Thiết kế nguồn ổn áp một chiều công suất dùng trong phòng thí nghiệm

Những năm gần đây, khoa học kỹ thuật phát triển nhanh cha từngthấy, nhất là lĩnh vực điện tử, tin học, tự động hoá, đo lờng điều khiển,v.v… các thiết bị điện tử trong các dây chuyền sản

mở đầu

Nguồn điện một chiều đợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ ứngdụng trong sinh hoạt đến ứng dụng trong quốc phòng, công nông nghiệp,các ngành khoa học kỹ thuật và trong sản xuất công nghiệp hiện đại

Những năm gần đây, khoa học kỹ thuật phát triển nhanh cha từngthấy, nhất là lĩnh vực điện tử, tin học, tự động hoá, đo lờng điều khiển,v.v… các thiết bị điện tử trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, cácdụng cụ đo lờng tự động, các hệ thống điều khiển với độ chính xác cao, cácloại máy tính điện tử với tốc độ tính toán nhanh đợc ứng dụng trong côngnghiệp, trong đo lờng và điều khiển, v.v… hầu hết đều cần một nguồn cungcấp điện một chiều để hoạt động Chính vì vậy đòi hỏi có một nguồn điệnmột chiều tơng ứng; đáp ứng đợc những nhu cầu mới, nh có điện thế, dòng

điện lớn, kích thớc gọn nhẹ, làm việc tin cậy, chính xác, độ ổn định cao, khảnăng làm việc lâu dài, chịu đợc các điều kiện môi trờng làm việckhácnhau các nguồn điện một chiều này có thể là các loại pin, ắc quy, nhngphổ biến hơn vẫn là nguồn điện một chiều đợc lấy sau bộ chỉnh lu Do vậyviệc thiết kế một bộ nguồn cung cấp là rất quan trọng và thiết thực Do đó

em đã đợc giao đề tài “Thiết kế nguồn ổn áp một chiều công suất dùngtrong phòng thí nghiệm”

Để hoàn thành đồ án này, ngoài sự cố gắng của bản thân, còn có sựgiúp đỡ tận tình của thấy giáo Đỗ Trọng Tín Trong đó cũng phải kể đếnnhững cuốn sách tài liệu tham khảo của các giáo s , tiến sỹ đã dày côngnghiên cứu , đợc nhà xuất bản KH-KT in ấn và phát hành Điều đó đã tạo

điều kiện thuận lợi cho em đợc tiếp thu, học hỏi và nghiên cứu để đồ án của

em đợc hoàn thành /

Nội dung đồ án gồm 4 chơng

Ch

ơng I - Giới thiệu chung về nguồn ổn áp

I- Giới thiệu về nguồn ổn ápII- Sơ đồ cấu trúc bộ ổn áp một chiều

Ch

ơng II - Tính chọn phơng án mạch lực

I- Trình bày các sơ đồ chỉnh luII- Nguyên lý hoạt động

III- Phân tích u nhợc điểm của từng phơng án IV- Đánh giá lựa chọn phơng án

Ch

ơng III - tính toán và thiết kế mạch Lực

I - Tính toán máy biến ápII- Tính chọn cuộn kháng lọcIII- Tính chọn van

Ch

ơng IV - Tính toán và thiết kế mạch điều khiển

I - Sơ đồ khối của mạch điều khiển II- Nguyên tắc điều khiển

Đề tài: Thiết kế nguồn ổn áp một chiều 2

Giới thiệu chung về nguồn ổn ápI- Giới thiệu về nguồn ổn áp

Những năm gần đây, khoa học kỹ thuật phát triển nhanh cha từngthấy, nhất là lĩnh vực điện tử, tin học, tự động hoá, đo lờng điều khiển,v.v… các thiết bị điện tử trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, cácdụng cụ đo lờng tự động, các hệ thống điều khiển với độ chính xác cao, cácloại máy tính điện tử với tốc độ tính toán nhanh đợc ứng dụng trong côngnghiệp, trong đo lờng và điều khiển, v.v… hầu hết đều cần một nguồn cungcấp điện một chiều để hoạt động Chính vì vậy đòi hỏi có một nguồn điệnmột chiều tơng ứng; đáp ứng đợc những nhu cầu mới, nh có điện thế, dòng

điện lớn, kích thớc gọn nhẹ, làm việc tin cậy, chính xác, độ ổn định cao, khảnăng làm việc lâu dài, chịu đợc các điều kiện môi trờng làm việckhácnhau các nguồn điện một chiều này có thể là các loại pin, ắc quy, nhngphổ biến hơn vẫn là nguồn điện một chiều đợc lấy sau bộ chỉnh lu

II- sơ Đồ cấu trúc bộ ổn áp một chiều

* Chức năng các khối :

3- lọc : làm nhiệm vụ lọc phẳng dòng điện sau chỉnh lu

4- Tải

5- ĐK : Điều khiển góc mở của các van

Ch ơng IITính chọn phơng án mạch lực

Để biến điện áp xoay chiều sang điện áp một chiều ta có nhiều phơngpháp nh sử dụng bộ biến đổi một pha, ba pha hình tia, cầu ba pha …

ở đây ta chỉ xét các phơng pháp sau :

1- Chỉnh lu điều khiển cầu 1 pha, tải R+L :

Đề tài: Thiết kế nguồn ổn áp một chiều 4

T2,4

ii

R

U d R

D¹ng ®iÖn ¸p h×nh trang bªn.

§Ò tµi: ThiÕt kÕ nguån æn ¸p mét chiÒu 6

θ θ θ

a

id

i d

Ud

* Giải thích nguyên lý:

D2 cho dòng chảy qua Khi U2 bắt đầu đổi dấu, D1 mở ngay, T1 tựnhiên khoá lại, dòng Id = id chuyển từ T1 sang D1

Khi D1 và D2 cùng cho dòng chảy qua Ud = 0

Khi θ = θ3 = (Π + α) cho xung mở T2, dòng tải id = Id chảy qua D1 vàT2 đi ốt D2 bị khoá lại

Trong sơ đồ này, góc dẫn của tiristor và điốt không bằng nhau

αθ

Π

=

ΠΠ∫ U d U Giá trị trung bình của dòng tải :

10

ID = = Π+ Π

ΠΠ∫+ ( )/22

10

αθ

d d

I d I

Điện áp ngợc cực đại đặt lên van :

- Đấu Katốt chung : T1, T3 , T5

- Đấu Anốt chung : T2 , T4 , T6

α α

§iÖn ¸p trong t¸i Ud :

- Số van điều khiển ít, nên ít kênh điều khiển, vốn đầu t giảm, hệthống điều khiển đơn giản.

- Mạch lực đơn giản, đảm bảo kinh tế

- Cùng một dải điều chỉnh thì cầu 1 pha không đối xứng điều chỉnhchính xác hơn

Những u điểm đó đủ đảm bảo về yêu cầu kỹ thuật và thiết kế ngoài

ra nó còn có u điểm kinh tế

Từ đó ta đi đến chọn phơng án dùng “Sơ đồ mạch chỉnh lu cầu mộtpha không đối xứng” cho mạch lực

Ch ơng IIIThiết kế và Tính toán mạch lực

Qua phân tích và tính toán chọn phơng án mạch lực ở phần trênvới các thông số kĩ thuật đã cho :

Trong đó :

- áptômát AT : làm nhiệm vụ đóng cắt dòng từ lới điện cho MBA lực,

có bảo vệ quá dòng, quá áp và ngắn mạch

- Cuộn kháng san bằng CK : làm nhiệm vụ hạn chế các thành phầnsóng hài bậc cao và hạn chế vùng dòng điện gián đoạn

- Hộp điều khiển BOX : làm nhiệm vụ cấp các xung điều khiển cho cácvan

2- Giải thích nguyên lý hoạt động của sơ đồ :

Đóng AT cấp nguồn cho máy biến áp

- Khi θ = θ1 mạch điều khiển cho xung điều khiển mở Thyristor T1 Trong

ngay, T1 tự nhiên bị khoá lại, dòng id= id chuyển từ T1 sang Đ1 Lúc này

Đ1 và Đ2 cùng cho dòng chảy qua, Ud = 0

- Khi θ= θ3= π+ α hộp BOX cho xung mở T2 Dòng tải id= id chảy qua Đ1 và

T2 Điốt Đ2 bị khoá lại

- Quá trình lập lại nh trên Sơ đồ này chỉ dùng 2 Thyristor và 2 điốt nên giá rẻ, dễ điều khiển

i- Tính máy biến áp lực (MBA)

1- Tính mạch từ :

Ta có Udo = Ud + Σ∆Ud

Với Σ∆Ud = ∆UBA+ ∆UCK + ∆Udvan

Trong đó :

- ∆UBA là tổn thất điện áp trên MBA, khoảng 4%

U2 =

)2

31(2

32,2714,3

+

ì

= 33 V

Mạch RC, ta sử dụng các chữ viết tắt sau đây :

Uđmp , Uimp : Giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận - ngợc đặt lêntrên điốt hoặc Thyristor một cách chu kỳ

Đề tài: Thiết kế nguồn ổn áp một chiều 16

Sơ đồ mạch lc là cầu chỉnh lu một pha không đối xứng nên :

S

(cm2)

S - Công suất biểu kiến của máy biến áp (KVA , VA)

c - Số trụ, ở đây c = 1

f - Tần số nguồn điện xoay chiều, f = 50 Hez

Ta sử dụng máy biến áp khô, lấy K = 6

Vậy có : Q = 6

50.1

1282 = 30 cm2

2- Tính dây quấn :

Số vôn/vòng đợc tính theo công thức :

Vôn/vòng = 4,44.B.Q.f (vôn/vòng)

Trong đó : B - là cờng độ từ cảm T (Tesla), chọn B = 1 T

Q- là tiết diện lõi sắt

f - là tần số dòng điện, f = 50 Hz

4,44 - là hệ sốVậy :

Vôn/vòng = 4,44 ì1 ì 30 ì10-4 ì 50 = 0,66 Vôn/vòng

* Số vòng cuộn sơ cấp :

66,0

220/

1

vong Von

33/

vong Von

* Dây quấn sơ cấp :

Tiết diện dây quấn sơ cấp :

S1 =

2

83,5

1 =

J

Đờng kính dây quấn sơ cấp :

Đề tài: Thiết kế nguồn ổn áp một chiều 18

d1 =

14,3

9,2.4

4 1

=Π

* Dây quấn thứ cấp :

- Tiết diện dây quấn thứ cấp S2 =

J

I2 =

2

85,

Ta chọn là dây đồng bọc sợi thủy tinh, hình chữ nhật có kích thớc :

Vậy qua các thông số tính toán ở trên, theo tài liệu hớng dẫn – Sách

Điện Tử Công Suất – Tác giả : Nguyễn Bính , ta chọn MBA loại

thớc sau :

a2

Điện áp và dòng điện sau khi đợc chỉnh lu vẫn bị nhấp nhô, dao động

cuộn kháng san bằng để san phẳng điện áp nhấp nhô nói trên Nhng

điện cảm hay dòng tải có giá trị lớn nhất hay nhỏ nhất

Rt - là điện trở của tải

* Tính điện trở R t của tải :

U R

X T + t

×Π

U R X

U d × Π× T + t

×

= 0,04 ( víi U2 = 33 V )

Thay số ta đợc :

2

2 (0,68)14

,3324

3324

63,20

Đề tài: Thiết kế nguồn ổn áp một chiều 22

Ilv =

%25

tb

I

Ilv =

%25

5,

Trong các bộ biến đổi dùng van bán dẫn cần phải có các phần tử bảo vệ

sự tăng trởng dòng và áp cho van , trong sơ đồ của ta đang xét dùngmáy biến áp nên thành phần cảm kháng của máy biến áp đã giúp tabảo vệ, hạn chế sự tăng trởng dòng điện Vì vậy ta chỉ tính toán bảo vệquá điện áp

Thyristor rất nhạy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp định mức

Ng-ời ta chia làm hai loại nguyên nhân gây nên quá điện áp :

- Nguyên nhân nội tại : Đó là sự tích tụ điện tích trong các lớp bán

dẫn Khi khoá Thyristor bằng điện áp ngợc, các điện tích nói trên đổingợc lại hành trình, tạo ra dòng điện ngợc trong khoảng thời gian rấtngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngợc gây ra sức điện

động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm (luôn luôn có) của đờng dây từnguồn dẫn đến các Thyristor Vì vậy giữa anốt và catốt của Thyristorxuất hiện quá điện áp

Đề tài: Thiết kế nguồn ổn áp một chiều 24

ngẫu nhiên nh khi cắt không tải một máy biến áp trên đờng dây, hoặckhi một cầu chì bảo vệ chảy, hoặc khi có sấm sét…

Nói chung các nguyên nhân gây quá áp cho van gồm:

- Qúa áp từ lới điện

- Qúa áp do đóng ngắt các khối chức năng của bản thân bộ chỉnh lu

- Do hiện tợng chuyển mạch giữa các van khi làm việc

Để bảo vệ quá điện áp ngời ta thờng dùng mạch RC mắc song song vớiThyristor

Mạch RC đấu song song với Thyristor, nhằm bảo vệ quá điện áp do tích

tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên

+ Tính R – C

Xác định hệ số quá điện áp theo công thức :

K =

Uim b

Uimcp

ngtt

U Uimcp

100

Thy

- Xác định các thông số trung gian : C*min (K), R*max (K) , R*min (K) sử

mạch điện tử công suất – Tác giả Phạm Quốc Hải, ta tìm đợc :

C*min(K) = 1,5 ; R*max(K) = 1,5 ; R*min(K) = 0,7

Sử dụng các đờng cong trong sách tài liệu tham khảo với :

2

≤ R ≤ R*max

Q

Uim L

Ch ơng IVThiết kế và Tính toán mạch Điều khiển

Qua các bớc tính toán ở phần xây dựng mạch lực ta xây từng bớc dựng

đợc mạch điều khiển để điều khiển cho mạch lực làm việc nh sau :

I- Sơ đồ khối của mạch điều khiển

Trong đó :

Ucm : Điện áp điều khiển(điện áp 1 chiều)

Hiệu điện áp Ucm – Ur đợc đa vào khâu so sánh làm việc nh

nhận đợc một chuỗi xung hình chữ nhật

Khâu 2 là một đa hài một trạng thái ổn định

Khâu 3 là khâu khuếch đại xung

Khâu 4 là khâu biến áp xung

U r

U cm

khiển tức là điều chỉnh đợc góc mở α.

II - Các nguyên tắc điều khiển.

Có hai nguyên tắc điều khiển cơ bản sau đây:

a)- Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Trong nguyên tắc này ngời ta dùng hai điện áp đó là:

- anốt- catốt của Thyristor

- độ

Ngời ta lấy Ucmax = Urmax Vậy α =

max

Uc Uc

Đề tài: Thiết kế nguồn ổn áp một chiều 28

b)- Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS.

Theo nguyên tắc này ngời ta cũng dùng hai điện áp:

- bằng π/2

( Với UAK= Asin(ωt) thì Ur= B cos(ωt) )

Tổng đại số (Ur+Uc) đợc đa đến đầu vào của một khâu so sánh

Uc+ Bcosα = 0 Khi đó α= arccos(α/β) Ngời ta lấy β= Ucmax

Mạch điều khiển có các chức năng sau :

- Điểu khiển đợc vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dơngcủa điện áp đặt trên anốt, ca tốt, Thyristor

Đề tài: Thiết kế nguồn ổn áp một chiều

thờng có biên độ từ 2 ữ10V, độ rộng xung tx = 20 ữ100 às đối với thiết

bị chỉnh lu, tx ≤ 10 às đối với thiết bị biến đổi tần số cao)

Độ rộng xung đợc xác định theo biểu thức :

tx =

dt di

Idt

/

Hệ thống điều khiển các thiết bị biến đổi dùng để hình thành và tạo ra các xung điều khiển có dạng xung và so sánhộ rộng xung nhất định, phân bố chúng theo các pha và thay đổi thời điểm đa xung kích thông vào các van của bộ biến đổi

Các yêu cầu cơ bản của hệ thống điều khiển cácbộ biến đổi phụ thuộcvàodạng phần tử, các chế độ làm việc của chúng và đặc tính của tải Vì vậy các yêu cầu chính cần có của mạch điều khiển là:

1) - Đảm bảo phát xung với đủ các yêu cầu để mở van:

* Đủ biên độ Uc

* Đủ độ rộng xung(tc)

* Sờn xung phải ngắn(ts= 0,5ữ1às)

* Đảm bảo tính đối xứng đối với các kênh điều khiển

Các xung điều khiển phải đảm bảo đối xứng theo pha Nếu không đảm bảo đối xứng các xung điều khiển thì các Thyristor của bộ biến đổi nhiềupha sẽ gây ra sự không cân bằng về giá trị trung bình của dòng chảy qua các Thyristor đó

Ví dụ với sơ đồ điều khiển các Thyristor trong sơ đồ chỉnh lu nhiều pha thì độ lệch pha cho phép của các xung điều khiển ở các kênh khác nhau

* Đảm bảo cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực.

Biến áp xung thờng đợc sử dụng nh một khâu truyền xung cuối

cùng ở tầng khuếch so sánhại xung Điện áp chịu đựng giữa sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp phải đạt đợc từ 1500V đến 2000V khi sơ đồ làmviệc với điện áp lới điện 3 380 VAC

* Đảm bảo đúng quy luật thay đổi về pha của xung điều khiển

dụ đối với chỉnh lu có điều khiển hoặc các sơ đồ biến đổi xung áp xoay

thay đổi đợc trong phạm vi 100ữ1700

vào sự thay đổi của điện áp lới

* Không gây nhiễu đối với các hệ thống điều khiển điện tử khác ở xung

quanh

* Có khả năng bảo vệ quá áp , quá dòng, mất pha… và báo hiệu khi có sự

cố

IV - Mạch điều khiển

Dựa trên các phân tích về mạch lực và mạch diều khiển ta xây dựng

đ-ợc mạch điều khiển sau :

1 – Sơ đồ nguyên lý và dạng điện áp tại các điểm đo

Hình vẽ trang bên :

2 – Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển

Điện áp ra bên thứ cấp của máy biến áp (MBA) đợc chỉnh lu và lọc

điện áp dơng

Tại điểm B, nếu UB >0 thì D3 khóa, tụ C7 đợc nạp ngợc về 0 theo đờng VR1-R7-C7-đầu ra của OA2.Còn nếu UB< 0 thì D3 thông, tụ C7 đợc nạp từ

của OA3 là điện áp âm

này đợc trộn với tín hiệu lấy từ bộ phát xung chùm có tần số 100 KHez

đặt vào Bazơ của Tranzitor T1 làm cho T1 mởkích thích T2 mở Lúc đó

sẽ có từ thông móc vòng từ sơ cấp máy biến áp xung(BAX) sang thứ cấp BAX và xuất hiện xung mở Thyristor Th1 ở mạch lực

Tơng tự với nửa chu kì sau khi T3, T4 mở cho xung điều khiển mở

- Mức sụt biên độ xung : S = 0,15

7,0

B

I U S

V =

( )2

4 6

4

7,0

233,05,1015,010610104,

= 6,3 cm3 Chọn Q = 2,25 (cm2)

1065,10

- Số vòng dây cuộn thứ cấp BAX:

W2 =

1

1 2

d1 =

π1

4S =

14,3

1165,0

175,0

2- Tính chọn khâu khuếch đại xung

điểm H thành tín hiệu cung có biên độ , độ rộng và công suất đủ lớn đểkíck mở tranzito T1

D

36

ECT

I =

233,0

6,0

= 2,6 Ω

tù

3- Tính chọn khối nguồn

Khối nguồn có nhiệm vụ :

- Cấp nguồn điều khiển

- Cấp nguồn nuôi cho các khuếch đại thuật toán

- Cấp nguồn cho mạch công suất

P = P2-1 + P2-2

P = U2-1 × I2-1 + U2-2 × I2-2

P = 34 × 0,5 + 24 × 1

P = 41 W

- s¸ch ®iÖn tö c«ng suÊt - Víi c«ng suÊt P = 41 W ta cã c¸c kÝch th ícm¹ch tõ :

vong von =

S

K =

6,8

25,0

5,0

§Ò tµi: ThiÕt kÕ nguån æn ¸p mét chiÒu 40

4- Tính chọn khâu tạo điện áp đồng pha

Điện áp đặt vào cửa (+) của OA1 là điện áp hình sin âm

Chọn Uθ = 1 V

- 24 VR4

⇒ 1 = 12 sinθ

⇔ sinθ =

121

42

Ur = ± 25v K = S.10

tụ C7 đợc nạp theo đờng ra của OA2 với dòng nạp :

In = -

1

7 VR R

E

+

điện từ ( phần dơng của tụ ) qua R5, D5

E dt VR R

E C

dt In C

t t

=

=+

= ∫

171

1.1

1

0 0

10.121

tn E

Chọn VR1 =0,5 K Ω ; R7 = 100 Ω

6- Tính chọn khâu so sánh

Mạch so sánh thực hiện hai tín hiệu là điện áp điều khiển đợc đặt vàocửa (+) của OA3 và điện áp răng ca đặt vào cửa (-) của OA3

Khi Uđk > URC thì đầu ra của OA3 là điện áp (+)

Khi Uđk < URC thì đầu ra của OA3 là điện áp (-)

Đề tài: Thiết kế nguồn ổn áp một chiều

Ta cã chu k× T

T = 2 × R20 × C9 × ln(1+

21

222

R

R

1010

1

×

Chän D6, D7 lo¹i 1010 cã U = 220 V , I = 1 A

8- Kh©u ph¶n håi ®iÖn ¸p

Chän Rf >> R10, do vËy dßng qua R10 chän cì 10mA

VR2C8