ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT PID BKĐN

ĐỒ ÁN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

LỜI MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các lĩnh
vực khoa học, ứng dụng của điện tử công suất vào công nghiệp nói chung và công
nghiệp điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử có công suất lớn đã được chế tạo ngày càng
nhiều, đặc biệt là ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống, làm cho
yêu cầu về sự hiểu biết và thiết kế các loại thiết bị này hết sức cần thiết đối với lại kỹ sư
ngành điện. Điện áp một chiều là loại năng lượng được sử dụng rộng rãi trong hệ các
truyền động điện và trang thiết bị. Các thiết bị sử dụng điện áp một chiều đều có dải điều
chỉnh rộng, trơn láng, đó là một yêu cầu lớn cần phải có trong các thống tự động truyền
động điện. Việc sản xuất cấp điện một chiều để sử dụng cho thiết bị điện một chiều có
nhiều tốn kém và phức tạp, để đơn giản mà lại rất hiệu quả thì ta dùng các bộ chỉnh lưu.
Để cấp nguồn cho tải một chiều, cần thiết kế các bộ chỉnh lưu. Các bộ chỉnh lưu
biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều. Các loại bộ biến đổi này có thể là
chỉnh lưu có điều khiển hoặc không điều khiển tùy thuộc vào yêu cầu của tải.
Theo dạng xoay chiều cấp nguồn, có thể chia thành một pha hay ba pha. Các thông
số quan trọng của chỉnh lưu là: dòng điện và điện áp tải; dòng điện chạy trong cuộn dây
thứ cấp của máy biến áp; số lần đập mạch trong một chu kì. Chỉnh lưu có thể là loại có
hoặc không có điều khiển, trong đề tài này em được giao nhiệm vụ nghiên cứu về chỉnh
lưu có điều khiển dùng bộ PID.
Nội dung đề tài: “Thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển tốc độ động
cơ điện một chiều kích từ độc lập dùng điều khiển PID”.
Nguồn điện lưới xoay chiều ba pha: 220V/380V
Tải là động cơ điện một chiều có:
Pdm=3KW; Udm= 220V; ndm= 800 vòng/phút; ŋdm= 0.85; Rư= 0.3Ω
Hệ số dự trữ điện áp: Ku= 1,5÷1,8
Hệ số dự trữ dòng điện: Ki= 1,1÷ 1,4
Đề tài gồm các chương chính:
Chương 1: Tổng quan động cơ điện một chiều
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ

Điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều dùng điều khiển PID
1


ĐỒ ÁN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Chương 2: Chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển hoàn toàn
Các phương pháp điều khiển
Phương pháp lựa chọn
Chương 3: Thiết kế tính chọn mạch động lực, mạch bảo vệ
Chương 4: Thiết kế tính chọn các phần tử mạch điều khiển
Chương 5: Mô phỏng và kết luận
Việc làm đồ án đã giúp em ôn lại và hiểu sau hơn lý thuyết mà mình đã học qua các
môn Điện tử công suất , Lý thuyết điều khiển tự động, Truyền động điện… biết vận
dụng lý thuyết vào thực tiễn. Và em đã cố gắng vận dụng tất cả những kiến thức cùng
với sự tìm tòi nghiên cứu để hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao.
Trong quá trình làm đồ án không thể tránh khỏi sai sót mong quý thầy cô chỉ bảo để
em được hiểu thêm, có kiến thức nhất định để phục vụ cho chuyên ngành của mình sau
này.
Em xin cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Giáp Quang Huy, giảng viên khoa
Điện, và các thầy cô khoa Điện đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn
thành đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, Ngày….Tháng … Năm……
Sinh viên thực hiện

NGÔ THỊ BÍCH HẰNG
2

ĐỒ ÁN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

3


ĐỒ ÁN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
Hiện nay động cơ điện một chiều vẫn được dùng rất phổ biến trong các hệ thống
truyền động điện chất lượng cao, dải công suất động cơ một chiều từ vài W đến hàng
MW. Đây là loại động cơ đa dạng và linh hoạt, có thể đáp ứng yêu cầu mômen, tăng tốc,
và hãm với tải trọng nặng. Động cơ điện một chiều cũng dễ dàng đáp ứng với các truyền
động trong khoảng điều khiển tốc độ rộng và đảo chiều nhanh với nhiều đặc tuyến quan
hệ mômen – tốc độ.
Trong động cơ điện một chiều, bộ biến đổi điện chính là các mạch chỉnh lưu điều
khiển. Chỉnh lưu được dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ. Chỉnh lưu
ở đây sử dụng chỉnh lưu tia ba pha.
1.1.1 Nguyên lý cấu tạo động cơ điện một chiều
Giống như các loại động cơ điện khác, động cơ điện một chiều cũng gồm có stator
và rotor… .Động cơ điện một chiều gồm có các phần chính là stator, rotor, cổ góp và
chổi điện.

Mặt cắt ngang trục máy điện một chiều
Stator: còn gọi là phần cảm, gồm dây quấn kích thích được quấn tập trung trên các
cực từ stator. Các cực từ stator được ghép cách điện từ các lá thép kỹ thuật điện được
dập định hình sẵn có bề dày 0,5-1mm, và được gắn trên gông từ bằng thép đúc, cũng
chính là vỏ máy.

4


ĐỒ ÁN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Rotor: còn được gọi là phần ứng, gồm lõi thép phần ứng và dây quấn phần ứng.
Lõi thép phần ứng có hình trụ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện ghép cách điện
với nhau. Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử, được đặt vào các rãnh trên lõi thép
rotor. Các phần tử dây quấn rotor được nối tiếp nhau thông qua các lá góp trên cổ góp.
Lõi thép phần ứng và cổ góp được cố định trên trục rotor.
Cổ góp và chổi điện: làm nhiệm vụ đảo chiều dòng điện trong dây quấn phần ứng.
1.1.2. Phân loại động cơ điện một chiều
Dựa vào hình thức kích từ, người ta chia động cơ điện một chiều thành các loại sau:
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Dòng điện kích từ được lấy từ nguồn riêng
biệt so với phần ứng. Trường hợp đặc biệt, khi từ thông kích từ được tạo ra bằng nam
châm vĩnh cữu, người ta gọi là động cơ điện một chiều kích thích vĩnh cửu.
Động cơ điện một chiều kích từ song song: Dây quấn kích từ được nối song song
với mạch phần ứng.
Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Dây quấn kích từ được mắc nối tiếp với
mạch phần ứng.
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Dây quấn kích từ có hai cuộn, dây quấn
kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp. Trong đó, cuộn kích từ song song
thường là cuộn chủ đạo. Hình 1.1 trình bày các loại động cơ điện một chiều.

Hình 1.1: Các loại động cơ điện một chiều
a, Động cơ điện một chiều kích từ độc lập
b, Động cơ điện một chiều kích từ song song
c, Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
d, Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

5


ĐỒ ÁN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

1.1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều
Khi cho điện áp một chiều vào, trong dây quấn phần ứng có điện. Các thanh dẫn
có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm rôto quay, chiều của lực
được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.
Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗ cho nhau. Do có
phiến góp, chiều dòng điện giữ nguyên làm cho chiều lực từ tác dụng không thay đổi.
Khi quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điện động E ư chiều của
suất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ở động cơ chiều sđđ E ư
ngược chiều dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện động.
Khi đó ta có phương trình: U = Eư + Rư.Iư
Quan hệ giữa tốc độ và mômen động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ :
ω = f(M) hoặc n = f(M).
Ngoài đặc tính cơ, đối với động cơ điện một chiều người ta còn sử dụng đặc
tính cơ điện. Đặc tính cơ điện biểu diễn quan hệ giữa tốc độ và dòng điện trong mạch
ω = f(I) hoặc n = f(I).

động cơ:

Trong phạm vi của đề tài này chỉ xét đến đặc tính cơ của động cơ điện một
chiều kích từ độc lập.

1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU
Từ phương trình đặc tính cơ:

ω=

U u Ru + R f
−
M
K Φ ( K Φ) 2

Ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc tính cơ:
Điện trở phần ứng động cơ
Từ thông động cơ φ
Điện áp phần ứng Uư
Ta có 3 phương pháp để thay đổi tốc độ động cơ 1 chiều kích từ độc lập:
Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng
Phương pháp thay đổi từ thông Ф
6


ĐỒ ÁN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng

a.

Phương pháp thay đổi điện trở phần ứng:

Đây là phương pháp thường dùng để điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều.
Nguyên lý điều khiển: Trong phương pháp này người ta giữ U = Uđm, Φ =
Φđm và nối thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng.
Độ cứng của đường đặc tính cơ:

M

(kФ)2
RuRf

Ta thấy khi điện trở càng lớn thì càng nhỏ nghĩa là đặc tính cơ càng dốc và do
đó càng mềm hơn.

0

Rf=0
Rf
Rf
Rf1

M

Rf

Hình 1-2. Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện trở phụ
Ứng với Rf = 0 ta có độ cứng tự nhiên TN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự
nhiên có độ cứng lớn hơn tất cả các đường đặc tính cơ có điện trở phụ. Như vậy, khi
ta thay đổi Rf ta được một họ đặc tính cơ thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên.

Đặc điểm của phương pháp:
Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ
càng mềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn.
Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ định
mức ( chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm).
Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điện

trở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điện
trong cần trục.

7


ĐỒ ÁN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đánh giá các chỉ tiêu:
Phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phải điều khiển nhảy
cấp. Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số mômen tải, tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh
D = ωmax/ωmin càng nhỏ.
Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụ
lớn, chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản.
b. Phương pháp điều khiển điện áp phần ứng:
Giả thiết từ thông φ = φđm= const, điện trở phần ứng Rư = const. Khi thay đổi
điện áp theo hướng giảm so với Uđm, ta có:
Tốc độ không tải: ωox =

Ux
K Φ dm

Độ cứng đặc tính cơ:

( K Φ)2
β =−
= const
Ru

0

01
02
03
04

Uđm

Mc

U1
U2
U3 M(I)
U4

Hình 1-3. Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng
Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính
cơ song song như trên.
Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch, dòng điện
ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ tải nhất
định. Do đó phương pháp này củng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ và
hạn chế dòng điện khi khởi động.
8


ĐỒ ÁN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

c. Phương pháp thay đổi từ thông Ф
Giả thiết điện áp phần ứng Uư= Uđm= const. Điện trở phần ứng Rư = const. Muốn
thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ I kt động cơ. Trong trường hợp này:
Tốc độ không tải

:

Độ cứng đặc tính cơ :
02
01
TN

0

1

( K Φ x )2
β =−
Ru
02

2

01

đm

Mc

MC

0

0

2
1
đm
M

Inm
b.độc
Đặclập
tínhkhi
cơgiảm
của động
cơ điện một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông
a. Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ
từ thông

Hình 1-4
. Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi từ thông Φ
Do cấu tạo của động cơ điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông. Nên khi
từ thông giảm thì ω0x tăng, còn β giảm ta có một họ đặc tính cơ với ω0x tăng dần và
độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. Ta nhận thấy rằng khi thay đổi từ
thông:
Dòng điện ngắn mạch: Inm = Udm/Ru= const
Momen ngắn mạch: Mnm= KφxInm
1.3. ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU DÙNG ĐIỀU
KHIỂN PID
1.3.1. Khái quát về bộ điều khiển PID
Cấu trúc của bộ điều khiển PID gồm có ba thành phần là khâu khuếch đại (P),
khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Khi sử dụng thuật toán PID nhất thiết phải
lựa chọn chế độ làm việc là P, I hay D và sau đó là đặt tham số cho các chế độ đã

chọn. Một cách tổng quát, có ba thuật toán cơ bản được sử dụng là P, PI và PID.

9


ĐỒ ÁN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Hình 1-5: Cấu trúc bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID có cấu trúc đơn giản, dễ sử dụng nên được sử dụng rộng rãi
trong điều khiển các đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp. Bộ PID có nhiệm vụ
đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ
bản về chất lượng.
Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào-ra:

u(t) = KP ( e(t) + +TD)
Trong đó:

e(t) – tín hiệu đầu vào.
u(t) – tín hiệu đầu ra; kp – hệ số khuếch đại; TI – hằng số tích
phân;
TD – hằng số vi phân.
Các thông số kp, kI, kD là các thông số của bộ PID mà ta phải lựa chọn, và
nếu lựa chọn phù hợp thì bộ điều khiển sẽ hoạt động tốt (tín hiệu đặt và tín hiệu
thực tế rất xác với nhau, thõa các chỉ tiêu về chất lượng).
Tiêu chí để đánh giá chức lượng bộ điều khiển PID: Độ lọt vố ( POT%),
thời gian xác lập (txl), sai số xác lập ( exl ). Mong muốn rằng các giá trị này càng
nhỏ càng tốt.
Phương pháp xác định tham số của bộ điều khiển PID:
Bằng tính toán: Giải thuật Ziegler-Nichols 1,2 (cách một cho hệ tác động
chậm và cách hai cho hệ tác động nhanh).

Bằng thử sai: Phương pháp thực nghiệm, giải thuật tìm kiếm.
10


ĐỒ ÁN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

1.3.2. Nguyên lý xây dựng bộ điều khiển PID
a. Luật điều khiển tỷ lệ P
Tín hiệu điều khiển U(t) tỷ lệ với tín hiệu vào e(t). Phương trình vi phân mô tả
động học:

U(t) = KP.e(t)
Trong đó:

U(t): Tín hiệu ra của bộ điều khiển e(t): Tín hiệu vào
KP: Độ lợi tỉ lệ

Hình 1-6: Sơ đồ khuếch đại thuật toán biểu diễn luật điều khiển tỷ lệ
- Ưu điểm: Bộ điều khiển có tính tác động nhanh khi đầu vào có tín hiệu sai
lệch thì tác động ngay tín hiệu đầu ra.
-

Nhược điểm: Hệ thống luôn tồn tại sai lệch dư, khi tín hiệu sai lệch đầu vào của
bộ điều khiển bé thì không gây tín hiệu tác động điều khiển, muốn khắc phục
nhược điểm này thì ta phải tăng hệ số khuếch đại K m. Như vậy hệ thống sẽ kém
ổn định.
b. Luật điều khiển tích phân I
- Tín hiệu điều khiển U(t) tỷ lệ với tích phân của tín hiệu đầu vào e(t).
- Phương trình vi phân mô tả động học: U(t)= dt
Trong đó: U(t): Tín hiệu điều khiển

e(t): Tín hiệu vào của bộ điều khiển
Ti: Hằng số thời gian tích phân
KI=1/TI:Độ lợi tích phân

11


ĐỒ ÁN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

-

Xây dựng sơ đồ mạch khuếch đại thuật toán

Hình 1-7: Sơ đồ mạch khuếch đại thuật toán biểu diễn luật điều khiển tích
phân
-

Ưu điểm: Bộ điều khiển tích phân loại bỏ được sại lệch dư của hệ thống, ít chịu
ảnh hưởng tác động của nhiễu cao tần.
-

Nhược điểm: Bộ điều khiển tác động chậm đến tính ổn định của hệ thống.

c. Luật điều khiển vi phân D
-

Tín hiệu ra của bộ điều khiển tỷ lệ với vi phân tín hiệu vào.

-

Phương trình vi phân mô tả toán học:
U(t) = TD
Trong đó:

e(t): Tín hiệu vào của bộ điều khiển
U(t): Tín hiệu điều khiển
Td: Hằng số thời gian vi phân

-

Xây dựng sơ đồ bằng khuếch đại thuật toán:

Hình 1-8: Sơ đồ khuếch đại thuật toán biểu diễn luật điều khiển vi phân
-

Ưu điểm: Luật điều khiển vi phân đáp tính tác động nhanh đây là một đặc tính mà
trong điều khiển tự động thường rất mong muốn.

-

Nhược điểm: Khi trong hệ thống dùng bộ điều khiển có luật vi phân thì hệ thống dễ
bị tác động bởi nhiễu cao tần. Đây là loại nhiễu thường tồn tại trong công nghiệp.

-

Các luật tỷ lệ, vi phân, tích phân thường tồn tại những nhược điểm riêng. Do vậy để
khắc phục các nhược điểm trên người ta thường kết hợp các luật đó lại để có bộ điều
12

ĐỒ ÁN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

khiển loại bỏ các nhược điểm đó, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của các hệ thống
trong công nghiệp.
-

Xây dựng bộ điều khiển PID bằng khuếch đại thuật toán:

Hình1-9. Sơ đồ khuếch đại thuật toán của bộ PID
1.3.3. Sơ đồ khối của bộ điều khiển động cơ điện một chiều
Bộ Điều khiển PID

PPU

Động cơ

Máy phát tốc

Hình 3.7. Sơ đồ khối của bộ điều khiển động cơ một chiều
Mạch điều khiển (PID) nhận hiệu của giá trị điện áp đặt (mong muốn) và giá trị
điện áp phản hồi từ máy phát tốc, sau đó xử lý tín hiệu sai số e(t) cấp ra U dk, sau cùng
mong muốn phát ra xung đúng thời điểm vào mạch công suất để điều khiển động cơ.

13


CHƯƠNG 2: CHỈNH LƯU HÌNH TIA BA PHA ĐIỀU KHIỂN
HOÀN TOÀN
2.1.

Chỉnh lưu tia ba pha-chỉnh lưu bán sóng

Hình 2. Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển và các dạng
sóng điện áp, dòng điện trên các van Thyristor
Các điện áp pha lệch nhau góc 1200.
U1= Umsinθ; U2=Umsin (θ-) ; U3 = Um.sin(θ-); θ=ωt
Điều kiện cấp xung điều khiển chỉnh lưu: Thyristor mở trong khoảng thời gian
mà điện áp của một pha dương hơn điện áp của hai pha kia trong 1/3 chu kì, đồng
thời cấp xung điều khiển tới van trong khoảng thời gian này thì thyristor mới mở
(vd:V1 lớn nhất,nằm trên cùng,kích xung => V1 thông dòng). Nếu có các Thyristor
khác đang dẫn thì điện áp pha tương ứng phải dương hơn pha kia, vì thế phải xét đến
thời gian cấp xung đầu tiên.
Góc mở α: Thời điểm chuyển mạch tự nhiên đến lúc đưa xung vào (0 α < Π)


Nguyên lý hoạt động:

+Xét khi góc mở α = 0 (Thyristor lúc này hoạt động giống như Điôt)
Nhịp V1: θ1< θ <θ2
Uv1=0;Uv2=u2-u1; Uv3=u3-u1
Ud=U1; id= iv1=Id; iv2=iv3=0
Nhịp V2: θ1< θ <θ2
Uv2=0;Uv1=u1-u2; Uv3=u3-u2


Ud=U2; id= iv2=Id; iv1=iv3= 0
NhịpV3: θ1< θ <θ2
Uv3=0;Uv1=u1-u3; Uv2=u2-u3
Ud=u3; id= iv3=Id; iv1=iv2=0
(um-un:đây là những điện áp tạo nên chuyển mạch,là điện áp dây giữa các pha)

+Xét khi góc mở

Nhịp V1: θ1-θ2. Tại θ1 điện áp đặt lên u1> 0, có xung kích khởi: T1 mở, khi đó:

u v1 = 0

u v 2 = u 2 − u1 < 0
u = u − u < 0
3
1
 v3
T1 mở, T2, T3 đóng, lúc này:
+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u1 : ud = u1
+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van 1: id = Id = i1
+Dòng điện qua T2, T3 bằng 0: i2 = i3 = 0
Trong nhịp V1: UV2 từ âm chuyển lên 0, khi uV2 = 0 thì T2 mở, lúc này uV1 = u1
– u2 = 0 và bắt đầu âm nên T1 đóng, kết thúc nhịp V 1, bắt đầu nhịp V2.
Nhịp V2: từ θ2 –θ3.Tại θ2 điện áp đặt lên u2> 0, có xung kích khởi: T2 mở, khi đó:

u v 2 = 0

u v1 = u1 − u 2
u = u − u
3
2
 v3


T2 mở, T1, T3 đóng. Lúc này:
+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u2: ud = u2

+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 2: i d = Id = i2
+Dòng điện qua T1, T3 bằng 0: i1 = i3 = 0
Trong nhịp V2: uV3 từ âm chuyển lên 0, khi uV3 = 0 thì T3 mở, lúc này uV2 = u2 –
u3 = 0 và bắt đầu âm nên T2 đóng, kết thúc nhịp V2, bắt đầu nhịp V3.
Nhịp V3: từ θ3 –θ1.Tại θ3 điện áp đặt lên u3> 0, có xung kích khởi: T3 mở, khi đó:

uv 3 = 0

uv1 = u1 − u3
u = u − u
2
3
 v2
T3 mở, T1, T2 đóng.Lúc này:
+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u3: ud = u3
Hình 3: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực
+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 3: i d = Id = i3
+Dòng điện qua T1, T2 bằng 0: i1 = i2 = 0
Trong nhịp V3: uV1 từ âm chuyển lên 0, khi uV1 = 0 thì T1 mở, lúc này uV3 = u3
– u1 = 0 và bắt đầu âm nên T3 đóng, kết thúc nhịp V3, bắt đầu nhịp V1.
Trong mạch ,dạng sóng của dòng điện phụ thuộc vào tải, tải thuần trở dòng điện
id cùng dạng sóng ud ,khi điện kháng tải tăng lên ,dòng điện càng trở nên bằng phẳng
hơn, khi Ld tiến tới vô cùng dòng điện id sẽ không đổi, i d = Id .
Trị trung bình của điện áp tải:

Ud =

2
3π

5π
+α
6

∫

2.U 2 .sin θ .dθ =

π
+α
6

3 6U 2
.cos α = 1,17U 2cosα .
2π

CHƯƠNG 3 :THIẾT KẾ VÀ TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC,
MẠCH BẢO VỆ
3.1. SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC:


3.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG :
- Bộ biến đổi Thyristor có nhiệm vụ biến dòng điện xoay chiều của lưới thành dòng
điện một chiều cung cấp cho phần ứng động cơ. Nó có thể điều khiển suất điện động
bộ biến đổi nên có khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ.
- Trong bộ biến đổi Thyristor : máy Biến áp lực có nhiệm vụ biến đổi điện áp lưới
cho phù hợp với điện áp cung cấp cho động cơ , tạo điểm trung tính , tạo pha cho
chỉnh lưu nhiều pha,hạn chế biên độ dòng ngắn mạch,giảm d i/dt < di/dt cp nhằm bảo vệ
van….
- Hệ thống Thysitor : nắn dòng cho phù hợp với động cơ.

- Bộ điều khiển dùng làm biến thiên góc

α

,do đó biến thiên Uö dẫn đến thay đổi

ω

- Bộ lọc gồm tụ điện C o và cuộn kháng L nhằm lọc các thành phần sóng hài bậc cao
sao cho K sb < K sb cp ,với K sb cp phụ thuộc yêu cầu của tải.
3.3. TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ CƠ BẢN MẠCH ĐỘNG LƯC :
3.3.1

TÍNH CHỌN THYRISTOR:

1/ Điện áp ngược của van:
Với U2 =

Ud
ku

Ulv = knv .U2
=

220
1,17

=188,03 (V)

Trong đó: Ud : Điện áp tải

U2 : Điện áp nguồn xoay chiều của van
ku : Hệ số điện áp tải (Tra bảng 8.1: ku = 1,17)
knv : Hệ số điện áp ngược (Tra bảng 8.1:knv =
Ulv : Điện áp ngược của van.
Ulv =

6

×188,03 = 460,58 (V)

 Unv = k u . Ulv = 1,8× 460,58 = 829,04 (V) chọn k u = 1,8

2/ Dòng điện làm việc của van:

6

)


-

Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van:
Ilv = Ihd

-

Dòng điện hiệu dụng Ihd = khd . Id =0,58 × 16,04 = 9,3 (A)
Trong đó: khd : Hệ số xác định dòng điện hiệu dụng.( khd =

1

3

=0,58)

Ihd : Dòng điện hiệu dụng của van.
Id : Dòng điện tải.
Idm v = ki . Ilv = 1,4×9,3 = 13,02 (A) chọn ki=1,4
Vậy thông số van là: Unv = 829,04 (V)
-

Iđmv = 13,02 (A)
 Chọn Thyristor loại T15.1N900UOB với các thông số định mức:
- Dòng điện định mức của van: Iđm = 18 (A)
- Điện áp ngược cực đại của van: Unv = 900 (V)
- Đỉnh xung dòng điện : Ipik = 270(A)
- Điện áp của xung điều khiển: Uđk = 2(V)
- Dòng điện của xung điều khiển: Iđk = 40 (mA)
- Dòng điện rò: Ir = 5 (mA)
- Độ sụt áp trên van: ∆U = 1,95 (V)

- Tốc độ biến thiên điện áp

du
dt

= 50V/s

- Thời gian chuyển mạch : t cm= 60 µs
o

- Nhiệt độ làm việc cho phép : Tmax =125
.3.2. TÍNH

C

TOÁN MÁY BIẾN ÁP CHỈNH LƯU:
Ta chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ, có sơ đồ đấu dây ∆∕Y, làm mát tự nhiên bằng
không khí.

 THÔNG SỐ CƠ BẢN :
1/Điện áp các cuộn dây:


-

Điện áp pha sơ cấp máy biến áp: U1 = 380 (V)

-

Phương trình cân bằng điện áp khi có không tải:
Udo.cos α min = Ud + 2∆Uv + ∆Udn + ∆Uba

Suy ra: Udo=

U d + 2.∆Uv + ∆U dn + ∆U ba
cos α min

=

220 + 2 × 1,95 + 0 + 11

cos10o

Điện áp pha thứ cấp máy biến áp: U2 =
2/Dòng điện các cuộn dây:

U do
Ku

-

-

= 203,86(V)

Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp:

I2 =
-

=

238,52
1,17

=238,52 (V)

2
3

. Id = 0,82 × 16,04 = 13,15 (A)

Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp:
I1 = kBA . I2 =

U2
U1

×I2 =

203,86
380

×13,15 = 7,05 (A)

 TÍNH TOÁN SƠ BỘ MẠCH TỪ :

Sba
m. f
1/Tiết diện sơ bộ trụ QFe : QFe = kQ
Công suất biến áp nguồn cấp được tính :
Sba = kS . Pdmax = kS×Udo×Id = 1,345 × 238,52 × 16,04 = 5145,78 (W)
Trong đó : ks là hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực(ks = 1,345)

Suy ra:

QFe = 6.

5145, 78
3 × 50

= 35,14 (cm2)

2/Đường kính trụ :

⇒ d Fe

-

=

4.QFe
4.35,14
=
π
π

Chọn tỷ số : m =

h
d Fe

=6,69 (cm) chọn dFe = 8 cm

= 2,3 (m = 2 – 2,5)


⇒

h = 2,3×dFe = 2,3×8 = 18,4 (cm)  chọn chiều cao trụ là 18 (cm)

 TÍNH TOÁN DÂY QUẤN :
1/ Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp:

W1 =

U1
4, 44. f .B.QFe

=

380
4, 44 × 50 × 1× 35,14.10−4

= 487,1(vòng) ≈ 487 vòng

2/ Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp:

W2 =

U2
U1

×W1 =

203,86
380

× 487 = 261,26 (vòng) ≈ 262 (vòng)

3/ Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp: Chọn J 1 = J2 = 2,75 (A/mm2)

4/ Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp: S1 =

I1
J1

=

7,05
2,75

= 2,6 (mm2)

Chọn S1 = 2,62(mm2)
5/ Kích thước dây có kể cách điện: S1 cd = a1 . b1 = 1,16 . 2,44 (mm)

6/ Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp: S2=

I2
J2

=

13,15
2, 75

=4,78(mm2)

Chọn S2 = 4,87(mm2)
7/ Kích thước dây có kể cách điện: S2 cd = a2 . b2 = 1,08 .4,70(mm)

THIẾT KẾ CUỘN KHÁNG LỌC:
1/ Xác định góc mở cực tiểu và cực đại:

3.3.3.

-

Chọn góc mở cực tiểu αmin = 10o. Với góc mở αmin là dự trữ, ta có thể bù được sự giảm
điện áp lưới.

-

Khi góc mở nhỏ nhất α = αmin , điện áp trên tải lớn nhất U d max = Udo.cosαmin = Ud dm và
tương ứng với tốc độ động cơ sẽ lớn nhất nmax = ndm
- Khi

góc mở lớn nhất α = αmax , điện áp trên tải nhỏ nhất Ud min = Udo . cosαmax

và tương ứng với tốc độ động cơ là nhỏ nhất nmin
Ta có:
α max

= arcos

U d min
U do

= arcos

 U d min 



1
,
17
.
U

2 


D=

nmax
nmin

U ddm − I u .Ru ∑

=

U d min − I u min .Ru ∑

[

1
. U d min + ( D − 1).I udm .Ru.∑
D

Udmin=

Udmin =

Udmin =

Suy ra

]
=

1
.[1,17.U 2 . cos α min + ( D − 1).I udm .( Ru + RBA + Rdt ) ]
D

1 
3


.1,17.U 2 . cos α min + ( 20 − 1).I udm . Ru + RBA + . X BA 
20 
π


1 
3


. 1,17.203,86.cos10o + ( 20 − 1) .16, 04.  0,3 + 0,94 + .1, 06 ÷
20 
π




a max =

arcos

 U d min 

÷
 U do 

= arcos

 U d min 

÷
 1,17.U 2 

= 46,06 (V)

46, 06


 1,17 × 203,86 ÷


= arcos
= 78,87o

2/ Xác định các thành phần sóng hài:

-

Để thuận tiện cho việc khai triển chuỗi Fourier, ta chuyển gốc toạ độ sang điểm
khi đó điện áp tức thời trên tải khi thyristor T1 dẫn là:
U d = Ua =

2

.U2 . cos

2π


+α ÷
θ −
3



Với

θ = Ω.t

τ=

2π 2π
=
p
3

-

Điện áp tức thời trên tải Ud không sin và tuần hoàn với chu kỳ :
Trong đó p = 3 là số xung đập mạch trong một chu kỳ điện áp lưới.

-

Khai triển chuỗi Fourier của điện áp Ud:

Ud =

Hay :

Ud =

a0 ∞ 
2π
2π

+ ∑  an .cos
.kθ + bn .sin
.kθ ÷
2 k =1 
τ
τ


a0 ∞
+ ∑ ( an .cos 3.kθ + bn .sin 3.kθ )
2 k =1

τ

Trong đó:

a0=

2
2π
3 6
2U 2 cos(θ − + α )dθ =
U 2 cos α
∫
τ0
3
π

θ1

,


τ

τ

an =

2
U d cos 3kθ dθ
τ ∫0

=

3
 2π

2U 2 cos  θ − + α ÷cos3kθ dθ
∫
π0
3



τ

bn =

2
U d sin 3kθ dθ
τ ∫0

=

=

( −1) cos α
3 6
U2
2
π

( 3k ) − 1

3 6
3k
U2
sin α
2
π
( 3k ) − 1

U kn = a + b
2
n

U kn =

2
n



Vậy ta có biên độ điện áp:

2U d

( 3k )

2

−1

1 + ( 3k ) tg 2α

3/ Xác định điện cảm cuộn kháng lọc:
Điện kháng lọc còn được tính khi góc mở

α = α max

U d + u∼ = E + Ru ∑ I d + Rn ∑ i∼ + L
Ta có:

L≥
Suy ra:

U1m
3.2π . f .0,1I dm

là số xung đập mạch trong một chu kỳ điên áp lưới.

U1m = 2.

U1m = 2.

L=

di∼
dt

U1dm
≤ 0,1.I udm

3.2π . f .L

Im =

ρ =3

.

U do cos α max
1 + 32 tg 2α max
2
3 −1

1,17 × 203,86 × cos 78,87 o
1 + 9tg 2 78,87 o
9 −1

175.9
3 × 2 × π × 50 × 0,1×16, 04

= 175,9(V)

= 0,1164 (H) = 116,4 (mH)

2


Điện cảm mạch phản ứng đã có: Lưc=Lư+2LBA
Trong đó: Lư : điện cảm mạch phần ứng
Læ = γ .

U dm .60
220.60
= 0, 25.
2.π . p.ndm .I dm
2.π .2.800.16, 04

=0,0204 (

µH

) = 20,4 (mH)

 Lưc = 20,4 + 2× 0,8= 22 (mH)
Điện cảm cuộn kháng lọc:
.4.

Lk = L – Lưc = 116,4-22= 94,4 (mH)

TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ MẠCH ĐỘNG LỰC :

Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn :
Khi van bán dẫn làm việc , có dòng điện chạy qua ,trên van có sụt áp ∆U, do đó có
tổn hao công suất ∆p.Tổn hao này sinh nhiệt ,đốt nóng van bán dẫn . Mặc khác , van bán
dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép (T cp),nếu quá nhiệt độ cho phép các
van sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn hoạt động an toàn ,không bị chọc thủng vì nhiệt,
chọn và thiết kế hệ thống tỏa nhiệt hợp lý .
3.4.1

Tính toán cánh tỏa nhiệt :

Thông số cần có :
-

Tổn thất công suất trên Thyristor : ∆p = ∆U×Ilv = 1,8×34,51 = 62,12 (W)
STN =

-

∆p
K m ×τ

Diện tích bề mặt tỏa nhiệt :
Trong đó : ∆p : Tổn hao công suất W
τ : Độ chênh nhiệt độ so với môi trường

-

Chọn nhiệt độ môi trường Tmt =

C

Nhiệt độ làm việc cho phép của Thyristor T cp =
Chọn nhiệt độ trên cánh tỏa nhiệt Tlv =
τ = Tlv − Tmt =

-

40o

40

80o

125o

C

C

o

C

Km : Hệ số tỏa nhiệt đối lưu và bức xạ. Chọn
Vậy STN = 0,194 m2

K m = 8W/m 2o C


 Chọn loại cánh

Kích thước cơ bản :
a < 200mm
b < 200mm
h < 180mm
tỏa ho=nhiệt
5,15mmcó 12

cánh ,kích thước mỗi cánh: a×b

=10×10(cm×cm)
c = 2÷3mm
Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh
STN = 12×2×10×10 = 2400 cm2
z = 5÷12mm

Hình 2.7:Hình dáng và kích thước giới hạn cho cánh tỏa nhiệt một van bán dẫn

.4.3. Bảo

vệ quá dòng điện cho van :
- Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực ,tự động cắt mạch khi quá tải và ngắn
mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi ,ngắn mạch thứ cấp MBA ngắn mạch
ở chế độ nghịch lưu.
Sba

- Chọn aptomat có :Dòng điện làm việc chạy qua aptomat : I lv =
- Dòng điện aptomat cần chọn : Idm= 1,1×Ilv =1,1×7,82=8,60 A

3 × 380

=7,82A

Udm = 380V

- Có 3 tiếp điểm chính ,có thể đóng cắt bằng tay hoặc nam châm điện .Chỉnh định
dòng ngắn mạch :
Inm = 2,5×Ilv =21,5 A a
- Dòng quá tải :

Iqt =1,5×Ilv = 12,9 A
b

+Chọn cầu dao có : dòng định mức :Iqt =1,1Ilv =8,60 A
ho

Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ thống truyền động và dùng để
h h1
đóng cắt nguồn chỉnh lưu khi khoảng cách từ nguồn cấp tới bộ chỉnh lưu đáng kể.
+ Dùng dây chảy: tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Thyristor,ngắn
c
z
mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu.
Nhóm 1cc :dòng điện định mức dây chảy nhóm 1cc
I1cc = 1,1×I2=1,1×13,15 = 14,47 A
 Chọn 1cc loại 20 A
•

Nhóm 2cc :dòng điện định mức dây chảy nhóm 2cc
I2cc = 1,1×Ihd=1,1×9,3 = 10,23 A
 Chọn 2cc loại 15 A
•

Nhóm 3cc :dòng điện định mức dây chảy nhóm 3cc
I3cc = 1,1×Id=1,1×16,04 = 17,64 A
 Chọn 3cc loại 20 A
•

Bảo vệ quá điện áp cho van :
Bảo vệ quá điện áp cho quá trình đóng cắt Thyristor được thực hiện bằng cách

mắc R-C song song với Thyristor.Khi có sự chuyển mạch ,các điện tích tích tụ trong
lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn ,sự
biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra suất điện động cảm ứng rất lớn

.4.4.