Tài liệu Đồ án tốt nghiệp - Nhà máy điện Phả Lại P5 docx

Hệ thống điều khiển của các thiết bị biến đổi dùng để hình thành và tạo ra các xung điều khiển có độ rộng xung nhất định, phân bố các xung theo các pha và thay đổi thời điểm đưa xung kíc

Chương 5

PHƯƠNG ÁN THAY THẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN - CHỈNH LƯU

Chức năng và những yêu cầu cơ bản đối với hệ thống điều khiển chỉnh lưu

Hệ thống điều khiển của các thiết bị biến đổi dùng để hình thành

và tạo ra các xung điều khiển có độ rộng xung nhất định, phân bố các xung theo các pha và thay đổi thời điểm đưa xung kích mở thông các van Sau khi kích thích mở thông các van thì hệ thống điều khiển được gây ảnh hưởng tới trạng thái làm việc của chúng, các yêu cầu chính của hệ thống điều khiển là:

5-1 Yêu cầu về xung điều khiển

Độ lớn: Độ lớn điện áp trên cực điều khiển và dòng điện chạy qua cực điều khiển có quan hệ Uđk = f (i đk) và được giới hạn trong phạm

vi sau:

Đặc tính điều khiển

Giới hạn trên của các đặc tính

Điện áp điều khiển cho phép cực đại Giới hạn công suất cực đại Dòng điện điều khiển cho phép cực đại

Dòng điện điều khiển nhỏ nhất để mở ở nhiệt độ bất kỳ Điện áp điềukhiển nhỏ nhất đảm bảo mở ở nhiệt độ bất kỳ

Giới hạn trên của các đặc tính

IG

Do sai lệch về thông số chế tạo và điều kiện hoạt động ngay cả Thyzitor có đặc tính này dao động giữa hai đặc tính giới hạn trên và dưới Các yêu cầu của áp và dòng điều khiển là:

- Giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép

- Giá trị nhỏ nhất phải đảm bảo mở được Thyzitor trong mọi điều kiện làm việc

- Tổn hao tiêu cực điều khiển phải nhỏ hơn giá trị cho phép thường độ lớn của áp 2 ÷ 10 v, dòng 20 ÷ 200 mA

5.2- Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển:

Thời gian mở Thyzitor chia thành hai giai đoạn:

- Giai đoạn dòng tăng trưởng chậm, ký hiệu t1 là thời gian cần thiết để làm cho J2 chuyển dịch thuận (J2 là mặt tiếp giáp giữa hai lớp bán dẫn

5.3- Yêu cầu độ dốc xung điều khiển

Độ dốc sườn trước xung điều khiển càng cao thì việc mở Thyzitor càng dễ dàng, đặc biệt là trong mạch có nhiều van nối tiếp hoặc song song Thông thường yêu cầu độ dốc sườn trứơc của dòng xung điều khiển là:

ms A d

- Dải điều khiển

Dải điều khiển phải rộng và dải này xác định bởi dạng và chế độ làm việc cả các bộ biến đổi và đặc tính của tải

Tính đối xứng điều khiển:

Đảm bảo được đối xứng các xung điều khiển theo pha nếu không đảm bảo đối xứng các xung điều khiển các tizistor qua các bộ biến đổi nhiều pha sẽ gây ra sự không cân bằng giá trị trung bình của dòng tizitor đó

khiển phải nhỏ để tizitor không tự phép mở khi dòng số tăng Xung điều khiển phải ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao động điện áp nguồn Cần khử các nhiễu cảm ứng để tránh mở nhầm các thyzitor Yêu cầu về nắp ráp và vận hành

Việc nắp ráp, vận hành, sử dụng phải dễ dàng, thuận tiện cho việc điều khiển, sửa chữa, lắp khối gọn nhẹ, thay dễ dàng

Nguyên tắc điều khiển:

Việc điều khiển tizitor chính là việc tạo thời điểm phát xung mở tizitor Có hai nguyên tắc điều khiển chủ yếu sau:

+ Nguyên tắc điều khiển arccos

+ Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

5.4- Nguyên tắc điều khiển arccos

Nguyên tắc điều khiển arccos

Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp

+ Điện áp Ur vượt trứơc điện áp A-K của tizistor một góc bằng

U đk

0

áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ theo hai hướng ( dương

5.5- Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Theo nguyên tắc này ta dùng hai điện áp

+ Điện áp đồng bộ, ký hiệu Ur có dạng răng cưa, đồng bộ với điện áp trên A-K của tizitor

+ Điện áp điều khiển ký hiệu là Uc’ là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ

Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

Như vậy bằng phương pháp thay đổi giá trị UC có thể điều chỉnh góc α

U đk

α

U

Ở trong sơ đồ này ta sử dụng một dạng khác của nguyên tắc điều khiển tuyến tính Điện áp tựa răng cưa có dạng răng cưa ngược (sườn phóng dài hơn sườn nạp) Điện áp điều khiển ngược dấu với điện áp răng cưa theo dạng dưới đây:

Điện áp điều khiển và điện áp răng cưa được tổng hợp trên một chân của OA so sánh để so sánh với điểm đốt Theo hình vẽ ta có thể chèn được biểu thức của góc điều khiển α (Coi khoảng nạp là không đáng kể so với chu kỳ)

Ta thấy góc α là hàm tuyến tính của điện áp điều khiển Với nguyên tắc này thì α biến thiên ngược chiều với điện áp điều khiển Nhưng theo phần mạch tạo tín hiệu ổn định dòng áp mà ta đã xem xét thì tín hiệu điều khiển biến thiên ngược chiều với biến thiên các giá trị tín hiệu trên tải, vì thế mà α cũng biến thiên thuận chhiều với biến

U đk

θ

0

thiên áp, dòng trên tải giống như phương pháp thẳng đứng tuyến tính

đã trình bày ở phần trên

5.6- Cấu trúc của hệ điều khiển chỉnh lưu:

Hình 5-1: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển Khâu đồng pha:

Để quá trình điều khiển như mong muốn, thì phải phát xung chính xác vào từng thời điểm trên điện áp tải Vì thế phải có khâu đồng pha để phản ánh điện áp cầu điều khiển

Khâu đồng pha ở đây sử dụng biến áp đồng pha

Thiết kế biến áp đồng pha:

Sơ đồ nối dây của biến áp đồng pha

Đồng pha Dịch pha

Tạo điện áp chuẩn U 0 SS TX KĐα

Hình 5-2: Sơ đồ nối dây biến áp đồng pha

Cuộn sơ cấp nối với các pha của lưới điện, các cuộn thứ cấp có điện áp đồng pha với điện áp lưới, đưa tới mạch điều khiển

Cuộn an đưa tới cuộn điều khiển kênh 1

Cuộn bn đưa tới cuộn điều khiển kênh 2

Cuộn cn đưa tới cuộn điều khiển kênh 3

P k Q

⋅

⋅

= (1.1) Biến áp khô: K = 5 ÷6 Ta chọn K = 6

P: Công suất biểu kín của máy hạ áp

C: Số trụ của máy biến áp: C = 3

f: Tần số nguồn xoay chiều f = 50Hz

Thay vào công thức ta có:

50 3

40 6

P K Q

Vậy Q = 3,09 cm2

Tra bảng ta có các số liệu của mạch từ:

Hình dạng và kích thước mạch từ như hình vẽ sau:

Hình 5-3: Các kích thước của BA

Tiết diện mạch từ:

⊕ Trụ:

- Tiết diện thô: a b = 2 2 = 4 cm2 (1.2)

- Tiết diện hiệu quả: 4 0,95 = 3,8 cm2 (1-3)

- Trọng lượng: 0,75 – 0,038 5,3 = 4,275 kg (1.4)

b L

⊕ Gông từ:

- Tiết diện thô b c = 2,5 2 = 5 cm 2 (1-5)

- Tiết diện hiệu quả: 0,95 – 5 = 4,75 cm2 (1-6)

, 1 8 , 3 50 44 , 4

220 B

Q f 4,44

U n

1

4

1

J

I d

π 3 , 14 2 , 75

01 , 0 4

mm

068 , 0

1

1

4

2

J

I d

π

3 14 , 3

01 , 0

Ta chọn dây quấn d1 = 0,1 mm; 0,0698 g/m; 2,291 Ω/m

d2 = 0,25 nn; 0,04909 g/m; 0,366 Ω/m

5.8- Khâu đồng pha và tạo điện áp răng cưa

Hình 5-4: Tạo răng cưa hai nửa chu kỳ bằng 0A

Mạch 0A1 nửa( + )nhận được điện áp đồng pha đã được chỉnh lưu còn nửa (-) đặt điện áp ngưỡng so sánh với nửa cực (+) Bằng cách điều chỉnh ngưỡng này ta thay đổi được quan hệ giữa thời gian tạo răng cưa Trc và thời gian phục hồi tn theo yêu cầu Tổng điện trở (R5+ P1) chọn từ 10 ÷20 kΩ R6 là tải của mạch nên có trị số để dòng qua

nó cỡ 1mA R1, R4 chọn khoảng 10 kΩ

5.9- Khâu so sánh và vi phân:

0A1

Khâu so sánh được sử dụng để tạo thời điểm phát xung thông qua hiện thực so sánh giữa điện áp tựa răng cưa Urc và điện áp điều khiển

- Không làm méo tín hiệu

⊕ Khối so sánh có thông số cơ bản là:

- Điện trở vào lớn

- Độ nhạy cao

- Độ ổn định của khối, độ tác động nhanh

Ngày nay mạch so sánh thường dùng vi mạch KĐTT vì kích thước gọn nhẹ, tiêu thụ công suất nhỏ, chỉ tiêu kỹ thuật cao, giá thành

rẻ và đặc bịêt thuận lợi cho mạch điều khiển nhiều pha

Các phần tử đầu vào của vi mạch thường là những tổ hợp tranzitor Silic nên độ nhạy tăng, ngưỡng khởi động nhỏ, độ trôi điểm không nhỏ, tín hiệu ra có thể lấy giá trị +VCC hoặc – VCC tùy thuộc vào tín hiệu vào theo đặc tính truyền đạt của khuyếch đại thuật toán

Un

Ura

U vào

+VCC

Do khoảng UV1 ÷ UV2 rất nhỏ nên với khuyếch đại thuật toán thì chỉ cần biến thiên rất nhỏ của điện áp đầu vào là đã có thể gây ra điện áp bão hòa ở đầu ra

Khâu so sánh làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu điện áp răng cưa với điện

áp điều khiển để tạo thời điểm phát xung Mạch so sánh dùng khuyếch đại thuật toán có ưu điểm

- Độ chính xác cao, độ tác động nhanh, độ ổn định nhiệt tốt không làm méo tín hiệu

- Để mở Tranzitor chỉ cần xung dương tồn tại trong thời gian ngắn nên ở đầu ra của khâu so sánh có lắp tụ C2 (khâu vi phân)

và đi ốt D1 để tránh xung âm, kết quả đầu ra 6 chỉ tồn tại xung nhọn dương được đưa đên khâu khuyếch đại xung

Chọn các phần tử: D1 loại N 4007

5.10- Khâu khuyếch đại xung:

Để đảm bảo mở được các Thyristor, các xung đưa tới cực điều khiển phải có công suất đủ lớn Do vậy các xung nhận được đưa qua

bộ khuyếch đại xung

Hình 5-6: Sơ đồ nguyên lý khâu khuyếch đại xung

Mạch khuyếch đung cần đảm bảo các yêu cầu:

- Tạo ra xung đồng bộ với tín hiệu từ bộ tạo xung

- Tạo ra xung đồng bộ có độ lớn, độ rộng phù hợp để kích mở Tranzitor

- Cách ly điện giữa mạch điều khiển và mạch động lực (qua biến

11 với τ = L R (5-2) Đến thời điểm t = T1, UV = 0, dòng qua cuộn L đang đạt giá trị

0 1 11

Tranzitor T5, T7 khóa lại, nếu không có điốt D1 thì năng lượng

W = ⋅ sẽ sinh ra hiện tượng quá áp trên các cực C,

E của các Tranzitor Quá điện áp nóng có thể phá hỏng các tranzitor Điốt D3 sẽ hạn chế hiện tượng quá áp bởi khi UL = 0,8 thì D3 sẽ

mở cho dòng chảy qua, ngắn mạch L do đó UCE = 0,8 + E Đi ốt D5chống điện áp ngược đặt lên các cực C0K của Thyristor

Điện trở R10 tạo một sụt áp khoảng 0,4V giúp mở và khóa vào Tranzitor T5 và T7 nhanh hơn

Điện trở R11 có tác dụng hạn chế dòng collictor

Tính chọn các phần tử của khâu khuyếch đại xung

Các số liệu cho trước:

- Các Thyristor KP – 200/1200 chọn tương ứng loại

TΠ200-1000

- Thông số về xung điều khiển:

Ig = 0,4 A; Uv = 8 V, độ rộng xung TX = 600 μs

- Điện trở giữa cực điều khiển và catốt:

- Độ mất đối xứng cho phép Δα = 40 điện

- Mức sụt biên độ xung S = 15%

- Điện áp nguồn điều khiển Uđk = 24 V

- Độ dài răng cưa 1650 điện

Thiết kế biến áp xung:

Chọn vật liệu sắt từ là hợp kim niken – Mangan 50 Hm, lõi sắt từ

có dạng E, I làm việc trên một phần đặc tính từ hóa

Tra bảng 5-2 (Điện tử công suất lớn ứng dụng Thyzitor) có

BS = 1,6 (Tesla)

tesla BS

8 , 0 4

6 , 1 2 4

0

10 2 , 1 50 10 4

8 ,

⋅

= Δ

⋅

Δ

=

π μ

L: Chiều dài trung bình của đường sức

LKh: Chiều dài khe hở không khí

10 45 , 5 10 2 , 1

1 , 0 10

1 ,

Thể tích lõi sắt từ:

) (

2 2

B

SEI t QxL

I2 là dòng điện thứ cấp quy đổi sang phía sơ cấp

Q: là tiết diện lõi sắt từ

Chọn tỉ số biến áp của BAX là: n = 3

Điện áp sơ cấp của BAX U1 = 3 x 8 = 24 V

Dòng điện thứ cấp quy đổi: I2 = I/3 = 0,4/3 = 0,14 A Thay số:

2

4 7

3

8 , 0

) 11 , 0 ).(

24 ).(

15 , 0 )(

10 6 ( 10 4 10 45 ,

Hình 5-7: Các kích thước của biến áp xung

Số cường cuộn sơ cấp biến áp xung:

K Q B

EtX W

.

1 = Δ (5-8) Trong đó K: Hệ số chất dầy cuộn dây thứ cấp biến áp xung K = 0,76

76 , 0 ) 10 96 , 0 ( 8 , 0

10 6 24

4 10 6 14 , 0 1

6 14 , 3

24 , 0 2

2 2 (5-13) Với J = 4A/mm2

02 , 0

10 6 4 , 0 T

t I

I

4 X

2 2TB

07 , 0 2

Vậy ta có đường kính của dây dẫn:

Sơ cấp: d1 = 0,23 mm

Thứ cấp: d2 = 0,12 mm

5.11- Khâu tạo U đk

Chức năng:

+ Làm việc bình thường: UKT = 126 V, I KT = 265 A + Hạn chế dòng kích từ nhỏ nhất IKTmin