Thiết kế bộ chỉnh lưu điều khiển kích từ cho máy phát

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


1

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
ĐỀ TÀI TÌM HIỂU 2
Chương 1 3
HỆ THỐNG KÍCH TỪ MÁY PHÁT 3
1.1. ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ 3
1.1.1. Khái niệm chung 3
1.1.2. Nguyên lý làm việc 3
1.2. HỆ THỐNG KÍCH TỪ MÁY PHÁT 4
1.2.1. Tổng quan về hệ thống kích từ 4
1.2.2. Vận hành máy phát điện 5
Chương 2 7
CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN 7
2.1. TỔNG QUÁT CHUNG 7
2.2. PHƯƠNG ÁN CHÍNH 7
Chương 3 10
TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC 10
3.1. TÍNH TOÁN CHỌN VAN LỰC 10
3.1.1. Điện áp ngược của van 10
3.1.2. Dòng điện trên van 10
3.2. TÍNH TOÁN BIẾN ÁP LỰC 11
3.2.1. Tính toán sơ bộ mạch từ máy biến áp 12
3.2.2. Tính toán dây quấn 13
3.2.3. Tiết diện cửa sổ máy biến áp 14
3.2.4. Kết câu dây quấn máy biến áp 16
3.2.5. Tính các thông số máy biến áp 18

3.2.6. Xác định góc mở cực tiểu và cực đại 20
Chương 4 21
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 21
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


2

4.1. CẤU TRÚC MẠCH ĐIỀU KHIỂN 21
4.2. SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 23
4.2.1 Sơ đồ 23
4.2.2 Nguyên lý hoạt động 25
4.3. CÁC KHÂU ĐIỀU KHIỂN 25
4.3.1. Khâu đồng pha 25
4.3.2. Khâu tạo điện áp răng cưa 28
4.3.3. Khâu so sánh 30
4.3.4. Khâu tạo xung chùm 32
4.3.5. Cổng AND 33
4.3.6. Khâu khuyếch đại xung và biến áp xung. 34
4.3.7. Khối nguồn 37
Chọn linh kiện bán dẫn 38
Chương 5 39
KẾT QUẢ SAU MÔ PHỎNG 39
TÀI LIỆU THAM KHẢO
44


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH

1

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật
trong công nghiệp. đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử có công
suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều. Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các
ngành kinh tế quốc dân và đời sống hang ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh
mẽ.
Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp
thì ngành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Đặc
biệt với chủ trương công nghiệp hóa hiện đại hóa của đất nước, các nhà máy, xí nghiệp
cần phải thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất.
Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn , chính xác. Đó là
nhiêm vụ của ngành điện tử công suất cần phải giải quyết.
Để giải quyết được vấn đề này thì đất nước ta cần phải có đội ngũ thiết kế đông
đảo và tài năng. Sinh viên ngành ĐCN trong tương lai không xa sẽ đứng trong hàng
ngũ này, do đó mà cần phải tự trang bị cho mình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu
rộng,. Chính vì vậy đồ án môn học Điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi
sinh viên của ngành ĐCN. Nó là bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của sinh
viên, và cũng là điều kiện để sinh viên ngành ĐCN tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức
về Điện tử công suất. Mặc dù vậy, với sinh viên năm thứ ba vẫn còn dang ngồi trong
ghế nhà trường thì kinh nghiệm thực tế còn chưa có nhiều, do đó cần phải có sự hướng
dẫn giúp đỡ của thầy , cô giáo. Qua đây cho em xin gửi lời cảm ơn tới thầy NGUYỄN
DUY MINH đã tận tình chỉ dẫn, giúp nhóm em hoàn thành tốt đồ án môn học này.


Hà nội, ngày 19 tháng 5 năm 2015
Nhóm sinh viên thực hiện
Nhóm 5
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH

2

ĐỀ TÀI TÌM HIỂU
Thiết kế mạch chỉnh lưu có điều khiển hệ thống kích từ máy phát:




(V)



(A)
Phạm vi điều chỉnh
(V)
90
30
  









ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH

3

Chương 1
HỆ THỐNG KÍCH TỪ MÁY PHÁT

1.1. ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
1.1.1. Khái niệm chung
Máy đồng bộ là máy điện xoay chiều có hai dây quấn, một dây quấn nối với lưới
điện có tần số là f1 không đổi, còn dây quấn thứ hai được kích thích bằng dòng điện
một chiều (f2 = 0). Động cơ đồng bộ được sử dụng khá rộng rãi, có công suất trung
bình và lớn, có yêu cầu ổn định tốc độ cao. Động cơ đồng bộ thường dung cho máy
bơm, quạt gió, các hệ thống truyền động của nhà máy luyện kim và cũng được sử dụng
làm động cơ sơ cấp trong các tổ máy phát – động cơ công suất lớn. động cơ đồng bộ có
độ ổn định tốc độ cao, hệ số  và hiệu suất lớn, vận hành có độ tin cậy cao.
Mạch stato của nó tương tự như của động cơ không đồng bộ mạch roto có cuộn
kích từ để sinh ra từ trường trong máy và các cuộn dây khởi động (kiểu lồng sóc và
kiểu dây quấn).
1.1.2. Nguyên lý làm việc
Dưới tác động của từ trường do dòng kích từ gây ra lên từ trường quay của stato
tạo nên momen, momen quay với tốc độ đồng bộ. Từ trường quay trong khe hở không
khí kéo theo roto sẽ quay với tốc độ đồng bộ.
Khi đóng stato động cơ đồng bộ vào lưới điện xoay chiều có tần số f1 không
đổi, động cơ sẽ làm việc với tốc độ không đổi là tốc độ đồng bộ:


=





Trong đó: 

: Tần số của lưới điện, p: Số cặp cực từ.
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


4

Trong phạm vi momen cho phép  

, đặc tính cơ là tuyệt đối cứng,
nghĩa là độ cứng đặc tính cơ  ∞. Khi momen vượt quá giá trị 

thì tốc độ động
cơ sẽ mất dần đồng bộ.
1.2. HỆ THỐNG KÍCH TỪ MÁY PHÁT
1.2.1. Tổng quan về hệ thống kích từ
Chức năng cơ bản của hệ thống kích từ là cung cấp dòng một chiều cho cuộn
dây tạo từ trường của máy điện đồng bộ. Hệ thống kích từ được điều khiển và bảo vệ
nhằm đáp ứng công suất kháng cho hệ thống thông qua sự điều khiển điện áp bằng
cách điều khiển dòng điện kích từ.
Hệ thống kích từ sử dụng máy phát xoay chiều như là nguồn năng lượng kích từ
của máy phát chính. Thường máy kích từ có cùng trục đối với trục Turbine, máy phát.
Điện áp xoay chiều ở ngõ ra của bộ kích từ được hỉnh lưu có điều khiển hoặc không
điều khiển để tạo ra dòng một chiều cần cho từ trường của máy phát.
Chức năng điều khiển bao gồm việc điều chỉnh điện áp, phân bố công suất, nâng
cao tính ổn định của hệ thống. Chức năng bảo vệ là đảm bảo được khả năng của máy
điện đồng bộ, hệ thống kích từ và các thiết bị khác không được vượt quá giới hạn cho

phép.
Các yêu cầu cơ bản là hệ thống kích từ cung cấp và tự điều chỉnh dòng điện kích
từ của máy phát đồng bộ để duy trì điện áp ở đầu ra cũng như giữ cho điện áp đầu ra
biến thiên trong phạm vi cho phép lien tục của máy phát, các yêu cầu này có thể hình
dung từ đường cong điện áp của máy phát.
Độ dự trữ cho tốc độ biến thiên của nhiệt độ, hư hỏng thiết bị, quá tải định mức
khẩn cấp …cần được quản lý công suất định mức trong trạng thái xác lập. Thông
thường định mức bộ kích từ biến thiên từ    kW/MVA của định mức máy phát.
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


5

Ngoài hệ thống kích từ phải có khả năng đáp ứng quá độ bất ổn định với từ
trường cưỡng bức phù hợp với máy phát một cách tức thời và ngắn hạn. Khả năng của
máy phát xem như đươc giới hạn bởi các yếu tố:
 Hư cách điện rotor ở điện áp kích từ cao.
 Nóng rotor ở dòng điện kích từ lớn
 Nóng stator do dòng quá tải ở phần ứng lớn.
 Lõi bị nóng trong suốt thời gian vận hành ở trạng thái thiếu kích từ và sinh nhiệt
do mật độ từ trường cao (V/Hz).
 Giới hạn nhiệt có đặc tính độc lập với thời gian.
 Khả năng quá tải ngắn hạn của máy phát có thể mở rộng từ    giây.
 Qua nhiều năm phát triển hệ thống kích từ có nhiều dạng, chúng có thể được
chia làm ba loại cơ bản dựa trên nguồn năng lượng mà bộ kích từ sử dụng:
 Hệ thống kích từ một chiều.
 Hệ thống kích từ xoay chiều.
 Hệ thống kích từ tĩnh.
1.2.2. Vận hành máy phát điện
Quá trình mở máy chia làm hai giai đoạn: Khởi động không đồng bộ và đưa vào

đồng bộ.
Trong giai đoạn thứ nhất: Sau khi dây quấn stator được nối vào lưới điện ba pha
được tạo ra sẽ tác động lên dây quấn khởi động (hay là lồng sóc khởi động đặt trong
roto của máy) gây nên momen quay đưa tốc độ động cơ lên gần tốc độ đồng bộ.
Trong giai đoạn thứ hai, dòng kích từ sẽ đưa vào roto, động cơ sẽ tự kéo vào
đồng bộ và lồng sóc khởi động hết tác dụng.
Để hạn chế dòng điện, có thể dung giảm điện áp bằng biến áp tự ngẫu hoặc dung
cuộn kháng. Người ta rất ít dùng điện trở phụ để hạn chế dòng điện vì tổn thất năng
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


6

lượng lớn và chỉ tiêu chất lượng khởi động không tốt. Với động cơ công suất nhỏ và ở
điện áp thấp thì có thể cho phép sử dụng điện trở phụ để hạn chế dòng điện.
Trong giai đoạn khởi động không đồng bộ, dây quấn kích thích ở roto không
được hở mạch vì sức điện động cảm ứng tạo thành có thể chọc thủng cách điện.
Để đáp ứng sự sử dụng tốt nhất của hệ thống kích từ, cần biết đầy đủ khả năng
đáp ứng của máy phát ngắn hạn miễn không vượt quá giới hạn cho phép.
Hệ thống kích từ sẽ giúp cho việc điều khiển điện áp có hiệu quả và nâng cao
tính ổn định của hệ thống. Nó sẽ có khả năng cho đáp ứng của độ bất ổn định một cách
nhanh chóng để nâng cao quá độ ổn định và điều chỉnh từ trường của máy phát để nâng
cao độ ổn định tĩnh.

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


7

Chương 2

CÁC PHƯƠNG ÁN ĐIỀU KHIỂN
Nguồn điện một chiều cấp cho động cơ điện một chiều có thể lấy được từ nhiều
cách khác nhau. Lấy trực tiếp từ máy phát điện một chiều hoặc có thể dùng bộ biến đổi
một chiều. Trong thực tế, bộ biến đổi một chiều có thể dễ dàng thiết kế nhờ các mạch
chỉnh lưu sử dụng các van bán dẫn. Hơn nữa, các mạch chỉnh lưu sử dụng van điều
khiển còn có thể dễ dàng điều khiển được theo yêu cầu của từng loại tải. Do các ưu
điểm đó, ta thiết kế nguồn một chiều thông qua các mạch chỉnh lưu điện áp xoay chiều
lấy từ lưới điện. Dưới đây là một số mạch chỉnh lưu cơ bản và hay được sử dụng.
2.1. TỔNG QUÁT CHUNG
Để có thể kích mở và vận hành điều chỉnh tốc độ của máy phát điện một cách
chính xác chúng ta cần một hệ thống kích từ sử dụng chỉnh lưu có điều khiển. mạch
chỉnh lưu này cần thỏa mãn các thông số yêu cầu của đề bài và các chỉ tiêu như : đảm
bảo về mặt kỹ thuật, dễ vận hành và đảm bảo yêu cầu về mặt kinh tế.
Thông qua chỉnh lưu, dòng điện một chiều được cấp cho cuộn kích từ và điều
chỉnh được nhằm mục đích điều chỉnh tốc độ máy phát.
Ta có : 

  lớn hơn 30V nên ta chọn mạch chỉnh lưu cầu để sử
dụng trong hệ thống kích từ.
 Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển.
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 những điện áp nhỏ.
 Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển
Cho phép có thể đấu thẳng vào lưới điện bap ha, độ dập mach nhỏ 5%. Nó có
thể sử dụng máy biến áp thì gây méo lưới điện ít hơn các loại trên. Đồng thời công suất
mạch chỉnh lưu này có thể lên tới vài trăm KW.Nhưng mạch này có sụt áp trên van gấp
đôi sụt áp trong mạch sơ đồ hình tia.
2.2. PHƯƠNG ÁN CHÍNH
Lại xét: 


 



 nhỏ hơn 5Kw nên chúng ta sử
dụng loại chỉnh lưu một pha.
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


8

Dựa vào các nhận xét trên và thỏa mãn yêu cầu kinh tế nên chúng ta chọn chỉnh
lưu cầu một pha bán điều khiển mắc Katot chung (bởi vì mạch này có giá thành rẻ hơn,
tiết kiệm năng lượng, thiết kế mạch lực đơn giản hơn và thích hợp hơn với với phạm vi
điều chỉnh điện áp ra tải không quá lớn)

Hình 2.1: Sơ đồ và đồ thị dạng xung của mạch

Nhóm catôt chung là các tiristo nên chúng được mở ở các thời điểm α của nó.
Nhóm anôt chung là van điôt nên chúng luôn mở tự nhiên theo điện áp nguồn : Đ1 mở
khi 

bắt đầu âm ; Đ

mở khi 

bắt đầu dương. Do vậy sự dẫn của các van trong chu
kỳ lưới là :
 Trong khoảng α ÷ π: 


Đ

dẫn
 Trong khoảng π ÷ (π + α) : 

Đ

dẫn do ở π , 

mở tự nhiên làm 

khóa
 Trong khoảng (π + α) ÷ 2π : 

Đ

dẫn , 

được phát xung mở ở điểm (π+ α) và
dẫn làm cho 

khóa .
 Trong khoảng 2π ÷ (2π + α) : 

Đ

dẫn , Đ

mở tự nhiên ở điểm 2π .

Công thức:
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


9

U
dα
=




U
2
cosα = 0.9 U
2
cosα
I
dα
=






I
v

=




S
ba
=

U
2
I
2
= 1,1I
d


ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


10


Chương 3
TÍNH TOÁN MẠCH ĐỘNG LỰC

3.1. TÍNH TOÁN CHỌN VAN LỰC
Các van trong mạch chỉnh lưu công suất thường phải làm việc với dòng điện
lớn, điện áp cao, công suất phát nhiệt khá mạnh, vì vậy việc tính chọn van phải hợp lý
mới đảm bảo mạch hoạt động tin cậy.

Khi chọn van cần quan tâm trước tiên tới hai chỉ tiêu chính sau:
 Chỉ tiêu dòng điện, ở đây thường phải tính được trị số dòng điện trung bình lớn
nhất chạy qua van.
 Chỉ tiêu điện áp, chủ yếu là điện áp ngược tối đa đặt lên van trong quá trình làm
việc.

3.1.1. Điện áp ngược của van
Do chọn sơ đồ cầu một pha có điều khiển nên ta có:
Điện áp ngược lớn nhất trên van:
U
ngmax
=

U
2
(3.1)




= 0,9 => U
2
=



=


= 100 (V).

Nên U
ngmax
=

100 = 141,42 (V).
Điện áp ngược mà van chịu được:
U
nv
= k
dtU
. U
ngmax
(3.2)
Trong đó: k
dtU
là hệ số dự trữ điện áp, thông thường lấy trong khoảng 1,7 ÷ 2,2
nên ta chọn k
dtU
= 2.
Thay vào công thức 3.2 ta có U
nv
= 2.141,42 = 282,84(V).
3.1.2. Dòng điện trên van
Với sơ đồ cầu một pha, ta có:
I
tbv
=




=


= 15 (A) (3.3)
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


11

Dòng điện trên van:
I
v
= k
dtI
.I
tbv
(3.4)
Trong đó: k
dtI
là hệ số dự trữ dòng điện cho van. Với các tải ổn định và dòng qua
van nhờ hơn 100A chỉ cần có k
dtI
= 1,2 ÷ 1,4 nên ta chọn k
dtI
= 1,3.
Thay vào công thức 3.4 ta có:
I
v
= 1,3.15 = 19,5 (A)
Van được làm mát tự nhiên nên ta chọn I

v
= 25%.I
dmv

=>I
dmv
= 4.I
v
= 4.19,5 = 78 (A)
Tra bảng thông số các van ta chọn được van T10-80 thyristor do Nga chế tạo.
Thông số van được ghi trong bảng sau:
Bảng 3.1: Các thông số của van thyristor.
Ký
hiệu
I
dmv
(A)
∆U (V)
I
r
(mA)
U
đk
(V)
I
đk
(mA)
T10-80
80
2.7

6
4
150

Tra bảng ta chọn được van Πbkл-100 điot có các thông số sau:
Bảng 3.1: Các thông số của van điot.
Ký hiệu
I
tb
(A)
U
đm

U
v
(V)
Πbkл-100
100
400 ÷ 1000
0.6

3.2. TÍNH TOÁN BIẾN ÁP LỰC
Chọn máy biến áp một pha thứ cấp có điển trung tính, làm mát bằng không khí
tự nhiên.
- Công suất biểu kiến của MBA:
S = k
p
.P
d
(3.5)

Trong đó:
k
p
là hệ số công suất máy biến áp, với sơ đồ cầu một pha thì k
p
= 1,23.
P
d
là công suất một chiều trên tải, P
d
= Ud.Id = 90.30 =2700 (W).
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


12

Thay vào công thức 3.5 ta có:
S = 1,23.2700 =3321 (kVA)
Ta có phương trình cân bằng điện áp:





.



= U
d

+U
v
+ U
dn
+ U
ba
(3.6)
Trong đó:


là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp, lấy 

= 10
0
.
U
v
là sụt áp trên van, U
v
= U
vD
+U
vT
(với U
vD
, U
vT
là sụt áp trên
điot và thyristo lần lượt là 0,6 và 2,7V) nên U
v

= 3,3 (V).
U
dn
là sụt áp trên dây nối, coi như U
dn
= 0.
U
ba
= (5 ÷ 10)%.U
d
chọn sơ bộ U
ba
= 5%.U
d
= 0,05.90 = 4,5V.
Thay vào công thức 3.6 ta có U
2
= 109,5 (V)
- Điện áp sơ cấp: U
1
= 220 (V).
- Điện áp thứ cấp:U
2
= 109,5 (V).
- Hệ số máy biến áp k
ba
=





=


= 2,01
Vì chọn sơ đồ cầu một pha nên






= 1,11 nên dòng điện sơ cấp:
I
1
=


= 16,57 (A).
- Dòng điện thứ cấp I
2
=




.I
1
=



.16,57 =33,30 (A).
3.2.1. Tính toán sơ bộ mạch từ máy biến áp
Tiết diện trụ được tính theo công thức kinh nghiệm:
Q
Fe
= k
Q
.




(3.7)

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


13

Trong đó:
k
Q
là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, với MBA khô thì k
Q
= 5 6,
chọn k
Q
= 5.
S

ba
=1,23 (kVA).
m là số trụ của máy, m = 1.
f là tần số nguồn điện xoay chiều, f = 50Hz.
=>Q
Fe
= 5.


= 40,75 (cm
2
)
Do S
ba
=3,321 kVA < 10 kVA nên ta chọn trụ hình chữ nhật với chiều rộng trụ
là a (cm) ; chiều dày trụ là b (cm) => Q
Fe
= a.b = 24,8 (cm
2
)
Chọn MBA hình chữ E được ghép từ tôn Silic loại 310 có:
Bề dày tôn: 0,35 mm.
Tổn hao là: 1,7 W/kg.
Tỷ trọng: d = 7,8 kg/dm
3
Tiết diện của trụ: Q
Fe
= a.b (cm
2
).

Theo kinh nghiệm thì tỷ số b/a = (0,5 ÷ 1,5) là tối ưu nhất.
Chọn a = 6 cm => b =



=


= 6,8 (cm).
Chọn b = 7 cm.
Từ cảm trong trụ: B = 1,1 (T)
3.2.2. Tính toán dây quấn
Thông số các cuộn dây bao gồm số vòng dây và kích thước dây.
Thông số các cuộn dây quấn sơ cấp và thứ cấp có cách tính như nhau nên ở đây
chỉ giới thiệu cách tính chung cho các cuộn.
- Số vòng dây của mỗi cuộn được tính:
W =



(vòng) (3.8)
Trong đó:
W: Số vòng dây của cuộn dây cần tính.
U: Điện áp của cuộn dây cần tính (V).
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


14

B: Từ cảm, thường lấy trong khoảng (1 ÷ 1,8) Tesle.

Q
Fe
: Tiết diện lõi thép (cm
2
).
- Số vòng dây mỗi pha sơ cấp MBA:
W
1
=



= 221,08 vòng
Chọn W
1
= 221 vòng.
- Số vòng dây bên thứ cấp: W
2
=




. W
1
=


.221 = 110 (vòng).
Với các cuộn dây bằng đồng, MBA khô, chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong

MBA là J
1
= J
2
= 2,75 (A/mm
2
).
- Tiết diện dây dẫn sơ cấp MBA: S
1
=




=


= 6,025 (mm
2
)
- Đường kính dây dẫn sơ cấp: d =




=



= 2,77 (mm)

Chọn dây dẫn tiết diện hình tròn, cách điện cấp B chuẩn hóa tiết diện theo tiêu
chuẩn:
S
1
= 6,29 (mm
2
) – (tra bảng 468 sách giáo trình)
- Kích thước dây có kể cách điện: S
cd1
=


. 
đ

=


.3,16
2
= 7,84 (mm
2
)
(Với 

: Đường kính dây cả cả cách điện dây)
Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp: J
1
=





=


= 2,11 (A/mm
2
)
Tương tự với dây dẫn thứ cấp: S
2
=


= 12,11 (mm
2
)

Chọn dây dẫn tiết diện hình tròn, cách điện cấp B chuẩn hóa tiết diện theo tiêu
chuẩn: S
2
= 13,2 (mm
2
)
Kích thước dây khi đã có cách điện: S
cd2
=


. 

đ

=


.4,43
2
= 15,41 (mm
2
)
Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp: J
2
=




=


=2,16 (A/mm
2
)
3.2.3. Tiết diện cửa sổ máy biến áp
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


15

Diện tích cửa sổ MBA:

Q
cs
= Q
cs1
+ Q
cs2

Q
cs1
= k
lđ
.W
1
.S
cđ1
Q
cs2
= k
lđ
.W
2
.S
cđ2
Trong đó:

Q
cs
là diện tích cửa sổ (mm
2
).

Q
cs1
, Q
cs2
là diện tích do cuộn sơ và thứ cấp chiếm chỗ (mm
2
).
W
1
, W
2
là số vòng dây cuộn sơ và thứ cấp MBA.
k
lđ
là hệ số lấp đầy, thường k
lđ
= 2 ÷ 3, chọn k
lđ
= 2.
Q
cs1
= 2.221.7,84= 3465,28 (mm
2
).
Q
cs2
= 2.110.15,41 = 3390,20 (mm
2
).
Q

cs
= 3465,28 + 3390,20 = 6855,48(mm
2
)
Ta lại có: Q
cs
=h.c
Trong đó:
h: là chiều cao cửa sổ(mm)
c: là chiều rộng của cửa sổ(mm)
Chọn h/a =2,5 và c/a =0,5



=


= 5 =>h =5c
Mà c =




=



= 37,03 => chọn c= 37 (mm)
 a = c/0,5 = 37/0,5 =74 (mm)
Nên :   = 5.37 = 185 (mm)

- Chiều rộng toàn mạch từ: C = 2.c + x.a
-Chiều cao mạch từ: H = h + z.a
Với MBA một pha thì x = 2; z = 1
C = 2.37 + 2.74 = 222 (mm)
H = 185+ 1.74 = 259 (mm)
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


16

3.2.4. Kết câu dây quấn máy biến áp
Dây quấn được bố trí theo dọc trục. Cuộn thứ cấp (HA) quấn sát trụ, cuộn sơ
cấp (CA) quấn bên ngoài. Mỗi cuộn dây được quấn thành nhiều lớp dây, mỗi lớp dây
được quấn liên tục, các vòng dây sát nhau. Các lớp dây cách điện với nhau bằng các
bìa cách điện.
- Kết cấu dây quấn thứ cấp:
Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp: W
12 =




.

( vòng)

Trong đó:
h- là chiều cao của sổ, h= 185 (mm).
h
g

– là khoảng cách cách điện với gông, chọn h
g
= 2(mm).
k
c
– là hệ số ép chặt, kc =0,95.
=> W
12
=


. 0,95 = 18,5(vòng)
Tính sơ bộ số lớp dây quấn trên cuộn thứ cấp: n
12
=




=


= 5,95 (lớp)
=>Chọn n
12
= 6(lớp)
Vậy cuộn thứ cấp có 110 vòng, quấn 5 lớp đầu mỗi lớp 19 vòng , lớp cuối 15
vòng .
Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp: h
2

=






=


= 181,11 (mm)
Đường kính trong của cuộn thứ cấp: D
t2
= b+ 2.a
02
= 7+ 2.1= 9 (cm)
(a
02
=1(cm) - là khoảng cách từ trụ tới cuộn thứ cấp).
Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp cd
22
= 0,1(mm)
Bề dầy cuộn thứ cấp : B
d2
= (a
2
+ cd
22
) .n
12

= (0,86 + 0,01) .6 = 5,22 (cm)
Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp:
D
n2
= D
t2
+ 2 .B
d2
= 9 + 2.5,22 = 19,44 (cm)
Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp:
D
tb2
=





=


= 14,22 (cm)
Chiều dài dây quấn thứ cấp :
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


17

l
2

= π . W
2
. D
tb2
= π.110.14,22 = 49,14 (m)
Chọn l
2
= 49 (m)

- Kết cấu dây quấn sơ cấp:
Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp:
W
11
=






=


.0,95 = 53,72 vòng
Trong đó:
k
c
= 0,95 hệ số ép chặt.
h: chiều cao cửa sổ, h=185 (mm).
h

g
: khoảng cách cách điện của cuộn dây sơ cấp với gông.
Chọn sơ bộ khoảng cách h
g
=2.d
n
=2.3,16= 6,32 (mm)
Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp:
n
11
=




=


= 4,114 (lớp)
Chọn lớp n
11
= 4 lớp.
Như vậy cuộn sơ cấp có 221 vòng chia làm 4lớp , chọn 3 lớp đầu 56 vòng , lớp
thứ 4 có 221 – 3.56 = 53 (vòng) → W
11
= 56 (vòng)
-Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp:
h
1
=







=


= 186,27 (mm) = 18,63 (cm)
Chọn khoảng cách từ cuộn thứ cấp tới cuộn sơ cấp a
21
= 1,0 (cm)
Đường kính trong của cuộn sơ cấp:
D
t1
= D
n2
+ 2 . a
21
= 19,44 + 2.1 = 21,44 (cm)
Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd
11
= 0,1(mm)
Bề dày cuộn sơ cấp:
B
d1
= (d
n
+ cd

11
). n
11
= (3,16+0,1).4 = 13,04 (mm) = 1,304 (cm)
Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp:
D
n1
= D
t1
+ 2 . B
d1
= 21,44 + 2.1,304 = 24,05 (cm)
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


18

Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp:
D
tb2
= ( D
t1
+ D
n1
) / 2 = ( 21,44 + 24,05 )/2 = 22,75 (cm)
r
l2
= D
tb2
/2 = 11,375 (cm)

Chiều dài dây cuộn sơ cấp:
l
1
= π. W
1
. D
tb
= π.221.22,75 = 157,95 (m)
Chọn l
1
= 158 (m)
3.2.5. Tính các thông số máy biến áp
Điện trở trong cuộn sơ cấp máy biến áp ở 750 C :
R
1
= ρ.




= 0,02133.


= 0,43 (Ω)
(với ρ = 0,02133 Ωmm
2
/m)
Điện trở cuộn thứ cấp MBA ở 750 C:
R
2

= ρ.




= 0,02133.


= 0,068 (Ω)
Điện trở MBA quy đổi về thứ cấp:
R
ba
= R
2
+ R
1
.(






= 0,068 + 0,43.(


)
2
= 0,175 (Ω)
Sụt áp trên điện trở máy biến áp:

ΔU
r
= R
ba
. I
d
= 0,175.30 = 5,25 (V)
Điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp:
X
ba
= 8

.(

)
2
.



(







).


= 8
2
.(110)
2
.


.(0,01 +


)..10
-7
= 3,11.10
-4
(Ω)
Trong đó:
r
t2
là bán kính trong dây quấn thứ cấp (cm), S
2
= 12,11
r
t2
= 12,11/2 = 6,06
h- là chiều cao cửa sổ lõi thép (cm).
a
21
là bề dày cách điện giữa cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp (m).
B

d1
, B
d2
là bề dày cuộn sơ cấp và thứ cấp (m).
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


19

Điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp:
L
ba
=



=



= 1 (µH)
Sụt áp trên điện kháng MBA:
ΔU
x
=


.X
ba
.I

d
=


.3,11.

.30 = 2,97.

(V)
Sụt áp trên MBA:
ΔU
ba
=







=



 



= 5,25000084 ( V )
Điện áp trên động cơ khi có góc mở α

min
=10
0
U = U
d0
.
α

– ΔU
V
– ΔU
ba
= 99,55.cos10
0
– 3,3–5,25 = 90,244 (V)
Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp:
Z
ba
= R
ba
+ X
ba
= 0,175 + 3,11.10
-4
= 0,175311(Ω)
Tổn hao ngắn mạch trong MBA:
ΔP
n
= R
ba

.I
2
2
= 0,175.)
2
= 194,06( W )
ΔP
n
% =



. 100 =


.100 = 5,84%
Điện áp ngắn mạch tác dụng:
U
nr
=






=


.100= 5,322 (%)

Điện áp ngắn mạch phần kháng:
U
nx
=






.100 =




= 0,0095(%)
Điện áp ngắn mạch phần trăm:
U
n
=




 


=




 

= 5,322 (%)
Dòng điện ngắn mạch xác lập:
I
2nm
=




=


= 624,6 (A)
Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại:
I
max
=

I
2nm
.(1 + 





)=


.122,86.(1 + 



) = 883,3 (A)
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


20

3.2.6. Xác định góc mở cực tiểu và cực đại
Chọn góc mở cực tiểu α
min
= 10
0
. Với góc mở α
min
là dữ trữ, ta có thể bù được sự
giảm điện áp lưới.
Khi góc mở nhỏ nhất: α = α
min
thì điện áp trên tải là lớn nhất: U
dmax
= 90 V
Khi góc mở lớn nhất: α = α
max
thì điện áp trên tải là nhỏ nhất: U
dmin
= 45 V,

U
2
=109,5 V
U
dmin
=





.cos

=> cos

0,456 => = 62,86
0

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


21


Chương 4
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Sau khi thiết kế mạch lực ta nhận thấy cần có hệ thống đúng để điều khiển mạch
lực nói trên. Mạch điều khiển này phải đáp ứng được nhu cầu cần thực hiện của mạch
điều khiển.Có hai hệ thống điều khiển là hệ đồng bộ và hệ không đồng bộ.

Hệ đồng bộ: Trong hệ này góc điều khiển mở, van  luôn được xác định xuất
phát từ một thời điểm cố định của điện áp mạch lực. Vì vậy trong mạch điều khiển phải
có khâu thực hiện nhiệm vu gọi là khâu đồng bộ để đảm bảo mạch điều khiển hoạt
động theo nhịp của điện áp lực.
Hệ không đồng bộ: Trong hệ này  không xác định theo điện áp lực mà được
tính dựa vào trạng thái của tải chỉnh lưu và góc điều khiển đồng bộ. Tuy nhiên để bộ
chỉnh lưu hoạt động bình thường bắt buộc phải thực hiện điều khiển theo mạch vòng
kín.
Hiện nay đại đa số mạch chỉnh lưu điều khiển theo sơ đồ đồng bộ vì khâu đồng
bộ có ưu điểm hoạt động cố định, dễ thực hiện.
4.1. CẤU TRÚC MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Ngày nay mạch điều khiển thường dùng được thiết kế theo kiểu thẳng đứng
(dọc), điều khiển đồng bộ. Sơ đồ cấu trúc có dạng sau:
ĐF là khâu đồng pha để tạo điện áp đồng pha, có tính chất cách ly nên dùng biến
áp đồng pha.
RC là khâu tạo điện áp răng cưa.
SS là khâu so sánh điện áp răng cưa với điện áp điều khiển (U
dk
là điện áp một
chiều).
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


22

DX là khâu tạo xung.
KĐX là khâu khuếch đại xung để đưa đến diều khiển đóng mở thyristor. KĐX
có tính chất cách ly nên dùng biến áp xung.
Góc điều khiển α thay đổi là do điện áp điều khiển U
dk

thay đổi.
Khi U
dk
= 0 ÷ U
Rcmax
thì α = 0 ÷ 180.
Yêu cầu chung đối với mạch điều khiển
Mạch điều khiển chỉnh lưu cần thực hiện các nhiệm vụ chính sau:
1. Phát xung điều khiển (xung để mở van) để các van lực theo đúng pha với góc
điều khiển  cần thiết.
2. Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển 



tương ứng với phạm
vi thay đổi điện áp ra tải của mạch lực.
3. Cho phép bộ chỉnh lưu làm việc bình thường với các chế độ khác nhau do tải
yêu cầu như chế độ khởi động, chế độ nghịch lưu, các chế độ dòng điện lien tục hay
gián đoạn, chế độ hãm hay đảo chiều điện áp…
4. Có độ đối xứng xung điều khiển tốt, không vượt quá 1
0
 3
0
điện, tức là góc
điều khiển với mọi van không được lệch quá giá trị trên.
5. Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều dao động
cả về giá trị điện áp và tần số.
6. Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt.
7. Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1ms.
8. Thực hiện các yêu cầu về bảo vệ bộ chỉnh lưu từ phía điều khiển nếu cần, như

ngắt xung điều khiển khi sự cố, thong báo các hiện tượng không bình thường của lưới
và bản than bộ chỉnh lưu…
9. Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van lực phù hợp để mở chắc chắn van, có
nghĩa là phải thỏa mãn các yêu cầu:
 Đủ công suất thể hiện ở điện áp và dòng điện điều khiển 




 Có sườn xung dốc đứng để mở van chính xác vào thời điểm quy định,
thường tốc độ tăng áp điều khiển phải đạt 10V/, tốc độ tăng dòng điều
khiển là 0,1A/
 Độ rộng xung điều khiển đủ cho dòng qua van kịp vượt trị số dòng điện duy
trì 

của nó, để khi ngắt xung van vẫn giữ được trạng thái dẫn.
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT GVHD: NGUYỄN DUY MINH


23

 Có dạng phù hợp với sơ đồ chỉnh lưu và tính chất tải. Có bốn dạng xung điều
khiển phổ biến là xung đơn, xung kép, xung rộng và xung chum.
Để có thể thiết kế mạch chỉnh lưu dùng van Tiristo cần xem xét kỹ lưỡng hơn
các đặc điểm điều khiển loại van này .
4.2. SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
4.2.1 Sơ đồ