Chương II: Phân tích, tính toán và lựa chọn sơ đồ
V, Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực
3. Tính toán thông số mạch điều khiển
Các thông số cần thiết:
- Điện áp điều khiển Tiristor: Udk = 2,5 V
- Dòng điện điều khiển Tiristor: Idk = 150 mA =0,15 A
- Thời gian mở Tiristor: tm = 15μs
- Độ rộng xung điều khiển: tx = 3.tm = 45 μs
- Tần số xung điều khiển: fx = 11 kHz
- Độ mất đối xứng cho phép: Δα = 40 - Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = ±12V
- Mức sụt biên độ xung: sx = 0,15 a. Tính biến áp xung:
- Chọn vật liệu làm lõi sắt là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần đặc tính từ hóa có: ΔB = 0,3T; ΔH = 30 A/m.
- Tỷ số biến áp xung: thường m = (2-3), chọn m =3.
- Điện áp cuộn thứ cấp biến áp xung: U2 = Udk = 2,5 V.
- Điện áp sơ cấp biến áp xung: U1 = m.U2 = 3.2,5 = 7,5 V.
- Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk = 0,15 A
- Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 I2 0,15 0,05 A
m 3
= = =
- Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt:
3
tb 6
0
B 0,3 8.10
. H 1,25.10 .30 µ =µ∆∆ = − =
Với μ0 = 1,25.10-6 (H/m) là độ từ thẩm của không khí - Thể tích lõi sắt cần có:
0 x x 1 1
tb 2
. .t .s .U .I V= Q.l =
B µ µ
3 ∆6 6
6 3
2
8.10 .1,25.10 .45.10 .0,15.7,5.0,05
V= 0,28.10 (m )
0,3
− −
= −
Theo bảng 1.5 – Tài liệu thiết kế, Bảng thông số các loại lõi thép hình xuyến tròn. Ta chọn được mạch từ OA-16/20-3 có thể tích
V = Q.l = 0,06.5,56 = 0,3336 cm3 Trong đó:
Q- Tiết diện của lõi thép hình xuyến.
l- Chiều dài trung bình của lõi thép.
a = 2 mm b = 3 mm d = 16 mm D = 20 mm Q = 0,06 cm2 l = 5,56 cm Qcs = 2 cm2
Hình
16: Lõi thép hình xuyến
- Số vòng dây quấn sơ cấp biến áp xung:
Theo định luật cảm ứng điện từ:
1 1 1
x x 6
1 1 4
dB B
U w .Q. w .Q.
dt t
U .t 7,5.45.10
w 187,5 188
Q. B 0,3.0,06.10
−
−
= = ∆
→ = ∆ = = ≈
→ w2 = w1/m = 188/3 ≈ 63 vòng - Chọn mật độ dòng điện:
Do biến áp xung làm việc ở chế độ ngắn hạn lập lại, nên ta chọn J1 = J2 = 4 A/mm2
Khi đó:
- Tiết diện dây quấn sơ cấp:
1 2
1 1
I 0,05
S 0,0125 mm
J 4
= = =
- Tiết diện dây quấn thứ cấp:
2 2
2 2
I 0,15
S 0,0375 mm
J 4
= = =
- Theo bảng P.5 – Tài liệu thiết kế, Thông số của dây đồng tiêu chuẩn Ta chọn được loại dây:
+ Sơ cấp: S1 = 0,01327 mm2 → d1 = 0,13 mm + Thứ cấp: S2 = 0,04155 mm2 → d2 = 0,23 mm - Kiểm tra lại hệ số lấp đầy:
1 1 2 2
ld CS
w .S +w .S
K Q
188.0,13 63.0,23 0,195 200
=
= + =
Vậy hệ số lấp đầy cho ta thấy lõi thép đã chọn đủ không gian để quấn dây.
a
b d
D
b. Tính tầng khuếch đại cuối cùng:
Chọn Tranzitor công suất Tr2 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số:
- Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn Si
- Điện áp giữa cực C và cực B khi hở mạch Emittơ: UCBO = 40 V
- Điện áp giữa cực E và cực B khi hở mạch Colecto: UEBO = 4 V
- Dòng điện lớn nhất ở Collecto có thể chịu đựng: ICmax = 500 mA
- Công suất tiêu tán ở Collecto: PC= 1,7 W
- Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T = 1750C
- Hệ số khuếch đại: β = 50
- Dòng điện làm việc của Colecto: IC = I1 = 50 mA
- Dòng điện làm việc của Bazo: IB = IC 50 1 mA β =50=
Ta thấy dòng làm việc của Colecto và Bazo đều rất nhỏ, nên ta chỉ cần 1 Tranzitor Tr2 là đủ công suất khuếch đại cho biến áp xung, do đó không cần phải mắc mạch khuếch đại theo sơ đồ Darlington.
Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E = +12V ta phải mắc thêm điện trở R0
nối tiếp với cực E của Tr2:
0 1
1
E - U 12 7,5
R 90
I 0,05
= = − = Ω
Tất cả các điốt trong mạch điều khiển dùng loại 1N4009 có tham số:
- Dòng điện định mức: Idm = 10 A
- Điện áp ngược lớn nhất: UN = 25 V
- Điện áp để mở thông điốt: Um = 1 V c. Tính chọn tụ C2 và điện trở R7:
- Điện trở R7 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazo của Tranzitor Tr2, chọn R7 thõa mãn điều kiện:
7 V b
R U
> I
Trong đó: UV – Điện áp đưa vào từ tầng so sánh
Ib – Dòng điện Bazo của Tranzitor khuếch đại Do UEBO = 4 V, nên ta có lấy UV = 4,5 V
Khi đó: R7 > 4,5/(1.10-3) = 4,5 kΩ Chọn: R7 = 5 kΩ
Chọn: C .R = t = 45μs → C = tx = 45 =0,009 Fµ
d. Tính chọn tầng so sánh:
Khuếch đại thuật toán chọn loại TL 084
Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc = ± 12V thì điện áp vào A3 là Uv ≈ 12V.
Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1mA Do đó chọn R4 = R5 = R6 > v 3
lv
U 12 12 k
I =1.10− = Ω
Nếu ta chọn R4 = R5 = R6 = 15 kΩ thì khi đó dòng vào A3:
vmax 3
I 12 0,8 mA
15.10
= =
e. Tính chọn khâu đồng pha:
- Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C1, và để đảm bảo điện áp tụ có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ được nạp:
T = R3.C1 = 0,005s
Chọn tụ C1 = 0,1 μF thì điện trở R3 = 6 3 1
T 0,005 50.10 = 50 k
C =0,1.10− = Ω Ω
Để thuận tiện trong việc điều chỉnh khi lắp đặt thì thường chọn biến trở R3
lớn hơn 50 kΩ
- Tr1 chọn loại A564 có các thông số sau:
+ Tranzito loại pnp làm bằng Si
+ Điện áp giữa Colecto và Bazo khi hở mạch Emito: UCBO = 25 V + Điện áp giữa Emito và Bazo khi hở mạch Colecto: UEBO = 7 V + Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng : ICmax = 100 mA + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tcp = 1500C + Hệ số khuếch đại : β = 250 + Dòng cực đại của Bazo: IB IC 100 0,4 mA
β 250
= = =
- Điện trở R2 đề hạn chế dòng điện đi vào bazo của Tranzito Tr1 được chọn sao cho thỏa mãn điều kiện:
R2 Nmax B 3
U 12 30 k
I 0,4.10−
≥ ≈ = Ω
R2 = 30 kΩ
- Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: Udf = 9V
Điện trở R1 được chọn để hạn chế dòng đi vào khuếch đại thuật toán A1. Như trên đã trình bày cả 3 khuếch đại thuật toán A , A , A đều chọn loại TL 084,
7812
7912
+12V
-12V
C
C C
C
C
+12V
~220V
1
2
3
4
Tức chọn:
1 df 3
v
U 9
R 9 k
I 1.10−
> = = Ω Chọn R1 = 10 kΩ
f. Tạo nguồn nuôi:
Hình 17: Mạch tạo nguồn
Thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biến áp 1 pha, trên trụ thép có 5 cuộn dây như hình trên, với một cuộn sơ cấp và 4 cuộn thứ cấp:
- Cuộn thứ 1 và thứ 2 là các cuộn dây đồng pha, các cuộn dây này cần lấy trung thực điện áp hình sin của lưới.
- Cuộn thứ 3:
Cần tạo ra điện áp ±12V (có ổn áp) để cấp nguồn nuôi cho các IC, mà cụ thể là A1, A2, A3.
Để ổn định điện áp đầu ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và 7912, với các thông số của vi mạch như sau:
+ Điện áp đầu vào: U = 7 – 35 V
Với 7912 Ura = - 12V + Dòng điện đầu ra: Ira = 0 – 1 A
+ Các tụ điện C để lọc thành phần sóng hài bậc cao:
Chọn C = 470 μF, U = 35 V - Cuộn thứ 4:
Cuộn này có nhiệm vụ tạo nguồn nuôi cho biến áp xung, cấp xung điều khiển cho các Tisistor. Mỗi khi phát xung điều khiển công suất xung đáng kể, nên nguồn cấp cho biến áp xung cần phải độc lập với nguồn cấp cho các khuếch đại thuật toán để tránh bị sụt áp nguồn.
* Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha:
1. Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi IC: U23 = 14 V.
2. Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL 084 sử dụng làm khuếch đại thuật toán ta chọn 2 IC TL 084 khi đó sẽ có 8 khuếch đại thuật toán, ta sử dụng 6 khuếch đại thuật toán cho 2 kênh điều khiển và 1 cho mạch trừ để lấy đường hồi tiếp dòng điện (tính toán ở phần sau):
PIC = 7.pIC = 7.0,68 = 4,76 W
3. Công suất biến áp xung cấp cho cực điều khiển Tiristor:
PX = 6.Udk.Idk = 6.2,5.0,15 = 2,25 W
4. Điện áp pha thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi biến áp xung:
U24 = 12 8,51 V 1,41=
5. Điện áp lấy ra ở cuộn đồng pha U21 = U22 = Udf = 9 V 6. Dòng điện chạy qua cuộn dây chọn 10 mA.
7. Công suất các cuộn dây đồng pha:
Pdf = 2.Udf.IX = 2.9.0,01 = 0,18 W
8. Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi:
PN = Pdf + PX + PIC = 0,18 + 2,25 + 4,76 = 7,19 W.
9. Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn hao trong máy:
S = 1,05.PN = 1,05.7,19 = 7,55 W 10. Dòng điện sơ cấp biến áp:
1 1
S 7,55
I 0.0343 35 mA
U 220
= = = ≈
11. Tiết diện trụ được tính theo công thức:
Qt k .Q S
= m.f
kQ = 5 là hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát.
f = 50 là tần số lưới điện Qt 5. 7,55 1,943 cm2
= 1.50 =
12 Chọn mật độ từ cảm B = 1T ở trong tụ ta có số vòng dây quấn sơ cấp:
1 1 4
t
U 220
w 5100
4,44.f.B.Q 4,44.50.1.1,943.10−
= = = vòng
13.Chọn mật độ dòng điện J1 = J2 = 2,75 A/mm2 Tiết diện dây quấn sơ cấp:
1 2
1 1
I 0,035
S 0,0127 mm
J 2,75
= = =
Theo bảng P5- Thông số của dây đồng tiêu chuẩn Chọn dây có S1 = 0,01327 mm2
d1 = 0,13 mm
Với đường kính ngoài kể cả cách điện: Dn = 0,15 mm
14.Số vòng dây quấn thứ cấp w21: w21 = w1. 21
1
U 5100. 9 209
U = 220= vòng
15.Số vòng dây quấn thứ cấp w23: w23 = w1. 23
1
U 5100. 14 325
U = 220= vòng
16.Số vòng dây quấn thứ cấp w24: w24 = w1. 24
1
U 5100.8,51 197
U = 220 = vòng
Đường kính các dây quấn cuộn thứ cấp vì kích thước nhỏ không đáng kể nên chọn 0,26 mm
17.Tính chọn diod cho các bộ chỉnh lưu nguồn nuôi:
- Với cuộn dây 3:
Xét trường hợp chỉ cuộn 3 làm việc thì khi đó:
I3 =
23
S 7,55 0,54 A U = 14 =
Dòng điện qua mỗi van:
ID = ½ I3 = 0,27 A
→ Dòng điện định mức van: Idm = 10.ID=10.0,27 = 2,7 A Điện áp ngược van: Unmax = 2.U23 = 2.14 19,8 V= Điện áp ngược của van cần chọn:
Unv = kdtU.Unmax = 1,8.19,8 = 35,64 V Với k = 1,8 là hệ số dự trữ điện áp
Xét trường hợp chỉ cuộn 4 làm việc thì khi đó:
I4 =
24
S 7,55 0,887 A U = 8,51=
Dòng điện qua mỗi van:
ID = ½ I4 = 0,443 A
→ Dòng điện định mức van: Idm = 10.ID=10.0,443 = 4,43 A Điện áp ngược van: Unmax = 2.U23 = 2.8,51 12,03 V= Điện áp ngược của van cần chọn:
Unv = kdtU.Unmax = 1,8.12,03 = 21,66 V
- Để đơn giản ta chọn cùng 1 loại diod đáp ứng được cả yêu cầu của 2 dãy diod trên. Theo bảng P1- Thông số diod công suất, chọn được loại MR2000 với các thông số:
+ Dòng điện chỉnh lưu cực đại: Imax = 20 A + Điện áp ngược của diod : Unv = 50 V