[Đồ Án] Thiết Kế Máy Phát 3 Pha - Hệ Thống Ổn Định Cho Máy Phát phần 9 pptx

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

89






















Hình III.15 Sơ đồ tạo xung khuếch đại có tụ nối tầng.

Theo sơ đồ này, Tranzitor chỉ mở cho dòng chạy qua trong khoảng thời gian
nạp tụ nên dòng hiệu dụng của chúng bé hơn nhiều lần.
Qua trên ta chọn khâu tạo xung khuếch đại hình III.15 là sơ đồ tạo xung
khuếch đại có tụ nối tầng. Bởi vì sơ đồ này có ưu điể

m hơn các sơ đồ khác như
dòng hiệu dụng qua Tranzitor bé, công suất tỏa nhiệt của Tranzitor không lớn,
kích thước dây sơ cấp biến áp xung bé hơn.

III.4.2 Xây dựng mạch điều khiển.


Với yêu cầu điều khiển có chất lượng tốt ta chọn khâu đồng pha hình III.8
tức là dùng bộ ghép quang. Với khâu đồng pha dùng bộ ghép quang sẽ rất đơn
giản và thuận tiện cho lắp ráp. Không cần tính toán máy biến áp đồng pha.
R
2
+E

D
2
D
3
T
r
2
U
V
R
1
T
BAX

T
r

1
C

D
1
i
c
(tu)ï
θ
1
θ
2


θ
3


θ
4


X
đk
t
t
t
U
V
U

0
0
t
t
0
0
0
i
b
i
c
(Tr)
i
Xđk

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

90
Khâu so sánh chọn sơ đồ cộng hai cổng đảo khuếch đại thuật toán hình
III.12b vì với sơ đồ này có ít nhiễu nhất đối với các kênh khác. Hơn nữa tín hiệu
vào hai cổng độc lập nên không xảy ra hiện tượng mạch giả.
Tầng tạo xung khuếch đại dùng sơ đồ tụ nối tầng hình III.15. Với sơ đồ này
sẽ giảm được dòng đưa vào bộ khuếch đại.
Ta có sơ đồ
điều khiển một kênh như sau :

Hình III.16 Sơ đồ một kênh mạch điều khiển Thyristor.

Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ III.18 :




















A
B

D
Q
U
AT
R
1

1

+
Tr
Q

R
2
D

C
1
U
rc
U
đk
R
3
R
2
A
+U

ng
-U
ng
R
5
+
D
2
D
3
T
r
2
R
4
T
BAX
T
r
1
C

D
1
U'
A
U

t
t

U
A
T
2
π

3
π

U
rc
0
0
π

t

t

t
U
B
U
đk
i
b
X
đk
0

0
0
t
1
t
2
t
3
t
4
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

91

Hình III.17 Giản đồ các đường cong dòng điện và điện áp.

Giải thích hoạt động : khâu đồng pha cho ta điện điện áp U
A
' . Đó là điện áp
U
rc
dương. Điện áp tựa này được so sánh với điện áp điều khiển đưa vào U
đk
. Hai
tín hiệu này giao nhau tại t
1
, t
2
, t
3

, t
4
.
Từ 0 ÷ t
1
: điện áp tựa U
rc
nhỏ hơn điện áp điều khiển U
đk
. Điện áp ra sẽ là
U
ra
= +U
bh
(điện áp bão hòa dương).
Từ t
1
÷ t
2
: U
rc
lớn hơn U
đk
. Điện áp ra sẽ nhận giá trị dấu của U
rc
. Vì tín hiệu
U
rc
đưa vào cổng trừ (-) của khuếch đại thuật toán nên tín hiệu ra sẽ đảo dấu.
Tương tự như vậy, các chu kỳ kế tiếp lặp lại ta có điện áp U

B
.
Ở đây chúng ta sử dụng bóng ngược (Tranzitor ) cho nên khi U
B
đổi dấu từ
âm sang dương thì sẽ có dòng i
b
(trên hình vẽ bỏ qua chu kỳ đầu tiên). Khi U
B

mang dấu dương, bên trái tụ mang dấu dương. Lúc này tụ C sẽ được nạp. Khi U
B

đổi dấu dương sang âm, tụ C xả năng lượng qua Diod D. Do đó có dòng i
b
và
dòng i
c
tương ứng với các xung điều khiển đưa vào để kích mở Thyristor .
Tuy nhiên theo yêu cầu điều khiển Thyristor là phải điều khiển Thyristor mở
ở phần dương điện áp U
AT
. Nhưng ở đây thời điểm mở Thyristor không đúng vì
thời điểm mở Thyristor tại t
1
lại không thực hiện được. Trong khi đó có lệnh mở
Thyristor tại t
2
và t
4

. Muốn có xung điều khiển mở Thyristor tại t
1
và t
3
ta phải ra
lệnh tại sườn xuống của U
B
. Có nhiều cách để thay đổi U
B
, ở đây ta mắc thêm vào
mạch điều khiển một khuếch đại đảo vào sau U
B
(hoặc sử dụng khuếch đại đảo
logic vì U
B
là sóng vuông). Khi đó ta sẽ có dòng i
b
tại sườn xuống của U
B
nên có
xung điều khiển kích mở Thyristor tại t
1
và t
3
.
Đối với việc điều chỉnh : khi thay đổi U
đk
thì ta thay đổi được điện áp kích từ
và dòng điện kích từ. Nguyên lý điều chỉnh điện áp là khi thay đổi U
đk

từ 0 đến
U
bh
thì độ rộng của điện áp kích từ U
kt
sẽ tăng từ 0 đến π hay điện áp kích từ sẽ
tăng từ 0 đến U
ktmax
.







ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

92

Hình III.18 Giản đồ các đường cong dòng điện, điện áp và điện áp tải.

U

t

t
U
A
T
2
π

3
π

U
rc
0
0
π

t
t
t
U
B
U
đk
i
b
X

đk
0
0
0
t
1
t
2
t
3
t
4
t

t
U
D
0
0 t
U
d
R
d

L
d
T
A
T
B

T
C
D
A
D
B
D
C
AP

A

C

B

A

C

B

MFĐ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

93

Hình III.19 Sơ đồ mạch điều chỉnh kích từ tổng quát.

III.5 Tính chọn thông số của mạch điều khiển.

Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuếch đại
ngược trở lên. Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về mở xung
Thyristor . Các thông số cơ bản để tính mạch điều khiển :
. +Điện áp điều khiển Thyristor : U
g
= U
đk
= 2,5(V).
+Dòng điện điều khiển Thyristor : I
g
= I
đk
= 0,05(A).
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

94
III.5.1 Tính chọn biến áp xung.
Chọn vật liệu làm lõi sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên
một phần của đặc tính từ hóa có mật độ từ cảm bé, không có khe hở không khí.
+Tỷ số biến áp xung : thường máy biến áp m = 2 ÷ 3. Chọn m = 3.
+Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung : U
2
= U
đk
= 2,5(V).
+ Điện áp cuộn sơ cấp máy biến áp xung : U
1

= m.U
2
= 3.2,5 = 7,5(V).
+Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung : I
2
= I
đk
= 0,05(A).
+Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung : I
1
= I
2
/m = 0,05/3 = 0,017(A).

III.5.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng.

Chọn Tranzitor công suất Tr
2
loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các
thông số :
+Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn là Si.
+Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch là : U
CBO
= 40V.
+Điện áp giữa Emitơ và Bazơ khi hở mạch là : U
EBO
= 4V.
+Dòng điện lớn nhất ở Colectơ có thể chịu đựng : I
Cmax
= 500mA.

+Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T
max
= 175
0
C.
+Hệ số khuếch đại : β = 50.
+Dòng làm việc của Colectơ : I
C2
= I
1
= 0,05.1000 = 50mA.
+Dòng làm việc của Bazơ : I
B2
= I
C2
/β = 50/50 = 1mA.

Ta thấy rằng với loại Thyristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé U
đk
=
2,5V và I
đk
= 0,05A nên dòng Colectơ - Bazơ của Tr
2
khá bé.
Chọn nguồn cấp cho biến áp xung : E = U
N
= +12V. Ta phải mắc thêm điện
trở R
7

nối tiếp với cực Emitơ của Tr
2
.

1
7
1
()
12 7,5
265 ( )
0,017
EU
R
I
−
−
===Ω

Tất cả các Diod trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số :
+Dòng điện định mức : I
đm
= 1,0A.
+Điện áp ngược lớn nhất : U
Nmax
= 25V.
+Điện áp để cho Diod mở thông : U
m
= 1V.
Chọn tụ C
2

và R
6
.
Điện trở R
6
dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazơ của Tr
2
, chọn R
6
thỏa
mãn điều kiện :
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

95

6
2
12
12 ( )
0,001
B
U
RK
I
≥= = Ω

Tụ C
2
được chọn phụ thuộc vào độ rộng xung điều khiển. Nó được tính :

26
.
x
CR t=
từ đó tính ra
2
6
()
x
t
CF
R
μ
=

III.5.3 Chọn tầng so sánh.

Mỗi kênh điều khiển phải dùng hai khuếch đại thuật toán, ta chọn loại TL084
do hãng TexasInstrument chế tạo. Mỗi IC này có 4 khuếch đại thuật toán. Thông
số của TL084 :

+Điện áp nguồn nuôi : V
cc
= ±18V. Chọn điện áp nguồn nuôi mạch điều
khiển : U
N
= E = ±12V.
+Hiệu điện thế giữa hai đầu vào : ±30V.
+Nhiệt độ làm việc : T
lv
= -25 ÷ 85
0
C.
+Công suất tiêu thụ : P = 680(mW) = 0,68W.
+Tổng trở đầu vào : R
in
= 10
6
MΩ.
+Dòng điện đầu ra : I
ra
= 30pA.
+Tốc độ biến thiên điện áp cho phép :
13 ( / )
dU
Vs
dt
μ
=

Dòng điện vào tốt nhất nên chọn nhỏ hơn 3mA. Vì tín hiệu ở tầng so sánh
đưa sang tối đa là 3mA sau khi khuếch đại nó sẽ đủ công suất để cho Tranzitor
mở bão hòa. Ở đây chọn dòng vào I
V
= 1mA.
Khuếch đại thuật toán đã chọn TL084.
Chọn
34
3
12
12 ( )
1.10
V
V
U
RR K
I
−
=> = = Ω

Hình III.20 Sơ đồ
chân IC TL084

14
7
6
5
4
3

2
1
10 9 8 13 12 11
-V
cc
+V
cc
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

96
Trong đó với nguồn nuôi V
cc
= ±12V thì điện áp vào A
1
là U
V
≈ 12V. Dòng
điện vào được hạn chế để I
lv
< 1mA. Do đó ta chọn R
3
= R
4
= 15KΩ. Khi đó
dòng vào A
1
cực đại sẽ là :
3
12
0,8 ( )

15.10
V
Vmax
U
ImA
R
== =

Chọn
5
3
12
12 ( )
1.10
V
ht
V
U
RR K
I
−
== = = Ω
Tương tự như trên nên ta chọn
R
5
= R
ht
= 15KΩ.

III.5.4 Tính chọn khâu đồng pha.

Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C. Mặt khác để đảm bảo điện áp
tụ có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp
được T
r
= R
2
.C = 0,005s.
Chọn tụ C = 0,1μF. thì điện trở R
2
= T
r
/C = 0,005/0,1.10
-6
= 50.10
3
Ω.
Vậy R
2
= 50KΩ.
Điện áp ra bão hòa của khuếch đại thuật toán : U
bh
= ±E ± 1 = ± 11V.
Chọn bộ ghép quang D
Q
- T
Q
loại 4N35 có các thông số sau :
Điện thế cách điện : 3350V.
Điện thế : V

cc
= 30V.
Dòng điện qua Diod quang lớn nhất là : I
max
= 10mA.

Chọn dòng làm việc chạy qua Diod quang : I
DQ
= 3mA.
Vậy R
1
= U
V
/I
DQ
= 30,15/3.10
-3
= 10,05KΩ.

III.5.5 Tạo nguồn nuôi.

Tính chọn máy biến áp tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biến áp ba pha ba trụ,
trên mỗi trụ có bốn cuộn dây gồm một cuộn sơ cấp và ba cuộn thứ cấp.
*Cuộn cấp thứ nhất.
Tạo ra nguồn điện áp ±12V (có ổn áp) để cấp cho nuôi IC , các bộ điều chỉnh
dòng điện, tốc độ, điện áp. Nguồn này được cấp bởi cuộn dây thứ
cấp a
1
,b
1

, c
1
.
Ta dùng mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng Diod , điện áp thứ cấp máy biến áp
nguồn nuôi : U
2
= 12/2,34 = 5,13V, ta chọn U
2
= 9V.
Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng hai vi mạch ổn áp 7812 và
7912. Thông số chung của vi mạch này :
+Điện áp đầu vào : U
V
= 7 ÷ 35V.
+Điện áp đầu ra : U
ra
= 12V với IC 7812 và U
ra
= - 12V với IC 7912.
+Dòng điện đầu ra : I
ra
= 0 ÷ 1A.
Tụ C
4
, C
5
dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao. Chọn :
C
4
= C

5
= C
6
= C
7
= 470μF.
*Cuộn cấp thứ hai.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

97
a
2
, b
2
, c
2
tạo nguồn nuôi cho biến áp xung, cấp xung điều khiển cho các
Thyristor (+12V). Do mức độ sụt xung cho phép tương đối lớn cho nên nguồn này
không cần ổn áp. Cần chế tạo cuộn dây này riêng rẽ cới cuộn dây cấp nguồn cho
IC để tránh gây sụt áp nguồn nuôi.
*Cuộn cấp thứ ba.
a
3
, b
3
, c
3
là cuộn dây cấp điện cho bộ chỉnh lưu cầu ba pha để lấy tín hiệu âm
điện áp cung cấp cho khâu phản hồi điện áp.
Đối với nguồn cấp cho khâu đồng pha ta có thể sử dụng trực tiếp điện áp thứ

cấp của biến áp chỉnh lưu đưa vào khâu đồng pha.

7812

7912
+12V
-12V
12
400V∼
C4
C5
C6
C7
O
c
2
b
2
a
2
c
1
b
1
a
1
C

B

A


R
V1
C'

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

98













Hình III.21 Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn nuôi mạch điều khiển.

III.6 Tính chọn khâu phản hồi.
III.6.1 Sơ đồ khâu phản hồi dòng.















III.22 Khâu phản hồi dòng.




• •
•
−
R
V1
U
đặt

U
R
8
R
9
R
11
A
3
U
đ
k
A
B C

R
i
R
i
R
i

R
V3

U
ph.I
D
Z2

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế máy phát điện ba pha và hệ thống ổn định điện áp cho máy phát.

99











Hình III.22 Sơ đồ mạch cộng đảo.

Khâu đồng pha tạo ra điện áp răng cưa U
rc
tại nút A là U'
A
. Tín hiệu ra của
khâu này cùng pha với tín hiệu vào. Điện áp răng cưa được gởi qua khâu so sánh
A
2
. Tại đây A
2
thực hiện phép so sánh giữa điện áp răng cưa U
rc
và điện áp điều
khiển U

đk
.
Nguyên lý ổn định điện áp trong sơ đồ được mô tả như sau :
Điện áp điều khiển U
đk
được lấy từ mạch cộng đảo A
3
bởi ba tín hiệu U
đặt
,
U
ph.U
và U
ph.I
.
Hệ thống ổn định điện áp ở đầu cực máy phát xoay chiều không máy phụ.
Đại lượng cần điều chỉnh là điện áp đầu cực máy phát xoay chiều U
mf
và
ø
dòng
điện I
mf
. Giá trị chủ đạo của U
đk
được phát từ biến trở R
V1
, đó là giá trị U
đặt
có

nguồn cung cấp +E được lấy từ nguồn +12V và 0 của vi mạch ổn áp 7812 qua
điện trở R
8
. Xác định giá tri tín hiệu điều khiển :


()
dk dat ph U ph I
UKUUU=− − +

Trong đó :
K : Hệ số điện trở.
U
đặt :
Điện áp lấy từ chiết áp R
V1
qua R
8
.
U
ph.U
: Điện áp phản hồi tỷ lệ với điện áp máy phát được lấy từ
chiết áp R
V2
qua R
9
.
U
ph.I
: Điện áp phản hồi dòng được lấy từ chiết áp R

V3
qua điện
trở R
10
.
Khi phụ tải của máy phát giảm thì điện áp cuỉa máy phát U
mf
tăng lên. Lúc
này nhiệm vụ của mạch ổn định điện áp là phải giảm dòng kích từ (I
kt
) tức là giảm
U
kt
hoặc giảm U
đk
để điện áp của máy phát giảm về mức ổn định cho phép. Với
sơ đồ mạch điều khiển được thiết kế có phản hồi âm điện áp, dương dòng điện
thì khi U
mf
tăng dẫn đến U
ph.U
tăng và U
ph.I
giảm (có ngắt nên U
ph.I
= 0) ta
có : U
đk
= -K(U
đặt

- U
ph.U
).
Mà U
ph.U
tăng nên dẫn đến U
đk
giảm kéo theo U
kt
giảm và U
mf
giảm về mức
ổn định.