THIẾT KỀ NGUỒN CẤP ĐIỆN CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP KHÔNG ĐẢO CHIỀU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIÊP
___*****___
ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
THIẾT KỀ NGUỒN CẤP ĐIỆN CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU
KÍCH TỪ ĐỘC LẬP KHÔNG ĐẢO CHIỀU

Giáo viên phụ trách : Đỗ Trọng Tín
Họ và tên : Nguyễn Ngọc Thăng
Lớp : Tự động hóa 1 – K 47
Nhóm ĐAĐTCS : I
Số hiệu sinh viên : 20022615

Đồ án điện tử công suất Nguyễn ngọc
Thăng
H Ni 7 2005
MC LC
MC LC .......................................................................................................................................................... 2
BI : ............................................................................................................................................................ 4
LI NểI U .................................................................................................................................................... 5
CHNG 1 : ...................................................................................................................................................... 6
TèM HIU V NG C IN MT CHIU ............................................................................................ 6
I. CU TO NG C IN MT CHIU ............................................................................................. 6
1. Phn tnh hay stato ........................................................................................................................ 6
2. Phn quay hay rụto ........................................................................................................................ 7
II. CC THễNG S NH HNG: ........................................................................................................... 8
III. S NGUYấN Lí NG C IN MT CHIU ........................................................................ 9
IV. PHNG PHP IU CHNH TC NG C IN MT CHIU ....................................... 9
1. iu chnh tc bng cỏch thay i in tr phn ng .................................................................. 9
2. iu chnh tc bng cỏch thay i t thụng ................................................................................ 10

3. iu chnh tc bng thay i in ỏp phn ng .......................................................................... 10
CHNG 2 : .................................................................................................................................................... 11
CHN PHNG N ...................................................................................................................................... 11
1. Mch chnh lu cu mt pha iu khin i xng ............................................................................. 11
2. Mch chnh lu hỡnh tia ba pha iu khin i xng ........................................................................ 13
3. Mch chnh lu cu ba pha iu khin i xng ............................................................................... 14
CHNG 3 : ................................................................................................................................................... 16
THIT K MCH LC ................................................................................................................................ 16
I .S MCH NG LC .................................................................................................................... 16
1. S ................................................................................................................................................... 16
2.Nguyờn lý hot ng ........................................................................................................................... 17
II .TNH TON CHN THIT B: ............................................................................................................. 18
1 . Tớnh toỏn chn mỏy bin ỏp: ........................................................................................................... 18
2. Tớnh chn van ..................................................................................................................................... 25
3. Tớnh toỏn b lc. ................................................................................................................................ 26
2
Đồ án điện tử công suất Nguyễn ngọc
Thăng
4. Tớnh toỏn bo van mch lc. .............................................................................................................. 29
CHNG 4 : .................................................................................................................................................... 32
THIT K MCH IU KHIN ................................................................................................................. 32
I. C TRC MCH IU KHIN ......................................................................................................... 32
1. Cu trỳc iu khin ngang. ................................................................................................................ 32
2 .Cu trỳc iu khin dc. ................................................................................................................... 33
3. Chc nng iu khin. ...................................................................................................................... 34
II. S MCH IU KHIN. ............................................................................................................. 35
1.Nguyờn lý hot ng : ......................................................................................................................... 37
2.Dng in ỏp mch iu khin ............................................................................................................ 37
III.TNH TON MCH IU KHIN. ..................................................................................................... 39
1. Tớnh toỏn khõu ng pha. ................................................................................................................ 39

2. Khõu to in ỏp rng ca. ............................................................................................................... 40
3. Khõu so sỏnh. ..................................................................................................................................... 43
................................................................................................................................................................ 43
4 . Khõu phỏt xung chựm. ...................................................................................................................... 44
5 . Khõu khuch i xung v bin ỏp xung. ........................................................................................... 45
6. Khõu to ngun nuụi. ...................................................................................................................... 49
................................................................................................................................................................ 49
Ta cần tạo ra nguồn điện áp để cấp cho máy biến áp xung và nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng
điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. .................................................................................................. 49
7. Tớnh bin ỏp ngun nuụi v ng pha. ............................................................................................... 50
8 .Khõu phn hi tc . ....................................................................................................................... 52
CHNG 5: ..................................................................................................................................................... 54
Mễ PHNG MCH IU KHIN .............................................................................................................. 54
........................................................................................................................................................................... 54
KT LUN ...................................................................................................................................................... 55
TI LIU THAM KHO ............................................................................................................................... 56
3
Đồ án điện tử công suất Nguyễn ngọc
Thăng
BI :
Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ một chiều kích từ
độc lập không đảo chiều có các thông số sau:
U
đm
( V )
I
đm
( A ) U
kích từ
( V ) I

kích từ
( A ) Phạm vi điều chỉnh
tốc độ
220 140 220 15 20:1
Yêu cầu :
Mạch phải đảm bảo độ trơn và ổn định tốc độ ,đồng
thời có khâu bảo vệ quá tải và chông mất kích từ .
Đồ án gồm 5 chơng nh sau :
- Chơng I : Giới thiệu chung về động cơ một chiều
- Chơng II : Chọn phơng án mạch lực
- Chơng III : Tính toán mạch lực
- Chơng IV : Mạch điều khiển
- Chơng V : Mô phỏng mạch điều khiển
4
Đồ án điện tử công suất Nguyễn ngọc
Thăng
LI NểI U

Trong nền sản suất hiện đại ,máy điện một chiều đợc coi là một
loại máy điện quan trọng . Nó đợc dùng làm động cơ điện ,máy
phát điện hay dùng trong các điều kiện làm việc khác .
Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ
rất tốt ,vì vậy máy đợc dùng nhiều trong những ngành công
nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ nh cán thép ,hàm
mỏ ,giao thông vận tai
Mặc dù động cơ điện có nhiều ứng dụng trong các ngành
công nghiệp ,nhng luôn đi kèm với nó là những yêu cầu về điện
áp ,dòng điện Chính vì vậy cần một phơng pháp nhằm đáp
ứng đợc những yêu cầu trên .
Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại ,nghiên cứu

những ứng dụng các linh kiện bán dẫn làm việc ở chế độ chuyển
mạch vào quá trinh biên đổi điện năng . Hiện nay các thiết bị
điện tử công suất chiếm hon 30% trong số các thiết bị của một
xí nghiệp hiện đại . Nhờ chủ trơng mở cửa ngày càng có thêm
nhiều xí nghiệp mới, dây truyền sản xuất mới ,đòi hỏi cán bộ kỹ
thuật và kỹ s điện những kiến thức về điện tử công suất về vi
mạch và vi xử lý . Xuất phát từ yêu cầu thực tế và tầm quan trọng
của bộ môn điện tử công suất các thầy cô trong bộ môn điện tử
công suất đã cho chúng em từng bớc tiếp xúc với việc thiết kế
thông qua đồ án môn học điện tử công suất .
Đối với những sinh viên năm thứ 3 ,đây là lần đàu tiên tiếp
xúc với thực tế .Chính vì vây , trong quá trình thc hiện đồ án
không thể tránh khỏi những thiếu sót nên em kính mong thây cô
thông cảm và bỏ qua cho chúng em .
5
Đồ án điện tử công suất Nguyễn ngọc
Thăng
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Tự
động hoá xí nghiệp công nghiệp và đăc biệt là thầy giáo Đỗ
TRọNG TíN đâ tận tinh hứơng dẫn em hoàn thành đồ án này .
Sinh viên
Dơng
Đức Anh
Chng 1 :
TèM HIU V NG C IN MT CHIU
Trong nn sn xut hin i, mỏy in mt chiu vn c coi l mt loi mỏy
quan trng. Nú cú th dựng lm ng c in, mỏy phỏt in hay dựng trong nhng
iu kin lm vic khỏc.
ng c in mt chiu cú c tớnh iu chnh tc rt tt, cú nhiu u vit
hn so vi loi ng c khỏc. Khụng nhng nú cú kh nng iu chnh tc d

dng m cu trỳc mch lc, mch iu khin n gin hn ng thi li t cht
lng iu chnh cao trong di iu chnh tc rng. ng c in mt chiu
c dựng nhiu trong nhng ngnh cụng nghip cú yờu cu cao v iu chnh tc
nh cỏn thộp, hm m, giao thụng vn ti
I. CU TO NG C IN MT CHIU
Cu to ng c in mt chiu cú th chia thnh hai phn chớnh l phn tnh
(stato) v phn quay (rụto)
1. Phn tnh hay stato
õy l phn ng yờn ca ng c, bao gm cỏc b phn chớnh sau:
a. Cc t chớnh :
Cc t chớnh l b phn sinh ra t trng gm cú lừi st cc t v dõy qun kớch
t lng ngoi lừi st cc t. Lừi st cc t lm bng nhng lỏ thộp k thut in hay
thộp cỏcbon dy 0,5 mm n 1 mm ộp li v tỏn cht. Trong ng c nh cú th
6
Đồ án điện tử công suất Nguyễn ngọc
Thăng
dựng thộp khi. Cc t c gn cht vo v mỏy nh bulụng. Dõy qun kớch t
c qun bng dõy ng bc cỏch in v mi cun dõy u c bc cỏch in
k thnh mt khi v tm sn cỏch in trc khi t trờn cỏc cc t. Cỏc cun dõy
kớch t t trờn cỏc cc t ny c ni ni tip vi nhau.
b. Cc t ph :
Cc t ph c t gia cỏc cc t chớnh v dựng ci thin i chiu. Lừi
thộp ca cc t ph thng lm bng thộp khi v trờn thõn cc t ph cú t dõy
qun m cu to ging nh dõy qun cc t chớnh. Cc t ph cng c gn vo
v mỏy nh nhng bulụng.
c. Gụng t :
Gụng t dựng lm mch t ni lin cỏc cc t, ng thi lm v mỏy. Trong
ng c nh v va thng dựng thộp tm dy un v hn li. Trong ng c in
ln thng dựng thộp ỳc. Cú th dựng gang lm v mỏy trong ng c in nh.

d. Cỏc b phn khỏc :
- Np ng c : bo v ng c khi b nhng vt ngoi ri vo ln h hng
dõy qun hay an ton cho ngi khi chm phi in. Trong ng c in nh v
va, np ng c cũn cú tỏc dng lm giỏ bi. Trong trng hp ny np ng
c thng lm bng gang.
- C cu chi than : a dũng in t phn quay ra ngoi. C cu chi than
gm cú chi than t trong hp chi than v nh mt lũ xo tỡ cht lờn c gúp. Hp
chi than c c nh trờn giỏ chi than v cỏch in vi giỏ. Giỏ chi than cú th
quay c iu chnh v trớ chi than cho ỳng ch. Sau khi iu chnh xong thỡ
dựng vớt c nh cht li.
2. Phn quay hay rụto
Phn quay gm cú nhng b phn sau:
a. Lừi st phn ng
Lừi st phn ng dựng n t. Thng dựng nhng tm thộp k thut in
(thộp hp kim silic) dy 0,5 mm ph cỏch in mng hai mt ri ộp cht li
gim hao tn do dũng in xoỏy gõy nờn. Trờn lỏ thộp cú dp hỡnh dng rónh sau
khi ộp li thỡ t dõy qun vo.
Trong nhng ng c c trung tr lờn, ngi ta cũn dp nhng l thụng giú
khi ộp li thnh lừi st cú th to c nhng l thụng giú dc trc.
Trong nhng ng c in ln hn thỡ lừi st thng chia thnh tng on nh.
Gia cỏc on y cú mt khe h gi l khe thụng giú ngang trc. Khi ng c
lm vic, giú thi qua cỏc khe lm ngui dõy qun v lừi st.
Trong ng c in nh, lừi st phn ng c ộp cht trc tip vo trc. Trong
ng c in ln hn, gia trc v lừi st cú t giỏ rụto. Dựng giỏ rụto cú th tit
7
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt NguyÔn ngäc
Th¨ng
kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto.
b. Dây quấn phần ứng
Dây quấnphần ứng là phần 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 động cơ điện
nhỏ (công suất dưới vài kilôoat) thương dùng dây có tiết dện tròn. Trong động cơ
điện vừa và lớn, thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn đựợc cách điện
cẩn thẩn với rãnh của lõi thép.
Để tránh khi quay bị văng ra so sức ly tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè
chặt hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakêlit.
c. Cổ góp
Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện
xoay chiều thành một chiều. Cổ góp có nhiều phiến đồng có đuôi nhạn cách điện
với nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một trụ tròn. Hai đầu trụ
tròn dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành góp có cao hơn một ít để
hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng.
d. Các bộ phận khác :
- Cánh quạt : dùng dể quạt gió làm nguội động cơ. Động cơ điện một chiều
thường được chế tạo theo kiểu bảo vệ. Ở hai đầu nắp động cơ có lỗ thông gió. Cánh
quạt lắp trên trục động cơ. 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 động cơ.
- Trục động cơ : trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục
động cơ thường được làm bằng thép cácbon tốt.
II. CÁC THÔNG SỐ ẢNH HƯỞNG:

Phương trình đặc tính cơ điện : ω =
φ
K
U
u
-
φ
K

RR
fu
+
I
ư

Phương trình đặc tính cơ : ω =
φ
K
U
u
-
2
)(
φ
K
RR
fu
+
M

Từ phương trình đặc tính trên ta thấy có 3 thông số ảnh hưởng tới đặc tính cơ:
- Ảnh hưởng của điện trở phần ứng : Để thay đổi điện trở phần ứng ta nối thêm
điện trở phụ R
f
vào mạch phần ứng. R
f
càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm, đồng
thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm.
- Ảnh hưởng của điện áp phần ứng : Khi giảm điện áp thì mômen ngắn mạch

giảm, dòng điện ngắn mạch giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với 1 phụ tải
nhất định.
- Ảnh hưởng của từ thông : Thay đổi từ thông bằng cách thay đổi dòng I
kt
động
cơ. Khi giảm từ thông thì vận tốc động cơ tăng.
8
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt NguyÔn ngäc
Th¨ng
III. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng và
mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được
gọi là động cơ kích từ độc lập.
Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn U
kt
, dây cuốn kích từ sinh
ra từ thông Φ. Trong tất cả các trường hợp, khi mở máy bao giờ cũng phải đảm bảo
có Φ
max
tức là phải giảm điện trở của mạch kích từ R
kt
đến nhỏ nhất có thể. Cũng
cần đảm bảo không xảy ra đứt mạch kích thích vì khi đó Φ = 0, M = 0, động cơ sẽ
không quay được, do đó E
ư
= 0 và theo biểu thức U = E
ư
+ R
ư
I

ư
thì dòng điện I
ư
sẽ
rất lớn làm cháy động cơ. Nếu mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản
(M > M
c
) rôto bắt đầu quay và suất điện động E
ư
sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n.
Do sự xuất hiện và tăng lên của E
ư
, dòng điện I
ư
sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng
chậm hơn.
IV. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Từ biểu thức : ω =
φ
K
U
u
-
2
)(
φ
K
RR
fu
+

M
ta thấy rằng việc điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều có thể thực hiện được
bằng cách thay đổi các đại lượng Φ, R
ư
, U.
1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng
Ứng với mỗi giá trị của R
f
có một đặc tính cơ khác nhau trong đó R
f =
0 là đặc
tính cơ tự nhiên. Ta thấy nếu R
f
càng lớn thì đặc tính cơ sẽ có độ dốc càng cao nghĩa
là tốc độ thay đổi nhiều khi tải thay đổi. Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh
tốc độ trong vùng dưới tốc độ quay định mức và luôn kèm theo tổn hao năng lượng
9
ω Mc
ω
0



Rn(TN)

R
f1

§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt NguyÔn ngäc
Th¨ng

trên điện trở phụ, làm giảm hiệu suất của động cơ điện. Vì vậy phương pháp này chỉ
áp dụng ở động cơ có công suất nhỏ

2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh mômen
điện từ của động cơ M = K.Φ.Iư và sức điện động quay của động cơ
E
ư
= K.Φ.ω Mạch kích từ của động cơ là mạch phi tuyến nên hệ điều chỉnh từ
thông cũng là hệ phi tuyến:
i
k
=
kb
k
rr
e
+
+ ω
k
dt
d
φ
trong đó r
k
– điện trở dây quấn kích thích
r
b
– điện trở của nguồn điện áp kích thích
ω

k
– số vòng dây của dây quấn kích thích
Thường khi điều chỉnh điện áp phần ứng được giữ nguyên bằng giá trị định mức,
do đó đặc tính cơ thấp nhất trong vùng điều chỉnh từ thông chính là đặc tính có điện
áp phần ứng định mức, từ thông định mức và được gọi là đặc tính cơ bản.
Vì β
Φ =
u
R
K
2
)(
φ
nên độ cứng đặc tính cơ giảm rất nhanh khi ta giảm từ thông
để tăng tốc độ cho động cơ

3. Điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp phần ứng
Khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song
song với đặc tính cơ tự nhiên.
10
n

(3)

(2)

(1)
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt NguyÔn ngäc
Th¨ng
Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp ( giảm áp ) thì mômen ngắn mạch, dòng điện

ngắn mạch giảm và tốc
độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng
được dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động.
Chương 2 :
CHỌN PHƯƠNG ÁN
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 sẽ 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.
1. Mạch chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng
- Các van dẫn lần lượt theo từng cặp (T
1
, T
2
) và (T
3
, T
4
).
11
ω
ω
01
U
dm
(TN)

ω
03

U
1
ω
04

§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt NguyÔn ngäc
Th¨ng
-
- Góc mở van α, góc dẫn các van λ
0 – α : T
1
, T
2
dẫn
α – α + λ : T
3
, T
4
dẫn, đồng thời T
1
, T
2
khóa lại
Công thức:
U
dα
=

π
22
U
2
cosα = 0,9U
2
cosα
I
dα
=
Rd
U
d
α
I
v
=
2
d
I
S
ba
= 1,23P
d
U
ngmax
=
2
U
2

I
2
= 1,11I
d
*
Nhận xét:
12
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt NguyÔn ngäc
Th¨ng
Chỉnh lưu cầu một pha sử dụng rộng rãi trong thực tế, nhất là với cấp điện áp
tải lớn hơn 10V. Dòng tải có thể lên tới 100A. Ưu điểm của nó là không nhất thiết
phải có biến áp nguồn. Tuy nhiên do số lượng van gấp đôi hình tia nên sụt áp trong
mạch van cũng tưng gấp đôi. Do đó nó không phù hợp với tải cần có dòng lớn
nhưng điện áp nhỏ.
2. Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển đối xứng
- Dòng điện i
d
phẳng do L
d
rất lớn.
- Hoạt động của mạch với góc điều khiển α
θ : 0
0
– 30 + α : T
3
dẫn
θ : 30 + α – 150
0
+ α : T
1

dẫn
θ : 150 + α – 270
0
+ α : T
2
dẫn
Các van hoạt động riêng, độc lập
R1
L1
T3
T2
T1

Công thức:
U
dα
=
π
2
63
U
2
cosα = 1,17U
2
cosα
I
dα
=
Rd
U

d
α
I
v
=
3
d
I
S
ba
= 1,35P
d
U
ngmax
=
6
U
2
I
2
= 0,58I
d
*
Nhận xét:
Chỉnh lưu tia 3 pha cần có biến áp nguồn để đưa điểm trung tính ra tải. Công
suất máy biến áp này hơn công suât một chiều 1,35 lần, tuy nhiên sụt áp trong mạch
van nhỏ nên thích hợp với phạm vi điện áp thấp. Vì sử dụng nguồn ba pha nên cho
13
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt NguyÔn ngäc
Th¨ng

phép nâng công suất tải lên nhiều (đến vài trăm ampe), mặt khác độ đập mạch của
điện áp ra sau mạch chỉnh lưu giảm đáng kể nên kích thước bộ lọc cũng nhỏ đi
nhiều.
3. Mạch chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng
- Hoạt động của mạch: các van nhóm lẻ thay nhau dẫn cho điện áp ở điểm
katốt chung U
KC
,

các van nhóm chẵn thay nhau dẫn cho điện áp ở điểm anốt
chung U
AC
.
- Công thức:
U
dα
= U
do
cosα =
π
63
U
2
cosα
i
d
= I
d
=

d
d
R
U
α

I
tbv
=
3
d
I
U
ngmax
=
6
U
2
S
ba
= 1,05P
d
I
2
= 0,816I
d
*
Nhận xét:
Chỉnh lưu 3 pha sơ đồ cầu là loại được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế vì
nó có nhiều ưu điểm hơn cả. Nó cho phép có thể đấu thẳng vào lưới điện ba pha, độ

đập mạch nhỏ 5%. Nếu có 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 rất lớn đến hàng trăm kW.
14
Đồ án điện tử công suất Nguyễn ngọc
Thăng
Nhc im ca mch ny l st ỏp trờn van gp ụi st ỏp trờn van trong mch s
hỡnh tia.
Chn mch van:
Theo yờu cu ca bi: U
m
= 220V, I
m
= 140A ta cú cụng sut ca ng c l
P
m
= U
m
. I
m
= 220*140 = 30800 W = 30,8 kW
Cụng sut ny khỏ ln nờn ta s dng mch chnh lu cu 3 pha.
Mt khỏc yờu cu ngun cung cp cho ng c phi iu chnh c in ỏp,
in ỏp iu chnh phi trn nờn ta chn van phi l van iu khin.
Nh vy ta s chn mch lc l mch chnh lu cu ba pha iu khin i xng.
Ta s dng li in ba pha cú in ỏp pha 220V, nh vy in ỏp ra ca mch
chnh lu l: U
d
=

63

U
2
cos = 2,34.220.cos = 514,8cos
Suy ra = arccos
8,514
d
U
Theo bi: di iu chnh ca ng c l 20:1, in ỏp nh mc ca ng c
l 220V ng vi vn tc nh mc ca ng c. Nh vy in ỏp ng vi vn tc
nh nht iu chnh c ca ng c l 220:20 = 11V.
Vi U
d
= 220V thỡ
min
= arccos
8,514
d
U
= arccos
8,514
220
= 64,7
0

Vi U
d
= 11V thỡ
max
= arccos
8,514

d
U
= arccos
8,514
11
= 88,8
0
(
min
-
max
) nm trong khong iu chnh c ca gúc m

(khong nh hn
150
0
). Nh vy ta cú th s dng mch chnh lu ny u trc tip vo li in,
khụng cn thụng qua bin ỏp.Nhng do góc điều khiển
min
quá lớn nên
cần dùng một biến áp nhằm tăng dài điều chỉnh .
Kt lun:
Qua xem xột v tớnh toỏn trờn, ta chn mch lc l mch chnh lu cu ba
pha iu khin i xng v cn dựng bin ỏp ngun
15
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt NguyÔn ngäc
Th¨ng
Chương 3 :
THIẾT KẾ MẠCH LỰC
I .SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC

1. Sơ đồ
16
Đồ án điện tử công suất Nguyễn ngọc
Thăng
BA
AT
KKK
A
V
RI
Đ
KT
L
A B
C
FT
R
R
R
R
R
R
R
R
R
C
C
C
C
C

C
C
C
C
T4
T3
T5
T2
T6
T1
K
RI
K
0
220V
~
~
2.Nguyờn lý hot ng
Điện áp lới sau khi qua Atômát và Rơle đợc đa tới biến áp lực
.Biến áp lực có nhiệm vụ thay đổi điện áp đến giá trị mong đợi
,từ đây điện áp đợc cung cấp cho hệ thông chỉnh lu Thyristo
17
Đồ án điện tử công suất Nguyễn ngọc
Thăng
cầu 3 pha đối xứng . Sau đó cung cấp động cơ làm việc với giá
trị điện áp này .Động cơ hoạt động đơc là do một hệ thống
kích từ độc lập . Khâu phát tốc dung để diều chỉnh diẹn áp làm
việc của động cơ .
II .TNH TON CHN THIT B:
Thông qua phơng án lựa chọn chỉnh lu cầu 3 pha ở chơng 2

cùng với sơ đồ mạch lực đã trình bày ở trên ta thấy cần tính toán
các thiết bị sao cho thật phù hợp . Các thiết bị chính cần tính
toán ở đây bao gồm : Máy biến áp ,van ,thiết bị bảo vệ ,cuộn
cảm .
1 . Tớnh toỏn chn mỏy bin ỏp:
Các đại lợng cần thiết cho tính toán một máy biến áp chỉnh lu
cầu 3 pha a. Điện áp chỉnh lu không tải

U
d0
= U
d
+U
ba
+U
v
+U
ck

Trong đó :
U
d0
: Điện áp chỉnh lu không tải
U
d
: Điện áp chỉnh lu .
U
ba
: Sụt áp trên biến áp .
U

v
: Sụt áp trên van .
U
ck
: Sụt áp trên cuộn kháng
Do theo yêu cầu của đề bài ,đối với sơ đồ cầu 3 pha ta có các
thông số sau :
k
u
=2.34 ; k
s
=1.05 ; k

=3/ ; m = 3 ;
Theo các giá trị sụt áp trên van ta tính đợc nh sau :
U
d0
=
( )
1
1 Uba
UUUU
ckvbad
++
+++
(1)
Trong đó :
U
ba
=11 (V) ; U

v
= 1.15 (V) ; U
ck
=11 (V) ; U
1
=0.05
a =
0399.0*
*
*
2
=
x
s
u
e
kk
km

b =
0209.0*
*
2
2
=
ẻ
s
u
e
kk

m
Thay vào công thức 1 ta có :
18
Đồ án điện tử công suất Nguyễn ngọc
Thăng
U
d0
=
( )
( )
V27574.274
05.00209.00399.01
111115.1*2220
=
++
+++
b . Xác định công suất tối đa của tải :
P
dmax
= U
d0
*I
d
=275*140 =38500 (W) =38.5(kW)
c . Công suất máy biến áp nguồn đợc tính
S
ba
=k
s
* P

dmax
=1.05*38500 =40.425(VA)
40(kVA)
d . Điện áp định mức phía thứ cấp :
U
2đm
=
( )
( )
)(124
34.2*05.01
275
*1
1
0
V
kU
U
u
d
=

=

Hệ số máy biến áp :
k
ba
=
78.1
124

220
2
1
==
dm
dm
U
U
e . Tính toán sơ bộ mạch từ :
Tiết diện trụ Q
Fe
của lõi thép biến áp đợc tính từ công thức :

Q
Fe
=k
Q

fm
S
ba
*
Trong đó : k
Q
: Hệ số phụ thuộc làm mát .
Chọn k
Q
= 5
Theo thực nghiệm sản suất thông thờng :
Q

Fe
=5*
)(8464.81
50*3
2
cm
S
ba
=

Đờng kính trụ:
)(20,10
64.84.4
.4
cm
Q
d
Fe
===

Chuẩn hoá đờng kính trụ theo tiêu chuẩn d = 10(cm)
Chọn loại thép E330 các lá thép có độ dày 0,5 mm

f. Tính toán dây quấn máy biến áp .
* / Tính toán điện áp của các cuộn dây .
- Điện áp cuộn dây thứ cấp :
U
2
=
=

U
D
k
U
0
( )
V52.117
34.2
275
=
- Điện áp cuộn dây sơ cấp U
1
bằng điện áp nguồn cấp .
*/ Tinh dòng điện trong các cuộn dây .
Ta có :
)(75.183
220
38500*05.1
*
1
max1
1
A
U
Pk
I
s
===
19
Đồ án điện tử công suất Nguyễn ngọc

Thăng
I
2
=
)(98.343
52.117
38500*05.1
2
2
A
U
S
ba
==
* / Tính vòng dây của mỗi cuộn dây ;
Ta có :
Số Vôn/vòng = 4.44*B*Q*f*10
-4
B = 1.5 (T); Q=84(cm
2
); f = 50(Hz)
Thay số :
Số vòng dây của cuộn một :
Số Vôn/vòng = 4.44*1.5*84*50*10
-4
=1.8648
W
1
= ( Số Vôn/vòng)*U
1

= 1.8648*220 = 410(vòng)
W
2
=(Số Vôn/ vòng)*U
2
= 1.8648*124 = 232 (vòng)
* / Tính toán tiết diện dây quấn .
S
Cu
=
J
I
Trong đó :
I : Cờng đọ òng điện trong các cuộn dây
J : Mật độ dòng điện trong các cuôn dây
Chọn J = 2.75 ( A/mm
2
)
Thay số :
S
Cu1
=
)(66
75.2
75.183
2
mm=
D
1
=

( )
mm
S
9
*4
1


Chọn S
Cu2
= S
cu1
= 66(mm
2
) D
2
= D
1
= 9(mm)

g . Tính toán kích thớc mạch từ .
Do theo yêu cầu của đầu bài , ở đây công suất lớn nên phải
dùng trụ có nhiều bậc .
Chọn lá thép có độ dày : 0.5(mm)
Diện tích của sổ cần thiết :
Q
CS
= Q
CS1
+Q

CS2
Với :
Q
CS1
= k
lđ
*W
1
*S
Cu1
; Q
CS1
= k
lđ
*W
2
*S
Cu2

Trong đó :
Q
CS1
, Q
CS2
: Phần do cuộn sơ cấp và thứ cấp chiếm chỗ
W
1
,W
2
: Số vòng dây sơ cấp và thứ cấp

k
lđ
: Hệ số lấp đầy , chọn k
lđ
= 2.5
Thay số :
Q
CS
= 2.5*410*66 + 2.5*232*66 =105930 (mm
2
) =106
(cm
2
)
20
Đồ án điện tử công suất Nguyễn ngọc
Thăng
h .Tính kích thứơc cửa sổ :
Khi đã có diện tích cửa sổ Q
CS
cần chọn các kích thớc cơ bản
là chiều cao h và chiều rộng ccủa cửa sổ mạch từ .Tuỳ theo thiết
kế mà chọn giá trị cơ bản c và h . Thong thòng chọn theo hệ số
phụ nh sau :
m =
a
h
= 2.5 ; n =
a
c

= 0.5 ; l =
a
b
= 1 ữ1.5
Tính toán ta đợc : a = 10 (cm) ; b = 12(cm) ; c = 6(cm) ; h =
25(cm)
Chiều rộng toàn bộ mạch từ là : C = 2*c +3*a = 42 (cm)
Chiều cao toàn bộ mạch từ la : H = h + 2*a = 45 (cm)

i . Tính kết cấu dây quấn .
Dây quấn đợc bố trí theo dọc trụ , mỗi quận dây quấn thành
nhiều lớp . Mỗi lớp đợc quấn liên tục, các vòng dây sát nhau, Các lớp
dây cách nhau bằng một bìa cách điện.
- Số vòng dây trên mỗi lớp:
+ Kết cấu dây quấn sơ cấp :
Khi dây quấn tiết chữ nhật :

21
Đồ án điện tử công suất Nguyễn ngọc
Thăng
W
1L
=
e
n
g
k
b
hh 2
=

)(4951.4895.0*
47.0
5.0*225
vong=


Trong đó:
h : chiều cao cửa sổ.
b
n
: bề rộng dây quấn kể cả cách điện.
h
g
: khoảng cách cách điện với gông: h
g
= 5(mm)
k
e
: hệ số ép chặt k
e
= 0.95
Số lớp dây trong cửa sổ đợc tính bằng tỷ số số vòng dây W
của cuộn W
1
hoặc W
2
cần tính trên số vòng dây trên một lớp.
W
1d
=

l
W
W
1
1
=
)(45,8
49
410
lop=
Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp :
Tính chiều dài của các cuộn dây đồng
Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dầy :
S
01
=0,1 (cm)
Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp a
01
= 1,0(cm)
Đờng kính trong của ống cách điện
D
t
= d
fe
+ 2 . a
01
2 .S
01
= 10 + 2.1 - 2.0,1 = 11,8(cm)
Đờng kính trong của cuộn sơ cấp

D
t1
= D
t
+ 2 . S
01
= 11,8 + 2 . 0,1 = 12(cm)
Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp
cd
11
= 0,1(mm)
Bề dày cuộn sơ cấp
Bd
1
= (a
1
+ cd
11
) . n
11
= (1,45+0,1).6,1 = 8,9(mm) = 0,89(cm)
Đờng kính ngoài của cuộn sơ cấp
D
n1
= D
t1
+ 2 . Bd
1
= 12 + 2.0,89 = 13,78(cm)
Đờng kính trung bình của cuộn sơ cấp :

D
tb1
= ( D
t1
+ D
n1
) / 2 = (12 + 13,78 )/2 = 12,89 (cm)
Chiều dài dây cuộn sơ cấp :
l
1
= W
1
. . D
tb


= 410. . 12,89 = 16603,0 (cm) = 166,03 (m)
Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp :
cd
01
= 1,0(cm)
+ Kết cấu dây quấn thứ cấp
22
)(24,24
95,0
47,0.49.
111
1
cm
k

bw
h
e
===
Đồ án điện tử công suất Nguyễn ngọc
Thăng
Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp
h
1
= h
2
= 25 (cm)
Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp:
5895,0.
41,0
25
.
2
2
12
==
e
k
b
h
w
(vòng)
Tính sơ bộ số lớp dây quấn trên cuộn thứ cấp :
4
58

232
12
2
12
===
w
w
n
(lớp)
(Chọn số lớp dây cuốn n
12
= 4 lớp ,).
Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp :
67,14
95,0
41,0.34
k
b.w
h
e
212
2
===
(cm)
Khoảng cách từ trụ tới cuộn thứ cấp là: a
12
= 1,0 (cm)
Đờng kính trong của cuộn thứ cấp :
D
t2

= D
n1
+ 2 . a
12
= 13,78 + 2.1,0 = 15.78 (cm)
r
t2
= D
t2
/2 =7,89 (cm)
Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp
cd
22
= 0,1(mm)
Bề dầy cuộn thứ cấp :
Bd
2
= (a
2
+ cd
22
) .n
12
= (0,145 + 0,01) . 4 = 0,62 (cm)
Đờng kính ngoài của cuộn thứ cấp:
D
n2
= D
t2
+ 2 .Bd2 = 15,78+ 2 . 0,62 = 17,02(cm)

Đờng kính trung bình của cuộn thứ cấp :
D
tb2
= ( D
t2
+ D
n2
) / 2 = (15,78 + 17,02) / 2 = 16,4(cm)
Chiều dài dây quấn thứ cấp :
l
2
= . w
2
. D
tb2
= . 232.14,76 = 11953,13(cm)
l
2
119,53 (m)
Đờng kính trung bình các cuộn dây:
D
12
= ( D
t1
+ D
n2
) / 2 = (12 + 17,02 )/2 =
14,51(cm)
r
12

= D
12
/2 =6,43 (cm)
j) Khối lợng sắt:
Khối lợng sắt bằng tích thể tích sắt trụ và gông nhân với trọng
lợng của sắt.
M
Fe
= V
Fe
. m
Fe
V
Fe
: thể tích khối sắt.
23
Đồ án điện tử công suất Nguyễn ngọc
Thăng
V
Fe
= Q
Fe
.( 3h+ 2c) = 0.84* (3*2,5 +2*5) = 14,7
(dm
3
)
m
Fe
= 7,85. Q
Fe

(3h+ 2c) = 115,395 (kg)
l) Khối lợng đồng:
Khối lợng đồng đợc tính tơng tự khối lợng sắt.
M
Cu
= V
Cu
. m
Cu
Trong đó:
V
Cu
: thể tích khối đồng.
V
Cu
= S
Cu
. l
S
Cu
: tiết diện dây đồng.
l : chiều dài dây đồng.
m
Cu
= 8,9 Kg/dm
3
.
Thay số :
M
Cu

= 8,9. S
Cu
. l = 16.7(kg)
m) Tổng sụt áp bên trong biến áp
* Điện áp rơi trên trở:
U
r
= [R
2
+
2
1
2
1








W
W
R
] I
d
Trong đó:
R
1

, R
2
: điện trở thuận của các cuộn dây
R
1
=
Cu

s
l
1
= 0.0000172*
66
166030
=0.043 ()
R
2
=
Cu
s
l
2

= 0.000072*
66
119530
=0.031 ()
Với
Cu
= 0,0000172 mm.

I
d
: dòng tải một chiều.
* Điện áp ra trên quận kháng:

U
x
=
dnf
m

1
Trong đó:

7
21
2
2
2
10.
3
.8







+

+






=

BdBd
cd
h
R
W
bk
n
m
f
: số pha biến áp.
W
2
: số vòng dây thứ cấp biến áp.
R
bk
: bán kính dây thứ cấp.
l : chiều cao lá thép.
24
Đồ án điện tử công suất Nguyễn ngọc
Thăng
h : Chiều cao cửa sổ lõi thép

cd : bề dày cách điện của các cuộn dây với nhau .
Chọn cd = 2 (mm)
Qua tính toán:
X
n
= 0.00597 () U
x
= 0.800(V)
Điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp:
)(014,19
314
00597,0
H
w
X
L
ba
ba
à
===
h) Điện trở ngắn mạch
R
nm
= R
2
+
2
1
2

W
W
* R
1
R
nm
= 0. 014
o) Tổng trở ngắn mạch
Z
nm
=
22
nmnm
xr + =
22
00597.0014.0 +
=0.015()
p) Tính điện áp phần trăm ngắn mạch
U
nm
% = 100.
m
nmm

U
Z



2
= 1.79 (%)
q) Dòng điện ngắn mạch:
I
nm
=
nm
m
Z
U
2
=
)(7800
015.0
117
A=
Nhận xét: kết quả tính đợc ở trên chỉ hoàn toàn có ý nghĩa về
lý thuyết còn thực tế khi lắp biến áp cần quan tâm đến rất
nhiều vấn đề khác nh: làn mát, cách điện
2. Tớnh chn van
Các van trong mạch chỉnh lu công suất làm việc với dòng điện
lớn, điện áp cao, công suất phát nhiệt trên nó khá mạnh vì vậy
công việc chọn van phải hợp lý mới đảm bảo mạch hoạt động tin
cậy.
Khi chọn van cần quan tâm tới 2 chỉ tiêu: chỉ tiêu dòng điện

và chỉ tiêu điện áp.
*) Tính chọn van theo chỉ tiêu dòng điện:
Theo yêu cầu của đề bài:
I = 140(A), tra bảng 1.1 ta có:
I
tby
=
3
d

= 46,67(A)
Khi làm việc, dòng diện qua động cơ, các van thờng xuyên
25