ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU P=2KW, U= 220V

Mục l ục
Chương 1. Tổng quan về bộ điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều…………………………… 3
1.1. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng……….……3
1.2. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây kích từ…… ……….4
1.3. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng……… 5
1.4. Kết luận chọn phương pháp điều khiển……………………………………………………
…… 6
Chương 2. Chọn phương án mạch lực…………………………………………………………………….7
2.1. Chọn sơ bộ phương án mạch lực…….……… ……………………………………………….7
2.2. Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển………………………………………………………….7
2.3. Chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển……………………………………………………….8
2.4. Kết luận…………………………………………………………………………………………9
Chương 3. Tính chọn mạch động lực……………………………………………………………… 10
3.1. Tính chọn
thyristor…………………………………………………………………………… 10
3.2. Tính toán máy biến áp lực…………………………………………………………………….10
3.3. Tính toán bộ lọc……………………………………………………………………………… 12
3.4. Bảo vệ van mạch lực………………………………………………………………………….12
Chương 4. Tính toán thiết kế mạch điều khiển……………………………………………………15
4.1. Nhiệm vụ và yêu cầu của mạch điều khiển………………………………………………… 15
4.2. Nguyên lý và cấu tạo của mạch điều khiển……………………………………………… 15
4.3. Cấu tạo,nguyên lý và tính chọn các khâu trong mạch điều khiển……………………… 16

1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN
MỘT CHIỀU.
1.Yêu cầu thiết kế
-Điện áp tải định mức:U
ddm
= 220v

-Công suất định mức P
dm
= 2kw
-Dải điều chỉnh tốc độ 10:1
-Hiệu suất động cơ η= 0,8
-Nguồn nuôi là điện áp lưới 3pha380v,50Hz
-Điều chỉnh trơn
Yêu cầu đối vơi tải là động cơ 1 chiều: điện áp và dòng điện vào động cơ fai là 1 chiều và có hệ số đập
mạch K
đm
càng nhỏ càng tốt.
2. Các phương pháp điều khiển động cơ điện 1 chiều.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ 1 chiều ω = - M = ω
o
- ∆ω
U
ư
: Điện áp phần ứng động cơ
R
ư
: Điện trở mạch phần ứng
φ : Từ thông kích từ
ω
o:
Tốc độ không tải
∆ω: Độ sụt tốc độ
Từ phương trình đặc tính cơ của động cơ, ta nhận thấy tốc độ phụ thuộc vào 3 thông số là : R, φ, U.
Do vậy có 3 phương pháp điều khiển động cơ điện một chiều như sau :
- Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch
phần ứng của động cơ.

- Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông φ.
- Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần
ứng.
1.1. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng
Giả thiết U = U
đm
= const. Muốn thay đổi giá trị điện trở mạch phần ứng, bằng cách mắc thêm một
điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng và thay đổi giá trị điện trở R
f
thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi theo.
Vậy phương trình đặc tính
cơ lúc này sẽ là : ω = - M = ω
o
- ∆ω
- Độ cứng của đặc tính cơ :
Độ cứng đặc tính cơ tự nhiên : β TN = β
1
= ≈ = ; β
2
= ; β
3
=
vậy β
TN
> β
2 >
β
3
Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều khi mắc Rf vào mạch điện
phần ứng như sau :

2
Hình 1.1. Đồ thị đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng
Nhận xét :
- Nếu ở cùng một giá trị mômen cản M
C
thì độ sụt tốc độ sẽ càng lớn
nếu điện trở của mạch phần ứng càng lớn và làm cho tốc độ động cơ bị suy giảm, đồng thời làm cho độ
cứng của đặc tính cơ càng giảm, tức là đặc tính cơ càng dốc. Dựa vào đặc tính cơ ta thấy, tốc độ làm
việc ω2, ω3 ở các đường đặc tính của R
f1
và R
f2
nhỏ hơn tốc độ ω
đm
trên đường đặc tính tự nhiên.Vậy
tốc độ truyền động chỉ được điều chỉnh về phía dưới, tức là tốc độ điều chỉnh nhỏ hơn tốc độ định
mức.
- Hiệu suất của phương pháp này thấp.
Hiệu suất động cơ :η =
P
cơ1
= M
cđm
.ω
đm
; P
cơ2
= M
cđm
.ω

2
; P
cơ3
= M
cđm
.ω
3
; P
điện1
= P
điện2
= P
điện3
= U
đm
.I
đm
= const
Suy ra η 1 > η 2 > η 3 , vậy khi điều chỉnh tốc độ theo phương pháp này sẽ không kinh tế, do có tổn
hao trên các điện trở phụ nên làm cho hiệu suất của thiết bị giảm. Vì vậy nên phương pháp này trong
thực tế ít sử dụng.
1.2. Điều khiển tốc độ động cơ bằng cách thay đổi từ thông của cuộn dây kích từ
Giả thiết U = Uđm = const và Rư = const. Muốn thay đổi từ thông thì ta phải thay đổi dòng điện kích từ
Ikt. Ta có phương trình đặc tính cơ như sau:
ω = - M
Hình 1.2. Các đường đặc tính của động cơ khi thay đổi từ thông cuộn dây kích từ
a) Đặc tính cơ điện b) Đặc tính cơ
3
Theo đường đặc tính cơ ta có: ω
0TN

= ; ω
01
=
- Độ cứng đặc tính cơ : β

= ≈ =
Do cấu trúc của máy điện nhất định nên cuộn dây kích từ chỉ chịu được dòng kích từ định mức, do vậy thực
tế chỉ sử dụng phương pháp điều chỉnh giảm từ thông ( φ <φđm ). Khi ta cho giảm từ thông thì lúc đó tốc độ
không tải sẽ tăng lên.
Nhận xét:
- Đặc tính điều chỉnh theo từ thông φ có độ cứng càng giảm xuống nếu như ta càng giảm từ thông, tức là
đặc tính cơ càng dốc. Nghĩa là tốc độ thì sẽ tăng vọt còn mômen thì giảm nhanh, làm cho hệ số quá tải
giảm. Vì vậy làm cho động cơ làm việc kém ổn định.
- Việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phương pháp giảm từ thông không phù hợp với những tải có
mômen cản là hằng số ( MC = const ). Vì MC = KM.
φ.I = const . Do vậy khi φ giảm thì làm cho I tăng lên gây phát nóng động cơ.
- Giải điều chỉnh của phương pháp này cũng bị hạn chế bởi tốc độ cao nhất của động cơ, khi tốc độ cao quá
thì có thể làm hỏng phần quay của động cơ do lực li tâm lớn.
1.3. Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi giá trị điện áp phần ứng.
Giả thiết φ = φđm = const, khi ta thay đổi giá trị điện áp phần ứng thì ta có tốc độ không tải lí tưởng cũng
thay đổi theo. Do cấu trúc cuộn dây phần ứng chỉ chịu được điện áp Uđm nên thực tế chỉ sử dụng phương
pháp điều chỉnh giảm điện áp phần ứng
- Đặc tính cơ :
Hình 1.3. Đặc tính cơ của động cơ 1 chiều kích từ độc lập khi giảm áp phần ứng
- Độ cứng đặc tính cơ : β = = const
Khi giảm điện áp phần ứng động cơ thì ta được một họ đặc tính cơ song song và nằm về phía dưới đặc tính
cơ tự nhiên. Và khi giảm điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ giảm xuống tương ứng với một phụ tải nhất
định.

Nhận xét:
- Các đặc tính cơ nhân tạo có độ dốc không đổi ( tức là β = const ), nên tốc độ điều chỉnh được ổn định
tương đối.
-Phương pháp này có thể điều chỉnh được vô cấp tốc độ.
- Dải điều chỉnh tốc độ của phương pháp này rất lớn.
- Phương pháp này có thể tự động hóa mạch điều khiển và mạch động
lực và có thể làm việc ở cả 4 góc phần tư của đồ thị đặc tính cơ.
- Hiệu suất của phương pháp này tương đối cao và giống nhau ở các
đường đặc tính do không có tổn hao trên điện trở.
1.5.Kết luận chọn phương pháp điều khiển
Trong ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ nói trên thì ta nhận thấy phương pháp điều chỉnh tốc
độ động cơ bằng phương pháp giảm điện áp phần ứng là phù hợp với yêu cầu thiết kế vì những ưu điểm nói
4
trên. Vậy ta chọn phương pháp giảm điện áp phần ứng động cơ để điều chỉnh tốc độ động cơ.
CHƯƠNG 2
CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC
5
2.1. Chọn sơ bộ phương án mạch lực
Để điều chỉnh điện áp phần ứng ta dùng một bộ biến đổi điều chỉnh được điện áp đầu vào cấp cho
mạch phần ứng động cơ.
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng
Bộ biến đổi BBĐ dùng để biến đổi điện xoay chiều của lưới thành điện một chiều và điều chỉnh điện
áp ra của nó theo yêu cầu. Bộ biến đổi cấp nguồn cho mạch phần ứng động cơ 1 chiều.Theo yêu cầu đề
tài thì bộ biến đổi là bộ nguồn chỉnh lưu.Sau đây em sẽ phân tích để lựa chọn sơ bộ phương án mạch
lực.
- Số liệu đã cho có công suất đm động cơ P
d
= 2kw < 5kw nên ta sẽ chọn phương án chỉnh lưu
loại 1 pha,có thể dùng 3 pha được.
- Do đòi hỏi điều chỉnh điện áp nên ta chọn mạch chỉnh lưu là loại có điều khiển. Trị số điện áp

U
d
là cao(220v) nên ta dùng sơ đồ cầu
- Do điện áp nguồn là 3 pha 380v mà điện áp trên tải là 220v nên có chênh lệch điện áp lớn vì
vậy ta phải dùng biến áp nguồn
Tóm lại 2 phương án khả thi nhất là chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển và chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều
khiển.Sau đây em sẽ phân tích chi tiết hơn để chọn ra phương án cuối cùng.
2.2. Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển


Hình 2.2. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1pha Hình 2.3. Đồ thị dạng sóng
Ở nửa chu kỳ đầu U
2
>0, anot V
1
dương, catot của V
2
âm. Nếu có xung điều khiển mở đồng thời 2 van
thì điện áp đặt lên tải U
d
= U
2
có độ rộng đến khi nào V
1,
V
2
dẫn. Nửa chu kỳ sau điện áp đổi dấu, anot
V
3
dương catot V

4
âm nên U
d
= -U
2
có độ rộng đến khi nào V
3
,V
4
dẫn
+ Giá trị trung bình của điện áp tải :
6
-
Khi tải thuần trở:
2
cos1
9,0
2
α
+
= UU
d
(2.1)
- Khi tải có L=∞: Ud= 0,9U2.cosα (2.2)
-
Khi tải có L≠0:
2
coscos
9,0
2

αϕ
+
= UU
d
(2.3)
+ Giá trị điện áp ngược đặt lên mỗi van của tiristor : U
ngmax
= √2U
2
+ Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp : I
2
= 1,11 I
d
+ Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua mỗi van : I
tbv
= I
d
/2
+ Công suất của máy biến áp : S
ba
= 1,23 P
d
+ Hệ số đập mạch : kdm=0,67
Nhận xét :
- Ưu điểm : Có thể điều khiển được điện áp trong dải rộng,làm việc ở cả hai chế độ chỉnh lưu và
nghịch lưu và có điện áp ngược thấp.
- Nhược điểm :
+ Phải có hai xung điều khiển cùng một lúc nên khó điều khiển.
+ Tổn hao công suất lớn, phải dùng nhiều van.
2.3. Chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển

Hình 2.4. Sơ đồ cầu 3 pha Hình 2.5. Đồ thị dạng sóng
7
Nhóm catôt chung là các tiriso nên chúng dược mở ở các thời điểm α của nó, Nhóm anôt chung là van
diot nên chúng luôn mở tự nhiên theo điện áp nguồn: Đ
1
mở khi u
2
bắt đầu âm; Đ
2
mở khi u
2
bắt đầu
dương nên
+ Trong khoảng α÷π T
1
Đ
2
dẫn
+ Trong khoảng π÷(π+α) T
1
Đ
1
dẫn ở θ
1
mở tự nhiên làm θ
2
khóa
+ Trong khoảng (π+α)÷2π: T
2

Đ
1
dẫn ,T
2
đượ phát xung mở ở điểm (π+α) và làm cho T
1
khóa
+ Trong khoảng 2π÷(2π+α):T
2
Đ
2
dẫn ,Đ
2
mở tự nhiên ở điểm 2π
Qua đây ta thấy có hai đoạn có hiện tượng dẫn thảng hàng của hai van: T
1
Đ
1
và T
2
Đ
2
do dố ở
những đoạn này tải bị ngắn mạch nên U
d
=0 (các đoạn còn lại U
d
bám theo điện áp nguồn) Như vậy
dòng i
d

vẫn liên tục song dòng i
2
lại đứt đoạn do dòng tải i
d
chảy quẩn qua hai van thảng hàng mà
không về nguồn, Điều này có lợi về khía cạnh năng lượng vì năng lượng không bị trả về nguồn mà
giữ lại trong tải.
Điện áp chỉnh lưu trung bình U
dα
= U
do
2
cos1
α
+
=
0.9U
2
2
cos1
α
+
; (2.5)
Dòng điện tải I
d =
d
d
R
U
α

(2.6)
Điện áp ngược lớn nhất trên van U
ngmax
= U
2
(2.7)

Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp I
2 =
= I
d
(2.8)
Ưu điểm của sơ đồ:
- Cải thiện được hệ số cosφ, hệ số đập mạch k
đm
tốt hơn
- Sử dụng ít thyristor hơn → giảm về giá thành
2.4. Kết luận
Từ các phân tích về ưu, nhược điểm của các loại sơ đồ chỉnh lưu nói trên có thể thấy dạng sóng dòng
điện và điện áp ra tải của sơ đồ cầu 1 pha điều khiển và cầu 1 pha bán điều khiển catot chung là như
nhau.Với tải là động cơ điện một chiều có công suất P = 2 KW thì việc chọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha
bán điều khiển là hợp lí nhất, bởi vì đây sơ đồ chỉnh lưu có chất lượng điện áp và dòng điện ra tốt phù
hợp với yêu cầu thiết kế. Khả năng tận dụng máy biến áp rất cao, chế tạo máy biến áp đơn giản, dòng
điện thứ cấp máy biến áp là đối xứng và không có thành phần một chiều nên không gây bão hòa lõi
thép. Đặc biệt sơ đồ này dễ dàng điều khiển vì chỉ dùng 2 van tiristo thay vì 2 tiristo như sơ đồ điều
khiển hoàn toàn.
Mặt khác, khi góc mở α càng lớn thì điện áp trên tải sẽ có phần âm nên chỉnh lưu này có thể làm việc ở
chế độ nghịch lưu trả năng lượng về lưới.
8
CHƯƠNG 3

TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC
Động cơ :công suất P = 2 (Kw) điện áp định mức U
dm
= 220 (V) hiệu suất η = 0.8
→ công suất thực P
thực
= 2,5 (kW) I
d
=

dm
thuc
U
P

== 11,36 (A)
+
-
DC MOTOR
T1
T2
D1
D2
La1
La2
C1
R1
R2 C2
FILTER
N1 N2

TR1
Fuse
Cf
Rf
ATOMAT
380V.50Hz
Hình 3.1 Mạch động lực
3.1. Tính chọn thyristor
+ Điện áp ngược dặt trên van: U
ng
= U
ngmax
= √2U
2
=√2 .

=

1.41.

9,0
220

=

344,67 (V)
+ Dòng điện làm việc của van :I
1v
= I
hd

= k
hd
.I
dm
= 0,71.11,36 = 8,1 (A)
U
dm
là diện áp cung cấp cho phần ứng đông cơ U
dm
= 220 (V)
I
hd
là dòng điện hiệu dụng qua van
K
hd
hệ số hiệu dụng ứng với sơ đồ cầu k
hd
= 0,71
I
dm
là dòng điện qua tải
9
Để sơ dồ làm việc tin cậy ta cần chọn độ dự trữ cho van, do đó ta chọn các thông số sau:
+ Điện áp ngược của van cần chọn: U
ng-v
= k
dt-U
U
ngmax
Với k

dt
= 1.6÷2 là hệ số dự trữ điện áp. Chọn k
dt-U
= 1,6
Do đó U
ngmax
= 1,7.344,67 = 586V ;I
hd-v
= k
dt
.I
1v
+ Dòng điện hiệu dụng của van được chọn:
Với k
dt-I
là hệ số dự trữ dòng điện, chọn k
dt-I
= 3; Do đó I
hd-v
=

3.8,1 = 24,3 (A)
Dựa vào các số liệu trên ta chọn tiristor 25TTS08 của hãng TR
3.1. Bảng số liệu của 25TTS08
Ký hiệu
I
dm
(A)
I
gt

(mA)
V
gt
(V)
U
ngmax
(V)
t
c
(µs)
I
tav
(A) (V/µs) (A/µs)
Thông số 25 45 2 800 110 16 500 150
+ Chọn diode là SW08PCN030 I
tbmax
= 25, U
ngmax
= 800V
3.2. Tính toán máy biến áp lực
+ Tìm được trị số hiệu dụng điện áp các cuộn thứ cấp biến áp U
2
+ Trị số hiệu dụng dòng sơ cấp biến áp I
1
+ Trị số hiệu dụng dòng thứ cấp biến áp I
2
+ Tính công suất biểu hiện 1 pha
Trong đồ án này do mạch lực là mạch chỉnh lưu cầu 1 pha nên ta sử dụng máy biến áp 1 pha
Điện áp 1 chiều tổng quát U
d

tương ứng tải định mức:
U
d
=
.
1
1 ( )
ddm v r loc rc rdd xdd
d
U U U U U U
a b cP U
+ ∆ + ∆ + ∆ + ∆ + ∆
− + + + ∆
(3.1)
Với a =
pu
kk
mk
.
2
γ
.e
x
; b =e
r
;

c =
nmu
Sk

mk
.
2
γ

(3.2)
+ Ứng với sơ đồ cầu 1 pha: k
u
= 0.9 ; k
p
= 1.23 ;hệ số chuyển mạch kγ =
π
2
; m = 1
+ Các giá trị e
nm
, e
r
, e
x
tra trong tài liệu chọn e
nm
= 6%, e
r
= 6%, e
x
= 8%
U
ddm
điện áp 1 chiều ra tải định mức: 220 (V)

sụt áp nên các van dẫn: 1.5 (V)
Với các số liệu cho: U
ddm
= 220 (V), I
d
= 11.36 (A), = 1.5 (V),
= 5 (V), U
1 pha
= 220 (V), = I
d
U
d
= 2500 (w)
:sụt áp trên lưới
10
a =
23,1.9,0
2
.1
2
π
.0,08= 0,0511 b =
2
1.0,06
0,9 .1,23
= 0,06
+ Coi công suất điện áp lưới là vô hạn: = 0 các sụt áp còn lại chiếm 5% U
d
U
d

=
220 1,5 5 0,05.220
1 (0,0511 0,06 0,05)
+ + +
− + +

P
d
= I
d
U
d
= 283 . 11,36 = 3,214 (Kw)
S
ba
= 1,23 P
d
= 1,23 . 3,214 = 3,95 (KW) chọn 4 (Kw)
+ Điện áp thứ cấp định mức:
U
2(dm)
=
u
d
kU
U
.1(
).1
∆−
=

283
(1 0,05).0,9−
= 331 (V)
+ Hệ số máy biến áp: k
ba
=
2
1
U
U
=
220
331
= 0,664
+ Trị số hiệu dụng dòng thứ cấp: I
2
= 1,11 . 11,36 = 12,6 (A)
+ Dòng cuộn sơ cấp: I
1
= 1,11
ba
d
k
I
=
12,6
0,664
= 19 (A)

Kết quả tham số của MBA:

S
ba
= 4 (KW), U
1
= 220 (V), I
1
= 19 (A), U
2
= 331 (V), I
2
= 12,6 (A)
3.3. Tính toán bộ lọc
a) Hệ số đập mạch: k
dm
=
o
dm
U
U
1
với U
1m
: biên độ bậc 1 (3.3)
U
1m
= (3.4)
với a
1
=
π

2
U
m
cosθ.cos2θdθ ; b
1
=
π
2
U
m
cosθ.sin2θdθ
hay a
1
=
π
m
U
(
3
4
cos
4
3
α
sin(
4
3
π
-
4

3
α
) + 4cos
4
α
sin(
4
π
-
4
α
)) =
π
m
U
.x; b
1
=
π
3
m
U
α =
π
m
U
.y
Dải điều chỉnh 10 /1 → α
max
= ;

U
1m
= 2U
2m
cos
4
π
= U
2m
= 2 U
2
; U
do
= 0,9U
2

2
cos1
α
+
11
Thay α = ta được x = 0,3377 ; y = 0,0726
→ k
dm
=
o
dm
U
U
1

=
)cos1(9,0
4
α
+
.
π
1
.= 2,4266
b) Chọn bộ lọc:
Do tải là động cơ công suất nhỏ → ta chọn bộ lọc chỉ gồm cuộn cảm L
L =
ω
.
dm
d
m
R
(3.5)
R
d
: Tổng tất cả các điện trở tải coi sơ bộ
d
d
I
U
= 25,8 Chọn độ đập mạch dòng cho phép là 10%
⇒ k
sb
=

)(
α
dm
dm
k
k
với k
dm(α)
=
d
d
I
I
1,0
10
1
= 1; ⇒ k
sb
= 2,4266
Điện cảm cần lọc: L =
ω
.
dm
d
m
R
. =.
)(091,0
314.2
8,25

H=
Từ L = 0,091 (H) ⇒ ta tính toán thiết kế cuộn không lọc 1 chiều.
3.4. Bảo vệ van mạch lực
3.4.1. Mạch bảo vệ phía đầu vào chỉnh lưu
Mạch R
f
C
f
bảo vệ quá áp sinh ra khi MBA bị cắt khỏi lưới
C
f
=
)1.(.
2
2
2
02
−KUa
mI
ω
(3.6)
m: số pha = 1
I
o2
: giá trị hiệu dụng dòng từ hóa MBA quy đổi về phía thứ cấp .
I
o2
= (3 – 7%)I
2
I

o2
= 0,05 .12,6 = 0,63
a: hệ số chỉ ra tỷ số giữa giá trị biên độ của điện áp chỉnh lưu so với giá trị hiệu dụng U
2
Với sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha a = = 1,41

= 2πf = 314 (tần số góc)
K = với : điện áp lớn nhất mà van đã lựa chọn có thể chịu đựng được, : giá trị điện áp ngược lớn
nhất nên sơ đồ mà van chịu đựng được
U
v max
= 800 (V)
U
ng max
=1,7. U
2
= (V)
12
⇒ K =
800
586
= 1,365 ⇒ C
f
=
2
1.0,63
314.2.331.(1,365 1)−
= 3,5 . F = 3,5
Chọn C
f

= 4 (
Điện trở R
f
được xác định bằng:
2 2 /
f a f
R L C=
L
a
là điện cảm tản trên một pha MBA
3
2
2
331.0,08
6,7.10 ( )
2. .50.12,6
a
a X
X U
L e H
I
ω ω π
−
= = = =
Suy ra
3
6
2.6,7.10
2 115,76( )
4.10

f
R
−
−
= = Ω
Chọn R
f
= 150 (
Ω
).
3.4.2 Mạch bảo vệ tốc độ tăng điện áp và dòng
Với van 25 TT S08:
dt
dv
= 500 ;
dt
di
= 150
2X
a
θ
d
di
a
= U
2
sinθ;
dt
di
a

=
θ
ω
d
di
a
=
a
X
U
.2
2
2
sinθ;
dt
dU
AK
= R
1
dt
di
a
⇒ (
dt
dU
AK
)max= R
1max
= R
1

a
L
U
2
2
⇒ L
a
= = = 1,56 . (H)
R =
max
2
)(
2
dt
dU
U
L
AK
a
=
6
1,56.10
2.331
−
500 . = 1,666 (Ω) ⇒ chọn giá trị chuẩn R = 1,6 (Ω)
Tụ C chọn sao cho mạch vòng 2L
a
- P - C không dao động:
R > 2 ⇒ C >

R
L
a
8
=
6,1
10.683,1.8
6−
= 8,42 . (F)
⇒ chọn giá trị chuẩn C = 10 (µF)
+ Trở nhỏ, tụ lớn không có lợi do tụ sẽ phóng điện qua điện trở ⇒ chọn như sau R = 16 (Ω), C =
1 (µF), L
a
= 1,683 . 10
-6
(H)
13
KĐX DX SS Utựa ĐB
CHƯƠNG 4
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
4.1. Nhiệm vụ và yêu cầu của mạch điều khiển
4.1.1 Nhiệm vụ
+ Tạo ra các xung ở những thời điểm mong muốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lưu
+ Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên cực
anot = catot của thyristor
+ Tạo được các xung đủ điều kiện
4.1.2 Yêu cầu đối với mạch điều khiển
Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi thyristor vì nó đóng vai trò quyết định về
chất lượng độ tin cậy của bộ biến đổi
Yêu cầu mạch điều khiển có thể tóm tắt 6 điểm chính sau:

+ Tạo ra các xung điều khiển với đủ yêu cầu để mở được van
+ Đảm bảo cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực
+ Đảm bảo tính đối xứng giữa các kênh diều khiển
+ Đảm bảo phạm vi điều chỉnh trong toàn bộ dải làm việc
+ Không bị ảnh hưởng của nhiễu cũng như gây nhiễu với các hệ thống khác
+ Yêu cầu về bảo vệ và tín hiệu hóa
4.2. Nguyên lý và cấu tạo của mạch điều khiển
4.2.1 Phương pháp điều khiển
Ta dùng phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính
Ta cần tạo một điện áp tựa dạng tam giác u
rc
thường gọi là điện áp răng cưa, dùng một điện áp một
chiều u
dk
so sánh với điện áp tựa. Tại thời điểm điện áp tựa bằng áp điều khiển trong vùng dương anot
thì phát xung điều khiển
4.2.2 Sơ đồ khối của mạch diều khiển
Hình 4.1. Sơ đồ khối của mạch điều khiển
14
U
gk
U
dx
U
ss
U
rc
U
đb
U

lực
U
đk
+ Khõu ng pha cú nhim v to ra in ỏp ta u
rc
trựng pha vi in ỏp anot ca thyristor
+ Khõu so sỏnh cú nhim v so sỏnh gia in ỏp ta vi in ỏp iu khin .Ti thi im
in ỏp ta bng ỏp iu khin trong vựng dng anot thỡ phỏt xung iu khin gi sang
tng khuch i
+ Khõu to xung cú nhim v to xung phự hp m thyristor
+ khõu khuch i xung cú nhim v khuch i xung iu khin v cỏch ly gia mch iu khin
v mch lc.

4.3. Tớnh toỏn cỏc thụng s ca mach iu khin
Vic tính toán mch iu khin thng c tin hnh t tng khuch i ngc tr lên. Công
sut cho tng khuch i để tính là thông số của cực điều khiển thyristor (U
đk
, I
đk
).
Mạch điều khiển đợc tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở thyristor. Các thông số cơ bản để tính
mạch điều khiển:
+ Điện áp điều khiển thyristor: U
đk
= 2 (V)
+ Dòng điện điều khiển thyristor: I
đk
= 0,045 (A)
+ Thời gian mở thyristor:
t

m
= t
cm
= 110 (
s
à
)
+ Độ rộng xung điều khiển:
t
x
= 2.t
m
= 2.110 = 220 (
s
à
)
+ Tần số xung điều khiển:
f
x
=
x
t.2
1
=
6
10.220.2
1


4.5.10

3
(Hz) = 4,5(kHz)
+ Độ mất đối xứng cho phép:


= 4
0
+ Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển:
U
N
=

12 (V)
+ Độ sụt áp xung cho phép:

U
x
= 0,11
4.3.1. Tính chọn khâu khuếch đại xung.
Hình 4.2. Khâu khuếch đại xung
Phng pháp ny rt thông dng hin nay vì nó cách ly gia mch lc v mch iu khin. in
tr R
16
có nhim v tiêu tán nng lng tích ly các cun dây trong các giai on khác nhau ca
bóng bán dn, thng chn R
16
<
cp
cs
I

E .
15
a. Tính toán bin áp xung.
+ Thể tích của lõi thép biến áp xung: V =
HB
UtIUk
xxba


22
(m
3
) (4.1)
Trong đó:
t
x
- độ rộng xung; t
x
= 220 (
à
s) = 220.10
-6
(s)


U
x
- độ sụt áp xung cho phép;

U

x
= 0,1


B - độ biến thiên cờng độ từ trờng; chọn

B = 0,2 (T)


H - độ biến thiên mật độ từ cảm; chọn

H = 30 (A/m)
k
ba
- hệ số biến áp xung; chọn k
ba
= 3
U
2
- trị số hiệu dụng điện áp biến áp xung; U
2
= U
đk
= 2 (V)
I
2
- dòng điện thứ cấp biến áp xung; I
2
= I
đk

= 0,045 (A)
Thay số: V =
30.2,0
11,0.10.220.045,0.2.3
6
= 11
-7
(m
3
) = 1.1 (cm
3
)
Suy ra: chn loi 1408 tit din lừi tng ng S
ba
=0.251 cm
2
+ Số vòng dây cuộn sơ cấp: w
1
=
ba
x
SB
tU
.
.
1

=
4
6

10.251,0.2,0
10.220.2.3


= 263 (vòng)
+ Số vòng dây cuộn thứ cấp: w
2
=
ba
k
w
1
=
3
263
= 88 (vòng)
b. Tính tầng khuếch đại cuối cùng.
Tham số điện áp và dòng điện cuộn sơ cấp là:
U
1
= U
2
.k
ba
= 2.3 = 6 (V); I
1
=
ba
k
I

2
=
3
045,0
= 0,015 (A)
Nguồn công suất phải có trị số lớn hơn U
1
để bù sụt áp trên điện trở nên chọn E
cs
= 12 (V). Từ hai
giá trị E
cs
và I
1
chọn bóng T
3
loại BD131 có tham số U
cc
= 45 (V); I
cmax
= 3 (A); tra bảng có

min
= 20.
Ta có: R
23
>
cp
cs
I

E
=
3
12
= 4 (

);
Chọn R
23
= R
27
= 5 (

)
Kiểm tra độ sụt áp trên điện trở R
23
khi bóng dẫn dòng:
U
R23
= I
1
.R
23
= 0,015.5 = 0,075 (V)
Nên điện áp còn trên biến áp xung: U
1
= E
cs
- U
R23

= 12 - 0,075 = 11,925 (V) > 6 (V)
Do đó đạt yêu cầu.
Bóng T
4
chọn loại BC107 có U
cc
= 45 (V); I
cmax
= 0,1 (A);

min
= 110. Nên điện trở đầu vào có trị số:
R
22


=
2,1.2,1
12.110.20


18.10
3
(

) = 18 (k

)
16
Chọn R

22
= R
25
= 15 (k

).
R
24
lm nhim v tiờu tỏn khi xung ngt, chn R
24
= 10 k.
Thờm in tr R
g
hn ch dũng vo cc G ca thyristor, R
g
< U
g
/I
g
=8,33=> chn R
g
= 4,7
4.3.2 Tính chọn khâu tạo xung chùm.
Hỡnh 4.3. Khõu phỏt xung chựm dựng IC NE555
Chc nng: phỏt xung cú tn s cao trn vi xung ra khõu so sỏnh trc khi vo bin ỏp xung.
Chn tn s xung l 10 kHz

T = 10
-4
s. Ta cú:

T = 0,7( R
6
+ 2R
7
)C
2
= 10
-4
s

chn C
2
= C
3
= 0,01 àF.

R
6
+ 2R
7
= 14,285 k. Chn R
6
= 10 k, R
7
= 2 k.
+Chu k dao ng T=2RC.ln(1+2R
12
/R
23
) vi T= 1/f = 1/4,5.10

3

f l tn s xung iu khin van
+Chn t C
2
= C
3
= 10 (nF), tng tr b phõn ỏp (R
6
+ R
7
) khong 20 (k), Chn R
6
= 10 k, R
7
= 4
k.
4.3.3. Tính chọn khâu so sánh.
Hỡnh 4.4. Khi so sỏnh
Chn R
4
= R
5
= 10 k.
in ỏp iu khin c a vo ca vo khụng o ca OA
3
, U
rc
c a vo ca vo o.
+ Sơ đồ khâu so sánh ta đã chọn ở mạch điều khiển là so sánh hai cửa dùng khuếch đại thuật toán

OA; ta chọn khuếch đại thuật toán loại TL084.
+ Do ta chọn nguồn nuôi IC là V
cc
=

12 (V) thì điện áp đầu vào OA4 là U
v


12 (V).
Dòng điện vào đợc hạn chế để I
lv
< 1 (mA).
17
Ta cã: R
4
= R
5
>
lv
v
I
U
=
3
10.1
12
−
= 12.10
3

(
Ω
) = 12 (k
Ω
).
Chän R
4
= R
5
= 15 (k
Ω
).
Khi ®ã dßng ®iÖn vµo OA3 lµ: I
vmax
=
3
10.15
12
= 0,8.10
-3
(A) = 0,8 (mA)
4.3.4. Tính toán khối đồng bộ.
Biến áp có điểm giữa biến điện áp U
2
= 220V thành điện áp U
2
= 12V ở thứ cấp.
Chọn biến áp 3 pha 3 trụ đấu
/ Y∆
, mỗi trụ quấn 1 cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp.

k
ba
= 220/12 = 18,33.
Chọn góc nạp năng lượng cho tụ C
1
là 2
θ
= 10
o
, điện áp
U
θ
đặt vào đầu vào không đảo của Opam
OA
1
là:
U
θ
=
2
U
2
sin 5
o
=
2
.12.sin 5
o
= 1,48 V.
Chọn nguồn E=12V, R

hc1
=13kΩ
⇒
1 1
1 1
1,48 1,83
hc
E
VR V VR k
VR R
= ⇒ = Ω
+
⇒
chọn VR
1
=1,8kΩ.
Hình 4.5. Sơ đồ khối đồng bộ
Chọn R
1
sao cho U
A1 max
/R
1
< 1mA
⇒
chọn R
1
= 13 kΩ. Chọn OA
1
loại LM741.

U
ngmax diode
= 2
2
U
2
= 34 V, chọn diode loại 1N4002 có I
tb
= 1A, U
ngmax
= 100V. Chọn R
o
=1kΩ.
Khối răng cưa:
Chọn tụ C
1
= 220 nF; Chu kỳ điện áp nguồn T
1
= 1/f = 20 ms, chu kỳ răng cưa: T
rc
= T
1
/2= 10ms.
Thời gian nạp của tụ: t
n
=
(2 5 ).10
180
o
ms

ο
×
=0,56 ms. Thời gian phóng: t
p
=10 –0,56 = 9,44 ms.
R
2
= U
bh
×t
n
/(C
1
×U
rcmax
) = 10,5×0,56×10
-3
/(220×10
-9
×10) = 2,67 kΩ, ta dùng 1 điện trở 2,4 kΩ mắc
nối tiếp 1 điện trở 0,27 kΩ để tạo ra R
2
, U
bh
= 12 – 1,5 = 10,5 V, |U
rcmax
| chọn bằng 10V. Chọn R
2
=
R

3
. Chọn transistor Tr
o
npn loại BC108. OPAM loại LM741.
R’
2
+ R’
3
= t
p
/4C
1
= 9,44×10
-3
/(4×220×10
-9
) = 10,75 kΩ. Chọn R’
2
= 10 kΩ, R’
3
= 4,7 Ω.
4.3.5. Khâu phản hồi (khâu tạo tín hiệu điều khiển):
Góc điều khiển xác định theo sườn xuống của U
rc
nên khi U
đk
tăng thì α giảm.
Do phải ổn định dòng điện nên ta dùng điện trở Shunt R
s
để đo dòng thông qua áp trên R

s
.
18
Chọn R
s
loại 20kA/50mV (F-20000-50 của EmproShunts™)
Khâu phản hồi tạo tín hiệu điều khiển ta dùng khâu tỉ lệ (P) để làm luật tạo U
đk
.
Hình 4.6. Khâu tạo điện áp điều khiển
Bộ đảo có R
14
= R
15
= 2 kΩ, R
16
= R
14
// R
15
= 1 kΩ.
U
rcmax
=10 V, nên 0 ≤ U
đk
≤ 10 V; E = 12 V, U
ph chuẩn
= 15kA/20kA ×50 mV ≈ 0,04 V.
Tại góc điều khiển α
min

= 10
o
thì U
rc
=
max min
(180 5 )
180 5 2
o o
rc
o o
U
α
− −
− ×
= 9,7 V
Giả sử OA
4
cân bằng offset:
⇒
U
đk
=
10 10
12 12
2 1
3 11 8 9
ph ph
R R
R R

E U U
VR R R R
 
+ −
 ÷
 
= 9,7 V
Chọn R
8
= R
9
⇒
U
đk
=
10
12 12
3 11 9
ph
R
R R
E U
VR R R
− ×
= 9,7 V; U
ph
= U
ph1
- U
ph2

Chọn
10
12
11 9
R
R
R R
×
=100
⇒
R
8
=R
9
=R
10
=R
11
=1,1kΩ, R
12
=110kΩ; VR
3
= 96 kΩ.
R
8
//R
offset
= R
9
//R

10
⇒
R
offset
= 1,1 kΩ; Chọn R
hc2
= R
13
= 1 kΩ.
Biến trở VR
3
được điều chỉnh bằng tay để thay đổi dòng điện mạ đặt theo ý muốn.
4.3.6. Khâu bảo vệ ngắn mạch
Hình 4.7. Khâu bảo vệ ngắn mạch
Chọn dòng ngắn mạch I
n
= 50 kA, U
kđ
= -U
phn
= -R
s
×I
n
=- (50/20000) ×50000 = -125 mV. Ở chế độ
bình thường U
kđ
= - U
ph
= −40 mV. Chọn điện áp đặt vào cổng vào không đảo OA

7

U
+
= -120 mV
⇒
2
2 2
( )
hc
VR
E
VR R
−
+
= -0,12 V
⇒
chọn R
hc2
= 20 kΩ, VR
2
= 0,2 kΩ.
Điện áp cửa ra OA
4
khi có ngắn mạch: U
OA4
= E- 1,5 = 10,5 V, sụt áp trên 2 BJT là 1,2 V, chọn dòng
cực base của T
1
là 95 µA

⇒
chọn R
17
= 100 kΩ.
T
1
, T
2
là 1 cặp BJT mắc kiểu Darlington, chọn Darlington loại BC517.
Chọn dòng chạy qua led khi led sáng là 10 mA, R
18
= 1,2kΩ, chọn led loại QW0905-LPD3330
19
Chọn role loại TF2-12 V.
4.3.7. Khâu chia xung cho 2 thyristor
Hình 4.8. Khâu chia xung cho 2 thyristor
Dùng cổng AND loại CD4023BC có nguồn nuôi 12V, đầu ra mức cao là 4,6 V.
Chọn D
a
, D’
a
, D
4
, D
5
, D
6
, D’
5
, D’

6
loại 1N4002 có I
tb
= 1A, U
ngmax
= 100V.
Chọn R
9
= R’
9
= R’
4
= R
21
= R’
21
= R
x
= 10kΩ.
4.3.8. Tạo nguồn nuôi
Hình 4.9. Nguồn cho mạch điều khiển
Dùng chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ, biến áp có điểm giữa và vi mạch ổn áp LM7812, LM7912.
Hai vi mạch LM7812, LM7912 có U
vmin
= 14,5 V, U
vmax
= 30V => biên độ điện áp thứ cấp là:
U
2m
= (U

vmin
+ U
vmax
)/2 = 22,25 V.
Biên độ điện áp sơ cấp U
1m
= 220√2 => tỷ số biến áp: k
ba
= U
1m
/(2U
2m
) = 7
Bộ khuếch đại công suất cần được cấp dòng 0,075A = 75 mA=> tổng dòng cấp cho 6 BAX là 450
mA. Tổng dòng cấp cho các phần tử IC, OPAM và cổng NAND lấy gần đúng bằng 50mA.
=> Tụ lọc nguồn: C’
1
=
max
min
2m min
max
( ). .
v
v
v p
t
U
U
U U f

I
−
= 1,335×10
-3
F = 1335µF, chọn loại C’
1
= 1500µF.
trong đó f
p
= 2f
1
= 2×50 = 100 là tần số điện áp chỉnh lưu. Chọn C’
2
= 10µF, diode loại 1N4002.
C
1
’ là tụ 1 chiều, C
2
’ là tụ xoay chiều.
20
Da’
Da
Thuyết minh sơ đồ nguyên lý:
Nguyên lý phát xung cho 2 thyristor T
1
, T
4.
Máy biến áp 380V/12V có điểm giữa, đặt vào cuộn sơ cấp điện áp dây U
AC
, điện áp này qua mạch

chỉnh lưu tia 2 pha được điện áp U
A1
, điện áp này được đưa vào cửa không đảo của OPAM1 và so
sánh với 1 điện áp chuẩn, đầu ra OA1 ta thu được điện áp dạng xung vuông U
A2
. U
A2
đi qua diode
Đ3 để cắt lấy phần âm đưa vào cửa vào đảo của OA2. OA2 có khâu phản hồi gồm 1 tụ C
1
và
transistor Tr
o
. Đầu ra của OA2 ta thu được điện áp răng cưa. Điện áp răng cưa được so sánh với tín
hiệu điều khiển (tín hiệu phản hồi) trên OA3 và thu được Uss dạng xung. Dùng IC timer 555 để tạo
thành mạch phát xung chùm có tần số 10 kHz. Xung này sẽ được trộn với xung vuông Uss trên. Do
xung vuông xuất hiện trong cả 2 nửa chu kỳ điện áp nguồn U
1
nên ta dùng 2 cổng AND 3 đầu vào
làm khâu tách xung chia cho 2 thyristor T
1
, T
4
. Giả sử U
AC
đang dương thì tín hiệu điều khiển sẽ
được truyền đến khâu khuếch đại xung và đến chân điều khiển của T
1
, nửa chu kỳ sau thì T
4

được
phát xung điều khiển.
Khâu khuếch đại xung dùng 2 transistor mắc kiểu darlington để tăng hệ số khuếch đại dòng cho
xung điều khiển, biến áp xung (BAX) dùng để cách ly mạch lực và mạch điều khiển.
Khâu phản hồi dùng điện trở Shunt phản hồi dòng thông qua điện áp rơi trên điện trở này. Điện áp
được so sánh với 1 điện áp đặt trước (dùng để thay đổi dòng điện khi cần thiết, điều chỉnh bằng tay)
. Khi dòng tải bị giảm so với lượng đặt, U
ph
giảm làm U
đk
tăng
⇒
góc điều khiển giảm
⇒
điện áp
và dòng tải được tăng lên. Trong trường hợp ngược lại thì quá trình diễn ra ngược lại.
Khâu bảo vệ: điện áp U
kđ
< 0 ở cửa ra của OA4 được đưa vào cửa vào đảo của OA
7
, khi mạch
hoạt động bình thường U
+
< U

, T
1
, T
2
khóa, rơle không hoạt động. Khi bị ngắn mạch ở mạch lực,

U
kđ
âm đột biến làmT
1
, T
2
dẫn, rơle ngắt mạch điều khiển và tự giữ, LED sáng báo hiệu mạch bị sự
cố.
21
22
23