Thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất cho nguồn mạ điện một chiều

Tìm hiểu công nghệ mạ Mạ điện được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp khác nhau để chống ăn mòn,phục hồi kích thước, làm đồ tranh sức, chống ăn mòn, tăng độ cứng, dẫn điện, dẫn nhiệt

ĐỀ TÀI Thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất cho nguồn mạ điện một chiều

Có các thông số:

- Điện áp vào: 3 pha x 380V, f = 50Hz

- Điện áp ra: 12 - 24V

- Dòng tải max: Imax = 1800A

- Yêu cầu có khâu bảo vệ ngắn mạch

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

MỤC LỤC

CHƯƠNG I : TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ 5

1.1 Tìm hiểu công nghệ mạ 5

1.2 Điều kiện tạo thành lớp mạ 5

1.3 Các giai đoạn của quy trình công nghệ mạ 7

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạ 8

Chương II : GIỚI THIỆU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐTCS KHẢ THI LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU 11

2.1 Giới thiệu các bộ biến đổi điện tử công suất khả thi 11

2.2 Lựa chọn phương án tối ưu 11

2.2.1 Phương án 1 – Chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng 11

2.2.2 Phương án 2 – Chỉnh lưu hình tia sáu pha có cuộn kháng cân bằng 15

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 19

3.1 Tính chọn van và bảo vệ van 19

3.1.1 Điện áp ngược của van 19

3.1.2 Tính dòng điện van 20

3.2 Tính toán máy biến áp lực 20

3.3 Tính toán cuộc kháng lọc 31

3.3.1 Xác định góc mở cực tiểu và cực đại 32

3.3.2 Xác định điện cảm cuộn kháng lọc 32

3.3.3 Thiết kế cuộn kháng lọc 33

3.4 Tính chọn các thiết bị bảo vệ 36

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 39

4.1 Yêu cầu chung đối với mạch điều khiển 39

4.2 Cấu trúc mạch điều khiển 39

4.3 Các khâu cơ bản của mạch điều khiển 40

4.3.1 Khâu đồng pha (DF) 40

4.3.2 Khâu tạo điện áp răng cưa 45

4.3.3 Khâu so sánh 47

4.3.4 Khâu tạo xung chùm 48

4.3.5 Khâu khuếch đại xung và biến áp xung 50

CHƯƠNG V : MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG MẠCH THIẾT KẾ 57

5.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 57

5.2 Kết quả mô phỏng 57

KẾT LUẬN VÀ NHẬN XÉT 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

CHƯƠNG I : TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ

1.1 Tìm hiểu công nghệ mạ

Mạ điện được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp khác nhau để chống ăn mòn,phục hồi kích thước, làm đồ tranh sức, chống ăn mòn, tăng độ cứng, dẫn điện, dẫn nhiệt,phàn quang, dễ hàn… Về nguyên tắc, vật liệu nền có thể là kim loại, hợp kim, đôi khi còn

là chất dẻo gốm sứ hoặc composite Lớp mạ cũng vậy, ngoài kim loại và hợp kim ra nócòn có thể là composite của kim loại - chất dẻo, hoặc kim loại – gốm… Tuy nhiên việcchọn vật liệu nền và mạ còn tuỳ thuộc vào trình độ và năng lực công nghệ vào tính chấtcần có ở lớp mạ và vào giá thành Xu hướng chung là dùng vật liệu nền rẻ, sẵn có còn vậtliệu mạ đắt, quí hiếm hơn nhưng chỉ là lớp mỏng bên ngoài

Như vậy: Mạ điện là một quá trình điện kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ

có những tính chất cơ, lý, hoá đáp ứng được nhu cầu mong muốn

1.2 Điều kiện tạo thành lớp mạ

Mạ điện là quá trình điện phân Quá trình điện phân xảy ra trên hai cực như sau:

- Trên anode xảy ra quá trình hoà tan kim loại:

M - ne → Mn+ (1)

- Trên cathode cation nhận điện tử tạo thành nguyên tử kim loại mạ:

Mn+ + ne → M (2)Với các điều kiện điện phân thích hợp thì quá trình (1) và quá trình (2) sẽ cân bằngnhau Do đó nồng độ ion Mn+ trong dung dịch sẽ luôn không đổi, điều này có ảnh hưởnglớn đến chất lượng lớp mạ Trong một số trường hợp người ta dùng điện cực trơ khi đódung dịch sẽ đóng vai trò chất nhường điện từ, vì vậy phải liên tục bổ sung vào dung dịchdưới dạng muối Lúc đó phản ứng chính trên anode chỉ là quá trình giải phóng khí O2

a) Điện cực Anode

Trong mạ điện thường dùng điện cực anode tan bằng kim loại làm lớp mạ Trong quátrình anode bị tan để cung cấp ion kim loại cho dung dịch, đảm bảo nồng độ ion trongdung dịch là không đổi Phản ứng trên anode lúc này là:

M - ne → Mn+

Trong trường hợp dùng anode trơ nhơ:

Platin, carbon… thì quá trình chính trên anode là :

4OH− - 4e → 2H2O + O2 (môi trường kiềm)

Để giữ cho nồng độ các ion kim loại không đổi thì phải bổ sung thêm cho nó chấtthích hợp.

b) Điện cực Cathode

Điện cực cathode là vật cần mạ được nối với cực âm của nguồn điện một chiều Trêncathode xảy ra quá trình:

Mn+ + ne → MThực ra quá trình này xảy ra theo nhiều bước liên tiếp:

- Cation hydrat hoá Mn+ mH2O di chuyển từ dung dịch vào bề mặt cathode

- Cathode mất vỏ hydrat hoá (mH2O) vào tiếp xúc trực tiếp với bề mặt cathode

- Điện tử (e) từ cathode điền vào van điện tử hoá trị của cation biến nó thành phân tửtrung hoà

Các nguyên tử kim loại hoặc sẽ tham gia vào thành mầm tinh thể mới hoặc tham gianuôi lớn mầm tinh thể đã sinh ra trước đó Mầm phát triển thành tinh thể, kết thành lớpmạ

c) Dung dịch mạ

Dung dịch mạ giữ vai trò quyết định về năng lực mạ (tốc độ mạ, chiều dày tối đa, mặthàng mạ…) và chất lượng mạ Dung dịch mạ thường là một hỗn hợp khá phức tạp gồmion kim loại mạ, chất điện ly (dẫn điện) và các chất phụ gia nhằm đảm bảo thu được lớp

mạ có chất lượng và tính chất mong muốn

Dung dịch muối đơn: Còn gọi là dung dịch Acid, thành phần chính là các muối củacác Acid vô cơ hoà tan nhiều trong nước phân ly hoàn toàn thành các ion tự do Dungdịch đơn thường dùng để mạ với tốc độ mạ cao cho các vật có hình thù đơn giản

Dung dịch muối phức: Ion phức tạo thành ngay khi pha chế dung dịch Ion kim loại

mạ là ion trung tâm trong nội cầu phức Dung dịch phức thường dùng trong trường hợpcần có khả năng phân bố cao để mạ cho vật có hình dáng phức tạp

d) Chất phụ gia

Chất dẫn điện: Đóng vai trò dẫn dòng đi trong dung dịch

Chất bóng: Chất bóng thường được dùng với liều lượng tương đối lớn (vài gram/l) và

có thể bị lẫn vào lớp mạ khá nhiều Chúng cho lớp mạ nhẵn mịn và có thể làm thay đổiquá trình tạo mầm, làm tăng ứng suất nội và độ dòn

Chất san bằng: Các chất này cho lớp mạ nhẵn, phẳng trong phạm vi khá rộng (vĩ mô)

Nguyên nhân là chúng hấp thụ lên những điểm có tốc độ mạ lớn và làm giảm tốc độ ở

đó xuống Vậy là các phụ gia này đã ưu tiên hấp phụ lên các điểm lệch là chỗ có nănglượng tự do lớn hơn và lên các đỉnh lồi là chỗ có tốc độ khuếch tán lớn các phụ gia đến

đó Các phụ gia hấp phụ này sẽ làm giảm tốc độ chuyển dịch điện tử Trong thực tế,nhiều phụ gia có cả tác dụng của chất bóng và chất san bằng

Chất thấm ướt: Trong cathode thường có phản ứng phụ sinh khí Hydro Chất này thìđẩy bọt khí mau tách khỏi bể mạ, làm cho quá trình mạ nhanh hơn

Tạp chất: Là những chất không mong muốn nhưng khó tránh khỏi Chúng cứ thếphóng điện hoặc hấp thụ cathode và lẫn vào lớp mạ gây nhiều tác hại như: bong, dộp,dũn, gai…

e) Nguồn điện một chiều

Có thể là các nguồn khác nhau như: pin (battery), ắc quy, máy phát điện một chiều(DC Power Supply), có thể dùng nguồn điện hoá học… để cung cấp dòng điện một chiềucho bể mạ, bể điện phân…

Các nguồn điện trên có công suất nhỏ, khó tạo ra Do đó chỉnh lưu được sử dụng rộngrãi trong các xưởng mạ bởi vì nó đạt công suất lớn dễ sản suất…

Quá trình mạ điện có thể được miêu tả trong sơ đồ như sau:

Hình 1.1 – Sơ đồ nguyên lý mạ điện

1.3 Các giai đoạn của quy trình công nghệ mạ

Quy trình công nghệ mạ bao gồm rất nhiều bước nhưng có thể chia thành ba giai đoạnsau:

a) Giai đoạn chuẩn bị

Xét đến bản chất vật liệu hàng mạ (nền), mức độ nhiễm bẩn và độ nhẵn bề mặt củachúng Độ hấp thụ H của bề mặt mạ bảo vệ khụng được vượt quỏ 40µm, mạ trang sứcbảo vệ H < 2,5µm, mạ tăng độ cứng và mạ cách điện H < 1,25µm Chọn dung dịch mạcăn cứ vào đặc tính vật cần mạ

b) Giai đoạn mạ

Được tiến hành trong thời gian đã xác định trước Giai đoạn này cần giữ cho dòng mạkhông đổi

c) Giai đoạn hoàn thiện

Là giai đoạn gia công, làm đẹp làm hoàn thiện sản phẩm Thường là các bước trunghoà, tẩy sáng, lấp đầy lỗ…

Khối lượng kim loại kết tủa lên diện tích S có thể dựa váo định luật Faraday:

Trong đó: S : diện tích mạ (dm 2 );

D 0 : mật độ dòng điện catôt (A/dm 2 );

t : thời gian mạ (h);

H : hiệu suất dòng điện;

C : đương lượng điện hoá của kim loại mạ (g/∆h);

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạ

Chất lượng mạ một chiều được qui định bởi các yếu tố sau: độ bóng lớp mạ, độ dàylớp mạ, độ bám chặt Chế độ dòng điện cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mạ.Tuỳ theo yêu cầu của sản phẩm: cần độ bền cơ học cao hay thấp, tránh bị oxi hoá mà

độ dày lớp mạ có thể dày hay mỏng Để đạt độ dày cần thiết cần phải có thời gian mạ hợplý

Độ bám là một chỉ tiêu rất quan trọng, nó quyết định độ bền của sản phẩm, nếu lớp

mạ sau khi mạ lại có độ bám kém thì nó rất dễ bị bung ra khi đó bề mặt vật cần mạ bị lộ

ra rất dễ bị oxi hoá có thể dẫn đến hỏng, vật mạ xấu… không đáp ứng được yêu cầu củamạ

Độ bóng của bề mặt lớp mạ cũng là một thông số quan trọng, nó tăng tính thẩm mỹcho sản phẩm đặc biệt là đồ trang sức, độ bóng cao cũng tạo cho sản phẩm tăng độ bền cơhọc hơn Để tăng độ bóng thì ta dùng mạ đảo chiều vì khi mạ thì lớp mạ phủ trên bề mặtkhông đều có chỗ dày có chỗ mỏng nên cần phải có đảo chiều để cào bớt những chỗ dàyhơn đi.

Kỹ thuật mạ chỉ quan tâm đến hai trạng thái bề mặt nền là độ sạch và độ nhẵn:

- Độ sạch của nền đảm bảo cho các nguyên tử kim loại mạ liên kết trực tiếp vào mạngtinh thể kim loại nền, đạt được độ gắn bám cao nhất

- Độ nhẵn của nền ảnh hưởng rất lớn đến độ nhẵn bóng và vẻ đẹp của lớp mạ Nếu bềmặt nền nhám, xước quá thì phân bố điện thế và mật độ dòng điện sẽ không đều,chỗ lõm, rãnh sâu

Bản chất của kim loại nền cũng ảnh hưởng đến chất lượng mạ

Ngoài ra còn phụ thuộc vào thành phần dung dịch mạ

Ảnh hưởng của các yếu tố điện: Mật độ dòng điện là đại lượng gây ra sự phân cựcđiện cực Lúc đang mạ, mật độ dòng điện là yếu tố quan trọng nhất có ảnh hưởng đếnchất lượng sản phẩm mạ

Yêu cầu kỹ thuật của nguồn mạ là phải giữ dòng mạ không đổi trong suốt quá trình

mạ Để lớp mạ được phủ đều lên bề mặt thì dòng điện phải giữ không đổi Cường độdòng điện I tính toán xuất phát từ mật độ dòng điện D0 và phụ tải y trong bể:

mà cả trên các mặt phẳng (ít lợi thế) của tinh thể

Nếu mật độ dòng điện quá cao (gần đến vùng giới hạn) cũng không được vì lúc đúnglớp mạ sẽ bị gãy, cong hoặc chảy Ngoài ra nếu dựng anode tan thì nó dễ bị thụ động hơn

và dung dịch sẽ ngả dần ion kim loại mạ Ngược lại nếu mật độ dòng điện quá thấp thìtốc độ mạ sẽ chậm và kết tủa thô, không đều Vì vậy mỗi dung dịch mạ chỉ cho lớp mạ cóchất lượng mạ cao trong một khoảng mật độ dòng điện nhất định

Trong quá trình mạ thì điện trở của bể mạ là luôn thay đổi do có các ion kim loại bámvào vật mạ nên nồng độ dung dịch thay đổi

Công thức tính điện trở dung dịch như sau :

R = l.(100 .χ.y) (Ω) ) (1.3)Trong đó : l : khoảng cách giữa các điện cực (cm) ;

χ : độ dẫn điện riêng của dung dịch (Ω) -1.cm-1) ;

y : phụ tải của bể mạ (dm2)

Do đó muốn cho dòng điện không đổi thì ta phải điều chỉnh điện áp sao cho tỉ số giữađiện áp và điện trở dung dịch là không thay đổi

Chương II : GIỚI THIỆU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐTCS KHẢ THI

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU

2.1 Giới thiệu các bộ biến đổi điện tử công suất khả thi

Trong công nghệ mạ điện thì nguồn điện là một yếu tố hết sức quan trọng, nó quyếtđịnh nhiều đến chất lượng lớp mạ thu được Nguồn điện một chiều có thể là ắc quy, máyphát điện một chiều, bộ biến đổi

Hiện nay, trong công nghiệp thì dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi Côngnghệ chế tạo các thiết bị bán dẫn ngày càng hoàn thiện, các thiết bị hoạt động với độ tin

cậy cao Đặc biệt công nghệ sản xuất Thyristor đã đạt được nhiều thành tựu Chính vì

vậy các bộ biến đối dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều ngày càng được sử dụngnhiều trong các ngành công nghiệp Ngày nay trong công nghệ mạ điện thì bộ biến đổiđược dùng rộng rãi nhất Các bộ biến đổi dùng trong quá trình điện phân có thế cho ra cácđiện áp như : 3V, 6V, 12V, 24V, 30V, 50V… Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điệnthế cho phù hợp

Bộ biến đổi với các ưu điểm :

- Thiết bị gọn nhẹ, tác động nhanh, dễ tự động hóa, dễ điều khiển và ổn định dòng

- Chi phí đầu tư cho bộ biến đối rẻ, hiệu quả làm việc cao và ổn định So với dùngnguồn mạ là ắc quy hoặc máy phát điện một chiều thì bộ biến đổi đáp ứng được hơn

cả về mặt kinh tế cũng như các tiêu chuẩn kỹ thuật

Việc biến đổi điện áp xoay chiều từ lưới hoặc từ máy biến áp về điện áp một chiềuyêu cầu sử dụng bộ chỉnh lưu Với mạch chỉnh lưu có rất nhiều loại, được phân loại nhưsau :

- Theo số pha : chỉnh lưu một pha, hai pha (hai nửa chu kỳ) ba pha, sáu pha, …

- Theo đặc tính điều khiển: có điều khiển, bán điều khiển và không điều khiển

Giới hạn trong nhiệm vụ của đồ án là thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất cho nguồn

mạ điện một chiều, yêu cầu điện áp thấp và dòng khá lớn Vì vậy, chúng ta phải sử dụngmạch chỉnh lưu làm bộ biến đổi Ta xét hai phương án khả thi sau:

 Chỉnh lưu ba pha hình cầu

 Chỉnh lưu hình tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng

2.2 Lựa chọn phương án tối ưu

2.2.1. Phương án 1 – Chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng

a) Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.1 – Sơ đồ nguyên lý mạch lực của chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng

Sơ đồ cầu ba pha đối xứng có thể coi như hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha mắc ngượcchiều nhau, gồm 6 Thyristor, chia làm 2 nhóm:

- Nhóm van đánh số lẻ, đấu chung cathode : T1, T3, T5 Tạo thành một chỉnh lưu tia bapha cho điện áp dương

- Nhóm van đánh số chẵn, đấu chung anode : T2, T4, T6 Tạo thành một chỉnh lưu tia

ba pha cho điện áp âm

Điện áp các pha nguồn :

b) Nguyên lý hoạt động

 Để điều khiển van, cần tuân thủ các quy luật sau :

- Với Thyristor của nhóm đấu chung cathode, điểm mốc để tính góc điều khiển là điểm giao nhau của các điện áp pha nguồn khi chúng ở nửa chu kỳ điện áp dương.

- Với Thyristor của nhóm đấu chung anode, điểm mốc để tính góc điều khiển là điểm giao nhau của các điện áp pha nguồn khi chúng ở nửa chu kỳ điện áp âm.

- Xung điều khiển được phát lần lượt theo đúng thứ tự đánh số từ T1 đến T6 cách nhauπ/3 độ điện, còn trong mỗi nhóm thì xung phát cách nhau 2π/3

- Để thông mạch tải cần hai van cùng dẫn, trong đó mỗi nhóm phải có một van thamgia, do đó hai van có thứ tự gần nhau phải được phát xung cùng lúc Vì vậy dạng

xung là xung kép Xung thứ nhất được xác định theo góc điều khiển cần có, xung

thứ hai là đảm bảo điều kiện thông mạch, thực tế là xung của van khác gửi đến

 Nguyên lý hoạt động chi tiết như sau :

Bảng 2.1 : Thời điểm mở - khóa Thyristor

6



Hình 2.2 – Đồ thị làm việc của chỉnh lưu cầu ba pha

 Quy luật điều chỉnh :

U I R



(2.5)

 Dòng điện trung bình chạy qua van

3

 Giá trị điện áp ngược lớn nhất trên mỗi van

- Sụt áp trên van gấp đôi sơ đồ hình tia vì luôn có hai van dẫn để đưa dòng ra tải, nên

sẽ không phù hợp với cấp điện áp ra tải dưới 10V

Tuy nhiên, do có nhưng ưu điểm ở trên chỉnh lưu cầu 3 pha vẫn được ứng dụng rộngrãi với dải công suất rất rộng, từ nhỏ đến hàng nghìn kW

2.2.2. Phương án 2 – Chỉnh lưu hình tia sáu pha có cuộn kháng cân bằng

a) Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.3 – Sơ đồ nguyên lý mạch lực của chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng

Sơ đồ của mạch chỉnh lưu này gồm :

- Máy biến áp có hai bộ cuộn thứ cấp tạo thành hệ thống nguồn đối xứng 6 pha : a, b,

c và a’, b’, c’.

- Hai nhóm van đấu theo sơ đồ hình tia ba pha và làm việc độc lập nhờ điện cảm cân

bằng L cb Để phân bố dòng điện đều giữa hai nhóm van CL1 và CL2, ta sử dụng cáccuộn kháng được gọi là "cuộn kháng cân bằng"

Theo sơ đồ nguyên lý mạch lực ta có :

dụng cách ly của Lcb, làm cho mạch chỉnh lưu trở thành hình tia 6 pha, không còn là haimạch chỉnh lưu 3 pha mắc song song nữa Như vậy làm mất đi ưu điểm vốn có của cuộnkháng

d

a d

X I co

2

.)

Hình 2.4 – Đồ thị điện áp của chỉnh lưu 6 pha cuộn kháng cân bằng

c) Ưu – nhược điểm

 Ưu điểm :

- Độ bằng phẳng điện áp ra tốt hơn hẳn của chỉnh lưu tia ba pha, do hệ số đập mạch

là mđm = 6

- Dòng qua van bé, chỉ là 1/6 của dòng tải,

- Chỉ có một van dẫn dòng ra tải nên sụt áp trên van thấp hơn sơ đồ cầu

 Nhược điểm:

- Chỉ dùng cho điện áp ra thấp và dòng tải lớn

- Đòi hỏi phải có thêm cuộn kháng cân bằng và buộc phải dùng biến áp

- Phạm vi điều chỉnh điện áp ra không được phép bằng 0, vì lúc đó cuộn kháng cânbằng mất tác dụng cách lý hai mạch chỉnh lưu, trở thành chế độ chỉnh lưu hình tiasáu pha bình thường, làm mất các ưu điểm ở trên.

Tuy nhiên, do yêu cầu của đề tài là dòng điện mạ khá lớn (>1000A), điện áp tải thấp, nên phương án sử dụng mạch chỉnh lưu hình tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng thích hợp để thiết kế nguồn mạ điện một chiều.

CHƯƠNG III:

THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC

Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng có 2 cách điều chỉnh: điều chỉnh sơ cấp vàđiều chỉnh thứ cấp Tuy nhiên điều chỉnh sơ cấp có nhược điểm là điện áp ra tải thấp, tốnkém khi chọn van do sử dụng cả van thyristor và diode

Theo yêu cầu của đề tài là thiết kế bộ nguồn mạ điện một chiều, ta sử dụng điều chỉnhthứ cấp, với biến áp ba pha

3.1 Tính chọn van và bảo vệ van

3.1.1 Điện áp ngược của van

Trong đó: U lv : điện áp làm việc của van;

U 2 : điện áp nguồn xoay chiều;

k dtU : hệ số dự trữ điện áp, với chỉnh lưu 6 pha ta chọn k dtU = 1,6

Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu là

max 1,6.50, 26 80, 4

ng

(1) Điện áp ngược cực đại: Ung.max = 100 (V)

(2) Dòng điện làm việc cực đại (dòng định mức): Iđm = 1500 (A)

(3) Dòng điện đỉnh cực đại: Ipik = 17000 (A)

(4) Dòng điện xung điều khiển: IG = 0,2 (A)

(5) Điện áp xung điều khiển: UG = 3 (V)

(6) Dòng điện tự giữ: Ih = 100 (mA)

(7) Dòng điện rò: Ir = 60 (mA)

(8) Sụt áp thuận trên van ở dòng định mức: ∆Uv = 1,7 (V)

(9) Đạo hàm điện áp: dU/dt = 300 (V/s)

(10) Thời gian chuyển mạch: tcm = 30 (µs)

(11) Nhiệt độ làm việc cực đại: Tmax = 125

3.2 Tính toán máy biến áp lực

3.2.1 Tính toán các thông số cơ bản

 Công suất biểu kiến của máy biến áp

ba S d S d d

Trong đó : k S : hệ số công suất theo sơ đồ mạch lực;

P d : công suất cực đại của tải;

∆U v : sụt áp trên các van Thyristor ;

∆U ba : sụt áp bên trong biến áp khi có tải ;

∆U dn : sụt áp trên dây nối ;

Với các thông số : cosαmin ≈ 0,98 ; Ud = 24V ; ∆Uv = 1,6V ;

∆Uba = 5%.Ud = 5% 24 = 1,2V ; ∆Udn ≈ 0Điện áp chỉnh lưu không tải là

 Điện áp sơ cấp máy biến áp: Theo đề bài cho: U1 = 380 (V).

 Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp

0 2

27,35

23,38 1,17

d U

U U k

 Tỉ số máy biến áp

1 2

380

16, 25 23,38

ba

U k U

(3.11)

 Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp

2 2 d

Trong đó : k 2 - hệ số dòng điện thứ cấp biến áp ; k 2 = 0,29 ;

Ta có giá trị dòng điện hiệu dụng biến áp là

 Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp

1 1

d

ba

k I I

Với các thông số : k1 = 0,71 ; kba = 16,25;

Ta có giá trị hiệu dụng sơ cấp máy biến áp là

 Tiết diện sơ bộ trụ

Tiết diện trụ QFe của lõi thép :

k Q = 5 ÷ 6 nếu là biến áp khô ;

k Q = 4 ÷ 5 nếu là biến áp dầu ;

m : số pha của máy biến áp ;

f : tần số nguồn điện xoay chiều ;

Với các thông số :

Tiết diện trụ của lõi thép là

Q

Chuẩn hóa đường kính theo tiêu chuẩn : dFe = 12cm

3.2.3 Tính toán dây quấn

 Số vòng dây mỗi pha sơ cấp MBA

4 1 1

.10W

Trong đó :W 1 : số vòng dây của cuộn dây sơ cấp ;

U 1 : điện áp của cuộn sơ cấp ;

B T : từ cảm ;

Q Fe : tiết diện lõi thép ;

Với các thông số : U1 = 380V ; f = 50Hz ; QFe = 122,01cm2 ; BT = 1T

Ta có số vòng dây mỗi pha sơ cấp là

4 1

76,68

27,88

2, 75

I S J

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B

Tiết diện theo tiêu chuẩn là S1 = 27,9 mm 2

Kích thước dây dẫn kể cả cách điện là: S1cđ = a 1 b 1 = 3,1mm x 9,35mm.

 Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp

1 1 1

76,68

2, 75 27,88

I J S

(3.20)

 Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp

2 2 2

522 189,82

2, 75

I S J

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B

Do không có dây dẫn kích thước tiêu chuẩn như S2 nên ta chập 2 sợi dây có kíchthước tiêu chuẩn là 98,1 mm2

Tiết diện theo tiêu chuẩn là S2 = 196,2 mm 2

Kích thước dây dẫn kể cả cách điện là: S2cđ = a 2 b 2 = 5,55 mm x 18,05mm.

* Chú thích: Bảng p.5 THÔNG SỐ CỦA DÂY ĐỒNG TIÊU CHUẨN ( Sách “Tính toán

 Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp

2 2 2

522

2,66

196, 2

I J S

Trong đó: h : chiều cao cửa sổ (mm);

c : chiều rộng của cửa sổ (mm);

Những số liệu trên được tính từ các hệ số phụ

h m a



;

c n a



;Đối với lõi thép hình chữ E thì ta có

2

h m a

c n a

→

240,5

h = 4.53 = 212 (mm);

- Chiều rộng toàn bộ mạch từ

Trong đó : C : chiều rộng toàn bộ mach từ;

x : là số trụ biến áp, với máy biến áp ba pha thì x = 3;

Ta có : C = 2.53 + 3.120 = 466 (mm)

- Chiều cao mạch từ

Trong đó : H : chiều cao mạch từ;

z : kích thước gông từ, với máy biến áp ba pha thì z = 2;

Ta có :

H = 212 + 2.120 = 452 (mm)

3.2.5 Kết cấu dây quấn máy biến áp lực

Dây quấn được bố trí theo dọc trục Cuộc thứ cấp (HA) quấn sát trụ, cuộn sơ cấp(CA) quấn bên ngoài Mỗi cuộn dây được quấn thành nhiều lớp dây, mỗi lớp dây đượcquấn liên tục, các vòng dây sát nhau Các lớp dây cách điện với nhau bằng các bìa cáchđiện

a) Kết cấu dây quấn sơ cấp

Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục

 Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp

h : chiều cao cửa sổ ; h = 212mm;

h g : khoảng cách điện của cuộn dây sơ cấp với gông;

Chọn sơ bộ khoảng cách điện gông là 5mm

b 1 : chiều rộng của dây quấn chữ nhật kể cả cách điện; b 1 = 9,35mm;

11 1 1

206, 70,95

c

b h

k

 Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày: S01 = 0,1cm

 Khoảng cách từ trụ đến cuộn dây sơ cấp chọn: cd01 = 1cm

 Đường kính trong của ống cách điện

 Chọn bề dày giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp cd11 = 0,1 mm

 Bề dày cuộn sơ cấp

b) Kết cấu dây quấn thứ cấp

 Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp

 Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp: w 12 =

2 2

 Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp

2 12 12

 Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp

 Chọn bề dày giữa hai lớp dây ở cuộn thứ cấp: cd12 = 1cm

 Đường kính trong của cuộn thứ cấp

21,8 10,9

D

r   

3.2.6 Tính các thông số của máy biến áp

 Điện trở của cuộn sơ cấp MBA ở 75 0 C

1 1

2 2

Trong đó: r 12 : bán kính trong dây quấn thứ cấp (cm);

h : chiều cao cửa sổ lõi thép (cm);

a 12 : bề dày cách điện giữa cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp;

B d1 , B d2 là bề dày cuộn sơ cấp và thứ cấp (m) Chọn a 12 = 0,01m.

 Điện cảm MBA quy đổi về thứ cấp

3

5

0, 24.10

7,6.103,14

ba ba

P P

R U

X I U

nm ba

U I

nr nx

U U max nm

I max < I pik = 17000A.

 Kiểm tra khả năng sử dụng của máy biến áp khi chuyển mạch

Giả sử chuyển mạch từ Thyristor T1 sang T2: