Thiết kế bộ điều áp xoay chiều điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ 3 pha

TRƢỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG
----------

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ
ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTO LỒNG SÓC

Giáo viên hƣớng dẫn : TS. NGUYỄN NGỌC KHOÁT
Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THỊ XOAN
Mã SV :
1481410086
Khoa :
Lớp :
Khóa :

CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG
Đ9 - CNTĐ1
2014 – 2019

Hà Nội, tháng 4 năm 2017

1


KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
---------o0o---------

ĐỀ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Giáo viên hƣớng dẫn: TS. NGUYỄN NGỌC KHOÁT
Nguyễn Thị Xoan

Sinh viên:
Ngày giao đề:

………………………

Ngày hoàn thành: ……………………….
Thiết kế bộ điều áp xoay chiều để chiều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ ba
pha roto lồng sóc
Cho thông số:
Thông số động cơ

Nguồn cấp
Nguồn 3 pha,
380V, tần số
50Hz

P = 77 kW ; n = 1150 vòng/phút ;

= 0,85

cos = 0,92; Mkd/Mdm = 1,2 ; Mmax/Mdm = 2,2
Ikd/Idm = 4,8; J = 1,5kg/m2; U1 = 220/380V

Yêu cầu :
1. Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ 3 pha roto lồng sóc
2. Lựa chọn bộ biến đổi công suất khả thi
3. Thiết kế và tính toán mạch lực
4. Thiết kế và tính toán mạch điều khiển
5. Mô phỏng kiểm chứng mạch

2


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………

3


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, trên tất cả các nƣớc trên thế giới nói chung và nƣớc ta nói riêng ở đó
các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp, nông nghiệp và
cả trong lĩnh vực sinh hoạt. Các nhà máy, xí nghiệp đã ứng dụng ngày càng nhiều
những thành tựu của công nghiệp điện tử công suất.
Ứng dụng Điện tử công suất trong truyền động điện – điều khiển tốc độ động cơ điện là
lĩnh vực quan trọng và ngày càng phát triển. Các nhà sản xuất không ngừng cho ra đời
các sản phẩm và công nghệ mới về các phần tử bán dẫn công suất và các thiết bị điều
khiển đi kèm. Đƣợc thầy giao cho đồ án với đề tài “Thiết kế bộ điều áp xoay chiều để
chiều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ ba pha roto lồng sóc ”, chúng em đã cố
gắng tìm hiểu kĩ về các phƣơng án công nghệ sao cho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu
cầu kĩ thuật , vừa đảm bảo yêu cầu kinh tế với hy vọng đồ án điện tử công suất này là
một bản thiết kế kĩ thuật có thể áp dụng đƣợc trong thực tế nên chúng em đã cố gắng

mô tả cụ thể , tỉ mỉ và tính toán cụ thể các thông số.
Để hoàn thành tốt đề này,chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Ngọc
Khoát và các thầy cô trong khoa Công Nghệ Tự Động trƣờng đại học Điện Lực, đã
giúp đỡ chúng em trong thời gian làm đề tài. Và hơn nữa, cảm ơn thầy đã dìu dắt, trang
bị kiến thức cả chuyên môn.Đồng thời nhóm cũng cảm ơn các bạn trong lớp D9CNTD1 đã có những góp ý quý báu cho nhóm.
Do thời gian có hạn nên cũng không thể tránh đƣợc những sai sót trong quá trình
làm đề tài. Nhóm mong đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn để có
thể hoàn thiện đề tài tốt hơn.
Xin chân thành cảm ơn.

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Xoan

4


MỤC LỤC

CHƢƠNG I:

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ... 7

VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ .................................. 7
1.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ ......................................................... 7
1.2 Vấn đề về điều chỉnh tốc độ động cơ ..................................................................... 7
1.3 Các phƣơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ ...................................................... 11
1.3.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch rôto(R2f).... 11
1.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp stator .................................... 12
CHƢƠNG II:

GIỚI THIỆU BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ..................... 14

2.1: Giới thiệu chung ................................................................................................. 14
2.2 Các sơ đồ van ....................................................................................................... 15
2.3 Điều áp xoay chiều một pha ................................................................................ 16
2.4 Điều áp xoay chiều 3 pha ..................................................................................... 17
2.4.1 Các sơ đồ ứng dụng ....................................................................................... 17
2.4.2 Phân tích sự hoạt động của sơ đồ .................................................................. 18
CHƢƠNG III:

THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC ...................................... 22

3.1 Tính thông số van ................................................................................................ 22
3.2 Điều kiện làm mát cho van .................................................................................. 22
3.3 Mạch bảo vệ van .................................................................................................. 23
CHƢƠNG IV: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN ........................ 25
4.1 Yêu cầu chung của mạch điều khiển ....................................................................... 25
4.1.1 Nguyên tắc điều khiển ngang ........................................................................ 25
4.1.2 Nguyên tắc điều khiển dọc ............................................................................ 26
4.2 Khâu đồng bộ ....................................................................................................... 26
4.2.1 Đồng pha ....................................................................................................... 26
4.2.2 Đồng bộ ......................................................................................................... 27

5


4.3 Khâu tạo điện áp răng cƣa ................................................................................... 29
4.3 Khâu so sánh ........................................................................................................ 30
4.4 Khâu tạo xung chùm ............................................................................................ 31
4.4.1 Bộ tạo dao động ............................................................................................ 31

4.4.2 Tách xung ...................................................................................................... 31
4.5 Khuếch đại xung .................................................................................................. 32
4.6 Khối tạo nguồn một chiều .................................................................................... 33
CHƢƠNG V :

MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG MẠCH THIẾT KẾ ........................... 35

5.1 Mô phỏng hệ thống bằng Simulink ..................................................................... 35
5.1.1 Sơ đồ khối phát xung 1 kênh điều khiển ....................................................... 35
5.1.2 Sơ đồ khối phát xung .................................................................................... 37
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 40
PHẦN MỀM MÔ PHỎNG............................................................................................. 40

6


CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
- Trong lịch sử máy điện, máy điện không đồng bộ (KĐB) ra đời muộn hơn so với
các loại máy điện khác, nhƣng đến hiện nay, nó là loại máy điện đƣợc sử dụng rộng rãi
nhất trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng trăm kW.
- Trong công nghiệp thƣờng dùng máy điện không đồng bộ làm nguuồn động lực
cho các máy gia công chế tạo sản phẩm.
- Trong đời sống hàng ngày, máy điện không đồng bộ cũng dần dần chím một vị trí
quan trọng nhƣ: quạt gió, động cơ bơm gia dụng …..
- Sở dĩ máy điện không đồng bộ đƣợc sử dụng và phát triển nhanh chóng nhƣ vậy
bởi những tính năng nổi bật và vƣợt trội so với máy điện một chiều và máy điện đồng
bộ nhƣ:
• Có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo.

• Làm việc chắc chắn, vận hành tin cậy, hiệu suất tƣơng đối cao. Chi phí vận hành
và bảo trì sửa chữa thấp.
• Sử dụng trực tiếp với lƣới điện xoay chiều do đó không tốn chi phí cho các bộ biến
đổi.
• Giá thành thấp, dễ chấp nhận.
- Tuy nhiên, máy điện không đồng bộ chủ yếu đƣợc sử dụng ở chế độ động cơ nên
một trong những nhƣợc điểm của nó là dòng khởi động thƣờng cao (thƣờng từ khoảng
4 ÷ 7 lần dòng định mức). Điều này không những làm cho thân máy bị nóng mau giảm
tuổi thọ động cơ mà còn làm cho điện áp lƣới điện giảm sút nhiều, nhất là với những
lƣới điện công suất nhỏ.
- Do đó vấn đề đặt ra là ta phải giảm đƣợc dòng điện mở máy của động cơ không
đồng bộ và đặc biệt là động cơ không đồng bộ roto ngắn mạch. Việc tác động vào động
cơ roto ngắn mạch thƣờng khó khăn hơn so với động cơ roto dây quấn, tuy nhiên, hiện
nay với việc áp dụng những ứng dụng của điện tử công suất thì công việc đó đã trở nên
dễ dàng hơn.
1.2 VẤN ĐỀ VỀ ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
- Động cơ không đông bộ ba pha đƣợc sử dụng rộng rãi trong thực tế. Ƣu điểm nổi
bật của nó là: cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy, vốn đầu tƣ ít, giá thành hạ, trọng
lƣợng, kích thƣớc nhỏ hơn khi dùng công suất định mức so với động cơ một chiều.Sử
dụng trực tiếp lƣới điện xoay chiều 3 pha…
7


- Tuy nhiên, việc điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn
hơn, các động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu,
(dòng khởi động lớn, mômen khởi động nhỏ).
- Trong thời gian gần đây, do phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ
thuật điện tin học, động cơ ĐK mới đƣợc khai thác các ƣu điểm của chúng. Nó trở
thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả so với hệ Tiristor - Động cơ điện một
chiều.

Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ:
X1

I1

R1

I
X
Uf
R

Hình 1.1: Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ
- Uf1 trị số hiệu dụng của điện áp pha stato.
- Iµ , I1 , I’2 các dòng điện từ hóa stato và dòng điện roto đã quy đổi về stato.
- Xµ ,

,

điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tản stato và điện kháng tản roto đã

quy đổi về stato.
- Rµ, R1, R’2 các điện trở tác dụng của mạch từ hóa của cuộn dây stato và roto đã quy
đổi về stato.
- s – hệ số trƣợt tốc độ : s =
-

tốc độ góc của từ trƣờng quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ.
=

trong đó:- f1 là tần số của điện áp nguồn đặt vào stato
- p là số đôi cực của động cơ
-

là tốc độ góc của động cơ

Từ sơ đồ thay thế ta tính đƣợc dòng điện stato và dòng điện roto quy đổi về stato
8


(1-1)
√

√(

)

(1-2)
√

Công suất điện từ chuyển từ stato sang roto:
P12 = M dt .1
M dt là mô men điện từ của động cơ

Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì

M dt  M co  M

Công suất chia thành 2 phần
Pco : công suất cơ đƣa ra trên trục động cơ

P2 : công suất tổn hao đồng trong roto

P12 = Pco + ∆P2
hay

M

=M

+ ∆P2

∆P2 = M(
Mặt khác

=>
Thay

)=M

∆P2 = 3

M=

ta đƣợc phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ :

(1-3)
(

Từ giải phƣơng trình

)

= 0 ta đƣợc trị số M và s tại điểm cực trị là Mth và sth (mô

men và độ trƣợt tới hạn)
(1-4)
√

9


(1-5)
√

Trong hai biểu thức trên dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, dấu (-) ứng với trạng thái
máy phát . Do đó Mth ở chế độ máy phát lớn hơn chế độ động cơ.
Lập tỉ số giữa (1-3) và (1-5) ta đƣợc phƣơng trình đặc tính cơ của động cơ dạng thu
gọn :

M=

(1-6)

Trong đó: a =

𝝎 S
𝝎𝟏

1

2

𝑺đ𝒎
𝑺𝒕𝒉

TN ( 𝑹
𝒇

𝟎)

( 𝑹𝒇 ≠ 𝟎 )

M
0

𝑴đ𝒎

𝑴𝒕𝒉

.

Hình 1.2: Đặc tính của động cơ không đồng bộ

10

= f(M) trong chế độ động cơ


1.3 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
1.3.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ mạch rôto(R2f)

Khi thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto động cơ sẽ làm cho sth thay đổi tỷ lệ còn
Mth thì không thay đổi, vì vậy sẽ thay đổi đƣợc tốc độ của động cơ nhƣ hình vẽ.
A B C

𝝎
𝝎𝟎

𝝎𝑻𝑵
TN

𝑺𝒕𝒉 𝑻𝑵

ĐK

𝝎𝟏
𝑹𝟐𝒇𝟏

𝑺𝒕𝒉 𝟏
𝐑 𝟐𝐟

𝝎𝟐
𝑹𝟐𝒇𝟐

𝑺𝒕𝒉 𝟐

𝑹𝟐𝒇𝒊𝒄
0

𝑴𝒄

𝑴𝒕𝒉

M

Hình 1.3: a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ
b) Các đặc tính điều chỉnh tốc độ động cơ
Nguyên lý điều chỉnh: khi thay đổi R2f với các giá trị khác nhau, thì sth sẽ thay đổi tỷ
lệ, còn Mth = const, ta sẽ đƣợc một họ đặc tính cơ có chung Mth, có tốc độ khác nhau và
có các tốc độ làm việc xác lập tƣơng ứng.
Qua hình 1.2, ta có: Mth = const
Và: 0 < R2f1 < R2f2 < … < R2f.ic < …
SthTN < sth1 < sth2 < … < sth.ic < …
ΔωTN < Δω1 < Δω2 < … < Δωic < …
ωTN > ω1 > ω2 > … > ωic > …
Nhƣ vậy, khi cho R2f càng lớn để điều chỉnh tốc độ càng nhỏ, thì độ cứng đặc tính
cơ càng dốc, sai số tĩnh càng lớn, tốc độ làm việc càng kém ổn định, thậm chí khi R 2f
11


= R2f.ic, dẫn đến Mn = Mc cho động cơ không quay đƣợc.
Và khi thay đổi các giá trị R2f.i > R2f.ic thì tốc độ động cơ vẫn bằng không, nghĩa là
không điều chỉnh đƣợc tốc độ, hay còn gọi là điều chỉnh không triệt để.
Ƣu điểm: Phƣơng pháp thay đổi điện trở phụ mạch rôto để điều chỉnh tốc độ động
cơ nhƣ trên có ƣu điểm là đơn giản, rẻ tiền, dễ điều chỉnh tốc độ động cơ. Hay dùng
điều chỉnh tốc độ cho các phụ tải dạng thế năng (Mc = const).
Nhƣợc điểm: Tuy nhiên, phƣơng pháp này cũng có nhƣợc điểm là điều chỉnh không
triệt để; khi điều chỉnh càng sâu thì sai số tĩnh càng lớn; phạm vi điều chỉnh hẹp, điều
chỉnh trong mạch rôto, dòng rôto lớn nên phải thay đổi từng cấp điện trở phụ, công
suất điều chỉnh lớn, tổn hao năng lƣợng trong quá trình điều chỉnh lớn.
Phƣơng pháp này thƣờng đƣợc áp dụng cho điều chỉnh tốc độ các động cơ ĐK

truyền động cho các máy nâng - vận chuyển có yêu cầu điều chỉnh tốc độ không cao.
Muốn nâng cao các chỉ tiêu chất lƣợng thì dùng phƣơng pháp “ xung điện trở ”.
1.3.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp stator
Mômen động cơ tỉ lệ với bình phƣơng điện áp stato, nên có thể điều chỉnh mômen
và tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp stato và giữ tần số không đổi nhờ bộ
biến đổi điện áp xoay chiều (ĐAXC) nhƣ vẽ:
B

A

C


Uđk

ĐAXC
f1



Ub

0

Sth.tn


2

Sth.g

ĐK

h

Ub2Mc,  

Rf2
0

Mth2 Mth1

Hình 1.4: a) Sơ đồ điều chỉnh tốc độ động cơ bằng Ustato
b) Các đặc tính điều chỉnh bằng Ustato
12

Mth

M


Nếu coi bộ ĐAXC là nguồn lí tƣởng (Zb = 0), khi ub < uđm thì mômen tới hạn Mth.u
tỉ lệ với bình phƣơng điện áp.

,

hay

đ

Mth.u*= ub* 2.

Nếu tốc độ quay của động cơ là không đổi :
Mth.u*= ub* 2 ,

= const , Mu =

Uđm - điện áp định mức của động cơ
ub - điện áp đầu ra của ĐAXC
Mth - mômen tới hạn khi điện áp là định mức
Mu - mômen động cơ ứng với điện áp điều chỉnh
Mgh - mômen khi điện áp là định mức, điện trở phụ Rf

13


CHƢƠNG II:

GIỚI THIỆU BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

2.1: Giới thiệu chung
Các bộ điều áp xoay chiều (ĐAXC) dùng để đóng ngắt hoặc thay đổi điện áp xoay hiều
ra tải từ một nguồn xoay chiều cố định,trong đó tần số điện áp ra bằng tần số nguồn.
Trong máy điện có các thiết bị điện là biến áp tự ngẫu cho phép thực hiện yêu cầu này,
tuy nhiên việc điều chỉnh phải tiến hành thông qua hệ cơ khí di chuyển chổi than trƣợt
trên các vòng dây biến thế, vì vậy hệ này không bền,phản ứng chậm. Nhƣng có các ƣu
điểm cơ bản là điện áp ra tảu luôn đảm bảo hình sin trong toàn dải điều chỉnh.
Điện tử công suất sử dụng các van bán dẫn để chế tạo các bộ điều áp xoay chiều,có đặc
điểm sau đây:

 Ƣu điểm
ĐAXC dùng van bán dẫn có đầu đủ ƣu điểm của những mạch công suất sử dụng kỹ
thuật bán dẫn nhƣ:dễ điều chỉnh và tự động hóa,làm việc ổng định, phản ứng nhanh với
xác đột biến điều khiển,độ tin cậy và tuổi thọ cao,kích thƣớc gọn,dễ thay thế,thích hợp
với quá trình hiện đại hóa tập trung hóa các quá trình công nghệ……
 Nhƣợc điểm
Nhƣợc điểm chung và cơ bản nhất của ĐAXC là điện áp ra tải không sin trong toàn dải
điều chỉnh (điện áp ra tải chỉ đạt hình sin hoàn chỉnh khi đƣa toàn bộ điện áp ra nguồn
tải),điều chỉnh càng sâu – điện áp ra càng giảm thì độ méo sẽ càng lớn, tức là thành
phần sóng hài bậc cao( là bội của tần số vào) cũng càng lớn. Với những tải yêu cầu
nghiêm ngặt về độ méo và thành phần song hài có thể không ứng dụng đƣợc ĐAXC.
Phạm vi ứng dụng ĐAXC thƣờng là:
+ Điều chỉnh ánh sáng đèn sợi đốt và ổn định độ phát quang hệ chiếu sáng.
+ Điều chỉnh và ổn định nhiệt độ các lò điện trở bằng cách tự động khống chế công
suất đƣa vào lò.
+ ĐAXC cũng đƣợc sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ điện không đồng bộ, nhƣng
chỉ phù hợp với tải của động cơ dạng quạt gió và máy bơm li tâm với phạm vi điều
chỉnh không lớn. ĐAXC thích hợp với các chế độ nhƣ khở động, đóng –ngắt nguồn
cho động cơ điện xoay chiều.

14


+ ĐAXC cũng đƣợc dùng để điều chỉnh điện áp sơ cấp các biến áp lực và thông qua đó
điều chỉnh điện áp ra tải,phụ thuộc có thể dùng dòng điện xoay chiều hoặc một chiều (
chỉnh lƣu điot phía thứ cấp khi rơi vào hai trƣờng hợp sau:
Điện áp thứ cấp thấp hơn nhiều điện áp sơ cấp nhƣng dòng điện thứ cấp rất lớn.
thí dụ nhƣ thiết bị hàn tiếp xúc.
- Điện áp thứ cấp mà tải yêu cầu cao hơn nhiều lần điện áp nguồn, thí dụ nhƣ hệ
thống nguồn điện phân,lọc bụi tĩnh điện….

ĐAXC làm việc với nguồn vào điện áp xoay chiều, tức là giống nhƣ mạch chỉnh lƣu, vì
-

vậy các van đƣợc sử dụng cũng nhƣ nguyên tắc điều khiển có nhiều điểm tƣơng tự nhƣ
ở mạch chỉnh lƣu.
Do tải đòi hỏi dòng điện xoay chiều nên van bán dẫn có thể dùng ở đây là:
-

TRIAC,đây là van bán dẫn duy nhất cho phép dòng điện chảy theo cả hai chiều.

-

Ghép hai van chỉ cho phép dẫn dòng một chiều,bằng cách đấu song song ngƣợc
nhau,lúc đó mỗi van đảm nhận một chiêu của dòng tải. Bằng cách này có thể
ghép hai thyristor với một điot.

2.2 Các sơ đồ van
XAXC sử dụng các sơ đồ van cơ bản nhƣ trên hình 2.1. Các sơ đồ này là tƣơng đƣơng
nhau trong các chức năng điều chỉnh điện áp xoay chiều.

(a)

(b)

(c)

Hình 2.1 : Các sơ đồ van cơ bản
(a) Tiristor song song ngƣợc; (b) Cầu điôt; (c) Triac

15

2.3 Điều áp xoay chiều một pha
Để thay đổi giá trị của điện áp xoay chiều, ngoài phƣơng pháp cổ điển là máy biến áp,
ngƣời ta có thể sử dụng các bộ thyristor đấu song song ngƣợc. Nhờ biện pháp này việc
điều chỉnh điện áp đƣợc linh hoạt hơn (vô cấp ,nhanh,dễ tạo các mạch vòng tự động
điều chỉnh). Kích thƣớc của bộ biến đổi gọn ,nhẹ và có giá thành thấp hơn nhiều so với
dùng biến áp. Nhƣợc điểm cơ bản của phƣơng pháp này là chất lƣợng điện áp không
đƣợc tốt và cần sử dụng thêm bộ lọc xoay chiều để khắc phục nhƣợc điểm này.
Viêc điều khiển thời điểm đóng mở của thyristor sẽ tạo ra những xung áp trên tải nên
bộ biến đổi đƣợc gọi là bộ điều chỉnh xung áp xoay chiều.
Sơ đồ bộ biến đổi một pha bao gồm thyristor đấu song song ngƣợc (T1 và T2 ) và đƣợc
mắc nối tiếp với tải. Đối với bộ biến đổi công suất nhỏ và trung bình (khoảng vài kW)
có thể thay thế bộ thyristor bằng triac.
T2

UA

Rt
T1

Hình 2.2: Điều áp xoay chiều 1 pha tải thuần trở

16


2.4 Điều áp xoay chiều 3 pha
2.4.1 Các sơ đồ ứng dụng
ĐAXC 3 pha có thể thực hiện theo các phƣơng án nhƣ trên hình 2.1. Trên sơ đồ
hình 2.1a các cặp tiristor song song ngƣợc, mắc nối tiếp giữa tải ba pha và nguồn. Tải

có thể đấu sao hoặc tam giác. Sơ đồ trên hình 2.1b lại dùng cách đấu tiết kiệm van bán
dẫn, trong đó ba van T1, T2, T3 khi dẫn dòng sẽ đóng vài trò tạo nên trung tính giả cho
tải ZA, ZB, ZC. Có thể thấy rằng dòng điện qua các van sẽ không đối xứng, ví dụ dòng
chạy giữa pha A và pha B, trong nữa chu kỳ chạy qua T1 thì nữa chu kỳ sau phải chạy
qua hai van nối tiếp T2, T3.
Các sơ đồ trên hình 2.1 còn có thể dùng nhƣ những công tắc tơ tĩnh, nghĩa là
đóng cắt tải không tiếp điểm. Khi đó các tiristor làm việc với góc điều khiển bằng 0.
A

B

T4

T1

C

T6

T3

T2

A

B

C

ZA

ZB

ZC

T5

T1
Za

Zb

T2

Zc

T3
(a)
(b)
Hình 2.1 : Các dạng sơ đồ xung áp xoay chiều ba pha
Ƣu nhƣợc điểm của sơ đồ
- Các sơ đồ ĐAXC nói chung đều đơn giản, do đó cho hiệu quả cao trong quá trình
điều chỉnh điện áp xoay chiều
- Dạng điện áp ra phụ thuộc nhiều vào góc điều khiển và tính chất của tải. Dạng điện
áp ra cũng rất không sin
- Phù hợp với các ứng dụng yêu cầu công suất vừa và nhỏ, nhất là với tải thuần trở vì
khi đó dạng điện áp trên tải không yêu cầu khắt khe
- Với công suất lớn có thể áp dụng trong những trƣờng hợp dải điều chỉnh điện áp yêu
cầu hẹp hoặc quá trình điều chỉnh chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn, ví dụ trong các
bộ khởi động mềm.

17


- Có thể cải thiện đáng kể đặc tính của ĐAXC nếu sử dụng các van điều khiển hoàn
toàn. Khi đó việc điều chỉnh sẽ áp dụng phƣơng pháp điều chế độ rộng xung ở mỗi nữa
chu kỳ điện áp lƣới.
2.4.2 Phân tích sự hoạt động của sơ đồ
Ta xét sơ đồ 2.1a với tải thuần trở đấu sao, ZA = ZB = ZC với góc điều khiển α = 30o
Để đảm bảo lƣợng sóng hài là tối thiểu, các góc mở của thyristor phải bằng nhau, do
đó mỗi van mở lần lƣợt cách nhau 60 .
Góc điều khiển trong ĐAXC đƣợc tính từ thời điểm điện áp nguồn qua không. Cần
lƣu rằng trong hệ thống điện áp 3 pha dòng có thể chạy qua cả 3 pha hoặc chỉ chảy qua
2 pha. Khi dòng chảy qua cả 3 pha thì điện áp trên mỗi pha đúng bằng điện áp pha. Khi
dòng chỉ chảy qua hai pha thì điện áp trên các pha tƣơng ứng sẽ bằng một nữa điến áp
dây.
Trên đồ thị hình 2.2, với


6

 


3

dòng có thể chảy qua cả 3 pha. Khi đó T1 dẫn ở

pha A, T6 dẫn ở pha B, T5 dẫn ở pha C.
uZA = uA
Với


3

 


2

, ở pha C dòng không thể chảy qua T5 đƣợc nữa vì uC đã đảo chiều nên

chỉ còn lại T1 dẫn dòng ở pha A cùng với T6 ở pha B. Do đó
uZA = 1/2uAB

18


Các khoảng góc còn lại kết quả thể hiện nhƣ bảng dƣới
Pha A

Pha B

Pha C

uZA

T1

T6

T5

uA

T1

T6

-

1/2uAB

2
3

T1

T6

T2

uA

2
5
 
3
6

T1

-

T2

1/2uAC

5
 
6

T1

T3

T2

uA

-

-

-

0


6


3


2

 

 
 

  


3


2

4
3

Hình 2.2: Dạng điện áp ra tải thuần trở với góc α = 30o

19


• Trƣờng hợp góc điều khiển α = 90o
Với trƣờng hợp này chỉ có các giai đoạn 2 van cùng dẫn, với


2

 

2
dòng
3

chảy qua 2 van. Khi đó T1 dẫn ở pha A và T6 dẫn ở pha B
uZA = 1/2uAB
Với

5
    dòng chảy qua 2 van. Khi đó T3 dẫn ở pha B và T5 dẫn ở pha C
6
uZA = 1/2uAC

Hình 2.3 : Dạng điện áp ra tải với góc α = 60o

20


• Trƣờng hợp góc điều khiển α = 120o:
Trong vùng điều khiển này có 2 trạng thái thay thế nhau là 2 valve dẫn và không
valve nào dẫn
Valve không dẫn liên tục mà dẫn thành 2 giai đoạn xen giữa một khoản nghỉ
Valve ngắt dòng mỗi khi điện áp dây nguồn về 0V

Hình 2.4: Dạng điện áp ra tải với góc α = 120o

21


CHƢƠNG III:

THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC

3.1 Tính thông số van
+ Tính Ung max qua van
Ung max = √ Ud = 380√ = 537,4 (V)
+ Tính Itb qua van
Khi góc điều khiển

= 0 điện áp ra trên tải là hình sin và dòng trung bình qua van

lúc này là lớn nhất.
I tb max 

1
2

 1

 I

max

sin  d

1

Vì cos = 0,95 nên dòng điện chậm pha so với điện áp một góc
Itbmax =

It =

√

) – (-cos )]

Imax[ - cos(

=
đ

√

= 180 .

=
đ

=137,41 (A)

√

Vì mạch lực là 6 thyristor đấu song song ngƣợc nên ta có
Itb van = 0,45It.klv = 0,45.137,41.1,6 = 98,94 (A)
( Chọn thông số klv= 1,6 là hệ số dự trữ dòng )

3.2 Điều kiện làm mát cho van
- Ở điều kiện làm mát tự nhiên, valve làm việc tốt với 25% dòng điện định mức.
- Ở điều kiện làm mát cƣỡng bức, valve làm việc với 30%-60% dòng điện định mức.
=> Ta chọn điều kiện làm mát cƣỡng bức để valve có thể làm việc tốt với 40% dòng
điện định mức.

=>

Itbvanthuc =

=

= 343,525 (A)

- Chọn hệ số dự trữ điện áp cho valve: Chọn kuv = 1,6
Ung valve = kuv . Ung max = 1,6 . 537,4 = 860 (V)
- Theo điều kiện Itb valve thực = 565A và Ung valve = 860V, tra theo bảng 2.2.2 (Trang 437 Tài liệu hƣớng dẫn thiết kế ĐTCS), ta có thể chọn valve T588N là loại có dãy điện áp
trong khoảng 1200V đến 1800V và các tham số khác là:
Itb= 588 A

= 200 (A/

22

)

= 1000 (V/

)

3.3 Mạch bảo vệ van

Hình 3.1: Mạch bảo vệ RC
- Điện cảm La để bảo vệ tốc độ tăng dòng qua thyristor
- Mạch RC để bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên
► Bảo vệ quá dòng:
- Vì valve đƣợc mắc trực tiếp vào lƣới điện mà không qua biến áp do đó cần phải có
cuộn cảm để bảo vệ cho valve trong trƣờng hợp quá dòng. Tốc độ di/dt sẽ lớn nhất khi
dòng qua valve là cao nhất. Giả sử điện áp lƣới không ổn định mà dao động trong
khoảng ±5%, vậy Uv max lúc này sẽ tƣơng đƣơng:
Uv max =√ .1,05 . 220 = 326,7 (V)
- Xét quá trình quá độ trong mạch: Uf = iR + L
- Tốc độ tăng dòng lớn nhất khi

max =

=> Chọn cuộn kháng L có trị số sao cho
=> L 

U f di
di
di
max  van 
 van
dt
dt
L dt

U van max

326, 7

 1.6(mH ) =>
di
200.103
dt

Chọn L = 3mH.

► Bảo vệ quá áp:
- Gồm các phần tử là R và C tạo thành mạch RC mắc song song với valve. Thông số
các phần tử này đƣợc tính nhƣ sau:
0 

du

200.106
dt

 1140.103 ( Rad )
s
0,564.U f max 0,564. 2.220

- Do loại valve này có tốc độ tăng áp du/dt = 1000 V/µs, nhƣng valve làm việc ở điều
kiện không phải là lý tƣởng, vì vậy ta chỉ chọn thông số du/dt cho valve = 200 v/µs.
Ta có:
23


C

1
1

 0,256.106 ( F )
2
6
2
6
L0 3.10 .1140 .10

R  1,928

L
3
 1,928
 11,72()
C
0,256

=> C = 0,25 µF
=> R = 15 Ω

+ Xác định công suất R:
- Tổn thất trên R khi các valve ở trạng thái khóa:
PR khóa = (Ufmax .ω.C)2.R = (311.314.0,25.10-6)2.12 = 0,007 (W).
- Tổn thất trên R khi valve mở:
2
CU C2 max CU f max 0,25.106.3112



 0,012(Ws)
2
2
2
- Tổn thất khi valve khóa lại:

W1R  WC 

W2 R 

CU 2f max

 0,012(Ws)
2
- Công suất phát nhiệt với khoảng dẫn các valve là 10ms, do đó công suất trên R do các
valve mở - khóa là :
PR 

W1R  W2 R 0,012  0,012

 2,4(W )
t
10.103

- Do công suất phát nhiệt trên valve lớn nhất không thể vƣợt quá tổng 2 công suất vừa
tính:
PR < (PR khóa + PR) = 0,007 + 2,4 = 2,407(W)
=>Chọn điện trở có công suất từ 3W đến 5W.
-Vậy giá trị các phần tử mạch bảo vệ valve là:

L = 3µH
C = 0,25µF

24

R = 12Ω/3W


CHƢƠNG IV:

THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

4.1 Yêu cầu chung của mạch điều khiển
- Phát xung điều khiển đến các valve lực theo đúng thứ tự pha và theo đúng góc điều
khiển α cần thiết.
- Đảm bảo phạm vi điều khiển αmin ÷ αmax tƣơng ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải
của mạch lực.
- Cho phép bộ điều áp làm việc bình thƣờng với các chế độ khác nhau do tải yêu cầu.
- Góc điều khiển mọi valve không đƣợc lệch quá (1 ÷ 3)o điện.
- Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lƣới điện xoay chiều dao động cả về
giá trị điện áp và tần số.
- Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt.
- Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dƣới 1ms.
- Đảm bảo xung điều khiển phát tới các valve phù hợp để mở chắc chắn valve.
4.1.1 Nguyên tắc điều khiển ngang
Sơ đồ khối mạch điều khiển
Ulực

ĐB

Uđb

DF

Udf

TX

Utx

DX

Udx

KĐX

Ugk

Uđk

Hình 4.2: Sơ đồ nguyên tắc điều khiển ngang
- Hoạt động: Khâu ĐB thƣờng tạo ra điện áp hình sin có góc lệch pha cố định so với
điện áp lực. Khâu dịch pha DF có nhiêm vụ thay đổi góc pha của điện áp ra dƣới tác
động của điện áp điều khiển Uđk. Xung điều khiển đƣợc tạo thành ở khâu tạo xung TX
vào thời điểm khi điện áp dịch pha Udf qua điểm 0. Xung này nhờ khâu khuếch đại
xung KĐX đƣợc tăng đủ công suất đƣợc gửi tới cực điều khiển của van. Nhƣ vậy góc
điều khiển α hay thời điểm phát xung mở van thay đổi đƣợc nhờ sự tác động của Uđk
làm điện áp Udf di chuyển theo chiều ngang của chục thời gian.

25