tổng quan về công nghệ khởi động mềm động cơ không đồng bộ 3 pha

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
LỜI NÓI ĐẦU
Động cơ không đồng bộ được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp
cũng như trong đời sống nhân dân. Sở dĩ như vậy là động cơ không đồng bộ
có nhiều ưu điểm vượt trội so với những động cơ khác như cấu tạo, vận hành
đơn giản, giá thành hạ, kết cấu chắc chắn…Nhưng nhược điểm lớn nhất của
động cơ này là việc điều khiển tốc độ rất khó khăn và đặc tính điều chỉnh
không được như ý muốn. Do nhược điểm này mà trong thời gian trước đây,
người ta ít sử dụng các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng
bộ mà chủ yếu sử dụng các hệ truyền động một chiều.
Trước thực tế đó, cùng với sự phát triển của nghành điện tử bán dẫn công
suất, các hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ đã ra
đời và trở thành hệ truyền động cạnh tranh hiệu quả với các hệ truyền động
động cơ một chiều.
Có nhiều phương pháp để điều chỉnh tốc độ dựa vào dựa vào việc ứng
dụng các thiết bị điện tử công suất, nhưng trong đồ án này chỉ đưa ra xem xét
hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc
bằng bộ điều chỉnh pha. Nội dung các phần trong bài thiết kế như sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ khởi động mềm động cơ không đồng
bộ 3 pha
Chương 2: Tính chọn mạch công suất
Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển
Em xin chân thành cảm ơn thầy ĐOÀN VĂN TUÂN cùng các thầy, cô trong
khoa Điện-Điện tử tàu biển, những người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt
thời gian vừa qua để em có thể hoàn thành bài thiết kế này. Trong quá trình
thiết kế còn tồn tại những thiếu sót, mong các thầy, cô giáo góp ý để bài thiết
kế của em hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn!
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 1
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ
CÔNG NGHỆ KHỞI ĐỘNG MỀM ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3

PHA
1.1 Tổng quan về công nghệ khởi động mềm động cơ không đồng bộ 3
pha
1.1.1 Giới thiệu về khởi động mềm
Khởi động mềm là sử dụng bộ biến đổi điện áp để điện áp tăng tuyến tính
từ một giá trị xác định đến giá trị U
đm
, hạn chế điện áp ở đầu cực động cơ.
Sử dụng bộ biến đổi điện áp xoay chiều điều khiển điện áp stato bằng cách
điều khiển góc kích α.
1.1.2 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ 3 pha
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều, chủ yếu dùng làm
động cơ điện, do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá
thành hạ nên động cơ không đồng bộ là loại động cơ được dùng rộng rãi nhất
trong nền kinh tế quốc dân với công suất từ vài đền vài chục KW.
Trong công nghiệp, thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động
lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ ở các
nhà máy công nghiệp nhẹ…Trong hầm mỏ thường dùng làm máy tời hay quạt
gió, trong nông nghiệp thường dùng làm máy bơm nước hay các máy gia
công nông sản. Trong đời sống hàng ngày, máy điện không đồng bộ cũng
chiếm một vị trí quan trọng như: quạt gió, máy quay đĩa, động cơ trong tủ
lạnh,…Tóm lại, cùng với sự phát triển của nền điện khí hóa, tự động hóa và
các phương tiện sinh hoạt hàng ngày, phạm vi ứng dụng của máy điện không
đồng bộ ngày càng rộng rãi.
Tuy vậy động cơ không đồng bộ cũng có những nhược điểm như là hệ số
cosᵠ của máy không cao lắm và đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên ứng
dụng của nó trong các lĩnh vực cần điều chỉnh tốc độ có phần bị hạn chế.
Máy điện không đồng bộ có thể dùng làm máy phát điện nhưng điện áp ra
không tốt bằng so với máy điện đồng bộ do đó hầu như người ta không sử
dụng làm máy phát.

SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 2
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Động cơ không đồng bộ có 2 loại chính là động cơ không đồng bộ roto dây
quấn và động cơ không đồng bộ roto lồng sóc. Động cơ roto dây quấn chỉ áp
dụng cho tải có công suất lớn và cần điều chỉnh tốc độ (điều chỉnh tốc độ và
mở máy bằng điện trở phụ). Còn đối với các loại tải trung bình và nhỏ, người
ta thường sử dụng loại động cơ không đồng bộ roto lồng sóc và mở máy trực
tiếp.
a, Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 pha
Cũng giống như các máy điện quay khác, động cơ không đồng bộ 3 pha
cũng gồm các bộ phận chính sau:
_Phần tĩnh (stato)
_Phần quay (roto)
*Stato:
Gồm có vỏ, lõi thép, dây quấn
_Vỏ máy: Làm nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và giữ chặt lõi thép stato. Vỏ có
dạng trụ rỗng, có chân để cố định máy trên bệ và có hai nắp máy ở hai đầu để
đỡ trục máy và bảo vệ phần đầu dây quấn. Các máy có công suất bé thì
thường là vỏ bằng nhôm, còn các máy có công suất lớn và trung bình thì vỏ
máy làm bằng gang.
_Lõi thép: Làm nhiệm vụ dẫn từ và được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện với
nhau ( nhằm chống dòng điện xoáy) theo một hình trụ rỗng. Mặt trong của lõi
thép được dập các rãnh để đặt cuộn dây stato.
_Dây quấn stato: Được quấn thành các mobin, mà cạnh của mobin đó được
đặt vào lõi thép stato .Các mô bin được cách điện với nhau và cách điện với
lõi thép.
*Roto:
Gồm lõi thép, trục máy và dây quấn
_Lõi thép: Được dập từ các lá thép kỹ thuật điện có dạng hình tròn và mặt
ngoài các lá thép đó được dập rãnh để đặt cuộn dây, còn ở giữa được đục lỗ

tròn để lồng trục máy. Các lá thép nói trên được ghép lại với nhau thành hình
trụ tròn mà ở giữa là lồng trục máy, mặt ngoài của trụ là các rãnh để đặt dây
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 3
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
quấn roto. Thường các các lá thép roto được tận dụng phần bên trong của lá
thép stato
_Trục máy làm bằng thép tốt và được lồng cứng với lõi thép roto. Trục được
đỡ bởi hai ổ bi đặt trên hai nắp máy
_Dây quấn roto có hai loại là dây quấn roto kiểu dây quấn và dây quấn roto
kiểu lồng sóc
+ Loại roto kiểu lồng sóc: Dây quấn roto là các thanh dẫn bằng đồng thau
hoặc nhôm được đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vòng ngắn mạch ở
hai đầu. Với động cơ công suất nhỏ, dây quấn roto được đúc nguyên khối
gồm thanh dẫn, vòng ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát. Các
động cơ trên 100kw thanh dẫn làm bằng đồng , được đặt vào các rãnh roto và
được gắn chặt vào vòng ngắn mạch

+Loại roto dây quấn cũng được quấn thành các mô bin như dây quấn stato và
có cùng số cực từ dây quấn stato. Dây quấn kiểu này luôn đấu hình sao và có
ba đầu ra đấu vào ba vành trượt gắn vào trục quay roto, cách điện với trục. Ba
chổi than cố định và luôn tì lên vành trượt này để dẫn điện và một biến trở nối
sa nằm ngoài động cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ.
b, Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ 3 pha
Động cơ không đồng bộ 3 pha hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện
từ, do đó động cơ không đồng bộ còn được gọi là động cơ cảm ứng.
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 4
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Dây quấn 3 pha của stato đặt lệch nhau trong không gian một góc là 120
0
,

được cấp dòng điện xoay chiều ba pha lệch nhau về thời gian 120
0
điện . Lúc
ấy trong máy sẽ hình thành từ trường quay, quay với tốc độ đồng bộ:
n
đb
=60f/p (v/p)
Trong đó: f_ tần số nguồn điện cấp cho động cơ
p_ số đôi cực từ của động cơ
Từ trường quay của stato quét qua các thanh dẫn roto làm cảm ứng trong
các thanh dẫn một suất điện động. Theo định luật cảm ứng điện từ, suất điện
động có chiều được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Vì roto luôn kín mạch
nên suất điện động này sẽ tạo ra dòng xoay chiều i
R
chạy trong dây quấn roto ,
dòng i
R
lại tạo ra từ trường trong roto hợp với từ trường quay tạo thành từ
trường trong khe hở (giữa roto và stato) .
Dòng i
R
chạy trong các thanh dẫn nằm trong từ trường nên bị tác động một
lực điện từ có chiều được xác định theo quy tắc bàn tay trái. Hợp các lực này
tạo thành momen quay tác động lên dây quấn roto làm cho roto quay theo
chiều của từ trường quay.
Tốc độ của roto luôn nhỏ hơn tốc độ đồng bộ của từ trường quay để có sự
tác động tương đối giữa các thanh dẫn với từ trường quay stato, nếu như roto
quay đến tốc độ đồng bộ thì trong roto sẽ không tồn tại dòng cảm ứng nữa.
Do tốc độ của động cơ không bao giờ bằng tốc độ đồng bộ nên gọi là động cơ
không đồng bộ.

Động cơ điện không đồng bộ hiện nay được sử dụng rất phổ biến nhưng các
hệ truyền động điều khiển tốc độ thì ít được sử dụng so với các hệ truyền
động một chiều vì có nhược điểm là điều chỉnh tốc độ khó khăn hơn. Tuy
nhiên, với việc phát triển của công nghệ bán dẫn và điện tử tin học thì việc
điều khiển tốc độ của động cơ không đồng bộ trở nên dễ dàng hơn rất nhiều
và đồng thời hệ truyền động điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ trở
thành hệ truyền động cạnh tranh hiệu quả với hệ truyền động động cơ một
chiều. Để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ, ta có thể tác động vào
mạch roto hoặc stato của động cơ. Trong thực tế, với các hệ truyền động
người ta hay dùng các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ
như sau:
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 5
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Điều khiển bằng cách thay đổi điện áp cấp vào stato của động cơ
Điều khiển bằng cách thay đổi điện trở mạch roto
Điều khiển bằng cách thay đổi tần số nguồn cấp vào stato của động cơ
Điều khiển bằng cách điều chỉnh công suất trượt
Tùy vào từng trường hợp cụ thể mà người ta có thể sử dụng từng phương
pháp cho phù hợp.
1.2 Yêu cầu của công nghệ khởi động mềm động cơ không đồng bộ ba
pha
Tần số cấp vào động cơ giữ không đổi theo tần số điện áp lưới
Tiết kiệm điện năng
Tiết kiệm năng lượng khi non tải
1.3 Phạm vi ứng dụng
Động cơ điện cho chuyên chở vật liệu
Động cơ bơm
Động cơ vận hành non tải lâu dài
1.4 Tiêu chí đánh giá chất lượng bộ khởi động
Bộ khởi động có thể kiểm soát điện dung công suất lớn, giúp khởi động

và ngưng mềm động cơ không đồng bộ ba pha
Thiết bị có tính năng bảo vệ tùy chọn như quá tải, thất thoát pha đầu vào,
thất thoát pha đầu ra, xử lý quá dòng, sụt dòng, điện áp quá mức và giảm
áp
Bền vững, tiết kiệm không gian lắp đặt
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT
Với phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng bộ điều chỉnh pha, điện áp lưới trước
khi đưa vào động cơ sẽ được đưa qua bộ điều chỉnh pha (hay còn gọi là bộ điều áp xoay chiều). Bộ điều
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 6
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
chỉnh pha lại làm việc với một tín hiệu điều khiển U
đk
. Khi thay đổi tín hiệu U
đk
này ta sẽ làm thay đổi
điện áp đặt vào stato (U
1(1)
)
2.1 Các phương án mạch động lực
1. Bộ điều chỉnh một pha
Nguyên lý:
Tiristor chỉ được mở thông khi thoả mãn hai điều kiện là phải có điện áp dương Anod và có
xung điều khiển tác động lên cực điều khiển của Tiristor. Đối với điện áp xoay chiều, nếu chỉ sử
dụng một Tiristor thì nó chỉ có thể làm việc được trong một nửa chu kỳ của điện áp. Do đó, người ta
mắc 2 Tiristor song song ngược để có thể làm việc được trong cả chu kỳ. Lúc này,
để thay đổi điện áp ra ta chỉ cần tác động lên điện áp điều khiển nghóa là làm thay đổi
góc mở α của Tiristor thì điện áp ra sẽ thay đổi.
Để thấy rõ sự làm việc của điều
áp một pha ta có dạng đường cong điện
áp ra khi tải là điện trở như hình dưới đây.

SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 7
=
U
đk
Tải
•
•
•
•
T
1
T
2
Hình 3.1: Sơ đồ bộ điều áp
một pha
α
t
XT
1
XT
2
U
1
U
L
U
Hình 3.2: Đường cong điện áp ra khi
tải trở
Π
2Π

t
t
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
Như trên hình 3.2 ta có thể thấy rõ nguyên lý làm việc của bộ điều áp một pha. Trong thời
gian chưa phát lệnh mở Tiristor (từ thời điểm ban đầu đến thời điểm α), điện áp ra bằng 0. Trong
nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn, khi có lệnh mở Tiristor , Tiritor T
1
sẽ dẫn cho đến cuối bán
kỳ với điện áp ra bằng điện áp nguồn. Còn Tiristor sẽ dẫn dòng ở bán kỳ còn lại khi có lệnh mở
Tiristor.
Đối với trường hợp tải cảm, các Tiristor sẽ dẫn dòng từ khi có lệnh mở và vượt qua cuối
bán kỳ một đoạn ϕ do tính chất của tải điện cảm (trong điều kiện điện áp dương Anod).
Người ta cũng có thể sử dụng Triac để thay thế cho cặp Tiristor mắc song song ngược với
chất lượng điện áp ra tốt hơn. Nhưng hiện tại chất lượng Triac chưa thật cao và việc sử dụng cặp
Tiristor mắc song song ngược vẫn là phổ biến. Do đó trong phần đồ án này sẽ không đề cập đến
điều áp bằng Triac.
1.Các bộ điều áp 3 pha:
Hiện nay thường sử dụng các sơ đồ điều áp ba pha như sơ đồ tải đấu sao không dây trung
tính (hình a); sơ đồ tải đấu sao có dây trung tính (hình b); sơ đồ tải đấu tam giác.
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 8
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
Đối với sơ đồ tải đấu sao có dây trung tính, thực chất đây
là 3 sơ đồ điều áp 1 pha dòch pha 120
o

, không có dòng điện chạy giữa các pha với
nhau. Sơ đồ này chỉ phù hợp với tải có 4 đầu dây ra.
Hai sơ đồ tải đấu sao không
có dây trung tính và sơ đồ tải đấu sao
thì dòng điện sẽ là dòng chạy giữa

các pha với nhau, tuỳ từng thời điểm mà có thể có dòng trong cả 3 pha hoặc 2 pha. Đối với hai sơ đồ
này thì tuỳ thuộc vào loại tải đấu sao hay tam giác mà chọn cho phù hợp.
Trong trường hợp tải là động cơ, 3 cuộn dây stato đấu sao, ta chọn sơ đồ tải đấu sao không
có dây trung tính và tiến hành với tính toán các thông số cần thiết với sơ đồ này.
* Hoạt động của bộ điều áp 3 pha:
Xét sơ đồ 3 pha tải đấu sao không có dây trung tính
I.
II.
III.
IV.
V.
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 9
A B C
T
1
T
3
T
5
T
2
T
6
T
4
Hình 3.4:Sơ đồ điều áp 3 pha tải đấu sao không có dây trung tính
T
2
(a) (b)
A B C

T
1
T
3
T
5
T
2
T
6
T
4
A B C
T
1
T
3
T
5
T
6
T
4
0
A B C
(c)
Hình 3.3:Một số sơ đồ điều
áp 3 pha
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
VI.

Đối với điều áp 3 pha, điện áp ra không đơn giản như điều áp 1 pha, không thể xác đònh
một dạng chung nhất nào của điện áp ra vì nó phụ thuộc nhiều vào tính chất của tải (ϕ) và góc mở
α. Xét điện áp ra của 1 pha, ví dụ pha A, điện áp ra sẽ theo nguyên tắc sau:
- Nếu cả 3 pha cùng có van dẫn, trung tính giả sẽ trở thành trung tính thật, điện áp ra U
A1
= U
A
- Khi chỉ hai pha có van dẫn, trong đó có van của pha A, điện áp ra U
A1
= 1/2U
AB
= 1/2U
AC
- Khi chỉ có hai van dẫn, trong đóù pha đang xét không dẫn (pha A), điện áp ra U
A1
= 0.
Với nguyên tắc đó, ta sẽ biểu diễn hoạt động của sơ đồ thông qua điện áp pha A với các giả
đònh : α = 60
0
, ϕ = 30
0
, xung phát cho các Tiristor là xung chùm.

Trong
khoảng 2-3 :
T
1
,T
4
,T

5
dẫn U
A1
= U
A
3-4 : T
1
, T
4
dẫn U
A1
= 1/2U
AB

SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 10
A B C A
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 15 16 17 18
t
t
t
t
t
t
t
T
1
T
2
T
3

T
4
T
5
T
6
U
A1
Hình 3.5: Đường cong điện áp ra của
một pha
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
4-5: T
1
,T
4
,T
6
dẫn U
A1
= U
A
5-6 : T
1
,T
6
dẫn U
A1
= 1/2U
AC

6-7 : T
1
,T
3
,T
6
dẫn U
A1
= U
A
7-8 : T
1
,T
2
khoá U
A1
= 0
Nửa bán kỳ thì sau ngược lại với T
3
, T
6
thay cho T
4
, T
5
….Như vậy, thông qua điện áp của pha
A, ta có thể thấy rõ sự phụ thuộc vào tải và góc mở α của điện áp ra của bộ điều áp.
2.2. Lựa chọn mạch động lực
Như đã phân tích ở phần trước, sơ đồ điều chỉnh pha dùng hai Tiristor mắc song song ngược
tải đấu sao không dây trung tính là thích hợp nhất. Do đó ta chọn sơ đồ này để tính toán và làm

mạch động lực để điều khiển tốc độ động cơ.
Ta có sơ đồ sau:
2.3. Tính chọn các van bán dẫn công suất
Tính chọn Tiristor của mạch động lực.
Để chọn Tiristor ta phải dựa vào các yếu tố cơ bản như điện áp, dòng điện, điều kiện toả
nhiệt của van bán dẫn. Theo các yêu cầu của tải ta có thể chọn Tiristor như sau:
a.Chọn theo dòng điện và điều kiện làm mát:
Dòng điện hiệu dụng của động cơ:
I
HD
= 18.75 A
Do có hai Tiristor làm việc song song nên dòng điện làm việc của mỗi Tiristor được tính
như sau :
I
lv
=
18.75
9.37
2 2
HD
lv
I
I A= = =
Dòng điện đònh mức của Tiristor cần chọn là I
đmv
= K
I
.I
lv
. Trong đó K

I
là hệ số dự trữ về
dòng, phụ thuộc vào điều kiện làm mát của van. Ở đây, để làm mát cho Tiristor ta dùng cánh tản
nhiệt có đủ diện tích bề mặt không sử dụng quạt thông gió làm mát cưỡng bức. Do đó, ta chọn hệ số
K
I
= 3,2. Lúc này dòng điện đònh mức của van cần chọn là :
I
đmv
= K
I
.I
lv
= 3,2 x 9.37 = 29.98 A
Vậy : I
đmv
= 29.98 A
b.Tính chọn theo điện áp :
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 11
A B C
T
1
T
2
T
3
T
4
T
5

T
6
ĐC
Hình 3.6: Sơ đồ động lực của bộ điều chỉnh pha.
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
Điện áp van bán dẫn được chọn theo điện áp dây của lưới. Điện áp cực đại của van bán
dẫn được tính như sau:
2 2.380 537,4
lv l
U U V= = =
Điện áp đònh mức của van:
U
đmv
= K
dt
.U
lv
Trong đó: K
dt
là hệ số dự trữ về điện áp, chọn K
dt
= 1,8
U
đmv
= 1,8 x 537,4 = 967,32 V
Vậy : U
đmv
= 976,32 V
Dựa trên hai thông số cơ bản của Tiristor đã tính ra ở trên là dòng điện đònh mức van và
điện áp đònh mức van mà ta chọn được 6 Tiristor loại 151RB100 có các thông số:

- Dòng điện đònh mức của Tiristor I
đm
= 50 A
- Điện áp ngược cực đại của Tiristor U
n
= 1000 V
- Độ sụt áp trên van ∆U = 2,2 V
- Dòng điện rò I
r
= 15 mA
- Điện áp điều khiển U
g
= 2,5 V - -
Dòng điện điều khiển Ig = 200 mA
- Dòng tự giữ I
h
= 500 mA
- Tốc độ biến thiên điện áp dU/dt = 200 V/ s
- Thời gian chuyển mạch t
cm
= 40 µs
- Nhiệt độ cho phép T
cp
= 120
o
C
2.4. Tính chọn các thiết bò bảo vệ mạch động lực :
a.Sơ đồ mạch động lực có các thiết bò bảo vệ :
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 12
T

1
T
2
T
3
T
4
T
5
T
6
R
C
CC R R
C
C
Ap
Hình 3.7 : Sơ đồ mạch động lực có các
thiết bò bảo vệ
•
•
•
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
b. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn :
Khi van bán dẫn làm việc có dòng điện chạy qua, trên van có tổn hao công suất ∆P dưới
dạng nhiệt. Nhiệt sinh ra đốt nóng van bán dẫn, nếu nhiệt độ này lớn hơn nhiệt độ cho phép thì van
bán dẫn có thể bò phá hỏng hoặc làm việc không tin cậy. Để van có thể làm việc được an toàn thì ta
phải tìm cách toả nhiệt cho van. Đối với Tiristor trong trường hợp của mạch này ta chọn tản nhiệt
bằng cánh tản nhiệt có đủ diện tích bề mặt.
Tính toán cánh tản nhiệt:

Tổn thất công suất trên 1 Tiristor:
∆P = ∆U.I
lv
= 2,2 x 9,37 = 20,61(W)
Diện tích tản nhiệt bề mặt:

m
m
P
S
K
τ
∆
=
Trong đó: τ - độ chênh nhiệt so với môi trường.
K
m
– hệ số trao đổi nhiệt bằng đối lưu và bức xạ.
Chọn nhiệt độ môi trường T
mt
= 40
0
c. Nhiệt độ làm việc trên cánh tản nhiệt T
lv
= 80
0
c.
τ = T
lv
– T

mt
= 80 – 40 = 40
0
c
Chọn :
2 0
8( )
.
m
W
K
m c
=
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 13
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
Vậy :
2
20,61
0,064
8,40
m
S m= =
Chọn loại cánh tản nhiệt có 5 cánh, kích thước mỗi cánh là 5x12 cm
2
.
Tổng diện tích cánh tản nhiệt:
S = 12 x 2 x 10 x 12 = 2880 (cm
2
) = 0,288 (m
2

)
Vậy cánh tản nhiệt ta đã chọn đủ diện tích bề mặt để bảo vệ quá nhiệt độ cho van bán dẫn.
c. Bảo vệ qua ùdòng điện cho van :
Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động ngắt mạch khi quá tải hoặc ngắn mạch
Tiristor.
Chọn Aptomat có:
I
đm
= 1,1I
HD
= 1,1 x 18.75 = 20,62 A. Chọn I
đm
=22 A
U
đm
= 380 V
Aptomat có 3 tiếp điểm chính có thể đóng ngắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện , chỉnh
đònh dòng ngắn mạch:
I
nm
= 7I
HD

= 7 x 18,75
= 131,25 A
Dòng quá tải :
I
qt
= 1,8I
HD

= 1,8 x 18,75
= 33,75 A
Dây chảy (cầu chảy) được sử dụng để bảo vệ ngắn mạch các Tiristor. Chọn loại cầu chảy có
dòng đònh mức:
I
đmcc
= 1,1I
lv
= 1,1 x 9,37 = 10,307 A
Chọn loại cầu chảy tác động nhanh có dòng đònh mức 12A
d . Bảo vệ điện áp cho van :
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 14
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT
Để bảo vệ điện áp do quá trình đóng cắt tiristor được thực hiện bằng cách mắt R - C song
song với tiristor. Khi có sự chuyển mạch van, các điện tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài
tạo ra dòng điện ngược trong một khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện
ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp ngược giữa
anot và katot của Tiristor .Khi có mạch R - C mắc song song với Tiristor tạo ra mạch vòng phóng
điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Tiristor không bò quá điện áp.
R = (5÷30) Ω , C
R
= (0,5÷4)µF
Chọn : R = 10 C = 1µF
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.1 Ngun lý thiết kế mạch điều khiển và sơ đồ khối
Điều khiển Tiristor trong mạch điều áp hiện nay thường dùng theo ngun tắc thẳng đứng tuyến
tính. Nội dung của phương pháp này như sau:
Khi điện áp xoay chiều hình sin được đặt vào Anot của Tiristor, để có thể điều khiển được góc mở α
của Tiristor trong vùng điện áp dương Anot ta cần tạo ra một điện áp tựa dạng tam giác gọi là điện áp

răng cưa. Điện áp tựa cần có trong vùng điện áp dương Anot.
Để điều khiển được góc mở α của Tiristor ta dùng một điện áp điều khiển U
đk
so sánh với điện áp
tựa. Tại thời điểm U
đk
=U
RC
thì phát xung điều khiển .Tiristor được mở từ thời điểm phát xung đến
cuối bán kỳ ( hoặc tới khi dòng qua Tiristor bằng 0).
Mạch điều khiển Tiristor thường có các khâu cơ bản:
- Khâu đồng pha: ( ĐF) nhằm tạo ra điện áp răng cưa tuyến tính có pha trùng với pha điện áp
Anot của Tiristor.
- Khâu so sánh (SS): khâu này có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển, tìm
thời điểm 2 điện áp này bằng nhau và tại thời điểm đó phát xung đầu ra để chuyển sang tầng
khuếch đại.
- Khâu tạo xung –khuếch đại ( TX-KĐ): có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor. Xung
này phải đảm bảo các u cầu như: sườn trước có dốc thẳng đứng đảm bảo Tiristor mở tức
thời khi có xung điều khiển ; đủ cơng suất; xung điều khiển có biên độ, độ rộng xung đủ để mở
Tiristor một cách tin cậy trong mọi chế độ làm việc của tải trong tốn dải điều chỉnh của hệ.
Mặt khác để giảm cơng suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mở nhằm đảm
bảo Tiristor mở một cách chắc chắn người ta hay phát xung chùm cho các Tiristor . Ngun
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 15
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
tắc phát xung chùm là trước khi vào tầng khuếch đại ta đưa thêm một cổng VÀ , với tín hiệu
vào nhận từ khâu so sánh và từ bộ phát xung chùm.
Cấu trúc bộ tạo xung như sau:
Như vậy, thiết kế mạch điều khiển cũng đồng nghĩa với việc tính chọn các khâu cơ bản của sơ đồ trên.
Sau đây ta sẽ đi sâu vào 3 khâu cơ bản đó
3.2 Các khâu cơ bản cần thiết

1. Chọn khâu đồng pha
a. Khâu đồng pha dùng điot và tụ



Ưu điểm của sơ đồ là đơn giản, ít linh kiện nhưng hạn chế là chất lượng điện áp tựa không tốt do độ
dài phần biến thiên điện áp tựa không phủ hết 180
0
.
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 16
- e
r
2
u
rc
d
2
d
1
r
1
u
1
c
u
đp
*
*
u
đp

u
t
θ
1
θ
2
θ
3
0
u
θ
Hình 4.2 Sơ đồ khâu đồng pha dùng điôt và tụ
T
ÑF SS & TX-KÑ
TXC
Hình 4.1: Sơ đồ các khâu cơ bản của mạch
điều khiển
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
b. Sơ đồ dùng tranzito và tụ điện.


Nguyên lý: Ở nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn, điện thế bazo của tranzitor dương nên tranzitor tr
bị khóa, do đó tụ c được nạp điện qua R
1
, R
2
bởi nguồn 1 chiều. khi điện áp nguồn chuyển sang nửa
chu kỳ âm thì D
1
bị khóa lại, Tr được mở thông và và tụ C phóng điện qua R

3
và Tr. Để đảm bảo sườn
sau của tín hiệu răng cưa có độ dốc lớn thì R
3
phải có giá trị nhỏ (để giảm thời gian phóng t
f
= R
3
.C ) ,
người ta nối song song với R
3
diod D
2.
.
giá trị điện áp răng cưa U
rc
=
t
RR
U
CC
)(
32
+

Đặc điểm của sơ đồ này là trong khoảng 0 ÷ θ
1
có thể đạt được 180
0
điện, điện áp U

ng
chỉ cần
rất nhỏ. Đây là sơ đồ đơn giản ,tin cậy. nhược điểm của sơ đồ này là có thể bị trôi điểm 0 do tranzitor
rất nhạy cảm với nhiệt
-Sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán(OA).

SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 17
θ
u
rc
r
2
tr
d
2
r
1
u
1
a
*
*
c
d
1
u
u
ng
u
t

θ
1
θ
2
θ
3
0
r
3
Hình 4.3: Sơ đồ dùng tranzitor và
tụ
tr
r
1
a
1
d
r
2
a
2
c
u
rc
+
_
_
+*
*
u

đp
r
3
Hình 4.4: Sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Sử dụng sơ đồ khâu đồng pha bằng khuếch đại thuật toán ta có điện áp răng cưa ra như hình
sau:

Nguyên lý : ở nửa chu kỳ âm của điện áp đồng pha, điện áp ra của a
1
có dạng xung dương
hình chữ nhật , điốt d được thông có tín hiệu đưa vào khâu tích phân đảo A
2.
ở

nửa chu kỳ dương của
điện áp đồng pha , thì điện áp ra sau A
1
là âm do đó điốt D bị khoá , còn T thông và tụ điện c được xả
ngắn mạch qua T. Ở chu kỳ sau tương tự ta có điện áp tựa hình răng cưa như hình vẽ.
Đặc điểm của sơ đồ dùng OA là gọn nhẹ, dạng xung răng cưa có chất lượng cao, đảm bảo
đồng pha với điện áp nguồn, do đó tạo điều kiện mở tiristor một cách chính xác, dễ đối xứng ở các
kênh điều khiển. Sơ đồ ưu việt hơn hẳn các sơ đồ trên về các chỉ tiêu kỹ thuật. do đó ta chọn sơ đồ này
khâu đồng pha cho mạch điều khiển.
2. Chọn khâu so sánh
Khâu so sánh có chức năng là xác định thời điểm phát xung bằng cách so sánh hai hoặc nhiều
tín hiệu theo nguyên tắc: Khi có tín hiệu bằng nhau hoặc tổng đại số các tín hiệu đổi dấu thì khâu so
sánh phát ra xung điện áp điều khiển tiristor. Ta có thể thực hiện cộng tín hiệu bằng hai phương pháp
hoặc nối tiếp hoặc song song. Qua nghiên cứu thực nghiệm người ta thấy rằng so sánh nối tiếp có độ
chính xác cao hơn, nhưng nhiều kênh điều khiển mà chỉ muốn có một điện áp điều khiển, thì rất có thể

SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 18
u
đp
u
a1
u
rc
t
t
t
Hình 4.5: Dạng điện áp răng cưa của sơ đồ
dùng khuếch đại thuật toán
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
có khả năng nhiễu từ kênh này sang kênh kia. Do đó phương pháp này chỉ nên dùng khi điều khiển
một tiristor. Phương pháp so sánh song song cho độ chính xác không cao bằng nối tiếp nhưng có thể
cộng nhiều tín hiệu đồng thời mà không gây nhiễu. Các phần tử chủ yếu của khâu so sánh thường
dùng tranzitor hoặc OA.
a. Sơ đồ dùng tranzitor


Mạch so sánh có nguyên lý làm việc như sau: khi U
rc
có cực tính cùng chiều U
đk
thì D mở và Tr
bị khoá . khi U
rc
đổi chiều và tăng đến giá trị lớn hơn U
đk
thì D bị khoá và Tr mở , ta nhận được xung

ra trên cực colector của Tr.
Với mức độ bão hòa của tranzitor phụ thuộc nhiều vào hiệu U
rc
± U
đk
, hiệu này có một vùng điện áp
nhỏ hàng mV, làm cho tranzitor làm việc ở chế độ đóng cắt không như ta mong muốn. do đó có khi
làm cho thời điểm mở Tiristor bị lệch khá xa so với điểm cần mở.
b.Sơ đồ dùng khuếch đại thuật toán (OA).



a . loại 2 cổng vào b . loại 1 cổng vào
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 19
u
rc
-e
u
đk
r
1
r
2
tr
u
x
d
Hình 4.6: Khâu so sánh dùng tranzitor
u
rc

r
1
r
2
u
ra
u
rc
u
đk
u
đk
u
ra
r
1
r
2
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Hình 4.7: Khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán
Sự thay đổi cực tính điện áp ra xảy ra khi xuất hiện sự cân bằng giữa U
rc
và U
đk
(điện áp so sánh
qua trị số 0). Nếu cả điện áp đồng pha và điện áp điều khiển thay đổi cực tính thì đặc tính ra sẽ đảo
ngược lại .
Mạch so sánh dùng oa có ưu điểm là độ chính xác, độ tác động nhanh cao, khả năng trôi điểm 0
nhỏ, thời gian quá độ ngắn. Đây là những ưu điểm nổi bật so với sơ đồ dùng tranzitor.
3. Chọn khâu khuếch đại

Tầng khuếch đại cuối cùng có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor, nó thường thiết kế
bằng Tranzitor công suất mắc theo sơ đồ như hình vẽ:
Để có dạng xung kim gửi tới tiristor, ta dùng biến áp xung (bax), để có thể khuếch đại công
suất ta dùng transistor mắc theo sơ đồ darlington. Điod bảo vệ transitor và cuộn dây sơ cấp bax khi
transistor khoá đột ngột đồng thời xả ngược cho tụ C. Tụ C trong sơ đồ này có tác dụng giảm dòng để
giảm công suất toả nhiệt cho transistor và giảm kích thước dây bax. transistor chỉ mở cho dòng điện
chạy qua trong thời gian nạp tụ.
4. Khâu tạo xung chùm
Để giảm công suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mở nhằm đảm bảo tiristor
mở chắc chắn ta thêm bộ phát xung chùm vào trước tầng khuếch đại. tín hiệu từ bộ tạo xung chùm và
tín hiệu từ khâu so sánh được đi vào cổng and rồi chuyển sang tầng khuếch đại.
Có nhiều sơ đồ tạo xung chùm, nhưng để đồng dạng về linh kiện với mạch điều khiển ta sử
dụng sơ đồ tạo xung chùm bằng khuếch đại thuật toán. trong các sơ đồ dùng khuếch đại thì sơ đồ dao
động đa hài hình dưới đây có ưu điểm là đơn giản và cho chất lượng xung khá tốt.
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 20
+15v
t
Hình 4.8: Sơ đồ khâu khuếch đại
•
•
bax
c r
tr
A
C
R
1
R
2
R

3
Hình 4.9: Mạch tạo xung chùm dùng KĐTT
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
* Sơ đồ một kênh mạch điều khiển
Mạch điều khiển một pha là sơ đồ có được do ta ghép các khâu cơ bản đã chọn. ngoài ra còn
có một số phần phải hiệu chỉnh thêm cho phù hợp với khả năng làm việc của tiristor và phù hợp với
điều kiện cấp xung đồng thời cho cả hai tiristor.
Do tiristor làm việc không tin cậy ở xung quanh điểm α = 0 (lúc điện áp đồng pha hình sin đi
qua 0), nên ta thêm một điện áp một chiều âm vào để tiristor tránh nhầm lẫn giữa α = 0 và α = 180,
điện áp này được đưa vào A
1
từ chiết áp VR
1.

Còn trước khuếch đại thuật toán a
3
ta thêm một điện áp dương thông qua chiết áp VR
2
nhằm
mục đích nâng đường điện áp U
c
lên trên trục hoành để so sánh với U
đk
có giá trị âm nằm dưới trục
hoành.
Hai khuếch đại thuật toán A
4
và A
5
được mắc thêm vào để đảm bảo cho hai tiristor T

1
và T
2
không mở đồng thời mà mỗi tiristor chỉ mở trong một nửa chu kỳ của điện áp đồng pha.
Biến áp đồng pha là biến áp có hai cuộn dây bên phía sơ cấp giống hệt nhau để đảm bảo
không gây mất đối xứng khi điều khiển hai tiristor.
Sơ đồ một pha được biểu diễn như trên hình 4.10
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 21
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 22
Hình 4.10: Sơ đồ mạch điều một pha của sơ đồ điều áp 3 pha
T
2
u
a
D
1
D
2
VR
1
R
1
R
2
A
A
1
+
-

B
R
3
R
4
D
3
TR
1
C
A
2
-
+
C
1
u
đk
R
5
R
7
A
3
-
+
D
A
5
A

4
T
1
D
4
+12v
+12v
VA
&
R
6
VR
2
V
1
&
v2
&
C
2
C
3
R
8
R
9
A
C
4
R

10
R
11
R
12
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
* Nguyên lý điều khiển :
Nguyên lý điều khiển sơ đồ một kênh của mạch điều khiển được giải thích như trên hình 4.11 sau :
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 23
Hình 4.11: Nguyên lý điều khiển của sơ đồ
một pha
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
t
U
ưf
U
A
U
B
U

C
U
rc
U
ưk
U
D
CX
VA
U
E
U
f
X
T1
X
T2
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Nguyên lý điều khiển:
Điện áp đồng pha với điện áp váo được chỉnh lưu cả chu kỳ U
a
đưa vào A
1
với một điện áp âm để có thể
làm việc tin cậy ở điểm 0. Điện áp ra của A
1
là U
b
. Phần dương của điện áp U
b

tích phân qua khuếch đại
A
2
cho ta điện áp tựa U
c
. U
c
được kéo lên trên trục hoành bằng một điện áp dương lấy ra từ chiết áp vr
2
.
Việc kéo điện áp này đảm bảo điều khiển đồng biến với điện áp ra (nghịch biến với α).
Điện áp điều khiển so sánh với điện áp tựa U
rc
tìm thời điểm U
rc
= U
đk
. Tại các thời điểm U
rc
=U
đk
khuếch
đại A
3
lật dấu điện áp ra ta có U
d
như hình vẽ.
Điện áp U
d
được đưa tới cổng và VA cùng với tín hiệu chùm xung liên tục lấy từ bộ tạo xung chùm. Đầu

ra của VA sẽ có chùm xung U
d
>0. Cổng và V
1
sẽ có tín hiệu ra khi đồng thời VA có xung và V
F
>0. Lúc đó
biến áp xung baxx
1
có xung điều khiển T
1
, cổng và V
2
có tín hiệu ra khi đồng thời VA có xung và V
E
>0.
Lúc đó baxx
2
có xung điều khiển T
2
. Kết quả là T
1
được cấp chùm xung điều khiển khi U
F
>0 trùng với
điện áp U
A
>0 và T
2
được cấp chùm xung khi U

F
>0 trùng với U
A
<0.
Nếu như các xung điều khiển T
1
và T
2
bị dịch pha 180
0
thì có thể đảo đầu của điện áp đồng pha hoặc đổi
đầu cấp vào của khuếch đại A
1
.
3.4. Tính toán các khâu điều khiển cơ bản
Sơ đồ một kênh điều khiển của bộ điều chỉnh pha được thiết lập theo sơ đồ hình IV.11
Để tính toán mạch điều khiển ta tiến hành tính ngược từ tầng khuếch đại trở lên.
Mạch điều khiển được 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
= 2,5 (V)
+ dòng điện điều khiển tiristo: I
dk
= 0,2 (A)
+ thời gian mở tiristo: t
m
= 40 (µs)
+ độ rộng xung điều khiển t
x

= 167 (µs)- tương đương 3
o
điện.
+ tần số xung điều khiển: f
x
= 1/t
x
.2 = 3 (KHz).
+ độ mất đối xứng cho phép ∆α=4
0
+ điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển U= ±12 (V )
+ mức sụt biên độ xung: S
x
= 0,15
1. Tính biến áp xung
+ chọn vật liệu làm lõi là sắt ferit. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ
hoá có: ∆b = 0,3 (t), ∆h = 30 ( A/m ), không có khe hở không khí.
+ tỷ số biến áp xung: thường m = 2÷3, chọn m= 3
+ điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U
2
= U
dk
=2,5 (V)
+ điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung:
u
1
= m.U
2
= 3 x 2,5 = 7,5 (V)
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 24

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
+ dòng điện thứ cấp biến áp xung: I
2
= I
dk
= 0,2 (A)
+ dòng điện sơ cấp biến áp xung: I
1
= I
2
/m = 0,2/3=0,066(A)
+ độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt:
)(10.8
.
3
0
m
H
H
B
tb
=
∆
∆
=
µ
µ
trong đó:
µ
0

=1,25.10
-6
(h/ m) là độ từ thẩm của không khí
thể tích của lõi thép của lõi thép cần có:
V= q.l = (µ
tb
. µ
0
. t
x
. S
x
. U
l
. I
l
)/ ∆b
2
thay các giá trị vào biểu thức tính thể tích lõi thép ta được:
V= 1,39.10
-6
(m
3
) = 1,39 ( cm
3
).
chọn mạch từ có thể tích V= 1,4 (cm
3
). với thể tích đó ta có kích thước mạch từ như sau:

d

D

a

b

H×nh 4.12: H×nh chiÕu lâi biÕn ¸p xung

.

a = 4,5 mm; b = 6 mm;
d = 12 mm; D = 21 mm .
q = 0,27 cm
2
= 27 mm
2

chiều dài trung bình mạch từ: l = 5,2 (cm)
+ số vòng quấn dây sơ cấp biến áp xung:
theo định luật cảm ứng điện từ:
SVTH: NGUYỄN THỊ HẰNG Trang: 25