Đồ án điện tử công suất và truyền động điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HỐ
====o0o====

BÁO CÁO
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT VÀ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU –
ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP, DẢI
ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ 500-2000V/P

Hà Nội-2023


Đồ án Điện tử công suất và TĐĐ
II. Nội dung học tập
1. Tên chủ đề : Thiết kế hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ một chiều kích từ
độc lập, dải điều chỉnh tốc độ 500-2000v/p
Động cơ một chiều có thơng số: Pđm=2.2kW; Uđm=200V; Iđm=12.8A; nđm=
2500v/p

2


MỤC LỤ

DANH MỤC HÌNH ẢNH...................................................................................5
LỜI NĨI ĐẦU.....................................................................................................6
1. TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU-ĐỘNG CƠ
MỘT CHIỀU.......................................................................................................8

1.1.

TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN...........................................8

1.1.1

ĐỊNH NGHĨA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN.............................................8

1.1.2

CẤU TRÚC CHUNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN..................................8

1.2.

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU...............................................9

1.2.1

CẤU TẠO ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU...............................................................9

1.2.2

NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU...................................11

1.2.3

ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP.....................................12

1.3.

GIỚI THIỆU VỀ THYRISTOR..................................................................14

1.4. HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU-ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ
ĐỘC LẬP................................................................................................................ 16
1.4.1

MƠ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG..............................................17

1.4.2

ĐẶC TÍNH CƠ CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG............................18

1.4.3

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG....................................19

2. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MẠCH CHỈNH LƯU....................................20
2.1.

TÍNH CHỌN MẠCH LỰC..........................................................................20

2.1.1

TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ........................................................................20

2.1.2

TÍNH CHỌN CƠNG SUẤT MÁY BIẾN ÁP ĐỘNG LỰC....................22

2.1.3

TÍNH CHỌN THYRISTOR...................................................................24

2.1.4

TÍNH CHỌN CUỘN KHÁNG CÂN BẰNG..........................................24

2.1.5

TÍNH CHỌN CUỘN KHÁNG SAN BẰNG...........................................26

2.1.6

TÍNH CHỌN THIẾT BỊ BẢO VỆ MẠCH ĐỘNG LỰC........................27

2.2.

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN..............................................................28

2.2.1

SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.................................................................28

2.2.2

NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN................................................................28

2.2.3

CÁC KHÂU CƠ BẢN.............................................................................29

3. XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
PID......................................................................................................................35


Đồ án Điện tử cơng suất và TĐĐ
3.1.

TÍNH CHỌN THIẾT BỊ DÒNG ĐIỆN, ĐIỆN ÁP VÀ TỐC ĐỘ.............35

3.1.1

THIẾT BỊ ĐO DÒNG ĐIỆN VÀ MẠCH ĐO LƯỜNG DÒNG ĐIỆN...35

3.1.2

THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN ÁP VÀ MẠCH ĐO LƯỜNG ĐIỆN ÁP................37

3.1.3

THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘ VÀ MẠCH ĐO LƯỜNG TỐC ĐỘ..................39

3.2.

TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN VÀ TỐC ĐỘ 40

3.2.1

TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN.....................40

3.2.2

TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ............................43

3.3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB/
SIMULIMK............................................................................................................45

4


Đồ án Điện tử cơng suất và TĐĐ

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Cấu trúc hệ truyền động điện..........................................................................9
Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động động cơ một chiều.......................................................12
Hình 1.3 Đường đặc tính khi có điện trở phụ...............................................................13
Hình 1.4 Đường đặc tính khi thay đổi điện áp phần ứng..............................................14
Hình 1.5Đặc tính cơ điện (a)và đặc tính cơ (b)khi thay đổi từ thơng...........................14
Hình 1.6 Ký hiệu và cấu tạo Thyristor.........................................................................15
Hình 1.7 Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ một chiều.............................................17
Hình 1.8 Đặc tính cơ hệ T-Đ........................................................................................18
Hình 2.1 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có điều chỉnh đối xứng......................................20
Hình 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển..................................................20
Hình 2.3 Đồ thị chỉnh lưu Thyristor cầu 1 pha............................................................21
Hình 2.4 Mơ phỏng cầu 1 pha có điều khiển bằng PSIM.............................................21
Hình 2.5 Sơ đồ khối điều khiển thyristor.....................................................................28
Hình 2.6 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính...............................................28
Hình 2.7 Ngun tắc điều khiển thẳng đứng arcos......................................................29
Hình 2.8 Một số khâu đồng pha điển hình ..................................................................29
Hình 2.9 Giản đồ của khâu đồng pha...........................................................................30

Hình 2.10 Các khâu so sánh thường gặp......................................................................30
Hình 2.11 Sơ đồ so sánh hai tín hiệu khác dấu............................................................31
Hình 2.12 Sơ đồ các khâu khếch đại và phân phối xung..............................................31
Hình 2.13 Sơ đồ tạo xung............................................................................................32
Hình 2.14 Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm....................................................................32
Hình 3.1 Một số cảm biến dịng điện LEM..................................................................33
Hình 3.2 Ngun lý cảm biến LEM.............................................................................33
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch đo dịng điện DC/AC................................................33
Hình 3.4 Sơ đồ ngun lý cảm biến LEM....................................................................35
Hình 3.5 Cảm biến LEM LV25-P................................................................................35
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch đo điện áp.................................................................35
Hình 3.7 Máy phát tốc.................................................................................................37
Hình 3.8 Đo tốc độ với máy phát tốc DC.....................................................................37
Hình 3.9 Đồ thị dịng điện và điện áp khi khơng tải với tốc độ 500v/p........................43
Hình 3.10 Đồ thị dịng điện và điện áp khi khơng tải với tốc độ 2000v/p....................43
Hình 3.11 Đồ thị dịng điện và điện áp khi có tải với tốc độ 500v/p............................44
Hình 3.12 Đồ thị dịng điện và điện áp khi có tải với tốc độ 2000v/p..........................44

5


Đồ án Điện tử công suất và TĐĐ

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Ý nghĩa các ký hiệu hệ truyền động điện........................................................9
Bảng 2.1 Thông số động cơ.........................................................................................22
Bảng 2.2 Thông số máy biến áp...................................................................................24
Bảng 2.3 Thông số Thyristor.......................................................................................24
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của cảm biến LEM LTS 25-NP.......................................35
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của cảm biến LEM LV25-P...........................................36

6


Đồ án Điện tử công suất và TĐĐ

1. TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU-ĐỘNG CƠ MỘT
CHIỀU
1.1.

TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
1.1.1

ĐỊNH NGHĨA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Hệ truyền động điện là một tổ hợp của nhiều thiết bị và phần tử điện - điện cơ phục vụ
cho việc biến đổi điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công tác trên các
phụ tải, cũng như gia cơng truyền tín hiệu thơng tin để điều khiển q trình biến đổi
năng lượng đó theo u cầu cơng nghệ của phụ tải.
1.1.2

CẤU TRÚC CHUNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Hình 1.1 Cấu trúc hệ truyền động điện
Bảng 1.1 Ý nghĩa các ký hiệu hệ truyền động điện

Ký hiệu
BBĐ
ĐC
MSX

R và RT
K và KT
GN

Ý nghĩa
Bộ biến đổi
Động cơ điện
Máy sản xuất
Bộ điều chỉnh truyền động và cơng nghệ
Các bộ đóng cắt phục vụ truyền động và
công nghệ
Mạch ghép nối
7


Đồ án Điện tử công suất và TĐĐ
VH

Người vận hành

Cấu trúc của hệ TĐĐ TĐ gồm 2 phần chính:
Phần lực (mạch lực): Lưới điện (nguồn điện) cấp điện năng đến bộ biến đổi (BBĐ) và
động cơ điện (ĐC) truyền động phụ tải (MSX)
Các bộ biến đổi:
 Bộ biến đổi máy điện (máy phát điện một chiều, xoay chiều, máy
điện khuếch đại)
 Bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà)
 Bộ biến đổi điện tử, bán dẫn (chỉnh lưu thyristor, bộ điều áp một
chiều, biến tần transistor, thyristor).
Động cơ điện: Một chiều, xoay chiều, các loại động cơ đặc biệt.

Phần điều khiển: (mạch điều khiển)
 Cơ cấu đo lường
 Bộ điều chỉnh tham số và công nghệ
 Khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ và cho
người vận hành.
 Mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác hoặc với máy tính
điều khiển
1.2.

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
1.2.1

CẤU TẠO ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU

Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là một loại máy
quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện
xoay chiều thông dụng.
Động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất
tốt, khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải. Vì thế mà động cơ một chiều
được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ
như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải,các nghành công nghiệp hay đòi hỏi dùng
nguồn điện một chiều...
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: phần tĩnh và phần
động:
Phần tĩnh:
Đây là phần đứng yên của máy, bao gồm các bộ phận chính sau:
+ Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn
kích từ lồng ngồi lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện
8

Đồ án Điện tử công suất và TĐĐ
hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện nhỏ có thể
dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông.
+ Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính và dùng để cải thiện
đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ
có đặt dây quấn mà cấu rạo giống như dây quấn cực từ chính.
+ Gơng từ: Gông từ dùng làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ
máy. Trong động cơ điện nhỏ và vừa thường dùng thép dày uốn và hàn lại. Trong máy
điện lớn thường dùng thép đúc.
+ Các bộ phận khác:
- Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn
và an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Trong máy điện nhỏ và vừa nắp máy cịn có
tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang.
- Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than
bao gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lị xo tì chặy lên cổ góp. Hộp
chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá.
Phần quay:
Bao gồm những bộ phận chính sau :
+ Lõi sắt: Là phần ứng dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật
điện dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dịng
điện xốy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dây
quấn vào.
+ Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động
và có dịng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách
điện. Trong máy điện nhỏ có cơng suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện trịn.
Trong máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật.
+ Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều. Cổ góp
gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến
1,2mm và hợp thành một hình trục trịn. Hai đầu trục trịn dùng hai hình ốp hình chữ V

ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica.
+ Các bộ phận khác:
- Cánh quạt: dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thường chế
tạo theo kiểu bảo vệ. Ở hai đầu nắp máy có lỗ thơng gió.
- Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy
thường làm bằng thép cacbon tốt.
1.2.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU
-

Đầu tiên, cấp nguồn áp một chiều vào dây quấn phần cảm để tạo ra từ trường
kích từ φ kt
Đồng thời, cấp nguồn áp một chiều vào hai đầu phần ứng để tạo dòng điện I ư
qua các thanh dẫn trên phần ứng
9


Đồ án Điện tử công suất và TĐĐ
-

Các thanh dẫn phần ứng mang dòng điện I ư và đặt trong từ trường kích từ sẽ
chịu tác động của lực điện từ F tạo thành momen quay phần ứng
Cổ góp làm bằng cách đảo chiều dòng điện đã đảm bảo cho Roto quay theo một
chiều không đổi
Khi phần ứng quay, các thanh dẫn trên phần ứng cùng di chuyển cắt đường sức
từ trường phần cảm nên trên các thanh dẫn hình thành các suất điện động e

Đầu tiên, cấp nguồn
áp một chiều vào
dây quấn phần cảm
để tạo ra từ trường

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động động cơ một chiều

-

Giá trị suất điện động e được tính theo biểu thức sau: e=B.l.v
Trong đó: B(T): Từ cảm nơi thanh dẫn quét
l(m): chiều dành thanh dẫn nằm trong từ trường
v(m/s): tốc độ dài của thanh dẫn
1.2.3 ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP

Sơ đồ nguyên lý
_

+

Uu
Rf
ĐC

10


Đồ án Điện tử cơng suất và TĐĐ
Iư
CKTD

IKT

UKT

+

Ta có phương trình đặc tính cơ:

RKT

ω=

_

U u R u+ R f
−
.M
KΦΦ ( KΦΦ )2

Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy Có ba thơng số ảnh hưởng đến đặc tính cơ
đó là:
- Từ thông động cơ ().
- Điện áp phần ứng (Uư).
- Điện trở phần ứng.
Sau đây ta sẽ lần lượt đi xét những ảnh hưởng của từng tham số đó:
Ảnh hưởng của điện trở phần ứng :
Giả thiết : Uư=Uđm=const
 = đm=const
Khi ta đổi điện trở mạch phần ứng ta có tốc độ không tải lý tưởng:
0 =

U dm
=Const

KΦ Φ dm

Độ cứng đặc tính cơ:
=

ΔMM
=−¿ ¿
ΔMω

Khi Rf càng lớn, β càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc. Ứng với Rf = 0
Ta có đặc tính cơ tự nhiên:
tn = - ¿ ¿
tn có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả các đường
đặc tính có điện trở phụ. Như vậy khi thay đổi điện trở phụ R f ta được một họ đặc tính
biến trở có dạng như hình 1.9. Ứng với một phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc
độ động cơ càng giảm, đồng thời dịng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng
giảm. Cho nên người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dịng điện và
điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.

11


Đồ án Điện tử cơng suất và TĐĐ

Hình 1.3 Đường đặc tính khi có điện trở phụ

Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:
Giả thiết :

 = dm = const

Rư = const

Khi thay đổi điện áp phần ứng : UưTốc độ khơng tải lý tưởng : ω 0 x =

Ux
=Var
KΦ Φdm

Độ cứng đặc tính cơ : ox = ¿ ¿
Như vậy khi ta thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc
tính cơ song song đặc tính cơ tự nhiên (hình 1.10). Ta thấy khi thay đổi điện áp (giảm
áp) thì mơ men ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ giảm ứng với phụ tải
nhất định. Do đó phương pháp này cũng có thể sử dụng để điều chỉnh tốc độ và hạn
chế dịng điện khởi động.

Hình 1.4 Đường đặc tính khi thay đổi điện áp phần ứng

Ảnh hưởng của từ thông:
Giả thiết : Uư = Uđm = const
Rư = const
Khi ta thay đổi từ thông tức là ta thay đổi dịng kích từ (Ikt) động cơ.
Tốc độ khơng tải lý tưởng: ω 0 x =

U dm
=var
KΦ Φ x

12

Đồ án Điện tử công suất và TĐĐ
Độ cứng đặc tính cơ: β=−¿ ¿
Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi từ
thơng giảm thì ω 0 x tăng, cịn β sẽ giảm. Ta có một họ đặc tính cơ với ω 0 x tăng dần và độ
cứng
của
đặc
tính
giảm
dần
khi
giảm
từ
thơng.

Hình 1.5Đặc tính cơ điện (a)và đặc tính cơ (b)khi thay đổi từ thơng

Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ thơng:
Dịng điện ngắn mạch: I nm=

U dm
=Const
RU

Mô men ngắn mạch: Mnm = KxInm = var
Các đặc tính cơ điện và đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thơng được biểu diễn trên
hình 1.11.
Với dạng mơmen phụ tải Mc thích hợp với chế độ làm việc của động cơ thì khi
giảm từ thơng tốc độ động cơ tăng lên (Hình 1.6 b)

1.3.

GIỚI THIỆU VỀ THYRISTOR

Thyristor là linh kiện gồm 4 lớp bán dẫn gồm pnpn liên tiếp nhau tạo nên Anôt,
Katôt và cực điều khiển G.

Hình 1.6 Ký hiệu và cấu tạo Thyristor

Nguyên lý làm việc của Thyristor:
Khi đặt Thyristor dưới điện áp một chiều, anôt vào cực dương, katôt vào cực
âm của nguồn điện áp, J1 và J3 được phân cực thuận, J2 bị phân cực ngược. Gần như
13


Đồ án Điện tử cơng suất và TĐĐ
tồn bộ điện áp nguồn đặt lên mặt ghép J 2. Điện trường nội tại E1 của J2 có chiều
hướng từ N1 về P2. Điện trường ngoài tác động cùng chiều với E 1, vùng chuyển tiếp
cũng là vùng cách điện càng mở rộng ra, khơng có dịng điện chảy qua Thyristor mặc
dù nó được đặt dưới điện áp thuận.
Mở Thyristor:
Nếu cho một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G (dương so với K), các
điện tử từ N2 chạy sang P2. Đến đây một số ít trong chúng chảy vào nguồn U g và hình
thành dịng điều khiển Ig chảy theo mạch G-J3-K-G, còn phần lớn điện tử, chịu sức hút
của điện trường tổng hợp của mặt ghép J 2, lao vào vùng chuyển tiếp này, chúng được
tăng tốc độ, động năng lớn lên , bẻ gãy các liên kết giữa các nguyên tử silic, tạo nên
những điện tử tự do mới. Số điện tử mới được giải phóng này lại tham gia bắn phá các
nguyên tử Si trong vùng chuyển tiếp. Kết quả của phản ứng dây chuyền này làm xuất
hiện ngày càng nhiều điện tử chảy vào N 1, qua P1 và đến cực dương của nguồn điện
ngoài, gây nên hiện tượng dẫn điện ào ạt. J 2 trở thành mặt ghép dẫn điện, bắt đầu từ

một điểm nào đó ở xung quanh cực G rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép với tốc độ
khoảng 1 cm/100 μss. Thời gian mở Thyristor kéo dài khoảng 10 μss.
KhóaThyristor:
Một khi Thyristor đã mở thì sự hiện diện của tín hiệu điều khiển Ig khơng cịn là
cần thiết nữa. Để khóa Thyristor có 2 cách:
-

Giảm dịng điện làm việc I xuống dưới giá trị dịng điện duy trì IH.

-

Đặt một điện áp ngược lên Thyristor (biện pháp thường dùng)

Khi đặt điện áp ngược lên Thyristorr U AK < 0, hai mặt ghép J1 và J3 bị phân cực
ngược, J2 bây giờ được phân cực thuận. Những điện tử, trước thời điểm đảo cực tính
UAK, đang có mặt tại P1, N1, P2 bây giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dịng điện ngược
chảy từ katôt về anôt, về cực âm của nguồn điện áp ngồi.
Lúc đầu của q trình, từ t0 đến t1, dịng điện ngược khá lớn, sau đó J1 rồi J3 trở
nên cách điện. Cịn lại một ít điện tử bị giữ lại giữa hai mặt ghép J1 và J3, hiện tượng
khuếch tán sẽ làm chúng ít dần đi cho đến hết và J 2 khơi phục lại tính chất của mặt
ghép điều khiển.
Trong các sơ đồ chỉnh lưu trên, giá trị điện áp trung bình một chiều ra tải phụ
thuộc vào góc điều khiển mở của Thyristor: Ud = Ud0.cosα
Do đó, khi thay đổi góc điều khiển α thì ta sẽ thay đổi được giá trị điện áp trung
bình ra tải. Nếu tăng giá trị góc điều khiển α thì điện áp trung bình sẽ giảm, ngược lại,
giảm α thì điện áp trung bình sẽ tăng. Giá trị lớn nhất của điện áp trung bình ra tải là
Ud0, ứng với góc α =0.
Dịng điện trung bình qua tải:
I=

Ud
Zd

với Z d= √ X 2L + R 2

Trường hợp trong mạch tải có thêm suất điện động phản kháng:

14


Đồ án Điện tử công suất và TĐĐ
I=

U d −E
Zd

là linh kiện điện tử
cơng suất có điều
khiển cơ bản nhất,
được sử
là linh kiện điện tử
cơng suất có điều
khiển cơ bản nhất,
được sử
1.4.
HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU-ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU
KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
Là bộ chỉnh lưu liên hệ nguồn xoay chiều với tải một chiều, nghĩa là đổi điện áp
xoay chiều của nguồn thành điện áp một chiều trên phụ tải. Điện áp một chiều trên tải
không được lý tưởng như điện áp của ắc quy mà có chứa các thành phần xoay chiều

cùng với một chiều. Đầu ra của các sơ đồ chỉnh lưu được coi là một chiều nhưng thực
sự là điện áp đập mạch. Trị số điện áp một chiều, hiệu áp suất ảnh hưởng của chúng do
nguồn xoay chiều rất khác nhau. Bộ biến đổi Thyristor với chuyển mạch tự nhiên có
điện áp (dịng điện) ra là 1 chiều là các thiết bị biến nguồn điện xoay chiều 3 pha thành
điện áp 1 chiều điều khiển ngược.
Hoạt động của mạch do nguồn điện xoay chiều quyết định vì nhờ đó mà có thể
thực hiện được các chuyện mạch dòng điện giữa các phần tử lực.
Việc phân loại chỉnh lưu phụ thuộc nhiều yếu tố:
- Theo số pha có: Chỉnh lưu 1 pha, chỉnh lưu 3 pha...
15


Đồ án Điện tử công suất và TĐĐ
- Theo sơ đồ nối có: Chỉnh lưu nửa chu kỳ, chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ, chỉnh lưu
hình cầu, chỉnh lưu hình tia...
- Theo sự điều khiển có: Chỉnh lưu khơng điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển,
chỉnh lưu bán điều khiển.
Giới thiệu sơ đồ

Hình 1.7 Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ một chiều

Trong đó:
+ Đ: động cơ một chiều kích từ độc lập, thực hiện chức năng biến năng lượng
điện một chiều thành cơ năng truyền động cho cơ cấu sản xuất
+ BBĐ: là bộ biến đổi van có điều khiển, thực hiện chức năng biến năng lượng
điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều cung cấp cho động cơ
+ Uđ tín hiệu điện áp đặt
+ FT máy phát tốc thực hiện chức năng khâu phản hồi âm tốc độ
+TH & KĐ là khối tổng hợp và khuyếch đại tín hiệu
+ FX là mạch phát xung

1.4.1 MƠ TẢ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG
Giả sử ban đầu hệ thống đã được đóng vào lưới với điện áp thích hợp, lúc này
động cơ vẫn chưa làm việc. Khi ta đặt vào hệ thống một điện áp đặt U đ ứng với một
tốc độ nào đó của động cơ. Thơng qua khâu TH & KH và mạch FX sẽ suất hiện các
xung đưa tới các chân điều khiển của các van của bộ biến đổi, nếu lúc này nhóm van
nào đó đang được đặt điện áp thuận, van sẽ mở với góc mở . Đầu ra của BBĐ có điện
áp Ud đặt nên phần ứng động cơ  động cơ quay với tốc độ ứng với Uđ ban đầu.
16


Đồ án Điện tử cơng suất và TĐĐ
Trong q trình làm việc, nếu vì một ngun nhân nào đó làm cho tốc độ động
cơ giảm thì qua biểu thức : UĐK = Uđ - n.
khi n giảm UĐK tăng  giảm Ud tăng  n tăng về điểm làm việc yêu cầu. Khi n
tăng quá mức cho phép thì quá trình diễn ra ngược lại. Đây là nguyên lý ổn định tốc
độ.
1.4.2 ĐẶC TÍNH CƠ CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
Chế độ dịng điện liên tục:
Dịng điện chỉnh lưu Id chính là dịng phần ứng.
Ta có sơ đồ đặc tính.
n

E do . cos  R  X K

I
K . dm
K . dm

n

E do . cos  R  X K

M
K . dm
( K . dm ) 2



Đặc tính cơ có độ cứng

( K dm ) 2
R XK

Xk : Đặc trưng cho sụt áp do chuyển mạch giữa các van.
Thay đổi góc điều khiển:
+ Khi  0   sđđ chỉnh lưu biến thiên từ Edo đến - Edo và ta được một họ
đặc tính song song nhau nằm ở nửa bên phải mặt phẳng toạ độ   , M  do các van
khơng cho dịng điện phần ứng đổi chiều.
Các đặc tính cơ của hệ T - Đ mềm hơn các đặc tính cơ của hệ F - Đ bởi thành
phần sụt áp U k do hiện tượng chuyển mạch giữa các van bán dẫn gây nên.

Hình 1.8 Đặc tính cơ hệ T-Đ

17


Đồ án Điện tử công suất và TĐĐ
0  



2 : Bộ biến đổi làm việc ở chế độ chỉnh lưu, động cơ có thể làm

+ Khi
việc ở chế độ động cơ nếu sđđ E > 0 và ở chế độ hãm ngược nếu sđđ E đổi chiều.


  max
+ Khi 2
: Bộ biến đổi làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc, biến

cơ năng của tải thành điện năng xoay chiều cùng tần số lưới và trả về lưới điện. Động
cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh khi tải có tính thế năng.
Dịng điện trung bình của mạch phần ứng:
I

E  Ed
R XK

Phương trình đặc tính:


E do . cos  R  X K

.I
K dm
K dm

- Chế độ dịng điện gián đoạn:
Trong thực tế tính tốn hệ T - Đ chỉ cần xác định biên giới vùng dòng điện
gián đoạn, là đường phân cách giữa vùng dòng điện liên tục và dòng điện gián đoạn.

Trạng thái biên liên tục là trạng thái mà góc dẫn  = 2 /p và góc chuyển mạch  0
Đường biên liên tục gần là đường elip. Để giảm độ lớn của trục nhỏ elip, tăng số pha
của chỉnh lưu. Tuy nhiên khi tăng số pha chỉnh lưu sơ đồ sẽ phức tạp.
1.4.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG
- Ưu điểm:
+ Tốc độ nhanh, không gây tiếng ồn và dễ tự động hố do các van bán dẫn
có hệ số khuếch đại công suất cao.
+ Công suất tổn hâo nhỏ, kích thước và trọng lượng nhỏ
+ Giá thành rẻ, dễ bảo dưỡng sửa chữa.
- Nhược điểm:
+ Mạch điều khiển phức tạp, điện áp chỉnh lưu có biểu đồ đập mạch cao,
gây đến tổn thất phụ đáng kể trong động cơ và hệ thống.
+ Chuyển mạch làm việc khó khăn do đường đặc tính nằm trong mặt phẳng
toạ độ.
+ Trong thành phần của hệ biến đổi có MBA nên hệ số cos  thấp.
+ Do vai trò chỉ dẫn dòng một chiều nên việc chuyển đổi chế độ làm việc
khó khăn với các hệ thống đảo chiều.

18


Đồ án Điện tử cơng suất và TĐĐ
+ Do có vùng làm việc gián đoạn của đặc tính nên khơng phù hợp truyền
động có tải nhỏ.
2. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MẠCH CHỈNH LƯU
2.1.

TÍNH CHỌN MẠCH LỰC
2.1.1 TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ

Động cơ được chọn là động cơ 1 chiều kích từ độc lập có:
Uđm =200 V, nđm =2500v/p, P =2.2kW, Iudm=12.8 A
Trong ba phương pháp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều: điều khiển
bằng điện trở phụ mạch phần ứng, từ thơng kích từ và điên áp phần ứng, ta thấy
phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng là tốt hơn
cả và triệt để nhất. Ở đây chúng ta là hệ truyền động chỉnh lưu động cơ 1 chiều kích từ
độc lập. Với tải là động cơ điện một chiều với cơng suất 2,2kW thì sử dụng sơ đồ
chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển là hợp lí cả về tính năng lẫn giá thành .
L

ĐK1
KCB
MBA

KCB

CL 1

CL 2
C

KCB

M

CKĐ

KCB

ĐK2

Hình 2.9 Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có điều chỉnh đối xứng

Hình 2.10 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển

19


Đồ án Điện tử cơng suất và TĐĐ
u2






IG1



IG2



IG3



IG4



-u2

u2











Hình 2.11 Đồ thị chỉnh lưu Thyristor cầu 1 pha
2π

π

1
1
U dα = ∫ U d (θ )dθ= ∫ √ 2U 2 sinθdθ
2π 0
π0

(1+cos α )
2 √ 2 (1+cos α )
U2

=U d 0
π
2
2
=
Với U

d0

=0,9U2

Ta mơ phỏng cầu 1 pha bằng phần mềm PSIM:

Hình 2.12 Mơ phỏng cầu 1 pha có điều khiển bằng PSIM

Ta có mạch lực:
20