thiết kế bộ nghịch lưu kích từ độc lập

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật
trong công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử có công
suất lớn cũng được chế tạo ngày càng nhiều. Đặc biệt là các ứng dụng của nó vào các
ngành kinh tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh
mẽ.
Tuy nhiên, để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp
thì ngành điện tử công suất phải luôn nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Đặc biệt
với chủ trương công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải
thay đổi, nâng cao công nghệ bằng cách đưa công nghệ điều khiển tự động vào trong sản
xuất. Do đó đòi hỏi phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn, chính xác. Đó là
nhiệm vụ mà nghành điện tử công suất cần phải giải quyết.
Để giải quyết được vấn đề này, nhà nước ta cần có đội ngũ thiết kế đông đảo và đủ
năng lực. Sinh viên ngành Tự động hóa tương lai không xa sẽ đứng trong đội ngũ này, do
đó cần phải tự trang bị cho mình một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng. Chính vì vậy, đồ
án môn học Điện tử công suất là yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên tự động hóa. Đó là
bài kiểm tra khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên và cũng là điều kiện cho sinh
viên tự tìm hiểu, nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất.
Mặc dù vậy, do kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên vẫn cần đến sự giúp đỡ và
hướng dẫn của thầy giáo. Qua đây, em xin được gửi lời cảm ơn đến cô Nguyễn Thị Điệp
tận tình chỉ dẫn để em có thể hoàn thành đề án này.
Sinh viên thực hiện:
Bùi Văn Kỷ
Nguyễn Văn Mạnh
Võ Duy Nam
Lê Thanh Tuấn
1


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU........................................................................................................................1
MỤC LỤC.............................................................................................................................. 2
ĐỀ BÀI.................................................................................................................................. 3
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG .....................................................................................6
1.1 Động cơ một chiều kích từ độc lập................................................................................6
1.1.1 Cấu Tạo................................................................................................................... 6
1.1.2 Phương trình đặc tính cơ,đồ thị đặc tính cơ............................................................9
1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ......................................................................10
1.2 Gioi thiệu chung về chỉnh lưu.....................................................................................11
1.2.1 Khái niệm,cấu trúc mạch chỉnh lưu.......................................................................11
1.2.2 Phân loại mạch chỉnh lưu......................................................................................11
1.2.3 Thyristor...............................................................................................................12
1.2.4 Phân tích sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha cấp cho tải RLE..........................................16
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH LỰC................................................................................19
2.1 Giới thiệu và thiết kế mạch lực...................................................................................19
2.2 Tính chọn van mạch lực..............................................................................................20
2.3 Tính chọn các phần tử bảo vệ
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ................................................................30
3.1 Yêu cầu chung của mạch điều khiển:..........................................................................30
3.2. Thiết kế mạch điều khiển...........................................................................................31
3.2.1 Nguyên lí..............................................................................................................31
3.2.2 Cấu trúc mạch điều khiển.....................................................................................32
3.2.3 Thuyết minh từng khâu.........................................................................................32
2


3.3 Mạch điều khiển.........................................................................................................43
CH ƯƠNG 4: MÔ PHỎNG KẾT LUẬN.............................................................................44

3

4


5


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Giới thiệu chung về động cơ một chiều kích từ độc lập
1.1.1 Cấu tạo:
Động cơ điện một chiều kích từ độc lập có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh
và phần động.
- Phần tĩnh(stato) hay còn gọi là phần kích từ động cơ, là bộ phận sinh ra từ
trường nó gồm có:
+) Mạch từ và dây cuốn kích từ lồng ngoài mạch từ (nếu động cơ được kích từ
bằng nam châm điện), mạch từ được làm băng sắt từ (thép đúc, thép đặc). Dây
quấn kích thích hay còn gọi là dây quấn kích từ được làm bằng dây điện từ, các
cuộn dây điện từ nay được mắc nối tiếp với nhau.
+) Cực từ chính: Là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn
kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật
điện hay thép cacbon dày 0,5 đến 1mm ép lại và tán chặt. Trong động cơ điện
nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông.
Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều
được bọc cách điện kỹ thành một khối, tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các
cực từ. Các cuộn dây kích từ được đặt trên các cực từ này được nối tiếp với nhau
+) Cực từ phụ: Cực từ phụ được đặt trên các cực từ chính. Lõi thép của cực từ
phụ thường làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu
tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ
những bulông.

6


- Phần quay(rôto)bao gồm những bộ phận chính sau:
+) Phần sinh ra sức điện động gồm có:
Mạch từ được làm bằng vật liệu sắt từ (lá thép kĩ thuật) xếp lại với nhau.
Trên mạch từ có các rãnh để lồng dây quấn phần ứng.
Cuộn dây phần ứng: Gồm nhiều bối dây nối với nhau theo một qui luật
nhất định.
Tỳ trên cổ góp là cặp trổi than làm bằng than graphit và được ghép sát vào
thành cổ góp nhờ lò xo.
+) Lõi sắt phần ứng: Dùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện
dày 0,5mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do
dòng điện xoáy gây nên. Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng được ép
trực tiếp vào trục.
+) Dây quấn phần ứng: Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động
và có dòng điện chạy qua, dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách
điện. Để tránh khi quay bị văng ra do lực li tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để
đè chặt hoặc đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakelit.
+) Cổ góp: Cổ góp gồm nhiều phiến đồng có được mạ cách điện với nhau bằng
7


lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp thành một hình trục tròn. Hai đầu trục
tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách
điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít để hàn các đầu dây của các
phần tử dây quấn và các phiến góp được dễ dàng.

1.1.2 Phương trình đặc tính cơ,đồ thị đặc tính cơ

*Phương trình đặc tính cơ
Phương tình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Trong đó:
Uư : Điện áp phần ứng, V
Eư : Sức điện động phần ứng, V
8


Rư : Điện trở mạch phần ứng,
Iư : Dòng điện của mạch phần ứng, A
Với: Rư = rư + rcf + rb + rct
rư : Điện trở cuộn dây phần ứng
rcf : Điện trở cuộn dây cực từ phụ
rct : Điện trở tiếp xúc cuộn bù
*Đồ thị đặc tính cơ

*
1.1.3 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ
Có 2 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập:
- Phương pháp thay đổi từ thông Ф:
Phương pháp này được sử dụng trong hệ truyền động có công suất lớn hoặc có yêu cầu về
tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản.Vì phương pháp này thực hiện trên phần kích từ của động
cơ nên dễ dàng thay đổi tốc độ và đạt hiệu quả kinh tế.Tuy nhiên ta chỉ có thể điều chỉnh
theo hướng giảm từ thông tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ định mức và
giới hạn bị điều chỉnh bởi các điều kiện cơ khí và đổi chiều của máy.
- Phương pháp thay đổi điện áp phần ứng:
Phương pháp này không gây thêm tổn hao trong động cơ điện nhưng đòi hỏi phải có
nguồn riêng,có điện áp điều chỉnh được.phương pháp này cho phép điều chỉnh tốc độ
quay dưới tốc độ định mức vì không thể nâng cao điện áp hơn điện áp định mức của động

cơ điện.
1.2 Giới thiệu chung về chỉnh lưu.
1.2.1 Khái niệm,cấu trúc mạch chỉnh lưu.
9


*Khái niệm:
Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng xoay chiều thành năng lượng dòng một
chiều.
*Cấu trúc:
Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế.Sơ đồ cấu
trúc thường gặp của mạch chỉnh lưu như sau:

~

U

~

BA

MV

U

U d,Id

ML

U d,Id

Trong sơ đồ:
-Máy biến áp làm hai nhiệm vụ chính là:
+)Chuyển từ điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều U 1 sang điện áp U2 thích hợp
với yêu cầu của tải.Tùy theo yêu cầu của tải mà máy biến áp có thể là tăng áp hoặc giảm
áp.
+)Biến đổi số pha của lưới nguồn sang số pha theo yêu cầu của mạch van.Thông thường
số van của lưới lớn nhất là 3,song mạch van có thể cần số pha là 6,12…
-Trường hợp tải yêu cầu mức điện áp phù hợp với lưới điện và mạch van đòi hỏi số pha
như lưới điện thì có thể không cần đến máy biến áp.
-Mạch van :là các van bán dẫn được mắc với nhau theo cách nào đó đẻ có thể tiến hành
quá trình chỉnh lưu.
-Mạch lọc :nhằm đảm bảo yêu cầu về điện áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải là
bằng phẳng theo yêu cầu.
1.2.2 Phân loại mạch chỉnh lưu.
Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây:
1.phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: 1 pha, 2 pha, 3 pha, 6 pha …
2.phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch van:
10


Đối với mạch chỉnh lưu,hiện nay chủ yếu dùng 2 loại van là điôt và thyristor, vì thế có 3
loại mạch như sau:
+)Mạch van dùng toàn điôt,được gọi là chỉnh lưu không điều khiển.
+)Mạch van dùng toàn thyristor,được gọi là chỉnh lưu điều khiển.
+)Mạch chỉnh lưu dùng cả 2 loại điôt và thyristor,được gọi là chỉnh lưu bán điều khiển.
3.Phân loại theo sơ đồ mắc van,được chia thành 2 kiểu mắc:
-Sơ đồ hình tia:ở sơ đồ này số lượng van bằng số pha nguồn cấp cho mạch van,tất cả các
van đều mắc chung một đầu nào đó với nhau hoặc catot chung hoặc anot chung.
-Sơ đồ cầu:ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồn cấp cho mạch van,trong

đó một nửa số van mắc chung nhau catot,nửa kia mắc chung nhau anot.
1.2.3 THYRISTOR.
1.Cấu tạo và ký hiệu:
Thyristor là phần tử bán dẫn p-n-p-n, tạo ra 3 lớp tiếp giáp p-n.Thyristor có 3 cực:anot A,
catot K và cực điều khiển G.
Ký hiệu:

a) Cấu trúc bán dẫn

b) Ký hiệu

2.Đặc tuyến vôn-ampe của thyristor.
Đặc tuyến von-ampe của thyrisror gồm 2 phần:phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ I
là đặc tuyến thuận tương ứng với trường hợp điện áp U AK>0;phần thứ hai nằm trong góc
phần tư thứ III là đặc tuyến ngược,tương ứng với trường hợp điện áp U AK<0.
a)Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển (IG =0).
11


Khi IG=0 hay khi hở mạch cực điều khiển thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả 2
trường hợp phân cực điện áp giữa anot và catot.Khi điện áp U AK<0,theo cấu tạo của bán
dẫn, hai lớp tiếp giáp J1,J3 đều phân cực ngược,lớp J2 phân cực thuận,như vậy thyristor
sẽ giống như hai điôt mắc nối tiếp bị phân cực ngược.Qua thyristor chỉ có 1 dòng điện
nhỏ chạy qua gọi là dòng rò.Khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp ngược lớn nhất U ng.max sẽ
xảy ra hiện tượng thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể tăng lên rất lớn.Qúa trình bị
đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược,nghĩa là giảm điện áp U AK xuống dưới mức
Ung.max thì dòng điện cũng sẽ không giảm về mức dòng rò và thyristor đã bị hỏng.
Khi tăng điện áp anot-catot theo chiều thuận, U AK>0, lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện
rất nhỏ chạy qua gọi là dòng rò.Điện trở tương đương mạch anot-catot vẫn có giá trị rất
lớn.Khi đó tiếp giáp J1,J3 phân cực thuận,J2 phân cực ngược.Cho đến khi U AK tăng đạt

giá trị điện áp thuận lớn nhât U th.max sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương của mach
anot-catot đột ngột giảm,dòng điện chạy qua thyristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch
ngoài.

Đặc tính Vôn – Ampe của Thyristor
Nếu khi đó dòng qua thyristor lớn hơn mức dòng tối thiểu,gọi là dòng duy trì Idt, thì khi
đó thyristor sẽ dẫn dòng trên đặc tính thuận.Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính
dẫn dòng có thể có giá trị lớn nhưng điện áp rơi trển anot-catot nhỏ và không phụ thuộc
giá trị dòng điện.
b) Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển (IG >0).
Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catot,quá trình chuyển điểm làm
việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn,trước khi điện áp thuận đạt đến giá trị
U th.max. Điều này được mô tả bằng các đường nét đứt trên hình vẽ,ứng với dòng điều
12


khiển IG1 ,IG2 ,IG3… .Nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ
xảy ra với Uak nhỏ hơn.
3.Mở,khóa thyristor.
Thyristor có đặc tính chỉ cho dòng chạy qua theo 1 chiều,từ anot đến catot,và cản trở
dòng chạy theo chiều ngược lại.Tuy nhiên khác với điôt,để thyristor có thể dẫn
dòng,ngoài điều kiện Uak >0 còn cần thêm 1 số điều kiện khác.Do đó thyristor được gọi
là phần tử bán dẫn có điều khiển.
a)Mở thyristor.
Khi phân cực thuận Uak >0, thyristor có thể mở bằng 2 cách
-Cách 1:tăng điện áp anot-catot cho đến khi đạt giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth.max,
điện trở tương đương trong mạch anot-catot sẽ giảm đột ngột và dòng qua thyristor sẽ
hoàn toàn do mạch ngoài xác định.Cách này it dùng trong thực tế vì mở không mong
muốn và không phải lúc nào cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị Ung.max.
-Cách 2:đưa 1 xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và catot.Xung

điều khiển sẽ chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang thấp ở mức điện áp
anot-catot nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anot-catot lớn hơn 1 giá trị nhất định,gọi là dòng
duy trì Idt thì thyristor sẽ tiếp tục ở trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại
của xung dòng điều khiển.Nghĩa là có thể mở các thyristor bằng các xung dòng có độ
rộng xung nhất định,do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ so với công
suất của mạch lực mà thyristor là phần tử đóng cắt,khống chế dòng điện.Cách này được
áp dụng trong thực tế.
b)Khóa thyristor.
Một thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa( điện trở tương đương mạch anotcatot tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống nhỏ hơn dòng duy trì Idt.Tuy nhiên để thyristor
vẫn ở trạng thái khóa,với trở kháng cao,khi điện áp anot-catot Uak>0, cần phải có 1 thời
gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trờ dòng điện.
Khi thyristor dẫn dòng theo chiều thuận U ak>0 hai lớp tiếp giáp J1 J3 phân cực thuận,các
điện tích đi qua 2 lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J2 đang bị phân cực ngược.Vì vậy
mà dòng điện có thể chạy qua 3 lớp tiếp giáp J1,J2,J3.Để khóa thyristor lại cần giảm
dòng anot-catot vvef dưới mức dòng duy trì I dt bằng cách hoặc là đổi chiều dòng điện
hoặc áp một điện áp ngược lên giữa anot và catot của thyristor.Sau khi dòng về bằng
không phải đặt 1 điện áp ngược lên anot-catot (U ak<0)trong 1 khoảng thời gian tối
thiểu,gọi là thời gian phục hồi (tr),chỉ sau đó thyristor mới có thể cản trở dòng điện tho cả
13


2 chiều.Trong thời gian phục hồi có 1 dòng điện ngược chạy giữa catot và anot.Dòng điện
ngược này di chuyển các điệntích ra khỏi tiếp giáp J2 và nạp điện cho tụ điện tương
đương của 2 lớp tiếp giáp J1,J3 được phục hồi.Thời gian phục hồi phụ thuộc vào lượng
điện tich cần được di chuyển ra ngoài cấu trúc bán dẫn của thyristor và nạp điện cho tiếp
giáp J1,J3 đến điện áp ngược tại thời điểm đó.thời gian phục hồi là một trong những
thông số quan trọng của thyristor.Thời gian phục hồi xác định rải tần số làm việc của
thyristor.Thời gian phục hồi (tr) có giá trị cỡ 5-50µs đối với các thyristor tần số cao và cỡ
50-200µs đối với các thyristor tần số thấp.
4.Các thông số cơ bản của thyristor.

a)Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor, Itbv (A)
Đây là giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ
của cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá giá trị cho phép.trong thực tế
dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện lamg mát và nhiệt
độ của môi trường.Thyristor có thể được gắn trên các bộ tản nhiệ tiêu chuẩn và làm mát
tự nhiên.Ngoài ra, thyristor có thể phải cần được làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc
dùng nước để tải nhiệt lượng tỏa ra nhanh hơn.Vấn đề lựa chọn dòng điện theo các diều
kiện làm mát theo kinh nghiệm:
-Làm mát tự nhiên:sử dụng dòng cho phép đến một phần ba dòng Itbv .
-Làm mát cưỡng bức bằng quạt gió:dòng sử dụng bằng hai phần ba dòng Itbv.
-Làm mát cưỡng bức bằng nước:có thể sử dụng 100% dòng Itbv.
b)Điện áp ngược cho phép lớn nhất.
Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt trên thyristor.Trong các ứng
dụng phải đảm bảo rằng,tai bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anot và catot U AK.Ngoài ra phải đảm bảo mật độ dự trữ nhất định về điện áp,nghĩa là phải được chọn it
nhất bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ đó.
c.Thời gian phục hồi tính chất khóa Thyristor
Đây là thời gian tối thiều phải đặt điện áp âm lên giữa anot-catot của Thyristor sau
khi dòng anot-catot đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp dương mà Thyristor
vẫn khóa. Thời gian phục hồi là một thong số rất quan trọng của Thyristor, nhất là trong
các bộ nghịch lưa phụ thuộc hoặc nghịc lưa độc lập, trong đó phải luôn đảm bảo rằng thời
gian dành cho quá trình khóa bằng 1,5 đến 2 lần .
14


d.Tốc độ tăng điện áp cho phép
Thyristor được sử dụng như một phần tử có điều khiển, nghĩa là mặc dù được
phân cực thuận ( nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng điện
chạy qua.Khi thyristor được phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J2
như được chỉ ra ở hình 1.5

Hình 1.5. Hiệu ứng tác dụng như dòng điều khiển.
Lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược nê độ dày của nó nở ra, tạo ra vùng không gian
nghèo điện tích, cản trở dòng điện chạy qua. Vùng không gian này có thể coi như một tụ
điện có điện dung . Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn, dòng điện của tụ có thể có
giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển. Kết quả là thyristor có thể mở ra khi
chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G.
Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với thyristor tần
số cao. Ở thyristor tần số thấp, du/dt vào khoảng 50 đến 200; với các thyristor có tần số
cao du/dt có thể đạt 500 đến 2000V/.
e.Tốc độ tăng dòng cho phép di/dt
Khi thyristor bắt đầu mở, không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của
nó đều dẫn dòng đồng đều. Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm, gần với cực
điều khiển nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện. Nếu tốc
độ tăng dòng quá lớn, có thế dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn,
15


sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể dẫn đến hỏng cục bộ,từ dẫn đến hỏng toàn bộ
tiết diện tinh thể bán dẫn.
Tốc độ tăng dòng cũng phân biệt thyristor tần số thấp, có di/dt cỡ 50 đến 100A/,
với các thyristor tần số cao di/dt cỡ 500 đến 2000A/. Trong các ứng sụng phải luôn đảm
bảo tốc độ tăng dòng cho phép. Điều này đạt được nhờ mắc nối tiếp các van bán dẫn với
các cuận kháng trị số nhỏ. Cuận kháng có thể có lõi không khí hoặc lõi ferit. Có thể dùng
những xuyến ferit lồng lên thanh dẫn để tạo các điện khác giá trị khác nhau, tùy theo số
lượng xuyến sử dụng. Xuyến ferit tạo nên các điện kháng có tính chất của cuận kháng
bão hòa. Khi dòng điện qua thanh dẫn nhỏ, điện kháng sẽ có giá trị lớn để hạn chế tốc độ
tăng dòng. Khi dòng điện lớn, cuộn kháng bị bão hòa, điện cảm gần như bằng không.
Như vậy cuộn kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức qua thanh
dẫn

1.2.4 Phân tích sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha cấp cho tải RLE
*Sơ đồ:
i T1
i1

Giới thiệu các

u1

BA

i2

i T3
T1

ud

u2

+BA là máy
đồ cầu 1
không

Rd

T3

i T2

i T4
T4

T2

Ld

phần tử trên sơ đồ:

Ed

biến áp cung cấp, với sơ
pha thì có thể dùng hoặc
dùng máy biến áp

id

+Các van có điều khiển T1 ÷T4 dùng để biến điện áp xoay chiều thành 1 chiều,4 van
này chia làm 2 nhóm:nhóm cathode chung gồm T1vàT3,nhóm anode chung gồm T2
và T4
+ Ed, Rd, Ld là các phần tử phụ tải
+u1, u2 là điện áp trên cuộn sơ cấp (điện áp lưới) và điện áp cuộn thứ cấp
+i1, i2 là dòng điện cuộn sơ cấp (dòng điện lưới) và dòng điện cuộn thứ cấp
*Nguyên lí hoạt động:
16


ta có đồ thị dòng và áp của 1 số phần tử trong sơ đồ:

Từ ωt=[0 ÷ν1 và từ ωt=[ν2÷ν3 thì 2 van T3 và T4 dẫn dòng:

ud= -u2;uT1= uT2= u2;uT3=uT4=0; iT1=iT2=0; iT3=iT4= id=Id;
Từ ωt=[ν1÷ν2 ] thì 2 van T1 và T2 dẫn dòng:
ud=u2; uT1=uT2=0; uT3=uT4=-u2;iT1=iT2=id=Id; iT3=iT4=0;
Dòng điện cuộn dây thứ cấp và sơ cấp được xác định như sau:
i2=iT1-iT4=iT2-iT3; i1 = i2/ kba
+)Các biểu thức cơ bản :
Điện áp trung bình trên tải:Utai =0,9.U2 .
Dòng điện trung bình qua Thyristor =.dwt=Điện áp thuận,điện áp ngược
trên Thyristor:.

17


CHƯƠNG 2:THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC
2.1 Giới thiệu và thiết kế mạch lực
2.1.1 Giới thiệu mạch lực
Chỉnh lưu cầu một pha được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế, nhất là với điện áp
ra từ 10V trở lên. Dòng tải có thể lên tới 100A. Một trong những ưu điểm hơn hẳn
của nó so với chỉnh lưu hình tia là không nhất thiết phải có biến áp nguồn :Khi điện
áp ra tải phù hơp với cấp nguồn xoay chiều, ta có thể mắc trực tiếp mạch chỉnh lưu
vào lưới điện. Do số lượng van phải gấp đôi sơ đồ hình tia nên sụt áp trong mạch van
cũng tăng gấp đôi, vì vậy nó không thích hợp với tải cần dòng lớn nhưng điện áp ra
lại nhỏ. Để đưa dòng điện ra tải luôn cần có hai van dẫn, vì vậy xung điều khiển cũng
phải đưa tới hai van cùng một thời điểm.
Với dữ kiện về độ lớn điện áp ra,dòng điện ,công suất ta chọn thiết kế theo bộ
chỉnh lưu cầu 1 pha dùng van điều khiển là hoàn toàn phù hợp,trong đồ án này em sẽ
sử dụng 4 thyristor mắc từng cặp song song
2.1.2 Thiết kế mạch lực
*Sơ đồ mạch lực:

2cc
i

1

C1

1

BA

1cc
i

1 1

Ld

1cc

R1

2

u

1cc

R1

T2

2

u

ui

1

T1

R1
i

C1i

i

3

C1 T3

R1i

Rd

1cc

4

C1

d

T4

* Giới thiệu các phần tử trong sơ đồ:
Trong sơ đồ này:
18

2cc

Ed


+BA là máy biến áp cung cấp,với sơ đồ cầu 1 pha thì có thể dùng hoặc không dùng
máy biến áp
+Các van điều khiển từ T1 đến T4 dùng để biến điện áp xoay chiều thành 1 chiều.Bốn
van này được chia thành 2 nhóm:nhóm katot chung gồm T1 và T2,nhóm anot chung
gồm T3 và T4
+Ed,Rd,Ld là các phần tử của phụ tải(tương ưng với phần ứng động cơ 1 chiều)
+u1,u2 là điện áp trên cuộn dây sơ cấp(điện áp lưới) và điện áp trên cuộn dây thứ cấp
+i1,i2 là dòng diện trong cuôn dây sơ cấp và thứ cấp
+Mạch RC đc mắc song song với từng thyristor để bảo vệ quá điện áp
+Cầu chì mắc nối tiếp thyristor để chống hiện tượng quá dòng
2.2 Tính chọn van mạch lực
Thông số bài cho:
Pđm=1,1 kw=1100w
Uđm=170 V

Iđm=9,5A
Ikt=0,6A
n=3000v/p
2p=4
D=3:1
*Tính chọn các thông số của động cơ:
Tốc độ góc
dm 

ndm 3000

 314( rad / s)
9, 55 9,55

M dm 

Pdm 1100

 3,5(N.m)
dm 314

K dm 

M dm 3,5

 0,37(T)
I dm
9, 5
19

Điện trở phần ứng động cơ
U dm  K dm .dm 170  0,37.314

 5, 67()
I
9,
5
dm
Rư=

Sức điện động của phần ứng động cơ
Eư= K dm .dm  0,37.314  116
Điện cảm phần ứng động cơ

Lư=

.

60.U dm
60.170
 0, 25.
 7,12( mH )
2 .p.n dm .I dm
2 .2.3000.9,5

Với  =0,25 là hệ số lấy bù cho động cơ có cuộn bù

Điện kháng cuộn lọc

Lk 

Ru
. K sb 2  1
mdm .w1

Trong đó Rư là tổng trở của mạch phần ứng
mđm=2 là số lần đạp mạch của điện áp chỉnh lưu
k sb 

kdmv 0, 667

 9,5
kdmr
0, 07

Với kdmv =0,667 là hệ số đạp mạch vào
kdmv

=0,07 là hệ số đập mạch ra

W1=2  f=50(Hz)
Vậy
Vậy

Lk 

5, 67
. 9, 52  1  85(mH )
2.2 .50

L  Lk  Lu  7,12  85  92,12( mH )

*Tính chọn van động lực
Điện áp chỉnh lưu không tải:
20


U do  (U dm  4% U dm  1,5% U dm  0,8% U dm VU rt )
 (170  0, 04.170  0, 015.170  0, 008.170  2)
 183(V)

Với U dm là điện áp chỉnh lưu cực đại
4% U dm sụt áp trên điện trở máy biến áp
1,5% U dm sụt áp trên điện kháng máy biến áp
VU rt

sụt áp trên 2 thyristor nói tiếp nhau

*Tính giới hạn góc điều khiển α
Khi góc mở nhỏ nhất    min thì điện áp trên tải là lớn nhất
U d max  U do .cos  min  U d .dm

và ứng với tốc độ động cơ sẽ lớn nhất nmax=nđm

Khi góc mở lớn nhất    max thì điện áp trên tải là nhỏ nhất.
U d min  U do .cos  max  U u

Ta có

D

và tương úng với tốc độ động cơ sẽ nhỏ nhất nmin.

3 nmax max


1 nmin min

Từ max  314(rad / s) suy ra min  105(rad / s )
Từ phương trình đặc tính cơ điện của động cơ:


U u Ru

.I
K  K

ta có U u  K .  Ru .I

Với max =314(rad/s) ta có U u.dm =170 (V)
Với min =105(rad/s) ta có U u =93(V)
Mà

U d  U u nên
21


0
Từ công thức U d max  U do .cos  min  U d .dm suy ra  min  21

0
Từ công thức U d min  U do .cos  max  U u suy ra  max  57
0
0
Vậy giới hạn góc điều khiển  nằm trong khoảng 21 � �57
0
Giả sử góc mở nhỏ nhất của chỉnh lưu là   30 ta có

Điện áp ra sau bộ chỉnh lưu là
Ud 

U d .
2 2
.U 2 .  cos   � U 2 
2 2.(cos  )


Vậy U2=220(V)
Điện áp ngược lớn nhất mà van thyristor phải chịu là:
Ung.max=Kn.van.U2= 2.220  311(V )
Với Kn.van =là hệ số điện áp tải đối với cầu chỉnh lưu 1 pha điều khiển hoàn toàn.
Vậy điện áp ngược của van cần chọn là:
Ung.van=KdtU. Ung.max=1,8.311=560 (V)
Với KdtU =1.8 là hệ số dự trữ điện áp

Dòng điện làm việc hữu dụng của van:
I d  I dm  9,5( A)
I lv  I hd  K hd .I d 

Trong đó K hd

toàn.



1
.9.5  6, 72(A)
2

1
2 là hệ số dòng điện hiệu dụng của cầu chỉnh lưu 1 pha điều khiển hoàn

Vậy dòng điện làm việc định mức của van là:
Ilvdm  K i .I lv  4.6, 72  26,88( A)
22


Với K i =4 là hệ số dự trữ dòng điện
Từ các thông số tính toán như trên ta chọn Thyristor loại HT30/06OJ1 Có các thông số
như sau:











Điện áp ngược cực đại của van Ung.max =600 (V)
Dòng điện định mức của van Iđm.van=30(A)
Đỉnh xung dòng điện Ipikmax =700(A)
Dòng điện của xung điều khiển Iđk=100(mA)
Điệp áp của xung điều khiển Uđk=1,2(V)
Dòng điện rò Irò=8(mA)
Sụt áp lớn nhất cảu van ở trạng thái dẫn Uvan=1,65(V)
Tốc độ biến thiên điện áp =1000(V/s)
Thời gian chuyển mạch tcm =150s)
Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép Tmax=125()

2.3 Tính chọn các phần tử bảo vệ
2.3.1 Bảo vệ quá dòng
Các nguyên nhân gây ra hiện tượng quá dòng điện cho van:
-Quá dòng dài hạn
-Ngắn mạch đầu ra
-Ngắn mạch bản thân van
Chọn cầu chì:
 Dùng dây chảy tác động nhanh (nhóm 1CC) để bảo vệ ngắn mạch các
thyristor.Dòng điện định mức của dây chảy nhóm 1CC là:
I1CC=1,1.Ilv=1,1.6,72=7,4(A)
 Dùng dây chảy tác động nhanh (nhóm 2CC) để bảo vệ ngắn mạch đầu ra của bộ
chỉnh lưu.Dòng điện định mức của nhóm 2CC là:
I2CC=1,1.Id=1,1.9,5=10,45(A)

2.3.2 Bảo vệ quá áp cho van
23


Khi có sự chuyển mạch van,các điện tíc tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo

ra dòng điện ngược trong suốt thời gian ngắn.Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện
gây ra sức điện động cảm ứng rât lớn trong các điện cảm làm cho quá điệp áp giữa anot
U

 L.

dt

qda
dt
và catot của thyristor.Tốc độ biến thiên đạt 10(  s ) dẫn đến quá điện áp
lớn.Để bảo vệ quá điện áp ta sử dụng mạch R-C mắc song song với thyristor tạo ra mạch
vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch bảo vệ van như hình vẽ:

Theo kinh nghiệm R1=(5 �30)  và C1=(0,25 �4)  F
Ta chọn R1=10(  ) và C1=1(  F )
2.3.3 Bảo vệ quá nhiệt cho van
Khi làm việc với dòng điện chạy qua van có sụt điện áp, do đó có tổn thất công
suất P .Tổn thất này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn.Mặt khác các van bán dẫn chỉ
được làm việc dưới nhiệt độ cho phép T cp nào đó.Nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van
sẽ bị phá hỏng.Để van bán dẫn làm việc an toàn không bị chọc thủng vì nhiệt ta cần chọn
và thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý:
Tổn hao công suất trên mỗi thyristor là : P = U v .I lv =1,65.6,72=11,1(W)

Diện tích bề mặt tỏa nhiệt là :

Sm 

P
K m .

Trong đó P là tổn hao công suất trên van
K m là hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ.chọn K m =8(W/ m 2oC )

 là độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường.
24


o

o

Chọn nhiệt độ môi trường Tmt= 40 C .Nhiệt độ làm việc cho phép Tcp=125 C
11,1
2
Vậy Sm= 8.8, 5 = 0,163 ( m )

25