ĐỒ ÁN MÔN HỌC: Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu 3pha, có điều khiển theo nguyên lý Arcos để điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập

Đồ án môn học

Điện tử công suất
LỜI NÓI ĐẦU

Điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại, nghiên cứu ứng dụng của
các linh kiện bán dẫn công suất làm việc ở chế độ chuyển mạch và quá trình
biến đổi điện năng.
Ngày nay, không riêng gì ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta các thiết
bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh
vực sinh hoạt. Các xí nghiệp, nhà máy như: ximăng, thủy điện, giấy, đường,
dệt, sợi, đóng tàu….. đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của công
nghiệp điện tử nói chung và điện tử công suất nói riêng. Đó là những minh
chứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp này.
Với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đaị hoá đất nước, ngày càng có nhiều xí
nghiệp mới, dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và
kỹ sư điện những kiến thức về điện tử công suất. Cũng với lý do đó, chúng em
được làm đồ án môn học điện tử công suất.
Dưới sự hướng dẫn và giúp đỡ của thầy Nguyễn Kim Ánh, em đã được
nhận và làm đề tài: “Thiết kế bộ chỉnh lưu cầu 3pha, có điều khiển theo
nguyên lý Arcos để điều khiển động cơ một chiều kích từ độc lập”.
Mặc dù đã dành nhiều cố gắng xong không tránh khỏi những sai sót nhất
định, em mong được sự góp ý của thầy, cô.

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thành Luân

MỤC LỤC

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 1


Đồ án môn học

Điện tử công suất
Chương 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương pháp
điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện
áp…………………………………………………
Trang 3
Chương 2: Tổng quan về bộ chỉnh lưu Tiristor hình cầu ba pha.
Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống chỉnh lưu - động cơ điện một chiều
(hệ T - Đ) không đảo chiều..……………..
Trang 15
Chương 3: Tính chọn các phần tử mạch động lực...
………………………………………………….. Trang 25
Chương
4:
Tính
chọn
các
phần
tử
mạch
điều
khiển…………………………………………………. Trang 42
Chương 5: Mạch bảo vệ và kết luận…………….
Trang 50
Tài liệu tham khảo…………………………..…..
Trang 55



CHƯƠNG 1
Chương I
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ CÁC PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU CHỈNH TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU BẰNG CÁCH
THAY ĐỔI ĐIỆN ÁP.

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 2


Đồ án môn học

Điện tử công suất

I -Tổng quan về động cơ điện một chiều :
1.Khái quát:
Trong nền sản xuất hiện đại, máy điện một chiều vẫn được coi là một
loại máy quan trọng. Nó có thể dùng làm động cơ điện, máy phát điện hay dùng
những điều kiện làm việc khác.
Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ rất tốt , vì vậy máy
được dùng nhiều trong những ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh
tốc độ như cán thép, hầm mỏ hay giao thông vận tải...
a.Phân loại:
i. Động cơ điện một chiều chia làm nhiều loại theo sự bố trí của cuộn
kích từ :
• Động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

• Động cơ điện một chiều kích từ song song.
• Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.
• Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp.
b. Ưu nhược điểm động cơ điện một chiều:
- Ưu điểm:
Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ.
üCó nhiều phương pháp hãm tốc độ.
- Nhược điểm:
Tốn nhiều kim loại màu
Chế tạo, bảo quản khó khăn
Giá thành đắt hơn các máy điện khác
2. Đặc tính cơ của máy điện một chiều :
Quan hệ giữa tốc độ và mômen động cơ gọi là đặc tính cơ của động
cơ:
ω = f(M) hoặc n = f(M).
Quan hệ giữa tốc độ và mômen của máy sản xuất gọi là đặc tính cơ
của máy sản xuất:
ωc= 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 giữa tốc độ và dòng
điện trong mạch động cơ:
ω = f(I) hoặc n = f(I).
1. Phương trình đặc tính cơ:
Theo sơ đồ hình (1.1) ta có thể viết phương trình cân bằng điện áp của
mạch phần ứng như sau:
Uư
Uư = Eư + (Rư +Rf)Iư
Trong đó: Uư - điện áp phần ứng, (V)
Rf
Eư - sức điện động phần ứng,(V)

E
Rư - điện trở của mạch phần ứng
Rf - điện trở phụ trong của mạch phần ứng
RKT
CKT
Với: Rư = rư + rcf + rb + rct
Trong đó:
IKT
rư - điện trở cuộn dây phần ứng.
Hình
1.1
UKT
rcf - điện trở cuộn cực từ phụ.
SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 3


Đồ án môn học

Điện tử công suất
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 =

pN
φω = kφω
2πa

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.
φ-từ thông kích từ dưới một cực từ.
ω-tốc độ góc,rad/s.
k=

pN
- hệ số cấu tạo của động cơ.
2πa

Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n (vòng/phút) thì:
Eư = Ke.φn
2πn
n
=
Với: ω =
60

9.55

Vì vậy:

Eư=

pN
φn
60a

pN
là hệ số sức điện động của động cơ .
60a
K
Ke =
≈ 0.105K
9.55

Ke =

Từ các biểu thức trên, ta có:
ω=

U u Ru + R f
−
Iu
Kφ
Kφ

Là phương trình đặc tính cơ điện của động cơ.
Mặt khác, mômen điện từ Mđt của động cơ được xác định bởi:
Mđt= Kφ Iư
Suy ra:

Iư =

M dt
Kφ

Thay giá trị Iư vào phương trình đặc tính của động cơ ta được:
ω=

U u Ru + R f
−
.M dt
K φ ( Kφ ) 2

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 M đt= Mc= M. Khi
đó ta được:

ω=

U u Ru + R f
−
.M
Kφ ( Kφ ) 2

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 φ = Const, thì
các phương trình đặc tính cơ điện và phương tình đặc tính cơ là tuyến

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 4


Đồ án môn học

Điện tử công suất

tính. Đồ thị của chúng được biểu điển trên hình (1-2) là những đường
thẳng.
Theo các đồ thị trên, khi Iư= 0 hoặc M = 0 ta có:

ω=

Uu
= ω0
Kφ

ω0: gọi là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ.
Còn khi ω = 0 ta có: I u =

U
= I nm
Ru + R f

Và M = KφInm = Mnm Inm
ω
ωđm0

ω

ω0
ωđm

I

Iđm

Inm

Hình 1.2

ω
M
Mđm

Mnm

a. Đặc tính cơ điện của động cơ
điện một chiều kích từ độc lập

b. Đặc tính cơ của động cơ điện
một 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 điện và phương trình đặc tính cơ cũng
có thể được viết dưới dạng:

ω=

U u RI
−
= ω 0 − ∆ω
Kφ Kφ

ω=

Uu
R
−
.M
Kφ ( Kφ ) 2

ω0 =
∆ω =

Uu
Kφ

RI u RM
=
gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M.
K φ ( Kφ )

R=Rư + Rf : điện trở mạch phần ứng
2. Xét các ảnh hưởng các tham số đến đặc tính cơ:
Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy có ba tham số ảnh hưởng đến đặc
tính cơ: Từ thông động cơ φ, điện áp phần ứng Uư, và điện trở phần ứng động
cơ.Ta lần lượt xét ảnh hưởng của từng tham số đó:
a) Aính hưởng của điện trở phần ứng:
Giả thiết rằng Uư=Uđm= Const
ω
và φ = φ đm= Const.

0

TN(Rn)

Rf1
Rf2
Hình 1.3
Mc

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Rf3
Rf4
Trang 5


Đồ án môn học

Điện tử công suất

Muốn thay đôíi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ R f vào
mạch phần ứng.
Trong trường hợp này tốc độ không tải lý tưởng:

ω0 =

U dm
= Const
Kφdm

Độ cứng đặc tính cơ:

∆M ( Kφdm )
β=

=
= var
∆ω
Ru + R f
2

Khi Rf càng lớn β càng nhỏí nghĩa là đặc tính cơ càng dốc,ứng với
Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên:
βTN

( Kφdm )
=

2

Ru

βTN có giá trị lớn nhất nên đặc tính cơ tự nhiên có độ cứng hơn tất cả cá
đường đặc tính có điện trở phụ. Như vậy khi thay đổi điện trở R f ta được một
họ đặc tính biến trở như hình (1.3).
Ứng với mỗi phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ cơ càng giảm,
đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm. Cho nên
người ta thường sử dụng phương pháp này để hạn chế dòng điện và điều
chỉnh tốc độ động cơ phía dưới tốc độ cơ bản.
b) Aính hưởng của điện áp phần ứng:
Giả thiết từ thông φ = φ đm= const, điện trở phần ứng
thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm, ta có:

Rư = const. Khi

Tốc độ không tải:
U
x = Var
ω =
0 x Kφ
dm

Độ cứng đặc tính cơ:

( Kφ )
β =−

2

Ru

= Const

ω
ω0
ω01
ω02
ω03
ω04

Uđm

Mc

Hình 1.4

U1
U2
U3
U4 M(I)

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ
đặc tính cơ song song như trên (Hình 1.4).
Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp (giảm áp) thì mômen ngắn mạch, dòng
điện ngắn mạch của động cơ giảm và tốc độ động cơ cũng giảm ứng với một phụ
tải nhất định. Do đó phương pháp này cũng được sử dụng để điều chỉnh tốc độ
động cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động.
SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 6


Đồ án môn học

Điện tử công suất

c) Aính hưởng của từ thông:
Giả thiết điện áp phần ứng U ư= Uđm= Const. Điện trở phần ứng R ư =
Const. Muốn thay đổi từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ I kt động cơ. Trong
trường hợp này:
Tốc độ không tải:

ω

0x

=

U

x = Var
Kφ
x

( Kφ x )
Độ cứng đặc tính cơ: β = −
R
u

2
= Var

Do cấu tạo của động cơ

điện, thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông.
Khi từ thông giảm thì ω0x tăng, còn β giảm ta có một họ đặc tính cơ với
ω0x tăng dần và độ cứng của đặc tính giảm dần khi giảm từ thông. Ta nhận thấy
rằng khi thay đổi từ thông:
Dòng điên ngắn mạch: Inm =
Mômen ngắn mạch:

U dm
= Const
Ru
Mnm=Kφ xInm=Var

Các đặc tính cơ điện và đặc tính của động cơ khi giảm từ thông
được biểu diễn ở hình (1.5)a. Với dạng mômen phụ tải M c thích hợp với
chế độ làm việc của động cơ,khi giảm từ thông,tốc độ động cơ tăng lên,
như ở hình (1.5)b.
II- Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
ω
ω02
φ
ω01 φ 1 2
ω0
φ đm

Mc
I

0

ω02
ω01

0

φ2

φ1

φ đm

M

Inm

a. Đặc tính cơ điện của động cơ điên một chiều b. Đặc tính cơ của động cơ điện một
kích từ độc lập khi giảm từ thông
chiều kích từ độc lập khi giảm từthông
Hình 1-5

Truyền động điện được dùng để dẫn động các bộ phận làm việc của các
máy sản xuất khác. Thường phải điều chỉnh tốc độ chuyển động của các bộ phận
làm việc. Vì vậy điều chỉnh tốc độ động cơ điện là biến đổi tốc độ một cách chủ
động, theo yêu cầu đặt ra cho các qui luật chuyển động của bộ phận làm việc mà
không phụ thuộc mômen phụ tải trên trục động cơ.
Xét riêng về phương diện tốc độ của động cơ điện một chiều là có nhiều
ưu điểm hơn với các loại động cơ khác, không những có thể điều chỉnh tốc độ dễ

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 7


Đồ án môn học

Điện tử công suất

dàng, đa dạng các phương pháp điều chỉnh, cấu trúc mạch động lực, mạch điều
khiển đơn giản hơn, đồng thời đạt chất lượng điều chỉnh cao, dải điều chỉnh rộng.
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 điện một chiều kích từ độc lập.
Để điều chỉnh điện áp dặt vào phần ứng động cơ ta dùng các bộ nguồn điều
áp như: máy phát điện một chiều các bộ biến đổi van hoặc khuyếch đại từ,…Các bộ
biến đổi trên dùng để biến dòng xoay chiều và điều chỉnh giá trị sức điện động của
nó cho phù hợp với yêu cầu.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
R +Rf
U
− u
M
K E Φ K E K M Φ2
Ta có tốc độ không tải lý tưởng:
n=

no =

U dm
K E Φ dm

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 dặc tính cơ nên được dùng nhiều
trong máy cắt kim loại và cho những tốc độ nhỏ hơn ncb.
• ưu điểm: đây là phương pháp điều chỉnh triệt để vô cấp có nghĩa là có thể
điều chỉnh trong bất kỳ vùng tải nào kể cả khi không tải lý tưởng.
• nhược điểm : phảo có bộ nguồn có điện áp thay đổi được nên vốn đầu tư cơ
bản và chi phí vận hành cao.
2. Điều chỉnh bằng cách thay đổi từ thông:
+ •

• U
DM
Ñ

+

•

CKÑ
RKÑ

Iö
•

UKT

•

-

H1.6_
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

k M .Φ.I u và sức điện động quay của động cơ.
Eu = k E .Φ.n

moment điện từ của động cơ M =

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 8


Đồ án môn học

Điện tử công suất

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 máy điện công
suất trung bình,người ta thường sử dụng các biến trở đặt trong mạch kích từ để
thay đồi từ thông do tổn hao công suất nhỏ. Đối với các máy điện công suất lớn thì
dung các bộ biến đổi đặc biệt như: máy phát khuyếch đại máy điện;khuyếch 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 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
k E .Φ

Bởi vì ứng với mỗi động cơ ta có một tốc độ lớn nhất cho phép. Khi điều
chỉnh tốc độ tuỳ thuộc vào điều kiện cơ khí, điều kiện cổ góp động cơ không thể
đổi chiều dòng điện và chịu được hồ điện quang,do đó động cơ không được làm
việc quá tốc độ cho phép .
Nhận xét : do quá trình điều chỉnh tốc độ đựơc thực hiện như 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 cứng:

Trong phương pháp này điện trở phụ đựơc mắc nối tiếp với mạch phần
cứng của động cơ theo sơ đồ nguyên lý sau :
• +•
U
Iö

Rf

E

+

•

CK
RK U

•

•

•

-

KT

H1.7
Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trên mạch

phần cứng được giải thích như sau: giả sử động cơ đang làm việc xác lập với tốc
độ n1,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 ày chỉ có thể điều chỉnh tốc độ nKhi 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
đượcdùng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ dưói tốc độ cơ bản và tuyệt
đối không được dùng cho các động cơ của máy cắt kim loại.
Ưu điểm : thiết bị thay đổi rất đơn giản, thường dùng trong các động cơ có
cần trục, thang máy ,máy nâng, máy xúc…
SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 9


Đồ án môn học

Điện tử công suất

Nhựơc điểm : tốc độ điều chỉnh càng thấp khi giá trị điện trở phụ đóng vào
càng lớn , đặc tính cơ càng mền , độ cứng giảm làm cho sự ổn định tốc độ khi
thay đổi phụ tải càng kém.Tổn hao phụ khi điều chỉnh rất lớn, tốc độ càng thấp
thì tổn hao phụ càng tăng.
*Thực tế có 2 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều bằng
điện áp:
+Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ
+Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ
Vì vậy cần phải có những bộ biến đổi phù hợp để cung cấp mạch điện

phần ứng hoặc mạch kích từ của động cơ. Cho đến nay thường sử dụng những bộ
biến đổi dựa trên các nguyên tắc truyền động sau đây :
+Hệ truyền động máy phát – động cơ (F – Đ)
+Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor – động cơ (T – Đ)
4.Hệ truyền động máy phát – động cơ (F – Đ)
Phần ứng của động cơ điện một chiều được cung cấp từ 1 máy phát điện.
Máy phát có 1 động cơ sơ cấp không đồng bộ 3 pha quay. Khi ta thay đổi I ktF thì
Uu thay đổi và làm thay đổi tốc độ động cơ điện một chiều. Khi đảo chiều I tkF thì
động cơ điện một chiều cũng sẽ đảo chiều quay.

H1.8
Hệ truyền động F-Đ

+Ưu điểm : hệ này điều chỉnh tốc độ rất linh hoạt. Động cơ có thể
chuyển đổi qua các chế độ làm việc khi ta thay đổi tốc độ hoặc đảo chiều, khả
năng điều chỉnh vận tốc tương đối rộng, khả năng chịu quá tải khá tốt.
+Nhược điểm : hệ này sử dụng nhiều máy điện quay, trong đó ít nhất
phải có 2 máy điện một chiều nên gây ra tiếng ồn lớn, công suất lắp máy lớn so
với động cơ chấp hành. Ngoài ra do máy điện một chiều có từ dư, đặc tính từ hoá
trở nên khó điều chỉnh tốc độ.
5.Hệ truyền động chỉnh lưu – động cơ (T-Đ)
Thường sử dụng bộ chỉnh lưu có điều khiển thyristor. Tốc độ động cơ
thay đổi bằng cách thay đổi điện áp chỉnh lưu cấp cho phần ứng động cơ, để thay
đổi điện áp chỉnh lưu ta chỉ cần sử dụng mạch điều khiển, thay đổi thời điểm mở
van thyristor.
+Ưu điểm của hệ này là tác động nhanh, không gây ồn và dễ tự động
hoá. Do các van bán dẫn có hệ số khuếch đại công suất rất cao, điều đó thuận lợi
SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 10

Đồ án môn học

Điện tử công suất

cho việc thiết lập hệ thống điều chỉnh nhiều vòng, để nâng cao chất lượng đặc tính
tĩnh và các đặc tính của hệ thống.
+Nhược điểm của hệ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến, dạng chỉnh
lưu của điện áp có biên độ đập mạch gây tổn hao phụ trong máy điện. Hệ số công
suất cos ϕ của hệ thống nói chung là thấp. Tính dẫn điện 1 chiều của van buộc ta
phải sử dụng 2 bộ biến đổi để cấp điện cho động cơ có đảo chiều quay.
Ш. Cơ sở lý thuyết của phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một
chiều kích từ độc lập bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.
1.Sơ đồ thay thế tính toán:

H 1.9
Sơ đồ bộ biến đổi
Từ phương trình đặc tính động cơ tổng quát:

ω=

Uu
Ru
−
.M ⇒ ω = ω 0 − ∆ω
Kφ ( K φ ) 2

Ta thấy sự thay đổi Uu thì ω 0 sẽ thay đổi, còn ∆ω = const
Vậy ta sẽ được các đường đặc tính điều chỉnh song song với nhau.

Như vậy muốn thay đổi điện áp phần ứng Uu ta phải có bộ nguồn cung
cấp điện một chiều thay đổi được điện áp ra.

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 11


Đồ án môn học

Điện tử công suất

H 1.10
Đặc tính cơ của ĐCDC kích từ độc lập ở những điện áp trên phần ứng khác nhau
a)Bộ biến đổi F-Đ:

H 1.11
Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi F-Đ
Là bộ biến đổi máy điện mà nguyên lý vận hành được giới thiệu ở phần
trước.
Phương trình đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ dùng máy phát.

ω=

EF
R
−
.M
Kφ D ( Kφ D ) 2

ω=

K F .U KF
R
−
.M
Kφ D
( Kφ D ) 2

Như vậy khi thay đổi UKF (hoặc iKF) ta sẽ được 1 họ đường đặc tính cơ
song song nhau ở cả 4 góc phần tư.
SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 12


Đồ án môn học

Điện tử công suất
b)

Bộ biến đổi T-Đ:

H 1.12
Sơ đồ bộ biến đổi T-Đ
Là phương pháp biến đổi điện tử, bán dẫn
Ta xét hệ T-Đ không đảo chiều:
Chế độ dòng liên tục: Ed = Ed0 . cos α

E d 0 . cos α Ru + RCL

−
.I
2
Kφ dm
( Kφ dm )
E . cos α Ru + RCL
ω = d0
−
.M ⇒ ω = ω 0 − ∆ω
Kφ dm
( Kφ dm ) 2

ω=

Vậy khi ta thay đổi góc điều khiển α = (0 ÷ π ) thì Ed thay đổi từ Ed0 đến –
Ed0 và ta sẽ được 1 hệ đặc tính cơ song song nằm ở mức bên phải của mặt
phẳng toạ độ.

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 13


Đồ án môn học

Điện tử công suất
CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ BỘ CHỈNH LƯU TIRISTOR HÌNH CẦU BA PHA.
THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG CHỈNH LƯU - ĐỘNG CƠ

ĐIỆN MỘT CHIỀU (HỆ T – Đ) KHÔNGCÓ ĐẢO CHIỀU.
I/ Chỉnh lưu hình cầu 3 pha:
F

T1

T3

L

T5

u2a

R

u2b

ud

u2c

E

T4

T6

T2

id
G

H 2.1
Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha
a)Sơ đồ và dạng sóng:
Đây là chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển hai nửa chu kỳ gồm 6
tiristor chia làm hai nhóm:
+T1,T3,T5 là nhóm catôt nối chung.
+T2,T4,T6 là nhóm anốt nối chung.
Điện áp các pha thứ cấp máy biến áp:
u2a = 2U 2 .sin θ

2π
)
3
4π
)
u2c = 2U 2 .sin(θ −
3
u2b = 2U 2 .sin(θ −

Góc mở α được tính từ giao điểm của các nửa hình sin.
Giả thiết dòng điện được san bằng tuyệt đối : L = ∞.

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 14

Đồ án môn học

Điện tử công suất

ud

H 2.2
Sơ đồ dạng sóng của dòng điện và điện áp trong bộ chỉnh lưu cầu 3 pha

b)

Nguyên lý hoạt động:

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 15


Đồ án môn học

Điện tử công suất

VF = u2 c
Giả thiết T5 và T6 đang cho dòng chảy qua : 
VG = u2b
Khi θ = θ1 =

π
+ α cho xung điều khiển mở T1. Tiristor này mở vì u2a
6

> 0. Sự mở của T1 làm cho T5 bị khóa lại một cách tự nhiên vì u 2a > u2c. Lúc
này T6 và T1 cho dòng chạy qua. Điện áp trên tải :
ud = uab =ua - ub
3π
+ α cho xung điều khiển mở T2. Tiristor này mở vì khi
Khi θ = θ2 =
6
T6 dẫn dòng, nó đặt u2b lên anôt T2 mà u2b > u2c. Sự mở của T2 làm cho T6 bị
khóa lại một cách một cách tự nhiên vì u2b > u2c.
Các xung điều khiển lệch nhau một góc

π
được lần lượt đưa đến các
3

cực điều khiển của các tiristor theo thứ tự 1,2,3,4,5,6,1,…như hình vẽ
V1
V6

V2
V4
V6

V1
V2

V3
V2

V3
V4

V5
V4

V5
V6

V1
V6

V1
V2

V1
V3
V5

iGV1
iGV2
iGV3
iGV4
iGV5
iGV6

H 2.3
Chu kỳ đưa xung điều khiển vào các Thyristor
Trong mỗi nhóm,khi một tiristor mở,nó sẽ khoá ngay tiristor dẫn dòng
trước nó, theo tóm tắt sau đây:

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 16


Đồ án môn học

Điện tử công suất

bình điện
Trên H 2.1

Thời điểm

Mở

θ1 = π/6 + α
θ2 = 3π/6 + α
θ3 = 5π/6 + α
θ4 = 7π/6 + α
θ5 = 9π/6 + α
θ6 =11π/6 + α

T1
T2
T3
T4
T5
T6

Khóa
*Trị trung
áp trên tải:

T5
T6
T1
T2
T3
T4

Đường bao
phía
trên
biểu diến
điện
thế
của điểm F là vF. Đường bao phía dưới biểu diễn điện thế của điểm G là vG.
Điện áp trên mạch tải là ud =vF - vG là khoảng cách thẳng đứng giữa hai
đường bao.
Ud =

6
2π

5π
+α
6

∫

π
+α
6

*Trùng dẫn:

2U 2 sin θ .dθ =

3 6U 2
cosα
π

e a = 2 .U 2 . sin θ
2π π
)
3 3
4π
e c = 2 .U 2 . sin(θ −
)
3
eb = 2 .U 2 . sin(θ −

ud
ec + ea
2
eb + ec
θ 2
ea + eb

2

H 2.4
Hình biểu diễn hiện tượng trùng dẫn
Giả thiết T1 và T2 đang dẫn dòng. Khi θ = θ 1 cho xung điều khiển mở T3.
Do Lc ≠ 0 nên dòng iT3 không thể đột ngột tăng từ 0 đến I d và dòng iT1 cũng
không thể đột ngột giảm từ I d xuống 0. Cả ba tiristor T 1,T2 và T3 đều dẫn dòng.
Hai nguồn ea và eb nối ngắn mạch.
Nếu chuyển gốc toạ độ từ 0 sang θ1,ta có :

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 17


Đồ án môn học

Điện tử công suất

5π
+α)
6
π
eb = 2.U 2 .sin(θ + + α )
6
ea = 2.U 2 .sin(θ +

u2a = ea

iT1

Lc

T1

ic

u2b =eb
Lc

iT3
T3

id

u2c = ec
Lc

TẢI
T2

ud

H 2.5
Sơ đồ khi 2 nguồn ea và eb bị nối ngắn mạch
Điện áp ngắn mạch uc = eb - ea = 6.U 2 .sin(θ + α )
Dòng điện ngắn mạch ic được xác định bởi phương trình :

uc = 6.U 2 .sin(θ + α ) = 2 X c
ic =

dic
dθ

6.U 2
cosα -cos ( θ +α ) 
2Xc 

Dòng điện chảy trong T1 là:
iT1 = Id – ic.
Dòng điện chảy trong T3 là :
iT3 = ic .
Giả thiết quá trình trùng dẫn kết thúc khi θ = θ2,và ký hiệu μ = θ2 – θ1 là góc
trùng dẫn. Khi θ = μ, iT1 = 0, ta có biểu thức sau:

cosα -cos ( µ +α ) =

2 X c Id
(2.1)
6U 2

Hình dạng điện áp ud trong giai đoạn trùng dẫn :
Trong khoảng θ1 đến θ2 :T2 dẫn dòng,T1 và T3 cùng dẫn dòng,vậy có thể viết
phương trình sau:

diT 1
= ud
dt
di
eb − ec − 2 Lc T 3 = ud

dt
iT 1 + iT 3 = iT 2 = I d = const
ea − ec − 2 Lc

Từ ba phương trình trên rút ra:

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 18


Đồ án môn học

Điện tử công suất

ud =

ea + eb
− ec
2

Do trùng dẫn (Lc ≠ 0) nên trị trung bình của điện áp tải bị giảm đi một
lượng ∆Uμ.
Xác định ∆Uμ :
µ

ea + eb
6 
e
−

∆Uμ =
b

2π ∫0 
2
∆Uμ =

µ

3

÷dθ = π ∫ 6U 2 sin ( θ + α ) dθ

0

3 6U 2
cosα -cos ( µ +α ) 
2π 

Thay (2.1) vào biểu thức rút ra :
∆U μ =

3X c Id
π

II- Tổng quan về Tiristor :
1/ Cấu tạo:
Là dụng cụ bán dẫn gồm 4 lớp bán đẫn loại P vàN ghép xen kẽ nhau và
có 3 cực anốt, catốt và cực điều khiển riêng G
Kí hiệu

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

A

Ei
- + - +
P1 - + N1- +P2
- + - +
J2
J1

- +
- +N2
- +
J3

K

Trang 19


Đồ án môn học

Điện tử công suất

G
Hình 2.6

2/ Nguyên lý hoạt động :

Khi tiristor được nối với nguồn một chiều E > 0 tức cực dương đặt vào
anốt cực âm đặt vào catốt, thì tiếp 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 ra, không có
dòng điện chạy qua tiristor mặc dù nó được đặt dưới 1 điện áp dương.
a) Mở tiristor : 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 Ug và hình thành dòng điều khiển Ig chảy theo mạch
G - 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 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 tích chạy vào vùng N1 qua P1 và đến cực dương của nguồn điện ngoài, gây
nên hiện tượng dẫn điện ào ạt làm cho J2 trở thành mặt ghép dẫn điện bắt đầu từ
một điểm nào đó ở xung quanh cực rồi phát triển ra toàn bộ mặt ghép với tốc độ
lan truyền khoảng 1m/100µs
b)
+E - Một trong những biện pháp đơn giản nhất
Rt

R1

T

K
R2
Hình 2.7

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

để mở Tiristor được trình bày trên hình vẽ.
Khi đóng mở K, nếu Ig > Igst thì T mở ( Ig ≈
(1,1 ÷ 1,2 ). Igst )
R1 =

E
(1,1 − 1, 2) I gst

Igst : Giá trị dòng điều khiển ghi trong sổ tay
-E tra cứu tiristor
R2 = 100÷ 1000(Ω)

Trang 20


Đồ án môn học

Điện tử công suất

Có thể hình dung như sau : Khi đặt tiristor ở UAK > 0 thì tiristor 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 tiristor mở.
Công thức :
U AK 〉1V

Tiristor khoá + 
-> tiristor mở
 I g ≥ I gst

Thời gian mở ton là thời gian cần thiết để thiết lập dòng điện chính chảy
trong tiristor, tính từ thời điểm phóng dòng Ig vào cực điều khiển. Thời gian mở
tiristor kéo dài khoảng 10 μs.
c)Khoá Tiristos:
Một khi tiristor đã mở thì tín hiệu thì tín hiệu Ig không còn tác dụng nữa.
Để khoá tiristor có 2 cách :
. Giảm dòng điện làm việc I xuống dưới giá trị dòng duy trì Idt
. Đặt một điện áp ngược lên tiristor.(biện pháp thường dùng)
Khi dặt điện áp ngược lên tiristor 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, 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.
i
A

P1

N1

P2

N2

K
to

G
E

-

t1

b)

a)
+E

+E

R

R1

R2

C

A
T

c)

t

Ing

+

C

t2

K

T1

B

d) T
2

H 2.8
Khoá thyristor
a) Đặt điện áp ngược lên thyristor.
b) Đồ thị biến đổi dòng điện khi dặt điện áp ngược lên thyristor.

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 21


Đồ án môn học

Điện tử công suất

c)Khoá thyristor bằng điện áp ngược bằng cách đóng K.
d)Khoá thyristor một cách tự động.
- Thời gian khoá toff được tính từ khi bắt đầu xuất hiện dòng điện ngược
đến khi i bằng 0 (t2) đây là thời gian mà sau đó nếu đặt điện áp thuận lên tiristor thì

tiristor vẫn không mở, toff kéo dài khoảng vài chục μs. Trong bất kỳ trường hợp
nào cũng không được đặt tiristor dưới điện áp thuận khi tiristor chưa bị khoá nếu
không sẽ có nguy cơ gây ngắn mạch nguồn.
Ta có công thức:
Tiristor mở + UAK < 0 => Tiristor khoá
Trên sơ đồ hình (c), việc khoá tiristor bằng điện áp ngược được thực hiện
bằng cách đoúng khoá K. còn sơ đồ (d) cho phép khóa tiristor một cách tự động.
Trong mạch hình (c) khi mở tiristor 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
-C-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.
-T2 mở lại xuất hiện 2 dòng điện : Dòng thứ nhất chảy theo mạch : + E R1-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
c) Điện dung của tụ điện chuyển mạch :
- Trong sơ đồ hình (2.8 c, d) một câu hỏi được đặt ra là : Tụ điện C phải
có giá trị bằng bao nhiêu thì có thể khoá được tiristor ?
→ 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
tiristor điều mở), ta có phương trình mạch điện.
E = i.R1 + U c với i = C

Nên E = C.R1

du c
dt

E +
i

du c
+Uc
dt

Viết dưới dạng toán tử Laplace :

{

R1

}

E
= C.R1 P. uc ( p ) − uc ( 0 )  + uc ( p )
P
Vì uc ( 0 ) = − E nên:
Uc (

A

a.E
E
1
p) =
−
với a =

R1 .C
p ( p + a) p + a

B

..+

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 22

uc


Đồ án môn học

Điện tử công suất

(

)

Mạch tương đương

uc ( t ) = E 1 − 2.e − at = uT 1 .

Từ đó ta nhận được :
Thời gian toff là khoảng thời gian kể từ khi mở T2 cho đến khi UT1 bắt
đầu trở thành dương, vậy ta có :

(

)

E 1 − 2.e − a.toff = 0 → t off = 0,693.R1C hoặc C =
R1 =

t off
0,693.R1

E
sẽ nhận được biểu thức:
I

C=

1,44.I .t off
E

toff :µs ; I : Ampe ; E : Volt ; C : µF
4/ Đặt tính Volt - Ampe của tiristor :
Ia
III
II
IH
Ung

I0

IV

Ing

I

U

Uth Uch
Hình 2-3

Đoạn 1 : Ứng với trạng thái khoá của tiristor, chỉ có dòng điện rò chảy
qua tiristor khi tăng U lên đến Uch (điện áp chuyển trạng thái ), bắt đầu
quá trình tăng nhanh chống của dòng điện. Tiristor 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 tiristor, đoạn này gọi là đoạn điện trở âm.
Đoạn 3 : Ứng với trạng thái mở của tiristor. Khi này cả 3 mặt ghép đã trở
thàng đẫn điện. Dòng chảy qua tiristor chỉ còn bị hạn chế bởi điện trở
mạch ngoài. Điện áp rãi trên tiristor rất lớn khoảng 1V. Tiristor được giử
ở trạng thái mở chừng nào I còn lớn hơn dòng duy trì IH.
Đoạn 4 : Ứng với trạng thái tiristor bị đặt dưới điện áp ngược. Dòng
điện rất lớn, khoảng vài chục mA. Nếu tăng U đến Ung thì dòng điện
ngược tăng lên nhanh chống, mặt ghép bị chọc thủng, tiristor bị hỏng.
Bằng cách cho Ig lớn hơn 0 sẽ nhận được đặt tính Volt - Ampe với các Uch
nhỏ dần đi.

SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 23

Đồ án môn học

Điện tử công suất

CHƯƠNG 3
SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 24


Đồ án môn học

Điện tử công suất
TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐỘNG LỰC

Sơ đồ mạch động lực:

A

T4

B

C

T1

a

T6

T3

b

T2

c

T5

ĐC

Thông số động cơ điện một chiều:
Pđm = 125 KW
SVTH: Nguyễn Thành Luân- Lớp 06D2

Trang 25