Đồ án Mạch chỉnh lưu ba pha hình tia điều khiển động cơ một chiều AC-DC

Mục lục
Mở đầu ...................................................................................................................4
Chương 1. Tổng quan về chỉnh 3 ba pha có điều khiển ....................................5
1.1 Sơ đồ mạch chỉnh lưu ba pha hình tia ...........................................................5
1.2 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ .....................................................................6
1.3 Tổng quan về Thyristor .................................................................................7
1.3.1 Cấu tạo .....................................................................................................7
1.3.2 Nguyên lý hoạt động ...............................................................................8
1.3.3 Đặc tính Volt - Ampe của Thyristor........................................................9
Chương 2. Tính tốn và thiết mạch động lực bảo vệ ......................................10
2.1 Sơ đồ mạch động lực ...................................................................................10
2.2 Ngun lý hoạt động....................................................................................10
2.3

Tính tốn thiết bị ......................................................................................10

2.3.1 Tính toán chọn THYRISTOR ...............................................................10
2.3.1.1 Điện áp ngược của van .......................................................................10
2.3.1.2 Dịng điện làm việc của van ...............................................................11
2.3.2 Tính tốn máy biến áp ...........................................................................12
2.4 Tính tốn chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực ......................................13
2.4.1 Giới thiệu ...............................................................................................13
2.4.2 Bảo vệ quá dòng cho van ......................................................................13
2.4.3 Bảo vệ quá điện áp cho van. ..................................................................14
Chương 3. Tính tốn mạch điều khiển .............................................................16
3.1 Xác định yêu cầu cơ bản..............................................................................16
3.2 Nguyên tắc điều khiển .................................................................................16
3.3 Lựa chọn và thiết kế mạch điều khiển .........................................................17
1

3.3.1 Vi mạch TCA 785 .................................................................................17
3.3.2 Sơ đồ ......................................................................................................19
3.3.3 Chức năng của các linh kiện..................................................................19
3.3.4 Phân tích hoạt động của mạch điều khiển. ............................................20
3.4 Tính tốn chọn các thơng số phần tử mạch điều khiển ...............................21
3.5 Tính tốn máy biến áp đồng pha .................................................................22
3.6 Tính chọn biến áp xung ...............................................................................23
Chương 4. Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương pháp điều
chỉnh tốc độ..........................................................................................................24
4.1. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU ................................................................24
4.1.1 Khái quát chung .....................................................................................24
4.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều. ..................24
4.2.1 Cấu tạo ...................................................................................................24
4.2.2 Nguyên tắc hoạt động ............................................................................25
4.3 Các phương pháp điều khiển động cơ 1 chiều ............................................26
Chương 5. Vẽ mạch chỉnh lưu ba pha hình tia sử dụng phần mềm ALTIUM
DESIGNER..........................................................................................................29
5.1 Cài đặt phần mềm Altium và thư viện linh kiện cần thiết...........................29
5.2 Vẽ mạch sơ đồ nguyên lý ............................................................................32
5.3 Vẽ mạch in ...................................................................................................32
Tài liệu tham khảo ..............................................................................................37
Tổng kết ...............................................................................................................38

2


Mục lục hình ảnh
Hình 1. 1 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia .................................................................5
Hình 1. 2 Chỉnh lưu tia 3 pha khi ∝=00 .....................................................................6
Hình 1. 3 Chỉnh lưu tia 3 pha khi ∝< 300 .................................................................6

Hình 1. 4 Chỉnh lưu tia 3 pha khi ∝> 300 .................................................................7
Hình 1. 5 Sơ đồ cấu tạo Thyristor ..............................................................................8
Hình 1. 6 Kí hiệu Thyristor ........................................................................................8
Hình 1. 7 Đồ thị biểu diễn đường đặc tính Volt - Ampe của Thyristor.....................9
Hình 2. 1 Sơ đồ tổng quát mạch động lực ...............................................................10
Hình 2. 2 Mạch R-C bảo vệ qúa điện áp do chuyển mạch ......................................14
Hình 2. 3 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực ..............................................................15
Hình 3. 1 Sơ đồ chân ICA 785 .................................................................................17
Hình 3. 2 Sơ đồ vi mạch TCA 785 ..........................................................................17
Hình 3. 3 Sơ đồ một pha khâu khuếch đại xung ......................................................19
Hình 3. 4 Sơ đồ một pha điều khiển Thyristor ........................................................20
Hình 3. 5 Sơ đồ của hệ thống ...................................................................................23
Hình 4. 1 Cấu tạo của động cơ một chiều ................................................................24
Hình 4. 2 Pha 1 .........................................................................................................25
Hình 4. 3 Pha 2 .........................................................................................................25
Hình 4. 4 pha 3 .........................................................................................................26
Hình 5. 1 Cài đặt thư viện bằng wed Snapeda .........................................................29
Hình 5. 2 Cài đặt thư viện bằng trang Component Search Engine ..........................31
Hình 5. 3 Sơ đồ nguyên lý .......................................................................................32
Hình 5. 4 Thay đổi thơng số Cleareance ..................................................................33
Hình 5. 5 Chọn kích thước dây ................................................................................33
Hình 5. 6 Sơ đồ 2D sau khi đi dây ...........................................................................34
Hình 5. 7 Phủ đồng Top Layer.................................................................................35
Hình 5. 8 Phủ đồng Bottom layer ............................................................................35
Hình 5. 9 Mặt trước của mạch chỉnh lưu .................................................................36
Hình 5. 10 Mặt sau của mặt chỉnh lưu .....................................................................36

3

Mở đầu
Trong mọi thời đại, đặc biệt là thời đại kinh tế tri thức ngày nay, lao động
chân tay đang dần được thay thế bằng các thiết bị máy móc tiên tiến, hiện đại. Để có
được các thiết bị trên thì đội ngũ tri thức chính là lực lượng nịng cốt, sáng tạo và trở
thành nguồn lực đặc biệt quan trọng trong chiến lược phát triển, tạo nên sức mạnh
của mỗi quốc gia. Vì con người, với tất cả những năng lực sáng tạo và phẩm chất
tích cực của mình sẽ trở thành động lực phát triển cho công cuộc cơng nghiệp hóa
hiện đại hóa.
Đối với mọi quốc gia nói chung và nước ta nói riêng thì những nghành đóng
vai trò then chốt của nền kinh tế nước ta là: Điện, Than, Dầu Khí và ngành cơng
nghiệp tự động hóa khơng nằm ngồi chiến lược phát triển kinh tế. Cơng nghiệp tự
động hóa các ngành nghề, đồng thời góp phần thúc đẩy q trình cơng nghiệp hóa,
hiện đại hóa đất nước, xây dựng cơ sở hạ tầng phục vụ dân sinh.
Để nâng cao chất lượng sản phẩm, số lượng sản phẩm cũng như hỗ trợ cho
con người những công việc phức tạp, ngành cơng nghiệp tự động hóa đã ra đời và
mang lại những hiệu quả rất cao đáp ứng hồn tồn những u cầu đó của con người.
Tự động hóa là một lĩnh vực đã được hình thành và phát triển rộng lớn trên phạm vi
tồn thế giới, nó đem lại một phần không nhỏ cho việc tạo ra các sản phẩm có chất
lượng và độ phức tạp cao phục vụ nhu cầu thiết yếu cho cuộc sống. Ở nước ta lĩnh
vực tự động hóa đã được Đảng và nhà nước quan tâm và đầu tư rất lớn, cũng với các
lĩnh vực công nghiệp chuyển dịch nền kinh tế theo định hướng cơng nghiệp hóa hiện
đại hóa đất nước.
Trong giới hạn đồ án II vận dụng các linh kiện điện tử đơn giản và các phương
pháp điều khiển được học. Em được giao nhiệm vụ “Thiết kế chế tạo bộ chỉnh lưu
tia ba pha điều khiển động cơ một chiều “
Nội dung đề tài bao gồm các chương:
❖
❖
❖
❖

Chương 1. Tổng quan về chỉnh 3 ba pha có điều khiển
Chương 2. Tính tốn và thiết mạch động lực bảo vệ
Chương 3. Tính tốn mạch điều khiển
Chương 4. Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương pháp điều
chỉnh tốc độ
❖ Chương 5. Vẽ mạch chỉnh lưu ba pha hình tia sử dụng phần mềm ALTIUM
DESIGNER

4


Chương 1. Tổng quan về chỉnh 3 ba pha có điều khiển
1.1 Sơ đồ mạch chỉnh lưu ba pha hình tia

Hình 1. 1 Sơ đồ chỉnh lưu ba pha hình tia

Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha:
+) Gồm một máy biến áp ba pha có thứ cấp nối sao có trung tính và ba pha
thyristor nối với tải như hình 2.1
Điều kiện khi cấp xung điều khiển chỉnh lưu:
+) Thời điểm cấp xung điện áp tương ứng phải dương hơn so với trung tính.
+) Nếu có các thyristor khác đang dẫn thì điện áp pha tương ứng phải dương
so với pha kia, vì thế cần phải xét thời gian cấp xung đầu tiên.
+) Do nguồn điện áp ba pha Ua, Ub, Uc lệch pha 120o, do đó tại từng thời điểm
mỗi pha có điện áp dương hơn hai pha kia trong khoảng 120o.
Góc mờ tự nhiên:
+) Trong các sơ đồ chỉnh lưu ba pha, góc mở thyristor phải được tính từ giao
điểm hai đường cong điện áp pha. Như vậy nếu xung điều khiển phát trước giao
điểm các đường cong điện áp ta sẽ thu được điện áp gián đoạn, vì thế trong chỉnh

5


lưu hình tia ba pha, góc mở nhỏ nhất  = 0o để điện áp chỉnh lưu cực đại tại giao
điểm hai đường cong điện áp.
1.2 Nguyên lý hoạt động của sơ đồ
+) Khi góc  = 00
Các thyristor được cấp xung điều khiển ngay tại giao điểm các điện áp pha.
Điện áp chỉnh lưu sẽ cực đại bằng 2 U, cịn điện áp ngược cực đại khi thyristor vị
khóa bằng - 3 U. 2

Hình 1. 2 Chỉnh lưu tia 3 pha khi ∝=00

+) Khi  < 30o
Điện áp Ud > 0, với tải thuần trở, dòng điện id sẽ ln tồn tại và chạy liên tục
qua tải, vì vậy dạng dịng này gọi là dịng liên tục.

Hình 1. 3 Chỉnh lưu tia 3 pha khi ∝< 300
6


Giá trị trung bình của điện áp tải:
Ud =

3
2

5
+

6



2.U 2 .cos  .d =

3 6.U 2


+
6

2

.cos  =1,17.U2.cos 

+) Khi  > 30o
Điện áp Ud sẽ có đoạn bằng 0. Vì vậy khi có tải thuần trở dịng điện id sẽ gián
đoạn tức là có id = 0 và dịng qua van ln kết thúc khi điện áp về 0.

Hình 1. 4 Chỉnh lưu tia 3 pha khi ∝> 300

Giá trị trung bình của điện áp tải:
3
Ud =
2





3.U 2 .sin  .d =


+
6

3 2.U 2 
 
. 1 + cos( + ) 
2 
6 

+) Hiện tượng trùng dẫn tia ba pha là hiện tượng mà hai thyristor cùng dẫn
trong một thời điểm xuất hiện dịng ngắn mạch (mang tính chất tức thời) thì điện áp
trên tải sẽ giảm xuống nên góc mồi cực đại  max  170o
Giải pháp là có thể làm mát hoặc bù điện áp vào để điện áp ra như mong muốn.
1.3 Tổng quan về Thyristor
1.3.1 Cấu tạo

Thyristor dụng cụ bán dẫn gồm 4 lớp bán dẫn loại P và N ghép xen kẽ nhau
và có ba cực anot, katot và cực điều khiển riêng G.

7


Hình 1. 5 Sơ đồ cấu tạo Thyristor

Kí hiệu:

Hình 1. 6 Kí hiệu Thyristor

1.3.2 Nguyên lý hoạt động

Khi Thyristor được nối với nguồn một chiều E > 0 tức cực dương đặt vào anot
cực âm đặt vào catot, thì tiếp giáp J1, J3 được phần cực thuận còn miền J2 phân cực
ngược, gần như toàn bộ điện áp được đặt lên mặt ghét J2, điện trường 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, khơng có dịng điện chạy qua
tiristor mặc dù nó được đặt dưới một điện áp dương.
+) Mở Thyristor
Khi được phân cực thuận, Uak>0, thyristor có thể mở bằng hai cách:
Thứ nhất, có thể tăng điện áp anode-cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện
áp thuận lớn nhất, Uth max. Điện trở tương đương trong mạch anode-cathode sẽ
giảm đột ngột và dòng qua thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định. Phương
pháp này trong thực tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn
và không phải lúc nào cũng tăng được điện áp đến giá trị Uth max. Hơn nữa như vậy
xảy ra trường hợp thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời
điểm ngẫu nhiên, không định trước.
Phương pháp thứ hai, được áp dụng trong thực tế, là đưa một xung dịng điện
có giá trị nhất định vào các cực điều khiển và cathode. Xung dòng điện điều khiển
sẽ chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện
8


áp anode-cathode nhỏ. Khi đó nếu dịng qua anode-cathode lớn hơn một giá trị nhất
định gọi là dịng duy trì (Idt) thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dịng mà
khơng cần đến sự tồn tại của xung dịng điều khiển. Điều này nghĩa là có thể điều
khiển mở các thyristor bằng các xung dịng có độ rộng xung nhất định, do đó cơng
suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ so với cơng suất của mạch lực mà thyristor

là một phần tử đóng cắt, khống chế dịng điện.
1.3.3 Đặc tính Volt - Ampe của Thyristor

Hình 1. 7 Đồ thị biểu diễn đường đặc tính Volt - Ampe của Thyristor

Đoạn 1: Ứng với trạng thái khoá của Thyristor, chỉ có dịng điện rị chảy qua
Thyristor khi tăng U lên đến Uch (điện áp chuyển trạng thái), bắt đầu q trình tăng
nhanh chống của dịng 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 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 cịn lớn hơn dịng 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 dịng 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.

9


Chương 2. Tính tốn và thiết mạch động lực bảo vệ
2.1 Sơ đồ mạch động lực

Hình 2. 1 Sơ đồ tổng quát mạch động lực

2.2 Nguyên lý hoạt động
+) Bộ biến đổi Thyristor có nhiệm biến dịng điện xoay chiều của lưới thành dòng

điện một chiều cung cấp cho động cơ. Nó có thể điều khiển suất điện động biến đổi
nên có khả năng điều chỉnh tốc độc cơ.
+) Trong bộ biến đổ Thyristor: máy biến áp có nhiệm vụ biến đổi điện áp lưới cho
phù hợp với điện áp cung cấp cho động cơ, tạo điểm trung tính, tạo pha cho chỉnh
lưu nhiều pha, hạn chế biên độ dòng ngắn mạch, hạn chế tốc độ tăng dòng điện di/dt
(hiện tượng thác) nhằm bảo vệ van.
+) Bộ lọc gồm tụ điện và cuộn khánh nhằm lọc những thành phần sóng hài bậc cao
2.3 Tính tốn thiết bị
2.3.1 Tính tốn chọn THYRISTOR
2.3.1.1 Điện áp ngược của van
U1v = knv .U2
Với U2=

U d 220
=
= 188.03(V )
ku 1,17

Trong đó:
+) Ud: điện áp tải của van
+) U2: điện áp nguồn xoay chiều của van
10


+) ku: Hệ số điện áp tải
+) knv: Hệ số điện áp ngược
+) U1v: Điện áp ngược của van.
U1v = knv.U2=

6 .188,03 = 460,58 (V)

Để chọn van theo điện áp hợp lý thì điện áp ngược của van cần chọn phải lớn
hợn điện áp làm việc.
Unv= kdtu.U1v=1,8.460,58=829,04(V)
Trong đó:
+) kdtu: hệ số dự trữ ( kdtu = 1,5-1,8)
2.3.1.2 Dòng điện làm việc của van
Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua
van: I1v=Ihd
Dòng điện hiệu dụng Ihd= khd.Id = 0,58.59,5=34,51(A)
Trong đó:
+) khd: Hệ số xác định dòng điện hiệu dụng (khd=0.58)
+) Ihd: Dòng điện hiệu dụng của van.
+) Id: Dịng điện tải
Với các thơng số làm việc ở trên, chọn điều kiện làm việc của van là có cánh
tản nhiệt với đủ diện tích bề mặt, cho phép van làm việc tới 140% Idmv.
Idmv = ki.I1v = 1,4.34.51 = 48,314(A)
Trong đó:
+) ki: hệ số dự trữ dịng điện (ki=1,1-1,4)
Vậy thơng số van là: Unv=829,04 V
Iđm v=48,314 A
Chọn Thyristo loại T60N1000VOF với các thông số định mức:
+) Dòng điện định mức của van: Iđm=60 A
11


+) Điện áp ngược cực đại của van: Unv= 1000 V
+) Đỉnh xung dòng định: Ipik= 1400 A
+) Điện áp của xung điều khiển: Uđk= 1,4 V
+) Dòng điện của xung điều khiển: Iđk= 150 mA

+) Dòng điện rò: Ir=25 mA
+) Độ sụt áp trên van U =1,8 V
+) Tốc độ biến thiên điện áp

𝑑𝑢
𝑑𝑡

= 1000 𝑉/𝑠

+) Thời gian chuyển mạch: tcm=180𝜇s
+) Nhiệt độ làm việc cho phép: Tmax=125oC
2.3.2 Tính toán máy biến áp
Ta chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ, có sơ đồ đấu nối dây ∆/𝑌, làm mát tự nhiên
bằng khơng khí.
Thơng số cơ bản:
Điện áp pha sơ cấp máy biến áp: U1=380 V
Điện áp pha thứ cấp máy biến áp:
Phương trình cân bằng điện áp khi có khơng tải:
Udo.Cos𝛼min = Ud + 2∆Uv + ∆Udn +∆Uba
Trong đó:
+) Ud điện áp chỉnh lưu
𝛼min = 10o góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới
2∆Uv = 1,8 V : sụt áp trên Thyristor
∆Udn ≈ 0 : sụt áp trên dây nối
+) ∆Uba : Sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp
Chọn sơ bộ:
∆Uba= 5%.Ud= 5%.220=11V
12

Ud + 2∆Uv + ∆Udn +∆Uba 220+2.1,8+0+11

 Ud0=

Cos𝛼min

=

𝑐𝑜𝑠10

=238,22 (V)

Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp:
U2f =

𝑈𝑑𝑜
𝐾𝑢

=

238,22
1,17

= 203,6 (V)

2.4 Tính tốn chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực
2.4.1 Giới thiệu
Các phần tử bán dẫn công suất ngày càng rộng rãi, có nhiều ưu điểm như: gọn
nhẹ, tác động nhanh, hiệu suất cao, làm việc với độ tin cậy cao… Tuy nhiên phần tử
bán dẫn cơng suất khó tính tốn và cũng hay bị hư hỏng do nhiều nguyên nhân khác

nhau
Do đó cần phải bảo vệ các Thyristor, cần phải làm đúng các tỉ số giới hạn sử
dụng do nhà chế tạo đã định với từng phần tử gồm:
+) Điện áp ngược lớn nhất
+) Giá trị trung bình lớn nhất đối với dòng điện
+) Nhiệt độ lớn nhất đối với thiết bị điện
+) Tốc độ tăng lớn nhất của dịng điện di/dt
+) Thời gian khóa toff
+) Thời gian khóa ton
+) Dịng điện khích thích
+) Điện áp kích
Các phần tử dán dẫn công suất được bảo vệ chống nhiều sự cố bất ngờ xảy ra
gây nhiễu loạn nguy hiểm như: ngắn mạch tải, quá điện áp và quá dòng điện.
2.4.2 Bảo vệ quá dòng cho van
- Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch khi quá tải và
ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đồi, ngắn mạch thứ cấp MBA ngắn
mạch ở chế độ nghịch lưu
- Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sử dụng hệ thống truyền động và
dùng để đóng cắt nguồn chỉnh lưu khi khoảng cách từ nguồn tới bộ chỉnh lưu đáng
kể.
- Cầu chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Thyristor, ngắn mạch đầu
ra các bộ chỉnh lưu
13


2.4.3 Bảo vệ quá điện áp cho van.
Bảo vệ quá điện áp cho q trình đóng cắt Thyristor được thực hiện bằng cách
mắc R-C song song với Thyristor. Khi có sự chuyển mạch, các điện tích được tích
tụ trong lớp bán dẫn phóng ra ngồi tạo ra dịng điện ngược trong thời gian ngắn, sự
biến thiên nhanh chóng của dịng diện ngược gây ra suất điện động cảm ứng rất lớn

trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa Anot và Katot của thyristor.
Khi có mạch R-C mắc song song với Thyristor tạo ra mạch vịng phóng điện
tích trong q trình chuyển mạch nên Thyristor khơng bị q điện áp. Tụ điện đóng
vai trị lưu giữ điện tích và điện trở cung cấp đường phóng điện. Khi Thyristor đóng
tụ điện sẽ sạc qua điện trở, khi Thyristor mở tụ điện sẽ phóng qua điện trở xuống
Thyristor.
Theo tài liệu: R = 5.1 Ω ; C = 0,25  F

Hình 2. 2 Mạch R-C bảo vệ qúa điện áp do chuyển mạch

Bảo vệ xung điều khiển từ điện lưới ta mắc mạch R-C nhờ có mạch lọc này
mà đỉnh xung gần như nằm lại trên điện trở đường dây.
Chọn: R = 12.5 Ω ; C = 4  F

14


Hình 2. 3 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực

15


Chương 3. Tính tốn mạch điều khiển
3.1 Xác định u cầu cơ bản
Mạch điều khiển đc tính xuất phát từ yêu cầu về mở xung Thyristor. Các thông
số cơ bản để tính mạch điều khiển.
+) Điện áp điều khiển Thyristor: Uđk = 1,4 V
+) Dòng điện điều khiển Thyristor: Iđk=150 mA
+) Thời gian mở Thyristor: Tm= 180𝜇s
+) Độ rộng xung điều khiển tx=2.tm=2.180=360 𝜇s

+) Tần số xung điều khiển fx= 3 kHz
+) Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U= ±18 V
+) Mức sụt điện áp: sx=0,15
Góc thơng mở tự nhiên của mạch chỉnh lưu ba pha hình tia dịch pha so với
điện áp pha một góc là 300 (nếu lệch mở Thyristor trước thời điểm góc thơng mở tự
nhiên này thì Thyristor khơng dẫn, vì Thyritor pha trước đó đang dẫn, điện áp cịn
đang dương hơn). Do đó, điện áp tựa làm nền đưa vào để mở Thyristor cũng cần
dịch pha 1 góc 300. Để dịch pha điện áo đồng pha đi một góc 300 cần nối biến áp
đồng pha có sơ cấp nối tam giác. Khi đó điện áp thứ cấp mỗi pha biến áp trùng pha
với điện áp dây (điện áp dây dịch pha so cới điện áp một góc là 300).
3.2 Nguyên tắc điều khiển
Ta dùng hai điện áp:
+) Điện áp điều khiển (Uđk), là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ.
Thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh
+) Điện áp đồng bộ (Us), đồng bộ với điện áp đặt nuôi anot-ktot của thyristor, thường
đặt vào đầu đảo của khâu so sánh.
Bằng cách làm biến đồi Uđk, ta có thể điều chỉnh được thời điểm suất hiện
xung ra, thức là điều chỉnh góc  .
Giữa  và Uđk có mối quan hệ sau:  = .

Udk
Us max

Ta lấy Uđkmax=Usmax
+) Để tạo thành 1 mạch điều khiển thường sử dụng các linh kiện: biến áp, biến áp
xung, vi mạch TCA 785, transistor, diode, diode zener, điện trở, tụ điện, …
16


3.3 Lựa chọn và thiết kế mạch điều khiển

3.3.1 Vi mạch TCA 785

Hình 3. 1 Sơ đồ chân ICA 785

IC điều khiển pha này nhằm điều khiển các thyristor, triac và transistor. Các
xung kích hoạt có thể được dịch chuyển trong một góc pha từ 0 ˚ đến 180 ˚. Các ứng
dụng điển hình bao gồm mạch chuyển đổi, bộ điều khiển xoay chiều và bộ điều khiển
dòng điện ba pha.
Sơ đồ vi mạch TCA 785

Hình 3. 2 Sơ đồ vi mạch TCA 785
17


Nhiệm vụ các chân:
Chân Kí hiệu
Chức năng
1
GND
Ground
2
Đầu ra 2 đảo chiều
3
QU
Đầu ra U
4
Đầu ra 1 đảo chiều
5
VSYNC
Điện áp động bộ

6
I
Inhibit
7
QZ
Đầu ra Z
8
VREF
Điện áp ổn định
9
R9
Ramp resistance
10
C10
Ramp capacitance
11
V11
Điện áp điều khiển
12
C12
Thay đổi xung
13
L
Xung dài
14
Q1
Đầu ra 1
15
Q2
Đầu ra 2

16
Vs
Điện áp cung cấp
Vi mạch TCA 785 cịn được gọi là cơng tắc ngưỡng
Được bán rộng rãi trên thị trường, vi mạch này do hãng siemens chế tạo, được
sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiết bị điều chỉnh dòng điện xoạy chiều.
TCA 785 là vị mạch phức hợp thực hiện 4 chức năng của 1 mạch điều khiển:
+) Điện áp đồng bộ.
+) Tạo điện áp răng cưa đồng bộ.
+) So sánh.
+) Tạo xung ra.
Có thể điều chỉnh góc mở ∝ từ 00 đến 1800 điện.
Thông số chủ yếu TCA 785:
+ Điện áp ni: Us = 18 V
+ Dịng điện tiêu thụ: Is = 10 mA
+ Dòng điện ra: I = 50 mA
+ Điện áp răng cưa: Urmax= (Us-2) V
18


+ Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9=20k -500k
+ Điện áp điều khiển U11 = 18 V
+ Dòng điện đồng bộ: Is = 200 𝜇𝐴
+ Tụ điện: C10 = 0,5𝜇𝐹
+ Tần số xung ra: f = 10-500Hz
Khâu khuếch đại xung
- Xung ra trên vi mạch TCA 785 chưa đủ lớn để có thể mở Thyristor, do đó cần
khuếch đại xung có biên độ đủ lớn để có thể Thyristor động lực.
- Khuếch đại tạo xung gồm linh kiện như: transistor, biến áp xung, diot và các điện
trở phân cực cho tranzit.

3.3.2 Sơ đồ

Hình 3. 3 Sơ đồ một pha khâu khuếch đại xung

3.3.3 Chức năng của các linh kiện
+ Dz1: ổn áp, ổn định điện áp đầu vào cho khâu khuếch đại.
+ D3: hướng dòng cấp cho transistor.
+ D2, Dz2: Hạn chế quá điện áp trên cực C và E của transistor.
+ R1, R2: như cầu phân áp để điều chỉnh điện áp đi vào transistor và hạn chế dòng
phân cực IB của transistor.
+ R3: hạn chế dịng vào Collector
+ D1: ngăn chặn xung áp âm có thể khi T bị khóa
+ R8: hạn chế dịng điều khiển
19


+ R3: Điều khiên biên độ sườn xung ra.
Hoạt động của sơ đồ khuếch đại xung
Giả sử tín hiệu vào Uc (là tín hiệu logic) được lấy từ chân 15 của TCA 785.
Khi Uc= “1” (mức logic 1) thì Transistor dẫn bão hịa.
Khi Uc= “0” (mức logic 0) thì Dz1 bị chặn lại và Transistor bị khóa.
Nếu khơng có diot D2 thì năng lượng W=1/2. L. Io2 sinh ra trên cực C và E, quá điện
áp có thể phá hủy Transistor. Khi có D2: UCE= UC-UE= 0,8 V thì D2 mở cho dòng
chạy qua làm ngắn mạch bên sơ cấp của biến áp xung.
Khâu truyền hàm điều khiển khi có xung từ cuộn dây thứ cấp của máy biến áp xung,
xung này truyền qua D4 đến điều khiển mở Thyristor khi T phân cực thuận.
3.3.4 Phân tích hoạt động của mạch điều khiển.

Hình 3. 4 Sơ đồ một pha điều khiển Thyristor

Hoạt động của sơ đồ
TCA 785 hoạt động theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính.
Uc: điện áp điều khiển lấy từ chân 11 khoảng 0,5V-16V
Us=Uc Thì TCA 785 làm nhiệm vụ so sánh và tạo ra xung, bằng cách thay đổi
Uđk có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra tức là điều chỉnh được góc
mở ∝.

20


Tụ C10: tham gia vào khâu tạo ra điện áp răng cưa, nó được nạp bằng dịng
điện I từ chân số 10 và dòng I được điều chỉnh bằng R9 (thường thì R9=20k-500k
).
Thường chọn C10= 0,5 𝜇𝐹, thường chọn R9= 200 k
Tụ C12 có thể tác dụng khuếch đại độ rộng xung ra. C12 có thể chọn 0-100pF.
Muốn độ rộng xung lớn có thể chọn C12>300pF.
Us điện áp nguồn ni từ các chân 6, 13, 16 với điện áp 1 chiều 18V.
Ta sẽ có xung điện áp điều khiển (Uđk) làm mở thông các transistor, kết quả
là ta nhận chuỗi xung răng cưa trên biến áp xung để đưa tới mở Thyristor T.
Điện áp Ud sẽ xuất hiện trên tải từ thời điểm có xung điều khiển đầu tiên, tại
các thời điểm trong chuỗi xung điều khiển của mỗi chu kì điện áp nguồn cấp, cho
tới cuối bán kì điện áp dương anot.
3.4 Tính tốn chọn các thơng số phần tử mạch điều khiển

Chọn Diode D1 dùng điều khiển Thyristor T60N1000VOF: Us= 18 V; Ig= 300 mA
Chọn D1 loại S310 với các thông số: Ungược= 40V, U= 3V, ICmax= 300 mA.
Chọn D2, D3 loại S310 với các thông số: I = 0,5 A ; Ung max= 20V, ∆𝑈𝑣 = 0,6 𝑉.
Chọn Dz2 là diode zener loại 1W3815 có các thơng số: Imax= 264mA; U = 16V.
Tính tốn điện trở R3:
𝑅3 =

𝑈𝑠−𝑈1−∆Uv
Ic

=

18−15,2−0,6
150.10^−3

= 14,667

 R3= 15
Tính chọn R1:
R1=

𝑈𝐵𝐸

𝐼𝑐.𝐼𝑏

=

3
150.10^6.7,5.10^6

= 70,58

 R1 = 70 
Tính chọn Dz1 và R2:
Dịng điện từ chân 16 qua Dz1 là 50 mA.
Biên độ xung ra Ux= 16 V.

Chọn Dz1 là diode zener loại KU139A có thơng số:

21


U= 3,7 V; Imax= 70 mA; Imin= 30mA
Tính chọn điện trở R2:
R2 =

𝑈
𝐼

=

3,7
150.10^−3

= 24,67 

Chọn R2= 25
Chọn transistor công suất loại 2SC91111 làm việc ở chế độ xung có các thông số:
+ Transistor loại n-p-n, vật liệu bán dẫn là Si.
+ Điện áp giữa cực collector và base khi hở mạch emitter: UCB= 40 V.
+ Điện áp giữ emitter và base khi hở mạch collector: UEB= 4 V.
+ Dòng điện lớn nhất ở colector có thể chịu đựng: Icmax= 500 mA.
+ Công suất tiêu tán ở collector: PC= 1,7 W.
+ Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T1= 1750C.
+ Hệ số khuếch đại: 𝛽 = 50.
+ Dòng làm việc của collector: Ic= 50 mA.
+ Dòng làm việc của base: IB= 1 mA.

Ta thấy rằng với loại Thyristor đã chọn có cơng suất điều khiển khá bé Uđk=
1,4V; Iđk= 0,15A.
3.5 Tính tốn máy biến áp đồng pha
Máy biến áp đồng pha là máy biến áp tạo nguồn cung cấp cho TCA 785.
Máy biến áp đồng pha có điện áp lớn, nối dây theo sơ đồ ∆/𝑌 để tạo ra độ
lệch 300 một cách tự nhiên, đồng thời tạo ra sự đồng pha của máy biến áp thứ cấp.
Độ dài xung răng cưa của cả độ dài máy biến áp đồng pha cới điện áp điều
khiển cực đại là:
U2 max =

𝑈đ𝑘
sin 170

=

16
0,174

= 91,954 𝑉

TCA có dịng đồng bộ I5= 200 𝜇𝐴
 R5 =

𝑈2
𝐼5

=

91,954

=460 k

200.10^−6

Tỉ số biến áp của máy biến áp đông pha là:
22


n=

𝑈1

=

220

𝑈2 91,954

=2,39

3.6 Tính chọn biến áp xung
Tỉ số biến áp của biến áp xung được tính theo cơng thức:
m=

𝑈1
𝑈𝑥

( Thường m = 2-3) Chọn m= 2

Vậy điện áp sơ cấp của biển áp xung là:

U1= m. Ux = 2. (7+0,6) = 15,2 V
Với Ux = Uq + ∆𝑈𝑝=(7+0,6) V
Dòng điện sơ cấp của biến áp xung:
I1 =

𝐼𝑔
2

= 150 mA

Hình 3. 5 Sơ đồ của hệ thống

23


Chương 4. Tổng quan về động cơ điện một chiều và các phương pháp
điều chỉnh tốc độ
4.1. ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU
4.1.1 Khái quát chung

Động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một
phạm vi rộng và trong nhiều trường hợp cần có đặc tính cơ đặc biệt, thiết bị đơn giản
hơn và rẻ tiền hơn các thiết bị điều khiển của động cơ ba pha. Vì một số ưu điểm
như vậy như vậy nên động cơ điện một chiều được sử dụng rất phổ biến trong công
nghiệp, trong giao thông vận tải…
4.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều.
4.2.1 Cấu tạo

Cấu tạo động cơ 1 chiều cũng tương tự như các động cơ chạy điện khác cũng
có 2 phần chính là Rotor (phần quay) và Stator (phần vỏ của động cơ):

Hình 4. 1 Cấu tạo của động cơ một chiều

Stator: có kết cấu là nam châm vĩnh cửu, hoặc nam châm điện.
Rotor: cấu tạo trục có quấn các cuộn dây tạo thành nam châm điện.
Cổ góp (commutator): tiếp xúc để truyền điện cho các cuộn dây trên rotor. Số
điểm tiếp xúc tương ứng với số cuộn dây quấn trên Rotor.
Chổi than (brushes): tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp.
24


4.2.2 Nguyên tắc hoạt động

Một phần cũng khá quang trọng là bộ phận chỉnh lưu, nhiệm vụ chính của nó
là biến đổi dịng điện trong khi Rotor quay liên tục.

Hình 4. 2 Pha 1

Pha 1: Từ trường của cuộn dây Rotor cùng cực với Stator => Từ trường cùng
cực sẽ đẩy nhau => Sẽ tạo chuyển động quay của Rotor.

Hình 4. 3 Pha 2

Pha 2: Rotor tiếp tục quay.

25