Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều sử dụng thyristor

Mục lục
1
Lời nói đầu
Trong thời đại ngày nay, truyền động điện đang ngày càng được ứng dụng
rộng rãi trong mọi lĩnh vực của cuộc sống nhờ những ưu thế của nó như kết cấu
gọn nhẹ, độ bền và độ tin cậy cao, tương đối sạch nên không gây ra các vấn đề
về môi trường. Bên cạnh đó truyền động điện còn có một ưu thế rất nổi bật, đặc
biệt với truyền động điện một chiều, là khả năng điều khiển rễ ràng. Chính vì
vậy mà truyền động điện một chiều có vai trò quan trọng trong các dạng truyền
động hiện dang dùng, nhất là trong lĩnh vực đòi hỏi khả năng điều khiển cao như
trong các máy sản xuất.
Tuy nhiên, truyền động điện một chiều đòi hỏi phải có nguồn điện một chiều
với các cấp điện áp khác nhau là loại nguồn điện phi tuyến tiêu chuẩn trong sản
xuất điện năng. Vì vậy, việc tạo ra những bộ nguồn một chiều thích hợp đã và
đang là vấn đề được tạo ra.Trong một số trường hợp, người ta dùng các nguồn
điện hóa như pin, acquy. Nhược điểm cuả loại nguồn này là giá thành thường
khá cao và tăng nhanh theo công xuất. Trong một số trường hợp khác, người ta
dùng nguồn máy phát một chiều có khả năng cho công suất lớn nhưng giá thành
vẫn khá cao và kết cấu lai cồng kềnh. Ngày nay cùng với sự phát triển của ngành
kỹ thuật bán dẫn, các bộ nguồn dùng chỉnh lưu bán dẫn ngày càng chiếm ưu thế
nhờ kết cấu gọn nhẹ, hiệu suất và độ tin cậy cao, giá thành hạ, không có tiếng
ồn. Cũng chính nhờ có loại nguồn này mà truyền động điện một chiều ngày càng
trở lên tiện lợi và được ứng dụng rộng rãi hơn.
Với đề tài em được giao là: “Thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ động cơ điện
một chiều sử dụng Thyristor”. Đây là đề tài có tính thực tiễn cao vì máy điện
một chiều được sử dụng rất nhiều trong thực tế cuộc sống. Trong quá trình làm
đồ án em được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy cô giáo trong Bộ môn Tự động
hóa, Trường Đại Học Sao Đỏ. Đặc biệt là cô giáo hướng dẫn Phạm Thị Diễm
Hương. Cô đã giúp cho chúng em hiểu và nắm vững hơn về động cơ điện một
chiều. Và đã giúp em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này.
2

Chương 1:
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1.Đặt vấn đề
Cùng với sự tiến bộ của văn minh nhân loại chúng ta có thể chứng kiến
phát triển rầm rộ kể cả về quy mô lẫn trình độ của nền sản xuất hiện đại.Trong
sự phát triển đó,ta cũng có thể dễ dàng nhận ra và khẳng định rằng điện năng và
máy tiêu thụ điện năng đóng vai trò quan trọng không thể thiếu được nếu không
muốn nói là chủ chốt. Nó luôn đi trước một bước làm tiền đề,nhưng cũng là mũi
nhọn quyết định sự thành công của cả một hệ thống sản xuất công nghiệp.
Không một quốc gia nào, một nền sản xuất nào không sử dụng điện và máy
điện. Động cơ điện một chiều cũng được coi là một loại máy quan trọng có khả
năng điều chỉnh tốc độ tốt, mở máy lớn và quá tải. Động điện xoay chiều không
thể thay thế hoàn toàn động cơ điện một chiều đặc biệt trong ngành công nghiệp,
giao thông vận tải, các thiết bị điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi
rộng như máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện. Cũng vì vậy mà động
cơ điện có giá thành cao, chế tạo bảo dưỡng phức tạp.
a. Khái niệm
Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết điện
từ quay,làm theo nguyên lý điện từ,khi đặt trong từ trường một dây dẫn và cho
dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ trường sẽ tác dụng một lực từ vào dòng điện
(vào dây dẫn) và làm dây dẫn chuyển động. Động cơ biến đổi điện năng thành
cơ năng.
b. Cấu tạo
Gồm hai phần: - Phần tĩnh hay Stato (phần cảm)
- Phần quay hay Roto (phần ứng)
c. Ưu điểm của động cơ một chiều
3
Động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định như trong công
nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điề khiển tốc độ quay
lien tục trong phạm vi rộng ( như trong máy cán thép , máy công cụ lớn, đầu

máy điện…). Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện
một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại hơn, chế tạo
bảo quản cổ góp phức tạp hơn… nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện
một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
Ưu điểm của động cơ một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy
phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của
động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. Nếu như bản
than động cơ không đồng bộ không thể đáp ứng được hoặc nếu đáp ứng được thì
chi phí các thiết bị biến đổi đi kèm (như bộ biến tần…) rất đắt tiền thì động cơ
một chiều không những có thể điều chỉnh rộng và chính xác mà cấu trúc mạch
lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao.
Ngày nay, hiệu suất của động cơ một chiều công suất nhỏ khoảng 70% ÷
85%, ở động cơ điện công suất trung bình và lớn hơn khoảng 85% ÷ 94%. Công
suất lớn nhất của động cơ điện một chiều vào khoảng 10000kW điện áp vào
khoảng vài tăm cho đến 1000v. Hướng phát triển là cải tiến tính nâng vật liệu,
nâng cao chỉ tiêu kinh tế của động cơ và chế tao những máy công suất lớn hơn
đó là cả một vấn đề rộng lớn và phức tạp vì vậy với vốn kiến thức còn hạn hẹp
của mình trong phạm vi đề tài này em không thể đề cập nhiều vấn đề lớn mà chỉ
đề cập tới vấn đề thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ có đảo chiều của động cơ một
chiều kích từ đọc lập. Phương pháp được chọn là bộ băm xung… đây có thể
chưa là phương pháp mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất nhưng nó được sử dụng
rộng rãi bởi những tính năng và đặc điểm mà ta sẽ phân tích và đề cập sau này.
1.2. Cấu tạo động cơ điện một chiều
Động cơ một chiều có thể phân tích thành hai thành phần chính: phần tĩnh
và phần động.
4
1.2.1. Phần tĩnh (stato)
Hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ trường. Gồm
có mạch từ và dây cuốn kích thích lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích
từ bằng nam châm điện).

- Mạch từ được làm bằng sắt từ (thép đúc, thép đặc)
- Dây quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây
điện từ (êmay). Các cuộn dây điện từ này được nối tiếp với nhau.
a. Cực từ chính:
Là bộ phận sinh ra từ trường gồm cơ lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ
lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kĩ thuật điện
hay thép cacbon dày từ 0,5mm đến 1mm Đp 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. Dây quấn kích từ được làm bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi
cuộn dây được bọc cách điện kĩ thành một khối tầm sơn cách điện trước khi
đặt trên cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối
tiếp với nhau.
b. 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 than cực từ phụ có đặt
dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào
vỏ máy nhờ những bulông.
c. Gông 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. Có khi trong động cơ điện nhỏ dùng gang làm vỏ
máy.
d. Các bộ phận khác.
5
Bao gồm:
- Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây
quấn và an toàn cho nguồi khỏi chạm điện. Trong máy điện nhỏ và vừ nắp máy
còn có tác dụng làm giá đỡ ổ bi. Trong trường hợp này nắp máy thườn làm bằng
gang.
- Cơ cấu chổi than: để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi

than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp.
Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá. Giá chổi
than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chỗ. Sauk hi điều
chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.
1.2.2. Phần quay (Rôto)
Bao gồm những bộ phận chính sau:
Là phần sinh ra suất điện động. Gồm có mạch từ được làm bằng vật liệu
sắt từ (là thép kĩ thuật) xếp lại với nhau. Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây
quấn phần ứng (làm bằng dây điện từ).
Cuộn dây phần ứng gồm nhiều bối dây nối nhau theo một quy luật nhất
định. Mỗi bối dây gồm nhiều vòng dây các đầu dây của bối dây được nối với các
phiến đồng goi là phiến góp.
6
Các phiến góp đó được ghép cách điện với nhau và cách điện với trục goi
là cổ góp hay vành góp.
Tỳ trên cổ góp là cặp chổi than lamg bằng graphit và được ghép sát vào
thành cố góp nhờ lò xo.
a. Lõ sắt phần ứng
Dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kĩ thuật điện dày 0,5mm
phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi Đp chặt lại để giảm tổn hao do dòng xoáy gây
nên. Trên là thép có dập hình dạng rãnh để sau khi Đp lại thì chặt dây quấn vào.
Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những thông gió
để khi Đp lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục.
Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thường chia thành những đoạn
nhỏ, giữa những đoạn Êy có để một khe hở thông gió, khi máy làm việc gió thổi
qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt.
Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lỡi sắt phần ứng được Đp trực tiếp vào
trục. Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto
có thể tiết kiệm thep kĩ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.
b. Dây quấn phần ứng

Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy
qua. Day quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong
máy điện nhỏ có công suất dưới vài kw thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong
máy điện vừa và lớn thường dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách
điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè
chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có làm bằng tre, gỗ hay bakelit.
c. Cổ góp
7
Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều
phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng lớp mika dày từ 0,4mm đến
1,2mm và hợp thành một hình trụ tròn, hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp chữ V
Đp chặt lại. Giữa vành cổ góp có cao lêm một ít để hàn các đầu dây của các
phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng.
1.3. Nguyên lí làm việc của động cơ điện một chiều
Động cơ điện phải có hai nguồn năng lượng:
- Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ để sinh ra từ thông kích từ
- Nguồn phần ứng được đưa vào hai chổi than để đưa vào hai cổ góp của phẩn
ứng.
Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi điện trong dây quấn phần ứng cơ điện.
Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực dụng làm rôto quay.
Chiều của lực được xác định bằng qui tắc bàn tay trái .
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau.Do
có phiến góp nhiều dòng điện giữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không
thay đổi.
Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động E
ư
chiều
của suất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ một
chiều suất điện động E

ư
ngược chiều dòng điện I
ư
nên E
ư
được gọi là sức phản
điện động.
Phương trình cân bằng điện áp:
U= E
ư
+R
ư
.I
ư
+ I
ư
.di/dt
8
Mạch rôto Chổi than
Chổi than fhdsgfbffffsddbdttthan tthan
Lõi thép
Trục
Trục
Cổ góp
M M
ω ω
ω0
ω0
Mđm
Mđm

ωđm1
Đặc tính cơ tự nhiên b. Đặc tính cơ nhân tạo
ωđm2
Hình 1.2. Cấu tạo của động cơ
1.4. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Đặc tính cơ của động cơ một chiều là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen
quay của động cơ:
ω=f (M) hoặc n=f(M)
Trong đó:
ω – tốc độ góc (rad/s)
n – tốc độ quay (v/ph)
M – mômen(Nm)
Có hai loại đặc tính cơ: đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo:
Hình 1.3. Các đặc tính cơ động cơ điện 1 chiều
9
ω
đm
1.5. Phân loại
Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiều
người ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ. Theo đó ứng với mỗi
cách ra có các loại động cơ điện loại:
Có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng:
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
- Động cơ điện một chiều kích từ song song
- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
- Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp.
1.5.1. Kích từ độc lập
Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn. mạch điện phần ứng và
mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên:
I= I

ư
1.5.2. Kích từ song song
Khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi.
mạch kích từ đươc mắc song song với mạch phần ứng nên:
I =I
ư
+ I
t
1.5.3. Kích từ nối tiếp
Cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích từ có tiêt diện
lớn, điện trở nhỏ, số vòng ít. Chế tạo dễ dàng nên ta có:
I =I
ư
= I
t
.
1.5.4. Kích từ hỗn hợp
Ta có : I=I
ư
+ I
t
Với mỗi loại động cơ trên là tương ứng với các đặc tính, đặc điểm kỹ
thuật điều khiển và ứng dụng là tương đối khác nhau phụ thuộc vào nhiều nhân
tố, ở đề tài này ta chỉ xét đến động cơ một chiều kích từ động lập và biện pháp
hữu hiệu nhất để điều khiển loại động cơ này.
10
1.6. Đặc tính cơ và điều chỉnh tốc độ của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập
1.6.1. Sơ đồ và nguyên lý hoạt đông.
H×nh1.4: §éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kÝch tõ ®éc lËp

I
kt
R
kt
C
k
E

I
®c
-
+
U
-
+
U
kt
Để tiến hành mở máy,đặt mạch kích từ vào nguồn Ukt,dây cuốn kích từ sinh ra
từ thông Φ.Trong tất cả các trường hợp,khi mở máy cũng phải đảm bảo có Φmax
tức là phải giảm điện trở của mạch kích từ Rkt đến nhỏ nhất có thể.Cũng cần
đảm bảo không cho xảy ra đứt mạch kích thích vì khi đó Φ=0,M=0,động cơ sẽ
không quay được,do đó Eư =0 và theo biểu thức U = Eư + RưIư thì dòng điện Iư
sẽ rất lớn làm cháy động cơ.Nếu mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn
mômen cản (M › Mc) roto bắt đầu quay và sức điện động Eư sẽ với tăng lên tỷ lệ
với tốc độ quay n.do sự xuất hiện và tăng lên của Eư,dòng điện Iư sẽ giảm theo
M giảm khiến n tăng chậm hơn.
1.6.2.Phương trình đặc tính cơ
Từ phương trình cân bằng áp:
U = E + I
ư

R .
Trong đó :U- điện áp đặt vào phần ứng động cơ .
E- sức điện động sinh ra trong phần ứng động cơ .
I
ư
- dòng điện phần ứng động cơ .
11
R- điện trở mạch phần ứng gồm R
ư
và R
f
.
E = U - I
ư
R .
Mặt khác ta có : E = K
e
φ
ω .
K
e
- hệ số cấu tạo của động cơ và K
e
=
a
PN
.2
π
.
P - là số đôi cực từ chính

N - là số thanh dẫn tác dụng trong mạch phần ứng .
a - là hệ số thanh dẫn .

φ
- từ thông kích từ .

ω
- tốc độ quay của động cơ .
K
e
φ

ω
= U - I
ư
R .

φφ
−
U R
K
e
K
e
I

ω
=
Mà mô men động cơ là: M =
M

K
φ
I
ư
.

I

=
M
φ
K
M

φφ
−
U R
K
e
K
M
K
e
ω
=
M

=
0
-

ω
ω
ω
với :
ω
0
- gọi là tốc độ không tải lý tưởng .
∆
ω
- độ sụt tốc độ .
12
1.6.3.Đồ thị đặc tính cơ .

ω
0
ω
ω
0
H×nh1.5: §Æc tÝnh c¬ cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu
M
Ta có phương trình đặc tính.
Trong đó:
Δω được gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị M.
13
1.7. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc
lập
Từ phương trình đặc tính cơ :

φφ
−

U R
K
e
K
M
K
e
ω
=
M
Ta có ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều :
1.7.1.Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ .
Trong thực tế người ta thường dùng phương pháp giảm điện áp phần ứng động
cơ và giữ từ thông
φ
=
φ
đ m
= const , điện trở R = R
ư
.
Khi giảm điện áp thì :

=
0
ω
↓
φ
K
e

U

=
∆
ω
=
const
M
2
φ
R

K
e
K
M
Do đó ta thu được họ các đường đặc tính cơ sau :
H×nh1.6: Hä ®Æc tÝnh c¬ khi thay ®æi ®iÖn ¸p
0
M
ω
0
ω
1
ω
2
U
®m
U
1

U
2
* Nhận xét : Khi ta giảm điện áp đặt vào phần ứng động cơ thì tốc độ không tải
giảm xuống,còn độ xụt tốc độ không đổi. Điện áp phần ứng càng giảm ,tốc độ
động cơ càng nhỏ. Do đó ta thu được họ các đường đặc tính cơ song song với
đường đặc tính cơ tự nhiên ,tức độ cứng đặc tính cơ không đổi.
14
1.7.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng thay đổi từ thông trong mạch kích
từ động cơ .
Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng điện kích từ của
động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp mạch kích từ .
Trong thực tế người ta thường dùng phương pháp giảm từ thông
φ
và vẫn giữ
điện áp U = U
ưđm
, điện trở R = R
ư
và cũng không được giảm từ thông
φ
gần về 0
.
Khi từ thông
φ
giảm thì :

↑
=
0
φ

ω
U
K
e

↑↑=
∆
2
φ
ω
R

K
e
K
M
M
Do đó ta thu được họ các đường đặc tính cơ sau :
H×nh1.7: Hä ®Æc tÝnh c¬ khi thay ®æi tõ th«ng m¹ch kÝch tõ ®éng c¬
M
ω
2
1
®m
ω
01
0
ω
02
ω

0
* Nhận xét : Như vậy khi giảm từ thông thì tốc độ không tải tăng lên nhưng độ
xụt tốc độ tăng gấp 2 lần. Do đó ta thu được họ các đường đặc tính cơ có độ dốc
hơn và có tốc độ không tải lớn hơn. Vì vậy càng giảm từ thông thì tốc độ không
tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn . Độ cứng đặc
tính cơ giảm .
15
Phng phỏp ny rt kinh t vỡ vic iu chnh tc thc hin mch kớch
t vi dũng kớch t l (1 ữ 10)% dũng nh mc phn ng .
1.7.3. iu chnh tc ng c bng cỏch thay i in tr ph .
Trong thc t ngi ta thờm in tr ph vo mch phn ng ng c :
R = R

+ R
f
, v gi in ỏp U = U
m
, t thụng

=

m
= const .
Ta cú :




=
R

+ R
f
2

K
e
K
M
M
K
e
U
Khi tng in tr ph thỡ :

==
0


U
K
e
const

=



2

R

+ R
f
K
e
K
M
Ta c h cỏc ng c tớnh c nh sau :
M
0
Hình1.8: Họ đặc tính cơ động cơ khi thay đổi điện trở phụ
mạch phần ứng động cơ.

TN

0
R
f1
R
f2
* Nhn xột : Khi tng in tr ph trong mch phn ng ng c thỡ dc
c tớnh c cng ln ,c tớnh c mm v n nh tc cng kộm sai s
16
tốc độ càng lớn. Tốc độ không tải không đổi và =
ω
0
, còn độ xụt tốc độ ∆
ω
tăng. Khi đó ta được họ các đường đặc tính cơ nhân tạo cùng đi qua điểm tốc độ

không tải (0,
ω
0
)

và độ rốc tăng khi điện trở R
f
càng lớn,tức là độ cứng của đặc
tính cơ giảm .
Kết luận : Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện
một chiều nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
bằng cách thay đổi điện áp U
ư
đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay
được sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi ,điều chỉnh
tốc độ bằng phẳng và không bị tổn hao .
17
Chương 2:
LỰA CHỌN SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU
2.1 Giới thiệu về chỉnh lưu
2.1.1 Khái niệm
- Bộ chỉnh lưu (BCL) dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện
một chiều cấp cho tải. Lĩnh vực ứng dụng BCL rất rộng rãi vì chủng loại tải
dung cho dòng điện 1 chiều rất đa dạng. Đó là tác động cơ điện 1 chiều, cuộn
hút nam châm điện, rơle, bể ạm điện,…
- Chỉnh lưu có công suất nhỏ dung chỉnh lưu 1 pha, chỉnh lưu công suất lớn
dung chỉnh lưu 3 pha.
- Dòng điện và điện áp trên tải có chiều không đổi. Tuy nhiên, vẫn bị dòng điện
về trị số. Để thu được dòng điện và điện áp trên tải không đổi về chiều và trị số
ta dung các phần tử lọc.

2.1.2 Phân loại
Chỉnh lưu phân loại theo một số cách sau đây:
- Phân loại theo số pha cấp cho van: một pha, hai pha, ba pha, bốn pha, năm
pha,…
- Phân loại theo hai van bán dẫn trong mạch van; hiện nay chủ yếu dung 2 loại
van điôt và tiristor. Vì thế, có 3 loại mạch sau:
+ Mạch dùng van toàn điôt , được gọi là chỉnh lưu không điều khiển.
+ Mạch dùng toàn tiristor, gọi là chỉnh lưu điều khiển.
+ Mạch chỉnh lưu dùng cả 2 loại điôt và tiristor, gọi là chỉnh lưu bán điều
khiển.
- Phân loại theo sơ đồ mắc van khác nhau:
+ Sơ đồ hình tia:
Ở sơ đồ này số lượng van sẽ bằng số pha nguồn cấp cho mạch van. Tất cả
các van đều đấu chung một đầu nào đó với nhau catôt chung hoặc anôt chung.
+ Sơ đồ cầu:
Ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cung cấp cho mạch
van. Trong đó một nửa số van mắc chung nhau catôt , nửa kia mắc chung nhau
anôt.
18
R
L
ud
T
u1
ud
u2
u2
2
1
2

2.2. Các loại sơ đồ có điều khiển
Chỉnh lưu 1 pha một nửa chu kỳ.
a. Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý và giản đồ điện áp chỉnh lưu 1 pha một nửa
chu kỳ
Trong mạch này thyristor T được điều khiển bằng các xung dòng điện IG
xuất hiện chậm sau điện áp u một góc α nào đó trong hình 3 – 1a.
Khi có tín hiệu iG ,thyristor sẽ mở,nên góc α được gọi là góc mở chậm của
thyristor .Khi thyristor mở thì điện áp ở 2 đầu phụ tải:
19
MBA
b.Đồ thị điện ápa. Sơ đồ nguyên lý
= sinωt
Còn dòng điện id qua phụ tải được xác định bằng phương trình.
L + = sinωt
Nghiệm của phương trình này sẽ là:
sin(ωt – φ) +
Trong đó Z = - tổng trở phụ tải.
φ = arctg
A- là hằng số tích phân được xác định từ điều kiện ban đầu.
Căn cứ vào biểu thức này của id ta có dạng đường cong id như hình 3-1b.Tại góc
pha λ nào đó id giảm đến 0 và thyristor tự động tắt.Do đó λ được gọi là góc tắt
của điện áp u.
Như vậy trong mỗi chu kỳ của u dòng điện qua phụ tải id chỉ tồn tại trong
khoảng từ
α đến λ, còn từ λ đến 2π dòng điện id = 0.nói cách khác dòng điện qua phụ tải là
một dòng điện gián đoạn.
2.2.2 Chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kì dùng MBA có điểm giữa
2.2.2.1 Tải R

a. Sơ đồ nguyên lý
20
Hình 2.2 Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kì có điểm giữa tải R
Trong đó:
- Biến áp là máy điện áp cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu, biến áp có một số
nhiệm vụ sau:
 Biến đổi điện áp xoay chiều lưới điện U
1
thành điện áp xoay chiều U
2
, bên thứ
cấp có giá trị phù hợp với yêu cầu của sơ đồ chỉnh lưu.
 Đảm bảo sự cách ly về điện giữa mạch động lực của sơ đồ chỉnh lưu với
nguồn điện xoay chiều trong một số trường hợp cần thiết để đảm bảo cho
người vận hành và sửa chữa .
 Giá trị điện cảm tản của BA tham gia làm giảm tốc độ tăng của dòng qua van
khi mở van làm hạn chế được giá trị diT/dt để đảm bảo vệ van , vì vậy khi đã
sử dụng máy biến áp để cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu thì không cần phải đưa
thêm mạch điện cảm vào mạch nguồn mà chỉ cần lựa chọn máy biến áp có giá
trị ngắn mạch phần trăm lớn (U
N
=7 10 ).
 Tạo ra hệ thống điện áp xoay chiều hai pha không có trong lưới điện công
nghiệp .BA có một cuộn thứ cấp được đặt điện áp nguồn xoay chiều một pha
u
1
, hai cuộn thứ cấp là W
21
, W
22

có số vòng bằng nhau và đấu như hình vẽ .
Như vậy trên W
21
, W
22
ta có các điện áp là u
21
, u
22
thỏa mãn quan hệ : u
21
=
u
22
, đây là hệ thống điện áp xoay chiều 2 pha cần thiết.
- Các tiristor T
1
, T
2
làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp
một chiều.
21
b. Nguyên lí làm việc
Hình 2.3.Đồ thi điện áp chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kì có điểm giữa tải R
- Xét ở nửa chu kì đầu (0÷π)
U
21
> 0 nên T
1
phân cực thuận dẫn đến T

1
khóa do T
1
chưa được cấp xung
điều khiển
chưa có van dẫn dòng U
d
=0, i
d
=0. U
22
< 0 nên T
2
phân cực ngược dẫn đến T
2
khóa.
- Xét trong khoảng (
θ
1
)
Tại
θ
=
θ
1,
T
1
được cấp xung điều khiển nên T
1
được mở dòng điện chạy theo

chiều:
A
→
T
1

→
K
→
R
→
O.
Dẫn đến U
d
=U
21
; i
d
=
R
U
d
=
R
U
21
- Xét ở nửa chu kì tiếp (π÷2π)
U
21
<0 nên T

1
phân cực ngược T
1
khóa, U
22
>0 nên T
2
phân cực thuận ở
khoảng (
θ
θ
2
) T
2
chưa

cấp xung điều khiển nên T
2
khóa không có van dẫn
dòng U
d
=0; i
d
=o, ở kho (
θ
) T
2
được cấp xung nênT
2
mở dòng điện chạy

theo chiều B
→
T
2

→
K
→
R
→
O.
Dẫn đến U
d
=U
22
; i
d
=
R
U
d
=
R
U
22
.
c. Các biểu thức tính toán
+ Điện áp trung bình trên tải:
2
2

0
1 1
2 (1 cos )
2
d d
U u d U
π
θ α
π π
= = +
∫
+ Điện áp ngược lớn nhất đặt trên van : U
ngmax
= 2 U
2
22
+ Dòng điện trung bình qua tải:
d
d
U
I
R
=
+ Dòng điện trung bình qua van:
2
d
T
I
I =
2.2.2.2.Tải R+ L

a. Sơ đồ nguyên lý
Hình 2.4. Sơ đồ chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kì có điểm giữa tải R+L
b. Nguyên lý làm việc
Hình 2.5.Đồ thị điện áp chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kì có điểm giữa tải R+L
Trong thưc tế ωL > R nên luôn là dòng liên tục. khi ta biết được góc mở thì sẽ
biết được góc tắt dòng với λ = π + α.
23
Khi θ = α và θ = λ thì gia trị dòng có giá trị cùng vơi .
c. Các biểu thức tính toán
+ Giá trị trung bình của tải: = sinωt.dωt cosα
Với góc α là góc mở của thyristor.
+ Giá trị điện áp ngược đặt trên thyristor: = 2
+ Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua thyristor: =
+ Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua tải: =
Nhận xét:
+ Ưu điểm:
• Có chất lượng tốt hơn chỉnh lưu 1 pha một nửa chu kì
• Dòng điện qua van không lớn, điện áp rơi trên van nhỏ.
• Điểu khiển các van bán dẫn tương đối nhỏ.
+ Nhược điểm:
• Việc chế tạo biến áp có 2 cuộn dây thứ cấp giống nhau mà mỗi cuộn chỉ có 1
nửa chu kì là hết sức phức tạp và hiệu suất sử dụng biến áp.
• Điện áp ngược các van bán dẫn phải có trị số lớn làm cho việc lựa chọn van
bán dẫn khó.
• Theo đề tài thiết kế cho nguồn điện 3 pha nên chọn sơ đồ này thì mạch phức
tạp cồng kềnh
2.2.3 Chỉnh lưu cầu một pha
2.2.3.1 Tải R
a. Sơ đồ nguyên lý.
24

Hình 2.6. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha tải R
Trong đó:
- BA là máp biến áp cung cấp.
- Các van có điều khiển T
1
, T
2 ,
T
3
,T
4
dùng để biến điện áp xoay chiều thành 1
chiều , 4 van này được phân thành 2 nhóm : nhóm catot chung gồm : T
1
, T
3
,
nhóm anot chung gồm T
2
, T
4
.
- R là phần tử phụ tải
b.Nguyên lý hoạt động
Hình 2.7. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha tải R
• Xét ở nửa chu kì đầu (0÷π)
U
2
>0 nên T
1

,T
3
phân cực thuận và T
2
,T
4
phân cực ngược. Ở khoảng (0
θ
) chưa cấp xung điều khiển cho T
1
,T
3
nên T
1
,T
3
khóa
dẫn đến U
d
= 0, i
d
= 0
25
R