phân tích sự hoạt động của mạch thiết kế

Đồ án môn học Điện tử công suất
Lời nói đầu
Việc sự dụng động cơ điện trong sản xuất và đời sống là rất rộng rãi ,
đặc biệt là động cơ điện chiều bởi vì động cơ điện 1 chiều có rất nhiều ưu
điểm so vơi động cơ xoay chiều . Nhưng gắn liền với việc sử dụng động cơ
điện 1 chiều là quá trình điều chỉnh, đảo chiều tốc độ của động cơ sao cho
phù hợp với yêu cầu của thực tế
Là 1 sinh viên của khoa Điện và bộ môn Tự Động Hoá được trang bị
với những kiến thức về nhiều môn học trong đó có môn điện tử công suât,
qua các bài giảng của các thầy cô và quá trình tìm hiểu em đã hoàn thành
bản đồ án này.
Đây là mảng đề tài khá rộng, với khối lượng công việc lớn và mới mẻ
đối với chúng em cho nên em đã gặp một số khó khăn trong qúa trình thiết
kế, song được sự hướng dẫn tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong bộ
môn, đặc biệt là thầy giáo Phạm Quốc Hải và sự giúp đỡ nhiệt tình của
các bạn cùng lớp, nên em đã hoàn thành bản đồ án này. Em xin chân thành
cảm ơn sự giúp đỡ quí báu đó. Tuy nhiên do hạn chế về thời gian cũng như
về trình độ của bản thân, nên không tránh khỏi còn nhiều chỗ thiếu sót, em
rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo và các bạn để em hoàn thiện
hơn bản đồ án này.
Trong bản đồ án này em xin trình bày một số nội dung sau :
Chương 1 : Giới thiệu Chung về động cơ điện một chiều.
Chương 2 : Các phương án tổng thể.
Chương 3: Phân tích sự hoạt động của mạch thiết kế.
Chương 4 : Thiết kế và tính toán mạch lực
Chương 5 : Tính toán và thiết kế mạch điều khiển.


Sinh viên thiết kế
Đinh anh Dũng
Đinh Anh Dũng TĐH1 – K46 Trang 1

Chương I
Giới thiệu Chung về động cơ điện một chiều
I.Động cơ điện một chiều
Tầm quan trọng của động cơ điện một 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 .
Do 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 . Chính vì
vậy 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
mà điều quan trọng là các nghành công nghiệp hay đòi hỏi dùng nguồn điện
một chiều .
Bên cạnh đó, động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất
định của nó như so với máy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn chế tạo và
bảo quản cổ góp điện phức tạp hơn ( dễ phát sinh tia lửa điện ) nhưng do
những ưu điểm của nó nên động cơ điện một chiều vẫn còn có một tầm quan
trọng nhất định trong sản suất .
Công suất lớn nhất của động cơ điện một chiều hiện nay vào khoảng
10000 KW , điện áp vào khoảng vài trăm cho đến 1000 V . Hướng phát triển
hiện nay là cải tiến tính năng của vật liệu , nâng cao chỉ tiêu kinh tế của
động cơ và chế tạo những động cơ có công suất lớn hơn

2.Cấu tạo của động cơ điện một chiều.
Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính : phần tĩnh và
phần động.
2.1.Phần tĩnh hay stato.
Đây là đứng yên của máy , bao gồm các bộ phận chính sau:

a, Cực từ chính : là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và
dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ . Lõi sắt cực từ làm bằng những lá
thép kỹ thuật điện 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 . Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách
điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối tẩm sơn
cách điện trước khi đặt trên các 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 thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu rạo 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.
Bao gồm:
- 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 còn 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 lò xo tì
chặy 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. Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định lại.
2.2 Phần quay hay rôto.
Bao gồm những bộ phận chính sau :
a, Lõi sắt 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 dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để
sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào.
Trong những động cơ trung bình trở lên người ta còn dập những lỗ thông
gió để khi ép lạ 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 ấy có để một khe hở gọi là 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, lõi sắt phần ứng được ép 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 thép kỹ 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. Dây 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 : 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 mica
dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn
dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách
điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các
phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng.
d, 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 thông gió.
Cánh quạt lắp trên trục máy , khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ
ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cực từ lõi sắt và dây quấn rồi

qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy.
- Trục máy : Trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục
máy thường làm bằng thép cacbon tốt.
3. Phân loại máy điện
Động cơ điện một chiều phân loại theo cách kích thích từ thành động
cơ điện kích hích độc lập, động cơ điện kích thích song song ,kích thích nối
tiếp,kích thích hỗn hợp
Trên thực tế đặc tính của động cơ kích từ độc lập và kích thích song
song là giống nhau nên khi cần công suất lớn người ta thường dùng động cơ
kích từ độc lập để có thể điều chỉnh dòng điện kích thích được thuận tiện do
đó mà điều chỉnh tốc độ dễ dàng và kinh tế hơn mặc dù nó đòi hỏi có dòng
bên ngoài.
Trong đồ án này ta xét đến động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Sơ đồ

E
R
f
U
I
kt
R
kt
U
CKT
U
kt
Khi mà nguồn một chiều có công suất không quá lớn thì mạch phần
ứng và mạch từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên gọi là động
cơ điện một chiều kích từ độc lập

4 Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều
Khi cho điện áp U vào hai chổi than A,B trong dây quấn phần ứng sinh
ra dòng điện I
ư
.Các thanh dẫn ab,cd có dòng điện nằm trong từ trường sẽ
chịu tác dụng của lực F
đt
tác dụng làm cho Roto quay ,khi phần ứng quay
nửa vòng thì vị trí các thanh dẫn ab,cd đổi chỗ cho nhau do đó các phiến
góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều tác dụng không đổi đảm bảo động cơ
có chiều quay không đổi,khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ
cảm ứng sức điện động E
ư
,chiều quay xác định theo quy tắc bàn tay trái
Phương trình phần ứng
U
ư
= E
ư
+R
ư
.I
ư
II. Điều chỉnh tốc độ động cơ và đảo chiều
1) Phương trình đặc tính cơ
U
ư
= E
ư
+(R

ư
+R
f
)I
ư

U
ư
: Điện áp phần ứng
E
ư
: Suất điện động phần ứng
R
ư
,R
f
: Điện trở phần ứng,điện trở phụ trong mạch
phần ứng
I
ư
: Dòng điện mạch phần ứng
R
ư
=r
ư
+r
ct
+r
b
+r

tc
r
ư
: Điện trở cuộn dây phần ứng
r
ct
: Điện trỏ cực từ phụ
r
b
: Điện trở cuộn bù
r
tx
: Điện trở tiếp xúc chổi điện
E
ư
=
ωθωθ
π

.2
.
K
a
NP
=

a
NP
K
2

.
π
=
P : Số cực từ chính
N : Số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
θ
: Từ thông kích từ dưới một cực từ W
b
ω
: Tốc độ góc (Rad/s)
E
I
R
f
U
I
kt
R
kt
U
CKT
U
kt
E
ư
= K
e
.
n.
θ

u
fuufu
u
I
K
RR
K
U
K
IRRU
K
E
θθθθ
ω
)(
.
).(
.
+
−=
+−
==
Mômen điện từ M
đt
=K.
θ
.I
ư
Suy ra I
ư

=
θ
.K
M
dt
Nếu bỏ qua tổn thất coi mômen điện từ bằng mômen cơ đầu trục
M
đt
=M
cơ
=M
M
K
RR
K
U
fu
u
.
).(
.
2
θ
θ
ω
+
−=⇒
(1)
Mômen phụ thuộc vào từ thông và dòng phần ứng
Từ phương trình (1) suy ra : để thay đổi tốc độ động cơ ta có thể dùng

phương pháp thay đổi điện áp phần ứng U
ư
,từ thông
θ
tức là thay đổi
dòng kích từ I
kt
và thay đổi điện trở phần ứng R
ư
,R
f

M =K.
θ
.I
ư
.do đó muốn đảo chiều động cơ tức là đảo chiều mômen
M ta có thể dùng phương pháp đảo chiều từ thông (tức là đảo chiều dòng
kích từ I
kt
) hoặc là đảo chiều dòng điện phần ứng I
ư
2. Các phương pháp thay đổi tốc độ
a) Phương pháp thay đổi từ thông
θ
,thay đổi dòng kích từ I
kt
.Với một phụ
tải M
c

nhất định .Khi
θ
giảm tốc độ động cơ tăng lên


Khi kích thích dòng khác nhau đặc tính cơ nhận được khác nhau và độ dốc
khác nhau.Giao điểm mômen cản M
ư
=f(I
ư
) với các đường trên cho biết tốc
độ xác lập ứng với thông số khác nhau của từ thông .
b) Thay đổi điện áp phần ứng
- Để điều chỉnh điện áp phần ứng đông cơ điện một chiều cần có thiết bị
nguồn như máy phát điện một chiều kích từ độc lập , các bộ chỉnh lưu điều
khiển các thiết bị này có chức năng biến đổi lượng xoay chiều thành một
chiều có suất điện động E
b
điều chỉnh được là nhờ tín hiệu U
đk

M(I
u
)
n
I
u
dm
θ
nodm

BBĐ
LK

- Phương trình đặc tính cơ của hệ thống như sau:

u
dm
bud
dm
b
I
K
RR
K
E
.
Φ
+
−
Φ
=
ω
- Vì từ thông của động cơ được giữ không đổi nên độ cứng của đặc tính
cơ cũng không thay đổi còn tốc độ không tải lý tưởng tuỳ thuộc vào
giá trị điện áp U
đk
của hệ thống do đó có thể nói phương pháp điều
chỉnh này là triệt để
- Để xác định dải điều chỉnh tốc độ ta thấy rằng tốc độ lớn nhất của hệ
thống bị chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng với điện áp định

mức và từ thông cũng giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải
điều chỉnh bị giới hạn bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi
động , khi mômen tải là định mức thì giá trị lớn nhất va nhỏ nhất của
tốc độ là
β
ωω
dm
M
−=
max0max

β
ωω
dm
M
−=
min0min
Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh
phải có mômen ngắn mạch là:
M
nmmin
= M
cmax
= K
M
.M
đm
Trong đó : K
M
hệ số quá tải về mômen, do họ đặc tính cơ là những đường

thẳng song song với nhau nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có
thể viết:

( ) ( )
( )
1
1
1
1
1
max0
max0
minmin
−
−
=
−
−
=
−=−=
M
dm
dm
M
dm
M
dm
dmnm
K
M

M
K
M
D
K
M
MM
βω
β
β
ω
ββ
ω
* Phạm vi điều chỉnh phụ thuộc tuyến tính vào β
ω
min
ω
0min
ω
max
ω
omax
M
đm
M
nmmin
ω
đk1
ω
đk2

3.Vấn đề đảo chiều
Chiều quay động cơ phụ thuộc vào chiều quay mômen có thể dùng hai
phương pháp .Hoặc thay đổi chiều dòng phần ứng I
ư
hoặc đổi chiều từ thông
(đổi chiều dòng kích từ I
kt
).
Nếu dùng phương pháp đảo chiều dòng kích từ .Khi máy đang quay
thì do hệ số điện cảm của cuộn dây kích thích lớn (do có nhiều vòng dây)
nên khi thay đổi dòng kích thích I
kt
thì xuất hiện suất điện động cảm ứng rất
cao gây ra điện áp làm đánh thủng cách điện dây quấn kích thích .
Do đó để đảo chiều quay động cơ ta chon phương pháp đảo chiều
dòng phần ứng I
ư

4) Một số yêu cầu kỹ thuật khác
a) Độ trơn

i
i
ω
ω
γ
1
+
=

Trong đó :
1
,
+
ii
ωω
là tốc độ ổn định của động cơ đạt được ở cấp i
,i+1

γ
1
→
tức là hệ truyền động có thể ổn định ở mọi vị trí trong toàn dải
điều chỉnh
b) Dải điều chỉnh tốc độ
Là phạm vi điều chỉnh – là tỉ số giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc
độ làm việc ứng với mômen tải đã cho

min
max
ω
ω
=
D
Trong đó :
max
ω
bị hạn chế bởi độ bền động cơ và độ bền của vành góp

min

ω
bị chặn bởi yêu cầu về mômen khởi động ,khả năng quá
tải và sai số tốc độ làm việc cho phép.
c) Chống mất kích từ
Khi mở máy phải đảm bảo chống mất kích từ mà nguyên nhân là do ngắn
mạch kích thích
Vì khi đó E
ư
= 0 nên I
ư
=
uu
u
R
U
R
EU
=
−

Do U không đổi và R
ư
rất nhỏ (điện trở cuộn dây phần ứng) nên I
ư
rất lớn
làm cháy dây quấn và vành góp
Cách khắc phục điều này là phải có bộ phận nhận biết được mất kích từ
(
0
=

θ
và do đó I
ư
=0) thì lập tức ngắt nguồn cấp cho phần ứng tức U
ư
= 0.
Khi đó I
ư
không lớn và tránh được sự cố trên.
Chương 2
Các phương án tổng thể
Để lựa chọn được một phương án thích hợp với yêu cầu “ Cấp điện cho đông
cơ điện 1 chiều kích từ độc lập có đảo chiều theo nguyên tắc điều kiển riêng
“ ta cần phải lựa chọn 1 phương án điều chỉnh tốc độ và sơ đồ mạch lực phù
hợp
I .Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ đông cơ
Nói chung ta có thể tiến hành điều chỉnh tốc độ động cơ theo 2 phương pháp
chủ yếu như đã nêu ơ trên : Điều chỉnh điện áp phần ứng và điều chỉnh từ
thông φ
 Phương pháp điều chỉnh từ thông φ .
Phương pháp điều chỉnh từ thông φ có thể thay đổi tốc độ được một cách
liên tục và kinh tế nhưng chỉ có thể điều chỉnh được tốc độ trong vùng
trên tốc độ định mức và bị hạn chế bởi các điều kiện cơ khí
 Phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng .
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng có
thể điều chỉnh tốc độ 1 cách liên tục và dễ dàng thực hiện bằng cách thay
đổi góc điều kiển α . Mặt khác phương pháp này trong quá trình điều
kiển thay đổi tốc độ thì không tiêu hao năng lương và momen của đông
cơ không đổi .
Nhân xét :

Từ những phân tích ở trên ta lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ của
đông cơ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
II. Lựa chọn phương án mạch lực.
Để thay đổi và đảo chiều của động cơ điện 1 chiều chúng ta buộc phải thiết
kế các bộ chỉnh lưu đảo chiều với sơ đồ nguyên lý như sau .
CL II
Tải
Dựa vào công suất cung cấp cho tải mà ta lựa chọn mạch chỉnh lưu là một
pha hay mạch chỉnh lưu 3 pha .Thông thường theo kinh nghiêm ta có :
+ Nếu công suất của mạch cung cấp lớn hơn 5 ÷ 7 kW ta sử dụng
mạch chỉnh lưu 3 pha
+ Nếu công suất của mạch cần cung cấp nhỏ hơn 5 ÷ 7 kW ta sử dụng
mạch chỉnh lưu 1 pha
- Công suất mạch phần ứng :
P
ư
= 600.5 = 3000W = 3kW < 5 ÷ 7 kW nên ta sử dụng mạch
chỉnh lưu 1 pha để cung cấp cho phần ứng.
- Công suất mạch phần cảm :
P
cảm
= 400.0,6 = 240W = 0,24kW < 5 ÷ 7 kW nên ta sử dụng
mạch chỉnh lưu 1 pha để cung cấp cho phần cảm.
 Các sơ đồ chỉnh lưu 1 pha
1. Chỉnh lưu một nửa chu kỳ .
Với sơ đồ này sóng điện áp ra một chiều bị gián đoạn trong một nửa
chu kỳ khi điện áp anốt của van bán dẫn âm , do đó khi sử dụng sơ đồ chỉnh
lưu một nửa chu kỳ chất lượng điện áp tải xấu .
Điện áp tải trung bình lớn nhất trên tải
U

do
= 0,45U
2
Vì chất lượng điện áp xấu nên hiệu suất của máy biến áp cũng thấp .
S
ba
= 3,09.U
d
.I
d
+Ưu điểm
- Là loại chỉnh lưu có nguyên lý đơn giản ít van
+Nhược điểm
- Chất lượng điện áp xấu
- Hiệu suất sử dụng máy biến áp thấp

0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
U2
R

L
T
U1
2. Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính

T2
U1
0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
R
U2
U2
T1
L
Dạng dòng ,áp trên tải và điện áp ngược trên van T
1
trong trường
hợp tải điện cảm lớn

 Xét với tải RL , điện cảm lớn để lọc dòng và áp có chất lượng tốt

- Biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau, ở mỗi
nửa chu kỳ có một van dẫn cho dòng chảy qua
- Khi θ = α cho phát xung mở T
1
, T
1
dẫn do điện áp đầu anot dương và có
xung mở . Khi θ = π , điện áp trên anot = 0 nhưng do có cuộn cảm L nên vẫn
còn dòng điện I
d
nên T
1
chưa khoá , T
1
tiếp tục dẫn cho đến khi θ = π + α ,
I
i
T1
d
i
d
I
d
o
a
Ud
2?
U
d
o

2 ?
i
T1
I
d
phát xung mở T
2
thì T
1
bị khoá và T
2
dẫn . T
1
khoá không phải dòng đã về 0
mà là do T
2
dẫn .
T
2
lại dẫn cho đến khi θ = 2π + α , T
1
được phát xung mở , T
1
dẫn và T
2

bị khoá lại.
Quá trình cứ như vậy cho đến khi điện áp tải đập mạch có tần số bằng 2
lần tần số điện áp xoay chiều .
Với α : là góc điều khiển mở .

+ Điện áp trung bình trên tải
U
d
=
π
2
2
∫
+
απ
α
.2
U
2
.sinαdα =
π
22
.U
2
.cosα = U
do
.cosα
U
do
=
π
22
.U
2
= 0,9.U

2
:
 Điện áp chỉnh lưu không điều khiển khi tải là thuần trở .
+ Điện áp ngược trên van là lớn
U
nv
= 2
2
U
2

Tải có điện cảm lớn nên dòng tải liên tục i
d
= I
d

Mỗi van dẫn thông một nửa chu kỳ
+ Dòng hiệu dụng qua van (chính là dòng hiệu dụng qua máy biến áp).
I
hd
=
∫
π
θ
π
2
0
2
.
2

1
dI
d
=
2
Id
= 0,71.I
d

+ Hệ số đập mạch K
đm
= 0,67.
+ Công suất máy biến áp S
ba
= 1,48.U
d
I
d

 Nhận xét :
+ Ưu điểm :
- So với chỉnh lưu một nửa chu kỳ thì chỉnh lưu hình tia có điện
áp với chất lượng tốt hơn
- Dòng qua van không quá lớn
- Điều khiển van đơn giản
+ Nhược điểm
- Chế tạo máy biến áp phải có 2 cuộn giống nhau mỗi cuộn làm
việc 1nửa chu kỳ
- Chế tạo biến áp phức tạp
- Hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn

- Điện áp ngược trên van là lớn .

3. Chỉnh lưu cầu một pha

Các đặc tính điện áp tải , dòng qua tải , dòng qua van và điện áp
ngược trên van trong trường hợp tải RL , R đủ lớn để đảm bảo dòng qua tải
là liên tục được biểu diễn trên hình vẽ

- Mạch có T
1
, T
3
chung Katot
T
2
, T
4
chung Anot
Nửa chu kỳ đầu U
2
> 0 , Anot của T
1
dương , Katot của T
2
âm . Nếu có
xung điều khiển mở đồng thời T
1
và T
2
thì cả hai van này được mở thông và

đặt điện áp lưới lên tải U
d
= U
2
. Điện áp tải một chiều bằng điện áp xoay
chiều (U
d
= U
2
) cho đến khi nào T
1
, T
2
còn dẫn .(Khoảng dẫn của các van
phụ thuộc vào tải ) .
i
2
I
d
U
T1
o
2 ?
I
d
i
T1T2
I
d
i

d
I
d
0
a
2 ?
i
T3T4
U
d
Nửa chu kỳ sau, điện áp đổi dấu , anot của T
3
dương và katot T
4
âm ,
nếu có xung điều khiển mở đồng thời T
3
,T
4
thì các van này được mở thông
và U
d
= - U
2
, với điện áp một chiều có cùng chiều với nửa chu kỳ trước
+ Giá trị trung bình của tải
U
d
=
∫

+
απ
α
θθ
π
dU .sin.2
2
2
2
=
α
cos.
2
22
2
U
= U
do
cosα.
U
do
: điện áp trung bình tải trong chỉnh lưu cầu không điều khiển .
+ Dòng qua máy biến áp cũng bằng dòng qua van (khi van mở) .
+ Giá trị hiệu dụng dòng thứ cấp biến áp
I
2
=
∫
+
απ

α
θ
π
2
2
2
d
I
= I
d

+ Điện áp ngược lớn nhất van phải chịu
U
nv
=
2
U
2

+ Dòng làm việc của van tính theo giá trị trung bình
I
T
=
∫
+
απ
α
θ
π
2

2
1
d
I
=
2
Id
= 0.71 I
d
+ Hệ số đập mạch k
đm
= 0,67
+ Công suất biến áp S
ba
= 1,23P
d
Nhận xét :
Chất lượng điện áp của chỉnh lưu cầu một pha giống như chỉnh lưu
hình tia . Hình dạng đường cong điện áp , dòng tải , dòng qua van bán dẫn ,
hệ số đập mạch như trong chỉnh lưu hình tia .
+ Ưu điểm :
- Điện áp ngược trên van nhỏ hơn một nửa so với chỉnh lưu hình tia
U
nv
=
2
U
2
.
- Máy biến áp chế tao đơn giản hơn , và có hiệu suất cao hơn so với

chỉnh lưu hình tia .
+ Nhược điểm :
- Số van nhiều hơn
- Điều khiển van T
1
,T
2
và nhóm T
3
, T
4
phải đồng thời nên khó
khăn hơn.
Nhận xét chung
Từ các phân tích trên ta lựa chọn mạch lực là mạch chỉnh lưu điều
khiển cầu một pha.
Do yêu cầu cấp điện cho động cơ có đảo chiều theo nguyên tắc điều kiển
riêng nên ở đây ta lựa chọn sơ đồ cầu 1 pha đối xứng vì sơ đồ cầu 1 pha
không đối xứng có hệ số cosϕ cao hơn nhưng không đảo chiều dòng điện ra
tải .
Vậy ta lựa chọn sơ đồ mạch lực cung cấp cho phần ứng và phần cảm
của động cơ như sau:
Sơ đồ mạch lực cung cấp cho phần ứng .
Sơ đồ mạch lực cung cấp cho phần cảm.
R
u
E
u
L
u

T
1
’
T
3
’
T
2
’
T
4
’
T
1
T
3
T
4
T
2
T
1
T
3
D
2
D
4
R
f

Chương 3
Phân tích sự hoạt động của mạch thiết kế
i.nguyên lý hoạt động của mạch lực .
Mạch lực bao gồm 2 sơ đồ cầu hoạt động độc lập riêng rẽ : bộ chỉnh
lưu I chạy thì bộ chỉnh lưu II không chạy , ngược lại bộ chỉnh lưu II chạy thì
bộ chỉnh lưu I nghỉ .
Do vậy khi bình thường 1 bộ hoạt động ơ chế độ chỉnh lưu thì sơ đồ
mạch lực lúc này là sơ đồ cầu 1 pha .
1.Sự hoạt động của sơ đồ cầu 1 pha như sau :
Tải ta coi tải là RLE , cuộn cảm L được thêm vào để lọc điện áp và dòng .
a) Mạch hoạt động khi L
a
= o
+ θ = α phát xung mở T
1
, T
2

T
1
T
2
dẫn T
3
, T
4
khoá
Điện áp ra tải U
d
= U

2
+ θ = π + α phát xung mở T
3
, T
4

T
1
, T
2
khoá ; T
3
, T
4
dẫn (mở)
Điện áp ra tải U
d
= - U
2

+ Điện áp trung bình tải
U
d
=
π
22
U
2
cosα
+ Điện áp ngược lớn nhất trên van

U
nv
=
2
.2 U

+ Dòng liên tục nên i
d
=I
d

+ Phương trình mạch tải

.2
2
U
sin
θ
=R.i
d
+X
L
.
dt
di
+E

∫∫∫∫
++++
++=

απ
α
απ
α
απ
α
απ
α
θ
πππ
θθ
π
d
E
diXiRdU
dLd
.
1
.
1
.sin2
1
2
U
d
=RI
d
+E
+ Dòng hiệu dụng thứ cấp máy biến áp
I

2
=
dd
IdI
=
∫
+
απ
α
θ
π
2
1
b) Trùng dẫn
Trong máy biến áp có cuộn dây nên có điện cảm L
a
nên trong mạch sẽ xẩy
ra hiện tượng trùng dẫn.
Giả sử T
1
,T
2
đang mở cho dòng chảy qua i
T1
=

i
T2
=I
d

Khi
απθ
+=
phát xung mở T
3
,T
4

Vì có L
a
nên dòng i
T1
,i
T2
không giảm đột ngột về 0 và dòng i
T3
,i
T4
cũng
không tăng đột ngột từ 0 đến I
d

Lúc này cả 4 van cùng mở thông cho dòng chảy qua ,phụ tải bị ngắn mạch
u
d
=0
Nguồn e
2
bị ngắn mạch sinh ra dòng ngắn mạch i

c

Phương trình

).(sin2
2 aa
a
a
LX
d
di
XU
ω
θ
θ
==
i
T3
i
T1
I
d
0
i
d
Ud
2
π
θ
i

c
=
))cos((cos
.2
)sin(
.2
2
0
2
αθααθ
θ
+−=+
∫
cc
X
U
X
U
Đặt i
c
= i
c1
+ i
c2
, i
c1
= i
c2
= 0,5.i
c

i
c1
: làm tăng dòng trong T
4
và làm giảm dòng trong T
2

I
c2
: làm tăng dòng trong T
3
và làm giảm dòng trong T
1


( )( )
θαα
+−=
coscos
.2
.2
2
4,3
c
T
X
U
i

( )( )
αθα
+−−=
coscos
.2
.2
2
2,1
c
dT
X
U
Ii
Khi kết thúc giai đoạn trùng dẫn tức khi
,
µθ
=
thì i
T1,2
= 0
( )
2
.2
2
coscos
U
IX
dc
=+−

µαα
Ta thấy so với không trùng dẫn đặc tính điện áp sụt một phần và đó là sụt
áp gây ra do trùng dẫn
µ
U
∆

( ) ( )( )
αµα
π
θαθ
π
µ
µ
+−=+=∆
∫
coscos.
.2
sin 2
.2
2
2
0
2
U
dUU
π
µ
dc
IX

U
2
=∆
khi đó giá trị trung bình điện áp trên tải là
U
d
’
= U
d
-
απ
α
ππ
dcdc
IX
U
IX 2
cos
2.2 2
2
−=

U
d
’
= R.I
d
+E
Sự hoạt động của mạch trong quá trình ta đảo chiều động cơ
Trong quá trình ta đảo chiều động cơ ta cần 1 bộ điều kiển lôgic để thực

hiện các bước đảo chiều như sau :
Giả sử ta chuyển từ sự làm việc của bộ chỉnh lưu I sang bộ chỉnh lưu II
Ta cần thực hiện thứ tự các bước như sau
1. Ngắt xung điều khiển bộ chỉnh lưu I
2. Đo dòng chạy qua tải để xác định dòng điện về không
3. Sau khi phát hiện dòng về không phải dữ trữ 1 thời gian trễ τ > t
ph

đủ để đảm bảo thyristor đã khoá chắc khi đó mới phát xung để điều
khiển van kia
4. Phát xung điều kiển cho các van ở bộ chỉnh lưu II
Nếu suất điện động E
d
chưa đảo chiều ,thì không được chạy bộ chỉnh
lưu II với α < 90
0
vì lúc đó suất điện động E
d
và I
d
cùng chiều nhau , trường
hợp nay dễ gây sập nghịch lưu do dòng điện rất lớn .Do đó bắt đầu phải điều
khiển α ở bộ chỉnh lưu II lớn hơn 90
0
, lúc đó bộ chỉnh lưu II làm viêc ở chế
độ nghịch lưu phụ thuộc .
a) Chế độ nghịch lưu phụ thuộc trong sơ đồ cầu 1 pha như sau :
Trong đông cơ điện một chiều có sức phản điện động ,trong điều kiện
nào đó nó có thể làm việc ở chế độ nghịch lưu - là chế độ biến đổi năng
lượng dòng một chiều phía tải

thành dòng điện xoay chiều cấp trở lại lưới
điện, chế độ làm việc như vậy chính là khi ta hãm tái sinh để tiết kiệm năng
lượng .
Để sức điện động E phát năng lượng trở lại lưới điện thì dòng và áp phải
ngược chiều nhau U
d
và I
d
ngược nhau
Do dòng điện chỉ chảy theo một chiều từ A đến K của thyristor nên ta
điều chỉnh sao cho
- Chiều dòng như cũ
- Đảo chiều sức điện động E
d

- ở trong chế độ chỉnh lưu với góc mở là
α

thì U
d
=U
d0
.cos
α
.
Nên nếu
0
2
<→>

d
U
π
α
tức là điện áp trên tải thay đổi cực tính và ngược
chiều van .Do đó để duy trì dòng chảy qua van từ A đến K của van thì ta
phải đảo chiều E
d
và đảm bảo
d
UE
>
vậy ở chế độ chỉnh lưu ,dòng trong
mạch được duy trì bởi U
d
– E > 0 thì trong chế độ nghịch lưu phụ thuộc
dòng được duy trì bởi
0
>−
d
UE
Trong chế độ nghịch lưu lưới điện nhận năng lượng từ phía tải
Điều kiện hoạt động chế độ nghịch lưu phụ thuộc
-
2
Π
>
α

- Đảo chiều E

d

- Đảm bảo
d
UE
>
Xét dạng điện áp trên tải .
Trong mạch có điện cảm biến áp nên nó có quá trình trùng dẫn với góc trùng
dẫn
µ
α
0
2π
µ
Ud
θ
Xét T
1
,T
2
đang dẫn ,
αθ
=
phát xung mở T
3
,T
4
,U
A
> U

K
nên có dòng
qua van và T1,T
2
vẫn còn dẫn từ đó 4 van cùng dẫn trong khoảng
µ
.
Sau đó T
1
,T
2
khoá và T
3
,T
4
mở
Điện áp ngược trên van T1 ,T
2

U
nv
=
( )
θθ
22
sin 2 UU
=
Điện áp ngược chỉ xuất hiện trên van trong khoang từ
µαθ
+=

đến
πθ
=
vì
sau đó điện áp trên T
1
,T
2
lại là thuận (U
A
> U
K
)
Như vậy trong một chu kỳ làm việc mỗi van chỉ chịu điện áp ngược trong
khoảng từ
µαθ
+=
đến
πθ
=
tức là trong khoảng thời gian
)(
µαπσ
+−=

khoảng thời gian này khá nhỏ .
Nếu
off
θµαπ
<+−

)(
(ứng với thời gian phục hồi Thyristor)
Thyristor sẽ tự mở trở lại không cần dòng điều khiển (mở tự nhiên )
Khi đó trong mạch cả hai nguồn cùng phát năng lượng khi đó I
d
rất lớn
gây sự cố sập nghịch lưu .
Do đó để an toàn phải có
off
θµαπ
>+−
)(

Chọn
o
off
10
=
θ
( ứng với t
off
=555
s
µ
thì có thể khoá van Thyristor thông
thường )
)(
off
θµπα
+−<→

Vậy góc mở
α
phải thoả mãn trong nghịch lưu phụ thuộc là

)(
2
off
θµπα
+−<<
Π
II.Phương pháp điều khiển riêng
Để thực hiện quá trình đảo chiều cho động cơ ta cần có 1 bộ điều
khiển Lôgic. Sơ đồ của bộ điều khiển Lôgic như sau :
Khi điều khiển riêng hai bộ biến đổi làm việc riêng rẽ nhau, tại một
thời điểm chỉ phát xung điều khiển vào một bộ biến đổi còn một bộ bién đổi
kia bị khoá do chưa có xung điều khiển. Hệ có hai bộ biến đổi là BĐ1và
1
2L
i
Ld
b
1
b
2
b
1
b
2
BĐ2 với các mạch phát xung điều khiển tương ứng là FX1 và FX2 . Trật tự
hoạt động của bộ phát xung này được quy định bởi các tín hiệu lôgic b1 và

b2. Quá trình hãm và đảo chiều được mô tả bằng đồ thị thời gian. Trong
khoảng thời gian từ 0 -> t
1
bộ BĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu với α
1
< π/2
còn bộ BĐ2 thì khoá . Tại t
1
phát lệnh đảo chiều bởi i
LĐ
góc điều khiển α
1
tăng đột biến lớn hơn π/2 dòng điện phần ứng giảm về không lúc này các
xung để khoá bộ BĐ1 . Thời điểm t
2
được xác định bởi cảm biến dòng điện
SI1. Trong khoảng thời gian trễ t= t
3
– t
2
bộ BĐ1 bị khoá hoàn toàn, dòng
điện phần ứng bị triệt tiêu. Tại t
3
sđđ E vẫn còn dương, tín hiệu lôgic b2 kích
cho FX2 mở BĐ2 với góc α > π/2 và sao cho dòng điện phần ứng không
vượt quá giá trị cho phép động cơ được hãm tái sinh. Nếu nhịp điệu giảm α
2
phù hợp với quán tính của hệ thì có thể duy trì dòng điện hãm và dòng điện
khởi động ngược không đổi , điều này được thực hiện bởi các mạch vòng
điều chỉnh tự động dòng điện của hệ thống trên sơ đồ của khối lôgic LOG ,

i
LĐ
, i
L1
, i
L2
là các tín hiệu lôgic đầu vào b1,b2 là các tín hiệu lôgic đầu ra để
khoá các bộ phát xung điều khiển.
i
LĐ
= 1 phát xung điều khiển mở BĐ1.
i
LĐ
= 0 phát xung điều khiển mở BĐ2.
i
1L
(i
2L
) = 1 có dòng điện chảy qua bộ BĐ1 và BĐ2
b1(b2) = 1 khoá bộ phát xung FX1 và FX2.
Từ mạch lôgic trên ta có:
LLLD
LLLD
iiib
iiib
1
__
22
2
__

1
__
1
.
.
+=
+=
Nhận xét:
 Hệ truyền động van đảo chiều điểu khiển riêng có ưu điểm là làm
việc an toàn ,không có dòng điện cân bằng chảy giữa các bộ biến đổi
nên không cần thiết kế cuộn kháng cân bằng ,song cần một khoảng
thời gian trễ trong đó dòng điện động cơ bằng không.
-E
+E
R
23
R
24
R
22
A5
U
I
 Do nguyên tắc điều khiển riêng dùng hai bộ biến đổi làm việc độc lập,
trong một thời điểm thì chỉ có một bộ BĐ làm việc còn bộ BĐ kia phải
chắc chắn khoá( có nghĩa là dòng điện qua bộ BĐ này phải bằng “0”). Ta
sẽ dùng xenxơ dòng điện để nhận biết có dòng điện chạy qua bộ BĐ hay
không. xenxo dòng này ta dùng điện trở shunt .điện trở này khi có dòng
qua nó thì một điện áp cỡ 60 mV lấy ra ở đầu ra .tín hiệu này qua bộ
khuyếch đại thuật toán để khuyếch đại điện áp này

 Ta dùng một khâu thuật toán so sánh LM311: tín hiệu dòng điện qua
xenxơ được hạ trên một điện trở R
S
tạo ra tín hiệu điện áp V
i
.
Đầu ra chân 7 mắc với nguồn nuôi +5V qua điện trở kéo lên 1kΩ. Đất của
bộ so chân 1 được mắc vào đầu nối đất của mạch. Cách mắc này dẫn đến
đầu ra có các trạng thái khả dĩ là 0 và 5V .Lôgic của mạch là:
V
0
=5V đối với V
i
> 0
V
0
=0V đối với V
i
< 0
Nếu V
0
= 5V nghĩa là bộ BĐ đó có dòng điện chạy qua.
Nếu V
0
= 0V có nghĩa là bộ BĐ đó không có dòng điện chạy qua .
 Do mạch điểu khiển riêng cần có thời gian tạo trễ nên ta chọn bộ tạo
trễ là mạch 555
0
0

1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
8
6
7
4
2
1
3
5
555
+U
R1
R2
C1 C2
Ura
a.
Góc phục hồi
off
θ
=10
o

thời gian phục hồi T
off
=555
s
µ
T = R
1
.C
1
= 555.10
-6

chọn R
1
= 470
Ω
và C
1
= 1,5
F
µ
Chương IV
Thiết kế và tính toán mạch lực
I. Tính chọn Tiristo
Khi lựa chọn van ta dựa vào 2 thông số cơ bản quan trọng nhất là
dòng điên qua van và điện áp ngược lớn nhất mà van chịu được , các thông
số cơ bản của van được tính như sau :
+ Điện áp ngược đặt lên van :
U
lv

= U
ng.max
= k
nv
. U
2
= k
nv
. U
dm
/ k
u
Trong đó :
k
nv
, k
u
lần lượt là hệ số điện áp ngược và hệ số điện áp của mạch lực
Đối với sơ đồ cầu 1 pha thì : k
nv
= 1,41 ; k
u
= 0,92
U
đm
là điện áp cung cấp cho phần ứng : U
đm
= 600V
Do đó : U
ng.max

= 1,41.
9,0
600
= 940V
+ Dòng điện làm việc của van cần có
I
lv
= I
hd
= k
hd
.I
đm
Trong đó :
I
hd
là dòng điện hiệu dụng qua van
K
hd
là hệ số hiệu dụng ứng với sơ đồ cầu 1 pha k
hd
= 0,71
I
đm
là dòng điện qua tải ( cung cấp cho phần ứng )
Do đó : I
lv
= 0,71.5 = 3,55 A
Để sơ đồ làm việc tin cậy ta cần phải lưa chọn các van có độ dữ trữ ,
do đó ta chọn thông số của van :

+ Điện áp ngược của van cần chọn
U
ng-v
= k
dt-U
. U
ng-max

Với K
dt
=1,6 ÷ 2 là hệ số dữ trữ điện áp , chọn k
dt -U
= 1,6
Do đó : U
ngmax
= 1,6.940 = 1504V ≈ 1,5 kV
+ Dòng điện hiệu dụng của van được chọn
I
hd-v
= k
dt-I
.I
lv

Với k
dt-i
là hệ số dữ trữ dòng điện , chọn k
dt-I
= 4
Do đó : I

hd-v
= 4.3,55 = 14,2 A
- Dựa vào 2 thông số I
hd-v
và U
ng.max
ta lựa chọn van có số liệu như bảng sau

Ký hiệu U
n
(V)
I
hd
(A)
I
g
(A)
U
g
(V)
I
h
(A)
I
r
(A)
∆U
(V)
dt
du

(V/s
)
T
C
(µs)
T
max
(
0
C)
T35-N-
1800 BOF
180
0
35 0,12 1,4 0,2 0,02 2 1000 120 125
Trong đó :
- Điện áp ngược van : U
n
= 1800 (V)
- Dòng hiệu dụng van : I
đm
= 35 (A)
- Dòng xung điều khiển : I
đk max
= 120(mA)
- Điện áp xung điều khiển : U
đk max
= 2 (V)
- Dòng điện giữ : I
h max

= 200 (mA)
- Dòng điện dò :

I
r max
=20 (mA)
- Độ sụt áp lớn nhất :
)(2
max
VU
=∆
- Tốc độ thay đổi điện áp :
)/(1000 sV
dt
dU
=
- Thời gian chuyển mạch : t
cm
= 120(
s
µ
)
- Nhiệt độ làm việc cho phép :T
max
=125
0
C

II. Tính toán MBA chỉnh lưu
Mạch điện phần ứng là mạch chỉnh lưu cầu 1 pha nên ta cần thiết kế

MBA 1 pha . Ta lựa chọn MBA có mạch từ là hình chữ E ( có 1 trụ ) được
làm mát bằng các lá tản nhiệt .
1.Tính toán thông số của MBA :
1. Điện áp sơ cấp của MBA là điện áp lưới : U
1
= 220 V
2. Điện áp thứ cấp của MBA
- Phương trình cân bằng điện áp khi có tải :
U
d0
.cosα
min
= U
d
+ 2∆U
v
+ ∆U
ba
+∆U
dn
Trong đó
α
min
= 10
0
góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới .
∆Uv = 1,6(v) 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 MBA.
Chọn sơ bộ
∆U
ba
= 6%.Ud = 6% . 600 = 36(V)
Từ phương trình cân băng điện áp tải ta có:
)(87,649
10cos
3602.2600
cos
.2
0
min
VU
UUUU
U
do
badnvd
do
=
+++
=
∆+∆+∆+
=

α
3. Công suất biểu kiến của MBA
S
ba
= k
s
.P
d-max
Trong đó :
+ k
s
: Hệ số công suất theo sơ đồ , với sơ đồ cầu 1 pha : k
s
= 1,23
+ P
d-max
Công suất của phụ tải lúc cực đại
P
d-max
= U
do
.I
d
= 649,87.5=3249,35 W
Do đó : S
ba
= 1,23.3249,35 =3996,885VA
Điện áp pha thứ cấp :
)(07,722
9,0

87,649
2
V
k
U
U
u
do
===
Dòng điện hiệu dung thứ cấp MBA:
)(5
2
AIII
dmd
===
Dòng điện hiệu dụng sơ cấp MBA:
)(41,165.
220
07,722

2
1
2
21
AI
U
U
IkI
ba
====

- Tính toán từ mạch
Chọn mạch từ hình chữ Ε được ghép từ những lá tôn Silic loại 310 có
Bề dày tôn : 0,35mm
Tổn hao là : 1,7 W/kg
Tỷ trọng : d = 7,8kg/dm
3
- Chọn loại thép 330 các lá thép có độ dày 0,5 mm
- Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ B =1(T)

* Tính trụ
Tiết diện trụ sơ bộ của trụ T được tính theo công thức:
Q
Fe
= k
Q
.
fm
S
ba
.
Trong đó :
S
ba
là công suất pha của máy biến áp
K
Q
Hệ số phụ thuộc vào phương pháp làm mát với MBA làm mát
không khí : k
Q
= 6