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
Trờng đại học bách khoa Độc lập-Tự do-Hạnh phúc
Hà nội ====0====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
= 0,8
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 phơng pháp điều
khiển kích từ của động cơ đồng bộ ba pha.
2. Giới thiệu chung về chủng loại thiết bị đợc 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 lu điều khiển
3.3. Tính toán khối khâu lọc
3.4. Tính toán khối khâu phản hồi điện áp

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
Ch ơng 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 ca 24
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 đợc 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 đợc phát triển hết sức mạnh mẽ.
- Tuy nhiên để đáp ứng đợc 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 u nhất. Đặc biệt với
chủ trơng công nghiệp hoá-hiện đại hoá của Nhà nớc, các nhà máy, xí nghiệp cần phải thay
đổi, nâng cao để đa công nghệ tự động điều khiển vào trong sản xuất. Do đó đòi hỏi phải
2- 2 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
có thiết bị và phơng pháp điều khiển an toàn, chính xác. Đó là nhiệm vụ của ngành điện tử
công suất cần phải giải quyết.
Để giải quyết đợc vấn đề này thì Nhà nớc ta cần phải có đội ngũ thiết kế đông đảo và tài
năng. Sinh viên ngành TĐH tơng lai không xa sẽ đứng trong độ ngũ này, do đó mà cần phải

Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
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 nh trong mạch roto.
Để hạn chế dòng điện, có thể dùng cách giảm điện áp bằng biến áp tự ngẫu hoặc dùng
cuộn kháng. Ngời ta rất ít dùng điện trở phụ để hạn chế dòng điện vì tổn thất năng lợng lớn
và chỉ tiêu chất lợng 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 đợc 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 đợc 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 đợc.
b/ Cách nối thứ hai :
Dây quấn kích thích đợc 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 hởng đến
dòng điện stato làm khó khăn cho quá trình kéo vào đồng bộ. Để hạn chế ảnh hởng của dòng
điện kích thích trong qúa trình khởi động không đồng bộ ngời 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
.
Ngợc lại nếu kích thích hình thành quá chậm thì quá trình khởi độnh không đồng bộ kéo

Những thay đổi lớn của tải mà kích thích vẫn không đợc điều chỉnh theo có thể gây nên
dao động lớn về tốc độ và có khả năng đa 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 đợc
giao.
I.2. Đề xuất các phơng án tổng thể, phân tích u, nhợc điểm của
từng phơng án để đi đến lựa chọn một phơng 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 lu (CL) với lới điện xoay chiều.
b/ Chỉnh lu 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 đa 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 trớc biến áp lực.
2. Chọn phơng án chỉnh lu
Trớc hết, chúng ta phân loại chỉnh lu thành các loại sơ đồ sau và xét u nhợc điểm của
chúng:
Các phơng án thiết kế mạch lực:
Số liệu yêu cầu: Vd=115 (V), Id = 300 (A)
Tải của kích từ: W * Nguyên lý hoạt động:
Khi điện áp trên một van nào đó trong ba van mà dơng 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 cha mở.
Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
- Giá trị điện áp ngợc trên van:

2
.6 UU
ng
=
- Dòng điện trung bình chảy qua thiristor:
I
T
= I
d
/3
- Công suất của máy biến áp:
6- 6 -


cos.17,1cos
2
63
22


T1
T3 T5
T2
T4
T6
Rkt
Lkt
( Lkt>>Rkt )
La
Lb
Lc
Ua
Ub
Uc
Đồ thị điện áp và dòng điện:

7- 7 -
IT1
IT4
i
T4
I
2a



u
a
u

2
63
22
UUU
d
==
- Giá trị điện áp ngợc 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 lợng điện áp tốt.
- Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt do dòng điện chạy trong van đối xứng.
- Điện áp ngợc trên van là lớn nhng do U
do
=2,34U
2
-> nó có thể đợc sử dụng với
điện áp khá cao.

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


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

6
t
u

Id

T1
i
T1
I
d
i
D4
I
2a



T1

I2
a

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

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

xung
KĐX
& BAX

Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
- 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.
Có 3 yêu cầu chủ yếu sau về dòng điện và điện áp điều khiển:
+ Các giá trị lớn nhất không vợt quá giá trị cho phép.
+ Giá trị nhỏ nhất cũng phải đảm bảo cho tất cả các tiristor cùng loại làm việc đợc.
+ 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 đợc tín hiệu điều khiển
nằm trong vùng (I).
Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển:
Thông thờng độ rộng xung điều khiển lớn hơn 5 às (t
x
=5ữ10 às đối với tiristor làm việc ở
tần số cao và t
x
= 50ữ200 às với tiristor làm việc ở tần số thấp) và tăng độ rộng của xung
điều khiển sẽ cho phép giảm nhỏ xung điều khiển (nh 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 đợc tính theo biểu thức:


I
II
đ ờng 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.
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 phơng án thiết kế mạch điều khiển
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 đợc tín
hiệu điều khiển cần thiết:
a/ Khâu đồng pha
Đây là khâu có nhiệm vụ xác định thời điểm mốc để tính góc mở . 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 lu để taọ ra xung đồng bộ.

D1
D2
R1

R
d
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
- Mạch dùng khuếch đại thuật toán nh hình 3.
R1
R2
D1
D2
C
+Ung
-Ung
Hình 1.
R
CUdp
Ecc
Hình 3.
Udp
Dz
C
E+
E-
Hình 3.
ở sơ đồ hình 1 ta có một mạch tạo U
tựa
tơng đối đơn giản, dễ lắp đặt, rẻ tiền nhng có nhợc
điểm rất lớn là điện áp răng ca trải dài quá 1/2 chu kì của điện áp lới làm cho việc xác định
góc điều khiển từ điện áp răng ca rất khó khăn.
ở sơ đồ hình 2 mạch cũng khá đơn giản, điện áp tựa cũng trải ra cả 1/2 chu kì của điện áp
lới nhng 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


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

= K
dt
ìU
ng
= 2ì137 = 274 V
- Dòng điện trung bình chảy qua van:

7,106
75
1024
3
1
33
1
3
=
ì
ì====
d
vtb
d
v
I
IK
I
I
A
Để van làm việc an toàn thì chọn : I
vmax
= 4ìI

3
= 25,2 KW;
+ Điện áp các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp:
- Điện áp thứ cấp đợc 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

)(8,77
503
102,25
6
3
3
cmQ =
ì
ì
ì=
Chọn Q=78 (cm
2
)
Ta chọn mạch từ : làm bằng tôn silic 310 có bề dày là 0,35 mm
tỷ trọng
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:




hq
T
l
ì
ì=

Trong đó : +c: Số trụ (c=3).
+S
T
: Tiết diện trụ: S
T
=Q=78 (cm
3
).
+
b
: Tỷ trọng tôn silic (
b
=7,5kg/dm
3
).
Vậy trọng lợng của trụ là :
G
T
=3ì0,78ì7,5ì2,6=45,6 (kg).
c/ Tính gông:
Chọn a=9,5 cm
2
.
l
G
= 26x2 -9,5 = 42,5 (cm)
T
G
=Q=78 (cm
2

=45,6+50=95,6 (kg).
d/ Số lá tôn:
-Số lá trụ :
704
1035,05,9
78
3
1
=
ìì
ì

(lá)
17- 17 -
a
l
b
l
G
a
2

1
2

1
a

1


18- 18 -
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 đợc nối vào lới 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 nhng
ngợc dấu. Khi trong nửa chu kì đàu tiên điện áp đặt lên D1 dơng ( >0,7 V) và điện ápđặt trên

II
=-( E-2) V. Vì vậy mà điện áp ra có dạng
xung chữ nhật nh hình vẽ.
19- 19 -
T ime [s]
0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m 70.00m
Output vol tage [V]
-20.00
-10.00
0.00
10.00
20.00
T ime [s]
0.00 20.00m 40.00m 60.00m
Output voltage [V]
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
Dien ap dong pha sau chinh luu
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
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 lới ta phải tạo ra điện áp răng ca sao cho :
t=t
p

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

sin212
0
=

( )
03
1
9sin212105,0502sin212 =ììì=


ng
U


== kR
RR
R
RR
ER
U
x
xx
ng

Cuối cùng ta chọn :R
x1
=0ữ10 (k) và điều chỉnh để R
x1
=4,66 (k).
+ Chọn D1,D2:
- Gọi I
d
là dòng chảy qua tải R
d
( chọn R
d
=56 ).Ta có:

)(2,0
56
129,0
A
R
U

20- 20 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
+ Tính dòng điện chạy ở thứ cấp của máy biến áp đồng pha:
I
3
=0,58ìI
d
=0,116 (A).
2. Khâu tạo điện áp răng ca

C1
DZ
OP2
+E
-E
R4
R5
D3
RX2
R6
+E
( II )
( III )
a/ Nguyên lý hoạt động
Điện áp đồng pha U
II
đợc đa vào cửa đảo của khâu tạo điện áp răng ca. Do điện áp ra của
khuếch đại tuyến tính phụ thuộc vào quan hệ:
U
ra

2
- I
2
Trong đó: I
C
, I
2
, I
2
, đợc kí hiệu nh trên hình vẽ.

2424
2
15
xx
RRRR
E
I
+
=
+
=55
3
'
2
5,13
0

)
155,13
(.
1
.
1
24511
U
r
= U
C
=
1245
).
155,13
(
C
t
RRR
X
+

21- 21 -
Đề tài: Thiết kế mạch tự động kích từ cho động cơ đồng bộ Điện tử công suất.
- Diot ổn áp D
Z
có nhiệm vụ không cho điện áp trên tụ nạp quá U
DZ
. Chọn loại Diod có
U

=
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

X
p
U
CRR
t
=
+
124
)(
15

10
)(
10.5,9.15
124
3
=
+

CRR
X
(R
4
+ R
X2
)C
1
= 14,25.10
-3
(3)


CR

3
15
10.20
.
5,13
=
CR
R
5
C
1
= 0,675.10
-3
chọn C
7
= 0,47àF R
5
= 1,43(K) , chọn R
5
= 1,5(K)
từ (3) chọn R
4
= 10(K)
ta có: (10.10
3
+ R
X2

= 15 V; U
dF
= 30 V; K
o
=5.10
6
; P
1
=100 mW;
[t]=55ữ125
0
C; I
ra
=25 mA; E
n
=15 V; Z
ra
=60 ; Z
vào
=300 K;

5,0=
dt
du
V.
D
3
: D-1001 có các thông số :
I = 1A ; U
ng

a/ Nguyên lý hoạt động
Điện áp răng ca đợc đa vào cửa đảo của OP3.
- Khi U
D
= (U
dk2
-U
III
) > 0 thì U
IV
= (E-2) (V)
- Khi U
D
=(U
dk2
-U
III
) < 0 thì U
IV
= - (E - 2) V
Kết quả là ở đầu ra của khuếch đại thuật toán OP3 có một dãy xung vuông liên tiếp.
-U
ph
là tín hiệu lấy về từ chiết áp (đợc nối song song với điện trở và điện kháng kích từ).nó có
tác dụng ổn định chế độ làm việc của động cơ: cụ thể khi điện áp kích từ vào động cơ giảm
23- 23 -
T ime [s]
0.00 20.00m 40.00m 60.00m
Output vol tage [V]
-10.00

= R
6
= 10 K.
- Vì =55
0
nên điện áp răng ca ra là tuyến tính: U
rcmax
=10 V
Suy ra:

710
180
125
180
)55180(
max
0
00
2
=ì=ì

=
rcdk
UU
V
Với
38
8
2
)215(

= 3ữ22V; U
nF
= 15 V; U
dF
= 30 V; K
o
=5.10
6
; P
1
=100 mW;
[t]=55ữ125
0
C; I
ra
=25 mA; E
n
=15 V; Z
ra
=60 ; Z
vào
=300 K;

5,0=
dt
du
V.
24- 24 -
T ime [s]
0.00 20.00m 40.00m 60.00m

= 0 ta có U
d
= U
ph
-

U
C2
= 0 điện áp ra của khuyếch
đại thuật toán OP4 là U
V
=0 , ta tiến hành nạp cho tụ C
2
một điện áp U
C2
<0. Khi đó U
d
= U
ph
-
U
C2
>0 tín hiệu ra của OP4 là U
V
đạt tới trạng thái dơng bão hoà và C
2
đợc nạp điện theo
chiều ngợc lại so với chiều mà ta nạp cho C
2
lúc đầu , tụ C2 đợc nạp tới trị số :

Output vol tage [V]
-7.00
-3.50
0.00
3.50
7.00
xung chum
T ime [s]
0.00 500.00u 1.00m 1.50m 2.00m
Output vol tage [V]
-4.00
-2.00
0.00
2.00
4.00
Do thi dien ap tren C2