Luận văn Thiết kê biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ docx

Luận văn
Thiết kê biến tần 3 pha để
điều chỉnh tốc độ động cơ
không đồng bộ
1
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với việc phát trển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học
kỹ thuật trong công nghiệp nói chung và trong công nghiệp điện tử nói riêng
thì các thiết bị điện tử có công suất lớn được chế tạo ngày càng nhiều.Và đặc
biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng
ngày đã và đang phát triển hết sức mạnh mẽ.Qua đó con người đã khai thác
triệt để những ưu điểm vốn có của các loại động cơ một chiều và xoay chiều
phục vụ những nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực tự động hóa.
Với đồ án này em đã nêu ra một khía cạnh nhỏ trong lĩnh vực điều khiển động
cơ không đồng bộ rôto lồng sóc.
“Thiết kê biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ”
Nội dung các chương mục như sau :
Chương 1 : Tổng quan về công nghệ.
Giới thiệu về động cơ không đồng bộ và các hệ thống biến tần.
Chương 2 : Tính chọn mạch công suất.
Mạch động lực, đi sâu vào nguyên lí làm việc của hệ thống thiết bị cũng như
các phương pháp tính chọn mạch và bảo vệ mạch.
Chương 3 : Thiết kế mạch điều khiển .
Ứng dụng của kĩ thuật xung số để điều khiển hoạt động của mạch
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa điện đã tận tình chỉ bảo
trong thời gian làm đề tài.
2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
1.1. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN- ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU
Trong các hệ thống điều tốc biến tần cho cả 2 loại động cơ xoay chiều đồng
bộ và không đồng bộ thì bộ biến tần là khâu quan trọng quyết định đến chất

lượng của hệ thống truyền động. Phụ thuộc vào phạm vi điều chỉnh, vào phạm
vi công suất truyền động, vào hướng điều chỉnh mà có các loại biến tần và
phương pháp khống chế biến tần khác nhau. Trong thực tế các bộ biến tần
được chia làm hai nhóm: các bộ biến tần là biến tần trực tiếp và các bộ biến
tần gián tiếp có khâu trung gian một chiều. Trước đây, các hệ truyền động
dùng biến tần trực tiếp do chất lượng điện áp đầu ra thấp nên thường dùng ở
lĩnh vực công suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất được đặt lên hàng đầu. Ngày
nay, với sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi điều khiển, phương
pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lượng điện áp ra cao, giảm ảnh
hưởng xấu đến lưới điện nên phạm vi ứng dụng đang ngày càng được mở
rộng. Được ứng dụng nhiều nhất hiện nay vẫn là các hệ điều tốc biến tần dùng
bộ biến tần gián tiếp, các bộ biến tần loại này có thể khống chế theo các
phương pháp khác nhau: điều chế độ rộng xung (PWM); điều khiển vector;
điều khiển trực tiếp mô men.
Biến tần điều chế độ rộng xung (PWM) với việc điều khiển điện áp
và tần số theo qui luật U
1
/f
1
= Const dễ thực hiện nhất, đường đặc tính cơ biến
tần của nó về cơ bản là tịnh tiến lên xuống, độ cứng cũng khá tốt, có thể
thoả mãn yêu cầu điều tốc thông thường, nhưng khi tốc độ giảm thấp thì sụt
áp trên điện trở và điện cảm tản cuộn dây ảnh hưởng đáng kể đến mô men cực
đại của động cơ, buộc phải tiến hành bù sụt điện áp cho mạch stator. Điều
khiển E
s
/f
1
= const là mục tiêu thực hiện bù điện áp thông dụng với U
1

/f
1
=
const, khi ở trạng thái ổn định có thể làm cho từ thông khe hở không khí
không đổi (Ф
m
= const), từ đó cải thiện được chất lượng điều tốc ở trạng thái
ổn định. Nhưng đường đặc tính của nó vẫn là phi tuyến, khả năng quá tải về
mômen quay vẫn bị hạn chế.
3
Hệ thống truyền động điều khiển E
r
/f
1
= const có thể nhận được đường đặc
tính cơ tuyến tính giống như ở động cơ một chiều kích thích từ độc lập, nhờ
đó có thể thực hiện điều tốc với chất lượng cao. Dựa vào yêu cầu tổng từ
thông của toàn mạch rotor Ф
rm
= const để tiến hành điều khiển có thể nhận
được E
r
/f
1
=const. Trong trạng thái ổn định và trạng thái động đều có thể duy
trì E
r
/f
1
=const là mục đích của điều tốc biến tần điều khiển vec tơ, đương

nhiên hệ thống điều khiển của nó là khá phức tạp. Dựa trên kết quả từ 2 hạng
mục nghiên cứu: “Nguyên lý điều khiển định hướng từ trường động cơ
không đồng bộ” do F. Blaschke của hãng Siemens Cộng hoà Liên bang Đức
đưa ra vào năm 1971, và “Điều khiển biến đổi toạ độ điện áp stator động cơ
cảm ứng” do P.C. Custman và A.A. Clark ở Mỹ công bố trong sáng chế phát
minh của họ, qua nhiều cải tiến liên tục đã hình thành được hệ thống điều tốc
biến tần điều khiển vector mà ngày nay đã trở nên rất phổ biến.
1.2. SƠ LƯỢC VỀ CÁC HỆ THỐNG BIẾN TẦN
1.2.1. Khái niệm.
Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử thực hiện chức năng biến đổi
tần số và điện áp một chiều hay xoay chiều nhất định thành dòng điện xoay
chiều có tần số điều khiển được nhờ khoá điện tử
1.2.2. Phân loại
1. Biến tần trực tiếp:
Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi nguồn điện
xoay chiều có điện áp và tần số không đổi thành điện áp xoay chiều có điện
áp và tần số điều chỉnh được. Do quá trình biến đổi không phải qua khâu
trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp, còn được gọi là bộ biến đổi
sóng cố định (Cycloconverter). Như vậy điện áp xoay chiều U
1
(f
1
) chỉ cần qua
một van là chuyển ngay ra tải với U
2
(f
2
).
Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp chỉ sử
dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc thấp. Vì việc

thay đổi tần số f
2
khó khăn và phụ thuộc và f
1
.
Ví dụ
4
H1.3: Sơ đồ biến tần trực tiếp
2.Biến tần gián tiếp:
Còn gọi là biến tần độc lập. Trong biến tần này đầu tiên điện áp được chỉnh
lưu thành dòng một chiều. Sau đó qua bộ lọc rồi trở lại dòng xoay chiều với
tần số f
2
nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay đổi f
2
không phụ thuộc vào
f
1
).Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất biến tần.Tuy nhiên việc ứng dụng
hệ điều khiển số nhờ kĩ thuật vi xử lí nên ta phát huy tối đa các ưu điểm của
biến tần loại này và thường sử dụng nó hơn.
Ví dụ :
H1.4: Sơ đồ biến tần gián tiếp
o
o
o
a
b
c
CK

CK
CK
CK
CKck

f
2
T
A
N
A
T
B
N
B
T
C
N
C
~

U
1
,

f
1


B

C
•
D 9
o
o
o
T7
T9
T1 1
T1 0
T12
T8
T4
T6
T8
T1 T3 T5
D1
D3 D5
D4
D6 D2
D7
D11
D1 0
D12
D8
Co
C1 C3
C5

C4
C2
C6
L2
L1
Lo
Ñ
K
B
U
2
,

f
2
~
U
1
,

f
1
5
Chỉnh lưu
Lọc
Nghịch lưu
H1.5: Sơ đồ khối
• Phân loại biến tần gián tiếp
Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm hai loại sử
dụng nghịch lưu dòng và nghịch lưu áp.

a). Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng:
Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn dòng, dạng của
dòng điện trên tải phụ thuộc vào dạng dòng điện của nguồn, còn dạng áp trên
tải tuỳ thuộc vào các thông số của tải quy định.
b). Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp:
Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp (nghĩa là điện
trở nguồn bằng 0). Dạng của điện áp trên tải tuỳ thuộc vào dạng của điện áp
nguồn, còn dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào thông số của mạch tải
quy định.
Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và điện áp sin hơn,
dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng rãi hơn.
Bộ biến tần nguồn áp có hai bộ phận riêng biệt, đó là bộ phận động lực và bộ
phận điều khiển
• Phần động lực gồm có các phần sau:
- Bộ chỉnh lưu: có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều có tần số f
1
thành dòng
một chiều.
- Bộ nghịch lưu: là bộ rất quan trọng trong bộ biến tần, nó biến đổi dòng điện
một chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng điện xoay chiều có tần
số f
2
.
- Bộ lọc: là bộ phận không thể thiếu được trong mạch động lực cho phép
thành phần một chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn thành phần xoay
chiều. Nó có tác dụng san bằng điện áp sau khi chỉnh lưu.
• Phần điều khiển:
Là bộ phận không thể thiếu được, nó quyết định sự làm việc của mạch động
lực, để đảm bảo các yêu cầu tần số, điện áp ra của bộ biến tần đều do mạch
điều khiển quyết định.

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT
6
2.1 một số phương án thực hiện
2.1.1 Biến tần trực tiếp
Bộ biến tần trực tiếp là thiết bị biến đổi tần số vào sang tần số ra một cách
trực tiếp mà không cần có sự can thiệp của một khâu trung gian nào. Bộ biến
tần trực tiếp hay còn gọi là bộ biến tần phụ thuộc thường gồm các nhóm chỉnh
lưu điều khiển mắc song song cho xung lần lượt 2 nhóm chỉnh lưu trên ta
được dòng xoay chiều trên tải. Như vậy điện áp xoay chiều U
1
(f
1
) chỉ cần qua
1 van là chuyển ngay ra tải với U
2
(f
2
).
H2.1. Biến tần trực tiếp
2.1.2. Biến tần 3 pha gián tiếp
a. Biến tần dòng 3 pha gián tiếp
H2.2 : Biến tần nguồn dòng sử dung tiristor
Trên sơ đồ ta thấy : sơ đồ gồm cầu chỉnh lưu điều khiển I và cầu biến tần II.
Trong sơ đồ biến tần mỗi thyistor được nối tiếp thêm một diôt. Trong mỗi nửa
cầu có 3 tụ điện.
Cầu chỉnh lưu thông qua điện cảm L
d
cung cấp cho cầu biến tần dòng điện
hằng I

d
. Các thysristor T
1
và T
6
đó cắt dòng điện một chiều I
d
thành 2 khối
chữ nhật, một khối dương và một khối âm, mỗi khối kéo dài 120
0
điện. Khối
o
o
o
a
b
c
CK
CK
CK
CK
CKck
Ñ
K
B
U
2


f

2
T
A
N
A
T
B
N
B
T
C
N
C
~

U
1
,

f
1
A

B







C
•
•
•
7
nọ cách khối kia 60
0
độ điện. Tại bất cứ thời điểm nào cũng chỉ có 2 thysristor
cho dòng chảy qua.
Các thyistor được điều khiển mở theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1……
Trên sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển cùng với cuộn cảm tạo nên nguồn dòng
cấp cho nghịch lưu. Nghịch lưu ở đây là sơ đồ nguồn dòng song song. Hệ
thống tụ chuyển mạch được cách ly với tải qua hệ thống diot cách ly. Dòng ra
nghịch lưu có dạng xung hình chữ nhật, điện áp ra có dạng tương đối sin nếu
phụ tải là động cơ.
b. Biến tần áp ba pha gián tiếp
H2.3. Biến tần áp gián tiếp dùng Tiristor
Sơ đồ bao gồm cấu hình chỉnh lưu thyristor I, tụ điên C chứa năng lượng phản
kháng, cầu diot II và cầu biến tần III. Tải là động cơ điện 3 pha không đồng
bộ kiều lồng sóc. Các diot đấu song song ngược với các thyristor cho phép

dòng điện tải trả được về nguồn, ở đây là tụ điện C, vì cầu chỉnh lưu I chỉ cho
dòng chảy qua 1 chiều. Trong sơ đồ này mỗi thyristor dẫn dòng trong 180
0
điện. Trong sơ đồ cầu biến tần, ngoài giai đoạn trùng dẫn,lúc nào cũng có 3
thyristor dẫn dòng( hai ở nhóm này và 1 ở nhóm kia).
Khi thyristor thuộc nhóm anot chung mở thì dòng điện chảy từ nguồn dương
vào tải, còn khi thyristor thuộc nhóm catot chung mở thì dòng điện chảy từ tải
về nguồn âm.
2.2. phân tích ưu nhược điểm của các mạch công suất
1. Ưu nhược điểm của bộ biến tần trực tiếp và gián tiếp
• Biến tần trực tiếp:
Ưu điểm:
+ Biến đồi trực tiếp điện lưới điện u
1
có tần số cố định f
1
thành một điện áp u
2
có tần số f
2
với biên độ có thể thay đổi được.
+Hiệu suất cao.
8
+Cho phép hãm tái sinh năng lượng mà không cần có mạch điện phụ.
+Có thể xây dựng với công suất lớn.
Nhược điểm:
+Sơ đồ mạch van phức tạp,số lượng van lớn.
+Thay đổi tần số f
2
khó khăn và phụ thuộc vào f

1
.
+Chỉ thực hiện trong giới hạn f
2
≤ f
1
.
+ Khó điều khiển ở tần số cận không vì khi đó tổn hao sóng hài trong động
cơ khá lớn.
+ Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển không cao.
+ Sóng điện áp đầu ra khác xa hình sin.
• Biến tần gián tiếp:
Ưu điểm:
+Thay đổi tần số f
2
dễ dàng không phụ thuộc vào f
1.
+Thực hiện được trong dải rộng cả trên và dưới f
1.
+ Độ tinh và độ chính xác trong điều khiển khá cao.
+ Sóng điện áp đầu ra gần với hình sin.
Nhược điểm:
+Việc biến đổi năng lượng hai lần làm giảm hiệu suất biến tần.
2. So sánh hai bộ biến tần gián tiếp nguồn áp và nguồn dòng.
- Trong bộ biến tần nguồn dòng, khi hai khoá bán dẫn trong cùng một nhánh
của bộ nghịch lưu cùng dẫn (do kích nhầm hoặc do chuyển mạch), dòng ngắn
mạch qua hai khoá được hạn chế ở mức cực đại. Trong bộ biến tần nguồn áp,
việc này có thể gây ra sự cố ngắn mạch làm hỏng khoá bán dẫn. Do đó có thể
xem biến tần nguồn dòng làm việc tin cậy hơn biến tần nguồn áp.
- Do mạch chỉnh lưu tạo nguồn dòng có thể hoạt động ở chế độ trả năng

lượng về nguồn, bộ biến tần nguồn dòng có thể làm việc hãm tái sinh. Với bộ
biến tần nguồn áp, việc hãm tái sinh muốn thực hiện cần thêm vào hệ thống
một cầu chỉnh lưu điều khiển hoàn toàn.
-Trong trường hợp mất nguồn lưới khi đang hoạt động, bộ biến tần nguồn áp
có thể hoạt động ở chế độ hãm động năng, nhưng bộ biến tần nguồn dòng
không thể hoạt động ở chế độ này khi đó.
- Bộ biến tần nguồn dòng được sử dụng cuộn kháng L khá lớn trong mạch
chỉnh lưu tạo ra nguồn dòng, điều này làm đáp ứng quá độ của hệ thống chậm
hơn so với bộ biến tần nguồn áp.
- Khi hoạt động với nguồn cấp là DC bộ biến tần nguồn áp nhỏ gọn và rẻ tiền
hơn so với biến tần nguồn dòng thường cồng kềnh do phải sử dụng cuộn
kháng L lớn và các tụ chuyển mạch có giá trị cao.
9
- Dải điều chỉnh biến tần nguồn dòng thấp hơn dải điều chỉnh của biến tần
nguồn áp.
2.3. Chọn mạch công suất phù hợp
Dựa vào ưu nhược điểm như trên ta lựa chọn bộ biến tần gián tiếp nguồn
áp với cấu chúc như sau:
1) Bộ nghịch lưu áp 3 pha (có thể sử dụng BJT công suất, IGBT,
GTO, ) ở đây ta dùng Mosfet.
2) Bộ chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha sử dụng Tiristor
H2.4. Sơ đồ biến tần nguồn áp dùng Mosfet
2.4. TÍNH TOÁN MẠCH CÔNG SUẤT
2.4.1 Bộ nghịch lưu
a) Sơ đồ nguyên lý:
H2.5. Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu áp ba pha gián tiếp
• Hoạt động:
Tụ C
1
đảm bảo nguồn là nguồn áp và để tiếp nhận năng lượng phản kháng từ

tải.
Phương pháp điều khiển các van mosfet thông thường nhất là điều khiển cho
góc mở của van là
o
180
=
λ
và
o
120
=
λ
. Ở đây ta xét góc dẫn với tải đấu
sao, ta xác định điện áp trên tải trong từng khoản thời gian 60
0
(vì cứ 60
0
có
10
một trạng thái chuyển mạch) với nguyên tắc van nào dẫn coi như thông
mạch .Nhìn chung sơ đồ này có dạng một pha tải nối với hai pha đấu song
song nhau .Do vậy điện áp 1 pha trên tải sẽ chỉ có hai giá trị là
3
E
. Khi một
pha đấu song song với 1 trong 2 pha còn lại hoặc
3
2
E
khi một pha nối tiếp

với nhánh song song còn lại.Với giả thiết tải đối xứng
• Nguyên tắc chuyển mạch :
Cho góc mở của mosfet là 180
0
và cứ 60
0
tiếp theo (kể từ khi mosfet trước đó
được mở thì một mosfet khác mở). Như vậy trong cùng một thời gian có 3
mosfet mở :
Bảng trạng thái đóng mở của các mosfet
M
0 - 60
0
oo
12060
÷
oo
180120
÷
oo
240180
÷
oo
300240
÷
oo
360300
÷
M1 1 1 1 0 0 0
M2 0 1 1 1 0 0

M3 0 0 1 1 1 0
M4 0 0 0 1 1 1
M5 1 0 0 0 1 1
M6 1 1 0 0 0 1
Xét quá trình chuyển mạch từ T
5
sang T
2
tương ứng với khoảng (
oo
600 ÷
)
sang (
oo
12060 ÷
) .
Trong khoảng
oo
600 ÷
thì T
1
,T
5
,T
6
dẫn, chiều dòng điện qua tải được xác
định như hình vẽ 2.6 (a.b,c,d,e,f)
T 4
.
+

T 5
.
-
T 2
.
Z A Z B
T 1
.
Z C
T 6
.
C 1
.
T 3
.
11
H 2.6.a
T 2
.
T 4
.
Z A
T 3
.
T 1
.
T 5
.
-
Z CZ B

+
C 1
.
T 6
.
T 6
.
C 1
.
Z B
T 5
.
Z A
T 2
.
+
T 4
.
T 1
.
T 3
.
-
Z C
T 6
.
T 5
.
T 3
.

C 1
.
-
T 1
.
T 2
.
Z C
T 4
.
+
Z BZ A
12
H 2.6.b
H 2.6.d
H 2.6.c
Z A
-
T 1
.
+
T 3
.
T 2
.
Z C
C 1
.
T 5
.

T 4
.
Z B
T 6
.
b) Dạng sóng mạch nghịch lưu:
13
H 2.6.e
H 2.6.f
T4
i
o
Uc
Ub
T5
T6
Ua
T3
T1
T2
H2.7. Dạng sóng mạch nghịch lưu
c)Tính chọn các phần tử trong mạch:
+ Các thông số của động cơ không đồng bộ roto lồng sóc:
-Công suất định mức: P
dm
= 7,5 Kw
-Điện áp định mức: U
fdm
= 220 V
-Hệ số công suất: Cos

ϕ
= 0,78
-Hiệu suất:
=
η
0,8
Từ các thông số trên dễ dàng tính được các đại lượng cần thiết:
-Dòng điện định mức:
3
7,5.10
18,2
3. . .cos 3.220.0,8.0,78
dm
dm
Y
P
I
U
η φ
= = =
(A) (2.1)
-Điện trở mỗi pha tải:
220
.cos .0,78 9,42
18,2
fdm
f
dm
U
R

I
φ
= = =
(Ω) (2.2)
L
t
2
2
2 2
1 1 220
9,72 0,022
2.50.3,14 18,2
fdm
dm dm
U
R
I
ω
 
 
= − = − =
 ÷
 ÷
 
 
(H) (2.3)
+ Tính chọn Mosfet:
Để lựa chọn được van ta cần tính được điện áp cực đại đặt lên van và dòng
điện trung bình chảy qua van.
Bộ biến tần điều chỉnh theo quy luật = Const, mà dải điều chỉnh tần số của

động cơ là f= 0 - 120Hz
Do đó ta có
=
(2.4)
Vậy U
max

==
max
. f
f
U
dm
dm

220
50
.120= 528 (V)
14
+) Tính toán các thông số điện áp ở chế độ điều chỉnh cực đại
-Ta có điện áp cực đại trên một pha tải:
U
ma
=
2
U
max
(2.5)
-Điện áp đầu vào cực đại của bộ nghịch lưu:
U

dmax

2
3
=
U
mza
2
3
=
.528.
2
= 1120 (V) (2.6)
- Điện áp cực đại đặt lên mỗi Mosfet: U
ng
= U
dmax
=1120 (V) (2.7)
+) Tính toán các thông số dòng điện ở chế độ điều chỉnh cực đại
- Dòng điện hiệu dụng pha tải ở chế độ điều chỉnh cực đại
I
hd

( ) ( )
max
2 2
2 2
max
380
19,77

2 . 2.3,14.120.0,022 9,72
t
U
f L R
π
= = =
+ +
(2.8)
-Hệ số:
cos
max
ϕ

( ) ( )
2 2
2 2
max
9,72
0,50
2 . 2.3,14.120.0,022 9.72
t
R
f L R
π
= = =
+ +
(2.9)
-Dòng trung bình qua Mosfet:
I
M

)1(cos
2
2
)1(cos
2
maxmax
+=+=
ϕ
π
ϕ
π
hdm
II
(2.10)
Thay số ta được: I
M

2.9,72
(0,022 1) 10,85
2
π
= + =
(A)
- Chọn hệ số dự trữ dòng điện: k
i
= 1,8
Vậy cần chọn Mosfet chịu được dòng điện trung bình:
I
TBM

= 1,8.I
M
= 1,8. 10,85 = 19,53 (A)
Từ đó ta chọn: Mosfet SKM284F với thông số:
I
Dmax
=20 A
U
DSmax
= 1500 V
+ Tính chọn điốt ngược:
+) Điện áp:
-Điện áp cực đại đặt lên điôt: U
ngm
= U
dmax
(2.11)
-Chọn hệ số an toàn điện áp k
ud
= 1,8
Vậy điôt ít nhất phải chịu được điện áp:
U
lv
= 1,8.
max
1,8.1120 2016
d
U = =
(V)
15

+) Dòng điện:
-Dòng trung bình chảy qua điốt:
I
D
)1(cos
2
2
)1(cos
2
maxmax
−=−=
ϕ
π
ϕ
π
hdm
II

(2.12)
Thay số ta được: I
D
84,1)171,0(
2
17,28.2
=−=
π

(A)
-Chọn hệ số dự trữ dòng điện: k
i

= 3,2
Vậy cần chọn điốt ít nhất chịu được dòng trung bình:
I
TBD
= 3,2.1,84 = 5,888 (A)
Từ đó ta chọn điốt: Điôt BYX38 với thông số
I
dm
= 6 A
U
ngm
=2300 V
2.2.2 Bộ chỉnh lưu
1. Nguyên lý
Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng có thể coi như hai sơ đồ
chỉnh lưu tia ba pha mắc ngược chiều nhau, ba Tiristo T1,T3,T5 tạo thành
một chỉnh lưu tia ba pha cho điện áp (+) tạo thành nhóm anod, còn T2,T4,T6
là một chỉnh lưu tia cho ta điện áp âm tạo thành nhóm catod, hai chỉnh lưu
này ghép lại thành cầu ba pha. Theo hoạt động của chỉnh lưu cầu ba pha điều
khiển đối xứng, dòng điện chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha
kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở Tiristo chúng ta cần cấp hai xung điều
khiển đồng thời (một xung ở nhóm anod (+), một xung ở nhóm catod (-)). Ví
dụ tại thời điểm t1 trên hình 2.8b cần mở Tiristo T1 của pha A phía anod,
chúng ta cấp xung X1, đồng thời tại đó chúng ta cấp thêm xung X4 cho
Tiristo T4 của pha B phía catod các thời điểm tiếp theo cũng tương tự. Cần
chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân thủ theo đúng thứ tự pha.
16
Khi chúng ta cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ được chạy từ pha có
điện áp dương hơn về pha có điện áp âm hơn. Ví dụ trong khoảng t1 ÷ t2 pha
A có điện áp dương hơn, pha B có điện áp âm hơn, với việc mở thông T1, T4

dòng điện dược chạy từ A về B.
Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một van
của nhóm này (anod hay catod) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho
nhau. Điều này có thể thấy rõ trong khoảng t1 ÷ t3 như trên hình 2.8.b Tiristo
T1 nhóm anod dẫn, nhưng trong nhóm catod T4 dẫn trong khoảng t1 ÷ t2 còn
T6 dẫn tiếp trong khoảng t2 ÷ t3.
Điện áp ngược các van phải chịu ở chỉnh lưu cầu ba pha sẽ bằng 0 khi van
dẫn và bằng điện áp dây khi van khoá. Ta có thể lấy ví dụ cho van T1 (đường
cong cuối cùng của hình 2.8b) trong khoảng t1 ÷ t3 van T1 dẫn điện áp bằng
0, trong khoảng t3 ÷ t5 van T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp ngược U
BA
, đến
khoảng t5 ÷ t7 van T5 dẫn T1 sẽ chịu điện áp ngược U
CA
.
Khi góc mở các Tiristo lớn lên tới góc α > 60
0
và thành phần điện cảm của tải
quá nhỏ, điện áp tải sẽ bị gián đoạn như các đường nét đậm trên hình 2.8d
(khi góc mở các Tiristo α =90
0
với tải thuần trở). Trong các trường hợp này
dòng điện chạy từ pha này về pha kia, là do các van bán dẫn có phân cực
thuận theo điện áp dây đặt lên chúng (các đường nét mảnh trên giản đồ Ud
của các hình vẽ 2.8b, c, d), cho tới khi điện áp dây đổi dấu, các van bán dẫn sẽ
có phân cực ngược nên chúng tự khoá.
17
Sự phức tạp của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng như đã nói trên là
cần phải mở đồng thời hai van theo đúng thứ tự pha, do đó gây không ít khó
khăn khi chế tạo vận hành và sửa chữa.

2. Tính chọn Tiristor
Dòng điện và điện áp tải chính là dòng điện và điện áp đầu vào của bộ nghịch
lưu.
Dòng trung bình bộ nghịch lưu tiêu thụ từ nguồn
I
v
3
.2
2
0
AI
=
(2.13)
Trong đó:
I
0
: Là dòng điện cơ sở ( I
0
f
d
R
U
max
=

) (2.14)
A









+−
−
−=
2
2
1
1
.
2
3
1
aa
aQ
π
(2.15)
Q = tgφ
max
=









−1
cos
1
max
2
ϕ
(2.16)
Q
ea
3
1−
=
Thay số ta được:
I
0

1120
115,22
9,72
= =
(A)
Q =
992,01
71,0
1
2
=







−
715,0=a
A = 0,842
Khi đó:
18
I
v

3
.2
2
0
AI
=
( )
2
2.115,22. 0,842
54,45
3
= =
(A)
Vậy dòng điện tải và điện áp tải cực đại của bộ chỉnh lưu là:
U
d
= U
dmax

= 1120 (V)
I
dmax
= I
v
= 54,45 (A
a) Điện áp
Giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
U
2
.
3,14.1120
478,57
3 6 3 6
d
U
π
= = =
(V) (2.17)
Điện áp ngược cực đại trên mỗi Tiristor:
U
ngmax

2
6. 6.478,57 1172,2U
= = =
(V) (2.18)
Chọn hệ số dự trữ về điện áp k
u
= 1,4

Vậy phải chọn Tiristor ít nhất chịu được điện áp ngược
U
nv
= 1,4 . 1172,2 = 1641,17 (V)
b) Dòng điện
Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng
I
lv
=
I
hd

54,45
31,43
3 3
d
I
= = =
(A) (2.19)
Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện tích tản
nhiệt, có quạt đối lưu không khí.
Với điều kiện đó ta chọn hệ số dự trữ dòng điện k
i
= 2,5
Vậy cần chọn dòng định mức của van là:
I
dmv
= 2,5 . I
lv
= 2,5 . 31,43 = 78,59 (A)

Với các thông số U
nv
, I
dmv
ta chọn Tiristor: T60N1000VOF có:
Điện áp ngược cực đại của van : U
n
= 1300 V
Dòng điện định mức của van : I
dmmax
= 90 A
Dòng điện đỉnh cực đại : I
pik
= 1400 A
Dòng điện xung điều khiển : I
g
= 150 mA
Điện áp xung điều khiển : U
g
= 1,4 V
Dòng điện duy trì : I
h
=0,2 A
19
Dòng điện rò : I
r
= 25 mA
Sụt áp của Tiristor ở trạng thái dẫn : ΔU = 1,8 V
Tốc độ biến thiên điện áp : du/dt = 1000 V/s
Thời gian chuyển mạch : t

cm
= 180 μs
Nhiệt độ làm việc cực đại : T
max
= 125
0
C
3 .Tính toán máy biến áp chỉnh lưu
Chọn máy biến áp ba pha ba trụ đấu Δ /Y làm mát bằng không khí tự
nhiên.
a) Tính các thông số cơ bản
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:
U
d0
= U
d
+ ΔU
v
+ ΔU
ba
+ ΔU
dn
(2.20)
Trong đó:
Sụt áp trên các van :
ΔU
v
= 2. ΔU (2.21)
Sụt áp trên máy biến áp khi có tải chọn sơ bộ
ΔU

ba
= 6%U
d
(2.22)
sụt áp trên dây nối
ΔU
dn

0
≈
Thay số ta có :
U
d0

1120 2.1,8 0,06.1120 1190,8= + + =
V
• Công suất biểu kiến của biến áp
S = k
s
.P
dmax
=1,05.78,59.1190,8 = 98,26 (kVA) (2.23)
• Điện áp pha sơ cấp biến áp
U
1
= 380 V
• Vậy điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
U
2
0

.
3,14.1190,8
508,82
3 6 3 6
d
U
π
= = =

V (2.24)
20
• Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp:
I
2

max
2
64,16
3
d
I= =
A (2.25)
• Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp:
I
1

2
2
1
508,82

. .64,16 85,91
380
U
I
U
= = =
A (2.26)
b) Tính sơ bộ mạch từ
• Tiết diện trụ được tính theo biểu thức kinh nghiệm:
fc
S
kQ
.
.=
cm
2
(2.27)
Trong đó:
k. : Hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát chọn k =6
S : Công suất biểu kiến của máy biến áp
c : Số trụ
f : Tần số nguồn xoay chiều
Vậy ta tính được:

98260
6. 153,56
3.50
Q = =
cm
2

• Đường kính trụ
d =
π
Q.4
=
4.153,56
π
= 13,89 (cm) (2.28)
Chọn d = 14 (cm)
• Chọn từ cảm B=1 Tesla
c) Tính toán dây quấn
• Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp
n
1

1
4
380
111,46
4,44. . . 4,44.50.153,56.10 .1
U
f Q B
−
= = =
(2.29)
21
lấy n
1
= 112 vòng
• Số vòng dây mỗi pha thứ cấp

n
2

2
1
1
508,82
. .112 149,96
380
U
n
U
= = =
(2.30)
lấy n
2
= 150 vòng
• Chọn mật độ dòng điện J
1
= J
2
= 2,75 A/mm
2
• Đường kính dây dẫn phía sơ cấp (chọn dây tiết diện tròn)
d
1

1 1
1
4 4. 4.85,91

6,3
.2,75
S I
J
π π π
= = = =
mm (2.31)
• Đường kính dây dẫn phía thứ cấp
d
2

2 2
2
4 4. 4.64,16
5,45
.2,75
S I
J
π π π
= = = =
mm (2.32)
d) Tính toán mạch từ
-Chọn trụ nhiều bậc
-Diện tích cửa sổ cần có:
Q
cs
= k
ld
.n
1

.S
1
+ k
ld
.n
2
.S
2
(2.33)
Chọn k
ld
= 2
Vậy :
Q
cs
=2.112.13,2 + 2.150.13,2 = 6916,8 mm
2
• Chọn loại thép
330∃
lá thép có độ dày 0,5
• Chọn tỉ số m
5,2==
d
h
suy ra h= 2,5.d = 2,5 . 11 = 27,5 cm
Chọn h = 28 cm
• Chọn tỉ số n
5.0
==
d

c
suy ra c = 0,5.11 =5,5 cm
Chọn c =6 cm
• Chọn tỉ số l
1
==
d
b
suy ra b = d =11 cm
• Chiều rộng toàn bộ mạch từ C = 2c + 3d = 45 cm
• Chiều cao mạch từ H = h + 2d = 50 cm
+) Kết cấu dây quấn sơ cấp
• Số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp
22
W
1
=
1
.2
n
g
d
hh −
. k
c
=
42,0
42,0.2.228 −
.0,95 = 59,5 (2.34)
Chọn W

1
= 60 vòng
Trong đó:
d
n1
:đường kính dây quấn sơ cấp kể cả cách điện
h
g
:khoảng cách cách điện với gông, chọn h
g
= 2.d
n1
• Số lớp dây của cuộn sơ cấp
N
11
=
1
1
112
1,8
60
n
W
= =
(2.35)
Chọn N
11
= 2 lớp
Như vậy 112 vòng chia thành 2 lớp,mỗi lớp có 56 vòng
• Chiều cao thực tế của cuộn dây sơ cấp

h
1
=
1
1
.
n
c
d
k
W
=
42,0.
95,0
60
=26,53 (cm) (2.36)
Giữa hai lớp đặt một tờ giấy cách điện dày 0,1mm
• Bề dày của của cuộn dây sơ cấp:
e
1
=N
11
.d
n1
+ 0,1.N
11
=17,2 mm (2.37)
• Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày s
01
=0,1mm

• Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp a
01
=1 cm
• Đường kính trong của ống cách điện
D
t
= d + 2a
01
– 2s
01
= 11 + 2.1 - 2.0,01 = 12,98 cm (2.38)
• Đường kính trong của cuộn sơ cấp
D
t1
= d + 2s
01
= 11 + 2.0,01 = 11,02 cm (2.39)
• Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp
D
n1
= D
t1
+ 2e
1
= 11,02 + 2.1,72 = 14,46 cm (2.40)
• Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp
D
tb1
=
2

11 nt
DD +
=
74,12
2
46,1402,11
=
+
cm (2.41)
• Chiều dài dây quấn sơ cấp
23
l
1
41,8274,12.14,3.206
11
===
tb
Dn
π

m (2.42)
• Chọn bề dày cách điện giữa 2 cuộn sơ cấp e
11
= 1 cm
+) Kết cấu dây quấn thứ cấp
• Chọn chiều cao cuộn thứ cấp h
2
= h
1
= 26,53

• Số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp
W
2
=
2
2
n
d
h
. k
c
=
42,0
53,26
.0,95 = 60 vòng (2.43)
Chọn W
2
= 60 vòng
Trong đó:
d
n2
:đường kính dây quấn thứ cấp kể cả cách điện
• Số lớp dây của cuộn thứ cấp
N
12
=
2
2
150
2,5

60
n
W
= =
. Chọn N
12
= 3 (2.44)
Như vậy 150 vòng chia thành 3 lớp mỗi lớp có 50 vòng
-Giữa hai lớp đặt một tờ giấy cách điện dày 0,1mm
• Bề dày của của cuộn dây thứ cấp:
e
2
=N
12
.d
n2
+ 0,1.N
12
=12,9 mm (2.50)
• Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày s
02
=0,1mm
• Khoảng cách từ trụ tới cuộn thứ cấp a
02
=1 cm
• Đường kính trong của ống cách điện
D
t
= d + 2a
02

– 2s
02
= 11 + 2.1 - 2.0,01 = 12,98 cm (2.51)
• Đường kính trong của cuộn thứ cấp
D
t2
= d + 2s
02
= 11 + 2.0,01 = 11,02 cm (2.52)
• Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp
D
n2
= D
t2
+ 2e
2
= 11,02 + 2.1,29 = 13,6 cm (2.53)
• Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp
D
tb2
=
2
22 nt
DD +
=
31,12
2
6,1302,11
=
+

cm (2.54)
• Chiều dài dây quấn sơ cấp
l
2
62,6231,12.14,3.162
22
===
tb
Dn
π

m (2.55)
• Chọn bề dày cách điện giữa 2 cuộn thứ cấp e
22
= 1 cm
24
Tính các thông số của máy biến áp
Điện trở của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75
0C

R
1
= ρ.
1
1
S
l
= 0,02133.
2,13
41,82

= 0,133 (Ω) (2.56)
ρ
= 0,02133
Điện trở cuộn thứ cấp ở 75
0
C
R
2
= ρ.
2
2
S
l
= 0,02133.
2,13
62,62
= 0,101(Ω)
Điện trở của máy biến áp qui đổi về thứ cấp
R
BA
= R
2
+ R
1
2
1
2









n
n
= 0,101 + 0,133
2
112
150
 
 ÷
 
=0,175 (Ω) (2.57)
Sụt áp trên điện trở máy biến áp
∆U
r
= R
BA
.I
dmax
= 0,175 . 78,59 = 13,76 (V) (2.58)
Điện kháng máy biến áp qui đổi về thứ cấp
X
BA
= 8 .π
2
.(n
2

)
2
.






+
+








3
.
21
12
ee
e
h
r
qd
.ω.10
-7

(2.59)
= 8 .π
2
.150
2
.








+
+








−−−
3
10.9,1210.2,17
01,0.
5,0
10.51,5

332
.314.10
-7
= 0,143 (Ω)
Điện cảm máy biến áp qui đổi về thứ cấp
L
BA
=
ω
BA
X
=
314
143,0
= 0,455 (mH) (2.60)
Sụt áp trên điện kháng máy biến áp
25