Chương III. Phân tích, lựa chọn và tính toán bộ biến đổi pot

CHƯƠNG III PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN BỘ BIẾN ĐỔIQua phần khảo sát hệ thống cân băng của nhà máy ở Chương II, ta tận dụng động cơ một chiều của nhà máy để thiết kế lại bộ biến đổi

CHƯƠNG III PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN BỘ BIẾN ĐỔI

Qua phần khảo sát hệ thống cân băng của nhà máy ở Chương II, ta tận dụng động cơ một chiều của nhà máy để thiết kế lại bộ biến đổi cũng như mạch điều khiển cho hệ truyền động cân băng định lượng

0, 01166 (2,5 11, 2)

0, 0003 (1600 / 9,55)

dm dm dm

N0

36946

3.2 Lựa chọn bộ biến đổi.

Theo yêu cầu của hệ truyền động thì bộ biến đổi có nhiệm vụ cung cấp điện ápcho phần ứng động cơ do vậy và điện áp này có thể điều chỉnh được để thay đổi tốc

độ động cơ Chính vì vậy sơ đồ phải điều khiển được Xét về phương diện điềukhiển thì để ổn định tốc độ của máy ở phụ tải nhất định thì điện áp đặt vào động cơphải có độ ổn định cao

Các phương án của mạch chỉnh lưu là:

- Chính lưu 1 pha

- Chỉnh lưu hình tia 3 pha

- Chỉnh lưu cầu 3 pha

- Chỉnh lưu hình tia 6 pha

- Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng

Tuy nhiên chinh lưu 1 pha cho công suất bé, không thích hợp với công suất lớn.Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng lại không có ứng dụng thực tế vì trong sơ

đồ có hiện tượng từ hoá cưỡng bức 1 chiều, bên cạnh đó cuộn kháng sẽ rất lớn cồngkềnh và đắt tiền và hiệu suất sử dụng không bằng được chỉnh lưu cầu 3 pha Chỉnhlưu hình tia 6 pha thì việc chế tạo máy biến áp 3 pha 6 cuộn dây rất phức tạp Dướiđây ta sẽ lân lượt phân tích các phương án còn lại

3.2.1 Mạch chỉnh lưu tia 3 pha.

T 1

T 2

T 3

a a

b

C

b

Hình 3.1 Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha hình tia.

- Điện áp cung cấp là điện áp 3 pha

sin( )

2 sin( )

3 2 sin( )

Hình 3.1 Đồ thị dòng điện chỉnh lưu 3 pha hình tia.

-  là góc mở thyristor được tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên

- Giá trị trung bình điện áp ra tải :U d 1,17 .cosU2 

- Dòng điện trung bình ra tải: 

d d

U I R

- Mỗi van dẫn 1/3 chu kì nên dòng điện chảy qua thyristor : 3

d V

I

i 

- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên mỗi van :U ngmax 2,45U2

- Góc trùng dẫn γ xác định bởi biểu thức : Cos-Cos(+γ)=

2 C d

m

X I U

- Tổn thất điện áp khi trùng dẫn :

3 2

- Hiệu suất sử dụng máy biến áp :

1,35



ba d

S P

- Hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu:

- Um1 : Biên độ thành phần sóng hài bậc 1 của điện áp chỉnh lưu

- Ưu nhược điểm của sơ đồ :

T 1 T 3 T 5

Z t

a b c

Hình 3.2 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng.

Dạng điện áp và dòng điện:

Hình 3.3 Đồ thị điện áp và dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng.

Ua = 2U2sin

Ub = 2U2sin( -

2 3



) 101\* MERGEFORMAT (.)

Uc = 2U2sin( -

4 3



)Khi làm việc các diode chuyển mạch tự nhiên còn các tiristo chuyển mạch ở cácthời điểm cấp xung điều khiển theo góc điều khiển  Khi <60o thì điện áp Ud luôndương Nhưng khi >60o sẽ xuất hiện các giai đoạn 2 van thẳng hàng cùng dẫnđiện đồng thời T1-D4, T3-D6,T5-D2; khi đó dòng điện Id = 0 chỉ chảy trong tải màkhông chảy về nguồn nên năng lượng được giữ ở tải không trả về nguồn

- Ta có thể coi sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng tương đương 2 mạchchỉnh lưu hình tia:

- Chỉnh lưu hình tia 3 pha điều khiển gồm T1, T3, T5 có:

UK = UdoTiacos = 1,17U2cos

- Chỉnh lưu hình tia 3 pha không điều khiển gồm D2, D4, D6 có:

UA = UdoTiacos = 1,17U2

- Tổng hợp lại ta có:

- Giá trị trung bình điện áp trên mạch tải:

Ud = UK + UA = 1,17U2(1 + cos) = 2,34U2.

1 cos 2

= Udmax

1 cos 2

- Mỗi van dẫn 1/3 chu kì nên dòng điện trung bình qua van :

3

d V I

i 

- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van : Ungmax 1,05.U2

- Số lần đập mạch trong toàn dải điều chỉnh : mđm=3 ; khi α=0 mới có mđm=6

- Hệ số công suất cosφ cao : 2





(so với mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng φ=α)

- Khi góc mở α llớn hơn 600 thì dòng điện trở thành dòng gián đoạn

- Ưu nhược điểm của sơ đồ:

Ưu điểm:

- Mạch điều khiển đơn giản

- Hệ số công suất cos lớn hơn so với sơ đồ điều khiển hoàn toàn do sốvan ít hơn

3.2.3 Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng.

T1 T3 T5

T4 T6 T2

Zt

a b c

Hình 3.5 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng.

- Sơ đồ gồm có 6 thyristor chia làm 2 nhóm : nhóm Catốt chung T1, T3, T5 vànhóm Anốt chung T2, T4, T6

- Nguyên lý hoạt động của sơ đồ :

- Giả thiết ban đầu T5 ,T6 dẫn dòng



6 cho xung điều khiển mở T1 thyristor này mở vì lúc đó ua

>0 Sự mở của T1 làm T5 khoá một cách tự nhiên vì ua>uc Lúc này có dòng chạyqua T1,T6

cho xung điều khiển mở T2 thyristor này mở vì lúc đó ub

>uc Sự mở của T2 làm T6 khoá một cách tự nhiên.Lúc này có dòng chạy qua T1,T2

Các xung điều khiển lệch nhau 3

Hình 3.4 Dạng điện áp và dòng điện của chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng.

- Điện áp trung bình ra tải : Ud=2,34U2cos

- Dòng điện trung bình ra tải: 

d d

U I R

- Mỗi van dẫn 1/3 chu kì nên dòng điện chảy qua thyristor : 3

d V

I

i 

- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên mỗi van : Ungmax=2,45.U2

- Góc trùng dẫn γ được xác định bởi biểu thức : Cos-Cos(+γ)= m

d C U

I X

3 2

- Tổn thất điện áp khi trùng dẫn :  

d

C I X

S P

- Hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu:

U k U

- Ưu nhược điểm của mạch :

- Ưu điểm:

- Hệ số đập mạch nhỏ nên điện áp ra bằng phẳng , chất lượng tốt

- Điện áp 1 chiều trung bình lớn hơn chỉnh lưu hình tia

- Điện áp cầu 3 pha có hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt nhất

- Nhược điểm:

- Mạch điều khiển phức tạp,tốn kém

KẾT LUẬN:

Qua các phân tích trên, ta thấy sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điểu khiểnhoàn toàn là thích hợp nhất đối với động cơ điều khiển cân Dosimat Sơ đồ chỉnhlưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn có đáp ứng tốt nhất cho yêu cầu về chất lượngđiện áp và cả về kỹ thuật như:

+ Sơ đồ cầu có điện áp ngược đặt lên van nhỏ hơn hai lần so với sơ đồ hìnhtia

+ Sơ đồ cầu máy biến áp được tận dụng khả năng triệt để hơn (công suất yêucầu nhỏ hơn 30% so với sơ đồ hình tia)

+ Sơ đồ cầu cho ta dạng điện áp và dòng chỉnh lưu tốt hơn, độ nhấp nhô íthơn

+ So với sơ đồ hình tia kích thước cuộn kháng lọc bé hơn,và dễ chế tạo hơn.+ So với sơ đồ cầu 3 pha bán điều khiển thì sơ đồ 3 pha bán điều khiển cónhiều bất lợi hơn như : không hoàn trả năng lượng về nguồn được khi 2 van thẳnghàng cùng dẫn điện, chất lượng điện áp phụ thuộc vào góc điều khiển α, hệ số đậpmạch nhỏ (mđm=3) khi α lớn Làm lệch pha lưới điện khi thay đổi góc điều khiển

3.3 Tính toán và lựa chọn các thiết bị.

3.3.1 Tính toán biến áp nguồn.

Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đầu dây ∆/Y làm mát bằng không khí tựnhiên

Hình 3.5 Sơ đồ bộ biến đổi và máy biến áp nguồn

1- Công suất biểu kiến MBA:

d s

P P

3- Điện áp thứ cấp máy biến áp:

Điện áp không tải của bộ chỉnh lưu Ud0 phải thoả mãn phương trình:

Ud0.cosmin = UĐCdm + Uv + Uba + ULK Trong đó:

- Ud0 : điện áp không tải của chỉnh lưu

- min : góc điều khiển cực tiểu Sơ đồ không đảo chiều, ta chọn chỉnhlưu cầu 3 pha => min = 12o

- Uv : tổng sụt áp trên van Mỗi thời điểm chỉ có 2 van dẫn Thôngthường sụt áp trên van thyristor khoảng từ 1 – 2 V Chọn Uv=1,5 [V] nên:

6- Tính sơ bộ mạch từ :

 Tính tiết diện trụ :

.

7- Tính toán dây quấn :

Số vòng mối pha sơ cấp MBA :

1

3,1 1,2 2,75

2

2

9,1 3,32 2,75

Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm theo chiều dọc trục.Tính số vòng dây trên 1 lớp của cuộn sơ cấp :

1

1

2

1

1006

30 33

l

L

w n

L c

Đường kính trong cuộn sơ cấp :

L c b

Đường kính trong cuộn thứ cấp

8- Các thống số của máy biến áp:

Điển trở trong của cuộn sơ cấp MBA ở 750C là :

R1 =

1

1

391,69 0,02133 4,85

1,72

L S

201,35 0,02133 0,204

3,33

L S

1006 = 0,594 []

Điện kháng của máy biến áp là

XBA= er

2 2

đmba

m U

S =

2 3.108 0,08.

2587,2 1,08 [](Với MBA 3 pha 3 trụ có er = 0,08)

Sụt áp trên điện trở MBA là

Ur = 1,66.Id = 18,59 [V]

Điện cảm cuộn kháng quy đổi về thứ cấp

Lba =

1,08 314

[V]

du/dt[V/μs]s]

di/dt[V/μs]s]

3.3.3 Tính toán cuộn kháng lọc một chiều.

Ta có công thức:

.

dm vao sb

dm ra

K k K

sb

Vậy:

2 1

f



[H]

3.3.4 Thiết kế bảo vệ cho thyristor.

3.3.4.1 Bảo vệ quá nhiệt.

Khi làm việc các thiết bị bán dẫn công suất có các tổn hao gây phát nóng thiết

bị Các nguyên nhân gây phát nóng gồm:

- Tổn hao công suất khi dẫn ( theo chiều thuận ) Tổn hao này bằng tích điện

áp và dòng điện thuận Đây là nguyên nhân chính gây phát nóng

- Tổn hao do dòng điện rò ở trạng thái khóa

-Tổn hao do trong mạch điều khiển do năng lượng xung điều khiển gây ra Thực tế tổn hao này rất nhỏ, có thể bỏ qua

- Tổn hao do chuyển mạch là tổn hao năng lượng quá độ từ trạng thái dẫn sang trạng thái khóa và ngược lại Tổn hao chuyển mạch tỷ lệ với tần số và làm hạnchế tần số làm việc của thiết bị.

Vì vậy trong quá trình thiết kế ta phải tính toán làm mát cho linh kiện bán dẫn Tuy nhiên ta sẽ dùng bộ làm mát do nhà sản xuất cung cấp mà không phải thiết kế

3.3.4.2 Bảo vệ quá áp.

Linh kiện bán dẫn nói chung và bán dẫn công suất nói riêng, rất nhạy cảm với

sự thay đổi của điện áp Những yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới van bán dẫn màchúng ta cần có phương thức bảo vệ là:

- Điện áp đặt vào van lớn quá thông số của van

- Xung điện áp do chuyển mạch van

- Xung điện áp từ phía lưới xoay chiều, nguyên nhân thường gặp là do cắt tải

có điện cảm lớn trên đường dây

- Xung điện áp do cắt đột ngột biến áp non tải

- Để bảo vệ cho van khi làm việc dài hạn mà không bị quá điện áp, chúng tacần chọn đúng các van bán dẫn theo điện áp ngược

- Bảo vệ xung điện áp do quá trình đóng cắt các van được dùng bằng cácmạch R - C mắc song song với các van bán dẫn Sơ đồ đơn giản của loại mạch này

mô tả như hình vẽ

Hình 3.6 Mạch bảo vệ quá áp cho thyristor.

Khi có sự chuyển mạch, do phóng điện từ van ra ngoài tạo nên xung điện áptrên bề mặt tiếp giáp van Mạch R - C mắc song song với van bán dẫn tạo mạchvòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van Các giá trị của R, C

có thể được tính toán bằng công thức nhưng thực tế người ta dùng công thức thựcnghiệm:

C = 0,6F ; R = 100

Để bảo vệ xung điện áp từ phía lưới xoay chiều, ta mắc mạch R - C như hình Nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây

Hình 3.7 Cách mắc R-C chống xung quá áp từ lưới

Trị số R - C được chọn như sau

Do đó ta chọn aptomat EA52-G do Nhật chế tạo

Chọn cầu chì loại 3GD1-102-2B của Siemens có Iđmcc=12 [A]

Nhóm cầu chì thứ hai: Bảo vệ cho các thyristor

I2cc = 1,1 Ihd = 1,1

11,2

3 =5,8 [A]

Chọn cầu chì loại 3GD1-101-2B của Siemens có Iđmcc=6 [A]

Nhóm cầu chì thứ ba: Bảo vệ cho động cơ ở phía sau chỉnh lưu

I3cc = 1,1.Id = 1,1.11,2 = 12,31 [A]

Chọn cầu chì loại 3GD1-103-2B của Siemens có Iđmcc= 15 [A] sử dụng điện

áp một chiều

A B

Atomat

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch lực.