Thiết kế bộ chỉnh lưu có đảo chiều cho động cơ điện 1 chiều, dùng phương pháp điều khiển riêng

Đồ án môn học : Điện tử công suất

Lời Cám Ơn
Qua nhiều tháng miệt mài tìm tòi nghiên cứu đến nay bản đồ án với chủ đề
Thiết kế bộ chỉnh lu có đảo chiều cho động cơ điện 1 chiều, dùng phơng pháp
điều khiển riêng của em đã đợc hoàn thành. Đây không những là sự lỗ lực hết
sức của bản thân em mà còn là sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô đặc biệt là
Thầy Dơng Văn Nghi ngời đã trực tiếp hớng dẫn em hoàn thành bản đồ án này.
Vì thiếu kinh nghiệm thực tế cũng nh những hạn chế của bản thân nên bản đồ
án này còn sơ sài, không tránh khỏi sự sai sót và chắc cha áp dụng vào thực tế
đợc, kính mong các thầy cô cùng các bạn bỏ qua và góp ý để bản thiết kế đ ợc
hoàn chỉnh hơn.
Qua đây em xin gửi tới tất cả các thầy cô, các bạn và đặc biệt là thầy Dơng
Văn Nghi lời cám ơn sâu sắc nhất.

-1-


Đồ án môn học : Điện tử công suất
Chơng I
Giới thiệu chung
1.Mở đầu
Động cơ điện là một thiết bị vô cùng quan trọng trong công nghiệp. Nó có
thể đợc chia làm hai loại là động cơ một chiều và động cơ xoay chiều. Đối với
động cơ xoay chiều có u đIểm lớn là cấu tạo đơn giản, dẻ tiền, sử dụng nguồn đIện
xoay chiều, hoạt động chắc chắn song lại có nhợc đIểm là khó đIều chỉnh tốc độ.
Còn động cơ một lại có u đIểm là có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng
chịu quá tải lớn. Chính vì vậy động cơ đIện một chiều vẫn giữ đợc những vị trí
quan trọng của nó và đợc sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp, giao thông vận
tải, ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (máy
cán thép, máy công cụ lớn, tàu điện...).

Đặc biệt ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị điện tử công
suet, đã mở ra một hớng mới cho bài toán điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có
đảo chiều. Nguồn một chiều để cung cấp cho động cơ đợc chỉnh lu ngay từ nguồn
đIện xoay chiều có sẵn trong công nghiềp thông qua các bộ chỉnh lu đIều khiển
dùng Tizitto.
2. Bài toán thực tế
Trong thực tế sản xuất ta thờng gặp những cơ cấu chuyển động yêu cầu có
đảo chiều. Ví dụ nh ở máy bào giờng ( máy bào dọc), chuyển động chính của máy
là chuyển động tịnh tiến thẳng của dao cắt với hai hành trình ngợc và hành trình
thuận. Khi có tín hiệu mở máy doa cắt bắt đầu chuyển động và đi trạng thái vào
hành trình thuận với tốc độ v1, khi đI đến cuối hành trình thuận bàn dao gạt vào
công tắc hành trình ra lệnh cho động cơ quay ngợc lại đa dao về vị trí ban đầu với
tốc độ v2.
vthuận
Hành trình thuận

Hành trình ngược
vngược
ăn dao

Hãm t.s

Hãm t.s

Từ đó yêu cầu động cơ truyền chuyển động cho dao phảI có khả năng đảo
chiều, phảI có tốc độ hợp lý trong quá trình ăn dao để bảo vệ dao cắt, trong hành
trình thuận khi gia công thô hoặc tinh để bảo đảm độ bóng cho sản phẩm. Đối với
máy bào thì hành trình ngợc là hành trình vô công do đó cần tăng cao tốc độ để
nâng cao hiệu suât cho máy cũng nh giảm thời gian gia công. Cùng mục đích nh
vậy thì trong quá trình đổi chiều cần cho động cơ hoạt động ở chế độ hãm táI sinh.

Để thoả mãn đợc yêu cầu đó thì hệ thống truyền chuyển động cho dao có
thể là một cơ cấu máy phát - động cơ hoặc động cơ một chiều đợc đIều khiển bởi
bộ chỉnh lu bán dẫn
-2-


Đồ án môn học : Điện tử công suất
Hệ máy phát - động cơ thờng có cơ cấu kồng kềnh, giá thành cao, hiệu suất
thờng không quá 64%, khi hoạt động gây tiếng ồn lớn, khó tự động hoá, khó đIều
chỉnh sâu tốc độ. Chỉ đợc áp dụng trong những cơ cấu có công suất lớn, yêu cầu
quá tảI cao đặc biệt thích hợp trong công nghiệp hầm mỏ.
Còn đối với hệ thống chỉnh lu - động cơ 1 chiều có u đIểm nổi bậtlà độ tác
động nhanh, không gây ồn lại dễ tự động hoá. Với trờng hợp máy bào giờng có
công suất không cao, yêu cầu tự động hoá cao thì hệ thống chỉnh lu - động cơ đIện
một chiều có u thế hơn.
3. Hệ thống chỉnh lu - động cơ đIện một chiều.
Ta đa ra các phơng án để so sánh:
Phơng án 1: Sử dụng 1 bộ chỉnh lu điều khiển, đối xứng cầu ba pha, kết hợp với
các thiết bị tiếp điểm cơ khí để đảo chiều điện áp cấp cho động cơ (khi đảo
chiều).
Sơ đồ.

id

T
Uđk

N

Ld

N

D

CK

T

BBĐ

+Cuộn L để lọc nguồn một chiều tạo ra bởi bộ biến đổi
Hoạt động:
-Bộ biến đổi chỉnh lu nguồn 3 fa thành nguồn 1 chiều ,với Uđk
-khi muốn quay thuận các tiếp điểm T đóng, N mở
-khi muốn quay ngợc lại các tiếp điểm N đóng, T mở và nguồn áp cấp cho phần
ứng động cơ đảo dấu, động cơ sẽ quay ngợc lại.
Phơng án 2.
Sử dụng hai bộ biến đổi đối xứng cầu 3 fa, dùng phơng pháp điều khiển chung
Tại một thời điểm cả hai bộ biến đổi đều nhận đợc xung mở,nhng chỉ có một bộ
biến đổi cấp dòng cho động cơ,bộ kia làm việc ở chế độ đợi.
Sơ đồ:
id1

icb
Lcb

K1

Lcb

A2

I

Ld
D

R
II

A1
BBĐI

K2
BBĐII

Lcb

Lcb

-3-


Đồ án môn học : Điện tử công suất
Đặc tính điều khiển của BĐ1 là đờng I, đặc tính điều chỉnh của BĐ 2 là đờng II

Uđko

0

10

/2 20

II

1min





I

2max

Giả thiết 1</2; 2>/2 sao cho : Ed 1 Ed 2
Thì dòng điện chỉ có thể chảy từ BĐ1 sang động cơ mà không thể chảy từ BĐ1
sang BĐ2 đợc. Để đạt đợc trạng thái này thì các góc điều khiển phải thoả mãn các
điều kiện : 2 1hay 2 1
Nếu tính đến góc chuyển mạch à và góc khoá thì giá trị lớn nhất của góc điều
khiển của bộ biến đổi đang ở chê độ nghịch lu đợi phải là :

max = ( à max + )

Và giá trị nhỏ nhất của góc điều khiển của bộ biến đổi đang làm việc là:
min à +
Nếu chọn

Ed 1 = Ed 2

2 + 1 =
Hay
Tơng ứng với phơng pháp điều khiển chung đối xứng khi đó sdd tổng trong mạch
vòng giữa hai bộ biến đổi sẽ triệt tiêu và dòng điện trung bình chảy qua hai bộ
biến đổi cũng triệt tiêu:
Ed1 + Ed 2
I cb =
=0
Rcb
Rcb là tổng trở trong mạch vòng cân bằng.
Thực tế do ed1(t), ed2(t) biến đổi theo thời gian lên có thời điểm e d1(t)> ed2(t) trong
mạch xuất hiện dòng Icb. Để san phẳng dòng cân bằng này ta dùng các cuộn Lcb
vì thế độ lớn của Icb giảm nhỏ.
Phơng án 3.
Sử dụng hai bộ biến đổi đối xứng cầu 3 fa, dùng phơng pháp điều khiển riêng
Sơ đồ :

-4-


Đồ án môn học : Điện tử công suất

BBĐI
Uđk

Ld

D

CK
Uđk

BBĐII

Hoạt động: khi hoạt động hai bộ làm việc riêng rẽ nhau, tại một thời đIểm chỉ phát
xung đIều khiển vào một bộ biến đổi còn bộ kia khoá do không có xung đIều
khiển phát vào.
So sánh các phơng án:
- Phơng án I: đơn giản,dễ cho việc thiết lập ,điều khiển hệ thống nhng thời gian tác
động chậm,không có hãm tái sinh.Khi có số lần đảo chiều lớn thì các tiếp điểm cơ
khí dễ xẩy ra sự cố khi thời gian sử dụng tăng lên,số lần đảo chiều lớn,(các tiếp
điểm này có thể không tác động ,hoặc tác động trễ dẫn đến ngắn mạch qua BBĐ
gây sự cố,tiếp điểm bị hỏng cơ khí do đóng cắt nhiều..)
-Phơng án II Thời gian tác động nhanh, có hãm tái sinh lấy lại năng lơng cho lới
điện, tính đảo chiều bảo đảm hơn pha I khi số lần đảo chiều lớn do khả năng làm
việc với tần số cao của các phần tử điện tử. Tuy nhiên phơng án này phức tạp cho
khâu điều khiển khi đảo chiều, thiết kế mạch điều khiển
Từ những so sánh này ta thấy với hệ thống của ta lên chọn phơng án II để đảm bảo
an toàn với tần số đảo chiều lớn.
Phơng pháp điều khiển chung không có khoảng thời gian trễ nhng có dòng
cân bằng chảy giữa hai bộ BĐ, phải sử dụng các cuộn kháng cân bằng khiến hệ
thống cồng kềnh, làm việc không chắc chắn khi đảo chiều.
-Phơng án III Thời gian tác động nhanh, có hãm tái sinh lấy lại năng lơng cho lới
điện, tính đảo chiều bảo đảm hơn pha I khi số lần đảo chiều lớn do khả năng làm
việc với tần số cao của các phần tử điện tử.
Phơng pháp điều khiển riêng có u điểm làm việc chắc chắn an toàn, không
có dòng cân bằng chảy qua 2 bộ biến đổi, tuy nhiên có trạng thái trễ .
Đối với máy bào giờng yêu cầu số lần đảo chiều cao và đồng thời không
cần dòng đIện liên tục nên phơng án 3 là tối u nhất. Vì vậy ta chọn phơng án 3 cho

hệ thống.

-5-


Đồ án môn học : Điện tử công suất
sơ đồ và nguyên lý hoạt động của
hệ thống
I. Nguyên lý hoạt động
1. Chỉnh lu có điều khiển
Chỉnh lu điều khiển (tiristor) cho phép thực hiện các yêu cầu kỹ thuật của hệ
truyền động điện một chiều với tốc độ tự động hoá cao nên đợc sử dụng rộng rãi
nhất là sơ đồ cầu do đấu trực tiếp vào lới điện, không phải dùng biến áp lực nh sơ
đồ hình tia. Các tham số tính cho chỉnh lu điều khiển giống bảng tính toán dung
cho điốt. ở chỉnh lu điều khiển tiristor ta chỉ đi sâu vào quá trình điều khiển của
mạch.
Để hiểu sơ bộ vấn đề ta phân tích trên sơ đồ cầu một pha cấp cho tảI tổng
quát là Rd Ld Ed trong đó Ed đặc trng cho sức đIện động phần ứng của động
cơ một chiều.
ở nửa chu kỳ dơng của điện áp nguồn xoay chiều e(t) = Emsin t, tiristor T1
vàT3 có thể dẫn nhng chỉ sau thời điểm vì từ thời điểm đó mới có e(t) > Ed để cho
đIện áp trên van là dơng UAK= e(t)-Ed > 0
Chơng II

T1

Rd

Rd
Ld

Ld
e()=Emsin

Ed

Ed
T3
Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế
d

d

d

Ed


+





Id



+

2.2a. Chế độ dòng liên tục



+







Id



+

+



Id



2.2b.dòng gián đoạn

+

2.2c.Dòng tới hạn

-6-




Đồ án môn học : Điện tử công suất
Để mở van, ở thời điểm t = cho phát xung điều kiển vào cực G các van T 1,T3
làm chúng dẫn. (Góc tính từ điểm chuyển mạch tự nhiên đến điểm phát xung
mở van đợc gọi là góc mở hay góc điều khiển). Từ lúc van dẫn ta có u d=Emsin t
làm xuất hiện dòng tải. Đến nửa chu kỳ sau, vào thời điểm T 3,T4 để mở chúng.Lúc
này có 2 khả năng xảy ra với dòng tải.
- Dòng điện qua T1, T3 ở thời điểm ( + ) cũng chính là dòng tải cha giảm
về đến không do tính điện cảm của mạch.Nh vậy dòng tải sẽ tiếp tục tồn tại và
chuyển sang chế độ van 2 mở ra. Ta có chế độ dòng điện liên tục, vì với mọi thời
điểm đều có Id > 0
- Dòng điện đi qua T1và T3 đã kịp giảm về 0 (và hai van này khoá lại trớc khi
hai van T2, T4 mở ra. Ta có chế độ dòng điện gián đoạn. Vì dòng tải có giai đoạn
bằng 0, lúc này cả 4 van đều không dẫn.
- Ranh giới giữa hai chế độ này góc điều khiển tơng ứng là góc điều khiển tới
hạn.
2. Phân tích:
Thờng thì điện áp chỉnh lu Ud của mạch chỉnh lu có dạng gợn sóng lặp lại
với số lần đập mạch n trong một chu kỳ 2 của đIện áp nguồn xoay chiều u =
Umsin .

n- phụ thuộc vào sơ đồ và số pha nguồn m
+ với sơ đồ hình tia n =m
+với sơ đồ hình cầu
n =2m nếu m lẻ
n = m nếu m chẵn
Ud

id
Rd

Ed
Ld
e()
E





Sơ đồ thay thế chỉnh lu có điều khiển m pha
2
Trong các khoảng n =
dạng điện áp và dòng điện tải lặp lại, do đó chỉ cần
n
phân tích một giai đoạn là đủ. Khi van dẫn ta có sơ đồ nh hình vẽ .
Đồng thời có phơng trình mạch:

U m sin E = iR + L

di

dt

Dùng phơng pháp xếp chồng tác động của hai nguồn u (xoay chiều) và E ta đợc:

-7-


Đồ án môn học : Điện tử công suất


Um
E
x/ R
i = iu + ie =
.sin( ) + C.e
Z
R

X

R 2 + X 2 và = arctg R

trong đó: Z =

Hằng số C xác định theo điều kiện biên phụ thuộc vào chế độ làm việc.
a.Chế độ dòng điện gián đoạn.
Điều kiện biên 1. i ( * ) = 0 ; trong các biểu thức tính toán đều lấy gốc từ
điểm qua o của u xoay chiều nếu so với quy định lệch đi một lợng

* = + ( )
2 n

Thay vào tìm C ta có biểu thức dòng điện .
*

*





Um
E
*
x/R
i=
[sin( ) sin( ).e
] (1 e x / R )
Z
R

mỗi van sẽ dẫn một khoảng

< n

xác định từ đIều kiện biên thứ hai :

i ( * + ) = 0
sin( + ) sin( ).e

*

*




x/R



E Z
x/ R
=
. (1 e
)
Um R

Dòng điện trung bình qua tải:

1
Id =
n

* +



i ( ).d =

*

1 Um
{ [cos( * ) cos( * + ) +
n Z

R
R


X
E
X
*
X
X
+ (1 + e ).sin( ) [ + (1 + e )]}
R
R
R

Điện áp trung bình ra tải :Ud
* +

U d
=

1
= [
n

U m sin .d +

*

* +





E.d ] =

*

n
{U m [cos * cos( * + )] + E ( n )}
2

b.Chế độ dòng giới hạn :
Dòng điện gián đoạn sẽ đạt tới chế độ tới hạn khi góc = n (không còn
đoạn Ud = E). Góc điều khiển tơng ứng với điểm giới hạn này xác định theo ta
có :

sin( + n ) sin( ).e
*

th

*
th



n
x/R



n
E Z
=
. (1 e x / R )
Um R

-8-


Đồ án môn học : Điện tử công suất
c.Chế độ dòng liên tục:
*
*
Từ điều kiện biên duy nhất i ( ) = i ( + n ) có:
*

Um
2.sin n .cos( * + n ) x/R

E
i=
[sin( ) +
e
]
n

Z
R
1 e x/ R

Dòng tải trung bình:

1
Id =
n
=

* + n





i ( ).d

*

Um
x

E
[cos( * ) (1 + 2. .sin n ).cos( * + n )]
n .Z
R
R

Điện áp chỉnh lu trung bình:
Trong toàn khoảng n luôn có:ud u xoay chiều nên :

1
ud =
n
2

thay n =

n

u d =

* +



U m sin =

*

Um

.2sin n sin( * + n )
n
2
2

ta có:

Um

.sin .cos = ud0 .cos
/n
n

ở chế độ dòng liên tục thờng coi dòng điện là bằng phẳng

Id =

và:

ud udo cos E
=
R
R

3. Chế độ nghịch lu phụ thuộc:
Nghịch lu là chế độ chuyển năng lợng điện từ phía dòng một chiều sang
phía dòng xoay chiều (quá trình chuyển năng lợng ngợc lại với chế độ chỉnh lu).
Trong hệ truyền động đIện một chiều, động cơ điện cần làm việc ở một số chế độ
khác nhau, trong đó có lúc động cơ trở thành một máy phát điện. Năng lợng phát

ra này phải lới điện xoay chiều, để thỏa mãn yêu cầu này bộ chỉnh lu chuyển sang
hoạt động ở chế độ nghịch lu; vì nó hoạt động (đồng bộ) theo nguồn xoay chiều
nên gọi là nghịch lu phụ thuộc.
Nh vậy mạch điện lúc này có hai nguồn sức điện động

e1

: sức điện động lới xoay chiều

Ed

: sức điện động một chiều.

-9-


Đồ án môn học : Điện tử công suất

id
Ld

Ud

e()

E

Sơ đồ thay thế chỉnh lu với tải động cơ điện.
Ta biết rằng một nguồn sức điện động sẽ phát đợc năng lợng nếu chiều sức
điện động và dòng điện trùng nhau, ngợc lại nó sẽ nhận năng lợng khi chiều sức

điện động và dòng điện ngợc nhau. Xuất phát từ nguyên tắc trên ta thấy rằng với
bộ chỉnh lu chỉ cho phép dòng điện đi thep một chiều xác định thì để có chế độ
nghich lu cần phải thực hiện 2 điều kiện:
-Về phía một chiều : bằng cách nào đó chuyển đổi E d để có chiều dòng và
sức điện động trùng nhau.
-Về phía xoay chiều : Điều khiển mạch chỉnh lu sao cho điện áp ud < 0 để
có dấu phù hợp dòng tức là bộ chỉnh lu làm việc chủ yếu với nửa chu kỳ âm của lới điện .

=150

Ua T6 UbT2 UcT4
o2
o1

o3
T5

o4
T1

o6
o5

o1
T3

T1

Ua-b

Đồ thị dòng điện áp với trờng hợp nghịch lu phụ thuộc.
II. mạch chỉnh lu đIều khiển riêng.
1.Sơ đồ nguyên lý:
- Động cơ một chiều
- BBĐ1, BBĐ2: Là các bộ chỉnh lu điều khiển mắc theo sơ đồ cầu có nhiệm vụ
biến đổi dòng điện xoay chiều từ thứ cấp máy biến áp thành dòng điện một chiều
cấp cho động cơ.
- 10 -


Đồ án môn học : Điện tử công suất
- FX1 và FX2 : là hai bộ phát xung điều khiển tơng ứng cho BBĐ1 và BBĐ2
- SI1 và SI2 là các xen sơ dòng điện dùng cho vòng hồi tiếp.
- SIO1 và SIO2: là các xen sơ cảm ứng dong điện.
- Ri1 và Ri2 : là các bộ điều chỉnh dòng điện .
- S 1 và S 2 : là các xen sơ tốc độ đóng vai trò khâu phản hồi tốc độ .
- R 1 và R 2 : là các bộ điều chỉnh tốc độ.
- HCD1 và HCD2 : là các phần tử hạn chế dòng điện trong quá trình quá độ.
- LOG : là khối logic để điều khiển sự làm việc của 2 bộ FX1 và FX2.
- MBA : máy biến áp lực.

MBA

Uđ1

HCD1

R1

R1

Fx1

HCD2

R2

b1

SI1

b2

2 SI2

i1L
LOG i2L

iLđ
Uđ2

BBĐ1

1

u1

u1
R2

Fx2

SIO1
SIO1

BBĐ1

S

I

2.Nguyên lý hoạt động:
a.Nguyên lý chung:
Trong quá trình hoạt động 2 BBĐ làm việc hoàn toàn độc lập với nhau và tại một
thời đIểm chỉ phát xung điều khiển vào một BBĐ còn bộ biến đổi kia bị khoá do
không có xung điều khiển.
Giả sử tại thời đIểm từ 0 ữ t1bộ phát xung FX1hoạt động phát xung điều khiển BBĐ

1 làm việc ở chế độ chỉnh lu( 1 < ) Còn BBĐ 2 bị khoá do FX2 không hoạt động.
2

Tại t1 fát lệnh điều khiển đảo chiều(ilđ chuyển tử lôgic 1 xuống lôgic 0)
b1chuyển tử 0 lên 1 và FX1 bị khoá quá trình chuyển mạch ở BBĐ1 không thực
hiện đợc do không có xung điều khiển tử FX1 phát vào.
Dòng điện phần ứng giảm dần về 0, thời điểm này (t 2) đợc xác định bằng cảm
biến dòng điện không SIO1. Sau khoảng thời gian trễ = t2 t2 đảm bảo BBĐ1
bị khoá hoàn toàn, dòng điện phần ứng bị triệt tiêu. Tại t 3 tín hiệu lôgic b2 chuyển
từ mức 1 xuống mức 0 cho phép bộ phát xung FX 1 hoạt động phát xung điều
khiển mở BBĐ2 với góc 2 <

và sao cho dòng điện phần ứng không vợt quá
2

giá trị cho phép, động cơ đợc hãm tái sinh, nếu nhịp điệu giảm 2 phù hợp với
- 11 -


Đồ án môn học : Điện tử công suất
quán tính của hệ thì có thể duy chì dòng điện hãm và dòng điện khởi động ngợc
không đổi, điều này đợc thực hiện với các mạch vòng điều chỉnh tự động dòng
điện của hệ thống (Si và Ri ) .
Mạch vòng hồi tiếp âm bao gồm S , R có nhiệm vụ khởi động tốc độ cho động
cơ khi nhiễu loạn (tải ) thay đổi.
Ed
t
i ld
t1 t2

t

t3

t
i

i1l

i2l

t
t

b'1

t

b'2

t

b1

t

b2

t

b.Cấu tạo và hoạt động của bộ lôgic LOG.

-1
i1L
i2L

-1

&

-1

&

iLd

b'1
b1
1

b2
1 b'2
1


1

i

LOG

L
Đ

= 1 : phát xung điều khiển mở bộ BBĐ1
iLĐ = 0 : phát xung điều khiển mở bộ BBĐ2
i1L = 1 : có dòng chảy qua BBĐ1
i2L = 1 : có dòng chảy qua BBĐ2
b1 = 1 : khoá bộ phát xung FX1

b2 = 1 : khoá bộ phát xung FX2
Từ sơ đồ cấu tạo bộ LOG ta thấy :

- 12 -


Đồ án môn học : Điện tử công suất

b1= iLD .i1L + i2 L
b2= iLD .i2 L + i1L
Khoảng thời gian trễ đảm bảo khoá chắc chẵn các BBĐ đợc đảm bảo bởi mạch
xung tác dụng sờn xuống có độ rộng không đổi


)
2
Phần ứng của động cơ một chiều đợc coi là tảI R-L-E.
c)Mạch lực chỉnh lu:( <

a
b
c

T2

T6

id

G

T4

R

E
T5

T3

T1

L
F

Sơ đồ chỉnh lu cầu 3 fa gồm 6 tiristor chia thành hai nhóm.
+ Nhóm catốt chung : T1 - T3 - T5.
+ Nhóm anốt chung : T2 T4 - T6.
- Giả thiết là T5và T6 đang mở cho dòng chảy qua
VF = U2c ,VG = U2b.

Khi = 1 = + cho xung điều khiển mở T 1.Tiristor này mở vì U2a>0 . Sự mở
6

của T1 làm T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì
U2a >U2c. Lúc này tiristor T 6 và T1 cho dòng chảy qua.Điện áp tải là:

U d = U ab = U 2 a U 2b . Khi = 2 =

3

+ Cho xung điều khiển mở T2. Tiristor
6

này mở vì khi T6 dẫn dòng thì nó đặt U2b lên anốt của T2 mà U2b > U2c. Sự mở T2
làm T6 bị khoá lại một cách tự nhiên vì U 2b > U2c các xung đIều khiển lệch nhau

lần lợt đợc đa vào các cực điều khiển của các Tiristor thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6,
3

1
Trong mỗi nhóm khi có một Tiristor mở , nó sẽ khoá ngay một Tiristor dẫn dòng
trớc nó.

- 13 -


Đồ án môn học : Điện tử công suất

T1

U

T3

T5
Ud1
t

T6

T2

Ud2

T4

Ud
t
UT1
iT1

Id

t
t

ia

Đồ thị dòng điện và điện áp khi không tính đến trùng dẫn và ở chế độ dòng liên
tục.
Điện áp mạch trên tải là:

Ud =

6
2

5
+
6

6

+

2.U 2 sin .d =

3 6.U 2


- 14 -


Đồ án môn học : Điện tử công suất
Chơng III

Tính Chọn
Thiết kế các phần tử của mạch công suất
I.Chọn van công suất:
Động cơ một chiều có công suất 25KW và điện áp định mức Udm = 400V
P
2500
I dm =
=
= 62,5( A)
U dm
400
Khi chọn van công suất ta cần quan tâm đến hai chỉ tiêu sau:

- Chỉ tiêu về dòng điện , ở đây thờng phải tính đợc trị số dòng trung bình (hay
hiệu dụng) lớn nhất chạy qua van , mặt khác cũng cần phải quan tâm đến
dạng dòng đIện , giá trị dòng điện đỉnh, dòng quá tảI, chế độ làm việc
mát ... tuỳ theo từng chế độ cụ thể để chọn.
- Chỉ tiêu về điện áp chủ yếu là điện áp đặt lên van trong quá trình làm việc .
1) Chọn van theo chỉ tiêu dòng điện.
Đối với sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha đã chọn tra sổ tay ta có các tham số

Ud
Id
I
2, 34; I v =
= 2, 45.U 2 ; 2 = 0,816
U2
3;U ng (max)
Id
kba .I1
S
= 0,816; ba = 1, 05
Id
Pd
Giá trị trung bình dòng điện thực tế qua van là

Van đợc chọn phải thoả mãn điều kiện:

I tbv =

I d I dm
=
= 21( A)

3
3

I v > klv .I tbv

Khi làm việc van phải chịu đợc mức độ dòng điện quá tải gấp 1,2 lần dòng điện
định mức . Ngoài ra dòng qua van trong một khoảng thời gian tăng lên vài lần
(nh chế độ khởi động , chế độ cỡng bức dòng điện ) . Do đó khi chọn van phải
tuỳ thuộc và đặc điểm làm việc cụ thể của van mà chọn hệ số dự trữ dòng điện
(klv).ở đây với chế độ tải ổn định và dòng qua van dới 100A ta chỉ cần chọn :
klv = 1, 4
Iv = 1,4x21 = 30 A.
Khi chọn van dòng điện cho phép đi qua van ghi trong sổ tay tra cứu chỉ đúng
trong trờng hợp van làm việc ở chế độ tiêu chuẩn (về sơ đồ chỉnh lu chế độ làm
mát , điều kiện môi trờng). Chế độ làm việc của van lại th ờng khác tiêu chuẩn
nên không nên chọn van theo giá trị dòng cho phép này .
Dạng dòng điện qua van cũng ảnh hởng lớn đến trị số dòng cho phép qua van.
Trong tất cả các mạch chỉnh lu van đều dẫn dòng theo chu kỳ lới điện xoay chiều
, quy chuẩn nhất là dạng dòng điện hình sin và kéo dàI 180 0 điện . Nếu khoảng
dẫn bị thu hẹp thì giá trị dòng điện qua van cũng phải giảm đi theo quy luật gần
đúng nh sau:
- 15 -


Đồ án môn học : Điện tử công suất
= 1800

1200

900

600

300

I cp

0,8 I cp

0,68 I cp

0,55 I cp

0,4 I cp

2)Chọn theo chỉ tiêu điện áp
Van đợc chọn phải đảm bảo nguyên tắc đIện áp
Ungmaxth=1,05Udmax=1,05.400 =420V
420
= 600 V
Ungmaxth 0,7.Ungmaxchon --> Ungmaxchon
0, 7
3)Làm mát
Có các kiểu làm mát nh sau : bằng đối lu bằng quạt gió và bằng nớc . ở đây do
dòng qua van nhỏ nên ta làm mát bằng đối lu tự nhiên và lúc này dòng điện trung
bình cho phép qua van chỉ bằng khoảng 20% ữ 40% dòng cho phép của nó, tức là
để van có thể dẫn đợc dòng đIện thực tế là 30A thì dòng cho phép qua van phảI
lớn hơn 30/0,4=75A .
Từ các tiêu chuẩn trên ta chọn van chỉnh lu cho mạch này là loại T-80-8 do Liên
Xô chế tạo với các thông số nh sau:

I cp = 80 A; I x = 845 A; I d = 1200 A; I do = 6mA

Cấp điện áp: 8 tức là Ungmax=800V, cấpdu/dt=6; cấp t ph

= 4 ; cấp di/dt=5

;

U = 1, 75V ;U dk = 4V ; I dk = 15, 0(mA)
II.Máy biến áp lực
-

Do sơ đồ chỉnh lu mắc theo kiểu cầu 3 fa nên ta cần dùng một MBA lực . Do đó
ta cần xác định các tham số :
Trị số hiệu dụng điện áp cuộn thứ cấp MBA U2
Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp MBA I2
Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn sơ cấp MBA I1
Công suất biểu kiến 1 fa
Đặc điểm của MBA chỉnh lu là công suất thứ cấp và công suất sơ cấp không bằng
nhau nh các MBA lực thông thờng . Điều này chủ yếu do dòng điện không sin gây
ra . Vì vậy công suất tính toán 1 fa MBA chỉnh lu cũng tính bằng công thức khác
với công thức thông thờng :
n

S + S2
Stt = 1
=
2

U1.I1 + U 2i .I 2i
i =1

2

Trong quá trình chỉnh lu để đa đợc tới tải Ud theo yêu cầu , cần phải tính đến nhiều
yếu tố nhằm bù hết sụt áp trên đờng ra tải :

U d = U ddm + U luoi + U van + U R + U

Trong đó :

- 16 -


Đồ án môn học : Điện tử công suất
Udm: ĐIện áp 1 chiều ra tải định mức
U v :
Sụt áp trung bình trên các van
U luoi : Sụt áp nguồn xoay chiều .

U

R

: Tổng sụt áp do các thành phần một chiều dòng tải gây ra trên các đIện

trở .
U : Sụt áp do hiện tợng chuyển mạch (trùng dẫn ) coi nh bằng 0
Đối với trờng hợp đang xét thì:

Udm=400 VDC
U v = 2, 7.2(V )
U1 pha = 220V
U1 = 100 / 0
I d = 62, 5( A)
er = 20 / 0 : H ệ số phụ thụôc S ba
k u = 2, 34
k p = 1, 05
m=3
U loc = 5V
ex = 80 / 0 : H ệ số phụ thụôc S ba
k =

3



Ud =
a=
b=

U ddm + U v + U rloc + U r : + U rdd + U xdd
1 (a + b + c.Pd + U1 )

m.k .ex
ku 2 .k p

=

3.3.0, 08

= 0, 04
.2,342.1, 05

2.m 6.0, 02
= 0, 021
ku 2 .kb 2,342.1, 05

do công suất vô hạn nên thành phần c =

m.k
ku 2 . S nm

=0

Cho rằng tổng sụt áp còn lại chiếm 5% điện áp Ud
400 + 2, 7.2 + 5 + 0, 05.400
= 512,99 513(V )
1 (0, 04 + 0, 021 + 0,1)
Pd = U d .I d = 512,99.62, 5 = 32( KW )

Ud =

Sba = 1, 05.Pd = 1, 05.32 = 34( KVA)
- 17 -


Đồ án môn học : Điện tử công suất
Điện áp thứ cấp :
U 2( dm ) =

Ud
513
=
= 243,58(V )
(1 U1 ).ku (1 0,1).2,34

Suy ra hệ số máy biến áp .
kba =

U1
220
=
= 0,9
U 2 243,58

Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp

I 2 = 0,816.I d = 51( A)

Dòng điện cuộn sơ cấp:

I1 = 0,816.

Id
= 56, 7( A)
kba

Vậy cần đặt máy biến áp có Sba=34 KVA; U1=220 V; I1 =57A ; I2=51A.

III.Thiết kế bộ lọc

1.Bộ lọc :
Điện áp sau khi ra khỏi bộ biến đổi có dạng nhấp nhô mạnh với tần số đập mạch
là 6.Vì vậy để động cơ làm việc bình thờng thì điện áp phải đợc lọc trớc khi đa vào
động cơ Trong thực tế có nhiều phơng pháp lọc khác nhau nh:
- Lọc bằng cuộn cảm : loại này dùng đơn giản một cuộn cảm mắc nối tiếp với tụ
Điện kháng của điện cảm L (Xd= L ) càng lớn so với đIện trở Rd càng tốt Vì tải có
công suất lớn thờng có Rd nhỏ nên điều này thực hiện càng dễ thực hiện khi dòng
tải càng tăng , do đó loại lọc này rất phổ biến trong những mạch công suất lớn .
Hình vẽ :
L
Ur

Uv

- Lọc bằng tụ điện : Bộ lọc đơn giản chỉ gồm 1 tụ điện đấu song song với tải .
Ngợc lại với bộ lọc trên điện kháng của tụ điện C (Xc =

1
) càng nhỏ so với Rd
C

thì lọc càng tốt, do vậy với tải có công suất càng lớn thì càng khó thực hiện hơn
nên loại này thờng ít dùng cho các mạch chỉnh lu mà tải có công suất trùng bình
và lớn .
Hình vẽ:

Uv

C Ur

- 18 -


Đồ án môn học : Điện tử công suất
-Bộ lọc LC:
Bộ lọc này cho phép thành phần một chiều đi qua và ngăn không cho phép thành
phần xoay chiều đi qua. Loại này thờng dùng cho mạch chỉnh lu mà tải có công
suất lớn.
L
Hình vẽ :

Uv C

-

C

Ur

Bộ lọc CLC: Trờng hợp khi cần có hệ số san phẳng cao mới nên dùng loại
nàyVà chỉ dùng với tả có công suất nhỏ và vừa.
Hình vẽ
L

Uv C

C

Ur

Động cơ là một tải mang tính chất điện cảm cao và không yêu cầu cao về độ bằng
phẳng điện áp đầu vào . Do đó đối với động cơ 25KW ta dùng phơng pháp lọc
bằng điện cảm .
Điện áp sau BBĐ có dạng mấp mô với tần số đập mạch là 6. Trong trờng hợp góc
mở = 0 , dùng khai triển Furie và giữ lại thành phần điều hoà cơ bản ta đợc dạng
điện áp :

L

Uv

Rt

3 6.U 2 6 3. 2.U 2 .cos 6 t
+

35
Đối với thành phần một chiều
Ud =
U=

3 6.U 2


cuộn lọc cho đi qua hoàn toàn , nó chỉ có tác dụng với thành phần xoay chiều

- 19 -


Đồ án môn học : Điện tử công suất

U: =

6 3
. 2.U 2 .cos 6 t
35

Vì X L = 6 L ? Rt
Nên giá trị cực đại của dòng điện xoay chiều có thể đợc tính nh sau :
6 6.U 2
35 .6 L
6 6.U 2
U =
.Rt
35 .6 L
Im =



tỷ số nhấp nhô khi đi qua bộ lọc là :
k=



6 6U 2 Rt
U
3
=
=
Rt
2U 2 35 6 L 2U 2 35 L

L=

3
Rt
35 k

Để động cơ có thể làm việc ở chế độ bình thờng ta chọn k=0,01.Với tải là động có
công suất 25KW và Udm =400 V thì :
U2
4002
Rt =
=
= 6, 4()
P 25.000
Vậy điện cảm của cuộn lọc là :
3
3.6, 4
L=
Rt =
= 0, 032( H )
35 k
35.3,142.100.0, 01
2.Tính toán cuộn lọc:
Dòng điện qua cuộn lọc gồm thành phần một chiều và thành phần xoay chiều . Thờng thành phần một chiều có giá trị lớn nên đẩy điểm làm việc lên gần vùng bão
hoà. Còn thành phần xoay chiều có giá trị nhỏ hơn nhiều do đó cờng độ điện từ
nhỏ nên tổn thất trong lõi thép không lớn . Để tránh cho lõi thép bị bão hoà khi
dòng tải thay đổi thì lõi thép phải có khe hở không khí (miếng đệm không nhiễm
từ ). Loại thép kỹ thuật điện thích hợp cho chế tạo cuộn kháng là loại thép cán
nguội , có kết cấu chữ E.

1)Các kích thớc lõi
A= 2, 6. 4 L.I d 2
Với Id là dòng điện trung bình qua cuộn lọc và cũng chính là dòng định mức qua
động cơ .
P 25000
Id = =
= 62,5( A)
U
400
a = 2, 6 4 0,032.62,52 = 8, 7(cm)
a = 10(cm)
b = 1, 2.a = 12(cm)

Chọn:
c = 0,8.a = 8(cm)
h = 3.a = 30(cm)
- 20 -


Đồ án môn học : Điện tử công suất
Tiết diện lõi thép là: Sth = a.b = 120(cm )
2

Diện tích cửa sổ: Scs = h.c = 240(cm 2 )
Độ dài trung bình đờng sức :
lth = 2(a + h + c) = 2(10 + 30 + 8) = 96(cm)
Độ dài trung bình dây quấn :

ldq = 2(a + b) + .c = 2(10 + 12) + .8 = 69(cm)

Thể tích lõi thép :

Vth = 2ab(a + h + c ) = 2.10.12.(10 + 30 + 8) = 11520(cm3 )
2)Tính điện trở dây quấn ở 20 độ C để đảm bảo sụt áp cho phép
Sụt áp trên cuộn lọc là do trở kháng của nó .Nói cách khác nguyên nhân làm cuộn
lọc phát nóng chính là do địện trở thuần của cuộn dây .vì vậy điện trở này không
đợc quá mức cho phép.
Với nhiệt độ môi trờng Tmt =400C.
Độ quá nhiệt cho phép T = 500 C
Sụt áp một chiều cho phép U = 2V
Sụt áp xoay chiều cho phép : U : = 8V .
U / I d
20 ' =
3
1 + 4, 26.10 (Tmt + T 200 C )
Thì :
2 / 62,5
=
= 24, 6.103 ()
3
1 + 4, 26.10 (40 + 50 20)
3)Số vòng của cuộn cảm
r20 .Scs
24, 6.103.240
w = 414
= 414
ldq
69
w = 121(vong )

4)Tính mật độ từ trờng:
100.w.I d 100.121.62,5
H=
=
= 7877, 6( A / m)
lth
96
5)Tính cờng độ từ cảm :
Do chỉnh lu cầu 3 fa nên có d6 đập mạch trong 1 chu kỳ
f dm = 6.50 = 300 Hz
B=

U .104
8.104
=
= 4,14.103 (T )
4, 44.w. f .sth 4, 44.121.300.120

6) Tính hệ số à
H 0,83 6
à = 717(
) .10
1000
7876,6 0,83 6
= 717(
) .10 = 129, 2.10 6 ( H / m)
1000

- 21 -

Đồ án môn học : Điện tử công suất
7) Tính giá trị điện cảm nhận đợc:
à .w2 sth 129, 2.10 6.1212.120
Ltt =
=
= 0,024( H ) < 0, 032( H )
100lth
100.96
Điện cảm của cuộn kháng không đạt giá trị yêu cầu .Vì vậy ta phảI hiệu chỉnh
lại kích thớc và số vòng dây .
Chọn số vòng dây w=170vòng.
100.w.I d
H=
= 11067,7( A / m)
lth

U .104
B=
= 2,95.103 (T )
4, 44.w. f .sth
H 83 6
à = 717(
) .10 = 97,5.106 ( H / m)
1000
à
Ltt =
w2 .sth = 0,0352( H ).
100.lth
Ta thấy giá trị tính toán lớn hơn giá trị yêu cầu 5% nên chấp nhận đợc.

8)Tiét diện dây
Nếu số vòng dây là 121 thì điện trở để đảm bảo yêu cầu có tiết diện là:

s = 0,072

ldq .scs
r20

= 0,072

69.240
= 59,07(mm 2 )
3
24,6.10

nhng do ta đã tăng số vòng lặp lên 170 nên để giữ đợc giá trị yêu cầu cần tăng tiết
diện dây quấn .
170
s ' = 59,07.
= 83(mm 2 )
121
do không có loại dây tròn có tiết diện tơng đơng nên ta chọn loại dây dẹt có kích
thớc (kể cả lớp cách điện ):15 x 6=90 mm2.
9)Xác định khe hở tối u .
lkh = 1,6.10-3.w.Id = 1,6.10-3.170.62,5 = 17 mm
Vậy miếng đệm có độ dầy là: ld = 17/2=8,5 (mm)
10)Tính kích thớc cuộn dây.
Chọn lõi cuộn dây có độ dầy 5 mm , nên độ cao sử dụng để cuốn dây là:

hsd = h 2 c = 30 1 = 29cm

Số vòng dây trong một lớp :
h
29
w' = sd =
= 19,33
hd 1,5
Vậy một lớp ta có thể cuốn đợc 19 vòng .
+Số lớp dây quấn:

- 22 -


Đồ án môn học : Điện tử công suất
n=

w 170
=
= 8,95
w' 19

Vậy cần 9 lớp
Nếu lấy khoảng cách giữa hai lớp dây quấn (dành cho lớp cách điện) cd là 1
mm thì độ dày của cả cuộn dây là :
cd = n(d+ cd ) = 9 (0,6+0,1)=6,3 cm
11)Độ dày cuộn dây
cd nhỏ hơn kích thớc cửa sổ c= 9,6 nên cuộn dây lọt trong cửa sổ .
12)Kiểm tra độ chênh lệch nhiệt .
Tổn thất trong cuộn dây đồng :
1, 02.U .I d

1, 02.2.62,5
=
= 117, 4( w)
PCu= =
1 + 4, 26.103 (Tmt 20) 1 + 4, 26.10 3 (40 20)
Tổng diện tích bề mặt của cuộn dây :

SCu = 2.hsd (a + b + .cd ) + 1, 4cd (cd + 2.a )

= 2.2,9(10 + 12 + .6,3) + 1, 4.6,3( .6,3 + 2.10)
= 2774,9(cm2 )
Hệ số phát nhiệt của cuộn dây là:
5
5
w
= 1, 03.103 6
= 1, 03.10 3 6
= 7, 7.10 4 0
hsd
29
C.cm 2
Độ chênh lệnh nhiệt độ là:
T =

PCu
117, 4
=
= 550 C
4
.SCu 7, 7.10 .2774,9

Ta thấy độ chênh lệch này lớn hơn giá trị cho phép là 50 0C.Lợi dụng cửa sổ còn
rộng ta tăng bề dầy lớp cách điện giữa hai lớp dây quấn lên 2 mm . Khi đó :
cd = n(d + cd ) = 9(0, 6 + 0, 2) = 7, 2cm
Với giá trị này cuộn dây vẫn có thể lọt trong cửa sổ .
SCu = 2.hsd (a + b + cd ) + 1, 4 cd ( cd + 2.a)

= 2.2,9(10 + 12 + 7, 2) + 1, 4( .7, 2 + 2.10)
= 3017,5(cm 2 )
Độ chênh lệch nhiệt độ lúc này là:
P
117, 4
T = Cu =
= 50, 050 C
4
.SCu 7, 7.10 .3017,5
Giá trị này có thể chấp nhận đợc tức là khi làm việc cuộn lọc có thể lên tới nhiêt
độ tối đa là 900C.

- 23 -


Đồ án môn học : Điện tử công suất
Chơng IV

Tính toán và thiết kế mạch điều khiển
I.Yêu cầu đối với mạch điều khiển
- Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi Tiristo vì nó đóng vai
trò chủ đạo trong việc quyết định chất lợng và độ tin cậy của BBĐ. Yêu cầu của
mạch điều khiển có thể tóm tắt trong 6 điểm chính sau:

+ Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển.
+ Yêu cầu về độ lớn xung điều khiển.
+ Yêu cầu về độ dốc sờn trớc của xung (càng cao thì việc mở càng tốt thông
di
thờng DK 0,1A/, ).
dt
+ Yêu cầu về sự đối xứng của xung trong các kênh điều khiển.
+ Yêu cầu về độ tin cậy.
. Điện trở kênh điều khiển phải nhỏ để Tiristor không tự mở khi dòng rò
tăng.
.Xung điều khiển ít phụ thuộc vào dao động nhiệt độ, dao động điện áp
nguồn.
. Cần khử đợc nhiễu cảm ứng để tránh mở nhầm.
+ Yêu cầu về lắp ráp vận hành.
. Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh.
. Dễ lắp lẫn và mỗi khối có khả năng làm việc độc lập.

II. Nguyên lý chung của mạch điều khiển.
1. Nhiệm vụ của mạch điều khiển: là tạo ra các xung vào ở những thời điểm
mong muốn để mở các van động lực của bộ chỉnh lu.
- Tiristor chỉ mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp dơng đặt trên Anốt và có
xung áp dơng đặt vào cực điều khiển không còn tác dụng gì nữa.
- Chức năng của mạch điều khiển :
+ Điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dơng của
điện áp đặt trên anốt katốt của tiristor.
+ Tạo ra đợc các xung đủ điều kiện mở tiristor độ rộng xung t x < 10às. Biểu
thức độ rộng xung:

tx =

I dt
di
dt

Trong đó: Iđt là dòng duy trì của tiristor.
di/dt : tốc độ tăng trởng của dòng tải.
Đối tợng cần điều khiển đợc đặc trng bởi đại lợng điều khiển là góc .
2.Cấu trúc của mạch điều khiển tiristor.

- 24 -


Đồ án môn học : Điện tử công suất

1
Uc

SS

DF

M

2

>1

3

4

T

Ur

Uđk là điện áp điều khiển , điện áp một chiều.
Ur là điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thể của nó, đồng bộ với điện
áp anốt catốt của tiristor.
Hiệu điện áp Uđk Ur da vào khâu so sánh (1) làm việc nh một Trigơ.
Khi Uđk Ur = 0 thì trigơ lật trạng thái, ở đầu ra nhận đợc một chuỗi xung
(sinUs chữ nhật ).
Khâu 2 : là đa hài một trạng thái ổn định.
Khâu 3 : là khâu khuyếch đại xung.
Khâu 4 : là biến áp xung.
Tác động vào Uđk có thể điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển tức là điều khiển
góc .
3. Nguyên tắc điều khiển.
* Mạch điều khiển tiristor có thể phân loại theo nhiều cách. Song các mạch điều
khiển đều dựa theo nguyên lý thay đổi góc pha và theo đó ta có hai nguyên lý
khống chế ngang và khống chế đứng.
- Khống chế ngang là phơng pháp tạo góc thay đổi bằng cách dịch chuyển
điện áp ra hình sin theo phơng ngang so với điện áp tựa.

- 25 -