Thiết kế mạch điều khiển chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha

Xát định điện áp chỉnh lưu không tải: Bộ biến đổi điện áp chỉnh lưu Thysisto cần có giá trị điện áp không tải đảm bảo cung cấp cho phần ứng của động cơ một chiều hoạt động.. Đối với mạch

Phần một:

TỔNG QUAN MẠCH CHỈNH LƯU CẦU MỘT PHA 1.Sơ đồ:

Chỉnh lưu cầu một pha.

2.Nguyên lý hoạt động:

Trong sơ đồ có 4 Tiristor đựơc điều khiển bằng các xung dòng tương ứng it1, it2, it3, it4 Mạch chỉnh lưu dược cung cấp một điện áp xoay chiều qua máy biến áp với điện áp

U2 = U2msin ωt (v)

Các xung điều khiển này có cùng chu kỳ với u2 nhưng xuất hiện sau u2

Các xung it1 và it3 xuất hiện sau u2 một góc α

Các xung it2 và it4 xuất hiện sau u2 một góc π +α

Các Trisisto này sẽ tự động khoá lại khi u2 =0

Phụ tải được biểu diễn bằng một sức phản điện động E, điện trở R và điện cảm L

Ta chỉ xét mạch này khi L rất lớn và E nhỏ hơn giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu Trong trường hợp này, mạch làm việc ở chế độ cung cấp liên tục, dòng qua phụ tải hầu như không đổi và bằng giá trị trung bình của nó Id

Tương ứng với góc mở ta có hai chế độ làm việc của mạch chỉnh lưu là:

- Khi α < π /2 và E < 0 mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu

- Khi α > π /2 và E > 0 mạch làm việc chế độ nghịch lưu phụ thuộc

Ta chỉ xét trường hợp mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc điều khiển α < π /2

và E > 0

*.Hoạt động:

Trong nửa chu kỳ đầu của điện áp chỉnh lưu (0 < ωt < π), U2 > 0, các Tiristor T1 và T3

phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở

Tại thời điểm α = θ1 = ωt1 ta cho xung điều khiển mở T1 và T3 : Ud = U2.

Dòng điện đi từ A qua T1 đến tải rồi qua T3 về B

Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) Ud = U2 = U2msin ωt (v)

Khi T1 và T3 mở cho dòng chảy qua ta có phương trình để xát định dòng điện qua tải:

Ldi/dt + R.id + E = U2 = U2msin ωt (v)

Tại lúc góc pha bằng π, U2 = 0 nhưng T1 và T3 vẫn chưa bị khóa vì dòng qua chúng vẫn còn lớn hơn 0

Trong nửa chu kỳ sau của điện áp chỉnh lưu (π < ωt< 2π), U2 < 0 , các Tiristor T2 và T4

phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở

Tại thời điểm θ = θ2= ωt2 = π + α ta cho xung điều khiển mở T2 và T4 : Ud = -U2.

Dòng điện đi từ B qua T2 đến tải rồi qua T4 về A

Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) Ud = -U2 = -U2msin ωt (v)

U2 U1

T3

T2

T4

T1

R

+ E

L M

N

Sự mở T2 và T4 làm cho UN = UB v à UM = UA Do đó điện áp trên T1 và T3 là:

UT1 = UA – UM = UA - UB = U1 < 0

UT3 = UN – UB = UA - UB = U2 < 0

Do đó làm cho T1 và T3 tắt một cách tự nhiên

3 Biểu thức xác định dòng và áp:

Do điện cảm có giá tri rất lớn nên dòng qua tải id là dòng liên tục, id = Id

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

Do α < π /2 nên Ud luôn dương

Giá trị trung bình dòng qua tải ( dòng chỉnh lưu):

4 Dạng đường cong điện áp và dòng chỉnh lưu:

Ud

θ

2π π

Ud

α

π+α

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ θ

θ

Id

Id

Id

Id

Id

Id

IT1,3

IT2,4

i2

id

id

IT2,4

IT1,3

5 Hiện tượng trùng dẫn:

Thực tế khi xét đến điện cảm Lc ( trên cuộn dây thứ cấp MBA), ta có thể biểu diễn mạch như sau:

Do có điện cảm Lc, nên tại góc α, khi ta cho xung điều khiển mở T2 và T4 dòng điện qua T1 và T3 l à it1, it3 không thể giảm đột ngột từ Id xuống 0, và dòng qua T2 và T4

cũng không thể tăng đột ngột từ 0 đến Id Hiện tượng mở đồng thời cả bốn Tiristor như vậy gọi là hiện tượng trùng dẫn

Lúc này cả 4 Tiristor đều mở cho dòng chảy qua, phụ tải bị ngắn mạch, Ud = 0, nguồn

e2 cũng bị ngắn mạch sinh ra dòng ngắn mạch ic.

Ta có phương trình:

- Hiện tượng trùng dẫn làm cho điện thế tại hai điển M và N bằng nhau và dòng chỉnh lưu id = 0

- Hiện tượng trùng dẫn bắt dầu từ góc α và kéo dài đến khi iT1,3 giảm đến 0 tại π+α Đặt ic = ic1+ic2 với ic1 = ic2 = ic/2

ic1 làm tăng dòng trong T4 và làm giảm dòng trong T3

ic2 làm tăng dòng trong T2 và làm giảm dòng trong T1

(A) Khi kết thúc giai đoạn trùng dẫn, tức là khi θ=μ, iT1,3 = 0, phương trình chuyển mạch

Xát định sụt ápchỉnh lưu trung bình ΔUμ do hiện tượng trùng dẫn gây ra:

(2) Thay (2) vào phương trình (2) ta có được:

eL

T3

T2

T4

T1

R

L

1+ E Lc

M

N

Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu khi kể đến hiện tượng trùng dẫn:

U’d = Ud – Δuμ

Trong đó:

Dạng đường cong dòng và áp khi trùng dẫn:

Phần hai:

θ

θ

Ud

μ

Id

id

iT1

iT2

TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC.

Tính chọn mạch động lực dùng trong sơ đồ với các thông số:

Điện áp một chiều của động cơ: Eưđm = 110 VDC

Dòng điện định mức: Iưđm = 2.35 A

Công suất động cơ: Pđm = 160W

Hệ số dự trữ dòng điện ( chọn) : Ku= 1,6

Hệ số dự trữ điện áp ( chọn) : Ki=1,3 ( Ki = 1,1 1,6)

T3 T4

T2 T1

Z

Mạch động lực 1Tính chọn bộ biến đổi:

1 Xát định điện áp chỉnh lưu không tải:

Bộ biến đổi điện áp chỉnh lưu Thysisto cần có giá trị điện áp không tải đảm bảo

cung cấp cho phần ứng của động cơ một chiều hoạt động.

a Điện áp chỉnh lưu không tải được tính như sau:

Udo = (Udm + 4%Udm + 1,5%Udm + 0,8%Udm + ∆Urt) (1)

Trong đó:

Udm : điện áp chỉnh lưu cực đại Udm = Eưdm = 110 V

4%Udm : sụt áp trên điện trở MBA

1,5%Udm : sụt áp trên điện kháng MBA

∆Urt : sụt áp trên 2 Tiristor nối tiếp ∆Ur  2 V

Thay các trị số vào phương trình (1) ta được:

Ud = (110 + 0,04.110 + 0,015.10 + 0,08.110 + 2) = 118,93 V

Vậy điện áp chỉnh lưu không tải Ud = 118,93 V

b.Giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp MBA

Ta có:

với α = 0

Suy ra

Do đó tỉ số MBA là: m = U2/U1= 132,1/220 = 0,6

d Điện áp ngược lớn nhất mỗi Tiristor phải chịu:

2 Xát định dòng chỉnh lưu và dòng trong mỗi pha của MBA :

a Dòng chỉnh lưu trung bình:

Dòng điện chỉnh lưu trung bình cũng chính là dòng trong phần ứng của động cơ điện:

Id = Iư = 2,35 A

b Dòngđiện chỉnh lưu trung bình chảy trong mỗi Tiristor:

Io = Id/2 = 2,35/2 = 1,175 A

c Giá trị hiệu dụng của dòng điện chảy trong pha thứ cấp MBA:

I2 = Id = 2,35 A

d Giá trị hiệu dụng của dòng điện chảy trong pha sơ cấp MBA:

I1 = mI2 = 0,6.2,35 = 1,41 A

2.Chọn Tiristor:

Dựa vào các thông số:

Hệ số dự trữ điện áp : Ku = 1,6

Hệ số dự trữ dòng điện: Ki = 1,3

Yêu cầu về mặt kỹ thuật các Tiristor phải chịu được :

Điện áp ngược lớn nhất : Ung = Ku.Uim =1,6.186,8 = 299 V

Dòng điện trung bình Itb = Ki.I0 = 1,3.1,175 = 1,5275 A

Theo bảng I.3 ĐTCS ta chọn loại Tiristor có các thông số sau:

(A) (KV)Uim (V)ΔU (μs)toff (A)Ig (V)Ug di/d/μs)t (A (μs/μs)du/dt

3 Tính chọn máy biến áp:

a Mạch từ:

- Công suất biểu kiến của MBA:

S = U.I = 132,1.2,35 = 310,4 W

MBA một pha, ta chọn mạch từ 1 trụ: c = 1, tần số : f = 50Hz

-Tiết diện trụ tính toán theo công thức kinh nghiệm:

Máy biến áp khô nên k = 6

Do đó:

Dựa vào bảng “ Máy biến áp công suất nhỏ” ta chọn MBA có công suất 390 W -50Hz Với các thông số sau:

_ Bề dày lá thép: 0,35 mm

_ Chiều dài trung bình đường sức: 27,4 cm

_ Thể tích thép từ: 510cm2

_ Trọng lượng thép từ: 4040g = 4,04 kg

_ Số lượng lá thép: 160 lá

Mạch từ có dạng như hình vẽ với các kích thước như sau:

a(mm) h(mm) c(mm) C(mm) H(mm) B(mm)

Trụ :

_Tiết diện thô = cxB = 3,2.6,4 = 20,48 cm2

_ Tiết diện hiệu quả = 0,95.20,48 = 19,5 cm

_ Trọng lượng trụ = 7,5.0,195.1,2 = 1,75 kg

Quy lat ( Quylass):

_ Tiết diện thô = axB = 3,2.6,4 = 20,48 cm2

_ Tiết diện hiệu quả = 0,95.20,48 = 19,5 cm

_ Trọng lượng trụ = 7,5.0,195.1,6 = 2,3 kg

Từ cảm:

_Trong các trụ chọn Bm= 1,1 T

_Trong các quy lat chọn B’m = 1,1.19,5/19,5 =1.1 T

b Chọn dây quấn:

-Số vòng dây mỗi pha:

Chọn mật độ dòng điện: J1 = J2 = 2,75 A/mm2

Đường kính phía dây quấn sơ cấp:

Đường kính phía dây quấn thứ cấp:

Chọn dây:

c B

C

c h

H

tiết diện trụ các kích thước cơ bản

Dựa vào bảng II.3_(tr 82-ĐTCS) thông số dây dẫn tiết diện tròn, ta chọn dây dẫn

sơ cấp và thứ cấp MBA có các thông số như sau:

d1 = 0,8 mm; S1 = 0,5027 mm2; 4,47 g/m; ρ1 = 0,0342 Ω/m

d2 = 1,04 mm; S2 = 0,8495 mm2; 7,55 g/m; ρ2 = 0,0202 Ω/m

Ống dây quấn:

Bán kính ống dây:

Vậy ta lồng vào trụ một ống làm bằng vật liệu cách điện dày 2mm.Vậy bán kính trong dây quấn của trụ là: 36 + 2 = 38 mm

+Dây quấn sơ cấp:

- Dây quấn sơ cấp gồm 462 vòng

Để đảm bảo cách điện ta chia dây quấn sơ cấp làm 8 lớp: ( 7 x 60 + 42 vòng)

- Giữa hai lớp ta đặt một lớp giấy cách điện dày 0,1 mm bằng bìa

- Bề dày dây quấn sơ cấp:

e1 = d1.n + 0,1.7 = 0,8.8 + 0,7 = 7,1 mm

- Bán kính trung bình của dây quấn sơ cấp:

r1tb = 38 + 7,1/2 = 41,55 mm

- Chiều dài dây quấn sơ cấp:

l1 = 2Π.r1tb.10-3.n1 = 2.3,14 41,55.10-3.462 = 120,6 m

- Điện trở của dây quấn ở 75oC:

R1 = ρ1.l1(1+0,004 75) = 0,0342.120,6.(1+0,004.75) = 3,16Ω

+Dây quấn thứ cấp:

- Dây quấn thứ cấp gồm 278 vòng Chia làm 6 lớp ( 5x 48 + 38 vòng )

- Giữa hai lớp đặt một lớp giấy cách điện dày 0,1mm bằng bìa

- Bề dày dây quấn thứ cấp:

e2 = d2.n + 0,1.5 = 1,04.6 + 0,5 = 6,74 mm

- Bán kính trung bình của dây quấn thứ cấp:

r2tb = 38 + 7,1 + 6,74/2 + 2 = 54,47 mm

- Chiều dài dây quấn thứ cấp:

l1 = 2Π.r2tb.10-3.n2 = 2 3,14.45,05.10-3 238 = 95,15 m

- Điện trở của dây quấn thứ cấp ở 75oC:

R2 = ρ2.l2(1+0,004 75) = 0,0202.95,15.(1+0,004.75) = 2,4,7Ω

c Điện áp rơi trên điện kháng:

∆Ux = X.Id / π

Với X là điện kháng tản trên trụ., được tính như sau:

= 3,7 Ω

Vậy ∆Ux = X.Id / π = 3,7.2,35 / 3,14 = 2,76 V

d Điện áp rơi trên điện trở:

∆Ur = [R2+R1(n2/n1)2].Id

= [ 2,47 + 3,16.(278/462)2 ].2,35 = 8,5 V

e Điện áp chỉnh lưu khi đầy tải:

U = Udo - ∆Ur - ∆Ux - ∆Ufe

= 118,93 – 8,5 – 2,76 – 1,5 = 106,17 V

f Tổn thất trong sắt từ có xét đến 15% tổn thất phụ:

P = 1,15.1,3.(1,75.1,1 + 2,34.1,1) = 6,73 W

j Hiệu suất của thiết bị chỉnh lưu:

g Tổng trở ngắn mạch:

Với Rd = R2 + R1(n1 /n2)2 = 3,6 Ω

h Dòng điện ngắn mạch:

In = U2/Zn = 132,1 / 5,2 = 25,4 A

4 Cuộn kháng cân bằng L c:

Cuộn kháng cân bằng có tác dụng hạn chế đến mức thấp nhất dòng điện tuần hoàn, cản trở sự đột biến của dòng điện để MBA và các Tiristor làm việc tốt hơn, không

bị nặng nề

Giả sử góc mở α bằng 0, để Icc đạt giá trị lớn nhất, lúc đó nguồn U2 bị ngắn mạch sinh ra dòng điện ngắn mạch:

In = I cc = 25,4 A Lúc đó, ta có phương trình cân bằng sức điện động:

Lấy tích phân hai vế:

Vậy giá trị trung bình

Suy ra:

Với X0 = L0ω

Ic1,2 = 2%.Id = 2% 2,35 = 0,047 A

Vậy:

Mặt khác : L0 = 2.Lcb + Lba

Với : Lba = Xba /ω = 3,7 / 314 = 0,012 H

Do đó: Lcb = ( L0 – Lba) / 2 = ( 4 – 0,012 )/2 = 1,2 H

5.Tính bộ lọc LC:

Bộ lọc là thiết bị nối giữa nguồn chỉnh lưu và phụ tải điện một chiều Bộ lọc có chức năng ngăn chặn thành phần xoay chiều của điện áp và dòng chỉnh lưu Trong mạch chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ, ta thiết kế bộ lọc có nhiệm vụ chủ yếu là hạn chế thành phần sóng hài bậc một và chỉ cho dòng một chiều đi qua

Đối với mạch chỉnh lưu công suất lớn, ta dùng bộ lọc LC gồm: Một tụ điện C nối song song với phụ tải và một điện cảm L mắt nối tiếp với phụ tải Sơ đồ bộ lọc được bố trí như mạch sau:

L

Bộ lọc L,C

Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu có thể được khai triển thành chuỗi Fourier

Nếu ta chỉ quan tâm tới hai số hạng đầu tiên thì điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ có dạng như sau:

Trong đó:

+ U2 là giá trị hiệu dụng của điện áp phía thứ cấp MBA

+ an = 4 / 3π = 0,425

Nếu giả thuyết đối với sóng hài tần số thấp mà XL >> XC thì dòng xoay chiều chảy qua L và C sẽ quyết định bởi XL, khi đó ta có thể viết:

Điện áp nhấp nhô:

Tỷ số nhấp nhô:

Suy ra

Với hệ số nhấp nhô cho trước: KLC = 6% = 0,06 và an = 0,425

ta có:

Vậy ta chọn : L = 2,11 H

C = 8,51 μF

Phần ba:

TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆ:

Đối với chỉnh lưu bán dẫn, khi tính toán cũng như trong vận hành ta phải đảm bảo vấn đề bảo vệ quá dòng và quá áp cho các thiết bị trong mạch

Thiết bị bán dẫn có van bán dẫn có kích thước nhỏ ( lớp tiếp giáp), nhiệt dung

bé và mật độ dòng điện qua mặt tiếp giáp p-n lớn nên rất nhạy với quá tải về dòng Hằng số thời gian phát nóng của một bản Silic trong van công suất chỉ cỡ vài phần trăm giây Do đó khâu bảo vệ dòng điện đòi hỏi phải tác động nhanh

Mặt khác, van bán dẫn cũng rất nhạy đối với quá điện áp, chỉ cần tồn tại một điện áp ngược lớn hơn giá trị cho phép trong khoảng 1 - 2 μs cũng có thể chọc thủng mặt tiếp giáp p-n

1 Bảo vệ quá dòng điện:

Hai nguyên nhân gây quá dòng điện: Ngắn mạch và quá tải

a Ngắn mạch:

Đây là trường hợp có sự cố tạo ra dòng điện quá lớn như ngắn mạch trên tải, trên dây dẫn thứ cấp của MBA ( ngắn mạch bên ngoài), ngắn mạch các pha do chọc thủng van bán dẫn ( ngắn mạch bên trong), do đột biến nghịch lưu

b Quá tải:

Hiện tượng quá tải xuất hiện trong trong thời gian làm việc xát lập hoặc quá độ Giá trị không lớn lắm và cho phép tồn tại trong thời gian lâu

Để bảo vệ quá dòng cho các Tiristor, ta dùng các dây chảy tác động nhanh Loại dây chảy làm bằng chì hoặc bằng bạc lá được đặt trong vỏ sứ có chứa cát thạch anh hoặc nước cất

Các giai đoạn hoạt động của dây chảy.

Hoạt động của dây chảy có thể chia làm hai giai đoạn

như sau:

Giai đoạn 1: từ t = 0 đến khi bắt đầu xuất hiện hồ quang

Giai đoạn 2; từ t = thq đến khi kết thúc ( t = tc)

Dòng điện khi chạy qua dây chảy sẽ sinh ra một nhiệt lượng Q = i2Rt

Để bảo vệ quá dòng cho bộ biến đổi, ta chọn và đặt dây chảy tại các vị trí như sau: ( 3 vị trí )

Vị trí 1: Đặt tại ngõ vào của MBA

Vị trí 2: Đặt tại ngõ ra của MBA

Vị trí 3: Đặt nối tiếp với mỗi Tiristor một dây chảy

Vị trí đặt dây chảy như hình vẽ sau:

i

t

13

Các vị trí đặt dây chảy.

2 Bảo vệ quá điện áp:

Có hai nguyên nhân gây quá điện áp: Nguyên nhân nội tại và nguyên nhân bên ngoài

a Nguyên nhân nội tại:

Do sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn Khi ta khoá các Tiristo bằng điện

áp ngược các điện tích đổi ngược hành trình, tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn

Dòng và áp do sự tích tụ điện tích.

Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm của đường dây nguồn dẫn đến các Tiristor, làm cho giữa Anot và Catot của Tiristor xuất hiện quá điện áp

a Nguyên nhân bên ngoài:

Các nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như cắt không tải một MBA trên đường dây, khi một cầu chì bảo vệ bị chảy, khi bị sét đánh…

Để bảo vệ quá áp, ta thường dùng mạch RC như sau:

- R,C đấu song song với Tiristor nhằm bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên

Bảo vệ quá áp cho Tiristor khi chuyển mạch

T3

T2

T4

T1

Z

2

3 1

i

t

t

T

C R

- RC đấu giữa hai pha thứ cấp MBA để bảo vệ quá điện áp do cắt không (dòng từ hoá) tải MBA gây nên

C R

Bảo vệ quá áp cho Tiristor khi cắt không tải MBA

Thông số của R và C phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra, tốc độ biến thiên của dòng chuyển mạch, điện cảm trên đường dây, dòng điện từ hoá MBA

Ta chọn thông số của R và C bằng cách dùng đồ thị giải tích, sử dụng những đường cong chuẩn

* Tính R,C bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích gây nên:

- Hệ số quá điện áp: K = Uimp / (Ku.Uim)

Với

Uimp : là giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngược đặt trên Tiristor một cách không chu kỳ Tra theo sổ tay ĐTCS ta có Uimp = 300 V

Uim: là giá trị cực đại của điện áp ngược thực tế đặt trên Tiristor Uim = 186,8 V

Ku: là hệ số dự trữ điện áp Ku = 1,6

Ta tính được K = 300/ (1,6.186,8) = 1,67

- Xát định các thông số trung gian: C*

min(K), R*

max(K), R*

min(K)

min(K) = 0,85; R*

min(K) = 0,75

R*

max(K) = 1,75

Khi chuyển mạch ta có phương trình:

Lba

- Xát định điện lượng tích tụ

Bằng cách sử dụng đường cong trong sổ tay tra cứu, theo hình X.10

( tr 258-ĐTCS-Nguyễn Bính) với Id = 2,35 A, di /dt = 15,.10-3 A / μs

Ta tra được Q = 15 A / μs

- Xát định R ,C: