Thiết kế biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay cùng với việc phát trển mạnh mẽ các ứng dụng
của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp nói chung và trong công
nghiệp điện tử nói riêng thì các thiết bị điện tử có công suất lớn được
chế tạo ngày càng nhiều.Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các
ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang phát triển
hết sức mạnh mẽ.Qua đó con người đã khai thác triệt để những ưu
điểm vốn có của các loại động cơ một chiều và xoay chiều phục vụ
những nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực tự động hóa.
Với đồ án này em đã nêu ra một khía cạnh nhỏ trong lĩnh vực
điều khiển động cơ không đồng bộ.
“Thiết kê biến tần 3 pha để điều chỉnh tốc độ động cơ không
đồng bộ”
Nội dung các chương mục như sau :
Chương I : Khái quát chung về hệ truyền động điện biến tần
động cơ không đồng bộ.
Chương II : Tính chọn mạch lực và thiết bị liên quan.
Chương III : Thiết kế mạch điều khiển cho bộ biến đổi.

1


CHƯƠNG I : KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ
KHÔNG ĐỒNG BỘ
I.1. HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC BIẾN TẦN- ĐỘNG CƠ XOAY
CHIỀU
Trong các hệ thống điều tốc biến tần cho cả 2 loại động cơ xoay
chiều đồng bộ và không đồng bộ thì bộ biến tần là khâu quan trọng
quyết định đến chất lượng của hệ thống truyền động. Phụ thuộc vào
phạm vi điều chỉnh, vào phạm vi công suất truyền động, vào hướng

điều chỉnh mà có các loại biến tần và phương pháp khống chế biến tần
khác nhau. Trong thực tế các bộ biến tần được chia làm hai nhóm: các
bộ biến tần là biến tần trực tiếp và các bộ biến tần gián tiếp có khâu
trung gian một chiều. Trước đây, các hệ truyền động dùng biến tần trực
tiếp do chất lượng điện áp đầu ra thấp nên thường dùng ở lĩnh vực
công suất lớn, nơi chỉ tiêu về hiệu suất được đặt lên hàng đầu. Ngày
nay, với sự phát triển của điện tử công suất và kỹ thuật vi điều khiển,
phương pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận cho chất lượng điện áp
ra cao, giảm ảnh hưởng xấu đến lưới điện nên phạm vi ứng dụng đang
ngày càng được mở rộng. Được ứng dụng nhiều nhất hiện nay vẫn là
các hệ điều tốc biến tần dùng bộ biến tần gián tiếp, các bộ biến tần loại
này có thể khống chế theo các phương pháp khác nhau: điều chế độ
rộng xung (PWM); điều khiển vector; điều khiển trực tiếp mô men.
Biến tần điều chế độ rộng xung (PWM) với việc điều khiển
điện áp và tần số theo qui luật U1/f1 = Const dễ thực hiện nhất, đường
đặc tính cơ biến tần của nó về cơ bản là tịnh tiến lên xuống, độ cứng
cũng khá tốt, có thể thoả mãn yêu cầu điều tốc thông thường, nhưng
khi tốc độ giảm thấp thì sụt áp trên điện trở và điện cảm tản cuộn dây

2


ảnh hưởng đáng kể đến mô men cực đại của động cơ, buộc phải tiến
hành bù sụt điện áp cho mạch stator. Điều khiển Es/f1 = const là mục
tiêu thực hiện bù điện áp thông dụng với U1/f1 = const, khi ở trạng thái
ổn định có thể làm cho từ thông khe hở không khí không đổi (Фm =
const), từ đó cải thiện được chất lượng điều tốc ở trạng thái ổn định.
Nhưng đường đặc tính của nó vẫn là phi tuyến, khả năng quá tải về
mômen quay vẫn bị hạn chế.
Hệ thống truyền động điều khiển Er/f1 = const có thể nhận được

đường đặc tính cơ tuyến tính giống như ở động cơ một chiều kích thích
từ độc lập, nhờ đó có thể thực hiện điều tốc với chất lượng cao. Dựa
vào yêu cầu tổng từ thông của toàn mạch rotor Фrm= const để tiến hành
điều khiển có thể nhận được Er/f1=const. Trong trạng thái ổn định và
trạng thái động đều có thể duy trì Er/f1=const là mục đích của điều tốc
biến tần điều khiển vec tơ.
I.2. SƠ LƯỢC VỀ CÁC HỆ THỐNG BIẾN TẦN.
1. Khái niệm.
Biến tần là thiết bị tổ hợp các linh kiện điện tử thực hiện chức
năng biến đổi tần số và điện áp một chiều hay xoay chiều nhất định
thành dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển được nhờ khoá điện tử
2. Phân loại
1. Biến tần trực tiếp:
Bộ biến đổi này chỉ dùng một khâu biến đổi là có thể biến đổi
nguồn điện xoay chiều có điện áp và tần số không đổi thành điện áp
xoay chiều có điện áp và tần số điều chỉnh được. Do quá trình biến đổi
không phải qua khâu trung gian nên được gọi là bộ biến tần trực tiếp,
còn được gọi là bộ biến đổi sóng cố định (Cycloconverter). Như vậy
điện áp xoay chiều U1(f1) chỉ cần qua một van là chuyển ngay ra tải với
U2(f2).

3


Tuy nhiên, đây là loại biến tần có cấu trúc sơ đồ van rất phức tạp
chỉ sử

dụng cho truyền động điện có công suất lớn, tốc độ làm việc

thấp. Vì việc thay đổi tần số f2 khó khăn và phụ thuộc và f1.

Ví dụ
o

o
b

a

o
c

~
U
1

,
T
CK

ck

A

N
A

f

T

CK

CK

B

N
CK

B

CK

T

N

C

C

1

f
2

•
B

H1.3: Sơ đồ biến tầnCtrực tiếp

2.Biến tần gián tiếp:
Còn gọi là biến tần độc lập. Trong biến tần này đầu tiên điện áp
được chỉnh lưu thành dòng một chiều. Sau đó qua bộ lọc rồi trở lại
dòng xoay chiều với tần số f2 nhờ bộ nghịch lưu độc lập (quá trình thay
đổi f2 không phụ thuộc vào f1).Việc biến đổi hai lần làm giảm hiệu suất
biến tần.Tuy nhiên việc ứng dụng hệ điều khiển số nhờ kĩ thuật vi xử lí
nên ta phát huy tối đa các ưu điểm của biến tần loại này và thường sử
dụng nó hơn.
Ví dụ :

4


L1

Lo
T9

T7

T11

D7

D9

D11

T1
C1

T3

T5

C3

C5
D1

o
o

~

o

D5

U2
D10

U1
,
f1

D3

Co

D12

D8

D6

D4
C4

D2

C6

,
f2

C2
T10

T12

T8
T4

T6

T8

L2

H1.4: Sơ đồ biến tần gián tiếp

Chỉnh lưu

Lọc

Nghịch lưu

H1.5: Sơ đồ khối
Phân loại biến tần gián tiếp
Do tính chất của bộ lọc nên biến tần gián tiếp lại được chia làm
hai loại sử dụng nghịch lưu dòng và nghịch lưu áp.
a). Bộ biến tần gián tiếp nguồn dòng:
Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn
dòng, dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc vào dạng dòng điện của
nguồn, còn dạng áp trên tải tuỳ thuộc vào các thông số của tải quy
định.
b). Bộ biến tần gián tiếp nguồn áp:
Là loại biến tần mà nguồn tạo ra điện áp một chiều là nguồn áp
(nghĩa là điện trở nguồn bằng 0). Dạng của điện áp trên tải tuỳ thuộc
vào dạng của điện áp nguồn, còn dạng của dòng điện trên tải phụ thuộc
vào thông số của mạch tải quy định.

5

Ñ
K
B

Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dạng dòng điện và
điện áp sin hơn, dải biến thiên tần số cao hơn nên được sử dụng rộng
rãi hơn.
Bộ biến tần nguồn áp có hai bộ phận riêng biệt, đó là bộ phận
động lực và bộ phận điều khiển.
Phần động lực gồm có các phần sau:
- Bộ chỉnh lưu: có nhiệm vụ biến đổi dòng xoay chiều có tần số
f1 thành dòng một chiều.
- Bộ nghịch lưu: là bộ rất quan trọng trong bộ biến tần, nó biến
đổi dòng điện một chiều được cung cấp từ bộ chỉnh lưu thành dòng
điện xoay chiều có tần số f2.
- Bộ lọc: là bộ phận không thể thiếu được trong mạch động lực
cho phép thành phần một chiều của bộ chỉnh lưu đi qua và ngăn chặn
thành phần xoay chiều. Nó có tác dụng san bằng điện áp sau khi chỉnh
lưu.
Phần điều khiển:
Là bộ phận không thể thiếu được, nó quyết định sự làm việc của
mạch động lực, để đảm bảo các yêu cầu tần số, điện áp ra của bộ biến
tần đều do mạch điều khiển quyết định.

6


CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN MẠCH LỰC VÀ
THIẾT BỊ LIÊN QUAN
I.1. TÍNH TOÁN MẠCH CÔNG SUẤT
1. Bộ nghịch lưu
a) Sơ đồ nguyên lý:

H2.5. Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu áp ba pha gián tiếp

-Hoạt động:
Tụ C1 đảm bảo nguồn là nguồn áp và để tiếp nhận năng lượng
phản kháng từ tải.
Phương pháp điều khiển các van mosfet thông thường nhất là điều
khiển cho góc mở của van là λ = 180o và λ = 120o . Ở đây ta xét góc dẫn
với tải đấu sao, ta xác định điện áp trên tải trong từng khoản thời gian
600 (vì cứ 600 có một trạng thái chuyển mạch) với nguyên tắc van nào
dẫn coi như thông mạch .Nhìn chung sơ đồ này có dạng một pha tải nối
với hai pha đấu song song nhau .Do vậy điện áp 1 pha trên tải sẽ chỉ có
hai giá trị là

hoặc 2

E
. Khi một pha đấu song song với 1 trong 2 pha còn lại
3

E
khi một pha nối tiếp với nhánh song song còn lại.Với giả
3

thiết tải đối xứng
7


b) Dạng sóng mạch nghịch lưu:
T1
T2
T3
T4

T5
T6
Ua

Ub

Uc

io

H2.7. Dạng sóng mạch nghịch lưu
c)Tính chọn các phần tử trong mạch:
+ Các thông số của động cơ không đồng bộ roto lồng sóc:
-Công suất định mức: Pdm = 7,5 Kw
-Điện áp định mức: Ufdm = 220 V
-Hệ số công suất:
Cos ϕ = 0,78
-Hiệu suất:

η = 0,8

Từ các thông số trên dễ dàng tính được các đại lượng cần thiết:
-Dòng điện định mức:
Pdm
7,5.103
I dm =
=
= 18, 2 (A)
3.UY .η .cos φ 3.220.0,8.0,78

-Điện trở mỗi pha tải:

8


Rf =

U fdm
I dm

.cos φ =

220
.0,78 = 9, 42 (Ω)
18, 2

2

2

1  U fdm 
1
 220 
2
Lt =
− 9, 722 = 0, 022 (H)

÷ −R =

÷

ωdm  I dm 
2.50.3,14  18, 2 

+ Tính chọn Mosfet:
Để lựa chọn được van ta cần tính được điện áp cực đại đặt lên van và
dòng điện trung bình chảy qua van.
Bộ biến tần điều chỉnh theo quy luật = Const, mà dải điều chỉnh tần số
của động cơ là f= 0 - 120Hz
Do đó ta có
=
Umax =

Vậy

U dm
. f max = 220 .120= 528 (V)
f dm
50

+) Tính toán các thông số điện áp ở chế độ điều chỉnh cực đại
-Ta có điện áp cực đại trên một pha tải:
Uma = 2 Umax
-Điện áp đầu vào cực đại của bộ nghịch lưu:
3
2

3
2

Udmax = Umza = .528. 2 = 1120 (V)

- Điện áp cực đại đặt lên mỗi Mosfet:
Ung = Udmax =1120 (V)
+) Tính toán các thông số dòng điện ở chế độ điều chỉnh cực đại
-Dòng điện hiệu dụng pha tải ở chế độ điều chỉnh cực đại
Ihd =

U max

( 2π f max .Lt )

2

=

+ R2

380

( 2.3,14.120.0, 022 )

2

+ 9, 72 2

= 19, 77

-Hệ số:
cos ϕ max =

R

( 2π f max .Lt )

2

+ R2

=

9, 72

( 2.3,14.120.0, 022 )

2

+ 9.722

= 0,50

-Dòng trung bình qua Mosfet:

9


IM =

Im
2 I hd
(cos ϕ max + 1) =
(cos ϕ max + 1)

2π
2π

Thay số ta được:
IM =

2.9, 72
(0, 022 + 1) = 10,85 (A)
2π

- Chọn hệ số dự trữ dòng điện: ki = 1,8
Vậy cần chọn Mosfet chịu được dòng điện trung bình:
ITBM = 1,8.IM = 1,8. 10,85 = 19,53 (A)
Từ đó ta chọn: Mosfet SKM284F với thông số:
IDmax=20 A
UDSmax= 1500 V
+ Tính chọn điốt ngược:
+) Điện áp:
-Điện áp cực đại đặt lên điôt: Ungm = Udmax
-Chọn hệ số an toàn điện áp kud = 1,8
Vậy điôt ít nhất phải chịu được điện áp:
Ulv = 1,8. U d max = 1,8.1120 = 2016 (V)
+) Dòng điện:
-Dòng trung bình chảy qua điốt:

ID
=

=

Im
2 I hd
(cos ϕ max − 1) =
(cos ϕ max − 1)
2π
2π
2 .28,17
(0,71 − 1) = 1,84
2π
(A)

Thay số ta được: ID
-Chọn hệ số dự trữ dòng điện: ki = 3,2
Vậy cần chọn điốt ít nhất chịu được dòng trung bình:
ITBD = 3,2.1,84 = 5,888 (A)
Từ đó ta chọn điốt: Điôt BYX38 với thông số
Idm= 6 A
Ungm=2300
2. Bộ chỉnh lưu
10


a) Sơ đồ

b. Tính chọn Tiristor
Dòng điện và điện áp tải chính là dòng điện và điện áp đầu vào của bộ
nghịch lưu.
Dòng trung bình bộ nghịch lưu tiêu thụ từ nguồn
Iv =

2 I 0 . A2
3

Trong đó:
=

I0 : Là dòng điện cơ sở ( I0

U d max
Rf

)

 3Q 1 − a 2 

A = 1 − .
2 
 2π 1 − a + a 



1
−1
 cos ϕ max 

Q = tgφmax = 

a=e

2

−1
3Q

Thay số ta được:

11


1120

I0 = 9, 72 = 115, 22 (A)
 1

− 1 = 0,992
2
 0,71


Q= 

a = 0,715

A = 0,842
Khi đó:
2 I . A2 2.115, 22. ( 0,842 )
Iv = 0
=
= 54, 45 (A)
3

3
2

Vậy dòng điện tải và điện áp tải cực đại của bộ chỉnh lưu là:
Ud = Udmax = 1120 (V)
Idmax = Iv = 54,45 (A
Điện áp
Giá trị hiệu dụng điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
U2 =

π .U d 3,14.1120
=
= 478,57 (V)
3 6
3 6

Điện áp ngược cực đại trên mỗi Tiristor:
Ungmax = 6.U 2 = 6.478,57 = 1172, 2 (V)
Chọn hệ số dự trữ về điện áp ku = 1,4
Vậy phải chọn Tiristor ít nhất chịu được điện áp ngược:
Unv = 1,4 . 1172,2 = 1641,17 (V)
Dòng điện
Dòng điện làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng
Ilv = Ihd =

I d 54, 45
=
= 31, 43 (A)
3
3

12


Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt với đầy đủ diện
tích tản nhiệt, có quạt đối lưu không khí.
Với điều kiện đó ta chọn hệ số dự trữ dòng điện ki = 2,5
Vậy cần chọn dòng định mức của van là:
Idmv = 2,5 . Ilv = 2,5 . 31,43 = 78,59 (A)
Với các thông số Unv , Idmv ta chọn Tiristor: T60N1000VOF có:
Điện áp ngược cực đại của van : Un
= 1300 V
Dòng điện định mức của van : Idmmax = 90 A
Dòng điện đỉnh cực đại
: Ipik = 1400 A
Dòng điện xung điều khiển
: Ig
= 150 mA
Điện áp xung điều khiển
: Ug = 1,4 V
Dòng điện duy trì
: Ih =0,2 A
Dòng điện rò
: Ir
= 25 mA
Sụt áp của Tiristor ở trạng thái dẫn : ΔU = 1,8 V
Tốc độ biến thiên điện áp
: du/dt = 1000 V/s
Thời gian chuyển mạch
: tcm = 180 μs

Nhiệt độ làm việc cực đại

: Tmax = 125 0C

c .Tính toán máy biến áp chỉnh lưu
Chọn máy biến áp ba pha ba trụ đấu Δ /Y làm mát bằng không
khí tự nhiên.
Tính các thông số cơ bản
Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:
Ud0 = Ud + ΔUv + ΔUba + ΔUdn
Trong đó:
Sụt áp trên các van :
ΔUv = 2. ΔU
Sụt áp trên máy biến áp khi có tải chọn sơ bộ
ΔUba = 6%Ud
sụt áp trên dây nối
ΔUdn ≈ 0

13


Thay số ta có :
Ud0 = 1120 + 2.1,8 + 0, 06.1120 = 1190,8 V
Công suất biểu kiến của biến áp
S = ks.Pdmax =1,05.78,59.1190,8 = 98,26 (kVA)
Điện áp pha sơ cấp biến áp
U1 = 380 V
Vậy điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
U2 =

π .U d 0 3,14.1190,8
=
= 508,82 V
3 6
3 6

Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp:
2
I d max = 64,16 A
3

I2 =

Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp:
U

508,82

2
I1 = U .I 2 = 380 .64,16 = 85,91 A
1

Tính sơ bộ mạch từ
Tiết diện trụ được tính theo biểu thức kinh nghiệm:
Q = k.

S
cm2
c. f

Trong đó:
k. : Hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát chọn k =6
S : Công suất biểu kiến của máy biến áp
c : Số trụ
f : Tần số nguồn xoay chiều
Vậy ta tính được:
Q = 6.

98260
= 153,56 cm2
3.50

Đường kính trụ

14


d=

4.153,56
4.Q
=
= 13,89 (cm)
π
π

Chọn: d = 14 (cm)
Chọn từ cảm B=1 Tesla
Tính toán dây quấn
Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp

U

380

1
n1 = 4, 44. f .Q.B = 4, 44.50.153,56.10−4.1 = 111, 46

lấy n1 = 112 vòng
Số vòng dây mỗi pha thứ cấp
U

508,82

2
n2 = U .n1 = 380 .112 = 149,96
1

lấy n2 = 150 vòng
Chọn mật độ dòng điện J1 = J2 = 2,75 A/mm2
Đường kính dây dẫn phía sơ cấp (chọn dây tiết diện tròn)
d1 =

4 S1
4.I1
4.85,91
=
=
= 6,3 mm
π
π J1

π .2, 75

Đường kính dây dẫn phía thứ cấp
d2 =

4S2
4.I 2
4.64,16
=
=
= 5, 45 mm
π
π J2
π .2, 75

Tính toán mạch từ
Chọn trụ nhiều bậc
Diện tích cửa sổ cần có:
Qcs = kld.n1.S1 + kld.n2.S2
Chọn kld = 2
Vậy:
Qcs=2.112.13,2 + 2.150.13,2 = 6916,8 mm2
Chọn loại thép ∃330 lá thép có độ dày 0,5
Chọn tỉ số m =

h
= 2,5 suy ra h= 2,5.d = 2,5 . 11 = 27,5 cm
d

Chọn h = 28 cm

15


Chọn tỉ số n =

c
= 0.5 suy ra c = 0,5.11 =5,5 cm
d

Chọn c =6 cm
b
Chọn tỉ số l = = 1 suy ra b = d =11 cm
d
Chiều rộng toàn bộ mạch từ C = 2c + 3d = 45 cm
Chiều cao mạch từ H = h + 2d = 50 cm
+) Kết cấu dây quấn sơ cấp
Số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp
W1 =

h − 2.hg
d n1

. kc=

28 − 2.2.0,42
.0,95 = 59,5
0,42

Chọn W1= 60 vòng
Trong đó:

dn1 :đường kính dây quấn sơ cấp kể cả cách điện
hg :khoảng cách cách điện với gông, chọn hg = 2.dn1
Số lớp dây của cuộn sơ cấp
N11 =

n1 112
=
= 1,8
W1 60

Chọn N11 = 2 lớp
Như vậy 112 vòng chia thành 2 lớp,mỗi lớp có 56 vòng
Chiều cao thực tế của cuộn dây sơ cấp
h1=

W1
60
.d n1 =
.0,42 =26,53 (cm)
kc
0,95

Giữa hai lớp đặt một tờ giấy cách điện dày 0,1mm
Bề dày của của cuộn dây sơ cấp:
e1=N11.dn1 + 0,1.N11 =17,2 mm
Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày s01=0,1mm
Khoảng cách từ trụ tới cuộn sơ cấp a01 =1 cm
Đường kính trong của ống cách điện

16

Dt = d + 2a01 – 2s01 = 11 + 2.1 - 2.0,01 = 12,98 cm
Đường kính trong của cuộn sơ cấp
Dt1 = d + 2s01 = 11 + 2.0,01 = 11,02 cm
Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp
Dn1 = Dt1 + 2e1 = 11,02 + 2.1,72 = 14,46 cm
Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp
Dtb1=

D t1 + Dn1 11,02 + 14,46
= 12,74 cm
=
2
2

Chiều dài dây quấn sơ cấp
l1 = n1.π .Dtb1 = 206.3,14.12,74 = 82,41 m
Chọn bề dày cách điện giữa 2 cuộn sơ cấp e11 = 1 cm.
+) Kết cấu dây quấn thứ cấp
Chọn chiều cao cuộn thứ cấp h2 = h1 = 26,53
Số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp
h2

26,53

W2 = d . kc=
.0,95 = 60 vòng
0,42
n2

Chọn W2 = 60 vòng
Trong đó:
dn2 :đường kính dây quấn thứ cấp kể cả cách điện
Số lớp dây của cuộn thứ cấp
N12 =

n2 150
=
= 2,5 . Chọn N12 = 3
W2 60

Như vậy 150 vòng chia thành 3 lớp mỗi lớp có 50 vòng
-Giữa hai lớp đặt một tờ giấy cách điện dày 0,1mm
Bề dày của của cuộn dây thứ cấp:
e2=N12.dn2 + 0,1.N12 =12,9 mm
Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày s02=0,1mm
Khoảng cách từ trụ tới cuộn thứ cấp a02 =1 cm
Đường kính trong của ống cách điện
Dt = d + 2a02 – 2s02 = 11 + 2.1 - 2.0,01 = 12,98 cm
Đường kính trong của cuộn thứ cấp

17


Dt2 = d + 2s02 = 11 + 2.0,01 = 11,02 cm
Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp
Dn2 = Dt2 + 2e2 = 11,02 + 2.1,29 = 13,6 cm
Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp
Dtb2=

D t 2 + Dn 2 11,02 + 13,6
= 12,31 cm
=
2
2

Chiều dài dây quấn sơ cấp
l2 = n2 .π .Dtb 2 = 162.3,14.12,31 = 62,62 m
Chọn bề dày cách điện giữa 2 cuộn thứ cấp e22 = 1 cm
d. Tính toán mạch lọc
Hệ số đập mạch của điện áp chỉnh lưu:
U

1m
kdm = U
0

trong đó U1m là biên độ của sóng hài bậc một
u1(θ ) = U1m cos[ 6(θ − α ) + ξ1 ]
với tgξ1 = 6tgα
Từ khai triển fourier ta có hệ số đập mạch:

kdm

=

2
35

( 6tgα ) 2 + 1. cos[ 6(θ − α ) + ξ1 ]

Ta nhận thấy rằng hệ số đập mạch phụ thuộc vào góc điều khiển α
Khi điều chỉnh α sẽ làm cho hệ số này xấu đi.Chính vì thế để
thỏa mãn yêu cầu của tải cần đưa thêm bộ lọc.
Hiệu quả của bộ lọc được đánh giá bằng hệ số san bằng:

ksb

=

k dmvao
k dmra

Trong đó:
kdmvao: hệ số đập mạch của bộ chỉnh lưu

18


ksb luôn lớn hơn 1 và càng lớn thì lọc càng tốt
Chọn mạch lọc C
Tính chọn tụ C0:
Ta có:
U d max .Lt

C0 = 3.R 2 .∆U ( 2 ln 2 − 1)
t
C
Thường nhận: ∆UC = 0,1Udmax
653,37.0,0174

Thay số ta được: C0 = 3.7,812.0,1.653,37 ( 2 ln 2 − 1) = 3,67.10

−4

(F) =367( µF )

Tụ phải chịu được điện áp: UC = Udmax =653,37 (V)
e. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực
Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn
Khi dòng điện chảy qua các van, sẽ có tổn hao công suất ∆P.
Tổn hao này sẽ làm nóng các van. Trong khi đó các van bán dẫn chỉ
được phép làm việc với một nhiệt độ cho phép Tcp, nếu vượt quá nhiệt
độ này van sẽ bị hỏng. Chính vì vậy để đảm bảo an toàn cho các van,
cũng như độ tin cậy của mạch ta cần thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý.
Ta có:
∆P = ∆U.Ilv = 1,8 . 22,83 =41,094 (W)
Diện tích bề mặt tỏa nhiệt:
∆P

S = k .τ
m
Trong đó:
τ độ chênh lệch nhiệt độ của tản nhiệt so với môi trường
τ = Tc − Tmt

km hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ
Giả thiết van làm việc trong môi trường có nhiệt độ Tmt = 350C
Nhiệt độ cho phép của van Tmax = 1250C
Chọn nhiệt độ trên cánh tản nhiệt là Tc = 800C

Chọn:
km = 8 ( W/m2.0C )

19


41,094

S = 8.( 80 − 35) = 0,11 m2

Vậy

Bảo vệ quá dòng điện cho van
Chọn aptomat đóng cắt mạch động lực, bảo vệ quá tải, ngắn mạch, có
các thông số:
Idm=1,1.Idn = 1,1 . 3. 25,27 = 48,15 A
Udm = 220 V
Dòng ngắn mạch
Inm = 2,5.Idn = 109 A
Dòng quá tải
Iqt = 1,5.Idn = 65,65 A
Chọn cầu chì tác động nhanh bảo vệ ngắn mạch Tiristor, ngắn mạch
đầu ra chỉnh lưu
Nhóm 1:
Icc1 = 1,1.I2 = 1,1.32,28 = 35,5 A
Nhóm 2:
Icc2 = 1,1.Ihd= 1,1.22,83 = 25,1 A
Nhóm 3:
Icc3 = 1,1.Idmax = 1,1.39,54 = 43,49 A
Từ đó ta chọn được loại cầu chì thích hợp.

Bảo vệ quá điện áp cho van
Bảo vệ quá áp do chuyển mạch
Trong quá trình chuyển mạch các Tiristor, các điện tích tích tụ
trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo thành dòng điện ngược biến
thiên trong khoảng thời gian ngắn. Dòng điện biến thiên này tạo ra một
sức điện động rất lớn làm quá áp Tiristor. Khi có mạch R-C mắc song
song với Tiristor sẽ tạo thành mạch vòng phóng điện nên bảo vệ được
Tiristor.
1

R2

2

C2

20


H 2.9. Mạch bảo vệ quá áp do chuyển mạch
Theo kinh nghiệm chọn R = (5 ÷ 30 ) Ω ; C = (0,25 ÷ 4 ) µF
Bảo vệ van bán dẫn khỏi đánh thủng do xung điện áp từ lưới.

a

b

1CC

1CC

R2

C2

R2

c
1CC

R2

C2

C2

H2.10. Mạch bảo vệ quá điện áp từ lưới
Để bảo vệ xung điện áp từ lưới điện, chúng ta mắc song song với tải ở
đầu vào một mạch R - C, nhằm lọc xung . Khi xuất hiện xung điện áp
trên đường dây, nhờ có mạch lọc này mà đỉnh xung gần như nằm lại
hoàn toàn trên điện trở đường dây. Trị số R,C phụ thuộc nhiều vào tải.
Chọn R = (5 - 20)Ω, C = 4 µF.

21


CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
I. CẤU TRÚC SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỔNG QUÁT
1. Mạch điều khiển nghịch lưu
Sơ đồ khối

Nhiệm vụ của các khâu:
- Khâu phát xung chủ đạo: là khâu tự dao động tạo ra xung điều khiển
để đưa đến bộ phận phân phối xung. Khâu này đảm nhận điều chỉnh
xung, ngoài ra nó còn có thể đảm nhận luôn chức năng khuyếch đại
xung.
- Khâu phân phối xung: làm nhiệm vụ phân phối các xung điều khiển
vào khâu khuyếch đại xung.
- Khâu khuyếch đại trung gian: có nhiệm vụ khuyếch đại xung nhận
được từ bộ phận phân phối xung đưa đến đảm bảo kích thích mở van.
II. TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN
1. Tính mạch điều khiển nghịch lưu
a. Khâu phát xung chữ nhật :
Khâu phát xung chủ đạo dùng IC555 làm việc ở chế độ phi ổn để tạo ra
dãy xung có tần số mong muốn

. Giới thiệu về IC555:

22


H3.9: Cấu tạo IC555
Cấu tạo của vi mạch 555 như trên hình H3.9 gồm ba điện trở 5 K Ω mắc
nối tiếp từ VCC xuống mass tạo điện thế tham chiếu 2VCC/3 cho mạch so
sánh 1(upper comp) và VCC/3cho mạch so sánh 2 (lower Comp) .FlipFlop RS và transistor T1 ,T2 là các bộ phận chuyển mạch tạo xung ra .Các
chân của IC 555 như sau:
1.Nối đất
2. Đầu vào Trigger
3.Xung đầu ra
4.Reset

5. Điện thế điều khiển
6. Chân ngưỡng
7. Chân xả.
8.+VCC
b. Sơ đồ mạch phát xung chủ đạo:

23


H3.10: Sơ đồ khâu phát xung chủ đạo
o

Nguyên lý làm việc:

Ở trạng thái ban đầu mới cấp điện điện áp trên tụ UC = 0. Do vậy điện áp
tại chân 2 và 6 cũng bằng 0. Do vậy điện áp ra tại chân 3 ở mức cao ( ≈
UC = 12 V) và ban đầu chân 7 ở mức thấp (=0 ) .Tụ C bắt đầu nạp điện từ
+VCC qua R1,R2 . Điện áp trên tụ tăng dần .
Khi điện áp trên tụ ≥ 2VCC/3 thì điện áp ở ngõ ra của chân 3 sẽ chuyển
trạng thái về mức thấp, còn chân 7 sẽ ở mức cao. Lúc này tụ sẽ phóng
điện, điện áp trên tụ sẽ giảm dần. Khi điện áp trên tụ < VCC/3 lúc này chân
3 sẽ đổi trạng thái về thấp ,còn chân 7 sẽ chuyển lên cao, tụ C lại nạp
điện. Quá trình dao động cứ tiếp tục diễn ra như thế tạo ra xung chữ nhật
ở đầu ra 3.
+ Dạng xung đầu ra và điện áp trên tụ C :
V
U

O

U
C

c. Tính toán tần số xung ra của IC555 và các trigơ
Vi mạch IC555 làm việc ở chế độ tự dao động, tần số dao động phụ
thuộc vào sự phóng nạp của tụ C.
Khi C nạp ta có phương trình :
24


Ri + u c = VCC với i=C

du c
dt

1
du c
+a u c =a* VCC với a=
RC
dt

viết phương trình trên dưới dạng toán tử Laplace
aE

E

p U c (p) - u c (0) + a U c (p)= p , với u c (0)=
3
U c (p)=

aE
E
+
p ( p + a ) 3( p + a )

⇒ u c (t)= E (1- e

Khi t= T1 thì u c =

− at

)+

E − at
3 e

2
E
3

Do đó T1 =C R16 ln2 =0.7C R16
Khi C phóng điện ta có phương trình :
uc =

2E − t
CR17
3 e
E
3

Khi t= T2 (lấy T1 làm gốc thời gian phóng điện ) thì u c = , do đó T2
=0.7C R17
Vậy chu kỳ xung :
T= T1 + T2 =0.7C ( R16 + R17 )
Tần số xung ra của vi mạch IC555:

f555 =

1
1
= 0,7C ( R + 2 R )
T
16
17

Vì cứ 6 xung ở đầu vào (xung CLOCK) lấy từ IC555 thì các trigơ có 1
xung, như vậy tần số xung ra của các trigơ cũng chính là tần số của điện
áp xoay chiều trên tải.
f =

f 555
1
1
=
=
6
6 * 0.7C ( R16 + 2 R17 ) 4,2C ( R16 + 2 R17 )

25