Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc không đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều (kích từ nam châm vĩnh cửu)

MỤC LỤC
CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU..........................................................4
CHƯƠNG II: CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC................................................11
CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN MẠCH LỰC VÀ MÁY BIẾN ÁP...........................19
CHƯƠNG IV: CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ MẠCH LỰC VÀ CÁC VAN BÁN DẪN
..................................................................................................................................... 35
CHƯƠNG V: MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG............39
CHƯƠNG VI: TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN..............................................43
CHƯƠNG VII: MÔ PHỎNG...................................................................................65
KẾT LUẬN................................................................................................................71


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

ĐỀ 26
Thiết kế bộ băm xung áp một chiều có đảo chiều (theo nguyên tắc
không đối xứng) để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều (kích từ nam
châm vĩnh cửu) với số liệu cho trước như sau:

Phương án

Điện áp lưới

Dòng
điện Điện áp phần Phạm vi điều chỉnh tốc
định mức
ứng
độ

1

110

45A

24V

2/72

10:1


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

MỞ ĐẦU
Trong nền sản suất hiện đại, máy điện một chiều được coi là một loại máy điện
quan trọng. Nó được dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng trong các điều
kiện làm việc khác.
Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, vì vậy được dùng
nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán
thép, hầm mỏ, giao thông vận tải.
Mặc dù động cơ điện có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp, nhưng
luôn đi kèm với nó là những yêu cầu về điện áp, dòng điện. Chính vì vậy cần một
phương pháp nhằm đáp ứng được những yêu cầu trên.
Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu những ứng dụng các
linh kiện bán dẫn làm việc ở chế độ chuyển mạch vào quá trình biến đổi điện năng.
Hiện nay các thiết bị điện tử công suất chiếm hơn 30% trong số các thiết bị của một xí
nghiệp hiện đại. Nhờ chủ trương mở cửa ngày càng có thêm nhiều xí nghiệp mới, dây
truyền sản xuất mới, đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử
công suất về vi mạch và vi xử lý. Xuất phát từ yêu cầu thực tế và tầm quan trọng của
bộ môn điện tử công suất các thầy cô trong bộ môn điện tử công suất đã cho chúng em

từng bước tiếp xúc với việc thiết kế thông qua đồ án môn học điện tử công suất.
Đối với những sinh viên năm thứ 3, đây là lần đàu tiên tiếp xúc với thực tế.
Chính vì vậy, trong quá trình thực hiện đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót nên
em rất mong sự góp ý của thầy cô và các bạn để đồ án được tốt hơn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Tự động hoá xí nghiệp
công nghiệp và đăc biệt là thầy giáo ts.Võ Minh Chính tận tình hướng dẫn em hoàn
thành đồ án này.

3/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

CHƯƠNG I: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Trong nền sản xuất hiện nay, động cơ điện Không Đồng Bộ đang chiếm ưu thế
so với động cơ điện một chiều. Đó là do sự ra đời của các máy biến tần, tuy vậy việc
điều chỉnh tốc độ động cơ điện Không Đồng Bộ vẫn còn là việc khó khăn. Do vậy,
động cơ điện một chiều với đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt vẫn còn được dùng nhiều
trong trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ.
Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về động cơ điện một chiều dưới các góc độ:
• Nguyên lý hoạt động chung.
• Cấu tạo chung.
• Các phương pháp điều chỉnh tốc độ.
• Các chế độ khởi động của động cơ điện một chiều.

I. NGUYÊN LÝ CHUNG
Động cơ điện một chiều hoạt động dựa trên nguyên lý của hiện tượng cảm ứng
điện từ.

I

Như ta đã biết thanh dẫn có dòng điện đặt trong từ trường sẽ chịu tác dụng lực
từ. Vì vậy khi cho dòng điện một chiều đi vào chổi than A và đi ra ở chổi than B thì
các thanh dẫn sẽ chịu tác dụng của lực từ. Bên cạnh đó do dòng điện chỉ đi vào thanh
dẫn nằm dưới cực N và đi ra ở các thanh dẫn chỉ nằm trên cực S nên dưới tác dụng của
từ trường lên các thanh dẫn sẽ sinh ra mô men có chiều không đổi và làm cho roto của
máy quay.
Khi nguồn điện một chiều có công suất không đủ lớn thì mạch điện phần ứng
và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập với nhau, lúc này động cơ được
gọi là động cơ kích từ độc lập.
4/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

Để tiến hành mở máy, đặt mạch kích từ vào nguồn Ukt, dây cuốn kích từ sinh ra
từ thông Φ. Trong tất cả các trường hợp, khi mở máy bao giờ cũng phải đảm bảo có
Φmax tức là phải giảm điện trở của mạch kích từ Rkt đến nhỏ nhất có thể. Cũng cần đảm
bảo không xảy ra đứt mạch kích thích vì khi đó Φ = 0, M = 0, động cơ sẽ không quay
được, do đó Eư = 0 và theo biểu thức U = Eư + RưIư thì dòng điện Iư sẽ rất lớn làm
cháy động cơ. Nếu mômen do động cơ điện sinh ra lớn hơn mômen cản (M > Mc) rôto
bắt đầu quay và suất điện động Eư sẽ tăng lên tỉ lệ với tốc độ quay n. Do sự xuất hiện
và tăng lên của Eư, dòng điện Iư sẽ giảm theo, M giảm khiến n tăng chậm hơn.

II. CẤU TẠO CHUNG.
Động cơ điện một chiều bao gồm hai phần chính là:
• Phần tĩnh: Stato.
• Phần quay: Roto.
1. STATO.

Đây là phần đứng yên của máy. Phần tĩnh bao gồm các bộ phận sau: cực từ
chính, cực từ phụ, gông từ và các bộ phận khác.
a. Cực từ chính.
Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng
ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ được làm bằng các lá thép KTĐ hay thép cácbon
dày 0.5 đến 1 mm ép lại và tán chặt.
Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều
được bọc cách điện thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt lên trên các cực
từ. Các cuộn dây này được nối nối tiếp với nhau.
b. Cực từ phụ.
Cực từ phụ được đặt giữa các cực tù chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi
thép của cực tù phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây
quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ nhờ
các bulông.
c. Gông từ.
Gông từ được dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ , đồng thời làm vỏ máy.

5/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

d. Các bộ phận khác.
Ngoài ba bộ phận chính trên còn có các bộ phận khác như: Nắp máy, cơ cấu
chổi than.
• Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hỏng dây quấn
hay an toàn cho người khỏi chạm phải điện.
• Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. Cơ cấu chổi than
gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp.
Hộp chổi than được cố định lên giá chổi than và cách điện với giá đó. Giá chổi

than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than đúng chỗ.
2. Roto.

Roto của động cơ điện một chiều bao gồm các bộ phận sau: lõi sắt phần ứng,
dây quấn phần ứng, cổ góp và các bộ phận khác.
a. Lõi sắt phần ứng.
Dùng để dẫn từ. Thường làm bằng những tấm thép KTĐ (thép hợp kim silix)
dày 0.5 mm bôi cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện
xoáy gây nên.
b. Dây quấn phần ứng.
Là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng
thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ (công suất dưới vài
kilowatt) thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn thường dùng
dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
Để tránh khi bị văng ra do sức li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt
hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay ba-ke-lit.
c. Cổ góp.
Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng điện
xoay chiều thành một chiều. Cổ góp có nhiều phiến đồng có đuôi nhạn cách điện với
nhau bằng lớp mica dày 0,4 đến 1,2 mm và hợp thành một trụ tròn. Hai đầu trụ tròn
dùng hai vành ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành góp có cao hơn một ít để hàn các
đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp được dễ dàng.
d. Các bộ phận khác.
• Cánh quạt: dùng dể quạt gió làm nguội động cơ. Động cơ điện một chiều
thường được chế tạo theo kiểu bảo vệ. Ở hai đầu nắp động cơ có lỗ thông gió.
6/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

Cánh quạt lắp trên trục động cơ. Khi động cơ quay, cánh quạt hút gió từ ngoài
vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cực từ, lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió
ra ngoài làm nguội động cơ.
• Trục máy: trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục động cơ
thường được làm bằng thép cácbon tốt.

III. ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.
Theo lý thuyết máy điện ta có phương trình sau:
U

n0 =

C e .θ
U − I u ( Ru + R f )
E

n=
=
= n0 − ∆n với 
C e .θ
C e .θ
∆n = I u .( Ru + R f )

C e .θ

hay n =

( Ru + R f ).M
U
−

C e .θ
C M C eθ 2

Từ hai phương trình trên ta thấy n (tốc độ của động cơ) phụ thuộc vào θ (từ
thông), R (điện trở phần ứng), U (điện áp phần ứng). Vì vậy để điều chỉnh tốc độ của
động cơ điện một chiều ta có ba phương án.
• Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ
• Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi bằng cách thay đổi điện trở phụ R f trên
mạch phần ứng.
• Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.

7/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông θ

n (vòng/phút)
n0’’’
n0’’
n0’

θδ’’’
θδ’’
θδ’
θδđm

n0đm
Mđm(Iđm)

M(Iư)

Đồ thị hình trên cho thấy đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều ứng
với các giá trị khác nhau của từ thông. Khi từ thông giảm thì n 0 tăng nhưng ∆n còn
tăng nhanh hơn do đó ta mới thấy độ dốc của các đường đặc tính cơ này khác nhau.
Chúng sẽ cùng hôi tụ về điểm trên trục hoành ứng với dòng điện rất lớn: I ư = (U/Rư).
Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ lớn hơn tốc độ định mức. Giới hạn trong việc
điều chỉnh tốc độ quay bằng phương pháp này là 1:2; 1:5; 1:8.
Tuy nhiên có nhược điểm khi sử dụng phương pháp là phải dùng các biện pháp
khống chế đặc biệt do đó cấu tạo và công nghệ chế tạo phức tạp, khiến giá thành máy
tăng.
2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ R f trên mạch phần ứng.

Ta có:
n=

( Ru + R f ).M
U
−
C e .θ
C M C eθ 2

Từ thông không đổi nên n0 không đổi, chỉ có ∆n là thay đổi. Một điều dễ thấy
nữa là, do ta chỉ có thể đưa thêm R f chứ không thể giảm Rư nên ở đây chỉ điều chỉnh
được tốc độ dưới tốc độ định mức.
Do Rf càng lớn đặc tính cơ càng mềm nên tốc độ sẽ thay đổi nhiều khi tải thay
đổi (từ đồ thị cho thấy, khi I biến thiên thì ứng với cùng dải biến thiên của I đường đặc
tính cơ nào mềm hơn tốc độ sẽ thay đổi nhiều hơn).
Tuy nhiên phương pháp này làm tăng công suất và giảm hiệu suất.
8/72

Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

n (vòng/phút)
n0

Rf0
Rf1

Rf2
Mđm(Iđm)

M(Iư)

Rf3
3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp.

n (vòng/phút)

4
1 (Uđm)
2
3

Mđm(Iđm)

M(Iư)

Phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ cả trên và dưới định mức. Tuy

nhiên do cách điện của thiết bị thường chỉ tính toán cho điện áp định mức nên thường
giảm điện áp U. Khi U giảm thì n 0 giảm nhưng ∆n là const nên tốc độ n giảm. Vì vậy
thường chỉ điều chỉnh tốc độ nhỏ hơn tốc độ định mức. Còn nếu lớn hơn thì chỉ điều
chỉnh trong phạm vi rất nhỏ.

9/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

Đặc điểm quan trọng của phương pháp là khi điều chỉnh tốc độ thì mô men
không đổi vì từ thông và dòng điện phần ứng đều không thay đổi (M = C M. θ. Iư).
Phương pháp cho phép điều chỉnh tốc độ trong giới hạn 1:10, thậm chí cao hơn
nữa có thể đến 1:25.
Phương pháp chỉ dùng cho động cơ điện một chiều kích thích độc lập hoặc song
song làm việc ở chế độ kích từ độc lập.

10/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

CHƯƠNG II: CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC
I. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ.

Theo đề bài thì động cơ làm việc với kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên từ
thông của nó không thay đổi và do đó ta không thể điều chỉnh tốc độ bằng cách thay
đổi từ thông được.
Cũng từ đề bài, điện áp phần ứng là U = 24(V), dòng điện phần ứng là I ư = 45
(A) nên công suất của động cơ chỉ là 1080 (W). Công suất này nhỏ do đó ta không

dùng phương pháp thêm điện trở phụ vào vì như vậy sẽ khiến hiệu suất kém đi.
Với phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng ta thấy
ngay các ưu điểm của nó so với hai phương pháp trên là:
• Hiệu suất điều chỉnh cao (phương trình điều khiển là tuyến tính, triệt để) hơn,
tổn hao công suất điêù khiển nhỏ.
• Việc thay đổi điện áp phần ứng cụ thể là làm giảm U dẫn đến mômen 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 mômen điều chỉnh xác
định là như nhau nên dải điều chỉnh đều, trơn, liên tục.
Tuy vậy phương pháp này đòi hỏi công suất điều chỉnh cao và đòi hỏi phải có
nguồn áp điều chỉnh được xong nó là không đáng kể so với vai trò và ưu điểm của nó.
Vậy nên phương pháp này được sử dụng rộng rãi.
II. CHỌN SƠ ĐỒ MẠCH LỰC.

Theo yêu cầu của đề bài ta cần sử dụng mạch băm xung áp một chiều theo
phương pháp không đối xứng để điều khiển tốc độ của động cơ và có cả đảo chiều.
Mạch băm xung áp cần nguồn là nguồn một chiều. Do không có nguồn Ácquy
nên nên ta phải lấy điện áp từ lưới điện xoay chiều. Do đó để có được nguồn một chiều
cho mạch băm xung áp ta sẽ phải dùng một mạch chỉnh lưu. Và ở đây ta dùng mạch
chỉnh lưu không điều khiển (các van là diode). Để chất lượng điện áp sau bộ chỉnh lưu
tốt hay nói cách khác giảm được hệ số đập mạch của điện áp sau chỉnh lưu ta cần có
thêm bộ lọc ở sau khâu chỉnh lưu.

11/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

Bên cạnh đó để có giá trị mong muốn của nguồn một chiều thì khi lấy từ lưới

điện xoay chiều vào ta phải dùng thêm máy biến áp.
Do công suất của động cơ P = U ư*Iư = 24 * 45 = 1080 (W) < 10 kW nên động
cơ làm việc với công suất ở đây là nhỏ. Ta chọn mạch chỉnh lưu cầu một pha (loại 3
pha chỉ dùng cho công suất trên 10 kW). Ta không chọn mạch chỉnh lưu 1 pha có điểm
trung tính vì như vậy chất lượng điện áp sẽ thấp và lúc này cấu tạo máy biến áp sẽ
phức tạp hơn (cuộn dây bên thứ cấp sẽ phức tạp).
Tải mà chúng ta xét ở đây là động cơ điện. Với mô hình băm xung thì nó
thường được ứng dụng trong các máy nâng hàng do đó yêu cầu về độ ổn định tốc độ là
không cao. Ta hoàn toàn có thể chọn độ ổn định tốc độ trong một giới hạn nào đó. Ở
đây để tiện cho việc tính toán ta sẽ chọn độ ổn định tốc độ của động cơ là 6.7%.

Do chỉnh lưu cầu một pha nên biến áp ta dùng cũng là loại biến áp một pha.

12/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

Sơ đồ mạch lực của hệ thống ban đầu như sau:
-110/110V
50
Hz

V25

T5

R1

R8

C1

R9

C8

C9

D15

R6

D16

R7

C6

C7

D17

D18

L2

C10

R2

C2

R3

C3
Q1

Q4

D19

D20

L1

M1
R4

C4

R5

C5

D21

D22

Q2

Q3

13/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

Sơ đồ khối của hệ thống như sau:

Lưới
điện

Biến áp
1 pha

Chỉnh lưu
cầu một pha

Băm
xung áp

Mạch bảo vệ

Động cơ

Mạch bảo vệ

III. NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH LỰC.
1. Khâu chỉnh lưu cầu một pha.

50
Hz

V1
-110/110V

T1
D3

D1

U
D42

D2

R1

Trong khoảng thời gian từ 0 - ∏ van D1 và D4 dẫn, điện áp trên tải U AB bằng
điện áp U2 ở nửa chu kỳ đầu. Dòng điện có chiều từ A sang B.
A

Trong nửa chu kỳ tiếp theo, từ ∏ - 2∏ van D2 và D3 dẫn, điện áp trên tải U AB
bằng –U2. Dòng điện vẫn theo chiều thừ A sang B.
Trong cả hai nửa chu kì của điện áp dòng điện đều có chiều không đổi từ A
sang B, điện áp đầu ra AB luôn ở phần dương. Do đó có thể thấy dòng xoay chiều đã
được chỉnh lưu thành dòng một chiều.
Nếu tải thuần trở thì dạng dòng điện trên tải giống hệt dạng điện áp trên tải.

14/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

Còn nếu tải cảm thì dòng điện sẽ bị san phẳng.
2. Băm xung áp một chiều theo nguyên tắc không đối xứng.

-

E
Q4

+
Q1

A

D4

D1

L1

+
M1

+
D2

Q2

D3

B

15/72

Q3


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

UG1

t

UG4

t

UG2
t
UG3

t

Ut
t
It

t

16/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

Trong mạch băm xung áp một chiều này ta sử dụng các van điều khiển hoàn
toàn IGBT và các bóng bán dẫn Diode. Sơ đồ bố trí các van như hình vẽ.
Ở đây ta coi như xung điều khiển dương thì bóng sẽ dẫn, xung điều khiển âm
thì bóng sẽ bị khóa. Giả sử lúc đầu ta đưa xung điều khiển vào cực G của các bóng
IGBT như trên đồ thị. Tức là:
• Từ 0-t1: van Q1 dẫn, van Q4 khóa
• Từ t1-TS: van Q1 khóa , van Q4 dẫn.
• Van Q2 luôn dẫn.
• Van Q3 luôn khóa.
Xét quá trình hoạt động của mạch băm xung áp:
Trong khoảng thời gian từ t0-t1: van Q1, Q2 dẫn và van Q4, Q3 khóa. Dòng điện
đi qua Q1, Q2 và có chiều từ A  B.
Trong khoảng thời gian từ t1-t2: van Q1, Q3 khóa và van Q4, Q2 dẫn. Tuy nhiên
dòng diện tải không đảo chiều vì lúc này năng lượng trong điện cảm L1 sẽ sinh ra để
duy trì dòng điện chạy theo chiều từ A  B. Dòng điện khép mạch qua van Q2 và
Diode D4.
Trong khoảng thời gian từ t2-TS: tại thời điểm t2 năng lượng trong cuộn dây kết
thúc, lúc này chỉ còn năng lượng là sức điện động của phần ứng của động cơ. Dòng
điện đảo chiều (chiều từ B  A) do sức điện động trong phần ứng của động cơ. Cuộn
cảm lại tiếp tục tích lũy năng lượng theo chiều ngược với chiều ban đầu.
Trong khoảng thời gian từ TS-t3: Van Q1, Q2 dẫn và van Q3, Q4 khóa.Tuy
nhiên dòng điện vẫn duy trì theo chiều như cũ (B  A) do năng lượng trong điện cảm
có tác dụng duy trì chiều dòng điện. Ta thấy lúc này tổng sức điện động cảm ứng trên

điện cảm và sức điện động trong phần ứng của động cơ lớn hơn E. Nên dòng điện sẽ
khép mạch qua diode D1, qua nguồn E và diode D2.
Ta nhận thấy trong khoảng thời gian từ t 1 tới TS dòng điện qua tải đảo chiều, tuy
nhiên do quán tính cơ rất lớn so với quán tính điện nên động cơ không bị đảo chiều.
Từ đồ thị ta cũng nhận thấy điện áp trên tải trong khoảng thời gian này là bằng không,
bởi vì trong khoảng thời gian này thì Q4 và Q2 dẫn nên 2 đầu A và B luôn nối mát, do
đó điện áp UAB = 0. Đây là điểm khác biệt giữa phương pháp điều khiển không đối
xứng và đối xứng. Nó cho ta thấy khi điều khiển không đối xứng thì điện áp ra đối
xứng hơn khi điều khiển đối xứng vì nó không có phần âm. Do đó phương pháp điều
khiển này tốt hơn.
17/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

Từ đồ thị ta có dòng điện qua các van tương ứng với các khoảng thời gian đã
nêu ở trên là:
t0

 I D1, D 2 = T × I 0
S


t1 − t 0
× I0
 I Q1,Q 2 =
TS


t 2 − t1

I
× I0
Q 2 , D1 =

TS

TS − t1
I
× I0
Q 4, D 2 =

TS

Điện áp ngược đặt lên các van là: Ung = E.

18/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN MẠCH LỰC VÀ MÁY
BIẾN ÁP.
I. TÍNH CHỌN MẠCH LỰC.
Để tính chọn được các diode và các bóng IGBT ta cần dựa vào hai tiêu chí đó là
dòng điện và điện áp. Vì vậy trước tiên ta cần xác định dòng điện trung bình chạy qua
các van trong một chu kì xét, và điện áp ngược lớn nhất đặt lên các van đó.
Xét dòng điện tính toán cho các van:
Từ nguyên tắc hoạt động của mạch băm xung áp đã trình bày ở trên ta có dòng
trung bình qua các van lần lượt là:
t0


 I D1, D 2 = T × I 0 ≤ I 0
S


t1 − t 0
× I0 ≤ I0
 I Q1,Q 2 =
TS


t 2 − t1
I
× I0 ≤ I0
Q 2 , D1 =

TS

TS − t1
I
× I0 ≤ I0
Q 4, D 2 =

TS

Từ các biểu thức dòng điện trung bình qua các van ta thấy giá trị dòng trung
bình qua các van đều nhỏ hơn hoặc bằng I 0. Vậy để tính chọn van ta lấy luôn giá trị I 0
làm giá trị dòng điện tính toán cho các van.
Động cơ làm việc với công suất 1080 (W), đây là công suất nhỏ do đó ta lựa
chọn chế độ làm mát cưỡng bức cấp một (dùng quạt gió) nên hệ số làm mát là K i = 2.

Vậy dòng điện tính toán dùng để chọn van là:
Ilv = Ki *0 I0 = 2 * 45 = 90 (A).
Xét điện áp tính toán cho các van:
Theo yêu cầu của đề bài điện áp phần ứng U ứ = 24 (V)  về sơ bộ (chưa tính
sụt áp trên các van) thì nguồn một chiều có E = 24(V). Vậy điện áp đặt lên các van là:
Ung = E = 24 (V).
Chọn hệ số dự trữ điện áp là Kdt = 2. Điện áp tính toán dùng để chọn van là:
Unv = Kdt * Ung = 2 * 24 = 48 (V).
19/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

Vậy dòng điện và điện áp dùng để chọn van là:

20/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

 I lv = 90( A)

U nv = 48(V )

Ta tiến hành lựa chọn cụ thể như sau:
a. Chọn diode công suất.
Ký hiệu

Imax

Un(V)

Ipik(A)

∆U(V)

Ith(A)

Ir(mA)

Tcp(0C)

1N2427

100

100

950

1.1

50

2

175

Với:
• Imax: Dòng điện chỉnh lưu cực đại.

• Un: Điện áp ngược đặt lên diode.
• Ipik: Đỉnh xung dòng điện.
• ∆U: Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của diode.
• Ith: Dòng điện thử cực đại.
• Ir: Dòng điện rò ở 250C.
• Tcp: Nhiệt độ làm việc cho phép.
b. Chọn van điều khiển
Với đặc tính làm việc của mạch băm xung áp, các van điều khiển cần có khả năng điều
khiển hoàn toàn (tức là điều khiển được cả quá trình đóng và mở bằng tín hiệu xung
điều khiển). Ta chọn van ở đây là các bóng IGBT với thông số như sau:
Ký hiệu

Icmax (A)

UCe

Pcmax

UCemax (V)

UGemax

UCemax (th)

IGE (mA)

toff (μs)

250

600

±20

6

1

1

bão hòa(V)

GA100NA60U

100

2.1

Một số thông số khác:
• Điện áp cực đại khi đưa vào cực điều khiển là UGE = ±20 (V)
• Dòng điện đưa vào cực điều khiển IG = 1 (mA).
• Điện áp rơi thuận trên IGBT sau khi thông là 1.49 (V).
• Các thông số thời gian:

21/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

TYP

MAX

UNIT

ton

0.3

0.7

μs

toff

0.5

1

μs

tr

0.4

0.8

μs

tf

0.18

0.38

μs

II. TÍNH CHỌN DIODE CHO MẠCH CHỈNH LƯU KHÔNG ĐIỀU KHIỂN.
Ta chọn mạch chỉnh lưu không điều khiển cầu một pha. Với các van đã chọn
trong mạch băm xung áp ta thấy điện áp sụt trên các van ∆U v = 2 × 1.45 = 2.9(V ) (sut ap
khi dong qua 2 IGBT). Vậy để điện áp phần ứng của động cơ là 24 (V) thì điện áp sau
chỉnh lưu là:
Ud = 24+ 2.9 = 26.9(V)
Vậy
U d = 26.9(V )

 I d = 45( A)

Dòng trung bình qua các diode là:
ID = Id / 2 = 22.5 (A).
Chọn chế độ làm mát như trong mạch băm xung áp ta có:
Ilv = 2 * 22.5 = 45 (A)
(Ở đây ta không cần xét đến chế độ khởi động của động cơ vì ta chỉ quan tâm
đến việc điều chỉnh tốc độ của động cơ).
• Xét điện áp tính toán cho van:
Ta có:
2 2
π
U2 →U2 =
Ud

π
2 2
π
→ U 2 = 26.9
= 30(V )
2 2

Ud =

Điện áp ngược đặt lên các van là: Ung =

2U 2 = 42.4(V).

Chọn hệ số dự trữ điện áp là Ku = 2 ta có Unv = Ku.Ung = 2 * 42.4= 84.8 (V)
22/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

Vậy các tham số cần thiết chọn diode là:
 I lv = 45( A)

U nv = 84.8(V )

Ta chọn chế độ làm mát cưỡng bức cấp một có quạt gió.
Chọn 4 diode công suất
Ký hiệu

Imax (A)

Un (V)

Ipik (A)

∆U (V)

In(mA)

Tcp(0C)

Ith (A)

S5020PF

50

200

800

1

2

200

50

III. TÍNH CHỌN MÁY BIẾN ÁP.
Trong phần này ta sẽ thực hiện tính toán các thông số sau cho máy biến áp:

• Tính toán kích thước mạch từ.
• Tính toán dây quấn, số vòng và kích thước dây.
• Tính toán kích thước mạch từ.
• Tính chọn kích thước cửa sổ.
• Tính chọn kết cấu dây quấn.
• Tính tổng sụt áp bên trong biến áp.
Để có thể tính chọn được máy biến áp trước tiên ta cần các đại lượng.

a) Điện áp chỉnh lưu không tải: Udo = Ud + ∆Uv + ∆Uba + ∆Udn.
Ở đó:

• Ud: Điện áp chỉnh lưu.
• ∆Uv = 2* 1= 2 (V) vì mỗi lần dòng điện đều đi qua 2 diode của mạch chỉnh
lưu.
• ∆Uba = ∆Ur + ∆U1 = 2.7 (V) (chọn bằng 10% Ud)
• Udn: sụt áp trên dây coi bằng 0.
U d 0 = 26.9 + 2 + 2.7 + 0 = 31.6 (V).
23/72


Đồ án môn học Điện Tử Công Suất

b) Công suất tối đa của tải
Pdmax = Ud0 * Id = 31.6 * 45 = 1422 (W).
c) Công suất máy biến áp nguồn cấp.
Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển nên:
kS=1.23
Sba = kS * Pdmax = 1.23 * 1422 = 1749 (W).
1.Tính mạch từ.

Tiết diện trụ QFe của lõi máy biến áp là:
QFe = k Q .

S ba
m. f

Với:
kQ: hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát, chọn kQ = 5 (làm mát bằng dầu).
số pha m = 1
tần số lưới điện.f = 50 (hz)
Vậy
QFe = 5.

1749
= 29.6(cm 2 ) → đường kính trụ d =
1 × 50

4.QFe
=
π

4 × 29.6
= 6.1(cm)
π

2. Tính toán dây quấn_số vòng và kích thước dây.

Điện áp cuộn dây thứ cấp:
U2 =

U d 0 31.6
=
⇒ U 2 = 35(V )
ku
0.9

Điện áp cuộn dây sơ cấp
Điện áp này bằng điện áp nguồn cấp. Do biến áp một pha nên điện áp sơ cấp là điện áp
pha
→ U1 =

110
3

= 63.5(V )

Dòng điện của các cuộn dây:
Sơ cấp:

I1 =

S1ba k s1 .Pd max 1.57 × 1422
=
=
→ I 1 = 35.2( A)
127
U1
U1
3
24/72

Đồ án môn học Điện Tử Công Suất
S 2ba k s 2 .Pd max 1.57 × 1422
=
=
→ I 21 = 63.8( A)
U2
U2
63.5

Thứ cấp: I 2 =

Số vòng của mỗi cuộn dây:
Số vôn trên vòng:
4.44 * f * Qfe * B * 10-4 = 4.44 * 50 * 29.6* 1.5 * 10-4 = 1 (V)
W1 = U 1 ÷ 1 = 63.5(vong )
W2 = U 2 ÷ 1 = 35(vong )



Tiết diện dây quấn (kích thước dây)
S Cu =

I
J

Với I: cường độ dòng qua các dây
J là mật độ dòng điện trong các dây. Chọn J= 25 (A/mm2).
Ta có SCu1 = SCu2 =

I 2 35
=
= 14(mm 2 )
J
2.5

 D1 = D2 = 4.22 (mm)
Vậy ta chọn dây đồng có các thông số:
Đường kính thực của lõi

:

d = 4.1 (mm)

Tiết diện lõi đồng

:

SCu = 13.2 (mm2)

Trọng lượng riêng / mét

:

mCu = 117 (g/m)

Điện trở / mét

:

R/m = 0.00123 (Ω/m)

Đường kính ngoài có cách :
điện

dn =4.43 (mm)

3. Tính toán kích thước mạch từ

Do P = 1749 (W) < 10 (kW) nên chọn mạch từ là trụ chữ nhật có tiết diện:
QFe=a × b với a là bề rộng trụ và b là bề dầy trụ.
Chọn lá thép có độ dày 0.35 (mm).
Diện tích cửa sổ cần thiết kế:

25/72