biếnđổi này có thể là chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu có điều khiển Để giảmcông suất vô công, người ta thường mắc song song ngược các tải một chiều mộtđiốt( loại sơ đồ này gọi là sơ đồ có điốt ngược) Trong các sơ đồ chỉnh lưu có điốtngược, khi có và không có điều khiển, năng lượng được chuyền từ phía lưới xoaychiều sang một chiều, nghĩa là các loại chỉnh lưu đó chỉ có thể làm việc ở chế độchỉnh lưu nhận năng lượng từ lưới Các bộ chỉnh lưu có điều khiển, không điốtngược có thể trao đổi năng lượng theo cả hai chiều Khi năng lượng truyền từ lướixoay chiều sang tải một chiều, bộ nguồn làm việc ở chế độ chỉnh lưu nhận nănglượng từ lưới, khi năng lượng truyền theo chiều ngược lại( nghĩa là từ phía tải mộtchiều về lưới xoay chiều) thì bộ nguồn làm việc ở chế độ nghịch lưu trả nănglượng 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 suất2.1 Giới thiệu các mạch công suất

Trước đây khi đảo chiều người ta thường sử dụng hai công tắc tơ để đảochiều dòng điện Nhược điểm của việc sử dụng công tắc tơ để đảo chiều là thờigian chuyển mạch chậm Muốn thời gian đảo chiều nhanh người ta thiết kế bộchỉnh lưu có đảo chiều Sau đây là các mạch công suất của bộ chỉnh lưu có đảochiều

2.1.1 Chỉnh lưu hình tia không điều khiển

Hình 1: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia không điều khiển

u

t

3

2π θ

3

4 sin

3

2.1.2 Chỉnh lưu hình tia có điều khiển

Hình 2: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia có điều khiển

mU

U

U m

Udi0: Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu không điều khiển

2.1.3 Chỉnh lưu hình tia 3 pha có diode V 0

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 V 0

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

U U

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 đồchỉnh 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 đồcầu 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:

u

d lv lv

K

U k

48 45 ,



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 quavan

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 tựnhiên

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:

V U

U U

U

10 cos

6 , 9 0 0 , 3 2 48 cos

2

2

2

0 min

V k

U U

u

d

34 , 2

58 , 64

4 Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp

A I

I d 3 , 5 2 , 86

3

2

U

U I K

I ba 2 , 86 0 , 21

380

6 , 27

1

2 2

6 Tiết diện sơ bộ trụ

f m

S k

Q Fe

.



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:

2 46 , 3 50

Tính toán dây quấn

10 Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp

14 , 4947 0

, 1 10 46 , 3 50 44 , 4

380

.

U

vòngLấy tròn W1 = 4947 vòng

11 Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp

31 , 359 4947 380

60 , 27 1

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

2 1

I

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

2 1

mm A S

I

15 Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp

2 2

I

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

2 2

I

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

36 95 , 0 105 , 0

5 , 1 2 7

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

137 36

21 , 0 36 1

11

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

1 1

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

15 95 , 0 55 , 0

7

Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông là 1,5 cm

32 Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp

9 , 23 15

D

h

c

5 , 8 95 , 0

55 , 0 15

2 2

39 Chiều dài dây quấn thứ cấp

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 cmTiết 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

140 5

380

W

T Q

Q B B

g

T T

55 , 46

89 , 81 04 , 0

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), nếuquá nhiệt độ cho phép các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng Để van bán dẫn làm việc antoàn, 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

: 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

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 vàngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến ápngắn mạch ở chế độ nghịch lưu

50 380

2.4.3 Bảo vệ quá điện áp cho van

Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiệnbằng cách mắc R-C song song với Thyristor Khi có sự chuyển mạch, các điện tíchtích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong thời gianngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảmứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá trình điện áp giữa Anod và Catod củaThyristor Khi có mạch R-C mắc song song với Thyristor tọa ra mạch vòng phóngđiện tích trong quá trình chuyển mạch nên Thyristor không bị quá điện áp

Theo kinh nghiệm R1= (530)Ω; C1 = (0,254) 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 ởđầu ra của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bằng diode công suất bé Thông thường giá trị

Để mạch động lực hoạt động thì cần có mạch điều khiển Trong mạch điềukhiển gồm các khâu sau:

- Khâu đồng pha: có nhiệm vụ tạo ra điện áp Urc thượng gặp là điện áp răngcưa 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, cónhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển Udk, tìm thời điểm vớiđiện áp này bằng nhau (Udk = Urc) Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phátxun 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 mạchđiều khiển và mạch động lực( khi điện áp quá lớn)

- khâu khuyếch đại: với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor, tầngnày 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 đạingược 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, làmviệc 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 = 23, 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

a = 7,5 mm; b = 5mm; Q = 0,375 cm3 = 37,5 cm3; Qcs = 4,9 cm2; d = 25mm; 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:

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: d 4S2 0 , 252mm

Chọn dây có đường kính d2 =0,27 mm, S2 = 0,0575 mm2

Kiểm tra hệ số lấp đầy:

005 , 0 490

27 0572 , 0 80 0113 , 0

Q

W S W S K

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 cácthông 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 nốitiếp với cực Emito của Tr3

Điện áp ứng với logic: "1": 24,5 V

Dòng điện nhỏ hơn 1mA

Công suất tiêu thụ P = 2,5 mW/1 cổng

3.2.4 Chọn tụ C 3 và R 9

Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng đưa vào Bazơ của Tranzitor Tr3, chọn R9

thỏa mãn diều kiện:

12

3 3

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 = -25850C

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 củaxung trùm.

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 tụnạp được Tr = R3.C1 = 0,005s

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 nhưsau:

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 nguồnnuôi, chọn kiểu biến áp 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 5 cuộn dây, một cuộn sơ cấp vàbốn cuộn thứ cấp

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 = 735 V

Điện áp đầu ra: IC 7812 có Ura = 12V

IC 7912 có Ura = -12VDòng điện đầu ra: Ira = 01 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 nguồnnày không cần ổn áp Mỗi khi phát xung điều khiển công suất xung đáng kể, nêncần tạo cuộn dây này riêng rẽ với cuộn dây cấp nguồn IC, để tránh gây sụt ápnguồn 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

1) Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi IC: U21 = 14V