Đồ án điện tử công suất bách khoa đà nẵng

Đồ án Điện tử công suất

GVHD – Lâm Tăng Đức

A. PHẦN GIỚI THIỆU
I/ Giới thiệu động cơ không đồng bộ :
Động cơ không đồng bộ là loại máy điện quay , được sử dụng
phổ biến nhất trong kĩ thuật truyền động điện do có ưu điểm là khả
năng quá tải về mô men lớn có thể làm việc ở tốc độ rất thấp hoặc
rất cao , đặc điểm của rôto lồng sóc co kết cấu đơn giản làm việc
chắc chắn hiệu suất cao .
Cấu tạo của nó gồm 2 phần chính :
- Phần stato(phần cảm) : là phần tạo ra từ trường quay chính cấu
tạo là các vòng dây quấn quanh lõi sắt đặt cố định ở vỏ máy .
- Phần rôto (Phần ứng) : là phần quay khi có từ trường quay tác
động , cấu tạo là các thanh dẫn làm bằng đồng hay nhôm đặt song
song nhau và được nối tắt bằng các vòng ngắn mạch tạo thành một
cái lồng gọi là lồng sóc .
Nguyên tắc hoạt động :
Đưa dòng xoay chiều vào mạch dây quấn stato thì tạo ra từ
trường quay trong khe hở không khí với tốc độ n1 .
Từ trường này cắt qua các thanh dẫn ở rôto , với rôto lồng sóc
các thanh dẫn này bị nối ngắn mạch tạo ra dòng điện I 2 . Từ trường
tác dụng với dòng điện này tạo ra mômen làm cho rôto quay theo
chiều từ trường với tốc độ n < n1.
II/ Cách thay đổi tốc độ của động cơ không đồng bộ (động cơ
lồng sóc):
Có nhiều cách thay đổi tốc độ nhưng ở đây ta chỉ xét đến cách
thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi tần số sử dụng bộ biến tần bằng
linh kiện bán dẫn . Bởi đặc điểm của động cơ rôto lồng sóc thường
có hệ số trượt s rất nhỏ (hệ số trượt s : là độ lệch tương đối giữa từ

trường quay và tốc độ rôto) :
Mà :

n1 − n

⇒ n = n 1 (1 − s)
s =
n1
60f1
60f1

⇔n=
(1 − s) ≅

p
p
n = 60f1
1

p

Trong đó :
SVTH – ÂINH NGOÜC ÂAÛI
Trang 1


Đồ án Điện tử công suất

GVHD – Lâm Tăng Đức

f1_ Tần số của điện áp đầu vào của động cơ .
p_ Số đôi cực từ.
n1_Tốc đọ quay của từ trường .
n_ Tốc độ quay của rôto .
Nên cách tốt nhất để điều chỉnh tốc độ là bằng cách thay đổi tần
số nguồn f1 .
Khi điều chỉnh tốc độ ta muốn khả năng quá tải là không đổi nên
năng lực quá tải của động cơ là :
k=

M max M ' max
=
M
M'

= const (1)

Từ biểu thức :
M max = C

U 12
f 12

(2)

Từ (1) và (2) suy ra :
U'1 f '1
=
U1 f1

M'
M

Với Mmax ,M ,U1_ các mômen và điện áp khi f = f1đm
M’max ,M’,U’1_ các mômen và điện áp khi f = f’ ≠ f1đm
⇒ Vậy khi điều chỉnh tần số ta phải đồng thời điều chỉnh điện áp
để khả năng quá tải là không đổi .
Ta có :
E1 = kΦf1
.
.
. (xem
.
U1 = − E1 + I1 Z1 ≈ E1
⇒ U1 = E 1 ⇒ U1 = kΦf1

tổng trở dây quấn

Z1 ≈ 0 )

(3)
Nếu ta giảm f1 mà U1 không đổi thì từ thông sẽ lớn lên do đó làm
cho mạch từ chóng bảo hoà và dòng điện từ hoá sẽ tăng lên làm cho
các chỉ tiêu năng lượng của động cơ giảm xuống .
Nếu tăng f1 mà U1 không đổi thì từ thông sẽ giảm xuống nếu như
lúc làm việc mômen của phụ tải là không đổi thì dòng điện trong
rôto sẽ tăng lên làm cho rôto nóng lên và khả năng quá tải của động
cơ giảm xuống (theo (1,2)).
Để thay đổi tần số của nguồn xoay chiều ta sử dụng các bộ biến
tần ( trực tiếp hay gián tiếp qua trung gian điện một chiều dùng

nghịch lưu dòng hay áp ) . Bởi ưu điểm của các bộ biến tần như
sau :
SVTH – ÂINH NGOÜC ÂAÛI
Trang 2


Đồ án Điện tử công suất

GVHD – Lâm Tăng Đức

- Với biến tần trực tiếp thì điện áp ra gần hình sin , hiệu suất cao
và khả năng hãm tái sinh động cơ điện . Nhưng mà có nhược điểm
là mạch điều khiển phức tạp và đắt mà tần số ra hạn chế khoảng từ 0
→ f/3 nên chỉ thích hợp với truyền động tốc độ thấp và công suất
lớn ( ít phổ biến ).
- Với biến tần trung gian sử dụng bộ nghịch lưu dòng thì cho
phép điều chỉnh tần số từ 0→f dùng cho động cơ có công suất vài
kW đến hàng ngàn kW . Bộ biến tần nghịch lưu áp thì cho phép
điều chỉnh tần số từ 0→f và cho động cơ dưới 100kW.
Tóm lại là nên thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số
nguồn mà tỷ số giữa điện áp và tần số của nguồn không đổi và điều
chỉnh tần số bằng các bộ biến tần gián tiếp .
III/ Quy luật biến đổi điện áp theo tần số :
Với mong muốn khi điều chỉnh tốc độ của động cơ là khả năng
quá tải không đổi tức là ta cố gắng điều chỉnh sao cho tỉ số giữa
mômen định mức của động cơ và mômen phụ tải tĩnh là không đổi .
Ứng với mỗi loại phụ tải tĩnh nhất định ta được một quy luật biến
đổi điện áp tương ứng .
Khi phụ tãi tĩnh là không đổi thì :

U'1 f '1
U
U'
=
⇒ 1 = 1 = const
U1 f1
f1
f '1

.

Qua đó ta thấy quan hệ giữa tần số và điện áp là tuyến tính nếu
như ta bỏ đi một số ảnh hưởng của một số yếu tố , nhưng đối với
động cơ công suất lớn và phạm vi điều chỉnh tốc độ tương đối lớn
thì sụt áp trên điện trở dây quấn stato lớn nên không thể bỏ qua . Ở
vùng tần số thấp khi ta điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm tần số f 1
của điện áp đặt vào stato thì cảm kháng từ hoá x 1 sẽ giảm tương ứng
với tần số f1 còn điện trở của dây quấn R 1 không đổi do đó dòng
điện từ hoá I1 tăng lên gây sụt áp trên dây quấn stato ta có đặc tính
cơ giữa điện áp và tần số là :
U
Uđm

SVTH – ÂINH NGOÜC UÂAÛ
I
0
Trang 3
0

fđm

Đặc tính điều chỉnh điện áp theo tần số


Đồ án Điện tử công suất

GVHD – Lâm Tăng Đức

f

Trên đặc tính điều khiển bao gồm 2 thành phần : phần điện áp
không đổi U0 và phần phụ thuộc vào tần số kω nên ta biểu thức điện
áp trên stato là :
U1 = U 0 + kω

Trong đó U0 (thành phần điện áp được cọng thêm ở tần số bằng 0
) và k được chọn tuỳ vào tần số định mức , điện áp định mức và một
số yếu tố khác .
Nếu tải cần một mômen lớn để khởi động thì ta chọn giá trị U 0
lớn tuy nhiên khi chọn giá trị U0 này ta phải chú ý đến điều kiện quá
tải về nhiệt của động cơ ta có thể biểu diễn việc điều chỉnh điện áp
theo tần số theo sơ đồ sau :
3 pha

Biến tần
ω

Vi
Vc

kω

k

BD

Đ

SVTH – ÂINH NGOÜC ÂAÛI
Trang 4


Đồ án Điện tử công suất

GVHD – Lâm Tăng Đức

Với động cơ không đồng bộ ta có phương trình đặc tính cơ như
M=

sau :

3U f2 R 2
2


R2 
2
ω0  R 1 +
 + X mm 
s 




Trong đó : R1 , R2 là điện trở dây quấn stato va rôto .
ωo là tốc độ đồng bộ của động cơ .
Xmm = x1 + x2 điện kháng ngắn mạch của một pha .
Khi thay dổi tần số với hệ số không đổi :
Tấn số nguồn
k=
Tấn số định mức

M
k= 0.4 k=0.7 k=1 k=1.3

ω
Đặc tính cơ khi thay đổi tần số .

Dòng điện mở máy trực tiếpcủa động cơ rôto lồng sóc thường rất
lớn thì chỉ có thể giảm điện áp đặt vào Stato thì mới có thể giảm
được dòng điện mở máy . Tuy nhiên với bộ biến tần sẽ cho phép ta
mở máy ở những tần số nhỏ và tăng dần tần số để đạt được tốc độ
mong muốn . Đặc tuyến cơ cho thấy nguồn có tần số nhỏ thì mômen
mở máy lớn song tần số mở máy cảm kháng lên rôto nhỏ nên dòng
cảm ứng trong rôto gần trùng pha với điện áp tạo nên Momen mở
máy lớn , hệ số công suất và biên độ dòng mở máy nhỏ , đó là một
chỉ số thuận lợi khi mở máy động cơ và đó thể hiện ưu điểm của
phương pháp điều chỉnh bằng bộ biến tần .
VI/ Giới thiệu về bộ biến tần :

SVTH – ÂINH NGOÜC ÂAÛI

Trang 5


Đồ án Điện tử công suất

GVHD – Lâm Tăng Đức

Biến tần là một thiếc bị điện tử nó có chức năng biến dổi điện
năng một chiều hay xoay chiều có tần số cố định f thành những
dòng điện xoay chiều có tàn số điều khiển được nhờ các khoá điện
tử .
Nếu tần số được tạo ra bằng cách đóng cắt từng đoạn thích hợp
một dòng điện xoay chiều có tần số cao hơn thì ta có bộ biến tần
trực tiếp , còn trường hợp dòng điện xoay chiều có tần số điều khiển
nhờ việc đóng cắt nguồn một chiều thì ta có bộ nghịch lưu .
1/ Biến tần trực tiếp :
U~
f1

U~
f2

Mạch van

Bộ biến tần trực tiếp gồm hai nhóm chuyển mạch nối song song
ngược , còn được gọi là biến tần phụ thuộc có sơ đồ khối sau :
Điện áp van xoay chiều U1 có tần số f1 chỉ cần qua một mạch van
thì chuyển ngay ra tải với tần số f2 , do đó biến tần này có hiệu suất
cao về năng lượng .Tuy nhiên thực tế việc thay đổi tần số f 2 rất phức
tạp và khó khăn nó phụ thuộc vào tần số f1 chính vì thế phạm vi thay

đổi tần số nhỏ khoảng từ 0 đến f1/3 mặc dù về nguyên tắc là có thể
có f2 > f1 song lúc đó mức độ phụ thuộc sẽ tăng lên lần .
Trong biến tần trực tiếp đường cong điện áp đưa ra là những
đoạn nối hình sin của các pha điện áp đầu vào do đó về mặt ứng
dụng loại này được dùng cho truyền động điện công suất lớn có tốc
độ làm việc thấp .
2/ Biến tần gián tiếp :
Là bộ biến tần qua trung gian một tạo ra dòng điện một chiều
U~
f1

Chỉnh lưu

U=
(I=)

Lọc

U=
(I=)

Nghịch
lưu

U~
f2

dùng bộ chỉnh lưu rồi sau đó lại nghịch lưu về xoay chiều với tần số
mong muốn . Ta có sơ đồ cấu tạo sau :
Nguyên tắc biến đổi như sau :

Điện áp xoay chiều được đưa vào bộ chỉnh lưu để chuyển thành
điện áp một chiều , sau đó nó được lọc để điện áp hay dòng điện đỡ
SVTH – ÂINH NGOÜC ÂAÛI
Trang 6


Đồ án Điện tử công suất

GVHD – Lâm Tăng Đức

nhấp nhô hơn rồi nó được đưa vào bộ nghịch lưu để biến trở lại điện
áp hay dòng xoay chiều có tần số khác điện áp xoay chiều ban đầu .
Nhờ việc biến đổi năng lượng hai lần này làm cho việc thay đổi tần
số được dễ dàng thông qua mạch nghịch lưu mà không phụ thuộc
vào tần số nguồn ban đầu .
Dựa vào tính chất của mạch chỉnh lưu và dạng tín hiệu đầu ra là
nguồn áp hay nguồn dòng mà ta phân loại biến tần thành biến tần
nguồn áp và biến tần nguồn dòng .
Bộ biến tần nguồn áp có ưu điểm là tạo ra dòng điện và điện áp
sin hơn , dãi biến thiên tần số rộng hơn nên được sử dụng rộng rãi
hơn .
*/ Giới thiệu về biến tần gián tiếp nguồn áp :
Bộ biến tần nguồn áp gồm 2 bộ phận : phần động lực và phần
điều khiển
U1
f1

Bộ biến tần
( Mạch động lực )

Uđk

SVTH – ÂINH NGOÜC ÂAÛI
Trang 7

Mạch điều khiển


Đồ án Điện tử công suất

GVHD – Lâm Tăng Đức

B. PHẦN THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC
B.1. HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH ĐỘNG LỰC
Sơ đồ khối toàn mạch động lực :
U~ng

Biến
áp

Chỉnh
lưu

Lọc

Nghịch
lưu

Độn
g cơ

I/ Bộ nghịch lưu :
Các van bán dẫn trong bộ nghịch lưu có thể là tranzistor hay là
trisistor , sau đây ta lập bảng so sánh ưu nhược điểm của hai loại
linh kiện đó :
Biến tần Trisistor :
Điều khiển không hoàn
toàn chỉ điều khiển thời gian
mở mà không điều khiển được
khoá , muốn khoá thì cần có bộ
chuyển mạch đi kèm để đặt lên
nó một điện áp ngược . Nên nó
chỉ làm việc với tần số nhỏ hơn
Tranzistor và tổn hao chuyển
mạch lớn song điện áp định
mức cao hơn Tranzistor .
Để điều khiển điện áp ra
phải dùng bộ chỉnh lưu trisistor
để thay đổi
giá trị điện áp Ud đặt vào bộ
nghịch lưu .
Biến tần Tranzistor :

SVTH – ÂINH NGOÜC ÂAÛI
Trang 8

Điều khiển hoàn toàn tần số
làm việc lớn , tổn hao đổi
chiều bé hơn Trisistor , bộ
nghịch lưu dùng Tranzistor có

kích thước gọn và đơn giản
hơn Trisistor vì không có bộ
chuyển mạch khi muốn khoá
Tranzistor thì chỉ cần ngưng
cung cấp dòng điện vào cực B
của Tranzistor .
Khuyết điểm là ta phải liên
tục đưa dòng vào cực B trong
chu kỳ dẫn của nó và điện áp
định mức thấp . Để điều khiển
điện áp ra ta dùng phương
pháp điều biến độ rộng xung
dùng chỉnh lưu diod .


Đồ án Điện tử công suất

GVHD – Lâm Tăng Đức

Để phù hợp và ưu việc của bộ biến tần khi điều khiển động cơ
không đồng bbộ rôto lồng sóc với yêu cầu thiết kế đã cho ta dùng bộ
nghịch lưu điện áp sơ đồ cầu dùng van điều khiển là Tranzistor .
1/ Sơ đồ mạch và nguyên lý làm việc của mạch :

Ud

SVTH – ÂINH NGOÜC ÂAÛI
Trang 9

a/ Chức năng của các linh kiện trong mạch :
- Cuộn cảm L : có chức năng cản sự phóng điện của tụ về phía
nguồn một chiều , san bằng dòng điện nạp vào tụ C để giữ cho mức
điện áp trên tụ là không đổi .
- Tụ điện C : có chức năng đảm bảo điện áp nguồn ít thay đổi ( bộ
lọc điện áp ) mặt khác nó trao đổi công suất phản kháng với điện cảm
của tải (động cơ) .
- Các Diod : có chức năng bảo vệ các Tranzistor khi trong mạch
xảy ra quá trình chuyển mạch .
b/ Phương pháp điều khiển góc mở các van :
Ta có hai cách để điều khiển các van với góc dẫn là Ψ = 120o và Ψ
= 180o nhưng ở đây ta xét với góc dẫn Ψ = 180o . Các van được mở
lệch nhau một góc là π/3 theo thứ tự từ 1 đến 6 . Các van trên cùng
một pha không bao giờ được thông đồng thời mà chúng dẫn lệch nhau
góc π ( van nào được dẫn thì được xem là thông mạch ) .Nhìn chung
sơ đồ này có dạng một pha tải nối nói tiếp với hai pha được đấu song
song nhsu , do vậy điện áp ra trên tải chỉ có hai giá trị hiệu dụng là
hoặc

Uz
3

khi nó bị đấu song song với pha khác hoặc là

2

Uz
3

khi nó

đấu nối tiếp với nhóm song song kia với giả thiết là 3 tải đối xứng
nhau Z1=Z2=Z3 .
c/ Nguyên tắc chuyển mạch :
Cho góc mở của mỗi Tranzistor là 180o và cứ 60o tiếp theo thì lại
mở van tiếp theo (kể từ lúc Tranzistor trước đó mở) . Như vậy trong
cùng một thời gian có 3 Tranzistor mở từ đó ta thành lập ra bảng trạng
thái đóng mở của Tranzistor sau :


Tranzis
0o→6 60o→1 120o→ 180o→ 240o→ 300o→3
tor
0o
20o
180o
240o
300o
60o
mở
T1
1
1
1
0
0
0
T2
0
1

1
1
0
0
T3
0
0
1
1
1
0
T4
0
0
0
1
1
1
T5
1
0
0
0
1
1
T6
1
1
0
0

0
1
Xét quá trình chuyển mạch từ T 5 sang T2 tương ứng với khoảng từ
o
(0 →60o) sang (60o→120o) trong khoảng (0o→60o) thì T5 ,T6 ,T1 dẫn
như hình (a) .Chiều dòng điện trên tải được xác định theo nữa trên ,
đến thời điểm 60o thì đảo trạng thái điều khiển từ T5 sang T2 do tải Z3 ,
Z2 mang tính cảm nên dòng điện không đảo chiều ngay lập tức mà
năng lượng tích luỹ trong cuộn kháng được giải phóng ra làm cho
dòng điện vẫn duy trì theo chiều cũ và âm dần (nó chạy qua Diod D 2
qua tải về lại âm nguồn) đến khi dòng về 0 thì đảo chiều dòng ngưng
chảy qua Diod mà chảy qua van T2 quá trình chuyển mạch kết thúc .
Lý luận tương tự cho các pha khác ta có các sơ đồ chuyển mạch sau :

Từ (0o→60o) thì cho xung mở T5 , T6 , T1:
+
_

Từ (60o→120o) thì cho xung mở T6 , T1 , T2:

1

U 1 = 3 U d

1

U 3 = U d
3

2


U 2 = − 3 U d



+
_

_-

2

U 1 = 3 U d

1

U 2 = − U d
3

1

U 3 = − 3 U d


Từ (120o→180o) thì cho xung mở T1 , T2 , T3:
+

+

_

_

1

U 1 = 3 U d

1

U 2 = U d
3

2

U 3 = − 3 U d


Từ (180o→240o) thì cho xung mở T2 , T3 , T4:
+
_


+
_
1

U 1 = − 3 U d

2


U 2 = U d
3

1

U 3 = − 3 U d


Từ (240o→300o) thì cho xung mở T3 , T4 , T5:
+
+
_
_

2

U 1 = − 3 U d

1

U 2 = U d
3

1

U 3 = 3 U d


Từ (300o→360o) thì cho xung mở T4 , T5 , T6:
+

_


+
_
1

U 1 = − 3 U d

1

U 2 = − U d
3

2

U 3 = 3 U d


Từ (360o→420o) thì cho xung mở T5 , T6 , T1:
+
+
_
_

Và chu trình trở lại như đầu .
d/ Bảng trạng thái của chuyển mạch của Diod :
Diod
D1
D2

D3
D4
D5
D6

0o
1
0
0
0
0
0

60o
0
1
0
0
0
0

120o
0
0
1
0
0
0

180o

0
0
0
1
0
0

240o
0
0
0
0
1
0

300o
0
0
0
0
0
1


T1 0

60

120

180

240

300

360

T2
T3
T4
T5
T6
u1

u2

u3

i1

e/ Dạng sóng ra của mạch nghịch lưu:


f/ Vai trò của Diod :
Xét quá trình chuyển mạch của nhịp T5,T6,T1 sang nhóm T6,T1,T2
.Trước khi chuyển mạch và sau khi chuyển dòng trong pha 2 và 3 thay
đổi ,ta có điện áp cảm ứng là:
di 2
dt

di
= L3 3
dt

U 2L = L 2
U 3L

Hai điện áp này nối tiếp nhau và có giá trị lớn có cực dương đặt tại
2 và cực tính âm đặt tại 3 . Nếu không có Diod mắc song song với T2
thì điện áp nói trên đặt lên Tranzistor T2 và có giá trị lớn nên có thể
đánh thủng Tranzistor này .


B.2. PHẦN TÍNH TOÁN VÀ CHỌN CÁC PHẦN TỬ TRONG
MẠCH
I/ Tính và chọn các phần tử trong mạch nghịch lưu :
Theo đề đã cho thông số về động cơ lồng sóc :
Pđm = 1 kW .
nđm = 1450 vòng/phút .
cosφđm = 0.8 .
η = 0.85 .
Hệ số quá tải λ = 1.8 .
Ta có công suất tác dụng của động cơ tiêu thụ là :
P1 =

Pdm 1000
=
= 1176.5 (W)
η
0.85

Mà
P1 = m.UđmIđm.cosφđm
m: Số pha .
⇒

I dm =

Pdm
1176.5
=
= 2.22(A)
mU dm cos ϕ dm 3.220.0.8

Điện trở trên một pha tải là : ở đây tải đấu sao nên If = Id = Iđm
⇒

R=

Uf
220
cos ϕ =
0.8 = 79.3(Ω)
If
2.22

1/ Tính chọn Tranzistor :
Điện áp pha cực đại của động cơ
Ufmax = 2/3 Ud = 220 2 = 311.13(V)
Điện áp đầu vào của bộ nghịch lưu là :

Ud = 3.311,13/2 = 467 (V)


Nếu chọn hệ số quá tải ku = 1,6 thì Tranzistor cần phải chịu điện áp
định mức là :
UT = ku . Ud = 1,6.467 = 747,2 (V)
Vì tải được đấu hình sao nên dòng chảy qua mỗi Tranzistor lúc cực
đại là bằng dòng chỉnh lưu tức Id = Iđm = 2,22 (A)
Nhưng khi khởi động động cơ dòng mở máy tăng do đó ta còn phải
chọn tranzistor có giá trị vượt hơn , tra bảng ta chọn 6 con Tranzistor
trong bộ nghịch lưu có các giá trị sau :
Loại có mã hiệu BUX 47A với :
UCE = 1000(V) điện áp VCE khi bazơ bị khoá bởi điện áp âm .
UCE0 = 450(V) điện áp VCE khi mạch bazơ để hở .
UCES = 1,5(V) điện áp khi Tranzistor dẫn bão hoà .
IC = 9(A) Dòng colector mà Tranzistor chịu được .
IB = 1(A) Dọng điện cực Bazơ chịu được .
tf = 0,8 µs Thời gian cần thiết để IC giảm xuống 0 .
ts = 3 µs Thời gian cần thiết để V CE tăng từ giá trị UCES đến điện áp
nguồn .
ton = 1 µs Thời gian cần thiết để V CE từ giá trị điện áp nguồn về giá
trị UCES .
Pm = 125 (W) Công suất tiêu tán bên trong Tranzistor .
2/ Tính chọn Diod ngược trong bộ nghịch lưu :
Dòng điện pha tải có 3 đoạn khác nhau trong nữa chu kì :
+
+

θ
E d  (1 + a )(2 − a ) − Q 

π
0 ÷ : i1 =
e 
1 −
3
3R 
1+ a2

θ
U 
π 2π
(1 + a ) 2 − Q 
÷
: i1 = d 2 −
e

3 3
3R 
1+ a3


θ
U d  (1 + a )(2 − a ) − Q 
2π
+ 3 ÷ π : i1 = 3R 1 + 1 + a 3 e 


ωL
Với
Q = R = tgϕ dm = 0,75

(φ
1

(1)
(2)
(3)
= arcos(0,8) = 37o)

a = e − 3Q = 0,64
R : Điện trở trên một pha của tải R = 79,3(Ω)
Tại thời điểm θ = θ1 dòng chảy qua tải pha 1 bằng 0 ⇒ i1 = 0 (A)
Từ (1)

⇒ 1 − (1 + a )(2 − a ) e
1+ a3

−

θ1
Q

=0


⇒ −

θ1
1+ a3
1+ a3
= ln

⇒ θ1 = −Q ln
Q
(1 + a )(2 − a )
(1 + a )(2 − a )

1 + 0,64 3
θ1 = −0,75 ln
= 0,427(rad)
(1 + 0,64)(2 − 0,64)
180.0,427
⇒ θ1 =
= 24,47 o
3,14

Theo bảng trạng thái chuyển mạch Diod tại thời điểm θ = 0 diod D 1
dẫn và dòng qua diod cũng là dòng qua tải lúc này dòng qua diod là
dòng cực đại của diod :
U d  (1 + a )(2 − a ) 
1−

3R 
1+ a3
467  (1 + 0,64)(2 − 0,64) 
=
1−
 = −1,52( A)
3.79,3 
1 + 0,64 3


I D1 max = i 1 (0) =

Nếu chọn hệ số quá dòng qua điod là 1,2 thì diod chịu được dòng :
ID = 1,2.1,52 = 1,82 (A)
Điện áp ngược đặt lên mỗi diod có giá trị :
Ung = 2/3Ud = 2/3.476 = 311,3 (V)
Chọn hệ số quá áp là ku = 1,6 thì diod chịu điện áp ngược có giá trị
lớn nhất là :
Ungmax = 1,6.311,3 = 498 (V)
Tra bảng ta chọn 6 con Diod bảo vệ Tranzistor có các thông số là :
Mã hiệu B_10 (Liên Xô) với :
U1m = 100 ÷ 1000 (V)
Ip = 10 (A)
*/ Kết luận : Trong bộ nghịch lưu ta cần phải có :
- 6 con Tranzistor công suất mã hiệu BUX 47A : 1000V , 9A .
- 6 con diod công suất B_10 : 100 ÷ 1000 (V) , 10A .
3/ Tính chọn C0 :
Cotgφ

R
1
1
=
=
= 1,33
=X L tgϕ 0.75

Trong mạch nghịch lưu áp 3 pha không phải lúc nào cũng cần tụ C 0
khi nguồn Ud là nguồn chỉnh lưu .
Nếu tải lớn có tỉ số

R
XL

>0,66 thì không cần đến tụ C0 và dòng do

điện cảm của pha này sẽ không trở về nguồn mà chạy sang pha khác .


So với thiết kế ở trên

R
XL

= 1,33 > 0,66 nên ta không cần tụ C 0 còn

nếu cần đưa tụ C0 vào thì có trị số là :
C 0 max =

E d .X L
( 2 ln 2 − 1)
3R 2 ∆U C π
E d. X L
=
(2 ln 2 − 1)
2
3R .3,14.0,1E d
=

Thường lấy

∆U C = 0,1E d

0,75.(2 ln 2 − 1)
= 49.10 −6 (F)
2
3.79,3 .3,14.0,1

Thực tế thì nhà sản xuất chỉ sản xuất các tụ có trị số tiêu chuẩn ,
theo bảng tra ta chọn tụ có C = 47 µF chịu điện áp 350V và tụ hoá có
phân cực .
II/ Bộ điều chỉnh xung điện áp :
Bộ điều chỉnh xung điện áp một chiều được sử dụng khi có sẵn
nguồn 1 chiều cố định mà cần điều chỉnh điện áp ra tải bộ điều chỉnh
này hoạt động theo nguyên tắc đóng cắt nguồn với tải một cách có chu
kì theo một số luật khác nhau . Phần tử thực hiện nhiệm vụ dó là các
van bán dẫn song do chúng làm việc trong mạch 1 chiều nên khi dùng
loại Tranzistor thông thường nó không được kháo lại một cách tự
nhiên ở giai đoạn âm của điện áp như khi làm việc với nguồn xoay
chiều . Vì vậy ngày nay người ta thường dùng loại van điều khiển cả
đóng và cắt như Tranzistor Bipolar .
1/ Sơ đồ nguyên lí của phương pháp điều chỉnh xung điện áp :
Sơ đồ mạch :
IT
Ud

iz

IDo

Dạng sóng của mạch :
UBE
t
T
uZ

T1
t

IT
t
IDo
t
iZ
t

Trong khoảng thời gian 0 ÷ T1 ta chọn van T1 mở , toàn bộ điện áp
nguồn được đưa ra tải còn trong khoảng thời gian T 1 ÷ T ta cắt nguồn
ra khỏi tải , lúc này giá trị trung bình của điện áp ra tải là :
T

Uz =
α=

1 1
1
U d dt = T1 U d = αU d
∫
T0

T

T1
T

Theo biểu thức này ta suy ra 3 phương pháp điều chỉnh áp Ud là :
- T = const , T1 = var : Phương pháp độ rộng xung .
- T = var , T1 = const : Phương pháp tần số xung .


- T = var , T1 = var : Phương pháp xung thời gian .
Trong ba phương pháp trên thì phương pháp tần số xung và phương
pháp xung thời gian có phần nhược điểm là tần số phải thay đổi theo
một phạm vi rộng mới có thể cung cấp một dãy rộng điện áp đầu ra ,
việc thiết kế bộ lọc với tần số thay đổi được gặp nhiều khó khăn sau :
Trong trường hợp mức điện áp ra thấp , nếu ta điều khiển theo phương
pháp này sẽ làm thời gian toff lớn gây nên hiện tượng gián đoạn dòng
điện . Việc sử dụng phương pháp điều khiển độ rộng xung tránh được
phần nào nhược điểm trên nên nó thích hợp cao hơn vì thế ta chọn
phương pháp này để điều khiển .
2/ Tính chọn Tranzistor T :
Phương pháp điều khiển của ta ở đây là điều khiển độ rộng xung :
Gọi

T1 là thời gian mở .
T2 là thời gian đóng .
T là chu kì đóng mở của xung .
Ud là điện áp trước bộ biến dổi .

Ta có :

Điện áp trung bình sau bộ biến đổi là :
T

T
1 1
U z = ∫ U d dt = 1 U d = αU d
T0
T

Chọn tần số làm việc của bộ biến đổi là f = 500Hz
⇒

T = T1 + T2 =

1
f

= 2000 ( µs )

Phạm vi điều khiển điện áp là :
αmin = 0,2 ; αmax = 0,8
Nếu coi sụt áp trên cuộn dây bộ lọc phía trước nghịch lưu là không
đáng kể do đó giá trị điện áp phía sau bộ biến đổi tại thời điểm cực đại
của dãy điều chỉnh là :
Ud =

U z max 467
=
= 583,8(V)
α max

0,8

Chọn hệ số quá áp ku = 1,6
Vậy cần chọn Tranzistor phải chịu được điện áp là :
Utđm = 1,6.583,8 = 934,08 (V)
Một cách tương đối ta xem hiệu suất của bộ nghịch lưu là
theo định luật bảo toàn năng lượng thì :

η

= 0,9


Ud.Id =
⇒ Id =

Pdm
η

I dm
1000
=
= 2,38(A)
ηU d 0,9.466,7

Chọn hệ số dự trữ dòng điện là ki = 1,2 → I T = 1,2.2,38 = 2,86(A)
Để bộ băm làm việc được ổn định kể từ lúc khởi động và cả trong
các quá trình khác xảy ra (tức là nó phải chịu được dòng điện vượt quá
dòng định mức), vì khi khởi động và lúc chuyển mạch dòng điện tăng
lên lớn rất nhiều (do lúc này cuộn cảm tải tích luỹ năng lượng điện và

nó giải phóng về lại cực âm của nguồn trong quá trình chuyển mạch
xảy ra tức là khi chuyển từ mở sang đóng của Tranzistor )vì vậy ta
thường lấy giá trị lớn hơn khi tính toán .
Vậy Tranzistor chọn làm bộ băm phải thoả mãn hai điều kiện sau :
UT = 934,08(V)
IT = 2,86(A)
Tra bảng ta chọn được Tranzistor loại BUX 47A có : VCE = 1000(V)
; IC = 9(A)
ton = 1( µ s) ; toff = 0,8( µ s)
3/ Tính chọn Diod Do :
Diod có nhiệm vụ ngăn điện áp tự cảm từ cuộn cảm tải đặt lên
Tranzistor T khi chuyển từ trạng thái mở sang khoá để bảo vệ
Tranzistor khỏi vượt quá điện áp đánh thủng .
Đồ thị biểu diễn quá trình dòng điện và điện áp sau bộ băm :
Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua Diod Do :
Ud
T1
Id
imax

IT

T2

IDo

imin
T
I Do =

T
T − T1
1
idt =
I Z = (1 − α)I Z = α(1 − α)I d
∫
T T1
T

Để tìm IDomax ta đạo hàm IDo theo α :


I 'Do = (1 − 2α)I d = 0 ⇒ α =

1
2

1
1
1
1
⇒ I Do max = I Do (α − ) = (1 − ) I d = I d
2
2
2
4
2,38
=
= 0,595(A)
4

Ta chọn Diod có dòng cực đại (tính đến cả lúc mở máy)với hệ số
quá dòng ki =1,2 và hệ số quá áp là ku = 1,6 từ đó ta có :
IDo = 1,2.0,595 = 0,714(A)
UDo = 1,6.467 = 747,2(V)
Tra bảng ta có Diod Do loại B_10 có Itb = 10(A) , Um = 100 ÷ 1000(V) .
4/ Tính toán bộ lọc :
Sơ đồ mạch và dạng sóng :
id
BỘ
CHỈNH
LƯU

Lf

Ud

Cf

Do

Uz

Một cách tương đối ta xem tiêu tán năng lượng trên bộ lọc và bộ
biến đổi điện áp là không đáng kể ta có phương trình sau ;
Ud.Id = Uz.Iz
⇔ U z .I d = αU d .I z
⇔ I d = αI z

t

toff

ton
∆Uc
t

T1

T


Tính điện áp ΔUC sau :

d∆U C I z T
1
=
(1 − 2α) = 0 ⇒ α =
dt
Cf
2

I T
IzT
1
∆U C max (α = ) = z ⇒ ∆U C max % =
2
4C f
4C f U d

Chọn Cf sao cho :

∆U c max % ≤ ∆U cp % = 15%

⇒

IzT
IzT
≤ 0,15 ⇒ C f ≥
4C f U d
4.0,15.U d

⇔ Cf =

Id
1
2,23
1
=
.
= 16.10 −6 (F) = 16µF
α 4.500.583,8.0,15 0,8 4.500.583,8.0,15

Lúc đó ta có tần số dao động của mạch lọc là :
fL =

1
2π L f C f

Để tránh hiện tượng cộng hưởng xảy ra trong mạch ta cần phải chọn
:

f ≥ (2 ÷ 3) fL
Với f là tần số làm việc cuả Tranzistor T :
Ta chọn f = 2,5 fL
⇒ fL =
⇒

f
2,5
1

2π L f C f

=

f
2,5
2

2

 2,5 
 2,5  1
⇒ Lf Cf = 
 ⇒ Lf = 

 2πf 
 2πf  C f
2

2,5

1


⇒ Lf = 
=

−6
 2.3,14.500  16.10
= 0,0396 = 39,6(mH)

Như vậy ta chọn các phần tử của bộ lọc là :
Cf = 16(µF)
Uf = 39,6 (mH).
III/ Bộ chỉnh lưu :
Bộ chỉnh lưu là bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một
chiều . Có nhiều sơ đồ chỉnh lưu , trong đó có hai loại thông dụng là
chỉnh lưu hình cầu và chỉnh lưu hình tia . Các linh kiện điện tử thường
sử dụng trong mạch chỉnh lưu là Trisistor và Diod , Trisistor sử dụng