Luận Văn

Đồ án: Điện tử công
suất

Đồ án môn học điện tử công suất




1

1

Chơng 1
Giới thiệu chung về ắc-quy.






Ăc-quy là loại bình điện hoá học dùng để tích trữ năng lợng điện và làm
nguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện nh động cơ điện, nh bóng đèn,
làm nguồn nuôi cho các linh kiện điện tử.v.v
Các tính năng cơ bản của ăc-quy:
.Sức điện động lớn ,ít thay đổi khi phóng nạp điện.
.Sự tự fóng điện bé nhất.

.Năng lợng điện nạp vào bao giờ cũng bé hơn năng lợng điện mà ăc-quy
phóng ra .
.Điện trở trong của ăc-quy nhỏ .Nó bao gồm điện trở của các bản cực ,điện trở dung
dịch điện fâncó xét đén sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa các bản cực .Thờng trị
số điện trở trong của ăc-quy khi đã nạp điện đầy là 0.001 đến 0.0015 và khi ăc-
quy fóng điện hoàn toàn là 0.02 đến 0.025.
Có hai loại ăc-quy là: ăc-quy a-xit (hay ăc-quy chì) và ăc-quy kẽm (ăc-quy sắt kền
hay ăc-quy cadimi-kền) .Trong đó ăc-quy a-xit đợc dùng fổ biến và rộng rãi hơn.

1.Cấu tạo của ăc-quy :

Các bộ fận chủ yếu của ăc-quy a-xit gồm:
-Các lá cực dơng làm bằng
2
PbO
đợc ghép song song với nhau thành một bộ chùm
cực dơng.
-Các lá cực âm làm bằng
Pb
đợc ghép song song với nhau thành một bộ chùm cực
âm.
Bộ chùm cực âm và chùm cực dơng đặt xen kẽ nhau theo kiểu cài răng
lợc ,sao cho cứ lá cực âm rồi đến một lá cực dơng .
-Lá cách đặt giữa các lá cực âm và lá cực dơng để tránh hiện tợng chập mạch giữa
các điện cực khác dấu.
-vỏ bình điện ăc-quy thờng làm bằng cao su cứng ( êbonit ) đúc thành hinh hộp ,chịu
đợc khí nóng lạnh ,va chạm mạnh và chịu a-xit.Dới đáy bình có
các đế cao để dắt các lá cực lên ,khi mùn của chất hoạt động rụng xuống thì
đọng dới rãnh đế ,nh vậy tránh đợc hiện tợng chập mạch giữa các điện cực do
mùn gây ra.Nắp đậy ăc-quy cũng làm vỏ cao su cứng ,nắp có các lỗ để đổ điện dịch

vào bình và đầu cc luồn qua . Nút đậy để điện dịch khỏi đổ ra.
-Cầu nối bằng chì để nối tiếp các đầu cực âm của ngăn ăc-quy này với cực
dơng của ngăn ăc-quy tiếp theo.
Đồ án môn học điện tử công suất




2

2


2.Quá trình biến đổi năng lợng của ăc-quy :

Ăc-quy là nguồn có tính chất thuận nghịch ,nó tích trữ và giải fóng năng lợng dới
dạng điện năng .Quá trình ăc-quy cung cấp điện năng cho mạch ngoài gọi là quá trình
fóng điện ,quá trình ăc-quy đợc dự trữ năng lợng đợc gọi là quá trình nạp điện.
Trên thị trờng hiện nay dùng fổ biến là ăc-quy a-xit.Loại ăc-quy này có bản cực
dơng là đi-ô-xít chì (
2
PbO ) ,các bản cực âm là chì (
Pb
), dung dịch điện fân là a-xit
sunfuaric (
42
SOH
) .
Phản ứng hoá học biểu diễn quá trình chuyển hoá năng lợng của ăc-quy :



2
PbO +
Pb
+ 2
42
SOH ( OH
2
) 2
4
PbSO + 4 OH
2


a.Quá trình nạp điện cho ăc-quy :

Khi đổ dung dịch a-xit sunfuric vào

các ngăn của bình thì trên các bản cực sẽ sinh ra
một lớp mỏng chì sunfat
4
PbSO :

PbO
+
42
SOH

4
PbSO

+
OH
2

Đem nối nguồn điện một chiều vào hai đầu của ăc-quy thì dòng một chiều sẽ đợc
khép kín qua mạch ăc-quy và dòng đó đi theo chiều: cực dơng nguồn một chiều
đầu cực 1 ăc-quy chùm bản cực 1qua dung dịch điện fânbản cực 2đầu cực
2 của ăc-quy cực âm nguồn một chiều.
Dòng điện sẽ làm cho dung dịch điện fân fân ly:

42
SOH


H
+
4
2
SO


Catiôn

H
theo dòng điện đi về fía chùm bản cực nối với âm nguồn điện
và tạo ra fản ứng tại đó:
2

H
+

4
PbSO

42
SOH
+
Pb

Các aniôn
4
2
SO

chạy về fía chùm bản cực nối với cực điệnơng của nguồn điện tạo
ra fản ứng tại đó :

4
PbSO
+ 2
OH
2
+ cc 2
42
SOH
+
2
PbO

Kết quả là ở các chùm bản cực đợc nối với bản cực dơng của nguồn điện có chì
điô-xit

2
PbO
, ở chùm bản cực kia có chì
Pb
. Nh vậy , hai loại chùm cực đã có sự
khác nhau về cực tính .
Khi nạp ăc-quy ,lúc đầu điện thế tăng dần từ 2V2,4V .Nếu vẫn tiếp tục nạp
giá trị này nhanh chóng tăng lên 2,7V và giữ nguyên.Thời gian này gọi là thời gian
nạp no ,nó có tác dụng làm cho fân tử các chất tác dụng ở sâu bên trong lòng bản cực
đợc biến đổi hoàn toàn ,nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lợng fóng điện của ăc-quy
.Trong sử dụng thời gian nạp no của ăc-quy
Đồ án môn học điện tử công suất




3

3

thờng kéo dài khoảng 2h3h , trong khoảng thời gian này hiệu điện thế của ăc-quy
và nồng độ dung dịch điện fân không thay dổi.Sau khi ngắt mạch nạp , điện áp ,sức
điện động , nồng độ dung dịch điện fân của ăc-quy giảm xuống và ổn định, dây gọi là
thời gian nghỉ của ăc-quy sau khi nạp .
Có thể nạp điện cho ăc-quy với dòng điện cố định hoặc nạp ở điện thế không đổi .
Nạp ở dòng điện cố định sẽ nhanh nhng tốn năng lợng hơn chế độ nạp ở điện thế
không đổi.

b.Quá trình fóng điện ở ăc-quy :


Trong quá trình fóng điện của ăc-quy , xảy ra các fản ứng hoá học sau:
Tại cực dơng :
42
SOH
+
2
PbO
+ 2

H
+ 2e
4
PbSO
+ 2
OH
2

Tại cực âm:
Pb
+
4
2
SO


4
PbSO
+ 2e
Nh vậy khi ăc-quy fóng điện , chì sunfat lại đợc hình thành ở hai chùm bản cực ,
làm cho các bản cực dần dần trở lại giống nhau còn dung dịch a-xit bị fân tích thành

catiôn 2

H
và aniôn
4
2
SO

, đồng thời quá trình fóng điện cũng tạo ra nớc trong
dung dịch , do đó nồng độ của dung dịch giảm dần và sức điện động của ăc-quy giảm
dần .
Quá trình fóng điện của ăc-quy cũng có thể chia làm hai giai đoạn :ở giai đoạn đầu
điện áp ,sức điện động , nồng độ dung dịch điện fân của ăc-quy giảm chậm,đây gọi là
giai đoạn fóng ổn định hay thời gian fóng điện cho fép của ăc-quy .Trong giai đoạn
tiếp theo ,điện áp ăc-quy sẽ giảm rất nhanh .

3. Các thông số cơ bản của ăc-quy :

a.Sức điện động của ăc-quy :

Sức điện động của ăc-quy chì fụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện fân Ngời ta
thờng sử dụng công thức kinh nghiệm : Eo = 0.85 + (V)
Eo : sức điện động tĩnh của ăc-quy đơn
: nồng độ dung dịch điện fân ở 15
c
0

)/(
3
cmg

.
-Sức điện động trong quá trình fóng điện của ăc-quy : Ep = Up + Ip.Rp
Up là điện áp đo trên các cực của ăc-quy khi fóng điện.
Rp là điện trở trong của ăc-quy .
-Sức điện động trong quá trình nạp điện của ăc-quy : En = Un In.Rn
Un là điện áp đo trên các cực của ăc-quy khi nạp điện.
Rn là điện trở trong của ăc-quy .

b.Dung lợng của ăc-quy ( C ):

Đồ án môn học điện tử công suất




4

4

Dung lợng fóng là đại lợng đánh giá khả năng cung cấp năng lợng của ăc-quy cho
fụ tải : Cp = Ip.Tp


Tp là thời gian fóng điện
Dung lợng nạp là đại lợng đánh giá khả năng tích trữ năng lợng của ăc-
quy :
Cn = In.Tn
Tn là thời gian fóng điện .




















Đồ án môn học điện tử công suất




5

5

Chơng 2

Thiết kế mạch chỉnh lu.


Bộ chỉnh lu đợc thiết kế nhằm biến đổi năng lợng điện xoay chiều thành năng
lợng điện một chiều. Theo dạng nguồn cấp xoay chiều,chúng ta chia các bộ chỉnh
lu thành một pha , ba pha hay n pha . Các bộ chỉnh lu này có thể là chỉnh lu không
điều khiển nếu dùng van chỉnh lu là diode , chỉnh lu có điều khiển nếu dùng van
chỉnh lu là tiristo , và chỉnh lu bán điều khiển nếu van chỉnh lu dùng cả diode lẫn
tiristo .
Với các số liệu cho trớc nh sau:
. Điện áp định mức của ăc-quy nằm trong khoảng 5V đến 50V.
. Dòng nạp định mức ăc-quy là 50A
. Dòng nạp min của ăc-quy là 10A.
Công suất nguồn nạp nhỏ hơn 10kw nên chọn bộ biến đổi là bộ chỉnh lu một pha .
Ta có thể dùng các sơ đồ sau :
. Chỉnh lu một pha 2 nửa chu kỳ có điều khiển.
. Chỉnh lu cầu một pha có điều khiển đối xứng.
. Chỉnh lu cầu một pha có điều khiển không đối xứng .

A .Các phơng án thiết kế mạch chỉnh lu :
1. Chỉnh lu một pha 2 nửa chu kỳ có điều khiển:

Trong sơ đồ này ,máy biến áp fải có hai
cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt
nhau ,ở mỗi nửa chu kỳ khi có xung tới
điều khiển mở tiristo có một van dẫn cho
dòng điện chạy qua .
Điện áp đập mạch trong cả hai nửa chu
kỳ với tần số đập mạch bằng hai lần tần
số điện áp xoay chiều . Hình dáng các
đờng cong điện áp và dòng điện tải
(Ud,Id ) cho trên hình vẽ .
Điện áp trung bình trên tải thuần trở

đợc tính theo công thức :

)cos( 1UdoUd
2

Với Udo là điện áp chỉnh lu khi
không điều khiển và bằng
2
U90Ud ,
T1
T2
R
E
t
U,I
E
Id
Ud
T1
T2 T1

Đồ án môn học điện tử công suất




6

6



là góc mở của các tiristo.
Điện áp ngợc lớn nhất đặt lên van :
22Un max
2
U

Mỗi van dãn thông trong một nửa chu kỳ , do vậy dòng điện mà van bán dẫn fải
chịu tối đa là bằng 1/2 dòng điện tải
Trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua van
2
I
I
d
hd

* Nhận xét : trong sơ đồ này , dòng điện chạy qua van không quá lớn . Khi van
dẫn ,điện áp rơi trên van nhỏ.Việc điều khiển các van bán dẫn ở đây tơng đối đơn
giản .Tuy vậy ,việc chế tạo biến áp có hai cuộn dây thứ cấp giống nhau , mà mỗi
cuộn chỉ làm việc trong nửa chu kỳ ,làm cho việc chế tạo máy biến áp phức tạp hơn
và hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn , mặt khác điện áp ngợc của các van bán dẫn
fải chịu có trị số rất lớn.

2. Chỉnh lu cầu một fa có điều khiển một fa đối xứng:

Trong nửa chu kỳ đầu , lúc U2 > E điện áp anod của tiristo T1 dơng
lúc đó catod của T2 âm , nếu có xung điều
khiển cả hai van T1 ,T2 đồng thời ,thì các
van này sẽ đợc mở thông để đặt điện áp
lới lên tải , T1 , T2 sẽ dẫn đến khi U2 < E.

Trong nửa chu kỳ sau , khi U2 > E , điện
áp anod của tiristo T3 dơng
lúc đó catod của T4 âm , nếu có xung
điều khiển cả hai van T3 ,T4 đồng
thời ,thì các van
này sẽ đợc mở thông để đặt điện áp
lới lên tải.
Điện áp trung bình đặt lên tải:

)cos( 1UdoUd
2
với
2
U90Udo ,
Dòng trung bình chạy qua tiristo : Itb = Id/2
Dòng hiệu dụng chạy qua van :
2
I
I
d
hd

Điện áp ngợc lớn nhất đặt lên van :
22UUn max

* Nhận xét : So với sơ đồ trên ,ở sơ đồ này điện áp ngợc lớn nhất đặt lên van chỉ
bằng một nửa,biến áp dễ chế tạo và có hiệu suất cao hơn . Tuy nhiên , sơ đồ này
t
U,I
E

Id
Ud
T1,T2
T3,T4 T1,T2

R
E
T 2
T 3
T 1
T 4
U 2
Đồ án môn học điện tử công suất




7

7

nhiều khi gặp khó khăn trong việc mở các van điều khiển , nhất là khi công suất
xung không đủ lớn .
3 . Chỉnh lu cầu một pha có điều khiển không đối xứng :

ở nửa chu kỳ đầu , khi
2
u > E , nếu có
xung tới mở tiristo T1 , xuất hiện dòng
chạy qua T1 , D1 .ở nửa chu kỳ sau , khi

2
u > E , nếu có xung điều khiẻn mở tiristo
thì T2 và D2 thông, cho phép dòng qua tải
Điện áp trung bình đặt lên tải:
)cos( 1UdoUd 2
với
2
U90Udo ,
Với Udo là điện áp chỉnh lu khi không điều khiển
Điện áp ngợc lớn nhất đặt lên van
2UUn
2
max

Dòng hiệu dụng qua tiristo :



2
II
dT

Dòng hiệu dụng qua diode :




2
II
dD


Dòng trung bình qua diode :
dtbD
I
2
I






Dòng trung bình qua tiristo :





2
I
tbT d
I


* Nhận xét : Ngoài những u điểm của sơ đồ cầu đối xứng thì ở sơ đồ cầu không
đối xứng ,việc điều khiển mở các tiristo là đơn giản hơn . Mặt khác , sơ đồ này sử
dụng một nửa số van là diode và một nửa số van là tiristo nên giá thành của van
giảm . Vậy ta dùng sơ đồ chỉnh lu cầu một fa có điều khiển không đối xứng để
thiết kế nguồn nạp cho ăc-quy .






E
R
T1
D1
T2
D2
U2
t
U,I
E
Id
Ud
T1,D1
T2,D2 T1,D1

Đồ án môn học điện tử công suất




8

8


B . Tính toán mạch chỉnh lu :

1 . Tính toán chọn van :
-Dòng hiệu dụng qua tiristo



2
II
dT

-Dòng hiệu dụng qua diode



2
II
dD

Khi
6


:
)(A108
6
1
1100I
D


)(, A391

6
1
1100I
T

- Điện áp ngợc lớn nhất đặt lên van
22UUn max

- Điện áp chỉnh lu trung bình khi không tải
)cos(

1
2U
U
2
do

Mặt khác UbaUvUU
ddo

Trong đó : Uv là điện áp rơi trên van khi
van dẫn

d
U
là điện áp trung bình trên tải
Uba = Ur +
L
U là sụt áp trên điện trở
và điện kháng máy biến áp

-Tính sụt áp trên máy biến áp : Máy biến áp
công suất cữ chục KVA thuộc loại MBA
công suất nhỏ ,sụt áp trên điện trở khoảng
4%Ud , sụt áp trên cuộn kháng khoảng 1,5% Ud.
Vậy Uba = 4%Ud + 1,5%Ud = 5,5%Ud
- Sụt áp trên van khi van dẫn : lấy sụt áp trên mỗi van khoảng 1,7V
Uv = 1,7.2 = 3,4V


do
U

d
U
+ 5,5%Ud + 3,4V = 1,055
d
U
+ 3,4
E
R
T1
D1
T2
D2
U2
U,I
E
Id
Ud
T1,D1

T2,D2 T1,D1

Id
I T1
I T2
I D1
I D2






Đồ án môn học điện tử công suất




9

9


)(,,
)(,
)cos(
),,(
)cos(
.
max

V5394284662UU
V8466
21
4
3
U
055
1
21
U
U
2n
ddo
2










* Chọn van : hệ số dự trữ về áp Ku = 1,6
Hệ số dự trữ về dòng Ki=1,8
. Điện áp ngợc của van có tính đến hệ số dự trữ :

)(,,.,.
max

V25151615394KuUU
NN


Dòng định mức qua diode :
)(,,.,. A41948110881II
DDm

Ta chọn loại diode 1N3976 có các thông số nh sau :
Imax = 250A ; Un = 200 V ; Uv = 0,6V
.Dòng định mức qua tiristo :
A316481391I
mT
,,.,



Với điều kiện làm mát tự nhiên thì dòng làm việc của tiristo chỉ bằng một fần ba dòng
cho fép qua nó . Do đó , dòng cho fép qua tiristo là : 164,3.3 = 492,9A
Ta chọn loại tiristo NLC510E có các thông số nh sau :
Imax = 550A ; Un = 500V ; Uv = 1,5V ; Igmax = 150mA ; Ugmax = 6,5V .
Bảo vệ quá áp cho tiristo :
Trong quá trình hoạt động van có thể fải chịu các xung điện áp rất lớn so với điện áp
mà van có thể chịu đợc . Các xung điện áp đó có thể là do các nguyên nhân sau :
- Xung điện áp do quá trình chuyển mạch van
- Xung điện áp từ fía lới xoay chiều mà nguyên nhân thờng gặp là do tải có điện
cảm lớn trên đờng dây
- Xung điện áp do cắt đột ngột máy biến áp non tải .
Để bảo vệ van khỏi các xung điện áp ta dùng mạch RC
mắc song song với tiristo nh hình bên . Khi có xung điện

áp trên bề mặt tiếp giáp của van , mạch RC mắc song song
với van bán dẫn tạo mạch vòng fóng điện tích tránh sự quá
áp trên van .
Theo kinh nghiệm ngời ta thờng chọn các thông số RC có giá trị :
R = 10 ; C = 1F

2. Tính toán MBA cho mạch chỉnh lu :

* Tính công suất MBA :
Điện áp chỉnh lu không tải :

do
U
=
d
U
+
ba
UUv
= 2,1 +1,055
d
U


do
U
= 2,1 + 1,055 . 50 = 54,95 (V)

do
P

=
do
U
.
d
I
= 54,95 . 100 = 5495 (W)
H
h
e
a
c
D
b
T
R C
Đồ án môn học điện tử công suất




10

10

Công suất của MBA :

ba
S
= Ks .

do
P
= 1,23 . 5,495 = 6,76 KVA
Trong đó Ks là hệ số công suất MBA . Lấy Ks= 1,23 ( Sách hớng dẫn thiết kế
thiết bị điện tử công suất )
* Tính thông số áp dòng của các cuộn dây:
- Điện áp cuộn thứ cấp :
- Điện áp cuộn sơ cấp : U1 =220 V
- Dòng chạy trong cuộn thứ cấp :
A391II
T2
,

-Dòng chạy trong cuộn sơ cấp :
A7302207661US1I
ba
,/,/

* Tính toán dây quấn :
-Số vòng cuộn sơ cấp :
BQfef444
1
U
1W
,

trong đó : Qfe là tiết diện trụ Qfe =
2
cm349
502

6760
6
fm
Sba
Kq ,


với : m là số trụ MBA
Kq là hệ số fụ thuộc fơng thức làm mát
Chọn loại tôn có B = 1,5 T

134
105134950444
220
1W
4


.,., ,
vòng
-Số vòng cuộn thứ cấp : 40
105134950444
4
65
2W
4


.,., ,
,

vòng
-Tiết diện dây sơ cấp : chọn J = 2,75A/mm
2


2
mm211752730J1I1Scu ,,/,/

đờng kính dây sơ cấp :
mm7731S41d ,/.

-Tiết diện dây thứ cấp :

mm562S42d
mm233391J2I2Scu
2
,/.
,,/



* Tính kích thớc mạch từ :
mạch từ dùng tôn silic có trọng lợng riêng 7,5kg/dm
3

- Chọn trụ hình chữ nhật :diện tích Q=a.b=49,3cm
2

- Chọn các lá thép có độ dày là 0,4mm
- Theo các công thức kinh nghiệm nh sau :

b/a = 1,5 ; c/a =2 ; h/a = 2,5 ; e/a = 0,5
(Sách hớng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất )
)(,
)cos(
),,(
)cos(
.
V465
21
22U0551
21
U
U
ddo
2







Đồ án môn học điện tử công suất




11

11


a = 5,7cm ; b = 8,6cm ; c = 11,5cm ; h = 14,3 cm ; e = 2,87 cm
D = 2a + c =22,96 cm ; H = h + 2e = 20cm
* Tính kết cấu dây quấn :
-Số vòng dây của mỗi lớp :
với sơ cấp : Wl1 = h/d1 = 143/3,77 38 vòng
với thứ cấp : Wl2 = h/d2 = 143/6,5 = 22 vòng
Vậy số lớp cuộn dây sơ cấp : N1 = W1/Wl1 =134/38 4 lớp
Số lớp cuộn dây thứ cấp : N2 = W2/Wl2 = 40/22 = 2lớp
-Bề dày mỗi cuộn dây
Sơ cấp : B1 = d1.N1 + cd .N1 = 3,77.4 +0,1.4 = 15,48mm
Thứ cấp : B2 = 6,5.2 + 0,1.2 = 13,2 mm
Trong đó cd là chiều dày lớp cách điện ( cd = 0,1mm )
- Tổng bề dày các cuộn dây :
B = B1 + B2 + cd + cd
n
= 15,48 + 13,2 + 1 + 0,1 = 29,78mm Trong đó
cd là chiều dày cách điện trong ( cd = 1mm) cd
n
là chiều dày cách điện ngoài
( cd
n
=0,1mm)
* Tính khối lợng đồng và sắt :
.
;.mfeVfeMfe

3
cm843673baD2bah2Vfe ,



kg5271084367357Mfe
3
,.,.,


.
3
dmkg98mcumcuVcuMcu /,;.


2l2Scu1l1ScuVcu


1l Dtb1W
; Dtb=(Dt1 + Dn1)/2
Dt1 = cm4210106875cdba
22
t
22
,,,,

cm547122111341Dtb1W1l
cm2112971142101Dtb
cm97114010377042101Ncd1d1Dt1Dn
,,
,/),,(
,).,,(,).(





l1 là chiều dài dây quán sơ cấp
chiều dài dây quấn thứ cấp l2 đợc tính nh sau:

cm6513910811402Dtb2W2l
cm08112741142102Dtb
cm74112Ncd2dDt2Dn42102Dt
,,
,/),,(
,).(;,




trong đóDt,Dn là đờng kính trong và ngoài của cuộn dây (sơ và thứ cấp )
Dtb là đờng kính trung bình của cuộn dây (sơ và thứ cấp )

2l2Scu1l1ScuVcu
=11,2.47125 + 33,2.13916,5 = 0,99dm
3

Vậy m
cu
= 0.99.8,9 = 8,9kg
*Tính sụt áp bên trong MBA :
chọn dây sơ cấp có đờng kính d1 = 4,1mm và điện trở trên một đơn vị chiều dài
là ro = 0,00123/m.
Đồ án môn học điện tử công suất





12

12

Dây thứ cấp có d2 = 6,5mm ; ro = 0,000811/m
- Điện trở dây quán ở 75
C
o
là :
Sơ cấp : R1 = ( 1+ t)l1.ro = (1 + 0,004.75).47,125.0,00123 = 0,075
Thứ cấp : R2 = (1 + 0,004.75).13,9165.0,00811 = 0,015
- Sụt áp trên điện trở của MBA là :
Ur = [R2 + R1.(W2/W2)
2
].Id = 2,1V
- Sụt áp trên điện kháng của MBA là :
U =

XId
3
;
0167010
3
2
B
1
B

cdohr2W8X
722
,.])[/.(




trong đó cdo = 0,2mm là chiều dày cách điện các cuộn dây sơ và thứ cấp với nhau
U = 0,0167.100/

= 0,53V
Vậy tổng sụt áp trên MBA là : Uba = 0,53 + 2,1 = 2,63V
















Đồ án môn học điện tử công suất





13

13

Chơng 3

Thiết kế mạch điều khiển


A. Giới thiệu chung về mạch điều khiển :

* Mạch điều khiển có các chức năng sau :
- Điều khiển đợc vị tri xung trong fạm vi nửa chu kỳ dơng của điện áp đặt lên
anod và catod của tiristo .
- Tạo đợc các xung đủ điều kiện mở đợc tiristo
( xung điều khiển thờng có biiên độ từ 2V dến 10V ,độ rộng xung thờng từ 20s
đến 100s)
Độ rộng xung đợc xác định theo biểu thức sau :
dtdi
I
t
dt
x
/


dt

I
là dòng duy trì của tiristo
* Cấu trúc của một mạch điều khiển nh sau :


Trong đó :
- ĐF : khâu tạo điện áp đồng fa
- Urc : điện áp răng ca
- Uc : là điện áp điều khiển
- khâu 1 : khâu so sánh điện áp giữa Uc và Urc , khi Uc Urc = 0 thì trigơ lật
trạng thái .
- khâu 2 : khâu tạo xung chùm
- khâu 3 : là khâu khuyếch đại xung
- khâu 4 : khâu biến áp xung .
Bằng cách điều chỉnh Uc ta có thể điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển tức là điều
chỉnh đợc góc


X S S
1
2
3
4
Uc
ĐF
Urc
Đồ án môn học điện tử công suất





14

14

B. Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của mạch điều khiển :

Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển :
Điện áp hình sin sau khi qua MBA để tạo điện áp đồng fa , đợc đa vào bộ
chỉnh lu cầu một fa và qua khâu so sánh A1 để tạo điện áp dạng xung hình chữ
nhật UI . Do có sự fóng nạp của tụ C1 , ở đầu ra của A2 có điện áp dạng răng ca
UII .
UII sau đó đợc so sánh với điện áp điều khiển Uđk qua khâu A4 tạo điện áp
xung chữ nhật . Điện áp này qua diode D13 chỉ còn lại các xung dơng UIV. Thời
điểm fát xung của A4 đợc điều chỉnh nhờ thay đổi điện áp Uđk . Do đó góc điều
khiển có thể thay đổi khi điều chỉnh Uđk
Khâu A3 và diode D2 tạo xung chùm có điện áp dơng UIII . Độ rộng của các
xung này tuỳ thuộc vào giá trị R4 và C2 đợc xác định dựa trên yêu cầu của tiristo
cần điều khiển .
Các điện áp UIV và UIII qua fần tử AND và đợc đa vào khâu khuyếch đại
xung và biến áp xung để tạo các xung có công suất đủ lớn để mở các tiristo .
Khối phản hồi dòng điện ( bao gồm các khâu A5 và A7 ) tự động điều chỉnh
dòng điện ổn định khi nó thay đổi trong quá trình nạp ăc-quy và tạo giá trị dòng
nạp ban đầu theo yêu cầu của ăc-quy .
Khối phản hồi áp (khâu A10 ) tự động điều chỉnh điện áp khi điện áp thay đổi .
Điện áp fản hồi đợc so sánh với điện áp đặt trên biến trở VR1 .
Khi điện áp fản hồi Uf nhỏ hơn điện áp đặt ( bằng 93%Uđm của ăc-quy ) thì ở
đầu ra của A6 xuất hiện xung âm làm khoá K2 và mở K1 cho fép ăc-quy vẫn nạp
theo dòng .
Khi Uf lớn hơn điện áp đặt thì ở đầu ra của A6 xuất hiện xung dơng làm K2 mở

và K1 đóng , lúc này ăc-quy chuyển sang chế độ nạp theo áp .
Trong lúc nạp theo áp , khi điện áp nạp đạt giá trị 113%Uđm thì quá trình nạp
đợc ngắt nhờ khâu bảo vệ quá áp ( gồm khâu A9 , tranzito T4 và rơle RH ) .
Dạng điện áp của các khâu trong mạch điều khiển nh sau :

§å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt




15

15










































U ®k









1,5
U I
U II
U IV
U III
1



2
Ubh
- Ubh
Ubh
- Ubh

0
0
0
0
Đồ án môn học điện tử công suất




16

16


B. Hoạt động của các khâu trong mạch điều khiển :
1. Khâu tạo điện áp đồng fa và điện áp răng ca :















Nguyên lý hoạt động :
MBA tạo điện áp đồng fa với điện áp đặt vào mạch lực . Điện áp hình sin sau khi
qua chỉnh lu đợc đa vào khâu so sánh A1 tạo điện áp hình xung chữ nhật . Do
có diode D1 nên chỉ có xung dơng của điện áp UI đợc đa vào nạp cho tụ C1.
Khi có xung âm , D1 khoá ,T1 mở , tụ C1 fóng điện qua R2 , A1 . Do quá trình
fóng nạp của tụ C1 nên ta có đợc điện áp ra của khâu A2 có dạng xung tam giác
.
Điện trở R2 nhằm hạn chế dòng qua tranzito T1 .
Diode Dz mắc song song tụ C1 nhằm khống chế điện áp ra UII không vợt quá
U
DZ
.

- Trong quá trình nạp cho tụ C1 :

UodtUI
1C3R
1
UII
dt
dUII
1C
3R
UI
t
0


.
.
.


tại thời điểm bắt đầu nạp cho tụ C1 , điện áp trên tụ bằng 0

1C3R
t
Ubh
tUI
1C3R
1
UII
.

.

.


- Điện áp bão hoà : Ubh = E 2 = 15 2 = 13V
- thời gian nạp cho tụ C1 là : tn = T/2 2.1/
- chọn điện áp dặt
V15U
28R


Uđf = 22
sin2
222
5
1
1
,
sin
A2
C1
R3
A 1
D1
R2
DZ
D9
D12
D11

D10
R1
R28
R27
MBA

I I
+ E
- E
+ E
+ E
- E
§å ¸n m«n häc ®iÖn tö c«ng suÊt




17

17












































Time [s]
0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m 70.00m
Output
-20.00
-10.00
0.00
10.00
20.00
30.00
U®f
U II
Time [s]
0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m 70.00m
Output
-20.00
-10.00
0.00
10.00
20.00
30.00
U®f
U I
1,5V
Đồ án môn học điện tử công suất





18

18

Thời gian nạp cho tụ C1 là:


1C3R
tnUbh
UII
s00970
314
048
0
2
2
02
0
tn
.
.
,
,
.
,




chọn UII max = -Ubh = -13V R3.C1 = tn = 0,0097

chọn R3=10k C1 = 0,0097/10000 = 0,97F
- Trong quá trình fóng của tụ C1 :

UoftUI
1C2R
1
UII .
.

trong đó : Uof = UIImax
t là thời gian fóng điện của C1
t < 1/314 = 0,048/314 = 0,153ms




73157
10970
101530
2R
6
3
,
.,
.,

chọn R2 = 150


- chọn các điện trở R28 = 1k ; R29 = 9k

- chọn diode : các diode D9 , D10 , D11 , D12 và D1 dùng loại D-1001 có các
thông số I = 1A và Ung = 200 V.
- chọn diode Dz loại BZ23-C15 có điện áp ngợc cực đại = 14,75 V
- chọn tranzito loại C828 có các thông số Uce = 30 V; Ice = 300mA ;
=30 100
- chọn IC thuật toán loại A741 có các thông số nh sau :
Zvào = 300k ; Zra = 60 ; En = 15V ; t = 55
C
o
125
C
o
.











Đồ án môn học điện tử công suất




19


19

2. Khâu tạo xung chùm :

Nguyên lý hoạt động : khâu A3 thực
hiện so sánh 2 điện áp Ur và Uc , tạo
chuỗi xung chữ nhật ở đầu ra .
1III
UkUr .
trong đó k = R6/( R5 + R6)
Xác định chu kỳ xung ra :
Tụ C2 đợc nạp từ điện áp Ubh qua R4.
Chọn điện áp trên tụ lúc bắt đầu nạp là
Uc(0) = -k.Ubh
Ta có biểu thức tính thời gian nạp cho
tụ là :
T1 =
5R
5
R
6
R
2
2C4R

.
ln
Chọn R5 = R6 = 1k : T1 = 1,1.R4.C2
Vì khi fóng và nạp điện cho tụ C2 thì dòng đều chạy qua R4 nên thời gian fóng

T2 = T1
Vậy biểu thức tính chu kỳ xung ra : T = T1 + T2 = 2,2R4.C2
Chọn xung có độ rộng là 50s , chọn R4 = 100 :
C2 = 0,45F






A 3
C 2
R 4
R 6
R 5
+ E
- E
U c
U r
Ubh
- Ubh
Uc
k.Ubh

Đồ án môn học điện tử công suất




20


20

3.Khâu so sánh điện áp :

A4 thực hiện so sánh điện áp răng ca của UII
với điện áp điều khiển Uđk :
- khi Uđk > UII thì Ud = Uđk UII > 0
ở đầu ra của A4 có xung dơng +Ubh =13V
- khi Uđk < UII thì Ud = Uđk UII < 0
ở đầu ra của A4 có xung âm Ubh = -13V .
chọn R18 = R19 =1k

































A 4
R1 8
R1 9
U II
U đ k
Time [s]
0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m 70.00m
Output
-20.00
-10.00
0.00
10.00
20.00
Uđk
Đồ án môn học điện tử công suất





21

21

4.Khối fản hồi :
Nguyên lý hoạt động :
- khâu fản hồi dòng : Điện trở sun Rs chuyển dòng fản hồi thành áp đặt vào khâu
khuyếch đại không đảo A5 .
- khâu fản hồi áp : Điện áp fản hồi đơch đa vào so sánh với điện áp đặt Uvr1 .
. Khi Uf1 < Uvr1 : ở đầu ra A6 xuất hiện xung âm mở K1 và khoá K2 , cho fép UV
đi qua , do đó ăc-quy ở chế độ nạp theo dòng
. Khi Uf1 > Uvr1 : ở đầu ra khâu so sánh xuất hiện xung dơng làm K2 mở và K1
khoá ,do đó ăc-quy ở chế độ nạp theo áp .
- Nguyên tắc ổn dòng tự động :
Ta có :
Raq
E
Udo
Id

; )cos(

1
22U
Udo ;
12
1

UrcUdk





.
max

.khi dòng nạp Id tăng , cần giảm Id cần giảm Udo cần tăng Uđk fải
tăng lên , ngợc lại khi Id giảm cần giảm Uđk .
Rs
+ E
- E
+ E
+ E
+ E
- E
- E
- E
- E
- E
Us
Uf
+ E
U VII
UV
U X
UVI
A6

A5
R7
R9
Rf1
Rf2
R10
VR1
A10
R13
R16
R15
R31
A7
R8
VR2
VR4
R21
R32
NOT
R34
R33
Đồ án môn học điện tử công suất




22

22


Đa điện áp Us vào khâu khuyếch đại không đảo A5 , ta có : ).(
7R
9
R
1UsU
V
.
Mặt khác : Uđk = -U
V
- Uđ

Vậy khi dòng nạp Id tăng ,điện áp fản hồi trên điện trở sun tăng Uđk tăng
Ngợc lại khi dòng nạp giảm thì Uđk giảm .
- Nguyên tắc ổn áp tự động : khi điện áp nạp cho ăc-quy Ud tăng ,cần giảm Ud
Do đó góc fải tăng lên , điện áp Uđk tăng và ngợc lại khi Ud giảm thì Uđk
fải giảm .
Đa điện áp fản hồi qua khâu khuyếch đại đảo A8 ,sau đó trộn với lợng điện
áp đặt Uđ . Ta có : U
VIII
= Uf1(1 + R12/R11) ; Uđk = - U
VIII
- Uđ
Vậy khi Uf1 giảm sẽ làm U
VIII
giảm nên Uđk giảm ,ngợc lại khi Uf1 tăng thì
U
VIII
tăng nên Uđk tăng .
Tính toán chọn điện trở :
- Với khâu ổn dòng : Dùng 2 điện trở sun loại 50A_75mV mắc song song .Ta

cần nạp cho 4 bình ăc-quy , mỗi bình có 6 ngăn ăc-quy đơn , mỗi ngăn ăc-quy
đơn có sức điện động ban đầu là 2V , điện trở trong của mỗi ăc-quy đơn là
0,015 .
Điện áp nạp cho 4 bình ăc-quy khi dòng nạp là 100A là :
Un = In.Raq + E = 100.0.015.6.4 + 2.6.4 = 51,6V
Ta có Un =
)cos(

1
2U
U
2
do

Do đó góc = 44,36
o


12
1
UrcUdk





.
max
nên Uđk = Urcmax.0,24 = -13.0,24 = -3,12V
Uđk = -U

V
- Uđ điện áp đặt Uđ = 3,12 0,075.150 = -8,13V .
Ta có R9/R7 = 150 chọn R7 = 10 ; R9 = 1,5k
min = 1 Uđkmin = 0 Uđmax = - U
V
= -11,25V
VR2 / ( VR2 + R8 ) = 11,25/15 chọn R8 = 4k ; VR2 = 11k
Chọn R21 = R10 = R34 = 1k .
- Với khâu so sánh A6 :
chọn Rf1/( Rf1 + Rf2 ) = 11/50 Rf1 = 11k ; Rf2 = 39k
Nh vậy khi nạp cho ăc-quy có điện áp định mức là Ud = 50V ta để điện áp
1VR
U

ở mức : 93% .11 = 10,23V
Khi điện áp trên ăc-quy vợt quá 93%Uđm thì ta có :
Uf1 > 93%Uđm.Rf1/(Rf1+Rf2) = 10,23V
ở đầu ra A6 xuất hiện xung dơng ngắt K1 và mở K2
ăc-quy chuyển sang chế độ nạp áp

Đồ án môn học điện tử công suất




23

23



- Với khâu ổn áp nạp : điện áp nạp cho 4 ăc-quy khi ăc-quy đợc nạp
no là 113% Un = 113%.51,6 = 58,31 V
Un = )cos(

1
2U
U
2
do
= 0,357rad =20,5
o

Uđk = -13.0,102 = -1,326V
điện áp fản hồi lúc này là : Uf1 = 113%.51,6.11/50 = 12,83V
Uđk = -Uf1 Uđ điện áp đặt trên biến trở VR4 là: Uđ = -Uf1 Uđk = -
11,504V
Chọn VR4 / (R31+ VR4) =11,504/15 chọn R31 = 4k ; VR4 = 11 k .
Chọn R32 = R33 = R13 = 1k .
Ta dùng khoá chuyển mạch loại 4066B Quad Bilateral Switches .
5. Khâu biến áp xung :

Khâu biến áp xung bao gồm khối khuyếch đại T2 , T3 mắc theo kiểu Darlington
và máy biến áp xung tạo ra các xung điều khiển có công suất theo yêu cầu của van .
Diode D6 ngăn chặn xung áp âm có thể
có khi van bị khoá .
D7 chống điện áp âm đặt lên 2 cực
G-K của tiristo
D8 hạn chế quá áp trên các cực colecto và
emito của tranzito T2 , T3
Điện trở R25 có tác dụng tạo một sụt áp

khoảng 0,4V điều khiển mở tranzito T3 lúc
dòng ra đủ lớn và chuyển chúng từ mở
sang khoá nhanh hơn .
Điện trở R26 hạn chế dòng ngắn mạch
của tranzito T3 .
Van cần điều khiển có các thông số :
Ug = 6,5V ; Ig = 150 mA
giá trị dòng thứ cấp của biến áp xung :
I2 = Ig = 150mA
điện áp thứ cấp của BAX là : U2 =
6,5V + 0,6 = 7,1 V
MBAX có tỉ số biến đổi là 2/1 điện áp sơ cấp của BAX là : U1 = 7,1.2 =
14,2V
Dòng sơ cấp I1 = 150/2 = 75mA .
điện trở R26 = ( En U1)/I1 = ( 24 14,2 )/0,075 = 130 .
Chọn tranzito T3 loại ST603 có các thông số cơ bản : Uce = 30V ; Ice = 800mA
= 30100
R26
R25
D6
D8
D5
D7
T3
T2
MBAX
T
En
RH
Đồ án môn học điện tử công suất





24

24

chọn tranzito T2 loại C828 có các thông số nh sau : Uce = 30 V ;Ice = 300mA
= 30100

Điện trở R25 =


k160
30
75
4
0
3
3Ice
3
Ube
2Ice
3
Ube
,
,
. Chọn điện trở R25 = 150
Chọn điện trở D5 , D6 , D7 , D8 loại D-1001 có các thông số : I = 1A ; Ung =

200V
Tính toán máy biến áp xung :
Điện áp sơ cấp U1 = 7,1V
Điện áp thứ cấp U2 = 14,2V
Dòng sơ cấp I1 = 75mA ; Dòng thứ cấp I2 = 150mA .
Chọn vật liệu lõi BAX là ferit làm việc trên một fần đặc tính từ hoá Bs = 0,45 T
Độ từ thẩm = 6000A/m
Số vòng dây sơ cấp : W1 = U1.tx/Bs.S
trong đó tx là chiều dài xung truyền qua BAX có giá trị tx = 50s = 50.10
6
s
tiết diện của lõi ferit S = 1cm
2
= 10
4
m
2

số vòng sơ cấp : W1 = 16 vòng
số vòng thứ cấp : W2 = 8 vòng
Giá trị dòng điện trung bình ở sơ cấp : mA753
1020
1050
75
T
tx
II
3
6
11tb

,
.
.




Giá trị dòng điện trung bình ở thứ cấp : mA57
1020
1050
150
T
tx
II
3
6
22tb
,
.
.





Chọn mật độ dòng điện J = 2,5A/mm2
Đờng kính dây sơ cấp : d1 =
mm0440
J
1I

2 ,


Đờng kính dây sơ cấp : d2 = mm0620
J
2I
2 ,


Chọn dây đồng có tiết đờng kính:d1 = d2 = d
= 0,1mm .

6. Khâu bảo vệ quá áp cho ăc-quy :
Khâu bảo vệ quá áp cho ăc-quy ngừng quá
trình nạp cho ăc-quy khi điện áp nạp cho ăc-
quy lớn hơn 113%.Uđm .
Đặt
3VR
U
= 113%.50.Rf1/( Rf1+Rf2 ) =12,43V
Nh vậy khi điện áp nạp cho ăc-quy lớn hơn
113%.50 = 56,5V thì điện áp fản hồi
A9
VR3
R23
R22
R24
T4
D4
D3

E
E
RH
Uf1