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

Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.

Bộ giáo dục và đào tạo cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam
Trờng đại học bách khoaĐộc lập-Tự do-Hạnh phúc
Hà nội ====0====


Họ và tên: Nguyễn Thanh Lịch
Khoá : 43
Nghành học: Tự động hoá.

U
d
75V ; U
dmax
= 130V ; P
đm
= 24KW ; R
kđ
= 0,8
Điện áp nguồn: U = 3x380V.

1. Giới thiệu chung về công nghệ của động cơ đồng bộ ba pha và phơng pháp điều
khiển kích từ của động cơ đồng bộ ba pha.
2. Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị đợc giao thực hiện thiết kế, công nghệ kích
từ.
3. giới thiệu và thiết kế mạch lực:
3.1. Tính toán khối biến áp lực
3.2. Tính toán khối chỉnh lu điều khiển
3.3. Tính toán khối khâu lọc
3.4. Tính toán khối khâu phản hồi điện áp

3.5. Tính toán khối khâu phản hồi dòng
4. Giới thiệu và thiết kế mạch điều khiển:
4.1. Tính toán khâu đồng pha
4.2. Tính toán khâutạo điện áp răng ca
4.3. Tính toán khâu so sánh
4.4. Tính toán khâu phát xung chùm
5. Các bản vẽ:
- Sơ đồ nguyên lý mạch điêu khiển.
-
- 1 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.

Mục lục
Trang
Lời giới
thiệu 4
Ch ơng I : Giới thiệu chung về công nghệ và phơng pháp điều
khiển kích từ của động cơ đồng bộ ba pha 5
I.1. Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị đợc giao thực hiện thiết kế, công
nghệ kích từ. 5
1. Nguyên tắc điều khiển mở máy 5
2. Nguyên tắc điều chỉnh kích thích 6
. Đề xuất các phơng án tổng thể, phân tích u, nhợc điểm của từng
phơng án để đi đến lựa chọn một phơng án thực thi thiết kế mạch lực
và mạch điều khiển 7
1. Giới thiệu về mạch lực 7
2. Chọn phơng án chỉnh lu 7
3. Giới thiệu chung về mạch điều khiển 13
4. Lựa chọn phơng án thiết kế mạch điều khiển 15
: Thiết kế mạch lực 18

1. Tính toán chọn van 18
2. Tính toán các thông số điện áp, dòng điện và công suất máy biến áp 19
3. Tính toán mạch từ MBA 19
: Thiết kế mạch điều khiển 22
1.Tính toán khâu đồng pha và nguyên lý hoạt động của mạch. 22
2.Khâu tạo điện áp răng ca 24
3. Khâu so sánh 25
4. Khâu phát xung chùm 27
5. Khâu khuyếch đại xung và biến áp xung 29
6- Tính toán khối nguồn và MBA đồng pha 32
7. Tính toán khâu phản hồi 33

35
- 2 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
Tài liệu tham khảo 36

lời giới thiệu
- Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong
công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử có công suất lớn
cũng đợc 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 đợc phát triển hết sức mạnh mẽ.
- Tuy nhiên để đáp ứng đợc nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì
ngành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối u nhất. Đặc biệt với
chủ trơng công nghiệp hoá-hiện đại hoá của Nhà nớc, các nhà máy, xí nghiệp cần phải
thay đổi, nâng cao để đa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất. Do đó đòi hỏi
phải có thiết bị và phơng pháp điều khiển an toàn, chính xác. Đó là nhiệm vụ của ngành
điện tử công suất cần phải giải quyết.
Để giải quyết đợc vấn đề này thì Nhà nớc ta cần phải có đội ngũ thiết kế đông đảo và tài
năng. Sinh viên ngành TĐH tơng lai không xa sẽ đứng trong độ ngũ này, do đó mà cần phải

tự trang bị cho mình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng. Chính vì vậy đồ án môn học
điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên TĐH. Nó là bài kiểm tra khảo
sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũng là điều kiện để cho sinh viên nghành TĐH
tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất. Mặc dù vậy, với sinh viên năm thứ
t còn đang ngồi trong ghế nhà trờng thì kinh nghiệm thực tế còn cha có nhiều, do đó cần
phải có sự hớng dẫn giúp đỡ của thầy giáo. Qua đây cho em đợc gửi lời cảm ơn tới thầy
Phạm Quốc Hải đã tận tình chỉ dẫn, giúp em hoàn thành tốt đồ án môn học này.
Hà nội ngày 5 tháng 12 năm 2001
Sinh viên
Nguyễn Thanh Lịch
!- 3 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.

" Giới thiệu chung về công nghệ và
phơng pháp điều khiển kích từ
của động cơ đồng bộ ba pha.
I.1. Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị đợc giao thực hiện
thiết kế, công nghệ kích từ.
Động cơ đồng bộ đợc dùng rộng rãi trong các hệ truyền động điện công suất lớn, không
cần điều chỉnh tốc độ, làm việc ở chế độ dài hạn. Ví dụ: Để truyền động cho các máy bơm,
quạt gió, máy nén khí và một số máy cán lớn. Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công
nghiệp điện tử, động cơ đồng bộ đợc nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi
loại dải công suất. Động cơ đồng bộ có những nguyên tắc sau đây:
#$%&'()(#
Quá trình mở máy chia làm hai giai đoạn: Khởi động không đồng bộ và đa vào đồng
bộ.
+) Trong giai đoạn thứ nhất, sau khi dây quấn stato đợc nối vào lới điện ba pha, từ trờng
quay đợc tạo ra sẽ tác động lên dây quấn khởi động (hay là lồng sóc khởi động đạt trong roto
của máy) gây nên momen quay đa tốc độ động cơ lên gần tốc độ đồng bộ.
+) Trong giai đoạn thứ hai, dòng kích từ sẽ đợc đua vào roto , động cơ sẽ tự kéo vào đồng bộ

và lồng sóc khởi động hết tác dụng.
Trong giai đoạn đầu, ở trong dây quấn kích thích cũng sẽ có sức điện động cảm ứng lớn.
Điều đó làm cho sơ đồ mạch roto thêm phức tạp. Điều khiển quá trình khởi động là phải điều
khiển cả hai giai đoạn đó trong mạch stato cũng nh trong mạch roto.
Để hạn chế dòng điện, có thể dùng cách giảm điện áp bằng biến áp tự ngẫu hoặc dùng
cuộn kháng. Ngời ta rất ít dùng điện trở phụ để hạn chế dòng điện vì tổn thất năng lợng lớn
và chỉ tiêu chất lợng khởi động không tôt. Với động cơ công suất nhỏ và ở điện áp thấp thì có
thể cho phép sử dụng điện trở phụ để hạn chế dòng điện.
Trong giai đoạn khởi động không đồng bộ,dây quấn kích thích ở roto không đợc hở mạch
vì sức điện động cảm ứng tạo thành có thể chọc thủng cách điện.
*- 4 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
Không phụ thuộc vào cách nối mạch stato, mạch điện roto có thể có ba cách nối.
a/ Cách nối thứ nhất: Roto đợc nối trực tiếp vào máy kích thích ngay từ đầu. Sơ đồ này gọi
là sơ đồ kích thích trực tiếp. Sơ đồ này đơn giản, làm việc chắc chắn và kinh tế. Tuy vậy
không phải bao giờ cũng áp dụng đợc.
b/ Cách nối thứ hai :
Dây quấn kích thích đợc nối vào máy kích thích qua một điện trở phụ.
Khi không thoả mãn điều kiện t
kđ1
t
kt
, nghĩa là kích thích hình thành sớm quá ảnh hởng đến
dòng điện stato làm khó khăn cho quá trình kéo vào đồng bộ. Để hạn chế ảnh hởng của dòng
điện kích thích trong qúa trình khởi động không đồng bộ ngời ta mắc thêm điện trở phụ vào
mạch kích thích của động cơ không đồng bộ. điều kiện để áp dụng sơ đồ này là:
M
c
40%M
dd

.
Ngợc lại nếu kích thích hình thành quá chậm thì quá trình khởi độnh không đồng bộ kéo
dài sẽ gây quá tải ở dây quấn khởi động.
c/ Cách nối thứ ba:
Dây quấn kích thích đợc nối vào điện trở phóng điện. Khi đạt tốc độ vào đồng bộ thì loại
bỏ điện trở phóng điện và đóng vào máy kích từ. Về mặt khởi động và kéo vào đồng bộ thì
đây là sơ đồ tốt nhất và đợc gọi là sơ đồ gián tiếp. Khi không thoả mãn các điều kiện:
M
c
40%M
dđ
và t
kđ1
t
kt
thì ta phải sử dụng sơ đồ này. Điện trở phóng điện ở sơ đồ này có
những nhiệm vụ sau:
- Hạn chế điện áp trên dây quấn kích thích.
- Làm tốt đặc tính khởi động của động cơ.
- Tiêu tán nhanh năng lợng từ trờng khi ngắn mạch phía stato hoặc khi cắt động
cơ khỏi lới.
#$%&+,,
Động cơ điện đồng bộ cũng đợc dùng để truyền động các máy sản xuất có momen phụ
tải biến đổi lớn (ví dụ nh các máy cán lớn, máy nâng ở hầm mỏ ). Lúc này nếu phụ tải tăng
mà kích thích vẫn giữ không đổi thì sẽ dẫn đến làm giảm công suất phản kháng phát vào lới
điện, tăng công suất tiêu thụ từ lới điện, giảm khả năng tải của động cơ. Hệ thống điều khiển
có thể có bộ phận tự động điều khiển kích thích.
Khi phụ tải tăng lên, dòng điện qua cuộn dòng điện của biến áp cũng tăng lên, còn điện
áp ở cuộn điện áp có thể giảm xuống. Kết quả diện áp ở cuộn ra của biến áp cũng tăng lên,
do đó điện áp một chiều sau cầu chỉnh lu cũng tăng lên, kích của động cơ đợc tăng lên.

Những thay đổi lớn của tải mà kích thích vẫn không đợc điều chỉnh theo có thể gây nên
dao động lớn về tốc độ và có khả năng đa động cơ ra khỏi chế độ đồng bộ. Lúc này phải cắt
động cơ ra khỏi nguồn bằng rơle bảo vệ dòng điện cực đại.
5 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
Nếu quá trình công nghệ không cho phép dù chi là tạm thời thì khi đó phải áp dụng sơ đồ
tự động hoá đồng bộ. Và đây chính là nhiệm vụ thiết kế của đồ án Điện tử công suất đợc
giao.
I.2. Đề xuất các phơng án tổng thể, phân tích u, nhợc điểm của
từng phơng án để đi đến lựa chọn một phơng án thực thi thiết kế
mạch lực và mạch điều khiển.
./0&(12
Mạch lực bao gồm các khối cơ bản sau:
a/ Biến áp lực (BAL):
- Biến điện áp xoay chiều có biên độ cần thiết với điện áp phù hợp của tải.
- Ngoài ra còn làm nhiệm vụ cách ly giữa nguồn chỉnh lu (CL) với lới điện xoay chiều.
b/ Chỉnh lu điều khiển (CLĐK): có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha thành
điện áp một chiều có biên độ phù hợp với tải.
c/ Khâu lọc: gồm điện kháng L và tụ điện C tác dụng san phẳng điện áp ra của khâu CLĐK
(vốn có biên độ điện áp nhấp nhô) thành điện áp một chiều phẳng phù hợp với yêu cầu của
tải. Khâu lọc phải thiết kế sao cho tiêu thụ công suất nhỏ nhất.
d/ Khâu phản hồi điện áp: Lấy một phần nhỏ điện áp tải đa trở về mạch điều khiển để ổn
áp. Muốn vậy thì điện áp phản hồi về phải là phản hồi âm.
e/Khâu phản hồi dòng: Lấy tín hiệu điện áp tỷ lệ với dòng tải phản hồi trở về mạch điều
khiển để bảo vệ dòng hay ngắn mạch.
Ngoài ra còn có khâu đóng ngắt bằng cầu dao điện bảo vệ đặt phía trớc biến áp lực.
34+
Trớc hết, chúng ta phân loại chỉnh lu thành các loại sơ đồ sau và xét u nhợc điểm của
chúng:
Các phơng án thiết kế mạch lực:

Số liệu yêu cầu: Vd=115 (V), Id = 300 (A)
Tải của kích từ: W
L
>> R (tải cảm lớn -> dòng liên tục)
Phơng án 1: Chọn một trong các sơ đồ chỉnh lu có điều khiển một pha một nửa chu kỳ
(-) chỉnh lu có điều khiển một pha hai nửa chu kỳ, chỉnh lu cần có điều khiển một pha.
Nhận thấy các sơ đồ nêu trên chỉ thích hợp đối với dòng tải nhỏ vì đối với dòng tải lớn
mà chọn các sơ đồ trên thì sẽ gây ra sự mất đối xứng của lới -> ảnh hởng tới sự hoạt động
của các thiết bị khác.
Do vậy mà ta phải dùng các sơ đồ chỉnh lu ba pha.
5- 6 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
Phơng án 2: Chọn một trong các sơ đồ sau:
- Chỉnh lu tia ba pha có điều khiển.
- Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng.
- Chỉnh lu cầu ba pha có điều khiển không đối xứng.
a/ Chỉnh l u tia ba pha có điều khiển:
Sơ đồ mạch nguyên lý :

Ua
Ub
Uc
La
Lb
Lc
Lkt
Rkt
T1
T2
T3

BAL
( Lkt>>Rkt )




* Nguyên lý hoạt động:
Khi điện áp trên một van nào đó trong ba van mà dơng hơn van còn lại thì van đó sẽ dẫn
khi có xung điều khiển mở van đó.
Do tải có tải cảm lớn nên dòng điện trên tải là liên tục, tức là van dãn sẽ vẫn dãn khi điện
áp âm và van còn lại cha mở.
Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
6- 7 -
I2a
t
u
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
- Giá trị điện áp ngợc trên van:

2
.6 UU
ng
=
- Dòng điện trung bình chảy qua thiristor:
I
T
= I
d
/3
- Công suất của máy biến áp:

S
1
= 1,209 Pd ; S
2
= 1,481 Pd
S = (S
1
+ S
2
)/2 = 1,345 Pd
Ưu điểm:
- Do điện áp ngợc trên van lớn cho nên nó đợc sử dụng cho tải có yêu cầu điện áp
thấp và dòng điện lớn dễ dàng cho việc chọn van.
- Do chỉ có một van dãn nên sụt áp trên van là nhỏ -> công suất tiêu thụ của van
nhỏ.
- Việc điều khiển mở van là dễ dàng.
Nhợc điểm:
- Điện áp ra có độ đập mạch lớn -> xuất hiện nhiều thành phần điều hoà bậc cao.
- Hiệu suất sử dụng máy biến áp không cao. Sở dĩ nh vậy là vì điện áp chảy trên
van không đối xứng qua trục hoành, do vậy khi khai triển chuỗi Furie -> xuất
hiện thành phần một chiều và thành phần xoay chiều. Tuy nhiên MBA chỉ làm
việc với thành phần xoay chiều -> giảm hiệu suất MBA.
b/ Chỉnh l u cầu ba pha điều khiển đối xứng:

T1
T3 T5
T2
T4
T6
Rkt

Lkt
( Lkt>>Rkt )
La
Lb
Lc
Ua
Ub
Uc
Đồ thị điện áp và dòng điện:
7- 8 -


cos.17,1cos
2
63
22
UUU
d
==
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.


- Thực ra sơ đồ cầu pha ba đối xứng là hai sơ đồ hình trên 3 pha ghép lại. Mỗi sơ đồ hình từ
ba pha hoạt động ở một nửa chu kỳ điện áp
- Sơ đồ hình từ ba pha thứ nhất gồm T
1
, T
3
, T
5

ghép catot chung.
- Sơ đồ hình từ ba pha thứ hai ghép anot chung gồm T
2
, T
4
, T
6
Góc mở đợc tính từ giao điểm của các nửa hình sin.
L>>R dòng tải là liên tục.
- Giá trị trung bình của điện áp trên tải:


cos.34,2cos
2
63
22
UUU
d
==
- Giá trị điện áp ngợc lớn nhất trên van:
2max
6UU
ng
=
- Giá trị dòng trung bình chạy qua van:
8- 9 -
IT4
IT1
IT4
i

d
i
T1
i
T4
I
2a




u
a
u
b
u
c
t
u
i
d
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
I
T
= I
d
/3
- Công suất của máy biến áp :
S
ba

=1,05 Pd
Ưu điểm:
- Điện áp ra đập mạch nhỏ do vậy mà chất lợng điện áp tốt.
- Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt do dòng điện chạy trong van đối xứng.
- Điện áp ngợc trên van là lớn nhng do U
do
=2,34U
2
-> nó có thể đợc sử dụng với
điện áp khá cao.
Nhợc điểm:
- Mạch điều khiển phức tạp do ta phải tiến hành điều khiển đồng bộ các van dãn
với nhau.
- Điện áp rơi trên van lớn do nhiều van hơn sơ đồ CL từ.
c/ Sơ đồ cầu không đối xứng:

T1
T3 T5
T2
T4
T6
Rkt
Lkt
( Lkt>>Rkt )
La
Lb
Lc
Ua
Ub
Uc

Sơ đồ gồm hai nhóm:
- Nhóm mắc Katot chung gồm (T
1
, T
3
, T
5
)
- Nhóm mắc Anot chung gồm (P
2
, P
4
, P
6
)
Do L >> R -> dòng tải là liên tục.
- Giá trị điện áp trung bình trên tải:
)cos1(
2
63
2


+=
UU
d
- Giá trị trung bình của dòng chảy trong tiristor vadiot:
I
T
= I

d
= I
d
/3
- Giá trị điện áp ngợc lớn nhất:
2max
6UU
ng
=
9- 10 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.


Nhận xét:
Chỉnh lu cầu ba pha không đối xứng so với chỉnh lu cầu ba pha đối xứng quá trình
điều khiển đơn giản hơn. Nhng điện áp chỉnh lu có lúc bằng không. Do vậy mà có nhiều
thành phẩn sóng hài bậc cao.
Kết luận:
Với tải L>>R, Ud=115 (V), Id=320 (A) và qua các phân tích về u nhợc điểm ở trên,
sinh viên thiết kế chọn sơ đồ cầu ba pha đối xứng. Bởi vì khi dòng điện tải lớn, điện áp tải
cao thì dòng điện trung bình chảy qua van nhỏ và điện áp ngợc trên van nhỏ hơn so với sơ đồ
chỉnh lu từ ba pha. Mặt khác, công suất tổn hao trên van với tải trên là rất nhỏ so với công
suất tải và hiệu suất sử dụng máy biến áp rất tốt. Do vậy ta chọn sơ đồ này. Tuy nhiên sơ đồ
này có nhợc điểm là quá trình điều khiển phức tạp hơn.
- 11 -
u
a
u
b
u

c
T
1
T
3
T
5
T
1
D
6
D
2
D
4
D
6
t
u

Id

T1
i
T1
I
d
i
D4
I

2a




T1

I2
a

Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
!./0&(1&'
Muốn tiristor mở cho dòng điện chạy qua thì ta phải đặt lên anot của tiristor điện áp
dơng, đồng thời đa xung điều khiển vào cực điều khiển. Khi mà tiristor đã mở thì xung điều
khiển không còn tác dung và dòng điện chạy qua tiristor do tải quyết định.
a/ Chức năng của mạch điều khiển:
- Điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ riêng của điện áp đặt
trên anot-catot của tiristor.
- Tạo đợc các xung đủ để điều khiển mở đợc tiristor (độ lớn của xung đủ lớn và độ rộng
xung vừa đủ để mở -> giảm công suất điều khiển).
Cấu trúc mạch điều khiển một tiristor đợc thể hiện ở hình dới đây:
Trong đó:
- ĐF: Khâu đồng pha
- TXRC: tạo xung răng ca
- SS: Khâu so sánh
- KDX + BAX: Khâu khuyếch đại xung + Biến áp xung
a/ Các yêu cầu với mạch điều khiển:
Mạch điều khiển là một khâu quan trọng trong các bộ biến đổi vì nó quyết định đến
chất lợng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Do vậy để đạt đợc chất lợng và độ tin cậy cao của bộ
biến đổi, nó phải thoả mãn các yêu cầu sau:

Yêu cầu về độ lớn của xung điều khiển:
- Mỗi tiristor đều có một đặc tính là quan hệ giữa điện áp đặt trên cực điều khiển và dòng
điện chảy vào cực điều khiển. Quan hệ đó đợc biểu diễn trên hình vẽ sau:
- Do sai lệch về thông số chế tạo và điều kiện làm việc làm cho tiristor mặc dù cùng loại
cũng cõ đặc tính U
đk
= f(I
đk
) khác nhau.
- Với mỗi loại tiristor các đặc tính này dao động giữa hai đặc tính (1) và (2) về yêu cầu độ
lớn của điện áp và dòng điện điều khiển.
- 12 -

:
999à

:
99à
;<
;<


=>/1
?@&'
9
A



Đồng pha TXRC SS Tạo dạng

xung
KĐX
& BAX
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
Có 3 yêu cầu chủ yếu sau về dòng điện và điện áp điều khiển:
+ Các giá trị lớn nhất không vợt quá giá trị cho phép.
+ Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo cho tất cả các tiristor cùng loại làm việc đợc.
+ Tổn hao công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép.
Trên hình vẽ ta thấy yêu cầu đối với mạch điều khiển là phải tạo ra đợc tín hiệu điều khiển
nằm trong vùng (I).
Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển:
Thông thờng độ rộng xung điều khiển lớn hơn 5 às (t
x
=5ữ10 às đối với tiristor làm việc ở
tần số cao và t
x
= 50ữ200 às với tiristor làm việc ở tần số thấp) và tăng độ rộng của xung
điều khiển sẽ cho phép giảm nhỏ xung điều khiển (nh hình vẽ). Khi mạch tải có điện cảm lớn
thì dòng tải tăng chậm nên ta phải tăng độ rộng của xung điều khiển. Độ rộng của xung điều
khiển đợc tính theo biểu thức:

dtdi
I
t
dt
x
/
=
Trong đó: I
dt

: dòng duy trì của tiristor.
di/dt: tốc độ tăng của dòng tải.
Yêu cầu về độ dốc sờn trớc của xung:
- Độ dốc sờn trớc của xung càng cao thì việc mở tiristor càng dễ. Thông thờng yêu cầu độ
dốc sờn trớc của xung điều khiển là:

1,0
dt
dI
dk
A/às.
- Độ dốc sờn trớc của xung càng tăng thì đốt nóng cục bộ tiristor càng giảm.
Yêu cầu về tính đối xứng của xung trong kênh điều khiển:
!- 13 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
Trong các bộ biến đổi có nhiều pha, tính đối xứng của xung điều khiển rất quan trọng.
Nếu xung điều khiển mất đối xứng sẽ làm cho dòng anode ở các pha có hình dạng khác nhau
và giá trị khác nhau làm mất cân bằng sức từ động của máy biến áp. Do vậy, giảm hiệu suất
sử dụng của máy biến áp.
*B234(1&'
Từ mạch lực và yêu cầu của xung điều khiển ta đi đến thiết lập sơ đồ khối cho mạch
điều khiển. Ta phải lựa chọn các mạch phù hợp cho từng khâu trong khối sao cho đạt đợc tín
hiệu điều khiển cần thiết:
a/ Khâu đồng pha
Đây là khâu có nhiệm vụ xác định thời điểm mốc để tính góc mở . Nó liên hệ chặt
chẽ về pha với điện áp lực. Bên cạch đó nó còn để cách li mạch điều khiển và mạch lực ở đầu
vào hệ điều khiển. Do vậy mà khối đồng pha có thể dùng biến áp để cách li hoặc dùng phần
tử otocupler (phototransistor).
- Trong khâu này ta chọn biến áp để cách li kết hợp với bộ khuếch đại thuật toán và diode
chỉnh lu để taọ ra xung đồng bộ.

D1
D2
R1
R2
OP1
E+
E-
Rx1
Udk1
*- 14 -
đồng
pha
U
tựa
So
sánh
KĐX BAX
Máy phát
xung
A

Sơ đồ mạch:
R
d
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
- Sở dĩ ta chọn sơ đồ trên là vì khi thay đổi giá trị của U
đk1
ta sẽ thay đổi đợc độ rộng của
xung đồng bộ.

b/ Khâu tạo U
tựa
Trong thực tế có rất nhiều mạch tạo ra U
tựa
. Ví dụ:
- Mạch chỉ dùng diode, tụ điện và điện trở ghép lại với nhau nh hình 1.
- Mạch dùng transistor và các linh kiện điện tử khác nh hình 2.
- Mạch dùng khuếch đại thuật toán nh hình 3.
R1
R2
D1
D2
C
+Ung
-Ung
Hình 1.
R
CUdp
Ecc
Hình 3.
Udp
Dz
C
E+
E-
Hình 3.
15 -
Utựa
U
l

t
Ung
t

Udp
Urc
t
t
+E
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
ở sơ đồ hình 1 ta có một mạch tạo U
tựa
tơng đối đơn giản, dễ lắp đặt, rẻ tiền nhng có nhợc
điểm rất lớn là điện áp răng ca trải dài quá 1/2 chu kì của điện áp lới làm cho việc xác định
góc điều khiển từ điện áp răng ca rất khó khăn.
ở sơ đồ hình 2 mạch cũng khá đơn giản, điện áp tựa cũng trải ra cả 1/2 chu kì của điện áp
lới nhng do đóng mở transistor ở vùng lân cận không nên mạch hoạt động kém tin cậy.
ở sơ đồ hình 3 do khuếch đại thuật toán hoạt động có độ tin cậy cao nên tạo ra tín hiệu U
tựa
có chất lợng rất tốt.
c/ Khâu so sánh
Khâu này có nhiệm vụ tạo ra góc điều khiển (hay tín hiệu điều khiển dòng và áp ở
thời điểm yêu cầu). Sơ đồ này ta cũng dùng khuếch đại thuật toán.
d/ Khâu phát xung chùm
Trong thực tế có rất nhiều mạch và vi mạch điện tử có thể đợc dùng để tạo ra xung
chùm. Ví dụ nh vi mạch timer 555.
ở đây ta chọn khuếch đại thuật toán kết hợp với các linh kiện khác tạo ra khối phát xung
chùm với dạng xung mong muốn mà giá rẻ và chất lợng cao.
5- 16 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.

Thiết kế mạch lực

Sơ đồ nhuyên lý:

T1
T3 T5
T2
T4
T6
Rkt
Lkt
( Lkt>>Rkt )
La
Lb
Lc
Ua
Ub
Uc

- Số liệu yêu cầu : U
d
= 75V ; I
d
= 320A
U
1
=380 V; f=50 Hz; R
kđ
= 0,8A

C,D30
U
ng
=K
n
ìU
2f

Trong đó :
56
34,2
130
34.2
0
2
===
d
f
U
U
V và
6=
n
K
- Suy ra:
137566 =ì=
ng
U
V
Để van làm việc an toàn ngời ta thờng chọn hệ số dự trữ cho van là K

dt
=1,6ữ2.
- Do đó: U
ngmax
= K
dt
ìU
ng
= 2ì137 = 274 V
- Dòng điện trung bình chảy qua van:

7,106
75
1024
3
1
33
1
3
=
ì
ì====
d
vtb
d
v
I
IK
I
I

A
Để van làm việc an toàn thì chọn : I
vmax
= 4ìI
v
-Suy ra: I
vmax
= 4ì106,7 = 426,8 A
Từ các số liệu trên ta chọn van nh sau:
Tiristor KH: ST280CH04C0 có các thông số sau:
U
ngmax
= 400 V;
I
vmã
= 500 A;
6- 17 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.

I
G
= 150 mA; (dòng điện điều khiển)
U
v
= 1,4 V;
C,D?4EF0G?@(#4
+ Công suất biến áp nguồn đợc tính bởi:
S
ba
= K

s
.P
d
= 1,05.24.10
3
= 25,2 KW;
+ Điện áp các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp:
- Điện áp thứ cấp đợc tính bởi:

56
34.2
0
2
==
d
U
U
V;
- Điện áp sơ cấp bằng điện áp pha nguồn cấp (220 V)

+ Dòng điện các cuộn dây:
- Dòng điện của cuộn thứ cấp:
I
2
= K
2
.I
d
= 0,82.320 = 262,4 A
- Dòng điện của cuộn sơ cấp:

I
1
= K
ba
.K
1
.I
d
=
1
2
U
U
.0,82 . 320 = 66,8 A
Ta tiến hành chọn máy biến áp với các thông số trên.
!C,D(1HIJK
Chọn mạch từ 3 trụ tiết diện mỗi trụ đợc tính theo công thức:

fc
S
KQ
ba
ì
ì=

Trong đó :
k: Hệ số kinh nghiệm (thờng lấy K=5,8ữ6,4).Với MBA khô lấy K=6.
c: Số trụ (c=3).
f: tần số (f=50 Hz).
S

ba
: Công suất biểu kiến MBA (VA).
Thay số vào ta có :

)(8,77
503
102,25
6
3
3
cmQ =
ì
ì
ì=

Chọn Q=78 (cm
2
)
Ta chọn mạch từ : làm bằng tôn silic 310 có bề dày là 0,35 mm
tỷ trọng
b
=75 kg/dm
3
tổn hao p=1,3 w/kg. Bề dày lá tôn silic 310 : 0,35(mm)
7- 18 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
a- Tính toán chiều cao sơ bộ của trụ :
Dựa vào công thức kinh nghiệm:

hq
T
l
ì
ì=
4
Trong đó :
+T
hq
:Tiết diện hiệu quả T
hq
=Q.
+ :là hệ số quan hệ giữa chiều cao và chiều rộng của biến áp, thờng bằng
1,15ữ1,35.Ta chọn =1,2.
- Suy ra :

)(26
2,1
14,3
78
4
14,3 cml =
ì
ì=

b/ Tính trọng lợng của trụ:
G
t

=cìS
T
ì
b
ìl
Trong đó : +c: Số trụ (c=3).
+S
T
: Tiết diện trụ: S
T
=Q=78 (cm
3
).
+
b
: Tỷ trọng tôn silic (
b
=7,5kg/dm
3
).
Vậy trọng lợng của trụ là :
G
T
=3ì0,78ì7,5ì2,6=45,6 (kg).
c/ Tính gông:
Chọn a=9,5 cm
2
.
l
G

= 26x2 -9,5 = 42,5 (cm)
T
G
=Q=78 (cm
2
).
Trọng lợng gông:
G
g
=tìT
G
ì
b
ìl
G
Trong đó:
8- 19 -
a
l
b
l
G
a
2

1
2

1
a

1

1

1
2

1
l
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
t: Số gông (t=2)
T
G
: Tiết diện gông.

b:
: Tỷ trọng tôn silic.
l
G
: Chiều dài của gông.
Thay số vào ta có :
G
g
= 2ì0,78ì7,5ì4,35=50 (kg).
Trọng lợng lõi thép MBA:
G=G
T
+G
g

=45,6+50=95,6 (kg).
d/ Số lá tôn:
-Số lá trụ :
704
1035,05,9
78
3
1
=
ìì
ì

(lá)
-Số lá chắn đầu ngắn:
470
1035,05,9
78
2
1
=
ìì
ì

(lá).
-Số lá chắn đầu dài:
235
1035,05,9
78
1
1

=
ìì
ì

(lá).
9- 20 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
LAM.
Thiết kế mạch điều khiển
C,DNO40G#$PD1Q(1

R1
R2
R3
RX1
OP1
+E
-E
D1
D2
+E
220V
a
a'
BADF
( II )
Ung
a. Nguyên lý hoạt động:
Khi sơ cấp của MBA đồng pha đợc nối vào lới điện (hình trên chỉ vẽ 1 pha của MBA đồng
pha). Lúc này thứ cấp của MBA xuất hiện hai điện áp U

a0
và -U
a0
có độ lớn bằng nhau nhng
ngợc dấu. Khi trong nửa chu kì đàu tiên điện áp đặt lên D1 dơng ( >0,7 V) và điện ápđặt trên
D2 âm. Kết quả là D1 dẫn còn D2 khoá. Trong nửa chu kì sau điện áp đổi cực tínhdo vậy mà
lúc này D1 khoá còn D2 dẫn. Các diode D1, D2 dẫn và khoá cùng với sự thay đổi của điện áp
thứ cấp làm cho điện áp cửa vào không đảocủa khuyéch đại thuật toán OP1 là nửa hình sin d-
ơng trong cả chu kì. Điều chỉnh R
x1
để thay đổi điện áp U
ng1
vào cửa đảo của OP1. Nếuđiện
áp vào cửa không đảo U
I
>U
ng1
thì U
D
=(U
I
-U
ng1
)>0. Suy ra điện áp ra của OP1 là U
II
>0 (U
II

=(E-2)V ) và ngợc lại nếu U
D

=(U
I
-U
ng1
)< 0 thì U
II
=-( E-2) V. Vì vậy mà điện áp ra có dạng
xung chữ nhật nh hình vẽ.
- 21 -
T ime [s]
0.00 20.00m 40.00m 60.00m
Output vol tage [V]
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
Dien ap dong pha sau chinh luu
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
b. Tính toán khối đồng pha
Vì f=50Hz nên: T=
50
1
= 0,021 s = 20 ms.
Do đó trong nửa chu kì của điện áp lới ta phải tạo ra điện áp răng ca sao cho :
t=t
p
+ t
n
=0,01 s

Trong đó :
+ t
p
:Thời gian phóng của tụ điện ;
+ t
n
:Thời gian nạp của tụ điện.
Trong thực té tính toán để có dải đièu khiển lớnn từ 0ữU
dđmax
thì t
n
<< t
p
hoặc là t
p
<< t
n
.
-Trong khuôn khổ của đồ án ta chọn t
n
<< t
p
cụ thể là:
t
n
= 0,5 ms.
t
p
= 9,5 ms.
-Với t

n
=0,5 (ms) ta phải điều chỉnh R
x1
sao cho :

01 ang
UU =
.
Trong đó

( )
tU
a

sin212
0
=

( )
03
1
9sin212105,0502sin212 =ììì=


ng
U


)(65,2
1

VU
ng
=
-Vì dòng yêu cầu vào OP1 nhỏ nên chọn R
1
=R
2
=10 (k).
Chọn R
3
=1(k).Ta có:

)(66,4
15
65,2
1
13
3
13
3
1
=
+
ì
=
+
ì
== kR
RR
R

RR
ER
U
x
xx
ng

Cuối cùng ta chọn :R
x1
=0ữ10 (k) và điều chỉnh để R
x1
=4,66 (k).
+ Chọn D1,D2:
- 22 -
T ime [s]
0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m 70.00m
Output vol tage [V]
-20.00
-10.00
0.00
10.00
20.00
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
- Gọi I
d
là dòng chảy qua tải R
d
( chọn R
d
=56 ).Ta có:

)(2,0
56
129,0
A
R
U
I
d
d
d
=
ì
==

Chọn I
lv
=25%.I
đmv
(dòng làm việc của van bằng 25% dòng điện định mức của van).
I
đmv
=4ìI
lv
=4ì0,2=0,8 (A).
- Điện áp ngợc trên van :

34122222 =ì=ì=
abng
UU

(V).
Với hệ số dự trữ là k=2 thì U
ngmax
=34ì2=68 (V).
Chọn D1và D2 là loại D-1001 với I=1 (A) và U
ngnãx
=200 (V).
+ Tính dòng điện chạy ở thứ cấp của máy biến áp đồng pha:
I
3
=0,58ìI
d
=0,116 (A).
N1D4RS

C1
DZ
OP2
+E
-E
R4
R5
D3
RX2
R6
+E
( II )
( III )
a/ Nguyên lý hoạt động
Điện áp đồng pha U

II
đợc đa vào cửa đảo của khâu tạo điện áp răng ca. Do điện áp ra của
khuếch đại tuyến tính phụ thuộc vào quan hệ:
U
ra
= K
0
. (-U
II
+ U
+
)
Trong đó: U
+
là điện áp đặt ở cửa không đảo;
K
0
là hệ số khuếch đại của bản thân OP2 và K
0
là rất lớn.
Khi U
II
< 0 thì D3 thông dẫn đến U
D
= ( U
+
- U
II
) > 0
Suy ra U

III
> 0 và tụ C1 đợc nạp thông qua R5 và D3 về OP1 với dòng nạp:
I
C
= I
2
- I
2
!- 23 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
Trong đó: I
C
, I
2
, I
2
, đợc kí hiệu nh trên hình vẽ.

2424
2
15
xx
RRRR
E
I
+
=
+
=

55
3
'
2
5,13
0
RR
UU
I
DII
=
+
=
;
Với: U
D3
là điện áp rơi trên D3. Chọn bằng 0,5 V
U
dII
= (E- 2)= 13 V
Điện áp U
III
chính là điện áp trên tụ C1
U
r
= U
C
=

+
= dt
RRRC
dtI
C
X
C
)
155,13
(.
1
.
1
24511
U
r
= U
C
=
1245
).
155,13
(
C
t
RRR
X
+

- Diot ổn áp D

Z
có nhiệm vụ không cho điện áp trên tụ nạp quá U
DZ
. Chọn loại Diod có
U
DZ
= 10V
Nếu gọi t
n
là thời gian nạp của tụ thì ta có phơng trình sau:
U
Z
=
1245
).
155,13
(
C
t
RRR
n
X
+

Khi U
II
>0 D
3
khoá U
ra

= 0 tụ C sẽ phóng điện về âm nguồn của OP
2

Với dòng điện phóng I
p
=
24 X
RR
E
+
Điện áp trên tụ giảm dần theo hàm :
U
r
= U
Zp
=
DZ
X
DZ
X
U
CRR
t
Udt
CRR

+
+

=+

+

124
1
24
).(
15
).(
15
Gọi t
p
là thời gian phóng của tụ điện ta có :
U
r
=
DZ
X
p
U
CRR
t
+
+

124
)(
15
(2)
với U
DZ

=10V và t
p
=9,5ms nh đã chọn, từ (2) ta có:

DZ
X
p
U
CRR
t
=
+
124
)(
15

10
)(
10.5,9.15
124
3
=
+

CRR
X
(R
4
+ R
X2

)C
1
= 14,25.10
-3
(3)
từ (1) ta có:
*- 24 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.

1010.5,0).
)(
15
.
5,13
(
3
12415
=
+


CRRCR
X

thay (3) vào (1) ta có:

1010.5,0).
10.25,14
15
.

5,13
(
3
3
15
=


CR

3
15
10.20
.
5,13
=
CR
R
5
C
1
= 0,675.10
-3
chọn C
7
= 0,47àF R
5
= 1,43(K) , chọn R
5
= 1,5(K)

từ (3) chọn R
4
= 10(K)
ta có: (10.10
3
+ R
X2
) = 30,3(K) R
X2
= 20,3(K)
điều chỉnh biến trở để có R
X2
= 20,3(K)
-Dòng qua Diod D
3
: I
2

=
66,8
10.5,1
5,135,13
3
5
==
R
(mA)
Chọn linh kiện :
OP
2

: àA741 có các thông số:
U
ng
= 3ữ22V; U
nF
= 15 V; U
dF
= 30 V; K
o
=5.10
6
; P
1
=100 mW;
[t]=55ữ125
0
C; I
ra
=25 mA; E
n
=15 V; Z
ra
=60 ; Z
vào
=300 K;

5,0=
dt
du
V.

D
3
: D-1001 có các thông số :
I = 1A ; U
ng
= 200V ; U = 0,5V
Đồ thị điện áp ở khâu tạo điện áp răng ca:
25 -
T ime [s]
0.00 20.00m 40.00m 60.00m
Output vol tage [V]
-10.00
0.00
10.00
20.00
T ime [s]
0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m 70.00m
Output vol tage [V]
-20.00
-10.00
0.00
10.00
20.00
Tin hieu dong pha hcn