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 1. Tổng quan về công nghệ thiết kế bộ điều khiển kích
từ cho máy phát điện
1.1 Tổng quan về cơng nghệ thiết kế bộ điều khiển kích từ cho máy
phát điện xoay chiều
Như ta đã biết để điều chỉnh điện áp phát ra của máy phát người ta
thường điều chỉnh dịng kích từ nhờ một bộ điều chỉnh bằng tay hoặc tự
động hệ thống kích từ. Trong chế độ làm việc bình thường điều chỉnh dịng
kích từ sẽ điều chỉnh được điện áp đầu cực máy phát thay đổi được lượng
công suất phản kháng phát vào lưới.Bộ điều khiển kích từ làm việc
nhằm giữ điện áp khơng thay đổi (với độ chính xác nào đó) khi phụ tải biến
động. Ngồi ra thiết bị tự động điều chỉnh kích từ cịn nhằm mục đích nâng
cao giới hạn cơng suất truyền tải từ máy phát điện vào hệ thống, đảm bảo sự
ổn định tĩnh, nâng cao sự ổn định động.Trong thực tế người ta có 4 hệ thống
kích từ một cách tự động đó là các phương pháp sau:
+ Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều.
+ Hệ thống kích từ dùng các máy phát điện xoay chiều có vành góp.
+ Hệ thống kích từ dùng các máy phát điện xoay chiều khơng vành
góp.
+ Hệ thống kích từ xoay chiều dùng nguồn chỉnh lưu có điều khiển.
1.2 Yêu cầu về cơng nghệ
Để cung cấp một cách tin cậy dịng một chiều cho cuộn dây kích từ
của máy phát điện đồng bộ, cần phải có một hệ thống kích từ thích hợp với
cơng suất định mức đủ lớn.Thơng thường địi hỏi cơng suất định mức của hệ
thống kích từ bằng (0,2 – 0,6%) cơng suất định mức máy phát điện.
Dịng điện kích từ chạy trong các cuộn dây rơto của máy phát điện đồng bộ
là dịng điện một chiều vì vậy cần có hệ thống nguồn cung cấp riêng. Hệ
thống kích từ, điều chỉnh dịng kích từ trong q trình làm việc là thiết bị tự
động điều chỉnh kích từ. Đặc tính của hệ thống kích từ và cấu trúc thiết bị
điều chỉnh kích từ có ý nghĩa quyết định không những đối với chất lượng
điều chỉnh điện áp mà cịn đến tính ổn định hệ thống.
1.3 Phạm vi ứng dụng của cơng nghệ

1) Hệ thống kích từ dùng máy phát điện một chiều
Ở các máy phát điện công suất nhỏ hệ thống kích từ là các máy phát điện
một chiều.Máy phát điện một chiều làm nhiệm vụ kích thích này (cịn gọi là
máy phát điện kích thích) có thể được kích thích độc lập hoặc song song
cuộn dây kích thích của nó có thể chia làm nhiều cuộn dây cùng làm việc


2) Hệ thống kích từ dùng máy phát điện xoay chiều tần số cao chỉnh lưu.
Đối với các máy phát từ 100MW trở lên hiện nay đều sử dụng hệ thống
nguồn xoay chiều chỉnh lưu. Trước hết phải kể đến hệ thống kích từ
dùng máy phát điện tần số cao chỉnh lưu.
3) Hệ thống kích từ dùng máy phát kích từ xoay chiều không vành trượt:
Một trong các phương pháp được sử dụng rộng rãi hiện nay là
phương pháp dùng máy phát điện xoay chiều khơng vành trượt (hệ thống
kích từ khơng vành trượt).Trong hệ thống kích từ này người ta dùng một
máy phát điện xoay chiều 3 pha quay cùng trục với máy phát điện chính làm
nguồn cung cấp. Máy phát xoay chiều kích từ có kết cấu đặc biệt.
4) Hệ thống kích từ xoay chiều dùng nguồn chỉnh lưu có điều khiển.
Hệ thống này cho phép tạo ra hằng số có qn tính rất nhỏ 0,02 – 0,04s nhờ
khả năng điều chỉnh trực tiếp dịng kích từ (chạy qua các Thyristor) đi vào
cuộn dây roto máy phát điện đồng bộ. Hiện nay tại các nhà máy phát điện
chủ yếu sử dụng loại hệ thống kích từ này. Hằng số quán tính nhỏ là điều
kiện quan trọng cho phép nâng cao chất lượng điều chỉnh điện áp và tính ổn
định.
Sinh viên thực hiện :
Nguyễn Đức Hoàng


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 cầu 3 pha điều khiển đối xứng
a.Nguyên lý hoạt động.
Mỗi Tiristor được phát 2 xung điều khiển:
- Xung thứ nhất xác định góc mở .
- Xung thứ 2 đảm bảo thông mạch tải.
b.Một số công thức cơ bản.
-Điện áp trên tải: Ud= Ud0cosα= 2,34U2cosα
-Dịng điện trên tải: Id=

.

-Dịng điện trung bình qua van: IT=
-Điện áp ngượcđặt lên van: Ung=2,45U2
-Dịng điện phía thứ cấp: I2= 0,816Id
-Dịng điện phía sơ cấp: I1= 0,816Id.Kba
-Cơng suất máy biến áp: Sba= 1,05Pd
-Công suất tải: Pd= Udo.Io



Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng
-Nhận xét:Chỉnh lưu 3 pha sơ đồ cầu là loại được sử dụng rộng rãi nhất
trong thực tế vì nó có nhiều ưu điểm hơn cả. Nó cho phép có thể đấu thẳng
vào lưới điện ba pha, độ đập mạch nhỏ 5%. Nếu có sử dụng máy biến áp thì
gây méo lưới điện ít hơn cácloại trên. Đồng thời, cơng suất mạch chỉnh lưu

này có thể rất lớn đến hàng trăm kW
Nhược điểm của mạch này là sụt áp trên van gấp đôi sụt áp trên van trong
mạch sơ đồ hình tia
2.1.2. Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển khơng đối xứng
Một số công thức cơ bản:
-Điện áp trên tải: Ud=
-Dịng điện trên tải: Id=

(1+

)

.

-Dịng điện trung bình qua van: IT=
-Điện áp ngượcđặt lên van: Ung=2,45U2
-Công suất máy biến áp: Sba= 1,05Pd
-Công suất tải: Pd= Udo.Io



Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng
Nhận xét :Tuy điện áp chỉnh lưu chứa nhiều sóng hài nhưng chỉnh lưu cầu 3
pha khơng đối xứng có q trình điều chỉnh đơn giản ,kích thước gọn nhẹ
hơn
2.2. Phân tích các ưu nhược điểm của các mạch công suất
So sánh giữa các phương án 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:

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 =20 V
knv = 2,45
ku= 2,34
Thay số vào ta được:
U lv = 2,45.

20
= 20,94V
2,34

Unv =kdtU . Ulv = 1,6 x 20,94 = 33,504 (V)
- Dòng điện của van
Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua
van.
Id = 30 (A)
Dòng điện hiệu dụng của van:
Ilv = Ihd = khd .Id = 0,58 x 30 = 17,4 (A)
Với các thông số làm việc của van ở trên, chọn điều kiện làm việc 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 = 33,504 (V)
Idlv = ki x Ilv = 4 x 17,4 = 69,6 (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 20 + 2.3,0 + 0 + 9,6
=
= 36,15V
cos α min
cos 10 0

Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
U2f =

U d 36,15
=
= 15,45V
ku
2,34

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

2
.I d =
3

2
.30 = 24,49 A
3

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

U2
15,45
.I 2 =
.244,49 = 9,94 A
U1
380

6. Tiết diện sơ bộ trụ


Q Fe = 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.Q Fe
=
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 .Q Fe .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
S2 =

I 2 2,86
=
= 1,04mm 2
J 2 2,75

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
J2 =

I 2 2,86
=
= 2,72 A / mm 2
S 2 1,05

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 ngoài 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 vịng dây trên một lớp
W12 =

h2
7
.k c =
.0,95 = 15 vòng
b2
0,55

Trong đó:
kc = 0,95 hệ số ép chặt
h: chiều cao trụ
Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện gông 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. Tồn 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 gơng từ, ta chọn gơng có tiết diện hình
chữ nhật có kích thước sau:
Chiều dày gơng 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 gơng
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 (Tcp), nếu quá nhiệt độ cho phép các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để
van bán dẫn làm việc an tồn, khơng 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 công suất trên Thyristor: ∆P = ∆U.Ilv = 2,0.17,4 = 34,8 W
+ Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: STN = ∆p/Km.τ
Trong đó:
∆p: tổn hao cơng 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 = 34,8/8.40 = 0,108 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 dòng 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 q điện áp do q 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 dòng 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 vòng phóng điện tích trong q trình chuyển mạch
nên Thyristor khơng bị quá điện áp.
Theo kinh nghiệm R1= (5 ÷ 30)Ω; C1 = (0,25 ữ 4) àF
Chn theo ti liu: 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 tr t chn trong khong 10 ữ 200 àF
Theo ti liệu: R3 = 470Ω; 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 (U dk = 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 cơng 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: U 1= 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
cm3, 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 dịng 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
Dòng 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:

- Dòng 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 ni: 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 A 3 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
Dịng 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 dòng 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 nuôi IC, các bộ điều
chỉnh dòng 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 ni 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
U 22 =

12
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 công 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 =

U1

= 6080 vịng
4,44. f .B.QT

13)

Chọn mật độ dòng điện J1 = I2 = 2,75 A/mm2
14)
Tiết diện dây quấn sơ cấp:
W11 = 0,0052 mm2
Đường kính dây sơ cấp:
15)
W12 = 0,081 mm
Số vòng dây quấn thứ cấp W21
16)
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 vòng
U1
220