Thiết kế cung cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập có đảo chiều theo nguyên tắc điều khiển chung

Đồ án điện tử công suất

Nguyễn Thị Phợng TĐH1-K49

Tr ờng đại học bách khoa h nội
Khoa điện
Bộ môn tự động hoá

đồ án môn học

điện tử công suất
Đề tài

Thiết kế cung cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập có
đảo chiều theo nguyên tắc điều khiển chung

Sinh viên thực hiện
Lớp
Khoá
Giáo viên hớng dẫn

: Nguyễn Thị Phợng
: Tự Động Hoá 1
: 49
: Thầy Võ Minh Chính

1


Đồ án điện tử công suất

Nguyễn Thị Phợng TĐH1-K49

Hà NộI Tháng 2/2007

Lời nói đầu
Những năm gần đây sự ra đời và phát triển nhanh của các thiết bị bán dẫn
nh điốt, thyristor...cùng với việc hoàn thiện mạch điều khiển tạo nên sự thay
đổi sâu sắc và phát triển vợt bậc của kĩ thuật biến đổi điện năng nói riêng và
của cả ngành kĩ thuật điện nói chung.
Các bộ biến đổi điện tử công suất thế hệ mới ngày càng thể hiện rõ ràng
các u điểm của chúng nh kích thớc gọn nhẹ, độ tác động nhanh, làm việc ổn
định, độ tin cậy cao và giá thành hạ. Chính nhờ những u việt đó mà hiện nay
nớc ta các thiết bị bán dẫn đã xâm nhập vào nhiều lĩnh vực
Với em, em rất may mắn trong thời gian làm đồ án với đề tài thit k
ngun cung cp in cho ng c in mt chiu kích t c lp có o
chiu theo nguyên tắc điều khiển chung, đây là một đề tài cần sự hiểu biết về
nhiều lĩnh vực, đặc biệt là về lĩnh vực điện, điện tử công suất.
Dới sự hớng dẫn tận tình , cùng với việc tạo điều kiện của thầy Võ Minh
Chính đã giúp em hoàn thành đồ án này đồng thời cũng giúp em hiểu biết
thêm nhiều kiến thức thực tế về ngành học của mình.
Nội dung đồ án của em gồm có 4 chơng :
Chơng I : Công nghệ và yêu cầu kĩ thuật của động cơ điện một chiều
kích từ độc lập
Chơng II : Lựa chọn các phơng án
Chơng III : Tính toán mạch lực
Chơng IV:Thiết kế mạch điều khiển
Chơng V : Mô phỏng mạch điều khiển
Song do thời gian và kiến thức có hạn, nên trong quyển đồ án này không
thể tránh khỏi những thiếu sót. Vậy em rất mong nhận đợc sự chỉ bảo, đóng
góp ý kiến của các thầy cô trong bộ môn tự động hóa xí nghiệp công nghiệp

để đồ án của em có đợc một kết quả tốt nhất.
Em xin chân thành cảm ơn .
Hà Nội Tháng 2 /2007
Sinh viên thực hiện

2


§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt

NguyÔn ThÞ Phîng T§H1-K49
NguyÔn thÞ phîng

3


Đồ án điện tử công suất

Nguyễn Thị Phợng TĐH1-K49

Nhiệm vụ thiết kế:
Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ độc lập có đảo
chiều theo nguyên tắc điều khiển chung thoả mãn các yêu cầu sau đây: Mạch
phải đảm bảo điều chỉnh tốc độ trơn và có khâu bảo vệ chống mất kích từ.
Thông số của động cơ điện cần thiết kế
Uđm
(V)
400

Iđm

Ukích từ

Ikích từ

(A)

(V)

( A)

Phạm vi điều
chỉnh tốc độ

12

220

1

40:1

Mục lục

CHƯƠNG I
4


Đồ án điện tử công suất

Nguyễn Thị Phợng TĐH1-K49

KHáI QUáT CÔNG NGHệ Và YÊU CầU Kĩ THUậT

I- Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều
Trong thực tế công nghiệp đến điện dân dụng đang sử dụng điện xoay
chiều là chủ yếu .Tuy nhiên một số ngành có yêu cầu cao về sử dụng tốc độ
vẫn phải sử dụng động cơ một chiều vì nó u việt hơn hẳn so với động cơ xoay
chiều về phơng diện điều chỉnh tốc độ , khả năng quá tải .
Ngoài ra thì cầu trúc mạch lực và mạch điều khiển động cơ điện một
chiều đơn giản hơn nhiều so với động cơ khác, đồng thời lại đạt chất lợng điều
chỉnh cao hơn trong dải điều chỉnh rộng.
Thực tế là ở các nớc phát triển, việc dùng động cơ điện thay thế cho các
loại động cơ điêzen hoặc xăng là phổ biến. Đó cũng là xu thế chung đối với
toàn thế giới trong tơng lai. Một mặt là vì có nguồn điện rộng rãi; tiến bộ nhảy
vọt về công nghệ bán dẫn cho phép chế tạo đợc nhiều bộ biến đổi điện năng
gọn nhẹ, khả năng giới hạn dòng áp cao & tin cậy hơn. Mặt khác, là động cơ
điện không gây ô nhiễm môi trờng nh các loại động cơ khác, đồng thời cho
hiệu suất cao. Đây là một trong những đặc điểm quan trọng đa đến việc đa
động cơ điện vào giao thông ngày càng rộng rãi hơn. Trong thực tế, ở các nớc
phát triển nh Mỹ, Đức, Pháp, TQ.. . đa số hệ thống đờng sắt dùng động cơ
điện kéo đầu máy đều đợc cung cấp bằng điện áp một chiều qua đờng dây trên
không hoặc đờng ray thứ ba.
Động cơ điện một chiều vẫn đợc sử dụng rộng rãi đến nh vậy là do chúng
có những u điểm mà ở động cơ xoay chiều không thể có đợc đó là mở máy và
điều chỉnh tốc độ dễ , Mômen ít thay đổi theo điện áp .Đặc biệt đáp ứng đợc
chỉ tiêu về kinh tế . Bên cạnh đó nó cũng có những nhợc điểm cần khắc
phục :Kết cấu, vận hành phức tạp ,phải có nguồn riêng

II Tìm hiểu về động cơ điện một chiều kích từ độc lập

1. Cấu tạo v nguyên lí hoạt dộng
1.1. Cấu tạo
a- Phn cm (stator)
L phn to ra t trng tnh ca ng c gm cú cỏc phn sau õy
Cc t chớnh
Cc t ph
Gụng t (vỏ máy)
5


Đồ án điện tử công suất

Nguyễn Thị Phợng TĐH1-K49

Chi than
b-Phn ng (rotor)
l phn cho dũng in mt chiu chy trong nú , tng tỏc gia dũng in I
v t thụng sinh ra mụmen quay. Nú gm ba phn chớnh :
Lừi thộp.
Dõy qun phn ng
C ghúp
Ngoi ra cũn cú cỏc b phn khỏc : cỏnh qut dựng lm ngi mỏy, trc
mỏy
1.2. Sơ đồ nguyên lý đông cơ điện một chiều
Khi ngun in mt chiu cú cụng sut khụng ln thỡ mch in phn ng v
mch kớch t mc vo hai ngun mt chiu c lp vi nhau, lỳc ny ng c c
gi l ng c kớch t c lp.

Hình I.1.2
tin hnh m mỏy, t mch kớch t vo ngun Ukt, dõy cun kớch t sinh

ra t thụng . Trong tt c cỏc trng hp, khi m mỏy bao gi cng phi
m bo cú max tc l phi gim in tr ca mch kớch t Rkt n nh nht
cú th. Cng cn m bo khụng xy ra t mch kớch thớch vỡ khi ú = 0,
M = 0, ng c s khụng quay c, do ú E = 0 v theo biu thc U = E +
RI thỡ dũng in I s rt ln lm chỏy ng c. Nu mụmen do ng c
in sinh ra ln hn mụmen cn (M > Mc) rụto bt u quay v sut in ng
E s tng lờn t l vi tc quay n. Do s xut hin v tng lờn ca E,
dũng in I s gim theo, M gim khin n tng chm hn.
2- Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập
6


§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt

NguyÔn ThÞ Phîng T§H1-K49

2.1 - Định nghĩa
Là đồ thị miêu tả mối quan hệ giữa Mđt và tốc độ góc ω của động cơ.
Khi động cơ làm việc, rotor mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộn
cảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảm ứng (hay còn
gọi là sức phản điện động) có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động
cơ. Phương trình điện áp ở mạch rotor sẽ là:
U = E + IưRư∑
Trong đó
U
: điện áp lưới
[V]
E
: sức điện động của động cơ
[V]

Iư
: dòng điện phần ứng của động cơ
[A]
Rư∑ : điện trở toàn bộ mạch phần ứng
[Ω]
Rư∑ = Rư + Rp
Rp
: điện trở phụ trong mạch phần ứng [Ω]
Rư
: điện trở mạch phần ứng
[Ω]
Rư = rư + rct + rcb + rcp
rư
: điện trở cuộn dây phần ứng
[Ω]
rct
: điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp [Ω]
rcb
: điện trở cuộn bù
[Ω]
rcp
: điện trở cuộn phụ
[Ω]
Sức điện động phần ứng là tỉ lệ với tốc độ quay của rotor:
E = kФω
Trong đó
Ф
: Từ thông qua một cực từ
Ω
: Tốc độ góc của rotor

k
: Hệ số, phụ thuộc vào kết cấu động cơ
k=

pN
2πa

Với

p
: Số đôi cực từ chính
N : Số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng
a
: Số mạch nhánh song song của cuộn ứng
Nhờ lực từ trường tác dụng vào dây dẫn phần ứng khi có dòng điện, rotor
quay dưới tác dụng của mômen quay:
7


§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt

NguyÔn ThÞ Phîng T§H1-K49

M = kФIư
Từ hệ 3 phương trình trên, ta có thể tìm được phương trình biểu thị mối quan
hệ ω = f(M) như sau:
ω=

R u∑
U

−
M
kΦ ( kΦ) 2

Phương trình trên biểu thị quan hệ tốc độ ω là hàm của mômen M gọi là
phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
2.2. Đường đặc tính cơ
Phương trình đặc tính cơ có dạng hàm bậc nhất y = B + Ax nên đường biểu
diễn trên hệ tọa độ MOω là một đường thẳng với độ dốc âm. Đường đặc tính
cơ cắt trục tung Oω tại điểm có tung độ:
U
ω0 = kΦ
ω0=

U
kΦ

0

H×nh I.2.2.a
Tốc độ ω0 là tốc độ ứng với M c=0 nghĩa là khi không có lực cản nào cả. Đó là
tốc độ lớn nhất của động cơ mà không thể đạt được ở chế độ động cơ vì
không bao giờ xảy ra Mc=0 (do lực ma sát luôn tồn tại khi động cơ quay). Tốc
độ ω0 được gọi là tốc độ không tải lí tưởng.
Khi toàn bộ các thông số điện của động cơ là định mức như thiết kế và không
mắc thêm điện trở phụ vào mạch động cơ thì R ư∑ = Rư và phương trình đặc
tính cơ sẽ là:
ω
Uđm
Ru

ω = kΦđm − (kΦđm) 2 M
ω
Δ 0
Đường đặcωω
tính cơ lúc nàyω0gọi
là đường đặc tính cơ tự nhiên. Đường biểu
=
đm
diễn đườngωđặc tính cơ tự nhiên như trên hình.
0
8

H×nh I.2.2.b


§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt

NguyÔn ThÞ Phîng T§H1-K49

Khi phụ tải tăng dần từ Mc=0 đến Mc=Mđm thì tốc độ động cơ giảm dần từ ω0
xuống ωđm. Điểm A(Mđm, ωđm) gọi là điểm làm
việc định mức. Phương trình
M
có thể viết dưới dạng:
ω = ω0- Δω
với độ sụt tốc tỉ lệ với mômen tải
R u∑

Δω = (kΦ ) 2 M
đm

Rõ ràng đường thẳng đặc tính cơ có thể vẽ được nhờ hai điểm ω 0 và A. Cũng
có thể dùng một trong hai điểm đó kết hợp với điểm khác thứ 3 là điểm cắt
của đặc tính cơ với trục hoành OM. Điểm này có tung độ ω=0 và hoành độ
U

đm
M = Mnm = kΦ đm R = kФđmInm
u

Trong đó

U đm

Inm = R
u

Mômen Mnm và dòng điện Inm gọi là mômen ngắn mạch và dòng điện ngắn
mạch. Đó là giá trị mômen lớn nhất và dòng điện lớn nhất của động cơ khi
được cấp điện đầy đủ mà tốc độ bằng 0. Trường hợp này xảy ra khi bắt đầu
mở máy và khi động cơ đang chạy mà bị dừng lại vì bị kẹt hoặc quá tải lớn
không kéo được. Dòng điện Inm này lớn và thường bằng:
Inm = (10÷20) Iđm
Nó có thể gây cháy, hỏng động cơ nếu hiện tượng tồn tại kéo dài.
Do vậy, khi mở máy phải thêm điện trở phụ Rp vào mạch rotor để hạn chế
dòng điện mở máy và khi động cơ đang chạy bị dừng lại, cần phải nhanh
chóng cắt điện.

9

§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt

NguyÔn ThÞ Phîng T§H1-K49

2.3. Điều khiển tốc độ động cơ.
Động cơ điện một chiều có đặc điểm là:
Ưu điểm : điều chỉnh tốc độ dễ dàng, nhiều kênh điều khiển
Nhược điểm : sử dụng nguồn điện một chiều
Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn như hiện nay máy điện một chiều dã
trở thành một cơ cấu không thể thiếu trong truyền động điện.
Từ phương trình về vận tốc
ω=

I .Ru
M .Ru
U
U
−
=
−
K .Φ K .Φ K .Φ K .Φ 2

ta có các phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều như sau
2.3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
n
n0
ncb
n1
n2
n3

TN ( Udm )

U
1

U
MC

H×nh I.2.3.1

M

2

U
3

Khi thay đổi điện áp U cấp cho cuộn dây phần ứng, ta có họ các đặc tính cơ
ứng với các tốc độ không tải khác nhau, song song nhau (cùng độ cứng)
Điện áp U chỉ có thể thay đổi về phía giảm (U ≤ U đm) nên phương pháp này
chỉ cho phép điều chỉnh giảm tốc độ.
Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập bằng biện pháp thay đổi
điện áp phÇn ứng có đặc điểm:
Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng nhỏ.
Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh.
Độ cứng đặc tính cơ giữ không đổi trong toàn dải điều chỉnh.
Độ sụt tốc tuyệt đối trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau.
Độ sụt tốc tương đối sẽ lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh.
Do vậy, sai số tốc độ tương đối (sai số tĩnh) của đặc tính cơ thấp nhất không

được vượt quá sai số cho phép cho toàn dải điều chỉnh.
10


Đồ án điện tử công suất

Nguyễn Thị Phợng TĐH1-K49

Di iu chnh ca phng phỏp ny cú th t c:
D = 10 : 1
Ch thay i c n v phớa gim (vỡ ch cú th thay i vi U Um)
Phng phỏp ny cn mt b ngun cú th thay i trn in ỏp ra.
phơng pháp thay đổi tốc độ bằng điện áp phần ứng sẽ giữ nguyên độ cứng đặc
tính cơ nên đợc dùng nhiều trong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ
hơn ncb .
Ưu điểm: Đây là phơng pháp điều chỉnh triệt để ,vô cấp .có nghĩa là điều
chỉnh tốc độ trong bất cứ vùng tải nào kể cả khi không tải lý tởng.
Nhợc điểm: Phải cần có bộ nguồn có điện áp thay đổi đợc nên có vốn đầu t và
chi phí vận hành cao
2.3.2. iu chnh tc bng cỏch thay i t thụng.
n
1

n

2

ủm > 1 > 2
ncb < n1 < n2

1

nnc
b

2

ủm
0

M

MC M 2 M 1 M n

Hình I.2.3.2
Mun thay i t thụng ng c, ta tin hnh thay i dũng in kớch t ca
ng c qua mt in tr mc ni tip mch kớch t. Phng phỏp ny ch
cho phộp tng in tr vo mch kớch t ngha l ch cú th gim dũng kớch t
do ú ch cú th thay i v phớa gim t thụng. Khi gim t thụng, c tớnh
dc hn v cú tc khụng ti ln hn.
Phng phỏp iu chnh tc bng thay i t thụng cú c im:
T thụng cng gim thỡ tc khụng ti lớ tng ca c tớnh c cng tng,
tc ng c cng ln.
cng c tớnh c gim khi gim t thụng.
Cú th iu chnh trn trong di iu chnh: D = 3 : 1
Ch thay i c tc v phớa tng theo phng phỏp ny.

11

§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt

NguyÔn ThÞ Phîng T§H1-K49

Khi giảm từ thông, độ dốc đặc tính cơ tăng lên vì vậy các đặc tính sẽ cắt nhau,
do đó với tải không lớn thì tốc độ tăng khi từ thông giảm, còn ở vùng tải lớn
tốc độ có thể tăng hay giảm tùy theo dòng kích từ.
Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh tốc độ thực hiện ở mạch kích
từ với dòng kích từ là 1 ÷ 10 % dòng định mức của phần ứng. Tồn hao điều
chỉnh thấp.
2.3.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở ở mạch phần ứng.
n
n0
ncb

TN

n1

Rf1

n2

Rf2

n3

0

0 < Rf1 < Rf2 < Rf3

ncb > n1 > n2 > n3

MC

M, I

Rf3

H×nh I.2.3.3
Khi tăng điện trở mạch phần ứng, đặc tính cơ dốc hơn nhưng vẫn giữ nguyên
tốc độ không tải lí tưởng.
Nhận xét:
Điện trở mạch phần ứng càng tăng, độ dốc đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ
càng mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc độ càng lớn.
Phương pháp chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm (do chỉ có thể tăng
thêm điện trở)
Vì điều chỉnh tốc độ nhờ thêm điện trở vào mạch phần ứng nên tổn hao công
suất dưới dạng nhiệt trên điện trở khi điều chỉnh khá lớn.
Dải điều chỉnh phụ thuộc trị số mômen tải. Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnh D 1
=

ω1 max
càng nhỏ. Phương pháp này cho D ≈ 5 : 1.
ω1 min

Về nguyên tắc, phương pháp này cho điều chỉnh trơn nhờ thay đổi đều điện
trở nhưng vì dòng rotor lớn nên việc thay đổi điện trở sẽ khó khăn. Thực tế
thường sử dụng chuyển đổi theo từng cấp điện trở.
2.3.4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách phân mạch phần ứng.

12


§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt

NguyÔn ThÞ Phîng T§H1-K49

Phần ứng động cơ được phân mạch nghĩa là có một điện trở phụ R ps nối song
song với phần ứng. Vì điện trở tổng giảm nên trên mạch chính cần nối thêm
một điện trở phụ nối tiếp Rp.
2.3.5 . Điều chỉnh điện áp nguồn
Phương pháp này được đánh giá tốt vì :
Đây là phương pháp điều chỉnh triệt dể , có thể điều chinh tốc độ
trong bất kì vùng tải nào kể cả khi tải không lí tưởng .
Đặc tính cơ tuy mền hơn đặc tính cơ tự nhiên nhưng cứng hơn các
cách đã đề cập
Đảm bảo sai số nhỏ khả năng quá tải lớn , giải điều chỉnh rộng và tổn
thất ít .
Mạch điều khiển chỉ cần công suất nhỏ , thao tác nhẹ nhàng , có khả
năng cải thiện hệ thành tự động vòng kín .
Từ các phương án trên ta thấy là phương pháp cuối này là phù hợp nhất với
dải điều chỉnh tốc độ 20:1 theo yêu cầu của đồ án . Trong phạm vi yêu cầu
của đồ án môn học em sẽ chọn sử dụng sơ đồ chỉnh lưu thyristor - động cơ
thiết kế nguồn cung cấp nguồn cho ĐCĐMC .

13


Đồ án điện tử công suất

Nguyễn Thị Phợng TĐH1-K49
Chơng II

Các phơng án và phân tích chọn phơng án cho mạch lực
và mạch điều khiển

I. Lựa chọn phơng án cho mạch lực
Từ những hiểu biết từ phần công nghệ ta bắt đầu chọn sơ đồ thiết kế.Đây
là khâu quan trọng nhất quyết định sự đúng đắn của toàn bộ thiết kế .Tuỳ
thuộc vào từng yêu cầu thiết kế của bài toán mà ta có thể lựa chọn các phơng
án của bộ biến đổi cho phù hợp .
Khi nguồn cấp là lới điện một chiều ,hoặc công suất không quá lớn so với
công suất lới (làm mất đối xứng điện áp lới ) và tải không có yêu cầu cao về
chất lợng điện áp mệt chiều thì ta chọn chỉnh lu 1 pha .
Trong chỉnh lu một pha nếu tải có dòng điện lớn và điện áp thấp thì sơ đô
fmwtj pha chỉnh lu một pha cả chu kỳ với biến áp có điểm giữa u điểm hơn
.Bởi vì trong sơ đồ này tổn hao trên van bán dẫn ít hơn ,nên công suất tổn hao
trên van so với công suất tải nhỏ hơn ,điện áp ngợc trên van lớn (nếu điện áp
cao mà chọn sơ đồ này có thể không chọn đợc van bán dẫn ).Nếu tảI có điện
áp cao và sòng điện nhỏ chọn sơ đồ chỉnh lu cầu một pha hợp lí hơn vì hệ số
điện áp trong sơ đồ nhỏ hơn ,do đó rễ chọn van hơn.
Khi chọn sơ đồ cầu một pha ,đối với những tải không cần làm việc ở chế
độ nghịch lu hoàn trả năng lợng về lới ,để dễ điều khiển nên chọn chỉnh lu cầu
điều khiển không đối xứng .Vì trong sơ đồ này tại mỗi thời điểm phát xung
điều khiển chỉ cần cấp một xung (ở chỉnh lu cầu 1 pha điều khiển đối xứng
phảI cấp hai xung đồng thời cho thyristor ).Chỉnh lu cầu một pha điều khiển
đối xứng đợc ding đối với các loại tải có làm việc ở chế độ nghịch lu hoàn trả
nâng lợng về lới nh động cơ điện một chiều .
Đối với các loại tải có điện cảm lớn ngời ta thờng chọn phơng án mắc
thêm một điốt ngợc song song với tải .

Các sơ đồ chỉnh lu 3 pha thờng đợc chọn khi nguồn cấp là lới 3 pha công
nghiệp và khi tải có yêu cầu cao về chất lợng điện áp một chiều .
Chỉnh lu tia 3 pha thờng đợc chọn khi công suất tải không quá lớn so với
biến áp nguồn và khi tải không có yêu cầu không quá cao về chất lợng điện áp
một chiều .

14


Đồ án điện tử công suất

Nguyễn Thị Phợng TĐH1-K49

Chỉnh lu cầu 3 pha sẽ đợc chọn khi chất lợng điện áp một chiêù tốt ,vì
đây là sơ đồ có chất lợng điện áp ra tốt nhất trong các sơ đồ chỉnh lu thờng
gặp .Thờng thì chỉ hay sử dụng cầu 3 pha điều khilển không đối xứng vì nó
đơn giản hơn chỉnh lu cầu 3pha điều khiển đối xứng .
Đối với sơ đồ tia 6 pha do chế tạo biến áp phức tạp và phải thêm cuộn
kháng cân bằng nên thờng đợc chọn khi tải có dòng điện quá lớn mà theo sơ
đồ cầu 3 pha ta không chọn đợc van theo dòng điện

ở dải điện áp thấp không gây nên giơí hạn đặc biệt về điện áp đối với T
hay Đ .Nhng ở điện áp thấp này sự chênh lệch về điện áp rơi của một điốt
trong các bộ chỉnh lu nửa chu kỳ và hai điện áp rơi trong các bộ chỉnh lu cầu
là khá lớn .Ngời ta nghiêng về bộ chỉnh lu nửa chu kỳ với tổn hao ít hơn
ở dải điện áp cao nên chọn chỉnh lu cầu vì điện áp giới hạn của các điốt
hay thyristor của chỉnh lu nửa chu kỳ quá lớn .ở chỉnh lu cầu hai lần điện áp
rơi có thể bỏ qua so với điện áp cao cuả tải .
ở dải điện áp trung bình việc thiết kế phức tạp hơn do đó tốn kém hơn ,do
máy biến áp có thể không cho phép ding các bộ chỉnh lu nửa chu kỳ

Các bộ chỉnh lu 1 pha ứng dụng giới hạn với công suất nhỏ dới 15 Kw vì
độ méo cho phép của dòng điện lấy từ nguồn .ngoài ra vì ngời ta quen ding
nguồn 3 pha đối với tải công suất lớn .
Nếu cần đổi cực tính điện áp trung bình của tải thì ding sơ đồ chỉnh lu có
điều khiển .nếu không cần đổi cực tính của điện áp tải thì ding sơ đồ chỉnh l u
bán điều khiển ,nhng độ méo dạng sóng điện áp và dòng điện lớn nên việc sử
dụng bị hạn chế
1. Mạch phần ứng
Với các thông số mà bài đề ra: Uđm=400 V
Iđm=12 A
P=UI =400.12 =4800 W =4,8 Kw.
Công suất này là nhỏ nên ta sẽ không sử dụng sơ đồ cầu 3 pha vì nh thế ta sẽ
làm mất đối xứng cho nguồn lới ,ta sẽ sử dụng điện lới một pha .
ở dải điện áp trung bình 400 V việc thiết kế phức tạp hơn do đó tốn kém hơn
do máy biến áp không cho phép dùng các bộ chỉnh lu nửa chu kỳ.và với việc
điện áp ra yêu cầu là một chiều với chất lợng tốt nên phơng án sử dụng sơ đồ
cầu là khả thi hơn cả.hơn nữa do yêu cầu động cơ có đảo chiều theo nguyên

15


Đồ án điện tử công suất

Nguyễn Thị Phợng TĐH1-K49

tắc điều khiển chung cần đổi cực tính điện áp ,có sử dụng nghịch lu ,chính vì
vậy ta chỉ có thể sử dụng mạch chỉnh lu cầu một pha có điều khiển đôí xứng.
Từ những phân tích trên đây ta thấy phơng án chọn mạch chỉnh lu cầu 1 pha
có điều khiển đối xứng là khả thi hơn cả
* chỉnh lu cầu một pha có điều khiển đối xứng (tải trở cảm)

Các van dn ln lt theo tng cp (T1, T2) v (T3, T4).

Hình II.1.1.a

Hình II.1.1.b
góc m van , góc dn các van
xét trong đoạn từ ( o- ) : T1, T2 dn
xét trong đoạn từ ( ( + )): T3, T4 dn, ng thi T1, T2 khoá li
công thc:

16


Đồ án điện tử công suất

Ud =

Nguyễn Thị Phợng TĐH1-K49

2 2
U2cos = 0,9U2cos


Id =

U d
Rd

Iv =

Id
2

Sba = 1,23Pd
Ungmax = 2 U2
I2 = 1,11Id
* Nhận xét
Chnh lu cu mt pha s dng rng rãi trong thc t, nht l vi cp
in áp ti ln hn 10V. dòng tải có thể lớn ti 100A. u im ca nó là
không cần thiết phải có biến áp nguồn. Tuy nhiên do s lng van gp đôi
hình tia nên sụt áp trong mch van cng tăng gấp đôi. Do đó nó không phù
hp vi ti cn có dòng lớn nhng điện áp nhỏ
2. Mạch kích thích
Do yêu cầu mạch kích từ không quá cao về điện áp một chiều .nên để thuận
tiện cho việc tính toán ta chọn sơ đồ cầu một pha không điều khiển
D1

D3

Zt

D4

D2

Hình II.1.2.a

17

§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt

NguyÔn ThÞ Phîng T§H1-K49

18


Đồ án điện tử công suất

Nguyễn Thị Phợng TĐH1-K49

Điện áp chỉnh lu trung bình Ud:
Ud =



1
2 2U 2
U 2m sin d =

0


Dòng trung bình qua các điot ID và dòng thứ cấp máy biến áp I2
ID =
I2 =

Id
2
1

2

2

I

2
d

d = I d

0

Dòng sơ cấp máy biến áp I1
Id =

U d Ed
R

I1 =

I
I2
= d
K ba K ba

U ng max = U 2m = 2U 2

Công suất máy biến áp
S = UI =

Pd
1,11Pd
2 2

điện áp ngợc lớn nhất trên van
U ng max = U 2m = 2U 2

II. Hệ thống điều khiển có đảo chiều
Với tải của chúng ta là động cơ điện một chiều kích từ độc lập ,khi hoạt
động cần quay theo cả chiều thuận lẫn chiều ngợc .nên đòi hỏi điện áp một
chiều cấp cho nó có hai cực tính .vì vậy ta sử dụng bộ chỉnh lu đảo chiều .bộ
chỉnh lu đảo chiều thực chất là hai mạch chỉnh lu cùng loại đấu song song ngợc nhau so với tải .mỗi bộ chỉnh lu đảm nhận một dấu (một chiều ) của điện
áp tải .Tuy nhiên để mạch làm việc bình thờng cần phối hợp sự hoạt động của
hai bộ chỉnh lu với nhau
2.1 Phơng pháp điều khiển chung

19


Đồ án điện tử công suất

Nguyễn Thị Phợng TĐH1-K49

Hình II.2.1
Đặc điểm của phơng pháp này là hai mạch chỉnh lu cùng hoạt động ,tức là
cùng đợc phát xung điều khiển .tuy nhiên một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lu là
bộ xác định dấu của điện áp một chiều hoặc chiều quay của động cơ ,còn bộ
kia chạy ở chế độ nghịch lu và luôn sẵn sàng chuyển sang chế độ nghịch lu
Do hai bộ chỉnh lu cùng đấu vào một tải nên điện áp trung bình của chúng

phải bằng nhau
UdI = - UdII (*)
Hay Ud0 cos I = - Ud0 cosII
cos I= cosII
phơng trình này cho ta quan hệ hay luật phân phối điều khiển hai mạch chỉnh
lu
I + II = (**)

Bộ chỉnh lu I làm việc ở chế độ chỉnh lu ,bộ chỉnh lu II làm việc ở
Chế độ nghịch lu
II = - I

Vì bộ II nghịch lu nên II = - II
Với II là góc bù của góc điều khiển
II = I

điểm gốc để xác định góc cho hai bộ là trùng nhau đối với van có cùng số
thứ tự
Luật phối điểu khiển nh (* *) mới chỉ đảm bảo trị số trung bình cuả hai bộ
chỉnh lu bằng nhau theo (*) song giá trị tức thời của chúng khác nhau ,tức là

20


Đồ án điện tử công suất

Nguyễn Thị Phợng TĐH1-K49

UdI - UdII .Do đó vẫn xuất hiện thành phần xoay chiều của dòng điện cân
bằng .Để hạn chế biên độ dòng điện cân bằng thờng dùng cuộn kháng cân

bằng
Phải dùng hai cuộn kháng căn bằng ; một cuộn để chống ngắn mạch theo đờng dây phía dới nôí dới hai bộ chỉnh lu ,một cuộn để chống ngắn mạch theo
đờng phía trên của mạch
UdI +UdII= ULcb=U1+U2
Bây giờ ta xem xét quá trình đảo chiều điện áp tải U d .do bộ I đang ở chế độ
chỉnh lu nên dòng điện tải là dòng của bộ chỉnh lu I : Id =IdI
Bộ II không có dòng IdII =0 vì chiều dòng này ngợc chiều Id nên không thể
chảy đợc (tuy nhiên vẫn tồn tại dòng cân bằng )
Khi cần đảo chiều phải điều khiển tăng dần góc điều khiển I tơng ứng giảm
dần góc điều khiển II
Do I tăng nên UdI giảm trong khi đó sức điện động Ed không giảm nhanh
bằng dẫn đến Ed > UdI
Id =

U d Ed
< 0
R

Tức là dòng tải sẽ đảo chiều .nhng bộ chỉnh lu không để cho IdI đảo chiều ,nên
dòng Id sẽ chảy sang bộ chỉnh lu II .mạch vòng giữa chỉnh lu II và Ed là đúng
các điều kiện chạy ở ché độ chỉnh lu ,nên lúc này chỉnhlu II thực hiện việc trả
năng lợng của sức điện động Ed về nguồn làm Ed giảm
Khi I tăng đến 900 , II cũng giảm về giá trị 900 ,điện áp UdI=UdII=Ud0cos
=0,quá trình nghịch lu của CLI kết thúc .sau đó , II tiếp tục giảm 900 và
chuyển sang chế độ chỉnh lu ,điện áp đã đổi dấu .bộ CLI chuyển sang chế độ
nghịch lu phụ thuộc ,quá trình đảo chiều kết thúc .
Phơng pháp điều khiển chung cho phép tiến hành đảo chiều nhanh do hai bộ
chỉnh lu luôn đồng thời hoạt động .Tuy nhiên phải tuân thủ nghiêm ngặt (**)
là điều khó thực hiện chính xác .Đồng thời buộc phải có các cuộn kháng cân
bằng ,làm tăng kích thớc ,giá thành và giảm hiệu suất của thiết bị .vì thế phơng pháp này thờng chỉ sử dụng khi cần có độ tác động nhanh hoặc phải đảo

chiều thờng xuyên với tần suất lớn.
2.2 . Phơng pháp điều khiển riêng.

21


Đồ án điện tử công suất

Nguyễn Thị Phợng TĐH1-K49

Hình II.2.2.a
Đặc điểm của phơng pháp này là các bộ chỉnh lu làm việc không đồng thời
.Với mỗi chiều của điện áp ra chỉ có một bộ chỉnh lu đợc phát xung và chạy ở
chế độ chỉnh lu :còn bộ kia đợc nghỉ ,không đợc phát xung điều khiển .Nh vậy
không thể có dòng điện chảy xuyên thông giữa hai mạch ,do đó hoàn toàn
không cần các cuộn cảm cân bằng và hai bộ chỉnh lu đợc dấu song song ngợc
nhau một cách trực tiếp .Tuy nhiên điều này dẫn đến buộc phải loại trừ khả
năng hai bộ phận cùng hoạt động ,vì lập tức sẽ làm xuất hiện dòng ngắn mạch
xuyên thông gây sự cố cho thiết bị .do đó quá trình đảo chiều phải thực hiện
theo trình tự chặt chẽ .thí dụ cần chuyển sự hoạt động từ bộ CLI sang
CLII,phải làm nh sau :
1.ngắt xung điều khiển bộ đang chạy , ở đây là bộ CLI .D o tải có tính điện
cảm và tiisto là phần tử bán điều khiển nên nó vẫn tiếp tục dẫn mặc dù đã ngắt
xung mở van .L úc này không thể phát xung ngay cho CLII
,vì sẽ xảy ra ngắn mạch xuyên thông do bộ CLI vẫn còn van đang dẫn dòng
id.
2.Theo dõi dòng điện id để xác định thời điểm id=0.lúc đó có nghĩa van của
CLI đã khoá lại .
3. Để chờ một khoảng thời gian cho van của CLI phục hồi tính chất khoá ,
Đảm bảo tiristo khoá chắc chắn . Khoảng thời gian này đợc gọi là thời gian

chết do mạch tải không còn dòng chảy id = 0 .
4. bắt đầu phát xung mở cho CLI ở chế độ nghịch luII >90 ròi giảm dần góc
điều khiển để chuyển sang chế độ chỉnh lu <900 .Sở dĩ có yêu cầu này vì
thông thờng Ed không giảm nhanh và vẫn giữ chiều cũ sau khi Id = 0 .Nừu

22


Đồ án điện tử công suất

Nguyễn Thị Phợng TĐH1-K49

phát xung ngay với E d khụng gim nhanh m vn gi chiu c sau khi I d =0 .
Nu phỏt xung vi anfa <90 ngay thỡ s lm sp nghch lu vỡ cỏ ngun E d v
li u phỏt nng lng . Ch nghch lu s lm tiờu tỏn nhanh chúng
nng lng ca E d . Tc gim gúc c khng ch bng cỏch o dũng
ti ,sao cho dũng ny khụng vt quỏ tr s cho phộp
Quy trỡnh 4 bc đm bo chiu thng do 1 mch logic cú tin cy cao
m nhim .
Nhc im ca phng phỏp k riờng là có tc o chiu thp hn k
chung , cần phaỉ có bộ cảm biến trạng thái dòng điện của mỗi bộ biến đổi để
căn cứ vào đó quyết định phát xugn vào bộ biến đổi cần làm việc và phải cần
có bộ lôgíc trạng thái để đảm bảo chỉ phát xung vào bộ biến đổi này mà
không đựơc phát xung vào bộ biến đổi kia
Ưu điểm là khụng cn m bỏo yờu cu v lut iu khin nh trong k
chung.Loại trừ đợc các cuộn kháng căn bằng
Chơng III
tính toán cho mạch lực

I. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực

Hình III.1

II. Tính toán bộ nguồn chỉnh lu cho phần ứng động cơ
23


Đồ án điện tử công suất

Nguyễn Thị Phợng TĐH1-K49

Theo yêu cầu của đồ án dòng và áp ra tải của động cơ phần ứng:
Ud = 400 V
Id = 12A
2.1. Tính chọn thyristor


Điện áp U2 ở đầu ra máy biến áp :
U2 =



U d 400
=
= 444, 4(v)
0,9 0,9

Điện áp ngợc lớn nhất mà trisistor phải chịu :
Ungmax = 2U 2 =1,41 .U2 = 1,41.444,4 =626.6(V)

Điện áp ngợc van cần chọn :
Ungv = kdtu . Ungmax
= 1,8 . 626,6 = 1128(V)
Trong đó kdtu là hệ số dự trữ điện áp lấy kdtu = 1,8


Dòng điện trung bình của van :

Id
12
=
=6A
2
2

Dòng điện dịnh mức của van cần chọn :
Iđm = ki . Itb = 3,2 . 6 = 19,2 (A)
Trong đó ki là hệ số dự trữ dòng điện lấy ki = 3,2
Itb = Khd Id =

Chọn van thyristor loại: HT 25/140J1 có các thông số sau :
Điện áp ngợc cực đại của van : Un = 1400 (V)
Dòng điện định mức của van : Iđm =25 (A)
Đỉnh xung dòng điện
: Ipik =400 (A)
Dòng điện của xung điều khiển : Iđk =50 (mA)
Điện áp của xung điều khiển : Uđk =2,5 (V)
Dòng điện duy trì

: Ih = 100 (mA)
Dòng điện rò
: Ir =3 (mA)
Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn là : U = 1,8(V)
Tốc độ biến thiên điện áp

:

dU
=1000 (V/às)
dt

Thời gian chuyển mạch
: tcm = 60 (às)
Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép :Tmax=125 oC
24


Đồ án điện tử công suất

Nguyễn Thị Phợng TĐH1-K49

2. 2. Tính toán MBA chỉnh lu
1-Điện áp sơ cấp máy biến áp :
U1 =220 (V)
2-Điện áp thứ cấp của máy biến áp
Phơng trình cân bằng điện áp khi có tải :
Udo . cos( min )=Ud +2. Uv +Udn + Uba
Trong đó :
min =100 là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lới

Uv =1,8 (V) là sụt áp trên Thyristor
Udn 0 là sụt áp trên dây nối
Uba = Ur + Ux là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp
Chọn sơ bộ :
Uba =6% .Ud =0,06 .400 = 24 (V)
Từ phơng trình cân bằng điện áp khi có tải ta có :
U d + 2.U v + U dn + 2. ba 440 + 2.1,8 + 0 + 24
Ud0=
=
= 434,2 (V)
cos10o
cos min
Điện áp thứ cấp máy biến áp :
Ud0

434, 2.

U2= K =
2. 2
u

= 438,5 (V)

3-Tính công suất của máy biến áp :
Sba = Ks . Pd Max = Ks . Ud0 .Id =1,23.434,2.12=6049 (W)
4-Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp :
I2 =1,11.12= 13,32 (A)
5-Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp :
U2
483,5

.13,32 = 29,3 (A)
I1 = KbaI2 =
.I2 =
250
U1
6- Tính sơ bộ mạch từ (Xác định kích thớc bản mạch từ)
a) Tiết diện sơ bộ trụ .QFe =kq .

S ba
=6.
m.f

Trong đó :
25

6049
=66 (cm2)
1.50