Thiết kế chỉnh lưu ACDC cho động cơ điện một chiều, mô phỏng trên phầm mềm

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA

BÁO CÁO
THỰC TẬP CHUYÊN NGÀNH
Đề tài :
THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU AC/DC ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ
MỘT CHIỀU VÀ MÔ PHỎNG

SINH VIÊN THỰC HIỆN
MÃ SINH VIÊN
LỚP
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

: LƯƠNG ĐÌNH TÀI
: DTC15HD5103030053
: KỸ THUẬT ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
: NGUYỄN XUÂN KIÊN

Thái nguyên, tháng 04 năm 2019
MỤC LỤC


MỤC LỤC...................................................................................................................................................... 1
LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................................................. 3
SINH VIÊN

3

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.....................................................................................4
1.1. CẤU TẠO CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.

4
1.2. NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.
5
1.3. PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU .
6
1.4. ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ ĐỘC LẬP.
7
2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU.
9
2.1.1. Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ...................................................9
2.1.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng thay đổi từ thông trong mạch kích từ động cơ.............................10
2.1.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ ............................................................11
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỈNH LƯU.
12
2.2.1. Chỉnh lưu cầu một pha đối xứng tải R_L tổng quát ..........................................................................12
2.2.2. Phương pháp xung áp.......................................................................................................................14
2.2.3. Chỉnh lưu tia ba pha ..........................................................................................................................15
2.3. HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU-ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU.
16
2.3.1. Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ một chiều ................................................................................16
CHƯƠNG III: THYRISTOR VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR...........................................................19
3.1. CẤU TẠO - NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THYRISTOR.
19
3.1.1. Cấu tạo:..............................................................................................................................................19
3.1.2. Nguyên lý hoạt động..........................................................................................................................19
3.2. CÁC THÔNG SỐ CHỦ YẾU CỦA THYRISTOR.
21
3.3. MỞ THYRISTOR.
23
3.4. KHOÁ THYRISTOR:

23
3.5. NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR.
24
3.5.1. Nguyên tắc chung điều khiển thyristor :............................................................................................24
3.5.2. Nguyên tắc điều khiển acrcoss:.........................................................................................................25
CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR.............................................................26
4.1. MỘT SỐ YÊU CẦU ĐỐI VỚI MẠCH ĐIỀU KHIỂN:
4.2. CÁC KHỐI MẠCH ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR:
4.3. TÍNH TOÁN CHỌN MBA MỘT PHA:
4.4. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA HỆ CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA.
4.5. NGUYÊN LÝ KHỞI ĐỘNG.

26
27
29
31
31

CHƯƠNG V: MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM.................................................................................................. 33
5.1. SƠ ĐỒ THIẾT KẾ MẠCH TRÊN PHẦN MỀM PSIM
5.2. DẠNG ĐỒ THỊ CỦA NGUỒN V2A
5.3. DẠNG ĐỒ THỊ ĐIỆN ÁP CỦA THYRISTOR 1 VÀ 3
5.4. DẠNG ĐỒ THỊ ĐIỆN ÁP CỦA THYRISTOR 2 VÀ 4
5.5 DẠNG ĐỒ THỊ ĐIỆN ÁP A1
6.6. DẠNG ĐỒ THỊ ĐIỆN ÁP V5
5.7 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

33
33
34

34
35
35
36

KẾT LUẬN..................................................................................................................................................... 37
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................................................. 38
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN........................................................................................................................... 39

2


LỜI NÓI ĐẦU
Sự bùng nổ của tiến bộ khoa học kỹ thuật trong các lĩnh vực điện, điện tử, tin
học trong những năm gần đây đã ảnh hưởng sâu sắc cả về lý thuyết và thực tiễn. Ứng
dụng rộng rãi có hiệu quả cao trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Đặc biện là lĩnh vực
điều khiển tự động và các dây truyền công nghiệp khép kín ra đời trong đó có lĩnh vực
điều khiển động cơ điện. Điều khiển động cơ điện một chiều là một lĩnh vực không
mới và được ứng dụng rất nhiều trong thực tế công nghiệp sản xuất, có khá nhiều các
phương án điều khiển động cơ điện khác nhau. Để củng cố kiến thức đã học, trong đồ
án chuyên ngành lần này em được giao đề tài: “Thiết kế chỉnh lưu AC/DC cho động
cơ điện một chiều, mô phỏng trên phầm mềm”.
Trong thời gian làm đồ án vừa qua, với sự cố gắng nỗ lực của bản thân cùng với
sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy,cô giáo trong khoa đặc biệt là sự giúp đỡ
tận tình của thầy Nguyễn Xuân Kiên , em đã hoàn thành xong bản đồ án này.
Đề tài gồm 5 phần lớn :
+ Phần 1: Tìm hiểu về động cơ một chiều.
+ Phần 2: Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều.
+ Phần 3: Thyristor và phương pháp điều khiển thiristor.
+ Phần 4: Thiết kế và thi công mạch điều khiển thyristor.

+ Phần 5: Mô phỏng trên psim.
Trong quá trình thiết kế, với kiến thức còn hạn chế chắc chắn bài báo cáo khó
tránh khỏi các khiếm khuyết. Em rất mong được sự nhận xét và góp ý của các thầy cô
giáo và các bạn đề bài làm của em được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Thái nguyên, ngày…tháng…năm 2019

Sinh viên

Lương Đình Tài

3


CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
1.1. Cấu tạo của động cơ điện một chiều.
Kết cấu của động cơ điện một chiều có thể phân thành hai thành phần chính
là: phần tĩnh và phần quay.
a, Phần tĩnh hay Stato (phần cảm).
Đây là thành phần đứng yên của động cơ. Phần tĩnh gồm các bộ phận chính
sau:
+ 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 kích từ. Lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật
điện hoặc thép khối gia công thành dạng cực từ rồi cố định vào vở máy. 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 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 .
Nhiệm vụ chính của cực từ chính và dây quấn kích từ tạo ra từ thông chính trong
máy.

+ Cực từ phụ:
Cực từ phụ thường làm bằng thép khối đặt xen kẽ giữa các cực từ chính và
dùng để cải thiện đổi chiều (đặt trên đường trung tính hình học). Xung quanh
cực từ phụ có dây quấn cực từ phụ . Dây quấn cực từ phụ được đấu nối tiếp với
dây quấn phần ứng (dây quấn Roto).
Nhiệm vụ của cực từ phụ là để làm giảm sự xuất hiện tia lửa điện trên bề mặt
chổi than và cổ góp.
+ Vỏ máy (gông từ):
Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy bảo
vệ các bộ phận bên trong vỏ máy. Vỏ máy điện một chiều được làm bằng thép
dẫn từ.
+ Chổi than:

4


Chổi than dùng để điện áp từ bên ngoài vào động cơ. 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.Chổi than thường
được làm bằng bột đồng bột than và một số phụ gia chống mài mòn khác. Chổi
than được đặt trên đường trung tính hình học.
b, Phần quay hay Roto (phần ứng) .
+ Lõi sắt phần ứng:
Lõi sắt phần ứng dùng để dẫn từ . Thường làm bằng lá thép kĩ thuật điện dầy
0.5(mm) phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng
điện xoáy gây nên.Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt
dây quấn vào.
+ Dây quấn phần ứng:
Dây quấn phần ứng là thành 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 .Dây

quấn được bọc cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép.
+ Cổ góp:
Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều) dùng để đổi chiều dòng
điện xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến đồng ghép cách điện
với nhau. Bề mặt cổ góp phải được gia công với độ nhẵn bang cao để đảm bảo
tiêp xúc giũa chổi than và cổ góp. Cổ góp đặt đồng tâm với trục quay để hạn
chế phát sinh tia lửa điện.
+ Các bộ phận khác:
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 cácbon tốt.
1.2. Nguyên lí hoạt động của động cơ điện một chiều.
Động cơ điện một chiều hoạt đông dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi
đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho dòng điện chạy qua dây dẫn thì từ
trường sẽ tác dụng một lực từ vào dòng điện (vào dây dẫn) và làm cho dây dẫn
chuyển động, chiều của từ lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái.
5


Nguyên lý: Khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây kích từ, sẽ tạo ra từ trường tác
dụng một lực từ vào các dây dẫn của rôto khi có dòng chạy qua sẽ tạo mô men
làm quay rôto.
1.3. Phân loại động cơ điện một chiều .
Dựa vào cách nối dây quấn phần ứng với dây quấn kích từ động cơ điện một
chiều được chia ra làm bốn loại sau :
a, Động cơ điện một chiều kích từ độc lập .
Uđm = Eưđm + RưIưđm

Hình 1.1: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Trong đó :Uđm- điện áp định mức .

Iđm- dòng điện định mức trong mạch chính .
Iktđm- dòng điện kích từ định mức .
Pđm- công suất cơ đầu cần trục cân bằng với tải .
ηđm- hiệu suất định mức của động cơ .
b, Động cơ điện một chiều kích từ song song .
Uđm = Eưđm + RưIưđm

6


Hình 1.2: Động cơ điện một chiều kích từ song song.
C, Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp .

Hình 1.3: Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.
Uđm = Eưđm+ RIưđm .
Với :

R= Rư + Rkt .

d, Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp .
Động cơ điện kích từ hỗn hợp là động cơ điện vừa có kích từ song song vừa có
kích nối tiếp trong đó kích từ song song đóng vai trò chủ yếu.
1.4. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
a, Sơ đồ nguyên lý .

Hình 1.4: Động cơ một chiều kích từ độc lập.
7


b, Phương trình đặc tính cơ .

Từ phương trình cân bằng áp:
U = E + Iư R .
Trong đó :U- điện áp đặt vào phần ứng động cơ .
E- sức điện động sinh ra trong phần ứng động cơ .
Iư- dòng điện phần ứng động cơ .
R- điện trở mạch phần ứng gồm Rư và Rf .
E = U - Iư R .
Mặt khác ta có : E = Keφ ω .
Ke- hệ số cấu tạo của động cơ và Ke =

PN
.
2π .a

P - là số đôi cực .
N - là số thanh dẫn tác dụng trong mạch phần ứng .
a - là hệ số thanh dẫn .

φ - từ thông kích từ .
ω - tốc độ quay của động cơ .
Keφ ω = U - Iư R .

ω =

U
K eφ

−

R I

­
K eφ

Mà mô men động cơ là: M = K M φ Iư .
I ­ ­­=

M
KMφ

ω

=

U
K eφ

ω

=

ω0

R
M
K eK M φ

−
-

ω

với : ω0- gọi là tốc độ không tải lý tưởng .
∆ω - độ sụt tốc độ .

8


c, Đồ thị đặc tính cơ .

Hình 1.5: Đặc tuyến cơ của động cơ điện một chiều.
2.1. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều.
Từ phương trình đặc tính cơ:

ω

=

U
K eφ

−

R
M
K eK M φ

Ta có ba phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều :
2.1.1. Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ .
Trong thực tế người ta thường dùng phương pháp giảm điện áp phần ứng
động cơ và giữ từ thông φ = φ đ m = const , điện trở R = Rư.

Khi giảm điện áp thì:
0

=

U
↓
K eφ

∆ω

=

R­
M = const
K eK M φ 2

ω

Do đó ta thu được họ các đường đặc tính cơ sau:

Hình 2.1: Đặc tính cơ khi thay đổi điện áp.
9


Nhận xét : Khi ta giảm điện áp đặt vào phần ứng động cơ thì tốc độ không tải
giảm xuống, còn độ xụt tốc độ không đổi. Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ
động cơ càng nhỏ. Do đó ta thu được họ các đường đặc tính cơ song song với
đường đặc tính cơ tự nhiên, tức độ cứng đặc tính cơ không đổi.
2.1.2. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng thay đổi từ thông trong mạch kích từ

động cơ.
Muốn thay đổi từ thông động cơ, ta tiến hành thay đổi dòng điện kích từ của
động cơ qua một điện trở mắc nối tiếp mạch kích từ.
Trong thực tế người ta thường dùng phương pháp giảm từ thông φ và vẫn
giữ điện áp U = Uưđm , điện trở R = Rư và cũng không được giảm từ thông φ gần
về 0.
Khi từ thông φ giảm thì:

ω0 = U
↑
K eφ
∆ω =

R­

KeKM φ 2

M ↑↑

Do đó ta thu được họ các đường đặc tính cơ sau :

Hình 2.2: Đặc tính cơ khi thay đổi từ thông trong mạch kích từ.
Nhận xét : Như vậy khi giảm từ thông thì tốc độ không tải tăng lên nhưng độ
xụt tốc độ tăng gấp 2 lần. Do đó ta thu được họ các đường đặc tính cơ có độ dốc
hơn và có tốc độ không tải lớn hơn. Vì vậy càng giảm từ thông thì tốc độ không
10


tải lý tưởng của đặc tính cơ càng tăng, tốc độ động cơ càng lớn . Độ cứng đặc
tính cơ giảm.

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 phần ứng.
2.1.3. Điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở phụ .
Trong thực tế người ta thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng động cơ:
R = RƯ + Rf , và giữ điện áp U = Uđ m , từ thông φ = φ đ m = const .
Ta có :

ω

=

U
−
K eφ

R­ ­+­Rf

K eK M φ 2

M

Khi tăng điện trở phụ thì:

ω0 =
∆ω =

U
K eφ

= const

R­ ­+­­Rf

↑
K eK M φ 2

Ta được họ các đường đặc tính cơ như sau:

Hình 2.3: Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng động cơ.
Nhận xét : Khi tăng điện trở phụ trong mạch phần ứng động cơ thì độ dốc
đặc tính cơ càng lớn, đặc tính cơ mềm và độ ổn định tốc độ càng kém, sai số tốc
độ càng lớn. Tốc độ không tải không đổi và = ω0, còn độ xụt tốc độ ∆ω tăng.
Khi đó ta được họ các đường đặc tính cơ nhân tạo cùng đi qua điểm tốc độ
11


không tải (0,ω0) và độ rốc tăng khi điện trở R f càng lớn, tức là độ cứng của đặc
tính cơ giảm.
KẾT LUẬN : Cả 3 phương pháp trên đều điều chỉnh được tốc độ động cơ điện
một chiều nhưng chỉ có phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều
bằng cách thay đổi điện áp Uư đặt vào phần ứng của động cơ là tốt nhất và hay
được sử dụng nhất vì nó thu được đặc tính cơ có độ cứng không đổi, điều chỉnh
tốc độ bằng phẳng và không bị tổn hao.
2.2. Các phương pháp chỉnh lưu.
2.2.1. Chỉnh lưu cầu một pha đối xứng tải R_L tổng quát .
a, Sơ đồ nguyên lý.

Hình 2.4: Chỉnh lưu cầu một pha đối xứng tải R-L.
b, Nguyên lý làm việc .

U2

0

t
Π

2Π

12


Hình 2.5: Đồ thì điện áp ra chinh lưu một pha tải R-L.
Nửa chu kỳ đầu t = 0 ÷ Π thì T1, T2 thoả mãn điều kiện cần để dẫn dòng
điện .Tại thời điểm t = t1 đưa xung nên cực điều khiển để mở T1,T2→T1,T2 dẫn
khi đó điện áp tải Ud = U2 ,đến thời điểm t =Π thì U2 đổi dấu nhưng do tải trở
cảm nên điện cảm tiếp tục cấp dòng duy trì theo chiều cũ nên T 1,T2 vẫn dẫn cho
đến thời điểm t = t2 khi đưa xung nên cực điều khiển mở T 3,T4 ,khi đó T1,T2 bị
khoá cưỡng bức còn T3, T4 sẽ dẫn dòng. Và T3,T4 dẫn cho đến khi đưa xung nên
cực điều khiển mở T1,T2 và điện áp trên tải Ud = U2.
+ Đồ thị dạng điện áp tải như hình vẽ.
+ Vì tải trở cảm nên dòng điện tải Id được san phẳng.
+ Dạng dòng điện i1,i2 có dạng hình sin chữ nhật như hình vẽ.
+ UngT1 có dạng như hình vẽ.

13


2.2.2. Phương pháp xung áp.
a, Định nghĩa bộ điều chỉnh xung áp một chiều .

Bộ điều chỉnh xung áp một chiều dùng để biến đổi điện áp một chiều cố định
thành các mức điện áp một chiều khác nhau cấp ra phụ tải. Tuỳ theo nhịp độ
đóng - cắt mà có thể điều chỉnh công xuất nguồn cấp ra phụ tải. Bộ điều chỉnh
xung áp còn gọi là bộ biến đổi một chiều - một chiều hay bộ băm điện áp một
chiều.
b, Sơ đồ nguyên lý.

Hinh 2.6: Bộ điều chỉnh xung áp một chiều.
c, Nguyên lý làm việc.
Khi bộ khoá đóng thì tải được cấp nguồn, khi bộ khoá cắt thì tải bị ngắt khỏi
nguồn. Nếu thời gian đóng là t t, thời gian cắt là tK thì chu kỳ đóng cắt là: T = t t +
tK .
Điện áp, cấp cho phụ tải sẽ không liên tục mà có dạng một chuỗi xung điện
áp chữ nhật.
Giá trị trung bình của điện áp cấp cho phụ tải sẽ là:
UT =
Nếu đặt δ =

1 T
U dt =
T ∫0 ng

tt U ng
T

tt
, gọi là hệ số lấp đầy xung thì : Ud = δUng .
T

Từ đó ta có thể điều chỉnh được điện áp cấp ra tải bằng 3 phương pháp:

+ Thay đổi tt, trong khi giữ nguyên T (phương pháp điều chỉnh độ rộng
xung): tt tăng thì Ut tăng . Khi tt =T thì Ut = Ung .

14


+ Thay đổi T trong khi giữ nguyên tt hay thay đổi tK còn giữ nguyên tt (phương pháp điều chỉnh tần số xuất hiện xung áp): T tăng thì Ut giảm.
+ Thay đổi cả tt và T (phương pháp điều chỉnh thời gian xung) do đó δ thay
đổi : δ tăng thì Ut tăng .
2.2.3. Chỉnh lưu tia ba pha .
a, Sơ đồ nguyên lý

T1
T2

L1

T3
R1

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu hình tia 3 pha
b, Dạng điện áp ra sơ đồ hình tia

Hình 2.8 Sơ đồ điện áp ra của chỉnh lưu hình tia 3 pha
Chỉnh lưu tia ba pha cần có biến áp nguồn để đưa điểm trung tính ra tải.
Công suất máy biến áp này hơn công suất một chiều 1,35 lần, tuy nhiên sụt áp
trên mạch van nhỏ nên thích hợp trong phạm vi điện áp thấp. Vì sử dụng nguồn
ba pha nên cho phép nâng công suất tải lên nhiều. Mặt khác độ đập mạch ra sau
chỉnh lưu cũng giảm đáng kể nên kích thước bộ lọc cũng nhỏ đi nhiều.

15


KẾT LUẬN : Từ nguyên lý làm việc của ba bộ biến đổi là chỉnh lưu cầu
dùng 4 thyristor, bộ điều chỉnh xung áp một chiều và chỉnh lưu hình tia. Ta
quyết định dùng bộ chỉnh lưu cầu dùng 4 thyristor vì nó có thiết kế tương đối
đơn giản, độ làm việc tin cậy, điều chỉnh dễ dàng và ít tốn kém về kinh tế so với
các phương pháp còn lại .
2.3. Hệ truyền động chỉnh lưu-động cơ một chiều.
a, Giới thiệu chung .
Hệ truyền động T - Đ là hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập,
điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ
thông qua bộ biến đổi chỉnh lưu thyristor, điện áp thay đổi luôn nhỏ hơn giá trị
định mức Uđm còn từ thông là định mức φ đm .
Hệ thống T - Đ có khả năng điều chỉnh trơn (ϕ ~1) với phạm vi điều chỉnh
rộng (D ~ 102÷ 103). Hệ có độ tin cậy cao, quán tính nhỏ, hiệu suất lớn, không
gây ồn. Nhưng có nhược điểm là trị số cosϕ thấp, nhất là điều chỉnh sâu. Dòng
điện chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao, gây ra tổn hao phụ trong động cơ và có
thể làm xấu dạng điện áp nguồn.
2.3.1. Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ một chiều .
a, Sơ đồ nguyên lý.

Hình 2.9: Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ một chiều .
16


Dòng điện chỉnh lưu Id chính là dòng điện phần ứng động cơ điện.
Phương trình đặc tính cơ của hệ T- Đ là:

ω =

Trong đó

∑R

u

∑ R­
E d0 cos α
−
M
( K φ § )2
Kφ §

là tổng trở toàn mạch phần ứng động cơ.

Góc mở α càng lớn thì điện áp đặt vào phần ứng động cơ càng nhỏ. Khi đó
đặc tính cơ hạ thấp và ứng với một mô men cản M c nào đó, tốc độ động cơ giảm
(ωA > ωB > ωC).
b,Chế độ dòng điện liên tục.
Từ phương trình đặc tính cơ :
∑ R­
cos α
ω = E0
−
M
(K φ § )2
Kφ§

+ Độ cứng đặc tính cơ .

β ­=

(K φ § )

2

∑ R­

+ Tốc độ không tải lý tưởng tuỳ thuộc vào góc điều khiển α .

ω0 =

E 0 cos α
Kφ§

Khi thay đổi góc điều khiển α từ ( 00 ÷ Π ), sức đIện động chỉnh lưu biến
thiên từ (Ed0 ÷ -Ed0) và ta được một họ đặc tính cơ song song nằm ở nửa bên
phải của mặt phẳng toạ độ ( ω,M ) do các van không cho dòng điện phần ứng
đổi chiều.
+ Khi tăng góc điều khiển trong vùng: 0 ≤ α ≤ Π/2 ,bộ biến đổi làm
việc ở chế độ chỉnh lưu, động cơ làm việc ở chế độ động cơ nếu sức
điện động E còn dương và ở chế độ hãm nếu sức điện động E đổi
chiều .

17


+ Khi tăng góc điều khiển từ : Π/2 ≤ α < αmax và tải có tính chất thế
năng để quay ngược chiều động cơ thì cả sđđ E Đ và E đều đổi dấu.
Nếu sđđ động cơ lớn hơn giá trị trung bình của sđđ bộ biến đổi thì

dòng điện phần ứng vẫn chảy theo chiều cũ, động cơ làm việc ở chế
độ hãm tái sinh, dưới tác dụng của sđđ động cơ mà các van
Thyristor dẫn dòng trong thời gian nửa chu kỳ âm của điện áp lưới.
Góc pha của dòng điện xoay chiều trở nên lớn hơn Π/2, bộ biến đổi
làm việc ở chế độ nghịch lưuphụ thuộc , biến cơ năng của tải thành
điện năng xoay chièu trả về lưới điện.
Đồ thị đặc tính cơ:

Hình 2.10: Đồ thị đặc tính cơ.
c, Chế độ dòng điện gián đoạn.
Đặc tính cơ là các đoạn cong nét liền rất dốc sát trục tung. Hệ thống không
thể làm việc ổn định trong ở vùng dòng điện gián đoạn.
Trong thực tế tính toán hệ T-Đ chỉ cần xác định biên giới vùng dòng điện
gián đoạn, là đường phân cách giữa vùng dòng điện liên tục và dòng điện gián
đoạn. Tập hợp các điểm ở trạng thái biên liên tục gần đúng là đường elíp có các
trục chính là các trục toạ độ, là đường cong nét đứt.
18


CHƯƠNG III: THYRISTOR VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
THYRISTOR
3.1. Cấu tạo - nguyên lý làm việc của Thyristor.
3.1.1. Cấu tạo:
Thyristor còn gọi là SCR (Sillcon – Controlled – Rectifier) là loại linh kiện 4
lớp P – N đặt xen kẽ nhau. Để tiện việc phân tích các lớp bán dẫn này người ta
đặt là P1, N1, P2, N2, giữa các lớp bán dẫn hình thành các chuyển tiếp lần lượt
từ trên xuống dưới là J1, J2, J3.
Sơ đồ cấu trúc, ký hiệu, sơ đồ tương đương và cấu tạo của thyristor được
trình bày hình 3.1:

Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo thyristor
A : Anốt
K : catốt
G : Cực điều khiển
J1, J3 : Mặt tiếp giáp phát điện tích
J2 : Mặt tiếp giáp trung gian
3.1.2. Nguyên lý hoạt động.
Có thể mô phỏng một Thyristor bằng hai transistor Q1, Q2 như H.I.1d.
Transistor Q1 ghép kiểu PNP, còn Q2 kiểu NPN.
Gọi α1, α2 là hệ số truyền điện tích của Q1và Q2. Khi đặt điện áp U lên hai
đầu A &K của Thyristor, các mặt tiếp giáp J1 & J3 chuyển dịch thuận, còn mặt
tiếp giáp J2 chuyển dịch ngược ( J2 mặt tiếp giáp chung của Q1 & Q2).
đó dòng chảy qua J2 là IJ2
IJ2 = α1.Ie1 + α2.Ie2 + Io.
Io : Là dòng điện rò qua J2
Nhưng vì Q1 & Q2 ghép thành một tổng thể ta có:
19

Do


Ie1 = Ie2 = IJ2 = I.
Do đó IJ2 = I = α1 I + α2 I + Io
Suy ra => I = Io / [1-( α1 + α2 )] (1).
Do J2 chuyển dịch ngược nên hạn chế dòng chảy qua nó, dẫn đến α1, α2.
cùng điều có giá trị nhỏ, I ≈ Io, cả hai transistor ở trạng thái ngắt.
Từ biểu thức (1) ta thấy rằng dòng điện chảy qua Thyristor phụ thuộc vào hệ
số truyền điện tích α1 & α2. Như vậy khi α1 + α2 tăng dần đến 1 thì I tăng rất
nhanh.
c, Đặc tuyến Volt - Ampere của Thyristor:

Hình 3.2:: Đặc tuyến Volt - Ampere của Thyristor
Ith max : Giá trị cực đại dòng thuận
Uth

: Điện áp thuận

Ung

: Điện áp ngược

Udt

: Điện áp đánh thủng

Ing

: Dòng ngược.

Io

: Dòng rò qua Thyristor

Idt

: Dòng duy trì

u

: Điện áp rơi trên Thyristor

Để giải thích được ý nghĩa vật lý của đường đặc tuyến Volt - Ampere

Thyristor, người ta chia ra làm bốn đoạn đánh số la mã như Hình 3.2:
Đoạn (I) ứng với trạng thái ngắt của Thyristor. Trong đoạn này (α1+α2)<1,
có dòng rò qua Thyristor I ≈ Io, việc tăng giá trị U ít có ảnh hưởng đến giá trị
20


dòng I. Khi U tăng đến giá trị Uch (điện áp chuyển mạch) thì bắt dầu quá trình
tăng trưởng nhanh chóng của dòng điện,Thyristor chuyển sang trang thái mở.
Đoạn (II) ứng với giai đoạn chuyển dịch thuận của mặt tiếp giáp J2 (Q1, Q2
chuyển sang trạng thái bão hoà). Ở giai đoạn này, mỗi một lượng tăng nhỏ dòng
điện ứng với một lượng giảm lớn của điện áp. Đoạn này được gọi là đoạn điện
trở âm.
Đoạn (III) ứng với trạng thái mở của Thyristor. Trong đoạn này cả 3 mặt tiếp
giáp J1, J2, J3 điều đã chuyển dịch thuận, một giá trị điện áp nhỏ có thể tạo ra
một dòng điện lớn. Lúc này dòng điện thuận chỉ còn bị hạn chế bởi điện trở
mạch ngoài, điện áp rơi trên Thyristor rất nhỏ. Thyristor được giữ ở trạng thái
mở chừng nào dòng Ith còn lớn hơn dòng duy trì Idt.
Đoạn (IV) ứng với trạng thái của Thyristor khi ta đặt một điện áp ngược lên
nó (cực dương lên catốt, cực âm lên Anod). Lúc này J1, J3 chuyển dịch ngược,
còn J2 chuyển dịch thuận, vì khả năng khoá của J3 rất yếu nên nhánh ngược của
đặc tính Volt-Ampere chủ yếu được quyết định bằng khả năng khoá của mặt tiếp
giáp J1, do đó có dạng nhámh ngược của đặc tính diod thường. Dòng điện Ing
có giá trị rất nhỏ Ing ≈ Io. Khi tăng Ung đến giá trị Uđt (điện áp đánh thủng) thì
J1 bị chọc thủng và Thyristor bị phá hỏng. Vì vậy để tránh hư hỏng cho
Thyristor ta không nên đặt điện áp ngược có giá trị gần bằng Uđt lên Thyristor.
Nếu cho những giá trị khác nhau của dòng điều khiển Iđk thì sẽ nhận được
một họ đường đặc tính Volt-Ampere của Thyristor. Đoạn (I) của đường đặc tính
Volt-Ampere sẽ bị rút ngắn lại và điện áp Uch cũng nhỏ đi nếu tăng dần giá trị

Uđk. Khi dòng điều khiển tương đối lớn Iđk3 thì đường đặc tính được nắn gần
như thẳng giống như nhánh thuận của đặc tính Diod, có thể nói với giá trị của
Iđk như thế (α1 + α2) và mặt tiếp giáp J2 chuyển dịch thuận nhanh chóng.
3.2. Các thông số chủ yếu của Thyristor.
1. Điện áp thuận cực đại (Uth.max):
Là giá trị điện áp lớn nhất có thể đặt lên Thyristor theo chiều thuận mà
Thyristor vẫn ở trạng thái mở. Nếu vượt quá giá trị này có thể làm hỏng
Thyristor.
21


2. Điện áp ngược cực đại (Ung max):
Là điện áp lớn nhất có thể dặt lên Thyristor theo chiều ngược mà
Thyristor vẫn không hỏng. Dưới tác động của điện áp này, dòng điện ngược có
giá trị
Ing = (10 – 20)mmA. Khi điện áp ngược đặt lên Thyristor lưu ý phải giảm dòng
điều khiển
3. Điện áp định mức (Uđm):
Là giá trị điện áp cho phép đặc lên trên Thyristor theo chiều thuận và
ngược. Thông thường U đm = 2/3 Uth max
4. Điện áp rơi trên Thyristor:
Là giá trị điện áp trên Thyristor khi Thyristor đang ở trạng thái mở.
5.

Điện áp chuyển trạng thái (Uch):
Ở

giá trị điện áp này, không cần có Iđk, Thyristor cũng chuyển
sang trạng thái mở.

6.Dòng điện định mức (Iđm):
Là dòng điện có giá trị trung bình lớn nhất được phép chảy qua Thyristor.
7.Điện áp và dòng điện điều khiển (Uđkmin, Iđkmin):
Là giá trị nhỏ nhất của điện áp điều khiển đặt vào G – K và dòng điện
điều khiển đảm bảo mở được Thyristor.
8. Thời gian mở Thyristor (Ton):
Là khoảng thời gian tính từ sườn trước xung điều khiển đến thời điểm
dòng điện tăng đến 0,9 Iđm.
9. Thời gian khoá Thyristor (Toff ):
Là khoảng thời gian tính từ thời điểm I = 0 đến thời điểm lại xuất hiện
điện áp thuận trên Anod mà Thyristor không chuyển sang trạng thái mở.
10. Tốc độ tăng điện áp thuận cho phép (du/ dt):
Là giá trị lớn nhất của tốc độ tăng áp trên Anod mà Thyristor không
chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái mở.
11. Tốc độ tăng dòng thuận cho phép (di/ dt):
giá trị lớn nhất của tốc độ tăng dòng trong quá trình mở Thyristor.
22


3.3. Mở thyristor.
Các biện pháp mở Thyristor:
a)Nhiệt độ:
Nếu nhiệt độ Thyristor tăng cao, số lượng điện tử tự do sẽ tăng lên, dẫn đến
dòng điện rò Io tăng lên. Sự tăng dòng này làm cho hệ số truyền điện tích α1, α2
tăng và Thyristor được mở. Mở Thyristor bằng phương pháp này không điều
khiển được sự chạy hỗn loạn của dòng nhiệt nên thường được loại bỏ.
b) Điện thế cao:
Nếu phân cực Thyristor bằng một điện thế lớn hơn điện áp đánh thủng Uđt
thì Thyristor mở. Tuy nhiên phương pháp này sẽ làm cho Thyristor bị hỏng nên
không được áp dụng.

c) Tốc độ tăng điện áp (du/dt):
Nếu tốc độ tăng điện áp thuận đặt lên Anod và Catot thì dòng điện tích của
tụ điện tiếp giáp có khả năng mở Thyristor. Tuy nhiên dòng điện tích lớn này có
thể phá hỏng Thyristor và các thiết bị bảo vệ. Thông thường tốc độ tăng điện áp
du/dt thì do nhà sản xuất qui định.
d) Dòng điều khiển cực G
Khi Thyristor đã phân cực thuận ta đưa dòng điều khiển dương đặt vào hai
cực G & K thì Thyristor dẫn, dòng IG càng tăng thì Uđt càng giảm.
3.4. Khoá Thyristor:
Khoá Thyristor tức là trả nó về trạng thái ban đầu trước khi mở với đầy đủ
các tính chất có thể điều khiển được nó. Có hai phuơng pháp khoá Thyristor :
- Giảm dòng điện thuận hoặc cắt nguồn cung cấp.
- Đặt điện áp ngược lên Thyristor.
- Quá trình khoá Thyristor:
Khi đặt điện áp ngược lên Thyristor tiếp giáp J1, J3 chuyển dịch ngược,
còn J2 chuyển dịch thuận. Do tác dụng của điện trường ngoài, các lỗ trống trong
lớp P2 chạy qua J3 về Catot và trong lớp N1 lổ trống chạy qua J1 về Anod tạo
nên dòng điện ngược chạy qua tải, giai đoạn này từ to -t1 (Hình 3.5). Khi các lỗ
trống bị tiêu tán hết thì J1 & J3 (chủ yếu J1) ngăn cản không cho điện tích tiếp
23


tục chảy qua, dòng ngược bắt đầu giảm xuống, từ t1 - t2 gọi là thời gian khoá
Thyristor.
Thời gian khoá này thường dài gấp 8 - 10 lần thời gian mở.

Hì
nh 3.3 Quá trình khóa thyristor
3.5. Nguyên tắc điều khiển thyristor.
3.5.1. Nguyên tắc chung điều khiển thyristor :

Thyristor chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt lên đầu
anot (UAK > 0) và điện áp dương đặt lên cực điều khiển (G) tức là UGk >0 .
Sau khi thyristor đã mở thì xung điều khiển (xung dương) không còn tác
dụng , dòng điện chảy qua thyristor do các thông số của mạch động lực quyết
định
Thyristor chỉ tắt khi : UAK < 0 hoặc UG <0

24


3.5.2. Nguyên tắc điều khiển acrcoss:

Hình 3.4. Nguyên tắc điều khiển arccoss
Hình 3.4 ta sử dụng phương pháp điều khiển thẳng đứng để thực hiện điều
chỉnh vị trí đặt xung trong nửa chu kỳ điện áp dương đặt lên thyristor. Theo
nguyên tắc này thì ở khâu so sánh phải có hai điện áp vào: điện áp đồng bộ COS
được tạo ra ở khâu đồng bộ khi ta cho điện áp sin vào ( điện áp sin này phải
cùng pha với điện áp đặt lên hai đầu thyristor), điện áp điều khiển Uđk là điện
áp một chiều có thể biến đổi được.
Điều khiển góc kích trên nguyên tắc sau :
Điện áp đưa vào khâu đồng bộ là : Um sin( wt ) sau khi ra khỏi khâu đồng
bộ thì điện áp thu được là Uđb = Um cos (wt ).
Đem điện áp đồng bộ này so sánh với điện áp điều khiển Uđk ta được thời
điểm kích mở cho thyristor chính là thời điểm mà Uđb = Uđk
Khi dó α = arccoss ( Uđk/Um)
Với Uđk = Um thì α = 0
Với Uđk = 0 thì α = 900 Với
Uđk = -Um thì α=1800

25