giáo trình động cơ điện 1 chiều

Lời nói đầu
Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các
lĩnh vực khoa học, ứng dụng của điện tử công suất vào công nghiệp nói
chung và công nghiệp điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử có công suất lớn
đã đợc chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng của nó 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 lạI kỹ s 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. Việc sử dụng động cơ
điện một chiều với nhiều mục đích nh để bảo đảm yêu cầu công nghệ của
phụ tải
Để hiểu rõ đợc vai trò của điện tử công suất và động cơ điện một chiều thì
trong bản đồ án môn học này đợc sự hớng dẫn của thầy Đỗ Trọng Tín với nội
dung :
Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ một chiều kích từ độc lập đảm bảo
yêu cầu tốc độ trơn, ổn định, chống quá tải và chống mất kích từ
Bản đồ án của em gồm
Trong bản đồ án này mặc dù em đã cố gắng song với sự hiều biết và những
kiến thức đã học còn hạn chế nên bản đồ án của em không tránh khỏi những
thiếu sót.Em kính mong nhận đợc sự góp ý và chỉ bảo tận tình của các thầy
cô giáo và của các bạn để bản đồ án của em đợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn
Sinh viên
Đào xuân Hùng
.
Ch ơng I: Giới thiệu về động cơ một chiều
I- Cấu tạo của động cơ một chiều
- những phần chính của máy điện một chiều gồm stato với cực
từ , roto với dây quấn và cổ góp với chổi điện
a- stato: còn gọi là phần cảm gồm một lõi thép bằng thép
đúc vừa là mạch từ vừa là vỏ máy

1
+ cực từ chính : có dây quấn kích từ lồng vào lõi sắt cực từ , lõi thép cực từ
làm bằng thép kỹ thuật điện mỏng, các cuộn kích từ đợc quấn bằng dây đồng
bọc cách điện và đợc nối nối tiếp với nhau
+ cực từ phụ : đợc đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều ,
lõi thép của cực từ phụ thờng làm bằng thép khối, trên thân cực từ phụ có đặt
dây quấn mà cấu tạo giống nh dây quấn cực từ chính
b- roto: còn gọi là phần ứng gồm lõi thép và dây quấn
phần ứng
- lõi thép hình trụ làm bằng các lá thép kỹ thuật dày 0,5 mm, phủ
sơn cách điện ghép lại và đợc dập lỗ thông gió và rãnh để đặt
dây quấn phần ứng
- cổ góp gồm các phiến góp làm bằng đồng đợc cách điện có
dạng hình trụ gắn ở đầu trục roto
- chổi điện làm bằng than graphit, các chổi tỳ chặt lên cổ góp nhờ
lò xo và giá chổi điện gắn lên nắp máy
II- Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
- Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi than A,B trong dây
quấn phần ứng sinh ra dòng điện I . Các thanh dẫn ab , cd có
dòng điện nằm trong từ trờng sẽ chịu lực F
đt
tác dụng làm cho
roto quay , khi phần ứng quay nửa vòng vị trí các thanh dẫn ab,
cd đổi chỗ cho nhau do đó các phiến góp đổi chiều dòng điện
giữ cho chiều lực tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có chiều
quay không đổi , khi động cơ quay các thanh dẫn cắt từ trờng sẽ
cảm ứng sức điện động E chiều quay xác định theo qui tắc bàn
tay trái
Phơng trình điện áp :
U = E + R .I

III- Phân loại về động cơ một chiều
- Động cơ một chiều đợc dùng rất phổ biến trong công nghiệp
giao thông vận tải và nói chung ở những thiết bị cần điều chỉnh
tốc độ quay liên tục trong một phạm vi rộng ( máy cán thép,
máy công cụ lớn, đầu máy tiện.)
- cũng nh máy phát, động cơ điện một chiều đợc phân loại theo
kích thích từ thành các động cơ điện kích từ độc lập , kích thích
song song, kích thích nối tiếp và kích thích hỗn hợp
- Giới thiệu về động cơ kích từ độc lập

2
E
I
R
f
U

I
kt
R
kt
U

CKT
U
kt
Hình 1: sơ đồ nối dây của động cơ một chiều kích từ độc lập
- Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch
điện phần ứng và mạch điện kích từ mắc vào hai nguồn một
chiều độc lập với nhau và lúc này động cơ đợc gọi là động cơ

kích từ độc lập
b- Phơng trình đặc tính cơ
phơng trình đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ
độc lập

u
fu
u
I
K
RR
K
U
.

+


=

nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép của mômen cơ trên trục
động cơ bằng mômen điện từ ta kí hiệu là M, nghĩa là M
đt
= M
cơ
=
M thì ta có phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
kích từ độc lập

( )

M
K
RR
K
U
fu
u
.
2

+


=

- Giả thiết phản ứng phần ứng đợc bù đủ, = const thì các phơng
trình đặc tính cơ điện và đặc tính cơ là tuyến tính
Trong đó:
a
Np
K

=
2
.
: tốc độ góc , rad/s
: từ thông kích từ dới một cực từ
U : điện áp phần ứng
R : điện trở phần ứng
R

f
: điện trở phụ trong mạch phần ứng
I : dòng điện trong mạch phần ứng
Đồ thị mô tả phơng trình đặc tính cơ
IV- Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng
3

0

đm
M
đm

M
-Để điều chỉnh điện áp phần ứng đông cơ điện một chiều cần có thiết bị
nguồn nh máy phát điện một chiều kích từ độc lập , các bộ chỉnh lu điều
khiển các thiết bị này có chức năng biến đổi lợng xoay chiều thành một
chiều có suất điện động E
b
điều chỉnh đợc là nhờ tín hiệu U
đk

-Phơng trình đặc tính cơ của hệ thống nh sau:

u
dm
bud
dm
b
I

K
RR
K
E
.

+


=

- vì từ thông của động cơ đợc giữ không đổi nên độ cứng của đặc tính
cơ cũng không thay đổi còn tốc độ không tải lý tởng tuỳ thuộc vào giá
trị điện áp U
đk
của hệ thống do đó có thể nói phơng 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:



dm
M
=
max0max

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 đờng
thẳng song song với nhau nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta
có thể viết:
4
BBĐ
LK

( ) ( )
( )
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

* Phạm vi điều chỉnh phụ thuộc tuyến tính vào
Ch ơng II: Lựa chọn ph ơng án điều chỉnh
I- Lựa chọn phơng án
-
Để cấp nguồn cho tải một chiều, chúng ta cần thiết kế các bộ
chỉnh lu với mục đích biến đổi năng lợng điện xoay chiều thành
năng lợng điện một chiều. Các loại bộ biến đổi này có thể là
chỉnh lu không điều khiển và chỉnh lu có điều khiển
1- Phơng án 1: chỉnh lu điều khiển hình tia 3 pha:
5

min

0min

max

omax
M
đm
M
nmmin

đk1

đk2
2
1
3
T
T
L
T
R

U
d
I
d
T
1
T
2
T
3





t
1
t
2

t
3
t
4
-
Do suất điện động cảm ứng nên T
1
vẫn dẫn điện cho đến thời
điểm t
2
-
Khi đa xung vào mở T
2
thì sẽ xuất hiện một điện áp ngợc đặt
vào T
1
làm T
1
khoá lại và quá trình khoá T
1
là quá trính khoá c-
ỡng bức
-
Từ thời điểm t
2
ữ t
3
thì T
2
dẫn điện , là khi chúng ta mở T

3
dòng
điện đợc san phẳng lúc này điện cảm sẽ thu toàn bộ những
thành phần sóng điều hoà bậc cao nên nó sẽ duy trì cho dòng
điện là không đổi
-
Giá trị điện áp ra trên tải:
U
d
= 1,17.U
2
.cos
U
ngmax
= 2,45. U
2
K
đm
= 0,25
Số lần đập mạch trong một chu kỳ là 3

74,0=
ba
d
S
P
+ u và nhợc điểm của chỉnh lu tia 3 pha
*u điểm : so với chỉnh lu một pha thì chỉnh lu tia 3 pha có chất l-
ợng điện áp một chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn,
thành phần sóng hài bậc cao bé hơn, việc điều khiển các van tơng

đối đơn giản
*nhợc điểm : sơ đồ chỉnh lu tia 3 pha có chất lợng điện áp ra tải cha
thật tốt lắm, khi cần chất lợng điện áp ra tốt hơn thì dùng sơ đồ
nhiều pha hơn.
2- phơng án 2 : sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha đối xứng

6
3
T
T
1
2
4
T
6
T
T
5
T
11
RRLR

7
U
f
I
d
U
d
i

T1
i
T3
i
T5
i
T2
i
T4
i
T6
θ
θ
θ
θ
θ
θ
θ
θ
α
Điện áp trung bình trên tải

cos
63
.sin 2
2
6
2
6
5
6
2
UdUU
d
==

+
+
Điện áp ngợc cực đại đặt lên van
U
ngmax
=2,45U
2
Số lần đập mạch trong 1 chu ky là 6
+ u và nhợc điểm của chỉnh lu cầu 3 pha
*u điểm : chất lợng điện áp tốt nhất, hệ số đập mạch tháp, thành phần
sóng hài nhỏ, hiệu suất sử dụng biến áp tốt nhất
nhợc điểm : cần phải mở đồng thời hi van theo đúng thứ tự pha nên
rất phức tạp, nó gây khó khăn khi chế tạo vận hành và sửa chữa
3- phơng án 3 : sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha không đối xứng

8
i
T1
i
T2
i
T3
I
D1
I
D2
I
D3






I
d
U
f


U
d


D

T
2
D
6
D
T
5
11
~
T
R
1
R
4
LR
3
Hoạt động của sơ đồ :
+trong khoảng 0ữ
1
: T
5
và D
6
cho dòng tải i
d
= i
d
chảy qua D
6
đặt điện

thế U
2b
lên anôt D
2
+ khi >
3
điện thế catôt D
2
là U
2c
bắt đầu < U
2b
. Điốt D
2
mở dòng tải i
d

= I
d
chảy qua D
2
và T
5
, U
d
= 0
*khi =
2
cho xung điều khiển mở T
1

-
trong khoảng
2
ữ
3
: T
1
và D
2
cho dòng i
d
chảy qua , D
2
đặt điện
thế U
2c
lên anôt D
4
-
khi
3
điện thế catot D
4
là U
2a
bắt đầu < U
2c
điot D
4
mở dòng

tải chảy qua D
4
và T
1
, U
d
= 0
-
góc mở về nguyên tắc có thể biến thiên từ 0 ữ . Điện áp
chỉnh lu có thể điều chỉnh từ giá trị lớn nhất đến 0
9
Điện áp trung bình trên tải
U
d
=U
dI
-U
dII
Trong đó









cos
2

63
.sin 2
2
3
2
6
6
6
2
UdUU
dI
==










cos
2
63
.sin 2
2
3
2
6

11
6
7
2
UdUU
dII
==

Thay vào ta có
Điện áp ngợc cực đại đặt lên van
U
ngmax
=2,45U
2
Số lần đập mạch trong 1 chu ky là 6
-Ưu nhợc điểm của sơ đồ
+Ưu điểm:sơ đồ có ít kênh điều khiển hơn so với sơ đồ cầu 3 pha nên
điều khiển dễ dàng hơn,đầu t ít hơn
+nhợc điểm: điện áp ra không đợc tốt nh sơ đồ cầu 3 pha đối xứng,dải
điều chỉnh điện áp không lớn lắm
Chơng III : Tính chọn mạch lực
I-Tính toán máy biến áp
Từ các thông số cơ bản : U
d
= 600 V; I
d
= 220 A ta chọn MBA 3 pha 3trụ
1- điện áp pha sơ cấp MBA
U
1

= 220 (V)
Ta có : U
do
= U
d
+ 2.U
dv
+ U
dn
+ U
ba
Trong đó :
U
d
= 600 V
U
d
= 1 V : sụt áp trên van
U
ba
= U
R
+ U
X
: sụt áp trên điện trở và điện kháng MBA
chọn U
ba
= 6%.U
d
= 0,06.600 = 36 (V)

U
do
= 600 + 2.1 + 0 + 36 = 638 ( V )
10
)cos1.(.
2
63
2


+= UU
d
có :
( )

cos1
2
.63
2
+

=
U
U
do
với = 40
0

( ) ( )
( )

V
U
U
do
309
40cos163
638.2
cos163
.2
2
=
+

=
+

=

Vậy điệ áp thứ cấp MBA là : U
2
= 309 (V)
+ Dòng điện thứ cấp máy biến áp I
2
:

( )
AII
d
180220.
3

2
3
2
2
===
+ Dòng sơ cấp máy biến áp I
1
:

( )
AI
U
U
IKI
ba
253180.
220
309

2
1
2
21
====
+ Công suất biểu kiến máy biến áp:
S = K
s
.P
d
= 1,05.U

d
.I
d
= 1,05.600.220 = 139 (KVA)
2- tính toán mạch lực
-
Thiết diện trụ đợc tính theo công thức
( )
2
3
183
50.3
10.139
.6
.
. cm
fm
S
KQ
ba
QFe
===
trong đó :
4,66,5 ữ=
Q
K
ta chọn
6=
Q
K

m = 3 : số trụ của máy biến áp
f: tần số nguồn xoay chiều f = 50 Hz
Để đảm bảo cho kích thớc của máy biến áp đợc phù hợp đảm bảo yêu cầu công nghệ
ngời ta thờng chọn chiều dài a và chiều dày b sao cho
25,1=
a
b
dựa vào tiết diện trụ
Q
Fe
= a.b = 183 ( cm
2
) ta chọn
a =11 ( cm)
b = 17 ( cm )
11
+ chọn loại thép 310, các lá thép dày 0,35mm
Chọn sơ bộ chiều cao trụ: h = 2,5.a = 2,5 .110 = 275 (mm)
chọn h = 280 (mm)
+ Số vôn/ vòng là:
V/vòng = 4,44.B
T
.f.Q
Fe
.10
-4
= 4,44.1.50.183. 10
-4
= 4(V/vòng)
số vòng cuộn sơ cấp là :

55
4
220
1
==W
(vòng)
số vôn/vòng của cuộn thứ cấp máy biến áp là 2
số vòng cuộn dây thứ cấp là:
78
4
309
2
==W
(vòng)
+Tính tiết diện dây dẫn:
Chọn mật độ dòng điện:
2
.
2
.
1
/2 mmAJJ ==
+Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp:

( )
2
.
1
1
1

128
2
253
mm
J
I
S ===
chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật bọc sợi thuỷ tinh có kích thớc
:
12
110mm
170mm
a
1
.b
1
= 4.16.2 (mm
2
)
kính thớc dây kể cả cách điện:
S
1cđ
= 4,5.16,5.2(mm
2
)
+Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp:

( )
2
.

2
2
2
90
2
180
mm
J
I
S ===
chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật bọc sợi thuỷ tinh có kích thớc
:
a
2
.b
2
= 4.11.2 (mm
2
)
kính thớc dây kể cả cách điện:
S
2cđ
= 4,5.11,5.2(mm
2
)
Tính số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp

c
g
k

b
hh
W .
.2
1
11

=
trong đó : h
g
: là độ dày của tấm fit cách điện giữa gông va dây quấn
chọn h
g
= 1,2 (cm)
k
c
= 0,95 : hệ số ép chặt
h: chiều cao trụ
Vậy:

1595,0.
65,1
2,1.228
.
.2
1
11
=

=

=
c
g
k
b
hh
W
(vòng)
Tính số lớp ở cuộn dây sơ cấp:

7,3
15
55
11
1
11
===
W
W
n
(lớp)
chọn số lớp n
11
= 4 (lớp)
Chọn 3 lớp đầu 14 vòng, lớp thứ 4 có số vòng là :
55 3.14 = 13 ( vòng)
13
+ Giữa 2 lớp đặt một lớp giấy cách điện dày: cd
11

= 0,1 (mm)
+ Bề dày cuộn sơ cấp
Bd
1
= (a
1
+ cd
11
).n
11
= ( 4,5 + 0,1 ).4 = 18,4(mm
Tính số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp

c
g
k
b
hh
W .
.2
2
12

=
trong đó : h
g
: là độ dày của tấm fit cách điện giữa gông va dây quấn
chọn h
g
= 1,2 (cm)

k
c
= 0,95 : hệ số ép chặt
h: chiều cao trụ
Vậy:

2395,0.
1,1
2,1.228
.
.2
2
12
=

=

=
c
g
k
b
hh
W
(vòng)
Tính số lớp ở cuộn dây sơ cấp:

4,3
23
78

12
2
12
===
W
W
n
(lớp)
chọn số lớp n
12
= 4 (lớp)
Chọn 3 lớp đầu 19 vòng, lớp thứ 4 có số vòng là :
78 3.19 = 21 ( vòng)
+ Giữa 2 lớp đặt một lớp giấy cách điện dày: cd
12
= 0,1 (mm)
+ Bề dày cuộn sơ cấp
Bd
2
= (a
2
+ cd
12
).n
12
= ( 4,5 + 0,1 ).4 = 18,4(mm)
Kích thớc lõi sắt
Chọn khoảng cách giữa 2 trụ của MBA là :
c = 1,5.a = 1,5.110 = 165(mm)
+ Tổng chiều dài trụ:

l = 3.a + 2.c = 3.110 + 2.165 = 660 (mm)
+ Chọn gông từ
-
Để đơn giản ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có
các kích thớc sau:
+ Chiều dài của gông bằng chiều dầy của trụ: b
g
= b = 170(mm)
+ Chiều cao của gông bằng chiều rộng của trụ: a
g
= a = 110(mm)
14
Tiết diện gông: Q
g
= a
g
.b
g
= 11,5.17,5 = 201,25(cm
2
)
Tổng chiều cao của MBA:

H = h + 2.a = 28,0 + 2.11,0 = 50 (cm)
II Tính chọn van và bảo vệ van
1. Tính chọn van
Van là 1 thiết bị rất quan trọng trong mạch lực .Trong quá trình làm
việc,van rất nhạy với sự thay đổi của nhiệt độ,điện áp và dòng điện
2 thông số để chọn van là điện áp và dòng điện
Điện áp ngợc lớn nhất đặt trên van:

( )
VUU
ng
9,756309.6.6
2max
===
Chọn U
ngmax
= 757(V)
Điện áp ngợc mà van chịu đợc là:
U
ngv
= k
dtU
.U
ngmax
= 1,4.757 = 1000 (V)
k
dtU
: hệ số dự trữ điện áp chọn k
dtU
= 1,4
-Để cho van bán dẫn làm việc an toàn, nhiệt độ làm việc của van
không vợt quá trị số cho trớc, vì vậy cần có phơng thức làm mát
cho van. Có 3 phơng pháp làm mát là:
+ làm mát bằng gió tự nhiên
-
Khi van bán dẫn đợc làm mắc vào cánh toả nhiệt bằng
đồng hay bằng nhôm, nhiệt độ của van đợc toả ra môi

trờng xung quanh nhờ bề mặt của cánh toả nhiệt. Sự toả
nhiệt nh trên là nhờ vào sự chênh lệch giữa cách tản
nhiệt với môi trờng xung quanh khi cách tản nhiệt nóng
15
h
a
g
a
b
c
h
a
g
a
c
b
lên, nhiệt độ xung quanh cánh tản nhiệt tăng lên làm
cho tốc độ ra không khí bị chậm lại với những lí do vì
hạn chế của tốc độ dẫn nhiệt khi van bán dẫn đợc làm
mát bằng cánh toả nhiệt mà chỉ nên cho van làm việc
với dòng điện I
lv
= 25% i
đm
+ Làm mát bằng thông gió cỡng bức
-
- Khi có quạt đối lu không khí thổi dọc theo khe của
cánh tản nhiệt nhiệt độ xung quanh cánh tản nhiệt thấp
hơn tốc độ dẫn nhiệt ra môi trờng tốt hơn, hiệu suất cao
hơn. Do đó cho van làm việc với dòng điện

-
I
lv
= 35%i
đm
+ Làm mát bằng nớc:
-
- Khi làm mát bằng nớc hiệu suất trao đổi nhiệt tốt hơn,
cho phép làm việc với dòng điện I
lv
= 90% i
đm
. Quá trình
làm mát bằng nớc phải đảm bảo xử lý nớc không dẫn
điện. Bằng cách khử ion trong nớc hoặc giảm độ dẫn
điện của nớc ( tăng điện trở nớc) theo nguyên tắc chiều
dài hay giảm tiết diện đờng cong ống dẫn nớc ta có thể
coi độ dẫn điện của nớc không đáng kể.
*Ta chọn chế độ làm mát bằng thông gió tự nhiên. Trong
chế độ này thì I
lv
= 25% i
đm

trong đó:
( )
A
I
I
d

lv
33,73
3
220
3
===
do đó I
đmv
= I
lv
.4 = 73,33.4 = 293,32 (A)
vì vậy ta phải chọn van chịu đợc dòng điện là:

I
đmv
= k
đtI
.4 = 1,4.293,32 = 410,65 (A)
Từ các thông số tính toán ở trên ta chọn đợc 3 Tiristor loại
T 500-10 có các thông số
U
max
= 1000 V
I
đm
= 500 A
I
gm
= 400 mA
U

gm
= 8 V
U
v
=1V
dU/dt =100V/às
di/dt = 20 A/às
T
off
=120às
2. Tính bảo vệ van
Bảo vệ dòng điện cho van
+ Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi
quá tải và ngắt mạch Tiristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn
mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch đầu ra ở bộ nghịch lu
+ Chọn Aptomat có:
I
đm
= 1,1.I
1
= 1,1.253 = 278,3 (A)
+ Chỉnh định dòng ngắn mạch
I
nm
= 2,5.I
1
= 2,5.253 = 632,5 (A)
16
+ Dòng quá tải:
I

qt
= 1,5.I
1
= 1,5.253 = 397,5 (A)
Bảo vệ quá điện áp cho van
Tiristor cũng rất nhạy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp định
mức, ta gọi là quá điện áp
*Ngời ta chia làm 2 loại nguyên nhân gây ra quá điện áp:
- Nguyên nhân nội tại: Đó là sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn.
Khi khoá tiristor bằng điện áp ngợc, các điện tích nói trên đổi ngợc lại
hàng trình tạo ra dòng điện trong khoảng thời gian rất ngắn. Sự biến
thiên nhanh chóng của dòng điện ngợc gây ra sức điện động cảm ứng
rất lớn trong các điện cảm. Do vậy giữa anot và catot của tiristor xuất
hiện quá điện áp.
- Nguyên nhân bên ngoài: Những nguyên nhân này thờng xảy ra ngẫu
nhiên nh khi cắt không tải một máy biến áp trên đờng dây, khi có sấm
sét
Để bảo vệ quá điện áp , ngời ta thờng dùng mạch RC nh hình vẽ
Mạch RC đấu song song với Tiristor nhằm bảo vệ quá điện áp do tích tụ
điện tích khi chuyển mạch gây nên.
Mạch RC đấu giữa các pha thứ cấp MBA là để bảo vệ quá điện áp do cắt
không tải MBA gây nên
* Các bớc tính toán
- Xác định hệ số quá điện áp theo công thức:

im
pim
Ub
U
k

.
.
=
- Xác định các thông số trung gian:
C
*
min
(k) , R
*
max
(k), R
*
min
(k)
- Tính di/dt|
max
khi chuyển mạch
- Xác định điện lợng tích tụ Q= f(di/dt), sử dụng các đờng cong tra trong sổ
tay tra cứu
17
- Tính các thông số trung gian
C = C
*
min
im
U
Q2

R
*

min
Q
im
2
LU
R

R
*
max
Q
im
2
LU
Trong đó L là điện cảm của mạch RLC

Trong mạch bảo vệ quá điện áp ta chọn R=80 C=0,25àF
III/ Thiết kế cuộn kháng lọc
- Lấy công suất cuộn kháng lọc S
L
= 5%P
d
=0,05.600.200 =6600VA
- Tiết diện cực từ chính của cuộn kháng lọc:
Q
L
=k
Q
)(74,48
50.2

6600
6
2
'
cm
f
S
L
==
Chọn Q
L
= 48(cm
2
)
Trong đó k
Q
: hệ số phụ thuộc phơng thức làm mát, chọn k
Q
= 6

Để đáp ứng yêu cầu công nghệ ngời ta thờng chọn sao cho
b
L
/a
L
=1,2ữ1,4
Do Q
L
=b
L

.a
L
=48 cm
2
nên ta chọn a
L
=6cm, b
L
= 8cm
- Chọn chiều cao h
L
= 2,5.a
L
= 2,5.6 = 15(cm)
- Chọn khoảng cách 2 trụ c
L
= 2a
L
= 2.6 = 12(cm)
18
- Tổng chiều dài mạch từ
L = 2.c
L
+2.a
L
= 2.12+2.6 = 36(cm)
- Tổng chiều cao trụ
H = h+a = 15+6 = 21 (cm)
Ch ơng IV
Thiết kế và tính toán mạch điều khiển

I. Yêu cầu đối với mạch điều khiển
- Mạch điều khiển là khâu quan trọng trong bộ biến đổi tiristor vì
nó đóng vai trò chủ đạo trong việc quyết định chất lợng và độ
tin cậy của bộ biến đổi . Yêu cầu của mạch điều khiển có thể
tóm tắt trong 6 điểm chính sau:
+ yêu cầu về độ rộng của xung
+ Yêu về độ lớn của xung
+ Yêu cầu về độ dốc sờn trớc của xung
+ Yêu cầu về sự đối xứng của xung
+ Yêu cầu về độ tin cậy
- Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ hơn để tiristor không tự mở
khi dòng rò tăng
- xung điều khiển ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ , dao động
điện áp nguồn
- cần khử đợc nhiễu cảm ứng để tránh mở nhầm
+ Yêu cầu về lắp ráp vận hành
- Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh
Dễ lắp và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập
II. Nguyên lý chung của mạch điều khiển
1. Nhiệm vụ của mạch điều khiển:
Nhiệm vụ của mạch điều khiển là tạo ra các xung vào ở những thời điểm
mong muốn để mở các Tiristor của bộ chỉnh lu trong mạch động lực.
Tiristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dơng đặt trên Anod
và có xung áp dơng đặt vào cực điều khiển. Sau khi tiristor đã mở thì xung
19
a
L
/2
b
L

c
L
h
a
L
/2
điều khiển không còn tác dụng gì nữa, dòng điện chảy qua tiristor do thông
số của mạch động lực quyết định
Mạch điều khiển có chức năng :
- Điều chỉnh vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dơng của
điện áp đặt trên Anod Catod của Tiristor
- Tạo ra đợc các xung đủ điều kiện mở tiristor độ
rộng xung t
x
> 10 às
Độ rộng xung đợc xác định theo biểu thức:
t
x
=
dtdi
I
dt
/
Trong đó I
dt
: dòng duy trì của Tiristor
di/dt: tốc độ tăng trởng của dòng tải
Đối tợng cần điều khiển đợc đặc trng bởi góc
2. Cấu trúc của mạch điều khiển Tiristor
Hiệu điện áp u

đk
-u
rc
đợc đa vào khâu so sánh 1, làm việc nh một trigơ
Khi u
đk
-u
rc
= 0 thì trigơ lật trạng thái, ở đầu ra của nó ta nhận đợc một chuỗi
xung dạng sinus chữ nhật
Khâu 2 là đa hài 1 trạng thái ổn định
Khâu 3 là khâu khuyếch đại xung
Khâu 4 là biến áp xung
Bằng cách tác động vào u
đk
có thể điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển, tức
là điều chỉnh góc
3. Nguyên tắc điều khiển
Trong thực tế ngời ta thờng dùng 2 nguyên tắc điều khiển: thẳng đứng
tuyến tính và thẳng đứng arccos để thực hiện việc điều chỉnh vị trí xung
trong nửa chu kỳ dơng của điện áp đặt trên Tiristor

a. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

20
U
AK

U
rc

U
đk
+U
rc
t
t
0
0
U
đk
SS
1
U
đ
k
-
1
2
3 4
T
Theo nguyên tắc này, ngời ta thờng dùng 2 điện áp:
- Điện áp điều khiển U
đk
là điện áp 1 chiều có thể điều chỉnh đợc biên
độ
- Điện áp đồng bộ U
rc
có dạng răng ca,đồng bộ với điện áp Anod-Catod
Tổng đại số của U
rc

+ U
đk
đa đến đầu vào của một khâu so sánh. Bằng cách
làm biến đổi U
đk
ta có thể điều chỉnh đợc thời điểm xuất hiện xung ra tức là
điều chỉnh đợc góc .
Khi U
đk
= 0 ta có = 0.
Khi U
đk
< 0 ta có > 0.
Quan hệ giữa và U
đk
nh sau:
max.
.
rc
dk
U
U

=
b. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos
Theo nguyên tắc này cũng có 2 điện áp:
- Điện áp đồng bộ U
rc
vợt trớc điện áp Anod-Catod Tiristor một góc
bằng /2 ( Nếu U

AK
= Asinwt thì U
r
= Bcoswt)
- Điện áp điều khiển U
đk
là điện áp 1 chiều có thể điều chỉnh đợc theo 2
hớng
Trên hình vẽ đờng nét đứt là điện áp anốt catốt tiristor, từ điện áp này
ngời ta tạo ra U
rc
. Tổng đại số U
rc
+ U
đk
đợc đa đến đầu vào của khâu so
sánh .
Khi U
rc
+ U
đk
= 0 ta nhận đợc một xung ở đầu ra của khâu so sánh :
U
đk
+ B.cos = 0
Do đó = arccos(-U
đk
/B)
Thờng lấy B = U
đk max

21
U
AK
U
đk
U
r
U
đk
U
đk
+U
rc
t

0
U
rc
Khi U
đk
= 0 thì =/2
Khi U
đk
= - U
đk max
thì = 0
Nh vậy khi cho U
đk
biến thiên từ - U
đk max

đến + U
đkmax
thì biến thiên từ
0 đến .
Nguyên tắc này đợc sử dụng trong các thiết bị chỉnh lu đòi hỏi chất lợng
cao.
Nhận xét: Theo yêu cầu thiết kế mạch điều khiển ta thấy nguyên tắc
điều khiển thẳng đứng tuyến tính là phù hợp, ta chọn nguyên tắc điều khiển
này.
4.Giới thiệu các khâu
a)Khuyếch đại thuật toán
Chế độ làm việc
Chế độ tuyến tính
V
2
= A.u
d
; A = 10
4
ữ10
5
là hệ số khuếch đại điện áp. Để
thực hiện chế độ này phải có
u
d

A
V
sat
Chế độ bão hoà:

u
d
>
A
V
sat
; V
2
= V
sat
u
d
<
A
V
sat
; V
2
= -V
sat
ứng dụng:
22
E
V
-
+
+
-
S
-

E
V
p
p
M
+
2
V
-
V
d
+
M
V
+
1
+
U
+
-
E
1
O A
E
V
1
U
d
V
sat

V
sat
OA đợc sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điều khiển tự động: tạo hàm số,
tạo các bộ điều chỉnh P, PI, PID, tạo các đa hài, các trigơ, các khâu so sánh,
v.v
b)Khâu tạo xung đồng bộ
U
1
: điện áp nguồn xoay chiều
U
đb
: điện áp xung đồng bộ
PT: transistor quang, phototransistor
Trong nửa chu kỳ dơng của điện áp nguồn:

1
1
1
R
U
i =
,
2
2
R
E
i =
, U
đb
= 0

Trong nửa chu kỳ âm, điôt D
1
dẫn dòng, D
0
bị khoá, U
đb
= E
Sơ đồ này cho phép loại bỏ máy biến áp đồng bộ
a) Khuyếch đại và biến áp xung
23
U
1
U
đb
E


T
2
T
1
U
e
t
R
1
R
T
1
D

0
+E
1
D
R
3
đb
U
0
i
~
c
1
U
2
i
PT
e
T h
U
B A X
D
g
T
C
2
r
R
1
L

+ E
R
1
R
D
d)Khâu tạo điện áp răng ca đồng bộ
U
đb
- xung đồng bộ điểm không của điện áp nguồn xoay chiều
U
rc
- điện áp răng ca đồng bộ
U
rc
= E.( 1- e
-t/RC
)

e- Khâu phát xung sinus chữ nhật
Trong sơ đồ này OA thực hiện so sánh hai tính hiệu U
C
và U
r
=
24
U
đb
U
rc
t

t
U
rc
C
+E
R
U
đb
t
0A
-E
+E
+
R
1
R
2
R
3
CU
C
U
r
U
2
kV
sat
V
sat
U

C
-V
sat
T
1
T
2
-kV
sat
B.Tính toán mạch điều khiển
1)Biến áp xung và khuyếch đại xung
a) Khuyếch đại xung
Với T chọn là loại TL 500-10 với các thông số :
U
g
=8(V)
I
g
=400(mA)
Biến áp xung chọn là loại có tỷ số biến đổi :
2
1
U
U
=1
Điện áp thứ cấp của máy biến áp xung
U
2
= U
g

+ 0,6 = 8,6 (V)
Điện áp sơ cấp :
U
1
=mU
2
=1.8,6=8,6(V)
I
1
=
1
g
I
=0,04(A)
(Dòng I
1
chính là dòng đi vào cực C của T
3
)
Điện áp rơi trên điện trở R
10
:
U
R
=E
2
-U
1
=15,4(V)
Giá trị điện trở R

10
cần chọn :
R
10
=
400
4,15
1
=
I
U
R
.10
3
=56,22()
(Chọn R
10
=60 )
Căn cứ vào dòng colectơ ta chọn bóng T
3
loại KI-6U với các
thông số kỹ thuật sau:
I
C E2
=3A
U
CE2
=60V
=100
Dòng điện badơ củaT

3
là dòng qua đèn T
2
:
25
R
10
R
11
R
12
BAX
T
1
T
2
D
D
D
T
+24V