Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

1
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

ω

1

Mục Lục

1


2
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

LỜI NÓI ĐẦU
Vài năm trở lại đây kĩ thuật điện tử và bán dẫn công suất phát triển mạnh mẽ.
Các thiết bị điện tử công suất có nhiều ưu điểm: có khả năng điều khiển,có chỉ
tiêu kinh tế cao, kích thước và trọng lượng thấp, độ tin cậy và chính xác cao…
Ứng dụng của chúng vào việc biến đổi năng lượng là điều khiển điện áp và dòng
điện xoay chiều thành một chiều và ngược chiều ngày càng sâu rộng.
Việc nghiên cứu một cách tỷ mỷ về lĩnh vực điện tử công suất là việc cần
thiết đối với sinh viên và cán bộ kỹ thuật điện. Khi chế tạo các thiết bị điện tử
công suất đòi hỏi những kiến thức không chỉ mạch động lực, mà những kiến
thức về mạch điều khiển và tính chọn các thiết bị thế nào cho hợp lý là rất cần
thiết.
Đồ án này trình bày các hướng dẫn Thiết kế một thiết bị điện tử công
suất( chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do). Thiết bị được hướng dẫn theo nguyên
tắc thiết kế thành thiết bị hoàn chỉnh từ mạch động lực tới mạch điều khiển.

Đồ án này gồm 4 chương:

Chương 1: Thiết kế sơ đồ mạch động lực.
Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển.
Chương 3: Tính chọn thiết bị.
Chương 4: Mô phỏng

Sau đây là đồ án môn học của em.

2

2


3
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

CHƯƠNG 1. THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC
1.1. Đặt vấn đề
Trong kỹ thuật điện rất nhiều trường hợp yêu cầu biến đổi nguồn điện áp
xoay chiều thành nguồn điện áp một chiều và điều chỉnh điện áp một chiều đầu
ra. Để thực hiện việc này người ta có nhiều cách khác nhau, ví dụ như dùng tổ
hợp động cơ - máy phát, dùng bộ chỉnh lưu... nhưng phổ biến nhất và có hiệu
suất cao nhất là sử dụng các sơ đồ chỉnh lưu bằng các phần tử bán dẫn. Các sơ
đồ chỉnh lưu (bộ biến đổi xoay chiều – một chiều) là các bộ biến đổi ứng dụng
tính chất dẫn dòng một chiều của các phần tử điện tử bán dẫn để biến đổi điện
áp xoay chiều thành điện áp một chiều một cách trực tiếp.
Hiện nay các phần tử điện tử hầu như không được dùng trong các sơ đồ
chỉnh lưu vì có kích thước lớn, hiệu suất thấp. Các phần tử chủ yếu được sử
dụng hiện nay là các thyristor và các điôt bán dẫn. Các sơ đồ chỉnh lưu có nhiều
dạng khác nhau và được ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau, ví dụ như là
để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, cung cấp điện áp một chiều cho các

thiết bị mạ điện, điện phân, cung cấp điện áp một chiều cho các thiết bị điều
khiển, các đèn phát trung tâm và cao tần…. Các sơ đồ chỉnh lưu cũng được dùng
từ công suất rất nhỏ đến công suất rất lớn.
1.2. Sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha có diode đệm (D0).
1.2.1. Sơ đồ nguyên lý.
Đây là sơ đồ nguyên lý bộ
chỉnh lưu hình tia 3 pha không
có diode không.
Trong sơ đồ này:
- BA là máy biến áp 3 pha dùng
để cung cấp cho sơ đồ chỉnh
lưu.
- Các thyristor T1, T2, T3 dùng
để biến điện áp xoay chiều 3
pha bên thứ cấp máy biến áp
BA là ua, ub, uc thành điện áp một chiều trên tải ud .
- Rd, Ld, Ed là các phần tử phụ tải của bộ chỉnh lưu.
- iA, iB, iC dòng các pha cuộn dây sơ cấp của BA.
- ia, ib, ic dòng các pha cuộn dây thứ cấp của BA
3

3


4
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

- iT1, iT2, iT3 dòng các van chỉnh lưu.
- id dòng điện chỉnh lưu.
1.2.2. Giản đồ dòng điện, điện áp của các phần tử .

Với sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha ứng với trường hợp tải Ld = ∞

1.2.3. Các biểu thức tính toán cơ bản:

4

4


5
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

1.3. Thiết kế sơ đồ mạch động lực.

1.3.1. Giới thiệu sơ đồ
Trong sơ đồ này:
- BA là máy biến áp cung cấp, với sơ đồ tia ba pha thì có thể dùng máy biến
áp ba pha.
- Các van điều khiển T1, T2, T3 dùng để biến điện áp xoay chiều thành một
chiều. Ba van này được mắc katôt chung.
- Ed, Ld, Rd là các phần tử của phụ tải.
- u1, u2 là điên áp trên cuộn dây sơ cấp (điện áp lưới) và điện áp cuộn thư
cấp.
- i1, i2 là dòng điên cuộn dây sơ cấp (dòng điện lưới) và dòng điện thứ cấp.
- Mạch bảo vệ RC.
- Cuộn kháng CK.
1.3.2. Nguyên lý làm việc của sơ đồ.
Ta giả thiết sơ đồ có Ld = ∞, sơ đồ đã làm việc xác lập trước thời điểm bắt
đầu xét. Với sơ đồ này, tuỳ thuộc vào giá trị góc điều khiển α mà có thể xẩy ra 2
trường hợp:

+ Khi 300 ≥ α ≥ 00 thì van D0 không làm việc nên hoạt động của sơ đồ hoàn
toàn giống như khi không có D0, lúc đó các biểu thức tính toán giống như khi
không có D0: Ud = Udo.cosα
+ Khi 1500 ≥ α >300 lúc này D0 sẽ làm việc, sự làm việc của sơ đồ được tóm
tắt như sau:
− Từ ωt = 0 ÷ ωt = π/3 van T3 dẫn dòng, ta có:
ud = uc; iT1 = 0; iT2 = 0; iT3 = id = Id; iDo = 0; uT1 = uac; uT2 = ubc; uT3 = 0;
− Các khoảng: Từ ωt = π/3 ÷ ωt = ν1 = π/6 + α, từ ωt = π ÷ ωt = ν2, từ ωt =
5π/3 ÷ ωt = ν3, từ ωt = 7π/3 ÷ ωt = ν4 van D0 dẫn dòng:
5
5


6
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

ud = 0; iT1 = 0; iT2 = 0; iT3 = 0; iDo = id = Id; uT1 = ua; uT2 = ub; uT3 = uc;
− Từ ωt = ν1 = π/6 + α ÷ ωt = π van T1 dẫn dòng:
ud = ua; iT1 = id = Id; iT2 = 0; iT3 = 0; iDo = 0; uT1 = 0; uT2 = uba; uT3 = uca;
− Từ ωt = ν2 ÷ ωt = 5π/3 van T2 dẫn dòng:
ud = ub; iT1 = 0; iT2 = id = Id; iT3 = 0; iDo = 0; uT1 = uab; uT2 = 0; uT3 = ucb;
− Từ ωt = ν3 ÷ ωt = 7π/3 van T3 dẫn dòng:
ud = uc; iT1 = 0; iT2 = 0; iT3 = id = Id; iDo = 0; uT1 = uac; uT2 = ubc; uT3 = 0;
− Từ ωt = ν4 thì van T1 lại dẫn dòng,sơ đồ lặp lại trạng thái làm việc giống
như từ ωt = ν1.
1.3.3. Các biểu thức cơ bản

6

6

7
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

d. Giản đồ điện áp mạch động lực

7

7


8
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

8

8


9
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

CHƯƠNG 2.THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
2.1 Đặt vấn đề
Ở chương trước chúng ta đã nghiên cứu sự hoạt động của sơ đồ mạch động
lực bộ biến đổi có điều khiển dùng các thyristor. Để các van của bộ chỉnh lưu có
thể mở tại các thời điểm mong muốn thì ngoài điều kiện hiện tại thời điểm đó ta
vẫn phải có điện áp thuận đặt lên A, K thì trên điện cực điều khiển (tín hiệu điều
khiển). Để có tín hiệu điều khiển xuất hiện đúng theo yêu cầu mở van đã nêu,

người ta sử dụng một mạch điện tạo ra các tín hiệu đó được gọi là mạch điều
khiển hay hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu. Điện áp điều khiển của các thyristor
phải đáp ứng được các yêu cầu cần thiết về công suất, cũng như thời gian tồn tại.
Do đặc điểm của thyristor là khi van đã mở thì việc còn tín hiệu điều khiển hay
không điều khiển ảnh hưởng đến dòng qua van, vì vậy để hạn chế công suất của
mạch phát tín hiệu người ta thường tạo ra các tín hiệu điều khiển thyristor có
dạng các xung, do đó mạch điều khiển còn được gọi là mạch phát xung điều
khiển.
Các hệ thống phát xung điều khiển bộ chỉnh lưu hiện đang sử dụng có thể
phân ra làm 2 nhóm:
+ Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ
+ Nhóm các hệ thống điều khiển không đồng bộ
Nhóm các hệ thống điều khiển đồng bộ được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.
Đây là nhóm các hệ thống điều khiển mà các xung điều khiển xuất hiện trên
điện cực điều khiển các thyristor đúng thời điểm cần mở van và lặp đi lặp lại
mang tính chất chu kỳ với chu kỳ thường bằng chu kỳ mạch xoay chiều cung
cấp cho sơ đồ chỉnh lưu.
Các hệ thống điều khiển đồng bộ thường được sử dụng hiện nay bao gồm:
+ Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha đứng
+ Hệ thống điều khiển chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha ngang
+ Hệ thống điều khiển chỉnh lưu dùng điôt 2 cực gốc.
2.2. Mạch điều khiển bộ chỉnh lưu theo nguyên tắc khống chế pha ngang
2.2.1. Nội dung phương pháp:
Để tạo xung điều khiển cho các van chỉnh lưu trước trên người ta tạo ra các
tín hiệu điều khiển hình sin có tần số bằng tần số xung điều khiển các thyristor
tức là bằng tần số nguồn cung cấp xoay chiều và có biên độ không đổi. Có xung
9

9

10
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

điều khiển các van sẽ được tạo ra tại các thời điểm bằng không và bắt đầu
chuyển sang dương của các điện áp điều khiển hình sin đã nêu. Việc thay đổi giá
trị góc điều khiển được thực hiện bằng cách thay đổi góc pha của các điện áp
điều khiển hình sin.
Như vậy đối với hệ thống điều khiển này thì việc trước tiên ta phải tạo ra
được bộ điện áp điều khiển hình sin với biên độ không đổi và góc pha điều
khiển được. Để thực hiện nhiệm vụ này, hiện nay người ta sử dụng các sơ đồ cầu
dịch pha dùng điện trở, tụ điện (cầu R – C) hoặc điện trở, điện cảm (cầu R – L).
Khi đã có dạng điện áp điều khiển hình sin như đã nêu thì việc tạo ra các xung
điều khiển cho các thyristor tại những thời điểm bằng không và bắt đầu chuyển
sang dương của các điện áp hình sin có thể thực hiện bằng nhiều sơ đồ khác
nhau, đơn giản nhất là dùng các điôt, ngoài ra có thể sử dụng mạch biến đổi
tương tự, số bằng vi mạch. Sau khi đã có các xung xuất hiện đúng thời điểm cần
thiết thì tuỳ thuộc vào dạng và công suất xung đã có và xung yêu cầu cần có mà
ta có thể sử dụng các mạch của xung và khuếch đại xung.
Một hệ thống điều khiển theo pha ngang thường bao gồm 5 khối cơ bản sau:
+ Khối 1: Khối đồng bộ hoá
+ Khối 2: Khối tạo xung
+ Khối 3: Khối so sánh
+ Khối 4: Khối phải hồi
2.2.2. Hệ thống điều khiển dùng điôt hai cực gốc (còn gọi là tranzitor một
tiếp giáp UJT).
Nội dung của phương pháp điều khiển điôt hai cực gốc
Phương pháp này tạo ra các xung nhờ việc so sánh giữa điện áp răng cưa
xuất hiện theo chu kỳ nguồn xoay chiều với việc điều chỉnh sự mở của điôt hai
cực gốc (tranzito một tiếp giáp UJT).

Ưu nhược điểm của phương pháp:
Phương pháp này có ưu điểm là: Mạch tương đối đơn giản, xung ra đủ để mở
các thyristor có công suất nhỏ.
Nhược điểm của phương pháp này là: góc mở á có phạm vi điều chỉnh hẹp,
vì ngưỡng mở của tranzitor một tiếp giáp UJT phụ thuộc vào điện áp lưới
mạch thường đưa ra những xung điều khiển gây tổn thất phụ trong mạch điều
khiển.
10

10


11
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

Sơ đồ khối hệ điều khiển theo pha đứng:
Khối 1
u1

Khối 2

Khối 3

SS

ĐBH

uđKt

TX

Uđk
PHA

Khối 4
- Khối 1: Khối đồng bộ hoá.
- Khối 2: Khối so sánh
- Khối 3: Khối tạo xung
- Khối 4: Khối phản hồi âm
+ u1 – là điện áp lưới(nguồn) xoay chiều cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu.
+ uđk – là điện áp điều khiển, đây là điện áp một chiều được đưa từ ngoài
và để điều khiển giá trị góc á.
+ uđKt – là điện áp điều khiển thyristor, là chuỗi các xung điều khiển lấy từ
đầu ra hệ điều khiển( cũng là đầu ra khối tạo xung), và được truyền đến điện cực
điều khiển( G) và katot(K) của thyristor.
Nguyên lý cơ bản của hệ điều khiển theo nguyên tắc khống chế pha đứng.
Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực bộ chỉnh lưu được đưa đến
mạch đồng bộ hoá của khối 1 và trên đầu ra của mạch đồng bộ ta có các điẹn áp
thường có dạng hình sin với tần số bằng tần số điện áp nguồn cung cấp cho sơ
đồ chỉnh lưu và trùng pha hoặc lệch pha một góc pha xác định so với điện áp
nguồn. Điện áp này được gọi là điện áp đồng bộ và được ký hiệu là: uđb.
Các điện áp đồng bộ được đưa vào mạch phát điện áp răng cưa để khống chế
sự làm việc của mạch điện này kết quả là trên đầu ra mạch phát điện áp răng cưa
ta có một hệ thống các điện áp dạng hình răng cưa đồng bộ về tần số, về góc pha
các điện áp đồng bộ. Được gọi là điện áp răng cưa u rc. Các điện áp răng cưa
được đưa vào khối so sánh và ở đó còn một tín hiệu khác nữa là điện aps điều
khiển, điều chỉnh được và người ta đưa từ ngoài vào, hai tín hiệu này đợc mắc
11

11

12
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

vào cực tính sao cho tác động của chúng lên mạch vào khối so sánh là ngợc
chiều nhau. Khối so sánh làm nhiệm vụ so sánh hai tín hiệu này và tại những
thời điểm hai tín hiệu này có giá trị tuyệt đối bằng nhau thì đầu ra của khối so
sánh sẽ thay đổi trạng thái. Như vậy khối so sánh là một mạch điện hoạt động
theo nguyên tắc biến đổi tương tự – số. Do tín hiệu ra của mạch so sánh là dạng
tín hiệu số nên chỉ có hai giá trị có hoặc không. Tín hiệu trên đầu ra khối so sánh
là các xung xuất hiện với chu kỳ bằng chu kỳ của u rc. Nếu thời điểm bắt đầu của
một xung nằm trong vùng sườn xung nào của u rc thì sườn xung ấy của urc được
gọi là sườn sử dụng. Điều này có nghĩa rằng: tại thời điểm

ở phần

sườn sử dụng trong một chu kỳ của điện áp răng cưa thì trên đầu ra khối so sánh
sẽ bắt đầu xuất hiện một xung điện áp. Từ đó ta thấy: có thế thay đổi thời điểm
xuất hiện của xung đầu ra khối so sánh bằng cách thay đổi giá trị của u đk khi
giữa nguyên dạng urc. Trong một số trường hợp thì xung ra từ khối so sánh được
đưa đến điện cực điều khiển của thyristor, nhưng trong đa số các trường hợp thì
tín hiệu ra khối so sánh chưa đủ các yêu cầu cần thiết đối với tín hiệu điều khiển
thyristor. Để có tín hiệu đủ yêu cầu người ta thực hiện việc khuếch đại, thay đổi
lại hình dạng của xung...v v. Các nhiệm vụ này được thực hiện bởi một mạch
điện gọi là mạch tạo xung( TX), cuối cùng trên đầu ra khối tạo xung ta có chuỗi
xung điều khiển (uđkT), có đủ các thông số yêu cầu về công suất, độ dài, độ dốc
mặt đầu của xung …v v. Nhưng thời điểm bắt đầu xuất hiện của các xung thì
hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối so sánh. Vậy thời
điểm xuất hiện của tín hiệu điều khiển trên điện cực điều khiển và katot của

thyristor cũng chính là thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối so sánh, tức là khối
so sánh đóng vai trò xác định giá trị góc điều khiển á.
Ưu nhược điểm của phương pháp:
Hệ thống này có nhược điểm là khá phức tạp song có những ưu điểm nổi bật:
Khoảng điều chỉnh góc mở á là rộng, ít phụ thuộc vào sự thay đổi của điện áp
nguồn, dễ tự động hoá. Mỗi chu kỳ điện áp anot của thyristor chỉ có một xung
đưa đến mở nên giảm tổn thất trong mạch điều khiển. Do đó phương pháp này
được sử dung rông rãi.
Tóm lại: Từ các phân tích trên ta thấy rằng phương pháp điều khiển chỉnh
lưu theo nguyên tắc khống chế pha đứng là ưu điểm hơn cả. Vì vậy ở đây ta
12

12


13
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

chọn phương pháp này để điều khiển chỉnh lưu. Để cấp xung điều khiển cho bộ
chỉnh lưu hình tia ba pha ta thiết mạch điều khiển gồm hai kênh tạo xung, hai
kênh tạo xung này giống hệt nhau chỉ khác nhau tín hiệu điện áp lưới
Sau đây ta thiết kế cho một kênh tạo xung, kênh còn lại tương tự.
2.3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý cho các khối.
2.3.1. Khối đồng bộ hóa.
Để tạo ra điện áp đồng bộ đảm bảo yêu cầu đặt ra, người ta thường sử
dụng hai kiểu mạch đơn giản là:
Mạch phân áp bằng các điện trở hoặc bằng điện trở kết hợp với điện dung
hay điện cảm.
Kiểu mạch đồng bộ này ít được sử dụng vì có sự liên hệ trực tiếp về điện
giữa mạch động lực và mạch điều khiển bộ chỉnh lưu.

Khối Đồng Bộ Hóa
Người ta sử dụng một máy biến áp có công suất nhỏ thường là biến áp hạ
áp để tạo ra điện áp đồng bộ. Điện áp lưới u1 được đặt vào cuộn sơ cấp còn
bên thứ cấp ta lấy ra điện áp đồng bộ uđb. Trong thực tế người ta chủ yếu sử
dụng mạch đồng bộ dùng máy biến áp cách ly về điện giữa mạch động lực và
mạch điều khiển.
Kiểu mạch này có ưu điểm: an toàn mạch điều khiển, phối hợp với biên
độ đầu ra dễ, tổn hao ít, số lượng uđb tuỳ ý.
2.3.2. Khối so sánh.
Để tạo ra một hệ thống các xung xuất hiện cùng chu kỳ với chu kỳ của
điên áp răng cưa và điều khiển được thời điểm xuất hiện của mỗi xung ta sử
13

13


14
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

dụng các mạch so sánh .Có nhiều mạch so sánh khác nhau nhưng phổ biến
nhất hiện nay là các sơ đồ dùng tranzitor và KĐTT bằng vi điện tử. Trong
các sơ đồ so sánh thường coa 2 tín hiệu vào là điện áp răng cưa lầy từ đầu ra
mạch ĐBH- FSRC(urc) và điện áp điều khiển một chiều (u đk).Hai điệ áp này
được mắc sao cho tác dụng của chúng đối với đầu vào mạch so sánh là ngược
nhau.Có 2 cách nối các điện áp này trên đầu vào mạch so sánh là:
+ Nối nối tiếp urc và uđk gọi là tổng hợp nối tiếp
+ Nối song song qua các điện trở tổng hợp gọi là tổng hợp song song.
Ta xét một số sơ đồ thường dùng sau:

Khối So Sánh
2.3.3. Khối tạo xung.
Có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở tisistor. Xung mở Tiristo có yêu
cầu : sườn trước dốc thẳng đứng ,để đảm bảo yêu cầu Tiristo mở tức thời
khi có xung điều khiển ( thường gặp loại xung là xung
kim hoặc xung
chữ nhật ,đủ độ rộng với độ rọng xung lớn hơn thời gian mở của Tisito , đủ
công suất ,cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực )

14

14


15
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

Khối Tạo Xung

2.3.4. Khối phản hồi
Để điều chỉnh và ổn định điện áp đầu ra cho tải ta cần phải thiết kế mạch
khuếch đại trung gian. Tín hiệu điều khiển được đưa tới khối so sánh. Tại đây
tín hiệu này được so sánh với điện áp răng cưa và tạo xung điều khiển.

15

15


16

Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

2.4 Mạch Điều Khiển
Từ những khối trên ta xâu dựng được một kênh điểu khiển:

Kênh Điều Khiển A
Do mạch chỉnh lưu có 3 thyristor nên ta kết hợp 3 kênh điều khiển thành 1
mạch điều khiển hoàn chỉnh

16

16


17
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

CHƯƠNG 3. TÍNH CHỌN THIẾT BỊ
3.1 Ý nghĩa của việc tính chọn linh kiện – thiết bị.
Trong kỹ thuật việc tính chọn thiết bị điện có ý nghĩa rất quan trọng nó quyết
định có đưa hệ thống vào làm việc hay không. Nếu chọn thiết bị có công suất
lớn hơn yêu cầu sẽ gây lãng phí về thiết kế dẫn đến giá thành cao. Còn nếu chọn
thiết bị có công suất nhỏ hơn yêu cầu thì dẫn đến hệ thống luôn làm việc trong
tình trạng quá tải làm giảm tuổi thọ của hệ thống hoặc phá hỏng hệ thống. Việc
tính chọn thiết bị thiếu chính xác thì hệ thống có thể làm việc kém chất lượng
hoặc không làm việc. Vì vậ tính chọn thiết bị phải đáp ứng các yêu cầu sau:
Về mặt kỹ thuật: phải đảm bảo yêu cầu công nghệ và các thông số phù hợp với
thiết bị, đảm bảo cho hệ thống làm việc ổn định lâu dài đặc biệt là độ tin cậy
cao.
Về mặt kinh tế: các thiết bị được chọn trong khoảng thoả mãn các yêu cầu kỹ

thuật phải đảm bảo có chi phí mua sắm hợp lý sao cho tiết kiệm.
3.2. Tính chọn thiết bị mạch động lực.
Thông số tải gồm Ud = 220 v, Id = 20 A qua hai thông số ta tiến hành tính chọn
mạch động lực và mạch điều khiển
3.2.1. Tính chọn các van chỉnh lưu.
Điện áp ngược của van với sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha
Điện áp là việc của van cần có là
Dòng điện làm việc mà van cần có là:

Với :
Trong đó: Ulv – điện áp cực đại khi làm việc (V);
Ilv, Ihd – dòng điện làm việc và dòng điện hiệu dụng van (A) ;
KU – hệ số điện áp của sơ đồ;
Khd – hệ số dòng điện hiệu dụng;
(các hệ số được tra trong bảng 8.1 và 8.2 của “Tài liệu hướng dẫn thiết kế thiết
bị điện tử công suất của Trần Văn Thịnh)
Với các thông số làm việc của van ở trên, ta chọn điều kiện làm việc của van là
có cánh tỏa nhiệt với đầy đủ diên tích tỏa nhiệt, không quạt đối lưu không khí.
Thông số cần có của van động lực là:
17
17


18
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

)
Vậy ta chọn Ti là thyristor 50RIA100 của Vishay có thông như sau:
Ký hiệu
Ungmax (v)

Imax (A)
IpiKmax (A)
(A)
(V)
(V)
Ith (A)
Ir (A)
dU/dt (V/s)

50RIA100
1000
50
1490
100m
2.5
1.6
200m
15m
100

Tmax (0C)

1250C

Trong đó:
Ugmax - Điện áp ngược của Diode
Imax
- Dòng điện chỉnh lưu cực đại
IpiK
- Đỉnh xung dòng điện

Ig
-Dòng điện điều khiển
Ug
-Điện áp điều khiển
- Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của Diode
Ith
- Dòng điện tự giữ
Ir
- Dòng điện dò
Tmax - Nhiệt độ làm việc cực đại
dU/dt - Đạo hàm điện áp
3.2.2. Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu.
Máy biến áp để tạo ra điện áp phù hợp cho bộ biến đổi, do mạch động lực sử
dụng sơ đồ tia ba pha nên ta dùng máy biến áp ba pha với điện áp định mức phía
sơ cấp là: Up = 380 (V)
Điện áp thứ cấp MBA:
+ Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:

18

Trong đó:

18


19
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lưới.
là sụt áp trên thyristor.

là sụt áp trên dây nối.
là sụt áp trên điện trở và điện kháng MBA, chọn sơ bộ
Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có:
Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp
Dòng điện thứ cấp của máy biến áp:
Dòng điện sơ cấp của máy biến áp:
Công suất tối đa của tải:
Công suất cực đại của MBA:
(Ks: là hệ số công suất, sơ đồ tia ba pha tra được )
Vậy ta có:
- Tính sơ bộ mạch từ :
Tiết diện sơ bộ trụ:
Trong đó

kQ : hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, lấy kQ = 6
m: số trụ máy biến áp

Đường kính trụ:
Chuẩn hoá đường kính trụ theo tiêu chuẩn d = 8 (cm)
Chọn loại thép:
Ta chọn loại thép 330, các lá thép có độ dày 0,5 (mm).
Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ BT = 10-4 (T)
Chọn tỷ số m = = 2,3
(m = 2 – 2,5)
Suy ra h = 2,3 . d = 2,3 . 8 = 18.4 (cm)
Suy ra chọn chiều cao trục là 19 (cm)
- Tính toán dây quấn:
Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp:
19

19


20
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

Chọn W1 = 440 (vòng)
Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp:
Chọn W2 = 240 (vòng)
Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp:
Đối với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn J1 = J2 = 2,75 (A/mm2)
Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp:
Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B
Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S1 = 2,61 (mm2)
Kích thước dây có kể cách điện:
S1 cd = a1 .b1 = 0,4.6,5 (mm x mm)
Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp:
Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp:
Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B
Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn:
S2 = 4,84 (mm2)
Kích thước dây có kể cách điện:
S2 cd = a2 . b2 = 1,4 . 3,45 (mm x mm)
Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp:
Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp của cuộn sơ cấp:

W1l =

. kc =
. 0,95

= 47,5 (vòng) ≈ 48 (vòng)
h - chiều cao trụ
hg - khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp
Tra bảng 18 – Tài liệu 2, chọn hg = 1,5 (cm)
Kc - hệ số ép chặt
Tra bảng 4 – Tài liệu 2, chọn kc = 0,95
Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp:
Chọn số lớp n1l = 10 lớp
Như vậy 480 vòng chia thành 10 lớp, mỗi lớp có 44 vòng.
Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp:
Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày S01 = 0,1 (cm)
Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp: a01 = 10 (mm)
Đường kính trong của ống cách điện:
D1 = dFe + 2 . a01 – 2. S01 = 8 + 2 . 1 – 2 . 0,1 = 9,8 (cm)
Đường kính trong của cuộn sơ cấp:
Dt1 = D1 + 2 . S01 = 9,8 + 2 . 0,1 = 10 (cm)
Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd11 = 0,1 (mm)
Bề dày cuộn sơ cấp:
20
20


21
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

Bd1 = (a1 + cd11) . n1l = (6,5 + 0,1) . 10 = 66 (mm)
Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp:
Dn1 = Dt1 + 2 . Bd1 = 10 + 2 . 6,6 = 23,2 (cm)
Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp:
Chiều dài dây quấn sơ cấp;

l1 = W1 . . Dtb1 = . 440 . 16,6 = 22946,19 (cm) = 229,46 (m)
Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp:
cd01 = 9 (mm)
- Kết cấu dây quấn:
Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp:
h1 = h2 = 20,2 (cm)
Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp:
Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp:
Chọn số lớp dây quấn thứ cấp: nl2 = 18 (lớp), 17 lớp đầu có 14 vòng, lớp
thứ 18 có 2 vòng.
Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp:
Đường kính trong của cuộn thứ cấp:
Dt2 = Dn1 + 2 . a12 = 23,2 + 2 . 1 = 25,2 (cm)
Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp:
cd22 = 0,1 (mm)
Bề dày cuộn thứ cấp:
Bd2 = (a2 + cd22) . nl2 = (3,45 + 0,1) . 18 = 63,9 (mm) = 6,3 (cm)
Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp:
Dn2 = Dt2 + 2 . Bd2 = 25,2 + 2 . 6,3 = 37,8 (cm)
Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp:
Chiều dài dây quấn thứ cấp:
l2 = . W2 . Dtb2 = . 240 . 31.5 = 23750,44 (cm) = 237,5 (m)
Đường kính trung bình các cuộn dây:
Suy ra
Chọn khoảng cách giữa 2 cuộn thứ cấp: a22 = 2 (cm)
- Tính kích thước mạch từ:
Đường kính trụ d = 8 (cm), tra theo bảng 4 – Tài liệu 2, chọn số bậc là 6
bậc.
Toàn bộ tiết diện bậc thang của trụ:
Qbt = 2.(1,6.10,5 + 1,1.9,5 + 0,7.8,5 + 0,6.7,5 + 0,4.6,5 + 0,7.4) = 86,2 (cm2)

Tiết diện hiệu quả của trụ:
21
21


22
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

QT = khq . Qbt = 0,95 . 86,2 = 81,89 (cm2)
Tổng chiều dày các bậc thang của trụ:
dt = 2 . (1,6 + 1,1 + 0,7 + 0,6 + 0,4 + 0,7) = 10,2 (cm)
Số lá thép dùng trong các bậc:
Bậc 1: n1 =

. 2 = 64 (lá)

Bậc 2: n2 =

. 2 = 44 (lá)

Bậc 3: n3 =

. 2 = 28 (lá)

Bậc 4: n4 =

. 2 = 24 (lá)

Bậc 5: n5 =

. 2 = 16 (lá)

Bậc 6: n6 =
. 2 = 28 (lá)
Ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có các kích thước sau:
Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ:
b = dt =10,2 (cm)
Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ:
a = 10,5 (cm)
Tiết diện gông: Qbg = a .b =107,1(cm2)
Tiết diện hiệu quả của gông:
Qg = khq . Qbg = 0,95 . 107,1 = 101,7 (cm2)
Số lá thép dùng trong một gông:
Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ:
Mật độ từ cảm trong gông:
Chiều rộng cửa sổ:
c = 2 . (a01 + Bd1 + a12 + Bd2) + a22
= 2 . (1 + 6,3 + 1 + 6,6) +2 = 31,8 (cm)
Khoảng cách giữa 2 tâm trục:
c’ = c + d = 31,8 + 8 = 39,8 (cm)
Chiều rộng mạch từ:
L = 2 . c + 3 . d = 2 . 31,8 + 3 . 8 = 87.6 (cm)
Chiều cao mạch từ:
H = h + 2 . a = 25 + 2 . 10,5 = 46 (cm)
22

22


23

Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

Thể tích của trụ:
VT = 3 . QT . h = 3 . 81,89 . 25 = 6141,75 (cm3) = 6,14 (dm3)
Thể tích của gông:
Vg = 2 .Qg . L = 2 . 101,7 . 87,6 = 17817,84 (cm3) = 17,8 (dm3)
Khối lượng trụ:
MT = VT . mFe = 6,14 . 7,85 = 48,19 (kg)
Khối lượng gông:
Mg = Vg . mFe = 17,8 . 7,85 = 139,73 (kg)
Khối lượng sắt:
MFe = MT + Mg = 48,19+139,73 = 187,92 (kg)
Thể tích của đồng:
VCu = 3 . (S1 . l1 + S2 .l2 )
= 3 . (6,3. 10-4 . 229,46 .10 +4,84 . 10-4 . 237,5 . 10) = 7,7 (dm3)
Khối lượng đồng:
MCu = VCu . mCu = 7,7 . 8,9 = 69,28 (kg)
-Tính các thông số của máy biến áp:
Điện trở trong của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 750C:
Điện trở trong của cuộn thứ cấp máy biến áp ở 750C:
Điện trở máy biến áp quy đổi về thứ cấp:
Sụt áp trên điện trở máy biến áp:
∆Ur = RBA . Id = 1,079 . 20 = 21,58 (V)
Điện kháng máy biến áp quy đổi về thứ cấp:
XBA = 8 . π2 . (W2)2 . (
) . (a12 +
).
2
2
-7

= 8 . π . 240 . () . (0,01 + ) . 314 . 10
= 0,0929 ( )
Điện cảm máy biến áp quy đổi về thứ cấp:
LBA =
= = 0,00029 (H) = 0,29 (mH)
Sụt áp trên điện kháng máy biến áp:
∆Ux =

. XBA . Id =

. 0.29 . 20 = 5,538 (V)

Rdt = . XBA = . 0.29 = 0.27 ( )
Sụt áp trên máy biến áp:
23

23

. 10-7


24
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

∆UBA =
= = 22,2 (V)
Điện áp trên động cơ khi có góc mở αmin = 100
U = Ud0 . cosαmin - 2 . ∆Uv – ∆UBA
= 240,04 . cos100 – 2 . 1.6 – 22,2 = 210,99 (V)
Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp:

ZBA =
= = 1,08 ( )
Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp:
∆Pn = 3 . RBA . I22 = 3 . 1,079. 13,32 = 572,59 (W)
∆Pn% =
. 100% = 8,8%
Tổn hao không tải có kể đến 15% tổn hao phụ:
P0 = 1,3 . nf . (MT . BT2 + Mg .Bg2)
= 1,3 . 1,15 . (48,19 . 0,472+139,73 . 0,372)
= 44,5 (W)

∆P0 % =
. 100% =
Điện áp ngắn mạch tác dụng:

.100% = 0,7 %

Unr =
. 100% =
Điện áp ngắn mạch phản kháng:

. 100% = 6,93 %

Unx =
. 100% =
Điện áp ngắn mạch phần trăm:

. 100% = 0,59 %

Ur =

=
Dòng điện ngắn mạch xác lập:

= 6,95%

I2nm =
=
= 191,48 (A)
Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại:
Imax =

24

. I2nm . (1 + e

)

24


25
Đồ án Điện Tử Công Suất: Thiết kế mạch chỉnh lưu thyristor tia 3 pha có Do

=

. 191,48 . (1 + e

) = 270,79 (A)

Imax = 270,79 (A) < ipik = 1490 (A)

Kiểm tra máy biến áp có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến thiên của
dòng điện chuyển mạch:
Giả sử chuyển mạch từ T1 sang T3, ta có phương trình:
2 . LBA .

= U23 – U2a =

=

. U2 . sin(

=

)

= 873369,79 (A/s)

= 0,87 (A/ s) <
= 100 (A/ s)
Vậy máy biến áp thiết kế sử dụng tôt.
Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu:

=

= = 1,02

3.2.4. Tính chọn thiết bị bảo vệ sự cố.
1. Tính chọn aptômat.
Aptômat được sử dụng để bảo vệ sự cố
ngắn mạch hoặc quá tải, ngoài ra còn sử

dụng như một thiết bị đóng cắt nguồn cho hệ
thống.
Điều kiện chọn aptômat: uđm A uđm mạng
Iđm A

Ilv van

Imax

IXK

Ta chọn aptômat có các thông số sau:
Kiểu MCCB SKM100/S3063 của
MITSUBISHI
25

25