Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển

Những năm gần kĩ thuâ ̣t điê ̣n tử và bán dẫn công suất lớn phát triển mạnh mẽ Các thiết bị điê ̣n tử công suất có nhiều ưu điểm: có khả điều khiển rô ̣ng, có chi tiêu kinh tế cao, kích thước và trọng lượng thấp, đô ̣ tin câ ̣y và tính chính xác cao… ứng dụng chúng vào viê ̣c biến đổi lượng là điều khiển điê ̣n áp và dòng điê ̣n xoay chiều và ngược lại ngày cầng sâu rô ̣ng Viê ̣c nghiên cứu mô ̣t cách tỉ mỉ về điê ̣n tử công suất là viêc̣ cần thiết đối với sinh viên và cán bô ̣ kĩ thuâ ̣t điê ̣n Khi chế tạo các thiết bị điê ̣n tử công suất, đòi hỏi kiến thức không chỉ mạch đô ̣ng lực, mà những kiến thức về mạch điều khiển và tính chọn các thiết bị thế nào cho thích hợp cũng rất cần thiết Trên sở đó đồ án này có nhiê ̣m vụ “ thiết kế bô ̣ nguồn chỉnh lưu điều khiển ”

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

KHOA KĨ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

- -ĐỒ ÁN MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đề tài:

THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN

Bình Định, ngày 10 tháng 12 năm 2019

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ DÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHŨ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHIÊ ̣M VỤ THIẾT KẾ MÔN HỌC

Họ và tên sinh viên : Nguyển Văn Cường Khóa : K40

Khoa : Kỹ thuâ ̣t và công nghê ̣ Ngành : KTĐ- ĐT

1 Tên đề tài : thiết kế bô ̣ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng

2 Các số liê ̣u ban đầu:

Ud= 400 V; Pd =15000 W; Id = Pd/Ud = 15000/400=37,5 A

3 Nô ̣i dụng các phần thuyết minh và tính toán

 Khái quát về bô ̣ nguồn chỉnh lưu và chọn sơ đồ tính toán

 Thiết kế, tính toán bô ̣ chỉnh lưu

 Thiết kế máy biến áp

4 Các bản vẻ : 2 bản vẻ AP

5 Giáo viên hướng dẩn : Thân Văn Thông

6 Ngày giao nhiê ̣m vụ : 10-11-2019

7 Ngày hoàn thành: 10-12-2019

Giáo viên hướng dẩn

Thân Văn Thông

Trang 3

NHẬN XÉT CỦA THẦY CÔ

Trang 4

Lời mở đầu

Những năm gần đây kĩ thuâ ̣t điê ̣n tử và bán dẫn công suất lớn phát triển mạnh mẽ.Các thiết bị điê ̣n tử công suất có nhiều ưu điểm: có khả năng điều khiển rô ̣ng, có chi tiêukinh tế cao, kích thước và trọng lượng thấp, đô ̣ tin câ ̣y và tính chính xác cao… ứng dụngchúng vào viê ̣c biến đổi năng lượng là điều khiển điê ̣n áp và dòng điê ̣n xoay chiều vàngược lại ngày cầng sâu rô ̣ng

Viê ̣c nghiên cứu mô ̣t cách tỉ mỉ về điê ̣n tử công suất là viê ̣c cần thiết đối với sinhviên và cán bô ̣ kĩ thuâ ̣t điê ̣n Khi chế tạo các thiết bị điê ̣n tử công suất, đòi hỏi kiến thứckhông chỉ mạch đô ̣ng lực, mà những kiến thức về mạch điều khiển và tính chọn các thiếtbị như thế nào sao cho thích hợp cũng rất cần thiết

Trên cơ sở đó đồ án này có nhiê ̣m vụ “ thiết kế bô ̣ nguồn chỉnh lưu điều khiển ”.Trong quá trình hoàn thành bản đồ án này do còn hạn chế về kiến thức và kinhnghiê ̣m nên không tránh khỏi nhiều thiếu sót Em mong các thầy cô giúp đỡ

Em xin chân thành cảm ơn thầy Thân Văn Thông đã nhiê ̣t tình giúp đỡ và đô ̣ng

viên em hoàn thành bản đồ án này

Trang 5

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN BỘ CHỈNH LƯU

1.1 Sơ đồ nguyên lí:

đô ̣ng:

chỉnh lưu là ud

 Nguyên tắc: Góc mở α phải tính từ thời điểm là giao điểm của hai điê ̣n áp và sẽ phát xung cho van gắn với pha nào có điê ̣n áp dương hơn

 Giả sử α = 30°

 Tại thời điểm OO1’: T5 và D6 dẫn dòng: c → T5 → tải → D6 → b nên ud = ucb; Tại thời điểm O’1O2 : T1 và D6 dẫn dòng: a → T1→ tải → D6 → b nên ud = uab; Tại thời điểm O2O’3: T1 và D2 dẫn dòng: a → T1→ tải → D2 → c nên ud = uac; Tại thời điểm O3’O4 : T3 và D2 dẫn dòng: b → T3→ tải→ D2→ c nên ud = ubc;

Trang 7

α T1

Trang 8

b) Trị trung bình dòng điê ̣n qua van:

ITB van¿Id

3

Ung max = U2√6

Nên ta chọn van là [ Ung ] > √6U2, [ I ] > Id/3, [ Uth ] > √6U2

c) Công suất máy biến áp:

Góc mở thay đổi rô ̣ng hơn đạt tới 180°

Ta chỉ cần phát 1 xung không giống như cầu 3 pha đối xứng

Vì sơ đồ cầu 3 pha không đối xứng có 3 điốt và 3 thyristor nên đỡ tốn kém chi phí về kinh tế hơn

Viê ̣c điều khiển các van bán dẫn đơn giản hơn, ta có thể coi mạch điều khiển của

bộ chỉnh lưu này như điều khiển một chỉnh lưu tia 3 pha

 Nhược điểm:

Có rất nhiều hài bâ ̣c cao của tải và nguồn lớn

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU

2.1 Tính toán chọn van :

Tính chọn dựa vào yếu tố cơ bản dòng tải, điều kiê ̣n tỏa nhiê ̣t, điê ̣n áp làm viê ̣c, các thông số cơ bản của van được tính như sau:

Trang 9

 Điê ̣n áp ngược lớn nhất mà thyristor phải chịu đựng:

Ulv = Knv.U2 = Knv Ud/Ku = √6.4003 π 1

√6 = 4003 π = 418,879 VĐiê ̣n áp ngược của thyristor cần chọn là:

Iđmv = Ilv Ki = 21,65 4 = 86,6 A

Trong đó: Ud : điê ̣n áp tải

U2 : điê ̣n áp thứ cấp máy biến áp

Ulv : điê ̣n áp ngược của van

Ihd : dòng điê ̣n hiê ̣u dụng của van

Id : dòng điê ̣n tải

Knv : hê ̣ số điê ̣n áp ngược

Ku : hê ̣ số điê ̣n áp tải

Khd : hê ̣ số xác định dòng điê ̣n hiê ̣u dụng

Từ các thong số Unv, Iđmv ta chọn 3 thyristor và 3 điốt có thông số sau:

 Thyristor: P027RH10CGO

- Điê ̣n áp ngược cực đại: Unv = 1000 V

- Dòng làm viê ̣c cực đại: Iđmv = 100 A

- Dòng điê ̣n đỉnh cực đại: 350 mA;

- Dòng điê ̣n xung điều khiển: Ig = 100mA;

- Điê ̣n áp xung điều khiển: Ug = 3V;

- Dòng điê ̣n tự giữ: Ih = 400mA

- Dòng điê ̣n rò: Ir = 10mA

Trang 10

- Sụt áp trên thyristor: ∆U = 2,57 V;

- Thời gian chuyển mạch: tcm = 35ϻs

- Nhiê ̣t đô ̣ làm viê ̣c cực đại: 125 °

 Diode : NLA430A

- Dòng điê ̣n chỉnh lưu cực đại: 100A

- Điê ̣n áp ngược của điôt: 1000V

- Đỉnh xung dòng điê ̣n: 10000A

- Dòng điê ̣n thử cực: 3100 A

- Dòng điê ̣n rò ở nhiê ̣t đô ̣ 25° : 50mA

- Nhiê ̣t đô ̣ cho phép: 200 °

- Tổn hao điê ̣n áp mở ở trạng thái Điot: 1,42 V;

1.5 Thiết kế mạch tạo xung:

Mạch điều khiển được tính xuất phat từ yêu cầu về xung mở thyristor

a Nguyên tắc điều khiển :

Điều khiển thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu hiê ̣n nay có nhiều phương pháp khác nhau, thường gă ̣p là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính

 Sơ đồ khối:

 Chức năng các khối:

 Khối đồng bô ̣ hoá:

Lấy điê ̣n áp SCR đưa về mạch tạo xung để xung điều khiển được đồng bô ̣ với điê ̣n áp anot;

 Khối tạo xung răng cưa: Để làm điê ̣n áp tựa;

 Khối so sánh: so sánh điê ̣n áp răng cưa với uđk ở ngoài đưa vào;

 Khối tạo xung: Tạo xung theo yêu cầu;

 Khối phân chia xung: Đưa xung này tới cực G

b Sơ đồ mạch điều khiển:

Khối

đồng bộ

hóa

Khối tạo xung răng cưa

Khối so sánh

Khối tạo xung

Khối phân chia xung

Trang 11

c Nguyên lí hoạt đô ̣ng:

 Mạch tích phân:

0 đến Đ1 dẫn, T1 khóa C1 nạp điê ̣n áp trên tụ tăng tuyến tính

Trang 12

Từ π đ ´ê n 2 π: Đ1 khóa T1 dẫn tụ C2 phóng qua T1 uC1 giảm rất nhanh về 0.

 Mạch so sánh vòng hở:

Từ 0 đến α uđk > urc nên ura ở mức bình thường;

Từ αđến π uđk < urc nên ura ở mức điê ̣n áp âm

 Mạch tạo xung và phân chia xung:

Từ 0 đến α tụ C2 nạp do đó điê ̣n áp trên tụ C2 tăng, tại αtụ C2 phóng với thời gian Ʈ

= R8.C2 T2, T3 ngắt Ic = 0

Đồ thị:

Trang 13

d Tính toán mạch tạo xung:

Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầ của thyristor các thông số cơ bản củamạch điều khiển:

ωt

ωt α

Urc

Trang 14

+ Điê ̣n áp điều khiển của thyristor Uđk

+ Dòng điê ̣n điều khiển của thyristor Iđk

+ thời gian mở thyristor:

+ Đô ̣ rô ̣ng xung điều khiển: tx = (2-4)tm

+ Tần số xung điều khiển: fx = 1/2 tx

+ Điê ̣n áp nguồn nuôi mạch điều khiển:

+ Mức sụt áp biên đô ̣ xung: sx

+Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: UN

Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tần khuếch đại ngượctrở lên

Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở thyristor Cácthông số cơ bản để tính mạch điều khiển cần có:

-Điện áp điều khiển thyristor: Uđk = 3, (V)

-Dòng điện điều khiển thyristor: Iđk = 100 (mA)

-Độ rộng xung điều khiển thyristor: tx =35 (µs)

-Mức sụt biên độ xung: Sx = 0,15

-Tần số xung: fx = 3Khz

-Độ mất đối xứng cho phép:  = 340

-Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = 12 (V)

 Tính điện áp xung:

- Chọn vật liệu làm lõi sắt từ là thép  330 kiểu sắt từ dạng chữ  để máybiến áp xung làm việc tốt khi ở chế độ bão hòa, ta chọn mật độ tự cảmtrong lõi thép B = 0,3 cường độ từ trường H = 30 A/m (theo tài liệu điệntử công suất của Nguyễn Bính)

Tỷ số máy biến áp xung thường m = 23, chọn m = 3

- Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung:

Trang 15

- Độ tự thắm bình thường tương đối của lõi sắt:

µtb == 0,3/(30 1,25 10-6 )= 8 103 (H/m)Trong đó:µ0 = 1,25 10-6 (H/m)

- Thể tích của lõi thép cần có:

(Tra bảng B .2 trang 246 sách điện tử công suất của Nguyễn Bính)

Chọn Q = 0,1(cm2)với các kích thước lõi sắt từ như sau;

Chiều dài trung bình mạch từ L = 6,45 (cm);

a = 2,5(cm); b = 4 (cm);

d = 18 (mm)

D = 23 (mm);

Qcs = 2,55 cm3

Hình 2.3:Sơ đồ kết cấu lõi thép máy biến áp xung.

- Số vòng dây cuộn sơ cấp máy biến áp xung:

W1 =

Trang 16

- Trong đó:

U1 : điệ áp sơ cấp máy biến áp

Tx : độ rộng xung điều khiển

Q : tiết diện lõi

K : hệ số lắp đầy , chọn k = 0,7

W1 = ( 9 70 10-6 )/(0,3 0,1 10-4 )= 262,5 (vòng) => chọn W1 = 263 (vòng)

- Số vòng dây cuộn thứ cấp máy biến áp xung;

W2 = W1 /m = 263/3=87,6 (vòng)

=>chọn W2 = 88 (vòng)

- Tiết diện dây cuộn sơ cấp máy biến áp xung:

S1= I1/J1 = 0,033/6 = 0,0056 (mm2)

Chọn mật độ dòng điện J1 = 6 A/mm2

- Đường kính dây quấn sơ cấp:

D1 = √4 S1/π = √4 0,0056/ π = 0,084 mm

- Tiết diện dây quấn thứ cấp:

S2 = I2/J2 = 0,1/4 =0,025 mm2

Chọn mật độ dòng điện J2 = 4 A/mm2

- Đường kính dây quấn thứ cấp:

D2 = √4 S2/π = √4 0,025/ π = 0,178 mm

Tra bảng ta chọn d1 = 0,1 mm ; S1=0,00785 mm2

D2 = 0,18 mm ; S1=0,02545 mm2

 Tính tầng khuếch đại cuối cùng

Transtor công suất loại 2SC911lafm việc ở chế độ xung có các thông số Transtorloại npnc vật liệu bán dẫn silic

- Điện áp giữa collecter và bazơ khi hở mạch Emitter: UCBO = 40 (V)

- Điện áp giữa Emitter và bazơ khi hở mạch collector: UEBO = 4 (V)

- Dòng điện lớn nhất ở collector có thể chịu được: Imax = 400 (mA)

- Công suất tiêu tốn ở collector : PC = 1,7 (W)

- Nhiệt đọ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tj = 175 (° ¿

- Dòng điện làm việc cuae collector : IC3 = I1 = 33,3(mA)

- Hệ số khuếch đại :β=50

- Dòng điện làm việc của bazơ:

Trang 17

IB3 = Ic3 /β = 33,3/50= 0,66 (mA)

Chọn nguồn cung cấp cho biến áp xung: E = 12V

Tất cả các diot trong mạch dùng loại 1N4009 có tham số sau:

- Dòng điện đinh mức : Iđm =10A;

- Điện áp ngược lớn nhất : UN = 25V

- Điện áp để cho diot mở : Um = 1V

 Tính chọn tần so sánh

 Tính chọn khâu đồng pha

 Tạo nguồn nuôi

 Tính toán máy biến áp nuôi và đồng pha

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP CHỈNH LƯU

1.1 Tính các thông số cơ bản:

Chọn máy biến áp 3 pha với sơ đồ đấu dây Y/∆ làm mát bằng không khí tự nhiênDòng điê ̣n tải:

Id = Pd /Ud = 15000/400 = 37,5 A

 Tính công suất biểu kiến máy biến áp:

Sba = Ks Pdmax = 1,05 150000 = 15750 VA

Trong đó:

- Sba : công suất biểu kiến máy biến áp

- Ks : hê ̣ số công suất

- Pdm : công suất cực đại của tải

 Điê ̣n áp sơ cấp máy biến áp:

Trang 18

KQ : Hê ̣ số phụ thuô ̣c phương thức làm mát:

+ Biến áp dầu kQ = 4 ÷ 5 ;

+ Biến áp khô kQ = 5 ÷ 6 ;

m = 3 : Số pha máy biến áp

f : tần số nguồn điê ̣n xoay chiều

 Đường kính trụ:

d = 2√Q π = 2√51.23π = 8,07 cm

Chuẩn hóa đường kính trụ theo tiêu chuẩn d= 8cm

 Chọn loại thép: ∃330các lá thép có đô ̣ dày 0,5 mm

Chọn mâ ̣t đô ̣ từ cảm của trụ BT = 1 T

 Chọn tỉ số: m = h/d =2,3 Suy ra h = 2,3 d = 8 2,3 = 18,4 cm

Ta chọn chiều cao trụ là 18 cm

1.7 Tính toán dây quấn:

 Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp:

 Chọn sơ bô ̣ mâ ̣t đô ̣ dòng điê ̣n trong máy biến áp:

Với dây dẫn bằng đồng máy biến áp khô, chọn J=J2=2,75 A/mm2

 Tiết diê ̣n dây dẫn sơ cấp máy biến áp:

S1 = J I1

1 = 13,782,75 = 5,01 mm2Chọn dây dẫn hình chữ nhâ ̣t, cách điê ̣n cấp B,

Chuẩn hóa tiết diê ̣n theo tiêu chuẩn: S1 = 5.04 mm2

Kích thước dây dẫn có kể cả cách điê ̣n

S1cđ = a1.b1 = 2,1 2,63 = 5,523 mm2

 Tính lại mâ ̣t đô ̣ dòng điê ̣n trong cuô ̣n sơ cấp:

Trang 19

Chuẩn hóa tiết diê ̣n theo tiêu chuẩn: S2 = 11,3 mm2

Kích thước dây dẫn có kể cả cách điê ̣n:

S2cđ = a2 b2 = 4,4 2,63 = 11,572 mm2

 Tính lại mâ ̣t đô ̣ dòng điê ̣n trong cuô ̣n thứ cấp máy biến áp:

J2 = S I2

2 = 30,6211,3 = 2,71 A/mm2

1.8 Kết cấu dây dẫn sơ cấp:

 Tính sơ bô ̣ số vòng dây trên mô ̣t lớp của cuô ̣n sơ cấp:

W11 = h−2 h b g

1 kc = 18−2 1,50,263 0,95 = 54 vòngTrong đó:

+ kc= 0,95 là hê ̣ số ép chă ̣t

+ h: chiều cao trụ

+ hg = 1,5 cm : khoảng cách từ gong đến cuô ̣n dây sơ cấp

 Tính sơ bô ̣ số lớp dây ở cuô ̣n sơ cấp:

 Chọn ống quấn dây làm bằng vâ ̣t liê ̣u cách điê ̣n có bề dày: S01 = 0,1 cm

 Khoảng cách từ trụ tới cuô ̣n dây sơ cấp chọn: cd01 = 1 cm;

 Đường kính trong của ống cách điê ̣n:

Dt = dFe + 2cd01 – 2S01 =8 + 2×1−2× 0,1=9,8 (cm)

 Đường kính trong của cuô ̣n sơ cấp:

Dt1 = Dt + 2S01 =9,8+2× 0,1=10 (cm)

 Chọn bề dày giữa hai lớp dây ở cuô ̣n sơ cấp: cd11 = 0,1mm;

 Bề dày cuô ̣n sơ cấp:

Trang 20

 Chọn bề dày cách điê ̣n giữa cuô ̣n sơ cấp và thứ cấp: cd12 = 1cm

1.9 Kết cấu dây dẫn thứ cấp:

 Chọn sơ bô ̣ chiều cao cuô ̣n thứ cấp:

 Chọn sơ bô ̣ số lớp dây quấn thứ cấp: n12 = 5 lớp 1 lớp 30 vòng

 Chiều cao thực tế của cuô ̣n thứ cấp:

h2 = W k12

c b =0,9529 × 0,44=13,43(cm)

 Đường kính trong của cuô ̣n thứ cấp:

Dt2 = Dn1 + 2cd12 =13,08+2,1=15,08 (cm)

 Chọn bề dày giữa hai lớp dây ở cuô ̣n thứ cấp: cd11 = 0,1mm;

 Bề dày cuô ̣n thứ cấp:

Trang 21

1.10 Tính kích thước mạch từ :

 Với đường kính trụ d= 8 , ta chọn số bâ ̣c là 5

 Toàn bô ̣ tiết diê ̣n bâ ̣c thang của trụ:

Trang 22

Bậc 2 là n2 = 0,510 2 = 40 lá

Bậc 3 là n3 = 0,57 2 = 28 lá

Bậc 4 là n4 = 0,55 2 = 20 lá

Bậc 5 là n5 = 0,53 2 = 12 lá

Ta chọn gông tiết diện hình chữ nhật có các kích thước sau:

Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ: b = Dt = 7,6 cm

Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ: a= 7,5 cm Tiết diện gông: Qbg = a b = 7,5 7,6 = 57 cm2

 Tiết diê ̣n hiê ̣u quả của gông:

1.11 Tính khối lượng của sắt và đồng:

 Thể tích của trụ:

VT = 3 QT h= 3 44,46 18 = 2400,84 cm3

 Thể tích của gông:

Vg =2.C Qbg = 2 37,81 57 = 4310,34 cm3

Trang 23

 Khối lượng của trụ:

1.12 Tính các thông số của máy biến áp:

 Điê ̣n trở cuô ̣n sơ cấp máy biến áp ở 75° :

- r : Bán kính trong cuộn sơ cấp

- hqd : chiều cao cuộn dây

- a12 : bề dày cách điện giữa các cuộn dây với nhau

 Điê ̣n cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp:

LBA = XBA

ω = 0,31314 =¿ 9,8 10-4 H = 0,98 mH

 Sụt áp trên điê ̣n kháng máy biến áp:

∆Ux = 3π XBA Id = 3.0,31.37,5/π= 11,1 V

Trang 24

 Sụt áp trên máy biến áp:

Trang 25

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN BỘ CHỈNH LƯU 5

1.1 Sơ đồ nguyên lí: 5

1.2 Nguyên lí hoạt đô ̣ng: 5

1.3 Công thức: 7

1.4 Đă ̣c điểm: 7

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU 8

1.1 Tính toán chọn van: 8

1.2 Thiết kế mạch tạo xung: 9

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP CHỈNH LƯU 17

1.1 Tính các thông số cơ bản: 17

1.2 Tính sơ bô ̣ mạch từ: Tiết diê ̣n sơ bô ̣ tru: 17

1.3 Tính toán dây quấn: 18

1.4 Kết cấu dây dẫn sơ cấp: 18

1.5 Kết cấu dây dẫn thứ cấp: 19

1.6 Tính kích thước mạch từ 21

1.7 Tính khối lượng của sắt và đồng: 22

1.8 Tính các thông số của máy biến áp: 22

Định dạng
Số trang	25
Dung lượng	3,6 MB