Thiết kế thiết bị biển đổi xung áp mắc nối tiếp điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều không đảo chiều quay

GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

Đồ án: Điện Tử Công Suất

LỜI NÓI ĐẦU
Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng của các
linh kiện bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch và quá trình biến đổi
điện năng.
Ngày nay, không riêng gì ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta các thiết bị
bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vực
sinh hoạt. Các xí nghiệp, nhà máy như: ximăng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi,
đóng tàu….. đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công nghiệp điện
tử nói chung và điện tử công suất nói riêng. Đó là những minh chứng cho sự phát
triển của ngành công nghiệp này.
Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, ngày càng có nhiều xí
nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư
điện những kiến thức về điện tử công suất. Cũng với lý do đó, chúng em được làm
đồ án môn học điện tử công suất.
Nhiệm vụ: ” Thiết kế thiết bị biển đổi xung áp mắc nối tiếp điều khiển tốc
độ động cơ điện một chiều không đảo chiều quay ”.
Mặc dù đã dành nhiều cố gắng xong không tránh khỏi những sai sót nhất
định, em mong được sự góp ý của thầy, cô. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn
Thầy cô trong khoa, đặc biệt thầy PGS.TS ĐOÀN QUANG VINH đã giúp em
hoàn thành đồ án môn học này.

Đà Nẵng, ngày 04 tháng 11 năm 2014
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đình Tiến

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 1


GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

Đồ án: Điện Tử Công Suất

MỤC LỤC
Lời nói đầu ............................................................................................................ 1
MỤC LỤC ............................................................................................................ 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP ............... 4
1.1. Tổng quan về thiết bị biến đổi xung áp ...................................................... 4
1.1.1. Khái quát bộ băm xung một chiều ...................................................... 4
1.1.2. Cấu trúc và phân loại bộ biến đổi xung áp. ......................................... 5
1.1.3. Phương pháp điều khiển bộ biến đổi xung áp. .................................... 8
1.2. Tổng quan về động cơ điện một chiều...................................................... 10
1.2.1. Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều .................................... 10
1.2.2. Ưu và nhược điểm của động cơ điện một chiều ................................ 10
1.2.3. Cấu tạo động cơ điện một chiều kích từ độc lập .............................. 10
1.2.4. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập ................ 11
1.3. Hệ truyền động xung áp – động cơ. .......................................................... 13
1.3.1. Khái quát hệ truyền xung áp – động cơ............................................. 13
1.3.2. Sơ đồ nguyên lý ................................................................................. 14
1.3.3. Nguyên lý hoạt động ......................................................................... 15
1.3.4. Đặc tính điều chỉnh của bộ xung áp – động cơ ................................. 17
CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC .......................................... 19
2.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch động lực .......................................................... 19
2.2 Tính chọn các phần tử mạch động lực ....................................................... 20
2.2.1 Tính chọn Van IGBT .......................................................................... 20

2.2.2 Tính chọn Diode công suất D ............................................................. 21
2.2.3 Tính chọn bộ chỉnh lưu ...................................................................... 22
2.2.4 Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu ....................................................... 22
2.2.5 Tính chọn phần tử trong khối lọc đầu vào.......................................... 30
2.2.6 Tính chọn phần tử trong khối lọc đầu ra ............................................ 35
CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆ ................................................. 41
3.1 Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ .............................................. 41
3.2 Bảo vệ các phần tử trong mạch chỉnh lưu ................................................. 42

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 2


Đồ án: Điện Tử Công Suất

GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

3.2.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các Diode chỉnh lưu .................................... 42
3.2.2 Bảo vệ quá dòng điện cho các Diode chỉnh lưu ................................. 42
3.2.3 Bảo vệ quá điện áp cho các Diode chỉnh lưu ..................................... 43
3.3 Bảo vệ van bán dẫn IGBT ......................................................................... 44
3.2.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho van IGBT .................................................... 44
3.2.2 Thiết kế mạch đệm kiểu RCD cho van IGBT .................................... 44
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN............................................ 46
4.1 Cấu trúc mạch điều khiển động cơ điện một chiều ................................... 46
4.2 Tính toán mạch điều khiển ........................................................................ 46
4.2.1 Khâu phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa............................... 46
4.2.2 Khâu tạo điện áp điều khiển ............................................................... 47
4.2.3 Khâu tự động điều chỉnh .................................................................... 49

4.2.4 Khâu hạn chế tham số điều chỉnh γ.................................................... 50
4.2.5 Khâu so sánh tạo xung........................................................................ 50
4.2.6 Khâu cách ly và khếch đại .................................................................. 51
4.2.7 Mạch chuyển đổi điện áp về phản hồi ................................................ 53
4.2.7 Thiết kế nguồn nuôi cho mạch điều khiển ......................................... 54
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB - SIMULINK.. 56
5.1 Sơ đồ mạch mô phỏng hệ thống ................................................................ 56
5.2 đồ thị dạng sóng điện áp và dòng điện ...................................................... 56
KẾT LUẬN ........................................................................................................ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 59

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 3


Đồ án: Điện Tử Công Suất

GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP
1.1 Tổng quan về thiết bị biến đổi xung áp.
1.1.1 Khái quát bộ băm xung một chiều.
Băm xung một chiều là thiết bị dùng để thay đổi điện áp một chiều ra tải từ một
nguồn điện áp một chiều cố định. Băm xung một chiều được ứng dụng để điều chỉnh tốc
độ động cơ điện một chiều, tạo nguồn điện áp dài rộng…
Cấu trúc thực tế thường gặp của BXMC gồm các khâu chủ yếu sau:

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc của băm xung một chiều

E – Nguồn một chiều, có thể là acquy hoặc bộ chỉnh lưu.
LĐV – Bộ lọc đầu vào, là các phần tử L, C hoặc LC nhằm ngăn các ảnh hưởng tần
số cao của băm xung đối với nguồn.
MV – Mạch hình thành từ các van bán dẫn, chủ yếu là van điều khiển hoàn toàn.
LĐR – Bộ lọc đầu ra có nhiệm vụ san phẳng dòng điện hay điện áp ra tải, tương tự
như lọc một chiều trong chỉnh lưu.
Để đóng cắt điện áp nguồn người ta thường dùng các khoá điện tử công suất vì
chúng có đặc tính tương ứng với khoá lý tưởng, tức là khi khoá dẫn điện (đóng) điện trở
của nó không đáng kể; còn khi khoá bị ngắt (mở ra) điện trở của nó vô cùng lớn (điện áp
trên tải mạng sẽ bằng không).
* Ưu điểm cơ bản của các bộ biến đổi xung áp sau:
+ Hiệu suất cao vì tổn hao công suất trong bộ biến đổi không đáng kể so với các bộ
biến đổi liên tục.
+ Độ chính xác cao cũng như ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, vì yếu tố
điều chỉnh là thời gian đóng khoá S mà không phải giá trị điện trở của các phần tử điều
chỉnh thường gặp trong các bộ điều chỉnh liên tục kinh điển.
+ Chất lượng điện áp tốt hơn so với các bộ biến đổi liên tục khác.
+ Kích thước gọn nhẹ.
* Nhược điểm cơ bản của các bộ biến đổi xung áp là:
+ Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính điều chỉnh của bộ biến đổi khi làm
việc trong hệ thống kín.
+ Tần số đóng cắt lớn sẽ tạo ta nhiễu cho nguồn cũng như các thiết bị điều khiển.
Tuy nhiên bộ biến đổi xung áp vẫn được ứng dụng rộng rãi, nhất là khi các yếu tố về
độ tin cậy, dễ điều chỉnh, độ ổn định cũng như kích thước là những tiêu chí được đặt lên
hàng đầu.

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 4

Đồ án: Điện Tử Công Suất

GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

1.1.2 Cấu trúc và phân loại bộ biến đổi xung áp.
1.1.2.1 Bộ biến đổi xung áp giảm áp.
Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị dạng sóng của xung áp giảm áp.
Đặc điểm: Sơ đồ bộ biến đổi xung áp giảm áp có khóa S và tải mắc nối tiếp với
nhau. Tải có tính chất cảm hoặc dung kháng, thường là tải cảm kháng (RL) hay tải có
sức điện động như động cơ điện một chiều (dạng RưLưEư). Diode D mắc ngược với Uz
để thoát dòng tải khi ngắt khóa S. Nguồn một chiều có thể lấy từ acquy, pin điện hoặc
từ nguồn áp xoay chiều qua bộ chỉnh lưu không điều khiển và mạch lọc. Công tắc S có
chức năng điều khiển đóng và ngắt được dòng điện đi qua nó; do đó, công tắc S phải là
linh kịên tự chuyển mạch như transito (BJT, MOSFET, IGBT) , GTO hoặc ở dạng kết
hợp thyristo và bộ chuyển mạch.
Nguyên lý hoạt động:
Phần tử điều chỉnh quy ước là khóa S ( van bán dẫn điều khiển được )
+ Trong khoảng từ 0 đến T1 khi van dẫn điện, năng lượng của nguồn sẽ được cung
cấp cho phụ tải, nếu con van là lý tưởng thì Uz= E; vì dòng điện từ nguồn is cấp cho tải Z
phải đi qua điện cảm Lư (điện cảm Lư của động cơ) sẽ được nạp năng lượng cho giai
đoạn van S dẫn.
+ Trong khoảng thời gian còn lại của chu kỳ T, từ T1 đến hết chu kỳ điều khiển, van
S khóa, điện cảm Lư phóng năng lượng tích lũy từ giai đoạn trước. Dòng điện qua L vẫn
chảy theo chiều cũ và qua van đệm D, lúc này Uz = - UD ≈ 0.
Như vậy, Uz ≤ E. Ta có bộ biến đổi hạ áp. Dòng is, it, ut được biểu diễn như hình vẽ.
Tùy theo dạng tải và tham số điều chỉnh mà chế độ dòng tải có thể liên tục hay gián
đoạn như trong thiết bị chỉnh lưu. Nhưng người ta thường mong muốn dòng liên tục. vì

vậy trong quá trình tính toán phải làm sao cho dòng điện qua tải được liên tục đáp ứng
được yêu cầu thực tế.

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 5


GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

Đồ án: Điện Tử Công Suất
1.1.2.2 Bộ biến đổi xung áp tăng áp
Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị dạng sóng của xung áp tăng áp.
Đặc điểm:

Khi thực hiện hãm tái sinh động cơ điện 1 chiều, năng lượng từ nguồn điện áp
thấp (sức điện động Eư) được trả lại nguồn điện áp lớn hơn (nguồn 1 chiều E), điều
này có thể thực hiện nhờ hoạt động của bộ tăng áp. Điều kiện để mạch hoạt động
là Eư phải chứa nguồn dự trữ năng lượng (sức điện động Eư) và cảm kháng. Công tắc S
thuộc dạng tự chuyển mạch được như trường hợp bộ giảm áp. Diode D cho phép
dòng điện đi theo chiều ngược lại.
Nguyên lý hoạt động:
+ Trong khoảng (0 ÷ T1) Trạng thái S đóng. Dòng điện khép kín qua mạch
(RưLưEư,S). Phương trình mô tả trạng thái S đóng :
𝑢𝑧 =0 ;

𝑢𝑧 = - R.𝑖𝑧 - L

𝑑𝑖𝑧
𝑑𝑡

+ Eư ;

𝑖𝑧 (𝑡0 ) = 𝑖𝑧 (0) = 𝑖0 – với giả thiết thời điểm đầu chu kỳ khảo sát 𝑡0 =0.
Dòng điện qua tải 𝑖𝑧 tăng theo dạng hàm mũ .Hệ thức biểu diễn dòng điện tải có
dạng:
𝑖𝑧 (t) = (

𝐸ư
𝑅

𝑡

- 𝑖0 ). (1- 𝑒 −𝜏 ) + 𝑖0

Tại thời điểm cuối khoảng đang xét ,ta có t= 𝑇1 và 𝑖𝑧 (𝑇1) = 𝑖𝑧 ; 𝜏=

𝐿
𝑅

Năng lượng do sức điện động Eư phát ra 1 phần tiêu hao trên điện trở , phần còn lại dự
trữ trong cuộn kháng L
+ Trong khoảng (T1 ÷ T) Trạng thái D dẫn, Công tắc S bị kích ngắt trong khoảng
thời gian T2. Dòng qua công tắc S bị triệt tiêu. Do tính liên tục của dòng qua tải chứa L

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 6


GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

Đồ án: Điện Tử Công Suất

nên dòng tải tiếp tục dẫn điện theo chiều cũ và khép kín qua diode 𝐷 và nguồn E.
Phương trình mô tả trạng thái mạch (E,𝐷,RưLưEư):
𝑢𝑧 = E ;

𝑢𝑧 = - R.𝑖𝑧 - L

𝑑𝑖𝑧
𝑑𝑡

+ Eư ;

Tại thời điểm khoảng đầu đang xét ,dòng điện tải có giá trị 𝑖𝑧 (𝑇1 ) = 𝑖1
Nghiệm dòng điện tải giảm theo hàm mũ cho bỡi hệ thức :
𝑖𝑧 (𝑡) = (

𝐸ư−𝐸
𝑅

- 𝑖0 ) (1- 𝑒 −

𝑡−𝑇1
𝜏

) + 𝑖1

Cuộn kháng giải phóng một phần năng lượng dự trữ .Sức điện động Eư ở chế độ phát
năng lượng .Cả 2 năng lượng này đều được đưa về nguồn E một phần , phần còn lại tiêu
hao trên điện trở tải .
+ Điện áp tải thay đổi theo dạng xung giữa 2 vị trí +E và 0
Bằng cách thay đổi tỷ số 𝛾 giữa T1 : thời gian đóng S và T= T1 + T2 : chu kỳ đóng ngắt
S, ta điều khiển công suất phát từ nguồn Eư cũng như công suất trả về nguồn E. Có thể
xác định độ lớn của chúng thông qua trị trung bình điện áp và dòng điện tải .
𝑈𝑧 =
𝐷𝑜

1
𝑇

𝑇

. ∫𝑂 𝑢𝑧 𝑑𝑡 =

0≤ 𝛾 =

𝑇1
𝑇

≤1 →

0.𝑇1 +𝐸.𝑇2
𝑇

𝑇

𝑇1

𝑇

𝑇

= E. 2 = E.(1- 𝛾) ; 𝛾 =

0≤ 𝑈𝑧 ≤ E
𝐼𝑧 =

−𝑈𝑧 +𝐸ư
𝑅

Nếu thay đổi vai trò giữa E và tải : gọi tải 𝑈𝑧 là nguồn cung cấp năng lượng và E là tải
nhận năng lượng. Ta có :
𝐸=

𝑈𝑧
1−𝛾

> 𝑈𝑧

Điện áp tải lớn hơn điện áp nguồn nên ta gọi đây là bộ tăng áp. Đặc điểm của bộ biến
đổi là tiêu thụ năng lượng từ nguồn U ở chế độ liên tục và năng lượng truyền ra tải dưới
dạng xung nhọn.
1.1.2.3 Bộ biến đổi xung áp tăng-giảm áp
Sơ đồ nguyên lý

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị dạng sóng của xung áp tăng giảm áp.

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 7


GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

Đồ án: Điện Tử Công Suất

Đặc điểm: L1 chỉ đóng vai trò tích lũy năng lượng. C đóng vai trò lọc.
Nguyên lý hoạt động:
+ Trong khoảng (0 ÷ T1) khi van S dẫn, cuộn dây được trực tiếp nạp năng lượng từ
nguồn E bằng dòng is với quy luật tương tự băm xung kiểu song song. Giai đoạn này
diode D khóa và tải chỉ nhận năng lượng từ tụ điện C. vì vậy ở đây cũng cần tụ C mắc
song song với tải. điện áp diode D phải chịu là:
UD = E + UC = E + Utải
+ Trong khoảng (T1 ÷ T ) thì van S khóa, cắt nguồn E ra khỏi mạch, để duy trì điện
theo chiều cũ của mình sức điện động tự cảm của cuộn kháng L sẽ đủ lớn để diode D
dẫn. Năng lượng tích lũy trong điện cảm sẽ được phóng qua tải, tụ điện C cũng được nạp
năng lượng trong giai đoạn này. Van S phải chịu điện áp là:
Us = E + UC = E + UTải

1
IZ ; IL  IS  IZ 
IZ .
Các giá trị dòng điện: I S 
1 
1 

E0  2 I Z R0
U Z  UC 

1   1   2

R0 là điện trở trong của nguồn E
Nếu bỏ qua R0 thì
E
Ud  0
1 

U S  E0 


1 

I Z R0

Vậy điện áp ra trên tải sẽ đảo dấu so với E. Giá trị tuyệt đối |Uz| có thể sẽ lớn hơn
hoặc nhỏ hơn so với E nguồn.
1.1.3 Phương pháp điều khiển bộ biến đổi xung áp
Điện thế trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dù điện áp
đầu vào có thể là một hằng số (ắc quy, pin ) hoặc biến thiên ( đầu ra của chỉnh lưu) , tải
có thể thay đổi. Với một giá trị điện thế vào cho trước, điện thế trung bình đầu ra có thể
diều chỉnh theo hai cách là Thay đổi độ rộng xung và Thay đổi tần số băm xung.

Hình 1.5 Đồ thị dạng sóng của băm xung một chiều

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 8


Đồ án: Điện Tử Công Suất

GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

1.1.3.1 Phương pháp thay đổi độ rộng xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T1 giữ nguyên T. Giá trị trung bình của
điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
Uz =
Trong đó γ=

T1.E
= γ.E
T

T1
là hệ số lấp đầy ( tỉ số chu kì )
T

Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura rộng (0<𝛾≤1)
sơ đồ cấu trúc như sau:

Hình 1.6 Sơ đồ khối cấu trúc của phương pháp thay đổi độ rộng xung
 Khung phát xung chủ đạo nhằm tạo dao động với tần số cố định nhằm đảm bảo
điều kiện băm xung với tần số không đổi.
 Khâu tạo điện áp răng cưa theo tần số của khâu phát xung chủ đạo, đồng thời đảm
bảo phạm vi điều chỉnh tối đa của tham số .
 Khâu so sánh tạo xung: so sánh điện áp răng cưa Urc với điện áp điều khiển Udk,

điểm cân bằng giữa chúng chính là điểm to. Do đó khi điện áp điều khiển thay đổi
sẽ làm thay đổi to và do đó thay đổi tham số điều chỉnh . Điện áp ra của khâu này
có dạng xung tương ứng với giai đoạn van lực Tr dẫn.
 Khâu khuếch đại công suất nhằm tăng công suất xung tạo ra ở khâu so sánh, đồng
thời phải thực hiện việc ghép nối với van lực theo tính chất điều khiển của van
lực.
 Khâu tạo điện áp điều khiển theo luật công nghệ.
1.1.3.2 Điều khiển theo phương pháp xung- tần
Phương pháp này ngược với kiểu PWM, cần phải thay đổi được tần số băm xung
trong khi khoảng dẩn của van lực S được giữ không đổi. Vì thế cấu trúc điều khiển khác
gồm các khâu sau đây :
 Khâu tạo điện áp điều khiển với chức năng tương tự mạch trước.
 Khâu biến đổi U/f nhằm tạo dao động xung với tần số tỷ lệ thuận với điện áp vào
là điện áp điều khiển.

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 9


Đồ án: Điện Tử Công Suất

GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

Hình 1.7 Sơ đồ khối cấu trúc của phương pháp thay đổi xung tần
 Khâu tạo khoảng dẩn không đổi cho van lực Tr, tức là to=const, với tần số do bộ
biến đổi U/f quyết định.
 Khâu khuếch đại công suất.
1.2. Tổng quan về động cơ điện một chiều.
1.2.1. Tầm quan trọng của động cơ điện một chiều.

Trong nền sản xuất hiện đại , động cơ điện một chiều giữ vai trò nhất định, quan
trọng. Đặc biệt là trong các nghành công nghiệp, giao thông vận tải, các thiết bị điều
chỉnh tốc độ quay liên tục và có phạm vi rộng như máy cán thép, máy công cụ lớn,đầu
máy điện. Ngày nay hiệu suất của động cơ điện một chiều công suất nhỏ vào khoảng
75% - 85%,ở động cơ trung bình và lớn vào khoảng 10000 kW.Điện áp vào khoảng vài
trăm đến ngàn Vôn. Hướng phát triển hiện nay là cải tiến tính năng vật liệu, nâng cao chỉ
tiêu kinh tế của động cơ và chế tạo những máy công suất lớn.
1.2.2 Ưu và nhược điểm của động cơ điện một chiều.
+) Ưu điểm của động cơ điện một chiều.
- Có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc
khác nhau.
- Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ. Điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng,
liên tục mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản. Đáp ứng được khả năng
quá tải lớn.
+) Nhược điểm của động cơ điện một chiều .
- Giá thành đắt hơn các loại máy điện khác do sử dụng nhiều kim loại màu,chế tạo
và bảo quản khó khăn.
- Có hệ thống cổ góp – chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong
các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ.
1.2.3.Cấu tạo động cơ 1 chiều kích từ độc lập .
Động cơ điện 1 chiều gồm có 2 phần: Phần tĩnh (stator) và phần động (rotor)
 Phần tĩnh (stator)
gồm các bộ phận chính sau:

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 10


Đồ án: Điện Tử Công Suất

GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

+) Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt và dây quấn kích từ lồng
ngoài lõi sắt cực từ.Lõi sắt được làm từ thép kỹ thuật điện. Dây quấn kích từ được làm
bằng đồng cách điện.
+) Cực từ phụ: Đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện, đổi chiều.
+) Gông từ: Dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.
+) Các bộ phận khác: vỏ máy, cơ cấu chổi than.
 Phần quay (rotor)
Gồm các bộ phận sau:
+) Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ được làm bằng thép kỹ thuật điện trên thép có
dạng rãnh để đặt dây quấn
+) Dây quấn phần ứng: Là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua,
thường được làm bằng dây đồng bọc cách điện.
+) Cổ góp: Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều.
+) Các bộ phận khác: cánh quạt trục máy...
1.2.4.Đặc tính cơ của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập.
Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.
Ta có phương trình cân bằng điện áp của phần ứng
𝑈ư =𝐸ư +(𝑅ư +𝑅𝑓 ) 𝐼ư
trong đó :
𝑈ư : phần điện áp phần ứng (V) ; ϕ: từ thông kích từ đối với 1 cực từ
𝐸ư : sức điện động phần ứng (V) ; ω:tốc độ góc (rad/s)
𝑅ư : điện trở mạch phần ứng (Ω) ; 𝐼ư : dòng điện của mạch phần ứng (A)
𝑅𝑓 :điện trở phụ trong mạch phần ứng (Ω)
Suất điện động 𝐸ư của phần ứng được xác định :
E=

𝑃𝑁

2𝜋𝑎

𝜙𝜔=K𝜙ω

P: số đôi cực từ chính; N: số thanh dẫn tác dụng phần ứng
a: số đôi mạch nhánh song song phần ứng

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 11


GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

Đồ án: Điện Tử Công Suất
Nếu bỏ qua tổn thất cơ và tổn thất thép:
ta có: 𝑀𝑡𝑡 =𝑀đ𝑐 =M
𝑀𝑡𝑡 =K𝜙𝐼ư
Vậy ω=

𝑈ư
𝐾𝜙

-

𝑅ư +𝑅𝑓
(𝐾𝜙)2

𝑀

Giả sử 𝜙=const ta có đồ thị đặc tính cơ như hình 1.8.
Ta thấy rằng việc điều chỉnh động cơ điện một chiều có thể thực hiện bằng cách thay
đổi các đại lượng :𝑅ư , 𝜙, 𝑈ư .Thực tế có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một
chiều:
+ Phương pháp 1 :thay đổi điện trở phần ứng.
Đây là phương pháp kinh điển được dùng trong nhiều năm.
- Nguyên lý điều khiển: Người ta giữ U=𝑈đ𝑚 ; 𝜙 =𝜙đ𝑚 và nối tiếp thêm điện trở phụ
vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng.
- Ưu điểm: Thiết bị thay đổi đơn giản, thường dùng cho các động cơ có cần trục,thang
máy, máy nâng,máy cán thép,máy xúc.
- Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở càng lớn,đặc tính cơ
càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi điện trở phụ thay đổi càng
kém. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn,tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ càng cao.
Phương pháp này chỉ cho những tốc độ nhảy cấp tức là không điều khiển liên tục
được và chỉ cho điêù chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định mức(chỉ cho phép
thay đổi tốc độ về phía giảm)
+ Phương pháp 2: thay đổi từ thông (𝜙).
- Nguyên lý điều khiển: Giả thuyết U= Udm, Rư=const. Muốn thay đổi từ thông động
cơ ta thay đổi dòng điện kích từ. Thay đổi dòng điện kích từ bằng cách nối nối tiếp
biến trở vào mạch kích từ hay thay đổi điện áp cho mạch kích từ.
- Ưu điểm: Dải điều khiển phụ thuộc vào phần cơ của máy. Có thể điều khiển trơn
trong dải điều chỉnh D=3:1. Vì công suất của cuộn điều khiển từ bé,dòng điện kích
từ nhỏ nên ta có thể điều khiển liên tục.Vận hành kinh tế do tổn hao điều chỉnh
thấp.Và có thể điều chỉnh tốc độ lứn hơn tốc độ điều khiển.
- Nhược điểm: Sai số tốc độ lớn:đặc tính điều khiển nằm trên và dốc hơn đặc tính tự
nhiên
+ Phương pháp 3: Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp phần ứng .

Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện một chiều nhưng
chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp
Uư đặt lên phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay được sử dụng nhất và nó thu được đặt
tính cơ có độ cứng không thay đổi,chiều điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và không bị tổn
hao.

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 12


GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

Đồ án: Điện Tử Công Suất

1.3. Hệ truyền động xung áp – động cơ.
1.3.1 Khái quát hệ truyền xung áp – động cơ.
Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện áp
trên mạch phần ứng thì dòng điện và momen sẽ không thay đổi. Để tránh những biến
động lớn về gia tốc và lưc động trong hệ hiện chính nên phương pháp điều chỉnh tốc độ
bằng cách thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường áp dụng cho động cơ 1 chiều kích
từ độc lập.

Hình 1.9 Sơ đồ chung và mạch điện tương đương của bộ biến đổi xung áp.
Để điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ 1 chiều cần có thiết bị nguồn như máy
phát điện một chiều , các bộ vân điều khiển hoặc khuếch đại từ…. Các thiết bị nguồn
điện áp này có chức năng biến năng lượng xung chiều thành một chiều có sức điện động
Eư điều chỉnh nhờ tín hiệu điều khiển Uđk sao cho phù hợp với yêu cầu.
Phương trình đặc tính cơ bản của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
n=

𝑈
𝐾𝑒.𝜙

−

𝑅𝑢+𝑅𝑡
𝐾ᴇ.𝐾ᴍ.𝜙2

Ta có: Tốc độ không tải lý tưởng :
Độ cứng đường đặc tính cơ: 𝛽=

∆𝑀
∆𝑛

.𝑀

n0 =
=-

𝑈đ𝑚
𝐾ᴇ.𝜙đm

𝐾ᴇ.𝐾ᴍ.𝜙2
𝑅𝑢+𝑅𝑡

Hình 1.10 Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng.
Khi thay đổi điện áp đặt lên phần ứng của động cơ thì tốc độ không tải lý tưởng sẽ
thay đổi nhưng độ cứng của đường đặc tính không thay đổi như vậy : Khi ta thay đổi
điện áp thì độ cứng của đường đặc tính cơ không thay đổi.

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 13


GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

Đồ án: Điện Tử Công Suất

Họ đặc tính cơ là những đường thẳng song song với đường đặc tính cơ tự nhiên.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng thực chất là giảm áp
và chọn ra những tốc độ nhỏ hơn tốc độ cơ bản n. Đồng thời điều chỉnh nhảy cáp hay
kiểm tra phụ thuộc vào bộ nguồn cơ điện áp thay đổi một cách liên tục và ngược lại.
Theo lý thuyết thì phạm vi điều chỉnh D= ∞ . Nhưng trong thực tế động cơ điện một
chiều kích từ độc lập nếu không có biện pháp đặc biệt thì chỉ làm việc ở phạm vi cho
phép: Umincp =

Uđm
10

.

Nghĩa là phạm vi điều chỉnh D =

𝑛
nmin

=

10
1

. Nếu điện áp phần ứng U
phản ứng phần ứng sẽ làm cho tốc độ động cơ không ổn định .
Nhận xét:
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động
cơ sẽ giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ nên được dùng nhiều trong máy cắt
kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb.
 Ưu điểm:
Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để,vô cấp nghĩa là có thể điều chỉnh tốc độ bất kỳ
vùng tải nào kể cả không tải lý tưởng.
 Nhược điểm: Phải cần có bộ nguồn điện áp nên vốn đầu tư cơ bản và chi phí vận hành
cao.
- Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính triệt để) hơn, khi ta
dùng phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng nên tổn hao công suất điều khiển nhỏ.
- Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là giảm U dẫn đến momen ngắn mạch giảm,
dòng ngắn mạch giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong lúc khởi động động cơ.
- Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một momen điều chỉnh xác định
là như nhau nên dải điều chỉnh đều trơn và liên tục.
1.3.2 Sơ đồ nguyên lý.

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị dạng sóng của bộ biến đổi xung áp

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 14

GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

Đồ án: Điện Tử Công Suất

1.3.3 Nguyên lý hoạt động.
Phân tích :
Việc phân tích thực hiện với giả thiết dòng điện qua tải liên tục.Do cấu tạo mạch chỉ
chứa công tắc S với 2 trạng thái hoạt động là đóng và ngắt dòng điện nên ta phân tích
mạch theo 2 trạng thái cơ bản này.
+ Trong khoảng thời gian (0 ÷ T1) Trạng thái đóng S, thời gian đóng là T1, dòng điện
dẫn từ nguồn E khép kín qua mạch gồm (E,S,RưLưEư).Phương trình biểu diễn trạng thái
hoạt động của tải:
𝑢𝑧 =E
𝑢𝑧 = R.𝑖𝑧 +L

𝑑𝑖𝑧
𝑑𝑡

+Eư

(1.1)

Chọn thời điểm ban đầu 𝑡0 =0 và ta có:
𝑖𝑧 (𝑡0 ) = 𝑖𝑧0 = 𝑖0
Giải hệ phương trình vi phân trên,ta có nghiệm dòng điện đi qua tải dưới dạng :
𝑖𝑧 (𝑡)=
𝐿

𝐸−𝐸ư
𝑅

𝑡

𝑡

(1- 𝑒 −𝜏 )+𝑖0 .𝑒 −𝜏

(1.2)

với 𝜏= là hằng số thời gian mạch tải.
𝑅

Tại cuối khoảng dẫn T1, ta có 𝑖𝑧𝑀𝐴𝑋 =𝑖𝑧 (𝑇1)=𝑖1
→ Quá trình dòng điện tải có dạng tăng theo hàm mũ.
+ Trong khoảng thời gian (0 ÷ T1) Trạng thái ngắt S, khoảng thời gian ngắt là 𝑇2 .Do bị
kích ngắt nên dòng qua S triệt tiêu. Mạch tải có chứa L nên dòng qua nó không thể bị
thay đổi đột ngột được .Do tính liên tục của dòng điện qua tải chứa L, dòng tải 𝑖𝑡 tiếp tục
đi theo chiều cũ và khép kín qua diode không 𝐷 thuận chiều đang dẫn của nó.Phương
trình mô tả trạng thái mạch (𝐷, RưLưEư):
𝑢𝑧 =0
𝑢𝑧 =R.𝑖𝑧 +L

𝑑𝑖𝑧
𝑑𝑡

+Eư

(1.3)

Từ điều kiện ban đầu, dòng điện tải iz đạt giá trị cực đại tại t= T1

𝑖1 =𝑖𝑧 (𝑡0 + 𝑇1)= 𝑖𝑧 (T1)=

𝐸−𝐸ư
𝑅

𝑇1

(1-𝑒 − 𝜏 ) + 𝑖0

Giải phương trình chứa nghiệm dòng điện tải 𝑖𝑧 ta có:
𝑖𝑧 (t) =

−𝐸ư
𝑅

(1-𝑒 −

𝑡−𝑇1
𝜏

)+𝑖1 .𝑒 −

𝑡−𝑇1
𝜏

(1.4)

→ Dòng điện có giá trị giảm theo hàm mũ.
Tại cuối khoảng thời gian 𝑇2 , công tắc S lại được kích đóng. S dẫn điện làm điện áp
nguồn U tác dụng lên diode không 𝐷 như điện áp ngược nên ngắt dòng qua nó.Trạng

thái S đóng được phân tích như hình trên.

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 15


GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

Đồ án: Điện Tử Công Suất

Giá trị trung bình của điện áp trên tải nhận được là
𝑇1

1

𝑇1

Uz= ∫0 𝑢𝑧𝑑𝑡 =
𝑇

𝑇

𝐸 = 𝛾𝐸.

Trong đó: - T1 là thời gian cho van S dẫn.
- 𝛾 là tham số điều chỉnh.
- T là chu kì đóng cắt của van.
Dòng điện trung bình qua tải: Iz =

𝑈𝑧 –𝐸ư
𝑅

Giá trị lớn nhất của dòng điện:

Izmax=

Giá trị nhỏ nhất của dòng điện:

Izmin=

𝑇

trong đó: a1=𝑒 − 𝜏

𝐸 1−𝑏1−1
𝑅 1−𝑎1

-

𝐸ư

𝐸 𝑎1(𝑏1 − 1)
𝑅

1−𝑎1

𝑅

-

𝐸ư
𝑅

𝑇1

b1=𝑒 − 𝜏

𝜏=L/Rt là hằng số thời gian của mạch tải.
Độ dao động dòng điện tải: ∆𝑖𝑧 = Izmax - Izmin =

𝑈 (1−𝑏1−1 )(1−𝑎1𝑏1)
𝑅𝑡

1−𝑎1

Biểu thức này cho thấy độ đập mạch dòng không phụ thuộc vào tải là RL hay
RưLưEư. khi tải có suất điện động Eư ảnh hưởng đến giá trị tức thời của dòng diện làm
giảm trị số một lượng bằng Eư/Rư so với trường hợp tải RL. Có thể coi gần đúng hệ số
đập mạch theo biểu thức:
Kdm=

∆I (1−𝑏1−1 )(1−𝑎1𝑏1)
2Iz

1−𝑎1

Khảo sát cho thấy giá trị đập mạch dòng điện này phụ thuộc vào 𝛾 và đạt cực đại khi
𝛾 = 0,5.
Chế độ dòng tải gián đoạn :

Khi Eư=0, dòng điện tải luôn liên
tục.Khi Eư > 0, dòng điện tải có thể liên
tục hoặc gián đoạn. Khoảng thời gian
dòng điện tải gián đoạn phụ thuộc vào
các giá trị của tham số điều khiển (T1,T2)
và tham số tải (RưLưEư).
Ở chế độ dòng gián đoạn khoảng thời
gian dòng gián đoạn (𝑖𝑧 =0) xuất hiện
trong thời gian ngắt van S. Trong thời
gian đóng S,dòng điện tải luôn được mô
tả bởi phương trình (1.1) và (1.2) bắt đầu
từ giá trị iz(0)=i0=0. Trong giai đoạn đầu
của thời gian ngắt van S (T1điện tải liên tục giảm và trạng thái được
mô tả như hình (1.3) và (1.4).
Hình 1.12 Đồ thị dạng sóng dòng gián đoạn

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 16


GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

Đồ án: Điện Tử Công Suất

Nghiệm dòng điện tải theo hệ thức (1.4) giảm và đạt giá trị 0 tại thời điểm 𝑡2 thỏa mãn
điều kiện :
𝑖𝑧 (𝑡2 )=

−𝐸ư

(1 - 𝑒 −

𝑅

𝑡2−𝑇1
𝜏

) + 𝑖1 .𝑒 −

𝑡2−𝑇
1
𝜏

= 0 ; 𝑇1 < 𝑡2 < T (1.5)

Giải phương trình (1.5), ta xác định được giá trị 𝑡2 :
t 2 = τ.ln[

E

(e

Eư

T1⁄
τ

– 1) + 1]

(1.6)

Giai đoạn dòng tải gián đoạn ( t2 < t < T ) : điện áp trên tải bằng Eư .
Trị trung bình điện áp trên tải : dễ dàng dẫn giải điện áp trung bình trên tải theo hệ thức
(1.7):
T1

Uz = E.

T

+ Eư.

T−t2

t

= E.γ + Eư.(1- 2 );

T

T

γ=

T1
T

(1.7)

Hệ quả :
Với chế độ dòng điện qua tải liên tục, ta có:
- Điện áp trên tải có dạng xung thay đổi giữa 2 giá trị 0 và +U ;
𝑇1

- Bằng cách thay đổi tỷ số 𝛾=

𝑇

giữa 𝑇1 : thời gian đóng S và T: chu kỳ đóng ngắt

( T= 𝑇1 + 𝑇2 ) ta điều khiển trị trung bình áp tải và dòng tải theo các hệ thức:
1

𝑇

𝑈𝑧 = .∫0 𝑢𝑧 .dt =

𝐸.𝑇1 +0.𝑇2

𝑇

Do 0 ≤ 𝛾 =

𝑇1
𝑇

𝑇

𝑇

𝑇1

𝑇

𝑇

= E. 1 = E.𝛾 ; 𝛾=

(1.8)

≤ 1 → 0≤ 𝑈𝑧 ≤ E
𝑖𝑧 =

𝑈𝑧 −𝐸

(4.9)

𝑅

Ở chế độ dòng tải gián đoạn ,các quá trình điện áp và dòng điện được mô tả bởi các
hệ thức và phương trình (1.1), (1.2).....(1.7) và (1.9)
Dòng điện lấy từ nguồn: Is= Iz

T
𝛾T

Dòng điện qua Diode D: ID= Iz

=

𝐼𝑧
𝛾

(1−𝛾 )T
T

= (1 − 𝛾)Iz

Công suất mạch tải nhận được: P=Uz.Iz = 𝛾 2 .E.Is
Bộ giảm áp dùng làm nguồn điện áp cho truyền động điện động cơ 1 chiều ,làm bộ phận
nguồn cho bộ biến tần áp, bộ biến tần dòng điện .
1.3.4 Đặc tính điều chỉnh của bộ xung áp – động cơ
Ta có công thức

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 17


Đồ án: Điện Tử Công Suất

GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

Khi thay đổi 𝛾 ta được họ đường thẳng song song có độ cứng 𝛽 = const và tốc độ không
tải lí tưởng 𝜔o thay đổi theo 𝛾. Nếu nguồn vô cùng lớn thì ta có thể bỏ qua Rbđ, khi đó độ
cứng của đặc tính cơ của hệ có độ cứng là:

Hình 1.13 Đặc tính cơ của hệ truyền XA-ĐC

Tốc độ không tải lí tưởng 𝜔o phụ thuộc vào 𝛾 chỉ là giá trị giả định. Nó có thể tồn tại
nếu như dòng trong hệ là liên tục kể cả khi giá trị dòng tiến đến 0. Vì vậy hai biểu thức
trên chỉ đúng với trạng thái dòng liên tục. Khi dòng điện đủ nhỏ thì hệ sẽ chuyển trang
thái từ dòng liên tục sang trạng thái dòng gián đoạn. Khi đó các phương trình đặc tính
điều chỉnh nói trên không còn đúng nữa mà lúc này đặc tính của hệ là những đường cong
rất dốc.
Nhận xét:
+) Tất cả đặc tính điều chỉnh của hệ XA – ĐC khi dòng điện gián đoạn đều có
chung một giá trị không tải lí tưởng, chỉ ngoại trừ trường hợp 𝛾 = 0.
+) Bộ nguồn xung áp cần ít van dẫn nên vốn đầu tư ít, hệ đơn giản chắc chắn .
+) Độ cứng của đặc tính cơ lớn.
+) Điện áp dạng xung nên gây ra tổn thất phụ khá lớn trong động cơ. Khi làm
việc ở trạng thái dòng điện gián đoạn thì đặc tính làm việc kém ổn định và tổn
thất năng lượng nhiều.

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 18


Đồ án: Điện Tử Công Suất

GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC
2.1 Sơ đồ nguyên lý của mạch động lực.

Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch động lực

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực

Trong đó:
1. BAL: Khối biến áp lực dùng máy biến áp 3 pha đấu ∆/Y có tác dụng chuyển
điện áp của lưới điện xoay chiều sang điện áp thích hợp với tải, cách ly điện áp
lưới, trong một số trường hợp còn dùng để biến đổi số pha của nguồn lưới.
2. CL: Khối chỉnh lưu. Ta chọn khối chỉnh lưu cầu 3 pha
 Chức năng: biến đổi dòng điện xoay chiểu thành dòng điện một chiều
 Ưu điểm: - cho phép đấu thẳng vào lưới điện ba pha
- Độ đập mạch rất nhỏ (5,7%)
- Công suất máy biến áp xấp xỉ bằng công suất tải, đồng thời gây méo
lưới điện ít hơn loại chỉnh lưu khác.
 Nhược điểm: sụt áp trên van gấp đôi và chi phí cao hơn so với sơ đồ hình tia
3. LĐV: Khối lọc đầu vào có tác dụng san bằng điện áp đầu ra ở khối chỉnh lưu
4. Van: Van bán dẫn dùng để đóng cắt dòng điện ta dùng IGBT bởi vì IGBT là
phần tử kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu dòng
lớn của BJT. Về mặt điều khiển, IGBT gần giống như MOSFET, nghĩa là được
điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu cực nhỏ.
5. LĐR: Khối lọc đầu ra có tác dụng san bằng điện áp đầu ra, nâng cao chất lượng
điện áp đặt lên tải.
6. ĐC: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 19


Đồ án: Điện Tử Công Suất

GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

2.2 Tính chọn các phần tử mạch động lực.

Nhắc lại yêu cầu: Thiết kế thiết bị biến đổi xung áp mắc nối tiếp điều khiển tốc độ
động cơ điện một chiều không đảo chiều quay với các số liệu cho trước như sau: Công
suất định mức động cơ: Pđm = 5.5 kW. Điện áp định mức phần ứng: Uưđm = 220 V. Dòng
điện định mức phần ứng: Iưđm= 25.5 A. Tốc độ định mức: nđm = 1200 v/ph. Hệ số dự trữ
điện áp: Ku = 1,5 ÷ 1,8. Hệ số dự trữ dòng: Ki= 1,1 ÷1,4.
2.2.1 Tính chọn Van IGBT.
Van động lưc được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản: dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều
kiện tản nhiệt, điện áp làm việc.
Ta có các thông số ban đầu của mạch động lực như sau:
Nguồn lưới xoay chiều 3 pha: 380V/220V
Tải là động cơ điện một chiều kích từ độc lập có:
Pđm = 5,5 kW; Uđm = 220V; Iđm = 25,5 A; nđm = 1200 vòng/phút;
Các thông số còn lại được tính:
P
5,5.10 3


 0,98
U d m.I d m 220 .25,5
Điện trở mạch phần ứng động cơ, được tính gần đúng như sau:
220
 0,863 
Rư = 0,5.(1   ).
25,5
Điện cảm mạch phần ứng động cơ, được tính theo công thức Umanxki-Linđvil:
U dm.60
220 .60
 0,25
 1,72.10 4 H  0,172 mH
Lư =  .

2. . p.ndm.I dm
2. .100 .1200 .25,5
Trong đó   0,25 là hệ số lấy cho động cơ có cuộn bù.
Với yêu cầu đặt ra ta chọn tần số băm xung là f = 5 kHz suy ra 𝜌 = 100
Vậy dòng điện trung bình lớn nhất qua van IGBT là:
IS = 25,5A.
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van S là:
US = 220 V.
Hệ số dự trữ điện áp:
Ku = 1,5 ÷ 1,8. Chọn Kum= 1,8.
Hệ số dự trữ dòng:
Ki = 1,1 ÷1,4. Chọn Kim= 1,4.
Với hệ số dự trữ dòng điện và điện áp như trên ta tính được dòng điện, điện áp ngược
cực đại của van IGBT là
Ingmax = Kim. IS = 1,4.25,5 = 35,7 A
Ungmax = Kum .US = 1,8.220 = 396 V
Từ đó ta chọn được van IGBT loại IRGP450UD2 để lắp vào mạch lực của bộ biến đổi
có thông số như sau:
- Điện áp khóa Collector - Emitter của IGBT: VCES= 500V.
- Điện áp Gate – Emitter cực đại: VGES = ± 20V.
- Dòng điện làm việc cực đại ( với Tc=250C) : ICmax = 59A.
- Đỉnh xung dòng điện cực đại: Ipikmax = 120 A.
- Điện áp xung điều khiển: VGEmax = 15 V.

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 20


Đồ án: Điện Tử Công Suất

GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

Hình 2.3 Cấu tạo và hình dạng của IGBT IRGP450UD2
-

Điện áp ngưỡng điều khiển: VGE(th) = 5,5 V.
Công suất tiêu tán cực đại ( với Tc=250C): PD = 200W
Phạm vi nhiệt độ cho phép: Tcp = - 550C ÷ +1500C.
Điện áp đánh thủng: V(BR)CES = 500 V.
Điện áp rơi trên IGBT: VCE(sat) = 3,2 V.
Dòng điện rò: IGES = 100 nA.
Thời gian mở: ton = td(on) + tr = 33 + 26 = 59 ns.
Thời gian đóng: toff = td(off) + tf = 160 + 110= 270 ns.

2.2.2 Tính chọn Diode công suất D.
Thông số cơ bản của Diode công suất D được tính toán như sau:
dòng điện trung bình lớn nhất qua Diode D là:
ID = 25,5A.
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van S là:
UD = 220 V.
Hệ số dự trữ điện áp:
Ku = 1,5 ÷ 1,8. Chọn Kum= 1,8.
Hệ số dự trữ dòng:
Ki = 1,1 ÷1,4. Chọn Kim= 1,4.
Từ đó ta có được dòng điện, điện áp ngược cực đại của Diode D là
IDmax = Kim. IS = 1,4.25,5 = 35,7 A
UDmax = Kum .US = 1,8.220 = 396 V
Ta chọn loại Diode NTE5990 có các thông số như sau:
- Dòng điện dẫn cực đại: Imax = 40 A.

- Điện áp ngược cực đại của Diode: Un = 400 V.
- Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 500 A.
- Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của Diode: ∆U = 1,2 V.
- Dòng điện thử cực đại: Ith = 40 A.
- Dòng điện rò ở nhiệt độ 250C: Ir = 100 𝜇A.
- Nhiệt độ cho phép: Tcp = 140 0C.

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 21


GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

Đồ án: Điện Tử Công Suất
2.2.3 Tính chọn bộ chỉnh lưu.

Sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha dùng 6 Diode công suất. Tính chọn Diode dựa vào
các yếu tố cơ bản của dòng tải, điện áp làm việc. các thông số cơ bản của Diode được
tính như sau:
 Điện áp ngược lớn nhất mà Diode phải chịu:
Unmax = Knv . U2 = Knv .

VCE(sat)+Uưđm
Ku

𝜋

= . (3,2 + 220) = 233,73 V.
3

Trong đó: - U2 , VCE(sat) , Uưđm là điện áp nguồn xoay chiều, điện áp rơi trên van S, điện
áp định mức phần ứng động cơ.
Knv = √6, Ku =

-

3√6
𝜋

là hệ số điện áp ngược và hệ số điện áp tải.

Điện áp ngược của Diode cần chọn:
UnD = Kum . Unmax = 1,8 . 233,73 = 420,71 V.
Trong đó: Hệ số dự trữ điện áp: Ku = 1,5 ÷ 1,8. Chọn Kum= 1,8.
 Dòng điện làm việc của Diode được tính theo dòng hiệu dụng:
Ilv = Ihd = khd . Id =
Trong đó:

Id
√3

= 14,72 A.

-

Id , Ihd là dòng điện tải và dòng điện hiệu dụng của Diode.

-

khd =

1
√3

là hệ số dòng điện hiệu dụng.

Dòng điện định mức của Diode cần chọn là:
Iđm = Kim . Ilv = 1,4 . 14,72 = 20,608 A.
Hệ số dự trữ dòng: Ki = 1,1 ÷1,4. Chọn Kim= 1,4.
Từ các thông số UnD , Iđm ta chọn 6 Diode loại BYY53/500 có các thông số như sau:
- Dòng điện dẫn cực đại: Imax = 25 A.
- Điện áp ngược cực đại của Diode: Un = 500 V.
- Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 425 A.
- Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của Diode: ∆U = 1,1 V.
- Dòng điện thử cực đại: Ith = 25 A.
- Dòng điện rò ở nhiệt độ 250C: Ir = 1,5 mA.
- Nhiệt độ cho phép: Tcp = 200 0C.
2.2.4 Tính chọn máy biến áp chỉnh lưu.
Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây ∆/Y làm mát bằng không khí tự nhiên.
Máy biến áp có công suất nhỏ, chỉ cỡ chục kVA trở lại, sụt áp trên điện trở tương đối lớn
khoảng 4%, sụt áp trên cuộn kháng ít hơn khoảng 2%. Điện áp sụt trên 1 Diode khoảng
1,1 V.
 Tính các thông số cơ bản:
1. Điện áp pha sơ cấp MBA:

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

U1=380(V)

Trang 22


Đồ án: Điện Tử Công Suất

GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

2. Điện áp pha thứ cấp MBA:
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:

Ud 0 cosmin  Ud  2Uv  Udn  U BA
Trong đó:

 min  100 là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện áp lưới;
Uv  1,1(V ) là sụt áp trên Diode;
U dn  0 là sụt áp trên dây nối;
U BA  U r  U x là điện áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp.
Chọn sơ bộ:

U BA  6%.U d =0,06.220=13,2(V)
Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có:
U  2U v  U dn  U BA 223,2  2.1,1  0  13,2
U do  d

 242,281(V )
cos min
cos100
Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
U
242,281

U 2  do 
 103,579(V )
ku
3 6

3. Công suất tối đa của tải:
Pdmax = Udo. Id = 242 ,281 .25,5=6178,242 (W)
4. Tính công suất biểu kiến mba:
Sba=ks.Pđmax
trong đó: ks hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực, với sơ đồ cầu ba pha đối
xứng thì ks=1,05
 Sba=1,05. 6178,242 =6487,1541 (VA)
5. Dòng điện hiệu dụng thứ cấp mba:
2
2
Id 
. 25,5  20,821( A)
3
3
6. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp mba:
U
103,579
I1  kBA.I 2  2 I 2 
.20,821  5,621 ( A)
U1
380
I2 

 Tính sơ bộ mạch từ
7. Tiết diện sơ bộ trụ:

Q Fe  k Q

S BA
mf

trong đó: k Q hệ số phụ thuộc phương thức làm mát, ta chọn k Q = 6 ứng với phương
thức làm mát bằng không khí.

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 23


Đồ án: Điện Tử Công Suất

GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

m là số trụ của máy biến áp, với Máy biến áp ba pha ta có m=3.
f - tần số dòng điện xoay chiều, f=50 Hz
6487,1541
 39,458(cm2 )
3.50
8. Đường kính trụ:
 QFe  6

d

4QFe



4.39,458

 7,088(cm)


Chuẩn hóa đường kính trụ theo tiêu chuẩn: d=7 (cm).
9. Chọn loại thép: Để giảm tổn hao sắt trong mạch từ ta chọn lõi thép là các lá tôn silic
dày 0,5mm.
Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ BT=1(T).
10. Chọn tỷ số m = h/d=2,3(thông thường m=2  2,5)
 h=2,3.d=2,3.7=16,1 (cm).
Chọn chiều cao trụ h=16 (cm).
 Tính toán dây quấn

11. Số vòng dây mỗi pha sơ cấp mba:
U1
380
W1 

 433,8 vòng
4,44. f .QFe .BT 4,44.50.39,458 .1.10  4
Chọn W1=434 (vòng)
12. Số vòng dây mỗi pha thứ cấp mba:
U
103,579
W2  2 W1 
.433,8  118,24 vòng
U1
380

Chọn W2=118 vòng.
13. Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong mba:
Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp khô, chọn J1=J2=2,75(A/mm2)
14. Tiết diện dây dẫn sơ cấp mba:
I1 5,621
 2,044(mm2 )
S1= 
J1 2,75
Chọn dây dẫn hình chữ nhật, cách điện cấp B.
Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S1=2,05(mm2)
Kích thước dây có kể cách điện: S1cđ= a1xb1 = 1,0x2,44 mm
15. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp
I 13,14
J1  1 
 6,41( A / mm 2 )
S1 2,05
16. Tiết diện dây dẫn thứ cấp mba:
I 20,821
S2  2 
 3,248(mm2 )
J2
6,41
Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật cấp cách điện B

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 24


Đồ án: Điện Tử Công Suất

GVHD: PGS-TS. Đoàn Quang Vinh

Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn: S2=3,33(mm2)
Kích thước dây có kể cách điện: S2cđ= a2xb2= 1,45x2,44 mm
17. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp:
I
20,821
J2  2 
 6,253( A / mm2 )
S2
3,33
 Kết cấu dây quấn sơ cấp
Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục.
18. Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp
h  2h0
W11 
.kc
b1
trong đó:
kc= 0,95 là hệ số ép chặt;
h - chiều cao trụ;
hg- khoảng cách từ gông đến cuộn sơ cấp. Chọn sơ bộ hg= 1 cm.
16  2.1
 W11 
.0,95  54,51 (vòng)
0,244
Chọn W11= 55 vòng.
19. Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp:
W 434

n11  1 
 7,89 (lớp)
W11 55
20. Chọn số lớp: n11=8 lớp
Như vậy có 434 vòng chia thành 8 lớp, chọn 7 lớp đầu có 55 vòng, lớp thứ 6 có 4347.55=49 (vòng).
21. Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp:
W .b 55.0,244
h1  11 1 
 14,126 (cm)
kc
0,95
22. Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày:
S01=0,1 cm
23. Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp:
a01=1,0 cm.
24. Đường kính trong của ống cách điện:
d1= d+2a01-2S01= 7+2.1,0-2.0,1= 8,8(cm).
25. Đường kính trong của cuộn sơ cấp:
dt1= d1+2S01= 8,8+2.0,1= 9(cm).
26. Chọn bề dày cách điện giữa các lớp ở cuộn sơ cấp:
cd11=0,1 mm.
27. Bề dày cuộn sơ cấp
Bd1= (a1+cd11).n11= (1,0+0,1).6= 6,6 (mm) = 0,66 (cm).

SVTH: Nguyễn Đình Tiến – Lớp 12D1

Trang 25