Thiết kế mạch tự động cấp kích từ cho động cơ đồng bộ

đồ án điện tử công suất

Lời nói đầu
Ngày nay nền kinh tế đất nớc ngày càng phát triển- ngành công nghiệp
điện luôn giữ vai trò vô cùng quan trọng. Kỹ thuật điện tử- tin học - điện
tử công suất là ngành mũi nhọn mới phát triển là lĩnh vực kỹ thuật hiện
đại. Đến nay điện tử công suất đã phát triển không ngừng nhằm nghiên
cứu ứng dụng để phục vụ cho nhu cầu sản xuất và sinh hoạt đời sống...
Trong một khoảng thời gian ngắn từ khi ra đời và hoàn thiện cá linh
kiện điện tử công suất nh thyristor (1948), diôt công suất GTO, MOSFET
công suất... nó đã có những bớc tiến nhảy vọt với những tính năng dòng
điện, điện áp, tốc dộ chuyển mạch ngày càng dợc nâng cao mang lại
nhiều thay đổi lớn và sâu sắc trong hầu hết mọi lĩnh vực rất khác nhau của
đời sống. Dần trở thành những công cụ quan trọng nhất của cách mạng kỹ
thuật trình độ cao mà điểm trung tâm là Tự Động Hoá _ xuất phát từ yêu
cầu thực tế đó cùng với những kiến thức đã đợc học chúng em nhận đợc
đồ án với đề tài: Thiết kế mạch tự động cấp kích từ cho động cơ đồng bộ.
Đây cũng là bớc đầu làm quen với công việc sau này của em.
Trong thời gian làm đồ án do vẫn còn thiếu kinh nghiệm cũng nh kiến
thức còn hạn chế nên bản đồ án của em không thể tránh khỏi những thiếu
sót. Nhng đợc sự hớng dẫn của các thầy cô, bản đồ án của em đợc hoàn
chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

1


đồ án điện tử công suất

Nhiệm vụ thiết kế:
Thiết kế mạch tự động cấp kích từ cho động cơ đồng bộ có tham số

sau:
1. Điện áp kích từ định mức Uktđm = 150 V - DC
2. Công suất kích từ định mức Pktđm = 48 kW
3. Điện áp kích từ cực đại (quá kích từ) Uquá kt = 280 V
4. Điện trở khởi động Rk/động = 1,6
5. Điện áp lới điện 3 x 380 V
Mạch đảm bảo quá trình khởi động cho động cơ theo chế độ khởi động
không đồng bộ. Trong quá trình làm việc phải cho phép chế độ quá kích
thích trong thời gian đến vài chục giây (điều chỉnh đợc).

Mục lục

2


đồ án điện tử công suất

Trang
Phần I
Giới thiệu chung về động cơ đồng bộ
A_Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

I . Cấu tạo
II . Nguyên lý hoạt động
B_Các đặc tính làm việc của động cơ đồng bộ
Phần II
Phân tích tổng thể về nguồn cung cấp cho kích từ
động cơ.Nêu u nhợc điểm của từng phơng án
để chọn mộtphơng án phù hợp cho
mạch lực và mạch điều khiển

I . Mạch lực
II . Mạch điều khiển
Phần III
Thuyết minh chi tiết sự hoạt động của toàn bộ sơ đồ
nguyên lý mạch, kèm theo sơ đồ minh hoạ
I . Sơ đồ nguyên lý
II . Nguyên lý hoạt động của mạch phát xung mở thyristor
Phần IV
Tính toán mạch lực
I . Chọn van
II . Tính toán máy biến áp lực
III . Tính toán mạch từ
IV . Tính chọn các thiết bị bảo vệ cho mạch động lực
Phần V
Tính toán mạch điều khiển
1. Tính biến áp xung
2. Tính tầng khuếch đại cuối cùng
3 . Chọn cổng AND
4 . Tính chọn khâu đồng pha
5 . Tính chọn tầng so sánh và khuếch đại thuật toán
6 . Tính chọn bộ xung chùm
7. Tính bộ điều chỉnh
8. Tạo nguồn nuôi
9. Tính biến áp nguồn nuôi và đồng pha
10 . Tính điốt cho bộ chỉnh lu nguồn nuôi
Bảng trị số toàn bộ các phần tử linh kiẹn tính toán

Phần I: Giới thiệu chung về động cơ đồng bộ

3

3
3
5
6

8
11

16
18
20
21
22
29
31
32
33
34
34
35
36
36
37
39
40


đồ án điện tử công suất

A. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
I. Cấu tạo: gồm 2 phần chính
1.1. Phần ứng: (Rôto) đợc chia làm 2 loại: Rôto cực ẩn và Rôto cực lồi
1.1.1. Rôto cực ẩn:
- Rôto động cơ đồng bộ cực ẩn đợc làm bằng thép hợp kim chất lợng cao,
đợc rèn thành khối trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn kích
từ. Phần không phay rãnh hình thành mặt cực từ. Động cơ đồng bộ cực ẩn
thờng đợc chế tạo với số cực 2p =2, tốc độ quay rôto là 3000 vòng/phút,
đờng kính D của rôto không vợt quá 1,1 ữ 1,5 m. Chiều dài tối đa của rôto
khoảng 6,5 m
- Dây quấn kích từ đặt vào trong rãnh rôto đợc làm từ dây đồng trần tiết
diện chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm. Các
vòng dây của bối dây này đợc cách điện với nhau bằng một lớp mica
mỏng.

Hình 1_1: Mặt cắt ngang của trục lõi thép rôto

1.1.2. Rôto cực lồi:
- Thờng có tốc độ quay thấp nên đờng kính rôto D chỉ lên đến 15 m trong
khi chiều dài lại ngắn với tỷ lệ l/D = 0,15 ữ 0,2
- Với máy có công suất nhỏ và trung bình có lõi thép đợc chế tạo bằng
thép đúc gia công thành khôi lăng trụ hoặc khối hình trụ trên mặt có đặt
các cực từ.
- Với máy lớn lõi thép đợc ghép bằng những tấm thép dày 1 6 mm, đợc
dập hoặc đúc định hình để ghép thành khối lăng trụ, và lõi này thờng đợc
dặt trên giá đỡ của rôto. Cực từ đặt trên lõi thép rôto đợc ghép bằng những
lá thép dày 1 1,5 mm. (Hình 1_2)
- Việc cố định cực từ trên lõi thép thực hiện nhờ đuôi hình chữ T hoặc
bằng các bu lông xuyên qua mặt cực từ và vít chặt vào lõi thép rôto.
- Dây quấn mở máy đợc đặt trên các đầu cực, dây quấn này giống kiểu

lồng sóc làm bằng các thanh dồng đặt vào rãnh đầu cực và đợc nối hai đầu
bối các vòng ngắn mạch. (Hình 1_3)

4


đồ án điện tử công suất

Hình 1_2: Cực từ của máy đồng bộ cực lồi.
1. lá thép cực từ; 2. dây quấn kích thích
3. đuôi hình; 4. nêm; 5. lõi thép rôto

Hình 1_3: Dây quấn cản (dây quấn
mở máy) của máy điện đồng bộ

+ Vành góp và chổi than:
- Vành góp: gồm các phiến góp đợc cách điện với nhau, các phiến góp đợc nối với các bối dây để đa dòng điện một chiều vào dây quấn kích từ.
- Chổi than: là các thanh các bon đợc tiếp xúc với vành góp để đa dòng
điện vào rôto.
- Ngoài ra còn có các cực từ phụ và hệ thống làm mát, vỏ ...
1.2. Stato: (phần cảm)
- Stato của máy đồng bộ cực lỗi có cấu tạo tơng tự nh máy đồng bộ cực ẩn
- Stato là phần tạo ra từ trờng tĩnh của động cơ và các cuộn dây quấn 3 fa
và thân máy, nắp máy.
- Lõi thép stato ghép bằng các lá tôn silíc dây 0,5 mm, hai mặt có phủ sơn
cách điện, dọc chiều dài lõi thép stato cứ 3 6 cm lại có 1 rãnh thông
gió ngang trục rộng 10 mm.
- lõi thép stato đợc đặt cố định trong thân máy.
- Nắp máy cũng đợc chế tạo từ thép tấm, gang đúc.
- ở các máy đồng bộ công suất trung bình và lớn ổ trục không ở nắp máy

mà ở giá đỡ, ở trục đặt cố định trên bệ máy.

5


đồ án điện tử công suất

II. Nguyên lý hoạt động:
- Mômen quay của động cơ là do dòng điện trong các dây quấn stato và
rôto sinh ra.

- Rôto với các cực từ có từ trờng Ft đợc quay với tốc độ n, tần số
f=

p.n
60

(p: là số đôi cực của rôto)
- Trong các fa của stato sing ra từ trờng quay F có tốc độ n1
n1 =

60 f
p

- Từ hai biểu thức đó ta có n = n 1 nghĩa là tốc độ quay n của rôto đồng bộ
n1 của từ trờng quay.

B. Các đặc tính làm việc của động cơ đồng bộ.
+) Hệ kích từ máy đồng bộ phải đảm bảo:

6


đồ án điện tử công suất

- Điều chỉnh dòng kích từ It = Ut/rt để duy trì điện áp U trong điều kiện
làm việc bình thờng ( bằng cách điều chỉnh điện áp kích thíchUt)
- Cỡng bức kích thích để giữ đồng bộ máy phát với lới khi điện áp lới hạ
thấp do xảy ra sự cố ngắn mạch ở xa. Muốn vậy hệ kích thích phải có
khả năng tăng nhanh trong khoảng thời gian ngăn.
- Triệt từ trờng kích từ, nghĩa là giảm nhanh dòng It đến không (khi sự cố
ngắn mạch nội bộ dây quấn stato) mà điện áp trên điện trở triệt từ R T
không vợt quá 5 lần Utđm để bảo vệ cách điện của dây quấn kích từ.
+ Các đặc tính của động cơ đồng bộ làm việc với dòng điện kích từ i t =
const trong đó lới điện có U, f = const bao gồm các quan hệ P1, T1, ,
cos = f(P2), thờng làm việc với góc = 200 - 300
+ Đặc điểm của động cơ đồng bộ là có thể làm việc ở cos cao và ít hoặc
không tiêu thụ công suất phản kháng Q của lới điện nhờ thay đổi dòng
kích từ it. Điều đó có thể thấy dựa vào đặc tính chữ V, tức là quan hệ
I = f(it)
+ Ta có thể thay đổi chế độ làm việc của động cơ đồng bộ khi:
- Khi dòng kích từ bằng dòng định mức thì chỉ động cơ tiêu thụ công
suất tác dụng (nh tải thuần trở)
- Khi dòng kích từ nhỏ hơn dòng định mức máy điện làm việc ở chế độ
động cơ, hệ số cos thấp tiêu thụ công suất điện cảm của lới.
- Khi dòng kích từ lớn hơn dòng định mức máy điện làm việc nh máy
phát bù cos, tăng hệ số cos cho hệ thống, nói cách khác động cơ phát
công suất phản kháng (có tính chất dung kháng) vào lới điện.
Dựa vào chế độ quá kích từ của động cơ đồng bộ đễ nâng cao hệ số
công suất cos của lới điện.

1,2

P1


1

cos

0,8
0,6
I1

0,4
0,2

P2
0

0,2



0,4

0,6

0,8

1

- Đặc tính cơ của động cơ ĐB
1

7

0

M
Mmax


đồ án điện tử công suất

=

2 . f
p

1 = = const
f_ tần số dòng điện
p_ số đôi cặp cực
- Đặc tính mômen góc phụ tải
+ Phơng trình mômen góc phụ tải M()

U1

E1 .U 1
M=

.Sin
1 . X 1

E1



A

B

I1

Vậy từ những đặc điểm, tính chất của động cơ đồng bộ ta phải chọn
mạch tự động cấp kích từ sao cho động cơ có thể làm việc ổn định, có thể
thay đổi điện áp kích từ nhạy để giữ đồng bộ cho máy phát... Do đó ta có
thể chọn mạch chỉnh lu điều khiển cầu 3 pha để làm bộ điều chỉnh kích từ
cho đồng cơ đồng bộ, vì ta có thể thay đổi dòng kích từ một cách dễ dàng
bằng việc thay đổi góc mở của các van trong mạch chỉnh lu.

Phần II: Phân tích tổng thể về nguồn cung cấp cho kích từ động cơ
Nêu u nhợc điểm của từng phơng án để chọn

8


đồ án điện tử công suất

một phơng án phù hợp cho mạch lực
và mạch điều khiển.

* Hệ thống truyền động gồm 4 khâu
1. Mạch lực
2. Mạch điều khiển
3. Mạch hồi tiếp tốc độ
4. Mạch hồi tiếp điều áp kích từ
I. Mạch lực:
- Là mạch cấp kích từ nên cần ổn định do đó Ukt = const
Với yêu cầu:
1. Điện áp kích từ định mức Uktđm = 150 V - DC
2. Công suất kích từ định mức Pktđm = 48 kW
3. Điện áp kích từ cực đại (quá kích từ) Uquá kt = 280 V
4. Điện trở khởi động Rk/động = 1,6
5. Điện áp lới điện 3 x 380 V
Ta chọn chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển
Uf hoàn toàn: (Hình 2_1)
A B C

= 300

C

Lc

B

Lb

A

La

0 T1
cD

2

T1

T3
b

T5

D3

T

T3

T1

D1 D2
a

Ud
T

T2

t

Lkđ

Rkđ

T

2
4
6
Hình 2_1
D1 ia ib ic
T1
t
t
+) Do nguồn xoay chiều 3 pha 380v; yêu
cầu
U
ktđm = 150V DC;
0
UquáktD= 280 V; Pktđm = 48kW.
Vậy Iktđm = 320 A
T2
2
iT1 máy biến áp 3 pha
+) Do dòng kích từ khá lớn nên ta chọn
t
+) ởDmạch kích từ do T
Lkt rất lớn nên điện
0 áp kích từ không yêu cầu có độ
3

phẳng 3cao.
iD1
1. Chọn van:
t
- Để R
thay đổi dòng
0 dùng chỉnh lu bán điều khiển
L kích từ ta có thể
ia
ia1
Thyristor hay chỉnh lu điều khiển thyristor.
- Với bài toán Iđm = 320 A, tần số f = 50 Hz ta chọn thyristor thờng là hợp
lý.
0
t
+ u nhựơc điểm: Bị hạn chế về tần số nhng dòng điều khiển tơng đối lớn,
uT1
nên dòng cho phép khá lớn.

2. Chọn sơ đồ đấu van:
a/ Sơ đồ 1: Chỉnh lu điều khiển cầu 3 pha bán điều khiển. (Hình 2_2)
0

t
9
Uab

Uac

đồ án điện tử công suất

Hình 2_2:

+) Đặc điểm:
- Ud =

3 6U 2
.(1 + cos )
2

Chỉ có chế độ chỉnh lu, không có chế độ nghịch lu phụ thuộc
- Hệ số cosBA = cos


2

Khi thay đổi góc mở lớn hơn thì làm cho đồ thi Ud, ia càng mất đối
xứng hơn. Tạo ra sóng hài và biên độ sóng hài bậc cao gây nóng máy
biến áp và động cơ. chỉ thích hợp với tải thuần trở (đèn, lò điện ..)
- Mạch điều khiển đơn giản, có van điều khiển ít, không có giai đoạn
trùng dẫn. Do đó có những giai đoạn thyristor và điôt cùng pha dẫn dòng.

10


đồ án điện tử công suất

- Các công thức chọn van và tính công suất máy biến áp:
I TBvanmac =

I d max
3


U d max
3

= Pd max
3

U ng max =
S BA

b/ Sơ đồ 2: Chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn. (Hình 2_3)
Uf
A B C

= 300

T1

T3

T5
t

0
T4

T6

T2

T4

Ud

T2

ia ib ic

T1

T4
T6
R

L

t

0

T3

iT1

T5

0
ia

t
ia1

0

t

iT2
0

uT1

0

Uab

+) Đặc điểm:
- Ud =

t

3 6 .U 2
. cos


Có chế độ chỉnh lu khi: 0 900
Có chế độ nghịch lu phụ thuộc khi: 900 1800

11

Uac


đồ án điện tử công suất

- Hệ số cosBA = cos. Nên khi thay đổi góc mở thì đồ thị Ud, ia không
bị mất đối xứng ít sóng hài hơn. Nói cách khác điện áp ra tơng đối
bằng phẳng, độ nhấp nhô ít, có hiệu suất cao MBA đơn giản hơn do tỉ
số biến đổi không cần lớn.
- Số lợng van điều khiển nhiều do đó logic điều khiển phức tạp hơn.
Tuy nhiên công suất của mạch khá lớn, mặt khác xu hớng của công nghệ
hiện đại là giảm năng nặng nhọc cho mạch lực, tăng độ phức tạp cho
mạch điều khiển do đó ta chọn sơ đồ 2 là hợp lý nhất.
- Các công thức chọn van và tính công suất máy biến áp:
I TBvanmac =

I d max
3


U d max
3

= Pd max
3

U ng max =

S BA

Vậy so sánh giữa hai sơ đồ trên ta thấy sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha điều
khiển hoàn toàn là phù hợp nhất cho dề tài này.
II. Mạch điều khiển:
Đối với mạch điều khiển kiểu thyristor thờng gồm 4 khâu cơ bản:
- Khâu đồng bộ: Tạo điện áp tựa đồng bộ.
- Khâu so sánh: So sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển (đã cộng điện
áp phản hồi) để phát xung điền khiển.
- Khâu tạo xung: tạo xung kích thích với tần số lớn đủ mở thyristor
- Khâu khuếch đại công suất: Điều khiển xung để kích thích MBA xung
mở thyristor
1. Khâu đồng bộ:
(+) Mạch 1: Mạch dùng khuếch đại thuật toán.

a. u điểm: Sử dụng khuếch đại thuật toán chô phép dễ dàng hàm sin với
độ linh hoạt điều chỉnh cao, đồng thời kích thớc mạch rất nhỏ gọn do trị
số điện trở giảm đợc nhiều, mạch này còn có tác dụng nh cản nhiễu từ lới
điện ảnh hởng đến mạch điều khiển đi qua biến áp đồng pha.

12


đồ án điện tử công suất

b. Nhợc điểm: Tạo ra điện áp hình sin phụ vào nguồn điện áp xoay chiều.
Khi điện áp này tăng lên hay giảm xuống thì điện áp tựa cũng tăng giảm
làm cho góc điều khiển và điện áp chỉnh lu biến động theo. Mặt khác nếu
tần số xoay chiều cũng thay đổi thì góc dịch pha sẽ không còn giữ ở 900
nữa mà bị lệch khỏi giá trị này.

Vậy ít khi dùng mạch này.
(+) Mạch 2: Cách ly quang điện tử

a. u điểm: Không dùng máy biến áp, sơ đồ đơn giản
b. Nhợc điểm: Chỉ tạo ra một răng ca theo mỗi chu kỳ điện do đó không
phù hợp với chỉnh lu cầu. Mặt khác phải dùng nhiều nguồn riêng để tạo
các điểm cách ly.
+ Mạch 3: Dùng khuếch đại thụât toán

a. u điểm: Sơ đồ mạch không quá phức tạp. Tạo ra điện áp hình sin có độ
linh hoạt điều khiển cao. Sự thay đổi của nguồn không làm ảnh hởng góc
mở, xung răng ca tuyến tình có một sờn dốc đứng.
b. Nhợc điểm: Phải dùng máy biển áp, mạch không đợc nhỏ gọn.
Tuy nhiên phơng án này là hợp lý với mạch chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển
hoàn toàn.
2. Khâu so sánh:
(+) Mạch 1:
- So sánh các tín hiệu có thể đợc thực hiện bằng tranzitor (Tr). Tại thời
điểm Uđk = Urc ở đầu vào, Tr lật trạng thái từ khoá sang mở (hay ngợc lại
từ mở sang khoá), làm cho điện áp ra cũng bị lật trạng thái, tại đó xạc
định đợc thời điểm cần mở thyristor. Nhng mức độ bão hoà của tranzitor
(Tr) phụ thuộc vào tổng đại số Uđk Urc = Ub, tổng đại số điện áp này có

13


đồ án điện tử công suất

một vùng điện áp nhỏ hàng mV, làm cho Tr không làm việc ở chế độ đón
cắt nh mong muốn, do đó nhiều khi làm thời điểm mở thyristor bị lệch so

với thời diểm cần mở.

(+) Mạch 2:
- Mạch này dùng khuyếch đại thuật toán (IC) với hệ số khuyếch đại vô
cùng lớn chỉ cần tín hiêu nhỏ ở đầu vào lập tức ở đầu ra có điện áp bằng
điện áp nguồn nuôi, và sơ đồ khuếch đại thuật toán có thể phát xung điều
khiển chính xác tại Uđk = Urc.

3. Khuyếch đại công suất:
(+) Khuyếch đại xung ghép qua biến áp xung:

- Dùng Tranzistor đấu Dalingtone với T 1 có hệ số khuyếch đại lớn nhng
công suất nhỏ hơn T2. D là điode để bảo vệ chống điện áp ngợc đặt lên
tranzistor.

14


đồ án điện tử công suất

Mạch này có u điểm là: đơn giản, giá thành không cao, tiết kiệm linh kiện
thụ động, ít bị đảo pha hơn so với nối 2 bóng riêng biệt lại phù hợp cho
mạch chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn.
(+) Khuyếch đại xung ghép qua phần tử quang:

- Ưu điểm: Độ rộng xung không hạn chế, chất lợng xung rất tốt
- Nhợc điểm: Phải sử dụng nhiều nguồn nếu cần nhiều điểm cách ly, và
dòng điện tải bé nên không thể trực tiếp mở thyristor, để tăng khuyếch đại
phải nối thêm nhiều tầng. Dẫn đến giá thành cao.
4. Khâu tạo xung:

- Để giảm công suất tầng khuyếch đại và tăng số lợng xung kích thích
nhằm đảm bảo thyristor mở một cách chắc chắn ngời ta hay sử dung xung
chùm để kích thích mở các thyristor.
(+) Các vi mạch tạo xung chùm phổ biến:
- Vi mạch 555:

Đây là mạch dao động tạo xung chữ nhật một cực tính. Mạch cho phép
tạo xung rất chất lợng và cũng đơn giản. Tuy nhiên lại không đồng bộ về
linh kiện.
- Mạch dao động dùng khuyếch đại thuật toán:

15


đồ án điện tử công suất

Mạch thể tạo ra xung đối xứng, và cũng có chất lợng xung rất tốt lại
đồng bộ về linh kiện, cũng đơn giản không mấy phức tạp. Vậy mạch này
phù hợp và thoả mãn yêu cầu.

Phần III: Thuyết minh chi tiết sự hoạt động của toàn bộ sơ đồ

16


®å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt

nguyªn lý m¹ch, kÌm theo ®å thÞ minh ho¹
I. S¬ ®å nguyªn lý:

17


®å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt

18


đồ án điện tử công suất

Chọn chiển lu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn
Nhận xét:
- Điện áp xoay chiền sau khi qua bộ chỉnh lu điều khiển cho ra điện áp 1
chiều. Điện áp này tơng đối bằng phẳng và độ đập mạch nhỏ.
Ud =

3 6
.U2.cos = 2,34.U2.cos


- Ud = f() do ta điều chỉnh đợc góc mở (cos là hàm liên tục) do đó ta
có thể điều chỉnh đợc tốc độ đồng bộ của động cơ.
Các cặp thyristor chẵn lẽ thay đổi nhau dẫn dòng, mỗi van dẫn 1 góc
=


+
3

II. Nguyên lý hoạt động của mạch phát xung mở thyristor:

- Điện áp tại điểm A (UA) có dạng hình sin, trùng pha với điện áp anốt của
thyristor T, qua khuếch đại thuật toán (KĐTT) A1 cho chuỗi xung chữ
nhật đối xứng UB. Phần dơng của điện áp UB qua diôt D1 tới A2 tích phân
thành điện áp tựa Urc. Phần âm của điện áp UB làm thông tranzitor Tr1, kết
quả A2 bị ngắn mạch (với Urc = 0) trong vùng UB âm. Trên đầu ra của A2
có chuỗi điện áp răng ca Urc gián đoạn.
- Điện áp Urc đợc so sánh với điện áp điều khiển U đk tại đầu vào của A3.
Tổng đại số Urc + Uđk quyết định dấu điện áp dầu ra KĐTT A 3. Trong
khoảng 0ữt1 với Uđk > Urc điện áp UD có điện áp âm. Trong khoảng t 1ữt2
điện áp Uđk và Urc đổi ngợc lại, làm cho UD lật lên dơng. Các khoảng thời
gian tiếp theo giải thích điện áp UD tơng tự.
- Mạch đa hài tạo xung chùm A6 cho chùm xung tần số cao, với điện áp
UE. Dao động đa hài hàng chục kHz, trên giản đồ chỉ mô tả định tính.
- Các tín hiệu UD, UE cùng đợc đa tới khâu AND hai cổng vào. Khi đồng
thời có cả hai tín hiệu dơng UD, UE (trong các khoảng t1ữt2, t4ữt5) sẽ có
xung ra UF làm mở các tranzitor, kết quả là nhận đợc chuỗi xung nhọn Xđk
trên biến áp xung, để đa tới mở thyristor T.
- Điện áp Ud sẽ xuất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên
(tại các thời điểm t1, t4 trong chuỗi xung điều khiển, của mỗi chu kỳ điện
áp nguồn cấp)cho tới cuối nữa chu kỳ điện áp dơng anốt.
+) Vấn đề tạo điện áp đồng bộ:
- Để điều khiển thyristor mở với góc cần đến 1 hệ 3 điện áp pha làm
điện áp đồng bộ.
- Góc đợc tính từ giao điểm của điện áp nguồn nuôi chỉnh lu. Vì vậy hệ
điện áp đông bộ phải trễ so với điện áp nguồn nuôi 1 góc /6, yêu cầu này
sẽ đợc thoả mãn dễ dàng nếu sử dụng 1 biến áp 3 pha với sơ đồ nối dây
thích hợp.
+) Mạch hồi tiếp: Để điện áp mạch kích từ đợc ổn định ta dùng mạch hồi
tiếp âm điện áp.
K1: hệ số khuếch đại tín hiệu điện

19


đồ án điện tử công suất

KBBĐ: hệ số khuếch đại của bộ biến đổi
Uph = k.UKT

Nh vậy mọi sụ thay đổi tải làm thay đổi điện áp kích từ đợc phản hồi về
mạch điều khiển, từ đó tác động làm thay đổi góc mở của thyristor.
Nếu tốc độ động cơ giảm nghĩa là tải tăng, thì UKT giảm do đó góc mở
tăng làm cho UKT tăng về giá trị ban đầu, và ngợc lại.
+) Mạch điều khiển RKT khi mở máy động cơ:

- Khi đa động cơ vào lới động cơ sẽ khổi động theo động cơ không đồng
bộ dến khi: nđ/cơ = (70 ữ 75)% nđm thì KĐTT lật trạng thái Rơ le G hút
đóng điện cho công tác tơ K. Tiếp điểm thờng mở của K đóng lại còn tiếp
điểm thờng đóng K mở ra tách RKT khỏi mạch. Dòng điện kích từ đợc đa
vào cuộn kích từ của động cơ.

Phân IV: Tính toán mạch lực

20


đồ án điện tử công suất

1. Các thông số của mạch kích từ:
Uktđm = 150 (V) ; Pktđm = 48 kW ; Uqkt = 280 (V) ; Rkđ = 1,6 ()

Pktdm
15,4.10 3
Iktđm = U
=
= 320 (A)
48
ktdm

Ta chọn mạch chỉnh lu cầu 3 fa điều khiển hoàn toàn.
Tra bảng (1-1) Hớng dẫn thiết kế điện tử công suất ta có các thông số:
Ud = 2,34 U2

kp = 1,05

IV = Id/3

k = 3/

Ungmax = 2,45 U2

k BA .I 1
= 0,816
Id

I2/Id = 0,816
kđm = 0,057

h =

2

3

Lấy Ud = Uqkt = 280 (v)
Ud

280

U2 = 2,34 = 2,34 = 119,6 (v)
2. Chọn van:
UNmax = 2,45.U2 = 2,45. 119,6 = 293(v)
Uvan > kuvan.UNmax = 1,9 .293= 556 (v)
lấy kuvan = (1,7 ữ 2,2) Chọn kuvan = 1,9 do phụ thuộc vào cách làm mát
van Thyristor
- Dòng điện qua mỗi van: Itbvan =
-

320
Id
=
= 106 (A)
3
3

Dòng trung bình qua mỗi van đợc chọn: Iv > kIvan.Itbvan

Vì dòng qua van lớn nên chọn hệ số dự trữ dòng là: k Ivan = 1,5 ữ 2 chọn
kIvan = 1,8.107 = 192,6 (A)
Tra bảng chọn van Thyristor lực T14_200 của Liên xô có các thông số
sau:
Icp = 250 (A)

Iđk = 200 (mA)

21


đồ án điện tử công suất

IX = 650 (A)

tph = 100 (às)

Iđ = 5000 (A)

Uv = 600 (v)

Irò = 25 (mA)

v
du
= 400 ( )
às
dt

Uv = 1,75 (v)

Uđk = 3,5 (v)

A
di

= 400 ( )
às
dt

Icp = 250 (A)

A. Tính toán máy biến áp lực:
I. Với mạch kích từ:
UKTđm= 150 (v); UqKT= 280 (v); IKTđm= 320 (A)
Ta chọn loại máy biến áp có: er = 2%; ex = 8%
- Để đảm bảo đa điện áp ra quá kích thích 280 (v), dòng 320 (A) cần phải
bù các sụt áp do điện trở dây quấn máy biến áp, sụt áp trên van dẫn và các
sụt áp khác.
- Vì chọn sơ đồ cầu 3 pha đối xứng: ku = 2,34; kP = 1,05; k = 3/
Mấy biến áp 3 pha nên: m = 3
Ta có:
a=

m.k .e x
k u .k p

b= 2
Ud =

2

m.er
2

k u .k p

=

3.3.0,08
= 0,0399
.2,34 2.1,05

=

2.3.0,02
= 0,0209
.2,34 2.1,05

U ddm + U v + U loc + U r + U rdd + U xdd
1 ( a + b + U L )

- Do LKT , nên không cần phải thiết kế mạch lọc Ulọc = 0
- Chọn UL = 5%
- Uvan = 1,75
- Tổng các sụt áp còn lại chiếm 5%.Ud = 0,05.80 = 4 (v)
Ud =

280 + 2.1,75 + 14
= 334,2(v)
1 (0.0399 + 0,0209 + 0,05)

22


đồ án điện tử công suất

Uddm =

Ud
334,2
=
= 334,2(v)
1 U L
1 0,05

U2đm =

334,2
U ddm
= 2,34
2,34

= 142,8(v)

Pd = P/n =48000/ 0,85 =56470,5
SBA = 1,05.Pd = 1,05.56470,5 = 59294,1(KVA)
- Hệ số máy biến áp:
kBA=

U2
142,8
=
=0,375
U1
380

- Trị số dòng điện hiệu dụng cuộn thứ cấp:
I2 = 0,816.321 = 261,8 (A)
- Trị số dòng điện hiệu dụng cuộn sơ cấp:
I1 = kba.I2=0,375.261,8=98,12
Kết quả các tham số máy biến áp cần đặt là:
SBA = 60 KVA
U1 = 380 (v); U2 = 145 (v)
I1 = 100 (A); I2 = 262 (A)
II. Tính toán mạch từ:
1. Tiết diện sơ bộ trụ máy biến áp:
Trong đó:
QFe = KQ.

S BA
m. f

- kQ: là hệ số phụ thuộc vào phơng thức làm mát. Lấy kQ = 6
- m: Số trụ máy biến áp . m = 3
- f: Tần số xoay chiều . f = 50 Hz
- SBA: Công suất máy biến áp . SBA = 60 (kVA)
Thay số:
QFe = 6.

60000
= 120 (cm2)
3.50

2. Đờng kính trụ:

23


đồ án điện tử công suất

4.QFe
=


d=

4.120
= 12,3(cm)


Chuẩn hoá đờng kính trụ theo tiêu chuẩn d = 12,3 cm
- Chọn loại thép có độ dày 0,5 mm
- Chọn tỷ số m =

h
= 2,3 . Suy ra: h = 2,3d
d

h = 2,3.12,3 = 28,4(cm)
- Chọn chiều cao trụ h = 29 cm
- Chọn mật độ tự cảm trong trụ Bt = 1 (Tetra)
3. Tính toán dây quấn:
+) Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp:
W1 =

U1
380
=
= 142,6(vòng)
4,44. f .QFe .Bt
4,44.50.120.10 4

Lấy W1 = 145 (vòng)
+ Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp:
U2

145

.145 = 55,3 (vòng)
W2 = U .W1 =
380
1

Lấy W2 = 58 (vòng)
+) Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp:
Với dây dẫn bằng đồng máy biến áp khô chọn J1 = J2 = 4 (A/mm2)
- Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp: S1 =

I1
100
=
= 25 (mm2)
J1
4

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B.
Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S1 = 25 (mm2)
Kích thớc dây dẫn có kể cả cách điện:
S1cd = a1.b1 = 4,7 x 5,5
- Tính lại mật độ dòng điện trongcuộn dây sơ cấp:
J1 =

I1
100
=
= 25(A/mm2)
S1
25

- Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp:

24


đồ án điện tử công suất

S2=

I2
262
=
= 65,5 (mm2)
J2
4

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B.
Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S2 = 69 (mm2)
Kích thớc dây dẫn có kể cả cách điện:
S2cd = a2.b2 = 7 x 10,0 (mm)
+) Kết cấu dây quấn máy biến áp:
- Thực hiện dây quấn đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục.
- Tính toán sơ bộ vòng dây trên 1 lớp của cuộn sơ cấp:
W11 =

h 2.hc
34 2.1,5
.0,95 = 61,4 (vòng)
=
b1
0,48

Trong đó:
kc = 0,95 hệ số ép chặt
h _ chiều cao trụ
hc _ khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp, chọn sơ bộ hc = 1,5 (cm)
- Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp máy biến áp:
n11 =

W1
145
=
= 2,36 (lớp)
W11
61,4

Chọn số lớp n11 = 3. Có 145 vòng, chọn 2 lớp đầu có 52 vòng lớp thứ 3
có 41 vòng
- Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp:
h1 =

W11 .b1
52.0,48
=
= 26,2 (cm)
kc
0,95

- Chọn ống dây quấn có bề dày làm bằng vật liệu cách điện:
S01 = 0,1 cm
- Khoảng cách từ trụ đến cuộn dây sơ cấp:
a01 = 1,0 cm
- Đờng kính trong của ống cách điện:
Dt = dFe + 2.a01 2.S01 = 11,4 + 2.1 2.0,1 = 16,4 (cm)
- Đờng kính trong của cuộn sơ cấp máy biến áp:

25