thiết kế mạch tự động cấp kích từ cho động cơ đồng bộ

Đồ án điện tử công suất
Lời mở đầu
Trong những năm gần đây, nhờ sự phát triển của khoa học, kỹ thuật, rất nhiều loại máy
móc thiết bị mới ra đời, phục vụ trong công nghiệp và sinh hoạt. Tuy nhiên, có những máy mà
cha thể thay thế hoàn toàn, chẳng hạn nh động cơ đồng bộ. Mặc dù động cơ đồng bộ có cấu
tạo phức tạp, mở máy rất khó khăn nhng lại có những đặc tính quí giá nh nh hệ số công suất
cos rất cao, không cần lấy công suất phản kháng từ lới và khả năng tải lớn hơn do momen chỉ
tỉ lệ bậc nhất với điện áp. Vì vậy ngời ta thờng cố gắng khắc phục những nhợc điểm của động
cơ đồng bộ. Trong đó việc tìm ra phơng pháp khởi động động cơ một cách hiệu quả nhất đợc
quan tâm thờng là khởi động theo phơng pháp không đồng bộ.
Trên cơ sở đó bản đồ án này có nhiệm vụ thiết kế mạch tự động cấp kích từ cho động cơ
đồng bộ. Mạch đảm bảo quá trình khời động cho động cơ theo chế độ khởi động không đồng
bộ. Trong quá trình làm việc phải cho phép chế độ quá kích thích trong thời gian đến vài chục
giây và điều chỉnh đợc.
Các số liệu:
Điện áp kích từ định mức: 75V DC.
Công suất kích từ định mức: 24KV.
Điện áp kích từ cực đại (quá kích từ): 130 V.
Điện trở khởi động: 0,8.
Điện áp lới điện: 3. 380V.
Trong quá trình hoàn thành bản đồ án này, do còn hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm,
nên không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót. Em rất mong đợc sự nhận xét, chỉ bảo của các thầy
cô trong bộ môn qua đó, em có kiến thức sâu hơn về mạch tự động cấp kích từ cho động cơ
đồng bộ.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Quốc Hải và các thầy cô trong bộ môn đã nhiệt
tình giúp đỡ và động viên em hoàn thành bản đồ án này.
Sinh Viên:
Vũ Thị Bích
Chơng 1:
tìm hiểu công nghệ và yêu cầu kĩ thuật của thiết bị
I. Động cơ đồng bộ

1. Khái niệm chung:
Máy đồng bộ là máy điện xoay chiều có hai dây quấn, một dây quấn nối với lới điện có
tần số W1, không đổi còn dây quấn thứ hai đợc kích thích bằng dòng một chiều(W2=0)
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
1
Đồ án điện tử công suất
Động cơ đồng bộ đợc sử dụng khá rộng rãi trong những công suất trung bình và lớn, có yêu
cầu ổn định tốc độ cao. Động cơ đồng bộ thờng dùng cho máy bơm ,quạt gió, các hệ truyền
động của các nhà máy luyện kim và cũng thờng đợc sử dụng làm động cơ sơ cấp trong các tổ
máy phát - động cơ công suất lớn.
Ưu điểm: có độ ổn định tốc độ cao, hệ số cos và hiệu suất lớn, vận hành có độ tin cậy
cao.
Sơ đồ nguyên lý:

Mạch stato của nó tơng tự nh động cơ không đồng bộ, mạch roto có cuộn kích từ để sinh
ra từ trờng trong máy và các cuộn dây khởi động( kiểu lồng sóc và dây quấn)
2. Nguyên lý làm việc:
Tác dụng của từ trờng do dòng kích từ gây ra lên từ trờng quay của stato tạo nên momen
và momen quay với tốc độ đồng bộ xác định bởi biểu thức:
N
DB
=f: p (vòng/phút)
Tốc độ góc đồng bộ là: W
DB
= 2f (rad/s)
Trong đó f: tần số(Hz)
p: Số đôi cực
Từ trờng quay trong khe hở không khí kéo theo roto quay với tốc độ đồng bộ.
Xem xét đơn giản các đặc tính của động cơ đồng bộ: nếu bỏ qua điện trở dây quấn stato
và điện kháng tản, biểu thức của từ trờng trong khe hở không khí luôn liên hệ với điện áp đặt

vào stato, biên độ của từ trờng này là không đổi. Xét thời điểm pha A cực đại, từ thông trong
dây quấn stato là đối xứng ở lân cận dây quấn pha A.
Trong trờng hợp hệ số công suất của dòng điện stato =1, momen của tải làm cho roto
chậm sau so với từ thông stato.Vì lý do đờng sức khép kín, các dòng điện stato tạo nên sức từ
động tổng.
Nếu dòng kích từ tăng đột ngột, biên độ của từ thông tăng tức thời , momen tăng làm
cho roto tăng tốc về phía trớc cho đến khi đạt tới cân bằng ở góc lệch rất nhỏ .Vì từ thông tổng
không đổi, tăng sức từ động làm phần cảm đợc bù băng dòng điện stato (do đó dòng điện vợt
trớc) sao cho sự phân bố của sức từ động stato trong một đờng sức khép kín ngợc với sự thay
đổi của kích từ. Kết quả rõ ràng là khi tăng kích từ sẽ làm giảm góc lệch của cực từ và hệ số
công suất của dòng stato sẽ vợt trớc dòng điện lới.
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
2
-
+
~
U
Đồ án điện tử công suất
Giảm dòng kích từ tạo ra hiệu quả ngợc lại. Góc lệch cực từ tăng lên và hệ số công suất
của dòng stato chậm sau điện áp lới.
3.Đặc tính cơ của động cơ đồng bộ:

Khi đóng stato động cơ đồng bộ vào lới điện xoay chiều có tần số f1 không đổi, động cơ
sẽ làm việc với tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ :
W1 = 2f1/p.
Trong phạm vi momen cho phép M M
max
, đặc tính cơ là tuyệt đối cứng, nghĩa là độ
cứng đặc tính cơ = vô cùng. Khi momen vợt quá trị số M
max

thì tốc độ động cơ sẽ mất đồng
bộ.
4. Mở máy động cơ đồng bộ:
Quá trình khởi động của động cơ đồng bộ gồm 2 giai đoạn:
* Giai đoạn 1:
Stato của động cơ đợc đấu vào nguồn điện xoay chiều còn cuộn kích từ đóng kín qua
điện trở hạn chế R
hc
để cuộn kích từ khỏi bị quá áp do sức điện động cảm ứng sinh ra trong nó
(R
hc
= (8 - 10)R
kt
). Trong giai đoạn này động cơ đồng bộ đợc khởi động nh một động cơ
không đồng bộ.
Khi mở máy không đồng bộ, động cơ đồng bộ lấy đà đến tốc độ gần đồng bộ nhờ
momen không đồng bộ M
KD
của bản thân xuất hiện khi đóng mạch dây quấn phần ứng vào l-
ới. Sau khi đợc nối vào lới có điện áp là U
L
và tần số lới f
l
, dòng điện trong dây quấn phần ứng
tạo nên từ trờng quay với tốc độ
DB
. Khi có sự xê dịch giữa từ trờng quay so với roto với tốc
độ
DB
- = s

DB
thì trong dây quấn kích thích nối kín mạch qua R
HC
và trong dây quấn
cảm kiểu dây quấn ngắn mạch có bớc không đều sẽ có dòng điện cảm ứng, tần số là sf
L
(:
tốc độ góc của roto, s: hệ số trợt ).
Do tơng tác của dòng điện cảm ứng trong các mạch vòng bị nối tắt của roto với từ trờng
quay có momen điện từ không đồng bộ M
KD
nh trong động cơ không đồng bộ đợc hình thành
chủ yếu do các dòng điện cảm ứng trong dây cuốn cản. Vì vậy các tham số dây cuốn cản
(điện trở, điện kháng) thuộc vào số lợng, kích thớc và vật liệu các thanh dẫn đợc chọn xuất
phát từ các điều kiện mở máy sao cho đảm bảo đầy đủ momen không đồng bộ trong tất cả các
giai đoạn khởi động. Do đó dây cuốn cản dùng cho khởi động không đồng bộ còn gọi là dây
cuốn mở máy.
Quan hệ giữa momen không đồng bộ của động cơ đồng bộ với hệ số trợt M=f(s):
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
3
0
M
max
M
W1
W
M
kd
M
kdmax

M
s=0,05
M
kd
=0
R
tt
0
R
tt
= 0
M
m
0
s
0
0,05
s
max
0,5 1
s
Đồ án điện tử công suất
Khi bắt đầu quay, lúc đó hệ số trợt s = 1, momen mở máy bắt đầu M
mm
tác dụng lên roto
và ở hệ số trợt s
max
thì xuất hiện momen cực đại M
max
. Momen không đồng bộ tỉ lệ với bình

phơng điện áp lới M
kd
U
2
. Do đó nhất thiết phải nói là các trị số đặc tính của nó M,
M
max
đợc xác định ở điện áp nào. Thông thờng các momen đặc trng không đồng bộ đợc biểu
thị theo tỉ số momen định mức của động cơ ở chế độ đồng bộ: M
mm,
/ M
đm
, M
max
/M
đm.
Ta thấy trong việc hình thành momen không đồng bộ , ngoài sự tham gia của dây cuốn
cản còn có dây cuốn kích thích vốn là dây cuốn 1 pha. Dòng điện cảm ứng trong dây quấn
kích thích tạo ra từ trờng đập mạch hớng theo dọc trục, khác với từ trờng quay sinh ra do dòng
điện nhiều pha trong dây quấn cản. Do đó trong đờng cong momen không đồng bộ xuất hiện
chỗ lõm ở khu vực s = 0.5 có thể làm cho việc mở máy động cơ bị xấu đi. Cũng phải nhấn
mạnh là khi mở máy , dây quấn kích từ nhất thiết phải nối với máy kích thích hoặc điện trở
triệt từ vì trong dây quấn kích từ để hở mạch sẽ xuất hiện điện áp đáng kể chọc thủng cách
điện và làm hỏng máy.
* Giai đoạn 2:
Cuối giai đoạn thứ nhất: khi tốc độ đạt 95% -98% tốc độ đồng bộ. Lúc này ta đa dòng
kích từ vào roto để tạo ra momen đa tốc độ động cơ lên đồng bộ.
Giai đoạn này rất quan trọng vì nếu không đa động cơ lên tốc độ đồng bộ thì động cơ sẽ làm
việc ở trạng thái không đồng bộ và cuộn khởi động sẽ bị phát nóng quá mức, có thể bị cháy.
5. Vào/ ra đồng bộ:

Sau khi mở máy và đợc kéo vào đồng bộ , ở chế độ xác lập dòng điện trong dây quấn đó
không tồn tại.
Tuy nhiên, bất kì quá trình quá độ nào liên quan đến sự thay đổi điện áp dòng kích từ
hoặc momen ngoài thì từ thông móc vòng với dây cuốn cản thay đổi và trong dây cuốn đó xuất
hiện dòng điện cảm ứng làm quá trình quá độ tiến hành thuận lợi hơn. Điều này làm cho máy
đồng bộ hàng loạt các loại đặc tính quí giá mà quan trọng nhất là khả năng làm việc ở những
chế độ đồng bộ mà ở cả chế độ không đồng bộ trong trờng hợp mất đồng bộ. Cũng có khả
năng là momen không đồng bộ xuất hiện trong khoảnh khắc tốc độ góc roto lệch khỏi đồng
bộ, khi đó việc xuất hiện momen không đồng bộ tạo thuận lợi làm chuyển dễ dàng hơn sang
chế độ mới, khôi phục lại tốc độ đồng bộ của roto.
Điện áp lới sụt thấp, dòng kích từ momen giảm hoặc momen ngoài tăng đột ngột có thể
là nguyên nhân mất đồng bộ.
Sự mất đồng bộ sẽ xảy ra khi momen ngoài vợt momen đồng bộ cực đại M
dbmax
. Sau đó
mất đồng bộ dới tác dụng của momen ngoài, tốc độ góc quay của rôto trở lên lớn hơn đồng bộ
nếu trớc đó máy làm việc nh máy phát và nhỏ hơn đồng bộ nếu máy làm việc nh động cơ.
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
4
Đồ án điện tử công suất
Khi tốc độ roto càng sai khác tốc độ từ trờng thì hệ số trợt tăng, momen điện từ không
đồng bộ tăng dần và ở một hệ số trợt s nào đó, momen ngoài có thể cân bằng momen điện từ
không đồng bộ.
Khả năng làm việc của máy đồng bộ ở chế độ không đồng bộ sau khi mất đồng bộ đợc
xác định do đặc tính của momen không đồng bộ của máy.
Hệ số trợt xác lập chế độ không đồng bộ.

2
2
cos

L
dm
kd
N
U
R
M
M
s

==
Hệ số trợt này rất bé , trong các máy lớn bằng vài phần nghìn. Do đó sau khi mất đồng
bộ trong nhiều trờng hợp máy chuyển sang chế độ không đồng bộ. Thời gian kéo dài cho phép
của chế độ không đồng bộ thuộc tổn hao sinh ra trong các mạch bị nối tắt ở roto.
P
cu 2
= s. P
dt
s. P
Nó phải đợc đánh giá từ trớc bằng tính toán nhiệt thông thờng có thể làm việc dài hạn ở
chế độ không đồng bộ khi hạ thấp công suất chút ít . Vì ở chế độ không đồng bộ , máy không
phát công suất phản kháng vào hệ thống nên sau khi loại trừ sự cố dẫn đến mất đồng bộ phải
đa máy trở lại chế độ đồng bộ. Quá trình đa từ chế độ không đồng bộ về chế độ đồng bộ gọi là
tái đồng bộ .
Quá trình tái đồng bộ tơng tự nh đồng bộ. Nếu hệ số trợt ở chế độ không đồng bộ nhỏ
hơn nhiều so với hệ số trợt vào đồng bộ s
o
, ở đó có thể kéo vào đồng bộ thì có thể thực hiện
tái đồng bộ mà không cần phải tác động gì. Nếu ở chế độ không đồng bộ, hệ số trợt s lớn hơn
s

0
thì phải điều chỉnh dòng kích từ: tăng dòng kích từ để có thể kéo vào động bộ.
II. Yêu cầu công nghệ và yêu cầu kỹ thuật.
Mạch tự động cấp kích từ cho động cơ không đồng bộ, đảm bảo quá trình khởi động cho
động cơ theo chế độ không đồng bộ. Trong quá trình làm việc phải cho phép chế độ quá kích
thích trọng thời gian đến vài trục giây và điều chỉnh đợc.
Ta biết rằng khởi động động cơ đồng bộ là quá trình đa động cơ vào làm việc bắt đầu đặt
điện áp xoay chiều 3 pha vào dây quấn stato, trong máy có từ trờng quay quay với tốc độ đồng
bộ n
1
=
p
f60
, cho đến khi ta đa kích từ một chiều vào dây quấn roto thì roto trở thành một
nam châm điện. Tác dụng tơng hỗ giữa từ trờng quay và từ trờng của roto sẽ sinh ra mômen
điện từ làm cho roto quay cùng chiều quay với từ trờng với tốc độ n = n
1
. Tuy nhiên để thực
hiện đợc nh vậy là không dễ dàng, đặc biệt là với động cơ đồng bộ có công suất lớn. Vì vậy th-
ờng sử dụng phơng pháp không đồng bộ gồm 2 giai đoạn để khởi động cho động cơ đồng bộ
(nh đã nói ở chơng 1) và mạch thiết kế cần phải đảm bảo đợc yêu cầu này.
Nhng không phải lúc nào động cơ cũng vào đợc tốc độ đồng b. Khi phát hiện hệ có nguy
cơ mất đồng bộ thì tự động cấp quá kích thích để tăng dòng kích từ để giữ đồng bộ song chỉ
nên duy trì một thời gian. Sau khoảng thời gian này mà vẫn không thể vào đợc đồng bộ thì
ngắt hệ ra khỏi nguồn và thực hiện lại quá trình khởi động.
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
5
Đồ án điện tử công suất
Thực tế cho thấy là động cơ làm việc đồng bộ rồi mà vẫn có thể mất đồng bộ do các
nguyên nhân nh điện áp lới sụt thấp, dòng kích từ giảm hoặc momen cảm tăng đột ngột. Có

thể phát hiện ra bằng cách so sánh tốc độ của roto với tốc độ của từ trờng (nhờ phản hồi âm
tốc độ) tức là trong mạch có sử dụng một máy phát tốc. Sau đó lại tự động thực hiện quá trình
cấp quá kích từ nh trên.
Chơng 2:
Lựa chọn các phơng án
I. Hệ kích từ máy đồng
1. Dùng máy kích thích một chiều.
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
6
Đồ án điện tử công suất
Máy kích thích một chiều FK
t
, FK đợc kéo một động cơ sơ cấp (có thể dùng động cơ
không đồng bồ roto lồng sóc). Có cuộn dây kích từ L
FK
nối song song. Biến trở R để thay đổi
từ thông của FK nhằm thay đổi điện áp phát ra của FK.
Nh vậy sức điện động cảm ứng sinh ra trong dây quấn cảm ứng phụ thuộc dòng kích th-
ớc i
t
và tốc độ quay của máy theo biểu thức:
a. R.i
t
+ L
FK
.
E
dt
di
t

=

Khi dòng điện đạt đến trị số xác lập i
t
= I
t
thì
0=
dt
di
t
và điện áp ngợc đợc tạo ra ở đầu
máy là a. R. I
t
= E. Do đó điện áp xác lập của FK phụ thuộc vào biến trở R.
Nhận thấy trên đờng đặt tính khi R tăng thì điện áp phát ra sẽ giảm vì vậy muốn thay đổi
dòng kích từ qua dây quấn kích từ của động cơ thì phải thay điện trở kích từ của dây quấn kích
từ và thay đổi tốc độ của động cơ sơ cấp. Việc điều chỉnh R là rất khó khăn và độ chính xác
không cao hơn nữa việc thay đổi tốc độ động cơ sơ cấp không dễ và phạm vi điều chỉnh hẹp.
Vì vậy dùng máy kích từ một chiều để cấp kích từ cho động cơ đồng bộ có công suất lớn là
không kinh tế và rất khó khăn trong việc khởi động và giữ đồng bộ động cơ với lới.
2. Hệ kích từ dùng máy kích từ xoay chiều kết hợp với bộ chỉnh lu:
Có 2 phơng án:
a. Máy kích từ có phần cảm quay, phần ứng tĩnh
b. Máy kích từ xoay chiều có phần cảm tĩnh, phần ứng quay
Theo phơng pháp này, phần tĩnh và phần quay đợc trình bày tách biệt bằng đờng phân
ranh giới thẳng đứng. Muốn dòng điện đi qua đờng phân ranh giới đó cần phải có vành trợt và
chổi điện. Rõ ràng là phơng án (b) không đòi hỏi vành trợt và chổi điện. Ưu điểm này rất quan
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
7

E
d
a
3
R > a
2
R >a
1
R
Đồ án điện tử công suất
trọng đối với những máy đồng bộ công suất lớn cần dòng kích từ mạch (khoảng 3000A cho
máy phát đồng bộ 600KW). Tuy nhiên giải pháp này kéo theo những khó khăn về chế tạo
phần ứng quay (so với chế tạo phần cảm quay), hơn nữa các điot chỉnh lu phải chịu các lực ly
tâm lớn và phải đợc đặt sao cho roto đảm bảo cân bằng động. Máy kích từ xoay chiều đợc nối
trục với máy phát đồng bộ. Dòng điện phần ứng của máy kích từ điều chỉnh trực tiếp dòng
kích từ I
t
. Dùng tiristo chỉnh lu sẽ làm tăng nhanh đáp ứng điều khiển, nhng đối với phơng án
(b) khó khăn gặp phải là vấn đề truyền tín hiệu điều khiển vào tiristo quay.
3. Hệ tự kích thích:
Trong trờng hợp này điện áp và dòng kích từ tỷ lệ với tổng vectơ các điện áp U
t
và U
i
của
các máy biến áp TU và máy biến dòng TI.
II. Sơ đồ chỉnh l u
Để cung cấp nguồn 1 chiều cho cuộn kích từ của động cơ đồng bộ, ta phải sử dụng một
mạch chỉnh lu để biến đổi năng lợng dòng điện xoay chiều có sẵn thành năng lợng dòng điện
1 chiều. Thực tế có rất nhiều phơng án có thể sử dụng đợc, tuy nhiên để có một mạch chỉnh lu

phù hợp với yêu cầu thiết kế ta cần xét một cách tổng quan về các sơ đồ chỉnh lu. Các bộ
chỉnh lu điốt không thể làm thay đổi điện áp ra nên ta chỉ xét các mạch chỉnh lu điều khiển
1. Chỉnh lu một pha:
Chỉnh lu một pha thờng đợc chọn khi nguồn cấp là lới điện một pha, hoặc công suất
không quá lớn so với công suất lới (làm mất đối xứng điện áp lới) và tải không có yêu cầu quá
cao về chất lợng điện áp một chiều. Trong chỉnh lu một pha nếu tải có dòng địên lớn và điện
áp thấp, thì sơ đồ một pha chỉnh lu cả chu kỳ với biến áp có trung tính có u điểm hơn, bởi vì
trong sơ đồ này tổn hao trên van bán dẫn ít hơn, nên công suất tổn hao trên van so với công
suất tải nhỏ hơn, điện áp ngợc của van lớn (nếu điện áp cao mà chọn sơ đồ này có thể không
chọn đợc van bán dẫn). Nếu tải có điện áp cao và dòng điện nhỏ thì việc chọn sơ đồ cầu chỉnh
lu một pha hợp lý hơn do hệ số điện áp ngợc của van trong sơ đồ cầu nhỏ hơn do đó dễ chọn
van.
Chỉnh lu một pha cho ta điện áp với chất lợng cha cao, biên độ đập mạch điện áp quá
lớn, thành phần hài bậc cao lớn: điều này không đáp ứng đợc cho nhiều loại tải.
Do nguồn cấp là lới 3 pha công nghiệp nên việc sử dụng chỉnh lu một pha có nhiều hạn
chế, mặt khác do yêu cầu về chỉnh lu và giá trị điện áp, dòng điện lớn nên ta không nên dùng
chỉnh lu một pha. Yêu cầu cao về chất lợng điện áp một chiều cung cấp cho cuộn kích từ để
đảm bảo tốc độ đồng bộ cho động cơ đồng bộ cần thực hiện với mạch chỉnh lu nhiều pha hơn.
2. Chỉnh lu 3 pha:
a. Chỉnh lu tia 3 pha:
Chỉnh lu tia 3 pha không cho phép đấu thẳng vào lới điện nh vậy phải sử dụng máy biến
áp có công suất lớn hơn công suất phía một chiều 1,35 lần. Bộ chỉnh lu này chỉ sử dụng 3
Thyristor đấu katôt chung vì vậy việc điều khiển chúng là dễ dàng. Tuy nhiên do công suất
phía một chiều đòi hỏi lớn lên khi sử dụng bộ chỉnh lu này sẽ làm mất đối xứng giữa tải và
nguồn. Vì vậy, chỉnh lu tia 3 pha thờng đợc chọn khi công suất tải không quá lớn so với biến
áp nguồn cấp (để tránh gây mất đối xứng cho nguồn lới), và khi tải có yêu cầu không quá cao
về chất lợng điện áp một chiều. Sử dụng mạch chỉnh lu này luôn cần có biến áp nguồn để có
điểm trung tính ra tải; và do sụt áp trong mạch van nhỏ nên thích hợp với phạm vi điện áp làm
việc thấp. Vì sử dụng nguồn 3 pha nên cho phép nâng công suất tải lên nhiều (đến vài trăm
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46

8
Đồ án điện tử công suất
ampe), mặt khác độ đập mạch của điện áp ra sau mạch chỉnh lu giảm đáng kể nên kích thớc
bộ lọc cũng nhỏ đi nhiều.
b. Chỉnh lu cầu 3 pha:
Đây là loại đợc sử dụng nhiều nhất trong thực tế vì có nhiều u điểm hơn cả. Nó cho phép
đấu thẳng vào lới điện 3 pha, độ đập mạch rất nhỏ (5%), nếu có dùng biến áp thì gây méo lới
điện ít hơn các loại trên, đồng thời công suất máy biến áp cũng chỉ xấp xỉ công suất tải. Công
suất mạch chỉnh lu này có thể rất lớn, đến hàng trăm kw.
Chỉnh lu cầu 3 pha sẽ đợc chọn khi cần chất lợng điện áp ra một chiều tốt vì đây là sơ đồ
có chất lợng điện áp ra tốt nhất trong các sơ đồ chỉnh lu thờng gặp. Để giảm tiết diện dây quấn
thứ cấp biến áp thì các cuộn dây thứ cấp biến áp có thể đấu tam giác.
Nhợc điểm của chỉnh lu cầu 3 pha là sụt áp trong mạch van gấp đôi sơ đồ hình tia nên
cũng không phù hợp với cấp điện áp ra tải dới 10 V.
Kết luận:
Từ thực tế của yêu cầu thiết kế với yêu cầu về chất lợng điện áp một chiều tốt để có thể
cung cấp cho cuộn kích từ của động cơ đồng bộ, đảm bảo cho việc tạo ra tốc độ đồng bộ theo
yêu cầu và đợc duy trì lâu dài, với số liệu đã cho về giá trị điện áp, dòng điện, công suất kích
từ, ta nhận thấy việc sử dụng mạch chỉnh lu dùng sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng là hợp
lý hơn cả.
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
9
Đồ án điện tử công suất
Chơng 3:
sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế.
I. Sơ đồ nguyên lý mạch lực:
1. Sơ đồ
2. Nguyên lý hoạt động.
Thông thờng chỉnh lu cầu 3 pha không cần có máy biến áp lực. Tuy nhiên do yêu cầu
điện áp phía một chiều là 75V cho nên cần phải có máy biến áo để giảm điện áp lới đặt vào bộ

chỉnh lu.
Mạch lực bao gồm các phần tử sau:
Bộ chỉnh lu cầu 3 pha gồm 6 Thyristor. Các van nhóm lẻ T
1
, T
3
, T
5
đấu KC, các van
nhóm chẵn T
2
,T
4
, T
6
đấu AC.
Các van mở khi nó đã thỏa mãn đợc điều kiện mở: với van chẵn thì phải có
A
âm nhất,
với van lẻ dơng nhất và phải có xung điều khiển mở. Các van tự khóa nhờ đặt điện áp ngợc khi
có van khác dẫn.
Trên mạch có tiếp điểm của 2 côngtăctơ CTT1 và CTT2 trong đó có 2 tiếp điểm thờng
đóng và 2 tiếp điểm thờng mở. Các tiếp điểm này đóng mở để đảm bảo yêu cầu đóng mở trong
quá trình khởi động và đảm bảo kích từ. Điện trở R
T
là điện trở triệt từ có tác dụng tiêu tán
năng lợng cảm ứng của dây quấn kích từ phía stato để tránh làm hỏng dây quấn kích thích.
Dây quấn kích thích là phần cố định đợc đặt trong roto của động cơ. Khi có dòng điện kích từ
một chiều chạy qua dây quấn kích thích sẽ tạo ra momen đồng bộ để kéo roto vào đồng bộ.
Để khởi động động cơ đồng bộ theo phơng pháp khởi động không đồng bộ, ban đầu

đóng điện lới cấp cho stato. Nhờ có dây quấn khởi động đặt trong roto nên nó sẽ tạo ra momen
không đồng bộ làm cho roto quay. Do dây quấn kích từ đợc đặt ở roto nên khi cấp điện cho
stato thì thì trờng quay của stato quét nó với tốc độ đồng bộ sẽ tạo ra điện áp cao trên nó. Tuy
nhiên, nhờ tiếp điểm thờng đóng trong suốt quá trình này nên giây quấn kích từ đợc nối ngắn
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
10
Đồ án điện tử công suất
mạch qua RT. Vì vậy năng lợng đợc tiêu tán qua RT để bảo vệ giây quấn kích từ (RT là điện
trở khởi động, có thể cho dòng rất lớn đi qua trong thời gian ngắn). ở giai đoạn này thì bộ
chỉnh lu vẫn hoạt động nhng cấp cho tải do tiếp điểm thờng hở làm hở mạch vì vậy dòng kích
từ qua dây quấn kích từ i
t
= 0.
Khi động cơ đạt đợc tốc độ gần bằng tốc độ đồng bộ thì côngtăctơ sẽ tác động. Lúc này
tiếp điểm thờng đóng, mở ra ngắt R
t
ra khỏi mạch con tiếp điểm thờng hở đóng lại nhờ vậy bộ
chỉnh lu sẽ cấp nguồn một chiều cho dây quấn kích từ vì vậy sẽ xuất hiện một momen đồng bộ
tác dụng tơng hỗ với momen không đồng bộ, tăng tốc cho đồng bộ để kéo roto đồng bộ vào
đồng bộ.
Vì một lý do nào đó mà động cơ cha thể vào đồng bộ mặc dù tốc độ vẫn cho phép vào
đồng bộ (côngtăctơ 2 vẫn đóng, côngtăctơ 4 vẫn mở thì mạch điều khiển sẽ giảm góc mở
của Thyristor để dòng điện áp ra của chỉnh lu). Nhờ đó tăng dòng kích từ qua dây quấn kích từ
vì vậy sẽ tăng momen đồng bộ và kéo roto vào tốc độ đồng bộ.
Nếu động cơ cha vào đợc đồng bộ và tốc độ không cho phép vào đồng bộ nữa thì
côngtăctơ 3 mở ra, côngtăctơ 4 đóng lại. Lúc đó i
t
= 0 và dây quấn kích từ lại đợc nối với R
t
.

Vì vậy muốn động cơ vào đồng bộ thì phải tìm hiểu nguyên nhân và cố gắng khắc phục để
động cơ đạt đợc tốc độ vào đồng bộ.
Nhận thấy mặc dù vẫn có điện áp phía một chiều xong đến khi động cơ đạt đợc tốc độ
vào đồng bộ thì mới xuất hiện dòng kích từ i
t
qua dây quấn kích từ. Khi phát hiện ra tốc độ
đồng bộ đạt đợc tốc độ vào đồng bộ thì côngtăctơ 2 sẽ tác động nhờ điện áp tác động V
hctt
=
f(n).
II. Sơ đồ mạch điều khiển.
1. Sơ đồ
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
11
Đồ án điện tử công suất
2. Nguyên lí
Do sử dụng 6 Thyristor trong mạch cầu 3 pha nên phải có 6 mạch điều khiển đề điều
khiển chúng. ở đây chỉ trình bày sơ đồ điều khiển của một Thyristor. Trong sơ đồ có khâu
đồng pha, khâu tạo điện áp tựa, khâu so sánh, khâu tạo xung chùm, khâu khuyếch đại xung
biến áp xung và phần thực hiện điện áp điều khiển.
Biến áp đồng pha có điện áp sơ cấp lấy từ thứ cấp biến áp mạch lực. Cuộn sơ cấp đấu tam giác để
tăng góc điều khiển cho các thyristor Thứ cấp biến áp điều khiển gồm 6 cuộn dây và có điểm trung
tính . Mỗi cuộn dây dùng để tạo ra một điện áp đồng pha có biên độ phù hợp để điều khiển một thyristor
trên mạch lực.
Bộ tạo xung răng ca tạo ra một xung răng ca tuyến tính nhờ sự phóng nạp của tụ C
1
qua các
tranzito Tr
1
và Tr

2
. Khi Tr
1
khoá, tụ C
1
đợc nạp điện áp từ nguồn +E qua Tr
2
tạo ra xung răng ca, khi Tr
1
mở bão hoà tụ C
1
phóng điện qua Tr
1
về 0.
Bộ tạo nguồn điều khiển là giá trị điện áp đợc thiết lập nhờ điện áp đặt trên biến trở VR
1
cộng với
điện áp phản hồi đa về từ máy phát tốc thông qua bộ điều chỉnh PI và bộ hạn chế tín hiệu dòng điện. Giá
trị điện áp này thay đổi tuỳ thuộc vào tốc độ của động cơ đồng bộ BĐ.
Khâu so sánh có hai đầu vào là xung răng ca và điện áp điều khiển đợc tạo ra bởi việc cộng hai
điện áp là điện áp đặt lấy trên biến trở VR
1
và điện áp phản hồi lấy từ máy phát tốc thông qua bộ điều
chỉnh tỉ lệ tích phân PI. Tín hiệu này sau đó đợc đa qua khâu hạn chế dòng rồi mới đa tới bộ so sánh để
bảo vệ các thiết bị không bị ảnh hởng bởi sự quá dòng. Đầu ra của bộ so sánh là các xung chữ nhật. Giá
trị lôgic 1 đạt đợc khi xung răng ca lớn hơn điện áp điều khiển. Khoảng rộng của các xung chữ nhật
này phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp điều khiển. Điện áp phản hồi càng nhỏ thì độ rộng xung càng
lớn. Điều này làm thay đổi góc mở của các thyristor trên mạch lực.
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
12

Đồ án điện tử công suất
Để đảm bảo mở chắc chắn các thyristor trên mạch lực dùng bộ tạo xung chùm bằng vi
mạch 555. Sau đó đa vào cổng và (cổng AND) để trộn với xung chữ nhật ở đầu ra bộ so sánh.
Chu kỳ của xung chùm có thể chọn lựa để phù hợp với các thyristor đã có.
Khâu khuếch đại sau cùng dùng sơ đồ đấu Dalingtơn với hai tranzitor. Khâu này có nhiệm vụ khuếch đại
tín hiệu điều khiển các tiristo trớc khi đa vào cực điều khiển của chúng. Khuếch đại ở đây là việc tạo ra
đủ công suất để mở các thyristor.
Tín hiiêụ điều khiển sau đó đợc đa qua máy biến áp xung. Biến áp xung có nhiệm vụ cách ly mạch
lực với mạch điều khiển. Mục đích là để đảm bảo các thiết bị trong mạch điều khiển không bị ảnh hởng
bởi điện áp cao từ mạch lực. Ngoài ra biến áp xung còn làm nhiệm vụ phối hợp trở kháng giữa tầng
khuếch đại xung và cực điều khiển van lực.
Trên mạch điều khiển còn có các rơle: RL1 và RL2 làm nhiệm vụ điều khiển các tiếp điểm của
chúng đóng cắt các côngtăctơ CTT1 à CTT2 trên mạch lực. Điều này đợc tạo ra nhằm đáp ứng yêu cầu
công nghệ là tự động cấp kích từ cho động cơ đồng bộ. Còn bộ tạo trễ dung vi mạch 555 để tạo thời gian
trễ khi cấp quá kích từ cho động cơ.
Chơng 4:
Tính toán mạch lực.
I. Tính toán van động lực.
1. Chọn van động lực.
Các van động lực đợc chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều
kiện tỏa nhiệt, điều kiện làm việc.
* Điện áp ngợc cơ bản của van.
U
nmax
= k
nv
= k
vn
.
U

d
=
2,45
. 130 = 136,11
k
u
2,34
k
nv
= 2,45 : hệ số điện áp ngợc
k
u
= 2,34 : hệ số điện áp tải.
U
2
, U
2
, U
max
: điện áp tải, điện áp nguồn xoay chiều, điện áp ngợc của van.
Để chọn van theo điện áp hợp lí thì điện áp ngợc của van cần chọn phải lớn hơn điện áp
làm việc, chọn qua hệ số dự trữ k
dtu
= 2.
U
nv
= k
dtu
. U
nmax

= 272,22 (V).
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
13
Đồ án điện tử công suất
* Dòng làm việc của van đợc tính theo dòng hiệu dụng
I
lv
= I
hd
= k
hd
. I
d
=
3
d
I
Có: U
ktmax
= 130V
U
ktđm
= 75V
P
kt
= 24 . 10
3
W
I
ktđm

=
ktdm
kt
U
P
=
75
10.24
3
= 320 (A)
R
kt
=

ktdm
ktdm
I
U

=
= 234,0
320
75
I
ktmax
=
A
R
U
kt

ktdm
556,555
234,0
130
==
Vậy dòng làm việc của van là:
I
lv
=
A
I
d
2,185
3
556,555
3
==
Với các thông số làm việc trên và chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt
với đầy đủ diện tích toả nhiệt, không quạt đối lu không khí: thông số cần có của van động lực:
U
nv
= 2. U
lv
= 272,22 V
U
đmv
= k
i
. I
lv

= 185,2 . 1,2 = 222,24 A.
(Chọn hệ số dự trữ dòng điện k
i
= 1,2).
Ta đợc Thyristor C184C có các thông số sau:
U
nmax
= 300V
I
đm
= 300A
dòng đỉnh I
pikmax
= 300mA.
áp xung điều kiển: U
g,max
= 3,0
dòng tự giữ: I
h,max
= 500mA
dòng dò: I
rmax
= 20mA
U
max
= 1,8.
sV
d
d
t

u
/200=
Thời gian chuyển mạch (mở và khóa) t
0
em
= 10às.
T
max
= 125
0
C
2. Tính toán máy biến áp
Chọn máy biến áp 3 pha, 3 trụ sơ đồ đấu dây /Y làm mát bằng không khí tự nhiện.
Tính các thông số cơ bản:
+ Tính công suất biểu kiến của máy biến áp:
Công suất tối đa của tải P
đmax
= U
đ0
. I
đ
= 158,8 . 555,556 = 88,22KW
Công suất máy biến áp nguồn S
ba
= 1,05 P
đ
= 92,631 KVA
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
14
Đồ án điện tử công suất

S = K
s
. P
đ
= K
s
.
3
3
10.647,29
85,0
10.24.05,1
==

P
+ Điện áp pha sơ cấp máy biến áp:
U
p
= 380V
+ Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp:
Phơng trình cân bằng điện áp khi có tải:
U
đ0
. cos(
min
) = U
đ
+ 2. U
v
+ U

đn
+ U
ba
+ U

Trong đó:

min
= 10
0
là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lới.

U
v
= 2,8V là sụt áp trên Thyristor
U
đn
= 0 là sụt áp trên dây nối.
U
ba
= U
r
+ U
x
là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp.
U

là sụt áp do hiện tợng chuyển mạch gây ra khi điện kháng phía X
c
là đáng kể

chọn U

= 9% . U
đ
= 11,7V.
Chọn sơ bộ:
U
ba
= 7%. U
đ
= 7% . 130 = 9,1V
Từ phơng trình cân bằng điện áp khi có tải ta có:
U
đ0
=
V
UUUUU
badlvd
8,158
)10cos(
7,11,1908,2.2130
)cos(
2.2
0
min
=
++++
=
++++

Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
U
2
=
63,67
34,2
8,158
0
==
u
d
k
U
+ Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp:
I
2
=
AI
d
6,453556,555.
3
2
.
3
2
==
+ Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp:
I
1

=
AI
U
U
47,806,453.
380
63,67
.
2
1
2
==
a. Tính sơ bộ mạch từ (xác định kích thớc bản mạch từ).
+ Tính tiết diện sơ bộ trụ.
Q
Fe
= K
Q
.
mf
S
ba
Trong đó: K
Q
là hệ số phụ thuộc phơng thức làm mát, lấy K
Q
= 6
M là số trụ của máy biến áp
F là tần số xoay chiều, ở đây f = 50Hz
Thay số ta đợc:

Q
Fe
= 147,62
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
15
Đồ án điện tử công suất
+ Đờng kính trụ:
d =
cm
Q
Fe
7,13
62,147.4
.4
==

Chuẩn đoán đờng kính trụ theo tiêu chuẩn d = 14cm
+ Chọn loại thép 330 các lá thép có độ dày 0,5mm
Chọn mật độ từ cảm trong trụ B
t
= (T)
+ Chọn tỷ số m =
3,2=
d
h
, suy ra h = 2,3 . d = 32,2cm
Ta chọn chiều cao trụ là 32 cm.
b. Tính toán dây quấn.
+ Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp.
W

1
=
9,1150,1.10.62,147.50.
44,4
380

44,4
4
1
==

tFe
BQf
U
Lấy W
1
= 116 vòng
+ Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp
W
2
=
7,20116.
380
86,67
.
1
1
2
==W
U

U
vòng
Lấy W
2
= 21 vòng.
+ Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp.
Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn J
1
= J
2
= 2,75 (A/mm
2
)
+ Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp
S
1
=
29
75,2
80
1
1
==
J
I
mm
2
, suy ra đờng kính dây d
1
=

07,6
4
1
=

cw
S
mm
+ Tính lại mật độ dòng diện trong cuộn sơ cấp.
J
1
=
76,2
29
80
1
1
==
S
I
A/mm
2
+ Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp.
S
2
=
94,164
75,2
6,453
1

2
==
J
I
mm
2
, suy ra d
2
=
5,14
4
2
=

cw
S
mm
c. Kết cấu dây dẫn sơ cấp:
Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục
+ Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp
W
11
=
4395,0.
03,0607,0
5,1.232
.
2
1
=

+

=

c
n
g
k
d
hh
vòng
Trong đó: k
c
= 0,95 là hệ số ép chặt
h là chiều cao trụ
h
g
là khoảng cách từ gông đến cuộn sơ cấp
Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông là 1,5cm
+ Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
16
Đồ án điện tử công suất
n
11
=
69,2
43
116
11

1
==
W
W
lớp
+ Chọn số lớp n
11
= 3 lớp. Nh vậy có 116 vòng chia thành 3 lớp, chọn 2 lớp đầu vào có
40 vòng, lớp thứ 3 có 116 3.40 = 36 vòng.
+ Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp:
h
1
=
8,20
95,0
637,0.31
k
d . W
c
111
==
cm
+ Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày S
01
= 0,1 cm.
+ Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp a
01
= 1,0 cm.
+ Đờng kính trong của ống cách điện
D

t
= d
Fe
+ 2. a
01
2. S
01
= 14 + 2,1 2. 0,1 =16,8 cm.
+ Đờng kính trong của cuộn sơ cấp.
D
t1
= D
t
+ 2S
01
= 16,8 + 2.0,1 = 17 cm.
+ Chọn bề dầy giữa 2 lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd
11
= 0,1 mm
+ Bề dày cuộn sơ cấp:
B
d
= (dn
1
+ cd
11
) . n
11
= (0,637 + 0,1) . 3 = 2,211 cm
+ Đờng kính ngoài của cuộn sơ cấp Dn

1
= D
t1
+ 2. B
d1
= 17 + 2. 2.211 = 21,422 cm.
+ Đờng kính trung bình của cuộn sơ cấp.
Dt
b1
=
211,19
2
422,2117
2
11
=
+
=
+
nt
DD
cm
+ Chiều dày dây quấn sơ cấp.
L
1
= W
1
. . D
tb
= . 116 . 19,211 = 70 m.

+ Chọn bề dầy cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp: cd
01
= 1,0 cm.
d. Kết cấu dây cuốn thứ cấp.
+ Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp.
h
1
= h
2
= 20,8 cm
+ Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp.
W
12
=
1395,0.
03,045,1
8,20
.
2
2
=
+
=
c
k
dn
h
vòng.
+ Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp.
n

12
=
61,1
13
21
12
2
==
W
W
lớp.
+ Chọn số lớp dây quấn thứ cấp n
12
= 2 lớp. Chọn 1 lớp đầu có 12 vòng, lớp thứ 2 có số
vòng là: 21 12 = 9 vòng.
+ Chiều cao thự tế của cuộn thứ cấp.
h
2
=
95,2375,1.
95,0
13
.
2
12
==
p
c
d
k

W
cm.
+ Đờng kính trong của cuộn thứ cấ:
D
t2
= D
n1
+ 2. a
12
= 21,422 + 2 . 1 = 23.422 cm.
+ Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp cd
22
= 0,1 mm.
+ Bề dày cuộn sơ cấp.
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
17
Đồ án điện tử công suất
B
d2
= (d
n2
+ cd
22
). n
12
= (1,48 + 0,01) . 2 = 2,98 cm.
+ Đờng kính ngoài của cuộn thứ cấp.
D
n2
= D

t2
+ 2. B
d2
= 27,056 + 2. 3,52 = 34,696 cm.
+ Đờng kính trung bình của cuộn thứ cấp.
n
2
= . W
2
. D
tb2
= . 21. 30,576 = 20,172 m.
+ Đờng kính trung bình các cuộn dây.
D
12
=
133,17
2
096,3417
2
21
=
+
=
+
nt
DD
cm
r
12

=
5665,8
2
133,17
2
12
==
D
cm.
+ Chọn khoảng cách giữa 2 cuộn thứ cấp: a
22
= 2 cm.
e. Tính kích thớc mạch từ:
+ Chọn sơ bộ các kích thớc cơ bản của mạch từ.
+ Chọn hình dáng của trụ.
+ Chọn trụ chữ nhật với các kích thớc.
Q
Fe
= a . b (a- bề rộng trụ, b- bề dày trụ).
+ Chọn là thép có độ dày 0,35 mm
+ Diện tích cửa sổ
Q
cs
= Q
cs1
+ Q
cs2
= k
ld
. W

1
. S
cu1
+ k
ld
. W
2
. S
cu2
.
k
ld
: hệ số lấp đầy, chọn bằng 3.
Q
cs1
, Q
cs2
: phần do cuộn sơ, thứ cấp chiếm chỗ (mm
2
).
S
cu1
, S
cu2
: tiết diện dây sơ, thứ cấp, kể cả cách điện (mm
2
)
Q
cs
= 3 . (116 . 29 + 21 . 164,94) = 20483,22 mm

2
+ Chọn kích thớc cửa sổ:
Khi đã diện tích cửa sổ Q
cs
, cần chọn các kích thớc cơ bản (chiều cao h, và chiều
rộng c v ới Q
cs
= h . c) của cửa sổ mạch từ.
Theo công thức kinh nghiệm với máy biến áp 3 pha, lõi thép III thì:
m =
2=
a
h
n =
7,0=
a
c
l =
1=
a
b
Q
cs
= h . c, suy ra a = 120, b = 96, c = 8, 67, h = 241, 92.
Chiều rộng toàn bộ mạch từ C
C = 2c + 3a = 532,22 mm.
Chiều cao mạch từ H
H = h + 2a = 483,84 mm.
Hình dáng kết cấu:
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46

18
H
h
c
C
b
a
Đồ án điện tử công suất
f. Kết cấu dây quấn:
Dây quấn đợc bố trí theo chiều dọc trụ, với mỗi cuộn dây đợc cuốn thành nhiều lớp dây,
mỗi lớp dây đợc quấn liên tục, các vòng dây sát nhau. Các lớp dây cách điện với nhau bằng
các bìa cách điện. Cách tính các thông số này nh sau:
+ Số vòng dây trên mỗi lớp của cuộn sơ cấp.
W
11
=
5,1.2984
1
1

=

l
g
d
hh
+ Số vòng dây trên mỗi lớp của cuộn thứ cấp.
W
22
=

=

2
1
l
g
d
hh
d
l1
=
cachdien
d
3,0
+
Với : h: chiều cao cửa sổ.
d
l1
, d
l2
: đờng kính dây quấn sơ, thứ cấp, kể cả cách điện.
h
g
: khoảng cách điện với gông.
Chọn h
g1
= 2d
n1

Chọn h

g2
= 2d
n2
+ Số lớp dây trong cửa sổ:
Cuộn sơ cấp: S
dl1
=
69,2
3
116
11
1
==
W
W
Cuộn thứ cấp: S
dl2
=
615,1
13
21
22
2
==
W
W
+ Bề dày mỗi cuộn dây:
Cuộn sơ cấp: Bd
1
= d

1
. S
dl1
+ cd . S
ld1
= 1,7135 cm
Cuộn thứ cấp: Bd
2
= d
2
. S
dl2
+ cd . S
ld2
= 2,3902 cm
Với cd: chiều dày của bìa cách điện, chọn bằng 0,3 mm.
+ Tổng bề dày các cuộn dây.
Bd = Bd
1
+ Bd
2
+ Bd
3
+ + cd
t
+ cd
n

cd
t

, cd
n
: bề dày cách điện trong cùng ngoài cùng.
Bd = 4,1637, suy ra 2Bd = 8,3274 (cm).
Trớc khi tính khối lợng Fe và Cu, kiểm tra bè dàt các cuộn dây nhỏ hơn chiều rộng cửa
sổ (2Bd < c).
Kích thớc hợp lí giữa cuộn dây và trụ.
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
19
a
Đồ án điện tử công suất
c = c 2 . Bd trong khoảng (0,5 ữ 2) cm khoảng cách này cần thiết để
đảm bảo hoặc làm mát.
g. Khối lợng Fe và Cu sử dụng:
+ Khối lợng Fe:
M
Fe
= V
Fe
. m
Fe
(kg)
Với V
Fe
: thể tích khối sắt (dm
3
).
V
Fe
= 3. a. b. h + 2. c. a. b = 13,097 dm

3
.
= Q
Fe
. (3h + 2c) = 13096495,96 mm
3
.
m
Fe
= 7,85 kg/dm
3
, suy ra m
Fe
= 102,81145 kg
+ Khối lợng Cu:
M
Cu
= V
Cu
. m
Cu
(kg).
V
Cu
: thể tích khối đồng của các cuộn dây (dm
3
).
V
Cu
= 3. (S

Cu1
. l
1
+ S
Cu2
. l
2
) = 3. (29. 10
-4
. 70 + 164,94. 10
-4
20,172) = 1,607 (dm
3
)
m
Cu
= 8,9 kg/dm
3
.
S
Cu
: tiết diện dây dẫn (dm
2
).
l: chiều dài các vòng dây.
Suy ra: M
Cu
= 14,3023 (kg).
h. Tính các thông số của máy biến áp .
+ Điện trở của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75

0
C .
R
1
= .
1
1
S
l
= 0,0000172 .
0415,0
29
10.70
3
=
()
+ Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp ở 75
0
C .
R
2
= .
2
2
S
l
= 0,0000172.
0021,0
94,164
10.172,20

3
=
()
+ Điện trở của máy biến áp qui đổi về thứ cấp .
R
BA
= R
2
+ R
1
2
1
2








W
W
= 0,0021 + 0,0415
2
116
21

=3,46 . 10
-3
()
+ Sụt áp trên điện trở máy biến áp .
U
r
= R
BA
.I
d
= 3,46 . 10
-3
. 555,556 = 1,922 (V)
+ Điện kháng máy biến áp qui đổi về thứ cấp .
X
BA
= 8 .
2
.(W
2
)
2
.

+
+








3
.
21
12
dd
qd
BB
a
h
r
..10
-7

= 8 .
2
.21
2
.

+
+






3
392,17135,1
01,0.
92,241
711,11
.314.10
-7

= 0,073 ()
Trong đó: r =
2
2t
D
= 11,711 mm.
+ Sụt áp trên điện kháng máy biến áp .
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46

20
Đồ án điện tử công suất
U
x
=

3
X
BA
.I
d
=

3
0,073 . 555,556 = 38,73 (V)
R
dt
=

3
.X
BA
= 0,07 ()
+ Sụt áp trên máy biến áp .
U
BA
=
22
xr
UU +

=
22
73,38922,1 +
= 38,77 (V)
+ Tổng trở ngắn mạch qui đổi về thứ cấp .
Z
BA
=
22
BABA
XR +
=
( )
2
2
3
073,010.46,3 +

= 0,07308 ()
+ Điện áp ngắn mạch tác dụng .
U
nr
=
2
2
.
U
IR
BA
.100 =

100.
86,67
6,453.10.46,3
3
= 2,31 %
+ Điện áp ngắn mạch phản kháng .
U
nx
=
2
2
.
U
Ix
BA
.100 =
86,67
6,453.073,0
.100 = 8,4 %
+ Điện áp ngắn mạch phần trăm.
U
n
=
22
nxnr
UU +
=
22
4,831,2 +
= 8,71 (V)

+ Dòng điện ngắn mạch xác lập .
I
2nm
=
BA
Z
U
2
=
07308,0
86,67
= 928,57 (A)
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
21
Đồ án điện tử công suất
Chơng 5
Tính toán các thông số mạch điều khiển
Sơ đồ một kênh điều khiển chỉnh lu cầu 3 pha đợc thiết kế theo sơ đồ hình
Việc tính toán mạch điều khiển thờng đợc tiến hành từ tầng khuếch đại ngợc trở lên.
Mạch điều khiển đợc tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristo. Các thông số cơ bản
để tính mạch điều khiển.
+ Điện áp điều khiển Tiristo: U
dk
=3,0 (v)
+Dòng điện điều khiển Tiristo: I
dk
=0,3 (A)
+ Thời gian mở Tiristo: t
m
=10 (às)

+ Độ rộng xung điều khiển t
x
=167 (às)- tơng đơng 3
o
điện
+ Tần số xung điều khiển: f
x
=10 (k Hz).
+ Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển U = 12 (v )
+ Mức sụt biên độ xung: U
x
= 0,1
1. Tính biến áp xung:
+ Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần
của đặc tính từ hoá có: B = 0,2 (T), H = 30 ( A/m ) [1], không có khe hở không khí.
+ Tỷ số biến áp xung : thờng m = 2ữ3, chọn m= 3
+ Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U
2
= U
dk
=3,0 (v)
+ Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung:
U
1
= m. U
2
= 3.3 = 9 (v)
+ Dòng điện thứ cấp biến áp xung:
I
2

= I
dk
=0,3 (A)
+ Dòng điện sơ cấp biến áp xung:
I
1
= I
2
: m =0,3 : 3 = 0,1(A)
+ Tính toán kích thớc tổng:
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
22
Đồ án điện tử công suất
V =
k
ba
. U
2
. I
2
.t
x
. U
x
B . H
Thay số ta thu đợc
V =
3 . 3 . 0,5 . 0,3 . 167. 10
-6
. 0,1

0,2 . 30
= 2,505 cm
3

Tra bảng cho trờng hợp từ hóa 1 phần chọn lõi thép loại 782E272 có thể tích là
3,79 cm
3
, diện tích cửa sổ là 0,968 cm
2
, diện tích lõi từ là 0,577 cm
2
.
Số vòng cuộn sơ cấp:
W
1
=
U
1
. t
x
B . S
ba
=
2,130
10.0577,0.2,0
10.167.9
4
6
=

vòng
Lấy W
1
= 130 vòng thì số vòng dây cuộn thứ cấp là W
2
= 130 : 2 = 65 vòng
2. Tầng khuyếch đại cuối cùng: khuyếch đại xung ghép bằng biến áp xung.
+Ecs
C2
D3
R7
R25
R6
Tr3
Tr4
Phơng pháp ghép này thông dụng hiện nay vì dễ dầng cách ly mạch điều khiển và mạch
lực, tuy nhiên do tính chất vi phân của biến áp nên không nên cho phép truyền các xung rộng
vài mili giây. Chính vì tính chất này mà ngời ta phải truyền xung rộng dới dạng xung chùm để
biến áp xung hoạt động bình thờng. Để đơn giản mạch , đồng thời vẫn đảm bảo hệ số khuyếch
đại dòng cần thiết , tầng khuyếch đại hay dấu kiểu Dalintơn.
Tính chọn:
P
0
đã chọn biến áp xung có tỉ số các cuộn dây bằng 3, vậy tham số và dây điện cuộn sơ
cấp:
U
1
= U . K = 3 . 3 =9.
I

1
= I
đk
/k = 0,3 : 3 =0,1.
Nguồn công suất phải có trị số lớn hơn U
1
để bù đắp sụt áp trên điện trở, vì vậy chọn E
cs
= 15V. Từ E
cs
và i
1
chọn bóng T
4
loại BD135 có tham số U
ce
=45V, I
cmax
= 1,5A,
min
= 40.
Giá trị R
7
thờng chọn từ khả năng dẫn dòng tối đa cho phép của T
4
:
R
7
>
10

5,1
15
==
cp
cs
I
E
(), suy ra chọn R = 12.
Công suất điện trở này thờng 2,5W do dòng qua nó lớn và khá thờng xuyên, lớn nhất là
khi góc điều khiển nhỏ nhất.
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
23
Đồ án điện tử công suất
Kiểm tra độ sụt áp trên điện trở này khi bóng dẫn dòng:
U
r7
= I
1
. R
7
= 0,1 . 12 = 1,2 V, suy ra điện áp còn lại trên biến áp xung là
U
1
= E
cs
U
r7
= 15 12 =13,8V, suy ra đạt yêu cầu. Tuy nhiên để phát triển
mạch xung kích cho van vẫn có thể dùng thêm tụ tăng cờng áp C
2

: tần số xung chùm
3kHz t với chu kỳ 1 xung là:
T
xc
=
s
f
xc
à
100
10.10
11
3
==
Cho rằng 2 xung đối xứng thì khoảng nghỉ bằng khoảng xung, có nghĩa khoảng cách
giữa 2 xung chùm là tn = 0,5T
xc
= 50 às
Chọn C
2
<
138.0
12.3
10.50
.3
6
==

R
t

n
àF
Chọn C
2
= 0.1 àF.
Bóng T
3
: dòng qua colectơ T
3
chính là dòng qua bazơ T
4
, nh vậy bóng T
3
luôn nhỏ hơn T
4
do chịu dòng nhỏ hơn nhiều. Chọn bóng T
3
loại BC107 có U
ce
= 45V, I
cmax
= 0,1A,
min
= 110.
Vậy điện trở đầu vào có trị số:
R
25

44
25,1.2,1

15.110.40
.

max1
21
==
IS
E
cs

(k), suy ra chọn R = 10k
Với S = 1,2 I
1max
=
25,1
12
15
==
R
E
cs
3. Khâu AND.
+ Đầu ra của mạch AND là xung chùm có độ rộng xung dùng ở mạch so sánh.
+ Chọn AND là vi mạhc CMOST085 của Nhật có nguồn cấp 15V.
4. Khâu so sánh:
Sử dụng khuyếch đại thuật toán, kiểu 2 cửa. ở đây so sánh điện áp điều khiển và điện áp
tựa.
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
24

U
RC
U
đk
Đồ án điện tử công suất
Điện áp điều khiển đa vào âm (-), còn điện áp tựa đa vào cửa dơng (+).
U
+
U
t
, U
-
= U
đk
thì điện áp ra theo qui luật
U
ra
= k
0
(U
+
- U
-
) = k
0
(U
+
- U
đk
)

Do đó khi U
đk
> U
+
điện áp ra là âm bão hòa.
Do đó khi U
đk
< U
+
điện áp ra là dơng bão hòa.
Đầu ra của A
1
cso chuỗi xung vuông liên tiếp.
Phần tử chính của khâu so sánh là A
1
loại TL084 của hãng Texas intnuments chế tạo
chọn R
4
= R
26
= 15 k.
5. Tạo xung chùm.
C6
C5
R20
R19
1
2
3
5

8
4
7
6
+E
D8
Xung chùm thực chất là một chùm các xung có tấn số cao gấp nhiều lần lới điện (f
xe
= 8
ữ 12kHz) . Độ rộng của 1 chùm xung có thể đợc hạn chế trong khoảng 100 ữ 300 độ điện, về
nguyên tắc nó phải kết thúc khi điện áp trên van lực mà nó điều khiển đổi dấu sang âm.
Nguyên tắc tạo xung xung chùm thờng dùng là coi tín hiệu do bộ so sánh đa ra nh một tín hiệu
cho phép hay cấm khâu khuyếch đại xung đợc nhận xung tấn số cao phát từ một bộ tạo dao
động đa hài tới nó.
ở đây sử dụng bộ tạo doa động dùng timer 555
Tính chọn nh sau:
Chu kỳ dao động T = 0,7 (R
19
+ R
20
) . C
5
+ 0,7 R
20
.C
5
= 100 ms.
= 0,7. (R
19
+ R

20
) . C
5
C
5
= 22 nF, suy ra R
19
+ 2.R
20
= 6.5 K
Chọn tiếp R
19
= 1,5 K thì R
20
= 5 K
Chân 1: nối với đất.
Chân 2: kích lật trạng thái khu U
2
=
3
2E
thì U
3
= 0.
Chân 3: cổng ra U
3
(min) = 0,1 V.
U
3
(max) = E 0,5V.

I
3min
= 0 A.
I
3max
= 0,2 A.
Sinh Viên: Vũ Thị Bích- TĐH2-K46
25