thiết kế bộ điều khiển kích từ cho máy phát điện xoay chiều có tham số sau u= 400v, i= 300a, ukt= 48v, ikt= 3,5a

Lời nói đầu
Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ của các ngành
khoa học kĩ thuật, các phát minh sáng chế đã và đang được áp dụng rộng rãi và phổ
biến, nhiều thành tựư khoa học kĩ thuật đã đem lại cho nêng sản xuất những tiến bộ
đột phá. Kỹ thuật điện tử và bán dẫn công suất lớn phát triển mạnh mẽ. Các thiết bị
điện tử cơng suất có ưu điểm: có khả năng điều khiển rộng, có chỉ tiêu kinh tế cao,
kích thước và trọng lượng thấp, độ tin cậy và độ chính xác cao.... ứng dụng của
chúng vào vào việc biến đổi năng lượng và điều khiển điện áp và dòng điện xoay
chiều thành một chiều và ngược lại .
Được sự chỉ bảo của thầy giáo giảng dạy, em đã hoàn thành để tài: "Thiết kế
bộ điều khiển kích từ cho máy phát điện xoay chiều có tham số sau: U= 400V,
I= 300A, Ukt= 48V, Ikt= 3,5A.
Trong q trình làm bài sẽ cịn nhiều thiếu sót nên em rất mong nhận được
sự đánh giá, góp ý của thầy giáo để có thể hồn thành tốt hơn bài tập này.


Chương 1. Tổng quan về công nghệ
1.1. Phạm vi ứng dụng của công nghệ
Để cung cấp nguồn cho tải một chiều cần thiết kế các bộ chỉnh lưu. Các bộ
chỉnh lưu biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều. Các loại bộ biến
đổi này có thể là chỉnh lưu khơng điều khiển và chỉnh lưu có điều khiển. Để giảm
công suất vô công, người ta thường mắc song song ngược các tải một chiều một
điốt( loại sơ đồ này gọi là sơ đồ có điốt ngược). Trong các sơ đồ chỉnh lưu có điốt
ngược, khi có và khơng có điều khiển, năng lượng được chuyền từ phía lưới xoay
chiều sang một chiều, nghĩa là các loại chỉnh lưu đó chỉ có thể làm việc ở chế độ
chỉnh lưu nhận năng lượng từ lưới. Các bộ chỉnh lưu có điều khiển, khơng điốt
ngược có thể trao đổi năng lượng theo cả hai chiều. Khi năng lượng truyền từ lưới
xoay chiều sang tải một chiều, bộ nguồn làm việc ở chế độ chỉnh lưu nhận năng
lượng từ lưới, khi năng lượng truyền theo chiều ngược lại( nghĩa là từ phía tải một
chiều về lưới xoay chiều) thì bộ nguồn làm việc ở chế độ nghịch lưu trả năng
lượng về lưới.

1.2. u cầu về cơng nghệ
Thiết kế bộ điều khiển kích từ cho máy phát điện xoay chiều có tham số sau:
U= 400V, I= 300A, Ukt= 48V, Ikt= 3,5A.


Chương 2. Tính chọn van cơng suất
2.1. Giới thiệu các mạch công suất
Trước đây khi đảo chiều người ta thường sử dụng hai cơng tắc tơ để đảo
chiều dịng điện. Nhược điểm của việc sử dụng công tắc tơ để đảo chiều là thời
gian chuyển mạch chậm. Muốn thời gian đảo chiều nhanh người ta thiết kế bộ
chỉnh lưu có đảo chiều. Sau đây là các mạch công suất của bộ chỉnh lưu có đảo
chiều.
2.1.1. Chỉnh lưu hình tia khơng điều khiển

Hình 1: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia khơng điều khiển
u1 = U m sinθ
2π 

u 2 = U m sin θ − 
3 

4π 

u 3 = U m sin θ −

3 

θ = ωt
2π 


u n = U m sin θ − ( n − 1) 
m

2.1.2. Chỉnh lưu hình tia có điều khiển

Hình 2: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia có điều khiển


m
U di =
2π

π π
+ +α
2 m

∫ U m sin θdθ

π π
+ +α
2 m

mU m
π
sin cos α = U di 0 cos α
π
m
mU m
π
=

sin
π
m

U di =
U di 0

Udi0: Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu khơng điều khiển
2.1.3. Chỉnh lưu hình tia 3 pha có diode V0

Hình 3: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha có diode V0
2.1.4. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng

Hình 4: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng
2.1.5. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển khơng đối xứng

Hình 5: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển khơng đói xứng


2.1.6. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng có diode V0

Hình 6: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng có diode V0
2.1.7. Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hồn tồn

Hình 7: Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển hoàn toàn
Giá trị trung bình điện áp chỉnh lưu
U di = U di 0 cos α
U di 0 =

2 2U

= 0.9U
π

2.1.8. Chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển

Hình 8: Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha bán điều khiển


2.2. Phân tích các ưu nhược điểm của các mạch cơng suất
So sánh giữa hai phương án điều khiển hồn toàn và bán điều khiển ta thấy:
- Đỉnh âm của máy điện áp chỉnh lưu bị cắt đỡ nhấp nhô hơn
- Không thể làm việc ở chế độ nghịch lưu
- Hiệu suất bộ biến đổi cao hơn
Sau khi phân tích đánh giá về chỉnh lưu, từ các ưu nhược điểm của các sơ đồ
chỉnh lưu, thì sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng là hợp lý hơn cả. Bởi
lẽ ở công suất này để tránh mất đối xứng biến áp, nên sơ đồ thiết kế chọn là sơ đồ
cầu 3 pha có điều khiển đối xứng như hình vẽ sau:

Hình 2.1: Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng

2.3. Tính chọn van cơng suất


Khi tính tốn van động lực ta cần dựa vào các yếu tố cơ ban sau: dòng tải, sơ
đồ đã chọn, điều kiện tản nhiệt, điện áp làm việc.
- Điện áp ngược của van
Ulv = knv.U2
Với U2 = Ud /ku thay số vào ta được:
U lv = k lv .

Ud
Ku

Với:
Ud =48 V
knv = 2,45
ku= 2,34
Thay số vào ta được:
U lv = 2,45.

48
= 50,26V
2,34

Unv =kdtU . Ulv = 1,6 x 50,26 = 80,41 (V)
- Dòng điện của van
Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua
van.
Id = 3,5 (A)
Dòng điện hiệu dụng của van:
Ilv = Ihd = khd .Id = 0,58 x 3,5 = 2,03 (A)
Với các thông số làm việc của van ở trên, chọn điều kiện làm viêcj của van
là có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện tích tỏa nhiệt, khơng quạt đối lưu khơng khí.
Vậy thơng số của van động lực là:
Unv = 80,41 (V)
Idlv = ki x Ilv = 4 x 2,03 = 8,12 (A)
Tra bảng thộng số các van, ta chọn được van 2N4441:
Dòng điện định mức của van Idmv = 12 A
Điện áp ngược cực đại của van Unv = 120 V
Điện sụt áp trên van ∆U = 3,0 V

Dòng điện rò Ir = 2 mA
Điện áp điều khiển Udk = 2,5 V
Dòng điện điều khiển Idk = 0,06 A
Thời gian chuyển mạch tcm = 15 µs


2.4. Tính tốn máy biến áp chỉnh lưu
Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây ∆/Y làm mát bằng khơng khí tự
nhiên.
Tính các thơng số cơ bản:
1. Tính cơng suất biểu kiến của máy biến áp
S = 48 x 3,5 = 168 VA
2. Điện áp sơ cấp máy biến áp
Ul = 380(V)
3. Điện áp thứ cấp của máy biến áp
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:
Udo. Cosαmin = Ud + 2.∆Uv + ∆Udn + ∆Uba
Trong đó:
αmin = 100 là góc dự trữ khi có sự giảm điện lưới
∆Uv = 2,0 V là sự sụt áp trên Thyristor
∆Udn ≈ 0 là sự sụt áp trên đường dây nối
∆Uba = ∆Ur+ ∆Ux là sự sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp
Chọn sơ bộ:
∆Uba = 6%.Ud = 6%.48 = 9,6 V
Với phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có:
U do =

U d + 2.∆U v + 2.∆U dn + 2.U ba 48 + 2.3,0 + 0 + 9,6
=
= 64,58V

cos α min
cos10 0

Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
U2f =

U d 64,58
=
= 27,60V
ku
2,34

4. Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp
I2 =

2
.I d =
3

2
.3,5 = 2,86 A
3

5. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp
I 1 = K ba .I 2 =

U2
27,6
.I 2 =
.2,86 = 0,21A

U1
380

6. Tiết diện sơ bộ trụ
QFe = k Q .

S ba
m. f

Trong đó:
kQ: Hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy kQ = 6


m: Số trụ của máy biến áp
f: Tần số xoay chiều, ở đây f = 50 Hz
Thay số ta được:
QFe = 6.

50
= 3,46cm 2
3.50

7. Đường kính trụ
4.QFe
=
π

d=

4.3,46

= 2,09cm
π

Chuẩn hóa đường kính theo tiêu chuẩn d = 3cm
8. Chọn loại thép
∃330 các lá thép có độ dày 0,5mm
Chọn mật độ từ cảm của trụ Bt = 1T
9. Chọn tỷ số
m=

h
= 2,3 , suy ra h = 2,3.d = 2,3.3 = 6,9 cm
d

Ta chọn chiều cao trụ là 7 cm
Tính tốn dây quấn
10. Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp
W1 =

U1
380
=
= 4947,14 vòng
4,44. f .QFe .BT 4,44.50.3,46.10 −4.1,0

Lấy tròn W1 = 4947 vòng
11. Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp
W2 =

U2

27,60
.W1 =
.4947 = 359,31 vòng
U1
380

Lấy tròn W2 = 359 vòng
12. Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp
Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn J1 = J2 = 2,75 A/mm2
13. Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp
S1 =

I 1 0,21
=
= 0,076mm 2
J 1 2,75

Chọn dây dẫn tiết diện hình trịn, cách điện cấp B
Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S1 = 0,077mm2
Kích thước dây dẫn có kể cách điện
S1cđ = π .0,1052 = 0,07 cm2
14. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp


J1 =

I1
0,21
=
= 9,25 A / mm 2

S1 0,0227

15. Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp
I 2 2,86
=
= 1,04mm 2
J 2 2,75

S2 =

Chọn dây dẫn tiết diện hìmh trịn, cách điện áp cấp B
Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S1 = 1,05 mm2
Kích thước dây dẫn có kể cách điện
S1cđ = π .0,5552 = 0,9676 cm2
16. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp
I 2 2,86
=
= 2,72 A / mm 2
S 2 1,05

J2 =

Kết cấu dây dẫn sơ cấp
Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo dọc trục
17. Tính sơ bộ số vịng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp
W11 =

h − 2.hg
b1

.k c =

7 − 2.1,5
.0,95 = 36 vịng
0,105

Trong đó:
kc = 0,95 hệ số ép chặt
h: chiều cao trụ
hg : khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp
Chọn sơ bộ khoảng cách điện gơng là 1,5 cm
18. Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp
n11 =

W1 4947
=
= 137 lớp
W11
36

19. Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp
h1 =

W11 .b1 36.0,21
=
= 7,96cm
kc
0,95

20. Chọn ống dây quấn làm bằng vật liệu cách điện có bề dầy:

S01 = 0,1 cm
21. Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp chọn cd01 = 1,0 cm
22. Đường kính trong cuă ống cách điện
Dt = dFe + 2.cd01 - 2.S01 = 3+2.1-2.0,1 = 4,8 cm
23. Đường kính trong của ống cuộn sơ cấp
Dt1 = Dt + 2.S01 = 4,8 + 2.0,1 = 5 cm


24. Chọn bề dầy giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd11 = 0,1 mm
25. Bề dầy cuộn sơ cấp
Bd1 = 0,21.137 = 28 cm
26. Đường kính ngồi của cuộn sơ cấp
Dn1 = Dt1 + 2.Bd1 = 5+ 2.28 = 51 cm
27. Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp
Dtb =

Dt1 + Dn1 5 + 51
=
= 28cm
2
2

28. Chiều dài dây quấn sơ cấp
l1 = W1. π .Dtb = π .4947.28 = 435,16 m
29. Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp: cd12 = 1,0 cm
Kết cấu dây dẫn thứ cấp
Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo dọc trục
30. Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp
h1 = h2 = 7 cm
31. Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp

W12 =

h2
7
.k c =
.0,95 = 15 vịng
b2
0,55

Trong đó:
kc = 0,95 hệ số ép chặt
h: chiều cao trụ
Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gơng là 1,5 cm
32. Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp
n12 =

W2 359
=
= 23,9 lớp
W12
15

33. Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp
h2 =

W12 .D2 15.0,55
=
= 8,5cm
kc
0,95

34. Đường kính trong của cuộn sơ cấp
Dt2 = Dn1 + 2.S01 = 51 + 2.0,1 = 51,2 cm
35. Chọn bề dầy giữa hai lớp dây của cuộn sơ cấp: cd11 = 0,1 mm
36. Bề dầy cuộn thứ cấp
Bd2 = 1,11.11 = 12,21 cm
37. Đường kính ngồi của cuộn thứ cấp
Dn2 = Dt2 + 2.Bd2 = 51,2 + 2.12,21 = 75,62 cm


38. Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp
Dtb 2 =

Dt 2 + Dn 2 51,2 + 75,622
=
= 63,41cm
2
2

39. Chiều dài dây quấn thứ cấp
l2 = W2.π.Dtb2 = π.259.63,41 = 515,7 m
40. Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp: cd12 = 2,0 cm
Tính kích thước mạch từ
41. Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ
Qtb = 2.(1,6.10,5+1,1.0,95+0,7.8,5+0,6.7,5+0,4.6,5+0,7.4) = 86,2 cm2
42. Tiết diện hiệu quả của trụ
QT =khq.Qbt = 0,95.86,2 = 81,89 cm2
43. Tổng chiều dày của bậc thang
dt = 2.(1,6+1,1+0,7+0,6+0,4+0,7) = 10,2 cm
44. Tổng chiều dài các bậc thang

16

Bậc 1 n1 = 0,5 .2 = 64 lá
11

Bậc 2 n2 = 0,5 .2 = 44 lá
7

Bậc 3 n3 = 0,5 .2 = 28 lá
6

Bậc 4 n4 = 0,5 .2 = 24 lá
4

Bậc 5 n5 = 0,5 .2 = 16 lá
7

Bậc 6 n6 = 0,5 .2 = 28 lá
Để đơn giản trong việc chế tạo gông từ, ta chọn gơng có tiết diện hình chữ
nhật có kích thước sau:
Chiều dày gông bằng chiều dài của trụ: b = dt = 7 cm
Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ: a = 7 cm
Tiết diện gông: Qbg = a x b = 49 cm2
45. Tiết diện hiệu quả của gông
Qg = khq.Qbg = 0,95.49 = 46,55 cm2
46. Số lá thép dùng trong một gông
hg =

b
70

=
= 140 lá
0,5 0,5


47. Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ
BT =

U1
380
=
= 0,04T
4,44. f .W1 .QT 4,44.50.4947.81,89.10 −4

48. Mật độ từ cảm trong gông
B g = BT .

QT
81,89
= 0,04.
= 0,07T
Qg
46,55

49. Chiều rộng của cửa sổ
c = 2.(1 + 1,33 + 1,35) + 2 = 11,37 cm
50. Tính khoảng cách giữa hai tâm trụ
c' = 11,37 + 7 = 18,37 cm
51. Chiều rộng của mạch từ
C = 2.11,37 + 3.7 = 43,74 cm

52. Chiều cao mạch từ
H = 7 + 2.3 = 13 cm
Tính khối lượng sắt và đồng
53. Thể tích của trụ
VT = 3.81,89.7 = 1719,69 cm3
54. Thể tích của gơng
Vg = 2.46,55.43,47 = 4072,19 cm3
55. Khối lượng của trụ
Mg = Vg.mFe = 1,71969.7,85 = 13,49 Kg
56. Khối lượng của gông
MT =VT.mFe = 4,07219.7,85 = 31,9 Jg
57. Khối lượng của sắt
MFe = MT + Mg = 31,9 + 13,49 = 45,46 Kg
58. Thể tích của đồng
VCu = 3.(S1L1 + S2L2) = 3.(0,21.435,16.10-4 + 1,04.515,7.10-4) = 0,1883 dm3
59. Khối lượng của đồng
MCu = VCu . mCu = 0,1883.8,9 = 1,676 Kg
Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực
2.4. Chọn thiết bị bảo vệ
2.4.1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn
Khi van bán dẫn làm việc, có dịng điện chạy qua, trên van có sụt van ∆U,
do đó có tổn hao cơng suất ∆P. Tổn hao này sinh ra nhiệt, đốt nóng van bán dẫn.
Mặt khác, van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép (T cp), nếu


quá nhiệt độ cho phép các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an
toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, phải chọn và thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lí.
Tính tốn cách tản nhiệt:
Thơng số cần có:
+ Tổn thất cơng suất trên Thyristor: ∆P = ∆U.Ilv = 2,0.1,45 = 2,9 W

+ Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: STN = ∆p/Km.τ
Trong đó:
∆p: tổn hao công suất W
τ: độ chênh nhiệt độ so với môi trường
Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 400C
Nhiệt độ làm việc cho phép của Thyristor Tcp = 1250C
Chọn nhiệt độ trên cánh tỏa nhiệt Tlv = 800C
τ = Tlv - Tmt = 400C
Km hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Chọn Km = 8 W/m2 0C
Vậy STN = 2,9/8.40 = 0,009 m2
Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh
a x b = 3 x 4 = 12 cm2
Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh STN = 12.2.12 = 288 cm2
2.4.2. Bảo vệ quá dịng điện cho van
Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch khi quá tải và
ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp
ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu.
Chọn 1 aptomat có:
Dịng điện làm việc chạy qua aptomat:
I=

S ba
3.380

=

50
3.380

= 0,07 A

Dòng điện aptomat cần chọn:
Idm = 1,1.0,07 = 0,08 A
Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Thyristor, ngắn
mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu
Icc = 1,1.I2 = 1,1.2,04 = 2,224 A
2.4.3. Bảo vệ quá điện áp cho van
Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiện
bằng cách mắc R-C song song với Thyristor. Khi có sự chuyển mạch, các điện tích
tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngồi tạo ra dịng điện ngược trong thời gian


ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dịng điện ngược gây ra sức điện động cảm
ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá trình điện áp giữa Anod và Catod của
Thyristor. Khi có mạch R-C mắc song song với Thyristor tọa ra mạch vịng phóng
điện tích trong q trình chuyển mạch nên Thyristor khơng bị q điện áp.
Theo kinh nghiệm R1= (5 ÷ 30)Ω; C1 = (0,25 ÷ 4) µF
Chọn theo tài liệu: R1 = 5,1 Ω; C1 = 0,25 µF
+Để bảo vệ van do cắt đột biến áp áp non tải, người ta mắc một mạch R-C ở
đầu ra của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bằng diode công suất bé. Thông thường giá trị
tự chọn trong khong 10 ữ 200 àF
Theo ti liu: R3 = 470; C3 = 10µF
Chọn giá trị điện trở R4 = 1,4(KΩ)


Chương 3. Thiết kế mạch điều khiển
3.1. Giới thiệu vác khâu điều khiển cần thiết
Để mạch động lực hoạt động thì cần có mạch điều khiển. Trong mạch điều
khiển gồm các khâu sau:
- Khâu đồng pha: có nhiệm vụ tạo ra điện áp U rc thượng gặp là điện áp răng

cưa tuyến tính) trùng pha với điện áp anod của Thyristor.
- Khâu so sánh: nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều khiển, có
nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển U dk, tìm thời điểm với
điện áp này bằng nhau (Udk = Urc). Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát
xun ở đầu ra để gửi sang tầng khuyếch đại.
- Khâu tạo xung: có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor. Xung để
mở Thyristor cần phải: sườn trước dốc thẳng đứng để đảm bảo yêu cầu Thyristor
mở tức thời khi có xung điều khiển; đủ độ rộng; đủ công suất; cách ly giữa mạch
điều khiển và mạch động lực( khi điện áp quá lớn).
- khâu khuyếch đại: với nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Thyristor, tầng
này thường được thiết kế bằng Tranzitor công suất.
3.2. Tính tốn các khâu điều khiển
Viêch tính tốn mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng khuyếch đại
ngược trở lên
Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu chung để mở Thyristor.
3.2.1. Tính biến áp xung
- Chọn vật liệu làm bằng lõi thép Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm
việc trên một phần của đặc tính từ hóa có: ∆B = 0,3 T, ∆H = 30 A/m, khơng có khe
hở khơng khí.
- Tỷ số biến áp xung: thường m = 2 ÷ 3, chọn m = 3
- Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Udk = 2,5 V
- Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1= m.U2 = 3.2,5 = 7 V
- Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk = 0,06 A
- Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I1 = I2/m = 0,06/3 = 0,02 A
- Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: µtb = ∆B/µ0. ∆H = 8.103
Thể tích của lõi thép cần có:
V = Q.L = (µtb. µ0. tx. sx. U1. I1)/ ∆B2
Thay số vào ta được:
V = ( 8.103. 1,25.10-6. 100.10-3. 0,5. 7. 0,02)/0,32 = 3,47.10-6 m3 = 0,9 cm3

Chọn mạch từ OA-25/40-5 có thể tích V = Q.l = 0,375.10,2 = 3,38 cm 3, với
thể tích đó ta có kích thước mạch từ như sau:
a = 7,5 mm; b = 5mm; Q = 0,375 cm3 = 37,5 cm3; Qcs = 4,9 cm2; d = 25 mm;
D = 40 mm. Chiều dài trung bình mạch từ l = 10,2 cm.
Số vòng quấn dây sơ cấp biến áp xung:
Theo định luật cảm ứng điện từ:
U1 = w1.Q. dB/dt = w1.Q. ∆B/tx
w1 = U1.tx/∆B.Q = 9.100.10-3/0,3.37,5 = 80 vòng
Số vòng dây thứ cấp: W2 = w1/m = 80/3 = 27 vòng
Tiết diện dây quấn thứ cấp:
S1 = I1/J1 = 66,6.10-3/6 = 0,0112 mm2
Chọn mật độ dòng điện J1 = 6 (A/mm2)
- Đường kính dây quấn sơ cấp:
d1 =

4 S1
= 0,119mm
π

Chọn d1 = 0,12mm, S1 = 0,0113mm2
Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = I2/J2 = 0,2/4 = 0,05mm2
Chọn mật độ dòng điện J2 =4 A/mm2
Đường kính dây quấn thứ cấp: d 2 =

4S 2
= 0,252mm
π

Chọn dây có đường kính d2 =0,27 mm, S2 = 0,0575 mm2

Kiểm tra hệ số lấp đầy:
K ld =

S1 .W1 + S 2 .W2 0,0113.80 + 0,0572.27
=
= 0,005
Qcs
490

Như vậy, của sổ đủ diện tích cần thiết
3.2.2. Tính tầng khuyếch đại cuối cùng
Chọn Tranzitor công suất Tr3 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các
thơng số:
Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn Si
Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: UCBO = 40 V
Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO = 4 V
Dịng điện lớn nhất của Colecto có thể chịu đựng Icmax = 500 mA
Công suất tiêu tán của Colecto: Pc = 1,7 W
Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1 = 1750C
Hệ số khuyếch đại: β = 50


Dòng làm việc của Colecto: Ic3 = 33,3 A
Dòng làm việc của Bazơ: IB3 = Ic3/ β = 33,3/50 = 0,66 mA
Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E = +12 V ta mắc thêm điện trở R10 nối
tiếp với cực Emito của Tr3
R10 = (E-U1)/I1 = 92 Ω
Tất cả các diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số:
- Dịng điện định mức: Idm = 10 A
- Điện áp ngược lớn nhất: UN = 25 V

- Điện áp để cho diode mở thông: Um = 1 V
3.2.3. Chọn cổng AND
Toàn bộ mạch điện phải dùng 6 cổng AND nên ta chọn hai IC 4081 họ
CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng NAD, có các thơng số:
Nguồn ni IC: Vcc = (3 ÷ 18) V, ta chọn: Vcc = 12 V
Nhiệt độ làm việc: -400C ÷ 800C
Điện áp ứng với logic: "1": 2 ÷ 4,5 V
Dịng điện nhỏ hơn 1mA
Công suất tiêu thụ P = 2,5 mW/1 cổng
3.2.4. Chọn tụ C3 và R9
Điện trở R9 dùng để hạn chế dòng đưa vào Bazơ của Tranzitor Tr 3, chọn R9
thỏa mãn diều kiện:
R9 ≥

U
12
=
= 6kΩ
I b 3 2.10 −3

Trong đó:
U = 12 V; Ib3 = 2mA< 10mA
Chọn C3.R9 = tx =100. Suy ra C3 = tx/R9
C = 100/6,8.103 = 0,014µF. Chọn C3 = 0,0 µF
3.2.5. Tính chọn bộ tạo xung chùm
Mỗi kênh điều khiển phải dùng 4 khuyếch đại thuật tốn, do đó ta chon 6 IC
loại TL084 do hãng Texas Instruments chế tạo, mỗi IC này có 4 khuyếch đại thuật
tốn. Thơng số củ TL048:
Điện áp nguồn nuôi: Vcc = ± 18 V, chọn Vcc = ± 12 V
Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: ± 30 V

Nhiệt độ làm việc: T = -25 ÷ 850C
Cơng suất tiêu thụ: P = 680 mW = 0,68 W
Tổng trở đầu vào: Rin = 106MΩ


Dòng điện đầu ra: Ira = 30 pA
Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: du/dt = 13 V/µs
Mạch tạo chùm xung có tần số: fx = 1/2tx = 1/2.100 = 5 kHz hay tru kỳ của
xung trùm.
T = 1/f = 200 µs; ta c ó: T = 2.R8C2.ln( 1+2.R8/R7)
Chọn R6 = R7 = 33 kΩ thì T = 2,2.R8.C2 = 200 µs
Vậy: R8.C2 = 90 µs
Chọn tụ C2 = 0,1 µF có điện áp U = 16 V; R8 = 0,9Ω.
Đểm thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn R 8 là biến trở 1
kΩ.
3.2.6. Tính chọn tầng so sánh
Khuyếch đại thuật tốn đã chọn loại TL084
Trong đó nếu nguồn ni Vcc = ± 12 V. Thì điện áp vào A3 là Uv = 12 V.
Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1 mA
Chọn R4 = R5 > Uv/Iv = 12/1.10-3 = 12 kΩ
Do đó ta chọn R4 = R5 = 15 kΩ khi có dịng vào A3:
Ivmax = 12/(15.109) = 0,8 mA
3.2.7. Tính chọn khâu đồng pha
Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C 1, mặt khác để đảm bảo điện
áp tụ có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ
nạp được Tr = R3.C1 = 0,005s.
Chọn tụ C1 = 0,1 µs thì điện trở R3 = Tr/C1 = 0,005/0,1.10-6
Vậy R3 = 50.103 Ω = 50 kΩ
Để thuận tiện ch điều chỉnh khi lắp ráp mạch R 3, thường chọn là biến trở lớn
hơn 50 kΩ chọn Tranzito Tr1 loại A564 có các thơng số:

Tranzito loại NPN làm bằng Si
Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: UCBO = 25 V
Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO = 7 V
Dòng điện lớn nhất của Colecto có thể chịu đựng Icmax = 100 mA
Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: Tcp = 1500C
Hệ số khuyếch đại: β = 250
Dòng cực đại của Bazơ: IB3 =Ic /β = 100/250 = 0,4 mA
Điện trở R2 để hạn chế dòng điện đi vào Bazơ Tranzito Tr 1 được chọn như
sau:
Chọn R2 thỏa mãn điều kiện: R2 > UNmax/IB = 12/0,4.10-3 = 30 kΩ


Chọn R2 = 30 kΩ
Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: UA = 9 V
Điện trở R1 để hạn chế dịng điện khuyếch đại thuật tốn A 1, thường chọn R1
sao cho dịng vào khuyếch đại thuật tốn IV < 1 mA. Do đó:
R1 > UA/IV = 9/1.10-3 = 9 kΩ. Chọn R1 = 10 kΩ
3.2.8. Tạo nguồn nuôi
Thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn
nuôi, chọn kiểu biến áp 3 pha 3 trụ, trên mỗi trụ có 5 cuộn dây, một cuộn sơ cấp và
bốn cuộn thứ cấp.
Cuộn thứ cấp thứ nhất
Cấu tạo ra nguồn điện áp ± 12 V để cấp cho ni IC, các bộ điều chỉnh dịng
điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Nguồn này được cấp bởi ba cuộn dây thứ cấp.
Hai chỉnh lưu tia 3 pha để tạo điện áp nguồn nuôi đối xứng cho IC. Điện áp
đầu ra của ổn áp chọn 12V. Điện áp vào của IC ổn áp chọn 20V. Điện áp thứ cấp
các cuộn chọn là:
U 21 =

20

2

= 14,18V

Chọn U21 = 14V
Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và
7912, các thông số chung của vi mạch này như sau:
Điên áp đầu vào: UV = 7 ÷ 35 V
Điện áp đầu ra: IC 7812 có Ura = 12V
IC 7912 có Ura = -12V
Dịng điện đầu ra: Ira = 0 ÷ 1 A
Tụ điện C1, C2 dùng để lọc phần song hài bậc cao.
Chọn tụ C1 = C2= C3= C4= 470 µF; U = 35 V
Cuộn thứ cấp thứ 2: Tạo nguồn nuôi cho biến áp xung, cấp xung điều khiển
cho các Thyristor + 12V. Do mức độ sụt xung cho phép tương đối lớn lên nguồn
này không cần ổn áp. Mỗi khi phát xung điều khiển công suất xung đáng kể, nên
cần tạo cuộn dây này riêng rẽ với cuộn dây cấp nguồn IC, để tránh gây sụt áp
nguồn nuôi IC.
Cuộn thứ cấp thứ 3,4 là các cuộn dây đồng pha. Các cuộn dây này cần lấy
trung thực điện áp hình sin của lưới, tốt nhất nên quấn biến áp riêng. Tuy nhiên,
theo kinh nghiệm có thê quấn chung với biến áp nguồn ni cũng có thể được.
3.2.9. Tính tốn máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha


1)
Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi IC: U21 = 14V
2)
Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL084 sử dụng làm khuyếch đại thuật toán
ta chọn hai IC TL084 để tạo 6 kênh điều khiển và 2 cổng AND.
PIC = 8.0,68 = 5,12 W

3)
Công suất BAX cấp cho cực điều khiển Thyristor
Px = 6.UNX.Idk = 6.3.0,2 = 3,6 W
4)
Điện áp ba pha thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi biến áp xung
12

U 22 =

2 3

= 4,91V ; chọn 5V

5)
Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây đồng pha U3,4 = 5V
6)
Dòng điện chạy qua cuộn dây đồng pha chọn 10mA
7)
Công suất các cuộn dây đồng pha
Pdf = 6. Udf.Idf = 6.50.0,1 = 0,3 W
8)
Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi
PN = Pdf + PIC + Px
PN = 0,3 + 5,12 + 3,6 = 9,02 W
9)
Cơng suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn thất trong máy:
S = 1,05.PN = 1,05.9,02 = 9,471 VA
10) Dòng điện sơ cấp máy biến áp:
I1 = S/3.U1= 9,471/3.220 ≈0,01435 A
11) Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo cơng thức:

Qt = k Q

S
9,471
= 6.
= 1,51cm 2
m. f
3.50

Ta chọn chuẩn hóa tiết diện trụ theo bảng
Qt = 1,63 cm2
Kích thước mạch từ là thép dày σ = 0,5 mm
Số lượng lá thép: 68 lá
a = 12 mm
b = 16 mm
h = 30 mm
hệ số ép chặt kc = 0,85
12) Chọn mật độ từ cảm B= 1T ở trụ ta có số vịng dây sơ cấp:
W1 =

13)

U1
= 6080 vòng
4,44. f .B.QT

Chọn mật độ dòng điện J1 = I2 = 2,75 A/mm2


14) Tiết diện dây quấn sơ cấp:

W11 = 0,0052 mm2
15) Đường kính dây sơ cấp:
W12 = 0,081 mm
16) Số vịng dây quấn thứ cấp W21
W21 = W1 .

17)

Số vòng dây quấn thứ cấp W22

W22 = W1 .

18)

U2
34
= 6080.
= 940 vòng
U1
220
U 22
4,91
= 6080.
= 135 vòng
U1
220

Số vòng dây quấn thứ cấp W23

W23 = W1 .

U 23
5
= 6080.
= 138 vịng
U1
220

19) Đường kính dây quấn các cuộn thứ cấp vì kích thước nhỏ khơng đáng
kể chọn 0,26 mm.
Các thơng số cịn lại của biến áp nguồn ni được tính như đã giới thiệu
20) Tính chọn diode cho bộ chỉnh lưu nguồn ni:
- Dịng điện hiệu dụng qua diode:
I DHD =

I ∑ IC
3

≈

1 5,12
.
= 0,123 A
3 2,12

- Điện áp ngược lớn nhất mà diode phải chịu: U N max = 6 .U 21 = 2,45.14 = 34,3V
- Chọn diode có điện áp ngược lớn nhất:
Un = ku.UNmax = 2.34,3 = 68,6 V
Chọn diode loại KII208A có các thơng số:
- Dịng điện định mức: Idm = 1,5 A

- Điện áp ngược cực đại của diode: UN = 100 V
3.3. Ghép nối thành sơ đồ hoàn chỉnh


KẾT LUẬN
Qua thời gian thực hiện thiết kế môn học với đề tài " Thiết kế bộ điều khiển
kích từ cho máy phát điện xoay chiều có tham số sau: U=400V, I=300A, U kt=48V,
Ikt=3,5A" đã giúp em hiểu rõ hơn những vấn đề lý thuyết và thực tế liên quan đến
đề tài nhằm củng cố đã học trên lớp. Được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo
phụ trách bộ môn, các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tự động công nghiệp....với
sự cố gắng của bản thân em đã cơ bản hoàn thành đề tài và đã giải quyết được
những vấn đề sau:
- Tổng quan về cơng nghệ
- Tính chọn mạch cơng suất
- Tính chọn các thiết bị bảo vệ
- Thiết kế mạch điều khiển
Mặc dù làm việc nghiêm túc và cố gắng trong suốt thời gian thực hiện đề tài
song do thời gia hạn chế nên đề tài này khong tránh khỏi những thiếu sót nhất định,
em mong được sự chỉ bảo của các thầy, các cô và các ban.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hải Phòng, ngày 16 tháng 05 năm 2011
Sinh viên thực hiện

Vũ Ngọc Dũng