Đồ án điện tử công suất thiết kế mạch chỉnh lưu tia 3 pha theo nguyên lý Arccos

ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
THIẾT KẾ MẠCH CHỈNH LƯU TIA 3 PHA CÓ ĐIỀU
KHIỂN THEO NGUYÊN LÝ ARCCOS CHO PHẦN
ỨNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ
ĐỘC LẬP

SVTH: HÀ NGỌC CHÍNH
LỚP: 15TĐHCLC
MSSV: 105150313

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS ĐOÀN QUANG VINH




Đồ án môn: Điện tử Công suất
Trường Đại học Bách khoa
Khoa Điện

GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Bộ môn Tự động hóa

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
Họ và tên sinh viên: Hà Ngọc Chính

Lớp: 15TĐHCLC

Nhóm: 1

GVHD: PGS.TS. Đoàn Quang Vinh
1. Tên đề tài:
Thiết kế bộ chỉnh lưu hình tia ba pha có điều khiển theo nguyên lý arccos cho phần ứng của động
cơ điện một chiều kích từ độc lập.
2. Các số liệu ban đầu:
Các thông số của động cơ:
• Điện áp phần ứng: Uưđm = 400VDC
• Dòng điện phần ứng: Iưđm = 100A
• Công suất động cơ: Pđm = 35,2kW
• Hệ số dự trữ điện áp: KU = 1,5÷1,8
• Hệ số dự trữ dòng: KI = 1,1÷1,4
3. Nội dung:
Chương 1. Tổng quan về bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha
Chương 2. Tính chọn mạch động lực
Chương 3. Tính chọn mạch bảo vệ và cuộn kháng san bằng
Chương 4. Thiết kế mạch điều khiển
Chương 5. Sử dụng MATLAB – SIMULINK để mô phỏng mạch động lực hệ thống đã cho.
4. Bản vẽ: (A3) Một bản vẽ đầy đủ về bộ chỉnh lưu trên giấy A3.
5. Tài liệu tham khảo:
5.1 Điện tử công suất – Nguyễn Văn Nhờ
5.2 Điện tử công suất - Lê Văn Doanh
5.3 Điện tử công suất - Nguyễn Bính
Kiểm tra tiến độ đồ án

Đà Nẵng, ngày 21 tháng 09 năm 2017

(Giáo viên HD ký mỗi lần SV đến

Giáo viên hướng dẫn

gặp thông qua đồ án)
15/10

30/11

22/12

25/12

26/12
PGS. TS. Đoàn Quang Vinh

SVTH: Hà Ngọc Chính

2


Đồ án môn: Điện tử Công suất



GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật ngày càng đáp ứng những nhu cầu
về tính hiện đại và tự động hóa trong mọi ngành công nghiệp. Bước tiến vượt bậc của
khoa học ký thuật là sự ra đời của công nghệ bán dẫn, nó là một yếu tố không thể thiếu

trong ngành công nghệ tự động hóa. Việc ứng dụng nó rất rộng rãi trên nhiều lĩnh vực
đặc biệt trong lĩnh vực điện tử công suất nó được ứng dụng để chế tạo các linh kiện điện
tử góp phần tạo nên những mạch điều khiển ứng dụng trong điều khiển động cơ.
Điện tử công suất phục vụ rất hiệu quả cho truyền động điện đặc biệt là điều khiển
động cơ. Cũng nhằm mục đích tìm hiểu sâu hơn nữa về những ứng dụng quan trọng
trong động cơ, đặc biệt là động cơ điện một chiều được sử dụng ngày càng rộng rãi trong
cuộc sống, các sinh viên ngành điện chúng tôi tham gia làm đồ án môn học Điện Tử Công
Suất nhằm tìm hiểu kỹ hơn về vấn đề này.

Tên đồ án môn học: “Thiết kế bộ chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển theo
nguyên lý arccos cho phần ứng của động cơ điện một chiều kích từ độc lập” bao
gồm 4 chương :
Chương 1: Tổng quan về bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha
Chương 2: Tính chọn mạch động lực
Chương 3: Tính chọn mạch bảo vệ và cuộn kháng san bằng
Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển
Với sự hướng dẫn nhiệt tình của PGS.TS Đoàn Quang Vinh Và các thầy cô
trong bộ môn, Tôi đã hoàn thành dồ án của mình với sự học hỏi và mở mang tầm
nhìn kiến thức.

SVTH: Hà Ngọc Chính

3


Đồ án môn: Điện tử Công suất



GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

MỤC LỤC
Lời nói đầu
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU HÌNH TIA 3 PHA
1.1. Tổng quan về chỉnh lưu 3 pha hình tia
1.1.1. Tổng quan về thysistor
1.1.2. Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha
1.2. Tổng quan về động cơ một chiều kích từ độc lập
1.2.1. Giới thiệu về động cơ một chiều
1.2.2. Cấu tạo máy điện một chiều
1.2.3. Phương trình đặc tính cơ của động cơ
Một chiều
1.2.4. Các phuong pháp điều chỉnh tốc độ động
một chiều kích từ độc lập
1.3. Mô phỏng chỉnh lưu tia 3 pha có động cơ
1.3.1. mạch mô phỏng
1.3.2. Kết quả mô phỏng
Chương 2. MẠCH ĐỘNG LỰC
2.1. Sơ đồ mạch động lực
2.2. Nguyên lý hoạt động
2.3. tính chọn các thiết bị cơ bản trong mạch động lực
2.3.1. Tính toán máy biến áp chỉnh lưu
2.3.2. Tính chọn thysistor
2.3.3. Tính sơ bộ mạch từ
2.3.4. Tính toán dây quấn
2.3.5. Tính kích thước mạch từ
2.3.6. Tính khối lượng cảu sắt và đồng
2.3.7. Tính các thông số của máy biến áp
Chương 3. TÍNH CHỌN MẠCH BẢO VỆ VÀ CUỘN KHÁNG SAN BẰNG
3.1. Thiết kế cuộn kháng lọc

3.1.1. Xác định góc mở cực tiểu và cực đại
SVTH: Hà Ngọc Chính

4

2
6
6
6
10
17
17
17
19
22
25
25
25
26
26
26
27
27
27
29
30
34
36
37
40

40
40


Đồ án môn: Điện tử Công suất



GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

3.1.2. Xác định các thành phần sóng hài
3.1.3. Xác định điện cảm cuộn kháng lọc
3.1.4. Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc
3.2. Tính chọn mạch bảo vệ cho mạch động lực
3.2.1. Giới thiệu
3.2.2. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn
3.2.3. Bảo vệ quá dòng điện cho van
3.2.4. bảo vệ quá điện áp cho van
3.3. Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ
Chương 4. Thiết kế mạch điều khiển
4.1. Giới thiệu
4.1.1. Chức năng
4.1.2. Cấu trúc của mạch điều khiển một thysistor
4.2. Nguyên lý điều khiển Arccos
4.3. Cấu tạo chức năng từng khối
4.3.1. Khâu đồng pha
4.3.2. Khâu so sánh
4.3.3. Khâu khuếch đại
4.3.4 Khâu biến áp xung
4.3.5 Khâu tích phân

4.4. Mô phỏng hệ thống
4.4.1. Mạch mô phỏng
4.4.2. kết quả mô phỏng
Lời kết
Tài liệu tham khảo

SVTH: Hà Ngọc Chính

5

41
42
43
47
47
48
49
50
51
53
53
53
53
54
54
55
60
60
61
63

65
65
66
67
68


Đồ án môn: Điện tử Công suất



GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

Chương 1
Tổng quan về bộ chỉnh lưu hình tia 3 pha
1.1. TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU 3 PHA HÌNH TIA
1.1.1 tổng quan về thysistor :
A

P1 J1

- + - +
+
N
1+P2 - + N2
+
- + - +
+
J3
Ei J2

G

K

b)

a)

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động và kí hiệu của thysistor
Thysistor là dụng cụ bán dẫn gồm 4 lớp bán đẫn loại P và N ghép xen kẽ nhau và có
3 cực anốt, catốt và cực điều khiển riêng G .
Nguyên lí hoạt động
Theo như hình 1.1a, khi Thyristor được nối với nguồn một chiều E > 0 tức cực dương
đặt vào anốt cực âm đặt vào catốt, thì tiêp giáp J1, J3 được phân cực thuận còn miền J2
phân cực ngược, gần như toàn bộ điện áp được đặt lên mặt ghép J 2, điện trường nội tại
E1 của J2 có chiều từ N1 hướng tới P2. Điện trường ngoài tác động cùng chiều với E1, vùng
chuyển tiếp là vùng cách điện càng được mở rộng rda, không có dòng điện chạy qua
tiristor mặc dù nó được đặt dưới 1 điện áp dương.
+Mở Thyristor
Nếu cho một xung điện áp dương Ug tác động vào cực G (dương so với K ) thì các
electron từ N2 chạy sang P2. Đến đây một số ít trong chúng chảy về nguồn U g và hình
thành dòng điều khiển Ig chảy theo mạch G1 - J3 - K - G , còn phần lớn điện tử dưới sức
hút cuả điện trường tổng hợp của mặt J2 lao vào vùng chuyển tiếp này chúng được tăng
tốc do đó có động năng rất lớn sẽ bẻ gảy các liên kết giữa các nguyên tử Si, tạo nên các
SVTH: Hà Ngọc Chính

6


Đồ án môn: Điện tử Công suất



GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

điện tử tự do mới. Số điện tử này lại tham gia bắn phá các nguyên tử Si khác trong vùng
chuyển tiếp. Kết quả của các phản ứng dây chuyền này làm xuất hiện càng nhiều điện tử
chạy vào vung N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây nên hiện tượng
đẫn điện ào ạt làm cho J2 trở thành mặt ghép dẫn điện bắt đầu từ một điểm nào đó ở
sung quanh cực rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép với tốc độ lan truyền khoảng
1m/100s

- Một trong những biện pháp đơn giản nhất để mở Thyristor được trình bày trên
Hình 1.2. Sơ đồ mở thysistor
hình 1-2.
- Khi đóng mở K, nếu Ig > Igst thì T mở ( Ig  (1,1 1,2 ). Igst )

G=

E
(1,1-1,2)Igst

Ig : Giá trị dòng điều khiển ghi trong sổ tay tra cứu Thyristor
R2=1001000()
Có thể hình dung như sau: Khi dặt Thyristor ở UAK > 0 thì Thyristor ở tình trạng sẵn
sàn mở cho dòng chảy qua, nhưng nó còn đợi tín hiệu Ig ở cực điều khiển, nếu Ig > Igst thì
Thyristor mở.
+ Khoá Thyristor
Một khi Thyristor đã mở thì tín hiệu thì tín hiệu Ig không còn tác dụng nữa. Để khoá
Thyristor có 2 cách :

. Giảm dòng điện làm việc I xuống giá trị dòng duy trì Idt
P2, bây giờ đảo chiều hành trình, tạo nên dòng điện ngược chảy từ Catốt về Anốt và
về cực âm của nguồn điện áp ngoài.

SVTH: Hà Ngọc Chính

7




Đồ án môn: Điện tử Công suất

GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

- Lúc đầu quá trình từ t0 t1, dòng điện ngược khá lớn, sau đó J1, J3 trở nên cách
điện. Còn một ít điện tử được giủ lại giữa hai mặt ghép, hiện tượng khuếch tán sẽ làm
chúng ít dần đi cho đến hết và J2 khôi phục lại tính chất của mặt ghép điều khiển.
. Đặt một điện áp ngược lên Thyristor UAK < 0, hai mặt J1, J3 phân cực ngược, J2 phân
cực thuận. Những điện tử trước thời điểm đảo cực tính UAK < 0 đang có mặt tại P1, N1.
- Thời gian khoá toff được tính từ khi bắt đầu xuất hiên dong điện ngược bằng 0 (t2)
đây là thời gian mà sau đó nếu đặt điện áp thuận lên Thyristor thì Thyristor vẫn không
mở, toff kéo dài khoảng vài chục s. Trong bất kỳ trường hợp nào cũng không được đặt
tiristor dưới điện áp thuận khi Thyristor chưa bị khoá nếu không sẽ có nguy cơ gây ngắn
mạch nguồn.

+E

+E

R

Rt1

C

A

T

K

C

T1

Hình 1-3a

Rt2
B
T2
Hình 1-3b

Hình 1.3. Sơ đồ khóa thysistor
Trên sơ đồ hình 1-3a, việc khoá Thyristor bằng điện áp ngược được thực hiện bằng
cách đong khoá K.
Còn sơ đồ 1-3b cho phép khóa Thyristor một cách tự động. Trong mạch hình 1-3c khi
mở Thyristor này thì tiristor kia sẽ khoá lại.
Giả thuyết cho một xung điện áp dương đặt vào G1T1 mở dẫn đến xuất hiện 2 dòng
điện : Dòng thứ nhất chảy theo mạch : +E - R1-T1 - -E,còn dòng thứ 2 chảy theo mạch

+E - R2 -T1- -E.
- Tụ C được nạp điện đến giá trị E, bản cực dương ở B, bản cực âm ở A. Bây giờ nếu
cho một xung điện áp dương tác động vào G2T2 mở nó sẽ đặt điện thế điểm B vào
catốt của T1. Như vậy là T1 bị đặt dưới điện áp Uc = -E và T1 bị khoá lại.
SVTH: Hà Ngọc Chính

8




Đồ án môn: Điện tử Công suất

GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

-T2 mở lại xuất hiện 2 dòng điện : Dòng thứ nhất chảy theo mạch : + E - R 1-C - T2 - E. Còn dòng thứ hai chảy theo mạch : +E - R2 - T2 - -E.
- Tụ C được nạp ngược lại cho đến giá trị E, chuẩn bị khoá T2 khi ta cho xung mở T1
Điện dung của tụ điện chuyển mạch
- Trong sơ đồ hình 1-3a,b một câu hỏi được đặt ra là : Tụ điện C phải có giá trị bằng
bao nhiêu thì có thể khoá được Thyristor 
 Như đã nói ở trên khi T1 mở cho dòng chảy qua thì C được nạp điện đến giá trị E.
bản cực “+” ở phía điểm B. tại thời điểm cho xung mở T2 (cả 2 Thyristor điều mở), ta có
phương trình mạch điện.
du
E = i . R1 + Uc với i=C c
Nên E=C. R1
Viết dưới dạng toán tử Laplace :
P
E

duc
dt

dt

+Uc

=C.R1 {P. [Uc (p)-Uc (0)]}+Uc (p)

Vì Uc (0)=-E nên U (p) = Q.

(

)

với 𝑎 =

.

Từ đó ta có : Thời gian toff là khoảng thời gian kể từ khi mở T2 cho đến khi UT1 bắt đầu
trở thành dương, vậy ta có :
t
E(1-2.e-at )=0→t off =0,693. R 1 C hoặc C= off
E

1,44.I.t off

I

E

R 1 = sẽ nhận được C=

0,693.R 1

toff : ; I : Ampe ; E : Volt ; C : F
Đặt tính Volt - Ampe của Thyristor

Hình 1.4. Đồ thị đặc tính volt-ampe

SVTH: Hà Ngọc Chính

9


Đồ án môn: Điện tử Công suất



GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

Đoạn 1 : Ứng với trạng thái khoá của Thyristor, chỉ có dòng điện rò chảy qua Thyristor
khi tăng U lên đến Uch (điện áp chuyển trạng thái ), bắt đầu quá trình tăng nhanh chống
của dòng điện. Thyristor chuyển sang trạng thái mở.
Đoạn 2 : Ứng với giai đoạn phân cực thuận của J2. Trong giai đoạn này mỗi lượng
tăng nhỏ của dòng điện ứng với mọt lượng giảm lớn của điện áp đặt lên Thyristor, đoạn
này gọi là đoạn điện trở âm.
Đoạn 3 : Ứng với trạng thái mở của Thyristor. Khi này cả 3 mặt ghép đã trở thàng
đẫn điện. Dòng chảy qua Thyristor chỉ còn bị hạn chế bởi điện trở mạch ngoài. Điện áp
rãi trên Thyristor rất lớn khoảng 1V. Thyristor được giử ở trạng thái mở chừng nào I còn

lớn hơn dòng duy trì IH.
Đoạn 4 : Ứng với trạng thái Thyristor bị đặt dưới điện áp ngược. Dòng điện rất lớn,
khoảng vài chục mA. Nếu tăng U đên Ung thì dòng điện ngược tăng lên nhanh chống, mặt
ghép bị chọc thủng, Thyristor bị hỏng. Bằng cách cho Ig lớn hơn 0 sẽ nhận được đặt tính
Volt - Ampe với các Uch nhỏ dần đi.

1.1.2. Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha
Gồm 1 máy biến áp 3 pha có thứ cấp nối Yo, 3 pha Thyristor nối với tải như hình 1.5a.
 Điều kiện khi cấp xung điều khiển chỉnh lưu:
+Thời điểm cấp xung điện áp pha tương ứng phải dương hơn so với trung tính.
+Khi biến áp đấu hình sao (Y)trên mỗi pha A,B,C nối một van.3 ca tốt đấu chung cho
điện áp dương của tải ,còn trung tính biến áp, sẽ là điện áp âm. Ba pha này dịch góc 120 o
theo các đường cong điện áp pha ,có điện áp của 1 pha dương hơn điện áp của 2 pha kia
trong khoảng thời gian 1/3 chu kì .
+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 tự nhiên:
+Góc mở  được xác định từ lúc điện áp đặt lên van tương ứng chuyển từ âm đến
0 (từ đóng sang khoá) cho đến khi bắt đầu đặt xung điều khiển vào.
+Điện áp gây nên quá trình chuyển mạch: điện áp dây.
+0≤α<π-γ-μ
Trong đó : : góc dẫn

SVTH: Hà Ngọc Chính

: góc chuyển mạch

10



Đồ án môn: Điện tử Công suất

GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

a)

b)
Hình 1.5. Sơ đồ chỉnh lưu và dạng sóng tia 3 pha
Nguyên lý hoạt động
a) Xét khi góc mở  = 0:
- Điện áp pha thứ cấp máy biến áp
Va = √2U2 sinθ
Vb = √2U2 sin(θ-

2π

Vc = √2U2 sin(θ-

2π

3
3

)
)

- Qua hình 1.6 ta thấy:

SVTH: Hà Ngọc Chính

11


Đồ án môn: Điện tử Công suất



GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

 Lúc θ < θ < θ  Va > Vb > Vc. Va có giá trị lớn nhất nên T1 mở cho dòng chạy
v E
qua T2; T3 khoá i1  a
R
 Lúc θ < θ < θ  Vb > Vc > Va. Vb có giá trị lớn nhất nên T2 mở cho dòng chạy
qua T1; T3 khoá i 2 

vb  E
R

 Lúc θ < θ < θ  Vc> Va > Vb. Vc, T3 mở; T1, T2 khoá; i 3 

Hình 1.6. Dạng sóng khi hoạt động của điện áp và
dòng điện chỉnh lưu

SVTH: Hà Ngọc Chính

12

vc  E
R




Đồ án môn: Điện tử Công suất

GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

Trong đó:
R: điện trở của động cơ.
E: suất điện động phản kháng của động cơ.
Id 

ud  E
R

Dòng trung bình:
I =I =I =

1
2π

I . dθ =

I
3

b) Xét khi góc mở   0 :

Giả thiết tải : R, L,Eu , chuyển mạch tức thời.
Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp:
u = U sinθ
u = U sin(θ −
u = U sin(θ +

2π
)
3

)

*Nhịp V1: khoảng thời gian từ 1  2 :
Tại  1 điện áp đặt lên u1 > 0, có xung kích khởi: T1 mở, khi đó:
u
u

u =0
=u −u <0
=u −u <0

T1 mở, T2, T3 đóng, lúc này:
+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u1 :

u d = u1

+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện qua van 1:

i d = I d = i1

+Dòng điện qua T2, T3 bằng 0:

i 2 = 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 V1, bắt đầu nhịp V2.
*Nhịp V2: từ θ → θ :
SVTH: Hà Ngọc Chính

13


Đồ án môn: Điện tử Công suất



GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

u =0
u =u −u
u =u −u
T2 mở, T1, T3 đóng.
+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u2:

u d = u2

+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 2: i d = Id = i2
+Dòng điện qua T1, T3 bằng 0:

i 1 = 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 θ → θ :
u
u

u =0
=u −u
=u −u

T3 mở, T1, T2 đóng.
+Điện áp chỉnh lưu bằng điện áp u3:

u d = u3

+Dòng điện chỉnh lưu bằng dòng điện dòng điện qua van 3: i d = Id = i3
+Dòng điện qua T1, T2 bằng 0:

i 1 = 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 i d
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, id = Id .
Trị trung bình của điện áp tải:
2
3π

√2U . sinθ. dθ =

3√6U
. cosα = 1,17U cosα
2π

Trong đó :  : Góc mở Thyristor.
Trùng dẫn:

SVTH: Hà Ngọc Chính

14




Đồ án môn: Điện tử Công suất

GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

e = √2U . sinθ
e = √2U . sin(θ −

)

e = √2U . sin(θ +

)

Giả sử T1 đang cho dòng chạy qua, iT1 = Id. Khi 𝜃 = 𝜃 cho xung điều khiển mở T2. Cả

2 Thyristor T1 và T2 đều cho dòng chảy qua làm ngắn mạch 2 nguồn ea và eb. Nếu chuyển
gốc toạ độ từ  sang  2 ta có:
e = √2U . sin(θ +

5π
+ α)
6

e = √2U . sin(θ + + α)
Điện áp ngắn mạch:
U = e − e = √2. U . sin(θ + α)
Dòng điện ngắn mạch được xác định bởi phương trình:
√6. U . sin(θ + α) = 2. X .

di
dt

Do đó:
i =

√6. U
. [cosα − cos(θ + α)
2. X

Nguyên tắc điều khiển các Thyristor : Khi anod của Thyristor nào dương hơn
Thyristor đó mới được kích mở. Thời điểm của 2 pha giao nhau được coi là góc thông tự
nhiên của các Thyristor. Các Thyristor chỉ được mở với góc mở nhỏ nhất .
Tại mỗi thời điểm nào đó chỉ có 1 Thyristor dẫn ,như vậy dòng điện qua tải liên tục,
mỗi t dẫn trong 1/3 chu kì.còn nếu điện áp tải gián đoạn thì thời gian dẫn của các Thyristor
nhỏ hơn .Tuy nhiên, trong cả 2 TH dòng điện trung bình của các Thyristor đều bằng 1/3 I d

.trong khoảng thời gian Thyristor dẫn dòng điện của Thyristor bằng dòng điện tải. Dòng
điện Thyristor khoá = 0. Điện áp Thyristor phải chịu bằng điện dây giữa pha có Thyristor
khoá với pha có Thyristor đang dẫn.
Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ thuộc vào góc
mở Thyristor .
+Nếu   30  Ud , Id liên tục.
+Nếu  > 30  Ud , Id gián đoạn
SVTH: Hà Ngọc Chính

15


Đồ án môn: Điện tử Công suất



GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

Hình 1.7. Giản đồ đường cong khi = 30o
tải thuần trở

Hình 1.8. Giản đồ đường cong khi góc
mở = 60o

 Nhận xét
So với chỉnh lưu 1 pha:

+Chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện một chiều tốt hơn.
+Biên độ điện áp đập mạch tốt hơn.
+Thành phần sóng hài bậc cao bé hơn .

+Việc điều khiển các van bán dẫn cũng tương đối đơn giản hơn.
Dòng điện mỗi cuộn thứ cấp là dòng điện 1 chiều ,do biến áp 3 pha 3 trụ mà
từ thông lõi thép biến áp là từ thông xoay chiều không đối xứng làm cho công suất biến
áp phải lớn. Khi chế tạo biến áp động lực, các cuộn dây thứ cấp phải đấu sao(Y) ,có dây
trung tính phải lớn hơn dây pha vì dây trung tính chịu dòng tải.

SVTH: Hà Ngọc Chính

16


Đồ án môn: Điện tử Công suất



GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

1.2. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP
1.2.1. Giới thiệu về động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều được dùng rất phổ biến trong công nghiệp,giao thông vận
tải và nói chung trong các thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi
rộng. Máy điện một chiều có thể làm việc cả hai chế độ máy phát và động cơ. Khi máy làm
việc ở chế độ máy phát công suất đầu vào là công suất cơ còn công suất đầu ra là công
suất điện. Động cơ quay roto máy phát điện một chiều có thể là turbine gas, động cơ
điesel hoặc là động cơ điện. Khi máy điện một chiều làm việc ở chế độ động cơ, công suất
đầu vào là công suất điện còn công suất đầu ra là công suất cơ.
Cả hai chế độ làm việc, dây quấn đông cơ điện một chiều đều quay trong từ trường
và có dòng điện chạy qua.
SĐĐ phần ứng động cơ điện một chiều tính theo công thức:
Eư = kE  n = kM 

Mômen điện từ tính theo công thức
M = kM  Iư
Phương trình cân bằng điện áp của động cơ :
U = Eư + Rư * Iư
1.2.2. Cấu tạo máy điện một chiều
1. Stato
 Đây là một phần đứng yên của máy .
Phần tĩnh gồm các bộ phận tĩnh sau:
a) Cực từ chính
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 cục từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép
cácbon dày 0.5 đến 1mm ép lại và tán chặt . Trong máy điện nhỏ có thể làm bằng thép
khối . Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông .Dây quấn kích từ được quấn bằng
dây đồng cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm
sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ . Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này
được nối nối tiếp với nhau.

SVTH: Hà Ngọc Chính

17


Đồ án môn: Điện tử Công suất



GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

b) Cực từ phụ :
Cực từ phụ được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều . 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 nhờ những bulông.
c) Gông từ :

Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ , đồng thời làm vỏ máy . trong máy
điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại , Trong máy điện lớn thường
dùng thép đúc . Có khi trong máy điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy .
d) Các bộ phận khác :
Các bộ phận khác gồm có :
Nắp máy: Để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn hay an toàn cho
người khỏi chạm phải điện . Trong máy điện nhỏ và vừa , nắp máy còn có tác dụng làm giá đở ổ
bi. Trong trường hợp này nắp máy thường làm bằng gang.
Cơ cấu chổi than: Để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài .
Cơ cấu chổi than gồm có chổi than đặt trong hộp chổi than và nhờ một lò xo tì chặt lên cổ góp .
+Hộp chổi than được cố định trên giá chổi than và cách điện với giá .
+Giá chổi than có thể quay được để điều chỉnh vị trí chổi than cho đúng chổ .
+Sau khi điều chỉnh xong thì dùng vít cố định chặt lại.

2. Roto
Phần quay gồm có những bộ phận sau :
a) Lõi sắt phần ứng :

Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ .Thường dùng những tấm thép kỷ thuật điện (thép
hợp kim silic) dày 0.5 mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm hao tổn
do dòng điện xoáy gây nên .Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt
dây quấn vào.
b) Dây quấn phần ứng :
Dây quấn phần ứng là phần sinh ra sức điện động và có dòng điện chạy qua. Dây
quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ (công
suất dưới vài kW ) thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn , thường

dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rảnh của lõi thép.
c) Cổ góp :
Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều ) dùng để đổi chiều dòng điện xoay
chiều thành dòng điện một chiều .
d) Các bộ phận khác :
SVTH: Hà Ngọc Chính

18


Đồ án môn: Điện tử Công suất



GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

-Cánh quạt : Dùng để quạt gió làm nguội máy .
-Trục máy : Trên đó đặt lõi sắt phần ứng , cổ góp cánh quạt và ổ bi .
Trục máy thường làm bằng thép cacbon tốt .
3. Các trị số định mức
Chế độ làm việc định mức của máy điện một chiều là chế độ làm việc trong những
điều kiện mà xưởng chế tạo đã quy định.Chế độ đó đươc đặc trưng bằng những đại lượng
ghi trên nhãn máy và gọi là những đại lượng định mức . Trên nhãn máy thường ghi những
đại lượng sau :
Công suất định mức: Pđm (KW hay W);
Điện áp định mức: Uđm (V);
Dòng điện định mức: Iđm (A);
Tốc độ định mức: nđm (vg/ph).
Ngoài ra còn ghi kiểu máy , phương pháp kích từ , dòng điện kích từ và các số liệu về
điều kiện sử dụng .

1.2.3. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều
Quan hệ giửa tốc độ và mômen động cơ gọi là đặc tính cơ của động cơ :
 = f(M) hoặc n = f(M).
Quan hệ giửa tốc độ và mômen của máy sản xuất gọi là đặc tính cơ của máy sản
xuất:
c= f(Mc) hoặc nc= f(Mc).
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 giửa tốc độ và dòng điện trong mạch động cơ:  =
f(I) hoặc n = f(I).

Hình 1.9. Sơ đồ mạch phần ứng
SVTH: Hà Ngọc Chính

19




Đồ án môn: Điện tử Công suất

GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

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

1. Phương trình đặc tính cơ
Theo sơ đồ hình 1.9 ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của mạch phần
ứng như sau:
Uư = Eư + (Rư +Rf)Iư
( 1-1)
Trong đó:Uư - điện áp phần ứng, (V)

Eư - sức điện động phần ứng,(V)
Rư - điện trở của mạch phần ứng, ()
Rf - điện trở phụ trong của mạch phần ứng, ()
Với:

Rư = rư + rcf + rb + rct

Trong đó:

rư - điện trở cuộn dây phần ứng.
rcf - điện trở cuộn cực từ phụ.
rb- điện trở cuộn bù.
rct- điện trở tiếp xúc chổi than.

Sức điện động Eư của phần ứng động cơ được
xác định theo biểu thức:
Eư =

(1-2)

ϕω = kϕω

Trong đó: p - số đôi cực từ chính.
N - số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng.
A - số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng.
 - từ thông kích từ dưới một cực từ.
 - tốc độ góc,rad/s.
k=

- hệ số cấu tạo của động cơ.

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:
Eư = Ke.n
Với:
Vì vậy:

=

=

,

Eư =

SVTH: Hà Ngọc Chính

ϕn

20

(1-3)




Đồ án môn: Điện tử Công suất

Ke =
Ke =

GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

là hệ số sức điện động của động cơ .
,

 0.105K

Từ (1-1) và (1-2) ta có:
ư

ω=

ư

−

Iư

(1-4)

Biểu thức (1-4) là phương trình đặc tính cơ điện của đông cơ.
Mặt khác, mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi:
Mđt= K Iư
Suy ra:

Iư =

(1-5)

M dt

.
K

Thay giá trị Iư vào (1-4) ta được:
ω=

ư

−

ư

(

M

)

(1- 6)

Nếu bỏ qua các tổn thất cơ và tổn thất thép thì mômen cơ trên trục động cơ bằng
mômen điện từ, ta ký hiệu là M. Nghĩa là Mđt= Me= M. Khi đó ta được:
ω=

ư

−

ư

(

)

(1-7)

M

Đây là phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Giả thiết phản ứng phần ứng được bù đủ, từ thông  = const, thì cá phương trình
đặc tính cơ điện (1- 4) và phương tình đặc tính cơ (1-7) là tuyến tính. Đồ thị của chúng
được biểu điển trên hình 1-4b là những đường thẳng.
Theo các đồ thị trên, khi Iư= 0 hoặc M = 0 ta có:
ω=

ư

=ω

0: gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ.
Còn khi  = 0 ta có:
Iư =

ư

=I

(1-9)

Và M = KInm = Mnm Inm,

SVTH: Hà Ngọc Chính

21

(1-8)




Đồ án môn: Điện tử Công suất

GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

Hình 1.10. Đồ thị đặc tính cơ của động cơ
điện 1 chiều kích từ độc lập
Inm,Mnm được gọi là dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch.
Mặt khác từ phương trình đặc tính (1-4) và (1-7) cũng có thể được viết dưới dạng:
ω=

ư

−

= ω − ∆ω (1-10)

ω=

ư

−(

)

ω=

ư

∆ω =

Iư = (

= ω − ∆ω

)

M: gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M.

1.2.4. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều kích từ độc lập
1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ
Đối với các máy điện một chiều, khi giữ từ thông không đổi và điều chỉnh điện áp trên
mạch phần ứng thì dòng điện, moment sẽ không thay đổi. Để tránh những biến động lớn
về gia tốc và lực động trong hệ điều chỉnh nên phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách
thay đổi điện áp trên mạch phần ứng thường được áp dụng cho động cơ một chiều kích
từ độc lập.
Để điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ, ta dùng các bộ nguồn điều áp như:
máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi van hoặc khuếch đại từ… Các bộ biến đổi trên
dùng để biến dòng xoay chiều của lưới điện thành dòng một chiều và điều chỉnh giá trị
sức điện động của nó cho phù hợp theo yêu cầu.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

n=

−

SVTH: Hà Ngọc Chính

M

22


Đồ án môn: Điện tử Công suất



GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

Ta có tốc độ không tải lý tưởng: no = Uđm/KEđm.
Nhận xét: Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần
ứng động cơ sẽ giữ nguyên độ cứng của đường đặc tính cơ nên được dùng nhiều trong
máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn n cb.
* Ưu điểm: Đây là phương pháp điều chỉnh triệt để, vô cấp có nghĩa là có thể điều chỉnh
tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi ở không tải lý tưởng.
* Nhược điểm: Phải cần có bộ nguồn có điện áp thay đổi được nên vốn đầu tư cơ bản và
chi phí vận hành cao.
2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông

Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi
từ thông.

Điều chỉnh từ thông kích thích của động cơ điện một chiều là điều chỉnh moment điện
từ của động cơ M = KMIư và sức điện động quay của động cơ.
Eư = KEn. Thông thường, khi thay đổi từ thông thì điện áp phần ứng được giữ nguyên
giá trị định mức.
Đối với các máy điện nhỏ và đôi khi cả các máy điện công suất trung bình, người ta
thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để thay đổi từ thông do tổn hao công
suất nhỏ. Đối với các máy điện công suất lớn thì dùng các bộ biến đổi đặc biệt như: máy
phát, khuếch đại máy điện, khuếch đại từ, bộ biến đổi van…
Thực chất của phương pháp này là giảm từ thông. Nếu tăng từ thông thì dòng điện
kích từ IKT sẽ tăng dần đến khi hư cuộn dây kích từ. Do đó, để điều chỉnh tốc độ chỉ có thể
giảm dòng kích từ tức là giảm nhỏ từ thông so với định mức. Ta thấy lúc này tốc độ tăng
lên khi từ thông giảm: n = U/KE.

SVTH: Hà Ngọc Chính

23


Đồ án môn: Điện tử Công suất



GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta có một tốc độ lớn nhất cho phép. Khi điều chỉnh tốc độ
tùy thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ góp động cơ không thể đổi chiều dòng điện
và chịu được hồ quang điện. Do đó, động cơ không được làm việc quá tốc độ cho phép.
Nhận xét: Do quá trình điều chỉnh tốc độ được thực hiện trên mạch kích từ nên tổn
thất năng lượng ít, mang tính kinh tế, thiết bị đơn giản.
3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng

Trong phương pháp này điện trở phụ được mắc nối tiếp với mạch phần ứng của động
cơ theo sơ đồ nguyên lý như sau:
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng được
giải thích như sau: Giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc độ n 1 ta đóng thêm Rf vào
mạch phần ứng. Khi đó dòng điện phần ứng Iư đột ngột giảm xuống, còn tốc độ động cơ
do quán tính nên chưa kịp biến đổi. Dòng Iư giảm làm cho moment động cơ giảm theo và
tốc độ giảm xuống, sau đó làm việc xác lập tại tốc độ n2 với n2 > n1.
Phương pháp điều chỉnh tốc độ này chỉ có thể điều chỉnh tốc độ n < n cb.
Khi giá trị Rf càng lớn thì tốc độ động cơ càng giảm. Đồng thời dòng điện ngắn mạch In
và moment ngắn mạch Mn cũng giảm. Do đó, phương pháp này được dùng để hạn chế
dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản. Và tuyệt đối không được dùng cho
các động cơ của máy cắt kim loại.

Hình 1.12. Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay
đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng
* Ưu điểm: Thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng cho các động cơ cho cần
trục, thang máy, máy nâng, máy xúc, máy cán thép.

SVTH: Hà Ngọc Chính

24


Đồ án môn: Điện tử Công suất



GVHD: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

* Nhược điểm: Tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào càng lớn,

đặc tính cơ càng mềm, độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi phụ tải thay đổi càng
kém. Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp thì tổn hao phụ càng tăng.

1.3. MÔ PHỎNG CHỈNH LƯU TIA 3 PHA CÓ ĐỘNG CƠ
1.3.1. Mạch mô phỏng

Hình 1.13. Sơ đồ mô phỏng chỉnh lưu tia 3 pha có động cơ
1.3.2. Kết quả mô phỏng

Hình 1.14. Kết quả mạch mô phỏng
SVTH: Hà Ngọc Chính

25