Nghiên cứu xây dựng và mô phỏng một số bài thí nghiệm về mạch chỉnh lưu có điều khiển cho phòng thí nghiệm của trường đại học công nghiệp hà nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN VŨ THẮNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG VÀ MÔ PHỎNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM VỀ MẠCH CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN CHO PHÒNG THÍ NGHIỆM CỦA TRƯỜNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN VŨ THẮNG

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG VÀ MÔ PHỎNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM VỀ MẠCH CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN CHO PHÒNG THÍ NGHIỆM CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Kim Ngọc Linh

HÀ NỘI – 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn cao học này là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi Các tài liệu, số liệu được nêu trong luận văn là trung thực Các luận điểm và các kết quả nghiên cứu chưa từng được ai công bố trong bất

cứ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 14 tháng 4 năm 2014

Tác giả luận văn

Nguyễn Vũ Thắng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI 3

1.1 Giới thiệu chung về Trường 3

1.2 Giới thiệu về hệ thống các phòng thí nghiệm điện - điện tử của khoa Điện – Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 5

1.3 Nhận xét chương 1 7

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM VỀ MẠCH CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN CHO PHÒNG THÍ NGHIỆM CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI 9

2.1 Bài thí nghiệm mạch chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ 9

2.1.1 Mục đích và yêu cầu của bài thí nghiệm 9

2.1.1.1 Mục đích 9

2.1.1.2 Yêu cầu của bài thí nghiệm 9

2.1.2 Tóm tắt cơ sở lý thuyết 9

2.1.3 Tính toán thiết kế mạch lực 11

2.1.3.1 Lựa chọn sơ đồ mạch động lực 11

2.1.3.2 Tính chọn thông số mạch động lực và bảo vệ 12

2.1.3.3 Tính toán thông số để lựa chọn van 12

2.1.3.4 Tính chọn thông số các linh kiện mạch bảo vệ 13

2.1.3.5 Làm mát cho van 14

2.1.4 Thiết kế mạch điều khiển 15

2.1.4.1 Cấu trúc mạch điều khiển 15

2.1.4.2 Lựa chọn và tính toán các khâu trong mạch điều khiển 17

2.1.4.3 Nguồn cấp cho mạch điều khiển 28

2.1.4.4 Tính toán máy biến áp nguồn nuôi 30

2.1.5 Các bước tiến hành thí nghiệm 32

2.1.5.1 Sơ đồ nguyên lý 32

2.1.5.2 Vận hành mạch thí nghiệm 34

2.2 Bài thí nghiệm mạch chỉnh lưu cầu một pha (đối xứng và không đối xứng) 34

2.2.1 Mục đích, yêu cầu của bài thí nghiệm 34

2.2.1.1 Mục đích 34

2.2.1.2 Yêu cầu của bài thí nghiệm 34

2.2.2 Tóm tắt cơ sở lý thuyết 35

2.2.3 Thiết kế mạch động lực 37

2.2.3.1 Chọn sơ đồ mạch động lực 37

2.2.3.2 Tính chọn van động lực 38

2.2.3.3 Tính chọn các tham số máy biến áp lực 39

2.2.4 Thiết kế mạch điều khiển 42

2.2.4.1 Cấu trúc mạch điều khiển 42

2.2.4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 42

2.2.4.3 Tính toán mạch điều khiển 44

2.2.5 Các bước tiến hành thí nghiệm 44

2.2.5.1 Sơ đồ thí nghiệm mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 44

2.2.5.2 Vận hành mạch thí nghiệm 46

2.3 Bài thí nghiệm mạch chỉnh ba pha hình tia 46

2.3.1 Mục đích, yêu cầu của bài thí nghiệm 46

2.3.1.1 Mục đích 46

2.3.1.2 Yêu cầu của bài thí nghiệm 46

2.3.2 Cơ sở lý thuyết 47

2.3.2.1 Sơ đồ nguyên lí 47

2.3.2.2 Nguyên lý hoạt động 48

2.3.2.3 Các thông số của mạch 48

2.3.2.4 Nhận xét 49

2.3.3 Tính toán, thiết kế mạch động lực 49

2.3.3.1 Sơ đồ mạch động lực 49

2.3.3.2 Tính chọn mạch động lực 50

2.3.4 Thiết kế mạch điều khiển 55

2.3.4.1 Chọn sơ đồ mạch điều khiển 55

2.3.4.2 Tính toán mạch điều khiển 57

2.3.5 Các bước tiến hành thí nghiệm 57

2.3.5.1 Sơ đồ nguyên lý bài thí nghiệm 57

2.3.5.2 Vận hành mạch thí nghiệm 58

2.4 Bài thí nghiệm mạch chỉnh lưu cầu ba pha (đối xứng) 58

2.4.1 Mục đích và yêu cầu của bài thí nghiệm 58

2.4.1.1 Mục đích 58

2.4.1.2 Yêu cầu của bài thí nghiệm 58

2.4.2 Tóm tắt cơ sở lý thuyết 59

2.4.3 Tính toán thiết kế mạch lực 61

2.4.3.1 Lựa chọn sơ đồ thiết kế 61

2.4.3.2 Tính chọn mạch động lực 62

2.4.4 Tính toán thiết kế mạch điều khiển 67

2.4.4.1 Sơ đồ nguyên lý 67

2.4.4.2 Tính toán mạch điều khiển 69

2.4.5 Các bước tiến hành thí nghiệm 69

2.4.5.1 Sơ đồ nguyên lý 69

2.4.5.2 Vận hành mạch thí nghiệm 70

2.5 Nhận xét chương 2 70

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM MẠCH CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN 71

3.1 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng 71

3.1.1 Giới thiệu tổng quan về phần mềm PSIM (Power Electronics Simulation Software) 71

3.1.2 Giới thiệu chung 72

3.1.2.1 File Menu 73

3.1.2.2 Edit Menu 74

3.1.2.3 View Menu 75

3.1.2.4 Subcircuit Menu 75

3.1.2.5 Simulate Menu 76

3.1.2.6 Option Menu 76

3.1.2.7 Window Menu 77

3.1.3 Các bước tiến hành mô phỏng mạch điện tử công suất 77

3.2 Mô phỏng một số bài thí nghiệm mạch chỉnh lưu có điều khiển 77

3.2.1 Mô phỏng bài thí nghiệm mạch chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ 77

3.2.2 Mô phỏng bài thí nghiệm mạch chỉnh lưu cầu một pha 79

3.2.3 Mô phỏng bài thí nghiệm mạch chỉnh ba pha hình tia 80

3.2.4 Mô phỏng bài thí nghiệm mạch chỉnh lưu cầu ba pha 81

3.3 Nhận xét chương 3 83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

2.1 Sơ đồ mạch chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ 10 2.2 Sơ đồ mạch động lực chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ 11

2.5 Mạch tạo xung đồng bộ bằng biến áp điểm giữa kết hợp

2.6 Sơ đồ mạch tạo điện áp răng cưa dùng OA 18 2.7 Sơ đồ nguyên lý và dạng điện áp ra khâu so sánh dùng OA 20

2.10 Khâu khuếch đại xung một nửa chu kỳ sử dụng biến áp

2.13 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn đối xứng ±12V 29

Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha có điều

khiển và Giản đồ điện áp, dòng điện mạch chỉnh lưu hình tia

3 pha có điều khiển

47

2.25 Sơ đồ mạch động lực chỉnh lưu ba pha hình tia 50

2.26 Hình dáng và kích thước giới hạn cánh tản nhiệt của

2.31 Sơ đồ nguyên lí mạch động lực chỉnh lưu cầu ba pha đối

2.34 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng 69

3.3 Sơ đồ mạch chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ 78

3.4 Giản đồ điện áp ứng với góc α = 30 78

3.6 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối

3.9 Sơ đồ mạch chỉnh lưu ba pha hình tia 80

3.11 Giản đồ điện áp ứng với góc α = 120 81 3.12 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng 82

3.14 Giản đồ điện áp ứng với góc α = 120 82

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội có xuất phát điểm là một Trường Công nhân kỹ thuật sau đó phát triển lên Trường Trung cấp chuyên nghiệp - Cao đẳng Công nghiệp Hà Nội và hiện nay là Đại học công nghiệp

Hà Nội Trong đó hệ thống phòng thí nghiệm Điện của Trường còn chưa sát thực tế, các thiết bị cũng như các tài liệu hướng dẫn thực hành để củng

cố kiến thức lí thuyết cho sinh viên chuyên ngành còn hạn chế

Hơn nữa với nhu cầu phát triển của Trường về chất lượng đào tạo cũng như quy mô đòi hỏi Nhà trường cần phải có một hệ thống các phòng thực hành đáp ứng được yêu cầu chung cũng như các tài liệu về thực hành - thí nghiệm môn học là cần thiết

Vì vậy, việc nghiên cứu xây dựng và mô phỏng một số bài thí nghiệm về mạch chỉnh lưu có điều khiển cho Trường sẽ giải quyết được một phần những hạn chế cần khắc phục của Trường nhằm đáp ứng nhu cầu không nhỏ về tài liệu học tập, nghiên cứu cho sinh viên của Trường

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Xây dựng và mô phỏng được một số bài thí nghiệm về mạch chỉnh lưu

có điều khiển phù hợp với điều kiện thực tế cho phòng thí nghiệm của Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

3 Đối tƣợng nghiên cứu

Là các bài thí nghiệm về mạch điện tử công suất

4 Phạm vi nghiên cứu

Do hạn chế về thời gian và khuôn khổ của bản luận văn thạc sỹ kỹ thuật nên trong bản luận văn chỉ tập trung nghiên cứu xây dựng một số bài thí nghiệm về mạch chỉnh lưu có điều khiển

5 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng và mô phỏng một số bài thí nghiệm về mạch chỉnh lưu có điều khiển cho phòng thí nghiệm của Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

6 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết các nhiệm vụ của đề tài, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu tổng hợp sau:

+ Xây dựng các sơ đồ mạch chỉnh lưu có điều khiển

+ Tính toán và thiết kế mạch chỉnh lưu có điều khiển theo các thông số tải cho trước

+ Mô phỏng mạch chỉnh lưu có điều khiển trên phần mềm PSIM

7 Những kết quả đạt được của luận văn

Giải quyết được một phần những hạn chế cần khắc phục và nâng cao

cơ sở lý thuyết và thực hành về các mạch chỉnh lưu có điểu khiển nhằm đáp ứng nhu cầu không nhỏ về tài liệu học tập, nghiên cứu cho sinh viên của Trường

8 Bố cục của luận văn

Luận văn được trình bày gồm phần mở đầu, kết luận và ba chương:

- Chương 1: Giới thiệu chung về trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

- Chương 2: Nghiên cứu xây dựng một số bài thí nghiệm về mạch chỉnh

lưu có điều khiển cho phòng thí nghiệm của trường Đại học Công nghiệp

Hà Nội

- Chương 3: Mô phỏng các bài thí nghiệm mạch chỉnh lưu có điều khiển

Trong quá trình thực hiện đề tài, tác giả đã được sự giúp đỡ và hướng

dẫn tận tình của PGS.TS Kim Ngọc Linh, sự cộng tác giúp đỡ của các

đồng nghiệp trong khoa Điện nhà trường, đó là nguồn động lực và cổ vũ rất

lớn giúp cho tác giả hoàn thành đề tài

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TRƯỜNG ĐẠI HỌC

CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

1.1 Giới thiệu chung về Trường

Tên giao dịch quốc tế: Hanoi University of Industry (viết tắt là HaUI)

Cơ sở chính: xã Minh Khai, huyện Từ Liêm, thành phố Hà Nội

Cơ sở 2: xã Tây Tựu, huyện Từ Liêm, thành phố Hà Nội

Cơ sở 3: Phường Lê Hồng Phong, xã Phù Vân, thành phố Phủ Lý, tỉnh Hà Nam

 Ngày 29/8/1913, Trường Chuyên nghiệp Hải phòng được thành lập theo Nghị định của Toàn quyền Đông Dương Năm 1921 đổi tên thành Trường Kỹ nghệ Thực hành Hải Phòng

 Ngày15/02/1955, khai giảng khoá I Trường Kỹ thuật Trung cấp I tại địa điểm Trường Kỹ nghệ Thực hành Hà Nội cũ (2F Quang Trung)

 Năm 1956, khai giảng khoá I Trường Công Nhân Kỹ thuật I tại địa điểm trường Kỹ Nghệ Thực hành Hải Phòng cũ (Phố Máy Tơ - Hải Phòng) Trong thời gian chiến tranh trường chuyển lên Bắc Giang

 Năm 1962, Trường Kỹ thuật Trung cấp I tuyển sinh đào tạo cao đẳng, đổi tên thành Trường Trung cao cấp Cơ điện Năm 1966 đổi tên thành Trường Trung học Cơ khí I, năm 1993 lấy lại tên cũ là Trường

Kỹ nghệ Thực hành Hà Nội Trong thời gian chiến tranh trường chuyển lên Vĩnh Phúc

 Năm 1986, Trường Công nhân Kỹ thuật I chuyển về xã Minh khai, huyện Từ Liêm, Hà Nội

 Năm 1991, Trường Kỹ nghệ Thực hành Hà Nội chuyển về xã Tây Tựu, huyện Từ Liêm, Hà Nội

 Ngày 22/4/1997, Bộ Công nghiệp ra quyết định số 580/QĐ-TCCB sát nhập 2 trường: Công nhân Kỹ thuật I và Kỹ nghệ Thực hành Hà Nội lấy tên là Trường Trung học Công nghiệp I

 Ngày 28/5/1999, Quyết định số 126/ QĐ/TTG của Thủ tướng Chính phủ thành lập Trường Cao đẳng Công nghiệp Hà Nội trên cơ sở trường Trung học Công nghiệp I

 Ngày 2/12/2005, Thủ tướng Chính phủ ký quyết định số 315/2005 QĐ/TTG thành lập Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội trên cơ sở Trường Cao đẳng Công nghiệp Hà Nội

1.2 Giới thiệu về hệ thống các phòng thí nghiệm điện - điện tử của

khoa Điện – Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

Khoa Điện - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội được thành lập vào tháng 8 năm 1998, cùng với sự phát triển của nhà trường đến nay đội ngũ cán bộ, giảng viên của khoa đã có những bước phát triển vượt bậc cả

về số lượng và chất lượng, đã đáp ứng được yêu cầu cơ bản về đào tạo và hội nhập quốc tế Khoa có 129 giảng viên cơ hữu và hợp đồng dài hạn Các cán bộ, giảng viên của khoa luôn không ngừng nâng cao trình độ về mọi mặt đáp ứng yêu cầu và đòi hỏi về đạo tạo trong thời kỳ mới Vượt qua những khó khăn và thách thức ban đầu, qua gần 16 năm trưởng thành và phát triển, khoa Điện đã đạt được một số thành tích đáng khích lệ Biên chế

và tổ chức khoa có 5 bộ môn gồm: Đo lường và Điều khiển; Tự động hoá;

Hệ thống điện; Nhiệt Lạnh và Bộ môn Thực hành với hệ thống các phòng thí nghiệm:

- Phòng thí nghiệm Truyền động điện (Tầng 5-A7)

- Phòng thí nghiệm Đo lường và cảm biến (Tầng 5-A7)

- Phòng thí nghiệm quá trình Nhiệt (Tầng 5-A10)

- Phòng thí nghiệm Vi xử lý, Vi điều khiển (Tầng 5-A7)

- Phòng thí nghiệm Điện tử công suất (Tầng 5-A7)

Bên cạnh đó khoa còn có 21 phòng thực hành cơ bản và nâng cao với đầy đủ các trang thiết bị hiện đại, đảm bảo cho hàng nghìn sinh viên các cấp trình độ học tập Các phòng thí nghiệm, thực hành của khoa không ngừng được nâng cấp và bổ sung các trang thiết bị hiện đại đáp ứng yêu cầu học tập, nghiên cứu khoa học của sinh viên và cán bộ giảng viên như các phòng thực tập:

- Thực tập lạnh công nghiệp (Tầng 5-A10)

- Thực tập tự động hóa trong tòa nhà (Tầng 5-A10)

- Điều khiển quá trình (Tầng 5-A7)

- Điều khiển truyền động điện (do Simens tài trợ) (Tầng 5-A7)

- Máy điện (Tầng 5-A7)

- Cung cấp điện (Tầng 5-A7)

- Vi xử lý & vi điều khiển (Tầng 5-A7)

- Điều khiển lập trình PLC (Tầng 5-A7)

- Điều khiển điện-khí nén-thủy lực (Tầng 5-A7)

- Điện tử công suất (Tầng 5-A7)

- Điện cơ bản, thực hành điện kỹ thuật, trang bị điện

Khoa Điện được trang bị 07 phòng thí nghiệm, 05 phòng thực hành, 01 phòng hội thảo và các phòng làm việc với đầy đủ các trang thiết bị hiện đại, đáp ứng tốt công tác nghiên cứu, giảng dạy và học tập

1.3 Nhận xét Chương 1

Các phòng thí nghiệm, thực hành của khoa Điện – trường Đại học Công nghiệp Hà Nội không ngừng được nâng cấp và bổ sung các trang thiết bị hiện đại đáp ứng yêu cầu học tập, nghiên cứu khoa học của sinh viên và cán bộ giảng viên, ngoài ra chúng còn đáp ứng được yêu cầu của thực tiễn sản xuất, không lạc hậu với sự phát triển nhanh của khoa học công nghệ Nhưng với nhu cầu phát triển của Trường về chất lượng đào tạo

cũng như quy mô đòi hỏi Nhà trường cần phải có thêm các phòng thực hành đáp ứng được yêu cầu chung cũng như các tài liệu về thực hành – thí nghiệm môn học là cần thiết Vì vậy, việc nghiên cứu, xây dựng và mô phỏng 1 số bài thí nghiệm về mạch chỉnh lưu có điều khiển cho Trường sẽ giải quyết được một phần những hạn chế cần khắc phục, đồng thời mở rộng

và nâng cao thêm kiến thức nhằm đáp ứng nhu cầu về tài liệu học tập, nghiên cứu khoa học cho sinh viên của Trường

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI THÍ NGHIỆM VỀ MẠCH CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN CHO PHÕNG THÍ NGHIỆM CỦA TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

2.1 Bài thí nghiệm mạch chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ

2.1.1 Mục đích và yêu cầu của bài thí nghiệm

2.1.1.2 Yêu cầu của bài thí nghiệm

- Nắm vững kiến thức lý thuyết đã được học trên lớp

- Biết sử dụng các dụng cụ đo trong phòng thí nghiệm: Máy hiện sóng, đồng

Hình 2.1 Sơ đồ mạch chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ

Giả sử thyristor được phân áp thuận ở nửa chu kì dương của điện áp

nguồn Trong thời gian nửa chu kì này, nếu bộ FX cấp một xung điều khiển (hình 2.1c) vào cực G thì thyristor sẽ thông (điều kiện phân áp thuận và có xung điều khiển) Khi thyristor thông thì có điện áp đặt lên tải và có dòng điện trên tải Dòng điện qua tải R sẽ có dạng của điện áp chỉnh lưu Đó là một dòng điện gián đoạn

Khi điện áp nguồn giảm về 0 thì thyristor khóa Trạng thái khóa của thyristo kéo dài suốt nửa chu kì âm vì thyristor bị phân áp ngược Tới nửa chu

kì dương, thyristor lại thông khi có xung điều khiển

Góc pha  kể từ thời điểm bắt đầu nửa chu kì dương đến thời điểm phát xung gọi là góc mở thyristor Thay đổi góc mở  sẽ thay đổi được khoảng thông ( - ) của thyristor, do đó điện áp chỉnh lưu và dòng điện chỉnh lưu thay đổi ta thấy:

- Khi tăng góc mở  thì khoảng thông thyristor thu nhỏ Điện áp chỉnh lưu trung bình giảm

- Khi  = 0 thì thyristor dẫn dòng như diode Vậy, chỉnh lưu không điều khiển có thể coi như trường hợp riêng của chỉnh lưu có điều khiển với  = 0 Lúc này, điện áp chỉnh lưu trung bình là lớn nhất

Các biểu thức:

- Điện áp chỉnh lưu trung bình:

2

cos 1 45 , 0 sin

2 2

1

2 2

 , nghĩa là biểu thức chỉnh lưu có điều khiển trở

lại biểu thức chỉnh lưu không điều khiển

- Dòng chỉnh lưu :

2

d d

Chọn lựa sơ đồ mạch động lực tải thuần trở như hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ mạch động lực chỉnh lưu một pha nửa chu kỳ

2.1.3.2 Tính chọn thông số mạch động lực và bảo vệ

Dòng điện quyết định chế độ làm việc của van bán dẫn cần chọn và dòng điện bảo vệ của Aptomat là dòng điện cực đại của tải Dòng điện cực đại của tải được tính khi góc mở van nhỏ nhất Góc mở van nhỏ nhất là chế độ làm việc khi α = 0, lúc này tải có dòng điện hình sin chạy qua

Điện trở của tải R = 50Ω

Điện áp định mức U2 = 220V

+ Điện áp chỉnh lưu cực đại:

V U

2

0 cos 1 220 45 , 0 2

cos 1 45 ,

+ Dòng điện tải cực đại:

A R

2.1.3.3 Tính toán thông số để lựa chọn van

Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tỏa nhiệt và đầy đủ diện tích tỏa nhiệt Không có quạt đối lưu không khí, với điều kiện đó dòng định mức của van cần chọn :

Iđm V = ki.ItbV = 4.1,98 = 7,92A ; ki: Hệ số dự trữ dòng điện chọn ki = 4 + Điện áp ngược lớn nhất mà Thyristor phải chịu là:

V k

U U

99 41 , 1

41 , 1 41 ,

Căn cứ vào các số liệu về dòng điện và điện áp đó được tính ở trên chọn Thyristor theo [7] là S6008FS21, có các thông số kỹ thuật như sau:

+ Dòng điện làm việc cực đại cho phép: Iđm max = 8A

+ Điện áp ngược cực đại đặt lên Thyristor: Ung max = 600V

+ Dòng điện xung điều khiển: Ig = 200μA

+ Nhiệt độ làm việc tối đa: Tmax = 1100C

+ Điện áp điều khiển: Ug = 0,8V

+ Dòng điện tự giữ: IH = 6mA

+ Sụt áp trên Thyristor ở trạng thái dẫn: ∆Umax = 1,6V

+ Tốc độ biến thiên điện áp: du

s

+ Thời gian chuyển mạch (mở và khóa): tcm = 50μs

2.1.3.4 Tính chọn thông số các linh kiện mạch bảo vệ

Để bảo vệ quá dòng cho mạch động lực ta sử dụng Aptomat, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch Thyristor

Chọn Aptomat một pha đặt trước mạch động lực có các thông số được tính như sau: Iđm = k.Id

Ingắt = k.Imm với: Imm = 2,5Iđm

Ingắt = 1,2.2.5.2,376 = 7,128A, chọn Aptomat có Ingắt = 10A

Dòng quá tải:

Iqt = 1,5Id = 1,5.1,98 = 2,97A, chọn Aptomat có dòng quá tải là Iqt = 15A

Chọn Aptomat loại A3161 do Nga chế tạo có Uđm = 220V, In = 15A

Để bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên người ta dựng mạch RC đấu song song với Thyristor như hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ bảo vệ Thyristor bằng RC

Thông số của R, C phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra, tốc

độ biến thiên của dòng điện chuyển mạch, điện cảm trên đường dây…

Trong thực tế, khi tính toán thiết kế bảo vệ van thì rất khó có thể có đầy

đủ tất cả các đường cong đặc tính cần thiết nên người ta thường chọn giá trị của R, C theo kinh nghiệm:

*Tính bảo vệ quá nhiệt cho van bán dẫn

- Tổn thất công suất trên mặt Thyristor

A I

15 , 7

K

P S

m

m    



∆P - tổn hao công suất trên van

Km - hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ chọn Km = 8W/n2C

 - độ chênh lệch nhệt độ so với môi trường

Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 400C

Nhiệt độ cho phép của Thyristor là Tcp =1100C

Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt Tlv = 800C

 = Tlv – Tmt = 80 – 40 = 400C Chọn loại cánh có 10 cánh

2.1.4 Thiết kế mạch điều khiển

2.1.4.1 Cấu trúc mạch điều khiển

Lựa chọn mạch điều khiển theo phương pháp thẳng đứng tuyến tính

- Mạch điều khiển bao gồm các khâu (hình 2.4):

+ Khâu tạo xung (TX)

+ Khâu khuếch đại xung (KĐX)

Hình 2.4 Sơ đồ khối của mạch điều khiển

 Khâu đồng bộ (hay đồng pha)

Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa đồng bộ với điện áp lưới, cho phép xác định được góc điều khiển 

 Khâu tạo điện áp tựa

Có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa (Uđp) dạng thích hợp sao cho trong mỗi nửa chu kì của điện áp cần chỉnh lưu đều có dạng điện áp ra theo quy luật giống nhau

Có 2 dạng điện áp tựa:

+ Dạng răng cưa: (răng cưa sườn trước; răng cưa sườn sau)

+ Dạng hình sin: Dạng hình sin cho điện áp chỉnh lưu tuyến tính với điện áp điều khiển nhưng có nhược điểm là phụ thuộc vào lưới điện và bị nhiễu theo nguồn Trong thực tế người ta hay dùng điện áp tựa dạng hình răng cưa hơn

Vì xung dương sau khối so sánh là một xung vuông có độ rộng kéo dài từ khi xuất hiện cho đến hết nửa chu kì đang xét của điện áp chỉnh lưu, xung này chưa thích hợp để mở Thyristor Do vậy khâu tạo xung này có nhiệm vụ:

+ Chế biến xung ra thành dạng thích hợp cho việc mở Thyristor (dạng xung kim đơn hoặc xung chùm)

+ Khuếch đại đủ công suất mở Thyristor

+ Chia xung cấp cho các Thyristor

 Khâu khuyếch đại xung

Có nhiệm vụ khuyếch đại để đảm bảo về:

+ Độ lớn của xung

+ Công suất xung điều khiển

+ Cách ly mạch lực với mạch điều khiển

2.1.4.2 Lựa chọn và tính toán các khâu trong mạch điều khiển

Nửa chu kỳ đầu Uba2 >0 và Uba2' < 0  Diode dẫn

+ Điện áp U2 được đưa vào cổng đảo so sánh với điện áp U0 đưa vào cực đảo của khuếch đại thuật toán

 Nếu U2 < Up thì U3 = +Ubh (V)

 Nếu U2 > Up thì U3 = -Ubh(V) + Điện áp ra U3 là xung đồng bộ có dạng xung chữ nhật

+ Điều chỉnh RP để thay đổi điện áp Ung đưa vào cực không đảo từ đó thay đổi độ rộng xung dương của xung đồng bộ Ta điều chỉnh biến trở RP để

độ rộng xung dương là nhỏ nhất

- Tính toán thông số các linh kiện trong mạch

+ Tính toán thông số các linh kiện trong mạch:

Nhóm chỉnh lưu tia một pha nửa chu kỳ với diode D có điện áp đồng pha với trị số hiệu dụng 8V, nên điện áp ngược lớn nhất đặt lên van là:

1N4007 với tham số: Itb = 1A; Ung max = 1000V

Mạch so sánh tạo xung đồng bộ Chọn OA loại TL081

Chọn điện trở R2 = 15kΩ

Chọn dòng qua phân áp (P1 + R3) là 1mA Vậy tổng trở của cả bộ phân áp:

3

15 15 1.10

E

i

Từ đây chọn phân áp gồm điện trở R3 = 12kΩ và biến trở P1 = 2kΩ

b Khâu tạo điện áp tựa ( xung răng cưa – hình 2.6)

`

Hình 2.6 Sơ đồ mạch tạo điện áp răng cưa dùng OA

+12

-12 R4 57k

Udb

-20.00 20.00

Urc

-2.00 8.00

- Nguyên lý hoạt động:

+ Khi Uđb = +Ubh làm transistor T1 loại ngược dẫn, nối ngắn mạch tụ C nên điện áp trên tụ cũng chính là điện áp đầu ra OA bằng không Như vậy bóng T1 làm nhiệm vụ phóng điện cho tụ C

+ Điện áp ra bằng điện áp tụ C và bằng:

Urc = UC =  

t t

c d i

+ Khi Ubh > 0, Transistor mở điện áp từ cực dương của tụ (U4) xả nhanh về cực âm tạo nên độ dốc thẳng đứng của sườn xuống

- Tính chọn các linh kiện trong mạch

+ Chọn tụ C = 220 nF;

+ Tính R4, với thời gian tạo răng cưa tn = 9.4 ms, ta có:

Vậy chọn một điện trở 47kΩ nối tiếp với điện trở 10kΩ vào vị trí R4

+ Chọn transistor ngược loại C1815 cho sơ đồ mạch tạo xung răng cưa + Điện trở R5 cần đảm bảo mở bão hoà bóng trong thời gian ngắn cho

tụ C xả hết năng lượng, thời gian này bằng (T/2 – trc) = 10 – 9.4 = 0.6ms, nên

U rang cua

-2.00 8.00

U so sanh

-20.00 20.00

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý và dạng điện áp ra khâu so sánh dùng OA

- Do Uđk dùng trong mạch điều khiển không âm nên ta chọn mạch so sánh sử dụng khuếch đại thuật toán làm khâu so sánh với điện áp răng cưa

được đưa vào đầu không đảo và điện áp điều khiển đưa vào đảo

+ Khi Uđk > U4 thì điện áp ra là âm bão hoà Uss = -Ubh do có diode D4

nên lúc này Uss = 0V

- Tính chọn các linh kiện trong mạch :

Mạch điều khiển sử dụng 6 khuếch đại thuật toán nên chọn IC TL081

(hình 2.8) là 1 vi mạch tích hợp 1 khuếch đại thuật toán trong 1 vỏ với các

thông số sau:

+ Điện áp nguồn cấp: VCC = 18V

Tuy nhiên trong mạch điều khiển sử dụng nguồn cấp cho TL081 là

VCC = 12V

+ Dòng điện nguồn cấp: I = 2,5mA

+ Điện áp tín hiệu vào: UI = 12V, Ubh = 10,5V

+ Chọn R6 = 220kΩ, Chọn R7 = 220Ω

+ Nhiệt độ làm việc: -400C đến 850

C + Công suất: 680mW

U tao xung

-1.00

2.00

dien ap sau khau tao xung

Hình 2.9 Khâu tạo xung đơn và điện áp ra

bh bh

u u

do vậy dòng điện có quy luật:

8

2 ( )

x

t

bh BE x

- Tính chọn các linh kiện trong mạch:

+ Chọn trị số dòng đỉnh không quá 8mA, coi UBE = 0,7V và Ubh = 10,5V Vậy:

bh BE m

x

t

bh BE x

2

3.10 ln ln

3.10 10 ( )

x

bh BE x

U rang cua

-2.00 8.00

U so sanh

-20.00 20.00

U tao xung

-1.00 2.00

Ug

-10.00 20.00

Hình 2.10 Khâu khuếch đại xung một nửa chu kỳ sử dụng biến áp xung

- Ug điện áp đặt vào 2 cực G-K của Thyristor

- Tính chọn các linh kiện trong mạch:

Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển:

+ Điện áp điều khiển Thyristor: Uđk = 5V + Dòng điện điều khiển: Iđk = 180mA + Điện áp nguồn cấp mạch điều khiển: 12V

- Tính biến áp xung:

+ Chọn vật liệu làm lõi là sắt ferit Lõi có dạng hình trụ làm việc trên

một phần của đặc tính từ hóa có:

 Độ biến thiên cường độ từ trường: ΔB = 0,3T

 Độ biến thiên mật độ từ cảm: ΔH = 30H/m

+ Tỷ số biến áp xung: kba = 23 nên chọn kba = 2

+ Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Udk = 5V

+ Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 =kba.U2 =5.2 = 10V + Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk = 0,18A

+ Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1= 2 0,18

0, 06 3

Sx: Độ sụt áp xung cho phép, thông thường Sx = (0,1÷0,2) nên chọn

Sx = 0,15

tx: Độ rộng của một xung, khi coi như thyrsistor là lý tưởng thì ta chọn tx = tph = 0,167ms

Dựa vào bảng tra cứu ta lựa chọn được mạch từ có thể tích

V = 1,93(cm3) và có kích thước cụ thể như sau:

 Diện tích lõi từ Q = 0,395cm2

 Diện tích cửa sổ: 0,581cm2

+ Số vòng dây quấn sơ cấp biến áp xung tính theo định luật cảm ứng

điện từ:

.

1 1

x

t

B Q w dt

dB Q w

Nên:

6 1

I

Trong đó chọn mật độ dòng điện là J1 = 6A/ mm2

+ Đường kính dây quấn sơ cấp:

1 1

4 4.0, 01

0, 013

S d

+ Tiết diện dây quấn thứ cấp:

2 2 2

0.018 4

I S J

  0,045mm2

Trong đó chọn J2 = 4A/mm2

+ Đường kính đây quấn thứ cấp:

2 2

4 4.0, 045

0, 057

S d

Chọn dây dẫn có đường kính d2 = 0,057mm

- Tính tầng khuyếch đại Transistor:

Chọn Transitor T3 là loại Transitor C1815 có các thông số như sau:

- Transitor loại NPN, vật liệu: Si

- Điện áp giữa colector và bazo khi hở mạch emitor: UCBO = 60V

- Điện áp giữa emitor và bazo khi hở mạch colector: UEBO= 5V

- Dòng điện lớn nhất ở colector: IC max = 150mA

- Công suất tiêu tán ở colector: PC = 400mW

- Nhiệt đô lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1= 125 0C

- Hệ số khuyếch đại: β = 100

- Dòng làm việc của bazo: IB = 50mA

Chọn Transistor T4 là loại Transistor H1061 có các thông số như sau:

- Transitor loại NPN, vật liệu: Si

- Điện áp giữa colector và bazo khi hở mạch emitor: UCBO = 100V

- Điện áp giữa emitor và bazo khi hở mạch colector: UEBO= 5V

- Dòng điện lớn nhất ở colector: IC max = 8A

- Công suất tiêu tán ở colector: PC = 40W

- Nhiệt đô lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1 = 1500C

- Hệ số khuyếch đại: β = 100

Dòng làm việc của bazo: IB = 150mA

+ Nguồn cấp cho biến áp xung: E = +12V

+ Tất cả các diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4007 có tham số:

 Dòng điện định mức: Iđm = 1A

 Điện áp ngược lớn nhất: Ungm= 1000V

 Điện áp cho diode mở thông: 0,7V

f Tính toán biến áp đồng pha

+ Điện áp thứ cấp máy biến áp đồng pha U12 = U23 = 6V + Dòng điện thứ cấp máy biến áp đồng pha I = 1mA + Công suất biến áp đồng pha

Pđph = U13.I = 12.1.10-3 = 0,012W + Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy

S = 1,05(Px + Pđph + Pn) = 1,05 (0,054 +0,012 + 2,04 )

→ S = 2,68VA + Dòng điện sơ cấp máy biến áp

1 1

2, 68

0, 0122 220

S I U

*Tiết diện trụ của máy biến áp: 2, 68 2

6 1, 38 1.50

kQ = 6: hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát

Chuẩn hoá tiết diện trụ QT = 1.75cm2

* Số vòng dây cuộn sơ cấp

vòng Q

B f

U w

T

4195 10

75 , 1 35 , 1 50 44 , 4

220

44 ,

S S

U J

*Đường kính dây quấn thứ cấp

2 2

0,32

S d

Chuẩn đường kính d2 = 0,33mm Đường kính kể cả cách điện: d2cđ = 0,38mm

2.1.4.3 Nguồn cấp cho mạch điều khiển

Sơ đồ khối nguồn cấp cho mạch điều khiển được thể hiện trên hình 2.12 và sơ

đồ nguyên lý nguồn cấp cho mạch điều khiển thể hiện trên hình 2.13

+ Điện áp cấp: ±12V

+ Dòng cấp: thay đổi theo tải (I< 1A)

IN OUT GN

LM7912C

N1

N2 N3

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn đối xứng ±12V

- Dùng mạch chỉnh lưu hình tia 2 nửa chu kì, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn cấp: Chọn U2 = 18V

+ 2 IC ổn áp 7812 và 7912 để ổn định điện áp ra của nguồn cấp ở mức

±12V

Điện áp đầu vào: Uv = 18V Điện áp đầu ra: IC 7812: Ura = 12V + IC 7912: Ura = -12V

Dòng điện đầu ra: Ira = 01A

Cầu chỉnh lưu dùng 4 diode D1, D2, D3, D4 loại 1N4007 mắc hình cầu với các thông số: Iđm = 1A, ungmax = 1000V

Chọn C1,C2 là tụ hóa có giá trị C = 2200F; U = 50V

Tụ C5, C6: tụ hóa có giá trị : C = 220F; U = 50V

2.1.4.4 Tính toán máy biến áp nguồn nuôi

+ Điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi U12 = U23 = 18V

+ Dòng điện thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi I = 500mA

+ Công suất biến áp nguồn nuôi

Pđph = U13.I = 36.0,5 = 18W

+ Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy

S = 1,05(Px + Pđph + Pn) = 1,05 (0,054 +18 + 2,04 ) = 21,1VA + Dòng điện sơ cấp máy biến áp: 0 , 0959 ( )

220

1 , 21 1

1 , 21 6

m

S k

Chuẩn hoá tiết diện trụ QT = 3,87cm2

Từ các hệ số phụ: m, n, l (m = h/a; n = c/a; l = b/a với h là chiều cao, c là chiều rộng của cửa sổ), ta chọn theo hệ số tối ưu: m = 2,5; n = 0,5; l = 1.25 kết hợp với QFe = a.b = 3,897cm2 ta tính được: a = 1,41cm ; b = 1,766cm

C

- Quy chuẩn theo kích thước chế tạo sẵn, ta có a 2,5cm

35 , 1 50 44 , 4

10 220

44 , 4

1 , 21 1

1

J U

035 , 0 4

4 1

Đường kính kể cả cách điện: d1cđ = 0,25mm

*Số vòng dây cuộn thứ cấp biến áp nguồn nuôi

160 220

24 1468 1

1 , 21 2

2

J U

S

*Đường kính dây quấn thứ cấp

61 , 0 14 , 3

32 , 0 4