Tài liệu Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ suất pdf

Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.



BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập-Tự do-Hạnh phúc
HÀ NỘI ====ϕ0ϕ====





1- 1 -



Họ và tên: Nguyễn Thanh Lịch
Khoá : 43
Nghành học: Tự động hoá.

I. Các số liệu ban đầu.
U
d
= 75V ; U
dmax
= 130V ; P
đm
= 24KW ; R
kđ
= 0,8Ω

Điện áp nguồn: U = 3x380V.
II. Nội dung thiết kế
1. Giới thiệu chung về công nghệ của động cơ đồng bộ ba pha và phương pháp điều
khiển kích từ của động cơ đồng bộ ba pha.
2. Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị được giao thực hiện thiết kế, công nghệ
kích từ.
3. Giới thiệu và thiết kế mạch lực:
3.1. Tính toán khối biến áp lực
3.2. Tính toán khối chỉnh lưu điều khiển
3.3. Tính toán khối khâu lọc
3.4. Tính toán khối khâu phản hồi điện áp
3.5. Tính toán khối khâu phản hồi dòng
4. Giới thiệu và thiết kế mạch điều khiển:
4.1. Tính toán khâu đồng pha
4.2. Tính toán khâu tạo điện áp răng cưa
4.3. Tính toán khâu so sánh
4.4. Tính toán khâu phát xung chùm
5. Các bản vẽ:
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
2- 2 -
- Sơ đồ nguyên lý mạch điêu khiển.
-

MỤC LỤC
Trang
LỜI GIỚI THIỆU 4
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN KÍCH TỪ CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA 5
I.1. Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị được giao thực hiện thiết kế, công

nghệ kích từ.
5
1. Nguyên tắc điều khiển mở máy 5
2. Nguyên tắc điều chỉnh kích thích 6
I.2. Đề xuất các phương án tổng thể, phân tích ưu, nhược điểm của từng
phương án để đi đến lựa chọn một phương án thực thi thiết kế mạch lực
và mạch điều khiển 7
1. Giới thiệu về mạch lực 7
2. Chọn phương án chỉnh lưu
7
3. Giới thiệu chung về mạch điều khiển 13
4. Lựa chọn phương án thiết kế mạch điều khiển
15
Chương II : THIẾT KẾ MẠCH LỰC
18

1. Tính toán chọn van 18
2. Tính toán các thông số điện áp, dòng điện và công suất máy biến áp 19
3. Tính toán mạch từ MBA 19
Chương III : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 22
1.Tính toán khâu đồng pha và nguyên lý hoạt động của mạch.
22
2.Khâu tạo điện áp răng cưa 24
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
3- 3 -
3. Khâu so sánh 25
4. Khâu phát xung chùm 27
5. Khâu khuyếch đại xung và biến áp xung 29
6- Tính toán khối nguồn và MBA đồng pha 32

7. Tính toán khâu phản hồi 33

Kết luận 35
Tài liệu tham khảo 36





LỜI GIỚI THIỆU


- Ngày nay cùng với việc phát triển mạnh mẽ các ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong
công nghiệp, đặc biệt là trong công nghiệp điện tử thì các thiết bị điện tử có công suất lớn
cũng được chế tạo ngày càng nhiều. Và đặc biệt các ứng dụng của nó vào các ngành kinh
tế quốc dân và đời sống hàng ngày đã và đang được phát triển hết sức mạnh mẽ.
- Tuy nhiên để đáp ứng được nhu cầu ngày càng nhiều và phức tạp của công nghiệp thì
ngành điện tử công suất luôn phải nghiên cứu để tìm ra giải pháp tối ưu nhất. Đặc biệt với
chủ trương công nghiệp hoá-hiện đại hoá của Nhà nước, các nhà máy, xí nghiệp cần phải
thay đổi, nâng cao để đưa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất. Do đó đòi hỏi
phải có thiết bị và phương pháp điều khiển an toàn, chính xác. Đó là nhiệm vụ của ngành
điện tử công suất cần phải giải quyết.
Để giải quyết được vấn đề này thì Nhà nước ta cần phải có đội ngũ thiết kế đông đảo và
tài năng. Sinh viên ngành TĐH tương lai không xa sẽ đứng trong độ ngũ này, do đó mà cần
phải tự trang bị cho mình có một trình độ và tầm hiểu biết sâu rộng. Chính vì vậy đồ án môn
học điện tử công suất là một yêu cầu cấp thiết cho mỗi sinh viên TĐH. Nó là bài kiểm tra
khảo sát kiến thức tổng hợp của mỗi sinh viên, và cũng là điều kiện để cho sinh viên nghành
TĐH tự tìm hiểu và nghiên cứu kiến thức về điện tử công suất. Mặc dù vậy, với sinh viên
năm thứ tư còn đang ngồi trong ghế nhà trường thì kinh nghiệm thực tế còn chưa có nhiều,
do đó cần phải có sự hướng dẫn giúp đỡ của thầy giáo. Qua đây cho em được gửi lời cảm

ơn tới thầy Phạm Quốc Hải đã tận tình chỉ dẫn, giúp em hoàn thành tốt đồ án môn học này.


Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
4- 4 -
Hà nội ngày 5 tháng 12 năm 2001
Sinh viên
Nguyễn Thanh Lịch









Chương I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ VÀ
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN KÍCH TỪ
CỦA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ BA PHA
.


I.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHỦNG LOẠI THIẾT BỊ ĐƯỢC GIAO THỰC HIỆN
THIẾT KẾ, CÔNG NGHỆ KÍCH TỪ.
Động cơ đồng bộ được dùng rộng rãi trong các hệ truyền động điện công suất lớn,
không cần điều chỉnh tốc độ, làm việc ở chế độ dài hạn. Ví dụ: Để truyền động cho các máy
bơm, quạt gió, máy nén khí và một số máy cán lớn. Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của
công nghiệp điện tử, động cơ đồng bộ được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở

mọi loại dải công suất. Động cơ đồng bộ có những nguyên tắc sau đây:
1. Nguyên tắc điều khiển mở máy
Quá trình mở máy chia làm hai giai đoạn: Khởi động không đồng bộ và đưa vào đồng
bộ.
+) Trong giai đoạn thứ nhất, sau khi dây quấn stato được nối vào lưới điện ba pha, từ
trường quay được tạo ra sẽ tác động lên dây quấn khởi động (hay là lồng sóc khởi động đạt
trong roto của máy) gây nên momen quay đưa tốc độ động cơ lên gần tốc độ đồng bộ.
+) Trong giai đoạn thứ hai, dòng kích từ sẽ được đua vào roto , động cơ sẽ tự kéo vào đồng
bộ và lồng sóc khởi động hết tác dụng.
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
5- 5 -
Trong giai đoạn đầu, ở trong dây quấn kích thích cũng sẽ có sức điện động cảm ứng lớn.
Điều đó làm cho sơ đồ mạch roto thêm phức tạp. Điều khiển quá trình khởi động là phải điều
khiển cả hai giai đoạn đó trong mạch stato cũng như trong mạch roto.
Để hạn chế dòng điện, có thể dùng cách giảm điện áp bằng biến áp tự ngẫu hoặc dùng
cuộn kháng. Người ta rất ít dùng điện trở phụ để hạn chế dòng điện vì tổn thất năng lượng
lớn và chỉ tiêu chất lượng khởi động không tôt. Với động cơ công suất nhỏ và ở điện áp thấp
thì có thể cho phép sử dụng điện trở phụ để hạn chế dòng điện.
Trong giai đoạn khởi động không đồng bộ,dây quấn kích thích ở roto không được hở
mạch vì sức điện động cảm ứng tạo thành có thể chọc thủng cách điện.
Không phụ thuộc vào cách nối mạch stato, mạch điện roto có thể có ba cách nối.
a/ Cách nối thứ nhất: Roto được nối trực tiếp vào máy kích thích ngay từ đầu. Sơ đồ này
gọi là sơ đồ kích thích trực tiếp. Sơ đồ này đơn giản, làm việc chắc chắn và kinh tế. Tuy vậy
không phải bao giờ cũng áp dụng được.
b/ Cách nối thứ hai :
Dây quấn kích thích được nối vào máy kích thích qua một điện trở phụ.
Khi không thoả mãn điều kiện t
kđ1
≤ t

kt
, nghĩa là kích thích hình thành sớm quá ảnh hưởng
đến dòng điện stato làm khó khăn cho quá trình kéo vào đồng bộ. Để hạn chế ảnh hưởng của
dòng điện kích thích trong qúa trình khởi động không đồng bộ người ta mắc thêm điện trở
phụ vào mạch kích thích của động cơ không đồng bộ. điều kiện để áp dụng sơ đồ này là:
M
c
≤ 40%M
dd
.
Ngược lại nếu kích thích hình thành quá chậm thì quá trình khởi độnh không đồng bộ kéo
dài sẽ gây quá tải ở dây quấn khởi động.
c/ Cách nối thứ ba:
Dây quấn kích thích được nối vào điện trở phóng điện. Khi đạt tốc độ vào đồng bộ thì
loại bỏ điện trở phóng điện và đóng vào máy kích từ. Về mặt khởi động và kéo vào đồng bộ
thì đây là sơ đồ tốt nhất và được gọi là sơ đồ gián tiếp. Khi không thoả mãn các điều kiện:
M
c
≤ 40%M
dđ
và t
kđ1
≤ t
kt
thì ta phải sử dụng sơ đồ này. Điện trở phóng điện ở sơ đồ này
có những nhiệm vụ sau:
- Hạn chế điện áp trên dây quấn kích thích.
- Làm tốt đặc tính khởi động của động cơ.
- Tiêu tán nhanh năng lượng từ trường khi ngắn mạch phía stato hoặc khi cắt
động cơ khỏi lưới.

2. Nguyên tắc điều chỉnh kích thích
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
6- 6 -
Động cơ điện đồng bộ cũng được dùng để truyền động các máy sản xuất có momen phụ
tải biến đổi lớn (ví dụ như các máy cán lớn, máy nâng ở hầm mỏ ). Lúc này nếu phụ tải
tăng mà kích thích vẫn giữ không đổi thì sẽ dẫn đến làm giảm công suất phản kháng phát
vào lưới điện, tăng công suất tiêu thụ từ lưới điện, giảm khả năng tải của động cơ. Hệ thống
điều khiển có thể có bộ phận tự động điều khiển kích thích.
Khi phụ tải tăng lên, dòng điện qua cuộn dòng điện của biến áp cũng tăng lên, còn điện
áp ở cuộn điện áp có thể giảm xuống. Kết quả diện áp ở cuộn ra của biến áp cũng tăng lên,
do đó điện áp một chiều sau cầu chỉnh lưu cũng tăng lên, kích của động cơ được tăng lên.
Những thay đổi lớn của tải mà kích thích vẫn không được điều chỉnh theo có thể gây
nên dao động lớn về tốc độ và có khả năng đưa động cơ ra khỏi chế độ đồng bộ. Lúc này
phải cắt động cơ ra khỏi nguồn bằng rơle bảo vệ dòng điện cực đại.
Nếu quá trình công nghệ không cho phép dù chi là tạm thời thì khi đó phải áp dụng sơ đồ
tự động hoá đồng bộ. Và đây chính là nhiệm vụ thiết kế của đồ án Điện tử công suất được
giao.

I.2. ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN TỔNG THỂ, PHÂN TÍCH ƯU, NHƯỢC ĐIỂM
CỦA TỪNG PHƯƠNG ÁN ĐỂ ĐI ĐẾN LỰA CHỌN MỘT PHƯƠNG ÁN THỰC THI
THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.
1. Giới thiệu về mạch lực
Mạch lực bao gồm các khối cơ bản sau:
a/ Biến áp lực (BAL):
- Biến điện áp xoay chiều có biên độ cần thiết với điện áp phù hợp của tải.
- Ngoài ra còn làm nhiệm vụ cách ly giữa nguồn chỉnh lưu (CL) với lưới điện xoay chiều.
b/ Chỉnh lưu điều khiển (CLĐK): có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều ba pha thành
điện áp một chiều có biên độ phù hợp với tải.
c/ Khâu lọc: gồm điện kháng L và tụ điện C tác dụng san phẳng điện áp ra của khâu

CLĐK (vốn có biên độ điện áp nhấp nhô) thành điện áp một chiều phẳng phù hợp với yêu
cầu của tải. Khâu lọc phải thiết kế sao cho tiêu thụ công suất nhỏ nhất.
d/ Khâu phản hồi điện áp: Lấy một phần nhỏ điện áp tải đưa trở về mạch điều khiển để ổn
áp. Muốn vậy thì điện áp phản hồi về phải là phản hồi âm.
e/Khâu phản hồi dòng: Lấy tín hiệu điện áp tỷ lệ với dòng tải phản hồi trở về mạch điều
khiển để bảo vệ dòng hay ngắn mạch.
Ngoài ra còn có khâu đóng ngắt bằng cầu dao điện bảo vệ đặt phía trước biến áp lực.
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
2. Chọn phương án chỉnh lưu
Trước hết, chúng ta phân loại chỉnh lưu thành các loại sơ đồ sau và xét ưu nhược điểm
của chúng:
Các phương án thiết kế mạch lực:
Số liệu yêu cầu: Vd=115 (V), Id = 300 (A)
Tải của kích từ: W
L
>> R (tải cảm lớn -> dòng liên tục)
• Phương án 1: Chọn một trong các sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển một pha một nửa chu
kỳ (-) chỉnh lưu có điều khiển một pha hai nửa chu kỳ, chỉnh lưu cần có điều khiển một pha.
Nhận thấy các sơ đồ nêu trên chỉ thích hợp đối với dòng tải nhỏ vì đối với dòng tải lớn
mà chọn các sơ đồ trên thì sẽ gây ra sự mất đối xứng của lưới -> ảnh hưởng tới sự hoạt động
của các thiết bị khác.
Do vậy mà ta phải dùng các sơ đồ chỉnh lưu ba pha.
• Phương án 2: Chọn một trong các sơ đồ sau:
- Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển.
- Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng.
- Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển không đối xứng.
a/
Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển:
Sơ đồ mạch nguyên lý :

Ua
Ub
Uc
La
Lb
Lc
Lkt
Rkt
T1
T2
T3
BAL
( Lkt>>Rkt )




u
t
7- 7 -

Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.

I2a

*
Nguyên lý hoạt động:
Khi điện áp trên một van nào đó trong ba van mà dương hơn van còn lại thì van đó sẽ dẫn
khi có xung điều khiển mở van đó.
Do tải có tải cảm lớn nên dòng điện trên tải là liên tục, tức là van dãn sẽ vẫn dãn khi điện
áp âm và van còn lại chưa mở.
Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
αα
π
cos.17,1cos
2
63
22
UUU
d
==

- Giá trị điện áp ngược trên van:

2
.6 UU
ng
=
- Dòng điện trung bình chảy qua thiristor:
I
T
= I
d

/3
- Công suất của máy biến áp:
S
1
= 1,209 Pd ; S
2
= 1,481 Pd
S = (S
1
+ S
2
)/2 = 1,345 Pd
Ưu điểm:
- Do điện áp ngược trên van lớn cho nên nó được sử dụng cho tải có yêu cầu điện
áp thấp và dòng điện lớn dễ dàng cho việc chọn van.
- Do chỉ có một van dãn nên sụt áp trên van là nhỏ -> công suất tiêu thụ của van
nhỏ.
- Việc điều khiển mở van là dễ dàng.
Nhược điểm:
- Điện áp ra có độ đập mạch lớn -> xuất hiện nhiều thành phần điều hoà bậc cao.
8- 8 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
- Hiệu suất sử dụng máy biến áp không cao. Sở dĩ như vậy là vì điện áp chảy
trên van không đối xứng qua trục hoành, do vậy khi khai triển chuỗi Furie ->
xuất hiện thành phần một chiều và thành phần xoay chiều. Tuy nhiên MBA chỉ
làm việc với thành phần xoay chiều -> giảm hiệu suất MBA.

b/
Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng:

T1
T3 T5
T2
T4
T6
Rkt
Lkt
( Lkt>>Rkt )
La
Lb
Lc
Ua
Ub
Uc


Đồ thị điện áp và dòng điện:



u

u
a
u
b
u
c
t

i
d


θ



IT1
i
T4


θ


9- 9 -
IT4
I
2a


θ


Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
IT4
i

d





i
T1


- Thực ra sơ đồ cầu pha ba đối xứng là hai sơ đồ hình trên 3 pha ghép lại. Mỗi sơ đồ hình
từ ba pha hoạt động ở một nửa chu kỳ điện áp
- Sơ đồ hình từ ba pha thứ nhất gồm T
1
, T
3
, T
5
ghép catot chung.
- Sơ đồ hình từ ba pha thứ hai ghép anot chung gồm T
2
, T
4
, T
6
Góc mở α được tính từ giao điểm của các nửa hình sin.
L>>R dòng tải là liên tục.
- Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
αα
π

cos.34,2cos
2
63
22
UUU
d
==

- Giá trị điện áp ngược lớn nhất trên van:
2max
6UU
ng
=

- Giá trị dòng trung bình chạy qua van:
I
T
= I
d
/3
- Công suất của máy biến áp :
S
ba
=1,05 Pd
Ưu điểm:
- Điện áp ra đập mạch nhỏ do vậy mà chất lượng điện áp tốt.
- Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt do dòng điện chạy trong van đối xứng.
- Điện áp ngược trên van là lớn nhưng do U
do
=2,34U

2
-> nó có thể được sử dụng
với điện áp khá cao.
Nhược điểm:
- Mạch điều khiển phức tạp do ta phải tiến hành điều khiển đồng bộ các van dãn
với nhau.
- Điện áp rơi trên van lớn do nhiều van hơn sơ đồ CL từ.
c/
Sơ đồ cầu không đối xứng:
10- 10 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.

T1
T3 T5
T2
T4
T6
Rkt
Lkt
( Lkt>>Rkt )
La
Lb
Lc
Ua
Ub
Uc

Sơ đồ gồm hai nhóm:
- Nhóm mắc Katot chung gồm (T

1
, T
3
, T
5
)
- Nhóm mắc Anot chung gồm (P
2
, P
4
, P
6
)
Do L >> R -> dòng tải là liên tục.
- Giá trị điện áp trung bình trên tải:
)cos1(
2
63
2
α
π
+= UU
d

- Giá trị trung bình của dòng chảy trong tiristor vadiot:
I
T
= I
d
= I

d
/3
- Giá trị điện áp ngược lớn nhất:
2max
6UU
ng
=



u

u
a
u
b
u
c
T
1
T
3
T
5
T
1
D
6
D
6

t
D
2
D
4

Id

I
d
11- 11 -



θ

T1
i
T1
T1
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.


θ


i
D4

θ


I
2a


θ



Nhận xét:
Chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng so với chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng quá trình
điều khiển đơn giản hơn. Nhưng điện áp chỉnh lưu có lúc bằng không. Do vậy mà có nhiều
thành phẩn sóng hài bậc cao.

Kết luận:
Với tải L>>R, Ud=115 (V), Id=320 (A) và qua các phân tích về ưu nhược điểm ở trên,
sinh viên thiết kế chọn sơ đồ cầu ba pha đối xứng. Bởi vì khi dòng điện tải lớn, điện áp tải
cao thì dòng điện trung bình chảy qua van nhỏ và điện áp ngược trên van nhỏ hơn so với sơ
đồ chỉnh lưu từ ba pha. Mặt khác, công suất tổn hao trên van với tải trên là rất nhỏ so với
công suất tải và hiệu suất sử dụng máy biến áp rất tốt. Do vậy ta chọn sơ đồ này. Tuy nhiên
sơ đồ này có nhược điểm là quá trình điều khiển phức tạp hơn.

3. Giới thiệu chung về mạch điều khiển
Muốn tiristor mở cho dòng điện chạy qua thì ta phải đặt lên anot của tiristor điện áp
dương, đồng thời đưa xung điều khiển vào cực điều khiển. Khi mà tiristor đã mở thì xung
điều khiển không còn tác dung và dòng điện chạy qua tiristor do tải quyết định.
a/ Chức năng của mạch điều khiển:

- Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ riêng của điện áp đặt
trên anot-catot của tiristor.
- Tạo được các xung đủ để điều khiển mở được tiristor (độ lớn của xung đủ lớn và độ
rộng xung vừa đủ để mở -> giảm công suất điều khiển).
Cấu trúc mạch điều khiển một tiristor được thể hiện ở hình dưới đây:

12- 12 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.

Đồng pha
TXRC SS
Tạo dạng
xung
KĐX
& BAX



Trong đó:
- ĐF: Khâu đồng pha
- TXRC: tạo xung răng cưa
- SS: Khâu so sánh
- KDX + BAX: Khâu khuyếch đại xung + Biến áp xung
a/ Các yêu cầu với mạch điều khiển:
Mạch điều khiển là một khâu quan trọng trong các bộ biến đổi vì nó quyết định đến
chất lượng và độ tin cậy của bộ biến đổi. Do vậy để đạt được chất lượng và độ tin cậy cao
của bộ biến đổi, nó phải thoả mãn các yêu cầu sau:
• Yêu cầu về độ lớn của xung điều khiển:
- Mỗi tiristor đều có một đặc tính là quan hệ giữa điện áp đặt trên cực điều khiển và dòng

điện chảy vào cực điều khiển. Quan hệ đó được biểu diễn trên hình vẽ sau:
- Do sai lệch về thông số chế tạo và điều kiện làm việc làm cho tiristor mặc dù cùng loại
cũng cõ đặc tính U
đk
= f(I
đk
) khác nhau.
- Với mỗi loại tiristor các đặc tính này dao động giữa hai đặc tính (1) và (2) về yêu cầu độ
lớn của điện áp và dòng điện điều khiển.





13- 13 -
t
x
=1000
μ
s
t
x
=100
μ
s
(2)
(1)
I
II
đường giới hạn

công suất điều khiển
0
U
đk
I
đk








Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.



Có 3 yêu cầu chủ yếu sau về dòng điện và điện áp điều khiển:
+ Các giá trị lớn nhất không vượt quá giá trị cho phép.
+ Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo cho tất cả các tiristor cùng loại làm việc được.
+ Tổn hao công suất trung bình ở cực điều khiển nhỏ hơn giá trị cho phép.
Trên hình vẽ ta thấy yêu cầu đối với mạch điều khiển là phải tạo ra được tín hiệu điều
khiển nằm trong vùng (I).
• Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển:
Thông thường độ rộng xung điều khiển lớn hơn 5 μs (t
x
=5÷10 μs đối với tiristor làm
việc ở tần số cao và t

x
= 50÷200 μs với tiristor làm việc ở tần số thấp) và tăng độ rộng của
xung điều khiển sẽ cho phép giảm nhỏ xung điều khiển (như hình vẽ). Khi mạch tải có điện
cảm lớn thì dòng tải tăng chậm nên ta phải tăng độ rộng của xung điều khiển. Độ rộng của
xung điều khiển được tính theo biểu thức:

dtdi
I
t
dt
x
/
=

Trong đó: I
dt
: dòng duy trì của tiristor.
di/dt: tốc độ tăng của dòng tải.

• Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung:
- Độ dốc sườn trước của xung càng cao thì việc mở tiristor càng dễ. Thông thường yêu
cầu độ dốc sườn trước của xung điều khiển là:

1,0≥
dt
dI
dk
A/μs.
- Độ dốc sườn trước của xung càng tăng thì đốt nóng cục bộ tiristor càng giảm.
• Yêu cầu về tính đối xứng của xung trong kênh điều khiển:

Trong các bộ biến đổi có nhiều pha, tính đối xứng của xung điều khiển rất quan trọng.
Nếu xung điều khiển mất đối xứng sẽ làm cho dòng anode ở các pha có hình dạng khác
nhau và giá trị khác nhau làm mất cân bằng sức từ động của máy biến áp. Do vậy, giảm
hiệu suất sử dụng của máy biến áp.
4. Lựa chọn phương án thiết kế mạch điều khiển
14- 14 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
Từ mạch lực và yêu cầu của xung điều khiển ta đi đến thiết lập sơ đồ khối cho mạch
điều khiển. Ta phải lựa chọn các mạch phù hợp cho từng khâu trong khối sao cho đạt được
tín hiệu điều khiển cần thiết:



đồng
pha
U
tựa
So
sánh
KĐX BAX
Máy phát
xung
U
đk

a/
Khâu đồng pha
Đây là khâu có nhiệm vụ xác định thời điểm mốc để tính góc mở α. Nó liên hệ chặt
chẽ về pha với điện áp lực. Bên cạch đó nó còn để cách li mạch điều khiển và mạch lực ở
đầu vào hệ điều khiển. Do vậy mà khối đồng pha có thể dùng biến áp để cách li hoặc dùng
phần tử otocupler (phototransistor).
- Trong khâu này ta chọn biến áp để cách li kết hợp với bộ khuếch đại thuật toán và diode
chỉnh lưu để taọ ra xung đồng bộ.

D1
D2
R1
R2
OP1
E+
E-
Rx1
Udk1

Sơ đồ mạch:
R
d
- Sở dĩ ta chọn sơ đồ trên là vì khi thay đổi giá trị của U
đk1
ta sẽ thay đổi được độ rộng của
xung đồng bộ.
b/
Khâu tạo U

tựa
Trong thực tế có rất nhiều mạch tạo ra U
tựa
. Ví dụ:
- Mạch chỉ dùng diode, tụ điện và điện trở ghép lại với nhau như hình 1.
15- 15 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
- Mạch dùng transistor và các linh kiện điện tử khác như hình 2.
- Mạch dùng khuếch đại thuật toán như hình 3.
R1
R2
D1
D2
C
+Ung
-Ung

Ung
θ
t
U
l
Hình 1.
R
CUdp
Ecc

Utựa
t

Hình 3.
Udp
Dz
C
E+
E-
Hình 3.
+E
t
Urc
Udp
t
Ở sơ đồ hình 1 ta có một mạch tạo U
tựa
tương đối đơn giản, dễ lắp đặt, rẻ tiền nhưng có
nhược điểm rất lớn là điện áp răng cưa trải dài quá 1/2 chu kì của điện áp lưới làm cho việc
xác định góc điều khiển từ điện áp răng cưa rất khó khăn.
16- 16 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
17- 17 -
Ở sơ đồ hình 2 mạch cũng khá đơn giản, điện áp tựa cũng trải ra cả 1/2 chu kì của điện
áp lưới nhưng do đóng mở transistor ở vùng lân cận không nên mạch hoạt động kém tin
cậy.
Ở sơ đồ hình 3 do khuếch đại thuật toán hoạt động có độ tin cậy cao nên tạo ra tín hiệu
U
tựa
có chất lượng rất tốt.

c/
Khâu so sánh
Khâu này có nhiệm vụ tạo ra góc điều khiển α (hay tín hiệu điều khiển dòng và áp ở
thời điểm yêu cầu). Sơ đồ này ta cũng dùng khuếch đại thuật toán.
d/
Khâu phát xung chùm
Trong thực tế có rất nhiều mạch và vi mạch điện tử có thể được dùng để tạo ra xung
chùm. Ví dụ như vi mạch timer 555.
Ở đây ta chọn khuếch đại thuật toán kết hợp với các linh kiện khác tạo ra khối phát xung
chùm với dạng xung mong muốn mà giá rẻ và chất lượng cao.
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.

Chương II
THIẾT KẾ MẠCH LỰC


Sơ đồ nhuyên lý:

T1
T3 T5
T2
T4
T6
Rkt
Lkt
( Lkt>>Rkt )
La
Lb
Lc

Ua
Ub
Uc


- Số liệu yêu cầu : U
d
= 75V ; I
d
= 320A
U
1
=380 V; f=50 Hz; R
kđ
= 0,8A
1. Tính toán chọn van
U
ng
=K
n
×U
2f

Trong đó :
56
34,2
130
34.2
0
2

===
d
f
U
U
V và
6=
n
K

- Suy ra:
137566 =×=
ng
U V
Để van làm việc an toàn người ta thường chọn hệ số dự trữ cho van là K
dt
=1,6÷2.
- Do đó: U
ngmax
= K
dt
×U
ng
= 2×137 = 274 V
- Dòng điện trung bình chảy qua van:

7,106
75
1024
3

1
33
1
3
=
×
×==→==
d
vtb
d
v
I
IK
I
I
A
Để van làm việc an toàn thì chọn : I
vmax
= 4×I
v
-Suy ra: I
vmax
= 4×106,7 = 426,8 A
Từ các số liệu trên ta chọn van như sau:
Tiristor KH: ST280CH04C0 có các thông số sau:
U
ngmax
= 400 V;
18- 18 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công

suất.
I
vmã
= 500 A;

I
G
= 150 mA; (dòng điện điều khiển)
ΔU
v
= 1,4 V;
2. Tính toán các thông số điện áp, dòng điện và công suất máy biến áp
+ Công suất biến áp nguồn được tính bởi:
S
ba
= K
s
.P
d
= 1,05.24.10
3
= 25,2 KW;
+ Điện áp các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp:
- Điện áp thứ cấp được tính bởi:

56
34.2
0
2
==

d
U
U
V;
- Điện áp sơ cấp bằng điện áp pha nguồn cấp (220 V)

+ Dòng điện các cuộn dây:
- Dòng điện của cuộn thứ cấp:
I
2
= K
2
.I
d
= 0,82.320 = 262,4 A
- Dòng điện của cuộn sơ cấp:
I
1
= K
ba
.K
1
.I
d
=
1
2
U
U
.0,82 . 320 = 66,8 A

Ta tiến hành chọn máy biến áp với các thông số trên.
3. Tính toán mạch từ MBA
Chọn mạch từ 3 trụ tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức:

fc
S
KQ
ba
×
×=

Trong đó :
k: Hệ số kinh nghiệm (thường lấy K=5,8÷6,4).Với MBA khô lấy K=6.
c: Số trụ (c=3).
f: tần số (f=50 Hz).
S
ba
: Công suất biểu kiến MBA (VA).
Thay số vào ta có :

)(8,77
503
102,25
6
3
3
cmQ =
×
×
×=

Chọn Q=78 (cm
2
)
19- 19 -
Ta chọn mạch từ : làm bằng tôn silic ∋ 310 có bề dày là 0,35 mm
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
tỷ trọng γ
b
=75 kg/dm
3
tổn hao p=1,3 w/kg. Bề dày lá tôn silic ∋ 310 : 0,35(mm)
a- Tính toán chiều cao sơ bộ của trụ :
Dựa vào công thức kinh nghiệm:

β
π
π
hq
T
l
×
×=
4

Trong đó :
+T
hq
:Tiết diện hiệu quả T
hq

=Q.
+β :là hệ số quan hệ giữa chiều cao và chiều rộng của biến áp, thường bằng
1,15÷1,35.Ta chọn β=1,2.
- Suy ra :

)(26
2,1
14,3
78
4
14,3 cml =
×
×=

b/ Tính trọng lượng của trụ:
G
t
=c×S
T
×γ
b
×l
Trong đó : +c: Số trụ (c=3).
+S
T
: Tiết diện trụ: S
T
=Q=78 (cm
3
).

+γ
b
: Tỷ trọng tôn silic (γ
b
=7,5kg/dm
3
).
Vậy trọng lượng của trụ là :
G
T
=3×0,78×7,5×2,6=45,6 (kg).

c/ Tính gông:

20- 20 -


2 2
2
1
1

1
b
l l


a
a

a


l
G
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
Chọn a=9,5 cm
2
.
l
G
= 26x2 -9,5 = 42,5 (cm)
T
G
=Q=78 (cm
2
).
Trọng lượng gông:
G
g
=t×T
G
×γ
b
×l
G
Trong đó:
t: Số gông (t=2)

T
G
: Tiết diện gông.
γ
b:
: Tỷ trọng tôn silic.
l
G
: Chiều dài của gông.
Thay số vào ta có :
G
g
= 2×0,78×7,5×4,35=50 (kg).
Trọng lượng lõi thép MBA:
G=G
T
+G
g
=45,6+50=95,6 (kg).
d/ Số lá tôn:
-Số lá trụ :
704
1035,05,9
78
3
1
=
××
×
−

(lá)
-Số lá chắn đầu ngắn:
470
1035,05,9
78
2
1
=
××
×
−
(lá).
-Số lá chắn đầu dài:
235
1035,05,9
78
1
1
=
××
×
−
(lá).
21- 21 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.

CHUONG III
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

1. Tính toán khâu đồng pha và nguyên lý hoạt động của mạch.

R1
R2
R3
RX1
OP1
+E
-E
D1
D2
+E
220V
a
a'
BADF
( II )
Ung

a.
Nguyên lý hoạt động:

Khi sơ cấp của MBA đồng pha được nối vào lưới điện (hình trên chỉ vẽ 1 pha của MBA
đồng pha). Lúc này thứ cấp của MBA xuất hiện hai điện áp U
a0
và -U
a0
có độ lớn bằng nhau
nhưng ngược dấu. Khi trong nửa chu kì đàu tiên điện áp đặt lên D1 dương ( >0,7 V) và điện

ápđặt trên D2 âm. Kết quả là D1 dẫn còn D2 khoá. Trong nửa chu kì sau điện áp đổi cực
tínhdo vậy mà lúc này D1 khoá còn D2 dẫn. Các diode D1, D2 dẫn và khoá cùng với sự
thay đổi của điện áp thứ cấp làm cho điện áp cửa vào không đảocủa khuyéch đại thuật toán
OP1 là nửa hình sin dương trong cả chu kì. Điều chỉnh R
x1
để thay đổi điện áp U
ng1
vào cửa
đảo của OP1. Nếuđiện áp vào cửa không đảo U
I
>U
ng1
thì U
D
=(U
I
-U
ng1
)>0. Suy ra điện áp
ra của OP1 là U
II
>0 (U
II
=(E-2)V ) và ngược lại nếu U
D
=(U
I
-U
ng1
)< 0 thì U

II
=-( E-2) V. Vì
vậy mà điện áp ra có dạng xung chữ nhật như hình vẽ.

Time [s]
0.00
20.00m 40.00m 60.00m
Output vol tag e [V]
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
Dien ap dong pha sau chinh luu







22- 22 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.




Time [s]
0.00

10.00m 20. 00m 30.00m 40.00m 50.00m 60. 00m 70.00m
Output vol tag e [V]
-20.00
-10.00
0.00
10.00
20.00








b. Tính toán khối đồng pha
Vì f=50Hz nên: T=
50
1
= 0,021 s = 20 ms.
Do đó trong nửa chu kì của điện áp lưới ta phải tạo ra điện áp răng cưa sao cho :
t=t
p
+ t
n
=0,01 s
Trong đó :
+ t
p
:Thời gian phóng của tụ điện ;

+ t
n
:Thời gian nạp của tụ điện.
Trong thực té tính toán để có dải đièu khiển lớnn từ 0÷U
dđmax
thì t
n
<< t
p
hoặc là t
p
<< t
n
.
-Trong khuôn khổ của đồ án ta chọn t
n
<< t
p
cụ thể là:
t
n
= 0,5 ms.
t
p
= 9,5 ms.
-Với t
n
=0,5 (ms) ta phải điều chỉnh R
x1
sao cho :

01 ang
UU
=
.
Trong đó

(
)
tU
a
ω
sin212
0
=

→
(
)
03
1
9sin212105,0502sin212 =×××=
−
π
ng
U

→
)(65,2
1

VU
ng
=

-Vì dòng yêu cầu vào OP1 nhỏ nên chọn R
1
=R
2
=10 (kΩ).
Chọn R
3
=1(kΩ).Ta có:
23- 23 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.

)(66,4
15
65,2
1
13
3
13
3
1
Ω=→
+
×
=
+

×
== kR
RR
R
RR
ER
U
x
xx
ng

Cuối cùng ta chọn :R
x1
=0÷10 (kΩ) và điều chỉnh để R
x1
=4,66 (kΩ).
+ Chọn D1,D2:
- Gọi I
d
là dòng chảy qua tải R
d
( chọn R
d
=56 Ω ).Ta có:

)(2,0
56
129,0
A
R

U
I
d
d
d
=
×
==

Chọn I
lv
=25%.I
đmv
(dòng làm việc của van bằng 25% dòng điện định mức của van).
→ I
đmv
=4×I
lv
=4×0,2=0,8 (A).
- Điện áp ngược trên van :

34122222 =×=×=
abng
UU (V).
Với hệ số dự trữ là k=2 thì U
ngmax
=34×2=68 (V).
Chọn D1và D2 là loại D-1001 với I=1 (A) và U
ngnãx
=200 (V).

+ Tính dòng điện chạy ở thứ cấp của máy biến áp đồng pha:
I
3
=0,58×I
d
=0,116 (A).

2. Khâu tạo điện áp răng cưa

C1
DZ
OP2
+E
-E
R4
R5
D3
RX2
R6
+E
( II )
( III )



a/ Nguyên lý hoạt động
Điện áp đồng pha U
II
được đưa vào cửa đảo của khâu tạo điện áp răng cưa. Do điện áp
ra của khuếch đại tuyến tính phụ thuộc vào quan hệ:

24- 24 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công
suất.
U
ra
= K
0
. (-U
II
+ U
+
)
Trong đó: U
+
là điện áp đặt ở cửa không đảo;
K
0
là hệ số khuếch đại của bản thân OP2 và K
0
là rất lớn.
Khi U
II
< 0 thì D3 thông dẫn đến U
D
= ( U
+
- U
II
) > 0

Suy ra U
III
> 0 và tụ C1 được nạp thông qua R5 và D3 về OP1 với dòng nạp:
I
C
= I′
2
- I
2
Trong đó: I
C
, I′
2
, I
2
, được kí hiệu như trên hình vẽ.

2424
2
15
xx
RRRR
E
I
+
=
+
=

55
3
'
2
5,13
0
RR
UU
I
DII
=
Δ+−
=
;
Với: ΔU
D3
là điện áp rơi trên D3. Chọn bằng 0,5 V
U
dII
= (E- 2)= 13 V
Điện áp U
III
chính là điện áp trên tụ C1
U
r
= U
C
=
∫∫
+

−= dt
RRRC
dtI
C
X
C
)
155,13
(.
1
.
1
24511

U
r
= U
C
=
1245
).
155,13
(
C
t
RRR
X
+
−

- Diot ổn áp D
Z
có nhiệm vụ không cho điện áp trên tụ nạp quá U
DZ
. Chọn loại Diod có
U
DZ
= 10V
Nếu gọi t
n
là thời gian nạp của tụ thì ta có phương trình sau:
U
Z
=
1245
).
155,13
(
C
t
RRR
n
X
+
−

Khi U
II
>0 → D
3

khoá → U
ra
= 0 → tụ C sẽ phóng điện về âm nguồn của OP
2

Với dòng điện phóng I
p
=
24 X
RR
E
+

Điện áp trên tụ giảm dần theo hàm :
U
r
= U
Zp
=
DZ
X
DZ
X
U
CRR
t
Udt
CRR
∫
+

+
−
=+
+
−
124
1
24
).(
15
).(
15

Gọi t
p
là thời gian phóng của tụ điện ta có :
U
r
=
DZ
X
p
U
CRR
t
+
+
−
124
)(

15
(2)
với U
DZ
=10V và t
p
=9,5ms như đã chọn, từ (2) ta có:
25- 25 -