ĐỀ TÀI THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HĨA

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MƠN HỌC
ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
NGÀNH: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa CHUYÊN
NGÀNH: Tự động hóa và điều khiển thiết bị điện cơng nghiệp

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU
KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Ngọc Khốt
Sinh viên thực hiện: Kiều Đình Kh
Mã sinh viên: 19810430166
Lớp: D14TDH&DKTBCN2
HÀ NỘI, 04/2022

1


YÊU CẦU ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Đề tài : Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện một
chiều kích từ độc lập.
Biết nguồn 3x380V/50Hz, tải động cơ điện một chiều kích từ độc lập nam
châm vĩnh cửu: Pdm = 10.5kW, Uđm = 442(V), nđm = (3502)v/p, Iđm = 18A

2

TÓM TẮT
Tên đề tài: Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển tốc độ động cơ điện một

chiều kích từ độc lập.
Sinh viên thực hiện: Kiều Đình Kh
MÃ SV: 19810430166. Lớp: D14TDH&DKTBCN2

Nội dung đồ án được xây dựng thành 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập và các phương
pháp điều chỉnh tốc độ động cơ; phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ , Lý thuyết
về chỉnh lưu cầu ba pha
Chương 2: Thiết kế mạch động lực
Chương 3. Xây dựng cấu trúc mạch điều khiển và tính tốn lựa chọn các thông số
cho các khâu.
Chương 4. Tiến hành mô phỏng và kiểm chứng.

3


LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, tất cả các nước trên thế giới nói chung và nước ta nói riêng các thiết
bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp, nông nghiệp và cả trong
lĩnh vực sinh hoạt. Điện tử công suất được ứng dụng ngày càng nhiều trong các nhà
máy, xí nghiệp. Ứng dụng Điện tử cơng suất trong điều khiển tốc độ động cơ điện là
lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển. Các nhà sản xuất không ngừng cho ra đời
các sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất và các thiết bị điều
khiển đi kèm.
Là sinh viên ngành Tự Động Hoá cần phải tự trang bị cho mình có một trình độ
và tầm hiểu biết sâu rộng. Chính vì vậy đồ án mơn học điện tử cơng suất là một yêu

cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên Tự Động Hóa. Đó là điều kiện để chúng em tự tìm hiểu
và nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất.
Qua đồ án này em đã được tiếp cận đề tài “Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu ba pha
để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập”
Mặc dù em đã rất nỗ lực và cố gắng làm việc với tinh thần học hỏi và quyết tâm cao
nhất tuy nhiên đây là lần đầu tiên em làm đồ án, và đặc biệt do kiến thức và kinh
nghiệm về thực tế còn nhiều hạn chế nên em khơng thể tránh khỏi những sai sót, em
mong nhận được sự phê bình góp ý của các Thầy, Cơ để giúp em hiểu rõ hơn các vấn
đề trong đồ án.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Ths. Nguyễn Ngọc Khốt và các Thầy trong bộ
mơn đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ em hồn thành đồ án mơn học này.

Em xin chân thành cảm ơn !

4


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG.............................................................. 7
1.1
Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập............................. 7
1.1.1 Khái niệm................................................................................................ 7
1.1.2 Cấu tạo..................................................................................................... 7
1.1.3 Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều............................ 9
1.1.4 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập........................ 10
1.2 Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ............................................. 11
1.2.1 Thay đổi điện trở phụ ( R ) trên mạch phần ứng.................................... 12
1.2.2 Thay đổi điện áp mạch phần ứng........................................................... 13
1.2.3 Thay đổi từ thông................................................................................... 15

1.3

Lý Thuyết Về Chỉnh Lưu Cầu Ba pha................................................... 16

1.3.1 Chỉnh lưu không điều khiển................................................................... 16
1.3.2 Chỉnh lưu có điều khiển dùng TIRISTO................................................ 17
CHƯƠNG 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH LỰC.......... 20
2.1 Chọn mạch động lực ( chọn chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển )............... 20
2.1.1 Sơ đồ mạch lực...................................................................................... 20
2.2

Tính tốn máy biến áp động lực.............................................................. 20

2.2.1 Tính tốn điện áp chỉnh lưu khơng tải.................................................... 20
2.2.2 Tính tốn thơng số máy biến áp ............................................................. 21
2.3

. Tính chọn các thơng số cơ bản của mạch lực......................................... 21

2.3.1 Chọn van động lực................................................................................. 21
2.3.2 Chọn thyristor........................................................................................ 21
2.3.3 Bảo vệ điện áp cho van........................................................................... 22
2.3.4 Xác định phạm vi góc điều khiển............................................................ 22

5


CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH TÍNH TỐN MẠCH ĐIỀU KHIỂN...............23
3.1 . Cơ sở lý thuyết điều khiển Thyristor........................................................ 23
3.2 Cấu trúc mạch điều khiển........................................................................... 23

3.3 Khâu đồng bộ............................................................................................. 24
3.4 Khâu tạo răng cưa....................................................................................... 25
3.5 Khâu so sánh.............................................................................................. 26
3.6 Khâu tạo xung chùm................................................................................... 26
3.7 Khâu khuếch đại tạo xung.......................................................................... 27
CHƯƠNG 4. CHƯƠNG 4 MƠ PHỎNG...................................................... 29
4.1 Sơ đồ mơ phỏng tồn mạch........................................................................ 29
KẾT LUẬN..................................................................................................... 30
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 31

6


Danh mục hình vẽ

7


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 1.1 . Tổng quan về động cơ điện một chiều kích từ độc lập
1.1.1

1, Khái niệm

+ Mỗi động cơ có một đặc tính cơ tự nhiên xác định bởi các số liệu định mức và
được sử dụng như loạt số liệu cho trước.
+ Những đặc tính cơ nhân tạo có được do biến đổi thơng số của nguồn, của mạch
điện động cơ, hoặc do thay thổi cách nối dây của mạch, hoặc do dùng thêm thiết bị
biến đổi.

+ Bất kỳ thơng số nào có ảnh hưởng đến hình dáng và vị trí của đặc tính cơ, đều
được coi là thông số điều khiển động cơ, và tương ứng là một phương pháp tạo đặc
tính cơ nhân tạo hay đặc tính điều chỉnh.
+ Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện có thể viết theo dạng thuận M =
f(ω) hay dạng ngược ω = f(M).
+ Trong phân tích các hệ thống truyền động, thường biết trước đặc tính cơ M c(ω)
của máy sản xuất.
+ Đạt được trạng thái làm việc với những thông số yêu cầu tốc độ, mơ men, dịng
điện động cơ,…cần phải tạo ra những đặc tính cơ nhân tạo của động cơ tương ứng.
Động cơ điện MC có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt – nên được dùng nhiều
trong ngành CN có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ (như cán thép, hầm mỏ, gtvt…).
1.1.2

2, Cấu tạo

Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: phần tĩnh và phần động
Phần tĩnh (hay stato): Hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh
ra từ trường nó gồm có:
Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngồi mạch từ (nếu động cơ được kích từ bằng
nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc). Dây quấn kích
thích hay cịn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các cuộn dây điện
từ nay được mắc nối tiếp với nhau.
Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn
kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện
hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể
dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulơng. Dây quấn kích từ
được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ
thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích
từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau

8


Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính. Lõi thép của cực từ phụ
thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống
như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông
Gông từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy.
Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại, trong máy điện
lớn thường dùng thép đúc. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy

Các bộ phận khác :
Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây
quấn và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy
cịn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng
gang.
Cơ cấu chổi than: Để đưa dịng điện từ phần quay ra ngồi. Cơ cấu chổi
than bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lị xo tì chặt lên cổ góp.
Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi than có
thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ, sau khi điều chỉnh xong
thì dùng vít cố định lại.
Phần động (hay rơto): Bao gồm những bộ phận chính sau :
+ Phần sinh ra sức điện động gồm có :
1.Mạch từ: Được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau. Trên
mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng.
2.Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luật nhất
định. Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các phiến
đồng gọi là phiến góp, các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện
với trục gọi là cổ góp hay vành góp.
3.Tỳ trên cổ góp: Là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào
thành cổ góp nhờ lị xo

+ Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện
dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện
xốy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn
vào. Trong những động cơ trung bình trở lên người ta cịn dập những lỗ thơng gió để
khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thơng gió dọc trục. Trong những động
cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn nhỏ, giữa những đoạn ấy có
để một khe hở gọi là khe hở thơng gió. Khi máy làm việc gió thổi qua các khe hở làm
nguội dây quấn và lõi sắt.
Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục.
Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rơto. Dùng giá rơto có thể tiết
kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.
+ Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và
có dịng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách
điện. Trong máy điện nhỏ có cơng suất dưới vài KW thường dùng dây có tiết diện

9


tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật, dây quấn được
cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt
hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit
Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp
mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục trịn. Hai đầu trục trịn dùng
hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ trịn cũng cách điện bằng mica.
Đi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các
phiến góp được dễ dàng.
1.1.3

3, Phân loại, ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều

Phân loại động cơ điện một chiều:
Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều người ta
phân loại theo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ta có 4 loại động cơ điện một
chiều thường sử dụng:
+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng và phần kích từ được cung cấp
từ hai nguồn riêng rẽ.
+ Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ được mắc song
song với phần ứng.
+ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ được mắc nối tếp
với phần ứng.
+ Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một cuộn
mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng
Ưu nhược điểm của động cơ điện một chiều
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải...,
cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và cơng suất
lớn, dễ vận hành... mà máy điện (động cơ điện) xoay chiều ngày càng được sử
dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí
nhất định trong cơng nghiệp giao thơng vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần
điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép,
máy công cụ lớn, đầu máy điện...). Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế
tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim
loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn. Nhưng do những ưu điểm
của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại
Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy
phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của
động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản thân
động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì phải chi
phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần. ) rất đắt tiền thì

10


động cơ điện một chiều khơng những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu
trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao.
Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp chổi than nên vận hành kém tin cậy và khơng an tồn trong các mơi trường rung
chấn, dễ cháy nổ.

1.1.4

4, Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi nguồn một chiều có cơng suất khơng đủ lớn thì mạch điện phần ứng và
mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn độc lập nhau. Lúc này động cơ được gọi là động
cơ điện một chiều kích từ độc lập
a) Phương trình chính :

Hình 1.1: Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Uư = E + (Rư + Rfư).Iư
Trong đó: Uư – Điện áp nguồn đặt vào phần ứng (V).
Rư = rư + rcf + rcb + rct – Điện trở phần ứng động cơ (Ω).
Bao gồm:
rư – Điện trở cuộn dây phần ứng;
rcf – Điện trở cực từ phụ;
rcb – Điện trở cuộn bù (nếu có);
rct – Điện trở tiếp xúc của chổi than trên cổ góp rcf.
Rfư – Điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω).
Iư – Dòng điện mạch phần ứng (A).
E – Sức phản điện động của phần ứng động cơ (V). Nó tỷ lệ với từ thơng Ф và
tốc độ quay của động cơ ω theo công thức:

E=KФω
11


Trong đó: K = pN – hệ số tỷ lệ phụ thuộc cấu tạo của động cơ.
2 πa

Với: p – Số đơi cực từ tính.
N – Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
a – Số mạch nhánh đấu song song của cuộn dây phần ứng.
Phương trình đặc tính cơ:

U

ω=

R +R

-

ư

ư

fư2

.M

KФđm ( KФđm )

Momen điện từ của động cơ tỷ lệ với từ thơng Ф và dịng điện phần ứng Iư:
M = KФIư
Từ phương trình chính, cơng thức tính phản điện động, cơng thức thể hiện mối
quan hệ giữa momen điện từ và dòng điện phần ứng Iư. Ta được:
ω = Uư – R + R .Iư
ư

KФđm

fư

KФđm

Phương trình biểu thị quan hệ tốc độ ω là một hàm của momen M được gọi là
phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Nếu dùng đơn vị tốc độ là vịng/phút thì phương trình đặc tính cơ sẽ trở thành:

(

n = 9,55 kФ

U

− (kФ

RưΣ

)2 M

)

Tốc độ góc định mức:
ω đm

= 2π.nđm

KФđm = U −I
đm

R
đm

ư

ωđm

Tốc độ động cơ:
ω=ω0-∆ω=

U

đm

KФđm

- Rư + Rfư .M = U đm - Rư + Rfư .Iư
2

( KФđm )

KФđm

KФđm

1.2 1.2 . Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ
-

Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng
Phương pháp thay đổi từ thông Ф
Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng
12


1.2.1

1, Thay đổi điện trở phụ ( R ) trên mạch phần ứng

Ta có Uư =Uđm=const và Ф=Фđm=const. Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta
nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng.
Tốc độ động cơ:

ω= U
đm

KФđm

- Rư + Rf .M = U
2

đm

KФđm

(KФđm )

- Rư +Rf .Iư
KФđm

Hình 1.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập khi thay
đổi điện trở phụ mạch phần ứng
Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:
ω0=

Uđm

=const
K Фđm

Độ cứng đặc tính cơ:
β= ∆ M = −(KФ)2
∆ω
R+Rf

Khi Rf càng lớn β càng lớn nghĩa là đặc tính cơ càng dốc.
Ứng với Rf =0 ta có đặc tính cơ tự nhiên:

β
TN

=

−(K Ф

đm

)2

R

β TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đường đặc
tính có điện trở phụ. Như vậy khi thay đổi điện trở Rf ta được một họ đặc tính biến trở như
hình ứng với mổi phụ tải M c nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ cơ càng giảm,

13


đồng thời dịng điện ngắn mạch và mơmen ngắn mạch củng giảm. Cho nên người ta
thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ
phía dưới tốc độ cơ bản.
Ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên βTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự
nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ. Như vậy, khi ta
thay đổi Rf ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên.
- Đặc điểm của phương pháp:
+ Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ
càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.
+ Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định
mức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).
+ Chỉ áp dụng cho động cơ điện có cơng suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên
điện trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ
điện trong cần trục.

+ Đánh giá các chỉ tiêu: Phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà
phải điều khiển nhảy cấp. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mơmen tải, tải càng nhỏ
thì dải điều chỉnh D = ωmax / ωmin càng nhỏ. Phương pháp này có thể điều chỉnh
trong dải D = 3 : 1
+ Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ
lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản.
1.2.2

2, Thay đổi điện áp mạch phần ứng

Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn như
máy phát điện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển … Các thiết bị
nguồn này có chức năng biến năng lượng điện xoay chiều thành một chiều có sức điện
động Eb điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển U đk. Vì nguồn có công suất hữu hạn so với
động cơ nên các bộ biến đổi này có điện trở trong R b và điện cảm Lb khác không. Để
đưa tốc động cơ với hiệu suất cao trong giới hạn rộng rãi 1:10 hoặc hơn nữa.

14


Hình 1.4: Sơ đồ dùng bộ biến đổi điều khiển điện áp phần ứng
Giả thiết rằng Rư =const và Ф=Фđm=const. Khi thay đổi điện áp theo hưởng giảm
so với Uđm, ta có:
Thay đổi điện áp đặt vào phần ứng thì: KФ = Uư−Iđm Rư
ωđm
ω0= U

∆ωc = Rư . Ic=

KФ

Rư .M c = ∆ωC.TN
2

KФ
Uư

ư

(KФ)
U

Rư

Rư

ω = KФ - (KФ)2 .M = KФ - KФ .Iư

Hình 1.5. Đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập khi thay đổi điện áp mạch phần ứng
Tốc độ khơng tải lý tưởng:
U

ω0 x= x
K Фđm

Độ cứng đặc tính cơ:

15

β=

−( K Ф)2

=const

R

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ
song song như trên Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mơmen ngắn mạch,
dịng điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ
tải nhất định. Do đó phương pháp này củng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động
cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động.
1.2.3

3, Thay đổi từ thông

Giả thiết rằng Uư =Uđm=const và Rư =const. Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi
dịng điện kích từ I kt động cơ:

Hình 1.6. Đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích
từ độc lập khi giảm từ thơng
Tốc độ khơng tải lý tưởng:
ω

=
x

U

đm

0

K Фx

Độ cứng đặc tính cơ:

−( K Ф )

β=

x

2

Rư

Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thơng:
Dịng điện ngắn mạch:
I = U =cons
nm

đm

t

Rư

Mơmen ngắn mạch:

M nm=K Фx . Inm

16


Các đặt tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thơng được biểu diễn
ở Hình 1.6. Với dạng mơmen phụ tải M c thích hợp với chế độ làm việc của động cơ
khi giảm từ thông tốc độ động cơ tăng lên.

1.3 1.3. Lý Thuyết Về Chỉnh Lưu Cầu Ba pha
1.3.1

1, Chỉnh lưu không điều khiển

a) Sơ đồ và dạng sóng

Hình 1.6. Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha

Hình 1.7. Dạng sóng ngõ ra
b) Ngun lý hoạt động
17


Mạch van gồm 2 nhóm , các diot Đ1 , Đ3 , Đ5 , đấu kiểu catot chung nên hoạt
động theo luật 1 ( catot chung ) . Vì thế : Đ1 dẫn trong khoảng θ1 – θ3 khi ua
+

dương nhất , Đ3 dẫn trong khoảng θ3 - θ5 khi ub dương nhất , Đ5 dẫn
trong khoảng θ5 - θ1 khi uc dương nhất .

+ Các diot Đ2 ; Đ4 ; Đ6 đấu kiểu anot chung nên :
Đ2 dẫn trong khoảng θ2 – θ4 khi uc âm nhất Đ4
dẫn trong khoảng θ4 – θ6 khi ua âm nhất Đ6 dẫn
trong khoảng θ6 – θ8 khi ub âm nhất
+ Đối chiếu theo đồ thị dẫn các van trên hình ta thấy , bất kì ở thời điểm
nào cũng có một diot nhóm trên dẫn với một diot nhóm dưới.
c) Thơng số
Điện áp trung bình trên tải
Udo = 2,34.U2
Trị dịng điện trung bình qua tải
I=

Ud

d

Rd

Mỗi diode dẫn điện trong khoảng thời gian

1
3 chu kỳ của điện áp nguồn. Do

đó, trị trung bình dòng điện qua diode

I
Itbv = 3d
Trị số dòng điện hiệu dụng
IDhd =

I

√ 3d

Điện áp ngược cực đại của van
Ungmax = 2,45.U2
Công suất biến áp

Sba =

S1 BA + S2 BA
2

= 1,05UdId =1,05.Pd

Số lần đập mạch trong một chu kì
m=6
1.3.2

2, Chỉnh lưu có điều khiển dùng TIRISTO

a) Khái niệm góc điều khiển α

18


Góc điều khiển α là góc tính từ thời điểm mở tự nhiên đến thời điểm tiristo
được phát xung vào cực điều khiển để mở van . Thời điểm mở tự nhiên là điểm mà
ở đó nếu van là diot thì nó bắt đầu dẫn
b) sơ đồ và dạng sóng

Hình 1.8. Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha

Hình 1.9. Dạng sóng ngõ ra

c) Nguyên lý hoạt động

19


khi phát xung mở van cho mạch hoạt động cũng phải đồng thời cho hai tiristo cần dẫn ( ở
hình 1.9 ) . Xung đầu tiên xác định góc α , xung thứ hai đảm bảo thông mạch tải. Ở đây
vẫn phải đảm bảo góc điều khiển các van phải như sau : α1= α 2= ... = α 6= α . Theo đồ thị u d(θ)
ta thấy góc giới hạn θ tbgiữa dòng liên tục và dòng gián đoạn bằng 60

Nếu α ≤ 60o ta sẽ có :
Udα = Ud0.cosα = 2,34.U2.cosα
Nếu α > 60o thì dịng điện sẽ gián đoạn. Điện áp chỉnh lưu nhận được là :
Udα = Ud0 . 1+cos(α+60)
2

d) Thông số
Điện áp Nếu α ≤ 60o ta sẽ có :
Udα = Ud0.cosα = 2,34.U2.cosα
Nếu α > 60o thì dịng điện sẽ gián đoạn. Điện áp chỉnh lưu nhận được là :

Uα = U
d

. 1+cos(α+60)

2

d0

Trị dòng điện trung bình qua tải
I=
d

Ud
Rd

Mỗi diode dẫn điện trong khoảng thời gian

1
3 chu kỳ của điện áp nguồn. Do

đó, trị trung bình dịng điện qua diode

I
Itbv = 3d
Trị số dịng điện hiệu dụng
IDhd =

I

√ 3d

Điện áp ngược cực đại của van
Ungmax = 2,45.U2
Công suất biến áp

Sba =

S1 BA + S2 BA
2

= 1,05UdId =1,05.Pd

20

o


CHƯƠNG 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH LỰC

2.1 2.1 . Chọn mạch động lực ( chọn chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển )
2.1.1

1, Sơ đồ mạch lực

Hình 2.1 : sơ đồ mạch lực

2.2 2.2 . Tính toán máy biến áp động lực
Chọn máy biến áp 3 pha sơ đồ đấu dây Y/Yo , làm mát bằng khơng khí tự nhiên

2.2.1

1. Tính tốn điện áp chỉnh lưu không tải.
Udo = Udkt = Ud + ΔUv, + ΔUR + ΔUx
Trong đó:

Ua :Điện áp chỉnh lưu yêu cầu.
ΔUv: sụt áp trên van.
ΔUR : sụt áp trên điện trở thuần.
ΔUx: sụt áp gây bởi hiện tượng chuyển mạch.
Ud = 442V
Sụt áp trên van: ΔUv, = 1,5 (V), với sơ đồ cầu ba pha là: 2.ΔUv = 3(V).
Điện áp chỉnh lưu: Ud,kt = 2,34 U2.
Công suất một chiều trên tải: Pd = 10,5 (kW) =
Udkt .Id →Sba = 1,05.Pd = 11,025 (kW).
21


Chọn sụt áp tương đối trên điện trở dây cuốn: eR =4%.
Sụt áp tương đối trên điện kháng tản: ex = 7%.
Sụt áp trên điện trở là:
ΔUR = 2RaId = 2 .( eR . 3U 22 ).Id = 1,044.eR.Udo

S
ba

Sụt áp chuyển mạch là :
ΔUX = 3 .( eR . 3U 22 ).Id = 0.497.ex.Udo

→Udo =

S

п

U d +2. ΔU v

1−(1,044. eR +0.497 . e x)

=

1−(1,044.0 .04+ 0.497 . 0.07)

Pd= 10,5kW = Ud. Id → Id = 471,88
2.2.2

442+3

ba

10500

= 481,88 (V)

= 21.78 (A)

2, Tính tốn thơng số máy biến áp .

-

Cơng suất : Sa =1,05 Pd =1,05 * 10,5 = 11,025 (kW).
Điện áp thứ cấp: U2 = Udo / 2,34 = 481,88 / 2,34 = 205 (V).
Điện áp thứ cấp MBA: U1 = 380 (V).
Hệ số máy biến áp:
-

-

Kba ¿

U1

=

U2205

380(1−15 %)

= 1,575

Giá trị dòng hiệu dụng thứ cấp MBA: I2 = 0,816 Id= 17.77 (A).
Giá trị dòng hiệu dụng sơ cấp MBA : I2 = 2/ kba = 11.28 (A).

2.3 2.3 . Tính chọn các thông số cơ bản của mạch lực
2.3.1

1, Chọn van động lực
-

Dịng trung bình qua van là: Itbv = Id /3 = 7,26 (A).
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van, tính tới trường hợp điện áp nguồn
lên cao nhất (hơn 10% định mức ) là :
U
Ungmax = 1,1 Um2,1= 1,1 √2U2,1 = 1,1√6 2,34 do , = 554,87
- Giả sử điều kiện làm mát tự nhiên, van gắn lên tản nhiệt:
→ Chọn van có dịng cho phép ít nhất là: 62,53 (V).

- Van chọn có hệ số dự trữ quá điện áp ku =2.
Tức Umax > 2Ungmax =2* 554,87 = 1109,74(V).

22


2.3.2

2, Chọn thyristor
Với các thơng số về dịng và áp ta chọn Thyristor T10_80 ( theo bảng 2.2.1
trang 429 sách hướng dẫn thiết kế điện tử cơng suất ), có các thơng số sau:

-

Dịng trung bình tối đa cho phép qua van: Itb= 80(A).
Dòng điện đỉnh: Idinh = 1200(A).
Dòng điện rị khi van ở trạng thái khóa: Irị = 6(A).
Điện áp tối đa mà van chịu được: Umax =1200(V).
Tốc độ tăng điện áp thuận max: du/ dt = 1000(V/µs).
Thời gian phục hồi tính chất khóa của van: tph = 100(μs).
Giá trị tốc độ tăng dòng: di/ dt = 150(A/μs).
Sụt áp thuận cho van: ΔU = 2,7 (V).
Dòng điều khiển: Idk = 150(mV).
Điện áp điều khiển nhỏ nhất đảm bảo mở van: Udk= 4(V).

2.3.3

Bảo vệ điện áp cho van

Bảo vệ quá điện áp do trong q trình đóng cắt các thyristor được bảo

vệ
bằng cách mắc R- C song song với thyristor. Khi có sự chuyển mạch, các
điện
tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngồi tạo dịng điện ngược trong
khoảng
thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dịng điện tạo ra suất điện
động
cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, làm cho quá điện áp giữa anot và
katot trên
thyristor. Khi có R-C mắc song song với thyristor tạo ra mạch vịng phịng
điện
tích trong q trình chuyển mạch nên thyristor không bị quá điện áp.
Ta chọn thông số R, và C, như sau: R1 = 5 - 30 (Ω)
C1 = 0,25 - 4 (μF)
2.3.4

Xác định phạm vi góc điều khiển

-

Chọn góc mở cực tiêu : α min = 10° với góc mở này là góc dự trữ ta có thể
bù được sự giảm điện áp lưới.
Khi góc mở nhỏ nhất α = α min thì điện áp trên tải là max.
Udmax = Udo.cosα min
Khi góc mở lớn nhất α max = α thì điện áp trên tải là min.
Udmin = Udo.cosα max
Từ đó ta có :
23

U dmax = cosα min = D
U dmin
cosα max
cosα max = cosα min = cos10 → cosα max = 88o
D

30

24


CHƯƠNG 3. : PHÂN TÍCH TÍNH TỐN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1 . Cơ sở lý thuyết điều khiển Thyristor
Thyristor chỉ được mở cho dịng điện chạy qua khi có điện áp dương
đặt lên cực anode và có xung điện áp dương đặt vào cực điều khiển, sau khi
Thyristor đã mở thì xung điều khiển khơng cịn tác dụng nữa, dịng điện chạy qua
Thyristor do thông số của mạch động lực quyết định và Thyristor sẽ khóa khi
dịng điện chạy qua nó bằng 0, muốn mở lại ta phải cấp xung điều khiển lại.

Do đó, với điện áp hình sin, tùy thuộc vào thời điểm cấp xung điều khiển
mà ta có thể khống chế được dòng điện Thyristor. Để thực hiện được các đặc
điểm này ta có thể dùng 2 nguyên tắc sau:
-

Nguyên tắc điều khiển ngang.

-

Nguyên tắc điều khiển dọc.

Hiện nay điều khiển Thyristor trong sơ đồ chỉnh lưu, người ta thường dùng
nguyên tắc điều khiển dọc, nên em sử dụng phương pháp này để thiết kế mạch điều
khiển.

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc nguyên tắc điều khiển ngang

Ở đây, U tựatạo ra điện áp tựa có dạng cố định( thường là dạng răng cưa),
theo chu kì do nhịp đồng bộ của U db.Khâu so sánh SS xác định điểm cân bằng
của hai điện áp U tựavà U dkđể phát động khâu tạo xung TX. Như vậy trong
nguyên tắc này thời điểm phát xung hay góc mở van thay đổi do sự thay đổi của trị
số U dk.

3.2 Cấu trúc mạch điều khiển

Mạch điều khiển bao gồm các khâu cơ bản sau :

25