Đồ án Thiết kế phần chỉnh lưu của bộ nguồn liên tục UPS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập-Tự do-Hạnh phúc HÀ NỘI ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ TÀI:Thiết kế phần chỉnh lưu của bộ nguồn liên tục UPS Các thông số kĩ thuật: Công suất ra : 6 (KVA) Uvào :220(VAC) Ura :220(VDC) Tần số : 50 (HZ) Lời nói đầu Ngày nay trong các nhà máy công nghiệp hiện đại ,các thiết bị điện tử công suất ngáy càng được sử dụng nhiều.Việc thay thế các phần tử động có tiếp điểm và kích thước lớn bằng các phần tử tĩnh không có tiếp điểm,kích thước nhỏ,công suất lớn đã làm cho các thiết bị máy móc công nghiệp phát triển lên một tầm cao mới . Đó là nhiêm vụ của điện tử công suất. Sinh viên nghành tự động hoá không thể không biết về điện tử công suất nên việc học điên tử công suất là hết sức cần thiết.Trong quá trình học tập ở trên lớp do thời gian có hạn nên không thể tìm hiểu được nhièu về môn học quan trọng này,chính vì vậy làm đồ án môn học sẽ đã chúng em hiểu thêm được rấ nhiều về môn học cũng như các bài toán thực tế. Trong quá trình làm đồ án này em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn: ĐỖ TRỌNG TÍN . Thầy đã giúp đỡ và hướng dẫn rất tận tình giúp em hoàn thành được đồ án này. Mặc dù em đã cố gắng rất nhiều ,song không thể tránh khỏi thiếu sót và sai lầm nhất định.Em rất mọng nhận được sự góp ý và chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong bộ môn.Em xin trân thành cảm ơn. Hà Nội ngày 20 tháng 5 năm 2006 Sinh viên thực hiện Nguyên Kiên Trung Mục lục Lời nói đầu………………………………………………………………2 Chương 1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ………………………4 1.cumg cấp năng lượng điện cho nhưng tải nhạy cảm…………..4 2.Giải pháp dùng UPS…………………………………………...4 3.Chưc năng của UPS……………………………………………5 4.Phân loại UPS………………………………………………….5 5.Các thành phần của UPS………………………………………7 6.Nhiệm vụ và yêu cầu kĩ thuật đối với bộ chỉnh lưu…………...8 Chương 2 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN…………….9 I.Giới thiệu các phương án………………………………………...9 II.Kết luận và lựa chọn…………………………………………....13 Chương 3 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC………….14 I.Thiết kế mạch lực………………………………………………..14 II.Tính toán mạch lực……………………………………………..15 III.Tính chọn van và bảo vệ van………………………………….18 IV.Chọn các thiết bị khác…………………………………………21 Chương 4 THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN..23 I.Yêu cầu đối với mạch điều khiển………………………………..23 II.Nhiệm vụ của mạch điều khiển…………………………………23 III.THiết kế mạch điều khiển………………………………………30 IV.Tính toán mạch điều khiển……………………………………..31 Bảng thông số các linh kiện dùng trong thiết kế …………………….43 Mô phỏng………………………………………………………………...47 Kết luận ………………………………………………………………….48 Tài liệu tham khảo………………………………………………………49 CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ TỔNG QUAN VỀ BỘ NGUỒN LIÊN TỤC UPS 1.Cung cấp năng lượng điện cho những tải quan trọng: Trong thực tế có rất nhiều những nơi đòi hỏi phải được cung cấp điện một cách lien tục như:phòng cấp cứu ở các bệnh viện ,phòng máy tính lưu trữ thong tin,…Nếu để mất điện kết quả sẽ không lường trước được.Yêu cầu đặt ra là phải cung cấp điện một cách liên tục. Trong mạng lưới điện có rất nhiều nguyên nhân có thể gây mất điện đột xuất như:sét đánh vào đường dây,vào trạm phân phối điện,máy phát điện;Cành cây rơi vào gây ngắn mạch và đứt dây;Sự hư hỏng trong hệ thống cung cấp;… 2.yêu cầu và giải pháp dùng UPS: Điều cần chú ý trước hết của những sự cố và những hậu quả của nó về phương diện : An toàn cho con người An toàn cho thiết bị ,nhà xưởng Mục tiêu vận hành kinh tế Từ đó phải tìm cách loại bỏ nhưng sự cố ra khỏi hệ thống.Có nhiều giải pháp kĩ thuật khác nhau,những giải pháp này được so sánh trên cơ sở của 2 tiêu chuẩn sau để đánh giá: Liên tục cung cấp điện Chất lượng cung cấp điện Phụ tải ưu tiên thông thường có các thiết bị điện tử nhạy cảm đòi hỏi việc cung cấp liên tục,yêu cầu một “Giao diện công suất” giữa nguồn cung cấp và tải,nó cung cấp một điện áp mà không có bất kì sự cố nào dù rất nhỏ ảnh hưởng đến hệ thống cung cấp trong phạm vi sai số cho phép về biên độ và tần số.Bộ nguồn có chức năng làm việc tin cậy như vậy là UPS(Unteruptible power system). 3.Chức năng của UPS: Hoạt động như một giao diện giữa hệ thống cung cấp và những tải nhạy cảm. UPS cung cấp cho tải một năng lượng điện lien tục,chất lượng cao,không phụ thuộc mọi tình trạng của hệ thống cung cấp. UPS tạo ra một điện áp cung cấp tin cậy: Không bị ảnh hưởng của những sự cố của hệ thống cung cấp , đặc biệt khi hệ thống cung cấp ngừng hoạt động. phạm vi sai số cho phép tuỳ theo yêu càu của thiết bị điện tử nhạy cảm (Ví dụ :GALAXY_sai số cho phép của biên độ 0.5%;Tần số: 1%). UPS có thể cung cấp điện áp tin cậy, đọc lập và lien tục thong qua các khâu trung gian:Acquy và chuyển mạch tĩnh. 4.Phân loại UPS: a. UPS tĩnh tĩnh và quay: UPS tĩnh: Sử dụng những bộ chuyển đổi tĩnh thực hiện chức năng nghịch lưu. ~ = = ~ acquy HTCC1 HTCC2 Chỉnh lưu/nạp nghịch lưu tải HTCC1 UPS quay:Dùng máy điện quay để thực hiện chức năng nghịch lưu.l ~ = ~ = acquy = ~ M G M G HTCC2 chỉnh lưu Bộ nạp nghịch lưu điều khiển chuyển mạch tĩnh b. UPS gián tiếp(off-line)và UPS trực tiếp(on-line): Off –line UPS: HTCC ~ = = ~ = F acquy chỉnh lưu/nạp nghịch lưu Lọc Tải Trong quá trình vận hành bình thường ,nguồn lưới cung cấp trực tiếp cho tải thong qua bộ lọc F mà không qua nghịch lưu. Không đáp ứng được với các phụ tải như:các trung tâm máy tính,tổng đài điện thoại,và không điều chỉnh được tần số. On-line UPS: HTCC ~ = = ~ acquy chỉnh lưu/nạp Nghịch lưu TẢI Việc cung cấp điện được liên tục trong phạm vi sai số cho phép của tần số và điện áp,không phụ thuộc vào trạng thái của HTCC hơn nữa trong hệ thống có chuyển mạch tĩnh nênkhông có sự cố,hỏng hóc nếu tải buộc phải được chyển trực tiếp về HTCC chính.Sơ đồ này dung cho công suất trung bình và cao(>40KVA). 5.Các thành phần của UPS: Hệ thống cung cấp -HTCC1: Đường vào bình thường cung cấp cho Chỉnh lưu-nạp -HTCC2: Cung cấp cho chuyển mạch tĩnh,có tần số trùng HTCC1; HTCC2 có thể trùng HTCC1 Bộ chỉnh lưu-nạp Dùng để biến đổi áp xoay chiều thành 1 chiều để cung cấp cho bộ chỉnh lưu và nạp ắcquy. Ắc quy -Là nguồn dự trữ năng lượng điện cung cấp cho bộ nghịch lưu khi mất điện hoặc chất lượng điện suy giảm. d)Bộ Nghịch lưu - Nghịch lưu từ một chiều sang xoay chiều từ bộ Chỉnh Lưu hoặc ắcquy với tần số xác định. e)Chuyển mạch tĩnh -Chuyển tải của UPS từ bộ Nghịch lưu sang HTCC2 mà không làm gián đoạn cung cấp điện cho tải. Việc này xảy ra khi Nghịch lưu ngừng hoạt động hoặc bảo dưỡng UPS. 6.Nhiệm vụ và yêu cầu kĩ thụât đối với bộ chỉnh lưu: Nhiệm vụ:Biến điện áp từ xoay chiều sang một chiều để: Cung cấp cho nghịch lưu Nạp thường trực cho acquy Yêu cầu kĩ thuật: Điện áp nguồn:220 VAC; tần số:f=50hz Công suất: 6KVA Điện áp ra: 220 VD CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN I.GIỚI THIỆU CÁC PH ƯƠNG ÁN : Để biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều thì ta có thể dùng bộ biến đổi có điều khiển hoặc không điều khiển hoặc điều khiển không đối xứng.Nhưng với yêu cầu về chất lượng và độ tin cậy của UPS thì ta có các phương án sau: 1.Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng: Giá trị trung bình của điện áp trên tải Giá trị trung bình của dòng điện qua tải: Giá trị trung bình của dòng chạy qua 1 Tiristor là: Giá trị điện áp ngược mà Tiristor phải chịu GIá trị dòng thứ cấp máy biến áp: I2=1,11Id Công suất biến áp c.Nhận xét Ưu điểm : điện áp ngược đặt lên mỗi van trong sơ đồ nhỏ Nhược điểm : không dùng được cho tải có công suất lớn, nếu dùng gây ra hiện tượng công suất bij lệch pha. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha dòng tải chảy qua hai van nối tiếp, vì vậy tổn thất diện áp và công suất trên van sẽ lớn. Sơ đồ cầu một pha hợp với những tải vừa và nhỏ. 2 Sơ đồ chỉnh lưu 3 pha hình tia: Giá trị trung bình của điện áp trên tải Giá trị trung bình của dòng chạy qua tảI là: Giá trị trung bình của dòng chạy qua 1 Tiristor là: Giá trị điện áp ngược mà Tiristor phải chịu GIá trị dòng thứ cấp máy biến áp: I2=0,58Id Công suất biến áp Ưu và nhược điểm của chỉnh lưu tia 3 pha *ưu điểm : so với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp một chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn. *nhược điểm : sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp ra tải chưa thật tốt lắm, khi cần chất lượng điện áp ra tốt hơn thì dùng sơ đồ nhiều pha hơn. 3.Chỉnh lưu điều khiển đối xứng sơ đồ cầu 3 pha a.Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ gồm 6 Tiristor được chia làm hai nhóm: Nhóm Katot chung : T1, T3, T5 Nhóm Anot chung : T2, T4, T6 Góc mở a được tính từ giao điểm của các nửa hình sin Giá trị trung bình của điện áp trên tải Giá trị trung bình của dòng điẹn qua tải Giá trị trung bình của dòng chạy qua 1 Tiristor là: Giá trị điện áp ngược mà Tiristor phải chịu GIá trị dòng thứ cấp máy biến áp: I2=0,816Id Công suất biến áp Nhận xét : Điện áp chỉnh lưu là đường cong bám theo đường điện áp dây.dạng dòng điện giống hệt dạng điện áp khi tảI thuần trở,và bị san phẳng khi L=. Giới hạn của sự liên tục dòng điện là: Với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển thì điện áp ra Ud ít đập mạch ( trong một chu kì đập mạch 6 lần ) do đó vấn đề lọc rất đơn giản, điện áp ngược lên mỗi van nhỏ, công suất biến áp nhỏ nhưng mạch phức tạp nhiều kênh điều khiển. II.Kết luận và lựa chọn: Qua phân tích 3 phương án trên ta nhận thấy, phương pháp chỉnh lưu 1 pha có ưu điểm là gọn nhẹ, tiết kiệm được linh kiện, van. Mặc dù chất lượng điện áp chỉnh lưu không cao bằng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha nhưng với công suât nhỏ dưới 10 kw thì có thể dùng sơ đồ một pha.Do đó ta quyết định chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha. Trong chỉnh lưu cầu 1 pha ta chọn phương án chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển đối xứng vì yêu cầu độ tin cậy cao,độ ổn định và chất lượng điện áp cao. Nếu dùng sơ đồ cầu 1 pha điều khiển không đối xứng thì sẽ tiết kiệm van hơn nhưng dảI điều khiển góc ỏ sẽ hẹp hơn. CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC I.Thiết kế mạch lực: Sơ đồ mạch lực gồm có: 1.Các trirristor T1,T2,T3,T4: làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều thành điện áp một chiêù để cung cấp cho tải. 2.BOX: là hộp điều khiển,nối với mạch lực để điều khiển đóng mở các van. 3.BAL:biến áp lực :biến điện áp lưới thành điện áp cần cho đầu vào của bộ biến đổi. 4.AP:Aptomat đóng cắt nguồn vào BAL,có bảo vệ quá tải và ngắn mạch 5.công tắc tơ K có hệ thống nút ấn điều khiển đóng mở từ xa. 6.Vôn kế và ampe kế để đo các thông số của mạch. 7.Rơle bảo vệ dòng điện cực đại. 8.Biến dòng BD để lấy dòng ra đo và để cấp cho cuộn day cuả rơle bảo vệ. 9. .Các mạch bảo vệ RC để bảo vệ van khỏi tốc độ tăng trưởng nhanh của điện áp. 10.Biến trở VR để lấy điện áp phản hồi. II.Tính toán máy biến áp lực: Chọn sơ đồ Máy biến áp một pha làm mát tự nhiên bằng không khí,mạch từ hình chữ E. Điện áp sơ cấp MBA: Điện áp thứ cấp MBA Phương trình cân bằng điện áp khi có tải: Trong đó: =5 góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới. sụt áp trên thyristor. : sụt áp trên điện trở và dây kháng MBA. Chọn sơ bộ: Từ phương trình trên suy ra: Hệ số biến áp: kba= Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA:I2=1,11*Id Sđm=Ud.Id => =>I 2=1,11*27,3=30,3(A). Công suất của máy biến áp: Sba=1,23*Pd=1,23*6 =7,38 (KVA) Tiết diện sơ bộ trụ: K: hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát, lấy K=6. m: số trụ của biến áp (ba pha:m=3 ; một pha: m=1 ) f: tần số nguồn điện xoay chiều, f=50 Hz. Thay số: Để đảm bảo cho kích thước của máy biến áp được phù hợp đảm bảo yêu cầu công nghệ người ta thường chọn chiều dài a và chiều dày b sao cho dựa vào tiết diện trụ QFe = a.b = 73 ( cm2) ta chọn a =7,5 ( cm); b =10 ( cm ) 8.Chọn loại thép '381, các lá thép có độ dày 0.35 mm. Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ B=1(T). 9.Đường kính quy tròn của trụ: 10.Chọn tỉ số m=h/d=2,1(thường m=2:2,5) => h=2,1*9,6=20(cm) 11.Tính số vôn/vòng X=4,44 B*QFe*f*10-4 = 4.44*1*50*73* =1,6 vôn/vòng Với : +B:Mật độ từ thông. +Qfe:Diện tích tiết diện lõi sắt +f : tần số lưới Số vòng dây sơ cấp máy biến áp: (vòng) Số vòng dây mỗi pha thứ cấp của máy biến áp: (vòng) Dòng điện hiệu dụng sơ cấp MBA Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp. Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp. Chọn dây dẫn có tiết diện hình chữ nhật bọc sợi thủy tinh cấp cách điẹn B (1300C) Kích thước kể cả cách điện S1cđ =2mmì 6mm Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp. Chọn dây dẫn có tiết diện hình chữ nhật bọc sợi thủy tinh cấp cách điẹn B (1300C) Kích thước kể cả cách điện S2cđ =2mmì6 mm III.Tính chọn van và bảo vệ van: 1.Tính chọn van: Chế độ làm việc của các van rất khắc nhiệt, rất nhạy cảm với nhiệt độ. Nhiệt độ của van tăng lên do công suất tổn hao trên van gây ra. Khi nhiệt độ của van cao hơn nhiệt độ môI trường xung quanh nhiệt lượng được truyền vào môI trường. Nếu nhiệt độ của van vượt quá giới hạn cho phép sẽ phá hủy van, vì vậy làm mát cho van là một vấn đề rất quan trọng. Thông thường van được gắn lên một cánh tản nhiệt với thông số phù hợp. Có các biện pháp làm mát thường gặp : + Làm mát tự nhiên : chỉ dựa vào sự đối lưu không khí xung quanh van, hiệu suất làm việc của van thấp chỉ khoảng 25%. + Làm mát bằng gió cưỡng bức : tạo luồng không khí với tốc độ lớn qua van để đẩy nhanh qúa trình truyền nhiệt của van vào không khí, hiệu suất làm việc của van là 35% + Làm mát bằng nước : van được gắn thêm tấm đồng rỗng cho nước chảy qua. Đây là biện pháp làm mát rất hiệu quả hiệu suất làm việc của van đạt đến 90%, nhưng hệ thống làm mát phức tạp chỉ phù hợp với yêu cầu công suất lớn và có nguồn nước tại vị trí lắp đặt thiết bị. Ta có: IT===13,7(A) Chọn chế độ làm mát là thông gió tự nhiên nên H=25%. IT thực==54,8(A) Chọn hệ số an toàn là:Ki=2 Vậy dòng qua van cần chọn là:Iđm=IT thực*Ki=54,8*2=109,6(A) Điện áp ngược đặt lên van:Ung=U2=1,41*274=387(V) Chọn hệ số an toàn là:Ku=1.5 Vậy điện áp ngược lớn nhất mà van phảI chịu được là:387*1.5=580(V).Từ các thông số trên tra bảng chọn van ta chọn : 4 Thysistor loại HTS150/06VG1 do Mỹ sản xuất có các thông số sau : Điện áp cực đại của van : U = 600 (V) Dòng điện định mức của van : Iđm =150 (A) Dòng điện của xung điều khiển : IG =0,15 (A) Điện áp của xung điều khiển : UG =1,4 (V) Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn là : DU = 2,0 (V) Tốc độ biến thiên điện áp : =200 (V/ms) Tốc độ biến thiên dòng điện :=180 (A/ms) Thời giankhoá :Toff = 125 (ms) Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép :Tmax=125 oC 2. Bảo vệ van : Thyristor rất nhạy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp định mức hoặc tốc độ biến thiên điện áp quá lớn có thể dẫn tới hỏng van. Để bảo vệ van người ta thường dung mạch trợ giúp RC *Người ta chia làm 2 loại nguyên nhân gây ra quá điện áp: Nguyên nhân nội tại: Đó là sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn. Khi khoá tiristor bằng điện áp ngược, các điện tích nói trên đổi ngược lại hàng trình tạo ra dòng điện trong khoảng thời gian rất ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm. Do vậy giữa anot và catot của tiristor xuất hiện quá điện áp. Nguyên nhân bên ngoài: Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như khi cắt không tải một máy biến áp trên đường dây, khi có sấm sét..... Mạch trợ giúp dùng để Giảm bớt hoặc triệt tiêu quá dòng hoặc quá áp Giảm tổn hao công suất do đóng cắt Truyền năng lượng phát nhiệt ra ngoài hoặc sang hướng khác có lợi Có 2 loại mạch trợ giúp RC: Mạch RC đấu song song với Tiristor nhằm bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên. Mạch RC đấu giữa các pha thứ cấp MBA là để bảo vệ quá điện áp do cắt không tải MBA gây nên *Các bước tính toán( Tham khảo sách ĐTCS của tác giả Nguyễn Bính) +Gọi Uđmp ,Uimp là giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngược đặt lên van 1 cách có chu kì +Gọi Uđmnp ,Uimnp là giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngược đặt lên van 1 cách không có chu kì - Xác định hệ số quá điện áp theo công thức: - Xác định các thông số trung gian: C*min(k) , R*max(k), R*min(k) - Tính di/dt|max khi chuyển mạch - Xác định điện lượng tích tụ Q= f(di/dt), sử dụng các đường cong tra trong sổ tay tra cứu - Đồ thị chọn R*, C* Tính các thông số trung gian C = C*min R*min£ R £ R*max Trong đó L là điện cảm của mạch RLC Cuối cùng ta chọn IV.Chọn aptomat,ampe kế ,rơle bảo vệ : 1.Aptomat Có chức năng đóng cắt mạch động lực khi đóng, mở hoặc sửa chữa đồng thời tự động bảo vệ quá tải hoặc ngắn mạch đầu ra bộ Chỉnh Lưu , ngắn mạch thứ cấp Máy biến áp Chọn AP là loại xoay chiều 1 pha có: Iđm = 1,1.Ild =1.1*I1= 1.1*27,26=29,986(A) Chọn Iđm =50A Uđm =600 VAC Dòng ngắn mạch Inm= 10*Iđm = 10*50=500(A) Dòng quá tải : Iquá tải = 1,1.Iđm =55A Chọn Iquá tải =60A 2.Biến dòng, Ampe kế , rơle dòng điện,vôn kế: a.Biến dòng Dùng để đo lường đưa ra mạch đo , đo giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp Máy biến áp và đưa vào cuộn dây rơle dòng điện. Chọn biến dòng loại 60/5A công suất 10(VA) b.Ampe kế : Chọn loại có thang đo 5A c.Rơle dòng điện cực đại Dùng để bảo vệ quá dòng cho mạch Chỉnh Lưu Chọn rơle thường dùng PT81 d.Vôn kế : chọn loai có thang đo 250V Chương IV Thiết kế và tính toán mạch điều khiển I. Yêu cầu đối với mạch điều khiển Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong bộ biến đổi tiristor vì nó đóng vai trò chủ đạo trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi . Yêu cầu của mạch điều khiển có thể tóm tắt trong 6 điểm chính sau: + yêu cầu về độ rộng của xung + Yêu về độ lớn của xung + Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung + Yêu cầu về sự đối xứng của xung + Yêu cầu về độ tin cậy Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ hơn để tiristor không tự mở khi dòng rò tăng xung điều khiển ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ , dao động điện áp nguồn cần khử được nhiễu cảm ứng để tránh mở nhầm + Yêu cầu về lắp ráp vận hành Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh - Dễ lắp và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập II. Nguyên lý chung của mạch điều khiển 1. Nhiệm vụ của mạch điều khiển: Nhiệm vụ của mạch điều khiển là tạo ra các xung vào ở những thời điểm mong muốn để mở các Tiristor của bộ chỉnh lưu trong mạch động lực. Tiristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dương đặt trên Anod và có xung áp dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi tiristor đã mở thì xung điều khiển không còn tác dụng gì nữa, dòng điện chảy qua tiristor do thông số của mạch động lực quyết định Mạch điều khiển có chức năng : - Điều chỉnh vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên Anod – Catod của Tiristor - Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở tiristor độ rộng xung tx > 10 ms Độ rộng xung được xác định theo biểu thức: tx= Trong đó Idt: dòng duy trì của Tiristor di/dt: tốc độ tăng trưởng của dòng tải Đối tượng cần điều khiển được đặc trưng bởi góc a 2. Cấu trúc của mạch điều khiển Tiristor SS 1 Uđk - 1 2 3 4 T Hiệu điện áp uđk-urc được đưa vào khâu so sánh 1, làm việc như một trigơ Khi uđk-urc = 0 thì trigơ lật trạng thái, ở đầu ra của nó ta nhận được một chuỗi xung dạng ²sinus chữ nhật ” Khâu 2 là đa hài 1 trạng thái ổn định Khâu 3 là khâu khuyếch đại xung Khâu 4 là biến áp xung Bằng cách tác động vào uđk có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển, tức là điều chỉnh góc a 3. Nguyên tắc điều khiển Trong thực tế người ta thường dùng 2 nguyên tắc điều khiển: thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng “arccos” để thực hiện việc điều chỉnh vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên Tiristor a. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính UAK a a a Urc Uđk + Urc wt wt 0 0 Uđk Theo nguyên tắc này, người ta thường dùng 2 điện áp: Điện áp điều khiển Uđk là điện áp 1 chiều có thể điều chỉnh được biên độ Điện áp đồng bộ Urc có dạng răng cưa,đồng bộ với điện áp Anod-Catod Tổng đại số của Urc + Uđk đưa đến đầu vào của một khâu so sánh. Bằng cách làm biến đổi Uđk ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra tức là điều chỉnh được góc a. Khi Uđk = 0 ta có a = 0. Khi Uđk 0. Quan hệ giữa a và Uđk như sau: b. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos UAK Uđk Ur Uđk Uđk+Urc wt a 0 Urc Theo nguyên tắc này cũng có 2 điện áp: Điện áp đồng bộ Urc vượt trước điện áp Anod-Catod Tiristor một góc bằng p/2 ( Nếu UAK = Asinwt thì Ur = Bcoswt) Điện áp điều khiển Uđk là điện áp 1 chiều có thể điều chỉnh được theo 2 hướng Trên hình vẽ đường nét đứt là điện áp anốt – catốt tiristor, từ điện áp này người ta tạo ra Urc . Tổng đại số Urc + Uđk được đưa đến đầu vào của khâu so sánh . Khi Urc + Uđk = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh : Uđk + B.cosa = 0 Do đó a = arccos(-Uđk/B) Thường lấy B = Uđk max Khi Uđk = 0 thì a =p/2 Khi Uđk = - Uđk max thì a= 0 Như vậy khi cho Uđk biến thiên từ - Uđk max đến + Uđkmax thì a biến thiên từ 0 đến p. Nguyên tắc này được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao. Nhận xét: Theo yêu cầu thiết kế mạch điều khiển ta thấy nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính là phù hợp, ta chọn nguyên tắc điều khiển này. 4.Giới thiệu các khâu a)Khuyếch đại thuật toán V1 Ud Vsat Vsat Chế độ làm việc Chế độ tuyến tính V2 = A.ud; A = 104¸105 là hệ số khuếch đại điện áp. Để thực hiện chế độ này phải có ú udú £ Chế độ bão hoà: ú udú > ; V2 = Vsat ú udú < ; V2 = -Vsat ứng dụng: OA được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điều khiển tự động: tạo hàm số, tạo các bộ điều chỉnh P, PI, PID, tạo các đa hài, các trigơ, các khâu so sánh, v.v.. b. Khâu đồng pha Đây là khâu có nhiệm vụ xác định thời điểm mốc để tính góc mở a. Nó liên hệ chặt chẽ về pha với điện áp lực. Bên cạch đó nó còn để cách li mạch điều khiển và mạch lực ở đầu vào hệ điều khiển. Do vậy mà khối đồng pha có thể dùng biến áp để cách li hoặc dùng phần tử otocupler (phototransistor). - Trong khâu này ta chọn biến áp để cách li kết hợp với bộ khuếch đại thuật toán và diode chỉnh lưu để taọ ra xung đồng bộ. Sơ đồ mạch: c. Khâu tạo răng cưa: Trong thực tế có rất nhiều mạch tạo ra Utựa. Ví dụ: - Mạch chỉ dùng diode, tụ điện và điện trở ghép lại với nhau như hình 1. - Mạch dùng transistor và các linh kiện điện tử khác như hình 2. - Mạch dùng khuếch đại thuật toán như hình 3. Hình 1. Hình 2 Hình 3. ở sơ đồ hình 1 ta có một mạch tạo Utựa tương đối đơn giản, dễ lắp đặt, rẻ tiền nhưng có nhược điểm rất lớn là điện áp răng cưa trải dài quá 1/2 chu kì của điện áp lưới làm cho việc xác định góc điều khiển từ điện áp răng cưa rất khó khăn. ở sơ đồ hình 2 mạch cũng khá đơn giản, điện áp tựa cũng trải ra cả 1/2 chu kì của điện áp lưới nhưng do đóng mở transistor ở vùng lân cận không nên mạch hoạt động kém tin cậy. ở sơ đồ hình 3 do khuếch đại thuật toán hoạt động có độ tin cậy cao nên tạo ra tín hiệu Utựa có chất lượng rất tốt. d.khâu so sánh Để xác định được thời điểm cần mở Tiristo chúng ta cần so sánh hai tín hiệu Uđk và Urc. Việc so sánh các tín hiệu đó có thể được thực hiện bằng KĐTT KĐTT có hệ số khuyếch đại vô cùng lớn, chỉ cần một tín hiệu rất nhỏ (cỡ mV) ở đầu vào, đầu ra đã có điện áp nguồn nuôi, nên việc ứng dụng KĐTT làm khâu so sánh là hợp lý. Các sơ đồ so sánh dùng KĐTT trên hình (2.b) và 2.c) rất thường gặp trong các sơ đồ mạch hiện nay. Ưu điểm hơn hẳn của các sơ đồ này là có thể phát xung điều khiển chính xác tại Uđk = Urc. e.Khâu khuyếch đại xung Với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristo như đã nêu ở trên, tầng khuyếch đại cuối cùng thường được thiết kế bằng Tranzitor công suât.Tầng khuyếch đại cuối cùng bằng sơ đồ darlington như trên hình vẽ thường hay được dùng trong thực tế. ở sơ đồ này hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về khuyếch đại công suất, khi hệ số khuyếch đại được nhân lên theo thông số của các tranzitor. Đối với một số sơ đồ mạch, để giảm công suất cho tầng khuyếch đại và tăng số lượng xung kích mở, nhằm đảm bảo Tiristo mở một cách chắc chắn, người ta hay phát xung chùm cho các Tiristo. Nguyên tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuyếch đại, ta đưa chèn thêm một cổng và (&) với tín hiệu vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm . f.Khâu phát xung chùm điển hình 0A -E +E + R1 R2 R3 C UC Ur U2 kVsat Vsat UC -Vsat T1 T2 -kVsat Trong thiết kế mạch điều khiển, thường hay sử dụng KĐTT. Do đó để đồng dạng về linh kiện, khâu tạo chùm xung cũng có thể sử dụng KĐTT, như sơ đồ vẽ dưới đây. III.Thiết kế mạch điều khiển: A.Sơ đồ và nguyên lý mạch điều khiển: 1 .Sơ đồ mạch điều khiển:(trang bên) 2. nguyên lý hoạt động của mạch: Khi cấp nguồn điện 220 V vào sơ cấp của BA đồng pha ,điện áp thứ cấp của BA được hạ áp và đưa qua mạch chỉnh lưu hai nửa chu kì D1 , D2 .Điện áp U1 là điện áp một chièu hình sin lấy phần dương và đặt vào cửa cộng của khuếch đại thuật toán OA1 tại đây so sánh với điện áp U0 đặt trước và được đưa vào cửa đảo của OA1 Nếu U1 <U0 thì U2 ở đầu ra của OA1là điện áp âm(-Ubh) điốt D3 mở lúc này tụ C1 được nạp điện theo công thức UC1= . Và U3=Uc1. Khi U1>U0 thì U2=+Ubh diode D3 bị khoá tụ C1 phóng điện .U3 được xác