Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều

Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
Mục Lục
LỜI NÓI ĐẦU 2
Chương I: Tìm hiểu chung về động cơ điện một chiều 3
1.1, Cấu tạo, nguyên lý làm việc, ứng dụng 3
1.1.1 Cấu tạo: 3
1.1.2 Nguyên lý làm việc 4
1.1.3 Ứng dụng: 6
1.2, Phân loại 6
1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ 7
1.3.1, Điều chỉnh n bằng cách thay đổi f 7
1.3.2, Điều chỉnh n bằng cách thay đổi Rf 7
1.3.3, Điều chỉnh n bằng cách thay đổi U 8
Chương II: Lựa chọn phương án cung cấp điện cho động cơ điện một chiều 10
2.1 Các phương án: 10
2.1.1 Bộ chỉnh lưu có điều khiển 10
2.1.2 Bộ biến đổi xung áp 13
2.1.3 Cầu 1 pha 15
2.1.4 Cầu 3 pha 17
2.2 Chọn phương án 18
Chương III: Thuyết minh sự hoạt động của sơ đồ 19
3.1 Sơ đồ động lực 19
Chương IV: TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 23
4.1 Tính chọn van động lực 23
4.2. Tính toán máy biến áp 24
4.3 Tính chọn các thiết bị bảo vệ 26
CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN 28
5.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển theo nguyên tắc pha đứng 28
5.2 Thiết kế mạch điều khiển: 29
5.2.1. Tính toán các khâu trong mạch điều khiển: 29
5.2.2 Sơ đồ mạch điều khiển 32

Tài liệu tham khảo 34
Số liệu cho trước
Loại tải TT U
d
(V) P
d
(kW) U
1
~(V) D
1 2 3 4 5 6
Động cơ
điện một
chiều
1 110 1.1 220/380 0 ÷ max
2 220 1.1 220/380 0 ÷ max
3 220 2.2 220/380 0 ÷ max
4 220 5.2 220/380 0 ÷ max
5 400 54 220/380 0 ÷ max
6 460 55 220/380 0 ÷ max
7 440 90 220/380 0 ÷ max
- 1 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
LỜI NÓI ĐẦU
-Trong những năm gần đây với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của nền kinh tế
xã hội, các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật ứng dụng vào các ngành công nghiệp nói
chung và ngành công nghiệp điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử công suất được
ứng dụng và được chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng vào các ngành
kinh tế quốc dân và đời sống, làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và thiết kế các loại
thiết bị này hết sức cần thiết đối với kỹ sư ngành điện
-Cùng với sự phát triển của ngành điện tử công suất thì việc ứng dụng động cơ

điện một chiều vào công nghiệp là hết sức quan trọng. và việc tính toán cấp nguồn
cho động cơ điện một cũng được coi trọng.
-Để hiểu rõ được vai trò của điện tử công suất và động cơ điện một chiều thì trong
bản đồ án môn học này được sự hướng hẫn của thầy Nguyễn Đắc Nam với nội
dung:
“ Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều”
-Em có đưa ra một số phương án trình bày trong bản đồ án thiết kế. Tuy nhiên với
sự hiểu biết và những kiến thức đã học còn hạn chế nên bản đồ án của em không
tránh khỏi những thiếu sót nhất định.Em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo
của các thầy cô giáo để bản đồ án của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn
Sinh viên
Trịnh Ngọc Ninh Sơn
- 2 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
Chương I: Tìm hiểu chung về động cơ điện một
chiều
1.1, Cấu tạo, nguyên lý làm việc, ứng dụng
1.1.1 Cấu tạo:
+ Phần tĩnh (Phần cảm hay stator):
Là phần đứng yên bao gồm các bộ phận như:
- Cực từ chính:
Được làm bằng thép kĩ thuật dạng thép khối hoặc tấm xung quanh có dây
quấn cực từ chính gọi là kích từ, nó thường được nối với nguồn một chiều có
nhiệm vụ tạo ra từ thông trong máy.
- Cực từ phụ:
Được đặt xen giữa các cực từ chính, xung quanh cực từ phụ có dây quấn
cực từ phụ, dây quấn cực từ phụ đấu nối tiếp với dây quấn roto. Nhiệm vụ của cực
từ phụ là triệt tiêu từ trường phần ứng (Từ trường do dòng điện roto sinh ra). Trên
vùng trung tính hình học để hạn chế xuất hiện tia lửa điện trên chổi than và cổ góp.

- Vỏ máy (Gông từ):
Ngoài nhiệm vụ thông thường như các vỏ máy khác, vỏ máy điện một
chiều còn tham gia dẫn từ vì vậy nó phải được làm bằng thép dẫn từ.
+ Phần quay (Phần ứng hay roto):
- Lõi thép roto:
Thường để dẫn từ, thường dùng tấm thép kĩ thuật điện dầy 0.5mm phủ cách
điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây nên.
Trên lá thép có dập rãnh để cuốn dây.
- Dây cuốn phần ứng
Là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây cuốn
phần ứng được làm bằng dây đồng có sơn cách điện.
- Cổ góp
Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều gồm nhiều phiến
đồng ghép cách điện với nhau, bề mặt cổ góp được gia công với độ bóng thích hợp
để đảm bảo tiếp xúc tốt giữa chổi than và cổ góp khi quay.
+ Giới thiệu về động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Cho đến nay động cơ điện một chiều vẫn còn được dùng rất phổ biến trong
các hệ thống truyền động chất lượng cao, dải công suất động cơ điện một chiều từ
vài W đến mW. Giản đồ kết cấu chung của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
được thể hiện như hình vẽ dưới. Phần ứng được biểu diễn bởi vòng tròn bên trong
có sức điện động E
ư
, ở phần stato có thể có vài dây cuốn kích từ:
Dây cuốn kích từ độc lập CKD, dây cuốn kích từ nối tiếp, dây cuốn cực từ
phụ CF, dây cuốn bù CB.
- 3 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần
ứng và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau, lúc này động cơ
được coi là động cơ kích từ độc lập.

1.1.2 Nguyên lý làm việc
Khi đóng động cơ, Roto quay đến tốc độ n, đặt điện áp U
kt
nào đó lên dây
cuốn kích từ thì trong dây cuốn kích từ có dòng điện i
k
và do đó mạch kích từ của
máy sẽ có từ thông Φ, tiếp đó ở trong mạch phần ứng, trong dây cuốn phần ứng sẽ
có dòng điện i chạy qua tương tác với dòng điện phần ứng. Tăng từ từ dòng kích từ
(bằng cách thay đổi R
kt
) thì điện áp ở hai đầu động cơ sẽ thay đổi theo quy luật:
E
dư
= (1% ÷ 42%) U
đm
Khi có dòng i
kt
còn nhỏ thì E dư hoặc U tăng tỉ lệ thuận với i
kt
nhưng khi
U
kt
bắt đầu lớn thì từ thông ф trong lõi thép bắt đầu bão hòa. Cuối cùng khi i
kt
= i
ktbh
thì U=E
ư
bão hòa hoàn toàn.

Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
Ta có: U
ư
= E
ư
+ (R
ư
+R
f
) . I
ư
= E
ư
+ R.I
ư
(1)
Trong đó :
U
ư
: điện áp phần ứng (V)
E
ư
: sức điện động phần ứng (V)
R
ư
: điện trở mạch phần ứng
R
f
: diện trở phụ của mạch phần ứng
I

ư
: dòng điện mạch phần ứng
Với R
ư
= r
ư
+ r
cf
+ r
b
+ r
ct
r
ư
: điện trở cuộn dây phần ứng
- 4 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
r
cf
: điện trở cuộn cực từ phụ
r
b
: điện trở cuộn bù
r
ct
: điện trở tiếp xúc của chổi than
Sức điện động E
ư
của phần ứng động cơ xác định theo biểu thức
φ

ωωφφω
k.
E.u
.k
πa
pN
E
u
=→==
2
Trong đó:
p: số đôi cực từ chính
N: số thanh dẫn tác dụng của dây cuốn phần ứng
a: số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
Φ: từ thông kích từ dưới 1 cực từ
ω: vận tốc góc rad/s
2ππ
pN
k =
: Hệ số cấu tạo của động cơ
Từ phương trình (1)
⇒ E ư = U ư - (R ư + Rf) . I ư
Chia cả 2 vế cho k.Φ
⇒
.Iu
k
RfRu
k
Uu
k

u E
φφφ
+
−=
⇒
.Iu
k
RfRu
k
Uu
φφ
ω
+
−=
(2)
⇒
)(If
=
ω
: đặc tính cơ điện
Mặt khác mômen điện từ của cơ điện được xác định bởi:
M
đt
= k .Φ . I
ư
=> I
ư
=
φ
.K

M
đt
Thế vào (2) =>
đt
2
M.
)(k
RfRu
k
Uu
φ
φ
ω
+
−=
=> ω = f(M): đặc tính cơ theo momen
Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép thì momen cơ trên trục điện cơ
bằng momen điện từ, ta kí hiệu là M nghĩa là M
đt
=M
cơ
= M
=>
M
k
RfRu
k
Uu
.
)(

2
φ
φ
ω
+
−=
(3)
Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông Φ=const thì phương
trình đặc tính cơ điện (2) và phương trình đặc tính cơ là tuyến tính, đồ thị
của chúng được thể hiện như sau:
- 5 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
0
ω
φ
ω
==
k
Uu
ω
0
: Gọi là tốc độ không tải lí tưởng của động cơ, còn khi ω
0
= 0 ta có :
nm
I
Uu
Iu
=
+

=
RfRu
Inm , Mnm gọi là dòng điện ngắn mạch và momen ngắn mạch.
Nhận xét: Nếu cho U, Rư + Rf, Φ là hằng số thì phương trình (3) sẽ là
phương trình bậc nhất:
ω = ω
0
+ ∆ω
M
k
RfRu
φ
ω
.
+
=∆
(độ sụt tốc độ)
1.1.3 Ứng dụng:
Ngày nay động cơ điện được dùng trong hấu hết mọi lĩnh vực, từ các động
cơ nhỏ dùng trong lò vi sóng để chuyển động đĩa quay, hay trong các máy đọc đĩa
(máy chơi CD hay DVD), đến các đồ nghề như máy khoan, hay các máy gia dụng
như máy giặt, sự hoạt động của thang máy hay các hệ thống thông gió cũng dựa
vào động cơ điện. Ở nhiều nước động cơ điện được dùng trong các phương tiện
vận chuyển, đặt biệt trong các đầu máy xe lửa.
Trong công nghệ máy tính: Động cơ điện được sử dụng trong các ổ cứng, ổ
quang (chúng là các động cơ bước rất nhỏ).
1.2, Phân loại
a. Phân loại động cơ một chiều
- máy điện một chiều kích từ vĩnh cửu:
SD: truyền động có điều khiển với công suất 100kw,truyền động chính xác

- máy điện một chiều kích thích ngoài: 2 biến điều khiển độc lập là điều
khiển phần ứng vs điều khiển phần kích từ
SD: truyền động có điều khiển với cs trung bình vs cs lớn,cs tối đa hạn chế
cổ góp
- máy điện một chiều kích thích song song: cuộn phần ứng vs cuộn kích từ
mắc song song với nguồn nuôi
SD: hỗ trợ trong mạng nguồn 1 chiều ò phương tiện vận tải(quạt gió,máy
bơm,máy nén)
- 6 -
ω
N
ω
0
ω
đm
M
đm
M
n
m
M
ω
N
ω
0
ω
đm
I
đm
I

nm
I
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
- máy điện 1 chiều kích thích nối tiếp:
SD: trong truyền động xe cộ vs máy có cs lớn
- máy điện 1 chiều kích thích kép
SD: trong truyền động ko điều khiển,khởi động mềm
b.phân loại động cơ theo tốc độ quay:
- Máy điện một chiều tốc độ thấp: tốc độ quay ko tải. N= 100-300 v/ph,
công suất Pmax= 8MW
- Máy điện một chiều tốc độ TB : tốc độ quay ko tải N=1000-2000v/ph,
công suất Pmax=1MW
- Máy điện một chiều tốc độ cao: công suất Pmax=0,6MW
1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ
1.3.1, Điều chỉnh n bằng cách thay đổi f.
Từ phương trình đặc tính cơ
2
φ
φ
eM
u
e
CC
MR
C
U
n −=
Khi tăng Rđc ta chỉ có thể giảm được từ thông
φ
, khi đó ta được một họ

đường tính cơ có độ dốc khác nhau ứng với:
''''''
φφφφ
>>>
đm
và n
đm
<n
1
<n
2
<n
3
Như vậy theo phương pháp này ta có thể điều chỉnh n>n
đm
1.3.2, Điều chỉnh n bằng cách thay đổi R
f
Khi đưa thêm R
f
vào mạch
phần ứng, đặc tính cơ là:
K
MRR
nn
fu
o
).( +
−=
Theo phương pháp này n
0

=C
te
,
khi tăng Rf độ dốc của đặc tính cơ
tăng lên, tức là tốc độ thay đổi nhiều
hơn khi tải thay đổi.
- 7 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
1.3.3, Điều chỉnh n bằng cách thay đổi U
Thực tế có 2 phương pháp cơ bản để điều khiển tốc độ động cơ điện một
chiều bằng điện áp:
- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng động cơ
- Điều chỉnh điện áp cho mạch kích từ động cơ.
Nhưng thông thường người ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phần ứng.
Khi thay đổi điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ điện thay đổi theo
phương trình sau:
φφ
ω
.
.
. k
RI
k
U
uuu
−=
Vì từ thông của động cơ không đổi nên độ dốc đặc tính cơ cũng không đổi,
còn tốc độ không tải lí tưởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển U
ư
của hệ

thống, do đó có thể nói phương pháp điều khiển này là triệt để.
Đặc tính thu được khi điều khiển là một họ đường song song:
Nguyên lý điều khiển:
Người ta thường dung phương pháp điều chế độ rộng xung để thay đổi điện
áp động cơ.
Mạch nguyên lý:
- 8 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
Trong đồ thị trên : I
đk
là dòng điều khiển, U là điện áp điều khiển.
t
1
là độ rộng xung, t
2
=T-t
1
là độ rỗng xung.
Ta có :
U
d
=U.t
1
/T
Để thay đổi U
d
ta thay đổi độ rộng xung điều khiển bằng cách thay đổi thời
gian đóng mở khóa K => thay đổi thời gian có dòng t
1
trong mỗi chu kì T => độ

rộng xung thay đổi.
- 9 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
Chương II: Lựa chọn phương án cung cấp điện
cho động cơ điện một chiều
2.1 Các phương án:
2.1.1 Bộ chỉnh lưu có điều khiển
a)Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng:
Trong sơ đồ có 4 Tiristor được điều khiển bằng các xung dòng tương ứng i
t1
, i
t2
, i
t3
,
i
t4
.
Mạch chỉnh lưu được cung cấp một điện áp xoay chiều qua máy biến áp với
điện áp U
2
=U
2m
sinωt (v)
+Hoạt động:
Trong nửa chu kì đầu của điện áp chỉnh lưu (0<ωt<π), U2>0, các Tiristor
T
1
và T
3

phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở
Tại thời điểm α=θ
1
=ωt
1
ta cho xung điều khiển mở T
1
và T
3
: U
d
=U
2
Dòng điện đi từ A qua T
1
đến tải rồi qua T
3
về B.
Điện áp chỉnh lưu (ở 2 đầu phụ tải) U
d
=U
2
=U
2m
sinωt (v)
Khi T1 và T3 mở cho dòng chảy qua ta có phương trình để xác định dòng
điện qua tải:
tUUEiR
dt
di

L
md
ω
sin.
22
==++
- 10 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
Tại lúc góc pha bằng π, U2=0 nhưng T1 và T3 vẫn chưa bị khóa vì dòng
qua chúng vẫn còn lớn hơn 0.
Trong nửa chu ký sau của điện áp chỉnh lưu (π<ωt<2π), U
2
<0, các tiristor
T2 và T4 phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở.
Tại thời điểm θ=θ
2
=ωt
2
=π+α ta cho xung điều khiển mở T
2
và T
4
: U
d
=-U
2
Dòng điện đi từ B qua T2 đến tải rồi qua T4 về A
Điện áp chỉnh lưu U
d
=-U

2
=-U
2m
sinωt (v)
Sự mở T
2
và T
4
làm cho U
N
=U
B
và U
M
=U
A
, do đó điện áp trên T
1
, T
3
là:
U
T1
=U
A
-U
M
=U
A
-U

B
=U
1
<0
U
T3
=U
N
-U
B
=U
A
-U
B
=U
2
<0
Do đó làm cho T
1
và T
3
khóa một cách tự nhiên.
+Biểu thức xác định dòng và áp:
Do điện cảm có giá trị rất lớn nên dòng qua tải i
d
là dòng liên tục, i
d
=I
d
Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:

αωω
απ
α
cos
2
sin
1
22 mmd
UtdtUU
Π
=
Π
=
∫
+
do α<π/2 nên U
d
luôn dương.
hay : U
d
= R.I
d
+E
Giá trị trung bình dòng qua tải (dòng chỉnh lưu):
I
d
= (U
d
- E) / R
+Nhận xét: Chỉnh lưu cầu một pha được sử dụng rộng rãi trong thực tế,

nhất là với cấp điện áp tải lớn hơn 10V. Dòng tải có thể lên tới 100A. Ưu điểm của
nó là không nhất thiết phải có biến áp nguồn. Tuy nhiên do số lượng van gấp đôi
hình tia nên sụt áp trong mạch van cũng từng gấp đôi. Do đó không phù hợp với tải
cần có dòng lớn nhưng điện áp nhỏ.
b, Sơ đồ tia ba pha
Khi điện áp có 3 pha đấu (Y) mỗi pha A, B, C đấu với một van, ca tốt đấu
chung cho ta điện áp dương của tải còn trung tính điện áp sẽ là điện áp âm. các pha
A, B, C dịch pha nhau 120
o
theo các đường cong điện áp pha vì vậy ta có điện áp
của một pha dương hơn điện áp của 2 pha còn lại trong 1/3 chu kì. Từ đấy thấy
rằng tại mỗi một thời điểm chỉ có điện áp của một pha dương nên chỉ có một van
dẫn mà thôi.
- 11 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
+ Nguyên lý hoạt động
Khi anot của van nào dương hơn thì van đó mới được kích mở, thời điểm
ha điện áp của hai pha giao nhau được gọi là góc thông tự nhiên của các pha bán
dẫn. Trong trường hợp này ta xét với góc α = 75 tính từ thời điểm mở tự nhiên
- Ở thời điểm α = 75 phát xung điều khiển T
G1
, lúc này T
1
thỏa mãn ha điều
kiện U
AK
>0, I
G1
>0→T1 mở (T
2

, T
3
khóa). Do trong mạch có thêm điện cảm L nên
xuất hiện giai đoạn điện áp âm của Pha A tới khi xuất hiện xung điều khiển I
G2
của
T
2
lúc này tiristor T
2
thỏa mãn hai điều kiện là U
AK
>0, I
G2
>0 → T
2
dẫn (T
1
, T
3
khóa) tương tự cho T
3
khi có xung điều khiển I
G3
thì T
3
dẫn (T
1
, T
2

khóa).
- 12 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
Trong quá trình làm việc của các van như trên với giả thiết rằng L
d
đủ lớn
để cho dòng điện là liên tục.
Trong khoảng thời gian van dẫn dòng điện bằng dòng của tải khi van khóa
thì dòng điện van bằng 0 lúc này điện áp ngược mà van phải chịu bằng điện áp dây
giữa pha có van khóa với pha có van đang dẫn
* Điện áp trung bình nhận được trên tải là
α
α
α
π
cos
cos17,1
cos
2
63
sin2
2
3
2
2
2
6
5
6
do

α
π
α
π
d
U
U
U
θdθ.U
π
U
=
=
=
=
∫
+
+
* Dòng điện trung bình nhận được trên tải là:
d
d
d
R
U
I
=
Nhận xét
- Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp trên tải liên tục hay gián đoạn
phụ thuộc vào góc mở của các tiristor. Nếu góc của các tiristor α<30 thì các đường
cong U

d
, I
d
là liên tục
- Khi tải điện cảm (nhất là Ld đủ lớn) dòng điện và điện áp tải là các
đường cong liên tục nhờ có năng lượng dự trữ trong điện cảm để duy trì dòng điện
khi điện áp đổi chiều.
*Ưu điểm:
- Chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp một chiều tốt hơn chỉnh lưu một
pha
- biên độ điện áp đập mạch thấp hơn
- Thành phần sóng hài bậc cao bé hơn, việc điều khiển các van bán dẫn
trong trường hợp này cũng đơn giản.
*Nhược điểm:
- Chế độ dòng điện trên tải phụ thuộc vào tính chất của tải la thuần trở hay
điện cảm nên có những chế độ dòng điện là liên tục hay gián đoạn.
2.1.2 Bộ biến đổi xung áp
a, Nguyên lí làm việc
- 13 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
Để đóng cắt điện áp nguồn người ta thường dùng các khóa điện tử công
suất vì chúng có đặc tính tương ứng với khóa lý tưởng, tức là khi khóa dẫn điện
(đóng) điện trở của nó không đáng kể; còn khi khóa bị ngắt (mở ra) điện trở của nó
vô cùng lớn (điện áp trên tải mạng sẽ bằng không)
Trong khoảng thời gian 0 ÷ t
1
, khóa K đóng lại, điện áp trên tải U
R
sẽ có giá
trị bằng điện áp nguồn (U

R
=E); còn trong khoảng t
1
÷ T khóa K mở ra và U
R
=0.
b, Biểu thức tính toán
Như vậy giá trị trung bình của điện ap trên tải sẽ là:
γ
λ
λ
E
T
EEdt
T
U
R
===
∫
0
1
λ - thời gian khóa K đóng
γ - Hệ số điều chỉnh
T - Chu kì đóng cắt khóa K
c, Kết luận
Vậy để thay đổi điện áp có 2 cách
- Thay đổi thời gian đóng khóa K, khi giữ chu kì đóng cắt không đổi
(phương pháp điều chế độ rung)
- Thay đổi tần số đóng cắt (f=1/T) và giữ thời gian đóng khóa K không đổi
(λ=const)

Như vậy bộ biến đổi xung áp có khả năng điều chỉnh và ổn định điện áp ra
trên phụ tải
*Ưu điểm
- Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi không đáng kể so với
các bộ biến đổi liên tục
- Độ chính xác cao cũng như ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, vì
yếu tố điều chỉnh là thời gian đóng khoá K mà không phải giá trị điện trở của các
phần tử điều chỉnh thường gặp trong các bộ điều chỉnh liên tục
- Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổi liên tục
- Kích thước gọn nhẹ.
- 14 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
*Nhược điểm
- Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính của bộ biến đổi khi làm
việc trong hệ thống kín
- Tần số đóng cắt lớn sẽ tạo ta nhiễu cho nguồn cũng như các thiết bị điều
khiển
Tuy nhiên bộ biến đổi xung áp vẫn được ứng dụng rộng rãi, nhất là khi các
yếu tố về độ tin cậy, dễ điều chỉnh, độ ổn định cũng như kích thước là những tiêu
chí được đặt lên hàng đầu.
Đối với các bộ biến đổi công suất trung bình (hàng chục kW) và nhỏ (vài
kW), người ta thường dùng các khoá điện tử là các bóng bán dẫn lưỡng cực IGBT.
Trong trường hợp công suất lớn (vài trăm kW trở lên) người ta sử dụng GTO hoặc
tiristo.
2.1.3 Cầu 1 pha

Hình 2.1 Chỉnh lưu cầu 1 pha
a.Nguyên lý hoạt động:
Trong sơ đồ có 4 Tiristor được điều khiển bằng các xung dòng tương ứng
it

1
, it
2
, it
3
, it
4
.
Mạch chỉnh lưu được cung cấp một điện áp xoay chiều qua máy biến áp với
điện áp
U
2
= U
2
msin ωt (v).
Phụ tải được biểu diễn bằng một sức phản điện động E, điện trở R và điện
cảm L
- 15 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
- Ta chỉ xét mạch này khi L rất lớn và E nhỏ hơn giá trị trung bình của điện
áp chỉnh lưu. Trong trường hợp này, mạch làm việc ở chế độ cung cấp liên tục,
dòng qua phụ tải hầu như không đổi và bằng giá trị trung bình của nó I
d
.
Tương ứng với góc mở ta có hai chế độ làm việc của mạch chỉnh lưu là:
-Khi α < π /2 và E < 0 mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu.
-Khi α > π /2 và E > 0 mạch làm việc chế độ nghịch lưu phụ thuộc.
Ta chỉ xét trường hợp mạch làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc điều khiển
α < π/2 và E > 0.
b.Hoạt động:

Trong nửa chu kỳ đầu của đ.áp chỉnh lưu (0 < ωt < π),U
2
> 0,các Tiristor T
1
và
T
3
phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở.
Tại thời điểm α = θ
1
= ωt
1
ta cho xung điều khiển mở T
1
và T
3
: U
d
= U
2
.
Dòng điện đi từ A qua T
1
đến tải rồi qua T
3
về B.
Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) U
d
= U
2

= U
2
msin ωt (v).
Khi T
1
và T
3
mở cho dòng chảy qua ta có phương trình để xác định dòng đi
ện qua tải:
Ldi/dt + R.i
d
+ E = U
2
= U
2
msin ωt (v).
Tại lúc góc pha bằng π,U
2
= 0 nhưng T
1
và T
3
vẫn chưa bị khóa vì dòng qua
chúng vẫn còn lớn hơn 0.
Trong nửa chu kỳ sau của điện áp chỉnh lưu (π < ωt< 2π), U
2
< 0 , các Tirist
or T
2
và T

4
phân cực thuận, ở trạng thái sẵn sàng mở.
Tại thời điểm θ = θ
2
= ωt
2
= π + α ta cho xung điều khiển mở T
2
và T
4
: U
d
= -
U
2
.
Dòng điện đi từ B qua T
2
đến tải rồi qua T
4
về A.
Điện áp chỉnh lưu (ở hai đầu phụ tải ) U
d
= -U
2
= -U
2
msin ωt (v).
Sự mở T
2

và T
4
làm cho U
N
= U
B
v à U
M
= U
A
. Do đó điện áp trên T
1
và T
3
l
à:
U
T1
= U
A
– U
M
= U
A
- U
B
= U
1
< 0.
U

T3
= U
N
– U
B
= U
A
- U
B
= U
2
< 0.
- 16 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
Do đó làm cho T
1
và T
3
tắt một cách tự nhiên.
c.Biểu thức xác định dòng và áp:
Do điện cảm có giá tri rất lớn nên dòng qua tải id là dòng liên tục, i
d
= I
d
.
Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu:
U
d
=U
d0

.cosα
Giá trị trung bình của dòng điện chỉnh lưu I
tb
=I
d
/ 2
U
α
d
=
π
22
U
2
cos
α
= 0,9U
2
cos
α
I
α
d
=
Rd
U
α
S
ba
= 1,23P

d
Điện áp ngược max U
maxng
=
2
U
2
Dòng điện thứ cấp I
2
= 1,11I
d
d.Ưu nhược điểm
- Ưu điểm: điện áp ngược đặt lên mỗi van trong sơ đồ nhỏ sơ đồ này phù
hợp với mạch có dòng nhỏ.
-Nhược điểm: không dùng được cho tải có công suất lớn, nếu dùng gây ra
hiện tượng công suất bị lệch pha. Sơ đồ một pha dòng tải chạy qua 2 van nối tiếp
vì vậy tổn thất điện áp và công suất trên van sẽ lớn. phù hợp điện áp chỉnh lưu cao
và dòng tải nhỏ.
2.1.4 Cầu 3 pha

Hình 2.2 chỉnh lưu cầu 3 pha
a.Nguyên lí hoạt động
- 17 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
Chỉnh lưu cầu 3 pha được cấu tạo từ MBA 3 pha và 6 tirisor T
1

→
T
6

. Được
chia làm 2 nhóm : nhóm Catot chung T
1
, T
2
, T
3
và nhóm Anot chung T’
1
,T’
2
,T’
3.
Mỗi tirisor trong nhóm catot chung sẽ mở khi điện áp pha của cuộn dây thứ
cấp nối với nó là lớn nhất và nó có tín hiệu điều khiển i
G
.
Mỗi tirisor trong nhóm Anot chung sẽ mở khi điện áp pha của cuộn dây thứ
cấp nối với nó là âm nhất và có tín hiệu điều khiển i
G
.
Khi một trong 3 tirisor của nhóm mở thì 2 tirisor còn lại của nhóm sẽ bị khóa
lại
b.Biểu thức tính toán
Điện áp trên mạch tải : U
d =
U
F .
U
G

U
d
= 3
π
6
U
2
.cosθ
Giá trị điện áp ngược lớn nhất trên van : U
ngmax
=
6
U
2
=2,45U
2
Dòng điện trung bình qua van : I
t
=
d
I
/
3
S
α
d
= 1,05P
d
Điện áp thứ cấp : I

2
=0,816I
d
c.Ưu nhược điểm
-Ưu điểm : số xung áp chỉnh lưu trong 1 chu kỳ lớn, vì vậy độ đập mạch
của điện áp chỉnh lưu thấp, chất lượng điện áp cao. Không làm lệch pha điện lưới.
-Nhược điểm : sử dụng số van lớn, giá thành cao. Sơ đồ này chỉ dùng cho
tải có công suất lớn, dùng tải nhỏ và điện áp chỉnh lưu đòi hỏi độ bằng phẳng.
2.2 Chọn phương án
Qua những ưu nhược điểm trên em thấy nên chọn bộ chỉnh lưu hình tia 3
pha vì nó có ưu điểm :
- Chỉnh lưu hình tia ba pha cho hiệu suất cao
- Hiệu quả tốt và rất kinh tế khi nó sử dụng ít van.
- 18 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
Chương III: Thuyết minh sự hoạt động của sơ đồ
3.1 Sơ đồ động lực
Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu tia 3 pha
Hình 3.2 Giản đồ Chỉnh lưu hình tia 3 pha
- 19 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
Sơ đồ:
Gồm 1 máy điện áp 3 pha có thứ cấp nối Y, 3 pha tiristor nối với tải như
hình vẽ.
Điều kiện khi cấp xung điều khiển chỉnh lưu:
Thời điểm cấp xung điện áp pha tương ứng phải duong hơn pha kia. vì thế
Nguyên lý:
Giả thiết R, E
u
, chuyển mạch tức thời.

Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp:
θ
sin
1 m
Uu =
)
3
4
sin(
3
2
sin
3
2
π
θ
π
θ
−=
−=
m
m
Uu
)(Uu
*Nhịp V1: khoảng thời gian từ θ
1
→ θ
2
. Tại θ
1

điện áp đặt lên u
1
> 0, có
xung kích khởi: T1 mở khi đó:





−=
−=
=
133
122
1
0
uuu
uuu
u
v
v
v
T1 mở, T2, T3 đóng, lúc này:
+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u
1
: u
d
= u
1
+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van1: i

d
= I
d
= i
i
+Dòng điện qua T2, T3 bằng 0: i
2
= i
3
= 0
Trong nhịp V1: u
v2
từ âm chuyển lên 0, khi u
V2
= 0 thì T2 mở , lúc này
u
V1
=u
1
- u
2
= 0 và bắt đầu âm nên T1 đóng, kết thúc nhịp V1, bắt đầu V2.
*Nhịp V2: từ θ
2
→ θ
3
Lúc này:






−=
−=
=
233
211
2
0
uuu
uuu
u
v
v
v
T2 mở, T1, T3 đóng.
+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u
2
: u
d
= u
2
+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van 2: i
d
= I
d
= i
2
- 20 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55

+Dòng điện qua T1, T3 bằng 0: i
1
= i
3
= 0
Trong nhịp V2: u
v3
từ âm chuyển lên 0, khi u
V3
= 0 thì T3 mở , lúc này
u
V2
=u
2
- u
3
= 0 và bắt đầu âm nên T2 đóng, kết thúc nhịp V2, bắt đầu V2.
*Nhịp V3: từ θ
3
→ θ
4
Lúc này:





−=
−=
=

322
311
3
0
uuu
uuu
u
v
v
v
T3 mở, T1, T2 đóng.
+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u
3
: u
d
= u
3
+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van 3: i
d
= I
d
= i
3
+Dòng điện qua T2, T3 bằng 0: i
2
= i
2
= 0
Trong nhịp V3: u
v1

từ âm chuyển lên 0, khi u
V1
= 0 thì T1 mở , lúc này
u
V3
=u
3
- u
1
= 0 và bắt đầu âm nên T3 đóng, kết thúc nhịp V3, bắt đầu V1.
Trong mạch tải cơ điện cảm L nên i
d
thực tế là dòng liên tục , i
d
= I
d
Góc mở α được tính từ giao điểm của 2 điện áp pha.
Trị trung bình của điện áp tải:
α
π
θθ
π
α
π
α
π
cos.
2
63
.sin 2

3
2
2
6
6
2
U
dUU
s
d
==
∫
+
+
Trùng dẫn:
)
3
4
sin( 2
)
3
2
sin( 2
sin 2
2
2
2
π
θ
π

θ
θ
−=
−=
=
Ue
Ue
Ue
c
b
a
Giả sử T1 đang cho dòng chảy qua, i
T1
=I
d
. khi θ = θ
2
cho xung điều khiển
mở T2. Cả 2 tiristor T1 và T2 đều cho dòng chảy qua làm ngắn mạch 2 nguồn e
a
và
e
b
. Nếu chuyển gốc tọa độ từ θ sang θ
2
ta có:
)
6
sin( 2
)

6
5
sin( 2
2
2
α
π
θ
α
π
θ
++=
++=
Ue
Ue
b
a
- 21 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
Điện áp ngắn mạch:
)sin( 2
2
αθ
+=−=
UeeU
abc
Điện áp ngắn mạch được xác định bởi phương trình:
dt
di
XU

c
c
2)sin(.6
2
=+
αθ
Do đó
( )
[ ]
αθα
+−=
coscos.
.2
.6
2
e
c
X
U
i
- 22 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
Chương IV:
TÍNH TOÁN MẠCH LỰC
4.1 Tính chọn van động lực
a. Tính điện áp ngược của van
U
lv
= k
nv

.U
2
Với U
2
=
u
d
K
U
Trong đó:
U
d
: điện áp tải của van
U
2
: điện áp nguồn xoay chiều của van
K
u
: hệ số điện áp tải ( chọn =
π
2
63
= 1,17 )
K
nv
: hệ số điện áp ngược ( chọn =
6
)
⇒
U

lv
= k
nv
.
u
d
K
U
=
6
17,1
220
= 460 (V)
Để chọn van theo điện áp hợp lý thì điện áp ngược của van cần chọn phải
lớn hơn điện áp làm việc.và thường chọn K
dtu
.>1.6
Ta chọn K
dtu
.=2
Ta có : U
nv
= K
dtu
. U
lv
= 2 . 460 = 920 (V)
Trong đó : K
dtu
là hệ số dự trữ điện áp

b. Dòng điện làm việc của van:
Được chọn theo dòng điện hiệu dụng của sơ đồ đã chọn
I
lv
= I
hd
= k
hd
.I
d
Trong đó :
I
d
: là dòng điện tải ; I
d
=
U
P
=
220
1100
=5 (A)
I
hd
: dòng điện hiệu dụng của van
K
hd
: hệ số xác định dòng điện hiệu dụng ( chọn =
3
1

= 0,58 )
⇒
I
lv
= I
hd
=0,58 . 5 =2,9 (A)
- 23 -
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
I
dmv
= k
i
. I
lv
= 4 . 2,9 = 11,6 (A)
Trong đó : k
i
là hệ số dự trữ dòng điện (chọn = 4)
Vậy thông số van là : U
nv
= 920 (V); I
đmv
= 11,6 (A)
Với điều kiện I
lv
= (10
→
30%) I
dmv

⇒
chọn I
lv
= 25% I
dmv
Từ các thông số trên ta chọn Tiristor loại T60N1000VOF có các thông số sau:
Trong đó :
U
maxn
: Điện áp ngược cực đại
U
maxdm
: Dòng điện làm việc cực đại
I
maxpik
: Dòng điện đỉnh cực đại
I
maxg
: Dòng điện xung điều khiển cực đại
U
maxg
: Điện áp xung điều khiển cực đại
I
maxh
: Dòng điện tự giữ cực đại
I
maxr
: Dòng điện dò cực đại
max

U
∆
: Sụt áp cực đại trên Tiristor ở trạng thái dẫn
dt
dU
: Đạo hàm điện áp theo thời gian
T
max
: Nhiệt độ làm việc cực đại
4.2. Tính toán máy biến áp
a. Điện áp chỉnh lưu không tải
- 24 -
U
maxn
(V)
I
đmmax
(A)
I
pikmax
(A)
I
maxg
(mA)
U
maxg
(V)
I
kmax
(mA

)
I
maxr
(mA)
max
U
∆
(V)
dt
dU
(
s
v
)
T
max
(
c
o
)
1000 25 525 80 3 150 6 2 500 125
Đồ án điện tử công suất Trịnh Ngọc Ninh Sơn - ĐT1Đ11 - K55
U
0d

= U
d
+ ∆U
v
+ ∆U

dn
+ ∆U
BA
Trong đó :
∆U
v
= 2 : sụt áp trên Tiristor
∆U
dn
≈ 0 : sụt áp trên dây nối
∆U
BA
= ∆U
r
+ ∆U
x
: sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp
Sơ bộ ∆U
BA
= 6% . U
d
= 0,06 . 220 = 13.2 ( V )
⇒
U
0d
=220 +2 + 0 + 13,2 = 235,2 ( V )
b.Xác định công suất tối đa của tải
P
maxd
= U

0d
. i
d
= 235,2 . 5 =1176 ( W )
c. Công suất máy biến áp nguồn
S
BA
= k
s
. P
maxd
Trong đó - S
BA

công suất biểu kiến của máy biến áp
- k
s
hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực (tra ở bảng 8.2 ta
được k
s
=1.34)
⇒
S
BA
=1,34 . 1176= 1575,84 ( VA )
*Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
U
2
=
u

d
K
U
0
=
235,2
1,17
= 201,03( V )
*Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp:
I
1
=
1
1
U
S
BA
=
1
dmax1
U
P.
S
K
=
2,235
1176.2,1
= 6 (A)
*Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp:
I

2
=
2
2
U
S
BA
=
2
dmax2
U
P.
S
K
=
03,201
1176.48,1
≈ 8,7(A)
Trong đó - S
ba1
, S
ba2
:công suất phía sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp
- K
1s
,k
2s
:các hệ số công suất sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp
* Tính tiết diện dây dẫn
Phía sơ cấp

S
cu
=
J
I
1
=
2
6
=3
2
mm
- 25 -