Thiết kế máy hàn một chiều

Chương 2 : Thiết kế mạch lực I Sơ đồ và nguyên lý hoạt động: 1. Sơ đồ 2. Nguyên lý hoạt động Để cung cấp nguồn điện cho hàn hồ quang, ta sử dụng sơ đồ chỉnh lưu một pha hai nửa chu kì có điểm giữa. II. Tính toán các thông số cơ bản của mạch: Theo đề ra ta có các thông số : +) Nguồn điện xoay chiều: 380 V, 50 Hz +) Điện áp hở mạch: Uhh= 60 (V) +) Dòng điện cực đại: Imax= 600 (A) ( = 240) a) Điện áp: - Điện áp chỉnh lưu không tải (hở mạch) sẽ là: Ud = Udo. Cosαo = Uho + ∆Uba + ∆Uv + ∆Udây Trong đó: ∆Uv: sụt áp trên van = 1,5 V ∆Udây: sụt áp trên dây dẫn = 0 ∆Uba=∆Ur + ∆Ux : sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp = 4% + 1,5% = 5,5% αo: là góc mở của thyristor khi hở mạch, ta chọn αo= 60o Thay các thông số ta được : Udo.cosαo = 60. 1,055 + 1,5 = 64,8 (V) → Udo = 2. 64,8 = 129,6 (V) - Điện áp thứ cấp MBA: U2= = 144 (V) - Tỷ số MBA: m = = = 0,38 - Điện áp ngược lớn nhất mà mỗi Thyristor phải chịu: Um = 2U2 = 407,3 (V) b) Dòng điện: - Trị trung bình cực đại dòng điện chảy trong mỗi Thyristor : Itbmax = = = 300 (A) (120A) - Trị hiệu dụng cực đại chảy qua thứ cấp MBA: I2max= = = 424 (A) XXX ( 240/1.41 =170) - Trị hiệu dụng cực đại chảy qua sơ cấp MBA: I1max= m.I2max = 0,38.424 = 161 (A) (0,38. 170 = 65A) III. Chọn Thyristor : Tính toán ở trên có : Ungmax= 407,3 (V) Itbmax= 300 (A) 120A - Chọn điều kiện làm việc của van là tốt với cánh toả nhiệt và quạt đối lưu không khí. Trong điều kiện đó có : Hệ số dự trữ điện áp ku= 1,6 Hệ số dự trữ về dòng điện ki= 1,2 - Do vậy phải chọn Thyristor ít nhất chịu được Ung = 1,6 . 407,3 = 652 (V) Itb = 1,2 . 300 = 360 (A) (1,2. 120 =144A) - Tra bảng ta chọn được Thyristor SC150C80 với các thông số sau: Điện áp ngược cực đại của van : Ungmax = 800 V Dòng điện định mức của van : Iđm = 150 A Điện áp xung điều khiển : Ug= = 3 V Dòng điện của xung đièu khiển : Ig = 0,1 A Dòng điện rò : Irò = 15 mA Sụt áp trên Thyristor : ∆UT = 1,6 V Tốc độ biến thiên điện áp: 200 V/s Tốc độ biến thiên dòng điện: 180 A/às Thời gian chuyển mạch : tcm= 80 às Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : Tcp = IV. Thiết kế máy biến áp: U1= 380 (V) I1= 161 (A) 65 U2= 144 (V) I2= 424 (A) 170 - Công suất biểu kiến máy biến áp phía thứ cấp : S2 = U2 . I2= 144.424 = 61056 (VA) 144.170 = 24480 - Công suất biểu kiến máy biến áp phía sơ cấp : S1 = U1 . I1=380 . 161 = 61180 (VA) 380.65 =24700 ị Công suất biểu kiến máy biến áp : 24590 Ta chọn MBA 1 pha, 1 trụ dạng Ш, І làm mát bằng không khí. Đây là máy biến áp có điểm giữa do vậy có 1 cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp. a) Tiết diện trụ của lõi thép MBA: Tiết diện trụ được tính theo công thức kinh nghiệm: QFe= [cm2] Trong đó: +) k = hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy k = 6 +) c : số trụ của MBA ( 3 pha: c=3; 1pha c = 1) +) f = 50 Hz tần số nguồn điện xoay chiều. QFe= = 210 [cm2] 24590/50 căn 22,176 b) Tính toán dây quấn: - Chọn vật liệu là các lá tôn Silic dày 0,5 mm , tổn thất 1,3 W/kg , trọng lượng riêng 7,5 kg/dm3. Chọn mật độ từ cảm trong trụ B = 1,1 T -Số vòng dây mỗi cuộn tính theo công thức: = = 0,195.U / ... 0.0022 =1,8 U U: điện áp rơi trên cuộn dây Số vòng dây sơ cấp: W1= 0,195. 380 = 74 = 702 vòng Số vòng dây thứ cấp ( hai cuộn ) : W2 = 0,195. 144 . 2 = 56 = 518 vòng - Tiết diện dây: (mm2) trong đó: I - dòng diện chạy qua cuộn dây J - mật độ dòng điện 2-3 A/mm2, tuỳ theo chất lượng dây lấy J = 3 ị Tiết diện dây sơ cấp : (mm2) 65/3 =22 mm2 Tiết diện dây thứ cấp : (mm2) 170/ 3 =56,5 mm2 c) Tính kích thước mạch từ: - Chọn trụ có hình chữ nhật : QFe= a.b - Diện tích cửa sổ của mạch từ: Qcs= t.h = kld.(W1.SCu1 + W2.SCu2) ( kld: hệ số lấp đầy = 2 ữ3) ị Qcs= 2. ( 74.54 + 28.141) = 15888 mm2 ≈ 160 [cm2] 89422mm = 894 cm2 - Các hệ số phụ: m = = 2,3 ; n = = 0,5 ; l = = 1,5 ị QFe= 1,5.a2 ị a = 12 (cm) ị b = 18 c = 6; h = 30 t = 7 (cm) d) Kết cấu dây quấn : -Dây quấn được bố trí theo chiều dọc trụ với mỗi cuộn dây được cuốn thành nhiều lớp dây, mỗi lớp dây cách điện với nhau bằng bìa cách điện. - Tiết diện dây rất lớn, ta chọn tiết diện dây hình chữ nhật . - Số vòng trên mỗi lớp: WL = hcd : khoảng cách cách điện, lấy hcd = 5 mm br : bề rộng bánh dây ị WL1= 40 với br = 7 mm , bn = 20 mm ị quấn 2 lớp WL2= 90 với br = 3 mm , bn = 18 ị quấn 1 lớp - Tổng bề dày các cuộn dây: bd = 20.2 + 18 + 4.1 = 62 (mm) < t → thoả mãn V. Lọc 1. Tính toán L,C: - Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu được triển khai ở dạng Fourier. Các sóng hài bậc cao có biên độ rất nhỏ nên ta có thể dừng lại ở 2 số hạng đầu. Với chỉnh lưu 1 pha cả chu kỳ có điểm giữa: ud = khi đó LC sẽ được tính theo công thức: trong đó: A = 0,425 n = 2 kLC = tỷ số nhấp nhô kLC = =0,01 → - Chọn C = 10000 àF → L = 10,76 (mH) 2. Thiết kế cuộn L: Cuộn kháng cho dòng điện lớn đi qua nên tiết diện dây dẫn lớn, vì vậy điện trở thuần của cuộn kháng nhỏ có thể bỏ qua. ZCK = XCK = 2fmL = 314.2.10,76.10-3 = 6,78 Biên độ sóng hài dòng điện bậc 1 qua cuộn kháng: Im = Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc: UCK = ZCK. = 65 V Công suất của cuộn kháng lọc: SCK = UCK. = 623 VA - Chọn lõi thép hình chữ Ш. Tiết diện trụ: Q = k = = 12,5 cm2 - Chọn mật độ từ cảm trong trụ là B = 1T. Số vòng dây trên cuộn kháng: W = = 117 vòng - Dòng điện chạy qua cuộn kháng: - chọn mật độ dòng điện J = 3 A/mm2 → tiết diện dây : SCK = 200 mm2 → d = 15 mm VI.Thiết kế các thiết bị bảo vệ: 1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho van: -Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất sinh nhiệt đốt nóng van. Mặt ghép là nơi bị đốt nóng nhiều nhất. Van bán dẫn chỉ được phép làm việc ở nhiệt độ cho phép nào đó tuỳ thuộc loại van. Đối với bán dẫn Ge: Tcp= 80 ữ 100 ; Si: Tcp= 150ữ200 . - Việc làm mát có ảnh hưởng lớn tới dòng làm việc cho phép của van. Với dòng khá lớn: Không có toả nhiệt : Ilv < 10%Idm Toả nhiệt bằng cánh toả nhiệt đồng, nhôm : Ilv < 40%Idm Toả nhiệt bẳng cánh và quạt thổi gió : Ilv < 70%Idm Làm mát bằng nước Ilv < 90%Idm - Do vậy để van bán dẫn làm việc an toàn, hiệu suất cao, không bị chọc thủng về nhiệt ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý. - Tổn thất công suất trên 1 Thyristor là: ∆P = ∆U.Iv = 1,5.424 =636 (W) - Công suất toả nhiệt này lớn do vậy cần làm mát bằng cánh toả nhiệt và quạt gió. 2. Bảo vệ quá điện áp cho van: Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Thyistor được thực hiện bằng mạch RC mắc song song với Thyristor tạo thành mạch vòng phóng điện tích trong úa trình chuyển mạch Chọn R = 5 W, C=25 mF Chương 3 .Thiết kế mạch điều khiển Nội dung chính của chương gồm các phần sau 1.Các nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển. 2. Hệ thống điều khiển pha xung. 3. Các sơ đồ mạch của mỗi khâu. Chọn lựa mạch. 4. Mạch điều khiển cụ thể . 5. Tính chọn mạch điều khiển . I- Các nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển: Trong thực tế thường dùng 2 nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển là nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng arccos để điều chỉnh thời gian phát xung vào cực điều khiển của Thyristor. 1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: Nội dung của nguyên tắc này có thể mô tả theo sơ đồ: Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anod của Thyristor, để có thể có điều chỉnh được góc điều khiển a, trong vùng điện áp dương của anod, ta tạo điện áp tựa dạng răng cưa. Dùng điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa Utựa . Tại thời điểm cân bằng của hai điện áp thì phát xung điều khiển. Thyristor sẽ được mở từ thời điểm có xung điều khiển cho đến hết nửa cuối chu kì. Góc điều khiển a được xác định theo biểu thức . Bằng cách thay đổi Uđk từ 0 đến Utựa max sẽ thay đổi được góc a, do đó thay đổi được Ud 2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos được thể hiện trên hình vẽ: Điện áp đặt vào anod – catod của Thyristor là uAK = Um.sinwt. Điện áp đồng bộ Uđb vượt trước uAK một góc p/2 : uđb = Um.coswt. Điện áp điều khiển là điện áp một chiều có thể thay đổi theo cả hai phía dương và âm của biên độ. Đặt uđb và uđk vào cổng đảo và không đảo của bộ so sánh. Tại thời điểm uđk=uđb ta nhận được một xung ra rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh. Góc điều khiển a được xác định theo biểu thức: Um. cosa = Uđk. ị a = Bằng cách thay đổi Uđk từ giá trị -Um đến +Um, ta có thể điều chỉnh a từ 0 đến p. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos được dùng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao. Trong bản đồ án này sử dụng mạch lực là sơ đồ chỉnh lưu 1 pha có điểm giữa không đòi hỏi chất lượng điện áp cao lắm nên ta sẽ thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. II- Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển: Ta biết trong các hệ thống chỉnh lưu điện áp ra được xác định theo biểu thức : Ud = Udo. cosa. trong đó a là thời điểm ta phát xung mở Thyristor. Như vậy bằng cách thay đổi góc mở a ta sẽ thay đổi giá trị của điện áp ra và hệ thống cho phép ta điều chỉnh góc a gọi là hệ thống điều khiển pha xung. Sơ đồ cấu trúc của mạch điều khiển: Đồng pha Utựa So sánh Dạng xung Khuếch đại xung Bộ điều khiển Uđặt Uph Uđk Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ : 1) Khâu đồng pha ( khâu đồng bộ) : khâu này có nhiệm vụ xác định điểm gốc để tính góc điều khiển a. Nó có góc pha liên hệ chặt chẽ với điện áp của mạch lực. Khâu này thường là máy biến áp xung hoặc các phần tử ôptô 2) Khâu tạo điện áp tựa: khâu này có nhiệm vụ tạo điện áp có dạng cố định theo nhịp của điện áp đồng pha, đồng thời nó cũng xác định phạm vi điều chỉnh của góc a Điện áp tựa có dạng tam giác hoặc răng cưa, thưòng dùng là điện áp răng cưa. 3) Khâu so sánh : nhiệm vụ của khâu này là tiến hành so sánh điện áp tựa và điện áp điều khiển. Thông thường thời điểm cân băng giữa hai điện áp này chính là thời điểm phát xung mở van, tức là thời điểm xác định góc a. 4) Khâu dạng xung: khâu này có nhiệm vụ tạo ra xung điều khiển có hình dạng phù hợp để mở chắc chắn mạch van chỉnh lưu. Xung điều khiển có 4 dạng chính là xung đơn, xung kép, xung rộng, xung chùm. 5) Khâu khuếch đại xung: nhiệm vụ chính là khuếch đại công suất của xung ra từ mạch điều khiển lên tới giá trị đủ mở chắc chắn van lực. 6) Bộ điều chỉnh : có nhiệm vụ thực hiện một qui luật điều chỉnh nào đó (điều chỉnh bằng lượng đặt hoặc do công nghệ thiết bị chế tạo ) và được phản hồi để tạo ra Uđk để điều chỉnh góc a nhằm khống chế năng lượng ra tải theo yêu cầu. III- Chọn các khâu của mạch điều khiển 1.Khâu đồng pha: Khâu này thường sử dụng biến áp đồng pha hoặc phần tử ghép quang. a)Sử dụng máy biến áp đồng pha: u1~ u2 Đặt điện áp u1= U1m. sinwt vào cuộn dây sơ cấp thì bên phía thứ cấp xuất hiện điện áp xoay chiều u2= U2m. coswt. b)Sử dụng phần tử ghép quang: Trong nửa chu kì dương của nguồn thì D0 dẫn phát ánh sáng mở T0 (T 0 là trandito quang) làm T0 dẫn dòng ic từ +E qua R2 ,T0 ,do đó Uđf =0. Trong nửa chu kì âm của nguồn thì D0 khoá làm cho T0 khoá, do đó Uđf = E Trong đồ án này chọn khâu đồng pha là máy biến áp đồng pha 2. Khâu tạo điện áp tựa: Nguyên tắc của việc tạo điện áp răng cưa là dựa vào sự phóng nạp của tụ C qua một mạch nào đó. Quan hệ dòng và áp trên tụ C có dạng: ic(t) = C. Để Uc (t) tuyến tính phải có điều kiện là : C và ic(t) là các hằng số. Các mạch thông dụng dùng dùng trandito: Hình a Hình b *Với mạch hình a: Khi uđf > 0 ị T thông, C bị ngắn mạch nên Utựa= Uc = 0. Khi uđf < 0 ị T khoá, C được nạp theo đường +E - R2 - C. Điện áp trên tụ có dạng : uc (t) =E.(1- e-t / t) trong đó t = R.C. Sau khoảng thời gian t= (3 á4)t thì uc = E. Dạng điện áp như hình vẽ(sau-tờ5) Răng cưa này có dạng phi tuyến làm cho sự thay đổi của góc a phụ thuộc vào Uđk không tuyến tính. *Với mạch hình b: Khi uđf > 0 ị T thông nên Utựa= Uc = 0. Khi uđf < 0 ị T khoá, có sơ đồ thay thế như sau: Từ sơ đồ thay thế ta có : ie = ic + ib ằ ic ie = iR3 = ị UC(t) = Kết quả là ta thu được dạng răng cưa tuyến tính như hình vẽ. *Ngoài ra ta cũng có thể dùng mạch tạo xung sử dụng KĐTT như hình vẽ,tuy nhiên sơ đồ này khá phức tạp so với sơ đồ trên. ở khâu này ta chọn sơ đồ b 3.Khâu so sánh: Để xác định thời điểm mở Thyristor ta cần so sánh 2 tín hiệu là Uđk và Utựa. Việc so sánh 2 tín hiệu này thường được thực hiện bằng khuếch đại thuật toán. Utựa Uđk +E -E USS Utựa Uđk +E -E USS So sánh 2 cửa So sánh 1 cửa *So sánh 2 cửa: thời điểm lật trạng thái là lúc Utựa=Uđk Lúc Utựa > Uđk thì DU = Utựa – Uđk > 0 ị Uss = +Uramax (Uramax). Lúc Utựa < Uđk thì DU < 0 ị Uss = -Uramax. *So sánh 1 cửa: thời điểm lật trạng thái là lúc UN=UP =0 Ta có: UN = UP = 0 Trong 2 sơ đồ trên thì sơ đồ so sánh một cửa dùng cho tín hiệu khác dấu còn sơ đồ so sánh 2 cửa được dùng cho hai tín hiệu cùng dấu. Do đó ta sẽ sử dụng sơ đồ 1 – so sánh 2 cửa. 4.Khâu dạng xung : Khâu dạng xung tạo ra xung điều khiển có hình dạng phù hợp để mở chắc chắn mạch van chỉnh lưu. Xung điều khiển có 4 dạng cơ bản là xung đơn, xung kép, xung rộng, xung chùm. *Xung đơn: là một xung ngắn, có độ rộng tx ằ 100 ns, nó thường được dùng cho các mạch chỉnh lưu dạng hình tia, tải thuần trở, tải động cơ. *Xung kép: là 2 xung đơn, xung đầu tiên xác định góc a, xung thứ 2 đảm bảo thông mạch van.Loại này hay dùng cho sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha. *Xung rộng : là xung có độ rộng phụ thuộc vào góc điều khiển a, tx =p - a.Nó là xung vạn năng có thể dùng cho các loại mạch lực và các loại tải xong lại khó thực hiện việc cách ly. *Xung chùm : là một dạng xung rộng nhưng trong độ rộng (p - a) có một chùm các xung tần số cao, khoảng 3 á 12 kHz. Nó dễ thực hiện việc cách ly và được ứng dụng nhiều trong thực tế. Ta sẽ chọn xung điều khiển có dạng xung chùm. Xungđơn Xung kép Xung rộng Xung chùm Để tạo được xung chùm, ta trộn xung rộng lấy ra từ mạch so sánh và khâu phát tần ở tần số cao bằng mạch AND. Máy phát tần chính là các mạch dao động đa hài tạo xung vuông tần số cao, thường dùng bằng KĐTT hoặc vi mạch 555. Tần số của xung ra là: + với bộ tạo xung dùng vi mạch 555: + với bộ tạo xung dùng KĐTT : . Ta sẽ sử dụng vi mạch 555. 5.Khâu khuếch đại xung : Khâu khuếch đại xung có nhiệm vụ tăng công suất xung để đảm bảo mở chắc chắn cho van và cách ly mạch lực với mạch điều khiển nếu Ud < 36V. Thực tế đa số các van có UG = 3 á 7 V và IG = 0.1 á 1 A. Khâu dạng xung cho xung ra có Ira = 3 á 10 mA, cho nên mạch khuếch đại xung chủ yếu là khuếch đại dòng với KI max = 1/0.01 =100. Với khâu khuếch đại xung có 2 cách ghép là ghép trực tiếp và ghép gián tiếp thông qua máy biến áp với mạch lực. a) Khuếch đại xung ghép trực tiếp: Sơ đồ Đặc điểm của mạch: - Đầu vào là xung rộng, cho nên khâu dạng xung cũng chính là khâu so sánh. - Có thể ghép trực tiếp với mạch lực,nếu điện áp dưới 36V. Hoạt động: + Udx Ê 0 (trước thời điểm a ) : T1 khoá ị T2 khoá ị IG = 0. + Udx > 0 (từ thời điểm a trở đi ): T1 mở ị T2 mở, xuất hiện dòng IG ,dòng này tồn tại tới chừng nào mà UDX còn dương. Dạng xug ra:(tờ 10) Xung ra có 1 đỉnh rất mạnh làm Thyristor mở chính xác, sau đó giảm hẳn xuống để duy trì. b) Khuếch đại xung ghép gián tiếp qua máy biến áp xung: Sơ đồ: Với sơ đồ trên tụ C1 có vai trò giảm nhỏ công suất toả nhiệt của trandito và giảm kích thước máy biến áp xung. Trandito chỉ mở cho dòng qua trong thời gian tụ nạp. Bíên áp xung có nhiệm vụ cách ly mạch lực với mạch điều khiển. Hoạt động của sơ đồ: * Udx = 1 đ T1 mở đ T2 mở nên i1= với t = L1/R1. Khi t ằ 5t thì iL=, bên thứ cấp biến áp xung xuất hiện xung điện áp UG để mở thyristor. * Udx = 0 đ T1 khoá đ T2 khoá nên iC = 0, năng lượng cuộn cảm được giẩi phóng qua R1, i1 giảm dần i1 =.e-t trong đó T1 là thời điểm mà UDX = 0 Dạng xung thu được như hình vẽ Đặc điểm của máy biến áp xung là chỉ có thể truyền được xung chùm, xung đơn , xung kép, không truyền được xung rộng và có khả năng cách ly mạch lực với mạch điều khiển. Trong đồ án này do điện áp ra của mạch lực lúc không tải là Ud0 = 60V > 36V ,khi hoạt động thì điện áp hàn cỡ 40 V nên ta sử dụng sơ đồ khuếch đại xung dùng biến áp xung. 6.Bộ điều chỉnh: Nhiệm vụ của bộ điều khiển là tạo ra Uđk dựa vào lượng đặt Uđ và phản hồi. Do đó ta sẽ sử dụng mạch khuếch đại vi sai. Sơ đồ Ta có : Uđk = k. (Uđặt - Uph) Chọn Ra = Rf ta có Uđk = Uđặt - Uph. IV- Sơ đồ mạch điều khiển: Giải thích hoạt động của mạch: Điện áp đồng pha vào tại A có dạng hình sin trùng pha với điện áp trên anod của Thyristor . Trong thời gian Uđf > 0 thì T1 thông , Utựa = 0. Trong thời gian Uđf < 0 thì T1 khoá ,tại B có điện áp tựa Utựa có dạng răng cưa Điện áp đặt Uđặt+ và điện ấp phản hồi Uph được đưa tới đầu vào của khuếch đại vi sai, kết quả là đầu ra của KĐTT A2 có điện áp điều khiển Uđk là điện áp một chiều. Điện áp tựa Utựa được so sánh với điện áp điều khiển Uđk tại 2 đầu vào của KĐTT A1. Thời điểm Utựa = Uđk thì đầu ra của A1 lật trạng thái. Trong thời gian Uđk Utựa điện áp so sámh Uss có giá tri dương Mạch tạo xung tần số cao 555 cho ta chuỗi xung có tần số từ 3 đến 12kHz (xung thu được sau mạch 555 chỉ có tính chất định tính). Hai tín hiệu Uss và Uchùm xung cùng được đưa tới khâu AND 2 cổng vào .Khi đồng thời có cả 2 tín hiệu dương UCX và USS ta sẽ có xung ra UDX. Các xung ra làm T3,T4 thông ,kết quả là ta nhận được chuỗi xung nhọn Xđk trên biến áp xung để đưa tới Thyristor Điện áp Ud trên T1 sẽ xuất hiện từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên cho đến thời điểm phát xung vào cực điều khiển của Thyristor 2 Phân tích tương tự cho nửa còn lại của bộ chỉnh lưu V- Tính toán mạch điều khiển Việc tính toán mạch điều khiển tiến hành từ tầng khuếch đại ngược lên. Các thông số tính mạch điều khiển: +) Điện áp điều khiển Thyristor: Ug = 3 V +) Dòng điều khiển: Ig = 0,3 A +) Thời gian mở: tm= 80às +) Độ rộng xung điều khiển: tx= 167 às +) Tần số xung điều khiển: fg = 3 kHz +) Điện áp nuôi mạch điều khiển: E = ±12V +) Mức sụt biên độ xung: 1. Tính biến áp xung: - Chọn vật liệu làm lõi là Ferit, lõi có hình xuyến, làm việc trên một phần đặc tính từ hoá : ∆B = 0,3 T ; ∆H = 30 A/m ; không có khe hở không khí. - Tỉ số biến áp xung: m = 2ữ3 , chọn m = 3 - Điện áp thứ cấp : U2 = Uđk = 3 V - Điện áp cuộn sơ cấp : U1 = mU2 = 3.3 = 9 V - Dòng thứ cấp : I2 = Iđk = 0,3 A - Dòng sơ cấp : I1 = A - Độ từ thẩm tương đối của lõi sắt àtb = trong đó: à0 = 1,25.10-6 (H/m) : độ từ thẩm tương đối - Thể tích lõi thép cần dùng V = = 2,505 cm2 → Chọn mạch từ có kích thước V = 3 cm2. Với thể tích đó ta có các kích thước như sau: a = 5 mm b = 8 mm c = 7,5 mm D = 25 mm d = 15 mm Q = 40 mm2 - Số vòng dây sơ cấp BAX W1 vòng - Số vòng cuộn dây thứ cấp vòng - Tiết diện dây quấn sơ cấp mm2 ; chọn j1 = 6 A/mm2 → đường kính dây quấn sơ cấp : mm → chọn d1 = 0,15 mm - Tiết diện dây quấn thứ cấp: mm2 ; chọn j2 = 4 A/mm2 → đường kính dây quấn sơ cấp : mm → chọn d2 = 0,15 mm 2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng: Chọn Transistor công suất loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số : - Transistor loại npn, vật liệu Si +) Điện áp Ucbo = 40 V Uebo = 4 V +) Dòng cực đại T chịu : Icmax = 500 mA +) Công suất tieu tán ở C : Pc = 1,7 W +) tomax lớp tiép giáp ttg = 175oC +) Hệ số khuếch đại : β = 40 +) Dòng làm việc colector : IC = I1 = 0,1 A = 100 mA +) Dòng làm việc Bazơ: IB = IC/ β = 2,5 mA - Với loại Transistor đã chọn có công suất khá nhỏ: Uđk = 3 V ; Iđk = 0,3 A dòng làm việc Icb khá bé, cho nên ta không cần T4 mà vẫn đủ công suất điều khiển Transistor. - Chọn nguồn cung cấp cho BAX E = +12 V. Khi đó điện trở R5 có giá trị: Ω - Các diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có các tham số: +) Dòng điện định mức : Iđm = 10 mA +) Điện áp ngược max : Ung = 25 V +) Điện áp để diode thông : Um = 1 V 3. Chọn cổng AND: Chọn IC 4081 thuộc họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng AND và có các thông số như sau : +) Nguồn nuôi IC: VCC = 3 ữ 15 V, ta chọn VCC = 12 V +) Nhiệt độ làm việc - 40 ữ 80oC +) Điện áp mức lôgíc 1 : 2 ữ 4,5 +) Dòng điện I < 1 mA +) Công suất tiêu thụ P = 2,5 nW/ cổng - Sơ đồ chân: 4. Chọn C2 và R4: - Điện trở R4 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ của T4 - R4 được chọn phải thoả mãn điều kiện : R4 > kΩ → ta chọn R4 = 2 kΩ - Chọn C2.R4 = tx → → chọn C2 = 0,8 àF. 5. Chọn thông số cho bộ tạo xung chùm - Thông số của Timer 555 +) Điện áp nguồn nuôi : VCC = 5 ữ 18 V +) Điện áp đầu ra : Vra = VCC - 0,5 V +) Tần số xung ra : - Chọn nguồn nuôi VCC = 5 V - Chọn R = R1 = R2 ; C5 = 0,1 àF ; C4 = 0,01 àF. - Lúc đó : k → chọn R1 = R2 = 16 k 6. Tính chọn tầng so sánh - KĐTT A1 chọn loại TL084 - Chọn RP = RN > Trong đó: nếu nguồn VCC = 12 V thì điện áp vào A1 là UV = 12 V, dòng vào được hạn chế để IV < 1 mA Ta chọn RP = RN = 15 kΩ , lúc đó IV = 0,8 mA 7. Tính chọn khâu đồng pha - Điện áp tựa được hình thành do sự nạp điện của tụ C1 - Ta chọn thời gian nạp của tụ là : t1= R3C1 = 0,005 s - Chọn C1 = 20 àF → R3 = 25 kΩ - Để thuận tiên cho việc điều chỉnh lắp ráp, chọn R3 là biến trở . - Chọn T2 là Transistor loại A564 có các thông số : +) Ucbo = 25 V +) Ubeo = 7 V +) ICmax = 100 mA +) totiếp giáp = 150oC +) β = 250 → Iβmax= 100/250 = 0,4 mA - Chọn T1 là loại C828 - Điện trở R2 hạn chế dòng và T2, được chọn sao cho → chọn R2 = 15 kΩ - Chọn điện áp xoay chiều đồng pha UA = 9 V - Chọn R1 để hạn chế dòng vào Bazơ của T1 sao cho IV < IVmax → chọn R1= 25 kΩ 8. Chọn khâu tạo điện áp điều khiển Uđk - Chọn Ra = Rf để Uđk = Uđặt - Uph - Khi hở mạch I = 0 → Uph= 0 → Uđk = Uđặt . Như vậy, Uđặt là điện áp điều khiển khi hở mạch có Uho=60 V và thời điểm phát xung là α0 = π/3. Tại thời điểm phát xung có: Uđk = Uđặt = Utựa (ωt = π/3) - Dựa vào phương trình trên ta tìm biên độ Uđặt: Theo trên có : Utựa= Tại ωt = π/3 → Utựa = V Chọn các điện trở : Ra = Rf = 10 kΩ 9. Chọn khâu phản hồi Ta có : Uph = I . RS Chọn RS thoả mãn Uph < Uđk Û Chọn RS = 6 mW 10. Chọn nguồn nuôi - Ta cần nguồn ±12 V để cấp cho các IC - Sơ đồ nguyên lý: - Dùng cầu chỉnh lưu 1 pha điốt, có điện áp thứ cấp nguồn nuôi V → chọn U2 = 15 V - Để ổn áp nguồn nuôi ta chọn 2 vi mạch ổn áp LM7812 và LM7912 có các thông số: Uvào = 7ữ35 V LM7812 Ura=12V LM7912 Ura= -12 V Ira = 0ữ1 A - Tụ C4, C5 lọc sóng hài bậc cao - Chọn C4=C5=C6=C7= 470 àF ; Uvào= 35V 11. Tính MBA nguồn nuôi và đồng pha: Ta cần nguồn nuôi ± 12 V để cung cấp cho máy biến áp xung , IC và các KĐTT - Chọn MBA 1 pha kiểu lõi, có 3 cuộn dây: 1cuộn sơ cấp + 2 cuộn thứ cấp - Điện áp lấy ra ở thứ cấp MBA làm điện áp đồng pha và nguồn nuôi U2 = U2đp = UN = 9 V - Dòng thứ cấp BA đồng pha: I2đp = 1 mA - Công suất nguồn nuôi cấp cho BAX Pđp = 2.U2đp.I2đp = 2.9.10-3 = 18 mW - Công suất tiêu thụ ở 2 KĐTT TL084 để tạo hai cổng AND PKĐTT = 2.0,68 = 1,36 W - Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Thyristor Px = 2.Uđk.Iđk = 2.3.0,3 = 1,8 W - Công suất cho việc tạo nguồn nuôi: PN = Pđp + PKĐTT + Px = 3,178 W - Công suất ủa MAB có kể tới 5% tổn hao: S = 1,05 ( Pđp + PN) = 3,356 W - Dòng thứ cấp MBA I2 = - Dòng sơ cấp: I1 = = 0,0088 A - Tiết diện trụ của MBA: cm2 Trong đó: kq= 6 hệ số phụ thuộc phương thức làm mát m = 1 số trụ của MBA f = 50 tần số lưới → chuẩn hoá ta được QT = 1,63 cm2 - Số vòng dây sơ cấp, chọn mật độ từ cảm B = 1 T W1 = 10502 vòng - Số vòng dây thứ cấp W2 = 249 vòng - Chọn mật độ dòng điện j1 = j2 = 2,75 A/mm2 - Tiết diện dây quấn sơ cấp: 0,0032 mm2 → đường kính dây quấn sơ cấp: d1 = mm → chọn d1 = 0,1 mm - Tiết diện dây quấn thứ cấp: mm2 → đường kính dây quấn thứ cấp: d2 = mm → chọn d1 = 0,3 mm 12. Tính chọn Diode cho mạch chỉnh lưu: - Ihd qua diode A - Điện áp ngược max mà Diode phải chịu Ungmax= U2 = 9= 12,7 V - Chọn Diode có : Iđm = ki.ID = 10.0,131 = 1,31 A Ung= ku.Ungmax=2.12,7 = 25,4 → ta chọn Diode loại có Iđm = Ung =