Thiết kế tủ điện điều khiển kích từ máy phát điện đồng bộ

Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Giới thiệu kháI quát về máy phát điện đồng bộ xoay
chiều& về hệ thống kích từ .
I. Giới thiệu về máy phát điện đồng bộ xoay chiều:
1. Định nghĩa:
Máy phát điện xoay chiều có tốc độ quay rôto n bằng tốc độ quay của từ
trờng n
1
gọi là máy phát điện đồng bộ. ở chế độ xác lập máy phát điện đồng
bộ có tốc độ quay rôto luôn không đổi khi tải thay đổi.
2. Cấu tạo máy phát điện đồng bộ
Cấu tạo máy phát điện đồng bộ
gồm hai bộ phận chính là stato và
rôto. Trên hình I-1 vẽ mặt cắt ngang
trục máy.
Trong đó 1: lá thép stato; 2: dây quấn
stato; 3: lá thép rôto; 4: dây quấn rôto.
stato và Roto của máy đồng bộ cực ẩn.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
1
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Rôto của máy phát điện đồng bộ cực từ cực lồi.
3. Nguyên lí làm việc của máy phát điện đồng bộ
Cho dòng điện kích từ (dòng điện một chiều) vào dây quấn kích từ sẽ tạo
nên từ trờng rôto. Khi quay rôto bằng động cơ sơ cấp, từ trờng của rôto sẽ cắt
dây quấn phần ứng xtato và cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin, có trị
số hiệu dụng là:
E
o
= 4,44fW
1

k
gq

o
Trong đó: E
o
, w
1
, k
dq
,

o
: Sức điện động pha, số vòng dây một pha, hệ số dây
quấn, từ thông cực từ roto.
Nếu rôto có p đôi cực, khi rôto quay đợc một vòng, sđđ phần ứng sẽ biến
thiên p chu kỳ. Do đó nếu tốc độ quay của rôto là n (v/s), tần số f của sđđ sẽ là:
f = p.n
Dây quấn ba pha stato có trục lệch nhau trong không gian một góc 120
0
điện, cho nên sđđ các pha lệch nhau góc pha 120
0
.
Khi dây quấn stato nối với tải, trong các sẽ có dòng điện ba pha. Giống
nh ở máy phát điện không đồng bộ, dòng điện ba pha trong ba dây quấn sẽ tạo
nên từ trờng quay, với tốc độ là n
1
= 60f/p, đúng bằng tốc độ n của rôto. Do đó
kiểu máy điện này là máy điện đồng bộ.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42

2
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
4. Phản ứng phần ứng của máy phát điện đồng bộ
Khi máy phát điện làm việc, từ trờng của cực từ rôto
0
cắt dây quấn
stato cảm ứng ra sđđ E
0
chậm pha so với từ thông
0
góc 90
0
(hình A-4a). Dây
quấn stato nối với tải sẽ tạo nên dòng điện I cung cấp cho tải. Dòng điện I
trong dây quấn stato tạo nên từ trờng quay gọi là từ trờng phần ứng quay
đồng bộ với từ trờng của cực từ
0
. Góc lệch pha giữa E
0
và I do tính chất của
tải quyết định.
Hình I-4a:pha = 0, E
0
và I cùng pha. Dòng điện I sinh ra từ trờng
phần ứng cùng pha với dòng điện. Tác dụng của từ trờng phần ứng lên từ
trờng cực từ
0
theo hớng ngang trục, làm méo từ trờng cực từ, ta gọi phản ứng
phần ứng ngang trục.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42

3

E
0
Iq I


o
I
d
N S
d)
E
0
=90
0

0
N I S

c) =-90
0
E
o

=90
0

o

I
N S
b) =90
0
E
o
I

o
90
o
N S
a) =0
0
Hình I-4
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Trờng hợp tải thuần cảm(hình I-4b) góc lệch pha = 90
0
, dòng điện I
sinh ra từ trờng phần ứng ngợc chiều với
0
ta gọi là phản ứng phần ứng dọc
trục khử từ, có tác dụng làm giảm từ trờng tổng.
Trờng hợp tải thuần dung = -90
0
(hìnhI-4c) dòng điện sinh ra từ trờng
phần ứng , cùng chiều với
0
, ta gọi là phản ứng phần ứng dọc trục trợ từ, có
tác dụng làmg tăng từ trờng tổng. Trờng hợp tải bất kỳ (hìnhI-4d) ta phân tích

dòng điện I làm 2 thành phần : thành phần dọc trục I
d
= Isin và thành phần
ngang trục I
q
= Icos, dòng điện I sinh ra từ trờng phần ứng vừa có tính chất
ngang trục vừa có tính chất dọc trục trợ từ hoặc khử từ tuỳ theotính chất của
tải có tính chất điện cảm hoặc có tính chất điện dung.
5. Phơng trình điện áp của máy phát điện đồng bộ cực
lồi
Khi máy phát điện làm việc, từ trờng cực từ
0
sinh ra sđđ E
0
ở dây quấn
stato.Khi có tải sẽ có dòng điện I và điện áp U trên tải.
Ta có phơng trình cân bằng điện áp của máy phát điện đồng bộ cực lồi:
U = E
0
- ji
d
X
d
- ji
d
X
t
- ji
d
X

q
- ji
q
X
t

= E
0
ji
d
(X
d
+ X
t
) ji
q
(X
q
+ X
t
)
Gọi X
q
+ X
t
= X
d
là điện kháng đồng bộ dọc trục.
X
q

+ X
t
= X
q
là điện kháng đồng bộ ngang trục, ta có thể viết gọn lại;
U = E
0
ji
d
X
d
- ji
q
X
q

Phơng trình trên tơng ứng với đồ thị vectơ ta thấy góc lệch pha điện áp U
và sđđ E
0
do tải quyết định.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
4
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Đối với máyphát cực ẩn là trờng hợp đặc biệt của cực lồi X
đb
= X
đ
= X
q
gọi là điện kháng đồng bộ X

đb
thì phơng trình cân bằng điện áp của máy phát
điện đồng bộ cực ẩn có thể viết :
U = E
0
jiX
đb
đồ thị vectơ của nó đợc vẽ trên hình I-5b
6. Công suất điện từ của máy phát điện đồng bộ cực lồi
I.6.1 Công suất tác dụng:
Công suất tác dụng của máy phát cung cấp cho tải là:
P = mUIcos
Trong đó m là số pha.Theo đồ thị vectơ hình I-5a ta thấy = - do đó:
Ta có công suất điện từ:
P
đt
=









+
2sin
x
1

x
1
2
U
msin
X
E
mU
dq
2
d
0

Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
5
A
E
0
jIXdb
B C
I


0

(b)
E
0
jIdXd
JiqXq

U

Iq I


I
d
(a)

Hình I-5
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Ta nhận thấy công suất điện từ gồm hai thành phần(hìnhI-6)
Thành phần
sin
X
mUE
d
0
do dòng điệnkích từ tạo nên tỷ lệ với sin

. Đó là thành
phần công suất chủ yếu của máy phát.
Thành phần

2sin
x
1
x
1
2
mU
dq
2
, không
phụ thuộc vào dòng điệnkích
từ và chỉ xuất hiện khi x
d

x
q
. Đối với máy cực ẩn X
d
=
X
q
thành phần này bằng
không.
Đặc tính P = f() gọi là
đặc tính góc công suất. Máy
phát làm việc ổn định khi
trong khoảng 0 ữ /2; khi tải định mức = 20
0

ữ 30
0
.
Điều chỉnh công suất tác dụng. Máy phát biến đổi cơ năng thành điện
năng, vì thế muốn điều chỉnh công suất tác dụng P, phải điều chỉnh công suất
cơ của động cơ sơ cấp (tuabin hơi hoặc tuabin khí v.v )
I.6.2 Công suất phản kháng:
Công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ là:
Q = mUIsin = mUIsin(-)
= m[UIsin cos - UIcossin]
db
2
db
0
X
mU
X
cosmUE
Q

=
Điều chỉnh công suất phản kháng. Từ biểu thức công suát phản kháng trên
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
6
P
đt

P
đt

0 90
0
180
0


Hình I-6
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
db
0
X
)UcosE(mU
Q

=

Giữ U, f và P không đổi thì:
Khi Q < 0 (E
0
cos <U) nghĩa là máy không phát công suất phản kháng,
mà nhận công suất phản kháng của lới điện để tạo ra từ trờng, máy thiếu kích
từ.
Khi Q > 0 (E
0
cos > U) máy phát công suất phản kháng cung cấp cho
tải, máy quá kích từ. Nhìn các công thức trên, muốn thay đổi công suất phản
kháng, phải thay đổi E
0
, nghĩa là phải điều chỉnh dòng điện kích từ. Muốn tăng
công suất phản kháng phát ra, phải tăng kích từ.

7. Đặc tính ngoài và đặc tính điều chỉnh
I.7.1 Đặc tính ngoài của máy phát điện đồng bộ:
Đặc tính ngoài của máy phát điện là quan hệ điện áp U trên cực máy
phát và dòng điện tải I khi tính chất tải không đổi (cos
t
= const) tần số và
dòng điện kích từ máy phát không đổi. Từ phơng trình cân bằng điện áp (I-5),
ta vẽ đồ thị vectơ máy phát ứng với các loại tải khác nhau. Ta thấy khi tải tăng,
đối với tải cảm và trở, điện áp giảm (tải cảm điện áp giảm nhiều hơn), đối với
tải dung điện áp tăng. Bằng đồ thị ta thấy rằng, điện áp máy phát phụ thuộc
vào dòng điện và đặc tính của tải.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
7
U
U
0
U
đm
0
I
đm
U
tải R-C
U
0
Tải R-L
0 I
Iđm
Hình I-7
(a)

(b)
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Hình I-7a vẽ đặc tính ngoài của máy phát khi I
kt
= const(E
0
= const) và
cos
t
không đổi, ứng với các hệ số công suất khác nhau. Khi tải có tính chất
cảm phản ứng phần ứng dọc trục khử từ làm từ thông tổng giảm do đó đặc tính
ngoài dốc hơn tải điện trở. Để giữ điện áp U bằng định mức, phải thay đổi E
0
bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ vẽ trên hình I-7b.
Độ biến thiên điện áp đầu cực của máy phát khi làm việc định mức so
với khi không tải xác định nh sau:

%100
U
mU
U
UU
%U
dm
dm
db
dm0


=

Độ biến thiên điện áp U% của máy phát đồng bộ có thể đạt đến vài
chục phần trăm vì điện kháng đồng bộ X
đb
khá lớn.
I.7.2 Đặc tính điều chỉnh:
Đặc tính điều chỉnh là
quan hệ giữa dòng điện kích từ
và dòng điện tải khi:
U = U
đm
= const. Hình I-7.c vẽ
đặc tính điều chỉnh của máy phát
đồng bộ với các hệ số công suất
khác nhau.
Đờng đặc tính điều chỉnh cho biết hớng điều chỉnh i
kt
của máy phát
đồng bộ để giữ điện áp U ở đầu máy phát không đổi. Ví dụ, tải cảm khi I tăng,
tác dụng khử từ của phản ứng phần ứng tăng dẫn đến U giảm. Để giữ cho U =
const phải tăng i
kt
. Ngợc lại ở tải có tính dung khi I tăng muốn U = const ta
phải giảm i
kt
.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
8
I
kt

I
I
ktđm
cos=0,8
cos=1
cos=-0,8
Hình I-7.c
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
I.7.3 Đặc tính tải
Đặc tính tải là quan hệ giữa điện
áp đầu cực máy phát với dòng kích từ khi
dòng điện tải I = const, cos=const và
f = f
đm
. Với các trị số khác nhau của I và
cos sẽ có các đặc tính tải khác nhau.
Hình I-8 trình bày các đờng đặc tính tải
ứng với các giá trị của dòng tải I của máy
phát đồng bộ.
II. Hệ thống kích từ máy phát
1. Khái niệm chung
Hệ thống kích từ có nhiệm vụ cung cấp dòng điện một chiều cho các
cuộn dây kích thích của máy phát điện đồng bộ. Dòng kích thích phải có khả
năng điều chỉnh đợc để đảm bảo chế độ làm việc luôn ổn định, kinh tế của
máy phát điện với chất lợng điện năng cao.
Trong chế độ làm việc bình thờng, điều chỉnh dòng kích từ sẽ điều chỉnh
đợc điện áp đầu cực máy phát, và thay đổi lợng công suất phản kháng phát vào
lới.
Đồ thị điện áp
kích thích cỡng bức

tăng theo quy luật
hàm mũ.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
9
U
I
kt
I = 0
I = I
đm
Hình I-8
U
fđm
+ 0,632 ( U
fgh
- U
fđm
)
U
f
U
fgh
U
fđm
0
T
e
t
Hàm biến thiên điện áp kích từ cỡng bức
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển

U
f
(t) = U
fgh
( U
fgh
- U
fđm
) e
-t/ Te
( * )
T
e
hằng số thời gian của hệ thống kích từ
U
fgh
- điện áp kích từ giới hạn
U
fđm
- điện áp kích từ định mức
2. Phân loại và đặc điểm của một số hệ thống kích từ
Hệ thống kích từ có thể chia làm bốn nhóm chính:
Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều
Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh lu
Hệ thống kích từ dùng điện xoay chiều và chỉnh lu có điều khiển.
Hệ thống kích từ dùng băm áp một chiều.
II.2.1 Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều
Trên hình II-2 là sơ đồ hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều.
Để điều chỉnh dòng kích từ I
f

ta thay đổi dòng điện kích từ trong các cuộn kích
từ của máy phát điện một chiều. Biến trở R
đc
cho phép điều chỉnh bằng tay
dòng điện trong cuộn dây kích từ chính C
1
. Khi TĐK làm việc, dòng điện trong
các cuộn C
2
và C
3
đợc điều chỉnh tự động. Ví dụ dòng trong cuộn C
2
điều
chỉnh ứng với chế độ làm việc bình thờng, C
2
ứng với chế độ kích thích cỡng
bức. Năng lợng và tín hiệu điều chỉnh cung cấp cho TĐK đợc nhận qua máy
biến dòng và máy biến áp phía đầu cực của máy phát ( có khi lấy từ phía cao
áp của máy biến áp tăng ).
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
10
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Máy phát điện một chiều trong hệ thống kích từ cũng có thể đợc kích
thích độc lập. Khi đó một máy phát điện xoay chiều nhỏ hơn sẽ đợc dùng làm
nguồn cung cấp cho cuộn dây C
1
của máy phát điện kích thích chính.
Các phơng pháp quay máy điện kích thích.
Nhợc điểm chung của hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều là

hằng số thời gian T
e
lớn ( 0,3 ữ 0,6 ) giây và giới hạn điều chỉnh không cao
(U
fgh
2 ). Ngoài ra do có vành góp và chổi điện công suất chế tạo bị hạn chế.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
11
TĐK
Hình II-2. Sơ đồ hệ thống kích từ dùng
máy phát điện một chiều
tới thiết bị đo l
ờng
C
3
C
2
C
1
R
đc
C
F
MF
BI
BU
I
F
KT
c

MP
a )
MP
Đ
b )
Đ
MP
MP
c )
a ) Máy phát điện kích thích nối cùng trục với máy phát điện chính.
b ) Máy phát điện kích thích quay bởi động cơ sử dụng điện áp lới.
c ) MPĐ kích thích quay bởi động cơ sử dụng năng lợng từ MPĐ công
suất nhỏ.
BA
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
II.2.2 Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều và chỉnh lu
Hệ thống kích từ dạng này có hai loại chính: Dùng máy phát điện xoay
chiều tần số cao và máy phát điện xoay chiều không vành trợt.
Ưu điểm của máy phát điện xoay chiều tần số cao, dòng điện một chiều
sau khi qua chỉnh lu có chất lợng ổn định ( độ bằng phẳng cao ), thiết bị có
kích thớc nhỏ, ngoài ra thiết bị làm việc với tần số cao còn có khả năng chống
đợc nhiễu công nghiệp.
Máy phát điện xoay chiều tần số cao đợc chế tạo theo kiểu cảm ứng.
Rôto không có cuộn dây, cuộn dây kích từ đợc đặt ở phần tĩnh. Từ thông thay
đổi là nhờ vào kết cấu răng rãnh của rôto.
Dòng điện này qua bộ chỉnh lu ba pha CL biến đổi thành dòng một
chiều. Hình II-4 trình bày sơ đồ hệ thống kích từ dùng MPĐ xoay chiều tần số
cao và chỉnh lu.
Cuộn kích từ chính C
1

của máy phát điện ( MPĐ ) kích thích thờng đợc
nối nối tiếp với cuộn kích từ C
f
của máy phát. Các cuộn kích từ phụ C
2
và C
3
đ-
ợc cung cấp và điều chỉnh qua thiết bị TĐK với năng lợng nhận từ phía đầu cực
của MPĐ đồng bộ ( qua BU và BI ). Dùng MPĐ xoay chiều tần số cao làm
nguồn cung cấp, hệ thống kích từ có thể chế tạo đợc với công suất khá lớn và
có thể áp dụng cho các máy phát điện đồng bộ có công suất từ (100
300)MW. Hạn chế công suất trong trờng hợp này chủ yếu vẫn do tồn tại vành
trợt và chổi điện. Phơng pháp này còn có nhợc điểm là hằng số thời gian T
e
lớn
và U
fgh
nhỏ.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
12
CL
TĐK
BU
BI
Hình II-4. Hệ thống kích từ dùng MPĐ xoay chiều và chỉnh lu
C
3
C
2

C
1
F
f
C
F
F
I
F
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Để tăng công suất kích từ lên nữa ngời ta áp dụng hệ thống kích từ
không vành trợt ( hình B-5 )
Hệ thống kích từ này sử dụng một máy phát điện xoay chiều ba pha
quay cùng trục với MPĐ chính làm nguồn cung cấp cho cuộn kích từ MPĐ
đồng bộ chính. Máy phát điện xoay chiều cho kích từ có kết cấu đặc biệt:
Cuộn kích từ đặt ở stato, cuộn dây ba pha đặt ở rôto. Dòng điện xoay chiều ba
pha tạo ra từ máy từ máy kích thích đợc chỉnh lu thành dòng điện một chiều
nhờ một bộ chỉnh lu công suất lớn gắn ngay trên trục rôto của máy phát. Nhờ
vậy, cuộn dây kích từ của máy phát điện chính C
f
nhận ngay đợc dòng điện
một chiều mà không cần vành trợt và chổi điện. Để cung cấp nguồn cho cuộn
dây kích từ của máy phát kích thích (đặt ở stato ) dùng bộ chỉnh lu có điều
khiển, nguồn cung cấp cho nó có thể lấy từ một máy phát xoay chiều tần số
cao hoặc từ nguồn điện xoay chiều bất kỳ.
Tác động của TĐK đợc đặt trực tiếp vào cửa điều khiển của bộ chỉnh lu
cấp điện cho cuộn kích từ của máy phát kích, làm thay đổi dòng kích từ tơng
ứng với mục đích điều chỉnh.
Ưu điểm của phơng pháp này là nâng cao đợc công suất chế tạo của máy
phát điện vì không có chổi than và vành trợt. Hằng số thời gian kích từ T

e
khá
nhỏ khoảng ( 0,1 0,15 )giây, điện áp kích thích giới hạn U
fgh
tơng đối lớn.
Tuy nhiên nó có nhợc điểm là chế tạo phức tạp, giá thành thiết bị đắt tiền.
II.2.3 Hệ thống kích từ dùng chỉnh lu có điều khiển
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
13
CL
CLdk
TĐK
phần quay
BU
BI
Hình II-5. Hệ thống kích từ không vành trợt
F1
F
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Giảm thật nhỏ hằng số thời gian kích từ T
e
là một yêu cầu kỹ thuật quan
trọng xuất phát từ các bài toán đảm bảo độ ổn định và chất lợng điện năng.
Hằng số thời gian T
e
đợc xác định là hằng số thời gian tơng đơng của tất cả các
khâu, từ tín hiệu ra của bộ TĐK đến điện áp kích từ U
f
của máy phát đồng bộ
và thờng khá lớn do quán tính điện từ của máy phát kích thích. Vậy nếu tác

động của TĐK trực tiếp vào điện áp kích thích U
f
thì hằng số thời gian T
e
sẽ
giảm đi nhiều. Vấn đề này đã đợc giải quyết khi xuất hiện các loại chỉnh lu
điều khiển công suất lớn (sử dụng Tiristor ). Sơ đồ hệ thống kích từ trở nên
đơn giản ( hình II-6 ). Năng lợng cung cấp cho cuộn dây kích thích của MPĐ
đồng bộ có thể từ một máy phát điện xoay chiều ba pha có tần số từ ( 50
500 )Hz, hoặc từ lới điện từ dùng.
Trong mạch chỉnh lu có điều khiển, ngoài điều kiện thuận chiều của
điện áp trên chỉnh lu, còn đòi hỏi một tín hiệu ( dòng điện ) xuất hiện trên cực
điều khiển thì bộ chỉnh lu mới cho phép dẫn dòng qua. Thờng ngời ta áp dụng
chỉnh lu ba pha có điều khiển trong các hệ thống kích từ. Tốc độ điều chỉnh
của hệ thống này nhanh, có thể coi nh tác động tức thời vào điện áp kích từ.
Hằng số thời gian chỉ còn khoảng T
e
= ( 0,02 0,04 )giây.
Do u điểm của hệ thống kích từ loại này, chúng đợc áp dụng trong các
máy phát điện công suất trung bình và lớn có yêu cầu cao về chất lợng điều
chỉnh.
II.2.4 Hệ thống kích từ dùng băm áp một chiều có điều khiển.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
14
CLdk
TĐK
nguồn
cấp
tín hiệu điều
khiển

F
Hình II-6. Hệ thống kích từ dùng chỉnh lu có
điều khiển
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Sơ đồ mạch động lực băm áp một chiều.
Sơ đồ điện áp & dòng điện đối với tải cảm.
Khi ta điều chỉnh góc mở của Tiristor () và điều chỉnh thời gian chu kỳ
(T) ta điện chỉnh đợc dòng điện tảI thay đổi .dòng điện này cung cấp cho cuộn
kích từ của máy phát.
Đặc điểm:
Đây là sơ đồ mới có độ điều chỉnh của hệ thống nhanh, có thể coi nh tác
động tức thời vào điện áp kích từ. Bên cạnh đó sự đóng các van còn gặp nhiều
khó khăn, mạch điều khiển phức tạp do đó cha đợc sử dụng rộng rãi.
Chọn sơ đồ mạch động lực.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
15
T3
N
2
d
1
T
1
R2
Rd
T
2
N
1
C

U
d
I
d
t
0

1

2
T
t
d
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
III. I. Tóm tắt lý thuyết
Để cấp nguồn cho tải một chiều, chúng ta cần thiết kế các bộ chỉnh lu
với mục đích biến đổi năng lợng điện xoay chiều thành một chiều. Các loại bộ
biến đổi này có thể là chỉnh lu không điều khiển và chỉnh lu có điêu khiển. Với
mục đích giảm công suất vô công, ngời ta thờng mắc song song ngợc với tải
một chiều một diod (loại sơ đồ này đợc gọi là sơ đồ có diod ngợc). Trong các
sơ đồ chỉnh lu có diod ngợc, khi có và không có điều khiển, năng lợng đợc
truyền từ phía lới xoay chiều sang một chiều, nghĩa là các loại chỉnh lu đó chỉ
có thể làm việc ở chế độ chỉnh lu. Các bộ chỉnh lu có điều khiển, không diod
ngợc có thể trao đổi năng lợng theo cả hai chiều.
Khi năng lợng truyền từ lới xoay chiều sang tải một chiều, bộ nguồn
làm việc ở chế độ chỉnh lu, khi năng lợng truyền theo chiều ngợc lại (nghĩa là
từ phía tải một chiều về lới xoay chiều) thì bộ nguồn làm việc ở chế độ nghịch
lu trả năng lợng về lới.
Theo dạng nguồn cấp xoay chiều, chúng ta có thể chia chỉnh lu thành
một hay ba pha. Các thông số quan trọng của sơ đồ chỉnh lu là: dòng điện và

điện áp tải; dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp biến áp; số lần đập mạch
trong một chu kỳ. Dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp biến áp có thể là
một chiều, hay xoay chiều, có thể phân loại thành sơ đồ có dòng điện biến áp
một chiều hay xoay chiều. Số lần đập mạch trong một chu kỳ là quan hệ của
tần số sóng hài thấp nhất của điện áp chỉnh lu với tần số điện áp xoay chiều.
Theo hình dạng các sơ đồ chỉnh lu, với chuyển mạch tự nhiên, nguồn cấp xoay
chiều ba pha chúng ta có thể phân loại chỉnh lu thành các loại sơ đồ sau:
II-1. Chỉnh lu tia ba pha.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
16
T1
B
T2
C
T3
A
R
L
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển


Hình 2.1. Chỉnh lu tia ba pha
a. Sơ đồ động lực; b- Giản đồ đờng các cong khi góc mở

= 30
0
tải thuần trở;
c- Giản đồ các đờng cong khi

= 60

0
các đờng cong gián đoạn.
Khi biến áp có ba pha đấu sao ( ) trên mỗi pha A,B,C ta nối một van
nh hình 2.1.a, các catod đấu chung cho ta điện áp dơng của tải, còn trung tính
biến áp sẽ là điện áp âm. Ba pha điện áp A,B,C dịch pha nhau một góc là 120
0
theo các đờng cong điện áp pha, chúng ta có điện áp của một pha dơng hơn
điện áp của hai pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ ( 120
0
). Từ đó thấy
rằng, tại mỗi thời điểm chỉ có điện áp của một pha dơng hơn hai pha kia.
Nguyên tắc mở thông và điều khiển các van ở đây là khi anod của van
nào dơng hơn van đó mới đợc kích mở. Thời điểm hai điện áp của hai pha giao
nhau đợc coi là góc thông tự nhiên của các van bán dẫn. Các Tiristior chỉ đợc
mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc thông tự nhiên (nh vậy trong
chỉnh lu ba pha, góc mở nhỏ nhất = 0
0
sẽ dịch pha so với điện áp pha một
góc là 30
0
).
Theo hình 2.1.b,c tại mỗi thời điểm nào đó chỉ có một van dẫn, nh vậy
mỗi van dẫn thông trong 1/3 chu kỳ nếu điện áp tải liên tục ( đờng cong
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
17
Ud
Id
UT1
t1 t2 t3 t4
I1

I2
I3
Ud
t
Id
t1 t2 t3 t4
I1
I2
I3
t
t
t t
t
t
tt
t
b.
0
c.
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
I1,I1,I3 trên hình 2.1.b), còn nếu điện áp tải gián đoạn thì thời gian dẫn thông
của các van nhỏ hơn. Tuy nhiên trong cả hai trờng hợp dòng điện trung bình
của các van đều bằng 1/3.Id. Trong khoảng thời gian van dẫn dòng điện của
van bằng dòng điện tải, trong khoảng van khoá dòng điện van bằng 0. Điện áp
của van phải chịu bằng điện dây giữa pha có van khoá với pha có van đang
dẫn. Ví dụ trong khoảng t2 ữ t3 van T1 khoá còn T2 dẫn do đó van T1 phải
chịu một điện áp dây U
AB
, đến khoảng t3 ữ t4 các van T1, T2 khoá, còn T3 dẫn
lúc này T1 chịu điện áp dây U

AC
.
Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ
thuộc góc mở của các Tiristor. Nếu góc mở Tiristor nhỏ hơn 30
0
, các đờng
cong Ud, Id liên tục, khi góc mở lớn hơn > 30
0
điện áp và dòng điện tải gián
đoạn (đờng cong Ud, Id trên hình 2.1c).
Hình 2.2. Đờng cong điện áp tải khi góc mở


=
60
0

với a tải thuần trở, b tải điện cảm.
Khi tải điện cảm (nhất là điện cảm lớn) dòng điện, điện áp tải là các đ-
ờng cong liên tục, nhờ năng lợng dự trữ trong cuộn dây đủ lớn để duy trì dòng
điện khi điện áp đổi dấu, nh đờng cong nét đậm trên hình 2.2b (tơng tự nh vậy
là đờng cong Ud trên hình 2.1b). Trên hình 2.2 mô tả một ví dụ so sánh các đ-
ờng cong điện áp tải khi góc mở = 60
0
tải thuần trở hình 2.2 a và tải điện
cảm hình 2.2 b
Trị số điện áp trung bình của tải sẽ đợc tính nh công thức (2-1) nếu điện
áp tải liên tục, khi điện áp tải gián đoạn (điển hình khi tải thuần trở và góc mở
lớn) điện áp tải đợc tính:
Trong đó; U

do
= 1,17.U
2f
. điện áp chỉnh lu tia ba pha khi van la diod.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
18
a.
b.
t t
A B C A A B C A
)12(
3
sin1
3













+=

Udo
Ud
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
U
2f
- điện áp pha thứ cấp biến áp.
So với chỉnh lu một pha, thì chỉnh lu tia ba pha có chất lợng điện một
chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao
bé hơn, việc điều khiển các van bán dẫn trong trờng hợp này cũng tơng đối đơn
giản. Với việc dòng điện mỗi cuộn dây thứ cấp là dòng một chiều, nhờ có biến
áp ba pha ba trụ mà từ thông lõi thép biến áp là từ thông xoay chiều không đối
xứng làm cho công suất biến áp phải lớn , nếu ở đây biến áp đợc chế tạo từ ba
biến áp một pha thì công suất các biến áp còn lớn hơn nhiều. Khi chế tạo biến
áp động lực các cuộn dây thứ cấp phải đợc đấu với dây trung tính phải lớn
hơn dây pha vì theo sơ đồ hình 2.1. a thì dây trung tính chịu dòng điện tải.
II-2. Chỉnh lu tia sáu pha
Hình 2.3. Chỉnh lu tia sáu pha.
a Sơ đồ động lực; b đờng cong điện áp tải.
Sơ đồ chỉnh lu tia ba pha ở trên có chất lợng điện áp tải cha thật tốt lắm.
Khi cần chất lợng điện áp tốt hơn chúng ta sử dụng sơ đồ nhiều pha hơn. Một
trong những sơ đồ đó là chỉnh lu tia sáu pha. Sơ đồ động lực mô tả trên hình
2.3a.
Sơ đồ chỉnh lu tia sáu pha đợc cấu tạo bởi sáu van bán dẫn nối tới biến
áp ba pha với sáu cuộn dây thứ cấp, trên mỗi trụ biến áp có hai cuộn giống
nhau và ngợc pha. Điện áp các pha dịch nhau một góc là 60
0
nh mô tả trên
hình 2.3b. Dạng sóng điện áp tải ở đây là phần dơng hơn của các điện áp pha
với đập mạch bậc sáu. Với dạng sóng điện áp nh trên, ta thấy chất lợng điện áp
một chiều đợc coi là tốt nhất.

Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
19
A
*
*
R
L
*
T1
B
T2
C
T3
T4
A*
T5
B*
T6
C*
t
A
B
CA*
B*
C*
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Theo dạng sóng điện áp ra (phần nét đậm trên giản đồ hình 2.3b) chúng
ta thấy rằng mỗi van bán dẫn dẫn thông trong khoảng 1/6 chu kỳ. So với các sơ
đồ khác, thì ở chỉnh lu tia sáu pha dòng điện chạy qua van bán dẫn bé nhất. Do
đó sơ đồ chỉnh lu tia sáu pha rất có ý nghĩa khi dòng tải lớn. Trong trờng hợp

đó chúng ta chỉ cần có van nhỏ có thể chế tạo bộ nguồn với dòng tải lớn.
II-3. Chỉnh lu cầu ba pha.
Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng.
Sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng hình 2.4a có thể coi nh
hai sơ đồ chỉnh lu tia ba pha mắc ngợc chiều nhau, ba Tiristor T1,T3,T5 tạo
thành một chỉnh lu tia ba pha cho điện áp (+) tạo thành nhóm anod, còn
T2,T4,T6 là một chỉnh lu tia cho ta điện áp âm tạo thành nhóm catod, hai
chỉnh lu này ghép lại thành cầu ba pha.
Theo hoạt động của chỉnh lu 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 Tiristor 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
2.4b cần mở Tiristor T1 của pha A phía anod, chúng ta cấp xung X1, đồng thời
tại đó chúng ta cấp thêm xung X4 cho Tiristor T4 của pha B phía catod các
thời điểm tiếp theo cũng tơng tự. Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển
cũng cần tuân thủ theo đúng thứ tự pha.
Khi chúng ta cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ đợc chạy từ
pha có điện áp dơng hơn về pha có điện áp âm hơn. Ví dụ trong khoảng t1 ữ t2
pha A có điện áp dơng hơn, pha B có điện áp âm hơn, với việc mở thông T1,
T4 dòng điện dợc 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 ữ t3 nh trên hình 1.11b Tiristor
T1 nhóm anod dẫn, nhng trong nhóm catod T4 dẫn trong khoảng t1 ữ t2 còn
T6 dẫn tiếp trong khoảng t2 ữ t3.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
20
R
T1
T3

T5
L
T6
T4
T2
A B C A
X1
X2
X3
X4
X5
X6
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
Ud
Uf
I1
I3
I5
I2
I4
I6
0
UT1
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Hình 2.4. Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng.
a- sơ đồ động lực, b- giản đồ các đờng cong cơ bản,
c, d - điện áp tải khi góc mở

= 60
0

= 90
0
Điện áp ngợc các van phải chịu ở chỉnh lu 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 (đờng
cong cuối cùng của hình 1.11b) trong khoảng t1 ữ t3 van T1 dẫn điện áp bằng
0, trong khoảng t3 ữ t5 van T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp ngợc U
BA
, đến
khoảng t5 ữ t7 van T5 dẫn T1 sẽ chịu điện áp ngợc U
CA
.
Khi điện áp tải liên tục, nh đờng cong Ud trên hình 2.4b trị số điện áp tải
đợc tính theo công thức (2.1).
Khi góc mở các Tiristor lớn lên tới góc > 60
0
và thành phần điện cảm
của tải quá nhỏ, điện áp tải sẽ bị gián đoạn nh các đờng nét đậm trên hình
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
21
Ud
Uf
A B C A
Ud
Uf
A B C A
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
2.4.d (khi góc mở các Tiristor =90
0

với tải thuần trở). Trong các trờng 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 đờng nét mảnh trên giản đồ Ud của
các hình vẽ 2.4b, c, d), cho tới khi điện áp dây đổi dấu, các van bán dẫn sẽ có
phân cực ngợc nên chúng tự khoá.
Sự phức tạp của chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng nh 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. Để đơn giản hơn ngời ta có thể sử dụng
điều khiển không đối xứng.
II-4.Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển không đối xứng
Loại chỉnh lu này đợc cấu tạo từ một nhóm (anod hoặc catod) điều
khiển và một nhóm không điều khiển nh mô tả trên hình 2.5a. Trên hình 2.5b
mô tả giản đồ nguyên lý tạo điện áp chỉnh lu (đờng cong trên cùng), sóng điện
áp tải Ud (đờng cong nét đậm thứ hai trên hình 2.5b), khoảng dẫn các van bán
dẫn T1,T2,T3,D1,D2,D3. Các Tiristor đợc dẫn thông từ thời điểm có xung mở
cho đến khi mở Tiristor của pha kế tiếp. Ví dụ T1 mở thông từ t1 (thời điểm
phát xung mở T1) tới t3 (thời điểm phát xung mở T2). Trong trờng hợp điện áp
tải gián đoạn Tiristor đợc dẫn từ thời điểm có xung mở cho đến khi điện áp dây
đổi dấu. Các diod tự động dẫn thông khi điện áp đặt lên chúng thuận chiều.
Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển không đối xứng có dòng điện và điện áp
tải liên tục khi góc mở các van bán dẫn nhỏ hơn 60
0
, khi góc mở tăng lên và
thành phần điện cảm của tải nhỏ, dòng điện và điện áp sẽ gián đoạn.
Theo dạng sóng điện áp tải ở trên trị số điện áp trung bình trên tải bằng
0 khi góc mở đạt tới 180
0
. Ngời ta có thể coi điện áp trung bình trên tải là kết
quả của tổng hai điện áp chỉnh lu tia ba pha
Việc kích mở các van điều khiển trong chỉnh lu cầu ba pha có điều

khiển dễ dàng hơn, nhng các điều hoà bậc cao của tải và của nguồn lớn hơn.
So với chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng, thì trong sơ đồ này việc
điều khiển các van bán dẫn đợc thực hiện đơn giản hơn. Ta có thể coi mạch
điều khiển của bộ chỉnh lu này nh điều khiển một chỉnh lu tia ba pha.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
22
D1
D2
D3
T1
T2
T3
LR
A B C A
X1
X2
X3
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
Ud
Uf
T1
T2
T3
D1
D2
D3
0
( ) ( )
)24(cos1(max)
2

3
cos1(max)
2
33
+=+=




UdayUfUtb
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Hình 2.5. Chỉnh lu cầu
ba pha điều khiển
không đối xứng
a- sơ đồ động lực,
b- giản đồ các đờng
cong
Chỉnh lu cầu ba pha hiện nay là sơ đồ có chất lợng điện áp tốt nhất, hiệu
suất sử dụng biến áp tốt nhất. Tuy vậy đây cũng là sơ đồ phức tạp nhất.
Cấp biến áp có thể đấu tam giác (). Với sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha điều
khiển không đối xứng, thì mạch điều khiển đơn giản hơn, nên trong đa số các
trờng hợp ngời ta hay chọn phơng án cầu ba pha điều khiẻn không đối xứng.
Sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng đợc dùng nhiều trong các trờng
hợp tải có yêu cầu về việc hoàn trả năng lợng về lới
Do công suất tải nhỏ, yêu cầu chất lợng dòng điiện, nguồn cấp ba pha,
để đơn giản trong vận hành cũng nh sửa chữa ta chon sơ đồ chỉnh lu tia ba pha
cho tảI là kích từ máy phát này.
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
23
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển

tính chọn các thông số của mạch động lực.
I. Tính chọn van động lực
Các van động lực đợc lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là:
dòng tải I
d
= 30(A) , sơ đồ chỉnh lu tia ba pha, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm
việc U
d
= 100(V).
Các thông số cơ bản của van động lực đợc tính nh sau:
Điện áp ngợc của van đợc tính:
U
lv
= k
nv
. U
2
với U
2
= U
d
/k
u


).(,
,
. V
k
U

kU
U
d
nvlv
4209
171
100
6 ===

Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
24
Thiết bị điện-điện tử Đồ án cthiết bị điều khiển
Trong đó: U
d
, U
2
, U
lv
- điện áp tải, nguồn xoay chiều, ngợc của van;
k
nv
= 2,45: hệ số điện áp ngợc.
k
u
= 1,17: hệ số điện áp tải.
Để có thể chọn van theo điện áp hợp lý, thì điện áp ngợc của van cần
chọn phải lớn hơn điện áp làm việc, qua một hệ số dự trữ k
dtU
U
nv

= k
dtU
.U
lv
.
U
nv
= 1,8.209,4 = 377(V)
k
dtU
: đợc chọn bằng 1,8.
Dòng điện làm việc của van đợc chọn theo dòng điện hiệu dụng của sơ
đồ đã chọn (I
lv
= I
hd
). Dòng điện hiệu dụng đợc tính:
I
hd
= k
hd
. I
d

I
hd
= 0,577.30 = 17,32(A).
Trong đó: I
hd
, I

d
- Dòng điện hiệu dụng của van và dòng điện tải;
k
hd
= 0,577- Hệ số xác định dòng điện hiệu dụng.
Để van bán dẫn có thể làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt
chúng ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý. Theo điều kiện toả
nhiệt đã đợc chọn tiến hành tính thông số dòng điện định mức của van cần có.
Do tổn hao trên van P >20W đợc chọn dòng điện làm việc tới 40% I
đmv
,
khi có cánh toả nhiệt với đủ diện tích bề mặt cho phép van làm việc tới
40%I
đmv
(I
đmv
> 2,5.I
lv
),
I
đmv
= k
i
. I
lv
= 2,5 . 17,32 = 43,3 A
Để có thể chọn đợc van cho làm việc với các thông số định mức cơ bản
trên, chúng ta tra bảng thông số các van ( diod, tiristor) chọn các van có thông
số điện áp ngợc (U
nv

), dòng điện định mức(I
đmv
) lớn hơn gần nhất với thông số
đã tính đợc ở trên.
Theo cách đó ở đây chúng ta có chọn thông số van:
Tiristor loại S4050J có các thông số định mức:
Vũ công Lợng TBĐ-ĐT 1_K42
25